微生物共培养系统及其应用技术方案

一种微生物共培养系统（co-culture system），其包含：(1)一基质，其含有一醣类；(2)一第一菌株及一第二菌株的至少一种，其中该第一菌株具有固定一碳氧化物的能力，该第二菌株具有于发酵反应中代谢一氨基酸的能力，且其中该第一菌株于发酵反应中产生一第一代谢物，该第二菌株于发酵反应中产生一第二代谢物；以及(3)一第三菌株，其具有于发酵反应中代谢该醣类、该第一代谢物及该第二代谢物以生成丁酸及／或丁醇的能力，其中，当于该共培养系统存在该第二菌株时，该基质更含有该氨基酸。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术是关于一种，尤其是关于该共培养系统在生产 有机化合物（例如丁酸与丁醇等）的应用。特定言之，本专利技术共培养系统中的微生物可交 互利用彼此于发酵反应中所产生的代谢物及代谢副产物，从而提高整体发酵的生产效率及 碳转化率。
技术介绍
自20世纪初以来，随着生质燃料（biofuel)的发展，工业上便广泛使用细菌、酵 母菌、霉菌等微生物以进行发酵反应，将生质燃料转化为较具经济效益的有机化合物，例 如有机酸以及醇类。其中，在生成有机化合物的微生物发酵方法中，以丙酮-丁醇-乙醇 (acetone-butanol_ethanol，ABE)发酵程序（如图1所示）最广为使用。于ABE发酵路径 中，通过微生物，可以将含有醣类的原料（玉米、薯类、糖蜜等）转化为丙酮酸（pyruvate)， 再进一步将丙酮酸转化为乙酰-辅酶A(acet yl-C〇A)，以生成例如乙酸、乙醇、丁酸、或丁醇 等较具经济效益的有机化合物。 然而，上述将丙酮酸转化为乙酰-辅酶A的过程会伴随着例如二氧化碳的碳氧化 物的释放（如图1所示）而导致从原料到产物的不必要的碳源损失（carbon loss)。已知， 于ABE发酵程序中，将原料转化为产物的碳转化率最高仅约66%，导致有机化合物的产率 不佳，造成不必要的成本及资源浪费。 有鉴于上述关于成本及资源浪费的问题，业界持续致力于发酵微生物菌种的选育 及改良。在单一微生物发酵方面，欧洲专利申请案WO 2009/154624 Al揭示一使用经基因 改良的酪丁酸梭菌（Clostridium tyrobutyricum)进行发酵反应的方法，其借助将ABE发 酵路径中与乙酸生合成相关的基因（pta、ack)加以剔除，以提高发酵产物的专一性；美国 专利申请案 US 2008/0248540A1 则揭不一使用酪丁酸梭菌（Clostridium tyrobutyricum) 进行发酵以生产丁酸，再藉由化学反应将丁酸转化为丁醇的方法；然而，前述二方法皆因无 法有效提升产率而缺乏经济效益。多重微生物发酵方面，美国专利US 8, 420, 359 B2揭示 一发酵系统，该系统结合了乳酸发酵程序与ABE发酵程序，以乳酸发酵程序所生成的代谢 产物（即，乳酸）作为ABE发酵程序中的共基质，以增加主产物（即，丁醇）的产量；美国专 利US 8, 293, 509 B2则揭示一种以双槽发酵系统生产丁醇的方法，该系统配置有二个不同 的微生物发酵槽，借助串连该二发酵槽，回收并利用特定的副产物；然而，前述二发酵系统 皆必须使用二个以上的发酵槽，且必须针对不同的发酵系统进行个别控制，并非理想的作 法。本专利技术即针对前述需求所为的研究成果。
技术实现思路
本案专利技术人经戮力研究而完成一种微生物共培养系统，此系统中所包含的微生物 可稳定共生，且可交互利用彼此于发酵反应中所产生的代谢物或代谢副产物，具有互补关 系（如图2A、2B、2C所示）。将此系统应用于发酵反应中，可将多元料源转化为例如丁酸、丁 醇等有机化合物，且可达到有效利用原料、减少不必要的能源损失、提供良好的目标产物产 率等需求。 因此，本专利技术的一目的，在于提供一种微生物共培养系统（co-culture system)， 其包含： (1) 一基质，其含有一醣类； (2) -第一菌株及一第二菌株的至少一种，其中该第一菌株具有固定碳氧化物的 能力，该第二菌株具有于发酵反应中代谢一氨基酸的能力，且其中该第一菌株于发酵反应 中产生一第一代谢物，该第二菌株于发酵反应中产生一第二代谢物；以及 (3) -第三菌株，其具有于发酵反应中代谢该醣类第一代谢物及该第二代谢物以 生成丁酸及/或丁醇的能力， 其中，当于该共培养系统存在该第二菌株时，该基质更含有该氨基酸。较佳地， 该微生物共培养系统更包含一共基质（co-substrate)，其较佳为选自以下的至少一种：乳 酸、及气态基质。 本专利技术的另一目的，在于提供一种生产丁酸的方法，其包含：提供一如上述的微生 物共培养系统，其中该第三菌株于发酵反应的代谢物包含丁酸；以及将该微生物共培养系 统置于一厌氧氛围下以进行发酵反应。较佳地，该方法更包含对该发酵产物进行一分离纯 化操作。 本专利技术的又一目的，在于提供一种生产丁醇的方法，其包含：提供一如上述的微生 物共培养系统；将该微生物共培养系统置于一厌氧氛围下以进行发酵反应；以及视需要进 行一化学转化反应以将丁酸转化为丁醇。较佳地，该方法更包含于进行该化学转化反应之 前，先对该发酵产物进行一分离纯化操作。 本专利技术的详细
技术实现思路
及部分具体实施态样，将描述于以下内容中，以供本专利技术 所属领域具通常知识者据以明了本专利技术的特征。【附图说明】 图1为丙酮-丁醇-乙醇（acetone-butanol-ethanol，ABE)发酵路径的不意 图，其中，①为EMP路径；②为丙酮酸-铁氧还原蛋白氧化还原酶（pyruvate-ferredoxin oxidoreductase);③为乙酰辅酶A-乙酰基转移酶/疏解酶（acetyl CoA-acetyl transferase/thiolase);④为 β -羟基丁酰-辅酶 A 脱氢酶（β -hydroxy butyryl CoA dehydrogenase);⑤为巴豆酸酶（crotonase);⑥为丁酰-辅酶A脱氢酶（butytyl CoA dehydrogenase);⑦为磷酸丁酰转移酶（phosphotransbutyrylase);⑧为丁酸激 酶（butyrate kinase);⑨为丁酸脱氢酶（butyraldehyde dehydrogenase);⑩为丁醇 脱氛酶（butanol dehydrogenase);?为憐酸乙醜转移酶（phosphotransacetylase); ?.为乙酸激酶（acetate kiase) 为乙酸脱氢酶（acetaldehyde dehydrogenase); (9 为乙醇脱氛酶（ethanol dehydrogenase) 为辅酶 A 转移酶（CoA transferase); ?:为乙酰乙酸脱羧酶（acetoacetate decarboxylase) 为铁氧还原蛋白NAD(P)+还 原酶（ferredoxin-NAD (P) +reductase)⑩为氢化酶（hydrogenase);'?为 丁酰-辅 酶 A-乙酸转移酶（bytyryl CoA-acetate transferase) 为乳酸脱氢酶（lactate dehydrogenase)ο 图2A为本专利技术微生物共培养系统的一具体实施态样的示意图，其显示本专利技术第 一菌株及第三菌株的代谢物、代谢副产物的交互利用情形； 图2Β为本专利技术微生物共培养系统的另一具体实施态样的示意图，其显示本专利技术 第二菌株及第三菌株的代谢物、代谢副产物的交互利用情形； 图2C为本专利技术微生物共培养系统的又一具体实施态样的示意图，其显示本专利技术 第一菌株、第二菌株、及第三菌株的代谢物、代谢副产物的交互利用情形； 图3为说明本专利技术第一菌株进行固定碳氧化物作用而将碳氧化物纳入发酵反应 的步骤中以生成乙酸（盐）的代谢过程示意图； 图4Α为说明本专利技术第三菌株以碳水化合物作为碳源进行发酵反应以生成丁酸 (盐）的代谢过本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种微生物共培养系统（co‑culture system），其包含：(1) 一基质，其含有一醣类；(2) 一第一菌株及一第二菌株的至少一种，其中该第一菌株具有固定一碳氧化物的能力，该第二菌株具有于发酵反应中代谢一氨基酸的能力，且其中该第一菌株于发酵反应中产生一第一代谢物，该第二菌株于发酵反应中产生一第二代谢物；以及(3) 一第三菌株，其具有于发酵反应中代谢该醣类、该第一代谢物及该第二代谢物以生成丁酸及／或丁醇的能力，其中，当于该共培养系统存在该第二菌株时，该基质更含有该氨基酸。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：陈昌杰，刘正豪，曾士展，苏盈青，
申请(专利权)人：鼎唐能源科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：中国台湾;71