溶剂生产制造技术

本发明专利技术涉及一种用于在单阶段工艺中使用单相产溶剂梭菌生产溶剂的工艺和系统。更具体而言，所述工艺和系统涉及使用培养容器来培养单相产溶剂梭菌，其中，通过增加控制量的培养基和/或去除控制量的溶剂，监控和优化所述梭菌的细胞生长。所述工艺和系统尤其可用于生产丁醇、丙酮以及乙醇等溶剂。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种用于在单阶段工艺中使用单相产溶剂梭菌（solventogenic Clostridia)生产溶剂的工艺和系统。更具体而言，所述工艺和系统涉及使用培养容器来培 养单相产溶剂梭菌，其中，通过增加控制量的培养基和/或去除控制量的溶剂，监控和优化 所述梭菌的细胞生长。所述工艺和系统尤其可用于生产丁醇、丙酮以及乙醇等溶剂。
技术介绍
丁醇发酵工艺使用基于可再生生物基原料，并且通常称为在其主要化学产品之后 的丙酮、丁醇以及乙醇（ABE)发酵。发酵于1916年在英国首先商业化，并且于第一次和第 二次世界大战期间在全球传播，主要用于生产军需品的丙酮和涂料漆的丁醇。在20世纪50 年代努力在成本上与石油衍生的等同物竞争时，该工艺在美国和欧洲失宠，但是在中国、俄 罗斯以及南非依然存在，直到20世纪80年代。如今，由于更高的油价、对石油供应的关注 以及对温室气体（GHG)排放的环境关注，所以ABE发酵可能再次商业化。具有更廉价、更具 可持续性以及环保的化学品的发酵路线，具有代替石油衍生的丁醇、丙酮以及氢气的可能。 实际上，在中国投资新工厂，刺激了对生物丁醇的全球需求。迄今为止，投入了超过$200m， 产生了 0. 3M t/yr装机溶剂容量，计划扩大为1M t/yr。 几十年来，实践了用于发酵糖蜜和/或淀粉的传统的批式工艺（batch processes)，以生产 ABE (Jones, D. Τ· and Woods, D. R. (1986) Microbiol. Rev. 50:484-524) 〇 通常，批式发酵在72个小时内产生约18g/L溶剂。发酵时间比较长，因为其在两个不同的 阶段（双相）中发生：第一相是造成产生酸和pH降低的生长阶段；第二阶段是生存阶段，在 该阶段，酸再次吸入溶剂内，以中和pH。细胞也准备用于孢子形成。在新陈代谢内的切换 (switch in metabolism)由在发酵液内的酸浓度和/或pH的降低触发。与酵母乙醇发酵 相比，最终的溶剂滴定度较低，并且这造成低体积生产力（18/72,其等于约0. 25g溶剂/L/ hr)。溶剂滴定度由可以发酵的较低量的糖限制。低溶剂生产力是传统批式工艺的主要缺 点，并且进行了多次尝试，来克服这个限制。已经开发了对批式培养工艺的改进，包括尝试 提高溶剂滴定度或者减少发酵时间的分批补料工艺，但收效甚微。 由于通过批式发酵获得的低生产力，所以提出了单阶段连续工艺（例如，Jones and Woods (1986)，supra)，其目的在于提供供料培养基（feed media)的连续流，以便长 达在几周的时间内实现接近最大生长率的生长率，从而提供改进的溶剂生产率以及减少 的停机时间。然而，实际上，这难以通过双相产溶剂梭菌实现，这是因为溶剂生产不与 生长直接链接，并且培养物通过较低的稀释率洗掉。在实验室规模演示了使用细胞循 环和/或固定以便从而在反应器内保持高细胞浓度的方法，但是这些方法难以在商业 规模上实现（例如，e. g. Qureshi&Maddox (I987)，Enz. Microb. Technol. 9 (11)，668_67 ; Maddox(1989)Gen. Eng. Rev. , 7, 189-220 ；Maddox et al. (1993)In:The clostridia and biotechnology, (eds)D. R. Woods, Butterworth-Heinemann, Boston. 343-369 ；Gapes et al. (1996)Appl. Env. Microbiol. 62:3210-3219) 〇 已经提出了基于双阶段或多阶段容器的其他连续配置，从而试图分离和控制双相 发酵，但是由于难以控制流速和相应的稀释率以尽可能增大溶剂生产力，所以尚无成功的 例子（见下文）。产酸和产溶剂细胞（acidogenic and solventogenic cells)的混合的 细胞群体在第一和第二阶段快速增强，在生长和溶剂形成中提供振荡。对于游离细胞悬 液，如果不控制流速，那么这通常造成培养物洗掉（如果生长减速）或者在低流速表现次 佳。此外，培养物往往快速退化，失去产生溶剂的能力（Woolley and Norris (1990) J.Appl. Bacteriol. 69:718-728 ；Jones and Woods, (1986)supra ；Kashket and Cao(1995), FEMS Microbiol. Rev. ,17,307-315 ;Afschar(1990) DE 3905624Al)〇Afschar(1990)提出了 用于生产丁醇和丙酮的双阶段糖蜜发酵工艺，该工艺的特征在于在第一阶段使用具有底 物限制的恒化器，以产生细胞。Mutschlechner 等人（J. Mol. Microbiol. Biotechnol. (2000) 2 (1) : 101-105)也提出了梭菌的双阶段连续培养。在这个工艺中，系统设计 为模仿批式培养物生长的两个阶段（通过使用第一阶段以便尽可能快速地产酸地 (acidogenically)生长细胞，然后，在"酸转折点（acid break point)"上将细胞转移给第 二阶段。第二容器更大，以提供充足的驻留时间，来完成溶剂生产。在这两个实例中，进入 第一和第二阶段的流速保持恒定，并且不响应于任何生长相关的信号（例如，pH或细胞密 度的变化）来调节。 也描述了双阶段连续培养，使用固定化生物体或细胞滞留（例如，Maddox et al. (1993)，supra ;Gapes et al. (1996)，supra)。这些作者使用固定的稀释率，并且描述了 固定方法，以在反应器内保持微生物，并且防止洗掉微生物。这些培养可以通过高稀释率和 生产力运行，但是相对于具有成本效益的回收，最终的溶剂浓度往往太低。而且，在这两个 实例中，溶剂滴定度和生产力广泛地振荡。固定的主要缺点是昂贵并且难以规模化。由于 支持基质（support matrices)的堵塞以及污染，所以长时间和/或使用具有微粒的原料的 操作具有问题。此外，这些系统易于污染并且难以保持无菌。 后续发酵工艺在中国也商业化了，其中，利用链接在一起的8个发酵罐，连续或循 序批式工艺得到使用。前两个容器（容器1和2)是生物质发生器（biomass generator)， 并且每24个小时连续再次播种新鲜的培养物（通过传统的种子培养）。一旦播种，生物质 发生器就连续供有底物（原料），在装满时，液体流向前进入（平行工作的）容器3和4。 然后，这两个容器供料（feed)发酵培养的剩余部分（rest of the fermentation train)， 该发酵培养由一系列依次连接的容器（通常是4个）构成，在这8个发酵容器内提供72h 的总工艺驻留时间。这个复杂的工艺围绕与丙酮丁醇梭杆菌相关联的双相性质（&限制） 而设计，这通常需要连续反复播种，以避免微生物退化（由于溶剂质粒的损失）。这个工艺 通过手动控制，对工艺波动快速作出反应的范围很小。在附&3皿(本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于生产溶剂的单阶段工艺，所述工艺包括以下步骤：(a)在培养容器内的液体培养基内培养单相产溶剂梭菌细胞；(b)在所述培养容器内监控所述单相产溶剂梭菌细胞的细胞生长；(c)将新鲜的培养基和/或营养素连续地或者半连续地引入所述培养容器内；(d)从所述培养容器中连续地或者半连续地去除包括溶剂的液体培养基的流或部分，并且将所述液体培养基传送给溶剂去除器；(e)在所述培养容器内保持或增大细胞密度；其中，通过控制以下因素，来调节和/或优化在所述培养容器内的细胞生长：(i)引入所述培养容器内的新鲜的培养基或营养素的量或速率；和/或(ii)从所述培养容器中去除的包括溶剂的液体培养基的量或速率。

【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：爱德华·格林，罗斯·帕特里克·西姆斯，卡尔阿克塞尔·马格努松·拉兰德，罗莎·玛丽亚·多明格斯埃斯皮诺萨，
申请(专利权)人：绿色生物制品有限公司，
类型：发明
国别省市：英国;GB