JP2024518256A - バイオプロセスへ供給培地を添加する方法 - Google Patents

Abstract

バイオプロセスに供給培地を添加する方法が開示される。この方法は、ＣＯ２に富むガス流を受け取ることと、前記ＣＯ２に富むガス流をそこから不純物を除去するために処理することと、二酸化炭素を吸収するための水性混合物を調製することであって、前記水性混合物は、水性混合物の０．１～５０重量％の範囲の少なくとも１つの無機窒素化合物を含み、前記少なくとも１つの無機窒素化合物は微生物のための窒素源であること、及び、前記ＣＯ２に富むガス流から二酸化炭素を前記水性混合物中へ吸収させ、吸収された二酸化炭素を含む水性混合物が供給媒体を形成することと、及び、供給培地をバイオプロセスに添加することと、を含む。【選択図】【図２】

Description

本開示は、一般に二酸化炭素捕捉プロセスに関する。より具体的には、バイオプロセスに供給培地を添加する方法及びシステムに関する。

二酸化炭素（ＣＯ_２）は、熱を吸収及び放射し、地球温暖化を引き起こす温室効果ガスである。世界の平均大気中のＣＯ_２レベルは、憂慮すべき形で懸念を引き起こしている。大気中のＣＯ_２レベルは、自然現象（火山噴火など）、化石燃料（石炭や石油など）の燃焼、様々な産業活動の結果としてのＣＯ_２排出（フロン類など）によって上昇している。この点に関して、世界中の政府機関は、大気中へのＣＯ_２放出量を削減するために産業に規制を設け、そのためのＣＯ_２リサイクルを奨励している。

一般に、ＣＯ_２リサイクルには、例えば産業副流（例えば排ガス）などの１つのプロセスから排出される二酸化炭素を捕捉し、別個のＣＯ_２捕捉プロセスを設け、ガス状のＣＯ_２を例えばバイオプロセスなどの別のプロセスに添加することが含まれる。
具体的には、バイオプロセス（微生物培養など）に炭素源としてＣＯ_２を添加するには、水相増殖培地を含むバイオリアクターへの投入物として比較的多量のガス状ＣＯ_２が必要である。

更に、従来のＣＯ_２リサイクル技術では、エネルギー要件と専用装置を使用したいくつかのプロセス段階の点で複雑さが生じる。例えば、産業副流からＣＯ_２を回収するには、エネルギーと、バイオプロセスに供給するための精製ＣＯ_２ガスの圧縮、減圧、吸収、脱着、再生などのいくつかのプロセス段階が必要である。
更に、ＣＯ_２を豊富に含むガス流から溶媒液体（最も一般的には水、アミン、塩溶液、アンモニア水）へのＣＯ_２の吸収と精製ガスとしてのＣＯ_２の脱着に加えて、統合プロセスでは更に、ＣＯ_２を、バイオプロセスへの組み込み中の増殖培地（すなわち、バイオプロセス供給培地）へ混合する追加のステップが必要となる。そのため、統合プロセスはエネルギー効率が悪く、時間がかかる。

従って、前記の議論を考慮すると、外部プロセスからバイオプロセスにＣＯ_２を組み込む従来の技術に関連する欠点を克服する必要がある。

本開示は、バイオプロセスに供給培地を添加する方法を提供することを目的とする。本開示はまた、バイオプロセスに供給培地を添加するためのシステムを提供することも目的とする。本開示は、二酸化炭素（ＣＯ_２）捕捉プロセス及びバイオプロセスへのその統合に関する既存の問題に対する解決策を提供することを目指す。本開示の目的は、従来技術で遭遇する問題を少なくとも部分的に克服する解決策を提供することである。

一態様では、本開示の実施形態は、供給培地をバイオプロセスに添加する方法を提供し、この方法は、
（ａ）ＣＯ_２に富むガス流を受け取ることと、
（ｂ）前記ＣＯ_２に富むガス流をそこから不純物を除去するために処理することと、
（ｃ）二酸化炭素を吸収するための水性混合物を調製することであって、前記水性混合物は、水性混合物の０．１～５０重量％の範囲の少なくとも１つの無機窒素化合物を含み、前記少なくとも１つの無機窒素化合物は微生物のための窒素源であること、及び、前記ＣＯ_２に富むガス流から二酸化炭素を前記水性混合物中へ吸収させ、吸収された二酸化炭素を含む水性混合物が供給媒体を形成することと、及び、
（ｄ）供給培地をバイオプロセスに添加することと、を含む。

別の態様では、本開示の実施形態は、供給培地をバイオプロセスに添加するシステムを提供し、該システムは、
－ ＣＯ_２に富むガス流を提供するための第１導入口と、
－ 前記ＣＯ_２に富むガス流をそこから不純物を除去するために処理するプレフィルターと、
－ 前記ＣＯ_２に富むガス流から二酸化炭素を吸収するための吸収チャンバーと、供給培地を形成するために二酸化炭素を吸収する水性混合物を受け取るための第２の導入口と、を備え、前記水性混合物は、水性混合物の０．１～５０重量％の少なくとも１つの無機窒素化合物を含み、前記少なくとも１つの無機窒素化合物は微生物のための窒素源であって、
－ 前記供給培地をバイオプロセスに添加するための第３の導入口と、及び、
－ バイオプロセスを促進するためのバイオリアクターと、を含むシステム。

本開示の実施形態は、従来技術における前記の問題を実質的に除去するか、又は少なくとも部分的に対処し、外部源からＣＯ_２を捕捉し、バイオプロセス原料でＣＯ_２を溶解する効率的な方法を提供する。
有益なことに、開示された方法は、複数のプロセスステップ（例えば、ＣＯ_２吸収ステップ、ＣＯ_２脱着ステップ、ガス状ＣＯ_２の貯蔵、及びＣＯ_２の溶解など）を排除し、それによってプロセス全体に必要な設備が少なくなる。

本開示の追加の態様、利点、特徴及び目的は、添付の特許請求の範囲と併せて解釈される図面及び例示的な実施形態の詳細な説明から明らかになるであろう。

本開示の特徴は、添付の特許請求の範囲によって定義される本開示の範囲から逸脱することなく、様々な組み合わせで組み合わせることができることが理解されうる。

（図面の概要）
上記の概要、並びに例示的な実施形態の以下の詳細な説明は、添付の図面と併せて読めばよりよく理解される。本開示を例示する目的で、本開示の例示的な構成が図面に示されている。しかしながら、本開示は、本明細書に開示される特定の方法及び手段に限定されない。更に、当業者は、図面が縮尺通りではないことを理解しうる。可能な限り、同様の要素は同じ番号で示されている。

添付図面において、下線が引かれた数字は、下線が引かれた数字が上に位置する項目、又は、下線が引かれた数字が隣接する項目を表すために用いられる。下線が引かれていない番号は、下線が引かれていない番号を項目に連結する線によって識別される項目に関する。番号に下線が引かれておらず、関連する矢印を伴う場合、下線が引かれていない番号は、矢印が指し示している一般的な項目を識別するために使用される。

以下の図を参照して、ここでは、本開示の実施形態を単なる例として説明する。

図１は、本開示の一実施形態による、バイオプロセスに供給培地を添加する方法のステップを示すフローチャートである。 図２は、本開示の異なる実施形態による、バイオプロセスに供給培地を添加するためのシステムの概略図である。 図３は、本開示の異なる実施形態による、バイオプロセスに供給培地を添加するためのシステムの概略図である。

以下の詳細な説明は、本開示の実施形態及びそれらを実現する方法を示す。本開示を実施するいくつかの態様が開示されているが、当業者であれば、本開示を実施又は実行するための他の実施形態も可能であることを認識しうる。

一態様では、本開示の実施形態は、供給培地をバイオプロセスに添加する方法を提供し、この方法は、
（ａ）ＣＯ２に富むガス流を受け取ることと、
（ｂ）前記ＣＯ２に富むガス流をそこから不純物を除去するために処理することと、
（ｃ）二酸化炭素を吸収するための水性混合物を調製することであって、前記水性混合物は、水性混合物の０．１～５０重量％の範囲の少なくとも１つの無機窒素化合物を含み、前記少なくとも１つの無機窒素化合物は微生物のための窒素源であること、及び、前記ＣＯ２に富むガス流から二酸化炭素を前記水性混合物中へ吸収させ、吸収された二酸化炭素を含む水性混合物が供給媒体を形成することと、及び、
（ｄ）供給培地をバイオプロセスに添加することと、を含む。

別の態様では、本開示の実施形態は、供給培地をバイオプロセスに添加するシステムを提供し、このシステムは、
－ ＣＯ_２に富むガス流を提供するための第１導入口と、
－ 前記ＣＯ_２に富むガス流をそこから不純物を除去するために処理するプレフィルターと、
－ 前記ＣＯ_２に富むガス流から二酸化炭素を吸収するための吸収チャンバーと、供給培地を形成するために二酸化炭素を吸収する水性混合物を受け取るための第２の導入口と、を備え、前記水性混合物は、水性混合物の０．１～５０重量％の少なくとも１つの無機窒素化合物を含み、前記少なくとも１つの無機窒素化合物は微生物のための窒素源であって、
－ 前記供給培地をバイオプロセスに添加するための第３の導入口と、及び、
－ バイオプロセスを促進するためのバイオリアクターと、を含む。

本開示は、供給培地をバイオプロセスに添加するための前記の方法及びシステムを提供する。
本開示の方法は、外部源からの供給流を入力として利用して、そこからＣＯ_２ガスを吸収し、吸収されたＣＯ_２ガスをバイオプロセス供給の一部として供給する。
有益なことに、このようなＣＯ_２回収プロセスとバイオプロセスとの統合は、ＣＯ_２ガスをバイオプロセスに供給する前に、ＣＯ_２回収プロセスにおけるガスの圧縮及び溶解に必要なエネルギー及びコストを節約する。
更に有益なことに、中間ステップの数が減り、専用の装置の数が減り、それによってＣＯ_２ガス及びバイオプロセスから生じる最終生成物の取り扱いが容易かつ安全になる。

本開示は、供給培地をバイオプロセスに添加する方法及びシステムを提供する。本書において「バイオプロセス」という用語は、生細胞又はその成分（例えば、微生物、酵素など）を利用してバイオプロセスから目的の生成物を得るプロセスを指す。バイオプロセスには、細胞の培養、微生物の増殖、生体分子の製造などが含まれる場合がある。
このシステムは、バイオプロセスを促進するためのバイオリアクターを備えている。本書において、「バイオリアクター」という用語は、その中でバイオプロセスを補助し及び促進することを目的とした容器を指す。更に、バイオリアクターの容積は、その用途に応じて選択される。
バイオリアクターは、バイオリアクターの内容物に対して不活性な材料で作製され得る。一例では、製造に使用される材料は、ステンレス鋼（例えば、タイプ３０４、３１６、又は３１６Ｌ）、他の適切な金属又は合金、ガラス材料、繊維、セラミック、プラスチック材料、及び／又はそれらの組み合わせであってもよい。
更に、製造材料は、典型的には防水性を有し、及び、微生物濃度、バイオマス生成物、撹拌力、通気力、動作圧力、温度などの様々な生物学的、生化学的及び／又は機械的プロセスの磨耗効果に耐えるのに十分な強度を有する。

任意に、バイオリアクターは微生物を培養するように構成される。微生物は温度、圧力、ｐＨなどの適切な環境条件を必要とし、バイオリアクターには環境条件を制御する手段が装備されている。
任意に、微生物は、独立栄養微生物、従属栄養微生物、又は混合栄養微生物を含む群から選択される。任意に、バイオリアクターは、好気性微生物、嫌気性微生物、又は通性嫌気性微生物を含む群から選択される微生物を培養するように構成される。
特に、独立栄養微生物は炭素源として二酸化炭素を使用して、有機炭素化合物に変換できる。更に、独立栄養微生物は、有機化合物を生成するために、光又は化合物（化学栄養物質）からエネルギーを取得する。
従属栄養微生物とは、炭素源として有機炭素を利用する微生物を指す。混合栄養性とは、独立栄養性と従属栄養性の両方で機能できる微生物を指す。更に、ガス発酵プロセスなどの多くのバイオプロセスには、化学エネルギーを利用してＣＯ_２を様々な有機化合物に変換する特定の種類の細菌の使用が含まれる。
通性嫌気性微生物とは、好気性、無酸素性又は嫌気性条件で機能する微生物を指し、様々なバイオプロセスで使用される。この点に関し、通性嫌気性微生物は、酸素が存在する場合には好気呼吸によってアデノシン三リン酸を生成するが、酸素が存在しない場合には発酵又は嫌気呼吸に切り替えることができる。

この方法は、ＣＯ_２に富むガス流を受け取ることを含む。このシステムは、ＣＯ_２に富むガス流を供給するための第１の導入口を備える。注目すべきことに、ＣＯ_２に富むガス流は、４００ｐｐｍ（１００万分の１）よりも高いＣＯ_２濃度を有しており、すなわち、大気中のＣＯ_２濃度よりも高い。
具体的には、ＣＯ_２に富むガス流は、ＣＯ_２に富むガス流の総体積の３０パーセントより高いＣＯ_２濃度を有する可能性がある。一実施形態では、ＣＯ_２に富むガス流は副流であってもよいし、工業プロセスからの副生成物として得られてもよい。

一実施形態では、ＣＯ_２に富むガスは外部源から得られ、外部源は燃焼プラントである。任意に、燃焼プラントの燃料として使用される有機化合物には、化石資源と木材などの再生可能資源の両方が含まれる。有機化合物の燃焼は、ＣＯ_２に富むガスの潜在的な発生源であることが理解されうる。
任意に、燃焼プラントは、電力施設、セントラルヒーティング施設、他の石炭ベースの施設のうちの少なくとも１つから選択される。特に、石炭火力発電所などの電力施設やその他の燃焼プラントは一般に、石炭の燃焼の結果として大量のＣＯ_２を多く含むガスを生成する。同様に、セントラルヒーティング施設は化石燃料を使用して稼働するため、ＣＯ_２に富むガス流を生成する。

更に、ＣＯ_２に富むガスは、有機化合物の微生物処理などの他の潜在的なルートから得られる場合がある。外部源には、嫌気性消化チャンバー、エタノール生産施設、微生物発酵プロセス用のバイオエタノール生産施設が含まれる場合がある。
微生物発酵プロセスには、例えば発酵プロセスと比較してより高いＣＯ_２濃度が含まれる。一般的な発電所では、より高いＣＯ_２吸収能力が可能になり、ＣＯ_２吸収プロセスがより効率的かつ迅速になる。任意に、ＣＯ_２に富むガスは、炭酸塩含有ミネラルの処理、例えば石灰石焼成から得られる。

任意に、ＣＯ_２に富むガス流は、二酸化炭素、水及びＣＯ_２に富むガス流から二酸化炭素を吸収する際に生成される複数の不溶性ガス又はバイオプロセスで生成される二酸化炭素、から選択される少なくとも１つを含むリサイクルされたガス流を含んでもよい。

微生物発酵プロセスは、前記バイオプロセス（又はバイオリアクター）であり得ることが理解されうる。特に、バイオプロセスは供給されたＣＯ_２を利用し、バイオプロセスの副産物としてある程度の未利用のＣＯ_２を放出する。副生成物として放出されるこのようなＣＯ_２は、統合的なＣＯ_２回収プロセスでＣＯ_２を効率的に利用するために、ＣＯ_２に富むガス源としてリサイクルして戻すことができる。

この方法は、ＣＯ_２に富むガス流を処理してそこから不純物を除去することを含む。処理は、ＣＯ_２に富むガス流を濾過すること、及び、任意に、除去される不純物に基づいて選択される処理方法を含む。
このシステムは、ＣＯ_２に富むガス流を処理してそこから不純物を除去するためのプレフィルターを備える。特に、不純物とは、ＣＯ_２に富むガス中の望ましくない化合物を指す。除去されない場合には、ＣＯ_２に富むガスが水性混合物に吸収されるときに不純物が望ましくない反応を開始する可能性がある。更に、不純物はバイオプロセスにおいて望ましくない反応を引き起こす可能性もあり、例えば硫黄ガスが微生物の増殖に悪影響を与える可能性がある。

更に、ＣＯ_２に富むガスの処理は、濾過、プレスクラブ、フラッシュタンクの使用、脱硫、炭化水素、酸素、ハロゲン、シロキサンの除去、高効率微粒子吸収フィルターとしてのフィルタリングから選択される少なくとも１つを含む。
このシステムは、プレスクラバー、フラッシュタンク、吸着器、マイクロエアレーター、高効率微粒子吸収フィルターから選択される少なくとも１つを更に備えることができる。
ＣＯ_２に富むガス流をプレフィルターで濾過することに加えて、ＣＯ_２に富むガス流は、選択された処理方法で処理されてもよい。
プレフィルター又はそれによって使用される処理方法は、ＣＯ_２に富むガス流中に存在することが知られている不純物に基づいて選択されるか、又はＣＯ_２ガス流の供給源に基づいて選択され得る。
処理方法は、脱硫、すなわち硫黄ガスの除去（吸着又はその場におけるin-situ微量曝気によるもの）、炭化水素、酸素、ハロゲン、シロキサンの除去のうちの少なくとも１つから選択される。プレフィルターは不純物を除去する処理方法に応じて選択される。

更に、粒子状不純物は、ＣＯ_２吸収段階の前に除去する必要がある。粒子状不純物の量と種類が濾過段階に影響を与える可能性があり、粒子状不純物の濃度が高くなると濾過段階中の圧力降下が増加し、その結果、ガス圧縮のためのエネルギー需要が増加する可能性があることが理解されうる。更に、ガス状不純物は吸収段階の前又は後の何れかで除去できる。
濾過及び／又は選択された処理方法によるＣＯ_２に富むガス流の処理に加えて、吸収段階の前に粒子状不純物を除去するためにプレスクラバーを使用することもできる。
更に、フラッシュタンクを使用して、他の難溶性ガス、例えば窒素（Ｎ_２）を除去することもできる。
ガス状不純物の量と濃度によって、プレスクラバー（吸収段階前）が必要か、フラッシュタンク（吸収段階後）が必要か、が決まり、それに基づいて、プレスクラバー又はフラッシュタンクの設計パラメータは決定されることが理解されうる。

ＣＯ_２に富むガス流の処理は、一般に、プレフィルターによる濾過を含み、場合によっては、前述したように別の選択された処理方法を補完してもよい。
更に、ＣＯ_２に富むガス流から粒子状不純物を除去するために、濾過及び選択された処理方法に加えて、吸収段階の前にプレスクラバーを使用することもできる。

任意に、ＣＯ_２に富むガス流の処理は、高効率微粒子吸収フィルタリング（ＨＥＰＡフィルタリング）としてのフィルタリングを含む。特に、ＣＯ_２に富むガスはＨＥＰＡフィルタリングを受けて、所定の直径、例えば０．３マイクロメートル（μｍ）未満の不純物をＣＯ_２に富むガスから除去する。
更に、ＨＥＰＡフィルタリングは、吸収チャンバーの中で、吸収時に意図しない影響（有毒、病原性、真菌の増殖など）を引き起こす可能性のある塵、花粉、カビ、細菌、及び浮遊粒子をＣＯ_２に富むガスから少なくとも９９．９７％除去する。

この方法は、二酸化炭素を吸収するための水性混合物の調製を含み、水性混合物は、水性混合物の０．１～５０重量％の範囲で少なくとも１つの無機窒素化合物を含み、少なくとも１つの無機窒素化合物は微生物の窒素源である。
少なくとも１つの無機窒素化合物は、アミン、アンモニア、又は無機窒素塩の水溶液から選択することができる。
特に、アミン、アンモニア又は無機窒素塩は、二酸化炭素に対する水性混合物の溶解度を増加させ、それにより、より多量の二酸化炭素をその中に吸収させることを可能にする。
一例では、水性混合物は、すなわち以下のように、二酸化炭素を吸収すると重炭酸アンモニウム等を形成するアンモニア水溶液を含む。

ＣＯ_２（ｇ）＋ＮＨ_３（ａｑ．）＋Ｈ_２Ｏ→（ＮＨ_４）ＨＣＯ_３（ａｑ．）

特に、供給培地中の無機窒素塩は、バイオプロセスにおいて微生物の窒素源を形成する可能性がある。ここで、水性混合物中の二酸化炭素の吸収により、ＣＯ_２に富むガス中に存在する他のガスから二酸化炭素を分離することができる。無機窒素化合物の濃度が増加すると、本方法によって捕捉できるＣＯ_２の量が増加する。ただし、重炭酸アンモニウムなどの一部の無機窒素化合物は、濃度が高くなると沈殿しやすくなる。
従って、水性混合物中の無機窒素化合物の最適な範囲が必要である。水溶液は、例えば、水性混合物中の、０．１、０．２、０．３、０．４、０．５、１、２、３、４、５、７．５、１０、１５、２０、２５、３０、３５、４０、４５重量パーセント（ｗｔ％）から、０．５、１、２、３、４、５、７．５、１０、１５、２０、２５、３０、３５、４０、４５、５０重量パーセントまでの少なくとも１つの無機窒素化合物を含むことができる。
有益なことに、水性混合物は二酸化炭素の物理的吸収の効率的な形態である。更に有益なことに、水性混合物を使用すると、二酸化炭素吸収プロセス中の加熱や蒸気の発生が不要になる。
更に、水性混合物に適切な溶媒を添加すると、例えば反応物質の１つとして二酸化炭素を使用することにより、二酸化炭素の吸収が促進される。

一実施形態では、少なくとも１つの無機窒素化合物の濃度は、水性混合物の５～１０重量％の範囲内である。例えば、窒素水、例えばアンモニア水の濃度が水性混合物の１５重量％を超える場合、例えばアンモニアを含む多量の窒素が溶液から揮発し、更に低濃度の窒素は実験によると除去率も高くなる。
しかし、供給培地中の無機窒素塩は、バイオプロセスにおいて微生物の窒素源を形成する。従って、無機窒素化合物の最適濃度は、５重量％、６重量％、７重量％、８重量％から８重量％、９重量％、１０重量％までの範囲が選択される。

この方法は、ＣＯ_２に富むガス流から水性混合物中に二酸化炭素を吸収することを含み、吸収された二酸化炭素を含む水性混合物は供給培地を形成する。このシステムは、ＣＯ_２に富むガス流から二酸化炭素を吸収するための吸収チャンバーを備える。
吸収された二酸化炭素は、吸収された二酸化炭素と混合して供給培地を形成する水性混合物を受け取るための第２の導入口と合流される。ここで、吸収チャンバーは、適切な液体による吸収（又はスクラビング）によってガスを分離するために使用される工業用装置である。
吸収チャンバーの例としては、充填塔、棚段塔、単純なスプレー塔、気泡塔、又はエジェクターベンチュリースクラバーなどのインライン装置が挙げられるが、これらに限定されない。
特に、水性媒体中のＣＯ_２に富むガスの吸収により、ＣＯ_２に富むガス中の二酸化炭素の相変化が可能となり、その中に存在する他のガスからの分離が可能になる。前記水性混合物と混合された、前記吸収された二酸化炭素は、バイオプロセスにおける微生物の供給培地を形成する。
前述のように、バイオプロセスにおける微生物は炭素源として二酸化炭素を使用し、有機炭素化合物に変換する。
有益なことに、水性混合物中のＣＯ_２に富むガス流から二酸化炭素を吸収することで、別個の再生プロセスやＣＯ_２回収プロセスを必要とせずに供給培地をバイオプロセスに直接添加できるため、プロセスの複雑さとコストが削減される。更に、供給培地として二酸化炭素を添加すると、バイオリアクターへのガスの入力が減少する。

任意に、二酸化炭素の吸収は、０～３５℃の範囲の温度及び１～２００バールの範囲の圧力で行われる。特に、前記温度と圧力の範囲により、水性混合物への二酸化炭素の最適な溶解が可能になる。一例では、水性混合物はアンモニア水溶液を含む。
このような例では、２５～３５℃の範囲の温度及び１～１０バールの範囲の圧力は、重炭酸アンモニウムの沈殿及び分解（吸収チャンバー内又はインライン吸収器内において）を回避し、水性混合物中への二酸化炭素の溶解を最大化する。
二酸化炭素の吸収は、例えば、０、５、１０、１５、２０、２５、３０℃（摂氏）から５、１０、１５、２０、２５、３０、３５℃（摂氏）までの温度で実施することができる。二酸化炭素の吸収は、例えば、１、５、１０、１５、２０、４０、６０、８０、１００、１２０、１４０、１６０又は１８０バールから５、１０、１５、２０、４０、６０、８０、１００、１２０、１４０、１６０、１８０又は２００バールまでの圧力で実施することができる。

任意に、この方法は、供給培地を濾過して、複数の固体不純物から選択される不純物を除去することを更に含む。任意に、システムは、複数の固体不純物から選択された不純物を除去することによって供給培地を濾過するためのフィルターを備える。
特に、不純物がバイオリアクターに入り、意図しない形でバイオプロセスに影響を与えないように、不純物は除去される。フィルターは、水性混合物中の溶媒の分解又は沈殿によって生じるあらゆる不純物を除去する。一例では、水性混合物にアンモニア水溶液が使用される場合、フィルターは、供給培地から沈殿した重炭酸アンモニウムを除去する。

任意に、濾過は滅菌濾過である。任意に、フィルターは滅菌フィルターである。特に、供給培地は滅菌濾過を受けて、所定の直径、例えば０．２マイクロメートル（μｍ）未満の不純物を供給培地から除去する。更に、滅菌濾過により、バイオリアクターに添加されたときにバイオプロセスで意図しない影響（毒性、病原性、真菌の増殖など）を引き起こす可能性がある微生物の汚染物を供給培地から除去する。

任意に、この方法は、リサイクルされたガス流を更に再循環させて、ＣＯ_２に富むガス流を受け取ることを含む。リサイクルされたガス流は、二酸化炭素、水、及びＣＯ_２に富むガス流又はバイオプロセスで生成される二酸化炭素から二酸化炭素を吸収する際に生成される１つ以上の複数の不溶性ガスから選択される少なくとも１つを含む。
ＣＯ_２に富むガス流は、リサイクルされたガス流によって補給される。このシステムは更に、少なくとも１つのリサイクルユニットを備える。任意に、このシステムは、二酸化炭素、水、及び吸着チャンバー内で生成される１つ以上の複数の不溶性ガスから選択される少なくとも１つ、又は、第１の導入口で必要なＣＯ_２濃度を決定するためのバイオリアクター内で生成される二酸化炭素の濃度を測定するために構成された少なくとも１つのセンサー要素を備えていてもよい。
少なくとも１つのリサイクルユニットは、二酸化炭素、水、及び１以上の複数の不溶性ガスをリサイクルするように構成された吸収チャンバー及びフィルターに伝達可能に結合され得る。ここで、リサイクルされた二酸化炭素は水性混合物に吸収されず、従って再吸収のために吸収チャンバーにリサイクルされる。
不溶性ガスとしては、窒素、メタン、二酸化炭素が挙げられるが、これらに限定されない。リサイクルユニットはそのような不溶性ガスや水蒸気を除去し、吸収チャンバーにリサイクルする。有益なことに、不溶性ガスのリサイクルにより、以前は水カラムに吸収されなかった微量の二酸化炭素を効率的に吸収することができる。
更に、有益なことに、水蒸気のリサイクルにより水カラムの維持が可能になり、吸収チャンバー内で二酸化炭素を吸収するための大量のエネルギーを必要とする精製水の連続供給の必要がなくなる。
リサイクルユニット又はフラッシュタンクは、供給培地から二酸化炭素、水及び１つ又は複数の不溶性ガスを逃がすことができるように、吸収チャンバーと比較して減圧されていてもよい。
一例では、リサイクルユニットの圧力は、吸収チャンバーの圧力の２５から７５パーセントの範囲であってもよい。少なくとも１つのリサイクルユニットは、バイオプロセス中にその中で生成されたＣＯ_２含有物を副生成物としてリサイクルして戻すために、バイオリアクターに伝達可能に結合されてもよい。

リサイクルされたガス流によって補充されたＣＯ_２に富むガス流の総体積のＣＯ_２濃度は、次の方程式で求められる（数１）。

ここで、
Ｘは、リサイクルされたガス流によって補充されたＣＯ_２に富むガス流の総体積中のＣＯ_２濃度であり、
ＡはＣＯ_２に富むガス流中のＣＯ_２濃度、
ＢはＣＯ_２に富むガス流の流量、
Ｃはリサイクルされたガス流の流量、
Ｄは、リサイクルされたガス流中のＣＯ_２の濃度である。

リサイクルされたガス流によって補充されたＣＯ_２に富むガス流を受け取るときのＣＯ_２濃度は、ＣＯ_２に富むガス流中のＣＯ_２濃度、及びＣＯ_２に富むガス流及びリサイクルされたガス流の流量に依存する。このようにして、第１の導入口においてリサイクルされたガス流によって補充されたＣＯ_２に富むガス流を受け取るときに、最適なＣＯ_２濃度を獲得できる。外部源から受け取ったＣＯ_２に富むガス流はリサイクルされたガス流によって補充されうる。

この方法は、供給培地をバイオプロセスに添加することを含む。このシステムは、供給培地をバイオプロセスに添加するための第３の導入口を備える。吸収された二酸化炭素を含む供給培地は、バイオリアクター内の微生物に炭素源を供給する。
供給培地は、吸収された二酸化炭素と水を含むバイオプロセスのための液体培地を提供する。バイオリアクターは、供給培地とバイオリアクターの内容物の均一な混合を確実にする撹拌による連続的なバイオプロセスを容易にする。
更に、供給培地のｐＨは、バイオリアクター内で微生物が増殖できるように制御される。一実施形態では、供給培地は、微生物に窒素源を提供する重炭酸アンモニウムを更に含む。

任意に、この方法は、水素ガス、酸素ガス、一酸化炭素、ミネラル、光のうちの少なくとも１つをバイオプロセスに添加することを更に含む。
このシステムは更に、水素ガス、酸素ガス、一酸化炭素、ミネラルのうちの少なくとも１つをバイオプロセスに添加するための少なくとも１つの第４の導入口及びバイオリアクターを照明するためにバイオリアクターに結合された光源を備える。
特に、水素ガス、酸素ガス、一酸化炭素、ミネラル、光のバイオプロセスへの添加は、バイオプロセスの種類及びそれに関与する微生物に基づいて実行される。
例えば、水素ガスは一般に独立栄養微生物のエネルギー源として使用され、ガス発酵（すなわち、合成ガス発酵）などのプロセスで使用され得る。
特に、合成ガス発酵は嫌気性プロセスであり、酸素の導入はエタノール又は他の汎用化学物質の生産のために、回避される必要がある。更に、一酸化炭素は、合成ガス発酵などのバイオプロセスにおける追加の炭素及びエネルギー源として添加される場合がある。
好気性微生物を使用するガス発酵などのバイオプロセスでは、水素酸化細菌などの独立栄養微生物の増殖のために、一酸化炭素、水素ガス、酸素ガスが添加されることがある。
従属栄養微生物、光合成微生物、又は通性嫌気性微生物が関与するバイオプロセスの場合、光源からの光はバイオプロセスを更に促進し、光合成活性放射線（ＰＡＲ）の波長は４００～７００ｎｍと考えられる。更に、微生物の成長と機能を助けるために、栄養素とミネラルがバイオリアクターに追加される。

バイオプロセスは、供給されたＣＯ_２を部分的に利用し、未利用のＣＯ_２の一部を副生成物として放出することが理解されうる。この点において、副産物のＣＯ_２をバイオプロセスにリサイクルして戻し、前記の統合プロセスをより効率的にすることができる。任意に、バイオリアクター及びコンプレッサーに伝達可能に結合されたリサイクルユニットは、コンプレッサー及びプレフィルターを介して副生成物ＣＯ_２を吸収チャンバーにリサイクルして戻すように構成される。

任意に、バイオプロセスは、増殖した微生物バイオマスをバイオリアクターから採取するための排出口を含む。

（図面の詳細な説明）
図１を参照すると、本開示の一実施形態による、バイオプロセスに供給培地を添加する方法のステップを示すフローチャート１００が示されている。
ステップ１０２で、ＣＯ_２に富むガス流が受け取られる。ステップ１０４で、ＣＯ_２に富むガス流をそこから不純物を除去するために処理する。ステップ１０５で、二酸化炭素を吸収するための水性混合物が調製される。ステップ１０６で、ＣＯ_２に富むガス流からの二酸化炭素が水性混合物に吸収され、吸収された二酸化炭素を含む水性混合物は供給媒体を形成する。ステップ１０８で、供給培地がバイオプロセスに添加される。

ステップ１０２、１０４、１０５、１０６及び１０８は単なる例示であり、本特許請求の範囲から逸脱することなく、１つ又は複数のステップが追加され、１つ又は複数のステップが削除され、又は１つ又は複数のステップが異なる順序で提供される他の代替案も提供することができる。

図２を参照すると、本開示の一実施形態による、バイオプロセスに供給培地を添加するためのシステム２００の概略図が示されている。システム２００は、ＣＯ_２に富むガス流を供給するための第１の導入口２２２を備える。
ここで、ＣＯ_２に富むガス流は、ＣＯ_２に富むガス流を圧縮するためのコンプレッサー２０２を介してプレフィルター２０４に供給される。プレフィルター２０４は、ＣＯ_２に富むガス流を処理して、そこから不純物を除去する。
システム２００は、ＣＯ_２に富むガス流から水性混合物へ二酸化炭素を吸収させるための吸収チャンバー２０６を備える。吸収された二酸化炭素は、水性混合物を受け取るための第２の導入口２０８に導入され、吸収された二酸化炭素と水性混合物は供給培地を形成する。
システム２００は更に、供給培地をバイオプロセスに添加するための第３の導入口２２４を備える。供給培地は、バイオプロセスを促進するバイオリアクター２１０に添加される。
システム２００は更に、水素ガス、酸素ガス、一酸化炭素、ミネラルのうちの少なくとも１つをバイオプロセスに添加するための少なくとも１つの第４の入口２１２、及び、バイオリアクターを照明するためにバイオリアクターに結合された光源を備える。
更に、システム２００は、バイオリアクター２１０から増殖した微生物バイオマスを採取するための排出口２１４を更に備える。

図３を参照すると、本開示の一実施形態による、バイオプロセスに供給培地を添加するためのシステム３００の概略図が示されている。システム３００はプレフィルタ３０４を備え、ＣＯ_２に富むガス流がコンプレッサー３０２を介してプレフィルター３０４に供給される。
システム３００は、ＣＯ_２に富むガス流から二酸化炭素を吸収するための吸収チャンバー３０６を備える。吸収された二酸化炭素は、水性混合物を受け取るための第２の導入口３２０に導入され、吸収された二酸化炭素と水性混合物は供給培地を形成する。
システム３００は、吸収チャンバー３０６及びフィルター３１２に連通可能に結合されたリサイクルユニット３１０を更に備える。
リサイクルユニット３１０は、コンプレッサー３０２及びプレフィルター３０４を介して吸収チャンバー３０６に戻された二酸化炭素の吸収の後に、ポンプ３０８を介して受け取った二酸化炭素、水、及び１つ又は複数の不溶性ガスをリサイクルするように構成されている。
図示されたように、システム３００は、複数の固体不純物から選択された不純物を除去することによって供給培地を濾過するためのフィルター３１２を備える。ここで、フィルター３１２は滅菌フィルターである。フィルター３１２からの濾過された供給培地はバイオリアクター３１４に供給される。
システム３００は更に、水素ガス、酸素ガス、一酸化炭素、ミネラルのうちの少なくとも１つをバイオプロセスに添加するための少なくとも１つの第４の導入口３１６、及び、バイオリアクターを照明するためにバイオリアクターに結合された光源を備える。
更に、システム３００は、バイオリアクター３１４及びコンプレッサー３０２に伝達可能に結合されたリサイクルユニット３１８を更に備える。リサイクルユニット３１８は、副産物としてバイオリアクター３１４を介して受け取った二酸化炭素を、コンプレッサー３０２及びプレフィルター３０４を介して吸収チャンバーに戻してリサイクルするように構成されている。
更に、システム３００は、バイオリアクター３１４から増殖した微生物バイオマスを収穫するための排出口３２０を更に備える。

本特許請求の範囲によって規定される本開示の範囲から逸脱することなく、上記で説明された本開示の実施形態に対する修正が可能である。本開示を記載及び特許請求するために使用される「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「組み込む（ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｉｎｇ）」、「有する（ｈａｖｅ）」、「である（ｉｓ）」等の表現は、非排他的な方法で解釈されること、すなわち、明示的に記載されていない項目、成分又は要素も存在することを可能にすることを意図している。単数形への言及はまた、複数形に関連すると解釈されるべきである。

Claims (22)

1. 供給培地をバイオプロセスに添加する方法であって、
   （ａ）ＣＯ_２に富むガス流を受け取ることと、
   （ｂ）前記ＣＯ_２に富むガス流をそこから不純物を除去するために処理することと、
   （ｃ）二酸化炭素を吸収するための水性混合物を調製することであって、前記水性混合物は、水性混合物の０．１～５０重量％の範囲の少なくとも１つの無機窒素化合物を含み、前記少なくとも１つの無機窒素化合物は微生物のための窒素源であることと、
   （ｄ）前記ＣＯ_２に富むガス流から二酸化炭素を前記水性混合物中へ吸収させ、吸収された二酸化炭素を含む水性混合物が供給媒体を形成することと、及び、
   （ｅ）供給培地をバイオプロセスに添加することと、を含む方法。
2. 二酸化炭素の吸収が、０から３５℃の範囲の温度及び１～２００バールの範囲の圧力で行われる請求項１に記載の方法。
3. 前記供給培地を、複数の固体不純物から選択される不純物を除去するために濾過することを、更に含む請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記濾過が滅菌濾過である、請求項１～３の何れか一項に記載の方法。
5. 水素ガス、酸素ガス、一酸化炭素、ミネラル、光のうちの少なくとも１つを前記バイオプロセスに添加することを更に含む、請求項１に記載の方法。
6. 前記ＣＯ_２に富むガスが外部源から得られ、前記外部源が燃焼プラントである、請求項１～５の何れか一項に記載の方法。
7. 前記外部源が、ＣＯ_２に富むガスを得るための微生物発酵プロセスを更に含む、請求項６に記載の方法。
8. リサイクルされたガス流を工程（ａ）に戻しリサイクルすることを更に含み、ここで、前記リサイクルされたガス流が、二酸化炭素、水、及び前記工程（ｄ）で生成された１つ又は複数の不溶性ガス、又は工程（ｅ）で生成された二酸化炭素、から選択され、
   ここで、ＣＯ_２に富むガス流はリサイクルされたガス流によって補充される、請求項１に記載の方法。
9. 前記リサイクルされたガス流によって補充された前記ＣＯ_２に富むガス流の総体積のＣＯ_２濃度は、次の方程式で求められる、請求項８に記載の方法。
   

   

   ここで、
   Ｘは、リサイクルされたガス流によって補充されたＣＯ_２に富むガス流の総体積中のＣＯ_２濃度であり、
   ＡはＣＯ_２に富むガス流中のＣＯ_２濃度、
   ＢはＣＯ_２に富むガス流の流量、
   Ｃはリサイクルされたガス流の流量、
   Ｄは、リサイクルされたガス流中のＣＯ_２の濃度である。
10. 少なくとも１種の無機窒素化合物の濃度が水性混合物の５～１０重量％の範囲内である、請求項１～９の何れか一項に記載の方法。
11. 前記ＣＯ_２に富むガスを処理することが、濾過、プレスクラブ、フラッシュタンクの使用、脱硫、炭化水素、酸素、ハロゲン、シロキサンの除去、高効率微粒子吸収フィルタリングとしてのフィルタリングから選択される少なくとも１つを含む請求項１～１０の何れか一項に記載の方法。
12. 供給培地をバイオプロセスに添加するシステム（２００，３００）であって、該システム（２００，３００）は、
    － ＣＯ_２に富むガス流を提供するための第１導入口と（２２２）と、
    － 前記ＣＯ_２に富むガス流をそこから不純物を除去するために処理するプレフィルター（２０４，３０４）と、
    － 前記ＣＯ_２に富むガス流から二酸化炭素を吸収するための吸収チャンバー（２０６，３０６）と、供給培地を形成するために二酸化炭素を吸収する水性混合物を受け取るための第２の導入口（２０８，３２０）と、を備え、前記水性混合物は、水性混合物の０．１～５０重量％の少なくとも１つの無機窒素化合物を含み、前記少なくとも１つの無機窒素化合物は微生物のための窒素源であって、
    － 前記供給培地をバイオプロセスに添加するための第３の導入口（２２４）と、及び、
    － バイオプロセスを促進するためのバイオリアクター（２１０，３１４）と、を含むシステム。
13. 複数の固体不純物から選択される不純物を除去することによって供給培地を濾過するためのフィルター（３１２）を更に備える、請求項１２に記載のシステム（２００，３００）。
14. 前記フィルター（３１２）が滅菌フィルターである、請求項１２又は１３に記載のシステム（２００，３００）。
15. － 水素ガス、酸素ガス、一酸化炭素、ミネラルのうちの少なくとも１つをバイオプロセスに添加するための少なくとも１つの第４の入口（３１６）、及び
    － バイオリアクター（２１０，３１４）を照明するためにバイオリアクター（２１０，３１４）に結合された光源、を更に含む請求項１２～１４の何れか一項に記載のシステム（２００，３００）。
16. 前記ＣＯ_２に富むガスは外部源から得られ、前記外部源は燃焼プラントである請求項１２～１５の何れか一項に記載のシステム（２００，３００）。
17. 前記外部源が、ＣＯ_２に富むガスを得る微生物発酵プロセスを更に含む、請求項１２～１６の何れか一項に記載のシステム（２００，３００）。
18. 前記バイオリアクター（２１０，３１４）は、独立栄養微生物、従属栄養微生物、混合栄養微生物、好気性微生物、嫌気性微生物又は通性嫌気性微生物を含む群から選択される微生物を培養するように構成されている、請求項１２～１７の何れか一項に記載のシステム（２００，３００）。
19. 前記吸収チャンバー（３０６）又はバイオリアクター（２１０，３１４）及びフィルター（３１２）と伝達可能に結合された少なくとも１つのリサイクルユニット（３１０，３１８）を更に含み、
    吸収チャンバー（２０６，３０６）又はバイオリアクター（２１０，３１４）内で生成された二酸化炭素、水、及び１つ以上の複数の不溶性ガスを、前記フィルターの第１の導入口（２２２）に戻しリサイクルするように構成されている請求項１２～１８の何れか一項に記載のシステム（２００，３００）。
20. 二酸化炭素、水、及び前記吸着チャンバー（２０６，３０６）内で生成される１つ又は複数の不溶性ガス、又は、バイオリアクター（２１０，３１４）内で生成された二酸化炭素の濃度から選択される少なくとも１つを、第１の導入口（２２２）で必要なＣＯ_２の濃度を決定するために測定するように構成された少なくとも１つのセンサー要素を更に備える、請求項１９に記載のシステム。
21. 前記少なくとも１種の無機窒素化合物の濃度が、前記水性混合物の５から１０重量％の範囲内である、請求項１２～２０の何れか一項に記載のシステム。
22. プレスクラバー、フラッシュタンク、吸収器、マイクロエアレーター、高効率微粒子吸収フィルターから選択される少なくとも１つを更に含む、請求項１２～２１の何れか一項に記載のシステム。
    
    
    

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