JP6411334B2 - 発酵及び疑似移動床プロセス - Google Patents

Description

本発明は、一般に、微生物発酵により、生成物、特にアルコール類を製造するためのシステム及び方法に関する。特に、本発明は、発酵産物を発酵ブロスから分離するための擬似移動床を含む発酵系、及びこれに対応する方法に関する。

輸送用生物燃料は、ガソリンに代わる魅力的な代替物であり、低濃度ブレンドとして燃料市場に急速に浸透してきている。生物燃料は、天然源に由来するものであるが、化石資源に由来するもの（例えば、ガソリンなど）よりも環境的に持続可能であり、それらの使用は、燃料燃焼の結果として大気中に放出されるいわゆる化石二酸化炭素（ＣＯ_２）ガスのレベルの低減につながる。更に、生物燃料は、多くの地理的地域で独自に製造することができ、輸入化石エネルギー資源に対する依存度を低減することができる。

エタノールは、世界各国で急速に主要な水素豊富液体輸送用燃料になりつつある。エタノールの世界的消費は、２０１２年までに２７２億ガロンに達すると推定されており、燃料エタノール産業の世界市場もまた、将来的に急成長すると予測されている。この成長は、ヨーロッパ、日本、米国、及びいくつかの開発途上国において、エタノールに対する関心度が増したことを主たる要因とする。

例えば、米国では、エタノールは、エタノール１０％混合ガソリンであるＥ１０の製造に用いられている。Ｅ１０ブレンドでは、エタノール成分は酸素化剤として作用し、燃焼効率を改善し、大気汚染物質の生成を低減する。ブラジルでは、エタノールは、ガソリンにブレンドされる酸素化剤として、及びそれ自体でも純燃料として、輸送用燃料需要の約３０％を充足している。また、ヨーロッパでは、温室効果ガス（ＧＨＧ）排出の結果を取り巻く環境への懸念が刺激となり、欧州連合（ＥＵ）は、各加盟国に対してバイオマス由来エタノールなどの持続可能な輸送用燃料の消費に関して義務的目標を設定している。

自動車用燃料添加剤として、１，２−ブタンジオール、１，３−ブタンジオール、１，４−ブタンジオール、及び２，３−ブタンジオールなどのブタンジオール類を用いることができる。これらはまた、潜在的により高価値及び／又はより高エネルギーを有する他の多くの生成物に比較的容易に転換できる。例えば、２，３−ブタンジオールは、２段階プロセスにより、航空燃料として用いることができる８炭素ダイマーに容易に変換できる。

２，３−ブタンジオールの多用途性は、その二官能性骨格に由来する。即ち、２個の水酸基が隣接する炭素原子に位置することにより、当該分子を、ブタジエン、ブタジオン、アセトイン、メチルエチルケトンなどの物質に転換することが非常に容易になる。これらの化学化合物は、広範囲の化学工業製品を製造するためのベース分子として用いられる。

更に、２，３−ブタンジオールは、内燃機関エンジンの燃料として用いることができる。この物質は、いくつかの点で、エタノールよりもガソリンに類似している。環境的に持続可能な燃料の製造及び応用への関心が高まるにつれて、２，３−ブタンジオール（しばしばバイオブタノールと呼ばれる）の生物学的製造プロセスへの関心も高まっている。

燃料エタノールの大部分は、作物由来の炭水化物、例えば、サトウキビから抽出したショ糖又は穀類作物から抽出したデンプンを主な炭素源として用いる従来の酵母を利用した発酵プロセスにより製造されている。２，３−ブタンジオールはまた、炭水化物を含有する原料の微生物発酵によっても製造することができる（Syu MJ, Appl Microbiol Biotechnol 55:10-18 (2001), Qin et al., Chinese J Chem Eng 14(1):132-136 (2006)）。しかしながら、これらの炭水化物原料のコストは、人間の食糧又は動物飼料としてのそれらの価値によって影響される一方で、エタノール製造のためのショ糖又はデンプンを生成する作物の栽培は、全ての地域で経済的に持続可能とは限らない。それゆえ、より低コスト及び／又はより豊富な炭素資源を生物燃料生成物に変換するための技術開発に関心が寄せられている。

一酸化炭素（ＣＯ）は、石炭又は石油及び石油製品などの有機材料の不完全燃焼の主たる、遊離した、高エネルギー副生成物である。例えば、オーストラリアの製鉄業は、年間５００，０００トンを超えるＣＯを生成し、大気中に放出していると報告されている。

主にＣＯ及び／又はＣＯと水素（Ｈ_２）からなるガスを各種燃料及び化学物質に変換するために触媒プロセスを用いることができることが長年認識されている。しかしながら、微生物もまた、これらのガスを燃料及び化学物質に変換するために用いることができる。これらの生物学的プロセスは、一般に、化学反応よりも遅いが、触媒プロセスに対していくつかの利点を有しており、例えば、高特異性、高収率、低エネルギーコスト、中毒に対する耐性の高さなどが挙げられる。

ＣＯを唯一の炭素源として増殖する微生物の能力は、１９０３年に初めて発見された。これは後に、独立栄養増殖のアセチル補酵素Ａ（アセチルＣｏＡ）生化学経路（Woods-Ljungdahl経路としても知られる）を用いる生物の性質であることが判明した。カルボキシド栄養性（carboxydotrophic）生物、光合成生物、メタン生成生物、及び酢酸生成生物などの多くの嫌気性生物が、ＣＯ_２、Ｈ_２、メタン、ｎ−ブタノール、酢酸、及びエタノールなどの各種最終生成物にＣＯを代謝することが示されている。

嫌気性細菌、例えばクロストリジウム（Clostridium）属の細菌は、アセチルＣｏＡ生化学経路を介して、ＣＯ、ＣＯ_２、及びＨ_２からエタノールを生成することが示されている。例えば、ガスからエタノールを生成する様々なクロストリジウム・リュングダリイ（Clostridium ljungdahlii）の各種株が、国際公開第００／６８４０７号、欧州特許第１１７３０９号、米国特許第５，１７３，４２９、同第５，５９３，８８６及び同第６，３６８，８１９号、国際公開第９８／００５５８及び同第ＷＯ０２／０８４３８号に記載されている。細菌のクロストリジウム・オートエタノゲナム種（Clostridium autoethanogenum sp）もガスからエタノールを生成することが知られている（Abrini et al, Archives of Microbiology 161, pp 345-351 (1994)）。

しかしながら、ガス発酵による微生物による生物燃料の製造は、常に副生成物としてアセテート及び／又は酢酸の同時生成を伴う。このアセテート／酢酸は、反応を阻害する可能性があり、通常、発酵ブロスから除去されることが求められる。また、アセテート／酢酸副生成物が何か他の目的に使用できない限り、それは廃棄物処理問題を提起しうる。アセテート／酢酸は微生物によってメタンに変換されるので、温室効果ガス（ＧＨＧ）排出に寄与する可能性がある。

エタノール及び２，３−ブタンジオールなどの生成物を製造するためのガス状基質の発酵は、通常、液状の発酵ブロスを含むバイオリアクター内で行われる。当該ブロスは、微生物とその増殖のための栄養素とを含む。経時的に、栄養素（ガス状基質それ自体を含む）は、所望の生成物に変換されるが、微生物にとって毒性を有し得る不所望の副生成物及び細胞残屑も生成する。所望生成物及び不所望生成物はいずれも、特に高濃度で存在する場合に、発酵効率を阻害し得る。

所望生成物を回収し、発酵反応の阻害によりもたらされる反応の非効率性を低減するために、ブロスは、連続プロセス又はバッチプロセスによりバイオリアクターから除かれ、新しい栄養培地と交換される。所望生成物は、通常、分別蒸留及び抽出発酵などの標準的な抽出方法によりブロスから抽出される。しかしながら、発酵溶液から有機代謝産物を抽出するためのこれらの公知の方法は、多くの問題点を抱えている。

溶媒抽出システムは、弱有機性ブロスに用いると、分配率が低く分離が困難となることが多い。塩による飽和により、分配率を改善できるが、水性廃棄物からの塩の除去を必要とすることにより抽出プロセスを複雑にすると共に、塩を再使用のために回収できない場合は、消費コストが劇的に上昇する。液体圧力膜（例えば、逆浸透膜及びナノろ過膜）は、短鎖アルコール、ジオール、及び有機酸に対して十分に高い除去率を示さない。疎水性膜、親水性膜のいずれも、明確な分離能を示すのに十分に厳密な分子量カットオフで製造することができず、いずれのタイプの膜も、発酵ブロス中で深刻な粒子汚れを伴い、厳密な前ろ過を必要とする。

蒸留は、現在、連続的に高純度有機物を回収するための主要な方法である。しかしながら、蒸留は、水よりも低沸点であり且つ望ましくない共沸混合物を含有しない有機生成物での使用に制限される。蒸留により２，３−ブタンジオールを水溶液から分離することは、２，３−ブタンジオールが高沸点（１８０〜１８４℃）を有すると共に水に対する親和性が高いことから、高価且つ困難である。発酵ブロスからのエタノールの蒸留により、エタノールと水の共沸混合物（即ち、エタノール９５％及び水５％）が生じ、これは、蒸留により分離することができず、その効果的な分離には更なる工程と技術を必要とする。

酢酸は、通常、ブロスをろ過して懸濁した有機物質を除去し、次いで、該ブロスを活性炭カラムに通しアセテートを吸着させることにより除去される。このプロセスには、活性炭カラムに通す前に発酵ブロスのｐＨを約３未満に低下させ、アセテートの大部分を酢酸体に変えることが必要である。この除去方法は、更なる工程と、ｐＨ調製化学物質のブロスへの添加を必要とするので、望ましくない。

公知の生成物回収方法は、多くの場合、発酵系により製造できる主要なクラスの有機生成物、例えば、２，３−ブタンジオールや酢酸の回収に適切ではない（或いは、コスト及び／又はエネルギー消費及び／又は回収生成物の割合の観点から非効率的である）。回収は、それゆえ、微生物発酵を用いる商業的に実行可能な生物燃料の製造のボトルネックとなっており、より効率的且つ費用効果的に回収を改善する新規技術が必要とされている。

本発明の目的は、先行技術の欠点の少なくとも一つを克服又は改善するプロセス及び発酵系を提供すること、又は少なくとも公衆に有用な選択肢を提供することにある。

本発明は、発酵ブロスからの一種以上の発酵産物の分離効率を改善するための方法に関する。本発明は、発酵ブロスから一種以上の発酵産物を分離するための方法であって、分離のためのエネルギー要求が、公知の方法に比べて大幅に低減される方法を提供する。

本発明は、更に、一種以上の発酵産物を含む発酵流から水を除去するための改善されたシステムを提供することにより、発酵ブロスから該一種以上の発酵産物を分離するための改善された方法を提供する。

第一の局面において、本発明は、一種以上の発酵産物を発酵ブロスから分離する方法であって、
ａ）一種以上の微生物の培養物を含むバイオリアクター中でガス状基質を発酵して、前記一種以上の発酵産物を含む発酵ブロスを生成することと、
ｂ）前記発酵ブロスを、実質的にバイオマスを含まない処理済ブロス流を生成する条件で動作される処理領域に通すことと、
ｃ）前記処理済ブロス流の少なくとも一部を、吸着剤を含む擬似移動床（ＳＭＢ）モジュールに提供することと、
ｄ）前記一種以上の発酵産物を前記吸着剤に吸着させ、前記ブロスの未吸着成分を含むラフィネートを生成することと、
ｅ）前記一種以上の生成物を前記吸着剤から脱着して生成物流を生成することと、を含む方法を提供する。

第一の局面の一実施形態においては、処理領域は、少なくとも加熱処理領域を含む。第一の局面の一実施形態においては、処理領域は、加熱処理領域とろ過領域を含む。一実施形態においては、処理領域は、懸濁した及び／又は可溶性のバイオマスの少なくとも一部を発酵ブロスから除去する。一実施形態においては、処理領域は、懸濁した及び／又は可溶性のバイオマスの実質的に全部を発酵ブロスから除去する。本発明のある局面において、処理済ブロス流は、バイオマスを実質的に含まない。ある実施形態においては、処理済ブロス流は、微量のバイオマスを含んでいてもよい。

第一の局面の一実施形態においては、方法は、ラフィネートをバイオリアクターにリサイクルする工程を含む。

第一の局面の更なる実施形態においては、生成物は、吸着剤を溶媒で洗い流すことにより工程（ｅ）で脱着されて、生成物−溶媒溶液を生成することにより。生成物−溶媒溶液は、発酵ブロスに由来する塩を実質的に含まないことが好ましい。生成物−溶媒溶液の水の濃度は、５％／体積未満、３％／体積未満、又は１％／体積未満であることが好ましい。一実施形態においては、生成物−溶媒溶液に、実質的に水が存在しない。

生成物は、酸及び／又はアルコールを含むことが好ましい。ある実施形態においては、溶媒は、アルコールである。一実施形態によれば、生成物は、エタノール、酢酸、２，３−ブタンジオール、ブタノール、イソプロパノール、及びアセトンを含む群から選択される。一実施形態においては、溶媒は、エタノール、メタノール、プロパノール、及びメチル四級ブチルエーテルを含む群から選択される。好ましい実施形態においては、一種以上の生成物は、エタノール、２，３−ブタンジオール及び酢酸を含む群から選択され、溶媒はエタノールである。

一実施形態においては、脱着工程で用いられる溶媒は、該工程より前に抽出された発酵プロセスの生成物である。一種を超える生成物が生成される場合には、異種の発酵産物を互いに分離するために更なる分離が必要とされることがあるが、発酵プロセスの生成物を用いた脱着は、生成物を得るための更なる必要な分離段階が追加されないことを意味すると理解されよう。

特定の実施形態においては、ガス状基質は、工程（ａ）においてバイオリアクター中で発酵されて、エタノールと２，３−ブタンジオールを含む発酵ブロスを生成する。発酵ブロスは、処理領域に送られ、バイオマス及び／又は可溶性タンパク質の少なくとも一部が発酵ブロスから除去されて、処理済流を提供する。特定の実施形態においては、処理済流は、ＳＭＢに流れ、エタノールと２，３−ブタンジオールの少なくとも一部が処理済流から吸収されて、ラフィネート流を生成する。吸着剤に溶媒を通して、エタノールと２，３−ブタンジオールを脱着し、抽出物流を提供する。更なる実施形態においては、抽出物流は、エタノール流と２，３−ブタンジオール流を提供する条件で動作される回収領域に送られる。特定の実施形態においては、ラフィネート流の少なくとも一部がバイオリアクターに送り返される。

第二の局面において、本発明は、発酵ブロスから一種以上の発酵産物を製造及び回収するための方法であって、
ａ）一種以上の微生物の培養物を含むバイオリアクター中でガス状基質を発酵して、前記一種以上の発酵産物を含む発酵ブロスを生成することと、
ｂ）前記発酵ブロスを、実質的にバイオマスを含まない処理済ブロス流を生成する条件で動作される処理領域に通すことと、
ｃ）前記処理済ブロス流の少なくとも一部を、吸着剤を含む擬似移動床（ＳＭＢ）モジュールに供給することと、
ｄ）前記一種以上の発酵産物を前記吸着剤に吸着させ、前記ブロスの未吸着成分を含むラフィネートを生成することと、
ｅ）前記一種以上の生成物を前記吸着剤から脱着して生成物流を生成することと、
ｆ）前記ラフィネートの少なくとも一部を前記バイオリアクターにリサイクルすることと、を含む方法を提供する。

本発明の一実施形態においては、工程（ｂ）の処理領域は、バイオマス及び／又は可溶性タンパク質の少なくとも一部を発酵ブロスから除去して、実質的にバイオマスを含まない処理済ブロス流を提供する。一実施形態においては、バイオマス及び／又は可溶性タンパク質の少なくとも一部がバイオリアクターに戻される。

本発明の一実施形態においては、発酵ブロスの少なくとも一部は、バイオリアクターから流出するときに、ろ過工程に通され、透過流を生成する。ある実施形態においては、透過流と処理済ブロス流が、ＳＭＢモジュールに送られる前に合一される。

一実施形態においては、ラフィネートは、バイオリアクターに戻されて、液体栄養培地の一部を構成する。ある実施形態においては、ラフィネートは、バイオリアクターに戻される前に、培地調製工程を通る。ある実施形態においては、培地調製工程は、一種以上の栄養素をラフィネート流に添加することを含む。

ある実施形態においては、ラフィネートは、実質的に生成物を含まない。好ましい実施形態においては、ラフィネートは、少なくとも８０％のＨ２Ｏ、少なくとも８５％のＨ２Ｏ、少なくとも９０％のＨ２Ｏ、又は少なくとも９５％のＨ２Ｏを含む。ある実施形態においては、ラフィネートは、吸着剤から一種以上の生成物を脱着するために使用した溶媒を微量含む。

第三の局面において、一種以上の酸を製造及び回収する方法であって、
ａ）液体栄養ブロスに培養物又は一種以上の微生物を含むバイオリアクターにガス状基質を流すことと、
ｂ）前記ガス状基質を発酵して、一種以上の酸を含む発酵ブロスを生成することと、
ｃ）前記発酵ブロスを処理領域に送り、バイオマス及び／又は可溶性タンパク質の少なくとも一部が前記発酵ブロスから除去されて、処理済ブロス流を提供することと、
ｄ）前記処理済ブロス流を、吸着剤を含む疑似移動床モジュールに流すことと、
ｅ）前記一種以上の酸の少なくとも一部を前記処理済ブロス流から前記吸着剤に吸着させ、ラフィネート流を生成することと、
ｆ）前記吸着剤に溶媒を通して前記一種以上の酸を脱着させることと、
ｇ）前記ラフィネート流の少なくとも一部を前記バイオリアクターに送り返すことと、を含む方法が提供される。

第三の局面の一実施形態においては、吸着された酸は、乳酸及び／又は酢酸であり、酸の除去により前記ブロスの培養の阻害及び／又は破綻を防止する。特定の実施形態においては、吸着された乳酸及び／又は酢酸は、吸収剤から脱着され、抽出物流を通してＳＭＢから流出する。したがって、ブロスのｐＨは、抽出物流を通して乳酸及び／又は酢酸を除去することにより制御される。一実施形態においては、バイオリアクターからの酸の除去により、一種以上の微生物の培養物の阻害が防止される。

一実施形態においては、一種以上の酸は、工程（ｆ）において溶媒で脱着される。一実施形態によれば、脱着に用いられる溶媒は、エタノール、メタノール、プロパノール、及びメチル四級ブチルエーテルである。更なる実施形態においては、脱着に用いられる溶媒は、脱着よりも前に発酵プロセスにより生成される溶媒である。

第三の局面の代替の実施形態においては、処理済ブロス流中の酸の少なくとも一部は、ＳＭＢモジュールに提供される前に、その対応する塩に変換される。一実施形態においては、処理済ブロス流の酸は、酢酸であり、水酸化ナトリウムを用いて酢酸ナトリウムに変換される。変換後の酢酸ナトリウムは、処理済ブロス流と共にＳＭＢモジュールに提供され、酢酸ナトリウムは、ラフィネートと共にＳＭＢモジュールから流出し、バイオリアクターにリサイクルされる。

一実施形態においては、工程（ｃ）で発酵ブロスから除去されたバイオマス及び／又は可溶性タンパク質は、バイオリアクターにリサイクルされる。

第三の局面の一実施形態においては、一種以上の酸がプロセスから除去され、バイオリアクターのｐＨが所望範囲内に維持される。微生物の増殖と代謝産物の生成は、バイオリアクターのｐＨを所望範囲内に維持することにより最適化できることが認識されている。特定の実施形態においては、所望範囲は、最適動作ｐＨの±０．５単位である。通常、酢酸発酵においては、ｐＨは、６〜８の範囲、６．５〜７．５の範囲、６．７〜７．４の範囲、６．８〜７．３の範囲、６．９〜７．１の範囲、又は実質的に７．０に維持される。本発明の局面１及び２に係る発酵においては、ｐＨは、４．５〜６の範囲、４．６１〜５．９の範囲、４．７〜５．８の範囲内、又は４．８〜５．５の範囲に維持される。一実施形態においては、ｐＨは、実質的にｐＨ４．８、ｐＨ５．０、又はｐＨ５．５に維持される。

第三の局面のある実施形態においては、主発酵産物は酢酸である。ある実施形態においては、リアクターに提供されるガス状基質は、ＣＯ；ＣＯ及びＨ２；ＣＯ２及びＨ２；ＣＯ２、ＣＯ、及びＨ２；又はそれらの混合物からなる群から選択される。第三の局面の一実施形態においては、一種以上の微生物は、アセトバクテリウム・ウッディ（Acetobacterium woodii）、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（Clostridium ragsdalei）、クロストリジウム・コスカッティ（Clostridium coskatii）又はそれらの混合物からなる群から選択される。

第三の局面の工程（ａ）は、アルコールなどの他の生成物も生成することができる。特定の実施形態においては、一種以上の更なる発酵産物が工程（ｅ）で吸着される。一実施形態によれば、該更なる生成物は、エタノール、２，３−ブタンジオール、ブタノール、及びイソプロパノールを含む群から選択される。

前記各局面の特定の実施形態においては、処理段階は、少なくともろ過工程を含み、発酵ブロスをＳＭＢモジュールに送る前に、懸濁した及び／又は可溶性のバイオマスの少なくとも一部を該発酵ブロスから除去する。ろ過により、懸濁した及び／又は可溶性のバイオマスが発酵ブロスから除去される。ある実施形態においては、ろ過により実質的にバイオマスを含まない処理済ブロス流が得られる。ろ過は、ブロスを膜に通すことにより行うことができる。一実施形態においては、ろ過の前に凝集剤を添加することにより、凝集を引き起こすことができる。

ある実施形態においては、処理段階は、更に、少なくとも加熱処理段階を含む。当業者であれば、ブロス流からバイオマスを除去するための他の方法も、該処理段階において使用できることを理解しよう。

第一の局面の方法の性能は、結果として、第二の局面の方法の性能になり得ること、またその逆も同様であることが理解されよう。

更なる局面において、本発明は、
ａ）ガス状基質から一種以上の発酵産物を生成することができる一種以上の微生物の培養物を含む発酵ブロスを含むバイオリアクターと、
ｂ）前記発酵ブロスの一部が提供されるようにした擬似移動床（ＳＭＢ）モジュールと、
ｃ）前記ＳＭＢモジュール内に、前記発酵ブロスの一部から前記一種以上の発酵産物を吸着するようにした吸着剤と、を少なくとも含む発酵系を提供する。

一実施形態においては、システムは、更に、発酵ブロスがＳＭＢモジュールにより受容される前に、懸濁した及び／又は可溶性のバイオマスをブロスの一部から除去するようにした処理モジュールを含む。該処理モジュールは、少なくともろ過モジュールを含む。ある実施形態においては、処理モジュールは、加熱処理モジュールとろ過モジュールを含む。前述したように、ＳＭＢモジュールは、バイオリアクターの内部若しくはその一部として、又は別体ではあるがブロスの一部を受容するようにバイオリアクターと流体連通させて設けることができる。

一実施形態においては、システムは、更に、除去したバイオマス／可溶性タンパク質をバイオリアクターに送り返すための手段を含む。一実施形態においては、システムは、ＳＭＢモジュールから流出するラフィネート流をバイオリアクターに送り返すための手段を含む。

第三の局面の特定の実施形態においては、バイオリアクターは、ガス状基質の発酵により、（一種又は複数種の）酸及び／又は（一種又は複数種の）アルコールを含む生成物が生成されるように構成される。特定の実施形態においては、ガス状基質は、ＣＯと、任意にＨ２を含む。代替の実施形態においては、ガス状基質は、ＣＯ２とＨ２を含む。

第三の局面の特定の実施形態においては、システムは、制御手段とプロセシング手段を含み、培地供給速度、液体保持時間、及び基質供給速度などのパラメーターを、本開示内容、及びその全体が参照により本明細書に援用される国際公開第２０１０／０９３２６２号に記載の方法などの当該技術分野で公知の方法にしたがって制御することができる。

前記各局面の特定の実施形態においては、方法は、更に、ＳＭＢモジュールにおける生成物の除去の前又は除去の後に、バイオリアクターから除去された発酵ブロス又はラフィネートを処理することを含む。特定の実施形態においては、該処理は、更なる成分又は栄養素（例えば、ビタミンＢ類など）をラフィネートに添加して、バイオリアクターに戻す前に栄養培地を補充することからなることができる。また、ラフィネートをバイオリアクターに戻す前にそのｐＨを調節することにより、バイオリアクター中のブロスのｐＨを制御することができる。

前記各局面の特定の実施形態においては、吸着剤は、フッ素化炭素吸着剤である。代替の実施形態においては、吸着剤は、活性炭吸着剤である。他の実施形態においては、吸着剤は、Ｃ１８表面改質シリカゲルである。

前述の吸着剤は、好適な吸着剤の一例であって、網羅的な一覧であることを意図するものではない。当業者であれば、本明細書に定義するＳＭＢプロセスにおける使用に好適な選択性と疎水性を有するいかなる吸着剤材料も用いることができることを理解しよう。

ＳＭＢは、バイオリアクターと別体ではあるが、これと流体連通していることが好ましいが、ＳＭＢは、バイオリアクターの内部に設けることができる。ＳＭＢをバイオリアクターの内部に設ける場合、ＳＭＢは、ブロス中の懸濁した及び／又は可溶性のバイオマスと分離した状態に維持することが好ましい。例えば、ブロスの一部を膜によって残りのブロスと分離し、ＳＭＢを発酵産物と連通させる一方で、ＳＭＢの性能に影響し得る懸濁した又は可溶性のバイオマスとは連通しないようにすることができる。これに加えて又はこれに代えて、同じ目的で、ＳＭＢのフィードにそれを覆うフィルターを設けることができる。これは、本発明の全ての局面に適用される。

驚くべきことに、ＳＭＢプロセスは、低濃度の有機生成物を含む発酵ブロス及び／又は処理済ブロス流から所望生成物を分離するのに有利であることを見出した。本発明の一実施形態においては、発酵ブロス及び処理済ブロス流中のエタノール及び／又は２，３−ブタンジオールの濃度は、水に対して３０重量％以下、又は水に対して１５重量％未満である。一実施形態においては、発酵ブロス又は処理済流は、水に対して２〜１０重量％のエタノール／２，３−ブタンジオールを含み、エタノールが２，３−ブタンジオールに対して５：１〜１：１の比で存在する。好ましい実施形態においては、発酵ブロス又は処理済流は、水に対して６重量％のエタノール／２，３−ブタンジオールを含み、エタノールが２，３−ブタンジオールに対して１：１の比で存在する。更に、驚くべきことに、２重量％未満の濃度の２，３−ブタンジオールを、ＳＭＢプロセスを用いて分離できることを見出した。特定の実施形態においては、吸着剤は、発酵産物の少なくとも約５０％、約６０％、約７０％、約８０％、約９０％、約９５％、約９９％、又は実質的に１００％をブロスから吸着する。一実施形態においては、吸着剤は、発酵産物の５０〜１００％、６０〜９５％、７０〜９０％、又は７０〜１００％をブロスから吸着する。

本発明の特定の実施形態においては、吸着剤は、少なくとも６．０Ｗ／Ｗ、少なくとも７．０Ｗ／Ｗ、少なくとも８．０Ｗ／Ｗ、少なくとも９．０Ｗ／Ｗ、又は少なくとも１０．０Ｗ／Ｗのエタノール吸着率を有することが好ましい。ある実施形態においては、吸着剤は、６．０〜１０．０Ｗ／Ｗ、７．０〜１０．０Ｗ／Ｗ、６．０〜９．０Ｗ／Ｗ、又は７．０〜９．０Ｗ／Ｗのエタノール吸着率を有する。

本発明によれば、吸着剤は、少なくとも９．０Ｗ／Ｗ、少なくとも１０．０Ｗ／Ｗ、少なくとも１２．０Ｗ／Ｗ、少なくとも１６．０Ｗ／Ｗ、少なくとも１８．０Ｗ／Ｗ、又は少なくとも２０．０Ｗ／Ｗの２，３−ブタンジオール吸着率を有することが好ましい。ある実施形態においては、吸着剤は、９．０〜２０．０Ｗ／Ｗ、１２．０〜２０．０Ｗ／Ｗ、１０．０〜１８．０Ｗ／Ｗ、１２．０〜１８．０Ｗ／Ｗ、又は１６．０〜２０．０Ｗ／Ｗの２，３−ブタンジオール吸着率を有する。

本発明の特定の実施形態においては、有機生成物が吸着剤に吸着される温度は、２０℃〜７５℃、２５℃〜４０℃、又は２５℃〜３５℃である。好ましい実施形態においては、有機生成物が吸着剤に吸着される温度は、約２５℃である。これは、蒸留により生成物を分離するのに必要な温度よりも著しく低いことが理解されよう。

本発明のある実施形態においては、生成物が吸着剤から脱着する温度は、２０℃〜１２０℃、２０℃〜１１０℃、２５℃〜１００℃、４０℃〜１００℃、又は４０℃〜９０℃である。ある実施形態においては、生成物が吸着剤から脱着する温度は、約９０℃である。

本発明の特定の実施形態においては、生成物が吸着剤に吸着される圧力は、２００ｐｓｉｇ（１，３７９ｋＰａｇ）未満、１５０ｐｓｉｇ（１，０３４ｋＰａｇ）未満、約１００ｐｓｉｇ（６８９ｋＰａｇ）、又は約５０ｐｓｉｇ（３４５ｋＰａｇ）未満である。ある実施形態においては、生成物が吸着剤に吸着する圧力は、１４．７〜２００ｐｓｉｇ（１０１〜１，３７９ｋＰａｇ）である。本発明の実施形態は、ガス発酵の有機生成物、例えば、酸、アルコール、及びジオールを、通常水性の発酵ブロスから分離するという特別な応用を有する。特に、酢酸、エタノール、及び２，３−ブタンジオールがＣＯを含むガス状基質の発酵により生成され、本発明を用いて水性有機流から分離することができる。

前記局面の更なる実施形態においては、エタノールなどのアルコール生成物は、バイオリアクターから除去されたブロスがＳＭＢモジュール及び任意にろ過モジュールに送られる前に、該ブロスの一部（又は該ブロスの別の一部）から抽出される。エタノールは、蒸留によりブロスから抽出されることが好ましい。特定の実施形態においては、抽出されたエタノールは、ＳＭＢモジュールの脱着剤として用いられる。

前記局面の更なる実施形態においては、ＳＭＢモジュールは、生成物及び／又は酸の吸収後に再生される。特定の実施形態においては、吸着剤から実質的に全ての脱着剤が除去される。特定の実施形態においては、吸着剤からスチームストリッピングにより脱着剤が除去される。スチームストリッピングは、システムから除去される濃縮ストリッピング溶液を生成する吸着の前、又は濃縮ストリッピング溶液がラフィネートと共にシステムの外に運ばれる吸着工程と共に生じ得る。濃縮ストリッピング溶液又は脱着剤含有ラフィネートは蒸留して、抽出された脱着剤を回収し、該脱着剤はプロセスに戻される。

ガス状基質は、産業プロセスの副生成物として得られるガスを含んでいてもよい。ある実施形態においては、産業プロセスは、鉄金属製品の製造、非鉄製品の製造、石油精製プロセス、バイオマスのガス化、石炭のガス化、発電、カーボンブラックの製造、アンモニアの製造、メタノールの製造、及びコークスの製造からなる群から選択される。本発明の一実施形態においては、ガス状基質は合成ガスである。一実施形態においては、ガス状基質は、製鋼所から得られるガスを含む。

特定の実施形態においては、ガス状基質は、ＣＯ含有ガス状基質である。更なる実施形態においては、基質は、少なくとも約１５体積％のＣＯ〜１００体積％のＣＯ、例えば、２０体積％のＣＯ〜１００体積％のＣＯ、４３体積％のＣＯ〜９５体積％のＣＯ、７５体積％のＣＯ〜９５体積％のＣＯ、又は８０体積％〜９０体積％のＣＯを含む。一つの特定の実施形態においては、ガス状基質は、約９５％のＣＯを含む。基質がＣＯ_２及びＨ_２も含む場合には、ＣＯレベルがより低いこと（例えば６％）が予想できる。他の実施形態においては、基質流は、２％〜１３％の濃度でＨ_２を含む。

各種実施形態においては、発酵は、カルボキシド栄養性細菌の一種以上の株を含む微生物培養物を用いて行われる。各種実施形態においては、カルボキシド栄養性細菌は、クロストリジウム、ムーレラ（Moorella）、オキソバクター（Oxobacter）、ペプトストレプトコッカス（Peptostreptococcus）、アセトバクテリウム（Acetobacterium）、ユウバクテリウム（Eubacterium）又はブチリバクテリウム（Butyribacterium）から選択される。一実施形態においては、カルボキシド栄養性細菌は、クロストリジウム・オートエタノゲナムである。特定の実施形態においては、該細菌は、受託番号ＤＳＭＺ１００６１又はＤＳＭＺ２３６９３の識別特徴を有する。

本発明はまた、本願明細書で個々に又は集合的に言及された又は示された部分、要素及び特徴を、前記部分、要素及び特徴のいずれか又は２以上のあらゆる組合せで含み、本発明が属する技術分野において公知の等価物を有する具体的事項が本明細書において述べられる場合、このような公知の等価物は、それぞれが個々に示されているものとして本明細書に包含されるとみなされる。

本発明のこれら及び他の局面は、全て新規な局面であるとみなされるべきであるが、添付図面を参照しつつ、ほんの一例を用いて示す以下の説明によって明らかとなろう。
図１は、本発明の実施形態に係る発酵系の概略図である。 図２は、本発明の実施形態に係る発酵系の概略図であり、ＳＭＢモジュールがガス発酵に接続されて、エタノール及び２，３-ブタンジオールなどの発酵産物を抽出する。

発明の詳細な説明

定義
他に定義されない場合には、本明細書全体で使用される以下の用語は以下のように定義される。

ラフィネートラフィネート - 発酵産物の吸着剤への吸着後の、発酵ブロスに残存している物質。

発酵ブロス又はブロス - バイオリアクター中に見いだされた（培養液及び栄養媒体を含む）成分の混合物。

栄養媒体 - 栄養素及び微生物培養物の成長に好適な他の成分を含む発酵ブロスに添加された溶液。

培養物- 発酵ブロスに存在する微生物培養物。

培養液濃度 - 発酵ブロス中の微生物細胞の密度。

一酸化炭素を含むガス状基質-及び同類語は、一酸化炭素を含む任意のガスを含む。ガス状基質は、典型的には顕著な割合のCOを含み、好ましくは少なくとも容積で約5%〜約100% COを含む。

酸 - 本明細書で使用される該用語はカルボン酸体を含む。酢酸塩の形態での酢酸は、本発明の吸着プロセスでの使用には好適でない。発酵ブロスに存在する酢酸塩は、pH調整によって酸形態に変換できる。発酵ブロス中の酢酸と酢酸塩との分子比は系のpHに依拠する。

バイオリアクター又は発酵器 - は、連続撹拌タンクリアクタ(CSTR)、固定細胞リアクタ (ICR)、トリクルベッドリアクタ (TBR)、担体流動法 (MBBR)、気泡塔、ガスリフト発酵器、ホローファイバー膜型バイオリアクター (HFMBR)等の膜型リアク、スタティックミキサー、又はガス-液体接触に適した他の容器もしくは他の装置、を含む１又はそれ以上の容器及び／又は他の塔もしくは配管配列（piping arrangements）を含む。

第2の又は二次的バイオリアクター - 本明細書で使用されるこれらの用語は、第1及び／又は第2のバイオリアクターと連続に又は並行に連結できる任意の数の更なるバイオリアクターを包含する意図である。

発酵、発酵プロセス又は発酵反応 -本明細書で使用されるこれらの用語及び同類語は、成長相及び該プロセスの産物生合成相の両方を包含する意図である。態様によっては、バイオリアクターは、第1成長リアクタ及び第2発酵リアクタを含み得る。そのようなわけで、発酵反応の処理又は該反応への成分の添加は、これらのリアクタのいずれか又は両方に関連すると理解するべきである。

本明細書で使用される分配比は、以下の式で示される平衡での、抽出物中の単一の定符号形式中の基質Ａの濃度の、他相中の同一形式中のその濃度に対する割合を定義する意図である：

（IUPAC. Compendium of Chemical Terminology, 第2版 (“Gold Book”)。 A.D. McNaught及びA, Wilkinson, Blackwell Scientific Publications, Oxford (1997). によって編纂。XMLオンライン修正バージョン: hip://goldbook.iupac.org(2006) M.Nic. J. Jirat, B.Kostaによって創設；更新はA.Jenkins. ISBN 0-9678550-9-8)によって編纂。

栄養媒体の成分 - 本明細書で使用される該用語は、ビタミン、微量元素及び鉱物を含むがこれらに限定されない微生物の増殖を支持する液体栄養媒体中に提供される任意の基質を定義することを意図する。水性有機流 - 本明細書で使用される該用語は、１又はそれ以上の発酵プロセスの有機産物を含む水性流を定義する意図である。有機産物の例は、エタノール；2,3-ブタンジオール；プロパノール；ブタノール；イソプロパノール及びアセトン、水に高親和性を有する化合物、すなわち水に高水溶性を有する化合物を含むが、これらに限定されない。

文脈上他に要求されない限り、本明細書及び任意のクレーム全体について、用語「含む」、「含むこと」等は、排他的意味とは反対に包括的意味、すなわち、「を含むがこれに限定されない」との意味、に解釈されるべきである。

本発明者らは、SMBがアルコール、ジオール等の有機化合物、及び水に対して高親和性を有する有機酸を一般的な水溶液から抽出することへの有利な用途を有し得ることを見出し、そのためのプロセスを開発した。これまで、SMBは、有機溶媒から有機化合物を分離し、又は水溶液から有機化合物を抽出する、但し、該有機成分は水に対して低親和性を有する、ためにのみ使用されてきた。アルコール、ジオール及び有機酸は低炭素鎖長及び高極性を有し；そのため、かかる化学物質は水に対して高親和性を有する傾向がある、すなわち、水に実質的に完全に溶解する。更に、これらの化合物は、典型的には、不純物を含む低濃度溶液（すなわち、10% w/w未満）で製造される。発酵溶液は、一般に、吸着剤表面を物理的に遮断するかあるいは奪い合うことによって吸着を制限する、様々な無機化合物並びに懸濁した及び溶解性バイオマス混入物を含む。本発明の少なくともいくつかの好ましい態様は、プロセス及び系に、最適化された吸着剤選択性、能力、物質移動速度及び長期間安定性の少なくとも一つを提供することによって、これらの制限の少なくとも一つを解消することを目的とする。本発明はまた、好ましくは、連続運転がSMBの資本支出及び操業コストを削減するように最適化されているSMBモジュールを提供する。

発酵産物を抽出するためのガス発酵とSMB技術とを結合する本方法は、公知の分離方法を超えるいくつかの利点を与える。

代表的な連続吸着は、吸着剤及び溶媒／脱着剤の量、及びエネルギー消費を減少させる。操業コストは、蒸留、溶媒抽出及び結晶化等の慣用的ユニットオペレーションよりも顕著に低い。

固定床に対して、SMBは吸着剤を機能化する非常に大きな有効量を有する。バッチ（固定床）プロセスにおいて、所定の床レベルでの液体組成物は時間と共に周期的に変化し、該床の大部分は一定時間では活性でない。SMB抽出を用いる連続運転中に、所定レベルで該組成物は固定され、床全体が有用な機能を果たす。

発酵産物は、脱着剤／溶媒を吸着剤上を通過させることによって吸着剤から脱着し、産物−溶媒溶液を得ることができる。本発明は、溶媒（例えば発酵ブロスからの水）及び／又は望ましくない溶出物の残存（carry-over）が最小限であるかあるいは全くなく、高収率及び純度で有機産物を発酵ブロスから分離する点で、慣用的分離技術を超える更なる利点を有する。

SMBの更なる利点は、溶液から１超の産物を同時に抽出するその能力である。吸着剤床の最適化は、SMBに、同一操作条件下で複数の有機産物をきちんと（cleanly）に抽出させる、このことは慣用的抽出方法を用いては行うことができない。

概して、本発明は、吸着剤を含む擬似移動床（SMB）モジュールを用いて発酵ブロスから１又はそれ以上の発酵産物を分離する方法を提供する。

本発明の態様は、発酵ブロスからの、酸、アルコール及びジオール等のガス発酵の水性有機産物の分離における特定の用途を見出すものである。特に酢酸、エタノール及び2,3-ブタンジオールは、COを含むガス状基質の発酵によって製造され、本明を用いる水性有機気流から分離できる。

公知の溶媒抽出系は低有機産物濃度を有するブロスで使用される場合に、該溶媒抽出系は低分配係数を示す。塩飽和が分配係数を改善することができる一方、このことは水性廃棄物から塩を除去するコストを増やし、塩が再利用から回収できない場合には消費コストを劇的に増加させる。SMBは、発酵産物の選択的吸着／脱着に因る最小限の化学消費及びブロス処理を必要とし、それによって抽出プロセスを簡略化する。本発明の具体的態様では、使用される脱着化学物質が発酵からの有機産物である場合には、SMBプロセスは実質的に化学的消費を必要としない。

本発明の具体的態様では、本方法は、SMBモジュールに発酵ブロスを通過させる前に該発酵ブロスの濾過ステップを含む。濾過は、発酵ブロスからの懸濁及び／又は溶解バイオマスの除去をもたらす。濾過は、ナノ濾過及び超濾過膜を含むがこれらに限定されない、ブロスを膜に通過させる方法、発酵ブロスの変性、又は当該分野で公知の他の濾過方法でよい。凝集は濾過前の凝集体（flocculent）の添加によって誘導される。濾過は、別箇のモジュールで行ってもよく、あるいはSMBモジュールの一部として組み込んでもよい。

好適な吸着剤の例は、フッ素化炭素吸着剤である。ある態様では、吸着剤は活性化炭素吸着剤又はフッ素化炭素吸着剤である。他の態様では、吸着剤はC18表面修飾シリカゲルである。

好ましくは、吸着剤は、変性された発酵ブロスから水を分離することができる任意の吸着剤材料でよい。好適な吸着剤はフッ素化炭素吸着剤を含む。好適なフッ素化炭素吸着剤の例は、ORSCNCB4FL5GR及びORSNCB4FLGR（Orochem Technologies, Inc.から入手可能）等の表面フッ素化炭素吸着剤を含み、以下、それぞれ、FC-5及びFC-1と称する。他の好適な吸着剤は活性化炭素吸着剤を含む。活性化炭素吸着剤の例は、ORSNCB4GR（Orochem Technologies, Inc, Lombard, Ilより入手可能）を含み、以下E-325と称する。C18表面修飾シリカゲルはまた、本明細書に記載のSMBプロセスにおける使用に好適な性質を有する。例示的なC18表面修飾シリカゲルはRELIASIL 5ミクロンC18（Infochroma, Zug, スイスより入手可能)である。

最適化吸着剤及び条件を用いて、本発明者らは、発酵産物が慣用的抽出技術と比べて高収率を有する効率的な方法でブロスから抽出できることを明らかにした。最適化疎水性吸着剤は、エタノール、プロパノール、ブタノール、酢酸、2,3-ブタンジオール及びアセトン等の有機化合物について高能力及び高選択性を示すことが、発明者らによって明らかにされた。本方法はまた、水及び溶液中に存在する無機塩の実質的に完全な排除をもたらす。

具体的な態様では、吸着剤は、ブロスからの発酵産物の、少なくとも約50%、約60%、約70%、約80%、約90%、約95%、又は実質的に100%を吸着する。

産物は、蒸留等の当該分野で当業者に公知の標準的方法によって脱着された産物混合物から分離することができる。例えば、エタノールの沸点は78.8℃であり、酢酸のそれは107oCである。その結果、エタノール及び酢酸は、蒸留等の揮発型方法を用いて互いに容易に分離できる。酢酸塩は活性炭上での吸着によって回収できる。分離の別の例は、有機-溶媒ナノ濾過膜である。これらは、加圧濾過によって互いに2つの溶媒成分のサイズ分離を可能にする。

SMBは、吸着剤から有機産物を除くための溶媒脱着剤を必要とする。好適な脱着剤は、プロセス条件に僅かな変更を施して、吸着剤からの、次いで脱着された産物からの見事な分離を確実にし、ほとんど完全な脱着剤再生を可能にする。好ましくは、脱着剤は、メタノール、エタノール、プロパノール、及びメチル四級ブチルエーテルを含む群より選ばれる。好ましい態様では、脱着剤はメタノール又はエタノールである。

具体的態様では、脱着に使用される溶媒は、発酵プロセスによって製造され及び先に抽出された溶媒である。このことは、消費可能なコスト及び可能な廃棄処理要件を減少させる。溶媒として抽出された産物を用いることは、望ましくない溶媒／脱着剤又は溶媒／脱着剤混入物が発酵効率を阻害できるブロスにリサイクルされる機会を減少させる。具体的態様では、溶媒は、発酵又は関連した発酵好適によって製造されたエタノールである。かかる溶媒は、ブロスをSMBモジュールに通過させる前にブロスから除かれた部分から抽出でき、あるいはブロスの別の部分から得られる。

SMBは標的産物と吸着剤表面との間の分子的関係に依拠するので、その分離能は、蒸留とは異なり高温を必要としない。SMBは、高い加熱又は加圧をせずに、炭化水素及び水溶液の両方からの有機化合物の連続的回収を可能にする。このことは、エネルギー消費を減ずることができ、減少した温室効果ガス放出をももたらすはずである。より低温及び圧力要件はまた、ブロス栄養素の変質を避け、最小限の処理でラフィネートのリサイクルを可能にする。

本発明の具体的態様では、産物が吸着剤に吸着される温度は25℃〜75℃の間である。好ましい態様では、有機産物が吸着剤に吸着される温度は約25℃である。本発明の更なる具体的態様では、産物が吸着剤から脱着される温度は、25℃〜120℃である。ある態様では、産物が吸着剤から脱着される温度は約90℃である。本発明の具体的態様では、産物が吸着剤に吸着される圧力は、200 psig（1,379kPag）未満、又は150 psig（1,034kPag）未満、又は約100 psig（689kPag）未満である。

本発明の態様では、ラフィネートはバイオリアクターにリサイクルされる。リサイクル前にラフィネートを処理してよく、該処理は、栄養培地を補充するためにラフィネートに添加される追加の成分又は栄養素（ビタミンＢ等）から成ってよい。バイオリアクターでのブロスのpHを調整するためにラフィネートをバイオリアクターに戻す前に、該ラフィネートのpHを調整することができる。

発酵反応でのpHの調整は、反応速度及び形成された産物等の多数の変数に影響を与え得る重要な因子である。発酵に関連する微生物は一般的にpHの範囲に渡って産物を製造するが、特定の反応条件のために最適pHを維持することは増殖及び／又は製造効率を最大限にすることができる。酢酸及び乳酸等の酸の増加は、発酵を阻害し、チェックをしなければ微生物培養の崩壊を招き得る。

概して、本発明はまた、ブロスの一部分、好ましくは酸を含むその一部を除くための吸着剤を含む擬似移動床（SMB）モジュールを用いてバイオリアクター中の発酵ブロスのpHを調整する方法を提供する。

本方法は、酸性化剤又は酸中和剤の添加を必要とせず、あるいは少なくともその必要性を減らして、発酵ブロスのpHを連続的に調整可能にする。このことは、消費コストを削減し、及び該剤を除くために必要とされるかもしれない廃棄処理を減少させる。

更なる態様では、本発明は、pHを調整する方法であって、それによって、ブロスのpHの調整度がブロスの除去された部分から抽出された１又はそれ以上の酸の量によって決定される、方法を提供する。

酸製造発酵では、バイオリアクター内の酸蓄積は、微生物培養の阻害又は崩壊を招き得る、本発明の1つの特徴によれば、SMBモジュールは、拡大した細胞リサイクル系として使用でき、このことは必須バイオマス及び溶解性タンパク質の戻りを可能にする一方で、培養液からの過剰な酸を揮散する。ある態様では、発酵ブロス中に製造された実質的にすべての酢酸がこのプロセスによって除去される。バイオリアクター中のpHが望ましい範囲を超えるある態様では、酢酸は酢酸塩の形態でリアクタに戻され得る。ある態様では、ブロス流がSMBモジュールを通過するのでブロス流から揮散された酸量を調整することによって、バイオリアクター中のpHを調整することができる。リアクタ中のpHが所望のレベル未満に落ちる時には、より多くの酸が発酵ブロスから揮散して、pHを所望の範囲に戻す。バイオリアクター中のpHは、発酵の種類に依拠する。酢酸が主な発酵産物である酢酸発酵では、pH範囲は約pH 6〜約pH 7.5の間で維持されるはずである。１又はそれ以上のアルコールが主な発酵産物であるアルコール発酵では（本発明の特徴1及び2）、pHは約pH 4.5〜約pH 5.5の間で維持される。ある態様では、該プロセスは連続プロセスである。

本発明はまた、図1に図式で示されている１つの態様例に従う発酵系を提供する。該系は、好適な入口を介してバイオリアクター1に供給することができるガス状基質3から１又はそれ以上の産物を製造することが可能な、微生物を含む発酵ブロス2を含むバイオリアクター1を含む。

ブロス2の一部は、発酵ブロスから懸濁及び／又は溶解性バイオマスを除くように適合された濾過モジュール4を介してバイオリアクター1からブロス2に供給される。除かれた濃縮バイオマスは、バイオリアクターにリサイクルされ得る5。バイオマスが枯渇したブロスは、該バイオマスが枯渇したブロスからの１又はそれ以上の発酵産物を吸着するように適合された吸着剤を含む擬似移動床モジュール6に通過され、ラフィネート流（吸着剤に吸着されない濾過されたバイオマスが枯渇したブロス）をもたらす。ラフィネートはバイリアクタ1にリサイクルされる7。脱着剤8は、更なる分離ステップに供されてよい濃縮代謝流9中で除かれる発酵産物を脱着するために吸着剤上に渡される。脱着剤6は、次の吸着前に蒸気ストリッピング10によって、又はラフィネートで系から取り出す吸着ステップと組み合わせてのいずれかで、すべての残存している脱着剤から除かれる（又は、「再生される」）。1つの態様では、上記の、及び図1で示される系は、ブロスから発酵産物（例えば、酸）を除くことによってpHを調整するために使用することができる。

本発明の別の態様は、図2に図式的に示される。参照のために、同様の参照数字を同様の特徴について使用している。本系は、ガス状基質3から１又はそれ以上の発酵産物を製造することが可能な微生物を含む発酵ブロス2を含むバイオリアクター1を含む。ブロスの一部分は、a)発酵ブロスから懸濁及び／又は溶解性バイオマスの少なくとも１部分を除くように適合された濾過モジュール4に直接に通過されてよい。場合により、エタノール等の揮発性産物は、濾過モジュール4に通過される前に蒸留される15。固体バイオマスは濾過モジュール4から除去され15、発酵ブロスを廃棄するか又はリサイクルすることができる。蒸留された産物は、脱着剤として使用されるべくSMBモジュール6に通過されてよい17。

バイオマスが枯渇したブロスは、ブロスの１又はそれ以上の発酵産物を吸着するように適合された吸着剤を含むSMBモジュール6に通過される。ラフィネートは、媒体フィードを最適するための処理が起こり得る媒体調製モジュール20を介してバイオリアクターにリサイクルされる7。当然のことながら、このモジュール20が図1の態様に加えられてよい。

脱着剤8は、SMBモジュール6に導入され、発酵産物を脱着するために吸着剤に渡される。脱着剤は、エタノール等の発酵産物17又は22、あるいはメタノール又は水等の消費物質23でよい。脱着後に、発酵産物は、分離モジュール25での更なる分離のために濃縮代謝流9で除かれて、ほんの一例として、それぞれ、エタノール及び2,3-ブタンジオール等の精製された産物26及び27を与える。脱着剤は廃棄の排出（vent）ガス29と共に除かれ28、脱着剤は回収され30、リサイクルすることができる。

吸着剤を再生するために気流10及び排出ガス32を用いる。加熱された排出ガスは熱交換機34を介してバイオリアクターから排出ガス33を通過させることによって得られる。濃縮流及び脱着剤は、更なる処理のために、バイオマスが剥離したブロスに通過させることができる35。

具体的な態様では、ガス状基質は、少なくとも体積で約15 % CO〜100% CO、例えば体積で20% CO〜100% CO、例えば体積で43% CO〜95% CO、体積で75% CO〜95% CO、又は例えば体積で80%〜90% COを含む。１つの具体的態では、ガス状基質は、約95% COを含む。CO₂及びH₂を含むより低いCOレベル、例えば6%も想定される。他の態様では、基質流は、2%〜13%のH₂濃度を含む。

本明細書の説明は本発明の具体的態様、すなわち主な基質としてCOを用いるエタノール、2,3-ブタンジオール及び／又は酢酸の製造、に焦点を当てているが、当然のことながら、本発明が別のアルコールもしくは酸又は別の化合物の製造に適用可能である。更に、本発明が関連する分野の当業者によって知られているような基質を含む別の基質の使用が想定される。例えば、二酸化炭素及び水素を含ガス状基質が使用することができる。更に、本発明は、酪酸塩、プロピオン酸塩、カプリル酸塩、エタノール、プロパノール及びブタノールを製造するために発酵に適用可能である。本方法は、水素を製造する点でも使用できる。例えば、これらの産物は、ムーレラ（Moorella）属、クロストリジウム（Clostridia）属、ルミノコッカス（Ruminococcus）属、アセトバクテリウム（Acetobacterium）属、ユウバクテリウム（Eubacterium）属、ブチリバクテリウム（Butyribacterium）属、オキサロバクター（Oxobacter）属、メタノサルキナ（Methanosarcina）属、メタノサルキナ（Methanosarcina）属、及びデスルホトマクルム（Desulfotomaculum）属から選ばれる微生物を用いる発酵によって製造することができる。
擬似移動床分離

擬似移動床（SMB）は、溶液からの標的有機溶質の吸着及び脱着に基づく分離技術である。この技術は、工業化学物質を精製するために1950年第に開発された。SMBは、固定床吸着法に比べて、産物処理応力がその5倍の増加、エネルギー需要が10倍の削減のために採用された。SMB開発は、同等な沸点及び／又は共沸性を有する（例えば、Sorbex（登録商標）及びMX（登録商標））有機成分の分離のためにUOPによって促進された。融着性の最適化が、有機成分が水に対して高親和性を有する有機発酵産物を水性発酵ブロス溶液から抽出するための使用を可能にさせた、ことを見出された。

SMBは、吸着床を含む２又はそれ以上のカラムを固定することによって連続的に稼働すると同時に、複数ポート弁又は回転弁流体調整の使用によって床のブロスの連続流をサイクル又はリサイクルする。直列したカラムの総数を通る溶離が所望の純度で所望の産物（複数）を抽出するには十分でない場合に、十分な抽出が行われるまで、該流が更なる回数カラムを通過するように向けられている。従って、ブロス流に向きを変えるための弁の注意深い指定時間での切り替えは、吸着床の移動を模倣する。ブロス（主に水及び塩を含む）の残存部分は、ラフィネートと称され、廃棄のために除かれるか又はリサイクルされ得る。

SMBの複数通過方法は、化合物間の親和性が例えばキラル医薬物質の分離において高いという有用性を有する。

SMBプロセスは3つの主な段階から成る：
吸着段階-フィード溶液は吸着剤を通過し、有機産物が表面上に吸着される。残りのラフィネートは系から除かれる。
脱着段階-脱着溶媒は吸着剤を通過し、表面から有機産物を抽出し、得られた溶液は典型的には蒸留によって分離ために除かれる。
再生段階-吸着剤は、吸着前の水蒸気ストリッピング、あるいはラフィネートを用いて系から抜けて実行される吸着ステップと組み合わせてのいずれかによって、すべての残りの脱着剤から除かれる。濃縮剥離液又は脱着剤-含有ラフィネートは、抽出された脱着剤を回収するために蒸留される、該脱着剤は該プロセスに戻される。

精留段階は、吸着段階と脱着段階との間に提供される。該精留段階中、吸着剤上の産物の少なくとも一部分は、吸着カラム表面を下り、カラム底で回収されるだろう。このことは、脱着剤を脱着段階でほとんど使用させない。

当業者には当然のことながら、擬似移動床モジュールは、本明細書で言及される擬似移動床モジュールは、多数の異なったSMB設計を含んでよい。本発明の方法及び系に組み込むために好適であろう例示的なSMBモジュール設計は、例えば、その全体が参照によって本明細書に組み込まれている、米国特許第3268605号明細書、同3706812号明細書、同5705061号明細書、及び同6004518号明細書に記載されている。当業者に公知であろう更なる機器はまた、流動分布を助けるためにSMBモジュールに統合され（例えば、米国特許第6979402号明細書に記載されている機器）、又は他の利益を提供することができる。

擬似移動床系は本明細書で言及されているが、本発明はまた、同一の移動床概念に依る米国特許第6979402号明細書に記載されるような実際の移動床系と組み合わせた発酵の使用を包含する意図である。
発酵

本発明のある態様は、１又はそれ以上の工業的工によって製造されるガス流を使用するように適合されている。かかるプロセスは、鋼製造プロセス、特に高CO含量又は所定レベル（例えば、5%）を超えるCO含量を有するガス流を製造するプロセスを含む。かかる態様によれば、１又はそれ以上のバイオリアクター内で酸及び／又はアルコール、特にエタノール又はブタノールを製造するために、酢酸産生細菌が好ましく使用される。当業者は、本発明が内燃機関を有する車両の産業又は廃棄ガス流を含む様々な産業又は廃棄ガス流に適用され得るとの本開示を考慮すると、気付くであろう。また、当業者は、本発明が同一又は異なった微生物を用いる発酵反応を含む他の発酵反応に適用され得るとの本開示を考慮すると、気付くであろう。従って、本発明の範囲は、記載された具体的な態様及び／又は適用に限定されず、むしろ、より広範な意味で理解されるべきである；例えば、ガス流源は、少なくとも１つのその成分が発酵反応を供給するために使用できる以外に限定されない。本発明は、全体的な炭素捕獲、及び／又はCOを含むガス状基質からエタノール及び他のアルコールの製造を改善する点で、特定の適用を有する。ガス状基質からエタノール及び他のアルコールの製造方法は知られている。例示的方法は、例えば、参照によって本明細書に組み込まれている、国際公開第2007/117157号、同2008/115080号、同2009/022925号、同2009/064200号、米国特許第6,340,581号明細書、同6,136,577号明細書、同5,593,886号明細書、同5,807,722号明細書、及び同5,821,111号明細書に記載の方法を含む。

多数の嫌気性細菌は、アルコール、ジオール及び酸へのCOの発酵を行うことができることが知られており、本発明の使用に好適である。本発明の使用に好適であるかかる細菌の例は、クロストリジウム（Clostridium）属、例えば国際公開第00/68407号、欧州特許第117309号明細書、米国特許第5,173,429号明細書、同5,593,886号明細書及び同6,368,819号明細書、国際公開第98/00558号及び同02/08438号に記載のものを含むクロストリジウム・リュングダリイ（Clostridium ljungdahlii）株、サーモシナス・カルボキシディボランス（Clostridium carboxydivorans）（Liou等., International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology 33: 第2085-2091頁）、クロストリジウム・ラグスダレイ（Clostridium ragsdalei）（国際公開第2008/028055号）及びクロストリジウム・オートエタノゲナム（Clostridium autoethanogenum）(Abrini等, Archives of Microbiology 161: 第345-351頁）を含む。他の好適な細菌は、ムーレラ（Moorella）属細菌を含み、これは、ムーレラ種HUC22-1（Sakai等, Biotechnology Letters 29: 第1607-1612頁）、及びカルボキシドテルムス（Carboxydothermus）属（Svetlichny, V.A., Sokolova, T.G.等 (1991), Systematic and Applied Microbiology 14: 第254-260頁）細菌を含む。更なる例は、ムーレラ・サーモアセチカ（Moorella thermoacetica）、ムーレラ・サーモオートトロフィカ（Moorella thermoautotrophica）、ルミノコッカス（Ruminococcus）属産物、アセトバクテリウム・ウッディ（Acetobacterium woodii）、ユーバクテリウム・リモスム（Eubacterium limosum）、ブチリバクテリウム・メチロトロフィクム（Butyribacterium methylotrophicum）、オキソバクター・フェニジイ（Oxobacter pfennigii）、メタノサルシナ・バーケリ（Methanosarcina barkeri）、メタノサルシナ・アセチボランス（Methanosarcina acetivorans）、デスルフォトマクルム・クズネツォフ（Desulfotomaculum kuznetsovii）（Simpa等, Critical Reviews in Biotechnology, 2006 第26巻 第41-65頁）を含む。加えて、他の酢酸産生嫌気性細菌は、当業者によって理解されているように、本発明に適用可能であることが理解されよう。当然のことながら、本発明は２又はそれ以上の細菌の混合培養に適用することができる。

本発明の使用に好適な例示的微生物は、クロストリジウム・オートエタノゲナムである。１つの態様では、クロストリジウム・オートエタノゲナムは、同定寄託番号19630下でドイツ生物材料 リソースセンター（DSMZ）に寄託された株を特定する特徴を有するクロストリジウム・オートエタノゲナムである。別の態様では、クロストリジウム・オートエタノゲナムは、DSMZ寄託番号DSMZ 1006１又はDSMZ23693の特定する特徴を有する。この細菌の実験株はLZ1561として知られている。

１つの態様では、該微生物は、カルボキシドトロフ酢酸産生細菌の群より選択される。ある態様では、該微生物は、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、サーモシナス・カルボキシディボランス、クロストリジウム・ドラケイ（Clostridium drakei）、クロストリジウム・スカトロゲネス（Clostridium scatologenes）、クロストリジウム・コスカチイ（Clostridium coskatii）、ブチルバクテリウム・リモサム（Butyribacterium limosum）、ブチリバクテリウム・メチロトロフィクム、アセトバクテリウム・ウッディ、アルカリバクラム・バッチィ（Alkalibaculum bacchii）、ブラウチア・プロダクタ（Blautia producta）、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・サーモオートトロフィカ、オキソバクター・フェニジイ、及びサーモアナエロバクター・キウヴィ（Thermoanaerobacter kiuvi）を含む群から選択される。

１つの具体的な態様では、該微生物は、C.オートエタノゲナム、C.リュングダリイ及びC.ラグスダレイ種を含むエタノール産生、酢酸産生クロストリジウム、及び関連単離物の群から選択される。これらは以下の株に制限されない。

C.オートエタノゲナムJAI-1^T (DSM10061) [Abrini J, Naveau H, Nyns E-J: クロストリジウム・オートエタノゲナム新種。一酸化炭素からエタノールを製造する嫌気性細菌。Arch Microbiol 1994, 4: 345-351]、C.オートエタノゲナムLBS1560 (DSM19630) [Simpson SD, Forster RL, Tran PT, Rowe MJ, Warner IL: 新規細菌及びその方法。国際特許2009年, 国際公開第2009/064200号]、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 RS, Miller LM, Yang D: クロストリジウム・リュングダリイ新種, クロストリジウム属のrRNAホモロジー群Iの酢酸産生種。Int J Syst Bacteriol 1993, 43: 232-236]、C.リュングダリイERI-2 (ATCC 55380) [Gaddy JL: 廃棄ガスから酢酸を製造するクロストリジウム株。米国特許第1997年, 5,593,886]、C.リュングダリイC-01 (ATCC 55988) [Gaddy JL, Clausen EC, Ko C-W: 酢酸の調製のための微生物プロセス及び発酵ブロスからのその抽出用溶媒。米国特許, 2002年, 6,368,819]、C.リュングダリイO-52 (ATCC 55989) [Gaddy JL, Clausen EC, Ko C-W: 酢酸の調製のための微生物プロセス及び発酵ブロスからのその抽出用溶媒。米国特許, 2002年, 6,368,819]、C.ラグスダレイP11^T(ATCC BAA-622) [Huhnke RL, Lewis RS, Tanner RS: 新規クロストリジウム種の単離及び特徴付け。国際特許2008年, 国際公開第2008/028055号]、関連単離物、例えば“C.コスカチイ” [Zahn等 - 新規エタノール産生種クロストリジウム・コスカチイ (米国特許出願第US20110229947号)]、又は変異株、例えばC.リュングダリイOTA-1 (Tirado-Acevedo O. クロストリジウム・リュングダリイを用いる合成ガスからのバイオエタノールの製造、PhD論文、ノースカロライナ州立大学, 2010年)。これらの株は、クロストリジウム属のrRNA群I内の亜群を形成し、その16S rRNA遺伝子は、約30%の同様な低GC含量の遺伝子と99%超同一である。しかしながら、DNA-DNA再連結及びDNAフィンガープリント実験は、これらの株が異なった種に属することを示した [Huhnke RL, Lewis RS, Tanner RS: 新規クロストリジウム種の単離及び特徴付け。国際特許2008年, 国際公開第2008/028055号]。

この群のすべての種は、類似の形態及び大きさ（対数的に増殖する細胞は、0.5〜0.7 x 3-5 imの範囲である）を有し、中温性（30〜37℃の最適増殖温度）であり、厳密に嫌気性である [Tanner RS, Miller LM, Yang D: クロストリジウム・リュングダリイ新種, クロストリジウム属のrRNAホモロジー群Iの酢酸産生種, Int J Syst Bacteriol 1993, 43: 232-236; Abrini J, Naveau H, Nyns E-J: クロストリジウム・オートエタノゲナム新種, 一酸化炭素からエタノールを生産する嫌気性細菌, Arch Microbiol 1994, 4: 345-351; Huhnke RL, Lewis RS, Tanner RS: 新規クロストリジウム種の単離及び特徴付け, 国際特許2008年, 国際公開第2008/028055号]。更に、それらはすべて同一の主な系統発生形質、例えば、同一のpH範囲（H 4-7.5、最適な初期pHは5.5-6）、類似の増殖率でCO含有ガスでの強い独立栄養増殖、及び主な発酵最終産物と類似の、エタノール及び酢酸についての代謝プロファイル、及びある条件下で形成された少量の2,3-ブタンジオール及び乳酸、を共有している [Tanner RS, Miller LM, Yang D: クロストリジウム・リュングダリイ新種, クロストリジウム属のrRNAホモロジー群Iの酢酸産生種, Int J Syst Bacteriol 1993, 43: 232-236; Abrini J, Naveau H, Nyns E-J: クロストリジウム・オートエタノゲナム新種, 一酸化炭素からエタノールを生産する嫌気性細菌, Arch Microbiol 1994, 4: 345-351; Huhnke RL, Lewis RS, Tanner RS: 新規クロストリジウム種の単離及び特徴付け, 国際特許2008年, 国際公開第2008/028055号]。インドール産生は3種すべてについて同様に観察された。しかしながら、該種は、様々な糖（例えば、ラムノース、アラビノース）、酸（例えば、グルコン酸塩、クエン酸塩）、アミノ酸（例えば、アルギニン、ヒスチジン）、又は他の基質（例えば、ベタイン、ブタノール）の基質利用で異なる。更に、該種の中には、あるビタミン（例えば、チアミン、ビオチン）を栄養要求するものがあるが、他の種は栄養要求しないことが分かった。

本発明の方法で使用される細菌の培養は、嫌気性細菌を用いる基質を培養し発酵するための当該分野で公知の任意の数の工程を用いて行うことができる。例えば、発酵用ガス状基質を用いる以下の文献に記載された一般的なプロセスが利用できる：(i) K. T. Klasson等 (1991), 合成ガス発酵源のためのバイオリアクター, 変換及びリサイクル, 5; 145-165； (ii) K. T. Klasson等 (1991), 合成ガス発酵のためのバイオリアクター設計, 燃料, 70. 605-614；(iii) K. T. Klasson等 (1992), 液体又はガス状燃料への合成ガスの生物変換, 酵素及び微生物技術, 14; 602-608； (iv) J. L. Vega等 (1989), ガス状基質発酵研究: 酢酸塩への一酸化炭素変換 2. 連続培養, Biotech. Bioeng. 34. 6. 785-793；(v) J. L. Vega等 (1989), ガス状基質発酵研究: 酢酸塩への一酸化炭素変換1. バッチ式培養, Biotechnology and Bioengineering. 34. 6. 774-784；(vi) J. L. Vega等 (1990), コール合成ガス発酵のためのバイオリアクターの設計, 資源、変換及びリサイクル3. 149-160; これらのすべては参照として本明細書に組み込まれている。

発酵は任意の好適なバイオリアクター、例えば、１又はそれ以上の連続撹拌タンクリアクタ（CSTR）、固定化細胞リアクタ（複数）、ガスリフトリアクタ（複数）、気泡塔リアクタ（複数）（BCR）、膜リアクタ（複数）、例えば中空糸膜バイオリアクター（HFMBR）又はトリクルベッドリアクター（TBR）で行うことができる。また、本発明の態様によっては、バイオリアクター（複数）は、微生物が培養される第1の成長リアクタ、及び成長リアクタからの発酵ブロスが供給され、発酵産物のほとんどが産生される、第2の発酵リアクタを含んでもよい。具体的態様では、第2のバイオリアクターは第1のバイオリアクターとは異なる。

本発明の様々な態様によれば、発酵反応のための炭素源は、ガス状基質含有COである。該基質は、工業プロセスの副産物として得られたCO-含有廃棄ガスでよく、又は自動車排気ガスのような別の起源由来でよい。ある態様では、工業的方法は、製鉄所のような鉄類製品製造、非-鉄類製品製造、精油方法、石炭のガス化、電力製造、黒鉛製造、アンモニア製造、メタノール製造及びコークス製造からなる群より選ばれる。これらの態様では、CO-含有基質は、任意の慣用的方法を用いて、大気中に放出される前に工業的方法から捕獲することができる。CO-含有基質の組成に依って、任意の望ましくない不純物、例えば、発酵に導入する前の塵粒、を除くために該基質を処理することも望ましいかもしれない。例えば、ガス状基質は公知の方法を用いて濾過又は磨き上げることができる。

あるいは、CO-含有基質は、バイオマスのガス化から得られる。ガス化方法は、空気又は酸素の制限された供給中にバイオマスの部分的な燃焼を含む。得られたガスは、典型的には、主にはCO及びH₂を含み、最小限の体積のCO₂、メタン、エチレン及びエタンを含む。例えば、サトウキビ由来の砂糖等の食材、又は小麦もしくはオオムギ由来のデンプン、又は林業によって作られた非食品バイオマス廃棄物、の抽出及び加工中に得られたバイオマス副産物は、ガス化されて、本発明での使用に適したCO-含有ガスを製造する。

CO-含有基質は、典型的には、COを腫瘍な割合、例えば少なくとも体積で約15% CO〜100% CO、例えば体積で20% CO〜100% CO、例えば体積で43% CO〜95% CO、例えば体積で75% CO〜95% CO、あるいは体積で80%〜90% CO、で含むだろう。１つの具体的態様では、ガス状基質は、約95% COを含む。より低いCOレベル、例えば6%は、該基質もCO₂及びH₂を含む場合に想定される。他の態様では、基質流は2%〜13%のH₂の濃度を含む。

基質が水素を含む必要はないが、本発明の方法に従う生成物形成にH₂の存在が有害であってはならない。具体的態様では、水素の存在は、アルコール製造の改善された全体的効率をもたらす。例えば、具体的態様では、基質は、H₂:COの約2:１又は1:１又は1:2比を含んでよい。他の態様では、基質流は、2%〜13%の濃度のH₂を含む。他の態様では、基質流は、低濃度のH₂、例えば、5%未満、又は4%未満、又は3%未満、又は2%未満、又は1%未満を含むか、あるいは実質的に水素を含まない。基質は、いくらかのCO₂、例えば体積で約1%〜約80% CO₂、又は体積で約1%〜約30% CO₂を含んでもよい。具体的態様では、基質流はCO₂を含み、そして、COを含まないか又は最小限含む。

典型的には、一酸化炭素は、ガス状態での発酵反応に添加されることになる。しかしながら、本発明の方法は、この状態での基質の添加に制限されない。例えば、一酸化炭素は液体で提供することができる。例えば、液体は、ガスを含む一酸化炭素で飽和され、該液体はバイオリアクターに添加することができる。このことは、標準的方法を用いて行うことができる。例えば、超微粒気泡分散ジェネレイタ (Hensirisak等, 嫌気性発酵のための超微粒気泡分散ジェネレイタのスケールアップ; Applied Biochemistry and Biotechnology 第101巻, 第3号/2002年10月) が本目的のために使用できる。

当然のことながら、細菌の増殖及びCOからの産物発酵が起こるためには、CO-含有基質ガスに加えて、好適な液体栄養媒体がバイオリアクターに供給される必要があるだろう。栄養媒体は、使用される微生物の増殖を可能にするために十分なビタミン及びミネラルを含むだろう。単一の炭素源としてCOを用いるエタノール発酵に好適な嫌気性媒体は、当該分野で知られている。例えば、好適な媒体は、上記の、米国特許第5,173,429号明細書及び同5,593,886号明細書、並びに国際公開第02/08438号、同2007/117157号、同2008/115080号、同2009/022925号、同2009/058028号、同2009/064200号、同2009/064201号及び同2009/113878号に記載されている。

発酵は、望ましくは、所望の発酵が起こる（例えば、微生物増殖及び／又はエタノール産生）好適な条件下で行うべきである。考慮すべき反応条件は、圧力、温度、ガス流速、媒体pH、媒体の酸化還元電位、撹拌速度（連続撹拌タンクリアクタを用いる場合には）、接種濃度、確実に液相中のCOが制限されなくなくなるための最大ガス基質濃度、及び産物阻害を避けるための最大産物濃度を含む。好適な条件は、国際公開第02/08438、同07/117157号、同08/115080号、及び同2009/022925号に記載されている。

本発明は、媒体供給速度、液体保持時間及び基質供給速度を含むパラメタが、本開示及び当該分野で公知の方法、例えば参照によって本明細書に十分に組み込まれている国際公開第2010/093262号に記載の方法、に従って制御することができるように、追加の制御手段及び処理手段を有する系又は方法を含んでもよい、ことが想定される。

最適化反応条件は、使用された特定の微生物に部分的に依拠するだろう。しかしながら、一般的に、発酵は周囲圧力よりも高い圧力下で行われることが好ましい。増加した圧力下での操作は、エタノール産生の炭素源として微生物によって利用されるガス相から液相までのCO移動の割合を顕著に増加させる。このことは、言いかえると、大気圧よりもむしろ高い圧力でバイオリアクターが維持される時に保持時間（投入ガス流速によって分割されるバイオリアクター内の液体体積として提示される）が減少できることを意味する。

また、所定のCO-から-エタノールへの変換率は、ある程度、基質保持時間の関数であり、所望の保持時間を達成することは次にバイオリアクターの所要容積を決定するので、加圧系の使用は、所要のバイオリアクターの容積を相当に減少させ、その結果、発酵装置の資本コストを減じることができる。米国特許第5,593,886号明細書の記載の実施例によれば、リアクタ容積は、リアクタ操作圧の増加に直線的に比例して減少することができる、すなわち、10大気圧で操作されたバイオリアクターは、1大気圧で操作されたバイオリアクターの容積の10分の1を必要とするにすぎない。

上昇した圧力でガス-から-エタノールの発酵を行う利益はまた、至る所に記載されている。例えば、国際公開第02/08438号は、150 g/l/日及び369 g/l/日のエタノール生産性をもたらす、それぞれ、30 psig及び75 psigの圧力下で行われたガス-から-エタノールの発酵を記載している。しかしながら、大気圧下で類似の媒体及び投入ガス組成を用いて行われた発酵例は、1日当たりの1リットル当たり10〜20倍少ないエタノールを生産することが見出された。

CO-含有ガス状基質の導入速度は、液相中のCOの濃度が制限されたものとならない速度であることも望ましい。これはCO-制限の条件の結果、酢酸の生成が上昇し、エタノールの生成が減少し得るからである。

実施例１−発酵産物の回収のための発酵

表１〜３に記載の組成にしたがって培地を１．５Ｌの体積に調製し、レサズリン１．５ｍｌを添加した。得られた溶液を、Ｎ_２で脱気しながら加熱撹拌した。Ｎａ_２Ｓの滴下を０．１ｍｌ／時の速度で、バイオリアクターの温度を３７℃に設定して開始した。ｐＨをＮＨ_４ＯＨで５．０に調節し、クロムを添加しＯＲＰを−２００ｍＶに調節した。次いで、バイオリアクターにＲＭＧ（４３％ＣＯ、２０％ＣＯ２、２．５％Ｈ２、及び３３％Ｎ２）を５０ｍｌ／分の流速で供給した。得られた溶液に、活発に増殖しているクロストリジウム・オートエタノゲナムの培養物を１５０ｍｌ植菌した。リアクターが連続的になったら、菌細胞のリサイクルも開始し、菌希釈率を１．３８／日、培地流速を２．３／日とした。動作中、撹拌（ｒｐｍ）とガス流（ｍｌ／分）を上昇させて、生成物濃度を最大限にした。発酵は、８日間行った。表４は、バイオリアクターの液体流出物中の代謝産物濃度を示す。

実施例２−発酵ブロスからの発酵産物の回収
ブロス流の前処理

０．１μｍのセラミック膜クロスフローフィルター（ＧＥヘルスケアライフサイエンス、Ｘａｍｐｌｅｒ精密ろ過カートリッジ型）を用いて、溶液から固体のバイオマス／細菌を除去した。ろ過後、可溶性バイオマスは溶液中に残存するが、ＳＭＢが正常に機能するためには、その量を最小限にしなければならない。

活性炭を含む１９ｍｌガードカラムを、ＳＭＢユニットにおける試験の前に、残存バイオマス及び可溶性タンパク質をフィードから除去する能力について試験した。ＢＣＡ分析を用いて、カラム通過前後の溶液のタンパク質濃度を測定し、ガードカラム通過前後のタンパク質のサイズ分布を、ＳＤＳ−ＰＡＧＥ分析で評価した。ガードカラム通過前のタンパク質濃度は、約１０００μｇ／ｍｌで、タンパク質サイズは、２００ｋＤａ、７０ｋＤａ、４０ｋＤａ、３０ｋＤａ、及び２ｋＤａ未満であった。ガードカラムは、溶液から可溶性タンパク質の８０％を除去し、残存タンパクのサイズは、２ｋＤａ未満であることが分かった。

ガード床は、タンパク質、並びに他の可溶性バイオマス、例えば、ＤＮＡ及び酵素を４ｇ吸着したと推定された。カラム５本分の体積のメタノールを用いて、吸着剤床からタンパク質を脱着させ、該床から約３．７ｇのタンパク質を除去した。水のバックウォッシュを利用して、溶出液中にＤＮＡが観測されなくなるまで、該床からＤＮＡを脱着させた。
生成物の回収

フッ素化活性炭固相を含む８カラムＳＭＢユニットを、前述のように処理した発酵産物からエタノール、２，３−ブタンジオール、及び酢酸を分離するための溶媒としてのメタノールとの組合せで試験した。フィードは、５％のエタノール、１％の２，３−ブタンジオール、０．８％の酢酸／アセテートを含み、残部は、発酵プロセスで用いた水、培地塩、及び金属であった。ＨＰＬＣ法を用いて、ＳＭＢユニットから流出する各流の組成を測定した。

フィード溶液の流速を１１ｍｌ／分、脱着剤の流速を１１ｍｌ／分とした。工程時間は、１２分間とし、システムは、７５℃の温度で動作させた。抽出物流の流速を最適化し、最高品質の抽出物、即ち、水含量が最小限である抽出物を得た。エタノールの９５．７％と２，３−ブタンジオールの９４．７％がフィードから抽出物流を介してＳＭＢから流出した。酢酸／アセテートの４１．７％が抽出物を介して酢酸として流出し、フィード由来の水の０．３％が抽出物の一部になった。リサイクルに好適な流を最低限の処理で得るために、３種類のラフィネート流（一次ラフィネート、二次ラフィネートＩ、及び二次ラフィネートＩＩ）を生成した。これらのラフィネート流の流速を最適化して、代謝産物の含有量が最少限である流を生成した。即ち、一次ラフィネート、二次ラフィネートＩ、及び二次ラフィネートＩＩの各流の最適化流速は、それぞれ５．８ｍｌ／分、７．５ｍｌ／分、及び３．３ｍｌ／分とした。一次ラフィネート流は、フィードエタノールの４．３％、フィード２，３-ブタンジオールの５．３％、及びフィード水の５７．９％を含んでいた。フィード酢酸／アセテートの３３．３％が、そのアセテート体として一次ラフィネート流中に存在していた。二次ラフィネートＩは、フィード水の４０．７％、及びフィード由来の酢酸／アセテートの残り２５％をそのアセテート体として含んでいた。二次ラフィネートＩＩは、フィード水の０．１％を含んでいた。脱着剤であるメタノールは、その４１．７％が抽出物流中に存在しており、３０．７％が二次ラフィネートＩ中に、２８．５％が二次ラフィネートＩＩ中に存在していた。
ｐＨ制御

酢酸／アセテートは、その形態に応じて抽出物又はラフィネート流のいずれかを介してＳＭＢから流出できるので、溶液をＳＭＢに送る前に該溶液のｐＨを調節することにより、その流出方向に影響を与えることができる。ｐＨが約５の場合には、アセテートの存在量が酢酸よりも僅かに多くなる（酢酸のｐＫａは、４．７４）。酢酸がそのアセテート体としてＳＭＢから流出することを確実にするために、当該溶液の中和が必要である。即ち、溶液のｐＨがｐＨ７又はｐＨ８に上がると、溶液中の酢酸量が著しく低下する。中和は、酢酸ナトリウムを生成する水酸化ナトリウムの添加により達成した。酢酸が酸の形態で流出するためには、ｐＨ２近くのｐＨまでの酸性化が必要であり、これは酸の添加により達成することができる。

本発明を、ある好ましい実施形態に言及しつつ本明細書において説明してきたが、それは過度の実験を行うことなく読者が本発明を実施できるようにするためである。当業者であれば、本発明には、具体的に記載されたものの他に、多数の変形例及び変更例が可能であることを理解しよう。本発明は、そのような変形例及び変更例のいずれをも含むと理解されるべきである。更に、表題、見出しなどは、本明細書に対する読者の理解を促すために設けられるものであって、本発明の範囲を限定するものとして解釈されるべきでない。本明細書中に引用された出願、特許及び刊行物がある場合には、その開示内容の全体を参照により本明細書に援用する。

より詳細には、当業者に理解されるように、本発明の実施形態の実施には一つ以上の追加的要素が含まれ得る。特定の実施例又は明細書の記載においては、本発明をその様々な局面で理解するのに必要な要素しか示されていない。しかしながら、本発明の範囲は、記載された実施形態に限定されず、一つ以上の追加工程及び／又は一つ以上の代替となる工程を含むシステム及び／又は方法、及び／又は一つ以上の工程を省略したシステム及び／又は方法を含む。

本明細書におけるいかなる先行技術への言及も、当該先行技術が世界の任意の国における努力傾注分野の共通の一般常識の一部を形成していることを認めている又は何らかの形でそれを示唆しているということではないし、そのように受け取られるべきでもない。

本明細書及び以下に続く特許請求の範囲を通じて、文脈上他の意味に解すべき場合を除き、「含む（comprise）」、「含んでいる（comprising）」などの用語は、排他的意味ではなく包括的意味、即ち「含むが、それに限定されない」という意味として解釈されるものとする。


本発明は、以下の態様を含む。
［１］
一種以上の発酵産物を発酵ブロスから分離するための方法であって、
ａ）一種以上の微生物の培養物を含むバイオリアクター中でガス状基質を発酵して、前記一種以上の発酵産物を含む発酵ブロスを生成することと、
ｂ）前記発酵ブロスを、実質的にバイオマスを含まない処理済ブロス流を生成する条件で動作される処理領域に送ることと、
ｃ）前記処理済ブロス流の少なくとも一部を、少なくとも一種の吸着剤を含む擬似移動床（ＳＭＢ）モジュールに送ることと、
ｄ）前記一種以上の発酵産物の少なくとも一種を前記吸着剤に吸着させ、前記処理済ブロス流の未吸着成分を含むラフィネートを生成することと、
ｅ）前記一種以上の生成物を前記吸着剤から脱着して生成物流を生成することと、
を含む方法。
［２］
前記処理領域が、加熱処理領域を含む［１］に記載の方法。
［３］
前記処理領域が、ろ過領域を更に含む［２］に記載の方法。
［４］
前記一種以上の発酵産物が、エタノール、酢酸、２，３−ブタンジオール、ブタノール、イソプロパノール、及びアセトンからなる群から選択される［１］に記載の方法。
［５］
前記吸着剤が、フッ素化炭素、活性炭、及び改質Ｃ１８シリカゲルからなる群から選択される［１］に記載の方法。
［６］
脱着剤が、エタノール、メタノール、プロパノール、及びメチル三級ブチルエーテルからなる群から選択される［１］に記載の方法。
［７］
前記生成物流に含まれる水の濃度が５体積％未満である［１］に記載の方法。
［８］
前記ラフィネートに含まれるエタノールの濃度が５体積％未満である［１］に記載の方法。
［９］
工程（ｅ）の前記ラフィネートの少なくとも一部が工程（ａ）の前記バイオリアクターにリサイクルされる［１］に記載の方法。
［１０］
一種以上の栄養素及び／又は微量元素が、前記ラフィネートを前記バイオリアクターにリサイクルする前に、前記ラフィネートに添加される［９］に記載の方法。
［１１］
一種以上の酸を製造及び回収するための方法であって、
ａ．液体栄養ブロスに一種以上の微生物の培養物を含むバイオリアクターにガス状基質を流すことと、
ｂ．前記ガス状基質を発酵して、一種以上の酸を含む発酵ブロスを生成することと、
ｃ．前記発酵ブロスを処理領域に送り、バイオマス及び／又は可溶性タンパク質の少なくとも一部が前記発酵ブロスから除去されて、処理済流を生成することと、
ｄ．前記処理済流を、吸着剤を含む擬似移動床モジュールに流すことと、
ｅ．前記一種以上の酸の少なくとも一部を前記処理済流から吸着剤に吸着させ、ラフィネート流を生成することと、
ｆ．前記吸着剤に溶媒を通して前記一種以上の酸を脱着させることと、
ｇ．前記ラフィネート流の少なくとも一部を前記バイオリアクターに送り返すことと、
を含む方法。
［１２］
吸着された前記酸が、乳酸、酢酸、及びそれらの混合物からなる群から選択される［１１］に記載の方法。
［１３］
前記バイオリアクターからの前記酸の除去により、一種以上の微生物の前記培養物の阻害が防止される［１１］又は［１２］に記載の方法。
［１４］
前記培養物のｐＨが、前記一種以上の酸の除去により、所定範囲内に維持される［１１］に記載の方法。
［１５］
処理済ブロス流中の前記一種以上の酸の少なくとも一部が、前記ＳＭＢモジュールに送られる前に、その対応する塩に変換される［１１］に記載の方法。
［１６］
前記対応する塩が、前記吸着剤を通り、ラフィネートと共に前記ＳＭＢモジュールから流出する［１５］に記載の方法。
［１７］
前記微生物が、ムーレラ、クロストリジウム、ルミノコッカス、アセトバクテリウム、ユウバクテリウム、ブチリバクテリウム、オキソバクター、メタノサルキナ、デスルホトマクルム、及びそれらの混合物からなる属から選択される［１］に記載の方法。
［１８］
前記微生物が、ムーレラ、クロストリジウム、ルミノコッカス、アセトバクテリウム、ユウバクテリウム、ブチリバクテリウム、オキソバクター、メタノサルキナ、デスルホトマクルム、及びそれらの混合物からなる属から選択される［１１］に記載の方法。
［１９］
エタノール及び２，３−ブタンジオールを製造及び回収するための方法であって、
ａ．液体栄養ブロスに一種以上の微生物の培養物を含むバイオリアクターにガス状基質を流すことと、
ｂ．前記ガス状基質を発酵して、エタノール及び２，３−ブタンジオールを含む発酵ブロスを生成することと、
ｃ．前記発酵ブロスを処理領域に送り、バイオマス及び／又は可溶性タンパク質の少なくとも一部が前記発酵ブロスから除去されて、処理済流を生成することと、
ｄ．前記処理済流を、吸着剤を含む擬似移動床モジュールに流すことと、
ｅ．前記エタノール及び２，３−ブタンジオールの少なくとも一部を前記処理済流から前記吸着剤に吸着させ、ラフィネート流を生成することと、
ｆ．前記吸着剤に溶媒を通して前記エタノール及び２，３−ブタンジオールを脱着させ、抽出物流を提供することと、
ｇ．前記抽出物流を、エタノール流と２，３−ブタンジオール流を提供する条件で動作される回収領域に送ることと、
ｈ．前記ラフィネート流の少なくとも一部を前記バイオリアクターに送り返すことと、
を含む方法。
［２０］
前記処理領域が、加熱処理領域を含む［１９］に記載の方法。
［２１］
前記吸着剤が、フッ素化炭素、活性炭、及び改質Ｃ１８シリカゲルからなる群から選択される［１］に記載の方法。
［２２］
脱着剤が、エタノール、メタノール、プロパノール、及びメチル三級ブチルエーテルからなる群から選択される［１］に記載の方法。
［２３］
一種以上の発酵産物を発酵ブロスから分離するための発酵系であって、
ａ．ガス状基質から一種以上の発酵産物を生成できる一種以上の微生物の培養物を含む発酵ブロスを含むバイオリアクターと、
ｂ．前記発酵ブロスの一部が提供されるようにしたＳＭＢモジュールと、
ｃ．前記ＳＭＢモジュール内に、前記発酵ブロスの前記一部から前記一種以上の発酵産物を吸着するようにした吸着剤と、
を含む発酵系。
［２４］
前記発酵ブロスが前記ＳＭＢモジュールにより受容される前に、懸濁した及び／又は可溶性のバイオマスを前記ブロスの前記一部から除去するようにした処理モジュールを更に含む［２３］に記載のシステム。

Claims (9)

1. エタノール及び２，３−ブタンジオールを製造及び回収するための方法であって、
   ａ．液体栄養ブロスに一種以上の微生物の培養物を含むバイオリアクターにガス状基質を流すことと、
   ｂ．前記ガス状基質を発酵して、エタノール及び２，３−ブタンジオールを含む発酵ブロスを生成することと、
   ｃ．前記発酵ブロスを処理領域に送り、バイオマス及び可溶性タンパク質の少なくとも一部が前記発酵ブロスから除去されて、処理済流を生成することと、
   ｄ．前記処理済流を、吸着剤を含む擬似移動床モジュールに流すことと、
   ｅ．前記エタノール及び２，３−ブタンジオールの少なくとも一部を前記処理済流から前記吸着剤に吸着させ、ラフィネート流を生成することと、
   ｆ．前記吸着剤に溶媒を通して前記エタノール及び２，３−ブタンジオールを脱着させ、抽出物流を提供することと、
   ｇ．前記抽出物流を、エタノール流と２，３−ブタンジオール流を提供する条件で動作される回収領域に送ることと、
   ｈ．前記ラフィネート流の少なくとも一部を前記バイオリアクターに送り返すことと、
   を含む方法。
2. 前記処理領域が、ろ過領域を更に含む請求項１に記載の方法。
3. 前記生成物流に含まれる水の濃度が５体積％未満である請求項１に記載の方法。
4. 前記ラフィネートに含まれるエタノールの濃度が５体積％未満である請求項１に記載の方法。
5. 一種以上の栄養素及び／又は微量元素が、前記ラフィネートを前記バイオリアクターにリサイクルする前に、前記ラフィネートに添加される請求項１に記載の方法。
6. 前記微生物が、ムーレラ、クロストリジウム、ルミノコッカス、アセトバクテリウム、ユウバクテリウム、ブチリバクテリウム、オキソバクター、メタノサルキナ、デスルホトマクルム、及びそれらの混合物からなる属から選択される請求項１に記載の方法。
7. 前記処理領域が、加熱処理領域を含む請求項１に記載の方法。
8. 前記吸着剤が、フッ素化炭素、活性炭、及び改質Ｃ１８シリカゲルからなる群から選択される請求項１に記載の方法。
9. 脱着剤が、エタノール、メタノール、プロパノール、及びメチル三級ブチルエーテルからなる群から選択される請求項１に記載の方法。