JP2022531436A

JP2022531436A - 二次アセテート発酵

Info

Publication number: JP2022531436A
Application number: JP2021565708A
Authority: JP
Inventors: デニスシンプソン，シーン; ハイミンガオ，アラン; ジョンコンラッド，ロバート; ダニエルウィンクラー，ジェームス; ポールミューラー，アレクサンダー; ブラウン，スティーブン; フォントラン，ローン; コェプケ，マイケル; ダニエルミハルチェア，クリストフ
Original assignee: ランザテク，インコーポレイテッド
Priority date: 2019-07-25
Filing date: 2020-07-24
Publication date: 2022-07-06
Also published as: US20230407346A1; CA3139337A1; EP4004221A4; JP2024041953A; CN112955561A; US20210024961A1; WO2021016523A1; US11788103B2; AU2020316096A1; AU2023282186A1; EP4004221A1

Abstract

本開示は、ガスをアセテートに変換する一次発酵と、アセテートを標的生成物に変換する二次発酵との組み合わせに関する。好ましくは、ガスは、二酸化炭素を含有し、その結果、当該開示は有用な生成物への二酸化炭素の固定を可能にする。発酵は、好気性および嫌気性、バッチおよび連続の任意の組み合わせであり得る。発酵微生物は、典型的には細菌または真菌であり得る。【選択図】図１

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２０１９年７月２５日に出願された米国仮特許出願第６２／８７８，５２８号および２０２０年３月９日に出願された第６２／９８６，９４０号の利益を主張する。これらの仮出願の内容は、それらの全体が参照により本明細書に明示的に組み込まれる。

本開示は、ガスをアセテートに変換する一次発酵と、アセテートを標的生成物に変換する二次発酵との組み合わせに関する。例えば、ガスは、二酸化炭素を含有することができ、その結果、当該開示は有用な生成物への二酸化炭素の固定を可能にする。

差し迫った気候変動を緩和するには、石炭や石油などの化石燃料の燃焼によって発生する温室効果ガス（ＧＨＧ）の排出を大幅に削減する必要がある。化学物質および輸送用燃料の持続可能な供給源は、現在、化石炭素への依存を大幅に置き換えるには不十分であるが、二酸化炭素（ＣＯ_２）、一酸化炭素（ＣＯ）、および／または水素（Ｈ_２）などのガスを、生物学的に固定し、持続可能な燃料や化学物質を生成するための代替プラットフォームとしてガス発酵が近年注目されている。特に、ガス発酵技術は、ガス化有機物（例えば、都市固形廃棄物または農業廃棄物）または産業廃棄物ガス（例えば、製鉄所または石油精製所からの産業廃棄物ガス）を含む広範囲な原料を利用して、エタノール、ジェット燃料、および様々な他の生成物を生成することができる。ガス発酵だけで原油使用量の３０％を置き換え、世界のＣＯ_２排出量を１０％削減することができるが、あらゆる革新的な技術と同様に、この可能性が完全に達成されるまでには多くの技術的課題が残されている。

一実施形態では、本開示は、ＣＯおよび任意選択でＨ_２、またはＣＯ_２およびＨ_２から少なくとも１つの標的生成物を生成するための方法である。少なくともＣＯおよび任意選択でＨ_２、またはＣＯ_２およびＨ_２を含むガス状基質を、第１の液体栄養培地中の少なくとも１つの第１の微生物の培養物を含有する第１のバイオリアクターに導入する。ガス状基質は嫌気的に発酵して、第１の発酵ブロスにおいて第１の生成物としてアセテートを生成する。第１の微生物は、Ｗｏｏｄ－Ｌｊｕｎｇｄａｈｌ経路の酵素を発現する。第１の発酵ブロスの少なくとも一部を、第２の液体栄養培地中の少なくとも１つの第２の微生物の培養物を含有する第２のバイオリアクターに移す。第２の微生物は、第１の微生物とは異なる種である。第１の生成物を発酵させると、第２の発酵ブロスにおいて少なくとも第１の標的生成物が生成される。

他の実施形態および運転のオプションが可能である。これらのうちのいくつかについては、以下で詳しく考察する。

ＣＯと任意選択のＨ_２、またはＣＯ_２とＨ_２から標的生成物を生成するための二発酵槽システムを有する本開示の一実施形態の線図であり、ＣＯ_２流は、第２のバイオリアクターから第１のバイオリアクターに再循環される。任意選択で、ＣＯ_２流を処理して、酸素を除去し、実質的に無酸素のＣＯ_２流を形成する。ＣＯと任意選択のＨ_２、またはＣＯ_２とＨ_２から標的生成物を生成するための二発酵槽システムを有する本開示の一実施形態の線図であり、ＣＯ_２流は、第２のバイオリアクターから一次バイオリアクターに再循環される。任意選択で、一次バイオリアクターに再循環させる前に、ＣＯ_２流を処理して、酸素を除去し、実質的に無酸素のＣＯ_２流を形成する。さらに、図２は、別のさらなる実施形態として、一次バイオリアクターで使用されるＨ_２の少なくとも一部および二次バイオリアクターで使用されるＯ_２の少なくとも一部を発生させるために使用される水電解槽を示している。

説明
本開示は、ガスをアセテートに変換する一次発酵（第１段階発酵）と、アセテートを標的生成物に変換する二次発酵（第２段階の発酵）との組み合わせに関する。

一次発酵
一次発酵は、ガスをアセテートに変換することができる微生物（「一次微生物」）を使用する。一次発酵は、類似または補完的な成長要件を有する２つのそのような生物の共培養であり得る。したがって、一次発酵は、純粋培養または混合培養を含み得る。

一次微生物は、例えば、Ａｃｅｔｏｂａｃｔｅｒｉｕｍ、Ａｃｅｔｏａｎａｅｒｏｂｉｕｍ、Ａｌｋａｌｉｂａｃｕｌｕｍ、Ｂｌａｕｔｉａ、Ｂｕｔｙｒｉｂａｃｔｅｒｉｕｍ、Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ、Ｄｅｓｕｌｆｏｂａｃｔｅｒｉｕｍ、Ｅｕｂａｃｔｅｒｉｕｍ、Ｍｅｔｈａｎｏｓａｒｃｉｎａ、Ｍｏｏｒｅｌｌａ、Ｏｘｏｂａｃｔｅｒ、Ｐｅｐｔｏｓｔｒｅｐｔｏｃｏｃｃｕｓ、ＰｙｒｏｃｏｃｃｕｓＲｕｍｉｎｏｃｏｃｃｕｓ、Ｓｐｏｒｏｍｕｓａ、およびＴｈｅｒｍｏａｎａｅｒｏｂａｃｔｅｒから選択され得る。具体的には、一次微生物は、Ａｃｅｔｏｂａｃｔｅｒｉｕｍｗｏｏｄｉｉ、Ａｌｋａｌｉｂａｃｕｌｕｍｂａｃｃｈｉｉ、Ｂｌａｕｔｉａｐｒｏｄｕｃｔａ、Ｂｕｔｙｒｉｂａｃｔｅｒｉｕｍｍｅｔｈｙｌｏｔｒｏｐｈｉｃｕｍ、Ｃａｒｂｏｘｙｄｏｔｈｅｒｍｕｓａｃｅｔｏｇｅｎｉｕｍ、Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍａｃｅｔｉｃｕｍ、Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍａｕｔｏｅｔｈａｎｏｇｅｎｕｍ、Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍｃａｒｂｏｘｉｄｉｖｏｒａｎｓ、Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍｃｏｓｋａｔｉｉ、Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍｄｒａｋｅｉ、Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍｆｏｒｍｉｃｏａｃｅｔｉｃｕｍ、Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍｌｊｕｎｇｄａｈｌｉｉ、Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍｍａｇｎｕｍ、Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍｒａｇｓｄａｌｅｉ、Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍｓｃａｔｏｌｏｇｅｎｅｓ、Ｅｕｂａｃｔｅｒｉｕｍｌｉｍｏｓｕｍ、Ｍｏｏｒｅｌｌａｔｈｅｒｍａｕｔｏｔｒｏｐｈｉｃａ、Ｍｏｏｒｅｌｌａｔｈｅｒｍｏａｃｅｔｉｃａ、Ｏｘｏｂａｃｔｅｒｐｆｅｎｎｉｇｉｉ、Ｓｐｏｒｏｍｕｓａｏｖａｔａ、Ｓｐｏｒｏｍｕｓａｓｉｌｖａｃｅｔｉｃａ、Ｓｐｏｒｏｍｕｓａｓｐｈａｅｒｏｉｄｅｓ、およびＴｈｅｒｍｏａｎａｅｒｏｂａｃｔｅｒｋｉｕｖｉからなる群から選択される親細菌から誘導され得る。一次微生物はまた、Ａｃｅｔｉｔｏｍａｃｕｌｕｍｒｕｍｉｎｉｓ、Ａｃｅｔｏａｎａｅｒｏｂｉｕｍｎｏｔｅｒａｅ、Ａｃｅｔｏｂａｃｔｅｒｉｕｍｂａｋｉｉ、Ａｃｅｔｏｂａｃｔｅｒｉｕｍｃａｒｂｉｎｏｌｉｃｕｍ、Ａｃｅｔｏｂａｃｔｅｒｉｕｍｄｅｈａｌｏｇｅｎａｎｓ、Ａｃｅｔｏｂａｃｔｅｒｉｕｍｆｉｍｅｔａｒｉｕｍ、Ａｃｅｔｏｂａｃｔｅｒｉｕｍｍａｌｉｃｕｍ、Ａｃｅｔｏｂａｃｔｅｒｉｕｍｐａｌｕｄｏｓｕｍ、Ａｃｅｔｏｂａｃｔｅｒｉｕｍｔｕｎｄｒａｅ、Ａｃｅｔｏｂａｃｔｅｒｉｕｍｗｉｅｒｉｎｇａｅ、Ａｃｅｔｏｂａｃｔｅｒｉｕｍｗｏｏｄｉｉ、Ａｃｅｔｏｈａｌｏｂｉｕｍａｒａｂｉｃｕｍ、Ａｃｅｔｏｎｅｍａｌｏｎｇｕｍ、Ｂｌａｕｔｉａｃｏｃｃｏｉｄｅｓ、Ｂｌａｕｔｉａｈｙｄｒｏｇｅｎｏｔｒｏｐｈｉｃａ、Ｂｌａｕｔｉａｐｒｏｄｕｃｔａ、Ｂｌａｕｔｉａｓｃｈｉｎｋｉｉ、Ｂｕｔｙｒｉｂａｃｔｅｒｉｕｍｍｅｔｈｙｌｏｔｒｏｐｈｉｃｕｍ、Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍａｃｅｔｉｃｕｍ、Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍａｕｔｏｅｔｈａｎｏｇｅｎｕｍ、Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍｃａｒｂｏｘｉｄｉｖｏｒａｎｓ、Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍｄｒａｋｅｉ、Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍｆｏｒｍｉｃｏａｃｅｔｉｃｕｍ、Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍｇｌｙｃｏｌｉｃｕｍ、Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍｌｊｕｎｇｄａｈｌｉｉ、Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍｍａｇｎｕｍ、Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍｍａｙｏｍｂｅｉ、Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍｍｅｔｈｏｘｙｂｅｎｚｏｖｏｒａｎｓ、Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍｒａｇｓｄａｌｅｉ、Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍｓｃａｔｏｌｏｇｅｎｅｓ、Ｅｕｂａｃｔｅｒｉｕｍａｇｇｒｅｇａｎｓ、Ｅｕｂａｃｔｅｒｉｕｍｌｉｍｏｓｕｍ、Ｍｏｏｒｅｌｌａｍｕｌｄｅｒｉ、Ｍｏｏｒｅｌｌａｔｈｅｒｍｏａｃｅｔｉｃａ、Ｍｏｏｒｅｌｌａｔｈｅｒｍｏａｕｔｏｔｒｏｐｈｉｃａ、Ｏｘｏｂａｃｔｅｒｐｆｅｎｎｉｇｉｉ、Ｓｐｏｒｏｍｕｓａａｃｉｄｏｖｏｒａｎｓ、Ｓｐｏｒｏｍｕｓａａｅｒｉｖｏｒａｎｓ、Ｓｐｏｒｏｍｕｓａｍａｌｏｎｉｃａ、Ｓｐｏｒｏｍｕｓａｏｖａｔａ、Ｓｐｏｒｏｍｕｓａｐａｕｃｉｖｏｒａｎｓ、Ｓｐｏｒｏｍｕｓａｒｈｉｚａｅ、Ｓｐｏｒｏｍｕｓａｓｉｌｖａｃｅｔｉｃａ、Ｓｐｏｒｏｍｕｓａｓｐａｅｒｏｉｄｅｓ、Ｓｐｏｒｏｍｕｓａｔｅｒｍｉｔｉｄａ、Ｔｈｅｒｍｏａｃｅｔｏｇｅｎｉｕｍｐｈａｅｕｍ、Ｔｈｅｒｍｏａｎａｅｒｏｂａｃｔｅｒｋｉｖｕｉ、Ａｃｅｔｏｂａｃｔｅｒｉｕｍ、Ｍｏｏｒｅｌｌａ、ＭｏｏｒｅｌｌａｓｐＨＵＣ２２－１、Ｍｏｏｒｅｌｌａｔｈｅｒｍｏａｃｅｔｉｃａ、Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ、Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍｃａｒｂｏｘｉｄｉｖｏｒａｎｓ、Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍｄｒａｋｅｉ、ＣＩｏｓｔｒｉｄｉｕｍａｃｉｄｉｕｒｉｃｉ、Ｐｙｒｏｃｏｃｃｕｓ、Ｐｙｒｏｃｏｃｃｕｓｆｕｒｉｏｓｕｓ、Ｅｕｂａｃｔｅｒｉｕｍ、Ｅｕｂａｃｔｅｒｉｕｍｌｉｍｏｓｕｍ、Ｄｅｓｕｌｆｏｂａｃｔｅｒｉｕｍ、Ｃａｂｒｏｘｙｄｏｔｈｅｒｍｕｓ、Ａｃｅｔｏｇｅｎｉｕｍ、Ａｃｅｔｏａｎａｅｒｏｂｉｕｍ、Ｂｕｔｙｒｉｂａｃｅｔｅｒｉｕｍ、Ｂｕｔｙｒｉｂａｃｔｅｒｉｕｍｍｅｔｈｙｌｏｔｒｏｐｈｉｃｕｍ、Ｐｅｐｔｏｓｔｒｅｐｔｏｃｏｃｃｕｓ、Ｒｕｍｉｎｏｃｏｃｃｕｓ、Ｏｘｏｂａｃｔｅｒ、Ｏｘｏｂａｃｔｅｒｐｆｅｎｎｉｇｉｉ、Ｍｅｔｈａｎｏｓａｒｃｉｎａ、Ｃａｒｂｏｘｙｄｏｔｈｅｒｍｕｓ、Ｅｕｂａｃｔｅｒｉｕｍｌｉｍｏｓｕｍ、Ｄｅｓｕｌｆｏｔｏｍａｃｕｌｕｍｏｒｉｅｎｔｉｓ、Ｐｅｐｔｏｃｏｃｃｕｓｇｌｙｃｉｎｏｐｈｉｌｕｓ、Ｐｅｐｔｏｃｏｃｃｕｓｍａｇｎｕｓ、Ｉｇｎｉｃｏｃｃｕｓｈｏｓｐｉｔａｌｉｓ、Ｔｈｅｒｍｏａｎａｅｒｏｂａｃｔｅｒｋｉｖｕｉ、およびＴｈｅｒｍｏａｃｅｔｏｇｅｎｉｕｍｐｈａｅｕｍからも選択され得る。微生物はまた、Ｓｃｈｉｅｌ－Ｂｅｎｇｅｌｓｄｏｒｆ，ＦＥＢＳＬｅｔｔｅｒｓ５８６：２１９１－２１９８，２０１２の表１に列記されているものから選択することもできる。

一実施形態では、一次微生物は、Ａｃｅｔｏｂａｃｔｅｒｉｕｍｗｏｏｄｉｉ、Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍａｕｔｏｅｔｈａｎｏｇｅｎｕｍ、Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍｌｊｕｎｇｄａｈｌｉｉ、またはＣｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍｒａｇｓｄａｌｅｉである。

一実施形態では、一次微生物は、Ｗｏｏｄ－Ｌｊｕｎｇｄａｈｌ微生物である。「Ｗｏｏｄ－Ｌｊｕｎｇｄａｈｌ」とは、例えば、Ｒａｇｓｄａｌｅ，ＢｉｏｃｈｉｍＢｉｏｐｈｙｓＡｃｔａ，１７８４：１８７３－１８９８，２００８に記載されている炭素固定のＷｏｏｄ－Ｌｊｕｎｇｄａｈｌ経路を指す。「Ｗｏｏｄ－Ｌｊｕｎｇｄａｈｌ微生物」とは、Ｗｏｏｄ－Ｌｊｕｎｇｄａｈｌ経路を含有する微生物を指し、経路の酵素を発現する。一次微生物は、しばしば、Ｗｏｏｄ－Ｌｊｕｎｇｄａｈｌ経路を含有している。

一実施形態では、一次微生物はアセトゲンである。「アセトゲン」は、エネルギー節約のため、およびアセテートなどのアセチル－ＣｏＡおよびアセチル－ＣｏＡ由来生成物の合成のためのその主要機構としてＷｏｏｄ－Ｌｊｕｎｇｄａｈｌ経路を使用する、偏性嫌気性細菌である（Ｒａｇｓｄａｌｅ，ＢｉｏｃｈｉｍＢｉｏｐｈｙｓＡｃｔａ，１７８４：１８７３－１８９８，２００８）。特に、アセトゲンはＷｏｏｄ－Ｌｊｕｎｇｄａｈｌ経路を、（１）ＣＯ_２からのアセチルＣｏＡの還元的合成のメカニズム、（２）末端電子受容、エネルギー節約プロセス、（３）セル炭素の合成におけるＣＯ_２の固定（同化）のメカニズム（Ｄｒａｋｅ、ＡｃｅｔｏｇｅｎｉｃＰｒｏｋａｒｙｏｔｅｓ、Ｉｎ：ＴｈｅＰｒｏｋａｒｙｏｔｅｓ、３ｒｄｅｄｉｔｉｏｎ、ｐ．３５４、ＮｅｗＹｏｒｋ、ＮＹ、２００６）として使用する。天然に存在するすべてのアセトゲンは、Ｃ１固定、嫌気性、独立栄養性、および非メタン資化性である。

一次微生物は、炭素および／またはエネルギーを提供する基質（「一次基質」）を消費することができる。典型的には、一次基質は、ガス状であり、Ｃ１炭素源、例えば、ＣＯ、ＣＯ_２、および／またはＣＨ_４を含む。一実施形態では、一次基質は、ＣＯまたはＣＯ＋ＣＯ_２のＣ１炭素源を含む。一次基質は、Ｈ_２、Ｎ_２または電子などの他の非炭素成分をさらに含み得る。

一実施形態では、一次基質は、ＣＯ_２およびＨ_２を含む。別の実施形態では、Ｈ_２は、再生可能なＨ_２である。例えば、一次基質は、約１～８０または１～３０モル％のＣＯ_２を含み得る。いくつかの実施形態では、一次基質は、約２０、１５、１０、または５モル％未満のＣＯ_２を含み得る。例えば、一次基質は、約１、２、５、１０、１５、２０、または３０モル％のＨ_２を含み得る。いくつかの実施形態では、一次基質は、約６０、７０、８０、または９０モル％のＨ_２など、比較的多量のＨ_２を含み得る。一次気質は、いくらかの量のＣＯおよび／またはいくらかの量の不活性ガス、例えば、Ｎ_２も含み得る。

一次基質は、産業プロセスの副産物として、または自動車の排気ガスやバイオマスガス化などのいくつかの他の供給源から、得られる廃ガスであり得る。ある特定の実施形態では、産業プロセスは、鉄金属製品製造、例えば、製鉄所製造、非鉄金属製品製造、石油精製、石炭ガス化、電力生成、カーボンブラック生成、アンモニア生成、メタノール生成、およびコークス製造からなる群から選択される。これらの実施形態では、基質および／またはＣ１炭素源は、任意の簡便な方法を使用して、それが大気中に放出される前に産業プロセスから捕捉されてもよい。

一次基質はまた、合成ガス、例えば、石炭または製油所の残留物のガス化、バイオマスまたはリグノセルロース材料のガス化、または天然ガスの改質によって得られる合成ガスでもあり得る。別の実施形態では、合成ガスは、都市固形廃棄物または産業固形廃棄物のガス化から得られてもよい。

基質の組成は、反応の効率および／またはコストに著しい影響を及ぼし得る。例えば、酸素（Ｏ_２）の存在は、嫌気性発酵プロセスの効率を低下させる可能性があり、しばしば、一次発酵は嫌気性で行われることになる。基質の組成に応じて、基質を処理、スクラブ、または濾過して、毒素、望ましくない成分、またはちり粒子などのいかなる望ましくない不純物も除去すること、および／または所望の成分の濃度を増加させることが望ましくあり得る。

ある特定の実施形態では、ＣＯ_２電解槽を使用して、一次基質として使用されるＣＯの少なくとも一部、および任意選択で二次発酵で使用される任意のＯ_２の一部を、発生させることができる。

特定の実施形態では、一次発酵は、糖、デンプン、リグニン、セルロース、またはヘミセルロースなどの炭水化物基質の不在下で実施される。

一次発酵により、少なくとも１つの生成物（「一次生成物」）が生成される。典型的には、この生成物はアセテートであるが、一次発酵によって、エタノール、ラクテート、２，３－ブタンジオールなどの追加の生成物も生成され得る。単一の細胞タンパク質などの微生物バイオマスも、動物飼料および肥料に適用できる可能性があるため、生成物と見なすこともできる。重要なことに、「アセテート」および「酢酸」という用語は、本明細書では交換可能に使用され得る。

いくつかの実施形態では、一次発酵は、エタノール（ＷＯ２００７／１１７１５７）、アセテート（ＷＯ２００７／１１７１５７）、１－ブタノール（ＷＯ２００８／１１５０８０、ＷＯ２０１２／０５３９０５、およびＷＯ２０１７／０６６４９８）、ブチレート（ＷＯ２００８／１１５０８０）、２，３－ブタンジオール（ＷＯ２００９／１５１３４２およびＷＯ２０１６／０９４３３４）、ラクテート（ＷＯ２０１１／１１２１０３）、ブテン（ＷＯ２０１２／０２４５２２）、ブタジエン（ＷＯ２０１２／０２４５２２）、メチルエチルケトン（２－ブタノン）（ＷＯ２０１２／０２４５２２およびＷＯ２０１３／１８５１２３）、エチレン（ＷＯ２０１２／０２６８３３）、アセトン（ＷＯ２０１２／１１５５２７）、イソプロパノール（ＷＯ２０１２／１１５５２７）、脂質（ＷＯ２０１３／０３６１４７）、３－ヒドロキシプロピオネート（３－ＨＰ）（ＷＯ２０１３／１８０５８１）、テルペン、例えば、イソプレン（ＷＯ２０１３／１８０５８４）、脂肪酸（ＷＯ２０１３／１９１５６７）、２－ブタノール（ＷＯ２０１３／１８５１２３）、１，２－プロパンジオール（ＷＯ２０１４／０３６１５２）、１－プロパノール（ＷＯ２０１７／０６６４９８）、１－ヘキサノール（ＷＯ２０１７／０６６４９８）、１－オクタノール（ＷＯ２０１７／０６６４９８）、コリスメート由来生成物（ＷＯ２０１６／１９１６２５）、３－ヒドロキシブチレート（ＷＯ２０１７／０６６４９８）、１，３－ブタンジオール（ＷＯ２０１７／０６６４９８）、２－ヒドロキシイソブチレートまたは２－ヒドロキシイソ酪酸（ＷＯ２０１７／０６６４９８）、イソブチレン（ＷＯ２０１７／０６６４９８）、アジピン酸（ＷＯ２０１７／０６６４９８）、１，３－ヘキサンジオール（ＷＯ２０１７／０６６４９８）、３－メチル－２－ブタノール（ＷＯ２０１７／０６６４９８）、２－ブテン－１－オール（ＷＯ２０１７／０６６４９８）、イソバレレート（ＷＯ２０１７／０６６４９８）、イソアミルアルコール（ＷＯ２０１７／０６６４９８）、およびモノエチレングリコール（ＷＯ２０１９／１２６４００）のうちの１つ以上を生成し得る。

二次発酵
二次発酵は、アセテートを生成物に変換することができる微生物（「二次微生物」）を使用する。二次発酵は、類似または補完的な成長要件を有する２つのそのような生物の共培養であり得る。したがって、一次発酵は、純粋培養または混合培養を含み得る。二次発酵は、嫌気性または好気性プロセスとして実施することができる。

二次微生物は、アセテートを消費することができる任意の微生物であり得る。二次微生物は、酵母または細菌種であり得る。二次微生物は、以下の表に列記されているものから選択することができる：

二次微生物は、炭素および／またはエネルギーを提供する基質（「二次基質」）を消費することができる。典型的には、二次基質は、一次発酵によって生成されたアセテートを含む。しかしながら、二次基質はまた、糖またはデンプンなどの炭素源および／またはエネルギーの追加の供給源も含み得る。特定の実施形態では、アセテートは、二次微生物の炭素および／またはエネルギー必要量の少なくとも５０％、少なくとも６０％、少なくとも７０％、少なくとも８０％、少なくとも９０％、少なくとも９５％、または少なくとも９９％を提供する。しかしながら、いくつかの実施形態では、アセテートは、別の使用のために除去することができ、別の基質は、二次発酵を引き起こすことができる。

二次発酵は、少なくとも１つの生成物を生成し、それは、本明細書では「標的生成物」と称することができる。標的生成物は、酵素、例えば、アルファアセトラクテートデカルボキシラーゼ、アルファアミラーゼ、カタラーゼ、キモシン、シクロデキストリングルカノトランスフェラーゼ、ベータグルカナーゼ、グルコースイソメラーゼ、グルコースオキシダーゼ、ヘミセルラーゼ、リパーゼ、マルトジェニックアミラーゼ、プロテアーゼ、プルラナーゼ、キシラナーゼ、またはセルラーゼであり得る。標的生成物は、栄養素または添加物、例えば、微生物イオマス、例えば、単一細胞タンパク質）、アミノ酸（グルタメート、リジン、スレオニン、フェニルアラニン、トリプトファン、システイン、バリン、プロリン、アルギニン、ヒスチジン）、脂質、またはビタミン（Ｂ１２、Ｂ２、ビオチン）であり得る。標的生成物は、ブタノエート、ヘキサノエート、オクタノエート、イソブタノール、イソプレン、またはテルペンなどの化学物質であり得る。標的生成物はまた、例えば、メタン、ポリヒドロキシブチレート、ポリヒドロキシアルカノエート、３－ヒドロキシプロピオネート、Ｃ_５～Ｃ_２０アルコール、有機酸、ケトン、脂質、アセトン、プロパノール、ブタノール、２，３－ブタンジオール、アセテート、ブチレート、カプロエート、プロピレン、ブタジエン、イソブチレン、イソブチルアセテート、スクシネート、メバロネート、イタコン酸、モネリン、またはエチレンであり得る。場合によっては、標的生成物は、他の物を欠く、例えば、脂質を欠くこれらの生成物のうちのまさに１つ以上であり得る。一実施形態では、標的生成物は、脂質を欠くポリヒドロキシブチレートであり得る。別の実施形態では、標的生成物は、脂質を欠くポリヒドロキシアルカノエートであり得る。

二次生成物または標的生成物はまた、例えば、Ｌｅｅ，ＮａｔｕｒｅＣａｔａｌｙｓｉｓ，２：１８－３３，２０１９によって記載および描写された生成物のいずれかであり得る。標的生成物は、エタノール（ＷＯ２００７／１１７１５７）、１－ブタノール（ＷＯ２００８／１１５０８０、ＷＯ２０１２／０５３９０５、およびＷＯ２０１７／０６６４９８）、ブチレート（ＷＯ２００８／１１５０８０）、２，３－ブタンジオール（ＷＯ２００９／１５１３４２およびＷＯ２０１６／０９４３３４）、ラクテート（ＷＯ２０１１／１１２１０３）、ブテン（ＷＯ２０１２／０２４５２２）、ブタジエン（ＷＯ２０１２／０２４５２２）、メチルエチルケトン（２－ブタノン）（ＷＯ２０１２／０２４５２２およびＷＯ２０１３／１８５１２３）、エチレン（ＷＯ２０１２／０２６８３３）、アセトン（ＷＯ２０１２／１１５５２７）、イソプロパノール（ＷＯ２０１２／１１５５２７）、脂質（ＷＯ２０１３／０３６１４７）、３－ヒドロキシプロピオネート（３－ＨＰ）（ＷＯ２０１３／１８０５８１）、テルペン、例えば、イソプレン（ＷＯ２０１３／１８０５８４）、脂肪酸（ＷＯ２０１３／１９１５６７）、２－ブタノール（ＷＯ２０１３／１８５１２３）、１，２－プロパンジオール（ＷＯ２０１４／０３６１５２）、１－プロパノール（ＷＯ２０１７／０６６４９８）、１－ヘキサノール（ＷＯ２０１７／０６６４９８）、１－オクタノール（ＷＯ２０１７／０６６４９８）、コリスメート由来生成物（ＷＯ２０１６／１９１６２５）、３－ヒドロキシブチレート（ＷＯ２０１７／０６６４９８）、１，３－ブタンジオール（ＷＯ２０１７／０６６４９８）、２－ヒドロキシイソブチレートまたは２－ヒドロキシイソ酪酸（ＷＯ２０１７／０６６４９８）、イソブチレン（ＷＯ２０１７／０６６４９８）、アジピン酸（ＷＯ２０１７／０６６４９８）、１，３－ヘキサンジオール（ＷＯ２０１７／０６６４９８）、３－メチル－２－ブタノール（ＷＯ２０１７／０６６４９８）、２－ブテン－１－オール（ＷＯ２０１７／０６６４９８）、イソバレレート（ＷＯ２０１７／０６６４９８）、イソアミルアルコール（ＷＯ２０１７／０６６４９８）、およびモノエチレングリコール（ＷＯ２０１９／１２６４００）のうちの１つ以上であり得る。

統合された設計
一次発酵および二次発酵は、互いに、および／または上流もしくは下流のプロセスおよびまたは技術と一緒に、何らかの方式で統合され得る。

そのような統合の１つは、電気分解とＯ_２出力とを統合する。ＣＯを生成するためのＣＯ_２電気分解と、Ｈ_２を生成するための水の電気分解の両方は、副産物としてＯ_２を必然的に生成する。二段階発酵の文脈では、水の電気分解を使用して、Ｈ_２＋ＣＯ_２発酵においてＨ_２を提供し、第１段階発酵において酢酸を発生させることができる。大量のＯ_２は、水の電気分解からも生成され得る。副産物であるＯ_２は、純粋ではない可能性があり、直ちに販売できる製品ではない場合がある。Ｏ_２を工業用酸素として販売するには、微量ガス成分および水分を除去する必要があり、さらに圧縮が必要であろう。しかしながら、Ｏ_２は、好気性発酵において、例えば、第２段階の発酵において、それが好気性発酵である場合は、使用することができる。好気性発酵は、例えば：（１）ＴｒｉｃｈｏｄｅｒｍａｒｅｅｓｅｉまたはＡｓｐｅｒｇｉｌｌｕｓｎｉｇｅｒ、ならびに糸状菌の他の種によるセルラーゼ（Ａ．ｎｉｇｅｒについて酢酸での増殖が記録されており、グルコースおよび酢酸の同時消費がＴ．ｒｅｅｓｅｉで記録されている）（２）抗生物質（培養液に酢酸ならびにグルコースを、ｐＨ６．５で与えると、増殖およびペニシリンの産生が上昇する）、を生成するために使用され得る。

第２の段階が酸素を必要としない場合、または過剰な酸素が存在する場合は、様々な製油所プロセスまたは製鋼プロセスにおいて燃焼を高めるために酸素を使用することができる。酸素はガス化にも使用することができる。Ｏ_２供給が増強された製油所バーナーは、効率が増す（オキシ燃料バーナー）。製鉄所は、鋼の圧延または他のプロセスのために安価に加熱するために、また、基本的な酸素炉の入力として、廃ガスを使用する。

別の統合としては、一次発酵と二次発酵との間の栄養素の統合が挙げられる。過剰なビタミン、例えば、ビタミンＢ群は、ステージ１からステージ２に移行することができよう。ビタミンＢ群は、糸状菌において広範囲の加水分解酵素の産生を誘導するのに役立つ。第２段階の発酵が酵母を微生物として使用する場合、酵母エキスは、成長のための炭素源および栄養素を提供することができる。酵母エキスは窒素源（８～１２重量％の窒素）でもあり、ｐＨ中性源のＮであることができる。

栄養素統合の別形態は、第１および第２の発酵のために第１および第２の微生物の両方によって必要とされる特定の栄養素が、両方の発酵に十分な量で第１の栄養培地に添加される際に行われる。したがって、第１のバイオリアクターからの発酵ブロスが第２のバイオリアクターに移されるとき、その特定の栄養素を第２のバイオリアクターに加える必要がないか、またはその特定の栄養素をそれほど多く加える必要がない。あるいは、特定の栄養素は、第１の微生物によって必要とされない場合または利用されない場合があり、利用または消費されることなく、単に第１の発酵において存在するだけである。一実施形態では、第１の発酵ブロスは、移され、その組成を増強または変更する必要なしに、第２の発酵の微生物によって利用される。栄養素統合の別の態様は、第２の発酵ブロスを第１の発酵槽に再循環させて、第２の発酵の残りの栄養素または生成物を第１の発酵で利用することができるようにすることを含む。この態様は、連続培養または流加培養の実施形態のいずれかで利用することができる。

栄養素統合の別の態様は、第１の発酵における栄養素を用いて、第２の発酵における微生物の増殖にとって、および／または第２の発酵バイオリアクターにおける微生物による変換にとって有用である、第１の発酵における生成物の産生を誘導または増加させる。したがって、第１の発酵ブロスを第２のバイオリアクターに移すと、その中の生成物は、第２のバイオリアクターでのバイオマス生産を刺激するか、または第２のバイオリアクターで発酵して、第１もしくは第２の標的生成物を形成する。

本開示のいくつかの実施形態では、第１の微生物は、第１の発酵ブロスを、第２のバイオリアクターに移す前に、第１の発酵ブロスから除去されることが望ましい。第１の微生物の全部または一部を第１のバイオリアクターに再循環させて戻すことが望ましい場合がある。他の実施形態では、除去された第１の微生物は、バイオマスとして使用され得る。同様に、第２の発酵ブロスを第１のバイオリアクターに戻す前に、第２の微生物を第２の発酵ブロスから除去することが望ましい場合がある。除去された第２の微生物をバイオマスとして使用すること、または第２の微生物を第２のバイオリアクターに再循環させて戻すことが望ましい場合がある。

一実施形態では、一次発酵は、二次発酵からのブロスが一次発酵に再循環させて戻される場合、二次発酵からの種の増殖を阻害し得る低ｐＨにおいて実行することができよう。これにより、酸の補償コストも削減されることになる。二次発酵は、一次発酵よりも高いｐＨで、理想的には、１を超える完全なｐＨ単位で実行できよう。第１のバイオリアクターで酸が消費されるときには、ｐＨが上昇するため、より高いｐＨの第２のリアクター発酵ブロスを第１のバイオリアクターに移すと、第１のバイオリアクターのｐＨを調整するために供給する必要のあるアンモニアなどの塩基の量が減少する。酵母、大腸菌、および広範な微生物は、ｐＨ７付近で働き、第２のバイオリアクターで使用することができる。

別の実施形態では、統合は、例えば、二次発酵から一次発酵への排ガスの再循環であり得る。一方の発酵からの排ガスは、他の発酵における基質として使用され得るＣＯ_２および／またはＨ_２を含有し得る。この統合で直面し得る課題は、バイオリアクターの１つが好気性モードで作動し、もう一方が嫌気性モードで作動する際に生じ得る。理解を容易にするために、一次発酵が嫌気性であり、二次発酵が好気性である実施形態を説明する。二次バイオリアクターからの排ガスに存在するＯ_２は、排ガスが一次バイオリアクターに再循環される前に、そのＣＯ_２含有排ガス流から分離および除去されなければならない。除去されるＯ_２の量は、一次バイオリアクターに通される残りのＯ_２が、許容範囲を超えて一次バイオリアクターの運転に悪影響を及ぼさないように十分であるべきである。分離のために好適な技術としては、圧力スイング吸着（ＰＳＡ）、膜分離、酸性ガス除去技術、溶媒を使用して吸収するためのアミン、メタノールなどのＣＯ_２溶媒、ＣＯ_２からの極低温凍結、および塩基性溶液によるスクラビングが挙げられる。分離工程は、窒素の分離も含み得る。分離工程は、直列または並列の２つ以上の分離段階を含み得る。分離段階は、同じ技術であっても、異なる技術を用いてもよい。例えば、２つのＰＳＡユニットを直列にして使用することができる。一実施形態では、第１のＰＳＡを使用してＣＯ_２を除去してもよく、第２のＰＳＡを使用してＯ_２を除去し、Ｎ_２を排除してもよい。分離された酸素は、二次バイオリアクターに戻してもよい。第１のバイオリアクターに戻して再循環されるガスからＯ_２を除去する別の方法は、第２の発酵槽から微生物が供給されるさらに第３の発酵槽を使用する方法である。この第３の発酵槽は、Ｏ_２が散布されないことから、微生物はＯ_２飢餓状態になる。第２のバイオリアクターのオフガスがこの第３の容器を通して導かれる場合、微生物は、残りのＯ_２をすべて消費するため、この第３のリアクターから出るガスは、第１のバイオリアクターに戻すことができる。第３の容器内の微生物は、第２のバイオリアクターに移される（戻される、再循環される）。第２のバイオリアクターから第３の発酵容器への微生物の継続的な通過と戻りがある。

別の実施形態では、二次発酵をバッチモードで実行して、バッチ間の洗浄／滅菌を可能にし、一方、一次発酵を連続的に実行することができる。連続モードまたはバッチモードで運転するか否かにかかわらず、第２の発酵槽からの発酵ブロスを、一次発酵に再循環させて戻すことができる。この再循環は、二次発酵において存在した未消費の栄養素を利用するのに有益であり、それによって全体的な運転および栄養素のコストを削減することができる。

発酵と分離
「発酵」という用語は、基質に化学変化をもたらす代謝プロセスとして解釈されるべきである。例えば、発酵プロセスは、１つ以上の基質を受け取り、１つ以上の微生物を利用することによって１つ以上の生成物を生成する。「発酵」という用語は、１つ以上の基質を受け取り、１つ以上の微生物を利用して１つ以上の生成物を生成するプロセスと解釈されるべきである。好ましくは、発酵プロセスは、１つ以上のバイオリアクターの使用を含む。発酵プロセスは、「バッチ」または「連続」のいずれかとして説明され得る。「バッチ発酵」とは、バイオリアクターが微生物と一緒に原料、すなわち炭素源で満たされ、発酵が完了するまで生成物がバイオリアクター内に留まる発酵プロセスを説明するために使用される。「バッチ」プロセスでは、発酵が完了した後に、生成物を抽出し、次の「バッチ」が始まる前にバイオリアクターを洗浄する。「連続発酵」は、発酵プロセスがより長期間にわたって延長され、発酵中に生成物および／または代謝物が抽出される発酵プロセスを説明するために使用される。好ましくは、発酵プロセスは連続的である。

典型的には、培養は、バイオリアクター中で実行される。「バイオリアクター」という用語は、連続撹拌槽反応器（ＣＳＴＲ）、固定化細胞反応器（ＩＣＲ）、トリクルベッド反応器（ＴＢＲ）、気泡塔、ガスリフト発酵槽、静的ミキサ、またはガス－液体接触に好適な他の容器もしくは他のデバイスなどの１つ以上の容器、塔、または配管配置からなる培養／発酵デバイスを含む。いくつかの実施形態では、バイオリアクターは、第１の増殖反応器および第２の培養／発酵反応器を含み得る。基質は、これらの反応器のうちの一方または両方に提供され得る。本明細書で使用する場合、「培養」および「発酵」という用語は、交換可能に使用される。これらの用語は、培養／発酵プロセスの増殖期および生成物生合成期の両方を包含する。

培養物は概して、微生物の増殖を可能にするのに十分な栄養素、ビタミン、および／または無機物を含有する水性培地中で維持される。好ましくは、水性培地は、最小微生物増殖培地などの好適な微生物増殖培地である。好適な培地は、当該技術分野において周知である。

培養／発酵は、望ましくは、標的生成物の生成に適切な条件下で実施されるべきである。典型的に、培養／発酵は、嫌気性条件下で実施される。考慮すべき反応条件は、圧力（または分圧）、温度、ガス流速、液体流速、培地ｐＨ、培地酸化還元電位、撹拌速度（連続撹拌槽反応器を使用する場合）、接種レベル、液相中のガスが制限的にならないことを確実にするための最大ガス基質濃度、および生成物阻害を回避するための最大生成物濃度を含む。具体的には、基質の導入速度は、生成物がガス制限条件下での培養によって消費され得るため、液相中のガスの濃度が制限的にならないことを確実にするように制御されてもよい。

標的生成物は、例えば、分留蒸留、蒸発、浸透蒸発、ガスストリッピング、相分離、および例えば、液－液抽出を含む抽出発酵を含む、任意の方法または当該技術分野において既知の方法の組み合わせを使用して、発酵ブロスから分離または精製することができる。特定の実施形態において、標的生成物は、ブロスの一部分をバイオリアクターから連続的に取り出し、微生物細胞をブロスから（濾過により簡便に）分離し、１つ以上の標的生成物をブロスから回収することによって、発酵ブロスから回収される。アルコールおよび／またはアセトンは、例えば、蒸留によって回収され得る。酸は、例えば、活性炭上での吸着によって回収され得る。分離された微生物細胞は、好ましくは、バイオリアクターに再循環されて戻される。標的生成物が取り出された後に残存している無細胞透過液も、好ましくは、バイオリアクターに戻される。追加の栄養素を、無細胞透過液に添加して、培地を補充した後にバイオリアクターに戻すことができる。

本開示の実施形態では、第１の発酵ブロスを第２のバイオリアクターに移す前に、第１の発酵の生成物は第１の発酵ブロスから取り出される。取り出された生成物は、アセテートの一部または全部であり得る。取り出された生成物は、発酵プロセスの二次生成物であり得る。あるいは、第１の発酵プロセスの二次生成物は、第２の発酵の後にのみ取り出され、かつ回収（または廃棄）され得る。二次生成物は、第２の微生物によってさらに変換されない、また二次発酵に悪影響を及ぼさない限りは、二次発酵後まで、取り出す必要はない。

本開示の方法およびシステムは、図を参照しながら本明細書で説明される。図１は、ＣＯおよびＨ_２、またはＣＯ_２およびＨ_２を含むガス流から標的生成物を生成する二段階システムを示している。このシステムは、媒体入口１０２、ガス入口ポート１０３、分離器手段１０４、透過液流出口１０７、およびブリード流出口１０８を有する一次バイオリアクター１０１を提供する。一次バイオリアクターは、分離器２０５、透過液流出口２０７、およびブリード流出口２０８を有する二次バイオリアクター２０１に接続されている。

使用中、一次バイオリアクター１０１は、液体栄養培地中に１つ以上のアセトゲン細菌の培養液を含む発酵ブロスを含有し得る。培地は、培地入口１０２を通して連続的または半連続的な仕方でバイオリアクター１０１に添加される。ガス状基質は、ガス入口ポート１０３を介してバイオリアクター１０１に供給される。分離器手段は、第１の出力導管１０４を介してバイオリアクター１０１からブロスの少なくとも一部を受け取り、それを、発酵ブロス（透過液）の残りから微生物細胞（保持液）を実質的に分離するように構成されている分離器１０５に通すように適合されている。保持液の少なくとも一部は、第１の戻り導管１０６を介して第１のバイオリアクターに戻され、それにより、ブロス培養密度が最適なレベルに維持されることが保証される。分離器１０５は、透過液送達導管１０７を介してバイオリアクター１０１から透過液の少なくとも一部を通すように適合されている。透過液送達導管１０７は、無細胞透過液を二次バイオリアクター２０１に供給する。本開示のある特定の実施形態では、無細胞透過液の少なくとも一部は、生成物抽出のために取り出され、および／または無細胞透過液の少なくとも一部は、一次バイオリアクターに再循環され、無細胞透過液流の残りは、二次バイオリアクター２０１に供給される。ブロスブリード出力１０８は、一次バイオリアクター１０１から二次バイオリアクター２０２にブロスを直接供給するために提供される。ある特定の実施形態では、ブロスブリードおよび透過液は、二次バイオリアクターに供給される前に組み合わされる。

二次バイオリアクター２０１は、液体栄養培地中にもう１つの微生物の培養物を含有する。酵母または大腸菌などの好気性微生物が特定の例として使用されるが、任意の好適な微生物が二次バイオリアクター２０１において使用され得る。二次バイオリアクター２０１は、ブロスブリード出力１０８および透過液送達導管１０７を通して、連続的または半連続的な仕方で一次バイオリアクター１０１からブロスおよび／または透過液を受け取る。分離器２０５は、第１の出力導管２０４を介して二次バイオリアクター２０１からブロスの少なくとも一部を受け取るように適合されている。分離器２０５は、微生物細胞（保持液）を、発酵ブロス（透過液）の残りから実質的に分離するように構成されている。保持液の少なくとも一部は、第２の戻り導管２０６を介して二次バイオリアクター２０１に戻され、それにより、二次バイオリアクター２０１中のブロス培養密度が最適なレベルに維持されることが保証される。分離器２０５は、透過液の少なくとも一部を、透過液除去導管２０７を介して二次バイオリアクター２０１から外に通すように適合されている。ブロスブリード出力２０８は、二次バイオリアクター２０１からブロスを取り出すために直接提供される。ブロスブリード出力２０８は、既知の方法を使用して標的生成物抽出のためにバイオマスを取り出すために処理され得る。実質的にバイオマスを含まないブリード流と透過液流とを組み合わせて、組み合わされた流れを生成することができる。本開示のある特定の実施形態では、組み合わされた流れを一次反応器に戻して、連続的に添加される液体栄養培地を補充することができる。ある特定の実施形態では、二次発酵の望ましくないまたは所望の副産物を取り出すために、再循環流をさらに処理することが望ましい場合がある。ある特定の実施形態では、再循環流のｐＨを調整してもよく、流れを補充するためにさらにビタミンおよび／または金属を添加してもよい。

二次バイオリアクター２０１からの排ガス流２１０は、酸素除去ユニット２１２に通されて、実質的に無酸素のＣＯ_２流を発生させる。酸素除去ユニットは、例えば、１つ以上のＰＳＡユニット、膜分離ユニット、スクラバー、溶媒を使用する吸収、またはそれらの任意の組み合わせであり得る。実質的に無酸素のＣＯ_２流は、ライン２１６を通り、入口ガスポート１０３を通って一次バイオリアクター１０１に再循環される。実質的に無酸素とは、流れが、約１モルパーセント未満のＯ２、約５００モルｐｐｍ未満のＯ_２、または約１００モルｐｐｍ未満のＯ_２を含むことを意味している。酸素除去ユニット２１２中の排ガス２１０から取り出されるＯ_２は、ライン２１４を通って二次バイオリアクター２０１に再循環され得る。

図２は、ＣＯとＨ_２、またはＣＯ_２とＨ_２を含むガス状流れから標的生成物を生成させるための簡略化されたシステムを示しており、実質的にアセテートを含まない培地は、二次バイオリアクターから一次バイオリアクターに再循環される。システムは、培地入口３０２を有する一次嫌気性バイオリアクター３０１、ガス入口ポート３０３、アセテート含有処理ブリード流３０４、二次好気性バイオリアクター３０５、酸素供給源３０６、標的生成物およびバイオマス含有生成物流３０７、およびアセテートが枯渇した再循環培地流を含む。一実施形態では、ガス流は電解槽によって生成される。

使用中、一次バイオリアクター３０１は、液体栄養培地中に１つ以上のアセトゲン細菌の培養液を含む発酵ブロスを含有する。培地は、培地入口３０２を通って一次バイオリアクター３０１に添加される。ＣＯおよび任意選択でＨ_２、またはＣＯ_２およびＨ_２、またはこれらの混合物のいずれかを含むガス状基質は、ガス入口ポート３０３を介して一次バイオリアクター３０１に供給され、そのガスは、細菌によってアセテートに変換される。一次バイオリアクター３０１は、２．５～５、または３～４、または６．５～７の範囲のｐＨに維持され、ｐＨは、必要に応じて、塩基を添加することによって任意選択的に部分的に制御される。アセテート生成物は、水性ブロスス流の状態で一次バイオリアクターを離れ、それは、既知の方法を使用してバイオマスを取り出すために処理される。得られたアセテート含有処理ブリード流３０４は、二次好気性バイオリアクター３０５に供給される。二次バイオリアクター３０５では、処理されたブリード流中のアセテートは、例えば、微生物などの微生物によって標的生成物およびバイオマスに変換される。酸素は、酸素または空気の入口ポート３０６によって好気性発酵に供給される。標的生成物含有微生物細胞は、濾過によって二次バイオリアクター３０５から取り出され、その結果、標的生成物およびバイオマスを含有する生成物流３０７および透過液流３０８が得られる。好気性発酵はアセテートを消費することから、酢酸が消費されるにつれてブロスのｐＨは上昇し、その結果として、透過液流３０８のｐＨは、アセテート含有ブロス流３０４のｐＨよりも名目上高い。二次バイオリアクター３０５の希釈率は、透過液流３０８のｐＨが、例えば、５～７、または７．０～７．５、または７．５～９、または１０～１１の範囲に維持される。アセテートが枯渇した透過液流３０８は、一次バイオリアクター３０１に戻される。一次バイオリアクター３０１の培地を構成する水、塩、金属、および他の栄養素の実質的な部分を再循環させることに加えて、再循環された透過液流３０８は、バイオリアクター培地への塩基の直接添加によってのみｐＨが制御されるシステムと比較して、発酵ｐＨ制御のコストを大幅に削減するように機能する。

二次バイオリアクター３０５で発生した排ガスは、排ガスライン３１０で取り出され、酸素分離ユニット３１２に送られる。酸素分離ユニットは、例えば、１つ以上のＰＳＡユニット、膜分離ユニット、スクラバー、溶媒を使用する吸収、またはそれらの任意の組み合わせであり得る。少なくとも酸素は、酸素分離ユニットにおいて排ガスから取り出される。次いで、実質的にＯ_２を含まない得られたＣＯ_２流は、ライン３１４においてガス入口ポート３０３に導かれ、一次バイオリアクター３０１に導入される。酸素分離ユニットで取り出されたＯ_２は、ライン３１６を通して二次バイオリアクター３０５に再循環され得る。図２は、任意選択の水電解槽を使用する実施形態をさらに示している。水流３２０は、電解槽３１８に導入され、Ｈ_２流が電気分解によって発生し、Ｈ_２流は、ライン３２２でガス入口ポート３０３に導かれ、上で考察されたガス状基質と一緒に一次バイオリアクター３０１に導入される。同様に、電解槽３１８は、Ｏ_２流を発生し、それは、ライン３２４で二次バイオリアクター３０５の入口ポート３０６に導入される。

本明細書に列挙される公表文献、特許出願、および特許を含むすべての参考文献は、各参考文献があたかも参照により組み込まれることが個々にかつ具体的に示され、かつその全体が本明細書中に記載された場合と同じ程度まで、参照により本明細書に組み込まれる。本明細書中で任意の先行技術を参照することは、その先行技術が、あらゆる国における努力分野の共通の一般知識の一部を形成していることを認めるものではなく、またそのように受け取られるべきでもない。

本開示を説明する文脈において（特に、以下の特許請求の範囲の文脈において）、「１つの（ａおよびａｎ）」および「その（ｔｈｅ）」という用語ならびに同様の指示語の使用は、本明細書中に他に指示がない限り、または文脈と明らかに相反することがない限り、単数および複数の両方を包含すると解釈されるものとする。「含む」、「有する」、「含む」、および「含有する」という用語は、特に断りのない限り、非限定的な用語（すなわち、「を含むがこれらに限定されることはない」を意味する）と解釈されるべきである。「から本質的になる」という用語は、組成物、プロセス、または方法の範囲を、特定の材料、または工程、または組成物、プロセスもしくは方法の基本的および新規の特性に実質的に影響しないものに限定する。代替語（例えば、「または」）の使用は、代替語の一方、両方、またはこれらの任意の組み合わせを意味すると理解されるべきである。本明細書で使用される場合、「約」という用語は、別段の指示がない限り、指示された範囲、値、または構造の±２０％を意味する。

「の一部」は、発酵プロセスで作り出された発酵ブロスまたは排ガスなどの組成物の体積部分または重量部分を指している場合がある。その用語はまた、発酵ブロスまたは排ガスが、必要かどうかにかかわらず、成分を取り出すために精製プロセスにかけられたときなど、組成物の成分のサブセットも指す場合がある。したがって、組成物が成分の混合物を含む場合、その部分は、成分の同じ混合物、変更された比率の成分、または変更された成分セットを含み得る。「少なくとも一部」は、組成物の全体または全部を含み得る。

本明細書の値の範囲の記載は、本明細書に別段の指示がない限り、範囲内に入る各それぞれの値を個々に言及する省略法としての機能を果たすことを単に意図し、各それぞれの値は、あたかも本明細書に個々に記載されたかのように、本明細書中に組み込まれる。例えば、任意の濃度範囲、パーセンテージ範囲、比率範囲、整数範囲、サイズ範囲、または厚さ範囲は、別段の指示がない限り、列挙された範囲内の任意の整数の値、および適切な場合、その分数（整数の１０分の１および１００分の１など）を含むと理解されるべきである。

本明細書に記載されるすべての方法は、本明細書に別段の指示がない限り、または文脈によって明らかに相反することがない限り、任意の好適な順序で実施され得る。本明細書に提供されるありとあらゆる例または例示的な言葉（例えば、「など」）の使用は、本開示をより良く解明することを単に意図し、別段、特許請求されない限り、本発明の範囲を制限しない。本明細書におけるいかなる言葉も、本開示の実施に不可欠ないかなる非特許請求要素を示すものと解釈されるべきではない。

本開示の特定の実施形態が本明細書に記載されている。それらの特定の実施形態の変化形態は、上記の説明を読むことによって当業者に明らかとなり得る。本発明者らは、当業者が必要に応じてそのような変化形を採用することを予想し、本発明者らは、本開示が本明細書に具体的に記載されるものとは別の方法で実施されることを意図する。したがって、本開示は、適用法によって許可された通り、本明細書に添付される特許請求の範囲に記載される主題のすべての修正物および均等物を含む。さらに、その実施形態のすべての考えられる変化形における上記の要素のあらゆる組み合わせは、本明細書で別段の指示がない限り、または文脈と明らかに相反することがない限り、本開示によって包含される。

Claims

ＣＯおよび任意選択でＨ_２から、またはＣＯ_２およびＨ_２から少なくとも１つの標的生成物を生成するための方法であって、
ｉ．少なくともＣＯおよび任意選択でＨ_２、または少なくともＣＯ_２およびＨ_２を含むガス状基質を、第１の液体栄養培地中に少なくとも１つの第１の微生物の培養物を含有する第１のバイオリアクターの中に導入し、前記ガス状基質を嫌気的に発酵させて、第１の発酵ブロスにおいて第１の生成物としてアセテートを生成することであって、前記第１の微生物は、Ｗｏｏｄ－Ｌｊｕｎｇｄａｈｌ経路の酵素を発現する、ことと、
ｉｉ．前記第１の発酵ブロスの少なくとも一部を、第２の液体栄養培地中の少なくとも１つの第２の微生物の培養物を含有する第２のバイオリアクターに移すことであって、前記第２の微生物は、前記第１の微生物とは異なる種である、こと、および前記第１の生成物を発酵させて、第２の発酵ブロスにおいて少なくとも第１の標的生成物を生成することを行うことと、を含む、方法。
前記第１の液体栄養培地が、前記第２の微生物によって利用されるが、前記第１の微生物によって利用されないある量の栄養素を含む、請求項１に記載の方法。
前記第１の液体栄養培地が、前記第２の微生物によって利用されるが、前記第１の微生物によって利用されない栄養素を含む、請求項１に記載の方法。
前記第２の液体栄養培地が、前記第１の発酵ブロスである、請求項１に記載の方法。
前記第２の発酵ブロスが、前記第１のバイオリアクターに再び移される、請求項１に記載の方法。
前記第１の標的生成物が、単一細胞タンパク質、３－ヒドロキシプロピオネート、ポリヒドロキシアルカノエート、Ｃ_５～Ｃ_２０アルコール、有機酸、ケトン、および脂質から選択される、請求項１に記載の方法。
前記第１の発酵ブロスが、２，３－ブタンジオールをさらに含む、請求項１に記載の方法。
前記第１の発酵ブロスの少なくとも一部を、前記第２のバイオリアクターに移す前に、アセテートまたは第２の生成物が、前記第１の発酵ブロスから取り出される、請求項１に記載の方法。
前記第２のバイオリアクターにおける発酵後、前記第１のバイオリアクターで生成された第２の生成物が、前記第２の発酵ブロスから分離される、請求項１に記載の方法。
前記第１のバイオリアクター、前記第２のバイオリアクター、または前記第１のバイオリアクターおよび前記第２のバイオリアクターにおける前記培養物が、共培養物を含む、請求項１に記載の方法。
前記第１の標的生成物が、脂質ではない、請求項１に記載の方法。
前記第１の標的生成物が、エタノール、アセトン、プロパノール、ブタノール、２，３－ブタンジオール、アセテート、ブチレート、プロピオネート、カプロエート、プロピレン、ブタジエン、イソブチレン、イソブチルアセテート、ポリヒドロキシアルカノエート、スクシネート、メバロネート、イタコン酸、モネリン、およびエチレンから選択される、請求項１に記載の方法。
ｉ．前記第２のバイオリアクターから少なくともＣＯ_２およびＯ_２を含む排ガスを得る工程と、
ｉｉ．前記排ガスから前記Ｏ_２の少なくとも一部を取り出して、Ｏ_２枯渇排ガスを形成する工程と、
ｉｉｉ．前記Ｏ_２枯渇排ガスの少なくとも一部を、前記第１のバイオリアクターに再循環させる工程と、をさらに含む、請求項１に記載の方法。
前記排ガスからの前記Ｏ_２の少なくとも一部の前記取り出しが、圧力スイング吸着、膜分離、塩基性溶液によるスクラビング、溶媒を使用する吸収、またはこれらの任意の組み合わせのうちの１つ以上の段階を使用して達成される、請求項１３に記載の方法。
前記排ガスからの前記Ｏ_２の少なくとも一部の前記取り出しに由来する前記Ｏ_２を、前記第２のバイオリアクターに再循環させることをさらに含む、請求項１３に記載の方法。
前記第１のバイオリアクターにおける前記少なくとも１つの第１の微生物が、Ａｃｅｔｏｂａｃｔｅｒｉｕｍ、Ｍｏｏｒｅｌｌａ、Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ、Ｐｙｒｏｃｏｃｃｕｓ、Ｅｕｂａｃｔｅｒｉｕｍ、Ｄｅｓｕｌｆｏｂａｃｔｅｒｉｕｍ、ＣａｒｂｏｘｙｄｏｔｈｅｒｍｕｓＡｃｅｔｏｇｅｎｉｕｍ、Ａｃｅｔｏａｎａｅｒｏｂｉｕｍ、Ｂｕｔｙｒｉｂａｃｔｅｒｉｕｍ、Ｐｅｐｔｏｓｔｒｅｐｔｏｃｏｃｃｕｓ、Ｒｕｍｉｎｏｃｏｃｃｕｓ、Ｏｘｏｂａｃｔｅｒ、およびＭｅｔｈａｎｏｓａｒｃｉｎａから選択される、請求項１に記載の方法。
前記第１のバイオリアクターにおける少なくとも１つの第１の微生物が、Ａｃｅｔｏｂａｃｔｅｒｉｕｍｗｏｏｄｉｉである、請求項１に記載の方法。
前記第１のバイオリアクターにおける少なくとも１つの第１の微生物が、Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍａｕｔｏｅｔｈａｎｏｇｅｎｕｍ、Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍｌｊｕｎｇｄａｈｌｉｉ、およびまたはＣｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍｒａｇｓｄａｌｅｉから選択される、請求項１に記載の方法。
栄養素が、前記第１の液体栄養培地に添加されて、前記第１の発酵ブロスにおける第２の生成物の生成を増加させ、前記第２の生成物が、前記第２のバイオリアクターへと、前記第１の発酵ブロスの前記一部として移され、前記第２のバイオリアクターにおいてバイオマス生成を刺激するか、または前記第２のバイオリアクターにおいて発酵されて、前記第１の標的生成物または第２の標的生成物を形成する、請求項１に記載の方法。
ＣＯおよび任意選択でＨ_２、またはＣＯ_２およびＨ_２を含むガス流を、前記第１のバイオリアクターから回収し、前記ガス流を前記第１のバイオリアクターに再循環させることをさらに含む、請求項１に記載の方法。
前記第２の発酵ブロスの少なくとも一部を、前記第１のバイオリアクターに再循環させることをさらに含む、請求項１に記載の方法。
前記第１の発酵ブロスの少なくとも一部を、前記第２のバイオリアクターに通す前に、前記第１の発酵ブロスから前記第１の微生物を取り出し、前記第１の微生物を、前記第１のバイオリアクターに再循環させることをさらに含む、請求項１に記載の方法。
前記第２の発酵ブロスから前記第２の微生物を取り除き、前記第２の微生物を前記第２のバイオリアクターに再循環させることをさらに含む、請求項１に記載の方法。
電解槽を使用して、前記ガス状基質においてＨ_２の少なくとも一部および／または前記第２のバイオリアクターの中に導入されるＯ_２の少なくとも一部を発生させることをさらに含む、請求項１に記載の方法。
前記第２の微生物が、酵母である、請求項１に記載の方法。
前記第２の微生物が、Ｅｓｃｈｅｒｉｃｈｉａｃｏｌｉである、請求項１に記載の方法。
前記第２のバイオリアクターにおける培養物が、共培養物を含む、請求項１に記載の方法。
前記第２の発酵が、好気性である、請求項１に記載の方法。