JP6434976B2 - ガス状基質の改善された発酵 - Google Patents

Description

本発明は、強制循環外部ループ反応器を改善するための系及び方法に関する。より具体的には、本発明は、反応器中のガスホールドアップを調節し、改善された泡制御を可能にする二次ループを強制循環外部ループ反応器に導入する。

合成ガス（ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｇａｓもしくはｓｙｎｇａｓ）またはＣＯ含有工業オフガスから生成される燃料及び化学物質は、化石燃料及びそれから得られる化学物質に対する重要な代替案に相当する。これらのガスの燃料または化学物質への化学触媒変換は、高価であるか、または商業的に魅力的ではない。代わりに、これらのガスの燃料及び化学物質への生物学的変換（ガス発酵として既知）は、より高い特異性、より高い収率、より低いエネルギー費、及びより大きい耐毒性を含む、触媒過程に対するいくつかの優位性を有する。

ガス発酵の効率性は、液体中のガス状基質（例えば、ＣＯ及びＨ_２）の不十分な溶解性により、主に低気液物質移動速度によって制限されることが既知である。物質移動の効率性または体積物質移動速度は、以下の通り提供される。

式中、
は、ガス状基質が液相に移される速度であり、ｋ_Ｌａは、体積物質移動係数であり、液側物質移動係数ｋ_Ｌ及び比物質移動表面積ａからなる。Ｃ＊は、ガス状基質の分圧に比例する、液体中のガスの飽和濃度（すなわち、溶解性）であり、Ｃ_Ｌは、液体中の実際のガス濃度であり、２つの間の差、すなわち、（Ｃ＊−Ｃ_Ｌ）は、物質移動駆動力である。純物質移動制限条件下で、近似的にＣ_Ｌ=０である。Ｖ_Ｒは、反応器の湿潤体積であり、それはガス体積及び液体体積の合計である。

したがって、物質移動の効率性を改善するために、ｋ_Ｌａまたは駆動力のいずれかを増加させる必要がある。駆動力は、より高い圧力によって強化され得る。しかしながら、そのような方法は、ガスの圧縮が必要とされるため、コストが高い。概して、ｋ_Ｌ及び／またはａを増加させることがより好ましい。ｋ_Ｌが液体及びガスの固有特性であり、変化することが困難であることを意味する一方で、ａは、ガスホールドアップε_Ｇ及び平均気泡半径ｒ_ｂとの単純な関係を有し、それらの両方は、容易に操作され得る。関係は、以下のとおりである。

上記の方程式は、比物質移動面積がガスホールドアップε_Ｇの増加もしくは気泡サイズｒ_ｂの減少、または両方の組み合わせによって増加され得ることを示す。残念なことに、そのような方法のほとんどは、大量の泡を生成する傾向があり、それは、生物反応器の下流のパイプラインを遮断する可能性がある。したがって、物質移動表面積を増加させるための措置が取られるとき、泡制御に対して特別な注意が払われなければならない。

高い物質移動速度は、概してガス発酵のために望ましい。しかしながら、その過程は、物質移動速度が、微生物が提供することができる最大反応速度よりも高い場合、基質阻害に悩まされる可能性がある。例えば、高い溶解ＣＯ濃度は、微生物の遅い成長及びＨ_２の遅い取り込みをもたらし、そのような条件が長期間にわたって続く場合、培養物は、ゆっくりと消滅する可能性がある（Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｂｉｏｒｅａｃｔｏｒｓ ｆｏｒ Ｃｏａｌ Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ Ｇａｓ Ｆｅｒｍｅｎｔａｔｉｏｎｓ，Ｊ．Ｌ．Ｖｅｇａ，Ｅ．Ｃ．，Ｃｌａｕｓｅｎ ａｎｄ Ｊ．Ｌ．Ｇａｄｄｙ，１９９０，Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ，Ｃｏｎｓｅｒｖａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｒｅｃｙｃｌｉｎｇ，Ｖｏｌ ３，Ｐａｇｅｓ １４９−１６０、Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ＣＯ ｐａｒｔｉａｌ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｏｎ ｃｅｌｌ−ｒｅｃｙｃｌｅｄ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ＣＯ ｆｅｒｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｂｙ Ｅｕｂａｃｔｅｒｉｕｍ ｌｉｍｏｓｕｍ ＫＩＳＴ６１２，Ｉ．Ｓ．Ｃｈａｎｇ，Ｂ．Ｈ．Ｋｉｍ，Ｒ．Ｗ．Ｌｏｖｉｔｔ，Ｊ．Ｓ．Ｂａｎｇ，２００１，Ｐｒｏｃｅｓｓ Ｂｉｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ，Ｖｏｌ ３７，Ｐａｇｅ ４１１−４２１）。そのような「過剰供給」条件は、小規模の強混合反応器中で全体的に生じ得るが、典型的には、ガスが導入され、ＣＯ分圧が高い、底部において、高い局所的溶解ＣＯ濃度がある、大規模の反応器中でも局所的に生じ得る。

したがって、ガス発酵のための商業規模の反応器は、高い気液物質移動速度を提供する必要があり、また、必要に応じて物質移動速度が調整され得るために、順応性がある必要がある。効果的な泡制御もまた必須要件である。

卓上規模において、ガス発酵は、典型的には、連続撹拌タンク反応器（ＣＳＴＲ）中で実施される。しかしながら、これらは、高いエネルギー消費及び他の懸念事項により、商業規模の用途には不適切である。代わりに、内部または外部ループありまたはなしの気泡塔が、大規模のガス発酵のために使用されてもよい。強制循環外部ループ反応器は、本明細書においてループポンプと称されるポンプによって、液体が主塔（上昇管）と外部ループ（下降管）との間を循環するように強制される種類の気泡塔反応器である。

既知の強制循環ループ−反応器構成において、ループポンプの速度は、系の流体力学及び物質移動に対して２つの主要な効果を有する：（ａ）ループポンプ速度の増加は、上昇管から下降管へのガス同伴を強化し、それは、上昇管及び下降管ホールドアップを増加させる傾向があり、したがって、物質移動を改善する、（ｂ）ループポンプ速度の増加は、上昇管中の液体速度を増加させ、それは、上昇管中のガス気泡を迅速に洗い流す傾向があり、ガスホールドアップを減少させ、ガス滞留時間を低減する。反対に、ループポンプ速度が低減される場合、上昇管中のガス気泡は、より長い期間にわたってとどまることができるが、下降管中へのガス同伴は、実質的により少なくなり、それは、下降管中の反応速度及び反応器の全体的な性能を低減する可能性がある。加えて、上昇管の底部において導入されるガスが高いＣＯ含有量を有するため、深い反応器中の低いループポンプ速度は、基質阻害を悪化させる。

したがって、ループポンプは、ガス同伴及び上昇管液体速度に対するその競合効果により、物質移動の調整の観点から効果がない。ループポンプの２つの競合効果を分離する手段を提供し、かつその中のより効果的な物質移動調整、ならびに強化された泡制御及びより低い全体的なエネルギー消費を提供することが、本発明の一目的である。さらに、本発明は、当該技術分野において既知の欠点を克服し、種々の有用な生成物の最適な生成のための新しい方法を一般に提供する。１つ以上の生成物を生成するためのガス発酵過程または系に対するわずかな改善でさえ、そのような過程または系の効率性、及びより具体的には、商業的実行可能性に有意な影響を有し得る。

第１の態様では、ガス状基質の発酵のための反応器系が提供され、本系は、
（ａ）液体発酵ブロス及びガス状基質が同時に上方に流動される上昇管セクションと、液体発酵ブロス及びガス状基質が同時に下方に流動される下降管セクションとを備える、発酵槽であって、該上昇管及び下降管セクションは、実質的に水平なセクションによって接続され、液体発酵ブロス及びガス状基質が、ポンプ手段を使用して、下降管セクションの底部付近の点から上昇管を通って下降管セクションの頂部の入口点まで、一次ループ中で循環されるように構成される、発酵槽と、
（ｂ）上昇管セクションの底部付近の点に位置する出口と、出口を上昇管の底部から上昇管の頂部の入口に接続するパイプ手段と、発酵ブロス及びガス状基質が、下降管の底部から、上昇管セクションの頂部まで循環されるように、出口点と入口点との間に位置するポンプ手段とを備える、二次ループと、
（ｃ）上昇管セクション中にガス状基質を方向付けるように構成される、少なくとも１つのガス入口と、
（ｄ）ガスが上昇管セクションを出ることを可能にするように構成される、少なくとも１つのガス出口と、を備える。

第１の態様の特定の実施形態では、本生物反応器は、少なくとも１つの酸もしくはアルコール、またはこれらの混合物を含む生成物を生成するために、ガス状基質の発酵のために構成される。特定の実施形態では、ガス状基質は、ＣＯ及び任意にＨ_２を含む。さらなる代替の実施形態では、ガス状基質は、ＣＯ_２及びＨ_２を含む。

第１の態様の特定の実施形態では、本反応器は、それ自体が上昇管セクション及び下降管セクションからなる一次ループと、二次ループとを備える。特定の実施形態では、二次ループは、発酵槽の下降管セクションから発酵ブロスを除去する。特定の実施形態では、二次ループは、一次ループポンプの下流において発酵ブロスを除去する。特定の実施形態では、発酵ブロスは、二次ポンプを用いて、一次ループポンプの下流において引き出される。

代替の実施形態では、発酵槽の下降管セクションは、二次ループ出口の上流に位置する、ゲート弁を備える。本実施形態では、発酵ブロスは、ゲート弁を使用して一次ループの流量を制限することによって、下降管から二次ループに引き出され得る。ゲート弁の開口部を調節することによって、ループポンプの下流であるがゲート弁の上流の圧力は、所望の二次ループ流速を提供するように調整され得る。ある特定の実施形態では、下降管中の圧力は、圧力計によって監視される。この構成は、二次ループポンプの必要性を排除する。

特定の実施形態では、下降管セクションから引き出される発酵ブロスは、二次ループを介して発酵槽の頂部まで循環される。特定の実施形態では、発酵ブロス及びガス状基質は、二次ループを介して、下降管セクションの下部から上昇管セクションの頂部まで循環される。特定の実施形態では、発酵ブロスは、発酵槽の頂部の少なくとも１つのノズルから、二次ループを出る。使用中、少なくとも１つのノズルは、発酵槽の上部空間中に、循環された発酵ブロスを噴霧する。特定の実施形態では、循環された発酵ブロスは、複数のノズルによって上部空間中に噴霧される。特定の実施形態では、少なくとも１つのノズルは、シャワーヘッドである。特定の実施形態では、ノズル（複数可）を出る液体ジェット（複数可）の速度は、約０．５ｍ／秒からまたは約５ｍ／秒まで異なり得る。使用中、液体ジェット（複数可）は、上部空間の断面積の少なくとも一部分を覆う。典型的な発酵条件下で、泡層は、発酵槽の上部空間中に存在する。ある特定の実施形態では、循環された発酵ブロスは、泡中のより大きい気泡を分解するために、上部空間中に噴霧される。この過程は、下降管セクションにより効果的に同伴されるより小さい気泡をもたらし、それは、下降管セクション中のガスホールドアップを増加させる。

特定の実施形態では、二次ループは、細胞再利用系と一体化される。本実施形態では、二次ループのための駆動力は、細胞再利用ポンプから得られる。特定の実施形態では、発酵ブロスは、細胞再利用モジュールの下流の二次ループ中に引き込まれる。特定の実施形態では、二次ループの流速及び細胞再利用系の圧力は、細胞再利用モジュールの上流の少なくとも１つの制御弁によって調整される。

本発明の第２の態様では、液体発酵ブロス及びガス状基質が同時に上方に流動される、上昇管セクションと、液体発酵ブロス及びガス状基質が同時に下方に流動される、下降管セクションとを備える、発酵槽中において、発酵ブロスへのガス状基質の物質移動を改善するための方法が提供され、本方法は、
（ａ）液体栄養培地及び１つ以上の微生物を含む発酵槽に、ガス状基質を提供することと、
（ｂ）発酵ブロスを生成するために、ガス状基質を発酵させることと、
（ｃ）発酵槽の上昇管セクションを通して同時に上方に、かつ下降管セクションを通して同時に下方に、発酵ブロス及びガス状基質を循環させることと、
（ｄ）下降管セクションの底部から、発酵ブロスの少なくとも一部分を除去し、二次ループを介して、上昇管セクションの頂部まで循環させることと、
を含み、発酵ブロスは、少なくとも１つのノズルを介して、上昇管セクションの頂部に入る。

本発明の第３の態様では、液体発酵ブロス及びガス状基質が同時に上方に流動される、上昇管セクションと、液体発酵ブロス及びガス状基質が同時に下方に流動される、下降管セクションとを備える、発酵槽の上部空間中の泡を低減するための方法が提供され、本方法は、
（ａ）液体栄養培地及び１つ以上の微生物を含む発酵槽に、ガス状基質を提供することと、
（ｂ）発酵ブロス及び発酵槽の上部空間中に存在する泡を生成するために、ガス状基質を発酵させることと、
（ｃ）発酵槽の下降管セクションから、発酵ブロスを除去することと、
（ｄ）二次ループを介して、発酵ブロスを上昇管セクションの頂部まで循環させることであって、発酵ブロスは、少なくとも１つのノズルを介して上部空間に入る、循環させることと、
を含み、上部空間に入る発酵ブロスは、発酵槽内に存在する泡を低減する。

第４の態様では、ガス状基質の発酵によって生成物を生成する方法が提供され、本方法は、
（ａ）少なくとも１つの上昇管セクションと、１つの下降管セクションとを備える反応器に、ガス状基質を提供することであって、本反応器は、発酵ブロスを提供するために、液体栄養培地及び１つ以上の微生物の培養物を含有する、少なくとも１つの上昇管セクションと、１つの下降管セクションとを備える反応器に、ガス状基質を提供することと、
（ｂ）上昇管セクションを通して同時に上方に、次いで下降管セクションを通して下方に、発酵ブロス及びガス状基質を循環させることと、
（ｃ）下降管セクションから発酵ブロスの少なくとも一部分を除去し、それを上昇管セクションの頂部まで通過させることと、
（ｄ）該基質から１つ以上の生成物を生成するために、反応器中の培養物を嫌気的に発酵させることと、を含む。

第２、第３、及び第４の態様の特定の実施形態では、本反応器は、第１の態様に記載されるように構成される。特定の実施形態では、本方法は、ガス発酵過程における液相へのガスの物質移動の増加を可能にする。特定の実施形態では、循環ループ反応器への二次ループの追加は、物質移動を実質的に増加させる。

特定の実施形態では、発酵ブロス及びガス状基質は、循環ループ反応器の上昇管セクション及び下降管セクションを通って循環される。特定の実施形態では、ガス流は、反応器の上昇管セクションの底部において投入される。代替の実施形態では、ガスは、反応器の上昇管セクション全体にわたる複数の部位において投入される。代替の実施形態では、ガスは、反応器の下降管セクション全体にわたる複数の部位において投入される。

特定の実施形態では、発酵ブロスの一部分は、反応器の下降管セクションの底部付近から引き出され、反応器の上昇管セクションの上部空間まで循環される。特定の実施形態では、下降管から除去される発酵ブロスの部分は、シャワーヘッドまたは穿孔ノズルを介して、上昇管の上部空間中に噴霧される。ある特定の実施形態では、上部空間中に噴霧される液体は、上昇管中に含有される液体の頂部の泡層を低減する。さらなる実施形態では、上部空間中に噴霧される液体は、泡の気泡を分解し、反応器の一次ループの発酵ブロス中にガスを同伴する。

特定の実施形態では、１つ以上の微生物は、酸（複数可）及びアルコール（複数可）を含む生成物を生成するために、炭素含有基質を発酵させる。特定の実施形態では、１つ以上の微生物は、ＣＯを含むガス状基質の発酵によって、１つ以上の生成物を生成する。特定の実施形態では、発酵は、嫌気性発酵である。特定の実施形態では、１つ以上の微生物培養物は、ＣＯ及び任意にＨ_２を、酸（複数可）及び／またはアルコール（複数可）を含む生成物に変換する。特定の実施形態では、生成物は、エタノール、酢酸、２，３−ブタンジオール、ブタノール、乳酸、コハク酸、メチルエチルケトン（ＭＥＫ）、プロパンジオール、２−プロパノール、イソプロパノール、アセトイン、イソ−ブタノール、シトラマル酸、ブタジエン、ポリ乳酸、イソブチレン、３−ヒドロキシプロピオン酸（３ＨＰ）、アセトン、脂肪酸、及びこれらの混合物からなる群から選択される。

種々の実施形態では、発酵は、カルボキシドトロフ細菌の１つ以上の菌株を含む、微生物培養物を使用して実施される。種々の実施形態では、カルボキシドトロフ細菌は、クロストリジウム、ムーレラ、オキソバクター（Ｏｘｏｂａｃｔｅｒ）、ペプトストレプトコッカス、アセトバクテリウム、ユウバクテリウム、またはブトリリバクテリウム（Ｂｕｔｒｙｒｉｂａｃｔｅｒｉｕｍ）から選択される。一実施形態では、カルボキシドトロフ細菌は、クロストリジウム・オートエタノゲナムである。特定の実施形態では、細菌は、受入番号ＤＳＭＺ１００６１またはＤＳＭＺ２３６９３の同定特徴を有する。

ガス状基質は、工業的過程の副生成物として得られるガスを含んでもよい。ある特定の実施形態では、工業的過程は、鉄金属生成物製造、非鉄生成物製造、精製過程、石油精製過程、バイオマスのガス化、石炭のガス化、電力生成、カーボンブラック生成、アンモニア生成、メタノール生成、及びコークス製造からなる群から選択される。あるいは、ガス状基質は、天然ガス、シェールガス、関連石油ガス、及びバイオガスを含む、改質ガス源である。代替の実施形態では、ガスは、バイオマスまたは都市固形廃棄物のガス化によって得られる。本発明の一実施形態では、ガス状基質は、合成ガスである。一実施形態では、ガス状基質は、製鋼所から得られるガスを含む。

本発明はまた、部品、要素、または特徴のうちの２つ以上のいずれかまたは全ての組み合わせで、個々または集合的に、本出願の明細書において言及されるか、または示される、該部品、要素、及び特徴も含み、特定の整数が本明細書において言及され、それらが、本発明が関連する技術分野において既知の同等物を有する場合、そのような既知の同等物は、あたかも個々に記載されたかのように本明細書に組み込まれると解釈される。

ここで、本発明は、添付の図面を参照して詳細に記載される。

二次ループを備える循環ループ反応器の一実施形態の概略図を示す。 二次ポンプの必要性を排除した、ゲート弁を備える循環ループ反応器の代替の実施形態の概略図を示す。 二次ポンプの必要性を排除した、一体化した細胞再利用系を備える、循環ループ反応器の代替の実施形態の概略図を示す。 ６メートルの高さの反応器からの実験結果に基づく、上昇管ホールドアップに対する二次ループ流速の効果を示すグラフである。 ６メートルの高さの反応器からの実験結果に基づく、ＣＯ変換に対する二次ループの効果を示すグラフである。 ３メートルの高さの反応器からの実験結果に基づく、上昇管ホールドアップに対する二次ループの効果を示すグラフである。 １０メートルの高さの反応器からの実験結果に基づく、上昇管及び下降管ホールドアップに対する二次ループポンプ速度の効果を示すグラフである。 １０メートルの高さの反応器からの実験結果に基づく、ＣＯ変換に対する二次ループポンプ速度の効果を示すグラフである。

定義
別段の定義がない限り、本明細書全体を通して使用される以下の用語は、以下の通り定義される。

用語「ガス状基質」は、発酵中、炭素源及び任意にエネルギー源として微生物によって使用される化合物または要素を含有する、任意のガスを含む。ガス状基質は、典型的には、有意な割合のＣＯ、好ましくは少なくとも約５体積％〜約１００％体積％のＣＯを含有する。

基質が水素を含有する必要性はないが、Ｈ２の存在は、本発明の方法に従った生成物形成に有害であってはならない。特定の実施形態では、水素の存在は、アルコール生成の全体的な効率性の改善をもたらす。例えば、特定の実施形態では、基質は、約２：１、または１：１、または１：２の比のＨ２：ＣＯを含んでもよい。特定の実施形態では、基質は、２：１〜１：２の比のＨ２：ＣＯを含んでもよい。一実施形態では、基質は、約３０体積％以下のＨ２、２０体積％以下のＨ２、約１５体積％以下のＨ２、または約１０体積％以下のＨ２を含む。他の実施形態では、基質流は、低濃度、例えば、５％未満、もしくは４％未満、もしくは３％未満、もしくは２％未満、もしくは１％未満のＨ２を含むか、または実質的に水素を含まない。基質はまた、例えば、約１体積％〜約８０体積％のＣＯ２、または１体積％〜約３０体積％のＣＯ２など、多少のＣＯ２を含有してもよい。一実施形態では、基質は、約２０体積％以下のＣＯ２を含む。特定の実施形態では、基質は、約１５体積％以下のＣＯ２、約１０体積％以下のＣＯ_２、約５体積％以下のＣＯ２を含むか、または実質的にＣＯ２を含まない。

用語「液体栄養培地」は、１つ以上の微生物の発酵に好適な栄養素を含む、液体培地を含む。液体栄養培地は、使用される微生物（複数可）の成長を可能にするのに十分なビタミン及び／またはミネラルを含有する。ＣＯを使用した発酵に好適な嫌気性培地は、当該技術分野において既知である。例えば、好適な培地は、Ｂｅｉｂｅｌ（Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｍｉｃｒｏｂｉｏｌｏｇｙ ＆ Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（２００１）２７，１８−２６）に記載される。

本明細書で使用される場合、用語「酸」は、本明細書に記載される発酵ブロス中に存在する遊離酢酸及びアセテートの混合物など、カルボン酸及び関連したカルボン酸アニオンの両方を含む。発酵ブロス中の分子酸対カルボン酸の比は、系のｐＨによって決まる。加えて、用語「アセテート」は、酢酸塩単独、ならびに酢酸塩及び本明細書に記載される発酵ブロス中に存在する遊離酢酸の混合物など、分子または遊離酢酸及び酢酸塩の混合物の両方を含む。

用語「発酵槽」、「反応器」、及び／または「生物反応器」は、所望の発酵を実施するのに好適な、気液接触のための装置及び槽を含む。

「強制循環外部ループ反応器」及び／または「循環ループ反応器」は、通常２つの垂直シリンダを有し、それらの間に水平な接続がある槽を備える。通常液体＋ガス基質である内容物は、ループを完全にするために適切な種類の羽根車またはポンプによって、水平な接続を通って一方の垂直シリンダ（上昇管）から上方に、次いでもう一方の垂直シリンダ（下降管）を通って下方に、次いで反応器のより低い水平な接続を通って循環するように強制される。

用語「上昇管」は、液体／ガス内容物が同時に上方に移動する、反応器のセクションを含む。

用語「下降管」は、液体／ガス内容物が同時に下方に移動する、反応器のセクションを含む。

用語「分離器」は、気泡が液体の表面に上昇することを可能にすることによって、ガスの少なくとも一部分が、気液二相混合物から分離する、反応器の部分を含む。

「上部空間」は、上記の分離器の上の反応器の部分を含む。

用語「ループポンプ」は、反応器中の液体培地を流動させるために使用されるポンプを含む。液体培地は、ガス気泡または溶解ガスのある特定の部分を含有してもよい。特定の実施形態では、それは、下降管の底部で取り付けられる軸流ポンプを含むことができる。

用語「スパージャ」及び／または「ガス分配器」は、ガスを液体に導入し、それを撹拌するか、またはガスを液体中に溶解するための装置を含む。特定の実施形態では、スパージャは、穿孔プレート、焼結ガラス、焼結鋼、多孔質ゴムパイプ、多孔質金属パイプ、多孔質セラミック、またはステンレス鋼であってもよい。スパージャは、特定のサイズの「気泡」を提供するために、種々の等級（すなわち、多孔性）を有してもよい。

用語「ノズル」及び／または「シャワーヘッド」は、液体流動を複数の液体ジェットに分割する装置を含む。特定の実施形態では、ノズルは、下向きの孔を有する穿孔パイプである。

本明細書で言及される場合、「泡」は、液体フィルムのマトリクス中のガスの多量の気泡である。泡中のガス体積分率は、好ましくは７０％よりも高い。

基質の「変換」は、反応器に供給される基質の総量に対する、反応中に反応する基質の比である。

用語「ガスホールドアップ」は、気液二相混合物中のガス体積分率を含む。

本明細書で使用される用語「物質移動」は、微生物が存在する液体培地中へのガス状基質の移動を主に意味する。

用語「物質移動効率性」、「体積物質移動効率性」などは、単位反応器体積当たりの単位時間当たりの液体培地中へのガス状基質の溶解速度を指す。

物質移動過程と関連して使用される場合、用語「効率性を増加させること」、「増加した効率性」などは、液体培地中へのガス状基質のより高い溶解速度を指す。

文脈上他の意味に解釈すべき場合を除き、本明細書で使用される場合、フレーズ「発酵させること」、「発酵過程」、または「発酵反応」などは、過程の成長期及び生成物生合成期の両方を包含することを目的とする。

生成物を生成するためのガス状基質の効率的な発酵は、所望の生成物の高い生成速度及び阻害の防止を確実にするために、発酵ブロス中に移される基質の量の制御を必要とする。加えて、炭素捕捉を最大化するために、基質が１つ以上の微生物によって生成物に変換され得るような、発酵ブロス中に移される基質の量は、高レベルで維持されなければならない。さらに、全体的な効率性を維持するために、基質は、本系にわたる電力入力が最小限に抑えられるように、溶液中に移されるべきである。

本発明によると、従来の強制循環外部ループ反応器への二次ループの導入による、ガス状基質の改善された発酵のための系が提供される。本反応器は、ガス状基質を含む発酵ブロスが、ループポンプによって、上昇管セグメント及び下降管セクションを通って循環される、一次ループを備える。ループポンプの下流において、発酵ブロスの一部分は、下降管セクションから引き出され、二次ループを介して、反応器の頂部に方向付けられる。特定の実施形態では、一次ループから除去される発酵ブロスの部分は、ノズルを介して二次ループから噴霧される。

ガス発酵中の最初の律速段階は、気液物質移動である。物質移動を増加させる既知の手段は、ブロスの機械的撹拌など、気液混合物の撹拌によるものである。しかしながら、物質移動を増加させるためのこれらの既知の方法は、大きな電力入力を必要とし、それは、規模が増加するにつれて非効率的及び／または非経済的になる。

本発明の反応器は、気相から液相への物質移動を有意に改善するように構成される。特定の実施形態では、液体流動の一部分は、下降管セクション中のループポンプの排出から引き出され、したがって、上昇管セクション中の液体体積流量は、下降管セクションのものよりも小さい。ある特定の実施形態では、下降管セクションからの発酵ブロスの一部分の引き出しは、反応器の上昇管セクション中のガスホールドアップ及び物質移動の増加をもたらす。

本発明の器具の特定の実施形態では、反応器は、上昇管セクション及び下降管セクションからなる。上昇管及び下降管は、一次ループを形成するために、各端部で２つの水平なセクションによって接続され、液体／ガス流動は、少なくとも部分的に下降管の底部のポンプによって、一次ループを通される。特定の実施形態では、ガスは、適切な種類のスパージャを介して、本系に導入される。特定の実施形態では、二次ループラインは、下降管の底部及び反応器の頂部を接続し、二次ループを形成する。特定の実施形態では、二次ループラインは、一次ループポンプの下流であるが上昇管の前に、下降管に接続される。特定の実施形態では、二次ループラインは、二次ポンプによって、ループポンプの排出から液体流を引き出す。特定の実施形態では、液体流は、二次ループラインを介して、反応器の頂部に通され、液体は、少なくとも１つのノズルを介して、反応器の上部空間中に噴霧される。ある特定の実施形態では、少なくとも１つのノズルは、シャワーヘッドである。

本発明の実施形態では、本系は、１つ以上の生成物へのガス状基質の発酵における有用性を有し、該生成物は、酸、アルコール、及びジオールを含む。具体的には、エタノール、酢酸、及び２，３−ブタンジオールは、ＣＯを含むガス状基質の発酵によって生成される。代替の生成物は、ブタノール、乳酸、コハク酸、メチルエチルケトン（ＭＥＫ）、プロパンジオール、２−プロパノール、イソプロパノール、アセトイン、イソ−ブタノール、シトラマル酸、ブタジエン、ポリ乳酸、イソブチレン、３−ヒドロキシプロピオン酸（３ＨＰ）、アセトン、脂肪酸、及びこれらの混合物を含む。

典型的には、反応器の上昇管セクションの上部空間は、上昇するガス及びブロスの撹拌から得られる泡層を含む。本発明は、反応器中の発酵過程で使用される発酵ブロスが、泡層上に噴霧されることを可能にし、噴霧は、泡中の大きいガス気泡を分解する効果を有する。より大きいガス気泡は、液体を通ってより高い速度で上昇し、したがって、上昇管中のより短い滞留時間、及び含有ガスのより低い物質移動を有する。より大きいガス気泡の分解を通して、より小さい気泡は、反応器の下降管セクション中に再び同伴され、それは、物質移動のさらなる機会を提供する。さらなる実施形態では、泡が蓄積し、反応器の下流のパイプラインを遮断しないように、泡を効果的に崩壊するために、シャワーが上部空間中の泡層上に噴霧される。

さらなる実施形態では、シャワーは、液体が下方に流動し、ガスが上方に流動する、逆流気液接触器中に泡層を向ける。この逆流自体の中の物質移動効率性は、逆流作用及び高いガス含有量により高い。気相中のガス状基質濃度は低い可能性があるが、反応器のこの部分は、基質取り込みに有意に寄与する。ガス供給中に変動がある場合、泡の高さは後に、それに応じて安定した生成速度を維持するために調節され得る。

発酵は、固定化細胞反応器、ガスリフト反応器、気泡塔反応器（ＢＣＲ）、Ｈｏｌｌｏｗ Ｆｉｂｒｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｂｉｏｒｅａｃｔｏｒ（ＨＦＭ ＢＲ）などの膜反応器、またはトリクルベッド反応器（ＴＢＲ）など、任意の好適な生物反応器中で実施され得る。また、本発明のいくつかの実施形態では、生物反応器は、微生物が培養される第１の成長反応器と、成長反応器からの発酵ブロスが供給され得、発酵生成物の大部分（例えば、エタノール及びアセテート）が生成され得る、直列または並列で構成される１つ以上の生成発酵反応器とを含んでもよい。本発明の生物反応器は、ＣＯ及び／もしくはＨ２、またはＣＯ２及び／もしくはＨ２含有基質を受容するように適合される。

特定の実施形態では、ガス入口は、反応器の上昇管セクションの底部に位置する。本発明者らは、ガス入口（すなわち、上昇管の底部）付近の領域中の過剰なＣＯが、微生物の阻害をもたらすことを同定した。しかしながら、この問題は、驚くべきことに本発明によって克服される。特定の実施形態では、反応器の上昇管セクションの上部空間中に同伴されたガスは、上昇管の底部の新鮮な入口ガスよりも低いＣＯ含有量を含む。同伴ガスが最終的に下降管を通って再利用され、上昇管の底部に戻るとき、同伴ガスは、新鮮な入口ガスと混合し、上昇管の底部の溶解ＣＯ濃度を低減し、基質阻害の可能性を効果的に低減し、全体的なＣＯ変換を改善する。同じ問題はまた、２つ以上の流れに供給ガスを分割し、それらを反応器の上昇管及び下降管の複数の部位において注入することによっても解決され得る。しかしながら、後者の方法は、ＣＯ変換を有意に改善しない。

特定の実施形態によると、微生物培養物へのガス状基質の物質移動速度は、微生物培養物に最適な供給速度で、またはそれを目指して、基質が供給されるように制御され得る。本反応器中、物質移動速度は、ガス基質の分圧を制御することによって、及び／または液体流速もしくはガスホールドアップを制御することによって、制御され得る。特定の実施形態では、物質移動は、発酵ブロスが反応器の一次及び二次ループの両方を通って送り出される速度を制御することによって、制御される。

特定の実施形態では、新鮮なガスは、１つ以上のガス入口によって槽に導入される。典型的には、高い物質移動は、微気泡としてガス状基質を導入することによって達成され得る。当業者は、スパージャなど、ガス状基質を導入するための手段を理解するであろう。特定の実施形態では、ガスは、微気泡拡散器または他の種類の微気泡発生器によって槽に導入される。

本開示を考慮すると、当業者は、一次及び二次ループの両方の周囲で、１つ以上の微生物を含む発酵ブロスを循環させるために必要とされるポンプのサイズ及び種類を理解するであろう。液体中のガスホールドアップが高くなるほど、液体は密度が低くなり、そのため、ポンプは、ガス／液体スラリーの組成が変化するにつれて異なる密度を有する流体を循環させるように構成される必要があることが留意されなければならない。限定されない例として、単相液体を循環させ、流体の排出圧力を増加させるために、発酵ブロス／ガススラリーを送り出すように構成される１つ以上の多相ポンプが使用され得る。回転羽根車を使用して、液体は、モータの回転シャフトに沿ってポンプに入り、拡散器チャンバを通って半径方向に外向きに加速する。遠心ポンプはまた、十分な有効吸込ヘッドを維持することによって、キャビテーティング（遠心ポンプの既知の脆弱性）なしで、より低い二相ガスホールドアップで動作することができる。当業者は、大規模の用途に対して利用可能な多相ポンプソリューションがあることを理解するであろう。

代替の実施形態では、発酵槽の下降管セクションは、二次ループ出口の上流に位置するゲート弁を備える。本実施形態では、発酵ブロスは、ゲート弁を使用して一次ループの流量を制限することによって、下降管から二次ループに引き出され得る。ゲート弁の開口部を調節することによって、ループポンプの下流であるがゲート弁の上流の圧力は、所望の二次ループ流速を提供するように調整され得る。ある特定の実施形態では、下降管中の圧力は、圧力計によって監視される。この構成は、二次ループポンプの必要性を排除する。

特定の実施形態では、二次ループは、細胞再利用系と一体化される。細胞再利用系は、微生物がさらなる発酵のために反応器に戻されるために、透過物から微生物を分離するための手段を提供する。細胞再利用モジュールは、細胞を保持しながら、ブロス透過物を連続的に引き出す。当業者は、細胞再利用部材が、細胞再利用膜またはディスクスタック遠心分離器を含んでもよいがこれらに限定されないことを理解するであろう。好ましい実施形態では、細胞は、限外濾過を使用して発酵ブロス中に保持される。ある特定の実施形態では、二次ループのための駆動力は、細胞再利用ポンプから得られる。好ましい実施形態では、細胞再利用ポンプは、上記の二次ループポンプよりもはるかに大きい。特定の実施形態では、発酵ブロスは、細胞再利用モジュールの下流で、二次ループ中に引き込まれる。特定の実施形態では、二次ループの流速及び細胞再利用系の圧力は、細胞再利用モジュールの上流の少なくとも１つの制御弁によって調整される。特定の実施形態では、二次ループの流速は、細胞再利用モジュールの上流の２つの制御弁によって調整される。第１の制御弁は、二次ループラインを介した反応器の頂部への流動を調整する。第２の制御弁は、発酵ブロスを下降管に戻す別個のラインへの流動を調整する。ある特定の実施形態では、二次ループの流速を増加させるために、第１の制御弁を通る流動は増加され、第２の制御弁を通る流動は制限される。二次ループの流速を減少させるために、第１の制御弁を通る流動は制限され、第２の制御弁を通る流動は増加される。細胞再利用流動要件が満たされるために、２つの制御弁は、細胞再利用モジュールを通る一定の流速を維持するように構成される。

本発明の反応器はさらに、微生物発酵の効率性を改善するために必要なガス状基質の効果的な物質移動を提供することができる、幅広い好適な気液接触モジュールを含んでもよい。接触モジュールは、ガス及び液体が設定された流路に沿って十分に混合することを可能にし、同伴ガスを液体中により均一に溶解させる、独特の幾何学的環境を提供する。一例として、これらの接触モジュールは、構造化波形金属パッキング、ランダムパッキング、師板、及び静的混合器のマトリクスを含むがこれらに限定されず、それらの全ては、様々なよく知られている種類及び密度を有し、広く市販されている。

本発明の系の種々の実施形態が、添付の図面に記載される。

図１は、二次ループを備える循環ループ反応器の一実施形態の概略図である。反応器は、液体及びガス混合物（３）が同時に上方に流動する上昇管（２）、ならびに液体及びガスが同時に下方に流動する下降管（８）からなる。上昇管（２）及び下降管（８）は、各端部で２つの水平なセクションによって接続され、二相流動は、少なくとも部分的に、下降管（８）の底部のポンプ（９）によって駆動される。ガスは、１つ以上の適切な種類のスパージャ（１）を介して、系に導入される。ガスの一部分は、気液分離器（４）における液体流動によって、下降管（８）中へと持ち込まれ、ガスのこの部分は、本明細書で「同伴ガス」または「再利用されるガス」と称される。非同伴ガスは、上部空間（６）を通過した後、制御弁（７）を介して系を出る。典型的には、上部空間（６）の液体レベルの上にある高さの泡層（５）がある。液体及びガス混合物が上昇管（２）から下降管（８）に流動し、戻ってループ（すなわち、一次ループ）を形成することが、この図から分かる。

二次ループは、下降管（８）の底部から反応器の頂部まで発酵ブロス（３）を循環させる。一次ループポンプ（９）の下流であるが上昇管（２）の前に、液体流は、二次ポンプ（１１）によってループポンプ（９）の排出から引き出される。その流れは、二次ループライン（１２）を介して反応器の頂部まで通され、そこで液体は、適切な噴霧ノズルまたはシャワーヘッド（１０）を介して、上部空間（６）中に噴霧される。液体は、泡を分解するために、約０．５ｍ／秒〜約５ｍ／秒の速度で泡層（５）の表面上に噴霧される。二次ループの液体流速は、流量計（１３）によって測定及び監視される。

図２は、ゲート弁（１４）を備える、循環ループ反応器の代替の実施形態の概略図を示す。反応器の他の構成要素は、明確にするために図から削除される。ゲート弁の開口部を調節することによって、ループポンプの下流であるがゲート弁の上流の圧力は、所望の二次ループ流速をもたらすように調整され得る。圧力は、圧力計（１５）によって監視される。この構成は、二次ループポンプの必要性を排除する。

図３は、一体化された細胞再利用系を備える、循環ループ反応器の代替の実施形態の概略図である。反応器の他の構成要素は、明確にするために図から削除される。本実施形態では、二次ループは、細胞再利用モジュール（１９）の下流で引き出され、二次ループのための駆動力は、細胞再利用ポンプ（１６）からもたらされる。好ましい実施形態では、細胞再利用ポンプは、上記の二次ループポンプよりもはるかに大きい。特定の実施形態では、細胞再利用モジュールは、限外濾過または膜などの他の分離手段を使用して、透過物から細胞を分離する。細胞再利用モジュールに提供される発酵ブロスの一部分のみが、反応器の頂部まで通され、したがって、二次ループの流速及び細胞再利用系の圧力は、細胞再利用モジュール（１９）の下流の２つの制御弁（１７、１８）によって調整される。第１の制御弁（１７）は、二次ループラインを介した反応器の頂部への流動を調整する。第２の制御弁（１８）は、発酵ブロスを下降管に戻す別個のラインへの流動を調整する。ある特定の実施形態では、二次ループの流速を増加させるために、第１の制御弁（１７）を通る流動は増加され、第２の制御弁（１８）を通る流動は制限される。二次ループの流速を減少させるために、第１の制御弁（１７）を通る流動は制限され、第２の制御弁（１８）を通る流動は増加される。細胞再利用流動要件が満たされるために、２つの制御弁（１７、１８）は、細胞再利用モジュール（１９）を通る一定の流速を維持するように構成される。

本明細書に記載される現在好ましい実施形態への種々の変更及び修正が、当業者に明らかとなることに留意されたい。そのような変更及び修正は、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、かつそれに付随する利点を減少させることなく行われ得る。したがって、そのような変更及び修正が、本発明の範囲内に含まれることを目的とする。
発酵

ガス状基質からのエタノール及び他のアルコールの生成のための過程（上記の背景技術の節に記載されるものなど）は既知である。例示的な過程は、例えば、国際特許出願第２００７／１１７１５７号及び国際特許出願第２００８／１１５０８０号、ならびに米国特許第６，３４０，５８１号、同第６，１３６，５７７号、同第５，５９３，８８６号、同第５，８０７，７２２号、及び同第５，８２１，１１１号に記載されるものを含み、それらのそれぞれは、参照により本明細書に組み込まれる。

多くの嫌気性細菌が、ｎ−ブタノール及びエタノールを含むアルコール、ならびに酢酸へのＣＯの発酵を実施することが可能であることが既知であり、本発明の過程で使用するのに好適である。本発明で使用するのに好適であるそのような細菌の例としては、国際特許出願第００／６８４０７号、欧州特許第１１７３０９号、米国特許第５，１７３，４２９、同第５，５９３，８８６号、及び同第６，３６８，８１９号、国際特許出願第９８／００５５８号、及び国際特許出願第０２／０８４３８号に記載されるものを含む、クロストリジウム・リュングダリイ、クロストリジウム・カルボキシディボランス（Ｌｉｏｕ ｅｔ ａｌ．，Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｙｓｔｅｍａｔｉｃ ａｎｄ Ｅｖｏｌｕｔｉｏｎａｒｙ Ｍｉｃｒｏｂｉｏｌｏｇｙ ３３：ｐｐ ２０８５−２０９１）、ならびにクロストリジウム・オートエタノゲナム（Ａｂｒｉｎｉ ｅｔ ａｌ．，Ａｒｃｈｉｖｅｓ ｏｆ Ｍｉｃｒｏｂｉｏｌｏｇｙ １６１：ｐｐ ３４５−３５１）の菌株など、クロストリジウム属のものが挙げられる。他の好適な細菌としては、ムーレラ種ＨＵＣ２２−１を含むムーレラ属のもの（Ｓａｋａｉ ｅｔ ａｌ．，Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌｅｔｔｅｒｓ ２９：ｐｐ １６０７−１６１２）、及びカルボキシドテルムス属のもの（Ｓｖｅｔｌｉｃｈｎｙ，Ｖ．Ａ．，ｅｔ ａｌ．（１９９１），Ｓｙｓｔｅｍａｔｉｃ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｍｉｃｒｏｂｉｏｌｏｇｙ １４：２５４−２６０）が挙げられる。これらの出版物のそれぞれの開示は、参照により本明細書に組み込まれる。加えて、他のカルボキシドトロフ嫌気性細菌は、当業者によって本発明の過程中で使用され得る。また、２つ以上の細菌の混合培養物が本発明の過程中で使用され得ることが、本開示を考慮することによって理解されるであろう。

本発明の方法で使用される細菌の培養は、嫌気性細菌を使用して基質を培養及び発酵させるための、当該技術分野において既知の多くの過程を使用して実施され得る。例示的な技術は、以下の「実施例」の節に提供される。さらなる例として、発酵のためにガス状基質を使用する以下の論文に概して記載される過程が利用され得る：（ｉ）Ｋ．Ｔ．Ｋｌａｓｓｏｎ，ｅｔ ａｌ．（１９９１）．Ｂｉｏｒｅａｃｔｏｒｓ ｆｏｒ ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｇａｓ ｆｅｒｍｅｎｔａｔｉｏｎｓ ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ．Ｃｏｎｓｅｒｖａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｒｅｃｙｃｌｉｎｇ，５；１４５−１６５、（ｉｉ）Ｋ．Ｔ．Ｋｌａｓｓｏｎ，ｅｔ ａｌ．（１９９１）．Ｂｉｏｒｅａｃｔｏｒ ｄｅｓｉｇｎ ｆｏｒ ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｇａｓ ｆｅｒｍｅｎｔａｔｉｏｎｓ．Ｆｕｅｌ．７０．６０５−６１４、（ｉｉｉ）Ｋ．Ｔ．Ｋｌａｓｓｏｎ，ｅｔ ａｌ．（１９９２）．Ｂｉｏｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｏｆ ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｇａｓ ｉｎｔｏ ｌｉｑｕｉｄ ｏｒ ｇａｓｅｏｕｓ ｆｕｅｌｓ．Ｅｎｚｙｍｅ ａｎｄ Ｍｉｃｒｏｂｉａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．１４；６０２−６０８、（ｉｖ）Ｊ．Ｌ．Ｖｅｇａ，ｅｔ ａｌ．（１９８９）．Ｓｔｕｄｙ ｏｆ Ｇａｓｅｏｕｓ Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ Ｆｅｒｍｅｎｔａｔｉｏｎ：Ｃａｒｂｏｎ Ｍｏｎｏｘｉｄｅ Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｔｏ Ａｃｅｔａｔｅ．２．Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｃｕｌｔｕｒｅ．Ｂｉｏｔｅｃｈ．Ｂｉｏｅｎｇ．３４．６．７８５−７９３、（ｖｉ）Ｊ．Ｌ．Ｖｅｇａ，ｅｔ ａｌ．（１９８９）．Ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｇａｓｅｏｕｓ ｓｕｂｓｔｒａｔｅ ｆｅｒｍｅｎｔａｔｉｏｎｓ：Ｃａｒｂｏｎ ｍｏｎｏｘｉｄｅ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｔｏ ａｃｅｔａｔｅ．１．Ｂａｔｃｈ ｃｕｌｔｕｒｅ．Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｂｉｏｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．３４．６．７７４−７８４、（ｖｉｉ）Ｊ．Ｌ．Ｖｅｇａ，ｅｔ ａｌ．（１９９０）．Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｂｉｏｒｅａｃｔｏｒｓ ｆｏｒ Ｃｏａｌ Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ Ｇａｓ Ｆｅｒｍｅｎｔａｔｉｏｎｓ．Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ，Ｃｏｎｓｅｒｖａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｒｅｃｙｃｌｉｎｇ．３．１４９−１６０。それらの全てが、参照により本明細書に組み込まれる。

一実施形態では、微生物は、クロストリジウム・オートエタノゲナム、クロストリジウム・リュングダリイ、クロストリジウム・ラグスダレイ、クロストリジウム・カルボキシディボランス、クロストリジウム・ドラケイ、クロストリジウム・スカトロゲネス、クロストリジウム・アセチカム、クロストリジウム・フォルミコアセチカム、クロストリジウム・マグナムを含む、カルボキシドトロフクロストリジウム菌の群から選択される。さらなる実施形態では、微生物は、Ｃ．オートエタノゲナム、Ｃ．リュングダリイ、及びＣ．ラグスダレイの種、ならびに関連した分離株を含む、カルボキシドトロフクロストリジウム菌のクラスターから選択される。これらは、Ｃ．オートエタノゲナムＪＡＩ−１Ｔ（ＤＳＭ１００６１）（Ａｂｒｉｎｉ，Ｎａｖｅａｕ， ＆ Ｎｙｎｓ，１９９４）、Ｃ．オートエタノゲナムＬＢＳ１５６０（ＤＳＭ１９６３０）（国際特許出願第２００９／０６４２００号）、Ｃ．オートエタノゲナムＬＢＳ１５６１（ＤＳＭ２３６９３）、Ｃ．リュングダリイＰＥＴＣＴ（ＤＳＭ１３５２８＝ＡＴＣＣ ５５３８３）（Ｔａｎｎｅｒ，Ｍｉｌｌｅｒ， ＆ Ｙａｎｇ，１９９３）、Ｃ．リュングダリイＥＲＩ−２（ＡＴＣＣ ５５３８０）（米国特許第５，５９３，８８６号）、Ｃ．リュングダリイＣ−０１（ＡＴＣＣ ５５９８８）（米国特許第６，３６８，８１９号）、Ｃ．リュングダリイＯ−５２（ＡＴＣＣ ５５９８９）（米国特許第６，３６８，８１９号）、Ｃ．ラグスダレイＰ１１Ｔ（ＡＴＣＣ ＢＡＡ−６２２）（国際特許出願第２００８／０２８０５５号）の菌株、「Ｃ．コスカチイ」（米国第２０１１０２２９９４７号）及び「クロストリジウム種」（Ｔｙｕｒｉｎ ＆ Ｋｉｒｉｕｋｈｉｎ，２０１２）などの関連した分離株、またはＣ．リュングダリイＯＴＡ−１などのそれらの変異株（Ｔｉｒａｄｏ−Ａｃｅｖｅｄｏ Ｏ．Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｂｉｏｅｔｈａｎｏｌ ｆｒｏｍ Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ Ｇａｓ Ｕｓｉｎｇ Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ ｌｊｕｎｇｄａｈｌｉｉ．ＰｈＤ ｔｈｅｓｉｓ，Ｎｏｒｔｈ Ｃａｒｏｌｉｎａ Ｓｔａｔｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，２０１０）を含むがこれらに限定されない。これらの菌株は、クロストリジウムｒＲＮＡクラスターＩ内のサブクラスターであり、それらの１６Ｓ ｒＲＮＡ遺伝子は、約３０％の同様の低いＧＣ含有量を有し、９９％を超える同一性を有する。しかしながら、ＤＮＡ−ＤＮＡ再会合及びＤＮＡ指紋実験は、これらの菌株が別々の種に属することを示した（国際特許出願第２００８／０２８０５５号）。

上記で言及されたクラスターの全ての種は、同様の形態及びサイズを有し（対数成長細胞は、０．５〜０．７×３〜５μｍの間である）、中温性（３０〜３７℃の最適成長温度）かつ厳密に嫌気性である（Ａｂｒｉｎｉ ｅｔ ａｌ．，１９９４、Ｔａｎｎｅｒ ｅｔ ａｌ．，１９９３）（国際特許出願第２００８／０２８０５５号）。さらに、それらは全て、同じｐＨ範囲（ｐＨ４〜７．５、最適な初期ｐＨは５．５〜６）、同様の成長速度を有するＣＯ含有ガスに対する強い独立栄養成長、ならびに主な発酵最終産物と同様のエタノール及び酢酸を有する代謝プロファイル、ならびにある特定の条件下で形成される少量の２，３−ブタンジオール及び乳酸など、同じ主要な系統発生形質を共有する（Ａｂｒｉｎｉ ｅｔ ａｌ．，１９９４、Ｋoｐｋｅ ｅｔ ａｌ．，２０１１、Ｔａｎｎｅｒ ｅｔ ａｌ．，１９９３）（国際特許出願第２００８／０２８０５５号）。全ての３つの種で、インドール生成も観察された。しかしながら、種は、種々の糖（例えば、ラムノース、アラビノース）、酸（例えば、グルコン酸、クエン酸）、アミノ酸（例えば、アルギニン、ヒスチジン）、または他の基質（例えば、ベタイン、ブタノール）の基質利用が異なる。さらに、一部の種が、ある特定のビタミン（例えば、チアミン、ビオチン）に対して要求性であることが分かった一方で、要求性ではない種もあった。ガス取り込みに関与する、Ｗｏｏｄ−Ｌｊｕｎｇｄａｈｌ経路遺伝子の機構及び数は、核酸及びアミノ酸配列の違いにかかわらず、全種において同じであることが分かっている（Ｋoｐｋｅ ｅｔ ａｌ．，２０１１）。また、カルボン酸のそれらの対応するアルコールへの還元は、これらの生物の範囲内で示されている（Ｐｅｒｅｚ，Ｒｉｃｈｔｅｒ，Ｌｏｆｔｕｓ， ＆ Ａｎｇｅｎｅｎｔ，２０１２）。したがって、これらの形質は、Ｃ．オートエタノゲナムまたはＣ．リュングダリイのような１つの生物に特異的ではなく、むしろカルボキシドトロフ由来のエタノール合成クロストリジウム菌に対する一般的な形質であり、機構がこれらの菌株にわたって同様に機能するが、性能には差があり得ることが予想され得る（Ｐｅｒｅｚ ｅｔ ａｌ．，２０１２）。

本発明で使用するのに好適な１つの例示的な微生物は、クロストリジウム・オートエタノゲナムである。一実施形態では、クロストリジウム・オートエタノゲナムは、識別寄託番号１９６３０下でＧｅｒｍａｎ Ｒｅｓｏｕｒｃｅ Ｃｅｎｔｒｅ ｆｏｒ Ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ Ｍａｔｅｒｉａｌ（ＤＳＭＺ）に寄託された菌株の同定特徴を有する、クロストリジウム・オートエタノゲナムである。別の実施形態では、クロストリジウム・オートエタノゲナムは、ＤＳＭＺ寄託番号ＤＳＭ １００６１の同定特徴を有する、クロストリジウム・オートエタノゲナムである。

発酵は、任意の好適な生物反応器中で実施され得る。本発明のいくつかの実施形態では、生物反応器は、微生物が培養される第１の成長反応器と、成長反応器からの発酵ブロスが供給され、発酵生成物の大部分（例えば、エタノール及びアセテート）が生成される、直列または並列で構成される１つ以上の後続の生成発酵反応器とを含んでもよい。

本発明の種々の実施形態によると、発酵反応のための炭素源は、ＣＯを含有するガス状基質である。ガス状基質は、工業的過程の副産物として得られるか、または自動車の排ガスからなど、他の源からのＣＯ含有排ガスであってもよい。ある特定の実施形態では、工業的過程は、製鋼所で実施されるような鉄金属生成物製造、非鉄生成物製造、石油精製過程、石炭のガス化、電力生成、カーボンブラック生成、アンモニア生成、メタノール生成、及びコークス製造からなる群から選択される。これらの実施形態では、ＣＯ含有ガスは、任意の従来の方法を使用して、大気中に放出される前に、工業的過程から捕捉されてもよい。あるいは、ガス状基質は、天然ガス、シェールガス、関連石油ガス、及びバイオガスを含む、改質ガス源である。ガス状ＣＯ含有基質の組成に応じて、それを発酵に導入する前に、塵埃粒子などの任意の望ましくない不純物を除去するために処理することが望ましくあり得る。例えば、ガス状基質は、既知の方法を使用して濾過または洗浄されてもよい。

ＣＯ含有ガス状基質は、理想的には、少なくとも５体積％〜約１００体積％のＣＯ、または２０体積％〜９５体積％のＣＯ、または４０体積％〜９５体積％のＣＯ、または６０体積％〜９０体積％のＣＯ、または７０体積％〜９０体積％のＣＯなど、有意な割合のＣＯを含有する。６％などのより低い濃度のＣＯを有するガス状基質もまた、特にＨ２及びＣＯ２も存在する場合、適切であり得る。

ガス状基質が水素を含有することは必要ではないが、水素の存在は、本発明の方法に従った生成物形成に概して有害ではない。しかしながら、本発明のある特定の実施形態では、ガス状基質は、実質的に水素を含まない（１％未満）。ガス状基質はまた、約１体積％〜約３０体積％のＣＯ２、または約５％〜約１０％のＣＯ２など、多少のＣＯ２を含有してもよい。

すでに述べたように、基質流中の水素の存在は、全体的な炭素捕捉及び／またはエタノール生産性の効率性の改善をもたらし得る。例えば、国際特許出願第０２０８４３８号は、種々の組成のガス流を使用したエタノールの生成を記載する。

したがって、アルコール生成及び／または全体的な炭素捕捉を改善するために、基質流の組成を変化させることが必要である場合がある。加えて、またはあるいは、組成は、発酵反応の効率性を最適化し、最終的にアルコール生成及び／または全体的な炭素捕捉を改善するように変化され得る（すなわち、ＣＯ、ＣＯ２、及び／またはＨ２レベルが調節され得る）。

いくつかの実施形態では、ＣＯ含有ガス状基質は、メタン、エタン、プロパン、石炭、天然ガス、原油、石油精製所からの低価値残渣（石油コークスもしくはペトコークスを含む）、固形都市廃棄物、又はバイオマスなどの有機物質のガス化から供給され得る。バイオマスは、サトウキビからの糖、もしくはトウモロコシもしくは穀物からのでんぷんなどの食品、または林業によって生成される非食品バイオマス廃棄物の抽出及び処理中に得られる副生成物を含む。これらの炭素質材料のいずれも、合成ガス（有意な量のＨ２及びＣＯを含む合成ガス）を生成するために、ガス化、すなわち、酸素で部分的に燃焼され得る。ガス化過程は、典型的には、より少量のＣＯ２、Ｈ２Ｓ、メタン、及び他の不活性物質と合わせて、約０．４：１〜１．２：１のＨ２対ＣＯのモル比を有する、合成ガスを生成する。生成されるガスの比は、当該技術分野において既知の手段によって変更され得、国際特許出願第２００７０１６１６号に詳述される。しかしながら、一例として、以下のガス化装置条件：原料組成（特に、Ｃ：Ｈ比）、動作圧力、温度プロファイル（生成物混合物の急冷に影響を及ぼす）、及び採用される酸化剤（空気、酸素富化空気、純Ｏ２、または蒸気であって、蒸気はより高いＣＯ：Ｈ２比をもたらす傾向がある）が、ＣＯ：Ｈ２生成物の比を調節するために変更され得る。したがって、ガス化装置の動作条件は、発酵過程中のアルコール生産性及び／または全体的な炭素捕捉の増加のための最適化された、または所望の組成を提供するために、発酵または１つ以上の他の流れとのブレンドのための所望の組成を、基質流に提供するために調節され得る。

他の実施形態では、ＣＯを含む基質は、炭化水素の蒸気改質から得られ得る。天然ガス炭化水素などの炭化水素は、以下に従って、ＣＯ及びＨ２を得るために高温で改質され得る。

一例として、蒸気メタン改質は、ニッケル触媒の存在下で、高温（７００〜１１００℃）で、ＣＯ及びＨ２を生成するために、蒸気をメタンと反応させることを含む。得られた流れ（変換された１モルのＣＨ４毎に１モルのＣＯ及び３モルのＨ２を含む）は、発酵過程中のエタノール生産性及び／または全体的な炭素捕捉を増加させるために、発酵槽に直接通され、別の源からの基質流とブレンドされ得る。メタノールなどのアルコールもまた、同様の方法で使用され得るＣＯ２及びＨ２を生成するために、改質され得る。

別の実施形態では、ＣＯを含む基質は、製鋼過程から得られる。製鋼過程中、鉄鉱石は、破砕及び粉砕され、焼結またはペレット化などの前処理に供され、次いで、高炉（ＢＦ）に通され、そこで精錬される。製錬過程中、コークスは、炭素源としての機能を果たし、それは、鉄鉱石を還元するための還元剤として機能する。コークスは、材料を加熱及び融解するための熱源としての機能を果たす。溶銑は、溶銑の表面に対して純酸素の高速ジェットを注入することによって、塩基性酸素炉（ＢＯＦ）中で脱炭される。酸素は、一酸化炭素（ＣＯ）を生成するために、溶銑中の炭素と直接反応する。したがって、高いＣＯ含有量を有するガス流が、ＢＯＦから排出される。本発明のある特定の実施形態によると、この流れは、１つ以上の発酵反応を供給するために使用される。しかしながら、当業者に明らかとなるように、ＣＯは、製鋼過程内の別の部分で生成されてもよく、本発明の種々の実施形態によると、そのような代替の源は、ＢＯＦからの排ガスの代わりに、またはそれと組み合わせて使用されてもよい。源（すなわち、製鋼過程内の特定の段階）に応じて、それにより排出されるガスのＣＯ含有量は異なり得る。また、特にバッチ処理工場において、そのような流れのうちの１つ以上に途切れがある期間がある場合がある。

典型的には、製鋼所の脱炭過程から排出される流れは、高濃度のＣＯ及び低濃度のＨ２を含む。そのような流れは、ほとんどまたは全くさらなる処理をせず、生物反応器に直接通され得るが、アルコール生成及び／または全体的な炭素捕捉のより高い効率性を達成するために、基質流の組成を最適化することが望ましくあり得る。例えば、基質流中のＨ２の濃度は、流れが生物反応器に通される前に増加し得る。

本発明の特定の実施形態によると、２つ以上の源からの流れは、所望の、及び／または最適化された基質流を生成するために、組み合わされ得る、及び／またはブレンドされ得る。例えば、製鋼所の転炉からの排気などの高濃度のＣＯを有する流れは、製鋼所のコークス炉からのオフガスなど、高濃度のＨ２を含む流れと組み合わされ得る。

あるいは、または加えて、転炉からの排気流など、ＣＯを含む断続的な流れは、すでに記載されたようなガス化過程中に生成される合成ガスなど、ＣＯ及び任意にＨ２を含む、実質的に連続的な流れと組み合わされてもよく、及び／またはブレンドされてもよい。ある特定の実施形態では、これは、生物反応器への実質的に連続的な基質流の提供を維持する。特定の実施形態では、ガス化装置によって生成される流れは、所望の、または最適化された組成を有する実質的に連続的な基質流を維持するために、工業源からのＣＯの断続的な生成に従って、増加及び／または減少されてもよい。別の実施形態では、ガス化装置条件は、所望の、または最適化されたＣＯ及びＨ２組成を有する実質的に連続的な基質流を維持するために、工業源からのＣＯの断続的な生成に従って、ＣＯ：Ｈ２比を増加または減少させるために、すでに記載されたように変更されてもよい。

典型的には、本発明で使用される基質流は、ガス状である。しかしながら、本発明は、それに限定されない。例えば、一酸化炭素は、液体中で生物反応器に提供されてもよい。例えば、液体は、一酸化炭素含有ガスで飽和され、次いで、液体が生物反応器に添加されてもよい。これは、標準的な方法を使用して達成され得る。一例として、微小気泡分散発生器（Ｈｅｎｓｉｒｉｓａｋ ｅｔ ａｌ．，Ｓｃａｌｅ−ｕｐ ｏｆ ｍｉｃｒｏｂｕｂｂｌｅ ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｆｏｒ ａｅｒｏｂｉｃ ｆｅｒｍｅｎｔａｔｉｏｎ；Ａｐｐｌｉｅｄ Ｂｉｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ ａｎｄ Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｖｏｌｕｍｅ １０１，Ｎｕｍｂｅｒ ３，Ｏｃｔｏｂｅｒ，２００２）が、この目的で使用され得る。

細菌の成長及びＣＯ−エタノール発酵が生じるために、ＣＯ含有基質ガスに加えて、好適な液体栄養培地が生物反応器に供給される必要があることが理解されるであろう。栄養培地は、使用される微生物の成長を可能にするのに十分なビタミン及びミネラルを含有する。唯一の炭素源としてＣＯを使用するエタノールの発酵に好適な嫌気性培地は、当該技術分野において既知である。例えば、好適な培地は、上記で言及された、米国特許第５，１７３，４２９号及び同第５，５９３，８８６号、ならびに国際特許出願第０２／０８４３８号、国際特許出願第２００７／１１５１５７号、及び国際特許出願第２００８／１１５０８０号に記載される。本明細書の「実施例」は、他の例示的な培地を提供する。

発酵は、所望の発酵（例えば、ＣＯ−アルコール）が生じるための適切な条件下で、望ましくは実施されるべきである。考慮されるべき反応条件は、圧力、温度、ガス流速、液体流速、培地ｐＨ、培地酸化還元電位、撹拌速度（連続撹拌タンク反応器を使用する場合）、接種レベル、液相中のＣＯが制限的にならないことを確実にするための最大ガス基質濃度、及び生成物阻害を回避するための最大生成物濃度を含む。

最適な反応条件は、使用される特定の微生物によって部分的に決まる。しかしながら、概して、発酵が周囲圧力よりも高い圧力で実施されることが好ましくあり得る。増加した圧力における動作は、気相から液相へのＣＯ移動速度の有意な増加を可能にし、それは、エタノールの生成のための炭素源としての微生物によって取り込まれ得る。これは、滞留時間（入力ガス流速で割った、生物反応器中の液体体積として定義される）が、生物反応器が大気圧よりも高い圧力で維持されるときに低減され得ることを意味する。

また、所与のＣＯ−エタノール変換速度が部分的に基質滞留時間の関数であり、かつ所望の滞留時間を達成することが、生物反応器の必要とされる体積を決定するため、加圧系の使用は、必要とされる生物反応器の体積、及びその結果として、発酵装置の資本コストを大幅に低減することができる。米国特許第５，５９３，８８６号に示される実施例によると、反応器体積は、反応器動作圧力の増加と線形比例して低減され得、すなわち、１０気圧の圧力で動作する生物反応器は、１気圧の圧力で動作するものの１０分の１の体積である必要しかない。

上昇した圧力でガス−エタノール発酵を実施する利点もまた、他の個所に記載されている。例えば、国際特許出願第０２／０８４３８号は、３０ｐｓｉｇ及び７５ｐｓｉｇの圧力下で実施され、それぞれ１５０ｇ／Ｌ／日及び３６９ｇ／Ｌ／日のエタノール生産性をもたらす、ガス−エタノール発酵を記載する。しかしながら、大気圧で、同様の培地及び入力ガス組成物を使用して実施される実施例の発酵は、１日当たり１リットルにつき１０〜２０倍少ないエタノールを生成することが分かった。

また、ＣＯ含有ガス状基質の導入速度が、液相中のＣＯの濃度が制限的にならないことを確実にするようなものであることが望ましい。これは、ＣＯ制限条件の結果が、エタノール生成物が培養物によって消費されることであり得るためである。
生成物回収

発酵反応の生成物は、既知の方法を使用して回収され得る。例示的な方法は、国際特許出願第２００７／１１７１５７号、国際特許出願第２００８／１１５０８０号、ならびに米国特許第６，３４０，５８１号、同第６，１３６，５７７号、同第５，５９３，８８６号、同第５，８０７，７２２号、及び同第５，８２１，１１１号に記載されるものを含む。しかしながら、簡潔に、及びほんの一例として、エタノールは、分別蒸留または蒸発、及び抽出発酵などの方法によって、発酵ブロスから回収されてもよい。

発酵ブロスからのエタノールの蒸留は、エタノール及び水の共沸混合物を得る（すなわち、９５％のエタノール及び５％の水）。無水エタノールは、続いて、同様に当該技術分野においてよく知られている、分子篩エタノール脱水技術を使用して得られ得る。

抽出発酵手順は、希釈発酵ブロスからエタノールを回収するために、発酵生物に対して低い毒性リスクを示す水混和性溶媒の使用を伴う。例えば、オレイルアルコールは、この種類の抽出過程で使用され得る溶媒である。この過程中、オレイルアルコールは、発酵槽に連続的に導入され、その後すぐ、この溶媒は、上昇し、発酵槽の頂部に相を形成し、それは、遠心分離機に連続的に抽出及び供給される。次いで、水及び細胞が、オレイルアルコールから容易に分離され、発酵槽に戻される一方で、エタノールを含んだ溶媒は、フラッシュ蒸発ユニット中に供給される。エタノールの大部分が、蒸発及び凝縮される一方で、不揮発性オレイルアルコールは、発酵での再使用のために回収される。

アセテートもまた、当該技術分野において既知の方法を使用して、発酵ブロスから回収され得る。例えば、活性炭フィルタを伴う吸着系が使用されてもよい。この場合、微生物細胞は、典型的には、最初に好適な分離方法を使用して発酵ブロスから除去される。生成物回収のための無細胞発酵ブロスを生成する多くの濾過に基づく方法が、当該技術分野において既知である。次いで、無細胞エタノール及びアセテート含有透過物は、アセテートを吸着するために、活性炭を含むカラムに通される。塩（酢酸塩）形態よりもむしろ酸形態（酢酸）のアセテートが、活性炭によってより容易に吸着される。したがって、発酵ブロスのｐＨは、それが、アセテートの大部分を酢酸形態に変換するために活性炭カラムに通される前に、約３未満に低減されることが好ましい。

発酵反応の生成物（例えば、エタノール及びアセテート）は、発酵生物反応器からブロスの一部分を連続的に除去し、ブロスから微生物細胞を分離し（便利に、濾過によって）、同時または連続的にブロスから１つ以上の生成物を回収することによって、発酵ブロスから回収されてもよい。エタノールは、便利に、蒸留によって回収されてもよく、アセテートは、上記の方法を使用して、活性炭上の吸着によって回収されてもよい。分離された微生物細胞は、発酵生物反応器に戻され得る。エタノール及びアセテートが除去された後に残る無細胞透過物もまた、発酵生物反応器に戻され得る。さらなる栄養素（ビタミンＢ）が、無細胞透過物が生物反応器に戻される前に、栄養培地を補充するために、無細胞透過物に添加されてもよい。また、活性炭への酢酸の吸着を強化するために、ブロスのｐＨを上記のとおり調節した場合、ｐＨは、生物反応器に戻る前に、発酵生物反応器中のブロスのものと同様のｐＨに再調節されるべきである。
発酵のための資源としての工業オフガス

本発明の他の態様によると、工業排ガスが発酵反応で使用され、それに好適なガスを作るために、追加の洗浄または前処理ステップは使用されないか、または最小限使用されるだけである。

排ガスは、多くの工業的過程から生じ得る。本発明は、高体積のＣＯ含有工業煙道ガスなど、ガス状基質からのエタノールの生成を支持する特定の適用性を有する。例としては、鉄金属生成物製造、非鉄生成物製造、精製過程、石油精製過程、石炭のガス化、バイオマスのガス化、電力生成、カーボンブラック生成、アンモニア生成、メタノール生成、及びコークス製造中に生成されるガスが挙げられる。ある特定の実施形態では、ＣＯ含有基質は、バイオマスまたは都市固形廃棄物のガス化から得られる。本発明の特定の実施形態では、排ガスは、鉄鋼を作製するための過程中に生成される。例えば、当業者は、製鋼過程の種々の段階中に生成される排ガスが、高いＣＯ及び／またはＣＯ２濃度を有することを理解するであろう。具体的には、酸素転炉（例えば、ＢＯＦまたはＫＯＢＭ）中など、種々の鉄鋼製造方法の鉄鋼の脱炭中に生成される排ガスは、それを嫌気性カルボキシドトロフ発酵のための好適な基質にする、高いＣＯ含有量及び低いＯ２含有量を有する。

鉄鋼の炭化中に生成される排ガスは、排ガスを大気中に方向付けるための排気筒または煙道に移る前に、粒子状物質を除去するために、任意に水に通される。典型的には、ガスは、１つ以上のファンを有する排気筒中へと送られる。

本発明の特定の実施形態では、鉄鋼の脱炭中に生成される排ガスの少なくとも一部分は、好適な導管手段によって発酵系に転換される。一例として、パイプまたは他の移動手段が、排ガスの少なくとも一部分を発酵系に転換するために、製鋼所からの排ガス筒に接続され得る。この場合もやはり、排ガスの少なくとも一部分を発酵系中に転換するために、１つ以上のファンが使用され得る。本発明の特定の実施形態では、導管手段は、鉄鋼の脱炭中に生成される排ガスの少なくとも一部分を発酵系に提供するように適用される。生物反応器にガスを供給することの制御及びそのための手段は、本発明が関連する技術分野の当業者に容易に明らかとなるであろう。

製鋼所が、鉄鋼及びその後に排ガスを実質的に連続的に生成するように適合され得る一方で、過程の特定の態様は、断続的であってもよい。典型的には、鉄鋼の脱炭は、数分から数時間続くバッチ過程である。したがって、導管手段は、排ガスが所望の組成を有することが決定される場合、鉄鋼の脱炭中に生成されるガスなど、排ガスの少なくとも一部分を発酵系に転換するように適合されてもよい。

発酵過程で使用される生物反応器の含有量のｐＨは、必要に応じて調節されてもよい。適切なｐＨは、本発明が関連する技術分野の当業者によって理解されるように、使用される栄養培地及び微生物を考慮する、特定の発酵反応に必要な条件によって決まる。１つの好ましい実施形態では、クロストリジウム・オートエタノゲナムを利用したＣＯを含有するガス状基質の発酵において、ｐＨは、約５．５〜６．５、最も好ましくは約５．５に調節されてもよい。さらなる実施例としては、酢酸の生成のためにムーレラ・サーモアセチカを使用したｐＨ５．５〜６．５、ブタノールの生成のためにクロストリジウム・アセトブチリクムを使用したｐＨ４．５〜６．５、及び水素の生成のためにカルボキシドテルムス・ヒグロゲナフォルマンス（ｈｙｇｒｏｇｅｎａｆｏｒｍａｎｓ）を使用したｐＨ７が挙げられる。当業者は、必要とされるｐＨで生物反応器を維持するための好適な手段を認識するであろう。しかしながら、一例として、ＮａＯＨなどの水性塩基及びＨ２ＳＯ４などの水性酸が、発酵培地のｐＨを上昇及び低下させ、かつ所望のｐＨを維持するために使用され得る。

本発明のさらなる利点は、発酵反応での排ガスの使用前に、それらに実施される洗浄及び／または他の処理過程がないか、または最小限あるだけであるため、ガスが、工業的過程から生じるさらなる材料を含有し、それらのさらなる材料が、少なくとも部分的に、発酵反応のための原料として使用され得ることである。

材料及び方法

細菌：使用されるクロストリジウム・オートエタノゲナムは、Ｇｅｒｍａｎ Ｒｅｓｏｕｒｃｅ Ｃｅｎｔｒｅ ｆｏｒ Ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ Ｍａｔｅｒｉａｌ（ＤＳＭＺ）に寄託され、寄託番号ＤＳＭＺ １９６３０に割り当てられるものである。

発酵：表１〜３に記載される組成に従って、培地を１．５Ｌの体積に調製し、１．５ｍＬのレサズリンを添加した。溶液を加熱及び撹拌すると同時に、Ｎ_２で脱ガスした。ＡＮａ_２Ｓ滴下を０．１ｍＬ／時の速度で開始し、生物反応器の温度を３７℃に設定した。ｐＨをＮＨ_４ＯＨで５．０に調節し、クロムを添加し、ＯＲＰを−２００ｍＶに調節した。次いで、生物反応器にＲＭＧ（４３％のＣＯ、２０％のＣＯ２、２．５％のＨ２、及び３３％のＮ２）を供給した。
実験１：液体流速、ガスホールドアップ、及びＣＯ変換に対する二次ループの効果

反応器は、０．２５４ｍの直径の上昇管と、０．１３８ｍの直径の下降管とを備えた。反応器は、下降管の底部からブロスを引き出し、上昇管の頂部へと機械的ポンプを使用してブロスを循環する、０．０４３ｍの直径の二次ループを備え、ブロスは、シャワーヘッドを介して反応器の上部空間に入った。反応器の高さは、６ｍであった。クロストリジウム・オートエタノゲナムの連続的な発酵中に、反応器を試験した。

試験中、下降管中の液体流速、Ｑ_Ｌ，０は、３０ｍ³／時であり、第２のループ中の液体流速、Ｑ_Ｌ，２は、５．５ｍ³／時であった。約２０．０２日目に、二次ループをオフにし、図４に示されるように、１１％から５％への上昇管ホールドアップの急激な減少が観察された。ループポンプ速度を、この期間中に３０％から５０％まで増加させたが、これは、上昇管ホールドアップに対するループポンプ速度の２つの競合効果により、上昇管ホールドアップを効果的に改善しなかったことが分かる。２０．８日目に、二次ループを再作動させ、上昇管ホールドアップは、低減されたループポンプ速度においてでさえ、すぐに改善された。

同じ試験期間中のＣＯ変換に対する第２のループの効果は、図５に示される。上昇管ホールドアップの減少、したがって、物質移動面積の減少により、二次ループを停止した後、ＣＯ変換の急激な低下が観察された。この状況は、ループポンプを連続的に増加させ、下降管ホールドアップを増加させたことによって、ゆっくりと緩和された。しかしながら、このアプローチは、２０．８日目に、二次ループの再作動よりもはるかに効果が小さかった。

異なる入口ガス流速における上昇管ホールドアップに対する二次ループの効果を、３インチの直径及び１．１ｍの高さの上昇管を有する、より小さい反応器においても調査した。この小型反応器の分離器は、６インチの直径及び２７０ｍｍの有効高さを有した。下降管の直径は、１．５インチであり、二次ループの直径は、０．５インチであった。図６の結果は、二次ループを用いて、上昇管ホールドアップが、特により低い空塔ガス流速において、有意に増加することを示す。約１５％の上昇管ホールドアップの上限があるように思われ、それは、そのような小型反応器における流動様式の変化に関連する。しかしながら、二次ループのプラスのホールドアップ効果は持続する。
実験２：より大きい規模でのガスホールドアップ及びＣＯ変換に対する二次ループの効果

１メートルの上昇管及び０．５メートルの下降管を有する、より大きい１０メートルの高さの反応器において、二次ループの効果を調査する同様の流体力学実験を行った。二次ループの直径は、２インチであった。図７及び８に示されるように、結果は同様であった。上昇管及び下降管ホールドアップの両方が、二次ループポンプ速度の増加に対して直線的に増加し、物質移動がそれに応じて改善されるはずであることが、図７から分かる。図８は、同じサイズの反応器における別の試験からのＣＯ変換に対する二次ループの効果を示す。
概要

本発明の実施形態が一例として記載される。しかしながら、一実施形態において必要な特定のステップまたは段階は、別の実施形態において必要ではない場合があることが理解されるべきである。反対に、特定の実施形態の記載に含まれるステップまたは段階は、任意に、それらが具体的に言及されていない実施形態において、有利に利用され得る。

本発明が、任意の既知の移動手段によって系（複数可）を通って、またはその周囲を移動され得る、任意の種類の流れに関して広く記載されているが、ある特定の実施形態では、基質及び／または排気流は、ガス状である。当業者は、特定の段階が、系全体を通して流れを受容するか、または通過させるように構成可能な、好適な導管手段などによって連結されてもよいことを理解するであろう。ポンプまたは圧縮器が、特定の段階への長さの送達を促進するために提供されてもよい。さらに、圧縮器は、１つ以上の段階、例えば、生物反応器に提供されるガスの圧力を増加させるために使用され得る。上記のとおり、生物反応器内のガスの圧力は、その中で実施される発酵反応の効率性に影響を及ぼし得る。したがって、圧力は、発酵の効率性を改善するように調節され得る。一般的な反応のための好適な圧力は、当該技術分野において既知である。

加えて、本発明の系または過程は、過程の全体的な効率性を改善するために、他のパラメータを調整及び／または制御するための手段を任意に含んでもよい。１つ以上のプロセッサが、過程の特定のパラメータを調整及び／または制御するために、本系に組み込まれてもよい。例えば、特定の実施形態は、基質及び／または排気流（複数可）の組成を監視するために、決定手段を含んでもよい。加えて、決定手段が、流れが特定の段階に好適な組成を有すると決定する場合、特定の実施形態は、特定の系内の特定の段階または要素への基質流（複数可）の送達を制御するための手段を含んでもよい。例えば、ガス状基質流が、発酵反応に害を及ぼす可能性がある低レベルのＣＯまたは高レベルのＯ２を含有する場合、基質流は、生物反応器から離れて転換されてもよい。本発明の特定の実施形態では、本系は、所望のまたは好適な組成を有する流れが、特定の段階に送達され得るように、基質流の行き先及び／または流速を監視及び制御するための手段を含む。

加えて、過程中の１つ以上の段階の前または間に、特定の系の構成要素または基質流（複数可）を加熱または冷却することが必要である場合がある。そのような場合、既知の加熱または冷却手段が使用されてもよい。例えば、基質流を加熱または冷却するために、熱交換器が採用されてもよい。

さらに、本系は、特定の段階の動作または効率性を改善するために、１つ以上の前／後処理ステップを含んでもよい。例えば、前処理ステップは、ガス状基質流から粒子状物質及び／または長鎖炭化水素もしくはタールを除去するための手段を含んでもよい。実施され得る他の前または後操作は、例えば、生物反応器生成段階など、特定の段階からの所望の生成物（複数可）の分離を含む（例えば、蒸留によるエタノールの除去）。

本発明は、読み手が必要以上の実験なしで本発明を実施することを可能にするために、ある特定の好ましい実施形態を参照して本明細書に記載されてきた。当業者は、本発明が、具体的に記載されたもの以外の多くの変化形及び修正形で実施され得ることを理解するであろう。本発明は、全てのそのような変化形及び修正形を含むことを理解されたい。さらに、表題、見出しなどは、読み手の本文書の理解を補助するために提供され、本発明の範囲を限定するものと解釈されるべきではない。本明細書に列挙される全ての出願、特許、及び出版物の開示全体は、参照により本明細書に組み込まれる。

より具体的には、当業者によって理解されるように、本発明の実施形態の実装は、１つ以上の追加の要素を含んでもよい。その種々の態様における本発明を理解するために必要な要素のみが、特定の実施例または記載に示されている可能性がある。しかしながら、本発明の範囲は、記載された実施形態に制限されず、１つ以上の追加のステップ、及び／または１つ以上の置き換えられたステップ、及び／または１つ以上のステップを省略する系及び／または方法を含む、系及び／または方法を含む。

本明細書中の任意の従来技術への言及は、従来技術が、いかなる国においても試みの範囲内の共通する一般知識の一部を形成するという認識またはいかなる形態の示唆ではなく、かつそのようなものと解釈されるべきではない。

本明細書及び以下の任意の請求項全体を通して、文脈上他の意味に解釈すべき場合を除き、用語「含む」、「含むこと」などは、排他的な意味とは対照的に包含的な意味で、すなわち、「〜を含むがこれらに限定されない」の意味で解釈されるものである。

Claims (14)

1. ガス状基質の発酵によって生成物を生成する方法であって、
   ａ．液体栄養培地と１つ以上の微生物の培養物との両方を含む発酵ブロスを収容する発酵槽に、前記ガス状基質を提供することと、ここで、前記発酵槽は一次ループ及び二次ループを備え、前記一次ループは、少なくとも（ｉ）前記発酵ブロス及び前記ガス状基質が同時に上方に流動される上昇管セクションと、（ｉｉ）前記発酵ブロス及び前記ガス状基質が同時に下方に流動される下降管セクションとを備え、前記二次ループは、前記下降管セクションの下部に接続された入口点と、前記上昇管セクションの上部の上部空間に接続された出口点とを備え、
   ｂ．少なくとも１つの生成物を生成するために、前記ガス状基質を発酵させることと、
   ｃ．前記一次ループの前記上昇管セクション及び下降管セクションを通して、前記発酵ブロスを循環させることと、
   ｄ．前記下降管セクションの前記下部から、前記液体栄養培地、前記１つ以上の微生物の培養物、および前記ガス状基質を含む前記発酵ブロスの少なくとも一部分を引き抜き、前記発酵ブロスを前記上昇管セクションの前記上部の前記上部空間まで前記二次ループを介して循環させることと
   を含み、
   前記上昇管セクションの前記上部の前記上部空間に入る前記発酵ブロスは、前記発酵ブロスの物質移動速度を増大させる、前記方法。
2. 前記上部空間に入る前記発酵ブロスは、前記発酵槽内に存在する泡を低減する、請求項１に記載の前記方法。
3. 前記一次ループ中に含まれる前記発酵ブロスの中へ前記ガス状基質を同伴するために、前記発酵ブロスを前記上昇管セクションの前記上部空間の中に噴霧することをさらに含む、請求項１に記載の前記方法。
4. 前記発酵ブロスは、前記上昇管セクションの前記上部空間の中に、少なくとも１つのノズルによって噴霧される、請求項１に記載の前記方法。
5. 前記ガス状基質は、ＣＯ、ＣＯ_２、Ｈ_２、及びこれらの混合物からなる群から選択される、請求項１に記載の前記方法。
6. 前記少なくとも１つのノズルは、シャワーヘッドである、請求項１に記載の前記方法。
7. 前記発酵槽は、前記発酵槽の前記上昇管セクション及び前記下降管セクションを通して、発酵ブロスを循環させるための、少なくとも１つのポンプ手段を備え、前記二次ループは、（ｉ）二次ポンプ手段、及び（ｉｉ）細胞再利用膜のうちの少なくとも１つを備える、請求項１に記載の前記方法。
8. 前記少なくとも１つの生成物は、エタノール、酢酸、２，３−ブタンジオール、ブタノール、乳酸、コハク酸、メチルエチルケトン、プロパンジオール、２−プロパノール、イソプロパノール、アセトイン、イソブタノール、シトラマル酸、ブタジエン、ポリ乳酸、イソブチレン、３−ヒドロキシプロピオン酸、アセトン、脂肪酸、及びこれらの混合物からなる群から選択される、請求項１に記載の前記方法。
9. 前記１つ以上の微生物は、クロストリジウム（Clostridium）、ムーレラ（Moorella）、オキソバクター（Oxobacter）、ペプトストレプトコッカス（Peptostreptococcus）、アセトバクテリウム（Acetobacterium）、ユウバクテリウム（Eubacterium）、及びブチリバクテリウム（Butyribacterium）からなる群から選択される、請求項１に記載の前記方法。
10. ガス状基質の発酵のための反応器系であって、
    ａ．液体発酵ブロス及び前記ガス状基質が同時に上方に流動される上昇管セクションと、前記液体発酵ブロス及び前記ガス状基質が同時に下方に流動される下降管セクションと、を備えた発酵槽であって、前記上昇管及び下降管セクションは、実質的に水平なセクションによって接続され、前記液体発酵ブロス及びガス状基質が、ポンプ手段を使用して、前記下降管セクションの底部付近の点から前記上昇管セクションを通って前記下降管セクションの頂部の入口点まで、一次ループ中で循環されるように構成されている、前記発酵槽と、
    ｂ．前記下降管セクションの下部で前記実質的に水平なセクションに接続された入口点と、前記上昇管セクションの上部の上部空間に接続された出口点と、前記出口点と前記入口点とを接続するパイプ手段と、液体栄養培地および１つ以上の微生物の培養物を含む発酵ブロス及びガス状基質が前記下降管セクションの前記底部から前記上昇管セクションの前記上部空間まで循環されるように前記出口点と前記入口点との間に位置するポンプ手段とを備えた二次ループと、ここで、前記上昇管セクションの前記上部の前記上部空間に入る前記発酵ブロスは、前記発酵ブロスの物質移動速度を増大させ、
    ｃ．前記上昇管セクション中にガス状基質を方向付けるように構成された少なくとも１つのガス入口と、
    ｄ．ガスが前記上昇管セクションを出ることを可能にするように構成された少なくとも１つのガス出口と
    を備えた前記系。
11. （ａ）の前記ポンプ手段は、前記下降管セクションの前記底部を前記上昇管セクションの前記底部端に接続する、前記水平なセクションに位置し、前記二次ループの前記入口点は、（ａ）の前記ポンプ手段の下流に位置する、請求項１０に記載の前記系。
12. （ａ）の前記ポンプ手段の下流に位置する、少なくとも１つのゲート弁をさらに備え、前記ゲート弁は、前記発酵槽内の圧力を調整し、所望の二次ループ流速を提供するための条件下で動作される、請求項１０に記載の前記系。
13. 前記上昇管セクションの前記上部空間で前記二次ループの前記出口点に取り付けられる、少なくとも１つのノズルをさらに備えた請求項１０に記載の前記系。
14. 前記二次ループは、細胞再利用ポンプを備えた細胞再利用モジュールを含む細胞再利用ループをさらに備え、前記細胞再利用ポンプは、（ｂ）の前記ポンプ手段としての機能を果たす、請求項１０に記載の前記系。