(57)【要約】様々な態様および実施形態によると、糖水溶液の好気発酵のためのシステムおよび方法が提供される。システムは、容器と、容器の内部と流体連通している少なくとも１つの空気散布器と、少なくとも１つの空気散布器に空気を供給するように構成された少なくとも１つの送風器とを含む。【選択図】図３
2018521639.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
たとえば水性液体の好気発酵のためのシステムなど、水性液体に気体を供給するためのシステムであって、
容器と、
前記容器の内部と流体連通している少なくとも１つのスパージ管と、
前記少なくとも１つのスパージ管に気体を供給するように構成された少なくとも１つの送風器と
を備えるシステム。
【請求項２】
前記少なくとも１つのスパージ管は、多孔質金属から構成される、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記少なくとも１つのスパージ管は、前記容器の下部に配置される、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記容器は、２：１のアスペクト比を有する、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記少なくとも１つの送風器から前記少なくとも１つのスパージ管へ供給される空気を濾過するように構成された少なくとも１つの濾過器を更に備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記送風器の出口と流体連通している入口および前記少なくとも１つの濾過器と流体連通している出口を有する熱交換器を更に備える、請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
前記少なくとも１つの濾過器および前記熱交換器に連結された可撓性導管材を更に備える、請求項６に記載のシステム。
【請求項８】
前記システムは、前記容器の周囲に沿って等距離の位置に配置された複数の濾過器を含む、請求項５に記載のシステム。
【請求項９】
前記容器の内部と流体連通し、スパージ気泡を凝縮するように構成された少なくとも１つの凝縮器を更に備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
前記容器の内部に配置された混合システムを更に備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項１１】
前記少なくとも１つの送風器は、２０ｐｓｉの圧力で空気を供給するように構成される、請求項１に記載のシステム。
【請求項１２】
発酵プロセスに気体を供給するためのシステムであって、
発酵ブロスと、
前記発酵ブロスと流体連通している少なくとも１つの気体送風器と
を備えるシステム。
【請求項１３】
前記少なくとも１つの気体送風器は、気体を生成するように構成された気体生成部と、前記発酵ブロスに前記気体を供給するように構成された気体供給部とを含む、請求項１２に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本技術分野は、一般に、セルロース系バイオマスまたはリグノセルロース系バイオマスから発酵生成物を生成するための方法およびシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
たとえば農作物残渣、木質バイオマス、都市廃棄物、油料種子／油粕、および海藻などのリグノセルロース系バイオマスは、たとえばバイオ燃料および生化学物質などのバイオプロダクトを製造するために用いられ得る再生可能原料として役立つ。これらのバイオマス材料の多くは、それらが豊富にあり、再生可能であり、国内生産され、かつ食品産業の利用と競合しないという点で魅力的である。昨今、これらの材料の多くは、動物飼料、バイオ堆肥材料として利用され、コジェネレーション設備で焼却され、または埋立て処理される。リグノセルロース系バイオマスは、植物細胞壁が剛性かつ小型の構造を有することから、分解することが難しい。再生可能バイオマス源由来の糖質は、石油または他の化石原料に取って代わり、それを補い、またはその代替となることによって化学工業および燃料工業の基礎となることができる。
【０００３】
発酵可能糖液は、たとえばセルロースおよびヘミセルロースなどの原料の多糖成分から生成され得る。リグノセルロース系原料から糖を生成するために、最初に、糖を構成する糖分子に分解することが必要である。このようなことは物理的および／または化学的前処理によって達成され得る。化学的前処理の例は、酸前処理（米国特許第４，４６１，６４８号を参照）またはたとえばアンモニア繊維爆破（ＡＦＥＸ）前処理などのアルカリ前処理である。酸前処理は、ヘミセルロースの大部分を加水分解するが、セルロースからグルコースへの転換はほとんど生じない。一方、アルカリ前処理方法は、ヘミセルロースを加水分解する場合またはしない場合があり、いずれの場合でも、塩基がヘミセルロースに存在する酸性基と反応し、基質の表面を露出させる。酸またはアルカリによる前処理の後、セルロースは、セルラーゼ酵素によって、または更なる化学処理によって、グルコースに加水分解され得る。グルコースはその後、エタノール、ブタノール、または例として糖アルコールおよび有機酸を含む他の化学物質を含むがこれに限定されない燃料に発酵され得る。
【発明の概要】
【０００４】
態様および実施形態は、発酵のため、およびたとえば空気などの気体を発酵ブロスへ供給するためのシステムおよび方法に関する。たとえば、好気発酵のために用いられ得るたとえば空気など大量の気体を供給するシステムおよび方法が説明される。たとえば空気などの気体は、たとえば様々な発酵において日常的に用いられるような高圧圧縮気体の何分の１かの費用で供給することができる。たとえば、２０００５ｐｓｉｇ未満など比較的低い圧力の空気は、たとえばセルラーゼなどの酵素など、タンパク質の生成のために供給され得る。本明細書で説明されるシステムおよび方法は、高圧気体システムの何分の１かの費用でたとえば空気などの気体を供給することに加え、一般的な高圧システムと比べて資本費および維持費が低い。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
１または複数の実施形態によると、たとえば水性液体の好気発酵のためのシステムなど、水性液体に気体を供給するためのシステムが提供される。システムは、容器と、容器の内部と流体連通している少なくとも１つのスパージ管と、少なくとも１つのスパージ管に気体を供給するように構成された少なくとも１つの送風器とを備えてよい。
【０００６】
いくつかの実施形態によると、少なくとも１つのスパージ管は、多孔質金属から構成される。少なくとも１つの実施形態によると、少なくとも１つのスパージ管は、容器の下部に配置される。
【０００７】
特定の実施形態によると、容器は、２：１のアスペクト比を有する。
【０００８】
他の実施形態によると、システムは、少なくとも１つの送風器から少なくとも１つのスパージ管へ供給される空気を濾過するように構成された少なくとも１つの濾過器を更に備える。他の実施形態によると、システムは、送風器の出口と流体連通している入口および少なくとも１つの濾過器と流体連通している出口を有する熱交換器を更に備える。また他の実施形態によると、システムは、少なくとも１つの濾過器および熱交換器に連結された可撓性導管材を更に備える。他の実施形態によると、システムは、容器の周囲に沿って等距離の位置に配置された複数の濾過器を含む。
【０００９】
少なくとも１つの実施形態によると、システムは、容器の内部と流体連通し、スパージ気泡を凝縮するように構成された少なくとも１つの凝縮器を更に備える。
【００１０】
他の実施形態によると、システムは、容器の内部に配置された混合システムを更に備える。
【００１１】
特定の実施形態によると、少なくとも１つの送風器は、２０ｐｓｉの圧力で空気を供給するように構成される。
【００１２】
１または複数の実施形態によると、発酵プロセスに気体を供給するためのシステムが提供される。システムは、発酵ブロスと、発酵ブロスと流体連通している少なくとも１つの気体送風器とを備える。
【００１３】
他の実施形態によると、少なくとも１つの気体送風器は、気体を生成するように構成された気体生成部と、発酵ブロスに気体を供給するように構成された気体供給部とを含む。
【００１４】
これらの態様例および実施形態例の他の態様、実施形態、および利点が以下で詳述される。また、上述した情報および後述の説明はいずれも、様々な態様および実施形態の例示的な例にすぎず、特許請求の対象となる態様および実施形態の本質および特性を理解するための概観または骨組みを提供することが意図されることを理解すべきである。本明細書に開示される実施形態は、他の実施形態と併用されてもよく、「実施形態」、「例」、「いくつかの実施形態」、「いくつかの例」、「代替実施形態」、「様々な実施形態」、「１つの実施形態」、「少なくとも１つの実施形態」、「この実施形態および他の実施形態」、「特定の実施形態」などの言及は、必ずしも相互排他的なものではなく、説明された特定の特徴、構造、または特性が少なくとも１つの実施形態に含まれ得ることを示すことが意図される。本明細書におけるそのような用語の出現は、必ずしも全てが同一の実施形態に言及するものではない。
【００１５】
少なくとも１つの実施形態の様々な態様が添付図面を参照して以下で説明され、図面は、一定の縮尺で描かれることが意図されたものではない。図面は、様々な態様および実施形態の図示および更なる理解を提供するために包含され、本明細書の一部を構成するものとして本明細書に組み込まれるが、任意の特定の実施形態の限定を規定するものとして意図されない。図面は、本明細書のその他の部分とともに、説明され特許請求の対象となる態様および実施形態の原理および働きを説明するために機能する。図面において、図示される同一またはほぼ同一の構成要素の各々は、類似の番号によって表される。明確化を目的として、全ての構成要素が図面ごとに符号付けされない場合がある。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本開示の１または複数の態様に係る、バイオマス原料の１または複数の生成物への転換を示すプロセスフロー図である。
【図２】本開示の１または複数の態様に係る、糖の二酸化炭素気体および糖アルコールへの転換の略図である。
【図３】本開示の１または複数の態様に係る、発酵システムの透視図である。
【図４】本開示の１または複数の態様に係る、送風器スキッドの透視図である。
【図５】図４に示す送風器スキッドの側面図である。
【図６】図４に示す送風器スキッドの上面図である。
【図７】図３に示す発酵システムの系統図である。
【図８】本開示の１または複数の態様に係る、入口濾過装置の透視図である。
【図９】図８に示す入口濾過装置の他の透視図である。
【図１０Ａ】本開示の１または複数の態様に係る、凝縮器の透視図である。
【図１０Ｂ】図１０Ａに示す凝縮器の側面図である。
【図１１】本開示の１または複数の態様に係る、出口濾過アセンブリの透視図である。
【図１２】図１１に示す出口濾過アセンブリの上面図である。
【図１３Ａ】本開示の１または複数の態様に係る、混合システムの側面図である。
【図１３Ｂ−１】図１３Ａに示す混合システムの第１のインペラの上面図である。
【図１３Ｂ−２】第１のインペラの側面図である。
【図１３Ｃ−１】図１３Ａに示す混合システムの第３のインペラの上面図である。
【図１３Ｃ−２】第３のインペラの側面図である。
【図１４】本開示の１または複数の態様に係る、発酵装置の内部の透視図である。
【図１５Ａ】本開示の１または複数の態様に係る、スパージ管構成の１つの例の上面図である。
【図１５Ｂ】本開示の１または複数の態様に係る、スパージ管構成の第２の例の上面図である。
【図１５Ｃ】本開示の１または複数の態様に係る、スパージ管構成の第３の例の上面図である。
【図１５Ｄ】本開示の１または複数の態様に係る、容器に取り付けられたスパージ管の側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
１または複数の実施形態によると、たとえば好気発酵などの発酵のための方法およびシステムが提供される。１つの実施形態によると、システムは、たとえば空気などの気体と併用される少なくとも１つの送風器またはタービンを含み、たとえば１または複数の真菌細胞などの１または複数の微生物を含む発酵ブロスを収容するたとえば発酵容器などの容器内に気泡を注入するための、たとえばスパージ管、たとえば円筒または円形スパージ管などの散布器を含んでよい。本明細書に開示される方法およびシステムは、たとえば発酵プロセスなどのプロセスに、たとえば空気などの気体を注入するための、より費用効果が高く効率的なプロセスを提供する。その結果、たとえば好気発酵システムなどの改善されたシステムは、特に発酵時間がたとえば数日間または数週間など非常に長い場合、発酵にかかる経費を低減し得る。たとえば、本明細書に開示されるような送風器またはタービンシステムを用いてＳＴＰ（標準温度圧力）で１０００ＣＦＭ（立方フィート毎分）を供給するための電力要件は、一般に、約２５〜５０ｋＷの範囲内である。対照的に、ロータリ圧縮器システムを用いて供給される同量の空気は、約１５０〜２００ｋＷの範囲の電力を要する。０．５ｖｖｍ（容器容量毎分、この場合は毎分７５００ガロンまたは概ね１０００ＣＦＭ）で動作する１５，０００ガロンの発酵容器の場合、ｋＷＨごとに約０．１０ドルの平均費用を用いると、費用は約２．５０ドル／時間、または６０ドル／日、または１０日間の発酵に対し６００ドルである。典型的な製造工場は、そのような発酵を年に１０００回行い、これには、空気に関連する電気代のために約６００，０００ドルがかかる。対照的に、ロータリ圧縮器システムにかかる年間費用は、合計で約６倍、すなわち約３，６００，０００ドルになる。
【００１８】
本発明に係る本明細書に開示される態様は、以下の説明に記載され、または添付図面に図示される構成要素の配置および構造の細部にその応用が限定されるものではない。これらの態様は、他の実施形態の形をとることができ、様々な方法で実施または実行することができる。特定の実装の例は、本明細書において単に例示を目的として提供され、限定的であることは意図されない。特に、１または複数の実施形態に関して記述される動作、構成要素、要素、および特徴は、他の任意の実施形態における同様の役割の対象外とされることは意図されない。
【００１９】
また、本明細書で用いられる表現および用語は、説明を目的としており、限定的なものと見なされてはならない。本明細書において単数形で言及されるシステムおよび方法の例、実施形態、構成要素、要素、または動作への任意の言及は、複数形を含む実施形態も包含してよく、本明細書における任意の実施形態、構成要素、要素、または動作への複数形での任意の言及は、単一のみを含む実施形態も包含してよい。単数形または複数形における言及は、ここで開示されるシステムまたは方法、それらの構成要素、動作、または要素を限定することが意図されるものではない。本明細書における「含む」、「備える」、「有する」、「包含する」、「伴う」、およびそれらの変化形の使用は、後に続いて挙げられる事項およびそれらの均等物とともに追加の事項を包含することを意味する。「または」への言及は、「または」を用いて記載された任意の用語が、記載された用語の１つ、複数、および全てのいずれかを示してよいように、包括的なものとして解釈され得る。また、本文書と、参照によって本明細書に組み込まれた文書との間で用語の用法が一致しない場合、組み込まれた参照文献における用語の用法は、本文書の用語を補足するものであり、矛盾する不一致に関しては、本文書における用語の用法が優位である。また、読み手の利便性のためにタイトルまたはサブタイトルが本明細書内で用いられ得るが、これは本発明の範囲に影響を及ぼすものではない。
【００２０】
特定の実施形態によると、本明細書で説明される発酵プロセスは、図１において全体として１００で示される更に大きなプロセスの一部であってよく、図１は、バイオマス原料の１または複数の生成物への転換を示すフロー図である。１つの特定の実施形態において、動作１１０において、原料は、サイズを低減するために物理的に前処理されてよく、その後、動作１２０において不応性を低減するためのｅビーム照射が続く。動作１３０において、原料は、糖液を形成するために、動作１２５を参照して後述するような発酵プロセスを介して生成され得る１または複数の酵素によって糖化される。糖液はその後、たとえばアルコール、またはたとえば乳酸、乳酸塩、コハク酸、またはコハク酸塩といった有機酸など、所望の生成物を生成するための発酵プロセスにおいて、動作１４０でバイオプロセスされる。その結果、様々な態様によると、本明細書に開示される発酵システムは、たとえば動作１２５または動作１４０における発酵プロセスのいずれかのように、任意の発酵生成物のために用いられ得る。図１の動作１２５に記述するように、酵素は、たとえばＲＵＴ  Ｃ３０系統などのトリコデルマリーゼイ（Ｔ．ｒｅｅｓｅｉ）を用いてたとえば真菌細胞発酵プロセスなどの発酵プロセス（たとえば好気発酵）によって供給され得る。真菌細胞発酵プロセスは、たとえば１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、または１２日以上など、何日間も続行し得るので、供給される空気にかかる費用を低減することは、酵素にかかる費用にとって有利である。発酵プロセスの結果生じる生成物は、たとえば蒸留、ＳＭＢ（疑似移動床式）クロマトグラフィ、または電気透析形式などの更なる処理を受け、動作１５０において最終的な生成物が生成される。いくつかの実施形態によると、糖化および発酵は同じ容器内で実行され得る。
【００２１】
発酵の概観
１または複数の実施形態によると、発酵は、たとえばグルコース、フルクトース、およびスクロースといった糖などの分子が、たとえばアルコールなど他の分子、およびたとえば二酸化炭素および熱形式のエネルギといった代謝産物に転換される生物学的プロセスである。たとえばグルコースおよび／またはキシロースは、たとえばラクトバチルスなど１または複数の細菌を用いて乳酸に発酵することができ、あるいはグルコースおよび窒素源は、たとえばタンパク質または酵素などのペプチドまたはポリペプチドを生成するために共発酵され得る。図２に示すように、たとえば、容器内に糖水溶液が注入され、発酵中、炭水化物基質として機能する糖水溶液に、好気条件下で微生物を接種する。微生物の最適な発生には、糖水溶液中の酸素溶液が、代謝プロセスによって消費される酸素との置換に十分な割合であることが必要である。微生物の発生割合、およびそれに伴う嫌気容器の生成能力は、溶液内の酸素の割合によって大幅に限定される。図２に示すように、好気発酵の場合、酸素は、後述するようにたとえばスパージ管などの散気装置によって生成され得る微細気泡として糖水溶液内に注入され得る。嫌気発酵の場合、注入される気体は、たとえば二酸化炭素、窒素、アルゴン、またはメタンであってよい。糖水溶液内に、インペラによる溶液の混合が生じてもよい。利用されるインペラ（または混合システムにおけるインペラのうちの少なくとも１つ）は多くの場合、空気または他の気体を溶液内に「叩き込む」ために適しており、これは、気体は概して低い液中溶解度、たとえば水中の空気の場合は約８ｍｇ／Ｌ、を有するためである。そのようなインペラは多くの場合、半径流インペラと呼ばれ、その例は、ラシュトンインペラまたはラシュトン型インペラを含む。酸素溶液の割合は主に、気泡表面積と、気泡と糖水溶液とが接触する回数との関数である。概して、酸素移動速度は、気泡の大きさを低減すること、たとえば半径流インペラを用いてシアを増加すること、たとえば化学反応器を高いＬＤ比にするなど滞留時間を増加すること、または、ラシュトン型インペラを（頂部）ポンプダウンインペラと（底部）ポンプアップインペラとの間に挟むことによって改善され得る。たとえば、（好気発酵の場合）より高い酸素レベルまたは純酸素とともに空気を用いること、あるいは発酵の温度を下げ、発酵ブロス内の気体溶解性を高めることなどによって、他の技術も利用可能である。
【００２２】
様々な実施形態によると、セルロース原料またはリグノセルロース原料の糖化によって生成されたような糖、およびたとえば窒素原料など他の分子は、たとえばエリスリトールまたはキシリトールなどの糖アルコールまたはたとえばブタノールなど他のアルコールといったアルコールなど、１または複数の有用な生成物に転換され得る。様々な発酵ブロスを１または複数の微生物と接触させることによって、たとえばクエン酸、リジン、グルタミン酸、タンパク質および酵素など他の生成物も生成され得る。たとえば、クロストリジウム菌種は、たとえばフルクトースまたはグルコースなどの糖をブタノールに転換するために用いられ得る。クロストリジウム菌種は、エタノール、酪酸、酢酸、およびアセトンを生成するためにも用いられ得る。ラクトバチルス菌種は、乳酸を生成するために用いられ得る。酵母およびザイモモナス属細菌を含む、後述するような他の微生物が発酵中に用いられてもよい。様々な態様によると、発酵対象となる混合物を生成するための糖化は部分的または全体的に完了され得る。
【００２３】
様々な態様によると、発酵プロセスは、たとえば糖化プロセスによって生成される糖水溶液などの様々な栄養分を、たとえば糖アルコールなど１または複数の生成物に転換する。そのような生成物の非限定的な例は、グリコール、グリセロール、エリスリトール、トレイトール、アラビトール、キシリトール、リビトール、マンニトール、ソルビトール、ガラクチトール、イジトール、イノシトール、ボレミトール、イソマルト、マルチトール、ラクチトール、マルトトリトール、マルトテトライトール、ポリグリシトール、酪酸、グルコン酸、クエン酸、および、たとえばグリセリン、ペンタエリスリトール、エチレングリコール、およびスクロースなどのポリオールを含む。他の生成物は、アミノ酸、ペプチド、ポリペプチド、タンパク質、および酵素を含んでよい。
【００２４】
発酵システム構成要素
図３を参照すると、本開示の１または複数の態様に係る、全体として３００で示される発酵システムが図示される。後述するように、発酵システム３００は、容器３０２、１または複数の送風器３０６を含む送風器スキッド３０４、送風器（複数も可）３０６によって生じる流入空気のための少なくとも１つの入口濾過装置３１０、少なくとも１つのスパージ管３１２、凝縮器３１４、および出口濾過アセンブリ３１６を含んでよい。
【００２５】
容器
様々な態様によると、たとえば真菌、細菌、または酵母細胞発酵などの発酵は、図３に示すような容器３０２内で一部または全てが実行され得る。特定の実施形態において、糖水溶液および／または他の栄養分または発酵用添加剤は、容器の頂部、容器の底部、または本明細書で説明される発酵方法を実現するために適した中間部のどこかに位置し得る、本明細書において注入流入口とも称される容器の入口に注入され得る。本明細書で用いられる場合、「容器」という用語は、気体、液体、および固体成分、およびそれらの混合物を含む１または複数のプロセス成分を閉じ込めるために適した任意の構造を意味する。いくつかの実施形態によると、容器は、少なくとも１０００ガロンの容積を有するサイズであってよい。たとえば容器は、１５００ガロンの容積を有するサイズであってよい。他の例によると、容器は、２５００ガロンの容積を有するサイズであってよい。他の実施形態によると、容器は、少なくとも１０，０００ガロンの容積を有するサイズであってよい。たとえば容器は、１５，０００ガロンの容積を有するサイズであってよい。いくつかの実施形態によると、容器は、少なくとも１００，０００ガロンの容積を有するサイズであってよい。
【００２６】
特定の実施形態によると、容器は高圧化されなくてもよく、たとえばＡＳＭＥ認定圧力容器でなくてもよい。特定の実施形態によると、容器内の圧力は、たとえば１０、９、８、７、６、５、４、３．５、３、２．５、２、１．５、または０．５プサイ未満など、１２プサイを超えなくてもよい。他の実施形態によると、容器は、たとえば１、１．５、２．０、または２．５バールを上回る圧力下で動作するために閉じられ、または部分的に閉じられてよい。特定の応用において、容器は、たとえば発酵ブロスなどの成分に嫌気または好気環境を提供するように構成され得る。容器は、所望の用途および所望の生成物出力量を供給するための原料量に従うサイズおよび形状であってよい。容器は、たとえば糖アルコール、タンパク質（複数も可）、または酵素（複数も可）などの生成物が容器から排出され得る少なくとも１つの（図１４に示すような）出口も備えてよい。
【００２７】
様々な実施形態によると、容器は、本明細書で説明される方法およびシステムの目的に適した任意の材料で構成され得る。適切な材料の非限定的な例は、鋼、ステンレス鋼、ハステロイ、チタン、およびアルミニウムを含む。１または複数の実施形態は、所望の容器形状に依存して１または複数の側壁を有する容器を含んでよい。たとえば円筒形容器は１つの側壁を有し得るが、正方形または長方形容器は４つの側壁を有し得る。特定の実施形態において、容器は、第１の壁と第２の壁との間に位置する１つの連壁を有する円筒形であってよい。他の特定の実施形態において、第１の壁と第２の壁との間に１または複数の側壁が伸長する容器は閉じられてもよい。少なくとも１つの実施形態によると、容器は、２：１以下、たとえば１．８／１、１．６／１、１．４／１、１．２／１、１／１、０．８／１、０．６／１、または０．５／１未満のアスペクト比Ｌ／Ｄを有するようなサイズおよび形状であってよい。他の実施形態によると容器は１：１のアスペクト比を有してよい。特定の態様によると、容器のサイズおよび形状は、発酵プロセスを最適化、あるいは改善するように設計され得る。たとえば、アスペクト比２：１の容器は、流入空気量に対する糖水溶液量の比を反映し得る。たとえば、１２，０００ガロンの槽は、６０００ガロンの空気が注入される必要があるというプロセス要件を有する。同様に、５０，０００ガロンの槽は、２５，０００ガロンの空気を必要とする。特定の実施形態によると、送風器が２５プサイ以下、たとえば２０、１９、１８、１７、１６、または１５プサイ未満を発生することができる場合、スパージ管から液面レベルの頂点までの平均距離として測定される容器の最大高さは４０フィート以下、たとえば３８、３７、３５、３３、３１、２９、２７、２５、または２０フィート未満である。
【００２８】
スパージ管
１または複数のスパージ管３１２または散布器もまた、容器３０２に沿った様々な位置に配置され得る。図３ではスパージ管３１２は容器３０２の外側にあるように示されるが、各スパージ管３１２は入口濾過装置３１０に連結して容器内に伸長し、微生物の成長増強を目的として発酵ブロス内に微細気泡を注入するために機能する。様々な実施形態によると、スパージ管は、特別に焼結された多孔質金属材料で構成され得る。焼結されたスパージ管材料は、高い等静圧が昇温状態での実行において粉末構成材料に印加される熱間等静圧加圧工程を実行することによって作られてよく、焼鈍工程は完成前に終了する。その結果、微細気泡を生成するのに適した多孔質材料が生じる。スパージ管に使用される適切な多孔質金属の非限定的な例は、ステンレス鋼、ステンレス鋼合金（たとえばＡＩＳＩ  ３１６Ｌなど）、チタン、ニッケル、およびニッケル合金を含む。いくつかの実施形態によると、スパージ管は、多孔質金属部品、ねじ付き取付け具、および特定の例において補強用ロッドから構成される。スパージ管は、容器の側面にフランジで取り付けられ得る。スパージ部品は、円筒形または円形を含む多種多様な形状であってよい。特定の実施形態において、スパージ部品は円形状であり、槽全体に沿って配置される。特定の実施形態によると、スパージ管の孔径は、１００ミクロン未満、たとえば９０、８０、７０、６０、５０、４０、３０、２０、１５、１４、１３、１２、１１、１０、９、８、７、６、５、４、３、２、１、または０．９ミクロン未満、たとえば０．８、０．７、０．６、０．５、０．４、または０．２５ミクロン未満である。特定の実施形態によると、たとえば圧力降下を最小限にするために、スパージ部品の多孔性は５０パーセントより上、たとえば６０、７０、８０、８５、８８、９０、または９５パーセントを上回る。図３に示すように、４つのスパージ管３１２は、容器３０２の周囲に沿って等距離の位置に配置され得る。スパージ管３１２はまた、容器３０２の下部および容器内に保持された発酵ブロスの底部に空気を注入するように配置され、それによって、容器３０２の頂部付近に空気入口を設けるのとは対照的に、より効率的な空気分配が可能である。理解されるように、スパージ管の数は、容器のサイズおよびプロセス要件に従って増減してよい。スパージ管は、１方向、複数方向、またはたとえば３６０度の配置において全方向に微小サイズの気泡を生成するように構成され得る。
【００２９】
図１５Ａ〜図１５Ｄを参照すると、本明細書に開示されるプロセスおよびシステムの１または複数のために適したスパージ管のいくつかの異なる例が示される。図１５Ｄは、スパージ管３１２が容器３０２にどのように取り付けられるかを示す全体図である。図１５Ａに示す構成は、槽３０２内に配置された１つのスパージ管の例の上面図であり、図１５Ｂに示す構成は、槽３０２内に配置された、いくつかのスパージ管の例の上面図である。図１５Ａおよび図１５Ｂのスパージ管は概ね円筒形状であり、線長または直線長さで容器３０２内に伸長し、この例においてスパージ管は、容器の幅全体に及ぶが、たとえば容器内に部分的に（かつわずかに下向きに）伸長する図１４に示すスパージ管のように、他の長さも本開示の範囲内である。対照的に、図１５Ｃに示すスパージ管は、概ね容器の内周を辿る円形状に伸長するように曲げられている。図示するように、この構成のスパージ管は、容器３０２の内壁に近接して配置され得る。
【００３０】
送風器スキッド構成要素
１または複数の実施形態によると、発酵システムは、図３〜図６に示すような、たとえば酸素または空気などの気体を容器３０２内の発酵ブロスに供給する送風器スキッド３０４を含んでよい。送風器スキッド３０４は、少なくとも１つの送風器３０６および熱交換器３０８を含む。送風器スキッド３０４はまた、少なくとも１つの圧力計３１８および３２４、少なくとも１つの温度計３２０、および少なくとも１つの流量計３２２も含んでよい。
【００３１】
いくつかの実施形態によると、発酵システム３００は、少なくとも１つの電力作動送風器３０６を含んでよい。各遠心ガスタービン駆動送風器３０６は、高速回転して容器内にたとえば空気などの気体を排出するように機能するロータを備えたドライバモータを含む。少なくとも１つの実施形態によると、各送風器は、容器のサイズおよびプロセス要件に従ったサイズであってよい。たとえば１つの実施形態によると、各送風器は１２．５ｈｐのモータを含んでよい。送風器のサイズは、容器内にスパージされ得る空気の毎分立方フィートの量を規定する。上述したように、１２，０００ガロンの容器は、毎分１０００、２０００、３０００、４０００、５０００、または６０００ガロン以上の空気というプロセス要件を有してよく、これが送風器のサイジングを規定する。たとえば様々な態様によると、発酵は、上述したようにスパージ管を用いた給気、および約１０％より上、たとえば２０％を上回る溶解酸素レベルを維持するような空気および／または酸素供給を伴って実行され得る。また、単一の送風器は購入および運転に著しく費用がかかり得るので、単一の送風器を用いるのではなく空気要件が複数の送風器に分散されてもよい。たとえば図３の発酵システムは、単一の２２ｋＷの送風器ではなく２つの１１ｋＷの送風器を用いる。また、送風器は、最大プサイで運転するように選択され得る。たとえば送風器は、２０プサイの最大圧力を生成してよい。いくつかの実施形態によると、適切な送風器は、たとえばＳｐｅｎｃｅｒ型番ＣＳ２１Ｒ９６を含むＳｐｅｎｃｅｒ２５００シリーズの送風器など、コネチカット州ウィンザー所在のＳｐｅｎｃｅｒ  Ｔｕｒｂｉｎｅ社から入手可能であり得る。容器内に空気を送るための１または複数の送風器を使用することは、圧縮器を用いるよりも費用効果が高く効率的である。たとえば圧縮器は、製造、維持、および運転するための費用が高く、１または複数の送風器のエネルギ費用の少なくとも４倍、たとえば６倍のエネルギ費用がかかり得る。
【００３２】
少なくとも１つの実施形態によると、送風器（複数も可）３０６から出た空気は、（後述するような）入口濾過装置３１０および容器３０２に入る前に水冷式熱交換器３０８を通過する。いくつかの実施形態によると、複数の熱交換器が用いられ得る。たとえば、１つの熱交換器は進路調整のために用いられてよく、第２の熱交換器は、気体の放出温度を微調整するために用いられてよい。たとえば第１の熱交換器は、８０°Ｆ〜１１０°Ｆ、たとえば８５°Ｆ〜１００°Ｆの温度の、たとえば水などの冷却流体を流してよく、第２の熱交換器は、６５°Ｆ未満、たとえば６０°Ｆ、５８°Ｆ、または５５°Ｆ未満の温度の流体を流してよい。いくつかの実施形態によると、送風器３０６に入る空気は室温（〜２５℃）であってよく、その後、送風器によって２００°Ｆ以上の温度に加熱される。様々な実施形態によると、熱交換器３０８は、有機体を殺さず、および／または容器内で生じるバッチまたは他の処理の温度を上昇させないように、容器３０２内に入る空気または他の気体を冷却するように機能する。したがって、熱交換器３０８に入る空気は２００°Ｆ以上の温度であってよいが、これはその後、熱交換器３０８によって、１００°Ｆ未満、たとえば９０°Ｆ、８５°Ｆ、８０°Ｆ未満の温度まで冷却され、特定の例において２５℃の室温に戻される。熱交換器３０８のサイズは、容器３０２内に入る空気の流量の関数である。熱交換器３０８によって用いられる水以外の冷却流体は、冷媒液または低温液体を含んでよい。熱交換器３０８は、シェルアンドチューブ式熱交換器であってよく、冷却流体が管内に流れると、空気または他の気体がフィンを横切って流れる。当業者には認識されるように、他の種類の熱交換器も本開示の範囲内である。いくつかの実施形態によると、熱交換器３０８は、フィンアンドチューブ式熱交換器である。たとえば、管およびフィンの両方がステンレス鋼で構成されてよく、あるいは管はステンレス鋼で構成され、フィンはアルミニウム材料で構成されてもよい。また他の実施形態において、管およびフィンは銅製であってもよい。
【００３３】
図３〜図５に示すように、送風器スキッド３０４は、１または複数の圧力計３１８および３２４、温度計３２０、および流量計３２２も含んでよい。たとえば、温度計３２０および圧力計３１８によって、送風器から出る加熱空気の温度および圧力が読み取られ得る。図４および図５に示すように、逆流を防ぐために、チェック弁３２８もまた送風器スキッドに含まれ得る。発酵容器３０２へ移動する空気の流量は、流量計３２２によって測定され得る。第２の圧力計３２４もまた、後述するように空気が複数の流路に分割され入口濾過装置３１０に分配される前に、空気の圧力を測定してよい。
【００３４】
入口濾過装置
特定の実施形態によると、発酵システムは、図３、図８、および図９に示すような、本明細書において入口濾過装置とも称される少なくとも１つの濾過装置３１０を含む。送風器３０６および熱交換器３０８から出て発酵プロセスに導入されるたとえば空気または酸素などの気体は、酵素化学に干渉しないように最初に除菌される必要があり得る。図３に示す実施形態によると、送風器スキッドアセンブリ３０４から出た空気は、可撓性導管を用いて、たとえば図３に示す４つの個別の流路のような複数の流路に分割される。可撓性導管の各々は、大きな圧力降下が生じることを防ぐサイズであってよい。たとえば、可撓性導管は、少なくとも２インチの径を有するサイズであってよい。各流路には、図８および図９により明確に示されるように濾過装置３１０が備えられる。各濾過装置は、濾過膜を含んでよい。濾過膜の多孔性は、約５０パーセント〜約９５パーセント、たとえば約６０パーセント〜約８０パーセントであってよく、孔径は、約０．１ミクロン〜２ミクロン、たとえば０．２ミクロン〜１ミクロンであってよい。たとえば、送風器スキッドアセンブリ３０４からの加温空気は、空気粒子および細菌および０．２ミクロンに至るまでの多数のウイルスを除去する濾過器に通され得る。熱交換器３０８を含む送風器スキッド３０４より手前の入口側ではなく外側に入口濾過装置３１０を設けることによって、周囲に対して正圧下で空気が濾過器を通ることが確実になる。したがって濾過器前後のあらゆる漏洩は、空気の流れへの微粒子の侵入経路とはならない。膜は、ポリマを含む任意の１または複数の疎水性材料で構成され得る。適切な濾過器は、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）Ｐａｌｌ  Ｅｍｆｌｏｎ（登録商標）濾過器（ニューヨーク州ロングアイランド、イーストヒルズ所在のポール社製）を含む。
【００３５】
入口濾過装置３１０は、濾過膜以外のいくつかの構成要素を含んでよい。たとえば、図８および図９は、送風器スキッド３０４からの流入空気の圧力および温度を測定するために用いられ得る圧力および温度計を示す。この空気は濾過器を通過し、そこで除菌される。第２の圧力計は、空気が（逆流および汚染を防ぐための）チェック弁を通り容器３０２内に進入する前に、濾過器から出る空気の圧力を測定する。
【００３６】
図３を参照すると、発酵システム３００は、スパージ管３１２に関して上述したように、容器３０２の周囲に沿って等距離の位置に配置された４つの入口濾過装置３１０を含んでよい。入口濾過装置３１０の数は、たとえば扱われる発酵ブロスの量、プロセス中用いられる微生物の種類など１または複数のプロセスパラメータの関数であってよく、これらはプロセスに必要な空気または酸素の量および槽のサイズおよび／または形状を規定し得る。図３に示すように、各入口濾過装置３１０は、容器３０２内に伸長するスパージ管３１２に連結するように構成され得る。いくつかの実施形態において、スパージ管３１２は、たとえばスパージ管が、システムの様々な構成要素を結合するために用いられ得る流体密封コネクタを含む場合、槽の外側の位置で入口濾過装置３１０に連結してよい。他の実施形態において、スパージ管３１２は全体が容器３０２の内部に位置し、たとえばパイプなどの連結領域は容器３０２を通って伸長し、一方の端において濾過器に連結し、他方の端においてスパージ管３１２に連結する。入口濾過装置３１０の頂部は、図３、図８、および図９に示すように、容器３０２に濾過器カートリッジの頂部を取り付け固定するために用いられ得る１または複数のケーブルまたは他の取付け手段を含んでもよい。
【００３７】
容器のための凝縮器
様々な実施形態によると、発酵システム３００は、流体を再び槽内に凝縮させるように機能する凝縮器３１４も含んでよい。凝縮器３１４は、図３、図１０Ａ、および図１０Ｂに示される。スパージングによって生じた容器３０２内の圧力によって、水は容器３０２外へ排出される。また、スパージング中に霧化された水粒子は、水が濾過器内で凝縮することを防ぐために、出口濾過アセンブリ３１６（後述）へ流入することを阻止または防止される必要がある。したがって、凝縮器３１４は容器の頂部に配置され、容器３０２の底部から頂部へ浮遊するスパージ気泡を凝縮するために用いられ得る。様々な態様によると、凝縮器３１４には、周囲を取り巻く空気によって冷却される複数の管が備えられてよく、それによってスパージ気泡を水として凝縮し、容器３０２内へ還流させる。特定の実施形態によると、凝縮器３１４から出た空気は、出口濾過アセンブリ３１６に流入する前に水分を全て取り払うために更に加熱される。
【００３８】
いくつかの実施形態によると、凝縮器は、シェルアンドチューブ式凝縮器であってよい。いくつかの実施形態によると、凝縮器は、フィンアンドチューブ式凝縮器である。たとえば、管およびフィンの両方がステンレス鋼で構成されてよく、あるいは管がステンレス鋼で構成され、フィンが（効率性を高めるために）アルミニウム材料で構成されてもよい。また他の実施形態において、管およびフィンは銅製であってもよい。
【００３９】
出口濾過アセンブリ
少なくとも１つの実施形態によると、発酵システム３００は、本明細書において出口濾過アセンブリとも称される濾過アセンブリ３１６を含む。出口濾過アセンブリは、細菌および他の汚染物質が容器３０２内へ逆流することの防止を含むいくつかの機能を果たし得る。出口濾過アセンブリ３１６は、たとえば入口濾過装置３１０に関して上述したようないくつかの濾過器を含んでよい。特定の実施形態によると、出口濾過アセンブリ３１６は、加熱され得る導管を介して凝縮器３１４と流体連通してよい。たとえば、容器から漏れ出た水全てが受け止められ、凝縮器３１４によって容器内に再び凝縮されるわけではない。したがって、全ての残留液体を蒸発するために、導管内で余分な水分が加熱され得る。いくつかの実施形態によると、出口濾過アセンブリから出た空気は、大気中に発散し、特定の例において、外部環境に発散され得る。
【００４０】
容器のためのインペラ／攪拌器
図１３Ａ、図１３Ｂ−１、図１３Ｂ−２、図１３Ｃ−１、および図１３Ｃ−２を参照すると、容器の内部には、容器の内容物を機械的に混合し、酸素移動を最大化するように機能する混合システム３２６が備えられ得る。いくつかの実施形態によると、混合システム３２６は、１または複数のインペラを含んでよい。混合システム３２６は、容器３０２の中心に鉛直に配置され得る。混合システム３２６は、鉛直に配置されたインペラ羽根を含むモータ付き中心軸によって駆動され得る。たとえば、図１３Ａに示すように、第１のインペラは容器内部の上部に配置され、第２のインペラは容器の中心付近に配置され、第３のインペラは容器の下部に配置され得る。第１のインペラの上面図および側面図が図１３Ｂ−１および図１３Ｂ−２にそれぞれ示され、第３のインペラの上面図および側面図が図１３Ｃ−１および図１３Ｃ−２にそれぞれ示される。各インペラは、異なる機能を果たすように構成され得る。図１３Ａに示す構成において、第１の（頂部）インペラおよび第３の（底部）インペラは、これら２つのインペラ間の空間に空気を留めておくことによって容器内にスパージされた空気の滞留時間を増加させる。たとえば底部インペラは、頂部インペラの押力または下降力によって相殺される揚力または上昇力を生じるように構成される。第２の中間インペラは、上述したようなラシュトンタービンであってよく、周囲の発酵ブロスへの「叩き込み」あるいは気体溶解を促進する高い径方向せん断力を生じる。インペラの各々に関して用いられる速度は、容器のサイズおよび処理の種類に依存してよい。たとえば、２５００ガロンの槽のためのインペラの速度は、１００ｒｐｍ未満、たとえば８０、７０、６０、または５０ｒｐｍ未満であってよい。インペラ羽根は、たとえば鋼または合金を含む金属など、化学発酵プロセスに干渉しない材料から構成される。また混合システム３２６には様々な速度コントローラも備えられてよく、それによって１または複数のインペラの速度が発酵プロセス中に調整され得る。１５ｈｐモータのようなモータを用いて中心軸を駆動することができる。
【００４１】
混合システム３２６は、容器３０２の内部に収まるようなサイズおよび形状であってよい。たとえば１つの例によると、第１のインペラは２３インチ（５８４ｍｍ）の径を有し、第２のインペラは３４インチ（８６４ｍｍ）の径を有し、第３のインペラは１２．８インチ（３２５ｍｍ）の径を有してよい。また、第１のインペラの水平の中心線と第２のインペラの水平の中心線との間の距離は３０インチ（７６２ｍｍ）であり、第２のインペラの水平の中心線と第３のインペラの水平の中心線との間の距離は２２インチ（５５９ｍｍ）であってよい。第１のインペラの上方にあり第２のインペラを通って下方へ伸長する軸の径は、２．５インチ（６４ｍｍ）であってよい。第３のインペラの上方にある軸の部分は、１．５インチ（３８ｍｍ）の径を有してよい。理解されるように、混合システム３２６およびその構成要素の他のサイズおよび構成も本開示の範囲内である。サイズは、容器のサイズおよび用途の種類に従って変化してよい。
【００４２】
図１４を参照すると、図１４には円筒として表される、たとえば図１３Ａに関して上述したような鉛直に配置された３つのインペラ羽根を含む混合システム３２６を含む発酵容器３０２の内部が示される。また、容器３０２の周囲に沿って配置され、容器の中央底部に向かってわずかに下向きに伸長する４つのスパージ管３１２の図も含まれる。上述したように、各スパージ管３１２は、発酵ブロス内の微生物の成長を促進する均一な小気泡を発酵ブロスに供給し得る。
【００４３】
発酵プロセスの概観および条件
図７を参照すると、図３に示す好気発酵システム３００の略図が示される。運転中、糖水溶液は入口（図７には不図示）を通って発酵容器３０２内に注入される。いくつかの実施形態において、入口は、容器の上部に配置された１または複数のポート内に差し込まれてよく、特定の例において、ブロスは、容器内の流体線より上の任意のポートに注入され得る。いくつかの実施形態によると、発酵は、発酵の開始時に少なくとも５ｗｔ．％の初期グルコース濃度を有するグルコース溶液を用いて実行される。また、グルコース溶液は、発酵の開始後、希釈され得る。
【００４４】
様々な実施形態によると、発酵プロセスは、複数のバッチを用いる連続運転方法に従って実行され得る。たとえば、発酵プロセスの完了は、栄養分の濃度、１または複数の生成物の濃度、ｐＨ、溶解気体量、および発酵期間といった発酵ブロスの特性の１または複数によって示され得る。
【００４５】
特定の態様によると、発酵の開始時における高い初期糖濃度は、糖アルコールの生成に好都合であり得る。したがって、糖化原料溶液は、溶液のグルコース濃度を高めるために、糖アルコールを生成する微生物との配合の前に濃縮され得る。濃縮は、任意の所望の技術、たとえば加熱、冷却、遠心分離、逆浸透、クロマトグラフィ、沈殿、結晶化、蒸発、吸着、およびそれらの任意の組み合わせによって行われ得る。いくつかの実施形態によると、濃縮は、液体の少なくとも一部を糖化原料から蒸発することによって実行される。特定の態様において、濃縮によって、グルコース含有量は約５ｗｔ％より上、約１０ｗｔ．％より上、約２０ｗｔ．％より上、約３０ｗｔ．％より上、約４０ｗｔ．％より上、および約５０ｗｔ．％より上まで増加する。
【００４６】
少なくとも１つの実施形態によると、糖化原料は、濃縮の前または後に精製され得る。精製は、水以外の全成分のうちグルコース含有量が約５０ｗｔ．％より上、たとえば約６０ｗｔ．％より上、約７０ｗｔ．％より上、約８０ｗｔ．％より上、約９０ｗｔ．％より上、約９９ｗｔ．％より上まで増加するように実行され得る。精製は、当該技術において既知の任意の技術によって実行されてよく、その非限定的な例は、加熱、冷却、遠心分離、逆浸透、クロマトグラフィ、沈殿、結晶化、蒸発、吸着、およびそれらの任意の組み合わせを含む。
【００４７】
容器３０２に入れられた糖水溶液は、後述するように、１または複数の微生物と接触し得る。少なくとも１つの実施形態によると、微生物は、たとえば種系列プロセスの最終容器などの前プロセスから容器内にカニューレ挿入される。いくつかの実施形態において、接触ステップは、細胞増殖ステップおよび発酵ステップの２段階プロセスを含む。たとえば２段階発酵プロセスは、最初の細胞増殖段階と、それに続く生成物生成段階とを含んでよい。増殖段階において、プロセス条件は、細胞増殖を最適化するために選択され、生成段階において、プロセス条件は、１または複数の所望の発酵生成物の最適な生成のために選択され得る。一般に、たとえば増殖培地において０．１〜１０ｗｔ．％または０．２〜５ｗｔ．％など低い糖レベルが細胞増殖には好都合であり、たとえば発酵培地において約５ｗｔ．％より上、約１０ｗｔ．％より上、約２０ｗｔ．％より上、約３０ｗｔ．％より上、約４０ｗｔ．％より上など、より高い糖レベルが生成物生成には好都合である。また、他のプロセスパラメータが段階ごとに変更されてもよい。たとえば温度、撹拌、糖レベル、栄養分、および／またはｐＨの全てがプロセスの段階に従って調整され得る。また、プロセス条件は、プロセスを最適化することを目的として各段階で監視されてもよい。たとえば、プロセスの細胞増殖段階は、たとえば約５０ｇ／Ｌ、約６０ｇ／Ｌより上、約７０ｇ／Ｌより上、または約７５ｇ／Ｌより上など最適な密度を実現するように監視され、生成物生成の始まりの誘因となるために濃縮糖化溶液が追加され得る。任意選択的に、プロセスは、たとえばプローブおよび細胞増殖および生成物生成を制御するための自動供給を用いてｐＨまたは酸素化レベルを監視および調整することによって最適化されてもよい。更なる態様によると、たとえばアミノ酸、ビタミン、金属イオン、酵母エキス、植物エキス、ペプトン、炭素源、およびタンパク質など他の栄養分が、プロセスを最適化するために制御および監視され得る。
【００４８】
２段階発酵は、Ｈｅｅ−Ｊｕｎｇ  Ｍｏｏｎ他著、Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌ  ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ  ｏｆ  ｅｒｙｔｈｒｉｔｏｌ  ａｎｄ  ｉｔｓ  ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ、Ａｐｐｌ．  Ｍｉｃｒｏｂｉｏｌ．  Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌ．（２０１０）８６：１０１７〜１０２５において説明される。特定の例において、発酵の開始時におけるグルコースの初期高濃度はエリスリトールの生成に好都合であるが、高濃度が過剰に長く維持されると、微生物にとって有害になり得る。初期グルコース高濃度は、上述したように糖化中または糖化後にグルコースを濃縮することによって実現され得る。発酵の開始を可能にする初期発酵期間の後、発酵培地は、グルコースレベルが約６０ｗｔ．％未満、約５０ｗｔ．％未満、または約４０ｗｔ．％未満になるように適切な希釈剤を用いて希釈され得る。希釈剤は、水、またはたとえばアミノ酸、ビタミン、金属イオン、酵母エキス、植物エキス、ペプトン、炭素源、およびタンパク質などの追加成分を含む水であってよい。
【００４９】
再び図７を参照すると、発酵プロセスは、発酵ブロス内の溶解酸素レベルを約１０％より上、たとえば約２０％より上に維持するために、スパージ管および空気および／または酸素源を用いる給気を伴って実行され得る。これは、室温の空気を取り込み１または複数の送風器を通過させることによって行われ、それによって、熱交換器３０８、入口濾過装置３１０、および容器３０２内に配置されたスパージ管３１２へ空気を押し通すために必要な力を生じる。送風器から出た空気は、上述したように熱交換器３０８を用いて室温から約２００℃まで加熱され、その後４つの流路に分割される。各流路を通る空気は、スパージ管３１２を通って発酵ブロスに注入される前に、まず汚染物質を除去するために入口濾過装置３１０内の０．２ミクロン濾過器を通過する。
【００５０】
上述したように、発酵容器３０２は、１または複数のプロセス条件を最適化するようなサイズおよび形状であってよい。たとえば特定の例において、送風器（複数も可）３０６によって生じ得る最大空気圧は２０ｐｓｉである。この空気を容器３０２の頂部領域に送るために容器は短くあってよく、これは背の高い槽は高い静水圧をもたらすためである。いくつかの実施形態によると、容器は加圧されておらず、除菌の目的で用いられ得る１または複数の蒸気噴射が備えられてよい。蒸気は、容器に約０．５ｐｓｉの圧力をかけ得る大型ダイヤフラム弁を用いて噴射されてよく、あるいは蒸気は、容器が大気圧に保たれるように大気に対して開く１または複数の弁を用いて噴射されてもよい。
【００５１】
図３を参照すると、発酵容器３０２内の圧力は、圧力計を含む１または複数の圧力解放弁３３０によって制御され得る。圧力解放弁は、後述するようにコントローラによって制御され、容器３０２内の圧力がたとえば２ｐｓｉなど所定の値を超えると容器３０２から圧力を解放するように機能し得る。図３に示す圧力解放弁３３０は、槽の全径にわたって伸長し、容器の頂部に配置された２つの圧力計を含む。
【００５２】
様々な実施形態によると、発酵中、噴射混合が用いられてよい。噴射混合は、たとえば図１３Ａに関して上述した混合システム３２６など、１または複数のインペラによって実行され得る。インペラ（複数も可）は、容器３０２の内容物を混合し、微生物への酸素移動を増進するように機能する。
【００５３】
いくつかの実施形態によると、発酵は、ｐＨ４〜７の範囲のｐＨで実行され得る。ｐＨは、使用される微生物の種類に依存して特定の範囲の値に維持され得る。たとえば、微生物として酵母を用いる場合、ｐＨはｐＨ４〜５の範囲内に維持され、ザイモモナスが用いられる場合、ｐＨはｐＨ５〜６の範囲内に維持される。いくつかの実施形態によると、発酵ブロスのｐＨは、容器の側面に配置されたｐＨプローブを用いて測定される。特定の実施形態において、ｐＨを所望のレベルに維持するために水酸化アンモニウムが追加され得る。
【００５４】
いくつかの実施形態によると、発酵は、所定の時間で実行され得る。たとえば発酵は、２４〜１６８時間、たとえば２４〜９６時間または２４〜１２０時間行われてよい。
【００５５】
様々な実施形態によると、発酵は、２０℃〜４０℃（たとえば２６℃〜４０℃）の範囲の温度で実行される。温度は、使用される微生物の種類に依存してよい。たとえば、熱性微生物はより高い温度を好む。
【００５６】
様々な実施形態によると、微生物のための栄養分は発酵プロセス中に追加され得る。たとえば、参照によって開示全体が本明細書に組み込まれる米国特許出願公報第２０１２／００５２５３６号に記載されたような食物ベースの栄養分パッケージがある。
【００５７】
様々な実施形態によると、発酵プロセスによる生成物は隔離される。たとえば生成物は、図１４に示すように特定の例において容器の底部に配置され得る容器の１または複数の出口から抽出され得る。
【００５８】
上述したように、凝縮器３１４は、容器３０２の頂部に配置され、容器３０２の頂部に浮遊するスパージ気泡を凝縮するように機能し得る。また、容器には、たとえば二酸化炭素、酸素、および／または空気などの気体が容器３０２から抜け出ることを可能にする少なくとも１つの通気口３３２も備えられ得る。
【００５９】
いくつかの実施形態によると、発酵システムは、発酵プロセスおよび／または機器の１または複数の態様を制御するために用いられ得るコントローラを含む。たとえば各入口濾過装置３１０は、容器３０２内に流入する空気または他の気体の温度および圧力を測定するように構成され得る。また、各送風器のｒｐｍ、ならびに発酵ブロス内の溶解酸素の量およびｐＨも監視され得る。所定の値または値の範囲は、これらのプロセス変数の各々について所望されてよく、測定された値が所定の値より下または上である場合、コントローラは、発酵プロセスの１または複数の態様を調整するように構成され得る。たとえば、発酵における溶解酸素のレベルが１０％を下回る場合、より多くの空気を容器内に押し込むために送風器のｒｐｍが増加され得る。
【００６０】
特定の実施形態によると、低い分子量の糖がたとえばエタノールなどのアルコールに転換される前に、発酵プロセスの一部または全てが中断され得る。中間発酵生成物は糖および炭水化物を含み、それらは高濃度であってよい。糖および炭水化物は、当該技術において既知である任意の手段によって隔離され得る。様々な態様によると、これらの中間発酵生成物は、食用または飼料用食物の製造に用いられ得る。追加または代替として、中間発酵生成物は、粉末状の物質を生成するために、たとえば実験用ステンレス鋼ミルを用いて微粒子サイズまで粉砕され得る。
【００６１】
１または複数の実施形態によると、国際出願第ＰＣＴ／ＵＳ２００７／０７４０２８号において説明され、参照によってその開示全体が本明細書に組み込まれるＰＣＴ公報第ＷＯ２００８／０１１５９８号として公開されるように、発酵プロセスのために可動発酵槽が用いられ得る。更なる実施形態によると、発酵プロセスの一部または全ては、輸送中に実行され得る。
【００６２】
他の実施形態によると、発酵プロセスにおいて嫌気生物が用いられ得る。したがって、発酵プロセスは、酸素がない状態で行われてよい。発酵プロセスは、たとえば窒素（Ｎ２）、アルゴン（Ａｒ）、ヘリウム（Ｈｅ）、二酸化炭素（ＣＯ２）、およびそれらの混合物など、１または複数の不活性気体がある状態で行われ得る。また、発酵混合物は、発酵プロセスの一部または全てにおいて容器を貫流する不活性気体の一定パージを有してよい。１つの実施形態によると、二酸化炭素は、発酵プロセス中、他の任意の不活性気体を一切追加せずに嫌気状態を実現または維持するために用いられる。
【００６３】
発酵剤
様々な実施形態によると、発酵プロセスにおいて用いられる微生物は、自然発生的微生物および／または技術操作された微生物であってよい。たとえば微生物は、セルロース分解細菌などの細菌類、酵母などの真菌類、植物、原虫などの原生生物、または粘菌または藻類などの真菌状原生生物であってよい。微生物が適合性を有する場合、微生物の混合物が発酵のために用いられ得る。
【００６４】
発酵のために用いられる微生物は、たとえばグルコース、フルクトース、キシロース、アラビノース、マンノース、ガラクトース、オリゴ糖、または多糖などの炭水化物を発酵生成物に転換することができる任意の適切な微生物であってよい。様々な態様によると、発酵微生物として、サッカロマイセス（Ｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ）属種（これらに限定はされないが、Ｓ．セレビシエ（Ｓ．ｃｅｒｅｖｉｓｉａｅ）（パン酵母）、Ｓ．ディスタチカス（Ｓ．ｄｉｓｔａｔｉｃｕｓ）、Ｓ．ウバラム（Ｓ．ｕｖａｒｕｍ）が挙げられる）、クルイウェロマイセス（Ｋｌｕｙｖｅｒｏｍｙｃｅｓ）属（これらに限定はされないが、Ｋ．マルキシアヌス（Ｋ．ｍａｒｘｉａｎｕｓ）、Ｋ．フラジリス（Ｋ．ｆｒａｇｉｌｉｓ）が挙げられる）、カンジダ（Ｃａｎｄｉｄａ）属（これらに限定はされないが、Ｃ．シュードトロピカリス（Ｃ．ｐｓｅｕｄｏｔｒｏｐｉｃａｌｉｓ）、およびＣ．ブラシカ（Ｃ．ｂｒａｓｓｉｃａｅ）が挙げられる）、ピキア・スティピティス（Ｐｉｃｈｉａ  ｓｔｉｐｉｔｉｓ）（カンジダ・シハタエ（Ｃａｎｄｉｄａ  ｓｈｅｈａｔａｅ）の近縁種）、クラビスポラ（Ｃｌａｖｉｓｐｏｒａ）属（これらに限定はされないが、Ｃ．ルシタニエ（Ｃ．ｌｕｓｉｔａｎｉａｅ）およびＣ．オプンティア（Ｃ．ｏｐｕｎｔｉａｅ）が挙げられる）、パキソレン（Ｐａｃｈｙｓｏｌｅｎ）属（これに限定はされないが、Ｐ．タンノフィルス（Ｐ．ｔａｎｎｏｐｈｉｌｕｓ）が挙げられる）、ブレタノミセス（Ｂｒｅｔａｎｎｏｍｙｃｅｓ）属（これに限定はされないが、たとえば、Ｂ．クラウセニイ（Ｂ．ｃｌａｕｓｅｎｉｉ）の株が挙げられる（Ｐｈｉｌｉｐｐｉｄｉｓ，Ｇ．Ｐ．，１９９６，Ｃｅｌｌｕｌｏｓｅ  ｂｉｏｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ  ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｉｎ  Ｈａｎｄｂｏｏｋ  ｏｎ  Ｂｉｏｅｔｈａｎｏｌ：Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ，Ｗｙｍａｎ，Ｃ．Ｅ．，ｅｄ．，Ｔａｙｌｏｒ  ＆  Ｆｒａｎｃｉｓ，Ｗａｓｈｉｎｇｔｏｎ，ＤＣ，１７９−２１２）。その他の好適な微生物として、たとえば、ザイモナス・モビリス（Ｚｙｍｏｍｏｎａｓ  ｍｏｂｉｌｉｓ）、クロストリジウム（Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ）種（これに限定はされないが、Ｃ．サーモセラム（Ｃ．ｔｈｅｒｍｏｃｅｌｌｕｍ）（Ｐｈｉｌｉｐｐｉｄｉｓ、  １９９６、上記）、Ｃ．サッカロブチルアセトニカム（Ｃ．ｓａｃｃｈａｒｏｂｕｔｙｌａｃｅｔｏｎｉｃｕｍ）、Ｃ．チロブチリクム（Ｃ．ｔｙｒｏｂｕｔｙｒｉｃｕｍ）、Ｃ．サッカロブチリカム（Ｃ．ｓａｃｃｈａｒｏｂｕｔｙｌｉｃｕｍ）、Ｃ．パニセウム（Ｃ．Ｐｕｎｉｃｅｕｍ）、Ｃ．ベイジェリンキ（Ｃ．ｂｅｉｊｅｒｎｃｋｉｉ）、およびＣ．アセトブチリカム（Ｃ．ａｃｅｔｏｂｕｔｙｌｉｃｕｍ）が挙げられる）、モニリエラ（Ｍｏｎｉｌｉｅｌｌａ）種（これらに限定はされないが、Ｍ．ポリニス（Ｍ．ｐｏｌｌｉｎｉｓ）、Ｍ．トメントサ（Ｍ．ｔｏｍｅｎｔｏｓａ）、Ｍ．マジダ（Ｍ．ｍａｄｉｄａ）、Ｍ．ニグレセンス（Ｍ．ｎｉｇｒｅｓｃｅｎｓ）、Ｍ．オエドセファリ（Ｍ．ｏｅｄｏｃｅｐｈａｌｉ）、Ｍ．メガチリエンシス（Ｍ．ｍｅｇａｃｈｉｌｉｅｎｓｉｓ）が挙げられる）、ヤロウイア・リポリ���ィカ（Ｙａｒｒｏｗｉａ  ｌｉｐｏｌｙｔｉｃａ）、アウレオバシジウム（Ａｕｒｅｏｂａｓｉｄｉｕｍ）種、トリコスポロノイデス（Ｔｒｉｃｈｏｓｐｏｒｏｎｏｉｄｅｓ）種、トリゴノプシス・バリアビリス（Ｔｒｉｇｏｎｏｐｓｉｓ  ｖａｒｉａｂｉｌｉｓ）、トリコスポロン（Ｔｒｉｃｈｏｓｐｏｒｏｎ）種、モニリエラ・アセトアブタンス（Ｍｏｎｉｌｉｅｌｌａａｃｅｔｏａｂｕｔａｎｓ）種、チフラ・バリアビリス（Ｔｙｐｈｕｌａ  ｖａｒｉａｂｉｌｉｓ）、カンジダ・マグノリアエ（Ｃａｎｄｉｄａ  ｍａｇｎｏｌｉａｅ）、ウスチラジノマイシーテス（Ｕｓｔｉｌａｇｉｎｏｍｙｃｅｔｅｓ）種、シュードジーマ・ツクバエンシス（Ｐｓｅｕｄｏｚｙｍａ  ｔｓｕｋｕｂａｅｎｓｉｓ）、ザイゴサッカロミセス（Ｚｙｇｏｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ）属の酵母種、デバリオマイセス（Ｄｅｂａｒｙｏｍｙｃｅｓ）、ハンゼヌラ（Ｈａｎｓｅｎｕｌａ）およびピキア（Ｐｉｃｈｉａ）ならびにデマチオイド（ｄｅｍａｔｉｏｉｄ）のトルラ（Ｔｏｒｕｌａ）属の真菌（たとえば、Ｔ．コラリナ（Ｔ．ｃｏｒａｌｌｉｎａ））が挙げられる。
【００６５】
多くのこのような微生物株が、商業的にまたは保管所、たとえば、２、３例を挙げると、ＡＴＣＣ（Ａｍｅｒｉｃａｎ  Ｔｙｐｅ  Ｃｕｌｔｕｒｅ  Ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ（米国、バージニア州、マナサス））、ＮＲＲＬ（Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ  Ｓｅｒｖｉｃｅ  Ｃｕｌｔｕｒｅ  Ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ（米国、イリノイ州、ピオリア））、またはＤＳＭＺ（Ｄｅｕｔｓｃｈｅ  Ｓａｍｍｌｕｎｇ  ｖｏｎ  Ｍｉｋｒｏｏｒｇａｎｉｓｍｅｎ  ｕｎｄ  Ｚｅｌｌｋｕｌｔｕｒｅｎ  ＧｍｂＨ（ドイツ、ブラウンシュヴァイク））を介して公的に入手可能である。
【００６６】
いくつかの実施形態によると、発酵のために用いられる微生物は、酵母を含んでよい。市販の酵母として、たとえば、ＲＥＤ  ＳＴＡＲ（登録商標）／Ｌｅｓａｆｆｒｅ  Ｅｔｈａｎｏｌ  Ｒｅｄ（Ｒｅｄ  Ｓｔａｒ／Ｌｅｓａｆｆｒｅ（米国）から入手可能）、ＦＡＬＩ（登録商標）（Ｆｌｅｉｓｃｈｍａｎｎ’ｓ  Ｙｅａｓｔ、Ｂｕｒｎｓ  Ｐｈｉｌｉｐ  Ｆｏｏｄ  Ｉｎｃ．（米国）の一部門から入手可能）、ＳＵＰＥＲＳＴＡＲＴ（登録商標）（Ａｌｌｔｅｃｈ、現Ｌａｌｅｍａｎｄから入手可能）、ＧＥＲＴ  ＳＴＲＡＮＤ（登録商標）（Ｇｅｒｔ  Ｓｔｒａｎｄ  ＡＢ（スウェーデン）から入手可能）、およびＦＥＲＭＯＬ（登録商標）（ＤＳＭ  Ｓｐｅｃｉａｌｔｉｅｓから入手可能）が挙げられる。
【００６７】
様々な実施形態によると、バイオマス材料を糖化し、糖を生成するのに適した微生物は、それらの糖を有用な生成物に転換することを目的とした発酵プロセスでも用いられ得る。
【００６８】
例
本明細書で説明されるシステムおよび方法は以下の例を通して更に例証されるが、この例は本質として例示的であり、本開示の範囲を限定することが意図されない。
【００６９】
給気送風器システム例
本明細書で説明される発酵プロセスおよびシステムでの使用に適した送風器システムの例は、Ｓｐｅｎｃｅｒ  Ｔｕｒｂｉｎｅ社（コネチカット州ウィンザー）から入手可能なＳｐｅｎｃｅｒ２５００シリーズ、Ｐｏｗｅｒ  Ｍｉｚｅｒ  Ｈｉｇｈ  Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ  Ｍｕｌｔｉｓｔａｇｅ  Ｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌ  Ｃａｓｔ  Ｂｌｏｗｅｒ、型番ＣＳ２１Ｒ９６を２つ含む。送風器の各々は、１１ｐｓｉｇで６５０ＩＣＦＭの速度であり、６インチのフランジ付き入口および５インチのフランジ付き出口を含む。各送風器は、５０ＨＰ、４６０ボルト、３相、６０Ｈｚ、３６００ｒｐｍのＴＥＦＣモータによって動かされる。
【００７０】
送風器システムはまた、３０４ＳＳハウジング、３０４Ｌ  ＳＳケーシング、３０４ＳＳ（８インチ）フランジ付き空気入口および出口、および給水ライン用の１．５インチの銅製フランジを備えた共通の水冷式熱交換器（ＨＥＸ）も含む。水冷式熱交換器の例は、Ｘｃｈａｎｇｅｒ社（ミネソタ州ホプキンズ）から入手可能なＣシリーズ、型番Ｃ−１２５を含む。熱交換器は、銅管およびアルミニウムフィンで構成されたフィンアンドチューブ式アセンブリである。この熱交換器の性能測定基準が以下の表１に略述される。
【表１】
2018521639.tif 000003
また、熱交換器は、処理媒体側では３００°Ｆおよび１２．０ｌｂ／ｉｎ２の温度および圧力、かつ供給媒体側では２００°Ｆおよび１００．０ｌｂ／ｉｎ２の温度および圧力である設計を有する。
【００７１】
送風器システムには、調整（６インチ）弁（たとえば４〜２０ｍＡ）、バタフライ弁（６インチ）、チェック弁（６インチ）、熱交換器のための水用電磁弁、および熱交換器の排出温度を維持するための温度制御弁を含む１または複数の弁も含まれる。６インチのフランジコンパニオンアダプタおよび６インチのフランジ付き伸縮継手を伴う５インチのフランジも含まれる。また６インチ入口消音機／濾過器アセンブリも、送風器と併用するために含まれる。
【００７２】
送風器システムは、１または複数のセンサおよび他の測定またはプロセスフィードバックデバイスも含む。たとえばシステムは、少なくとも１つのＲＴＤ（抵抗温度検出器）センサと、駆動側および反駆動側送風器軸受用ならびに熱交換器の入口および出口のためのトランスミッタとを含む。駆動側および反駆動側下側軸受は振動センサおよびトランスミッタも含む。ＲＴＤデバイスおよび圧力センサは、共通排出口の温度および圧力を測定するためにも用いられる。また１または複数の流量計も、空気流量を測定するために用いられる。
【００７３】
また共通ＥＭＢＣアンチサージシステムも送風器システムと併用され、モータ駆動式抽気弁、ＮＥＭＡ４アクチュエータ、および保護スクリーンを備えた直列ＴＥＥ空気消音機を含む。
【００７４】
ＮＥＭＡ１２制御パネルもまたシステムに含まれる。
【００７５】
本明細書で説明される発酵システムは、セルロース酵素生成のために用いられ、１日に約１ｇ／Ｌの生成速度を有してよい。
【００７６】
上述したシステムによると、セルラーゼ発酵は、約１，６００ｇａｌの培地体積を用いて実行された。発酵培地の主要成分は、トウモロコシの穂軸、米糠、および硫酸アンモニウムであり、トウモロコシの穂軸が主要インダクタントであった。発酵は、種子接種の５％（Ｖ／Ｖ）で接種され、反応器は１０日間、〜６３ＲＰＭで撹拌されながら〜６４ｓＣＦＭ（〜０．３ＶＶＭ）で空気をスパージされた。実行全体でｐＨは３．８より上に維持され、温度は２７±３℃に維持された。生成物の滴定量は約１１ｇ／Ｌであった。
【００７７】
少なくとも１つの例のいくつかの態様が説明されたが、当業者には様々な変更、修正、および改善が容易に想起されることを理解すべきである。たとえば本明細書に開示された例は、他の状況で用いられてもよい。そのような変更、修正、および改善は本開示の一部であることが意図され、本明細書で説明された例の範囲内であることが意図される。したがって、上記説明および図面は、単なる例示にすぎない。
【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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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ−１】
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【図１３Ｂ−２】
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【図１３Ｃ−１】
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【図１３Ｃ−２】
2018521639.tif 000021
【図１４】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１５Ｃ】
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【図１５Ｄ】
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【国際調査報告】
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