CN107076714B - 气体测试单元和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明描述了用于有效评估含C1基质的设备和相关方法，并且特别是针对此类评估在本地进行，或者在用于为了所需最终产物使用C1碳源的生物转化过程的实施的预期设施处现场进行。如为精确预测/模拟商业性能以证明用于商业按比例扩大的大量资本支出所需，给定工业含C1基质的精确成分，以及成分波动的范围，通常在远程设施处(例如，实验室或半工业规模或示范规模过程)难以复现。

Description

气体测试单元和方法
技术领域
本发明的方面涉及包括用于评估测试含CO基质与参考含CO基质之间的比较性能的独立的生物反应器段的设备。有利地，此类设备可以容纳在用于(例如，向产生工业含CO废气的地方)运输的容器内
背景技术
化石燃料温室气体(GHG)排放方面的环境问题使得对可再生能源越来越关注。因此，乙醇正迅速成为全世界主要的富氢液态运输燃料。基于在欧洲、日本、美国以及若干发展中国家对乙醇生产越来越重视，可以预期在可预见的未来燃料乙醇工业在全球市场会有持续的增长。例如，在美国，乙醇被用于生产E10，一种汽油中含10％乙醇的混合物。在E10共混物中，乙醇成分起氧合剂的作用，从而改进了燃烧效率并减少了空气污染物的产生。在巴西，乙醇满足大约30％的运输燃料需求，其既作为共混到汽油中的氧合剂，又以其本身作为纯燃料。此外，欧盟(EU)已经对其每个成员国家强制要求了消耗诸如生物质来源乙醇的可持续运输燃料的目标。
绝大多数的燃料乙醇是通过传统的基于酵母的发酵过程来生产，所述发酵过程使用来源农作物的碳水化合物作为主要碳源，诸如从甘蔗中提取的蔗糖或从谷类作物中提取的淀粉。然而，这些碳水化合物原料的成本受其在竞争用途的市场上的价值影响，即同时作为人类和动物的食物来源。此外，用于乙醇生产的产生淀粉或蔗糖的作物的种植并非在所有地理区域都是经济可持续的，因为其依据当地的土地价值和气候。基于这些原因，开发将更低成本和/或更丰富的碳源转化成燃料乙醇的技术是特别令人感兴趣的。就这一点而言，一氧化碳(CO)是诸如煤炭、石油以及石油衍生产物的有机材料不完全燃烧的主要的富含能量的副产物。富含CO的废气由各种工业过程而产生。例如，据报道，在澳大利亚钢铁工业每年产生并释放到大气中超过500,000公吨的CO。
最近，用于在工业规模上从CO生产乙醇的基于微生物(细菌)的过程替代方案已经成为商业兴趣和投资的主题。微生物培养物以CO作为唯一碳源来生长的能力在1903年被首次发现。此特性稍后被确定存在于生物对自养生长的乙酰辅酶A(acetyl CoA)生物化学途径的使用中(也被认为是Woods-Ljungdahl途径和一氧化碳脱氢酶/乙酰辅酶A合酶(CODH/ACS)途径)。大量的厌氧生物，包括一氧化碳营养(carboxydotrophic)、光合的、产甲烷的以及产乙酸的生物，自此之后显示为能够代谢CO。厌氧细菌，诸如那些来自梭菌属的，已知为通过乙酰辅酶A生物化学途径从CO、CO2以及H2生产乙醇。例如，WO 00/68407、EP 1117309A1、US 5,173,429、US 5,593,886、US 6,368,819、WO98/00558以及WO 02/08438中描述了从气体生产乙醇的杨氏梭菌(Clostridium ljungdahlii)的各种菌株。细菌产乙醇梭菌(Clostridium autoethanogenum sp)同样已知为从气体生产乙醇(Abrini等，《微生物学档案(Archives of Microbiology)》161:345-351(1994))。
由于生物的每种酶以基本上完美的选择性促进其指定的生物转化，相比于传统催化路线，微生物合成路线可以以更低的能量消耗获得更高的产量。例如，可以降低用于将产自非选择性副反应的副产物从所需产物中分离的能量要求。此外，可以减少对由于反应介质中的杂质而产生的催化剂中毒问题的关注。尽管有这些明显的优点，然而，所述本领域必须解决目前与从CO微生物合成乙醇相关的一定的挑战，特别是在确保生产率与其它技术相比具备竞争力的方面。当使用CO作为其碳源时，以上所述的厌氧细菌通过发酵生产乙醇，但是其也生产至少一种代谢物，例如CO2、甲烷、正丁醇和/或乙酸。任何这些代谢物的形成能够潜在地显著影响给定过程的生产率和总体经济可行性，因为可用碳损失于代谢物并且所需最终产物的生产效率受到影响。此外，除非代谢物(例如，乙酸)本身在微生物发酵过程时和在微生物发酵的地方具有价值，其可能会造成废物处理问题。WO2007/117157、WO2008/115080以及WO2009/022925中讨论了在制造乙醇的厌氧发酵含CO气体中，解决除了所需最终产物之外的产物的形成的各种建议。
乙醇生产率，其是给定发酵过程是否在经济上具有吸引力的关键决定因素，高度依赖于管理用于细菌生长的适当条件。例如，由WO2010/093262可知，含CO基质必须以导致最优微生物生长和/或所需代谢产物的速率提供给微生物培养物。如果未提供足够的基质，微生物生长变慢并且以乙醇作为代价发酵产物产量转向乙酸。如果提供了过量基质，可能导致不良的微生物生长和/或细胞死亡。在WO2011/002318中可以找到关于这些过程中的操作参数之间的关系的进一步信息。
与用于从CO并且特别是含CO废物流(例如通常在钢铁生产和在化学工业中排放的气体排放物)来生产乙醇的生物过程有关的领域，正在不断寻求可以改进总体过程经济性(并且由此带来的工业竞争力)和/或可以导致在工业规模上采用相对新的技术中的更大确定性的解决方案。就这一点而言，除了气体成分的变化之外，给定细菌培养物的商业性能可能对含CO基质的特定来源敏感，并且特别是对驻留在特定工业运营商(例如，钢铁生产者)的气体废物流中的杂质的种类和数量敏感。如果所感到的与未测试的本地含CO基质和公共设施(例如，水源)相关的风险被认为是过度的，那么用于商业生物转化过程的大型投资难以进行财政承担。因此，获得客户/投资者对给定技术的信心的有效方法对于将用于乙醇生产的生物转换过程推进到商业实现是具有重大意义的。
发明内容
本发明与用于有效评估含C1基质的设备及相关方法的发现相关，并且特别是针对此类评估在本地进行，或者在用于从C1碳源生产乙醇的生物转化过程的实施的预期设施处现场进行。通常含C1基质包含选自由CO、CO2以及CH4组成的群组的至少一种C1碳源。重要地，已经确定的是，给定工业含C1基质的精确成分在远程设施处(例如，实验室或中试规模或示范规模过程)难以复现，至少在精确预测商业性能所需的程度上难以复现。重要地，在没有足够确信给定过程可以获得其性能目标的情况下，无法证明按比例扩大(例如，过程设计和工程化)所需要的大量资本支出是正确的。就这一点而言，即使痕量的某些污染物(例如，烃或含杂原子烃)可能不利地影响细菌培养物，其是一种液体基系统，易于从含C1基质提取此类较重分子，而允许此类分子在生物反应器的液体循环回路的内部和外部累积。而且，本地气体成分的波动同样难以在现场外的测试设施中进行复现，并且在多数情况下，没有对所述含C1基质的直接本地存取就不能知道或感知此类波动的程度。此外，在重大投资决定之前，可能对预期商业生物转化设施的所在地十分重要的其它方面的适合性(例如，将用于细菌培养基中的本地水源)应当进一步得到评估和确认。
有利地，本文所描述的设备和方法可以用于识别和修复次优性能的原因(例如，代谢生产率和/或基质利用率)。可以在商业规模运行之前有利地确定必须对含C1基质和/或添加到过程的其它本地来源的添加剂实施或增强预处理的程度，从而改进商业设计和相关成本估计的精确性。此外，功效的现场展示使供应商和用户等均对利用本地(即实际的或工业的)供应的含C1基质和可能的其它本地添加剂操作的预期生物转化过程很大程度上放心。
本发明的具体实施例涉及气体测试单元，其包含两个生物反应器段，并且在许多情况下仅使用两个生物反应器段，具有足够的检测仪器、工艺设备，以及用于比较地评估测试含C1基质的分析能力，并且更重要的具有足够的尺寸约束以允许可运输性。
在一个方面，本公开提供了一种气体测试单元，其包含：(a)第一生物反应器段，其用于评估参考含C1基质的性能；(b)第二生物反应器段，其用于评估测试含C1基质的性能；以及(c)分析部分，其配置为分析第一和第二生物反应器的气态和液态产物两者；其中所述气体测试单元能够被容纳在具有小于约6m3体积的容器内并且可运输至多个位置。
所述气体测试单元能够被容纳在具有各自小于约1.8米、或各自小于约1.6米或各自小于1.3米的长度、宽度以及高度尺寸的盒子中。在某些实施例中，盒子具有：长度、宽度以及高度尺寸中的一个小于约1.6米，并且长度、宽度以及高度尺寸中的另两个小于约1.3米。
气体测试系统的分析部分包含气相色谱(GC)分析仪，所述分析仪具有分别配置为分析气态和液态产物的第一和第二色谱柱。
第一和第二生物反应器段的生物反应器每个包含循环回路生物反应器。第一和第二生物反应器段每个进一步包含用于循环从生物反应器的邻近底端向生物反应器的邻近相对顶端收回的液体的外部再循环回路和循环泵。
气体测试单元可以进一步包含操作控制系统，其用于控制选自由新鲜培养基添加速率、气态含C1基质进给速率、反应器温度以及反应器pH所组成的群组的一个或多个操作参数。在某些实施例中，所述一个或多个操作参数包括反应器pH，并且控制系统包括用于基于测量的反应器pH控制到生物反应器的碱性中和剂的流动的检测仪器。
在某些实施例中，气体测试单元包含安全控制系统，其用于响应于环境C1浓度的测量值在阈值浓度以上，暂停至少测试含C1基质或参考含C1基质的流动。
在第二个方面，本公开提供了一种用于评估测试含C1基质用于生物转化过程中的适合性的方法，所述方法包含：(a)向含有固C1微生物的第一培养物的第一生物反应器进给参考含C1基质；(b)向含有固C1微生物的第二培养物的第二生物反应器进给测试含C1基质；以及(c)分析第一和第二生物反应器的气态和液态产物两者以确定第一和第二生物反应器的性能；其中由第一生物反应器的性能相对于第二生物反应器的性能的比较来确立测试含C1基质的适合性。在某些实施例中，同时地执行步骤(a)和步骤(b)的至少一部分。
在某些实施例中，固C1微生物是来自梭菌属的一氧化碳营养(carboxydotrophic)微生物。优选地，固C1微生物选自由产乙醇梭菌(Clostridium autoethanogenum)、杨氏梭菌以及拉式梭菌(Clostridium ragsdalei)组成的群组。
在某些实施例中，所述方法包含：在步骤(b)中在向第二生物反应器进给测试含C1基质之前，向第二生物反应器进给参考含C1基质。
测试含C1基质是工业含C1废物气体流，其已被预处理以去除污染物。在某些实施例中，测试含C1基质是原始的工业气体流。在某些实施例中，所述方法包含：测试原始的含C1基质以确定生物过程对未处理的废物气体流是否可行。
在一个实施例中，分析步骤(c)包含：测量第一和第二生物反应器的气态产物中的C1浓度并测量第一和第二生物反应器的液态产物中的乙醇及至少一种其它代谢物的浓度。此外，根据本发明固C1微生物的第一和第二培养物中的至少一种可以包含以本地水源制备或者补充的培养基。在一些实施例中，在至少大约7天的测试周期内同时评定第一和第二培养物的性能。
在另一方面，本公开提供了一种用于确定测试含C1基质是否支持生物转化过程的方法。所述方法包含：(a)维持固C1微生物的独立的第一和第二培养物，利用参考含C1基质作为营养物以用于生产乙醇和至少一种其它代谢物；(b)将作为第二培养物的营养物的参考含C1基质改变为测试含C1基质；(c)在相同的一组目标操作条件下，但是使用不同的参考含C1基质和测试含C1基质，评定第一培养物相对于第二培养物的性能；(d)如果在步骤(c)中未发现第二培养物的最小性能不足，那么确认所述测试含C1基质支持生物转化过程；(e)如果在步骤(c)中发现最小性能不足，那么对测试含C1基质预处理或增强预处理，以提供相对于步骤(c)中评定性能所使用的测试含C1基质更高质量的测试含C1基质。
在一个实施例中，所述方法进一步包含：(f)在相同的一组目标操作条件下，但是使用不同的参考含C1基质和更高质量的测试含C1基质，评定第一培养物相对于第三培养物的性能；以及(g)如果在步骤(f)中未发现第三培养物的最小性能不足，那么确认所述更高质量的测试含C1基质支持生物转化过程。
在某些实施例中，使用不同的水源来制备第一和第二培养物或补充第一和第二培养物。
从以下的具体实施方式，关于本发明的这些和其它实施例、方面和优点是显而易见的。
附图说明
通过考虑附图参考以下描述来获得对本发明的示范性实施例及其优点的更完整的理解，其中相似的特征由相似的附图标记标识(例如，图1A的生物反应器110和图2的生物反应器100a、100b)。
图1A和1B分别示出了本文所述的代表性可运输气体测试单元的侧剖视图和后视图。
图2示出了在本文所述的气体测试单元中使用的代表性生物反应器的近距离视图，并且提供了关于其操作的附加细节。
图3是说明可以利用本文所述的气体测试单元执行的代表性方法的流程图，用于确定测试含C1基质是否适合用于生物转化过程，任选地在其之后跟随本文所述的一个或多个修复措施(例如，增加测试含C1基质的纯度)。
图1至3应当理解为呈现对公开内容和/或所涉及原理的例证。为了利于解释和理解，在图1和2中示出了简化的设备和处理流程，并且不同的设备的相对尺寸未必按比例绘制。未示出并非对理解本公开必不可少的细节，包括一些阀、检测仪器以及其它设备和系统。如同对了解本公开的本领域技术人员显而易见的，用于测试给定含C1基质和/或本地添加剂是否支持生物转化过程的设备和方法，将部分地通过其特定用途来确定配置和部件。
具体实施方式
本发明与以下重要认识相关，即为了以上确定的目的，测试(或本地)含C1基质可以仅利用选定的一部分设备而被有效地评估，所述设备可以以其它方式用于实施具有最大生产率和最大所需产物产量的生物C1转化过程。含C1基质通常包含选自由CO、CO2以及CH4组成的群组的至少一种C1碳源。例如，含C1基质可以是含有CO的气态基质。含C1基质还可以包含H2和/或N2。例如，具有用于对测试气体和参考气体比较测试的独立的第一和第二生物反应器的平行生物反应器段系统，可以提供必要的信息来确认本地可用的气体进给和/或添加剂支持商业过程，即使在没有达到商业级别的性能的情况下(例如，就液态产物乙醇滴度而言)。仅需要实际的生物反应器部件、过程容器、检测仪器以及分析仪的子集，使得代表性气体测试单元能够被容纳和运输(例如，在747喷气客机的货物舱中)到预期的设施。例如，除了任选地用于从外部循环回路向生物反应器的顶部进给液体的液体分配装置(例如，喷头)之外，通过只有两个生物反应器分别用于评估测试气体和参考气体而没有反应器内部分配装置，可以得到特别的效率。通过使用用于分析气态和液态产物两者的气相色谱仪(GC)，可以得到其它效率。通过避免在每个生物反应器段分离和循环固C1微生物，又可以得到其它效率。通过利用这些和其它效率，气体测试单元可以有利地被制成可运输(例如，通过空中、海洋或陆地)到用于从含C1基质生产乙醇的生物转化过程的预期的商业规模装置的偏远地点处。气体测试单元包括用于现场评估本地可用的含C1基质和诸如水的过程添加剂的足够的设备，而无需所有以下需要：(i)生产率最大化所需的反应器系统，和/或(ii)用于全面监控和控制所有过程变量的分析系统和检测仪器。此类需要通常与运输性的目标不匹配。有利地，已经确定，相对于定量结果，定性结果(例如，与参考测试作比较)可以提供有意义的评估，以用于气体质量验证目的和/或识别有必要采取补救措施来解决性能不足的范围。
本发明涉及由相关方法操作的气体测试单元和相关方法，其在其它方面涉及诸如乙醇的所需最终产物的生产，所述最终产物来自对在气态含C1基质中的C1碳源的生物转化。例如，可以用参考(或控制)含C1基质和测试(或工业可用)含C1基质进给气体测试单元的第一和第二生物反应器段，用于平行的或同时的性能评估，以便建立可以提供在确立特定测试含C1基质适合用于给定过程方面有用的信息的比较。每个生物反应器段包含处于操作的生物反应器，其包括含有固C1微生物(细菌培养物)的液态培养基。除了所需最终产物之外，在每个生物反应器段发生的生物转化过程附加地产生不需要的或不太需要的代谢物，其类似于所需产物(例如，乙醇)，所述代谢物可以在从这些段收回的液态产物中检测到。此类代谢物的实例是乙酸盐(例如，以乙酸的形式)和2,3-丁二醇。术语“乙酸盐”或“乙酸”指的是存在于培养基中的全部乙酸盐，以其阴离子(离解)形式(即，作为乙酸盐离子或CH3COO-)或以游离的分子乙酸(CH3COOH)的形式，而这些形式的比例取决于系统的pH。如下所述，可以使用诸如含水氢氧化铵(NH4OH)或含水氢氧化钠(NaOH)的碱性中和剂，通过中和所形成的乙酸来控制给定生物反应器中的培养基的pH(例如，控制到pH设定点值，所述点值可以是在pH＝4.5和pH＝8.0之间的任何特定pH值)。将生物反应器保持(或控制)在实现本文所述的过程的代表性pH范围大体是在从大约4.0至大约8.0的范围内的任何pH值(设定点)，比如从大约5.0至大约6.5(例如，pH＝5.0、5.5或6.0)。
代表性固C1细菌，是那些来自穆尔氏菌属(genus Moorella)、梭菌属(Clostridia)、瘤胃球菌属(Ruminococcus)、醋酸杆菌属(Acetobacterium)、真杆细菌(Eubacterium)、丁酸杆菌属(Butyribacterium)、产醋杆菌属(Oxobacter)、甲烷八叠球菌属(Methanosarcina)、甲烷八叠球菌属(Methanosarcina)以及脱硫肠状菌属(Desulfotomaculum)的细菌。
“微生物”是微观生物，特别是细菌、古生菌、病毒或真菌。本发明的微生物通常为细菌。如本文所用的，“微生物”叙述应当被理解为涵盖“细菌”。
本发明的微生物可以基于功能特性被进一步分类。例如，本发明的微生物可以是或可以来源于：固C1细菌、厌氧生物、产乙酸生物、产乙醇生物、一氧化碳营养生物(carboxydotroph)和/或甲烷营养生物。表1提供了微生物的代表性列表并标识了其功能特性。
1伍氏醋酸杆菌可以从果糖生产乙醇，但是无法从气体生产。
2据报道，伍氏醋酸杆菌可以在CO上生长，但是所述方法尚有疑问。
3还没有调查梭菌属magnum是否能在CO上生长。
4热醋穆尔氏菌,穆尔氏种(Moorella sp.)HUC22-1的一种菌株据报告可以从气体生产乙醇。
5还没有调查卵形鼠孢菌是否能在CO上生长。
6还没有调查席尔瓦醋酸鼠孢菌是否能在CO上生长。
7还没有调查球形鼠孢菌属是否能在CO上生长。
“C1”指的是单碳分子，例如，CO、CO2、CH4或CH3OH。“C1含氧物”指的是还包含至少一个氧原子的单碳分子，例如，CO、CO2或CH3OH。“C1碳源”指的是作为用于本发明的微生物的部分或唯一碳源的单碳分子。例如，C1碳源可以包含CO、CO2、CH4中的一个或多个。优选地，C1碳源包含CO和CO2中的一个或两者。“固C1微生物”是具有从C1碳源生产一种或多种产物的能力的微生物。通常，本发明的微生物是固C1细菌。在一个优选的实施例中，本发明的微生物来源于表1中所标识的固C1微生物。
“厌氧生物”是一种生长不需要氧气的微生物。如果氧气在某个阈值之上，那么厌氧生物可能负面地反应或者甚至死亡。通常，本发明的微生物是厌氧生物。在优选的实施例中，本发明的微生物来源于表1中所标识的厌氧生物。
“产乙酸生物”是一种生产或者能够生产乙酸盐(或乙酸)作为厌氧呼吸产物的微生物。通常，产乙酸生物是专性厌氧细菌，其使用Wood-Ljungdahl途径作为其能量保存和合成乙酰辅酶A及乙酰辅酶A衍生产物的主要机制，例如乙酸盐(Ragsdale，《生物物理学报(Biochim Biophys Acta)》，1784:1873-1898，2008)。产乙酸生物使用乙酰辅酶A途径作为：(1)用于从CO2还原性合成乙酰辅酶A的机制；(2)末端电子传导、能量保存过程；(3)用于在细胞碳合成中固定(同化)CO2的机制(Drake，“产乙酸元原核生物(AcetogenicProkaryotes)，《原核生物(The Prokaryotes)》第三版第354页，纽约，NY，2006)。所有天然存在的产乙酸生物是固C1、厌氧、自养和非甲基营养的。通常，本发明的微生物是产乙酸生物。在优选的实施例中，本发明的微生物来源于表1中所标识的产乙酸生物。
“产乙醇生物”是一种生产或者能够生产乙醇的微生物。通常，本发明的微生物是产乙醇生物。在优选的实施例中，本发明的微生物来源于表1中所标识的产乙醇生物。
“自养生物”是一种能够在没有有机碳的情况下生长的微生物。相反，自养生物使用诸如CO和/或CO2的无机碳源。通常，本发明的微生物是自养生物。在优选的实施例中，本发明的微生物来源于表1中所标识的自养生物。
“一氧化碳营养生物”是一种能够利用CO作为唯一碳源的微生物。典型的，本发明的微生物是一氧化碳营养生物。在优选的实施例中，本发明的微生物来源于表1中所标识的一氧化碳营养生物。
“甲烷营养生物”是一种能够利用甲烷作为唯一碳源和能量的微生物。在某些实施例中，本发明的微生物来源于甲烷营养生物。
更宽泛地讲，本发明的微生物可以来源于表1中标识的任何属和种。
在优选实施方式中，本发明的微生物来源于梭菌属的群，其包含产乙醇梭菌、杨氏梭菌以及拉式梭菌。这些菌种由“Abrini，《拱形微生物(Arch Microbiol)》，161:345-351，1994(产乙醇梭菌)”,“Tanner，《国际J系统细菌(Int J System Bacteriol)》，43:232-236，1993(杨氏梭菌)”以及“Huhnke，WO 2008/028055(拉式梭菌)”首次报告并表征。
这三个菌种具有许多相似之处。特别地，这些菌种全部是梭菌属的固C1、厌氧、产乙酸、产乙醇以及一氧化碳营养成员。这些物种具有相似的基因型和表型以及能量保存和发酵代谢模式。此外，这些物种群集于16S rRNA DNA超过99％相似的梭菌属rRNA同源群I，具有约22mol％至30mol％的DNA G+C含量，是革兰氏阳性的，具有相似的形态和尺寸(对数生长的细胞在0.5-0.7x 3-5μm之间)，是嗜温的(在30℃至37℃生长最优)，具有相似的约4至7.5的pH范围(最优pH为约5.5至6)，没有细胞色素，以及通过Rnf复合物保存能量。而且，在这些菌种中已经显示了羧酸的减少而变成其对应的乙醇(Perez，《生物技术生物引擎(Biotechnol Bioeng)》，110:1066-1077，2012)。重要地，这些菌种还全部显示出对含CO气体的较强的自营养生长性，生产乙醇和乙酸盐(或乙酸)作为主要的发酵产物，并且在一定条件下产生少量的2,3-丁二醇和乳酸。
然而，这三种菌种还有许多不同。这些菌种分离自不同的来源：产乙醇梭菌来自兔子肠道，杨氏梭菌来自鸡圈废物，而拉式梭菌来自淡水沉积物。这些菌种在对各种糖(例如，鼠李糖、阿拉伯糖)、酸(例如，葡糖糖酸、柠檬酸)、氨基酸(例如，精氨酸、组氨酸)以及其它基质(例如，甜菜碱、丁醇)的利用方面不同。此外，这些菌种在对某些维生素(例如，硫胺素、生物素)的营养缺陷型方面不同。这些菌种在Wood-Ljungdahl途径基因和蛋白质的核酸序列和氨基酸序列方面不同，尽管已经发现这些基因和蛋白质一般的组织和数目在所有菌种中是相同的(《Curr Opin生物技术(Curr Opin Biotechnol)》，22:320-325，2011)。
因此，总的来说，产乙醇梭菌、杨式梭菌或拉式梭菌的许多特性并不特定于所述菌种，而是针对梭菌属的固C1生物、厌氧生物、产乙酸生物、产乙醇生物以及一氧化碳营养生物的所述群组的一般特性。然而，由于这些菌种事实上是不同的，对这些菌种的一种进行的基因改造或操纵可能对这些菌种的另一种不具有相同的效果。例如，可能观察到生长、性能或产物生产方面的差异。
本发明的微生物还可以来源于产乙醇梭菌、杨式梭菌或拉式梭菌的分离菌或突变体。产乙醇梭菌的分离菌或突变体包括：JA1-1(DSM10061)(Abrini，《拱形微生物(ArchMicrobiol)》，161:345-351，1994)、LBS1560(DSM19630)(WO 2009/064200)以及LZ1561(DSM23693)。杨氏梭菌的分离菌或突变体包括：ATCC 49587(Tanner，《国际J系统细菌(IntJ Syst Bacteriol)》，43:232-236，1993)、PETCT(DSM13528，ATCC 55383)、ERI-2(ATCC55380)(US 5,593,886)、C-01(ATCC 55988)(US 6,368,819)、O-52(ATCC 55989)(US 6,368,819)以及OTA-1(Tirado-Acevedo，《使用杨氏梭菌从合成气生产生物乙醇(Productionof bioethanol from synthesis gas using Clostridium ljungdahlii)》，博士论文，北卡罗来纳州立大学，2010)。拉式梭菌的分离菌或突变体包括：PI 1(ATCC BAA-622，ATCCPTA-7826)(WO 2008/028055)。
本发明的微生物可以被培养为生产一种或多种产物。例如，产乙醇梭菌生产或可以被工程化为生产乙醇(WO 2007/117157)、乙酸盐(WO 2007/117157)、丁醇(WO2008/115080和WO 2012/053905)、丁酸盐(WO 2008/115080)、2,3-丁二醇(WO2009/151342)、乳酸盐(WO 2011/112103)，丁烯(WO 2012/024522)、丁二烯(WO2012/024522)、甲基乙基酮(2-丁酮)(WO 2012/024522和WO 2013/185123)、乙烯(WO2012/026833)、丙酮(WO 2012/115527)、异丙醇(WO 2012/115527)、脂类(WO2013/036147)、3-羟基丙酸叔丁酯(3-HP)(WO 2013/180581)、异戊二烯(WO2013/180584)、脂肪酸(WO 2013/191567)、2-丁醇(WO 2013/185123)、1,2-丙二醇(WO2014/0369152)以及正丙醇(WO 2014/0369152)。除了一种或多种目标产物之外，本发明的微生物还可以生产乙醇、乙酸盐和/或2,3-丁二醇。在某些实施例中，微生物生物质本身可以被认为是一种产物。
一般来讲，在第一和第二生物反应器中使用相同的微生物，然而，在一些实施例中在不同的生物反应器中还可以使用不同的固C1微生物。
代表性含C1基质并且尤其是本文所述的测试含C1基质广泛地包括任何C1碳源。C1碳源指的是单碳分子用作用于本发明的微生物的部分或唯一碳源。例如，C1碳源可以包含CO、CO2或CH4中的一种或多种。优选地，C1碳源包含CO和CO2中的一种或两种。基质可以进一步包含其它非碳成分，例如H2、N2或电子。
含C1基质可以含有显著比例的CO，优选地以体积计至少大约5％至大约99.5％。此类基质通常被产生作为工业过程的废物产物，例如钢铁制造过程或有色产品制造过程。产生气态含CO基质的其它过程包括：石油精炼过程、生物燃料生产过程(例如，高温分解过程和脂肪酸/甘油三酸脂加氢转化过程)、煤炭和生物质气化过程、电力生产过程、炭黑生产过程、氨生产过程、甲醇生产过程以及焦炭制造过程。许多化学工业流出物，以及由各种基质产生的合成气(同时含有CO和H2)，可以同样用作潜在的含CO基质。具体实例包括来自磷酸盐和铬酸盐的生产的流出物。有利地，可以如本文所述使用来自这些过程的废物(例如，废物气体)以用于有益地生产诸如乙醇的有用最终产物。基质和/或C1碳源可以是或者可以来源于作为工业过程的副产物而获得的废物或废气或来源于一些其它来源，例如来自汽车尾气或生物质气化。在某些实施例中，工业过程选自由以下组成的群组：黑色金属产品制造(例如轧钢制造)、有色产品制造、石油精炼过程、煤炭气化、电力生产、炭黑生产、氨生产、甲醇生产以及焦炭制造。在这些实施例中，基质和/或C1碳源可以在其被排放进入大气之前使用任何传统方法从工业过程中捕获。
基质和/或C1碳源可以是或可以来源于合成气，例如通过气化煤炭或精炼残余物、气化生物质或木质纤维素材料、或改良天然气获得的合成气。在另一个实施例中，合成气可以从气化市政固体废物或工业固体废物来获得。
结合基质和/或C1碳源，术语“来源于”指的是基质和/或C1碳源是以某种方法进行了修改或共混。例如，基质和/或C1碳源可以被处理以添加或去除某些成分或可以与其它基质和/或C1碳源流共混。
基质的成分可以对反应的效率和/或成本有显著的影响。例如，O2的存在可能降低厌氧发酵过程的效率。根据基质的成分，期望可以处理、洗擦或过滤基质以去除任何不需要的杂质，例如毒素、不需要的成分或粉尘颗粒，和/或增加所需成分的浓度。
基质通常包含至少一定量的CO，例如大约1、2、5、10、20、30、40、50、60、70、80、90或100mol％的CO。基质可以包含一定范围的CO，例如大约20至80、30至70或40至60mol％的CO。优选地，基质包含大约40至70mol％的CO(例如，轧钢或高炉气体)、大约20至30mol％的CO(例如，碱性氧气转炉)或大约15至45mol％的CO(例如，合成气)。在一些实施例中，基质可以包含相对低量的CO，例如大约1至10或1至20mol％的CO。本发明的微生物通常将基质中的至少一部分CO转化为产物。在一些实施例中，基质不包含或基本不包含CO。
基质可以包含一定量的H2。例如，基质可以包含大约1、2、5、10、15、20或30mol％的H2。在一些实施例中，基质可以包含相对高量的H2，例如大约60、70、80或90mol％的H2。在其它实施例中，基质不包含或基本不包含H2。
基质可以包含一定量的CO2。例如，基质可以包含大约1至80或1至30mol％的CO2。在一些实施例中，基质可以包含少于大约20、15、10或5mol％的CO2。在另一个实施例中，基质不包含或基本不包含CO2。
尽管基质通常是气态的，基质也可以以另选的形式提供。例如，可以使用微泡分散发生器将基质溶解在含CO气体饱和的液体中。进一步举例，基质可以吸附在固体载体上。
已经确定的是，给定工业含C1基质的精确成分在远程设施处(例如，实验室或中试规模或示范规模过程)难以复现，至少在精确预测商业性能所需的程度上难以复现。重要地，在没有足够确信给定过程可以获得其性能目标的情况下，无法证明按比例扩大(例如，过程设计和工程化)所需要的大量资本支出是正确的。就这一点而言，即使痕量的某些污染物(例如，烃或含杂原子烃)也可能不利地影响细菌培养物，其是一种液体基系统，易于从含C1基质提取此类较重分子，而允许此类分子在生物反应器的液体循环回路的内部和外部累积。而且，本地气体成分的波动同样难以在现场外的测试设施中进行复现，并且在多数情况下，没有对所述含C1基质的直接本地存取就不能知道或感知此类波动的程度。此外，在重大投资决定之前，可能对预期商业生物转化设施的所在地十分重要的其它方面的适合性(例如，将用于细菌培养基中的本地水源)应当进一步得到评估和确认。
在生物转化过程中使用工业含C1基质已显示出存在许多挑战。除了主要气体成分(例如，CO、H2、N2、CO2)之外的物质的存在可能对发酵过程具有有害的影响。此外，来自工业过程的气体的流率取决于所述过程的操作参数，并且并未调制为向下游发酵过程提供一致体积的气体进给速率(例如，按照Nm3/hr)。根据每种组分(主要成分和污染物两者)的相对量的气体的化学性通常根据操作参数和对上游工业过程的输入而随时间快速地改变。
也许对使用工业废气作为产物合成的气体发酵过程的唯一碳和能量原料的最显著的挑战是，存在广谱的杀菌剂或有毒污染物。来自工业生产的气化生物质的合成气产物的污染物对微生物发酵的负面效应已被很好地记录。这些气体同时含有焦油和氮化合物，其已经被一致地证明抑制微生物生长和生产率，尤其是在使用CO和H2作为其唯一碳和能量源的一氧化碳营养生物之间(Ahmed等，2006)。在若干研究中已经显示出存在于合成气中的一氧化氮在低至40ppm的浓度上对诸如C.carboxydivorans和C.ragsdalei的一氧化碳营养生物是抑制性的，(Datar等，2004；Lewis等，2006；Ahmed和Lewis，2007；Kundiyana等，2010)。其它研究证明了由苯、甲苯、乙苯以及对二甲苯所构成的焦油(所有的化合物存在于表2中所述的来自于钢铁制造的废气中)也被发现对一氧化碳营养生物的生产率和存活能力是抑制性的(Ahmed等，2006；Lewis等，2006)。
例如，作为钢铁制造过程的必然后果而产生的废气包含CO并且在某些情况下包含H2,并且成为与利用上述工业废气相关的挑战。通常来自钢铁制造过程的废气包含很少氢气或者不包含氢气。进一步的，存在于这些废气的多种污染化合物为人们所熟知并且已经被记录(参见表2)。存在于钢铁废气的污染物的数目和种类当然远远大于据称在其它工业气体中存在的污染物的数目和种类，比如说生物质衍生合成气。同时在污染物的数目和种类的所述增加对发酵系统提出了更显著的挑战。尽管污染物对生物过程的所述“附加”效应难以精确预测，但是可以预期所述有效效应将严重的多。在进入排气孔或烟囱作为来自钢铁制造过程的部分废气的15种最丰富的污染物中，是诸如一氧化氮、二氧化硫、苯、甲苯、氰化物和氟化物的化合物，其中的每一种都被知悉为对细菌有毒。
如上所述，由苯、甲苯、乙苯以及对二甲苯所构成的焦油已经被发现对C.carboxydivorans的存活能力和生产率具有高度的有害效应(Lewis等，2006)。Payne和Smith(1983)描述了苯和甲苯以及二甲苯对厌氧细菌的相对毒性。然而，如以上所指出的，所述化合物和其它化合物与各种其它潜在的有毒化合物一起存在于轧钢气体中。(Amor等，2001)描述了诸如镉、镍和锌的重金属对甲苯的毒性的额外影响。这些数据清楚地证明了，通过单独地添加这些重金属显著地并且不利地影响了在存在甲苯时的微生物性能。在轧钢废气中这些金属一起存在，因此可以预期会对微生物性能和生产率提出更大的挑战。
明显地，在实验室设定下难以提供可以充分代表工业气流的测试流、重要地，即使在来自相似工业的气流中，各自的气体流中存在的污染物的类型和量也显著地不同。即使在单个工厂或设施内，排气的成分也依据上游条件和提供给工业过程的来源别处的原材料而不同。此外，压缩气体通常改变了气体成分。特别是，在高压下，污染物倾向于从气相退出。这造成了在地点处的排出气体和提供给实验室的测试样品之间的不一致/变化。
表2示出了来自博思格钢铁公司坎布拉港钢铁厂(BlueScope Steel Port KemblaSteelworks)–澳大利亚新南威尔士州(NSW)坎布拉港(Port Kembla)的以公斤计的所有空气排放物(点源+挥发物1)，如在《国家污染目录(National Pollution Inventory(NPI))》所报告的(http://www.npi.gov.au)。这个表详细说明了来自澳大利亚新南威尔士州坎布拉港的博思格钢铁公司坎布拉港钢铁厂的废气的造成污染的典型组分。
表2
1点源排放物流入排气孔或烟囱并且通过单点源发散到大气。实例是锅炉或静态燃烧发动机提供动力的设备的排气系统。
挥发排放物是未通过排气孔或烟囱释放的排放物。挥发排放物的实例包括：来自车辆的排气排放物，来自车辆燃料箱的蒸发排放物，来自桶或燃料及其它挥发性有机液体储罐、开口容器、溢出物以及材料处理的蒸汽挥发物。来自建筑的屋脊排气口、百叶窗以及打开的门的排放物，来自设备泄漏、阀泄漏和法兰的排放物是其它类型的挥发排放物。
如下所述，在本文所述的气体测试单元和方法中特别有用的特定类型的生物反应器是循环回路反应器，其中气态含C1基质通常被分散(例如，喷射)到提升部分的底部，在含有处于连续液相的细菌培养基的反应器的较低端部处或者在附近。上升气泡在其向上移动通过连续液相期间被限定在提升部分，直到任何未消耗的和未溶解的气体被释放进入在液位上方并延伸到反应器上端的连续气相(即，蒸汽空间或顶部空间)内。在提升部分中的连续液相的循环可以由相对低密度中心部分引起，大部分的上升气泡通过所述中心部分，与相对高密度周边(外围)部分很少有或没有气体截留相结合。内部液体循环可以因此通过液体在中心部分的净向上移动和在周边部分中的净向下移动而被建立。如以下更详细描述的，包含循环回路反应器的生物反应器段还可以包括在反应器外部的强制液体循环，优选地通过从反应器的底端收回液体和将收回的液体引入到反应器的顶端内，由此在反应器顶部空间提供对流的气体-液体流动。
术语“生物反应器”，以及可以被包括作为气体测试单元的“生物反应器段”的部分的任何生物反应器并不限于循环回路反应器，而更宽泛地包括任何合适的容器或容器内的部分，以用于保持具有可以用于实现本文所述的生物过程的固C1微生物的培养基的液体体积，就其通常被厌氧地执行来说，所述生物过程还可以被称为发酵过程。特定类型的生物反应器可以包括适用于两相(气体-液体)接触的任何容器，对流流动反应器(例如，具有向上流动的汽相和向下流动的液相)或顺流流动反应器(例如，具有向上流动的气相和液相)。在此类两相接触容器中，液相可以为连续相，如在气泡流动通过移动的液柱的情况下。此外，汽相可以为连续相，如在分散液体(例如，以液滴的形式)流动通过蒸汽空间的情况下。如就循环回路反应器而言，生物反应器的不同区域可以用于包含连续的液相和连续的气相。
生物反应器的具体实例包括连续搅拌槽反应器(CSTR)、固定化细胞反应器(ICR)、滴流床反应器(TBR)、移动床生物膜反应器(MBBR)、鼓泡器、气体提升发酵罐以及诸如中空纤维薄膜生物反应器(HFMBR)的薄膜反应器。合适的生物反应器可以包括静态搅拌器或其它容器和/或装置(例如，塔或管道构造)，其被配置用于接触具有液体细菌培养基(例如，具有有利于实现生物转化的溶解和物质输送历程)的气态含CO基质。短语“多个生物反应器”或可以被包括在“多个生物反应器段”中的生物反应器旨在包括多于单类型的生物反应器，尽管在一些情况下所述多个生物反应器可以是一个类型的(例如，循环回路反应器)。
一些用于在本文所述的生物过程中使用的合适的过程流、操作参数以及设备在美国专利申请公开号US2011/0212433中进行了描述，其在此通过参考整体并入。
某些实施例涉及气体测试单元，其包含用于评估测试含C1基质的性能的第一生物反应器段和用于评估参考含C1基质的性能的第二生物反应器段。分析部分被配置用于同时分析第一和第二生物反应器的气态和液态产物。气体测试单元被容纳在容器内或至少能够被容纳在容器内，所述容器大体具有小于约6m3的体积(例如，从约0.5m3至约6m3)，通常小于约3m3(例如，从约1m3至约3m3)，并且经常小于约2.5m3(例如，从约1.5m3至约2.5m3)。鉴于此类尺寸约束，所述气体测试单元可以运输至多个位置，例如，用于评估测试(或本地)含C1基质和任选的其它本地添加剂，诸如本地水源。根据其它代表性实施例，气体测试单元被容纳在盒子或其它容器内或至少能够被容纳在盒子或其它容器内，所述盒子或其它容器具有各自小于约1.8米的长度、宽度以及高度尺寸(例如，这些尺寸中的每个在从约1.0米至约1.8米的范围内)、或具有各自小于约1.6米的长度、宽度以及高度尺寸(例如，这些尺寸中的每个在从约1.0米至约1.6米的范围内)。此类盒子或其它容器可以具有：长度、宽度以及高度尺寸中的一个可以小于约1.6米(例如，在从约1.0米至约1.6米的范围内)，并且这些尺寸中的另两个小于约1.3米(例如，在从约0.8米至约1.6米的范围内)。
其它实施例涉及用于评估测试含C1基质用于生物转化过程的适合性的方法。所述方法包含：(a)向含有固C1微生物的第一培养物的第一(参考)生物反应器进给参考含C1基质；(b)向含有固C1微生物的第二培养物的第二(测试)生物反应器进给测试含C1基质。所述方法进一步包含：(c)分析第一和第二生物反应器的气态和液态产物两者以确定第一和第二生物反应器的性能。由第一生物反应器的性能相对于第二生物反应器的性能的比较来确立测试含C1基质的适合性。优选地，同时地(即，这些步骤的至少一部分在时间上重叠)执行以上步骤(a)和步骤(b)的至少一部分。通常，为了评定微生物培养物执行生物转化过程的性能，同时地(或至少基本上同时地)执行步骤(a)和步骤(b)一段同时的若干天的操作周期或测试周期(例如，至少大约3天，诸如从3天到大约21天；至少大约5天，诸如从大约5天到到大约21天；或至少大约7天，诸如从大约7天到大约14天)。例如，根据一个实施例，其中向第二生物反应器进给测试含C1基质的步骤(b)的整个持续时间，可以由其中向第一生物反应器进给参考含C1基质的步骤(a)的持续时间所涵盖。例如，这将会在使用含C1基质同时开始第一和第二生物反应器的操作的情况下发生，之后将向第二生物反应器的进给从参考含C1基质改变为测试含C1基质。因此，在代表性实施例中，方法可以进一步包含：在步骤(b)之前向第二生物反应器进给参考含C1基质。
除了评估测试含C1基质之外，代表性方法可以使用本文所述的设备和方法，通过确定或评定比较性能，来另选地或者结合地评估诸如本地水源的本地添加剂。例如，在评估水质的情况下，可以使用不同的水源来制备和/或补充(例如，以新鲜培养基)第一和第二细菌培养物。根据一个实施例，通过使用本地水源(例如，本地工业用水或本地饮用水)来制备和补充(例如，在添加的新鲜培养基中)第二生物反应器的细菌培养物并结合向所述培养物进给测试含C1基质，可以评估本地的条件。在另一个实施例中，可以使用相同的本地水源来制备和补充两个生物反应器的细菌培养物，由此使得可以针对使用相同水源的基线来评估所述测试含C1基质本身。在另外其它的实施例中，可以向两个生物反应器进给相同的含C1基质(例如，参考含C1基质或测试含C1基质)，以便单独评估不同水源的影响(例如本地工业用水或本地饮用水相比较于诸如蒸馏水的纯净水源)。
另外的其它实施例涉及用于确定测试含C1基质是否支持生物转化过程的方法。代表性方法包含：(a)保持固C1微生物的单独的第一和第二培养物，其各自利用参考含C1基质作为用于生产乙醇和至少一种其它代谢物的营养物，以及(b)将作为第二培养物的营养物的参考含C1基质改变为测试含C1基质。所述方法进一步包含：在相同的目标操作条件下(例如，自动地和/或手动地控制的操作参数的操作设定点，例如在一些情况下是生物反应器pH)，但是使用不同的参考和测试含C1基质，来评定第一培养物相对于第二培养物的性能。方法进一步包含：(d)如果在步骤(c)中未发现第二培养物的最小性能不足(或抵消)，那么确认测试含C1基质支持生物转化过程。所述方法可以附加地包含：(e)如果在步骤(c)中发现最小性能不足或较大的性能不足，那么对测试含C1基质预处理或增强现有的预处理，以提供相对于步骤(c)中评定性能所使用的测试含C1基质更高质量的测试含C1基质。
根据另选的实施例，除了通过预处理或增强现有的预处理来改进测试含C1基质之外，以上方法中的步骤(e)可以包含补救措施。此类补救措施可以例如包括：改进诸如本地水源的本地添加剂的质量，或者以其它方式以更高质量的添加剂替代，例如以本地饮用水替代本地工业用水。其它补救措施可以包括调节操作条件，诸如生物反应器温度、压力和/或pH。任何类型的补救措施可以伴以以细菌培养物(例如，第三培养物)再接种第二生物反应器，之后评定第一培养物(或利用参考含C1基质作为营养物的其它培养物，或其它参考条件)的性能相对于用于测试所述补救措施的再接种培养物的性能(例如，在相同的一组目标操作条件下，但是使用不同的参考含C1基质和更高质量的测试含C1基质，和/或使用参考添加剂和更高质量的添加剂，和/或使用已调节的操作条件)。如果未发现再接种培养物(例如，第三培养物)的最小性能不足，那么方法可以进一步包含：确认所述补救措施(例如，更高质量的测试含C1基质，和/或更高质量的添加剂，和/或已调节的操作条件)支持所述生物转化过程。以此方式，可以使用本文所述的气体测试单元评定多个补救措施(例如，渐进式的更高纯化的含C1基质)，例如以顺序的方式。根据一些实施例，当确立/确信测试含C1基质质量、添加剂质量和/或一组操作条件中的至少一个支持所述生物转化过程时，可以完成所述测试/评估方法。
图1A示出了代表性气体测试单元的侧面切口图，其同时具有后部的“湿”或含生物反应器段部分200和前部的“干”或分析部分300。优选地，这些部分200、300由诸如垂直隔板250的阻隔件隔开，其组织或至少阻碍了围绕容纳在这些部分中的设备的周围环境互混。部分200中的代表性生物反应器100具有大体上从大约0.25至大约5公升的范围内的反应器体积，并且通常从大约1至大约3公升。保持所述反应器体积(即，其含有反应器气体和液相成分)的生物反应器的典型的长度为从大约0.5至大约1.5米。正常地，如从图1B更明显可见的，含生物反应器部分200将包括两个单独的生物反应器段，以用于同时评估参考含CO基质和测试含CO基质两者。
在部分200中的生物反应器段可以进一步包括外部液体再循环回路25和相关联的外部再循环(或循环)泵30，用于改进在给定生物反应器100内的混合/均匀性和/或改进蒸汽-液体物至转移率。利用外部液体再循环回路25，包括培养基和含C1微生物的液态产物，可以从生物反应器100的底部部分(即，邻近底端)(例如，从诸如喷洒器的气体分配装置下方和/或从液体入口或液体出口下方)收回并在生物反应器100的顶部部分(即，邻近相对的顶端)外部再循环(例如，到划分连续气相区域和连续液相区域之间的边界的气体/液体界面)。如上所述，外部液体再循环回路25优选地在没有用于分离和再循环固C1微生物所需的包括薄膜过滤系统和相关清洁程序的额外的复杂性的情况下操作。外部液体再循环泵30在所需速率上提供外部液体循环，例如以能量使用和物质转移率改进的最优折中提供。与生物反应器100的安装和控制相关的其它部件可以包括在含生物反应器段部分200内，例如搁架201和生物反应器100外部的附加设备，诸如反应器温度控制(例如，用于按照所需升高或降低生物反应器100的温度的伴热和/或风扇)的附加设备。
分析部分300包括气相色谱(GC)分析仪301，其包括第一和第二色谱柱302a、302b，分别配置为分析由生物反应器段10所获得的气态和液态产物两者。此类配置与常规的使用高压液相色谱法(HPLC)来分析液态产物中的代谢物浓度不同。尽管本发明的实施例包括使用HPLC以用于液态产物分析，但是已经确定的是，如果气体测试单元的全部分析需求条件被合并到单个GC分析仪，那么所述空间被优先地保留。一般来说，用于分析气态和液态产物的色谱柱含有用于执行所需层析分离的不同类型的固定相(例如，树脂)。在分析部分300内的其它设备可以包括：用作GC分析仪301的基线气体源的高纯度空气发生器(“零点空气”发生器，未示出)、封闭的电子部件303和具有必要的显示接口304(例如，计算机)的操作系统软件，以及公用设施箱305。还可以包括卫星通信系统315，特别是当在具有糟糕的或不可靠的通信服务的预期安装地点处使用时，用于将来自气体测试单元1的数据传输至远离所述地点的第二设施处(例如，距离所述地点至少100英里、至少1000英里或甚至至少5000英里)。例如，第二设施可以是开发者或生物转化工艺的授权者，其对气体测试单元的实时操作感兴趣。卫星通信系统315可以因此向第二设施发送信息以用于提供关于所述气体测试单元的操作指令，例如推荐操作参数调整或者改变或增加某些处理步骤(例如，气体处理)。根据其它实施例，卫星通信系统315可以允许对气体测试单元1操作的直接控制，包括本文所述的各种操作参数。在分析部分300中还可以包括各种辅助性的部件，例如底部抽屉306、工作台(未示出)，和/或风扇格栅(未示出)。
如图1A所示，气体测试单元1的部件容纳在容器500内，使得其能够易于被运输到远程位置以用于对特定含C1基质的现场评估。所述可运输性有利地避免了在固定实验室、实验工厂或示范单元处同时在成分和成分波动两方面为了复制商业气体流而固有的潜在性误导(并且代价高的)不精确。描绘的平均尺寸的人600提供了对容器500的典型尺寸的表示。在覆盖分析部分300的顶部处，容器500可以具有与分析部分300连接的诸如铰链连接部550的连接部，用于打开所述容器以允许对设备更好地存取。应当理解，容器500不需要完全包封气体测试单元1，并且在500中可以提供开口，例如用于排气扇的操作的那些所需开口。在容器500包括开口或暴露区域(或可以被打开的区域)的程度下，气体测试单元1至少能够以其它方式容纳在具有上述尺寸的完全封闭的容器内。如图1A和1B所示，容器500可以通过叉车与叉车容纳开口590接合，在货盘575上运输并移动相对较短的距离。
图1B的后部切口视图示出了相应的生物反应器段10a、10b的两个生物反应器100a、100b，用于相应地评估参考和测试含C1基质的性能。这些生物反应器中的每一个配备有外部液体再循环回路25，如以上关于图1A所描述的。图1B因此提供了“湿”或含生物反应器段部分200的更完整的示图。除了用于调节反应器温度的操作控制系统(以上所述)之外或者作为另选，其它操作控制系统可以至少部分地在部分200内，尽管与反馈控制回路相关的检测仪器软件可以优选地包括在分析部分300内。此类附加的操作控制系统可以用于控制诸如新鲜培养基添加速率、气态含C1基质进给速率以及反应器pH的操作参数。在控制表面活性剂添加速率的情况下，可以使用变率泵202a、202b(例如，注射泵)以用于独立地向生物反应器100a、100b进给表面活性剂。在控制气态含C1基质进给速率的情况下，可以使用适当的流量控制阀，其尺寸设定成根据所需的气体流率以及阀的上游的设想压力(供给压力)和阀的下游的设想压力(操作压力)。就控制反应器pH而言，可以利用变率泵来控制引入到生物反应器段(例如，引入到图1A所示的再循环回路25内)的碱性中和剂的量。代表性的pH控制系统将关于图2进行更详细的描述。
如图1B所示，包括总共6个泵，其中三个这样的泵206a被用于向第一生物反应器100a输送碱性中和剂和其它过程液体(Na2S、培养基等)，而三个其它泵206b被用于向第二生物反应器100b输送此类液体。同样容纳在含生物反应器部分200内的是与每个生物反应器段所相关的操作参数有关的显示器和控制器，包括：含CO基质流率显示器/控制器207a、207b，新鲜培养基流率显示器/控制器208a、208b，以及反应器温度显示器/控制器209a、209b。这些显示器/控制器可以包括在向下折叠的面板上(未示出)，以便于操作员访问/观察。如以上关于在分析部分中对卫星通信系统的使用所描述的，在另选的实施例中卫星通信系统315同样也可以存在于含生物反应器部分200内，并具有上述的相同功能。
如图1B中进一步说明的，在含生物反应器部分200内的设备包括与被输入到生物反应器100a、100b的进料和从生物反应器100a、100b收回的产物的直接处理相关的设备。此类设备的实例是新鲜培养基容器203a、203b和液体产物废物容器204a、204b以及它们与生物反应器100a、100b的相关连接部。在所述部分中的设备的其它实例为可以服务各种目的起泡器205a、205b。例如，在一个具体实施例中，每个生物反应器100a、100b可以具有一系列的两个或更多个与来自这些反应器的气态产物流体连通的起泡器。可以直接在每个生物反应器的下游使用一个或多个空的起泡器作为针对生物反应器的溢流的保护性措施。当要分析气体样品时，可以在所述一个或多个空的起泡器的下游使用一个或多个液体填充的起泡器以提供用于使液态产物转向到GC的背压源。含生物反应器部分200可以进一步包括排气扇和通气孔(未示出)以用于允许新鲜空气循环到所述部分内。这样可以在泄露的情况下阻碍或防止C1碳源(例如，CO、CO2、CH4)在所述部分中积聚到从健康风险或爆炸风险的角度来看不安全的水平。就这一点而言，在含生物反应器部分200中还可以包括安全控制系统，其包含C1气体检测器210(例如，C0检测器)。安全控制系统可以配置为超控上述的一个或多个(例如所有的)操作控制系统(例如，用于控制气态含C1基质进给速率)。例如，安全控制系统可以响应于环境C1浓度的测量值在阈值浓度(例如，警告阈值浓度)以上而暂停测试含从基质和/或参考含C1基质的流动，并且优选地暂停两者。
图2提供了关于分别用于参考和测试含C1基质的比较性能评估的生物反应器100a、100b的操作的其它细节。根据代表性过程，这些含C1基质被通过气体入口12a、12b进给到生物反应器段，气体入口12a、12b定位在邻近每个生物反应器段的垂直延伸的生物反应器100a、100b的底端。例如，气体入口可以在底部25％内延伸到其相应的生物反应器中，并且优选地在其相应的生物反应器的长度的底部10％内。气体入口将垂直地延伸到其相应的生物反应器中并到气体分配装置处，所述气体分配装置可以以大体对应于在反应器长度的这些百分比内的高度设置在生物反应器内的中心。特定的气体分配装置包括喷洒器14a、14b，气体出口可以利用喷洒器邻近其相应第一端流体连通。气态产物，其包括在生物转化反应中未被利用的未转化的C1碳源和含C1基质的任何气态杂质(例如，H2)，从每个生物反应器收回并通过相对于底端定位在邻近生物反应器的顶端的气体出口16a、16b离开。气体出口可以在其相应的生物反应器的长度的顶部25％内并且优选地在顶部10％内，延伸进入其相应的生物发生器，或者以其它方式气态产物可以从其相应的生物反应器收回，而完全无需延伸进入其相应的生物反应器的气体出口。
液态产物(或“发酵液”)可以通过外部液体再循环回路25a、25b再循环，例如通过利用液体再循环泵30a、30b从液态产物收回处向生物反应器的顶部部分泵送，例如，向生物反应器100a、100b的长度的顶部10％内并向液态分配装置(例如喷头110a、110b，液体产物通过喷头被引入连续的气相区域)上方泵送。所述液体随后接触在气体/液体界面22a、22b处变得脱离并继续向上(大量)流动通过所述连续的气相区域的气体。以此方式，生物反应器100a、100b以对流的气体和液体流在所述区域中流动(向上流动的气体和向下流动的液体)而操作，所述区域设置在连续的液相区域上方，以上述的内部液体循环而操作。
在关于“反应器长度”限定各种特征的位置时，所述长度指的是包含反应器内容物(反应物和反应产物的掺加物)的部分的长度，通常被认为是“反应器体积”或“反应器工作体积”，并且所述长度不包括可以延伸到反应器体积上方或下方的过程管线(例如，进给入口线或产物出口线)或者容纳反应器但不包含任何反应器内容物的柱体或其它容器。例如，就圆柱形反应器而言，反应器长度指的是圆柱的轴线的长度。反应器长度的“底部10％”指的是高度范围，从反应器的底部开始并向上延伸反应器长度的10％。反应器长度的“顶部10％”指的是高度范围，从反应器的顶部开始并向下延伸反应器长度的10％。
生物反应器100a、100b每个包括用于引入新鲜培养基的液体入口18a、18b和用于收回反应器的液态产物的液体出口20a、20b，所述液态产物可以被采样以确定乙醇和其他代谢物的浓度以及固C1微生物的浓度，如果需要的话。新鲜培养基到生物反应器100a、100b的每一个以及液态产物(或两者)从反应器100a、100b的每一个通过入口和出口18a、18b、20a、20b的传送，可以通过与这些入口和出口流体连通的小孔开管(例如，具有从约1毫米至月6毫米的内径)发生。从生物反应器100a、100b收回的液态产物可以被传递到并且任选地延伸到对应于工作未加气液位(即，没有气体举起情况下存在的液位)高度H。也就是说，最终段液态产物延伸到的最高高度E可以在高度H处或在高度H之上。高度H可以是可调的，并且可以基本对应于虹吸截断器的高度H或其它类型的液体分接点。因此，在图2的实施例中，液体产物出口20a、20b与相对于生物反应器100a、100b高度可调节的虹吸截断器75a、75b流体连通。可以调节高度E和高度H以独立地控制液位或液压压头，即在其相应生物反应器100a、100b中的气体/液体界面22a、22b的水平。
在图2所描绘的具体实施例中，液体入口18a、18b和液体出口20a、20b优选地定位在相应气体入口12a、12b和喷洒器14a、14b下方的静止部分中，以允许液体被进给到所述部分或给定生物反应器段的反应器位置和从所述部分或给定生物反应器段的反应器位置收回。然而，入口和出口还可以沿着其相应生物反应器的长度定位在别处，取决于用于进给和收回液态产物的所需位置。例如，在另选的实施例中，液体出口可以定位在气体/液体界面22a、22b的水平处或附近，例如为了基于在液体收回的高度处的溢流提供液位控制。
便利地，外部液体再循环回路25a、25b可以提供生物反应器液体采样/分析的位置，并且还可以配置用于生物反应器控制。例如，可以通过碱性中和剂入口35a、35b向这些再循环回路添加碱性中和剂(例如，诸如NH4OH溶液或NaOH溶液的水基成分)，所述碱性中和剂入口35a、35b作为用于控制反应器pH的操作控制系统的部分。所述操作系统可以进一步包括用于基于所测量的反应器pH来控制碱性中和剂的流动的检测仪器，并且可以更具体地包括与每个生物反应器100a、100b相关的合适的反馈控制回路。此类控制回路包含，例如，pH分析仪40a、40b，其测量(例如，连续地或间歇地测量)在外部液体再循环回路25a、25b内的生物反应器液体的pH值。此类控制回路还包括必需的硬件(例如，控制阀或变率进给泵，未示出)和检测仪器软件(例如，计算机程序)以用于针对给定生物反应器比较所测量的pH值和设定点值，并且随后控制碱性中和剂的流动以达到或保持设定点。
因此，生物反应器100a、100b的外部再循环回路可以与相应的碱性中和剂入口35a、35b流体连通并且包含用于独立地控制这些生物反应器内的pH的检测仪器。外部液体再循环回路25a、25b可以包括与诸如反应器温度的其它操作参数的控制相关的检测仪器。例如，测量(例如，连续地或间歇地)外部液体再循环回路内的液体的温度的温度发射器，此类代表生物反应器的操作温度的温度可以用于调节用于反应器温度控制的伴热和/或风扇的操作，如上所述。另外，外部液体再循环回路25a、25b可以包括另外的液体入口45a、45b，用于以相同的或变化的速率独立地向生物反应器100a、100b引入其它液体稀释剂、试剂(例如，表面活性剂)和/或营养物。
生物反应器段10a、10b可以因此具有独立可控的过程操作变量，所述变量的控制可以涉及对外部液体再循环回路25a、25b上的生物反应器产物的采样/分析，如上所述，和/或涉及通过任意入口18a、18b、35a、35b、45a、45b对新鲜培养基、碱性中和剂和/或其它过程液体的引入。代表性过程操作变量包括新鲜培养基添加速率、气态含C1基质进给速率、反应器温度、反应器pH以及其的组合。根据各种其它示范性控制方法，(1)可以基于所测量的反应器pH控制含C1基质的流动(例如，参考含C1基质向生物反应器段10a的流动和/或测试含C1基质向生物反应器段10b的流动)；(2)可以基于在对应的生物反应器液体产物中所测量的酸性代谢物浓度(例如，乙酸盐浓度)，控制碱性中和剂向生物反应器段10a、10b的任一个或两者的流动；和/或(3)可以基于在对应的生物反应器液体产物中所测量的固C1微生物的浓度，控制新鲜培养基向生物反应器段10a、10b的任一个或两者的流动。
以上所述的气体测试单元可以在评估测试含C1基质的方法中使用，例如，所述测试含C1基质在用于商业规模生物转化过程的预期安装地点处可用。第一和第二生物反应器可以用于分别处理参考含C1基质(例如，具有可以在评估方法的整个持续时间始终固定的已知成分的含C1碳源气体)和测试含C1基质，测试含C1基质可以是来自诸如钢铁制造设施的工业设施的可用含C1废物气体，任选地被预处理以去除一种或多种污染物。一般来讲，执行预处理以去除测试含C1基质的一种或多种污染物，或所述一种或多种污染物的至少一部分(例如，所述一种或多种污染物的至少75％、至少90％或至少99％)，所述一种或多种污染物对生物转化过程有害(例如，对固C1微生物的生长有害)。通常，在测试含C1基质中的通过预处理去除的污染物，是那些在没有进行预处理时，将有助于观察生物转化过程在同样的条件下相比于被执行的同样的过程的性能不足的污染物。污染物包括烃类(例如，苯)和含杂原子烃(例如，卤代烃或含有Cl、O、N和/或S中的至少一种的烃类，例如二氯丙烷、表氯醇和二噁英)。任何此类污染物在未处理的测试含C1基质中一般存有微量(例如，以体积计小于1％、小于1000ppm、小于100ppm或甚至小于10ppm的量)。示范性预处理包括以固体材料或液体洗擦介质接触所述测试含C1基质，其例如通过吸附和溶解选择性去除一种或多种污染物。代表性固体材料包括炭(例如，活性炭)、树脂以及沸石。其它污染物包括粉尘颗粒和其它固体(例如，催化剂粉末)，可以通过过滤和/或液体洗擦介质将其去除。
代表性参考含C1介质可以是纯CO或CO和一种或多种其它气体的合成共混物(例如，CO/H2共混物或CO、CO2和H2共混物)所述一种或多种其它气体可以是已知为以近似相同的浓度存在于测试含C1基质中的气体。合成共混物可以代表性能数据在早先已经被获得并且任选地与更大规模操作的性能相关联的组成物。以此方式，参考含C1基质与测试含C1基质的比较性能可以用于计算后者在更大规模操作上的预测性能，例如，试验工厂规模、示范规模或商业规模操作。在许多情况下，包括纯CO或CO的合成共混物的参考含C1基质可以从加压钢瓶被供应和进给到生物反应器的一个或两个。利用合适的压力调节阀(或系列的阀)，钢瓶下游的压力可以被降低到生物反应器的操作压力(例如，从0至5巴的绝对压力)。
可以确定和比较第一和第二生物反应器分别处理参考和测试含C1基质的性能，作为用于确立所述测试含C1基质的适合性的基础。为此目的，本文所述的气体测试单元可以配置为同时分析第一和第二生物反应器的气态和液态产物。例如，可以在由细菌培养物消耗参考和测试含C1基质中的C1气体之后，分析气态产物以确定剩余的C1气体的量。生物反应器的总基质利用率指的是被输入到生物反应器并被利用为转化成所需产物(例如，乙醇)以及微生物的其它代谢物的百分比。使用含CO气体作为实例，如果确定了离开生物反应器的气态产物的成分，那么总CO利用率(表达为分数)可以如下进行计算：
1-CO离开生物反应器的速率/CO输入到生物反应器的速率
气体测试单元能够提供，或能够至少提供用于确定在每个生物反应器中的C1碳利用率的足够的信息(例如，进给和产物气体流率及成分)，作为用于在这些生物反应器之间比较的一个性能参数。在“每次经过”或“一次-通过”的基础上确定所述C1碳源利用率，而无需解释可以提供更高的总利用率值的气态产物再循环的使用(和增加的花费)。然而，每次经过C1碳利用率可以用于建模以预测利用此类再循环的过程的总C1碳利用率。
可以在以参考和测试含C1基质操作的生物反应器之间的能性比较中使用来自所述气体测试单元的其它分析结果。例如，通常在分离固C1微生物(例如，通过过滤)之后，可以分析由这些生物反应器所获得液态产物以确定乙醇和包括乙酸盐和2,3-丁二醇的其它代谢物的浓度(滴度)。例如，利用GC分析仪，可以获得以克每公升(g/l)为单位的所有这些浓度。在一些情况下，合适的分析装置可以由所述气体测试单元所包括，或以其它方式单独地用于测量液态产物中的固C1微生物浓度。代表性装置包括那些测量以下参数的装置：电磁能量通过样品的吸光度或透射率(例如，分光光度计)，样品的某种生物活性(例如，读板机)，或在一次性或可重复使用的探头(例如，在线生物质探头)中的样品的另一属性(例如，阻抗/电容率)。可以连续地(例如，使用在线分析仪)或间歇地执行对气态和液态产物的分析。通过手动地注入分析仪，例如GC，还可以自动地或手动地进行分析，通常将GC作为优选是由于在样品制备方面的灵活性和设备需求的减少。例如，用于生物反应器的液态产物的自动分析的采样系统可以包括：合适的导管(例如，油管或管道)、阀、泵和致动器以允许在期望时间对期望生物反应器进行采样，以及用于冲洗(吹扫)样品管线以获得精确结果的合适装置。鉴于这些考虑，并且根据具体实施例，可以自动地执行对气态产物的分析并且手动地执行对液态产物的分析。
在一段时间里对生物反应器的气态和液态产物的分析允许监测一个或多个性能参数，所述性能参数用作用于确立给定测试含C1基质的适合性的基础，所述给定测试含C1基质任选地已经受到上述的预处理。第一生物反应器(处理参考含C1基质)的性能相对于第二生物反应器(处理测试含C1基质)的比较可以大体上涉及：关于第二生物反应器(或生物反应器培养物)相对于第一生物反应器(或生物反应器培养物)，评定一种或多种测量的性能参数是否基本上偏离(即，呈现出性能不足或抵消)。例如，如本文所述，可以在同时的操作周期或测试周期内比较生物反应器的性能。为了获得关于在第一和第二生物反应器的操作周期内(即，向这些生物反应器分别进给参考和测试含C1基质的时间段内)的性能的足够的数据，可以分析生物反应器的气态和液态产物，如果不是连续地分析，那么在相应的生物反应器操作周期内以足够的采样间隔间歇地进行。代表性采样间隔的范围为约15分钟至约10小时，并且通常从约30分钟至约8小时。根据一个具体实施例，以范围从约30分钟至约2小时的间隔采样和分析气态产物，并且以范围从约4小时至约8小时的间隔采样和分析液态产物。优选地，在生物反应器测试周期期间，以基本上恒定的间隔获取和分析气态和液态产物样品。
如上所述，可以在生物反应器之间比较的一个性能参数是C1碳源利用率。其它性能参数包括：生物反应器的液态产物中的乙醇浓度(滴度)和/或在这些液态产物中的一种或多种代谢物(例如，乙酸盐)的浓度。另外的性能参数是液态产物中乙醇与给定代谢物的比(例如，乙醇/乙酸盐重量比)。如果这些性能参数中的一个或多个关于第二生物反应器(或生物反应器培养物)、关于第一生物反应器(或生物反应器培养物)基本上并没有不同，那么可以确立给定测试含C1基质的适合性。根据一些实施例，可以容忍的差异的阈值水平可以按第二生物反应器相对于第一生物反应器的最小性能不足(或抵消)来量化。
例如，就上述性能参数而言，性能不足可以基于在测试周期内的性能参数的平均值(例如，在第一生物反应器中测量的C1碳源利用率的平均值，与第二生物反应器的所述平均值作比较)。最小性能不足可以是，例如，所测量性能参数的平均值的至少5％不足、至少10％不足、至少15％不足或至少20％不足。如将对已考虑本发明的说明书的本领域技术人员所显而易见的，可以使用其它具体的最小性能不足(例如，在从至少1％不足到至少75％不足范围内的任意值)来量化可以被容忍的阈值差异以确立适合性，取决于特定性能参数和其它因素。如同样将对已考虑本发明说明书的本领域技术人员所显而易见的，“不足”指的是第二生物反应器的性能相对于第一生物反应器的降低，例如：(1)相对于第一生物反应器，第二生物反应器的平均C1碳源利用率的百分比减少；(2)相对于第一生物反应器的液态产物，第二生物反应器的液态产物中的平均乙醇浓度的百分比减少；(3)相对于第一生物反应器的液态产物，第二生物反应器的液态产物中的乙酸盐或其它代谢物的平均浓度的百分比减少；(4)相对于第一生物反应器的液态产物，第二生物反应器的液态产物中乙醇与给定代谢物(例如，乙酸盐)的平均比的百分比减少。
根据其它实施例，性能不足可以基于性能参数在测试周期内的变化率(例如，第一生物反应器中所测量的C1碳源利用率的变化率，相比于第二生物反应器的所述变化率)，并且因此最小性能不足可以反映出使用测试含C1基质将获得的所需稳定度。变化率可以表达为所测量的性能参数每单位时间的平均差异(例如，C1碳源利用率损失/天的平均百分比)，或者以其它方式按照将所测量的性能参数值代入模型方程所得到的速率常数来表达，比如指数率方程(例如，指数衰减方程，或一阶或更高阶的反应率方程，或动态表达)。在此类情况下，其中变化率被用作给定性能不足的基础，上述的代表性最小性能不足(以百分比表示)仍然适用。同样，在此类情况下，“不足”再次指的是第二生物反应器的性能相对于第一生物反应器的降低，例如：(1)相对于第一生物反应器，第二生物反应器的平均C1利用损失率或相关衰减率常数的百分比增加；(2)相对于第一生物反应器的液态产物，第二生物反应器的液态产物中的平均乙醇浓度损失率或相关衰减率常数的百分比增加；(3)相对于第一生物反应器的液态产物，第二生物反应器的液态产物中的乙酸盐或其它代谢物的平均浓度的平均增加率或相关速率常数百分比增加；(4)相对于第一生物反应器的液态产物，第二生物反应器的液态产物中乙醇与给定代谢物(例如，乙酸盐)的比的平均减少率或相关速率常数的百分比增加。
可以使用其它性能参数或其它性能参数的变化作为用于确立给定测试含C1基质的适合性的基础，如将对已考虑本发明说明书的本领域技术人员所理解的。通常，被用作确立测试含C1基质的适合性的基础的在生物反应器的性能之间的比较包括：至少测量在第一和第二生物反应器的至少一种C1碳源的浓度，以及测量在这些反应器的液态产物中的乙醇和至少一种其它代谢物(例如，乙酸盐)的浓度。在许多情况下，被用于进给第一生物反应器的参考含C1基质的成分是已知的并且在测试周期期间不对其进行连续地分析或者甚至不进行定期地分析。就测试含C1基质而言这也可以是正确的，至少在某些限制的操作持续时间内(例如，范围从约1天到约5天)，其可以对应于测试周期。根据其它实施例，测试含C1基质的成分在测试周期期间可能显著地波动，并且确实此类波动对于在商业实践中将遇到的现实成分范围的条件下评定性能可能是有价值的。在特定实施例中，测试含C1基质中的C1碳源或其它气体的浓度可能以基于100％x(最高浓度/最低浓度-1)的至少约20％(例如，从约20％至月500％)波动，其中所述最高和最低浓度是那些在测试周期期间所测量的。在其它实施例中，所述偏差可以是至少约40％(例如从约40％至约250％)或至少约50％(例如，从约50％至100％)。
根据图3中所描绘的特定方法，同时在第一和第二生物反应器中利用参考含C1基质(例如，合成气，其可以是气体的共混物，如上所述)建立生物转化过程，例如，利用固C1微生物从C1碳源生产乙醇的微生物发酵。在所述步骤中，利用参考含C1基质作为固G微生物的单独的第一和第二培养物的营养物，将两种培养物保持。根据用于启动所述过程的一个可能的程序，最初可以利用固C1微生物接种或填充第一和第二生物反应器，并且在培养物批量生长的一端时间之后，微生物可以获得足够高的浓度，以使得可以启动新鲜培养基的连续添加。
在代表性实施例中，例如，通过批处理和随后连续的操作总共4天的一段时间来建立所述培养物，或者更一般地来讲从约1天至约10天，例如从约2天至约7天。在这段时间之后已经被进给到第二生物反应器的参考含C1基质，被改变为测试含C1基质(过程气体)，尽管仍将参考含C1基质持续地进给到第一生物反应器。可以利用稳定的细菌培养物(“控制/种培养物”)来保持第一生物反应器的操作，如果需要的话，所述稳定的细菌培养物可以播种或再接种第二生物反应器，如果所述生物反应器的操作出现不良/不稳定话。在评定第二培养物相对于第一培养物的性能的周期期间，例如，通过基于从生物反应器的气态和液态产物获得的分析结果将上述的性能参数中的一个或多个进行比较来评定，操作具有“控制/种培养物”的第一生物反应器，
如图3所示，在从参考含C1基质转换到测试含C1基质之后，在第二生物反应器中的稳态操作可能需要3天，或者，更一般地，从约1天至约7天。可以在稳态测试(评估)条件下将测试含C1基质进给到所述“实验培养物”额外的3天，或者，更一般地，额外的代表性测试周期的1天至7天。为了确认所述测试含C1基质的适合性，可以执行额外的“稳定性测试”周期，并且分析气态和液态产物的频率与先前“实验培养物”的性能评定中的频率相同，或者有可能相对于先前“实验培养物”的性能评定中的频率而降低。在代表性实施例中，确认性稳定性测试周期可以持续约3天至约28天，并且通常持续约7天至约21天。因此，在为实验培养物确立稳态条件的时间期间和/或在随后的稳定性测试周期期间，可以监测第二生物反应器利用实验培养物的性能。如果在这些周期的任一个或两个期间遇到不稳定性，或者如果发现了上述的最小性能不足(即，超过了上述的性能参数的不足的最小可容忍水平)，可以对第二生物反应器播种或再接种。如果未遇到不稳定性(或不稳定性的最小或可容忍水平)，或者如果未发现上述的最小性能不足(即，未超过上述的性能参数的不足的最小可容忍水平)，那么可以确立或确认所述测试含C1基质适用于所述生物转化过程。
如果有必要对第二生物反应器播种或再接种(例如，以第三细菌培养物)，那么在对所述第二生物反应器重复获得稳态操作的步骤之后，可以通过相对于第一生物反应器进行性能评定和/或执行稳定性测试来测试上述补救措施。代表性补救措施是在被引入到第二生物反应器之前，用在增强的气体处理(纯化)之后获得的更高质量(例如，更纯净)的测试含C1基质。对补救措施的测试可以涉及性能评定，其基于发现相同或不同的最小性能不足，如初始测试中的那样。如图3所示，可以执行“进一步的稳定性测试”周期来确立或确认所述补救措施适用于所述生物转化过程。进一步的稳定性测试的条件和持续时间相对于初始稳定性测试的条件和持续时间可以相同或不同。如已经考虑了本发明说明书的本领域技术人员所能理解的，可以执行其它连续的补救措施(例如，使用第四、第五、第六等细菌培养物)，特别是如果之前的补救措施不成功时。
以下实例被列出作为本发明的代表性实例。这些实例不应被理解为是对本发明的范围的限制，因为根据本公开和所附权利要求书这些和其它等同实施例将是显而易见的。
实例1
单元配置
气体测试单元被构造为具有生物反应器部分，包括两个循环回路反应器(每个反应器体积为2公升)。对含C1基质(参考和测试)的控制基于气体流量计/控制器设置，并且基于NH4OH或其它碱性中和剂流的调节，针对每个反应器包括了自动pH补偿(控制)系统。反应器段并不包括用于分离和再循环细菌培养物的薄膜分离系统。伴热和风扇安装在生物反应器部分中以用于反应器温度控制。在分析部分中的设备被使用垂直隔板与生物反应器部分保持隔开，其包括了双气相色谱柱(针对气态和液态样品单独的GC柱)和阀/致动器以允许用于气体分析的自动采样。分析部分配置为手动将来自反应器的液态产物注入GC，以用于确定乙醇、乙酸(乙酸盐)以及2,3-丁二醇的浓度。膝上型计算机包括在所述部分中以用于控制分析和过程操作参数。
更具体地，气相色谱仪定制有外部烘箱、阀、致动器以及六端口选择阀，以允许自动地和连续地分析气态产物。所述阀由软件所控制，所述软件还控制GC并且从膝上型计算机处执行。仅仅阀和样品保持环路配置在主GC烘箱的外部，其它色谱柱部件位于烘箱中。致动器和阀与烘箱的隔离被选择作为一种防止热膨胀和热收缩的方式，并且由此延长使用期限并减少维护。GC和其支撑部件的宽度大约为80cm。与GC一起使用的其它设备包括零点空气发生器、热导率(TCD)检测器(以高纯度纯氩运行)以及火焰离子化检测器(FID)(以压缩空气和氢气运行)。
生物反应器和分析部分(包括GC和其支撑部件，所述支撑部件围绕GC周边具有大约10cm以允许冷却)被装配到独立成套的盒子以用于运输。使用例如活性炭对含C1基质预处理被认为是“盒外”选项，取决于顾客的气体质量。针对温度波动的附加的控制/最小化，气体测试单元可以置于室内(例如，在临时建筑物内)。
实例2
实例1的气体测试单元被送至顾客地点以利于测试顾客含C1基质(测试含C1基质)。待测试的含C1气体是作为被生产为磷生产过程的主要副产物的工业气体。通常含C1气体被顾客燃烧。气体测试单元被送至所述地点以确定所述测试含C1基质是否适合用于通过生物转化过程转化为产物。
测试含C1基质的成分在表3中示出。
表3
对测试含C1基质的气体净化通常涉及将测试含C1基质通过静电除尘器和水洗涤器。所述测试含C1基质被进一步处理以去除已知的污染物。所述进一步的处理包括使用两个泡沫洗涤器和活性炭层。第一泡沫洗涤器含有碳酸钠溶液(5％)，第二泡沫洗涤器含有硫酸铜溶液，以及活性炭层含有来自卡尔冈(Calgon)的大约10kg的“硫化物吸附8GAC”。
使用压缩空气气体增压器来增加经处理的测试含C1基质的压力以在气体测试单元的入口处提供最小2.0巴的压力。
在顾客设施处执行三个测试运行以评定测试含C1基质的适合性。使用经处理的测试含C1基质来执行测试运行1和2，而使用原始/未处理的测试含C1气体来执行测试3。
执行测试运行1所使用的经处理的测试含C1基质具有以下成分：
液态营养培养基被添加到GST反应器容器。所述液态营养培养基每公升含有：MgCl、CaCl2(0.5mM)、KCl(2mM)、H3PO4(5mM)、Fe(100μM)、Ni，Zn(5μM)、Mn、B、W、Mo以及Se(2μM)。培养基被高温灭菌，并且在高温灭菌之后，以硫胺素、泛酸盐(0.05mg)以及生物素补充培养基并且以3mM半胱胺酸盐酸稀释。
将氮气喷射入反应器容器，并且调节pH和ORP。随后通过注射器以冷冻干燥细胞接种所述GTS反应器容器。所述冷冻干燥细胞是沉积在DSMZ的产乙醇梭菌菌株DSM23693《德国微生物和细胞培养物集(The German Collection of Microorganisms and CellCultures)》，Inhoffenstraβe 7B，38124Braunschweig，德国)。随后将输入气体从氮气转换为经处理的含C1气体。
在5天的一段时间里执行测试运行。在第4.2天，在视觉上可以确认产乙醇梭菌培养物的生长。在第5天，对发酵液的GC分析确认1.6g/L的乙醇浓度和5.4g/L的乙酸盐浓度。
测试运行1确认了冷冻干燥种菌的成功复活，展示了培养物的连续成长，并且证明了通过所述培养物的乙醇生产。测试运行1确认了经处理的测试含C1基质适用于所述生物过程，并且证明在测试含C1基质中不存在对生长有负面影响的未知污染物。
使用具有13％的CO成分的经处理的含C1基质执行测试运行2。在第3.75天确认了生长可视确认。在第4.74天，显示出了相对稳定的乙酸浓度，未伴随同时发生的乙醇生产。所述结果符合供应不足的培养物条件。在第9.73天，接下来的测试含C1基质的CO成分被增加到72％的浓度。在接下来的3天，观察到了乙醇生产，并且观察到的乙醇具有大于8g/L的测量值。
测试运行2确认了测试运行1的发现。
使用具有72％的CO成分的经处理的测试含C1气体来开始测试运行3。一旦已经确定了培养物的生长，将所述气体装换为未处理的测试含C1基质。在将未处理的测试含C1基质提供给气体测试单元一天之内，所述培养物塌缩。测试运行3确认了原始/未处理的测试含C1气体不适用于所述生物过程。
单元操作/辅助设备
两个生物反应器将以冷冻干燥生物和利用合成气(例如，来自本地供应商的刚瓶装气体)建立的培养物进行填充(接种)。在以合成气启动之后，一个反应器将被转换为地点气体以针对数天到数周的测试周期验证在生产中的性能。如果所述地点气体无法得到足够的压力，例如，标称的至少约2巴的绝对压力，例如在从约3巴至约10巴绝对压力的范围内，可以按需使用增压器压缩机来将地点气体可以得到的压力增大到此类压力，由此确保对生物反应器的稳定输入。用于将到生物反应器的气体源从合成气(例如，瓶装气体或刚瓶装气体)转换为地点气体的阀，在某些情况下可以具有附加的端口以用于气体从另选的气源流动。例如，三通阀可以允许操作员从合成气、地点气体以及吹扫气体之间改变气源，吹扫气体可以是诸如氮气的惰性气体。可以执行任选的呈批运行来研究增大液态产物的乙醇滴度。由于测试所需的喷射气体流率(大约2公升/分钟)低，离开气体测试单元的气态产物可以返回到其源头(例如，顾客的废物气流)或者以其它方式排入大气。
以下是用于实施/操作气体测试单元所需的设备、辅助性材料和气体测试单元所包括的支持物以及预期设施(顾客)的设备/需求物和来自本地供应商的另外的需求物的示范性列表：
能力/目标/可交付成果
一些与气体测试单元的操作相关的关键能力包括以下验证：(1)在由设施供应的变化的气体成分的整个范围内稳定的和以其它方式可接受的；(2)在未经处理的气体上积极的微生物生长；(3)气体和液体样品的污染物简档；(4)利用合成共混物在其它地方(在非现场测试中)所获得的性能目标；(5)使用现场气体与使用合成气体相比和/或使用工业用水(本地现场水)与使用自来水(本地可饮用水)相比并且与使用购买的蒸馏水相比所造成的任何操作不一致。
现场测试来自预期设施的气体的其它目标是：(1)获得利用地点气体(有预处理或没有预处理)和过程水相比于利用合成气的生物反应器性能的比较；(2)相对于没有污染物的合成气，评定包括痕量化合物的气体污染物总计对气体摄取、微生物生长以及代谢物选择性的影响；(3)类似地，评定地点过程水的影响；(4)评定是否需要进一步的气体清洗/预处理；(5)评定本地过程水是否将在各种比率的稀释剂(新鲜培养基)引入下支持细菌生长；(6)以所获得的数据验证或升级反应器模型并由此改进性能估计作为用于提供保证的基础；(7)获得对从气体预处理床(吸附床)脱附的气体污染物的“事后”分析，例如通过与已知污染物比较。
被提供作为从气体测试单元获得的信息的结果的关键可交付成果，预期会改变并取决于项目和预期设施的需求。可交付成果的一些代表性实例是以下验证：(1)设施提供支持生物转化过程的气体流；(2)从经济的角度看产物(乙醇)和代谢物选择性是可以接受的；(3)建议的气体纯化策略(如果使用了)是有效的；(4)过程水或另一种本地水源是可以接受的；(5)气体成分波动的范围可以容忍并且其影响已被预测；(6)GC分析仪和气体测试单元的其它信息是精确地；(7)气体污染物水平(如检测到)可以被微生物培养物容忍。
总体上，本发明的方面涉及用于现场测试在预期设施处产生的实际气体的可运输单元，所述实际气体用于在生物转化过程中使用，并且特别是用于含CO基质的微生物发酵以用于乙醇生产。所述气体测试单元和相关方法以及用于确立测试含CO基质的适合性的方法，如本文所述提供了许多优点，特别是考虑到获得了实际的和精确的性能预测及目的，这些是无法以其它方式从试图非现场模拟商业气体成分而获得的。具有从本公开获得的知识的本领域的技术人员，将认识到可以对本文所述的设备和方法做出各种改变而并不偏离本发明的范围。

Claims (7)

1.一种用于确定测试含C1基质是否支持生物转化过程的方法，所述方法包含：
(a)利用参考含C1基质作为营养物以用于生产乙醇和至少一种其它代谢物，维持固C1微生物的独立的第一培养物和第二培养物；
(b)将作为所述第二培养物的所述营养物的所述参考含C1基质改变为测试含C1基质，其中所述测试含C1基质是工业含C1废物气体流；
(c)在相同的一组目标操作条件下，但是使用不同的参考含C1基质和测试含C1基质，评定所述第一培养物相对于所述第二培养物的性能；
(d)如果在步骤(c)中未发现所述第二培养物的最小性能不足，那么确认所述测试含C1基质支持所述生物转化过程；
(e)如果在步骤(c)中发现所述最小性能不足，那么对所述测试含C1基质预处理或增强预处理，以提供相对于步骤(c)中评定性能所使用的所述测试含C1基质更高质量的测试含C1基质。
2.根据权利要求1所述的方法，其进一步包含：
(f)在相同的一组目标操作条件下，但是使用不同的参考含C1基质和更高质量的测试含C1基质，评定所述第一培养物相对于第三培养物的性能；以及
(g)如果在步骤(f)中未发现所述第三培养物的最小性能不足，那么确认所述更高质量的测试含C1基质支持生物转化过程。
3.根据权利要求1所述的方法，其中使用不同的水源来制备所述第一培养物和所述第二培养物或补充所述第一培养物和所述第二培养物。
4.根据权利要求1所述的方法，其中在步骤(c)中，在至少7天的测试周期内同时评定所述第一培养物和所述第二培养物的性能。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述含C1基质含有选自由CO、CO2以及CH4组成的群组的至少一种C1碳源。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述固C1微生物来自梭菌属。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述固C1微生物选自由产乙醇梭菌(Clostridiumautoethanogenum)、杨氏梭菌(Clostridium ljungdahlii)以及拉式梭菌(Clostridiumragsdalei)组成的群组。
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