JP5524085B2

JP5524085B2 - 非対称膜と嫌気性微生物を使用するシンガス転化システム

Info

Publication number: JP5524085B2
Application number: JP2010547691A
Authority: JP
Inventors: トサイ、シー−ペルング; ダッタ、ラシン; バス、ラフル; ユン、セオン−フン
Original assignee: コスカタ、インク．
Priority date: 2008-02-22
Filing date: 2009-02-11
Publication date: 2014-06-18
Anticipated expiration: 2029-02-11
Also published as: US20090215153A1; BRPI0907593A8; AU2009215667A1; CA2715256A1; CN101952393B; US20120070888A1; US8329456B2; EP2245118B1; AU2009215667B2; CN101952393A; US8062873B2; EP2245118A4; EA201070986A1; US8222026B2; EA017607B1; BRPI0907593A2; JP2011512795A; US8518691B2; US20090215142A1; KR20100132007A

Description

関連出願の相互参照
この出願は、２００８年２月２２日出願の、米国仮特許出願第１２／０３６００７号に基づく特権及び優先権を主張する。その出願全体は、参照によってここに組み込まれる。

本発明は、ＣＯ及びＣＯ_２とＨ_２の混合物を生物学的に液体生成物へ転化することに関連する。

液体の自動車燃料としての使用、或いは従来のガソリンやディーゼル自動車燃料に混入用のバイオ燃料の生産は、世界的に増加している。係るバイオ燃料は、例えば、エタノールおよびｎ−ブタノールを含む。バイオ燃料に対する主な原動力のうちの一つは、これらが発酵およびバイオ・プロセス技術で再生可能な資源から得られることである。従来、バイオ燃料は、砂糖と澱粉のような容易に発酵可能な炭水化物から製造される。例えば、従来のバイオエタノール製造に使用する主要な農作物の二つはサトウキビ（ブラジルおよび他の熱帯諸国々）およびトウモロコシ或いはメイズ（米国および他の温和な諸国）である。容易に発酵可能な炭水化物を提供する農業フィードストックは、食物および飼料生産、耕作に適する土地の利用、水の入手および他の要因との競合のために、その入手が制限されている。従って、森林残留物、植林地由来の樹木、藁、草および他の農産残留物のような木質繊維素原料が、バイオ燃料生産用の実用的なフィードストックになるかもしれない。しかし、木質繊維素は、植物および樹木を機械的に支える構造を与えることを可能にする、非常に不均一な性質のために、その生物的転化が本質的に扱い難い。さらに、これらの物質は、主に構成要素として３つの別々な種類の成分を含む：セルロース（Ｃ_６糖のポリマー）、ヘミセルロース（様々なＣ_５およびＣ_６糖ポリマー）およびリグニン（芳香族とエーテルの結合ヘテロポリマー）。

【０００４】
例えば、これらの扱い難い構造物を分解して、エタノールに生物的転化するために発酵可能な糖類を生産するには、通常、化学的／酵素的加水分解と共に、前処理工程が必要となる。更に、従来の酵母菌は、Ｃ_５糖類を発酵させてエタノールにすることができなく、亦、リグニン成分は係る微生物で完全に発酵できない。リグニンは、木質繊維素バイオマスの重量成分の２５％〜３０％、および化学エネルギー成分の３５％〜４５％を占めることが多い。これらすべての理由のために、木質繊維素バイオマスを、例えばエタノールへ転化するための前処理／加水分解／発酵工程に基づくプロセスは、本質的に困難で、多くの場合、非経済的な多重工程及び多重転化プロセスである。
代替となる技術経路は、木質繊維素のバイオマスをシンガス（合成ガスとしても知られ、主に、ＣＯ、Ｈ _２、及びＣＯ _２、その他ＣＨ _４、Ｎ _２、ＮＨ _３、Ｈ _２Ｓなどの混合物、及びその他の微量ガス類）に転化し、次いでこのガスを嫌気性微生物で発酵させて、バイオ燃料、例えば、エタノール、ｎ−ブタノール、或いは酢酸、酪酸などのような化学薬品を生産させることである。この経路は前処理／加水分解／発酵経路より本質的により効率的になりえるが、これは、ガス化工程が諸成分をすべて効率よく（例えば７５％以上）でシンガスを転化することができ、ある種の嫌気性微生物は、シンガスを効率高く（例えば、理論値の９０％以上）、エタノール、ｎ−ブタノール或いは他の化学薬品に転化することができるからである。さらに、シンガスは、天然ガス、改質ガス、泥炭、石油コークス、石炭、固体廃棄物、および埋立地ガスのような他の多くの炭素質フィードストックから製造できるので、より普遍的な技術経路になる。
しかし、この技術工程は、シンガスの諸成分であるＣＯおよびＨ _２が水性媒体に効率的にしかも経済的に溶解し、これらの成分を目的とする生成物に転化させる嫌気性微生物に輸送することが必要となる。しかも、非常に大量のこれらのガスが必要になる。例えば、ＣＯ或いはＨ _２からエタノールへの理論式は次のとおりである：
６ＣＯ＋３Ｈ _２Ｏ→Ｃ _２Ｈ _５ＯＨ＋４ＣＯ _２
６Ｈ _２＋２ＣＯ _２ →Ｃ _２Ｈ _５ＯＨ＋３Ｈ _２Ｏ
したがって、エタノール１モル当たり、ＣＯまたはＨ _２のような比較的不溶ガス６モル
が水性媒体に移動しなければならないのである。酢酸およびｎ−ブタノールのような他の
生成物は同様に大きな計算量のガスを必要とする。
【先行技術文献】
【特許文献】

【０００５】
【特許文献１】米国特許出願第２００６／００９６９１２号
【特許文献２】米国特許第４４４２２０６号
【特許文献３】米国特許第４１８１６０４号
【特許文献４】米国特許第４７４６４３５号
【特許文献５】米国特許第５１１６５０６号
【特許文献６】米国特許第５１７３４２９号
【特許文献７】米国特許第５７５３４７４号
【特許文献８】米国特許第６１３６５７７号
【特許文献９】米国特許第６３８７２６２号
【特許文献１０】米国特許第６５５８５４９号
【特許文献１１】米国特許第６９０８５４７号
【特許文献１２】米国特許第７１１８６７２号
【特許文献１３】米国特許第７１６９２９５号
【特許文献１４】米国特許第１１４４１３９２号
【特許文献１５】米国特許第１１５１４３８５号
【特許文献１６】米国特許第４４４０８５３号
【特許文献１７】米国特許第５８２１１１１号
【特許文献１８】米国特許第７１８９３２３号
【特許文献１９】米国特許第６３４０５８１号
【特許文献２０】米国特許第７２８５４０２号
【特許文献２１】米国特許第１２２５８１９３号
【特許文献２２】米国特許出願第２００６／０１６３１５７号
【特許文献２３】米国特許出願第２００６／００３７８９６号
【特許文献２４】米国特許出願第２００６／００２１９３６号
【特許文献２５】米国特許出願第２００５／００５４０８７号
【特許文献２６】米国特許出願第２００７／０２７５４４７号
【特許文献２７】米国特許出願第２００９／０２１５１３９号
【特許文献２８】米国特許出願第２００８／０３０５５３９号
【特許文献２９】米国特許出願第２００８／０３０５５４０号
【特許文献３０】米国特許出願第２００９／００３５８４８号
【特許文献３１】米国特許出願第２００９／０２８６２９６号
【特許文献３２】米国特許出願第２００９／００２９４３４号
【特許文献３３】米国特許出願第２００９／０２１５１４２号
【特許文献３４】米国特許出願第２００９／０２１５１５３号
【特許文献３５】米国特許出願第２００９／０１０４６７６号
【特許文献３６】国際公開第ＷＯ０２／０８４３８号
【特許文献３７】国際公開第ＷＯ９８／０００５５８号
【特許文献３８】国際公開第ＷＯ９８／１５４３０１号
【非特許文献】

【０００６】
【非特許文献１】ＰｏｐｕｌａｒＭｅｃｈａｎｉｃｓ，ＣｏｓｋａｔａＥｔｈａｎｏｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ − ＨｏｗｉｔＷｏｒｋｓ − ＩｌｌｕｓｔｒａｔｉｏｎａｎｄＡｎａｌｙｓｉｓ，ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．
ｐｏｐｕｌａｒｍｅｃｈａｎｉｃｓ．ｃｏｍ／ｓｃｉｅｎｃｅ／ｒｅｓｅａｒｃｈ／４２４８７５９．ｈｔｍｌ？ｓｅｒｉｅｓ＝１９，２／２２／２００８，ｐｐ．１−３．
【非特許文献２】ＥｔｈａｎｏｌＰｒｏｄｕｃｔｉｏｎｂｙＳａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓｃｅｒｅｖｉｓｉａｅＩｍｍｏｂｉｌｉｚｅｄｉｎＨｏｌｌｏｗ−ＦｉｂｅｒＭｅｍｂｒａｎｅＢｉｏｒｅａｃｔｏｒｓ，ＤｏｕｇｌａｓＳ．
Ｉｎｌｏｅｓ，ｅｔａｌ．，ＡｐｐｌｉｅｄａｎｄＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＭｉｃｒｏｂｉｏｌｏｇｙ，Ｊｕｌｙ１９８３，ｐｐ．２６４−２７８，Ｖｏｌ．４６．Ｎｏ．１．
【非特許文献３】 “ＥｖｉｄｅｎｃｅｆｏｒＰｒｏｄｕｃｔｉｏｎｏｆｎ−ＢｕｔａｎｏｌｆｒｏｍＣａｒｂｏｎＭｏｎｏｘｉｄｅｂｙＢｕｔｙｒｉｂａｃｔｅｒｉｕｍｍｅｔｈｙｌｏｔｒｏｐｈｉｃｕｍ，” Ｊｏｕｒｎａｌｏｆ
ＦｅｒｍｅｎｔａｔｉｏｎａｎｄＢｉｏｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ｖｏｌ．７２，１９９１，ｐ．５８−６０．
【非特許文献４】 “Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｏｆｂｕｔａｎｏｌａｎｄｅｔｈａｎｏｌｆｒｏｍｓｙｎｔｈｅｓｉｓｇａｓｖｉａｆｅｒｍｅｎｔａｔｉｏｎ，” ＦＵＥＬ，ｖｏｌ．７０，Ｍａｙ１９９１，ｐ．６１５−６１９．
【非特許文献５】Ｄａｓ，Ａ．ＡｎｄＬ．Ｇ．Ｌｊｕｎｇｄａｈｌ，ＥｌｅｃｔｒｏｎＴｒａｎｓｐｏｒｔＳｙｓｔｅｍｓｉｎＡｃｅｔｏｇｅｎｓ，Ｃｈａｐｔｅｒ１４，ｉｎＢｉｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙａｎｄＰｈｙｓｉｏｌｏｇｙｏｆ
ＡｎａｅｒｏｂｉｃＢａｃｔｅｒｉａ，Ｌ．Ｇ．Ｌｊｕｎｇｄａｈｌｅｔａｌｅｄｓ．，Ｓｐｒｉｎｇｅｒ（２００３）．
【非特許文献６】Ｄｒａｋｅ，Ｈ．Ｌ．ａｎｄＫ．Ｋｕｓｅｌ，ＤｉｖｅｒｓｅＰｈｙｓｉｏｌｏｇｉｃＰｏｔｅｎｔｉａｌｏｆＡｃｅｔｏｇｅｎｓ，Ｃｈａｐｔｅｒ１３，ｉｎＢｉｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙａｎｄＰｈｙｓｉｏｌｏｇｙｏｆ
ＡｎａｅｒｏｂｉｃＢａｃｔｅｒｉａ，Ｌ．Ｇ．Ｌｊｕｎｇｄａｈｌｅｔａｌｅｄｓ．，Ｓｐｒｉｎｇｅｒ（２００３）．
【非特許文献７】Ｍｕｌｌｅｒ，Ｖ．，Ｍｉｎｉｒｅｖｉｅｗ：ＥｎｅｒｇｙＣｏｎｓｅｒｖａｔｉｏｎｉｎＡｃｅｔｏｇｅｎｉｃＢａｃｔｅｒｉａ，ＡｐｐｌｉｅｄａｎｄＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＭｉｃｒｏｂｉｏｌｏｇｙ，Ｖｏｌ６９，
１１，６３４５−５３，Ｎｏｖｅｍｂｅｒ，２００３．
【非特許文献８】ＩｎｎｏｖａｔｉｏｎｓｉｎＷａｓｔｅｗａｔｅｒＴｒｅａｔｍｅｎｔ：Ｔｈｅｍｏｖｉｎｇｂｅｄｂｉｏｆｉｌｍｐｒｏｃｅｓｓ．ＷａｔｅｒＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＶｏｌ５３ｎｏ９ｐｐ
１７−３３．
【非特許文献９】ＲａｈｔｉｎＤａｔｔａａｎｄＪ．Ｇ．Ｚｅｉｋｕｓ，ＡｎａｅｒｏｂｉｃＣｏｎｖｅｒｓｉｏｎｏｆＯｎｅ−ＣａｒｂｏｎＣｏｍｐｏｕｎｄｓ．Ｖｏｌｕｍｅ２４ｏｆＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｓｉｎ
ＩｎｄｕｓｔｒｉａｌＭｉｃｒｏｂｉｏｌｏｇｙ，１９８３
【非特許文献１０】ＣＬＡＵＳＥＮ，Ｅ．Ｃ．，ＥＴＡＬ．， “ＥｔｈａｎｏｌＦｒｏｍＢｉｏｍａｓｓＢｙＧａｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ／Ｆｅｒｍｅｎｔａｔｉｏｎ”，ＰｒｅｓｅｎｔｅｄａｔＰｌａｓｔｉｃｓ，Ｔｉｒｅｓ，ＡｕｔｏＷａｓｔｅｓ／ＢｉｏｍａｓｓＭＳＷＳｙｍｐｏｓｉｕｍ，Ｆａｌｌ１９９３，Ｃｈｉｃａｇｏ，３８（３）．
【非特許文献１１】ＫＬＡＳＳＯＮ，Ｋ．Ｔ．，ＥＴＡＬ．， “ＢｉｏｌｏｇｉｃａｌＰｒｏｄｕｃｔｉｏｎｏｆＬｉｑｕｉｄａｎｄＧａｓｅｏｕｓＦｕｅｌｓｆｒｏｍＳｙｎｔｈｅｓｉｓＧａｓ，” Ａｐｐｌ．Ｂｉｏｃｈｅｍ．Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌ．，Ｖｏｌ２４−２５，Ｎｏ．１，Ｍａｒｃｈ１９９０，８５７−８７３．
【非特許文献１２】ＶＥＧＡ，Ｊ．Ｌ．，ＥＴＡＬ．， “ＴｈｅＢｉｏｌｏｇｉｃａｌＰｒｏｄｕｃｔｉｏｎｏｆＥｔｈａｎｏｌｆｒｏｍＳｙｎｔｈｅｓｉｓＧａｓ，” Ａｐｐｌ．Ｂｉｏｃｈｅｍ．Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌ．Ｖｏｌ．２０−２１，Ｎｏ．１，Ｊａｎｕａｒｙ１９８９，７８１−７９７．
【非特許文献１３】ＰＨＩＬＬＩＰＳ，ＪＯＨＮＲ．，ＥＴＡＬ．， ”ＳｙｎｔｈｅｓｉｓＧａｓａｓＳｕｂｓｔｒａｔｅｆｏｒｔｈｅＢｉｏｌｏｇｉｃａｌＰｒｏｄｕｃｔｉｏｎｏｆＦｕｅｌｓａｎｄＣｈｅｍｉｃａｌｓ，” Ａｐｐｌ．Ｂｉｏｃｈｅｍ．Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌ．Ｖｏｌ．４５−４６，Ｎｏ．１，Ｍａｒｃｈ１９９４，１４５−１５７．
【非特許文献１４】ＢＡＲＩＫ，Ｓ．，ＥＴＡＬ．， “ＢｉｏｌｏｇｉｃａｌＰｒｏｄｕｃｔｉｏｎｏｆＡｌｃｏｈｏｌｓｆｒｏｍＣｏａｌＴｈｒｏｕｇｈＩｎｄｉｒｅｃｔＬｉｑｕｅｆａｃｔｉｏｎ，” Ａｐｐｌ．Ｂｉｏｃｈｅｍ．Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌ．Ｖｏｌ１８，Ｎｏ．１，Ａｕｇｕｓｔ１９８８，３６３−３８７．
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】

更に、これらの生物学的転化を引き起こす嫌気性微生物は、これらの生物学的転化換からほんの少ししか代謝エネルギーを発生しない。従って、微生物は、非常に緩やかに成長し、多くはそのライフ・サイクルの非成長過程中に転化し続けて、自己維持の代謝エネルギーを獲得する。収量および生産速度を高くするには、バイオリアクター内の細胞濃度を高くする必要があるが、これには、何らかの形での細胞のリサイクル或いは保持を要する。

バイオフィルムの形成で細胞を保持することは、バイオリアクター中の微生物密度を増すのに非常によく、多くの場合安価な方法である。これには、微生物がコロニーを形成し、微生物が生産する生体高分子のマトリックス内に代謝中の微生物を含むバイオフィルムを形成するための、大きな表面積の固体マトリックスが必要となる。トリクルベッド（ｔｒｉｃｋｌｅｂｅｄ，流下床）バイオリアクターおよびある種の流動床バイオリアクターは、固体マトリックスを通過する流れによって液体中に溶解ガスを供給する一方、固体表面上に微生物を保持するのにバイオフィルムを利用する。これらの欠点は、非常に大型化したり、ガスの溶解速度を十分に高くできないことである。

特殊な型の膜が、廃水処理プロセス用の特定の微生物を保持するのに使用されてきた。米国特許第４，１８１，６０４号は、汚泥の好気性分解のために繊維の外部表面に微生物層を保持する、廃水処理用中空繊維膜の使用を開示している。

２００７年７月２３日出願の米国特許出願第１１／７８１，７１７号、２００７年８月３日出願の米国特許出願第１１／８３３，８６４号、及び２００８年１月１０日出願の米国特許出願第１１／９７２，４５４号は、膜に基づくバイオリアクターを開示しているが、これらでは、シンガスをエタノール或いは他の液体に転化する能力を有する嫌気性バクテリアが、疎水性膜の外面上にバイオフィルムを形成し、シンガスが該膜の内面を通してバクテリアのバイオフィルムに供給される。係るバイオリアクターシステムは、シンガスの主要成分である、ＣＯおよびＨ_２／ＣＯ_２をエタノール、およびｎ−ブタノール、酢酸、および酪酸のような他の液体生成物に直接転化できている。これらのシステムでは、ガスは、疎水性膜の多孔性領域を経て流れて、次いで、親水性のバイオフィルムに達する。この組み合わせの欠点の一つは、水が疎水性多孔性領域域に到達して、沈着／凝縮すると、それでガスの輸送速度が大幅に減少することになることである。バイオフィルムは、膜の外側上に成長するので、この種の膜システムは、適切な厚さのバイオフィルムの生成を促進し、その性能をコントロールする直接の手段も欠いている。

非対称膜は、限外およびナノろ過のような様々な膜分離プロセスで使用することが知られている。非対称膜は通常、親水性であって、多孔性の「海綿状」ポリマー層上に保持された一面上に、比較的タイトな半透性の「スキン」層を有する。米国特許第４，４４２，２０６号及び第４，４４０，８５３号は、可溶炭素資源を使用する、ある生物プロセス用に微生物を固定するために、非対称膜中に「海綿状」ポリマー層を使用することを示す。しかし、シンガスの液体への嫌気性生物学的転化用に係る膜を適合させて使用することは従来教示されていない。

シンガス（ここでは、その主要成分としてＣＯおよび／あるいはＣＯ_２とＨ_２の混合物を含む如何なるガスも含むと定義する）の転化用の嫌気性微生物を封止するのに使用すると、ある種の非対称膜がシンガスの流れからエタノール、ブタノール、ヘキサノールおよび他の化学品のような液体生成物の生産を増強する、安定したシステムを提供することを見出した。ここで生物層と呼ぶ非対称膜の多孔性面は、そこで微生物コロニーの成長を促進し、コントロールする細孔を提供し、また一方直接微生物にシンガスを供給する表面を露出させる。同時に、ここで水和層と呼ぶ、生物層より浸透性がより低い非対称膜の別の層は、非対称膜の反対側から液体を浸透させる。

このように、本発明は、非対称膜を使用して、微生物をその細孔内に保持するための高度に多孔性の生物層と、生物層との水の授受をコントロールするための一つ或いはそれ以上の水和層と、を持つ多重層膜構造を提供する。その操作工程では、シンガスが生物層を通して該非対称膜の一面と接触し、一方、栄養素と、生成物含有液が水和層を通して他方の面に接触する。生物層或いは水和層のいずれかが多数の層を含んでいてもよい。生物層、水和層、及び／或いはその他の層は、細孔口を閉塞し、生成物を抽出し、また、バイオリアクターシステム内の湿気および栄養素を供給する役目をしてもよい。その結果は、実質的に１００％資化率での、高度に効率的・経済的なシンガスの移動であり、他の発酵方法および発酵槽配置の制約を克服するものである。

本発明のバイオリアクターシステムによるシンガス発酵中では、シンガス由来の一酸化炭素或いは水素／二酸化炭素は、多孔性の膜壁の生物層へ拡散し、固定化微生物によってエタノール或いは他の水溶性の生成物に転化され、次いで水和層上を流れる水流中に拡散し、バイオリアクター外に運び出される。固定化微生物は、水和層を通過する水流との接触によって水和し続ける。

したがって、ガス接触面と反対側に位置する非対称膜の１つ以上の多孔性のより低い水和層は、液体から封止微生物に移動する湿気及び微量栄養素を提供する接触面を構成し、一方、同時に微生物から液体生成物を抽出する。抽出された液体は、水和層を通って、液体媒体中に流れる。したがって目的生成物および当該生成物を生成したシンガスは、膜の層を通して、多孔性の高い生物層から多孔性のより低い水和層へ同方向に流れる。多孔性がより低い層と接触する液体は、膜の液体接触面上を循環し、バイオリアクターから目的生成物を除去する施設に出る。

前記生物層の生物細孔は、シンガスから生成物を生産するために微生物を保持する。この生物層は、その該生物細孔内に、生物層のガス接触面を通してシンガスに直接に接触したままの微生物を濃縮しておき、それによって、保持する微生物によるエタノールおよび他の可溶生成物の生産を増強する為に、シンガス成分が容易に使用できるように保つのである。微生物は、遊離して生物層内に、或いはバイオフィルムとして残留できる。微生物が、幾らか生物細孔から出て、ガス接触面を越えてはみ出しても、バイオリアクターシステムの操作が止まることはない。微生物が少し増え過ぎてもガス流路を塞がない。しかし、微生物が生物層のガス接触面の表面レベルまで生物細孔を満たすように、生物層の厚さで、どのバイオフィルム或いは微生物のコロニーの厚さも決まるのが望ましい。これによって、微生物層の厚さを生物層壁の厚さと一致するよう前調整ができる。これは、微生物をよく閉じ込めて置き、その最悪の消失を防ぐというさらなる利点を与える。

閉じ込め手段（ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ）は、シンガス成分の係る嫌気性生物的転化用に使用する微生物で有効に働く。これらの微生物は、緩やかに成長し、定常相で生成物を生成し、過剰ガスを生成しない。したがって、これらは、膜を破壊しないので、生物細孔に使用するのに特に適切である。

生物層は、シンガスを資化するのに著しい利点をもたらす。生物細孔中に微生物を保持することで、シンガスとの直接の接触およびガス移動が得られる。これにより、無穴膜を経るか、或いは、膜細孔の濡れから起こる如何なるガス移動抵抗も除かれる。

微生物と液体間に水和層を置くことは、下流の分離設備の操作を楽にする。水和層は、微生物と生成物含有液との間に、微生物および他の生物汚染物質を含まずに分離設備に液体を流れさせておく、実質的な障壁を与える。排出液体から生物汚染物質を除去することで、係る物質のろ過および／或いはリサイクルの必要がなくなる。

非対称膜は、生物層および水和層に記載のような機能性を持たせるどんな材料或いは材料の組み合わせからでも形成してよい。一つの形態では、生物層は、生物細孔の全体にわたり、生物層のガス接触面の表面に達するまで、容易に湿気を供給する親水性材料を含む。多孔性がより低い水和層に親水性材料を使用することは、膜中に水が容易に移動できることで、膜の性能を高めることになる。多くの場合、生物層および水和層は同一の材料を含み、水和層は非対称膜の一面にスキンの形態をとるであろう。スキン層を含む水和層は、通常、微生物が液体媒体へ移動するのを防ぐよう、生物細孔を閉塞する。

この様に該非対称膜を利用すると、バイオリアクターシステムは様々な配置を取ることができる。例えば、非対称膜は、平板状或いは螺旋巻状であっても、中空繊維或いは平板からなることができる。適切な中空繊維膜は、ルーメン（内腔）側に生物層或いは水和層を配置してもよい。適切なハウジング（筐体）は、膜の一面の液体の循環及び反対面の大半のガス流の循環に関して、並流、向流、或いは直交流に対して膜を保持することができる。中空繊維の場合には、繊維の外側のシンガスの循環は、繊維の水平配向を促進するので、バイオリアクターは、主に横或いは縦方向に伸びていても良好に作動することができる。

本発明は、亦、明確な液体流路を与え、膜の外側上にガス流用の連続的なスペースを与えることにより、中空膜のルーメン側の液体の循環操作を改善する。これによって、液体の流れパターンを乱し、循環流体に停滞したエリアを作るという恐れなしに、非対称膜要素を極めて高密度に詰め込むことができる。その結果、本バイオリアクターシステムは、発酵によりシンガスを転化するのに、他の提案されたシステムより全般的により小さな稼働容積で足りる。

従って、広い形態では、本発明は、少なくともＣＯ、或いはＣＯ_２とＨ_２の混合物の、一つを含む原料ガスを液体生成物に嫌気性条件下転化し、当該液体を生成物含有液に導く、バイオリアクターシステムである。本システムは、原料ガスと接触するガス接触面および生成物含有液に接触する液体接触面を有する非対称親水性膜を使用する。この膜は、中に微生物を保持する、少なくとも細孔長さ部上、少なくとも１μｍの有効直径を持つ複数の生物細孔を規定する生物層、及び該生物層上に多孔性面を有する。該生物層の多孔性面はガス接触面を規定し、原料ガスに生物細孔の開口部を与える。該膜は、また、生物層からの生成物含有液の流れをコントロールし、膜の液体接触面を規定する。このように、この非対称膜は、ガス接触面から液体接触面までの並列方向の流れで原料ガスおよび液体生成物を輸送するよう配置される。本システムでは、原料ガス供給導管が原料ガスを供給し、原料ガスチャンバーは、生物細孔中に保持されている微生物に原料ガスを供給するために、原料ガス供給導管及び膜のガス接触面と連結する。液体循環チャンバーは、微生物に水と栄養素を供給するために、膜の液体接触面に流体連結する。液体回収導管は、バイオリアクターシステムから液体生成物を移動する。

別の態様では、本発明は、シンガスから生物的転化プロセスで形成される二酸化炭素（ＣＯ_２）ガスを優先的に除去することを含む。係る配置では、選択的にＣＯ_２を透過させ、次いで浸透し、次にバイオリアクターへのＣＯおよびＨ_２で富化したシンガスを戻す富化膜を使用してもよい。

本発明のさらなる別の形態では、シンガスは、多数の非対称膜群（ｂａｎｋ）を並列流或いは直列流で通り抜けてもよい。本発明の特に有用な形態は、該シンガスが多重非対称膜群を逐次通り抜ける際、生物転化プロセスで形成される二酸化炭素（ＣＯ_２）ガスを優先的に除去することを含む。

本発明のより特定の形態は、合成ガスを液体生成物に転化するバイオリアクターシステムであって、合成ガスを送給するガス供給導管と、該ガス供給導管と流体連結するガス分配チャンバーと、−２００ｍＶ未満の酸化還元電位を有する発酵液を供給する液体供給導管と、を有する。ガス分配チャンバーに置かれた、複数の中空繊維膜は、液体供給導管と流体連結するルーメンの入口末端と、ガス分配チャンバーと流体連結する外面と、を有する。該中空繊維は、１μｍ〜１００μｍ範囲の有効直径を備え、シンガスから液体生成物を生産する微生物を保持する、生物細孔を規定する外部ポリマー層と、発酵液をポリマー層に浸透させ、該ポリマー層から液体生成物を発酵液に浸透させる内部スキンと、を有する。前記中空繊維ルーメンの出口末端と流動連結する、液体回収導管は発酵液含有液体を回収する。
本発明のさらにより特定な形態は、シンガスを液体生成物に転化するためのバイオリアクターシステムを含む。このシステムは、酸素濃度１００ｐｐｍ未満のシンガスを送給するガス供給導管と、ガス供給導管と流動連結するガス分配チャンバーと、酸化還元電位が−２００ｍＶＶ未満の発酵液を供給するための液体供給導管と、を含む。ガス分配チャンバーに配置された複数の中空繊維膜は、液体供給導管と流動連結する第一ルーメン末端と、ルーメンから液体を放出するための第２ルーメン末端とを有する。中空繊維の外面は、ガス分配チャンバーと流動連結する。該中空繊維は、厚さ１０μｍ未満の半透性スキン製であって、分子量カットオフ（ＭＷＣＯ）範囲が公称ＭＷＣＯで１０〜３００キロダルトン（ｋＤａ）の内部スキンを備えた非対称膜を含む。このスキンは、その中の、シンガスからエタノールを生産する保持微生物のために、厚さ５０〜５００μｍの範囲の厚さと、有効直径１μｍ〜１００μｍの生物細孔とを有する、多孔性のポリマーの内側にキャスト（流延）される。液体回収導管は、液体生成物を含む発酵液を回収するために、中空繊維膜の第２のルーメン末端と流体連結する。

図１は、ガス流と接触し、微生物を内部に保持する生物層と、液体と接触するスキン形態の水和層と、を有する非対称膜の横断面を示す略図である。図２ａは、図１に示すタイプの膜２枚で形成され、ガス流が外壁と接触し、液体が内壁と接触する、中央通路を示す略図である。図２ｂは、生物層を外部に、水和層を内部に有する中空繊維にした、図１の非対称膜の横断面を示す略図である。図２ｃは、水和層を外面上に、生物層を内面上に有するよう修正した中空繊維膜を示す。図３はガスおよび液体の循環を示すバイオリアクターシステムの略図である。図４は多数のバイオリアクターが直列配置され、中間二酸化炭素除去（装置）を有するバイオリアクターシステムを示す略図である。

ＣＯおよびＨ_２／ＣＯ_２を酢酸、エタノールおよび他の生成物へ生物転化することは既知である。例えば、最近の書籍に、係る生物転化の生化学的経路及びエネルギー論の簡潔な記述が、ＢｉｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙａｎｄＰｈｙｓｉｏｌｏｇｙｏｆＡｎａｅｒｏｂｉｃＢａｃｔｅｒｉａ，Ｌ．Ｇ．Ｌｊｕｎｇｄａｈｌ編集、Ｓｐｒｉｎｇｅｒ（２００３）のそれぞれ第１４章、第１３章に記載のＤａｓ，Ａ．及びＬ．Ｇ．Ｌｊｕｎｇｄａｈｌによる、ＥｌｅｃｔｒｏｎＴｒａｎｓｐｏｒｔＳｙｓｔｅｍｉｎＡｃｅｔｏｇｅｎｓ、及び、Ｄｒａｋｅ，Ｈ．Ｌ．及びＫ．Ｋｕｓｅｌによる、ＤｉｖｅｒｓｅＰｈｙｓｉｏｌｏｇｉｃＰｏｔｅｎｔｉａｌｏｆＡｃｅｔｏｇｅｎｓに要約されている。シンガス成分、即ち、ＣＯ、Ｈ_２、ＣＯ_２を個別に、或いは個々の組み合わせを、或いは通常シンガスに存在する成分と共に、転化する能力を有する、如何なる適切な微生物も利用できる。適切な微生物および／或いは成長条件は、次記開示を含むことができる：「バイオマスの間接或いは直接の発酵による燃料アルコール」と題する、２００６年５月２５日出願の米国特許出願第１１／４４１，３９２号は、ＡＴＣＣ寄託番号ＢＡＡ−６２４の識別特徴をすべて有する、生物学上純粋な微生物クロストリジウム・カルボキシジボランス（Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍｃａｒｂｏｘｉｄｉｖｏｒａｎｓ）の培養物：及び「新規クロストリジウム菌種の遊離および特性記述」と題する、２００６年８月３１日出願の米国特許出願第１１／５１４，３８５号は、ＡＴＣＣ寄託番号ＢＡＡ−６２２の識別特徴をすべて有する、生物学上純粋な微生物クロストリジウム・ラグスダレイ（Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍｒａｇｓｄａｌｅｉ）の培養物を開示する；これら両方を参照によってその全体をここに組み入れれる。クロストリジウム・カルボキシジボランス（Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍｃａｒｂｏｘｉｄｉｖｏｒａｎｓ）は、例えば、シンガスを発酵させてエタノールおよび／或いはｎ−ブタノールにするのに使用できる。クロストリディウム・ラグスダレイ（Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍｒａｇｓｄａｌｅｉ）は、例えば、シンガスを発酵させてエタノールにするのに使用できる。

適切な微生物および成長条件は、ＣＯに適応させることができ、使用できるＡＴＣＣ寄託番号３３２６６の識別特徴を有する、嫌気性菌ブチリバクテリウム・メチロトロフィカム（Ｂｕｔｙｒｉｂａｃｔｅｒｉｕｍｍｅｔｈｙｌｏｔｒｏｐｈｉｃｕｍ）を含み、これは、次記文献で教示するように酪酸と同様にｎ−ブタノールの生産を可能にする：「ブチリバクテリウム・メチロトロフィカム（Ｂｕｔｙｒｉｂａｃｔｅｒｉｕｍｍｅｔｈｙｌｏｔｒｏｐｈｉｃｕｍ）による「一酸化炭素からｎ−ブタノール生産の証拠」（"ＥｖｉｄｅｎｃｅｆｏｒＰｒｏｄｕｃｔｉｏｎｏｆｎ−ＢｕｔａｎｏｌｆｒｏｍＣａｒｂｏｎＭｏｎｏｘｉｄｅｂｙＢｕｔｙｒｉｂａｃｔｅｒｉｕｍｍｅｔｈｙｌｏｔｒｏｐｈｉｃｕｍ"），"ＪｏｕｒｎａｌｏｆＦｅｒｍｅｎｔａｔｉｏｎａｎｄＢｉｏｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ｖｏｌ．７２，１９９１，Ｐ．５８−６０"）；「醗酵による合成ガスからブタノール及びエタノールの生産」（"Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｏｆｂｕｔａｎｏｌａｎｄｅｔｈａｎｏｌｆｒｏｍｓｙｎｔｈｅｓｉｓｇａｓｖｉａｆｅｒｍｅｎｔａｔｉｏｎ"）ＦＵＥＬ，ｖｏｌ．７０，Ｍａｙ１９９１，Ｐ．６１５〜６１９。その他の適切な微生物は、ＡＴＣＣ寄託番号４９５８７（米国特許第５，１７３，４２９号）及びＡＴＣＣ寄託番号５５９８８および５５９８９（米国特許第６，１３６，５７７号）の識別特徴を有する菌株クロストリジウム・リュングダーリイ（ＣｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍＬｊｕｎｇｄａｈｌｉ）を含み、これで酢酸と同様にエタノールの生産を可能にする。これらの引例すべての全体をここに組み込まれる。

これまで本発明で適切であることが見出された微生物は、嫌気性成長条件を必要とする。したがって、このシステムへの酸素の導入を制限する為に、システムは適切なコントロールおよび密閉方法を使用する。微生物がバイオリアクターシステム中で循環する液体と接触するので、嫌気性条件を保証するよう、適切な酸化還元電位を維持し、モニターする。液体容積の嫌気性条件は、通常、−２００ｍＶ未満の酸化還元電位、好ましくは、−３００〜−５００ｍＶの範囲の酸化還元電位を有することとして規定される。さらに微生物の酸素との接触を最小限にするために、原料ガスは、酸素濃度が１０００ｐｐｍ未満、より好ましくは１００ｐｐｍ未満、さらに１０ｐｐｍ未満であるのが好ましい。

本発明は、多孔性層および浸透性がより低い層を有する非対称膜を使用する。生物層と呼ばれる多孔性層は、生物細孔の形成および生物細孔中の微生物との液体の出し入れに適した、どんな材料を含んでいてもよい。水和層と呼ばれる、多孔性がより低い層は、微生物に栄養素を与え、流出生成物を所望の濃度に維持するために生物層と発酵液の出し入れをコントロールする。生物層も水和層も単一層として記載されるが、どちらでも数層を含むことができる。

非対称膜は、さらに膜構造を支え、微生物および他の生物材料が発酵液へ侵入するのを防ぐよう生物細孔の内部末端を閉塞する材料が必要である。非対称膜は、追加の層を内部支持用に含むことができるが、生物細孔或いは水和層、及び／或いは生物層の形成もこれらの機能に役立つことができる。追加の層は、いずれもシンガスが生物細孔内の微生物と直接接触し、液体が生物層に浸透出来なくてはならない。

生物層は、シンガスと直接接触する微生物を保持する為に生物細孔を規定しなければならない。生物細孔は、少なくともその長さ部分に亘って、その有効直径が少なくとも１μｍであることを要する。用語有効直径は、同一断面積を与える、規則的な形をした細孔の開放横断面のエリアを参照する。当該細孔は、一定の横断面を有する必要がなく、少なくともその長さの３分の１に亘って１μｍの有効直径を有する生物細孔は、うまく作動する。膜の生物層中の生物細孔のサイズは、有効直径が通常１μｍを遥かに越え、好ましくは、２〜１００μｍの範囲にあり、５〜５０μｍの範囲にあるのが最も好ましい。生物細孔は、深さが５０〜５００μｍの範囲にあり、一般に生物層の厚さに相当する。

最低でも、水和層は、その生物層に関して制限された液体浸透性を持たなければならない。制限された液体浸透性は、過剰の発酵液がシステムの正常な操作中に生物層へ移動し、かつガスと微生物間の接触を邪魔するのを防ぐ。大抵の場合、水和層は、液流を制限し、一方生物細孔の内部末端を閉塞して、微生物が発酵液へ移るのを阻止するよう、生物層より高密度な材料を含む。

非対称膜の特に適切な形態は、水和層を提供する該膜の１面上にタイトな（つまり、小さな細孔を持つ）薄手の「スキン」と、スキンの真下に、生物層を与え、生物細孔を規定する、比較的開かれた支持構造とを、備えた多孔性膜である。該スキンは、通常、厚さが０．５〜１０μｍである半透性の層を含む。スキン付きの非対称膜は、一つのポリマー或いは複合膜の相反転を利用して、ある種の材料の膜が、同一或いは異種材料の多孔性サブ層上に「全体的にスキンが形成され」、膜を含むことができる。非対称膜およびその調製方法の一般的な記述は、文献に見られる。（例えば、Ｃｈｅｒｙｎ，Ｍ．，ＵｌｔｒａｆｉｌｔｒａｔｉｏｎａｎｄＭｉｃｒｏｆｉｌｔｒａｔｉｏｎＨａｎｄｂｏｏｋ，ＴｅｃｈｎｏｍｉｃｓＰｕｂｌｉｓｈｉｎｇＣｏｍｐａｎｙ，ペンシルバニア洲Ｌａｎｃａｓｔｅｒ，１９９８；及びＭｕｌｄｅｒ，Ｍ．，ＢａｓｉｃＰｒｉｎｃｉｐｌｅｓｏｆＭｅｍｂｒａｎｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２^ｎｄＥｄｉｔｉｏｎ，ＫｌｕｗｅｒＡｃａｄｅｍｉｃＰｕｂｌｉｓｈｅｒｓ，マサチューセッツ州Ｎｏｒｗｅｌｌ，１９９６）．
適切なスキン層は、膜スキンを通して細胞が通り抜けるのを防ぐため、微生物細胞のサイズより小さい細孔サイズを有するが、膜の反対面は、細胞が膜壁の生物細孔を出入できる大きな開口部を有する。該スキン層の細孔サイズは通常、０．５μｍ未満、好ましくは０．２５μｍ未満で、最も好ましくは公称ＭＷＣＯが１０〜３００ｋＤａの限外ろ過の範囲で、１０〜１００ｋＤａの範囲にあるのがより好ましい。

ＡｍｉｃｏｎＭｅｍｂｒａｎｅｓ及びＵｌｔｒａｃｅｌＭｅｍｂｒａｎｅｓを含むが、これらに限定されない、非対称限外ろ過膜が、いくつかＭｉｌｉｐｏｒｅＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（マサチューセッツ州Ｂｅｄｆｏｒｄ）から入手可能である。ＡｍｉｃｏｎＭｅｍｂｒａｎｅｓは、ＡｍｉｃｏｎＰＭ３０の場合、ポリエーテルスルホンで、公称ＭＷＣＯが３０ｋＤａの範囲で製造されている。微孔性ポリエチレン基材上に再生セルロース膜をキャストして作製した複合成膜、ＵｌｔｒａｃｅｌＰＬＣＭｅｍｂｒａｎｅｓは、細孔サイズ範囲が５ｋＤａ（ＰＬＣＸＫ）から１０００ｋＤａ（ＰＬＣＸＫ）まで入手出来る。さらなる非対称膜の例は、ＭＭＭ−ＡｓｙｍｍｅｔｒｉｃＳｕｐｅｒ−ＭｉｃｒｏｎＭｅｍｂｒａｎｅｓ及びＢＴＳＨｉｇｈｌｙＡｓｙｍｍｅｔｒｉｃＭｅｍｂｒａｎｅｓで、両者共ＰａｌｌＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（ニューヨーク洲ＥａｓｔＨｉｌｌｓ）から入手可能である。細孔サイズ範囲が０．１から２０．０μｍまでが入手可能なＭＭＭ−ＡｓｙｍｍｅｔｒｉｃＭｅｍｂｒａｎｅｓは、ポリスルフホンとポリビニルピロリドンから製造されている。細孔サイズ範囲が０．０５から０．８０μｍまでが入手可能のＢＴＳＨｉｇｈｌｙＡｓｙｍｍｅｔｒｉｃＭｅｍｂｒａｎｅｓは、ポリスルフホンのキャストにより製造され、「カットオフ」層が約１０μｍで全厚さが約１２０μｍである。

非対称限外ろ過膜を含む中空繊維膜モジュールは、多くの膜メーカーから入手可能である。例えば、ＳｐｅｃｔｒｕｍＬａｂｏｒａｔｏｒｉｅｓ（カリフォルニア洲ＲａｎｃｈｏＤｏｍｉｎｇｕｅｚ）製のＫｒｏｓＦｌｏ（登録商標）ＭａｘＭｏｄｕｌｅＭｏｄｅｌＫＭ５Ｓ−８００−０１Ｎは、０．５ｍｍの繊維内径を有する非対称ポリスルフホン中空繊維膜の２２．０ｍ^２の膜表面積と、ルーメン側にタイトなスキンと、５０ｋＤａの細孔格付けと、を有する。ＫｏｃｈＭｅｍｂｒａｎｅＳｙｓｔｅｍｓ（マサチューセッツ州Ｗｉｌｍｉｎｇｔｏｎ）から入手可能なＲＯＭＩＣＯＮ（登録商標）ポリスルフホン中空繊維膜も非対称で、ルーメン側にタイトなスキンを有する。ＲＯＭＩＣＯＮカートリッジ・モデルＨＦ−９７−４３−ＰＭ５０は、１．１ｍｍの内径及び５０ｋＤａの公称ＭＷＣで、全膜表面積が９．０ｍ^２の繊維を含む６インチモジュールである。

上記述の様々な形状および組成の膜は、本発明のシステムにおいて、単一配列或いは様々な組成の集成体（ａｓｓｅｍｂｌｉｅｓ）の配置状態で使用できる。任意の適切な注封（ｐｏｔｔｉｎｇ）技術を使用して個々の膜要素の必要な集成体を集めて提供できる。係る膜では、ガスおよび液体は、生物層のガス接触面で直接且つ緊密に接触することができる。液体は、生成したエタノール及び他の可溶生成物を除くため、ポンピング（ｐｕｍｐｉｎｇ）、撹拌、或いは同様の手段によって膜の液体側に通過させられ、生成物は種々の適切な方法で回収する。

シンガスは、バイオリアクターシステムのガスチャンバー或いはチャンネルを通って連続的に或いは断続的に流れる。原料ガス圧は、１〜１０００ｐｓｉｇ（ポンド／平方インチゲージ）、好ましくは５〜４００ｐｓｉｇ（ポンド／平方インチゲージ）、最も好ましくは１０〜２０ｐｓｉｇ（ポンド／平方インチゲージ）範囲にある。より高ガス圧で操作することは、液体中のガスの溶解度を増加させ、ガス移動速度および生物転化速度を増加させ得るという利点を有する。液相とガス相間の差圧は、膜の保全が損なわれないように（例えば、膜の破裂強度を超過しない）管理し、所望のガス−液界面相を維持する。

水和層（液体）側からガス接触面の開放面（ガス）へ液体が対流するのを防ぐために、ガス側圧力は、液体の圧力より通常、わずかに高い。このより高い圧力で、細胞へのガス移動を妨害することになる、細胞／ガス界面に於ける液層の形成も避けられる。

原料シンガスが湿気を含む場合、シンガスの消費の結果、水が過飽和になるので、微生物／ガス界面で水の凝縮が起こり得る。この凝縮水は、重力に基づきバイオリアクターの底に滴下することによるほか、わずかに高いガス圧により膜を経る対流によって、細胞／ガス界面を出る。

本発明で、発酵液の浸透に適切な非対称膜は、液相と、少なくともＣＯ或いはＨ_２とＣＯ_２の混合物の１つと液相を含む原料ガス間との分離を果たす。図１は、代表的な生物リアクターシステムの作動に於ける膜配置および界面のより詳細を示す。図１は、シンガス流Ａが非対称膜１２のガス接触面１０に流れる、単一膜要素の断面を図示する。シンガス成分は、生物細孔１６に含まれている微生物１４と直接接触する。ＡＴＣＣ寄託番号ＢＡＡ−６２２の識別特徴をすべて有する、嫌気性酢酸生成菌である、微生物、クロストリジウム・ラグスダレイ（Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍｒａｇｓｄａｌｅｉ）は、生物細孔の中に維持され、生物層１８を経た浸透による発酵液の補給を受ける。この発酵液は、シンガスＡの反対面上を循環し、生物層１８の内部面上でスキン２０として形成された水和層を経て浸透する。生物層１８とスキン２０の直接の接触により、発酵液を生物細孔１６に移動させる。微生物およびガス流れと接触する生物層１８の表面は、液相とガス相を互いから離しておくよう、非対称膜に亘って平衡分配をもたらす。スキン２０の細孔は、生物細孔１６内に保持された微生物の幅よりはるかに小さいので、スキン２０が生物細孔１６の内部末端を閉塞し、微生物がスキン２０を経て、液体との接触面２２まで通り抜けるのを防ぐ。その結果、微生物１４は、生物細孔１６内に優先的に留まり、該生物細孔１６内で、ＣＯおよびＨ_２／ＣＯ_２の転化により代謝エネルギーを獲得し、それによって自身が成長、維持する。発酵液から目的生成物を回収するために、液体Ｂの一部分を抜き出し、分離する。

微生物を非対称膜に仕込むのには、生物層を先ず微生物で接種し、次いで、目的の細胞仕込み密度まで細胞の成長を進める。生物層を接種するためには、微生物を含む水溶液を非対称膜のガス接触面に導入し、次いで僅かの膜間圧の印加により該溶液を緩やかに生物層および水和層を通してろ過し、水和層を経て、微生物を含まない濾液を生成し、細胞を生物層の生物細孔内に捕捉する。微生物を含む膜は、該膜を微生物の成長に適切な栄養素および炭素資源を含む液体と接触させるることにより一層微生物が成長するよう、培養される。その代わりに、シンガスおよび栄養素を含む液体溶液を使用して、膜を培養できる。

図２ａ−ｃは，生物層の生物細孔内に存在する微生物を有する非対称膜の様々な配置を示す。図２ａで２つの非対称膜部１２が中央の液体チャンネル２４に隣接し、それを通って流れＣの方向に発酵液が循環する。液体チャンネル２４の各側面上の非対称膜は、図１の単一の膜要素で記載したものと同様に作動する。合成ガスは、ガス接触面１０を横断して流れ、微生物１４に接触し、発酵生成物は、スキン２０外に、矢印２８の方向に流れ出る。図２ａの配置は、平板シート構成或いは管状構成を使用することができ、液体面上でのよいフロー制御および分配に特に役立つことができる。

図２ｂは、図２ａの特別な場合を示し、非対称膜１２が連続的な形態にくるまり、管状膜に中央の液体のチャンネル２４’を設ける。この場合、シンガス流れＡは、内部に向かって半径方向に流れ、環状の生物層１８’内に含まれている微生物１４と接触する。スキン２０’は、生物層１８’の内部表面をカバーし、液体の生物層１８’を経る浸透を制御する。

図２ｃも、非対称膜用の管状配置であるが、ここでは図２ｂのそれとはスキンおよび生物層の位置が逆になっているのを示す。図２ｃの場合には、液体が非対称膜１２"の外面に接触し、膜１２"内に置かれた生物層に浸透する。中央の通路２４"は、ここでは、今膜の内面にシンガスを供給する役目をする。

大抵の操作では、時々生物細孔およびガス接触表面をパージ（ｐｕｒｇｅ）或いはフラッシュ（ｆｌｕｓｈ）することは、膜配置にとって有益になる。この目的のためには、定期的にシンガス発酵中、液体の圧力を、ガス圧よりわずかに高くなるよう、短時間上げ、膜を通して水を流し、蓄積した死滅微生物或いは生体高分子を生物細孔からとガス接触面とからパージできる。この水は、バイオリアクターのガス流側から収集される。選択的には、この水流は、懸濁固形物を除去処理し、バイオリアクターシステムに再循環させることができる。

通常、生物細孔および生物層を清浄にすることも望ましい。この過程は、固定化した細胞を実質的に除去し、膜を清浄にすることで始まる。これを実施するには、ガスの補給を停止し、通常の精密ろ過膜および限外ろ過膜と同様に、膜を洗浄液で洗浄する。例えば、非対称膜を、先ず、両側、例えば生物層および水和層から洗浄液に浸漬する。洗浄液は、微生物と生体高分子の可溶化を促進するよう、処方するか、選択する。係る溶液の１つは２％ＮａＣｌおよび０．４％ＮａＯＨ含有水溶液であるが、幾つかの界面活性剤および加水分解酵素含有のものを含めて、他の溶液が多く膜の洗浄に使用されてきた。浸漬後、洗浄液を循環し、水和層側から正の膜間圧を印加して、膜を通る対流を起し、微生物および生体高分子を生物層のガス接触面を通して流し出すのである。浸漬―ろ過処置は必要に応じて繰り返すことが出来るし、亦別の洗浄液が使用できる。膜の清浄後、該膜は、シンガス醗酵用の新細胞を仕込み、成長させるために再び使用できる。

図３は、微生物を含む膜を利用する生物リアクターシステムの特定の構成を図示する。
ガス供給導管は、流量計３１で記録される流量でシンガスを含む原料ガス流３０をバイオリアクター３３に送給する。バイオリアクター３３は、管状膜要素３２の外部を囲む容器３５を含む。膜要素３２は、膜要素の生物層内の微生物の成長および維持を促進するための生物細孔を含む。

原料ガス分配チャンバー３５は原料ガス流を受け取り、それを膜要素３２の外面と直接接触するよう分配する。原料ガスは、ライン３４経由で膜要素３２の外面の周りに原料ガスの連続的な補給が確立するように容器３５を出る。原料ガス・ラインの相対的な位置関係により、バイオリアクター３３中でバルク・ガス流は下方に向けられる。

容器３５は、さらに液体排水用のライン２９を含む。液体は、ガス中の湿気からの凝縮、膜要素のフラッシング或いはパージング、或いは定期的洗浄作業のような前記の様々な理由で、容器３５の底に蓄積することがある。代わりに、ライン２９は液体の排水用出口としてもよい。凝縮或いはフラッシングからの液体は、どちらの場所から抜き取ってもよく、処理して発酵液に戻してもよい。

発酵液は、ポンプ３９で得た圧力下、流量計２８で記録された流量で、導管３８を通してバイオリアクター３３に入る。チャンバー３７はルーメンの底端経由で管状膜３２に発酵液を分配する。バイオリアクター３３の頂端で、チャンバー４３は導管４４経由で、液体抜き出し用ルーメンの頂点から発酵液を集める。チャンバー３７および４３の相対的な位置関係が、バイオリアクター３３を通して液体が上向きに流れるよう規定しているので、バルクガス流と液流に関しては、向流の流れが存在する。

ライン４０は、ライン４４から液体の正味部分を抜き取るが、一方、液体の残部が、再循環ライン３６および混合チャンバー４８、ライン４１およびライン３８経由でバイオリアクター３３に戻る。ライン４０は、液体生成物を回収する生成物回収設備へ液体を輸送する。目的生成物の性質によって、生成物回収のために使用できる技術が多くある。例えば、蒸留、分縮（デフレグメーション）、透析蒸発（パーベーパレーション）および液―液抽出は、エタノールおよびｎ−ブタノールの回収に使用できるが、酢酸塩、酪酸塩および他のイオン性生成物の回収には、電気透析およびイオン交換が使用できる。すべての場合に、生成物回収工程は、流れ４０から目的生成物を取り出し、一方相当量の水および残余の栄養素を処理済みの流れに残し、一部は、ライン４２および混合チャンバー４８経由でバイオリアクターシステムに戻す。

液体の温度およびｐＨ制御手段は、ライン、３８、４４、３６および４１の他、チャンバー３７、４３および４８からなる、再循環液体のループに沿った、いかなる場所にも加えることができる。ライン４５は、微生物の活性を持続するために必要な栄養素を再循環する液体ループチャンバー４８へ供給する。チャンバー４８は、栄養素と他の流れを混合させる。

膜ユニット中を再循環する、流れ３８および４４の流量は、膜の液体に面する側の近傍の物質移動を妨害する液体の境界層があまりないように、選択される。膜に接する液体の表面線速度は、０．０１〜２０ｃｍ／ｓ、好ましくは０．０５〜５ｃｍ／ｓ、最も好ましくは０．２〜１．０ｃｍ／ｓの範囲にあるべきである。

すべての図示した配置で、シンガスからのＣＯおよびＨ_２／ＣＯ_２が利用され、膜液体界面上の生化学的反応により、ガス原料側からのこれらの移動勾配が発生する。この反応で液体燃料或いはエタノールおよび酢酸のような化学製品が生成し、これらは、液体中へ拡散し、非対称膜の水和層による液体の循環経由で取り出される。此の様に、膜の細孔の非常に大きな表面積が微生物へのガスの移動に使用でき、生成物は液体の側から回収される。更に、シンガス成分を代謝する微生物の本質的に遅い成長特性の結果、微生物は、ガスが利用可能な層までのみに生存するので、反応速度、ガス濃度勾配および微生物の厚さが平衡に保たれることができる。

膜は、図３に中空繊維の一例として示したような代表的ななモジュールに構成できる。液体がそれを通して分配され、循環される円筒状のシェル或いは容器内に束ねて注封した微細繊維中をガスが流れる。係るモジュールでは、１ｍ^３当たり５０００ｍ^２〜１０００ｍ^２の範囲の非常に高い表面積が達成できる。

生物転化中に、過剰のＣＯ_２が生成され、このガスは逆拡散し、原料ガス中のＣＯおよびＨ_２の濃度を薄め、このようにして、それらの物質移動速度を低下し得る。ＣＯ_２に比して優先的にＣＯとＨ_２が浸透する他のタイプの膜は、図４で一例として示すような多段構成で使用することができ、この場合、選択的にＣＯ_２を浸透させる膜を使用して、ＣＯおよびＨ_２を富化したシンガスをバイオリアクターへ戻すことが達成できる。

図４は、導入原料ガスがライン４６経由でバイオリアクター４７に、次いでライン５２、５３および５４経由で、バイオリアクター４９および５１を通して流入するシステムを図示する。同時に、微生物と接触している液体はライン５８経由で当該システムに流入し、ガス流に関して向流方向に、ライン５５および５６経由でバイオリアクター４７、４９および５１を通して流れる。液体生成物は、ライン６０から流出する液体から回収され、ガス流はライン６２経由でシステムから抜き取られる。分離ユニット６４は、膜または抽出工程のような、任意の適切な装置或いはプロセスによって、ライン５６の流れに、システムからのＣＯ_２を中間的除去を行う。相互に連結するライン５５および５６は、異なるバイオリアクターのルーメンのすべてに通じて連続的な連結を達成する機能を提供するので、どんな組み合わせの収集チャンバーおよび分配チャンバーも連続的な流路を提供する。

ＫｏｃｈＭｅｍｂｒａｎｅＳｙｓｔｅｍｓ（マサチューセッツ州Ｗｉｌｍｉｎｇｔｏｎ）由来ＲＯＭＩＣＯＮカートリッジ・モデルＨＦ−９７−４３−ＰＭ５０を、一酸化炭素と水素をエタノールへ転化するための膜バイオリアクターとして使用する。この膜カートリッジは内径１．１ｍｍ、公称ＭＷＣ５０ｋＤａの非対称ポリスルフホン中空繊維を含む。モジュールの活性膜表面積は０．０９３ｍ^２である。生物細孔層の厚さはおよそ４００μｍで、有効生物細孔は、直径１０〜１００μｍの範囲内である。膜カートリッジの温度は、カートリッジの周りに取り付けられた柔軟なヒーターで３７℃に維持され、温度コントローラーで規制される。膜カートリッジは、繊維ホールドアップ容量（ルーメンを含む総繊維容積）は９０ｃｍ^３である。繊維は、総容積１８０ｃｍ^３のカートリッジ内のチャンバーを占める。

膜モジュールは、ニュー・ブランズウィック・サイエンティフィック社（ニュージャージー洲エジソン）（ＮｅｗＢｒｕｎｓｗｉｃｋＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃ（Ｅｄｉｓｏｎ，ＮｅｗＪｅｒｓｅｙ）由来７．５リットル３１０ＢｉｏＦｌｏ（登録商標）３１０Ｆｅｒｍｅｎｔｏｒに接続される。発酵槽は、１００ｒｐｍで撹拌し、３７℃で、１ＮＮａＯＨおよび１ＮＨＣｌでｐＨ５．９に維持された発酵培地を３リットル含む。発酵培地は、表１及び２に示す組成を有する。培地は発酵槽からくみ出され、膜モジュールのルーメン側を通して流れ、特に断らない限り、５００ｍｌ／ｍｉｎの再循環流量で発酵槽に戻る。発酵槽は、最初嫌気性条件を維持するために１００標準ｍｌ／分でＮ_２を送入・分散（ｓｐａｒｇｅ）し、下記のように、シンガス・オーバーレイ（ｏｖｅｒｌａｙ）に切り替えられる。

最初に、膜カートリッジを、クロストリジウム・ラグスダレイ（Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍｒａｇｓｄａｌｅｉ）ＡＴＣＣ寄託番号ＢＡＡ−６２２の活性培養物１５０ｍｌを用いてシェル空間に接種原を注入することによって接種する。接種原は、軽く圧入され、余剰液量が膜を通してルーメン中に達し、微生物細胞が細胞膜壁の空所に侵入できるようにする。続いて、ＣＯ４０％、Ｈ_２３０％、およびＣＯ_２３０％を含むガスを、残留接種原液体を置き換えるよう、約ゲージ５ｐｓｉｇ（ポンド／平方インチゲージ）で膜カートリッジのシェル側に仕込む。残りの発酵稼働期間中、ガスは、３００標準ｍｌ／分で仕込み続け、モジュールからの残余のガスは発酵槽の上部空間に向けられ、凝縮器および排気フィルタを通って発酵槽を出る。膜カートリッジのシェル側のガス圧は、膜カートリッジのガス出口下流の背圧バルブを調節することにより、ルーメンにおける液体の圧力より５ｐｓｉｇ（ポンド／平方インチゲージ）高く維持される。

多孔性細胞膜壁内に微生物細胞を蓄積するために、当該システムは、先ず５日間バッチ（回分）モードで操作する。次いで、本システムは、生成物回収のために発酵液を連続的に抜き取り、２５ｍｌ／時で新らしい培地を補充する連続操作に切り替える。連続操作期間中、「保全サイクル」を３０分間、１〜３日毎に実施する。「保全サイクル」で、ガス仕込みを止め、液体循環流速を２０００ｍｌ／ｍｉｎに増加すると、その結果、ルーメンの液体圧力がシェル側圧力より、１〜２ｐｓｉ（ポンド／平方インチ）高くなり、液体のシェル空間への浸透およびカートリッジからの流出が遅くなる。このサイクルの終わりで、液体の循環速度は、５００ｍｌ／ｍｉｎに低下されて元に戻され、ガスの仕込みが再開する。死滅細胞及び他の生物材料を含む場合がある過剰のバイオマスは、この「保全サイクル」で膜カートリッジからパージされる。２０日間の連続操作後、エタノール濃度は１５ｇ／ｌにまで増加する。

ＳｐｅｃｔｒｕｍＬａｂｏｒａｔｏｒｉｅｓ（カリフォルニア洲ＲａｎｃｈｏＤｏｍｉｎｇｕｅｚ）由来のＭｉｎｉＫｒｏｓ（登録商標）ｍｅｍｂｒａｎｅｍｏｄｕｌｅＭｏｄｅｌＭ２−１００Ｓ−６０１−０１Ｎは、一酸化炭素と水素をエタノール、酢酸塩、ブタノールおよび酪酸塩へ転化するための膜バイオリアクターとして使用される。この膜モジュールは、内径が１．０ｍｍで浸透性は公称ＭＷＣＯが１００ｋＤａと評価されている、非対称ポリスルフホン中空繊維を含む。モジュールの活性膜表面積は０．３２ｍ^２である。生物層の厚さは約１５０μｍで、生物細孔は３〜３０μｍの範囲の有効直径を有する。膜カートリッジの繊維ホールドアップ容量は２００ｃｍ^３である。繊維は、総容積３４０ｃｍ^３のカートリッジ内のチャンバーを占める。膜カートリッジの温度は、カートリッジの周囲に取り付けられたり可撓性ヒーターで３７℃に維持され、温度コントローラーで規制される。

膜モジュールは、ニュー・ブランズウィック・サイエンティフィック社（エジソン（ニュージャージー））（ＮｅｗＢｒｕｎｓｗｉｃｋＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃ（Ｅｄｉｓｏｎ，ＮｅｗＪｅｒｓｅｙ）由来７．５リットル３１０ＢｉｏＦｌｏ（登録商標）３１０Ｆｅｒｍｅｎｔｏｒに接続される。発酵槽は、１００ｒｐｍで撹拌され、３７℃及び１ＮＮａＯＨと１ＮＨＣｌとでｐＨ５．９に維持された発酵培地を３リットル含む。発酵培地は、表３及び４に示す組成を有する。培地は、発酵槽からくみ出され、膜モジュールのルーメン側を通して流れ、特に断らない限り、１０００ｍｌ／ｍｉｎの再循環流量で発酵槽に戻る。発酵槽は、最初嫌気性条件を維持するために１００標準ｍｌ／分でＮ_２を送入・分散（ｓｐａｒｇｅ）し、下記のように、シンガス・オーバーレイ（ｏｖｅｒｌａｙ）に切り替えられる。

最初に、シェル・スペースに接種原を注入することによって、膜モジュールをクロストリジウム・カルボキシジボランス（Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍｃａｒｂｏｘｉｄｉｖｏｒａｎｓ）ＡＴＣＣ寄託番号ＢＡＡ−６２４の活性培養物３００ｍｌで接種する。接種原は、軽く圧入され、余剰液量が膜を通してルーメン中に達し、微生物細胞が細胞膜壁の空所に侵入で出来るようにする。続いて、ＣＯ４０％、Ｈ_２３０％、およびＣＯ_２３０％を含むガスを、残りの接種原液体を置き換えるよう、約５ｐｓｉｇ（ポンド／平方インチゲージ）で、膜モジュールのシェル側に仕込む。ガスは、発酵稼働の残りの期間に亘って３００標準ｍｌ／ｍｉｎで仕込み続け、モジュールからの残余のガスは発酵槽の上部空間に向けられ、５コンデンサーおよび排気フィルタを通って発酵槽を出る。膜モジュールのシェル側のガス圧は、膜モジュールのガス出口下流の背圧バルブを調節することにより、ルーメンにおける液体の圧力より５ｐｓｉ（ポンド／平方インチ）高く維持する。

多孔性細胞膜壁内に微生物細胞を蓄積するために、当該システムは、先ず５日間バッチ（回分）モードで操作する。次いで、本システムは、生成物回収のために発酵液を連続的に抜き取り、９０ｍｌ／時で新しい培地を補充する連続操作に切り替える。連続操作期間中、「保全サイクル」を３０分間、１〜３日毎に実施する。「保全サイクル」で、ガス仕込みを止め、液体循環流速を２０００ｍｌ／ｍｉｎに増加すると、その結果、ルーメンの液体圧力がシェル側圧力より、１〜２ｐｓｉ（ポンド／平方インチ）高くなり、液体がシェル空間への浸透およびカートリッジからの流出が遅くなる。このサイクルの終わりで、液体の循環速度は、１０００ｍｌ／ｍｉｎに低下して元に戻され、ガスの仕込みが再開する。死滅細胞及び他の生物材料を含むことが出来る過剰のバイオマスは、この「保全サイクル」で膜カートリッジから除去される。２０日間の連続操作後、抜き取られた発酵液は、６．４ｇ／Ｌのエタノール、２．５ｇ／Ｌの酢酸塩、４．８ｇ／Ｌのブタノールおよび１．５ｇ／Ｌの酪酸塩を含む。

Claims

ＣＯ或いはＣＯ_２とＨ_２との混合物の少なくとも１つを含む原料ガスを嫌気性条件下で液体生成物に転化し、前記液体生成物を生成物含有液体に送給する、バイオリアクタープロセスであって、該プロセスは、
ａ）非対称親水性膜を提供する工程であって、この非対称親水性膜は、
前記原料ガスと接触するガス接触面と、
水、栄養素、および前記液体生成物を有する発酵液と接触する液体接触面と
内部に微生物を保持するための細孔の少なくとも一部の上に、少なくとも１μｍの有効直径を有する複数の生物細孔を規定する生物層と、
前記ガス接触面を規定し、前記原料ガスに前記生物細孔の開口部を与える前記生物層の外面上の多孔性面と、
前記生物細孔の末端を閉塞し、生物層からの生成物含有液の流れを制御し、前記微生物に栄養素および水蒸気の送達を提供するとともにルーメンによって前記膜の液体接触面を規定する水和層と、
を有し、当該非対称親水性膜は、前記ガス接触面から前記液体接触面に、前記原料ガスおよび前記液体生成物を並列流で輸送するように配置されているものであり、前記発酵液を含有する液体は、前記微生物に水および栄養素を供給するための前記水和層から前記生物細孔への前記発酵液の流れに対して反対に流れるものである、前記非対称親水性膜を提供する工程と、
ｂ）原料ガス供給導管によって原料ガスを供給する工程と、
ｃ）前記原料ガス供給導管及び前記膜のガス接触面と流体連結し、前記生物層の外面に原料ガスを供給し、前記生物細孔中に保持されている微生物に原料ガスを直接供給する原料ガスチャンバーを提供する工程と、
ｄ）前記膜の液体接触面と流体連結し、前記微生物に水と栄養素を供給する液体循環チャンバーを提供する工程と、
ｅ）ＣＯ或いはＣＯ_２とＨ_２との混合物の少なくとも１つを含む原料ガスを要求する、前記生物細孔中に保持される微生物を提供する工程と
ｆ）前記バイオリアクタープロセスから液体生成物を輸送する液体回収導管を提供する工程と
ｇ）前記膜の液体接触面上の発酵液よりも高い圧力に前記膜のガス接触面上の原料ガスを維持する工程と
を有するものである、プロセス。
請求項１記載のプロセスにおいて、前記非対称親水性膜は、
前記生物層を提供する多孔性ポリマー上の半透性スキンの形態の水和層であって、前記半透性スキンは１０μｍ未満の厚さを有するものである水和層と、
前記膜のガス接触面を規定する多孔性ポリマーであって、前記多孔性ポリマーは少なくとも５０μｍの厚さを有し、前記膜のガス接触面を規定するものである多孔性ポリマーと
を有するものである、プロセス。
請求項２記載のプロセスにおいて、前記半透性スキンは、３００ｋＤａ未満の公称ＭＷＣＯと格付けされ、前記多孔性ポリマーは１００μｍ以下の有効直径を有する生物細孔を規定するものである、プロセス。
請求項１記載のプロセスにおいて、前記微生物は、エタノール、ｎ−ブタノール、ヘキサノール、酢酸および酪酸の少なくとも１つを含む液体生成物を生産するものである、プロセス。
請求項１記載のプロセスにおいて、
前記原料ガスは１０００ｐｐｍ未満の酸素濃度を有する合成ガスであり、
液体保持チャンバーは−２００ｍＶ未満の範囲に酸化還元電位を有する液体を保持するものであり、
前記膜の生物細孔はエタノールを生産する微生物を保持するものであり、
前記液体回収導管はエタノール含有液体を前記液体チャンバーから回収するものである、プロセス。
請求項１記載のプロセスにおいて、前記非対称親水性膜は複数の中空繊維膜を有するものである、プロセス。
請求項６記載のプロセスにおいて、前記液体チャンバーは繊維の総ルーメン容積を含むものである、プロセス。
請求項７記載のプロセスにおいて、原料ガスは多数の非対称親水性膜を逐次通過するものであり、前記プロセスは、各非対称親水性膜当たり少なくとも１つの原料ガスチャンバーを含むものであり、ＣＯ_２は、前記原料ガスが前記プロセスを通過するにつれて、当該ガスから除去されるものである、プロセス。
請求項７記載のプロセスにおいて、前記液体生成物は前記非対称親水性膜のルーメンを通過するものであり、且つ前記原料ガスは液体の流れに向流で、前記ルーメンを軸方向に前記非対称親水性膜を横切るものである、プロセス。
請求項１記載のプロセスにおいて、前記生物細孔中の微生物は、クロストリジウム・ラグスダレイ（Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍｒａｇｓｄａｌｅｉ）、ブチリバクテリウム・メチロトロフィカム（Ｂｕｔｙｒｉｂａｃｔｅｒｉｕｍｍｅｔｈｙｌｏｔｒｏｐｈｉｃｕｍ）、クロストリジウム・リュングダーリイ（ＣｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍＬｊｕｎｇｄａｈｌｉ）、及びクロストリジウム・カルボキシジボランス（Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍｃａｒｂｏｘｉｄｉｖｏｒａｎｓ）の少なくとも１つの単培養或いは共培養を含むものである、プロセス。
請求項５記載のプロセスにおいて、１００ｐｐｍ未満の酸素濃度を有する原料ガスの連続流は、前記非対称親水性膜のガス接触面を横切るものである、プロセス。
請求項１記載のプロセスにおいて、前記膜の液体接触面上の液体の圧力は、前記膜のガス接触面上の圧力と比べて、液体水を前記生物細孔中に及び前記ガス接触面上に浸透させて、微生物および／または生物材料を前記生物細孔から洗い流すのに十分なだけ一時的に上昇されるものである、プロセス。
請求項１記載のプロセスにおいて、前記非対称親水性膜は前記外部ポリマー層の内部に向けられた半透性スキン製の内部スキンを有するものであり、前記半透性スキンは１０μｍ未満の厚さと３００ｋＤａ未満の公称ＭＷＣＯとを有するものであり、前記ポリマー層は５０〜５００μｍの厚さの多孔ポリマーを含むものである、プロセス。