JP7348305B2 - ガス利用を最適化するための方法 - Google Patents

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関連出願の相互参照
本出願は、２０１９年７月１１日に出願された米国仮特許出願第６２／８７２，８６９号の利益を主張し、その内容は参照により本明細書に組み込まれる。

本発明は、発酵プロセスによってガスの利用を最適化するための方法に関する。具体的には、本発明は、特定の生成物の生成およびプロセスの全体的な炭素捕捉効率を最大化するために、ガス流内の様々な成分の制御された分離および使用に関する。

二酸化炭素（ＣＯ_２）は、人間の活動による世界の温室効果ガス排出の７６％を占め、メタン（１６％）、亜酸化窒素（６％）、およびフッ素化ガス（２％）が残りを占めている（米国環境保護庁）。温室効果ガス排出、特にＣＯ_２の削減は、地球温暖化の進行ならびにそれに伴う気候および天候の変化を止めるのに重要である。このようなガス排出の１つ以上の燃料または化学物質への変換は、排出を低減するための１つの潜在的な解決策である。

フィッシャー－トロプシュプロセスなどの触媒プロセスを使用して、二酸化炭素（ＣＯ_２）、一酸化炭素（ＣＯ）、および／または水素（Ｈ_２）を含むガスを、様々な燃料および化学物質に変換し得ることが長い間認識されている。しかしながら、最近、ガス発酵がそのようなガスの生物学的固定のための代替プラットフォームとして浮上している。特に、Ｃ１固定微生物は、ＣＯ_２、ＣＯ、ＣＨ_４、および／またはＨ_２を含有するガスを、エタノールおよび２，３－ブタンジオールなどの生成物に変換することが示されている。

このようなガスは、例えば、炭水化物発酵からのガス、セメント製造からのガス、パルプおよび製紙、製鋼、石油精製および関連プロセス、石油化学生成、コークス生成、嫌気性または好気性消化、ガス化（バイオマス、液体廃棄物流、固形廃棄物流、都市流、天然ガス、石炭および石油を含む化石資源を含むがこれらに限定されない供給源に由来する）、天然ガス抽出、メタン改質、石油抽出、アルミニウム、銅、および／または鉄合金の生成および／または精製のための冶金プロセス、地質学的貯留池、ならびに触媒プロセス（蒸気メタン改質、蒸気ナフサ改質、石油コークスのガス化、触媒再生－流動触媒分解、触媒再生－ナフサ改質、および乾式メタン改質を含むがこれらに限定されない蒸気供給源に由来する）を含む、工業的供給源に由来し得る。

ガス発酵には、フィッシャー・トロプシュプロセスに比べて様々な利点がある。まず、フィッシャー・トロプシュでは、高温（１５０～３５０℃）、高圧（３０ｂａｒ）、およびコバルト、ルテニウム、および鉄などの不均一系触媒が利用される。それに比べて、ガス発酵は、３７℃で行われ、大気圧で実施され得るので、フィッシャー・トロプシュプロセスに比べて大幅なエネルギーおよびコストの節約になる。さらに、フィッシャー・トロプシュプロセスでは、合成ガスにおける比較的固定されたＨ_２：ＣＯ比（約２：１）が必要であるが、ガス発酵では、Ｈ_２：ＣＯ比が変化する様々な範囲の基質を受容して利用することができる。

ガス流の供給源および上流の工業的供給源の操作に応じて、Ｈ_２：ＣＯ比は、大幅に変化し得る。ガス発酵は、様々なＨ_２：ＣＯ比で多様な範囲の基質を受容し、利用することが可能であるが、特定の所望の生成物を生成するには、特定のガス組成が他の組成よりも理想的である場合がある。例えば、特定の生成物は、より低いＨ_２：ＣＯ比を有するガス流から最適に生成され得る。

しかしながら、所望の生成物が何であっても、ガス発酵プロセスの主な目的の１つは、プロセスによって達成される全体的な炭素捕捉を最大化することである。ガス流のＨ_２：ＣＯ比に応じて、発酵プロセスは、副生成物として、発酵生成物を生成する過程でＣＯ_２を生成し得る。一酸化炭素の二酸化炭素への変換は、一酸化炭素が、理想的には二酸化炭素の代わりに１つ以上の燃料および／または化学物質に変換されるべきであるため、炭素捕捉効率の低減と見なされ得る。

したがって、プロセスの全体的な炭素捕捉効率を最大化しながら、ガスが特定の生成物すべてを生成するために最適化されるように、ガスの組成の変更を可能にする方法の必要性が残っている。

本発明は、発酵プロセスによってガスの利用を最適化するための方法を提供する。具体的には、プロセスの全体的な炭素捕捉効率も最大化しながら、ガスが１つ以上の発酵プロセスにおいて特定の生成物を生成するために最適化されるように、本方法は、ガスの組成の変更を可能にする。特定の実施形態では、本発明は、２つの発酵プロセスを互いに並列で利用する。好ましくは、２つの発酵プロセスが利用される場合、ガス流は、少なくとも１つの分離モジュールを使用して、水素が豊富な流れおよび水素が枯渇した流れに分離される。水素が豊富な流れの少なくとも一部は、第１の発酵生成物を生成するために、１つ以上のＣ１固定微生物の培養物を含有する液体栄養培地を含む少なくとも第１の反応器を使用して、第１の発酵プロセスにおいて発酵される。水素が枯渇した流れの少なくとも一部は、第２の発酵生成物を生成するために、１つ以上のＣ１固定微生物の培養物を含有する液体栄養培地を含む少なくとも第２の反応器を使用する第２の発酵プロセスにおいて発酵される。特定の事例では、第１の発酵生成物および第２の発酵生成物は、異なる生成物である。例えば、一実施形態では、第１の発酵生成物は、エタノールであり、第２の発酵生成物は、２，３－ブタンデジオールである。

特定の事例では、水素が豊富なガスのＨ_２：ＣＯ比は、５：１、または５：１を超える。様々な実施形態では、水素が豊富なガスのＨ_２：ＣＯ比は、２：１～５：１である。例えば、水素が豊富なガスのＨ_２：ＣＯ比は、２：１～３：１、２．５：１～３．５：１、３：１～４：１、３．５：１～４．５：１、２：１～４：１、２．５：１～４．５：１、または２．５：１～５：１であり得る。好ましくは、水素が豊富なガスは、水素が枯渇したガスよりも高いＨ_２：ＣＯ比を有する。

好ましくは、第１の発酵プロセスは、水素が豊富なガスを利用して、エタノール、アセテート、モノエチレングリコール（ＭＥＧ）、１，２－プロパンジオール、アセトン、イソプロパノール、ラクテート、１，３－ブタンジオール、２－ブタノール、２－ヒドロキシイソ酪酸、３－ヒドロキシブチレート、メチルエチルケトン（ＭＥＫ）、イソプレンを含むテルペン、アジピン酸、１－ヘキサノール、および１－オクタノールからなる群から選択される少なくとも１つの発酵生成物を生成する。

特定の事例では、水素が枯渇したガスのＨ_２：ＣＯ比は、０．１：１、または０．１：１未満である。様々な実施形態では、水素が枯渇したガスのＨ_２：ＣＯ比は、０．１：１～２：１である。例えば、水素が枯渇したガスのＨ_２：ＣＯ比は、０．０５：１～１．５：１、０．０５：１～２：１、０．２：１～１．５：１、０．２：１～２：１、０．５：１～１．５：１、または０．５：１～２：１であり得る。好ましくは、水素が枯渇したガスは、水素が豊富なガスよりも低いＨ_２：ＣＯ比を有する。

好ましくは、第２の発酵プロセスは、水素が枯渇したガスを利用して、エタノール、アセテート、モノエチレングリコール（ＭＥＧ）、１，２－プロパンジオール３－ヒドロキシプロピオネート、アセトン、イソプロパノール、ラクテート、１，３－ブタンジオール、２－ブタノール、２－ヒドロキシイソ酪酸、３－ヒドロキシブチレート、メチルエチルケトン（ＭＥＫ）、イソアミルアルコール、イソプレンを含むテルペン、アジピン酸、１－ヘキサノール、１－オクタノール、およびコリスメート由来生成物からなる群から選択される少なくとも１つの発酵生成物を生成する。特定の事例では、水素が豊富な流れの代わりに水素が枯渇した流れを用いて、特定の生成物を生成することがより有利である。例えば、３－ヒドロキシプロピオネート、イソアミルアルコール、および／またはコリスメート由来生成物は、好ましくは、水素が豊富な流れの代わりに水素が枯渇した流れを使用して生成される。

本発明が２つの発酵プロセスを利用する様々な事例では、ガスおよび液体栄養培地は、第１の発酵プロセスおよび第２の発酵プロセスの両方に並列で流れ得る。

特定の事例では、水素分離モジュールは、少なくとも１つの圧力スイング吸着プロセスからなる。様々な実施形態では、水素分離モジュールとしては、圧力スイング吸着、温度スイング吸着、膜分離、またはＣＯ、Ｈ_２、および／またはＣＯ_２のうちの１つ以上の選択的除去によってガスの組成を調整するために使用される任意の他のガス分離技術からなる群から選択される少なくとも１つの分離技術を挙げることができる。好ましくは、水素分離モジュールは、水素の少なくとも７５パーセント（７５％）をガス流から分離して、水素が豊富な流れおよび水素が枯渇したガス流を生成することが可能である。特定の事例では、水素分離モジュールは、水素の少なくとも９５パーセント（９５％）をガス流から分離して、水素が豊富なガス流および水素が枯渇したガス流を生成する。様々な事例では、水素が豊富なガス流および水素が枯渇したガス流の両方は、ある程度の一酸化炭素および／または二酸化炭素を含有する。

好ましくは、ガス流は、炭水化物発酵、ガス発酵、セメント製造、パルプおよび製紙、製鋼、石油精製および関連プロセス、石油化学生成、コークス生成、嫌気性または好気性消化、ガス化、天然ガス抽出、メタン改質、石油抽出、アルミニウム、銅、および／または鉄合金の生成および／または精製のための冶金プロセス、地質貯留層、ならびに触媒プロセスからなる群から選択される１つ以上の工業的供給源から供給される。特定の事例では、ガスの少なくとも一部は、メタン改質プロセスに由来する。このようなメタン改質プロセスは、好ましくは、メタン含有ガスの少なくとも一部を、一酸化炭素および水素の少なくとも一部を含むガス流に変換する。特定の実施形態では、メタンは、化石燃料生成施設、埋め立て地、および／または廃水処理施設から供給される。

様々な実施形態では、ガス流の少なくとも一部は、冶金プロセスからの高炉上部ガスからなる。

ガスの最適化はまた、好適なＨ_２：ＣＯ比に到達するために、１つ以上の追加のガスの混合も含まれ得る。例えば、この追加のガスは、１つ以上の電気分解プロセス（水から水素を生成するための電気分解プロセスおよび／または二酸化炭素から一酸化炭素を生成するための電気分解プロセスの両方を含む）、工業的供給源、メタン改質プロセス、および／または発酵プロセスからのベントガスから供給され得る。しかしながら、様々な実施形態では、本発明は、１つ以上の追加のガスの混合を利用せず、代わりに、水素分離モジュールによるガス流からの成分の分離のみを利用する。

特定の事例では、第１の発酵プロセス内で生成されたベントガスの少なくとも一部は、水素が豊富な流れに再循環される。

特定の事例では、第２の発酵プロセス内で生成されたベントガスの少なくとも一部は、水素が枯渇した流れに再循環される。

発酵プロセスからのベントガスと、工業的供給源からのガスとの理想的な混合を確実にするために、ベントガスの少なくとも一部は、少なくとも１つの水素分離モジュールに通過し得る。特定の事例では、第１の発酵プロセス内で生成されたベントガスの少なくとも一部は、水素が豊富な流れに再循環される前に、圧力スイング吸着プロセスを通過する。特定の事例では、第２の発酵プロセス内で生成されたベントガスの少なくとも一部は、水素が枯渇した流れに再循環される前に、圧力スイング吸着プロセスを通過する。

好ましくは、発酵プロセスは、少なくとも１つのＣ１固定微生物を利用する。特定の事例では、第１の発酵プロセスおよび第２の発酵プロセスの両方は、同じ種のＣ１固定微生物を利用する。他の実施形態では、第１の発酵プロセスは、第２の発酵プロセスとは異なる種の微生物を利用する。好ましくは、発酵プロセス中に使用されるＣ１固定微生物は、Ｍｏｏｒｅｌｌａ、Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ、Ｒｕｍｉｎｏｃｏｃｃｕｓ、Ａｃｅｔｏｂａｃｔｅｒｉｕｍ、Ｅｕｂａｃｔｅｒｉｕｍ、Ｂｕｔｙｒｉｂａｃｔｅｒｉｕｍ、Ｏｘｏｂａｃｔｅｒ、Ｍｅｔｈａｎｏｓａｒｃｉｎａ、およびＤｅｓｕｌｆｏｔｏｍａｃｕｌｕｍからなる群から選択される。特定の事例では、第１の発酵プロセスおよび第２の発酵プロセスの両方は、Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ属からのＣ１固定微生物を利用する。第１の発酵プロセスおよび第２の発酵プロセスによって利用されるこのような微生物は、好ましくは、Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ ａｕｔｏｅｔｈａｎｏｇｅｎｕｍである。

特定の実施形態では、本発明は、２つの発酵プロセスを互いに直列で利用する。好ましくは、２つの発酵プロセスが互いに直列で使用される場合、ガス流は、少なくとも１つの水素分離モジュールを使用して、水素が豊富な流れおよび水素が枯渇した流れに分離される。水素が豊富な流れの少なくとも一部は、第１の発酵生成物を生成するために、１つ以上のＣ１固定微生物の培養物を含有する液体栄養培地を含む少なくとも１つの反応器を使用して、第１の発酵プロセスにおいて発酵される。水素が枯渇した流れの少なくとも一部は、第２の発酵生成物を生成するために、１つ以上のＣ１固定微生物の培養物を含有する第２の発酵プロセスにおいて発酵される。２つの発酵プロセスが互いに直列である場合、好ましくは、第１の発酵生成物の少なくとも一部が、第２の発酵プロセスに渡されて、第２の発酵生成物を生成する。

特定の事例では、第１の発酵生成物は、酢酸である。好ましくは、発酵プロセスが直列である場合、第１の発酵プロセスからの酢酸の少なくとも一部は、第２の発酵プロセスにおいてエタノールに変換される。

特定の実施形態では、本発明は、ベントガス流の少なくとも一部を再循環させて、発酵生成物を生成するためのガス流の組成を最適化する、１つの発酵プロセスを包含する。このような発酵プロセスは、好ましくは、発酵生成物およびベントガス流を生成するために、１つ以上のＣ１固定微生物の培養物を含有する液体栄養培地を含む少なくとも１つの反応器を使用して、工業的供給源からのガス流の少なくとも一部を発酵させる。ベントガス流の少なくとも一部は、バイオリアクターに再循環され得、これは、場合によっては、培養物の潜在的な阻害を低減および／または軽減し得る。

特定の事例では、ベントガスの少なくとも一部は、バイオリアクターに再循環される前に、圧力スイング吸着プロセスを通過する。

圧力スイング吸着プロセスの使用は、好ましくは、二酸化炭素、無機炭化水素、タール、有機窒素、ならびに有機および無機硫黄からなる群から選択される少なくとも１つの成分を、ベントガス流から除去して、浄化されたベントガス流を作り出す。

好ましくは、圧力スイング吸着プロセスは、二酸化炭素、無機炭化水素、タール、有機窒素、ならびに有機および無機硫黄からなる群から選択される少なくとも２つの成分の少なくとも一部を、ベントガス流から同時に除去して、浄化されたベントガス流を作り出す。

様々な事例では、発酵プロセスに送られる全ガス流は、工業的供給源からのガス流と、浄化されたベントガスの少なくとも一部との組み合わせからなる。

浄化されたベントガスは、好ましくは、工業的供給源からのガスの組成と比較した場合、より高い割合のメタンおよび窒素を含有する。

浄化されたベントガスが発酵プロセスに再循環される特定の実施形態では、浄化されたベントガスの発酵プロセスのバイオリアクターへの再循環は、全ガス流中のメタンおよび窒素の全体的な組成を少なくとも１５パーセント（１５％）増加させる。特定の事例では、浄化されたベントガスの少なくとも一部のバイオリアクターへの再循環は、全ガス流中のメタンおよび窒素の全体的な組成を少なくとも５０パーセント（５０％）増加させる。特定の事例では、浄化されたベントガスの少なくとも一部のバイオリアクターへの再循環は、全ガス流中のメタンおよび窒素の全体的な組成を、１０～２０パーセント（１０～２０％）、１５～３０パーセント（１５～３０％）、２５～３５パーセント（２５～３５％）、３０～４５パーセント（３０～４５％）、または１５～５０パーセント（１５～５０％）増加させる。好ましくは、浄化されたベントガスの少なくとも一部のバイオリアクターへの再循環は、培養物の潜在的な阻害を低減および／または軽減する。

様々な事例では、発酵プロセスは、全ガス流の少なくとも一部を利用して、１つ以上の燃料または化学物質を生成する。発酵プロセスによって生成される生成物のうちの少なくとも１つは、エタノール、アセテート、モノエチレングリコール（ＭＥＧ）、１，２－プロパンジオール、１－プロパノール、３－ヒドロキシプロピオネート、アセトン、イソプロパノール、ラクテート、１，３－ブタンジオール、２－ブタノール、２－ヒドロキシイソ酪酸、３－ヒドロキシブチレート、メチルエチルケトン（ＭＥＫ）、イソアミルアルコール、イソプレンを含むテルペン、アジピン酸、１－ヘキサノール、１－オクタノール、およびコリスメート由来生成物からなる群から選択され得る。

１つ以上の発酵プロセスは、１つ以上の燃料または化学物質の生成の一部として、微生物バイオマスを生成する。１つ以上の発酵プロセスによって生成される微生物バイオマスの少なくとも一部は、単一細胞タンパク質（ＳＣＰ）に変換され得る。

いくつかの実施形態では、１つ以上の燃料または化学物質は、二次変換プロセスに送られ得る。様々な事例では、二次変換プロセスは、さらに、１つ以上の燃料または化学物質の少なくとも一部を、ディーゼル燃料、ジェット燃料、ガソリン、プロピレン、ナイロン６－６、ゴム、および／または樹脂の少なくとも１つの成分に変換する。

本発明の一態様による、最適化されたガス流から別個の生成物を生成する並列発酵プロセスを示すプロセス統合図を示す。 本発明の一態様による、最適化されたガス流の直列発酵プロセスへの流れを示すプロセス統合図を示す。 本発明の一態様による、ガス貯蔵タンクおよび蒸気発生器、発電機、および／または供給原料乾燥プロセスと組み合わせた、発酵プロセスからの再循環されたベントガスの利用を示すプロセス統合図を示す。

本発明者らは、１つ以上の発酵プロセスに供給されるガスの組成を制御することによって、所望の生成物に対する選択性が改善され得ることを特定した。本発明者らは、組成を制御するための１つのメカニズムが、２つの発酵プロセスを互いに並行して利用することであることを見出した。

定義
別段の定めがない限り、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。

「発酵」、「ガス発酵」などの用語は、ガス化によって生成された合成ガスなどの１つ以上の基質を受容し、１つ以上のＣ１固定微生物を利用して１つ以上の生成物を生成するプロセスとして解釈されるべきである。好ましくは、発酵プロセスは、１つ以上のバイオリアクターの使用を含む。発酵プロセスは、「バッチ」または「連続」のいずれかとして説明され得る。「バッチ発酵」は、バイオリアクターが微生物とともに原料、すなわち炭素源で満たされ、発酵が完了するまで生成物がバイオリアクター内に留まる発酵プロセスを説明するために使用される。「バッチ」プロセスでは、発酵が完了した後に、生成物を抽出し、次の「バッチ」が始まる前にバイオリアクターを洗浄する。「連続発酵」は、発酵プロセスがより長期間にわたって延長され、発酵中に生成物および／または代謝物が抽出される発酵プロセスを説明するために使用される。好ましくは、発酵プロセスは連続的である。

文脈上別段の要求がない限り、本明細書で使用される場合、「発酵」、「発酵プロセス」、または「発酵反応」などの句は、ガス状基質の増殖期および生成物生合成期の両方を包含することを意図する。

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

「効率を高める」、「効率が高められた」などの用語は、発酵プロセスに関して使用される場合、プロセスによって捕捉される炭素量を増加させること、１つ以上の望ましくない副生成物に変換される炭素量を減少させること、発酵に触媒作用を及ぼす微生物の増殖速度、高い生成物濃度における増殖および／または生成物生成速度のうちの１つ以上を増加させること、消費される基質の体積あたりに生成される所望の生成物の体積を増加させること、所望の生成物の生成速度または生成レベルを増加させること、発酵の他の副生成物と比較して生成される所望の生成物の相対的割合を増加させること、プロセスによって消費される水の量を減少させること、ならびにプロセスによって利用されるエネルギーの量を減少させることを含むが、これらに限定されない。

特定の実施形態では、水素の存在は、発酵プロセスによるエタノール生成の改善された全体的な効率をもたらす。

水素の存在下で発酵プロセスを操作することには、発酵プロセスによって生成されるＣＯ_２の量が低減されるというさらなる利点がある。例えば、最小限のＨ_２を含むガス状基質は、一般に、以下の化学量論［６ＣＯ＋３Ｈ_２Ｏ→Ｃ_２Ｈ_５ＯＨ＋４ＣＯ_２］に従って、エタノールおよびＣＯ_２を生成するであろう。Ｃ１固定細菌によって利用される水素の量が増加すると、生成されるＣＯ_２の量は減少する［例えば、２ＣＯ＋４Ｈ_２→Ｃ_２Ｈ_５ＯＨ＋Ｈ_２Ｏ］。

化学量論比が２：１（Ｈ_２：ＣＯ）の場合、ＣＯ_２の生成は完全に回避される。以下に示されるように、Ｈ_２：ＣＯの化学量論比を変化させた場合、様々な量の炭素が十分に利用されず、エタノールに変換される代わりに、ＣＯ_２が副生成物として変換される。
５ＣＯ＋１Ｈ_２＋２Ｈ_２Ｏ→１Ｃ_２Ｈ_５ＯＨ＋３ＣＯ_２（ΔＧ°＝－２０４．８０ｋＪ／モル エタノール）
４ＣＯ＋２Ｈ_２＋１Ｈ_２Ｏ→１Ｃ_２Ｈ_５ＯＨ＋２ＣＯ_２（ΔＧ°＝－１８４．７０ｋＪ／モル エタノール）
３ＣＯ＋３Ｈ_２→１Ｃ_２Ｈ_５ＯＨ＋１ＣＯ_２（ΔＧ°＝－１６４．６０ｋＪ／モル エタノール）

「流」とは、例えば、あるプロセスから別のプロセスへ、あるモジュールから別のモジュールへ、および／またはあるプロセスから炭素捕捉手段へ送ることが可能な任意の基質を指す。

「水素が豊富な流れ」は、「水素が枯渇した流れ」よりも高い水素の相対比率を有するガス流である。様々な事例では、水素が豊富な流れは、少なくとも２：１のＨ_２：ＣＯ化学量論比を有し、一方、水素が枯渇した流れは、２：１未満のＨ_２：ＣＯ化学量論比を有する。

「浄化されたガス」、「浄化された流」などの用語は、少なくとも１つの水素分離モジュールを通過したガス流を指す。

「水素分離モジュール」としては、圧力スイング吸着、温度スイング吸着、膜分離、またはＣＯ、Ｈ_２、および／またはＣＯ_２のうちの１つ以上の選択的除去によってガスの組成を調整するために使用される任意の他のガス分離技術からなる群から選択される少なくとも１つの分離技術が挙げられる。好ましくは、水素分離モジュールは、少なくとも１つの圧力スイング吸着プロセスを含む。様々な事例では、水素分離モジュールは、二酸化炭素、無機炭化水素、タール、有機窒素、ならびに有機および無機硫黄からなる群から選択される少なくとも２つの成分を同時に除去するために使用される。

本明細書で使用される場合、「炭素捕捉」という用語は、ＣＯ_２および／またはＣＯを含むガス流からのＣＯ_２および／またはＣＯを含む炭素化合物の隔離し、
ＣＯ_２および／もしくはＣＯを生成物に変換すること、または
ＣＯ_２および／もしくはＣＯを長期貯蔵に好適な物質に変換すること、または
ＣＯ_２および／もしくはＣＯを長期貯蔵に好適な物質中に閉じ込めること、または
これらのプロセスの組み合わせのいずれかを指す。

「バイオリアクター」、「反応器」などの用語は、発酵プロセスに使用される可能性があるデバイスを含む。バイオリアクターは、連続撹拌槽反応器（ＣＳＴＲ）、固定化細胞反応器（ＩＣＲ）、トリクルベッド反応器（ＴＢＲ）、気泡塔、ガスリフト発酵槽、静的ミキサ、循環ループ反応器、中空糸膜バイオリアクター（ＨＦＭ ＢＲ）などの膜反応器、または気液接触に好適な他の槽もしくは他のデバイスを含む、１つ以上の槽および／もしくは塔、または配管配置からなり得る。反応器は、好ましくは、ＣＯもしくはＣＯ_２もしくはＨ_２またはそれらの混合物を含むガス状基質を受容するように適合される。発酵プロセスは、並列または直列のいずれかで、複数の反応器（段）を含み得る。例えば、発酵プロセスは、細菌が培養される第１の増殖反応器と、増殖反応器からの発酵ブロスが供給され得、発酵生成物の大部分が生成され得る第２の発酵反応器とを含み得る。

「発酵ブロス」または「ブロス」という用語は、栄養培地および培養物または１つ以上の微生物を含む成分の混合物を包含することを意図する。好ましくは、発酵プロセスは、発酵ブロスを利用して、ガス流を１つ以上の生成物に発酵させる。

培養物は概して、微生物の増殖を可能にするのに十分な栄養素、ビタミン、および／または無機物を含有する水性培地中で維持される。好ましくは、水性培地は、最小嫌気性微生物増殖培地などの嫌気性微生物増殖培地である。

「栄養培地（Ｎｕｔｒｉｅｎｔ ｍｅｄｉａ）」または「栄養培地（Ｎｕｔｒｉｅｎｔ ｍｅｄｉｕｍ）」は、細菌増殖培地を説明するために使用される。好ましくは、発酵プロセスは、バイオリアクターにおいて栄養培地を利用する。一般に、この用語は、培養微生物の増殖に適した栄養素および他の成分を含有する培地を指す。「栄養素」という用語は、微生物の代謝経路において利用され得る任意の物質を含む。例示的な栄養素としては、カリウム、ビタミン、微量金属、およびアミノ酸が挙げられる。

本明細書で使用される「酸」という用語は、本明細書に記載の発酵ブロス中に存在する遊離酢酸と酢酸塩との混合物など、カルボン酸および関連するカルボン酸アニオンの両方を含む。発酵ブロス中の分子酸とカルボン酸との比は、系のｐＨに依存する。さらに、「アセテート」という用語は、酢酸塩単独、および本明細書に記載の発酵ブロス中に存在する酢酸塩と遊離酢酸との混合物などの分子または遊離酢酸と酢酸塩との混合物の両方を含む。

「所望の組成」という用語は、例えばガス流などの物質中の成分の所望のレベルおよび種類を指すために使用される。より具体的には、ガスは、これが特定の成分（例えば、ＣＯ、Ｈ_２、および／またはＣＯ_２）を含有する場合、および／または特定の成分を特定の割合で含有する場合、および／または特定の成分（例えば、微生物に有害な汚染物質）を含有しない場合、および／または特定の成分を特定の割合で含有しない場合、「所望の組成」を有すると考えられる。ガス流が所望の組成を有しているかどうかを決定する際に、複数の成分が考慮され得る。

「微生物」は、顕微鏡生物、特に、細菌、古細菌、ウイルス、または真菌である。本発明の微生物は、一般に細菌である。本明細書で使用される場合、「微生物」という用語の列挙は、「細菌」を包含すると考えられるべきである。微生物という用語および細菌という用語は、本明細書を通じて互換的に使用されることに留意されたい。

「親微生物」は、本発明の微生物を生成するために使用される微生物である。親微生物は、天然に存在する微生物（例えば、野生型微生物）、または以前に修飾された微生物（例えば、変異体または組換え微生物）であってもよい。本発明の微生物は、親微生物において発現または過剰発現しなかった１つ以上の酵素を発現または過剰発現するように修飾され得る。同様に、本発明の微生物は、親微生物が含有しなかった１つ以上の遺伝子を含有するように修飾され得る。本発明の微生物は、また、親微生物において発現された１つ以上の酵素を発現しないまたはより少ない量を発現させるように修飾され得る。一実施形態において、親微生物は、Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ ａｕｔｏｅｔｈａｎｏｇｅｎｕｍ、Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ ｌｊｕｎｇｄａｈｌｉｉ、またはＣｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ ｒａｇｓｄａｌｅｉである。好ましい実施形態では、親微生物は、２０１０年６月７日にドイツのＤ－３８１２４ Ｂｒａｕｎｓｃｈｗｅｉｇ、

に位置するＤｅｕｔｓｃｈｅ Ｓａｍｍｌｕｎｇ ｖｏｎ Ｍｉｋｒｏｏｒｇａｎｉｓｍｅｎ ｕｎｄ Ｚｅｌｌｋｕｌｔｕｒｅｎ ＧｍｂＨ（ＤＳＭＺ）にブダペスト条約の条項下で２０１０年６月７日に寄託され、受託番号ＤＳＭ２３６９３を付与されたＣｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ ａｕｔｏｅｔｈａｎｏｇｅｎｕｍ ＬＺ１５６１である。この株については、国際特許出願第ＰＣＴ／ＮＺ２０１１／０００１４４号に記載されており、ＷＯ２０１２／０１５３１７として公開される。

「から由来する」という用語は、核酸、タンパク質、または微生物が異なる（例えば、親または野生型）核酸、タンパク質、または微生物から修飾または適合されて、新しい核酸、タンパク質、または微生物を生成することを示す。そのような修飾または適合は、一般に、核酸または遺伝子の挿入、欠失、変異、または置換を含む。一般に、本発明の微生物は、親微生物から誘導される。一実施形態では、本発明の親微生物は、Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ ａｕｔｏｅｔｈａｎｏｇｅｎｕｍ、Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ ｌｊｕｎｇｄａｈｌｉｉ、またはＣｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ ｒａｇｓｄａｌｅｉから誘導される。好ましい実施形態では、本発明の微生物は、ＤＳＭＺ受託番号ＤＳＭ２３６９３の下で寄託される、Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ ａｕｔｏｅｔｈａｎｏｇｅｎｕｍ ＬＺ１５６１から誘導される。

「Ｗｏｏｄ－Ｌｊｕｎｇｄａｈｌ」とは、例えば、Ｒａｇｓｄａｌｅ，Ｂｉｏｃｈｉｍ Ｂｉｏｐｈｙｓ Ａｃｔａ，１７８４：１８７３－１８９８，２００８に記載されている炭素固定のＷｏｏｄ－Ｌｊｕｎｇｄａｈｌ経路を指す。「Ｗｏｏｄ－Ｌｊｕｎｇｄａｈｌ微生物」は、予想通り、Ｗｏｏｄ－Ｌｊｕｎｇｄａｈｌ経路を含む微生物を指す。一般に、本発明の微生物は天然のＷｏｏｄ－Ｌｊｕｎｇｄａｈｌ経路を含有する。本明細書では、Ｗｏｏｄ－Ｌｊｕｎｇｄａｈｌ経路は、天然の未修飾のＷｏｏｄ－Ｌｊｕｎｇｄａｈｌ経路であってもよく、またはＣＯ、ＣＯ_２、および／もしくはＨ_２をアセチル－ＣｏＡに変換するように依然として機能する限り、ある程度の遺伝子修飾（例えば、過剰発現、異種発現、遺伝子欠損など）を有するＷｏｏｄ－Ｌｊｕｎｇｄａｈｌ経路であってもよい。

「Ｃ１」は、１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１炭素分子、例えば、ＣＯ、ＣＯ_２、またはＣＨ_３ＯＨを指す。「Ｃ１炭素源」は、本発明の微生物のための部分的または唯一の炭素源として機能する１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。好ましくは、Ｃ１炭素源は、ＣＯおよびＣＯ_２のうちの一方または両方を含む。「Ｃ１固定微生物」は、Ｃ１炭素源から１つ以上の生成物を生成する能力を有する微生物である。一般に、本発明の微生物はＣ１固定細菌である。

「嫌気性菌」は、増殖のために酸素を必要としない微生物である。嫌気性細菌は、酸素が特定の閾値を超えて存在する場合、負の反応を起こし得るか、もしくは死滅し得る。しかしながら、いくつかの嫌気性細菌は、低レベルの酸素（例えば、０．０００００１～５％の酸素）を許容可能である。一般に、本発明の微生物は嫌気性細菌である。

「アセトゲン」は、エネルギー節約のため、ならびにアセテートなどのアセチル－ＣｏＡおよびアセチル－ＣｏＡ由来生成物の合成のために、それらの主要機構として、Ｗｏｏｄ－Ｌｊｕｎｇｄａｈｌ経路を使用する、偏性嫌気性細菌である（Ｒａｇｓｄａｌｅ，Ｂｉｏｃｈｉｍ Ｂｉｏｐｈｙｓ Ａｃｔａ，１７８４：１８７３－１８９８，２００８）。特に、アセトゲンは、Ｗｏｏｄ－Ｌｊｕｎｇｄａｈｌ経路を、（１）ＣＯ_２からのアセチル－ＣｏＡの還元合成のための機構、（２）末端電子受容、省エネルギープロセス、（３）細胞炭素の合成におけるＣＯ_２の固定（同化）のための機構として使用する（Ｄｒａｋｅ，Ａｃｅｔｏｇｅｎｉｃ Ｐｒｏｋａｒｙｏｔｅｓ，Ｉｎ：Ｔｈｅ Ｐｒｏｋａｒｙｏｔｅｓ，３^ｒｄ ｅｄｉｔｉｏｎ，ｐ．３５４，Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ，ＮＹ，２００６）。天然に存在するすべてのアセトゲンは、Ｃ１固定、嫌気性、独立栄養性、および非メタン資化性である。一般に、本発明の微生物はアセトゲンである。

「エタノロゲン（ｅｔｈａｎｏｌｏｇｅｎ）」は、エタノールを産生する、または産生することが可能である微生物である。一般に、本発明の微生物はエタノロゲンである。

「独立栄養生物」は、有機炭素の不在下で増殖することが可能な微生物である。代わりに、独立栄養生物は、ＣＯおよび／またはＣＯ_２などの無機炭素源を使用する。一般に、本発明の微生物は独立栄養生物である。

「カルボキシド栄養生物」は、炭素およびエネルギーの唯一の供給源としてＣＯを利用することが可能な微生物である。一般に、本発明の微生物はカルボキシド栄養生物である。

「メタン資化性菌」は、炭素とエネルギーの唯一の供給源としてメタンを利用することが可能な微生物である。特定の実施形態では、本発明の微生物は、メタン資化性菌であるか、またはメタン資化性菌から誘導される。他の実施形態では、本発明の微生物はメタン資化性菌ではないか、メタン資化性菌から誘導されない。

「基質」は、本発明の微生物のための炭素および／またはエネルギー源を指す。一般に、基質は、ガス状であり、Ｃ１炭素源、例えば、ＣＯ、ＣＯ_２、および／またはＣＨ_４を含む。好ましくは、基質は、ＣＯまたはＣＯ＋ＣＯ_２のＣ１炭素源を含む。基質は、Ｈ_２またはＮ_２などの他の非炭素成分をさらに含み得る。

基質の組成は、反応の効率および／またはコストに著しい影響を及ぼし得る。例えば、酸素（Ｏ_２）の存在は、嫌気性発酵プロセスの効率を低減させ得る。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、望ましくない成分、またはちり粒子等のいかなる望ましくない不純物も除去すること、および／または所望の成分の濃度を増加させることが望ましくあり得る。

本発明の微生物は、１つ以上の生成物を生成するようにガスとともに培養され得る。例えば、本発明の微生物は、エタノール（ＷＯ２００７／１１７１５７）、アセテート（ＷＯ２００７／１１７１５７）、１－ブタノール（ＷＯ２００８／１１５０８０、ＷＯ２０１２／０５３９０５、およびＷＯ２０１７／００６６４９８）、ブチレート（ＷＯ２００８／１１５０８０）、２，３－ブタンジオール（ＷＯ２００９／１５１３４２、およびＷＯ２０１６／０９４３３４）、ラクテート（ＷＯ２０１１／１１２１０３）、ブテン（ＷＯ２０１２／０２４５２２）、ブタジエン（ＷＯ２０１２／０２４５２２）、メチルエチルケトン（ＭＥＫ）（ＷＯ２０１２／０２４５２２、およびＷＯ２０１３／１８５１２３）、エチレン（ＷＯ２０１２／０２６８３３）、アセトン（ＷＯ２０１２／１１５５２７）、イソプロパノール（ＷＯ２０１２／１１５５２７）、脂質（ＷＯ２０１３／０３６１４７）、３－ヒドロキシプロピオネート（３－ＨＰ）（ＷＯ２０１３／１８０５８１）、イソプレンを含むテルペン（ＷＯ２０１３／１８０５８４）、脂肪酸（ＷＯ２０１３／１９１５６７）、２－ブタノール（ＷＯ２０１３／１８５１２３）、１，２－プロパンジオール（ＷＯ２０１４／０３６１５２）、１－プロパノール（ＷＯ２０１４／０３６９１５２、およびＷＯ２０１７／００６６４９８）、１－ヘキサノール（ＷＯ２０１７／００６６４９８）、１－オクタノール（ＷＯ２０１７／００６６４９８）、コリスメート由来生成物（ＷＯ２０１６／１９１６２５）、３－ヒドロキシブチレート（ＷＯ２０１７／０６６４９８）、１，３－ブタンジオール（ＷＯ２０１７／００６６４９８）、２－ヒドロキシイソブチレート、または２－ヒドロキシイソ酪酸（ＷＯ２０１７／００６６４９８）、イソブチレン（ＷＯ２０１７／００６６４９８）、アジピン酸（ＷＯ２０１７／００６６４９８）、１，３ヘキサンジオール（ＷＯ２０１７／００６６４９８）、３－メチル－２－ブタノール（ＷＯ２０１７／００６６４９８）、２－ブテン－１－オール（ＷＯ２０１７／００６６４９８）、イソバレレート（ＷＯ２０１７／００６６４９８）、イソアミルアルコール（ＷＯ２０１７／００６６４９８）、およびモノエチレングリコール（ＷＯ２０１９／１２６４００）を生成し得るか、または生成するように操作され得る。特定の実施形態では、微生物バイオマス自体が生成物と見なされ得る。これらの生成物のうちの１つ以上は、さらに変換されて、ディーゼル、ジェット燃料、および／またはガソリンのうちの少なくとも１つの成分を生成し得る。加えて、微生物バイオマスは、さらに処理されて、単細胞タンパク質（ＳＣＰ）の少なくとも一部を生成し得る。

「単細胞タンパク質」（ＳＣＰ）は、タンパク質が豊富なヒトおよび／または動物用飼料に使用され得る微生物バイオマスを指し、多くの場合、大豆または魚粉などの従来のタンパク質補給源に取って代わる。単細胞タンパク質または他の生成物を生成するために、プロセスは、追加の分離、加工、または処理ステップを含み得る。例えば、本方法は、微生物バイオマスを滅菌すること、微生物バイオマスを遠心分離すること、および／または微生物バイオマスを乾燥させることを含み得る。特定の実施形態では、微生物バイオマスは、噴霧乾燥またはパドル乾燥を使用して乾燥される。核酸含有量の高い食事を摂取すると、核酸分解生成物の蓄積および／または胃腸障害が生じ得るため、本方法は、当技術分野で既知の任意の方法を使用して、微生物バイオマスの核酸含有量を低減させることも含み得る。単細胞タンパク質は、家畜やペットなどの動物への給餌に好適であり得る。特に、動物用飼料は、１頭以上の肉用牛、乳用牛、豚、羊、山羊、馬、ラバ、ロバ、鹿、バッファロー／バイソン、ラマ、アルパカ、トナカイ、ラクダ、バンテン、ガヤル、ヤク、鶏、七面鳥、アヒル、ガチョウ、ウズラ、ホロホロ鳥、ひなバト／ハト、魚、エビ、甲殻類、猫、犬、およびげっ歯類に給餌するのに好適であり得る。動物用飼料の組成は、異なる動物の栄養要件に合わせて調整され得る。さらに、プロセスは、微生物バイオマスを１つ以上の賦形剤と混合することまたは組み合わせることを含み得る。

「賦形剤」は、動物用飼料の形態、特性、または栄養含有量を強化または変更するために、微生物バイオマスに添加され得る任意の物質を指し得る。例えば、賦形剤は、炭水化物、繊維、脂肪、タンパク質、ビタミン、ミネラル、水、香料、甘味料、酸化防止剤、酵素、防腐剤、プロバイオティクス、または抗生物質のうちの１つ以上を含み得る。いくつかの実施形態では、賦形剤は、干し草、わら、貯蔵生牧草、穀物、油もしくは脂肪、または他の植物材料であってもよい。賦形剤は、Ｃｈｉｂａ，Ｓｅｃｔｉｏｎ １８：Ｄｉｅｔ Ｆｏｒｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｃｏｍｍｏｎ Ｆｅｅｄ Ｉｎｇｒｅｄｉｅｎｔｓ，Ａｎｉｍａｌ Ｎｕｔｒｉｔｉｏｎ Ｈａｎｄｂｏｏｋ，３^ｒｄ ｒｅｖｉｓｉｏｎ，ｐａｇｅｓ ５７５－６３３，２０１４に特定される、任意の飼料成分であってもよい。

「選択性」は、微生物によって生成されるすべての発酵生成物の生成に対する所望の生成物の生成の比率を指す。本発明の微生物は、ある特定の選択性で、または最小の選択性で生成物を生成するように操作され得る。一実施形態では、所望の生成物は、本発明の微生物によって生成される全発酵生成物の少なくとも約５％、１０％、１５％、２０％、３０％、５０％、７５％、または８５％を占める。一実施形態において、所望の生成物は、本発明の微生物が少なくとも１０％の所望の生成物への選択性を有するように、本発明の微生物によって生成される全発酵生成物の少なくとも１０％を占める。別の実施形態において、所望の生成物は、本発明の微生物が少なくとも３０％の所望の生成物への選択性を有するように、本発明の微生物によって生成される全発酵生成物の少なくとも３０％を占める。

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

上昇した圧力でバイオリアクターを操作することは、気相から液相へのガス物質移動の増加した速度を可能にする。したがって、概して、大気圧よりも高い圧力で発酵を実施することが好ましい。また、所定のガス変換速度が部分的に基質保持時間の関数であり、かつ保持時間がバイオリアクターの必要な体積を示すことから、加圧システムの使用によって、必要なバイオリアクターの体積、およびその結果として発酵設備の資本コストを大幅に削減することができる。これは、同様に、バイオリアクター中の液体体積を入力ガス流速で除算したものと定義される保持時間が、バイオリアクターが大気圧よりも上昇した圧力に維持されるときに短縮し得ることを意味する。最適反応条件は、使用される特定の微生物に部分的に依存する。しかしながら、一般的には、大気圧より高い圧力で発酵を行うことが好ましい。また、所与のガス変換速度が部分的に基質保持時間の関数であり、かつ所望の保持時間を達成することが同様にバイオリアクターの必要な容積を示すため、加圧システムの使用は、必要なバイオリアクターの容積、およびその結果として発酵装置の資本コストを大幅に削減することができる。

所望の生成物を含有する発酵ブロスは、バイオリアクターから連続的に取り出されて、生成物の回収を実現し得る。所望の生成物は、例えば、分留、真空蒸留、抽出蒸留、蒸発、浸透気化、ガスストリッピング、相分離、および例えば、液－液抽出を含む抽出発酵を含む、当該技術分野において既知の方法または方法の組み合わせを利用し得る任意の好適な生成物回収プロセスを使用して、発酵ブロスから分離または精製され得る。特定の実施形態では、所望の生成物は、ブロスの一部をバイオリアクターから連続的に取り出し、微生物細胞をブロスから（濾過により簡便に）分離し、１つ以上の所望の生成物をブロスから回収することによって、発酵ブロスから回収される。アルコールおよび／またはアセトンは、例えば、蒸留によって回収され得る。酸は、例えば、活性炭上での吸着によって回収され得る。分離された微生物細胞をバイオリアクターに返送することができる。所望の生成物が取り出された後に残存している無細胞透過液もバイオリアクターに返送することができる。追加の栄養素を、無細胞透過液に添加して、バイオリアクターに返送する前に、培地を補充し得る。

説明
本発明者らは、様々なガス流の使用法および組成を最適化することによって、発酵効率および全体的な炭素捕捉効率が改善され得ることを見出した。発酵プロセスによって使用されるガス流の組成を調整することによって、本発明者らは、特定の所望の生成物の生成を向上させ得ることを見出した。様々な事例では、本発明は、並列発酵プロセスへのガスの流れを最適化して、所望の生成物の生成物選択性を改善する。他の事例では、本発明は、直列発酵プロセスへのガスの流れを最適化して、所望の生成物の生成物選択性を改善する。様々な事例では、特定の発酵プロセスに送られるガスの組成は、ガスが特定の発酵生成物を生成するのに理想的であるように、特定のＨ_２：ＣＯ比に最適化される。

水素が枯渇したガスを使用することによって、発酵プロセスは、エタノール、アセテート、モノエチレングリコール（ＭＥＧ）、１，２－プロパンジオール、３－ヒドロキシプロピオネート、アセトン、イソプロパノール、ラクテート、１，３－ブタンジオール、２－ブタノール、２－ヒドロキシイソ酪酸、３－ヒドロキシブチレート、メチルエチルケトン（ＭＥＫ）、イソアミルアルコール、イソプレンを含むテルペン、アジピン酸、１－ヘキサノール、１－オクタノール、およびコリスメート由来生成物からなる群から選択される１つ以上の生成物を最適に生成し得る。特定の事例では、水素が豊富な流れの代わりに水素が枯渇した流れを用いて、特定の生成物を生成することがより有利である。３－ヒドロキシプロピオネート、イソアミルアルコール、および／またはコリスメート由来生成物などの生成物は、好ましくは、水素が豊富な流れの代わりに水素が枯渇した流れを使用して生成される。

本発明者らは、少なくとも２つの発酵プロセスを並列または直列のいずれかで操作することによって、流入する供給ガスが、水素が豊富な流れおよび水素が枯渇した流れに分離され得、各々が、ガス発酵プロセスにおいて特定の生成物を生成するのに最適であることを見出した。加えて、少なくとも２つの発酵プロセスを直列で操作する場合、第１の発酵プロセスを最適化して、酢酸を生成し得、次いで、酢酸は、第２の発酵プロセスにおいて、エタノールに変換され得、その結果、より高いエタノールの全体的な生成がもたらされる。２つの発酵プロセスを使用し、各々が、水素が豊富なまたは水素が枯渇した異なる流れを受容するように作動することによって、二酸化炭素などの不要な副生成物を大量に生成する代わりに、ガスの実質的にすべてが、少なくとも１つの発酵プロセスによって利用されて、少なくとも１つの発酵製品を生成するため、全体的な炭素捕捉効率が改善され得る。

流入する供給ガスの少なくとも一部は、ガス化プロセスから供給され得る。流入する供給ガスを発酵に利用することに加えて、特定の事例では、本発明者らは、発酵プロセスからのベントガスの少なくとも一部、および／またはガス化プロセスからの流入するガス流の少なくとも一部を、ガス化プロセスで使用される供給原料を乾燥させるために使用することが有益であることを見出した。ガス化プロセスからの流入するガス流および／または発酵プロセスからのベントガス流の少なくとも一部を利用して、ガス化プロセスのための供給原料を乾燥させることによって、ガス化プロセスの効率が改善され得る。具体的には、本発明者らは、ガス化プロセスにおいて使用される流入する都市固体廃棄物および／またはバイオマス供給原料を乾燥させるためのベントガスまたは流入するガスの使用が、ベントガスを電気または蒸気発生のために使用する場合と比較して、増加したエネルギー効率、より良好な合成ガスの品質、増加した生成物収益をもたらすことを見出した。本発明者らは、電気または蒸気発生のためのベントガスの使用によって、せいぜい、ベントガスエネルギーの６０パーセント（６０％）、電気から４０パーセント（４０％）、および蒸気から２０パーセント（２０％）が回収され得ることを見出した。対照的に、供給原料の乾燥のためのベントガスの使用によって、合成ガスの収率が改善され、ベントガスエネルギーの９２パーセント（９２％）が回収され得る。

したがって、工業的供給源がガス化プロセスである場合、電気または蒸気を生成するよりも、乾燥にベントガスを使用する方がより経済的である。本発明者らは、ベントガスが、蒸気または電気発生に使用される代わりに、都市固体廃棄物（ＭＳＷ）を乾燥させるために使用される場合、合成ガスの生成が増えることから引き起こされる生成物の価値が、それ以外の方法で生成された電気または蒸気の価値を超えることを見出した。予想収益の比較を、以下の表に示す。この比較は、発酵プロセスが、エタノールであると仮定することによって提供されるが、１つ以上の他の発酵生成物が生成される他の様々な事例では、乾燥のためにベントガスの少なくとも一部を使用することが、依然として有益であり得る。ガス化に使用されるベントガスの価値を示す以下のチャートは、４１．７トン／時（ＴＰＨ）ガス化装置、発酵ユニットを使用し、１０００トン／日（ＴＰＤ）供給原料、１１ＭＪ／ｋｇの供給原料エネルギー密度を用いることに基づいて提供される。

上記の表に示されているように、ベントガスが、蒸気および電気発生に使用される（＄１０．８／ＧＪ）代わりに、乾燥に使用される（＄２０／ＧＪ）場合、ベントガスの価値はより高くなる。したがって、１つ以上の実施形態では、ベントガスの少なくとも一部は、供給原料乾燥プロセスによって使用される。

上記の利点は、以下に記載される図１～３に示されるように、様々なガス流の使用法および組成を制御することによって、最も良好に達成される。

図１は、本発明の一態様による、最適化されたガス流１４１、１４２から別個の生成物１７１、１００１を生成する並列発酵プロセス１、２を示すプロセス統合図を示す。様々な事例では、各発酵プロセス１、２は、直列の少なくとも２つのバイオリアクター１６０、１７０および１９０、１０００からなり得る。好ましくは、発酵プロセス１、２は、各発酵プロセス１、２が、工業的供給源１１０から最適化されたガス流１４１、１４２の少なくとも一部を受容することが可能であるように、少なくとも１つの工業的供給源１１０と統合される。好ましくは、工業的供給源１１０からのガス流１１１は、少なくとも１つの水素分離モジュール１４０を使用して、水素が豊富な流れ１４１および水素が枯渇した流れ１４２に分離される。水素が豊富な流れ１４１の少なくとも一部は、第１の発酵生成物１７１を生成するために、１つ以上のＣ１固定微生物の培養物を含有する液体栄養培地を含む少なくとも１つの反応器１６０を使用して、第１の発酵プロセス１において発酵される。様々な事例では、第１の発酵プロセス１は、２つ以上の反応器１６０、１７０からなる。水素が枯渇した流れ１４２の少なくとも一部は、第２の発酵生成物１００１を生成するために、１つ以上のＣ１固定微生物の培養物を含有する液体栄養培地を含む少なくとも１つの反応器１９０を使用する第２の発酵プロセス２において発酵される。様々な事例では、第２の発酵プロセス２は、２つ以上の反応器１９０、１０００からなる。好ましくは、第１の発酵プロセス１によって生成される第１の発酵生成物１７１および第２の発酵プロセス２によって生成される第２の発酵生成物１００１は、異なる生成物である。様々な事例では、第１の発酵生成物１７１は、エタノールであり、第２の発酵生成物１００１は、２，３－ブタンデジオールである。特定の実施形態では、液体栄養培地およびプロセス水１６３、１９３は、第１の発酵プロセス１および第２の発酵プロセス２に並列で流れる。

特定の事例では、工業的供給源１１０は、炭水化物発酵、ガス発酵、セメント製造、パルプおよび製紙、製鋼、石油精製および関連プロセス、石油化学生成、コークス生成、嫌気性または好気性消化、ガス化、天然ガス抽出、メタン改質、石油抽出、アルミニウム、銅、および／または鉄合金の生成および／または精製のための冶金プロセス、地質貯留層、ならびに触媒プロセスからなる群から選択される。様々な事例では、ガス流１１１の少なくとも一部は、冶金プロセス１１０からの高炉上部ガスからなる。様々な事例では、ガス流１１１の少なくとも一部は、メタン改質プロセス１１０に由来する。メタン改質プロセスは、好ましくは、メタン含有ガスの少なくとも一部を、一酸化炭素および水素の少なくとも一部を含むガス流１１１に変換する。

特定の事例では、水素分離モジュール１４０は、圧力スイング吸着プロセスである。好ましくは、水素分離モジュール１４０は、発酵プロセス１、２の上流に提供されて、工業的供給源１１０からの流入ガス１１１から、水素が豊富な流れ１４１および水素が枯渇した流れ１４２を生成する。特定の事例では、流入するガス１１１は、１つ以上の圧縮機１３０に送られて、流入するガス流１１１の圧力を上昇させ、加圧された流入するガス流１３１を生成する。水素分離モジュール１４０として圧力スイング吸着プロセスを利用する場合、水素が豊富な流れ１４１は、水素が枯渇した流れ１４２と比較して、増加した圧力で水素分離モジュール１４０を出る。したがって、水素分離モジュール１４０として圧力スイング吸着プロセスを利用する場合、水素が枯渇した流れ１４２は、好ましくは、１つ以上の圧縮機１５０に送られて、第２の発酵プロセス２に送られる前に、加圧された水素が枯渇した流れ１５１を生成する。

好ましくは、第１の発酵プロセス１が、複数のバイオリアクター１６０、１７０からなる場合、水素が豊富な流れ１４１は、バイオリアクター１６０、１７０に並列で送られ、発酵ブロス１６１は、第１のバイオリアクター１６０から第２のバイオリアクター１７０に直列で送られる。

好ましくは、第２の発酵プロセスが、複数のバイオリアクター１９０、１０００からなる場合、加圧された水素が枯渇した流れ１５１であり得る水素が枯渇した流れ１４２は、バイオリアクター１９０、１０００に並列で送られ、発酵ブロス１９１は、第１のバイオリアクター１９０から第２のバイオリアクター１０００に直列で送られる。

第１の発酵プロセス１から生成物１７１を回収するために、１つ以上の生成物回収プロセス１８０が使用され得る。特定の事例では、生成物回収プロセス１８０は、精製された生成物流１８１を生成することが可能である。

第２の発酵プロセス２から生成物１００１を回収するために、１つ以上の生成物回収プロセス１１００が使用され得る。特定の事例では、生成物回収プロセス１１００は、精製された生成物流１１０１を生成することが可能である。

本発明は、様々な生成物１７１、１００１の生成を向上させるために、発酵プロセス１、２によって使用されるガスの組成を調整することが可能である。発酵プロセス１、２によって使用されるガスの組成を最適化する１つの方法は、バイオリアクター１６０、１７０、１９０、１０００において生成されるベントガス１６２、１７２、１９２、１００２の少なくとも一部を利用することである。特定の事例では、第１の発酵プロセス１内で生成されたベントガス１６２、１７２の少なくとも一部は、水素が豊富な流れ１４１に再循環される。ベントガス１６２、１７２の少なくとも一部は、水素分離モジュール１４０の上流で再循環され、水素分離モジュール１４０に再循環され、かつ／または水素分離モジュール１４０の下流で再循環されて、第１の発酵プロセス１によって使用されるガスの組成を最適化し得る。特定の事例では、第２の発酵プロセス２内で生成されたベントガス１９２、１００２の少なくとも一部は、水素が枯渇した流れ１５１に再循環される。ベントガス１９２、１００２の少なくとも一部は、水素分離モジュール１４０の上流で再循環され、水素分離モジュール１４０に再循環され、かつ／または水素分離モジュール１４０の下流で再循環されて、第２の発酵プロセス２によって使用されるガスの組成を最適化し得る。

様々な事例では、水素が豊富な流れ１４１は、水素が豊富な流れ１４１における最小一酸化炭素要件を満たすために、加圧された流入するガス流１３１であり得る流入するガス流１１１の少なくとも一部を、水素が豊富な流れ１４１と混合することによって最適化される。

工業的供給源１１０からの流入するガス流１１１が、発酵プロセス１、２が利用し得る量を超える場合、流入するガス流１１１の少なくとも一部は、蒸気ボイラー、コージェネレーションユニット、および／または供給原料乾燥プロセス１２０によって使用され得る。供給原料乾燥プロセス１２０における流入するガス流１１１の少なくとも一部の使用は、流入するガス流１１０が特に希薄であり、電気への変換の不十分な効率を有する場合に特に有用である。様々な事例では、工業用供給源１１０が、１つ以上のガス化プロセスを含む場合、発酵プロセス１、２が利用し得るガス量を超えているかどうかに関わらず、流入するガス１１１の少なくとも一部は、供給原料乾燥プロセス１２０によって使用される。

好ましくは、発酵プロセス１、２は、連続的に作動し得る。発酵プロセス１、２が連続的に作動し得ることを確実にするために、バイオリアクター１６０、１７０、１９０、１０００は、好ましくは、実行可能な微生物の最適な割合を含むべきである。特定の事例では、一酸化炭素が豊富なガス（別名、水素が枯渇したガス１４２として既知である）の使用は、水素が豊富なガス１４１の使用と比較して、発酵プロセスによって生成される微生物バイオマスの相対的割合を増加させる。水素が豊富なガス１４１を利用する第１の発酵プロセス１内で培養物を維持するために、微生物バイオマスを含むブリードストリーム１００３の少なくとも一部は、第２の発酵プロセス２のバイオリアクター１９０、１０００から、第１の発酵プロセス１のバイオリアクター１６０、１７０に送られ得る。好ましくは、第２の発酵プロセス２のバイオリアクター１９０、１０００からの微生物バイオマスの少なくとも一部は、実行可能である。特定の事例では、第２の発酵プロセス２からのブリード流１００３の使用は、連続的に完了する。

様々な事例では、発酵プロセス１、２は、１つ以上のＣ１固定微生物を利用して、Ｃ１含有ガスを発酵させ、１つ以上の発酵生成物１７１、１００１を生成する。発酵プロセスによって使用されるＣ１固定微生物は、好ましくは、Ｍｏｏｒｅｌｌａ、Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ、Ｒｕｍｉｎｏｃｏｃｃｕｓ、Ａｃｅｔｏｂａｃｔｅｒｉｕｍ、Ｅｕｂａｃｔｅｒｉｕｍ、Ｂｕｔｙｒｉｂａｃｔｅｒｉｕｍ、Ｏｘｏｂａｃｔｅｒ、Ｍｅｔｈａｎｏｓａｒｃｉｎａ、およびＤｅｓｕｌｆｏｔｏｍａｃｕｌｕｍからなる群から選択される。好ましくは、発酵プロセス１、２によって使用されるＣ１固定微生物は、Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ ａｕｔｏｅｔｈａｎｏｇｅｎｕｍである。

図２は、本発明の一態様による、最適化されたガス流２４１、２４２の直列発酵プロセス１、２への流れを示すプロセス統合図を示す。様々な事例では、各発酵プロセス１、２は、直列の少なくとも２つのバイオリアクター２６０、２７０および２８０、２９０からなり得る。好ましくは、発酵プロセス１、２は、各発酵プロセス１、２が、工業的供給源２１０から最適化されたガス流２４１、２４２の少なくとも一部を受容することが可能であるように、少なくとも１つの工業的供給源２１０と統合される。好ましくは、工業的供給源２１０からのガス流２１１は、少なくとも１つの水素分離モジュール２４０を使用して、水素が豊富な流れ２４１および水素が枯渇した流れ２４２に分離される。水素が豊富な流れ２４１の少なくとも一部は、第１の発酵生成物２７１を生成するために、１つ以上のＣ１固定微生物の培養物を含有する液体栄養培地を含む少なくとも１つの反応器２６０を使用して、第１の発酵プロセス１において発酵される。様々な事例では、第１の発酵プロセス１は、２つ以上の反応器２６０、２７０からなる。水素が枯渇した流れ２４２の少なくとも一部は、第２の発酵生成物２９１を生成するために、１つ以上のＣ１固定微生物の培養物を含有する液体栄養培地を含む少なくとも１つの反応器２８０を使用する第２の発酵プロセス２において発酵される。様々な事例では、第２の発酵プロセス２は、２つ以上の反応器２８０、２９０からなる。好ましくは、第１の発酵プロセス１によって生成される第１の発酵生成物２７１および第２の発酵プロセス２によって生成される第２の発酵生成物２９１は、異なる生成物である。様々な事例では、第１の発酵生成物２７１は、酢酸であり、第２の発酵生成物２９１は、エタノールである。好ましくは、第１の発酵プロセス１からの酢酸２７１の少なくとも一部は、第２の発酵プロセス２に渡されて、酢酸２７１の少なくとも一部をエタノール２９１に変換する。特定の実施形態では、液体栄養培地およびプロセス水２６３、２８３は、第１の発酵プロセス１および第２の発酵プロセス２に並列で流れる。

特定の事例では、工業的供給源２１０は、炭水化物発酵、ガス発酵、セメント製造、パルプおよび製紙、製鋼、石油精製および関連プロセス、石油化学生成、コークス生成、嫌気性または好気性消化、ガス化、天然ガス抽出、メタン改質、石油抽出、アルミニウム、銅、および／または鉄合金の生成および／または精製のための冶金プロセス、地質貯留層、ならびに触媒プロセスからなる群から選択される。様々な事例では、ガス流２１１の少なくとも一部は、冶金プロセス２１０からの高炉上部ガスからなる。様々な事例では、ガス流２１１の少なくとも一部は、メタン改質プロセス２１０に由来する。メタン改質プロセス２１０は、好ましくは、メタン含有ガスの少なくとも一部を、一酸化炭素および水素の少なくとも一部を含むガス流２１１に変換する。

特定の事例では、水素分離モジュール２４０は、圧力スイング吸着プロセスである。好ましくは、水素分離モジュール２４０は、発酵プロセス１、２の上流に提供されて、工業的供給源２１０からの流入ガス２１１から、水素が豊富な流れ２４１および水素が枯渇した流れ２４２を生成する。特定の事例では、流入するガス２１１は、１つ以上の圧縮機２３０に送られて、流入するガス流２１１の圧力を上昇させ、加圧された流入するガス流２３１を生成する。水素分離モジュール２４０として圧力スイング吸着プロセスを利用する場合、水素が豊富な流れ２４１は、水素が枯渇した流れ２４２と比較して、増加した圧力で水素分離モジュール２４０を出る。したがって、水素分離モジュール２４０として圧力スイング吸着プロセスを利用する場合、水素が枯渇した流れ２４２は、好ましくは、１つ以上の圧縮機２５０に送られて、第２の発酵プロセス２に送られる前に、加圧された水素が枯渇した流れ２５１を生成する。

好ましくは、第１の発酵プロセス１が、複数のバイオリアクター２６０、２７０からなる場合、水素が豊富な流れ２４１は、バイオリアクター２６０、２７０に並列で送られ、発酵ブロス２６１は、第１のバイオリアクター２６０から第２のバイオリアクター２７０に直列で送られる。

好ましくは、第２の発酵プロセスが、複数のバイオリアクター２８０、２９０からなる場合、加圧された水素が枯渇した流れ２５１であり得る水素が枯渇した流れ２４２は、バイオリアクター２８０、２９０に並列で送られ、発酵ブロス２８１は、第１のバイオリアクター２８０から第２のバイオリアクター２９０に直列で送られる。

第１の発酵プロセス１の生成物が、第２の発酵プロセス２に送られて、最終生成物２９１を生成する場合、１つ以上の生成物回収プロセス２０００を使用して、精製された生成物流２００１を回収し得る。

本発明は、様々な生成物２７１、２９１の生成を向上させるために、発酵プロセス１、２によって使用されるガスの組成を調整することが可能である。発酵プロセス１、２によって使用されるガスの組成を最適化する１つの方法は、バイオリアクター２６０、２７０、２８０、２９０において生成されるベントガス２６２、２７２、２８２、２９２の少なくとも一部を利用することである。特定の事例では、第１の発酵プロセス１内で生成されたベントガス２６２、２７２の少なくとも一部は、水素が豊富な流れ２４１に再循環される。ベントガス２６２、２７２の少なくとも一部は、水素分離モジュール２４０の上流で再循環され、水素分離モジュール２４０に再循環され、かつ／または水素分離モジュール２４０の下流で再循環されて、第１の発酵プロセス１によって使用されるガスの組成を最適化し得る。特定の事例では、第２の発酵プロセス２内で生成されたベントガス２８２、２９２の少なくとも一部は、水素が枯渇した流れ２５１に再循環される。ベントガス２８２、２９２の少なくとも一部は、水素分離モジュール２４０の上流で再循環され、水素分離モジュール２４０に再循環され、かつ／または水素分離モジュール２４０の下流で再循環されて、第２の発酵プロセス２によって使用されるガスの組成を最適化し得る。

様々な事例では、水素が豊富な流れ２４１は、水素が豊富な流れ２４１における最小一酸化炭素要件を満たすために、加圧された流入するガス流２３１であり得る流入するガス流２１１の少なくとも一部を、水素が豊富な流れ２４１と混合することによって最適化される。

工業的供給源２１０からの流入するガス流２１１が、発酵プロセス１、２が利用し得る量を超える場合、流入するガス流２１１の少なくとも一部は、蒸気ボイラー、コージェネレーションユニット、および／または供給原料乾燥プロセス２２０によって使用され得る。供給原料乾燥プロセス２２０における流入するガス流２１１の少なくとも一部の使用は、流入するガス流２１０が特に希薄であり、電気への変換の不十分な効率を有する場合に特に有用である。様々な事例では、工業用供給源２１０が、１つ以上のガス化プロセスを含む場合、発酵プロセス１、２で利用し得るガス量を超えているかどうかに関わらず、流入するガス２１１の少なくとも一部は、供給原料乾燥プロセス２２０によって使用される。

好ましくは、発酵プロセス１、２は、連続的に作動し得る。発酵プロセス１、２が連続的に作動し得ることを確実にするために、バイオリアクター２６０、２７０、２８０、２９０は、好ましくは、実行可能な微生物の最適な割合を含むべきである。特定の事例では、一酸化炭素が豊富なガス（別名、水素が枯渇したガス２４２として既知である）の使用は、水素が豊富なガス２４１の使用と比較して、発酵プロセスによって生成される微生物バイオマスの相対的割合を増加させる。水素が豊富なガス２４１を利用する第１の発酵プロセス１内で培養物を維持するために、微生物バイオマスを含むブリードストリーム２９３の少なくとも一部は、第２の発酵プロセス２のバイオリアクター２８０、２９０から、第１の発酵プロセス１のバイオリアクター２６０、２７０に送られ得る。好ましくは、第２の発酵プロセス２のバイオリアクター２８０、２９０からの微生物バイオマスの少なくとも一部は、実行可能である。特定の事例では、第２の発酵プロセス２からのブリード流２９３の使用は、連続的に完了する。

様々な事例では、発酵プロセス１、２は、１つ以上のＣ１固定微生物を利用して、Ｃ１含有ガスを発酵させ、１つ以上の発酵生成物２７１、２９１を生成する。発酵プロセスによって使用されるＣ１固定微生物は、好ましくは、Ｍｏｏｒｅｌｌａ、Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ、Ｒｕｍｉｎｏｃｏｃｃｕｓ、Ａｃｅｔｏｂａｃｔｅｒｉｕｍ、Ｅｕｂａｃｔｅｒｉｕｍ、Ｂｕｔｙｒｉｂａｃｔｅｒｉｕｍ、Ｏｘｏｂａｃｔｅｒ、Ｍｅｔｈａｎｏｓａｒｃｉｎａ、およびＤｅｓｕｌｆｏｔｏｍａｃｕｌｕｍからなる群から選択される。好ましくは、発酵プロセス１、２によって使用されるＣ１固定微生物は、Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ ａｕｔｏｅｔｈａｎｏｇｅｎｕｍである。

図３は、本発明の一態様による、ガス貯蔵タンク３８０および蒸気発生器、発電機、および／または供給原料乾燥プロセス３２０と組み合わせた、発酵プロセスからの再循環されたベントガス３５２、３６２の利用を示すプロセス統合図を示す。特定の事例では、ベントガス３５２、３６２の少なくとも一部のバイオリアクター３５０、３６０への再循環は、バイオリアクター３５０、３６０内の培養物の潜在的な阻害を低減および／または軽減する。様々な事例では、ベントガス３５２、３６２の少なくとも一部は、利用される前に、ガス貯蔵タンク３８０に送られる。好ましくは、利用される場合、貯蔵タンク３８０からのベントガス３５２、３６２の少なくとも一部は、圧力スイング吸着プロセス３４０の上流３８１、圧力スイング吸着プロセス３４０の中３８２、または圧力スイング吸着プロセス３４０の下流３８３に送られ得る。特定の事例では、ベントガス３５２、３６２の少なくとも一部は、バイオリアクター３５０、３６０に再循環されることに加えて、またはその代わりに、蒸気発生器、発電機、および／または供給原料乾燥プロセス３２０に送られる。

好ましくは、ベントガス３５２、３６２の少なくとも一部は、バイオリアクター３５０、３６０に再循環される前に、圧力スイング吸着プロセス３４０を通過する。様々な事例では、ベントガス３５２、２６２の少なくとも一部は、圧力スイング吸着プロセス３４０に渡される前に、ガス貯蔵タンク３８０に送られる。圧力スイング吸着プロセス３４０は、ガス流３１１から様々な成分を除去するのに特に有用であることが見出され、ガス流３１１は、圧縮機３３０を通過する場合、加圧された３３１、および／またはベントガス流３５２、３６２であり得る。圧力スイング吸着プロセス３４０は、二酸化炭素、無機炭化水素、タール、有機窒素、ならびに有機および無機硫黄からなる群から選択される少なくとも１つの成分の少なくとも一部を、ガス流３１１および／またはガス流３５２、３６２から除去して、浄化されたベントガス３４１を生成することが見出された。様々な事例では、圧力スイング吸着プロセス３４０は、二酸化炭素、無機炭化水素、タール、有機窒素、ならびに有機および無機硫黄からなる群から選択される少なくとも２つの成分を、ガス流３１１および／またはベントガス流３５２、３６２から同時に除去することが見出された。

特定の事例では、ベントガス３５２、３６２の少なくとも一部のバイオリアクター３５０、３６０への再循環は、全ガス流３４１中のメタンおよび窒素の全体的な組成を少なくとも１５パーセント（１５％）増加させる。

様々な事例では、ベントガス３５２、３６２の少なくとも一部のバイオリアクター３５０、３６０への再循環は、全ガス流３４１中のメタンおよび窒素の全体的な組成を少なくとも５０パーセント（５０％）増加させる。

メタンおよび窒素などの不活性ガスの割合を増加させると、ガス流中の一酸化炭素組成が高すぎる場合に見られ得る培養物の阻害を軽減するのに役立つことが見出された。

発酵プロセスは、好ましくは、工業的供給源３１０からのガス流３１１からの生成物３６１を生成するように最適化される。複数の直列のバイオリアクター３５０、３６０を含む場合、水素が豊富なまたは水素が枯渇したもののいずれかであり得るガス流３３１は、好ましくは並列で送られ、液体栄養培地およびプロセス水３５３は、好ましくは、第１のバイオリアクター３５０に送られ、発酵ブロス３５１は、好ましくは、第１のバイオリアクター３５０から第２のバイオリアクター３６０に送られる。好ましくは、発酵プロセスによって生成される生成物３６１は、１つ以上の生成物回収プロセス３７０を使用して分離されて、精製された生成物流３７１を生成する。

流入するガス流３１１の少なくとも一部は、工業的供給源３１０からのガス流３１１が、発酵プロセスが利用し得る量を超える場合、蒸気ボイラー、コージェネレーションユニット、および／または供給原料乾燥プロセス３２０によって使用され得る。しかしながら、様々な事例では、ガスが発酵プロセスで利用し得るガス量を超えているかどうかに関わらず、流入するガス３１１の少なくとも一部は、供給原料乾燥プロセス３２０によって使用される。供給原料乾燥プロセス３２０によるガス流３１１の少なくとも一部の使用は、ガス化プロセスのための乾燥供給原料３２１を生成するために特に有用である。ガス化プロセスのために供給原料３２１を乾燥させることは、ガス化プロセス３１０の効率を増加させることが見出された。

本明細書に列挙される公表文献、特許出願、および特許を含むすべての参考文献は、各参考文献があたかも参照により組み込まれることが個々にかつ具体的に示され、かつその全体が本明細書中に記載された場合と同じ程度まで、参照により本明細書に組み込まれる。本明細書におけるいかなる先行技術への言及も、その先行技術がいかなる国の努力傾注分野において共通の一般知識の一部をなすという認識ではなく、かつそのように解釈されるべきではない。

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

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

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

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

本発明は次の実施態様を含む。
［請求項１］
並列発酵プロセスへのガスの流れを最適化するための方法であって、
ａ．少なくとも１つの工業的供給源に由来するガス流を、少なくとも１つの水素分離モジュールを使用して、水素が豊富な流れおよび水素が枯渇した流れに分離することと、
ｂ．第１の発酵生成物を生成するために、１つ以上のＣ１固定微生物の培養物を含有する液体栄養培地を含む少なくとも１つの反応器を使用して、第１の発酵プロセスにおいて前記水素が豊富な流れの少なくとも一部を発酵させることと、
ｃ．第２の発酵生成物を生成するために、１つ以上のＣ１固定微生物の培養物を含有する液体栄養培地を含む少なくとも１つの反応器を含む第２の発酵プロセスにおいて、前記水素が枯渇した流れの少なくとも一部を発酵させることと、を含み、
前記第１の発酵生成物および第２の発酵生成物は、異なる生成物である、方法。
［請求項２］
前記第１の発酵生成物が、エタノールであり、前記第２の発酵生成物が、２，３－ブタンジオールである、請求項１に記載の方法。
［請求項３］
前記液体栄養培地が、前記第１の発酵プロセスおよび前記第２の発酵プロセスに並列に流れる、請求項１に記載の方法。
［請求項４］
前記水素分離モジュールが、圧力スイング吸着プロセスである、請求項１に記載の方法。
［請求項５］
前記工業的供給源が、炭水化物発酵、ガス発酵、セメント製造、パルプおよび製紙、製鋼、石油精製および関連プロセス、石油化学生成、コークス生成、嫌気性または好気性消化、ガス化、天然ガス抽出、メタン改質、石油抽出、アルミニウム、銅、および／または鉄合金の生成および／または精製のための冶金プロセス、地質貯留層、ならびに触媒プロセスからなる群から選択される、請求項１に記載の方法。
［請求項６］
前記ガス流の少なくとも一部が、冶金プロセスからの高炉上部ガスからなる、請求項１に記載の方法。
［請求項７］
前記第１の発酵プロセス内で生成されたベントガスの少なくとも一部は、前記水素が豊富な流れに再循環される、請求項１に記載の方法。
［請求項８］
前記第１の発酵プロセス内で生成された前記ベントガスの少なくとも一部は、前記水素が豊富な流れに再循環される前に、圧力スイング吸着プロセスを通過する、請求項７に記載の方法。
［請求項９］
前記第２の発酵プロセス内で生成されたベントガスの少なくとも一部は、前記水素が枯渇した流れに再循環される、請求項１に記載の方法。
［請求項１０］
前記第２の発酵プロセス内で生成された前記ベントガスの少なくとも一部は、前記水素が枯渇した流れに再循環される前に、圧力スイング吸着プロセスを通過する、請求項９に記載の方法。
［請求項１１］
前記Ｃ１固定微生物が、Ｍｏｏｒｅｌｌａ、Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ、Ｒｕｍｉｎｏｃｏｃｃｕｓ、Ａｃｅｔｏｂａｃｔｅｒｉｕｍ、Ｅｕｂａｃｔｅｒｉｕｍ、Ｂｕｔｙｒｉｂａｃｔｅｒｉｕｍ、Ｏｘｏｂａｃｔｅｒ、Ｍｅｔｈａｎｏｓａｒｃｉｎａ、およびＤｅｓｕｌｆｏｔｏｍａｃｕｌｕｍからなる群から選択される、請求項１に記載の方法。
［請求項１２］
前記Ｃ１固定微生物が、Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ ａｕｔｏｅｔｈａｎｏｇｅｎｕｍである、請求項１記載の方法。
［請求項１３］
直列発酵プロセスへのガスの流れを最適化するための方法であって、
ａ．少なくとも１つの工業的供給源に由来するガス流を、少なくとも１つの水素分離モジュールを使用して、水素が豊富な流れおよび水素が枯渇した流れに分離することと、
ｂ．第１の発酵生成物を生成するために、１つ以上のＣ１固定微生物の培養物を含有する液体栄養培地を含む少なくとも１つの反応器を使用して、第１の発酵プロセスにおいて前記水素が豊富な流れの少なくとも一部を発酵させることと、
ｃ．第２の発酵生成物を生成するために、１つ以上のＣ１固定微生物の培養物を含有する液体栄養培地を含む少なくとも１つの反応器を含む第２の発酵プロセスにおいて、前記水素が枯渇した流れの少なくとも一部を発酵させることと、を含み、
前記第１の発酵生成物の少なくとも一部が、前記第２の発酵プロセスに渡される、方法。
［請求項１４］
前記第１の発酵生成物が、酢酸である、請求項１３に記載の方法。
［請求項１５］
前記第１の発酵プロセスからの前記酢酸の少なくとも一部が、前記第２の発酵プロセスにおいてエタノールに変換される、請求項１４に記載の方法。
［請求項１６］
前記水素分離モジュールが、圧力スイング吸着プロセスである、請求項１３に記載の方法。
［請求項１７］
前記工業的供給源が、炭水化物発酵、ガス発酵、セメント製造、パルプおよび製紙、製鋼、石油精製および関連プロセス、石油化学生成、コークス生成、嫌気性または好気性消化、ガス化、天然ガス抽出、メタン改質、石油抽出、アルミニウム、銅、および／または鉄合金の生成および／または精製のための冶金プロセス、地質貯留層、ならびに触媒プロセスからなる群から選択される、請求項１３に記載の方法。
［請求項１８］
前記ガス流の少なくとも一部が、冶金プロセスからの高炉上部ガスからなる、請求項１３に記載の方法。
［請求項１９］
前記第１の発酵プロセス内で生成されたベントガスの少なくとも一部は、前記水素が豊富な流れに再循環される、請求項１３に記載の方法。
［請求項２０］
前記第１の発酵プロセス内で生成された前記ベントガスの少なくとも一部は、前記水素が豊富な流れに再循環される前に、圧力スイング吸着プロセスを通過する、請求項１９に記載の方法。
［請求項２１］
前記第２の発酵プロセス内で生成されたベントガスの少なくとも一部は、前記水素が枯渇した流れに再循環される、請求項１３に記載の方法。
［請求項２２］
前記第２の発酵プロセス内で生成された前記ベントガスの少なくとも一部は、前記水素が枯渇した流れに再循環される前に、圧力スイング吸着プロセスを通過する、請求項２１に記載の方法。
［請求項２３］
前記Ｃ１固定微生物が、Ｍｏｏｒｅｌｌａ、Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ、Ｒｕｍｉｎｏｃｏｃｃｕｓ、Ａｃｅｔｏｂａｃｔｅｒｉｕｍ、Ｅｕｂａｃｔｅｒｉｕｍ、Ｂｕｔｙｒｉｂａｃｔｅｒｉｕｍ、Ｏｘｏｂａｃｔｅｒ、Ｍｅｔｈａｎｏｓａｒｃｉｎａ、およびＤｅｓｕｌｆｏｔｏｍａｃｕｌｕｍからなる群から選択される、請求項１３に記載の方法。
［請求項２４］
前記Ｃ１固定微生物が、Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ ａｕｔｏｅｔｈａｎｏｇｅｎｕｍである、請求項１３記載の方法。
［請求項２５］
前記ガス流の少なくとも一部が、メタン改質プロセスに由来する、請求項１および１３に記載の方法。
［請求項２６］
前記メタン改質プロセスが、メタン含有ガスの少なくとも一部を、一酸化炭素および水素の少なくとも一部を含むガス流に変換する、請求項２５に記載の方法。
［請求項２７］
発酵プロセスへのガス流を最適化するための方法であって、
ａ．発酵生成物およびベントガス流を生成するために、１つ以上のＣ１固定微生物の培養物を含有する液体栄養培地を含む少なくとも１つの反応器を使用して、工業的供給源からのガス流の少なくとも一部を発酵させることと、
ｂ．前記ベントガス流の少なくとも一部を、バイオリアクターに再循環させることと、を含み、
前記ベントガス流の少なくとも一部の前記バイオリアクターへの前記再循環が、前記培養物の潜在的な阻害を低減および／または軽減する、方法。
［請求項２８］
前記ベントガスの少なくとも一部が、前記バイオリアクターに再循環される前に、圧力スイング吸着プロセスを通過する、請求項２７に記載の方法。
［請求項２９］
前記圧力スイング吸着プロセスが、二酸化炭素、無機炭化水素、タール、有機窒素、ならびに有機および無機硫黄からなる群から選択される少なくとも１つの成分の少なくとも一部を、前記ベントガス流から除去する、請求項２８に記載の方法。
［請求項３０］
前記圧力スイング吸着プロセスが、二酸化炭素、無機炭化水素、タール、有機窒素、ならびに有機および無機硫黄からなる群から選択される少なくとも２つの成分の少なくとも一部を、前記ベントガス流から同時に除去する、請求項２８に記載の方法。
［請求項３１］
発酵プロセスへのガス流を最適化するための方法であって、
ａ．発酵生成物およびベントガス流を生成するために、１つ以上のＣ１固定微生物の培養物を含有する液体栄養培地を含む少なくとも１つの反応器を使用して、工業的供給源からのガス流の少なくとも一部を発酵させることと、
ｂ．二酸化炭素、無機炭化水素、タール、有機窒素、ならびに有機および無機硫黄からなる群から選択される少なくとも１つの成分の少なくとも一部を、圧力スイング吸着プロセスを使用して、前記ベントガスから除去して、浄化されたベントガスを生成することと、
ｃ．前記浄化されたベントガス流の少なくとも一部を、バイオリアクターに再循環させることと、を含む、方法。
［請求項３２］
前記ガス流の少なくとも一部が、冶金プロセスからの高炉上部ガスからなる、請求項３１に記載の方法。
［請求項３３］
前記発酵プロセスへの全ガス流が、前記工業的供給源からの前記ガス流と、前記浄化されたベントガスの少なくとも一部との組み合わせからなる、請求項３１に記載の方法。
［請求項３４］
前記浄化されたベントガスの少なくとも一部の前記バイオリアクターへの前記再循環が、前記全ガス流中のメタンおよび窒素の全体的な組成を少なくとも１５パーセント増加させる、請求項３３に記載の方法。
［請求項３５］
前記浄化されたベントガスの少なくとも一部の前記バイオリアクターへの前記再循環が、前記全ガス流中のメタンおよび窒素の全体的な組成を少なくとも５０パーセント増加させる、請求項３３に記載の方法。

Claims (25)

1. 並列発酵プロセスへのガスの流れを最適化するための方法であって、
   ａ．少なくとも１つの工業的供給源に由来するガス流を、少なくとも１つの水素分離モジュールを使用して、水素が豊富な流れおよび水素が枯渇した流れに分離することと、
   ｂ．水素が豊富な流れおよび水素が枯渇した流れをそれぞれ第１の発酵プロセスおよび第２の発酵プロセスに並列で通過させることであって、前記第１の発酵プロセスおよび前記第２の発酵プロセスは並列で流れていることと、
   ｃ．第１の発酵生成物を生成するために、１つ以上のＣ１固定微生物の培養物を含有する液体栄養培地を含む少なくとも１つの反応器を使用して、第１の発酵プロセスにおいて前記水素が豊富な流れの少なくとも一部を発酵させることと、
   ｄ．第２の発酵生成物を生成するために、１つ以上のＣ１固定微生物の培養物を含有する液体栄養培地を含む少なくとも１つの反応器を含む第２の発酵プロセスにおいて、前記水素が枯渇した流れの少なくとも一部を発酵させることと、を含み、
   前記第１の発酵生成物および前記第２の発酵生成物は、異なる生成物であり、前記水素が豊富な流れはＨ _２ およびＣＯを、２：１から５：１のＨ _２ ：ＣＯ比で含み、前記水素が枯渇した流れは、Ｈ _２ およびＣＯを０．０５：１から２：１未満のＨ _２ ：ＣＯ比で含む、方法。
2. 前記第１の発酵生成物が、エタノールであり、前記第２の発酵生成物が、２，３－ブタンジオールである、請求項１に記載の方法。
3. 前記水素分離モジュールが、圧力スイング吸着プロセスである、請求項１に記載の方法。
4. 前記工業的供給源が、炭水化物発酵、ガス発酵、セメント製造、パルプおよび製紙、製鋼、石油精製および関連プロセス、石油化学生成、コークス生成、嫌気性または好気性消化、ガス化、天然ガス抽出、メタン改質、石油抽出、アルミニウム、銅、および／または鉄合金の生成および／または精製のための冶金プロセス、地質貯留層、ならびに触媒プロセスからなる群から選択される、請求項１に記載の方法。
5. 前記ガス流の少なくとも一部が、冶金プロセスからの高炉上部ガスからなる、請求項１に記載の方法。
6. 前記第１の発酵プロセス内で生成されたベントガスの少なくとも一部は、前記水素が豊富な流れに再循環される、請求項１に記載の方法。
7. 前記第１の発酵プロセス内で生成された前記ベントガスの少なくとも一部は、前記水素が豊富な流れに再循環される前に、圧力スイング吸着プロセスを通過する、請求項６に記載の方法。
8. 前記第２の発酵プロセス内で生成されたベントガスの少なくとも一部は、前記水素が枯渇した流れに再循環される、請求項１に記載の方法。
9. 前記第２の発酵プロセス内で生成された前記ベントガスの少なくとも一部は、前記水素が枯渇した流れに再循環される前に、圧力スイング吸着プロセスを通過する、請求項８に記載の方法。
10. 前記Ｃ１固定微生物が、モレラ（Ｍｏｏｒｅｌｌａ）、クロストリジウム（Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ）、ルミノコッカス（Ｒｕｍｉｎｏｃｏｃｃｕｓ）、アセトバクテリウム（Ａｃｅｔｏｂａｃｔｅｒｉｕｍ）、ユーバクテリウム（Ｅｕｂａｃｔｅｒｉｕｍ）、ブチリバクテリウム（Ｂｕｔｙｒｉｂａｃｔｅｒｉｕｍ）、オキソバクター（Ｏｘｏｂａｃｔｅｒ）、メタノサルシナ（Ｍｅｔｈａｎｏｓａｒｃｉｎａ）、およびデスルホトマキュラム（Ｄｅｓｕｌｆｏｔｏｍａｃｕｌｕｍ）からなる群から選択される、請求項１に記載の方法。
11. 前記Ｃ１固定微生物が、クロストリジウムオートエタノゲヌム（Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ ａｕｔｏｅｔｈａｎｏｇｅｎｕｍ）である、請求項１記載の方法。
12. 直列発酵プロセスへのガスの流れを最適化するための方法であって、
    ａ．少なくとも１つの工業的供給源に由来するガス流を、少なくとも１つの水素分離モジュールを使用して、水素が豊富な流れおよび水素が枯渇した流れに分離することと、
    ｂ．第１の発酵生成物を生成するために、１つ以上のＣ１固定微生物の培養物を含有する液体栄養培地を含む少なくとも１つの反応器を使用して、第１の発酵プロセスにおいて前記水素が豊富な流れの少なくとも一部を発酵させることと、
    ｃ．第２の発酵生成物を生成するために、１つ以上のＣ１固定微生物の培養物を含有する液体栄養培地を含む少なくとも１つの反応器を含む第２の発酵プロセスにおいて、前記水素が枯渇した流れの少なくとも一部を発酵させることと、を含み、
    前記第１の発酵生成物の少なくとも一部が、前記第２の発酵プロセスに渡される、方法。
13. 前記第１の発酵生成物が、酢酸である、請求項１２に記載の方法。
14. 前記第１の発酵プロセスからの前記酢酸の少なくとも一部が、前記第２の発酵プロセスにおいてエタノールに変換される、請求項１３に記載の方法。
15. 前記水素分離モジュールが、圧力スイング吸着プロセスである、請求項１２に記載の方法。
16. 前記工業的供給源が、炭水化物発酵、ガス発酵、セメント製造、パルプおよび製紙、製鋼、石油精製および関連プロセス、石油化学生成、コークス生成、嫌気性または好気性消化、ガス化、天然ガス抽出、メタン改質、石油抽出、アルミニウム、銅、および／または鉄合金の生成および／または精製のための冶金プロセス、地質貯留層、ならびに触媒プロセスからなる群から選択される、請求項１２に記載の方法。
17. 前記ガス流の少なくとも一部が、冶金プロセスからの高炉上部ガスからなる、請求項１２に記載の方法。
18. 前記第１の発酵プロセス内で生成されたベントガスの少なくとも一部は、前記水素が豊富な流れに再循環される、請求項１２に記載の方法。
19. 前記第１の発酵プロセス内で生成された前記ベントガスの少なくとも一部は、前記水素が豊富な流れに再循環される前に、圧力スイング吸着プロセスを通過する、請求項１８に記載の方法。
20. 前記第２の発酵プロセス内で生成されたベントガスの少なくとも一部は、前記水素が枯渇した流れに再循環される、請求項１２に記載の方法。
21. 前記第２の発酵プロセス内で生成された前記ベントガスの少なくとも一部は、前記水素が枯渇した流れに再循環される前に、圧力スイング吸着プロセスを通過する、請求項２０に記載の方法。
22. 前記Ｃ１固定微生物が、モレラ（Ｍｏｏｒｅｌｌａ）、クロストリジウム（Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ）、ルミノコッカス（Ｒｕｍｉｎｏｃｏｃｃｕｓ）、アセトバクテリウム（Ａｃｅｔｏｂａｃｔｅｒｉｕｍ）、ユーバクテリウム（Ｅｕｂａｃｔｅｒｉｕｍ）、ブチリバクテリウム（Ｂｕｔｙｒｉｂａｃｔｅｒｉｕｍ）、オキソバクター（Ｏｘｏｂａｃｔｅｒ）、メタノサルシナ（Ｍｅｔｈａｎｏｓａｒｃｉｎａ）、およびデスルホトマキュラム（Ｄｅｓｕｌｆｏｔｏｍａｃｕｌｕｍ）からなる群から選択される、請求項１２に記載の方法。
23. 前記Ｃ１固定微生物が、クロストリジウムオートエタノゲヌム（Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ ａｕｔｏｅｔｈａｎｏｇｅｎｕｍ）である、請求項１２記載の方法。
24. 前記ガス流の少なくとも一部が、メタン改質プロセスに由来する、請求項１および１２に記載の方法。
25. 前記メタン改質プロセスが、メタン含有ガスの少なくとも一部を、一酸化炭素および水素の少なくとも一部を含むガス流に変換する、請求項２４に記載の方法。