(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
生物学的成長を刺激するシステムであって、前記システムは、
最上部を備えた容器と、
前記容器によって形成された内部空間内に配置された少なくとも１つの中空流体導管であって、前記少なくとも１つの中空流体導管は、前記容器の前記最上部から突出し、かつ、前記少なくとも１つの中空流体導管を通る流体流を可能にし、前記少なくとも１つの中空流体導管は、少なくとも１つの入口および少なくとも１つの出口を含み、前記少なくとも１つの中空流体導管の前記少なくとも１つの入口は、前記少なくとも１つの中空流体導管の外周によって、かつ、前記容器の内周によって境界形成される下向きの流路と、前記少なくとも１つの中空流体導管の内周によって境界形成される上向きの流路とを提供するように位置付けられ、かつ、前記容器の前記内部空間と流体連通している、少なくとも１つの中空流体導管と、
前記少なくとも１つの中空流体導管の前記少なくとも１つの出口に近接して、前記下向きの流路内に１つ以上のガスを導入し、多相混合物を生じるように前記下向きの流路において配置された少なくとも１つのガス分配器と、
前記下向きの流路における下向きの流体流、および、前記上向きの流路における上向きの流体流を提供する少なくとも１つの第１の流体移動器と、
前記下向きの流路または前記上向きの流路のうちの少なくとも１つに熱的に結合された熱伝達システムと、
前記多相混合物を前記容器内から前記容器の外部へと放出するように構成された多相混合物放出接続であって、前記多相混合物放出接続は、前記容器の前記最上部に接続され、かつ、前記少なくとも１つの中空流体導管の前記少なくとも１つの出口と流体連通している、多相混合物放出接続と
を備える、システム。
【請求項２】
前記少なくとも１つの流体移動器は、
（ａ）前記下向きの流路において流体流を誘導するように、かつ、前記上向きの流路において流体流を強制するように、少なくとも部分的に前記下向きの流路において配置され、前記少なくとも１つの中空流体導管入口に流体的に結合されるか、
（ｂ）前記上向きの流路および前記下向きの流路の両方の外部に配置され、前記上向きの流路および前記下向きの流路の両方において流体流を強制するように前記下向きの流路に流体的に結合されるか、または
（ｃ）前記上向きの流路および前記下向きの流路の両方の外部に配置され、前記上向きの流路および前記下向きの流路の両方において流体流を誘導するように前記上向きの流路に流体的に結合される、
請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記下向きの流路または前記上向きの流路のうちの少なくとも１つに熱的に結合された前記熱伝達システムは、前記少なくとも１つの中空流体導管の少なくとも一部または前記容器の少なくとも一部に熱伝導的に結合された熱伝達システムを備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記容器は、前記容器によって形成された前記内部空間の少なくとも一部において過剰なバイオマスの蓄積を促すように、バイオマスアキュムレータをさらに備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記バイオマスアキュムレータが、前記容器によって形成された前記内部空間の少なくとも一部において過剰なバイオマスの前記蓄積を促すように、前記容器の少なくとも一部を傾斜または湾曲させることを含む、請求項４に記載のシステム。
【請求項６】
前記バイオマスアキュムレータが、前記バイオマスアキュムレータからの過剰なバイオマスの除去を促進するように、前記容器に近接する接続を備える、請求項４に記載のシステム。
【請求項７】
前記上向きの流路の少なくとも一部は、
（ａ）バイオマス成長を助長するための、突出部材、陥凹戻り止め、バッフル、静的混合器もしくは動的混合器のうち１つ以上、または
（ｂ）前記上向きの流路において流動する多相混合物の相の間の物質輸送を助長する、突出部材、陥凹戻り止め、バッフル、静的混合器もしくは動的混合器のうち１つ以上
を含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
前記下向きの流路の少なくとも一部は、
（ａ）バイオマス成長を助長するための、突出部材、陥凹戻り止め、バッフル、静的混合器もしくは動的混合器のうち１つ以上、または
（ｂ）前記下向きの流路において流動する多相混合物の相の間の物質輸送を助長する、突出部材、陥凹戻り止め、バッフル、静的混合器もしくは動的混合器のうち１つ以上
を含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
前記容器から複数の相に除去された前記多相混合物の分離を助長するための少なくとも１つのセパレータをさらに備え、前記セパレータは、
（ａ）前記少なくとも１つの中空流体導管の前記少なくとも１つの出口から、または
（ｂ）前記少なくとも１つの中空流体導管の前記少なくとも１つの出口に流体的に結合された少なくとも１つの背圧発生器から
前記多相混合物の少なくとも一部を受け取るように流体的に結合される、請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
前記少なくとも１つのセパレータの総内部容積が、前記容器の総内部容積の少なくとも１０％である、請求項９に記載のシステム。
【請求項１１】
前記セパレータはさらに、前記分離された多相混合物の少なくとも一部を前記下向きの流路に戻すように、前記容器に流体的に結合される、請求項９に記載のシステム。
【請求項１２】
前記セパレータがさらに、真空発生器に動作可能に結合されていることにより、前記セパレータ中で減圧を生じさせる、請求項９に記載のシステム。
【請求項１３】
前記少なくとも１つの背圧発生器の少なくとも一部は、１つ以上のエネルギー回収システムを含む、請求項９に記載のシステム。
【請求項１４】
前記１つ以上のエネルギー回収システムの少なくとも一部は、タービン動作型発電機を含む、請求項１３に記載のシステム。
【請求項１５】
前記少なくとも１つの中空流体導管は、
（ａ）前記容器の長手方向軸に実質的に平行に配向された長手方向軸を有する単一の中空流体導管を含むか、または
（ｂ）複数の中空流体導管を含み、前記複数の中空流体導管は、各々、前記容器の長手方向軸に実質的に平行に配向されるそれぞれの長手方向軸を有する、
請求項１に記載のシステム。
【請求項１６】
前記単一の中空流体導管または前記複数の中空流体導管のうちの１つの前記長手方向軸は、前記容器の前記長手方向軸と同軸上に整列させられる、請求項１５に記載のシステム。
【請求項１７】
前記複数の中空流体導管の各々の前記それぞれの長手方向軸は、全ての他の中空流体導管の前記長手方向軸に実質的に平行に配向される、請求項１５に記載のシステム。
【請求項１８】
前記熱伝達システムは、前記容器の少なくとも一部または前記少なくとも１つの中空流体導管の少なくとも一部に熱的に結合された１つ以上の熱伝達媒体を含むリザーバを含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項１９】
前記少なくとも１つの中空流体導管の総計総横断面積は、前記容器の総横断面積の少なくとも１０％である、請求項１に記載のシステム。
【請求項２０】
生物学的成長を刺激するための方法であって、前記方法は、
少なくとも水および１つ以上の栄養素を含む液体培地においてガスを分散させることにより、前記液体培地において分散させられた気泡を含む多相混合物を形成することと、
前記多相混合物を容器内の複数の上向きの流路において流動させる前に、前記容器内の１つ以上の下向きの流路において、第１の速度および第１の圧力で前記多相混合物を流動させることであって、前記１つ以上の下向きの流路は、前記容器の最上部から突出する複数の中空流体導管の外周と、前記複数の中空流体導管を少なくとも部分的に包囲する前記容器の内周との間に形成されることと、
前記第１の圧力から第２の圧力まで前記多相混合物の圧力を増加させることにより、前記下向きの流路に存在する複数の微生物と前記多相混合物とを接触させながら、前記多相混合物において圧縮気泡を生じさせることによって、第１のバイオマスを提供することと、
複数の上向きの流路において第２の速度で前記多相混合物を流動させることであって、それぞれの前記複数の上向きの流路の各々が、前記複数の中空流体導管の各々の内周によって形成されること、および、前記上向きの流路に存在する複数の微生物と前記多相混合物とを接触させながら、前記多相混合物において圧縮気泡を維持するのに十分な圧力を維持することによって、第２のバイオマスを提供することと、
前記容器の前記最上部に接続され、かつ、前記複数の中空流体導管と流体連通している、多相混合物放出接続を介して、前記容器の最上部から前記多相混合物を放出させることと
を含む、方法。
【請求項２１】
前記下向きの流路に存在する複数の微生物と前記多相混合物とを接触させて、第１のバイオマスを提供することが、前記多相混合物を、（ａ）バイオマスの成長を助長するための、突出部材、陥凹戻り止め、バッフル、静的混合器もしくは動的混合器のうち１つ以上、または、（ｂ）前記下向きの流路において流動する前記多相混合物の相の間の物質輸送を助長する、突出部材、陥凹戻り止め、バッフル、静的混合器もしくは動的混合器のうち１つ以上と接触させることを含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記上向きの流路に存在する複数の微生物と前記多相混合物とを接触させて、第２のバイオマスを提供することが、前記多相混合物を、（ａ）バイオマスの成長を助長するための、突出部材、陥凹戻り止め、バッフル、静的混合器もしくは動的混合器のうち１つ以上、または、（ｂ）前記上向きの流路において流動する前記多相混合物の相の間の物質輸送を助長する、突出部材、陥凹戻り止め、バッフル、静的混合器もしくは動的混合器のうち１つ以上と接触させることを含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２３】
生物学的成長を刺激するための装置であって、前記装置は、
複数の中空流体導管であって、前記複数の中空流体導管は、垂直に配列された容器内に少なくとも部分的に配置され、前記垂直に配列された容器は、前記複数の中空流体導管の外周と、前記垂直に配列された容器の内周とによって境界形成された複数の下向きの流体流路を提供するように位置決めされ、前記垂直に配列された容器は、最上部と、前記複数の下向きの流路の少なくとも一部に流体的に結合された少なくとも１つの流体入口接続とを含み、前記複数の中空流体導管は、前記容器の前記最上部から突出し、前記複数の中空流体導管は、前記複数の下向きの流体流路からの流体のためにそれぞれの複数の上向きの流路を提供し、前記上向きの流路の各々は、それぞれの前記中空流体導管の内周によって境界形成され、前記複数の上向きの流路の各々は、前記容器の最上部に接続された少なくとも１つの多相混合物放出接続に流体的に結合され、前記多相混合物放出接続は、前記多相混合物を前記容器内から前記容器の外部へと放出するように構成される、複数の中空流体導管と、
前記少なくとも１つの中空流体導管の前記少なくとも１つの出口に近接して、前記複数の下向きの流路の少なくとも一部に配置された少なくとも１つのガス分配器と、
前記複数の下向きの流路または前記上向きの流路のうちの少なくとも１つの少なくとも一部内に配置された複数の突出部材、陥凹戻り止め、バッフル、静的混合器もしくは動的混合器であって、前記複数の突出部材、陥凹戻り止め、バッフル、静的混合器もしくは動的混合器の各々は、その上で生物学的成長を助長するためのものである、突出部材、陥凹戻り止め、バッフル、静的混合器もしくは動的混合器と
を備える、装置。
【請求項２４】
前記少なくとも１つの中空流体導管の前記少なくとも１つの入口と、前記容器の前記内部空間の間の前記流体連通が、前記容器の前記内部空間と前記中空流体導管の間の唯一の流体連通である、請求項１に記載の生物学的成長を刺激するシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して、発酵において有用な容器、システム、およびプロセス、具体的には、ガス状物質を使用する発酵システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
化石燃料堆積物の増え続ける枯渇、温室効果ガスの産生および気候変化についての近年の関心の増加とともに、化石燃料に対する代替バイオ燃料（例えば、エタノール、バイオディーゼル）が、工業的焦点になっている。しかし、今まで生成されたバイオ燃料は、それぞれの困難点および懸念を有する。第１世代バイオ燃料は、植物（例えば、デンプン、甘蔗糖、ならびにトウモロコシ、菜種、大豆、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。全世界的に利用可能な農地の量は、食物および燃料の両方の増加する必要性を満たすためには不十分である。バイオ燃料適合穀物の食物生産者に課せられる要求を低減するために、セルロースまたは藻類等の代替的な生物学的材料を使用する第２世代バイオ燃料が開発中である。しかし、高い生産費とともに、生産の技術的困難点が、第２世代バイオ燃料をこれ以上費用効率的に、または入手しやすくいものにしない。
【０００３】
第３または次世代バイオ燃料は、代替的な非食物系炭素原料を使用して作製される。この努力の一部として、燃料、潤滑剤、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系原料の使用が、これまで以上に勢いを加えている。そのような原料として、とりわけメタンおよび合成ガスを含む、１つ以上の炭素含有化合物、または炭素含有および非炭素含有化合物の混合物が挙げられ得る。メタンは、例えば、比較的豊富であり、自然発生し、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産生され、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。その相対存在量のため、メタンは、ＣＯ２の２３倍の相対温帯効果ガス分布を有する、強力な温室効果ガスである。歴史的に、メタンは、より高い価値の生成物に変換すること、または遠隔ガス田あるいは海洋生産プラットフォーム等の遠隔または離散場所から市場に輸送することが困難である、いくぶん貴重な副生成物とみなされてきた。そのような供給源からのメタン、ならびに下水処理施設および埋立地で起こる生物学的分解プロセスによって産生されるメタンは、主に、排出されるか、または燃焼されるかのいずれかである。メタンおよび類似炭素含有ガスを１つ以上の高価値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、同時に有意な環境的利益を提供しながら、生産者が比較的豊富な非生物学的に生産された原料を利用することを可能にするであろう。
【０００４】
メタンの国内生産の近年の上昇（２００６年の１日当たり４８０億立方フィート当量から２０１２年の１日当たり６５０億立方フィート当量）は、天然ガスの価格を最安値にしてきた（２００６年の約＄１４．００／ＭＭＢＴＵから２０１２年の＄約２．５０／ＭＭＢＴＵ）。国内天然ガスは、主に、水圧破砕（「破砕」）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供給源から得ることもできる。しかし、メタンの揮発性が、燃料としてのメタンの輸送および／または直接利用を問題にする。
【０００５】
これらの理由により、使用または販売地点へのより容易な輸送を可能にするように、メタンを１つ以上の液体生成物、例えば、原動機燃料に変換する、強力な動機が存在する。２つの主要なアプローチ、すなわち、液化天然ガス（ＬＮＧ）につながる液状化、およびガスを液体に変換する（ＧＴＬ）化学変換が、現在追求されている（Ｐａｔｅｌ，  ２００５，  ７ｔｈ  Ｗｏｒｌｄ  Ｃｏｎｇｒｅｓｓ  ｏｆ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，  Ｇｌａｓｇｏｗ，  Ｓｃｏｔｌａｎｄ，  ＵＫ）。フィッシャー・トロプシュ（Ｆ−Ｔ）プロセスが、現在、大量のメタンを高次炭化水素に変換するための最も普及しているアプローチである（Ｐａｔｅｌ，  ２００５）。Ｆ−Ｔプロセスは、水蒸気改質によって天然ガスから生産される入力として合成ガスを受け取る（合成ガスはまた、水および酸素との高温反応によって石炭ガス化から供給することもできる）ことに留意されたい。Ｆ−Ｔプロセスは、現在の燃料供給と一致する石油製品をもたらすが、低い収率、不良な選択性（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、経済的生産を達成するために有意な資本支出および規模を必要とする（Ｓｐａｔｈ  ａｎｄ  Ｄａｙｔｏｎ，  Ｄｅｃｅｍｂｅｒ  ２００３  ＮＲＥＬｌＴＰ−５１０−３４９２９）。Ｆ−Ｔプラントに必要とされる巨大な規模（概して、資本費が２０億ドルを超える［Ｐａｔｅｌ，  ２００５］）はまた、Ｆ−Ｔプロセスの莫大な資本費を相殺するために必要とされる大量のメタン原料による、有意な制限も表す。メタン輸送は、ほとんどの場合に非常に高価であるため、そのようなプラントは、通常は、有意なメタン貯留部またはメタンパイプラインの形態で、安定した確実かつ費用効率的なメタン源と共同配置されなければならない。付加的な費用および拡大要因は、Ｆ−Ｔ触媒が、影響を受けずに合成ガス変換プロセスを通過する、天然ガス中で見出される一般的な汚染物質に極めて敏感であるため、ガス洗浄技術の経済的配慮点である（Ｓｐａｔｈ  ａｎｄ  Ｄａｙｔｏｎ，  ２００３）。
【０００６】
巨額の資本投資と組み合わせた、大量の比較的クリーンなメタン含有ガスをすぐに利用できるための要件は、現在、天然ガス系Ｆ−Ｔプラントを世界中でわずかな場所のみにおける経済的に実行可能な運営の成功に限定する（Ｓｐａｔｈ  ａｎｄ  Ｄａｙｔｏｎ，  ２００３）。高い輸送費と組み合わせた、天然ガス液化プロセスまたは液化天然ガスプラントのための高い最小処理要件は、「残留」ガス堆積物として残る、より小さいメタン源をもたらす。そのような残留ガスは、海洋油田で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が、それらに限定されない。効率的な小規模変換技術の現在の欠如により、そのような残留ガス源は、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、大気に排出されるか、または燃焼される。フィッシャー・トロプシュプロセスを使用する天然ガス液化設備は、１９３８年から半連続的に運営されている。いくつかの企業が、上記で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現在調査している。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、フィッシャー・トロプシュ技術の制限が、商業的な天然ガス液化プロセスの広い採用を妨げている。
【０００７】
上記の制限を考慮して、炭素源としてＣ１基質を使用する生物学的発酵は、食物源間の現在の競合および化学物質／燃料のための発酵の両方、ならびに天然ガスの利用のための良好な選択肢の欠如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等のガス状物質の発酵は、培養下でＣ１代謝非光合成微生物による取り込みおよび代謝を可能にするように、炭素基質が気相から水相へ移送されなければならないという要件により、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（それぞれ、好気的または嫌気的代謝）が進行することを可能にするように、気相から移送される必要があり得る。老廃物（好気的代謝の場合はＣＯ２等）は、効率的な微生物成長を可能にするように、反応炉から急速に除去されなければならない。さらに、Ｃ１基質の代謝からの発熱は、有意であり、本システムは、微生物成長のための最適な条件を維持するように連続的に冷却されなければならない。
【０００８】
液相から蒸気相への対流物質輸送は、物質輸送係数を用いて表すことができる。流束は、物質輸送係数、表面積、および濃度差の積に等しい（流束＝ｋＡΔＣ）。
【０００９】
物質輸送係数は、移送される分子のサイズ、水相でのその水溶性、および相間の境界層のサイズ（典型的には、混合速度および乱流によって発酵システムにおいて制御される）を含む、種々の要因による影響を受ける。ほとん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、主に、入力ガスの気泡サイズによって制限される。気泡サイズは、小細孔を通してガスを導入すること、ならびに気泡を崩壊させて合体を防止するように剪断力を増加させることによって、制御することができる。濃度差は、気相境界層にわたる濃度差、液相境界層にわたる濃度差、バルク蒸気とバルク液体と平衡状態に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状態にあろう液体との間の濃度差であり得る。ほとん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。
【００１０】
従来の発酵システム（バイオリアクタ）は、２つの方法、すなわち、撹拌またはエアリフトのうちの１つによって、ガス混合を達成する。撹拌発酵槽は、概して、単一の大型発酵槽の中で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、気泡が発酵槽の底部で導入されている間に液体中で乱流および剪断を生成し、したがって、発酵槽の上方に移動すると気泡の進行を妨げ、発酵槽内で合体する気泡の傾向を低減させるように気泡を剪断する。この種類の発酵槽の利点は、混合ブレードの高速により可能である、速くて比較的均質な混合および気泡分散である。しかしながら、体積が増加すると同一の混合および物質輸送速度を得るためのエネルギー要件が非常に高くあり得るため、この種類の発酵槽は、拡大することが困難であり得る。さらに、活発な混合は、発酵液の有意な加熱を示唆し、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制限する。
【００１１】
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、両端で相互接続される、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）、または同心状（エアリフト発酵槽）のいずれかであり得る。いずれの場合にしても、ガスは、気泡生成装置を通して上昇流区分の底部で供給される。気泡は、液体と混合し、液体の密度を低減させ、上昇流区分を通してガス・液体混合物を上昇させる。上昇混合物は、底部で液体に取って変わるように下降流を下って移動する液体を反応炉の最上部で変位させ、発酵槽の中で循環流を確立する。液体中の気泡の長い滞留時間を得るために、エアリフト発酵槽は、概して、丈が高く、限定された横断面積を有する。これは、発酵槽中に存在する液柱によって形成される静水圧を克服するように、比較的高い圧力でガスが供給されなければならないことを示唆する。加えて、気泡サイズは、圧力が高さとともに減少すると、発酵槽の全体を通して有意に増加する。増加する気泡の直径は、それを通して物質輸送が起こり得る気泡面積（気泡面積の２乗に比例する）に対する気泡体積（気泡半径の３乗に比例する）の比を低減させることによって、気泡と液相との間の物質輸送の速度を比例して低減させる。エアリフト発酵槽における流速および剪断力は、同様に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がある、撹拌タンク発酵槽よりも有意に低い。最終的に、下降流区分への液体の返流に先立って発酵槽の上昇流部分から退出する、混合物からの未使用および排ガスの分離は、困難であり得る。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】Ｐａｔｅｌ，  ２００５，  ７ｔｈ  Ｗｏｒｌｄ  Ｃｏｎｇｒｅｓｓ  ｏｆ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，  Ｇｌａｓｇｏｗ，  Ｓｃｏｔｌａｎｄ，  ＵＫ
【非特許文献２】Ｓｐａｔｈ  ａｎｄ  Ｄａｙｔｏｎ，  Ｄｅｃｅｍｂｅｒ  ２００３  ＮＲＥＬｌＴＰ−５１０−３４９２９
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、例えば、以下を提供する：
（項目１）
生物学的成長を刺激するシステムであって、前記システムは、
容器によって形成された内部空間内に配置された少なくとも１つの中空流体導管であって、前記少なくとも１つの中空流体導管は、前記少なくとも１つの中空流体導管を通る流体流を可能にし、前記少なくとも１つの中空流体導管は、少なくとも１つの入口および少なくとも１つの出口を含み、前記少なくとも１つの中空流体導管の前記入口は、前記少なくとも１つの中空流体導管の外周によって、かつ、前記容器の内周によって境界形成される下向きの流路と、前記少なくとも１つの中空流体導管の内周によって境界形成される上向きの流路とを提供するように、前記容器の前記内部空間と流体連通している、少なくとも１つの中空流体導管と、
前記下向きの流路の少なくとも一部に１つ以上のガスを導入するように前記下向きの流路において配置された少なくとも１つのガス分配器と、
前記下向きの流路における下向きの流体流、および、前記上向きの流路における上向きの流体流を提供する少なくとも１つの第１の流体移動器と、
前記下向きの流路または前記上向きの流路のうちの少なくとも１つに熱的に結合された熱伝達システムと
を備える、システム。
（項目２）
前記少なくとも１つの流体移動器は、前記下向きの流路において流体流を誘導するように、かつ、前記上向きの流路において流体流を強制するように、少なくとも部分的に前記下向きの流路において配置され、前記少なくとも１つの中空流体導管入口に流体的に結合される、項目１に記載のシステム。
（項目３）
前記少なくとも１つの流体移動器は、前記上向きの流路および前記下向きの流路の両方の外部に配置され、前記上向きの流路および前記下向きの流路の両方において流体流を強制するように前記下向きの流路に流体的に結合される、項目１に記載のシステム。
（項目４）
前記少なくとも１つの流体移動器は、前記上向きの流路および前記下向きの流路の両方の外部に配置され、前記上向きの流路および前記下向きの流路の両方において流体流を誘導するように前記上向きの流路に流体的に結合される、項目１に記載のシステム。
（項目５）
前記下向きの流路または前記上向きの流路のうちの少なくとも１つに熱的に結合された前記熱伝達システムは、前記少なくとも１つの流体導管の少なくとも一部に熱伝導的に結合された熱伝達システムを備える、項目１に記載のシステム。
（項目６）
前記下向きの流路または前記上向きの流路のうちの少なくとも１つに熱的に結合された前記熱伝達システムは、前記容器の少なくとも一部に熱伝導的に結合された熱伝達システムを備える、項目１に記載のシステム。
（項目７）
前記容器は、前記容器によって形成された前記内部空間の少なくとも一部において過剰なバイオマスの蓄積を促すように、バイオマスアキュムレータをさらに備える、項目１に記載のシステム。
（項目８）
前記バイオマスアキュムレータは、前記容器によって形成された前記内部空間の少なくとも一部において過剰なバイオマスの前記蓄積を促すように、前記容器の少なくとも一部を傾斜または湾曲させることを含む、項目７に記載のシステム。
（項目９）
前記容器は、前記バイオマスアキュムレータからの過剰なバイオマスの除去を促進するように、前記バイオマスアキュムレータに近接する接続をさらに備える、項目７に記載のシステム。
（項目１０）
前記上向きの流路の少なくとも一部は、バイオマス成長を助長するための１つ以上の構造を含む、項目１に記載のシステム。
（項目１１）
前記上向きの流路の少なくとも一部は、前記少なくとも１つの流体導管において多相流体流の相の間の物質輸送を助長する１つ以上の構造を含む、項目１に記載のシステム。
（項目１２）
前記下向きの流路の少なくとも一部は、バイオマス成長を助長するための１つ以上の構造を含む、項目１に記載のシステム。
（項目１３）
前記下向きの流路の少なくとも一部は、前記少なくとも１つの流体導管において流動する多相流体の相の間の物質輸送を助長する１つ以上の構造を含む、項目１に記載のシステム。
（項目１４）
複数の相への多相流体の分離を助長するための少なくとも１つのセパレータをさらに備え、前記セパレータは、前記少なくとも１つの中空流体導管出口から前記多相流体の少なくとも一部を受け取るように流体的に結合される、項目１に記載のシステム。
（項目１５）
前記少なくとも１つのセパレータの総内部容積は、前記容器の総内部容積の少なくとも１０％である、項目１４に記載のシステム。
（項目１６）
前記セパレータはさらに、前記分離された多相流体の少なくとも一部を前記下向きの流路に戻すように、前記容器に流体的に結合される、項目１４に記載のシステム。
（項目１７）
前記セパレータに動作可能に結合された真空発生器をさらに備えることにより、その中で減圧を生じさせる、項目１４に記載のシステム。
（項目１８）
前記少なくとも１つの中空流体導管の前記出口に流体的に結合された少なくとも１つの背圧発生器をさらに備える、項目１に記載のシステム。
（項目１９）
前記少なくとも１つの背圧発生器の少なくとも一部は、１つ以上のエネルギー回収システムを含む、項目１８に記載のシステム。
（項目２０）
前記１つ以上のエネルギー回収システムの少なくとも一部は、タービン動作型発電機を含む、項目１９に記載のシステム。
（項目２１）
複数の相への多相流体の分離を助長するための少なくとも１つのセパレータをさらに備え、前記セパレータは、前記少なくとも１つの背圧発生器から前記多相流体の少なくとも一部を受け取るように流体的に結合される、項目１８に記載のシステム。
（項目２２）
前記セパレータはさらに、前記分離された多相流体の少なくとも一部を前記下向きの流路に戻すように、前記容器に流体的に結合される、項目２１に記載のシステム。
（項目２３）
前記少なくとも１つの中空流体導管は、前記容器の長手方向軸に実質的に平行に配向された長手方向軸を有する単一の中空流体導管を含む、項目１に記載のシステム。
（項目２４）
前記単一の中空流体導管の前記長手方向軸は、前記容器の前記長手方向軸と同軸上に整列させられる、項目２３に記載のシステム。
（項目２５）
前記少なくとも１つの中空流体導管は、複数の中空流体導管を含み、前記複数の中空流体導管は、各々、前記容器の長手方向軸に実質的に平行に配向されるそれぞれの長手方向軸を有する、項目１に記載のシステム。
（項目２６）
前記複数の中空流体導管のうちの各々の前記それぞれの長手方向軸は、全ての他の中空流体導管の前記長手方向軸に実質的に平行に配向される、項目２５に記載のシステム。
（項目２７）
前記複数の中空流体導管のうちの１つの前記長手方向軸は、前記容器の前記長手方向軸と同軸上に整列させられる、項目２６に記載のシステム。
（項目２８）
前記熱伝達システムは、前記容器の少なくとも一部に熱的に結合された１つ以上の熱伝達媒体を含むリザーバを含む、項目１に記載のシステム。
（項目２９）
少なくとも１つの熱伝達システムは、前記少なくとも１つの中空流体導管の少なくとも一部に熱的に結合された１つ以上の熱伝達媒体を含む貯留部を含む、項目１に記載のシステム。
（項目３０）
前記少なくとも１つの中空流体導管の総計総横断面積は、前記容器の総横断面積の少なくとも１０％である、項目１に記載のシステム。
（項目３１）
生物学的成長を刺激するための方法であって、前記方法は、
少なくとも水および１つ以上の栄養素を含む液体培地においてガスを分散させることにより、前記液体培地において分散させられた気泡を含む多相混合物を形成することと、
１つ以上の下向きの流路において、第１の速度および第１の圧力で前記多相混合物を流動させることであって、前記１つ以上の下向きの流路は、複数の中空流体導管の外周と、前記複数の中空流体導管を少なくとも部分的に包囲する容器の内周との間に形成されることと、
前記第１の圧力から第２の圧力まで前記多相混合物の圧力を増加させることにより、前記下向きの流路に存在する複数の微生物と前記多相混合物とを接触させながら、前記多相混合物において圧縮気泡を生じさせることによって、第１のバイオマスを提供することと、
複数の上向きの流路において第２の速度で前記多相混合物を流動させることであって、それぞれの前記複数の上向きの流路のうちの各々が、前記複数の中空流体導管のうちの各々の内周によって形成される、こと、および、第３の圧力以上に前記圧力を維持することにより、前記上向きの流路に存在する複数の微生物と前記多相混合物とを接触させながら、前記多相混合物において圧縮気泡を維持することによって、第２のバイオマスを提供することと
を含む、方法。
（項目３２）
前記下向きの流路に熱的に結合された熱伝達システムを使用して、前記下向きの流路において第１の温度を維持することをさらに含む、項目３１に記載の方法。
（項目３３）
前記上向きの流路に熱的に結合された熱伝達システムを使用して、前記上向きの流路において第２の温度を維持することをさらに含む、項目３１に記載の方法。
（項目３４）
前記第１の速度は、前記下向きの流路に存在する前記多相流体に存在する任意の気泡の上昇速度を超える、項目３１に記載の方法。
（項目３５）
前記ガスは、少なくとも１つの炭素含有化合物を含む、項目３１に記載の方法。
（項目３６）
前記ガスは、少なくとも１つの炭化水素を含む、項目３５に記載の方法。
（項目３７）
前記少なくとも１つの炭素含有化合物は、少なくとも単一の炭素原子と、少なくとも単一の酸素原子とを有する炭素化合物を含む、項目３５に記載の方法。
（項目３８）
前記ガスは、水素または水素含有化合物のうちの少なくとも１つを含む、項目３５に記載の方法。
（項目３９）
前記ガス状基質は、酸素または酸素含有化合物のうちの少なくとも１つを含む、項目３６に記載の方法。
（項目４０）
前記ガスは、酸素または酸素含有化合物のうちの少なくとも１つを含む、項目３１に記載の方法。
（項目４１）
前記ガスは、少なくとも、メタンと酸素とを含む、項目３１に記載の方法。
（項目４２）
メタン送給率は、１リットルの液体培地につき少なくとも約５グラムのメタン（ｇ／ｌ）である、項目４１に記載の方法。
（項目４３）
酸素送給率は、１リットルの液体培地につき少なくとも約５グラムの酸素（ｇ／ｌ）である、項目４１に記載の方法。
（項目４４）
前記ガスは、前記液体培地における分散に先立って、約５０ｐｓｉ以上の圧力にある、項目３１に記載の方法。
（項目４５）
前記ガスは、前記液体培地における分散に先立って、前記液体培地の圧力を約２５ｐｓｉ上回る圧力にある、項目３１に記載の方法。
（項目４６）
少なくとも水および１つ以上の栄養素を含む液体培地においてガスを分散させることにより、前記液体培地において分散させられた気泡を含む多相混合物を形成することは、前記１つ以上の下向きの流路において前記多相混合物における約１０ｐｐｍ未満の溶解酸素濃度を維持するように前記ガス流を制御することを含む、項目３１に記載の方法。
（項目４７）
少なくとも水および１つ以上の栄養素を含む液体培地においてガスを分散させることにより、前記液体培地において分散させられた気泡を含む多相混合物を形成することは、前記１つ以上の上向きの流路において前記多相混合物における約１０ｐｐｍ未満の溶解酸素濃度を維持するように前記ガス流を制御することを含む、項目３１に記載の方法。
（項目４８）
少なくとも水および１つ以上の栄養素を含む液体培地においてガスを分散させることにより、前記液体培地において分散させられた気泡を含む多相混合物を形成することは、前記１つ以上の下向きの流路において前記多相混合物における約５ｐｐｍ未満の溶解メタン濃度を維持するように前記ガス流を制御することを含む、項目３１に記載の方法。
（項目４９）
少なくとも水および１つ以上の栄養素を含む液体培地においてガスを分散させることにより、前記液体培地において分散させられた気泡を含む多相混合物を形成することは、前記１つ以上の上向きの流路において前記多相混合物における約５ｐｐｍ未満の溶解メタン濃度を維持するように前記ガス流を制御することを含む、項目３１に記載の方法。
（項目５０）
前記１つ以上の上向きの流路から除去された前記多相混合物を、少なくとも分離気相および分離液相を含む複数の相に分離することをさらに含む、項目３１に記載の方法。
（項目５１）
前記多相混合物を分離することに先立って、前記１つ以上の上向きの流路から除去された前記多相混合物の圧力を第４の圧力に低減することをさらに含む、項目５０に記載の方法。
（項目５２）
１つ以上のエネルギー捕捉システムを使用して、前記多相混合物の圧力を第４の圧力に少なくとも部分的に低減することによって、電気を生成することをさらに含む、項目５１に記載の方法。
（項目５３）
前記分離液相は、少なくとも１つのＣ２または高級炭化水素を含む、項目５０に記載の方法。
（項目５４）
前記少なくとも１つのＣ２または高級炭化水素は、１つ以上のグリコール、１つ以上のケトン、１つ以上のアルコール、１つ以上のＣ４炭化水素またはそれらの化合物、１つ以上のＣ５炭化水素またはそれらの化合物、あるいは、１つ以上のＣ６炭化水素またはそれらの化合物のうちの少なくとも１つを含む、項目５３に記載の方法。
（項目５５）
前記分離液相は、１つ以上のバイオ燃料の生産において有用な少なくとも１つの脂質を含むバイオマスを含む、項目５１に記載の方法。
（項目５６）
前記分離気相は、少なくとも１つのＣ２または高級炭化水素を含む、項目５１に記載の方法。
（項目５７）
前記少なくとも１つのＣ２または高級炭化水素は、エタンまたはそれらの化合物、エチレン、プロパン、プロピレン、ブタン、ブテンのうちの少なくとも１つを含む、項目５６に記載の方法。
（項目５８）
前記第１の速度は、約０．１フィート毎秒（ｆ／秒）よりも大きい表面流体速度を含む、項目３１に記載の方法。
（項目５９）
前記第１の圧力は、約５重量ポンド毎平方インチゲージ（ｐｓｉｇ）〜約１００ｐｓｉｇの圧力を含む、項目３１に記載の方法。
（項目６０）
前記第２の圧力は、約５重量ポンド毎平方インチゲージ（ｐｓｉｇ）〜約１５０ｐｓｉｇの圧力を含む、項目３１に記載の方法。
（項目６１）
前記第３の圧力は、約５重量ポンド毎平方インチゲージ（ｐｓｉｇ）〜約１００ｐｓｉｇの圧力を含む、項目３１に記載の方法。
（項目６２）
前記第２の速度は、約１０フィート毎秒（ｆ／秒）未満のバルク流体速度を含む、項目３１に記載の方法。
（項目６３）
前記第１のバイオマスは、１つ以上のメタノトローフまたは１つ以上のメチロトローフのうちの少なくとも１つを含む、項目３１に記載の方法。
（項目６４）
前記第１のバイオマスは、下記の種、すなわち、メチロモナス、メチロバクター、メチロコッカス、メチロサイナス、メチロシスティス、メチロミクロビウム、メタノモナス、メチロフィラス、メチロバシラス、メチロバクテリウム、ヒフォミクロビウム、キサントバクター、バシラス、パラコッカス、ノカルジア、アルトロバクター、ロドシュードモナス、シュードモナス、クロストリジウム、ムーレラ、ピュロコックス、ユウバクテリウム、デスルフォバクテリウム、カルボキシドテルムス、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（Ｂｕｔｙｒｉｂａｃｅｔｅｒｉｕｍ）、ペプトストレプトコッカス、カンジダ、ヤロウイア、ハンセヌラ、ピチア、トルロプシス、および、ロドトルラのうちの１つ以上を含む、項目３１に記載の方法。
（項目６５）
前記１つ以上のメタノトローフは、メチロモナス属１６ａ（ＡＴＣＣ  ＰＴＡ  ２４０２）、メチロサイナストリコスポリウム（ＮＲＲＬ  Ｂ−ｌｌ，１９６）、メチロサイナススポリウム（ＮＲＲＬ  ２０  Ｂ−ｌｌ，１９７）、メチロシスティスパルバス（ＮＲＲＬ  Ｂ−ｌｌ，１９８）、メチロモナスメタニカ（ＮＲＲＬ  Ｂ−１１，１９９）、メチロモナスアルバス（ＮＲＲＬ  Ｂ−ｌｌ，２００）、メチロバクターカプスラタス（ＮＲＲＬ  Ｂ−１１，２０１）、メチロバクテリウムオルガノフィラム（ＡＴＣＣ  ２７，８８６）、メチロモナス属ＡＪ−３６７０（ＦＥＲＭ  Ｐ−２４００）、メチロミクロビウムアルカリフィラム、メチロセラシルベストリス、メチルアシディフィラムインフェルノルム、メチリビウムペトロレイフィラム、メチロサイナストリコスポリウム２５  ＯＢ３ｂ、メチロコッカスカプスラタスＢａｔｈ、メチロモナス属１６ａ、メチロミクロビウムアルカリフィラム２０Ｚ、または、それらの高成長変異体のうちの少なくとも１つを含む、項目６３に記載の方法。
（項目６６）
前記１つ以上のメチロトローフは、メチロバクテリウムエキストロクエンス、メチロバクテリウムラジオトレランス、メチロバクテリウムポプリ、メチロバクテリウムクロロメタニカム、メチロバクテリウムノデュランス、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ーリイ、クロストリジウムラグスダレイ、クロストリジウムカルボキシディボランス、ブチリバクテリウムメチロトロフィカム、および、クロストリジウムウッディ、クロストリジウムネオプロパノロゲンのうちの少なくとも１つを含む、項目６３に記載の方法。
（項目６７）
前記第２のバイオマスは、１つ以上のメタノトローフまたは１つ以上のメチロトローフのうちの少なくとも１つを含む、項目３１に記載の方法。
（項目６８）
前記第２のバイオマスは、下記の種、すなわち、メチロモナス、メチロバクター、メチロコッカス、メチロサイナス、メチロシスティス、メチロミクロビウム、メタノモナス、メチロフィラス、メチロバシラス、メチロバクテリウム、ヒフォミクロビウム、キサントバクター、バシラス、パラコッカス、ノカルジア、アルトロバクター、ロドシュードモナス、シュードモナス、クロストリジウム、ムーレラ、ピュロコックス、ユウバクテリウム、デスルフォバクテリウム、カルボキシドテルムス、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（Ｂｕｔｙｒｉｂａｃｅｔｅｒｉｕｍ）、ペプトストレプトコッカス、カンジダ、ヤロウイア、ハンセヌラ、ピチア、トルロプシス、および、ロドトルラのうちの１つ以上を含む、項目３１に記載の方法。
（項目６９）
前記１つ以上のメタノトローフは、メチロモナス属１６ａ（ＡＴＣＣ  ＰＴＡ  ２４０２）、メチロサイナストリコスポリウム（ＮＲＲＬ  Ｂ−ｌｌ，１９６）、メチロサイナススポリウム（ＮＲＲＬ  ２０  Ｂ−ｌｌ，１９７）、メチロシスティスパルバス（ＮＲＲＬ  Ｂ−ｌｌ，１９８）、メチロモナスメタニカ（ＮＲＲＬ  Ｂ−１１，１９９）、メチロモナスアルバス（ＮＲＲＬ  Ｂ−ｌｌ，２００）、メチロバクターカプスラタス（ＮＲＲＬ  Ｂ−１１，２０１）、メチロバクテリウムオルガノフィラム（ＡＴＣＣ  ２７，８８６）、メチロモナス属ＡＪ−３６７０（ＦＥＲＭ  Ｐ−２４００）、メチロミクロビウムアルカリフィラム、メチロセラシルベストリス、メチルアシディフィラムインフェルノルム、メチリビウムペトロレイフィラム、メチロサイナストリコスポリウム２５  ＯＢ３ｂ、メチロコッカスカプスラタスＢａｔｈ、メチロモナス属１６ａ、メチロミクロビウムアルカリフィラム２０Ｚ、または、それらの高成長変異体のうちの少なくとも１つを含む、項目６７に記載の方法。
（項目７０）
前記１つ以上のメチロトローフは、メチロバクテリウムエキストロクエンス、メチロバクテリウムラジオトレランス、メチロバクテリウムポプリ、メチロバクテリウムクロロメタニカム、メチロバクテリウムノデュランス、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ーリイ、クロストリジウムラグスダレイ、クロストリジウムカルボキシディボランス、ブチリバクテリウムメチロトロフィカム、および、クロストリジウムウッディ、クロストリジウムネオプロパノロゲンのうちの少なくとも１つを含む、項目６７に記載の方法。
（項目７１）
前記第１のバイオマスまたは前記第２のバイオマスのうちの少なくとも１つは、異種メタン資化性細菌を含む、項目３１に記載の方法。
（項目７２）
前記第１のバイオマスまたは前記第２のバイオマスのうちの少なくとも１つは、合成ガス代謝細菌を含む、項目３１に記載の方法。
（項目７３）
前記第１のバイオマスまたは前記第２のバイオマスのうちの少なくとも１つは、非光合成Ｃ１代謝微生物を含む、項目３１に記載の方法。
（項目７４）
前記非光合成Ｃ１代謝細菌は、偏性Ｃ１代謝非光合成微生物である、項目７３に記載の方法。
（項目７５）
前記Ｃ１代謝非光合成微生物は、異種ポリヌクレオチドを含む組換えＣ１代謝非光合成微生物である、項目３１に記載の方法。
（項目７６）
異種ポリヌクレオチドを含む前記組換えＣ１代謝非光合成微生物は、生成物、すなわち、プロピレン、酸化プロピレン、エチレングリコール、ｎ−ブタノール、イソブタノール、１，３−ブタンジオール、１，４−ブタンジオール、２，３−ブタンジオール、３−ヒドロキシプロピオン酸またはその塩、あるいはクロトン酸またはその塩のうちの１つ以上を産生する、項目７５に記載の方法。
（項目７７）
前記Ｃ１代謝非光合成微生物は、メタノトローフであり、前記Ｃ１ガス基質は、メタンを含み、前記メタノトローフは、好気条件において培養される、項目３１に記載の方法。
（項目７８）
前記Ｃ１代謝非光合成微生物は、メタノトローフであり、前記Ｃ１ガス基質は、メタンを含み、前記メタノトローフは、限定的な量のリン、窒素、微量元素、酸素、または、それらの任意の組み合わせを用いて培養される、項目３１に記載の方法。
（項目７９）
前記Ｃ１代謝細菌は、脂肪酸産生酵素、ホルムアルデヒド同化酵素、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含む組換えＣ１細菌である、項目３１に記載の方法。
（項目８０）
生物学的成長を刺激するための装置であって、前記装置は、
複数の中空流体導管であって、前記複数の中空流体導管は、垂直に配列された容器内に少なくとも部分的に配置されることにより、前記複数の中空流体導管のうちの各々の外周と、前記垂直に配列された容器の内周とによって境界形成された複数の下向きの流路を提供し、前記垂直に配列された容器は、前記複数の下向きの流路の少なくとも一部に流体的に結合された少なくとも１つの流体入口接続を含み、前記複数の中空流体導管のうちの各々は、それぞれの複数の上向きの流路を提供し、前記上向きの流路のうちの各々は、前記それぞれの中空流体導管のうちの各々の内周によって境界形成され、前記複数の上向きの流路のうちの各々は、多相流体を除去するように少なくとも接続に流体的に結合される、複数の中空流体導管と、
前記複数の下向きの流路の少なくとも一部に配置された少なくとも１つのガス分配器と、
前記複数の下向きの流路または前記上向きの流路のうちの少なくとも１つの少なくとも一部内に配置された複数の第１の構造であって、前記複数の第１の構造のうちの各々は、その上で生物学的成長を助長するためのものである、第１の構造と
を備える、装置。
（項目８１）
前記複数の下向きの流路において少なくとも部分的に配置された少なくとも１つの第１の熱伝達表面をさらに備える、項目８０に記載の装置。
（項目８２）
前記第１の熱伝達表面は、前記複数の下向きの流路において少なくとも部分的に配置された熱流体貯留部を備える、項目８１に記載の装置。
（項目８３）
前記上向きの流路の少なくとも一部に少なくとも部分的に配置された１つ以上の第２の熱伝達表面をさらに備える、項目８０に記載の装置。
（項目８４）
前記第２の熱伝達表面は、前記上向きの流路の少なくとも一部に少なくとも部分的に配置された熱流体貯留部を備える、項目８３に記載の装置。
（項目８５）
前記１つ以上のガス分配器は、
少なくとも１つの第１のガス入口接続に流体的に結合された第１のガス分配器であって、前記少なくとも１つの第１のガス入口接続は、少なくとも１つの炭素含有ガスを受け取るためのものである、第１のガス分配器
を含む、項目８０に記載の装置。
（項目８６）
前記１つ以上のガス分配器は、
少なくとも１つの第２のガス入口接続に流体的に結合された第２のガス分配器であって、前記少なくとも１つの第２のガス入口接続は、少なくとも１つの酸素含有ガスを受け取るためのものである、第２のガス分配器
を含む、項目８５に記載の装置。
（項目８７）
前記少なくとも１つの流体入口接続は、少なくとも水を含む流体媒体を受け入れるための少なくとも１つの流体接続を含む、項目８０に記載の装置。
（項目８８）
前記少なくとも１つの流体入口接続は、少なくとも１つの生物学的栄養素を含む流体媒体を受け入れるための少なくとも１つの流体接続をさらに含む、項目８７に記載の装置。
（項目８９）
前記複数の中空流体導管の総計横断面積は、前記容器の横断面積の少なくとも１０％である項目８０に記載の装置。
１つの局面において、本開示は、微生物発酵のためにガス状基質の効率的な物質輸送のための方法および装置を提供する。加えて、本開示は、主にＣ１代謝非光合成微生物を含む培養を使用して、ガス状炭素含有原料を発酵させるための方法を提供する。さらに別の側面では、本開示は、効率的な熱交換および排ガス除去に加えて、高流束気相・液相物質輸送を可能にするための拡張可能な発酵槽設計を提供する。当技術分野で公知である不利点を克服し、種々の生成物の最適な産生のための新しい方法を大衆に提供する、発酵のためのシステムおよび方法が提供される。
【００１４】
そのような発酵システムは、優先的にＣ１化合物を代謝することが可能である、微生物の１つ以上の種を採用してもよい。そのような微生物は、メチロモナス、メチロバクター、メチロコッカス、メチロサイナス、メチロシスティス、メチロミクロビウム、メタノモナス、メチロフィラス、メチロバシラス、メチロバクテリウム、ヒフォミクロビウム、キサントバクター、バシラス、パラコッカス、ノカルジア、アルトロバクター、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または細菌を含む。場合によっては、Ｃ１代謝微生物は、メタノトローフ、メチロトローフ、または、それらの組み合わせを含んでもよい。好ましいメタノトローフは、メチロモナス、メチロバクター、メチロコッカス、メチロサイナス、メチロシスティス、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。例示的なメタノトローフは、メチロモナス属１６ａ（ＡＴＣＣ  ＰＴＡ  ２４０２）、メチロサイナストリコスポリウム（ＮＲＲＬ  Ｂ−ｌｌ，１９６）、メチロサイナススポリウム（ＮＲＲＬ  Ｂ−ｌｌ，１９７）、メチロシスティスパルバス（ＮＲＲＬ  Ｂ−ｌｌ，１９８）、メチロモナスメタニカ（ＮＲＲＬ  Ｂ−１１，１９９）、メチロモナスアルバス（ＮＲＲＬ  Ｂ−ｌｌ，２００）、メチロバクターカプスラタス（ＮＲＲＬ  Ｂ−１１，２０１）、メチロバクテリウムオルガノフィラム（ＡＴＣＣ  ２７，８８６）、メチロモナス属ＡＪ−３６７０（ＦＥＲＭ  Ｐ−２４００）、メチロミクロビウムアルカリフィラム、メチロセラシルベストリス、メチルアシディフィラムインフェルノルム、メチリビウムペトロレイフィラム、メチロサイナストリコスポリウムＯＢ３ｂ、メチロコッカスカプスラタスＢａｔｈ、メチロモナス属１６ａ、メチロミクロビウムアルカリフィラム２０Ｚ、または、それらの高成長変異体を含む。好ましいメチロトローフは、メチロバクテリウムエキストロクエンス、メチロバクテリウムラジオトレランス、メチロバクテリウムポプリ、メチロバクテリウムクロロメタニカム、メチロバクテリウムノデュランス、または、それらの組み合わせを含む。
【００１５】
合成ガスで見出されるＣ１化合物を代謝することが可能な微生物は、クロストリジウム、ムーレラ、ピュロコックス、ユウバクテリウム、デスルフォバクテリウム、カルボキシドテルムス、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、ブチリバセテリウム、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が、それらに限定されない。例示的なメチロトローフは、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ーリイ、クロストリジウムラグスダレイ、クロストリジウムカルボキシディボランス、ブチリバクテリウムメチロトロフィカム、クロストリジウムウッディ、クロストリジウムネオプロパノロゲン、または、それらの組み合わせを含む。場合によっては、Ｃ１代謝微生物は、カンジダ、ヤロウイア、ハンセヌラ、ピチア、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。
【００１６】
他の場合においては、Ｃ１代謝非光合成微生物は、偏性メタノトローフ、偏性メチロトローフ、または、それらの組み合わせ等の偏性Ｃ１代謝非光合成微生物である。場合によっては、Ｃ１代謝非光合成微生物は、脂肪酸産生酵素、ホルムアルデヒド同化酵素、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含む組換え微生物である。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
図面では、図面中の要素のサイズおよび相対位置は、必ずしも一定の縮尺で描かれていない。例えば、種々の要素および角度は、一定の縮尺で描かれておらず、これらの要素のうちのいくつかは、図面の読みやすさを向上させるように、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ことを目的としておらず、図面中の認識しやすさのためだけに選択されている。
【００１８】
【図１】図１は、いくつかの中空流体導管のうちのそれぞれと周辺容器との間のいくつかの下向きの流路、およびいくつかの中空流体導管のうちの各々の内側のいくつかの上向きの流路を作成するように、容器内に配置される、いくつかの中空流体導管を含む、例示的発酵槽容器の斜視図を示す。下向きおよび上向きの流路は、１つ以上の図示した実施形態によると、下向きの流路の中の流動の少なくとも一部が、中空流体導管に進入して、上向きの流路の中で流動の少なくとも一部を提供するように、流体的に結合される。
【００１９】
【図２】図２は、１つ以上の図示した実施形態による、単独または組み合わせで、１つ以上のガス状または液体Ｃ２あるいは高級炭化水素を提供するように、ガス状基質を発酵させることにおいて有用である、随意的な冷却サブシステム、背圧サブシステム、および分離サブシステムを含む、例示的発酵システムのブロックフロー図を示す。
【００２０】
【図３】図３は、１つ以上の図示した実施形態による、下向きの流路および上向きの流路を形成するように周辺容器内に配置される、単一の中空流体導管と、下向きの流路および上向きの流路の両方を通して流動を強制する、外部搭載された流体移動器とを含む、例示的発酵槽の断面図を示す。
【００２１】
【図４】図４は、１つ以上の図示した実施形態による、いくつかの下向きの流路および上向きの流路を形成するように容器によって少なくとも部分的に包囲される、いくつかの中空流体導管と、下向きの流路および上向きの流路の両方を通して流動を強制する、外部搭載された流体移動器とを含む、例示的発酵槽の断面図を示す。
【００２２】
【図５】図５は、１つ以上の図示した実施形態による、いくつかの下向きの流路および上向きの流路を形成するように容器によって少なくとも部分的に包囲される、いくつかの中空流体導管と、下向きの流路を通して流動を誘導し、上向きの流路を通して流動を強制する、外部搭載された流体移動器とを含む、例示的発酵槽の断面図を示す。
【００２３】
【図６】図６は、１つ以上の図示した実施形態による、いくつかの下向きおよび上向きの流路を形成するように皿状底部容器によって少なくとも部分的に包囲される、いくつかの中空流体導管と、下向きの流路を通して流動を誘導し、上向きの流路を通して流動を強制する、外部搭載された流体移動器とを含む、例示的発酵槽の断面図を示す。
【００２４】
【図７】図７は、１つ以上の図示した実施形態による、下向きおよび上向きの流路の両方において随意的な冷却を含む、発酵方法の高レベルフロー図を示す。
【００２５】
【図８】図８は、１つ以上の図示した実施形態による、随意に、背圧サブシステムを使用して上昇した圧力で発酵槽を保持するステップを含む、発酵方法の高レベルフロー図を示す。
【００２６】
【図９】図９は、１つ以上の図示した実施形態による、随意に、背圧サブシステムを使用して上昇した圧力で発酵槽を保持するステップと、随意的な分離サブシステムにおいて、発酵槽から除去される多相混合物を分離するステップと、分離された多相混合物の少なくとも一部を発酵槽に戻して再循環させるステップとを含む、発酵方法の高レベルフロー図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
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、当業者であれば、これらの詳細を伴わずに本発明が実践され得ることを理解するであろう。他の場合においては、構造、標準容器設計詳細、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、米国機械学会（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つ以上の発酵プロセスにおける具体的なステップ、および同等物は、実施形態の説明を不必要に曖昧にすることを回避するために、詳細に図示または説明されていない。文脈が別様に要求しない限り、本明細書および以下に続く請求項の全体を通して、「ｃｏｍｐｒｉｓｅ（備える）」という用語、ならびに「ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ」および「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ」等のその変形例は、非制約的かつ包括的な意味で、つまり、「〜を含むが、それらに限定されない」として解釈されるものである。さらに、本明細書で提供される見出しは、便宜上のためにすぎず、請求される発明の範囲および意味を解釈するものではない。
【００２８】
本明細書の全体を通した「一実施形態」または「実施形態」という言及は、実施形態に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１つの実施形態に含まれることを意味する。したがって、本明細書の全体を通した種々の場所での「一実施形態では」または「実施形態では」という語句の出現は、必ずしも全て同一の実施形態を指しているわけではない。さらに、特定の特徴、構造、または特性は、１つ以上の実施形態において任意の好適な様式で組み合わせられてもよい。また、本明細書および添付の請求項で使用されるように、「１つの（ａ、ａｎ）」および「該（ｔｈｅ）」という単数形は、文脈が明確に別様に指示しない限り、複数形の指示対象を含む。また、「または」という用語は、概して、文脈が明確に別様に指示しない限り、「および／または」を含む、その意味で採用されることにも留意されたい。
【００２９】
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性基質を考慮すると、発酵槽は、アルコール飲料業界で見出される単純な連続撹拌タンク反応炉から、特定の基質および／または特定の生物学的種に合わせられたガス分布および内部構造を有する、高度に複雑な特殊容器にまで及ぶことができる。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長鎖ガスおよび液体炭化水素に変換することにおいて有用な発酵槽は、概して、多相混合物を提供するように、１つ以上の栄養素を含む液体培地内で、Ｃ１炭素化合物を含むガス基質を分散させる。この多相混合物は、ガス基質中のＣ１炭素化合物の一部分を、より好ましい長鎖Ｃ２または高級化合物に変換する、１つ以上の微生物コロニーに送給される。基質組成物、栄養素、およびコロニーを含む微生物有機体（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または高級化合物の所望の最終マトリクスを提供するように、様々に調整または調節することができる。
【００３０】
物質輸送の観点から、ガス基質発酵槽は、基質が気泡内に閉じ込められ、基質の微生物学的取り込みが起こるために、ガス基質が、直接的または液体培地中の溶解を介して間接的のいずれかで、最初に気泡から微生物有機体へ移動しなければならないという点で、独特の課題を提示する。したがって、そのような発酵プロセスは、多くの場合、発酵槽内で気泡から微生物有機体への基質の物質輸送の望ましく高いレベルを促進および／または持続するシステムの能力によって制限される。少なくとも、気泡から周辺液体培地または微生物有機体のいずれか一方への物質輸送の速度は、気泡内のガス圧力、気泡の体積対表面積比、および周辺液体または微生物有機体との気泡の接触時間の関数である。気泡内の圧力を増加させること、あるいは周辺液体または微生物有機体との気泡の接触時間を増加させることにより、基質と微生物有機体との間のより高い有効物質輸送速度をもたらす。気泡の体積対表面積比を減少させること（すなわち、気泡の直径を縮小すること）により、気泡と周辺液体との間のより高い有効物質輸送速度をもたらす。したがって、理想的な発酵槽は、長期間にわたって周辺液体または微生物有機体と緊密または密接に接触して保持される、多数の比較的小さい直径の気泡を比較的高い圧力で有するであろう。
【００３１】
本明細書では、比較的小さい直径で比較的高い圧力の気泡を提供することが可能である、いくつかの発酵システム、方法、および装置が開示される。本明細書では、周辺液体および／または生物有機体との長期接触時間を提供することが可能である、いくつかの発酵システム、方法、および装置が開示される。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、ならびに細胞内Ｃ２および高級化合物に変換することにおいて特に有用であることが分かっている、高度に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。
【００３２】
本明細書で使用されるように、「Ｃ１基質」または「Ｃ１化合物」という用語は、炭素・炭素結合が欠如している、任意の炭素含有分子または組成物を指す。サンプル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、ギ酸またはその塩、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。
【００３３】
本明細書で使用されるように、「Ｃ１代謝微生物」または「Ｃ１代謝非光合成微生物」という用語は、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する、任意の微生物を指し、エネルギーおよびバイオマスに他の炭素基質（糖または複合糖質等）を使用する場合もあり、使用しない場合もある。例えば、Ｃ１代謝微生物は、メタンまたはメタノール等のＣ１基質を酸化させてもよい。Ｃ１代謝微生物は、細菌（メタノトローフ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場合において、Ｃ１代謝微生物は、藻類等の光合成微生物を含まない。ある実施形態では、Ｃ１代謝微生物は、その唯一のエネルギー源がＣ１基質を含み、他に何も含まないことを意味する、「偏性Ｃ１代謝微生物」であろう。
【００３４】
本明細書で使用されるように、「メチロトローフ細菌」という用語は、炭素・炭素結合を含有し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、メチロトローフ細菌は、メタノトローフであってもよい。例えば、「メタン資化性細菌」とは、その主要な炭素およびエネルギー源としてのメタンを酸化させる能力を有する、任意のメチロトローフ細菌を指す。例示的なメタン資化性細菌は、メチロモナス、メチロバクター、メチロコッカス、メチロサイナス、メチロシスティス、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、メチロトローフ細菌は、エネルギーの生成のためのＣ１基質の使用に限定される、細菌を指す、「偏性メチロトローフ細菌」である。
【００３５】
本明細書で使用されるように、「ＣＯ利用細菌」という用語は、炭素およびエネルギー源としての一酸化炭素（ＣＯ）を酸化させる能力を自然に保有する、細菌を指す。一酸化炭素は、石炭、石炭油、天然ガス、バイオマス、または廃棄有機物等の任意の有機原料のガス化によって産生される、一酸化炭素および水素の混合物である、「合成用ガス」または「合成ガス」から利用されてもよい。一酸化炭素利用細菌は、その炭素源としての一酸化炭素上の成長のために遺伝子操作されなければならない細菌を含まない。
【００３６】
本明細書で使用されるように、「合成ガス」という用語は、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場合においては、合成ガスはまた、ＣＯおよびＨ２に対してより小さい量で、ＣＯ２、メタン、および他のガスを含んでもよい。合成ガスは、水性ガスシフトまたは石炭ガス化プロセスを含むが、それらに限定されない、任意の利用可能なプロセスを使用して調製されてもよい。
【００３７】
本明細書で使用されるに、「成長」という用語は、細胞質量の任意の増加として定義される。これは、ある脂質等の１つ以上の細胞内または細胞間ポリマーの蓄積により細胞質量が増加するときに、「均衡のとれた成長」中または「均衡のとれていない成長」中に、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、成長は、細胞内のバイオポリマーの蓄積による細胞サイズの増加として発現し得る。「均衡のとれた細胞成長」中に、材料の全て（電子供与体および電子受容体）および栄養素の全ては、細胞の高分子成分の全てを作成するために必要な比率で存在する。つまり、いかなる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制限しない。対照的に、「均衡のとれていない細胞成長」中に、細胞の高分子のうちの１つ以上を作成するために必要とされる原料または栄養素は、均衡のとれた成長に必要とされる量または比率で存在しない。したがって、この原料または栄養素は、限定的となり、「限定的栄養素」と称される。
【００３８】
いくつかの細胞は、均衡のとれていない条件下で正味成長を依然として達成し得るが、成長は均衡がとれておらず、限定的原料または栄養素が存在しない場合に合成することができるポリマーが蓄積するであろう。これらのポリマーは、ポリヒドロキシ酪酸（ＰＨＢ）、ポリヒドロキシ吉草酸（ＰＨＶ）、およびポリヒドロキシヘキサン酸（ＰＨＨｘ）グリコーゲンを含む、ポリヒドロキシアルカン酸（ＰＨＡ）等の脂質または細胞内貯蔵生成物、あるいは細胞外多糖類等の分泌物質を含む。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。
【００３９】
サンプルの均衡のとれた、および均衡のとれていない成長条件は、培地中の窒素含有量が異なり得る。例えば、窒素は、約１２％の乾燥細胞重量を構成し、１００ｍｇ／Ｌの乾燥細胞重量を成長させるために、１２ｍｇ／Ｌの窒素が（必要化学量論比で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。他の原料および栄養素が、１００ｍｇ／Ｌの乾燥細胞重量を産生するために必要とされる量で利用可能であるが、１２ｍｇ／Ｌ未満の窒素が提供される場合には、窒素を含有しないポリマーの蓄積とともに、均衡のとれていない細胞成長が起こり得る。後に窒素が提供される場合、貯蔵されたポリマーは、細胞のための原料としての機能を果たし、新しい細胞の複製および産生とともに、均衡のとれた成長を可能にし得る。
【００４０】
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「成長周期」という用語は、それを通して細胞または微生物が培養条件で移動する、代謝周期を指す。例えば、周期は、停滞期、指数期、指数期の終了、および静止期を含む、種々の段階を含んでもよい。
【００４１】
本明細書で使用されるように、「指数成長」、「指数期成長」、「対数期」、または「対数期成長」という用語は、微生物が成長し、分裂している速度を指す。例えば、対数期中に、微生物は、それらの遺伝的潜在能力、培地の性質、およびそれらが成長させられる条件を考慮して、それらの最大速度で成長している。微生物の成長速度は、指数期中に一定であり、微生物は、規則的な間隔で分裂して数を倍増する。「活発に成長している」細胞は、対数期で成長している細胞である。対照的に、「静止期」とは、その間に培養の細胞成長が減速するか、または停止さえする、成長周期中の点を指す。
【００４２】
本明細書で使用されるように、「成長改変環境」という用語は、細胞成長を阻害するか、または細胞を死滅させるかのいずれかの能力を有する、エネルギー、化学物質、または生物を指す。阻害剤は、突然変異原、薬剤、抗生物質、紫外線、極端な温度、ｐＨ、代謝副生成物、有機化学物質、無機化学物質、細菌、ウイルス、または同等物を含み得る。
【００４３】
本明細書で使用されるように、「高成長変異体」という用語は、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、または野生型有機体、微生物、細菌、酵母、または細胞より速い指数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、高成長変異体は、親細胞と比較して、より速い倍増時間、その結果として、代謝される１グラムのＣ１基質につき高い成長速度および細胞質量の収率を有する（例えば、米国特許第６，６８９，６０１号を参照）。
【００４４】
本明細書で使用されるように、「バイオ燃料」という用語は、少なくとも部分的に「バイオマス」に由来する燃料を指す。
【００４５】
本明細書で使用されるように、「バイオマス」という用語は、生物学的起源を有する、再生可能資源を指す。
【００４６】
本明細書で使用されるように、「生物精製所」という用語は、バイオマスから燃料を生産するようにバイオマス変換プロセスおよび機器を統合する設備を指す。
【００４７】
本明細書で使用されるように、「精製所」という用語は、油組成物（例えば、バイオマス、バイオ燃料、または原油、石炭、あるいは天然ガス等の化石燃料）が処理され得る、石油精製所またはその側面を指す。そのような精製所で実行されるサンプルプロセスは、クラッキング、エステル交換、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。
【００４８】
本明細書で使用されるように、「組換え」または「非天然」という用語は、少なくとも１つの遺伝子改変を有するか、または異種核酸分子の導入によって修飾されている、有機体、微生物、細胞、核酸分子、またはベクターを指し、あるいは内因性核酸分子または遺伝子の発現を制御することができるように改変されている、細胞を指す。組換えはまた、１つ以上のそのような修飾を有する細胞に由来する細胞も指す。例えば、組換え細胞は、天然細胞（すなわち、未修飾または野生型細胞）内で同一の形態では見出されない、遺伝子または他の核酸分子を発現してもよく、または内因性遺伝子であって、別様に過剰発現され、過小発現され、最小限に発現され、または全く発現されない場合がある、そのような遺伝子の改変した発現パターンを提供してもよい。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、核酸分子への遺伝子改変は、新しい、またはその自然発生状態から改変される、組換え微生物または細胞に、生化学反応または代謝経路を提供することができる。
【００４９】
本明細書で使用されるように、「異種」核酸分子、構築物、または配列という用語は、それが発現される細胞を原産としない、または類似条件での天然発現レベルと比較して改変した発現を伴う核酸分子である、核酸分子または核酸分子配列の一部分を指す。例えば、異種制御配列（例えば、プロモータ、エンハンサ）は、遺伝子または核酸分子が自然または培養下で正常に発現されるものとは異なる方法で、遺伝子または核酸分子の発現を調節するために使用されてもよい。概して、異種核酸分子は、それらが存在し、共役、形質転換、トランスフェクション、エレクトロポレーション、または同等物によって細胞に追加されている、細胞またはゲノムの一部にとって内因性ではない。
【００５０】
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、相互に近接近または隣接して配置されるか、または配置されない、処理ユニットまたはシステム）、統合ユニットを含んでもよく、またはシステム自体が、相互接続または統合されてもよい。本開示のシステムは、１つ以上のＣ１化合物、酸素、および／または水素を含む、少なくとも１つの気相原料を使用してもよい。ある実施形態では、発酵システムは、発酵培養下の主要な微生物として、Ｃ１代謝微生物（例えば、メチロサイナストリコスポリウムＯＢ３ｂ、メチロコッカスカプスラタスＢａｔｈ、メチロモナス属１６ａ、メチロミクロビウムアルカリフィラム２０Ｚ、または、それらの高成長変異体あるいは組み合わせ等のメタノトローフ）を使用する。
【００５１】
種々の培養方法が、本明細書で説明される微生物、細菌、および酵母に使用されてもよい。例えば、メタノトローフ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によって成長させられてもよい。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では目的とする生成物または中間体のバルク産生に関与する一方で、静止または指数期後産生は、他のシステムで得ることができる。
【００５２】
古典的なバッチ培養方法は、培養が開始され、培養プロセス中に改変されないときに、培地組成が設定される、閉鎖型システムである。つまり、培地は、培養プロセスの開始時に選択の１つ以上の微生物を接種され、次いで、システムに何も追加することなく成長させられる。本明細書で使用されるように、「バッチ」培養は、最初に追加される特定の炭素源の量を変化させないことに関連する一方で、ｐＨおよび酸素濃度等の要因の制御を培養中に監視し、改変することができる。バッチシステムでは、本システムの代謝産物およびバイオマス組成物は、培養が終了させられる時間まで常に変化する。バッチ培養内で、細胞（例えば、メチロトローフ等の細菌）は、概して、静的停滞期から、高成長対数期、成長速度が低減または停止させられる（最終的に、条件が変化しなければ細胞死につながるであろう）静止期まで移動するであろう。
【００５３】
送給バッチシステムは、培養が進行するにつれて、目的とする炭素基質が増分して追加される、標準バッチシステムの変形例である。送給バッチシステムは、細胞代謝が異化代謝産物抑制によって阻害される可能性が高いとき、および培地において限定量の基質を有することが望ましいときに有用である。送給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が困難であるため、ｐＨ、溶解酸素、および排ガスの部分圧等の測定可能な要因の変化に基づいて、推定が行われる。バッチおよび送給バッチ培養方法は、一般的であり、当技術分野で公知である（例えば、Ｔｈｏｍａｓ  Ｄ．  Ｂｒｏｃｋ，  Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ：  Ａ  Ｔｅｘｔｂｏｏｋ  ｏｆ  Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ  Ｍｉｃｒｏｂｉｏｌｏｇｙ，  ２ｎｄ  Ｅｄ．  （１９８９）  Ｓｉｎａｕｅｒ  Ａｓｓｏｃｉａｔｅｓ，  Ｉｎｃ．，  Ｓｕｎｄｅｒｌａｎｄ，  ＭＡ；  Ｄｅｓｈｐａｎｄｅ，  １９９２，  Ａｐｐｌ．  Ｂｉｏｃｈｅｍ．  Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌ．  ３６：２２７を参照）。
【００５４】
連続培養は、同等量の使用済み（「馴化」）培地が処理のために同時に除去されている間に、定義された培地がバイオリアクタに連続的に追加される、「開放型」システムである。連続培養は、概して、細胞が主に対数成長期にある、一定の高い液相密度で細胞を維持する。代替として、連続培養は、炭素および栄養素が連続的に追加され、貴重な生成物、副生成物、および老廃物が細胞質量から連続的に除去される、固定化細胞（例えば、バイオフィラム）を用いて実践されてもよい。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、広範囲の固体支持体を用いて達成されてもよい。
【００５５】
連続または半連続培養は、細胞成長または最終生成物濃度に影響を及ぼす、１つ以上の要因の変調を可能にする。例えば、１つの方法は、固定速度で限定された栄養素（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要因は、培地濁度によって測定されるような細胞濃度が一定に保たれている間に、連続的に改変され得る。連続培養システムの目標は、細胞成長速度に対して取り除かれた培地による細胞損失の均衡を保ちながら、定常状態成長条件を維持することである。生成物形成の速度を最大限化するために連続培養プロセスおよび技法のための栄養素および成長因子を変調する方法が、当技術分野で周知である（Ｂｒｏｃｋ，  １９９２を参照）。
【００５６】
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基質を含んでもよく、またはＣ１代謝微生物のための複数の炭素源として２つ以上のＣ１基質の混合物（混合Ｃ１基質組成物）を含んでもよい。
【００５７】
加えて、いくつかのＣ１代謝有機体は、代謝活性のために、糖、グルコサミン、または種々のアミノ酸等の非Ｃ１基質を利用することが知られている。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）。メチロバクテリウムエキストロクエンスＡＭ１は、限定数のＣ２、Ｃ３、およびＣ４基質上の成長が可能である（Ｖａｎ  Ｄｉｅｎ  ｅｔ  ａｌ．，  Ｍｉｃｒｏｂｉｏｌ．  １４９：６０１−６０９，  ２００３）。代替として、Ｃ１代謝微生物は、代替的な炭素基質を利用する能力を有する、組換え変異体であってもよい。したがって、培地中の炭素源は、選択されるＣ１代謝微生物に応じて、単または多炭素化合物との炭素基質の混合物を含み得ることが考慮される。
【００５８】
ある実施形態では、本開示は、主にＣ１代謝非光合成微生物を含む培養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、燃料を作成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、偏性メタノトローフまたはメチロトローフ等の偏性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、脂肪酸産生酵素、ホルムアルデヒド同化酵素、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含む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ノトローフ等のＣ１代謝非光合成微生物の細胞膜に由来するか、またはそれから抽出される。
【００５９】
ある実施形態では、本開示は、燃料を生産するように精製ユニットの中で油組成物を精製することによって、燃料を作成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ノトローフ等の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。なおも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の中で、Ｃ１基質を含む原料の存在下で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、油組成物を産生する、ステップと、（ｂ）処理ユニットの中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）燃料を生産するように、精製ユニットの中で抽出された油組成物を精製するステップとを含む。ある実施形態では、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。
【００６０】
ある実施形態では、本開示は、エタノール、酢酸塩、ブタノール、単細胞タンパク質、糖、または他の代謝産物あるいは細胞生成物等の天然生成物を作成するための方法を提供し、天然生成物は、メチロトローフまたはメタノトローフ等のＣ１代謝非光合成微生物に由来する。
【００６１】
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成物を抽出するための処理ユニットの使用を含む。
【００６２】
なおも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の中で、Ｃ１基質を含む原料の存在下で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、天然生成物を産生する、ステップと、（ｂ）処理ユニットの中で培養された細菌から天然生成物を抽出するステップと、（ｃ）商品を生産するように天然生成物を精製するステップとを含む。ある実施形態では、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。
【００６３】
ある実施形態では、本開示は、エタノール、酢酸塩、ブタノール、イソプレン、プロピレン、ファルネセン、酵素、または他の代謝産物あるいは細胞生成物等の天然または非天然生成物を作成するための方法を提供し、生成物は、異種ヌクレオチド配列で形質転換されたメチロトローフまたはメタノトローフ等の遺伝子操作された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、遺伝子操作されたＣ１代謝非光合成微生物から生成物を抽出するための処理ユニットの使用を含む。なおも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の中で、Ｃ１基質を含む原料の存在下で遺伝子操作された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、天然生成物を産生する、ステップと、（ｂ）処理ユニットの中で培養された細菌から天然生成物を抽出するステップと、（ｃ）商品を生産するように天然生成物を精製するステップとを含む。ある実施形態では、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。
【００６４】
ある実施形態では、本開示は、エタノール、酢酸塩、ブタノール、イソプレン、プロピレン、ファルネセン、酵素、または他の代謝産物あるいは細胞生成物等の天然または非天然生成物を作成するための方法を提供し、生成物は、大腸菌、出芽酵母、または他の一般的な産生微生物等の非Ｃ１代謝微生物に由来する。ある実施形態では、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、または他の多炭素原料である。
【００６５】
図１は、容器１０８によって形成される内部空間１０６内に配置される、いくつかの中空流体導管１０２（明確にするために図１では１つだけが示されている）を含む、例示的発酵槽１００を示す。容器１０８は、１つ以上の壁１１０と、底部１２４と、中空流体導管１０２、容器１０８、または両方を部分的または完全に取り囲む随意的な最上部１２６とを含むことができる。いくつかの中空流体導管１０２と容器１０８との間に存在する空間の少なくとも一部は、それを通して下向きの流動１１６が起こり得る、１つ以上の下向きの流路１１４を提供する。いくつかの中空流体導管１０２のうちの各々の内側に存在する空間の少なくとも一部は、それを通して上向きの流動１２０が起こり得る、１つ以上の上向きの流路１１８を提供する。１つ以上の液体分配器１３０が、１つ以上の液体を下向きの流路１１４に導入するように、容器１０８の中、上、または周囲に提供されてもよい。１つ以上のガス分配器１３２が、１つ以上のガスまたはガス基質を下向きの流路１１４に導入するように、容器１０８の中、上、または周囲に提供されてもよい。容器１０８内の中空流体導管１０２の位置付けは、有利なこととして、発酵槽１００の容積が、長さよりもむしろ半径または断面外形に基づいて拡大されるため、ループまたはエアリフト発酵槽設計のいずれか一方より正確かつ一貫した拡大を可能にする。
【００６６】
１つ以上のガス分配器１３２を介した１つ以上の基質ガスの追加は、場合によっては、下向きの流路１１４内の液体への微粉化基質気泡の形成を助長する。液体および微粉化した分散ガスまたはガス基質気泡の組み合わせは、概して、下向きの流路１１４の中に下向きの流動１１６を有する、多相混合物を生成する。下向きの流動１１６は、多相混合物液体内で分散させられた、有意な数の混入ガスまたは基質気泡を含む。多相混合物中の気泡と液体との間の密度の差は、ガスまたはガス基質気泡に上向きに上昇する傾向を持たせる。しかしながら、気泡上昇速度より大きい速度で下向きの流路１１４の中の下向きの流動１１６の表面速度を維持することによって、下向きの流路１１４の中の多相混合物中に存在するガス基質気泡は、略下向き方向に低減した速度で移動するであろう。下向きの流路１１４の中のガス基質気泡の正味速度は、ガス基質気泡の速度を引いた、下向きの流路１１４の中の多相流体の表面速度である。ガス基質気泡が、エアリフト発酵槽における同等の上昇速度より小さい速度で下向きの流路１１４を通って移動するため、下向きの流路１１４内に存在するガス基質気泡と微生物有機体との間の接触時間は、エアリフト型発酵槽と比べて有利に増加させられる。１つだけの液体分配器１３０および１つのガス分配器１３２が、明確にするために図１に示されているが、任意の数の付加的な液体分配器、ガス分配器、または、それらの組み合わせが、規則的または不規則的な間隔で下向きの流路１１４内に追加されてもよい。
【００６７】
下向きの流路１１４の中の多相混合物は、いくつかの中空流体導管１０２（すなわち、上向きの流路１１８）を、容器壁１１０といくつかの中空流体導管１０２（すなわち、下向きの流路）との間に存在する容器１０８の内部空間１０６に流体的に接続または流体的に結合する、１つ以上の流体導管、開口部、オリフィス、開口、または間隙を介して、上向きの流路１１８に進入する１２２。ある場合において、下向きの流路１１４の中の多相混合物は、中空流体導管と容器１０８の底部１２４との間の間隙を介して、中空流体導管１０２に進入することができる。少なくともいくつかの場合においては、容器１０８の底部１２４は、容器１０８内の所望の場所で生物学的材料（すなわち、「バイオソリッド」または「バイオマス」）の蓄積を助長するように成形、形成、または構成することができる。例えば、底部１２４は、発酵槽１００の底部に落下するバイオマスが、１つ以上の所定の場所で優先的に集まるように、円錐状、皿状、または傾斜状であり得る。そのような場合において、いくつかの中空流体導管１０２のうちのそれぞれは、いくつかの中空流体導管１０２のうちの各々の入口と容器１０８の底部１２４との間で画定された所望または好ましい間隙または間隔を維持するために、異なる長さを有してもよい。
【００６８】
上向きの流路１１８に進入すると、多相混合物は、その中で上向きの流動１２０を生成する。上向きの流路１１８の中の流体および気泡の両方は、略上向きの方向に移動するであろう。上向きの流路１１８内の気泡の上昇速度は、流体内の気泡の上昇速度を加えた流体の速度に等しい。少なくともいくつかの場合においては、任意の数の付加的な液体分配器１３０、ガス分配器１３２、または、それらの組み合わせが、規則的または不規則的な間隔で上向きの流路１１８内に追加されてもよい。
【００６９】
多相混合物１３６は、上向きの流路１１８から流動し、１つ以上の多相混合物放出接続１３８を介して発酵槽１００から退出する。少なくともいくつかの場合においては、１つ以上の多相混合物放出接続１３８は、いくつかの中空流体導管１０２によって提供される上向きの流路１１８のそれぞれに流体的に結合されてもよい。場合によっては、１つ以上の多相混合物放出接続１３８は、１つ以上のフランジ付きまたはねじ山付き接続を含むことができる。場合によっては、１つ以上の多相混合物放出接続１３８は、１つ以上の迅速分断または類似の容易に滅菌可能な流体結合または接続を含むことができる。
【００７０】
場合によっては、（例えば、感知可能な熱の形態の）熱エネルギーが、発酵槽１００内で起こる１つまたは複数の発酵プロセスによって生成または解放されてもよい。制御されないままであると、十分な熱エネルギーが発酵槽１００内で蓄積し、発酵槽１００内の微生物有機体の成長または代謝に悪影響を及ぼし得る。場合によっては、制御されていない熱エネルギーの増加は、発酵槽内の微生物有機体の全てまたは一部分の死滅をもたらし得る。発酵槽１００から熱エネルギーの少なくとも一部を除去するために、１つ以上の熱伝達表面１２８が、中空流体導管１０２の内部または外部に配置されてもよく、１つ以上の熱伝達表面１４０が、容器１０６の内部または外部に配置されてもよく、またはそのような熱伝達表面１２８、１４０は、下向きの流路１１４および上向きの流路１１８のいずれか一方または両方と流体的および熱的に接触して表面の任意の組み合わせの上に配置されてもよい。
【００７１】
発酵槽１００は、容器１０８によって形成される内部空間１０６の中に完全または部分的に配置される、任意の数の中空流体導管１０２を含むことができる。いくつかの中空流体導管１０２のうちのそれぞれは、一定または可変の断面外形および一定または可変の壁厚を有する、任意のサイズ、形状、または構成の閉鎖流体チャネルを含むことができる。中空流体導管１０２のそれぞれは、いくつかの中空流体導管１０２のうちの各々の内側で、上向きの流路１１８の中への多相混合物の進入を可能にする、少なくとも１つの開口部または入口を含む。いくつかの中空流体導管１０２のうちのそれぞれは、上向きの流路１１８からの多相混合物１３６の退出を可能にする、少なくとも１つの開口部または出口を含む。容器１０８は、内部空間１０６を形成するか、または別様に画定する、１つ以上の壁１１０を有する、任意のサイズ、形状、または構成を有することができる。１つ以上の壁１１０によって形成される内周は、容器１０８の横断面外形および横断面積を提供する。１つ以上の壁１１０はまた、容器１０８の内周１５０も形成する。
【００７２】
中空流体導管１０２のそれぞれは、その少なくとも一部が上向きの流路１１８と流体的に接触している、内周１５２と、その少なくとも一部が下向きの流路１１４と流体的に接触している、外周１５４とを含む。下向きの流路１１４は、中空流体導管１０２の外周１５４および容器１０８の内周１５０によって境界形成される。上向きの流路１２０は、それぞれの複数の中空流体導管１０２のうちの各々の内周１５４によって境界形成される。中空流体導管１０２のそれぞれは、容器１０８内の内部空間１０６に流体的に連結され、それによって、下向きの流路１１４から上向きの流路１１８への多相混合物の自由流を可能にする。
【００７３】
少なくともいくつかの場合においては、いくつかの中空流体導管１０２の総計横断面積は、容器１０８の横断面積の約９０％以下、容器１０８の横断面積の約７５％以下、容器１０８の横断面積の約５０％以下、容器１０８の横断面積の約２５％以下、容器１０８の横断面積の約１５％以下、または容器１０８の横断面積の約１０％以下である。
【００７４】
１つ以上の液体は、下向きの流路１１４の中に位置付けられるか、またはそれに流体的に結合される、１つ以上の液体分配器１３０を使用して、下向きの流路１１４に導入されてもよい。そのような液体は、溶解または懸濁栄養または栄養素を支持し、あるいは発酵槽１００内でバイオマスを形成する微生物有機体に輸送することが可能な任意の液体培地を含むことができる。１つ以上のガス、基質ガス、または、それらの組み合わせは、下向きの流路１１４の中に位置付けられるか、またはそれに流体的に結合される、１つ以上のガス分配器１３２を介して、下向きの流路１１４に導入されてもよい。そのようなガスは、栄養または栄養素を支持し、または発酵槽１００内の生物有機体に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。少なくともいくつかの場合においては、そのようなガスは、１つ以上の不活性ガス、例えば、窒素を含んでもよい。少なくともいくつかの場合においては、複数のガス、複数の基質ガス、または、それらのある組み合わせは、発酵槽１００の外側で爆発性ガス混合物の形成を有利に低減させるか、または不可能にさえするように、下向きの流路１１４に別々に導入されてもよい。例えば、引火性Ｃ１化合物（例えば、メタン）が、発酵槽１００内の生物有機体のためのガス状基質の少なくとも一部を提供するために使用される場合、および空気が発酵槽１００内の生物有機体に酸素を提供するために使用される場合、第１のガス分配器１３２ａを使用して、引火性Ｃ１化合物を含むガスが導入されてもよく、発酵槽１００の外側でＣ１化合物および空気の混合を回避するように、第２の物理的に異なる、または別個のガス分配器１３２ｂを使用して、空気が導入されてもよい。下向きの流路１１４への１つ以上の液体および１つ以上のガスの導入は、下向きの流路１１４内で多相流体の下向きの流動１１６を生成する。下向きの流路１１４内で起こる生物学的成長は、下向きの流路１１４の中の多相流体の下向きの流動１１６から、酸素、栄養素、およびＣ１化合物を吸収することができる。
【００７５】
発酵槽１００の中への１つ以上の引火性Ｃ１化合物および酸素含有ガスの同時導入は、発酵槽１００内で可燃性または爆発性ガス混合物の形成をもたらし得る。そのような発生の可能性を低減させるために、下向きの流路１１４および上向きの流路１１８は、液体が１つ以上の液体分配器１３０を介して発酵槽１００に導入される（すなわち、下向きの流路１１４および上向きの流路１１８内のガス蓄積点が最小限化されるか、またはより好ましくは排除される）ときに、両方とも「流体で満杯」のままであるような物理的形状または構成であってもよい。少なくともいくつかの場合においては、１つ以上のガス逃しデバイスまたは液体／ガス分離デバイス（図１には示されていない）が、発酵槽１００から蓄積したガスを除去するように、下向きの流路１１４、上向きの流路１１８、または両方に流体的に結合されてもよい。そのような除去されたガスは、部分的または完全に回収され、発酵槽１００に部分的または完全に再循環させられてもよく、あるいは燃焼され、または別様に安全に処分されてもよい。
【００７６】
いくつかの中空流体導管１０２のうちのそれぞれは、同一または異なる横断面外形を有することができる。例示的な中空流体導管１０２の横断面外形は、円形の横断面外形、長方形または正方形の横断面外形、あるいは三角形の横断面外形（すなわち、中空流体導管１０２の長手方向軸に直角に得られる外形）を含むが、それらに限定されない。場合によっては、１つより多くの種類の中空流体導管１０２が、単一の発酵槽１００内で使用されてもよい。例えば、発酵槽１００の中のいくつかの中空流体導管１０２の一部分が、円形の横断面外形を有してもよい一方で、中空流体導管１０２の残りの部分は、正方形の横断面外形を有する。
【００７７】
中空流体導管１０２の全てまたは一部分は、生物有機体の成長を支援する、助長する、または別様に育成することにおいて有用な１つ以上のエンボス加工またはデボス加工表面特徴を含むことができる。中空流体導管１０２の全てまたは一部分は、下向きの流路１１４、上向きの流路１２０、または両方の中のそれぞれの熱伝達表面１２８、１４０への乱流または熱伝達を助長するか、または別様に増進することにおいて有用な１つ以上のエンボス加工またはデボス加工表面特徴を含むことができる。中空流体導管１０２の全てまたは一部分は、上向きの流路１１８内の乱流を増加させるように１つ以上のバッフルを含むことができ、そのような乱流の増加は、有利なこととして、上向きの流路１１８内の物質輸送を向上させるとともに、上向きの流路１１８の中に存在するガス基質気泡の滞留時間を増加させることができる。
【００７８】
場合によっては、いくつかの中空流体導管１０２のうちの各々の長手方向軸は、容器１０８の中に配置された１つおきの中空流体導管１０２の長手方向軸に平行に整列させられる。場合によっては、いくつかの中空流体導管１０２のうちの各々の長手方向軸は、容器１０８の長手方向軸に平行に整列させられる。場合によっては、いくつかの中空流体導管１０２の全てまたは一部分のうちの各々の長手方向軸は、容器１０８の長手方向軸に平行かつ同軸上に整列させられる。
【００７９】
中空流体導管１０２のそれぞれは、同一または異なる長さを有することができる。場合によっては、いくつかの中空流体導管１０２の少なくとも一部は、容器１０８の底部１２４まで、またはさらにそれを越えて延在してもよい。そのような場合において、下向きの流路１１４は、１つ以上の外部流体導管を介して、例えば、容器１０８の外部に位置付けられた１つ以上の配管ネットワークを介して、上向きの流路１１８に流体的に結合されてもよい。中空流体導管１０２のそれぞれは、約６インチ〜約２４０インチ、約１２インチ〜約１９２インチ、または約２４インチ〜約１４４インチの長さを有することができる。
【００８０】
いくつかの中空流体導管１０２のそれぞれは、金属、非金属、または複合構造であってもよい。例えば、中空流体導管１０２のそれぞれは、３０４、３０４Ｌ、３１６、または３１６Ｌステンレス鋼等の１つ以上の金属材料を含んでもよい。場合によっては、微生物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有益な影響または悪影響を及ぼすように、１つ以上のコーティング、層、オーバーレイ、挿入物、または他の材料が、いくつかの中空流体導管１２０のうちの各々の全体または一部分の上に堆積させられ、それに適用され、それと接合され、またはそれと一体的に形成されてもよい。例えば、微生物有機体の成長または付着を阻害するコーティングが、熱伝達表面１２８に熱伝導的に結合される中空流体導管１０２の一部分の上に堆積させられ、またはそれと一体的に形成されてもよい。別の実施例では、生物有機体の成長または付着を助長するコーティングが、蓄積したバイオマスの除去がより容易に達成される領域中で、中空流体導管１０２の上に堆積させられ、またはそれと一体的に形成されてもよい。
【００８１】
少なくともいくつかの場合においては、中空流体導管１０２のそれぞれは、導管の長手方向軸に沿って延在する開口を有する、実質的に長方形または正方形の中空部材を含む。他の場合においては、中空流体導管１０２のそれぞれは、導管の長手方向軸に沿って延在する開口を有する、実質的に円筒形の中空部材を含む。そのような正方形または円筒形の中空流体導管１０２の内径および外径は、導管の軸長に沿って連続的または一定であり得るか、あるいは導管の長軸に沿って変動し得る。例えば、円筒形の中空流体導管１０２の内径および外径は、上向きの流路に沿った流体速度が中空流体導管１０２の入口から出口まで減少するように、上向きの流路１１８に沿って同時に増加してもよい。円筒形の中空流体導管１０２は、約２インチ〜約２４０インチ、約４インチ〜約１９２インチ、約６インチ〜約１４４インチ、約８インチ〜約１２０インチ、または約１２インチ〜約９６インチの内径を有することができる。長方形または正方形の中空流体導管１０２は、約２インチ〜約２４０インチ、約４インチ〜約１９２インチ、約６インチ〜約１４４インチ、約８インチ〜約１２０インチ、または約１２インチ〜約９６インチの対角線を有することができる。
【００８２】
少なくともいくつかの場合においては、中空流体導管１０２、容器１０８、または両方の構造は、プロセス接触表面の全体または一部分の滅菌を促進する特徴を含んでもよい。そのような滅菌は、例えば、蒸気滅菌、超音波滅菌、化学滅菌、または、それらの組み合わせを使用して達成することができる。少なくともいくつかの場合においては、１つ以上の非金属材料または１つ以上の非金属コーティングが、いくつかの中空流体導管１０２のうちのいくつかまたは全ての内部または外部の全体または一部分内で使用されてもよい。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、生物学的成長を支援または助長することが可能である、滅菌可能な表面を提供してもよい。
【００８３】
いくつかの中空流体導管１０２の全てまたは一部分は、随意に、下向きの流路１１４または上向きの流路１２０のいずれか一方または両方内の熱蓄積を制限することにおいて有用な１つ以上の熱エネルギー伝達表面１２８を含んでもよい。熱エネルギー伝達表面１２８は、中空流体導管１０２の内周１５２、外周１５４、または内周および外周の両方に沿って配置される、１つ以上の導管または貯留部を含むことができる。１つ以上の導管または貯留部は、それを通して１つ以上の熱伝達媒体が流動することができる、任意のデバイスまたはシステムを含むことができる。少なくともいくつかの場合においては、１つ以上の熱エネルギー伝達表面１２８は、中空流体導管１０２と一体的に形成することができ、導管の少なくとも一部を形成する。一実施例では、熱エネルギー伝達表面１２８は、それを通して熱伝達流体が流動または循環することができ、中空流体導管１０２の少なくとも一部に熱伝導的に結合される、１つ以上の貯留部を含むことができる。別の実施例では、熱エネルギー伝達表面１２８は、それを通して熱伝達流体が流動または循環することができ、中空流体導管１０２の少なくとも一部に熱伝導的に結合される、１つ以上のパイプまたは管コイルあるいは類似構造を含むことができる。熱伝達媒体は、熱エネルギーを下向きの流路１１４または上向きの流路１１８のいずれか一方または両方に提供すること、あるいはそこから熱エネルギーを除去することのいずれか一方が可能である、ガスまたは液体を含む、任意の材料を含むことができる。例示的熱伝達媒体は、冷却水、冷蔵水、および蒸気を含むが、それらに限定されない。
【００８４】
中空流体導管１０２のそれぞれは、容器１０８に永久的または着脱可能に取り付けることができる。少なくともいくつかの場合においては、中空流体導管の多相混合物放出流体接続１３８は、上向きの流路１１８を通って流動する多相混合物１３６が、いくつかの中空流体導管１０２のそれぞれから退出することを可能にするように、容器１０８の最上部１２６に取り付けられ、または別様に添着されてもよい。
【００８５】
容器１０８の高さは、いくつかの中空流体導管１０２の全てまたは一部分の長さと同一であるか、または異なり得る。容器１０８の高さがいくつかの中空流体導管１０２の全てまたは一部分の長さより小さい場合、中空流体導管１０２の全体または一部分は、容器１０８の底部１２４、容器１０８の最上部１２６、または容器１０８の最上部および底部の両方から突出してもよい。容器１０８は、約６インチ〜約２４０インチ、約１２インチ〜約１９２インチ、または約２４インチ〜約１４４インチの高さを有することができる。
【００８６】
容器１０８は、規則的または不規則的な横断面外形（すなわち、容器１０８の長手方向軸に直角に得られる外形）を有することができる。例示的な容器１０８の横断面外形は、円形の横断面外形、正方形の横断面外形、または三角形の横断面外形を含むが、それらに限定されない。例えば、容器１０８の横断面外形は、多相混合物の流体速度および圧力が下向きの流路１１４に沿って増加するように、下向きの流路１１４と同時に縮小してもよい。
【００８７】
容器１０８の壁１１０、底部１２４、または最上部１２６の全てまたは一部分は、随意に、下向きの流路１１４内の熱蓄積を制限することにおいて有用な１つ以上の熱エネルギー伝達表面１４０を含んでもよい。熱エネルギー伝達表面１４０は、容器１０８内の下向きの流路１１４の少なくとも一部に熱伝導的に結合され、それを通して１つ以上の熱伝達媒体が流動することができる、１つ以上の導管または貯留部を含むことができる。例えば、熱エネルギー伝達表面１４０は、それを通して熱伝達流体が流動または循環することができる、１つ以上の貯留部を含むことができる。別の実施例では、熱エネルギー伝達表面１４０は、それを通して熱伝達流体が流動または循環することができる、１つ以上のパイプまたは管コイルあるいは類似構造を含むことができる。熱伝達媒体は、熱エネルギーを下向きの流路１１４に提供すること、またはそこから熱エネルギーを除去することのいずれか一方が可能である、ガスまたは液体を含む、任意の材料を含むことができる。例示的熱伝達媒体は、冷却水、冷蔵水、および蒸気を含むが、それらに限定されない。
【００８８】
少なくともいくつかの場合においては、容器１０６は、金属、非金属、または複合構造であってもよい。例示的金属構造は、３０４、３０４Ｌ、３１６、または３１６Ｌステンレス鋼等の材料から加工される、容器壁、頂面、および底面を含む。例示的非金属構造は、繊維ガラス、繊維ガラス補強プラスチック（ＦＲＰ）、ポリエチレン、および同等物を含むが、それらに限定されない。例示的複合構造は、金属補強ＦＲＰまたは同等物を含むが、それらに限定されない。場合によっては、１つ以上のコーティングまたは他の材料が、微生物有機体がそれに付着する能力に様々に影響を及ぼすように、容器１０８と一体的に形成され、またはそれに適用されてもよい。例えば、微生物有機体の成長または付着を阻害するコーティングが、熱伝達表面１４０によって占有される領域中で容器１０８の上に堆積させられ、またはそれと一体的に形成されてもよい。別の実施例では、微生物有機体の成長または付着を助長するコーティングが、蓄積したバイオマスの除去がより容易に達成される領域中で、容器１０８の上に堆積させられ、またはそれと一体的に形成されてもよい。
【００８９】
１つ以上の液体分配器１３０は、下向きの流路１１４内に配置され、上向きの流路１１８内に配置され、下向きの流路１１４に流体的に結合され、上向きの流路１２０に流体的に結合され、または、それらの組み合わせのいずれかであってもよい。１つ以上の液体分配器１３０は、任意の所望なパターンで選択された流路内に流体を分配することが可能な任意のデバイス、構造、またはシステムを含むことができる。場合によっては、１つ以上の液体分配器１３０の全てまたは一部分は、それを通って流体がそれぞれの流路に進入する、いくつかのオリフィスまたは開口を含む、パイプまたは分配プレートを含むことができる。場合によっては、１つ以上の液体分配器１３０の全てまたは一部分は、容器１０８の上の適切な場所に配置される、ノズルまたは結合器等の流体接続を含むことができる。少なくともいくつかの場合においては、液体分配器１３０は、下向きの流路１１４、上向きの流路１２０、または両方のいずれか一方または両方内の複数の場所に位置付けられてもよい。下向きの流路１１４および／または上向きの流路１２０内の複数の場所に位置付けられる液体分配器１３０の使用は、有利なこととして、蓄積したバイオマスの１つ以上の所望の品質を助長することにおいて有用な１つ以上の成分を含む、液体の導入を可能にする。例えば、１つ以上の成長助長成分を含む液体は、下向きの流路１１４の中に位置付けられる第１の液体分配器１３０ａを使用して導入されてもよく、１つ以上の所望の化合物の産生を増加させる１つ以上の成分を含む液体は、下向きの流路１１４の中または上向きの流路１２０の中で以降の点に位置付けられる、第２の液体分配器１３０ｂを使用して導入されてもよい。
【００９０】
１つ以上の液体分配器１３０は、期待流量、動作温度、動作圧力、および許容圧力降下に基づいて定寸または選択される。液体分配器１３０は、それを通して分配器の中の液体が退出する、いくつかのオリフィスを含んでもよく、そのようなオリフィスは、定義された流動範囲および許容圧力降下に基づいて定寸し、位置付けることができる。場合によっては、１つ以上の液体分配器１３０から退出する液体は、分配器１３０から退出する液体、およびそれぞれの流路を通って流動する多相混合物の分散、または、それらの間の混合を助長する、１つ以上の分散または混合デバイスを通って流動してもよい。
【００９１】
１つ以上のガス分配器１３２は、下向きの流路１１４、上向きの流路１２０、または両方内で、またはそれと流体的に接触してのいずれかで配置される。１つ以上のガス分配器１３２は、選択された流路内で定義された物理的気泡サイズまたは形状を有する１つ以上のガスを任意の定義されたパターンで分配することが可能である、任意のデバイス、構造、またはシステムを含むことができる。場合によっては、１つ以上のガス分配器１３２の全てまたは一部分は、それを通してガス、ガス基質、または、それらの組み合わせが流路に導入される、いくつかのオリフィスまたは開口を含む、パイプまたは分配プレートを含むことができる。場合によっては、１つ以上のガス分配器１３２の全てまたは一部分は、選択された流路内で多数の細かい気泡を産生することが可能な焼結金属または多孔質セラミック分配プレートを含むことができる。少なくともいくつかの場合においては、ガス分配器１３２は、下向きの流路１１４、上向きの流路１１８、または両方のいずれか一方または両方内の複数の場所に位置付けられてもよい。
【００９２】
ガス基質気泡は、液体分配器１３０の付近の場所で（すなわち、下向きの流路１１４の起点で）導入されてもよい。液体分配器１３０の付近の場所でのガス基質気泡の導入は、有利なこととして、下向きの流路１１４を通る多相混合物の流動による、下向きの流路１１４に沿ったガス基質気泡の押動を可能にする。下向きの流路１１４に沿ってガス基質気泡を下向きに通過させることにより、有利なこととして、増加する水圧ヘッドに起因する下向きの流路１１４に沿った圧力の増加とともにガス基質気泡サイズが減少する傾向があろうため、物質輸送を向上させてもよい。多相混合物の下向きの流動１１６中に存在するガス基質気泡は、下向きの流路１１４に沿って発酵槽１００を通って移動するにつれて、より小さくなる傾向があろう。有利なこととして、ガス基質気泡を分散させるため、または発酵槽１００内の多相混合物中に存在するガス基質気泡の分散を維持するために、従来の撹拌器が必要とされないため、発酵槽１００内の戦弾力および発熱が低減させられる。
【００９３】
下向きの流路１１４および／または上向きの流路１２０内の複数の場所に位置付けられるガス分配器１３２の使用は、有利なこととして、蓄積したバイオマスの１つ以上の所望の品質を助長することにおいて有用な１つ以上の成分を含む、ガス状基質の導入を可能にする。例えば、１つ以上の成長助長成分を含むガス基質は、下向きの流路１１４の中に位置付けられる第１のガス分配器１３２ａを使用して導入されてもよく、１つ以上の所望の化合物の産生を増加させる１つ以上の成分を含むガス基質は、下向きの流路１１４の中または上向きの流路１２０の中で以降の点に位置付けられる、第２のガス分配器１３２ｂを使用して導入されてもよい。少なくともいくつかの場合においては、ガス分配器１３２は、約０．０１インチ〜約１インチ、約０．０５インチ〜約０．７５インチ、約０．０７５インチ〜約０．７５インチ、または約０．１インチ〜約０．５インチの直径を有する、ガス基質気泡を提供することができる。
【００９４】
図２は、随意的な背圧サブシステム２３０、分離サブシステム２５０、および随意的な熱サブシステム２７０とともに、発酵槽１００を含む、例示的発酵システム２００を示す。統合システム２００として示されているが、随意的なサブシステムは、個別に、または任意の組み合わせのいずれかで、設置され、または別様に発酵槽１００と組み合わせられてもよい。１つ以上の液体２０２および１つ以上のガス基質２０４は、下向きの流路１１４および上向きの流路１１８を介して、発酵槽１００を通って移動する多相混合物をその中で形成するように、発酵槽１００に導入される。発酵槽１００の通過後、多相流体は、発酵槽１００内の生物有機体によって産生される１つ以上の化合物、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、多相混合物内の気泡中の消費されていないガス、およびバイオソリッドの形態の微生物有機体を含有してもよい。過剰な微生物有機体は、少なくとも１つのバイオマス除去流体接続２０８を介して、断続的または連続的のいずれかでバイオマスとして発酵槽１００から除去されてもよい。発酵槽１００内のバイオマス蓄積は、定義された範囲内で、または定義された閾値を上回って、あるいは下回って、発酵槽１００内の全体的なバイオマスを維持するように除去されてもよい。少なくともいくつかの場合においては、少なくとも１つのバイオマス除去流体接続２０８を介して発酵槽１００から除去されるバイオマスは、１つ以上の有用な化合物を含んでもよい。例えば、過剰なバイオマス内の生物有機体は、バイオディーゼルとしてのバイオ燃料の生産において有用である、ある量の１つ以上の細胞内脂質または類似化合物を含有してもよい。
【００９５】
１つ以上の液体２０２は、１つ以上の栄養素を持続するか、または発酵槽１００内の微生物有機体に送達するために好適な任意の液体を含んでもよい。そのような液体２０２は、水、１つ以上のアルコール、鉱物、１つ以上の窒素含有化合物、１つ以上のリン含有化合物、および同等物を含む溶液を含んでもよいが、それらに限定されない。少なくともいくつかの場合においては、１つ以上の流体移動器２１６は、制御された様式で、大気圧より大きい圧力で、１つ以上の液体２０２を、発酵槽１００の中にあるか、またはそれに流体的に結合されるかのいずれかである、１つ以上の液体分配器１３０に送達するために使用される。１つ以上の流体移動器２１６は、２つの点の間で液体を移送することが可能な任意の種類のポンプまたは類似デバイスを含むことができる。例示的流体移動器２１６は、遠心ポンプ、容積型ポンプ、進行空洞ポンプ、二重ダイヤフラムポンプ、および同等物を含むが、それらに限定されない。他の例証的な流体移動器２１６は、排出装置、排出器、および類似デバイスを含むが、それらに限定されない。発酵槽１００への液体２０２の移送は、流量制御し、圧力制御し、または発酵槽１００内の１つ以上の点から、あるいは発酵システム２００内の１つ以上の点から収集される、圧力、温度、流量、レベル、流速、表面速度、または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することができる。少なくともいくつかの場合においては、流体移動器２１６による液体２０２の移送は、発酵槽１００内の１つ以上の成分または化合物（例えば、１つ以上の窒素含有栄養素）の測定された濃度に基づいて制御することができ、例えば、流体移動器２１６によって移送される液体２０６の流量は、発酵槽１００内の栄養素濃度の測定された減少に応答して増加させられてもよい。
【００９６】
少なくともいくつかの場合においては、流体移動器２１６によって移送される液体の流速は、全体的または部分的に、多相混合物中に存在する気泡を下向きの流路１１４に沿って下向きに輸送することができる、下向きの流路１１４の中の下向きの流体流１１６の速度を定義された範囲内で維持することに基づくことができる。下向きの流路１１４の中の下向きの流動１１６の速度は、１つ以上の接触または非接触流量センサを使用して測定することができる。例示的流量センサは、磁気流量計、ドップラ流量計、質量流量計、および同等物を含むことができるが、それらに限定されない。そのような場合において、下向きの流路１１４の中の下向きの流動１１６は、約０．１フィート／秒（ｆ／ｓ）〜約１５ｆ／秒、約０．２フィート／秒（ｆ／ｓ）〜約１０ｆ／ｓ、または約０．５フィート／秒（ｆ／ｓ）〜約５ｆ／ｓの速度を有することができる。
【００９７】
発酵槽１００の入口側に描写されているが、流体移動器２１６は、下向きの流路１１４の中で下向きの流動１１６、および上向きの流路１１８の中で上向きの流動１２０を提供することが可能である、任意の場所に配置されてもよい。例えば、図２に示されるように、流体移動器２１６は、下向きの流路１１４を通して強制的な下向きの流動１１６、および上向きの流路１１８を通して強制的な上向きの流動１２０を提供するように、発酵槽１００の入口に流体的に結合されてもよい。別の実施例では、流体移動器２１６の全てまたは一部分は、下向きの流路１１４に沿って誘導された下向きの流動１１６、および上向きの流路１１８に沿って誘導された上向きの流動１２０を提供するように、下向きの流路１１４と上向きの流路１１８との間に流体的に結合されてもよい。さらに別の実施例では、流体移動器２１６の全てまたは一部分は、下向きの流路１１４を通して下向きの流動１１６を誘導するように、かつ、上向きの流路１１８を通して上向きの流動１２０を誘導するように、多相混合物放出流体接続１３８に流体的に結合されてもよい。
【００９８】
１つ以上のガス基質２０４は、１つ以上の栄養素を持続するか、または発酵槽１００内の生物有機体に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、炭素化合物を含む１つ以上のガスを含むことができるが、それらに限定されない。そのようなガスは、メタンまたは一酸化炭素等のＣ１炭素化合物を含む、１つ以上のガスを含むことができるが、それらに限定されない。１つ以上のガス基質２０４はまた、発酵槽１００内の生物有機体の代謝プロセスで使用される、１つ以上のガスを含んでもよい。そのようなガスは、酸素、酸素含有化合物、および水素を含むことができるが、それらに限定されない。１つ以上のガス基質２０４は、純ガスとして、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、発酵槽１００へ移送させられてもよい。１つ以上のガス基質２０４は、発酵槽１００へ個別に移送させられてもよい（例えば、メタン、および空気等の酸素含有ガスは、発酵槽１００の外部で爆発性ガス混合物の形成の可能性を最小限化するように、個別に移送されてもよい）。
【００９９】
１つ以上のガス基質２０４は、随意に、ガス移動器２１８を使用して、発酵槽１００へ移送されてもよい。例示的ガス移動器２１８は、回転ローブ圧縮機、遠心圧縮機、スクリュー圧縮機、および同等物を含むが、それらに限定されない。１つ以上のガス基質２０４の送達圧力は、発酵槽１００の動作圧力、および下向きの流路１１４内で１つ以上のガス基質２０４を分配するために使用されるガス分配器１３２と関連付けられる圧力降下を含む、種々の要因に依存する。同様に、１つ以上のガス基質の送達流速は、少なくとも部分的に、発酵槽１００の中に存在する生物有機体の必要性に基づいて、発酵槽１００内の溶解ガスの濃度またはレベルを定義された範囲（例えば、少なくとも４ｐｐｍを上回る溶解酸素）で維持するように、手動で、または自動的に制御されてもよい。少なくともいくつかの場合においては、１つ以上のガス基質２０４は、約５ｐｓｉｇ〜約６００ｐｓｉｇ、約５ｐｓｉｇ〜約６００ｐｓｉｇ、約２５ｐｓｉｇ〜約４００ｐｓｉｇ、または約５０ｐｓｉｇ〜約３００ｐｓｉｇの圧力で発酵槽１００に送達することができる。
【０１００】
任意の数のガスが、共通ガス分配ヘッダ１３２または任意の数の個別ガス分配ヘッダ１３２を通して導入されてもよい。そのようなガス分配ヘッダは、発酵槽１００内の単一の点でガス基質２０４の全てを導入してもよく、または発酵槽１００の全体を通した種々の場所でガス基質２０４の複数部分を導入してもよい。少なくともいくつかの場合においては、ガス基質２０４は、メタン、一酸化炭素、水素、または酸素を含むことができるが、それらに限定されない。少なくともいくつかの場合においては、ガス基質２０４の送給率を、液体培地２０２の送給率に参照させることができる。例えば、メタンは、約０．１グラムのメタン／１リットルの液体培地（ｇ／ｌ）〜約１００ｇ／ｌ、約０．５ｇ／ｌ〜約５０ｇ／ｌ、または約１ｇ／ｌ〜約２５ｇ／ｌの速度で、ガス基質２０４として導入されてもよい。一酸化炭素（「ＣＯ」）は、約０．１グラムのＣＯ／１リットルの液体培地（ｇ／ｌ）〜約１００ｇ／ｌ、約０．５ｇ／ｌ〜約５０ｇ／ｌ、または約１ｇ／ｌ〜約２５ｇ／ｌの速度で、ガス基質２０４として導入されてもよい。酸素は、約１グラムの酸素／１リットルの液体培地（ｇ／ｌ）〜約１００ｇ／ｌ、約２ｇ／ｌ〜約５０ｇ／ｌ、または約５ｇ／ｌ〜約２５ｇ／ｌの速度で、ガス基質２０４として導入されてもよい。水素は、約０．０１グラムの水素／１リットルの液体培地（ｇ／ｌ）〜約５０ｇ／ｌ、約０．１ｇ／ｌ〜約２５ｇ／ｌ、または約１ｇ／ｌ〜約１０ｇ／ｌの速度で、ガス基質２０４として導入されてもよい。
【０１０１】
発酵槽１００内では、微生物有機体は、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させるであろう。このプロセスの少なくとも一部は、発酵槽１００の中に存在するバイオマスの全体量を増加させる、付加的な微生物有機体の産生を含んでもよい。制御されないままであると、発酵槽１００内のバイオマスは、発酵槽１００の１つ以上の動作側面（例えば、流速、圧力降下、所望の生成物の産生等）が損なわれるか、または過剰なバイオマスの存在によって悪影響を受けるような点まで蓄積することができる。そのような場合において、発酵槽１００の中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場合においては、発酵槽１００の底１２４の少なくとも一部は、バイオマスが、少なくとも１つのバイオマス除去流体接続２０８を介して、発酵槽１００からのバイオソリッドの除去を促進する、発酵槽１００内の場所で優先的に蓄積するように、傾斜（例えば、円錐底部）または成形（例えば、ＡＳＭＥ皿状頭部）されてもよい。例えば、ＡＳＭＥ皿状頭部は、少なくとも１つのバイオマス除去流体接続２０８を介して、発酵槽１００からのバイオソリッド２０８の除去を可能にする、流体接続または類似デバイスに近接する頭部の中心場所でのバイオソリッドの蓄積を促進してもよい。
【０１０２】
背圧サブシステム２３０は、発酵槽１００内の圧力を定義された圧力内で維持するように、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。例えば、背圧サブシステム２３０は、発酵槽１００の中の圧力を、大気圧における、またはそれを上回る範囲内で維持してもよい。少なくともいくつかの場合においては、背圧サブシステム２３０は、約１ｐｓｉｇ〜約１５０ｐｓｉｇ、約１ｐｓｉｇ〜約１００ｐｓｉｇ、約１ｐｓｉｇ〜約７５ｐｓｉｇ、約１ｐｓｉｇ〜約５０ｐｓｉｇ、または約１ｐｓｉｇ〜約２５ｐｓｉｇの上流圧力（すなわち、発酵槽１００内の圧力）を維持することができる。大気圧より大きい圧力で発酵槽１００を維持することは、有利なこととして、微生物有機体の代謝プロセスで使用されるガスの部分圧を発酵槽１００の中で上昇したレベル（すなわち、大気圧で達成可能な圧力より大きいガス基質部分）で維持することによって、発酵槽１００内のガス基質気泡、液体培地、および結果として微生物有機体の間の物質輸送速度を向上させ得る。
【０１０３】
発酵槽１００から退出する多相混合物１３６の少なくとも一部は、背圧サブシステム２３０によって受け取られる。発酵槽１００から退出する多相混合物１３６の流速は、手動で、または自動的に制御されてもよい。例えば、発酵槽１００から退出する多相混合物１３６の流速は、質量流量計、磁気流量計、超音波流量計、または類似物等のプロセス要素（図２には示されていない）を使用して測定されてもよい。そのような流量測定は、多相混合物放出１３６の流量、速度、圧力、組成、または、それらの組み合わせを表すデータを含む１つ以上の信号を制御サブシステム２９０に提供することができる。制御サブシステム２９０は、制御弁（図２には示されていない）等の最終制御要素への制御出力を提供することが可能なローカルコントローラ、中央制御システム、または分散型制御システムを含むことができる。多相混合物放出１３６は、背圧サブシステム２３０を通過し、低圧多相混合物２３２として退出する。少なくともいくつかの場合においては、背圧サブシステム２３０は、下流圧力（すなわち、分離サブシステム２５０への圧力）を維持することができ、低圧多相混合物２３２は、約１ｐｓｉｇ〜約１５０ｐｓｉｇ、約１ｐｓｉｇ〜約１００ｐｓｉｇ、約１ｐｓｉｇ〜約７５ｐｓｉｇ、約１ｐｓｉｇ〜約５０ｐｓｉｇ、または約１ｐｓｉｇ〜約２５ｐｓｉｇの圧力を有することができる。
【０１０４】
背圧サブシステム２３０は、オリフィス、減圧弁、タービン、または既知の制御可能な圧力降下を提供することが可能な任意の他のデバイスあるいはシステムを含むが、それらに限定されない、任意の数の減圧デバイスを含むことができる。場合によっては、発酵槽１００内の圧力は、背圧サブシステム２３０に提供される１つ以上の制御入力に基づいて、手動で、または自動的に変動させられ、制御され、または調整されてもよい。少なくともいくつかの場合においては、背圧サブシステム２３０は、シャフト出力２３４を提供することが可能である、１つ以上のタービンまたは類似デバイスを含むことができる。そのようなシャフト出力２３４は、エネルギー回収デバイス２３６、例えば、地域消費または提供のための電力を地域商業、工業、または住居用配電網に提供することが可能である、発電機への入力として使用されてもよい。
【０１０５】
分離サブシステム２５０は、低圧多相混合物２３２を、少なくともガス流出物２５２および液体流出物２５４に分離するように、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場合においては、低圧多相混合物２３２中に存在するバイオソリッドは、固体含有流出物２５６に分離されてもよい。少なくともいくつかの場合においては、分離サブシステム２５０からの固体含有流出物２５６の少なくとも一部は、発酵槽１００に戻すための混合物２５８を提供するように、１つ以上の液体２０２と組み合わせることができる。少なくともいくつかの場合においては、分離サブシステム２５０は、容器１０８の体積の少なくとも約１０％、容器１０８の体積の少なくとも約２０％、容器１０８の体積の少なくとも約２０％、または容器１０８の体積の少なくとも約４０％の総堆積を有する、１つ以上のセパレータを含むことができる。
【０１０６】
分離サブシステム２５０は、低圧多相混合物２３２からガス流出物２５２および液体流出物２５４を分離することが可能である、１つ以上の受動セパレータ（例えば、１つ以上の湿式サイクロンまたは同等物）を含むことができる。少なくともいくつかの場合においては、受動セパレータはまた、低圧多相混合物２３２中に存在するバイオソリッドの少なくとも一部を分離するように、固体分離区分を含んでもよい。他の場合においては、分離サブシステム２３０は、低圧多相混合物２３２から、ガス流出物２５２、液体流出物２５４、および固体含有流出物を分離することが可能である、１つ以上の能動分離デバイス（例えば、３相回転セパレータ）を含んでもよい。
【０１０７】
少なくともいくつかの場合においては、ガス流出物２５２は、１つ以上のガス基質（例えば、メタンまたは一酸化炭素）および発酵槽１００の中の生物有機体によって副生成物として生成される１つ以上のガス状副生成物（例えば、二酸化炭素）の混合物を含んでもよい。少なくともいくつかの場合においては、ガス流出物２５２は、分離されてもよく（図２に示されていない）、１つ以上のガス基質の少なくとも一部は、例えば、ガス基質２０４として発酵槽１００に再循環させられてもよい。少なくともいくつかの場合においては、ガス流出物２５２は、１つ以上の有用な化合物を含んでもよい。例えば、ガス流出物２５２は、最終生成物として、または後続のプロセスでの原材料としてのいずれかで、価値を有する、エタン、エチレン、プロパン、ブタン、およびそれらに基づく化合物を含むが、それらに限定されない、ある量の１つ以上のガス状Ｃ２＋炭化水素化合物を含有してもよい。そのような有用な化合物は、ガス流出物２５２の少なくとも一部を発酵槽１００に再循環させる前に、ガス流出物２５２から分離されてもよい。
【０１０８】
少なくともいくつかの場合においては、液体流出物２５４は、液体２０２とともに発酵槽に導入される１つ以上の液体、栄養素、および同等物を含む混合物を含んでもよい。そのような場合において、液体流出物２５４の少なくとも一部は、分離し（図２に示されていない）、例えば、液体培地２０２として発酵槽１００に再循環させることができる。少なくともいくつかの場合においては、液体流出物２５４は、１つ以上の有用な化合物を含んでもよい。例えば、液体流出物２５４は、最終生成物として、または後続のプロセスでの原材料としてのいずれかで、価値を有する、アルコール、ケトン、グリコール、およびそれらに基づく化合物を含むが、それらに限定されない、ある量の１つ以上の液体Ｃ２＋炭化水素化合物を含有してもよい。そのような有用な炭化水素化合物は、液体流出物２５４を処分するか、または液体流出物２５４の少なくとも一部を発酵槽１００に戻して再循環させる前に、液体流出物２５４から分離されてもよい。
【０１０９】
少なくともいくつかの場合においては、固体含有流出物２５６は、発酵槽１００から除去される１つ以上の液体およびバイオマスを含む、スラリまたは混合物を含んでもよい。そのような場合において、固体含有流出物２５６を発酵槽１００に戻して再循環させることが望ましくあり得る。発酵槽１００へのバイオマスの再循環は、有利なこととして、発酵槽１００内に微生物コロニーを再播種する働きをしてもよい。図２に示されていないが、固体含有流出物２５６の少なくとも一部は、発酵槽１００の中の下向きの流路１１４に直接再循環させることができる。固体含有流出物２５６の少なくとも一部は、１つ以上の液体２０２と混合させ、発酵槽１００に再循環させることができる。少なくともいくつかの場合においては、固体含有流出物２５６は、１つ以上の有用な化合物を含んでもよい。例えば、固体含有流出物２５６内の生物有機体は、バイオディーゼル等のバイオ燃料の生産において有用である、ある量の１つ以上の細胞内脂質または類似化合物を含有してもよい。図２に示されていないが、そのような場合において、固体含有流出物２５６の少なくとも一部は、１つ以上の所望の生成物への後続の処理のために、分離サブシステム２３０から除去されてもよい。
【０１１０】
熱サブシステム２７０は、熱エネルギーを発酵槽１００の中の多相流体に追加するように、またはそこから熱エネルギーを除去するように、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場合においては、発酵槽１００内で起こる発酵は、副生成物として熱を生成する。制御されないままであると、そのような熱は、発酵槽１００内の微生物有機体の代謝または健全性に悪影響を及ぼし得る。代替として、微生物有機体はまた、それを下回ると有機体の代謝または健全性が悪影響を受ける、温度を有し得る。したがって、発酵槽１００内の生物有機体は、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場合においては、発酵槽１００内の多相混合物は、熱サブシステム２７０を使用して、約１３０°Ｆ以下、約１２０°Ｆ以下、約１１０°Ｆ以下、約１００°Ｆ以下、約９５°Ｆ以下、約９０°Ｆ以下、約８５°Ｆ以下、または約８０°Ｆ以下の温度で維持することができる。少なくともいくつかの場合においては、発酵槽１００内の多相混合物は、熱サブシステム２７０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以下の温度で維持することができる。
【０１１１】
少なくともいくつかの場合においては、１つ以上の熱伝達表面１２８が、その中の多相混合物の下向きの流動１１６の温度を改変し、調整し、または制御するように、少なくとも部分的に下向きの流路１１４内に配置されてもよい。同様に、１つ以上の熱伝達表面１４０が、その中の多相混合物の上向きの流動１２０の温度を改変し、調整し、または制御するように、少なくとも部分的に上向きの流路１１８内に配置されてもよい。
【０１１２】
少なくともいくつかの場合においては、そのような熱伝達表面１２８、１４０は、それを通る電流の通過時に冷却を提供する、１つ以上の圧電表面を含んでもよい。そのような熱伝達表面１２８、１４０は、それを通る電流の通過時に多相混合物の温度を上昇させるように加熱を提供する、１つ以上の抵抗表面（例えば、カルロッドヒータ）を含んでもよい。そのような場合において、熱サブシステム２７０は、少なくとも部分的に、発酵槽１００の中の多相混合物の測定された温度に基づいて、熱伝達表面１２８、１４０への電流の流量を制御するように、１つ以上のシステムを含むことができる。
【０１１３】
他の場合においては、そのような熱伝達表面１２８、１４０は、下向きの流路１１４、上向きの流路１２０、または両方の内側に位置付けられ、発酵槽１００の中の多相混合物を様々に冷却または加熱するように、それを通して低減した温度または上昇した温度のいずれかにおける熱伝達媒体が循環させられる、いくつかの貯留部または導管を含むことができる。熱伝達媒体は、熱エネルギーを発酵槽１００の中の多相混合物に、またはそこから熱エネルギーを輸送するか、または別様に伝達することが可能である、任意の流体、液体、またはガスを含むことができる。そのような場合において、熱サブシステム２７０は、（例えば、発酵槽１００の中の多相混合物を冷却するために）熱伝達媒体から熱エネルギーを除去するか、または（例えば、発酵槽１００の中の多相混合物を加温するために）熱伝達媒体に熱エネルギーを付与するように、１つ以上のシステムまたはデバイスを含むことができる。
【０１１４】
少なくとも１つの場合において、熱伝達媒体は、水、または水ならびに１つ以上の腐食、スケール、および微生物阻害剤の水溶液を含むことができる。そのような場合において、熱サブシステム２７０は、多相混合物を冷却するように熱伝達媒体から熱エネルギーを除去するための１つ以上のシステムを含むことができる。例えば、開ループ蒸発冷却塔または閉ループ空気冷却器が、熱伝達媒体を冷却するために使用されてもよい。そのような場合において、熱サブシステム２７０は、随意に、多相混合物を加温するように熱エネルギーを熱伝達媒体に付与するための１つ以上のシステムを含んでもよい。例えば、天然ガスまたは電気水ヒータあるいは炉が、熱伝達媒体を加温するために使用されてもよい。
【０１１５】
熱伝達媒体は、１つ以上の熱媒体分配網２７２を介して熱サブシステム２７０によって提供することができる。１つ以上の熱媒体分配網２７２は、電気加熱および冷却熱伝達表面１２８、１４０が提供される、配電網を含むことができる。１つ以上の熱媒体分配網２７２は、液体熱伝達媒体（例えば、水）が熱伝達表面１２８、１４０に提供される、流体導管網を含むことができる。熱媒体分配網２７２からの分岐２１０、２１４は、熱伝達媒体を熱伝達表面１２８、１４０に供給するために使用することができる。例えば、分岐２１０は、熱伝達媒体を熱媒体分配網２７２から下向きの流路１１４の中に配置される熱伝達表面１２８に供給するために使用することができ、分岐２１４は、熱伝達媒体を熱媒体分配網２７２から上向きの流路１２０の中に配置される熱伝達表面１４０に供給するために使用することができる。
【０１１６】
熱伝達媒体は、１つ以上の熱媒体収集網２７４を介して、収集し、少なくとも部分的に熱サブシステム２７０に戻すことができる。１つ以上の熱媒体収集網２７４は、液体熱伝達媒体（例えば、水）が熱伝達表面１２８、１４０から除去される、ネットワーク化流体導管２１２、２１６の集合を含むことができる。熱媒体収集網２７４からの分岐は、熱伝達表面１２８、１４０から熱伝達媒体を収集するために使用することができる。例えば、分岐２１２は、下向きの流路１１４の中に配置される熱伝達表面１２８から熱媒体収集網２７４へ熱伝達媒体を戻すために使用することができ、分岐２１６は、上向きの流路１２０の中に配置される熱伝達表面１４０から熱媒体収集網２７４へ熱伝達媒体を戻すために使用することができる。
【０１１７】
少なくともいくつかの場合においては、発酵プロセスの全てまたは一部分は、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てもよい。制御サブシステム２９０は、１つ以上のプロセス変数を表すアナログまたはデジタルデータを含む信号の形態で、１つ以上の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てもよい。例えば、制御サブシステムは、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）、または発酵槽１００内の１つ以上のプロセス関連条件を表すデータを含む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が、それらに限定されない、１つ以上の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。
【０１１８】
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るプロセス可変信号に基づいて、発酵プロセスの１つ以上の側面を制御、改変、または調整する命令の１つ以上のセットを実行してもよい。そのような命令は、制御サブシステム２９０による１つ以上の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、阻止弁、制御弁、モータ、可変速度駆動等の１つ以上の最終制御要素へ伝送することができる。最終制御要素と発酵プロセスとの間の相互作用は、順に、発酵プロセスの高度の比較的正確な制御を制御サブシステム２９０に提供することができる。
【０１１９】
例えば、発酵槽１００の中の多相混合物の温度を示すデータを含む、１つ以上の信号の受信に応答して、制御サブシステム２９０は、１つ以上の熱伝達表面１２８、１４０への熱伝達媒体流を開始し、改変し、または停止してもよい。同様に、発酵槽１００の中の多相混合物の溶解酸素レベルを示すデータを含む、１つ以上の信号の受信に応答して、制御サブシステム２９０は、発酵槽１００への酸素含有ガス基質２０４の流量を増加させ、減少させ、または維持してもよい。２つの例証的実施例のみが本明細書で提供されるが、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つ以上の適切なプロセスセンサおよび１つ以上の適切な最終制御要素を使用して、制御サブシステム２９０によって同様に制御されてもよい。
【０１２０】
図３は、例示的発酵槽３００の横断立面図を示す。発酵槽３００は、少なくとも部分的に下向きの流路１１４内に配置された１つ以上の構造３０２ａ−３０２ｃ（３つだけが示されているが任意の数が可能である、集合的に「構造３０２」）と、少なくとも部分的に上向きの流路１２０内に配置された１つ以上の構造３０４ａ−３０４ｄ（４つだけが示されているが任意の数が可能である、集合的に「構造３０４」）とを含む、１つ以上の内部構造を含む。そのような構造は、有利なこととして、下向きおよび上向きの流路１１４、１１８の両方において、多相混合物中の気泡と液体との間、および多相混合物と生物有機体との間の物質輸送を助長することができる。そのような構造は、有利なこととして、下向きおよび上向きの流路１１４、１１８内でより均等な分配を促進することによって、多相混合物内の気泡の一様性を助長し、発酵槽３００内の多相混合物中に存在するガス基質気泡と生物有機体との間の付加的な接触時間を助長することができる。発酵槽３００は、有利なこととして、少なくとも１つのバイオマス除去流体接続２０８に近接する発酵槽３００の中の場所で、過剰なバイオマス３０６の収集を助長する、円錐底部１２４を有する。
【０１２１】
発酵槽３００は、容器１０８内に配置される、１つの中空流体導管１０２を含む。少なくとも１つの流体移動器２１６は、発酵槽３００の最上部１２６の周囲に配置された複数の流体接続１３０ａ−１３０ｎ（集合的に「流体接続１３０」）を介して発酵槽３００の中の下向きの流路１１４の全体を通して分配される液体流を伴って、下向きの流路１１４の入口側に配置される。流体接続１３０は、下向きの流路１１４の少なくとも一部に直接流体的に結合される。少なくとも１つの流体移動器２１６は、下向きの流路１１４内で液体３０８の略下向きの流動１１６を提供する。
【０１２２】
発酵槽３００は、発酵槽３００の周囲に配置される、いくつかのガス分配器１３２ａ−１３２ｎ（集合的に「ガス分配器１３２」）を含む。１つ以上の基質ガス２０４は、気泡３１０の形態で下向きの流路１１４に導入される。少なくともいくつかの場合においては、気泡３１０は、１つ以上のガス基質を含むことができる。下向きの流路１１４内で、液体３０８および気泡３１０は、混合し、かつ、別様に合体して、多相混合物３１２を形成する。下向きの流路１１４内で、多相混合物中のガス基質および栄養素は、下向きの流路１１４を形成する内面の全体ではないにしてもほとんどの上でバイオマス３１４を形成するために、生物有機体によって使用される。
【０１２３】
少なくともいくつかの場合においては、下向きの流路１１４に導入される液体３０８は、少なくとも下向きの流路１１４内のバイオマスの成長および発育を支援することが可能である、１つ以上の栄養素、微量元素、鉱物、および同等物を含む、水溶液を含むことができる。少なくともいくつかの場合においては、液体３０８は、約１ミリグラム／リットル（ｍｇ／ｌ）〜約３０ｍｇ／ｌ、約１ミリグラム／リットル（ｍｇ／ｌ）〜約２０ｍｇ／ｌ、または約１ミリグラム／リットル（ｍｇ／ｌ）〜約１０ｍｇ／ｌの溶解窒素濃度を提供することが可能である、溶解窒素または１つ以上の窒素含有化合物を含むことができる。少なくともいくつかの場合においては、液体３０８は、約１ｍｇ／ｌ〜約３０ｍｇ／ｌ、約１ミリグラム／リットル（ｍｇ／ｌ）〜約２０ｍｇ／ｌ、または約１ミリグラム／リットル（ｍｇ／ｌ）〜約１０ｍｇ／ｌの溶解リン濃度を提供することが可能である、溶解リンまたは１つ以上のリン含有化合物を含むことができる。
【０１２４】
少なくともいくつかの場合においては、下向きの流路１１４に導入されるガスは、メタン、一酸化炭素、酸素、酸素含有化合物、水素、および水素含有化合物のうちの少なくとも１つを含むが、それらに限定されない、任意の数の基質ガスを含むことができる。少なくともいくつかの場合においては、ガスは、有利なこととして、多相混合物３１２を形成するように液体３０８中のガスの溶解を支援する条件（例えば、濃度、温度、および圧力）で、供給されてもよい。少なくともいくつかの場合においては、基質ガスの追加は、発酵槽３００内の多相混合物中の溶解ガスの任意の定義されたレベルを維持するように、手動で、または自動的に制御されてもよい。場合によっては、図３に示されていないが、気泡３１０は、下向きの流路１１４、上向きの流路１２０、または両方の内側に導入されてもよい。発酵槽３００の中の異なる点で導入される気泡３１０は、同一の組成を有し、または同一の温度または圧力である場合もあり、そうではない場合もある。少なくともいくつかの場合においては、気泡３１０の組成は、少なくとも部分的に、気泡３１０が導入される発酵槽３００内の場所に基づいて調整されてもよい。例えば、基質ガスは、発酵槽３００の中の種々の点で１つ以上のガス分配器１３２を介して導入される気泡３１０の中で、異なる濃度を有してもよい。少なくともいくつかの場合においては、気泡３１０の温度は、少なくとも部分的に、気泡３１０が導入される発酵槽３００内の場所に基づいて調整されてもよい。少なくともいくつかの場合においては、気泡３１０の圧力は、少なくとも部分的に、気泡３１０が導入される発酵槽３００内の場所に基づいて調整されてもよい。
【０１２５】
少なくともいくつかの場合においては、気泡３１０の組成、温度、または圧力の少なくとも１つは、約０．１ｍｇ／ｌ〜約１００ｍｇ／ｌ、約０．５ｍｇ／ｌ〜約５０ｍｇ／ｌ、約１ｍｇ／ｌ〜約２０ｍｇ／ｌ、または約１ｍｇ／ｌ〜約１０ｍｇ／ｌの多相混合物内の溶解メタン濃度を維持するように、調整され、または別様に制御されてもよい。少なくともいくつかの場合においては、気泡３１０の組成、温度、または圧力の少なくとも１つは、約０．１ｍｇ／ｌ〜約１００ｍｇ／ｌ、約０．５ｍｇ／ｌ〜約５０ｍｇ／ｌ、約１ｍｇ／ｌ〜約２０ｍｇ／ｌ、または約１ｍｇ／ｌ〜約１０ｍｇ／ｌの多相混合物内の溶解一酸化炭素濃度を維持するように、調整され、または別様に制御されてもよい。少なくともいくつかの場合においては、気泡３１０の組成、温度、または圧力の少なくとも１つは、約０．１ｍｇ／ｌ〜約１００ｍｇ／ｌ、約０．５ｍｇ／ｌ〜約５０ｍｇ／ｌ、約１ｍｇ／ｌ〜約２０ｍｇ／ｌ、または約１ｍｇ／ｌ〜約１０ｍｇ／ｌの多相混合物内の溶解酸素濃度を維持するように、調整され、または別様に制御されてもよい。少なくともいくつかの場合においては、気泡３１０の組成、温度、または圧力の少なくとも１つは、約０．１ｍｇ／ｌから約５０ｍｇ／ｌ、約０．５ｍｇ／ｌ〜約２５ｍｇ／ｌ、約１ｍｇ／ｌ〜約１０ｍｇ／ｌ、または約１ｍｇ／ｌ〜約５ｍｇ／ｌの多相混合物内の溶解水素濃度を維持するように、調整され、または別様に制御されてもよい。
【０１２６】
少なくともいくつかの場合においては、構造３０２は、少なくとも部分的に下向きの流路１１４内に配置されてもよい。気泡３１０は、通常、下向きの流路１１４内で上向きに流動する傾向があろうが、下向きの流路内の流体速度は、流体速度より小さい速度で基質気泡３１０を下向きに「押動」する傾向がある。下向きの流路１１４の中の気泡３１０の長期滞留時間は、有利なこととして、気泡３１０中に存在するガスが多相混合物の中へ溶解し、その結果として、下向きの流路１１４の中のバイオマス３１４中に存在する生物有機体が多相混合物から溶解基質ガスを吸収するための拡張した機会を提供する。構造３０２は、有利なこととして、構造の下および周囲に閉じ込められる気泡３１０もまた、下向きの流路１１４内の長期滞留時間からの以前に詳述された付随利益を受けるであろうため、この効果を増進し得る。長期滞留時間は、下向きの流路内の大量のバイオマス３１４の発育を支援することにおいて特に有利である。そのように発育させられる大量のバイオマス３１４は、下向きの流路１１４の中に存在する溶解基質ガスの増進したレベルに少なくとも部分的に起因し得る。
【０１２７】
構造３０２は、下向きの流路１１４の上の任意の数、種類、サイズ、または構成の突出部材、または下向きの流路１１４と流体的に接触している陥凹戻り止めを含むことができる。構造３０２の全てまたは一部分は、構造３０２の機能に応じて、類似または異なり得る。例えば、多相混合物の混合を助長し、気泡３１０の滞留時間を増加させる、共通する第１の設計種類を共有する、いくつかの構造３０２ａが、下向きの流路１１４内に配置されてもよい。バイオマス３１４の成長または形成を助長する拡張表面を提供する、共通する第２の設計種類を共有する、いくつかの構造３０２ｂが、下向きの流路１１４内に配置されてもよい。
【０１２８】
少なくともいくつかの場合においては、構造３０４は、少なくとも部分的に上向きの流路１２０内に配置されてもよい。気泡３１０は、上向きの流路１１４内で上向きに流動するであろうが、気泡３１０の通常上昇速度を超える速度で気泡３１０を上向きに「押動」する傾向がある、上向きの流路１１８内の上向きの流体流１２０の速度によって、付加的な上向きの速度が気泡３１０に付与される。構造３０４は、有利なこととして、上向きの流路１１８の中の気泡３１０の進行を妨害し、または別様に妨げ、それによって、上向きの流路１１８内の気泡３１０の滞留時間を増加させることができる。上向きの流路１１８の中の気泡３１０の長期滞留時間は、有利なこととして、気泡３１０中に存在するガスが多相混合物の中へ溶解し、その結果として、上向きの流路１１８の中のバイオマス３１４中に存在する生物有機体が多相混合物から溶解基質ガスを吸収するための拡張した機会を提供する。構造３０４は、有利なこととして、構造３０４の下および周囲に閉じ込められる気泡３１０もまた、上向きの流路１１８内の長期滞留時間からの以前に詳述された付随利益を受けるであろうため、この効果を増進し得る。長期滞留時間は、上向きの流路１１８内の大量のバイオマス３１４の発育を支援することにおいて特に有利である。そのように発育させられる大量のバイオマス３１４は、上向きの流路１１８の中に存在する溶解基質ガスの増進したレベルに少なくとも部分的に起因し得る。
【０１２９】
構造３０４は、上向きの流路１１８の上の任意の数、種類、サイズ、または構成の突出部材、または上向きの流路１１８と流体的に接触している陥凹戻り止めを含むことができる。構造３０４の全てまたは一部分は、構造の機能に応じて、類似または異なり得る。例えば、多相混合物の混合を助長し、気泡３１０の滞留時間を増加させる、共通する第１の設計種類を共有する、いくつかの構造３０４ａが、上向きの流路１１８内に配置されてもよい。バイオマス３１４の成長または形成を助長する拡張表面を提供する、共通する第２の設計種類を共有する、いくつかの構造３０４ｂが、上向きの流路１１４内に配置されてもよい。
【０１３０】
バイオマス３１４が下向きの流路１１４および上向きの流路１１８内で蓄積すると、過剰なバイオマスが、発酵槽３００の内面から脱落し、または別様に離脱するであろう。過剰なバイオマスの少なくとも一部は、バイオマスが蓄積するであろう、発酵槽３００上の底部に落下するであろう。過剰なバイオマスの少なくとも一部は、多相混合物１３６を伴う発酵槽３００から運搬または輸送されるであろう。発酵槽３００の底部内の過剰なバイオマス蓄積は、バイオソリッドとして除去されてもよい。そのようなバイオソリッドの少なくとも一部は、最終生成物として、または後続の処理のための原材料としてのいずれかで有用なバイオ燃料またはＣ２＋炭化水素等の１つ以上の代替生成物を生じさせるように、さらに処理されてもよい。発酵槽３００から除去される過剰なバイオマスの少なくとも一部は、他の発酵槽３００の中でバイオソリッド中に存在する微生物有機体を「再播種」または伝搬するために使用されてもよい。
【０１３１】
多相混合物１３６を伴う発酵槽３００から運搬される過剰なバイオマスの少なくとも一部は、例えば、分離サブシステム２５０の中で分離されてもよく、少なくとも一部は、少なくとも発酵槽３００内で微生物コロニーを確立することに役立つように、発酵槽３００に再循環させられてもよい。
【０１３２】
少なくともいくつかの場合においては、ガス状炭素含有原料を発酵させるために使用される微生物有機体は、主にＣ１代謝非光合成微生物を含む培養を採用する。そのような発酵システムは、メチロモナス、メチロバクター、メチロコッカス、メチロサイナス、メチロシスティス、メチロミクロビウム、メタノモナス、メチロフィラス、メチロバシラス、メチロバクテリウム、ヒフォミクロビウム、キサントバクター、バシラス、パラコッカス、ノカルジア、アルトロバクター、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または細菌である、Ｃ１代謝微生物の１つ以上の種を使用してもよい。場合によっては、Ｃ１代謝細菌は、メタノトローフまたはメチロトローフを含んでもよい。好ましいメタノトローフは、メチロモナス、メチロバクター、メチロコッカス、メチロサイナス、メチロシスティス、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。例示的なメタノトローフは、メチロモナス属１６ａ（ＡＴＣＣ  ＰＴＡ  ２４０２）、メチロサイナストリコスポリウム（ＮＲＲＬ  Ｂ−ｌｌ，１９６）、メチロサイナススポリウム（ＮＲＲＬ  Ｂ−ｌｌ，１９７）、メチロシスティスパルバス（ＮＲＲＬ  Ｂ−ｌｌ，１９８）、メチロモナスメタニカ（ＮＲＲＬ  Ｂ−１１，１９９）、メチロモナスアルバス（ＮＲＲＬ  Ｂ−ｌｌ，２００）、メチロバクターカプスラタス（ＮＲＲＬ  Ｂ−１１，２０１）、メチロバクテリウムオルガノフィラム（ＡＴＣＣ  ２７，８８６）、メチロモナス属ＡＪ−３６７０（ＦＥＲＭ  Ｐ−２４００）、メチロミクロビウムアルカリフィラム、メチロセラシルベストリス、メチルアシディフィラムインフェルノルム、メチリビウムペトロレイフィラム、メチロサイナストリコスポリウムＯＢ３ｂ、メチロコッカスカプスラタスＢａｔｈ、メチロモナス属１６ａ、メチロミクロビウムアルカリフィラム２０Ｚ、または、それらの高成長変異体を含む。好ましいメチロトローフは、メチロバクテリウムエキストロクエンス、メチロバクテリウムラジオトレランス、メチロバクテリウムポプリ、メチロバクテリウムクロロメタニカム、メチロバクテリウムノデュランス、または、それらの組み合わせを含む。
【０１３３】
クロストリジウム、ムーレラ、ピュロコックスユウバクテリウム、デスルフォバクテリウム、カルボキシドテルムス、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、ブチリバセテリウム、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が、それらに限定されない、合成ガス中で見出されるＣ１化合物を代謝させることが可能な微生物も使用されてもよい。例示的なメチロトローフは、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ーリイ、クロストリジウムラグスダレイ、クロストリジウムカルボキシディボランス、ブチリバクテリウムメチロトロフィカム、クロストリジウムウッディ、クロストリジウムネオプロパノロゲン、または、それらの組み合わせを含む。場合によっては、Ｃ１代謝微生物は、カンジダ、ヤロウイア、ハンセヌラ、ピチア、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。
【０１３４】
他の場合においては、Ｃ１代謝非光合成微生物は、偏性メタノトローフまたはメチロトローフ等の偏性Ｃ１代謝非光合成微生物である。場合によっては、Ｃ１代謝非光合成微生物は、脂肪酸産生酵素、ホルムアルデヒド同化酵素、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含む組換え微生物である。
【０１３５】
図４は、例示的発酵槽４００の横断立面図を示す。発酵槽４００の底部１２４は、それぞれが過剰なバイオマス３０６を蓄積することができる、複数の円錐区分を含む。そのような場合において、過剰なバイオマス３０６の除去を促進するように、過剰なバイオマスが蓄積する底部１２４上の場所に近接して、少なくとも１つのバイオマス除去流体接続２０８を配置することができる。発酵槽４００は、容器１０８内に配置される、６つ以上の中空流体導管１０２ａ−１０２ｆ（集合的に「中空流体導管１０２」）を含む。少なくとも１つの流体移動器２１６は、発酵槽の最上部１２６の周囲に配置された複数の流体接続１３０ａ−１３０ｆ（集合的に「流体接続１３０」）を介して下向きの流路１１４の全体を通して分配される液体流を伴って、下向きの流路１１４の入口側に配置される。流体接続１３０のそれぞれは、下向きの流路１１４に直接流体的に結合される。少なくとも１つの流体移動器２１６は、下向きの流路１１４内で液体３０８の略下向きの流動を提供する。
【０１３６】
多相混合物１３６は、複数の多相混合物放出流体接続１３８を介して発酵槽４００から退出し、多相混合物放出流体接続のそれぞれは、上向きの流路１１８に直接流体的に結合される。多相混合物放出流体接続１３８のそれぞれは、多相混合物を上向きの流路１１８から背圧サブシステム２３０に運搬するために使用される、多相混合物放出流体導管４０２に流体的に結合される。
【０１３７】
図４に示される背圧サブシステム２３０は、少なくとも１つの多相タービン４０４を含む。上向きの流路１１８から除去される、比較的高圧の多相混合物の圧力は、１つ以上の流体導管４０６を介して背圧システム２３０から離れて指向される、比較的低圧の多相混合物を提供するように、多相タービン４０４を通して低減させられる。比較的低圧の多相混合物の少なくとも一部を、後に分離サブシステム２５０に導入することができる。少なくともいくつかの場合においては、多相タービン４０４は、比較的高い圧力から比較的低い圧力に多相混合物の圧力を低減させることによって放出されるエネルギーの少なくとも一部を回収するように、発電機等の１つ以上のエネルギー回収デバイス（図４には示されていない）に物理的に結合されてもよい。少なくともいくつかの場合においては、多相タービン４０４およびエネルギー回収デバイスの物理的結合は、機械力を伝達することが可能なシャフト４０８または類似接続を使用して達成されてもよい。背圧サブシステム２３０は、上向きの流路１１８から退出する多相混合物の圧力を約１２０ｐｓｉｇ以下、約９０ｐｓｉｇ以下、約６０ｐｓｉｇ以下、約３０ｐｓｉｇ以下、または約１５ｐｓｉｇ以下だけ低減または低下させることができる。
【０１３８】
１つ以上の流体導管４０６を介して背圧サブシステム２３０から退出する比較的低圧の多相混合物は、場合によっては、分離サブシステム２５０に導入することができる。分離サブシステム２５０内で、比較的低圧の多相混合物は、複数の相に分離することができる。場合によっては、比較的低圧の多相混合物は、少なくとも、１つ以上の所望の生成物（例えば、エタンおよびエチレン等のＣ２＋炭化水素）、１つ以上の消費されていないガス基質（例えば、メタンまたは一酸化炭素）、または１つ以上の代謝あるいは化学副生成物（例えば、二酸化炭素）を含む、気相２５２に分離されてもよい。場合によっては、比較的低圧の多相混合物は、少なくとも、１つ以上の所望の生成物（例えば、アルコールおよびケトン等のＣ２＋炭化水素）、１つ以上の消費されていない液相栄養素、または１つ以上の代謝あるいは化学副生成物を含む、液相２５４に分離されてもよい。場合によっては、比較的低圧の多相混合物は、少なくとも、１つ以上の所望のバイオソリッド生成物（例えば、バイオ燃料として有用な細胞内脂質）、または１つ以上の代謝あるいは化学副生成物（例えば、過剰なバイオマス）を含む、固体含有相２５６に分離されてもよい。
【０１３９】
図５は、例示的発酵槽システム５００の横断立面図を示す。発酵槽５００は、完全に容器１０８を通って（すなわち、最上部１２６から底部１２４まで）延在する、複数の中空流体導管１０２を含む。上向きの流路１１８は、１つ以上の流体導管５０２を介して下向きの流路１１４に流体的に結合される。少なくともいくつかの場合においては、１つ以上の隔離デバイス５０４が、１つ以上の流体導管５０２の少なくとも一部に配置されてもよい。少なくともいくつかの場合においては、１つ以上の流体導管５０２は、１つ以上の流体接続５０６を使用して、下向きの流路１１４の少なくとも一部に流体的に結合される。少なくともいくつかの場合においては、１つ以上の流体導管５０２は、１つ以上の流体接続５０８を使用して、上向きの流路１１８の少なくとも一部に流体的に結合される。１つ以上の隔離デバイス５０４および１つ以上の流体接続５０６、５０８は、有利なこととして、１つ以上の中空流体導管１０２の隔離を可能にする。中空流体導管１０２を選択的に隔離する能力は、有利なこととして、発酵槽５００全体が運転停止させられることを要求することなく、中空流体導管１０２の日常的な保守および清掃を可能にする。
【０１４０】
下向きの流路１１４および上向きの流路１１８を結合する、２つの異なるシステムが示されている。第１の事例では、下向きの流路１１４および上向きの流路１１８を直接流体的に結合する、流体導管５０２が示されている。そのような直接流体結合設置は、強制流体流または誘導流体流が下向きの流路１１４および上向きの流路１１８の両方で使用される場合に使用されてもよい。例えば、直接流体結合システムは、１つ以上の流体移動器２１６が下向きの流路１１４の入口流体接続１３０に流体的に結合されるか、または上向きの流路１１８の出口流体接続１３８に流体的に結合される場合に有利であり得る。この場合において、過剰なバイオマス３０６が流体導管５０２内で蓄積し得る。そのような蓄積した過剰なバイオマス３０６は、少なくとも１つのバイオマス除去流体接続２０８を使用して除去されてもよい。
【０１４１】
第２の事例では、１つ以上の流体移動器２１６は、下向きの流路１１４と上向きの流路１１８との間に流体的に結合されてもよい。そのような流体結合は、下向きの流路１１４の中で誘導された下向きの流動１１６、および上向きの流路１１８の中で強制的な上向きの流動１２０を提供する。少なくともいくつかの場合においては、１つ以上の流体移動器２１６は、１つ以上の流体接続（例えば、フランジ付き、ねじ山付き、迅速接続等）５０６を使用して、下向きの流路１１４に流体的に結合されてもよい。少なくともいくつかの場合においては、１つ以上の流体移動器２１６は、１つ以上の流体接続（例えば、フランジ付き、ねじ山付き、迅速接続等）５０８を使用して、上向きの流路に流体的に結合されてもよい。
【０１４２】
少なくともいくつかの場合においては、１つ以上の流体移動器２１６に引き込まれる過剰なバイオマス３０６が、１つ以上のアキュムレータ５１０の中で閉じ込められ、または別様に蓄積されてもよい。例示的アキュムレータ５１０は、カートリッジフィルタ、自浄式フィルタ、バッグフィルタ、バスケットフィルタ、または、それらの組み合わせ等の１つ以上の単または多段濾過デバイスを含むが、それらに限定されない。例示的アキュムレータ５１０は、１つ以上の液体サイクロンまたは同等物を含むことができるが、それらに限定されない。少なくともいくつかの場合においては、少なくとも１つのバイオマス除去流体接続２０８を使用して、過剰なバイオマス３０６の少なくとも一部をアキュムレータ５１０から除去することができる。図５には示されていないが、少なくともいくつかの場合においては、１つ以上のバイオマス除去流体接続２０８が、容器１０８上に配置されてもよい。例えば、１つ以上のバイオマス除去流体接続２０８は、蓄積したバイオソリッド３０６を除去するように、容器１０８の底部１２４上に配置されてもよい。
【０１４３】
発酵槽５００はまた、複数のガス分配ヘッダ１３２も装備する。第１のガス分配ヘッダ１３２ａが、下向きの流路１１４の中に配置される。第２のガス分配ヘッダ１３２ｂが、上向きの流路１１８の中に配置される。そのような配列は、有利なこととして、多相混合物が上向きの流路１１８に進入する前に、下向きの流路１１４の通過中に、多相混合物から消耗されるガス基質を補充するか、または増加させる能力を提供する。例えば、メタンがガス基質として使用されており、下向きの流路から退出する多相混合物中のメタン濃度が定義された値を下回る場合、ガス分配ヘッダ１３２ｂを使用して、付加的なメタンが上向きの流路１１８の中の多相混合物に追加されてもよい。第２のガス分配ヘッダ１３２ｂは、有利なこととして、発酵槽５００内の異なる場所で異なる種類の微生物を育成する能力を提供してもよい。例えば、第１のガス分配ヘッダ１３２ａを介して第１のガス基質を導入することにより、下向きの流路１１４の中で第１のガス基質代謝微生物の成長を助長してもよい。第２のガス分配ヘッダ１３２ｂを介して第２のガス基質を導入することにより、上向きの流路１１４の中で第２のガス基質代謝微生物の成長を助長してもよい。同一の発酵槽５００の中で複数のガス基質を送給する能力は、有利なこととして、発酵槽５００の中で達成可能な生成物マトリクスを拡張してもよい。
【０１４４】
図６は、例示的発酵槽システム６００の横断立面図である。容器１０８の底部は、それぞれが過剰なバイオマス３０６を蓄積することができる、複数の皿状頭部（例えば、ＡＳＭＥ皿状頭部）を含む。そのような場合において、過剰なバイオマス３０６の除去を促進するように、過剰なバイオマスが蓄積する底部１２４上の場所に近接して、少なくとも１つのバイオマス除去流体接続２０８を配置することができる。発酵槽６０２は、容器１０８内に配置される、複数の中空流体導管１０２ａ−１０２ｂ（集合的に「中空流体導管１０２」）を含む。
【０１４５】
少なくとも１つの流体移動器２１６は、１つ以上の多相混合物放出流体接続１３８を介して上向きの流路１１８に直接流体的に結合される。下向きの流路１１４および上向きの流路１１８の両方が、少なくとも１つの流体移動器２１６の吸引側に流体的に結合される、そのような配列は、下向きの流路１１４および上向きの流路１１８の両方を通して、流体流を少なくとも部分的に誘導することができる。図６に示されていないが、少なくともいくつかの場合においては、１つ以上の随意的な付加的流体移動器２１６が、１つ以上の液体分配ヘッダ１３０ａ−１３０ｃを介して、下向きの流路１１４に流体的に結合されてもよい。少なくとも１つの流体移動器２１６は、流体的に結合される。
【０１４６】
複数のガス分配ヘッダ１３２ａ−１３２ｂ（集合的に「ガス分配ヘッダ１３２」）は、発酵槽６０２の下向きの流路１１４と流体連通している。そのような配列は、有利なこととして、多相混合物が上向きの流路１１８に進入する前に、下向きの流路１１４の通過中に、多相混合物から消耗されるガス基質を補充するか、または増加させる能力を提供する。例えば、メタンがガス基質として使用されており、下向きの流路から退出する多相混合物中のメタン濃度が定義された値を下回る場合、ガス分配ヘッダ１３２ｂを使用して、付加的なメタンが上向きの流路１１８の中の多相混合物に追加されてもよい。第２のガス分配ヘッダ１３２ｂは、有利なこととして、発酵槽６０２内の異なる場所で異なる種類の微生物を育成する能力を提供してもよい。例えば、第１のガス分配ヘッダ１３２ａを介して第１のガス基質を導入することにより、下向きの流路１１４の中で第１のガス基質代謝微生物の成長を助長してもよい。第２のガス分配ヘッダ１３２ｂを介して第２のガス基質を導入することにより、上向きの流路１１４の中で第２のガス基質代謝微生物の成長を助長してもよい。同一の発酵槽６０２の中で複数のガス基質を送給する能力は、有利なこととして、発酵槽６０２の中で達成可能な生成物マトリクスを拡張してもよい。
【０１４７】
図７は、図１−６に関して上記で詳細に説明される１つ以上の発酵槽システム３００、４００、５００、６００の中の１つ以上の発酵槽１００を使用する、発酵システムの高レベル操作方法を示す。そのようなシステムは、有利なこととして、その中で全体的な下向きの流動１１６を有する多相混合物を提供するように、１つ以上の栄養素および１つ以上のガス状基質を含む１つ以上の液体培地を下向きの流路１１４に導入する。下向きの流路１１４内の多相混合物の流体速度は、多相混合物中に存在するガス基質気泡を下向きの方向に流動させるために十分である。しかしながら、ガス状基質気泡が多相混合物内で上昇する傾向は、有利なこととして、下向きの流路１１４内のガス状基質気泡の滞留時間を延長し、それによって、下向きの流路の中で物質輸送および後続のガス状基質の微生物取り込みを増進する。下向きの流路１１４を通過した後、多相混合物は、付加的な物質輸送および微生物取り込みが起こり得る、上向きの流路１１８に進入する。多相混合物は、発酵槽から除去され、随意に、減圧されて、１つ以上の所望の材料を提供するように分離される。本方法は、７０２から始まる。
【０１４８】
７０４では、ガス状基質が、多相混合物を形成するように液体培地内で分散させられる。そのような分散は、下向きの流路１１４の入口または先頭で、あるいはその付近で起こり得るが、付加的な量のガス状基質が、下向きの流路１１４、上向きの流路１１８、または両方の中の他の場所で分散させられてもよい。場合によっては、ガス状基質は、下向きの流路１１４、上向きの流路１１８、または両方の内側の複数の点で分散させられてもよく、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、または、それらの組み合わせを有してもよい。発酵槽内の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させる能力は、有利なこととして、発酵槽の中に存在する特定の微生物種だけでなく、発酵槽内のガス状基質の分散点に基づく発酵槽内の微生物種の特定の場所へのガス状基質の調節も可能にする。
【０１４９】
７０６では、多相混合物は、下向きの流路１１４内で下向きの流動１１６を提供する。基質気泡は、「Ｘ」フィート毎秒の気泡上昇速度で下向きの流路内で上昇する傾向があろう。多相混合物は、下向きの流路１１４内で「Ｙ」フィート毎秒の表面流体速度を有するであろう。気泡上昇速度を上回る多相混合物の表面流体速度（すなわち、Ｙ＞Ｘ）を維持することによって、基質気泡は、下向きの流路１１４の中で上向きよりもむしろ下向きに流動するであろう。下向きの流路１１４の中の多相混合物の流速を、ガス基質気泡上昇速度をわずかにのみ超える速度に調整すること、または別様に制御することによって、下向きの流路１１４の中の気泡の滞留時間を増加させることができる。下向きの流路１１４の中の滞留時間のそのような増加は、有利なこととして、物質輸送、および下向きの流路１１４の中に存在する微生物有機体によるガス基質２０４の微生物取り込みを向上させることができる。場合によっては、下向きの流路１１４の中の多相混合物の速度を測定し、制御することができる。例えば、制御サブシステム２９０は、下向きの流路１１４の中の多相混合物の流体速度を、下向きの流路１１４の中の基質気泡の上昇速度をわずかに超える定義された範囲に改変、調整、または制御することができる。場合によっては、ガス基質２０４の温度、圧力、または組成物は、下向きの流路１１４内で所望のガス基質気泡サイズを維持するように、制御サブシステム２９０を介して改変、調整、または制御されてもよい。他の場合においては、ガス基質２０４の温度、圧力、または組成物は、下向きの流路１１４の中で多相混合物の液相内の１つ以上のガス基質成分（例えば、メタン、二酸化炭素、水素、酸素、窒素等）の濃度を定義された範囲内で維持するように、制御サブシステム２９０を介して改変、調整、または制御されてもよい。
【０１５０】
７０８では、温度を定義された温度範囲内で維持するように、下向きの流路１１４内の多相混合物の温度を改変、調整、または制御することができる。少なくともいくつかの場合においては、定義された温度範囲は、少なくとも部分的に発酵槽１００内で使用される微生物種に基づいて、選択され、または別様に選定されてもよい。過剰な熱が、発酵槽１００内の活動の少なくとも一部に関与する微生物有機体によって副生成物として生成され得る。この過剰な熱は、制御されないままである場合、発酵槽１００内の微生物有機体のうちのいくつかまたは全ての成長または代謝を阻害するか、または悪影響を及ぼし得る。少なくともいくつかの場合においては、下向きの流路１１４の中の多相混合物の温度を定義された範囲内で維持するように、冷却が下向きの流路１１４内で提供されてもよい。そのような冷却は、下向きの流路１１４に熱伝導的に結合される貯留部またはコイル１４０を通した冷却媒体の通過を含んでもよい。冷却水または他の冷却媒体（例えば、グリコール溶液、ブライン溶液等）もまた、発酵槽１００内で冷却を提供するために使用されてもよい。少なくともいくつかの場合においては、制御サブシステム２９０は、下向きの流路１１４に熱伝導的に結合される貯留部またはコイル１４０を通過させられる冷却媒体の流速または温度を制御してもよい。
【０１５１】
他の場合においては、微生物種によって産生される熱は、発酵槽を所望の温度範囲内で維持するために不十分であり得る。そのようなことは、例えば、発酵槽１００が露出または部分露出屋外場所に位置する、極端に寒い環境で起こり得る。場合によっては、冷却に使用される、下向きの流路１１４に熱伝導的に結合される貯留部またはコイル１４０もまた、使用され、または加温を発酵槽１００に提供してもよい。他の場合においては、専用加温貯留部またはコイルが、下向きの流路１１４に熱伝導的に結合されてもよい。そのような加温は、少なくとも部分的に下向きの流路１１４内に配置される貯留部またはコイルを通した加温媒体の通過を含んでもよい。温水、蒸気、または類似熱伝達流体（例えば、グリコール溶液、熱油等）もまた、随意に、発酵槽１００内で加温を提供するために使用されてもよい。少なくともいくつかの場合においては、制御サブシステム２９０は、下向きの流路１１４に熱伝導的に結合される貯留部またはコイル１４０を通過させられる加温媒体の流速または温度を制御してもよい。
【０１５２】
７１０では、下向きの流路１１４内の下向きの流動１１６中の多相混合物とともに移動する、ガス基質気泡への圧力は、ガス基質気泡が下向きの流路に沿ってより深く押動されるにつれて上昇するであろう。圧力上昇は、発酵槽１００内の液柱によってガス基質気泡に及ぼされる静水圧の上昇に少なくとも部分的に起因し得る。圧力上昇は、場合によっては、有利なこととして、下向きの流路１１４の中で、多相混合物を形成するガス基質気泡と液体培地との間の物質輸送を増加させることができる。少なくともいくつかの場合においては、ガス基質気泡への上昇した圧力はまた、有利なこととして、下向きの流路の中に存在する微生物有機体による、ガス基質中に存在する１つ以上の成分の取り込みを向上させ得る。
【０１５３】
７１２では、多相混合物は、下向きの流路から退出し、上向きの流路１１８に進入する。上向きの流路に進入する多相混合物は、非吸収栄養素を含む液体、未溶解および非吸収ガス基質を含むガス基質気泡を含むことができるが、それらに限定されない。上向きの流路１１８に進入する多相混合物はまた、発酵槽１００の壁および／または底から掃引される、混入生物学的物質を含有してもよい。少なくともいくつかの場合においては、物質輸送を助長するための１つ以上の構造が、上向きの流路１１８の少なくとも一部内に配置されてもよい。そのような構造は、１つ以上のバッフル、１つ以上の非動力または静的混合器、１つ以上の動力または動的混合器、および同等物を含んでもよいが、それらに限定されない。少なくともいくつかの場合においては、１つ以上の栄養素または付加的なガス基質を含む付加的な液体が、上向きの流路１１８に導入されてもよい。そのような付加的な栄養素またはガス基質は、下向きの流路１１８の中で化学的または微生物学的プロセスを介して消費されるものを補充するように導入されてもよい。そのような付加的な栄養素またはガス基質は、付加的または異なる栄養素またはガス基質を上向きの流路１１８の中に存在する微生物有機体に提供するように導入されてもよい。多相混合物が上向きに流動する１２０と、多相混合物中に存在するガス基質気泡への圧力は、上向きの流路１１８を通した上昇時に水圧ヘッドが減少するにつれて徐々に低下するであろう。
【０１５４】
７１４では、温度を定義された温度範囲内で維持するように、上向きの流路１１８内の多相混合物の温度を改変、調整、または制御することができる。少なくともいくつかの場合においては、定義された温度範囲は、少なくとも部分的に発酵槽１００内で使用される微生物種に基づいて、選択され、または別様に選定されてもよい。過剰な熱が、発酵槽１００内の活動の少なくとも一部に関与する微生物有機体によって副生成物として生成され得る。この過剰な熱は、制御されないままである場合、発酵槽１００内の微生物有機体のうちのいくつかまたは全ての成長または代謝を阻害するか、または悪影響を及ぼし得る。少なくともいくつかの場合においては、上向きの流路１１８の中の多相混合物の温度を定義された範囲内で維持するように、冷却が上向きの流路１１８内で提供されてもよい。そのような冷却は、上向きの流路１１８に熱伝導的に結合される貯留部またはコイル１２８を通した冷却媒体の通過を含んでもよい。冷却水または他の冷却媒体（例えば、グリコール溶液、ブライン溶液等）もまた、発酵槽１００内で冷却を提供するために使用されてもよい。少なくともいくつかの場合においては、制御サブシステム２９０は、上向きの流路１１８に熱伝導的に結合される貯留部またはコイル１２８を通過させられる冷却媒体の流速または温度を制御してもよい。
【０１５５】
他の場合においては、微生物種によって産生される熱は、発酵槽を所望の温度範囲内で維持するために不十分であり得る。そのようなことは、例えば、発酵槽１００が露出または部分露出屋外場所に位置する、極端に寒い環境で起こり得る。場合によっては、冷却に使用される、上向きの流路１１８に熱伝導的に結合される貯留部またはコイル１２８もまた、使用され、または加温を発酵槽１００に提供してもよい。他の場合においては、専用加温貯留部またはコイルが、上向きの流路１１８に熱伝導的に結合されてもよい。そのような加温は、少なくとも部分的に上向きの流路１１８内に配置される貯留部またはコイルを通した加温媒体の通過を含んでもよい。温水、蒸気、または類似熱伝達流体（例えば、グリコール溶液、熱油等）もまた、随意に、発酵槽１００内で加温を提供するために使用されてもよい。少なくともいくつかの場合においては、制御サブシステム２９０は、上向きの流路１１８に熱伝導的に結合される貯留部またはコイル１２８を通過させられる加温媒体の流速または温度を制御してもよい。本プロセスは、７１６で終了する。
【０１５６】
図８は、図１−６に関して上記で詳細に説明される、１つ以上の発酵槽システム３００、４００、５００、６００の中の１つ以上の発酵槽１００を使用する、発酵システムの高レベル操作方法８００を示す。例示的発酵方法８００は、１つ以上の背圧サブシステム２３０を使用して、発酵方法８００が上昇した圧力で行われることを除いて、図７で詳細に議論される発酵方法７００に関して詳細に説明されるものと同一またはほぼ同一のステップを使用する。そのような背圧サブシステム２３０は、有利なこととして、発酵槽１００の中の圧力を大気圧より大きいレベルで維持し、それによって、多相混合物３１２中の気泡３１０に含有されるガスの部分圧を上昇させる。気泡３１０内のガスの部分圧を上昇させることによって、気泡３１０と液体３０８との間の物質輸送速度が増進され、多相混合物内の溶解ガスの増加した可用性が、発酵槽１００の中の微生物有機体によるガスの取り込みを有益に向上させる。本方法は、８０２から始まる。
【０１５７】
８０４では、液体３０８およびガスが、大気圧より大きい第１の圧力で発酵槽１００に導入される。背圧サブシステム２３０の存在は、発酵槽１００内で圧力を維持し、それによって、下向きの流路１１４および上向きの流路１１８の両方において圧力を上昇させる。少なくともいくつかの場合においては、第１の圧力は、約５ｐｓｉｇ〜約１５０ｐｓｉｇ、約５ｐｓｉｇ〜約１００ｐｓｉｇ、または約５ｐｓｉｇ〜約７５ｐｓｉｇであり得る。多相混合物が下向きの流路１１４を通過すると、静水圧が気泡３１０上で蓄積し、気泡３１０中に存在するガスの部分圧をさらに上昇させ、気泡３１０と多相混合物との間の物質輸送速度をさらに上昇させるであろう。多相混合物の圧力は、下向きの流路１１８の底部における第２の圧力まで上昇するであろう。少なくともいくつかの場合においては、第２の圧力は、約１０ｐｓｉｇ〜約１５０ｐｓｉｇ、約１０ｐｓｉｇ〜約１００ｐｓｉｇ、または約１０ｐｓｉｇ〜約７５ｐｓｉｇであり得る。多相混合物が上向きの流路１１８を通過すると、気泡３１０への静水圧が、上向きの流路１１８の出口で第３の圧力まで緩和されるであろう。少なくともいくつかの場合においては、第３の圧力は、約５ｐｓｉｇ〜約１５０ｐｓｉｇ、約５ｐｓｉｇ〜約１００ｐｓｉｇ、または約５ｐｓｉｇ〜約７５ｐｓｉｇであり得る。
【０１５８】
８０６では、多相混合物放出流体接続１３８を介して中空流体導管から退出する多相混合物は、背圧サブシステム２３０に指向される。背圧サブシステム２３０内で、１つ以上のシステムまたはデバイスが、多相混合物の圧力を第３の圧力より小さいレベルに低減するために使用される。そのような減圧は、オリフィスプレートまたは背圧制御弁等の１つ以上の圧力降下誘導デバイスを使用して達成されてもよい。１つ以上の場合において、１つ以上の圧力降下誘導デバイスは、第４の圧力で低圧多相混合物２３２を提供するように、高圧多相混合物が通過させられる、多相タービンを含むことができる。少なくともいくつかの場合においては、第４の圧力は、約５ｐｓｉｇ〜約１５０ｐｓｉｇ、約５ｐｓｉｇ〜約１００ｐｓｉｇ、または約５ｐｓｉｇ〜約７５ｐｓｉｇであり得る。少なくともいくつかの場合においては、多相混合物１３６の圧力の低減中に放出されるエネルギーの少なくとも一部が捕捉されてもよく、例えば、多相タービンの中で放出されるエネルギーは、発電機、流体移動器、またはガス移動器を旋回させるために使用されてもよい。本方法は、８０８で終了する。
【０１５９】
図９は、図１−６に関して上記で詳細に説明される、１つ以上の発酵槽システム３００、４００、５００、６００の中の１つ以上の発酵槽１００を使用する、発酵システムの高レベル操作方法９００を示す。例示的発酵方法９００は、背圧サブシステム２３０から除去される低圧多相混合物２３２が、分離サブシステム２５０に導入され、その中で分離されることを除いて、図７および図８に関して詳細に議論される発酵方法７００および８００と同一またはほぼ同一の方法を採用する。分離サブシステム２５０は、低圧多相混合物を少なくともガスおよび液体に分離するように、１つ以上のデバイスまたはシステムを含むことができる。場合によっては、分離サブシステム２５０は、低圧多相混合物２３２を、ガス２５２、液体２５４、および固体が豊富な液体２５６に分離してもよい。本方法は、９０２から始まる。
【０１６０】
９０４では、分離サブシステム２３０からの低圧多相混合物２３２は、分離サブシステム２５０に導入される。分離サブシステム内で、多相混合物２３２は、少なくともガス２５２および液体２５４に分離することができる。少なくともいくつかの場合においては、分離されたガス２５２の少なくとも一部は、後に処理または分離されてもよい。処理または分離されたガスの少なくとも一部は、ガス基質２０４として発酵槽１００に再循環させられてもよい。場合によっては、分離されたガスの少なくとも一部は、販売され、または別様に処分されてもよい。少なくともいくつかの場合においては、分離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取引されてもよい。少なくともいくつかの場合においては、分離されたガスは、エタン、エチレン、プロパン、ブタン、およびそれらの化合物を含むが、それらに限定されない、１つ以上のＣ２＋炭化水素ガスを含んでもよい。
【０１６１】
少なくともいくつかの場合においては、分離された液体２５４の少なくとも一部は、後に処理または分離されてもよい。分離されたガス２５２の少なくとも一部は、後に処理または分離されてもよい。９０６では、多相混合物１３６を伴う発酵槽１００から除去されるバイオソリッドを含む場合もあり、含まない場合もある、処理または分離された液体の少なくとも一部を、発酵槽１００に再循環させることができる。例えば、バイオソリッドを含む分離された液体２５６の少なくとも一部は、発酵槽１００に送給される混合物２５８を提供するように、液体送給２０２の少なくとも一部と組み合わせられてもよい。そのような再循環は、有利なこととして、確立された生物種を用いた発酵槽１００の継続中、連続的、または半連続的接種を提供してもよい。場合によっては、分離された液体の少なくとも一部は、販売され、または別様に処分されてもよい。少なくともいくつかの場合においては、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取引されてもよい。少なくともいくつかの場合においては、分離された液体は、１つ以上のアルコール、グリコール、またはケトンを含むが、それらに限定されない、１つ以上のＣ２＋炭化水素液体を含んでもよい。本プロセスは、９０８で終了する。
【０１６２】
要約で説明されるものを含む、図示した実施形態の上記の説明は、包括的であること、または実施形態を開示される正確な形態に限定することを目的としていない。例証目的で、具体的実施形態および実施例が本明細書で説明されるが、当業者によって認識されるように、本開示の精神および範囲から逸脱することなく、種々の同等の修正を行うことができる。本明細書で提供される種々の実施形態の教示を、他の発酵槽および発酵システムに適用することができる。そのような発酵槽および発酵システムは、化学的中間生産以外の目的で発酵槽を含んでもよく、かつ、食品または飲料生産において有用な発酵槽および発酵システムを含んでもよい。同様に、冷却サブシステム、背圧サブシステム、分離サブシステム、および制御サブシステムを含む、本明細書で説明される補助システムは、単一のシステム、例えば、パッケージ冷却塔またはパッケージ制御システムを含んでもよく、または（すなわち、冷却サブシステムによって）冷却また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、背圧サブシステムによって）エネルギーの補足生成を伴って、または伴わずに、発酵槽システムへの背圧の制御された維持を促進し、（すなわち、分離サブシステムによって）再循環のため、または回収および後続の処理あるいは販売のために、ガス、液体、半固体への多相混合物の少なくとも一部の分離を促進する様式で、物理的、流体的、および通信可能に結合される、任意の数の従属構成要素を含む、カスタム設計されたサブシステムを含んでもよい。制御サブシステムは、発酵システムの全てまたは一部分、あるいは補助サブシステムのうちのいずれかのための監視、警告、制御、および制御出力を提供する、統合または分散型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、発酵システムまたは補助サブシステムのうちのいずれかの１つ以上の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んでもよい。
【０１６３】
前述の発明を実施するための形態は、プロセスフロー図、機器断面図、および例示的方法の使用を介して、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てきた。そのようなブロック図、概略図、および実施例が、１つ以上の機能および／または動作を含む限りにおいて、化学工業技術分野の当業者に周知である広範囲の既製またはカスタマイズされた構成要素を使用して、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／または動作を個別および／または集合的に実装できることが、当業者によって理解されるであろう。例えば、円形、三角形、および正方形の中空金属導管のみが明示的に議論されるが、当業者であれば、事実上あらゆる中空流体導管を代用できることを認識するであろう。本明細書に記載される微生物種は、本明細書で説明されるような発酵槽または発酵槽システムの中で支援することができる、潜在的な微生物種のサンプルを提供することを目的としている。
【０１６４】
２０１２年１０月８日に出願された米国仮特許出願第６１／７１１，１０４の開示が、その全体で本明細書に組み込まれる。
【０１６５】
上記で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ように組み合わせることができる。２０１２年７月１３日に出願された米国仮特許出願第６１／６７１，５４２号を含むが、それに限定されない、本明細書で参照される、および／または出願データシートに記載される、米国特許、米国特許出願公開、米国特許出願、外国特許、外国特許出願、および非特許出版物の全てが、それらの全体で参照することにより本明細書に組み込まれる。その上さらなる実施形態を提供するために、種々の特許、出願、および出版物のシステム、プロセス、生物学的媒体、および概念を採用するように、必要であれば、実施形態の側面を修正することができる。
【０１６６】
上記の発明を実施するための形態を踏まえて、これらおよび他の変更を実施形態に行うことができる。一般に、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で開示される具体的実施形態に限定すると解釈されるべきではないが、そのような請求項が権利を持つ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と解釈されるべきである。したがって、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７】
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【図８】
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【図９】
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