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CN118742653A - 生物产品的生物技术生产方法 - Google Patents

生物产品的生物技术生产方法 Download PDF

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CN118742653A
CN118742653A CN202280090180.XA CN202280090180A CN118742653A CN 118742653 A CN118742653 A CN 118742653A CN 202280090180 A CN202280090180 A CN 202280090180A CN 118742653 A CN118742653 A CN 118742653A
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bioreactor
bioprocess
culture medium
container
microorganism
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菲利普·阿布特尔
泰尔·乌特施
曾安萍
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Kelibi Co ltd
Original Assignee
Kelibi Co ltd
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Abstract

本发明涉及一种生物产品的生物技术生产方法和一种生物产品的生物技术生产设备。该方法包括在第一生物反应器和第二生物反应器(2、3)和容器(4)中进行的第一生物过程和第二生物过程。该第一生物过程为生产二氧化碳的生物过程，其结果是形成该生物产品，该第二生物过程为化能自养型生物过程，其中通过氢氧化细菌用O2作为电子受体将H2氧化来消耗在该第一生物过程中生产的CO2。分离以电解产生的H2与O2，并将该O2直接进料到该第二生物过程和/或该第一生物过程中，而H2首先溶解于该容器(4)中所含的培养基中。然后，将H2饱和的培养基进料到该第二生物过程中。将在该第二生物过程中生产的生物质进料到该第一生物过程中作为额外的C源和N源。

Description

生物产品的生物技术生产方法
技术领域
本发明涉及生物技术领域，特别是一种生物产品的生物技术生产方法。
背景技术
生物产品例如生物基化学品的生物技术生产早已为人所知，并且承诺以更可持续和环境友好的方式提供用于商业用途的化学品，例如在化学工业中的化学品。作为示例，已经用生物方法生产了诸如生物乙醇或生物柴油的所谓生物燃料以便替代来源于油的化石燃料(参见例如WO 2011/088364 A9、WO 2009/133351 A2)。然而，考虑到因大气中的二氧化碳(CO2)的量增加而导致的全球变暖，大规模生产化学品的生物方法也必须使CO2释放最少化以便具有可持续性。
WO 2011/088364 A9和WO 2009/133351 A2都描述了在第二生物过程中固定在第一生物过程中生产的CO2以便重复使用所生产的CO2。WO 2011/088364 A9公开了一种用于将碳源转化为脂质的方法，其中，脂质的生产是在好氧发酵罐中使用产油酵母解脂耶氏酵母(Yarrowia lipolytica)进行的，并且在脂质生产期间产生的二氧化碳通过CO2固定被转化为碳底物，该固定是在厌氧发酵罐中通过梭菌属(genus Clostr idiumsp.)细菌进行的。梭菌属使用通过电解水生产的H2气体并将其进料到厌氧发酵罐中作为还原剂。WO 2009/133351 A2公开了使用固定所生产的CO2的光合植物细胞，例如通过生产生物燃料的酵母细胞来生产生物燃料。
WO 2011/139804 A2尤其描述了一种通过氢氧混合气(“Knallgas”)细菌捕获和固定例如来自烟道气的二氧化碳的方法，其中，氧气和氢气可例如通过电解水而得到。Brigham,C.(2019),Perspectives for the biotechnological production of biofuels from CO2 and H2 using Ralstonia eutropha and other‘Knallgas’bacte ria,Applied Microbiology and Biotechnology 103,10.1007/s00253-019-09636-y中也描述了使用“Knallgas”细菌的生物燃料的生物技术生产。
发明内容
本发明的一个目的是就可持续性而言，特别是就使二氧化碳的净生产最小化而言，改善生物产品的生物技术生产，特别是生物基化学品的生物技术生产。
在第一方面，本发明提供一种生物产品的生物技术生产方法，该方法包括：
a)第一生物过程，该第一生物过程包括在第一生物反应器中在处于第一压力p1的第一培养基中培养第一微生物，该第一生物过程的结果是形成该生物产品和二氧化碳CO2；
b)第二生物过程，该第二生物过程包括在第二生物反应器中在处于第二压力p2的第二培养基中培养第二微生物，该第二生物过程为生产生物质并消耗分子氧O2、分子氢H2和在步骤a)的第一生物过程中生产的该CO2的至少一部分的过程；
c)将水电解成O2和H2，将通过电解生产的该O2的至少一部分进料到该第二生物过程和/或该第一生物过程中，并将通过电解生产的该H2的至少一部分进料到含有顶部空间和处于第三压力p3的第三培养基的容器中，该第三培养基与该第二生物反应器中的该第二培养基相同；以及
d)将来自该容器的含有H2的第三培养基的至少一部分进料到该第二生物过程中，
其中，使用在步骤b)的该第二生物过程中生产的该生物质的至少一部分作为步骤a)的该第一生物过程的C源，并且其中，p3≥p2≥p1。
该方法合并了两个生物过程，该第一生物过程为生产CO2的过程并且该第二生物过程为消耗CO2的生物过程，其中，该第二生物过程包括通过氧化氢气和还原氧气的微生物，例如通过“Knallgas”细菌对在该第一生物过程中生产的二氧化碳进行非光合生物固定。该第一生物过程与该第二生物过程在不同的生物反应器中在空间上彼此分开进行。将在该第一生物过程中生产的CO2进料到该第二生物过程中以便在该第二生物过程中至少部分地、优选至少大部分地或完全地消耗。本发明的过程优选为“CO 2神经”过程，即如下的过程：其中所生产的二氧化碳至少基本上被完全地消耗，从而不会将CO2释放到环境中。在该第二生物过程中生产的生物质与来自该第一生物过程的作为碳源的CO2的至少一部分一起被用作用于该第一生物过程的额外的碳源。该生物质还可以充当额外的氮源。此外，虽然将通过电解水生产并被该第二生物过程的微生物用作电子受体的氧气直接进料到该第二生物过程中，或替代地或另外地，进料到该第一生物过程中，将通过电解生产并被该第二生物过程的微生物用作电子供体的氢气不直接进料到该第二生物过程中，而是经由含于单独容器中的培养基间接进料到该第二生物过程中。将氧气和氢气分开供应到该第二生物过程中的优点为例如就防爆而言提高了安全性。另外，这也作为对H2在水性培养基中的低溶解度的对策有用。
术语“生物产品(bioproduct)”是指，与例如基于化石原料的化学品相反，活细胞中的化学反应的构成部分的、或由活细胞中的化学反应产生的、或者包括活细胞中的化学反应的、生物过程的产物，例如是化合物，特别是有机化合物。由于来源于生物质，生物基化学品可在结构上与来源于化石源的现有化学品相同，或者可在结构上与该等化学品不同。生物基化学品的示例例如包括：脂肪酸和脂肪酸衍生物，例如脂质；醇，例如二醇；以及酸；生物聚合物或用于聚合的单体；肽等。该术语还涵盖作为生物过程的产物的生物质，例如活的、经过冷冻干燥的或经过水解的微生物。如上文所定义，术语“生物基化学品(biobasedchemical)”涉及活细胞中的化学反应的构成部分的、或由活细胞中的化学反应产生的、或者包括活细胞中的化学反应的化合物，特别是有机化合物。术语“生物化学品(biochemical)”也可以与“生物基化学品”同义使用。应当注意的是，尽管本发明可以主要关于生物基化学品的生产加以描述，并且也主要旨在于此，但这不应当被解释为排除例如作为生物产品的生物质的生产。
术语“脂质(lipid)”涉及可溶于非极性有机溶剂(如氯仿或醚)并且通常不溶于极性溶剂如水的有机化合物，并且包括例如脂肪、油、蜡、磷脂和类固醇。
本文所使用的术语“生物过程(bioprocess)”涉及为了获得所需产物而所进行的任何生物过程，即包括活细胞，特别是活微生物如细菌，或活细胞的功能组分，例如酶、无细胞系统或细胞器的过程。该产物可以为：化合物，例如有机化合物；化合物的混合物，例如有机化合物的混合物；或生物质。示例为由如葡萄糖、淀粉、甘油等底物生产脂质。
“生物反应器(bioreactor)”应当被理解为意指包括工作体积的反应器，其中可提供合适的培养基，例如适合支持微生物例如细菌细胞的培养物生长的水性培养基，并且其中可进行生物和/或生化过程和反应，或其中可创造发生生物和/或生化过程和反应的条件。该等过程和反应可为物质转化，例如是通过活细胞或无细胞系统的物质的合成、修饰或降解，或者是生物质的生长，即活细胞例如细菌细胞的增殖。根据待进行的过程的类型和/或用于进行该过程的微生物的类型，生物反应器可以例如配备有用于培养基的充气/通风和/或搅动的设备。
关于生物反应器或容器的术语“封闭”意指光生物反应器或容器对周围环境封闭以使得光生物反应器或容器可被加压。这并不排除生物反应器或容器具有开口、连接件等的可能性，例如流体、例如气体、例如CO2、或液体可经由该等开口、连接件等被引入到容器中或从容器中去除。
如本文所使用，术语“Knallgas细菌”、“氢氧化细菌(hydrogen oxidizing bacteria)”、“H2氧化细菌(H2 oxidizing bacteria)”或“氢氧混合气细菌(oxyhydr ogenbacteria)”涉及一组生理学上定义的细菌，其能够自养生长，即固定二氧化碳，同时氧化氢气(H2)并使用氧气(O2)作为最终电子受体。缩写HOB可以用于术语氢气即H2氧化细菌。术语“氢氧混合气(oxyhydrogen)”可以与“Knallgas”同义使用。“Knallgas”为气态氢与气态氧的混合物。Knallgas细菌为好氧兼性化能无机自养型细菌。Knallgas细菌的示例为热叶绿体嗜氢菌(Hydrogenophilus thermoluteo lus)、嗜热氢杆菌(Hydrogenobacterthermophilus)、海洋氢弧菌(Hydrogenovibr io marinus)、耐金属贪铜菌(Cupriavidusmetallidurans)(以前为真养产碱杆菌(Alcaligenes eutropha)或真养罗氏菌(Ralstoniaeutropha))、浑浊红球菌(Rh odococcus opacus)、自养黄色杆菌(Xantobacterautotrophicus)和杀虫贪铜菌(Cupriavidus necator)。以下简化的一般反应流程描述了经由Knallgas细菌用O2作为电子受体将H2氧化来固定好氧CO2：H2+O2+CO2→生物质+H2O。
术语“化能自养型(chemotrophic)”涉及生物体使用化合物的氧化作为能量源，与由光得到能量的“光养型(phototrophic)”生物体相反。术语“化能无机营养型(chemolithotrophic)”涉及生物体使用无机化合物例如氢气作为电子供体，与术语“化能有机营养型(chemoorganotrophic)”相反，其涉及生物体使用有机化合物作为电子供体。术语“自养生物(autotroph)”或“异养生物(heterotroph)”涉及碳源，CO2为“自养型(autotrophic)”生物体的碳源，有机碳化合物为“异养型(het erotrophic)”生物体的碳源。术语“混合营养型(mixotrophic)”可以用于能够使用有机化合物和CO2两者作为碳源的生物体。术语“化能无机自养型(chemolithoau totrophic)”涉及生物体使用无机化合物作为能量源和电子供体并使用CO2作为碳源。术语“兼性化能无机自养型(facultativechemolithoautotrophic)”表示生物体也能够化学有机异养地生长。例如，“Knallgas”细菌在H2处于对流层浓度时异养地生长，并且只有在H2可处于较高浓度时化能无机营养地生长(Pumphrey GM,Ranchou-Peyruse A,Spain JC.,2011,Cultivation-independentdetection of autotroph ic hydrogen-oxidizing bacteria by DNA stable-isotopeprobing,Appl Environ Microbiol.77(14):4931-4938,doi:10.1128/AEM.00285-11)。
术语“酵母(yeast)”涉及真核单细胞真菌微生物。酵母的示例为酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)、白假丝酵母(Candida albicans)、解脂耶氏酵母(Yarr owialipolytica)。术语“产油酵母(oleaginous yeast)”涉及能够以脂质(例如脂肪；参见例如Abeln,F.,Chuck,C.J.,2021,The history,state of the art and future prospectsfor oleaginous yeast research,Microb Cell Fact 20,221doi:10.1186/s12934-021-01712-1；Blomqvist,J.,Pickova,J.,Tilami,S.K.等人,2018,Oleaginous yeast as acomponent in fish feed,Sci Rep 8,15945,doi:10.1038/s41598-018-34232-x)形式积聚20％和更多它们的细胞干重的酵母。产油酵母的示例为产油皮状新毛孢子菌(Cutaneotrichosporon oleaginosus)、圆红酵母(Rhodotorula toruloides)、解脂耶氏酵母、斯达氏油脂酵母(Lipomyces sta rkeyi)、产油毛孢子菌(Trichosporon oleaginosus)(以前为弯曲隐球菌(Cryptoc occus curvatus))和圆红冬孢酵母(Rhodosporidiumtoruloides)。
术语“电解水(electrolyzing water)”涉及使用直流电将水分离成氢气和氧气的过程。术语“电解器(electrolyzer)”用于表示能够电解水的设备。
除非另有明确说明或从上下文中清楚可见，否则术语“氢气(hydrogen)”涉及二氢，即由通过单一键连接的两个氢原子组成的元素分子H2。术语“分子氢(molecu larhydrogen)”或“气态氢(gaseous hydrogen)”也可以同义地用于H2。
除非另有明确说明或从上下文中清楚可见，否则术语“氧气(oxygen)”涉及由通过单一键连接的两个氧原子组成的元素分子O2。术语“分子氧(molecular oxyge n)”或“气态氧(gaseous oxygen)”也可以同义地用于O2。
术语“C源(C-source)”或“碳源(carbon source)”涉及含有至少一个碳原子的化合物，该碳原子可为构成细胞材料的化合物或被掺入到构成细胞材料的化合物中。C源，特别是用于自养型细菌的C源的一个示例为CO2。
术语“使用在第二生物过程中生产的生物质的至少一部分作为用于第一生物过程的C源”不应当被解释为意指生物质为第一生物过程的唯一碳源。相反，生物质充当用于第一生物过程中的额外的碳源。此外，该术语也不排除该生物质可用于其他目的，例如用作额外的氮源。
术语“CO2固定(CO2 fixation)”或“碳固定(carbon fixation)”涉及将无机碳，特别是呈二氧化碳形式的无机碳以生物方式掺入到有机碳化合物，例如碳水化合物中。术语“二氧化碳的非光合生物固定(non-photosynthetic biological fixati on of carbondioxide)”涉及不包括光合作用的碳固定，即通过非光合生物体进行的碳固定。
术语“发酵(fermentation)”或“发酵的(fermentative)”是指微生物的活动给化合物、食品或饮料带来期望变化的任何过程。
“第三培养基与第二培养基相同”的表述意指第三培养基和第二培养基具有至少基本上相同的组成，即呈相同浓度的基本上相同的成分。该术语并不意味着溶解的气体的浓度，例如H2、O2和CO2的浓度为相同的。
“将通过电解生产的O2的至少一部分进料到第二生物过程和/或进料到第一生物反应器中”的表述包括将以电解产生的O2的全部或一部分排他性地进料到第一生物过程中，将以电解产生的O2的全部或一部分排他性地进料到第一生物过程中，或者同时或间歇地将以电解产生的O2的至少一部分部分地进料到第一生物过程中并部分地进料到第二生物过程中。术语“……的一部分”或“部分地”可以指连续总气流的部分流，或指以适时方式分开的O2气流的部分。因此，举例来说，可以将导向第二生物过程的连续氧气流的一部分与总氧气流分离并用于第一生物过程的氧气供应(见下文)，和/或可以将总氧气流在第一时间段之间进料到第二生物过程中并在第二时间段之间进料到第一生物过程中。将氧气“直接”进料到第二生物过程中的方法不排除将氧气中间储存于储罐例如气瓶中。
“将在第一生物过程中生产的二氧化碳从第一生物过程中取出并进料到第二生物过程中”的表述不应当被解释为意指将CO2选择性地从第一生物过程中取出并进料到第二生物过程中，但被解释为意指将含CO2的空气从第一生物过程中，例如从第一生物反应器的顶部空间中取出，并任选地将经过CO2富集或浓缩的含CO2的空气，进料到第二生物反应器中。
在本发明的方法中，在一个实施方案中，可将以电解产生的氧气排他性地进料到第二生物过程中以用于向第二微生物供应氧气。在一个替代实施方案中，可将以电解产生的氧气排他性地进料到第一生物过程中，在这一实施方案中，该第一生物过程优选为好氧的或至少微好氧的生物过程。在这一实施方案中，好氧的第二生物过程的氧气供应将经由含有在第一生物过程中生产的CO2的气流来提供，该气流是从第一生物过程中取出并被进料到第二生物过程中。因此，来自第一生物过程的残余氧气将供应到第二生物过程中。在另一个实施方案中，将以电解产生的氧气部分地进料到第一生物过程中并部分地进料到第二生物过程中。就数量或时间而言可将氧气分开，即分成两个部分流，连续地进料到第一生物过程和第二生物过程中或间歇地进料到该等生物过程中。
在本发明的方法的优选实施方案中，第三压力p3等于或大于第二压力p2，并且该第二压力等于或大于第一压力p1。特别优选的是，第三压力p3大于第二压力p2，并且该第二压力大于第一压力p1，即p3＞p2＞p1。进一步优选的是，p1大于大气压。由于压力与气体溶解度相关，具有H2气体被进料的第三培养基的容器中的较大压力p3能够使更大量的H2溶解于第三培养基中。第二生物反应器中的、与压力p3相比较低的压力p2有利于H2释放到第二培养基中。容器可配置为第三生物反应器。
第一生物过程可为结果是生产期望生物产品和二氧化碳CO2的任何生物过程。优选的是，第一生物过程为不包括生产强还原性气体如H2或CO的生物过程。第一生物过程可为好氧、厌氧或微好氧的过程。优选的是，第一生物过程为好氧或至少微好氧的过程。通过适用于相应生物产品的任何方法，可从第一生物过程中取出生物产品，例如，如果生物产品被储存于细胞内，则通过取出在第一生物过程中培养的细胞的至少一部分，可从第一生物过程中取出生物产品。然后，可以对从第一生物过程中取出的细胞进行进一步处理以获得生物产品。第一生物过程还可以为用于生产生物质，例如在第一生物过程中生长的活微生物的细胞团的生物过程。在根据本发明的方法的一个优选实施方案中，第一生物过程为好氧的生物过程。进一步优选的是，第一生物过程为用于生产脂质的发酵过程。优选的是，发酵过程包括培养产油酵母、优选圆红冬孢酵母。替代地或另外地，第一生物过程包括生产类胡萝卜素，优选使用圆红冬孢酵母(参见例如Igreja,W.S.；Maia,F.d.A.；Lopes,A.S.；Chisté,R.C.,2021,Biotechnological Production of Carotenoids Using Low Cost-Substrates Is In fluenced by Cultivation Parameters:A Review,Int.J.Mol.Sci.22,8819,doi:10.3390/ijms22168819；Yaegashi,J.,Kirby,J.,Ito,M.等人,2017,Rhod osporidium toruloides:a new platform organism for conversion oflignocell ulose into terpene biofuels and bioproducts,Biotechnol Biofuels 10,241,doi:10.1186/s13068-017-0927-5)。在第一生物过程中使用的微生物例如酵母细胞可为经过基因工程的。
在好氧的第一生物过程的情况下，可将以电解产生的氧气排他性地进料到第一生物过程中，或也可部分地进料到第一生物过程中以便支持好氧的过程。后者例如因为a)O2气流被分成两个气流，其中一个被进料到第二生物过程中，而另一个被进料到第一生物过程中，或因为b)总O2气流被间歇地进料到第一生物过程或第二生物过程中，所以可进行。当然，选项a)和b)的组合也是可能的。如上文所提及，将氧气排他性地进料到第一生物过程中，经由含有从第一生物过程中取出的CO2的气流向第二生物过程供应氧气也是可能的。
在本发明的方法的一个优选实施方案中，第二生物过程为非光合生物过程，并包括O2、H2和CO2的化能无机自养型消耗。在这一实施方案中，第二生物过程为如下的生物过程：用O2作为电子受体将H2氧化并固定二氧化碳的Knallgas细菌生长。优选的是，二氧化碳至少大部分地、进一步优选完全地来自第一过程。在第二生物过程中使用的微生物可为经过基因工程的。
特别优选的是，第一生物过程为用于发酵生产脂质和/或类胡萝卜素的好氧的过程，其包括培养酵母细胞，优选是红冬孢酵母属(genus Rhodosporidium)，特别优选是圆红冬孢酵母，并且第二生物过程包括使用H2和O2化能无机自养地培养Knallga s细菌，优选是嗜氢菌属(genus Hydrogenophilus)，特别优选是热叶绿体嗜氢菌。将通过电解生产的O2进料到第二生物反应器中，而将来自电解的H2进料到容器中，在该容器中其溶解于第三培养基中，将其一部分进料到第二生物反应器中以便向氢氧化细菌供应H2。用于第一过程的主碳源可为例如含碳废物和副产物(例如生物质水解产物、糖蜜等)。然而，其他碳源例如甘油或葡萄糖也是可能的。在这一实施方案中，将酵母细胞生产的二氧化碳进料到第二生物过程中，该第二生物过程包括生产Knall gas细菌的生物质，该Knallgas细菌化能无机自养地生长。因此，在本发明的方法的一个优选实施方案中，第一微生物为红冬孢酵母属的微生物，优选为圆红冬孢酵母的微生物，并且第二微生物为嗜氢菌属的微生物，优选为热叶绿体嗜氢菌的微生物。当然，用于第二生物过程的Knallgas细菌和用于第一生物过程的酵母或细菌的其他组合也是可能的。
在根据本发明的方法的一个优选实施方案中，第二生物过程是在40℃-55℃之间、优选在45℃-55℃之间、在50℃-55℃之间或在50℃-53℃之间的温度下进行的。这在培养嗜热Knallgas细菌，例如热叶绿体嗜氢菌的情况下是特别优选的。
在本发明的方法的一个优选实施方案中，容器中的第三培养基保持厌氧。举例来说，这因为该培养基未被充气而可实现，并且作为培养基中的Knallgas细菌的活动即Knallgas细菌与引入到该培养基中的H2一起消耗任何氧气的结果，可实现。
第一培养基、第二培养基和第三培养基在每种情况下都为适用于预期目的的水性培养基，例如为用于支持所培养的微生物生长的水性培养基。
优选将用于第二生物过程的新鲜培养基进料到容器中，但替代地或另外地，也可以进料到第二生物反应器中。
在本发明的方法的一个优选实施方案中，从第二生物反应器中取出含有第二微生物的、第二生物反应器的第二培养基的一部分，将第二培养基中所含的生物质至少部分地与第二培养基分离，水解并进料到第一生物过程中，并将与生物质分离的第二培养基再循环到第二生物过程中。替代地或另外地，与生物质分离的培养基也可返回到容器中。在这一实施方案中，使用在第二生物过程中生产的生物质作为用于第一生物过程的额外的碳源和氮源，即作为用于在第一生物反应器中培养的微生物生长的底物。此外，可从整个过程中取出在第二生物过程中产生并与第二培养基分离的生物质的至少一部分并用作单独的生物产品，例如用作鱼食。
在本发明的方法的另一个优选实施方案中，将来自第二生物反应器的第二培养基的一部分进料到容器中并喷入含有第三培养基的容器的顶部空间中，并将一定量的第三培养基，优选将与进料到容器中的第二培养基的量基本上相同的量的第三培养基从容器进料到第二生物反应器中。由于第二生物反应器和容器中的培养基为相同的，所以使第二生物反应器和容器中的培养基的一部分循环，优选连续地，从第二生物反应器向容器中并返回到第二生物反应器中。例如借助于泵和喷嘴将该培养基喷入容器的顶部空间中。泵使待进料到容器中的第二培养基的一部分的压力达到＞p3的压力并在容器的顶部空间中使该培养基雾化。同时，使容器中一定量的第三培养基，优选使相同量的第三培养基返回到第二生物反应器中。在这一实施方案中，包括细菌的第二培养基和第三培养基的一部分在第二生物过程与第三生物过程之间循环。第二培养基在容器的顶部空间中的精细分布促进了H2从气相转变为液相。以这种方式，使进料到容器中的以电解产生的H2气体有效地溶解于其中的培养基中并进料到第二生物过程中。
本发明的方法可配置为分批、进料分批(fed-batch)或连续方法。优选的是，本发明的方法为连续方法，即配置为连续方法。
将在第一生物过程中生产的二氧化碳从第一生物反应器，例如从第一生物反应器的顶部空间取出，并进料到第二生物反应器中。在将二氧化碳从第一生物反应器中取出之后并在引入第二生物反应器中之前，优选例如通过使用合适的分离膜例如中空纤维膜将N2与CO2分离来浓缩二氧化碳(参见例如Tong Z,Sekizkardes AK.,2021,RecentDevelopments in High-Performance Membranes for CO2 Separation,Membr anes(Basel)11(2):156,doi:10.3390/membranes11020156；Khalilpour R.,Mumf ord K.,ZhaiH.,Abbas A.,Stevens G.,Rubin E.S.,2015,Membrane-based ca rbon capture fromflue gas:a review,Journal of Cleaner Production 103,286-300,doi:10.1016/j.jclepro.2014.10.050；US10118136 B2)。合适的膜为例如中空纤维膜“Green(Evonik Industrie AG,Essen,Germany)。
就二氧化碳生产和消耗而言，并且为了更好地控制向第二生物过程的CO2供应，例如在第一生物过程和第二生物过程不同步运行的情况下，任选地可将从第一生物反应器中取出的CO2中间储存于储罐，例如气瓶中。
在一个优选实施方案中，将以电解产生的氧气至少部分地直接进料到第二生物过程中以便支持Knallgas细菌的代谢活动。可以将氧气连续地或间歇地进料到第二生物过程中。可以将氧气中间储存于储罐，例如气瓶中。也可以根据在第二生物过程中测量的物理参数，例如pH、pO2、pH2、温度、细胞质量等，将氧气进料到第二生物过程中。可以施加流量调节以便控制进料到第二生物反应器中的氧气的流速。在这一实施方案中，连续地或间歇地可将以电解产生的氧气额外地进料到第一生物过程中，特别是在好氧的生物过程的情况下。流入第一生物过程中的氧气也可经受调节。
在第二方面，本发明涉及一种用于根据本发明的方法的生物产品的生物技术生产的设备，该设备包括：
a)第一生物反应器，该第一生物反应器配置成用于进行第一生物过程，其中，该第一生物过程包括在处于第一压力p1的第一培养基中培养第一微生物，并且其中，该第一生物过程的结果是形成该生物产品和二氧化碳CO2；
b)第二生物反应器，该第二生物反应器配置成用于进行第二生物过程，其中，该第二生物过程包括在处于第二压力p2的第二培养基中培养第二微生物，并且其中，该第二生物过程为生产生物质并消耗分子氧O2、分子氢H2和在步骤a)的该生物过程中生产的该CO2的至少一部分的过程；
c)容器，该容器配置成含有顶部空间和处于第三压力p3的第三培养基；以及
d)电解器，该电解器用于将水电解成O2和H2，
并且其中，该设备还包括：
–第一流体连接件，该第一流体连接件将该第一生物反应器的第一出口流体连接到该第二生物反应器的第一入口，用于将在该第一生物反应器中生产的CO2转移到该第二生物反应器中；
–第二流体连接件，该第二流体连接件将该第二生物反应器的第一出口流体连接到该第一生物反应器的第一入口，用于将在该第二生物反应器中生产的生物质转移到该第一生物反应器中；
–第三流体连接件，该第三流体连接件将该第二生物反应器的第二出口流体连接到该容器的第一入口，用于将第二培养基转移到该容器中；
–第四流体连接件，该第四流体连接件将该容器的第一出口流体连接到该第二生物反应器的第二入口，用于将第三培养基转移到该第二生物反应器中；
–第五流体连接件，该第五流体连接件将该电解器的第一出口流体连接到该第二生物反应器的第三入口，用于将氧气O2转移到该第二生物反应器中；
–第六流体连接件，该第六流体连接件将该电解器的第一出口流体连接到该第一生物反应器的第三入口，用于将氧气O2转移到该第一生物反应器中；以及
–第七流体连接件，该第七流体连接件将该电解器的第二出口流体连接到该容器的第二入口，用于将氢气H2转移到该容器中。
本发明的设备配置成实施本发明的方法，并包括第一生物反应器、第二生物反应器和容器，该容器也可配置为生物反应器。以实施本发明的方法的方式将该等生物反应器与该容器彼此流体连接。因此，该设备包括流体连接件，例如管道或管等，该等流体连接件以如下的方式将该等生物反应器与该容器流体互连：允许将在第一生物反应器中生产的CO2转移到第二生物反应器中；将生物质从第二生物反应器转移到第一生物反应器中；将通过电解器产生的氧气进料到第二生物反应器和/或进料到第一生物反应器中并将氢气进料到该容器中；以及在第二生物反应器与该容器之间循环培养基。
在本发明的设备的一个优选实施方案中，第二流体连接件在第二生物反应器的第一出口与第一生物反应器的第一入口之间包括：用于从第二培养基分离第二微生物的分离器；以及用于水解通过分离器从第二培养基分离的第二微生物的水解器。分离器可为分批或连续运行的离心机，或中空纤维膜模块。与第二微生物分离的培养基可返回到第二生物反应器中，被进料到容器中，或从过程中取出。
在本发明的设备的另一个优选实施方案中，将第二生物反应器的第二出口流体连接到该容器的第一入口的第三流体连接件延伸到包括顶部空间的容器的上部中，延伸部分包括用于使进料到该容器中的第二培养基雾化的喷嘴。
进一步优选的是，将第一生物反应器的第一出口流体连接到第二生物反应器的第一入口的第一流体连接件包括用于在将在第一生物反应器中生产并从第一生物反应器中取出的CO2转移到第二生物反应器中之前将其浓缩的CO2浓缩器，优选膜式CO2浓缩器。还进一步优选的是，第一流体连接件包括用于储存CO2的CO2储罐，例如气瓶。因此，可将CO2中间储存，并在需要时进料到第二生物过程中。这是有利的，因为例如在发生过程错误的情况下或为了补偿不相等的CO2生产速率和消耗速率，能够使第一生物过程中的CO2生产与第二生物过程中的CO2消耗分离。
用于将氧气O2转移到第一生物反应器中的、将电解器的第一出口流体连接到第一生物反应器的第三入口的第六流体连接件合用第五流体连接件的一部分。在本发明的设备的一个优选实施方案中，将电解器的第一出口流体连接到第二生物反应器的第三入口的第五流体连接件延伸到第一生物反应器并将电解器的第一出口流体连接到第一生物反应器的第三入口。优选的是，在第五流体连接件中插入二通阀以使得可将氧气流分开并同时导向到第一生物反应器和第二生物反应器，或者间歇地导向到第一生物反应器或第二生物反应器。
该容器还可配置为生物反应器，以使得设备包括第一生物反应器、第二生物反应器和第三生物反应器。
在下文中，将仅参考附图通过示例进一步详细地描述本发明。
附图说明
图1.描绘根据本发明的设备的一个实施方案的示意图。虚线为气流，实线为液流。
图2.图2中所示的、具有气流和液流的根据本发明的设备的实施方案的简化图示。虚线为气流，实线为液流。
具体实施方式
图1示出了本发明的设备1的简化示意图。该设备包括三个部分A、B和C。A部分包括第一生物反应器2，B部分包括第二生物反应器3，而C部分包括容器4，该容器可以配置为第三生物反应器。第一生物反应器2和第二生物反应器3分别配备有第一搅拌器21和第二搅拌器31以用于搅动第一生物反应器2中的第一培养基23或第二生物反应器3中的第二培养基33。第一压力p1普遍存在于第一生物反应器2中，第二压力p2普遍存在于第二生物反应器3中，而第三压力p3普遍存在于容器4中。
在包括第一生物反应器2的A部分中，进行第一生物过程，该第一生物过程为如下的生物过程：通过在第一生物反应器2中培养的第一微生物形成期望的生物基化学品，这伴随着二氧化碳CO2的形成。这种第一生物过程的示例为用于生产可变脂质的、使用圆红冬孢酵母的充气酵母发酵。此处，例如使用含碳废料和副产物(生物质水解产物、糖蜜等)作为主要C源。除脂质外，圆红冬孢酵母产生含有类胡萝卜素的生物质，该生物质可在水产养殖中用作饲料(虾、三文鱼农场；参见例如Blomqvist,J.,Pickova,J.,Tilami,S.K.等人,2018,Oleaginous yeast as a component in fish feed,Sci Rep 8,15945,doi:10.1038/s41598-018-34232-x)或在食品行业中用作着色剂(参见例如Igreja,W.S.；Maia,F.d.A.；Lopes,A.S.；Chisté,R.C.,2021,Biotechnological Production of Carotenoids UsingLow Cost-Substrate s Is Influenced by Cultivation Parameters:A Review,Int.J.Mol.Sci.22,8819,doi:10.3390/ijms22168819)。脂质谱可通过圆红冬孢酵母的基因修饰来加以调节(Wen Z.,Zhang S.,Odoh C.K.,Jin M.,Zhao Z.K.,2020,Rhodosporidiumtoruloides-A potential red yeast chassis for lipids and beyond,FEMS Ye ast Research,Volume 20,Issue 5,foaa038,doi:10.1093/femsyr/foaa038)。所产生的脂质谱可被可变地调适为用于化妆品/食品行业以使得脂质可例如被分类为棕榈油样到可可油样。
含有第一培养基23的第一生物反应器2充气有空气100，该第一培养基具有第一微生物，此处例如为产油酵母圆红冬孢酵母的细胞。替代地或另外地，可向第一生物反应器2供应在电解水的电解器5中产生的氧气。借助于压缩机9从第一生物反应器2的顶部空间32中取出含有在第一生物反应器2中生产的CO2的废气，并经由第一流体连接件61进料到在B部分中的第二生物反应器3中进行的生物过程中作为C源。第一流体连接件61可以例如为管道或管，将第一生物反应器2的第一出口25流体连接到第二生物反应器3的第一入口34。在CO2到达第二生物反应器3的途中，借助于CO2浓缩器8，例如膜式CO2浓缩器8来浓缩CO2，以使得从废气流中去除主要含有N2的耗尽CO2的空气102。因此，将CO2，或更准确地说，将富集CO2的空气进料到第二生物反应器3中的析气速率vg2(参见图2)通过充气速率，即将空气100进料到第一生物反应器2中的速率以及压缩机9来设定。在所示的实施方案中，此处，第一流体连接件61在CO2流动方向上在CO2浓缩器8之后进一步包括用于中间储存CO2的储罐13。可从A部分中的生物过程中取出在A部分中生产的、例如为生物基化学品的生物产品101，例如被排出到第一培养基23中的化合物或在第一生物过程中生长的细胞中积聚的化合物。
在B部分中，第二微生物，即化能无机营养型的所谓“Knallgas细菌”，在第二生物反应器3中靠CO2、H2和O2生长。在B部分中培养的第二微生物可为具有指定气体需求的任何微生物。合适的微生物的示例为具有特别高的生长速率的热叶绿体嗜氢菌(Arai H,Shomura Y,Higuchi Y,Ishii M.,2018,Complete Genome Sequenceof a ModeratelyThermophilic Facultative Chemolithoautotrophic Hydrogen-Oxidizing Bacterium,Hydrogenophilus thermoluteolus TH-1,Microbiol Resour Announc.7(6):e00857-18,doi:10.1128/MRA.00857-18)。B部分中的生物过程接收来自A部分中的相关生物过程的CO2和剩余O2以及来自电解器5的纯H2和O2，如下文更详细地解释。
在第二生物反应器3中生长的氢氧化细菌所使用的O2和H2是通过电解器5产生的。经由将电解器5的第一出口55和第二生物反应器3的第三入口38流体连接的第五流体连接件65将O2直接进料到第二生物反应器中。在图1中所示的本发明的设备1的实施方案中，流体连接件65的延伸部分651将第一生物反应器2的第三入口28与流体连接件65流体连接，从而与电解器5的第一出口55流体连接，以使得也可经由第六流体连接件66将通过电解器5产生的O2进料到第一生物反应器2中，该第六流体连接件66合用第五流体连接件65的一部分。例如可以使用二通阀86来将O2气流分成第一部分vg4(参见图2)和第二部分vg5，该第一部分进料到第二生物反应器3中，该第二部分经由延伸部分651进料到第一生物反应器2中。可以替代地使用该阀86来将O2流排他性地导向到第一生物反应器2，或将O2流间歇地导向到第二生物反应器或第一生物反应器2。可以将O2气体中间存储于单独的储罐中(未示出)。
由于H2在所使用的水性培养基中的溶解度明显较差，并且为了分离含有O2或H2的气相以避免易燃空间从而产生防爆，不将H2直接进料到第二生物反应器3中。相反，将H2的进入重新定位到C部分，该C部分包括含有第三培养基43的容器4，然而，该第三培养基对应于第二生物反应器3中的第二培养基33。经由将电解器5的第二出口57与容器4的第二入口46流体连接的第七流体连接件67将H2气体进料到容器4中。也可以将H2气体中间存储于单独的储罐中(未示出)。电解器5使容器4中过压。在这一实施方案中，与其他部分，即A部分和B部分中的压力p1和p2相比，普遍存在于容器4中的压力p3为最高压力。增加的压力提供了更高的H2溶解度系数。经由施加到电解器5的电流I(与H2析气速率vg3成比例，参见图2)和第二阀82的位置(封闭度)调节压力。B部分与C部分之间的培养基循环对H2气体的进入有额外的正面影响。为了这种培养基循环，将第三流体连接件63和第四流体连接件64布置在第二生物反应器3与容器4之间。第三流体连接件63将第二生物反应器3的第二出口37与该容器的第一入口44流体连接，该第一入口44以容器4的顶部空间42的高度被布置在容器4的上部41中。将第一泵10布置在第三流体连接件63中以用于将第二培养基33从第二生物反应器3泵送到容器4中。第四流体连接件64将容器4的第一出口45与第二生物反应器3的第二入口36流体连接，并且允许第三培养基43从容器4重新流动到第二生物反应器3中。例如可用第二阀82来控制第三培养基43到第二生物反应器3的流动。从B部分中取出第二培养基33的一部分并用第一泵10使其达到＞p3的压力以便将其通过喷嘴12精细地喷入C部分的容器4的顶部空间42中。通过在具有H2气氛的容器4的顶部空间42中进行这种精细分布，确保H2进一步富集在液相中。H2饱和的培养基向B部分中的第二生物过程中的流入可通过经由第一泵10和第二阀82的回路并使用vl1和vl2来加以调节(参见图2)。在该循环中，第二微生物，即Knallgas细菌也将可受益于不同的溶解气体浓度。
在B部分中，由于优选低于压力p3的压力p2，使得溶解的H2更好地释放到周围培养基中。此处，通过用第二搅拌器31搅拌，并任选地通过经由阀81在A部分与B部分之间进行气体循环来增加CO2和O2输入，该阀被布置在第九流体连接件69中，该第九流体连接件将以第二生物反应器3的顶部空间32的高度被布置的、第二生物反应器3的第三出口39和以第一生物反应器2的顶部空间22的高度被布置的、第一生物反应器2的第二入口26流体连接。
A部分中的压力p1优选低于B部分和C部分中的压力，但优选略高于大气压。在B部分和C部分中，如果需要，则可用阀83和阀84降低或控制过压。
一旦达到足够的第二微生物的细胞密度，就优选经由第二泵11和分离器6连续地提取在B部分中产生的生物质。在这一过程中，从第二生物反应器3中取出含有第二微生物的第二培养基33，使用分离器6，例如连续离心机，例如盘堆离心机，或中空纤维膜模块将细胞与第二培养基33分离，在水解器7中水解并进料到第一生物反应器2中。出于此目的，第二流体连接件62，例如管道或管，将第二生物反应器3的第一出口35与第一生物反应器2的第一入口24流体连接。分离器6相对于第二培养基33的流动方向被布置在泵11之后，并且水解器7被布置在分离器6之后。在这一实施方案中，与细胞分离的第二培养基33经由第八流体连接件68返回到B部分的生物过程中，该第八流体连接件将具有分离的第二培养基33的分离器6的一部分流体连接到第二生物反应器3的第四入口30。任选地，例如可经由第五阀85从回路中去除第二培养基以用于再处理，并重新引入到C部分中。用水解器7水解所提取的生物质并进料到A部分中的生物过程中作为额外的C源和N源。也可取出生物质的至少一部分并用作单独的生物产品，例如鱼食。根据A部分中的生物过程的操作模式(例如分批或连续)，生物质后处理可连续地或间隔地进行。以这种方式，在脂质发酵步骤中可节省估计20％-60％的昂贵葡萄糖，并且C平衡可向更高的脂质产率的方向明显偏移。
可将新鲜培养基103引入C部分中的过程中，例如在容器4的第三入口48处。例如经由第一生物反应器2的第三出口29，可从A部分中取出第一微生物和/或第一培养基23。
图2示出了图1中所示的设备的简化流程，并且示出了流入A部分、B部分或C部分中并介于该等部分之间的气流(虚线)和液流(实线)(参见对图1的描述)。

Claims (16)

1.一种生物产品的生物技术生产方法，所述方法包括：
a)第一生物过程，所述第一生物过程包括在第一生物反应器中在处于第一压力p1的第一培养基中培养第一微生物，所述第一生物过程的结果是形成所述生物产品和二氧化碳CO2；
b)第二生物过程，所述第二生物过程包括在第二生物反应器中在处于第二压力p2的第二培养基中培养第二微生物，所述第二生物过程为生产生物质并消耗分子氧O2、分子氢H2和在步骤a)的所述第一生物过程中生产的所述CO2的至少一部分的过程；
c)将水电解成O2和H2，将通过电解生产的所述O2的至少一部分进料到所述第二生物过程和/或所述第一生物过程中，并将通过电解生产的所述H2的至少一部分进料到含有顶部空间和处于第三压力p3的第三培养基的容器中，所述第三培养基与所述第二生物反应器中的所述第二培养基相同；以及
d)将来自所述容器的含有H2的第三培养基的至少一部分进料到所述第二生物过程中，
其中，使用在步骤b)的所述第二生物过程中生产的所述生物质的至少一部分作为步骤a)的所述第一生物过程的C源。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，p3≥p2≥p1，优选p3＞p2＞p1。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述第一生物过程为好氧生物过程，优选为发酵过程，进一步优选为用于生产脂质和/或类胡萝卜素的发酵过程。
4.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其中，所述第二生物过程包括O2、H2和CO2的化能无机自养型消耗。
5.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其中，所述第二生物过程是在40℃-55℃之间、优选在45℃-55℃之间、在50℃-55℃之间或在50℃-53℃之间的温度下进行的。
6.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其中，从所述第二生物反应器中取出含有所述第二微生物的、所述第二生物反应器的所述第二培养基的一部分，将所述第二培养基中所含的所述生物质至少部分地与所述第二培养基分离，水解并进料到所述第一生物过程中，并将与所述生物质分离的所述第二培养基再循环到所述第二生物过程中。
7.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其中，将来自所述第二生物反应器的所述第二培养基的一部分进料到所述容器中并喷入所述容器的所述顶部空间中，并将相同量的第三培养基自所述容器进料到所述第二生物反应器中。
8.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其中，将通过电解生产的所述O2的一部分进料到所述第一生物过程中。
9.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其中，所述第一微生物为红冬孢酵母属的微生物，优选为圆红冬孢酵母的微生物，并且其中，所述第二微生物为嗜氢菌属的微生物，优选为热叶绿体嗜氢菌的微生物。
10.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其中，p1大于大气压。
11.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其中，所述方法为连续方法。
12.一种设备(1)，其用于根据前述权利要求中的一项所述的方法的生物产品的生物技术生产，所述设备(1)包括：
a)第一生物反应器(2)，所述第一生物反应器配置成用于进行第一生物过程，其中，所述第一生物过程包括在处于第一压力p1的第一培养基(23)中培养第一微生物，并且其中，所述第一生物过程的结果是形成所述生物产品和二氧化碳CO2；
b)第二生物反应器(3)，所述第二生物反应器配置成用于进行第二生物过程，其中，所述第二生物过程包括在处于第二压力p2的第二培养基(33)中培养第二微生物，并且其中，所述第二生物过程为生产生物质并消耗分子氧O2、分子氢H2和在步骤a)的所述生物过程中生产的所述CO2的至少一部分的过程；
c)容器(4)，所述容器配置成含有顶部空间(42)和处于第三压力p3的第三培养基(43)；以及
d)电解器(5)，所述电解器用于将水电解成O2和H2，
并且其中，所述设备(1)还包括：
–第一流体连接件(61)，所述第一流体连接件将所述第一生物反应器(2)的第一出口(25)流体连接到所述第二生物反应器(3)的第一入口(34)，用于将在所述第一生物反应器(2)中生产的CO2转移到所述第二生物反应器(3)中；
–第二流体连接件(62)，所述第二流体连接件将所述第二生物反应器(3)的第一出口(35)流体连接到所述第一生物反应器(2)的第一入口(24)，用于将在所述第二生物反应器(3)中生产的生物质转移到所述第一生物反应器(2)中；
–第三流体连接件(63)，所述第三流体连接件将所述第二生物反应器(3)的第二出口(37)流体连接到所述容器(4)的第一入口(44)，用于将第二培养基(33)转移到所述容器(4)中；
–第四流体连接件(64)，所述第四流体连接件将所述容器(4)的第一出口(45)流体连接到所述第二生物反应器(3)的第二入口(36)，用于将第三培养基(43)转移到所述第二生物反应器(3)中；
–第五流体连接件(65)，所述第五流体连接件将所述电解器(5)的第一出口(55)流体连接到所述第二生物反应器(3)的第三入口(38)，用于将氧气O2转移到所述第二生物反应器(3)中；
–第六流体连接件(66)，所述第六流体连接件将所述电解器(5)的第一出口(55)流体连接到所述第一生物反应器(2)的第三入口(28)，用于将氧气O2转移到所述第一生物反应器(2)中；以及
–第七流体连接件(67)，所述第七流体连接件将所述电解器(5)的第二出口(57)流体连接到所述容器(4)的第二入口(46)，用于将氢气H2转移到所述容器(4)中。
13.根据权利要求12所述的设备(1)，其中，所述第二流体连接件(62)在所述第二生物反应器(3)的所述第一出口(35)与所述第一生物反应器(2)的所述第一入口(24)之间包括：用于从所述第二培养基(33)分离所述第二微生物的分离器(6)；以及用于水解通过所述分离器(6)从所述第二培养基(33)分离的所述第二微生物的水解器(7)。
14.根据权利要求12或13中的一项所述的设备(1)，其中，将所述第二生物反应器(3)的所述第二出口(37)流体连接到所述容器(4)的所述第一入口(44)的所述第三流体连接件(63)延伸到包括所述顶部空间(42)的所述容器(4)的上部(41)中，延伸部分包括用于使进料到所述容器(4)中的第二培养基(33)雾化的喷嘴(12)。
15.根据权利要求12至14中的一项所述的设备(1)，其中，将所述第一生物反应器(2)的所述第一出口(25)流体连接到所述第二生物反应器(3)的所述第一入口(34)的所述第一流体连接件(61)包括用于在将所述CO2转移到所述第二生物反应器(3)中之前将其浓缩的CO2浓缩器(8)。
16.根据权利要求12至15中的一项所述的设备(1)，其中，将所述第一生物反应器(2)的所述第一出口(25)流体连接到所述第二生物反应器(3)的所述第一入口(34)的所述第一流体连接件(61)包括用于中间储存CO2的CO2储罐(13)。
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