JP2016505378A - 気体溶解を向上させるためのシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、周知のシステムに比べて効率及び順応性が向上した微小泡生成システムを提供する。さらに、本発明は微小泡生成方法を提供する。特に、発明は、泡寸法を低減し、液体発酵ブロス中への気体の吸収を増加させることにより発酵反応効率を向上させることに関する。【選択図】図1

Description

本発明は、液体中の泡寸法を低減するためのシステム及び関連使用方法に関する。より具体的には本発明は、泡寸法を低減することにより発酵反応の効率を向上させ、液体発酵ブロス中への気体の溶解を増加させることに関する。

数多くのプロセスは液体基質中に溶解される気体を利用する。液体中への気体の溶解を最大にするために気泡の表面積は最大にされるべきである。これは、泡寸法を最小にすることにより達成することができる。

ＵＳ４９３８８６５及びＡＵ６７７５４２に記載されるもののような、これらの「微小泡」を生成するための周知の方法及び装置がある。これらの文書に記載される装置は、ジェイムソンセルとして知られており、泡沫層を生成するために液流へのガス注入を容易にする。ジェイムソンセルは、ベルヌーイ効果を介して大気を取り込むために単一の液体突入噴流を使用し、噴流が液体に入る際に極めて高い剪断応力の領域内で大気を極小の気泡に破砕する。

ジェイムソンセルにおいて、ガスは、カラムの頂上で注入されなければならず、高速液体により取り込まれる。ガス取り込みが起こるのを可能にするために、ジェイムソンセルでは最小限の噴流速度が必要とされる。これは８ｍ／ｓ〜１５ｍ／ｓとされることが多い。特定用途への要求に基づいて噴流速度を変化させるのを可能にすることにより、システムのエネルギー効率を向上させ、高い順応性を与えるために低い最小噴流速度で微小泡を得ることができることは有利であり得る。

ジェイムソンセル内のガス取り込み機構は、吸引効果を作り出すためにガス吸入孔及び液体噴流が下降管により取り囲まれるべきであることを必要とする。ジェイムソンセルは、液体噴流及び混合物を受容するために配管への追加容器も必要とする。ジェイムソンセルは、鉱物泡沫浮選用に設計され、具体的には、高速の粘性消散を加熱させる高剪断領域内の小粒子付着を促す。これは、鉱物粒子と気泡との間の接触をより良くするために高い乱流を必要とする。このためにジェイムソンセルは、下降管内のその高い乱流を特徴とする。高い乱流により、システム全体の効率が低下し、微生物による発酵のような特定用途に用いられる場合は細胞または蛋白質が損傷する。

微生物を用いる発酵反応には、気体形態の必要な基質が供給される。例えば、ＣＯ及び／またはＣＯ_２及び／またはＯ_２及び／またはＨ_２を含む気流は、発酵ブロスを通り泡立つようにバイオ反応器内に送り込まれ得る、及び／またはバイオ反応器内のいずれかの頭隙内に供給され得る。この気流内のガスの一部分は発酵ブロス内で分解され、次に特定の反応において活発な微生物により用いられ得る。発酵ブロス内のガス利用率または濃度は発酵プロセスの生産性に著しく影響を及ぼす場合がある。しかしながら、ＣＯ及びＯ_２のようなガスは、バイオ反応器内に含まれる一般的に水性のブロスへの溶解度が乏しいので、発酵プロセスにおける微生物用ブロス中への所望量のガスの溶解を難しくする、及び／または遅らせる。

気体から液体への物質移動を増加させることによりガス発酵の効率を高めるための可能な方法は、微小泡分散液を分散させることである。そのような向上は、全ての細胞を再利用するための接線フィルタを用いて連続攪拌タンク式反応器内で培養されるブチリバクテリアム・メチロトロフィカムを含む合成ガス発酵に対して立証されている（Ｂｒｅｄｗｅｌｌ ａｎｄ Ｗｏｒｄｅｎ １９９８，Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌ．Ｐｒｏｇ．１４，３１−３８）。

先行技術の１つ以上の不利な点を克服すること、または一般人に有用な選択を少なくとも与えることが本発明の対象である。

第１の態様では、本発明は微小泡生成システムを提供し、そのシステムは、
（ａ）カラムと、
（ｂ）カラムに液体を注入しやくするのに適した穿孔プレートと
（ｃ）カラム内に気体を分散させるのに適したガススパージャと
を含み、穿孔プレートはガススパージャよりも上に配置される。使用中は、液流の一部分は穿孔プレートから流れ、カラム内に含まれる液体中に気体を分散させることにより生成される泡沫層と接触する。

特定の実施形態では、穿孔プレートがカラムの断面を実質的に満たす、

特定の実施形態では、カラムが、液体を受容し、その液体を穿孔プレートに通すのに適した液体吸入口を備えている。

特定の実施形態では、カラムが、気流を受容し且つその気流をガススパージャに通すのに適したガス吸入口をさらに備えている。

特定の実施形態では、カラムが、このシステムにより生成される微小泡生成物を受容するのに適した液体吐出口をさらに備えている。

特定の実施形態では、カラムがガス逃がし弁をさらに備えている。好ましくは、ガス逃がし弁は、カラム内に、実質的に隣接する高さに、穿孔プレートの高さよりも下に配置される。

特定の実施形態では、カラムは、カラムの基底に向かって拡張部分を備えており、それにより、カラムの幅は、その幅に対してカラムの頂上に向かって増加する。使用中では、この拡張部分は、液体の下降速度を低減する効果を有し、ガススパージャを介してより一定の有効な気泡生成を可能にする。

特定の実施形態では、システムは、カラムからの微小泡生成物を受容するのに適した泡沫／液体分離器をさらに備えている。

特定の実施形態では、泡沫／液体分離器は、好ましくは、液体ポンプを介して実質的に液体の分画物の少なくとも一部分をカラム上の液体吸入口に通すのに適している。

特定の実施形態では、泡沫／液体分離器は、実施的に泡沫成分の少なくとも一部分を脱泡タンクに通すのに適している。

特定の実施形態では、脱泡タンクは消泡噴霧剤を備えている。

特定の実施形態では、脱泡タンクは、システムから抽出するための発泡生成物を産出するのに適している。

特定の実施形態では、カラムは、１つ以上の生成物を生成するためのガス基質発酵用バイオ反応器である。代わりの実施形態では、バイオ反応器はカラムに接続され、バイオ反応器は、ガス基質の微小泡を含む微小泡生成物をカラムから受容するのに適している。この代わりの実施形態では、バイオ反応器は、バイオ反応器から発酵ブロスを受容し、そのブロスをカラムに通すのに適したブロス吐出口を備えている。

特定の実施形態では、微小泡生成システムは、発酵ブロス内の１つ以上の微生物へのガス基質の物質移動を与えるように構成されている。

特定の実施形態では、バイオ反応器は、ＣＯを含む微小泡生成物の発酵により１つ以上の生成物を生成する能力のある１つ以上の耐高濃度一酸化炭素微生物の培養液を含む発酵ブロスを含む。

特定の実施形態では、システムは、バイオ反応器から発酵ブロスを受容するのに適した第１のガス液体分離器を備えている。特定の実施形態では、第１のガス液体分離器は、圧縮機／送風機及びガススパージャを介してブロスの実質的に気体の成分を少なくとも一部分をカラムに通すのにさらに適している。さらなる実施形態では、第１のガス液体分離器は、ブロスの実質的に気体の成分の少なくとも一部分をシステムから取り除くのに適している。

特定の実施形態では、第１のガス液体分離器は、消泡噴霧剤をさらに備えている。

特定の実施形態では、第１のガス液体分離器は、ブロスの少なくとも一部分を第２のガス液体分離器に通すのに、及び／またはブロスの少なくとも一部分を生成物抽出用生成物引き出し吐出口に通すのに適している。

特定の実施形態では、第２のガス液体分離器は、新鮮な培地を受容するのに及び／または好ましくは液体ポンプを介してブロスの少なくとも一部分をカラム上の液体吸入口に通すのに適している。第２のガス液体分離器は任意選択で、ブロスから分離されたガスの少なくとも一部分を取り除くための気体吐出口を備えている。

特定の実施形態では、微小泡生成システムは、微小泡ガス吸収システムの一部である。

特定の実施形態では、システムは、カラムから微小泡生成物を受容するのに適したガス液体分離器をさらに備えている。

特定の実施形態では、ガス液体分離器は、微小泡生成物の実質的に気体の成分の少なくとも一部分をシステムから取り除くのに適している。

特定の実施形態では、ガス液体分離器は、好ましくは液体ポンプを介して微小泡生成物の実質的に液体の部分の少なくとも一部分をカラムに通すのに適している。

特定の実施形態では、２つ以上の微小泡生成システムは、反応器スタックを形成するために互いの頂上に重ねられる。特定の実施形態では、単一の気流は分割され、反応器スタックを形成する２つ以上の微小泡生成システムの各々に供給される。特定の実施形態では、反応器スタックを形成する２つまたは微小泡生成システムは、機械的支持構造を介して互いに接続される。

第２の態様によれば、本発明は微小泡生成方法を与え、その方法は：
ａ．気泡を形成するためにガススパージャを介して液体を含むカラム内に気体を分散させることと、
ｂ．液体噴流が気泡と接触して微小泡を生成するような液体噴流を生成するために、ガススパージャよりも上に配置される穿孔プレートを介してカラムに液体を注入することと
を含む。
注入される液体は、カラム内に既に存在するのと同じ液体であっても、異なる液体であってもよい。液体噴流は、カラム内に含まれる液体中に気体を分散させることから形成される気泡を破砕する。

特定の実施形態では、液体噴流は、カラム内に含まれる液体の表面上の気泡塊から形成される泡沫層と接触する。

特定の実施形態では、泡沫層の頂上が穿孔プレートの高さに維持される。

特定の実施形態では、穿孔プレート内の孔の直径は、所定の総体積液流に対して所望の液体噴流速度が維持され得るようなものである。好ましくは、孔は約０．１〜約０．５ｍｍである。好ましくは約０．２ｍｍである。

特定の実施形態では、カラム内に含まれる液体及び／またはカラムに注入される液流は、１つ以上の表面活性種を含む。特定の実施形態では、これらの表面活性種は、蛋白質、ペプチド、イオン性または非イオン性界面活性剤、バイオ界面活性剤、ある微生物の細胞に限定されないがそれらを含む疎水性または両親媒性粒子を含む。

特定の実施形態では、０．５ｍｍの孔寸法を有するスパージャから生成される気泡は、約３ｍｍの直径を有する。

特定の実施形態では、１つ以上の気泡と液体噴流の接触に続いて生成される微小泡の直径は、約２００〜約１０μｍである。

特定の実施形態では、液体が特定の液体吸入流量でカラムに注入され、気体が特定の分散流量で分散される。気泡生成速度が、気泡を液体噴流により微小泡に破砕する速度に等しいように、前記流量が制御される。

特定の実施形態では、本方法は、液体吐出口を介してカラムから微小泡生成物を抽出することをさらに含む。好ましくは、液体吐出口は、微小泡を含まない液層から気泡を形成することができるようにスパージャの高さよりも上の高さに配置される。

特定の実施形態では、カラムから抽出される微小泡生成物の液体対気体体積比は、ガスが分散される速度と液体がカラムに注入される速度とを調節することにより制御される。

特定の実施形態では、微小泡生成物内の気泡の寸法は、初期の気泡寸法と噴流速度とを調節することにより制御される。噴流速度は、穿孔プレートを通る液体体積流量、孔数及び孔径により制御される。初期の気泡寸法は、スパージャ孔径と気体分散流量とを調節することにより制御される。

特定の実施形態では、両方向の気流の総物質流束は、微小泡生成器が連続動作状態である場合、互いに等しい。

特定の実施形態では、カラム内の気体圧はガス逃がし弁を介して逃がされる。好ましくは、ガス逃がし弁は、カラム内に、実質的に隣接する高さに、穿孔プレートの高さよりも下に配置される。

特定の実施形態では、方法は、第１の態様に記載されるような微小泡生成システムを用いることを含む。

特定の実施形態では、微小泡生成方法は、１つ以上の発酵生成物を生成するためにガス発酵方法と併せて用いられる。特定の実施形態では、発酵は、バイオ反応器内部で実行され、バイオ反応器は、本明細書に記載されるようなカラムであってもよく、１つ以上の分離したバイオ反応容器であってもよい。

特定の実施形態では、方法は、気体基質から、微小泡生成物を含む発酵ブロス内の１つ以上の微生物へ物質を移動させる工程を含む。

特定の実施形態では、発酵ブロスは、ＣＯを含む微小泡生成物を発酵させることにより１つ以上の生成物を生成する能力のある１つ以上の耐高濃度一酸化炭素微生物の培養液を含む。

特定の実施形態では、バイオ反応器からのブロスの少なくとも一部分は、第１の気体・液体分離器に通される。特定の実施形態では、ブロスの実質的に気体の成分の少なくとも一部分は、第１の気体・液体分離器により分離され、圧縮機／送風機及びガススパージャを介してカラムに通される。さらなる実施形態では、ブロスの実質的に気体の成分の少なくとも一部分が、第１の気体・液体分離器によりシステムから取り除かされる。

特定の実施形態では、第１の気体・液体分離器は、消泡噴霧剤をブロスの一部に加える。

特定の実施形態では、第１の気体・液体分離器は、ブロスの少なくとも一部分を第２の気体・液体分離器に通す、及び／またはブロスの少なくとも一部分を生成物抽出用生成物引出吐出口に通す。

特定の実施形態では、ブロスの少なくとも一部分が好ましくは液体ポンプを介してカラム上の液体吐出口に通される前に、新鮮な培地が第２の気体・液体分離器内のブロスに加えられる。特定の実施形態では、第２の気体・液体分離器内のブロスから分離された気体の少なくとも一部分が、システムから取り除くための気体吐出口に通される。

特定の実施形態では、第１の気体・液体分離器から受容されたブロスは直接、好ましくは液体ポンプを介してカラム上の液体吸入口に戻される。

特定の実施形態では、微小泡生成方法は、１つ以上の表面活性種を産出するために泡沫分画方法と併せて用いられる。

特定の実施形態では、微小泡生成物の少なくとも一部分は、カラムから分画用泡沫／液体分離器に通される。

特定の実施形態では、泡沫／液体分離器は、実質的に液体の分画物の少なくとも一部分を、好ましくは液体ポンプを介してカラム上の液体吸入口に通す。

特定の実施形態では、泡沫／液体分離器は、実質的に泡沫の分画物の少なくとも一部分を脱泡タンクに通す。表面活性種が微小泡生成物内に存在する場合、泡沫分画物は、高濃度の物質を含むであろう。

特定の実施形態では、後続のプロセスにおいてシステムから取り除かれる発泡生成物を産出するために、消泡噴霧剤が実質的に泡沫の分画物に加えられる。

特定の実施形態では、方法は、微小泡ガス吸収システムを含み、１つ以上の気体を含む第１の気体成分は、１つ以上の気体を含む第２の気体成分から分離され、第１の気体成分は、液体中で実質的に可溶であり、第２の気体成分は、液体中であまり可溶ではない、または実質的に不可溶である。

特定の実施形態では、複数成分の気流が、次にカラムから気体・液体分離器に通される微小泡生成物を生成するために液体を含むカラム内に分散される。

特定の実施形態では、気体・液体分離器は、溶解された実質的に可溶な気体成分を含む液体成分を産出するために、微小泡生成物からあまり可溶ではないまたは実質的に不可溶な気体成分の少なくとも一部分を取り除く。

特定の実施形態では、液体成分はシステムから取り除かれ、分離気体の収集を可能にするために当業者に周知の発泡技術にかけられ得る。

特定の実施形態では、第１の気体成分はＣＯ_２を含み、液体はモノエチレンアミンまたは水を含む。

第３の態様では、本発明は、第２の態様の方法により生成される生成物を与える。

特定の実施形態では、生成物は、エタノール、ブタノール、２，３−ブタネジオール、アセトン、イソプロパノール、酢酸、酪酸、燐酸及びバイオマスから成る群から選択される発酵生成物である、

特定の実施形態では、生成物は、泡沫分画法により分離される表面活性種である。好ましくは、種は、蛋白質、ペプチド、イオン性または非イオン性界面活性剤またはバイオ界面活性剤から成る群から選択される。

全てのその新たな態様において考慮されなければならない本発明のさらなる態様は、本発明の実用用途の少なくとも１つの例を与える以下の記述を読んだ後に当業者に明らかになるであろう。

本発明の実施形態は、単なる例として付属の図面を参照しつつ、ここに記載されるであろう。

本発明の微小泡生成器の概要図である。 微小泡泡沫分画に用いられる本発明の実施形態を示す。 ガス発酵システム内での微小泡生成に用いられる本発明の実施形態を示す。 本発明の実施形態に用いられる多孔プレート上の孔配置を示す。 実質的に隣接する高さでの、微小泡生成器のカラム内の穿孔プレートよりも下の微小泡の画像を示す。 蓄積泡径分布を示し、平均泡径が最大泡径の約半分であることを示す。 積層反応器を形成するために一方の反応器が他方の頂上に配置される、複数の微小泡反応器の代わりの構成の例を示す。

定義
「スパージャ」は、気体を液体内に注入し攪拌するための、または気体を液体に溶解させるためのデバイスを含む。特定の実施形態では、スパージャは、穿孔プレート、焼結ガラス、焼結鋼、多孔ゴム管、多項金属管、多孔セラミックまたはステンレス鋼であり得る。スパージャは、特定寸法の「気泡」を与えるためのさまざまな等級（多孔度）のものであり得る。

「カラム」は、気泡生成及び微小泡生成のために、及び後続の気体・液体接触、気体吸収、バイオ／化学反応、表面活性物質吸収のために１つ以上の気流及び液流が注入される容器である。カラム内では、気相及び液相は垂直方向に流れる。カラム内では、その浮力が液体により与えられる抗力よりも大きい、大きな気泡は上流に昇るのに対し、その浮力が液流により与えられる抗力以下である、小さな気泡は液体で下流に流れる。カラムは、いずれの特定のアスペクト（高さ対直径）比にも制限されない。カラムは、いずれの特定の材料にも制限されず、ステンレス鋼またはＰＶＣのような、しかしそれらに限定されない、プロセスに適したいずれかの材料から構成され得る。カラムは、バイオ／化学プロセスにおいて普通である１つ以上の静止混合器のような、しかしそれに限定されない、内部成分を含み得る。カラムは、冷却筒のような、しかしそれに限定されない、外部または内部加熱または冷却設備で構成され得る。−「穿孔プレート」は、多重液体噴流（本明細書では「液体噴流」と呼ばれる）の形、カラムへの液体の注入を容易にするように設計されたプレートまたは類似の装置を含む。通常、穿孔プレートは、プレートの一方の面から他方の面への液体の流れを可能にする、プレートにわたり均一に分配される孔を有することなる。代わりの実施形態では、プレートは、カラム内に流れる液体噴流を生成するのに適した１つ以上のノズルを含み得る。プレートは、いずれかの分布または配列の流路を含んでもよく、そのような流路は、液体を受容し、カラム内に貫流させるのを容易にするのに適している。プレートを、所定数のレーザ焼成穴または「孔」を有するステンレス鋼で作製することができる。特定の孔寸法は、微小泡生成システムが用いられる対象の用途に依存する。特定の実施形態では、孔寸法は約１３０μｍの直径である。好ましくは、孔は、ある横列中の各々の孔が前記孔の真上及び真下の横列中の２つの孔に等距離であるような、中心外し型横列配列で配置される。同じまたは異なる多孔度の穿孔プレートをガススパージャとして用いることができる。

「泡沫」は、本明細書で呼ばれる場合、液層の基質内の気体の気泡塊である。泡沫の液体の体積分率は、好ましくは１０％未満、好ましくは５％未満、好ましくは２％未満である。

「泡沫／液体分離器」は、微小泡を含有する気体・液体混合物が一定時間（滞留時間）にわたり留まるのを可能にすることにより、泡沫を液体から分離するように設計された装置であり、その時間中は、気泡が上昇し、液体表面に蓄積して泡沫層を形成し、泡沫内の間隙液が重力のもとで泡沫層の下の液槽に引き戻される。泡沫／液体分離器の例は、当業者に周知であるであろうが、例として、泡沫／液体分離器は、微小泡を含む気体・液体混合物が中間部分内の通気口を通り容器内に連続的に注入される、垂直容器であってもよい。泡沫は、容器の頂上に配置される通気口から連続的に抽出され、泡沫から分離された液体は、容器の底に配置される通気口から連続的に引き出される。液体を引き出す量を調節することにより容器内の泡沫／液体界面を維持するために、液体レベル制御弁が用いられてもよい。

「脱泡タンク」は、本明細書で呼ばれる場合、表面活性物質内に濃縮された液状形態（発泡物）を作り出すために泡沫が完全に壊される容器である。初期に気泡内に包まれた気体は逃がされ、抜かれる。例として、脱泡タンクは、泡沫が適切な配管を介して容器内に注入され、泡沫内の気泡を壊すために適切な脱泡剤（消泡剤）が泡沫上に散布される、ステンレス鋼容器であってもよい。タンク内の泡沫塊内への脱泡剤の分布を補助するために、機械的な攪拌機が用いられてもよい。連続動作モードでは、泡沫が連続的に容器内に供給され、発泡物が連続的に引き出される。

「気体／泡沫分離器」は、により気体を泡沫から分離するように設計された装置である。気体／泡沫分離器の例は当業者に周知であるであろう。気泡「分類領域」は、気泡寸法の差に基づいて大きな気泡の上昇と微小泡の下降とが同時に存在し、したがって抗力と浮力の相対的量の差が気泡に影響を及ぼす、本発明の微小泡カラム内の一部分である。

「気体／液体分離器」は、気体・液体混合物が一定の時間（滞留時間）にわたり留まるのを可能にすることにより気体を液体から分離するために設計された装置であり、その時間中は、実質的に液体の分画物が、その分画物が引き出される容器の底に留まる。気体・液体混合物から逃がされた気体は、その気体が抜かれるまたは再利用される容器の上部分に蓄積する。液層が１つ以上の表面活性物質を含み、気体が安定した気泡の中に包まれる特定の事例では、気泡を壊し、したがって気泡から気体を逃がすために脱泡剤（消泡剤）が用いられる。気体・液体混合物が圧され、１つ以上の気体成分が液体中に溶解される特定の事例では、気体／液体分離容器は、気体・液体混合物を減圧して、したがって後続の分離のために液体から気体を逃がす能力がある。気体／液体分離器の例は、当業者に周知のものであるであろうが、例として、気体／液体分離器は、ステンレス鋼、構成され且つ適切な配管、通気口及びポンプを備えた垂直型容器であってもよく、その容器においては、気体・液体混合物が、中間部分に配置される通気口を介して容器内に注入され、液体が底から引き出され、気体が頂上の通気口を介して抽出される。別の例では、気体・液体分離器は、さらに高い高さまで持ち上げられ、圧力は、上流の容器よりも低い。ガス・液体混合物は、から、気体を液体から逃がすこと、続いて分離される。「消泡噴霧剤」は、本明細書で呼ばれる場合、噴霧ノズルのような適切な種類の噴霧器から生成される気体中に分散された動的な一群の微小な消泡（脱泡）滴を指す。特定の実施形態では、消泡噴霧剤は噴霧ノズルを備えており、そのノズルを通して、圧された脱泡剤が、微小滴の形態で消泡層の表面上に分散され、続いて消泡剤（脱泡剤）の作用のために泡沫が壊れる。

「表面活性種」は、本明細書で呼ばれる場合、液体の表面張力を低下させ、泡沫または微小泡のような気体・液体分散液を安定にする化合物を指す。特定の実施形態では、表面活性種は、蛋白質、ペプチド、イオン性または非イオン性界面活性剤、またはバイオ界面活性剤を含む。発酵プロセス内の微生物の活動により表面活性種を自然に生成することができる、またはそれらの種を溶液に人工的に加えることができる。

「微小泡」は、本明細書で呼ばれる場合、直径が約２００〜約１０μｍの気泡である。

「微小泡生成物」は、本明細書で呼ばれる場合、微小泡を含む液体／気体混合物である。

「発酵ブロス」は、本明細書で呼ばれる場合、少なくとも１つの栄養培地と細菌細胞とを含む培養液である。

用語「効率を向上させる」、「向上した効率」等は、発酵プロセスと関連して用いられる場合、発酵に触媒作用を及ぼす微生物の１つ以上の増殖率、高生成物濃度での増殖及び／または生成物生成率、消費される基質の体積当たりの生成される所望の生成物の体積、所望の生成物の生成率または生成レベル、及び発酵の他の副産物と比べた生成される所望の生成物の相対的比率を増加させることを含むが、これらに限定されない。

成句「一酸化炭素を含む基質」及び同様の用語は、一酸化炭素が例えば増殖及び／または発酵のために１つ以上の細菌株に利用可能である、いずれかの基質を含むと理解されるべきである。

成句「一酸化炭素を含む気体基質」及び同様の成句及び用語は、一定レベルの一酸化炭素を含むいずれかの気体を含む。ある実施形態では、基質は体積で少なくとも約２０％〜約１００％のＣＯ、体積で２０％〜７０％のＣＯ、体積で３０％〜６０％のＣＯ、及び体積で４０％〜５５％のＣＯを含む。特定の実施形態では、基質は体積で約２５％、または約３０％、または約４０％、または約４５％、または約５０％のＣＯ、または約５５％のＣＯ、または約６０％のＣＯを含む。

基質が水素を含む必要はないが、Ｈ_２の存在が、本発明の方法により生成物の形成に有害であるべきではない。特定の実施形態では、水素の存在により、結果として総アルコール生成効率が向上する。例えば、特定の実施形態では、基質は、約２：１、または１：１、または１：２の比率のＨ_２：ＣＯを含み得る。一実施形態では、基質は、体積で約３０％以下のＨ_２、体積で２０％以下のＨ_２、体積で約１５％未満のＨ_２または体積で約１０％未満のＨ_２を含む。他の実施形態では、基質流は、低濃度、例えば５％未満、または４％未満、または３％未満、または２％未満、または１％未満のＨ_２を含むか、または実質的に水素を含まない。基質はそのうえ、体積で約１％〜約８０％のＣＯ_２、体積で１％〜約３０％のＣＯ_２のようなある程度のＣＯ_２を含んでもよい。一実施形態では、基質は、体積で約２０％以下のＣＯ_２を含む。特定の実施形態では、基質は、体積で１５％以下のＣＯ_２、体積で１０％以下のＣＯ_２、体積で約５％以下のＣＯ_２を含むか、または実質的にＣＯ_２がない。

本発明の特定の実施形態では、ＣＯ含有気体基質は、工業的副生ガスまたは廃ガスである。工業的廃ガスまたは副生ガスは、工業的プロセスにより生成されるＣＯを含むいずれかのガスを含むように幅広く取られ、鉄合金製品製造、非鉄製品製造、石油精製プロセス、石炭気化、バイオマス気化、電力生産、カーボンブラック製造、及びコークス製造の結果として生成されるガスを含む。さらなる例は、本明細書のどこかに与えられ得る。

特に文脈が必要としない限り、成句「発酵」「発酵プロセス」または「発酵反応」等は、本明細書で用いられる場合、プロセスの増殖相と生成物生合成相の両方を包含することを意図している。本明細書にさらに記載されるように、いくつかの実施形態では、バイオ反応器は、第１の増殖反応器と第２の発酵反応器とを含み得る。そのように、発酵反応への材料の物質は、これらの反応器の片方または両方への追加を含むと理解されるべきである。

本明細書で呼ばれる用語「バイオ反応器」（またはカラムもバイオ反応器である「カラム」）は、連続攪拌タンク反応器（ＣＳＴＲ）、不動化細胞反応器（ＩＣＲ）、トリクルベッド反応器（ＴＢＲ）、気泡／微小泡カラム、ガスリフト発酵装置、または気体・液体接触に適した他の容器もしくは他の装置を含む１つ以上の容器及び／または塔または配管配置で構成される発酵装置を含む。いくつかの実施形態では、バイオ反応器は、第１の増殖反応器と第２の発酵反応器とを備えてもよい。そのように、バイオ反応器または発酵反応への基質の追加を指す場合、適切である限り、これらの反応器の片方または両方への追加を含むと理解されるべきである。

「積層反応器」または「反応器積層」は、本明細書で呼ばれる場合、一方の反応器が適切な導管、ポンプ、配管、器具及び幾何的な支持構造とともに他方の反応器の頂上に置かれる、多重の微小泡反応器の構成である。積層反応器は、土地領域への要求を著しく増すことなく、反応システムの処理能力を増加させる。

本発明者は、周知のシステムに比べて効率及び順応性が向上した微小泡生成システムを開発している。

本発明は、カラム内で気泡を微小泡に破砕するために多重液体噴流を利用する。最初に大きな気泡が、カラムの底またはカラムの下部分でガススパージャを用いて気体を分散することにより生成される。これらの大きな気泡は、上に向かって液体を通り、液体の頂上にある泡沫層に移動する。液体噴流は、液体を穿孔プレートに通して泡沫層内に送り込むことにより形成される。その噴流は、泡沫気泡を、液流によりカラムの下方に流し込まれる小さな微小泡に破砕する効果を有する。大きな気泡は、小さな気泡に破砕されて泡沫層に保持される、または下方に流し込まれる場合、再び上流に移動する。液体／気泡混合物を含む微小泡生成物は、液体吐出口を介してカラムから取り除かれ、当業者に周知であるまたは本明細書に記載されるような他の用途に用いられ得る。

一般的に、所定のエネルギー消費のために可能な限り最小の泡を生成することが望ましい。本発明は、所望の気体／液体比で特定の泡寸法を有する微小泡製品を作り出すために向上したエネルギー効率を有する点で周知のシステムを超える利点を与える。これは、ガスが、液相と気相との間の高速相対移動を必要とする「取り込み」ではなく、大きな気泡の形態での直接注入により注入されるためである。微小泡は、液体表面を破砕するのではなく、本発明により大きな気泡を破砕することにより生成される。

さらに、本発明の微小泡生成システムを、微小泡生成物の寸法が一定に保たれ得る処理能力の広い範囲で操作することができる。気泡寸法は、カラム内の気相の噴流速度及び残留時間に依存する。所定の気体分散量に対して液体速度が低下する場合、気体の残留時間が自原的に増加する。

本発明は、噴流速度の特別な要求も有しておらず、特別用途の要求に基づいて変化し得る。本発明により生成される乱流は、周知のシステム（例えば、ジェイムソンセル）に比べて最小のものである。これは、向上したエネルギー効率及び液体中に存在する蛋白質または微生物に対する（剪断及び乱流に関する）あまり苛酷ではない環境に関して利点を有する。

本発明の追加の利点は、微小泡生成が単一の容器（カラム）内で起こり、周知のシステムに比べて移動部品の数が削減されることである。これは、費用、複雑性、保守点検の必要性を削減し、連続的な動作を維持するのを補助する。

図１に示される特定の実施形態では、カラム１は初期に液体吸入口２を介して、蛋白質、ペプチド、イオン性または非イオン性界面活性剤またはバイオ界面活性剤のような、しかしそれらに限定されない、１つ以上の活性種を含む液体で所望のレベルまで少なくとも部分的に充たされる。カラムは、カラムから液体を充たし、空にしやすくするためにカラム上のいずれかの適切な位置に１つ以上のさらなる液体吸入口または液体吐出口も含んでもよい。カラム１は、液体内に気体を分散させる気体吸入口４に接続されたスパージャ３を備えている。スパージャは、スパージャが生成する気泡５が、カラム１の泡沫層６に向かう気泡の浮力により分類領域９を通り上方へ移動するように配置される。スパージャ３から生成される気泡の直径は、穿孔プレート７を貫流する液体噴流の力によりその気泡が押し下げられないようなある程度の上昇速度を有するように十分に大きくなければならない。

スパージャから生成される気泡は液体の頂上に移動し、泡沫層６を形成する。初期に、泡沫層の厚さは、気体分散が進むにつれて増加するが、連続動作モードにおいて一定の厚さに維持される。カラム１の頂上は穿孔プレート１を含み、カラム内に多重液体噴流を形成するために、液体がその穿孔プレートを貫通することができる。穿孔プレートは、液体噴流がスパージャにより生成される泡沫層に接触するのを可能にするために、ガススパージャよりも上に位置する。穿孔プレートはスパージャの真上に配置される必要はなく、軸外しで配置されてもよく、泡沫層への液体噴流の注入を可能にするいずれかの適切な配置のものでもよいことは当業者に理解されるであろう。加えて、カラムは、特定用途の必要に応じて垂直方向から外れて整列されてもよい。好ましくは、泡沫層６の頂上は、穿孔プレート７の高さに維持される。孔の直径は、所定の総体積液流に対して所望の液体噴流速度を得ることができるようなものであるべきである。多孔プレートに通る液体流により生成される液体噴流は、泡沫の表面を打ち抜き、泡沫層６内の気泡を微小泡に破砕する。

所望の用途に応じて、微小泡は、２００μｍ未満の、好ましくは１５０μｍ未満の、好ましくは１００μｍの、好ましくは６０μｍの直径であり得る。微小泡は、液体を有するカラム内の分類領域９に通して下流に移動し、他方では同じ時間に、新たな気泡が、ガススパージャを介してカラムの底にまたはカラムの低部に生成される。新たな気泡が生成される速度が、泡沫層の頂上での気泡が微小泡に破砕される速度に等しいように、液体吸入流量及びガス吸入流量は制御される。

カラムは、微小泡生成物１０がカラムに出る液体吐出口８をさらに含む。幅／直径に関していずれの拡張または制約もない直線カラムに対して、液体吐出口８とスパージャ３との間の距離は、気泡が、分類領域から離れ且つ微小泡を実質的に含まない領域に生成されるような望ましいものである。気泡が分類領域９内に直接分散される場合、スパージャにより与えられる気泡寸法は、液体の下流速度のために制御するのがさらに難しい。結果として、極めて大きな気泡及び変化しない気泡寸法が生じることがある。

カラムから来る微小泡生成物１０の液体対気体体積比は、吸入気体流量及び吸入液体流量により制御される。微小泡生成物内の気泡の寸法は、初期の気泡寸法と噴流速度とを調節することにより制御される。噴流速度は、体積液体流量及び孔数及び孔径により制御される。初期の気泡寸法は、スパージャ穴径と気体分散流量とを調節することにより制御される。

本発明は、カラム内での同時発生の大きな気泡の上向流と微小泡の下向流とを特徴とする。不活性ガスに対しては、両方向での気流の総物質流束は、微小泡生成器が連続動作状態である場合、互いに対して等しい。活性ガスに対しては、吸入気体の物質流束は、下向流気体の物質流束に、さらには反応器により消費される気体の物質流束に等しい。気流が、液体噴流が破砕し得るものを超える場合、気体層が、穿孔プレートの下に形成されるであろう。この状況で気体逃がしを容易にするために、カラムは、気体を逃がすためにガス逃がし弁をさらに備えるであろう。カラム内の圧力は、液体吐出口８に接続される任意選択の圧力逃がし弁により制御され得る。

表面活性物質の濃縮及び抽出
特定の実施形態では、微小泡生成システムは、溶液から（蛋白質、ペプチド、イオン性または非イオン性界面活性剤またはバイオ界面活性剤のような）表面活性種を濃縮し、抽出するための微小泡泡沫分画プロセス及び装置の一部である。表面活性種は、微小泡生成物内に存在し、泡沫分画物は、より高い濃度の物質を含み、抽出及び／または純化、輸送、保存を含むさらなる処理に望ましい。

微小泡生成物が、気体吸入口１９から受容されるスパージャ１３から気体を分散させることにより生成され、液体噴流が、液体を穿孔プレート１１に通すことにより生成される、実施形態が図２に示される。微小泡生成物１８の少なくとも一部分は、カラム１２から分画用の泡沫／液体分離器１４に通される。泡沫／液体分離器は、好ましくは液体ポンプ１５を介して、実質的に液体の分画物１７の少なくとも一部分をカラム上の液体吸入口に通す。実質的に液体の分画物は、カラム１２に戻される前に、新鮮な液体飼料１６で補われ得る。実質的に液体の分画物の少なくとも一部分は、液体吐出口２５を通じてシステムから取り除かれ得る。泡沫／液体分離器は、実質的に泡沫の分画物２０の少なくとも一部分を脱泡タンク２１に通す。所望の表面活性種のさらなる処理及び抽出のためにシステムから取り除かれる発泡生成物２３を産出するために、消泡噴霧剤２２が実質的に泡沫の分画物に加えられる、あらゆる過剰な気体は、気体吐出口２４を介して脱泡タンクから取り除かれ得る。

特定の実施形態では、乳用供給材料から蛋白質を抽出するために、微小泡泡沫分画プロセスが用いられ得る。蛋白質は、濃縮生成物を産出するために取り除かれ且つ破砕され得る泡沫状の微小泡の表面に吸着する。気泡が極めて小さい場合、蛋白質がその上部に吸着する、大きな比表面積がある。既存の小気泡生成方法は、エネルギー効率がよくなく、蛋白質を変性させ得る極めて高い剪断応力の領域を作り出す。加えて、高い比表面積のために、本発明により生成される微小泡は、界面吸着に優れている。

特定の実施形態では、生物学的酸素要求量（ＢＯＤ）を削減するために、例えば廃水処理操作から、廃流から蛋白質を取り除くために微小泡分画プロセスが用いられ得る。これは、環境内に放出する前に廃流を処理するのに、またはさらなる処理に特に役立つであろう。この事例では、本発明には、供給流から蛋白質のかなりの部分を取り除くように期待される。特定の実施形態では、溶液から取り除かれた表面活性種の一部分は、溶液内の種の総量の５０％、６０％、７０％、８０％または９０％よりも大きい。

微小泡ガス発酵システム
特定の実施形態では、微小泡生成システムはガス発酵システムの一部である。本発明による特定のガス発酵システムは、微生物と発酵ブロスとを含むバイオ反応器を備えている。微生物は、エタノールまたは２，３−ブタネジオールのような少なくとも１つの生成物を生成するために、ブロス中に溶解された気体を用いる。システムのバイオ反応器は、微小泡生成システムの一部として前に記載されたカラムであってもよく、分離容器であってもよい。

特にＯ_２及びＣＯのような比較的不可溶な気体種を用いる通常のガス発酵では、主要な制限のうちの１つは、発酵基質内に溶解され得る気体の量と、気体が溶解され得る速度である。本発明は、気体基質から、微小泡生成物を含む発酵ブロス内の１つ以上の微生物への物質移動の改良方法を与える。

図３に示される特定の実施形態では、液体噴流を生成するために、液体が穿孔プレート３１を介してカラム３２に注入される。この特定の実施形態では、カラムは、バイオ反応器でもある。次に第１の気体・液体分離器３４に通される微小泡生成物３０に破砕される泡沫を生成するために、気体２９が液体内に分散される。ブロスの実質的に気体の成分は第１の気体・液体分離器により分離され、圧縮機／送風機３８を介してカラムに通される３５。ブロスの実質的に気体の成分の一部分は、第１の気体・液体分離器３４によりシステム４６から取り除かれ得る。第１の気体・液体分離器は、その分離器内に含まれるブロスの一部分に消泡噴霧剤３７を加える。

第１の気体・液体分離器は、ブロスの少なくとも一部分を第２の気体・液体分離器３６に通す４１、及び／またはブロスの少なくとも一部分を生成物抽出用生成物引出吐出口４２に通す。気体含有量の低いブロス４４の少なくとも一部分が、好ましくは液体ポンプ４７を介してカラム上の液体吸入口に通される前に、新鮮な培地４３が第２の気体・液体分離器３６内のブロスに加えられる。第２の気体・液体分離器内のブロスから分離された気体の少なくとも一部分は、システムから取り除くためのさらなる気体吐出口４８に通される。

図２及び図３の実施形態では、カラムが、拡張部分（図３では１３で標識）をカラムの底で含むことがわかり得る。この部分では、液体速度が低く、スパージャにより生成される気泡はさらに容易に形成され、上昇することができる。この実施形態では、液体吐出口は、図１のようにカラムの側面上には配置されず、カラムの底のような他の位置に配置され得る。

微小泡生成物は通常、バイオ反応器内部に供給される（またはバイオ反応器内に生成される）。微小泡生成物は、液体に対して気体の表面積が大きいことが液体による気体の吸収を強めるという利点を有する。ＣＯまたＯ_２のような低溶解度の気体を用いる場合、微小泡を成長させ、生成しやすくするために気体の吸収を最大にするのが望ましい。

気流からの気体の抽出
特定の実施形態では、本方法は、微小泡気体吸収システムを備えており、１つ以上の気体を含む第１の気体成分は、１つ以上の気体を含む第２の気体成分から分離され、第１の気体成分は、液体中に実質的に可溶であり、第２の気体成分は、液体中にあまり可溶ではない、または不可溶である。

この実施形態では、本システムが、液体中に気体成分を溶解させることにより多重成分の気流から気体成分を分離するのに用いられる。この実施形態は、多重成分の気体混合物から気体を取り除くのに特に役立ち、溶解されるべき気体は、気相中に保持されるべき他の気体に比べて液体中へ溶解度が高い。液体は、水またはモノエタノールアミンのようないずれかの適切な溶質を含み得る。特定の実施形態では、数多くの他の気体を含む廃気流からＣＯ_２を回収することが望ましい場合がある。ＣＯ_２の回収を最大にするために、本発明の微小泡生成器は、ＣＯ_２吸収液体中で微小泡を生成するのに用いられる。次に（溶解されたＣＯ_２を有する）液体は混合物の気体成分から分離され、ＣＯ_２は、圧力低下、温度増加または攪拌のような標準的な発泡技術により回収される。

生成方法
本発明の実施形態では、微生物により発酵された気体基質は、ＣＯを含む気体基質である。気体基質は、工業プロセスの副産物として、または自動車排気ガスからのようなある他の本源から得られるＣＯ含有廃気であり得る。ある実施形態では、工業プロセスは、製鋼工場のような鉄合金製品製造、非鉄製品製造、石油精製プロセス、石炭気化、電力生産、カーボンブラック製造、アンモニア製造、エタノール製造及びコークス製造から成る群から選択される。これらの実施形態では、ＣＯ含有気体は、大気中に発散される前に、いずれかの従来の方法を用いて工業プロセスから捕獲され得る。ＣＯは、合成ガス（一酸化炭素と水素とを含むガス）の成分であり得る。工業プロセスから生成されるＣＯは通常、ＣＯ_２を生成するように燃焼し尽くされ、したがって本発明は、ＣＯ２温暖化ガス排出を削減し、バイオ燃料を生成するのに特に役立つ。気体状のＣＯが含まれる基質の成分に応じて、浮遊粒子のようないずれの望まれない不純物を、その不純物を発酵に導入する前に取り除くために、基質を処理するのが望ましいことがある。例えば、気体基質は、濾過されてもよく、周知の方法を用いて洗浄されてもよい。

ＣＯ含有基質気体、適切な液体栄養培地を加えて発生する細菌の増殖及び生成物の生成がバイオ反応器に供給されることになると理解されるべきである。

本方法の態様のうちの特定の実施形態では、発酵は水性培養液内で起こる。本発明の態様の特定の実施形態では、本方法の態様のうちの特定の実施形態では、基質の発酵がバイオ反応器内で起こる。

基質及び培地は、連続、回分または流加回分モードでバイオ反応器に供給され得る。栄養培地は、使用される微生物の増殖を可能にするのに十分なビタミンと無機物とを含むであろう。ＣＯを用いての発酵に適した嫌気培地は、当該技術分野で周知のものである。例えば、適切な培地はＢｉｅｂｅｌ（２００１）に記載される。本発明の一実施形態では、培地は、本明細書の後の実施例部分に記載されるようなものである。

発酵は望ましくは、バイオ燃料の生成が生じるのに適した発酵条件のもとで実行されるべきである。考慮されるべき反応条件として、圧力、温度、気体流量、液体流量、培地ｐＨ、培地酸化還元ポテンシャル、攪拌速度（連続攪拌タンク反応器を用いる場合）、接種レベル、液相内のＣＯが限定されることにならないことを確保するための最大気体基質濃度、及び生成物阻害を回避するための最大生成物濃度が挙げられる。

加えて、ＣＯが基質である場合、基質流のＣＯ濃度（または気体基質内のＣＯ分圧）を増加させ、したがって発酵反応の効率を向上させることが望ましい。増加された圧力で操作することにより、気相から液層へのＣＯ移動速度をかなり増加させることができ、そのＣＯは、微生物により発酵生成のための炭素源として吸収され得る。次にこれは、バイオ反応器が大気圧ではなく高圧に維持される場合、保留時間（入力気体流量により除算されたバイオ反応器内の液体体積として定義される）を削減することができることを意味する。最低な反応条件は、使用される本発明の特定の微生物に部分的に依存するであろう。しかしながら、一般的に、発酵が、大気圧よりも高い圧力で実行されることが好まれる。そのうえ、所定のＣＯ変換率は、基質保持時間に部分的に依存し、所望の保持時間に到達することは、バイオ反応器の必要とされる体積を規定するので、加圧システムを用いることにより、必要とされるバイオ反応器の体積を低減することができ、結果として発酵設備の資本費を削減することができる。米国特許第５，５９３，８８６号に与えられる例によれば、反応器動作圧力の増加に線形比例して、反応器の体積を低減することができる、すなわち、１０気圧で操作されるバイオ反応器は、１気圧で操作されるバイオ反応器の１０分の１の体積しか必要としない。

例として、気体対エタノール発酵を高圧で行う利便性が記載されている。例えば、ＷＯ０２／０８４３８は、１５０ｇ／ｌ／日及び３６０ｇ／ｌ／日のエタノール生産性をそれぞれ与える、３０ｐｓｉｇ及び７５ｐｓｉｇの圧力下で実行される気体対エタノール発酵を記載している。しかしながら、大気圧で同じ培地及び入力気体組成を用いて実行される例示の発酵は、リットル・日当たり１０〜２０分の１のエタノールを生成することがわかった。

そのうえ、ＣＯ含有気体基質の注入率は、液体中のＣＯ濃度が限定されることにならないことを確保するようなものであることが望ましい。これは、ＣＯを限定する条件の結果として、培養により１つ以上の生成物が消費されることがあり得るからである。

発酵反応に供給するのに用いられる気流の組成は、その反応の効率及び／または費用に重大な影響を及ぼすことがある。例えば、Ｏ_２により嫌気発酵プロセスの効率が低下し得る。発酵前または後の発酵プロセス工程において望まれないまたは必要のない気体を処理することにより、そのような工程への負荷が増すことがある（例えば、気流が、バイオ反応器に入る前に圧縮され、必要のないエネルギーが、発酵に必要のない気体を圧縮するのに用いられ得る）。したがって、望まれない成分を取り除き、所望の成分の濃度を高めるために基質流、特に工業的供給源由来の基質流を処理するのが望ましい場合がある。

ある実施形態では、本発明の細菌の培養が水性培養液内で維持される。好ましくは、水性培養液は、最小嫌気微生物増殖培地である。適切な培地は、当業者に知られており、例えば米国特許第５，１７３，４２９号及び第５，５９３，８８６号及びＷＯ０２／０８４４３８に記載され、後に本明細書の実施例に記載されるようなものである。

生成物は、分溜または蒸発、浸透蒸発、気体逆抽出及び例えば液体・液体抽出を含む抽出発酵のような当該技術分野で周知の方法により発酵ブロスから回収され得る。生成物は、媒体内に拡散または分泌されてもよく、その媒体から相分離により生成物を抽出することができる。

本発明のある好ましい実施形態では、生成物は、バイオ反応器からブロスの一部分を連続的に取り除き、（簡便には濾過により）ブロスから微生物細胞を分離し、ブロスから生成物を回収することにより発酵ブロスから回収される。アルコールは簡便には、例えば蒸留により回収され得る。アセトンは、例えば蒸留により回収され得る。生成されるいずれかの酸は、例えば活性木炭上への吸着により回収され得る。分離された微生物細胞は、好ましくは発酵バイオ反応器に戻される。いずれかのアルコール（複数可）及び酸（複数可）が取り除かれた後に残っている細胞を含まない浸透液も、好ましくは発酵バイオ反応器に戻される。栄養培地がバイオ反応器に戻される前に栄養培地に補充するために、（ビタミンＢのような）追加の養分が細胞を含まない浸透液に加えられてもよい。

そのうえ、活性木炭への酢酸の吸着を高めるためにブロスのｐＨが上記のように調節された場合、ｐＨは、バイオ反応器に戻される前に、発酵バイオ反応器内のブロスのｐＨと同じｐＨに再び調節されるべきである。

１つの特定の実施形態では、本発明の発酵反応に用いられる耐高濃度一酸化炭素微生物は、クロストリジウム・オートエタノゲナム、クロストリジウム・リュングダリイ、クロストリジウム・ラグスダレイ、クロストリジウム・カルボキシディボランス、クロストリジウム・ドラケイ、クロストリジウム・スカトロゲネス、クロストリジウム・アセチクム、クロストリジウム・フォルミコアセチカム、クロストリジウム・マグナム、ブチリバクテリウム・メチロトロフィカム、アセトバクテリウム・ウッディ、アルカリバクルム・バッキ、ブラウティア・プロダクタ、ユーバクテリウム・リモスム、ムーレラ・サーモアセチカ、ムーレラ・サーマウトトロフィカ、スポロミュサ・オバータ、スポロミュサ・シルヴァセティカ、スポロミュサ・スフェロイデス、オキソバクター・フェニジイ、サーモアナエロバクター・キウヴィを含む耐高濃度一酸化炭素酢酸産出細菌の群から選択される。

１つの特定の実施形態では、微生物は、Ｃ．オートエタノゲナム、Ｃ．リュングダリイ、及びＣ．ラグスダレイ及び関連分離株の種を含むエタノール産出及び酢酸産出クロストリジウム菌の群から選択される。これらは、Ｃ．オートエタノゲナム ＪＡＩ−１^Ｔ（ＤＳＭ１００６１）（Ａｂｒｉｎｉ，Ｎａｖｅａｕ，ａｎｄ Ｎｙｎｓ １９９４）、Ｃ．オートエタノゲナム ＬＢＳ１５６０（ＤＳＭ１９６３０）（ＷＯ／２００９／０６４２００）、Ｃ．オートエタノゲナム ＬＢＳ１５６１（ＤＳＭ２３６９３）、Ｃ．リュングダリイ ＰＥＴＣ^Ｔ（ＤＳＭ１３５２８＝ＡＴＣＣ ５５３８３）（Ｔａｎｎｅｒ，Ｍｉｌｌｅｒ，ａｎｄ Ｙａｎｇ １９９３）、Ｃ．リュングダリイ ＥＲＩ−２（ＡＴＣＣ ５５３８０）（米国特許第５，５９３，８８６号）、Ｃ．リュングダリイ Ｃ−０１（ＡＴＣＣ ５５９８８）（米国特許第６，３６８，８１９号）、Ｃ．リュングダリイ Ｏ−５２（ＡＴＣＣ ５５９８９）（米国特許第６，３６８，８１９号）、Ｃ．リュングダリイ Ｐ１１^Ｔ（ＡＴＣＣ ＢＡＡ−６２２）（ＷＯ２００８／０２８０５５）、「Ｃ．コスカティ」（ＵＳ２０１１０２２９９４７）及び「クロストリジウム ｓｐ．」（Ｔｙｕｒｉｎ ａｎｄ Ｋｉｒｉｕｋｈｉｎ ２０１２）のような関連分離株、またはリュングダリイ ＯＴＡ−１（Ｔｉｒａｄｏ−Ａｃｅｖｅｄｏ Ｏ．Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｂｉｏｅｔｈａｎｏｌ ｆｒｏｍ Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ Ｇａｓ Ｕｓｉｎｇ Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ ｌｊｕｎｇｄａｈｌｉｉ．ＰｈＤ ｔｈｅｓｉｓ，Ｎｏｒｔｈ Ｃａｒｏｌｉｎａ Ｓｔａｔｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，２０１０）のような変異株の株を含むが、それらに限定されない。これらの株は、クロストリジウム ｒＲＮＡ クラスタ Ｉ内に副次群を形成し、それらの１６Ｓ ｒＲＮＡ遺伝子は、約３０％の類似の低ＧＣ含量と９９％超で同一である。しかしながら、ＤＮＡ−ＤＮＡ再会合及びＤＮＡフィンガープリント実験は、これらの株が異なる種に属することを示した（ＷＯ２００８／０２８０５５）。

この群の全ての種は、同じ形態及び寸法（対数増殖する細胞は０．５〜０．７×３〜５μｍ）を有し、中温性（最適増殖温度は３０〜３７℃）のものであり、極度に嫌気性のものである（Ａｂｒｉｎｉ，Ｎａｖｅａｕ，ａｎｄ Ｎｙｎｓ １９９４；Ｔａｎｎｅｒ，Ｍｉｌｌｅｒ，ａｎｄ Ｙａｎｇ １９９３）（ＷＯ２００８／０２８０５５）。さらに、それらの種は全て、同じ主要な系統学的特徴を共有し、同じｐＨ範囲（ｐＨ４〜７．５、５．５〜６の最適な初期ｐＨを有する）、ＣＯ含有ガス上での同じ増殖率での強い独立栄養性増殖、主要な発酵最終生成物としてエタノール及び酢酸を有する同じ代謝性、及びある条件下で形成される少量の２，３−ブタネジオール及び酪酸（Ａｂｒｉｎｉ，Ｎａｖｅａｕ，ａｎｄ Ｎｙｎｓ １９９４；Ｋoｐｋｅ ｅｔ ａｌ．２０１１；Ｔａｎｎｅｒ，Ｍｉｌｌｅｒ，ａｎｄ Ｙａｎｇ １９９３）（ＷＯ２００８／０２８０５５）のような特徴である。インドール生成が、全ての３つの種でも観察された。しかしながら、種は、さまざまな糖類（例えばラムノース、アラビノース）、酸類（例えば、グルコン酸塩、クエン酸塩）、アミノ酸類（例えば、アルギニン、ヒスチジン）、または他の基質（例えば、ベタイン、ブタノール）の基質使用において分化する。さらに、いくつかの種は、あるビタミン類（例えば、チアミン、ビオチン）に対して栄養要求性であるのに対し、他のものはそうではないとわかった。気体取込に係わるウッド・リュングダリイ経路遺伝子の組成及び数は、核酸及びアミノ酸配列の差があるにもかかわらず、全ての種で同じであるとわかっている（Ｋoｐｋｅ ｅｔ ａｌ．２０１１）。

一実施形態では、親微生物はクロストリジウム・オートエタノゲナムまたはクロストリジウム・リュングダリイである。１つの特定の実施形態では、微生物は、クロストリジウム・オートエタノゲナムＤＳＭ２３６９３ 株ＤＳＭ１００６１．Ｃ．オートエタノゲナムの派生物である。別の特定の実施形態では、微生物は、クロストリジウム・リュングダリイＤＳＭ１３５２８（またはＡＴＣＣ５５３８３）である。

文脈が明確に必要としない限り、記述及び請求項を通して、単語「含む」、「含んでいる」等は、排他的または排他的な意味とは反対の包含的な意味で、つまり、「含んでいるが、それに限定されない」の意味で解釈されるべきである。

以上に及び以下に引用される全ての用途、特許及び公報の全開示は、もしあれば、本明細書に参照として組み込まれている。

本明細書内でのいずれかの先行技術の参照は、先行技術が、世界中のいずれの国の努力傾注分野において共通の一般知識の一部を成すという容認または示唆の形として解釈されない、解釈されるべきではない。

本発明は、本出願の明細書に参照されるまたは指示される部品、要素及び特徴で個別にまたは組み合わせで、２つ以上の前記部品、要素または特徴のいずれかのまたは全ての組み合わせで構成されているといえ得る。

上の記載においてそれらの周知の均等物を有する整数または成分に言及されている場所では、それらの整数は、個別に説明されるように本明細書に組み込まれている。

本明細書に記載される実際に好ましい実施形態に対するさまざまな変更及び修正は、当業者に明らかなことであると留意されるべきである。そのような変更及び修正は、本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく、その付属的な利点を減損させることなく行われ得る。したがって、そのような変更及び修正が本発明の範囲内に含まれると意図されている。
実施例

実施例１−卓上規模の泡沫分画器
材料及び方法
主要なカラムは、９０ｍｍの内径と６００ｍｍの高さとを有する。カラムの底での粗いガススパージャは、穴付き管型のスパージャである。このスパージャの孔径は、約０．５ｍｍである。この粗いガススパージャから生成される気泡寸法は、約３ｍｍである。

液体噴流を生成するのに用いられる多孔プレートの例が図４に示される。そのプレートは、三角形状に配置された、孔間距離が５ｍｍ、平均直径が０．２ｍｍの２６０個の孔を有する。プレートは、ステンレス鋼から作製され、レーザ焼成孔を有する。

実験は、蒸留水中０．１ｇ／ＬのＳＤＳであった模擬溶液を用いて実行された。液体体積流量Ｑｔは、１８．４５ｍＬ／ｓであった。これは、以下の関係式により２．３ｍ／ｓの噴流速度ν_ｊを与える。
（１）
式中、Ｎは多孔プレート上の孔の総数であり、ｄは孔径である。
主要カラム内の液体空塔速度ν_Ｌは次式により算出される。
（２）
式中、Ａｃはカラムの断面積である。この例では、Ａ_ｃ＝６３６２ｍｍ^２、したがってν_Ｌ＝２．９ｍｍ／ｓである。
同じ液体流量に対して、気体流量は実際の用途に応じて変化し得る。一例では、気体体積流量は、吐出口で測定された２７ｍＬ／ｓであった（カラムは大気圧で操作され、カラムの高さは低く、したがってカラム内の気体の圧縮は無視することができる）。
体積の保存により、生成物流は、気体対液体の比率が２７：１８．４５でなければならない、すなわち、液体の分率は
である。したがって、定常のカラムに対する液体実速度は
である。これは、下流に流れる液体により、７．２５ｍｍ／ｓよりも小さい終端速度ν_ｔを有するそれらの気泡のみを搬出することができることを意味する。ストークス式（Ｗａｌｌｉｓ Ｇ．Ｂ．，Ｏｎｅ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ Ｔｗｏ−ｐｈａｓｅ Ｆｌｏｗ，１９６９）、すなわち次式を用いて、
（３）
生成物流内の最大気泡径ｄ_ｂを定めることができる。数式（３）は、生成物流内の最大気泡径が０．１１５ｍｍである、すなわち１１５ミクロンまたはμｍであることを与える。これは、この実施形態に対する最大気泡径であることに留意すること。それは、生成物流内の全ての気泡がこの直径のものであることを意味しない。写真測定（図５）は、平均気泡径が、累積気泡寸法分布を示す図６のグラフに示されるように、最大気泡径の半分である約０．０６ｍｍ、すなわち６０ミクロンであることを示す。そのうえ、さらに小さく、図５の画像からは見ることができない気泡が高い割合である。

特定の実施形態では、図２に示されるような模範的な微小泡泡沫分画器のための操作パラメータは、以下である：
流れ１６、液体供給、６ｍＬ／ｓ、界面活性剤濃度＝０．１ｇ／Ｌ
流れ１７、再循環液体、１２ｍＬ／ｓ、界面活性濃度０．０１ｇ／Ｌ
流れ１８、気体・液体混合物、２７ｍＬ／ｓの気体＋１８ｍＬ／ｓの液体＝４５ｍＬ／ｓの混合物
流れ１９、不活性ガス吸入＝２７ｍＬ／ｓ
流れ２３、発泡物（液体）、０．５４ｍＬ／ｓ、界面活性剤濃度＝０．５ｇ／Ｌ
流れ２０、２７ｍＬ／ｓの気体＋０．５４ｍＬの液体＝２７．５４ｍＬ／の泡沫
流れ２４、気体吐出、２７ｍＬ／ｓ
流れ２５、滓（液体）、５．４６ｍＬ／ｓ、界面活性剤濃度＝０．０１ｇ／Ｌ
このプロセスでは、供給溶液（６ｍＬ／ｓ、０．１ｇ／Ｌの界面活性剤）が、０．５ｇ／Ｌの界面活性剤（すなわち、濃縮係数が５）を含む濃縮流に変換され、９１％の収率である。

実施例２−実験規模のバイオ反応器
第１の実施例に記載されるのと同じ原理を用いて、バイオ反応器として用いられ得る大型の気体・液体接触器を設計することができる。この例では、バイオ反応器は、２４０Ｌの試験規模の反応器中で９５％の酸素ガス変換を得るように設計されている。微小泡混合物中の設計された体積気体分率は２４％である。

微小泡反応器の主要部分は、０．５ｍの直径と１．２ｍの高さとを有し、高さ対直径の比率は２．４である。ポンプは、主要カラムの断面積に基づいて０．０５ｍ／ｓの液体下流空塔速度を与えるように選択される。直径２．５ｍｍの大きな気泡は、１０ｍ^３／時の総気体体積流量で反応器の底に注入され、０．０１４ｍ／ｓの気体空塔速度に対応する。このシステムから生成される微小泡は、１２０ミクロンの直径を有する。

大きな気泡による主要カラム内の気体滞留量は４．５％であり、微小泡による気体滞留量は２４％である。大きな気泡と微小泡のために気体・液体混合物の比表面積ａは両方とも次式により算出される
（４）
式中、ε_Ｇは、大きな気泡または微小泡のどちらかによる対応する気体滞留量である。ｄ_ｂは平均気泡径である。数式４は、上で設計された反応器が、少なくとも
の比表面積を有することになることを示す。他の全てのものが等しい場合、この反応器は、体積物質移動係数ｋ_Ｌａを有することなり、２０％の気体滞留量で操作される従来の気泡カラムと同程度の高さで少なくとも１０倍であり、平均気泡径は１ｍｍであり、比表面積は、１，２００ｍ^−１である。

これは、同じ生産性を得るために、微小泡生成器を用いるバイオ反応器が、従来の気泡カラム反応器または通常の動作条件下の気泡カラム反応器によりも９０％小さいことがあること意味する。これは、少なくとも部分的に、通常高エネルギー消費と関連する高圧の必要性を消去し、したがってシステムのエネルギー効率を向上させる。

実施例３−反応器積層
第２の実施例で実証されたように、微小泡反応器は、従来の気泡カラム反応器よりも寸法の点で極めて小さいことがある。特に、微小泡反応器は、従来の気泡カラム反応器よりも高さの点で極めて短いことがありえる。土地面積をより良く利用するために、一方の微小泡反応器を他方の頂上に積み重ねて、従来の気泡カラム反応器に匹敵する高さ対直径の総合比を与えるのが適切である。

図７は、３つの個別の微小泡反応器（Ｒ−１、Ｒ−２、Ｒ−３）が垂直方向に積み重ねて配置されるような構成の例を示す。３つの個別の反応器の各々は、図１に示されたものと同じ構成を有する。支持構造体は、明確さのために図面には示されていないが、当業者に明らかなものであるべきである。主要供給源１からの気流は、当業者に周知のいずれかの適切な流量・圧力制御装置により３つの反応器の各々に分割される。各々の反応器内への気体流量は等しいことがあり得るが、各々に対して異なることもあり得る。気体は、大きな気泡として、対応するスパージャ（Ｓ−１、Ｓ−２、Ｓ−３）を介して積層形態の反応器の各々の中に注入される。

各々の個別の反応器からの微小泡を含む液流は、気体・液体分離器４により上流に収集され、液体の一部分は、流量制御弁３を介して生成物流としてシステムから引き出される。気体・液体分離器４は、液体シャワー６を備えており、あるレベルの消泡剤を含み得る新鮮な培地、または別の個別の反応器または別の反応器積層からの生成物流のある部分が、気体・液体分離を補助するために気体・液体分離器内に噴霧される。廃気は、気体・液体分離器上の通気口５を介してシステムを離れる。脱気された液体は、ポンプ７を介して微小泡生成器に必要とされ、続いて微小泡生成器用の液体噴流に分割される。

Claims (33)

1. （ａ）気泡を形成するためにガススパージャを介して液体を含むカラム内に気体を分散させることと、
   （ｂ）液体噴流が前記気泡と接触し、液体内に取り込まれる微小泡を生成するような前記液体噴流を生成するために、前記ガススパージャよりも上に配置される穿孔プレートを介して前記カラムに前記液体を注入することと
   を含む、微小泡を生成する方法。
2. 工程（ｂ）の前記液体噴流が、前記穿孔プレートの高さよりも下に保たれる気泡塊から形成される泡沫層と接触する、請求項１に記載の方法。
3. 工程（ｂ）の前記穿孔プレートが約０．１〜約０．５ｍｍの直径の孔を備えている、請求項１に記載の方法。
4. 前記カラム内に含まれる前記液体または前記カラムに注入される前記液流が、蛋白質、ペプチド、イオン性界面活性剤、非イオン性界面活性剤、バイオ界面活性剤、疎水性粒子及び両親媒性粒子から成る群から選択される少なくとも１つの表面活性種を含む、請求項１に記載の方法。
5. 生成される前記微小泡が、直径で約２００〜約１０μｍの直径を有する、請求項１に記載の方法。
6. 分離液流と分離泡沫流とを生成するために、前記微小泡取込液体の少なくとも一部分を泡沫／液体分離器に通すことをさらに含む、請求項１に記載の方法。
7. 前記分離液流の少なくとも一部分を前記穿孔プレートに通し戻すことをさらに含む、請求項６に記載の方法。
8. 前記分離泡沫流の少なくとも一部分を脱泡タンクに通すことをさらに含む、請求項６に記載の方法。
9. 実質的に不可溶な気体を含む分離気流と実質的に溶解性の可溶気体を含む分離液流とを生成するために、前記微小泡取込液体の少なくとも一部分を気体／液体分離器に通すことをさらに含む、請求項１に記載の方法。
10. 前記微小泡の寸法を制御するために前記スパージャの孔径、気体分散流量及び液体噴流速度から成る群から選択される少なくとも１つのパラメータを調節することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
11. 前記カラムからガス逃がし弁を介してガス圧を逃がすことをさらに含む、請求項１に記載の方法。
12. 前記微小泡取込液体の少なくとも一部分を発酵ブロス内の少なくとも１つの微生物の培養液に与え、少なくとも１つの生成物を製造するために前記培養液を嫌気的に発酵させることをさらに含む、請求項１に記載の方法。
13. 前記微小泡がＣＯを含む、請求項１２に記載の方法。
14. 前記少なくとも１つ生成物が、エタノール、ブタノール、２，３−ブタネジオール、アセトン、イソプロパノール、酢酸、酪酸、及びバイオマスから成る群から選択される、請求項１２に記載の方法。
15. 前記培養液が前記カラム内に配置される、請求項１２に記載の方法。
16. 前記培養液がバイオ反応容器内に配置される、請求項１２に記載の方法。
17. 分離気流と分離発酵ブロス流とを形成するために、ガス取込発酵ブロスの少なくとも一部分を前記バイオ反応容器から第１の気体／液体分離器に通すことをさらに含む、請求項１６に記載の方法。
18. 前記ガススパージャを介して前記分離気流の少なくとも一部分を前記カラムに通し戻すことをさらに含む、請求項１７に記載の方法。
19. 前記穿孔プレートを介して前記分離発酵ブロス流の少なくとも一部分を前記カラムに通し戻すことをさらに含む、請求項１７に記載の方法。
20. 前記穿孔プレートを介して前記カラムに通す前に、前記分離発酵ブロス流から少なくとも一部分の生成物を分離することをさらに含む、請求項１７に記載の方法。
21. 微小泡生成システムであって、前記システムは、
    （ａ）カラムと、
    （ｂ）前記カラム内に液体を注入しやくするのに適した穿孔プレートと、
    （ｃ）前記カラム内に気体を分散させるのに適したガススパージャと
    を含み、前記穿孔プレートが、前記ガススパージャよりも上に配置される、システム。
22. 前記穿孔プレートが前記カラムの断面を実質的に満たす、請求項２１に記載のシステム。
23. 前記カラムが、液体を受容し、前記液体を前記穿孔プレートに通すのに適した液体吸入口をさらに備えている、請求項２１に記載のシステム。
24. 前記カラムが、気流を受容し、前記気流を前記ガススパージャに通すのに適したガス吸入口をさらに備えている、請求項２１に記載のシステム。
25. 前記カラムがガス逃がし弁をさらに備えている、請求項２１に記載のシステム。
26. 前記カラムの底の幅が前記カラムの頂上の幅よりも大きい、請求項２１に記載のシステム。
27. 前記カラムから微小泡の少なくとも一部分を受容するのに適した泡沫／液体分離器をさらに含み、前記泡沫／液体分離器が、微小泡を分離液流と分離泡沫流とに分離するのに適している、請求項２１に記載のシステム。
28. 前記泡沫／液体分離器が、前記分離泡沫流の少なくとも一部分を脱泡タンクに通す手段を備えている、請求項２７に記載のシステム。
29. 前記カラムから微小泡の少なくとも一部分を受容するのに適した気体／液体分離器をさらに備えており、前記気体／液体分離器は、微小泡を分離気流と分離液流とに分離するのに適している、請求項２１に記載のシステム。
30. 発酵ブロスを含むバイオ反応容器をさらに備えている、請求項２１に記載のシステム。
31. 前記バイオ反応容器から発酵ブロスの少なくとも一部分を受容するの適した気体／液体分離器をさらに備えており、前記気体／液体分離器は、発酵ブロスを分離気流と分離液流とに分離するのに適している、請求項３０に記載のシステム。
32. 前記気体／液体分離器が、前記分離気流の少なくとも一部分を前記カラムのガススパージャに通す手段を備えている、請求項３１に記載のシステム。
33. 前記気体／液体分離器が、前記分離気流の少なくとも一部分を前記カラムの前記穿孔プレートに通す手段を備えている、請求項３１に記載のシステム。