CN104781387B - 气体馈给发酵系统 - Google Patents

Abstract

一种发酵罐可具有至少部分安置于容器内的至少一个中空流体导管。所述中空流体导管的外部圆周和所述容器的内部圆周可界定向下流动路径，包含液体培养基和压缩气体基质气泡的多相混合物流经所述向下流动路径。所述中空流体导管的内部圆周可界定与所述向下流动路径流体连通的向上流动路径。多相液体可流经所述向上流动路径并且退出所述发酵罐。可在所述中空流体导管或所述容器中提供冷却。一个或多个背压发生器可用于维持所述发酵罐上的背压。一个或多个流体推进器可用于在所述向下和向上流动路径中不同地产生诱导和/或强制流动。

Description

气体馈给发酵系统

背景

技术领域

本发明总体上涉及适用于发酵的容器、系统和过程，并且尤其涉及使用气态基质的发酵系统。

相关技术描述

随着化石燃料沉积物不断增加的消耗、温室气体的产生增加和最近关于气候变化的关注，用生物燃料(例如，乙醇、生物柴油)替代化石燃料已成为工业重点。但是，迄今为止所产生的生物燃料具有其自身的困难和问题。第一代生物燃料来源于植物(例如，淀粉；蔗糖；和玉米、油菜籽、大豆、棕榈和其它植物油)，但这些燃料作物与为了人和动物消耗而种植的作物竞争。在全球可耕地的数量不足以满足食物和燃料日益增长的需求。为了减少食品生产者承担的对于生物燃料相容谷物的需求，使用替代性生物材料如纤维素或藻类的第二代生物燃料正在开发中。但是，生产中的技术困难，以及较高生产成本，还未使得第二代生物燃料更具成本效益或可使用。

第三或下一代生物燃料使用替代性非食物基碳原料制成。作为这种努力的一部分，在生产高级烃化合物包括燃料、润滑剂和塑料中使用替代性非生物基的原料正获得不断增加的势头。这类原料可包括一种或多种含碳化合物或含碳和非含碳化合物(尤其包括甲烷和合成气)的混合物。举例来说，甲烷是相对丰富、天然发生的并且发现于世界各地的许多位置。甲烷也在许多生物腐烂过程期间产生，并且因此可从废物处理和垃圾掩埋场设施捕获。由于它的相对丰度，甲烷是有效温室气体，具有CO₂的23x相对温室气体贡献。从历史上看，甲烷一直被看作是一种稍微有价值的副产物，其难以转化为更高价值的产物，或从远程或滞留位置如远程气田或沿海生产平台输送到市场。来自这类来源的甲烷，以及通过在污水处理设施和垃圾掩埋场发生的生物分解过程所产生的甲烷主要排放或燃烧掉。经济地并有效地将甲烷和类似含碳气体转化成一种或多种较高价值C₂或高级烃的能力允许生产者利用相对丰富、非生物产生的原料，同时提供显著的环境益处。

近期国内甲烷生产的增加(从2006年的480亿立方英尺当量/天至2012年的650亿立方英尺当量/天)将天然气的成本推动至历史新低(从2006年的约$14.00/MMBTU至2012年的约$2.50/MMBTU)。国内天然气主要通过水力压裂(hydraulic fracturing)(“压裂(fracking)”)来生产，但是甲烷也可从其它来源，如垃圾掩埋场和污水获得。但是，甲烷的挥发性使得甲烷的运输和/或作为燃料的直接使用是成问题的。

出于这些原因，存在将甲烷转化成一种或多种液体产物，例如发动机燃料的强烈诱因，以允许更容易运输至使用或出售点。当前追求两种主要方法：产生液化天然气(LNG)的液化和将气体转化至液体(GTL)的化学转化(Patel,2005,第7届世界化学工程大会(7thWorld Congress of Chemical Engineering),Glasgow,Scotland,UK)。Fischer Tropsch(F-T)过程当前是将大量甲烷转化至高阶烃的最普遍方法(Patel,2005)。注意F-T过程采用合成气作为输入，所述合成气通过蒸汽重整从天然气产生(合成气也可通过与水和氧的高温反应而来源于煤的气化)。F-T过程产生与现在燃料供应一致的石油产品，但是受许多缺点影响，包括低产量、不良选择性(使得下游利用复杂)，并且需要大量资本支出和规模以达到经济的生产(Spath和Dayton,2003年12月NRELlTP-510-34929)。F-T工厂所需要的巨大规模(资本成本总体上超过二十亿美元[Patel,2005])也代表显著限制，因为需要大量甲烷原料来补偿F-T过程的巨大资本成本。因为甲烷输送在大多数情况下过于昂贵，所以这样的工厂必须与稳定、可靠和具有成本效益的甲烷来源共同定位，通常呈显著甲烷储槽或甲烷管道的形式。额外的成本和比例因素是气体洗涤技术的经济性(Spath和Dayton,2003)，因为F-T催化剂对于不受影响地通过合成气转化过程的天然气中的常见污染物相当敏感。

随时获得大量相对干净的含甲烷气体，以及大规模资本投入的要求，目前将基于天然气的F-T工厂限制于只在世界范围少数地方实现成功和经济上可行的操作(Spath和Dayton,2003)。气体液化过程或液态天然气工厂的较高最小化加工要求，以及较高运输成本，导致剩余的作为‘滞留’气体沉积物的甲烷源较小。这类滞留气体可包括但不限于在离岸油井产生的天然气，或来自垃圾填埋场的甲烷废气。由于目前没有有效的小规模转化技术，这类滞留气体源通常排放到大气中，或燃烧，因为甲烷积累造成显著安全风险。自1938年以来，使用Fischer-Tropsh过程的气体液化设施一直半连续运行。在给定上面所论述的甲烷的当前可用性和价格的情况下，有几家公司当前正在调查引入新厂。然而，尽管在过去70+年中的显著研究和发展，但是Fischer-Tropsch技术的限制防碍了广泛采用商业气体液化过程。

考虑到上述限制，使用C₁基质作为碳源的生物发酵提供了食物来源与化学品/燃料发酵之间的当前竞争，以及缺乏使用天然气的良好选项的有吸引力的解决方案。然而，发酵气态基质如甲烷、CO或CO₂造成显著挑战，这是因为必须将碳基质从气相转移至水相以允许由培养物中的C₁代谢非光合作用微生物吸收并代谢。同时，还可能需要其它气体如0₂或H₂从气相转移以允许细胞代谢进行(分别为需氧或厌氧代谢)。废弃产物(如在需氧代谢的情况下，CO₂)必须从反应器快速移除以允许有效微生物生长。此外，来自C₁基质代谢的发热是显著的并且系统必须连续冷却以维持微生物生长的最优条件。

从液相至蒸气相的对流传质可用传质系数描述。通量等于传质系数、表面积和浓度差的乘积(通量＝kAΔC)。

传质系数受多种因素影响，包括将要转移的分子的大小、它在水相中的溶解性和相之间的边界层的大小(通常在发酵系统中受混合速度和湍流控制)。在大多数发酵系统中，气相与液相之间的表面积主要受输入气体的气泡大小限制。气泡大小可通过引入气体穿过小孔，并且增加剪切力使气泡分裂开并且防止聚结来控制。浓度差可以是跨越气相边界层的浓度差、跨越液相边界层的浓度差、整体蒸气和与整体液体平衡的蒸气之间的浓度差，或整体液体和与整体蒸气平衡的液体之间的浓度差。在大多数发酵系统中，浓度差通过气相的压力来控制。

常规发酵系统(生物反应器)通过两种方法之一：搅拌或气举来实现气体混合。搅拌发酵罐通过一般安置在单一大发酵罐中心的搅拌桨叶来实现混合。搅拌器桨叶在液体中产生湍流和剪切，同时将气泡引入发酵罐底部，由此在气泡沿着发酵罐向上行进时阻碍其前进并且剪切气泡以减少气泡在发酵罐内聚结的趋势。此类型发酵罐的优势是快速、相对均匀混合和气泡分散，所述优势由于混合桨叶的高速度而成为可能。然而，此类型发酵罐可能难以按比例放大，因为随着体积增加，获得相同混合速率和质量运输的能量需求可能令人望而却步。此外，充分混合意味着发酵液体的显著加热，并且使用单一较大发酵罐限制可用于热交换冷却的表面积。

气举发酵罐通过并入液体的流动路径来避免机械搅拌器。气举发酵罐具有在两个末端互连的向下流动和向上流动部分；这些部分可为分离的单元(被称为循环发酵罐)，或同心(气举发酵罐)。在任一情况下，气体经由气泡产生装置供应至向上流动部分的底部。气泡与液体混合，减少液体的密度并且导致气体-液体混合物经由向上流动部分而上升。上升混合物置换反应器顶部的液体，所述液体沿着向下流动部分向下行进以替换底部的液体，从而在发酵罐中建立循环流。为了获得气泡在液体中的较长停留时间，气举发酵罐一般较高并且具有有限横向横截面面积。这意味着气体必须以相对较高的压力供应以克服由发酵罐中存在的液体柱所形成的流体静压力。另外，因为压力随着高度而减少，所以气泡大小在整个发酵罐中显著增加。增加的气泡直径通过减少气泡体积(与气泡半径的立方成比例)与传质可在其中发生的气泡面积(与气泡面积的平方成比例)的比率来按比例地减少气泡与液相之间的传质速率。气举发酵罐中的流动速率和剪切力显著低于搅拌槽发酵罐，这也易于增加气泡聚结并且减少冷却发酵罐的效率。最后，在将液体送回至向下流动部分之前，将未使用的气体和废气从离开发酵罐的向上流动部分的混合物中分离可具有挑战性。

简述

在一方面，本公开提供用于微生物发酵的气态基质的有效传质的方法和装置。另外，本公开提供使用主要包含C₁代谢非光合作用微生物的培养物来使气态含碳原料发酵的方法。另一个方面，本公开提供可按比例缩放的发酵罐设计，除了有效热交换和废气移除以外，所述发酵罐设计允许高通量气相至液相传质。提供发酵系统和方法，其克服在本领域中已知的缺点并且为公众提供最优生产多种产品的新方法。

这类发酵系统可使用优选能够代谢C₁化合物的一种或多种微生物物种。这类微生物包括原核生物或细菌，如甲基单胞菌属(Methylomonas)、甲基细菌属(Methylobacter)、甲基球菌属(Methylococcus)、甲基弯曲菌属(Methylosinus)、甲基孢囊菌属(Methylocystis)、甲基微菌属(Methylomicrobium)、甲烷单胞菌属(Methanomonas)、嗜甲基菌属(Methylophilus)、甲基菌属(Methylobacillus)、甲基杆菌属(Methylobacterium)、生丝微菌属(Hyphomicrobium)、黄色杆菌属(Xanthobacter)、芽孢杆菌属(Bacillus)、副球菌属(Paracoccus)、诺卡氏菌属(Nocardia)、节杆菌属(Arthrobacter)、红假单胞菌属(Rhodopseudomonas)或假单胞菌属(Pseudomonas)。在一些情况下，C₁代谢微生物可包括甲烷氧化菌、甲基营养菌或其组合。优选的甲烷氧化菌包括甲基单胞菌属、甲基细菌属、甲基球菌属、甲基弯曲菌属、甲基孢囊菌属、甲基微菌属、甲烷单胞菌属或其组合。示例性的甲烷氧化菌包括甲基单胞菌属一种16a(ATCC PTA 2402)、丝孢甲基弯曲菌(Methylosinustrichosporium)(NRRL B-II,196)、芽孢甲基弯曲菌(Methylosinus sporium)(NRRL B-II,197)、小甲基孢囊菌(Methylocystis parvus)(NRRL B-II,198)、甲烷甲基单胞菌(Methylomonas methanica)(NRRL B-511,199)、白色甲基单胞菌(Methylomonas alb us)(NRRL B-II,200)、荚膜甲基细菌(Methylobacter capsulatus)(NRRL B-11,201)、嗜有机甲基杆菌(Methylobacterium organophilum)(ATCC 27,886)、甲基单胞菌属一种AJ-3670(FERM P-2400)、嗜碱甲基微菌(Methylomicrobium alcaliphilum)、Methylocellasilvestris、地下甲基嗜酸菌(Methylacidiphilum infernorum)、嗜油甲基营养菌(Methylibium petroleiphilum)、丝孢甲基弯曲菌(Methylosinus trichosporium)OB3b、荚膜甲基球菌(Methylococcus capsulatus)Bath、甲基单胞菌属一种16a、嗜碱甲基微菌(Methylomicrobium alcaliphilum)20Z或其高生长变体。优选的甲基营养菌包括扭脱甲基杆菌(Methylobacterium extorquens)、耐辐射甲基杆菌(Methylobacteriumradiotolerans)、杨树甲基杆菌(Methylobacterium populi)、氯甲烷甲基杆菌(Methylobacterium chloromethanicum)、结瘤甲基杆菌(Methylobacterium nodulans)或其组合。

能够代谢发现有合成气种的C₁化合物的微生物包括但不限于梭菌属(Clostridium)、穆尔氏菌属(Moorella)、火球菌属(Pyrococcus)、真细菌属(Eubacterium)、脱硫杆菌属(Desulfobacterium)、氧化碳嗜热菌属(Carboxydothermus)、产醋菌属(Acetogenium)、醋酸杆菌属(Acetobacterium)、厌氧醋菌属(Acetoanaerobium)、丁酸杆菌属(Butyribaceterium)、消化链球菌属(Peptostreptococcus)或其组合。示例性的甲基营养菌包括自产乙醇梭菌(Clostridium autoethanogenum)、杨氏梭菌(Clostridium Ijungdahli)、拉氏梭菌(Clostridium ragsdalei)、嗜羧基梭菌(Clostridium carboxydivorans)、食甲基丁酸杆菌(Butyribacteriummethylotrophicum)、伍氏梭菌(Clostridium woodii)、新产丙醇梭菌(Clostridiumneopropanologen)或其组合。在一些情况下，C₁代谢微生物是真核生物如酵母，包括假丝酵母属(Candida)、耶氏酵母属(Yarrowia)、汉逊酵母属(Hansenula)、毕赤氏酵母属(Pichia)、球拟酵母属(Torulopsis)或红酵母属(Rhodotorula)。

在其它情况下，C₁代谢非光合作用微生物是专性C₁代谢非光合作用微生物，如专性甲烷氧化菌专性甲基营养菌或其组合。在一些情况下，C₁代谢非光合作用微生物是包含异源多核苷酸的重组微生物，所述多核苷酸编码脂肪酸产生酶、甲醛同化酶或其组合。

附图的若干视图简述

在附图中，在附图中的元件的大小和相对位置不一定按比例绘制。举例来说，各种元件和角度未按比例绘制，并且这些元件中的一些任意放大并且定位以改进图易读性。此外，如绘制的元件的具体形状不意欲传达关于具体元件的实际形状的任何信息，并且仅为了在附图中便于识别而选择。

图1示出根据一个或多个图示的实施方案的示例性发酵罐容器的透视图，所述发酵罐容器包括若干中空流体导管，所述中空流体导管安置于容器内以产生若干中空流体导管中的每一个与周围容器之间的若干向下流动路径和若干中空流体导管中的每一个内的若干向上流动路径；向下和向上流动路径流体连接以使得向下流动路径中的流量的至少一部分进入中空流体导管以提供向上流动路径中的流量的至少一部分。

图2示出根据一个或多个图示的实施方案的示例性发酵系统的方框流程图，所述发酵系统包括任选冷却子系统、背压子系统和分离子系统，所述子系统单独或组合适用于使气态基质发酵以提供一种或多种气态或液态C₂或高级烃。

图3示出根据一个或多个图示的实施方案的示例性发酵罐的截面图，所述发酵罐包括安置于周围容器内以形成向下流动路径和向上流动路径的单一中空流体导管和迫使流经过向下流动路径和向上流动路径两者的外部安装的流体推进器。

图4示出根据一个或多个图示的实施方案的示例性发酵罐的截面图，所述发酵罐包括至少由容器部分包围以形成若干向下流动路径和向上流动路径的若干中空流体导管和迫使流经过向下流动路径和向上流动路径的外部安装的流体推进器。

图5示出根据一个或多个图示的实施方案的示例性发酵罐的截面图，所述发酵罐包括至少由容器部分包围以形成若干向下流动路径和向上流动路径的若干中空流体导管和诱导流经过向下流动路径并且迫使流经过向上流动路径的外部安装的流体推进器。

图6示出根据一个或多个图示的实施方案的示例性发酵罐的截面图，所述发酵罐包括至少由碟形底部容器部分包围以形成若干向下和向上流动路径的若干中空流体导管和诱导流经过向下流动路径并且迫使流经过向上流动路径的外部安装的流体推进器。

图7示出根据一个或多个图示的实施方案的发酵方法的高水平流程图，所述发酵方法包括在向下和向上流动路径两者中任选冷却。

图8示出根据一个或多个图示的实施方案的发酵方法的高水平流程图，所述发酵方法包括任选地使用背压子系统将发酵罐维持在高压下。

图9示出根据一个或多个图示的实施方案的发酵方法的高水平流程图，所述发酵方法包括任选地使用背压子系统将发酵罐维持在高压下，在任选的分离子系统中将从发酵罐移除的多相混合物分离，并且将分离多相混合物的至少一部分再循环回到发酵罐。

详述

以下描述中，列出某些具体细节以便提供各种实施方案的全面理解。然而，本领域技术人员将理解本发明可在没有这些细节的情况下实践。在其它情况下，结构、标准容器设计细节、可利用部件如液体或气体分配器、泵、涡轮机和类似部件的详细设计参数、关于美国机械工程师学会(ASME)压力容器的设计和结构的细节、控制系统理论、一个或多个发酵过程中的特定步骤等未详细展示或描述以避免不必要地模糊实施方案的描述。除非上下文另外要求，否则在整个说明书和以下权利要求书中，措词“包括(comprise)”和其变型，例如，“包括(comprises)”和“包括(comprising)”以开放、包括含义来理解，也就是说理解为“包括但不限于”。此外，本文提供的标题只出于方便目的并且不解释要求保护本发明的范围或含义。

贯穿本说明书引用“一个实施方案(one embodiment)”或“一个实施方案(anembodiment)”意指关于所述实施方案所描述的特点、结构或特征包括在至少一个实施方案中。因此，贯穿本说明书在各个地方出现短语“在一个实施方案中(in one embodiment)”或“在一个实施方案中(in an embodiment)”不必要全部是指相同的实施方案。此外，具体特点、结构或特征可以任何适合的方式组合在一个或多个实施方案中。另外，除非上下文另外明确规定，否则如本说明书和所附权利要求书中使用的单数形式“一个”、“一种”和“所述(the)”包括复数指示物。还应注意术语“或”一般以其包括“和/或”的含义来使用，除非上下文另外明确规定。

发酵罐一般定义为其中执行发酵过程的任何容器。在给出大量发酵过程和多种可发酵基质的情况下，发酵罐可为从在酒精饮料行业中发现的简单连续搅拌槽反应器到具有针对具体基质和/或具体生物物质来定制的气体分布和内部结构的高度复杂、专用的容器。适用于将含碳气体如甲烷和合成气(CO与H₂的混合物)转化成更长链气态和液态烃的发酵罐一般将含有C₁碳化合物的气体基质分散于含有一种或多种营养物的液体培养基中以提供多相混合物。将此多相混合物馈给至一个或多个将气体基质中的C₁碳化合物的一部分转化成更优选、更长链C₂或高级化合物的微生物集落。基质组成、营养物和构成集落的微生物有机体(即，发酵罐内的生物质)可被不同地调节或定制以提供C₂或高级化合物的所需最终基质，其可以液体、气体或细胞内物质形式存在。

从传质观点来看，气体基质发酵罐造成独特难题，因为基质截留在气泡内并且为了使微生物吸收基质发生，气体基质必须首先直接或间接地经由溶解于液体培养基中从气泡传递至微生物有机体。因此，这类发酵过程常常受系统在发酵罐内促进且/或维持基质从气泡到微生物有机体的合意高水平传质的能力限制。至少，从气泡到周围液体培养基或微生物有机体的传质速率随着气泡内的气体压力、气泡的体积与表面积比率，和气泡与周围液体或微生物有机体的接触时间而变化。增加气泡内的压力或增加气泡与周围液体或微生物有机体的接触时间导致基质与微生物有机体之间的较高有效传质速率。减少气泡的体积与表面积比率(即，减少气泡的直径)导致气泡与周围液体之间的较高有效传质速率。因此，理想的发酵罐具有在相对高压力下的很多相对较小直径气泡，其被维持与周围液体或微生物有机体紧密或亲密接触持续延长时间。

本文公开能够提供相对较小直径、相对高压气泡的若干发酵系统、方法和装置。本文公开能够提供与周围液体和/或生物有机体的延长接触时间的若干发酵系统、方法和装置。这类发酵系统、方法和装置可有利地提供高效气体基质发酵系统，发现其尤其适用于将C₁化合物转化成更优选气态、液态和细胞内C₂和高级化合物。

如本文使用，术语“C₁基质”或“C₁化合物”是指缺少碳-碳键的任何含碳分子或组合物。样品分子或组合物包括甲烷、甲醇、甲醛、甲酸或其盐、一氧化碳、二氧化碳、合成气、甲胺(例如，一甲胺、二甲胺、三甲胺)、甲基硫醇或甲基卤素。

如本文使用，术语“C₁代谢微生物”或“C₁代谢非光合作用微生物”是指具有使用单一碳(C₁)基质作为能量来源或作为其唯一的能量和生物质来源的能力，并且可或可不使用其它碳基质(如糖和复杂碳水化合物)获得能量和生物质的任何微生物。举例来说，C₁代谢微生物可氧化C₁基质，如甲烷或甲醇。C₁代谢微生物包括细菌(如甲烷氧化菌和甲基营养菌)和酵母。在至少一些情况下，C₁代谢微生物不包括光合作用微生物，如藻类。在某些实施方案中，C₁代谢微生物为“专性C₁代谢微生物”，意指其唯一的能量来源包括C₁基质并且没有别的来源。

如本文使用，术语“甲基营养细菌”是指能够氧化不含有碳-碳键的有机化合物的任何细菌。在某些实施方案中，甲基营养细菌可为甲烷氧化菌。举例来说，“甲烷氧化细菌”是指具有氧化甲烷作为其主要碳和能量来源的能力的任何甲基营养细菌。示例性甲烷氧化细菌包括甲基单胞菌属、甲基细菌属、甲基球菌属、甲基弯曲菌属、甲基孢囊菌属、甲基微菌属或甲烷单胞菌属。在某些其它实施方案中，甲基营养细菌是“专性甲基营养细菌”，这是指受限于使用C₁基质来产生能量的细菌。

如本文使用，术语“CO使用细菌”是指天然地具有氧化一氧化碳(CO)作为碳和能量来源的能力的细菌。可利用来自“合成气体”或“合成气”的一氧化碳，所述合成气为通过气化任何有机原料，如煤、煤油、天然气、生物质和废弃有机物质来产生的一氧化碳与氢的混合物。一氧化碳使用细菌不包括必须经基因修饰以在作为其碳来源的一氧化碳上生长的细菌。

如本文使用，术语“合成气”是指包括至少一氧化碳(CO)和氢(H₂)的混合物。在至少一些情况下，合成气还可包括CO₂、甲烷和相对于CO和H₂呈较少量的其它气体。合成气可使用任何可获得过程，包括但不限于，水煤气转换或煤气化过程来制备。

如本文使用，术语“生长”定义为细胞质量的任何增加。这可经由细胞分裂(复制)和“平衡生长”期间或“不平衡生长”期间的新细胞的形成来发生，在“不平衡生长”期间，细胞质量由于一个或多个细胞内或细胞间聚合物，例如某些脂质的积聚而增加。在后一情况下，生长可表现为由于生物聚合物在细胞内的积聚而导致细胞大小增加。在“平衡细胞生长”期间，所有原料(电子供体和电子受体)和所有营养物以制得细胞的所有大分子组分所需要的比率存在。也就是说，没有原料或营养物限制蛋白质、复杂碳水化合物聚合物、脂肪或核酸的合成。相比之下，在“不平衡细胞生长”期间，制得细胞大分子中的一种或多种所需要的原料或营养物不以平衡生长所需要的量或比率存在。因此，此原料或营养物变得有限制并且被称为“限制营养物”。

一些细胞可仍然在不平衡条件下实现净生长，但是生长是不平衡的并且可在不存在限制原料或营养物的情况下合成的聚合物将积聚。这些聚合物包括脂质或细胞内存储产物，如聚羟基烷酸酯(PHA)，包括聚羟基丁酸酯(PHB)、聚羟基戊酸酯(PHV)和聚羟基己酸酯(PHHx)-糖原或分泌材料，如细胞外多糖。这类油组合物适用于生产生物塑料。

样品平衡和不平衡生长条件可在培养基中的含氮量方面不同。举例来说，氮构成细胞干重的约12％，这意味着必须供应12mg/L的氮(以所需化学计算比率的原料和其它营养物)以生长100mg/L的细胞干重。如果其它原料和营养物可以产生100mg/L的细胞干重所需要的量获得，但是提供小于12mg/L的氮，那么不平衡细胞生长可发生，并且不含有氮的聚合物积聚。如果随后提供氮，那么存储的聚合物可充当细胞的原料，从而允许平衡生长，与新细胞的复制和产生。

如本文使用，如应用于细胞或微生物的术语“生长周期”是指细胞或微生物在培养条件下经过的代谢周期。举例来说，周期可包括各种阶段，如延缓期、指数生长期、指数生长期结束和静止期。

如本文使用，术语“指数生长”、“指数生长期生长”、“对数生长期”或“对数生长期生长”是指微生物生长和分裂的速率。举例来说，在对数生长期期间，微生物在给定其遗传潜力、培养基性质和其生长的条件的情况下以其最大速率生长。微生物生长速率在指数生长期期间是恒定的并且微生物每隔一定时间分裂并在数量上加倍。“活跃地生长”的细胞是在对数生长期生长的细胞。相比之下，“静止期”是指培养物的细胞生长减缓或甚至停止的生长周期中的时间点。

如本文使用，术语“生长改变环境”是指具有抑制细胞生长或杀灭细胞的能力的能量、化学品或活物。抑制剂可包括诱变剂、药物、抗生素、紫外线、极端温度、pH、代谢副产物、有机化学品、无机化学品、细菌、病毒等。

如本文使用，术语“高生长变体”是指能够使用作为唯一碳和能量来源的C₁基质如甲烷或甲醇来生长的生物体、微生物、细菌、酵母或细胞，并且其具有比亲本、参考或野生型生物体、微生物、细菌、酵母或细胞更快的指数生长期生长速率-也就是说，如与亲本细胞相比，高生长变体具有更快倍增时间，从而具有较高生长速率以及每克代谢C₁基质的细胞质量产率(参见，例如，美国专利号6,689,601)。

如本文使用，术语“生物燃料”是指至少部分从“生物质”衍生的燃料。

如本文使用，术语“生物质”是指具有生物来源的可再生资源。

如本文使用，术语“生物炼制厂”是指整合生物质转化过程和设备以从生物质生产燃料的设施。

如本文使用，术语“炼制厂”是指炼油厂或其方面，其中可加工油组合物(例如，生物质、生物燃料或化石燃料如原油、煤或天然气)。在这类炼制厂执行的实例过程包括裂化、转酯、重整、蒸馏、加氢处理、异构化或其任何组合。

如本文使用，术语“重组体”或“非天然”是指具有至少一种遗传改变或通过引入异源核酸分子来修饰的生物体微生物、细胞、核酸分子或载体，或是指已经改变以使得可控制内源性核酸分子或基因的表达的细胞。重组体还指从具有一种或多种这类修饰的细胞衍生的细胞。举例来说，重组细胞可表达未以相同形式发现于原生细胞(即，未修饰或野生型细胞)中的基因或其它核酸分子，或可提供内源性基因的改变表达模式，即否则可过度表达、表达不足、最低限度地表达，或根本不表达的这类基因。在另一个实例中，编码酶或其功能片段的核酸分子的遗传修饰可向新的或从其天然发生状态改变的重组微生物或细胞提供生化反应或代谢途径能力。

如本文使用，术语“异源”核酸分子、构建体或序列是指核酸分子或核酸分子序列的一部分，其对于它在其中表达的细胞来说并非原生的或与类似条件下的原生表达水平相比，是具有改变表达的核酸分子。举例来说，异源控制序列(例如，启动子、增强子)可用于以不同于基因或核酸分子通常在自然界或培养物中表达的方式来调控基因或核酸分子的表达。一般来说，异源核酸分子对于其存在于其中的细胞或基因组部分来说并非内源性，并且已通过偶联、转化、转染、电穿孔等添加至细胞。

本公开的发酵系统可包括分离单元(例如，彼此紧邻或相邻或不相邻安置的加工单元或系统)、整合单元或系统本身可互连并整合。本公开的系统可使用至少一种气相原料，包括一种或多种C₁化合物、氧和/或氢。在某些实施方案中，发酵系统使用C₁代谢微生物(例如，甲烷氧化菌如丝孢甲基弯曲菌OB3b、荚膜甲基球菌Bath、甲基单胞菌属一种16a、嗜碱甲基微菌20Z或高生长变体或其组合)作为发酵培养物中的主要微生物。

各种培养方法可用于本文描述的微生物、细菌和酵母。举例来说，C₁代谢微生物，如甲烷氧化菌或甲基营养细菌，可通过分批培养和连续培养方法来生长。一般对数生长期的细胞经常负责在一些系统中大量生产所感兴趣的产物或中间物，而静止期或指数生长期后生产可在其它系统中获得。

经典分批培养方法是封闭系统，其中在培养启动时，设定培养基组成并且在培养过程期间不改变。也就是说，培养基在培养过程开始时以选择的一种或多种微生物接种，然后使其生长而不将任何对象添加至系统。如本文使用，“分批”培养涉及不改变初始添加的具体碳源的量，而可在培养期间监测并改变因素如pH和氧浓度的控制。在分批系统中，系统的代谢物和生物质组成不变地变化直至培养时间终止。在分批培养物内，细胞(例如，细菌如甲基营养菌)一般从静态延缓期移至高生长对数生长期直至静止期，其中生长速率降低或停止(并且如果条件变化，则最终导致细胞死亡)。

分批馈料系统是标准分批系统的变化，其中随着培养进展，所感兴趣的碳基质递增地添加。当细胞代谢可能受降解物阻遏抑制时并且当需要在培养基中具有有限量的基质时，分批补馈料系统是适用的。由于很难测量分批补馈料系统中的实际基质浓度，因此基于可测量因素如pH、溶解氧和废气分压的变化来进行估计。分批和分批馈料培养方法是常见的并且在本领域中是已知的(参见，例如，Thomas D.Brock,Biotechnology:A Textbook ofIndustrial Microbiology,第2版(1989)Sinauer Associates,Inc.,Sunderland,MA；Deshpande,1992,增刊Biochem.Biotechnol.36:227)。

连续培养物是“开放的”系统，在某种意义上即界定的培养基连续添加至生物反应器，同时相等量的已用(“调节”)培养基同时移除以便加工。连续培养物一般将细胞维持于恒定较高、液相密度下，其中细胞主要在对数生长期中。或者，连续培养可用固定细胞(例如，生物膜)来实施，其中碳和营养物连续添加并且有价值的产物、副产物和废弃产物从细胞团块中连续移除。细胞固定可使用由天然材料、合成材料或其组合组成的广泛范围的固体载体来实现。

连续或半连续培养允许调节影响细胞生长或最终产物浓度的一种或多种因素。举例来说，一种方法可将有限营养物维持于固定速率(例如，碳源、氮)并且允许所有其它参数随着时间的推移而变化。在其它实施方案中，影响生长的多个因素可连续改变，同时如通过培养基浑浊度测量的细胞浓度维持恒定。连续培养系统的目标是维持稳态生长条件，同时将由于培养基抽取而导致的细胞损失相对于细胞生长速率来加以平衡。调节连续培养过程的营养物和生长因素的方法和最大化产物形成速率的技术在本领域中是熟知的(参见Brock,1992)。

在某些实施方案中，培养基包括碳基质作为C₁代谢微生物的能量来源。合适的基质包括C₁基质，如甲烷、甲醇、甲醛、甲酸(甲酸盐)、一氧化碳、二氧化碳、甲基化胺(甲胺、二甲胺、三甲胺等)、甲基化硫醇或甲基卤素(溴代甲烷、氯代甲烷、碘代甲烷、二氯甲烷等)。在某些实施方案中，培养基可包含单一C₁基质作为C₁代谢微生物的唯一碳源，或可包含两种或更多种C₁基质的混合物(混合C₁基质组合物)作为C₁代谢微生物的多个碳源。

另外，已知一些C₁代谢生物体利用非C₁基质，如糖、葡糖胺或各种氨基酸用于代谢活动。举例来说，一些假丝酵母菌种可代谢丙氨酸或油酸(Sulter等人,Arch.Microbiol.153:485-489,1990)。扭脱甲基杆菌AM1能够在有限数目C₂，C₃，和C₄基质上生长(Van Dien等人,Microbiol.149:601-609,2003)。或者，C₁代谢微生物可为具有利用替代碳基质的能力的重组变体。因此，取决于所选择的C₁代谢微生物，预期培养基中的碳源可包括具有单一和多碳化合物的碳基质的混合物。

在某些实施方案中，本公开提供制造燃料的方法，包括将来自主要包含C₁代谢非光合作用微生物的培养物的生物质转化成油组合物并且将油组合物精制成燃料。在某些实施方案中，C₁代谢非光合作用微生物是专性C₁代谢非光合作用微生物，如专性甲烷氧化菌或甲基营养菌。在其它实施方案中，C₁代谢非光合作用微生物是包含异源多核苷酸的重组微生物，所述多核苷酸编码脂肪酸产生酶、甲醛同化酶或其组合。在其它实施方案中，油组合物从C₁代谢非光合作用微生物，如甲基营养菌或甲烷氧化菌的细胞膜中衍生或提取。

在某些实施方案中，本公开提供通过在精制单元中精制油组合物以产生燃料来制造燃料的方法，其中油组合物从C₁代谢非光合作用微生物，如甲基营养菌或甲烷氧化菌衍生。在其它实施方案中，所述方法进一步包括使用加工单元从C₁代谢非光合作用微生物中提取油组合物。在更进一步实施方案中，所述方法包括(a)在受控培养单元中，在包含C₁基质的原料存在下，培养C₁代谢细菌，其中培养的细菌产生油组合物；(b)在加工单元中，从培养的细菌中提取油组合物；并且(c)在精制单元中精制提取的油组合物以产生燃料。在某些实施方案中，原料C₁基质是甲烷、甲醇、甲醛、甲酸、一氧化碳、二氧化碳、甲胺、甲基硫醇或甲基卤素。

在某些实施方案中，本公开提供制造天然产物，如乙醇、醋酸酯、丁醇、单细胞蛋白质、糖或其它代谢物或细胞产物的方法，其中天然产物从C₁代谢非光合作用微生物，如甲基营养菌或甲烷氧化菌衍生。

在其它实施方案中，所述方法进一步包括使用加工单元从C₁代谢非光合作用微生物中提取天然产物。

在更进一步实施方案中，所述方法包括(a)在受控培养单元中，在包含C₁基质的原料存在下，培养C₁代谢细菌，其中培养的细菌产生天然产物；(b)在加工单元中从培养的细菌中提取天然产物；并且(c)精制天然产物以产生商用产品。在某些实施方案中，原料C₁基质是甲烷、甲醇、甲醛、甲酸、一氧化碳、二氧化碳、甲胺、甲基硫醇或甲基卤素。

在某些实施方案中，本公开提供制造天然或非天然产物，如乙醇、醋酸酯、丁醇、异戊二烯、丙烯、法呢烯、酶或其它代谢物或细胞产物的方法，其中产物从已经用异源核苷酸序列转化的基因工程改造的C₁代谢非光合作用微生物，如甲基营养菌或甲烷氧化菌衍生。在其它实施方案中，所述方法进一步包括使用加工单元从基因工程改造的C₁代谢非光合作用微生物中提取产物。在更进一步实施方案中，所述方法包括(a)在受控培养单元中，在包含C₁基质的原料存在下，培养基因工程改造的C₁代谢细菌，其中培养的细菌产生天然产物；(b)在加工单元中从培养的细菌中提取天然产物；并且(c)精制天然产物以产生商用产品。在某些实施方案中，原料C₁基质是甲烷、甲醇、甲醛、甲酸、一氧化碳、二氧化碳、甲胺、甲基硫醇或甲基卤素。

在某些实施方案中，本公开提供制造天然或非天然产物，如乙醇、醋酸酯、丁醇、异戊二烯、丙烯、法呢烯、酶或其它代谢物或细胞产物的方法，其中产物从非C₁代谢微生物，如大肠杆菌、酿酒酵母或其它常见产生微生物衍生。在某些实施方案中，原料基质是葡萄糖、蔗糖、甘油、纤维素或其它多碳原料。

图1示出示例性发酵罐100，其包括安置于由容器108形成的内部空间106中的若干中空流体导管102(为了清楚，仅一个在图1中示出)。容器108可包括一个或多个壁110、底部124和任选的顶部126，所述顶部部分或完全封闭中空流体导管102、容器108或两者。存在于若干中空流体导管102与容器108之间的空间的至少一部分提供一个或多个向下流动路径114，向下流动116可藉以发生。存在于若干中空流体导管102中的每一个内的空间的至少一部分提供一个或多个向上流动路径118，向上流动120可藉以发生。一个或多个液体分配器130可安置于容器108中、上或周围以将一种或多种液体引入向下流动路径114。一个或多个气体分配器132可安置于容器108中、上或周围以将一种或多种气体或气体基质引入向下流动路径114。与环或气举发酵罐设计相比，将中空流体导管102定位于容器108内有利地允许更精确且更一致的按比例调整，因为发酵罐100的体积基于半径或横截面轮廓而非长度来按比例调整。

在一些情况下，经由一个或多个气体分配器132来添加一种或多种基质气体促进在向下流动路径114内的液体中形成细碎基质气泡。液体与细碎、分散气体或气体基质气泡的组合产生多相混合物，其在向下流动路径114中具有总体上向下流动116。向下流动116包括分散于多相混合物液体内的显著数量的夹带气体或基质气泡。在多相混合物中，气泡与液体之间的密度差异导致气体或气体基质气泡倾向于上升。然而，通过将向下流动路径114中的向下流动116的表观速度维持在大于气泡上升速率的速率下，在向下流动路径114中存在于多相混合物中的气体基质气泡在总体上向下方向上以减小速度行进。向下流动路径114中的气体基质气泡的净速度是向下流动路径114中的多相流体的表观速度减去气体基质气泡的上升速率。由于气体基质气泡经由向下流动路径114以小于气举发酵罐中的可比较的上升速率的速度行进，因此气体基质气泡与存在于向下流动路径114中的微生物有机体之间的接触时间有利地增加超过气举类型发酵罐。虽然为了清楚，仅一个液体分配器130和一个气体分配器132在图1中示出，但是许多额外液体分配器、气体分配器或其组合可在向下流动路径114内以规则或不规则间隔添加。

向下流动路径114中的多相混合物经由一个或多个流体导管、开口、孔口、孔或间隙进入122向上流动路径118，所述流体导管、开口、孔口、孔或间隙将若干中空流体导管102(即，向上流动路径118)流体连接或流体耦接至容器108的内部空间106，所述内部空间存在于容器壁110与若干中空流体导管102(即，向下流动路径)之间。在一个情况下，向下流动路径114中的多相混合物可经由中空流体导管与容器108底部124之间的间隙来进入中空流体导管102。在至少一些情况下，容器108的底部124可成形、形成或构造以促进生物材料(即，“生物固体”或“生物质”)在容器108内的所需位置处积聚。举例来说，底部124可成圆锥形、碟形或倾斜以使得落至发酵罐100底部的生物质优选收集于一个或多个预定位置。在这种情况下，若干中空流体导管102中的每一个可具有不同长度以便在若干中空流体导管102中的每一个的入口与容器108底部124之间维持所界定的所需或优选间隙或间隔。

已经进入向上流动路径118，多相混合物在其中产生向上流动120。向上流动路径118中的流体和气泡将在总体上向上方向上行进。气泡在向上流动路径118中的上升速率等于流体速度加上流体内的气泡的上升速率。在至少一些情况下，许多额外液体分配器130、气体分配器132或其组合可以规则或不规则间隔添加于向上流动路径118内。

多相混合物136从向上流动路径118流动并且经由一个或多个多相混合物排放连接138离开发酵罐100。在至少一些情况下，一个或多个多相混合物排放连接138可流体耦接至由若干中空流体导管102提供的向上流动路径118中的每一个。在一些情况下，一个或多个多相混合物排放连接138可包括一个或多个带法兰的或螺纹连接。在一些情况下，一个或多个多相混合物排放连接138可包括一个或多个快速脱开或类似容易消毒的流体耦接或连接。

在一些情况下，热能(例如，呈可感热形式)可通过在发酵罐100内发生的一个或多个发酵过程产生或释放。在维持不受控制的情况下，足够热能可在发酵罐100中产生以不利地影响发酵罐100内的微生物有机体的生长或代谢。在一些情况下，不受控制的热能增加可导致发酵罐内的全部或一部分微生物有机体死亡。为了将至少一部分热能从发酵罐100移除，一个或多个热传递表面128可安置于中空流体导管102的内部或外部，一个或多个热传递表面140可安置于容器106内部或外部，或这类热传递表面128、140可安置于与向下流动路径114和向上流动路径118中的一个或两个流体和热接触的表面的任何组合上。

发酵罐100可包括全部或部分安置于由容器108形成的内部空间106中的许多中空流体导管102。若干中空流体导管102中的每一个可包括任何大小、形状或构造封闭流体通道，其具有恒定或可变横截面轮廓和恒定或可变壁厚。中空流体导管102中的每一个包括至少一个开口或入口，允许多相混合物进入若干中空流体导管102中的每一个导管内部上的向上流动路径118中。若干中空流体导管102中的每一个包括至少一个开口或出口，允许多相混合物136从向上流动路径118中退出。容器108可具有任何大小、形状或构造，其具有形成或另外界定内部空间106的一个或多个壁110。由一个或多个壁110形成的内部周边提供容器108的横向横截面轮廓和横向横截面面积。一个或多个壁110也形成容器108的内部周边150。

中空流体导管102中的每一个包括内部周边152，其至少一部分与向上流动路径118流体接触，和外部周边154，其至少一部分与向下流动路径114流体接触。向下流动路径114由中空流体导管102的外部周边154和容器108的内部周边150来界定。向上流动路径120由相应若干中空流体导管102中的每一个的内部周边154来界定。中空流体导管102中的每一个流体连接至容器108的内部空间106，从而允许多相混合物从向下流动路径114自由流动至向上流动路径118。

在至少一些情况下，若干中空流体导管102的合计横向横截面面积为容器108的横向横截面面积的约90％或更小；容器108的横向横截面面积的约75％或更小；容器108的横向横截面面积的约50％或更小；容器108的横向横截面面积的约25％或更小；容器108的横向横截面面积的约15％或更小；或容器108的横向横截面面积的约10％或更小。

一种或多种液体可使用定位于或流体耦接至向下流动路径114的一个或多个液体分配器130来引入至向下流动路径114。这类液体可包括能够支持或运输溶解或悬浮物质或营养物至形成发酵罐100内的生物质的微生物有机体的任何液体培养基。一种或多种气体、基质气体或其组合可经由定位于或流体耦接至向下流动路径114的一个或多个气体分配器132来引入至向下流动路径114。这类气体可包括能够支持或提供物质或营养物至发酵罐100内的生物有机体的单一气体或气体组合。在至少一些情况下，这类气体可包括一种或多种惰性气体，例如氮。在至少一些情况下，多种气体、多种基质气体或其某种组合可个别地引入至向下流动路径114以有利地减少或甚至排除在发酵罐100外部形成爆炸性气体混合物。举例来说，当易燃C₁化合物(例如，甲烷)用于为发酵罐100内的生物有机体提供气态基质的至少一部分时并且当空气用于向发酵罐100内的生物有机体提供氧时，含有易燃C₁化合物的气体可使用第一气体分配器132a引入并且空气使用第二、实体上不同或分离的气体分配器132b引入以避免C₁化合物和空气在发酵罐100外部混合。将一种或多种液体和一种或多种气体引入向下流动路径114产生多相流体在向下流动路径114内的向下流动116。在向下流动路径114内发生的生物生长可从向下流动路径114中的多相流体的向下流动116中吸收氧、营养物和C₁化合物。

将一种或多种易燃C₁化合物和含氧气体同时引入发酵罐100可导致在发酵罐100内形成可燃性或爆炸性气体混合物。为了减少这类事件的可能性，向下流动路径114和向上流动路径118可具有一定物理形状或构造以使得当液体经由一个或多个液体分配器130引入发酵罐100时，两个路径维持“流体满的”(即，向下流动路径114和向上流动路径118内的气体聚集点最小化，或更优选地消除)。在至少一些情况下，一个或多个气体释放设备或液体/气体分离设备(图1未示出)可流体耦接至向下流动路径114、向上流动路径118或两者以从发酵罐100中移除积聚气体。这类移除气体可部分或完全回收并且部分或完全再循环至发酵罐100或可燃烧或另外安全地处置。

若干中空流体导管102中的每一个可具有相同或不同横向横截面轮廓。示例性中空流体导管102横向横截面轮廓包括但不限于圆形横向横截面轮廓、长方形或正方形横向横截面轮廓，或三角形横向横截面轮廓(即，从中空流体导管102的纵轴横向截取的轮廓)。在一些情况下，一种以上类型中空流体导管102可用于单一发酵罐100内。举例来说，发酵罐100中的若干中空流体导管102的一部分可具有圆形横向横截面轮廓，而中空流体导管102的其余部分具有正方形横向横截面轮廓。

全部或一部分中空流体导管102可包括适用于支持、促进或另外培育生物有机体生长的一个或多个压凸或压凹表面特征。全部或一部分中空流体导管102可包括一个或多个压凸或压凹表面特征，其适用于促进或另外增强湍流或传热至向下流动路径114、向上流动路径120或两者中的相应热传递表面128、140。所有或一部分中空流体导管102可包括一个或多个挡板以增加向上流动路径118内的湍流，湍流的此增加可有利地改进向上流动路径118内的传质，以及增加存在于向上流动路径118中的气体基质气泡的停留时间。

在一些情况下，若干中空流体导管102中的每一个的纵轴平行于安置于容器108中的每一其它中空流体导管102的纵轴来对齐。在一些情况下，若干中空流体导管102中的每一个的纵轴平行于容器108的纵轴。在一些情况下，全部或一部分若干中空流体导管102中的每一个的纵轴平行于并且与容器108的纵轴同轴对齐。

中空流体导管102中的每一个可具有相同或不同长度。在一些情况下，若干中空流体导管102的至少一部分可延伸至或甚至超过容器108的底部124。在这种情况下，向下流动路径114可经由一个或多个外部流体导管，例如经由定位于容器108外部的一个或多个管道网络来流体耦接至向上流动路径118。中空流体导管102中的每一个可具有约6英寸至约240英寸；约12英寸至约192英寸；或约24英寸至约144英寸的长度。

若干中空流体导管102中的每一个可为金属、非金属或复合结构。举例来说，中空流体导管102中的每一个可包括一种或多种金属材料如304、304L、316或316L不锈钢。在一些情况下，一个或多个涂层、层、覆盖、插入物或其它材料可沉积于、施加至、与若干中空流体导管120中的每一个的全部或一部分连接或与其形成一体以有利地或有害地影响微生物有机体与其附着或于其上生长的的能力。举例来说，抑制微生物有机体生长或附着的涂层可沉积于导热耦接至热传递表面128的一部分中空流体导管102上或与其形成一体。在另一个实例中，促进生物有机体生长或附着的涂层可在积聚生物质的移除更容易实现的区域中沉积于中空流体导管102上或与其形成一体。

在至少一些情况下，中空流体导管102中的每一个包括基本上长方形或正方形中空构件，其具有沿着导管的纵轴延伸的孔。在其它情况下，中空流体导管102中的每一个包括基本上圆柱形中空构件，其具有沿着导管的纵轴延伸的孔。这类正方形或圆柱形中空流体导管102的内部和外部直径可沿着导管的轴向长度为连续或恒定的或可沿着导管的轴向长度变化。举例来说，圆柱形中空流体导管102的内部和外部直径可沿着向上流动路径118顺流增加以使得沿着向上流动路径的流体速度从中空流体导管102的入口至出口减少。圆柱形中空流体导管102可具有约2英寸至约240英寸；约4英寸至约192英寸；约6英寸至约144英寸；约8英寸至约120英寸；或约12英寸至约96英寸的内部直径。长方形或正方形中空流体导管102可具有约2英寸至约240英寸；约4英寸至约192英寸；约6英寸至约144英寸；约8英寸至约120英寸；或约12英寸至约96英寸的对角线。

在至少一些情况下，中空流体导管102、容器108或两者的结构可包括促进全部或一部分过程接触表面消毒的特征。这类消毒可例如使用蒸汽消毒、紫外线消毒、化学消毒或其组合来实现。在至少一些情况下，一种或多种非金属材料或一种或多种非金属涂料可在一些或全部若干中空流体导管102的内部或外部的全部或一部分内使用。使用这类非金属材料可有利地提供例如能够支持或促进生物生长的可消毒表面。

全部或一部分若干中空流体导管102可任选地包括一个或多个热能传递表面128，其适用于限制向下流动路径114或向上流动路径120中的一个或两个内的热量积累。热能传递表面128可包括沿着中空流体导管102的内部周边152、外部周边154或内部和外部周边两者安置的一个或多个导管或储槽。一个或多个导管或储槽可包括一个或多个热传递介质可流动通过的任何设备或系统。在至少一些情况下，一个或多个热能传递表面128可与中空流体导管102整体地形成，从而形成导管的至少一部分。在一个实例中，热能传递表面128可包括一个或多个储槽，通过其热传递流体可流动或循环，并且其导热耦接至中空流体导管102的至少一部分。在另一个实例中，热能传递表面128可包括一个或多个管或导管盘管或类似结构，通过其热传递流体可流动或循环，并且其导热耦接至中空流体导管102的至少一部分。热传递介质可包括能够提供热能至向下流动路径114或向上流动路径118的一个或两个或从向下流动路径114或向上流动路径118的一个或两个移除热能的任何材料，包括气体或液体。示例性热传递介质包括但不限于冷却水、冷冻水和蒸汽。

中空流体导管102中的每一个可永久性或可拆卸地附接至容器108。在至少一些情况下，中空流体导管多相混合物排放流体连接138可附接或另外固定至容器108的顶部126以允许流经向上流动路径118的多相混合物136退出若干中空流体导管102中的每一个。

容器108的高度可与全部或一部分若干中空流体导管102的长度相同或不同。当容器108的高度小于全部或一部分若干中空流体导管102的长度时，所有或一部分中空流体导管102可从容器108的底部124、容器108的顶部126或容器108的顶部和底部突出。容器108可具有约6英寸至约240英寸；约12英寸至约192英寸；或约24英寸至约144英寸的高度。

容器108可具有规则或不规则横向横截面轮廓(即，从容器108的纵轴横向截取的轮廓)。示例性容器108横向横截面轮廓包括但不限于圆形横向横截面轮廓、正方形横向横截面轮廓或三角形横向横截面轮廓。举例来说，容器108的横向横截面轮廓可与向下流动路径114顺流减小以使得多相混合物的流体速度和压力沿着向下流动路径114增加。

容器108的所有或一部分壁110、底部124或顶部126可任选地包括一个或多个热能传递表面140，其适用于限制向下流动路径114内的热量积累。热能传递表面140可包括一个或多个导管或储槽，其导热耦接至容器108内的向下流动路径114的至少一部分并且一个或多个热传递介质可通过其流动。举例来说，热能传递表面140可包括热传递流体可通过其流动或循环的一个或多个储槽。在另一个实例中，热能传递表面140可包括热传递流体可通过其流动或循环的一个或多个管或导管盘管或类似结构。热传递介质可包括能够提供热能至向下流动路径114或从向下流动路径114移除热能的任何材料，包括气体或液体。示例性热传递介质包括但不限于冷却水、冷冻水和蒸汽。

在至少一些情况下，容器106可为金属、非金属或复合结构。示例性金属结构包括从材料如304、304L、316或316L不锈钢制造的容器壁、顶部和底部表面。示例性非金属结构包括但不限于玻璃纤维、玻璃纤维增强塑料(FRP)、聚乙烯等。示例性复合结构包括但不限于金属增强FRP等。在一些情况下，一个或多个涂层或其它材料可与容器108一体式形成或施加至容器以多方面地影响微生物有机体与其附着的能力。举例来说，在由热传递表面140占据的区域中，抑制微生物有机体生长或附着的涂层可沉积于容器108上或与其一体式形成。在另一个实例中，促进微生物有机体生长或附着的涂层可在积聚生物质的移除更容易实现的区域中沉积于容器108上或与其形成一体。

一个或多个液体分配器130安置于向下流动路径114内、向上流动路径118内、流体耦接至向下流动路径114、流体耦接至向上流动路径120或其组合。一个或多个液体分配器130可包括能够在选定流动路径内以任何所需模式分配流体的任何设备、结构或系统。在一些情况下，一个或多个液体分配器130的全部或一部分可包括管或分配板，其含有通过其流体进入相应流动路径的若干孔口或孔。在一些情况下，一个或多个液体分配器130的全部或一部分可包括安置于容器108的适当位置的流体连接如喷嘴或耦接。在至少一些情况下，液体分配器130可定位于向下流动路径114、向上流动路径120中的一个或两个内的多个位置。使用定位于向下流动路径114和/或向上流动路径120内的多个位置的液体分配器130有利地允许引入含有适用于促进积聚生物质的一种或多种所需性质的一个或多个组分的液体。举例来说，含有一种或多种生长促进组分的液体可使用定位于向下流动路径114中的第一液体分配器130a来引入并且含有增加一种或多种所需化合物的产生的一种或多种组分的液体可使用定位于向下流动路径114或向上流动路径120中的稍后点的第二液体分配器130b来引入。

一个或多个液体分配器130基于预期流量、操作温度、操作压力和容许压力下降来设定大小或选择。液体分配器130可包括分配器中的液体通过其退出的若干孔口，这类孔口可基于确定的流量范围和容许压力下降范围来设定大小并定位。在一些情况下，离开一个或多个液体分配器130的液体可流经一个或多个分散或混合设备，其促进离开分配器130的液体和流经相应流动路径的多相混合物之间的分散或混合。

一个或多个气体分配器132安置于向下流动路径114、向上流动路径120或两者内或与其流体接触。一个或多个气体分配器132可包括能够在选定流动路径内、以任何确定模式分配具有定义物理气泡大小或形状的一个或多个气体的任何设备、结构或系统。在一些情况下，一个或多个气体分配器132的全部或一部分可包括管或分配板，其含有气体、气体基质或其组合通过其引入流动路径的若干孔口或孔。在一些情况下，一个或多个气体分配器132的全部或一部分可包括能够在选定流动路径内产生许多细小气泡的烧结金属或多孔陶瓷分配板。在至少一些情况下，气体分配器132可定位于向下流动路径114、向上流动路径118中的一个或两个内的多个位置。

气体基质气泡可引入接近于液体分配器130的位置(即，在向下流动路径114的起始处)。在接近于液体分配器130的位置引入气体基质气泡通过多相混合物穿过向下流动路径114的流动来有利地允许沿着向下流动路径114来推动气体基质气泡。沿着向下流动路径114向下传递气体基质气泡可有利地改进传质，因为随着归因于增加的流体静压头的沿着向下流动路径114的压力增加，气体基质气泡大小倾向于减小。存在于多相混合物的向下流动116中的气体基质气泡倾向于当其沿着向下流动路径114和穿过发酵罐100来行进时变得更小。有利地，发酵罐100内的剪切力和发热减少，因为不需要常规搅拌器来分散气体基质气泡或维持存在于发酵罐100内的多相混合物中的气体基质气泡的分散。

使用定位于向下流动路径114和/或向上流动路径120内的多个位置的气体分配器132有利地允许引入含有适用于促进积聚生物质的一种或多种所需性质的一种或多种组分的气态基质。举例来说，含有一种或多种生长促进组分的气体基质可使用定位于向下流动路径114中的第一气体分配器132a来引入并且含有增加一种或多种所需化合物的产生的一种或多种组分的气体基质可使用定位于向下流动路径114或向上流动路径120中的稍后点的第二气体分配器132b来引入。在至少一些情况下，气体分配器132可提供具有约0.01英寸至约1英寸；约0.05英寸至约0.75英寸；约0.075英寸至约0.75英寸；或约0.1英寸至约0.5英寸的直径的气体基质气泡。

图2示出示例性发酵系统200，其包括发酵罐100与任选背压子系统230、分离子系统250和任选热子系统270。虽然展示为整合系统200，但是任选子系统可个别地或以任何组合与发酵罐100一起安装或以其它方式组合。一种或多种液体202和一种或多种气体基质204引入发酵罐100以在其中形成多相混合物，所述多相混合物经由向下流动路径114和向上流动路径118来穿过发酵罐100行进。在穿过发酵罐100之后，多相流体可含有由发酵罐100内的生物有机体产生的一种或多种化合物、多相混合物内的液体中的未消耗的营养物和其它化合物、多相混合物内的气泡中的未消耗的气体，和呈生物固体形式的微生物有机体。过量微生物有机体可间歇地或连续地经由至少一个生物质移除流体连接208作为生物质从发酵罐100中移除。发酵罐100内的生物质积聚可移除以将发酵罐100内的总生物质维持于确定范围内或高于或低于确定阈值。在至少一些情况下，经由至少一个生物质移除流体连接208从发酵罐100移除的生物质可包括一种或多种适用的化合物。举例来说，过量生物质中的生物有机体可含有适用于产生生物燃料如生物柴油的一定量的一种或多种细胞内脂质或类似化合物。

一种或多种液体202可包括适合于维持或输送一种或多种营养物至发酵罐100内的微生物有机体的任何液体。这类液体202可包括但不限于含有水、一种或多种醇、矿物质、一种或多种含氮化合物、一种或多种含磷化合物等的溶液。在至少一些情况下，以受控方式并且在大于大气压力的压力下，使用一个或多个流体推进器216将一种或多种液体202输送至发酵罐100中的或与所述发酵罐流体耦接的一个或多个液体分配器130。一个或多个流体推进器216可包括能够在两个点之间传送液体的任何类型泵或类似设备。示例性流体推进器216包括但不限于离心泵、正位移泵(positive displacement pump)、螺杆泵、双隔膜泵等。其它例示性流体推进器216包括但不限于喷射器、排出器和类似设备。液体202传递至发酵罐100可为流量控制、压力控制或使用压力、温度、流量、水平、流率、表观速度，或从发酵罐100内的一个或多个点或发酵系统200内的一个或多个点收集的成分分析过程变量数据的组合来控制。在至少一些情况下，通过流体推进器216来传递液体202可基于发酵罐100内的一个或多个组分或化合物(例如，一个或多个含氮营养物)的测量浓度来控制，例如，通过流体推进器216转移的液体206的流量可响应于发酵罐100内的营养物浓度的测量降低来增加。

在至少一些情况下，通过流体推进器216转移的液体的流率可全部或部分地基于将向下流动路径114中的向下流体流动116的速度维持于确定范围内，所述范围能够将存在于多相混合物中的气泡沿着向下流动路径114向下运输。向下流动路径114中的向下流动116的速度可使用一个或多个接触或非接触流量传感器来测量。示例性流量传感器可包括但不限于磁性流量计、多普勒流量计、质量流量计等。在这种情况下，向下流动路径114中的向下流动116可具有约0.1英尺/秒(f/s)至约15f/s；约0.2英尺/秒(f/s)至约10f/s；或约0.5英尺/秒(f/s)至约5f/s的速度。

虽然在发酵罐100的入口侧描绘，但是流体推进器216可安置于可提供向下流动路径114中的向下流动116和向上流动路径118中的向上流动120的任何位置。举例来说，如图2示出，流体推进器216可流体耦接至发酵罐100的入口以提供经由向下流动路径114的强制向下流动116和经由向上流动路径118的强制向上流动120。在另一个实例中，全部或一部分流体推进器216可在向下流动路径114与向上流动路径118之间流体耦接以提供沿着向下流动路径114的诱导向下流动116和沿着向上流动路径118的强制向上流动120。在仍另一个实例中，所有或一部分流体推进器216可流体耦接至多相混合物排放流体连接138以诱导经由向下流动路径114的向下流动116并且诱导经由向上流动路径118的向上流动120。

一种或多种气体基质204可包括适合于维持或输送一种或多种营养物至发酵罐100内的生物有机体的任何一种或多种气体或气体组合。这类气体可包括但不限于一种或多种含有碳化合物的气体。这类气体可包括但不限于一种或多种含有C₁碳化合物如甲烷或一氧化碳的气体。一种或多种气体基质204还可包括用于发酵罐100内的生物有机体的代谢过程的一种或多种气体。这类气体可包括但不限于氧、含氧化合物和氢。一种或多种气体基质204可作为纯气体或作为气体混合物(例如，合成气–一氧化碳与氢的混合物)转移至发酵罐100。一种或多种气体基质204可个别地转移至发酵罐100(例如，甲烷和含氧气体如空气可个别地转移以将在发酵罐100外部形成爆炸气体混合物的可能性减少到最低限度)。

一种或多种气体基质204可任选地使用气体推进器218来转移至发酵罐100。示例性气体推进器218包括但不限于旋转叶压缩机、离心压缩机、螺杆压缩机等。一种或多种气体基质204的输送压力取决于各种因素，包括发酵罐100的操作压力和与用于将一种或多种气体基质204分配于向下流动路径114内的气体分配器132相关联的压降。类似地，至少部分地基于存在于发酵罐100中的生物有机体的需要，一种或多种气体基质的输送流率可手动地或自动地控制以将发酵罐100内的溶解气体的浓度或水平维持在确定范围内(例如，溶解氧高于至少4ppm)。在至少一些情况下，一种或多种气体基质204可在约5psig至约600psig；约5psig至约600psig；约25psig至约400psig；或约50psig至约300psig的压力下输送至发酵罐100。

许多气体可经由共同气体分配集管132或许多个别气体分配集管132来引入。这类气体分配集管可将所有气体基质204引入发酵罐100内的单一点或可将一部分气体基质204引入整个发酵罐100中的不同位置。在至少一些情况下，气体基质204可包括但是不限于甲烷、一氧化碳、氢或氧。在至少一些情况下，气体基质204的馈给速率可参考液体培养基202的馈给速率。举例来说，甲烷可作为气体基质204以约0.1克甲烷/升液体培养基(g/l)至约100g/l；约0.5g/l至约50g/l；或约1g/l至约25g/l的速率引入。一氧化碳(“CO”)可作为气体基质204以约0.1克CO/升液体培养基(g/l)至约100g/l；约0.5g/l至约50g/l；或约1g/l至约25g/l的速率引入。氧可作为气体基质204以约1克氧/升液体培养基(g/l)至约100g/l；约2g/l至约50g/l；或约5g/l至约25g/l的速率引入。氢可作为气体基质204以约0.01克氢/升液体培养基(g/l)至约50g/l；约0.1g/l至约25g/l；或约1g/l至约10g/l的速率引入。

在发酵罐100内，微生物有机体将代谢存在于多相混合物中的含碳化合物的至少一部分。此过程的至少一部分可包括产生额外微生物有机体，其增加存在于发酵罐100中的生物质的总数量。在维持不受控制的情况下，发酵罐100内的生物质可积聚至一定点以使得发酵罐100的一个或多个操作方面(例如，流率、压降、所需产物的产生等)受存在过量生物质损害或不利地影响。在这种情况下，需要移除存在于发酵罐100中的生物质的至少一部分的能力。在至少一些情况下，发酵罐100的底板124的至少一部分可倾斜(例如，锥形底部)或成形(例如，ASME碟形端板)以使得生物质优选在促进生物固体经由至少一个生物质移除流体连接208从发酵罐100中移除的发酵罐100内的位置处积聚。举例来说，ASME碟形端板可促进生物固体在最接近于流体连接或类似设备的端板的中央位置处积聚，从而允许生物固体208经由至少一个生物质移除流体连接208从发酵罐100中移除。

背压子系统230可包括许多设备、系统或其组合以将发酵罐100内的压力维持于确定范围内。举例来说，背压子系统230可将发酵罐100内的压力维持在等于或高于大气压力的范围中。在至少一些情况下，背压子系统230可维持约1psig至约150psig；约1psig至约100psig；约1psig至约75psig；约1psig至约50psig；或约1psig至约25psig的上游压力(即，发酵罐100中的压力)。将发酵罐100维持在大于大气压力的压力下可有利地改进气体基质气泡、液体培养基以及由此发酵罐100内的微生物有机体之间的传质速率，方式是将在微生物有机体的代谢过程中使用的气体分压维持在发酵罐100中的较高水平下(即，比可在大气压力下实现的分压大的气体基质分压)。

离开发酵罐100的多相混合物136的至少一部分由背压子系统230接收。离开发酵罐100的多相混合物136的流率可手动地或自动地控制。举例来说，离开发酵罐100的多相混合物136的流率可使用过程元件(图2未示出)如质量流量计、磁性流量计、超声波流量计或类似元件来测量。这类流量测定可向控制子系统290提供一个或多个信号，包括代表多相混合物排放136流量、速度、压力、组成或其组合的数据。控制子系统290可包括局部控制器、集中控制系统或能够向最终控制元件如控制阀(图2未示出)提供控制输出的分布式控制系统。多相混合物排放136穿过背压子系统230并且作为低压多相混合物232退出。在至少一些情况下，背压子系统230可维持下游压力(即，至分离子系统250的压力)并且低压多相混合物232可具有约1psig至约150psig；约1psig至约100psig；约1psig至约75psig；约1psig至约50psig；或约1psig至约25psig的压力。

背压子系统230可包括许多减压设备包括但不限于孔口、减压阀、涡轮机或能够提供已知、可控制的压降的任何其它设备或系统。在一些情况下，发酵罐100内的压力可基于提供至背压子系统230的一个或多个控制输入来手动地或自动地改变、控制或调节。在至少一些情况下，背压子系统230可包括一个或多个涡轮机或能够提供轴杆输出234的类似设备。这类轴杆输出234可用作能量回收设备236的输入，例如能够提供电力用于本地消耗或供应至本地商业、工业或住宅配电网的发电机。

分离子系统250可包括许多设备、系统或其组合以将低压多相混合物232分离成至少气体流出物252和液体流出物254。在至少一些情况下，存在于低压多相混合物232中的生物固体可分离成含有固体的流出物256。在至少一些情况下，来自分离子系统250的含有固体的流出物256的至少一部分可与一种或多种液体202组合以提供混合物258供返回到发酵罐100。在至少一些情况下，分离子系统250可包括一个或多个分离器，其具有容器108的体积的至少约10％；容器108的体积的至少约20％；容器108的体积的至少约20％；或容器108的体积的至少约40％的合计体积。

分离子系统250可包括一个或多个被动分离器(例如，一个或多个湿式旋风分离器等)，其能够将气体流出物252和液体流出物254从低压多相混合物232中分离。在至少一些情况下，被动分离器还可包括固体分离部分以分离存在于低压多相混合物232中的生物固体的至少一部分。在其它情况下，分离子系统230可包括一个或多个主动分离设备(例如，三相旋转分离器)，其能够将气体流出物252、液体流出物254和含有固体的流出物从低压多相混合物232中分离。

在至少一些情况下，气体流出物252可包括一种或多种气体基质(例如，甲烷或一氧化碳)和作为发酵罐100中的生物有机体的副产物而产生的一种或多种气态副产物(例如，二氧化碳)的混合物。在至少一些情况下，气体流出物252可分离(图2未示出)并且一种或多种气体基质的至少一部分例如作为气体基质204再循环至发酵罐100。在至少一些情况下，气体流出物252可包括一种或多种有用的化合物。举例来说，气体流出物252可含有一定量的一种或多种气态C₂₊烃化合物，包括但是不限于乙烷、乙烯、丙烷、丁烷和以其为基础的具有作为最终产品或作为后续过程中的原材料的价值的化合物。在将气体流出物252的至少一部分再循环至发酵罐100之前，这类有用的化合物可从气体流出物252中分离。

在至少一些情况下，液体流出物254可包括与液体202一起引入发酵罐的含有一种或多种液体、营养物等的混合物。在这种情况下，液体流出物254的至少一部分可分离(图2未示出)并且例如作为液体培养基202再循环至发酵罐100。在至少一些情况下，液体流出物254可包括一种或多种有用的化合物。举例来说，液体流出物254可含有一定量的一种或多种液体C₂₊烃化合物，包括但是不限于醇、酮、二醇和以其为基础的具有作为最终产品或作为后续过程中的原材料的价值的其它化合物。在处理液体流出物254或将液体流出物254的至少一部分再循环回到发酵罐100之前，这类有用的烃化合物可从液体流出物254分离。

在至少一些情况下，含有固体的流出物256可包括含有从发酵罐100移除的一种或多种液体和生物质的浆液或混合物。在这种情况下，可能需要将含有固体的流出物256的至少一部分再循环回到发酵罐100。将生物质再循环至发酵罐100可有利地用来将微生物集落再接种于发酵罐100内。虽然图2未示出，但是含有固体的流出物256的至少一部分可直接再循环至发酵罐100中的向下流动路径114。含有固体的流出物256的至少一部分可与一种或多种液体202混合并且再循环至发酵罐100。在至少一些情况下，含有固体的流出物256可包括一种或多种有用的化合物。举例来说，含有固体的流出物256中的生物有机体可含有适用于产生生物燃料如生物柴油的一定量的一种或多种细胞内脂质或类似化合物。虽然图2未示出，但在这种情况下，含有固体的流出物256的至少一部分可从分离子系统230移除以便后续加工成一种或多种所需产物。

热子系统270可包括许多设备、系统或其组合以将热能添加至发酵罐100内的多相流体或从发酵罐100内的多相流体移除热能。在至少一些情况下，在发酵罐100内发生的发酵产生作为副产物的热量。在维持不受控制的情况下，这类热量可不利地影响发酵罐100内的微生物有机体的代谢或健康。或者，微生物有机体还可具有一定温度，低于所述温度，有机体的代谢或健康受不利地影响。因此，发酵罐100内的生物有机体具有提供最优生长和代谢条件的确定温度范围。在至少一些情况下，发酵罐100内的多相混合物可使用热子系统270来维持于约130℉或更低；约120℉或更低；约110℉或更低；约100℉或更低；约95℉或更低；约90℉或更低；约85℉或更低；或约80℉或更低的温度。在至少一些情况下，发酵罐100内的多相混合物可使用热子系统270来维持于约55℉至约120℉；约60℉至约110℉；约110℉至约120℉；约100℉至约120℉；约65℉至约100℉；约65℉至约95℉；或约70℉至约90℉的温度。

在至少一些情况下，一个或多个热传递表面128可至少部分安置于向下流动路径114内以改变、调整或控制其中多相混合物的向下流动116的温度。类似地，一个或多个热传递表面140可至少部分安置于向上流动路径118内以改变、调整或控制其中多相混合物的向上流动120的温度。

在至少一些情况下，这类热传递表面128、140可包括一个或多个压电表面，其在电流穿过后提供冷却。这类热传递表面128、140可包括一个或多个电阻表面(例如，Calrod加热器)，其在电流穿过后提供加热来增加多相混合物的温度。在这种情况下，热子系统270可包括一个或多个系统以至少部分地基于发酵罐100中的多相混合物的测量温度来控制电力流动至热传递表面128、140。

在其它情况下，这类热传递表面128、140可包括若干储槽或导管，其定位于向下流动路径114、向上流动路径120或两者内，并且低温或高温下的热传递介质藉以循环以不同地冷却或加热发酵罐100中的多相混合物。热传递介质可包括能够将热能运输或以其它方式输送至发酵罐100中的多相混合物或接收来自其中的热能的任何流体、液体或气体。在这种情况下，热子系统270可包括一个或多个系统或设备以移除来自热传递介质的热能(例如，用于冷却发酵罐100中的多相混合物)或将热能赋予热传递介质(例如，用于加温发酵罐100中的多相混合物)。

在至少一个情况下，热传递介质可包括水或水与一种或多种腐蚀、结垢和微生物抑制剂的水溶液。在这种情况下，热子系统270可包括用于从热传递介质的移除热能以冷却多相混合物的一个或多个系统。举例来说，开环蒸发冷却塔或闭环空气冷却器可用于冷却热传递介质。在这种情况下，热子系统270可任选地包括用于将热能赋予热传递介质以加温多相混合物的一个或多个系统。举例来说，天然气或电热水器或火炉可用于加温热传递介质。

热传递介质可通过热子系统270经由一个或多个热介质分配网络272提供。一个或多个热介质分配网络272可包括配电网，其中提供电加热和冷却热传递表面128、140。一个或多个热介质分配网络272可包括流体导管的网络，其中液体热传递介质(例如，水)提供至热传递表面128、140。来自热介质分配网络272的分支210、214可用于将热传递介质供应至热传递表面128、140。举例来说，分支210可用于将来自热介质分配网络272的热传递介质供应至安置于向下流动路径114中的热传递表面128，并且分支214可用于将来自热介质分配网络272的热传递介质供应至安置于向上流动路径120中的热传递表面140。

热传递介质可被收集并且经由一个或多个热介质收集网络274至少部分返回热子系统270。一个或多个热介质收集网络274可包括网络流体导管212、216的集合，其中液体热传递介质(例如，水)从热传递表面128、140移除。来自热介质收集网络274的分支可用于收集来自热传递表面128、140的热传递介质。举例来说，分支212可用于使来自安置于向下流动路径114中的热传递表面128的热传递介质返回至热介质收集网络274，并且分支216可用于使来自安置于向上流动路径120中的热传递表面140的热传递介质返回至热介质收集网络274。

在至少一些情况下，全部或一部分发酵过程可使用控制子系统290来至少部分自动地控制。控制子系统290可收集由一个或多个过程元件提供的过程相关信息，其呈含有代表一个或多个过程变量的模拟或数字数据的信号形式。例如，控制子系统可使用一个或多个过程元件来收集过程相关信号，所述过程元件包括但不限于，质量流量传感器、体积流量传感器、温度传感器、压力传感器、水平传感器、分析传感器(例如，溶解氧传感器、生物需氧量或“BOD”传感器、pH传感器、电导率传感器等)或能够提供含有代表发酵罐100内的一个或多个过程相关条件的数据的信号的任何其它设备。

控制子系统290可执行一组或多组指令，其至少部分地基于从过程元件接收的过程变量信号来控制、改变或调整发酵过程的一个或多个方面。这类指令可导致由控制子系统290产生一个或多个控制输出信号。控制输出信号可从控制子系统290传输至一个或多个最终控制元件如阻断阀、控制阀、电动机、变速驱动等。最终控制元件与发酵过程之间的相互作用可进而为控制子系统290提供发酵过程的较高程度相对精确控制。

举例来说，响应于接收含有指示发酵罐100中的多相混合物的温度的数据的一个或多个信号，控制子系统290可启始、改变或停止热传递介质至一个或多个热传递表面128、140流量。类似地，响应于接收含有指示发酵罐100中的多相混合物的溶解氧水平的数据的一个或多个信号，控制子系统290可增加、降低或维持含氧气体基质204至发酵罐100的流量。虽然本文只提供两个例示性实例，适合于发酵过程的任何流量、水平、压力、分析值等可类似地通过控制子系统290使用一个或多个适当过程传感器和一个或多个适当最终控制元件来控制。

图3示出示例性发酵罐300的横截面立剖面图。发酵罐300包括一个或多个内部结构，包括至少部分安置于向下流动路径114中的一个或多个结构302a-302c(只示出三个，任何数量是可能的，总称为“结构302”)和至少部分安置于向上流动路径120中的一个或多个结构304a-304d(只示出四个，任何数量是可能的，总称为“结构304”)。这类结构可有利地在向下和向上流动路径114、118中促进多相混合物中的气泡与液体之间以及多相混合物与生物有机体之间的传质。这类结构可通过促进向下和向上流动路径114、118内的更均匀分配来有利地促进多相混合物内的气泡的均匀性，并且促进存在于多相混合物中的气体基质气泡与发酵罐300内的生物有机体之间的额外接触时间。发酵罐300具有锥形底部124，其有利地促进在接近于至少一个生物质移除流体连接208的发酵罐300中的位置处收集过量生物质306。

发酵罐300包括安置于容器108内的一个中空流体导管102。至少一个流体推进器216安置于向下流动路径114的入口侧，并且经由安置于发酵罐300的顶部126周围的多个流体连接130a-130n(总称为“流体连接130”)，液流分配于发酵罐300中的整个向下流动路径114中。流体连接130直接流体耦接至向下流动路径114的至少一部分。至少一个流体推进器216提供向下流动路径114内的液体308的总体上向下流动116。

发酵罐300包括安置于发酵罐300周围的若干气体分配器132a-132n(总称为“气体分配器132”)。一种或多种基质气体204以气泡310形式引入向下流动路径114。在至少一些情况下，气泡310可包括一种或多种气体基质。在向下流动路径114内，液体308和气泡310混合并且以另外方式组合以形成多相混合物312。在向下流动路径114内，多相混合物中的气体基质和营养物由生物有机体利用以在形成向下流动路径114的大多数(即使不是全部)内部表面上形成生物质314。

在至少一些情况下，引入向下流动路径114的液体308可包括水溶液，其含有能够支持至少向下流动路径114内的生物质生长和发育的一种或多种营养物、微量元素、矿物质等。在至少一些情况下，液体308可包括溶解氮或能够提供约1毫克/升(mg/l)至约30mg/l；约1毫克/升(mg/l)至约20mg/l；或约1毫克/升(mg/l)至约10mg/l的溶解氮浓度的一种或多种含氮化合物。在至少一些情况下，液体308可包括溶解磷或能够提供约1mg/l至约30mg/l；约1毫克/升(mg/l)至约20mg/l；或约1毫克/升(mg/l)至约10mg/l的溶解磷浓度的一种或多种含磷化合物。

在至少一些情况下，引入向下流动路径114的气体可包括许多基质气体，包括但不限于，甲烷、一氧化碳、氧、含氧化合物、氢和含氢化合物中的至少一种。在至少一些情况下，气体可在有利地支持气体溶解于液体308中以形成多相混合物312的条件(例如，浓度、温度和压力)下供应。在至少一些情况下，可手动地或自动地控制添加基质气体以维持发酵罐300内的多相混合物中的溶解气体的任何确定水平。在一些情况下，虽然图3未示出，气泡310可引入向下流动路径114、向上流动路径120或两者中。在发酵罐300中的不同点引入的气泡310可或可不具有相同组成或在相同温度或压力下。在至少一些情况下，气泡310的组成可至少部分地基于发酵罐300内引入气泡310的位置来调节。举例来说，基质气体可在经由一个或多个气体分配器132在发酵罐300的不同点处引入的气泡310方面具有不同浓度。在至少一些情况下，气泡310的温度可至少部分地基于发酵罐300内引入气泡310的位置来调节。在至少一些情况下，气泡310的压力可至少部分地基于发酵罐300内引入气泡310的位置来调节。

在至少一些情况下，气泡310的组成、温度或压力中的至少一者可调节或以其他方式控制以维持约0.1mg/l至约100mg/l；约0.5mg/l至约50mg/l；约1mg/l至约20mg/l；或约1mg/l至约10mg/l的多相混合物内的溶解甲烷浓度。在至少一些情况下，气泡310的组成、温度或压力中的至少一者可调节或以其他方式控制以维持约0.1mg/l至约100mg/l；约0.5mg/l至约50mg/l；约1mg/l至约20mg/l；或约1mg/l至约10mg/l的多相混合物内的溶解一氧化碳浓度。在至少一些情况下，气泡310的组成、温度或压力中的至少一者可调节或另外控制以维持约0.1mg/l至约100mg/l；约0.5mg/l至约50mg/l；约1mg/l至约20mg/l；或约1mg/l至约10mg/l的多相混合物内的溶解氧浓度。在至少一些情况下，气泡310的组成、温度或压力中的至少一者可调节或以其他方式控制以维持约0.1mg/l至约50mg/l；约0.5mg/l至约25mg/l；约1mg/l至约10mg/l；或约1mg/l至约5mg/l的多相混合物内的溶解氢浓度。

在至少一些情况下，结构302可至少部分安置于向下流动路径114内。虽然气泡310通常倾向于在向下流动路径114中向上流动，但是向下流动路径内的流体速度倾向于以小于流体速度的速度向下“推动”基质气泡310。向下流动路径114中的气泡310的延长停留时间有利地提供实现以下目标的延长机会：存在于气泡310中的气体溶解成多相混合物，并且由此存在于向下流动路径114中的生物质314中的生物有机体从多相混合物中吸收溶解基质气体。结构302可有利地增强此效应，因为截留于结构下方和周围的气泡310也经历向下流动路径114内的延长停留时间所产生的以前阐述的伴随益处。延长停留时间尤其有利于支持向下流动路径内的较大数量生物质314的发育。以这种方式发育的较大数量的生物质314可至少部分可归因于存在于向下流动路径114中的溶解基质气体的增强水平。

结构302可包括向下流动路径114上的任何数量、类型、大小或构造的突出部件或与向下流动路径114流体接触的凹陷棘爪。取决于结构302的功能，结构302的全部或一部分可类似或不同。举例来说，共有促进多相混合物的混合并且增加气泡310的停留时间的共同第一设计类型的若干结构302a可安置于向下流动路径114内。共有促进生物质314的生长或形成的提供延长表面的共同第二设计类型的若干结构302b可安置于向下流动路径114内。

在至少一些情况下，结构304可至少部分安置于向上流动路径120内。虽然气泡310在向上流动路径114内向上流动，通过倾向于以超过气泡310的正常上升速率的速度将气泡310向上“推动”的向上流动路径118内的向上流体流动120的速度，将额外向上速度赋予气泡310。结构304可有利地妨碍或以其他方式阻止向上流动路径118中的气泡310的进展，从而增加向上流动路径118内的气泡310的停留时间。向上流动路径118中的气泡310的延长停留时间有利地提供实现以下目标的延长机会：存在于气泡310中的气体溶解成多相混合物，并且由此存在于向上流动路径118中的生物质314中的生物有机体从多相混合物中吸收溶解基质气体。结构304可有利地增强此效应，因为截留于结构304下方和周围的气泡310也经历向上流动路径118内的延长停留时间所产生的以前阐述的伴随益处。延长停留时间尤其有利于支持向上流动路径118内的较大数量生物质314的发育。以这种方式发育的较大数量的生物质314可至少部分可归因于存在于向上流动路径118中的溶解基质气体的增强水平。

结构304可包括向上流动路径118上的任何数量、类型、大小或构造的突出部件或与向上流动路径118流体接触的凹陷棘爪。取决于结构的功能，结构304的全部或一部分可类似或不同。举例来说，共有促进多相混合物的混合并且增加气泡310的停留时间的共同第一设计类型的若干结构304a可安置于向上流动路径118内。共有促进生物质314的生长或形成的提供延长表面的共同第二设计类型的若干结构304b可安置于向上流动路径114内。

当生物质314在向下流动路径114和向上流动路径118内积聚时，过量生物质将脱落或以其他方式从发酵罐300的内部表面剥离。过量生物质的至少一部分将落到生物质积聚的发酵罐300的底部。过量生物质的至少一部分与多相混合物136一起从发酵罐300传送或运输。积聚于发酵罐300底部的多余生物质可作为生物固体移除。这类生物固体的至少一部分可进一步加工以产生适用作成品或后续加工的原材料的一种或多种可代替产物如生物燃料或C₂₊烃。从发酵罐300移除的过量生物质的至少一部分可用于将存在于生物固体中的微生物有机体“再接种”或繁殖于其它发酵罐300中。

与多相混合物136一起从发酵罐300传送的过量生物质的至少一部分可例如在分离子系统250中分离，并且至少部分再循环至发酵罐300以至少帮助在发酵罐300内建立微生物集落。

在至少一些情况下，用于使气态含碳原料发酵的微生物有机体使用主要包含C₁代谢非光合作用微生物的培养物。这类发酵系统可使用作为原核生物或细菌的一个或多个C₁代谢微生物物种，如甲基单胞菌属、甲基细菌属、甲基球菌属、甲基弯曲菌属、甲基孢囊菌属、甲基微菌属、甲烷单胞菌属、嗜甲基菌属、甲基菌属、甲基杆菌属、生丝微菌属、黄色杆菌属、芽孢杆菌属、副球菌属、诺卡氏菌属、节杆菌属、红假单胞菌属或假单胞菌属。在一些情况下，C₁代谢细菌可包括甲烷氧化菌或甲基营养菌。优选的甲烷氧化菌包括甲基单胞菌属、甲基细菌属、甲基球菌属、甲基弯曲菌属、甲基孢囊菌属、甲基微菌属、甲烷单胞菌属或其组合。示例性的甲烷氧化菌包括甲基单胞菌属一种16a(ATCC PTA 2402)、丝孢甲基弯曲菌(NRRL B-II,196)、芽孢甲基弯曲菌(NRRL B-II,197)、小甲基孢囊菌(NRRL B-II,198)、甲烷甲基单胞菌(NRRL B-511,199)、白色甲基单胞菌(NRRL B-II,200)、荚膜甲基细菌(NRRLB-11,201)、嗜有机甲基杆菌(ATCC 27,886)、甲基单胞菌属一种AJ-3670(FERM P-2400)、嗜碱甲基微菌、Methylocella silvestris、地下甲基嗜酸菌、嗜油甲基营养菌、丝孢甲基弯曲菌OB3b、荚膜甲基球菌Bath、甲基单胞菌属一种16a、嗜碱甲基微菌20Z或其高生长变体。优选的甲基营养菌包括扭脱甲基杆菌、耐辐射甲基杆菌、杨树甲基杆菌、氯甲烷甲基杆菌、结瘤甲基杆菌或其组合。

能够代谢发现于合成气中的C₁化合物的微生物包括但不限于梭菌属、穆尔氏菌属、火球菌属、真细菌属、脱硫杆菌属、氧化碳嗜热菌属、产醋菌属、醋酸杆菌属、厌氧醋菌属、丁酸杆菌属、消化链球菌属或还可使用其组合。示例性甲基营养菌包括自产乙醇梭菌、杨氏梭菌、拉氏梭菌、嗜羧基梭菌、食甲基丁酸杆菌、伍氏梭菌、新产丙醇梭菌或其组合。在一些情况下，C₁代谢微生物真核生物如酵母，包括假丝酵母属、耶氏酵母属、汉逊酵母属、毕赤氏酵母属、球拟酵母属或红酵母属。

在其它情况下，C₁代谢非光合作用微生物是专性C₁代谢非光合作用微生物，如专性甲烷氧化菌或甲基营养菌。在一些情况下，C₁代谢非光合作用微生物是包含异源多核苷酸的重组微生物，所述多核苷酸编码脂肪酸产生酶、甲醛同化酶或其组合。

图4示出示例性发酵罐400的横截面立剖面图。发酵罐400的底部124包括多个锥形部分，其各自可积聚过量生物质306。在这种情况下，至少一个生物质移除流体连接208可安置于过量生物质积聚的底部124上的位置附近以促进移除过量生物质306。发酵罐400包括安置于容器108内的六个或更多个中空流体导管102a-102f(总称为“中空流体导管102”)。至少一个流体推进器216安置于向下流动路径114的入口侧，并且经由安置于发酵罐顶部126周围的多个流体连接130a-130f(总称为“流体连接130”)，液流分配于整个向下流动路径114中。每个流体连接130直接流体耦接至向下流动路径114。至少一个流体推进器216提供向下流动路径114内的液体308的总体上向下流动。

多相混合物136经由多个多相混合物排放流体连接138退出发酵罐400，每个多相混合物排放流体连接直接流体耦接至向上流动路径118。每个多相混合物排放流体连接138流体耦接多相混合物排放流体导管402，其用于将来自向上流动路径118的多相混合物输送至背压子系统230。

图4示出的背压子系统230包括至少一个多相涡轮机404。从向上流动路径118移除的相对高压多相混合物的压力经由多相涡轮机404降低以提供相对低压多相混合物，其经由一个或多个流体导管406被引导远离背压系统230。相对低压多相混合物的至少一部分可随后引入分离子系统250。在至少一些情况下，多相涡轮机404可实体耦接至一个或多个能量回收设备(未示出图4)如发电机以回收通过将多相混合物的压力从相对高压减少至相对低压所释放的能量的至少一部分。在至少一些情况下，多相涡轮机404与能量回收设备的实体耦接可使用轴杆408或能够传送机械功率的类似连接来实现。背压子系统230可减少或降低离开向上流动路径118的多相混合物的压力约120psig或更小；约90psig或更小；约60psig或更小；约30psig或更小；或约15psig或更小。

经由一个或多个流体导管406离开背压子系统230的相对低压多相混合物可在一些情况下引入分离子系统250。在分离子系统250内，相对低压多相混合物可被分离成多个相。在一些情况下，相对低压多相混合物可至少被分离成气相252，其含有一种或多种所需产物(例如，C₂₊烃如乙烷和乙烯)、一种或多种未消耗的气体基质(例如，甲烷或一氧化碳)，或一种或多种代谢或化学副产物(例如，二氧化碳)。在一些情况下，相对低压多相混合物可至少被分离成液相254，其含有一种或多种所需产物(例如，C₂₊烃如醇和酮)一种或多种未消耗的液相营养物，或一种或多种代谢或化学副产物。在一些情况下，相对低压多相混合物可至少被分离成含有固体的相256，其含有一种或多种所需生物固体产物(例如，适用作生物燃料的细胞内脂质)或一种或多种代谢或化学副产物(例如，过量生物质)。

图5示出示例性发酵罐系统500的横截面立剖面图。发酵罐500包括完全延伸穿过(即，从顶部126至底部124)容器108的多个中空流体导管102。向上流动路径118经由一个或多个流体导管502流体耦接至向下流动路径114。在至少一些情况下，一个或多个分离设备504可安置于一个或多个流体导管502的至少一部分中。在至少一些情况下，一个或多个流体导管502使用一个或多个流体连接506来流体耦接至向下流动路径114的至少一部分。在至少一些情况下，一个或多个流体导管502使用一个或多个流体连接508来流体耦接至向上流动路径118的至少一部分。一个或多个分离设备504和一个或多个流体连接506、508有利地允许分离一个或多个中空流体导管102。选择性分离中空流体导管102的能力有利地允许例行维护和清洗中空流体导管102而不需要整个发酵罐500停运。

示出耦接向下流动路径114和向上流动路径118的两种不同系统。在第一实例中，示出流体导管502将向下流动路径114与向上流动路径118直接流体耦接。当强制流体流动或诱导流体流动在向下流动路径114和向上流动路径118中使用时，可使用这类直接流体耦接安装。举例来说，当一个或多个流体推进器216流体耦接至向下流动路径114的入口流体连接130或流体耦接至向上流动路径118的出口流体连接138时，直接流体连接系统可为有利的。在此实例中，过量生物质306可在流体导管502内积聚。这类积聚的过量生物质306可使用至少一个生物质移除流体连接208来移除。

在第二实例中，一个或多个流体推进器216在向下流动路径114与向上流动路径118之间流体耦接。这类流体耦接提供向下流动路径114中的诱导向下流动116和向上流动路径118中的强制向上流动120。在至少一些情况下，一个或多个流体推进器216可使用一个或多个流体连接(例如，法兰、螺纹、快速连接等)506来流体耦接至向下流动路径114。在至少一些情况下，一个或多个流体推进器216可使用一个或多个流体连接(例如，法兰、螺纹、快速连接等)508来流体耦接至向上流动路径。

在至少一些情况下，抽吸至一个或多个流体推进器216中的过量生物质306可截留或以另外方式积聚于一个或多个积聚器510中。示例性积聚器510包括但不限于一个或多个单一或多级过滤设备如滤芯过滤器、自净过滤器、袋式过滤器、篮式过滤器或其组合。示例性积聚器510可包括但不限于一个或多个水力旋流器等。在至少一些情况下，过量生物质306的至少一部分可使用至少一个生物质移除流体连接208来从积聚器510中移除。虽然图5未示出，但是在至少一些情况下，一个或多个生物质移除流体连接208可安置于容器108中。举例来说，一个或生物质移除流体连接208可安置于容器108的底部124以移除积聚的生物固体306。

发酵罐500也配备有多个气体分配集管132。第一气体分配集管132a安置于向下流动路径114中。第二气体分配集管132b安置于向上流动路径118中。这类布置有利地提供在多相混合物进入向上流动路径118之前，补充或增加在穿过向下流动路径114期间从多相混合物消耗的气体基质的能力。举例来说，如果甲烷用作气体基质，并且离开向下流动路径的多相混合物中的甲烷浓度低于确定值，那么可将额外甲烷使用气体分配集管132b来添加至向上流动路径118中的多相混合物。第二气体分配集管132b可有利地提供在发酵罐500的不同位置繁殖不同类型微生物的能力。举例来说，经由第一气体分配集管132a引入第一气体基质可促进第一气体基质代谢微生物在向下流动路径114中的生长。经由第二气体分配集管132b引入第二气体基质可促进向上流动路径114中的第二气体基质代谢微生物的生长。将多种气体基质馈给于相同发酵罐500中的能力可有利地扩大可在发酵罐500中获得的产物基质。

图6示出示例性发酵罐系统600的横截面立剖面图。容器108底部包括多个碟形端板(例如，ASME碟形端板，每个可积聚过量生物质306。在这种情况下，至少一个生物质移除流体连接208可安置于过量生物质积聚的底部124上的位置附近以促进移除过量生物质306。发酵罐602包括安置于容器108内的多个中空流体导管102a-102b(总称为“中空流体导管102”)。

至少一个流体推进器216经由一个或多个多相混合物排放流体连接138来流体耦接至向上流动路径118。向下流动路径114和向上流动路径118流体耦接至至少一个流体推进器216的吸入侧的这类布置可至少部分地诱导经过向下流动路径114和向上流动路径118中的流体流动。虽然图6未示出，但是在至少一些情况下，一个或多个任选额外流体推进器216可经由一个或多个液体分配集管130a-130c来流体耦接至向下流动路径114。至少一个流体推进器216流体耦接至

多个气体分配集管132a-132b(总称为“气体分配集管132”)与发酵罐602的向下流动路径114流体连通。这类布置有利地提供在多相混合物进入向上流动路径118之前，补充或增加在穿过向下流动路径114期间从多相混合物消耗的气体基质的能力。举例来说，如果甲烷用作气体基质，并且离开向下流动路径的多相混合物中的甲烷浓度低于确定值，那么可将额外甲烷使用气体分配集管132b来添加至向上流动路径118中的多相混合物。第二气体分配集管132b可有利地提供在发酵罐602的不同位置繁殖不同类型微生物的能力。举例来说，经由第一气体分配集管132a引入第一气体基质可促进第一气体基质代谢微生物在向下流动路径114中的生长。经由第二气体分配集管132b引入第二气体基质可促进向上流动路径114中的第二气体基质代谢微生物的生长。将多种气体基质馈给于相同发酵罐602中的能力可有利地扩大可在发酵罐602中获得的产物基质。

图7示出在以上关于图1-6详细描述的一个或多个发酵罐系统300、400、500、600中使用一个或多个发酵罐100的发酵系统的高水平操作方法。这类系统有利地在向下流动路径114中引入含有一种或多种营养物和一种或多种气态基质的一种或多种液体培养基来提供其中具有总体向下流动116的多相混合物。向下流动路径114内的多相混合物的流体速度足以导致存在于多相混合物中的气体基质气泡在向下方向上流动。然而，气态基质气泡在多相混合物内上升的趋势有利地延长气态基质气泡在向下流动路径114内的停留时间，从而增强传质和向下流动路径中的气态基质的后续微生物吸收。在穿过向下流动路径114之后，多相混合物进入向上流动118路径，其中额外传质和微生物吸收可发生。多相混合物从发酵罐中移除并且任选地压力降低并且分离以提供一种或多种所需材料。方法开始于702。

在704处，气态基质在液体培养基内分散以形成多相混合物。此分散可在向下流动路径114的入口或开始处或附近发生，但是额外数量的气态基质可分散于向下流动路径114、向上流动路径118或两者的其它位置。在一些情况下，气态基质可分散于向下流动路径114、向上流动路径118或两者内的多个点并且每个分散点的气态基质可具有相同或不同温度、压力、组成或其组合。在发酵罐内的不同位置处改变气态基质的物理或成分性质的能力有利地允许不仅针对存在于发酵罐中的特定微生物物种，而且针对基于发酵罐内的气态基质的分散点的发酵罐内的微生物物种的特定位置来定制气态基质。

在706处，多相混合物提供向下流动路径114内的向下流动116。基质气泡将倾向于在向下流动路径内以“X”英尺/秒的气泡的上升速率上升。多相混合物在向下流动路径114内具有“Y”英尺/秒的表面流体速度。通过维持多相混合物的表面流体速度高于气泡上升速率(即，Y>X)，基质气泡将在向下流动路径114中向下而非向上流动。通过将向下流动路径114中的多相混合物的流动速率调整或以另外方式控制至只稍微超过气体基质气泡上升速率的速度，气泡在向下流动路径114中的停留时间可增加。向下流动路径114中的停留时间的此增加可有利地改进传质和存在于向下流动路径114中的微生物有机体对气体基质204的微生物吸收。在一些情况下，向下流动路径114中的多相混合物的速度可测量并控制。举例来说，控制子系统290可将向下流动路径114中的多相混合物的流体速度改变、调整或控制至稍微超过向下流动路径114中的基质气泡的上升速率的确定范围。在一些情况下，气体基质204的温度、压力或组成可经由控制子系统290改变、调节或控制以维持向下流动路径114内的所需气体基质气泡大小。在其它情况下，气体基质204的温度、压力或组成可经由控制子系统290改变、调节或控制以将向下流动路径114中的多相混合物的液相内的一种或多种气体基质组分(例如，甲烷、二氧化碳、氢、氧、氮等)的浓度维持于确定范围中。

在708处，向下流动路径114内的多相混合物的温度可改变、调节或控制以将温度维持于确定温度范围内。在至少一些情况下，确定温度范围可至少部分地基于在发酵罐100内所使用的微生物物种来选择或另外选定。余热可由负责发酵罐100内的至少一部分活动的微生物有机体作为副产物来产生。此余热，如果在维持不受控制的情况下，可抑制或不利地影响发酵罐100内的一些或所有微生物有机体的生长或代谢。在至少一些情况下，可在向下流动路径114内提供冷却以将向下流动路径114中的多相混合物的温度维持于确定范围内。此冷却可包括使冷却介质穿过导热耦接至向下流动路径114的储槽或盘管140。冷却水或其它冷却介质(例如，二醇溶液、盐水溶液等)也可用于在发酵罐100内提供冷却。在至少一些情况下，控制子系统290可控制穿过导热耦接至向下流动路径114的储槽或盘管140的冷却介质的流动速率或温度。

在其它情况下，由微生物物种产生的热量可不足以将发酵罐维持在所需温度范围内。这种情况可在例如其中发酵罐100定位于暴露或部分暴露外部位置的极冷环境中发生。在一些情况下，导热耦接至用于冷却的向下流动路径114的储槽或盘管140也可使用或为发酵罐100提供加温。在其它情况下，专用加温储槽或盘管可导热耦接至向下流动路径114。此加温可包括使加温介质穿过至少部分安置于向下流动路径114内的储槽或盘管。温水、蒸汽或类似传热流体(例如，二醇溶液、热油等)也可用于任选地在发酵罐100内提供加温。在至少一些情况下，控制子系统290可控制穿过导热耦接至向下流动路径114的储槽或盘管140的加温介质的流动速率或温度。

在710处，在向下流动路径114内的向下流动116中，与多相混合物一起行进的气体基质气泡上的压力随着气体基质气泡沿着向下流动路径推至更深位置而增加。压力增加可至少部分可归因于由发酵罐100中的液体柱施加于气体基质气泡上的流体静压力的增加。在一些情况下，压力增加可有利地增加形成向下流动路径114中的多相混合物的气体基质气泡与液体培养基之间的传质。在至少一些情况下，气体基质气泡上的增加压力还可有利地改进存在于气体基质中的一种或多种组分由存在于向下流动路径中的微生物有机体的吸收。

在712处，多相混合物退出向下流动路径并且进入向上流动路径118。进入向上流动路径的多相混合物可包括但是不限于含有未吸收营养物的液体、含有未溶解和未吸收气体基质的气体基质气泡。进入向上流动路径118的多相混合物还可含有从发酵罐100的壁和/或底板清扫的夹带生物物质。在至少一些情况下，促进传质的一个或多个结构可安置于向上流动路径118的至少一部分内。这类结构可包括但不限于一个或多个挡板、一个或多个无动力或静态混合器、一个或多个有动力或动态混合器等。在至少一些情况下，含有一种或多种营养物或额外气体基质的额外液体可引入向上流动路径118。可引入这类额外营养物或气体基质以补充在向下流动路径118中经由化学或微生物过程消耗的物质。可引入这类额外营养物或气体基质以将额外或不同营养物或气体基质提供至存在于向上流动路径118中的微生物有机体。当多相混合物向上流动120时，随着流体静压头在向上流动路径118中的上升减少，存在于多相混合物中的气体基质气泡上的压力将逐渐地减少。

在714处，向上流动路径118内的多相混合物的温度可改变、调节或控制以将温度维持于确定温度范围内。在至少一些情况下，确定温度范围可至少部分地基于在发酵罐100内所使用的微生物物种来选择或另外选定。余热可由负责发酵罐100内的至少一部分活动的微生物有机体作为副产物来产生。此余热，如果在维持不受控制的情况下，可抑制或不利地影响发酵罐100内的一些或所有微生物有机体的生长或代谢。在至少一些情况下，可在向上流动路径118内提供冷却以将向上流动路径118中的多相混合物的温度维持于确定范围内。此冷却可包括使冷却介质穿过导热耦接至向上流动路径118的储槽或盘管128。冷却水或其它冷却介质(例如，二醇溶液、盐水溶液等)也可用于在发酵罐100内提供冷却。在至少一些情况下，控制子系统290可控制穿过导热耦接至向上流动路径118的储槽或盘管128的冷却介质的流动速率或温度。

在其它情况下，由微生物物种产生的热量可不足以将发酵罐维持在所需温度范围内。这种情况可在例如其中发酵罐100定位于暴露或部分暴露外部位置的极冷环境中发生。在一些情况下，导热耦接至用于冷却的向上流动路径118的储槽或盘管128也可使用或为发酵罐100提供加温。在其它情况下，专用加温储槽或盘管可导热耦接至向上流动路径118。此加温可包括使加温介质穿过至少部分安置于向上流动路径118内的储槽或盘管。温水、蒸汽或类似传热流体(例如，二醇溶液、热油等)也可用于任选地在发酵罐100内提供加温。在至少一些情况下，控制子系统290可控制穿过导热耦接至向上流动路径118的储槽或盘管128的加温介质的流动速率或温度。过程结束于716。

图8示出在以上关于图1-6详细描述的一个或多个发酵罐系统300、400、500、600中使用一个或多个发酵罐100的发酵系统的高水平操作方法800。示例性发酵方法800使用关于图7详细论述的发酵方法700详细描述的步骤的相同或几乎相同步骤，不同之处在于发酵方法800使用一个或多个背压子系统230在高压下进行。这类背压子系统230有利地将发酵罐100中的压力维持于大于大气压力的水平，从而增加多相混合物312中的气泡310中所包含的气体的分压。通过增加气泡310内的气体的分压，气泡310与液体308之间的传质速率增强并且多相混合物内的溶解气体的增加的可用性有利地改进发酵罐100中的微生物有机体对于气体的吸收。方法开始于802。

在804处，液体308和气体在大于大气压力的第一压力下引入发酵罐100。背压子系统230的存在维持发酵罐100内的压力，从而增加向下流动路径114和向上流动路径118中的压力。在至少一些情况下，第一压力可为约5psig至约150psig；约5psig至约100psig；或约5psig至约75psig。当多相混合物穿过向下流动路径114时，流体静压力建立于气泡310上，进一步增加存在于气泡310中的气体的分压并且进一步增加气泡310与多相混合物之间的传质速率。多相混合物的压力在向下流动路径118底部增加至第二压力。在至少一些情况下，第二压力可为约10psig至约150psig；约10psig至约100psig；或约10psig至约75psig。当多相混合物穿过向上流动路径118时，气泡310上的流体静压力在向上流动路径118的出口处减轻至第三压力。在至少一些情况下，第三压力可为约5psig至约150psig；约5psig至约100psig；或约5psig至约75psig。

在806处，经由多相混合物排放流体连接138离开中空流体导管的多相混合物被引导至背压子系统230。在在背压子系统230内，一个或多个系统或设备用于将多相混合物的压力减少至小于第三压力的水平。这类减压可使用一个或多个压降诱导设备如孔板或背压控制阀来实现。在一个或多个实例中，一个或多个压降诱导设备可包括多相涡轮机，高压多相混合物穿过所述多相涡轮机以提供第四压力下的低压多相混合物232。在至少一些情况下，第四压力可为约5psig至约150psig；约5psig至约100psig；或约5psig至约75psig。在至少一些情况下，在多相混合物136压力降低期间所释放的至少一部分能量可捕获，例如在多相涡轮机中释放的能量可用于转动发电机、流体推进器或气体推进器。方法结束于808。

图9示出在以上关于图1-6详细描述的一个或多个发酵罐系统300、400、500、600中使用一个或多个发酵罐100的发酵系统的高水平操作方法900。示例性发酵方法900使用关于图7和图8详细论述的发酵方法700和800的相同或几乎相同方法，不同之处在于从背压子系统230移除的低压多相混合物232引入分离子系统250并在其中分离。分离子系统250可包括一个或多个设备或系统以将低压多相混合物分离成至少气体和液体。在一些情况下，分离子系统250可将低压多相混合物232分离成气体252、液体254和富含固体的液体256。方法开始于902。

在904处，来自分离子系统230的低压多相混合物232引入分离子系统250。在分离子系统内，多相混合物232可分离成至少气体252和液体254。在至少一些情况下，分离气体252的至少一部分可随后处理或分离。处理或分离气体的至少一部分可作为气体基质204再循环至发酵罐100。在一些情况下，分离气体的至少一部分可出售或另外处置。在至少一些情况下，分离气体的至少一部分可作为可代替商品出售或交易。在至少一些情况下，分离气体可包括一个或多个C₂₊烃气体，包括但不限于乙烷、乙烯、丙烷、丁烷和其化合物。

在至少一些情况下，分离液体254的至少一部分可随后处理或分离。分离气体252的至少一部分可随后处理或分离。在906处，可或可不包括与多相混合物136一起从发酵罐100中移除的生物固体的处理或分离液体的至少一部分可再循环至发酵罐100。举例来说，含有生物固体的分离液体256的至少一部分可与液体馈料202的至少一部分组合以提供馈给发酵罐100的混合物258。此再循环可有利地提供不间断的、连续的或半连续的用所建立生物种对发酵罐100进行的接种。在一些情况下，分离液体的至少一部分可出售或另外处置。在至少一些情况下，分离液体的至少一部分可作为可代替商品出售或交易。在至少一些情况下，分离液体可包括一种或多种C₂₊烃液体，包括但不限于一种或多种醇、二醇或酮。过程结束于908。

所说明实施方案的以上描述，包括摘要中的描述内容，不意欲是详尽的或将实施方案限于所公开的确切形式。虽然出于例示性用途，本文描述特定实施方案和实例，但是可产生各种等效改进而不背离本公开的精神和范围，如相关领域技术人员所认识到的。本文提供的各种实施方案的教义可应用于其它发酵罐和发酵系统。这类发酵罐和发酵系统可包括用于除了化学中间体产生以外的用途的发酵罐，并且可包括适用于食品或饮料生产的发酵罐和发酵系统。类似地，本文所述辅助系统，包括冷却子系统、背压子系统、分离子系统和控制子系统可包括单一系统，例如包装冷却塔或包装控制系统，或可包括定制设计子系统，其包括以促进控制产生和分配冷却或加温介质(即，冷却子系统)的方式实体上、流体和可通信耦接的许多子部件；在存在或不存在补充产生能量(即，通过背压子系统)的情况下，促进控制维持发酵罐系统上的背压；促进多相混合物的至少一部分分离成气体、液体和半固体以再循环或回收并且后续加工或出售(即，通过分离子系统)。控制子系统可包括整合或分布式控制系统，其提供全部或一部分发酵系统或任何辅助子系统的监测、警告、控制和控制输出。控制子系统还可包括许多个别环控制器等用于控制发酵系统或任何辅助子系统的一个或多个方面。

上述详细描述已经经由过程流程图、设备剖面图和示例性方法的使用阐述了设备和/或方法的各种实施方案。只要此类方块图、示意图和实例含有一个或多个功能和/或操作，本领域技术人员应了解这类方块图、流程图或实例中的每个功能和/或操作可使用化学工程领域技术人员熟知的广泛范围现成或定制部件个别地和/或共同地实施。举例来说，虽然仅明确论述圆形、三角形和正方形中空金属导管，但是本领域技术人员认识到实际上任何中空流体导管可取代。在本文中列出的微生物物种意欲提供可在如本文描述的发酵罐或发酵罐系统中支持的潜在微生物物种的样品。

2012年10月8日提交的美国临时专利申请序列号61/711,104的公开全部并入本文。

可组合以上所述的各个实施方案来提供另外的实施方案。本说明书中提及和/或申请数据表中所列的所有美国专利、美国专利申请公布、美国专利申请、外国专利、外国专利申请和非专利出版物，包括但不限于2012年7月13日提交的美国临时专利申请号61/671,542，其都以全文引用的方式并入本文。如果需要采用各种专利、申请和出版物的系统、过程、生物介质和概念来提供又另外的实施方案，可修改实施方案的方面。

根据以上详细说明，可对实施方案进行这些和其它变化。通常，在以下权利要求书中，所使用的术语不应该解释为将权利要求限制于本说明书和权利要求书中公开的具体实施方案，而应该解释为包括连同与所述权利要求所规定的全部范围等效物一起的所有可能的实施方案。因此，权利要求并不受公开内容所限定。

Claims (38)

1.一种刺激生物生长的系统，所述系统包括：

安置于由容器形成的内部空间内的至少一个中空流体导管，所述至少一个中空流体导管允许流体流动经过，所述至少一个中空流体导管包括至少一个入口和至少一个出口；其中所述至少一个中空流体导管的所述入口与所述容器的所述内部空间流体连通以提供由所述至少一个中空流体导管的外部周边和所述容器的内部周边限定边界的向下流动路径和由所述至少一个中空流体导管的内部周边限定边界的向上流动路径；

至少一个第一流体推进器，其用于提供所述向下流动路径中的向下流体流动和所述向上流动路径的向上流体流动；

热传递系统，其热耦接至所述向下流动路径或所述向上流动路径中的至少一个；和

至少一个气体分配器，其安置于所述向下流动路径中以将一种或多种气体引入所述向下流动路径的至少一部分中；用于促进其上的生物生长的若干第一结构，其安置于所述若干向下流动路径或所述若干向上流动路径中的至少一种路径的至少一部分内，其中所述第一结构是与所述向下流动路径或所述向上流动路径流体接触的突出部件或凹陷棘爪。

2.如权利要求1所述的系统，其中所述至少一个第一流体推进器至少部分安置于所述向下流动路径中并且流体耦接至所述至少一个中空流体导管入口以诱导所述向下流动路径中的流体流动并且强制所述向上流动路径中的流体流动。

3.如权利要求1所述的系统，其中所述至少一个第一流体推进 器安置于所述向上流动路径和所述向下流动路径外部，并且流体耦接至所述向下流动路径以强制所述向上流动路径和所述向下流动路径两者中的流体流动。

4.如权利要求1所述的系统，其中所述至少一个第一流体推进器安置于所述向上流动路径和所述向下流动路径外部，并且流体耦接至所述向上流动路径以诱导所述向上流动路径和所述向下流动路径中的流体流动。

5.如权利要求1所述的系统，其中热耦接至所述向下流动路径或所述向上流动路径中的至少一个路径的所述热传递系统包括导热耦接至所述至少一个中空流体导管的至少一部分的热传递系统。

6.如权利要求1所述的系统，其中热耦接至所述向下流动路径或所述向上流动路径中的至少一个路径的所述热传递系统包括导热耦接至所述容器的至少一部分的热传递系统。

7.如权利要求1所述的系统，其中所述容器进一步包括生物质积聚器以促进过量生物质在由所述容器形成的所述内部空间的至少一部分中积聚。

8.如权利要求7所述的系统，其中所述生物质积聚器包括使所述容器的至少一部分倾斜或弯曲以促进过量生物质在由所述容器形成的所述内部空间的至少一部分中积聚。

9.如权利要求7所述的系统，其中所述容器进一步包括所述生物质积聚器附近的连接以促进过量生物质从所述生物质积聚器中移除。

10.如权利要求1所述的系统，其中所述向上流动路径的至少一部分包括一个或多个第二结构，其促进在所述向上流动路径中流动的多相混合物的相之间的传质。

11.如权利要求1所述的系统，其中所述向下流动路径的至少一部分包括一个或多个第二结构，其促进在所述向下流动路径中流动的多相混合物的相之间的传质。

12.如权利要求1所述的系统，其进一步包括至少一个分离器以促进多相混合物分离成多个相，所述分离器流体耦接以接收来自所述至少一个中空流体导管出口的所述多相混合物的至少一部分。

13.如权利要求12所述的系统，其中所述至少一个分离器的总内部体积是所述容器的总内部体积的至少10％。

14.如权利要求12所述的系统，其中所述分离器进一步流体耦接至所述容器以使所述分离的多相混合物的至少一部分返回到所述向下流动路径。

15.如权利要求12所述的系统，其进一步包括真空发生器，所述真空发生器可操作地耦接至所述分离器以在其中产生减压。

16.如权利要求1所述的系统，其进一步包括至少一个背压发生器，所述背压发生器流体耦接至所述至少一个中空流体导管的所述出口。

17.如权利要求16所述的系统，其中所述至少一个背压发生器的至少一部分包括一个或多个能量回收系统。

18.如权利要求17所述的系统，其中所述一个或多个能量回收系统的至少一部分包括涡轮操作发电机。

19.如权利要求16所述的系统，其进一步包括至少一个分离器以促进多相混合物分离成多个相，所述分离器流体耦接以接收来自所述至少一个背压发生器的所述多相混合物的至少一部分。

20.如权利要求19所述的系统，其中所述分离器进一步流体耦 接至所述容器以使所述分离的多相混合物的至少一部分返回到所述向下流动路径。

21.如权利要求1所述的系统，其中所述至少一个中空流体导管包括单个中空流体导管，所述导管具有基本上平行于所述容器的纵轴定向的纵轴。

22.如权利要求21所述的系统，其中所述单一中空流体导管的所述纵轴与所述容器的所述纵轴同轴对齐。

23.如权利要求1所述的系统，其中所述至少一个中空流体导管包括多个中空流体导管，其各自具有基本上平行于所述容器的纵轴定向的相应纵轴。

24.如权利要求23所述的系统，其中所述多个中空流体导管中的每一个导管的所述相应纵轴基本上平行于所有其它中空流体导管的所述纵轴定向。

25.如权利要求24所述的系统，其中所述多个中空流体导管中的一个导管的所述纵轴与所述容器的所述纵轴同轴对齐。

26.如权利要求1所述的系统，其中所述热传递系统包括储槽，所述储槽含有热耦接至所述容器的至少一部分的一种或多种传热介质。

27.如权利要求1所述的系统，其中至少一个热传递系统包括储槽，所述储槽含有热耦接至所述至少一个中空流体导管的至少一部分的一种或多种传热介质。

28.如权利要求1所述的系统，其中所述至少一个中空流体导管的合计总横向横截面面积是所述容器的总横向横截面面积的至少10％。

29.一种刺激生物生长的装置，所述装置包括：

若干中空流体导管，其至少部分安置于垂直布置的容器内以提供若干向下流动路径，所述向下流动路径由所述若干中空流体导管中的每一个导管的外部周边和所述垂直布置的容器的内部周边限定边界；

其中所述垂直布置的容器包括至少一个流体入口连接，其流体耦接至所述若干向下流动路径的至少一部分；

其中所述若干中空流体导管中的每一个提供相应若干向上流动路径，所述向上流动路径中的每一个由所述相应中空流体导管中的每一个导管的内部周边限定边界，所述若干向上流动路径中的每一个流体耦接至至少一个排放连接以移除多相流体；

至少一个第一流体推进器，其用于提供所述若干向下流动路径中的向下流体流动和所述若干向上流动路径的向上流体流动；

至少一个气体分配器，其安置于所述若干向下流动路径的至少一部分中；和

用于促进其上的生物生长的若干第一结构，其安置于所述若干向下流动路径或所述若干向上流动路径中的至少一种路径的至少一部分内，其中所述第一结构是与所述向下流动路径或所述向上流动路径流体接触的突出部件或凹陷棘爪。

30.如权利要求29所述的装置，其进一步包括至少部分安置于所述若干向下流动路径中的至少一个第一热传递表面。

31.如权利要求30所述的装置，其中所述第一热传递表面包括至少部分安置于所述若干向下流动路径中的热液体储槽。

32.如权利要求29所述的装置，其进一步包括至少部分安置于所述若干向上流动路径的至少一部分中的一个或多个第二热传递表 面。

33.如权利要求32所述的装置，其中所述第二热传递表面包括至少部分安置于所述若干向上流动路径的至少一部分中的热液体储槽。

34.如权利要求29所述的装置，其中所述至少一个气体分配器包括：

流体耦接至至少一个第一气体入口连接的第一气体分配器，所述至少一个第一气体入口连接用于接收至少一种含碳气体。

35.如权利要求34所述的装置，其中所述一个或多个气体分配器包括：

流体耦接至至少一个第二气体入口连接的第二气体分配器，所述至少一个第二气体入口连接用于接收至少一种含氧气体。

36.如权利要求29所述的装置，其中所述至少一个流体入口连接包括：

用于接收包含至少水的流体培养基的至少一个流体连接。

37.如权利要求36所述的装置，其中所述至少一个流体入口连接进一步包括：

用于接收包含至少一种生物营养物的流体培养基的至少一个流体连接。

38.如权利要求29所述的装置，其中所述若干中空流体导管的合计横向横截面面积是所述容器的横向横截面面积的至少10％。