生产醇的工艺.pdf

1、10申请公布号CN102016052A43申请公布日20110413CN102016052ACN102016052A21申请号200880111599922申请日20080815DSMZ196302007101955661520070815NZ56075620070817NZC12P7/14200601C12Q1/02200601C12M1/34200601C12R1/0020060171申请人兰扎泰克新西兰有限公司地址新西兰奥克兰72发明人肖恩丹尼斯辛普森理查德卢埃林雪莉福斯特芳良陈约书亚杰里米康诺利马修詹姆士罗74专利代理机构北京安信方达知识产权代理有限公司11262代理人武晶晶郑霞54发

2、明名称生产醇的工艺57摘要描述了提高通过微生物发酵生产产品的工艺效率的方法，包括测量和控制PH和/或氧化还原电位的方法。30优先权数据85PCT申请进入国家阶段日2010041486PCT申请的申请数据PCT/NZ2008/0002132008081587PCT申请的公布数据WO2009/022925EN2009021983生物保藏信息51INTCL19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书2页说明书22页附图2页CN102016062A1/2页21一种通过包含CO的底物的厌氧细菌发酵来生产一种或多种醇的工艺，该工艺包括A在生物反应器中在液体营养培养基中培养一种或多种菌株，和向

3、该生物反应器供应所述底物；B监测所述液体营养培养基的氧化还原电位；和C控制所述氧化还原电位以使其基本保持在醇生产的最佳范围之内。2根据权利要求1所述的工艺，其中该工艺进一步包括A监测所述液体营养培养基的PH；和B控制所述PH以使其基本保持在最佳生长PH之上。3一种通过包含CO的底物的厌氧细菌发酵来生产一种或多种醇的工艺，该工艺包括A在生物反应器中在液体营养培养基中在最佳生长PH下培养一种或多种菌株，和向该生物反应器供应所述底物以促进微生物生长；BI在需要的时间点调节所述液体营养培养基的PH到最佳生长PH之上的水平或范围，或者II在需要的时间点调节所述液体营养培养基的氧化还原电位到最佳水平或范围

4、；C监测所述液体营养培养基的所述PH和/或氧化还原电位；和D控制所述PH以使其基本保持在最佳生长PH之上，和/或控制所述氧化还原电位以使其基本保持在最佳水平或范围。4根据权利要求1到3中任一项所述的工艺，其中所述最佳氧化还原电位范围为约450到约550MV。5根据权利要求2到4中任一项所述的工艺，其中所述PH保持为约57到约70。6根据权利要求1到5中任一项所述的工艺，其中所述氧化还原电位通过下述方法中的一种或多种进行控制A加入一种或多种氧化剂，B加入一种或多种还原剂，C调节PH。7根据权利要求6所述的工艺，其中所述还原剂为甲基紫精或半胱氨酸。8根据权利要求2到7中任一项所述的工艺，其中所述P

5、H通过加入酸和/或碱进行控制或调节。9一种通过乙酸盐和包含CO的底物的厌氧细菌发酵来生产一种或多种醇的工艺，其中该工艺包括A在第一生物反应器中，发酵包含碳和能量源的底物以生产乙酸盐；B在第二生物反应器中，在生物反应器中在液体营养培养基中培养一种或多种厌氧细菌菌株，并向所述生物反应器供应所述发酵A生产的乙酸盐和所述包含CO的底物，其中所述液体营养培养基的PH和/或氧化还原电位保持在允许乙酸盐和所述包含CO的底物通过所述细菌发酵生产一种或多种醇的水平。10根据权利要求1到8中任一项所述的工艺，其中所述工艺进一步包括向将乙酸盐导入所述生物反应器。权利要求书CN102016052ACN10201606

6、2A2/2页311一种提高发酵工艺效率的方法，该方法包括A检测所述发酵工艺中使用的微生物的细胞内氧化还原电位的变化；和B基于在步骤A中是否检测到变化，控制所述发酵工艺的至少一个参数。12根据权利要求11所述的方法，其中所述检测变化的步骤A包括从生物反应器中移除所述微生物的样品，其中所述发酵工艺至少部分在该生物反应器中进行。13根据权利要求11或12所述的方法，其中所述步骤B的控制包括，基于在步骤A中是否检测到细胞内氧化还原电位的变化，确定是否改变所述发酵工艺的至少一个参数、和/或保持至少一个参数在其当前值、和/或基于步骤A的结果不采取行动来改变参数。14根据权利要求11到13中任一项所述的方法

7、，其中所述发酵工艺通过一种或多种产乙酸细菌菌株厌氧发酵包含CO的底物生产乙酸盐和/或一种或多种醇。15根据权利要求1到10中任一项所述的工艺，或根据权利要求14所述的方法，其中所述包含CO的底物为气体底物。16根据权利要求15所述的工艺或方法，其中所述包含CO的底物包含以体积计至少约15到约100CO。17根据权利要求15或16所述的工艺或方法，其中所述包含CO的底物包含以体积计至少约70到约95CO。18根据权利要求15到17中任一项所述的工艺或方法，其中所述底物包含从钢厂获得的气体。19根据权利要求1到10或14到18中任一项所述的工艺或方法，其中所述醇为乙醇。20根据权利要求1到10或1

8、4到19中任一项所述的工艺或方法，其中所述细菌为选自梭菌CLOSTRIDIUM、穆尔氏菌MOORELLA、氧化碳嗜热菌CARBOXYDOTHERMUS、产醋菌ACETOGENIUM、醋酸杆菌ACETOBACTERIUM、厌氧醋菌ACETOANAEROBIUM、丁酸杆菌BUTYRIBACTERIUM和PEPTOSTREPTOCOCCUS的产乙酸细菌。21根据权利要求20所述的工艺或方法，其中所述产乙酸细菌为CLOSTRIDIUMAUTOETHANOGENUM或CLOSTRIDIUMCARBOXYDIVORANS。22一种进行发酵工艺的发酵系统，该系统包括A用于检测所述发酵工艺中使用的微生物的细胞

9、内氧化还原电位变化的装置；和B基于通过所述检测装置是否检测到变化，用于控制所述发酵工艺的至少一个参数的装置。权利要求书CN102016052ACN102016062A1/22页4生产醇的工艺技术领域0001本发明一般性地涉及提高通过气体和/或溶解气和/或糖类的微生物发酵来生产产品的工艺效率的方法，具体地但不限于涉及通过包含一氧化碳的气体物质的微生物发酵来生产乙醇的工艺。背景技术0002乙醇正迅速成为全球主要的富氢液体运输燃料。2005年全球乙醇消费量约为122亿加仑。预计燃料乙醇工业的全球市场在未来会继续急剧增长，因为欧洲、日本、美国和多个发展中国家对乙醇的需求增长。0003例如，在美国，乙醇

10、用于生产E10，一种汽油中的10乙醇混合物。在E10混合物中，乙醇成分作为补氧剂，以提高燃烧效率并降低空气污染。在巴西，乙醇作为汽油中混合的补氧剂或单独作为纯燃料满足了约30的运输燃料需求。此外，在欧洲，温室气体GHG排放后果的环境问题已促使欧盟EU为成员国制订了消费可持续运输燃料例如生物乙醇的任务目标。0004绝大多数燃料乙醇通过传统的基于酵母的发酵工艺生产，所述工艺使用作物来源的糖类，例如甘蔗中提取的蔗糖或谷物中提取的淀粉，作为主要碳源。然而，这些糖类原料的成本受其作为人类粮食或动物饲料的价格影响，并且用于乙醇生产的产淀粉或蔗糖作物的种植不能在所有地形上经济地持续。因此，需要开发将低成本和

11、/或更充足碳源转化成燃料乙醇的技术。0005CO是有机材料例如煤炭或石油或石油衍生产品不完全燃烧产生的主要的免费的富含能源的副产品。例如，据报道澳大利亚钢铁工业每年产生并向空气中释放超过500,000吨CO。0006催化工艺可用于将主要包含CO和/或CO和氢气H2的气体转化为多种燃料和化学品。微生物也可用于将这些气体转化为燃料和化学品。这些生物进程虽然通常比化学反应慢，但与催化工艺相比具有多个优势，包括更高的特异性、更高的产量、更低的能量消耗和更大的耐毒性。0007微生物以CO作为唯一碳源生长的能力于1903年首次发现。这后来被确定为采用自养生长的乙酰辅酶A乙酰COA生化路径也称为WOODSL

12、JUNGDAHL路径和一氧化碳脱氢酶/乙酰辅酶A合成酶CODH/ACS路径的生物的一种特性。已经表明，很多厌氧生物包括一氧化碳营养生物、光合作用生物、产甲烷生物和产乙酸生物均将CO代谢成多种最终产物，即CO2、H2、甲烷、正丁醇、乙酸盐和乙醇。当使用CO作为唯一碳源时，所有此类生物生产这些最终产物中的至少两种。0008厌氧细菌，例如梭菌属的细菌，已证实通过乙酰COA生化路径从CO、CO2、和H2生产乙醇。例如，从气体生产乙醇的CLOSTRIDIUMLJUNGDAHLII的多个菌株在WO00/68407，EP117309，美国专利5,173,429、5,593,886和6,368,819，WO9

13、8/00558和WO02/08438中有描述。细菌菌种CLOSTRIDIUMAUTOETHANOGENUM也已知从气体生产乙醇ABRINI说明书CN102016052ACN102016062A2/22页5等，ARCHIVESOFMICROBIOLOGY161，PP3453511994。0009然而，微生物通过气体发酵生产乙醇通常伴随乙酸盐和/或乙酸的副产品产生。由于部分可用碳转化为乙酸盐和/或乙酸而不是乙醇，因此使用此类发酵工艺生产乙醇的效率可能低于所需。0010此外，除非所述乙酸盐和/或乙酸副产品可用于某种其它用途，否则其可能会产生废物处理问题。乙酸盐和/或乙酸通过微生物转化为甲烷，并因此有

14、可能导致GHG排放。0011WO2007/117157描述了一种通过包含一氧化碳的气体的厌氧发酵来生产醇尤其是乙醇的工艺。作为所述发酵工艺副产品生成的乙酸盐被转化为氢气和二氧化碳气体，该氢气和/或二氧化碳可用于该厌氧发酵工艺。美国专利7,078,201和WO02/08438也描述了生产乙醇的发酵工艺，其改变了进行发酵的液体营养培养基的多种条件例如PH和氧化还原电位。0012可能考虑需要提供改进的方法以控制或调节生产醇的发酵反应的条件。0013本发明的一个目标是满足这种需要和/或为通过微生物发酵生产醇提供改进的方法，或至少为公众提供一种有用的选择。发明内容0014在第一方面，本发明提供了一种通过

15、包含CO的底物的厌氧细菌发酵来生产一种或多种醇的工艺，所述工艺包括0015A在生物反应器中在液体营养培养基中培养一种或多种菌株，并向该生物反应器供应所述底物；0016B监测所述液体营养培养基的氧化还原电位；和0017C控制所述氧化还原电位以使其基本保持在醇生产的最佳范围之内。0018在某些实施方案中，所述工艺进一步包括0019A监测所述液体营养培养基的PH；和0020B控制PH以使其基本保持在最佳生长PH之上。0021在第二方面，本发明提供了一种通过包含CO的底物的厌氧细菌发酵来生产一种或多种醇的工艺，所述工艺包括0022A在生物反应器中在最佳生长PH下在液体营养培养基中培养一种或多种菌株，和

16、向该生物反应器供应所述底物以使微生物生长；0023BI在需要的时间点调节所述液体营养培养基的PH到最佳生长PH之上的水平或范围，或II在需要的时间点调节所述液体营养培养基的氧化还原电位到最佳水平或范围；0024C监测所述液体营养培养基的PH和/或氧化还原电位；和0025D控制PH以使其基本保持在最佳生长PH之上，和/或控制氧化还原电位以使其基本保持在最佳水平或范围。0026在第三方面，本发明提供了一种通过乙酸盐和包含CO的底物的厌氧细菌发酵来生产一种或多种醇的工艺，其中所述工艺包括0027A在第一生物反应器中，发酵包含碳和能量源的底物以生产乙酸盐；说明书CN102016052ACN102016

17、062A3/22页60028B在第二生物反应器中，在生物反应器中在液体营养培养基中培养一种或多种厌氧细菌菌株，并向所述生物反应器供应由所述发酵A所生产的乙酸盐和所述底物，其中所述液体营养培养基的PH和/或氧化还原电位保持在允许乙酸盐和所述包含CO的底物通过所述细菌发酵生产一种或多种醇的水平。0029在每个所述方面的实施方案中，所述最佳氧化还原电位范围约为450到550MV。0030在每个所述方面的实施方案中，PH保持在约57到约70。0031在每个所述方面的实施方案中，氧化还原电位通过下述方法中的一种或多种进行控制0032A加入一种或多种氧化剂，0033B加入一种或多种还原剂，0034C调节P

18、H。0035在每个所述方面的实施方案中，所述还原剂为甲基紫精或半胱氨酸。0036在每个所述方面的实施方案中，PH通过加入酸和/或碱进行控制或调节。0037在第四方面，本发明提供了一种提高发酵工艺效率的方法，所述方法包括0038A检测所述发酵工艺中使用的微生物的细胞内氧化还原电位的变化；和0039B基于在步骤A中是否检测到变化，控制所述发酵工艺的至少一个参数。0040在具体实施方案中，所述检测变化的步骤A包括从生物反应器中提取所述微生物的样品，其中所述发酵工艺是，至少部分是，在所述生物反应器中进行的。在某些实施方案中，所述检测变化的步骤A重复一次或多次以获得多个测量数据，优选地，在预定间隔时间之

19、后重复。需要注意的是，所述间隔时间对于具体工艺可以相同或不同，并且对于不同工艺可以变化，这根据本公开对于本领域技术人员来说是显而易见的。0041所控制的参数可包括下列参数中的任何一个或多个压力、温度、气体流速、液体流速、培养基PH、培养基氧化还原电位、搅拌速率、接种水平、最大气体底物浓度、最大产物浓度和产物回收的起始点。0042本领域已知的任何方法都可用于检测细胞内氧化还原电位的变化。然而，在某些实施方案中，提供了流式细胞术方法，其中将一种是细菌还原酶活性指示剂的试剂加入到所述样品中并然后渗入到所述细菌中。还原之后，所述试剂产生荧光信号，该荧光信号根据细胞内氧化还原电位变化并可用流式细胞仪分析

20、。0043在具体实施方案中，所述步骤B的控制包括，基于在步骤A中是否检测到细胞内氧化还原电位的变化，确定是否改变所述发酵工艺的至少一个参数、和/或保持至少一个参数在其当前值、和/或基于步骤A的结果不采取行动改变参数。0044需要注意的是，当基于步骤A的结果不采取行动时，根据本公开技术人员应该知道仍可进行常规形式的控制和调节，例如保持PH在预定范围内。0045在具体实施方案中，所述发酵工艺通过一种或多种厌氧细菌菌株厌氧发酵包含CO的底物生产乙酸盐和/或一种或多种醇。0046在某些实施方案中，步骤A包含在生物反应器中在液体营养培养基中培养一种或多种厌氧细菌菌株，和向该生物反应器供应包含CO的气体底

21、物，并保持所述液体营养培养基的PH和氧化还原电位在允许所述细菌生长并生产乙酸盐的水平。说明书CN102016052ACN102016062A4/22页70047在某些实施方案中，所述确定步骤基于是否检测到细胞内氧化还原电位升高。另外地或替代性地，所述确定步骤可基于是否检测到细胞内氧化还原电位降低。在检测到细胞内氧化还原电位降低的情况下，所述步骤B的控制可包括停止所述发酵工艺，和/或向所述发酵罐的内容物中加入微生物，和/或去除一部分所述发酵罐的所述内容物，和/或改变所述发酵工艺的一个或多个参数参见上文所列。0048在具体实施方案中，本发明的方法适合用于通过气体尤其是包含一氧化碳的气体的厌氧发酵来

22、生产醇尤其是乙醇和/或丁醇和/或异丙醇的工艺。然而，本发明不限于此并可应用于其它用途，包括需氧发酵，以及不含CO或只含少量CO例如6CO的底物的发酵，尤其是当所述底物包含CO2和/或H2时。本发明的实施方案包括例如且不限于糖类发酵，以及另外地或替代性地，生产酸和/或其盐和/或H2。0049根据第五方面，本发明提供了进行发酵工艺的发酵系统，所述系统包括0050A用于检测所述发酵工艺中所使用的微生物的细胞内氧化还原电位变化的装置；和0051B用于基于是否通过所述检测装置检测到变化来控制所述发酵工艺的至少一个参数的装置。0052所述系统可配置为进行厌氧和/或需氧发酵工艺。在一种实施方案中，本发明涉及

23、厌氧发酵。0053每个不同方面的实施方案在发酵包含CO的底物来生产酸和/或醇中具有具体应用。在具体实施方案中，所述包含CO的底物为气体。所述气体底物可包含作为工业工艺的副产品获得的气体。在某些实施方案中，所述工业工艺选自黑色金属产品制造、有色产品制造、石油精炼工艺、生物质气化、煤炭气化、电力生产、炭黑生产、氨生产、甲醇生产和焦炭生产。优选地，所述气体底物包含从钢厂获得的气体。0054在每个不同方面的某些实施方案中，所述气体底物包含以体积计15CO到100CO，例如以体积计20到95，例如以体积计75CO到95CO，例如以体积计80到90CO。可以使用更低的CO水平，例如6，只要该底物也包含CO

24、2和H2。在每个不同方面的实施方案中，所述发酵工艺生产的醇为乙醇。所述发酵反应还可生产乙酸盐和/或丁醇和/或异丙醇。0055在每个不同方面的具体实施方案中，所述发酵反应通过一种或多种产乙酸细菌的菌株进行。在每个不同方面的实施方案中，所述厌氧的产乙酸细菌选自梭菌CLOSTRIDIUM、穆尔氏菌MOORELLA、氧化碳嗜热菌CARBOXYDOTHERMUS、产醋菌ACETOGENIUM、醋酸杆菌ACETOBACTERIUM、厌氧醋菌ACETOANAEROBIUM、丁酸杆菌BUTYRIBACTERIUM和PEPTOSTREPTOCOCCUS。在具体实施方案中，所述产乙酸细菌为CLOSTRIDIUMA

25、UTOETHANOGENUM或CLOSTRIDIUMCARBOXYDIVORANS。0056虽然本发明如上面概括定义，本发明不限于此并还包括下面描述提供实施例的实施方案。附图说明0057本发明将详细描述，并参考附图，其中0058图1为显示CLOSTRIDIUMAUTOETHANOGENUM典型生命周期的图表；说明书CN102016052ACN102016062A5/22页80059图2为显示以甲基紫精处理的培养物与未处理的培养物相比较其中RS阳性细胞比例的变化对时间的作图；0060图3为显示在最佳生长PH及升高的PH下CLOSTRIDIUMAUTOETHANOGENUM的乙酸盐和乙醇产生对时间

26、的作图。0061发明的详细描述0062以下为本发明的概括描述，包括本发明的多个实施方案。本发明在本文下述标题“实施例”之下的公开中进一步说明，所述公开提供了关于产生、使用、和实施本发明的实验数据，本发明的方面和实施方案的特定实施例，以及实施本发明的说明性方法。0063定义0064除非另有定义，本说明书中使用的下列术语如下定义0065术语“提高所述效率”、“提高效率”等等，当与发酵过程相关时，包括但不限于，提高下列各项中的一个或多个催化所述发酵的微生物的生长率、消耗单位体积底物例如一氧化碳产生的所需产品例如醇体积、所需产品的生产率或生产水平、以及生产的所需产品与所述发酵的其它副产品相比较的相对比

27、例。0066术语“包含一氧化碳的底物”包括可存在于或引入发酵生物反应器的任何包含CO的固体、液体、或气体材料。0067术语“共底物”系指不必然作为产物合成的主要能量和材料来源，但当另外加入另一种底物例如主要底物时可用于产物合成的底物。0068术语“乙酸盐”既包括单独的乙酸盐，也包括分子或游离乙酸和乙酸盐的混合物，例如存在于本文所述的发酵液中的乙酸盐和游离乙酸的混合物。所述发酵液中乙酸与乙酸盐的分子比例取决于所述系统的PH。0069术语“生物反应器”包括任何由一个或多个容器和/或塔或管系组成的发酵装置，包括连续搅拌釜式反应器CSTR、固定化细胞反应器ICR、滴流床反应器TBR、鼓泡塔、气举发酵罐

28、、静止混合器、或适合气液接触的其它容器或其它装置。0070术语“最佳生长PH”等等包括促进和/或支持细菌生长的液体营养培养基的PH水平或PH范围。应理解最佳生长PH可以根据所使用的微生物和/或其它发酵条件而变化。0071术语“最佳氧化还原电位”或“最佳ORP”等等包括促进和/或支持醇生产的液体营养培养基的ORP水平或ORP范围。应理解最佳ORP可以根据所使用的微生物和/或其它发酵条件而变化。0072术语“极限浓度”意为微生物发酵培养基中某种特定成分的初浓度，其足够低以确保其在所述发酵的某个阶段耗尽。0073术语“碳捕获”用于本文时系指从包含CO2和/或CO的流中吸集碳化合物包括CO2和/或CO

29、，以及0074A将所述CO2和/或CO转化成产品；或者0075B将所述CO2和/或CO转化成适合长期储存的物质；或者0076C将所述CO2和/或CO捕获进适合长期储存的物质；0077或者这些过程的组合。说明书CN102016052ACN102016062A6/22页90078除非上下文另有需要，短语“发酵”、“发酵工艺”、或“发酵反应”等等用于本文时，倾向于包括涉及微生物生长和/或由微生物生物合成产物的工艺的生长期和产物生物合成期。0079本发明总体涉及通过包含一氧化碳CO的气体底物发酵生产醇的工艺。本发明的方法还总体涉及碳捕获的改进，其中CO和任选的CO2被转化成有用的产品，即醇。0080本

30、领域已知通过作为碳和能量源的包含CO的气体底物的厌氧细菌发酵生产醇的工艺。这些发酵工艺除生产所需醇产物外，还可生产乙酸盐作为副产品。因此，从CO中可用碳转化为所需醇产物的效率小于最佳。0081不受理论限制，在发酵工艺中通常有两个代谢阶段，产酸阶段，其中所述细菌生长并生产酸，和产溶剂阶段，其中生产溶剂例如醇。举例来说，在使用梭菌CLOSTRIDIUM菌种生产溶剂的发酵工艺中，两个代谢阶段已知并如图1所示。所述产乙酸阶段与细菌生长相关，在该阶段梭菌CLOSTRIDIUM菌种生产例如H2、CO2和/或有机酸，例如丁酸盐和乙酸盐。虽然溶剂例如醇可任选地在产乙酸阶段生产，但其产量通常微不足道。0082产

31、乙酸阶段之后是产溶剂阶段，在该阶段所述细胞的新陈代谢转换为有利于溶剂产生。典型地，在此阶段有机酸产生和微生物生长减少或停止。对于所述细菌，优选的不同环境参数例如所述培养基的PH、氧化还原电位等取决于该细菌所处的阶段。0083发明者惊人地发现，提高厌氧产乙酸细菌培养物的PH到最佳生长PH之上，同时保持所述培养物的氧化还原电位在低水平约450MV或以下，所述细菌生产醇和任选的乙酸盐。在此条件下，醇和任选的乙酸盐以至少约11的摩尔比，优选地以有利于醇的摩尔比产生。在一具体实施方案中，醇与乙酸盐的摩尔比约为141。另外，所述细菌将至少一部分作为所述发酵副产品产生的乙酸盐以比通常在该种发酵工艺中所使用的

32、低PH条件更高的比率转化为乙醇。0084另外，还惊人地发现，在发酵工艺中，当从产乙酸阶段转到产溶剂阶段时，微生物尤其是CLOSTRIDIUMAUTOETHANOGENUM的细胞内氧化还原电位显著降低。因此，广义来讲，本发明的某些方面涉及使用所述微生物的细胞内氧化还原电位的一种或多种指征检测发酵工艺中微生物的状态或状态变化。0085虽然以下描述集中于本发明的某些实施方案，即使用CO作为主要底物生产乙醇，但是应理解，与本发明相关领域的技术人员考虑到本公开可知道，本发明可应用于生产其它醇和使用其它底物。同样地，虽然具体提到使用产乙酸细菌例如CLOSTRIDIUMAUTOETHANOGENUM和CLO

33、STRIDIUMCARBOXYDIVORANS进行发酵，但本发明也适用于在相同或不同工艺中可用的其它微生物，包括可用于生产有用产品，包括但不限于丁醇的其它梭菌CLOSTRIDIA菌种。因此，在一方面，本发明涉及通过作为碳和能量源的包含CO气体底物的厌氧细菌发酵来生产醇例如丁醇，例如正丁醇的工艺。0086本发明的工艺典型地涉及在包含液体营养培养基的生物反应器中培养一种或多种可从包含CO的气体底物生产醇和任选的乙酸盐的厌氧细菌菌株，以及向所述生物反应器供应所述气体底物。所述发酵生产一种或多种所需醇，通常也生产乙酸盐。0087在一具体实施方案中，所述工艺包括控制所述液体营养培养基的氧化还原电位以使其

34、保持在最佳水平或范围，具体为约450MV或更低，例如450MV到约550MV。说明书CN102016052ACN102016062A7/22页10在一具体实施方案中，所述工艺还包括控制所述液体营养培养基的PH的步骤以使其保持在升高的水平即高于最佳生长PH，具体为约57到约70，或约58到约65。在一具体实施方案中，所述液体营养培养基保持在适宜的氧化还原条件下，或适宜的PH和氧化还原条件下，持续至少一段时间足以允许所述细菌以至少为11的摩尔比或有利于醇的更高比例生产一种或多种醇和任选的乙酸盐。所述条件进一步促进所述液体营养培养基中存在的任何乙酸盐发酵成所需醇，例如乙醇或正丁醇。所述乙酸盐向醇的转

35、化提高了所述发酵工艺的乙醇产量，由此进一步改进了乙醇与乙酸盐的比例。0088根据需要，所述液体营养培养基的氧化还原电位可通过加入一种或多种适合的还原剂或氧化剂进行调节。本领域技术人员知道适于降低ORP的还原剂。然而，举例来说，亚硫酸盐、亚硫酸氢盐、二氧化硫、氨、肼或还原气体例如氢气或甚至CO均可用于降低ORP。在本发明的具体实施方案中，适合用于本发明工艺的还原剂包括甲基紫精和半胱氨酸。本领域技术人员知道适于升高ORP的氧化剂，但是举例来说，包括过氧化氢、臭氧、二卤化物氯、溴或碘、二氧化氯、高锰酸钾、空气或氧气。本领域技术人员还理解，还可通过分别升高或降低所述液体营养培养基的PH来降低或升高OR

36、P。例如，理论水性体系的PH每升高1PH单位，ORP将降低59MV。0089所述液体营养培养基的PH可根据需要通过加入一种或多种合适的PH调节剂或缓冲液进行调节。例如，根据需要，碱例如NAOH和酸例如硫酸可用于分别升高或降低PH。本领域技术人员知道可用于调节所述液体营养培养基PH的酸和/或碱。0090本领域技术人员还理解，本发明的方法因而典型地涉及一个或多个测量所述发酵培养基的PH和/或氧化还原电位的步骤。0091在本发明的具体实施方案中，所述生物反应器包括用于连续地或间断地测定液体营养培养基PH和/或ORP的装置。本领域技术人员了解用于监测这些参数的合适装置或传感器，但是举例来说，通过将OR

37、P探针浸入所述液体营养培养基可连续地或间断地监测ORP。相似地，通过将PH探针浸入所述液体营养培养基可监测PH。0092所述PH和/或ORP测定装置提供的反馈允许监测所述生物反应器中的条件。所述反应器中的条件可根据所述反馈或其它的结果通过改变特定的参数或加入特定的试剂控制。0093可通过向所述液体营养培养基加入还原剂或氧化剂控制ORP。例如，如果ORP升高或降低高于或低于最佳ORP，可向所述液体营养培养基加入还原剂或氧化剂以保持所述培养基在最佳ORP范围内。或者，可通过向所述液体营养培养基插入电极控制ORP以保持或达到所需ORP。0094相似地，也可控制PH。例如，如果PH升高高于或降低低于所

38、需PH范围，可向所述液体营养培养基加入酸或碱以保持所述培养基在所需PH范围内。0095本领域技术人员理解，所述氧化或还原剂或者酸或碱可根据与最佳条件的差异人工加入。例如，可激活一种或多种警报以提醒操作员需要加入某种试剂。然而，在某些实施方案中，连续地或间断地监测PH和/或ORP，并且根据与最佳条件的差异自动加入合适的试剂。例如，PH和/或ORP探针向监测所述生物反应器条件的中央处理器提供反馈。如果ORP升高高于预定阈值，所述处理器将启动导入还原剂直到保持所需ORP。可替换地或另外地，如果PH降低低于预定阈值，则所述处理器启动导入碱直到保持所需说明书CN102016052ACN102016062

39、A8/22页11PH。0096在本发明的一种实施方案中，连续地监测并随后保持PH和ORP在所需范围已可连续生产乙醇超过9天。预计以这种方式监测并保持液体营养培养基条件将会连续生产醇数周或数月。0097在另一方面，本发明涉及使用微生物的细胞内氧化还原电位的一种或多种指征检测发酵工艺中微生物的状态或状态变化。细胞内氧化还原电位很大程度上与所述液体营养培养基的ORP无关，并可用作生物反应器中的微生物群的生存力和/或状态的间接量度。基于所检测的状态，可控制容纳所述微生物的生物反应器的条件以根据所检测的状态优化所述条件，由此提高所述工艺的效率。例如，就产乙酸微生物来说，如果检测到所述微生物在生长或产乙酸

40、阶段，可控制参数以利于最佳生长。或者，如果微生物在产醇或产溶剂阶段，则可为醇生产优化条件。例如，在产醇阶段，可保持PH和/或ORP在最佳范围内以促进醇生产。0098在此类工艺中非常需要优化生物反应器条件。具体地，在商业工艺，例如从包含CO的气体生产乙醇中，非常需要更快速地积累细菌细胞生物量，例如CAUTOETHANOGENUM。这是因为细菌生物量积累的提高可以缩短发酵工艺中细菌浓度达到一定细菌细胞密度所需的时间，这使单位体积输入气体、单位体积反应器培养基的工艺生产率最大化。该时间缩短关系到运营成本的降低和非生产停机时间的减少。0099或者，或除上述之外，生物反应器条件的优化包含基于是否检测到细

41、胞内氧化还原电位的变化，确定是否改变所述发酵工艺的至少一个参数、和/或保持至少一个参数在其当前值、和/或基于步骤A的结果不采取行动改变参数。0100所控制的参数可包含下列参数中的任何一个或多个压力、温度、气体流速、液体流速、培养基PH、培养基氧化还原电位、搅拌速率、接种水平、最大气体底物浓度、最大产物浓度、和产物回收的开始或停止。0101因此，根据本发明的一些实施方案，从生物反应器中提取微生物样品并检测其细胞内氧化还原电位是否有变化。可使用任何已知方法检测所述微生物的细胞内氧化还原电位，包括涉及使用分光光度计的方法。优选地每隔一定间隔取样，尽管所述间隔可根据具体反应的已知特性有所变化。例如，如

42、果已知某种微生物具有最短生长期，则在起始阶段少取样或不取样，随后阶段定期取样直到检测到变化。当细胞内氧化还原电位出现显著变化时，就有可能得出其状态，并使用这一信息优化所述微生物的条件。0102可通过测定氧化还原对的浓度来分析细胞内氧化还原状态，所述氧化还原对例如NAD/NADH、NADP/NADPH、和胱氨酸/半胱氨酸、以及谷胱甘肽和金属酶的氧化和还原形式。用于完成此类测定的工具包括使用荧光流式细胞术、显微术和荧光测定、色度学测定、放射性同位素标记、和磁共振成像。0103在本发明的一种特定的实施方案中，流式细胞术用于检测从所述生物反应器提取的细菌样品的还原酶活性。可使用任何已知的细菌还原酶活性

43、指征。然而，举例来说，REDOXSENSORTMGREEN试剂RS是用于本发明的某些实施方案的合适的细菌还原酶活性指征。因而，还原酶活性是电子传递链功能变化的可靠标记。还原之后，RS将在10分钟内产生稳定的绿色荧光信号。当细胞用打断电子传递的试剂例如叠氮化钠、或羰基氰化氯苯腙处理时，染色强度会变化。说明书CN102016052ACN102016062A9/22页120104发酵0105本发明具体地适用于改进从包含CO的底物生产乙醇和/或其它醇例如丁醇和/或异丙醇。在具体实施方案中，所述包含CO的底物为气体。所述气体底物可以是作为工业工艺副产品获得的包含CO的废气。本发明的方面也适用于生产多种类

44、型的酸和/或醇的反应。例如，通过梭菌CLOSTRIDIA菌种例如丙酮丁醇梭菌CACETOBUTYLICUM、CBEJERENKII、和CSACCAROLYTICUM生产丁酸盐、乙酸盐、丁醇、丙酮、乙醇或异丙醇，包括在纤维素、水解纤维素、淀粉、水解淀粉、葡萄糖、蔗糖、果糖、木糖、阿拉伯糖、甘油和乳糖上发酵来生产。0106已知从气体底物例如上述气体底物生产乙醇和其它醇的工艺。示范性工艺包括例如WO2007/117157和US6,340,581、US6,136,577、US5,593,886、US5,807,722、和US5,821,111所述的工艺。0107已知很多厌氧细菌可进行从CO生产醇包括正

45、丁醇和乙醇、以及乙酸的发酵，并适用于本发明的工艺。0108适用于本发明的此类细菌的示例包括梭菌属的细菌，例如CLOSTRIDIUMLJUNGDAHLII菌株，包括WO00/68407，EP117309，美国专利5,173,429、5,593,886、和6,368,819，WO98/00558和WO02/08438所述的细菌；CLOSTRIDIUMAUTOETHANOGEHUMABRINI等，ARCHIVESOFMICROBIOLOGY161PP345351、醋酸梭菌CLOSTRIDIUMACETICUM、丙酮丁醇梭菌CLOSTRIDIUMACETOBUTYLICUM和热醋梭菌CLOSTRIDI

46、UMTHERMOACETICUM。其它有用的细菌包括凯伍产醋菌ACETOGENIUMKIVUI、伍氏醋酸杆菌ACETOBACTERIUMWOODII、潮湿厌氧醋菌ACETOANAEROBIUMNOTERAE、食甲基丁酸杆菌BUTYRIBACTERIUMMETHYLOTROPHICUM和PEPTOSTREPTOCOCCUSPRODUCTUS。其它合适的细菌包括穆尔氏菌MOORELLA属的细菌，包括MOORELLA菌种HUC221，SAKAI等，BIOTECHNOLOGYLETTERS29PP16071612，以及氧化碳嗜热菌CARBOXYDOTHERMUS属的细菌SVETLICHNY，VA，SO

47、KOLOVA，TG等1991，SYSTEMATICANDAPPLIEDMICROBIOLOGY14254260。另外，其它厌氧细菌，尤其是产乙酸细菌，可由本领域技术人员选择用于本发明的工艺。应该理解，两种或多种细菌的混合培养物可用于本发明的工艺。0109适用于本发明的一种示例性微生物为CLOSTRIDIUMAUTOETHANOGENUM。在一种实施方案中，所述CLOSTRIDIUMAUTOETHANOGENUM为具有以鉴别保存编号19630存放于德国生物材料资源中心DSMZ的菌株的鉴别特征的CLOSTRIDIUMAUTOETHANOGENUM。在另一种实施方案中，所述CLOSTRIDIUMAU

48、TOETHANOGENUM为具有DSMZ保存编号DSMZ10061的鉴别特征的CLOSTRIDIUMAUTOETHANOGENUM。另一种合适的微生物为CLOSTRIDIUMCARBOXYDIVORANS，可购自DSMZ并具有15243的鉴别特征。0110培养本发明的方法中使用的细菌可使用任何本领域已知的用于用厌氧细菌培养和发酵底物的任何工艺进行。示例性技术在下面实施例章节中提供。进一步举例说明，可使用下述使用气体底物发酵的文章中一般描述的工艺KTKLASSON，MDACKERSON，ECCLAUSEN和JLGADDY1991BIOREACTORSFORSYNTHESISGASFERMENTA

49、TIONSRESOURCESCONSERVATIONANDRECYCLING，5；145165；KTKLASSON，MDACKERSON，ECCLAUSEN和JLGADDY1991BIOREACTORDESIGNFORSYNTHESISGASFERMENTATIONSFUEL70605614；KTKLASSON，MDACKERSON，ECCLAUSEN和JLGADDY1992BIOCONVERSION说明书CN102016052ACN102016062A10/22页13OFSYNTHESISGASINTOLIQUIDORGASEOUSFUELSENZYMEANDMICROBIALTECHNOLOGY14；602608；JLVEGA，GMANTORRENA，ECCLAUSEN和JLGADDY1989STUDYOFGASEOUSSUBSTRATEFERMENTATIONCARBONMONOXIDECONVERSIONTOACETATE2CONTINUOUSCULTUREBIOTECHBIOENG346785793；JLVEGA，ECCLAUSEN和JLGADDY1989STUDYOFGASEOUSSUBSTRATEFERMENTATIONSCARBONMONOXIDECONVERSIONTOACETATE1BATCHCULTUREBIOTECHNO