通过生产蚁酸(甲酸)储存气态氢的方法
【专利说明】通过生产蚁酸（甲酸）储存气态氨的方法
[0001] 本发明设及储存气态氨的方法，其包括W下步骤：在氨依赖二氧化碳还原酶 (皿CR)的存在下，通过使气态氨接触二氧化碳来生产蚁酸（甲酸），由此储存所述气态氨。 皿CR和/或其复合物优选来源于伍氏醋酸杆菌。 阳00引发明背景
[0003] 氨是一种有前景的化石燃料替代品。通过与氧的反应，氨在热机中爆炸性地释放 能量或在燃料电池中平稳地释放能量，生成水为唯一的副产物。氨含量丰富且不论国界广 泛分布于世界各地。W将氨的生产和最终使用灵活地联系在一起的高能量密度形式来储存 氨是氨能经济中的关键要素。
[0004] Boddien等（C〇2-"化utral"Hy化ogen Storage Based on Bicarbonates and F'ormates. Angew. Qiem. Int. Ed. , 201150:6411 - 6414)描述了原位生成的钉催化剂，该催化 剂促进碳酸氨盐和碳酸盐W及C〇2和碱的选择性加氨反应，得到甲酸，并且还促进甲酸回到 碳酸氨盐的选择性脱氨反应。运两类反应可W是偶联的，形成可逆的储氨系统。 阳0化]KR2004/0009875描述了使用二氧化碳制备甲酸的电化学方法，从而在进行 二氧化碳还原的同时将二氧化碳转化为有用的有机物质。该方法包括二氧化碳的电化 学还原反应，所述电化学还原反应使用甲酸脱氨酶或产生甲酸脱氨酶的厌氧菌，W及 在-400至-600mV的电位发生可逆氧化/还原反应的电子载体，其中所述电子载体的浓度 为5至15mM;所述厌氧菌选自热醋酸梭菌（Clostridiumthermoaceticum)、热自养梭菌 (Clostridiumthermoauthotro地i州m)、伍氏醋酸杆菌（Acetobacteriumwoodii)、凯伍产 醋菌（Acetogeniumkivui)、醋酸梭菌（Clostridiumaceti州m)、扬氏梭菌（Clostridium ljungd址lii)、产粘真杆菌巧ubacteriumlimosum)或其混合物；所述电子载体选自甲基 紫精、N，N，-二乙基-4, 4-联化晚、N，N-二异丙基-4, 4-联化晚、4, 4-联化晚或其混合物； 还原溫度为20至70°C;且还原抑值为6. 0至7. 0。
[0006] W0 2011/087380描述了在含C0和/或&的气态底物的微生物发酵中提高碳捕获 效率的方法；所述方法包括在发酵过程中施加电势。该方法进一步设及在含C0和/或&的 气态底物的微生物发酵中提高碳捕获效率来生产醇和/或酸。
[0007] 可W使用催化过程将主要由C0和/或C0与氨气化2)组成的气体转化为各种燃 料和化学品。也可W使用微生物将运些气体转化为燃料和化学品。虽然运些生物过程一般 比化学反应慢，但是相比催化过程仍具有多种优势，包括更高的特异性、更高的产率、更低 的能耗和更强的抗中毒性。
[0008] 1903年首次发现微生物WC0作为唯一碳源生长的能力。运在后来被确认为是使 用乙酷辅酶A(乙酷CoA)自养生长的生化途径（也被称为Wood-Uungd址1途径和一氧化 碳脱氨酶/乙酷CoA合酶（C0DH/AC巧途径）的生物的特性。已表明包括一氧化碳营养生 物、光合生物、产甲烧生物和产醋酸生物的大量厌氧生物能将C0代谢为各种终产物，即C〇2、 &、甲烧、正下醇、醋酸和乙醇。虽然使用CO作为唯一的碳源，所有运类生物产生至少两种 运些终产物。W氨作为还原剂厌氧固定C〇2的Wood-Uungd址1途径被认为是世界上首个 维持生命途径的候选途径，因为该途径将二氧化碳的固定与经由化学渗透机理的ATP合成 结合在一起。
[0009]Schuchmann等(Abacterialelectron-bifurcatinghydrogenase.JBiol Chem. 2012S巧7 :287(37) :31165-71)描述了来自伍氏醋酸杆菌的多聚[FeFe]-氨酶，其包 含催化基于氨的铁氧化还原蛋白的还原反应的四个亚基（HydABCD)。显然，伍氏醋酸杆菌的 多聚氨酶是可溶的能量转化氨酶，该多聚氨酶利用电子分叉，通过使吸能的铁氧化还原蛋 白还原与放能的NAD+还原偶联来驱动所述铁氧化还原蛋白的还原反应。
[0010]Schiel-Bengelsdorf和Durre(Pathwayengineeringandsyntheticbiology usingacetogens,阳BSLetters, 2012, 586, 15, 2191)描述了由C〇2或CO合成乙酷CoA的 产醋酸厌氧菌。它们的自养代谢模式为大量可获得底物与减少溫室气体的结合使用在生物 技术上提供了机会。几个公司已建设了将废气转化为乙醇的试验厂和示范厂，乙醇是重要 的生物燃料和多种产醋酸菌的天然产物。DNA重组法现已敞开构建产醋酸菌的大口，合成诸 如丙酬和下醇的重要的工业大宗化学品和生物燃料。因此，可获得不再与营养原料竞争的 新型微生物生产平台。 阳0川 W0 2011/028137描述了将含有C0和任选的&，或者含有C〇2和Η2的气态底物发 酵为一种或多种产物的生物反应器系统，所述产物包括酸和/或醇。
[0012] 118 7,803,589描述了包含基因修饰的大肠杆菌巧3油6'1油1曰〇〇11)微生物，其 中所述基因修饰包括用编码蛋白的外源细菌核酸分子来转化所述微生物，所述蛋白为钻胺 酷胺类咕嘟/铁硫蛋白、甲基转移酶、一氧化碳脱氨酶、乙酷CoA合成酶、乙酷CoA合成酶二 硫化物还原酶和氨化酶，由此，所述蛋白的表达提高了从C〇2、C0、&、或其组合物生产乙酷 CoA的效率。
[0013]Poehlein等（Anancientpathwaycombiningcarbondioxidefixationwith thegenerationandutilizationofasodiumiongradientforATPsynthesis.PLoS One. 2012 ;7 (3) :e3：M39.doi: 10. 1371/journal.pone. 0033439)描述了从二氧化碳和氨分 子合成醋酸，被认为是世界上的首个碳同化途径。所述合成将二氧化碳在乙酷CoA中的固 定与通过提供细胞膜能量的ATP生产结合在一起。该途径如何与净合成ATP结合一直是个 谜。厌氧产醋酸的细菌一伍氏醋酸杆菌利用该途径的古老形式而无需细胞色素和酿类。该 途径通过钢驱动的铁氧化还原酶：NAD氧化还原酶巧nf)在细胞膜间形成了钢离子电势。伍 氏醋酸杆菌的基因组序列解开了运个迷：其掲示了化f作为唯一的离子驱动酶与所述途径 结合，并阐明了设计为产生还原的铁氧化还原蛋白且凭借电子分叉的可溶酶克服能垒的代 谢。
[0014] 如上文所提到的，氨是讨论最多的未来能源之一。生产氨的方法众所周知，但氨气 的储存和运输却是尚未解决的问题。因此，本发明的目的是提供新型有效的方法W便为氨 的储存提供新的方式，尤其是直接从气相储存氨。研究了W下本发明的描述和实施例，其他 的目的和优点对于技术人员来说将会是显而易见的。
[0015] 根据本文的第一个方面，通过提供储存气态氨的方法来实现本发明的目的，该方 法包括W下步骤：在氨依赖二氧化碳还原酶（皿CR)的存在下，通过使气态氨接触二氧化碳 来生产蚁酸（甲酸），由此储存所述气态氨。
[0016] 本发明基于意外发现，即发现了皿CR酶，且优选其各自的酶复合物，可通过反应 H2+CO2-肥00H将气态Η2+C〇2直接转化为甲酸。该生物系统在正常的压力和溫度下运行， 例如环境压力和环境溫度，优选在标准环境溫度和环境压力下运行，或在约20°C至约40°C的溫度和正常压力下运行。相比已知的化学催化剂，所述方法还具有高转化率。另外，优选 无需提供额外的能量。
[0017] 因为该反应在热力学平衡附近发生，在逆反应中，氨易于从甲酸中释放。
[0018] 与待转化的&相比，C02可气态和/或固态的形式提供于所述方法中。本发 明的方法中优选的是CO2W碳酸氨盐（肥0 3)的形式提供（见图3)。
[0019] 根据本发明优选的方法，其中该方法不设及电化学还原，尤其是二氧化碳的电化 学还原。无需提供电能，尤其是绝不对所设及的生物反应器提供电势。 W20] 根据本发明优选的方法，其中所述皿CR选自细菌酶，例如伍氏醋酸杆菌的 F化F1(登录号ΥΡ_005268500, SEQ ID No. 1)或F化F2(登录号ΥΡ_005268502, SEQ ID No. 2)。也可优选在氨基酸水平上与F化FI和/或F化F2酶至少65%，更优选至少 70%，更优选至少80%，最优选至少90 %相同的甲酸脱氨酶。优选的实例选自艰难梭 菌（Clostridium difficile) 630的甲酸脱氨酶-H(登录号ΥΡ_001089834. 2)、艰难梭菌 CD196的甲酸脱氨酶h(登录号ΥΡ_003216147. 1)、梭菌属种（Clostridium sp.)DL-VIII 的甲酸脱氨酶（登录号WP_〇〇9172363. 1)、Clostridium arbusti的甲酸脱氨酶（登录号 WP_010238540. 1)、Clostridium ragsdalei的甲酸脱氨酶（登录号gb|AEI90724. 1)、多粘 类芽抱杆菌（Paenibacillus polymyxa化681的甲酸脱氨酶H(登录号ΥΡ_00387103