TW202307067A - 以生物聚合物形式儲存能量之方法及系統 - Google Patents

Abstract

本揭示案提供以生物聚合物形式儲存能量之方法及系統。該方法包括在電解製程中間歇地處理由可再生及/或不可再生能量來源產生之電能以至少產生H ₂、O ₂或CO；將來自電解製程之H ₂、O ₂或CO間歇地傳遞至含有能夠產生生物聚合物之細菌培養物之生物反應器中；及使該培養物醱酵。本揭示案進一步提供一種以生物聚合物形式儲存能量之系統，該系統包括：電解製程，其與可再生及/或不可再生能量來源間歇流體連通以用於產生H ₂、O ₂或CO中的至少一者；生物反應器，其與該電解製程間歇流體連通及/或與工業設備連續流體連通，包括適用於間歇生長、醱酵及/或培養且容納能夠產生生物聚合物之微生物的反應容器。

Description

以生物聚合物形式儲存能量之方法及系統

相關申請案之交叉參考

本申請案主張於2021年4月5日申請之美國臨時專利申請案第63/171,032號之權益，其全部內容以引用之方式併入本文中。

本揭示案係關於用於以生物聚合物形式儲存能量及用於提高氣體醱酵製程之經濟性之方法及系統。具體而言，本揭示案係關於醱酵製程與工業製程、合成氣製程及/或電解製程之組合，其中自工業製程、合成氣製程及/或電解製程產生之氣體間歇地傳送至生物反應器以用於醱酵。

二氧化碳（CO ₂）佔由人類活動引起之全球溫室氣體排放的約76%，其餘部分為甲烷（16%）、氧化亞氮（6%）及氟化氣體（2%）（美國環境保護署（United States Environmental Protection Agency））。減少溫室氣體排放（尤其CO ₂）對於阻止全球變暖之進展及伴隨而來的氣候及天氣變化至關重要。

長期以來已認識到諸如費-托法（Fischer-Tropsch）之催化方法可用於將含有二氧化碳（CO ₂）、一氧化碳（CO）及/或氫氣（H ₂）之氣體轉化成多種燃料及化學物質。然而，近年來氣體醱酵已經成為用於生物固定此類氣體之替代平台。

此類氣體可獲自例如工業製程，包含來自碳水化合物醱酵製之氣體、來自以下之氣體：水泥製造、紙漿製造及造紙、煉鋼、煉油及相關製程、石化生產、焦炭生產、厭氧或好氧消化、合成氣（獲自包含（但不限於）以下來源：生物質、液體廢物流、固體廢物流、市政流、化石資源（包含天然氣、煤及石油））、天然氣提取、石油提取、用於生產及/或精煉鋁、銅及/或鐵合金之冶金製程、地質儲層及催化製程（獲自蒸汽源，包含（但不限於）蒸汽甲烷重組、蒸汽石腦油重組、石油焦氣化、催化劑再生-流體催化劑裂化、催化劑再生-石腦油重組及乾式甲烷重組）。

利用特定的工業或合成氣製程，醱酵製程之氣體供應可能不足。當醱酵製程之氣體供應變得不足以進行醱酵製程時，醱酵製程之生產速率低於最佳，從而導致產生的產物少於醱酵製程本來能夠生產的產物。

此外，隨著市場的不斷調整，氣體醱酵製程生產的產物價值亦各不相同。當藉由氣體醱酵生產的產物之價值與生產此類產物之成本相比較高時，提高醱酵製程之生產率係有利的。相比之下，大多數可再生能量來源是間歇性的、不可運輸的，且在很大程度上取決於氣象及地理條件。此情況對於具有高能量來源需求但僅限於季節性波動的可再生能量來源供應之地方尤其重要，諸如太陽能或風能。

藉由在此類產物的市場價值相對於生產此類產物的成本較高的時候提高醱酵製程之生產率，醱酵製程之經濟性可藉由能量儲存來優化。

許多化合物被認為係細菌中之儲存材料。一些與碳及能量儲備有關之化合物為細胞內多醣，特別係聚羥基烷酸酯。聚羥基烷酸酯（PHA），特別係聚羥基丁酸酯（PHB）在原核生物中積累且充當碳及能量之細胞內儲存化合物。由於其熱塑性特性及生物降解性，PHA在工業及醫學中具有各種應用。

仍然需要一種自可再生或不可再生能量來源提供能量的方法及系統，該能量呈可儲存且可運輸形式，具有高能量轉化率且為環境友好及可持續的。 因此，仍然需要改良醱酵製程及能量儲存與工業製程、合成氣製程及/或電解製程之整合，其中與原料供應相關之問題會減少並且醱酵製程可以最高水準生產，此時此類生產在經濟上係最優的。

本揭示案提供一種以生物聚合物形式儲存能量之方法，其包括在電解製程中間歇地處理由可再生及/或不可再生能量來源產生之電能之至少一部分以產生至少H ₂、O ₂或CO；將來自電解製程之H ₂、O ₂或CO中之至少一者間歇地傳遞至含有培養物之生物反應器，該培養物包括液體營養培養基及能夠產生生物聚合物之微生物；及使培養物醱酵。

本揭示案亦提供一種以生物聚合物形式儲存能量之系統，該系統包括：電解製程，其與可再生及/或不可再生能量來源間歇流體連通以用於產生H ₂、O ₂或CO中之至少一者；工業設備，其用於生產至少C1原料；生物反應器，其與電解製程間歇流體連通及/或與工業設備連續流體連通，包括適用於間歇生長、醱酵及/或培養且容納能夠產生生物聚合物之微生物的反應容器。

本揭示案提供一種改良醱酵製程之效能及/或經濟性之方法，該醱酵製程限定了在液體營養培養基中包含細菌培養物之生物反應器，其中該方法包括將包括來自工業製程之CO及/或CO ₂中之一者或兩者的C1原料傳遞至生物反應器中，其中C1原料具有一單位成本，將來自電解製程之H ₂、O ₂或CO中之至少一者間歇地傳遞至生物反應器中，其中電解製程具有一單位成本，以及使培養物醱酵以產生一種或多種醱酵產物，其中一種或多種醱酵產物中之每一者具有一單位價值。在某些情況下，使用多個電解製程以便向生物反應器提供CO、CO ₂及H ₂中之一者或全部。

在某些情況下，C1原料係獲自工業或合成氣製程，選自包括以下之群組：來自碳水化合物醱酵之氣體，來自以下之氣體：水泥製造、紙漿製造及造紙、煉鋼、煉油及相關製程、石化生產、焦炭生產、厭氧或好氧消化、合成氣（獲自包含（但不限於）以下來源：生物質、液體廢物流、固體廢物流、市政流、化石資源（包含天然氣、煤及石油））、天然氣提取、石油提取、用於生產及/或精煉鋁、銅及/或鐵合金之冶金製程、地質儲層及催化製程（獲自蒸汽源，包含（但不限於）蒸汽甲烷重組、蒸汽石腦油重組、石油焦氣化、催化劑再生-流體催化劑裂化、催化劑再生-石腦油重組及乾式甲烷重組）。在某些情況下，C1原料係獲自兩種或更多種來源之組合。在某些情況下，C1原料可進一步包括H ₂。

在一個實施例中，基質包括工業廢氣。在某些實施例中，氣體為鋼廠廢氣或合成氣。

在某些情況下，電解製程包括CO。包括CO之電解製程係獲自含CO ₂氣態基質之電解製程。含CO ₂之氣態基質可獲自任何含CO ₂之氣流。在某些情況下，此類含CO ₂之氣流係至少部分地獲自包括以下之群組：來自碳水化合物醱酵製之氣體，來自以下之氣體：水泥製造、紙漿製造及造紙、煉鋼、煉油及相關製程、石化生產、焦炭生產、厭氧或好氧消化、合成氣（獲自包含（但不限於）以下來源：生物質、液體廢物流、固體廢物流、市政流、化石資源（包含天然氣、煤及石油））、天然氣提取、石油提取、用於生產及/或精煉鋁、銅及/或鐵合金之冶金製程、地質儲層及催化製程（獲自蒸汽源，包含（但不限於）蒸汽甲烷重組、蒸汽石腦油重組、石油焦氣化、催化劑再生-流體催化劑裂化、催化劑再生-石腦油重組及乾式甲烷重組）。在特定情況下，含CO ₂之氣態基質係獲自兩種或更多種來源之組合。

在某些情況下，電解製程包括H ₂。包括H ₂之電解製程係獲自水（H ₂O）之電解製程。 此類水可獲自許多來源。在各種情況下，水可獲自工業製程及/或醱酵製程。在各種情況下，水可獲自廢水處理製程。在特定情況下，水係獲自兩種或更多種來源之組合。

在特定情況下，本揭示案藉由用電解製程置換來自工業製程之C1原料之至少一部分來提高醱酵製程之經濟性。在電解製程包括H ₂之各種情況下，電解製程置換來自工業製程之C1原料之至少一部分，作為調節將傳遞至醱酵製程之原料的H ₂:CO:CO ₂莫耳比的方式。在某些情況下，包括H ₂之電解製程會增加將傳遞至醱酵製程之原料中之H ₂的莫耳比。

根據C1原料之單位成本及電解製程之單位成本，可至少部分地完成用電解製程置換來自工業製程之C1原料。在某些情況下，當電解製程之單位成本低於C1原料之單位成本時，電解製程會置換C1原料之至少一部分。

在特定情況下，本揭示案藉由用電解製程補充來自工業製程之C1原料之至少一部分來提高醱酵製程之經濟性。當C1原料之供應不足以用於醱酵製程時，可至少部分地完成用電解製程補充C1原料。

在某些情況下，電解製程根據電解製程之單位成本及醱酵產物之單位價值補充C1原料之至少一部分。

在某些情況下，電解製程根據C1原料之單位成本、電解製程之單位成本及醱酵產物之單位價值補充C1原料之至少一部分。

在某些情況下，當電解製程之單位成本低於醱酵產物之單位價值時，電解製程會補充C1原料。當電力成本降低時，電解製程之單位成本可能低於醱酵產物之單位價值。在某些情況下，由於電力來自可再生能量來源而降低了電力成本。在某些情況下，可再生能量來源係選自由以下組成之群組：太陽能、水能、風能、地熱能、生物質能、氮能及核能。

用包括H ₂之電解製程補充包括CO ₂之C1原料可產生許多益處，包含但不限於增加固定在一種或多種醱酵產物中之CO ₂之量。因此，在各種情況下，包括H ₂之電解製程會補充包括CO ₂之C1原料以增加固定在一種或多種醱酵產物中之CO ₂之量。

在特定情況下，C1原料含有一定比例之需要移除之各種成分。在此等情況下，在將C1原料傳遞至生物反應器之前，對C1原料進行處理以除去一種或多種成分。自C1原料中移除之成分可以選自：硫化合物、芳族化合物、炔烴、烯烴（alkene）、烷烴、烯烴（olefin）、氮化合物、含磷化合物、顆粒物質、固體、氧、含氧化合物、鹵代化合物、含矽化合物、羰基、金屬、醇、酯、酮、過氧化物、醛、醚及焦油。

在特定情況下，電解製程包含需要移除之各種成分之比例。在此等情況下，在傳遞至生物反應器之前，對電解製程進行處理以移除一種或多種成分。自電解製程中移除之成分可選自包括以下之群組：硫化合物、芳族化合物、炔烴、烯烴（alkene）、烷烴、烯烴（olefin）、氮化合物、含磷化合物、顆粒物質、固體、氧、含氧化合物、鹵代化合物、含矽化合物、羰基、金屬、醇、酯、酮、過氧化物、醛、醚及焦油。在特定情況下，自電解製程中移除之至少一種成分包括氧氣。所移除成分中之至少一者可藉由電解製程產生、引入及/或濃縮。舉例而言，可藉由二氧化碳之電解製程產生、引入及/或濃縮氧氣。在各種情況下，氧氣為電解製程之副產物。在特定實施例中，在電解製程中產生及/或濃縮氧氣。

氧氣係許多細菌培養物之微生物抑制劑。因此，氧氣可能會抑制下游醱酵製程。為了將非抑制性氣流傳遞至可醱酵之生物反應器中，可能需要藉由一個或多個移除模組自電解製程中移除至少一部分氧氣或其他成分。

在某些情況下，C1原料在壓力下間歇性地傳遞至醱酵製程。在此等情況下，來自工業製程之C1原料在傳遞至生物反應器進行醱酵之前經傳遞至一個或多個壓力模組。

在某些情況下，電解製程在壓力下間歇性地傳遞至醱酵製程。在此等情況下，來自電解製程之電解製程在傳遞至生物反應器進行醱酵之前經傳遞至一個或多個壓力模組。

此外，電解製程可在壓力下完成。當在壓力下完成時，待電解之材料在饋入電解製程之前經加壓。在某些情況下，待電解之材料為含CO ₂之氣流。在含CO ₂之氣流在被電解之前加壓的情況下，含CO ₂之氣流可在傳遞至電解製程模組之前經傳遞至壓力模組。

在至少一個實施例中，該方法降低了生產各種醱酵產物之相關成本。一種或多種醱酵產物中之至少一者可為乙醇、乙酸鹽、丁酸鹽、2,3-丁二醇、乳酸鹽、丁烯、丁二烯、酮、甲基乙基酮、乙烯、丙酮、異丙醇、脂質、3-羥基丙酸酯、異戊二烯、脂肪酸、2-丁醇、1,2-丙二醇、1-丙醇及C6-C12醇。此等產物可進一步轉化成柴油、噴射機燃料及/或汽油中之至少一種組分。

在至少一個實施例中，該方法降低了生產各種醱酵產物之相關成本。一種或多種醱酵產物中之至少一者可選自由以下組成之群組：生物聚合物、生物塑膠、熱塑性塑膠、微生物生物質、聚羥基烷酸酯或動物飼料。可藉由本領域已知之任何方法或方法組合將至少一種醱酵產物進一步處理成單細胞蛋白及/或無細胞蛋白合成平台中之至少一種組分。在一個實施例中，聚羥基烷酸酯可轉化成衍生自聚羥基烷酸酯之最終產物。

在一個實施例中，當生長受到碳及/或能量供應不足之限制時，聚羥基烷酸酯、聚-3-羥基丁酸酯或聚-β-羥基丁酸酯在穩定期之細胞中以可觀的量出現。在一個實施例中，碳及/或能量來源係間歇性的。

在至少一個實施例中，本揭示案之方法及系統提供細胞將儲存任何可以積累而不降低生長速率之生物聚合物或生物塑膠。在一個實施例中，生長速率限制因素係當含有H ₂、O ₂及CO ₂之儲備積累時蛋白質及核酸之合成，或者當沒有碳及能量儲備積累時碳及能量來源之主要降解途徑。在另一個實施例中，生長速率限制因素係培養基中營養物之性質及含量。

一種或多種醱酵產物中之至少一者可為培養物產生之生物質。至少一部分微生物生物質可轉化為單細胞蛋白（SCP）。至少一部分單細胞蛋白可用作動物飼料之成分。

在一個實施例中，本揭示案提供了一種動物飼料，其包括微生物生物質及至少一種賦形劑，其中該微生物生物質包括在包括CO、CO ₂及H ₂中之一者或多者的氣態基質上生長的微生物。

在至少一個實施例中，電解製程至少部分地由可再生能量來源提供動力。在某些情況下，可再生能量來源係選自由以下組成之群組：太陽能、水能、風能、地熱能、生物質能、氮能及核能。

在某些實施例中，工業製程可進一步產生醱酵後氣態基質。在各種情況下，該醱酵後氣態基質包括至少一部分CO ₂。在特定實施例中，將醱酵後氣態基質傳遞至電解製程。

在特定情況下，醱酵後氣態基質含有一定比例的需要移除之各種成分。在此等情況下，在將醱酵後之氣態基質傳遞至電解製程之前，將醱酵後氣態基質處理以移除一種或多種成分。自醱酵後氣態基質中移除之成分可選自包括以下之群組：硫化合物、芳族化合物、炔烴、烯烴、烷烴、烯烴、氮化合物、含磷化合物、顆粒物質、固體、氧、含氧化合物、鹵代化合物、含矽化合物、羰基化合物、金屬、醇、酯、酮、過氧化物、醛、醚及焦油。

在特定情況下，自醱酵後氣態基質中移除之至少一種成分包括硫。此等移除之成分中之至少一者可藉由醱酵製程產生、引入及/或濃縮。例如，呈硫化氫（H ₂S）形式之硫可藉由醱酵製程產生、引入及/或濃縮。在特定實施例中，將硫化氫引入醱酵製程中。在各種實施例中，醱酵後氣態基質包括至少一部分硫化氫。硫化氫可為催化劑抑制劑。因此，硫化氫可能會抑制特定的電解處理器。為了將非抑制性的醱酵後氣態基質傳遞至電解處理器，至少一部分硫化氫或存在於醱酵後氣態基質中之其他成分可能需要藉由一個或多個移除模組來移除。

在各種實施例中，自醱酵後氣態基質、工業原料及/或電解製程中移除之成分為微生物抑制劑及/或催化劑抑制劑。

至少一個移除模組可選自包括以下之群組：水解模組、酸性氣體移除模組、脫氧模組、催化加氫模組、微粒移除模組、氯化物移除模組、焦油移除模組及氰化氫移除模組。

在某些情況下，電解製程可產生一氧化碳濃化流及氧氣濃化流。在各種情況下，可將至少一部分分離之一氧化碳濃化流傳遞至生物反應器進行醱酵。在一些情況下，可將氧氣濃化流傳遞至工業製程中以進一步提高工業製程之效能及/或經濟性。

在電解製程包括H ₂之各種實施例中，H ₂可改善醱酵基質組成。氫氣提供微生物將含碳氣體轉化為有用產物所需之能量。當提供最佳濃度之氫氣時，微生物培養物可產生所需之醱酵產物，例如乙醇，而不會同時產生二氧化碳。

生物反應器中之細菌培養物包括自養細菌。在另一實施例中，生物反應器中之細菌培養物包括氫營養細菌。該細菌可選自由以下組成之群組：鉤蟲貪銅菌（ Cupriavidus necator ）、羅爾斯通氏菌（ Ralstonia eutropha）及沃特氏菌屬（ Wautersia eutropha）。在另一實施例中，細菌可選自由以下組成之群組：自產乙醇梭菌（ Clostridium autoethanogenum）、揚氏梭菌（ Clostridium ljungdahlii）、拉氏梭菌（ Clostridium ragsdalei）、嗜一氧化碳梭菌（ Clostridium carboxidivorans）、德雷克氏梭菌（ Clostridium drakei）、糞味梭菌（ Clostridium scatologenes）、醋酸梭菌（ Clostridium aceticum）、蟻酸醋酸梭菌（ Clostridium formicoaceticum）、大梭菌（ Clostridium magnum）、食甲基丁酸桿菌（ Butyribacterium methylotrophicum）、伍氏醋酸桿菌（ Acetobacterium woodii）、巴氏嗜鹼菌（ Alkalibaculum bacchii）、布勞特氏菌屬（ Blautia producta）、黏液真桿菌（ Eubacterium limosum）、熱醋酸穆爾氏菌（ Moorella thermoacetica）、熱自養穆爾氏菌（ Moorella thermautotrophica）、卵形鼠孢菌（ Sporomusa ovata）、銀醋酸鼠孢菌（ Sporomusa silvacetica）、球形鼠孢菌（ Sporomusa sphaeroides）、普氏產醋桿菌（ Oxobacter pfennigii）及基伍嗜熱厭氧菌（ Thermoanaerobacter kivui）。

在一個特定實施例中，親本微生物係選自一氧化碳營養型產乙酸細菌之群組，在一個實施例中選自包括以下之群組：自產乙醇梭菌、揚氏梭菌、拉氏梭菌、嗜一氧化碳梭菌、德雷克氏梭菌、糞味梭菌、醋酸梭菌、蟻酸醋酸梭菌、大梭菌、食甲基丁酸桿菌、伍氏醋酸桿菌、巴氏嗜鹼菌、布勞特氏菌屬、黏液真桿菌、熱醋酸穆爾氏菌、熱自養穆爾氏菌、卵形鼠孢菌、銀醋酸鼠孢菌、球形鼠孢菌、普氏產醋桿菌及基伍嗜熱厭氧菌。

在一個實施例中，親本微生物為自產乙醇梭菌或揚氏梭菌。在一個特定實施例中，微生物為自產乙醇梭菌DSM23693。在另一特定實施例中，微生物為揚氏梭菌DSM13528（或ATCC55383）。

在一個或多個實施例中，與不具有電解製程之製程相比，本揭示案（i）降低了與生產一種或多種醱酵產物相關之成本及/或（ii）增加了轉化為產物之碳總量。

在一個實施例中，本揭示案提供一種方法及系統，其用於以廉價方式及高製程效率將來自任何能量來源（諸如局部電網、可再生或不可再生能量來源）之能量轉化為可儲存形式的最終產物。

在另一個實施例中，本地電網基於電力之可用性或低於臨限值價格之電力可用性提供作為由電力產生之電能間歇傳遞之電力，其中電力價格隨著需求之下降而下降，或者由本地電網設定。

在一個實施例中，自養微生物間歇性地部分或全部消耗由電力可用性提供之能量。

籠統地給出以下實施例描述。本揭示案由在以下本文中標題「實例」下給出的揭示內容進一步闡明，其提供支持本揭示案之實驗性資料、本揭示案之各種態樣的具體實例以及執行本揭示案之方式。

本發明人已經判定氣體醱酵製程與工業製程、合成氣製程及/或電解製程之整合，其中電解製程間歇地提供醱酵製程，且能夠顯著提高醱酵製程之效能及/或經濟性。

本發明人已經出人意料地能夠打開及關閉醱酵製程之進料源，而醱酵製程幾乎沒有啟動滯後期。此外，本揭示案可藉由以生物聚合物形式儲存能量來間歇地操作，其中產物轉化可在電網電力供應過剩的期間係間歇的，或者在電力稀缺或電力需求時閒置。本揭示案提供一種能夠經微調以藉由以生物聚合物形式儲存能量來幫助平衡電網系統的方法。

除非另外定義，否則如在整個本說明書中所使用之以下術語定義如下：

術語「工業製程」係指用於生產、轉化、精煉、重組、提取或氧化物質之製程，涉及化學、物理、電氣及/或機械步驟。示例性工業製程包含但不限於碳水化合物醱酵、氣體醱酵、水泥製造、紙漿及造紙、煉鋼、煉油及相關製程、石化生產、焦炭生產、厭氧或好氧消化、氣化（諸如氣化生物質、液體廢物流、固體廢物流、市政流、化石資源（包含天然氣、煤及石油）、天然氣提取、石油提取、冶金製程、鋁、銅及/或鐵合金之生產及/或精煉，地質儲層、費托製程、甲醇生產、熱解、蒸汽甲烷重組、乾式甲烷重組、沼氣或天然氣之部分氧化，以及自熱沼氣或天然氣之重組。在此等實施例中，基質及/或C1-碳源可在其排放至大氣中之前使用任何便利方法自工業製程捕獲。

術語「電解製程」可包含離開電解製程之任何基質。在各種情況下，電解製程係由CO、H ₂或其組合組成。在某些情況下，電解製程可能含有部分未轉化之CO ₂。較佳地，電解製程自電解製程進料至醱酵製程。

術語「來自工業製程之氣體」、「來自工業製程之氣體源」及「來自工業製程之氣態基質」可互換使用，指代來自工業製程之廢氣、工業製程之副產物、工業製程之共同產物、工業製程中再循環之氣體及/或工業設施內用於能量回收之氣體。在一些實施例中，來自工業製程之氣體為變壓吸附（PSA）尾氣。在一些實施例中，來自工業製程之氣體係經由CO ₂提取製程獲得之氣體，該製程可能涉及胺洗滌或使用碳酸酐酶溶液。

「C1」係指一碳分子，例如CO、CO ₂、甲烷（CH ₄）或甲醇（CH ₃OH）。「C1-氧合物」係指亦包括至少一個氧原子之一碳分子，例如CO、CO ₂或CH ₃OH。「C1-碳源」係指充當本揭示案之微生物之一部分或唯一碳源的一碳分子。舉例而言，C1碳源可包括CO、CO ₂、CH ₄、CH ₃OH或CH ₂O ₂中之一者或多者。較佳地，C1-碳源包括CO及CO ₂中之一者或兩者。「C1固定微生物」為能夠自C1碳源產生一種或多種產物之微生物。

「基質」係指碳及/或能量來源。基質為氣態的，且包括C1-碳源，例如CO、CO ₂及/或CH ₄。較佳地，基質包括CO或CO及CO ₂之C1-碳源。基質可進一步包括其他無碳組分，例如，H ₂、N ₂或電子。如本文中所使用，「基質」可指本揭示案之微生物的碳及/或能量來源。基質可指作為唯一能量來源之H ₂。

術語「共基質」係指儘管不一定係用於產物合成的主要能量及材料來源，但當與另一基質（諸如主要基質）組合時可用於產物合成的物質。

「包括CO ₂之氣態基質」、「包括CO ₂之氣體」或「包括CO ₂之氣態源」可包含包括CO ₂的任何氣體。氣態基質將包括顯著比例的CO ₂，較佳地按體積計至少約5%到約100%的CO ₂。另外，氣態基質可包括氫氣（H ₂）、氧氣（O ₂）、氮氣（N ₂）及/或甲烷（CH ₄）中之一者或多者。如本文中所使用，CO、H ₂及CH ₄可稱為「富含能量之氣體」。

如本文中所使用，術語「碳捕獲」係指自包括CO ₂及/或CO之氣流固定包含CO ₂及/或CO之碳化合物且a）將CO ₂及/或CO轉化成產物，b）將CO ₂及/或CO轉化成適用於長期儲存之物質，c）將CO ₂及/或CO捕獲在適用於長期儲存之物質中，或d）此等製程之組合。

術語「增加效率」、「增加之效率」及類似者係指反應之速率及/或產量增加，諸如將CO ₂及/或CO轉化成產物之速率增加及/或產物濃度增加。「增加效率」在關於醱酵製程使用時包含但不限於增加以下各者中的一或多者：催化醱酵之微生物的生長速率、在較高產物濃度下之生長及/或產物產生速率、每體積之消耗基質所產生的所需產物之體積、產生所需產物之產生速率或含量、以及產生的所需產物與醱酵之其他副產物相比的相對比例。

如本文中所使用，「反應物」係指存在於化學反應中且在反應期間消耗以產生產物的物質。反應物是在化學反應過程中發生變化之起始材料。在特定實施例中，反應物包含但不限於CO及/或H ₂。在特定實施例中，反應物為CO ₂。在一個實施例中，反應物僅為H ₂。

「CO消耗製程」係指其中CO為反應物之製程；消耗CO以產生產物。CO消耗製程的非限制性實例為C1固定氣體醱酵製程。CO消耗製程可涉及產生CO ₂之反應。舉例而言，CO消耗製程可使得產生至少一種產物，諸如醱酵產物，以及CO ₂。在另一實例中，乙酸生產為CO消耗製程，其中CO與甲醇在壓力下反應。

「氣流」係指能夠例如由一個模組傳遞至另一模組、由一個模組傳遞至另一CO消耗製程及/或由一個模組傳遞至碳捕獲構件的任何基質流。

氣流通常不係純CO ₂流並且將包括一定比例的至少一種其他組分。舉例而言，每個來源可能具有有不同比例的CO ₂、CO、H ₂及各種成分。由於不同的比例，氣流必須在引入至CO消耗製程之前進行處理。氣流之處理包含移除及/或轉化可能為微生物抑制劑及/或催化劑抑制劑的各種成分。較佳地，催化劑抑制劑在傳遞至電解模組之前被移除及/或轉化，並且微生物抑制劑在傳遞至CO消耗製程之前被移除及/或轉化。此外，氣流可能需要經歷一個或多個濃縮步驟，由此提高CO及/或CO ₂之濃度。較佳地，氣流在被傳遞至電解模組之前將經歷濃縮步驟以增加CO ₂之濃度。已經發現，傳遞至電解模組之更高濃度之CO ₂導致自電解模組出來更高濃度之CO。

術語「C1原料」可包含離開工業製程之任何基質。在各種情況下，C1原料係由CO、H ₂、CO ₂或其組合組成。較佳地，將C1原料自工業製程進料至醱酵製程。

術語「提高經濟性」、「優化經濟性」及類似者在用於醱酵製程時包含但不限於增加醱酵產生之一種或多種產物之量，在該時期內生產產物之價值相對於生產此類產物之成本較高。醱酵製程之經濟性可藉由增加對生物反應器之原料供應來提高，此可例如藉由用來自電解製程之電解製程補充來自工業製程之C1原料來實現。原料之額外供應可能導致醱酵製程之效率增加。提高醱酵製程經濟性之另一種方式係基於可用原料之相對成本來選擇原料。舉例而言，當來自工業製程之C1原料之成本高於來自電解製程之電解製程之成本時，可利用電解製程來置換至少一部分C1原料。藉由基於此類原料之成本選擇原料，生產所得醱酵產物的成本降低。

電解製程能夠提供包括H ₂及CO中之一者或兩者的原料。「電解製程之單位成本」可用醱酵製程及任何電解製程產生之任何給定產物來表示，例如對於以H ₂限定之電解製程產生乙醇，電解製程之單位成本由以下等式定義：

其中z代表電力成本，x代表電解製程效率且y代表乙醇產率。

對於以CO限定之電解製程生產乙醇，電解製程之單位成本由以下等式定義：

其中z代表電力成本，x代表電解製程效率且y代表乙醇產率。

除了原料成本外，醱酵製程亦包含「生產成本」。「生產成本」不包括原料成本。「生產成本」、「邊際生產成本」及類似者包含與運行醱酵製程相關之可變運營成本。該值可能取決於正在生產之產物。邊際生產成本可以產物之固定單位成本來表示，其可用產物燃燒之熱值來表示。舉例而言，乙醇之邊際生產成本的計算由以下等式定義：

其中c代表與運行生物反應器相關之可變運營成本，且26.8 GJ代表乙醇燃燒之較低熱值。在某些情況下，與運行生物反應器相關之可變運營成本c對於乙醇而言為$200，不包括H ₂/CO/CO ₂之價格。

醱酵製程能夠生產多種產物。每種產物定義不同的價值。「產物之價值」可基於產物之當前市場價格及產物之燃燒熱值來判定。例如，乙醇值的計算由以下等式定義：

其中z為每公噸乙醇之當前值，且26.8 GJ代表乙醇燃燒之較低熱值。

為優化醱酵製程之經濟性，所生產產物之價值必須超過此類產物之「生產成本」。生產產物之成本定義為「原料成本」及「邊際生產成本」之和。醱酵製程之經濟性可以用由所生產產物之價值與生產此類產物之成本所定義的比率來表示。隨著產物價值與生產此類產物成本之比率增加，醱酵製程之經濟性得到提高。醱酵製程之經濟性可能取決於所生產產物之價值，該價值可至少部分取決於所實施之醱酵製程，包含但不限於細菌培養及/或在醱酵製程中所使用之氣體的組成。當乙醇為醱酵製程產生之產物時，經濟性可由以下比率判定：

其中z代表乙醇之價值，x代表原料成本，且y代表生產邊際成本（不包括原料）。

術語「增加效率」、「增加之效率」及其類似術語在關於醱酵製程使用時包含但不限於增加以下中之一或多者：催化醱酵之微生物之生長速率、在較高產物濃度下之生長及/或產物產生速率、每體積之消耗基質所產生之所需產物之體積、所需產物之產生速率或含量，及所產生之所需產物相比於醱酵之其他副產物的相對比例。在某些情況下，電解製程提高了醱酵製程之效率。

術語「不足」及其類似者在關於醱酵製程之原料供應使用時包含但不限於低於最佳量，由此醱酵製程產生之醱酵產物量少於醱酵製程，否則會向醱酵製程供應更高量的原料。舉例而言，當工業製程沒有提供足夠的C1原料來充分供應醱酵製程時，原料供應可能會變得不足。較佳地，向醱酵製程供應最佳量的原料，使得醱酵產物之量不受原料供應之限制。

「含C1之氣態基質」可包含任何含有二氧化碳及一氧化碳中之一者或兩者的氣體。氣態基質將通常含有顯著比例之CO ₂，較佳地按體積計至少約5%至約100%的CO ₂。另外，氣態基質可含有氫氣（H ₂）、氧氣（O ₂）、氮氣（N ₂）及/或甲烷（CH ₄）中之一者或多者。

「濃縮模組」及類似者係指能夠增加氣流中特定組分含量的技術。在特定實施例中，濃縮模組為CO ₂濃縮模組，其中離開CO ₂濃縮模組之氣流中的CO ₂比例相對於在傳遞至CO ₂濃縮模組之前的氣流中的CO ₂比例更高。在一些實施例中，CO ₂濃縮模組使用脫氧技術自氣流中移除O ₂且由此增加氣流中之CO ₂比例。在一些實施例中，CO ₂濃縮模組使用變壓吸附（PSA）技術自氣流中移除H ₂且由此增加氣流中之CO ₂比例。在某些情況下，醱酵製程執行CO ₂濃縮模組之功能。在一些實施例中，來自濃縮模組之氣流被傳遞至碳捕獲及固定（CCS）單元或增強石油回收（EOR）單元。

術語「電解模組」及「電解器」可互換使用以指代使用電力來驅動非自發反應之單元。電解技術在本領域中係已知的。例示性製程包含鹼性水電解、質子或陰離子交換膜（PEM、AEM）電解及固體氧化物電解（SOE）（Ursua等人，《 IEEE會議記錄（Proceedings of the IEEE）》 100(2)：410-426，2012；Jhong等人，《化學工程之最新觀點（ Current Opinion in ChemicalEngineering）》 2:191-199，2013）。術語「法拉第效率（faradaic efficiency）」係指流經電解器並且轉移至還原產物而非不相關過程的電子數量之值。SOE模組在高溫下操作。在電解模組之熱中性電壓之下，電解反應係吸熱的。在電解模組之熱中性電壓之上，電解反應係放熱的。在一些實施例中，電解模組在不增加壓力之情況下操作。在一些實施例中，電解模組在5至10巴之壓力下操作。

「CO ₂電解模組」係指能夠將CO ₂分解為CO及O ₂之單元，且由以下化學計量反應定義：2CO ₂+ 電à2CO +O ₂。使用不同的催化劑進行CO ₂還原會影響最終產物。包含但不限於Au、Ag、Zn、Pd及Ga催化劑之催化劑已顯示對於由CO ₂生產CO係有效的。在一些實施例中，離開CO ₂電解模組之氣流的壓力為約5至7巴。

「H ₂電解模組」、「水電解模組」及「H ₂O電解模組」係指能夠將呈蒸汽形式之H ₂O分解為H ₂及O ₂之單元，且由以下化學計量反應定義：2H ₂O + 電à2H ₂+ O ₂。H ₂O電解模組將質子還原為H ₂且將O ^2-氧化為O ₂。由電解產生之H ₂可與包括C1之氣態基質混合，作為供應額外原料及改善基質組成之方式。

H ₂及CO ₂電解模組具有2個氣體出口。電解模組之一側（陽極）包括H ₂或CO（及其他氣體，諸如未反應之水蒸汽或未反應之CO ₂）。第二側（陰極）包括O ₂（及潛在的其他氣體）。傳遞至電解製程之原料之組成可能決定CO流中各種成分之存在。舉例而言，原料中惰性組分（諸如CH ₄及/或N ₂）之存在可能導致此等組分中之一者或多者存在於CO濃化流中。此外，在一些電解器中，在陰極產生之O ₂會跨越至陽極側，在此情況下生成CO及/或CO跨越至陽極側，導致所需氣體產物之交叉污染。

術語「分離模組」用於指代能夠將物質分成兩種或更多種成分之技術。舉例而言，「O ₂分離模組」可用於將包括O ₂之氣態基質分離成主要包括O ₂之流（亦稱為「O ₂濃化流」或「富含O ₂之氣體」）及主要不含O ₂、不含O ₂、或僅含痕量之O ₂的流（亦稱為「O ₂貧乏流（O ₂-lean stream）」或「O ₂耗乏流（O ₂-depleted stream）」)。

如本文中所使用，術語「濃化流」、「豐富氣體」、「高純度氣體」及類似者係指在通過模組（諸如電解模組）之後具有與進入模組之輸入流中之組分比例相比更大比例之特定組分的氣流。舉例而言，包括CO ₂之氣態基質通過CO ₂電解模組時可產生「CO濃化流」。水氣態基質通過H ₂電解模組時可產生「H ₂濃化流」。自CO ₂或H ₂電解模組之陽極自動產生「O ₂濃化流」；包括O ₂之氣態基質通過O ₂分離模組時亦可產生「O ₂濃化流」。包括CO ₂之氣態基質通過CO ₂濃縮模組時可產生「CO ₂濃化流」。

如本文中所使用，術語「貧乏流」、「耗乏氣體」及類似者係指在通過模組（諸如濃縮模組或分離模組）之後具有與進入模組之輸入流中之組分比例相比更小比例之特定組分的氣流。舉例而言，包括O ₂之氣態基質通過O ₂分離模組時可產生O ₂貧乏流。O ₂貧乏流可包括來自CO ₂電解模組之未反應CO ₂。O ₂貧乏流可包括痕量之O ₂或不含O ₂。包括CO ₂之氣態基質通過CO ₂濃縮模組時可產生「CO ₂貧乏流」。CO ₂貧乏流可包括CO、H ₂及/或諸如微生物抑制劑或催化劑抑制劑之成分。CO ₂貧乏流可包括痕量之O ₂或不含O ₂。

在實施例中，本揭示案提供一種整合製程，其中氣流之壓力能夠增大及/或減小。術語「壓力模塊」係指能夠產生（亦即，增加）或降低氣流之壓力的技術。氣體之壓力可經由任何合適構件，例如一個或多個壓縮機及/或閥門得以增加及/或降低。在某些情況下，氣流可具有低於最佳的壓力，或氣流之壓力可高於最佳，且因此可包括減小壓力之閥門。壓力模組可位於本文所描述之任何模組之前或之後。舉例而言，可在移除模組之前、在濃縮模組之前、在電解模組之前及/或在CO消耗製程之前使用壓力模組。

「加壓氣流」係指已通過壓力模組之氣態基質。「加壓氣流」亦可用於指代滿足特定模組之操作壓力要求的氣流。

術語「CO消耗製程後氣態基質」、「CO消耗製程後尾氣」、「尾氣」及類似者可互換使用以指代已通過CO消耗製程之氣體。CO消耗製程後氣態基質可包括未反應之CO、未反應之H ₂及/或由CO消耗製程產生(或未並行吸收)之CO ₂。可將CO消耗製程後氣態基質進一步傳遞至壓力模組、移除模組、CO ₂濃縮模組及/或電解模組中之一者或多者。在一些實施例中，「CO消耗製程後氣態基質」為醱酵後氣態基質。

術語「所需組成」用以指諸如氣流之物質中組分之所需含量及類型。更特定言之，若氣體含有特定組分（亦即CO、H ₂及/或CO ₂）及/或含有特定比例之特定組分及/或不包括特定組分（亦即，有害於微生物之污染物）及/或不包括特定比例之特定組分，則氣體視為具有「所需組成」。可在判定氣流是否具有所需組成時考慮超過一種組分。

雖然基質未必包括任何H ₂，但H ₂之存在不應對根據本揭示案之方法的產物形成不利。在特定實施例中，H ₂之存在引起醇產生的總效率提高。在一個實施例中，基質包括按體積計約30%或更少的H ₂、按體積計20%或更少的H ₂、按體積計約15%或更少的H ₂或按體積計約10%或更少的H ₂。在其他實施例中，基質流包括低濃度的H ₂，例如少於5%、或少於4%、或少於3%、或少於2%、或少於1%或實質上無H ₂。

基質亦可含有一些CO，例如，按體積計約1%到約80%的CO，或按體積計1%到約30%的CO。在一個實施例中，基質包括按體積計小於或等於約20%的CO。在特定實施例中，基質包括按體積計小於或等於約15%的CO、按體積計小於或等於約10%的CO、按體積計小於或等於約5%的CO或基本上無CO。

可改善基質組成以提供期望的或最佳的H ₂:CO:CO ₂莫耳比。期望的H ₂:CO:CO ₂莫耳比取決於醱酵製程的期望醱酵產物。對於乙醇，最佳H ₂:CO:CO ₂莫耳比將為：

，其中

以滿足乙醇產生的莫耳化學計量

。

在氫氣的存在下操作醱酵製程具有減少通過醱酵製程產生之CO ₂的量的附加益處。舉例而言，包括最少H ₂之氣態基質將產生由以下莫耳化學計量的乙醇及CO ₂：[6 CO + 3 H ₂O à C ₂H ₅OH + 4 CO ₂]。隨著由C1固定細菌利用之氫氣的量增加，所產生CO ₂之量減少[例如，2 CO + 4 H ₂àC ₂H ₅OH + H ₂O]。

當CO為乙醇生產之唯一碳源及能量來源時，耗損一部分碳成為CO ₂，如下所示： 6 CO + 3 H ₂OàC ₂H ₅OH + 4 CO ₂（ΔGº = -224.90 kJ/mol乙醇）

隨著基質中可用H ₂之量增加，所產生CO ₂之量減少。在1:2（CO/H ₂) ）之莫耳化學計量比下，完全避免了CO ₂之產生。 5 CO + 1 H ₂+ 2 H ₂Oà1 C ₂H ₅OH + 3 CO ₂（ΔGº = -204.80 kJ/mol乙醇） 4 CO + 2 H ₂+ 1 H ₂Oà1 C ₂H ₅OH + 2 CO ₂（ΔGº = -184.70 kJ/mol乙醇） 3 CO + 3 H ₂à1 C ₂H ₅OH + 1 CO ₂（ΔGº = -164.60 kJ/mol乙醇）

「氣流」係指能夠例如由一個模組傳遞至另一模組、由一個模組傳遞至生物反應器、由一個製程傳遞至另一製程及/或由一個模組傳遞至碳捕獲構件之任何基質流。

如本文中所使用之「反應物」係指在化學反應期間參與及經歷變化之物質。在特定實施例中，反應物包括（但不限於）CO及/或H ₂。

如本文中所使用之「微生物抑制劑」係指減緩或防止特定化學反應或包含微生物之另一製程的一種或多種成分。在特定實施例中，微生物抑制劑包含但不限於氧氣（O ₂）、氰化氫（HCN）、乙炔（C ₂H ₂）及BTEX（苯、甲苯、乙苯、二甲苯）。

如本文中所使用，「催化劑抑制劑」、「吸附劑抑制劑」及類似者係指降低化學反應之速率或防止化學反應之一種或多種物質。在特定實施例中，催化劑及/或吸附劑抑制劑可包含但不限於硫化氫（H ₂S）及羰基硫化物（COS）。

「移除模組」、「清除模組」、「處理模組」及類似者包含能夠轉化及/或自氣流移除微生物抑制劑及/或催化劑抑制劑之技術。

如本文中所使用，術語「成分」、「污染物」及類似者係指可在氣流中發現之微生物抑制劑及/或催化劑抑制劑。在特定實施例中，該等成分包含但不限於硫化合物、芳族化合物、炔烴、烯烴（alkenes）、烷烴、烯烴（olefins）、氮化合物、含磷化合物、顆粒物質、固體、氧、鹵代化合物、含矽化合物、羰基、金屬、醇、酯、酮、過氧化物、醛、醚及焦油。較佳地，由移除模組移除之成分不包含二氧化碳（CO ₂）。

術語「經處理氣體」係指已藉由至少一個移除模組且已移除及/或轉化一種或多種成分的氣流。

如本文中所使用之術語「碳捕獲」係指自包括CO ₂及/或CO之流固定包含CO ₂及/或CO之碳化合物，且： 將CO ₂及/或CO轉化成產物；或 將CO ₂及/或CO轉化成適用於長期儲存之物質；或 捕獲適用於長期儲存之物質中之CO ₂及/或CO； 或此等製程之組合。

術語「生物反應器」包含由一個或多個容器及/或塔或管道排列組成之醱酵裝置，其包含連續攪拌槽反應器（CSTR）、固定細胞反應器（ICR）、滴流床反應器（TBR）、氣泡柱、氣升式醱酵器、靜態混合器、循環迴路反應器、膜反應器，諸如中空纖維膜生物反應器（HFM BR）或其他容器或適用於氣液接觸之其他裝置。反應器較佳經調適以接受包括CO或CO ₂或H ₂或其混合物之氣態基質。反應器可包括並聯或串聯之多個反應器（階段）。舉例而言，反應器可包括在其中培養細菌之第一生長反應器及第二醱酵反應器，來自生長反應器之醱酵液可饋入第二醱酵反應器中，並且大部分醱酵產物可在其中產生。

「營養培養基（Nutrient media/Nutrient medium）」用於描述細菌生長培養基。一般而言，此術語係指含有營養物及適合於微生物培養物生長之其他組分之培養基。術語「營養物」包含可用於微生物代謝路徑中之任何物質。例示性營養物包含鉀、B維生素、痕量金屬及胺基酸。

術語「醱酵培養液」或「培養液」意欲涵蓋包含營養物培養基及培養物或一種或多種微生物之組分的混合物。應注意術語微生物及術語細菌在整個文獻中可互換使用。

如本文所使用，術語「酸」包含羧酸及締合之羧酸根陰離子，諸如存在於如本文所述之醱酵液中之游離乙酸與乙酸鹽之混合物。醱酵液中分子酸與羧酸鹽之比率取決於系統之pH值。此外，術語「乙酸鹽」包括單獨之乙酸鹽及分子或游離乙酸與乙酸鹽之混合物，諸如存在於如本文所述之醱酵液中之乙酸鹽及游離乙酸之混合物。

術語「所需組成」用以指諸如氣流之物質中組分之所需含量及類型。更特定言之，若氣體含有特定組分（亦即CO、H ₂及/或CO ₂）及/或含有特定比例之特定組分及/或不含特定組分（亦即對微生物有害之組分）及/或不含特定比例之特定組分，則該氣體視為具有「所需組成」。可在判定氣流是否具有所需組成時考慮超過一種組分。

除非上下文另有要求，否則如本文所用，片語「醱酵」、「醱酵製程」或「醱酵反應」及其類似者意欲涵蓋該氣態基質之生長階段及產物生物合成階段。

「微生物」為微觀生物體，尤其為細菌、古細菌、病毒或真菌。本揭示案之微生物通常為細菌。如本文中所使用，「微生物」之引述應理解為涵蓋「細菌」。

「親本微生物」為用於產生本揭示案之微生物的微生物。親本微生物可為天然存在之微生物（亦即野生型微生物）或先前已經修飾之微生物（亦即突變或重組微生物）。本揭示案之微生物可經修飾以表現或過度表現一種或多種在親本微生物中不表現或不過度表現之酶。類似地，本揭示案之微生物可經修飾以含有一個或多個親本微生物所不含之基因。本揭示案之微生物亦可經修飾以不表現或表現較少量之一種或多種表現於親本微生物中之酶。在一個實施例中，親本微生物為殺蟲貪銅菌、自產乙醇梭菌、揚氏梭菌或拉氏梭菌。在一實施例中，親本微生物為自產乙醇梭菌LZ1561，其於2010年6月7日根據《布達佩斯條約（Budapest Treaty）》的條款於2010年6月7日保藏在位於Inhoffenstraße 7B, D-38124, Braunschweig, Germany的德國微生物菌種保藏中心（Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen GmbH（DSMZ）），並且授予寄存編號為DSM23693。此菌株描述於國際專利申請案第PCT/NZ2011/000144號，該國際專利申請案以WO 2012/015317公開。

術語「衍生自」指示核酸、蛋白質或微生物由不同（亦即親本或野生型）核酸、蛋白質或微生物修飾或調適，以產生新穎核酸、蛋白質或微生物。此類修飾或調適通常包含核酸或基因之插入、缺失、突變或取代。一般而言，本揭示案之微生物衍生自親本微生物。在一個實施例中，本揭示案之微生物衍生自殺蟲貪銅菌、自產乙醇梭菌、揚氏梭菌或拉氏梭菌。在一實施例中，本揭示案之微生物衍生自以DSMZ寄存編號DSM23693寄存之自產乙醇梭菌LZ1561。

當關於微生物使用時，術語「非天然存在」意指微生物具有至少一種未發現於所提及物種之天然存在之菌株（包含所提及物種之野生型菌株）中的基因修飾。非天然存在之微生物通常在實驗室或研究設施中開發。

術語「基因修飾」、「基因改變」或「基因工程改造」泛指人工操縱微生物之基因體或核酸。同樣，術語「基因修飾」、「基因改變」或「基因工程改造」係指含有此基因修飾、基因改變或基因工程改造之微生物。此等術語可用於區分實驗室產生之微生物與天然存在之微生物。基因修飾方法包含例如異源基因表現、基因或啟動子插入或缺失、核酸突變、經改變之基因表現或不活化、酶工程改造、定向進化、基於知識之設計、隨機突變誘發方法、基因改組及密碼子優化。

微生物（諸如梭菌綱（ Clostridia））之代謝工程改造可極大地擴展其產生除天然代謝物（諸如乙醇）以外之許多重要燃料及化學分子的能力。然而，直到最近，梭菌綱被視為基因難處理的，且因此通常禁止進行廣泛的代謝工程改造工作。近年來，已經開發了若干種不同的梭菌綱基因體工程改造方法，包含基於內含子之方法（ClosTron）（Kuehne, 《菌株工程改造：方法及協定（ Strain Eng: Methods and Protocols ）》, 389-407, 2011）、等位基因交換方法（ACE）（Heap, 《核酸研究（ Nucl Acids Res）》, 40: e59, 2012; Ng, PLoS One, 8: e56051, 2013）、三系雜交（Liew, 《微生物學前沿（ Frontiers Microbiol）》, 7: 694, 2016）、藉由I-SceI介導之方法（Zhang, 《微生物學方法雜誌（ Journal Microbiol Methods）》, 108: 49-60, 2015）、MazF（Al-Hinai, 《環境應用微生物學（ Appl Environ Microbiol）》, 78: 8112-8121, 2012），或其他（Argyros, 《環境應用微生物學》, 77: 8288-8294, 2011）、Cre-Lox（Ueki, 《分子生物技術（mBio）》, 5: e01636-01614, 2014）及CRISPR/Cas9（Nagaraju, 《生物技術生物燃料（Biotechnol Biofuels）》, 9: 219, 2016）。然而，由於緩慢而費力之循環時間以及對跨物種之此等基因技術之可轉移性限制，以迭代方式引入多個基因變化仍然極具挑戰性。此外，吾等尚未充分瞭解梭菌綱中之C1代謝，無法可靠地預測將最大化C1吸收、轉化及碳/能量/氧化還原流向產物合成之修飾。因此，在梭菌綱中引入目標路徑仍為一個乏味且耗時的過程。

「重組」指示核酸、蛋白質或微生物為基因修飾、工程改造或重組之產物。通常，術語「重組」係指含有衍生自多個來源之遺傳物質或由其編碼之核酸、蛋白質或微生物，該等來源諸如兩種或更多種不同之微生物菌株或物種。

「野生型」係指生物體、菌株、基因或自然界中存在之特性的典型形式，其區別於突變或變異體形式。

「內源的」係指存在於或表現於衍生本揭示案之微生物的野生型或親本微生物中之核酸或蛋白質。舉例而言，內源基因為天然存在於衍生本揭示案之微生物的野生型或親本微生物中之基因。在一個實施例中，內源基因之表現可藉由諸如外源啟動子之外源調節元件控制。

「外源的」係指源自本揭示案之微生物之外的核酸或蛋白質。舉例而言，外源基因或酶可以人工方式或以重組方式產生且引入或表現於本揭示案之微生物中。外源基因或酶亦可自異源微生物分離且引入或表現於本揭示案之微生物中。外源核酸可適於整合至本揭示案之微生物之基因體中或在本揭示案之微生物中保持在染色體外狀態，例如在質體中。

「異源的」係指不存在於衍生本揭示案之微生物的野生型或親本微生物中之核酸或蛋白質。舉例而言，異源基因或酶可衍生自不同的菌株或物種且引入或表現於本揭示案之微生物中。異源基因或酶可以其存在於不同菌株或物種中之形式引入或表現於本揭示案之微生物中。或者，可以某種方式修飾異源基因或酶，例如藉由對其在本揭示案之微生物中表現進行密碼子優化或藉由對其進行工程改造以改變功能，以便逆轉酶活性之方向或改變基質特異性。

術語「聚核苷酸」、「核苷酸」、「核苷酸序列」、「核酸」及「寡核苷酸」可互換使用。其係指任何長度之核苷酸之聚合形式，該等核苷酸為脫氧核糖核苷酸或核糖核苷酸，或其類似物。聚核苷酸可具有任何三維結構，且可執行任何已知或未知的功能。以下為聚核苷酸之非限制性實例：基因或基因片段之編碼或非編碼區、由連鎖分析定義之基因座（基因座）、外顯子、內含子、信使RNA（mRNA）、轉移RNA、核醣體RNA、短干擾RNA（siRNA）、短髮夾RNA（shRNA）、微小RNA（miRNA）、核酶、cDNA、重組聚核苷酸、分支聚核苷酸、質體、載體、任何序列之分離DNA、任何序列之分離RNA、核酸探針及引子。聚核苷酸可包含一種或多種經修飾之核苷酸，諸如甲基化核苷酸或核苷酸類似物。若存在，則可在聚合物組裝之前或之後賦予核苷酸結構之修飾。核苷酸序列可能間雜有非核苷酸組分。可在聚合之後，諸如藉由與標記組分結合而進一步修飾聚核苷酸。

如本文中所使用，「表現」係指聚核苷酸自DNA模板轉錄（諸如為mRNA或其他RNA轉錄物）之過程及/或轉錄mRNA隨後轉譯為肽、多肽或蛋白質之過程。轉錄物及經編碼多肽可統稱為「基因產物」。

術語「多肽」、「肽」及「蛋白質」在本文中可互換使用以指代任何長度之胺基酸之聚合物。聚合物可為直鏈或分支鏈，其可包括經修飾之胺基酸，且其可間雜有非胺基酸。該術語亦涵蓋經修飾之胺基酸聚合物；例如，二硫鍵形成、糖基化、脂質化、乙醯化、磷酸化或任何其他操縱，諸如與標記組分之結合。如本文中所使用，術語「胺基酸」包括天然及/或非天然或合成胺基酸，包含甘胺酸及D或L光學異構體，以及胺基酸類似物及肽模擬物。

「酶活性」或簡言之「活性」泛指酶促活性，包含但不限於酶之活性、酶之量或酶催化反應之可用性。因此，「增加」酶活性包含增加酶之活性、增加酶之量或增加酶催化反應之可用性。類似地，「降低」酶活性包含降低酶之活性、降低酶之量或降低酶催化反應之可用性。

「突變的」係指與衍生本揭示案之微生物的野生型或親本微生物相比，在本揭示案之微生物中已經修飾的核酸或蛋白質。在一個實施例中，突變可為編碼酶之基因中之缺失、插入或取代。在另一實施例中，突變可為酶中一個或多個胺基酸之缺失、插入或取代。

特定言之，「破壞性突變」為減少或消除（亦即「干擾」）基因或酶之表現或活性的突變。破壞性突變可使基因或酶部分不活化、完全不活化或缺失。破壞性突變可為減少、防止或阻斷由酶產生之產物之生物合成的任何突變。破壞性突變可為敲除（KO）突變。破壞亦可為減弱（KD）突變，其降低但不完全消除基因、蛋白質或酶之表現或活性。儘管KO通常能有效提高產物產率，但其有時會帶來超過益處之生長缺陷或基因不穩定性的損失，特別係對於非生長偶合產物。破壞性突變可包含例如編碼酶之基因中之突變，參與編碼酶之基因表現的基因調節元件中之突變，引入產生降低或抑制酶之活性之蛋白質的核酸，或引入抑制酶表現之核酸（例如反義RNA、siRNA、CRISPR）或蛋白質。可使用此項技術已知的任何方法引入破壞性突變。

破壞性突變之引入導致本揭示案之微生物與衍生本揭示案之微生物的親本微生物相比不產生目標產物或實質上不產生目標產物或目標產物之量減少。舉例而言，本揭示案之微生物可不產生目標產物或產生比親本微生物少至少約1%、3%、5%、10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%或95%的目標產物。舉例而言，本揭示案之微生物可產生小於約0.001、0.01、0.10、0.30、0.50或1.0 g/L目標產物。

「密碼子優化」係指核酸（諸如基因）突變以用於優化或改良核酸在特定菌株或物種中之轉譯。密碼子優化可導致較快的轉譯速率或較高的轉譯準確性。在一實施例中，本揭示案之基因針對梭菌屬（ Clostridium）、尤其自產乙醇梭菌、揚氏梭菌或拉氏梭菌中之表現進行密碼子優化。在另一實施例中，本揭示案之基因針對以DSMZ寄存編號DSM23693寄存的自產乙醇梭菌LZ1561中之表現進行密碼子優化。

「過度表現」係指與衍生本揭示案之微生物的野生型或親本微生物相比，本揭示案之微生物中之核酸或蛋白質之表現增加。過度表現可藉由此項技術已知的任何方式實現，包含修改基因複本數、基因轉錄率、基因轉譯率或酶降解率。

術語「變異體」包括序列不同於參考核酸及蛋白質之序列（諸如先前技術中所揭示或本文中所例示之參考核酸及蛋白質之序列）的核酸及蛋白質。可使用執行與參考核酸或蛋白質實質上相同的功能之變異體核酸或蛋白質來實施本揭示案。舉例而言，變異體蛋白質可執行與參考蛋白質實質上相同的功能或催化實質上相同的反應。變異體基因可編碼與參考基因相同或實質上相同的蛋白質。變異體啟動子可具有與參考啟動子實質上相同的促進一種或多種基因表現之能力。

此類核酸或蛋白質在本文中可稱為「功能等效變異體」。藉助於實例，核酸之功能等效變異體可包含等位基因變異體、基因片段、突變基因、多態性及類似者。來自其他微生物之同源基因亦為功能等效變異體之實例。此等基因包含諸如丙酮丁醇梭菌（ Clostridium acetobutylicum）、拜氏梭菌（ Clostridium beijerinckii）或揚氏梭菌之物種中之同源基因，其詳情在諸如Genbank或NCBI之網站上公開可用。功能等效變異體亦包含其序列因特定微生物之密碼子優化而變化之核酸。核酸之功能等效變異體將較佳與參考核酸具有至少約70%、約80%、約85%、約90%、約95%、約98%或更大核酸序列一致性（同源性百分比）。蛋白質之功能等效變異體將較佳與參考蛋白質具有至少約70%、約80%、約85%、約90%、約95%、約98%或更大胺基酸一致性（同源性百分比）。變異體核酸或蛋白質之功能等效性可使用此項技術中已知之任何方法評估。

「互補性」係指核酸藉由傳統Watson-Crick或其他非傳統類型與另一核酸序列形成氫鍵之能力。互補性百分比指示核酸分子中可與第二核酸序列形成氫鍵（例如，Watson-Crick鹼基配對）之殘基的百分比（例如，10個中有5、6、7、8、9、10個為50%、60%、70%、80%、90%及100%互補)。「完美互補」意謂核酸序列之所有連續殘基將與第二核酸序列中相同數目之連續殘基氫鍵結。如本文中所使用之「實質上互補」係指在8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、30、35、40、45、50或更多核苷酸之區域上至少60%、65%、70%、75%、80%、85%、90%、95%、97%、98%、99%或100%之互補程度，或係指在嚴格條件下雜交之兩種核酸。

如本文中所使用，用於雜交之「嚴格條件」係指與目標序列具有互補性之核酸主要與目標序列雜交且實質上不與非目標序列雜交之條件。嚴格條件通常為序列依賴性的，且取決於多種因素而變化。一般而言，序列愈長，序列與其目標序列特異地雜交之溫度愈高。嚴格條件之非限制性實例為此項技術中所熟知（例如，Tijssen，生物化學中之實驗室技術及與核酸探針之分子生物雜交（Laboratory techniques in biochemistry and molecular biology-hybridization with nucleic acid probes），第二章「雜交原理之概述及核酸探針分析之策略（Overview of principles of hybridization and the strategy of nucleic acid probe assay）」，Elsevier, N.Y, 1993）。

「雜交」係指一個或多個聚核苷酸反應以形成複合物之反應，該複合物經由核苷酸殘基之鹼基之間的氫鍵結而穩定化。可藉由Watson Crick鹼基配對、Hoogsteen結合或以任何其他序列特異方式進行氫鍵結。複合物可包括形成雙螺旋體結構之兩股、形成多股複合物之三股或更多股、單個自雜交股或此等之任何組合。雜交反應可構成諸如起始PCR或藉由酶裂解聚核苷酸之較廣泛方法中之步驟。能夠與給定序列雜交之序列稱為給定序列之「補體」。

可使用此項技術中已知之任何方法將核酸遞送至本揭示案之微生物中。舉例而言，核酸可作為裸核酸遞送，或可與一種或多種試劑，諸如脂質體一起調配。若適當，核酸可為DNA、RNA、cDNA或其組合。在某些實施例中可使用限制性抑制劑。額外載體可包含質體、病毒、噬菌體、黏質體及人工染色體。在一實施例中，使用質體將核酸遞送至本揭示案之微生物。藉助於實例，轉型（包括轉導或轉染）可藉由電穿孔、超音波處理、聚乙二醇介導之轉型、化學或天然感受態、原生質體轉型、原噬菌體誘導或結合來實現。在具有活性限制酶系統之某些實施例中，可能有必要在將核酸引入微生物中之前將核酸甲基化。

此外，核酸可經設計以包括調節元件，諸如啟動子，以增加或以其他方式控制特定核酸之表現。啟動子可為組成性啟動子或誘導性啟動子。理想地，啟動子為Wood-Ljungdahl路徑啟動子、鐵氧化還原蛋白啟動子、丙酮酸:鐵氧化還原蛋白氧化還原酶啟動子、Rnf複合物操縱子啟動子、ATP合成酶操縱子啟動子或磷酸轉乙醯酶/乙酸激酶操縱子啟動子。

「Wood-Ljungdahl」係指如亦即藉由Ragsdale, 《生物化學與生物物理學學報（ Biochim Biophys Acta）》, 1784: 1873-1898, 2008所述的碳固定之Wood-Ljungdahl路徑。「Wood-Ljungdahl微生物」可預測地指含有Wood-Ljungdahl路徑之微生物。一般而言，本揭示案之微生物含有天然的Wood-Ljungdahl路徑。在本文中，Wood-Ljungdahl途徑可為天然的、未修飾的Wood-Ljungdahl途徑，或者其可為具有一定程度之遺傳修飾（亦即過度表現、異源表現、基因敲除等）之Wood-Ljungdahl途徑，只要其仍用以將CO、CO ₂及/或H ₂轉化成乙醯-CoA。

「C1」係指一碳分子，例如CO、CO ₂、CH ₄或CH ₃OH。「C1-氧合物」係指亦包括至少一個氧原子之一碳分子，例如CO、CO ₂或CH ₃OH。「C1-碳源」係指充當本揭示案之微生物之一部分或唯一碳源的一碳分子。舉例而言，C1-碳源可包括CO、CO ₂、CH ₄、CH ₃OH或CH ₂O ₂之中一者或多者。較佳地，C1-碳源包括CO及CO ₂中之一者或兩者。「C1固定微生物」為能夠自C1碳源產生一種或多種產物之微生物。

「厭氧菌」為生長不需要氧氣之微生物。若氧氣以高於某一臨限值存在，則厭氧菌可能會消極反應或甚至死亡。然而，一些厭氧菌能夠耐受低含量之氧氣（亦即0.000001至5%氧氣）。

「產乙酸菌」為使用Wood-Ljungdahl路徑作為其能量守恆及合成乙醯基-CoA及乙醯基-CoA衍生產物（諸如乙酸鹽）之主要機制的絕對厭氧細菌（Ragsdale, 《生物化學與生物物理學學報》, 1784:1873-1898, 2008）。詳言之，產乙酸菌使用Wood-Ljungdahl路徑作為（1）自CO ₂還原合成乙醯基-CoA之機制，（2）終端接受電子、能量守恆方法，（3）固定（同化）細胞碳之合成中之CO ₂之機制（Drake, 《產乙酸原核生物（Acetogenic Prokaryotes）》,《原核生物（The Prokaryotes）》, 第3版, 第354頁, New York, NY, 2006）。所有天然存在之產乙酸菌為固定C1、厭氧、自養及非甲烷營養的。在一個實施例中，本揭示案之微生物為產乙酸菌。

「產乙醇菌」為產生或能夠產生乙醇之微生物。在一個實施例中，本揭示案之微生物為產乙醇菌。

「自養生物」為能夠在不存在有機碳的情況下生長之微生物。實際上，自養生物使用無機碳源，諸如CO及/或CO ₂。通常，本揭示案之微生物為自養生物。

「一氧化碳營養菌（carboxydotroph）」為能夠利用CO作為唯一碳來源及能量來源之微生物。

「甲烷營養菌」為能夠使用甲烷作為唯一碳源及能量來源之微生物。在某些實施例中，本揭示案之微生物為甲烷營養菌或衍生自甲烷營養菌。在其他實施例中，本揭示案之微生物並非甲烷營養菌或並非衍生自甲烷營養菌。

「氫營養菌」是能夠利用H ₂作為唯一能量來源之微生物。在某些實施例中，本揭示案之微生物為氫營養菌或衍生自氫營養菌。

「基質」係指用於本揭示案之微生物的碳源及/或能量源。基質為氣態的，且包括C1-碳源，例如CO、CO ₂及/或CH ₄。較佳地，基質包括CO或CO+CO ₂之C1-碳源。基質亦可包括其他非碳組分，諸如H ₂、N ₂或電子。

術語「共基質」係指儘管不一定為用於產物合成之主能量來源及材料源，但當添加至另一基質（諸如主基質）中時可用於產物合成之物質。

基質及/或C1碳源可為作為工業製程之副產物獲得或來自一些其他來源，諸如來自汽車尾氣或生物質氣化的廢氣。在某些實施例中，工業製程係選自以下組成之群組：來自碳水化合物醱酵之氣體排放、氣體醱酵、來自水泥製造之氣體排放、紙漿製造及造紙、煉鋼、煉油及相關製程、石化生產、焦炭生產、厭氧或好氧消化、合成氣（獲自包含（但不限於）以下來源：生物質、液體廢物流、固體廢物流、市政溪流、化石資源(包含天然氣、煤及石油））、天然氣提取、石油提取、用於生產及/或精煉鋁、銅及/或鐵合金之冶金製程]、地質儲層及催化製程（獲自蒸汽源，包括（但不限於）蒸汽甲烷重組、蒸汽石腦油重組、石油焦氣化、催化劑再生-流體催化劑裂化、催化劑再生-石腦油重組及乾式甲烷重組）。在此等實施例中，基質及/或C1碳源可在其排放至大氣中之前使用任何便利方法自工業製程捕獲。

基質之組成可能對反應之效率及/或成本具有顯著影響。舉例而言，氧氣（O ₂）之存在可降低厭氧性醱酵製程之效率。視基質之組成而定，可能需要處理、洗滌或過濾基質以移除任何非所要雜質，諸如毒素、非所要組分或灰塵顆粒，及/或增加所需組分之濃度。

在某些實施例中，醱酵在不存在碳水化合物基質，諸如糖、澱粉、木質素、纖維素或半纖維素之情況下進行。

本揭示案之微生物可與氣態基質一起培養以產生一種或多種產物。舉例而言，本揭示案之微生物可產生或可經工程改造以產生乙醇（WO 2007/117157）、乙酸鹽（WO 2007/117157)、1-丁醇（WO 2008/115080、WO 2012/053905及WO 2017/066498）、丁酸酯（WO 2008/115080）、2,3-丁二醇（WO 2009/151342及WO 2016/094334）、乳酸酯（WO 2011/112103）、丁烯（WO 2012/024522）、丁二烯（WO 2012/024522）、甲基乙基酮（2-丁酮）（WO 2012/024522及WO 2013/185123）、乙烯（WO 2012/026833）、丙酮（WO 2012/115527）、異丙醇（WO 2012/115527）、脂質（WO 2013/036147）、3-羥基丙酸酯（3-HP）（WO 2013/180581），萜類，除了2-苯乙醇以外，亦包含異戊二烯（WO 2013/180584）、脂肪酸（WO 2013/191567）、2-丁醇（WO 2013/185123）、1,2-丙二醇（WO 2014/036152）、1-丙醇（WO 2017/066498）、1-己醇（WO 2017/066498）、1-辛醇（WO 2017/066498）、分支酸衍生產物（WO 2016/191625）、3-羥基丁酸酯（WO 2017/066498）、1,3-丁二醇（WO 2017/066498）、2-羥基異丁酸酯或2-羥基異丁酸（WO 2017/066498）、異丁烯（WO 2017/066498）、己二酸（WO 2017/066498）、1,3-己二醇（WO 2017/066498）、3-甲基-2-丁醇（WO 2017/066498）、2-丁烯-1-醇（WO 2017/066498）、異戊酸酯（WO 2017/066498）、異戊醇（WO 2017/066498）及/或單乙二醇（WO 2019/126400）。在某些實施例中，微生物生物質本身可視為產物。此等產物可進一步轉化以產生柴油、噴射機燃料及/或汽油之至少一種組分。在某些實施例中，2-苯乙醇可用作芳香劑、精油、調味劑及皂類中之成分。此外，可藉由本領域已知之任何方法或方法之組合進一步加工微生物生物質以產生單細胞蛋白（c）。除一種或多種目標產物以外，本發明之微生物亦可產生乙醇、乙酸鹽及/或2,3-丁二醇。

「單細胞蛋白」（SCP）係指可用於富含蛋白質之人類食物及/或動物飼料中，通常替代蛋白質補充物之習知來源之微生物生物質，諸如豆粕或魚粉。為產生單細胞蛋白或其他產物，該製程可包括額外的分離、加工或處理步驟。舉例而言，該方法可包括對微生物生物質進行滅菌，使微生物生物質離心及/或將微生物生物質乾燥。在某些實施例中，微生物生物質使用噴霧乾燥或槳葉乾燥來乾燥。該方法亦可包括使用此項技術中已知之任何方法降低微生物生物質之核酸含量，因為攝入高核酸含量之膳食可能導致核酸降解產物積聚及/或胃腸窘迫。單細胞蛋白可適用於餵養動物，諸如家畜或寵物。特定言之，動物飼料可適用於餵養一頭或多頭肉牛、奶牛、豬、綿羊、山羊、馬、騾子、驢、鹿、水牛/野牛、美洲駝、羊駝、馴鹿、駱駝、野牛、大額牛、犛牛、雞、火雞、鴨、鵝、鵪鶉、珍珠雞、雛鳥/鴿子、魚、蝦、甲殼動物、貓、狗及嚙齒動物。動物飼料之組成可根據不同動物之營養要求調整。此外，該製程可包括將微生物生物質與一種或多種賦形劑摻合或組合。

「微生物生物質」係指包括微生物細胞之生物材料。舉例而言，微生物生物質可包括純的或基本上純的細菌、古細菌、病毒或真菌培養物或由其等組成。當最初自醱酵液中分離時，微生物生物質通常含有大量的水。此類水可藉由乾燥或處理微生物生物質來移除或減少。

「賦形劑」可指可添加至微生物生物質以增強或改變動物飼料之形式、屬性或營養含量之任何物質。舉例而言，賦形劑可包括以下中之一者或多者：碳水化合物、纖維、脂肪、蛋白質、維生素、礦物質、水、調味劑、甜味劑、抗氧化劑、酶、防腐劑、益生菌或抗生素。在一些實施例中，賦形劑可為乾草、稻草、青貯料、穀物、油或脂肪或其他植物材料。賦形劑可為Chiba, 第18節：《飲食調配及常見飼料成分（Diet Formulation and Common Feed Ingredients）》, 《動物營養手冊（Animal Nutrition Handbook）》, 第3修訂版, 第575-633頁, 2014中所確認之任何飼料成分。

「天然產物」為藉由未經基因修飾之微生物產生之產物。舉例而言，乙醇、乙酸鹽及2,3-丁二醇為自產乙醇梭菌、揚氏梭菌及拉氏梭菌之天然產物。「非天然產物」為藉由經遺傳修飾微生物產生而非藉由產生經遺傳修飾微生物之未經遺傳修飾微生物產生之產物。

「生物聚合物」係指由活生物體之細胞產生之天然聚合物。在某些實施例中，生物聚合物為PHA。在某些實施例中，生物聚合物為PHB。

「生物塑膠」係指由可再生生物質來源生產之塑膠材料。生物塑膠可由可再生資源生產，例如植物脂肪及油、玉米澱粉、稻草、木片、鋸末或回收之食物垃圾。

「選擇性」係指目標產物之產量與藉由微生物產生之所有醱酵產物之產量的比率。本揭示案之微生物可經工程改造而以一定選擇性或最小選擇性產生產物。在一個實施例中，目標產物佔藉由本發明之微生物產生之所有醱酵產物之至少約5重量%、10重量%、15重量%、20重量%、30重量%、50重量%、75重量%或90重量%。在一個實施例中，目標產物佔藉由本揭示案之微生物產生之所有醱酵產物之至少10%，使得本揭示案之微生物對至少10%之目標產物具有選擇性。在另一實施例中，目標產物佔藉由本揭示案之微生物產生之所有醱酵產物之至少30%，使得本揭示案之微生物對至少30%之目標產物具有選擇性。在一個實施例中，目標產物佔藉由微生物產生之所有醱酵產物之至少90重量%，使得本揭示案之微生物對至少90重量%之目標產物具有選擇性。

通常，在生物反應器中進行培養。術語「生物反應器」包含培養/醱酵裝置，其由一個或多個容器、塔或管道配置組成，諸如連續攪拌槽反應器（CSTR）、固定細胞反應器（ICR）、滴流床反應器（TBR）、氣泡柱、氣升式醱酵器、靜態混合器或適用於氣液接觸之另一容器或另一裝置。在一些實施例中，生物反應器可包括第一生長反應器及第二培養/醱酵反應器。可將基質提供至此等反應器中之一者或兩者。如本文中所使用，術語「培養」及「醱酵」可互換使用。此等術語涵蓋培養/醱酵製程之生長階段及產物生物合成階段。

通常在含有足以准許微生物生長之營養物、維生素及/或礦物質之水性培養基中維持培養物。較佳地，水性培養基為厭氧微生物生長培養基，諸如最小厭氧微生物生長培養基。合適之培養基為此項技術中所熟知。

培養/醱酵期望應在適用於產生目標產物之條件下進行。通常，培養/醱酵在厭氧條件下進行。應考慮之反應條件包括壓力（或分壓）、溫度、氣體流速、液體流速、培養基pH、培養基氧化還原潛力、攪拌速率（若使用連續攪拌槽反應器）、接種物含量、確保液相中之氣體不會變成限制性之最大氣體基質濃度及避免產物抑制之最大產物濃度。特定言之，可控制基質之引入速率以確保液相中之氣體濃度不會受限，因為在氣體受限的條件下，產物可能會因培養而被消耗。

在高壓下操作生物反應器允許增加自氣相至液相之氣體品質轉移速率。因此，在高於大氣壓之壓力下進行培養/醱酵通常較佳。此外，因為既定氣體轉化率部分為基質滯留時間之函數，且滯留時間指示生物反應器之所需體積，所以使用加壓系統可大大減小所需生物反應器之體積，且因此降低培養/醱酵設備之資金成本。此又意謂當生物反應器維持在高壓而非大氣壓下時，滯留時間（定義為生物反應器中之液體體積除以輸入氣體流動速率）可減少。最佳反應條件將部分地取決於所用的特定微生物。然而，一般而言，較佳在高於大氣壓之壓力下操作醱酵。此外，因為既定氣體轉化率部分為基質滯留時間之函數且實現所需滯留時間又指示生物反應器之所需體積，所以使用加壓系統可大大減小所需生物反應器之體積，且因此降低培養/醱酵設備之資金成本。

目標產物可使用任何方法或此項技術中已知方法之組合自醱酵培養液分離或純化，該等方法包含例如分餾、蒸發、滲透蒸發、氣體汽提、相分離及萃取醱酵，包含例如液-液萃取。在某些實施例中，目標產物藉由以下步驟自醱酵培養液回收：自生物反應器連續移除一部分培養液，自培養液分離微生物細胞（宜藉由過濾進行）及自培養液回收一種或多種目標產物。醇及/或丙酮可例如藉由蒸餾回收。酸可例如藉由吸附於活性炭上回收。較佳地將所分離微生物細胞返回生物反應器。亦較佳使移除目標產物後剩餘之不含細胞之滲透物返回至生物反應器。可將其他營養物（諸如B維生素）添加至不含細胞之滲透物中以在滲透物返回至生物反應器前補充培養基。

一氧化碳及氧氣可以藉由電解製程產生，由以下莫耳化學計量反應定義：2CO ₂+ 電à 2CO + O ₂。電解製程產生之一氧化碳可作為氣體醱酵之原料。此外，認為所產生之CO可與來自工業製程之原料一起使用，作為提供額外原料及/或改善醱酵基質組成之方式。

電解製程亦能夠自水中產生氫氣，由以下莫耳化學計量反應定義：2H ₂O + 電à 2H ₂+ O ₂。電解製程產生之氫氣可作為氣體醱酵之原料。此氫氣可與來自工業製程之原料一起使用，作為提供額外原料及/或改良醱酵基質組成之方式。

在經濟上可行時可使用電解製程。在某些情況下，來自電解製程之原料可藉由降低與生產相關之成本來提高醱酵製程之效率。

藉由電解製程產生一氧化碳所利用的含CO ₂基質可來自多種來源。含CO ₂氣態基質可至少部分獲自含有CO ₂之任何氣體，該氣體選自包括以下之群組：來自碳水化合物醱酵之氣體，來自以下之氣體：水泥製造、紙漿製造及造紙、煉鋼、煉油及相關製程、石化生產、焦炭生產、厭氧或好氧消化、合成氣（獲自包含（但不限於）以下來源：生物質、液體廢物流、固體廢物流、市政溪流、化石資源（包含天然氣、煤及石油））、天然氣提取、石油提取、用於生產及/或精煉鋁、銅及/或鐵合金之冶金製程、地質儲層及催化製程（獲自蒸汽源，包含（但不限於）蒸汽甲烷重組、蒸汽石腦油重組、石油焦氣化、催化劑再生-流體催化劑裂化、催化劑再生-石腦油重組及乾式甲烷重組）。另外，基質可在其排放至大氣中之前使用任何適宜方法自工業製程中捕獲。此外，含CO ₂基質可衍生自上述來源中之兩者或更多者的組合。

氣流通常不為純CO ₂流，而係包含一定比例的至少一種其他組分。舉例而言，每種來源可能具有不同比例的CO ₂、CO、H ₂及各種成分。由於不同的比例，氣流可在引入生物反應器及/或電解製程模組之前進行處理。氣流之處理包含移除及/或轉化可為微生物抑制劑及/或催化劑抑制劑之各種成分。較佳地，催化劑抑制劑在傳遞至電解製程模組之前經移除及/或轉化，並且微生物抑制劑在傳遞至生物反應器之前經移除及/或轉化。

氣流中發現之可能需要移除及/或轉化的典型成分包含但不限於硫化合物、芳族化合物、炔烴、烯烴（alkenes）、烷烴、烯烴（olefins）、氮化合物、含磷化合物、顆粒物質、固體、氧、鹵代化合物、含矽化合物、羰基、金屬、醇、酯、酮、過氧化物、醛、醚及焦油。

此等成分可藉由本領域已知之習知移除模組移除。此等移除模組可選自以下：水解模組、酸性氣體移除模組、脫氧模組、催化加氫模組、微粒移除模組、氯化物移除模組、焦油移除模組及氰化氫移除模組。

在各種實施例中，可傳送電解製程之至少一部分以進行儲存。某些工業製程可包含用於長期或短期儲存氣態基質及/或液體基質的儲存裝置。在傳送電解製程之至少一部分以進行儲存的情況下，電解製程可傳送至工業製程使用之相同儲存裝置，例如鋼廠的現有儲氣罐。可將電解製程之至少一部分傳送至獨立的儲存裝置，其中電解製程與來自工業製程之C1原料分開儲存。在某些情況下，來自工業製程及/或一個或多個電解製程中之一者或兩者的此類儲存原料可在稍後的時間用於醱酵製程。

在各種實施例中，本揭示案提供一種整合製程，包括電解製程，其中為電解製程供應之電力至少部分來源於可再生能量來源。在某些情況下，可再生能量來源係選自由以下組成之群組：太陽能、水能、風能、地熱能、生物質能、氮能及核能。

儘管基質通常為氣態的，但基質亦可以替代形式提供。舉例而言，基質可使用微泡分散發生器溶解於含CO氣體飽和液體中。藉助於其他實例，基質可吸附至固體載體上。

除了提高醱酵製程之效率外，電解製程亦可提高工業製程之效率。工業製程效率之提高可藉由使用電解製程之副產物，亦即氧氣來實現。具體而言，電解製程之O ₂副產物可用於產生C1之工業製程。許多產生C1之工業製程被迫生產O ₂以在其過程中使用。然而，藉由利用來自電解製程之O ₂副產物，可降低及/或消除生產O ₂之成本。

一些涉及部分氧化反應的產生C1之工業製程需要O ₂輸入。例示性工業製程包含鹼性氧氣爐（BOF）反應；COREX或FINEX煉鋼製程、高爐（BF）製程、鐵合金生產製程、二氧化鈦生產製程及氣化製程。氣化製程包含但不限於城市固體廢物氣化、生物質氣化、石油焦氣化及煤氣化。在此等工業製程中之一者或多者中，來自二氧化碳電解製程之O ₂可用於抵消或完全替代通常經由空氣分離供應之O ₂。

由於給定地點電價之巨大差異，以及電價對作為醱酵氣源之電解製程效率之影響，因此對電解製程之利用採取靈活的方法係非常有利的。舉例而言，在電價相對便宜的情況下，利用電解製程作為醱酵之氣源，在電價高的時候停止使用。對電解製程的此需求回應式利用可為氣體醱酵設施增加巨大之價值。

本文中所引用之所有參考文獻，包含公開案、專利申請案及專利均特此以引用之方式併入，該引用程度就如同個別且具體地指示各參考文獻以引用之方式併入且全文闡述於本文中一般。在本說明書中對任何先前技術之參考並非且不應視為承認先前技術形成任何國家所致力領域之公共常識的一部分。

除非本文中另外規定或明顯地與上下文相矛盾，否則在描述揭示內容之上下文中（尤其在以下申請專利範圍之上下文中）使用術語「一（a/an）」及「該（the）」及類似參考物解釋為涵蓋單數及複數兩者。除非另外指出，否則術語「包括」、「具有」、「包含」及「含有」應理解為開放性術語（亦即，意謂「包含但不限於」）。術語「基本上由……組成」將組成、製程或方法之範疇限制於指定材料或步驟，或實質上不影響該組成、製程或方法之基本及新穎特性的彼等材料或步驟。使用替代物(亦即「或」)應理解為意謂替代物中之一者、兩者或其任何組合。如本文中所使用，除非另外規定，否則術語「約」意謂指定範圍、值或結構之±20%。

除非另外規定，否則本文中值範圍之敍述僅意欲充當個別提及屬於該範圍內之各獨立值的簡寫方法，且各獨立值併入至本說明書中，如同在本文中個別列舉一般。舉例而言，除非另外規定，否則任何濃度範圍、百分比範圍、比率範圍、整數範圍、大小範圍或厚度範圍將理解為包含所列舉範圍內之任何整數值，且適當時包含其分數（諸如，整數之十分之一及百分之一）。

除非本文中另外規定或另外明顯與上下文矛盾，否則本文中所描述之所有方法可以任何合適之次序執行。除非另外主張，否則使用本文中所提供之任何及所有實例或例示性語言（亦即「諸如」）僅意欲更好地闡明本揭示案，且不對本揭示案之範疇造成限制。本說明書中之語言均不應解釋為指示任何非主張之要素對於本揭示案之實踐為必不可少的。

本文中描述本揭示案之較佳實施例。在閱讀前文之描述時，彼等較佳實施例之變化對於一般熟習此項技術者可變得顯而易見。本發明者期望熟習此項技術者適當時採用此類變化，且本發明者意欲以不同於本文中特定描述之其他方式來實施本揭示案。相應地，本揭示案包含如適用法律准許之隨附於本文之申請專利範圍中所陳述之主題的所有修改及等效物。此外，除非本文中另外規定或另外明顯與上下文矛盾，否則本揭示案涵蓋上述要素在其所有可能變化中之任何組合。 實例

以下實例進一步說明本揭示案之方法及系統，但不應視為以任何方式限制其範疇。 實例1.在25天連續的鉤蟲貪銅菌氣體醱酵製程中對於主要氣體組分的每公升生物反應器液體體積之氣體吸收圖

氫氣為能量來源且CO ₂為碳源。進料氣流在第18.21天缺失，且在大約8小時後恢復。醱酵之長期穩定性無顯著變化，氣體恢復後之任何波動都在運行之正常操作波動範圍內（圖1）。氫氣為能量來源且CO ₂為碳源。在進料氣體停止流動後約8小時恢復氣流後，氣體吸收幾乎亦即恢復（圖2）。 實例2.鉤蟲貪銅菌氣體醱酵之穩定生物質生產的例示圖

氫氣作為能量來源示出且CO ₂為碳源。可見到在4.5天內的連續穩定生產，其中OD600高於30（相當於約30 g/L DCW鉤蟲貪銅菌生物質）（圖3）。 實例3.在鉤蟲貪銅菌氣體醱酵中對於主要氣體組分的每公升生物反應器液體體積之穩定氣體吸收圖

氫氣為能量來源且CO ₂為碳源。顯示了在相同的4.5天期間內的連續穩定氣體吸收（圖4）。 實例4.描述工業製程及電解製程與醱酵製程之整合的示意流程圖

(圖5)顯示了工業製程110及電解製程120與醱酵製程130之整合。醱酵製程130能夠接收來自工業製程110之C1原料及/或來自電解製程120之氣體。電解製程120可間歇地饋入醱酵製程130。較佳地，來自工業製程110之C1原料經由管道112饋入醱酵製程130，且來自電解120之氣體經由管道122饋入醱酵製程130。醱酵製程130利用來自電解製程110之氣體及來自工業製程110之C1原料來產生一種或多種醱酵產物136。

在某些情況下，電解製程包括CO。在某些情況下，電解包括H ₂。在某些情況下，來自電解製程120之氣體置換來自工業製程110之C1原料之至少一部分。較佳地，電解製程根據C1原料之單位成本及電解製程之單位成本置換C1原料之至少一部分。在各種情況下，當電解製程之單位成本低於C1原料之單位成本時，電解製程置換C1原料之至少一部分。

當電力成本降低時，電解製程之單位成本可能低於C1原料之單位成本。在某些情況下，由於電力來自可再生能量來源而降低了電力成本。在某些情況下，可再生能量來源係選自由以下組成之群組：太陽能、水能、風能、地熱能、生物質能、氮能及核能。

來自電解製程120之氣體可補充來自工業製程110之C1原料。較佳地，當C1原料之供應不足以用於醱酵製程時，電解製程會補充C1原料。在某些情況下，電解製程根據電解製程之單位成本及醱酵產物136之單位價值補充C1原料。在某些情況下，電解製程根據C1原料之單位成本、電解製程之單位成本及醱酵產物136之單位價值來補充C1原料。較佳地，當電解製程之單位成本低於醱酵產物136之單位價值時，來自電解製程120之氣體會補充C1原料。在各種情況下，用包括H ₂之電解製程補充包括CO ₂之C1原料會增加固定在一種或多種醱酵產物136中的CO ₂之量。

在一個實施例中，一種以生物聚合物形式儲存能量之方法，其包括： a）在電解製程中間歇地處理由可再生及/或不可再生能量來源產生之電能之至少一部分以產生至少H ₂、O ₂或CO； b）將來自電解製程之H ₂、O ₂或CO中之至少一者間歇地傳遞至含有培養物之生物反應器， c）該培養物包括液體營養培養基及能夠產生生物聚合物之微生物；及 使培養物醱酵。

在一個實施例中，其中電解製程具有一單位電能成本。

在一個實施例中，進一步包括將包括來自工業或合成氣製程之CO及CO ₂中之一者或兩者的C1原料傳遞至生物反應器，其中C1原料具有一單位成本。

在一個實施例中，其中生物聚合物具有一單位成本。

在一個實施例中，進一步包括將在電解製程中產生之O ₂之至少一部分傳遞至燃燒或氣化製程以產生二氧化碳。

在一個實施例中，其中電能係由可再生能量來源產生。

在一個實施例中，其中可再生能量來源包括太陽能、風能、波能、潮汐能、水能、地熱能、生物質及/或生物燃料燃燒、核能或其任何組合。

在一個實施例中，其中間歇地傳遞包括在連續傳遞H ₂、O ₂或CO中之至少一者與不傳遞H ₂、O ₂及CO中之至少一者之間的長達約0至2、0至4、0至6、0至8、0至10、0至12或0至16小時的任何時間段。

在一個實施例中，其中在電能之單位成本低於C1原料之單位成本的時間段期間操作電解製程以補充C1原料。

在一個實施例中，其中微生物為自養細菌。

在一個實施例中，其中自養細菌為鉤蟲貪銅菌 。

在一個實施例中，其中生物聚合物為聚羥基烷酸酯。

在一個實施例中，其中微生物能夠共同產生高營養蛋白。

在一個實施例中，進一步包括處理微生物以產生單細胞蛋白（SCP）產物。

在一個實施例中，進一步包括處理微生物以產生無細胞蛋白合成平台。

在一個實施例中，一種以生物聚合物形式儲存能量之系統，其包括： a）電解製程，其與可再生及/或不可再生能量來源間歇流體連通以用於產生H ₂、O ₂或CO中之至少一者； b）工業設備，其用於生產至少C1原料； c）生物反應器，其與電解製程間歇流體連通及/或與工業設備連續流體連通，包括適用於間歇生長、醱酵及/或培養且容納能夠產生生物聚合物之微生物的反應容器。

在一個實施例中，進一步包括至少一個與電解製程、生物反應器或兩者流體連通之氧氣濃化燃燒或氣化單元，該氧氣濃化燃燒或氣化單元用於產生二氧化碳。

在一個實施例中，進一步包括至少一個與生物反應器流體連通之下游處理系統，其選自回收系統、純化系統、濃化系統、儲存系統，用於使廢氣、氫氣、水、氧氣、二氧化碳、所使用之培養基及培養基組分、微生物醱酵之再循環或進一步處理系統，或其組合。

在一個實施例中，進一步包括與生物反應器流體連通之細胞處理單元，其中微生物進一步處理成單細胞蛋白（SCP）及/或無細胞蛋白合成平台。

在一個實施例中，其中可再生能量來源係選自太陽能、風能、波能、潮汐能、水能、地熱能、生物質及/或生物燃料燃燒、核能或其任何組合。

在一個實施例中，其中微生物為自養細菌。

在一個實施例中，其中自養細菌為鉤蟲貪銅菌 。

在一個實施例中，其中間歇性流體連通包括在連續傳遞H ₂、O ₂或CO中之至少一者與不傳遞H ₂、O ₂及CO中之至少一者之間的長達約0至2、0至4、0至6、0至8、0至10、0至12或0至16小時的任何時間段。

110:工業製程 112:管道 120:電解製程 122:管道 130:醱酵製程 136:醱酵產物

圖1為在25天連續的鉤蟲貪銅菌（ C.necator ）氣體醱酵製程中每公升生物反應器液體體積之主要氣體成分的氣體吸收圖，其中氫氣作為能量來源且CO ₂作為碳源。進料氣流在第18.21天缺失並且在大約8小時後恢復。醱酵之長期穩定性沒有顯著變化，氣體恢復後的任何波動都在此運行之正常操作波動範圍內。

圖2為在與圖1相同的25天連續醱酵製程中，每公升生物反應器液體體積之主要氣體成分的氣體吸收圖，其中氫氣作為能量來源且CO ₂作為碳資源。該圖更集中地顯示了天然氣中斷。在進料氣體停止流動後大約8小時恢復氣流後，氣體吸收幾乎立亦即恢復。

圖3為鉤蟲貪銅菌氣體醱酵之穩定生物質生產之示例圖，其中氫氣作為能量來源且CO ₂作為碳源。該圖顯示了4.5天期間的持續穩定生產，其中OD600高於30（相當於約30 g/L DCW鉤蟲貪銅菌生物質）。

圖4為鉤蟲貪銅菌氣體醱酵中每公升生物反應器液體體積之主要氣體成分的穩定氣體吸收圖，其中氫氣作為能量來源且CO ₂作為碳源。該圖顯示了在與圖3相同的4.5天期間的持續穩定的氣體吸收。

圖5為描述工業製程及電解製程與醱酵製程之整合的示意流程圖。

Claims (23)

1. 一種以生物聚合物形式儲存能量之方法，其包括： a）  在電解製程中間歇地處理由可再生及/或不可再生能量來源產生之電能之至少一部分以產生至少H ₂、O ₂或CO； b） 將來自電解製程之H ₂、O ₂或CO中之至少一者間歇地傳遞至含有培養物之生物反應器，該培養物包括液體營養培養基及能夠產生生物聚合物之微生物；及 c）  使該培養物醱酵。
2. 如請求項1之方法，其中該電解製程具有一單位電能成本。
3. 如請求項1之方法，其進一步包括將來自工業或合成氣製程之包含CO及CO ₂中之一者或兩者的C1原料傳遞至該生物反應器中，其中該C1原料具有一單位成本。
4. 如請求項1之方法，其中該生物聚合物具有一單位成本。
5. 如請求項2之方法，其進一步包括將在該電解製程中產生的O ₂之至少一部分傳遞至燃燒或氣化製程以產生二氧化碳。
6. 如請求項1之方法，其中該電能係由可再生能量來源產生。
7. 如請求項6之方法，其中該可再生能量來源包括太陽能、風能、波浪、潮汐能、水能、地熱能、生物質及/或生物燃料燃燒、核能或其任何組合。
8. 如請求項1之方法，其中間歇地傳遞包括在連續傳遞H ₂、O ₂或CO中之至少一者與不傳遞H ₂、O ₂及CO中之至少一者之間的長達約0至2、0至4、0至6、0至8、0至10、0至12或0至16小時的任何時間段。
9. 如請求項2之方法，其中在該單位電能成本低於單位C1原料成本的時間段，操作該電解製程以補充C1原料。
10. 如請求項1之方法，其中該微生物為自養細菌。
11. 如請求項10之方法，其中該自養細菌為鉤蟲貪銅菌（ Cupriavidus necator）。
12. 如請求項1之方法，其中該生物聚合物為聚羥基烷酸酯。
13. 如請求項1之方法，其中該微生物能夠共同產生高營養蛋白質。
14. 如請求項1之方法，其進一步包括處理該微生物以產生單細胞蛋白（SCP）產物。
15. 如請求項1之方法，其進一步包括處理該微生物以產生無細胞蛋白合成平台。
16. 一種以生物聚合物形式儲存能量之系統，其包括： a）  電解製程，其與可再生及/或不可再生能量來源間歇流體連通以用於產生H ₂、O ₂或CO中之至少一者； b） 工業設備，其用於生產至少C1原料； c）  生物反應器，其與該電解製程間歇流體連通及/或與該工業設備連續流體連通，包括適用於間歇生長、醱酵及/或培養且容納能夠產生生物聚合物之微生物的反應容器。
17. 如請求項16之系統，其進一步包括至少一個與該電解製程、該生物反應器或兩者流體連通之氧氣濃化燃燒或氣化單元，該氧氣濃化燃燒或氣化單元用於產生二氧化碳。
18. 如請求項16之系統，其進一步包括至少一個與該生物反應器流體連通之下游處理系統，該下游處理系統選自回收系統、純化系統、濃化系統、儲存系統，用於使廢氣、氫氣、水、氧氣、二氧化碳、所使用之培養基及培養基組分、微生物醱酵之再循環或進一步處理系統，或其組合。
19. 如請求項16之系統，其進一步包括與該生物反應器流體連通之細胞處理單元，其中該微生物進一步處理成單細胞蛋白（SCP）及/或無細胞蛋白合成平台。
20. 如請求項16之系統，其中該可再生能量來源係選自太陽能、風能、波能、潮汐能、水能、地熱能、生物質及/或生物燃料燃燒、核能或其任何組合。
21. 如請求項16之系統，其中該微生物為自養細菌。
22. 如請求項21之系統，其中該自養細菌為鉤蟲貪銅菌 。
23. 如請求項16之系統，其中間歇性流體連通包括在連續傳遞H ₂、O ₂或CO中之至少一者與不傳遞H ₂、O ₂及CO中之至少一者之間的長達約0至2、0至4、0至6、0至8、0至10、0至12或0至16小時的任何時間段。

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