CN111886345A - 高氢气利用率和气体再循环 - Google Patents

Abstract

本文提供了用于再循环和补充来自气体进料反应过程的废气的系统和方法。所述系统和方法尤其可用于将氢气转化成一种或多种生物合成产物的生物过程。通过维持单独的氢气和氧气进料气体流并且形成将目标浓度范围内的所述供应气体的目标组分引入生物反应器的再循环气体，可增强所述生物过程的产量、生产率和安全性。

Description

高氢气利用率和气体再循环

优先权声明

本专利申请要求2018年3月30日提交的美国临时专利申请号62/650,590以及2018年3月30日提交的美国临时专利申请号62/650,575的权益，这两个申请出于所有目的以引用方式并入本文。

技术领域

本公开整体涉及可用于合成过程的系统和方法。具体地，本公开涉及包括补充气体再循环以支持利用大量氢气的生物过程的系统和方法。

背景技术

在气体进料发酵中，挥发性气体(诸如二氧化碳、一氧化碳、氢气和甲烷)由微生物转化成广泛范围的产物，诸如燃料、蛋白质和化合物(例如，醇和有机酸)。这些产物可由化学、石化、医药、动物饲料、环境和农业领域的行业使用。涉及生物反应器的各种配置的发酵系统用于生成各种各样的材料，包括抗生素、疫苗、合成生物聚合物、合成氨基酸和可食用蛋白质。有利地，气体发酵过程可利用各种原料，包括家庭、工业或农业废物，由此减小对化石碳源的依赖并且减小温室气体的排放。此外，当与高温和高压化学催化反应相比时，发酵反应通常在更低的反应温度和压力下操作。

气体进料发酵的示例可见于美国专利申请公布号US 2012/0003706，其描述了用于通过与发酵液体接触而将包括一氧化碳、二氧化碳和氢气的气体输入流转化成液体产物的厌氧过程，其中过程控制发酵容器中的一氧化碳和二氧化碳的浓度。过程将进料气体流和再循环气体流充入发酵容器，并且在发酵液体上方收集废气流。废气流流动到气体喷射器，该气体喷射器使用再循环液体作为动力流体以将废气与再循环液体混合成气-液分散体。再循环液体与废气的接触吸收二氧化碳以提供再循环流。气体分离容器将废气的剩余部分分离成再循环气体。将再循环气体与气体输入流混合稀释了一氧化碳的浓度以降低发酵容器中的一氧化碳浓度。分离的再循环液体流动到二氧化碳汽提塔以移除二氧化碳。

美国专利申请公布号US 2013/0065285包括用于采用化学自养的需氧微生物来从工业废物中捕集碳的系统。系统包括工业源(诸如水泥厂)以及包括微生物的生物反应器。生物反应器被进料来自源的废物流(该废物流向微生物提供碳)并且还被进料氢气(微生物从氢气中获得其能量)。可从被进料有机给料的气化器提供另外或另选的碳。提供给微生物的碳被转化成可从生物反应器回收的化学产物。可使用由可再生能源生成的电力通过电解产生氢气。

使用气体进料生物反应器的另外生物过程在以下专利申请中进行描述：国际专利申请公布号WO 2017/165244，其涉及将气态碳源(诸如合成气、生产天然气和与二氧化碳合并的可再生氢气)转化成营养的和其他有用的生物产物；以及国际专利申请号WO 2013/186340，其涉及通过使含水培养基中的细菌与包括氢气和二氧化碳的气体混合物接触来产生2-羟基异丁酸的方法。

微生物可在气体发酵罐内的各种工程和物理状况下生长，诸如搅拌、混合、曝气、压力、剪切、温度和pH。一些微生物在无氧状况下生长，而另一些在有氧状况下生长。对于有氧反应，空气通常用作氧气源，但也可使用富氧空气或纯氧气。通常优选的是在最高可能氧气浓度下操作以使氧气质量传递最大化并且由此优化生产率。这是因为从气相到液相的氧气质量传递的速率是大多数有氧微生物生物合成反应的已知限速步骤。

某些生物体(诸如钩虫贪铜菌(Cupriavidus necator))在低于最小溶解氧气(DO)浓度下停止起作用或以非常低的速率起作用，因为它们不再能够以生长和/或生成产物所需的最小速率代谢氧气，并且还在DO高于特定浓度时表现出生长抑制和减小的氧气吸收速率(OUR)。因此，将DO浓度控制在特定范围内对于实现生物体的生长可以是重要的。DO浓度还可与其中发生有氧生物合成的发酵罐的气体顶部空间中的氧气浓度平衡和均衡。气体顶部空间中的氧气浓度可对应于可燃性的极限氧气浓度(LOC)，其可为发酵罐的上控制限。最小DO浓度可以是发酵罐的下控制限。顶部空间中的DO和气态氧气浓度可能难以控制，尤其是当压力增加至高于大气压时以及当氧气溶解度增加时。另外，对于发酵罐(例如，发酵罐的培养液(即，液相))外部的任何可能的可燃气体混合物(诸如发酵罐顶部空间气体混合物)，期望在气态氧气浓度安全地低于气态组合物的可燃性的LOC的情况下操作。

因此，存在对改善的生物过程的需要，该改善的生物过程增加气体利用率以及气体进料生物反应器中进行的生物合成反应的安全性。

发明内容

在一个实施方案中，本公开涉及用于改善生物合成系统中的气体利用率和废气再循环的方法。所述方法包括提供能够合成一种或多种生物合成产物的有氧生物体的培养物。在一些实施方案中，所述培养物的浓度为10g/L至100g/L。在一些方面中，所述培养物在生物反应器内。任选地，不主动搅拌所述生物反应器。所述发酵罐可选自由以下组成的组：单个发酵罐、串联的多个发酵罐、膜发酵罐、固定床发酵罐、流化床发酵罐、单个高压釜、串联的多个高压釜、活塞流发酵罐、气动搅动发酵罐、带有具有强制循环的外部回路的气升式发酵罐、鼓泡塔发酵罐、固定(填充)床塔式发酵罐、具有多个隔室的水平单个发酵罐、以及多级塔式发酵罐。所述发酵罐可以是非搅拌发酵罐。可以不机械搅动所述发酵罐。在一些实施方案中，所述生物反应器具有在1bar至10bar范围内的表压。所述发酵罐可在高于大气压的压力下操作。所述方法还可包括测量所述发酵罐的顶部空间中的气态氧气浓度，以及将所述气态氧气浓度控制为小于所述发酵罐的所述顶部空间中的所述气态混合物的极限氧气浓度(LOC)的75％。所述发酵罐可包括至少两个氧气添加入口。供应至所述发酵罐的至少一个气体进料流可以是空气进料流、富氧空气流或纯氧气流。所述溶解氧气浓度可被控制为低于过渡DO浓度的值，其中所述过渡DO浓度是发生发酵的最大特定浓度时的DO浓度。在一些方面中，所述生物反应器是回路式反应器。在一些方面中，所述生物反应器是恒化器。

在一些方面中，所述生物体是经基因修饰的生物体。任选地，所述生物体是化学自养生物。所述微生物可依赖于化学自养代谢/RUBISCO。所述微生物可以是含RUBISCO的微生物。所述微生物可选自罗尔斯通菌属(Ralstonia)、沃特氏菌属(Wausteria)、贪铜菌属(Cupriavidus)、产碱菌属(Alcaligenes)、伯克氏菌属(Burkholderia)或潘多拉菌属(Pandoraea)的非致病性成员。在一些方面中，所述生物体是钩虫贪铜菌(Cupriavidusnecator)或耐金属贪铜菌(Cupriavidus metallidurans)。在一些实施方案中，所述方法还包括收集所述一种或多种生物合成产物的至少一部分。在一些方面中，所述一种或多种生物合成产物包括细胞内产物，诸如聚(3-羟基丁酸酯)。在一些方面中，所述一种或多种生物合成产物包括单细胞蛋白质。在一些方面中，所述一种或多种生物合成产物包括从所述生物体分泌到所述培养物中的细胞外产物。

所述方法还包括将供应气体引入所述培养物，其中所述供应气体可包括进料气体和再循环气体。在一些实施方案中，所述供应气体还包括氧气组合气体(氧气组成气体，oxygen make-up gas)。任选地，所述氧气组合气体中的氧气的浓度大于50％(v/v)。在一些实施方案中，所述供应气体还包括二氧化碳组合气体。在一些实施方案中，所述供应气体还包括氢气组合气体。任选地，所述氢气组合气体中的氢气的浓度大于50％(v/v)。在一些实施方案中，在与所述氢气组合气体被引入所述生物反应器中的位置分开的位置处，将所述氧气组合气体引入所述生物反应器中。在一些方面中，所述供应气体中的氧气的浓度大于所述供应气体组合物的所述极限氧气浓度。所述供应气体中的氮气的浓度可小于5％(v/v)，例如小于1％(v/v)或小于0.1％(v/v)。在一些方面中，所述供应气体包括氧气。任选地，所述供应气体中的氧气的浓度在2％(v/v)至20％(v/v)的范围内。在一些方面中，所述供应气体包括氢气。任选地，所述进料气体中的氢气的浓度在10％(v/v)至95％(v/v)的范围内。在一些方面中，所述供应气体包括二氧化碳。任选地，所述供应气体中的二氧化碳的浓度在1％(v/v)至45％(v/v)，例如1％(v/v)至15％(v/v)的范围内。在一些实施方案中，所述合成具有化学计量氢气要求和化学计量氧气要求，并且供应气体中的氢气浓度(1a)与供应气体中的氧气浓度(1b)的比率大于化学计量氢气要求(2a)与化学计量氧气要求(2b)的比率(2)和培养物中的氢气的亨利定律溶解度常数(3a)与培养物中的氧气的亨利定律溶解度常数(3b)的比率(3)的乘积。在一些实施方案中，所述合成具有化学计量二氧化碳要求和化学计量氧气要求，并且供应气体中的二氧化碳浓度(1a)与供应气体中的氧气浓度(1b)的比率大于化学计量二氧化碳要求(2a)与化学计量氧气要求(2b)的比率(2)和培养物中的二氧化碳的亨利定律溶解度常数(3a)与培养物中的氧气的亨利定律溶解度常数(3b)的比率(3)的乘积。所述再循环气体中的目标组分的浓度可在目标范围内，其中所述目标组分可以是氢气、二氧化碳或氧气。在一些方面中，所述进料气体具有0.5标准升/分钟/(升培养物)至5标准升/分钟/(升培养物)的流速。

所述方法还包括通过所述培养物产生废气，所述废气包括例如未反应的氢气、二氧化碳和/或氧气。在一些方面中，所述废气中的氢气的摩尔流速小于所述供应气体中的氢气的摩尔流速的40％。在一些实施方案中，所述废气中的氧气的浓度小于所述废气组合物的所述极限氧气浓度。任选地，所述生产包括所述一种或多种生物合成产物中的至少一种的生物合成。所述方法还包括测量所述废气中的所述目标组分的浓度。任选地，所述方法还包括测量所述废气的流速。所述方法还包括计算要添加到所述废气的一部分以形成所述再循环气体的补充气体的量，所述再循环气体具有所述目标组分的目标浓度范围。在一些方面中，所述补充气体的组成与所述进料气体的组成基本上相同。在一些方面中，所述废气的与所述补充气体合并的部分小于所述废气的99％(v/v)，并且未与所述补充气体合并的废气是吹扫气体。所述方法还包括将所计算量的所述补充气体和所述废气的所述部分合并以形成所述再循环气体。

附图说明

本专利申请包括以下附图。附图旨在示出方法的某些实施方案和/或特征并且补充对方法的任何描述。附图不限制方法的范围，除非书面描述明确指示情况就是如此。

图1是示出不具有废气再循环的比较性气体发酵流布置的框图。

图2是示出根据所提供的实施方案的具有废气再循环和吹扫的气体发酵流布置的框图。

图3是适合与所提供的实施方案一起使用的反应器系统的示意图。

图4是适合与所提供的实施方案一起使用的反应器系统的示意图。

图5是适合与所提供的实施方案一起使用的反应器系统的示意图。

具体实施方式

本公开一般涉及在合成过程中采用时提供氢气向一种或多种产物的转化的有利改善的系统和方法。例如，对于包括能够将碳源和氢气转化成期望生物产物的生物体的有氧生物合成过程，向生物体的这些气体底物以及氧气的有效且充分的供应对于确定生物产物合成的气体转化效率和生产率可以是关键的。在效率或生产率方面实现的任何增加可递送与更大的产物量、减小的气体原料需求、生物反应器操作时间的减少相关联的过程益处，或与过程的商业可行性直接相关的其他优点，尤其是在工业规模下。

常规地，气体进料生物反应器以必须同时满足若干竞争性需求的比率和量向培养物提供氢气、碳和氧气。必须以细胞维持所必需的生物体代谢反应需要的浓度将进料气体组分提供给培养物。由于培养生物体用作期望产物合成的催化剂，因此需要稳定且有活性的培养物以提供产物生成。然而，已证实，以一些进料气体组分的高浓度为特征的过程操作方案可导致细胞培养的中毒，而具有低进料气体组分浓度的操作状况可与倾向于基因不稳定性或被竞争性菌株或微生物类型污染的增加的可能性的培养物相关联。另外，进料气体组分必须满足期望产物生物合成的化学计量需求。如果一种或多种生物合成底物变得有限，则反应速率可减少，并且其他底物可未经转化地穿过生物反应器。这些情形导致过程效率和生产率的不期望的减少。此外，还必须考虑与组成组分的共混物相关联的安全问题来设计进料气体组合物。例如，包含高于某些阈值的氢气和氧气的量和比率的气体可造成显著更大的燃烧或爆炸风险。

此外，出于成本原因，通常通过引入压缩空气作为氧气源来供应有氧发酵所需的氧气。此类空气进料生物合成反应通常例如利用单次通过并且具有低于60％的氢气转化率。已知的是，可通过使一些未反应或产物气相组分再循环而在气体发酵罐中进行多次通过，然而化学自养发酵中气体再循环的常规方法涉及空气进料，该空气进料需要高压和/或昂贵的气体分离步骤以移除例如在再循环流内积聚的未反应氮气。这些气体压缩和分离步骤可能成本过高，从而严重限制了整个生物合成过程的经济可行性。

本发明人现已发现，通过使用了采用多个进料气体流的特定方法，可令人惊奇地实现氢气转化率、以及过程安全性和成本的有利改善。重要的是，在不需要可致使过程经济性受损的高压或附加气体分离步骤的过程中实现这些改善。具体地，已发现通过使用具有极大减小的氮气浓度的氧气或高富氧供应气体或组合气体，并且通过收集生物合成反应的废气的至少一部分，测量废气部分内的目标组分的浓度，以及将废气部分与确定量的补充气体合并，可形成目标组分的浓度在目标范围内的再循环气体。以这种方式，可能以可导致效率和生茶率增益的改善方式将目标组分(例如，氢气、氧气、或二氧化碳)供应到生物合成反应。在一些实施方案中，这些方法的使用有利地允许总体上转化进料至培养物的氢气的多于60％。在某些方面中，相对于可在不使用这些方法的另外类似系统中获得的产量，使用这些方法还可增加一种或多种生物合成产物的产量。

经济优点是特别意料不到的，因为它们使用涉及具有高浓度氢气和较高纯度氧气的昂贵气体进料，而不是具有减小的氢气进料浓度的相对较便宜的空气或氮气进料的过程来实现。由于与本文所公开的方法和系统的气体进料相关联的附加费用，因此与单次反应通过相关联的原材料成本可高于比较性空气进料气体反应的原材料成本。然而，本发明人已惊奇地发现，因为较昂贵的气体进料包括较低浓度的未反应组分(诸如氮气)，所以减小或消除了对用于移除这些组分的积聚并允许再循环的昂贵气体分离过程的需要。相关地，可以将可再循环的发酵废气的百分比增加至接近或高达100％的水平。这种较大程度的气体底物再循环，结合可包括在气体供应中的较高浓度的气体底物，可增加氢气利用率并提高总体生产率，使得所提供的多次通过再循环利用系统可比其他先前已知的气体发酵显著更经济且更有效。

由所公开的方法提供的另一个优点是，使用包括多个流的供应气体允许向培养物添加高于总体供应气体组合物的极限氧气浓度(LOC)的氧气量，该极限氧气浓度在本文中用于指在其以下不可能燃烧的氧气浓度。这可在生物过程的操作中提供更大的灵活性，而不损害过程安全性。

在一个实施方案中，公开了用于生物合成系统(例如，气体发酵生物合成系统)中的气体利用和再循环的方法。方法包括提供能够合成一种或多种生物合成产物的生物体的培养物。将供应气体引入培养物以提供维持培养物和生成生物合成产物所必需的底物，其中供应气体包括再循环气体。可将供应气体(即进料至培养物的所有气体的组合)引入包含培养物的生物反应器中。在某些方面中，通过合适的设备将供应气体引入液体培养物中，以便产生微泡并且增强气相和本体液体之间的气-液界面。在某些方面中，方法包括连续发酵，诸如在回路式反应器或恒化器中，其中将气体和液体营养物质作为废气连续进料到生物反应器，并且从生物反应器连续移除培养物的至少一部分。在一些实施方案中，使移出的培养物中的生物质的一部分返回生物反应器。

方法的供应气体可被选择为具有对生物合成系统有益的组成。例如，可选择供应气体的组成以改善培养物中的生物体的生长速率或期望产物的生成。可选择供应气体的组成以改善培养物中的生物体的维持和稳定性。在某些方面中，可选择供应气体的组成以改善由培养物中的生物体形成产物的速率。在一些实施方案中，供应气体可基本上不含一种或多种选定组分。例如，供应气体可基本上不含氮气。换句话讲，供应气体中的氮气的浓度(v/v)可小于10％，例如小于8％、小于6％、小于5％、小于4％、小于3％、小于2％、小于1％、小于0.8％、小于0.6％、小于0.5％、小于0.4％、小于0.3％、小于0.2％或小于0.1％。

在某些方面中，供应气体组合物可被选择为包括培养生物体的一种或多种营养物质，或生物体的代谢或生物合成反应的一种或多种底物或辅因子。供应气体包括一种或多种目标组分，每种目标组分独立地具有在选定目标浓度范围内的供应气体中的浓度，并且每种目标组分独立地具有在选定目标流速范围内的供应气体中的流速。供应气体的目标组分可以是被选择为添加到生物合成系统的任何组分。目标组分可以是供应气体中的例如提供给培养物的营养物质和底物中的一种。例如，目标组分可以是培养物的生物体的生长所需的营养物质。目标组分可以是生物体的一个或多个代谢反应的底物或辅因子，该代谢反应导致一种或多种生物合成产物的合成。在一些实施方案中，目标组分为氢气、氧气或二氧化碳。在一些实施方案中，目标组分包括氢气、氧气和二氧化碳中的每一种。

在一些实施方案中，供应气体包括氧气。供应气体中的氧气的浓度(v/v)(例如，目标浓度)可为例如2％至20％，例如2％至12.8％、3.8％至14.6％、5.6％至16.4％、7.4％至18.2％、或9.2％至20％。就上限而言，供应气体的氧气浓度可小于20％，例如小于18.2％、小于16.4％、小于14.6％、小于12.8％、小于11％、小于9.2％、小于7.4％、小于5.6％、或小于3.8％。就下限而言，供应气体的氧气浓度可大于2％，例如大于3.8％、大于5.6％、大于7.4％、大于9.2％、大于11％、大于12.8％、大于14.6％、大于16.4％、或大于18.2％。还设想了更高的浓度(例如，大于20％)，以及更低的浓度(例如，小于2％)。

在一些实施方案中，供应气体包括二氧化碳。供应气体中的二氧化碳的浓度(v/v)(例如，目标浓度)可为例如1％至50％，例如1％至30％、5％至35％、10％至40％、15％至45％、或20％至50％。供应气体中的二氧化碳的浓度可为1％至15％，例如1％至9.4％、2.4％至10.8％、3.8％至12.2％、5.2％至13.6％、或6.6％至15％。就上限而言，供应气体的二氧化碳浓度可小于50％，例如小于45％、小于40％、小于35％、小于30％、小于25％、小于20％、小于15％、小于13.6％、小于12.2％、小于10.8％、小于9.4％、小于8％、小于6.6％、小于5.2％、小于3.8％、或小于2.4％。就下限而言，供应气体的二氧化碳浓度可大于1％，例如大于2.4％、大于3.8％、大于5.2％、大于6.6％、大于8％、大于9.4％、大于10.8％、大于12.2％、大于13.6％、大于15％、大于20％、大于25％、大于30％、大于35％、大于40％、或大于45％。还设想了更高的浓度(例如，大于50％)，以及更低的浓度(例如，小于1％)。

在一些实施方案中，供应气体包括氢气。供应气体中的氢气的浓度(v/v)可为例如10％至95％，例如10％至61％、18.5％至69.5％、27％至78％、35.5％至86.5％、或44％至95％。就上限而言，供应气体的氢气浓度可小于95％，例如小于86.5％、小于78％、小于69.5％、小于61％、小于52.5％、小于44％、小于35.5％、小于27％、或小于18.5％。就下限而言，供应气体的氢气浓度可大于10％，例如大于18.5％、大于27％、大于35.5％、大于44％、大于52.5％、大于61％、大于69.5％、大于78％、或大于86.5％。还设想了更高的氢气浓度(例如，大于95％)，以及更低的氢气浓度(例如，小于10％)。

可选择供应气体的各种组分的浓度以支持、改善或优化生物体内的代谢网络的运行。在某些方面中，一种或多种生物合成产物的合成可涉及由培养物的生物体进行的化学反应的网络。这些反应可组合，其对用于合成一种或多种产物的底物具有特定的化学计量要求。例如，合成可具有化学计量的氢气要求、化学计量的氧气要求和/或化学计量的二氧化碳要求。在一些实施方案中，培养物内的底物(诸如氢气、氧气和二氧化碳)的浓度的一个或多个比率与这些底物的化学计量要求的比率基本上相同。在一些实施方案中，培养物内的底物的浓度的一个或多个比率大于这些底物的化学计量要求的比率。在此类实施方案中，可提供对于合成反应过量的一种或多种底物，使得这些过量的底物不限于反应。

液体培养物内的气相底物的浓度可部分地取决于这些底物在液相内的溶解度。这些溶解度可由亨利定律描述，该定律将溶解气体的量与其在气相中的分压相关联。亨利定律关系是成比例的关系，其中化学物质的比例常数被称为该化学物质的亨利定律溶解度常数。因此，液体培养物中的底物的浓度将取决于底物在气体供应或气体进料中的浓度以及培养物中的底物的亨利定律溶解度常数。在氢气不限于由培养生物体合成一种或多种生物合成产物的某些方面中，供应气体中的氢气浓度(1a)与供应气体中的氧气浓度(1b)的比率大于化学计量氢气要求(2a)与化学计量氧气要求(2b)的比率(2)和培养物中的氢气的亨利定律溶解度常数(3a)与培养物中的氧气的亨利定律溶解度常数(3b)的比率(3)的乘积。类似地，在二氧化碳不限于合成的某些方面中，供应气体中的二氧化碳浓度(1a)与供应气体中的氧气浓度(1b)的比率大于化学计量二氧化碳要求(2a)与化学计量氧气要求(2b)的比率(2)和培养物中的二氧化碳的亨利定律溶解度常数(3a)与培养物中的氧气的亨利定律溶解度常数(3b)的比率(3)的乘积。

可选择供应气体的流速，从而以足以支持期望培养物生长和/或生产率的速率向培养物提供必要的营养物质和底物。还可将供应气体流速选择为足以按照移除废气组分(诸如感兴趣的产物或抑制培养物和/或期望产物的生物合成的化合物)所需的速率打扫生物反应器的顶部空间。在某些方面中，在培养物生长和/或生物合成反应期间根据需要监测和调整供应气体流速，以增加生长和/或反应的产量、生产率、选择性、或特异性中的一个或多个。

供应气体流速可为例如0.5标准升/分钟/(升培养物)至5标准升/分钟/(升培养物)，例如0.5标准升/分钟/(升培养物)至3.2标准升/分钟/(升培养物)、0.95标准升/分钟/(升培养物)至3.65标准升/分钟/(升培养物)、1.4标准升/分钟(升培养物)至4.1标准升/分钟(升培养物)、1.85标准升/分钟(升培养物)至4.55标准升/分钟(升培养物)、或2.3标准升/分钟(升培养物)至5标准升/分钟(升培养物)。就上限而言，供应气体流速可小于5标准升/分钟/(升培养物)、小于4.55标准升/分钟/(升培养物)、小于4.1标准升/分钟/(升培养物)、小于3.65标准升/分钟/(升培养物)、小于3.2标准升/分钟/(升培养物)、小于2.75标准升/分钟/(升培养物)、小于2.3标准升/分钟/(升培养物)、小于1.85标准升/分钟/(升培养物)、小于1.4标准升/分钟/(升培养物)、或小于0.95标准升/分钟/(升培养物)。就下限而言，供应气体流速可大于0.5标准升/分钟/(升培养物)，例如，大于0.95标准升/分钟/(升培养物)、大于1.4标准升/分钟/(升培养物)、大于1.85标准升/分钟/(升培养物)、大于2.3标准升/分钟/(升培养物)、大于2.75标准升/分钟/(升培养物)、大于3.2标准升/分钟/(升培养物)、大于3.65标准升/分钟/(升培养物)、大于4.1标准升/分钟/(升培养物)、或大于4.55标准升/分钟/(升培养物)。还设想了更高的流速(例如，大于5标准升/分钟(升培养物))，以及更低的流速(例如，小于0.5标准升/分钟(升培养物))。

气体发酵的培养物可用作生物催化剂，其将供应气体的一种或多种组分(例如，目标组分)转化成代谢物和/或产物。这些连同供应气体的未反应组分然后可作为通过培养物产生的废气排出。生物合成系统的废气可包括培养物的一种或多种产物。这些气体产物可例如包括与培养物生长和维持相关联的呼吸作用的产物。气体产物可包括培养生物体天然地或由于基因工程和修饰而生成的其他挥发性化合物。废气可包括生物体用来产生感兴趣的一种或多种生物合成产物的代谢或生物合成反应的一种或多种副产物。在此类情况下，废气的产生包括一种或多种生物合成产物的生物合成。废气可包括供应气体的尚未被培养物完全消耗或溶解于液体培养基中的一种或多种组分。废气可包括例如氢气、二氧化碳、氧气或它们的组合。

在一些实施方案中，废气包括氢气。在某些方面中，废气中的氢气包括供应气体的未被培养物消耗的氢气。一般来讲，废气中的氢气摩尔流速相对于供应气体的氢气摩尔流速越低，培养物对供应气体氢气的消耗越高。废气中的氢气的摩尔流速可为例如供应气体中的氢气的摩尔流速的20％至60％，例如供应气体中的氢气的摩尔流速的20％至44％、24％至48％、28％至52％、32％至56％、或36％至60％。就上限而言，废气中的氢气的摩尔流速可小于供应气体中的氢气的摩尔流速的60％，例如小于供应气体中的氢气的摩尔流速的56％、小于其52％、小于其48％、小于其44％、小于其40％、小于其36％、小于其32％、小于其28％、或小于其24％。就下限而言，废气中的氢气的摩尔流速可大于供应气体中的氢气的摩尔流速的20％，例如大于供应气体中的氢气的摩尔流速的24％、大于其28％、大于其32％、大于其36％、大于其40％、大于其44％、大于其48％、大于其52％、或大于其56％。还设想了更高的废气氢气摩尔流速(例如，大于供应气体的氢气摩尔流速的60％)，以及更低的摩尔流速(例如，小于供应气体的氢气摩尔流速的20％)。在一些实施方案中，供应气体中的多于50％的氢气由培养物转化并且不出现在废气中。在一些实施方案中，供应气体中的多于90％，例如多于92％、多于94％、多于96％、或多于98％的氢气由培养物转化。

在某些方面中，方法的操作使得废气中的氧气量为废气提供改善的安全性。例如，废气中的氧气量可足够低以减小废气可燃性、燃烧性、或反应性的风险。在一些实施方案中，所述废气中的氧气的浓度小于所述废气组合物的所述极限氧气浓度。废气中的氧气的浓度(v/v)可例如小于7％，例如小于6％、小于5％、小于4％或小于3％。

方法还可包括由废气的至少一部分形成再循环气体。在一些实施方案中，再循环气体的形成不包括将一种或多种目标组分与废气分离。在一些方面中，目标组分是至少部分地由培养物消耗的材料，使得废气中的目标组分的摩尔流速小于供应气体中的目标组分的摩尔流速。测量废气的至少一部分(例如，废气的用于形成再循环气体的部分)中的目标组分的这种较低摩尔流速，并且计算要添加到废气以形成再循环气体所需的补充气体的量，其中补充气体具有目标组分的确定浓度。然后将计算量的补充气体与废气的一部分合并以形成再循环气体，如上所述将该再循环气体作为气体供应的一部分添加到培养物。在某些方面中，将再循环气体和计算量的目标组分中的每一种混合以形成供应气体，该供应气体具有使目标组分在其相应目标浓度范围内的浓度。在某些方面中，将再循环气体和计算量的目标组分中的每一种混合以形成供应气体，该供应气体具有在其相应目标流速范围内的目标组分的流速。

再循环气体和补充气体流(例如，计算量的目标组分)的组合可在发酵罐外部进行，使得组合气体作为单个流引入培养物。再循环气体和补充气体流的组合可在发酵罐内发生，使得气体作为单独流引入培养物。补充气体可包括一个、两个、三个、四个、五个、六个、七个、八个、九个、十个或多于十个补充气体流。在一些实施方案中，补充气体流中的至少一个具有与再循环气体和其他补充气体流中的每个补充气体流不同的组成和/或流速。在一些实施方案中，补充气体流中的每一个具有与再循环气体和其他补充气体流中的每个补充气体流不同的组成和/或流速。在一些实施方案中，补充气体流中的至少一个的组成和/或流速与再循环气体的组成和/或流速基本上相同(例如，在再循环气体的组成和/或流速的10％内)。可在发酵罐的相同位置或在两个或更多个不同位置处将补充气体流和再循环气体引入培养物。

供应气体的再循环气体包括目标组分，该目标组分具有在选定目标范围内的浓度。再循环气体的目标组分可以是被选择为添加到生物合成系统的供应气体的任何组分。目标组分可以是供应气体中的例如提供给培养物的营养物质和底物中的一种。例如，目标组分可以是培养物的生物体的生长所需的营养物质。目标组分可以是生物体的一个或多个代谢反应的底物或辅因子，该代谢反应导致一种或多种生物合成产物的合成。在一些实施方案中，目标组分为氢气、氧气或二氧化碳。因为培养物通常消耗该目标组分的至少一部分，所以由培养物产生的废气中的目标组分的浓度通常低于进料至培养物的供应气体中的目标组分的浓度。

废气部分(例如，再循环气体)内的目标组分浓度的测量可根据需要或以规则的(例如，定时的)间隔执行。测量可涉及通常已知的用于量化气相组分浓度的任何过程。这些过程可包括例如分光光度法、荧光或化学发光检测、色谱法、火焰离子化、质谱法、或光谱法。

在一些实施方案中，通过以下方式计算补充气体流中的目标组分的浓度和流速：首先基于到培养物的期望总气体流量(标准升气体/升培养物/分钟)确定该过程所需的目标组分在供应气体中的摩尔流速(mmol/升培养物/小时)。测量废气中的目标组分的总流量和浓度，并且确定将再循环的废气的百分比。在某些方面中，基于将再循环的废气流的百分比、废气的总流量以及废气中的目标组分的组成来计算再循环废气流中的目标组分中的每一种的摩尔流量。在某些方面中，基于进料气体中的目标组分的摩尔流量和再循环废气流中的目标组分的预期流量，计算组合气体(进料气体加上补充气体)中的目标组分的摩尔流量。在某些方面中，基于进料气体与补充气体之间的气体流量的优选分配，计算进料和补充气体中的每种目标组分的摩尔流量。在一些实施方案中，进料气体流量可为总供应气体进料的0％至75％。在其他实施方案中，补充气体流量可为总供应气体进料的0％至75％。

补充气体可具有预定浓度的目标组分，可根据上述测量技术评估(例如，计算)或者补充气体内的一种或多种目标组分中的每一种的浓度。在某些方面中，补充气体的组成与供应气体的组成基本上相同。换句话讲，补充气体的每种组分的浓度(v/v)与供应气体中的相同组分的浓度(v/v)相差小于10％绝对差，例如，小于9％、小于8％、小于7％、小于6％、小于5％、小于4％、小于3％、小于2％或小于1％。如本文所用，术语“绝对差”是指一个气体流中的组分百分比浓度减去另一个气体流中的组分百分比浓度的绝对值。例如，如果供应气体由2％(v/v)的组分A构成并且补充气体由10％(v/v)构成，则这些百分比浓度之间的绝对差为8％(10％减去2％)。这与浓度百分比之间的相对差形成对比，该相对差为5％或500％(10％除以2％)。在某些方面中，补充气体的组成与供应气体的组成基本上不同。换句话讲，补充气体可具有至少一种组分，该组分的浓度(v/v)与供应气体中的相同组分的浓度(v/v)相差大于10％绝对差，例如，大于15％、大于20％、大于25％、大于30％、大于35％、大于40％、大于45％或大于50％。

在某些实施方案中，将所有废气与补充气体合并以形成再循环气体。在一些实施方案中，将废气的一部分与补充气体合并以形成再循环气体，并且未与补充气体合并的废气是吹扫气体。吹扫气体可从系统中排出或以其他方式释放，或者可被处理至任何期望的进一步下游处理步骤。这些步骤可包括例如一个或多个洗涤步骤、焚烧步骤、冷凝步骤、产物移除步骤、涉及与一个或多个其他气体流结合的步骤、或它们的组合。

废气(例如，再循环气体)的与补充气体合并的部分(v/v)可以是例如介于0.1％和99.9％之间的任何废气分数。在一些实施方案中，废气的与补充气体合并的部分为0.1％至50％，例如0.1％至30％、5％至35％、10％至40％、15％至45％、或20％至50％。在一些实施方案中，废气的与补充气体合并的部分的范围是50％至99.9％，例如50％至80％、55％至85％、60％至90％、65％至95％、或70％至99.9％。就上限而言，气体的与补充气体合并的部分可小于99.9％，例如小于99.8％、小于99.7％、小于99.4％、小于99％、小于98％、小于96％，小于92％、小于86％、小于73％、小于50％、小于27％、小于14％、小于8％、小于4％、小于2％、小于1％、小于0.6％、小于0.3％、或小于0.2％。就下限而言，废气的与补充气体合并的部分可大于0.1％，例如，大于0.2％、大于0.3％、大于0.6％、大于1％、大于2％、大于4％，大于8％、大于14％、大于27％、大于50％、大于73％、大于86％、大于92％、大于96％、大于98％、大于99％、大于99.4％、大于99.7％、或大于99.8％。

在一些实施方案中，供应气体由进料气体和再循环气体组成。在一些实施方案中，供应气体包括进料气体、再循环气体和一个或多个其他气体流(诸如组合气体)。这些组合气体可用于向培养物供应进料气体或再循环气体中不存在的一种或多种气体组分，或者可用于向培养物添加更多的已经存在于进料气体和再循环气体中的一个或两个中的气体组分。在某些方面中，一种或多种组合气体各自主要或基本上完全地由单个气体化合物组成。

例如，供应气体可包括用于向生物体的培养物供应氧气的氧气组合气体。在某些方面中，供应气体的氧气组合气体包括氧气，并且供应气体的进料气体包括氢气并基本上不含氧气。以这种方式，供应气体的氢气和氧气可在添加到生物反应器和/或培养物之前保持彼此分离，由此减小可燃性或爆炸的风险。氧气组合气体可主要由氧气组成，例如其氧气浓度(v/v)可大于50％、大于55％、大于60％、大于65％、大于70％、大于75％、大于80％、或大于85％。氧气组合气体可基本上完全由氧气组成，例如，其氧气浓度(v/v)可大于90％、大于91％、大于92％、大于93％、大于94％、大于95％、大于96％、大于97％、大于98％、或大于99％。

在一些实施方案中，供应气体包括用于向生物体的培养物供应氢气的氢气组合气体。在某些方面中，供应气体的氢气组合气体包括氢气，并且供应气体的进料气体包括氧气并基本上不含氢气。以这种方式，供应气体的氧气和氢气可在添加到生物反应器和/或培养物之前保持彼此分离，由此减小可燃性或爆炸的风险。氢气组合气体可主要由氢气组成，例如其氢气浓度(v/v)可大于50％、大于55％、大于60％、大于65％、大于70％、大于75％、大于80％、或大于85％。氢气组合气体可基本上完全由氢气组成，例如，其氢气浓度(v/v)可大于90％、大于91％、大于92％、大于93％、大于94％、大于95％、大于96％、大于97％、大于98％、或大于99％。

生物反应器或发酵过程中使用的生物体可以是野生型生物体或者可以是经基因修饰的生物体。生物体可具有对其基因组的修饰，和/或生物体可通过一种或多种载体或质粒进行转变。生物体可具有来自于进行随机诱变、天然选择、或其他手段的修饰。在一些实施方案中，由于基因修饰，生物体具有一种或多种酶的上调或下调的表达。在一些实施方案中，由于基因修饰，生物体表达一种或多种外源性酶。在一些实施方案中，生物体的一种或多种酶由于基因修饰而具有改变的底物选择性和/或产物特异性。可选择或设计生物体以与生物反应器的一个或多个操作特性(例如，搅动速率、通气、压力、剪切、温度或pH)兼容。生物体可以是野生型生物体、来源于定向进化的生物体、或基因工程的(例如，经基因修饰的)生物体。

生物体可以是需氧生物或厌氧生物。生物体可以是异养生物或自养生物。在某些方面中，生物体是化学自养生物。在一些情况下，微生物可为各种需氧生物体。在某些方面中，该微生物是钩虫贪铜菌(Cupriavidus necator)(C.necator)或具有与其相似特性的生物体。钩虫贪铜菌(C.necator)(以前称为真养嗜酸氢菌(Hydrogenomonas eutrophus)、真养产碱菌(Alcaligenes eutropha)、富养罗尔斯通氏菌(Ralstonia eutropha)和真养沃特氏菌(Wautersia eutropha))是β变形菌类的革兰氏阴性带鞭毛的土壤细菌。这种氢氧化细菌能够在无氧环境和有氧环境的界面处生长，并且容易在异养生活方式和自养生活方式之间适应。该细菌的能量来源包括有机化合物和氢两者。可用于本公开的钩虫贪铜菌(C.necator)生物体的非限制性示例是钩虫贪铜菌(C.necator)H16菌株。在一个非限制性实施方案中，使用钩虫贪铜菌(C.necator)H16菌株的宿主，其中phaC1AB1基因座的至少一部分被敲除(ΔphaCAB)，如美国专利申请序列号15/717,216中所述，该美国专利申请的教导内容以引用方式并入本文。在一些情况下，微生物选自罗尔斯通菌属(Ralstonia)、沃特氏菌属(Wausteria)、贪铜菌属(Cupriavidus)、产碱菌属(Alcaligenes)、伯克氏菌属(Burkholderia)或潘多拉菌属(Pandoraea)的非致病性成员。

在一些实施方案中，生物体是原核生物。例如，原核生物可来自埃希氏杆菌属(Escherichia)，诸如大肠杆菌(Escherichia coli)；来自梭菌属(Clostridia)，诸如扬氏梭菌(Clostridium ljungdahlii)、自产乙醇梭菌(Clostridium autoethanogenum)或科氏梭菌(Clostridium kluyveri)；来自棒状杆菌属(Corynehacteria)，诸如谷氨酸棒状杆菌(Corynebacterium glutamicum)；来自贪铜菌属(Cupriavidus)，诸如钩虫贪铜菌(Cupriavidus necator)或耐金属贪铜菌(Cupriavidus metallidurans)；来自假单胞菌属(Pseudomonas)，诸如荧光假单胞菌(Pseudomonas fluorescens)、恶臭假单胞菌(Pseudomonas putida)或食油假单胞菌(Pseudomonas oleavorans)；来自代尔夫特菌属(Delftia)，诸如代尔夫特食酸菌(Delftia acidovorans)；来自芽孢杆菌属(Bacillus)，诸如枯草芽胞杆菌(Bacillus subtillis)；来自乳杆菌属(Lactobacillus)，诸如德氏乳酸杆菌(Lactobacillus delbrueckii)；或来自乳球菌属(Lactococcus)，诸如乳酸乳球菌(Lactococcus lactis)。

在一些实施方案中，宿主微生物是真核生物，例如真菌(诸如酵母)。例如，真核生物可来自曲霉真菌属(Aspergillus)，诸如黑曲霉(Aspergillus niger)；来自酵母菌属(Saccharomyces)，诸如酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)；来自毕赤酵母属(Pichia)，诸如毕赤酵母(Pichia pastoris)；来自耶氏酵母属(Yarrowia)，诸如解脂耶氏酵母(Yarrowia lipolytica)；来自伊萨酵母属(Issatchenkia)，诸如东方伊萨酵母(Issathenkia orientalise)；来自德巴利酵母属(Debaryomyces)，诸如汉逊德巴利酵母(Debaryomyces hansenii)；来自酵母属Arxula，诸如Arxula adenoinivoranse；或来自克鲁维酵母菌属(Kluyveromyces)，诸如乳酸克鲁维酵母(Kluyveromyces lactis)。

就液体培养基内的干细胞重量而言，生物体的培养物可具有例如5g/L至10g/L，例如5g/L至8g/L、6g/L至9g/L、或7g/L至10g/L的浓度。培养物可具有10g/L至100g/L，例如10g/L至64g/L、19g/L至73g/L、28g/L至82g/L、37g/L至91g/L、或46g/L至100g/L的浓度。就上限而言，培养物浓度可小于100g/L，例如小于91g/L、小于82g/L、小于73g/L、小于64g/L、小于55g/L、小于46g/L、小于37g/L、小于28g/L、或小于19g/L。就上限而言，培养物浓度可大于10g/L，例如大于19g/L、大于28g/L、大于37g/L、大于46g/L、大于55g/L、大于64g/L、大于73g/L、大于82g/L、或大于91g/L。还设想了更高的浓度(例如，大于100g/L)，以及更低的浓度(例如，小于5g/L)。

生物合成系统的培养物可在生物反应器内，例如被配置用于进行涉及生物体或衍生自此类生物体的生物化学活性物质的生物过程的容器。这些生物过程包括但不限于培养物生长和/或代谢；涉及全细胞、细胞裂解物或分离的酶的生物催化反应；以及发酵。生物反应器可与有氧过程或无氧过程一起使用，并且可能以分批模式、分批进料模式、连续模式、或半连续模式操作。生物反应器可包括搅动系统，或者可不被主动搅拌。在一些实施方案中，生物反应器是回路式反应器，材料可能以连续或半连续过程流动通过该回路式反应器。在一些实施方案中，生物反应器是恒化器。生物反应器可选自任何已知的生物反应器类型和配置，包括单个发酵罐、串联的多个发酵罐、搅拌槽发酵罐、膜发酵罐、固定床发酵罐、流化床发酵罐、单个高压釜、串联的多个高压釜、活塞流发酵罐、气动搅动发酵罐(诸如具有内通风管回路或外部回路的气(空气)升式发酵罐)、带有具有强制循环的外部回路的气升式发酵罐、鼓泡塔发酵罐、固定(填充)床塔式发酵罐、具有多个隔室的水平单个发酵罐、以及多级塔式发酵罐。

生物反应器可包括被配置为测量生物反应器内的环境和/或培养物的一个或多个参数的一个或多个传感器。传感器可例如包括一个或多个温度传感器、pH传感器、压力传感器、溶解氧气传感器、发泡传感器、光密度传感器，以及其他酶传感器、近红外传感器或中红外传感器。可根据需要调整或维持生物反应器的操作状况以在生物反应器内进行过程，并且在一些方面中，调整或维持涉及来自一个或多个传感器的测量值。

在一些实施方案中，将生物反应器的表压维持在期望范围内以影响生物反应器内的因素(诸如气体溶解度)。生物反应器内的表压可为例如1bar至10bar，例如1bar至6.4bar、1.9bar至7.3bar、2.8bar至8.2bar、3.7bar至9.1bar、或4.6bar至10bar。就上限而言，生物反应器表压可小于10bar，例如小于9.1bar、小于8.2bar、小于7.3bar、小于6.4bar、小于5.5bar、小于4.6bar、小于3.7bar、小于2.8bar、或小于1.9bar。就下限而言，生物反应器表压可大于1bar，例如大于1.9bar、大于2.8bar、大于3.7bar、大于4.6bar、大于5.5bar、大于6.4bar、大于7.3bar、大于8.2bar、或大于9.1bar。还设想了更高的表压(例如，大于10bar)和更低的表压(例如，小于1bar)。

一种或多种生物合成产物可包括培养生物体的天然产物。例如，一种或多种产物可包括主要代谢物或次要代谢物。一种或多种产物可包括由培养生物体进行的生物催化反应的产物。一种或多种产物可包括培养生物体的全细胞或此类细胞的组分。在某些方面中，产物包括一种或多种有机酸、醇、烯烃、脂肪酸、氨基酸、烷烃、胺、或它们的组合。在一些实施方案中，一种或多种生物合成产物包括聚(羟基链烷酸酯)，例如聚(3-羟基丁酸酯)。在一些实施方案中，一种或多种生物合成产物包括单细胞蛋白质。

在某些方面中，收集一种或多种生物合成产物中的至少一种。至少一种产物的收集可涉及通常已知适用于至少部分地分离和/或隔离来自反应或生物过程的材料的任何一种或多种下游过程。收集可例如涉及离心、细胞破碎、浓缩、沉淀、提取、过滤、结晶、蒸馏、化学转化、或它们的组合。可从培养物的液相或固相，或从存在于生物反应器的顶部空间中的气相或废气收集一种或多种生物合成产物。

如上所述，需要氧气来进行有氧生物合成并且经由进料流将氧气引入发酵罐。为了以安全的方式将气体进料流引入发酵罐中，可使用至少两个不同的连续进料流。至少一个连续流包括可燃气体(例如，氢气)，并且至少一个进料流包括气态氧气。包括可燃气体的至少一个进料流可任选地包括浓度低于可燃性的极限氧气浓度(LOC)的氧气，并且可任选地包括CO2气体进料的全部或一部分。包括氧气的至少一个连续流可包括至少15重量％的氧气，并且可以是空气进料流、富氧空气流、或纯氧气流。这种进料流将不包含氢气，但可任选地包括CO2气体进料的全部或一部分。通过本文别处所述的手段将每个气体进料流引入发酵罐中。通过将氢气和大部分的氧气分离到单独的进料流中，不能在进料系统中形成可燃的气体混合物，并且包含氢气和氧气两者的气体混合物仅存在于发酵培养液内以及顶部空间和排放气体流内的小体积气泡中。在一些方面中，与本体气相(例如，顶部空间)中的气态氧气浓度相比，培养液内的分散气相气泡中的气态氧气浓度可处于增加的值。

对于有氧反应，空气可用作氧气源。另选地或另外地，富氧空气或纯氧气可用作例如氧气组合气体。可优选的是，在生物反应器内的分散气相中以高氧气浓度操作有氧反应以增加氧质量传递并且由此提高生产率。这是因为从气相到液相的氧气质量传递的速率通常是有氧微生物生物合成反应的限速步骤。在某些方面中，因为氧气组合气体与包括氢气的进料气体流物理地分离，所以可选择供应气体中的氧气量以具有大于极限氧气浓度的总氧气浓度。以这种方式，可将较高的氧气量引入生物反应器中，而不会增加供应气体可燃性、燃烧性、或反应性的风险。例如，在一些实施方案中，进料气体包括氢气，并且氧气组合气体具有大于3％，例如大于4％、大于5％、大于6％、大于7％、大于8％、大于9％、大于10％、大于12％、大于14％、大于16％、大于18％、或大于20％的氧气浓度(v/v)。

为了将DO和LOC维持在期望的范围内，可存在两个或更多个氧气添加点，例如三个或更多个、四个或更多个、五个或更多个、或六个或更多个。随着发酵罐中包括的氧气添加点越多，DO浓度可在整个发酵液体中越恒定。

例如，在竖塔式发酵罐(诸如气升式发酵罐)中，可竖直地维持DO浓度。然而，随着添加更多的氧气添加点，反应器设计的复杂性和成本增加。

发酵罐的氧气添加点不需要线性间隔开，并且可在发酵罐的多于一侧上间隔开。包括氧气的进料流可由管道递送，该管道延伸通过发酵罐壁并且终止于如本文所述的某种类型的气体分配设备(例如，喷洒器)。这允许进料流分布在整个发酵罐直径上。

假设竖直发酵罐，则可在发酵罐的底部处添加包括氧气的进料流。在一些方面中，进料流是空气、富氧空气或纯氧气。因此，发酵罐底部处的氧气浓度可大于发酵罐顶部处的氧气浓度。在包括氧气的初始进料流上方的氧气添加点允许DO浓度被控制为在整个发酵液体中更均匀。在一些实施方案中，可在发酵罐的底部处引入不含气态氧气的进料流，并且可在该点上方添加包括氧气的进料流。另外，沿柱向上的氧气添加点与添加不含气态氧气的进料流的组合允许通过发酵液体的更均匀DO。不含氧气的进料流包括可燃组分，例如氢气或二氧化碳和氢气的组合。质量传递速率可沿着柱(无论是竖直的还是水平的)的长度分段，并且可相应地选择氧气添加点。

可沿着发酵罐的长度，沿着多个氧气注入点(例如，多个微泡生成模块)逐渐添加氧气。该设置允许逐渐的氧气添加，这改善了在LOC以下操作的能力，但其与氧气质量传递速率平衡。可基于DO浓度的测量值单独控制向每个模块的氧气添加。

在一些实施方案中，发酵罐的顶部空间中的气态氧气浓度的上限受到安全考虑的限制。通常，文献引用了初始气体混合物的H2/CO2/O2(氢气/二氧化碳/氧气)的比率7∶1∶1或8∶1∶1以获得针对钩虫贪铜菌(C.necator)的气体发酵的最佳生长/生产状况(Ishizaki等人2001)，但该比率可取决于和反应需要而变化。然而，一般来讲，这意味着氢气/氧气比率在氢气和氧气浓度的可燃范围内。当与具有作为稀释剂的二氧化碳的氢气混合时，临界氧气浓度为5.9体积％(Jones和Kenny，1935)。因此，5.9体积％的LOC在此处被定义为可与根据本公开的气体发酵过程混合物形成可燃气体混合物的最小氧气浓度。这些气体发酵过程混合物是在发酵罐的顶部空间中产生氧气、氮气、氢气、二氧化碳和水蒸汽混合物的那些。发酵罐中的温度和压力状况也可影响顶部空间中的组分的相对浓度。因此发酵罐在低于5.9体积％氧气的LOC下操作。为了维持安全裕度，发酵罐可在LOC的70％至80％，或甚至小于70％内操作。在一些方面中，将顶部空间中的气态氧气浓度控制为3.5体积％至4.5体积％的氧气，例如3.75体积％至4.25体积％、3.85体积％至4.15体积％、3.95体积％至4.05体积％、或大约4体积％的氧气。发酵罐排出气体也具有相同的LOC。

在另外的方面中，本公开还涉及测量和控制其中发生有氧生物合成的发酵罐的顶部空间中的气态氧气浓度。顶部空间中的该气态氧气浓度可被控制为小于顶部空间中的气体混合物的可燃性的极限氧气浓度(LOC)，例如小于LOC的85％。在一些实施方案中，反应器系统与至少一个控制回路相互作用，该控制回路被配置为测量和控制发酵液体中的溶解氧气浓度。反应器系统与附加的控制回路相互作用以测量和控制发酵罐的顶部空间中的气态氧气浓度。控制回路可使用前馈控制、反馈控制，以及它们的组合。

图3至图5示出了适用于本发明所公开的方法的示例性系统。图3至图5的系统包括生物反应器100，其包含液体培养物101和气体顶部空间102。生物反应器被进料有包括进料气体103和再循环气体104的供应气体。图3至图5的供应气体还包括任选的组合气体105，例如氧气组合气体。通过单独的输入端口将供应气体引入培养物，该输入端口中的每一个位于培养物的气-液表面106下方。因为供应气体的每个流是分离的，所以进料气体可包括高浓度的氢气并且几乎没有氧气，并且组合气体可包括高浓度的氧气并且几乎没有氢气。以这种方式，维持每个单独气体流内的氧气浓度低于极限氧气浓度，而总供应气体中的氧气总量大于在氧气与总气体供应中的氢气总量存在于相同流时的极限氧气浓度。

在图3至图5中还示出了离开生物反应器100的顶部空间102的废气107。废气的至少一部分可由培养物在生物合成期间通过培养一种或多种期望的生物产物来产生。测量废气的一部分内的一种或多种目标组分(例如，氢气、氧气和/或二氧化碳)的浓度，并且计算将添加到系统的补充气体108的量。在图5的系统中，将补充气体108添加到废气部分107以形成再循环气体104。将废气部分和计算量的补充气体组合，并且废气的未与补充气体组合的部分作为吹扫气体109离开系统的所示区段。在图4的系统中，将补充气体108添加到进料气体103中。在图3的系统中，将补充气体108作为供应气体的单独流直接添加到培养物。

本发明的主题非常适于实现所提及的目的和优点以及其中固有的目的和优点。以上公开的具体实施方案仅是例示性的，因为可以采用在本文的教导内容的帮助下对于本领域技术人员显而易见的不同但等同的方式对本发明的主题进行修改和实施。此外，除了在下面的权利要求中描述的以外，没有意图对本文示出的构造或设计的细节进行限制。虽然组合物和方法以“包括”、“包含”或“含有”各种组分或步骤来描述，但组合物和方法也可“基本上由各种组分和步骤组成”或“由各种组分和步骤组成”。每当公开具有下限和上限的数值范围时，具体公开了落入该范围内的任何数字和任何其中包括的范围。具体而言，本文公开的每个值范围(形式为“从约a至约b”或等同地“从大约a至b”或等同地“从大约a-b”)应被理解为列出范围更广的值范围内包含的每个数字和范围。另外，权利要求中的术语具有其清晰的普通含义，除非专利权人另外明确和清楚地定义。此外，如权利要求中所用的不定冠词“一个”或“一种”在本文中被定义为是指其引入的元件中的一个或多个。如果本说明书和可以引用方式并入本文的一个或多个专利或其他文献中的词语或术语的用法有任何冲突，应采用符合本说明书的定义。

仅以举例说明的方式而非限制的方式提供以下实施例。本领域的技术人员将容易认识到可被改变或修改以产生基本上相同或类似的结果的各种非关键参数。

实施例

钩虫贪铜菌(C.necator)H16菌株的培养物在80-1回路式生物反应器中生长，该反应器维持在3.5bar的表压。培养基是pH控制在pH 6.6的基本培养液，并且通过添加

80来控制泡沫以维持30％的气体滞留量。以1.27标准升/分钟的进料速率将补充有浓度为52％(v/v)的氢气和浓度为4％(v/v)的二氧化碳的空气的进料气体添加到生物反应器。该氢气水平超过支持培养物生长以及维持和生产生物合成所需的氢气水平。将生物反应器顶部空间中的氧气浓度维持在小于4％(v/v)，并且将培养物的氧气吸收速率维持在200mM/hr至230mM/hr。设置培养物的溶解氧气水平以维持氧气限制。在下表1中呈现了该比较例(比较例A)的另外数据。从数据可以看出，在进料气体单次通过生物反应器时，培养物消耗了34％的氢气以产生附加生物质，该附加生物质包括作为期望的生物合成产物而生成的15-20重量％的细胞内聚(3-羟基丁酸酯)。

表1：气体进料生物反应器结果

在第二比较例(比较例B)中，钩虫贪铜菌(C.necator)H16菌株的培养物在80-1回路式生物反应器中生长，该反应器维持在3.5bar的表压。培养基是pH控制在pH 6.6的基本培养液，并且通过添加

80来控制泡沫以维持30％的气体滞留量。以1.27标准升/分钟的进料速率将补充有浓度为30％(v/v)的氢气和浓度为4％(v/v)的二氧化碳的空气的进料气体添加到生物反应器。如根据观察到的培养物的氢气吸收速率和氧气吸收速率确定的，计算该氢气水平以得到氢气与氧气的化学计量比率。进料气体还包括氮气作为稀释剂。将生物反应器顶部空间中的氧气浓度维持在小于4％(v/v)，并且将培养物的氧气吸收速率维持在200mM/hr至230mM/hr。设置培养物的溶解氧气水平以维持氧气限制。在上表1中呈现了该比较例的另外数据。从数据可以看出，在进料气体单次通过生物反应器时，培养物消耗了60％的氢气以产生附加生物质，该附加生物质包括作为期望的生物合成产物而生成的15-20重量％的细胞内聚(3-羟基丁酸酯)。

在第三比较例(比较例C)中，钩虫贪铜菌(C.necator)H16菌株的培养物在80-1回路式生物反应器中生长，该反应器维持在3.5bar的表压。培养基是pH控制在pH 6.6的基本培养液，并且通过添加

80来控制泡沫以维持30％的气体滞留量。以1.27标准升/分钟的进料速率将补充有浓度为9％(v/v)的氧气和浓度为4％(v/v)的二氧化碳的氢气(87％)的进料气体添加到生物反应器。如根据观察到的培养物的氢气吸收速率和氧气吸收速率确定的，计算该氢气水平以得到氢气与氧气的化学计量比率。进料气体还包括氮气作为稀释剂。将生物反应器顶部空间中的氧气浓度维持在小于4％(v/v)，并且将培养物的氧气吸收速率维持在200mM/hr至230mM/hr。设置培养物的溶解氧气水平以维持氧气限制。在上表1中呈现了该比较例的另外数据。从数据可以看出，在进料气体单次通过生物反应器时，培养物消耗了60％的氢气以产生附加生物质，该附加生物质包括作为期望的生物合成产物而生成的15-20重量％的细胞内聚(3-羟基丁酸酯)。

在第四比较例中，将废气再循环至培养物以改善氢气转化率。为了将总供应气体流量维持在1.3标准升/分钟/升培养物，并且维持氧气(来自空气进料)和二氧化碳流速，不能向进料或组合气体流添加附加的氢气组合气体。在没有气体分离以减小氮气浓度的情况下，通过废气再循环无法实现供应进料中的氢气浓度和流量下降以及稳态生长或产物产生。

钩虫贪铜菌(C.necator)H16菌株的培养物在80-1回路式生物反应器中生长，该反应器维持在3.5bar的表压并具有如实施例1的气体再循环。培养基是pH控制在pH 6.6的基本培养液，并且通过添加

80来控制泡沫以维持30％的气体滞留量。将补充有浓度为9％(v/v)的氧气和浓度为4％(v/v)的二氧化碳的浓度为87％(v/v)的氢气的供应气体与氧气组合气体一起添加到生物反应器，以得到1.27标准升/分钟的总供应气体进料速率。将生物反应器顶部空间中的氧气浓度维持在小于4％(v/v)，并且将培养物的氧气吸收速率维持在200mM/hr至230mM/hr。设置培养物的溶解氧气水平以维持氧气限制。基本上所有废气都被再循环到生物反应器，并且将进料气体和/或补充气体与反应器中的再循环废气组合以组成指定气体组分浓度的恒定供应气体。在上表1中呈现了该实施例的另外数据。从数据可以看出，在总供应气体重复多次通过生物反应器时，培养物消耗了基本上所有的氢气以产生包括15-20重量％的细胞内聚(3-羟基丁酸酯)的附加生物质。这些结果表明了利用生物合成过程的高氢气的氢气转化率可通过使用所提供的气体再循环方法来显著改善。结果还表明了可使用所提供的方法将高氧气浓度和氢气浓度添加到这种生物过程。

钩虫贪铜菌(C.necator)H16菌株的培养物在80-1回路式生物反应器中生长，该反应器维持在3.5bar的表压并具有如实施例2的气体再循环和气体吹扫。培养基是pH控制在pH 6.6的基本培养液，并且通过添加

80来控制泡沫以维持30％的气体滞留量。将补充有浓度为9％(v/v)的氧气和浓度为4％(v/v)的二氧化碳的浓度为87％(v/v)的氢气的供应气体与氧气组合气体一起添加到生物反应器，以得到1.27标准升/分钟的总供应气体进料速率。将生物反应器顶部空间中的氧气浓度维持在小于4％(v/v)，并且将培养物的氧气吸收速率维持在200mM/hr至230mM/hr。设置培养物的溶解氧气水平以维持氧气限制。将等于95％(v/v)的废气的部分再循环到生物反应器，其中剩余5％的废气以吹扫气体的形式从生物反应器中排出，以防止不反应的气体组分的积聚。在上表1中呈现了该实施例的另外数据。从数据可以看出，在总供应气体重复多次通过生物反应器时，培养物消耗了85％的氢气以产生包括15-20重量％的细胞内聚(3-羟基丁酸酯)的附加生物质。这些结果表明了，即使在废气的部分作为吹扫释放并且不添加到气体再循环的状况下，所提供的气体再循环方法仍提供氢气利用方面的优点。

实施方案

设想了以下实施方案。设想了特征和实施方案的所有组合。

实施方案1：一种用于使废气流在气体发酵生物合成系统中再循环的方法，所述方法包括：向气体发酵反应器系统提供能够合成一种或多种生物合成产物的化学自养生物体的培养物；将供应气体引入所述培养物，其中所述供应气体包括再循环气体，其中所述供应气体中的氮气的浓度小于5％(v/v)，其中所述供应气体中的一种或多种目标组分的浓度各自独立地在目标浓度范围内，并且其中所述一种或多种目标组分选自由氢气、二氧化碳和氧气组成的组；通过所述培养物产生废气；由所述废气的至少一部分形成所述再循环气体；测量所述再循环气体中的所述一种或多种目标组分中的每一种的浓度；计算将与所述再循环气体合并以形成所述供应气体的所述一种或多种目标组分中的每一种的量，所述供应气体具有使所述一种或多种目标组分在所述目标浓度范围内的浓度；以及将所述再循环气体和所计算量的所述一种或多种目标组分中的每一种目标组分引入所述培养物。

实施方案2：根据实施方案1所述的实施方案，其中所述供应气体中的所述一种或多种目标组分的流速各自独立地在目标流速范围内；所述方法还包括测量所述再循环气体中的所述一种或多种目标组分中的每一种的流速；并且所述计算包括计算将与所述再循环气体合并以形成所述供应气体的所述一种或多种目标组分中的每一种的量，所述供应气体具有使所述一种或多种目标组分在所述目标浓度范围内的浓度并且具有使所述一种或多种目标组分在所述目标流速范围内的流速。

实施方案3：根据实施方案1或2所述的实施方案，其中所述一种或多种目标组分包括氢气、二氧化碳和氧气。

实施方案4：根据实施方案1至3中任一实施方案所述的实施方案，其中所述再循环气体的所述形成不包括将所述一种或多种目标组分与所述废气分离。

实施方案5：根据实施方案1至4中任一实施方案所述的实施方案，其中所述一种或多种目标组分包括氧气，并且其中氧气的目标浓度为2％(v/v)至20％(v/v)。

实施方案6：根据实施方案1至5中任一实施方案所述的实施方案，其中所述一种或多种目标组分包括氢气，并且其中氢气的目标浓度为10％(v/v)至95％(v/v)。

实施方案7：根据实施方案1至6中任一实施方案所述的实施方案，其中所述一种或多种目标组分包括二氧化碳，并且其中二氧化碳的目标浓度为1％(v/v)至50％(v/v)。

实施方案8：根据实施方案1至7中任一实施方案所述的实施方案，其中所述供应气体中的氮气的浓度小于1％(v/v)。

实施方案9：根据实施方案1至8中任一实施方案所述的实施方案，其中所述供应气体中的氮气的浓度小于0.1％(v/v)。

实施方案10：根据实施方案1至9中任一实施方案所述的实施方案，其中所述供应气体还包括一个或多个补充气体流，其中所述补充气体流包括所计算量的所述一种或多种目标组分，并且其中所述供应气体具有0.5标准升/分钟/(升培养物)至5标准升/分钟/(升培养物)的流速。

实施方案11：根据实施方案10所述的实施方案，其中所述一个或多个补充气体流中的至少一个基本上由氧气组成。

实施方案12：根据实施方案10或11所述的实施方案，其中所述一个或多个补充气体流包括两个或更多个补充气体流，其中所述两个或更多个补充气体流中的至少一个中的所述一种或多种目标组分的浓度和流速不同于所述两个或更多个补充气体流中的每个其他流中的所述一种或多种目标组分的浓度和流速。

实施方案13：根据实施方案10至12中任一实施方案所述的实施方案，其中所述一个或多个补充气体流中的至少一个在引入所述培养物之前与所述再循环气体合并。

实施方案14：根据实施方案10至13中任一实施方案所述的实施方案，其中所述再循环气体的流速和组成各自不同于所述一个或多个补充气体流中的每一个的流速和组成。

实施方案15：根据实施方案10至13中任一实施方案所述的实施方案，其中所述再循环气体的流速和组成各自在所述一个或多个补充气体流中的至少一个的流速和组成的10％内。

实施方案16：根据实施方案10至15中任一实施方案所述的实施方案，其中所述再循环气体和所述一个或多个补充气体流中的每个补充气体流在引入所述培养物之前是不可燃的。

实施方案17：根据实施方案10至16中任一实施方案所述的实施方案，其中所述再循环气体中以及所述一个或多个补充气体流中的每个补充气体流中的氧气浓度小于极限氧气浓度(LOC)，或者其中所述再循环气体中以及所述一个或多个补充气体流中的每个补充气体流中的氢气浓度低于可燃下限(LFL)。

实施方案18：根据实施方案10至17中任一实施方案所述的实施方案，其中所述供应气体中的气态氧气浓度高于所述LOC。

实施方案19：根据实施方案1至18中任一实施方案所述的实施方案，其中所述供应气体作为至少两个供应气体流被引入所述培养物中，其中所述供应气体流中的至少一个包括气态氧气并且不包括氢气或包括浓度低于所述LFL的氢气，并且其中所述供应气体流中的至少另一个包括氢气并且不包括氧气或包括浓度低于所述LOC的氧气。

实施方案20：根据实施方案1至19中任一实施方案所述的实施方案，还包括：通过控制所述供应气体的流速和组成来将所述气体发酵反应器的顶部空间中的所述气态氧气浓度维持在低于所述LOC。

实施方案21：根据实施方案20所述的实施方案，其中将所述顶部空间中的所述气态氧气浓度维持在低于所述LOC的75％。

实施方案22：根据实施方案1至21中任一实施方案所述的实施方案，其中所述气体发酵反应器系统选自由以下组成的组：单个发酵罐、串联的多个发酵罐、膜发酵罐、固定床发酵罐、流化床发酵罐、单个高压釜、串联的多个高压釜、活塞流发酵罐、气动搅动发酵罐、带有具有强制循环的外部回路的气升式发酵罐、鼓泡塔发酵罐、固定(填充)床塔式发酵罐、具有多个隔室的水平单个发酵罐、以及多级塔式发酵罐。

实施方案23：根据实施方案1至22中任一实施方案所述的实施方案，其中所述气体发酵反应器系统是恒化器。

实施方案24：根据实施方案1至23中任一实施方案所述的实施方案，其中不主动搅拌所述气体发酵反应器系统。

实施方案25：根据实施方案1至24中任一实施方案所述的实施方案，其中所述气体发酵反应器系统具有1bar至10bar的表压。

实施方案26：根据实施方案1至25中任一实施方案所述的实施方案，其中所述再循环气体由多于50％(v/v)的所述废气形成。

实施方案27：根据实施方案1至26中任一实施方案所述的实施方案，其中从所述气体发酵反应器吹扫所述废气中不用于形成所述再循环气体的部分。

实施方案28：根据实施方案1至27中任一实施方案所述的实施方案，其中由所述培养物转化所述供应气体中的多于50％的所述氢气。

实施方案29：根据实施方案1至28中任一实施方案所述的实施方案，其中由所述培养物转化所述供应气体中的多于90％的所述氢气。

实施方案30：根据实施方案1至29中任一实施方案所述的实施方案，其中所述化学自养生物体选自罗尔斯通菌属(Ralstonia)、沃特氏菌属(Wausteria)、贪铜菌属(Cupriavidus)、产碱菌属(Alcaligenes)、伯克氏菌属(Burkholderia)或潘多拉菌属(Pandoraea)的非致病性成员。

实施方案31：根据实施方案30所述的实施方案，其中所述化学自养生物体是钩虫贪铜菌(Cupriavidus necator)。

实施方案32：根据实施方案1至31中任一实施方案所述的实施方案，其中所述化学自养生物体是经基因修饰的生物体。

实施方案33：根据实施方案1至32中任一实施方案所述的实施方案，其中所述培养物的浓度为5g/L至100g/L。

实施方案34：根据实施方案1至33中任一实施方案所述的实施方案，其中所述一种或多种生物合成产物包括选自由以下组成的组的一种或多种细胞外产物：有机酸、醇、烯烃、脂肪酸、氨基酸、烷烃和胺。

实施方案35：根据实施方案1至34中任一实施方案所述的实施方案，其中所述一种或多种生物合成产物包括聚(羟基链烷酸酯)。

实施方案36：根据实施方案35所述的实施方案，其中所述一种或多种生物合成产物包括聚(3-羟基丁酸酯)。

实施方案37：根据实施方案1至33中任一实施方案所述的实施方案，其中所述一种或多种生物合成产物包括单细胞蛋白质。

实施方案38：根据实施方案1至37中任一实施方案所述的实施方案，还包括：收集所述一种或多种生物合成产物的至少一部分。

实施方案39：一种用于有氧气体发酵过程的反应器系统，所述系统包括：气体发酵反应器，所述气体发酵反应器包括至少两个氧气添加点；化学自养生物体的培养物，所述化学自养生物体的培养物能够合成一种或多种生物合成产物；供应气体，所述供应气体包括再循环气体，其中所述供应气体中的氮气的浓度小于5％(v/v)，其中所述供应气体中的一种或多种目标组分的浓度各自独立地在目标浓度范围内，并且其中所述一种或多种目标组分选自由氢气、二氧化碳和氧气组成的组；第一控制回路，所述第一控制回路被配置为测量和控制所述气体发酵反应器中的发酵液体中的溶解氧气含量；第二控制回路，所述第二控制回路被配置为测量和控制所述气体发酵反应器的顶部空间中的气态氧气浓度；再循环回路，所述再循环回路被配置为使废气流的至少一部分再循环到所述培养物；分析设备，所述分析设备用于测量所述再循环气体中的所述一种或多种目标组分中的每一种的浓度；以及第三控制回路，所述第三控制回路被配置为计算将与所述再循环气体合并以形成所述供应气体的所述一种或多种目标组分中的每一种的量，所述供应气体具有使所述一种或多种目标组分在所述目标浓度范围内的浓度，其中所述第三控制回路被进一步配置为将所述再循环气体和所计算量的所述一种或多种目标组分中的每一种目标组分引入所述培养物。

实施方案40：根据实施方案39所述的实施方案，其中所述供应气体中的所述一种或多种目标组分的流速各自独立地在目标流速范围内。

实施方案41：根据实施方案39或40所述的实施方案，其中所述一种或多种目标组分包括氢气、二氧化碳和氧气。

实施方案42：根据实施方案39至41中任一实施方案所述的实施方案，其中所述供应气体还包括一个或多个补充气体流。

实施方案43：根据实施方案42所述的实施方案，其中所述再循环气体和所述一个或多个补充气体流中的每个补充气体流在引入所述培养物之前是不可燃的。

实施方案44：根据实施方案39至41中任一实施方案所述的实施方案，其中所述供应气体还包括一个或多个补充气体流，并且其中：(i)所述再循环气体中以及所述一个或多个补充气体流中的每个补充气体流中的氧气浓度小于所述极限氧气浓度(LOC)，或者(ii)所述再循环气体中以及所述一个或多个补充气体流中的每个补充气体流中的氢气浓度低于可燃下限(LFL)。

实施方案45：根据实施方案39至44中任一实施方案所述的实施方案，其中所述供应气体作为至少两个供应气体流被引入所述培养物中，其中所述供应气体流中的至少一个包括气态氧气并且不包括氢气或包括浓度低于所述LFL的氢气，并且其中所述供应气体流中的至少另一个包括氢气并且不包括氧气或包括浓度低于所述LOC的氧气。

实施方案46：根据实施方案39至45中任一实施方案所述的实施方案，其中所述供应气体中的所述气态氧气浓度高于所述LOC。

实施方案47：根据实施方案39至46中任一实施方案所述的实施方案，其中所述气体发酵反应器选自由以下组成的组：单个发酵罐、串联的多个发酵罐、膜发酵罐、固定床发酵罐、流化床发酵罐、单个高压釜、串联的多个高压釜、活塞流发酵罐、气动搅动发酵罐、带有具有强制循环的外部回路的气升式发酵罐、鼓泡塔发酵罐、固定(填充)床塔式发酵罐、具有多个隔室的水平单个发酵罐、以及多级塔式发酵罐。

实施方案48：根据实施方案38至46中任一实施方案所述的实施方案，其中所述气体发酵反应器系统具有1bar至10bar的表压。

实施方案49：根据实施方案39至48中任一实施方案所述的实施方案，其中所述再循环气体由多于50％(v/v)的所述废气形成。

实施方案50：根据实施方案39至49中任一实施方案所述的实施方案，其中从所述气体发酵反应器吹扫所述废气中不用于形成所述再循环气体的部分。

实施方案51：根据实施方案39至50中任一实施方案所述的实施方案，其中由所述培养物转化所述供应气体中的多于50％的所述氢气。

实施方案52：根据实施方案38至51中任一实施方案所述的实施方案，其中所述化学自养生物体选自罗尔斯通菌属(Ralstonia)、沃特氏菌属(Wausteria)、贪铜菌属(Cupriavidus)、产碱菌属(Alcaligenes)、伯克氏菌属(Burkholderia)或潘多拉菌属(Pandoraea)的非致病性成员。

实施方案53：根据实施方案52所述的实施方案，其中所述化学自养生物体是钩虫贪铜菌(Cupriavidus necator)。

实施方案54：根据实施方案39至53中任一实施方案所述的实施方案，其中所述化学自养生物体是经基因修饰的生物体。

实施方案55：根据实施方案39至54中任一实施方案所述的实施方案，其中所述培养物的浓度为5g/L至100g/L。

实施方案56：一种用于制备一种或多种生物合成产物的方法，所述方法包括：向气体发酵反应器系统提供能够合成所述一种或多种生物合成产物的化学自养生物体的培养物；将供应气体引入所述培养物，其中所述供应气体包括再循环气体，其中所述供应气体中的氮气的浓度小于5％(v/v)，其中所述供应气体中的一种或多种目标组分的浓度各自独立地在目标浓度范围内，并且其中所述一种或多种目标组分选自由氢气、二氧化碳和氧气组成的组；通过所述培养物产生废气和所述一种或多种生物合成产物；由所述废气的至少一部分形成所述再循环气体；测量所述再循环气体中的所述一种或多种目标组分中的每一种的浓度；计算将与所述再循环气体合并以形成所述供应气体的所述一种或多种目标组分中的每一种的量，所述供应气体具有使所述一种或多种目标组分在所述目标浓度范围内的浓度；以及将所述再循环气体和所计算量的所述一种或多种目标组分中的每一种目标组分引入所述培养物。

实施方案57：一种生物合成产物，使用根据实施方案1至56中任一实施方案所述的实施方案来制备所述生物合成产物。

虽然已经详细描述了本公开，但在本公开的实质和范围内的修改对于本领域的技术人员将是显而易见的。应当理解，本公开的各方面以及上文和/或所附权利要求中引用的各种实施方案和各种特征的部分可全部或部分地组合或互换。在各种实施方案的上述描述中，涉及另一个实施方案的那些实施方案可适当地与其他实施方案组合，如本领域的普通技术人员将理解的。此外，本领域的普通技术人员将理解，前述说明仅以举例的方式，并不旨在限制本公开。本文引用的所有美国专利和出版物全文以引用方式并入。

Claims (57)

1.一种用于使废气流在气体发酵生物合成系统中再循环的方法，所述方法包括：

向气体发酵反应器系统提供能够合成一种或多种生物合成产物的化学自养生物体的培养物；

将供应气体引入所述培养物，其中所述供应气体包括再循环气体，其中所述供应气体中的氮气的浓度小于5％(v/v)，其中所述供应气体中的一种或多种目标组分的浓度各自独立地在目标浓度范围内，并且其中所述一种或多种目标组分选自由氢气、二氧化碳和氧气组成的组；

通过所述培养物产生废气；

由所述废气的至少一部分形成所述再循环气体；

测量所述再循环气体中的所述一种或多种目标组分中的每一种的浓度；

计算将与所述再循环气体合并以形成所述供应气体的所述一种或多种目标组分中的每一种的量，所述供应气体具有的所述一种或多种目标组分的浓度在所述目标浓度范围内；以及

将所述再循环气体和所计算量的所述一种或多种目标组分中的每一种引入所述培养物。

2.根据权利要求1所述的方法，其中

所述供应气体中的所述一种或多种目标组分的流速各自独立地在目标流速范围内；

所述方法还包括测量所述再循环气体中的所述一种或多种目标组分中的每一种的流速；并且

所述计算包括计算将与所述再循环气体合并以形成所述供应气体的所述一种或多种目标组分中的每一种的量，所述供应气体具有的所述一种或多种目标组分的浓度在所述目标浓度范围内并且具有的所述一种或多种目标组分的流速在所述目标流速范围内。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述一种或多种目标组分包括氢气、二氧化碳和氧气。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中所述再循环气体的形成不包括将所述一种或多种目标组分与所述废气分离。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中所述一种或多种目标组分包括氧气，并且其中所述氧气的目标浓度为2％(v/v)至20％(v/v)。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中所述一种或多种目标组分包括氢气，并且其中所述氢气的目标浓度为10％(v/v)至95％(v/v)。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中所述一种或多种目标组分包括二氧化碳，并且其中所述二氧化碳的目标浓度为1％(v/v)至50％(v/v)。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其中所述供应气体中的氮气的浓度小于1％(v/v)。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其中所述供应气体中的氮气的浓度小于0.1％(v/v)。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其中所述供应气体还包括一个或多个补充气体流，其中所述补充气体流包括所计算量的所述一种或多种目标组分，并且其中所述供应气体具有0.5标准升/分钟/(升培养物)至5标准升/分钟/(升培养物)的流速。

11.根据权利要求10所述的方法，其中所述一个或多个补充气体流中的至少一个基本上由氧气组成。

12.根据权利要求10或11所述的方法，其中所述一个或多个补充气体流包括两个或更多个补充气体流，其中所述两个或更多个补充气体流中的至少一个中的所述一种或多种目标组分的浓度和流速不同于所述两个或更多个补充气体流中的每个其他补充气体流中的所述一种或多种目标组分的浓度和流速。

13.根据权利要求10至12中任一项所述的方法，其中所述一个或多个补充气体流中的至少一个在引入所述培养物之前与所述再循环气体合并。

14.根据权利要求10至13中任一项所述的方法，其中所述再循环气体的流速和组成各自不同于所述一个或多个补充气体流中的每一个的流速和组成。

15.根据权利要求10至13中任一项所述的方法，其中所述再循环气体的流速和组成各自在所述一个或多个补充气体流中的至少一个的流速和组成的10％内。

16.根据权利要求10至15中任一项所述的方法，其中所述再循环气体和所述一个或多个补充气体流中的每个补充气体流在引入所述培养物之前是不可燃的。

17.根据权利要求10至16中任一项所述的方法，其中所述再循环气体中以及所述一个或多个补充气体流中的每个补充气体流中的氧气浓度小于极限氧气浓度(LOC)，或者其中所述再循环气体中以及所述一个或多个补充气体流中的每个补充气体流中的氢气浓度低于可燃下限(LFL)。

18.根据权利要求10至17中任一项所述的方法，其中所述供应气体中的气态氧气浓度高于所述LOC。

19.根据权利要求1至18中任一项所述的方法，其中所述供应气体作为至少两个供应气体流被引入所述培养物中，其中所述供应气体流中的至少一个包括气态氧气并且不包括氢气或包括浓度低于所述LFL的氢气，并且其中所述供应气体流中的至少另一个包括氢气并且不包括氧气或包括浓度低于所述LOC的氧气。

20.根据权利要求1至19中任一项所述的方法，还包括：

通过控制所述供应气体的流速和组成来将所述气体发酵反应器的顶部空间中的所述气态氧气浓度维持在低于所述LOC。

21.根据权利要求20所述的方法，其中将所述顶部空间中的所述气态氧气浓度维持在低于所述LOC的75％。

22.根据权利要求1至21中任一项所述的方法，其中所述气体发酵反应器系统选自由以下各项组成的组：单个发酵罐、串联的多个发酵罐、膜发酵罐、固定床发酵罐、流化床发酵罐、单个高压釜、串联的多个高压釜、活塞流发酵罐、气动搅动发酵罐、带有具有强制循环的外部回路的气升式发酵罐、鼓泡塔发酵罐、固定(填充)床塔式发酵罐、具有多个隔室的水平单个发酵罐以及多级塔式发酵罐。

23.根据权利要求1至22中任一项所述的方法，其中所述气体发酵反应器系统是恒化器。

24.根据权利要求1至23中任一项所述的方法，其中不主动搅拌所述气体发酵反应器系统。

25.根据权利要求1至24中任一项所述的方法，其中所述气体发酵反应器系统具有1bar至10bar的表压。

26.根据权利要求1至25中任一项所述的方法，其中所述再循环气体由多于50％(v/v)的所述废气形成。

27.根据权利要求1至26中任一项所述的方法，其中从所述气体发酵反应器吹扫所述废气中不用于形成所述再循环气体的部分。

28.根据权利要求1至27中任一项所述的方法，其中由所述培养物转化所述供应气体中的多于50％的所述氢气。

29.根据权利要求1至28中任一项所述的方法，其中由所述培养物转化所述供应气体中的多于90％的所述氢气。

30.根据权利要求1至29中任一项所述的方法，其中所述化学自养生物体选自罗尔斯通菌属(Ralstonia)、沃特氏菌属(Wausteria)、贪铜菌属(Cupriavidus)、产碱菌属(Alcaligenes)、伯克氏菌属(Burkholderia)或潘多拉菌属(Pandoraea)的非致病性成员。

31.根据权利要求30所述的方法，其中所述化学自养生物体是钩虫贪铜菌(Cupriavidus necator)或耐金属贪铜菌(Cupriavidus metalliduruns)。

32.根据权利要求1至31中任一项所述的方法，其中所述化学自养生物体是经基因修饰的生物体。

33.根据权利要求1至32中任一项所述的方法，其中所述培养物的浓度为5g/L至100g/L。

34.根据权利要求1至33中任一项所述的方法，其中所述一种或多种生物合成产物包括选自由以下各项组成的组中的一种或多种细胞外产物：有机酸、醇、烯烃、脂肪酸、氨基酸、烷烃和胺。

35.根据权利要求1至34中任一项所述的方法，其中所述一种或多种生物合成产物包括聚(羟基链烷酸酯)。

36.根据权利要求35所述的方法，其中所述一种或多种生物合成产物包括聚(3-羟基丁酸酯)。

37.根据权利要求1至33中任一项所述的方法，其中所述一种或多种生物合成产物包括单细胞蛋白质。

38.根据权利要求1至37中任一项所述的方法，还包括：

收集所述一种或多种生物合成产物的至少一部分。

39.一种用于有氧气体发酵过程的反应器系统，所述系统包括：

气体发酵反应器，所述气体发酵反应器包括至少两个氧气添加点；

能够合成一种或多种生物合成产物的化学自养生物体的培养物；

供应气体，所述供应气体包括再循环气体，其中所述供应气体中的氮气的浓度小于5％(v/v)，其中所述供应气体中的一种或多种目标组分的浓度各自独立地在目标浓度范围内，并且其中所述一种或多种目标组分选自由氢气、二氧化碳和氧气组成的组；

第一控制回路，所述第一控制回路被配置为测量和控制所述气体发酵反应器中的发酵液体中的溶解氧气含量；

第二控制回路，所述第二控制回路被配置为测量和控制所述气体发酵反应器的顶部空间中的气态氧气浓度；

再循环回路，所述再循环回路被配置为使废气流的至少一部分再循环到所述培养物；

分析设备，所述分析设备用于测量所述再循环气体中的所述一种或多种目标组分中的每一种的浓度；和

第三控制回路，所述第三控制回路被配置为计算将与所述再循环气体合并以形成所述供应气体的所述一种或多种目标组分中的每一种的量，所述供应气体具有的所述一种或多种目标组分的浓度在所述目标浓度范围内，其中所述第三控制回路被进一步配置为将所述再循环气体和所计算量的所述一种或多种目标组分中的每一种目标组分引入所述培养物。

40.根据权利要求39所述的反应器系统，其中

所述供应气体中的所述一种或多种目标组分的流速各自独立地在目标流速范围内。

41.根据权利要求39或40所述的反应器系统，其中所述一种或多种目标组分包括氢气、二氧化碳和氧气。

42.根据权利要求39至41中任一项所述的反应器系统，其中所述供应气体还包括一个或多个补充气体流。

43.根据权利要求42所述的反应器系统，其中所述再循环气体和所述一个或多个补充气体流中的每个补充气体流在引入所述培养物之前是不可燃的。

44.根据权利要求39至41中任一项所述的反应器系统，其中所述供应气体还包括一个或多个补充气体流，并且其中：(i)所述再循环气体中以及所述一个或多个补充气体流中的每个补充气体流中的氧气浓度小于极限氧气浓度(LOC)，或者(ii)所述再循环气体中以及所述一个或多个补充气体流中的每个补充气体流中的氢气浓度低于可燃下限(LFL)。

45.根据权利要求39至44中任一项所述的反应器系统，其中所述供应气体作为至少两个供应气体流被引入所述培养物中，其中所述供应气体流中的至少一个包括气态氧气并且不包括氢气或包括浓度低于所述LFL的氢气，并且其中所述供应气体流中的至少另一个包括氢气并且不包括氧气或包括浓度低于所述LOC的氧气。

46.根据权利要求39至45中任一项所述的反应器系统，其中所述供应气体中的所述气态氧气浓度高于所述LOC。

47.根据权利要求39至46中任一项所述的反应器系统，其中所述气体发酵反应器选自由以下各项组成的组：单个发酵罐、串联的多个发酵罐、膜发酵罐、固定床发酵罐、流化床发酵罐、单个高压釜、串联的多个高压釜、活塞流发酵罐、气动搅动发酵罐、带有具有强制循环的外部回路的气升式发酵罐、鼓泡塔发酵罐、固定(填充)床塔式发酵罐、具有多个隔室的水平单个发酵罐以及多级塔式发酵罐。

48.根据权利要求39至47中任一项所述的反应器系统，其中所述气体发酵反应器系统具有1bar至10bar的表压。

49.根据权利要求39至48中任一项所述的反应器系统，其中所述再循环气体由多于50％(v/v)的所述废气形成。

50.根据权利要求39至49中任一项所述的反应器系统，其中从所述气体发酵反应器吹扫所述废气中不用于形成所述再循环气体的部分。

51.根据权利要求39至50中任一项所述的反应器系统，其中由所述培养物转化所述供应气体中的多于50％的所述氢气。

52.根据权利要求39至51中任一项所述的反应器系统，其中所述化学自养生物体选自罗尔斯通菌属(Ralstonia)、沃特氏菌属(Wausteria)、贪铜菌属(Cupriavidus)、产碱菌属(Alcaligenes)、伯克氏菌属(Burkholderia)或潘多拉菌属(Pandoraea)的非致病性成员。

53.根据权利要求52所述的反应器系统，其中所述化学自养生物体是钩虫贪铜菌(Cupriavidus necator)或耐金属贪铜菌(Cupriavidus metallidurans)。

54.根据权利要求39至53中任一项所述的反应器系统，其中所述化学自养生物体是经基因修饰的生物体。

55.根据权利要求39至54中任一项所述的反应器系统，其中所述培养物的浓度为5g/L至100g/L。

56.一种用于制备一种或多种生物合成产物的方法，所述方法包括：

向气体发酵反应器系统提供能够合成所述一种或多种生物合成产物的化学自养生物体的培养物；

将供应气体引入所述培养物，其中所述供应气体包括再循环气体，其中所述供应气体中的氮气的浓度小于5％(v/v)，其中所述供应气体中的一种或多种目标组分的浓度各自独立地在目标浓度范围内，并且其中所述一种或多种目标组分选自由氢气、二氧化碳和氧气组成的组；

通过所述培养物产生废气和所述一种或多种生物合成产物；

由所述废气的至少一部分形成所述再循环气体；

测量所述再循环气体中的所述一种或多种目标组分中的每一种的浓度；

计算将与所述再循环气体合并以形成所述供应气体的所述一种或多种目标组分中的每一种的量，所述供应气体具有的所述一种或多种目标组分的浓度在所述目标浓度范围内；以及

将所述再循环气体和所计算量的所述一种或多种目标组分中的每一种目标组分引入所述培养物。

57.一种使用根据权利要求1至38或权利要求56中任一项所述的方法或根据权利要求39至55中任一项所述的反应器系统制备的生物合成产物。

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