JP6895444B2 - 内部ディバイダを有する低圧分離器及びそのための使用 - Google Patents

Description

本発明の態様は、濾過した透過液流及び細菌含有ブリード流（ｂｌｅｅｄ ｓｔｒｅａｍ）を産生するバイオリアクタシステムを利用する、Ｃ１含有基質からエタノールへの微生物発酵に関する。態様は、特に熱統合の点から効率的な様式でこれらの流れからエタノールを得るためのプロセスに関する。

化石燃料温室効果ガス（ＧＨＧ）排出に関する環境への懸念によって、再生可能エネルギー源にますます重点が置かれるようになった。結果として、エタノールが、世界中で急速に主要な水素に富む液体輸送燃料となっている。欧州、日本、及び米国、ならびにいくつかの発展途上国でエタノール生産がますます重要視されていることに基づいて、燃料エタノール産業に対するグローバル市場における継続的な成長が、当面予想される。例えば、米国では、エタノールは、ガソリン中のエタノールの１０％混合物であるＥ１０を生成するために使用されている。Ｅ１０ブレンド中では、エタノール構成成分は、燃焼効率を改善し、空気汚染物質の生成を低減する酸素化剤としての役割を果たす。ブラジルでは、エタノールは、ガソリン中にブレンドされた酸素化剤として、及びそれ自体で純粋な燃料の両方として、輸送燃料需要の約３０％を満たす。さらに、欧州連合（ＥＵ）は、その加盟国のそれぞれに対して、バイオマス由来エタノール等の持続可能な輸送燃料の消費に関する目標を命じている。

大多数の燃料エタノールは、サトウキビから抽出されたスクロースまたは穀類作物から抽出されたデンプン等の作物由来炭水化物を主要炭素源として使用する、伝統的な酵母系発酵プロセスにより産生される。しかしながら、これらの炭水化物供給ストックの費用は、競合する用途のため、すなわち、人間及び動物の両方のための食料源としての市場におけるそれらの価値に影響を受ける。さらに、エタノール生成のためのデンプンまたはスクロース生成作物の栽培は、全ての地理において経済的に持続可能ではなく、これは、該栽培が、局所的地価及び局所気候の両方の関数であるためである。これらの理由から、より低費用及び／またはより豊富な炭素源を燃料エタノールに変換するための技術を開発することに特に関心がある。この点に関して、一酸化炭素（ＣＯ）は、石炭、石油、及び石油由来生成物等の有機材料の不完全燃焼の、エネルギーに富む主要な副生成物である。ＣＯに富む廃ガスは、様々な工業プロセスから生じる。例えば、豪州における鋼産業は、年間５００，０００メートルトンを超えるＣＯを生成し、大気中に放出していると報告されている。

より近年では、工業規模でＣＯからエタノールを生成するための微生物（細菌）系プロセス代替法が、商業的関心及び投資の対象となっている。ＣＯを唯一の炭素源として微生物培養物が増殖する能力は、１９０３年に最初に発見された。この特質は、後に、独立栄養増殖のアセチル共酵素Ａ（アセチルＣｏＡ）の生化学的経路（Ｗｏｏｄｓ−Ｌｊｕｎｇｄａｈｌ経路及び一酸化炭素脱水素酵素／アセチルＣｏＡシンターゼ（ＣＯＤＨ／ＡＣＳ）経路としても知られている）の生物の使用に存在すると決定された。それ以来、カルボキシド栄養性生物、光合成生物、メタン産生生物、及び酢酸産生生物を含む多数の嫌気性生物が、ＣＯを代謝することが示されている。Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ属からの細菌等の嫌気性細菌が、アセチルＣｏＡ生化学経路を介してＣＯ、ＣＯ_２、及びＨ_２からエタノールを産生することが知られている。例えば、気体からエタノールを産生するＣｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ ｌｊｕｎｇｄａｈｌｉｉの様々な菌種が、ＷＯ００／６８４０７、ＥＰ１１１７３０９ Ａ１、ＵＳ５，１７３，４２９、ＵＳ５，５９３，８８６、ＵＳ６，３６８，８１９、ＷＯ９８／００５５８、及びＷＯ０２／０８４３８に記載されている。細菌Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ ａｕｔｏｅｔｈａｎｏｇｅｎｕｍ種も、気体からエタノールを産生することが知られている（Ａｂｒｉｎｉ ｅｔ ａｌ．，ＡＲＣＨＩＶＥＳ ＯＦ ＭＩＣＲＯＢＩＯＬＯＧＹ １６１：３４５−３５１ （１９９４））。

生物の各酵素が本質的に完全な選択性で該生物の所定の生物学的変換を促進するため、微生物合成ルートは、従来の触媒ルートと比較してより低いエネルギー費用でより高い収率を達成することができる。さらに、反応媒体中の不純物により、触媒の毒作用に関する懸念が減少する。ＣＯからのエタノールの微生物合成に関連するこれらの明らかな利点にも関わらず、それでもなお、そのようなプロセスは、生成速度が競争力を有することを確実にするという点から、他の技術に対して競争力を有しなければならない。ＣＯをそれらの炭素源として使用する場合、上述の嫌気性細菌は、発酵を介してエタノールを産生するが該細菌は少なくとも１つの代謝物、例えば、ＣＯ_２、メタン、ｎ−ブタノール、及び／または酢酸も産生する。これらの代謝物のうちのいずれかの形成は、利用可能な炭素が代謝物（複数可）内へと失われ、所望の最終産物の産生効率が減少するため、所与のプロセスの産生能及び全体的な経済的実行可能性に著しい影響を与える可能性がある。さらに、代謝物（例えば、酢酸）自体が、微生物発酵プロセスの時点で、かつその場で価値を有さない限り、代謝物は、廃棄物処分の問題を引き起こし得る。エタノールを作製するために、ＣＯ含有ガスの嫌気性発酵における所望の最終産物以外の産物の形成に対処するための様々な提案は、ＷＯ２００７／１１７１５７、ＷＯ２００８／１１５０８０、及びＷＯ２００９／０２２９２５で論じられている。

所与の発酵プロセスが経済的に魅力的であるかどうかの重要な決定要因であるエタノール産生速度は、細菌増殖の適切な条件の管理に大きく依存する。例えば、理想的な微生物増殖及び／または所望される代謝物産生を生じる速度で微生物培養物にＣｏ含有基質を提供しなければならないことは、ＷＯ２０１０／０９３２６２から分かる。不十分な基質を提供した場合、微生物増殖は減速し、発酵産物の収率はエタノールを犠牲にして酢酸の方に変わる。過剰な基質を提供した場合、不良な微生物増殖及び／または細胞死がもたらされ得る。これらのプロセスにおける動作パラメータ間の関係に関するさらなる情報は、ＷＯ２０１１／００２３１８に見出される。

ＣＯ、及び特に鋼生産で放出されるガス状排出物等のＣＯ含有廃棄物流からエタノールを生成するための生物学的プロセスの技術が、プロセス経済性、したがって産業競争力を改善する解決策を継続して探している。対象の１つの分野は、副産物、つまり非選択的副反応から生じる上述の代謝物、及び細菌培養培地の構成成分（特に水）と、所望のエタノール産物と、を分離するためのエネルギー要件に関する。例えば、特に資本及び操業費用が実質的に影響を受けない場合、バイオリアクタ（複数可）の下流での必要な分離に関連する熱統合における均一かつ適度な進歩を達成は、工業規模での操業に大きく関係し得る。

本発明の態様は、栄養として炭素を含有する基質からの炭素を利用する細菌の代謝経路を通して有用な最終産物を産生するための生物的変換プロセス及び関連装置の改善に関する。代表的なプロセスは、バイオリアクタシステムに基質を供給することであって、該バイオリアクタシステムは、基質中の炭素源を代謝し、少なくとも１つの発酵産物を産生するための培養培地及び細菌を含む少なくとも第１のバイオリアクタを備える、供給することと、バイオリアクタシステムから細菌を含むブリード流を取り出すことと、バイオリアクタシステムから、バイオリアクタシステムの液体産物の濾過から得られた透過液流を取り出すことと、ブリード流の少なくとも一部分及び透過液流の少なくとも一部分を、ディバイダを備える低圧分離器に供給することと、を含む。ディバイダは、下方区域で、ブリード流の液体画分を、透過液流の液体画分から単離するように構成され、上方区域で、ブリード流のガス状画分と、透過液流のガス状画分と、を合わせるようにも構成されている。

さらなる態様では、本発明は、工業排ガス等のＣ１含有基質からのＣ１ガスを栄養として利用するＣ１固定細菌の代謝経路を通してエタノール及び／またはイソプロパノール等の有用な最終産物の産生のための、生物的変換プロセス及び関連装置の改善に関する。代表的なプロセス及び装置は、高エタノールまたはイソプロパノール産生能と関連して特に有利である代替の種類の操作を伴う。関連する実質的な産物流量は、高純度最終産物（例えば、無水エタノールまたはイソプロパノール）を達成するために必要な分離ユニット操作を介して、効率的な様式で処理されなければならない。望ましいエタノールまたはイソプロパノール産生能（例えば、１日当たりの、バイオリアクタの容積１リットル当たりのグラムで表したもの）を達成するために使用され得る例示的なバイオリアクタシステムは、液体注入及び吐出の流動に対して直列で動作する２つ以上のバイオリアクタを備え得る。

つまり、そのようなシステムによれば、液体培養培地の供給流は、第１のバイオリアクタに渡され得、このバイオリアクタの内容物を含む１つ以上の液体（バルクと比較して同じまたは異なる組成を有し、第１のバイオリアクタ液体）が、第２のバイオリアクタに渡され得、第２のバイオリアクタの内容物を含む１つ以上の液体（バルクと比較して同じまたは異なる組成を有し、第２のバイオリアクタ液体）が、これらの液体に含有されるエタノールまたはイソプロパノールを精製するための分離ユニット操業を通って処理される。これにより、異なる目的（例えば、細菌増殖に対する産物収率）のために、別々のバイオリアクタの条件を別々に制御することが有利に可能になり、類似の総容積を有する単一の反応器を使用するのと比較して、エタノール産生能を高め、かつ／または副産物産生能を減少させる。バイオリアクタシステムが３つ以上のバイオリアクタを含む場合、中間液体産物を、直列の中間バイオリアクタに供給し、それから取り出してもよい（すなわち、下流バイオリアクタに連続して渡されてもよい）。用語「後続の」または「下流」は、バイオリアクタを参照する場合、１つのバイオリアクタから次のバイオリアクタへの反応器液体（例えば、培養培地）の流路の観点からの、バイオリアクタシステムの他のバイオリアクタに対するバイオリアクタの位置を指す。（例えば、それらの下方区域において基質をガス分配器に導入することにより、）ガス状Ｃ１含有基質が分けられ、同じまたは異なる流量でバイオリアクタ同時に供給され得るように、２つ以上のバイオリアクタを備える代表的なバイオリアクタシステムが、ガス状供給物及び産物の流動に対して並列でも動作することができる。基質と比較してＣ１ガス組成物が失われたガス状産物をバイオリアクタの各々から同時に別々に取り出し、次いで、例えば、別個の流れまたは合わせた流れとして同伴液体産物を回収するようにさらに処理してもよい。

以下の説明は、エタノール発酵に関連するが、この教示は、イソプロパノール発酵プロセス及びイソプロパノール精製プロセスに等しく適用可能であると見なされる。さらに、提供される実施形態は、ガス発酵プロセスに関するものであるが、本発明は、排出された液体産物及びバイオマスを含有する発酵ブロスを産生するあらゆる発酵プロセスに適用可能であると見なされる。

バイオリアクタシステムの通常動作中、液体産物の純産生は、各バイオリアクタにおける蓄積を防止し、それによって定常状態の条件を維持するように、これらの産物が好ましくは絶えず取り出される必要がある。取り出された液体の全てが、（同じ濃度の細菌及び培養培地構成成分を含む）バイオリアクタに存在するものと同じバルク組成を有する場合、バイオリアクタは、エタノール及び酢酸濃度に関して定常状態で動作するが、細菌濃度が着実に失われる。そのような状況下では、細菌の産生能（増殖）と比較してエタノールの産生能がより高くなると、一方向に所与のバイオリアクタからより早い速度で細菌が失われる。さらなる動作自由度をもたらすことにより細菌濃度を維持するために、所与のバイオリアクタから取り出した液体の第１の部分、すなわち、ブリード流を、濾過しない部分としてもよい一方で、取り出した液体の第２の部分を濾過する部分としてもよい。この場合、第１の部分は、バイオリアクタに存在するものと実質的に同じバルク組成、または少なくとも実質的に同じ細菌濃度を有し得る一方で、液体の第２の部分は、濾過のために細菌に富み、その細菌濃度を維持するためにバイオリアクタに戻される濾過濃縮水と、バイオリアクタから実際に除去される（またはバイオリアクタに再循環されない）取り出した第２の部分の純画分を表す濾過透過液と、に分けられ得る。次いで、細菌を実質的に含まないこの濾過透過液を、下流バイオリアクタに渡してもよいか、または、最終バイオリアクタから濾過透過液を除去する場合、その中に含有されるエタノールを精製するための分離ユニット操作を通して処理してもよい。

このようにして、ブリード流及び透過液流の取り出しは、特に、異なるレベルの産生能でバイオリアクタ中の細菌濃度を管理するという点において、プロセス制御度全体の大幅な改善をもたらす。エタノール産生速度が増加するに従い、ブリード流の流動と比較して、透過液流の流動が増加し得、細菌がより多く保持された、より多くの濾過された反応器液体を取り出すことが可能になり得る。エタノールは、これらの取り出された流れの両方中に存在するため、バイオリアクタシステムから、例えば、最終段階バイオリアクタから（例えば、液体流に対して直列で動作する第１及び第２のバイオリアクタを備えるバイオリアクタシステムの第２のバイオリアクタから）最終的に取り出されるブリード流及び透過液流は両方共、通常、エタノール精製のためにさらに処理される。ブリード流及び透過液流は、個々の貯蔵タンクに送られ、次いで、これらのタンクからの排出物は、下流回収ユニットに送られる。

この点から見て、本発明の態様は、ブリード流及び透過液流からのエタノールまたはイソプロパノールの下流回収に関し、より具体的には、資本（例えば、機器）及び／または操業費用（例えば、光熱費）を有利に削減することができる改善された効率でそのような回収を行うことに関する。より具体的な態様は、エタノール（標準沸点＝７８℃）と、水（標準沸点＝１００℃）を含むこれらの流れ中の他の構成成分との間の相対揮発性、ならびに酢酸（標準沸点＝１１８℃）と、２，３−ブタンジオール（標準沸点＝１７７℃）と、様々な他の単純有機アルコール及び酸等の代謝物との間の相対揮発性の差異に基づいて、バイオリアクタプロセスから取り出したブリード流及び透過液流の両方に含有されるエタノールまたはイソプロパノールを精製するためのプロセス及び関連装置に関する。例示的なプロセス及び装置は、分離器の蒸気、すなわち塔頂留出物画分中のエタノールまたはイソプロパノールの所望の濃縮を達成するために、少なくとも単一の蒸気／液体平衡段階を利用し、該分離器は、該画分と、液体または塔底物画分とを分離させる。したがって、用語「分離器」は、単一段階フラッシュドラムを包含する。しかしながら、蒸留カラムの場合、塔頂留出物中により高い純度のエタノールまたはイソプロパノール産物を達成するために、代表的な分離器が、複数の蒸気／液体平衡段階を利用することが好ましい。用語「分離器」は、補助的なガス流（例えば、ストリッパ）及び／または所望の構成成分の分離を促進するための補助的な流動もしくは液体（例えば、スクラバ）を有するそのような単一段階または多段階槽も包含する。

しかしながら、分離器の種類にかかわらず、熱の注入、より具体的には、凝縮器段階等の別の段階で比較的低い温度での熱回収を伴い得るリボイラ段階等の少なくとも１つの段階での、比較的高い温度での熱の消費は通常、そのような分離プロセスを行うのに必要である。これに関しては、本発明のさらなる態様は、より具体的には、熱統合がバイオリアクタシステムから取り出されたブリード流及び透過液流からのエタノールまたはイソプロパノールの回収において改善された、プロセス及び装置の発見に関する。そのような回収は、ブリード流が生物学的変換プロセスで使用される細菌のうちの一部を含有するのに対し、透過液流は通常、そのような細菌を含まないか、または少なくとも実質的に含まないという事実により、面倒なものになっている。ブリード流中に細菌が存在することで、例えば、この流れを精製するために使用される蒸留カラムまたは他の分離器で使用される動作温度上に制約が加えられる一方で、これらの考慮事項は、透過液流の処理には該当しない。

本発明の一態様では、異なるブリード流及び透過液流流量にもかかわらず熱統合を改善する機会は、単一の分離器でブリード流と一緒に透過液流の少なくとも一部、任意で全てを処理する際に生じる。ブリード流及び透過液流を同時に処理するための分離器内のディバイダは、有利に、少なくとも前者には細菌が存在し、後者には細菌が存在しないことに起因して異なる組成を有する、これらの流れのそれぞれの液体画分を単離することができる。これにより、ブリード流塔底物の場合は細菌の除去、及び／または透過液流塔底物の場合はバイオリアクタシステムに戻る再循環等の別々の目的のために使用される、別々の液体塔底物流中のこれらの液体画分が取り出されることが可能になる。あるいは、透過液流塔底物を、化学的酸素要求量（ＣＯＤ）の低減等の排水処理に関連する目的に従って処理してもよい。透過液流の一部分、または全てがブリード流及び透過液流を同時に処理するための分離器に供給されるかどうかに関わらず、分離器でブリード流塔底物及び透過液流塔底物に単離される液体体積が均一ではないように、ディバイダは、ずらされ得るかまたは中心から外れて位置付けられ得る。例えば、特に、相対的に高い透過液流流量を必要とする、バイオリアクタ容積１リットル当たり少なくとも５５グラム／日等の比較的高い純エタノール産生能で動作するプロセスの場合、前者を単離した液体体積は、後者を単離した液体体積よりも小さくあり得る。

ディバイダは、これらの流れの液体画分とは対照的に、ブリード流及び透過液流のガス状画分が合わさることが許容されるように、分離器自体の軸方向高さより低い軸方向高さ延在していてもよい。したがって、単一の分離器のエネルギー注入（例えば、液体画分の一方または両方を加熱するのに使用される低圧蒸溜カラムの１つ以上のリボイラへのエネルギーを含む）は、エタノールまたはイソプロパノールに富む分離器塔頂留出物を得るために効率的に使用され得、ブリード流及び透過液流の両方、またはさもなければ、これらの流れの一方もしくは両方の一部から同時に得られ得る。これに関して、本発明の態様は、エタノールまたはイソプロパノールの回収でブリード流及び透過液流の特定の特質、すなわちブリード流及び透過液流の、非揮発性構成成分（特に細菌濃度）の点で組成が異なるが、揮発性構成成分の割合（特に細菌が存在しないことに基づくエタノールまたはイソプロパノール、水、及び酢酸濃度）の点で組成が類似または同一であることを活用する。そのような特質は、本明細書に記載のプロセス及び関連装置により、効率的な熱統合、ならびに機器能力及び／または費用の低減を含む他の利点を得るためのベースとして使用される。

本発明に関するこれら及び他の実施形態、態様、ならびに利点は、以下の図面の簡単な説明から明らかになる。

本発明の例示的実施形態のより完全な理解及びその利点は、添付の図面を考慮して以下の説明を参照することによって得ることができ、図中、同じまたは類似の特徴は、同じまたは類似の参照番号によって特定される。

本明細書に記載されるブリード流及び透過液流を提供する２つのバイオリアクタを利用する代表的なバイオリアクタシステムを描写する。 ディバイダを備える低圧分離器を使用してエタノールを回収するための、例示的かつ代表的な概要流れ図及び関連する機器に従うプロセスを描写する。 図１に示すバイオリアクタシステムから、特に、このシステムから取り出されたブリード流及び透過液流からエタノールを回収するための、例示される代表的な概要流れ図に従うプロセス及び関連機器を描写する。

図１〜３は、本開示及び／または関係する原理の図を示すと理解されるべきである。説明及び理解を容易にするために、簡略化されたプロセスフロースキーム及び機器を描写し、これらの図面は必ずしも縮尺どおりに描かれていない。本開示の理解にとって必須ではない、弁、器具類、及び他の機器を含む詳細は、示されていない。図は、エタノール生成及び回収のためのプロセスを対象とするが、関係する開示及び原理は、イソプロパノール生成に等しく適用可能であると見なされる。本開示の知識を有する当業者には容易に明らかであるように、本発明の他の実施形態に従う、機器の費用効率の高い様式及び／または光熱費の効率の高い様式で、バイオリアクタシステムで産生された流れからエタノールを回収するためのプロセスは、それらの特定の用途によって部分的に決まる構成を有する。

本発明の例示的な実施形態は、培養培地と、基質中の炭素源を代謝し、かつ少なくとも１つの発酵産物を産生する細菌と、を含む少なくとも第１のバイオリアクタを備えるバイオリアクタシステムに基質を供給することを含む、生物学的変換プロセスを対象とする。本プロセスは、バイオリアクタシステムから、Ｃ１固定細菌を含むブリード流を取り出すことと、また、バイオリアクタシステムから、バイオリアクタシステムの液体産物の濾過から得られた透過液流を取り出すことと、をさらに含む、本プロセスは、下方区域で、ブリード流の液体画分を、透過液流の液体画分から単離する（例えば、液密の様式で分離する）ように構成されたディバイダを備える低圧分離器にブリード流及び透過液流を供給することをさらに含む。例えば、ブリード流の液体画分は、ブリード流と流体連通している第１の液体体積を提供し得、透過液流の液体画分は、透過液流と流体連通している第２の液体体積を提供し得る。ディバイダは、上方区域で、ブリード流のガス状画分と、透過液流のガス状画分とを合わせるようにも構成されていてもよい。例えば、ブリード流と透過液流とを合わせたガス状画分は、低圧分離器塔頂留出物と流体連通しているガス状体積を提供し得る。

本発明の特定の実施形態では、プロセスは、透過液流を少なくとも第１の透過液部分及び第２の透過液部分に分割することと、第１の透過液部分を高圧分離器（例えば、後発蒸溜カラム蒸溜カラム）に供給することと、第２の透過液部分を低圧分離器（例えば、低圧蒸溜カラム）に供給することと、をさらに含む。

本発明の特定の実施形態は、生物的変換プロセスは、少なくとも（ｉ）培養培地、及び第１のバイオリアクタ内に含まれ得るＣ１固定細菌（細胞またはバイオマス）を含む第１のバイオリアクタと、任意で（ｉｉ）第２のバイオリアクタまたは追加の下流バイオリアクタと、を備えるバイオリアクタシステムにガス状Ｃ１含有基質を供給することを含み、該バイオリアクタは、Ｃ１含有基質中のＣ１構成成分を代謝し、それによりエタノールを産生するために利用される。ブリード流の少なくとも一部分からエタノールを精製すると共に、第１の透過液部分からエタノールを精製するための高圧分離器（例えば、高圧蒸留カラム）と、第２の透過液部分からエタノールを精製するための低圧分離器からの（例えば、低圧蒸留カラム）との両方の使用を伴う実施形態では、熱統合は、他の分離器で消費するために、分離器のうちの１つで生成された熱を利用することを含み得る。有利に、高圧分離器凝縮器熱の少なくとも一部分が、低圧分離器リボイラまたはさもなければ、２つ以上のリボイラが使用される場合は、少なくとも１つの低圧分離器リボイラ（例えば、低圧分離器ブリード液体排出口流の少なくとも一部分を蒸発させるために使用される低圧分離器ブリードリボイラ、及び／または低圧分離器透過液液体排出口流の少なくとも一部分を蒸発させるのに使用される低圧分離器透過液リボイラ）で、リボイラ熱として消費され得るように、高圧分離器の凝縮器温度は、低圧分離器のリボイラ温度を超えていてもよい。いくつかの実施形態、例えば、透過液流を分割することを伴わない実施形態では、本プロセスは、透過液流の一部分を分画するための追加の分離器を含まない。したがって、例えば、全透過液流が、上述のようなディバイダを備える分離器に供給されてもよい。より具体的には、透過液及びブリード流は、これらの流れを同時に処理するために使用される分離器内に位置付けられた、ディバイダの反対側に供給され得る。

さらに他の本発明の実施形態は、（ｉ）基質をバイオリアクタシステムに導入するための（例えば、バイオリアクタシステムの少なくとも１つ、少なくとも２つ、及び／または全てのバイオリアクタと流体連通している）注入口と、（ｉｉ）基質中の炭素構成成分を代謝し、所望の最終産物を産生するための培養培地及び細菌を収容するための少なくとも第１のバイオリアクタと、（ｉｉｉ）バイオリアクタシステムの液体産物を濾過するための濾過システムと、（ｉｖ）細菌を含むブリード流を取り出すための（例えば、バイオリアクタシステムの少なくとも１つのバイオリアクタと流体連通している）ブリード流排出口と、（ｖ）バイオリアクタシステムから透過液流を取り出すための濾過システムの透過液側と流体連通している透過液流排出口と、を備える、バイオリアクタシステムを備える、生物的変換装置を対象とする。本装置は、バイオリアクタシステム内の細菌の再循環部分を維持するための、濾過システムの濃縮水側と流体連通している再循環導管を任意で備え得る。特定の態様では、生物学的変換装置は、（ｉ）バイオリアクタシステムにＣ１含有基質を導入するための注入口と、（ｉｉ）Ｃ１含有基質中のＣ１構成成分を代謝し、エタノール、イソプロパノール、及びそれらの混合物からなる群から選択される少なくとも１つの産物を産生するための培養培地及びＣ１固定細菌を収容するための少なくとも第１のバイオリアクタと、を備えるバイオリアクタシステムを備える。

代表的な装置は、低圧分離器をさらに備え、該低圧分離器は、その下方区域に配設されたディバイダを有し、かつ（ｉ）（Ａ）下方区域内に位置付けられている低圧分離器ブリード流注入口にあるブリード流排出口、及び（Ｂ）低圧ブリード流注入口の下に位置付けられている低圧分離器ブリード液体排出口の両方と流体連通している第１の液体体積から、（ｉｉ）（Ａ）下方区域内に位置付けられている低圧分離器透過液流注入口にある透過液流排出口、及び（Ｂ）低圧分離器透過液流注入口の下に位置付けられている低圧分離器透過液液体排出口の両方と流体連通している第２の液体体積を単離するように構成されている。

ある特定の実施形態によれば、低圧分離器は、その上方区域（例えば、ディバイダの上部にあるか、またはディバイダが延在する高さよりも高い軸方向高さにある区域）で、第１の液体体積の上部の第１のガス状画分と、第２の液体体積の上部の第２のガス状画分とを合わせ、例えば、低圧分離器にあるか、または低圧分離器の上部の近くにある上方区域にある低圧分離器蒸気排出口と流体連通している合わさったガス状体積を提供するために構成されていてもよい。低圧分離器は、低圧分離器蒸気排出口、ならびに（ｉ）低圧分離器塔頂留出物還流導管及び（ｉｉ）低圧分離器塔頂留出物導管の両方と流体連通している低圧分離器凝縮器と一緒に構成されている場合がある。低圧分離器は、低圧分離器ブリード液体排出口、ならびに（ｉ）低圧分離器ブリード液体還流導管及び（ｉｉ）低圧分離器ブリード塔底物導管の両方と流体連通している低圧分離器ブリードリボイラとも一緒に構成されている場合がある。低圧分離器は、低圧分離器透過液液体排出口、ならびに（ｉ）低圧分離器透過液液体還流導管及び（ｉｉ）低圧分離器透過液塔底物導管の両方と流体連通している低圧分離器透過液リボイラと一緒にさらに構成されている場合がある。低圧分離器ブリードリボイラ及び低圧分離器透過液リボイラの両方と一緒に構成される代わりに、代替方法として、低圧分離器は、低圧分離器ブリード液体還流導管及び低圧分離器透過液液体還流導管、ならびに低圧分離器ブリード塔底物導管及び低圧分離器透過液塔底物導管に加えて、低圧分離器ブリード液体排出口及び低圧分離器透過液液体排出口の両方と流体連通している低圧分離器リボイラ一緒に構成されていてもよい。

代表的な装置は、（ｉ）透過液流の第１の透過液部分を受け、透過液流の第２の透過液部分を低圧分離器透過液流注入口に渡すための、透過液流排出口と流体連通している第１の透過液部分注入口と、（ｉｉ）（例えば、高圧分離器の上部にあるか、または上部近く等にある上方区域にある）高圧分離器蒸気排出口と、（ｉｉｉ）（例えば、底部にあるか、または底部の近く等にある下方区域にある）高圧分離器液体排出口と、を有する高圧分離器を任意でさらに備えていてもよい。第１の透過液部分注入口は、通常、高圧分離器塔頂留出物排出口の下、かつ高圧分離器塔底物排出口の上に位置付けられる。高圧分離器は、高圧分離器蒸気排出口、ならびに（ｉ）高圧分離器塔頂留出物還流導管及び（ｉｉ）高圧分離器塔頂留出物導管の両方と流体連通している高圧分離器凝縮器と一緒に構成されている場合がある。高圧分離器は、高圧分離器液体排出口、ならびに（ｉ）高圧分離器液体還流導管及び（ｉｉ）高圧分離器塔底物導管の両方と流体連通している高圧分離器リボイラとも一緒に構成されている場合がある。上述の低圧分離器凝縮器、低圧分離器ブリードリボイラ、低圧分離器透過液リボイラ及び低圧分離器リボイラのうちのいずれか、またはこれらの任意の組み合わせが、上述のように、高圧分離器凝縮器及び／または高圧分離器リボイラと共に、熱統合を提供するように構成されている場合がある。例示的実施形態では、高圧分離器縮合器は、上述のように、低圧分離器ブリードリボイラ及び／または低圧分離器透過液リボイラ、または低圧分離器リボイラで消費される、この凝縮器で生成された熱を伝導するように構成されている場合がある。

代表的な装置は、（ｉ）低圧分離器塔頂留出物排出口及び高圧分離器塔頂留出物排出口の両方と流体連通している脱水カラム注入口と、（ｉｉ）（例えば、上部にあるか、または上部近く等にある上方区域にある）脱水カラム塔頂留出物排出口と、（ｉｉｉ）（例えば、底部にあるか、または底部近くにある下方区域）脱水カラム塔底物排出口と、を有する脱水カラムも任意で備えている場合がある。脱水カラム注入口は通常、脱水カラム塔頂留出物排出口の下、かつ脱水カラム塔底物排出口の上に位置付けられる。代表的な装置は、例えば、低圧分離器ブリード塔底物流の中に含まれるＣ１固定細菌を分離する目的のための、低圧分離器ブリード塔底物流を濾過するための、低圧分離器ブリード塔底物排出口と流体連通している第２の濾過システムを任意かつ追加で備えている場合がある。

上記の点から、特定の本発明の態様は、液体透過液及びブリード流中に、バイオリアクタシステムから回収される発酵産物を産生するために、Ｃ１含有基質が、少なくとも１つのバイオリアクタを備えるバイオリアクタシステムに供給される生物的変換プロセス及び関連装置を対象とする。特定の態様では、発酵産物は、エタノール（Ｃ_２Ｈ_５ＯＨ）及びイソプロパノール（Ｃ_３Ｈ_７ＯＨ）からなる群から選択される。複数の（例えば、２つ、３つ、または４つ等の２つ以上の）バイオリアクタを備えるバイオリアクタシステムによって、異なる処理目的を達成するために、各バイオリアクタの条件を別々に制御することが有利に可能になり得る。例えば、２つのバイオリアクタを備えるバイオリアクタシステムの場合、第１のバイオリアクタを、第２のバイオリアクタに連続的にまたは断続的に供給される細菌培養物を増殖させるように、主に動作させてもよい。次いで、第２のバイオリアクタを、エタノールを産生するため、すなわち、エタノールまたはイソプロパノール産物収率を最大化させるために、主に動作させてもよい。

上述のバイオリアクタへのＣ１含有基質の並列流及び第１のバイオリアクタから後続のバイオリアクタ（複数可）への液体産物の直列流を有するそのようなバイオリアクタシステムの使用は、本明細書に記載されるように、バイオリアクタシステムから取り出される液体ブリード流（複数可）及び液体透過液流（複数可）中の高発酵産物濃度と関連する。多くの場合、生物的変換プロセスで産生されたエタノールの全てまたは実質的に全てが、最終バイオリアクタ、すなわち、（例えば、最終バイオリアクタが第２のバイオリアクタである場合、２つ、かつ２つのみのバイオリアクタを有するバイオリアクタシステムにおいては、第１のバイオリアクタの下流に位置付けられた、）バイオリアクタシステムの最も下流のバイオリアクタから取り出されるブリード流及び透過液流から回収される。しかしながら、産生されたエタノールの少なくとも一部分を、バイオリアクタシステムの第１のバイオリアクタ及び／または（最終バイオリアクタの上流の）任意の中間バイオリアクタから取り出したブリード流及び／または透過液流から回収することも可能である。代表的な実施形態では、Ｃ１含有基質は、ＣＯを含むガス状基質である。代表的な実施形態では、例えば、最終バイオリアクタから取り出された任意のそのようなブリード及び／または透過液流（複数可）は、一般的に１リットル当たり少なくとも約４０グラム（グラム／リットルまたはｇ／Ｌ）（例えば、約４０〜約９５ｇ／Ｌ）、典型的には少なくとも約５０ｇ／Ｌ（例えば、約５０〜約８０ｇ／Ｌ）、多くの場合少なくとも約６０ｇ／Ｌ（例えば、約６０〜約７５ｇ／Ｌ）のエタノール濃度を有し得る。例えば、最終バイオリアクタから取り出された任意のそのようなブリード及び／または透過液流（複数可）は、一般的に少なくとも約５：１（例えば、約５：１〜約１００：１）、典型的には少なくとも約７．５：１（例えば、約７．５：１〜約５０：１）、多くの場合少なくとも約１０：１（例えば、約１０：１〜約５０：１）のエタノール対酢酸の重量比を有し得る。一般に、エタノール及び他の代謝物の濃度を決定するために使用される分析方法（例えば、ガスクロマトグラフィー（ＧＣ）または高圧液体クロマトグラフィー、ＨＰＬＣ）は、細胞を含まない試料を必要とし、したがって、Ｃ１固定細菌（細胞またはバイオマス）を除去するために、ブリード流に対して初期分離（例えば、膜濾過）を行う必要がある場合がある。したがって、エタノール及び他の代謝物の濃度と同様に、本明細書に記載されるブリード流の他の特性も、バイオマスを含まないことに基づいて表される。

したがって、本発明は、概して、ガス状Ｃ１含有基質中のＣ１炭素源を１つ以上のバイオリアクタを備えるバイオリアクタシステムに供給することにより、エタノールまたはイソプロパノール等の所望の最終産物を産生するためのプロセスに関する。動作中、１つ以上のバイオリアクタは、Ｃ１固定細菌を含有する液体培養培地を含む。所望の最終産物に加えて、本明細書に記載のプロセスは、望ましくない、またはより望ましくない代謝物をさらに産生する。所望の発酵産物に加えて産生され得る代謝物の例は、アセテート（例えば、酢酸の形態の）、２，３−ブタンジオール、及びラクテート（例えば、乳酸の形態の）である。ガス状ＣＯ_２も、産生され得る。

本発明の代表細菌または微生物（ｍｉｃｒｏｂｅ）は、Ｃ１固定微生物（微生物）、嫌気性生物、アセトゲン、エタノロゲン、カルボキシド栄養性生物、及び／またはメタン資化性菌であり得るか、またはそれに由来し得る。表１は、微生物の代表的な一覧を提供し、それらの機能特質を特定する。

「Ｃ１」は、一炭素分子、例えば、ＣＯ、ＣＯ_２、ＣＨ_４、またはＣＨ_３ＯＨを指す。「Ｃ１酸素化物」は、少なくとも１つの酸素原子も含む一炭素分子、例えば、ＣＯ、ＣＯ_２、またはＣＨ_３ＯＨを指す。「Ｃ１炭素源」は、本発明の微生物にとって部分的または唯一の炭素源としての役割を果たす一炭素分子を指す。例えば、Ｃ１炭素源は、ＣＯ、ＣＯ_２、ＣＨ_４、ＣＨ_３ＯＨ、またはＣＨ_２Ｏ_２のうちの１つ以上を含み得る。Ｃ１炭素源は、ＣＯ及びＣＯ_２のうちの一方またはこれらの両方を含むことが望ましい。「Ｃ１固定微生物」は、Ｃ１炭素源から１つ以上の産物を産生する能力を有する微生物である。典型的には、本発明の微生物はＣ１固定細菌である。好ましい実施形態では、本発明の微生物は、表１に特定されるＣ１固定微生物に由来する。

「エタノロゲン」は、エタノールを産生するか、またはそれを産生することができる微生物である。典型的には、本発明の微生物は、エタノロゲンである。好ましい実施形態では、本発明の微生物は、表１に特定されるエタノロゲンに由来する。

「独立栄養性菌」は、有機炭素がなくても増殖することができる微生物である。代わりに、独立栄養性生物は、ＣＯ及び／またはＣＯ_２等の無機炭素源を使用する。典型的には、本発明の微生物は、独立栄養性生物である。好ましい実施形態では、本発明の微生物は、表１に特定される独立栄養性生物に由来する。

「カルボキシド栄養性生物」は、唯一の炭素源としてＣＯを利用することができる微生物である。典型的には、本発明の微生物はカルボキシド栄養性生物である。好ましい実施形態では、本発明の微生物は、表１に特定されるカルボキシド栄養性生物に由来する。

「メタン資化性菌」は、唯一の炭素源及びエネルギー源としてメタンを利用することができる微生物である。ある特定の実施形態では、本発明の微生物は、メタン資化性菌に由来する。

より広くは、本発明の微生物は、表１に特定される任意の属または種に由来し得る。

好ましい実施形態では、本発明の微生物は、Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ ａｕｔｏｅｔｈａｎｏｇｅｎｕｍ種、Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ ｌｊｕｎｇｄａｈｌｉｉ種、及びＣｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ ｒａｇｓｄａｌｅｉ種を含むＣｌｏｓｔｒｉｄｉａのクラスターに由来する。これらの種は、Ａｂｒｉｎｉ，Ａｒｃｈ Ｍｉｃｒｏｂｉｏｌ，１６１：３４５−３５１，１９９４（Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ ａｕｔｏｅｔｈａｎｏｇｅｎｕｍ）、Ｔａｎｎｅｒ，Ｉｎｔ Ｊ Ｓｙｓｔｅｍ Ｂａｃｔｅｒｉｏｌ，４３：２３２−２３６，１９９３（Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ ｌｊｕｎｇｄａｈｌｉｉ），及びＨｕｈｎｋｅ，ＷＯ２００８／０２８０５５（Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ ｒａｇｓｄａｌｅｉ）によって最初に報告され、特徴付けられた。

これらの３つの種には、多くの類似点がある具体的には、これらの種は全て、Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ属のＣ１固定、嫌気性、酢酸産生、エタノール産生、かつカカルボキシド栄養性メンバーである。これらの種は、類似した遺伝子型及び表現型、ならびにエネルギー節約及び発酵代謝の様式を有する。さらに、これらの種は、９９％超同一であり、約２２〜３０ｍｏｌ％のＤＮＡ Ｇ＋Ｃ量を有し、グラム陽性であり、類似の形態及びサイズ（０．５〜０．７×３〜５μｍの対数的増殖細胞）を有し、中温性であり（３０〜３７℃で最適に増殖する）、約４〜７．５の類似のｐＨ範囲を有する（理想的ｐＨは約５．５〜６）、シトクロムを有さず、Ｒｎｆ複合体により介してエネルギーを節約する１６Ｓ ｒＲＮＡ ＤＮＡを有するｃｌｏｓｔｒｉｄｉａのｒＲＮＡホモロジー群Ｉにクラスター化される。また、カルボン酸を還元してそれらの対応するアルコールにすることが、これらの種で示されているＰｅｒｅｚ，Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌ Ｂｉｏｅｎｇ，１１０：１０６６−１０７７，２０１２）。重要なことには、これらの種も全て、ＣＯ含有ガスで強力に独立栄養増殖し、主な発酵産物としてエタノール及びアセテート（または酢酸）を産生し、ある特定の条件下で少量の２，３−ブタンジオール及び乳酸を産生することを示す。

しかしながら、これらの３つの種には、いくつかの差異もある。これらの種を次の異なる源から単離した。ウサギの消化管からＣｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ ａｕｔｏｅｔｈａｎｏｇｅｎｕｍ、ニワトリの庭塵芥からＣｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ ｌｊｕｎｇｄａｈｌｉｉ、及び淡水沈殿物からＣｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ ｒａｇｓｄａｌｅｉ。これらの種は、様々な糖類（例えば、ラムノース、アラビノース）、酸（例えば、グルコネート、シトレート）、アミノ酸（例えば、アルギニン、ヒスチジン）、及び他の基質（例えば、ベタイン、ブタノール）の利用の点で異なる。さらに、これらの種は、ある特定のビタミン（例えば、チアミン、ビオチン）に対する栄養要求性の点で異なる。これらの種は、Ｗｏｏｄ−Ｌｊｕｎｇｄａｈｌ経路遺伝子及びタンパク質の核酸及びアミノ酸配列に差異を有するが、これらの遺伝子及びタンパク質の一般的機構及び数は、全ての種で同じであることが見出された（Ｋｏｐｋｅ，Ｃｕｒｒ Ｏｐｉｎ Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌ，２２：３２０−３２５，２０１１）。

したがって、要約すると、Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ ａｕｔｏｅｔｈａｎｏｇｅｎｕｍ、Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ ｌｊｕｎｇｄａｈｌｉｉ、またはＣｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ ｒａｇｓｄａｌｅｉの特質のうちの多くが、その種固有ではないが、むしろＣｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ属のＣ１固定、嫌気性、酢酸産生、エタノール産生、及びカルボキシド栄養性生物メンバーのこのクラスターの一般的特質である。しかしながら、これらの種は実際には異なるため、これらの種のうちの１つの遺伝子改変または操作が、これらの種のうちの別の種に同一の影響を与えない可能性がある。例えば、増殖、性能、または産物産生における差異が、認められ得る。

本発明の微生物は、Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ ａｕｔｏｅｔｈａｎｏｇｅｎｕｍ、Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ ｌｊｕｎｇｄａｈｌｉｉ、またはＣｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ ｒａｇｓｄａｌｅｉの単離菌または変異体由来でもあり得る。Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ ａｕｔｏｅｔｈａｎｏｇｅｎｕｍの単離菌及び変異体には、ＪＡ１−１（ＤＳＭ１００６１）（Ａｂｒｉｎｉ，Ａｒｃｈ Ｍｉｃｒｏｂｉｏｌ，１６１：３４５−３５１，１９９４）、ＬＢＳ１５６０（ＤＳＭ１９６３０）（ＷＯ２００９／０６４２００）、及びＬＺ１５６１（ＤＳＭ２３６９３）が含まれる。Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ ｌｊｕｎｇｄａｈｌｉｉの単離菌及び変異体には、ＡＴＣＣ ４９５８７（Ｔａｎｎｅｒ，Ｉｎｔ Ｊ Ｓｙｓｔ Ｂａｃｔｅｒｉｏｌ，４３：２３２−２３６，１９９３）、ＰＥＴＣＴ（ＤＳＭ１３５２８，ＡＴＣＣ ５５３８３）、ＥＲＩ−２（ＡＴＣＣ ５５３８０）（ＵＳ５，５９３，８８６）、Ｃ−０１（ＡＴＣＣ ５５９８８）（ＵＳ６，３６８，８１９）、Ｏ−５２（ＡＴＣＣ ５５９８９）（ＵＳ６，３６８，８１９）、及びＯＴＡ−１（Ｔｉｒａｄｏ−Ａｃｅｖｅｄｏ，Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｂｉｏｅｔｈａｎｏｌ ｆｒｏｍ ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｇａｓ ｕｓｉｎｇ Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ ｌｊｕｎｇｄａｈｌｉｉ，ＰｈＤ ｔｈｅｓｉｓ，Ｎｏｒｔｈ Ｃａｒｏｌｉｎａ Ｓｔａｔｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，２０１０）が含まれる。Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ ｒａｇｓｄａｌｅｉの単離菌及び変異体には、ＰＩ １（ＡＴＣＣ ＢＡＡ−６２２，ＡＴＣＣ ＰＴＡ−７８２６）（ＷＯ２００８／０２８０５５）が含まれる。

「基質」は、本発明の微生物のための炭素源及び／またはエネルギー源を指す。典型的には、基質はガス状であり、Ｃ１炭素源、例えば、ＣＯ、ＣＯ_２、及び／またはＣＨ_４を含む。基質が、ＣＯまたはＣＯ＋ＣＯ_２のＣ１炭素源を含むことが好ましい。基質は、Ｈ_２、Ｎ_２、または電子等の他の非炭素構成成分をさらに含み得る。

基質は、一般的に、約１、２、５、１０、２０、３０、４０、５０、６０、７０、８０、９０、または１００ｍｏｌ％のＣＯ等の少なくともいくらかの量のＣＯを含む。基質は、約５〜７０、２０〜８０、３０〜７０、または４０〜６０ｍｏｌ％のＣＯ等のＣＯの範囲を含み得る。基質は、約４０〜７０ｍｏｌ％のＣＯ（例えば、製鋼工場ガスまたは溶鉱炉ガス）、約２０〜３０ｍｏｌ％のＣＯ（例えば、塩基性酸素転炉ガス）、または約１５〜４５ｍｏｌ％のＣＯ（例えば、合成ガス）を含むことが好ましい。いくつかの実施形態では、基質は、約１〜１０または１〜２０ｍｏｌ％のＣＯ等の比較的少ない量のＣＯを含み得る。本発明の微生物は、本発明の微生物は、典型的には、基質中のＣＯの少なくとも一部分を変換して産物にする。いくつかの実施形態では、基質は、ＣＯを含まないか、または実質的に含まない（１ｍｏｌ％未満）。

基質は、いくらかの量のＨ_２を含み得る。例えば、基質は、約１、２、５、１０、１５、２０、または３０ｍｏｌ％のＨ_２を含み得る。いくつかの実施形態では、基質は、約６０、７０、８０、または９０ｍｏｌ％のＨ_２等の比較的多い量のＨ_２を含み得る。さらなる実施形態では、基質は、Ｈ_２を含まないか、または実質的に含まない（１ｍｏｌ％未満）。

基質は、いくらかの量のＣＯ_２を含み得る。例えば、基質は、約１〜８０または１〜３０ｍｏｌ％のＣＯ_２を含み得る。いくつかの実施形態では、基質は、約２０未満、１５、１０、または５ｍｏｌ％のＣＯ_２を含み得る。別の実施形態では、基質は、ＣＯ_２を含まないか、または実質的に含まない（１ｍｏｌ％未満）。

基質は、典型的にはガス状であるものの、基質は、代替形態でもたらされてもよい。例えば、基質を、微小気泡分散生成器を使用して、ＣＯ含有ガスで飽和された液体に溶解してもよい。さらなる例として、基質を、固体支持体上に吸着させてもよい。

基質及び／またはＣ１炭素源は、工業プロセスの副生成物として、または自動車排気煙霧もしくはバイオマスガス化から等の何らかの他の供給源から得られる廃ガスであってもよい。ある特定の実施形態では、工業プロセスは、製鋼工場製造等の鉄合金製品製造、非鉄鉄合金製品製造、石油精製プロセス、石炭ガス化、電力生産、カーボンブラック生成、アンモニア生成、メタノール生成、及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、基質及び／またはＣ１炭素源は、大気に放出される前に、任意の従来の方法を使用して工業プロセスから捕捉される。

基質及び／またはＣ１炭素源は、石炭または精製所塔底物のガス化、バイオマスまたはリグノセルロース物質のガス化、または天然ガスの改質で得られる合成ガス等の合成ガスであり得る。別の実施形態では、合成ガスは、一般廃棄物または産業廃棄物のガス化から得ることができる。

基質の組成は、反応の効率及び／または費用に大きな影響を与え得る。例えば、酸素（Ｏ_２）が存在すると、嫌気性発酵プロセスの効率が低減し得る。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（例えば、ＨＣＮ、アセチレン）等の任意の望ましくない汚染物質、望ましくない構成成分、または塵粒を除去し、かつ／または望ましい構成成分の濃度を上昇させることが望ましい場合がある。例えば、ガス状Ｃ１含有基質を、既知の方法を使用して、濾過する（活性炭素等の固体媒体と接触させる）か、またはスクラブ（酸、塩基、酸化剤、もしくは還元剤の水溶液等の液体媒体と接触させる）してもよいか、あるいはさもなければ、吸着に供して、優先的に吸着する汚染物質を除去してもよい。具体的には、圧力スイング吸着法（ＰＳＡ）及び／または温度スイング吸着法（ＴＳＡ）を使用して、シアン化水素（ＨＣＮ）、ならびにベンゼン、トルエン、及び／またはキシレン（ＢＴＸ）を含む芳香族化合物等の、カルボキシド栄養性細菌の働きにとって有害な汚染物質を除去することができる。そのような汚染物質がカルボキシド栄養性細菌の増殖に悪影響を与え得る程、基質が汚染物質を含まない（例えば、１つ以上の汚染物質（複数可）が、同じ条件ではあるが、汚染物質（複数可）を含まない条件下での増殖率と比較して、所与の一組の条件下で１０％超減少するような濃度または量で存在しないことが好ましい。

本発明の代表的な実施形態が、Ｃ１炭素源及びＣ１固定細菌の使用を開示するが、本発明の態様は、透過液流及びブリード流の両方がバイオリアクタから取り出される任意の生物的変換プロセスに該当すると見なされる。

より広い本発明の態様は、非ガス状発酵プロセス、ならびに発酵プロセスに適用可能な微生物及び供給原料を捕捉することが意図される。

特定の態様では、非ガス状基質は、炭水化物基質であり、細菌は、炭水化物基質中の炭素基質を固定することができる細菌である。炭水化物基質を、エタノールを含む産物に変換するプロセスが、知られている。炭水化物供給原料としては、糖類（例えば、グルコース、スクロース、フルクトース、キシロース、アラビノース、及びグリセロール）セルロースと、バイオマス（例えば、トウモロコシデンプン、サトウキビ、トウモロコシわら及びサトウキビ搾りかす等の作物塔底物、意図的に育てられた飼料用農作物、ならびに木材植物バイオマスと、が挙げられ得る。

特定の態様では、発酵プロセスに適用可能な微生物は、酵母、真菌、藻類、藍藻類、または細菌からなる群から選択される。発酵プロセスに適用可能な例示的な細菌としては、Ｅｓｃｈｅｒｉｃｈｉａ ｃｏｌｉ、Ｋｌｅｂｓｉｅｌｌａ ｏｘｙｔｏｃａ、Ｂａｃｉｌｌｕｓ ｓｕｂｔｉｌｕｓ、Ｚｙｍｏｍｏｎａｓ ｍｏｂｉｌｉｓ、Ｌａｃｏｔｏｃｏｃｃｕｓ ｌａｃｔｉｓ、及びＣｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ ａｃｅｔｏｂｕｔｙｌｉｃｕｍが挙げられる。真菌の例示的な酵母としては、Ｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ属、Ｃａｎｄｉｄａ属、Ｌｉｐｏｍｙｃｅｓ属、Ｒｈｏｄｏｓｐｏｒｉｄｉｕｍ属、Ｒｈｏｄｏｔｏｒｕｌａ属、及びＹａｒｒｏｗｉａ属の種が挙げられる。

酢酸である酸性代謝物の文脈において、用語「酢酸」または「アセテート」は、アセテートのアニオン（解離）形態（すなわち、アセテートイオンもしくはＣＨ_３ＣＯＯ⁻として）、または遊離分子酢酸（ＣＨ_３ＣＯＯＨ）の形態でのいずれかで、これらの形態がその系のｐＨに左右される比率で、培養培地中に存在する総アセテートを指す。用語「乳酸」及び「ラクテート」は、培養培地中に存在する総ラクテートを指すのに類似的に使用される。以下に記載されるように、水性水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）等の塩基性中和剤を使用して、例えば、酢酸及び任意で他の少量の酸性成分を中和することによって、（例えば、ｐＨ＝４．０〜ｐＨ＝８．０であってもよいｐＨ値に）所与のバイオリアクタ中の培養培地のｐＨを制御することができる。本明細書に記載されるプロセスを実行するために、バイオリアクタが維持される代表的なｐＨ範囲は、約４．５〜約６．５等の約４．５〜約７．０である。

本発明を実施する際に特に有用なバイオリアクタの特定の種類は、ライザ内の比較的低い密度の区域と、１つ以上の内部または外部ダウンカマ内の比較的高い密度の区域との間の密度勾配に依存する循環ループ反応器である。ライザ分及びダウンカマ区域の両方共に、連続液相領域内の液体培養培地が含まれるが、ガス状Ｃ１含有基質は、通常ライザ区域の下部内へのみ分配（スパージ）される。上昇ガス気泡は、連続液相領域を通るそれらの上向きの移動の間、どの消費されず溶解しなかったガスも液体レベルより上の連続気相領域（すなわち、蒸気空間またはヘッドスペース）内に放出されるまで、この区域に閉じ込められる。内部液体ダウンカマまたは外部液体ダウンカマのいずれかを通る下向きの液体循環は、任意のループポンプによって引き起こされ得るか、または補助され得る。

用語「バイオリアクタ」及び「バイオリアクタシステム」の一部として含まれ得る任意のバイオリアクタは、循環ループ反応器に限定されず、より広くは、プロセスが一般的に嫌気的に行われる程度まで発酵プロセスとも称され得る、本明細書に記載される生物学的プロセスを実行するために使用され得るＣ１固定細菌を含む培養培地の液体体積を維持するための任意の好適な槽、または槽内の区域を含む。特定の種類のバイオリアクタには、２つの相（ガス／液体）を接触させるのに好適な任意の槽、例えば、向流反応器（例えば、蒸気相が上向きに流れ、液相が下向きに流れる）、または並流反応器（例えば、気相及び液相が上向きに流れる）が含まれ得る。そのような２相が接触する槽においては、ガス気泡が液体の移動するカラムを通って流れる場合のように、液相が連続相であり得る。さもなければ、（例えば、液滴の形態の）分散した液体が蒸気空間を通って流れる場合のように、蒸気相が連続相であり得る。いくつかの実施形態では、バイオリアクタの異なる領域を使用して、連続液相及び連続気相を収容することができる。

バイオリアクタの具体的な例としては、連続撹拌槽型反応器（ＣＳＴＲ）、固定化細胞反応器（ＩＣＲ）、トリクルベッド反応器（ＴＢＲ）、移動床生物膜反応器（ＭＢＢＲ）、気泡塔、ガスリフト発酵槽、及び中空繊維膜バイオリアクタ（ＨＦＭＢＲ）等の膜反応器が挙げられる。好適なバイオリアクタには、（例えば、生物的変換プロセスを実行するのに好ましい溶解及び物質移行動態で）ガス状Ｃ１含有基質と、培養培地、具体的には該培養培地内に含有されるＣ固定細菌と、を接触させるのに好適な静的混合器、または他の槽及び／もしくはデバイス（例えば、塔または配管配置）が含まれ得る。バイオリアクタシステムは、異なる種類の２つ以上のバイオリアクタを備え得るが、一般に、バイオリアクタシステムの全てのバイオリアクタが、１種類のバイオリアクタ（例えば、循環ループ反応器）である。

いくつかの好適なプロセス流、動作パラメータ、及び本明細書に記載の生物学的プロセスで使用するための機器は、米国特許出願公開第ＵＳ２０１１／０２１２４３３号に記載され、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。本明細書に記載のバイオリアクタシステムの１つ以上のバイオリアクタ、例えば、全てのバイオリアクタは、過圧、例えば、通常、約５０ｋＰａｇ（この表記法では、「ｋＰａｇ」は、ｋＰａゲージ圧の単位を示すことを意味する）〜約１，０００ｋＰａｇの範囲、多くの場合約２００ｋＰａ〜約８００ｋＰａｇの範囲の圧力を有し得る。本明細書に記載のバイオリアクタシステムの１つ以上のバイオリアクタ、好ましくは全てのバイオリアクタは、Ｃ１固定細菌の活力及び増殖に好適な発酵ブロス温度を有する。代表的な温度は、約２５℃〜約４５℃、より典型的には、約３０℃〜約４０℃の範囲である。

本明細書に記載されるように、液体注入及び吐出の流れに対して直列で動作し、同様にガス状供給物及び産物の流れに対して並列で動作する複数のバイオリアクタを有するバイオリアクタシステムは、好ましい全体的Ｃ１利用率をもたらすことができる。全体的Ｃ１利用率は、バイオリアクタシステムに注入され（例えば、バイオリアクタに供給されたＣ１含有基質中の総Ｃ１炭素源）、発酵産物（複数可）（例えば、エタノールまたはイソプロパノール）及び細菌の他の代謝物への変換で利用されたＣ１のパーセンテージを指す。バイオリアクタシステムから取り出したガス状産物（すなわち、バイオリアクタ（複数可）から取り出した合わせたガス排出口流（複数可））の合わせた組成が、既知であるか、または（例えば、ガス排出口流（複数可）の流量及び組成に基づいて）計算することができる場合、全体的ＣＯ利用率を、次のように計算することができる。
１−（システムから取り出されたＣＯの割合）／（システムに供給されたＣＯの割合）。

全体的ＣＯ利用率は、より高い総利用率値をもたらし得るガス状産物再循環（及び追加の犠牲）の使用は考慮に入れずに、「１回の通過当たり」または「１回の通り抜け」に基づいて決定される。代表的な実施形態では、Ｃ１固定細菌によるＣＯ利用率は、一般的に少なくとも約３５％（例えば、約３５％〜約８５％）、典型的に少なくとも約５０％（例えば、約５０％〜約８０％）、多くの場合、少なくとも約６０％（例えば、約６０％〜約７５％）である。場合によっては、ＣＯ利用率は、少なくとも約７０％であり得る。

図１は、第１のバイオリアクタ１０及び第２のバイオリアクタ２０を備える代表的なバイオリアクタシステム１００を描写する。示されるように、バイオリアクタシステム１００へのＣＯ含有基質１２は、別々の第１のバイオリアクタガス注入口流１４及び第２のバイオリアクタガス注入口流１４′に分けられ、これらは、第１及び第２のバイオリアクタ１０、２０の底部近くに位置付けられたそれらのそれぞれのガス注入口１６、１６′を通して、第１及び第２のバイオリアクタ１０、２０にそれぞれ供給される。ガス注入口流１４、１４′は、ガス注入口１６、１６′に位置付けられ、かつバイオリアクタ１０、２０のそれぞれの連続液相領域１８、１８′内にＣＯ含有基質の細かい気泡（図示せず）を生成するように構成され、それにより、気体／液体物質移動を向上させるスパージャ等のそれぞれのガス分配器を通して供給され得る。

上述のように、バイオリアクタ１０、２０の連続液相領域１８、１８′の細菌濃度を、液体の濾過された部分及び濾過されていない部分を取り出すことができる手段を提供することにより、（様々な液体産物取り出し速度に対応する）様々なレベルのエタノール産生能で維持することができる。図１に描写される実施形態では、連続液相領域１８と流体連通している第１のバイオリアクタ濾過システム２５により、濾過され、Ｃ１固定細菌を実質的に含まない中間透過液流２８を取り出すことが可能になる。第１のバイオリアクタ濃縮水流３６により、濾過された細菌が第１のバイオリアクタ１０に戻ることが可能になる。したがって、第１のバイオリアクタ１０から取り出された液体産物は、中間透過液流２８及び中間ブリード流２６の両方を含み得る。この中間ブリード流２６は、濾過されておらず、第１のバイオリアクタ１０の連続液相領域１８内の発酵ブロスと実質的に同じ濃度のＣ１固定細菌（バイオマス）を含有する。中間ブリード流２６及び中間透過液流２８として第１のバイオリアクタ１０から引き出された中間液体産物３２の相対量を、所望のバイオマス濃度及び所望の産物（例えば、エタノールまたはイソプロパノール）の速度を維持する目標を満たすように制御することができる。同じ様式で、連続液相領域１８′と流体連通している第２のバイオリアクタ濾過システム２５′により、ブリード流４０及び透過液流５０をバイオリアクタシステム１００の最終バイオリアクタから取り出し、第２のバイオリアクタ濃縮水流３６’を第２のバイオリアクタ２０の連続液相領域１８′に戻すことが可能になる。

細菌増殖を維持するための栄養を供給し、かつ第１のバイオリアクタ１０から取り出される、全てまたは一部が第２のバイオリアクタ２０に渡され得る中間液体産物３２の失われた液体体積を置換するために、培養培地注入口３４を通してバイオリアクタシステム１００、具体的には、第１のバイオリアクタ１０に液体培養培地を供給することができる。任意で、液体培養培地も同様に、第２のバイオリアクタ２０に続く別個の培養培地注入口３４′を通してバイオリアクタシステム１００に供給することができる。任意で、中間体ブリード流２６及び／または中間体透過液流２８の一部を、第２のバイオリアクタ２０に渡さずに、（例えば、プロセス監視及び分析のために）バイオリアクタシステム１００から取り出してもよい。

ガス排出口流３８、３８′を、それぞれの連続気相領域２２、２２′と流体連通している、培養培地及びＣ１固定細菌を含む（すなわち、発酵ブロスを含む）連続液相領域１８、１８′の上部のバイオリアクタヘッドスペース体積を構成する導管から取り出してもよく、Ｃ１含有基質は、この導管を分散気相として通る。ガス排出口流３８、３８′を、バイオリアクタシステム１００から別々に取り出してもよいか、または、図１の実施形態に例示されるように、これらのガス排出口流を合わせて、次いでガス状産物排出口２４として取り出してもよい。ガス排出口流、またはさもなければガス状産物排出口２４は、（ｉ）代謝されずに（すなわち、生物的変換プロセスで消費されずに）発酵ブロスを通過する未反応Ｃ１構成成分、（ｉｉ）生物的変換プロセスに実質的に関与しない（すなわち、該プロセスに対して実質的に不活性な）Ｃ１含有基質の構成成分（例えば、Ｎ_２）、（ｉｉｉ）生物的変換プロセスの代謝物として産生されたＣＯ_２、（ｉｖ）水性培養培地由来の水蒸気、及び（ｖ）少量または微量存在するＣ１含有基質の様々な構成成分（例えば、Ｈ_２、Ｈ_２Ｓ、ＮＨ_３、ＨＣＮ）、のうちの１つ以上、例えば、これら全てを含み得る。

したがって、図１は、ガス状Ｃ１含有基質１２が並列で第１及び第２のバイオリアクタ１０、２０に供給され得るバイオリアクタシステム１００を描写し、Ｃ１固定細菌（バイオマス）を含み得る液体産物は、第１のバイオリアクタ１０から第２のバイオリアクタ２０に連続的に供給されてもよい。図１の実施形態では、ブリード流４０及び透過液流５０がバイオリアクタシステム１００から取り出される最終バイオリアクタは、すなわち、第２のバイオリアクタ２０である。追加のバイオリアクタ（例えば、３つまたは４つのバイオリアクタ）、厳密に言えば、第１のバイオリアクタの下流、かつ最終バイオリアクタの上流にある１つ以上の中間バイオリアクタを有するバイオリアクタシステムを有する代替実施形態では、ガス状及び液体供給物は、類似した様式でそのような中間バイオリアクタに導入されてもよく、ガス状及び液体産物は、類似した様式でそのような中間バイオリアクタから取り出されてもよい。中間ブリード流及び透過液流を含む中間液体産物は、類似した様式で、連続する中間バイオリアクタに渡されてもよく、かつそれから渡されてもよい。一般に、バイオリアクタシステム１００の１つ以上の代謝物産物（例えば、エタノール）は、図１の実施形態では第２のバイオリアクタ２０から取り出されたブリード流４０及び透過液流５０等の、最終バイオリアクタから取り出されたブリード流及び透過液流、またはそれらの一部分から回収される。任意で、そのような代謝物産物は、最終バイオリアクタ以外の１つ以上のバイオリアクタから取り出したブリード流及び／もしくは透過液流、またはそれらの一部分からも回収され得る。

したがって、図１は、代表的なバイオリアクタシステムに注入される様々な供給流と、該システムから取り出される産物流と、を図式的に例示する。本発明の実施形態には、（ｉ）塩基性中和剤（例えば、ＮＨ_４ＯＨもしくはＮａＯＨ）及び／または消泡剤を含む添加剤、（ｉｉ）動作パラメータ（例えば、ｐＨ、温度、及び／または発酵ブロスの液体レベル）を制御するための制御システム（例えば、フィードバック制御ループ）、ならびに関連機器、器具、及びソフトウェア、（ｉｉｉ）相間物質移動を向上させるための外部バイオリアクタ再循環ループ、（ｉｖ）相間物質移動を向上させるための、連続液相領域内の内部バイオリアクタ構造物（例えば、水平板及び／もしくはパッキン材料）、ならびに／または連続蒸気相領域内の内部バイオリアクタ構造物（例えば、シャワーヘッド等の液体分配器）、（ｖ）連続的にプロセスを監視し、かつ／または自動的に制御するための直結サンプリングシステム、ならびに／あるいは（ｖｉ）バイオリアクタから取り出した液体産物（複数可）の、上流のバイオリアクタへの再循環の使用等の、図１には示していない他の特徴が含まれ得る。

本発明の実施形態に従う、エタノール等の代謝物産物の回収は、図２を参照してより詳細に記載される。示されるように、バイオリアクタシステム１００（図１）から取り出され、このシステムの液体産物の濾過から得られる透過液流５０の全てまたは一部は、ディバイダ８０を備える低圧分離器７０に供給される。

透過液流５０とは異なり、ブリード流４０は、Ｃ１固定細菌（バイオマス）を含み、液体産物は上流バイオリアクタから下流バイオリアクタに連続的に通過するため、ブリード流４０中のバイオマスの少なくとも一部分、または全てが、第１のバイオリアクタ（例えば、図１のバイオリアクタ１０）に元々含まれているバイオマスであり得る。一般に、ブリード流４０は、バイオマスを含む（例えば、濾過されていない液体産物としての）発酵ブロスを含む、バイオリアクタシステム１００から取り出された任意の液体産物であり得、透過液流５０は、バイオマスを実質的に含まない濾過された液体産物を含む、バイオリアクタシステム１００から取り出された任意の液体産物であり得る。例えば、ブリード流４０と透過液流５０は共に、あるバイオリアクタから次のバイオリアクタへの液体産物の流動に関して、第１のバイオリアクタの下流に配設された後続のバイオリアクタ（例えば、バイオリアクタシステム１００の第２のバイオリアクタ２０）から得られた液体産物であることが好ましい。ブリード流４０及び透過液流５０はそれぞれ、バイオリアクタシステム１００から直接得られた濾過されていない液体産物、及び濾過された液体産物であり得るか、またはさもなければ、（ｉ）（例えば、バイオマスを除去するための濾過以外の）分離をして、例えば、同じもしくは異なる組成の流れにし、かつ／または（ｉｉ）（例えば、他のプロセス流もしくは控えめな添加剤と）混合した後の、濾過されていない液体産物、及び濾過された液体産物であり得る。

バイオマスが存在するため、透過液流５０に対して行われる分離プロセスとは異なり、ブリード流４０に対して行われる分離プロセスは、分離機器の汚損を低減するように、比較的より低い温度で有利に実行される。したがって、ブリード流４０が供給される低圧分離器７０の最高温度は、ブリード流４０の不存在下では、透過液流５０が供給される高圧分離器６０の最高温度未満である。ある実施形態では、ブリード流４０が供給される低圧分離器の最高温度は、約５５℃〜約９５℃、例えば、約６０℃〜約８０℃である。同じまたは代替の実施形態によれば、高圧分離器６０の最高温度は、約９５℃〜約１２５℃、または約１００℃〜約１２０℃である。一般に、高圧分離器６０に関連する少なくとも１つの材料流の温度は、低圧分離器７０に関連する少なくとも１つの材料流の温度を超えることができ、その結果、熱が前者から後者に伝達され得る。特定の実施形態によれば、高圧分離器６０の最低温度、例えば、高圧分離器凝縮器７５の温度は、低圧分離器７０の最高温度、例えば、低圧分離器ブリードリボイラ４５及び／または低圧分離器透過液リボイラ５５、またはさもなければ、例えば、単一のリボイラが低圧分離器ブリード排出口流７１及び低圧分離器透過液排出口流７７の両方の部分的蒸発のために使用される場合、単に低圧分離器リボイラの温度よりも高くてもよい。

普通ならブリード流及び透過液流４０、５０は水及び回収される同じ代謝物産物（複数可）を含むため、かつ高圧分離器及び低圧分離器６０、７０の動作温度に関して上述される差異を考慮すると、相対揮発性の差異に基づく分離を使用するには、透過液流に関して使用される圧力と比較して、ブリード流に対するそのような分離を行うためには、比較的より低い絶対圧力が必要である。ある実施形態では、低圧分離器７０は、ほぼ大気圧、例えば、約５０ｋＰａ〜約１５０ｋＰａ絶対圧力または約５０ｋＰａ〜約１００ｋＰａ絶対圧力である絶対気圧を有する。同じまたは代替の実施形態では、高圧分離器６０は、低圧分離器の絶対圧力よりも高いが、最終バイオリアクタが動作する圧力よりも低い絶対圧力を有し得る。例えば、高圧分離器は、約１５０ｋＰａ〜約６５０ｋＰａ絶対圧力または約１５０ｋＰａ〜約５００ｋＰａ絶対圧力の圧力を有し得る。あるいは、低圧分離器７０は真空圧、すなわち、大気圧を下回る絶対圧力、例えば、約２０ｋＰａ〜約９０ｋＰａ絶対圧力または約３０ｋＰａ〜約９０ｋＰａ絶対圧力を有してもよい。

図２の実施形態では、ブリード流４０、またはその少なくとも一部分は、透過液流５０と一緒に低圧分離器７０（例えば、透過液とブリードを合わせた低圧蒸留カラム）に供給される。低圧分離器塔頂留出物６２は、上述のように、（例えば、蒸気画分として）取り出され、ブリード流４０と透過液流５０の両方と比較して、エタノールに富む。低圧分離器７０内にディバイダ８０が存在するため、ブリード流４０及び透過液流５０は、液体レベルが下方区域で単離され得る一方で、これらの液体レベルから揮発されたガス状画分（すなわち、この液体レベルは、それぞれのガス状画分の揮発後に残る、すなわちブリード流及び第２の透過液部分の液体画分である）が、上方区域で合わせられ得る様式で、低圧分離器７０で同時に処理され得る。このように、低圧分離器塔頂留出物６２は、ブリード流４０及び透過液流５０’’の両方から分離されたエタノールを含む。

より具体的には、ディバイダ８０は、低圧分離器７０の下方区域で、透過液流５０の液体画分８４からブリード流４０の液体画分８２を単離する（例えば、液密の様式で分離する）ように構成されている。同様に、ディバイダ８０も、低圧分離器７０の上方区域Ｂに、ブリード流４０と透過液流５０とを合わせたガス状画分８６を提供するように構成されている。したがって、ブリード流４０の液体画分８２は、ブリード流４０と流体連通している第１の液体体積を提供し、透過液流５０の液体画分８４は、透過液流５０と流体連通している第２の液体体積を提供する。特定の実施形態によれば、第１の体積は、第２の体積よりも小さくてもよいか、または大きくてもよく、不均一な体積が、少なくとも部分的に、低圧分離器７０内の中心ではない位置に位置付けられた、（例えば、低圧分離器の中心垂直軸がディバイダからずれていて、結果として該中心垂直軸とディバイダが交差しない様式で位置付けられた）ディバイダ８０によって収容され得る。代謝物産物の高産生能がブリード流と比較して透過液流の流量の増加を一方向にもたらす特定の実施形態によれば、第１の体積は、第２の体積より小さくてもよく、ディバイダは、ブリード流４０が低圧分離器７０に入る位置に向かって偏った方向に、中心垂直軸からずれていてもよい。

一実施形態によれば、ディバイダ８０は、その軸方向高さより低い（例えば、低圧分離器７０の軸方向高さの５０％未満、または３０％未満の）、低圧分離器７０の高さまで延在する、垂直に配向された板の形態である。しかしながら、ディバイダ８０の特定の構造にかかわらず、ブリード流４０と透過液流５０とを合わせたガス状画分８６は、低圧分離器塔頂留出物６２と流体連通しているガス状体積を提供することができる。また、図２の実施形態によれば、低圧分離器ブリード塔底物６４と低圧分離器透過液塔底物６６は共に、低圧分離器７０から取り出され得る。上記の説明を考慮すれば、低圧分離器ブリード塔底物６４は、ブリード流４０の液体画分８２を含み得るかまたはそれから本質的になり得、低圧分離器透過液塔底物６６は、透過液流５０の液体画分８４を含み得るかまたはそれから本質的になり得、したがって、ブリード流４０の液体画分８２は、ブリード流４０及び低圧分離器ブリード塔底物６４と流体連通している上述の第１の液体体積を提供し得、かつ／または透過液流５０の液体画分８４は、上述のように、透過液流５０及び低圧分離器透過液塔底物６６と流体連通している第２の液体体積を提供し得る。

有利に、透過液流５０を、同様にバイオリアクタシステム１００（図１）から取り出されたブリード流４０の少なくとも一部分と一緒に処理すると、全体的なプロセス熱統合が向上する。特定の実施形態では、熱統合は、低圧分離器７０に入るブリード流４０の流量に少なくとも部分的に基づいて、透過液流５０の流量と、低圧分離器７０とを関連付けるか、または透過液流５０の流量に合わせて低圧分離器７０を調節することに基づく。例えば、ブリード流４０の流量を増加させると、それに伴い、透過液流５０の流量も増加し得、任意で、透過液流５０の流量は、ブリード流４０の流量の測定値に基づいて制御される。あるいは、熱統合は、代謝物産物（例えば、エタノール）のより高い産生能での、ブリード流と透過液流とを合わせた流量への、透過液流の流量の相対的により大きい寄与の主要因であり得る。

図３に描写されるさらなる実施形態では、透過液流５０の全てまたは一部分は、分割されて、少なくとも第１の透過液部分５０′及び第２の透過液部分５０′′ になる。第２の透過液部分５０’’は、上で図２に関して説明されるように、ブリード４０と一緒に低圧分離器７０に供給される。第１の透過液部分５０’は、高圧分離器６０に供給される。したがって、透過液流の分割は、この流れを少なくとも２つの部分、多くの場合、２つの部分にのみ分割することを指す。「分割」は、透過液流を分ける前、かつ／または分けた後の任意のステップを使用することを排除せず、このステップは、透過液流及び／またはその分離された部分の組成に影響を及ぼし得るか、または及ぼし得ない。そのような任意のステップには、例えば、（ｉ）（例えば、サンプリングの目的のために）１つ以上の追加の部分（例えば、第３の部分）を、透過液流及び／またはその分離された部分から分離すること、ならびに／あるいは（ｉｉ）透過液流及び／またはその分離された部分と、他の流れ及び／または控えめな添加剤（例えば、界面活性剤またはＮＨ_４ＯＨもしくはＮａＯＨ等の中和剤）と混合することが含まれる。しかしながら、いくつかの実施形態では、バイオリアクタシステムから取り出された透過液流を、分割してその分離された部分にし、透過液流またはその部分のいずれも上記の（ｉ）及び／または（ｉｉ）に供されることなく、高圧分離器及び低圧分離器に供給させてもよい。

高圧分離器６０に入る第１の透過液部分５０′の相対流量、及び低圧分離器７０に入る第２の透過液部分５０′′ の相対流量は、ブリード流４０と透過液流５０とを合わせた流量と関連して、透過液流５０の総流量に基づき得るか、または該総流量に従って調節され得る。例えば、ブリード流４０と透過液流５０とを合わせた流量と関連して透過液流５０の総流量を増加させると、それに伴い、第２の透過液部分５０′′ と比較して第１の透過液部分５０′の流量も増加し得、任意で、第１の透過液部分５０′及び第２の透過液部分５０」は、ブリード流４０と透過液流５０とを合わせた流量に関連して、透過液流５０の測定総流量に基づいて制御される。上述の制御スキームのうちのいずれかでは、制御は、１つ以上の測定した流量に基づいて、例えば、フィードバック制御ループを使用して、第１の透過液部分５０′及び／または第２の透過液部分５０′′の流量を調節、すなわち、分割することにより、手動でまたは自動的に行われ得る。

高圧分離器及び低圧分離器６０、７０を使用して、相対揮発性の差異に基づいて、ブリード流及び透過液流４０、５０から代謝産物（例えば、エタノール）を精製してもよい。エタノールを精製する場合、この代謝物は、上述のように、水、ならびに酢酸及び２，３−ブタンジオール等の他の代謝物よりも相対的により揮発性であり得る。したがって、エタノールは、高圧分離器６０に供給される透過液流５０、及び／または低圧分離器７０に供給されるブリード流４０中のエタノール濃度と比較して、高圧分離器及び／または低圧分離器６０、７０から取り出された塔頂留出物蒸気中に豊富に含まれ得る（すなわち、より高い濃度で存在し得る）。同様に、エタノールは、高圧分離器６０に供給される透過液流５０、及び／または低圧分離器７０に供給されるブリード流４０中のエタノール濃度と比較して、高圧分離器及び／または低圧分離器６０、７０から取り出された塔底物液体において失われている（すなわち、より低い濃度で存在する）場合がある。高圧分離器及び低圧分離器６０、７０には、実質的に単一の理論蒸気／液体平衡段階に基づいて分離を行うフラッシュドラムが含まれる。しかしながら、高圧分離器及び低圧分離器６０、７０は、任意で、熱注入及び熱出力（例えば、リボイラ熱注入及び凝縮器熱出力）、塔頂留出物蒸気及び塔底物液体還流、ならびに多孔板及び／またはパッキン材料等の内部構造物を使用して、複数の理論蒸気／液体平衡段階に基づいて分離を行う蒸留カラムであることが好ましい。高圧分離器及び低圧分離器６０、７０は、複数の蒸気／液体平衡段階に基づいて分離を行うことに加えて、いくつかの実施形態では、（ストリップ塔の場合）上向きに流れる補助的なガス流の注入で、またはあるいは、（吸収剤塔の場合）下向きに流れる補助的な液体流の注入で、動作し得る。

第１の透過液部分５０′は、第１の透過液部分５０′を分離または分画して、少なくとも高圧分離器塔頂留出物６８及び高圧分離器塔底物５２にし、それにより、高圧分離器塔頂留出物６８がエタノールに富み、高圧分離器塔底物５２が、透過液流５０と比較してエタノールが失われるように、高圧分離器６０（例えば、高圧透過液蒸留カラム）で処理され得る。したがって、高圧分離器塔頂留出物６８と高圧分離器塔底物５２は共に、高圧分離器６０から取り出されてもよい。図３の実施形態に従って、高圧分離器塔底物５２及び低圧分離器塔底物６６の流れの両方が透過液流５０と比較して水に富むように、高圧分離器塔底物５２を低圧分離器透過液塔底物６４と合わせてもよい。純透過液塔底物５４は、（例えば、培養培地の調製において使用されることにより）バイオリアクタシステム１００に再循環され得るかまたは廃水処理プロセスに送られ得る。同様に、エタノールは、高圧分離器６０に入る透過液流５０、及び／または低圧分離器７０に入るブリード流４０中のエタノール濃度と比較して、高圧分離器及び／または低圧分離器６０、７０から取り出された塔底物液体中において、失われている場合がある（すなわち、より低い濃度で存在し得る）。

図３の実施形態に例示されるように、高圧分離器６０（例えば、高圧蒸留カラム）と低圧分離器７０（例えば、低圧蒸留カラム）は共に、一般的に、塔頂留出物凝縮器及び塔底物リボイラを含む。図２及び３を参照して上述されるように低圧分離器７０がその内部にディバイダ８０を有する場合、低圧分離器ブリードリボイラ４５は、低圧分離器透過液リボイラ５５とは別個のものであってもよい。あるいは、単一の低圧分離器リボイラが使用されてもよい。これらの低圧分離器リボイラ４５、５５または組み合わせたリボイラは、低圧分離器凝縮器６５と共に、そのようなリボイラ内に熱消費部位、及びそのような凝縮器内に熱生成部位を提供する。図３に例示されるように、高圧分離器凝縮器７５も、熱生成部位を提供し、高圧分離器リボイラ８５も、熱消費部位を提供する。高圧分離器６０と低圧分離器７０との間の動作温度の差異の見地から、熱は、例えば、冷却水、または凝縮器及びリボイラそれぞれの必要な冷却もしくは加熱の任務を提供するための流れ等の好適な熱伝達媒体を使用することにより、これらの分離器間で伝達され得、運転費用を低減させることができる有利な熱統合をもたらす。

図２及び３に例示されるように、塔頂留出物凝縮器及び塔底物リボイラの使用の見地から、以下のうちの１つ以上が可能であり得る。（ｉ）低圧分離器塔頂留出物６２は、低圧分離器塔頂留出物還流部分６３に加えて、低圧分離器７０から取り出された低圧分離器蒸気排出口流６７から分離され得ること、（ｉｉ）低圧分離器ブリード塔底物６４は、低圧分離器ブリード液体還流部分６９に加えて、低圧分離器７０から取り出された低圧分離器ブリード液体排出口流７１から分離され得ること、（ｉｉｉ）低圧分離器透過液塔底物６６は、低圧分離器透過液液体還流部分７３に加えて、低圧分離器７０から取り出された低圧分離器透過液液体排出口流７７から分離され得ること。塔頂留出物凝縮器及び塔底物リボイラの使用にさらに起因して、以下の特定の流動スキームうちの１つ以上も可能であり得る。（ｉ）低圧分離器蒸気排出口流６７が、低圧分離器凝縮器６５に供給されて、その少なくとも一部分が凝縮し、低圧分離器塔頂留出物還流部分６３を低圧分離器７０に戻し、低圧分離器凝縮器熱８９を回収し得ること、（ｉｉ）低圧分離器ブリード液体排出口流７１が、低圧分離器ブリードリボイラ４５に供給されて、その少なくとも一部分を蒸発させ、低圧分離器ブリード液体還流部分６９を低圧分離器７０に戻し、低圧分離器ブリードリボイラ熱９６を消費し得ること、（ｉｉｉ）低圧分離器透過液液体排出口流７７が、低圧分離器透過液リボイラ５５に供給されて、その少なくとも一部分が蒸発し、低圧分離器透過液液体還流部分７３を低圧分離器７０に戻し、低圧分離器透過液リボイラ熱９７を消費し得ること。

さらに、図３に例示されるように。（ｉ）高圧分離器塔頂留出物６８は、高圧分離器塔頂留出物還流部分７９に加えて、高圧分離器６０から取り出された高圧分離器蒸気排出口流８１から分離され得、（ｉｉ）高圧分離器塔底物５２は、高圧分離器液体還流部分８３に加えて、高圧分離器６０から取り出された高圧分離器液体排出口流８７から分離され得る。塔頂留出物凝縮器及び塔底物リボイラの使用にさらに起因して、以下の特定の流動スキームうちの１つ以上も可能であり得る。（ｉ）高圧分離器蒸気排出口流８１は、高圧分離器凝縮器７５に供給されて、その少なくとも一部分が凝縮し、高圧分離器塔頂留出物還流部分７９を高圧分離器６０に戻し、高圧分離器凝縮器熱９８を回収し得ること、（ｉｉ）高圧分離器液体排出口流８７は、高圧分離器リボイラ８５に供給されて、その少なくとも一部分が蒸発し、高圧分離器液体還流部分８３を高圧分離器７０に戻し、高圧分離器リボイラ熱９９を消費し得ること。

特に有利な熱統合戦略には、高圧分離器から低圧分離器へ、特に、前者の温度が後者の温度を上回る場合、高圧分離器凝縮器７５から低圧分離器７０のリボイラへの熱伝達を伴う。したがって、高圧分離器凝縮器熱９８の少なくとも一部分は、低圧分離器透過液リボイラ熱９６または低圧分離器ブリードリボイラ熱９７として消費され得る。低圧分離器ブリード液体排出口流７１及び低圧分離器透過液液体排出口流７７が供給されてその一部分が蒸発し、低圧分離器ブリード液体還流部分６９及び低圧分離器透過液液体還流部分７３を低圧分離器７０に戻し、低圧分離器リボイラ熱を消費する単一の低圧分離器リボイラが使用される場合、高圧分離器凝縮器熱９８の少なくとも一部分は、低圧分離器リボイラのための熱として消費され得る。

図３の実施形態では、低圧分離器塔頂留出物６２及び高圧分離器塔頂留出物６８の両方に含まれるエタノールが、バイオリアクタシステム１００から回収されるエタノールの純量、結果としてこのシステムの純エタノール産生能を表し得る。上述のように、本発明に従うバイオリアクタシステムは、高エタノール産生能と共に、特に、ブリード流流量と比較して比較的高い透過液流流量にも関わらず、プロセス熱統合の観点から利点を提供することができる。例示的エタノール産生能は、一般的に、バイオリアクタ容積１リットル当たり１日当たり少なくとも約３５グラム（ｇ／日／Ｌ）、例えば、約３５ｇ／日／Ｌ〜約８０ｇ／日／Ｌ、典型的に少なくとも約４５ｇ／日／Ｌの範囲、例えば、約４５ｇ／日／Ｌ〜約７５ｇ／日／Ｌ、多くの場合少なくとも約５５ｇ／日／Ｌ、例えば、約５５ｇ／日／Ｌ〜約７０ｇ／日／Ｌの範囲である。バイオリアクタ容積に基づく産生能速度の決定において、この容積には、バイオリアクタシステムで使用されるバイオリアクタ（複数可）の連続液相領域１８、１８′及び連続気相領域２２、２２′が含まれる。

エタノールに富む低圧分離器塔頂留出物６２、及び高圧分離器塔頂留出物６８は共に、合わせられて、脱水カラム供給流７２になる。脱水カラムは、この流れを分画して、実質的に純粋な（例えば、少なくとも約９９重量％の純度を有する）エタノールを含む無水エタノール産物流７６と、残留水流７４と、にする。

さらなる実施形態によれば、（例えば、ブリード流４０の液体画分を含むか、またはそれから本質的になる）低圧分離器ブリード塔底物６４と、（例えば、第２の透過液部分５０′′ の液体画分を含むか、またはそれから本質的になる）低圧分離器透過液塔底物６６は共に、低圧分離器７０から取り出され得る。低圧分離器ブリード塔底物６４は、産物分離システム９０に渡されてもよく、この産物分離システム９０は、ブリード流液体画分８８（例えば、産物分離システム９０から得られた透過液画分として）からブリード流バイオマス画分７８（例えば、産物分離システム９０から得られた濃縮水画分として）を分離及び除去するための産物膜濾過システムであり得る。ブリード流液体画分は、バイオリアクタシステム１００で（例えば、システムで使用するのに好適な水を得るための１つ以上の処置ステップの後に）再使用されてもよいか、または代替的に廃水処理施設に送られてもよい。高圧分離器塔底物５２の少なくとも一部分及び／または低圧分離器透過液塔底物６６の少なくとも一部分は、任意で酢酸及び２，３−ブタンジオール等のより高い沸騰代謝物を含む実質的に純粋な水流として、任意で１つ以上の処理ステップの後にバイオリアクタプロセス１００に再循環され得る。図２の実施形態によれば、これらの流れ５２、６６は、そのような再循環及び／または処理の前に、合わせられて、純透過液塔底物５４にされ得る。流れ５２、６６中の水は、例えば、新しい培養培地を調製するために再循環され得る。

図１〜３に描写される実施形態に対応する生物的変換装置に関して、上記の説明の見地から、そのような装置は、バイオリアクタシステム１００であって、（ｉ）ＣＯ含有基質をバイオリアクタシステム１００に導入するための注入口１２、（ｉｉ）ＣＯ含有基質中のＣＯを代謝して、エタノールを産生するための培養培地及びＣ１固定細菌を収容するための少なくとも第１のバイオリアクタ１０、（ｉｉｉ）バイオリアクタシステムの液体産物を濾過するための濾過システム２５′、（ｉｖ）Ｃ１固定細菌を含むブリード流を取り出すためのブリード流排出口４０、ならびに（ｖ）バイオリアクタシステム１００から透過液流を取り出すための濾過システム２５′の透過液側と流体連通している透過液流排出口５０、及び任意で、バイオリアクタシステム１００中のＣ１固定細菌の再循環部分を維持するための濾過システム２５′の濃縮水側と流体連通している再循環導管３６′を備える、バイオリアクタシステム１００と、その下方区域内に配設されたディバイダ８０を有する低圧分離器７０であって、（ｉ）（Ｉ）下方区域内に位置付けられた低圧分離器ブリード流注入口９１にあるブリード流排出口４０、及び（ＩＩ）低圧ブリード流注入口９１の下に位置付けられた低圧分離器ブリード塔底物排出口６４の両方と流体連通している第１の液体体積８２を、（ｉｉ）（Ｉ）下方区域内に位置付けられた低圧分離器透過液流注入口９２にある透過液流排出口５０、及び（ＩＩ）低圧分離器透過液流注入口９２の下に位置付けられた低圧分離器透過液塔底物排出口６６の両方と流体連通している第２の液体体積８４から単離するように構成された低圧分離器７０と、を備え得ることは明らかである。

低圧分離器７０は、その上方区域Ｂで、第１の液体体積８２の上部にある第１のガス状画分を、第２の液体体積８４の上部にある第２のガス状画分と合わせ、低圧分離器塔頂留出物排出口６２と流体連通している合わせたガス状体積８６を提供するように構成されていてもよい。

装置は、（ｉ）透過液流の第１の透過液部分を受け、かつ透過液流の第２の透過液部分を低圧分離器透過液流注入口９２に渡すための透過液流排出口５０と流体連通している第１の透過液部分注入口９３と、（ｉｉ）高圧分離器塔頂留出物排出口６８と、（ｉｉｉ）高圧分離器塔底物排出口５２と、を有する高圧分離器６０をさらに備え得、第１の透過液部分注入口９３は、高圧分離器塔頂留出物排出口６８の下、かつ高圧分離器塔底物排出口５２の上に位置付けられている。

低圧分離器７０は、低圧分離器蒸気排出口６７、ならびに（ｉ）低圧分離器塔頂留出物還流導管６３及び（ｉｉ）低圧分離器塔頂留出物導管６２の両方と流体連通している低圧分離器凝縮器６５と一緒に構成されている場合がある。低圧分離器は、低圧分離器ブリード液体排出口７１、ならびに（ｉ）低圧分離器ブリード液体還流導管６９及び（ｉｉ）低圧分離器ブリード塔底物導管６４の両方と流体連通している低圧分離器ブリードリボイラ４５とも一緒に構成されている場合がある。低圧分離器７０は、低圧分離器透過液液体排出口７７、ならびに（ｉ）低圧分離器透過液液体還流導管７３及び低圧分離器透過液塔底物導管６６の両方と流体連通している低圧分離器透過液リボイラ５５と一緒にさらに構成されている場合がある。図２に例示される低圧分離器ブリードリボイラ及び低圧分離器透過液リボイラの両方と一緒に構成される代わりに、代替方法として、低圧分離器７０は、低圧分離器ブリード液体還流導管６９及び低圧分離器透過液液体還流導管７３、ならびに低圧分離器ブリード塔底物導管６４及び低圧分離器透過液塔底物導管６６に加えて、低圧分離器ブリード液体排出口７１及び低圧分離器透過液液体排出口７７の両方と流体連通している低圧分離器リボイラ一緒に構成されていてもよい。

高圧分離器６０は、高圧分離器蒸気排出口８１、ならびに（ｉ）高圧分離器塔頂留出物還流導管７９及び（ｉｉ）高圧分離器塔頂留出物導管６８の両方と流体連通している高圧分離器凝縮器７５と一緒に構成されている場合がある。高圧分離器６０は、高圧分離器液体排出口８７、ならびに（ｉ）高圧分離器液体還流導管８３及び（ｉｉ）高圧分離器塔底物導管５２の両方と流体連通している高圧分離器リボイラ８５とも一緒に構成されている場合がある。上述の低圧分離器凝縮器６５、低圧分離器ブリードリボイラ４５、低圧分離器透過液リボイラ５５、及び（別個の低圧リボイラ４５、５５に取って代わる）低圧分離器リボイラのいずれか、またはこれらの任意の組み合わせが、上述のように、高圧分離器凝縮器７５及び／または高圧分離器リボイラ８５に熱統合を提供するように構成され得る。例示的実施形態では、高圧分離器凝縮器７５は、（例えば、冷却水または流れ等の熱伝達媒体を使用して）上述のように、低圧分離器ブリードリボイラ４５及び／または低圧分離器透過液リボイラ５５、（別個の低圧リボイラ４５、５５に取って代わる）低圧分離器リボイラで消費するための、この凝縮器で生成された熱を伝達するように構成され得る。

本装置は、任意で、（ｉ）低圧分離器塔頂留出物排出口６２及び高圧分離器塔頂留出物排出口６８の両方と流体連通している脱水カラム注入口７２と、（ｉｉ）脱水カラム塔頂留出物排出口７６と、（ｉｉｉ）脱水カラム塔底物排出口７４と、を有する脱水カラム９５をさらに備え得、脱水カラム注入口７２は、脱水カラム塔頂留出物排出口７６の下、かつ脱水カラム塔底物排出口７４の上に位置付けられる。

本装置は、低圧分離器ブリード塔底物流を濾過するための低圧分離器ブリード塔底物排出口６４と流体連通している産物濾過システム９０をさらに備え得る。

全体的に見て、本開示の態様は、ブリード流及び透過液流からのエタノールの下流回復を伴う生物学的変換プロセスに関連し、より具体的には、資本（例えば、機器）及び／または操業費用（例えば、光熱費）を有利に削減することができる改善された効率でそのような回収を行うことに関する。当業者には、本開示から得られた知識を用いて、本開示の範囲から逸脱することなく、これらの利点及び他の利点の獲得において、様々な変更がこれらのプロセスに加えられ得ることを認識するであろう。したがって、本開示の特徴が、本開示の範囲から逸脱することなく、修正、改造、変更、または置換されやすいことを理解されたい。本明細書に例示及び記載される特定の実施形態は、例示目的のためだけであり、添付の特許請求の範囲に記載される発明を制限しない。

本発明の様々な実施形態を以下に示す。
１．生物的変換プロセスであって、
バイオリアクタシステムに基質を供給することであって、前記バイオリアクタシステムは、前記基質中の炭素源を代謝し、少なくとも１つの発酵産物を産生するための培養培地及び細菌を含む少なくとも第１のバイオリアクタを備える、供給することと、
前記バイオリアクタシステムから細菌を含むブリード流（ｂｌｅｅｄ ｓｔｒｅａｍ）を取り出すことと、
前記バイオリアクタシステムから、前記バイオリアクタシステムの液体流の濾過から得られた透過液流を取り出すことと、
前記ブリード流の少なくとも一部分及び前記透過液流の少なくとも一部分を、ディバイダを備える低圧分離器に供給することであって、前記ディバイダは、下方区域で、前記ブリード流の液体画分を、前記透過液流の液体画分から単離するように構成され、上方区域で、前記ブリード流のガス状画分と、前記透過液流のガス状画分と、を合わせるようにも構成されている、供給することと、を含む、プロセス。
２．前記透過液流を分割して、少なくとも第１の透過液部分及び第２の透過液部分にすることと、
前記第１の透過液部分を、高圧分離器に供給し、前記第２の透過液部分を前記低圧分離器に供給することと、
前記高圧分離器から高圧分離器塔頂留出物及び高圧分離器塔底物を取り出すことであって、前記高圧分離器塔頂留出物は、前記第１の透過液部分と比較して所望の発酵産物に富む、取り出すことと、
前記第２の透過液部分及び前記ブリード流の両方と比較して、所望の発酵産物に富む低圧分離器塔頂留出物を取り出すことと、をさらに含む、上記１に記載のプロセス。
３．前記高圧分離器及び前記低圧分離器がそれぞれ、高圧蒸留カラム及び低圧蒸留カラムである、上記２に記載のプロセス。
４．前記高圧分離器が、約１５０ｋＰａ〜約６５０ｋＰａの範囲の絶対圧力を有する、上記２に記載のプロセス。
５．前記低圧分離器が、真空圧を有する、上記２に記載のプロセス。
６．前記低圧分離器から、低圧分離器ブリード塔底物及び低圧分離器透過液塔底物の両方を取り出すことをさらに含む、上記２に記載のプロセス。
７．（ｉ）前記低圧分離器塔頂留出物が、低圧分離器塔頂留出物還流部分に加えて、前記低圧分離器から取り出された低圧分離器蒸気排出口流から分離されること、（ｉｉ）前記低圧分離器ブリード塔底物が、低圧分離器ブリード煮沸部分に加えて、前記低圧分離器から取り出された低圧分離器ブリード液体排出口流から分離されること、（ｉｉｉ）前記低圧分離器透過液塔底物が、低圧分離器透過液煮沸部分に加えて、前記低圧分離器から取り出された低圧分離器透過液液体排出口流から分離されること、（ｉｖ）前記高圧分離器塔頂留出物が、高圧分離器塔頂留出物還流部分に加えて、前記高圧分離器から取り出された高圧分離器蒸気排出口流から分離されること、及び（ｖ）前記高圧分離器塔底物が、高圧分離器煮沸部分に加えて、前記高圧分離器から取り出された高圧分離器液体排出口流から分離されることのうちの１つ以上、上記２に記載のプロセス。
８．（ｉ）前記低圧分離器蒸気排出口流が、低圧分離器凝縮器に供給されてその少なくとも一部分が凝縮し、前記低圧分離器塔頂留出物還流部分を前記低圧分離器に戻し、低圧分離器凝縮器熱を回収すること、（ｉｉ）前記低圧分離器ブリード液体排出口流が、低圧分離器ブリードリボイラに供給されて、その少なくとも一部分が蒸発し、前記低圧分離器ブリード煮沸部分を前記低圧分離器に戻し、低圧分離器ブリードリボイラ熱を消費すること、（ｉｉｉ）前記低圧分離器透過液液体排出口流が低圧分離器透過液リボイラに供給されて、その少なくとも一部分が蒸発し、前記低圧分離器透過液煮沸部分を前記低圧分離器に戻し、低圧分離器透過液リボイラ熱を消費すること、（ｉｖ）前記高圧分離器蒸気排出口流が、高圧分離器凝縮器に供給されてその少なくとも一部分が凝縮し、前記高圧分離器塔頂留出物還流部分を前記高圧分離器に戻し、高圧分離器凝縮器熱を回収すること、及び（ｖ）前記高圧分離器液体排出口流が、高圧分離器リボイラに供給されてその少なくとも一部分が蒸発し、前記高圧分離器煮沸部分を前記高圧分離器に戻し、高圧分離器リボイラ熱を消費すること、のうちの１つ以上、上記７に記載のプロセス。
９．前記高圧分離器凝縮器熱の少なくとも一部分が、低圧分離器透過液リボイラ熱として、または低圧分離器ブリードリボイラ熱として消費される、上記８に記載のプロセス。
１０．前記低圧分離器ブリード液体排出口流及び前記低圧分離器透過液液体排出口流が、低圧分離器リボイラに供給されて、その一部分が蒸発し、前記低圧分離器ブリード液体還流部分及び前記低圧分離器透過液液体還流部分を前記低圧分離器に戻し、低圧分離器リボイラ熱を消費する、上記７に記載のプロセス。
１１．前記高圧分離器凝縮器熱の少なくとも一部分が、低圧分離器リボイラ熱として消費される、上記１０に記載のプロセス。
１２．前記ディバイダが、前記低圧分離器の軸方向高さよりも低い高さまで延在している、垂直に配向された板の形をしている、上記２に記載のプロセス。
１３．前記ブリード流の前記液体画分が、前記低圧分離器ブリード塔底物と流体連通している第１の液体体積を提供し、前記第２の透過液部分の前記液体画分が、前記低圧分離器透過液塔底物と流体連通している第２の液体体積を提供し、前記第１の体積が、前記第２の体積よりも小さい、上記２に記載のプロセス。
１４．前記高圧分離器塔底物の少なくとも一部分及び前記低圧分離器透過液塔底物の少なくとも一部分を前記バイオリアクタシステムに再循環させることをさらに含む、上記２に記載のプロセス。
１５．前記基質が、Ｃ１含有基質であり、前記細菌が、Ｃ１固定細菌であり、前記少なくとも１つの発酵産物が、エタノール、イソプロパノール、及びそれらの混合物からなる群から選択される、上記１に記載のプロセス。
１６．前記プロセスが、追加の透過液流を分画するための追加の分離器を含まない、上記１５に記載のプロセス。
１７．生物学的変換装置であって、
バイオリアクタシステムであって、（ｉ）基質を前記バイオリアクタシステムに導入するための注入口、（ｉｉ）前記基質中の炭素源を代謝し、産物を産生するための、培養培地及び細菌を収容する少なくとも第１のバイオリアクタ、（ｉｉｉ）前記バイオリアクタシステムの液体産物を濾過するための濾過システム、（ｉｖ）細菌を含むブリード流を取り出すためのブリード流排出口、ならびに（ｖ）前記バイオリアクタシステムから透過液流を取り出すための、前記濾過システムの透過液側と流体連通している透過液流排出口を備える、バイオリアクタシステムと、
低圧分離器であって、その下方区域に配設されたディバイダを有し、かつ（ｉ）（Ａ）前記下方区域内に位置付けられている低圧分離器ブリード流注入口にある前記ブリード流排出口、及び（Ｂ）前記低圧ブリード流注入口の下に位置付けられている低圧分離器ブリード塔底物排出口の両方と流体連通している第１の液体体積から、（ｉｉ）（Ａ）前記下方区域内に位置付けられている低圧分離器透過液流注入口にある前記透過液流排出口、及び（Ｂ）前記低圧分離器透過液流注入口の下に位置付けられている低圧分離器透過液塔底物排出口の両方と流体連通している第２の液体体積を単離するように構成されている低圧分離器と、を備え、
前記低圧分離器は、その上方区域で、前記第１の液体体積の上部にある第１のガス状画分と、前記第２の液体体積の上部にある第２のガス状画分と、を合わせ、低圧分離器塔頂留出物排出口と流体連通している合わせたガス状体積を提供するように構成され、
前記装置は、任意で、（ｉ）前記透過液流の第１の透過液部分を受け、前記透過液流の第２の透過液部分を前記低圧分離器透過液流注入口に渡すための前記透過液流排出口と流体連通している第１の透過液部分注入口と、（ｉｉ）高圧分離器塔頂留出物排出口と、（ｉｉｉ）高圧分離器塔底物排出口と、を有する高圧分離器をさらに備え、前記第１の透過液部分注入口は、前記高圧分離器塔頂留出物排出口の下、かつ前記高圧分離器塔底物排出口の上に位置付けられており、
前記装置は任意で、（ｉ）前記低圧分離器塔頂留出物排出口及び前記高圧分離器塔頂留出物排出口の両方と流体連通している脱水カラム注入口、（ｉｉ）脱水カラム塔頂留出物排出口、及び（ｉｉｉ）脱水カラム塔底物排出口を有する脱水カラムをさらに備え、前記脱水カラム注入口は、前記脱水カラム塔頂留出物排出口の下、かつ前記脱水カラム塔底物排出口の上に位置付けられ、
前記装置は任意で、低圧分離器ブリード塔底物流を濾過するための、前記低圧分離器ブリード塔底物排出口と流体連通している第２の濾過システムをさらに備える、生物学的変換装置。

Claims (19)

1. 生物的変換プロセスであって、
   バイオリアクタシステムに基質を供給することであって、前記バイオリアクタシステムは、前記基質中の炭素源を代謝し、少なくとも１つの発酵産物を産生するための培養培地及び細菌を含む少なくとも第１のバイオリアクタを備える、ことと、
   前記バイオリアクタシステムから細菌を含むブリード流（ｂｌｅｅｄ ｓｔｒｅａｍ）を取り出すことと、
   前記バイオリアクタシステムから、前記バイオリアクタシステムの液体流の濾過から得られた透過液流を取り出すことと、
   前記ブリード流の少なくとも一部分及び前記透過液流の少なくとも一部分を、ディバイダを備える低圧分離器に供給することであって、前記ディバイダは、下方区域で、前記ブリード流の液体画分を、前記透過液流の液体画分から単離するように構成され、上方区域で、前記ブリード流のガス状画分と、前記透過液流のガス状画分と、を合わせるようにも構成されている、ことと、を含み、
   前記低圧分離器が、２０ｋＰａ〜１５０ｋＰａ絶対圧力または真空圧を有する、プロセス。
2. 前記透過液流を分割して、少なくとも第１の透過液部分及び第２の透過液部分にすることと、
   前記第１の透過液部分を、高圧分離器に供給し、前記第２の透過液部分を前記低圧分離器に供給することと、
   前記高圧分離器から高圧分離器塔頂留出物及び高圧分離器塔底物を取り出すことであって、前記高圧分離器塔頂留出物は、前記第１の透過液部分と比較して所望の発酵産物に富む、ことと、
   前記第２の透過液部分及び前記ブリード流の両方と比較して、所望の発酵産物に富む低圧分離器塔頂留出物を取り出すことと、をさらに含み、
   前記高圧分離器が、１５０ｋＰａ〜６５０ｋＰａの範囲の絶対圧力を有する、請求項１に記載のプロセス。
3. 前記高圧分離器及び前記低圧分離器がそれぞれ、高圧蒸留カラム及び低圧蒸留カラムである、請求項２に記載のプロセス。
4. 前記低圧分離器が、真空圧を有する、請求項２に記載のプロセス。
5. 前記低圧分離器から、低圧分離器ブリード塔底物及び低圧分離器透過液塔底物の両方を取り出すことをさらに含む、請求項２に記載のプロセス。
6. （ｉ）前記低圧分離器塔頂留出物を、低圧分離器塔頂留出物還流部分に加えて、前記低圧分離器から取り出された低圧分離器蒸気排出口流から分離すること、（ｉｉ）前記低圧分離器ブリード塔底物を、低圧分離器ブリード煮沸部分に加えて、前記低圧分離器から取り出された低圧分離器ブリード液体排出口流から分離すること、（ｉｉｉ）前記低圧分離器透過液塔底物を、低圧分離器透過液煮沸部分に加えて、前記低圧分離器から取り出された低圧分離器透過液液体排出口流から分離すること、（ｉｖ）前記高圧分離器塔頂留出物を、高圧分離器塔頂留出物還流部分に加えて、前記高圧分離器から取り出された高圧分離器蒸気排出口流から分離すること、及び（ｖ）前記高圧分離器塔底物を、高圧分離器煮沸部分に加えて、前記高圧分離器から取り出された高圧分離器液体排出口流から分離すること、のうちの１つ以上を含む、請求項２に記載のプロセス。
7. （ｉ）前記低圧分離器蒸気排出口流を、低圧分離器凝縮器に供給してその少なくとも一部分を凝縮させ、前記低圧分離器塔頂留出物還流部分を前記低圧分離器に戻し、低圧分離器凝縮器熱を回収すること、（ｉｉ）前記低圧分離器ブリード液体排出口流を、低圧分離器ブリードリボイラに供給して、その少なくとも一部分を蒸発させ、前記低圧分離器ブリード煮沸部分を前記低圧分離器に戻し、低圧分離器ブリードリボイラ熱を消費すること、（ｉｉｉ）前記低圧分離器透過液液体排出口流が低圧分離器透過液リボイラに供給して、その少なくとも一部分を蒸発させ、前記低圧分離器透過液煮沸部分を前記低圧分離器に戻し、低圧分離器透過液リボイラ熱を消費すること、（ｉｖ）前記高圧分離器蒸気排出口流を、高圧分離器凝縮器に供給してその少なくとも一部分を凝縮させ、前記高圧分離器塔頂留出物還流部分を前記高圧分離器に戻し、高圧分離器凝縮器熱を回収すること、及び（ｖ）前記高圧分離器液体排出口流を、高圧分離器リボイラに供給してその少なくとも一部分を蒸発させ、前記高圧分離器煮沸部分を前記高圧分離器に戻し、高圧分離器リボイラ熱を消費すること、のうちの１つ以上を含む、請求項６に記載のプロセス。
8. 前記高圧分離器凝縮器熱の少なくとも一部分が、低圧分離器透過液リボイラ熱として、または低圧分離器ブリードリボイラ熱として消費される、請求項７に記載のプロセス。
9. 前記低圧分離器ブリード液体排出口流及び前記低圧分離器透過液液体排出口流が、低圧分離器リボイラに供給されて、その一部分が蒸発し、前記低圧分離器ブリード液体還流部分及び前記低圧分離器透過液液体還流部分を前記低圧分離器に戻し、低圧分離器リボイラ熱を消費する、請求項６に記載のプロセス。
10. 前記高圧分離器凝縮器熱の少なくとも一部分が、低圧分離器リボイラ熱として消費される、請求項９に記載のプロセス。
11. 前記ディバイダが、前記低圧分離器の軸方向高さよりも低い高さまで延在している、垂直に配向された板の形をしている、請求項２に記載のプロセス。
12. 前記ブリード流の前記液体画分が、前記低圧分離器ブリード塔底物と流体連通している第１の液体体積を提供し、前記第２の透過液部分の前記液体画分が、前記低圧分離器透過液塔底物と流体連通している第２の液体体積を提供し、前記第１の体積が、前記第２の体積よりも小さい、請求項２に記載のプロセス。
13. 前記高圧分離器塔底物の少なくとも一部分及び前記低圧分離器透過液塔底物の少なくとも一部分を前記バイオリアクタシステムに再循環させることをさらに含む、請求項２に記載のプロセス。
14. 前記基質が、Ｃ１含有基質であり、前記細菌が、Ｃ１固定細菌であり、前記少なくとも１つの発酵産物が、エタノール、イソプロパノール、及びそれらの混合物からなる群から選択される、請求項１に記載のプロセス。
15. 前記プロセスが、追加の透過液流を分画するための追加の分離器を含まない、請求項１４に記載のプロセス。
16. 生物学的変換装置であって、
    バイオリアクタシステムであって、（ｉ）基質を前記バイオリアクタシステムに導入するための注入口、（ｉｉ）前記基質中の炭素源を代謝し、産物を産生するための、培養培地及び細菌を収容する少なくとも第１のバイオリアクタ、（ｉｉｉ）前記バイオリアクタシステムの液体産物を濾過するための濾過システム、（ｉｖ）細菌を含むブリード流を取り出すためのブリード流排出口、ならびに（ｖ）前記バイオリアクタシステムから透過液流を取り出すための、前記濾過システムの透過液側と流体連通している透過液流排出口を備える、バイオリアクタシステムと、
    低圧分離器であって、その下方区域に配設されたディバイダを有し、かつ（ｉ）（Ａ）前記下方区域内に位置付けられている低圧分離器ブリード流注入口にある前記ブリード流排出口、及び（Ｂ）前記低圧分離器ブリード流注入口の下に位置付けられている低圧分離器ブリード塔底物排出口の両方と流体連通している第１の液体体積から、（ｉｉ）（Ａ）前記下方区域内に位置付けられている低圧分離器透過液流注入口にある前記透過液流排出口、及び（Ｂ）前記低圧分離器透過液流注入口の下に位置付けられている低圧分離器透過液塔底物排出口の両方と流体連通している第２の液体体積を単離するように構成されている低圧分離器と、を備え、
    前記低圧分離器は、その上方区域で、前記第１の液体体積の上部にある第１のガス状画分と、前記第２の液体体積の上部にある第２のガス状画分と、を合わせ、低圧分離器塔頂留出物排出口と流体連通している合わせたガス状体積を提供するように構成され、
    前記低圧分離器が、２０ｋＰａ〜１５０ｋＰａ絶対圧力または真空圧を有する、生物学的変換装置。
17. （ｉ）前記透過液流の第１の透過液部分を受け、前記透過液流の第２の透過液部分を前記低圧分離器透過液流注入口に渡すための前記透過液流排出口と流体連通している第１の透過液部分注入口と、（ｉｉ）高圧分離器塔頂留出物排出口と、（ｉｉｉ）高圧分離器塔底物排出口と、を有する高圧分離器をさらに備え、前記第１の透過液部分注入口は、前記高圧分離器塔頂留出物排出口の下、かつ前記高圧分離器塔底物排出口の上に位置付けられており、
    前記高圧分離器が、１５０ｋＰａ〜６５０ｋＰａの範囲の絶対圧力を有する、請求項１６に記載の生物学的変換装置。
18. （ｉ）前記低圧分離器塔頂留出物排出口及び前記高圧分離器塔頂留出物排出口の両方と流体連通している脱水カラム注入口、（ｉｉ）脱水カラム塔頂留出物排出口、及び（ｉｉｉ）脱水カラム塔底物排出口を有する脱水カラムをさらに備え、前記脱水カラム注入口は、前記脱水カラム塔頂留出物排出口の下、かつ前記脱水カラム塔底物排出口の上に位置付けられている、請求項１７に記載の生物学的変換装置。
19. 低圧分離器ブリード塔底物流を濾過するための、前記低圧分離器ブリード塔底物排出口と流体連通している第２の濾過システムをさらに備える、請求項１８に記載の生物学的変換装置。

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