用于由二氧化碳生产乙烯的方法与流程

用于由二氧化碳生产乙烯的方法
1.本技术要求于2020年3月20日递交的美国临时申请序列号62/992,689和于2020年7月16日递交的美国临时申请序列号63/052,664的权益。
发明领域
2.本发明的实施方案提供了用于将二氧化碳转化为乙烯的方法和系统。
3.发明背景
4.对化石燃料的长期可用性的关注连同对大气二氧化碳水平的关注已增强了用于经由二氧化碳固定来生产基于石油的产品的生物合成方法的开发。即，利用光合过程来将二氧化碳转化为有用的有机化合物，这些有机化合物可以用作燃料或用于较大有机分子的有机结构单元。
5.例如，美国专利号7,807,427教导了使用光合生物诸如基因修饰的蓝细菌(cyanobacteria)来将二氧化碳转化成中间产物诸如葡萄糖和乙酸。在随后的步骤中，使用产甲烷细菌来将中间产物转化为甲烷。甲烷可以被收集和储存以用作燃料。
6.乙烯被广泛认为是用于许多工业的最重要的化学原料，并且已经提出了多种方法以通过二氧化碳固定来生物合成乙烯。
7.已知丁香假单胞菌(pseudomonas syringae)在由乙烯形成酶(其被称为“efe”)催化的一步反应中使用tca循环中间体α-酮戊二酸(alpha-ketoglutarate)来合成乙烯。在目的为由二氧化碳直接生产乙烯的情况下，美国专利号9,309,541公开了用于在宿主诸如集胞藻(synechocystis)中表达和过表达efe基因以生成能够光养性地生产乙烯的菌株的方法。换言之，通过生物工程，光自养生物被修饰以在一步反应中将碳固定的产物转化为乙烯。虽然目前的研究集中在修饰光自养生物以生产乙烯，但是收获乙烯可能存在挑战。如在eckert等人,ethylene-forming enzyme and bioethylene production(乙烯形成酶和生物乙烯生产),biotechnology for biofuels 2014,7:33中所概述的，当o2在光合系统中与乙烯联产时，存在关于乙烯在o2存在下的可燃性的重要安全问题，这需要工程设计来降低风险。


技术实现要素：

8.本发明的一个或多个实施方案提供了一种方法，所述方法包括(i)提供包含大于1体积％的二氧化碳的气态流；(ii)提供水；(iii)在光的存在下将二氧化碳和水转化为有机中间体和氧气；(iv)将氧气与有机中间体分离；(v)在将氧气与有机中间体分离的所述步骤之后，将有机中间体转化为乙烯和二氧化碳。
9.本发明的其他实施方案提供了一种用于生产乙烯的系统，所述系统包括(i)第一生物反应器，其包括将二氧化碳转化为有机中间体的光合微生物，所述第一生物反应器具有二氧化碳入口和用于有机中间体的出口；以及(ii)第二生物反应器，其与第一生物反应器流体连通并且包括将第一生物反应器中产生的有机中间体转化为乙烯的微生物，所述第二生物反应器具有用于包括乙烯在内的气态材料的出口，并且所述第二生物反应器具有用
于包括未反应的有机中间体在内的流体材料的出口。
附图说明
10.图1是一种用于实施本发明的实施方案的系统的示意图。
11.图2是本发明的实施方案内的一种用于输送二氧化碳的子系统的示意图。
12.图3是一种用于实施本发明的实施方案的包括第二光合生物反应器的备选系统的示意图。
13.图4是一种用于实施本发明的实施方案的包括氧气-燃料燃烧系统的系统的示意图。
14.图5是一种用于实施本发明的实施方案的包括上游二氧化碳纯化的系统的示意图。
15.图6是一种适用于本发明的一个或多个实施方案的乙烯纯化和压缩方案的示意图。
16.图7是一种用于实施本发明的一个或多个实施方案的包括二氧化碳膜分离的备选系统的示意图。
17.图8是一种用于实施本发明的实施方案的包括单个生物反应器的备选系统的示意图。
具体实施方式
18.本发明的实施方案至少部分地基于发现一种用于以工业上显著水平由二氧化碳生物合成乙烯的方法。根据本发明的实施方案，首先将二氧化碳光合转化为有机中间体，同时作为副产物产生氧气。然后将副产物氧气与有机中间体分离，然后在明显不存在副产物氧气的情况下将有机中间体生物转化为乙烯。虽然与生物合成乙烯相关的当前技术集中于一步合成，但是本发明的两步方法解决了与以工业上显著水平联产乙烯和氧气相关的安全问题。此外，有机中间体向乙烯的生物转化会产生副产物二氧化碳，这会影响整体碳效率。此外，相对于大多数二氧化碳输入流(例如烟道气)，乙烯产物流中的二氧化碳的量是显著的，并且因此如果恰当地管理，则乙烯产物流内的二氧化碳可以成为有价值的资源。因此，本发明的实施方案提供了对于副产物二氧化碳的管理解决方案，这包括但不限于将二氧化碳光合转化为有机中间体，所述有机中间体可以再循环回到将有机中间体生物转化为乙烯的步骤。更进一步地，将有机中间体生物转化为乙烯的步骤可以通过使用工业反应器诸如连续搅拌釜式反应器在商业规模上有效地实现，所述反应器在稳态或接近稳态下运作，这导致有机中间体的不完全消耗、碳效率的损失以及有价值原料的损失。因此，本发明的实施方案通过恰当地管理来自其中将有机中间体转化为乙烯的反应器的流出物流而提供了对于这些问题的解决方案。
19.方法和系统概述
20.本发明的实施方案可以参考图1进行描述，图1示出了一种用于将二氧化碳转化为乙烯的系统20。所述系统包括第一生物反应器21，接着是串联的第二生物反应器41。第一生物反应器21经由中间产物导管31直接或间接地与第二生物反应器41流体连通。第二生物反应器41还经由中间体再循环导管33与第一生物反应器21流体连通。二氧化碳分离器61在第
二生物反应器41的下游并且经由导管51直接或间接地与第二生物反应器41流体连通。二氧化碳分离器61还可以经由二氧化碳再循环导管53直接或间接地与第一生物反应器21流体连通。
21.根据本发明的实施方案，第一生物反应器21包括将进料到生物反应器21的二氧化碳和水转化为有机中间体的光合生物培养物(即光合微生物)。这种转化在供应至第一生物反应器21的光能的存在下进行。有机中间体的合成在充当反应介质的过量水的存在下进行，并且过量水充当用于中间产物流的载体。在一个或多个实施方案中，有机中间体可溶于水。如技术人员将理解的，可以将光合生物培养物从接种反应器23供应至生物反应器21。
22.氧气在生物反应器21内在形成有机中间体期间作为副产物产生。根据本发明的方面，在将中间产物流引入到第二生物反应器41之前将氧气与有机中间体分离。例如，氧气可以与反应器内的其他挥发物(诸如氮气)一起从第一生物反应器21排出。
23.经由中间产物导管31，将有机中间体在中间产物流内直接或间接地从第一反应器21转移至第二生物反应器41。在一个或多个实施方案中，中间产物流可以在该流离开生物反应器21时进行过滤。在运作期间，在中间产物流离开生物反应器21时过滤该流可以防止用于固定光合微生物的任何介质的转移，并且由此有助于防止微生物从第一生物反应器21转移至第二生物反应器41。
24.除了在中间产物流离开生物反应器21时过滤该流之外或代替在中间产物流离开生物反应器21时过滤该流，中间产物流可以在位于生物反应器21和生物反应器41之间的一个或多个中间单元处进行过滤和/或灭菌。例如，并且参考图2，任选的灭菌单元35可以定位在第一生物反应器21和第二生物反应器41之间。单元35可以包括过滤单元。除了过滤单元之外或代替过滤单元，单元35可以包括离心单元。或者，在其他实施方案中，除了过滤或离心之外或者代替过滤或离心，单元35可以包括澄清单元(例如沉降罐)。代替过滤、离心和/或澄清或者除了过滤、离心和/或澄清之外，单元35可以包括灭菌单元。例如，灭菌单元可以利用uv灭菌、热或γ辐射来处理中间产物流，可以这样做以防止任何活微生物从第一生物反应器21引入到第二生物反应器41中。
25.在一个或多个实施方案中，第二生物反应器41包括将有机中间体转化为乙烯的产乙烯生物培养物(即，产乙烯生物)。
26.如技术人员所理解的，可以设计若干子系统以用于将微生物培养物引入到相应的生物反应器中。本领域技术人员可以容易地设计适当的系统来实现这些目标。例如，并且参考附图，可以将适当的微生物从接种单元23(其也可以被称为接种反应器23)供应至生物反应器21和/或生物反应器41。接种单元23可以包括用于相应微生物的单独的室或容器，或者可以为相应微生物提供单独的单元。同样，可能期望从这些生物反应器中的一个或多个中移除生物质。在一个或多个实施方案中，本发明的系统可以包括生物质消化单元25，其中从这些生物反应器中的任一者或二者获得的生物质可以从任何固定化支撑介质中移除并且从系统中移除。在运作期间，生物质消化单元25可以与生物反应器21、41中的任一者或二者流体连通，或者生物质(任选地与固定化材料一起)可以手动地从相应的反应器中移除。在一个或多个实施方案中，生物质可以转化为营养物(诸如氨基酸)，并且返回至生物反应器作为用于微生物的营养物来源。备选地，生物质可以从系统中移除并且用于其他用途诸如肥料等。
27.二氧化碳作为在生物反应器41内的乙烯合成的副产物产生，并且乙烯和二氧化碳作为气态产物流从第二生物反应器41中移除。液体流出物流也离开第二生物反应器41。这种液体流出物流可以包括水和未反应的有机中间体，并且该流可以经由有机中间体再循环导管33被输送回到第一生物反应器21。如图2中最佳显示的，包括水和未反应的有机中间体的液体流出物流可以在过滤/灭菌单元37处经历过滤和/或灭菌。这种过滤和/或灭菌可以利用与单元35相同类型的技术，并且因此将以上关于单元35的讨论结合于此。如技术人员所理解的，这可以用于确保产乙烯微生物不会迁移到第一生物反应器21中。
28.离开第二生物反应器41的气态产物流在第二生物反应器41的下游直接或间接地经由导管51被输送至二氧化碳分离器61(其也可以被称为二氧化碳分离单元61)。在分离器61(其也可以被称为分离器系统61)内，二氧化碳从气态产物流中分离以提供浓缩的乙烯流，其也可以被称为富含乙烯的流，其通过导管53运送。这种富含乙烯的流可以输送到下游纯化和加压单元100，其将在本文中更详细地讨论。分离器61还产生浓缩的二氧化碳流，其也可以被称为纯化的二氧化碳流，并且这种浓缩的二氧化碳流可以经由导管55输送回到第一生物反应器21中。
29.在备选的实施方案中(其可以参考图3进行描述)，由二氧化碳分离器61产生的纯化的二氧化碳流可以经由导管57输送至包括光合生物培养物的中间生物反应器71(其可以被称为第二光合生物反应器71)，所述光合生物培养物将二氧化碳光合转化为有机中间体和氧气。有利地，由于进入生物反应器71的二氧化碳进料流是纯化的二氧化碳流(经由二氧化碳分离器61)，所以离开第二光合生物反应器71的气态副产物流包括相对纯的氧气流，其可以经由导管75输送。技术人员将理解，在本发明的上下文中，相对纯的氧气流包括基本上没有氮气和氩气的那些流，否则其将需要复杂且昂贵的过程以将氮气和氩气与氧气分离(例如空气分离技术)。然而，除非另有说明，否则在本文所定义的相对纯的氧气流中二氧化碳的存在是无害的，并且因此可以存在于相对纯的氧气流内，因为二氧化碳可以更容易地从氧气流中分离。与第一生物反应器21一致，中间生物反应器71产生可以包含有机中间体和水的流出物流，所述流出物流可以经由导管79输送回到第一生物反应器21和/或第二生物反应器41中。如通常所示的，这种流出物流可以经历如参考图2所述的在单元37处的过滤和/或灭菌。
30.如贯穿附图所示的，离开第二生物反应器41的气态流(其经由导管51输送)在单元61处的二氧化碳分离之前可以任选地经历一种或多种处理或操纵。例如，可以在压缩单元43处对流进行加压。除了加压之外或代替加压，气态流可以任选地经历处理以在除氧单元45处移除氧气。由于可以在除氧单元45处产生二氧化碳，所以将除氧单元45定位在二氧化碳分离单元61(其中可以移除在单元45处产生的二氧化碳)的上游可能是有益的。
31.可以参考图8来描述本发明的又一个实施方案。如所示的，代替关于上述的其他系统所示的两个生物反应器21、41，方法120包括单个容器121，其也可以被称为集成生物反应器121。在运作期间，供应至生物反应器121的光能以产生亮循环和暗循环的方式进行控制。在运作期间，集成生物反应器121内的光合微生物在亮循环期间将二氧化碳转化为有机中间体，然后在暗循环期间，集成生物反应器121内的乙烯形成微生物在暗循环期间将有机中间体转化为乙烯。在亮循环期间可以将氧气在其产生期间从生物反应器121中移除，并且在暗循环期间可以将乙烯在其产生期间从生物反应器121中移除。与其他实施方案一致，乙烯
可以与二氧化碳联产，并且乙烯和二氧化碳可以在如上所述的下游过程中分离(例如在二氧化碳洗涤器61处)。
32.返回到图2，本发明的方法可以包括调节二氧化碳输入流(即，在将该流提供到生物反应器21中之前对该流进行调节)。在一个或多个实施方案中，通过导管11运送的二氧化碳输入流可以在压缩机13处加压。在一个或多个实施方案中，二氧化碳输入流的加压(例如在压缩机13内)实现足以克服第一生物反应器21内的反作用力的压力，使得输入流内的惰性气体(例如氮气)可以最终进入反应器的顶部空间。在一个或多个实施方案中，将二氧化碳输入流加压至约2至约20psig的压力，在其他实施方案中加压至约3至约18psig的压力，并且在其他实施方案中加压至约5至约15psig的压力。
33.此外，如图2中最佳显示的，二氧化碳输入流可以在经由导管17输送至生物反应器21之前在骤冷器15处被冷却。如技术人员将理解的，骤冷器15可以包括水冷单元(包括骤冷水回路15')，其可以包括一个或多个用于使水冷却的热交换器。在一个或多个实施方案中，将二氧化碳输入流冷却至这样的温度，低于所述温度则将对生物反应器21内的微生物培养物具有有害影响。在一个或多个实施方案中，在输送至生物反应器21之前，将二氧化碳输入流冷却至约10至约80℃的温度，在其他实施方案中冷却至约20至约60℃的温度，并且在其他实施方案中冷却至约30至约50℃的温度。
34.因为一个或多个实施方案的二氧化碳输入流可以包括可观量的水，并且至少一部分的水将经由在骤冷器15处的冷却循环被冷凝，所以可以将来自骤冷器15的水进料到第一生物反应器21，其消耗大量的水。在一个或多个实施方案中，在骤冷器15处采用的水和/或输送至第一生物反应器21的水流可以用苛性碱处理以调节水的ph。在一个或多个实施方案中，将在骤冷器15处采用的水和/或从骤冷器15输送至第一生物反应器21的水的ph调节至大于5.5，在其他实施方案中调节至大于6.0，并且在其他实施方案中调节至大于6.5(例如在5.5-8.0或6.0-7.5的范围内)。预计水的苛性碱处理将形成碳酸盐(诸如碳酸钠)，这不仅关于ph控制有益于第一生物反应器21，而且还以碳酸钠和/或碳酸氢钠的形式提供额外的二氧化碳来源。本领域技术人员可以容易地调整条件和/或提供额外的成分(例如盐酸)以在碳酸钠和碳酸氢钠之间产生期望的平衡。在特定的实施方案中，提供至骤冷器15内的骤冷水的苛性钠来源于可以与本发明的实践整合的其他过程。例如，乙烯纯化可以使用苛性钠和/或产生可以与骤冷器15整合的碳酸钠。
35.在其他实施方案中，离开第二生物反应器41的液体流出物流(其如关于其他实施方案所描述的可以被输送回到第一生物反应器21)可以任选地被输送到骤冷器15。在一个或多个实施方案中，离开第二生物反应器41的液体流出物流在输送到骤冷器15之前首先在灭菌站37处进行处理。
36.进入第一生物反应器的二氧化碳进料流
37.本发明的方法可以有利地将来自各种各样的气态来源的二氧化碳(其可以被称为二氧化碳输入流)转化为有用的中间体(其可以被转化为乙烯)。在一个或多个实施方案中，通过二氧化碳输入流将二氧化碳提供给系统，所述二氧化碳输入流包括大于1体积％、在其他实施方案中大于3体积％、在其他实施方案中大于5体积％并且在其他实施方案中大于10体积％的二氧化碳。在一个或多个实施方案中，二氧化碳输入流是或来源于燃烧过程的排气流(即烟道气流)。如技术人员所理解的，排气流的组成可以基于包括燃烧过程的设计和
在燃烧过程中被燃烧的燃料在内的若干因素而变化。例如，烟道气流可以来源于燃煤炉、燃气炉、涡轮发电机和氧燃料燃烧过程。
38.在一个或多个实施方案中，二氧化碳输入流可以来源于氧燃料燃烧过程的排气流，所述过程也可以被称为氧燃烧(oxycombustion)。本领域技术人员理解，这些过程包括燃料(例如烃)在基本上不存在氮气和氩气的情况下的燃烧。例如，这些过程可以包括燃烧过程，其中将基本上纯的氧气(即基本上不含氮气和氩气)或者纯氧气和再循环烟道气的混合物进料至燃烧过程。作为结果，燃烧产物主要是二氧化碳和水，而氮气副产物或氩气非常低。有利地，因为来自氧燃烧过程的二氧化碳输入流包括显著水平的二氧化碳，并且基本上没有氮气和氧气，所以来自光合生物反应器的气态副产物流将包括基本上高浓度的氧气以及任何未反应的二氧化碳。来自光合生物反应器的气态副产物流然后可以再循环回到氧燃烧单元作为氧燃烧过程内的燃料，其中任何未反应的二氧化碳为氧燃烧过程提供冷却。
39.例如，并且参考图4，本发明的一个实施方案包括来自氧燃烧单元18的二氧化碳输入流。与之前的实施方案一样，利用第一生物反应器21将二氧化碳光合转化为有机中间体与副产物氧气。包括氧气和未反应的二氧化碳的副产物氧气流经由导管22被输送至氧燃烧单元18。此外，尽管未示出，但是来自氧燃烧单元18的二氧化碳输入流可以如上文关于其他实施方案(参见例如图2)所描述的进行冷却和加压。在第一生物反应器21中产生的中间产物以与其他实施方案一致的方式在下游被输送到第二生物反应器41。
40.在其他实施方案中，可以将相对纯的二氧化碳流进料到第一生物反应器21中。相对纯的二氧化碳流可以从多个来源获得并且通常包括含有大于90体积％、在其他实施方案中大于95体积％并且在其他实施方案中大于99体积％的二氧化碳的那些流。如上所解释的，在使用相对纯的二氧化碳流的情况下，本发明的方法产生相对纯的氧气流(即基本上不含氮气或氩气)，作为从第一生物反应器21输出的副产物。这些相对纯的氧气流可以例如用于工业应用诸如乙烯的氧氯化。
41.在一个或多个实施方案中，作为本发明的一个步骤产生相对纯的二氧化碳流并且其用作输入流。例如，含有二氧化碳的输入流可以在将该流引入到第一生物反应器21中之前进行纯化和/或浓缩。在一个或多个实施方案中，可以通过使用例如胺洗涤和汽提技术来纯化二氧化碳输入流。与之前的实施方案中的一个或多个一样，通过向第一生物反应器中提供纯化的二氧化碳流，可以产生相对高等级的氧气流，作为离开第一生物反应器的副产物流。技术人员将理解，除了胺洗涤和汽提技术之外或代替胺洗涤和汽提技术，可以使用各种各样的二氧化碳移除和分离技术来纯化和/或浓缩二氧化碳流。这些技术包括但不限于膜分离、固体吸附剂以及使用其他溶剂化学诸如碳酸钾。
42.一个示例性实施方案可以参考图5进行描述，图5示出了系统50，其包括第一生物反应器21，所述第一生物反应器21从二氧化碳纯化单元16接收二氧化碳输入流。纯化单元16产生纯化的二氧化碳流，其经由导管11'被引入到第一生物反应器21中。尽管未示出，但是来自燃烧单元的二氧化碳输入流可以如上文关于其他实施方案(参见例如图2)所描述的进行冷却和加压。二氧化碳在生物反应器21中被光合转化为有机中间体与副产物氧气。副产物氧气经由导管24直接或间接地输送到例如需要相对高纯度氧气的工业过程26。在一个或多个实施方案中，在生物反应器41处产生的乙烯也可以被输送到工业过程26。尽管在图5中未示出，但是应当理解，来自第二生物反应器41的乙烯流经历如关于其他实施方案所描
述的下游处理，包括但不限于氧气转化、二氧化碳移除(以及再循环回到光合生物反应器)和乙烯纯化。
43.同样，在其中光合生物反应器生成相对纯的氧气副产物流(其可以来源于使用相对纯的二氧化碳流)的那些实施方案中，相对纯的氧气流可以用于工业应用。在一个或多个实施方案中，离开光合生物反应器的气态流可以经历二氧化碳移除以移除氧气流中的任何未反应的二氧化碳。然后，可以将氧气流输送至所需的工业应用。例如，可以将来自这些实施方案的氧气流输送至氧氯化单元，其中乙烯在氧气的存在下与盐酸反应。在这个实例中，乙烯可以来源于产乙烯的生物反应器。应当理解，来自产乙烯的生物反应器的乙烯流将经历如关于其他实施方案所描述的二氧化碳移除和乙烯纯化。
44.二氧化碳分离
45.在一个或多个实施方案中，下游二氧化碳分离(例如在二氧化碳分离单元61处)可以通过使用常规的胺洗涤/汽提来进行。可以使用各种各样的其他二氧化碳分离技术，包括但不限于使用碳酸钾的溶剂分离、膜分离和固体吸附剂分离。
46.如技术人员所理解的，胺洗涤和汽提技术或方法通常包括水载体内的有机胺对二氧化碳的吸收(即洗涤)，以及随后的二氧化碳从有机胺的再生或释放(即汽提)。这些系统和使用它们的技术在本领域中是众所周知的，如在美国公开号2009/0038314、2009/0156696和2013/0244312(它们通过引用结合于此)中描述的。也可以参考engineering data book(工程数据手册)，第ii卷，第17-26节；gas processors suppliers assoc.(1994)。
47.代替胺洗涤/汽提或除了胺洗涤/汽提之外，可以采用膜分离技术。如技术人员所理解的，这些膜可以包括允许二氧化碳通过渗透物的聚合物或无机微孔膜。这些膜和使用它们的技术是众所周知的，如在美国公开号2008/0173179和2013/0312604(它们通过引用结合于此)中描述的。在实施本发明时，在使用膜分离代替胺洗涤/汽提技术的情况下，可能期望移除残余乙烯，所述残余乙烯可能会迁移到渗透物流中并且因此则将被输送回到固定反应器(即第一生物反应器)，然后最终迁移到氧气流中。在这方面，参考图7，图7示出了包括膜分离单元61'的备选系统20'，其中二氧化碳的渗透物流经由导管73在下游输送到乙烯处理单元75，所述乙烯处理单元75可以适用于催化处理该流，以在渗透物流经由导管51'被输送回到生物反应器21之前移除(例如经由催化燃烧)渗透物流中的任何残余乙烯。
48.乙烯纯化
49.如上所述，第二生物反应器41的含有乙烯的产物流的二氧化碳分离(例如在分离器61内)产生通过导管53运送的富含乙烯的流。这种富含乙烯的流可以在子过程100内经历纯化和任选的压缩以供后续使用以及任选的运输，这参照图6最佳地进行描述。在一个或多个实施方案中，子过程100利用一种或多种技术来处理经由导管53提供的富含乙烯的流。例如，富含乙烯的流可以在任选的氧气移除单元101处经历氧气移除。在该单元内，富含乙烯的流内的残余氧气被例如一部分的乙烯的催化燃烧所消耗。在一个或多个实施方案中，子过程100可以包括乙烯流在苛性碱洗涤单元103处的精制，这移除了任何残余的二氧化碳(例如将二氧化碳的水平降低至小于10ppm、或小于5ppm、或小于3ppm)。在苛性碱洗涤单元103的下游，富含乙烯的流可以在脱水单元105处经历脱水，所述脱水单元105可以包括使用分子筛的脱水单元。在脱水后，富含乙烯的流可以在冷凝器107处冷凝，所述冷凝器107可以
通过丙烯制冷单元108进行冷却。技术人员将理解，根据多种因素，可以改变多个纯化步骤的顺序。此外，技术人员将理解，可以进行纯化过程的多个步骤以实现所需的压力，其可能是使用或运输(例如经由管线)所需的。为此，可以在纯化步骤之前、之后或两个以上纯化步骤之间对富含乙烯的流进行加压。例如，如图6所示，可以在压缩单元99处对流进行加压。同样，进一步的加压可以在乙烯产物泵109处进行。
50.光合微生物
51.如上所述，第一生物反应器含有光合生物培养物，其含有一种或多种类型的光合微生物，所述光合微生物在光能的存在下将二氧化碳和水转化为有机中间体。在多个实施方案中，光合微生物可以是天然存在的。在其他实施方案中，可以对光合微生物进行基因修饰以改善所需有机中间体的生产。在一个或多个实施方案中，与第一生物反应器一起利用的光合微生物可以包括光合细菌诸如蓝细菌。如本领域技术人员所理解的，光合细菌在光的存在下消耗二氧化碳和水而固定碳。有利地，在有氧条件期间蓝细菌的代谢途径的主要产物是氧气和有机中间体(诸如糖)。本领域普通技术人员将能够在无需过度实验的情况下选择合适的光合微生物，以产生所需的有机中间体。
52.在一个或多个实施方案中，所需的有机中间体包括蔗糖、右旋糖、木糖、葡萄糖、果糖、α-酮戊二酸或它们的混合物。
53.示例性的光合微生物包括但不限于蓝细菌、藻类和紫细菌。可用的蓝细菌类型包括进行生氧光合作用(oxygenic photosynthesis)的光合原核生物。可用于本文所述目的的蓝细菌在本领域中通常是熟知的(参见例如donald bryant，the molecular biology of cyanobacteria(蓝细菌分子生物学)，由kluwer academic publishers(1994)出版，其公开内容通过引用整体结合于此)。代表性的实例包括聚球藻(synechococcus)属中的蓝细菌，诸如灰蓝聚球藻(synechococcus lividus)和细长聚球藻(synechococcus elongatus)；和集胞藻(synechocystis)属中的蓝细菌，诸如米纳瓦集胞藻(synechocystis minervae)和集胞藻sp pcc 6803(synchocystis sp pcc6803)。在这方面，将美国专利号7,807,427通过引用整体结合于此。可以使用的合成微生物的实例包括在美国专利号10,196,627中公开的那些，所述专利通过引用整体结合于此。其他实例包括在美国专利号9,914,947和9,309,541中公开的那些微生物，所述专利通过引用整体结合于此。
54.在一个或多个实施方案中，将蓝细菌进行基因修饰以表达一个或多个外源基因，所述外源基因编码提供目标有机中间体的增强产生的一种或多种酶。在一个或多个实施方案中，目标有机中间体包括蔗糖、右旋糖、木糖、葡萄糖、果糖和α-酮戊二酸。如对本领域技术人员而言显而易见的，添加到蓝细菌的基因组中的特定基因(以及产生的酶)将取决于特定的目标有机中间体。
55.在一个或多个实施方案中，修饰的光合微生物包括修饰的核苷酸序列，其产生由二氧化碳形成α-酮戊二酸的酶。在某些实施方案中，这种修饰的光合微生物通过表达形成非天然akgp的核苷酸序列来表达α-酮戊二酸通透酶蛋白(akgp)。在一个或多个实施方案中，与缺乏修饰的核苷酸序列的对照微生物所产生的量相比，修饰的微生物产生更多量的酶。这个量可以为缺乏修饰的核苷酸序列的对照微生物所产生的量的大于1％、在其他实施方案中大于50％并且在其他实施方案中大于75％。
56.在一个或多个实施方案中，α-酮戊二酸(akg)可以通过异柠檬酸脱氢酶(icd)对异
柠檬酸的氧化脱羧而产生或者通过谷氨酸脱氢酶(gdh)对谷氨酸的氧化脱氨而产生。用于在蓝细菌中克隆和akg生产的目标酶可以包括icd酶：1.1.1.42，荧光假单胞菌(p.fluorescens)icd的编码序列(seq id no:1，seq id no:2)，icd酶：1.1.1.42，细长聚球藻(synechococcus elongatus)pcc794的编码序列(seq id no:3，seq id no:4)，以及gdh酶：1.4.1.2，荧光假单胞菌(p.fluorescens)的编码序列(seq id no:5，seq id no:6)。
57.在一个或多个实施方案中，用于形成α-酮戊二酸的酶选自异柠檬酸脱氢酶(icd)蛋白、谷氨酸脱氢酶(gdh)蛋白或它们的组合。
58.在某些实施方案中，修饰的光合微生物通过表达修饰的icd蛋白核苷酸序列(其具有与seq id no:2至少98％、或至少95％、或至少90％、或至少85％同一性的核苷酸序列)而表达具有与seq id no:1至少98％、或至少95％、或至少90％、或至少85％同一性的氨基酸序列的icd蛋白。在某些实施方案中，修饰的微生物通过表达修饰的icd蛋白核苷酸序列(其具有与seq id no:4至少98％、或至少95％、或至少90％、或至少85％同一性的核苷酸序列)而表达具有与seq id no:3至少98％、或至少95％、或至少90％、或至少85％同一性的氨基酸序列的icd蛋白。在某些实施方案中，修饰的微生物通过表达修饰的gdh蛋白核苷酸序列(其具有与seq id no:6至少98％、或至少95％、或至少90％、或至少85％同一性的核苷酸序列)而表达具有与seq id no:5至少98％、或至少95％、或至少90％、或至少85％同一性的氨基酸序列的gdh蛋白。
59.在一个或多个实施方案中，有机中间体是蔗糖。在这些实施方案中的一些中，例如，蓝细菌(细长聚球藻(synechococcus elongatus)、集胞藻(synechocystis))可以被改造以产生蔗糖，从而用作用于产乙烯微生物的生长的底物。用于改造细长聚球藻pcc 7942以产生蔗糖的各种方法可以包括激活一个基因(cscb)和缺失一个基因(glgc)。
60.在这些实施方案的一个或多个中，修饰的光合微生物表达蔗糖合酶蛋白。在一个或多个实施方案中，通过表达修饰的蔗糖合酶蛋白核苷酸序列(其具有与seq id no:10至少98％、或至少95％、或至少90％、或至少85％同一性的核苷酸序列)，蔗糖合酶蛋白具有与seq id no:9至少98％、或至少95％、或至少90％、或至少85％同一性的氨基酸序列。在这些实施方案的一个或多个中，修饰的微生物表达蔗糖磷酸合酶蛋白。在一个或多个实施方案中，通过表达修饰的蔗糖磷酸合酶蛋白核苷酸序列(其具有与seq id no:12至少98％、或至少95％、或至少90％、或至少85％同一性的核苷酸序列)，蔗糖磷酸合酶蛋白具有与seq id no:11至少98％、或至少95％、或至少90％、或至少85％同一性的氨基酸序列。
61.如本文所使用的，序列同一性是如通过比较序列确定的两个以上氨基酸(多肽或蛋白质)序列或两个以上核酸(多核苷酸)序列之间的关系。序列同一性或相似性典型地在相应序列的整个长度上进行比较。技术人员理解，“同一性”是指氨基酸或核酸序列之间的序列相关性程度，根据具体情况，如由这样的序列的串之间的匹配所确定的。两个氨基酸序列之间的“相似性”是通过比较一个多肽的氨基酸序列及其保守氨基酸置换体与第二个多肽的序列来确定的。技术人员可以通过各种已知方法容易地计算“同一性”和“相似性”。例如，确定同一性和相似性的方法编码在可公开获得的计算机程序中，诸如bestfit、blastp(蛋白质基本局部比对搜索工具，protein basic local alignment search tool)、blastn(核苷酸基本局部比对搜索工具，nucleotide basic local alignment search tool)、fasta(altschul,s.f.等人，j.mol.biol.215:403-410(1990)，可从ncbi和其他来源
(blast.rtm.manual,altschul,s.等人,ncbi nlm nih bethesda,md.20894)公开获得，以及emboss(欧洲分子生物学开放软件套件，european molecular biology open software suite)。使用emboss进行氨基酸序列比较的示例性参数是缺口打开(gap open)10.0、缺口扩展(gap extend)0.5、blosum矩阵。使用emboss进行核酸序列比较的示例性参数是缺口打开10.0、缺口扩展0.5、dna全矩阵(dna同一性矩阵)。如技术人员所理解的，可以使用在线数据诸如gene bank、keg、blast和ensemble来比较不同物种之间的dna/蛋白质序列以确定序列的同源性。技术人员还可以考虑到所谓的“保守”氨基酸置换，其是指具有相似侧链的残基的互换性。例如，一组具有脂族侧链的氨基酸是甘氨酸、丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸；一组具有脂族羟基侧链的氨基酸是丝氨酸和苏氨酸；一组具有含酰胺侧链的氨基酸是天冬酰胺和谷氨酰胺；一组具有芳族侧链的氨基酸是苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸；一组具有碱性侧链的氨基酸是赖氨酸、精氨酸和组氨酸；并且一组具有含硫侧链的氨基酸是半胱氨酸和蛋氨酸。本文公开的氨基酸序列的置换变体是其中所公开序列中的至少一个残基已被移除并且在其位置插入了不同残基的那些。优选地，氨基酸变化是保守的。每种天然存在的氨基酸的优选保守置换如下：ala到ser；arg到lys；asn到gln或his；asp到glu；cys到ser或ala；gln到asn；glu到asp；gly到pro；his到asn或gln；ile到leu或val；leu到ile或val；lys到arg；gln或glu；met到leu或ile；phe到met、leu或tyr；ser到thr；thr到ser；trp到tyr；tyr到trp或phe；以及val到ile或leu。
62.除非另有说明，否则术语“适应的”或“密码子适应的”是指如本文所公开的多核苷酸的“密码子优化”，其序列可以是天然的或非天然的，或者可以适应于在其他微生物中进行表达。密码子优化使得用于编码多肽的密码子使用适应在其中表达多肽的生物的密码子偏好。密码子优化通常有助于提高宿主细胞中的编码多肽的产生水平。
63.在某些实施方案中，修饰的光合微生物包括缺乏葡萄糖-1-磷酸腺苷酰转移酶蛋白表达的δ-glgc(δglgc)突变微生物。类似地，缺乏功能性adp-葡萄糖焦磷酸化酶的蓝细菌细胞是已知的，如在美国专利号9,309,541和9,309,541(它们通过引用整体结合于此)中描述的。
64.产乙烯微生物
65.如上所述，产乙烯生物包括通过消耗光合生物反应器中产生的有机中间体而天然产生乙烯或被基因修饰为通过消耗光合生物反应器中产生的有机中间体而产生乙烯的那些生物。在一个或多个实施方案中，与第二生物反应器一起使用的微生物包括表达或已被基因修饰为表达乙烯形成酶(efe)基因的那些微生物。这些微生物在本文中可以被称为efe形成微生物。产生乙烯或已被修饰为产生乙烯的微生物在本领域是熟知的，并且可以使用能够在所述反应条件下由目标有机中间体产生乙烯的任何微生物。在一个或多个实施方案中，所需微生物不产生任何将会干扰本文所述方法的其他物质。
66.示例性的efe形成微生物包括丁香假单胞菌(pseudomonas syringae)、丁香假单胞菌大豆致病变种(pseudomonas syringae pv.glycinia)和指状青霉(penicillium digitatum)，它们全部都天然表达efe。在其他实施方案中，第二反应器内的微生物包括修饰的微生物，其表达或过表达efe基因，诸如天然存在于丁香假单胞菌或指状青霉中的efe基因。在这些实施方案中，为了这样做，使用本领域已知的众多方法中的任一种来将一种或多种efe基因的一个或多个拷贝转染到宿主微生物中。可用的宿主微生物可以包括但不限
于大肠杆菌(escherichia coli)(e.coli)、酿酒酵母(saccharomyces cerevisiae)、恶臭假单胞菌(pseudomonas putida)、绿色木霉(trichoderma viride)和里氏木霉(trichoderma reesei)。
67.在一个或多个实施方案中，可以如在wang,j.p.等人，“metabolic engineering for ethylene production by inserting the ethylene-forming enzyme gene(efe)at the 16s rdna sites of pseudomonas putida kt2440(通过在恶臭假单胞菌kt2440的16s rdna位点处插入乙烯形成酶基因(efe)进行乙烯生产的代谢改造)”biosource technology,(2010)101:6404-6409(其公开内容通过引用整体结合于此)中所述来产生用于产生efe的修饰的微生物。在这些实施方案中，efe基因从丁香假单胞菌大豆致病变种(p.syringae pv.glycinea)icmp2189克隆并且使用双交叉重组插入到恶臭假单胞菌kt2440宿主的一个或多个16s rdna位点中。
68.如上所述，在一个或多个实施方案中，产生efe酶的微生物将包括基因改造的微生物。在一个或多个实施方案中，efe形成微生物是在其dna内包括一个或多个在表达时产生efe的外源核苷酸序列的修饰的微生物。在一个或多个实施方案中，与缺乏修饰的核苷酸序列的对照微生物所产生的量相比，修饰的微生物产生更多量的efe酶。这个量可以为缺乏修饰的核苷酸序列的对照微生物所产生的量的大于5％、在其他实施方案中大于50％并且在其他实施方案中大于75％。在多个实施方案中，基因修饰的微生物将被修饰以含有在表达时产生efe的外源核苷酸序列的两个以上拷贝，从而进一步改善乙烯生产。
69.在一个或多个实施方案中，可以将编码萨氏假单胞菌菜豆致病变种(pseudomonas savastanoi pv.phaseolicola)efe蛋白的多核苷酸(genbank：kpb44727.1，seq id no:8)克隆到pet-30a(+)载体质粒中。相应的核苷酸序列也可以是适应于在大肠杆菌中表达的密码子(seq id no:7)，并且在c-末端处含有任选的his标签，随后是终止密码子和hindiii位点。ndei位点也可以用于在5-引物端(5-prime end)进行克隆，其中ndei位点含有atg起始密码子。在多个实施方案中，可以使用重组质粒来转化大肠杆菌bl21(de3)感受态细胞。
70.在一些实施方案中，在laci基因的存在下，可以通过iptg诱导型启动子(ptrc)来激活ann氨苄青霉素盒；laci基因可以由laciq启动子(seq id no:13)调控。
71.在某些实施方案中，通过表达具有与seq id no:8至少95％、或至少90％、或至少80％同一性的核苷酸序列的非天然efe蛋白核苷酸序列，乙烯形成重组微生物表达具有与seq id no:7至少95％、或至少90％、或至少80％同一性的氨基酸序列的efe蛋白。
72.技术人员理解，可能有益的是固定微生物以增加产率并且帮助管理过程内的微生物(例如，帮助从产物流或反应介质中分离微生物)。在一个或多个实施方案中，微生物被固定至支撑介质诸如但不限于高表面积支撑介质。可用的高表面积支撑材料可以包括海绵、纤维材料、生物球、陶瓷过滤器等。
73.第一生物反应器(光合生物反应器)
74.再次参考附图，第一生物反应器21可以包括单个反应容器，或者它可以包括多个(即两个以上)反应容器，其可以以互补方式运作。例如，两个以上的反应器容器可以并联或串联运作以有利于所需的光合反应。
75.技术人员通常理解应由第一生物反应器21保持以维持微生物并促进所需光合反应的适当条件。在一个或多个实施方案中，水既是反应物又用作第一生物反应器21内的反
应介质。
76.在一个或多个实施方案中，光合生物反应器内的反应器介质的温度保持在约25至约70℃、在其他实施方案中约35至约60℃并且在其他实施方案中约40至约50℃。在这些或其他实施方案中，光合生物反应器内的反应介质的ph保持在约5.0至约8.5、在其他实施方案中约5.5至约8.0并且在其他实施方案中约6.0至约7.0。
77.在一个或多个实施方案中，光合生物反应器基本上没有产生或适于产生efe基因的微生物。
78.在一个或多个实施方案中，第一生物反应器包括至少一个用于将至少反应物(例如二氧化碳)引入到生物反应器中的入口。在这些或其他实施方案中，第一生物反应器包括至少一个用于从生物反应器中移除至少一种产物或至少一种副产物的出口。在一个或多个实施方案中，第一生物反应器21包括用于气态产物/副产物的出口和用于液体流出物的出口。在一个或多个实施方案中，要不是存在入口和出口，生物反应器21会是封闭系统。在其他实施方案中，生物反应器21是开放系统。在一个或多个实施方案中，第一生物反应器选自连续搅拌釜式反应器、气升反应器、环管反应器和流化床反应器。在一个或多个实施方案中，第一生物反应器的容量大于10,000加仑、在其他实施方案中大于100,000加仑、在其他实施方案中大于1,000,000加仑。
79.第二生物反应器(产乙烯的生物反应器)
80.再次参考附图，第二生物反应器41可以包括单个反应容器，或者它可以包括多个(即两个以上)反应容器，其可以以互补方式运作。例如，两个以上的反应器容器可以并联或串联运作以有利于将中间体转化为乙烯的所需反应。
81.技术人员通常理解应由第二生物反应器保持以维持微生物并促进所需的乙烯形成反应的适当条件。在一个或多个实施方案中，水用作第二反应器中的反应介质。
82.在一个或多个实施方案中，乙烯形成生物反应器内的反应器介质的温度保持在约25至约70℃、在其他实施方案中约35至约60℃并且在其他实施方案中约40至约50℃。在这些或其他实施方案中，乙烯形成生物反应器内的反应介质的ph保持在约6.0至约9.5、在其他实施方案中约6.5至约9.0并且在其他实施方案中约7.0至约8.0。
83.在一个或多个实施方案中，乙烯形成生物反应器基本上没有产生或适于产生氧气的微生物。例如，第二生物反应器没有或基本上没有光合微生物(例如通过卡尔文循环(calvin cycle)运作的微生物)。
84.在一个或多个实施方案中，乙烯形成生物反应器保持在缺氧条件下。在一个或多个实施方案中，乙烯形成生物反应器保持在基本上不存在光能的情况下。
85.在一个或多个实施方案中，第二生物反应器包括至少一个用于将有机中间体产物流引入到生物反应器中的入口。在这些或其他实施方案中，第二生物反应器包括至少一个用于从第二生物反应器移除产物(例如用于乙烯气体的气态物出口)和至少一种副产物(例如二氧化碳)的出口。在一个或多个实施方案中，第二生物反应器还包括用于移除液体流出物(例如水和未反应的有机中间体)的流出物出口。在一个或多个实施方案中，第二生物反应器选自连续搅拌釜式反应器、环管反应器和流化床反应器。在一个或多个实施方案中，第二生物反应器的容量大于10,000加仑、在其他实施方案中大于100,000加仑、在其他实施方案中大于1,000,000加仑。在一个或多个实施方案中，要不是存在反应物入口以及产物或副
产物出口，第二生物反应器会适于提供封闭系统。
86.在一个或多个实施方案中，第二反应器内的微生物的浓度可以基于每单位体积的反应器的干细胞重量来量化。例如，在一个或多个实施方案中，第二反应器中的微生物浓度大于10克干细胞重量/升、在其他实施方案中大于50克干细胞重量/升并且在其他实施方案中大于100克干细胞重量/升。
87.用于形成重组微生物的技术
88.在某些实施方案中，将用于表达中间体形成酶或用于efe的核苷酸序列插入到微生物表达载体中。在多个实施方案中，微生物表达载体可以包括细菌载体质粒、同源重组系统的核苷酸向导(nucleotide guide)、抗生素抗性系统、用于蛋白质纯化和检测的辅助系统、crispr cas系统、噬菌体展示系统或它们的组合。
89.如上所述，在一个或多个实施方案中，可以将表达efe的核苷酸序列的多个拷贝插入到乙烯形成微生物中。类似地，可以将表达中间体酶的核苷酸序列的多个拷贝插入到光合微生物中。插入到载体和/或宿主基因组中的基因的拷贝数量在本文中称为“拷贝数”。在某些实施方案中，表达efe的核苷酸序列在微生物表达载体中的拷贝数大于1、在其他实施方案中大于10、在其他实施方案中大于100并且在其他实施方案中大于250。将显而易见的是，对表达efe的核苷酸序列的多个拷贝进行表达可以增加乙烯产率，从而降低商业规模的乙烯生产的体积和成本。
90.在某些实施方案中，微生物表达载体包括至少一种微生物表达启动子。如本领域技术人员将理解的，微生物表达启动子是启动随后的、通常相邻的dna序列的转录的核苷酸序列，并且可以是组成型的或诱导型的。在某些实施方案中，至少一种微生物表达启动子可以包括但不限于光敏启动子、化学敏感启动子、温度敏感启动子、lac启动子、t7启动子、cspa启动子、λpl启动子、λcl启动子、连续生产启动子、psba启动子或它们的组合。在某些实施方案中，可以将至少一种启动子诱导剂添加到生物反应器或生物反应器内的反应介质中以控制有机中间体的量和/或产生的乙烯的量。在某些实施方案中，启动子诱导剂包括乳糖、木糖、iptg、冷激、热激或它们的组合。
91.在一个或多个实施方案中，icd和gdh基因可以使用克隆到psyn6质粒构建体(psyn6_icd和psyn6_gdh)中的gblocks
tm
基因片段来合成。为了克隆到psyn6质粒中，细长聚球藻(s.elongatus)icd编码序列的两侧是n-末端hindiii和c-末端bamhi识别位点(seq id no:4)。使用质粒构建体，可以将icd和gdh基因克隆到未修饰的细长聚球藻或细长聚球藻δglgc突变菌株中(参见实施例2)。可以转化目标基因的1-3个拷贝。icd和gch基因的克隆可以通过pcr和测序来确认。akg合成和定量可以通过sds-page、蛋白质印迹(western blot)和乙烯生产测定进行评估。
92.在一个或多个实施方案中，形成蓝细菌的糖原突变菌株将改变细菌产生以及分泌更高浓度的酮酸(诸如akg)的途径。糖原突变蓝细菌可以经由glgc基因的突变(δglgc)通过形成糖原缺乏菌株来产生。例如，可以使用gblocks
tm
来合成氨苄青霉素抗性(ampr)基因并且将其整合到质粒构建体中。质粒构建体可以转化到野生型蓝细菌(例如，集胞藻、细长聚球藻2973、细长聚球藻2434)中。然后可以将一部分的野生型glgc基因替换为ampr基因以形成突变菌株。可以通过在含有ampr的培养基中生长、接着进行pcr和测序来确认δglgc突变菌株。
111.[0124][0125]
seq id no.13：-[0126]
[0127]
[0128]