用微生物生产聚羟基烷酸酯类的方法技术

用于同时选择和维持选择的微生物聚生体以便仅在一步中进行聚羟基烷酸酯类(PHA)生产的方法，所述微生物聚生体被饲喂至少一种易于可生物降解的碳底物，该方法包括在混合的生物反应器中对所述微生物聚生体进行需氧培养的第一步。根据本发明专利技术，在所述第一步需氧培养中以目标值固定所述微生物聚生体的比细胞生长速率μ1，且所述需氧培养的第一步在营养限制下进行，例如易于可生物降解的碳底物摄取速率qS1与所述固定的比细胞生长速率μ1不平衡。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】【专利说明】1.专利
本专利技术涉及用于从包含各种微生物的天然来源选择产生聚羟基烷酸酯(PHA)的微生物的方法。本专利技术还涉及用于通过这样的选定的微生物生产PHA的方法。2.现有技术通过聚合有机单体、最常见的是来源于石油化学制品的单体制造塑料。然而，油正在变得稀有，塑料生产促成了温室气体排放和气候改变，以及进而塑料在环境中的大量蓄积，它们对于天然降解而言非常难以应对，代表了显著的担忧。因此，已经研发了生物塑料的生产方法作为替代。这些可替代方法之一涉及用微生物生产基于生物的聚合物，如聚羟基烷酸酯类(PHA)，它们随后可以用作生物塑料生产的原料。产生PHA的微生物包括野生型天然PHA生产者(例如钩虫贪铜菌(Cupriavidus necator));重组生物体，例如修饰的大肠杆菌(E.coli);乃至微生物聚生体，例如存在于生物废水处理系统中的那些。在不平衡的生长条件下，细菌通过合成PHA储存过量的胞内备用形式的碳。胞内PHA颗粒随后可以用作细胞的碳和能量来源。可以通过设定相对于细胞生长速率过量的碳摄取流量、导致营养或电子受体限制或胞内生长需求缺乏(暴露于长期饥荒期限后)生成这样的不平衡条件。PHA属于羟基烷酸酯单体的直链聚酯类的家族，所述羟基烷酸酯单体根据其组成展示出不同的和有意义的热和机械特性。特别地，PHA组合物显著地依赖于用作PHA蓄积的底物的碳源和细菌菌株。其中，它们是热塑性的、延伸性的、或多或少弹性的、UV稳定的且显示对于水和空气的低渗透。因此，PHA看来是用于替代常用的聚烯烃类如聚丙烯的极为富有希望的解决方案。生物塑料可以被定义为基于生物的，即由可更新的和天然的原料制成；和/或可生物降解的塑料。一些目前可利用的生物塑料是基于生物的，但不可生物降解(例如基于淀粉的具有石油化学衍生的接枝物的聚合物)，然而也存在基于合成的聚合物，可以修饰它们以满足生物降解性标准。PHA具有基于生物的和可生物降解的优点，由此能够用于闭环生产-利用-处理生命周期。此外，当它们既是基于生物的，又是可生物降解的时，PHA允许短的产品生命周期:这对于单一应用而言是理想的，其中产品被污染(例如废物收集)；或直接接触天然环境的应用。其生产可以被视为可持续的。由于所有这些原因，PHA引起了学术界和化学工业的巨大关注。迄今为止已经提出了两个主要策略用于微生物PHA生产并且可以将其分类为:-使用野生型或遗传修饰的有效生产PHA的菌株的纯培养系统和通常高成本的单一碳底物(例如葡萄糖、蔗糖或玉米浆)的工业化生物技术方法；和-使用混合的培养系统或由不同微生物菌株组成的微生物聚生体的环境生物技术方法，所述微生物选自天然来源以富含在储存PHA的生物体中。这些菌株能够在预处理阶段后利用复杂的原料(例如工业废弃物和副产物，特别是液体流出物形式)。通常，预处理阶段是产酸的发酵步骤，以便在挥发性脂肪酸(VFA)中富含流出物，VFA是用于PHA储存的足够的前体)，作为用于PHA蓄积的碳来源。纯培养系统的一个实例公开在专利申请US-5871980-A中。该申请涉及通过在补料分批反应器中培养富养产碱菌(Alcaligenes eutrophus)来生产PHA的方法。不连续补料分批方法通常包括两个连续的期:I)用于细胞生长最大化的期(在无限制生长条件下)，以便增加细胞密度和由此使产率最大化；2)用于在限制性营养条件下PHA蓄积的期。根据这种技术，在无菌条件下培养细菌，以防止接种的非PHA产生菌株污染且由此使在底物上的PHA产率、PHA含量最大化并且还可以控制PHA质量。实际上，非储存生物体的污染将会导致底物消耗中的竞争，所得到的每一生物质中的最终PHA比例的稀释以及产生的PHA的异质性。在该对比文件中，C/P重量比在生长期间为40-100，并且在蓄积阶段期间为300 - 600。纯培养系统确保细胞中的高PHA含量和高PHA产生速率(至多2，86g/L/h)。然而，在无菌条件下操作因高能量需求而显著地增加了生产成本。此外，所用的碳原料也构成了重要的成本因素(约占总PHA生产成本的40% ) 。使用这些方法的平均PHA生产成本随后为由石油化学制品制成的常规塑料价格的4 一 9倍。这项技术的另一个缺点在于通常使用食物作物作为用于PHA蓄积方法的碳原料(例如玉米糖或菜籽油)。基于农业的专用于燃料、化学品和聚合物生产的作物的应用可以导致对自然资源的压力和对于耕作土地的恶性竞争增加。总之，尽管相对于聚烯烃类存在高技术替代的可能性，但是由纯培养系统生产的PHA仍然无法抵抗常规塑料的成本竞争。为了克服这些缺陷，已经提出了混合的培养系统，如盛宴和饥荒法。根据各种文献来源，盛宴和饥荒系统包含两个随后的步骤:I)来自第一种接种物的PHA产生微生物的选择步骤，所述微生物包括在连续模式下，最常见地在排序分批反应器(SBR)中操作的各种微生物；和2)使用选定的微生物聚生体以补料分批模式进行的PHA蓄积步骤。该方法的名称来源于所述选择步骤，其通过改变盛宴和饥荒条件进行。每一 SBR操作循环由盛宴期和饥荒期组成。每一 SBR循环在于在需氧条件下在发酵的工业化流出物或刺激这样的流出物的培养基中培养微生物。该期称作盛宴期，在此期间，碳源(典型地是挥发性脂肪酸VFA)可完全利用，在盛宴期后是无可利用的外部碳源的期，但其中除所述碳源外的营养物可在非限制条件下利用(饥荒期)。换句话说，微生物在盛宴期过程中使用外部碳源以合成PHA且随后可以使用储存的PHA用于细胞生长和/或维持饥荒期过程中的需求。这种选择步骤的目的特别地在于选择PHA储存微生物与非PHA储存的微生物。更具体地，所施加的盛宴和饥荒条件对于储存PHA的生物体产生两个竞争性优势:在盛宴期过程中因驱动对于PHA储存的过量碳摄取的可能性和在饥荒期过程中逐步适应储存的PHA的可能性而导致的较快的底物摄取。后面的优势依赖于选择阶段中的过量营养物条件，使得在饥荒期过程中能够实现细胞生长。在这种类型的混合的培养系统中，存在两种类型的盛宴和饥荒过程:-常规类型的盛宴和饥荒方法，其中使微生物培养物进行交替盛宴和饥荒条件，且其中碳相对于非碳的营养物而言使受限的。这些系统(尽管富含产生PHA的生物体(涉及PHA产生者与总细菌至多88%的比例)) —般在微生物组成方面是相对不同的，其通常包含PHA产生者和非产生者且通常包含一种以上产生PHA的种类。此外，一些出版物报道了随操作时间的延续群体结构的显著性改变:尽管PHA储存功能得以维持，但是不同群体的相对部分可变。-专利申请EP2135954 Al中所述的盛宴和饥荒系统。根据该对比文件，将较强的选择压力在选择步骤过程中施加于生物质。特别地，这种强力选择阶段通过合并在盛宴和饥荒条件上的两个附加压力与过量的营养物与碳比实现:(I)缩短饲喂期限和延长饥荒期(甚至得到低于通常对盛宴和饥荒系统报道的盛宴与饥荒比，即低于0.1);和(2)对每一生物质停留时间施加少量操作循环，将其与长饥荒期合并促使细胞再更新以便完全依赖于PHA合成。然而，这种方法仍然包含两个步骤。一般而言，基于盛宴和饥荒的方法因需要两步法(其中给PHA蓄积步骤(第二步)接种第一步(选择步骤)中产生的生物质)而具有明显低于纯培养方法的产率。这意味着蓄本文档来自技高网...

【技术保护点】
用于同时选择和维持选定的微生物聚生体以便进行聚羟基烷酸酯类(PHA)生产的方法，所述微生物聚生体被饲喂至少一种易于可生物降解的碳底物，该方法包括在混合生物反应器中对所述微生物聚生体进行需氧培养的第一步；其中在所述需氧培养的第一步中将所述微生物聚生体的比细胞生长速率μ1固定在目标值，并且所述需氧培养的第一步在营养限制下进行，例如易于可生物降解的碳底物摄取速率qS1与所述固定的比细胞生长速率μ1不平衡。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：M·阿尔布开克，S·德雷里斯，JL·尤里内拉雷亚，E·鲍尔，E·格鲁斯奥，
申请(专利权)人：威立雅水务解决方案与技术支持公司，
类型：发明
国别省市：法国;FR