(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス発酵における炭素捕捉を改善するためのプロセスであって、ＣＯ、Ｈ２及びＣＯ２
を含むガス状基質を液体栄養培地中の細菌培養物に提供することと、前記培養物を発酵さ
せることと、を含み、前記ガス状基質中の前記ＣＯ２の少なくとも一部が、前記培養物に
よって１つ以上の産物に変換され、
ａ．前記ガス状基質中のＨ２：ＣＯ比が、少なくとも５：１であり、
ｂ．前記ガス状基質中のＣＯ２：ＣＯ比が、少なくとも１：１〜４：１であり、
ｃ．前記培養物によって消費されるＣＯ２の量が、前記培養物によって生成されるＣＯ
２の量を超えるか、またはそれと等しく、
前記細菌が、クロストリジウム・オートエタノゲナムまたはクロストリジウム・リュングダリイを含む、前記プロセス。
【請求項２】
前記培養物によって消費されるＣＯ２の量が、少なくとも５００ｍｍｏｌ／Ｌ／日であ
る、請求項１に記載のプロセス。
【請求項３】
リアクターを出るＣＯ２の量は、リアクターに入るＣＯ２の量よりも少なくとも５％少
ない、請求項１に記載のプロセス。
【請求項４】
前記ガス状基質は、３０〜９０％のＨ２を含む、請求項１に記載のプロセス。
【請求項５】
前記ガス状基質中のＨ２：ＣＯ２：ＣＯ比が、少なくとも２：１：１である、請求項１
に記載のプロセス。
【請求項６】
前記培養物によるＨ２の特異的取り込みが、前記培養物によるＣＯの特異的取り込みを
超える、請求項１に記載のプロセス。
【請求項７】
前記培養物によるＨ２：ＣＯの特異的取り込み比が、少なくとも１．４：１である、請
求項６に記載のプロセス。
【請求項８】
前記培養物によるＨ２：ＣＯの特異的取り込み比が、少なくとも２：１である、請求項
６に記載のプロセス。
【請求項９】
前記産物が、アルコール及び酸のうちの１つ以上を含む、請求項１に記載のプロセス。
【請求項１０】
前記産物が、エタノール、アセテート、及び２，３−ブタンジオールのうちの１つ以上
を含む、請求項１に記載のプロセス。
【請求項１１】
前記細菌が、カルボキシド栄養性である、請求項１に記載のプロセス。
【請求項１２】
前記細菌が、ＤＳＭＺに寄託された受託番号ＤＳＭ２３６９３のクロストリジウム・オ
ートエタノゲナムまたはそれ由来の細菌を含む、請求項１〜１１のいずれか１項に記載のプロセス。
【請求項１３】
前記プロセスが、前記１つ以上の産物を回収することを更に含む、請求項１〜１２のいずれか１項に記載のプロセス。
【請求項１４】
ガス発酵によって１つ以上の産物を生成する方法であって、ＣＯ、Ｈ２及びＣＯ２を含
むガス状基質を液体栄養培地中の細菌培養物に提供することと、前記培養物を発酵させる
ことと、を含み、前記ガス状基質中の前記ＣＯ２の少なくとも一部が、前記培養物によっ
て１つ以上の産物に変換され、
ａ．前記ガス状基質中のＨ２：ＣＯ比が、少なくとも５：１であり、
ｂ．前記ガス状基質中のＣＯ２：ＣＯ比が、少なくとも１：１〜４：１であり、
ｃ．前記培養物によって消費されるＣＯ２の量が、前記培養物によって生成されるＣＯ
２の量を超えるか、またはそれと等しく、
前記細菌が、クロストリジウム・オートエタノゲナムまたはクロストリジウム・リュングダリイを含む、前記方法。
【請求項１５】
前記培養物によって消費されるＣＯ２の量が、少なくとも５００ｍｍｏｌ／Ｌ／日であ
る、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
リアクターを出るＣＯ２の量は、リアクターに入るＣＯ２の量よりも少なくとも５％少
ない、請求項１４に記載の方法。
【請求項１７】
前記ガス状基質は、３０〜９０％のＨ２を含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１８】
前記ガス状基質中のＨ２：ＣＯ２：ＣＯ比が、少なくとも２：１：１である、請求項１４に記載の方法。
【請求項１９】
前記培養物によるＨ２の特異的取り込みが、前記培養物によるＣＯの特異的取り込みを
超える、請求項１４に記載の方法。
【請求項２０】
前記培養物によるＨ２：ＣＯの特異的取り込み比が、少なくとも１．４：１である、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記培養物によるＨ２：ＣＯの特異的取り込み比が、少なくとも２：１である、請求項
１９に記載の方法。
【請求項２２】
前記産物が、アルコール及び酸のうちの１つ以上を含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項２３】
前記産物が、エタノール、アセテート、及び２，３−ブタンジオールのうちの１つ以上
を含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項２４】
前記細菌が、カルボキシド栄養性である、請求項１４に記載の方法。
【請求項２５】
前記細菌が、ＤＳＭＺに寄託された受託番号ＤＳＭ２３６９３のクロストリジウム・オ
ートエタノゲナムまたはそれ由来の細菌を含む、請求項１４〜２４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２６】
前記方法が、前記１つ以上の産物を回収することを更に含む、請求項１４〜２５のいずれか１項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、２０１３年１０月１７日出願の米国仮特許出願第６１／８９２，４０５号の利益を主張するものであり、その全体は参照により本明細書に組み込まれる。
【０００２】
本発明は、ガスの微生物発酵の分野に関し、具体的には、ガス状基質の嫌気性発酵において二酸化炭素を利用するための新規のプロセスに関する。
【背景技術】
【０００３】
エタノールは、世界中で、主要な水素が豊富な液体輸送燃料に急速になりつつある。２０１３年のエタノール消費は、米国だけで推定１３１．８億ガロンであった。欧州、日本、米国、及びいくつかの新興国においてエタノールへの関心が高まっているため、燃料エタノール産業の世界市場も将来急激に成長することが予測されている。
【０００４】
例えば、米国では、エタノールは、Ｅ１０、すなわちガソリン中１０％エタノール混合物を生成するために使用されている。Ｅ１０ブレンド中で、エタノール成分は、燃焼効率を改善しかつ大気汚染物質の生成を低減させる、酸素化剤として作用する。ブラジルでは、エタノールは、ガソリン中にブレンドされる酸素化剤及びそれ自体純粋な燃料の両方として、輸送燃料需要のおよそ３０％を満たしている。また欧州では、温室効果ガス（ＧＨＧ）排出の結果を取り巻く環境上の懸念により、欧州連合（ＥＵ）が加盟国にバイオマス由来エタノール等の持続可能な輸送燃料の消費に対する義務付けられた目標を設定させている。
【０００５】
大半の燃料エタノールは、主要な炭素源として、サトウキビから抽出されたショ糖または穀粒作物から抽出されたデンプン等の作物由来の炭水化物を使用する従来の酵母系発酵プロセスにより生成される。しかしながら、これらの炭水化物供給原料の価格がヒトの食物または動物の飼料としてのそれらの価値に影響される一方で、エタノール生成のためのデンプンまたはショ糖生成作物の収穫は、全ての地理的条件において経済的に持続可能であるわけではない。したがって、より低価格及び／またはより大量の炭素資源を燃料エタノールに変換するための技術を開発することが目的とされている。
【０００６】
触媒プロセスを使用して、ＣＯ及び／またはＣＯ２並びにＨ２から主になるガスを様々な燃料及び化学物質に変換することができる。微生物を使用して、これらのガスを燃料及び化学物質に変換することもできる。これらの生物学的プロセスは、一般的に化学反応よりも遅いが、より高い特異性、より高い収率、より低いエネルギー費、及び被毒に対するより高い耐性を含む、触媒プロセスを超えるいくつかの利点を有する。
【０００７】
唯一の炭素源としてのＣＯ上で微生物が増殖する能力は、１９０３年に初めて発見された。これは、独立栄養増殖のアセチルコエンザイムＡ（アセチルＣｏＡ）生化学的経路（ウッズ−リュングダリイの経路及び一酸化炭素デヒドロゲナーゼ／アセチルＣｏＡシンターゼ（ＣＯＤＨ／ＡＣＳ）経路としても知られる）を使用する生物の特性であることが後に決定された。カルボキシド栄養性生物、光合成生物、メタン生成生物、酢酸生成生物を含む多数の嫌気性生物が、ＣＯを種々の最終産物、すなわち、ＣＯ２、Ｈ２、メタン、ブタノール、アセテート、及びエタノールに代謝することが示されている。ＣＯを唯一の炭素源として使用しながら、全てのこのような生物は、これらの最終産物のうちの少なくとも２つを生成する。
【０００８】
クロストリジウム属等由来の嫌気性細菌は、アセチルＣｏＡ生化学的経路を介して、ＣＯ、ＣＯ２、及びＨ２からエタノールを生成することが実証されている。例えば、ガスからエタノールを生成するクロストリジウム・リュングダリイの種々の株は、国際公開第１９９８／００５５８号、国際公開第２０００／０６８４０７号、国際公開第２００２／００８４３８号、米国特許第５，１７３，４２９号、米国特許第５，５９３，８８６号、及び米国特許第６，３６８，８１９号に記載されている。細菌クロストリジウム・オートエタノゲナムもまた、ガスからエタノールを生成することが知られている（Ａｂｒｉｎｉ，Ａｒｃｈ  Ｍｉｃｒｏｂｉｏｌ，１６１：３４５−３５１，１９９４）。
【０００９】
ガス発酵における研究は、ＣＯが、エタノールの生成のためにカルボキシド栄養性微生物によって利用される最も有力な炭素源である一方で、ＣＯ２は、微生物によってほとんど利用されないことを実証している。したがって、ガス状基質中のＣＯ２のたとえ一部でもアルコール及び／または酸等の有用な産物に変換する改善されたガス発酵プロセスが強く必要とされている。
【発明の概要】
【００１０】
本発明は、Ｈ２及びＣＯ２を含むガス状基質を、ガス状基質中のＣＯ２の少なくとも一部を１つ以上の産物に変換する細菌培養物に提供することによって、ガス発酵における炭素捕捉を改善するためのプロセスを提供する。本発明は、Ｈ２及びＣＯ２を含むガス状基質を、ガス状基質中のＣＯ２の少なくとも一部を１つ以上の産物に変換する細菌培養物に提供することによって、ガス発酵によって１つ以上の産物を生成する方法を更に提供する。理想的には、培養物によって消費されるＣＯ２の量は、培養物によって生成されるＣＯ２の量を超えるか、またはそれと等しい。
【００１１】
ガス状基質は、Ｈ２及びＣＯ２に加えてＣＯを含み得る。ガス状基質中の成分比（例えば、Ｈ２：ＣＯ２またはＨ２：ＣＯ２：ＣＯ）は、異なり得る。更に、ガス状基質中の成分の取り込みまたは特異的取り込み比（例えば、Ｈ２：ＣＯ２）は、異なり得る。１つの実施形態では、培養物によるＨ２の特異的取り込みは、培養物によるＣＯの特異的取り込みを超える。
【００１２】
発酵産物には、例えば、アルコール及び／または酸を含み得る。１つの実施形態では、産物は、エタノール、アセテート、及び２，３−ブタンジオールのうちの１つ以上を含む。
【００１３】
細菌は、Ｈ２、ＣＯ２、及び／またはＣＯを含むガス状基質を発酵させることができる任意の細菌であり得る。細菌は、クロストリジウム、ムーレラ、オキソバクター、ペプトストレプトコッカス、アセトバクテリウム、ユーバクテリウム、またはブチリバクテリウムのうちの１つ以上からに由来する細菌等のカルボキシド栄養性であり得る。具体的には、細菌は、ＤＳＭＺに寄託された受託番号ＤＳＭ２３６９３のクロストリジウム・オートエタノゲナム等のクロストリジウム・オートエタノゲナムもしくはクロストリジウム・リュングダリイ、またはそれら由来の細菌を含み得る。
【００１４】
本プロセスまたは方法は、１つ以上の産物を回収することを更に含み得る。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】供給ガス組成の変化に応じて、第１のリアクター内に収容される培養物によるＣＯ、ＣＯ２、及びＨ２の取り込みの変化を示すグラフである。
【図２】供給ガス組成の変化に応じて、第２のリアクター内に収容される培養物によるＣＯ、ＣＯ２、及びＨ２の取り込みの変化を示すグラフである。
【図３】供給ガス組成の変化に応じて、第３のリアクター内に収容される培養物によるＣＯ、ＣＯ２、及びＨ２の取り込みの変化を示すグラフである。
【図４】供給ガス組成の変化に応じて、第３のリアクター内に収容される培養物によるＣＯ、ＣＯ２、及びＨ２の取り込みの変化を示すグラフである。
【図５】培養物によるＣＯ２の純消費を示すグラフである。
【図６】発酵培養物の代謝産物を示すグラフである。
【図７】反応したＨ２／ＣＯの比率の産物生成への影響を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明は、Ｈ２及びＣＯ２を含むガス状基質を、ガス状基質中のＣＯ２の少なくとも一部を１つ以上の産物に変換する細菌培養物に提供することによって、ガス発酵における炭素捕捉を改善するためのプロセスを提供する。本発明は、Ｈ２及びＣＯ２を含むガス状基質を、ガス状基質中のＣＯ２の少なくとも一部を１つ以上の産物に変換する細菌培養物に提供することによって、ガス発酵によって１つ以上の産物を生成する方法を更に提供する。
【００１７】
嫌気性細菌は、基質及び産物の反応条件及び濃度に応じて、いくつかの異なる反応を伴い得るアセチル−ＣｏＡ生化学的経路を介して、Ｈ２及びＣＯからエタノール及びアセテートを生成することが実証されている。例えば、アセテートは、１：１のＨ２：ＣＯ取り込みから生成され得、２ＣＯ＋２Ｈ２→ＣＨ３ＣＯＯＨである。エタノール及びＣＯ２は、１：１のＨ２：ＣＯ取り込みから生成され得、３ＣＯ＋３Ｈ２→ＣＨ３ＣＨ２ＯＨ＋ＣＯ２である。エタノールは、２：１のＨ２：ＣＯ取り込みから生成され得、２ＣＯ＋４Ｈ２→ＣＨ３ＣＨ２ＯＨ＋Ｈ２Ｏである。アセテートは、Ｈ２なしのＣＯの消費から生成され得、４ＣＯ＋２Ｈ２Ｏ→ＣＨ３ＣＯＯＨ＋２ＣＯ２である。エタノールは、Ｈ２なしのＣＯの消費から生成され得、６ＣＯ＋３Ｈ２Ｏ→ＣＨ３ＣＨ２ＯＨ＋４ＣＯ２である。
【００１８】
更に、嫌気性細菌は、ＣＯ２を利用して、産物を生成することができる。例えば、アセテートは、２：１のＨ２：ＣＯ２取り込みから形成され得、２ＣＯ２＋４Ｈ２→ＣＨ３ＣＯＯＨ＋２Ｈ２Ｏである。エタノールは、３：１のＨ２：ＣＯ２取り込みから形成され得、２ＣＯ２＋６Ｈ２→ＣＨ３ＣＨ２ＯＨ＋３Ｈ２Ｏである。
【００１９】
ＣＯ及びＨ２の特異的取り込みを伴うもの等のＣＯ２生成反応、並びにＣＯ２消費反応は、正味のＣＯ２流束をゼロに均衡化するために組み合わされてもよい：
【化１】
0006612744.tif 000002
【００２０】
理想的には、培養物によって消費されるＣＯ２の量は、培養物によって生成されるＣＯ２の量を超えるか、またはそれと等しい。言い換えると、発酵は、正味の炭素捕捉をもたらし得る。
【００２１】
ガス状基質（「ガス」または「供給ガス」または「発酵ガス」または「基質」）は、発酵において炭素及び／またはエネルギー源として微生物に使用される化合物または要素を含有する任意のガスであり得る。ガス状基質は、典型的には、相当な割合のＨ２、ＣＯ２、及び／またはＣＯを含有し、更に、Ｎ２または他のガスを含有してもよい。好ましい実施形態では、ガス状基質は、Ｈ２及びＣＯ２を含むが、ＣＯを含まない。別の好ましい実施形態では、ガス状基質は、Ｈ２、ＣＯ２、及びＣＯを含む。嫌気性発酵では、ガス状基質は、典型的には、Ｏ２を含まないか、または実質的に含まない。
【００２２】
ガス状基質の組成は、異なり得る。具体的には、ガス状基質中のＨ２、ＣＯ２、及び／またはＣＯ比は、異なり得る。例えば、ガス状基質中のＨ２：ＣＯ比は、少なくとも０．１：１、少なくとも０．５：１、少なくとも１：１、少なくとも１．５：１、少なくとも２：１、少なくとも３：１、少なくとも５：１、または少なくとも１０：１であり得る。ガス状基質は、例えば、５〜４０％のＣＯ２、１０〜２５％のＣＯ２、２０〜５０％のＣＯ２、または３０〜６０％のＣＯ２を含み得る。ガス状基質は、例えば、１：１の比率で、ＣＯ及びＣＯ２を含み得る。ガス状基質中のＣＯ２の量は、ガス状基質中のＣＯの量の１．５〜４倍であり得る。
【００２３】
ガス状基質は、過剰なＨ２を含み得るか、またはそれを含むように調整され得る。例えば、ガス状基質は、約３０〜９０％のＨ２または約６０〜９０％のＨ２を含み得る。ガス状基質は、ＣＯ２及びＣＯよりも実質的に高い体積のＨ２を含有してもよい。例えば、ガス状基質中のＨ２：ＣＯ２：ＣＯ比は、少なくとも２：１：１、または少なくとも３：１：１、または少なくとも５：１：１であり得る。ガス状基質中のＨ２の量は、ガス状基質中のＣＯの量の１．５〜５倍であり得る。ガス流またはガス源は、所望の組成のガス状基質を得るためにＨ２（またはＣＯ２もしくはＣＯ）で補完されてもよい。
【００２４】
ガス状基質は、産業プロセスから調達されてもよい。具体的には、ガス状基質は、鉄金属製品製造（例えば、鋼鉄製造）、非鉄製品製造、石油精製、石炭ガス化、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、またはコークス製造等の産業プロセスによって発生される廃棄ガスであってもよい。好ましい実施形態では、ガス状基質は、鋼鉄製造ガスに由来する。
【００２５】
ガス状基質は、メタン、エタン、プロパン、石炭、天然ガス、原油、油精製（石油コークス（ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ  ｃｏｋｅ）または石油コークス（ｐｅｔｃｏｋｅ）を含む）からの低値残留物、固形都市廃棄物、またはバイオマス等の有機物のガス化から調達されてもよい。バイオマスは、サトウキビからの糖、またはトウモロコシもしくは穀類からのデンプン等の食糧、または山林業によって発生される非食物バイオマス廃棄物の抽出及び処理中に得られる副産物を含む。これらの炭素質材料のうちのいずれかがガス化され得る、すなわち、酸素によって部分的に燃焼され、合成ガス（合成ガス（ｓｙｎｇａｓ））を生成する。合成ガスは、典型的には、主にＣＯ、Ｈ２、及び／またはＣＯ２を含み、メタン、エチレン、エタン、または他のガスの量を更に含有してもよい。ガス化装置の運転条件は、発酵プロセスにおけるアルコール生産性及び／または全体の炭素捕捉全体の上昇のために、発酵に対して望ましい組成を有する基質流または最適化されたもしくは望ましい組成を提供するための１つ以上の他の流とのブレンドを提供するように調整され得る。
【００２６】
ガス状基質は、圧力スイング吸着（ＰＳＡ）システムから調達されてもよい。例えば、ＰＳＡ排ガスは、メタン蒸気改質器内の水性ガスシフトリアクターからのＣＯ及びＣＯ２に加えて、メタン蒸気改質器からＰＳＡに入る約１０〜１２％のＨ２を含有し得る。主要なメタン改質器を出るガス中のＣＯ（約３Ｈ２／ＣＯで）は、水性ガスシフトリアクター（高温及び低温）を使用して、水と反応して、Ｈ２及びＣＯ２を形成することができる。反応条件は、ＰＳＡ排ガス中に存在するＣＯ２の量に対してＰＳＡ排ガス中に存在するＣＯの量を制御するために調整され得る。また、望ましいＨ２／ＣＯ／ＣＯ２比率を達成するために、Ｈ２の一部をＰＳＡ排ガス中に残すこと、またはＨ２をＰＳＡ排ガスに戻して追加することが望ましい場合もある。例えば、Ｈ２：ＣＯ比率は、約２：１であってもよく、及び／またはＨ２：ＣＯ２比率は、約３：１であってもよい。典型的には、ＰＳＡは、超高純度のＨ２産物を作製する。Ｈ２の回収は、主に、供給ガス圧対排ガス圧比率に影響される。最低圧力で排ガスを流すことは、最も高いＨ２回収をもたらす。排ガスは、通常、燃料ガスヘッダ（精製のどこかで使用される）に送られるため、それは約１５ｐｓｉｇの圧力であり得る。主要改質器内の専用燃焼器内で燃焼される場合、それは、５ｐｓｉｇまで低い圧力であってもよい。ＰＳＡ排ガスが発酵槽のための供給ガス源として使用される場合、排ガスの圧力は、ガス圧縮の必要性を回避するために３０〜４５ｐｓｉｇに調整されてもよい。
【００２７】
ガス状基質は、任意の好適な導管手段で、全体的にまたは部分的に発酵に方向付けられる。例えば、配管または他の移動手段が、鋼鉄工場からの廃棄ガス煙突に接続されてもよく、廃棄ガスの少なくとも一部を発酵システムへ転送する。１つ以上のファンを使用して、廃棄ガスの少なくとも一部を発酵システムへ転送することができる。鋼鉄工場は、実質的に連続して鋼鉄（及び続く廃棄ガス）を生成するように適合され得るが、プロセスの特定の態様は、断続的であってもよい。典型的には、鋼鉄の脱炭は、数分間から数時間続くバッチプロセスである。導管手段は、廃棄ガスが望ましい組成を有することが決定される場合、廃棄ガスの少なくとも一部を発酵システムへ転送するように適合されてもよい。
【００２８】
化学的もしくは物理的不純物または混入物質を除去するために、発酵で使用される前にガス状基質を濾過する、洗浄する、さもなければ、前処理することが望ましい場合がある。例えば、原料ガスは、特定の微粒子物質、長鎖炭化水素、またはタールを除去するために、水を通過させてもよく、さもなければ、濾過されてもよい。しかしながら、このような濾過または前処理は、常に必要とされるわけではない。未濾過、未処理のガス状基質を直接発酵培養物に提供することが可能な場合がある。
【００２９】
ガス状基質の組成を変更させて、発酵効率、産物生成、及び／または炭素捕捉全体を改善することができる。具体的には、ガス状基質は、２つ以上の供給源からの流を組み合わせるか、またはブレンドすることによって、より高いもしくはより低い量のＨ２、ＣＯ２、及び／またはＣＯを含有するように変更されてもよい。例えば、鋼鉄工場の変換器からの排気等の高濃度のＣＯ２を含む流は、鋼鉄工場コークス炉からのオフガス等の高濃度のＨ２及びＣＯを含む流と組み合わせるか、またはブレンドされてもよい。あるいは、または更に、鋼鉄工場の変換器からの排気流等のＣＯ２を含む断続的な流は、ガス化プロセスにおいて生成される合成ガス等のＣＯ、ＣＯ２、及びＨ２を含む実質的に連続した流と組み合わせるか、またはブレンドされてもよい。例えば、ガス化装置によって生成される流は、望ましいまたは最適化された組成を有する実質的に連続した基質流を維持するために、工業供給源からのＣＯ２の断続的な生成によって増加及び／または減少され得る。
【００３０】
基質流は、典型的には、気体であるが、液体または固体であってもよい。例えば、ＣＯ２は、液体で、またはＣＯ２飽和液体としてリアクターに提供され得る。例として、Ｈｅｎｓｉｒｉｓａｋ，Ａｐｐｌ  Ｂｉｏｃｈｅｍ  Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌ，１０１：２１１−２２７，２００２）に記載されるもの等の微小気泡分散発生装置が使用され得る。
【００３１】
ガス発酵は、ガス状基質がエタノールまたは他の産物もしくは化学物質の生成のための炭素及び／またはエネルギー源として使用される代謝プロセスである。本明細書に使用する場合、「発酵」という用語は、プロセスの増殖期及び産物生合成期の両方を包含する。ガス発酵は、微生物、典型的には、細菌によって実施される。
【００３２】
細菌は、Ｈ２、ＣＯ２、及び／またはＣＯを含むガス状基質を発酵させることができる任意の細菌であり得る。細菌は、クロストリジウム、ムーレラ、オキソバクター、ペプトストレプトコッカス、アセトバクテリウム、ユーバクテリウム、またはブチリバクテリウムからに由来する細菌等、カルボキシド栄養性であり得る。具体的には、細菌は、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・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・アセチクム、クロストリジウム・フォルミコアセチクム、クロストリジウム・マグナム、ブチリバクテリウム・メチロトロフィカム（Ｂｕｔｙｒｉｂａｃｔｅｒｉｕｍ  ｍｅｔｈｙｌｏｔｒｐｈｏｉｃｕｍ）、アセトバクテリウム・ウーディ（Ａｃｅｔｏｂａｃｔｅｒｉｕｍ  ｗｏｏｄｉｉ）、アルカリバクラム・バッチィ（Ａｌｋａｌｉｂａｃｕｌｕｍ  ｂａｃｃｈｉ）、ブラウティア・プロダクタ（Ｂｌａｕｔｉａ  ｐｒｏｄｕｃｔａ）、ユーバクテリウム・リモーサム、ムーレラ・サーモアセチカ、スポロミュサ・オヴァタ（Ｓｐｏｒｏｍｕｓａ  ｏｖａｔａ）、スポロミュサ・シルバセチカ（Ｓｐｏｒｏｍｕｓａ  ｓｉｌｖａｃｅｔｉｃａ）、スポロミュサ・スファエロイデス（Ｓｐｏｒｏｍｕｓａ  ｓｐｈａｅｒｏｉｄｅｓ）、オキソバクター・フェニジイ（Ｏｘｏｂａｃｔｅｒ  ｐｆｅｎｎｉｇｉｉ）、及びサーモアナエロバクター・キウヴィ（Ｔｈｅｒｍｏａｎａｅｒｏｂａｃｔｅｒ  ｋｉｕｖｉ）であり得る。細菌は、前述の属または種のうちのいずれかに由来する株であってもよい。
【００３３】
細菌は、クロストリジウム・オートエタノゲナム種、クロストリジウム・リュングダリイ種、クロストリジウム・ラグスダレイ種、及び関連分離株を含むカルボキシド栄養性クロストリジウムのクラスターに由来し得る。これらには、クロストリジウム・オートエタノゲナム株ＪＡＩ−１Ｔ（ＤＳＭ１００６１）（Ａｂｒｉｎｉ，Ａｒｃｈ  Ｍｉｃｒｏｂｉｏｌ，１６１：３４５−３５１，１９９４）、クロストリジウム・オートエタノゲナム株ＬＢＳ１５６０（ＤＳＭ１９６３０）（国際公開第２００９／０６４２００号）、クロストリジウム・オートエタノゲナム株ＬＢＳ１５６１（ＤＳＭ２３６９３）、クロストリジウム・リュングダリイ株ＰＥＴＣＴ（ＤＳＭ１３５２８＝ＡＴＣＣ５５３８３）（Ｔａｎｎｅｒ，Ｉｎｔ  Ｊ  Ｓｙｓｔ  Ｂａｃｔｅｒｉｏｌ，４３：２３２−２３６，１９９３）、クロストリジウム・リュングダリイ株ＥＲＩ−２（ＡＴＣＣ５５３８０）（米国特許第５，５９３，８８６号）、クロストリジウム・リュングダリイ株Ｃ−０１（ＡＴＣＣ５５９８８）（米国特許第６，３６８，８１９号）、クロストリジウム・リュングダリイ株Ｏ−５２（ＡＴＣＣ５５９８９）（米国特許第６，３６８，８１９号）、クロストリジウム・ラグスダレイ株Ｐ１１Ｔ（ＡＴＣＣ  ＢＡＡ−６２２）（国際公開第２００８／０２８０５５号）、「クロストリジウム・コスカチイ」（米国公開第２０１１／０２２９９４７号）及び「クロストリジウム種」（Ｂｅｒｚｉｎ，Ａｐｐｌ  Ｂｉｏｃｈｅｍ  Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌ，１６７：３３８−３４７，２０１２）等の関連分離株、またはクロストリジウム・リュングダリイＯＴＡ−１（Ｔｉｒａｄｏ−Ａｃｅｖｅｄｏ，Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｂｉｏｅｔｈａｎｏｌ  ｆｒｏｍ  Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ  Ｇａｓ  Ｕｓｉｎｇ  Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ  ｌｊｕｎｇｄａｈｌｉｉ，ＰｈＤ  ｔｈｅｓｉｓ，Ｎｏｒｔｈ  Ｃａｒｏｌｉｎａ  Ｓｔａｔｅ  Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，２０１０）等の突然変異株が挙げられるが、これらに限定されない。これらの株は、クロストリジウム属のｒＲＮＡクラスターＩ内のサブクラスターを形成し、それらの１６Ｓ  ｒＲＮＡ遺伝子は、約３０％の類似の低ＧＣ含量と９９％を超えて一致している。しかしながら、ＤＮＡ−ＤＮＡ再結合及びＤＮＡ指紋実験は、これらの株がはっきりと異なる種に属することを示した（国際公開第２００８／０２８０５５号）。
【００３４】
上述のクラスターの全ての種は、同様の形態及び大きさを有し（対数増殖細胞は、０．５〜０．７×３〜５μｍである）、中温性であり（最適な増殖温度は３０〜３７℃）、絶対嫌気性である（Ａｂｒｉｎｉ，Ａｒｃｈ  Ｍｉｃｒｏｂｉｏｌ，１６１：３４５−３５１，１９９４、Ｔａｎｎｅｒ，Ｉｎｔ  Ｊ  Ｓｙｓｔ  Ｂａｃｔｅｒｉｏｌ，４３：２３２−２３６，１９９３、及び国際公開第２００８／０２８０５５号）。その上、それらは全て、同じｐＨ範囲（ｐＨ４〜７．５、最適な初期ｐＨは５．５〜６）、同様の増殖速度でのＣＯ含有ガス上での強い独立栄養増殖、並びにある特定の条件下で形成される、主な発酵最終産物としてのエタノール及び酢酸並びに少量の２，３−ブタンジオール及び乳酸の同様の代謝プロファイル等の同じ重要な系統発生特質を共有する（Ａｂｒｉｎｉ，Ａｒｃｈ  Ｍｉｃｒｏｂｉｏｌ，１６１：３４５−３５１，１９９４、Ｋoｐｋｅ，Ｃｕｒｒ  Ｏｐｉｎ  Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌ，２２：３２０−３２５，２０１１、Ｔａｎｎｅｒ，Ｉｎｔ  Ｊ  Ｓｙｓｔ  Ｂａｃｔｅｒｉｏｌ，４３：２３２−２３６，１９９３、及び国際公開第２００８／０２８０５５号）。インドール生成が、３つの種全てで同様に観察された。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、グルコン酸塩、クエン酸塩）、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）の基質利用において差異を生じる。更に、ある特定のビタミン（例えば、チアミン、ビオチン）に対して栄養要求性であることが発見された種もあれば、そうではないものも発見された。ガス取り込みを伴うウッド−リュングダリイの経路遺伝子の組織及び数は、核酸及びアミノ酸配列における相違にもかかわらず、全ての種において同じであることが発見されている（Ｋoｐｋｅ，Ｃｕｒｒ  Ｏｐｉｎ  Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌ，２２：３２０−３２５，２０１１）。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、様々なこれらの微生物おいて示されている（Ｐｅｒｅｚ，Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌ  Ｂｉｏｅｎｇ，１１０：１０６６−１０７７，２０１２）。したがって、これらの特質は、クロストリジウム・オートエタノゲナムまたはクロストリジウム・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栄養性のエタノール合成クロストリジウムに対して一般的な特質であり、機序は、性能に相違があり得るが、これらの株にわたって同様に働くことが予期され得る（Ｐｅｒｅｚ，Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌ  Ｂｉｏｅｎｇ，１１０：１０６６−１０７７，２０１２）。
【００３５】
好ましい実施形態では、細菌は、クロストリジウム・オートエタノゲナムまたはクロストリジウム・リュングダリイである。別の実施形態では、細菌は、Ｇｅｒｍａｎ  Ｒｅｓｏｕｒｃｅ  Ｃｅｎｔｒｅ  ｆｏｒ  Ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ  Ｍａｔｅｒｉａｌ（ＤＳＭＺ）に寄託された受託番号ＤＳＭ１００６１またはＤＳＭ２３６９３の株の識別特性を有するクロストリジウム・オートエタノゲナムである。更に好ましい実施形態では、細菌は、ＤＳＭＺに寄託された受託番号ＤＳＭ１００６１もしくはＤＳＭ２３６９３のクロストリジウム・オートエタノゲナムまたはＤＳＭＺに寄託された受託番号ＤＳＭ１００６１もしくはＤＳＭ２３６９３のクロストリジウム・オートエタノゲナムからに由来する細菌である。
【００３６】
細菌培養物によるガス状基質の取り込み（「消費」）及び特異的取り込み（「特異的消費」）は、異なってもよい。取り込みは、概して、単位時間（例えば、日）当たりの消費される成分ガスの単位（例えば、Ｈ２、ＣＯ２、またはＣＯのｍｍｏｌ）掛ける発酵ブロスの単位（例えば、発酵ブロスのＬ）、例えばｍｍｏｌ／Ｌ／日の単位で記載される。培養物は、例えば、少なくとも１０００ｍｍｏｌ／Ｌ／日のＨ２、少なくとも２０００ｍｍｏｌ／Ｌ／日のＨ２、少なくとも４０００ｍｍｏｌ／Ｌ／日のＨ２、または少なくとも６０００ｍｍｏｌ／Ｌ／日のＨ２を取り込み得る。更に、培養物は、例えば、少なくとも５００ｍｍｏｌ／Ｌ／日のＣＯ２、少なくとも１０００ｍｍｏｌ／Ｌ／日のＣＯ２、少なくとも２０００ｍｍｏｌ／Ｌ／日のＣＯ２、または少なくとも３０００ｍｍｏｌ／Ｌ／日のＣＯ２を取り込み得る。特異的取り込みは、概して、単位時間（例えば、分）当たりの消費される成分ガスの単位（例えば、Ｈ２、ＣＯ２、またはＣＯのｍｍｏｌ）掛ける微生物の単位（例えば、細菌細胞のグラム）、例えばｍｍｏｌ／ｇ／分の単位で記載される。好ましい実施形態では、培養物によるＨ２の特異的取り込みは、培養物によるＣＯの特異的取り込みを超える。例えば、培養物によるＨ２：ＣＯの特異的取り込み比は、少なくとも１．１：１、少なくとも１．４：１、少なくとも１．６：１、少なくとも２：１、少なくとも３．１、少なくとも５：１、または少なくとも１０：１であり得る。
【００３７】
Ｈ２及び／またはＣＯ２取り込みは、発酵ブロス中のエタノール及び／またはアセテート濃度が高い、または少なくともある特定の閾値を超えるときに、減損される場合がある。例えば、Ｈ２取り込みは、アセテート濃度が、約１０ｇ／Ｌまたは約２０ｇ／Ｌを超えるときに、減損され得る。Ｈ２取り込み減損の範囲を低減するために、細菌培養物によって生成される産物は、リアクターまたは発酵ブロスから連続して取り除かれてもよい。培養物によるＨ２の効率的な消費を達成するために十分に高い細胞密度が必要とされ得る。ＣＯ２の取り込みは、不健康なバイオマス、ガス供給過剰、高エタノール濃度、及び／または混入物質の存在によって阻害される場合がある。
【００３８】
細菌培養物は、培養物に十分な資源を提供する任意の液体栄養培地中で増殖され得る。液体栄養培地は、例えば、ビタミン、鉱物、及び水を含有してもよい。エタノールまたは他の産物の発酵に適した嫌気性培地を含む好適な液体栄養培地の例が、当業者で既知である（例えば、米国特許第５，１７３，４２９号、米国特許第５，５９３，８８６号、及び国際公開第２００２／０８４３８号を参照されたい）。
【００３９】
細菌培養物は、リアクター（バイオリアクター）内に収容され得る。リアクターは、細菌培養物の増殖のための１つ以上の容器及び／またはタワーもしくは配管配置を有する任意の発酵装置であり得る。リアクターは、例えば、固定化細胞リアクター、ガスリフト型リアクター、気泡塔型リアクター（ＢＣＲ）、循環ループリアクター、中空糸膜バイオリアクター（ＨＦＭ  ＢＲ）等の膜リアクター、連続流動撹拌槽リアクター（ＣＳＴＲ）、またはトリクルベット型リアクター（ＴＢＲ）であり得る。リアクターは、好ましくは、Ｈ２、ＣＯ２、及び／またはＣＯを含むガス状基質を受容するように適合される。リアクターは、並列または直列のいずれかで多段リアクター（ステージ）を備えてもよい。例えば、リアクターは、その内部で細菌を培養する第１の増殖リアクターと、増殖リアクターからの発酵ブロスが供給され、その内部で発酵産物のほとんどが生成され得る第２の発酵リアクターと、を備えてもよい。
【００４０】
本発明の実施形態は、例として記載される。しかしながら、一方の実施形態では必要な特定のステップまたは段階が、他方では必要ではない場合がある。反対に、特定の実施形態の説明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ない実施形態において有利に利用されてもよい。
【００４１】
本発明は、任意の既知の移動手段によって発酵システムを通ってまたは発酵システムの周りを移動させられる任意の種類の流を参照して大まかに記載されるが、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。特定の段階は、好適な導管手段に連結されてもよく、またはシステム全体に渡る流を受容もしくは通過するように構成可能であり得る。ポンプまたは圧縮機は、特定の段階への流の送達を促進するために提供されてもよい。その上、圧縮機を使用して、１つ以上の段階に提供されるガスの圧力を上昇させることができる。
【００４２】
加えて、本発明のシステムまたはプロセスは、任意に、プロセスの全体効率を改善するために、他のパラメータを調節及び／または制御するための手段を含んでもよい。１つ以上のプロセッサが、プロセスの特定のパラメータを調節及び／または制御するためにシステムに組み込まれてもよい。例えば、システムは、基質の組成及び／または排気流を監視するための決定手段を含んでもよい。加えて、特定の実施形態は、決定手段が、流が特定の段階に適した組成を有することを決定する場合、特定のシステム内の特定の段階または要素への基質流の送達を制御するための手段を含み得る。例えば、ガス状基質流が、発酵反応に有害であり得る低水準のＣＯ２もしくはＨ２または高水準のＯ２を含有する場合、基質流は、バイオリアクターから離れて転送され得る。システムはまた、所望のまたは好適な組成を有する流が特定の段階に送達され得るように、基質流及び／または流量の行き先を監視及び制御するための手段も含み得る。
【００４３】
その上、プロセスの１つ以上の段階の前またはその最中に特定のシステム構成要素もしくは基質流を加熱または冷却するために必要な場合がある。そのような事例では、任意の既知の加熱または冷却手段が使用され得る。例えば、熱交換器が、基質流を加熱または冷却するために用いられてもよい。
【００４４】
反応条件は、リアクター内の細菌増殖速度及び／または産物生成を最適化するために監視及び調整され得る。発酵は、望ましくは、所望の発酵を生じる（例えば、ＣＯ２からアルコール）ための適切な条件下で行われるべきである。そのような反応条件には、圧力、温度、ガス流量、液体流量、培地ｐＨ、培地酸化還元電位、撹拌速度（連続撹拌槽リアクターを使用する場合）、接種原レベル、（液相中のＨ２、ＣＯ２、及び／またはＣＯが限界とならないことを確実にするための）基質濃度、並びに（産物阻害を避けるための）産物濃度が挙げられる。
【００４５】
嫌気性細菌を培養する一般的な方法は、当該技術分野で周知である。例示的技法は、（ｉ）Ｋｌａｓｓｏｎ，Ｒｅｓｏｕｒ  Ｃｏｎｓｅｒｖ  Ｒｅｃｙｃｌ，５：１４５−１６５，１９９１、（ｉｉ）Ｋｌａｓｓｏｎ，Ｆｕｅｌ，７０：６０５−６１４，１９９１、（ｉｉｉ）Ｋｌａｓｓｏｎ，Ｅｎｚｙｍｅ  Ｍｉｃｒｏｂｉａｌ  Ｔｅｃｈｎｏｌ，１４：６０２−６０８，１９９２、（ｉｖ）Ｖｅｇａ，Ｂｉｏｔｅｃｈ  Ｂｉｏｅｎｇ，３４：７８５−７９３，１９８９、（ｖｉ）Ｖｅｇａ，Ｂｉｏｔｅｃｈ  Ｂｉｏｅｎｇ，３４：７７４−７８４，１９８９、（ｖｉｉ）Ｖｅｇａ，Ｒｅｓｏｕｒ  Ｃｏｎｓｅｒｖ  Ｒｅｃｙｃｌ，３：１４９−１６０，１９９０に提供されている。その上、ガス状基質からエタノール及び他のアルコールを生成するためのプロセスは、当該技術分野で周知である。例示的プロセスには、例えば、国際公開第２００７／１１７１５７号、国際公開第２００８／１１５０８０号、米国特許第６，３４０，５８１号、米国特許第６，１３６，５７７号、米国特許第５，５９３，８８６号、米国特許第５，８０７，７２２号、及び米国特許第５，８２１，１１１号記載されるものを含む。
【００４６】
リアクターの内容物のｐＨは、必要に応じて調整され得る。適切なｐＨは、使用される液体栄養培地及び細菌を考慮して、特定の発酵反応に必要とされる条件に依存する。クロストリジウム・オートエタノゲナムによるＨ２、ＣＯ２、及びＣＯを含有するガス状基質の発酵を含む好ましい実施形態では、ｐＨは、約４．５〜６．５に、最も好ましくは、約５〜５．５に調整され得る。更なる例には、酢酸の生成にムーレラ・サーモアセチカを使用するｐＨ５．５〜６．５、ブタノールの生成にクロストリジウム・アセトブチリクムを使用するｐＨ４．５〜６．５、及び水素の生成にカルボキシドサーマス・ハイグロゲナフォルマンス（Ｃａｒｂｏｘｙｄｏｔｈｅｒｍｕｓ  ｈｙｇｒｏｇｅｎａｆｏｒｍａｎｓ）を使用するｐＨ７が挙げられる。リアクターのｐＨを調整及び維持するための手段は、当該技術分野で周知である。そのような手段には、ＮａＯＨまたはＮＨ４ＯＨ等の水性塩基及びＨ２ＳＯ４等の水性酸の使用が挙げられる。
【００４７】
好ましくは、リアクターは、細菌がガス状基質、具体的には、ガス状基質中のＨ２に近付くことを可能にするために十分な質量移動を提供するように構成される。長いガス滞留時間は、細菌による高いガス取り込みを発生させる。特定の実施形態では、リアクターは、そこを通してガス状基質及び液体栄養培地が循環する上昇（ｒｉｓｅｒ）区画及び下降（ｄｏｗｎｃｏｍｅｒ）区画を備える循環ループリアクターである。リアクターは、有効な質量移動を提供することができる幅広い好適なガス／液体接触モジュールを更に含んでもよい。接触モジュールは、ガス及び液体が固定流路に沿って完全に混合されることを可能にする固有の幾何学的環境を提供することができ、噴流ガスを液体中により均一に溶解させる。例として、この接触モジュールは、マトリクス状の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／または静的ミキサーを含み得るが、これらに限定されない。
【００４８】
ガス状基質の細菌培養物への質量移動速度は、最適な供給速度またはその前後で細菌培養物にガス状基質が供給されるように制御され得る。質量移動速度は、ガス状基質の分圧を制御することによって、及び／または液体流量もしくはガスホールドアップを制御することによって、制御されてもよい。ガス状基質の導入の速度は、液相中のＨ２、ＣＯ２、及び／またはＣＯの濃度が限界とならないことを確実にするために監視されてもよい。特定の実施形態では、質量移動は、リアクターに入るガス状基質の分圧を制御することによって制御される。
【００４９】
高圧、すなわち、周囲圧力よりも高い圧力で、発酵を実施することが好ましい場合がある。上昇した圧力での運転は、ガス相から、それがエタノール等の産物の生成のための炭素源として細菌によって取り込まれ得る液相へのＨ２、ＣＯ２、及び／またはＣＯ移動の速度の著しい上昇を可能にする。保持時間（投入ガス流量で除したバイオリアクター内の液体体積）は、リアクターが大気圧よりもむしろ高圧で維持されるときに低減され得る。また、所与のＣＯ／ＣＯ２／Ｈ２からエタノールへの変換速度が、部分的に基質保持時間の関数であり、所望の保持時間を達成することが、転じてバイオリアクターの必要な容積を決定するため、加圧システムの使用は、必要とされるバイオリアクターの容積を大きく低減することができ、結果として、発酵設備の資本費を大きく低減することができる。米国特許第５，５９３，８８６号で示される例によると、リアクター体積は、リアクター運転圧力の上昇に直線的に比例して低減させることができる。例えば、１０気圧の圧力で運転されるリアクターは、１気圧の圧力で運転されるもののわずか１０分の１の容積だけを必要とする。高圧でガスからエタノールへの発酵を行うことの利点は、別の文献にも記載されている。例えば、国際公開第２００２／０８４３８号は、３０ｐｓｉｇ及び７５ｐｓｉｇの圧力下で行われるガスからエタノールへの発酵が、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ことを記載している。しかしながら、大気圧で類似の培地及び投入ガス組成を使用して実施される例となる発酵は、１０〜２０倍少ない１日当たりのリットル毎エタノールを生成することが発見された。
【００５０】
細菌培養物は、１つ以上の産物を生成し得る。ガス状供給原料中のＣＯ２の少なくとも一部は、産物中の炭素の少なくとも一部がガス状基質中のＣＯ２の炭素から導出されるように、産物に変換される。例えば、産物中の炭素の少なくとも１％、少なくとも５％、少なくとも１０％、少なくとも１５％、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７５％、または少なくとも９０％が、ガス状基質中のＣＯ２の炭素から導出され得る。別の実施形態では、リアクターを退出するガス中のＣＯ２の量は、リアクターに入るガス中のＣＯ２の量よりも少ない（すなわち、ガス状基質中のＣＯ２の量よりも少ない）。例えば、リアクターを出るガス中のＣＯ２の量は、リアクターに入るガス中のＣＯ２の量よりも少なくとも０．５％、少なくとも１％、少なくとも３％、少なくとも５％、少なくとも１０％、少なくとも１５％、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７５％、または少なくとも９０％少なくてもよい。
【００５１】
産物は、アルコール、酸、または他の化学物質を含み得る。そのような産物は、発酵プロセスによって生成されるガスも含む。具体的には、培養物は、エタノール、酢酸（またはアセテート）、２，３−ブタンジオール、ブタノール、イソプロパノール、乳酸塩、コハク酸塩、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、アセトイン、イソブタノール、シトラマル酸塩、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ネート（３ＨＰ）、アセトン、及び脂肪酸のうちの１つ以上を生成し得る。本発明者らは、ガス発酵におけるＣＯ２の消費によるエタノールの高生成を最初に実証する。好ましい実施形態では、培養物は、エタノール、アセテート、及び２，３−ブタンジオールのうちの１つ以上を生成する。
【００５２】
培養物は、異なる量でエタノール及びアセテートを生成し得る。例えば、培養物は、約１：１の比率でエタノール及びアセテートを生成し得る。好ましい実施形態では、培養物は、少なくとも１．５：１、少なくとも２：１、少なくとも３：１、または少なくとも５：１の比率でエタノール及びアセテートを生成する。培養物は、少なくとも１０ｇ／Ｌまたは少なくとも１５ｇ／Ｌの濃度でエタノールを生成し得る。培養物は、２０ｇ／Ｌ以下または１０ｇ／Ｌ以下の濃度でアセテートまたは酢酸を生成し得る。
【００５３】
プロセスまたは方法は、当該技術分野で既知の任意の手段を使用して１つ以上の産物を回収することを含み得る。例示的な方法は、国際公開第２００７／１１７１５７号、国際公開第２００８／１１５０８０号、米国特許第６，３４０，５８１号、米国特許第６，１３６，５７７号、米国特許第５，８２１，１１１号、米国特許第５，８０７，７２２号、及び米国特許第５，５９３，８８６号に記載されている。
【００５４】
エタノールは、例えば、分留または蒸発または抽出発酵等の方法によって発酵ブロスから回収され得る。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（例えば、９５％のエタノール及び５％の水）をもたらす。続いて、無水エタノールが、当該技術分野で周知の分子篩エタノール脱水技術の使用によって得られる。抽出発酵は、希釈発酵ブロスからエタノールを回収するために、発酵微生物に対して低い毒性リスクを提示する水混和性溶媒の使用を伴う。例えば、抽出発酵における溶媒としてオレイルアルコールが使用されてもよい。オレイルアルコールが連続して発酵槽内に導入されるとき、それは発酵ブロスの頂部に層を形成するように上昇する。次いで、この層は、遠心分離によって抽出され、供給され得る。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て発酵槽に戻される一方で、エタノールを含む溶媒は、フラッシュ蒸発ユニットに供給される。エタノールの大半が蒸発及び濃縮される一方で、非揮発性オレイルアルコールは、発酵における再利用のために回収される。
【００５５】
アセテートも、当該技術分野で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、活性炭フィルターを伴う吸着システムが使用されてもよい。この場合、微生物細胞は、典型的には、好適な分離方法を使用して発酵ブロスから最初に除去される。産物回収のための無細胞発酵ブロスを発生する多数の濾過に基づく方法が、当該技術分野で既知である。次いで、エタノール及びアセテートを含有する無細胞透過液を、アセテートを吸着するための活性炭を含有するカラムを通過させる。塩（アセテート）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、アセテートの大半を酢酸形態に変換するために、活性炭カラムを通過させる前に発酵ブロスのｐＨを約３未満に低下させることが好ましい。
【００５６】
発酵反応の産物は、発酵バイオリアクターからブロスの一部を連続して取り出し、微生物細胞をブロスから分離し、１つ以上の産物をブロスから同時にまたは順次回収することによって、発酵ブロスから回収され得る。分離された微生物細胞は、発酵リアクターに戻されてもよい。エタノール及びアセテートが取り出された後に残る無細胞透過液もまた、発酵リアクターに戻されてもよい。無細胞透過液がリアクターに戻される前に、無細胞透過液を満たすために、Ｂビタミン等の追加の栄養素が追加されてもよい。ブロスのｐＨが、酢酸の活性炭への吸着を強化するように調整された場合、無細胞透過液のｐＨも再調整される必要がある。
【００５７】
リアクターは、細菌が更なる発酵のためにリアクターに戻され得るように、細菌を透過液から分離するための手段を提供する細胞リサイクルシステムと一体化されてもよい。細胞リサイクルモジュールは、細胞を保持しながら、ブロス透過液を連続して引き出すことができる。細胞リサイクルシステムは、細胞リサイクル膜及びディスクスタック型遠心分離機を含み得るが、これらに限定されない。
実施例
【００５８】
以下の実施例は、本発明を更に例示するが、当然のことながら、どのようにもその範囲を制限すると解釈されるべきではない。
【実施例１】
【００５９】
本実施例は、４つのバイオリアクター（リアクター１〜４）の調製、播種、及び発酵を実証する。
【００６０】
２Ｌのバイオリアクターに、以下の成分を追加して、１．５Ｌの作業体積を作製した；１４５０ｍｌのＨ２Ｏ、３７．５ｍｌの１Ｍ  ＫＣｌ、３ｍｌの１Ｍ  ＮａＣｌ、３ｍｌの１Ｍ  ＭｇＣｌ２、３ｍｌの１Ｍ  ＣａＣｌ２、０．６ｍｌの８５％Ｈ３ＰＯ４、１．５ｍＬのレサズリン（２ｇ／Ｌ）、７．５ｍｌの微量金属溶液、及び３０ｍｌのＢ−ビタミン原液。
【表１】
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【表２】
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【表３】
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【００６１】
撹拌を３００ｒｐｍに切り替え、リアクターを３７℃に加熱した。Ｎ２を２００ｍｌ／分で少なくとも１時間にわたって散布した。次いで、入口ガスを、３００ｒｐｍで５０ｍｌ／分のＲＭＧに切り替えた。Ｎａ２Ｓ滴下を０．３ｍｌ／時間で開始した。ＯＲＰを−１５０ｍＶ〜−２５０ｍＶ内に調整した。Ｃｒ（ＩＩ）を使用して、必要に応じて、特定の範囲内に値を維持するようにＯＲＰを調整した。塩基補正としてＮＨ４ＯＨ（５Ｍ）を使用した。
【００６２】
次いで、リアクターに２００ｍｌの活発に増殖するクロストリジウム・オートエタノゲナム培養物を播種した。培養物は、クロストリジウム・オートエタノゲナム株ＤＳＭＺ２３６９３を含んだ。
【００６３】
次いで、リアクター１〜４を以下に記載されるように発酵した。列記した値は、概算値であり、ＧＣ測定値間を約＋／−０．５％前後する。
リアクター１
【表４】
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図１は、リアクター１内で培養物によって消費されるＣＯ、ＣＯ２、及びＨ２の量を示す。
リアクター２
【表５】
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図２は、リアクター２内の培養物によって消費されるＣＯ、ＣＯ２、及びＨ２の量を示す。
リアクター３
【表６】
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図３は、リアクター３内で培養物によって消費されるＣＯ、ＣＯ２、及びＨ２を示す。
リアクター４
【表７】
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図４は、リアクター４内で培養物によって消費されるＣＯ、ＣＯ２、及びＨ２の量を示す。
【００６４】
全ての４つのリアクターにおいて、ＣＯ２消費は、ガス供給組成が過剰水素を含むように変更されたときに実証された。リアクター３では、消費されたＣＯ２の量は、供給ガス中のＣＯ体積の還元に続いて消費されたＣＯの量よりも大きかった。これは、過剰なＨ２が基質中で利用可能であるときに、ＣＯ２が主要な炭素源として利用されたことを示す。
【実施例２】
【００６５】
本実施例は、幅広い範囲にわたってＨ２がＣＯ２と反応することを実証する。
【００６６】
クロストリジウム・オートエタノゲナムの培養物によるＨ２、ＣＯ、及びＣＯ２消費を、標準的方法を用いて測定した。具体的には、質量流量制御器を用いてリアクター入口及び出口ガスの流量を測定し、ガスクロマトグラフィー（ＧＣ）を用いてリアクター入口及び出口ガスの組成を測定した。ブロス／日のｍｍｏｌ／Ｌの単位で表されるＨ２、ＣＯ、及びＣＯ２の消費の速度を、出口ガス流から計算した。Ｎ２は、入口ガス中のＮ２が出口ガス中のＮ２と等価であったように、培養物によって消費されなかった。培養物は、入口（供給）ガス中で利用可能なＣＯ２及び／または培養物によって生成されるＣＯ２を消費し得る。
【００６７】
図５は、ＣＯ２が所与の比率でＨ２と反応したこと、並びに培養物がＣＯ反応により生成されたＣＯ２だけではなく、Ｈ２が利用可能であった限り、供給ガス中に提供されたＣＯ２も消費したことを示す。図５は、ＣＯ２の純消費が達成されたことを実証する。ＣＯ２の純消費（負数）または産出（正数）をＣＯ（負数）の消費で除し、その分数を百分率値に変換することによって、図５のｙ軸を計算した。消費されたＣＯの割合で除した消費されたＨ２の割合の分率として、図５のｘ軸を計算した。
【実施例３】
【００６８】
本実施例は、ガス状基質中のＨ２の百分率の上昇が、発酵培養物によって生成されるエタノール：２，３−ブタンジオール（ＢＤＯ）比を上昇させることを実証する。
【００６９】
図６は、クロストリジウム・オートエタノゲナムの発酵培養物の代謝産物を示す。２０日目で、供給ガス中のＨ２は、５％から３４％に上昇し、供給ガス中のＣＯは、２６％から２０％に減少した。ＢＤＯ生成は、４．３ｇ／Ｌから０．９ｇ／Ｌに急落し、エタノール：ＢＤＯ比は上昇した。Ｈ２利用は、１５％から５８％に上昇した。バイオマスは、０．７のＤ廃棄で減少した。
【００７０】
供給ガス中のＨ２は、ＣＯ利用が高い場合、すなわち、溶解されたＣＯが少ない場合、かなりの程度（５０％超）まで消費され得る。ＡＴＰバランスを使用して、Ｈ２がＣＯを伴う補助基質であった場合、細胞増殖速度がより遅くなり得ることが予測された。ブロス中に溶解されたＣＯ２の濃度の直接的な結果としてＢＤＯ生成速度が減少したこと、並びに、ＢＤＯ生成の速度がＣＯ２の消費と逆比例したように、ブロス中に溶解されたＣＯ２がＣＯ２分圧と比例した（または固定大気運転圧力で出口ＣＯ２濃度に比例した）ことが観察された。Ｄ廃棄、リアクター内の細菌の滞留時間は、リアクター内の細菌の濃度を最適な値で維持するように調整され得る。より多くのＨ２が消費されるため、Ｄ廃棄は、細胞膜を通してより多くのブロスをポンプで送り込むことによって減少させることができる。
【実施例４】
【００７１】
本実施例は、反応したＨ２／ＣＯの比率が産物生成に影響を与えることを実証する。具体的には、本実施例は、供給ガス中のＨ２：ＣＯ比が上昇するにつれてバイオマス及びＢＤＯが減少することを実証する。
【００７２】
図７は、実施例３に記載される実験と類似する一連の実験に対するデータ点を示す。ｙ軸は、Ｈ２及びＣＯ消費の割合に対するバイオマス及びＢＤＯに変換された炭素の割合の比率である。産物生成がＨ２／ＣＯ消費比率に影響されない場合、傾向は、反応したＨ２／ＣＯの上昇とともに減少しない（すなわち、水平傾向線が観察され得る）。
【００７３】
本明細書に引用される刊行物、特許出願、及び特許を含む全ての参照文献は、各参照文献が、参照により組み込まれることが個別に及び具体的に示されていたもの、並びにその全体が本明細書に示されていたものと同程度に参照により本明細書に組み込まれる。本明細書における任意の先行技術に対する言及は、その先行技術が、あらゆる国の試みの現場における共通の一般的知識の一部を形成することの承認ではなく、またそのように受け取られるべきではない。
【００７４】
本発明の記載に関連して（特に、以下の特許請求の範囲に関連して）、「ａ」及び「ａｎ」及び「ｔｈｅ」という用語並びに同様の指示対象の使用は、別途本明細書に示されない限り、または文脈と明確に矛盾しない限り、単数形及び複数形の両方を含むように解釈される。「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「有する（ｈａｖｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、及び「含有する（ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ）」という用語は、別途記載のない限り、制約のない形態であると解釈される（すなわち、「含むが、これに限定されない」を意味する）。本明細書における値の範囲の記述は、別途本明細書で示されない限り、単に、その範囲内に収まる各々別々の値を個別に参照する簡単な方法として働くことが意図され、各別々の値は、それが個々に本明細書に引用されたように本明細書に組み込まれる。本明細書に記載される全ての方法は、別途本明細書で示されない限りまたは文脈と明確に矛盾しない限り、任意の好適な順序で実施され得る。本明細書に提供されるあらゆる及び全ての例または例となる言語（例えば、「等（ｓｕｃｈ  ａｓ）」）の使用は、単に、本発明をより容易に理解することが意図され、別途特許請求されない限り、本発明の範囲に対する制限を提起しない。本明細書においていかなる言語も、本発明の実践に不可欠である任意の特許請求されない要素を示すものと解釈されるべきではない。
【００７５】
本発明の好ましい実施形態が本明細書に記載され、本発明を行うために本発明者らに既知の最良な様式を含む。それらの好ましい実施形態の変形は、前述の説明の読解時に当業者に明らかになるであろう。本発明者らは、技術者らがそのような変形を適切に用いることを予期し、本発明者らは、本発明が本明細書に具体的に記載されるようにではなく実践されることを意図する。したがって、本発明は、適用可能な法律で認められているように、本明細書に添付される特許請求の範囲に示される主題の全ての修正及び均等物を含む。その上、それらの全ての可能な変形における上述の要素の任意の組み合わせが、別途本明細書で示されない限りまたは文脈と明確に矛盾しない限り、本明細書に包含される。
【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７】
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