JP2019518468A - 活性支持体材料を備えた固体発酵リアクター - Google Patents

Abstract

本発明は、気体状または気体状および液体状の出発物質から気体、液体または固体を製造するための活性固体発酵バイオリアクター、およびかかるリアクターを使用する発酵方法に関する。本発明に記載のバイオリアクターは３つの主要な相；多孔質固体支持体を含む固相、液体を含む液相および気相を含む。該固相は、孔が液体で満たされた場合に、孔体積の少なくとも２０％が、約０．０１から約０．１バールの液体吸引力をもたらすサイズを有する多孔質固体支持体からなり、該多孔質固体支持体には、所望の微生物が植え付けられており；該気相の体積は該バイオリアクターの体積の２０％から６０％であり、該液相は該リアクターの体積の少なくとも２０％である。該バイオリアクターの充填／パッキング固体材料の不飽和毛管伝導率は少なくとも０．１ｃｍ／ｈである。本発明は、大きな気液界面を可能にし、かつ該充填材料が不飽和状態にもかかわらず良好な毛管伝導率を有する固体発酵バイオリアクターを提供する。

Description

本発明は、気体状または気体状および液体状の出発物質から気体、液体または固体を製造するための活性固体発酵バイオリアクター、およびかかるリアクターを使用する発酵方法に関する。

固体発酵は、飼料、燃料、食品、工業用化学薬品および医薬品などの微生物生産物の製造のための潜在的な技術として出現した。固体発酵法は、液体発酵法に勝るいくつかの利点を提供する。固体発酵は、大きな気相を必然的に提供し、同時に連続液体充填孔系を形成し得る固体リアクター内で起こる。さらに、湿った固体粒子上での著しく高密度の微生物増殖が十分な表面積上で達成されて、高い発酵効率をもたらし得る。最終製品の低い単価のために低い維持費で低コストのバイオリアクターを構築することを目的とする場合、固体アプローチは特に大規模発酵プロセスおよびバイオリアクターに適する。

固体発酵に関連するいくつかの不利な点もある。例えば、様々な物理的および化学的環境条件のために、微生物増殖およびその効力は、リアクター中の固体支持体粒子全体に不均一に分布される場合がある。固体バイオリアクターは撹拌により均質化されることができないので、微生物に対する栄養素の利用可能性は不均一であり、かつｐＨ制御の提供が困難であり得る。さらに、バイオリアクターの給気またはバイオリアクターの異なるパーツ間の気体状物質の移動は制限され得る。これは、例えば、凝縮水、または生物反応において生成される水による粒子間空間の閉塞によるものであり得る。他方、生物反応が水を生成しない場合、固体粒子は重力または気体流のために乾燥し、リアクター中の液体生成物の毛管伝導率を低下させ、同時に微生物の発酵能力を低下させる。

既存の固体発酵槽の設計は特に進歩してはいない。とりわけ、固体発酵は、ｐＨ、温度、給気、ならびに酸素移動および水分などのようなバイオリアクターにおけるいくつかの工程パラメーターをモニターするための高度なメカニズムを欠く。

固体バイオリアクターにおける重要な問題は、どのようにして高い気体体積および液体毛管伝導率を同時に維持するかである。気体の滞留時間がリアクター内で反応するのに十分に長くなるためには、大きな気体体積／空間が必要とされる。気体から液体への高い移動効率を得るために、気体と液体との間の大きな界面面積が必要である。

気体空間／体積が増大すると、界面が常により小さい孔に入るという事実により、液体と気体との間の界面が増大する。しかしながら、微生物のための適切な栄養素含有量およびｐＨ値を維持するために、リアクター充填材料が不活性であるとき、連続的な液体循環が必要とされる。不活性充填材料は、リアクター内の液体の栄養素含有量およびｐＨ値を制御することができない。

固体発酵バイオリアクターにおける１つの問題は、リアクターの気体空間が高いほど、液体の毛管伝導率が小さいことである。出発物質または生成物が液体である場合、低い毛管伝導率は、液体による孔の充填を引き起こし、かつ液体−気体界面を介した気体移動を減少させる。

発明の簡単な説明
本発明の目的は、特に生物反応が気体状の出発物質および液体状、気体状もしくは固体状の反応生成物またはそれらの混合物を含む場合に、上記の問題を解決するために固体発酵のための装置および固体発酵のための方法を提供することにある。本発明の目的は、独立請求項に述べられることを特徴とする構成および方法により達成される。

本発明は、気体または気体および液体分配システム、および気体、液体または固体回収システムを含むバイオリアクターに関し、ここで、該バイオリアクターは固相、液相および気相を含み、該固相は、孔が液体で満たされる場合に、孔体積の少なくとも２０％が約０．０１から約０．１バールの液体吸引力をもたらすサイズを有する多孔質固体支持体を含み；該多孔質固体支持体には、所望の微生物が植え付けられ；該気相の体積は該バイオリアクターの体積の２０％から６０％であり、かつ該液相は該リアクターの体積の少なくとも２０％である。該バイオリアクターの充填／パッキング固体材料の不飽和毛管伝導率は少なくとも０．１ｃｍ／ｈであり、該固体支持体は、少なくとも０．１ｍｍｏｌ／ｇのカチオン交換容量、少なくとも０．０１ｍｍｏｌ／ｇのアニオン交換容量、および少なくとも５ｍ^２／ｇの比表面積を有する。

また、本発明は、ａ）本発明に記載のバイオリアクターを提供する工程、ｂ）気体または気体および液体を該リアクター中へ供給する工程、ｃ）嫌気的または好気的に、該気体または気体および液体を気体状、液体状または固体状の生成物へ生物変換する工程、およびｄ）該バイオリアクターから該生成物を回収する工程を含む、固体発酵により液体生成物を生成するための方法に関する。

本発明の特定の実施形態は従属請求項に記載される。本発明の他の態様、詳細、実施形態および利点は、以下の図面、詳細な説明および実施例から明らかになるであろう。

本発明は、不活性ではなく活性の充填材料を使用することにより、栄養素含有量制御およびｐＨ値制御の問題を回避する。これは、充填材料の孔から液体を部分的に除去することを可能にし、したがって、気体と液体との間の広い面積を可能にする。該充填材料の使用される孔径分布は、不飽和材料の毛管伝導率を決定する。

本発明は、大きな気液界面を可能にし、かつ充填材料が不飽和状態にもかかわらず良好な毛管伝導率を有する固体発酵バイオリアクターを提供する。

以下において、添付の図面を参照して好ましい実施形態により本発明がより詳細に記載されるだろう。
図１は、吸引および不飽和状態が重力により達成される例示的なバイオリアクターの概略図を示す。不飽和毛管伝導率が十分に高いとき、リアクターは、例えば、該反応が水（液体）を生成する場合、水（液体）で飽和していない。 図２は、吸引および不飽和状態が重力により達成され、かつ重力の影響が多孔質板により引き起こされる吸引力により強化される、例示的なバイオリアクターの概略図を示す。成功するために、強化は不飽和状態で良好な毛管伝導率を必要とする。 図３は、吸引および不飽和状態が重力により達成され、かつ重力の影響が多孔質板により引き起こされる吸引力および過圧により強化される、例示的なバイオリアクターの概略図を示す。 図４は、重力により固体バイオリアクターから出てくる液体生成物を説明する。該図は、４５時間の研究（二酸化炭素と水素の生体触媒メタン化を実施する）期間中の排気中の気体成分（ＣＨ_４、ＣＯ_２）（体積％）、水素供給、水素変換率（％）、およびパワー（生産性）を示す。

発明の詳細な説明
本発明は、多孔質固体支持体上で増殖させた所望の微生物により、気体または気体および液体が気体または液体または固体へ変換されるバイオリアクターおよび固体発酵（ＳＳＦ）方法に関する。本発明に記載のバイオリアクターは３つの主要な相；多孔質固体支持体を含む固相、液体を含む液相および気相を含む。

出発物質のための十分に長い反応時間および十分に大きい液体−固体界面を達成するために、該固体支持体は該バイオリアクター全体に均一に分配された気相を提供し、その体積は該バイオリアクターの体積の２０％から６０％であることが特に重要である。同様に重要であるのは、高い気体空間にかかわらず、該材料中の連続的な流体で満たされた毛管孔体積である。該液相は、該リアクター体積の少なくとも２０％である。気相が大きいほど反応時間が長くなり、したがってバイオリアクターはより効率的になる。

必要条件は不飽和状態であると同時に大きな気体空間であるので、リアクターは、微生物が付着可能で、かつ適合することができる水で飽和された中小サイズの孔が存在するように設計される。

本発明のバイオリアクターにおいて、適切な気体−液体状態は、重力により、または液相で吸引を引き起こすことにより、または多孔質板もしくは過圧および多孔質板による両方の組み合わせにより達成される。

十分な発酵条件を得るために、固相は多孔質固体支持体を含む。固体支持体粒子の内部孔は、好ましくは、ナノメートルからマイクロメートルスケールの範囲内である。液体は、吸着および表面張力から生じる毛管力により固体支持体の孔に結合する。結合の強度は、パスカルまたはバールなどの圧力単位により表されてもよい。所与の孔径は、ある特定の結合強度に対応する。該孔が円筒形の管であると仮定すると、液体で満たされた最大の孔の半径は、以下の式（１）から計算され得る。
ｒ＝２γ／ΔＰ
式中、ｒは孔の半径（ｍ）であり；
γは液体の表面張力、Ｎ／ｍであり；
ΔＰは、気体−液体表面での気相と液相との間の圧力差、Ｎ／ｍ^２である。

本発明における使用に適した固体支持体は、孔が液体で充填された場合に、孔体積の少なくとも２０％が約０．０１から約０．１バールの液体吸引力をもたらす孔直径を有するようにすべきである。これは、約３００μｍから約３０μｍの孔径と同等である。該バイオリアクター内の液体−気体界面はできるだけ大きいことが好ましい。液体−気体界面面積を含有する孔が小さいほど、界面面積の合計は大きくなる。これは、毛管伝導率が良好な好ましい条件を提供する（表１に示される）。

いくつかの実施形態において、該固体支持体は、粒子を含むか、または粒子の形態であり、該粒子の少なくとも５０％は０．１ｍｍから５ｍｍの直径を有する。この範囲内のいかなる粒径またはそのいかなる組み合わせも、本発明のバイオリアクターおよび関連する方法において使用され得る。該粒径は、不飽和条件において、高い液体−気体界面面積および液体の良好な毛管伝導率を同時に提供する。

適切な粒子材料は、本明細書に記載の必要とされる物理的および化学的特性を有するかまたは提供する限りにおいて、バーミキュライト、修飾バーミキュライト、バーミキュライト様材料、または合成バーミキュライトを含む材料混合物；合成カチオン交換樹脂；さまざまな種類の泥炭；その他の有機材料；およびそれらの混合物を包含するが、限定されない。

一実施形態において、固体支持体は、バーミキュライト（４０〜６０体積％、２〜４ｍｍ）、パーライト（２０体積％、１〜２ｍｍ）、および合成カチオン交換樹脂（２０〜４０体積％、０．７ｍｍ）の混合物を含む。

いくつかの他の実施形態において、固体支持体は、海綿状構造物を含むか、または海綿状構造物の形態であり、該海綿状構造物は、その孔体積の少なくとも２０％について約０．１ｍｍから約５ｍｍの範囲内の孔径分布を有する。適切な海綿状材料の非限定的な例は、発泡プラスチックポリマーなどの合成海綿状材料、ならびに天然海綿を包含する。

さらにいくつかの他の実施形態において、固体支持体はフィラメント状構造として提供される。かかる場合、フィラメント間空間は、フィラメント状固体支持体の孔として見なされてもよく、それらの直径分布は、フィラメント間空間の少なくとも２０％について約０．１ｍｍから約５ｍｍの範囲内にあるべきである。適切な繊維状材料の非限定的な例はスチールウールを包含する。スチールウールは、いかなるカチオン交換特性も有さないので、十分なカチオン交換特性を有する粒子との混合物において提供されてもよい。あるいは、またはさらに、スチールウールは、十分なカチオン交換特性を達成するために、ポリアクリルアミドなどの有機材料で被覆または塗布されてもよい。

また、多孔質固体支持体は、本明細書に記載の物理的な必要条件を満たす限りにおいて、粒子、海綿状材料およびフィラメントの任意の混合物であってもよい。

固体支持体には、微生物が植え付けられている。好ましい微生物は、液体輸送燃料として使用することができる代謝最終生成物を合成することが知られている酢酸生成生物を包含するが、それに限定されない。市販の合成ガス発酵に典型的に使用される酢酸生成生物は、例えば、Ｍｏｏｒｅｌｌａ ｔｈｅｒｍｏａｃｅｔｉｃａ、Ａｃｅｔｏｂａｃｔｅｒｉｕｍ ｗｏｏｄｉｉ、Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ ａｃｅｔｕｍ Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ ａｕｔｏｅｔｈａｎｏｇｅｎｕｍ、Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ ｌｊｕｎｇｄａｈｌｉｉ、Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ ｒａｇｓｄａｌｅｉおよびＡｌｋａｌｉｂａｃｕｌｕｍ ｂａｃｃｈｉである。これらの生物の発酵生成物はアセテート、エタノール、ブチレート、ブタノールおよび２，３−ブタンジオールを含む。エタノールおよびブタノールは液体輸送燃料として使用され、一方、アセテートおよび２，３−ブタンジオールは化学工業における目的で使用される。すべてのアセトジェン（ａｃｅｔｏｇｅｎ）はアセテートを生成し、特定のアセテート製造のために典型的に使用される生物は、Ｍ．ｔｈｅｒｍｏａｃｅｔｉｃａ、Ａ．ｗｏｏｄｉｉ、およびＣ．ａｃｅｔｕｍである。エタノールの製造のために主に使用されるものは、Ｃ．ｌｊｕｎｇｄａｈｌｉｉ、Ｃ．ａｕｔｏｅｔｈａｎｏｇｅｎｕｍ、Ｃ．ｒａｇｓｄａｌｅｉおよびＡ．ｂａｃｃｈｉを包含する。ブタノールは、Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ ｃａｒｂｏｘｉｄｉｖｏｒａｎｓおよびＢｕｔｙｒｉｂａｃｔｅｒｉｕｍ ｍｅｔｈｙｌｏｔｒｏｐｈｉｃｕｍにより生成され得るが、一方で、Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ ｄｒａｋｅｉおよびＣｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ ｓｃａｔｏｌｏｇｅｎｅｓはブチレートを生成することが知られている。さらに、２，３−ブタンジオールは、Ｃ．ｌｊｕｎｇｄａｈｌｉｉ、Ｃ．ａｕｔｏｅｔｈａｎｏｇｅｎｕｍおよびＣ．ｒａｇｓｄａｌｅｉにより生成され得る。メタンおよびアンモニア酸化細菌は、メタンをメタノールに部分的に酸化するために使用されることができる。好ましい微生物は、Ｎｉｔｒｏｓｏｍｏｎａｓ ｅｕｒｏｐａｅａおよびＮｉｔｒｏｓｏｃｏｃｃｕｓ ｏｃｅａｎｉなどのアンモニア酸化細菌（ＡＭＯ）を包含するが、これらに限定されない。また、混合硝化細菌濃縮培養物（ｍｉｘｅｄ ｎｉｔｒｉｆｙｉｎｇ ｅｎｒｉｃｈｍｅｎｔ ｃｕｌｔｕｒｅｓ）は、メタンからメタノールへの変換のために使用されることができる。

微生物は、任意の所望の混合物もしくは組合せで、または単一の種の純粋培養物として使用されてもよい。また、遺伝子操作した種も使用されることができる。該微生物は、所望の最終生成物に従って選択される。１つの具体的な例として、微生物は単細胞タンパク質（ＳＣＰ）製造において使用されることができる。かかる場合、天然のメタノトローフＭｅｔｈｙｌｏｃｏｃｃｕｓ ｃａｐｓｕｌａｔｕｓは、メタンからの細菌タンパク質の製造において使用されてもよい。

微生物は、微生物株保存機関（ｃｕｌｔｕｒｅ ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ）から得られてもよく、または、例えば泥炭湿原もしくはミズゴケ湿原などの湿原または他の湿地から、単離されてもよい。また、本発明のバイオリアクターにおける生物の選択は、限定はされないが、当業者により容易に理解されるような所与の生物の栄養素、温度、およびｐＨ必要条件を包含する発酵プロセスの様々な要因に依存していてもよい。

固体支持体の多孔性は、バイオリアクター内の水分条件に影響を与えるだけでなく、微生物のための大きな付着面を提供し、かつそれらをフラッシングから保護する。さらに、多孔性は固体支持体の比表面積を増加させる。いくつかの実施形態において、固体支持体の比表面積は少なくとも５ｍ^２／ｇである。

高い比表面積に加えて、固体支持体は、典型的に０．１ｍｍｏｌ／ｇより高い、高カチオン交換容量を有するべきである。経験に基づくと、実施例２に提示されるリアクター構造を用いて、提示されるリアクター構造のカチオン交換容量は、外部添加なしで少なくとも２〜３週間、微生物に栄養素を提供する。

ほとんどの栄養物質は陽イオン性であるので、固体支持体のカチオン交換特性はアニオン交換特性よりも重要である。しかしながら、該固体支持体が、典型的に０．０１ｍｍｏｌ／ｇより高いアニオン交換特性も有することが有利である。この値は、十分なアニオン結合容量を提供し、かつ、溶液中の浸透圧値が高すぎるレベルに上昇しないことを確実にする。

いくつかの実施形態において、カチオン交換容量およびアニオン交換容量は、互いにほぼ等しくさえあってもよい。イオン交換容量は、高い比表面積と共に、充填材料が微生物に利用可能な栄養素を貯蔵することを可能にする。さらに、大きな比表面積は、高いイオン交換容量と共に、バイオフィルムの形成をもたらす。次に、これは、高い微生物含有量のために発酵プロセスの効率を高める。

固体支持体の上述の特性は、発酵プロセスにおいて十分な緩衝特性を提供する。該固体支持体が、そのイオン交換容量のために、水素および／または水酸基イオンを液相と交換することが可能である場合、追加のｐＨ制御の必要はないはずである。

イオン交換容量、高い比表面積および適切な孔径分布は、固体リアクターの充填材料を活性にする。適切な栄養素濃度およびｐＨ値を維持するための連続的な液体循環は必要とされず、したがって、不飽和充填材料条件における微生物処理を可能にする。

本発明における使用に適していない固体支持体は、イオン交換容量に関して不活性である材料を包含する。かかる材料のより具体的な例は、シリカベースの材料、木材ベースの材料、ほとんどのプラスチック（活性基と結合していない限り）、および長石や石英などのほとんどの石材を包含する。バーミキュライトは十分なカチオン交換容量を有する形態で存在するが、それが本発明のバイオリアクターにおいて単独で使用されるのに適した固体支持体材料ではないことは注目に値する。これは、単独のバーミキュライトでは十分な気相体積を達成することができないからである。たとえいくつかの特定の場合に、該バイオリアクターの体積の２０％をわずかに超える初期気相体積を達成することが可能であっても、湿潤および乾燥効果による自然発生的な圧密は、該気相体積を該バイオリアクターの体積の２０％未満に減少させる。該圧密の他の結果は、毛管伝導率の可能性のある減少である。従って、バーミキュライトが本発明のバイオリアクターにおいて使用される場合、気相の体積が該バイオリアクターの体積の２０％から６０％でなければならないという必要条件を満たすために、および毛管伝導率を増加させるために、パーライトのような他の平坦でない材料との混合物で提供される必要がある。

毛管伝導率および十分な固体支持体間気体体積は、固体支持体を通る気体および液体の流動特性を定義する。液体生成物を生成する、または液体が出発物質である反応において、毛管伝導率は非常に重要である。発酵プロセスの期間中、気体および液体の移動が所望のレベルで維持されることができることを確実にするために、十分な毛管伝導率が必要とされる。高すぎる水分含有量は、リアクター内の気体体積を減少させ、したがって、反応時間および気液界面面積を減少させる。

毛管伝導率は、最大の孔が液体で満たされるのを回避するために、バイオリアクターにおいて必要とされ、かつ、不飽和条件での毛管孔隙における、該リアクターからの液体生成物の流出に必要とされる。本発明において、適切な不飽和毛管伝導率は０．１ｃｍ／ｈより大きく、ここで時間単位は時間（ｈ）、長さ単位はセンチメートル（ｃｍ）、体積単位はｃｍ^３、速度の単位はｃｍ／ｈであり、圧力単位は、液柱の高さとしてｃｍで定義される。

表１に示されるように、生物反応が固体支持体の水伝導率よりも多くの水を生成する場合、バイオリアクターの底部が水浸しにされ／水で飽和され、かつ不十分なリアクター効率（生産性／パワー）をもたらすので、０．１ｃｍ／ｈを超える毛管伝導率が必要とされる／求められる。

毛管伝導率は、以下の式（２）から計算され得る。
ｑ＝Ｋ Ｈ／Ｌ
ｑ＝流速（ｃｍ／ｈ）
Ｋ＝透水係数（ｃｍ／ｈ）
Ｈ＝液柱の高さとして表される電位差（ｃｍ）
Ｌ＝流路の長さ（ｃｍ）

本発明のバイオリアクターは、例えばガラス、ステンレス鋼から作られてもよく、または、例えばプラスチックタンクまたは容器であってもよい。該バイオリアクターの材料は、プロセスにおいて使用されるものに対して非毒性であるべきである。該バイオリアクターのサイズおよび形状は、固体支持体材料の選択などの異なるパラメーターに応じて当業者に公知の範囲内で変更してもよい。好ましくは、サイズは工業規模の製造に適する。該バイオリアクターは、低コストで、操作が簡単で、信頼できるものであるべきである。

本発明に記載の例示的なバイオリアクターは、図１において図解される。該バイオリアクター容器（１）の上端には、気体分配システム（２）およびマスフローコントローラー（ＭＦＣ）（６）が提供され、一方で、該容器（１）の下端には、可能な気体、液体および／または固体回収システム（４）が提供される。該リアクター容器には、本明細書に記載の多孔質固体支持体材料（５）が装填される。該バイオリアクター容器は、加熱水循環（３）により囲まれる。

バイオリアクターの別の例が図２に示される。該バイオリアクターにおいて、気体供給はマスフローコントローラーおよび圧力レギュレーターで調整される。該バイオリアクター容器（１）の上端には、気体分配システム（２）およびマスフローコントローラー（ＭＦＣ）（８）が提供され、一方で、該容器（１）の下端には、可能な気体回収システム（４）が提供される。多孔質セラミック板が、液体回収システムおよび吸引システム（５）の上の該リアクター容器の底部（３）に配置される。該リアクター容器には、本明細書に記載の多孔質固体支持体材料（６）が装填される。該バイオリアクター容器は加熱水循環（７）により囲まれる。

バイオリアクターのさらに別の例が図３に示される。該バイオリアクターにおいて、気体供給はマスフローコントローラーおよび圧力レギュレーターで調整される。該バイオリアクター容器（１）の上端には、気体分配システム（２）およびマスフローコントローラー（ＭＦＣ）（８）が提供され、該容器（１）の下端には、気体圧力レギュレーター（９）と共に、可能な気体回収システム（４）が提供される。多孔質セラミック板が、液体回収システム（５）の上方の該リアクター容器の底部（３）に配置される。該リアクター容器には、本明細書に記載の多孔質固体支持体材料（６）が装填される。該バイオリアクター容器は加熱水循環（７）により囲まれる。

活性充填材料は、バイオリアクターパラメーターを調整することを必要としないが、該バイオリアクターには、該リアクター内の温度、ｐＨ、および湿度などの所望のパラメーターをモニターするための様々なセンサーが提供されてもよい。かかるセンサーは当該分野において容易に入手可能である。また、該バイオリアクターには、該バイオリアクターの操作および液体の収率をモニターするための分析器が提供されてもよい。

バイオリアクターの温度制御は、例えば、閉鎖水循環システムを該バイオリアクターに接続することにより得られてもよい。かかるシステムは、所与の微生物の必要性に応じて発酵プロセスの加熱または冷却のいずれかを提供してもよい。熱は、該水循環システムと該バイオリアクターとの間で伝導率により伝達される。本発明の方法の温度を調節するための他の手段および方法は、当該分野において周知である。

さらに、本発明は、固体発酵による気体または気体および液体からの液体生成物のためのプロセスに関する。該プロセスは以下の工程を含む。
ａ）本発明に記載のバイオリアクターを提供すること；
ｂ）気体または気体および液体を該リアクター中へ供給すること；
ｃ）嫌気的または好気的に、出発物質を気体、液体および／または固体生成物へ生物変換すること、および
ｄ）該バイオリアクターから該生成物を回収すること。

本発明の発酵プロセスにおいて出発物質として使用される所望の気体または液体供給源は、炭素質供給原料の気化から製造／生成される合成ガスを包含するが、これらに限定されない任意の適切な供給源から捕捉されてもよい。

発酵プロセスは、所望の微生物を培養するために使用される従来の条件下で、すなわち、好気的または嫌気的条件を使用して行われる。

微生物はその生育のために栄養分を必要とする。これらの物質は、上記のようにカチオン交換容量およびアニオン交換容量を有する固体支持体に付着させてもよく、したがって、この点で自立プロセスをもたらす。窒素は、例えば尿素または炭酸アンモニウムの形態で与えられてもよい。これらの元素の具体的な濃度は、使用されている微生物に依存する。

カチオンおよびアニオン交換体上に栄養素を結合させることにより、それらは、イオン濃度（浸透圧値）が溶液中で高くなり過ぎることなく、後の使用のために貯蔵されることができる。また、このようにして、ｐＨに関して自立システムが達成される。したがって、ｐＨをほぼ一定の値に保つために緩衝液は必要ではない。

さらに、自立性は、該システムの気体および液体状態にも関係する。粒子の適切な孔径を用いて、所望の気体および液体の体積、さらに毛管伝導率がリアクター構造において達成される。

発酵プロセス中に追加の栄養素が供給されてもよい。

本発明に記載の機能的バイオリアクターおよび固体発酵プロセスは、２〜３日などの短期間において設定されてもよい。

多孔質固体支持体についての好ましい条件を、バーミキュライト、パーライトおよびカチオン交換樹脂を含む混合物を用いて試験した。

表１は、最大の孔が大きな液体−気体界面を生じないことを示す。過度の粒径減少は、低い水伝導率を急速に生じる。粒子間の孔のサイズは、粒子のサイズの１／４から１／２である。

バイオリアクターがＳａｂａｔｉｅｒの式ＣＯ_２＋４Ｈ_２−＞ＣＨ_４＋２Ｈ_２Ｏに従って１０Ｗ／ｌの効率（パワー）で水素および二酸化炭素からメタンを製造する場合、速度１．３５ｇ／ｈ／ｌで水が生成される。これは、１メートルの高さのバイオリアクター構造の底部近くで、水の下方への流れが０．１３５ｃｍ／ｈであることを意味する。

表１の水伝導率の値は、吸引力がバイオリアクターの底部近くで値０．０３バールを増加できないことを示す。これは、基部の底部近くで、該リアクターの底部近くでの（滞留時間は最大ではなく、液体−気体界面は最大ではない）不十分なリアクター効率（パワー）をもたらす。

この問題は、リアクター効率（パワー）の増加またはリアクターの高さの増加と共に悪化するだろう。

この実施例は、重力により固体発酵リアクターから出てくる液体生成物を示す。

バイオリアクターを、図１に図解されるように、ポリプロピレン排水パイプ（内径７５ｍｍ、高さ５００ｍｍ、動作体積２Ｌ）から構築する。気体のためのナイロン給気口チューブを該パイプの上部に取り付ける。気体供給はマスフローコントローラーで調整する。該バイオリアクターに、気体および液体の最終生成物の回収のために、該パイプの下部に取り付けられた出口チューブを提供する。

バイオリアクターの排水パイプの上部を固体支持体で満たす。満たす前に、６ｌ ２〜４ｍｍバーミキュライトを２ｌ ２〜５ｍｍパーライトおよび２ｌカチオン交換樹脂と混合することにより固体支持体を製造する。さらに、生物反応のための栄養素および微量元素源として働くために、他のミネラルで補足したＮおよびＰ源をこの混合物に添加する。該バイオリアクターに、Ｎｉｔｒｏｓｏｍｏｎａｓ ｅｕｒｏｐａｅａやＮｉｔｒｏｓｏｃｏｃｃｕｓ ｏｃｅａｎｉなどの微生物アンモニア酸化細菌（ＡＭＯ）を植え付ける。該バイオリアクターの温度を、使用される微生物により所望されるレベルにウォータージャケットにより調節する。該バイオリアクターのコレクタータンクからの出口液体を用いて、微生物培地の再循環が可能である。

メタノールおよび水の混合物に対する該リアクターの良好な毛管伝導率の結果として、最終生成物の除去が効率的に達成される。該最終生成物において、メタノールは水に溶解し、該リアクターの良好な毛管水伝導率は、該リアクターからの生成物の除去に寄与する。該リアクターの良好な水毛管伝導率は、水およびメタノールの混合物に対しても毛管伝導率が良好であることを意味する。メタノールへのメタン酸化は生成物それ自体（ＣＨ_３ＯＨ）により阻害されることが知られているので、バイオリアクターからの効率的な生成物除去は重要であり、かつ、おそらく該製造を強化するであろう。

この実施例は、重力により固体発酵リアクターから出てくる固体生成物（細胞バイオマス）を示す。特に、この実施例において、微生物タンパク質を、固体発酵リアクター内で生物学的変換を用いてメタンから製造する。

バイオリアクターを、図１中に図解されるように、ポリプロピレン排水パイプ（内径７５ｍｍ、高さ５００ｍｍ、動作体積２Ｌ）から構築する。気体のためのナイロン給気チューブを該管の上部に取り付ける。メタンおよび酸素の気体供給混合物をマスフローコントローラーで調整する。該バイオリアクターに、気体、液体および固体の最終生成物（単一細胞タンパク質バイオマス）の回収のために、該パイプの下部に取り付けられた出口チューブを提供する。

該バイオリアクターの排水パイプの上部を固体支持体で満たす。満たす前に、６ｌ ２〜４ｍｍバーミキュライトを２ｌ ２〜５ｍｍパーライトおよび２ｌカチオン交換樹脂と混合することにより固体支持体を製造する。さらに、生物反応のための栄養素および微量元素源として働くために、他のミネラルで補足したＮおよびＰ源をこの混合物に添加する。該バイオリアクターに、Ｍｅｔｈｙｌｏｃｏｃｃｕｓ ｃａｐｓｕｌａｔｕｓなどのメタノトローフを植え付ける。該バイオリアクターの温度を、使用される微生物により所望されるレベルにウォータージャケットにより調節する。該バイオリアクターのコレクタータンクからの出口液体を用いて、微生物培地の再循環が可能である。

バイオリアクターの最適操作は、該リアクターからの微生物バイオマスの除去を必要とする。有効な毛管吸引領域において、毛管孔径は、該微生物が水と共に該リアクターの外に移動するのによく適合し、かつリアクターから水と共に除去されるようなサイズである。

Claims (6)

1. 気体または気液分配システム、および気体または液体または固体回収システムを含み、および気体、液体および固体の組み合わせのための回収システムを含んでいてもよいバイオリアクターであって、ここで、該バイオリアクターは、固相、液相および気相を含み；該固相は、孔が液体で満たされた場合に孔体積の少なくとも２０％が約０．０１から約０．１バールの液体吸引力をもたらす孔径を有する多孔質固体支持体を含み、該多孔質固体支持体には所望の微生物が植え付けられ、充填された固体支持体の不飽和毛管伝導率は少なくとも０．１ｃｍ／ｈであり、該固体支持体は、少なくとも０．１ｍｍｏｌ／ｇのカチオン交換容量、少なくとも０．０１ｍｍｏｌ／ｇのアニオン交換容量、および少なくとも５ｍ^２／ｇの比表面積を有し、該気相の体積は該バイオリアクターの体積の２０％から６０％であり、該液相は該リアクターの体積の少なくとも２０％である、バイオリアクター。
2. 該多孔質固体支持体が
   （ｉ）粒子、ここに、該粒子の少なくとも５０％について０．１ｍｍから５ｍｍの直径を有する；
   （ｉｉ）海綿状材料、ここに、その孔の少なくとも２０％について０．１ｍｍから５ｍｍの孔径を有する；または
   （ｉｉｉ）フィラメント状材料、ここに、そのフィラメント間空間の少なくとも２０％についてフィラメント間空間の直径が０．１ｍｍから５ｍｍである；またはそれらの混合物
   を含む、請求項１に記載のバイオリアクター。
3. 該固体支持体粒子が、バーミキュライトを含む材料混合物、修飾バーミキュライトを含む材料混合物、バーミキュライト様材料を含む材料混合物、合成バーミキュライトを含む材料混合物、合成カチオン交換樹脂、様々な種類の泥炭、およびそれらの混合物からなる群から選択される、請求項２に記載のバイオリアクター。
4. 該海綿状材料が、合成海綿状材料および天然海綿からなる群から選択される、請求項２に記載のバイオリアクター。
5. 該フィラメント状材料が、被覆または非被覆スチールウールである、請求項２に記載のバイオリアクター。
6. 以下の工程を含む固体発酵により気体または気体および液体から生じるプロセス。
   ａ）請求項１から５のいずれか一項に記載のバイオリアクターを提供すること、
   ｂ）気体または気体および液体を該リアクター中へ供給すること、
   ｃ）嫌気的または好気的に、該気体または気体および液体を気体状、液体状または固体状生成物へ生物変換すること、および
   ｄ）該バイオリアクターから該生成物を回収すること。

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