烷醇的制作方法

專利名稱：烷醇的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及從碳源如生物質(zhì)制備烷醇，特別地丁醇的方法。本發(fā)明還涉及用于實(shí)施本發(fā)明的方法的設(shè)備。
背景技術(shù)：
烷醇，更準(zhǔn)確地講，CV6的單羥基烷醇，尤其是乙醇和丁醇，本身或者作為對諸如汽油的傳統(tǒng)的烴類燃料的添加劑，成為越來越重要的燃料。以此方式用作燃料的乙醇的制備近來引起許多關(guān)注。但是，丁醇，尤其是1-丁醇、2-丁醇和異丁醇，是比乙醇更具有吸引力的燃料選擇。丁醇比乙醇更易于與傳統(tǒng)的液態(tài)烴燃料混合，并且它在燃燒時(shí)產(chǎn)生的熱量比乙醇產(chǎn)生的熱量更高。酵母,例如啤酒 酵母(Brewer’ s yeast),長久以來被人們知曉能夠?qū)⒖砂l(fā)酵的糖轉(zhuǎn)化為醇例如乙醇，并且細(xì)菌例如梭菌(Clostridium)長久以來被人們知曉能夠?qū)⒖砂l(fā)酵的糖轉(zhuǎn)化為諸如乙醇、丙醇和丁醇的醇。由這些發(fā)酵產(chǎn)生的醇可以通過例如蒸餾與發(fā)酵混合物分離開。但不幸的是，分離由所述發(fā)酵反應(yīng)的醇的分離過程需要相當(dāng)大量的能量。這是因?yàn)?，用于將糖轉(zhuǎn)化為烷醇的酵母和細(xì)菌在相對低濃度的烷醇下被烷醇以及其它副產(chǎn)品抑制，并停止烷醇制備。這意味著，可以通過利用傳統(tǒng)的酵母和細(xì)菌實(shí)現(xiàn)的最大濃度的乙醇和丁醇分別為大約13%和2%。結(jié)果，需要大量的能量來從水中移除相對低百分?jǐn)?shù)的烷醇。最近已經(jīng)對從生物質(zhì)衍生而來的糖發(fā)酵為烷醇的可能性引起了相當(dāng)大的注意力。典型地，生物質(zhì)通過酸進(jìn)行處理以產(chǎn)生可發(fā)酵的糖，該可發(fā)酵的糖后來可以轉(zhuǎn)化為烷醇。許多不同的有機(jī)物，包括基因改性的有機(jī)物，已經(jīng)被開發(fā)出來以試圖增大能夠從該過程獲得的烷醇的量。然而，從發(fā)酵液分離烷醇仍然需要相當(dāng)大量的能量，從而使得該過程相當(dāng)耗倉泛。為了試圖解決該問題，不直接從生物質(zhì)制備烷醇，已經(jīng)提出將生物質(zhì)或者可發(fā)酵的碳水化合物通過發(fā)酵轉(zhuǎn)化為酸，例如乙酸和丁酸，然后通過催化氫化或者氫解將酸轉(zhuǎn)化為烷醇。US 2006/0019360，例如公開了這樣一種用于制備乙醇的方法，US 2008/0248540公開了一種用于制備丁醇的類似方法。更具體地，US 2008/0248540公開了一種用于制備丁醇的方法，其中首先利用丁酸制備菌例如酪丁酸梭菌(Clostridium tyrobutyricum)在大約37°C下將生物質(zhì)原料轉(zhuǎn)化為丁酸。存在于發(fā)酵液中的丁酸被回收并通過脂肪胺萃取被提純，然后用熱水或者蒸汽汽提溶劑。這樣，獲得部分提純的丁酸，用于催化氫化。但是，丁酸到丁醇的氫化需要利用高溫和高壓來實(shí)現(xiàn)可接受的產(chǎn)率和/或利用昂貴的催化劑。例如，US 2008/0248540教導(dǎo)了利用選擇性的負(fù)載催化劑，例如包括族VIII的靠后的過渡金屬化合物的雙金屬催化劑、Ru-Sn系統(tǒng)和MgO-NH2-Ru系統(tǒng)。雖然如此，氫化反應(yīng)仍需要高溫(150-20(TC )和高壓(200-300大氣壓)以及輸入氫。US 2008/0248540描述了利用氫化過程中發(fā)酵產(chǎn)生的氫的可能性，但是這在實(shí)踐中實(shí)現(xiàn)起來是有挑戰(zhàn)的?？赡苄枰辽僖恍╊~外的氫，并且氫的制備是昂貴的。而且，由US 2008/0248540中描述的方法獲得的丁醇仍必須經(jīng)由很耗能的蒸餾方法進(jìn)行回收。

發(fā)明內(nèi)容
從第一方面來看，本發(fā)明提供一種用于制備烷醇的方法，所述方法包括:(i)利用微生物將碳源轉(zhuǎn)化為羧酸或者其衍生物；和(ii)電化學(xué)還原所述酸到所述烷醇。在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式中，所述酸是丁酸，優(yōu)選1-丁酸、2-丁酸或者異丁酸，并且所述烷醇是丁醇，優(yōu)選1- 丁醇、2- 丁醇或者異丁醇。從本發(fā)明的另一方面來看，本發(fā)明提供一種用于制備烷醇的設(shè)備，所述設(shè)備包括:(ia)第一反應(yīng)器，所述第一反應(yīng)器用于利用微生物將碳源轉(zhuǎn)化為羧酸或者其衍生物；和(ib)第二反應(yīng)器，所述第二反應(yīng)器用于電化學(xué)還原所述酸到所述烷醇，和其中，所述第一反應(yīng)器流體連接到所述第二反應(yīng)器。本發(fā)明的方法和設(shè)備是有利的，原因在于:1)微生物 并不暴露到高水平的烷醇，因此不會發(fā)生中毒；2)電化學(xué)還原通過高濃度的酸變得有利并且可以產(chǎn)生比微生物還原更高濃度的醇；3)電化學(xué)還原可以任選地產(chǎn)生足夠的烷醇以使得兩相系統(tǒng)得以形成一一個(gè)相主要為水，另一個(gè)相為大約1:1的醇:水--從而有利于烷醇的回收，也就是降低用于蒸餾的能量成本。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的方法對于制備通式ROH的烷醇特別有用，其中，R是直鏈或者枝化的烷基。特別優(yōu)選地，R是Cm烷基，更優(yōu)選C2_6烷基，特別地，C2或C4烷基，尤其是C4烷基。本發(fā)明的方法非常適于制備乙醇(CH3CH2OH)和丁醇，尤其是丁醇。制備1-丁醇(CH3CH2CH2CH2OH)、2-丁醇(CH3CH2CH0HCH3)和異丁醇((CH3)2CHCH2OH)是特別優(yōu)選的。在本發(fā)明的優(yōu)選方法中，碳源是生物質(zhì)。如在此使用的術(shù)語“生物質(zhì)”是指用作能量源的任何可再生的有機(jī)物質(zhì)。這些類型的生物質(zhì)的代表性的例子包括藻類生物質(zhì)、植物生物質(zhì)、動物生物質(zhì)(例如任何的動物副產(chǎn)品、動物廢物，等等)和城市廢物生物質(zhì)(例如，可重復(fù)利用物例如廢棄的金屬和玻璃的家庭垃圾和輕商業(yè)垃圾)。一般優(yōu)選藻類生物質(zhì)和植物生物質(zhì)，尤其是藻類生物質(zhì)。如在此使用的術(shù)語“藻類生物質(zhì)”意在表示任何藻類衍生的有機(jī)物質(zhì)。它包括海藻以及微藻類(也就是，能夠光合作用的直徑小于I毫米的有機(jī)物)。藻類生物質(zhì)包括海藻，例如褐海藻(Phaeophyceae)、紅海藻(Rhodophyceae)、綠海藻(Chlorophyceae)和諸如娃藻(Bacillariophyceae)、綠海藻、藍(lán)海藻(Cyanophyceae)和金海藻(Chrysophyceae)的植物。海藻是用于本發(fā)明的方法的特別優(yōu)選類型的生物質(zhì)。海藻一般包括碳水化合物昆布糖，其包括通過β 1-3和β 1-6糖苷鍵連接的葡萄糖和甘露糖；以及海藻酸鹽，其包括通過β 1-4鍵連接的甘露糖醛酸和葡糖醛酸鹽。如在此使用的術(shù)語“植物生物質(zhì)”意在表示能夠可持續(xù)地提供能量的任何植物衍生的有機(jī)物質(zhì)(木質(zhì)的或者非木質(zhì)的)。植物生物質(zhì)包括農(nóng)作物廢物和殘?jiān)缬衩讞U、樹薯粉、玉米塊、麥桿、小麥麩皮、稻草桿、甘蔗渣等。植物生物質(zhì)還包括木質(zhì)能量農(nóng)作物、廢木和殘?jiān)?，例如樹木、針葉樹林修剪物、樹皮廢物、鋸屑、造紙紙漿工業(yè)廢物流、木纖維，等等。此外，草類農(nóng)作物，例如軟枝草，具有大規(guī)模被制備作為另一植物生物質(zhì)源的可能。對于城市區(qū)域，最可能的植物生物質(zhì)原料包括花園廢物(例如，修剪下來的草、樹葉、修剪下來的樹枝、砍下或斷落的樹枝等)和蔬菜加工廢物。已知植物生物質(zhì)是最常見形式的實(shí)際可用的碳水化合物。植物生物質(zhì)一般包括三個(gè)主要的化學(xué)部分:半纖維素、纖維素和木質(zhì)素。半纖維素是短的、高度枝化的大多數(shù)五個(gè)碳的戊糖(例如木糖和阿拉伯糖)和更小范圍的六碳己糖(例如半乳糖、葡萄糖和甘露糖)的聚合物。這些糖被乙酸高度取代。半纖維素具有高度枝化的結(jié)構(gòu)，因此是非晶的并且，例如通過酶或者稀釋酸處理相對易于水解(或者分裂)為它的各組分糖。纖維素是通過β_糖苷鍵連接的葡萄糖的線性聚合物。這使得纖維素形成非常相關(guān)聯(lián)的氫鍵合的線性鏈。纖維素因此形成剛性的晶體結(jié)構(gòu)，其高度穩(wěn)定并且比半纖維素聚合物更能抵抗化學(xué)水解或者酶化攻擊。木質(zhì)素是酚分子的聚合物，提供了植物的結(jié)構(gòu)完整性，典型地作為植物生物質(zhì)中的糖已經(jīng)被發(fā)酵后的剩余材料留下。纖維素占據(jù)了較大比例，例如，對于大多數(shù)種類的生物質(zhì)，為30-50%。這樣，盡管纖維素比半纖維素更難以轉(zhuǎn)化為糖，但是它的有效利用對于最大化基于每噸植物生物質(zhì)的烷醇，例如丁醇產(chǎn)量是重要的。優(yōu)選的用于本發(fā)明的方法中的植物生物質(zhì)包括至少50重量％，更優(yōu)選至少60重量％，仍更優(yōu)選至少70重量％的纖維素和半纖維素。最大百分重量的半纖維素和纖維素可以為95%或者99%。本發(fā)明的優(yōu)選方法包括預(yù)處理步驟，其中生物質(zhì)被轉(zhuǎn)化為糖，例如可發(fā)酵的糖。這樣，在本發(fā)明的優(yōu)選方法中，步驟(i)包括如下步驟:(ia)將碳源轉(zhuǎn)化為糖；和(ib)通過微生物處理所述糖以產(chǎn)生所述羧酸或者其衍生物。如在此使用的術(shù)語“糖”，更特別地“可發(fā)酵的糖”，意在包括任何能夠由微生物轉(zhuǎn)化為烷醇的糖。優(yōu)選的糖是戊糖和己醣，例如木糖、阿拉伯糖、半乳糖、葡萄糖、甘露糖、甘露糖醇、甘露糖醛酸和葡糖醛酸鹽。任何的傳統(tǒng)的預(yù)處理步驟可以用于轉(zhuǎn)化碳源為糖。預(yù)處理方法可以例如利用不同濃度的酸(包括硫酸、鹽酸、有機(jī)酸，等等)和/或其它的化學(xué)制品例如氨、銨和石灰。預(yù)處理方法可以額外地或者替代地采用包括水、熱、蒸汽或者加壓蒸汽和/或各種酶，例如酶水解的水熱處理。熱穩(wěn)定的酶例如可用于將碳源轉(zhuǎn)化為糖。用于本發(fā)明中的優(yōu)選的預(yù)處理步驟包括酸(例如稀釋的或濃的)水解處理、水熱處理(例如蒸汽噴射(explosion)和熱水萃取)、化學(xué)處理(例如氨噴射、氨再循環(huán)滲濾(ARP)、石灰處理)、酶水解(例如利用熱穩(wěn)定的酶)或者前述各項(xiàng)的任意組合。 這樣的預(yù)處理步驟可以利用常規(guī)方法和設(shè)備進(jìn)行。酸水解可例如通過混合生物質(zhì)與酸(例如0.1-1M的HCl或者H2SO4)進(jìn)行。典型地，混合物被加熱，例如加熱到75-125°C，并任選地加壓。典型的反應(yīng)時(shí)間可以為0.5-5小時(shí)。在水解完成后，不能溶解的材料通過過濾移除，并且水解產(chǎn)物(例如水糖溶液)被收集。優(yōu)選地，水解產(chǎn)物在它用于隨后的步驟中之前被中和。水解產(chǎn)物優(yōu)選地在用于隨后的步驟之前被殺菌。替代地，或者額外地，水熱處理可以通過混合生物質(zhì)與水，然后通過蒸汽噴射加熱混合物而進(jìn)行?；旌衔飪?yōu)選地被加熱到80-150°C范圍的溫度。優(yōu)選地，該方法在5-30巴的壓力下進(jìn)行。在處理完成后，不能溶解的物質(zhì)優(yōu)選地通過過濾被移除。糖，例如水糖溶液，可以被收集?？梢杂糜诒景l(fā)明的方法中的另一優(yōu)選預(yù)處理是利用一種或多種將碳源轉(zhuǎn)化為糖的微生物處理所述碳源。微生物可以為嗜溫性的或者嗜熱性的?！笆葴匦缘摹痹诖耸侵肝⑸锬軌蛟?5-45°C，更優(yōu)選20-40°C，仍更優(yōu)選25_35°C之間的溫度下在水溶液中繁殖一段時(shí)間，例如，至少10小時(shí)?！笆葻嵝缘摹痹诖耸侵肝⑸锬軌蛟谥辽?5°C，優(yōu)選至少50°C，更優(yōu)選至少60°C，尤其是60-80°C的溫度下在水溶液中繁殖一段時(shí)間，例如，至少10小時(shí)。典型地，微生物以水菌體培養(yǎng)液的形式使用。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以容易地制備適當(dāng)?shù)木w培養(yǎng)液。使用的微生物優(yōu)選地為嗜熱性的。這樣，步驟(i)優(yōu)選地包括通過用嗜熱性微生物在至少45°C，更優(yōu)選至少50°C，仍更優(yōu)選至少60°C，尤其60-80°C的溫度下處理碳源，以產(chǎn)生所述羧酸或者其衍生物。嗜 熱性微生物的使用有利地消除了對在轉(zhuǎn)化完成后的任何中和步驟的需求。用于碳源例如纖維素破壞的嗜熱性微生物可以是能夠?qū)崿F(xiàn)該轉(zhuǎn)化的任何嗜熱性微生物。適當(dāng)?shù)奈⑸锟梢栽谌魏蔚亩逊实臒嶂行闹邪l(fā)現(xiàn)。高度嗜熱性微生物可以通過從這樣的環(huán)境在連續(xù)更高的溫度下培養(yǎng)樣品而進(jìn)行分離，例如，以5°C的步長將溫度從35V升高到期望的操作溫度?；蛘撸话愀鼉?yōu)選地，這樣的微生物可以通過在期望的升高的操作溫度下培養(yǎng)而從源材料分離。優(yōu)選的微生物種是梭菌(Clostridium)。有用的微生物種的例子包括熱纖維梭菌(C.thermocellum)、熱解糖梭菌(C.thermosaccarolyticum)、糞堆梭菌(C.stercorarum)、產(chǎn)氣莢膜梭菌(C.straminisoIvens)和 C.thermoamylolyticum特別是熱纖維梭菌DSM1237、糞堆梭菌DSM8532、產(chǎn)氣莢膜梭菌DSM16021和C.thermoamylolyticumDSM2335 (參見 Ozkan et al.,J.1nd.Micribio 1.&Biotech.27:275-280(2001))。適當(dāng)?shù)拇龠M(jìn)纖維素破壞的嗜熱性微生物還包括產(chǎn)生纖維素酶、水解酶、乳糖酶和/或過氧化酶的微生物。具有纖維素分解酶的梭菌株是已知的(例如參見Sakka etal, Agricultural and Biological Chemistry 53:905-910(1989)，and Kato et al Int.J.Syst.Evo1.Microbiol.54:2043-2047 (2004))，并且可以方便地用于本發(fā)明的方法中。當(dāng)嗜熱性微生物用于轉(zhuǎn)化碳源為糖時(shí)，碳源，例如生物質(zhì)，可以額外地通過以上描述的方法之一進(jìn)行預(yù)處理,例如通過水熱處理。如果進(jìn)行預(yù)處理,產(chǎn)生的混合物典型地被加熱，例如加熱到至少45°C，然后加入微生物菌體培養(yǎng)液。如果沒有進(jìn)行預(yù)處理步驟，生物質(zhì)典型地與水混合，任選地被浸軟，并被加熱到適當(dāng)?shù)臏囟?，例如至?5°C，并且加入菌體培養(yǎng)液。在上述兩種情形中，混合物優(yōu)選地保持在選取的溫度下至少24小時(shí)，更優(yōu)選至少48小時(shí)，例如至少72小時(shí)。優(yōu)選地，混合物保持在惰性氣氛，例如氮?dú)夥障?。在處理完成后，獲得一般為水溶液形式的糖。不能溶解的材料可以通過過濾，例如通過使用傳統(tǒng)的壓濾機(jī)，進(jìn)行移除。
在本發(fā)明的優(yōu)選方法中，從生物質(zhì)產(chǎn)生的糖，例如可發(fā)酵的糖，通過由微生物處理而轉(zhuǎn)化為羧酸或者其衍生物。優(yōu)選地，該過程產(chǎn)生通式為R’COOH的羧酸，其中R’是直鏈或者枝化的，優(yōu)選直鏈的烷基。特別優(yōu)選地，R’是C1-烷基，更優(yōu)選C2—5烷基，特別地C1或者C3烷基。本發(fā)明的方法非常適于制備乙酸(CH3COOH)和丁酸，尤其是丁酸(CH3CH2CH2CooH)。本發(fā)明的方法還可以產(chǎn)生羧酸衍生物。如在此使用的，術(shù)語“衍生物”包括羧酸的鹽和酯。當(dāng)產(chǎn)生衍生物時(shí)，它優(yōu)選地為鹽。鹽的代表性的例子包括鈉、鉀、鋰、和銨鹽。酯的例子包括甲基、乙基和丁基醋。用于轉(zhuǎn)化碳源(例如糖)為羧酸或者其衍生物的微生物可以是能夠?qū)崿F(xiàn)該轉(zhuǎn)化的任何已知的細(xì)菌或者真菌。優(yōu)選地，微生物是細(xì)菌，特別地厭氧菌。任選地，可釆用微生物的混合物。微生物可以是嗜溫性的或者嗜熱性的。微生物可例如為梭菌(Clostridium)，不動桿菌(Actinetobacter)，節(jié)桿菌(Arthrobacter)，芽抱桿菌(Bacillus)，雙歧桿菌(Bifidobacteria)，丁酸弧菌(Butyrovibrio),埃希氏菌(Escherichia),腸球菌(Enterococcus),真桿菌(Eubacterium)， 黃桿菌(Flavobacterium),梭桿菌(Fusobacterium)，巨球形菌(Megaspheara)，諾卡氏菌(Nocardia)，假丁酸弧菌(Pseudobutyrovibrio)，根瘤菌(Rhizobium)，紅球菌(Rhodococcus),羅斯氏菌(Roseburia)，鏈霉菌(Streptomyces),青枯菌(Ralstonia), Taleabrevisj 解服芽抱桿菌(Ureibacillus)，熱厭氧桿菌(Thermoanaerobacter)，好熱厭氧桿菌(Thermoanaerobacterium)，乳桿菌(Lactobacillus),地芽抱桿菌(Geobacillus)，酵母菌(Pichia)，酵母菌(Saccharomyces)，發(fā)酵單胞菌(Zymomonas)，假單胞菌(Pseudomonas)，產(chǎn)減菌(Alcaligenes)，克雷伯氏菌(Klebsiella)，類芽抱桿菌(Paenibacillus)，棒桿菌(Corynebacterium)，短桿菌(Brevibacterium)，念珠菌(Candida)或漢遜酵母(Hansenula)的菌種。在本發(fā)明的一些方法中特別優(yōu)選的微生物包括不動桿菌種(Actinetobactersp.)，節(jié)桿菌種(Arthrobacter sp.)，凝結(jié)芽抱桿菌(Bacillus coagulans),芽抱桿菌種(Bacillus sp.)，熱葡糖苷酶芽抱桿菌 TN-T9 (Bacillus thermoglucosidasius TN-T9)，青春雙歧桿菌(Bifidobacterium adolescentis), Butyrivibrio hungatei，Butyrivibriosp.，丙酮丁醇梭菌(Clostridium acetobutylicum),丙酮丁醇梭菌 SA-1 (Clostridiumacetobutylicum strain SA-1),金黃丁酸梭菌(Clostridium aurantibutyricum),拜氏梭菌(Clostridium bei jerinckii)，丁酸梭菌(Clostridium butyicum),速生梭菌(Clostridium celerecrescens)，克氏梭菌(Clostridium kluyveri),揚(yáng)氏梭菌(Clostridium I jungdahlii)，巴氏梭菌(Clostridium pastuerianum),角軍蛋白梭菌(Clostridium proteoclasticum)，丁酸梭菌(Clostridium saccharobutylicum),假破傷風(fēng)梭菌(Clostridium tetanomorphum)，熱丁酸梭菌(Clostridium thermobutyricum),解糖梭菌(Clostridium saccharolyticum)，熱纖維梭菌(Clostridium thermocellum),熱解糖梭菌(Clostridium thermosaccarolyticum),酪丁酸梭菌(Clostridiumtyrobutyricum), Clostridium carboxidivorans,粘液真桿菌(EubacteriumIimosum)，真桿菌種(Eubacterium spp.), Flavobacterium nucleatum，黃桿菌種(Flavobacterium sp.)，普拉氏梭桿菌(Fusobacterium prauznitzii)，梭桿菌種(Fusobacterium spp.), Geobacillus thermoglucosidasius, Geobacillus toebii,發(fā)酵乳桿菌(Lactobacillus fermentum), Lactobacillus spp.,埃氏巨球形菌(Megasphaeraelsdenii)，諾卡氏菌種(Nocardia sp.),瘤胃假丁酸弧菌(Pseudobutyrovibrioruminis), Psuedobutyrovibrio xylanivorans, Taleabrevis butyricans,產(chǎn)乙酉享熱厭氧桿菌(Thermoanaerobacter ethanolicus)和熱解糖梭菌(Thermoanaerobacteriumthermo saccharoIyti cum)。再更優(yōu)選的微生物是梭菌屬。優(yōu)選的梭菌屬包括丙酮丁醇梭菌(C.acetobutylicum)、金黃丁酸梭菌(C.aurantibutyricum)、拜氏梭菌(C.bei jerinckii)、丁酸梭菌(C.butyicum)、克氏梭菌(C.kluyveri)、巴氏梭菌(C.pastuerianum)、丁酸梭菌(C.saccharobutylicum)、解糖梭菌(C.saccharoIyticum)、熱丁酸梭菌(C.thermobutyricum)、熱纖維梭菌(C.thermocellum)、熱解糖梭菌(C.thermosaccarolyticum)、Clostridium carboxidivorans 和酪丁酸梭菌(C.tyrobutyricum),在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式中，用于羧酸制備的微生物，例如嗜溫性或者嗜熱性微生物，是能夠由羧酸前體產(chǎn)生羧酸酯的微生物的基因修飾形式，該基因修飾是敲除(也就是失活)或者缺失將酸生物前體轉(zhuǎn)化為酯的基因。在梭菌的情形中，例如，這可以包括敲除或者缺失將乙酰基-CoA轉(zhuǎn)化為乙酸酯和/或?qū)⒍□；?CoA轉(zhuǎn)化為丁酸酯的基因，或者通過增強(qiáng)或者加強(qiáng)將乙?；?CoA轉(zhuǎn)化為乙酸或者將丁?；?CoA轉(zhuǎn)化為丁酸的基因。這可以通過常規(guī)方法例如基因破壞、敲除誘變或者不利的酶進(jìn)化而容易地實(shí)現(xiàn)。同樣，利用能夠產(chǎn)生反義mRNA以阻斷生成不期望的酶的質(zhì)粒，微生物被轉(zhuǎn)染，例如，當(dāng)丁酸的產(chǎn)生是理想的時(shí)，促進(jìn)乙酸生成的酶是不期望的等。還特別優(yōu)選的是利用基因修飾形式的微生物，其能夠同時(shí)產(chǎn)生乙酸和丁酸，該基因修飾被敲除(即失活)或者缺失有助于乙酸或丁酸制備的基因。在梭菌的情形中，例如這包括敲除或者缺失將乙?；?CoA轉(zhuǎn)化為乙酸或?qū)⒍□；?CoA轉(zhuǎn)化為丁酸的基因 ，或者將乙?；?CoA轉(zhuǎn)化為丁?；?CoA的基因，或者通過增強(qiáng)或者加強(qiáng)將乙?；?CoA轉(zhuǎn)化為乙酸或者將丁?；?CoA轉(zhuǎn)化為丁酸的基因。這通過傳統(tǒng)技術(shù)可以容易地實(shí)現(xiàn)。這樣，典型地，補(bǔ)充用于酶乙醛脫氫酶或者乙醇脫氫酶的基因可以實(shí)現(xiàn)提高的乙酸制備，如同缺失、失活或者阻抑如下酶的基因一樣:磷酸轉(zhuǎn)乙酰酶、乙酸激酶、硫解酶、乙酰乙酰輔酶A、乙酸鹽/ 丁酸鹽輔酶-A轉(zhuǎn)移酶、乙酰乙酸脫羧酶、3-羥丁酰輔酶-A脫氫酶、巴豆酸酶、丁酰輔酶-A脫氫酶、磷酸轉(zhuǎn)丁酰酶、丁酸激酶、丁醛脫氫酶、醛/醇脫氫酶E和丁醇脫氫酶，或者失活這些酶，或者利用反義RNA失活編碼這些酶的RNA。同樣地，補(bǔ)充如下酶的基因:丁醛脫氫酶、醛/醇脫氫酶E或者丁醇脫氫酶和任選地硫解酶、3-羥丁酰-輔酶A脫氫酶、巴豆酸酶和丁酰-輔酶A脫氫酶，可以實(shí)現(xiàn)提高的丁酸制備，如同缺失、失活或者阻抑如下酶的基因一樣:乙醛脫氫酶、乙醇脫氫酶、磷酸轉(zhuǎn)乙酰酶、乙酸激酶、乙酰乙酰輔酶A:乙酸鹽/ 丁酸鹽輔酶A-轉(zhuǎn)移酶、乙酰乙酸脫羧酶、磷酸轉(zhuǎn)丁酰酶和丁酸激酶，或者失活這些酶或者通過利用反義RNA失活編碼這些酶的RNA。用于這樣的提高羧酸，例如丁酸的制備的操作的適當(dāng)?shù)钠鹗挤N包括熱丁酸梭菌，帕姆酒耐熱梭菌(Cv.thermopalmarium)，熱糞梭菌(C.thermocopriae)，解糖梭菌，粘液真桿菌(Eubacterium limosum), Thermohydrogenium kirishiense, Pseudoamibactera I actο Iyticus，Thermobacteriods acetoethylicus, Thermoanaerobiumlactyloethylicum, Thermoproteus uzoniensis, Pyrodictium abyssi，丁酉享?xiàng)邷鼐?Hyperthermus butylicus),斯氏熱球菌(Thermococcus stetteri)和食甲基丁酸桿菌(Butyribacterium methylotrophicum)。利用微生物轉(zhuǎn)化糖為羧酸的方法可以在常規(guī)條件下進(jìn)行并且可以由本領(lǐng)域技術(shù)人員容易地確定。這樣，溫度典型地將在20-45°C，更優(yōu)選地30-40°C的范圍，例如大約37°C。壓力優(yōu)選地為大氣壓力，由于存在惰性氣體例如N2，也可以有過壓。用于進(jìn)行轉(zhuǎn)化的反應(yīng)器可以是任何傳統(tǒng)的生物反應(yīng)器，例如發(fā)酵桶。適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)器可以是商購的。用于轉(zhuǎn)化糖為羧酸的微生物還可以是能夠?qū)崿F(xiàn)此目的的嗜熱性微生物。這樣的微生物的使用是有利的，因?yàn)樗梢韵龑υ牧舷镜男枰?，?或可以實(shí)現(xiàn)到酸的更高的轉(zhuǎn)化，而具有更少的副產(chǎn)物。用于羧酸制備的嗜熱性微生物可以通過在期望的過程操作溫度下，或者替代地，但是較不優(yōu)選地在從較低的但是升高的溫度以連續(xù)更高的溫度直到期望的操作溫度，例如從40°C以5°C的增量升高溫度到期望的操作溫度，培養(yǎng)候選者例如酵母或者梭菌株而進(jìn)行確認(rèn)。嗜熱性梭菌株已經(jīng)是已知的，例如熱纖維梭菌，發(fā)光梭菌(C.fervidus), C. thermosulfurogenes, C.thermohydrosulfuricum, C.caminithermale, C.stercorarium, C.josui, C.thermolacticum, C.thermocopriae, C.straminisolvens,嗜熱解紙莎草梭菌(C.thermopapyroliticum),熱丁酸梭菌，帕姆酒耐熱梭菌和熱解糖梭菌(例如，參見 Mendez et al., Int.J.Syst.Bacteriol.41:281-283 (1991), Jin etal., Int.J Syst.Bacteriol.38:279-281(1998), Le Ruyet et al.,Syst.Appl.Microbiol 6:196-202(1985), Madden, Int.J.Syst.Bacteriol.33:837-840(1983), Hyun et al., J.Bacteriol.156:1332-1337(1983)，Ng et al., Arch.Microbiol.114:1-7(1977),Wigelet al., J.1nd.Microbiol, and Biotech.24: 7-13 (2000), Lawson et al., Syst.Appl.Microbiol.14:135-139(1991)，Hollaus et al., Arch.Micriobiol.86:129-146 (1972)和 McClung, J.Bacteriol.29:189-202(1935))。一種所述菌株以 UBA 305 保藏在 SouthAmerican Biotechnology and Applied Microbiology Culture Collection 中。其它能夠發(fā)酵至少一些糖以形成有用的羧酸的嗜熱性微生物物種包括Thermohydrogeniumkirishiense (參見 Zacharova et al., Arch.Microbiol.160:492-497(1993)), Thermobacteriodes acetoethylicus(參見 Ben-Basset et al., Arch.Microbiol.128:365-370(1981)), Thermoanaerobium lactoethylicum(參見 Kondratieva et al., Arch.Microbiol.151:117-122(1989)), Butyribacterium methylotrophicum(參見 Wordet etal., Fuel 70 (1990)), Thermococcus stetteri, Oxobacter pfennigii, Burkholderiaxenovorans 和，較不優(yōu)選地 Pyrodictiuim abyssi (參見 Pley et al., Syst.Appl.Microbiol.14:245-253 (1991))和 Hyperthermus butylicus (參見 Zillig et al., J.Bacteriol.172:3959-3965(1990))。用于本發(fā)明的方法中以制備羧酸、用于破壞生物質(zhì)以產(chǎn)生用于羧酸產(chǎn)生的糖或者作為用于改性的起始材料的優(yōu)選的嗜熱性微生物包括:丙酮丁醇梭菌(在37°C生長)；拜氏梭菌(在35°C生長)；C.josui (破壞纖維二糖、七葉苷和木糖，在45°C生長，pH 7.0)；C.thermocopriae (破壞纖維二糖和各種糖,在60°C生長，pH 6.5-7.3);熱解糖梭菌(破壞鹿糖、糊精和果膠，在55-62°C生長)；C.thermohydrosulfuricum(破壞淀粉、纖維二糖、葡萄糖、木糖和可溶解的糖，在60°C生長，pH 6.9-7.5);熱丁酸梭菌(破壞可溶解的糖，在 55 °C 生長，pH 6.8-7.1) ;C.thermopalmarium(破壞糖，在 55 °C 生長，pH 6.6)；C.carboxidivorans (破壞葡萄糖、淀粉、纖維素、纖維二糖和果膠,在38°C生長，pH 6.2)；Thermobacteroides acetoethylicus (破壞淀粉、葡萄糖及其他可溶解的糖,在65°C生長，pH 5.5-8.5) ；Thermoanaerobium lactoethylicum(破壞淀粉、葡萄糖及其他糖，在 65°C生長,pH 7.0) ；Pyrodictium abyssi (破壞淀粉和明膠,在 97°C生長,pH 5.5) ；Thermococcusstetteri (破壞蛋白胨、淀粉和果膠,在 73_77°C生長，pH 6.5) ；Oxobacter pfennigii (在36_38°C生長,pH 7.3) ；Butyribacteriuim methylotrophicum(在 37°C生長，pH 6.0);和Burkholderia xenovorans)。
用于本發(fā)明的方法中以制備丁酸、用于破壞生物質(zhì)以產(chǎn)生用于丁酸產(chǎn)生的糖或者作為用于改性的起始材料的嗜熱性微生物的其它例子包括:熱解糖梭菌ATCC 7956 (在45 °C 生長)；C.thermopalmarium DSM 5974 (在 55 °C 生長)；C.carboxidivorans ATCCBAA-624 (在不高于 4O °C 生長)；Thermoanaerobacter acetoethylicus ATCC 33265 (在6CTC生長)；Thermococcus stetteri DSM 5262 (在 75°C生長)；和 Oxobacter pfennigiiDSM 3222(在37°C生長)。所有這些具有酸產(chǎn)生階段，然后是溶劑(丁醇)產(chǎn)生階段；但是，初始的丁酸鹽產(chǎn)生對于 C.carboxidivorans, T.acetoethylicus,尤其是 0.pfennigii 是特別有效的。在本發(fā)明的優(yōu)選方法中，步驟(ia)和(ib)通過利用一種或多種嗜熱性微生物在至少45°C，更優(yōu)選至少50°C，特別地至少60°C，例如60-80°C的溫度下進(jìn)行。換句話說，碳源到糖的轉(zhuǎn)化以及糖到羧酸或者其衍生物的轉(zhuǎn)化二者都可以利用嗜熱性微生物實(shí)現(xiàn)。這樣的方法是高度有利的，因?yàn)樗鼈兪堑葴氐?。這樣，避免了耗能的加熱和冷卻步驟。特別優(yōu)選地，這些轉(zhuǎn)化可以利用嗜熱性微生物的組合在單一步驟中進(jìn)行。在這種情況中，不同的微生物可以根據(jù)需求同時(shí)地或者順此地以及任選反復(fù)地加入到碳源，例如生物質(zhì)。單一步驟的方法是有利的，因?yàn)樗藢υ诜磻?yīng)器之間移送糖的需求。在用于以上描述的方法中的微生物為厭氧的情形中，相應(yīng)的方法步驟優(yōu)選在沒有氧氣或者氧氣耗盡的氣氛中(例如包含0-10摩爾％的氧氣，優(yōu)選0-5摩爾％，尤其是0-2摩爾％)進(jìn)行。以這種方式，需氧微生物對營養(yǎng)資源的競爭受到限制。特別優(yōu)選地，被處理的碳源，例如生物質(zhì)或者糖，被處理以減小氧含量，例如，通過暴露于降低壓力或者通過用非氧氣體例如氮?dú)狻⒍趸蓟蛘呦∮袣怏w沖洗。這樣，在碳源(例如生物質(zhì)或者糖)到羧酸或者其衍生物的轉(zhuǎn)化中，反應(yīng)器可以用惰性氣體例如氮?dú)膺M(jìn)行消毒和噴射。含水生物質(zhì)懸浮液或者糖溶液(例如從(ia))無菌地被引入反應(yīng)器中并加熱到適當(dāng)?shù)臏囟?，該適當(dāng)?shù)臏囟热Q于使用的微生物。任選地，培養(yǎng)基被額外地加入以促進(jìn)生長。本領(lǐng)域技術(shù)人員將能夠容易地確定適當(dāng)?shù)呐囵B(yǎng)基。適當(dāng)?shù)呐囵B(yǎng)基是可商購的。緩沖液也可以任選地被加入以控制反應(yīng)的pH。為了開始發(fā)酵，微生物的含水菌體培養(yǎng)液被加入，并且混合物被攪拌。如果必要，也可以例如定期地再加入微生物。發(fā)酵液的樣品可以被提取以評估到羧酸的轉(zhuǎn)化。典型的反應(yīng)時(shí)間是12-72小時(shí)，更優(yōu)選地16-48小時(shí)，例如大約18-24小時(shí)。優(yōu)選地，反應(yīng)器裝備有加熱器護(hù)套以使得溫度可以得到控制。一旦反應(yīng)完成，不能溶解的材料優(yōu)選地通過過濾移除。典型地，獲得羧酸或者其衍生物的水溶液。
用于上面的方法中的微生物可以是非固定形式或者固定形式的。例如，微生物可以固定在基板上或者被封裝。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以容易地制備固定的微生物。固定的微生物的使用是方便的，因?yàn)橛欣谒鼈儚墨@得的包括糖和/或羧酸的溶液分離。優(yōu)選地，所得的溶液被簡單過濾，例如在電化學(xué)還原之前。這樣，在優(yōu)選的方法中，例如，當(dāng)使用固定的微生物時(shí)，電化學(xué)還原可以在由步驟(i)產(chǎn)生的發(fā)酵液上進(jìn)行，而除了過濾之外未提純。碳源例如生物質(zhì)產(chǎn)生羧酸或者其衍生物的轉(zhuǎn)化可以以間歇、半連續(xù)或者連續(xù)的模式進(jìn)行。適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)器是可商購的。在步驟⑴中產(chǎn)生的羧酸或者其衍生物在電化學(xué)還原中被轉(zhuǎn)化為烷醇。如在此使用的術(shù)語“電化學(xué)還原”是指其中羧酸或者其衍生物通過電解被還原為它的相應(yīng)烷醇的方法。它有時(shí)也稱作電還原。這樣，電流用于使得酸到烷醇的還原發(fā)生。術(shù)語“電化學(xué)還原”并不包括其中通過電解產(chǎn)生氫并且然后用于進(jìn)行還原的方法。因此，用于本發(fā)明的方法中的電化學(xué)還原可以視為直接電化學(xué)還原。在步驟(i)中產(chǎn)生的羧酸或者其衍生物優(yōu)選地被移送到電化學(xué)單元。在移送過程中，可以任選地進(jìn)行過濾。被引入到電化學(xué)單元中的水溶液中的羧酸的濃度典型地在10-1000g/l 的范圍，更優(yōu)選地 20-500g/l，例如 50_100g/l。被認(rèn)為在本發(fā)明的電化學(xué)還原中發(fā)生的反應(yīng)的簡化描述在下面針對丁酸/1-丁
醇示出。陰極反應(yīng):CH3(CH2) 2C00H+4e>4H+ — CH3 (CH2) 2CH20H+H20陽極反應(yīng):2H20— 02+4e +4H+總反應(yīng):CH3(CH2) 2C00H+H20 — CH3 (CH2) 2CH20H+02任何的傳統(tǒng)的電化學(xué)單元可以用于進(jìn)行電化學(xué)還原。典型的電化學(xué)單元包括兩個(gè)電極，即陰極和陽極、電解質(zhì)和電源(也就是電流源)。電極可以由任何在所述條件下穩(wěn)定的導(dǎo)電材料，例如金屬、石墨或者半導(dǎo)體制成。例如，陰極可包括Pt、Pd或者其它的鉬族金屬(PGM)、貴金屬的導(dǎo)電氧化物(例如具有RuO2的導(dǎo)電混合氧化物)或者非貴金屬、過渡金屬或者碳，優(yōu)選地PGM或者其中組分之一為PGM的混合氧化物。類似地，陽極可包括碳、過渡金屬、貴金屬、貴金屬氧化物或者氧化物或者混合氧化物，優(yōu)選地基于氧化銥的混合氧化物。優(yōu)選地，陽極和陰極之間的間隔盡可能小以減小電阻損失，但是足夠大以提供陽極和陰極產(chǎn)品的充分的分隔。零間隙或者接近的間隙構(gòu)型是適當(dāng)?shù)臉?gòu)型。或者，可以有利地使用電極附著到其每個(gè)側(cè)面的導(dǎo)電膜。優(yōu)選地，陰極和陽極由膜或者膜片進(jìn)行分隔。用于本發(fā)明的電化學(xué)還原中的電解質(zhì)可以是液體或者固體電解質(zhì)。優(yōu)選地，電解質(zhì)是水溶液或者質(zhì)子傳導(dǎo)固體聚合物，例如，質(zhì)子傳導(dǎo)聚合物。為了增加單元的電導(dǎo)率，將鹽加入到電解質(zhì)中是有利的。適當(dāng)?shù)柠}包括KCl、NaCl、CaCl2、MgCl2及其混合物。優(yōu)選地，所述單元包括用于在還原過程中攪 拌電解質(zhì)的裝置，例如攪拌器。在電化學(xué)還原中，電流密度優(yōu)選地在l_200A/dm2范圍，優(yōu)選地2_100A/dm2，例如5-50A/dm2。典型地，電化學(xué)還原在25-100°C的溫度范圍，更優(yōu)選地35_90°C，仍更優(yōu)選地50-80°C下進(jìn)行。優(yōu)選地，電化學(xué)還原在1-100大氣壓，例如2-20大氣壓下進(jìn)行。與用于氫化的溫度和壓力相比，這些條件是溫和的。在電化學(xué)還原過程中，水的電解在陽極產(chǎn)生氧。在陰極，發(fā)生氫的產(chǎn)生，作為除了酸到烷醇的還原之外的副反應(yīng)。因此，避免氧和氫的混合是重要的。這優(yōu)選地通過利用電極之間的膜或者膜片和/或通過將惰性氣體吹入電化學(xué)單元中以從那里排出氣體而實(shí)現(xiàn)。如下面描述的，這還可以用作從反應(yīng)移除烷醇的方便的方法。在本發(fā)明的方法中，電化學(xué)還原的使用是高度有利的，因?yàn)椴煌诶梦⑸锏姆椒?，該反?yīng)并不受到烷醇制備的限制。因此，如果高濃度的羧酸或者其衍生物被引入單元中，可以實(shí)現(xiàn)高濃度的烷醇。高濃度的酸驅(qū)動電化學(xué)反應(yīng)平衡以產(chǎn)生高濃度的烷醇。在特別優(yōu)選的方法中，烷醇從電化學(xué)單元移除，因此能夠?qū)崿F(xiàn)酸到烷醇的高的轉(zhuǎn)化。從電化學(xué)單元移除烷醇優(yōu)選地受到從電化學(xué)單元上方排出氣體以及從排出的氣體冷凝烷醇的影響。如下是特別優(yōu)選的:其中待產(chǎn)生的烷醇是甲醇，或者尤其是乙醇。用于進(jìn)行這樣的烷醇移除的設(shè)備優(yōu)選地包括:具有加熱器；冷凝器；和從所述單元到所述冷凝器并且任選地回到所述單元的氣體導(dǎo)管的電化學(xué)單元。該設(shè)備優(yōu)選地設(shè)置有泵以促進(jìn)從電化學(xué)單元到冷凝器的氣體流動，設(shè)置有用于冷凝器的冷卻器(例如冷卻護(hù)套)，以及在冷凝器中設(shè)置有出口端口以用于從那里移除冷凝液體。在上面的方法中，惰性氣體，例如氮、氫或者二氧化碳優(yōu)選地通過電化學(xué)單元以增大從單元移除的氣態(tài)的烷醇含量。 該氣體可典型地為從電化學(xué)單元移除并隨后通過冷凝器的氣體。而且，氣體的移除推動烷醇制備反應(yīng)平衡以增大烷醇制備?；蛘?，烷醇可以通過利用選擇性膜或者滲透蒸發(fā)技術(shù)從電化學(xué)單元移除以驅(qū)動反應(yīng)到更高的烷醇制備。在本發(fā)明的特別優(yōu)選的方法中，電化學(xué)還原產(chǎn)生包括水相和烷醇(例如丁醇)相的兩相產(chǎn)物。所述相可以形成在電化學(xué)單元中或者來自電化學(xué)單元的產(chǎn)品被傳遞到的單獨(dú)的單元中。任選地，來自如上面描述的設(shè)備的冷凝物也可以被供入到單獨(dú)的單元中?！愕?水相包括小于5重量％的燒醇,更優(yōu)選小于3重量％的燒醇,例如小于2重量％的烷醇。相應(yīng)地,水相優(yōu)選地包括至少95重量％的水，更優(yōu)選至少97重量％的水，仍更優(yōu)選地至少98重量％的水。一般地，烷醇相包括至少35重量％的烷醇，仍更優(yōu)選至少40重量％的烷醇，例如45-50重量％的烷醇。兩相產(chǎn)物的形成是高度有益的，因?yàn)樗欣谕榇?，例如丁醇的分離。這樣，優(yōu)選的本發(fā)明的方法還包括通過相分離來分離所述烷醇的步驟。在這個(gè)步驟中，水相通過簡單的相分離而從烷醇例如丁醇相分離。烷醇可以然后通過例如膜分離(例如滲透蒸發(fā))或者蒸餾而從烷醇例如丁醇相分離。但是，因?yàn)樵谶@個(gè)相中烷醇的濃度比由反應(yīng)產(chǎn)生的濃度高得多，因此分離烷醇需要少得多的能量。優(yōu)選地，在包括20-70重量％的烷醇，更優(yōu)選地30-50重量％的烷醇的水溶液上進(jìn)行蒸餾。在本發(fā)明的優(yōu)選方法中，步驟(i)和(ii)可以在相同的反應(yīng)器或者在各自的反應(yīng)器中進(jìn)行。優(yōu)選地，步驟(i)和(ii)在各自的反應(yīng)器中進(jìn)行。本發(fā)明的優(yōu)選方法包括在步驟(i)和(ii)之間過濾所述酸的進(jìn)一步的步驟。本發(fā)明的特別優(yōu)選的方法包括在步驟(i)和(ii)之間升高所述酸的濃度的進(jìn)一步的步驟。特別優(yōu)選的升高濃度通過電泳或者電滲析例如通過離子選擇性膜進(jìn)行。陰離子和陽離子選擇性膜都可以被采用。一般優(yōu)選陰離子選擇性月吳。這樣，在本發(fā)明的優(yōu)選方法中，在步驟(i)產(chǎn)生的羧酸或者其衍生物例如通過電泳或者電滲析在通過電化學(xué)還原轉(zhuǎn)化為烷醇之前升高濃度。這樣，優(yōu)選地，在步驟(i)產(chǎn)生的羧酸或者其衍生物的溶液被移送到電泳或者電滲析單元中，該單元包括例如陰離子選擇性膜和/或陽離子選擇性膜。對電泳或者電滲析單元施加直流電使得羧酸或者其衍生物通過膜，從而在膜的一側(cè)產(chǎn)生羧酸富集的溶液。羧酸或者其衍生物富集的溶液可以從電泳或者電滲析單元被轉(zhuǎn)運(yùn)以進(jìn)行如上描述的電化學(xué)還原。在富集溶液中更高濃度的羧酸確?？梢詫?shí)現(xiàn)到燒醇的聞轉(zhuǎn)化。本發(fā)明的方法優(yōu)選地在如下設(shè)備中進(jìn)行，該設(shè)備包括利用微生物轉(zhuǎn)化碳源為羧酸或者其衍生物的第一反應(yīng)器，該第一反應(yīng)器流體連接到用于電化學(xué)還原所述酸到烷醇的第二反應(yīng)器。反應(yīng)器的這樣的設(shè)置本身是新穎的，因此，包括所述第一和第二反應(yīng)器的設(shè)備形成本發(fā)明的另一方面，其中所述第一反應(yīng)器流體連接到所述第二反應(yīng)器。優(yōu)選地，所述第一反應(yīng)器是生物反應(yīng)器(例如發(fā)酵器)。優(yōu)選地，所述第二反應(yīng)器是電化學(xué)單元。第一和第二反應(yīng)器可集成為單一單元。更優(yōu)選地，第一和第二反應(yīng)器是單獨(dú)的單元。

圖1是根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選設(shè)備的示意圖。參照圖1，其中產(chǎn)生羧酸的第一反應(yīng)器I流體連接到其中所述酸還原為烷醇的第二反應(yīng)器2。第一反應(yīng)器I優(yōu)選地是設(shè)置有加熱護(hù)套3的發(fā)酵容器。第一反應(yīng)器I可任選地通過導(dǎo)管5a流體連接到預(yù)處理容器4，在那里生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為糖，例如可發(fā)酵的糖。導(dǎo)管5b從第一反應(yīng)器I經(jīng)由任選的過濾單元6和任選的升高濃度的單元12通向第二反應(yīng)器2。第二反應(yīng)器2優(yōu)選地為電化學(xué)單元。導(dǎo)管7從第二反應(yīng)器2通向其中發(fā)生相分離的分離單元8。導(dǎo)管9通向收集容器10，從容器10富集烷醇例如丁醇的相可被收集。返回導(dǎo)管11通回到反應(yīng)器I。在反應(yīng)器和單元之間的液體移送優(yōu)選地通過利用泵(未示出)實(shí)現(xiàn)。特別優(yōu)選的用于進(jìn)行本發(fā)明的方法的設(shè)備包括用于升高所述羧酸或者其衍生物的濃度的單元12。參照圖1，當(dāng)存在時(shí)，單元12位于過濾單元6和第二反應(yīng)器2之間。優(yōu)選地，單元12是電泳單元。圖2是優(yōu) 選的電泳單元12的示意圖。參照圖2，電泳單元12包括陽極13、陰極14和用于向所述單元施加直流電的電源15。優(yōu)選地，陽極和陰極并不接觸溶液。單元12包括至少一個(gè)第一腔室16和至少一個(gè)第二腔室17。第一腔室16和第二腔室17的每個(gè)由陰離子選擇性膜18分隔。羧酸或者其衍生物的溶液經(jīng)由導(dǎo)管5a，5b被引入到單元12中。當(dāng)來自電源15的直流電被施加時(shí)，存在于由發(fā)酵產(chǎn)生的溶液中的羧酸陰離子被抽取通過膜到所述第二腔室17中。這樣，施加直流電到單元12的影響是在第二腔室17中產(chǎn)生羧酸富集溶液。該富集溶液可經(jīng)由導(dǎo)管5c傳遞到第二反應(yīng)器2。如圖2所示，電泳單元可包括超過一個(gè)的第一腔室、第二腔室和選擇性膜。在這種情況中，富集溶液從每個(gè)第二腔室經(jīng)由導(dǎo)管5c傳遞到第二反應(yīng)器2。在分離過程中沒有化學(xué)變換發(fā)生。圖3是用于進(jìn)行本發(fā)明的方法的另一優(yōu)選電泳單元的示意圖。參照圖3，電泳單元12和第二反應(yīng)器2由陰離子選擇性膜18分隔。單元12還包括陽離子選擇性膜19。碳源到羧酸的轉(zhuǎn)化在反應(yīng)器I (未示出)中進(jìn)行，然后溶液傳遞到電泳單元12。向該單元經(jīng)由電極13和14施加的電流使得存在于溶液中的羧酸離子通過膜18進(jìn)入第二反應(yīng)器2中。電化學(xué)還原在第二反應(yīng)器2中進(jìn)行。如圖3所示的第二反應(yīng)器2包括膜片20，電極13，14附連到所述膜片20。膜片分隔在電還原反應(yīng)中產(chǎn)生的產(chǎn)品。
權(quán)利要求
1.制備烷醇的方法，所述方法包括: (i)利用微生物將碳源轉(zhuǎn)化為羧酸或者其衍生物；和 (ii)電化學(xué)還原所述酸為所述烷醇。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述酸是丁酸并且所述烷醇是丁醇。
3.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其中，所述碳源是生物質(zhì)，優(yōu)選植物生物質(zhì)。
4.如權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述的方法，其中，步驟(i)包括: (ia)將碳源轉(zhuǎn)化為糖；和 (ib)用所述微生物處理所述糖以產(chǎn)生所述羧酸或者其衍生物。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其中，通過包括酸水解處理、水熱處理、化學(xué)處理、酶水解或者前述的任何組合的方法將所述碳源轉(zhuǎn)化為糖。
6.如權(quán)利要求4或5所述的方法，其中，通過包括在至少45°C的溫度下用嗜熱性微生物處理所述碳源的方法將所述碳源轉(zhuǎn)化為糖。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其中，所述嗜熱性微生物是梭菌屬(Clostridiumspecies)。
8.如權(quán)利要求1-7任一項(xiàng)所述的方法，其中，利用梭菌屬，例如丙酮丁醇梭菌(C.acetobutylicum)、金黃丁酸梭菌(C.aurantibutyricum)、拜氏梭菌(C.bei jerinckii)、丁酸梭菌(C.butyicum)、克氏梭菌(C.kluyveri)、巴氏梭菌(C.pastuerianum)、丁酸梭菌(C.saccharobutylicum)、解糖梭菌(C.saccharoIyticum)、熱丁酸梭菌(C.thermobutyricum)、熱纖維梭菌(C.thermocellum)、熱解糖梭菌(C.thermosaccarolyticum)和酪丁酸梭菌(C.tyrobutyricum),將所述碳源,優(yōu)選地糖,轉(zhuǎn)化為所述羧酸或者其衍生物。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其中，所述梭菌屬是嗜熱性的。
10.如權(quán)利要求4或者6-9所述的方法，其中，利用一種或多種嗜熱性微生物在至少45°C的溫度下進(jìn)行步驟(ia)和(ib)。
11.如前述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述電化學(xué)還原產(chǎn)生包括水相和烷醇(例如丁醇)相的兩相產(chǎn)物。
12.如前述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的方法，其還包括利用相分離來分離所述烷醇的步驟。
13.如前述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的方法，其還包括通過蒸餾分離所述烷醇的步驟。
14.如前述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的方法，其中，步驟(i)和(ii)各自在單獨(dú)的反應(yīng)器中進(jìn)行。
15.如前述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的方法，其還包括在步驟(i)和(ii)之間的提高所述羧酸的濃度的步驟。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，其中通過電泳提高所述濃度。
17.用于實(shí)施權(quán)利要求1-16任一項(xiàng)所述的方法的設(shè)備。
18.用于制備烷醇的設(shè)備，所述設(shè)備包括: (ia)第一反應(yīng)器(例如發(fā)酵器)，用于通過利用微生物將碳源轉(zhuǎn)化為羧酸或者其衍生物；和 (ib)第二反應(yīng)器(例如電化學(xué)單元)，其用于電化學(xué)還原所述酸至所述烷醇， 其中所述第一反應(yīng)器流體連接至所述第二反應(yīng)器。
19.如權(quán)利要求18所述的設(shè)備，其中，所述微生物是固定在所述第一反應(yīng)器中的。
20.如權(quán)利要求17-19任一項(xiàng)所述的設(shè)備,其中,所述電化學(xué)單元包括液體電解質(zhì)或者固體電解質(zhì)。
21.如權(quán)利要求17-20任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其還包括在所述第一和第二反應(yīng)器之間的過濾單元。
22.如權(quán)利要求17-21任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其還包括用于提高所述羧酸或者其衍生物的濃度的單元。
23.如權(quán)利要求22所述的設(shè)備，其中，所述單元位于所述第一和第二反應(yīng)器之間并且流體連接至所述兩個(gè)反應(yīng)器。
24.如權(quán)利要求22或23所述的設(shè)備，其中所述單元包括具有至少一個(gè)電泳膜(例如陰離子選擇性 膜)的電泳或者電滲析室。
全文摘要
本發(fā)明提供用于制備烷醇(例如丁醇)的方法，所述方法包括利用微生物將碳源例如生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為羧酸或者其衍生物，和電化學(xué)還原所述酸為所述烷醇，而且本發(fā)明還提供用于實(shí)施所述方法的設(shè)備。
文檔編號C12P7/02GK103221546SQ201180009776
公開日2013年7月24日 申請日期2011年2月14日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月16日
發(fā)明者B·T·伯雷森, H·K·科特拉爾 申請人:斯塔特伊石油公司