CN110382681A - 利用垂直流动区的进气发酵反应器、系统和方法 - Google Patents

利用垂直流动区的进气发酵反应器、系统和方法 Download PDF

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Abstract

描述了利用基本垂直流动区的通过在环式反应器中循环的水性液体培养基中培养微生物来生产生物质的反应器、系统和方法。描述了回收和处理培养微生物以获得产物如蛋白质或烃。

Description

利用垂直流动区的进气发酵反应器、系统和方法
背景技术
技术领域
本发明涉及可用于发酵的反应器、系统和方法，并且尤其涉及使用气态底物的发酵反应器、系统和方法。
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。然而，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、棕榈和其他植物油)，但是这些燃料作物与为了人和动物消耗而种植的作物竞争。全球可用的农业土地的量不足以满足食物和燃料二者的日益增长的需求。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。然而，生产中的技术困难，以及高生产成本，还未使得第二代生物燃料更具成本效益或可使用。
第三代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长的势头。这样的原料可以包括一种或多种含碳化合物或者含碳和非含碳化合物的混合物(尤其包括甲烷和合成气)。例如，甲烷是相对丰富的、天然存在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，并且因此可以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近海生产平台输送到市场。来自这样的来源的甲烷以及由在污水处理设施和垃圾掩埋场发生的生物分解过程产生的甲烷主要被排放或燃烧掉。经济地并有效地将甲烷和类似含碳气体转化为一种或多种较高价值的C2或高级烃的能力将允许生产者利用相对丰富的、非生物产生的原料，同时提供显著的环境益处。
国内的甲烷生产能力的增加使得甲烷更容易在国内获得。国内的天然气主要通过水力压裂(hydraulic fracturing)(“压裂(fracking)”)生产，但是甲烷也可以从其他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输送和/或作为燃料的直接使用是成问题的。
由于这些原因，存在将甲烷转化为一种或多种液体产物(例如发动机燃料)的强烈诱因，以允许更容易输送至使用或销售点。当前追求两种主要方法：产生液化天然气(LNG)的液化和气转液(GTL)的化学转化(Patel,2005,7th World Congress of ChemicalEngineering(第7届世界化学工程大会),Glasgow,Scotland,UK)。当前，费-托(F-T)法(Fischer Tropsch(F-T)process)是将大量甲烷转化为高阶烃的最普遍的方法(Patel,2005)。注意F-T法采用合成气作为输入；合成气通过蒸汽重整由天然气产生(合成气也可以通过与水和氧的高温反应而来源于煤的气化)。F-T法产生与现在燃料供应一致的石油产品，但是具有许多缺点，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(资本成本通常超过二十亿美元[Patel,2005])也代表了一个显著限制，因为需要大量甲烷原料来补偿F-T法的巨大资本成本。由于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位于同一地点，通常以显著的甲烷储槽或甲烷管道的形式。另外的成本和放大因素是气体洗涤技术的经济性(Spath和Dayton,2003)，因为F-T催化剂对于在不受影响地通过合成气转化过程的天然气中发现的常见污染物相当敏感。
目前，容易获得大量相对干净的含甲烷气体连同大规模资本投入的要求将基于天然气的F-T工厂限制于仅在世界范围内少数地方中成功且经济的可行操作(Spath和Dayton,2003)。气转液过程或液化天然气工厂的较高最小化加工要求连同高输送成本导致剩余的作为“滞留(stranded)”气体沉积物的甲烷源较小。这样的滞留气体可以包括但不限于在近岸油井产生的天然气，或来自垃圾填埋场的甲烷废气。由于目前缺少有效的小规模转化技术，这样的滞留气体源通常排放到大气中或者被燃烧，因为甲烷积聚存在显著的安全风险。自1938年以来，使用费-托法的气转液设施一直半连续地运行。考虑到上面所讨论的甲烷的当前可用性和价格，几家公司正在研究引入新工厂。然而，尽管在过去70多年中进行了显著的研究和开发，但是费-托技术的限制防碍了商业气转液过程的广泛采用。
在过去几十年中，通过使用饲料添加剂已经实现了动物饲料利用效率的进步。这些添加的物质增加了动物饲料组合物的营养含量、能量含量和/或抗病特性。商业动物生产者面临的日益严峻的挑战是粮食成本上升。上升的成本部分地是由于用于生物燃料和人类食品用途的谷物的竞争性需求。随着谷物和蛋白质补充剂成本的上升，加上可用于饲料生产的有限土地，需要具有有益营养和抗病特性的替代性低成本动物饲料产品。
已经提出许多不同的含蛋白质材料作为在人类食品中更传统的蛋白质来源的替代物(如鱼粉、大豆产品和血浆)和作为动物饲料。这些含蛋白质材料包括含有高比例蛋白质的单细胞微生物，如真菌、酵母和细菌。这些微生物可以在碳氢化合物或其他底物上生长。
鉴于以上，使用C1底物作为碳源的生物发酵为食物来源与生产化学品/燃料的发酵之间的当前竞争、替代性低成本动物饲料产品的需求以及缺乏使用天然气的良好选项提供了有吸引力的解决方案。然而，发酵气态底物如甲烷、CO或CO2提出了重大的挑战，这是因为以下要求：必须将碳底物从气相传递至水相以允许被培养物中的C1代谢非光合微生物吸收并代谢。同时，还可能需要其他气体如O2或H2以从气相传递，从而允许进行细胞代谢(分别为需氧或厌氧代谢)。废产物(如在需氧代谢的情况下的CO2)必须从微生物分离以允许有效的微生物生长。此外，来自C1底物代谢的发热是显著的并且系统需要冷却以维持微生物生长的最佳条件。
从液相至蒸气相的对流传质可以用传质系数描述。通量等于传质系数、表面积和浓度差的乘积(通量＝k AΔC)。
传质系数受多种因素影响，包括待传递的分子的大小、它在水相中的溶解性和各相之间的边界层的大小(通常在发酵系统中由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由输入气体的气泡大小限制。可以通过引入气体穿过小孔，以及增加剪切力以使气泡分裂开并且防止聚结来控制气泡大小。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(bulk)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，通过气相的压力来控制浓度差。
常规发酵系统(生物反应器)通过以下两种方法之一来实现气体混合：搅拌或气举。搅拌发酵罐通过通常置于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，同时在发酵罐底部引入气泡，由此在气泡沿着发酵罐上行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。该类型的发酵罐的优势是快速的、相对均匀的混合和气泡分散，这由于混合桨叶的高速度而成为可能。然而，该类型的发酵罐可能难以按比例放大，因为随着体积增大，获得相同的混合速率和传质的能量需求可能令人望而却步。此外，剧烈混合意味着发酵液体的显著加热，并且使用单一大发酵罐限制了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路来避免机械搅拌器。气举发酵罐具有在两个末端处互连的下流和上流区段；这些区段可以是分离的单元(被称为环式发酵罐)或者同心的(气举发酵罐)。在任一种情况中，经由气泡产生装置在上流区段的底部供应气体。气泡与液体混合，减少液体的密度并且导致气体-液体混合物上升通过上流区段。上升混合物替代反应器顶部的液体，所述液体下行到下流区段以替换底部的液体，从而在发酵罐中建立循环流。为了获得气泡在液体中的长停留时间，气举发酵罐通常较高并且具有有限的横向横截面面积。这意味着气体必须以相对高的压力供应以克服由发酵罐中存在的液体柱形成的流体静压力。另外，由于压力随着高度而减小，所以气泡大小在整个发酵罐中显著增加。通过减少气泡面积(与气泡半径的平方成比例)与可以在其中发生传质的气泡体积(与气泡半径的立方成比例)的比率，增加的气泡直径成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，这也倾向于增加气泡聚结并且减少冷却发酵罐的效率。最后，在将液体送回至下流区段之前将未使用的气体和废气从离开发酵罐的上流部分的混合物中分离可以具有挑战性。
环式反应器在美国专利号7,575,163中描述，并且已经提出用于发酵微生物，例如用于生成生物质或用于制备由微生物产生的材料。图1示出了一个环式反应器1，其包括流入垂直下流区3中的排出气体移除区2。排出气体移除区2包括出口端口7和应急排气口8。垂直下流区3包括营养气体入口15。由电动机11供电的螺旋桨10协助液体培养基循环通过环式反应器。螺旋桨10的上游是用于从环式反应器中移除材料的出口端口12。螺旋桨10的下游是氨和矿物质入口17和18。液体培养基9通过环式反应器的水平区段4中的多个静态混合器14。环式反应器的水平区段还包括多个营养气体入口13。在最后一个静态混合器14的下游，环式反应器包括垂直上流区段5。垂直上流区段5的顶端与水平流出区6流体连通。垂直上流区段5设有营养气体入口16。营养气体入口16的上游是驱动气体入口19，通过该入口19将驱动气体输送至液体培养基。‘163专利描述了图1所示的环式反应器，其在流出区6的末端处的气液表面22与在水平区段中的环路中心线之间具有至少10米的垂直下降。
‘163专利中描述的环式反应器类型可能需要相对大的占位面积(footprint)，并且可能需要具有足够容积的建筑物来容纳这样的反应器的全部或部分。环式反应器所需的空间和建筑容积不能以其他方式使用。除了环式反应器之外，其他生物反应器也可能占据相对大的占位面积，并且可能需要具有足够容积的建筑物来容纳这样的反应器的全部或部分。随着房地产价值的增加，生物反应器占用的空间成本变得更加繁重。在不影响生物反应器性能的情况下，减少生物反应器占据的占位面积和容积将减少日益增加的土地成本和建筑成本的负担。
概述
在一个方面，本公开描述了用于微生物发酵的气态底物的有效传质的系统、方法和装置。另外，本公开描述了使用主要包含C1代谢非光合微生物的培养物来使气态含碳原料发酵的系统、方法和装置。在其他方面，本公开描述了使用一种或多种不同于C1代谢非光合微生物来使包括气态底物的气态原料发酵的系统、方法和装置。在又一个方面，本公开描述了可放大的发酵罐设计，所述发酵罐设计允许高通量气相至液相传质。描述了这样的发酵系统和方法，其克服了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和装置。
这样的发酵系统可以使用能够代谢气态化合物(例如，C1化合物)的一种或多种微生物物种。这样的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代谢微生物可以包括嗜甲烷菌(methanotroph)、嗜甲基菌(methylotroph)或其组合。优选的嗜甲烷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。示例性的嗜甲烷菌包括甲基单胞菌属16a(ATCC PTA 2402)、丝孢甲基弯曲菌(Methylosinus trichosporium)(NRRL B-ll,196)、生孢甲基弯曲菌(Methylosinus sporium)(NRRL B-ll,197)、小甲基孢囊菌(Methylocystisparvus)(NRRL B-ll,198)、甲烷甲基单胞菌(Methylomonas methanica)(NRRL B-5 11,199)、白甲基单胞菌(Methylomonas alb us)(NRRL B-ll,200)、荚膜甲基细菌(Methylobacter capsulatus)(NRRL B-11,201)、嗜有机甲基杆菌(Methylobacteriumorganophilum)(ATCC 27,886)、甲基单胞菌属AJ-3670(FERM P-2400)、嗜碱甲基微菌(Methylomicrobium alcaliphilum)、Methylocella silvestris、极端嗜酸甲烷氧化菌(Methylacidiphilum infernorum)、Methylibium petroleiphilum、丝孢甲基弯曲菌OB3b、荚膜甲基球菌(Methylococcus capsulatus)Bath、甲基单胞菌属16a、嗜碱甲基微菌20Z或其高速生长变体。优选的嗜甲基菌包括扭脱甲基杆菌(Methylobacterium extorquens)、耐辐射甲基杆菌(Methylobacterium radiotolerans)、杨属甲基杆菌(Methylobacteriumpopuli)、氯甲烷甲基杆菌(Methylobacterium chloromethanicum)、结瘤甲基杆菌(Methylobacterium nodulans)或其组合。
能够代谢合成气中发现的C1化合物的微生物包括但不限于梭菌属(Clostridium)、穆尔氏菌属(Moorella)、热球菌属(Pyrococcus)、真杆菌属(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(Butyribacterium)、消化链球菌属(Peptostreptococcus)或其组合。示例性的嗜甲基菌包括自产乙醇梭菌(Clostridium autoethanogenum)、扬氏梭菌(Clostridiumljungdahli)、拉氏梭菌(Clostridium ragsdalei)、食氧化碳梭菌(Clostridiumcarboxydivorans)、食甲基丁酸杆菌(Butyribacterium methylotrophicum)、伍氏梭菌(Clostridium woodii)、新产丙醇梭菌(Clostridium neopropanologen)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)、毕赤酵母属(Pichia)、球拟酵母属(Torulopsis)或红酵母属(Rhodotorula)。
在其他情况下，C1代谢非光合微生物是专性C1代谢非光合微生物，如专性嗜甲烷菌、专性嗜甲基菌或其组合。在一些情况下，C1代谢非光合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。
另外地或作为上述的备选方案，本公开描述了以下实施方案。第一个实施方案涉及一种用于刺激生物质生产的系统，所述系统包括环式反应器，所述环式反应器包括：用于将气体和液体培养基的多相混合物分离成气相和液相的气/液分离容器，所述气/液分离容器包括出口和入口；环路区段，所述环路区段包括与气/液分离容器的出口流体连通的入口和与气/液分离容器的入口流体连通的出口；在环路区段入口和环路区段出口之间的至少一个基本水平区；第一基本垂直流动区，所述第一基本垂直流动区位于环路区段的入口和环路区段的出口之间；以及第二基本垂直流动区，所述第二基本垂直流动区位于第一基本垂直流动区和环路区段的出口之间，在运行中，多相混合物流过第二基本垂直流动区并且多相混合物以相同方向流过第一基本垂直流动区。
本文公开的第二个实施方案涉及第一个实施方案，其包括第三基本垂直流动区，所述第三基本垂直流动区位于第二基本垂直流动区和环路区段的出口之间，在运行中，多相混合物以与多相混合物流过第一基本垂直流动区和第二基本垂直流动区相同的方向流过第三基本垂直流动区。
本文公开的第三个实施方案涉及第一个和第二个实施方案的系统，其中当环式反应器运行时，在至少一个基本水平区中在多相混合物的气体和液体培养基之间的传质由基本水平区体积传质速率(kLa)表征，当环式反应器运行时，在第一基本垂直流动区中在多相混合物的气体和液体培养基之间的传质由第一基本垂直流动区体积传质速率(kLa)表征，并且当环式反应器运行时，在第二基本垂直流动区中在多相混合物的气体和液体培养基之间的传质由第二基本垂直流动区体积传质速率(kLa)表征，其中第一基本垂直流动区体积传质速率(kLa)和第二基本垂直流动区体积传质速率(kLa)中的至少一个为基本水平区体积传质速率(kLa)的2至5倍。
本文公开的第四个实施方案涉及一种用于刺激生物质生产的系统，所述系统包括环式反应器，所述环式反应器包括：气/液分离容器，所述气/液分离容器用于将气体和液体培养基的多相混合物分离成气相和液相，所述气/液分离容器包括出口和入口；环路区段，所述环路区段包括与气/液分离容器的出口流体连通的入口和与气/液分离容器的入口流体连通的出口；环路区段入口和环路区段出口之间的第一基本水平区，所述第一基本水平区包括其中当环式反应器运行时多相混合物以第一方向流动的第一流动区段，和其中当环式反应器运行时多相混合物以不同于第一方向的第二方向流动的第二流动区段；在环路区段入口和环路区段出口之间的第二基本水平区，所述第二基本水平区包括其中当环式反应器运行时多相混合物以第三方向流动的第三流动区段，和其中当环式反应器运行时多相混合物以不同于第三方向的第四方向流动的第四流动区段；以及在第一基本水平区和第二基本水平区之间的至少一个基本垂直流动区。
本文公开的第五个实施方案涉及第四个实施方案，其中环路区段的第一基本水平区包括其中当环式反应器运行时多相液体以第五方向流动的第五流动区段，所述第五方向不同于在第一流动区段中流动的第一方向并且不同于在第二流动区段中流动的第二方向。
本文公开的第六个实施方案涉及第四个至第五个实施方案，其中环路区段的第二基本水平区包括其中当环式反应器运行时多相液体以第六方向流动的第六流动区段，所述第六方向不同于在第三流动区段中流动的第三方向并且不同于在第四流动区段中流动的第四方向。
本文公开的第七个实施方案涉及第四个至第六个实施方案，其中当环式反应器运行时，在第一基本水平区中在多相混合物的气体和液体培养基之间的传质由第一基本水平区体积传质速率(kLa)表征，当环式反应器运行时，在第二基本水平区中在多相混合物的气体和液体培养基之间的传质由第二基本水平区体积传质速率(kLa)表征，并且当环式反应器运行时，在至少一个基本垂直流动区中在多相混合物的气体和液体培养基之间的传质由基本垂直流动区体积传质速率(kLa)表征，其中基本垂直流动区体积传质速率(kLa)为第一基本水平区体积传质速率(kLa)和第二基本水平区体积传质速率(kLa)中的至少一个的2至5倍。
本文公开的第八个实施方案涉及一种用于刺激环式反应器中的生物质生产的方法，所述方法包括使气体和液体培养基的多相混合物通过环式反应器的第一基本垂直流动区；在第一基本垂直流动区中，将多相混合物的气体传递至多相混合物的液体培养基；使气体和液体培养基的多相混合物通过环式反应器的基本水平区；在基本水平区中，将多相混合物的气体传递至多相混合物的液体培养基；使气体和液体培养基的多相混合物通过环式反应器的第二基本垂直流动区；在第二基本垂直流动区中，将多相混合物的气体传递至多相混合物的液体培养基；在第二基本垂直流动区的下游将气体和液体培养基的多相混合物分离成气相和液相；使从气体和液体培养基的多相混合物分离的气相和液相通过通向气/液分离容器的入口进入气/液分离容器中；以及从气/液分离容器的出口移除液相并且将移除的液相递送至环式反应器的环路区段的入口，多相混合物通过第二基本垂直流动区和多相混合物通过第一基本垂直流动区的方向相同。
本文公开的第九个实施方案涉及第八个实施方案，包括以下步骤：使气体和液体培养基的多相混合物通过环式反应器的第三基本垂直流动区，多相混合物以与多相混合物通过第一基本垂直流动区和第二基本垂直流动区的相同方向通过第三基本垂直流动区，并且在第三基本垂直流动区中，将多相混合物的气体传递至多相混合物的液体培养基。
本文公开的第十个实施方案涉及第八个和第九个实施方案，其中在第一基本垂直流动区中将多相混合物的气体传递至多相混合物的液体培养基以第一基本垂直流动区体积传质速率(kLa)发生，在基本水平区中将多相混合物的气体传递至多相混合物的液体培养基以基本水平区体积传质速率(kLa)发生，并且在第二基本垂直流动区中将多相混合物的气体传递至多相混合物的液体培养基以第二基本垂直流动区体积传质速率(kLa)发生，其中第一基本垂直流动区体积传质速率(kLa)和第二基本垂直流动区体积传质速率(kLa)中的至少一个为基本水平区体积传质速率(kLa)的2-5倍。
本文公开的第十一个实施方案涉及第八个至第十个实施方案，其中在第三基本垂直流动区中将多相混合物的气体传递至多相混合物的液体培养基以第三基本垂直流动区体积传质速率(kLa)发生，其中第三基本垂直流动区体积传质速率(kLa)为基本水平区体积传质速率(kLa)的2-5倍。
本文公开的第十二个实施方案涉及一种用于刺激环式反应器中的生物质生产的方法，包括使气体和液体培养基的多相混合物通过环式反应器的第一基本水平区；在第一基本水平区中，将多相混合物的气体传递至多相混合物的液体培养基，使多相混合物以第一方向流过第一基本水平区的第一流动区段并且使多相混合物以第二方向流过第一基本水平区的第二流动区段，所述第一方向不同于所述第二方向；使气体和液体培养基的多相混合物通过环式反应器的基本垂直流动区并且在基本垂直流动区中将多相混合物的气体传递至多相混合物的液体培养基；使气体和液体培养基的多相混合物通过环式反应器的第二基本水平区；在第二基本水平区中，将多相混合物的气体传递至多相混合物的液体培养基，使多相混合物以第三方向流过第二基本水平区的第三流动区段并且使多相混合物以第四方向流过第二基本水平区的第四流动区段，所述第三方向不同于所述第四方向；在第二基本水平区的下游将气体和液体培养基的多相混合物分离成气相和液相；使从气体和液体培养基的多相混合物分离的气相和液相通过通向气/液分离容器的入口进入气/液分离容器中；以及从气/液分离容器的出口移除液相并且将移除的液相递送至环式反应器的环路区段的入口。
本文公开的第十三个实施方案涉及第十二个实施方案，其中使气体和液体培养基的多相混合物通过第一基本水平区还包括使多相混合物以第五方向流过第一基本水平区的第五流动区段，所述第五方向不同于在第一流动区段中流动的第一方向并且不同于第二流动区段中流动的第二方向。
本文公开的第十四个实施方案涉及第十二个和第十三个实施方案，其中使气体和液体培养基的多相混合物通过第二基本水平区还包括使多相混合物以第六方向流过第二基本水平区的第六流动区段，所述第六方向不同于在第二流动区段中流动的第三方向并且不同于在第四流动区段中流动的第四方向。
本文公开的第十五个实施方案涉及第十二个至第十四个实施方案，其中在第一基本水平区中将多相混合物的气体传递至多相混合物的液体培养基以第一基本水平区体积传质速率(kLa)发生，在基本垂直流动区中将多相混合物的气体转移至多相混合物的液体培养基以基本垂直流动区体积传质速率(kLa)发生，并且在第二基本水平区中将多相混合物的气体传递至多相混合物的液体培养基以第二基本水平区体积传质速率(kLa)发生，其中基本垂直流动区体积传质速率(kLa)为第一基本水平区体积传质速率(kLa)和第二基本水平区体积传质速率(kLa)中的至少一个的2-5倍。
本文公开的第十六个实施方案涉及第四个至第七个实施方案，其中第二水平流动区横跨第一水平流动区。
本文公开的第十七个实施方案涉及第十二个至第十五个实施方案，其中使多相混合物通过第二水平流动区504包括使多相混合物在第一水平流动区502上方的第二水平流动区中通过。
附图的若干视图简述
在附图中，附图中的元件的大小和相对位置不一定按比例绘制。例如，各种元件和角度并未按比例绘制，并且这些元件中的一些任意地放大并且定位以改进绘图易读性。此外，绘制的元件的具体形状不旨在表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示出了现有技术的环式反应器的示意图，该环式反应器包括在其中发生脱气的流出区上游的垂直上流区段。
图2示出了根据一个或多个所示和所述实施方案的用于刺激生物质生产的环式反应器和任选子系统的实例的示意性框图。
图3示出了根据一个或多个所示和/或所述实施方案的用于刺激生物质生产的示例性系统的示意图，该系统可用于发酵气态底物，其包括第一流动区和第二流动区。
图4A示出了根据一个或多个所示和/或所述实施方案的用于刺激生物质生产的示例性系统的示意图，该系统可用于发酵气态底物，其包括第一基本垂直流动区和第二基本垂直流动区。
图4B示出了根据一个或多个所示和/或所述实施方案的用于刺激生物质生产的示例性系统的示意图，该系统可用于发酵气态底物，其包括第一基本垂直流动区和第二基本垂直流动区。
图4C示出了根据一个或多个所示和/或所述实施方案的用于刺激生物质生产的示例性系统的示意图，该系统可用于发酵气态底物，其包括第一基本垂直流动区、第二基本垂直流动区和第三基本垂直流动区。
图4D示出了根据一个或多个所示和/或所述实施方案的用于刺激生物质生产的示例性系统的示意图，该系统可用于发酵气态底物，其包括第一基本垂直流动区、第二基本垂直流动区和第三基本垂直流动区。
图5示出了根据一个或多个所示和/或所述实施方案的用于刺激生物质生产的示例性系统的示意图，该系统可用于发酵气态底物，其包括第一基本水平减压区、第二基本水平减压区和基本垂直流动区。
图6示出了根据一个或多个所示和/或所述实施方案的发酵方法的高水平流程图，该方法包括使多相混合物流过环式反应器的多个基本垂直流动区。
图7示出了根据一个或多个所示和/或所述实施方案的发酵方法的高水平流程图，该方法包括使多相混合物流过基本垂直流动区和多个基本水平区。
详述
在以下描述中，列出了某些具体细节以提供对各种实施方案的透彻理解。然而，本领域技术人员将理解本发明可以在缺少这些细节的情况下实践。在其他情况下，结构、标准容器设计细节、可用组件(如液体或气体分配器、泵、涡轮和类似组件)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并未详细示出或描述，以避免不必要地模糊所述实施方案的描述。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，如“包括(comprises)”和“包括(comprising)”，以开放的、包括性含义来理解，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的本发明的范围或含义。
本说明书中对“一个实施方案”或“实施方案”的引用意指结合该实施方案描述的特定特征、结构或特性包括在至少一个实施方案中。因此，本说明书中在各个地方出现的短语“在一个实施方案中”或“在实施方案中”不必然都指代相同的实施方案。此外，特定的特征、结构或特性可以在一个或多个实施方案中以任何合适的方式组合。另外，如本说明书和所附权利要求书中使用的，除非上下文另有明确指明，否则单数形式“一个(a)”、“一种(an)”和“所述(the)”包括复数指代。还应注意术语“或”通常以其包括“和/或”的含义来使用，除非上下文另外明确规定。
发酵是指微生物在生长培养基上的大量生长，其目的是产生可以原样使用或加工成有用产品的特定化学产品。发酵可以在需氧或厌氧条件下进行。发酵的实例包括将含碳气体如甲烷和合成气转化为较长链的气态和液态烃的发酵，所述气态和液态烃可以被回收并且用于生物塑料、烃燃料和蛋白质的生产。
发酵罐通常定义为其中进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底物的情况下，发酵罐的范围可以从在酒精饮料工业中发现的简单连续搅拌槽反应器到具有针对特定底物和/或特定生物物种定制的气体分布和内部结构的高度复杂的专用容器。可用于将含碳气体如甲烷和合成气(CO与H2的混合物)转化为更长链的气态和液态烃的发酵罐通常将含有C1碳化合物的气态底物分散在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。将该多相混合物供给至一个或多个微生物集落，其将气态底物中的一种或多种C1碳化合物的一部分转化为更优选的更长链的C2或高级化合物。底物组成、营养物和包含集落的微生物有机体(即，发酵罐内的生物质)可以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，其可以呈现为液体、气体或细胞内物质。
可用于将含碳气体如甲烷和合成气(CO与H2的混合物)用作用于培养单细胞微生物如真菌、酵母和细菌(其含有高比例的蛋白质)的底物的发酵罐通常将含有C1碳化合物的气态底物分散在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。将该多相混合物与一个或多个微生物集落接触，其将气态底物中的一种或多种C1碳化合物的一部分转化为蛋白质。底物组成、营养物和包含集落的微生物有机体(即，发酵罐内的生物质)可以被不同地调节或定制以提供含蛋白质的生物质的所需最终基质。
从传质角度来看，气体底物发酵罐具有独特难题，因为底物截留在气泡内并且为了使微生物吸收底物发生，气体底物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，这样的发酵过程常常受限于系统在发酵罐内促进和/或维持底物从气泡到微生物有机体的所需高水平传质的能力。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是气泡内的气体压力、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的函数。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底物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，从传质角度来看，优选的发酵罐将产生在相对高压力下的许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密切接触延长的时间段。
本文公开了能够提供相对较小直径、相对高压力的气泡的若干发酵系统、方法和装置。本文公开了能够提供与周围液体和/或生物有机体的延长的接触时间的若干发酵系统、方法和装置。这样的发酵系统、方法和装置可以有利地提供高效气体底物发酵系统，其可以尤其适用于将C1化合物转化为更优选的气态、液态和细胞内C2和高级化合物或者刺激含有高比例蛋白质的微生物的生长。
如本文中使用的，术语“C1底物”或“C1化合物”是指缺少碳-碳键的任何含碳分子或组合物。C1分子或组合物的例子包括甲烷、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。
如本文中使用的，术语“微生物”是指具有使用气态底物作为能量来源或作为其唯一的能量或生物质来源的能力，并且对于能量和生物质可以使用或可以不使用其他碳底物(如糖和复杂碳水化合物)的任何微生物。如本文中使用的微生物的实例包括异养细菌罗尔斯通氏菌属(Ralstonia sp.)(以前为食酸产碱菌(Alcaligenes acidovorans))DB3(菌株NCIMB 13287)、土壤短小芽孢杆菌(Brevibacillus agri)(以前为坚强芽孢杆菌(Bacillusfirmus))DB5(菌株NCIMB 13289)和解硫胺素杆菌属(Aneurinibacillus sp.)(以前为短芽孢杆菌(Bacillus brevis))DB4(菌株NCIMB 13288)，其各自在约45℃的温度下具有最佳生长。罗尔斯通氏菌属DB3是革兰氏阴性的需氧能动杆菌，属于假单胞菌科，其可以使用乙醇、乙酸盐、丙酸盐和丁酸盐进行生长。解硫胺素杆菌属DB4是革兰氏阴性的形成内生孢子的需氧杆菌，属于芽孢杆菌属，其可以利用乙酸盐、D-果糖、D-甘露糖、核糖和D-塔格糖。土壤短小芽孢杆菌DB5是芽孢杆菌属的革兰氏阴性的形成内生孢子的能动需氧杆菌，其可以利用乙酸盐、N-乙酰基-葡糖胺、柠檬酸盐、葡糖酸盐、D-葡萄糖、甘油和甘露醇。适用于本发明的方法的酵母可以选自由酵母属(Saccharomyces)和假丝酵母属组成的组。
如有需要，可以使用经遗传修饰的细菌(或酵母)进行本文所述的方法，以产生所需的化学化合物，然后可以从细胞间液或从反应器收获的生物质中提取所述化合物。科学和专利文献含有这样的遗传修饰微生物的许多实例，尤其包括嗜甲烷细菌。
在至少一些情况下，根据本文所述的实施方案，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代谢非光合微生物的培养物。这样的发酵系统可以使用C1代谢微生物的一种或多种物种，其为原核生物或细菌，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代谢细菌可以包括嗜甲烷菌或嗜甲基菌。优选的嗜甲烷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。示例性的嗜甲烷菌包括甲基单胞菌属16a(ATCC PTA2402)、丝孢甲基弯曲菌(NRRL B-ll,196)、生孢甲基弯曲菌(NRRL B-ll,197)、小甲基孢囊菌(NRRLB-ll,198)、甲烷甲基单胞菌(NRRL B-5 11,199)、白甲基单胞菌(NRRL B-ll,200)、荚膜甲基细菌(NRRL B-11,201)、嗜有机甲基杆菌(ATCC 27,886)、甲基单胞菌属AJ-3670(FERM P-2400)、嗜碱甲基微菌、Methylocella silvestris、极端嗜酸甲烷氧化菌、Methylibiumpetroleiphilum、丝孢甲基弯曲菌OB3b、荚膜甲基球菌Bath、甲基单胞菌属16a、嗜碱甲基微菌20Z或其高速生长变体。优选的嗜甲基菌包括扭脱甲基杆菌、耐辐射甲基杆菌、杨属甲基杆菌、氯甲烷甲基杆菌、结瘤甲基杆菌或其组合。
还可以使用能够代谢合成气中发现的C1化合物的微生物，包括但不限于梭菌属、穆尔氏菌属、热球菌属、真杆菌属、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、消化链球菌属或其组合。示例性的嗜甲基菌包括自产乙醇梭菌、扬氏梭菌、拉氏梭菌、食氧化碳梭菌、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)、毕赤酵母属(Pichia)、球拟酵母属(Torulopsis)或红酵母属(Rhodotorula)。
在其他情况下，C1代谢非光合微生物是专性C1代谢非光合微生物，如专性嗜甲烷菌或嗜甲基菌。在一些情况下，C1代谢非光合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。
如本文中使用的，术语“C1代谢微生物”或“C1代谢非光合微生物”是指具有使用单碳(C1)底物作为能量来源或作为其唯一的能量或生物质来源的能力，并且对于能量和生物质可以使用或可以不使用其他碳底物(如糖和复杂碳水化合物)的任何微生物。例如，C1代谢微生物可以氧化C1底物，如甲烷或甲醇。C1代谢微生物包括细菌(如嗜甲烷菌和嗜甲基菌)和酵母。在至少一些情况下，C1代谢微生物不包括光合微生物，如藻类。在某些实施方案中，C1代谢微生物将是“专性C1代谢微生物”，意指其唯一的能量来源包括C1底物并且没有别的来源。
如本文中使用的，术语“嗜甲基细菌”是指能够氧化不含碳-碳键的有机化合物的任何细菌。在某些实施方案中，嗜甲基细菌可以是嗜甲烷菌。例如，“嗜甲烷细菌”是指具有氧化作为其主要碳源和能量来源的甲烷的能力的任何嗜甲基细菌。示例性的嗜甲烷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。在某些其他实施方案中，嗜甲基细菌是“专性嗜甲基细菌”，其是指受限于使用C1底物来产生能量的细菌。
在本发明的一个具体实施方案中，该方法使用WO 02/18617中描述的类型的嗜甲烷细菌进行，以产生类胡萝卜素，例如表氧化玉米黄质(antheraxanthin)、金盏花黄质(adonixanthin)、虾青素、角黄素、玉米黄质和WO 02/18617第39和40页中提到的其他类胡萝卜素。为此，可以特别合适地使用嗜甲烷细菌甲基单胞菌属16a(ATCC PTA 2402)。如WO02/18617、WO 02/20728和WO 02/20733中所述，以这种方式产生的类胡萝卜素可以从液体培养基中分离出来。
如本文中使用的，术语“合成气”是指包括至少一氧化碳(CO)和氢气(H2)的混合物。在至少一些情况下，合成气也可以包括相对于CO和H2呈较少量的CO2、甲烷和其他气体。合成气可以使用任何可获得过程制备，包括但不限于水煤气变换或煤气化过程。
如本文中使用的，术语“生长”定义为细胞质量的任何增加。这可以经由细胞分裂(复制)和“平衡生长”期间或“不平衡生长”期间的新细胞的形成而发生，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如某些脂质的积聚而增加。在后一种情况下，生长可以表现为由于生物聚合物在细胞内的积聚导致的细胞大小增加。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，该原料或营养物变得有限制并且被称为“限制营养物”。
一些细胞可以在不平衡条件下仍然实现净生长，但是生长是不平衡的并且将积聚可以在不存在限制原料或营养物的情况下合成的化学品。这些化学品包括聚合物，诸如脂质或细胞内储存产物，例如聚羟基烷酸酯(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)-糖原或分泌物质，如细胞外多糖。这样的化学品可用于生产生物塑料。
样品平衡和不平衡生长条件可以在培养基中的含氮量方面不同。例如，氮构成细胞干重的约12％，这意味着必须供应12mg/L的氮(连同以所需化学计量比率的原料和其他营养物)以生长100mg/L的细胞干重。如果其他原料和营养物可以以产生100mg/L的细胞干重所需要的量获得，但是提供小于12mg/L的氮，则可以在积聚不含有氮的化学品的情况下发生不平衡细胞生长。如果随后提供氮，则储存的化学品可以充当细胞的原料，从而允许平衡生长，具有新细胞的复制和产生。
如本文中使用的，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。例如，周期可以包括各种阶段，如停滞期、指数期、指数期末期和静止期。
如本文中使用的，术语“指数生长”、“指数期生长”、“对数期”或“对数期生长”是指微生物生长和分裂的速率。例如，在对数期期间，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”的细胞是在对数期生长的那些细胞。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。
如本文中使用的，术语“高生长变体”是指能够使用作为唯一碳源和能量来源的C1底物如甲烷或甲醇进行生长的有机体、微生物、细菌、酵母或细胞，并且其具有比亲本、参考或野生型有机体、微生物、细菌、酵母或细胞更快的指数期生长速率—也就是说，如与亲本细胞相比，高生长变体具有更快的倍增时间，从而具有高生长速率以及代谢的每克C1底物的高细胞质量产率(参见，例如，美国专利号6,689,601)。
如本文中使用的，术语“生物燃料”是指至少部分地来源于“生物质”的燃料。
如本文中使用的，术语“生物质”或“生物材料”是指具有生物来源的有机材料，其可以包括全细胞、裂解细胞、细胞外物质等中的一种或多种。例如，从培养的微生物(例如，细菌或酵母培养物)收获的材料被认为是生物质，其可以包括细胞、细胞膜、细胞质、包涵体、分泌或排泄至培养基中的产物或者其任何组合。在某些实施方案中，生物质包含本公开的C1代谢微生物以及其中生长本公开的C1代谢微生物的培养物的培养基。在其他实施方案中，生物质包含从C1(例如天然气、甲烷)上生长的培养物中回收的本公开的C1代谢微生物(整体或裂解或两者)。在其他实施方案中，生物质包含用过的培养基上清液或从C1底物上的C1代谢微生物培养物的培养物中排泄或分泌的气体。这样的培养物可以被认为是可再生资源。
如本文中使用的，术语“生物炼制厂”是指整合生物质转化过程和设备以由生物质生产燃料和/或其他化学品的设施。
如本文中使用的，“油组合物”是指生物质(例如，细菌培养物)的脂质含量，包括脂肪酸、脂肪酸酯、甘油三酯、磷脂、聚羟基烷酸酯、异戊二烯、萜烯等。生物质的油组合物可以从剩余的生物质材料中提取，例如通过己烷或氯仿提取。另外，“油组合物”可以发现于培养物的任何一个或多个区域中，包括细胞膜、细胞质、包涵体、分泌或排泄至培养基中，或其任何组合。油组合物既不是天然气也不是原油。
如本文中使用的，术语“炼制厂”是指炼油厂或其方面，其中可以加工油组合物(例如，生物质、生物燃料或化石燃料如原油、煤或天然气)。在这样的炼制厂进行的样品过程包括裂化、转酯、重整、蒸馏、加氢处理、异构化或其任何组合。
如本文中使用的，术语“重组”或“非天然”是指具有至少一种遗传改变或已经通过引入异源核酸分子而被修饰的有机体微生物、细胞、核酸分子或载体，或者是指已经改变以使得可以控制内源性核酸分子或基因的表达的细胞。重组体还指来源于具有一种或多种这样的修饰的细胞的细胞。例如，重组细胞可以表达未以相同形式发现于天然细胞(即，未修饰或野生型细胞)中的基因或其他核酸分子，或者可以提供内源性基因的改变的表达模式，换句话说这样的基因可以过度表达、表达不足、最低限度地表达或根本不表达。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以向新的或由其天然存在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。
如本文中使用的，术语“异源”核酸分子、构建体或序列是指这样的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并不是天然的或者与类似条件下的天然表达水平相比，其是具有改变的表达的核酸分子。例如，异源控制序列(例如，启动子、增强子)可以用于以不同于基因或核酸分子在自然界或培养物中正常表达的方式来调控基因或核酸分子的表达。通常，异源核酸分子对于存在于其中的细胞或基因组部分并不是内源性的，并且已经通过偶联、转化、转染、电穿孔等添加至细胞。
如本文中使用的，术语“垂直”是指与所讨论的位置处的重力矢量一致的方向。
如本文中使用的，术语“水平”是指垂直于所讨论的位置处的重力矢量的方向。
如本文中使用的，术语“非垂直”是指水平的方向(即垂直于垂直方向)或者与垂直方向成20°以上的方向，例如与垂直方向成大于20°、25°、30°、35°、40°、45°、50°、55°、60°、65°、70°、75°、80°或85°的方向。
如本文中使用的，短语“基本垂直的”是指在与垂直方向成20°以下之内的方向。
如本文中使用的，短语“基本水平的”是指水平方向的10°以下之内的方向。
本公开的用于发酵的系统可以包括分离单元(例如，彼此紧邻或相邻放置(或者不这样放置)的加工单元或系统)、整合单元或系统本身可以互连和整合。本公开的系统可以使用至少一种气相原料，包括一种或多种C1化合物、氧气和/或氢气。在某些实施方案中，发酵系统使用C1代谢微生物(例如，嗜甲烷菌如丝孢甲基弯曲菌OB3b、荚膜甲基球菌Bath、甲基单胞菌属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。
各种培养方法可以用于本文所述的微生物、细菌和酵母。例如，C1代谢微生物，如嗜甲烷菌或嗜甲基菌，可以通过分批培养和连续培养方法生长。通常，对数期的细胞经常负责在一些系统中大量生产目标产物或中间体，而静止期或后指数期生产可以在其他系统中获得。
经典的分批培养方法是封闭系统，其中在培养开始时设定培养基组成并且在培养过程期间不改变培养基组成。也就是说，在培养过程开始时用选择的一种或多种微生物接种培养基，然后使其生长而不将任何另外的微生物添加至系统。如本文中使用的，“分批”培养涉及不改变初始添加的特定碳源的量，而可以在培养期间监测和改变因素(如pH以及氧和/或氢浓度)的控制。在分批系统中，系统的代谢物和生物质组成不断地变化直至培养时间终止。在分批培养内，细胞(例如，细菌如嗜甲基菌)通常将从静态停滞期移至高生长对数期直至静止期，在静止期中生长速率降低或停止(并且如果条件未变化，则最终将导致细胞死亡)。
补料分批(fed-batch)系统是标准分批系统的变化，其中随着培养进展增量地添加目标碳底物。当细胞代谢可能受到降解物阻遏抑制时并且当需要在培养基中具有有限量的底物时，补料分批系统是可用的。由于难以测量补料分批系统中的实际底物浓度，所以基于可测量因素(如pH、溶解氧和废气分压)的变化来进行估计。分批和补料分批培养方法是本领域中常见的和已知的(参见，例如，Thomas D.Brock,Biotechnology:ATextbook ofIndustrial Microbiology,第2版(1989)Sinauer Associates,Inc.,Sunderland,MA；Deshpande,1992,Appl.Biochem.Biotechnol.36:227)。
连续培养是“开放”系统，在某种意义上是将限定的培养基连续添加至生物反应器，而同时移除相等量的已用(“条件”)培养基用于加工。连续培养通常将细胞维持于恒定的高液相密度下，其中细胞主要处于对数生长期中。备选地，连续培养可以用固定细胞(例如，生物膜)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。细胞固定可以使用由天然材料、合成材料或其组合构成的广泛范围的固体支持体来实现。
连续或半连续培养允许调控影响细胞生长或最终产物浓度的一种或多种因素。例如，一种方法可以以固定速率维持有限营养物(例如，碳源、氮)并且允许所有其他参数随着时间的推移而变化。在其他实施方案中，影响生长的若干因素可以连续地改变，同时如通过培养基浊度所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保持平衡。调控连续培养过程的营养物和生长因素的方法以及最大化产物形成速率的技术是本领域中熟知的(参见Brock,1992)。
在某些实施方案中，培养基包括碳底物作为C1代谢微生物的能量来源。合适的底物包括C1底物，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(溴甲烷、氯甲烷、碘甲烷、二氯甲烷等)。在某些实施方案中，培养基可以包含单一C1底物作为C1代谢微生物的唯一碳源，或者可以包含两种以上C1底物的混合物(混合C1底物组合物)作为C1代谢微生物的多个碳源。
另外，已知一些C1代谢有机体利用非C1底物(如糖、葡糖胺或各种氨基酸)用于代谢活动。例如，一些假丝酵母属物种可以代谢丙氨酸或油酸(Sulter等,Arch.Microbiol.153:485-489,1990)。扭脱甲基杆菌AM1能够在有限数量的C2、C3和C4底物上生长(Van Dien等,Microbiol.149:601-609,2003)。备选地，C1代谢微生物可以是具有利用替代碳底物的能力的重组变体。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以包括具有单一碳化合物和多碳化合物的碳底物的混合物。
在某些实施方案中，本公开提供用于制造燃料的方法，所述方法包括将来自主要包含C1代谢非光合微生物的培养物的生物质转化为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代谢非光合微生物是专性C1代谢非光合微生物，如专性嗜甲烷菌或嗜甲基菌。在另外的实施方案中，C1代谢非光合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。在另外的实施方案中，油组合物来源于或提取自C1代谢非光合微生物(如嗜甲基菌或嗜甲烷菌)的细胞膜。
在某些实施方案中，本公开提供用于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，其中油组合物来源于C1代谢非光合微生物，如嗜甲基菌或嗜甲烷菌。在另外的实施方案中，所述方法还包括使用加工单元，用于从C1代谢非光合微生物中提取油组合物。在另外的实施方案中，所述方法包括(a)在受控培养单元中，在包含C1底物的原料的存在下培养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；以及(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底物是甲烷、甲醇、甲醛、甲酸、一氧化碳、二氧化碳、甲胺、甲基硫醇或甲基卤。
在某些实施方案中，本公开提供用于制造天然产物(如乙醇、乙酸酯、丁醇、单细胞蛋白质、糖或其他代谢物或细胞产物)的方法，其中天然产物来源于C1代谢非光合微生物，如嗜甲基菌或嗜甲烷菌。
在另外的实施方案中，所述方法还包括使用加工单元，用于从C1代谢非光合微生物中提取天然产物。
在另外的实施方案中，所述方法包括(a)在受控培养单元中，在包含C1底物的原料的存在下培养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；以及(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底物是甲烷、甲醇、甲醛、甲酸、一氧化碳、二氧化碳、甲胺、甲基硫醇或甲基卤。
在某些实施方案中，本公开提供用于制造天然或非天然产物(如乙醇、乙酸酯、丁醇、异戊二烯、丙烯、法呢烯、酶或其他代谢物或细胞产物)的方法，其中产物来源于已经用异源核苷酸序列转化的基因工程改造的C1代谢非光合微生物(如嗜甲基菌或嗜甲烷菌)。在另外的实施方案中，所述方法还包括使用加工单元，用于从基因工程改造的C1代谢非光合微生物中提取产物。在另外的实施方案中，所述方法包括(a)在受控培养单元中，在包含C1底物的原料的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；以及(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底物是甲烷、甲醇、甲醛、甲酸、一氧化碳、二氧化碳、甲胺、甲基硫醇或甲基卤。
在某些实施方案中，本公开提供用于制造天然或非天然产物(如乙醇、乙酸酯、丁醇、异戊二烯、丙烯、法呢烯、酶或其他代谢物或细胞产物)的方法，其中产物来源于非C1代谢微生物，如大肠杆菌(Escherichia coli)、酿酒酵母(Saccaromyces cerevisiae)或其他常用生产微生物。在某些实施方案中，原料底物是葡萄糖、蔗糖、甘油、纤维素或其他多碳原料。
美国专利7,579,163的图1中示出的环式反应器被描述为包括基本垂直的下流区3和基本垂直的上流区5，它们被基本水平的区4隔开，该区4开始于基本垂直的下流区3的底部并且结束于基本垂直的上流区5的起始处。基本垂直的下流区3和基本垂直的上流区5的存在导致流出区6的末端处的气液表面22与环式反应器在水平区4中的中心线之间的垂直距离。‘163专利描述了该垂直距离为至少10米或约32.8英尺。液体介质向上流过垂直上流区段5到达其进入水平的排出气体/液体反应介质分离区段6的位置的距离取决于环路的基本水平区段4的上升和基本水平的排出气体/液体反应介质分离区段6的上升。存在足够长的基本垂直的下流区和基本垂直的上流区以容纳大约10米的垂直距离(即，流出区6的末端处的气液表面22与环式反应器在水平区4中的中心线之间的垂直距离)对设计和制造具有这些区的环式反应器的总体成本贡献很大。例如，与设计和制造物理支持下流和上流垂直区(这些区足够高以容纳大约10米的垂直距离，即流出区6的末端处的气液表面22与环式反应器在水平区4中的中心线之间的垂直距离)所需的结构有关的成本对设计、建造和维持包括这些区的环式反应器的总体成本贡献很大。具有大约10米高的上流和下流垂直区的环式反应器需要这样的建筑物，其中容纳这样的反应器以具有足够的垂直间隙以容纳这么高的垂直上流和下流区。
图2示出了用于刺激生物质生产的示例性系统200，其包括环式反应器101连同分离子系统250、任选的热子系统270和任选的控制子系统290。虽然显示为整合系统200，但是任选的子系统可以个别地或以任何组合与环式反应器101一起安装或以其他方式组合。将一种或多种液体和一种或多种气体底物引入环式反应器101以与液体培养基形成多相混合物，该多相混合物行进通过环式反应器101。在穿过环式反应器101之后，多相混合物可以含有由环式反应器101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他化合物、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以间歇地或连续地作为生物质从环式反应器101中移除。可以移除环式反应器101内的生物质积聚以将环式反应器101内的总生物质维持在限定范围内或者高于或低于限定阈值。在至少一些情况下，从环式反应器101移除的生物质可以包括一种或多种有用的化合物。例如，过量生物质中的生物有机体可以含有一定量的一种或多种细胞内脂质或类似化合物，其可用于产生生物燃料如生物柴油或含蛋白质的产品。
一种或多种液体可以包括适合于维持或输送一种或多种营养物至环式反应器101内的微生物有机体的任何液体。这样的液体可以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，一个或多个流体推进器用于以受控方式和压力将一种或多种液体输送至环式反应器101。一个或多个流体推进器可以包括能够在两个点之间传递液体的任何类型的泵或类似装置。示例性的流体推进器包括但不限于离心泵、正排量泵(positive displacement pump)、螺杆泵、双隔膜泵、叶轮泵、轴流泵、混流泵等。其他示例性流体推进器包括但不限于喷射器、引射器和类似装置。液体传递至环式反应器101可以是流量控制的、压力控制的或者使用压力、温度、流量、水平、流率、表观速度或从环式反应器101内的一个或多个点或系统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，通过流体推进器传递液体可以基于环式反应器101内的一个或多个组分或化合物(例如，一个或多个含碳或含氮营养物)的测量浓度来控制；例如，通过流体推进器传递的液体的流量可以响应于环式反应器101内的营养物浓度的测量降低而增加。
一种或多种气体底物可以包括适合于维持或输送一种或多种营养物至环式反应器101内的生物有机体的任何一种气体、多种气体或气体组合。这样的气体可以包括但不限于含有碳化合物的一种或多种气体。这样的气体可以包括但不限于含有C1碳化合物(如甲烷或一氧化碳)的一种或多种气体。一种或多种气体底物还可以包括用于环式反应器101内的生物有机体的代谢过程的一种或多种气体。这样的气体可以包括但不限于氧气、含氧化合物和氢气。一种或多种气体底物可以作为纯气体或作为气体混合物(例如，合成气，即一氧化碳和氢气的混合物)传递至环式反应器101。一种或多种气体底物可以个别地传递至环式反应器101(例如，甲烷和含氧气体如空气可以个别地传递以将在环式反应器101外部形成爆炸气体混合物的可能性降到最低)。
一种或多种气体底物可以任选地使用气体推进器来传递至环式反应器101。示例性气体推进器包括但不限于旋转叶压缩机、离心压缩机、螺杆压缩机等。一种或多种气体底物的输送压力取决于各种因素，包括环式反应器101的操作压力和与用于在环式反应器101内分配一种或多种气体底物的气体分配器相关联的压降。类似地，至少部分地基于存在于环式反应器101中的生物有机体的需要，可以手动地或自动地控制一种或多种气体底物的输送流率以将环式反应器101内的溶解气体的浓度或水平维持在限定范围内(例如，溶解氧高于至少4ppm)。在至少一些情况下，一种或多种气体底物可以在约5psig至约600psig、约25psig至约400psig或约50psig至约300psig的压力下输送至环式反应器101。
任何数量的气体可以经由共用气体分配集管或许多个别气体分配集管而引入。这样的气体分配集管可以在环式反应器101内的单一点引入所有气体底物，或者可以在整个环式反应器101中的不同位置引入一部分气体底物。在至少一些情况下，气体底物可以包括但不限于甲烷、一氧化碳、氢气或氧气。在至少一些情况下，气体底物的供给速率可以参考液体培养基的供给速率。例如，甲烷可以作为气体底物以约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”)可以作为气体底物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。氧气可以作为气体底物204以约1克氧气/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。氢气可以作为气体底物204以约0.01克氢气/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。
在环式反应器101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。该过程的至少一部分可以包括产生另外的微生物有机体，其增加存在于环式反应器101中的生物质的总数量。在维持不受控制的情况下，环式反应器101内的生物质可以积聚至一定点以使得环式反应器101的一个或多个操作方面(例如，流率、压降、所需产物的产生等)被存在过量生物质损害或不利地影响。在这样的情况下，需要移除存在于环式反应器101中的生物质的至少一部分的能力。在至少一些情况下，生物质优先地在促进生物固体经由至少一个生物质移除端口(图3中的128)从环式反应器101中移除的气/液分离容器(图3中的102)内的位置处积聚。可以将移除的生物质输送至分离子系统250，在那里可以进一步加工生物质和从生物质回收所需产物。这样的回收产物可以如回收的那样使用或者可以用作用于生产不同产品的另外加工的原料。
在至少一些情况下，全部或一部分的生物质生产过程可以使用控制子系统290来至少部分自动地控制。控制子系统290可以收集由一个或多个过程元件提供的过程相关信息，其为含有代表一个或多个过程变量的模拟或数字数据的信号的形式。例如，控制子系统可以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环式反应器101内的一个或多个过程相关条件的数据的信号的任何其他装置。
控制子系统290可以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。这样的指令可以导致由控制子系统290产生一个或多个控制输出信号。控制输出信号可以从控制子系统290传输至一个或多个最终控制元件如隔断阀、控制阀、电动机、变速驱动装置等。最终控制元件与发酵过程之间的相互作用可以进而为控制子系统290提供生物质生产过程的较高程度的相对精确控制。
例如，响应于接收含有指示环式反应器101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可以启动、改变或停止传热介质至传热单元操作的流量。类似地，响应于接收含有指示环式反应器101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可以增加、降低或维持含氧气体底物至环式反应器101的流量。虽然本文中仅提供两个示例性实例，但是适合于发酵过程的任何流量、水平、压力、分析值等可以类似地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通过控制子系统290控制。
图3示出了用于刺激生物质生产的示例性系统100。示例性系统100包括环式反应器101，其包括气/液分离单元操作102(例如，气/液分离容器或能够从包括微生物的液体培养基的多相混合物中分离液体和气体的其他设备和流体流动单元操作104(例如，泵或能够使流体移动的其他装置)、环路区段106和第一非垂直减压区108。如本文中使用的，环路区段106是指环式反应器101的从流体流动单元操作104的出口延伸至气/液分离单元操作102的部分。如下文更详细地说明和描述的，环路区段106包括两个或更多个垂直流动区。在示例性系统100的另外的实施方案中，除了以下所述且参考图4A-4D和5所示的垂直流动区以外，环式反应器101还可以包括第一非垂直减压区108和/或在第一非垂直减压区108下游的第二非垂直减压区113。在另外的实施方案中的示例性系统100包括其他子系统，其包括营养物和/或矿物质供应子系统114和一个或多个传热单元操作116。示例性系统100通过将一种或多种气态底物和一种或多种营养物引入液体培养基以形成液体培养基、供应的一种或多种气态底物和一种或多种营养物的多相混合物来刺激生物质生产。该多相混合物通过流体流动单元操作104的作用而流过环式反应器101。液体培养基包括能够将气态底物转化为所需产物的微生物，所需产物中的一些可以从微生物中回收或从气/液分离单元操作102中形成的气相和/或液相中回收。一种或多种气态底物和一种或多种营养物可以从营养物供应子系统114输送到环式反应器101，并且环式反应器101在促进一种或多种气态底物和一种或多种营养物向液体培养物中和向微生物中的传质的条件下操作。可以在营养物/矿物质供应子系统114所指示的位置以外的位置处引入营养物和矿物质。例如，可以在一个或多个传热单元操作116处供应矿物质和/或营养物。气/液分离容器102接收液体培养基(包括保留在液体培养基中的任何气体)，以及已经从液体培养基中分离的气体，并且将它们分离成液相和气相。将从气/液分离容器102中的气相中分离的液相从气/液分离容器102中移除并且由流体流动单元操作104接收。
图3中所示的示例性系统100包括环路区段106，其包括两个或更多个垂直流动区(参考图4A-4D和5所示和所述的)。环式反应器101的元件，包括但不限于气/液分离单元操作102(例如，气/液分离容器或能够从液体、气体和微生物的多相混合物中分离液体和气体的其他设备)、流体流动单元操作104(例如，泵或能够使流体移动的其他装置)、环路区段106、第一非垂直减压区108和第二非垂直减压区113，可以是金属、非金属或复合结构。例如，元件可以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、覆盖物、插入物或其他材料可以沉积于金属、非金属或复合结构的全部或一部分上，施加至金属、非金属或复合结构的全部或一部分上，与金属、非金属或复合结构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能力。例如，抑制微生物有机体的生长或附着的涂层可以沉积于导热地偶联至传热单元操作116的环式反应器101的表面上或与其形成一体。在另一个实例中，抑制生物有机体的生长或附着的涂层可以沉积于环式反应器101的其中需要积聚生物质的移除更容易实现的部分上或与其形成一体。
在至少一些情况下，环式反应器101的元件的构造可以包括促进全部或一部分的过程接触表面的灭菌的特征。这样的灭菌可以例如使用蒸汽灭菌、紫外线灭菌、化学灭菌或其组合来实现。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层可以在一些或全部环式反应器101元件的内部或外部的全部或一部分内使用。使用这样的非金属材料可以有利地提供例如能够支持或促进生物生长的可灭菌表面。
气/液分离容器102可以包括许多装置、系统或其组合以将多相混合物121分离成至少气体流出物123和液体流出物125，其以与常规生物反应器使用的气/液分离器相同的原理操作。在至少一些情况下，存在于多相混合物121中的生物固体可以分离成含有固体的流出物。在至少一些情况下，来自气/液分离容器102的含有固体的流出物的至少一部分可以与一种或多种液体和返回至气/液分离容器或环路区段106的混合物组合。在至少一些情况下，气/液分离容器102可以包括并联或串联操作的一个或多个气/液分离器。
气/液分离容器102可以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123和液体流出物125从多相混合物121中分离。在至少一些情况下，被动分离器还可以包括固体分离区段以分离存在于多相混合物121中的生物固体的至少一部分。在其他情况下，气/液分离容器102可以包括一个或多个主动分离装置(例如，三相旋转分离器)，其能够将气体流出物123、液体流出物125和含有固体的流出物从多相混合物121中分离。
在至少一些情况下，气体流出物123可以包括一种或多种气体底物(例如，甲烷或一氧化碳)和作为环式反应器101中的生物有机体的副产物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，可以分离气体流出物123并且一种或多种气体底物的至少一部分例如作为气体底物再循环(未示出)至环式反应器101。在至少一些情况下，气体流出物123可以包括一种或多种有用的化合物。例如，气体流出物123可以含有一定量的一种或多种气态C2+烃化合物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123的至少一部分再循环至环式反应器101之前，这样的有用的化合物可以从气体流出物123中分离。
在至少一些情况下，液体流出物125将包括通过营养物和/或矿物质供应子系统114引入环式反应器101中的含有一种或多种液体、营养物等的混合物。在至少一些情况下，液体流出物125可以从环式反应器中移除并且通过喷到气/液分离容器102中的多相混合物的表面上而返回至气/液分离容器102中，以减少在气/液分离容器102内的发泡。可以将消泡剂加入喷到气/液分离容器102中的液体流出物125中，或者可以喷到不具有液体流出物125的气/液分离容器102中。在至少一些情况下，液体流出物125可以包括一种或多种有用的化合物。例如，液体流出物125可以含有一定量的一种或多种液体C2+烃化合物，包括但不限于醇、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他化合物。这样的有用的烃化合物可以从液体流出物125中分离。
在一些情况下，反应器用于产生天然或非天然产物，如乙醇、乙酸酯、丁醇、异戊二烯、丙烯、异戊二烯、酶或其他代谢物或细胞产物，其中产物来源于微生物。在这样的情况下，取决于产物的物理性质，产物可以存在于气体流出物123或液体流出物125中。
在至少一些情况下，气/液分离容器102的底部可以被成形、形成或构造以促进生物材料127(即，“生物固体”或“生物质”)在容器102内的所需位置处积聚。例如，气/液分离容器102的底部可以成圆锥形、碟形或倾斜以使得沉于容器102底部的生物固体127优先地收集于一个或多个预定位置。在图3所示的实施方案中，液体流出物125和生物固体127可以从气/液分离容器102的底部移除并且输送至流体流动单元操作104(例如泵)。从气/液分离容器102中移除的液体流出物125和生物固体127可以在泵104的入口129处接收并且从泵104的出口131输出。泵104的出口131与环式反应器101的环路区段106的入口133流体连通。适用于移动液体流出物125和生物固体127的泵包括能够通过机械作用移动流体(液体或气体)和浆液的泵，并且其能够在基本上没有对生物质有害的剪切力和/或空化的情况下产生所需的流速。需要避免空化，因为空化导致多相混合物中的气态底物和营养物从溶液中逸出，使得它们不易接近生物质。这种类型的泵的实例是离心泵，但是也可以使用不是离心泵的泵。例如，也可以使用正排量泵、螺杆泵、双隔膜泵等。除泵以外的装置也可以用于移动多相混合物，例如，由电动机驱动的螺旋桨，诸如美国专利7,579,163中描述的螺旋桨和电动机可以代替泵或与泵组合使用。
在图3中，流体流动单元操作104的出口131与环路区段106的入口133流体连通。环路区段106从其入口133延伸至环路区段106的出口135。环路区段106的出口135与气/液分离容器102流体连通。环路区段106可以由管道形成，该管道由不会不利地影响使用环式反应器101进行的反应/发酵过程的材料制成。例如，环路区段106可以由这样的管道形成：该管道由上述用于环式反应器101的元件的材料制成。环路区段106的横截面积可以是恒定的，或者环路区段106可以包括具有不同横截面积的一个或多个区段。提及本公开中的环路区段106的横截面积不包括气/液分离容器102的横截面积。环路区段106的内径可以在宽范围内变化。示例性直径范围为约20厘米至3米。其他示例性直径范围为25厘米到2.5米。当环路区段106包括具有不同横截面积的区段时，环路区段106具有较大横截面积的区段所具有的横截面积为环路区段106具有较小横截面积的区段的横截面积的至多三倍。在其他示例性实施方案中，环路区段106具有较大横截面积的区段所具有的横截面积为环路区段106具有较小横截面积的区段的横截面积的至多两倍。在其他示例性实施方案中，环路区段106具有较大横截面积的区段所具有的横截面积为环路区段106具有较小横截面积的区段的横截面积的至多0.5倍。环路区段106的长度可以根据许多因素而变化，所述因素包括多相混合物121驻留在环路区段106中的所需时间长度。环路区段106的长度也可以基于其他因素确定，诸如但不限于所需的总反应器/液体体积、跨越环路的总压降，所需的底物利用率和产率。在示例性实施方案中，环路区段106在其中心线上的长度可以从约30m至约250m、40m至约200m、50m至约150m和60至约100m变化。
图3中示出的环路区段106的实施方案是U形的，包括当从上方观察时以90°角弯曲的两个弯头137。环路区段106可以采用其他形状。例如，环路区段106可以包括多于两个90°弯头137，或者其可以包括多于一个小于90°的弯头。在其他实施方案中，环路区段106可以包括大于90°或小于90°的多个弯头。
环路区段106的出口135相对于环路区段106的入口133是升高的。环路区段106可以通过从入口133至出口135倾斜和存在垂直流动区(参考图4和5所述)的组合来提供其入口133和其出口135之间的这种高差。环路区段106或环路区段106的一部分的特定斜度部分地取决于环路区段106的长度、环路区段106在其入口133处的中心线与环路区段106在其出口135处的中心线之间的垂直距离以及环路区段106是否包括垂直减压区。备选地，环路区段106的一部分可以向下倾斜，并且环路区段106的一部分可以向上倾斜。在这样的备选实施方案中，环路区段106的向上倾斜的部分负责由于存在环路区段106的向下倾斜的部分而导致的高度损失以及环路区段106的入口133和环路区段106的出口135之间的高差。例如，在图3中环路区段106的从其入口133延伸至第一个90°弯头137的部分可以向下倾斜，并且环路区段106的从第一个或第二个弯头137延伸的部分可以向上倾斜至环路区段106的出口135。
在包括垂直减压区的环式反应器101的实施方案中，所述环式反应器101考虑了从流体流动单元操作104的出口131到环路区段106的出口135的高度变化的一部分，必须由余量的非垂直环路区段106(即，环路区段106的非垂直部分)提供的高度变化量减小。
图3中示出的示例性实施方案包括沿着环路区段106的长度定位的多个静态混合器139。使用静态混合器的益处描述于美国专利号7,579,163中，并且包括将营养物气体混合到多相混合物中。在‘163专利中也描述了示例类型的静态混合器。可以在本文所述实施方案中使用的静态混合器不限于‘163专利中描述的那些。除‘163专利中描述的那些静态混合器以外的静态混合器可以用于本文所述的实施方案中。例如，其他类型的静态混合器可从诸如纽约布鲁克林的StaMixCo LLC和瑞士温特图尔的Sulzer Management Ltd.的公司获得。在图3和4所示的示例性实施方案中，50个静态混合器139由23个框示意性地表示。当静态混合器具有约1米的长度时，图3的示例性实施方案的静态混合器139可以以约一个混合器/三米环路区段106的密度提供。换句话说，在某些情况下，静态混合器以约等于静态混合器之一的长度的3倍的距离间隔开来。静态混合器的数量不限于50个，它们的密度也不限于一个混合器/3米环路区段106。根据本文所述的实施方案，可以提供更少或更多数量的静态混合器，并且可以以更小或更大的密度提供静态混合器。使用的特定数量的静态混合器和布置它们的密度将部分地基于它们对气体向液体和微生物中的传质的贡献和/或由静态混合器产生的压降来确定。
继续参考图3，在示例性实施方案中，系统100包括营养物和/或矿物质供应子系统114，用于在一个或多个位置处将营养物和矿物质引入环路区段106中。这样的营养物包括能够向环式反应器101内的多相混合物中的形成生物质的微生物有机体支持或运输溶解或悬浮养料的营养物。在图3所示的实施方案中，在沿着环路区段106的两个位置处引入营养物和矿物质；然而，营养物和/或矿物质供应子系统114可以沿着环路区段106在不同位置处引入营养物和矿物质，并且可以沿着环路区段106在少于两个位置或多于两个位置处引入营养物/矿物质。子系统114提供气态底物/营养物，用于引入液体培养基中以形成液体培养基和供应的气态底物/营养物的多相混合物。这样的气态底物/营养物可以包括能够为环式反应器101中的产生生物质的生物有机体支持或提供养料或营养物的单一气体或气体组合。如图3所示，示例性的营养物包括天然气、氮气、氧气和氨水。可以提供蒸汽源用于热能和清洁目的。可以由营养物子系统114供应的营养物不限于天然气、氮气、氧气和氨水。也可以由营养物子系统114提供其他营养物/矿物质，如甲烷、合成气、水、磷酸盐(例如作为磷酸)、硝酸盐、尿素、镁、钙、钾、铁、铜、锌、锰、镍、钴和钼，通常用作硫酸盐、氯化物或硝酸盐。
在示例性实施方案中，系统100包括传热单元操作116，用于从环路区段106的多相混合物中引入或移除热能。传热单元操作116可以沿着环路区段106在一个或多个位置处将热能引入环路区段106中的多相混合物中或从环路区段106中的多相混合物中移除热能。在图3所示的实施方案中，传热单元操作116沿着环路区段106在一个位置处移除或引入热能；然而，可以沿着环路区段106在多于一个位置处移除或引入热能。在至少一些情况下，在环式反应器101内发生的微生物活动产生作为副产物的热量。在维持不受控制的情况下，这样的热量可以不利地影响环式反应器101内的微生物有机体的代谢或健康。备选地，微生物有机体还可以具有一定温度，其低于对有机体的代谢或健康产生不利影响的温度。因此，环式反应器101内的生物有机体具有提供最佳生长和代谢条件的限定温度范围。在至少一些情况下，可以使用传热单元操作116将环式反应器101内的多相混合物维持于约130°F以下；约120°F以下；约110°F以下；约100°F以下；约95°F以下；约90°F以下；约85°F以下；或约80°F以下的温度。在至少一些情况下，可以使用传热单元操作116将环式反应器101内的多相混合物维持于约55°F至约120°F；约60°F至约110°F；约110°F至约120°F；约100°F至约120°F；约65°F至约100°F；约65°F至约95°F；或约70°F至约90°F的温度。
在本文所述的示例性实施方案中，气/液分离单元操作102的顶部空间143中的气体压力的范围为约0.2至约0.6巴；然而，顶部空间143中的气体压力不限于约0.2至约0.6巴的范围。例如，在本文所述的示例性实施方案中，顶部空间143中的气体压力可以小于0.2巴或大于约0.6巴。泵104的出口131处的压力的范围为约3.5巴至约4.0巴；然而，泵104的出口131处的压力不限于约3.5巴至约4.0巴的范围。例如，在本文所述的示例性实施方案中，泵104的出口131处的压力可以小于约3.5巴或大于约4.0巴。在包括静态混合器139的示例性实施方案中，跨越静态混合器的压降的范围为约0.01至约0.1巴；然而，跨越静态混合器的压降不限于约0.01至约0.1巴的范围。例如，在本文所述的示例性实施方案中，跨越静态混合器的压降可以小于0.01巴或大于0.1巴。根据本文所述的示例性实施方案，在非垂直减压区108起始处的环路区段106内的压力的范围为约2.0至约2.5巴；然而，在非垂直减压区108起始处的环路区段106内的压力不限于约2.0至约2.5巴的范围。例如，在非垂直减压区108起始处的环路区段106内的压力可以小于约2.0巴或大于约2.5巴。根据本文所述的示例性实施方案，在非垂直减压区108末端处的环路区段106内的压力的范围为约0.2巴至约0.6巴；然而，在非垂直减压区108末端处的环路区段106内的压力不限于约0.2巴至约0.6巴的范围。例如，根据本文所述的实施方案，在非垂直减压区108末端处的环路区段106内的压力可以小于约0.2巴或大于约0.6巴。在本文所述的实施方案中，跨越非垂直减压区108的压降的范围可以为约1.8巴至约2.3巴；然而，跨越非垂直减压区108的压降不限于约1.8巴至约2.3巴的范围。例如，跨越非垂直减压区108的压降可以小于1.8巴或大于约2.3巴。在一些情况下，跨越非垂直减压区108的压降占流体流动单元操作104的出口与气/液分离容器102的顶部空间143之间的压降的至少20％、至少30％、至少40％、至少50％、至少60％、至少70％或至少80％。关于跨越非垂直减压区108的压降以及可归因于非垂直减压区108的流体流动单元操作104的出口与气/液分离容器102的顶部空间143之间的压降百分比的前述描述同样适用于跨越位于减压区108中的减压装置145的压降。
在图3所示的实施方案中，第一非垂直减压区108位于最后一个静态混合器139的下游和环路区段106的出口135的上游，该出口135与气/液分离单元操作102流体连通。第一非垂直减压区108包括减压装置145。根据图3所示的实施方案，紧接在减压装置145下游的环路区段106内的压力小于紧接在减压装置145上游的环路区段106内的压力。减压装置145使得紧接在减压装置145下游的环路区段106内的压力小于紧接在减压装置145上游的环路区段106内的压力。用作减压装置145的优选装置包括通过除流体静压力变化以外的方式来提供所需压力降低的装置。例如，减压装置145可以是控制阀(与止回阀相对)、膨胀节(例如，上游直径小于其下游直径)、静态混合器、管道弯头及其组合。示例性的控制阀包括液压致动的、气动致动的、手动致动的、通过螺线管致动的或通过电动机致动的控制阀；然而，可用于本文所述实施方案的控制阀不限于前述类型的控制系列(control files)。同样地，减压装置145不限于控制阀、膨胀节、静态混合器、管道弯头及其组合。例如，减压装置145可以为不是控制阀、膨胀节、静态混合器或管道弯头的装置，其导致紧接装置下游的环路区段106内的压力小于紧接装置上游的环路区段106内的压力。
根据本文所述的实施方案，减压装置145可以是可变减压装置，如控制阀。使用可变减压装置允许通过改变装置打开的程度来调节紧接装置上游的环路区段106内的压力和紧接装置下游的环路区段106内的压力的差异。例如，通过打开装置可以降低压力差，并且可以通过关闭装置来增加压力差。
参照图3的实施方案，任选的第二减压区113可以包括以上关于减压装置145所描述的类型的减压装置。根据图3的实施方案，第二减压区113是非垂直减压区并且包括减压装置。在示例性实施方案中，第一减压区108的第一减压装置145通过环路区段106的非垂直部分与第二减压区113的减压装置隔开。根据图3所示的实施方案，环路区段106中的多相混合物从第一非垂直减压区108流至气/液分离单元操作102而不在垂直方向上流动。根据图3的实施方案，当存在第二减压区113时，与跨越第一减压区108的压降相比，其所占的压降较小。例如，跨越第二减压区113的压降大约等于气/液分离容器102的顶部空间143与在第一减压区108和/或减压装置145的出口处的压力之间的压力差。这样的跨越第二减压区113的压降的范围可以为约0.1巴至约0.5巴；然而，跨越第二减压区113的压降不限于约0.1巴至约0.5巴的范围。例如，跨越第二减压区113的压降可以小于0.1巴或大于0.5巴。在一些情况下，跨越第二减压区113的压降占从流体流动单元操作104的出口到气/液分离容器102的顶部空间143的压降的小于10％、小于5％、小于3％或小于2％。
在第一非垂直减压区108上游的环路区段106包括解吸气体入口149。在所示实施方案中，解吸气体入口149与解吸气体(例如氮气)源流体连通，并且与环路区段106的非垂直区段流体连通。因此，根据图3所示的实施方案，可以将解吸气体引入环路区段106的非垂直区段中。在解吸气体入口149处将解吸气体引入多相混合物中引起存在于多相混合物中的其他气体(例如，二氧化碳和甲烷)的分压降低。降低存在于多相混合物中的其他气体的分压可以具有减少营养物气体向微生物的传质和/或导致其他气体从溶液中逸出的效果。
在图3的其他实施方案中，可以通过改变环路区段106以包括垂直定向的区段来提供第二减压区113。一段环路区段106的垂直定向提供第二减压区112，其导致在第二减压区112的上端处的环路区段106内的压力小于在第二减压区112的下端处的环路区段106内的压力。由第二减压区112提供的压力降低至少部分地可归因于从第二减压区112的顶部到底部的流体静压力的差异。第二减压区112的垂直部分的长度可以至少部分地基于由第二减压区112提供的所需压力降低来确定。
图4A-4D示出了包括环路区段106的本公开的不同实施方案，其包括两个或更多个基本垂直流动区，其中多相混合物的流动以基本相同的方向例如基本向上的方向发生。以基本向上的方向流动是指基本上反重力的流动，例如以与重力矢量相反的方向流动。参考图3的气/液分离单元操作102、环路区段106的入口133和环路区段106的出口135的描述同样适用于图4A-4D以及图5中的气/液分离单元操作102、环路区段106的入口133和环路区段106的出口135。参考根据图4A的实施方案，环路区段106包括基本水平流动区404A，基本水平流动区404A的一端与气/液分离容器102的出口402流体连通。基本水平流动区404A的另一端与基本水平流动区404B的一端流体连通，基本水平流动区404B的另一端又与基本水平流动区404C的一端流体连通。基本水平流动区404C的另一端与非垂直流动区406A的一端流体连通，非垂直流动区406A的另一端与基本垂直流动区408A的入口端流体连通。基本垂直流动区408A的与其入口端相对的一端(即其出口端)与基本水平流动区404D的一端流体连通，基本水平流动区404D的另一端与基本垂直流动区408B的一端流体连通。多相混合物在基本垂直流动区408B中以向下的方向流动。以向下的方向流动是指以基本上随重力的方向流动，例如以重力矢量的方向流动。基本垂直流动区408B的另一端与非垂直流动区406B的一端流体连通，非垂直流动区406B的另一端与基本垂直流动区408C的入口端流体连通。与基本垂直流动区408C的入口端相反的基本垂直流动区408C的出口端与基本水平流动区404E流体连通，基本水平流动区404E的相反端与基本垂直流动区408D流体连通。多相混合物的流动在基本垂直流动区408C中是在向上的方向上，而多相混合物的流动在基本垂直流动区408D中是在向下的方向上。基本垂直流动区408D与非垂直流动区406C的一端流体连通，而非垂直流动区406C的相反端与气/液分离单元操作102流体连通。根据图4A所示的实施方案，多相混合物以基本向上的方向的流动发生在基本垂直流动区408A和408C中，并且多相混合物以基本向下的方向的流动发生在基本垂直流动区408B和408D中。
在根据图4A的用于刺激生物质生产的系统的实施方案中，气体和液体培养基的多相混合物以由箭头409指示的方向流过环路区段106。模建气态底物在基本垂直流动区(其中多相混合物以基本向上的方向流动)中的体积传质系数表明，在这样的基本垂直流动区中流动的多相混合物的气态底物和液体培养基之间的体积传质系数(kLa)显著大于(例如，约2至5倍)在基本水平流动区中流动的多相混合物的气态底物和液体培养基之间的传质系数。本文描述的实施方案可以使用并且利用此观察结果来减少用于刺激生物质生产的系统所占据的占位面积(即，表面面积或占地面积)。例如，参考图4A所示的系统，在一个或多个基本水平流动区中实现等于在图4A的两个基本垂直流动区408A和408B中实现的传质量的传质量将需要用于这样的一个或多个基本水平流动区的专属表面面积或占地面积。容纳这样的一个或多个基本水平流动区所需的表面面积或占地面积将大于基本垂直流动区408A和408B所占据的表面面积或占地面积。通过利用包括至少两个基本垂直流动区(其中多相混合物以基本向上的方向流动)的用于刺激生物质生产的系统，相比于包括少于两个的支持多相混合物向上流动的垂直流动区并且实现基本相同量的传质的用于刺激生物质生产的系统所占据的表面面积或占地面积，可以在占据较小的表面面积或占地面积的系统中实现相同量或甚至更大量的传质。换句话说，通过利用包括至少两个基本垂直流动区(其中多相混合物以基本向上的方向流动)的用于刺激生物质生产的系统，可以实现相同量或甚至更大量的传质，其中基本水平流动区的累积长度小于在这样的用于刺激生物质生产的系统中所需的基本水平流动区的累积长度，所述系统实现基本相同量的传质并且包括少于两个的多相混合物以向上的方向流过的垂直流动区。
图4B-4D示出了用于刺激生物质生产的系统的备选实施方案，所述系统包括至少两个的多相混合物以基本向上的方向流过的基本垂直流动区。图4B示出了与图4A所示的系统具有相似性的用于刺激生物质生产的系统的实施方案。图4A中的气/液分离单元操作102的出口402的描述适用于图4B中的气/液分离单元操作102的出口402。图4B的系统与图4A所示系统的区别在于，图4B的系统包括在图4A所示系统的基本非垂直流动区406A、406B和406C的位置处的基本水平流动区404D、404F和404H。根据图4B所示的实施方案，基本水平流动区404A、404B和404C与参考图4A所描述的基本水平流动区404A、404B和404C相同。在图4B中，基本水平流动区404C的下游端与基本水平流动区404D的一端流体连通。基本水平流动区404D的另一端与基本垂直流动区408A的一端(例如，入口端)流体连通，而基本垂直流动区408A的另一端(例如，出口端)与基本水平流动区404E的一端流体连通。基本水平流动区404E的另一端与基本垂直流动区408B的一端流体连通，基本垂直流动区408B的另一端与基本水平流动区404F的一端流体连通。基本水平流动区404F的另一端与基本垂直流动区408C的一端(例如，入口端)流体连通，而基本垂直流动区408C的另一端(例如，出口端)与基本水平流动区404G的一端流体连通。基本水平流动区404G的另一端与基本垂直流动区408D的一端流体连通。基本垂直流动区408D的另一端与基本水平流动区404H的一端流体连通，而基本水平流动区404H的另一端终止于环路区段106的出口135。环式反应器106的出口135与气/液分离容器102流体连通。在图4B所示的系统中，多相混合物以基本向上的方向的流动发生在基本垂直流动区408A和408C的入口端和出口端之间，并且多相混合物以基本向下的方向的流动发生在基本垂直流动区408B和408D中。
图4C示出了与图4A所示的系统具有相似性的用于刺激生物质生产的系统的另一个实施方案。图4A中的气/液分离单元操作102的出口402的描述适用于图4C中的气/液分离单元操作102的出口402。图4C的系统与图4A所示系统的区别在于，图4C所示的系统包括两个另外的基本垂直流动区414A和414C(总计四个)，其中多相混合物以基本相同的方向(例如基本向上的方向)流动。图4C所示的系统还包括相应的基本垂直流动区414B和414D，其中多相混合物以基本向下的方向流动，即基本上以重力的方向流动。在图4C中，环路区段106的入口133与气/液单元操作102的出口402流体连通。环路区段106的入口133与基本水平流动区412A的一端流体连通。基本水平流动区412A的另一端与基本水平流动区412B的一端流体连通，并且基本水平流动区412B的另一端与基本垂直流动区414A的一端(例如，入口端)流体连通。基本垂直流动区414A的另一端(例如，出口端)与基本水平流动区412C流体连通，基本水平流动区412C的另一端与基本垂直流动区414B的一端流体连通。基本垂直流动区414B的相反端与基本水平流动区412D的一端流体连通，基本水平流动区412D的相反端与基本垂直流动区414C的一端(例如，入口端)流体连通。基本垂直流动区414C的另一端(例如，出口端)与基本水平流出区412E的一端流体连通。基本水平流动区412E的相反端与基本垂直流动区414D的一端流体连通，基本垂直流动区414D的相反端与基本水平流动区412F的一端流体连通。图4C所示的用于刺激生物质生产的系统在基本水平流动区412F下游的剩余部分(balance)与图4A所示的用于刺激生物质生产的系统的在基本水平流动区404C下游的部分相同。参考图4C所示的系统在基本水平流动区412F下游的剩余部分，非垂直流动区416A与基本垂直流动区414E流体连通，基本垂直流动区414E与基本水平流动区412G流体连通，基本水平流动区412G与基本垂直流动区414F流体连通，基本垂直流动区414F与非垂直流动区416B流体连通，非垂直流动区416B与基本垂直流动区414G流体连通，基本垂直流动区414G与基本水平流动区412H流体连通，基本水平流动区412H与基本垂直流动区414H流体连通，基本垂直流动区414H与非垂直流动区416C流体连通。在图4C所示的系统中，多相混合物的流动在由箭头409指示的方向上发生。在图4C的系统中，多相混合物以基本向上的方向的流动发生在基本垂直流动区414A、414C、414E和414G中，并且多相混合物以基本向下的方向的流动发生在基本垂直流动区414B、414D、414F和414H中。
图4D示出了与图4C所示的系统具有相似性的用于刺激生物质生产的系统的另一个实施方案。图4A中的气/液分离单元操作102的出口402的描述适用于图4D中的气/液分离单元操作102的出口402。图4D所示的系统与图4C所示的系统的不同之处在于，图4D的系统包括在图4C所示系统的基本非垂直流动区416A、416B和416C的位置处的基本水平流动区412G、412I和412K。在图4D中，基本水平流动区412A、412B、412C、412D、412E和412F与参考根据图4C的实施方案所描述的基本水平流动区412A、412B、412C、412D、412E和412F相同。图4C中的基本水平区412G和412H的描述适用于图4D中的基本水平区412H和412J。图4C的基本垂直流动区414A-414H的描述同样适用于图4D中的基本垂直流动区414A-414H。在图4D所示的系统中，多相混合物的流动在由箭头409指示的方向上发生。在图4D的系统中，多相混合物以基本向上的方向的流动发生在基本垂直流动区414A、414C、414E和414G中，并且多相混合物以基本向下的方向的流动发生在基本垂直流动区414B、414D、414F和414H中。
根据本文所描述的实施方案的用于刺激生物质生产的系统不限于图4A-4D所示的那些。例如，根据本文所描述的实施方案的用于刺激生物质生产的系统可以包括基本水平流动区、非垂直流动区和至少两个基本垂直流动区的不同组分和/或布置，其中气体和液体培养基的多相混合物以相同的方向(例如以向上的方向)流过基本垂直流动区中的至少两个。
参考图5，根据本公开的用于刺激生物质生产的系统的另一个实施方案包括位于第一基本水平平面的第一基本水平区和位于不同于第一基本水平平面的第二基本水平平面的第二基本水平区。例如，在图5所示的实施方案中，第一基本水平区502位于这样的基本水平平面，该平面在第二基本水平区504所位于的基本水平平面下方。第一基本水平区502和第二基本水平区504由基本垂直流动区506分隔开，所述基本垂直流动区506的入口与第一基本水平区502流体连通并且其出口与第二基本水平区504流体连通。根据图5所示的用于刺激生物质生产的系统的特征可以在于一个基本水平区，其包括横跨不同的基本水平区的流动区段或与其重叠的流动区段，该不同的基本水平区位于不同的基本水平平面。利用根据本文所描述的实施方案的这样的第一和第二基本水平区以及至少一个基本垂直流动区的布置，相比于不包括这样的布置的用于刺激生物质生产的系统，所述系统的占位面积(即，表面面积或占地面积)可以减少，同时仍然获得与不包括这样的布置的系统基本相当的传质。
根据依照图5的用于刺激生物质生产的系统的实施方案，环路区段106包括位于第一水平平面的第一基本水平流动区502，并且包括第一流动区段502A、第二流动区段502C以及在第一流动区段502A和第二流动区段502C之间的第五流动区段502B。环路区段106还包括位于第二水平平面(不同于第一水平平面)的第二基本水平流动区504，其包括第三流动区段504A、第四流动区段504C以及在第三流动区段504A和第四流动区段504C之间的第六流动区段504B。第一基本水平流动区502位于气/液分离容器102的出口402和通向气/液分离容器102的入口之间，该入口与环路区段106的出口135流体连通。第二基本水平流动区504位于第一基本水平流动区502和气/液分离容器102的入口之间，该入口与环路区段106的出口135流体连通。基本垂直流动区506位于第一基本水平流动区502和第二基本水平流动区504之间并且在第一基本水平流动区502和第二基本水平流动区504之间提供流体连通。
根据图5所示的实施方案，环路区段106的入口133(即，第一基本水平区502及其第一流动区段502A的入口)与气/液分离容器102的出口402流体连通。第一流动区段502A的一端(其与第一流动区段502A的与气/液分离容器102的出口402流体连通的那端相反)与第五流动区段502B的一端流体连通。在图5的所示实施方案中，第一流动区段502A和第五流动区段502B之间的流体连通通过连接器例如90°弯头提供。第五流动区段502B的另一端与第二流动区段502C的一端流体连通。在图5的所示实施方案中，第五流动区段502B和第二流动区段502C之间的流体连通通过连接器例如90°弯头提供。第二流动区段502C的另一端与基本垂直流动区506的一端流体连通。基本垂直流动区506的另一端与第二基本水平流动区504(及其第三流动区段504A)的入口流体连通。基本垂直流动区506与第二流动区段502C和第三流动区段504A之间的流体连通通过连接器例如90°弯头提供。第三流动区段504A的与垂直流动区506相反的一端与第六流动区段504B流体连通，第六流动区段504B的另一端与第四流动区段504C流体连通。第六流动区段504B与第三流动区段504A和第四流动区段504C之间的流体连通通过连接器例如90°弯头提供。第四流动区段504C的与第六流动区段504B相反的一端与气/液分离容器102流体连通。
在运行中，多相混合物以由箭头502A-C、510A-C和512指示的方向流过环路区段106。更具体地，在所示的实施方案中，多相混合物以箭头509A的方向流过第一流动区段502A，以箭头509B的方向流过第五流动区段502B，以箭头509C的方向流过第二流动区段502C，以箭头512的方向流过基本垂直流动区506，以箭头510A的方向流过第三流动区段504A，以箭头510B的方向流过第六流动区段504B并且以箭头510C的方向流过第四流动区段504C。因此，根据本文中所描述的实施方案，多相混合物以这样的方向在第一流动区段502A中流动，所述方向不同于多相混合物在第二流动区段502C、第四流动区段504C、第五流动区段502B和第六流动区段504B中流动的方向。例如，多相混合物流过第一流动区段502A的方向与多相混合物在第二流动区段502C和第四流动区段504C中流动的方向相反并且与多相混合物在第三流动区段504A中流动的方向相同。在第一流动区段502A中的多相混合物流动的方向的特征可以在于与多相混合物在第六流动区段504B和第五流动区段502B中流动的方向垂直。
在第二流动区段502C中流动的多相混合物以与多相混合物流过第一流动区段502A、第三流动区段504A、第五流动区段502B和第六流动区段504B的方向不同的方向并且以与第四流动区段504C中的流动方向相同的方向行进。例如，多相混合物以与多相混合物在第一流动区段502A和第三流动区段504A中流动的方向相反的方向在第二流动区段502C中流动。在图5的所示实施方案中，多相混合物以与多相混合物在第五流动区段502B和第六流动区段504B中流动的方向垂直的方向流过第二流动区段502C。
在第三流动区段504A中流动的多相混合物以与多相混合物在第五流动区段502B、第二流动区段502C、第六流动区段504B和第四流动区段504C中流动的方向不同的方向并且以与在第一流动区段502A中的多相混合物流动相同的方向流动。例如，多相混合物以与多相混合物在第二流动区段502C和第四流动区段504C中流动的方向相反的方向在第三流动区段504A中流动。在图5所示的实施方案中，多相混合物在第三流动区段504A中的流动以与在第六流动区段504B和第五流动区段502B中的多相混合物流动的方向垂直的方向发生。
在第四流动区段504C中流动的多相混合物以与多相混合物流过第一流动区段502A、第五流动区段502B、第三流动区段504A和第六流动区段504B的方向不同的方向并且与在第二流动区段502C中的多相混合物流动相同的方向行进。例如，多相混合物以与多相混合物流过第一流动区段502A和第三流动区段504A的方向相反的方向在第四流动区段504C中流动。在图5所示的实施方案中，多相混合物在第四流动区段504C中的流动以与在第五流动区段502B和第六流动区段504B中的多相混合物流动的方向垂直的方向发生。
上文已经描述了相对于第一流动区段502A、第二流动区段502C、第三流动区段504A和第四流动区段504C的多相混合物流过第六流动区段504B和第五流动区段502B的方向。多相混合物流过第四流动区段504C的方向不同于多相混合物流过第六流动区段504B的方向。例如，多相混合物流过第四流动区段504C的方向垂直于多相混合物流过第六流动区段504B的方向。
提及在第一流动区段502A、第二流动区段502C、第三流动区段504A、第四流动区段504B、第五流动区段502B和第六流动区段504B中的流动方向是指多相混合物通过环路区段106的总体流动方向而不是当其流过环路区段106时在总体流体中可能发生的任何流动、微流、旋涡等的方向。根据图5所示的实施方案，提及在第一流动区段502A、第二流动区段502C、第三流动区段504A、第四流动区段504B、第五流动区段502B和第六流动区段504B中的流动方向是指基本上沿着基于图5所示的坐标系的x-轴或z-轴发生的流动。
继续参考图5，与在第一流动区段502A、第二流动区段502C、第三流动区段504A、第四流动区段504B、第五流动区段502B和第六流动区段504B中基本上沿着x-轴或z-轴发生的流动相比，在基本垂直流动区506中的流动以由箭头512指示的方向发生，其基本上沿着图5所示的坐标系中的y-轴。
参考图2的示例性系统200的描述，包括分离子系统250、热子系统270和控制子系统290的描述，同样适用于参考图4和图5所示和所述的系统。类似地，参考图3的用于刺激生物质生产的示例性系统100的各种组件和子系统的描述，包括但不限于气/液单元操作102、流体流动单元操作104、营养物和/或矿物质供应子系统114、一个或多个传热单元操作116、静态混合器139的描述，适用于参考图4和图5所示和所述的系统。
图6示出了用于使用以上关于图2-5详细描述的一个或多个环式反应器101刺激生物质生产的系统100的高水平操作方法500。这样的系统有利地将一种或多种气态底物和含有一种或多种营养物的液体培养基引入含有能够利用气态底物和液体营养物进行生长的至少一种微生物的液体培养基中。一种或多种气态底物、含有一种或多种营养物的液体培养基和含有至少一种微生物的液体培养基的组合得到循环通过环式反应器101的多相混合物。环式反应器101内的条件促进气态底物到液体培养基中的传质以及气态底物和液体营养物的后续微生物吸收、环式反应器内的压力降低和气体从多相混合物中的解吸。通过环式反应器101的环路区段106后的多相混合物由气/液分离单元操作102接收，其中多相混合物分离成液相和气相。方法开始于502处。
在504处，气态底物在液体培养基内分散以形成多相混合物。这样的分散可以在环路区段106的入口133处或附近发生，但是可以将额外数量的气态底物在环路区段106的其他位置处引入液体培养基中。在一些情况下，气态底物可以沿着环路区段106在多个点处分散，并且每个分散点处的气态底物可以具有相同或不同的温度、压力、组成或其组合。沿着环路区段106在不同位置处改变气态底物的物理或组成性质的能力有利地允许不仅针对存在于多相混合物中的特定微生物物种而且针对基于气态底物的分散点在环路区段106内的微生物物种的特定位置来定制气态底物。
在506处，使多相混合物流过环式反应器101的环路区段106。当多相混合物流过环路区段106时，其接触多个任选的静态混合器139，这促进气态底物和/或营养物混合到液体培养基中。通过调节或其他方式控制多相混合物通过环式反应器101的流速，可以改变气态底物的气泡和营养物与一种或多种微生物接触的时间长度。增加气态底物的气泡和营养物与一种或多种微生物接触的时间长度可以增加气态物质到微生物中的传质的量以及微生物对气态物质的微生物吸收。相反，减少气态底物的气泡和营养物与一种或多种微生物接触的时间长度可以降低气态物质到微生物中的传质的量以及微生物对气态物质的微生物吸收。在一些情况下，可以测量和控制气态底物的气泡和营养物与微生物接触的时间长度。例如，控制子系统290可以改变、调节或控制多相混合物通过环式反应器的流体速度。在一些情况下，可以经由控制子系统290来改变、调节或控制气态底物的温度、压力或组成，以在环式反应器106内维持所需的气态底物气泡尺寸。在其他情况下，可以经由控制子系统290来改变、调节或控制气体底物的温度、压力或组成，以在多相混合物的液相内维持一种或多种气体底物组分(例如，甲烷、二氧化碳、氢气、氧气、氮气等)的浓度。气态底物到微生物中的体积传质速率(kLa)和微生物对气态物质的微生物吸收可以通过使多相混合物流过参考图4A-4D所述和所示的多个基本垂直流动区408A、408C、414A、414C、414E和414G以及图5中的506(其中多相混合物基本向上地例如反重力地流动)而促进。
在508处，可以改变、调节或控制环式反应器101内的多相混合物的温度以将温度维持在限定温度范围内。在至少一些情况下，可以至少部分地基于系统100内所使用的微生物物种来选择或以其他方式选出限定温度范围。可以由负责系统100内的至少一部分活动的微生物有机体产生作为副产物的余热。如果在维持不受控制的情况下，该余热可以抑制或不利地影响系统100内的一些或全部微生物有机体的生长或代谢。在至少一些情况下，可以提供环式反应器101中的多相混合物的冷却以将环式反应器101中的多相混合物的温度维持在限定范围内。这样的冷却可以包括使冷却介质穿过储槽或盘管，该储槽或盘管导热地偶联至环式反应器101或者已经将部分多相混合物从环式反应器101移至传热单元操作116的导管。在至少一些情况下，控制子系统290可以控制穿过储槽或盘管的冷却介质的流速或温度，该储槽或盘管导热地偶联至环式反应器101或者已经将部分多相混合物从环式反应器101移至传热单元操作116的导管。在其它情况下，由微生物物种产生的热量可以不足以将环式反应器101中的多相混合物维持在所需温度范围内。这种情况可以在例如其中环式反应器101位于暴露或部分暴露的外部位置的极冷环境中发生。在一些情况下，可以使用储槽或盘管来温热多相混合物，该储槽或盘管导热地偶联至环式反应器101或者已经将一部分多相混合物从环式反应器101移至传热单元操作116的导管。在至少一些情况下，控制子系统290可以控制穿过储槽或盘管140的温热介质的流速或温度，该储槽或盘管导热地偶联至环式反应器101或者已经将一部分多相混合物从环式反应器101移至传热单元操作116的导管。
在510处，在图4A-4D的多个基本垂直流动区408A、408C、414A、414C、414E和414G或图5中的506(其中多相混合物基本向上地例如反重力地流动)的下游与多相混合物一起行进通过环式反应器101的气体底物气泡上的压力可以随着多相混合物流过第一减压装置而降低。在一些情况下，气体底物气泡上的压力随着多相混合物流过第一减压装置而降低，该第一减压装置不依赖于流体静压力差来引起压降。换言之，在一些情况下，在图4A-4D的多个基本垂直减压区408A、408C、414A、414C、414E和414G或图5中的506的下游与多相混合物一起行进通过环式反应器101的气体底物气泡上的压力降低，而在第一减压区108的出口处的环式反应器101的中心线的高度相对于在第一减压区108的入口处的环式反应器101的中心线的高度并未变化。在一些情况下，在510处的压力降低可以有利地增加气体底物气泡和其他气体从多相混合物中解吸的速率。
在512处，多相混合物离开第一减压区108并且流至气/液分离容器102。从多相混合物中解吸的气态物质也可以与多相混合物一起流至气/液分离容器102。进入气/液分离容器102的多相混合物可以包括但不限于含有未吸收的营养物的液体、微生物和含有未溶解和未吸收的气体底物的气体底物气泡。进入气/液分离容器102的气体和液体在气/液分离容器102内分离成气相和液相。可以从气/液分离容器102的顶部空间收集气体，同时可以从气/液分离容器102的底部移除液体。除了液体以外，微生物也可以在气/液分离容器102中收集并从其底部移除。从气/液分离容器102的底部移除的液体和微生物可以输送至流体流动单元操作104的入口129，用于通过环式反应器101再循环。在至少一些情况下，收集的气体的至少一部分可以随后处理或分离。收集的气体的至少一部分可以再循环至环式反应器作为气体底物。在一些情况下，收集的气体的至少一部分可以出售或以其他方式处置。在至少一些情况下，收集的气体的至少一部分可以作为可代替商品出售或交易。在至少一些情况下，收集的气体可以包括一种或多种C2+烃气体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。在一些情况下，反应器用于产生天然或非天然产物，如乙醇、乙酸酯、丁醇、异戊二烯、丙烯、法呢烯、酶或其他代谢物或细胞产物，其中产物来源于微生物。在这样的情况下，取决于产物的物理性质，产物可以存在于气体流出物123或液体流出物125中。
在至少一些情况下，收集的液体的至少一部分可以随后处理或分离。例如，从多相混合物分离的液体的至少一部分(其可以包括或可以不包括生物固体)可以再循环通过环式反应器101。例如，含有生物固体的分离液体的至少一部分可以与另外的液体组合并且流过环式反应器101。这样的再循环可以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环式反应器101的接种。在一些情况下，分离的液体的至少一部分可以收集并且出售或以其他方式处置。在至少一些情况下，分离的液体的至少一部分可以作为可代替商品出售或交易。在至少一些情况下，分离的液体可以包括一种或多种C2+烃液体，包括但不限于一种或多种醇、二醇或酮。
在514处，来自气/液分离容器102的微生物可以在流体流动单元操作104的上游或流体流动单元操作104的下游移除，例如，在生物质移除端口128处移除。可以进一步处理收集的微生物以回收所需产物。在一些情况下，可以将通过生物质移除端口128收集的微生物引入分离子系统250中，用于所需产物的处理和回收。
图7示出了用于刺激生物质生产的高水平方法600，其使用以上关于图2-5详细描述的包括一个或多个环式反应器101的系统100。示例性生物质生产方法600使用与关于参照图6详细讨论的刺激生物质生产方法500的方法详细描述的那些步骤相同或几乎相同步骤，不同之处在于刺激生物质生产方法600的方法包括以下步骤：通过使多相混合物穿过第二减压区来降低环式反应器中的多相混合物内的气泡上的压力。对图6中的步骤502、504和508的描述分别适用于图7的步骤602、604和608。对图6的步骤514的描述适用于图7的步骤616。
在606处，使多相混合物流过环式反应器101的环路区段106。当多相混合物流过环路区段106时，其接触任选的多个静态混合器139，这促进气态底物和/或营养物混合到液体培养基中。通过调节或以其他方式控制多相混合物通过环式反应器101的流速，可以改变气态底物的气泡和营养物与一种或多种微生物接触的时间长度。增加气态底物的气泡和营养物与一种或多种微生物接触的时间长度可以增加气态物质到微生物中的传质的量以及微生物对气态物质的微生物吸收。相反，减少气态底物的气泡和营养物与一种或多种微生物接触的时间长度可以降低气态物质到微生物中的传质的量以及微生物对气态物质的微生物吸收。在一些情况下，可以测量和控制气态底物的气泡和营养物与微生物接触的时间长度。例如，控制子系统290可以改变、调节或控制多相混合物通过环式反应器的流体速度。在一些情况下，可以经由控制子系统290来改变、调节或控制气态底物的温度、压力或组成，以在环式反应器106内维持所需的气态底物气泡尺寸。在其他情况下，可以经由控制子系统290来改变、调节或控制气体底物的温度、压力或组成，以在多相混合物的液相内维持一种或多种气体底物组分(例如，甲烷、二氧化碳、氢气、氧气、氮气等)的浓度。气态底物到微生物中的体积传质速率(kLa)和微生物对气态物质的微生物吸收可以通过使多相混合物流过图4A-4D的基本垂直流动区408A、408C、414A、414C、414E和414G或者图5中的506而促进。
在610处，在图4A-4D的基本垂直流动区408A、408C、414A、414C、414E和414G或图5中的506的下游与多相混合物一起行进通过环式反应器101的气体底物气泡上的压力随着多相混合物流过第一减压装置而降低。在一些情况下，气体底物气泡(和用于该物质的液体)上的压力随着多相混合物流过第一减压装置而降低，该第一减压装置不依赖于流体静压力差来引起压降。换言之，在一些情况下，在图4A-4D的基本垂直流动区408A、408C、414A、414C、414E和414G或图5中的506的下游与多相混合物一起行进通过环式反应器101的气体底物气泡上的压力降低，而在第一减压区108的出口处的环式反应器101的中心线的高度相对于在第一减压区108的入口处的环式反应器101的中心线的高度并未变化。在一些情况下，在510处的压力降低可以有利地增加气体底物气泡和其他气体从多相混合物中解吸的速率。
在图7的612处，在图4A-4D的基本垂直流动区408A、408C、414A、414C、414E和414G或图5中的506的下游与多相混合物一起行进通过环式反应器101的气体底物气泡上的压力随着多相混合物从第一减压区108流至第二减压区112而降低。在一些情况下，在612处，气体底物气泡上的压力随着多相混合物流过第二减压装置而降低，该第二减压装置不依赖于流体静压力差来引起压降。换言之，在一些情况下，在612处，与多相混合物一起行进通过环式反应器101的气体底物气泡上的压力降低，而在第二减压区112的出口处的环式反应器101的中心线的高度相对于在第二减压区112的入口处的环式反应器101的中心线的高度并未变化。在一些情况下，当在步骤610和612两者处降低气体底物气泡上的压力时，与在610处的压力降低的幅度相比，在612处的压力降低的幅度可以更小。在一些情况下，这些压力降低有利地增加气体底物气泡和其他气体从多相混合物中解吸的速率。
所示实施方案的以上描述，包括摘要中描述的内容，不旨在是详尽的或者将实施方案限于所公开的确切形式。虽然本文描述了特定实施方案和实例用于说明性目的，但是如相关领域中的那些技术人员所认识到的，可以在不背离本公开的精神和范围的情况下做出各种等价改进。本文提供的各种实施方案的教导可以应用于用于刺激生物质生产的其他系统、发酵罐和发酵系统。这样的用于刺激生物质生产的系统、发酵罐和发酵系统可以包括用于除化学中间体生产以外的目的的环式反应器或发酵罐，并且可以包括可用于人和动物食品或饮料生产的环式反应器、发酵罐和发酵系统。类似地，本文所述的辅助系统(包括冷却气/液分离单元操作、流体流动单元操作、营养物供应子系统、传热单元操作和控制子系统)可以包括单一系统，例如成套热交换器或成套控制系统，或者可以包括定制设计的子系统，其包括以以下方式物理上、流体上或可通信地偶联的许多子部件：促进冷却或温热介质的受控产生和分配(即，通过传热单元操作)，促进多相混合物的至少一部分分离成气体、液体和半固体以用于再循环或用于回收和后续加工或出售(即，通过气/液分离单元操作)。控制子系统可以包括整合或分布式控制系统，其提供全部或一部分生物质生产系统或任何辅助子系统的监测、警报、控制和控制输出。控制子系统还可以包括许多个别的环路控制器等，以用于控制生物质生产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和示例性方法的使用阐述了装置和/或方法的各种实施方案。在这样的框图、示意图和实例含有一个或多个功能和/或操作的情况下，本领域技术人员将理解，这样的框图、流程图或实例中的每个功能和/或操作都可以使用化学工程领域的那些技术人员熟知的广泛范围的现成或定制部件个别地和/或共同地实施。本文中列出的微生物物种旨在提供可以在如本文所述的用于促进生物质生产的系统以及环式反应器中支持的潜在微生物物种的样品。
可以组合上述各种实施方案以提供另外的实施方案。可以根据上述详细描述对实施方案进行这些和其他改变。通常，在所附权利要求中，所使用的术语不应被解释为将权利要求限制到说明书和权利要求书中公开的具体实施方案，而应被解释为包括具有该权利要求所要保护的全部范围内所有可能的实施方案。因此，权利要求不受本公开的限制。

Claims (17)

1.一种用于刺激生物质生产的系统，所述系统包括：
环式反应器，所述环式反应器包括：
气/液分离容器，所述气/液分离容器用于将气体和液体培养基的多相混合物分离成气相和液相，所述气/液分离容器包括出口和入口；
环路区段，所述环路区段包括：
与所述气/液分离容器的所述出口流体连通的入口和与所述气/液分离容器的所述入口流体连通的出口；
在所述环路区段入口和所述环路区段出口之间的至少一个基本水平区；
第一基本垂直流动区，所述第一基本垂直流动区位于所述环路区段的所述入口和所述环路区段的所述出口之间；和
第二基本垂直流动区，所述第二基本垂直流动区位于所述第一基本垂直流动区和所述环路区段的所述出口之间，在运行中，所述多相混合物流过所述第二基本垂直流动区并且所述多相混合物以相同方向流过所述第一基本垂直流动区。
2.根据权利要求1所述的系统，所述系统还包括第三基本垂直流动区，所述第三基本垂直流动区位于所述第二基本垂直流动区和所述环路区段的所述出口之间，在运行中，所述多相混合物以与所述多相混合物流过所述第一基本垂直流动区和所述第二基本垂直流动区的相同方向流过所述第三基本垂直流动区。
3.根据权利要求1所述的系统，其中当所述环式反应器运行时，在所述至少一个基本水平区中在所述多相混合物的所述气体和所述液体培养基之间的传质由基本水平区体积传质速率(kLa)表征，当所述环式反应器运行时，在所述第一基本垂直流动区中在所述多相混合物的所述气体和所述液体培养基之间的传质由第一基本垂直流动区体积传质速率(kLa)表征，并且当所述环式反应器运行时，在所述第二基本垂直流动区中在所述多相混合物的所述气体和所述液体培养基之间的传质由第二基本垂直流动区体积传质速率(kLa)表征，其中所述第一基本垂直流动区体积传质速率(kLa)和所述第二基本垂直流动区体积传质速率(kLa)中的至少一个为所述基本水平区体积传质速率(kLa)的2至5倍。
4.一种用于刺激生物质生产的系统，所述系统包括：
环式反应器，所述环式反应器包括：
气/液分离容器，所述气/液分离容器用于将气体和液体培养基的多相混合物分离成气相和液相，所述气/液分离容器包括出口和入口；
环路区段，所述环路区段包括：
与所述气/液分离容器的所述出口流体连通的入口和与所述气/液分离容器的所述入口流体连通的出口；
在所述环路区段入口和所述环路区段出口之间的第一基本水平区，所述第一基本水平区包括其中当所述环式反应器运行时所述多相混合物以第一方向流动的第一流动区段和其中当所述环式反应器运行时所述多相混合物以不同于所述第一方向的第二方向流动的第二流动区段；
在所述环路区段入口和所述环路区段出口之间的第二基本水平区，所述第二基本水平区包括其中当所述环式反应器运行时所述多相混合物以第三方向流动的第三流动区段和其中当所述环式反应器运行时所述多相混合物以不同于所述第三方向的第四方向流动的第四流动区段；和
在所述第一基本水平区和所述第二基本水平区之间的至少一个基本垂直流动区。
5.根据权利要求4所述的系统，其中所述环路区段的所述第一基本水平区还包括其中当所述环式反应器运行时所述多相液体以第五方向流动的第五流动区段，所述第五方向不同于在所述第一流动区段中流动的所述第一方向并且不同于在所述第二流动区段中流动的所述第二方向。
6.根据权利要求4所述的系统，其中所述环路区段的所述第二基本水平区还包括其中当所述环式反应器运行时所述多相液体以第六方向流动的第六流动区段，所述第六方向不同于在所述第三流动区段中流动的所述第三方向并且不同于在所述第四流动区段中流动的所述第四方向。
7.根据权利要求4所述的系统，其中当所述环式反应器运行时，在所述第一基本水平区中在所述多相混合物的所述气体和所述液体培养基之间的传质由第一基本水平区体积传质速率(kLa)表征，当所述环式反应器运行时，在所述第二基本水平区中在所述多相混合物的所述气体和所述液体培养基之间的传质由第二基本水平区体积传质速率(kLa)表征，并且当所述环式反应器运行时，在所述至少一个基本垂直流动区中在所述多相混合物的所述气体和所述液体培养基之间的传质由基本垂直流动区体积传质速率(kLa)表征，其中所述基本垂直流动区体积传质速率(kLa)为所述第一基本水平区体积传质速率(kLa)和所述第二基本水平区体积传质速率(kLa)中的至少一个的2至5倍。
8.一种用于刺激环式反应器中的生物质生产的方法，所述方法包括：
使气体和液体培养基的多相混合物通过所述环式反应器的第一基本垂直流动区；
在所述第一基本垂直流动区中，将所述多相混合物的所述气体传递至所述多相混合物的所述液体培养基；
使所述气体和液体培养基的多相混合物通过所述环式反应器的基本水平区；
在所述基本水平区中，将所述多相混合物的所述气体传递至所述多相混合物的所述液体培养基；
使所述气体和液体培养基的多相混合物通过所述环式反应器的第二基本垂直流动区，所述多相混合物通过所述第二基本垂直流动区和所述多相混合物通过所述第一基本垂直流动区的方向相同；
在所述第二基本垂直流动区中，将所述多相混合物的所述气体传递至所述多相混合物的所述液体培养基；
在所述第二基本垂直流动区的下游，将所述气体和液体培养基的多相混合物分离成气相和液相；
使从所述气体和液体培养基的多相混合物分离的所述气相和所述液相通过通向气/液分离容器的入口进入所述气/液分离容器中；和
从所述气/液分离容器的出口移除液相并且将移除的液相递送至所述环式反应器的环路区段的入口。
9.根据权利要求8所述的方法，所述方法还包括：
使所述气体和液体培养基的多相混合物通过所述环式反应器的第三基本垂直流动区，所述多相混合物以与所述多相混合物通过所述第一基本垂直流动区和所述第二基本垂直流动区的相同方向通过所述第三基本垂直流动区；
在所述第三基本垂直流动区中，将所述多相混合物的所述气体传递至所述多相混合物的所述液体培养基。
10.根据权利要求8所述的方法，其中在所述第一基本垂直流动区中将所述多相混合物的所述气体传递至所述多相混合物的所述液体培养基以第一基本垂直流动区体积传质速率(kLa)发生，在所述基本水平区中将所述多相混合物的所述气体传递至所述多相混合物的所述液体培养基以基本水平区体积传质速率(kLa)发生，并且在所述第二基本垂直流动区中将所述多相混合物的所述气体传递至所述多相混合物的所述液体培养基以第二基本垂直流动区体积传质速率(kLa)发生，其中所述第一基本垂直流动区体积传质速率(kLa)和所述第二基本垂直流动区体积传质速率(kLa)中的至少一个为所述基本水平区体积传质速率(kLa)的2-5倍。
11.根据权利要求9所述的方法，其中在所述第三基本垂直流动区中将所述多相混合物的所述气体传递至所述多相混合物的所述液体培养基以第三基本垂直流动区体积传质速率(kLa)发生，其中所述第三基本垂直流动区体积传质速率(kLa)为所述基本水平区体积传质速率(kLa)的2-5倍。
12.一种用于刺激环式反应器中的生物质生产的方法，所述方法包括：
使气体和液体培养基的多相混合物通过所述环式反应器的第一基本水平区；
在所述第一基本水平区中，将所述多相混合物的所述气体传递至所述多相混合物的所述液体培养基，使所述多相混合物以第一方向流过所述第一基本水平区的第一流动区段并且使所述多相混合物以第二方向流过所述第一基本水平区的第二流动区段，所述第一方向不同于所述第二方向；
使所述气体和液体培养基的多相混合物通过所述环式反应器的基本垂直流动区并且在所述基本垂直流动区中将所述多相混合物的所述气体传递至所述多相混合物的所述液体培养基；
使所述气体和液体培养基的多相混合物通过所述环式反应器的第二基本水平区；
在所述第二基本水平区中，将所述多相混合物的所述气体传递至所述多相混合物的所述液体培养基，使所述多相混合物以第三方向流过所述第二基本水平区的第三流动区段并且使所述多相混合物以第四方向流过所述第二基本水平区的第四流动区段，所述第三方向不同于所述第四方向；
在所述第二基本水平区的下游将所述气体和液体培养基的多相混合物分离成气相和液相；
使从所述气体和液体培养基的多相混合物分离的所述气相和所述液相通过通向气/液分离容器的入口进入所述气/液分离容器中；和
从所述气/液分离容器的出口移除液相并且将移除的液相递送至所述环式反应器的环路区段的入口。
13.根据权利要求12所述的方法，其中使所述气体和液体培养基的多相混合物通过所述第一基本水平区还包括：
使所述多相混合物以第五方向流过所述第一基本水平区的第五流动区段，所述第五方向不同于在所述第一流动区段中流动的所述第一方向并且不同于在所述第二流动区段中流动的所述第二方向。
14.根据权利要求12所述的方法，其中使所述气体和液体培养基的多相混合物通过所述第二基本水平区还包括：
使所述多相混合物以第六方向流过所述第二基本水平区的第六流动区段，所述第六方向不同于在所述第二流动区段中流动的所述第三方向并且不同于在所述第四流动区段中流动的所述第四方向。
15.根据权利要求12所述的方法，其中在所述第一基本水平区中将所述多相混合物的所述气体传递至所述多相混合物的所述液体培养基以第一基本水平区体积传质速率(kLa)发生，在所述基本垂直流动区中将所述多相混合物的所述气体传递至所述多相混合物的所述液体培养基以基本垂直流动区体积传质速率(kLa)发生，并且在所述第二基本水平区中将所述多相混合物的所述气体传递至所述多相混合物的所述液体培养基以第二基本水平区体积传质速率(kLa)发生，其中所述基本垂直流动区体积传质速率(kLa)为所述第一基本水平区体积传质速率(kLa)和所述第二基本水平区体积传质速率(kLa)中的至少一个的2-5倍。
16.根据权利要求4所述的系统，其中所述第二水平流动区横跨所述第一水平流动区。
17.根据权利要求12所述的方法，其中使所述多相混合物通过所述第二水平流动区包括使所述多相混合物在所述第一水平流动区上方的所述第二水平流动区中通过。
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