(57)【要約】非垂直減圧区域を利用する、水性液体培地循環内側ループ反応器内で微生物を培養することによるバイオマスの生産のための反応器、システム、およびプロセスが、説明される。タンパク質または炭化水素等の生産物を取得するための培養微生物の回収および処理が、説明される。本開示は、微生物発酵のためのガス状基質の効率的な物質移動のためのシステム、プロセス、および装置を説明する。本開示は、主として、Ｃ１代謝非光合成微生物を備える培養物を使用して、ガス状炭素含有供給原料を発酵させるためのシステム、プロセス、および装置を説明する。本開示は、Ｃ１代謝非光合成微生物以外を使用して、ガス状基質を含むガス状供給原料を発酵させるためのシステム、プロセス、および装置を説明する。また、本開示は、効率的な熱交換および廃棄ガス除去に加えて、高流束の気相から液相への物質移動を可能にするための拡張可能発酵槽設計を説明する。
2019517806.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
バイオマスの生産を刺激するためのシステムであって、
ループ反応器であって、
ガスおよび液体培地の多相混合物を気相ならびに液相に分離するためのガス／液体分離容器であって、出口と、入口とを含む、ガス／液体分離容器と、
前記ガス／液体分離容器の出口と流体連通する入口と、前記ガス／液体分離容器の入口と流体連通する出口とを含む、ループ区分であって、ループ区分中心線を含む、ループ区分と、
第１の減圧デバイスを含む、第１の非垂直減圧区域であって、前記ループ区分の入口と前記ループ区分の出口との間に位置し、前記ガス／液体分離容器の入口における前記ループ区分中心線と前記ループ区分の入口における前記ループ区分中心線との間の垂直距離は、８メートルを下回る、第１の非垂直減圧区域と、
を含む、ループ反応器
を備えるシステム。
【請求項２】
前記第１の減圧デバイスは、流量制御デバイスおよび伸縮継手から選択される、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記第１の非垂直減圧区域の下流に第２の減圧区域をさらに備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記第２の減圧区域は、第２の非垂直減圧区域である、請求項２に記載のシステム。
【請求項５】
前記ガス／液体分離容器の入口における前記ループ区分中心線と前記ループ区分の入口における前記ループ区分中心線との間の垂直距離は、６メートルを下回る、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記ガス／液体分離容器の入口における前記ループ区分中心線と前記ループ区分の入口における前記ループ区分中心線との間の垂直距離は、５メートルを下回る、請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記ループ反応器はさらに、脱離ガス入口を備え、前記脱離ガス入口は、前記ループ反応器のループ区分の非垂直部分内に位置する、請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
前記第１の減圧デバイスは、静水圧の変化に依拠することなく圧力を低減させるデバイスである、請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
バイオマスの生産を刺激するためのプロセスであって、
ループ反応器のループ区分を通して、ガスおよび液体培地の多相混合物を流動させるステップであって、前記ループ区分は、ループ区分中心線を含む、ステップと、
栄養素を前記多相混合物の中に導入するステップと、
メタンおよび酸素を前記多相混合物の中に導入するステップと、
前記ループ反応器の第１の非垂直減圧区域を通して、前記ガスおよび液体培地の多相混合物を通過させるステップであって、前記ループ反応器の第１の非垂直減圧区域は、第１の減圧デバイスを含む、ステップと、
前記ガスおよび液体培地の多相混合物を、前記第１の減圧デバイスの下流で気相および液相に分離するステップと、
前記ガスおよび液体培地の多相混合物から分離された気相ならびに液相を、ガス／液体分離容器への入口を通して前記ガス／液体分離容器の中に流動させるステップであって、前記ガス／液体分離容器への入口は、中心線を含む、ステップと、
前記ガス／液体分離容器の出口から前記液相を除去し、前記除去された液相を前記ループ区分の入口に送達するステップであって、前記ループ区分の入口における前記ループ区分の中心線と前記ガス／液体分離容器への入口の中心線との間の垂直距離は、８メートルを下回る、ステップと
を含む、プロセス。
【請求項１０】
第１の非垂直減圧区域を通して、前記ガスおよび液体培地の多相混合物を通過させるステップは、弁、伸縮継手、静的ミキサ、または配管エルボを通して、前記ガスおよび液体培地の多相混合物を通過させることを含む、請求項９に記載のプロセス。
【請求項１１】
前記第１の非垂直減圧区域の下流の第２の減圧区域を通して、前記ガスおよび液体培地の多相混合物を通過させるステップをさらに含む、請求項９に記載のプロセス。
【請求項１２】
前記ループ区分の入口における前記ループ区分の中心線と前記ガス／液体分離容器への入口の中心線との間の垂直距離は、６メートルを下回る、請求項９に記載のプロセス。
【請求項１３】
前記ループ区分の入口における前記ループ区分の中心線と前記ガス／液体分離容器への入口の中心線との間の垂直距離は、５メートルを下回る、請求項９に記載のプロセス。
【請求項１４】
脱離ガスを前記ループ反応器のループ区分の非垂直部分の中に導入するステップをさらに含む、請求項９に記載のプロセス。
【請求項１５】
第１の非垂直減圧区域を通して、前記ガスおよび液体培地の多相混合物を通過させるステップは、静水圧の変化に依拠することなく圧力を低減させるデバイスを通して、前記ガスおよび液体培地の多相混合物を通過させることを含む、請求項９に記載のプロセス。
【請求項１６】
ループ反応器内でバイオマスの生産を刺激するためのプロセスであって、
前記ループ反応器の第１の非垂直減圧区域を通して、ガスおよび液体培地の多相混合物を通過させるステップであって、前記ループ反応器の第１の非垂直減圧区域は、第１の減圧デバイスを含む、ステップと、
前記ガスおよび液体培地の多相混合物を、前記第１の減圧デバイスの下流で気相および液相に分離するステップと、
前記ガスおよび液体培地の多相混合物から分離された気相ならびに液相を、ガス／液体分離容器への入口を通して前記ガス／液体分離容器の中に通過させるステップであって、前記ガス／液体分離容器への入口は、中心線を含む、ステップと、
前記ガス／液体分離容器の出口から液相を除去し、前記除去された液相を前記ループ反応器のループ区分の入口に送達するステップであって、前記ループ区分の入口における前記ループ区分の中心線と前記ガス／液体分離容器への入口の中心線との間の垂直距離は、８メートルを下回る、ステップと
を含む、プロセス。
【請求項１７】
前記ループ区分の入口における前記ループ区分の中心線と前記ガス／液体分離容器への入口の中心線との間の垂直距離は、６メートルを下回る、請求項１６に記載のプロセス。
【請求項１８】
前記ループ区分の入口における前記ループ区分の中心線と前記ガス／液体分離容器への入口の中心線との間の垂直距離は、５メートルを下回る、請求項１６に記載のプロセス。
【請求項１９】
前記第１の減圧デバイスは、静水圧の変化に依拠することなく圧力を低減させるデバイスである、請求項１６に記載のプロセス。
【請求項２０】
前記ループ反応器はさらに、脱離ガス入口を備え、前記脱離ガス入口は、前記ガス／液体分離容器と前記第１の非垂直減圧区域との間に位置する、請求項１に記載のシステム。
【請求項２１】
前記多相混合物が、前記第１の減圧デバイスの下流で気相および液相に分離される前に、かつ前記多相混合物が、前記第１の非垂直減圧区域を通過した後に、脱離ガスを前記多相混合物の中に導入するステップをさらに含む、請求項９に記載のプロセス。
【請求項２２】
前記多相混合物が、前記第１の減圧デバイスの下流で気相および液相に分離される前に、かつ前記多相混合物が、前記第１の非垂直減圧区域を通過した後に、脱離ガスを前記多相混合物の中に導入するステップをさらに含む、請求項１６に記載のプロセス。
【請求項２３】
前記流量制御デバイスは、制御弁である、請求項２に記載のシステム。
【請求項２４】
第１の非垂直減圧区域を通して、前記ガスおよび液体培地の多相混合物を通過させるステップは、流量制御デバイスを通して前記多相混合物を通過させることを含む、請求項９に記載のプロセス。
【請求項２５】
第１の非垂直減圧区域を通して、前記ガスおよび液体培地の多相混合物を通過させるステップは、流量制御デバイスを通して前記多相混合物を通過させることを含む、請求項１６に記載のプロセス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
背景
技術分野
本発明は、発酵において有用な反応器、システム、およびプロセスに関し、特に、ガス状基質を使用する発酵システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
関連技術の説明
拡大し続ける化石燃料鉱床の枯渇、増加する温室効果ガスの生産、および気候変動についての近年の懸念により、化石燃料の代わりにバイオ燃料（例えば、エタノール、バイオディーゼル）を代用することが、産業上の焦点となっている。しかしながら、現在までに生成されているバイオ燃料は、その独自の困難および懸念を有する。第１世代のバイオ燃料は、植物（例えば、デンプン、サトウキビ糖、ならびにトウモロコシ、ナタネ、ダイズ、ヤシ、および他の植物油）に由来するが、これらの燃料作物は、人間および動物の消費のために栽培される作物と競合する。世界的に利用可能な農地の量は、食料および燃料の両方の増加する需要を満たすためには不十分である。バイオ燃料適合性穀物に関する食料生産業者に対する要求を低減させるために、セルロースまたは藻類等の代替生物学的物質を使用する第２世代のバイオ燃料が、開発中である。しかしながら、生産における技術的困難は、高い生産コストとともに、第２世代のバイオ燃料をそれ以上コスト効果の高いもの、または入手可能なものにしていない。
【０００３】
第３または次世代のバイオ燃料は、代替的な非食料ベースの炭素供給原料を使用して作製される。本努力の一部として、燃料、潤滑油、およびプラスチックを含む、高級炭化水素化合物の生産における代替的な非生物学的ベースの供給原料の使用は、勢いを増し続けている。そのような供給原料は、とりわけ、メタンおよび合成ガスを含む、１つまたはそれを上回る炭素含有化合物または炭素含有および非炭素含有化合物の混合物を含み得る。例えば、メタンは、比較的に豊富であり、天然由来であり、世界中の多くの場所で見出される。メタンはまた、多くの生物学的腐敗プロセス中に生産され、したがって、廃棄物処理および埋立施設から捕捉され得る。その相対存在度に関して、メタンは、有力な温室効果ガスであり、ＣＯ２の２３倍の相対的温室効果ガス寄与度を有する。従来、メタンは、より高い価値の生産物に変換することが困難である、または遠隔ガス田もしくは海洋生産プラットフォーム等の遠隔もしくは孤立した場所から市場に輸送することが困難である若干有益な副産物として見なされていた。そのような源からのメタンならびに下水処理施設および埋立地において起こる生物学的分解プロセスによって生産されるメタンは、主として、放出されるか、または焼却されるかのいずれかである。メタンおよび類似する炭素含有ガスを１つまたはそれを上回るより高い価値のＣ２または高級炭化水素に経済的かつ効率的に変換する能力は、生産業者が、比較的に豊富な非生物学的に生産される供給原料を利用することを可能にすると同時に、有意な環境的利益を提供するであろう。
【０００４】
メタンの国内生産能力の上昇は、メタンを国内でより容易に利用可能にする。国内の天然ガスは、主として、油圧破砕（「フラッキング」）によって生産されるが、メタンはまた、埋立地および下水等の他の源から取得されることができる。しかし、メタンの揮発性は、燃料としてのメタンの輸送および／または直接使用を問題にする。
【０００５】
これらの理由から、メタンを１つまたはそれを上回る液体製品、例えば、モータ燃料に変換し、使用または販売地点へのより容易な輸送を可能にする強いインセンティブが存在する。２つの主なアプローチ、すなわち、液化天然ガス（ＬＮＧ）に至る液化およびガスから液体に変換する化学変換（ＧＴＬ）が、現在追求されている（Ｐａｔｅｌ、２００５年、「７ｔｈ  Ｗｏｒｌｄ  Ｃｏｎｇｒｅｓｓ  ｏｆ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ」（Ｇｌａｓｇｏｗ，  Ｓｃｏｔｌａｎｄ，  ＵＫ））。フィッシャトロプシュ（Ｆ−Ｔ）プロセスが、大量のメタンをより高次の炭化水素に変換するための現在最も一般的なアプローチである（Ｐａｔｅｌ、２００５年）。Ｆ−Ｔプロセスは、合成ガスを入力として取り込み、合成ガスは、水蒸気改質によって天然ガスから生産されることに留意されたい（合成ガスはまた、水および酸素との高温反応による石炭ガス化から供給されることができる）。Ｆ−Ｔプロセスは、今日の燃料供給と一貫する石油製品を産出するが、低産出量、選択性不良（下流利用を複雑にする）を含むいくつかの欠点に悩まされ、経済的な生産を達成するために、有意な設備投資および規模を要求する（ＳｐａｔｈおよびＤａｙｔｏｎ、２００３年１２月、ＮＲＥＬｌＴＰ−５１０−３４９２９）。Ｆ−Ｔプラントのために要求される大規模性（概して、資本コストにおいて２０億ドルを超える（Ｐａｔｅｌ、２００５年）はまた、Ｆ−Ｔプロセスの膨大な資本コストを相殺するために要求される大量のメタン供給原料に起因して、有意な限定を表す。メタン輸送は、殆どの場合では法外に高価であるため、そのようなプラントは、通常、有意なメタンリザーバまたはメタンパイプラインの形態における、安定した、信頼性のある、かつコスト効率的なメタン源と共同設置されなければならない。Ｆ−Ｔ触媒は、合成ガス変換プロセスを通して影響を受けずに通過する、天然ガス中に見出される一般的な汚染物質に対して非常に感受性があるため、付加的コストおよびスケール因子は、ガススクラビング技術（ＳｐａｔｈおよびＤａｙｔｏｎ、２００３年）の経済性である。
【０００６】
大規模な設備投資と組み合わせられる、大量の比較的に清浄なメタン含有ガスへの容易なアクセスに関する要件は、現在、天然ガスベースのＦ−Ｔプラントの成功した経済的に存立する運転を世界中でほんのわずかの場所に限定している（ＳｐａｔｈおよびＤａｙｔｏｎ、２００３年）。高い輸送コストと組み合わせられる、ガス−液体プロセスまたは液化天然ガスプラントに関する高い最小処理要件は、より小さいメタン源が「孤立した」ガス鉱床として留まることをもたらす。そのような孤立したガスは、限定ではないが、海洋油井において生産される天然ガスまたは埋立地からのメタンオフガスを含むことができる。現在の効率的な小規模変換技術の不在に起因して、そのような孤立したガス源は、典型的には、メタン蓄積が有意な安全性リスクを提示するため、大気に放出される、または焼却される。フィッシャトロプシュプロセスを使用するガス−液体施設が、１９３８年以降半連続的に運転されている。いくつかの企業は、現在、上記に議論されるメタンの現在の可用性および価格を考慮して、新しいプラントの導入を研究している。しかしながら、過去７０年以上にわたる有意な研究および開発にもかかわらず、フィッシャトロプシュ技術の限定は、商業的なガス−液体プロセスの広い採用を妨げている。
【０００７】
動物飼料利用における効率の進歩が、飼料添加物の使用を通して、過去数十年にわたって達成されている。これらの添加物質は、動物飼料組成物の栄養素含有量、エネルギー含有量、および／または疾患対抗性質を増強する。商業的動物生産業者にとっての増大する課題は、上昇する穀物のコストである。上昇するコストは、部分的に、バイオ燃料および人間の食料使用のための穀物に関する競合する要求に起因する。飼料生産のための限定された利用可能な土地と相まった穀物およびタンパク質補足物の上昇するコストにより、有益な栄養および疾患対抗性質を伴う代替低コスト動物飼料製品が、望ましい。
【０００８】
いくつかの異なるタンパク質含有物質が、魚粉、大豆製品、および血漿等のより伝統的なタンパク質源の代用物として、人間の食料において、および動物飼料として提案されている。これらのタンパク質含有物質は、高い割合のタンパク質を含有する、菌類、酵母、および細菌等の単細胞微生物を含む。これらの微生物は、炭化水素または他の基質上で生育され得る。
【０００９】
上記に照らして、炭素源としてＣ１基質を使用する生物学的発酵が、天然ガスの利用に関する良好な選択肢の欠如だけではなく、食料源と化学物質／燃料を生産するための発酵との間の現在の競合、代替低コスト動物飼料製品の必要性の両方に対する魅力的な解決策を提示する。しかしながら、メタン、ＣＯ、またはＣＯ２等のガス状基質の発酵は、炭素基質が、培養中のＣ１代謝非光合成微生物による摂取および代謝を可能にするために、気相から水相に移動されなければならない要件に起因して、有意な課題を提示する。同時に、Ｏ２またはＨ２等の他のガスもまた、細胞代謝が進行することを可能にするために、気相から移動されるように要求され得る（それぞれ、好気性または嫌気性代謝）。廃棄生産物（好気性代謝の場合では、ＣＯ２等）が、効率的な微生物成長を可能にするために、微生物から分離されなければならない。さらに、Ｃ１基質の代謝からの熱生成は、有意であり、システムは、微生物成長のために最適な条件を維持するために、冷却を要求する。
【００１０】
液相から気相への対流物質移動が、物質移動係数を用いて説明されることができる。流束は、物質移動係数、表面積、および濃度差の積に等しい（流束＝ｋ  Ａ  ΔＣ）。
【００１１】
物質移動係数は、移動されるべき分子のサイズ、水性におけるその可溶性、および相間の境界層のサイズを含む、種々の要因によって影響を受ける（典型的には、速度および乱流を混合することによって発酵システムにおいて制御される）。殆どの発酵システムにおける気相と液相との間の表面積は、主として、入力ガスの気泡サイズによって限定される。気泡サイズは、小孔を通してガスを導入することによって、ならびに剪断力を増加させ、気泡を分断し、合体を防止することによって制御されることができる。濃度差は、気相境界層を横断する濃度差、液相境界層を横断する濃度差、バルク蒸気とバルク液体と平衡にあるであろう蒸気との間の濃度差、またはバルク液体とバルク蒸気と平衡にあるであろう液体との間の濃度差であり得る。殆どの発酵システムでは、濃度差は、気相の圧力によって制御される。
【００１２】
従来の発酵システム（バイオリアクタ）は、２つの方法のうちの１つ、すなわち、撹拌またはエアリフトによってガス混合を達成する。撹拌される発酵槽は、概して、単一の大型発酵槽内の中心に配置される撹拌ブレードを用いて混合を達成する。撹拌器ブレードは、液体中で乱流および剪断を生成する一方、ガス気泡は、発酵槽の底部に導入され、したがって、それらが発酵槽の上に進行する際に気泡の進行を妨げ、ガス気泡を剪断し、気泡が発酵槽内で合体する傾向を低減させる。本タイプの発酵槽の利点は、混合ブレードの高速度に起因して可能である、高速の比較的に均質な混合およびガス気泡分散である。しかしながら、本タイプの発酵槽は、同一速度の混合および物質輸送を取得するためのエネルギー要件が、体積が増加するにつれて法外であり得るため、スケールアップすることが困難であり得る。さらに、活発な混合は、発酵液体の有意な加熱を含意し、単一の大型発酵槽の使用は、熱交換冷却のために利用可能な表面積を限定する。
【００１３】
エアリフト発酵槽は、液体のための流路を組み込むことによって、機械的撹拌器を回避する。エアリフト発酵槽は、両端において相互接続される下降流および上昇流区分を有し、これらの区分は、別個のユニット（ループ発酵槽と称される）か、または同心円（エアリフト発酵槽）かのいずれかであり得る。エアリフト発酵槽では、ガスは、気泡生成装置を通して上昇流区分の底部に供給される。気泡は、液体と混合され、液体の密度を低減させ、ガス／液体混合物を上昇流区分を通して上昇させる。上昇する混合物は、反応器の上部における液体を変位させ、これは、下降流区分を辿って進行し、底部における液体に取って代わり、発酵槽内で循環流を確立する。液体中のガス気泡に関する長い滞留時間を取得するために、エアリフト発酵槽は、概して、高く、限定された横方向断面積を有する。これは、ガスが、発酵槽内に存在する液柱によって形成される静水圧を克服するために、比較的に高い圧力において供給されなければならないことを含意する。加えて、気泡サイズは、圧力が高さとともに減少するにつれて、発酵槽全体を通して有意に増加する。増加する気泡直径は、ガス気泡面積（ガス気泡の半径の２乗に比例する）とそれを通して物質移動が起こり得るガス気泡体積（ガス気泡半径の３乗に比例する）との比率を低減させることによって、ガス気泡と液相との間の物質移動の速度を比例的に低減させる。エアリフト発酵槽内の流率および剪断力は、撹拌されるタンク発酵槽においてよりも有意に低く、これはまた、気泡合体を増加させ、発酵槽を冷却する効率を低減させる傾向にある。最後に、下降流区分に液体が戻ることに先立って、発酵槽の上昇流部分から退出する混合物からの使用されていない廃棄ガスの分離が、課題であり得る。
【００１４】
ループ反応器が、米国特許第７，５７５，１６３号に説明されており、微生物を発酵させるために、例えば、バイオマスの生成のために、または微生物によって生産される物質の調製のために提案されている。図１は、垂直下降流区域３に流入する流出ガス除去区域２を含む、１つのループ反応器１を図示する。流出ガス除去区域２は、出口ポート７と、緊急通気孔８とを含む。垂直下降流区域３は、栄養素ガス入口１５を含む。モータ１１によって給電されるプロペラ１０が、ループ反応器を通した液体培地の循環を補助する。プロペラ１０の上流に、ループ反応器から物質を除去するための退出ポート１２がある。プロペラ１０の下流に、アンモニアおよびミネラル入口１７および１８がある。液体培地９が、ループ反応器の水平区分４内の複数の静的ミキサ１４を通過する。ループ反応器の水平区分はまた、複数の栄養素ガス入口１３を含む。最後の静的ミキサ１４の下流で、ループ反応器は、垂直上昇流区分５を含む。垂直上昇流区分５の上端部は、水平流出区域６と流体連通する。垂直上昇流区域５は、栄養素ガス入口１６を提供される。栄養素ガス入口１６の下流に、それを通して駆動ガスが液体培地に送達される、駆動ガス入口１９がある。第‘１６３号特許は、少なくとも１０メートルである、流出区域６の端部におけるガス−液体面と水平区分におけるループの中心線との間の垂直落差を有する、図１に図示されるループ反応器を説明している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】米国特許第７，５７５，１６３号明細書
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１６】
簡単な要旨
一側面では、本開示は、微生物発酵のためのガス状基質の効率的な物質移動のためのシステム、プロセス、および装置を説明する。加えて、本開示は、主として、Ｃ１代謝非光合成微生物を備える培養物を使用して、ガス状炭素含有供給原料を発酵させるためのシステム、プロセス、および装置を説明する。他の側面では、本開示は、Ｃ１代謝非光合成微生物以外を使用して、ガス状基質を含むガス状供給原料を発酵させるためのシステム、プロセス、および装置を説明する。また別の側面では、本開示は、効率的な熱交換および廃棄ガス除去に加えて、高流束の気相から液相への物質移動を可能にするための拡張可能発酵槽設計を説明する。当分野で公知の不利点を克服し、種々の生産物の最適な生産のための新しいプロセスおよびデバイスを公共に提供する、発酵のためのシステムおよびプロセスが、説明される。
【００１７】
そのような発酵システムは、ガス状化合物、例えば、Ｃ１化合物を代謝することが可能な１つまたはそれを上回る種の微生物を採用し得る。そのような微生物は、メチロモナス、メチロバクタ、メチロコッカス、メチロシヌス、メチロシスチス、メチロミクロビウム、メタノモナス、メチロフィラス、メチロバチルス、メチロバクテリウム、ハイフォミクロビウム、キサントバクタ、バチルス、パラコッカス、ノカルジア、アルスロバクタ、ロドシュードモナス、またはシュードモナス等の原核生物もしくは細菌を含む。いくつかの事例では、Ｃ１代謝微生物は、メタン資化性菌、メチロトローフ、またはそれらの組み合わせを含み得る。好ましいメタン資化性菌は、メチロモナス、メチロバクタ、メチロコッカス、メチロシヌス、メチロシスチス、メチロミクロビウム、メタノモナス、またはそれらの組み合わせを含む。例示的メタン資化性菌は、Ｍｅｔｈｙｌｏｍｏｎａｓ  ｓｐ．  １６ａ（ＡＴＣＣ  ＰＴＡ  ２４０２）、Ｍｅｔｈｙｌｏｓｉｎｕｓ  ｔｒｉｃｈｏｓｐｏｒｉｕｍ（ＮＲＲＬ  Ｂ−ｌｌ，  １９６）、Ｍｅｔｈｙｌｏｓｉｎｕｓ  ｓｐｏｒｉｕｍ（ＮＲＲＬ  Ｂ−ｌｌ，  １９７）、Ｍｅｔｈｙｌｏｃｙｓｔｉｓ  ｐａｒｖｕｓ  （ＮＲＲＬ  Ｂ−ｌｌ，  １９８）、  Ｍｅｔｈｙｌｏｍｏｎａｓ  ｍｅｔｈａｎｉｃａ（ＮＲＲＬ  Ｂ−５  １１，１９９）、Ｍｅｔｈｙｌｏｍｏｎａｓ  ａｌｂ  ｕｓ（ＮＲＲＬ  Ｂ−ｌｌ  ，２００）、Ｍｅｔｈｙｌｏｂａｃｔｅｒ  ｃａｐｓｕｌａｔｕｓ（ＮＲＲＬ  Ｂ−１１，２０１）、Ｍｅｔｈｙｌｏｂａｃｔｅｒｉｕｍ  ｏｒｇａｎｏｐｈｉｌｕｍ（ＡＴＣＣ  ２７，８８６）、Ｍｅｔｈｙｌｏｍｏｎａｓ  ｓｐ．  ＡＪ−３６７０（ＦＥＲＭ  Ｐ−２４００）、Ｍｅｔｈｙｌｏｍｉｃｒｏｂｉｕｍ  ａｌｃａｌｉｐｈｉｌｕｍ、Ｍｅｔｈｙｌｏｃｅｌｌａ  ｓｉｌｖｅｓｔｒｉｓ、Ｍｅｔｈｙｌａｃｉｄｉｐｈｉｌｕｍ  ｉｎｆｅｒｎｏｒｕｍ、Ｍｅｔｈｙｌｉｂｉｕｍ  ｐｅｔｒｏｌｅｉｐｈｉｌｕｍ、Ｍｅｔｈｙｌｏｓｉｎｕｓ  ｔｒｉｃｈｏｓｐｏｒｉｕｍ  ＯＢ３ｂ、Ｍｅｔｈｙｌｏｃｏｃｃｕｓ  ｃａｐｓｕｌａｔｕｓ  Ｂａｔｈ、Ｍｅｔｈｙｌｏｍｏｎａｓ  ｓｐ．  １６ａ、Ｍｅｔｈｙｌｏｍｉｃｒｏｂｉｕｍ  ａｌｃａｌｉｐｈｉｌｕｍ  ２０Ｚ、またはそれらの高成長バリアントを含む。好ましいメチロトローフは、Ｍｅｔｈｙｌｏｂａｃｔｅｒｉｕｍ  ｅｘｔｏｒｑｕｅｎｓ、Ｍｅｔｈｙｌｏｂａｃｔｅｒｉｕｍ  ｒａｄｉｏｔｏｌｅｒａｎｓ、Ｍｅｔｈｙｌｏｂａｃｔｅｒｉｕｍ  ｐｏｐｕｌｉ、Ｍｅｔｈｙｌｏｂａｃｔｅｒｉｕｍ  ｃｈｌｏｒｏｍｅｔｈａｎｉｃｕｍ、Ｍｅｔｈｙｌｏｂａｃｔｅｒｉｕｍ  ｎｏｄｕｌａｎｓ、またはそれらの組み合わせを含む。
【００１８】
合成ガス中に見出されるＣ１化合物を代謝することが可能な微生物は、限定ではないが、クロストリジウム、ムーレラ、パイロコッカス、ユーバクテリウム、デスルホバクテリウム、カルボキシドサーマス、アセトゲニウム、アセトバクテリウム、アセトアナエロビウム、ブチリバクテリウム、ペプトストレプトコッカス、またはそれらの組み合わせを含む。例示的メチロトローフは、Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ  ａｕｔｏｅｔｈａｎｏｇｅｎｕｍ、Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ  ｌｊｕｎｇｄａｈｌｉ、Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ  ｒａｇｓｄａｌｅｉ、Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ  ｃａｒｂｏｘｙｄｉｖｏｒａｎｓ、Ｂｕｔｙｒｉｂａｃｔｅｒｉｕｍ  ｍｅｔｈｙｌｏｔｒｏｐｈｉｃｕｍ、Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ  ｗｏｏｄｉｉ、Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ  ｎｅｏｐｒｏｐａｎｏｌｏｇｅｎ、またはそれらの組み合わせを含む。いくつかの事例では、Ｃ１代謝微生物は、カンジダ、ヤロウイア、ハンゼヌラ、ピキア、トルロプシス、またはロドトルラを含む酵母等の真核生物である。
【００１９】
他の事例では、Ｃ１代謝非光合成微生物は、絶対メタン資化性菌、絶対メチロトローフ、またはそれらの組み合わせ等の絶対Ｃ１代謝非光合成微生物である。いくつかの事例では、Ｃ１代謝非光合成微生物は、脂肪酸生産酵母、ホルムアルデヒド消化酵素、またはそれらの組み合わせをコード化する異種ポリヌクレオチドを備える組換微生物である。
【００２０】
上記に加えて、またはその代替として、本開示は、以下の実施形態を説明する。第１の実施形態は、ガスおよび液体培地の多相混合物を気相ならびに液相に分離するためのガス／液体分離容器であって、出口と、入口とを含む、ガス／液体分離容器と、ガス／液体分離容器の出口と流体連通する入口と、ガス／液体分離容器の入口と流体連通する出口と、ループ区分中心線とを含む、ループ区分と、第１の減圧デバイスを含む、第１の非垂直減圧区域であって、ループ区分の入口とループ区分の出口との間に位置し、ガス／液体分離容器の入口におけるループ区分中心線とループ区分の入口におけるループ区分中心線との間の垂直距離は、８メートルを下回る、第１の非垂直減圧区域とを含む、ループ反応器を含む、バイオマス生産を刺激するためのシステムを対象とする。
【００２１】
本明細書に開示される第２の実施形態は、減圧デバイスが、弁または伸縮継手である、第１の実施形態を対象とする。
【００２２】
本明細書に開示される第３の実施形態は、第１の非垂直減圧区域の下流に第２の減圧区域を含む、第１および第２の実施形態のシステムを対象とする。
【００２３】
本明細書に開示される第４の実施形態は、第２の減圧区域が、第２の非垂直減圧区域である、第１−第３の実施形態を対象とする。
【００２４】
本明細書に開示される第５の実施形態は、ガス／液体分離容器の入口におけるループ区分中心線とループ区分の入口におけるループ区分中心線との間の垂直距離が、６メートルを下回る、第１−第４の実施形態を対象とする。
【００２５】
本明細書に開示される第６の実施形態は、ガス／液体分離容器の入口におけるループ区分中心線とループ区分の入口におけるループ区分中心線との間の垂直距離が、５メートルを下回る、第１−第５の実施形態を対象とする。
【００２６】
本明細書に開示される第７の実施形態は、ループ反応器がさらに、脱離ガス入口を含み、脱離ガス入口は、ループ反応器のループ区分の非垂直部分内に位置する、第１−第６の実施形態を対象とする。
【００２７】
本明細書に開示される第８の実施形態は、第１の垂直減圧デバイスが、静水圧の変化に依拠することなく圧力を低減させるデバイスである、第１−第７の実施形態を対象とする。
【００２８】
本明細書に開示される第９の実施形態は、ループ反応器のループ区分を通して、ガスおよび液体培地の多相混合物を流動させるステップであって、ループ区分は、ループ区分中心線を含む、ステップと、栄養素を多相混合物の中に導入するステップと、メタンおよび酸素を多相混合物の中に導入するステップと、ループ反応器の第１の非垂直減圧区域を通して、ガスおよび液体培地の多相混合物を通過させるステップであって、ループ反応器の第１の非垂直減圧区域は、第１の減圧デバイスを含む、ステップと、ガスおよび液体培地の多相混合物を、第１の減圧デバイスの下流で気相および液相に分離するステップと、ガスおよび液体培地の多相混合物から分離された気相および液相を、ガス／液体分離容器への入口においてガス／液体分離容器の中に流動させるステップであって、ガス／液体分離容器への入口は、中心線を含む、ステップと、ガス／液体分離容器の出口から液相を除去し、除去された液相をループ区分の入口に送達するステップであって、ループ区分の入口におけるループ区分中心線とガス／液体分離容器への入口の中心線との間の垂直距離は、８メートルを下回る、ステップとを含む、バイオマスの生産を刺激するためのプロセスを対象とする。
【００２９】
本明細書に説明される第１０の実施形態は、第１の非垂直減圧区域にガスおよび液体培地の多相混合物を通過させるステップが、弁、伸縮継手、静的ミキサ、または配管エルボを通して、ガスおよび液体培地の多相混合物を通過させるステップを含む、第９の実施形態を対象とする。
【００３０】
本明細書に説明される第１１の実施形態は、第１の非垂直減圧区域の下流の第２の減圧区域を通して、ガスおよび液体培地の多相混合物を通過させるステップをさらに含む、第９および第１０の実施形態を対象とする。
【００３１】
本明細書に説明される第１２の実施形態は、ループ区分の入口におけるループ区分中心線とガス／液体分離容器への入口の中心線との間の垂直距離が、６メートルを下回る、第９−第１１の実施形態を対象とする。
【００３２】
本明細書に説明される第１３の実施形態は、ループ区分の入口におけるループ区分中心線とガス／液体分離容器への入口の中心線との間の垂直距離が、５メートルを下回る、第９−第１２の実施形態を対象とする。
【００３３】
本明細書に説明される第１４の実施形態は、脱離ガスをループ反応器のループ区分の非垂直部分の中に導入するステップをさらに含む、第９−第１３の実施形態を対象とする。
【００３４】
本明細書に説明される第１５の実施形態は、第１の非垂直減圧区域を通して、ガスおよび液体培地の多相混合物を通過させるステップが、静水圧の変化に依拠することなく圧力を低減させるデバイスを通して、ガスおよび液体培地の多相混合物を通過させるステップをさらに含む、第９−第１４の実施形態を対象とする。
【００３５】
本明細書に説明される第１６の実施形態は、ループ反応器の第１の非垂直減圧区域を通して、ガスおよび液体培地の多相混合物を通過させるステップであって、ループ反応器の第１の非垂直減圧区域は、第１の減圧デバイスを含む、ステップと、ガスおよび液体培地の多相混合物を、第１の減圧デバイスの下流で気相および液相に分離するステップと、ガスおよび液体培地の多相混合物から分離された気相ならびに液相を、ガス／液体分離容器への入口においてガス／液体分離容器の中に通過させるステップであって、ガス／液体分離容器への入口は、中心線を含む、ステップと、ガス／液体分離容器の出口から液相を除去し、除去された液相をループ反応器のループ区分の入口に送達するステップであって、ループ区分の入口におけるループ区分中心線とガス／液体分離容器への入口の中心線との間の垂直距離は、８メートルを下回る、ステップとを含む、ループ反応器内でバイオマスの生産を刺激するためのプロセスを対象とする。
【００３６】
本明細書に説明される第１７の実施形態は、ループ区分の入口におけるループ区分中心線とガス／液体分離容器への入口の中心線との間の垂直距離が、６メートルを下回る、第１６の実施形態を対象とする。
【００３７】
本明細書に説明される第１８の実施形態は、ループ区分の入口におけるループ区分中心線とガス／液体分離容器への入口の中心線との間の垂直距離が、５メートルを下回る、第１６−第１７の実施形態を対象とする。
【００３８】
本明細書に説明される第１９の実施形態は、第１の垂直減圧デバイスが、静水圧の変化に依拠することなく圧力を低減させるデバイスである、第１６−第１８の実施形態を対象とする。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
図面では、図面における要素のサイズおよび相対的位置は、必ずしも、縮尺通りに描かれない。例えば、種々要素および角度は、縮尺通りに描かれず、これらの要素のいくつかは、図面の視認性を改良するために、恣意的に拡大され、位置付けられる。さらに、描かれるような要素の特定の形状は、特定の要素の実際の形状に関する任意の情報を伝えるように意図されず、単に、図面における容易な認識のために選択されている。
【００４０】
【図１】図１は、脱気が起こる流出区域から上流の垂直上昇流区分を含む、先行技術のループ反応器の概略図を示す。
【図２】図２は、１つまたはそれを上回る図示および説明される実施形態による、バイオマスの生産を刺激するためのループ反応器および随意のサブシステムの実施例の概略ブロック図を示す。
【図３】図３は、１つまたはそれを上回る図示および／もしくは説明される実施形態による、第１の減圧区域と、第２の減圧区域とを含む、ガス状基質を発酵させる際に有用なバイオマスの生産を刺激するための例示的システムの概略図を示す。
【図４】図４は、１つまたはそれを上回る図示および／もしくは説明される実施形態による、第１の減圧区域を含む、ガス状基質を発酵させる際に有用なバイオマスの生産を刺激するための例示的システムの概略図を示す。
【図５】図５は、１つまたはそれを上回る図示および／もしくは説明される実施形態による、ループ反応器の第１の減圧区域を通して多相混合物を流動させるステップを含む、発酵プロセスの高レベルフロー図を示す。
【図６】図６は、１つまたはそれを上回る図示および／もしくは説明される実施形態による、ループ反応器の第１の減圧区域および第２の減圧区域を通して多相混合物を流動させるステップを含む、発酵プロセスの高レベルフロー図を示す。
【図７Ａ】図７Ａは、１つまたはそれを上回る図示および／もしくは説明される実施形態による、非垂直減圧デバイスの一部の立面図である。
【図７Ｂ】図７Ｂは、１つまたはそれを上回る図示および／もしくは説明される実施形態による、非垂直減圧デバイスの一部の立面図である。
【図７Ｃ】図７Ｃは、１つまたはそれを上回る図示および／もしくは説明される実施形態による、非垂直減圧デバイスの一部の立面図である。
【図７Ｄ】図７Ｄは、図７Ａ、７Ｂ、および７Ｃに図示される非垂直減圧デバイスの一部を組み立てることによって形成される、非垂直減圧デバイスの立面図である。
【発明を実施するための形態】
【００４１】
以下の説明では、種々の実施形態の徹底的な理解を提供するために、ある具体的詳細が、記載される。しかしながら、当業者は、本発明がこれらの詳細を伴わずに実践され得ることを理解するであろう。他の事例では、構造、標準的容器設計詳細、液体またはガス分配器、ポンプ、タービン、および類似物等の利用可能な構成要素の詳細な設計パラメータ、Ａｍｅｒｉｃａｎ  Ｓｏｃｉｅｔｙ  Ｏｆ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ（ＡＳＭＥ）圧力容器の設計および構造に関する詳細、制御システム理論、１つまたはそれを上回る発酵プロセスにおける具体的ステップ、ならびに同等物は、説明される実施形態の不必要に不明瞭な説明を回避するために、詳細に示されていない、または説明されていない。文脈が別様に要求しない限り、本明細書および続く請求項全体を通して、単語「〜を備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」ならびに「〜を備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」および「〜を備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」等のその変形例は、非限定的かつ包括的意味において、つまり、「限定ではないが、〜を含む」として解釈されるべきである。さらに、本明細書に提供される見出しは、便宜上のためだけのものであり、請求される発明の範囲または意味を解釈しない。
【００４２】
本明細書全体を通して、「一実施形態」または「ある実施形態」の言及は、実施形態と関連して説明される特定の特徴、構造、または特性が、少なくとも一実施形態に含まれることを意味する。したがって、本明細書全体を通した種々の箇所における語句「一実施形態では」または「ある実施形態では」の出現は、必ずしも、全てが同一の実施形態を指すわけではない。さらに、特定の特徴、構造、または特性は、１つまたはそれを上回る実施形態において、任意の好適な様式で組み合わせられ得る。また、本明細書および添付される請求項で使用されるように、単数形「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」は、内容が明確に別様に示さない限り、複数指示物を含む。また、用語「または」は、概して、内容が明確に別様に示さない限り、「および／または」を含むその意味において採用されることに留意されたい。
【００４３】
発酵槽は、概して、発酵プロセスが実行される任意の容器として定義される。膨大な数の発酵プロセスおよび多種多様な発酵可能基質を所与として、発酵槽は、アルコール飲料産業において見出される単純な連続的撹拌タンク反応器から、特定の基質および／または特定の生物学的種に調整されたガス分配および内部構造を有する、非常に複雑な専用容器に及ぶことができる。メタンおよび合成ガス（ＣＯおよびＨ２の混合物）等の炭素含有ガスをより長い鎖のガス状および液体炭化水素に変換する際に有用な発酵槽は、概して、Ｃ１炭素化合物を含有するガス基質を１つまたはそれを上回る栄養素を含有する液体培地中で分散させ、多相混合物を提供する。本多相混合物は、ガス基質中のＣ１炭素化合物の一部を、より好ましい、より長い鎖のＣ２またはより高次の化合物に変換する１つまたはそれを上回る微生物学的コロニーに給送される。基質組成物、栄養素、およびコロニーを備える微生物学的有機体（すなわち、発酵槽内のバイオマス）は、液体、ガス、または細胞内物質として存在し得るＣ２またはより高次の化合物の所望の最終マトリクスを提供するように多様に調節もしくは調整されることができる。
【００４４】
メタンおよび合成ガス（ＣＯおよびＨ２の混合物）等の炭素含有ガスを、高い割合のタンパク質を含有する菌類、酵母、および細菌等の単細胞微生物を培養するための基質として利用する際に有用な発酵槽は、概して、Ｃ１炭素化合物を含有するガス基質を１つまたはそれを上回る栄養素を含有する液体培地中で分散させ、多相混合物を提供する。本多相混合物は、ガス基質中のＣ１炭素化合物の一部をタンパク質に変換する１つまたはそれを上回る微生物学的コロニーと接触させられる。基質組成物、栄養素、およびコロニーを備える微生物学的有機体（すなわち、発酵槽内のバイオマス）は、タンパク質含有バイオマスの所望の最終マトリクスを提供するように多様に調節または調整されることができる。
【００４５】
物質移動の観点から、ガス基質発酵槽は、基質がガス気泡内に閉じ込められる点において一意の課題を提示し、基質の微生物学的摂取が起こるために、ガス基質は、最初に、直接的にか、または液体培地中への溶解を介して間接的にかのいずれかで、ガス気泡から微生物学的有機体に通過しなければならない。そのような発酵プロセスは、したがって、発酵槽内でのガス気泡から微生物学的有機体への基質の望ましく高いレベルの物質移動を促進および／または持続するシステムの能力によって頻繁に限定される。少なくとも、ガス気泡から周辺液体培地または微生物学的有機体のいずれかへの物質移動の速度は、ガス気泡内のガス圧力、ガス気泡の体積対表面積比、およびガス気泡の周辺液体または微生物学的有機体との接触時間の関数である。ガス気泡内の圧力を増加させること、またはガス気泡の周辺液体もしくは微生物学的有機体との接触時間を増加させることは、基質と微生物学的有機体との間により高い効果的な物質移動速度をもたらす。ガス気泡の体積対表面積比を減少させること（すなわち、ガス気泡の直径を縮小すること）は、ガス気泡と周辺液体との間により高い効果的な物質移動速度をもたらす。物質移動の観点から好ましい発酵槽は、したがって、長い時間周期にわたって周辺液体または微生物学的有機体と近接した、もしくは緊密な接触状態に保持される、比較的に高い圧力における多数の比較的に小さい直径のガス気泡を生成するであろう。
【００４６】
本明細書に開示されるものは、比較的に小さい直径の、比較的に高い圧力のガス気泡を提供することが可能ないくつかの発酵システム、方法、および装置である。本明細書に開示されるものは、周辺液体および／または生物学的有機体との長い接触時間を提供することが可能ないくつかの発酵システム、方法、および装置である。そのような発酵システム、方法、および装置は、有利なこととして、Ｃ１化合物をより好ましいガス状、液体、および細胞内Ｃ２ならびにより高次の化合物に変換する、または高い割合のタンパク質を含有する微生物の成長を刺激する際に特に有用であり得る、高効率的なガス基質発酵システムを提供することができる。
【００４７】
本明細書で使用されるように、用語「Ｃ１基質」または「Ｃ１化合物」は、炭素−炭素結合が欠如する任意の炭素含有分子または組成物を指す。サンプルＣ１分子または組成物は、メタン、メタノール、ホルムアルデヒド、ギ酸もしくはその塩、一酸化炭素、二酸化炭素、合成ガス、メチルアミン（例えば、モノメチルアミン、ジメチルアミン、トリメチルアミン）、メチルチオール、またはメチルハロゲンを含む。
【００４８】
本明細書で使用されるように、用語「微生物」は、ガス状基質をエネルギー源として、またはその唯一のエネルギーおよびバイオマス源として使用する能力を有し、エネルギーおよびバイオマスのために他の炭素基質（糖および複合炭水化物等）を使用し得る、または使用しない場合がある任意の微生物を指す。本明細書で使用されるような微生物の実施例は、それぞれ、約４５℃の温度において最適な成長を有する、従属栄養細菌ラルストニア種（以前はアルカリゲネスアシドボランス）ＤＢ３（株ＮＣＩＭＢ  １３２８７）、ブレビバチルスアグリ（以前はバチルスフィルムス）ＤＢ５（株ＮＣＩＭＢ  １３２８９）、およびアネウリニバチルス種（以前はバチルスブレビス）ＤＢ４（株ＮＣＩＭＢ  １３２８８）を含む。ラルストニア種ＤＢ３は、成長のためにエタノール、アセテート、プロピオネート、およびブチレートを使用し得る、シュードモナス科に属するグラム陰性の好気性の運動性桿菌である。アネウリニバチルス種ＤＢ４は、アセテート、Ｄ−フルクトース、Ｄ−マンノース、リボース、およびＤ−タガトースを利用し得る、バチルス属に属するグラム陰性の内生胞子を形成する好気性の桿菌である。ブレビバチルスアグリＤＢ５は、アセテート、Ｎ−アセチル−グルコサミン、クエン酸塩、グルコン酸、Ｄ−グルコース、グリセロール、およびマンニトールを利用し得る、バチルス属のグラム陰性の内生胞子を形成する運動性の好気性桿菌である。本発明のプロセスにおいて使用するために好適な酵母が、サッカロミセスおよびカンジダから成る群から選択され得る。
【００４９】
所望される場合、本明細書に説明されるプロセスは、所望の化学化合物を生成し、次いで、これが反応器から収穫される細胞間流体またはバイオマスから抽出され得るように遺伝子的に修正された細菌（または酵母）を使用して実施され得る。科学および特許文献は、特に、メタン資化性細菌を含む、そのように遺伝子的に修正された微生物の多数の実施例を含有する。
【００５０】
本明細書に説明される実施形態による少なくともいくつかの事例では、ガス状炭素含有供給原料を発酵させるために使用される微生物学的有機体は、主として、Ｃ１代謝非光合成微生物を備える培養物を採用する。そのような発酵システムは、メチロモナス、メチロバクタ、メチロコッカス、メチロシヌス、メチロシスチス、メチロミクロビウム、メタノモナス、メチロフィラス、メチロバチルス、メチロバクテリウム、ハイフォミクロビウム、キサントバクタ、バチルス、パラコッカス、ノカルジア、アルスロバクタ、ロドシュードモナス、またはシュードモナス等の原核生物もしくは細菌である、Ｃ１代謝微生物の１つまたはそれを上回る種を使用し得る。いくつかの事例では、Ｃ１代謝細菌は、メタン資化性菌またはメチロトローフを含み得る。好ましいメタン資化性菌は、メチロモナス、メチロバクタ、メチロコッカス、メチロシヌス、メチロシスチス、メチロミクロビウム、メタノモナス、またはそれらの組み合わせを含む。例示的メタン資化性菌は、Ｍｅｔｈｙｌｏｍｏｎａｓ  ｓｐ．  １６ａ（ＡＴＣＣ  ＰＴＡ  ２４０２）、Ｍｅｔｈｙｌｏｓｉｎｕｓ  ｔｒｉｃｈｏｓｐｏｒｉｕｍ（ＮＲＲＬ  Ｂ−ｌｌ，  １９６）、Ｍｅｔｈｙｌｏｓｉｎｕｓ  ｓｐｏｒｉｕｍ（ＮＲＲＬ  Ｂ−ｌｌ，  １９７）、Ｍｅｔｈｙｌｏｃｙｓｔｉｓ  ｐａｒｖｕｓ（ＮＲＲＬ  Ｂ−ｌｌ，  １９８）、Ｍｅｔｈｙｌｏｍｏｎａｓ  ｍｅｔｈａｎｉｃａ（ＮＲＲＬ  Ｂ−５  １１，１９９）、Ｍｅｔｈｙｌｏｍｏｎａｓ  ａｌｂ  ｕｓ（ＮＲＲＬ  Ｂ−ｌｌ  ，２００）、Ｍｅｔｈｙｌｏｂａｃｔｅｒ  ｃａｐｓｕｌａｔｕｓ（ＮＲＲＬ  Ｂ−１１，２０１）、Ｍｅｔｈｙｌｏｂａｃｔｅｒｉｕｍ  ｏｒｇａｎｏｐｈｉｌｕｍ  （ＡＴＣＣ  ２７，８８６）、Ｍｅｔｈｙｌｏｍｏｎａｓ  ｓｐ．  ＡＪ−３６７０（ＦＥＲＭ  Ｐ−２４００）、Ｍｅｔｈｙｌｏｍｉｃｒｏｂｉｕｍ  ａｌｃａｌｉｐｈｉｌｕｍ、Ｍｅｔｈｙｌｏｃｅｌｌａ  ｓｉｌｖｅｓｔｒｉｓ、Ｍｅｔｈｙｌａｃｉｄｉｐｈｉｌｕｍ  ｉｎｆｅｒｎｏｒｕｍ、Ｍｅｔｈｙｌｉｂｉｕｍ  ｐｅｔｒｏｌｅｉｐｈｉｌｕｍ、Ｍｅｔｈｙｌｏｓｉｎｕｓ  ｔｒｉｃｈｏｓｐｏｒｉｕｍ  ＯＢ３ｂ、Ｍｅｔｈｙｌｏｃｏｃｃｕｓ  ｃａｐｓｕｌａｔｕｓ  Ｂａｔｈ、Ｍｅｔｈｙｌｏｍｏｎａｓ  ｓｐ．  １６ａ、Ｍｅｔｈｙｌｏｍｉｃｒｏｂｉｕｍ  ａｌｃａｌｉｐｈｉｌｕｍ  ２０Ｚ、またはそれらの高成長バリアントを含む。好ましいメチロトローフは、Ｍｅｔｈｙｌｏｂａｃｔｅｒｉｕｍ  ｅｘｔｏｒｑｕｅｎｓ、Ｍｅｔｈｙｌｏｂａｃｔｅｒｉｕｍ  ｒａｄｉｏｔｏｌｅｒａｎｓ、Ｍｅｔｈｙｌｏｂａｃｔｅｒｉｕｍ  ｐｏｐｕｌｉ、Ｍｅｔｈｙｌｏｂａｃｔｅｒｉｕｍ  ｃｈｌｏｒｏｍｅｔｈａｎｉｃｕｍ、Ｍｅｔｈｙｌｏｂａｃｔｅｒｉｕｍ  ｎｏｄｕｌａｎｓ、またはそれらの組み合わせを含む。
【００５１】
合成ガス中に見出されるＣ１化合物を代謝することが可能な微生物は、限定ではないが、クロストリジウム、ムーレラ、パイロコッカス、ユーバクテリウム、デスルホバクテリウム、カルボキシドサーマス、アセトゲニウム、アセトバクテリウム、アセトアナエロビウム、ブチリバクテリウム、ペプトストレプトコッカス、またはそれらの組み合わせを含み、また、使用され得る。例示的メチロトローフは、Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ  ａｕｔｏｅｔｈａｎｏｇｅｎｕｍ、  Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ  ｌｊｕｎｇｄａｈｌｉ、Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ  ｒａｇｓｄａｌｅｉ、Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ  ｃａｒｂｏｘｙｄｉｖｏｒａｎｓ、Ｂｕｔｙｒｉｂａｃｔｅｒｉｕｍ  ｍｅｔｈｙｌｏｔｒｏｐｈｉｃｕｍ、Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ  ｗｏｏｄｉｉ、Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ  ｎｅｏｐｒｏｐａｎｏｌｏｇｅｎ、またはそれらの組み合わせを含む。いくつかの事例では、Ｃ１代謝微生物は、カンジダ、ヤロウイア、ハンゼヌラ、ピキア、トルロプシス、またはロドトルラを含む酵母等の真核生物である。
【００５２】
他の事例では、Ｃ１代謝非光合成微生物は、絶対メタン資化性菌または絶対メチロトローフ等の絶対Ｃ１代謝非光合成微生物である。いくつかの事例では、Ｃ１代謝非光合成微生物は、脂肪酸生産酵母、ホルムアルデヒド消化酵素、またはそれらの組み合わせをコード化する異種ポリヌクレオチドを備える組換微生物である。
【００５３】
本明細書で使用されるように、用語「Ｃ１代謝微生物」または「Ｃ１代謝非光合成微生物」は、単一の炭素（Ｃ１）基質をエネルギー源として、またはその唯一のエネルギーおよびバイオマス源として使用する能力を有し、エネルギーおよびバイオマスのために他の炭素基質（糖および複合炭水化物等）を使用し得る、または使用しない場合がある任意の微生物を指す。例えば、Ｃ１代謝微生物は、メタンまたはメタノール等のＣ１基質を酸化させ得る。Ｃ１代謝微生物は、細菌（メタン資化性菌およびメチロトローフ等）および酵母を含む。少なくともいくつかの事例では、Ｃ１代謝微生物は、藻類等の光合成微生物を含んでいない。ある実施形態では、Ｃ１代謝微生物は、「絶対Ｃ１代謝微生物」であり、その唯一のエネルギー源がＣ１基質から成り、他には何もないことを意味するであろう。
【００５４】
本明細書で使用されるように、用語「メチルトローフ細菌」は、炭素−炭素結合を含有していない有機化合物を酸化させることが可能な任意の細菌を指す。ある実施形態では、メチルトローフ細菌は、メタン資化性菌であり得る。例えば、「メタン資化性細菌」は、その主要な炭素およびエネルギー源としてメタンを酸化させる能力を有する任意のメチルトローフ細菌を指す。例示的メタン資化性細菌は、メチロモナス、メチロバクタ、メチロコッカス、メチロシヌス、メチロシスチス、メチロミクロビウム、またはメタノモナスを含む。ある他の実施形態では、メチルトローフ細菌は、「絶対メチルトローフ細菌」であり、これは、エネルギーの生成に関してＣ１基質の使用に限定される細菌を指す。
【００５５】
本発明の一具体的実施形態では、本プロセスは、第ＷＯ  ０２／１８６１７号に説明されるタイプのメタン資化性細菌を使用して実施され、カロテノイド、例えば、アンテラキサンチン、アドニキサンチン、アスタキサンチン、カンタキサンチン、ゼアキサンチン、および第ＷＯ  ０２／１８６１７号の３９ならびに４０ページで言及される他のカロテノイドを生産する。このために、メタン資化性細菌メチロモナス１６ａ（ＡＴＣＣ  ＰＴＡ  ２４０２）が、特に好適に使用され得る。このように生産されるカロテノイドは、第ＷＯ  ０２／１８６１７号、第ＷＯ  ０２／２０７２８号、および第ＷＯ  ０２／２０７３３号に説明されるように、液体培地から分離され得る。
【００５６】
本明細書で使用されるように、用語「合成ガス」は、少なくとも一酸化炭素（ＣＯ）および水素（Ｈ２）を含む混合物を指す。少なくともいくつかの事例では、合成ガスはまた、ＣＯおよびＨ２と比較して少ない量におけるＣＯ２、メタン、および他のガスを含み得る。合成ガスは、限定ではないが、水性ガスシフトまたは石炭ガス化プロセスを含む、任意の利用可能なプロセスを使用して調製され得る。
【００５７】
本明細書で使用されるように、用語「成長」は、細胞質量における任意の増加として定義される。これは、ある脂質等の１つまたはそれを上回る細胞内または細胞間ポリマーの蓄積に起因して細胞質量が増加するときの「均衡成長」中または「不均衡成長」中の細胞分裂（複製）および新しい細胞の形成を通して起こり得る。後者の場合では、成長は、細胞内のバイオポリマーの蓄積に起因する細胞サイズの増加として現れ得る。「均衡細胞成長」中、供給原料（電子供与体および電子受容体）の全ておよび栄養素の全ては、細胞の高分子成分の全てを作製するように要求される比率において存在する。つまり、いかなる供給原料または栄養素も、タンパク質、複合炭水化物ポリマー、脂肪、または核酸の合成を限定しない。対照的に、「不均衡細胞成長」中、細胞の高分子のうちの１つまたはそれを上回るものを作製するために必要とされる供給原料もしくは栄養素は、均衡成長のために要求される量または比率において存在しない。故に、本供給原料または栄養素は、限定的となり、「栄養制御剤」と称される。
【００５８】
いくつかの細胞は、不均衡な条件下で依然として正味成長を達成し得るが、成長は、不均衡であり、限定的な供給原料または栄養素の不在下で合成され得るポリマーが、蓄積するであろう。これらのポリマーは、ポリヒドロキシブチレート（ＰＨＢ）、ポリヒドロキシバレレート（ＰＨＶ）、およびポリヒドロキシヘキサノエート（ＰＨＨｘ）−グリコーゲンを含むポリヒドロキシアルカノエート（ＰＨＡ）または細胞外多糖類等の分泌物等の脂質もしくは細胞内貯蔵生産物を含む。そのような油組成物は、バイオプラスチックの生産において有用である。
【００５９】
サンプル均衡および不均衡成長条件は、培地中の窒素含有量において異なり得る。例えば、窒素は、乾燥細胞重量の約１２％を構成し、これは、１２ｍｇ／Ｌの窒素が、１００ｍｇ／Ｌの乾燥細胞重量を生育するために（要求される化学量論的比率における供給原料および他の栄養素とともに）供給されなければならないことを意味する。他の供給原料および栄養素が、１００ｍｇ／Ｌの乾燥細胞重量を生産するために必要とされる量において利用可能であるが、１２ｍｇ／Ｌを下回る窒素が提供される場合、不均衡な細胞成長が、窒素を含有していないポリマーの蓄積とともに起こり得る。窒素が続けて提供される場合、貯蔵されたポリマーは、細胞のための供給原料としての役割を果たし、均衡成長を可能にし、新しい細胞の複製および生産を伴い得る。
【００６０】
本明細書で使用されるように、細胞または微生物に適用されるような用語「成長サイクル」は、それを通して細胞または微生物が培養条件において移動する代謝サイクルを指す。例えば、サイクルは、誘導期、指数増殖期、指数増殖期の終了、および定常期等の種々の段階を含み得る。
【００６１】
本明細書で使用されるように、用語「指数増殖成長」、「指数増殖期成長」、「対数期」、または「対数期成長」は、微生物が成長および分裂している速度を指す。例えば、対数期中、微生物は、その遺伝的能力、培地の性質、およびそれらが生育される条件を所与として、その最大速度において成長している。微生物の成長の速度は、指数増殖期中に一定であり、微生物は、一定の間隔で分裂し、数が倍加する。「能動的に成長している」細胞は、対数期において成長しているものである。対照的に、「定常期」は、培養物の細胞成長が緩慢になる、またはさらには停止する成長サイクルにおける点を指す。
【００６２】
本明細書で使用されるように、用語「高成長バリアント」は、唯一の炭素およびエネルギー源としてメタンまたはメタノール等のＣ１基質を用いた成長が可能であり、親、基準、または野生型の有機体、微生物、細菌、酵母、または細胞よりも速い指数増殖期成長速度を保有する有機体、微生物、細菌、酵母、または細胞を指し、つまり、高成長バリアントは、親細胞と比較して速い倍加時間を有し、その結果、高い成長速度および代謝されるＣ１基質のグラムあたりの細胞質量の収率を有する（例えば、米国特許第６，６８９，６０１号参照）。
本明細書で使用されるように、用語「バイオ燃料」は、「バイオマス」に少なくとも部分的に由来する燃料を指す。
【００６３】
本明細書で使用されるように、用語「バイオマス」または「生物学的物質」は、全細胞、溶解細胞、細胞外物質、または同等物のうちの１つもしくはそれを上回るものを含み得る、生物学的起源を有する有機物質を指す。例えば、培養された微生物（例えば、細菌または酵母培養物）から収穫された物質は、バイオマスと見なされ、これは、細胞、細胞膜、細胞質、封入体、培地の中に分泌もしくは排出される生産物、またはそれらの任意の組み合わせを含むことができる。ある実施形態では、バイオマスは、本開示のＣ１代謝微生物が生育された培地とともに、本開示のＣ１代謝微生物を備える。他の実施形態では、バイオマスは、Ｃ１（例えば、天然ガス、メタン）上で生育された培養物から回収された本開示の（全体または溶解もしくはその両方の）Ｃ１代謝微生物を備える。さらに他の実施形態では、バイオマスは、Ｃ１基質上のＣ１代謝微生物培養の培養物から排出または分泌された使用済み培地上澄部もしくはガスを備える。そのような培養物は、再生可能な資源と見なされ得る。
【００６４】
本明細書で使用されるように、用語「バイオリファイナリ」は、バイオマスから燃料を生産するために、バイオマス変換プロセスおよび機器を統合する施設を指す。
【００６５】
本明細書で使用されるように、「油組成物」は、脂肪酸、脂肪酸エステル、トリグリセリド、リン脂質、ポリヒドロキシアルカノエート、イソプレン、テルペン、または同等物を含む、バイオマス（例えば、細菌培養物）の脂質含有量を指す。バイオマスの油組成物は、ヘキサンまたはクロロホルム抽出等によって、バイオマス物質の残りから抽出され得る。加えて、「油組成物」は、細胞膜、細胞質、封入体、培地中に分泌もしくは排出される生産物、またはそれらの任意の組み合わせを含む、培養物の任意の１つまたはそれを上回る面積において見出され得る。油組成物は、天然ガスまたは原油のいずれでもない。
【００６６】
本明細書で使用されるように、用語「精製所」は、油組成物（例えば、バイオマス、バイオ燃料、または原油、石炭、もしくは天然ガス等の化石燃料）が処理され得る製油所またはその側面を指す。そのような精製所において実行されるサンプルプロセスは、分解、エステル転移反応、改質、蒸留、水素化処理、異性化、またはそれらの任意の組み合わせを含む。
【００６７】
本明細書で使用されるように、用語「組換」または「非天然」は、少なくとも１つの遺伝子的改変を有する、もしくは異種核酸分子の導入によって修正された有機体、微生物、細胞、核酸分子、もしくは媒介動物を指す、または内因性核酸分子もしくは遺伝子の発現が制御され得るように改変された細胞を指す。組換はまた、１つまたはそれを上回るそのような修正を有する細胞に由来する細胞を指す。例えば、組換細胞は、本来の細胞（すなわち、修正されていない、もしくは野生型の細胞）内で同じ形態において見出されない遺伝子もしくは他の核酸分子を発現し得る、または内因性遺伝子の改変された発現パターンを提供し得、そのような遺伝子は、別様に過剰発現される、過少発現される、殆ど発現されない、または全く発現されない場合がある。別の実施例では、酵素またはその機能的断片をコード化する核酸分子に対する遺伝子的修正は、生化学的反応または代謝経路能力を、新しい、またはその天然由来の状態から改変された組換微生物もしくは細胞に提供することができる。
【００６８】
本明細書で使用されるように、用語「異種」核酸分子、構築物、または配列は、これが発現される細胞に本来ない核酸分子または核酸分子配列の一部を指す、または類似する条件における本来の発現レベルと比較して改変された発現を伴う核酸分子である。例えば、異種制御配列（例えば、プロモータ、エンハンサ）が、自然に、または培養中に正常に発現される遺伝子もしくは核酸分子とは異なるように、遺伝子または核酸分子の発現を調整するために使用され得る。概して、異種核酸分子は、それらが存在する細胞またはゲノムの一部に対して内因性ではなく、接合、形質変換、形質導入、電気穿孔、または同等物によって細胞に追加されている。
【００６９】
本明細書で使用されるように、用語「垂直」は、当該場所において重力ベクトルと整合される方向を指す。
【００７０】
本明細書で使用されるように、用語「水平」は、当該場所において重力ベクトルに対して直角な方向を指す。
【００７１】
本明細書で使用されるように、用語「非垂直」は、水平である（すなわち、垂直に対して直角である）または垂直から２０°もしくはそれを上回る、例えば、垂直から２０°、２５°、３０°、３５°、４０°、４５°、５０°、５５°、６０°、６５°、７０°、７５°、８０°、もしくは８５°を上回る方向を指す。
【００７２】
本開示の発酵のためのシステムは、別個のユニット（例えば、相互に近接近して、または隣接して配置される、もしくはされない処理ユニットもしくはシステム）、統合されたユニットを含み得る、または本システム自体が、相互接続および統合され得る。本開示のシステムは、１つまたはそれを上回るＣ１化合物、酸素、および／もしくは水素を含む、少なくとも１つの気相供給原料を使用し得る。ある実施形態では、発酵システムは、発酵培養における主要な微生物として、Ｃ１代謝微生物（例えば、Ｍｅｔｈｙｌｏｓｉｎｕｓ  ｔｒｉｃｈｏｓｐｏｒｉｕｍ  ＯＢ３ｂ、Ｍｅｔｈｙｌｏｃｏｃｃｕｓ  ｃａｐｓｕｌａｔｕｓ  Ｂａｔｈ、Ｍｅｔｈｙｌｏｍｏｎａｓ  ｓｐ．  １６ａ、Ｍｅｔｈｙｌｏｍｉｃｒｏｂｉｕｍ  ａｌｃａｌｉｐｈｉｌｕｍ  ２０Ｚ、またそれらの高成長バリアントもしくは組み合わせ等のメタン資化性菌）を使用する。
【００７３】
種々の培養方法論が、本明細書に説明される微生物、細菌、および酵母のために使用され得る。例えば、メタン資化性またはメチロトローフ細菌等のＣ１代謝微生物は、バッチ培養および連続培養方法論によって生育され得る。概して、対数期における細胞は、多くの場合、いくつかのシステムにおいて着目生産物または中間物の大量生産に関与する一方、定常期または指数増殖期後生産は、他のシステムにおいて取得されることができる。
【００７４】
古典的バッチ培養方法は、培地組成物が培養が開始されるときに設定され、培養プロセス中に改変されない閉鎖システムである。つまり、培地は、１つまたはそれを上回る微生物の選択肢を用いて培養プロセスの開始時に接種され、次いで、システムに付加的微生物を添加することを伴わずに生育することを可能にされる。本明細書で使用されるように、「バッチ」培養は、最初に添加される特定の炭素源の量を変更しないことを指す一方、ｐＨならびに酸素および／または水素濃度等の因子の制御は、培養中に監視および改変されることができる。バッチシステムでは、システムの代謝物およびバイオマス組成物は、培養が終了する時間まで常に変化する。バッチ培養物内では、細胞（例えば、メチルトローフ等の細菌）は、概して、静的な誘導期から、高成長対数期に移動し、成長速度が低減または停止される定常期に移動するであろう（および最終的に、条件が変化しない場合、細胞死滅につながるであろう）。
【００７５】
フェドバッチシステムは、標準的バッチシステムに対する変形例であり、着目炭素基質が、培養が進行するにつれて増分において添加される。フェドバッチシステムは、細胞代謝がカタボライト抑制によって阻害される可能性が高いとき、および培地中に限定された量の基質を有することが望ましいときに有用である。フェドバッチシステムにおいて実際の基質濃度を測定することは困難であるため、推定が、ｐＨ、溶解酸素、および廃棄ガスの部分的圧力等の測定可能な因子の変化に基づいて成される。バッチおよびフェドバッチ培養方法は、当分野で一般的かつ公知である（例えば、Ｔｈｏｍａｓ  Ｄ．  Ｂｒｏｃｋ、Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ：「Ａ  Ｔｅｘｔｂｏｏｋ  ｏｆ  Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ  Ｍｉｃｒｏｂｉｏｌｏｇｙ」、第２版（１９８９年）Ｓｉｎａｕｅｒ  Ａｓｓｏｃｉａｔｅｓ，  Ｉｎｃ．、Ｓｕｎｄｅｒｌａｎｄ，  ＭＡ；Ｄｅｓｈｐａｎｄｅ、１９９２年、「Ａｐｐｌ．  Ｂｉｏｃｈｅｍ．  Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌ．」３６：２２７参照）。
【００７６】
連続培養は、定義された培地がバイオリアクタに連続的に添加される一方、等しい量の使用された（「調節された」）培地が処理のために同時に除去される意味において、「開放」システムである。連続培養は、概して、細胞が主として対数成長期にある一定の高い液相密度において細胞を維持する。代替として、連続培養は、固定化細胞（例えば、生物膜）を用いて実践され得、炭素および栄養素が、連続的に添加され、有益な生産物、副産物、および廃棄生産物が、細胞塊から連続的に除去される。細胞固定化は、天然材料、合成材料、またはそれらの組み合わせから成る広い範囲の固体担体を用いて達成され得る。
【００７７】
連続または半連続培養は、細胞成長または最終生産物濃度に影響を及ぼす１つもしくはそれを上回る因子の変調を可能にする。例えば、１つの方法は、固定された速度において限定された栄養素（例えば、炭素源、窒素）を維持し、全ての他のパラメータが経時的に変化することを可能にし得る。他の実施形態では、成長に影響を及ぼすいくつかの因子は、連続的に改変され得る一方、培地濁度によって測定されるような細胞濃度は、一定に保たれる。連続培養システムの目標は、細胞成長速度に対して培地が排出されることに起因する細胞喪失を均衡させながら、定常状態成長条件を維持することである。連続培養プロセスに関する栄養素および成長因子を変調する方法ならびに生産物形成の速度を最大限にするための技法が、当分野で周知である。（Ｂｒｏｃｋ、１９９２年参照）。
【００７８】
ある実施形態では、培地は、Ｃ１代謝微生物のためのエネルギー源として炭素基質を含む。好適な基質は、メタン、メタノール、ホルムアルデヒド、ギ酸（ギ酸塩）、一酸化炭素、二酸化炭素、メチル化アミン（メチルアミン、ジメチルアミン、トリメチルアミン等）、メチル化チオール、またはメチルハロゲン（ブロモメタン、クロロメタン、ヨードメタン、ジクロロメタン等）等のＣ１基質を含む。ある実施形態では、培地は、Ｃ１代謝微生物のための唯一の炭素源として単一のＣ１基質を備え得る、またはＣ１代謝微生物のための複数の炭素源として２つまたはそれを上回るＣ１基質の混合物（混合されたＣ１基質組成物）を備え得る。
【００７９】
加えて、いくつかのＣ１代謝微生物は、糖、グルコサミン、または代謝活性のための種々のアミノ酸等の非Ｃ１基質を利用することが公知である。例えば、いくつかのカンジダ種は、アラニンまたはオレイン酸を代謝することができる（Ｓｕｌｔｅｒ  ｅｔ  ａｌ．、「Ａｒｃｈ．  Ｍｉｃｒｏｂｉｏｌ．」１５３：４８５−４８９、１９９０年）。Ｍｅｔｈｙｌｏｂａｃｔｅｒｉｕｍ  ｅｘｔｏｒｑｕｅｎｓ  ＡＭ１は、限定された数のＣ２、Ｃ３、およびＣ４基質上での成長が可能である（Ｖａｎ  Ｄｉｅｎ  ｅｔ  ａｌ．、「Ｍｉｃｒｏｂｉｏｌ．」１４９：６０１−６０９、２００３年）。代替として、Ｃ１代謝微生物は、代替炭素基質を利用する能力を有する組換えバリアントであり得る。したがって、培地中の炭素源は、選択されたＣ１代謝微生物に応じて、単一および多炭素化合物を伴う、炭素基質の混合物を備え得ることが想定される。
【００８０】
ある実施形態では、本開示は、主として、Ｃ１代謝非光合成微生物を備える培養物からのバイオマスを油組成物に変換するステップと、油組成物を燃料に精製するステップとを含む、燃料を作製するための方法を提供する。ある実施形態では、Ｃ１代謝非光合成微生物は、絶対メタン資化性菌またはメチロトローフ等の絶対Ｃ１代謝非光合成微生物である。さらなる実施形態では、Ｃ１代謝非光合成微生物は、脂肪酸生産酵母、ホルムアルデヒド消化酵素、またはそれらの組み合わせをコード化する異種ポリヌクレオチドを備える、組換え微生物である。さらなる実施形態では、油組成物は、メチロトローフまたはメタン資化性菌等のＣ１代謝非光合成微生物の細胞膜に由来する、またはそれから抽出される。
【００８１】
ある実施形態では、本開示は、燃料を生産するために精製ユニット内で油組成物を精製することによって、燃料を作製するための方法を提供し、油組成物は、メチロトローフまたはメタン資化性菌等のＣ１代謝非光合成微生物に由来する。さらなる実施形態では、本方法はさらに、Ｃ１代謝非光合成微生物から油組成物を抽出するための処理ユニットの使用を含む。またさらなる実施形態では、本方法は、（ａ）制御された培養ユニット内で、Ｃ１基質を備える供給原料の存在下でＣ１代謝細菌を培養するステップであって、培養された細菌は、油組成物を生産する、ステップと、（ｂ）処理ユニット内で培養された細菌から油組成物を抽出するステップと、（ｃ）精製ユニット内で抽出された油組成物を精製し、燃料を生産するステップとを含む。ある実施形態では、供給原料Ｃ１基質は、メタン、メタノール、ホルムアルデヒド、ギ酸、一酸化炭素、二酸化炭素、メチルアミン、メチルチオール、またはメチルハロゲンである。
【００８２】
ある実施形態では、本開示は、エタノール、アセテート、ブタノール、単細胞タンパク質、糖、または他の代謝物もしくは細胞生産物等の天然生産物を作製するための方法を提供し、天然生産物は、メチロトローフまたはメタン資化性菌等のＣ１代謝非光合成微生物に由来する。
【００８３】
さらなる実施形態では、本方法はさらに、Ｃ１代謝非光合成微生物から天然生産物を抽出するための処理ユニットの使用を含む。
【００８４】
またさらなる実施形態では、本方法は、（ａ）制御された培養ユニット内で、Ｃ１基質を備える供給原料の存在下でＣ１代謝細菌を培養するステップであって、培養された細菌は、天然生産物を生産する、ステップと、（ｂ）処理ユニット内で培養された細菌から天然生産物を抽出するステップと、（ｃ）天然生産物を精製し、商業製品を生産するステップとを含む。ある実施形態では、供給原料Ｃ１基質は、メタン、メタノール、ホルムアルデヒド、ギ酸、一酸化炭素、二酸化炭素、メチルアミン、メチルチオール、またはメチルハロゲンである。
【００８５】
ある実施形態では、本開示は、エタノール、アセテート、ブタノール、イソプレン、プロピレン、ファルネセン、酵素、または他の代謝物もしくは細胞生産物等の天然または非天然生産物を作製するための方法を提供し、生産物は、異種ヌクレオチド配列を用いて形質変換されたメチロトローフまたはメタン資化性菌等の遺伝子的に操作されたＣ１代謝非光合成微生物に由来する。さらなる実施形態では、本方法はさらに、遺伝子的に操作されたＣ１代謝非光合成微生物から生産物を抽出するための処理ユニットの使用を含む。またさらなる実施形態では、本方法は、（ａ）制御された培養ユニット内で、Ｃ１基質を備える供給原料の存在下で遺伝子的に操作されたＣ１代謝細菌を培養するステップであって、培養された細菌は、天然生産物を生産する、ステップと、（ｂ）処理ユニット内で培養された細菌から天然生産物を抽出するステップと、（ｃ）天然生産物を精製し、商業製品を生産するステップとを含む。ある実施形態では、供給原料Ｃ１基質は、メタン、メタノール、ホルムアルデヒド、ギ酸、一酸化炭素、二酸化炭素、メチルアミン、メチルチオール、またはメチルハロゲンである。
【００８６】
ある実施形態では、本開示は、エタノール、アセテート、ブタノール、イソプレン、プロピレン、ファルネセン、酵素、または他の代謝物もしくは細胞生産物等の天然または非天然生産物を作製するための方法を提供し、生産物は、Ｅｓｃｈｅｒｉｃｈｉａ  ｃｏｌｉ、Ｓａｃｃａｒｏｍｙｃｅｓ  ｃｅｒｅｖｉｓｉａｅ、または他の一般的な他の生産微生物等の非Ｃ１代謝微生物に由来する。ある実施形態では、供給原料基質は、グルコース、スクロース、グリセロール、セルロース、または他の多炭素供給原料である。
【００８７】
米国特許第７，５７９，１６３号の図１に図示されるループ反応器は、略垂直下降流区域３の底部において始まり、略垂直上昇流区域５の始まりにおいて終わる、略水平区域４によって分離される、略垂直下降流区域３および略垂直上昇流区域５を含むものとして説明される。略垂直下降流区域３および略垂直上昇流区域５の存在は、流出区域６の終わりにおけるガス液体面２２と水平区域４におけるループ反応器の中心線との間に垂直距離をもたらす。第‘１６３号特許は、本垂直距離が、少なくとも１０メートルまたは約３２．８フィートであることを説明している。垂直上昇流区分５を通した上向きの液体培地流の、これが水平流出ガス／液体反応培地分離区分６に進入する場所までの距離は、ループの略水平区分４における上昇および略水平流出ガス／液体反応培地分離区分６における上昇に依存する。約１０メートルである、流出区域６の終わりにおけるガス液体面と水平区域４におけるループ反応器の中心線との間の垂直距離を収容するために十分な長さの略垂直下降流区域および略垂直上昇流区域の存在は、これらの区域を伴うループ反応器を設計および製造する全体的コストに有意に寄与する。例えば、約１０メートルである、流出区域６の終わりにおけるガス液体面２２と水平区域４におけるループ反応器の中心線との間の垂直距離を収容するために十分な高さの下降流および上昇流垂直区域を物理的に支持するために要求される構造の設計および製造と関連付けられるコストは、そのような区域を含むループ反応器を設計、建造、および保守する全体的コストに有意に寄与する。約１０メートルの高さの上昇流および下降流垂直区域を伴うループ反応器は、そのような反応器が、そのような高く垂直な上昇流および下降流区域を収容するために十分な垂直クリアランスを有するように格納される建物を要求する。少なくとも１０メートルの流出区域６の終わりにおけるガス液体面２２と水平区域４におけるループ反応器の中心線との間の垂直距離を含む、第’１６３号特許に説明されるタイプのループ反応器は、公式Ｐ＝ρｇｈによって表される略垂直下降流区域における静的上部圧力または静水圧を呈し、式中、Ｐは、パスカルにおける静水圧であり、ρは、ｋｇ／ｍ３における流体密度であり、ｇは、ｍ／秒２における重力加速度であり、ｈは、流出区域６の終わりにおけるガス液体面２２と水平区域４におけるループ反応器の中心線との間の垂直距離のメートルにおける長さである。少なくとも１０メートルの流出区域６の終わりにおけるガス液体面２２と水平区域４におけるループ反応器の中心線との間の垂直距離を含む、第’１６３号特許に説明されるタイプのるループ反応器に関して、略垂直下降流区域６の底部における静水圧Ｐは、少なくとも１０ρｇであるとして特徴付けられることができる。プロペラ１０の入口側に対する圧力は、本静水圧Ｐおよび流出ガス除去区域／上部ユニット２における圧力の和である。
【００８８】
図２は、分離サブシステム２５０、随意の熱サブシステム２７０、および随意の制御サブシステム２９０とともにループ反応器１０１を含む、バイオマスの生産を刺激するための例示的システム２００を示す。統合されたシステム２００として示されるが、随意のサブシステムは、個別に、または任意の組み合わせのいずれかにおいて、設置される、または別様にループ反応器１０１と組み合わせられ得る。１つまたはそれを上回る液体および１つまたはそれを上回るガス基質が、ループ反応器１０１に導入され、ループ反応器１０１を通して進行する液体培地を伴う多相混合物を形成する。ループ反応器１０１を通した通過後、多相混合物は、ループ反応器内１０１内の生物学的有機体によって生産された１つまたはそれを上回る化合物、多相混合物内の液体中の消費されていない栄養素および他の化合物、多相混合物内のガス気泡中の消費されていないガス、ならびにバイオ固体の形態における微生物学的有機体を含有し得る。過剰な微生物学的有機体は、断続的にか、または連続的にかのいずれかで、バイオマスとしてループ反応器１０１から除去され得る。ループ反応器１０１内のバイオマス蓄積物は、ループ反応器１０１内の全体的バイオマスを、定義された範囲内に、または定義された閾値を上回って、もしくは下回って維持するために除去され得る。少なくともいくつかの事例では、ループ反応器１０１から除去されたバイオマスは、１つまたはそれを上回る有用な化合物を含み得る。例えば、過剰なバイオマス内の生物学的有機体は、バイオディーゼル等のバイオ燃料またはタンパク質含有生産物の生産において有用な、ある量の１つまたはそれを上回る細胞内脂質もしくは類似する化合物を含有し得る。
【００８９】
１つまたはそれを上回る液体は、ループ反応器１０１内の微生物学的有機体に１つまたはそれを上回る栄養素を持続もしくは送達するために好適な任意の液体を含み得る。そのような液体は、限定ではないが、水溶液、１つまたはそれを上回るアルコール、ミネラル、１つまたはそれを上回る窒素含有化合物、１つまたはそれを上回るリン含有化合物、および同等物を含み得る。少なくともいくつかの事例では、１つまたはそれを上回る流体移動装置が、制御された様式および圧力において１つまたはそれを上回る液体をループ反応器１０１に送達するために使用される。１つまたはそれを上回る流体移動装置は、２点間で液体を移動させることが可能な任意のタイプのポンプまたは類似するデバイスを含むことができる。例示的流体移動装置は、限定ではないが、遠心ポンプ、容積式ポンプ、一軸ねじポンプ、ダブルダイヤフラムポンプ、および同等物を含む。他の例証的流体移動装置は、限定ではないが、エダクタ、エジェクタ、および類似するデバイスを含む。ループ反応器１０１への液体の移動は、流量制御される、圧力制御される、または圧力、温度、流量、レベル、流率、表面速度、もしくはループ反応器１０１内の１つもしくはそれを上回る点から、もしくはシステム２００内の１つもしくはそれを上回る点から収集された組成分析プロセス可変データの組み合わせを使用して制御されることができる。少なくともいくつかの事例では、流体移動装置による液体の移動は、ループ反応器１０１内の１つまたはそれを上回る成分もしくは化合物（例えば、１つまたはそれを上回る炭素含有もしくは窒素含有栄養素）の測定された濃度に基づいて制御されることができ、例えば、流体移動装置によって移動される液体の流量は、ループ反応器１０１内の栄養素濃度の測定された減少に応答して増加され得る。
【００９０】
１つまたはそれを上回るガス基質は、ループ反応器１０１内の生物学的有機体に１つまたはそれを上回る栄養素を持続もしくは送達するために好適な任意のガス、複数のガス、またはガスの組み合わせを含むことができる。そのようなガスは、限定ではないが、炭素化合物を含有する１つまたはそれを上回るガスを含むことができる。そのようなガスは、限定ではないが、メタンまたは一酸化炭素等のＣ１炭素化合物を含有する１つまたはそれを上回るガスを含むことができる。１つまたはそれを上回るガス基質はまた、ループ反応器１０１内の生物学的有機体の代謝プロセスにおいて使用される１つまたはそれを上回るガスを含み得る。そのようなガスは、限定ではないが、酸素、酸素含有化合物、および水素を含むことができる。１つまたはそれを上回るガス基質は、純粋ガスとして、またはガス混合物（例えば、合成ガス、すなわち、一酸化炭素および水素の混合物）としてループ反応器１０１に移動され得る。１つまたはそれを上回るガス基質は、ループ反応器１０１に個別に移動され得る（例えば、メタンおよび空気等の酸素含有ガスは、ループ反応器１０１の外部での爆発性ガス混合物の形成の可能性を最小限にするために、個別に移動され得る）。
【００９１】
１つまたはそれを上回るガス基質は、随意に、ガス移動装置を使用してループ反応器１０１に移動され得る。例示的ガス移動装置は、限定ではないが、回転ローブコンプレッサ、遠心コンプレッサ、スクリュコンプレッサ、および同等物を含む。１つまたはそれを上回るガス基質の送達圧力は、ループ反応器１０１の動作圧力および１つまたはそれを上回るガス基質をループ反応器１０１内に分配するために使用されるガス分配器と関連付けられる圧力降下を含む、種々の因子に依存する。同様に、１つまたはそれを上回るガス基質の送達流率は、ループ反応器１０１内の溶解ガスの濃度またはレベルを、少なくとも部分的に、ループ反応器１０１内に存在する生物学的有機体の必要性に基づいて、定義された範囲内（例えば、少なくとも４ｐｐｍを上回る溶解酸素）に維持するように手動で、または自動的に制御され得る。少なくともいくつかの事例では、１つまたはそれを上回るガス基質は、約１．５ｐｓｉｇ〜約６００ｐｓｉｇ、約５ｐｓｉｇ〜約６００ｐｓｉｇ、約２５ｐｓｉｇ〜約４００ｐｓｉｇ、または約５０ｐｓｉｇ〜約３００ｐｓｉｇの圧力においてループ反応器１０１に送達されることができる。
【００９２】
任意の数のガスが、共通のガス分配ヘッダまたは任意の数の個々のガス分配ヘッダを通して導入され得る。そのようなガス分配ヘッダは、ループ反応器１０１内の単一点においてガス基質の全てを導入し得る、またはループ反応器１０１全体を通した種々の場所においてガス基質の一部を導入し得る。少なくともいくつかの事例では、ガス基質は、限定ではないが、メタン、一酸化炭素、水素、または酸素を含むことができる。少なくともいくつかの事例では、ガス基質の給送速度は、液体培地の給送速度を基準にすることができる。例えば、メタンは、液体培地のリットルあたり約０．１グラムのメタン（ｇ／ｌ）〜約１００ｇ／ｌ、約０．５ｇ／ｌ〜約５０ｇ／ｌ、または約１ｇ／ｌ〜約２５ｇ／ｌの速度においてガス基質として導入され得る。一酸化炭素（「ＣＯ」）は、液体培地のリットルあたり約０．１グラムのＣＯ（ｇ／ｌ）〜約１００ｇ／ｌ、約０．５ｇ／ｌ〜約５０ｇ／ｌ、または約１ｇ／ｌ〜約２５ｇ／ｌの速度においてガス基質２０４として導入され得る。酸素は、液体培地のリットルあたり約１グラムの酸素（ｇ／ｌ）〜約１００ｇ／ｌ、約２ｇ／ｌ〜約５０ｇ／ｌ、または約５ｇ／ｌ〜約２５ｇ／ｌの速度においてガス基質２０４として導入され得る。水素は、液体培地のリットルあたり約０．０１グラムの水素（ｇ／ｌ）〜約５０ｇ／ｌ、約０．１ｇ／ｌ〜約２５ｇ／ｌ、または約１ｇ／ｌ〜約１０ｇ／ｌの速度においてガス基質２０４として導入され得る。
【００９３】
ループ反応器１０１内で、微生物学的有機体は、多相混合物中に存在する炭素含有化合物の少なくとも一部を代謝するであろう。本プロセスの少なくとも一部は、ループ反応器１０１内に存在するバイオマスの全体的量を増加させる付加的微生物学的有機体の生産を含み得る。制御されないままだと、ループ反応器１０１内のバイオマスは、ループ反応器１０１の１つまたはそれを上回る動作側面（例えば、流率、圧力降下、所望の生産物の生産等）が過剰なバイオマスの存在によって損なわれる、または悪影響を受けるような点まで蓄積し得る。そのような事例では、ループ反応器１０１内に存在するバイオマスの少なくとも一部を除去する能力が、望ましい。少なくともいくつかの事例では、バイオマスは、少なくとも１つのバイオマス除去ポート（図３および４の１２８）を介してループ反応器１０１からのバイオ固体除去を促進するガス／液体分離容器（図３および４の１０２）内のある場所において優先的に蓄積する。除去されたバイオマスは、バイオマスがさらに処理され、望ましい生産物がバイオマスから回収され得る分離サブシステム２５０に送達されることができる。
【００９４】
少なくともいくつかの事例では、バイオマス生産プロセスの全てまたは一部は、制御サブシステム２９０を使用して、少なくとも部分的に自動的に制御され得る。制御サブシステム２９０は、１つまたはそれを上回るプロセス変数を表すアナログもしくはデジタルデータを含有する信号の形態において、１つまたはそれを上回るプロセス要素によって提供されるプロセス関連情報を収集し得る。例えば、制御サブシステムは、限定ではないが、質量流量センサ、体積流量センサ、温度センサ、圧力センサ、レベルセンサ、分析センサ（例えば、溶解酸素センサ、生物学的酸素要求量または「ＢＯＤ」センサ、ｐＨセンサ、伝導度センサ、および同等物）、またはループ反応器１０１内の１つまたはそれを上回るプロセス関連条件を表すデータを含有する信号を提供することが可能な任意の他のデバイスを含む、１つまたはそれを上回るプロセス要素を使用してプロセス関連信号を収集することができる。
【００９５】
制御サブシステム２９０は、少なくとも部分的に、プロセス要素から受信されたプロセス可変信号に基づいて、発酵プロセスの１つまたはそれを上回る側面を制御、改変、もしくは調節する命令の１つまたはそれを上回るセットを実行し得る。そのような命令は、制御サブシステム２９０による１つまたはそれを上回る制御出力信号の生成をもたらし得る。制御出力信号は、制御サブシステム２９０から、締切弁、制御弁、モータ、可変速度駆動装置等の１つまたはそれを上回る最終制御要素に伝送されることができる。最終制御要素と発酵プロセスとの間の相互作用は、順に、制御サブシステム２９０に、バイオマス生産プロセスの比較的に正確な高制御度を提供することができる。
【００９６】
例えば、ループ反応器１０１内の多相混合物の温度を示すデータを含有する１つまたはそれを上回る信号の受信に応答して、制御サブシステム２９０は、熱伝達ユニット動作への熱伝達媒体の流動を開始、改変、または中止し得る。同様に、ループ反応器１０１内の多相混合物の溶解酸素レベルを示すデータを含有する１つまたはそれを上回る信号の受信に応答して、制御サブシステム２９０は、ループ反応器１０１への酸素含有ガス基質の流動を増加させる、減少させる、または維持し得る。２つの例証的実施例のみが本明細書に提供されているが、発酵プロセスに適切である任意の流量、レベル、圧力、分析値、または同等物が、１つまたはそれを上回る適切なプロセスセンサおよび１つまたはそれを上回る適切な最終制御要素を使用する制御サブシステム２９０によって同様に制御され得る。
【００９７】
図３および４は、バイオマスの生産を刺激するための例示的システム１００を示す。例示的システム１００は、ガス／液体分離ユニット動作１０２（例えば、ガス／液体分離容器または微生物を含む液体培地の多相混合物から液体およびガスを分離することが可能な他の機器）と、流体流動ユニット動作１０４（例えば、ポンプまたは流体を移動させることが可能な他のデバイス）と、ループ区分１０６と、第１の非垂直減圧区域１０８とを含む、ループ反応器１０１を含む。本明細書で使用されるように、ループ区分１０６は、流体流動ユニット動作１０４の出口からガス／液体分離ユニット動作１０２まで延在するループ反応器１０１のその部分を指す。ループ区分１０６は、垂直部分を含み得る、または含まない場合がある。ループ区分１０６が垂直部分を含まないとき、これは、非垂直ループ区分１０６と称され得る。例示的システム１００の付加的実施形態では、ループ反応器１０１は、第１の非垂直減圧区域１０８の下流に（図３に図示される）第２の減圧区域１１２を含む。付加的例示的実施形態では、第２の減圧区域１１２は、第２の非垂直減圧区域であり得る、またはこれは、垂直減圧区域であり得る。垂直減圧区域１４７が、図３に図示される。付加的実施形態における例示的システム１００は、栄養素および／またはミネラル供給サブシステム１１４ならびに熱伝達ユニット動作１１６を含む、他のサブシステムを含む。例示的システム１００は、液体培地、供給されるガス状基質、および栄養素の多相混合物を形成するためにガス状基質および栄養素を液体培地に導入することによって、バイオマスの生産を刺激する。本多相混合物は、流体流動ユニット動作１０４の作用によって、ループ反応器１０１を通して流動する。液体培地は、ガス状基質を望ましい生産物に変換することが可能な微生物を含み、その一部は、微生物から、またはガス／液体分離ユニット動作１０２内に形成される気相および／もしくは液相から回収され得る。ガス状基質および栄養素は、栄養素供給サブシステム１１４からループ反応器１０１に送達されることができ、ループ反応器１０１は、液体培地の中への、および微生物の中へのガス状基質ならびに栄養素の物質移動を助長する条件下で動作される。栄養素およびミネラルは、栄養素／ミネラル供給サブシステム１１４によって示されるもの以外の場所において導入されることができる。例えば、ミネラルおよび／または栄養素は、熱伝達ユニット動作１１６において供給され得る。ガス／液体分離容器１０２は、液体培地中に留まる任意のガスおよび液体培地から分離されたガスを含む液体培地を受容し、それらを液相および気相に分離する。ガス／液体分離容器１０２内の気相から分離された液相は、ガス／液体分離容器１０２から除去され、流体流動ユニット動作１０４によって受容される。
【００９８】
図４に図示される例示的システム１００は、いずれの垂直区分も含まないループ区分１０６を含む。図３に図示される例示的システム１００は、従来のループ反応器のループ区分内に含まれる垂直区分よりも短い垂直区分を含む、ループ区分１０６を含む。例えば、図３の例示的システム１００のループ区分１０６は、その出口１３５における（すなわち、ガス／液体分離ユニット動作１０２への入口における）ループ区分１０６の中心線と流体流動ユニット動作１０４の出口１３１におけるループ区分１０６の中心線との間の垂直距離の５０％未満、４０％未満、３０％未満、２０％未満、または１０％未満である垂直区分を含むことができる。図３および４を参照すると、ガス／液体分離ユニット動作１０２内のガス／液体界面１１８と流体流動ユニット動作１０４の出口１３１におけるループ区分１０６の中心線との間のループ反応器の部分は、略垂直下降流区域である。ガス／液体分離ユニット動作１０２内のガス／液体界面１１８と流体流動ユニット動作１０４の出口１３１におけるループ区分１０６の中心線との間の垂直距離は、ガス／液体分離ユニット動作１０２内のガス／液体界面１１８が、その出口１３５におけるループ区分１０６のループ区分中心線と一致する（すなわち、それと同一の高度にある）とき、その出口１３５におけるループ区分１０６のループ区分中心線と流体流動ユニット動作１０４の出口１３１におけるループ区分１０６の中心線との間の垂直距離に等しい。他の実施形態では、ガス／液体分離ユニット動作１０２内のガス／液体界面１１８は、その出口１３５におけるループ区分１０６のループ区分中心線の下方にあり、その出口１３５におけるループ区分１０６のループ区分中心線と一致しない。これらの実施形態では、ガス／液体分離ユニット動作１０２内のガス／液体界面１１８と流体流動ユニット動作１０４の出口１３１におけるループ区分１０６の中心線との間の垂直距離は、その出口１３５におけるループ区分１０６のループ区分中心線と流体流動ユニット動作１０４の出口１３１におけるループ区分１０６の中心線との間の垂直距離を下回る。例示的システム１００は、１０メートルを下回る、９メートルを下回る、８メートルを下回る、７メートルを下回る、６メートルを下回る、５メートルを下回る、４メートルを下回る、３メートルを下回る、２メートルを下回る、または１メートルを下回る、その出口１３５における（すなわち、ガス／液体分離ユニット動作１０２への入口における）ループ区分１０６の中心線と流体流動ユニット動作１０４の出口１３１におけるループ区分１０６の中心線（および流体流動ユニット動作１０４の中心線が、流体流動ユニット動作１０４の出口１３１におけるループ区分１０６の中心線と同一の高度にあるとき、流体流動ユニット動作１０４の中心線）との間の垂直距離によって特徴付けられる。上記に説明される実施形態によると、そのようなループ反応器は、公式Ｐ＝ρｇｈによって表される、流体流動ユニット動作の入口における流体流動ユニット動作１０４の上流の静的上部圧力または静水圧を呈し、式中、Ｐは、パスカルにおける静水圧であり、ρは、ｋｇ／ｍ３における流体密度であり、ｇは、ｍ／秒２における重力��速度であり、ｈは、ガス／液体分離ユニット動作１０２内のガス／液体界面１１８と流体流動ユニット動作１０４の出口１３１におけるループ区分１０６の中心線との間の垂直距離のメートルにおける長さである。１０メートルを下回る、ガス／液体分離ユニット動作１０２内のガス／液体界面１１８と流体流動ユニット動作１０４の出口１３１におけるループ区分１０６の中心線との間の垂直距離を含む、上記の実施形態によるループ反応器に関して、流体流動ユニット動作１０４の出口１３１におけるループ区分１０６の中心線と実質的に同一の高度にある流体流動ユニット動作１０４の入口における静水圧Ｐは、１０ρｇを下回るものとして特徴付けられることができる。ガス／液体分離ユニット動作１０２内のガス／液体界面１１８と流体流動ユニット動作１０４の出口１３１におけるループ区分１０６の中心線との間の垂直距離が、９メートルを下回る、８メートルを下回る、７メートルを下回る、６メートルを下回る、５メートルを下回る、４メートルを下回る、３メートルを下回る、２メートルを下回る、または１メートル長を下回る、流体流動ユニット動作１０４の入口における静水圧Ｐは、それぞれ、９ρｇ、８ρｇ、７ρｇ、６ρｇ、５ρｇ、４ρｇ、３ρｇ、２ρｇ、またはρｇを下回るものとして特徴付けられることができる。流体流動ユニット動作１０４の入口側に対する圧力は、本静水圧Ｐおよびガス／液体分離ユニット動作１０２のヘッドスペース内の圧力の和である。
【００９９】
ガス／液体界面１１８が、その出口におけるループ区分１０６のループ区分中心線の下方にあり、その出口１３５におけるループ区分１０６のループ区分中心線と一致せず、ガス／液体分離ユニット動作１０２内のガス／液体界面１１８と流体流動ユニット動作１０４の出口１３１におけるループ区分１０６の中心線との間の垂直距離が１０メートルを下回る、例示的システム１００のそれらの実施形態では、流体流動ユニット動作１０４への入口における静水圧Ｐは、１０ρｇを下回るものとして特徴付けられることができる。ガス／液体分離ユニット動作１０２内のガス／液体界面１１８と流体流動ユニット動作１０４の出口１３１におけるループ区分１０６の中心線との間の垂直距離が、９メートルを下回る、８メートルを下回る、７メートルを下回る、６メートルを下回る、５メートルを下回る、４メートルを下回る、３メートルを下回る、２メートルを下回る、または１メートル長を下回る、流体流動ユニット動作１０４への入口における静水圧Ｐは、それぞれ、９ρｇ、８ρｇ、７ρｇ、６ρｇ、５ρｇ、４ρｇ、３ρｇ、２ρｇ、またはρｇを下回るものとして特徴付けられることができる。
【０１００】
上記に留意されるように、流体流動ユニット動作１０４の入口側に対する圧力は、静水圧Ｐおよびガス／液体分離ユニット動作１０２のヘッドスペース内の圧力の和である。本明細書に説明される例示的実施形態では、出口１３１におけるループ区分１０６の中心線と実質的に同一の高度にある流体流動ユニット動作１０４の入口における圧力は、ガス／液体分離ユニット動作１０２内のガス／液体界面１１８と流体流動ユニット動作１０４の出口１３１におけるループ区分１０６の中心線との間の垂直距離が、９メートルを下回る、８メートルを下回る、７メートルを下回る、６メートルを下回る、５メートルを下回る、４メートルを下回る、３メートルを下回る、２メートルを下回る、または１メートルを下回るシステム１００に関して、それぞれ、９ρｇ＋ガス／液体分離ユニット動作１０２のヘッドスペース内の圧力、８ρｇ＋ガス／液体分離ユニット動作１０２のヘッドスペース内の圧力、７ρｇ＋ガス／液体分離ユニット動作１０２のヘッドスペース内の圧力、６ρｇ＋ガス／液体分離ユニット動作１０２のヘッドスペース内の圧力、５ρｇ＋ガス／液体分離ユニット動作１０２のヘッドスペース内の圧力、４ρｇ＋ガス／液体分離ユニット動作１０２のヘッドスペース内の圧力、３ρｇ＋ガス／液体分離ユニット動作１０２のヘッドスペース内の圧力、２ρｇ＋ガス／液体分離ユニット動作１０２のヘッドスペース内の圧力、またはρｇ＋ガス／液体分離ユニット動作１０２のヘッドスペース内の圧力を下回る。流体流動ユニット動作１０４への入口における例示的圧力は、０．９バールゲージを下回る、０．８バールゲージを下回る、０．７バールゲージを下回る、０．６バールゲージを下回る、０．５バールゲージを下回る、０．４バールゲージを下回る、０．３バールゲージを下回る、０．２バールゲージを下回る、または０．１バールゲージを下回る。例えば、流体流動ユニット動作１０４への入口における圧力は、０．５５バールゲージ〜１．０バールゲージ、０．５５バールゲージ〜０．８バールゲージ、または０．５５バールゲージ〜０．７バールゲージに及ぶ。
【０１０１】
本明細書に説明される実施形態によるループ反応器１０１は、２０：１〜６０：１または３０：１〜５０：１である、ループ区分１０６の長さ対ガス／液体分離ユニット動作１０２内のガス／液体界面１１８と流体流動ユニット動作１０４の出口１３１におけるループ区分１０６の中心線との間の垂直距離の比率を含む。本明細書に説明される実施形態によるループ反応器は、２０：１〜６０：１または３０：１〜５０：１である、ループ区分１０６の長さ対ガス／液体分離ユニット動作１０２内のガス／液体界面１１８と流体流動ユニット動作１０４の出口１３１におけるループ区分１０６の中心線との間の垂直距離の比率を含むループ反応器に限定されない。本明細書に説明される実施形態によるループ反応器は、２０：１〜６０：１または３０：１〜５０：１の範囲外に該当する、ループ区分１０６の長さ対ガス／液体分離ユニット動作１０２内のガス／液体界面１１８と流体流動ユニット動作１０４の出口１３１におけるループ区分１０６の中心線との間の垂直距離の比率を含むことができる。例えば、本明細書に説明される実施形態によるループ反応器は、２０：１を下回る、または６０：１を上回る、ループ区分１０６の長さ対ガス／液体分離ユニット動作１０２内のガス／液体界面１１８と流体流動ユニット動作１０４の出口１３１におけるループ区分１０６の中心線との間の垂直距離の比率を有する。例えば、本明細書に説明される実施形態によるループ反応器１０１は、６０：１を上回る比率、例えば、最大１００：１またはそれを上回る比率を有することができる。
【０１０２】
限定ではないが、ガス／液体分離ユニット動作１０２（例えば、ガス／液体分離容器または液体、ガス、および微生物の多相混合物から液体およびガスを分離することが可能な他の機器）、流体流動ユニット動作１０４（例えば、ポンプまたは流体を移動させることが可能な他のデバイス）、ループ区分１０６、および第１の非垂直減圧区域１０８を含む、ループ反応器１０１の要素は、金属、非金属、または複合構造であり得る。例えば、要素は、３０４、３０４Ｌ、３１６、または３１６Ｌ  ステンレス鋼等の１つまたはそれを上回る金属材料を含むことができる。いくつかの事例では、１つまたはそれを上回るコーティング、層、被覆層、インサート、または他の材料が、金属、非金属、または複合構造の全てもしくは一部上に堆積される、それに適用される、それと継合される、またはそれに一体形成され、微生物学的有機体がそれに付着する、またはその上で成長する能力に好影響または悪影響を及ぼすことができる。例えば、微生物学的有機体の成長または付着を阻止するコーティングが、熱伝達ユニット動作１１６に熱伝導的に結合されるループ反応器１０１の表面上に堆積される、またはそれと一体形成され得る。別の実施例では、生物学的有機体の成長または付着を阻止するコーティングが、蓄積されたバイオマスの除去をより容易に達成することが望ましいループ反応器１０１の部分上に堆積される、またはそれと一体形成され得る。
【０１０３】
少なくともいくつかの事例では、ループ反応器１０１の要素の構造は、プロセス接触面の全てまたは一部の滅菌を促進する特徴を含むことができる。そのような滅菌は、例えば、蒸気滅菌、紫外線滅菌、化学滅菌、またはそれらの組み合わせを使用して遂行されることができる。少なくともいくつかの事例では、１つもしくはそれを上回る非金属材料または１つもしくはそれを上回る非金属コーティングが、ループ反応器１０１の要素のいくつかまたは全ての内部もしくは外部の全てもしくは一部内で使用され得る。そのような非金属材料の使用は、有利なこととして、例えば、生物学的成長を持続または助長することが可能な滅菌可能面を提供し得る。
【０１０４】
ガス／液体分離容器１０２は、従来のバイオリアクタと併用されるガス／液体分離器と同一の原理で動作する、多相混合物１２１を少なくともガス流出物１２３および液体流出物１２５に分離するための任意の数のデバイス、システム、またはそれらの組み合わせを含むことができる。少なくともいくつかの事例では、多相混合物１２１中に存在するバイオ固体は、固体含有流出物に分離され得る。少なくともいくつかの事例では、ガス／液体分離容器１０２からの固体含有流出物の少なくとも一部は、１つまたはそれを上回る液体と組み合わせられ、混合物は、ガス／液体分離容器またはループ区分１０６に戻されることができる。少なくともいくつかの事例では、ガス／液体分離容器１０２は、並列または直列に動作する１つまたはそれを上回るガス／液体分離器を含むことができる。
【０１０５】
ガス／液体分離容器１０２は、多相混合物１２１からガス流出物１２３および液体流出物１２５を分離することが可能な１つまたはそれを上回る受動的分離器（例えば、１つまたはそれを上回る湿式サイクロンもしくは同等物）を含むことができる。少なくともいくつかの事例では、受動的分離器はまた、多相混合物１２１中に存在するバイオ固体の少なくとも一部を分離するために、固体分離区分を含み得る。他の事例では、ガス／液体分離容器１０２は、多相混合物１２１からガス流出物１２３、液体流出物１２５、および固体含有流出物を分離することが可能な１つまたはそれを上回る能動的分離デバイス（例えば、三相回転分離器）を含むことができる。
【０１０６】
少なくともいくつかの事例では、ガス流出物１２３は、１つまたはそれを上回るガス基質（例えば、メタンまたは一酸化炭素）およびループ反応器１０１内の生物学的有機体によって副産物として生成される１つまたはそれを上回るガス状副産物（例えば、二酸化炭素）の混合物を含み得る。少なくともいくつかの事例では、ガス流出物１２３は、分離され、１つまたはそれを上回るガス基質の少なくとも一部は、例えば、ガス基質としてループ反応器１０１に再循環され得る（図示せず）。少なくともいくつかの事例では、ガス流出物１２３は、１つまたはそれを上回る有用な化合物を含み得る。例えば、ガス流出物１２３は、ある量の１つまたはそれを上回るガス状Ｃ２＋炭化水素化合物およびそれに基づいて最終生産物または後続プロセスにおける未加工材料のいずれかとしての価値を有する化合物を含有し得る。そのような有用な化合物は、ループ反応器１０１にガス流出物１２３の少なくとも一部を再循環することに先立って、ガス流出物１２３から分離され得る。
【０１０７】
少なくともいくつかの事例では、液体流出物１２５は、栄養素および／またはミネラル供給サブシステム１１４によってループ反応器１０１に導入される、１つまたはそれを上回る液体、栄養素、および同等物を含有する混合物を含むであろう。少なくともいくつかの事例では、液体流出物１２５は、ループ反応器から除去され、ガス／液体分離容器１０２内の発泡を低減させるために、ガス／液体分離容器１０２内の多相混合物の表面上に噴霧することによってガス／液体分離容器１０２に戻され得る。消泡剤が、ガス／液体分離容器１０２の中に噴霧される液体流出物１２５に添加され得る、または液体流出物１２５を伴わないガス／液体分離容器１０２の中に噴霧され得る。少なくともいくつかの事例では、液体流出物１２５は、１つまたはそれを上回る有用な化合物を含み得る。例えば、液体流出物１２５は、ある量の１つまたはそれを上回る、限定ではないが、アルコール、ケトン、グリコールを含む、液体Ｃ２＋炭化水素化合物およびそれに基づいて最終生産物または後続プロセスにおける未加工材料のいずれかとしての価値を有する他の化合物を含有し得る。そのような有用な炭化水素化合物は、液体流出物１２５から分離され得る。
【０１０８】
いくつかの事例では、反応器は、エタノール、アセテート、ブタノール、イソプレン、プロピレン、イソプレン、酵素、または生産物が微生物に由来する他の代謝物もしくは細胞生産物等の天然または非天然生産物を生産するために使用される。そのような場合では、生産物は、生産物の物理的性質に応じて、ガス流出物１２３または液体流出物１２５のいずれかの中に存在し得る。
【０１０９】
少なくともいくつかの事例では、ガス／液体分離容器１０２の底部は、容器１０２内の所望の場所における生物学的物質１２７（すなわち、「バイオ固体」または「バイオマス」）の蓄積を助長するように成形、形成、または構成されることができる。例えば、ガス／液体分離容器１０２の底部は、容器１０２の底部に沈降するバイオ固体１２７が１つまたはそれを上回る事前判定された場所において優先的に集合するように、円錐形に成形される、皿状にされる、または傾斜することができる。図３に図示される実施形態では、液体流出物１２５およびバイオ固体１２７は、ガス／液体分離容器１０２の底部から除去され、流体流動ユニット動作１０４、例えば、ポンプに送達されることができる。ガス／液体分離容器１０２から除去された液体流出物１２５およびバイオ固体１２７は、ポンプ１０４の入口１２９において受容され、ポンプ１０４の出口１３１から出力されることができる。ポンプ１０４の出口１３１は、ループ反応器１０１のループ区分１０６の入口１３３と流体連通する。液体流出物１２５およびバイオ固体１２７を移動させるために好適なポンプは、機械的作用によって流体（液体またはガス）およびスラリーを移動させることが可能であり、バイオマスに有害な剪断力および／またはキャビテーションの実質的不在下で所望の流率を生産することが可能であるポンプを含む。キャビテーションは、多相混合物中のガス状基質および栄養素を溶液から出させ、それらをバイオマスによりアクセスしにくくするため、キャビテーションを回避することが、望ましい。そのようなタイプのポンプの実施例は、遠心ポンプであるが、遠心ポンプではないポンプもまた、使用され得る。例えば、容積式ポンプ、一軸ねじポンプ、ダブルダイヤフラムポンプ、および同等物もまた、使用されることができる。ポンプ以外のデバイスもまた、多相混合物を移動させるために使用されることができ、例えば、米国特許第７，５７９，１６３号に説明されるプロペラおよびモータ等のモータによって駆動されるプロペラが、ポンプの代わりに、またはそれとの組み合わせにおいて使用されることができる。
【０１１０】
図３および４では、流体流動ユニット動作１０４の出口１３１は、ループ区分１０６の入口１３３と流体連通する。ループ区分１０６は、その入口１３３からループ区分１０６の出口１３５まで延在する。ループ区分１０６の出口１３５は、ガス／液体分離容器１０２と流体連通する。ループ区分１０６は、ループ反応器１０１を使用して実行される反応／発酵プロセスに悪影響を及ぼさない材料から作製される配管から形成されることができる。例えば、ループ区分１０６は、ループ反応器１０１の要素に関して上記に説明される材料から作製される配管から形成されることができる。ループ区分１０６の断面積は、一定であり得る、またはループ区分１０６は、異なる断面積を有する１つもしくはそれを上回る区分を含み得る。本開示におけるループ区分１０６の断面積の言及は、ガス／液体分離容器１０２の断面積を含まない。ループ区分１０６の内径は、広い範囲にわたって変動し得る。例示的直径は、約２０センチメートル〜３メートルに及ぶ。他の例示的直径は、２５センチメートル〜２．５メートルに及ぶ。ループ区分１０６が、異なる断面積の区分を含むとき、より大きい断面積を有するループ区分１０６の区分は、より小さい断面積を有するループ区分１０６の区分の断面積の最大３倍である断面積を有する。他の例示的実施形態では、より大きい断面積を有するループ区分１０６の区分は、より小さい断面積を有するループ区分１０６の区分の断面積の最大２倍である断面積を有する。また他の例示的実施形態では、より大きい断面積を有するループ区分１０６の区分は、より小さい断面積を有するループ区分１０６の区分の断面積の最大０．５倍である断面積を有する。ループ区分１０６の長さは、多相混合物１２１がループ区分１０６内に存在する時間の所望の長さを含む、いくつかの因子に応じて変動することができる。ループ区分１０６の長さはまた、限定ではないが、所望される合計反応器／液体体積、ループを横断する合計圧力降下、所望の基質利用および収率等の他の因子に基づいて判定され得る。例示的実施形態では、ループ区分１０６は、その中心線において約３０ｍ〜約２５０ｍ、４０ｍ〜約２００ｍ、５０ｍ〜約１５０ｍ、および６０〜約１００ｍの長さにおいて変動することができる。
【０１１１】
図３および４に図示されるループ区分１０６の実施形態は、上方から視認されると９０°角度に屈曲する２つのエルボ１３７を含む、Ｕ形である。ループ区分１０６は、他の形状をとることができる。例えば、ループ区分１０６は、２つを上回る９０°エルボ１３７を含むことができる、またはこれは、１つを上回る９０°を下回るエルボを含むことができる。他の実施形態では、ループ区分１０６は、９０°を上回る、または９０°を下回る多数のエルボを含むことができる。
【０１１２】
ループ区分１０６の出口１３５は、ループ区分１０６の入口１３３に対して高くされる。ループ区分１０６は、傾斜することによって、その入口１３３とその出口１３５との間の高度における本差異に対応する。ループ区分１０６またはループ区分１０６の一部の具体的傾斜は、部分的に、ループ区分１０６の長さ、その入口１３３におけるループ区分１０６の中心線とその出口１３５におけるループ区分１０６の中心線との間の垂直距離、およびループ区分１０６が水平ではない第２の減圧区域１１２を含むかどうかに依存する。ループ区分１０６は、入口１３３と出口１３５との間の高度における変化に対応するために、その入口１３３からその出口１３５まで上向きに傾斜することができる。代替として、ループ区分１０６の一部は、下向きに傾斜することができ、ループ区分１０６の一部は、上向きに傾斜することができる。そのような代替実施形態では、上向きに傾斜するループ区分１０６の部分は、ループ区分１０６の下向き傾斜部分の存在からもたらされる高度における喪失およびループ区分１０６の入口１３３とループ区分１０６の出口１３５との間の高度における差異を考慮する。例えば、図３および４のその入口１３３から第１の９０°エルボ１３７まで延在するループ区分１０６の部分は、下向きに傾斜することができ、第１または第２のエルボ１３７から延在するループ区分１０６の部分は、ループ区分１０６の出口１３５まで上向きに傾斜することができる。
【０１１３】
水平ではなく、流体流動ユニット動作１０４の退出口１３１からループ区分１０６の出口１３５までの高度変化の一部を構成する第２の減圧区域１１２を含むループ反応器１０１の実施形態では、非垂直ループ区分１０６（すなわち、垂直ではないループ区分１０６の部分）の平衡によって提供されなければならない高度変化の量は、低減される。流体流動ユニット動作１０４の退出口１３１からループ区分１０６の出口１３５までの高度変化の一部を構成する第２の減圧区域１１２が存在しないとき、非垂直ループ区分１０６の平衡によって提供される高度変化の量は、そのような第２の減圧区域１１２が存在するときと比較して大きい。流体流動ユニット動作１０４の退出口１３１からループ区分１０６の出口１３５までの高度変化の一部を構成する第２の減圧区域１１２を含む、本明細書に説明されるループ反応器１０１の例示的実施形態では、そのような第２の減圧区域１１２は、その入口１３３におけるループ区分１０６の中心線からループ区分１０６の出口１３５までの高度変化の９０％未満、その入口１３３におけるループ区分１０６の中心線からループ区分１０６の出口１３５までの高度変化の８０％未満、その入口１３３におけるループ区分１０６の中心線からループ区分１０６の出口１３５までの高度変化の７０％未満、その入口１３３におけるループ区分１０６の中心線からループ区分１０６の出口１３５までの高度変化の６０％未満、その入口１３３におけるループ区分１０６の中心線からループ区分１０６の出口１３５までの高度変化の５０％未満、その入口１３３におけるループ区分１０６の中心線からループ区分１０６の出口１３５までの高度変化の４０％未満、その入口１３３におけるループ区分１０６の中心線からループ区分１０６の出口１３５までの高度変化の３０％未満、その入口１３３におけるループ区分１０６の中心線からループ区分１０６の出口１３５までの高度変化の２０％未満、その入口１３３におけるループ区分１０６の中心線からループ区分１０６の出口１３５までの高度変化の１０％未満、またはその入口１３３におけるループ区分１０６の中心線からループ区分１０６の出口１３５までの高度変化の５％未満を構成する。
【０１１４】
図３および４に図示される例示的実施形態は、ループ区分１０６の長さに沿って位置付けられる、複数の静的ミキサ１３９を含む。静的ミキサの使用の利益が、米国特許第７，５７９，１６３号に説明されており、多相混合物中への栄養素ガスの混合を含む。例示的タイプの静的ミキサもまた、第‘１６３号特許に説明されている。説明される実施形態において使用され得る静的ミキサは、第‘１６３号特許に説明されるものに限定されない。第‘１６３号特許に説明されるもの以外の静的ミキサが、本明細書に説明される実施形態において使用されることができる。例えば、他のタイプの静的ミキサが、ＳｔａＭｉｘＣｏ  ＬＬＣ（Ｂｒｏｏｋｌｙｎ，  Ｎｅｗ  Ｙｏｒｋ）およびＳｕｌｚｅｒ  Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ  Ｌｔｄ．（Ｗｉｎｔｅｒｔｈｕｒ，  Ｓｗｉｔｚｅｒｌａｎｄ）等の企業から利用可能である。図３および４に図示される例示的実施形態では、５０個の静的ミキサ１３９が、２３個のブロックによって図式的に表される。図３および４の例示的実施形態の静的ミキサ１３９は、静的ミキサが約１メートルの長さを有するとき、ループ区分１０６の３メートルあたり約１つのミキサの密度において提供されることができる。言い換えると、ある事例では、静的ミキサは、静的ミキサのうちの１つの長さの３倍にほぼ等しい距離だけ離間される。静的ミキサの数は、５０個に限定されない、またはその密度は、ループ区分１０６の３メートルあたり１つのミキサに限定されない。本明細書に説明される実施形態によると、より少ないまたは多い数の静的ミキサが、提供されることができ、静的ミキサは、より小さいまたは大きい密度において提供され得る。使用される静的ミキサの特定の数およびそれらが展開される密度は、部分的に、液体および微生物の中へのガスの物質移動ならびに／または静的ミキサによって生産される圧力降下へのその寄与に基づいて判定されるであろう。
【０１１５】
継続して図３および４を参照すると、例示的実施形態では、システム１００は、栄養素およびミネラルを、流体流動ユニット動作１０４の出口１３１と第１の非垂直減圧区域１０８との間の１つまたはそれを上回る場所においてループ区分１０６の中に導入するための栄養素および／またはミネラル供給サブシステム１１４を含む。第１の非垂直減圧区域１０４の上流に栄養素および／またはミネラルを導入することは、導入された栄養素および／またはミネラルが、微生物がより活性であり、栄養素および／またはミネラルの要求が多いループ区分の部分に存在することをもたらす。第１の非垂直減圧区域の上流のループ区分の部分と比較して、第１の非垂直減圧区域１０４の下流の微生物活性は、より低く、したがって、第１の非垂直減圧区域１０４とガス／液体分離容器１０２との間の栄養素および／またはミネラルの導入をあまり効果的ではないものにする。そのような栄養素は、ループ反応器１０１内の多相混合物中のバイオマス形成微生物学的有機体に溶解または懸濁栄養物を持続もしくは輸送することが可能な栄養素を含む。図３および４に図示される実施形態では、栄養素およびミネラルは、流体流動ユニット動作１０４の出口１３１と第１の非垂直減圧区域１０８との間のループ区分１０６に沿った２つの場所において導入されるが、しかしながら、他の実施形態によると、栄養素および／またはミネラル供給サブシステム１１４は、ループ区分１０６に沿った異なる場所において栄養素およびミネラルを導入することができ、ループ区分１０６に沿った２つよりも少ない場所または２つを上回る場所において栄養素／ミネラルを導入することができる。サブシステム１１４は、液体培地の中への導入のためにガス状基質／栄養素を提供し、液体培地および供給されたガス状基質／栄養素の多相混合物を形成する。そのようなガス状基質／栄養素は、ループ反応器１０１内のバイオマス生産生物学的有機体に栄養物または栄養素を持続もしくは提供することが可能な単一のガスまたはガスの組み合わせを含むことができる。図３および４に図示されるように、例示的栄養素は、天然ガス、窒素、酸素、およびアンモニア水を含む。蒸気源が、熱エネルギーおよび洗浄目的のために提供されることができる。栄養素サブシステム１１４によって供給され得る栄養素は、天然ガス、窒素、酸素、およびアンモニア水に限定されない。典型的には、硫酸塩、塩化物、または硝酸塩として使用される、メタン、合成ガス、水、リン酸塩（例えば、リン酸として）、硝酸塩、尿素、マグネシウム、カルシウム、カリウム、鉄、銅、亜鉛、マンガン、ニッケル、コバルト、およびモリブデン等の他の栄養素／ミネラルもまた、栄養素サブシステム１１４によって提供されることができる。
【０１１６】
例示的実施形態では、システム１００は、ループ区分１０６内の多相混合物に、またはそれから熱エネルギーを導入または除去するための熱伝達ユニット動作１１６を含む。熱伝達ユニット動作１１６は、ループ区分１０６に沿った１つまたはそれを上回る場所においてループ区分１０６内の多相混合物に熱エネルギーを導入する、またはそれから熱エネルギーを除去することができる。図３および４に図示される実施形態では、熱伝達ユニット動作１１６は、ループ区分１０６に沿った１つの場所において熱エネルギーを除去または導入するが、しかしながら、熱エネルギーは、ループ区分１０６に沿った１つを上回る場所において除去または導入されることができる。少なくともいくつかの事例では、ループ反応器１０１内で起こる微生物学的活性は、副産物として熱を生成する。制御されないままだと、そのような熱は、ループ反応器１０１内の微生物学的有機体の代謝または健常性に悪影響を及ぼし得る。代替として、微生物学的有機体はまた、それを下回ると有機体の代謝または健常性が悪影響を受ける温度を有し得る。したがって、ループ反応器１０１内の生物学的有機体は、最適な成長および代謝条件を提供する定義された温度範囲を有する。少なくともいくつかの事例では、ループ反応器１０１内の多相混合物は、熱伝達ユニット動作１１６を使用して、約１３０°Ｆまたはそれを下回る、約１２０°Ｆまたはそれを下回る、約１１０°Ｆまたはそれを下回る、約１００°Ｆまたはそれを下回る、約９５°Ｆまたはそれを下回る、約９０°Ｆまたはそれを下回る、約８５°Ｆまたはそれを下回る、もしくは約８０°Ｆまたはそれを下回る温度において維持されることができる。少なくともいくつかの事例では、ループ反応器１０１内の多相混合物は、熱伝達ユニット動作１１６を使用して、約５５°Ｆ〜約１２０°Ｆ、約６０°Ｆ〜約１１０°Ｆ、約１１０°Ｆ〜約１２０°Ｆ、約１００°Ｆ〜約１２０°Ｆ、約６５°Ｆ〜約１００°Ｆ、約６５°Ｆ〜約９５°Ｆ、または約７０°Ｆ〜約９０°Ｆの温度において維持されることができる。
【０１１７】
本明細書に説明される例示的実施形態では、ガス／液体分離ユニット動作１０２のヘッドスペース１４３内のガス圧力は、約０．２〜約０．６バールゲージに及ぶが、しかしながら、ヘッドスペース１４３内のガス圧力は、約０．２〜約０．６バールゲージの範囲に限定されない。例えば、本明細書に説明される例示的実施形態では、ヘッドスペース１４５内のガス圧力は、０．２バールを下回る、または約０．６バールゲージを上回り得る。ポンプ１０４の出口１３１における圧力は、約２．５バール〜約４．０バールゲージに及ぶが、しかしながら、ポンプ１０４の出口１３１における圧力は、約２．５バール〜約４．０バールゲージの範囲に限定されない。例えば、本明細書に説明される例示的実施形態では、ポンプ１０４の出口１３１における圧力は、約２．５バールを下回る、または約４．０バールゲージを上回り得る。静的ミキサ１３９を含む例示的実施形態では、静的ミキサを横断する圧力降下は、約０．０３〜約０．０５バールゲージに及ぶが、しかしながら、静的ミキサを横断する圧力降下は、約０．０３〜約０．０５バールゲージの範囲に限定されない。例えば、本明細書に説明される例示的実施形態では、静的ミキサを横断する圧力降下は、０．０３バールを下回る、または０．０５バールゲージを上回り得る。本明細書に説明される例示的実施形態によると、非垂直減圧区域１０８の始まりにおけるループ区分１０６内の圧力は、約１．５〜約２．５バールゲージに及ぶが、しかしながら、非垂直減圧区域１０８の始まりにおけるループ区分１０６内の圧力は、約１．５〜約２．５バールゲージの範囲に限定されない。例えば、非垂直減圧区域１０８の始まりにおけるループ区分１０６内の圧力は、約１．５バールを下回る、または約２．５バールを上回り得る。本明細書に説明される例示的実施形態によると、非垂直減圧区域１０８の終わりにおけるループ区分１０６内の圧力は、約０．２バール〜約６バールゲージに及ぶが、しかしながら、非垂直減圧区域１０８の終わりにおけるループ区分１０６内の圧力は、約０．２バール〜約０．６バールゲージの範囲に限定されない。例えば、本明細書に説明される実施形態によると、非垂直減圧区域１０８の終わりにおけるループ区分１０６内の圧力は、約０．２バールを下回る、または約０．６バールゲージを上回り得る。本明細書に説明される実施形態では、非垂直減圧区域１０８を横断する圧力降下は、約１．２バール〜約２．３バールゲージに及ぶことができるが、しかしながら、非垂直減圧区域１０８を横断する圧力降下は、約１．２バール〜約２．３バールゲージの範囲に限定されない。例えば、非垂直減圧区域１０８を横断する圧力降下は、１．２バールを下回る、または２．３バールゲージを上回り得る。いくつかの事例では、非垂直減圧区域１０８を横断する圧力降下は、流体流動ユニット動作１０４の出口とガス／液体分離容器１０２のヘッドスペース１４３との間の圧力降下の少なくとも２０％、少なくとも３０％、少なくとも４０％、少なくとも５０％、少なくとも６０％、少なくとも７０％、または少なくとも８０％を構成する。非垂直減圧区域１０８を横断する圧力降下および非垂直減圧区域１０８に起因する流体流動ユニット動作１０４の出口とガス／液体分離容器１０２のヘッドスペース１４３との間の圧力降下のパーセンテージに関する前述の説明は、減圧区域１０８内に位置する減圧デバイス１４５を横断する圧力降下に等しく適用される。
【０１１８】
図３および４に図示される実施形態では、第１の非垂直減圧区域１０８は、最後の静的ミキサ１３９の下流かつガス／液体分離ユニット動作１０２と流体連通するループ区分１０６の出口１３５の上流に位置する。第１の非垂直減圧区域１０８は、減圧デバイス１４５を含む。図３および４に図示される実施形態によると、減圧デバイス１４５の直下流のループ区分１０６内の圧力は、減圧デバイス１４５の直上流のループ区分１０６内の圧力を下回る。減圧デバイス１４５は、減圧デバイス１４５の直下流のループ区分１０６内の圧力を、減圧デバイス１４５の直上流のループ区分１０６内の圧力よりも低いものにする。減圧デバイス１４５としての使用のために好ましいデバイスは、静水圧の変化以外の手段によって、かつ液体培地およびその中に含有される微生物を、微生物を損傷させる剪断またはキャビテーションからもたらされる力に暴露することなく、圧力における所望の低減を提供するデバイスを含む。例えば、減圧デバイス１４５は、制御弁もしくは背圧制御弁（逆止弁とは対照的に）、または伸縮継手（例えば、その下流直径を下回る上流直径を有する管継手）、または複数の伸縮継手の組み合わせ、もしくは制御弁および１つまたはそれを上回る伸縮継手の組み合わせ等の流量制御デバイスであり得る。例示的制御弁は、油圧式で、空気圧式で、手動で、ソレノイドによって、またはモータによって作動される制御弁を含むが、しかしながら、本明細書に説明される実施形態において有用な制御弁は、前述のタイプの制御弁に限定されない。同様に、減圧デバイス１４５は、制御弁および伸縮継手ならびにそれらの組み合わせに限定されない。例えば、減圧デバイス１４５は、デバイスの直下流のループ区分１０６内の圧力が、デバイスの直上流のループ区分１０６内の圧力を下回ることをもたらす、制御弁または伸縮継手ではないデバイスであり得る。
【０１１９】
本明細書に説明される実施形態によると、減圧デバイス１４５は、例えば、圧力、温度、ガス濃度（例えば、酸素、二酸化炭素、メタン）、ｐＨ、液体培地密度循環速度、バイオマス濃度、またはループ区分１０６に沿った２点間の流動時間等のプロセスパラメータを検出するセンサからの入力に基づいて、手動で、またはフィードバック制御ループを実装しているコントローラからの信号に基づいて、流路のサイズを変動することによって培地流量を制御し得る制御弁等の可変減圧デバイスであり得る。可変減圧デバイスを採用することは、デバイスの直上流のループ区分１０６内の圧力およびデバイスの直下流のループ区分１０６内の圧力における差異が、デバイスが開放される程度を変動することによって調節されることを可能にする。例えば、圧力における差異は、デバイスを開放することによって減少されることができ、圧力における差異は、デバイスを閉鎖することによって増加されることができる。可変減圧デバイスの上流のループ区分１０６内の圧力を変動する能力は、オペレータに、ループ区分１０６内で起こるプロセスをより良好に制御する能力を提供する。例えば、可変減圧デバイスは、可変減圧デバイスを開放する（それを通して流率を増加させる）ことによって、可変減圧デバイスの上流のループ区分１０６内の圧力を減少させるために使用されることができる。ループ区分１０６内の圧力を低減させることは、オペレータが、物質移動を減速させ、生産速度を低減させ、栄養素要求を低減させ、多相混合物からのガス脱離の速度を増加させることを可能にする。可変減圧デバイスは、可変減圧デバイスを閉鎖する（それを通して流率を低減させる）ことによって、可変減圧デバイスの上流のループ区分１０６内の圧力を増加させるために使用されることができる。ループ区分１０６内の圧力を増加させることは、オペレータが、物質移動速度を増加させ、生産速度を増加させ、栄養素要求を増加させ、多相混合物からのガス脱離の速度を減少させることを可能にする。
【０１２０】
可変減圧デバイスを利用することはまた、オペレータに、可変減圧デバイスの下流のループ区分１０６内の圧力をより良好に制御する能力を提供する。例えば、可変減圧デバイスの下流のループ区分１０６内の圧力を減少させるために可変減圧デバイスを利用することは、オペレータが、ループ区分内で起こる生物学的プロセスを阻害し得るガス（例えば、二酸化炭素）の脱離を助長することを可能にする。可変減圧デバイスの下流のループ区分１０６内の圧力を増加させるために可変減圧デバイスを利用することは、オペレータが、ループ区分１０６内で起こる生物学的プロセスを刺激するために必要とされるガス（例えば、酸素およびメタン等の栄養素ガス）の脱離を阻止することを可能にする。酸素およびメタン等のガスの脱離を阻止することは、酸素およびメタンガスによって刺激される燃焼のリスクを管理するために所望され得る。
【０１２１】
図７Ｄを参照すると、本明細書に説明される実施形態による、ループ反応器１００の非垂直減圧区域１０８において有用な例示的可変減圧デバイス１４５が、図示される。可変減圧デバイス１４５の一方の端部は、可変減圧デバイス１４５の上流のループ区分１０６の一部に取り付けられる。可変減圧デバイス１４５の他方の端部は、可変減圧デバイス１４５の下流のループ区分１０６の部分に取り付けられる。図７Ａを参照すると、可変減圧デバイス１４５は、偏心レデューサ７０１を含む。偏心レデューサ７０１は、略一定の内径を有するパイプ区分７０３と、偏心レデューサ区分７０５とを含む。パイプ区分７０３の内径は、一定であり、パイプ区分７０３が取り付けられるループ区分１０６の部分の内径と実質的に同一である。偏心レデューサ区分７０５は、パイプ区分７０３の内径と同等である内径を有する、パイプ区分７０３に隣接する端部を含む。パイプ区分７０３に隣接する端部と対向する偏心レデューサ７０５のより小さい端部は、より小さい直径を有する。偏心パイプレデューサ７０５のより小さい端部の直径は、偏心パイプレデューサ７０５の下流の下記に説明される制御弁７１１の直径と同等である。偏心レデューサ７０５の２つの端部の間で、内径は、より大きい直径の端部からより小さい直径の端部に遷移し、これが接続されるループ区分１０６の部分およびこれが接続される制御弁７１１の部分に平行である縁を有する。
【０１２２】
図７Ａ、７Ｂ、および７Ｄを参照すると、可変減圧デバイス１４５は、偏心レデューサ７０１のより小さい端部に取り付けられる制御弁７１１を含む。制御弁７１１は、偏心パイプレデューサ７０５のより小さい端部の内径と実質的に同等である内径を有する。制御弁７１１を通した培地流量は、制御弁７１１のハンドル７１３の操作によって制御弁７１１内の流路のサイズを変動することによって調節されることができる。上記に説明されるように、ハンドル７１３は、電子コントローラによって操作されることができる。
【０１２３】
図７Ａ、７Ｃ、および７Ｄを参照すると、偏心レデューサ７０１と対向する可変減圧デバイス１４５の端部は、偏心エキスパンダ７１９を含む。偏心エキスパンダ７１９は、略一定の内径を有するパイプ区分７２１と、偏心エキスパンダ区分７２３とを含む。パイプ区分７２１の内径は、一定であり、パイプ区分７２１が取り付けられる制御弁７１１の内径と実質的に同一である。偏心エキスパンダ区分７２３は、パイプ区分７２１の内径と同等である内径を有する、パイプ区分７２１に隣接する端部を含む。パイプ区分７２１に取り付けられる端部と対向する偏心エキスパンダ７２３のより大きい端部は、偏心エキスパンダ７２３のより大きい端部に取り付けられるループ区分１０６の部分の内径と実質的に同等である内径を有する。いくつかの実施形態では、可変減圧デバイス１４５の下流のループ区分１０６の内径および偏心エキスパンダ７２３の下流のループ区分１０６の一部に取り付けられる偏心エキスパンダ７２３の端部の内径は、減圧デバイス１４５の上流のループ区分１０６の直径よりも大きい。偏心レデューサ７１９の２つの端部の間で、内径は、より小さい直径の端部からより大きい直径の端部に遷移し、これが接続されるループ区分１０６の部分およびこれが接続される制御弁７１１の縁に平行である縁を有する。
【０１２４】
可変減圧デバイス１４５の他の実施形態によると、偏心レデューサ７０１および偏心エキスパンダ７２３のうちの一方または両方は、省略される。そのような実施形態では、制御弁７１１の一方の端部は、制御弁７１１から上流のループ区分１０６の端部に取り付けられ、制御弁７１１の他方の端部は、制御弁７１１の下流のループ区分１０６の端部に取り付けられる。偏心レデューサ７０１および偏心エキスパンダ７２３の利用は、偏心レデューサ７０１および偏心エキスパンダ７２３が利用されない場合に必要とされるであろう制御弁の内径よりも小さい内径を有する制御弁の利用を促進する。より小さい内径を伴う制御弁（より大きい内径を伴う類似する制御弁と比較して）は、より高い精度およびより高い感受性を用いて弁を横断する圧力降下を制御することが可能である。そのような精度およびより高い感受性は、いくつかの実装において好ましくあり得る。
【０１２５】
減圧デバイス１４５における使用のための制御弁７１３の代替は、１つまたはそれを上回る伸縮継手もしくは偏心エキスパンダを含み、これは、伸縮継手／偏心エキスパンダの下流のループ区分１０６内の圧力が、伸縮継手／偏心エキスパンダの上流のループ区分１０６内の圧力と比較して低減されるようにする。
【０１２６】
本明細書に説明され、図３に図示される実施形態によると、第１の減圧区域１０８の下流で、ループ区分１０６は、第２の減圧区域１１２を含むことができる。図３に図示される実施形態では、第２の減圧区域１１２は、第１の減圧区域１０８の下流かつガス／液体分離ユニット動作１０２と流体連通するループ区分１０６の出口１３５の上流に位置する。
【０１２７】
図３に図示される実施形態では、第２の減圧区域１１２は、垂直に配向される区分を含むようにループ区分１０６を修正することによって提供される。ループ区分１０６の区分の垂直配向は、第２の減圧区域１１２の上端におけるループ区分１０６内の圧力が、第２の減圧区域１１２の下端におけるループ区分１０６内の圧力を下回ることをもたらす第２の減圧区域１１２を提供する。第２の減圧区域１１２によって提供される減圧は、少なくとも部分的に、第２の減圧区域１１２の上部から底部への静水圧における差異に起因する。第２の減圧区域１１２の垂直部分の長さは、少なくとも部分的に、第２の減圧区域１１２によって提供されるべき圧力における所望の低減に基づいて判定されることができる。例えば、例示的実施形態では、第２の減圧区域１１２の垂直部分の長さは、約１メートル〜約１０メートルを下回るものに及ぶが、しかしながら、第２の減圧区域１１２の垂直部分の長さは、約１メートル〜約１０メートルを下回るものの範囲に限定されない。例えば、第２の減圧デバイスの垂直部分の長さは、約１メートルを下回る、または約１０メートルを上回り得る。第２の減圧区域１１２はまた、第１の減圧デバイス１４５に関して上記に説明されるタイプの減圧デバイス１４７を含むことができる。第２の減圧区域１１２を利用することは、改良されたプロセス生産性および安定性につながり得る、圧力を制御する際のより高い精度につながり得る、ループ区分１０６内の圧力を制御する際の追加された柔軟性を提供する。ある実施形態では、第２の減圧区域１１２は、ガス／液体分離ユニット動作１０２内のガス／液体界面１１８と流体流動ユニット動作１０４の出口１３１におけるループ区分１０６の中心線との間の垂直距離の長さの６０％またはそれを下回るもの、５０％またはそれを下回るもの、４０％またはそれを下回るもの、３０％またはそれを下回るもの、２０％またはそれを下回るもの、もしくは１０％またはそれを下回るものを構成する。
【０１２８】
図４の実施形態を参照すると、随意の第２の減圧区域１１３が、減圧デバイス１４５に関して上記に説明されるタイプの減圧デバイスを含むことができる。図４の実施形態によると、第２の減圧区域１１３は、非垂直減圧区域であり、減圧デバイスを含む。例示的実施形態では、第１の減圧区域１０８の第１の減圧デバイス１４５は、ループ区分１０６の非垂直部分によって、第２の減圧区域１１３の減圧デバイスから分離される。図４に図示される実施形態によると、ループ区分１０６内の多相混合物は、垂直方向において流動することなく、第１の非垂直減圧区域１０８からガス／液体分離ユニット動作１０２に流動する。図４による実施形態によると、第２の減圧区域１１３が存在するとき、これは、第１の減圧区域１０８を横断する圧力降下と比較して、圧力降下をあまり構成しない。例えば、第２の減圧区域１１３を横断する圧力降下は、ガス／液体分離容器１０２のヘッドスペース１４３と第１の減圧区域１０８および／または減圧デバイス１４５の出口における圧力との間の圧力差にほぼ等しい。第２の減圧区域１１３を横断するそのような圧力降下は、約０．１バール〜約０．５バールに及ぶことができるが、しかしながら、第２の減圧区域１１３を横断する圧力降下は、約０．１バール〜約０．５バールの範囲に限定されない。例えば、第２の減圧区域１１３を横断する圧力降下は、０．１バールを下回る、または０．５バールを上回り得る。いくつかの事例では、第２の減圧区域１１３を横断する圧力降下は、流体流動ユニット動作１０４の出口からガス／液体分離容器１０２のヘッドスペース１４３までの圧力降下の１０％を下回るもの、５％を下回るもの、３％を下回るもの、または２％を下回るものを構成する。第２の減圧区域１１３を横断する圧力降下および減圧区域１１３に起因する流体流動ユニット動作１０４の出口からガス／液体分離容器１０２のヘッドスペース１４３までの圧力降下のパーセンテージに関する前述の説明は、図３の減圧区域１１２内の第２の減圧デバイス１４７を横断する圧力降下に等しく適用される。第２の減圧区域１１３を利用することは、改良されたプロセス生産性および安定性につながり得る、圧力を制御する際のより高い精度につながり得る、ループ区分１０６内の圧力を制御する際の追加された柔軟性を提供する。
【０１２９】
第１の非垂直減圧区域１０８の上流のループ区分１０６は、脱離ガス入口１４９を含む。図示される実施形態では、脱離ガス入口１４９は、脱離ガス、例えば、窒素の源と流体連通し、ループ区分１０６の非垂直区分と流体連通する。したがって、図３および４に図示される実施形態によると、脱離ガスは、ループ区分１０６の非垂直区分の中に導入されることができる。脱離ガス入口１４９において多相混合物の中に脱離ガスを導入することは、多相混合物中に存在する他のガス（例えば、二酸化炭素およびメタン）の部分的圧力における減少を引き起こす。多相混合物中に存在する他のガスの部分的圧力を低減させることは、微生物の中への栄養素ガスの物質移動を低減させる、および／または他のガスを溶液から出させる効果を有することができる。
【０１３０】
代替実施形態では、脱離ガス入口１４９は、第１の減圧区域１０８とループ区分１０６の出口１３５との間のループ区分１０６の非垂直区分に位置する。本場所において脱離ガス入口１４９を提供することは、圧力が、第１の減圧区域１０８および／または第２の減圧区域１１２（図３）もしくは１１３（図４）を通して多相混合物を通過させることによって低減されている、第１の減圧区域の下流のループ区分１０６の区分における脱離ガスの導入を可能にする。先の段落に説明されるように、多相混合物の中への脱離ガスの導入は、多相混合物中に存在する他のガス（例えば、二酸化炭素およびメタン）の部分的圧力における減少を引き起こす。多相混合物中に存在する他のガスの部分的圧力を低減させることは、微生物の中への栄養素ガスの物質移動を低減させる、および／または他のガスを溶液から出させる効果を有することができる。脱離ガス入口１４９を第１の減圧区域１０８の下流に配置することは、脱離ガスが第１の減圧区域１０８および／または第２の減圧区域１１２もしくは１１３の性能に影響を及ぼし得る場所において多相混合物の中に脱離ガスを導入することを回避する。例えば、多相混合物から分離するガスは、圧力を低減させる際に第１の減圧区域１０８の性能に影響を及ぼし得る。例えば、第１の減圧区域１０８が、制御弁の形態における減圧デバイスを含む場合、多相混合物から脱離されるガスの量を増加させることは、弁が流量および減圧を制御することをより困難にし得る。脱離ガスを第１の減圧区域１０８の下流に導入することは、本問題を回避する。
【０１３１】
図５は、図２−４に関して上記に詳細に説明される１つまたはそれを上回るループ反応器１０１を使用して、バイオマスの生産を刺激するためのシステム１００の高レベル動作方法５００を示す。そのようなシステムは、有利なこととして、１つまたははそれを上回るガス状基質および１つまたはそれを上回る栄養素を含有する液体培地を、成長するためにガス状基質および液体栄養素を利用することが可能な少なくとも１つの微生物を含有する液体培地の中に導入する。１つまたはそれを上回るガス状基質、１つまたはそれを上回る栄養素を含有する液体培地、および少なくとも１つの微生物を含有する液体培地の組み合わせは、ループ反応器１０１を通して循環される多相混合物をもたらす。ループ反応器１０１内の条件は、ガス状基質および液体栄養素の物質移動ならびに後続微生物学的摂取、ループ反応器内の圧力の低減、ならびに多相混合物からのガスの脱離を助長するように制御される。ループ反応器１０１のループ区分１０６を通過した後の多相混合物は、多相混合物が液相および気相に分離されるガス／液体分離ユニット動作１０２によって受容される。本方法は、５０２において開始される。
【０１３２】
５０４において、ガス状基質が、液体培地中に分散され、多相混合物を形成する。そのような分散は、ループ区分１０６の入口１３３またはそれに近接して起こり得るが、付加的量のガス状基質が、ループ区分１０６の他の場所において液体培地の中に導入され得、ループ区分１０６の入口１３３またはそれに近接する液体培地は、ある程度の溶解ガス状基質をすでに含有している場合がある。いくつかの事例では、ガス状基質は、ループ区分１０６に沿った複数の点において分散され得、各分散点におけるガス状基質は、同一または異なる温度、圧力、組成物、もしくはそれらの組み合わせを有し得る。ループ区分１０６に沿った異なる場所におけるガス状基質の物理的または組成性質を変動する能力は、有利なこととして、多相混合物中に存在する具体的微生物学的種に対してだけではなく、また、ガス状基質の分散点に基づいて、ループ区分１０６内の微生物学的種の具体的場所に対してもガス状基質の調整を可能にする。
【０１３３】
５０６において、多相混合物が、ループ反応器１０１のループ区分１０６を通して流動される。多相混合物がループ区分１０６を通して流動するにつれて、これは、複数の静的ミキサ１３９に接触し、これは、ガス状基質および／または栄養素の液体培地の中への混合を助長する。ループ反応器１０１を通した多相混合物の流率を調節または別様に制御することによって、ガス状基質および栄養素の気泡が微生物と接触する時間の長さは、修正されることができる。ガス状基質および栄養素の気泡が微生物と接触する時間の長さを増加させることは、微生物の中へのガス状物質の物質移動および微生物によるガス状物質の微生物学的摂取の量を増加させることができる。逆に、ガス状基質および栄養素の気泡が微生物と接触する時間の長さを減少させることは、微生物の中へのガス状物質の物質移動および微生物によるガス状物質の微生物学的摂取の量を減少させることができる。いくつかの事例では、ガス状基質および栄養素の気泡が微生物と接触する時間の長さは、測定および制御されることができる。例えば、制御サブシステム２９０が、ループ反応器を通した多相混合物の流体速度を改変、調節、または制御することができる。いくつかの事例では、ガス状基質の温度、圧力、または組成物は、ループ反応器１０６内の所望のガス基質気泡サイズを維持するために、制御サブシステム２９０を介して改変、調節、または制御され得る。他の事例では、ガス基質の温度、圧力、または組成物は、多相混合物の液相内の１つまたはそれを上回るガス基質成分（例えば、メタン、二酸化炭素、水素、酸素、窒素等）の濃度を維持するために、制御サブシステム２９０を介して改変、調節、または制御され得る。
【０１３４】
５０８において、ループ反応器１０１内の多相混合物の温度が、温度を定義された温度範囲内に維持するために、改変、調節、または制御されることができる。少なくともいくつかの事例では、定義された温度範囲は、少なくとも部分的に、システム１００内で使用される微生物学的種に基づいて選択または別様に選定され得る。過剰な熱が、システム１００内の活動の少なくとも一部に関与する微生物学的有機体によって副産物として生成され得る。本過剰な熱は、制御されないままである場合、システム１００内の微生物学的有機体のいくつかまたは全ての成長もしくは代謝を阻害する、もしくはそれに悪影響を及ぼし得る。少なくともいくつかの事例では、ループ反応器１０１内の多相混合物の冷却が、ループ反応器１０１内の多相混合物の温度を定義された範囲内に維持するために提供され得る。そのような冷却は、ループ反応器１０１に熱伝導的に結合されるリザーバもしくはコイルまたは多相混合物の一部をループ反応器１０１から熱伝達ユニット動作１１６に迂回させた導管を通した冷却媒体の通過を含み得る。少なくともいくつかの事例では、制御サブシステム２９０は、ループ反応器１０１に熱伝導的に結合されるリザーバもしくはコイルまたは多相混合物の一部をループ反応器１０１から熱伝達ユニット動作１１６に迂回させた導管を通過させられる冷却媒体の流率もしくは温度を制御し得る。他の事例では、微生物学的種によって生産される熱は、ループ反応器１０１内の多相混合物を所望の温度範囲内に維持するためには不十分であり得る。そのようなことは、例えば、ループ反応器１０１が暴露された、または部分的に暴露された外部場所に位置する極端に低温の環境において起こり得る。いくつかの事例では、ループ反応器１０１に熱伝導的に結合されるリザーバもしくはコイルまたは多相混合物の一部をループ反応器１０１から熱伝達ユニット動作１１６に迂回させた導管は、多相混合物を加温するために使用され得る。少なくともいくつかの事例では、制御サブシステム２９０は、ループ反応器１０１に熱伝導的に結合されるリザーバもしくはコイル１４０または多相混合物の一部をループ反応器１０１から熱伝達ユニット動作１１６に迂回させた導管を通過させられる加温媒体の流率もしくは温度を制御し得る。
【０１３５】
５１０において、ループ反応器１０１を通して多相混合物とともに進行するガス基質気泡に対する圧力が、第１の減圧デバイスを通して多相混合物を流動させることによって減少される。いくつかの事例では、ガス基質気泡に対する圧力は、圧力における低減を引き起こすために静水圧における差異に依拠しない、第１の減圧デバイスを通して多相混合物を流動させることによって減少される。言い換えると、いくつかの事例では、ループ反応器１０１を通して多相混合物とともに進行するガス基質気泡に対する圧力は、第１の減圧区域１０８への進入口におけるループ反応器１０１の中心線の高度に対する第１の減圧区域１０８の退出口におけるループ反応器１０１の中心線の高度における実質的変化を伴わずに減少される。５１０における圧力減少は、いくつかの事例では、有利なこととして、ガス基質気泡および他のガスが多相混合物から脱離する速度を増加させることができる。
【０１３６】
５１２において、多相混合物は、第１の減圧区域１０８から退出し、ガス／液体分離容器１０２に流動する。多相混合物から脱離したガス状物質もまた、多相混合物とともにガス／液体分離容器１０２に流動することができる。ガス／液体分離容器１０２に進入する多相混合物は、限定ではないが、吸収されていない栄養素を含有する液体、微生物、ならびに溶解および吸収されていないガス基質を含有するガス基質気泡を含むことができる。ガス／液体分離容器１０２に進入するガスおよび液体は、ガス／液体分離容器１０２内で気相および液相に分離する。ガスは、ガス／液体分離容器１０２のヘッドスペースから収集されることができる一方、液体は、ガス／液体分離容器１０２の底部から除去されることができる。液体に加えて、微生物もまた、ガス／液体分離容器１０２内で収集され、その底部から除去されることができる。ガス／液体分離容器１０２の底部から除去された液体および微生物は、ループ反応器１０１を通した再循環のために、流体流動ユニット動作１０４の入口１２９に送達されることができる。少なくともいくつかの事例では、収集されたガスの少なくとも一部は、続けて、処理または分離され得る。収集されたガスの少なくとも一部は、ガス基質としてループ反応器に再循環され得る。いくつかの事例では、収集されたガスの少なくとも一部は、販売または別様に処分され得る。少なくともいくつかの事例では、収集されたガスの少なくとも一部は、代替可能商品として販売または交換され得る。少なくともいくつかの事例では、収集されたガスは、１つまたはそれを上回るＣ２＋炭化水素ガスおよびそれに基づいて最終生産物または後続プロセスにおける未加工材料のいずれかとしての価値を有する化合物を含み得る。いくつかの事例では、反応器は、エタノール、アセテート、ブタノール、イソプレン、プロピレン、ファルネセン、酵素、または生産物が微生物に由来する他の代謝物もしくは細胞生産物等の天然または非天然生産物を生産するために使用される。そのような場合では、生産物は、生産物の物理的性質に応じて、ガス流出物１２３または液体流出物１２５のいずれかの中に存在し得る。
【０１３７】
少なくともいくつかの事例では、収集された液体の少なくとも一部は、続けて、処理または分離され得る。例えば、バイオ固体を含み得る、または含んでいない場合がある、多相混合物から分離された液体の少なくとも一部は、ループ反応器１０１を通して再循環されることができる。例えば、バイオ固体を含有する分離された液体の少なくとも一部は、付加的液体と組み合わせられ、ループ反応器１０１を通して流動され得る。そのような再循環は、有利なこととして、確立された生物学的種を伴うループ反応器１０１の進行中、連続的、または半連続的接種を提供し得る。いくつかの事例では、分離された液体の少なくとも一部は、収集され、販売または別様に処分され得る。少なくともいくつかの事例では、分離された液体の少なくとも一部は、代替可能商品として販売または交換され得る。少なくともいくつかの事例では、分離された液体は、限定ではないが、１つまたはそれを上回るアルコール、グリコール、もしくはケトンを含む、１つまたはそれを上回るＣ２＋炭化水素液体を含み得る。
【０１３８】
５１４において、ガス／液体分離容器１０２からの微生物は、流体流動ユニット動作１０４の上流で、または流体流動ユニット動作１０４の下流で、例えば、バイオマス除去ポート１２８において除去されることができる。収集された微生物は、所望の生産物を回収するために、さらに処理されることができる。いくつかの事例では、バイオマス除去ポート１２８を介して収集された微生物は、所望の生産物の処理および回収のために、分離サブシステム２５０に導入されることができる。
【０１３９】
図６は、図２−４に関して上記に詳細に説明される１つまたはそれを上回るループ反応器１０１を含むシステム１００を利用する、バイオマスの生産を刺激するための高レベル方法６００を示す。例示的バイオマス生産方法６００は、バイオマスの生産を刺激するための方法６００が、第２の減圧区域を通して多相混合物を通過させることによって、ループ反応器内の多相混合物内のガス気泡に対する圧力を低減させるステップを含むことを除いて、図５を参照して詳細に議論されるバイオマスの生産を刺激するための方法５００に関して詳細に説明されるものと同じ、またはほぼ同じステップを使用する。図５のステップ５０２、５０４、５０６、５０８、および５１０の説明は、それぞれ、図６のステップ６０２、６０４、６０６、６０８、および６１０に適用される。図５のステップ５１４の説明は、図６のステップ６１６に適用される。
【０１４０】
図６の６１２において、ループ反応器１０１を通して多相混合物とともに進行するガス基質気泡に対する圧力が、多相混合物を第１の減圧区域１０８から第２の減圧区域１１２に流動させることによって減少される。いくつかの事例では、６１２において、ガス基質気泡に対する圧力は、圧力における低減を引き起こすために静水圧における差異に依拠しない、第２の減圧デバイスを通して多相混合物を流動させることによって減少される。言い換えると、いくつかの事例では、６１２において、ループ反応器１０１を通して多相混合物とともに進行するガス基質気泡に対する圧力は、第２の減圧区域１１２への進入口におけるループ反応器１０１の中心線の高度に対する第２の減圧区域１１２の退出口におけるループ反応器１０１の中心線の高度における実質的変化を伴わずに減少される。他の事例では、６１２において、ガス基質気泡に対する圧力は、圧力における低減を引き起こすために静水圧における差異に依拠しない、第２の減圧区域１０８を通して多相混合物を流動させることによって減少される。言い換えると、いくつかの事例では、６１２において、ループ反応器１０１を通して多相混合物とともに進行するガス基質気泡に対する圧力は、第２の減圧区域１１２への進入口におけるループ反応器１０１の中心線の高度に対する第２の減圧区域１１２の退出口におけるループ反応器１０１の中心線の高度における変化を引き起こすことによって減少される。いくつかの事例では、ガス基質気泡に対する圧力が、ステップ６１０および６１２の両方において低減されるとき、６１２における圧力減少の大きさは、６１０における圧力減少の大きさと比較して小さくあり得る。いくつかの事例では、これらの圧力における減少は、有利なこととして、ガス基質気泡および他のガスが多相混合物から脱離する速度を増加させる。
【０１４１】
６１４において、第２の減圧区域１１２または１１３に進入した第１の減圧区域１０８からの多相混合物は、第２の減圧区域１１２または１１３から退出し、ガス／液体分離容器１０２に流動する。多相混合物から脱離したガス状物質もまた、多相混合物とともにガス／液体分離容器１０２に流動することができる。ガス／液体分離容器１０２に進入する多相混合物は、限定ではないが、吸収されていない栄養素を含有する液体、微生物、ならびに溶解および吸収されていないガス基質を含有するガス基質気泡を含むことができる。ガス／液体分離容器１０２に進入するガスおよび液体は、ガス／液体分離容器１０２内で気相および液相に分離する。ガスは、ガス／液体分離容器１０２のヘッドスペースから収集されることができる一方、液体は、ガス／液体分離容器１０２の底部から除去されることができる。液体に加えて、微生物もまた、ガス／液体分離容器１０２内で収集され、その底部から除去されることができる。ガス／液体分離容器１０２の底部から除去された液体および微生物は、ループ反応器１０１を通した再循環のために、流体流動ユニット動作１０４の入口１２９に送達されることができる。少なくともいくつかの事例では、収集されたガスの少なくとも一部は、続けて、処理または分離され得る。収集されたガスの少なくとも一部は、ガス基質としてループ反応器に再循環され得る。いくつかの事例では、収集されたガスの少なくとも一部は、販売または別様に処分され得る。少なくともいくつかの事例では、収集されたガスの少なくとも一部は、代替可能商品として販売または交換され得る。少なくともいくつかの事例では、収集されたガスは、１つまたはそれを上回るＣ２＋炭化水素ガスおよびそれに基づいて最終生産物または後続プロセスにおける未加工材料のいずれかとしての価値を有する化合物を含み得る。いくつかの事例では、反応器は、エタノール、アセテート、ブタノール、イソプレン、プロピレン、ファルネセン、酵素、または生産物が微生物に由来する他の代謝物もしくは細胞生産物等の天然または非天然生産物を生産するために使用される。そのような場合では、生産物は、生産物の物理的性質に応じて、ガス流出物１２３または液体流出物１２５のいずれかの中に存在し得る。
【０１４２】
少なくともいくつかの事例では、収集された液体の少なくとも一部は、続けて、処理または分離され得る。例えば、バイオ固体を含み得る、または含んでいない場合がある、多相混合物から分離された液体の少なくとも一部は、ループ反応器１０１を通して再循環されることができる。例えば、バイオ固体を含有する分離された液体の少なくとも一部は、付加的液体と組み合わせられ、ループ反応器１０１を通して流動され得る。そのような再循環は、有利なこととして、確立された生物学的種を伴うループ反応器１０１の進行中、連続的、または半連続的接種を提供し得る。いくつかの事例では、分離された液体の少なくとも一部は、収集され、販売または別様に処分され得る。少なくともいくつかの事例では、分離された液体の少なくとも一部は、代替可能商品として販売または交換され得る。少なくともいくつかの事例では、分離された液体は、限定ではないが、１つまたはそれを上回るアルコール、グリコール、もしくはケトンを含む、１つまたはそれを上回るＣ２＋炭化水素液体を含み得る。
【実施例】
【０１４３】
少量のＣ２およびＣ３＋代謝微生物と共培養されるメチロコッカスカプスラタスＢａｔｈを含む微生物培養物が、本明細書に説明される実施形態による、ループ反応器を含むバイオマスの生産を刺激するためのシステムにおいて処理された。ループ反応器は、背圧制御弁の形態における調節可能流量制御デバイスを含む、非垂直減圧区域を含んでいた。反応器のループ区分内の流率および／または圧力は、弁を開放または閉鎖することによって制御可能であった。ループ反応器はまた、ガス／液体分離容器と調節可能流量制御デバイスとの間に脱離ガス入口を含んでいた。ループ反応器のループ区分は、酸素ガスおよびメタンガスをループ区分の中に導入するための５つの入口を含んでいた。窒素ガスのための２つの入口および水酸化アンモニウムのための３つの入口が、流体流動ユニット動作の下流かつ調節可能流量制御デバイスの上流のループ区分内に存在していた。硫酸、リン酸、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、硫酸第一鉄、塩化カルシウム、マグネシウム、カリウム、および微量元素等の酸、酸性塩、ならびにアルカリのための入口が、ガス／液体分離容器とポンプとの間に存在していた。２つの熱交換器が、必要に応じて、ループ区分内の多相混合物に、およびそれから熱伝達を提供するために利用された。ループ反応器は、調節可能流量制御デバイスを通した異なる流率に関して設定された調節可能流量制御デバイスを用いて動作された。容積ポンプ出力、多相混合物の温度、ポンプ出口と調節可能流量制御デバイスとの間のループ区分内の圧力、多相混合物の溶解酸素含有量、ループ区分の中への酸素体積流率、ループ区分の中へのメタンの体積流率、ループ区分の中への窒素の体積流率、および／またはループ反応器内の多相混合物のｐＨ等の定常状態条件が、制御弁が開放される程度に応じて変動した。具体的レベルに設定された制御弁を通した流率および定常状態動作におけるループ反応器を用いて、以下の条件が、観察された。ループ反応器内の温度は、摂氏約４５度であると測定された。ポンプへの入口における多相混合物のｐＨは、約６．２であった。調節可能流量制御デバイスへの入口における多相混合物のｐＨは、約５．３であり、ポンプと調節可能流量制御デバイスとの間で約７．９であった。多相混合物の密度は、ポンプの出口において約１．７ｋｇ／ｍ３であった。溶解酸素含有量は、ループ区分内の異なる場所において０．０７〜０．３６ｐｐｍに変動した。ポンプの上流の圧力は、約０．６〜０．７バールゲージであった。ポンプの下流の圧力は、約３．０バールゲージであった。調節可能流量制御デバイスへの入口における圧力は、約１．９バールゲージであり、ガス／液体分離容器のヘッドスペース内の圧力は、約０．４バールゲージであった。
【０１４４】
ループ反応器内のバイオマス生産速度に対する、制御弁を通した流率および反応器のループ区分内の圧力を増加または減少させることの影響が、評価された。ループ反応器の定常状態動作中、制御弁の開放は、制御弁を通した流率およびループ反応器のループ区分内の圧力が増加または減少されるように変動された。制御弁を通した流率が変更された後、ループ反応器は、定常状態動作に落ち着くことを可能にされた。ループ反応器が定常状態動作に落ち着いた後、データが、制御弁を通した流率およびループ区分内の圧力が変更された後のループ反応器の生産速度を判定するために収集された。以下は、その評価の所見の概要である。
【０１４５】
制御弁を通して流率を低減させることによってループ区分内の圧力を増加させることは、制御弁を通した流率が減少される前の生産速度と比較して、ループ反応器内に増加されたバイオマス生産速度をもたらした。制御弁を通して流率を低減させることによってループ区分内の圧力を増加させることはまた、制御弁とポンプの出口との間のループ区分内により高い圧力を生産し、制御弁の出口とガス／液体分離容器との間のループ区分内により低い圧力を生産した。制御弁を通して流率を増加させることによってループ区分内の圧力を減少させることは、制御弁を通した流率が増加される前のループ反応器内の生産速度と比較して、ループ反応器内に減少されたバイオマス生産速度をもたらした。制御弁を通して流率を増加させることによってループ区分内の圧力を減少させることは、制御弁とポンプの出口との間のループ区分内により低い圧力を生産し、制御弁の出口とガス／液体分離容器との間のループ区分内により高い圧力を生産した。本実施例は、本明細書に説明される実施形態による、ループ反応器を含むバイオマスの生産を刺激するためのシステムが、バイオマスがループ反応器内で生産される速度を調節することが可能である様子を例証する。
【０１４６】
要約に説明されるものを含む、例証される実施形態の上記の説明は、包括的である、または実施形態を開示される精密な形態に限定するように意図されない。実施例の具体的実施形態実施例が、例証を目的として本明細書に説明されるが、種々の同等の修正が、当業者によって認識されるであろうように、本開示の精神および範囲から逸脱することなく成されることができる。種々の実施形態の本明細書に提供される教示は、他のバイオマスの生産を刺激するためのシステム、発酵槽、および発酵システムに適用されることができる。そのようなバイオマスの生産を刺激するためのシステム、発酵槽、および発酵システムは、化学的中間物生産以外の目的のためのループ反応器または発酵槽を含み得、食料または飲料生産において有用なループ反応器、発酵槽、および発酵システムを含み得る。同様に、冷却ガス／液体分離ユニット動作、流体流動ユニット動作、栄養素供給サブシステム、熱伝達ユニット動作、および制御サブシステムを含む、本明細書に説明される補助システムは、単一のシステム、例えば、パッケージ熱交換器もしくはパッケージ制御システムを含み得る、または冷却もしくは加温媒体の制御された生産および分配を促進し（すなわち、熱伝達ユニット動作による）、再循環のために、または回収および後続処理もしくは販売のために多相混合物の少なくとも一部のガス、液体、および半個体への分離を促進する（すなわち、ガス／液体分離ユニット動作による）様式で物理的に、流体的に、かつ通信可能に結合される任意の数の副次構成要素を含むカスタム設計されたサブシステムを含み得る。制御サブシステムは、バイオマス生産システムまたは補助サブシステムのいずれかの全てもしくは一部に関する監視、警報、制御、および制御出力を提供する、統合または分散制御システムを含むことができる。制御サブシステムはまた、バイオマス生産システムまたは補助サブシステムのいずれかの１つまたはそれを上回る側面の制御のために、任意の数の個々のループコントローラおよび同等物を含み得る。
【０１４７】
前述の詳細な説明は、プロセスフロー図および例示的方法の使用を介して、本デバイスおよび／またはプロセスの種々の実施形態を記載した。そのようなブロック図、概略図、および実施例が、１つまたはそれを上回る機能および／もしくは動作を含有する限りにおいて、そのようなブロック図、フローチャート、または実施例内の各機能および／もしくは動作は、化学エンジニアリング分野における当業者に周知である広い範囲の既製の、またはカスタマイズされた構成要素を使用して、個別かつ／または集合的に実装され得ることが、当業者によって理解されるであろう。本明細書に列挙される微生物学的種は、本明細書に説明されるようなバイオマスの生産を助長するためのシステムおよびループ反応器において持続され得る潜在的微生物学的種のサンプルを提供するように意図される。
【０１４８】
上記に説明される種々の実施形態は、さらなる実施形態を提供するために組み合わせられることができる。２０１６年６月１７日に出願された、米国仮出願第６２／３５１，６６８号が、参照することによってその全体として本明細書に組み込まれる。これらおよび他の変更が、上記に詳述される説明に照らして、実施形態に成されることができる。概して、以下の請求項では、使用される用語は、請求項を本明細書および請求項に開示される具体的実施形態に限定するように解釈されるべきではなく、そのような請求項が享有する均等物の全範囲とともに、全ての可能性として考えられる実施形態を含むように解釈されるべきである。故に、請求項は、本開示によって限定されない。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図７Ｄ】
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【国際調査報告】
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