CN110997896A - 高生产率甲烷发酵法 - Google Patents

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Abstract

提供在含甲烷气体代谢转化成含聚羟基链烷酸酯的产物的过程中提高发酵罐生产率的方法，所述产物可用于制造例如动物饲料或可生物降解的聚合物制品。所述方法涉及减少为生长微生物群体而生成的热和/或在发酵过程中通过除去二氧化碳而排出热。

Description

高生产率甲烷发酵法
对相关申请和优先权文件的参考
本申请要求2017年5月19日提交的美国临时申请62/603,181的优先权。
发明领域
本发明涉及通过甲烷氧化菌(methanotrophs)发酵甲烷的高生产率法。
发明背景
通过甲烷氧化菌发酵甲烷是众所周知的。已有提议在含甲烷气体中生长微生物以产生聚羟基链烷酸酯(PHA)或产生具有经调整的PHA含量的蛋白质，例如用作动物饲料或用作动物饲料的组分。甲烷易获自化石源以及生物源。来自甲烷来源的碳的价格通常明显低于来自其它来源如糖的碳。通过其被甲烷氧化菌发酵将甲烷转化成有用产物的能力提供经济优势潜力。另外，由于含甲烷气体的来源是可再生来源，如生物气和填埋气，存在由可快速再生来源提供产物的优点。
聚羟基链烷酸酯容易生物降解并基本无毒。因此，PHA已被提议为环境持久性塑料的代用品。一些研究已经指出，在鱼饲料中PHA的存在可能具有有益性质。另外，PHA也可以是例如配制和挤出或压制的饲料颗粒的有用组分。
已通过使用糖原料(包括糖本身和可通过酶活性产生糖的淀粉和纤维素材料)的代谢法制造含聚羟基链烷酸酯的产物。糖原料通常明显比含甲烷气体昂贵，因此注意力已转向甲烷作为原料。但是，在由含甲烷气体生产含PHA的产物中存在挑战，因为甲烷在水性介质(media)中的溶解度低并在甲烷的生物转化过程中通过甲烷氧化菌生成高热。由甲烷生产PHA的传统生物过程因此保持水性培养液中的低甲烷氧化菌密度，这种低密度进而提供每单位体积生物反应器的低PHA生产率。因此，市售PHA明显比常规石油基聚合物昂贵，因此尚未获得广泛商业认可。
一般而言，由含甲烷气体制造含PHA的产物的生物过程包含生长甲烷氧化菌的群体(“平衡细胞生长”)，然后对甲烷氧化菌施以不支持微生物群体的生长而是促进通过甲烷氧化菌生产PHA的环境条件(“不平衡细胞生长”)的步骤。如果PHA是希望的产物，随后从微生物中收取PHA。向含有甲烷氧化菌的水性培养液供应含甲烷气体和含氧气体以生长甲烷氧化菌的群体和由它们生产PHA。
因此需要以每单位体积生物反应器的更高生产率由含甲烷气体生产含PHA的产物。有利地，优选方法以经济上有吸引力的方式实现较高生产率。
发明概述
通过本发明提供以高生产率由含甲烷气体制造含PHA的产物的生物方法。根据本发明，可实现每单位生物反应器体积的高甲烷氧化菌密度，而没有与甲烷的生物转化的大量放热性质相关的不适当冷却成本。本发明的方法促进甲烷从气相到水性培养液(broth)或培养基(medium)的理想的高传质速率。这些高传质速率支持高甲烷氧化菌密度。但是，高传质速率和高甲烷氧化菌密度导致更多生成热和更多产生二氧化碳。本发明的方法将实现高甲烷传递速率的能力与热排出整合以使水性培养基保持在对该生物方法合适的温度。
在本发明的方法中，从反应区取出一部分含有由甲烷氧化菌生成的二氧化碳的水性培养基并与汽提气体接触以从取出的水性培养基中除去溶解的二氧化碳(以产生“贫二氧化碳培养基或培养液”)。将至少一部分，优选基本所有贫二氧化碳培养基送往反应区，在此其在反应区中成为水性培养基的一部分。从水性培养基中除去二氧化碳导致甲烷和氧气各自向反应区中的水性培养基的传质速率提高。
另外，在与汽提气体接触的过程中，二氧化碳和水从取出的水性培养基中蒸发导致水性培养基冷却。随着甲烷氧化菌的群体增加，二氧化碳的生长增加。因此，通过归因于二氧化碳汽化的蒸发冷却排出的热在一定程度上追踪甲烷氧化菌的群体生长。归因于水汽化的热排出程度当然与汽提气体的相对湿度有关。由于在甲烷代谢氧化成二氧化碳的过程中也形成水，从在该方法的过程中保持水性培养基的恒定体积的角度看，水的汽化是有益的。
对本文而言，术语“限制底物(limiting substrate)”是指甲烷或氧气之一，其是在该方法中的任何给定时间是对用于平衡细胞生长和/或不平衡细胞生长的充分传质更有限制性的参数。要理解的是，在运行过程中，有可能一种底物在一段时间是限制的，然后另一底物是限制的。在大多数运行中，甲烷的传质速率在高甲烷氧化菌密度下限制平衡细胞生长和不平衡细胞生长。但是，本发明设想了以氧气传质为限制参数的运行模式。例如，如稍后更详细论述，可将甲醇、甲酸或其水溶性盐的一种或多种添加到水性培养基中，在这种情况下，氧气传质可变成限制底物。
本发明的一个广泛方面涉及用于将甲烷生物转化成含聚羟基链烷酸酯，例如PHA的产物或含经调整的PHA含量的蛋白质的高生产率法，其包含(a)将含甲烷气体和含氧气体送往反应区以在发酵条件下与其中具有甲烷氧化菌群体的水性培养基接触，所述培养基含有用于甲烷氧化菌的群体生长的营养素以提供富甲烷氧化菌水性培养基，甲烷氧化菌群体的所述生长也导致共同产生二氧化碳、水和热，和从所述反应区取出未反应气体；(b)将含甲烷气体和含氧气体送往反应区以在发酵条件下与至少一部分富甲烷氧化菌水性培养基接触，所述培养基具有有限的，例如基本不存在甲烷氧化菌的群体生长所需的至少一种营养素以建立抑制甲烷氧化菌的群体生长的营养素限制条件，以导致通过甲烷氧化菌产生聚羟基链烷酸酯和共同产生二氧化碳、水和热，和从所述反应区取出未反应气体；和(c)从步骤(b)的水性培养基中分离含聚羟基链烷酸酯的甲烷氧化菌，其中对于各步骤(a)和(b)的至少一部分持续期间：
i.在各步骤(a)和(b)中将至少一种限制底物气体送往反应区的速率(A)在底物扩散条件下，和任选地和优选地，(B)调整其以提供在未反应气体中基本稳定的甲烷摩尔浓度；
ii.在步骤(a)和(b)的至少一个中，从反应区连续取出一部分水性培养基并与汽提气体接触以除去二氧化碳和提供贫二氧化碳水性培养基；和
iii.将至少一部分贫二氧化碳水性培养基再循环到步骤(a)和(b)的至少一个的反应区。
子步骤(ii)优选至少在甲烷氧化菌的数量为至少大约8，优选至少大约10克/升(如通过干燥细胞质量测得)的时期中进行，并通常至少在甲烷氧化菌的数量位于大约8至80，优选大约10至60克/升(如通过干燥细胞质量测得)的范围内的时期中进行。
在本发明的另一广泛方面中，在甲烷氧化菌生长期和/或PHA生产期的过程中将甲醇和甲酸或其水溶性盐(“含氧C1化合物”)之一或两者添加到水性培养液中。含氧C1化合物有助于为甲烷氧化菌提供附加碳底物并因此使甲烷氧化菌的群体生长和PHA生产的速率保持超过甲烷在给定条件组下从气相到水性培养基的传质速率可支持的速率。另外，就每碳原子而言，含氧C1化合物的代谢转化的放热性低于甲烷。因此，这一方面涉及用于将甲烷生物转化成含聚羟基链烷酸酯的产物的高生产率法，其包含(a)将含甲烷气体和含氧气体送往反应区以在发酵条件下与其中具有甲烷氧化菌群体的水性培养基接触，所述培养基含有用于甲烷氧化菌的群体生长的营养素以提供富甲烷氧化菌水性培养基，微生物群体的所述生长也导致共同产生二氧化碳、水和热，和从所述反应区取出未反应气体；(b)将含甲烷气体和含氧气体送往反应区以在发酵条件下与至少一部分富甲烷氧化菌水性培养基接触，所述培养基不存在甲烷氧化菌的群体生长所需的至少一种营养素以导致产生聚羟基链烷酸酯和共同产生二氧化碳、水和热，和从所述反应区取出未反应气体；和(c)从步骤(b)的水性培养基中分离含聚羟基链烷酸酯的甲烷氧化菌，其中在步骤(a)和(b)的至少一个中向水性培养基供应甲醇和甲酸或其水溶性盐的至少一种的含氧C1化合物。优选至少在甲烷扩散限制条件下供应含氧C1化合物。
本发明的再一广泛方面涉及用于将甲烷生物转化成含聚羟基链烷酸酯的产物的高生产率法，其包含(a)将含甲烷气体和含氧气体送往反应区以在发酵条件下与其中具有甲烷氧化菌群体的水性培养基接触，所述培养基含有用于甲烷氧化菌的群体生长的营养素以提供富甲烷氧化菌水性培养基，甲烷氧化菌群体的所述生长也导致共同产生二氧化碳、水和热，和从所述反应区取出未反应气体；(b)将含甲烷气体和含氧气体送往反应区以在发酵条件下与至少一部分富甲烷氧化菌水性培养基接触，所述培养基不存在甲烷氧化菌的群体生长所需的至少一种营养素以导致产生聚羟基链烷酸酯和共同产生二氧化碳、水和热，和从所述反应区取出未反应气体；和(c)从步骤(b)的水性培养基中分离含聚羟基链烷酸酯的甲烷氧化菌，其中对于各步骤(a)和(b)的至少一部分持续期间：
i.在各步骤(a)和(b)中将至少一种限制底物气体送往反应区的速率(A)在底物扩散条件下，和任选地和优选地，(B)调整其以提供在未反应气体中基本稳定的甲烷摩尔浓度；
ii.在步骤(a)和(b)的至少一个中，从反应区连续取出一部分水性培养基并与半透膜接触以除去二氧化碳和提供贫二氧化碳水性培养基；和
iii.将至少一部分贫二氧化碳水性培养基再循环到步骤(a)和(b)的至少一个的反应区。
对于步骤(a)和(b)的至少一个，用于从水性培养基中除去二氧化碳的半透膜优选是对二氧化碳可透过的除气或渗透汽化膜，该膜更优选也可透过水。该膜可以是有机或无机的，充当液相和气相渗透物之间的屏障。二氧化碳和水的渗透驱动力通常作为分压的差表征。分压的差可至少部分通过跨过膜的绝对压力的差保持，例如，渗透侧在真空下和/或吹扫气体在膜的渗透侧上。吹扫气体可以是用于汽提的相同类型。在膜的渗透侧上发生渗透物(其是二氧化碳和通常水)的蒸发并通过汽化潜热提供冷却。
附图简述
图1是可用于本发明的方法的装置的示意图。
详细论述
本详述中引用的所有专利、公开专利申请和文章全文经此引用并入本文。
除非另行说明或从它们的使用情境中显而易见，本文所用的下列术语具有下述含义。
术语“一”的使用意在包括一个或多个所述要素。示例性要素的名单意在包括一个或多个所述要素的组合。本文所用的术语“可能”是指该要素的使用是任选的并且无意提供关于可操作性的任何暗示。
生物气是指由可再生碳源生成并优选含有至少大约20摩尔％二氧化碳的气体。厌氧衍生的气体是指通过有机物质在不存在氧的情况下的厌氧消化或发酵生成的生物气并主要含有甲烷和二氧化碳。厌氧消化池气体具有大约25至50体积％二氧化碳和大约40和70体积％甲烷及少量氢气、硫化氢、氨和氮气的典型组成。
间歇是指不时并且可在规则或不规则时间间隔下。
填埋气具有大约25至60体积％二氧化碳和大约35至70体积％甲烷及少量一氧化碳、氢气、硫化氢、氧气和氮气的典型组成。
限制营养素条件或营养素限制条件是指不存在微生物群体的生长所需的一种或多种营养素或微量营养素以致甲烷氧化菌的群体生长所需的至少一种营养素短缺以抑制反应区中的甲烷氧化菌群体的生长并相对于以生长所需的合适量接收所述至少一种营养素的反应区提高甲烷氧化菌中的聚羟基链烷酸酯化合物的含量。关于限制营养素条件，基本不存在是指生长所需的所述一种或多种营养素仅以残余量或痕量或作为引入培养液中的另一组分中的杂质存在。
甲烷氧化菌是代谢作为碳和能量源的甲烷并可以是野生型或基因工程化的原核生物。术语甲烷氧化菌意在包括基因工程处理的微生物，其在不存在基因工程处理的情况下可能不是甲烷氧化菌。
微气泡是具有500微米或更小的直径的气泡。
天然气是指气态烃的可燃混合物，其来自沉积岩的，其通常含有超过75％甲烷及次要量的2-4碳烷烃，或来自煤床，其中甲烷通常与氮气共存。天然气可含有其它组分，例如并且不限于，二氧化碳、硫化氢、水蒸气和氮气。
营养素和微量营养素是被微生物同化并且是生长、修复和正常代谢所需的食物或任何营养物。微量营养素是与例如碳、氮和磷源相比需求量少的营养素，如维生素和矿物质。
聚羟基链烷酸酯可以下式的重复单元和大约10,000至大约5百万或更多道尔顿的分子量(重均)为特征
-[OC(R)H-(CH2)m-C(O)]n-
其中R是氢或1至6，优选1至4个碳的低碳烷基；m和n是整数且m是1或2。聚羟基链烷酸酯的实例包括但不限于聚羟基丁酸酯和聚羟基戊酸酯。
含聚羟基链烷酸酯的产物是指在内部和/或外部含有由甲烷氧化菌代谢产生的聚羟基链烷酸酯的活的或非活的甲烷氧化菌或甲烷氧化菌细胞残留。
微生物的群体(population)是指给定体积中的微生物数并且包括基本纯的培养物和混合培养物。
蛋白质是含有一个或多个长氨基酸残基链的大分子，并包括但不限于肽、低聚肽和多肽，并且除碳、氮、氧和碳原子外还可含有硫。
单细胞蛋白质是可食用的单细胞微生物。
液相中的基本均匀性是指液相的组成在生物反应器各处基本相同。在均匀液相中组分的浓度通常在其平均浓度的大约5％内，也就是说，如果组分的平均浓度为55.3摩尔％，则基本均匀性是指该组分可例如在大约52.5至58.0摩尔％之间变动。
气相中的基本不均匀性是指气体底物提供的至少一种组分的质量(在气泡和溶解气体中)在气体进入生物反应器的点和气体脱离培养液的点之间改变至少50质量％。
底物扩散条件是指对于平衡细胞生长条件(步骤(a))，甲烷和氧气的传质速率不实质上不利地影响甲烷氧化菌群体的生长速率，并且仅其本身不会实质上不利地影响甲烷氧化菌群体的生长速率；和对于不平衡细胞生长条件(步骤(b))，甲烷和氧气的传质速率不实质上不利地影响甲烷氧化菌群体，并且仅其本身不会实质上不利地影响甲烷氧化菌群体。术语“实质上”是指该负面影响对于(1)平衡细胞生长条件在于甲烷氧化菌群体继续生长，和对于(2)不平衡细胞生长条件在于甲烷和氧气的传质足以至少维持甲烷氧化菌群体，即甲烷氧化菌群体不减少超过20质量％，优选不超过10质量％。在一些情况下，在平衡细胞生长条件的过程，甲烷氧化菌群体继续以在给定细胞密度下的预计指数生长速率的小于20，优选小于10质量％生长。
底物扩散限制条件是指甲烷和氧气的至少一种向含甲烷氧化菌的培养液的扩散速率不同于在底物扩散条件下。要理解的是，底物扩散条件和底物扩散限制条件受质量传递的驱动力以及物理限制如培养液中的气泡尺寸和气泡持续时间的影响。
所有提及的细胞质量基于细胞的干质量计算。通过从培养液中过滤微生物，接着用去离子水洗涤和在烘箱中在大约103至105℃的温度下干燥和在干燥器中冷却测定干质量。对给定样品应该重复在干燥器中干燥和冷却直至样品质量保持恒定。
在本文中提到有机酸应该被认为包括相应的盐和酯。
通过甲烷氧化菌生产聚羟基链烷酸酯以储存能量。如本领域中众所周知，当甲烷氧化菌处于应力下时，PHA生产率提高。可通过使用限制营养素条件诱发应力，但仍然需要提供一些氧气和甲烷或含氧C1化合物以维持甲烷氧化菌。本发明的方法广泛适用于宽范围的能够生产PHA的甲烷氧化菌。如定义中阐述，甲烷氧化菌包括能够消耗甲烷但传统上并未被表征为甲烷氧化菌的基因工程处理的微生物。
甲烷氧化菌可获自多种多样的来源。在氧气和甲烷共存的环境中，通常在需氧和厌氧区之间的界面处发现甲烷氧化菌。它们常见于稻田、沼泽和湿地、池塘和湖泊中的表层沉积物、活性污泥和草甸和落叶林土，包括淡水、微咸水和咸水环境，沙漠、垃圾填埋场、煤矿表面和海洋。优选来源包括经受周期性应力，如碳、营养素或氧气限制的环境。通过消除维持特殊培养物的需要，混合细菌培养物的使用使得该方法比使用纯培养物的方法便宜。在本说明书中，术语“混合培养物”被定义为包括含有各种独特培养物或物种的细菌群落，无论是否明确定义物种。术语“混合培养物”还包括富集群落(enrichment communities)。这些是经受有利于正面影响PHA生产的有机物生长和不利于负面影响PHA生产的有机物生长的选择性压力的有机物群落。可以使用选择技术将混合培养物中的甲烷氧化菌群体富集到提供所希望的PHA的水平。
甲烷氧化菌的实例包括但不限于甲基弯曲菌(Methylosinus)、甲基孢囊菌(Methylocystis)、甲基细胞菌(Methylocella)、甲基帽菌(Methylocapsa)、Methyloferula、甲基单胞菌(Methylomonas)、甲基杆菌(Methylobacter)、甲基球菌(Methylococcus)、甲基微菌(Methylomicrobium)、甲基球形菌(Methylosphaera)、甲基暖菌(Methylocaldum)、甲基八叠球菌(Methylosarcina)、甲基热菌(Methylothermus)、甲基盐菌(Methylohalobius)、甲基盖亚菌(Methylogaea)、甲基苏玛菌(Methylosoma)、Methylomarinum、甲基卵菌(Methylovulum)、Methyloacidiphilum、泉发菌(Creonthrix)和细枝发菌(Clonothrix)。不同甲烷氧化菌在多快积累PHA方面不同，并且不同甲烷氧化菌有可能产生具有不同的聚合物或分子量分布的PHA。因此通常针对希望的特定PHA选择甲烷氧化菌。参见例如美国专利8,030,021，全文经此引用并入本文。
甲烷氧化菌含有蛋白质并通常可食用，尤其是在变性后，因此适合作为单细胞蛋白质来源。甲烷氧化菌中包括的蛋白质包括但不限于：
Figure BDA0002371675920000101
蛋白质通常构成干燥细胞的大约30至80质量％，余量是脂肪(通常在大约2至15，例如3至12质量％之间)、PHA(对于动物饲料通常在大约5至50质量％之间和在PHA是希望的最终产物时在大约10至50质量％之间)和其它组分(在大约5至20质量％之间)。尽管在一些情况下细胞可能表达蛋白质，但从实际角度看，蛋白质包含在细胞中和/或在细胞表面上。因此，甲烷氧化菌群体的生长在一定程度上与蛋白质的生产率成比例。
本发明的方法也适用于多种多样的含甲烷气体，包括但不限于天然气、来自煤的甲烷气体和生物气(包括但不限于厌氧消化池气体和填埋气)、来自其它工艺的尾气，例如直接或间接衍生自另一发酵工艺的尾气，及其混合物。供入反应区的含甲烷气体中的甲烷浓度通常为至少大约10摩尔％，通常在大约15至99至基本100摩尔％的范围内。含甲烷气体可含有其它组分，例如但不限于更高级烷烃、氮气、二氧化碳、硫化氢、硅氧烷和水蒸气。优选除去含甲烷气体中任何可能对甲烷氧化菌有毒或损害甲烷氧化菌的性能的组分或将其浓度降低到甲烷氧化菌可接受的水平。
将含甲烷气体和含氧气体供入含有甲烷氧化菌的水性培养基(培养液)。含甲烷气体和含氧气体优选以微气泡的形式引入生物反应器。微气泡通常具有0.01至0.5，优选0.02至0.3毫米的直径。含甲烷气体和含氧气体优选使用动力流体(motive fluid)分开注入培养液。可以使用动力液体流速的变化调整微气泡尺寸并因此调整向培养液传递甲烷和氧气的速率。如果需要，可以使用表面活性剂以助于降低气泡尺寸。
含甲烷气体和含氧气体各自供入培养液的速率可广泛变化，但通常取决于保证向甲烷氧化菌提供足量的溶解甲烷和氧气。在甲烷氧化菌群体的生长过程中，每单位体积反应区的甲烷和氧气需求量与甲烷氧化菌的密度增加成比例地改变。因此，优选基于甲烷氧化菌的密度和所需群体生长速率和/或PHA积累调整这些气体的供应速率。在本发明之前，单细胞蛋白质生产中的显著成本在于甲烷氧化菌的分离、脱水和干燥以提供动物饲料。类似地，培养液中的较高甲烷氧化菌密度促进从甲烷氧化菌中回收PHA，其中纯化的PHA是希望的最终产物。容易认识到，由于提高的向水性培养液传递甲烷和氧气的能力和从生物反应器中排出热的能力，本发明的方法能够实现培养液中的更高甲烷氧化菌密度。
通过调节甲烷供应速率，可使经过培养液的未反应气体中的甲烷损失最小化。至少在该方法的一部分的过程中向反应区供应含甲烷气体的速率使得未反应气体含有基本稳定的甲烷摩尔浓度(甲烷的摩尔浓度优选不改变超过平均甲烷摩尔浓度的20％，更优选不超过10％)。如果未反应气体要送往废物，例如在火炬(flare)或热氧化器中燃烧，当未反应气体中的甲烷浓度更低时，经济运行得以改进，尽管可能需要天然气维持热氧化。生成含甲烷气体的设施，如厌氧消化池通常具有可供用于PHA生产操作的火炬或其它热氧化单元操作。优选地，如果将未反应气体送往废物，含甲烷气体中的至少大约70，优选至少大约80，有时大约85至99至基本所有甲烷在反应区中代谢。优选调整含甲烷气体送往反应区的速率以提供含有少于10摩尔％甲烷的取出的未反应气体。
另一方面，如果未反应气体要用于供能，甲烷的摩尔浓度应该足够高以实现所需热含量。因此，在一些实施方案中，未反应气体可含有25或更大体积％甲烷。未反应气体还含有由代谢活动产生的二氧化碳，这可能需要或不需要除去。在任一情况下，调整向反应区供应含甲烷气体的速率以在未反应气体中提供基本稳定的甲烷摩尔浓度。应该认识到，未反应气体有助于从反应区排出热，并可能有助于汽提出可能溶解在水性培养基中的不想要的气体。如果需要，可基于所需热排出或不想要的溶解气体的汽提调整含甲烷气体的供应速率。
另外，水性培养基可用于从含甲烷气体中除去其中所含的其它气态组分，尤其是在未反应气体料流要用于其它用途，如发电或用于另一生物或化学工艺的原料的情况下。除去不良组分可使未反应气体料流直接适合如此进一步使用或减少预处理的量。可随后从水性培养基中回收脱除的组分。可通过水性培养基脱除的组分包括但不限于硫化氢和二甲基硅氧烷，两者在用于燃烧和许多催化化学工艺的原料中都可以是不利的。例如，含甲烷的进料含有硫化氢且水性培养基吸收至少一部分硫化氢以提供含有降低的硫化氢浓度的未反应气体料流。
甲烷和氧气从气相到培养液中的传质速率取决于各气体的分压驱动力。甲烷和氧气各自具有有限的水溶解度，并且降低培养液中的二氧化碳质量有益地改进向培养液质量传递甲烷和氧气的驱动力。根据本发明，对于该方法的至少一段持续期间，从反应区连续取出一部分培养液并与汽提气体接触以除去溶解的二氧化碳和提供贫二氧化碳水性培养基或培养液，以再循环到反应区。在一些情况下，这种连续取出和汽提经过该方法的整个持续期间发生，在另一些情况下，其至少在培养液中的甲烷氧化菌密度为至少大约2，例如至少大约5和通常至少大约10克/升时发生。甲烷氧化菌可由取出的培养液夹带或可在送往汽提单元操作前从培养液中除去。
培养液的取出速率通常足以除去相当于由反应区中的代谢活动产生的二氧化碳的至少大约35，优选至少大约40和在一些情况下大约50至75％的量的二氧化碳。应该理解的是，在一些情况下，如在含甲烷进料是生物气时，含甲烷进料可含有二氧化碳。
在汽提过程中除去的二氧化碳部分的计算在将由代谢活动产生的二氧化碳和随底物和其它营养素供入反应区的二氧化碳考虑在内的质量平衡基础上。对于计算，由代谢活动产生的二氧化碳的质量基于甲烷和含氧C1化合物都可导致二氧化碳生成的假设。一部分甲烷和含氧C1化合物可用于细胞形成、PHA生产和其它代谢产生的组分。
在本发明的一个优选方面中，取出的培养液中的甲烷在汽提前经过充分的进一步代谢活动以使来自汽提的装载了二氧化碳的气体含有少于20，优选少于10体积ppm的甲烷。在本发明的这一优选方面中，氧气供应应该足够以使取出的培养液具有足以支持代谢活动的溶解氧。
在本发明的方法中可以使用任何合适的汽提气体。空气是易得的用于实施汽提的气体。当包含在经受汽提的培养液中时，用于汽提的汽提气体可在不会负面影响甲烷氧化菌的任何合适的温度下，例如在大约10℃至50℃，例如20℃至45℃之间。在许多情况下优选使汽提气体的相对湿度保持小于50，更优选小于大约25％以利用通过水汽化的冷却。
汽提优选在汽提取出的培养液中的至少50，更优选至少大约65，通常至少大约75％的二氧化碳的条件下。尽管可使用更高或更低的温度，汽提通常在取出的培养液的温度下进行。在汽提过程中，培养液温度主要由于二氧化碳汽化和水汽化而降低。通常在该方法的至少一部分过程中，尤其在峰值冷却需求期间，来自汽提的贫二氧化碳培养液比反应区中的培养液的整体温度低至少大约0.25℃，有时至少大约0.75℃。
在一种模式中，所有或一部分取出的培养液来自反应区的下部，其中溶解的二氧化碳浓度较高。如果需要，在施以汽提前可对取出的培养液(其压力至少部分取决于在排出点的水性培养基的压头(head))施以闪蒸条件，包括较低压力，例如在环境压力下，以除去一部分二氧化碳。
如上所述，如果需要，直到甲烷氧化菌群体在培养液中的密度使得从气体向培养液的甲烷传质不足以维持群体生长或PHA生产或其它冷却单元操作不足以防止反应区中的温度累积时才需要使用汽提。或者，取出培养液以供汽提的速率随群体生长而变。当甲烷氧化菌的群体接近希望的最大密度时，取出培养液以供二氧化碳汽提的速率通常为每小时反应区中的培养液体积的大约0.5至10，例如1至5倍。
培养液含有甲烷氧化菌的营养素。该方法通过首先在有时所谓的平衡细胞生长期(其中原料和所有营养素以制造细胞的大分子组分所需的比率存在)中增加甲烷氧化菌的群体进行。换言之，原料或营养素没有限制蛋白质、复合碳水化合物聚合物、脂肪或核酸的合成。然后，对甲烷氧化菌施以限制营养素条件，也就是说在不平衡细胞生长期中，其中使一种或多种大分子生长所需的氧气或至少一种营养素(非甲烷或含氧C1化合物)没有以所需比率存在。在这些条件下，聚合物的积累加速。这些聚合物包括细胞内储存产物，如一种或多种PHA或分泌产物，如细胞外多糖。通常通过提供不足以支持平衡细胞生长的氮化合物量实现限制营养素条件。可限制或调整以实现不平衡细胞生长的其它营养素包括但不限于钙、磷、钠、镁、铁、铜、硼、锌、铝、镍、硫、钼、锰和钾。
使培养液保持在合适的条件以在平衡细胞生长期的过程中迅速生长微生物群体和在不平衡细胞生长期的过程中生产PHA。这些条件包括适合通常嗜中温(mesophilic)的甲烷氧化菌的温度，例如大约25℃至45℃，最通常大约28℃至42℃。
平衡细胞生长条件保持足以实现培养液中的所需甲烷氧化菌密度的时间。在大多数情况下，甲烷氧化菌在培养液中实现至少大约8，优选至少大约10克/升的密度(在干燥细胞基础上计算)。尽管需要高密度，但存在实际限制。例如，培养液中的微生物群体可增加到在平衡细胞生长条件的过程中向培养液提供的甲烷和氧气不足以实现群体额外生长的水平(底物扩散限制条件)。代谢过程也是放热的，因此从反应区中排出热的能力变成一个限制。因此，在平衡细胞生长期结束时的培养液中的甲烷氧化菌密度通常为至少大约8，例如至少大约10克/升，并可在培养液中高达60或80克/升或更大。
本发明的方法的一个优点是给予操作人员在平衡细胞生长条件结束时获得高甲烷氧化菌密度的灵活性——由于能够实现从气相到培养液的高甲烷和氧气传质并因此使底物扩散条件维持在培养液中的高甲烷氧化菌密度。因此，在优选实施方案中，维持平衡细胞生长条件，至少直到底物扩散限制条件不再可维持，接近达到。因此，培养液中的甲烷氧化菌密度有时为大约20至80或更大，通常20至60克/升(在干燥细胞基础上计算)。
在本发明的一个方面中，将含氧C1化合物引入培养液以补充甲烷进料。含氧C1化合物优选衍生自可再生资源。含氧C1化合物可溶于培养液的水性培养基，因此在气相与水性培养基之间没有任何传质限制影响含氧C1化合物引入培养液的速率。当使用含氧C1化合物时，可在甲烷扩散限制条件下获得微生物群体的额外生长。可在平衡细胞生长期和/或不平衡细胞生长期的过程中的任何时刻加入含氧C1化合物。可连续或间歇加入含氧C1化合物，并且只有在该方法接近甲烷扩散条件和甲烷扩散限制条件之间的过渡时才开始加入。由于含氧C1化合物通常被甲烷氧化菌快速代谢消耗，除在发酵过程的全程或部分期间间歇或连续加入含氧C1化合物外，在发酵罐各处实现良好分散是优选的。优选在不平衡细胞生长期的过程中使用含氧C1化合物。
为培养液提供的含氧C1化合物的量可广泛变化，仍获得细胞生长和甲烷转化成PHA的理想增强。一般而言，含氧C1化合物以大约10至200，例如30至150，有时大约50至110克/千克希望的来自发酵的细胞质量的量提供。应该使培养液中的含氧C1化合物的浓度保持在不利地影响甲烷氧化菌的水平以下。因此，优选以适合提供希望量的含氧C1化合物但使浓度保持在不利地影响甲烷氧化菌的水平以下的速率向培养液中连续或间歇加入含氧C1化合物。
作为实例而非本发明的限制，进行对比实验以例示含氧C1化合物对甲烷氧化菌的群体生长和PHA生产的影响。对实验使用两个发酵罐并且并联运行，试图除含氧C1化合物(甲醇)含量外在发酵过程中保持相同条件。发酵罐是搅拌型的，实验室规模(4升)并且不采用涉及本发明从培养液中汽提二氧化碳的方面。相反，该实验意在例示甲醇在发酵中的作用。发酵在大约30℃和大约7的pH(通过加入碱维持，在生长期加入氢氧化铵，和在PHA生产期加入氢氧化钾)下进行大约50小时的持续期间。甲烷氧化菌是含有M.parvus OBBP的混合物。使用含营养素的常规水性培养基(如Peija等人,Poly-3-hydroxybutyrate metabolismin the Type II methanotroph Methylocystis parvusOBBP.Appl.Environ.Microbiol.77(17),6012–6019中描述的硝酸盐培养基W1)。取出的不平衡细胞生长期营养素是氮气。
实施例提供下述内容。在不存在甲烷进料的情况下，如果存在甲醇，基本没有生成PHA(聚-3-羟基丁酸酯)。与在培养液中不存在甲醇的对照物相比，甲醇的加入提高甲烷氧化菌群体的生长速率。甲醇实验消耗较少的氧气以提供给定细胞群体和PHA浓度。提高甲醇浓度会提高PHA浓度和细胞群体。在所有实验中，甲醇完全耗尽。参见表I。
表I
Figure BDA0002371675920000171
a.反应器以大约22的OD 600接种。在接种后不加入甲烷。
b.在实施例1和2中，最初加入大约4克甲醇，然后在实验的持续期间内基本均匀加入剩余甲醇。在实施例3至6中，在实施例的持续期间内连续加入所有甲醇。
c.含甲醇时的细胞生长速率比无甲醇时更快；但是，经实验的持续期间，对照实验达到存在甲醇的反应器的细胞群体和PHA浓度。
平衡细胞生长期的持续时间取决于培养液中的接种物(inoculum)浓度、在平衡细胞生长期结束时希望的甲烷氧化菌密度和甲烷氧化菌的繁殖率。通常，不平衡细胞生长期为至少大约1，优选至少大约5，有时至少大约8小时，例如大约5至48，在一些情况下大约5至24小时。
在不平衡细胞生长期结束时，可收取甲烷氧化菌以回收PHA。可以使用从甲烷氧化菌中回收PHA的任何合适的方法。如果单细胞蛋白质是希望的最终产物，在不平衡细胞生长期结束时，收获甲烷氧化菌。通常，分离含细胞的固体并脱水。通常进行固体的干燥以稳定单细胞蛋白质产物的蛋白质含量。
本发明的方法可以是连续、半分批或分批的。在连续法中，优选使用在流动序列中的至少两个生物反应器，第一个用于甲烷氧化菌的群体生长，流动序列中的第二个用于不平衡细胞生长期以生产PHA。在分批法中，可以使用一个或多个生物反应器，各自可在平衡细胞生长条件和不平衡细胞生长条件之间循环，或者一个或多个生物反应器可专用于平衡细胞生长且含甲烷氧化菌的培养液送往专用于不平衡细胞生长的单独生物反应器。后者通常被称为“mother”和“daughter”生物反应器系统。在优选的半分批法中，一个或多个mother生物反应器连续培养甲烷氧化菌的群体。从mother生物反应器中间歇取出一部分培养液并送往多个daughter生物反应器之一。从mother反应器中取出的一部分培养液优选允许足够部分的培养液留在mother反应器中以使甲烷氧化菌的群体迅速达到开始不平衡细胞生长所希望的密度。例如，取出的部分可在mother生物反应器中留下大约25体积％的培养液以致实现不平衡细胞生长所希望的密度，其为群体大约翻两番。通常，留在mother生物反应器中的培养液体积为至少大约10体积％，例如大约20至50体积％。用于半连续法的每mother生物反应器的daughter生物反应器数量通常为2至大约10。因此，daughter生物反应器可以一起提供相对连续的细胞供应以回收含PHA的产物。
各生物反应器可为任何合适的配置，包括但不限于深罐式生物反应器(例如深罐式泡罩塔生物反应器)；喷射环流生物反应器；搅拌釜生物反应器；滴流床生物反应器；生物膜生物反应器；移动床生物反应器；膜生物反应器和静态混合器生物反应器，包括但不限于，管式生物反应器。如果需要，两个或更多个生物反应器可用于平衡细胞生长和用于不平衡细胞生长，并且这些生物反应器可具有类似或不同的设计。例如，在搅拌釜生物反应器后可接着深罐式生物反应器。如果希望含甲烷气体中的高甲烷转化率，深罐式生物反应器是优选的。深罐式生物反应器的特征在于具有至少大约5米，优选至少大约10米的深度并可运行以在生物反应器中所含的培养液的深度中提供基本不均匀的气体组成和在生物反应器各处基本均匀的培养液组成。深罐式泡罩塔生物反应器是其中在下部作为小气泡引入含甲烷气体和含氧气体以促进混合的深罐式生物反应器。优选地，含甲烷气体和含氧气体进料各自以具有0.01至0.5，优选0.02至0.3毫米直径的微气泡形式引入。优选使用喷射器或注射器使用动力流体形成微气泡。在许多情况下，甲烷氧化菌在经过喷射器或注射器时几乎不发生破坏，因此在这些情况下在将贫二氧化碳培养液再引入生物反应器之前不需要除去甲烷氧化菌。
可以使用任何合适的设备从取出的培养液中汽提二氧化碳。此类设备的实例包括喷雾塔、泡罩塔和填充或结构化塔或脱气膜。由于低压降，填充或结构化塔是优选的。
尽管从取出的培养液中汽提二氧化碳实现来自放热性代谢活动的热的排出，通常需要额外冷却能力以防止在平衡细胞生长期和不平衡细胞生长期的过程中的过度放热。通常，随着生物反应器中的细胞密度接近所需最大浓度，取出的培养液在二氧化碳汽提过程中的冷却继续除去使生物反应器保持等温条件所需的热排出的大约10至50，例如大约15至40％。保持等温条件所需的辅助传热单元操作可以是一次或多次直接和间接热交换。例如在连续法中，可通过连续添加冷补充水以替代从生物反应器中连续取出的培养液来提供直接热交换。
参考附图有利于大体了解本发明及其用途。附图不限制本发明的广泛方面。附图是适用于实施本发明的方法的通常标作100的装置的示意图。附图省略次要设备，如泵、压缩机、阀、仪器以及其安置和运行为化学工程从业人员公知的其它装置。附图也省略附属单元操作。就厌氧消化池生物气和空气用于生产聚羟基丁酸酯和空气用于二氧化碳汽提描述该方法和附图的装置的运行。该方法容易适用于使用其它含甲烷气体、含氧气体和汽提气体以及其它PHA聚合物和单细胞蛋白质产物的生产。
生物反应器102是深罐式泡罩塔反应器并含有培养液104。在这种所示装置中，生物反应器102用于平衡细胞生长和不平衡细胞生长。在培养液104上方存在液面上空间106和用于从生物反应器中除去未反应气体的排气线路108。未反应气体可用于生成热或送往废物。
生物反应器102中的一部分培养液经线路110送往汽提器112。在线路110中，溶解在取出的培养液中的甲烷继续被甲烷氧化菌代谢以使进入汽提器112的取出的培养液几乎不含溶解的甲烷。如所示，汽提器112含有结构化填料114。线路110将培养液分布在结构化填料114上部以与汽提气体接触，其对本论述而言是通过在结构化填料底部的线路118供应的空气。装载了二氧化碳的汽提气体经线路116离开汽提器112。一部分贫二氧化碳培养液收集在汽提器112底部以经线路112送往间接热交换器122。线路124从间接热交换器122中取出培养液。经线路126取出一部分贫二氧化碳培养液。送往热交换器122的贫二氧化碳培养液的部分和送往线路126的贫二氧化碳培养液的部分的相对量取决于这些部分的所需整体温度。例如，在平衡细胞生长的早期，在汽提器112中实施的冷却可能使得不需要对所有贫二氧化碳培养液施以在热交换器122中的辅助冷却。分流一部分贫二氧化碳培养液使得送回生物反应器102的培养液的合并整体温度(combined bulk temperature)适于使生物反应器102中的培养液温度保持在恒定温度。在平衡细胞生长的后期，将基本所有贫二氧化碳培养液送往热交换器122以保持生物反应器102中的等温条件。或者，在该方法的更早期部分的过程中，将来自线路116的一部分装载了二氧化碳的汽提气体与通过线路118供应的汽提气体混合以降低对培养液中的二氧化碳汽化的驱动力。由于发生较少二氧化碳汽化，冷却降低。
热交换器122可为任何合适的设计。本发明设想了热交换器与热泵组合，其中热泵提供更高温的流体以用于这一过程或另一过程。在一些情况下，来自热泵的加热流体可用于与汽提气体，例如空气的间接热交换以降低其湿度和允许更多水在汽提过程中蒸发并因此生成更多的蒸发冷却。或者，加热的流体可用于减少从细胞中回收PHA所需的热能。
如稍后描述，再循环培养液用作将含甲烷气体和含氧气体引入生物反应器102的动力流体。线路128用于视动力流体的需要平衡再循环培养液在各线路126和124中的流速。
在线路124中再循环的培养液送往泵130，然后经过线路132以回到生物反应器102。线路128中的培养液送往泵136，然后送往线路138以回到生物反应器102。可以任何方便的方式将含甲烷气体和含氧气体引入生物反应器102。喷射器(气-液喷射器)的使用特别有吸引力，因为可在相对较低的能耗下生成极细气泡。该喷射器可以是喷射混合器/充气器或狭缝喷射器。狭缝喷射器是优选的，其一种形式公开在美国专利No.4,162,970中。这些喷射器使用动力液体运行。喷射器，尤其狭缝喷射器能在宽的液体和气体流速范围内运行并因此能够显著调低气体转移能力。该喷射器的特征在于具有至少大约1，通常大约1.5至5，例如2至4厘米(在射流喷射器的情况下作为横截面尺寸，或在狭缝喷射器的情况下作为较小横截面尺寸)的喷嘴。喷射器生成的气泡受液体流过喷射器的速率和经过喷射器的气相/液相比以及培养液本身的特征(包括但不限于其静态液体深度)等因素影响。在一些情况下，形成较不致密的气液分散体的微气泡和用于生成微气泡的任何动力流体可促进生物反应器中的液体混合。喷射器的大横截面尺寸除能够产生微气泡外还提供几个好处。首先，它们不像设计为产生微气泡的喷雾器那样容易结垢，因为使用培养液作为动力液体。其次，提供给定尺寸的微气泡所需的能量通常低于使用微气泡喷雾器形成该尺寸的微气泡所需的能量。第三，可以实现高调节比(turn down ratio)。第四，容易在宽范围内改变微气泡尺寸。经线路134向喷射器供应含氧气体并经线路140向喷射器供应甲烷。
经线路142向生物反应器102中的培养液104供应营养素和补充水。
例如而非限制，在运行中，生物反应器102是60,000升发酵罐，用培养液填充至大约10米深度并接种甲烷氧化菌。生物反应器102在接种前不是必须消毒。将1850升/分钟的速率并含有大约23摩尔％甲烷的生物气送往生物反应器102。随着甲烷氧化菌群体增加，如果尚未达到满体积，可经线路142连续或间歇加入附加水和/或营养素和其它添加剂以与甲烷氧化菌群体的增加相对成比例地提高培养液体积。含甲烷气体和含氧气体流在培养液接种时或在临接种前开始。如果使用喷射器引入气体，通常优选从生物反应器102中取出一部分培养液以直接或间接送往各泵130和136以供应动力流体(未描绘)。
当甲烷氧化菌群体增加到需要从培养液中除去二氧化碳以增强甲烷和氧气向液相传质的程度时，将大约4500升/分钟的培养液经线路110送往汽提器112。将大约135,000升(标准温度和压力)空气经线路118送往汽提器112，并除去培养液中大约99％的溶解二氧化碳。如上所述，根据生物反应器中的温度，经线路120和126之一或两者除去贫二氧化碳培养液以再循环至生物反应器102。与不从培养液中汽提二氧化碳的方法相比，在峰值冷却要求下的蒸发冷却要求降低大约47％，并且甲烷向培养液传质的驱动力提高大约35％。
当生物反应器102中的培养液中的甲烷氧化菌密度达到所需水平时，通过改变经线路142供应到生物反应器102的营养素的组成，将生物反应器102的运行切换到不平衡细胞生长。在不平衡细胞生长期结束时，收获甲烷氧化菌并回收PHB。

Claims (24)

1.一种用于将甲烷生物转化成含聚羟基链烷酸酯的产物的高生产率法，其包含(a)将包含含甲烷气体和含氧气体的底物气体送往反应区以在发酵条件下与其中具有甲烷氧化菌群体的水性培养基接触，所述培养基含有用于甲烷氧化菌的群体生长的营养素以提供富甲烷氧化菌水性培养基，甲烷氧化菌群体的所述生长也导致共同产生二氧化碳、水和热，和从所述反应区取出未反应气体；(b)将含甲烷气体和含氧气体送往反应区以在发酵条件下与至少一部分富甲烷氧化菌水性培养基接触，所述培养基具有有限的甲烷氧化菌的群体生长所需的至少一种营养素以建立抑制甲烷氧化菌的群体生长的营养素限制条件和导致通过甲烷氧化菌产生聚羟基链烷酸酯和共同产生二氧化碳、水和热，和从所述反应区取出未反应气体；和(c)从步骤(b)的水性培养基中分离含聚羟基链烷酸酯的甲烷氧化菌，其中对于各步骤(a)和(b)的至少一部分持续期间：
i.在各步骤(a)和(b)中，将至少一种含底物气体的气体送往反应区的速率在底物扩散条件下；
ii.在步骤(a)和(b)的至少一个中，从反应区连续取出一部分水性培养基并与汽提气体接触以除去二氧化碳和提供贫二氧化碳水性培养基；和
iii.将至少一部分贫二氧化碳水性培养基送往步骤(a)和(b)的至少一个的反应区。
2.权利要求1的方法，其中所述底物限制气体包含含甲烷气体。
3.权利要求2的方法，其中调整在步骤(a)和(b)的至少一个中将含甲烷气体送往反应区的速率以提供在未反应气体中基本稳定的甲烷摩尔浓度。
4.权利要求1的方法，其中含甲烷的进料含有硫化氢且水性培养基吸收至少一部分硫化氢以提供含有降低的硫化氢浓度的未反应气体料流。
5.权利要求1的方法，其中步骤(a)和(b)的至少一个的反应区是深罐式泡罩塔反应区，其特征在于在反应区的高度中基本均匀的液体组成和基本不均匀的气体组成，并在反应区的下部引入至少一部分所述含底物的气体。
6.权利要求1的方法，其中步骤(ii)中的培养液取出速率足以除去相当于由反应区中的代谢活动产生的二氧化碳的至少大约40％的量的二氧化碳。
7.权利要求6的方法，其中步骤(ii)中的培养液取出速率足以除去由反应区中的代谢活动产生的二氧化碳的50至75％。
8.权利要求2的方法，其中当将含甲烷气体送往反应区的速率不再在甲烷扩散条件下时，将至少一种含氧C1化合物添加到步骤(a)的反应区中。
9.权利要求1的方法，其中将送往步骤(a)和(b)的至少一个的反应区的贫二氧化碳水性培养基的一部分冷却。
10.权利要求1的方法，其中步骤(a)和(b)在反应容器中相继进行。
11.权利要求1的方法，其中步骤(a)和(b)各自在单独的反应容器中进行。
12.权利要求11的方法，其中将步骤(a)的反应区中的一部分水性培养基送往步骤(b)的反应区。
13.权利要求11的方法，其中为步骤(a)的各反应区提供至少两个步骤(b)的反应区，并在给定时间将步骤(a)的一部分水性培养基送往至少一个步骤(b)反应区以提供半分批方法。
14.权利要求13的方法，其中在给定时间送往一个步骤(b)反应区的部分为在步骤(a)的反应区中的水性培养基的25至95体积％，并向步骤(a)的反应区提供额外的水性培养基以生长甲烷氧化菌的群体。
15.权利要求1的方法，其中所述含甲烷气体包含生物气。
16.权利要求15的方法，其中所述含甲烷气体包含厌氧消化池气体。
17.权利要求15的方法，其中所述含甲烷气体包含填埋气和直接或间接衍生自另一发酵工艺的尾气的至少一种。
18.权利要求1的方法，其中对所述贫二氧化碳水性培养基施以与冷却流体的间接热交换以进一步冷却贫二氧化碳水性培养基和加热冷却流体。
19.权利要求18的方法，其中将来自间接热交换的加热的冷却流体送往热泵以提供过热流体。
20.权利要求19的方法，其中使用所述过热流体加热汽提气体。
21.权利要求19的方法，其中所述过热流体用于从甲烷氧化菌中回收聚羟基链烷酸酯。
22.权利要求1的方法，其中从步骤(a)和(b)的至少一个的反应区的下部取出水性培养基，施以闪蒸条件以除去其中的一部分二氧化碳，然后与汽提气体接触。
23.一种用于将甲烷生物转化成含聚羟基链烷酸酯的产物的高生产率法，其包含(a)将含甲烷气体和含氧气体送往反应区以在发酵条件下与其中具有甲烷氧化菌群体的水性培养基接触，所述培养基含有用于甲烷氧化菌的群体生长的营养素以提供富甲烷氧化菌水性培养基，甲烷氧化菌群体的所述生长也导致共同产生二氧化碳、水和热，和从所述反应区取出未反应气体；(b)将含甲烷气体和含氧气体送往反应区以在发酵条件下与至少一部分富甲烷氧化菌水性培养基接触，所述培养基基本不存在甲烷氧化菌的群体生长所需的至少一种营养素，以导致产生聚羟基链烷酸酯和共同产生二氧化碳、水和热，和从所述反应区取出未反应气体；和(c)从步骤(b)的水性培养基中分离含聚羟基链烷酸酯的甲烷氧化菌，其中在步骤(a)和(b)的至少一个中向水性培养基供应甲醇和甲酸或其水溶性盐的至少一种的含氧C1化合物。
24.一种用于将甲烷生物转化成含聚羟基链烷酸酯的产物的高生产率法，其包含(a)将包含含甲烷气体和含氧气体的底物气体送往反应区以在发酵条件下与其中具有甲烷氧化菌群体的水性培养基接触，所述培养基含有用于甲烷氧化菌的群体生长的营养素以提供富甲烷氧化菌水性培养基，甲烷氧化菌群体的所述生长也导致共同产生二氧化碳、水和热，和从所述反应区取出未反应气体；(b)将含甲烷气体和含氧气体送往反应区以在发酵条件下与至少一部分富甲烷氧化菌水性培养基接触，所述培养基基本不存在甲烷氧化菌的群体生长所需的至少一种营养素，以导致产生聚羟基链烷酸酯和共同产生二氧化碳、水和热，和从所述反应区取出未反应气体；和(c)从步骤(b)的水性培养基中分离含聚羟基链烷酸酯的甲烷氧化菌，其中对于各步骤(a)和(b)的至少一部分持续期间：
i.在各步骤(a)和(b)中将至少一种含底物气体的气体送往反应区的速率在底物扩散条件下；
ii.在步骤(a)和(b)的至少一个中，从反应区连续取出一部分水性培养基并与半透膜接触以除去二氧化碳和提供贫二氧化碳水性培养基；和
iii.将至少一部分贫二氧化碳水性培养基送往步骤(a)和(b)的至少一个的反应区。
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