TWI598443B - 操作含有一氧化碳及氫之氣態基質發酵的方法 - Google Patents

操作含有一氧化碳及氫之氣態基質發酵的方法 Download PDF

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Description

操作含有一氧化碳及氫之氣態基質發酵的方法
本揭露內容主要地是有關於一包含有一氧化碳(CO)以及氫(H2)的氣態基質發酵的方法。本揭露內容特別是有關於一包含有一氧化碳(CO)與氫(H2)的氣態基質發酵以生成一或多種醇類(alcohols)的方法。
 發明背景
利用某些微生物[諸如那些來自於梭狀芽孢桿菌屬(genus Clostridium)者]在含有適當的營養素及微量礦物質的培養基中從包含有一氧化碳與氫的氣態基質的微生物發酵中來產生化學物質[諸如有機酸(例如乙酸)以及醇類(例如乙醇)]的方法已被揭示。例如，授予Gaddy等人的美國專利第5,173,429號揭示楊氏梭菌(Clostridium ljungdahlii) ATCC第49587號，一種由合成氣體中產生乙醇以及乙酸鹽(acetate)的厭氧性微生物(anaerobic microorganism)。授予Gaddy等人的美國專利第5,807,722號揭示一種有關於利用厭氧性細菌[諸如楊氏梭菌(Clostridium ljungdahlii) ATCC第55380號]將廢氣轉化成有用的產物(諸如有機酸及醇類)的方法以及裝置。授予Gaddy等人的美國專利第6,136,577號揭示一種有關於利用厭氧性細菌[諸如楊氏梭菌(Clostridium ljungdahlii) ATCC第55988以及55989號]將廢氣轉化成有用的產物[諸如有機酸及醇類(特別是乙醇)]的方法以及裝置。
美國專利申請案第20070275447號揭示一種梭狀芽孢桿菌屬細菌物種(Clostridium carboxidivorans，ATCC BAA-624，“P7”)，它能夠從廢氣中合成可應用於作為生物燃料的產物。美國專利第7,704,723號揭示一種梭狀芽孢桿菌屬細菌物種(Clostridium ragsdalei，ATCC BAA-622，“P11”)，它能夠從廢氣中合成可應用於作為生物燃料的產物。
WO 2007/117157揭示Clostridium autoethanogenum(寄存編號DSM 10061，DSMZ，德國)供用於藉由含有一氧化碳的基質的厭氧性發酵來產生乙醇的用途。WO 2009/064200揭示另一種細菌(Clostridium autoethanogenum，寄存編號DSM 19630，DSMZ，德國)供用於藉由含有一氧化碳的基質的厭氧性發酵來產生乙醇的用途。
如本技藝中所描述的，化學物質(諸如乙醇)的生產速率端視發酵培養基中微生物細胞的密度(“細胞密度”)而定。在生物反應器中足夠高的細胞密度是被需要的，俾以獲得並且維持化學物質的一高生產速率。
授予Gaddy的美國專利第6,136,577號揭示一種在一發酵過程(fermentation process)中產生乙醇的方法，其中細胞-再循環被用來增加細胞密度。
授予Gaddy等人的美國專利第7,285,402號揭示一種用來生產醇類的厭氧性微生物發酵方法，其中一種在啟始(start-up)的期間利用一儲備培養物(stock culture)[其中有過量的氫(H2)存在]來增加細胞密度的方法被提出。
使用一來自於儲備培養物的批次接種物的啟始確保一免於汙染的健康接種物，但是由於相當低的細胞密度被使用，以此作為一接種程序並非總是能成功，特別是若方法參數(諸如氣體速率及攪拌速率)在接種後立刻被增加(pushed upward)太快時。
現今，在本技藝中對於用以在一氣態基質的微生物發酵中增加細胞密度之經改善的方法，存在有一需求。本揭露內容提供一種在一較快的速率下來增加細胞密度的方法，供用於一氣態基質的微生物發酵方法。
 發明概要
作為一具體例，本揭露內容提供一種從氣態基質中生成一或多種醇類的方法，它包含有：在一生物反應器中，對一存在於一水性培養基中之包含有一氧化碳(CO)與氫(H2)的氣態基質進行發酵；該方法包含有測量CO的轉化率；測量H2的轉化率；藉由一落在1.0至2.0之範圍內的預選流動因子來增加氣態基質的流動(flow)；其中攪拌(agitation)包含大於或等於目標攪拌速率(target agitation rate)；其中該目標攪拌速率包含有一為10至1000 rpm的攪拌器速度；其中包含有增加氣態基質的流動，其中該CO的轉化率超過一落在25%至95%之範圍內的第一CO轉化率；其中包含有增加氣態基質的流動，其中該H2的轉化率超過一落在25%至95%之範圍內的第一H2轉化率；其中該生物反應器包含有一或多種反應器；其中該生物反應器包含有細胞再循環；其中將營養培養基的流動(flow)添加至該生物反應器中。
在一具體例中，該水性培養基包含一或多種：生物學上純的厭氧性產乙酸鹽的微生物(biologically pure anaerobic acetogenic microorganism)、自然存在的厭氧性產乙酸鹽的微生物(naturally occurring anaerobic acetogenic microorganism)、非自然存在的厭氧性產乙酸鹽的微生物、藉由基因修飾而被生成的非自然存在的厭氧性產乙酸鹽的微生物、自然存在的厭氧性產乙酸鹽的微生物的突變種、非自然存在的厭氧性產乙酸鹽的微生物的突變種。
作為一具體例，本揭露內容提供一種氣態基質發酵的方法，它包含有：在一生物反應器中，將包含有一氧化碳(CO)與氫(H2)的氣態基質添加至一水性培養基中；該方法包含有測量CO的轉化率；測量H2的轉化率；藉由一落在1.0至2.0之範圍內的預選流動因子來增加氣態基質的流動；其中在該CO轉化率與該H2轉化率之間的差異包含大於或等於一落在0%至25%之範圍內的特定轉化率差異；其中包含有增加氣態基質的流動，其中該CO的轉化率超過一落在25%至95%之範圍內的第一CO轉化率；其中包含有增加氣態基質的流動，其中該H2的轉化率超過一落在25%至95%之範圍內的第一H2轉化率。
作為一具體例，本揭露內容提供一種氣態基質發酵的方法，它包含有：在一包含有攪拌的生物反應器中，將包含有一氧化碳(CO)與氫(H2)的氣態基質添加至一水性培養基中；該方法包含有測量CO與H2的轉化率，以及在預選的速度步驟中增加攪拌；其中該CO與該H2的轉化率的差異是少於一落在一為0%至25%之範圍內的特定轉化率差異；其中包含有增加攪拌，其中該CO的轉化率超過一落在一為0%至25%之範圍內的第二CO轉化率；其中包含有增加攪拌，其中該H2的轉化率超過一落在一為0%至25%之範圍內的第二H2轉化率。
作為一具體例，本揭露內容提供一種氣態基質發酵的方法，它包含有：在一包含有一攪拌器的生物反應器中，將包含有一氧化碳(CO)與氫(H2)的氣態基質添加至一水性培養基中；該方法包含有測量CO的轉化率；測量H2的轉化率；藉由一落在1.0至2.0之範圍內的預選流動因子來增加氣態基質的流動；其中該攪拌器的速度包含大於或等於落在10至1000 rpm之範圍內的目標速度。
本揭露內容提供一種氣態基質發酵的方法，它包含有：在一生物反應器中，將包含有一氧化碳(CO)與氫(H2)的氣態基質添加至一水性培養基中；該水性培養基包含有一或多種微生物；該方法包含有測量CO的轉化率；測量H2的轉化率；藉由一落在1.0至2.0之範圍內的預選流動因子來增加氣態基質的流動；其中攪拌包含大於或等於目標攪拌速率；其中該目標攪拌速率包含有一為10至1000 rpm的攪拌器速度。
本揭露內容提供一種氣態基質發酵的方法，它包含有：在一包含有一攪拌器的生物反應器中，將包含有一氧化碳(CO)與氫(H2)的氣態基質添加至一水性培養基中；該水性培養基包含有一或多種微生物；該方法包含有測量CO的轉化率；測量H2的轉化率；藉由一落在1.0至2.0之範圍內的預選流動因子來增加氣態基質的流動；其中該攪拌器的速度包含大於或等於落在10至1000 rpm之範圍內的目標速度。
作為一具體例，本揭露內容的方法包含有增加氣態基質的流動，其中該CO的轉化率超過一落在25%至95%之範圍內的第一CO轉化率。
作為一具體例，本揭露內容的方法包含有增加氣態基質的流動，其中該H2的轉化率超過一落在25%至95%之範圍內的第一H2轉化率。
進一步地，本揭露內容提供一種氣態基質發酵的方法，它包含有：在一生物反應器中，將包含有一氧化碳(CO)與氫(H2)的氣態基質添加至一水性培養基中；該水性培養基包含有一或多種微生物；該方法包含有測量CO的轉化率；測量H2的轉化率；藉由一落在1.0至2.0之範圍內的預選流動因子來增加氣態基質的流動；其中在該CO的轉化率與該H2的轉化率之間的差異包含大於或等於一落在0%至25%之範圍內的特定轉化率差異。
進一步地，本揭露內容提供一種氣態基質發酵的方法，它包含有：在一包含有一攪拌器的生物反應器中，將包含有一氧化碳(CO)與氫(H2)的氣態基質添加至一水性培養基中；該水性培養基包含有一或多種微生物；該方法包含有測量CO的轉化率；測量H2的轉化率；藉由一落在1.0至2.0之範圍內的預選流動因子來增加氣態基質的流動；其中在該CO的轉化率與該H2的轉化率之間的差異包含大於或等於一落在0%至25%之範圍內的特定轉化率差異。
作為一具體例，本揭露內容的方法包含有增加氣態基質的流動，其中該CO的轉化率超過一落在25%至95%之範圍內的第一CO轉化率。
作為一具體例，本揭露內容的方法包含有增加氣態基質的流動，其中該H2的轉化率超過一落在25%至95%之範圍內的第一H2轉化率。
此外，本揭露內容提供一種氣態基質發酵的方法，它包含有：在一包含有攪拌的生物反應器中，將包含有一氧化碳(CO)與氫(H2)的氣態基質添加至一水性培養基中；該水性培養基包含有一或多種微生物；該方法包含有測量CO與H2的轉化率，以及在預選的速度步驟中增加攪拌；其中該CO與該H2的轉化率的差異是少於一落在一為0%至25%之範圍內的特定轉化率差異；它包含有增加攪拌，其中該CO的轉化率超過一落在一為0%至25%之範圍內的第二CO轉化率；它包含有增加攪拌，其中該H2的轉化率超過一落在一為0%至25%之範圍內的第二H2轉化率。
此外，本揭露內容提供一種氣態基質發酵的方法，它包含有：在一包含有一攪拌器的生物反應器中，將包含有一氧化碳(CO)與氫(H2)的氣態基質添加至一水性培養基中；該水性培養基包含有一或多種微生物；該方法包含有測量CO與H2的轉化率，以及在落在一為0至200 rpm之範圍內的預選的速度步驟中增加該攪拌器的速度；其中該CO與該H2的轉化率的差異是少於一落在一為0%至25%之範圍內的特定轉化率差異。
作為一具體例，本揭露內容的方法包含有增加該攪拌器的速度，其中該CO的轉化率超過一落在一為0%至25%之範圍內的第二CO轉化率。
作為一具體例，本揭露內容的方法包含有增加該攪拌器的速度，其中該H2的轉化率超過一落在一為0%至25%之範圍內的第二H2轉化率。
作為一具體例，本揭露內容的該微生物包含有一或多種包括下列的微生物：生物學上純的微生物、自然存在的微生物、非自然存在的微生物、藉由基因修飾而被生成的非自然存在的微生物、自然存在的微生物的突變種、非自然存在的微生物的突變種、重組型微生物、工程微生物(engineered microorganism)、人工合成的微生物；其中該微生物包含有下列的選擇：凱伍產醋酸菌(Acetogenium kivui)、伍氏醋酸桿菌(Acetobacterium woodi)、潮濕厭氧醋菌(Acetoanaerobium noterae)、食甲基丁酸桿菌(Butyribacterium methylotrophicum)、Caldanaerobacter subterraneous、Caldanaerobacter subterraneous pacificus、生氫氧化碳嗜熱菌(Carboxydothermus hydrogenoformans)、醋酸梭菌(Clostridium aceticum)、丙酮丁醇桿菌(Clostridium acetobutylicum)、Clostridium autoethanogenum(DSM 23693)、Clostridium autoethanogenum(DSM 19630，DSMZ，德國)、Clostridium autoethanogenum(DSM 10061，DSMZ，德國)、嗜熱醋酸梭菌(Clostridium thermoaceticum)、黏液真桿菌(Eubacterium limosum)、楊氏梭菌(Clostridium ljungdahlii) PETC(ATCC 49587)、楊氏梭菌(Clostridium ljungdahlii) ERI2(ATCC 55380)、楊氏梭菌(Clostridium ljungdahlii) C-01(ATCC 55988)、楊氏梭菌(Clostridium ljungdahlii) O-52(ATCC 55889)、Clostridium ultunense、Clostridium ragsdali P11(ATCC BAA-622)、Alkalibaculum bacchi CP11(ATCC BAA-1772)、Clostridium coskatii、Clostridium carboxidivorans P7(ATCC PTA-7827)、硫還原地桿菌(Geobacter sulfurreducens)、熱醋穆爾氏菌(Morrella thermacetica)、產生消化鏈球菌(Peptostreptococus productus)、Clostridium drakei、重組型微生物(DSM 24138)，以及它們的混合物；其中該微生物包含有一或多種楊氏梭菌(Clostridium ljungdahlii)的菌株、或者一或多種Clostridium ragsdalei的菌株、或者一或多種Clostridium carboxidivorans的菌株，或者一或多種Clostridium autoethanogenum的菌株；其中該微生物包含有藉由將一或多種經選擇的基因插入至宿主生物體中而被生成的一或多種基因修飾的微生物，該宿主生物體是選自於：任何楊氏梭菌(Clostridium ljungdahlii)的菌株、或者任何Clostridium ragsdalei的菌株、或者任何Clostridium carboxidivorans的菌株，或者任何Clostridium autoethanogenum的菌株；其中該微生物包含有藉由將一或多種基因插入至任何宿主生物體中而被生成的一或多種基因修飾的微生物，該基因是來自於：任何楊氏梭菌(Clostridium ljungdahlii)的菌株、或者任何Clostridium ragsdalei的菌株、或者任何Clostridium carboxidivorans的菌株，或者任何Clostridium autoethanogenum的菌株。
作為一具體例，本揭露內容提供該包含有一或多種反應器的生物反應器；其中該生物反應器包含有細胞再循環；其中將營養培養基的流動添加至該生物反應器中。
圖式簡單說明
第1圖包含一示意圖，它例示說明一氣態基質的微生物發酵方法的一具體例。
 定義
除非另外有所定義，針對本揭露內容而有如在整個說明書中被使用的下列術語被定義如下，並且可以包括在下面所定義之界定的單一或者複數形式：
修飾任何數量的術語“大約”意指在維持微生物培養的真實世界狀況中[例如在實驗室、小規模工廠或生產設備中]所遇到的數量上的變化(variation)。例如，一成分的一數量(amount)或被使用於一混合物的測量值(measurement)或數量(quantity)當經由“大約”而被修飾時，包括在生產工廠或實驗室的一實驗狀況中典型地在測量上所使用的變化(variation)與介意程度(degree of care)。例如，一產物的一成分的數量當經由“大約”而被修飾時，包括在工廠或實驗室中於一種重複性實驗中的批次之間的變化以及在分析方法中所固有的變化。不論是否經由“大約”而被修飾，該等數量包括那些數量的等效量(equivalents)。如此處所描述並且經由“大約”而被修飾的任何數量(any quantity)亦可被用於本揭露內容中，有如非經由“大約”而被修飾的數量(amount)。
術語“產乙酸鹽生物(acetogen)”或“產乙酸鹽的(acetogenic)”意指一會產生乙酸鹽(acetate)作為厭氧呼吸的一產物的細菌。此方法不同於乙酸鹽發酵，雖然兩者皆發生於缺乏氧並且產生乙酸鹽。由於所有已知的產乙酸鹽生物皆是細菌，這些生物體亦被稱為產乙酸鹽的細菌。產乙酸鹽生物被發現於各種不同的棲地，一般而言那些棲地是厭氧性的(缺乏氧)。產乙酸鹽生物可以使用各種不同的化合物作為能量以及碳的來源；被研究最透徹的產乙酸鹽代謝形式涉及使用二氧化碳作為一碳來源以及使用氫作為一能量來源。
術語“生物反應器”、“反應器”或“發酵生物反應器，，包括一由一或多個容器和/或塔或管線設備所組成的發酵裝置，該發酵裝置包括連續式攪拌槽反應器(Continuous Stirred Tank Reactor,CSTR)、氣泡塔(bubble column)、氣升發酵槽(Gas Lift Fermenter)、靜態攪拌器(Static Mixer)，或適用於氣體-液體接觸的其他裝置。針對本揭露內容的方法，該發酵生物反應器可包含有一生長反應器，該生長反應器進料發酵液(fermentation broth)至一第二發酵生物反應器中，在該第二發酵生物反應器中大部分的產物(乙醇)被生成。
術語“轉化率”意指被轉化為產物的輸入量的一比率；此以下列公式而被表示：(輸入量-輸出量)/(輸入量)。
術語“發酵”意指將CO發酵為醇類與乙酸鹽。許多細菌被知曉能夠進行將CO發酵為醇類(包括丁醇及乙醇)以及乙酸，並且適合供用於本揭露內容的方法中。適合供用於本揭露內容的該等細菌的實例包括：梭狀芽孢桿菌屬的那些細菌，諸如楊氏梭菌(Clostridium ljungdahlii)的菌株，包括那些被描述於WO 2000/68407、EP 117309、美國專利第5,173,429號、第5,593,886號以及第6,368,819號、WO 1998/00558以及WO 2002/08438中者；Clostridium autoethanogenum的菌株(DSM 10061與DSM 19630，DSMZ，德國)，包括那些被描述於WO 2007/117157以及WO 2009/151342中者；以及Clostridium ragsdalei(P11，ATCC BAA-622)，包括那些分別被描述於美國專利第7,704,723號與“Biofuels and Bioproducts from Biomass-Generated Synthesis Gas”(Hasan Atiyeh，發表於Oklahoma EPSCoR Annual State Conference，4月29日，2010年)中者；以及被描述於美國專利申請案第20070275447號中的Clostridium carboxidivorans(ATCC BAA-624)。其他適合的細菌包括穆勒氏菌屬(genus Moorella)的那些細菌(包括Moorella sp HUC22-1)與氧化碳嗜熱菌屬(genus Carboxydothermus)的那些細菌。這些公開刊物的每一者的揭露內容完全地被併入本案中以作為參考資料。此外，其他細菌可經由一熟習本技藝的人士而被選擇以供用於本揭露內容的方法中。亦將被明瞭的是，二或多種細菌的一混合培養物可被使用於本揭露內容的方法中。一適合供用於本揭露內容的微生物是Clostridium autoethanogenum。發酵可在任何適合的生物反應器[諸如一連續式攪拌槽反應器(CSTR)、一氣泡塔反應器(BCR)或者一滴流床反應器(TBR)]中被進行。另外，在本揭露內容的一些較佳具體例中，該生物反應器可包含有一第一生長反應器(該等微生物被培養於其中)，以及一第二發酵反應器[發酵液由該生長反應器被進料至其中，並且大多數的發酵產物(乙醇與乙酸鹽)被生成於其中]。
術語“發酵液(fermentation broth)”意指：該發酵培養基的組成物包含最終存在於該發酵液中的任何物質，包括：原始受質、發酵產物、微生物以及衍生成份、化學添加物、營養物、氣體。所有三種主要相：固相、液相以及氣相皆存在於該發酵液以及它們可能的交互作用中。
術語“流動因子(flow factor)”意指氣體進料的建議數量(proposed quantity)除以氣體進料的現行數量(current quantity)。
術語“微生物(microorganism)”或“微生物(microbe)”包括細菌、真菌、酵母菌、古菌以及單細胞生物；顯微可見的植物(被稱為綠藻)；以及動物，諸如浮游生物、真渦蟲以及阿米巴變形蟲。有些亦包括病毒，但是其他人士認為這些並非生物。微生物生活在具有液態水的生物圈的所有部分中，包括土壤、熱溫泉、海底上、高至大氣層上以及深至在地殼內部的岩石裡。當微生物作為分解者時，它們在生態系統中對於養分再循環是重要的。微生物亦被人類利用於生物科技上、傳統食物與飲料這兩者的製備上，以及基於基因工程(genetic engineering)的現代科技上。被期望的是，經混合的微生物菌株(其可以或者可能不會含有各種不同的微生物菌株)將被利用於本揭露內容中。另外，被期望的是，直接的演化可以選擇性地篩選出可以被利用於本揭露內容中的微生物。更進一步被期望的是，重組DNA技術可以利用現存微生物的選擇菌株來創造微生物。另外，化學突變發生技術(利用各種不同的化學物質來突變細菌DNA)可以利用現存微生物的選擇菌株來創造微生物。被期望的是，可以將CO與水或H2與CO2轉變成乙醇與乙酸產物的細菌將被利用於本揭露內容中。可用的細菌的一些實例包括：凱伍產醋酸菌(Acetogenium kivui)、伍氏醋酸桿菌(Acetobacterium woodi)、潮濕厭氧醋菌(Acetoanaerobium noterae)、食甲基丁酸桿菌(Butyribacterium methylotrophicum)、Caldanaerobacter subterraneous、Caldanaerobacter subterraneous pacificus、生氫氧化碳嗜熱菌(Carboxydothermus hydrogenoformans)、醋酸梭菌(Clostridium aceticum)、丙酮丁醇桿菌(Clostridium acetobutylicum)、Clostridium autoethanogenum(DSM 23693)、Clostridium autoethanogenum(DSM 19630，DSMZ，德國)、Clostridium autoethanogenum(DSM 10061，DSMZ，德國)、嗜熱醋酸梭菌(Clostridium thermoaceticum)、黏液真桿菌(Eubacterium limosum)、楊氏梭菌(Clostridium ljungdahlii) PETC(ATCC 49587)、楊氏梭菌(Clostridium ljungdahlii) ERI2(ATCC 55380)、楊氏梭菌(Clostridium ljungdahlii) C-01(ATCC 55988)、楊氏梭菌(Clostridium ljungdahlii) O-52(ATCC 55889)、Clostridium ultunense、Clostridium ragsdali P11(ATCC BAA-622)、Alkalibaculum bacchi CP11(ATCC BAA-1772)、Clostridium coskatii、Clostridium carboxidivorans P7(ATCC PTA-7827)、硫還原地桿菌(Geobacter sulfurreducens)、熱醋穆爾氏菌(Morrella thermacetica)、產生消化鏈球菌(Peptostreptococus productus)、Clostridium drakei、重組型微生物(DSM 24138)，以及它們的混合物。
術語“營養培養基”包含有可含有一或多種維生素與礦物質的微生物生長培養基，它允許經選擇的微生物之生長。適合於本揭露內容使用的各種營養培養基的組成份已被知曉並且被報導於先前的公開案中，諸如國際專利申請案第WO 2008/00558號、美國專利第7,285,402號、美國專利第5,807,722號、美國專利第5,593,886號以及美國專利第5,821,111號。
術語“合成氣(syngas)”或“合成氣體(synthesis gas)”意指是賦予一氣體混合物名稱的合成氣體，該氣體混合物含有呈多樣化數量的一氧化碳與氫。該生成方法的實例包括將天然氣或碳氫化合物蒸汽重組(steam reforming)以產生氫，煤炭的氣化(the gasification of coal)以及在某些類型的廢物-至-能量(waste-to-energy)氣化設備中。該名稱來自於其在產生合成的天然氣(SNG)時作為中間產物以及供用於生成氨(ammonia)或甲醇(methanol)的用途。在藉由費托合成法(Fischer-Tropsch synthesis)以及先前的Mobil甲醇製汽油方法(Mobil methanol to gasoline process)來生成合成石油(供用於作為燃料或潤滑劑)時，合成氣亦被使用作為中間產物。合成氣主要由氫、一氧化碳以及經常一些二氧化碳所組成。
詳細說明
本揭露內容提供一種氣態基質發酵的方法，它包含有：在一生物反應器中，將包含有一氧化碳(CO)與氫(H2)的氣態基質添加至一水性培養基中；該水性培養基包含有一或多種微生物；該方法包含有測量CO的轉化率；測量H2的轉化率；藉由一落在1.0至2.0之範圍內的預選流動因子來增加氣態基質的流動；其中攪拌包含大於或等於目標攪拌速率；其中該目標攪拌速率包含有一為10至1000 rpm的攪拌器速度。
本揭露內容提供一種氣態基質發酵的方法，它包含有：在一包含有一攪拌器的生物反應器中，將包含有一氧化碳(CO)與氫(H2)的氣態基質添加至一水性培養基中；該水性培養基包含有一或多種微生物；該方法包含有測量CO的轉化率；測量H2的轉化率；藉由一落在1.0至2.0之範圍內的預選流動因子來增加氣態基質的流動；其中該攪拌器的速度包含大於或等於落在10至1000 rpm之範圍內的目標速度。
作為一具體例，攪拌構件或攪拌的方式可以經由機械式攪拌器(mechanical agitator)、機械式攪拌器(mechanical stirrer)、液體再循環(liquid recirculation)、液體幫浦-循環(liquid pump-around)、液體注射(liquid injection)、氣體注射(gas injection)等等而被完成。
作為一具體例，本揭露內容的方法包含有增加氣態基質的流動，其中該CO的轉化率超過一落在25%至95%之範圍內的第一CO轉化率。
作為一具體例，本揭露內容的方法包含有增加氣態基質的流動，其中該H2的轉化率超過一落在25%至95%之範圍內的第一H2轉化率。
進一步地，本揭露內容提供一種氣態基質發酵的方法，它包含有：在一生物反應器中，將包含有一氧化碳(CO)與氫(H2)的氣態基質添加至一水性培養基中；該水性培養基包含有一或多種微生物；該方法包含有測量CO的轉化率；測量H2的轉化率；藉由一落在1.0至2.0之範圍內的預選流動因子來增加氣態基質的流動；其中在該CO的轉化率與該H2的轉化率之間的差異包含大於或等於一落在0%至25%之範圍內的特定轉化率差異。
進一步地，本揭露內容提供一種氣態基質發酵的方法，它包含有：在一包含有一攪拌器的生物反應器中，將包含有一氧化碳(CO)與氫(H2)的氣態基質添加至一水性培養基中；該水性培養基包含有一或多種微生物；該方法包含有測量CO的轉化率；測量H2的轉化率；藉由一落在1.0至2.0之範圍內的預選流動因子來增加氣態基質的流動；其中在該CO的轉化率及該H2的轉化率之間的差異包含大於或等於一落在0%至25%之範圍內的特定轉化率差異。
作為一具體例，本揭露內容的方法包含有增加氣態基質的流動，其中該CO的轉化率超過一落在25%至95%之範圍內的第一CO轉化率。
作為一具體例，本揭露內容的方法包含有增加氣態基質的流動，其中該H2的轉化率超過一落在25%至95%之範圍內的第一H2轉化率。
此外，本揭露內容提供一種氣態基質發酵的方法，它包含有：在一包含有攪拌的生物反應器中，將包含有一氧化碳(CO)與氫(H2)的氣態基質添加至一水性培養基中；該水性培養基包含有一或多種微生物；該方法包含有測量CO與H2的轉化率，以及在預選的速度步驟中增加攪拌；其中該CO與該H2的轉化率的差異是少於一落在一為0%至25%之範圍內的特定轉化率差異；它包含有增加攪拌，其中該CO的轉化率超過一落在一為0%至25%之範圍內的第二CO轉化率；它包含有增加攪拌，其中該H2的轉化率超過一落在一為0%至25%之範圍內的第二H2轉化率。
此外，本揭露內容提供，一種氣態基質發酵的方法，它包含有：在一包含有一攪拌器的生物反應器中，將包含有一氧化碳(CO)與氫(H2)的氣態基質添加至一水性培養基中；該水性培養基包含有一或多種微生物；該方法包含有測量CO與H2的轉化率，以及在落在一為0至200 rpm之範圍內的預選速度步驟中增加該攪拌器的速度；其中該CO與該H2的轉化率的差異是少於一落在一為0%至25%之範圍內的特定轉化率差異。
作為一具體例，本揭露內容的方法包含有增加該攪拌器的速度，其中該CO的轉化率超過一落在一為0%至25%之範圍內的第二CO轉化率。
作為一具體例，本揭露內容的方法包含有增加該攪拌器的速度，其中該H2的轉化率超過一落在一為0%至25%之範圍內的第二H2轉化率。
作為一具體例，本揭露內容的該微生物包含有一或多種生物學上純的厭氧性產乙酸鹽的微生物；其中該微生物包含有一或多種自然存在的厭氧性產乙酸鹽的微生物；其中該微生物包含有一或多種非自然存在的厭氧性產乙酸鹽的微生物；其中該微生物包含有利用厭氧性產乙酸鹽細菌作為宿主生物並藉由基因修飾而被生成的一或多種非自然存在的厭氧性產乙酸鹽的微生物；其中該微生物包含有藉由將厭氧性產乙酸鹽細菌的基因插入至一宿主生物中而被生成的一或多種非自然存在的厭氧性產乙酸鹽的微生物；其中該微生物選自可用細菌的一些實例，包括：凱伍產醋酸菌(Acetogenium kivui)、伍氏醋酸桿菌(Acetobacterium woodi)、潮濕厭氧醋菌(Acetoanaerobium noterae)、食甲基丁酸桿菌(Butyribacterium methylotrophicum)、Caldanaerobacter subterraneous、Caldanaerobacter subterraneous pacificus、生氫氧化碳嗜熱菌(Carboxydothermus hydrogenoformans)、醋酸梭菌(Clostridium aceticum)、丙酮丁醇桿菌(Clostridium acetobutylicum)、Clostridium autoethanogenum(DSM 23693)、Clostridium autoethanogenum(DSM 19630，DSMZ，德國)、Clostridium autoethanogenum(DSM 10061，DSMZ，德國)、嗜熱醋酸梭菌(Clostridium thermoaceticum)、黏液真桿菌(Eubacterium limosum)、楊氏梭菌(Clostridium ljungdahlii) PETC(ATCC 49587)、楊氏梭菌(Clostridium ljungdahlii) ERI2(ATCC 55380)、楊氏梭菌(Clostridium ljungdahlii) C-01(ATCC 55988)、楊氏梭菌(Clostridium ljungdahlii) O-52(ATCC 55889)、Clostridium ultunense、Clostridium ragsdali P11(ATCC BAA-622)、Alkalibaculum bacchi CP11(ATCC BAA-1772)、Clostridium coskatii、Clostridium carboxidivorans P7(ATCC PTA-7827)、硫還原地桿菌(Geobacter sulfurreducens)、熱醋穆爾氏菌(Morrella thermacetica)、產生消化鏈球菌(Peptostreptococus productus)、Clostridium drakei、重組型微生物(DSM 24138)，以及它們的混合物；其中該微生物包含有一或多種楊氏梭菌(Clostridium ljungdahlii)的菌株、或者一或多種Clostridium ragsdalei的菌株、或者一或多種Clostridium carboxidivorans的菌株，或者一或多種Clostridium autoethanogenum的菌株；其中該微生物包含有藉由將一或多種經選擇的基因插入至宿主生物體中而被生成的一或多種基因修飾的微生物，該宿主生物體是選自於：任何楊氏梭菌(Clostridium ljungdahlii)的菌株、或者任何Clostridium ragsdalei的菌株、或者任何Clostridium carboxidivorans的菌株，或者任何Clostridium autoethanogenum的菌株；其中該微生物包含有藉由將一或多種基因插入至任何宿主生物體中而被生成的一或多種基因修飾的微生物，該基因是來自於：任何楊氏梭菌(Clostridium ljungdahlii)的菌株、或者任何Clostridium ragsdalei的菌株、或者任何Clostridium carboxidivorans的菌株，或者任何Clostridium autoethanogenum的菌株。
作為一具體例，本揭露內容提供該包含有一或多種反應器的生物反應器；其中該生物反應器包含有細胞再循環；其中將營養培養基的流動添加至該生物反應器中。
第1圖呈現一種用以從一包含有一氧化碳(CO)的氣態基質(諸如合成氣)中藉由與細菌發酵來產生化學物質(諸如醇產物混合物)的方法，其中該方法包含有一含有發酵液(包含有該等細菌細胞與一發酵培養基)的生物反應器(100)。一包含有氣態基質(包含CO)的氣態流體(101)可以連同一發酵培養基的流體(102)而被進料至該生物反應器中。一包含有該等細菌細胞與該(等)產物化學物質的發酵液的流體(110)可以從該生物反應器中被移除。一包含有該氣態流體(包含有氣態基質)之未經使用部分的發酵槽廢氣的流體(120)從該生物反應器中被排出。在一具體例中，該發酵液的流體(110)流動至一細胞再循環裝置(200)中，其中該等細胞被濃縮並且回送(220)至該生物反應器中。一來自於該細胞再循環裝置的滲透流體(210)是針對該化學物質的再回收的方法(未顯示於圖式中)。在一具體例中，該發酵液的流體(110)是針對該醇產物混合物的再回收的方法(未顯示於圖式中)。
在一具體例中，該生物反應器(100)配備有一攪拌器(105)以提供攪拌，俾以促進該包含有氣態基質的氣態流體與該液體發酵培養基的接觸，以及增強該氣態基質與該液體發酵培養基的質量轉移(mass transfer)。
存在有設備供用於收集被導入該生物反應器中之包含有氣態基質的氣態流體(101)以及離開該生物反應器的廢氣(120)的樣品(未顯示於第1圖中)。存在有設備供用於收集該生物反應器的發酵液的樣品(未顯示於第1圖中)。該氣體以及該液體樣品間隔地被收集並且針對各種不同的氣體組成分的消耗或生成、各種不同的產物的生成以及發酵液的光學密度而被分析。
這些經測量的數值可以利用下列公式而被用來計算比一氧化碳(CO)的攝取量(SCU)以及在該生物反應器中的發酵液的細胞密度：
CO攝取量，mmol/min=(mmol/min CO輸入量)-(mmol/min CO輸出量)　(1)
細胞密度，g/L=(光學密度)‧(稀釋因子)‧(細胞質量常數)　(2)
細胞質量，g=(細胞密度)‧(生物反應器的體積)　(3)
細胞密度是每單位體積的發酵液中的細胞質量。該生物反應器的體積是當攪拌被關閉時存在於該生物反應器中的液體體積。細胞質量常數是每公升發酵液中[具有一(1)的光學密度]乾燥細菌細胞的質量(g)。公式二(2)中的光學密度是在以一適合的溶劑(諸如生理食鹽水)來稀釋發酵液後所獲得的一樣品之經測量的光學密度。
被使用於本揭露內容的方法中的微生物可以包含有一或多種生物學上純的厭氧性產乙酸鹽的細菌。
被使用於本揭露內容的方法中的微生物：可以包含有一或多種自然存在的厭氧性產乙酸鹽的細菌；可以包含有一或多種非自然存在的厭氧性產乙酸鹽的細菌；可以包含有利用厭氧性產乙酸鹽的細菌作為宿主生物體並且藉由基因修飾而被生成的一或多種非自然存在的厭氧性產乙酸鹽的細菌；可以包含有藉由將厭氧性產乙酸鹽細菌的基因插入至一宿主生物體中而被生成的一或多種非自然存在的厭氧性產乙酸鹽的細菌。
被使用於本揭露內容的方法中的微生物可以包含有一或多種選自下列的細菌：凱伍產醋酸菌(Acetogenium kivui)、伍氏醋酸桿菌(Acetobacterium woodi)、潮濕厭氧醋菌(Acetoanaerobium noterae)、食甲基丁酸桿菌(Butyribacterium methylotrophicum)、Caldanaerobacter subterraneous、Caldanaerobacter subterraneous pacificus、生氫氧化碳嗜熱菌(Carboxydothermus hydrogenoformans)、醋酸梭菌(Clostridium aceticum)、丙酮丁醇桿菌(Clostridium acetobutylicum)、Clostridium autoethanogenum(DSM 23693)、Clostridium autoethanogenum(DSM 19630，DSMZ，德國)、Clostridium autoethanogenum(DSM 10061，DSMZ，德國)、嗜熱醋酸梭菌(Clostridium thermoaceticum)、黏液真桿菌(Eubacterium limosum)、楊氏梭菌(Clostridium ljungdahlii) PETC(ATCC 49587)、楊氏梭菌(Clostridium ljungdahlii) ERI2(ATCC 55380)、楊氏梭菌(Clostridium ljungdahlii) C-01(ATCC 55988)、楊氏梭菌(Clostridium ljungdahlii) O-52(ATCC 55889)、Clostridium ultunense、Clostridium ragsdali P11(ATCC BAA-622)、Alkalibaculum bacchi CP11(ATCC BAA-1772)、Clostridium coskatii、Clostridium carboxidivorans P7(ATCC PTA-7827)、硫還原地桿菌(Geobacter sulfurreducens)、熱醋穆爾氏菌(Morrella thermacetica)、產生消化鏈球菌(Peptostreptococus productus)、Clostridium drakei、重組型微生物(DSM 24138)，以及它們的混合物。
在一具體例中，被使用於本揭露內容的方法中的微生物包含有一或多種楊氏梭菌(Clostridium ljungdahlii)的菌株、或者一或多種Clostridium ragsdalei的菌株、或者一或多種Clostridium carboxidivorans的菌株，或者一或多種Clostridium autoethanogenum的菌株。
在一具體例中，被使用於本揭露內容的方法中的微生物包含有藉由將一或多種經選擇的基因插入至宿主生物體中而被生成的一或多種基因修飾的微生物，該宿主生物體是選自於：任何楊氏梭菌(Clostridium ljungdahlii)的菌株、或者任何Clostridium ragsdalei的菌株、或者任何Clostridium carboxidivorans的菌株，或者任何Clostridium autoethanogenum的菌株。
在一具體例中，被使用於本揭露內容的方法中的微生物包含有藉由將一或多種基因插入至任何宿主生物體中而被生成的一或多種基因修飾的微生物，該基因是來自於：任何楊氏梭菌(Clostridium ljungdahlii)的菌株、或者任何Clostridium ragsdalei的菌株、或者任何Clostridium carboxidivorans的菌株，或者任何Clostridium autoethanogenum的菌株。
本揭露內容的方法的一具體例包含有：在一包含有一攪拌器的生物反應器中，將包含有一氧化碳(CO)與氫(H2)的氣態基質添加至一水性培養基中；該水性培養基包含有一或多種微生物；該方法包含有測量CO與H2的轉化率，以及在落在一為0至200 rpm之範圍內的預選的速度步驟中增加該攪拌器的速度；其中該CO與該H2的轉化率的差異是少於一落在一為0%至25%之範圍內的特定轉化率差異。在一具體例中，該CO的轉化率超過一落在一為0%至25%之範圍內的第一CO轉化率。在一具體例中，該H2的轉化率超過一落在一為0%至25%之範圍內的第一H2轉化率。測量該CO與該H2的轉化率及增加該攪拌器之速度的動作可以被重複進行。在一具體例中，該CO轉化率大於該H2轉化率。在一具體例中，該CO轉化率小於該H2轉化率。在一具體例中，若現行的攪拌速度是低的，則該攪拌速度是藉由一較小的幅度而被增加，若現行的攪拌速度是高的，則該攪拌速度是藉由一較大的幅度而被增加。在一具體例中，若現行的該CO與該H2的轉化率是低的，則該攪拌速度是藉由一較小的幅度而被增加，若現行的該CO與該H2的轉化率是高的，則該攪拌速度是藉由一較大的幅度而被增加。例如在一具體例中，落在一為200至400 rpm之範圍內的攪拌速度，若該CO與該H2的轉化率分別地落在20至30%的範圍內與10至15%的範圍內，並且數值上在彼此的15%之內，攪拌速度以大約50 rpm而被增加。落在一為400至600 rpm之範圍內的攪拌速度，若該CO與該H2的轉化率分別地落在30至50%的範圍內與15至35%的範圍內，並且數值上在彼此的15%之內，攪拌速度以大約100 rpm而被增加。
本揭露內容的方法的一具體例包含有：在一包含有一攪拌器的生物反應器中，將包含有一氧化碳(CO)與氫(H2)的氣態基質添加至一水性培養基中；該水性培養基包含有一或多種微生物；該方法包含有測量CO與H2的轉化率，以及藉由一現行數值落在一為1.0至2.0之範圍內的預選流動因子來增加氣態基質的流動；其中該CO與該H2的轉化率的差異是少於或等於一落在一為0%至25%之範圍內的特定轉化率差異。在一具體例中，該CO的轉化率超過一落在一為0%至25%之範圍內的第一CO轉化率。在一具體例中，該H2的轉化率超過一落在一為0%至25%之範圍內的第一H2轉化率。
在一具體例中，該氣態基質的流動速率在攪拌器速度的2個連續增加之間被增加。在一具體例中，該氣態基質的流動速率在攪拌器速度的每2個連續增加之間被增加。在一具體例中，該氣態基質的流動速率在攪拌器速度的交替的2個連續增加之間被增加。
本揭露內容的方法的一具體例包含有：在一包含有一攪拌器的生物反應器中，將包含有一氧化碳(CO)與氫(H2)的氣態基質添加至一水性培養基中；該水性培養基包含有一或多種微生物；該方法包含有測量CO與H2的轉化率，以及藉由一現行數值落在一為1.0至2.0之範圍內的預選流動因子來增加氣態基質的流動；其中該CO與該H2的轉化率的差異是大於或等於一落在一為0%至25%之範圍內的特定轉化率差異。在一具體例中，該CO的轉化率超過一落在一為25%至95%之範圍內的第二CO轉化率。在一具體例中，該H2的轉化率超過一落在一為25%至95%之範圍內的第二H2轉化率。
本揭露內容的方法的一具體例包含有：在一包含有一攪拌器的生物反應器中，將包含有一氧化碳(CO)與氫(H2)的氣態基質添加至一水性培養基中；該水性培養基包含有一或多種微生物；該方法包含有測量CO與H2的轉化率，以及藉由一現行數值落在一為1.0至2.0之範圍內的預選流動因子來增加氣態基質的流動；其中該攪拌器的速度大於或等於一落在一為10至1000 rpm之範圍內的目標速度。在一具體例中，該CO的轉化率超過一落在一為25%至95%之範圍內的第二CO轉化率。在一具體例中，該H2的轉化率超過一落在一為25%至95%之範圍內的第二H2轉化率。測量該CO與該H2的轉化率以及藉由一預選流動因子來增加氣態基質的流動的動作可以被重複進行。預選流動因子的數值在不同的重複中可以是不相同的。在一具體例中，一低的流動因子的數值被使用，其中該H2轉化率是低的，以及一高的流動因子的數值被使用，其中該H2轉化率是高的。例如在一具體例中，一落在一為1.00至1.05之範圍內的流動因子可以被使用，其中該H2轉化率大於45%；一落在一為1.05至1.10之範圍內的流動因子可以被使用，其中該H2轉化率大於50%；一落在一為1.10至1.15之範圍內的流動因子可以被使用，其中該H2轉化率大於65%；一落在一為1.15至1.20之範圍內的流動因子可以被使用，其中該H2轉化率大於75%。
典型地，在一實驗室規模的生物反應器中(諸如New Brunswick Bioflow I生物反應器)，落在每分鐘300至900轉(rpm)之範圍內的攪拌器速度提供足夠的攪拌以達成所欲的質量轉移速率。在一具體例中，落在500至700 rpm之範圍內的攪拌器速度被使用。在一具體例中，落在550至650 rpm之範圍內的攪拌器速度被使用。在一具體例中，大約600 rpm的攪拌器速度被使用。
在一具體例中，針對一較大規模生物反應器(諸如一大約100至500公升大小的生物反應器)，落在大約50至大約500 rpm之範圍內的攪拌器速度被用於攪拌。在一具體例中，針對一大約100,000至大約1000,000公升大小之商業規模的生物反應器，落在大約1至大約50 rpm之範圍內的攪拌器速度被用於攪拌。在各種不同的具體例中，一較大的生物反應器相較於一較小的生物反應器需要較小的rpm。
作為一具體例，本揭露內容提供在該生物反應器中落在25至50℃之範圍內的溫度控制。
在本揭露內容的方法的一具體例中，該生物反應器包含有一反應器。在本揭露內容的方法的一具體例中，該生物反應器包含有二或多個反應器。
在本揭露內容的方法的一具體例中，該生物反應器包含有細胞再循環單元。
在本揭露內容的方法的一具體例中，該包含有氣態基質(包含有CO)的氣態流體亦包含有氫。在一具體例中，該包含有氣態基質(包含有CO)的氣態流體包含有合成氣。在一具體例中，該包含有氣態基質(包含有CO)的氣態流體包含有煉鋼廠廢氣(steel mill off-gas)。在一具體例中，該包含有氣態基質(包含有CO)的氣態流體包含有藉由包含有生物質量(biomass)之碳質材料的氣化而被獲得的合成氣。
在一具體例中，一或多個生長或植種發酵槽提供該等細菌細胞之接種物的初始供應。在一具體例中，一或多個生長或植種發酵槽連同本揭露內容的方法連續供應該等細菌細胞至該生物反應器中。在本揭露內容的一具體例中，該方法包含有細胞再循環。
該營養培養基包含有微生物生長培養基，它可以含有一或多種允許經選擇的微生物之生長的維生素或礦物質。表1提供被本揭露內容所預期的營養培養基的一具體例。適用於本揭露內容的其他營養培養基是本技藝中已知的。更甚者，沒有被揭露於本技藝中但衍生自表1中所描述之各種不同的成分的營養培養基可被本發明所利用。本揭露內容提供針對經改良的營養培養基的成分。
實施例 比較例(參見在US 7,285,402中的實施例11)
為了製備用於反應器之接種的儲備培養物，楊氏梭菌(Clostridium ljungdahlii)菌株C-01(ATCC寄存編號第55988號)的培養物(cultures)於CO、CO2以及H2下、在含有1 g/L的酵母菌萃取物與1 g/L的胰酪酶(trypticase)的豐富培養基中、在鹽類與維生素中，被培育生長於150 ml血清瓶中。所使用的維生素濃度為0.4 mL/L的一水性溶液的培養基，該水性溶液包含有50.5 mg/L的鈣泛酸鹽(calcium pantothenate)、20.6 mg/L的d-生物素(d-biotin)及50.6 mg/L的硫胺氫氯酸(thiamine HCL)。該等血清瓶在一振盪培養箱中、於37℃下被培育。該等培養物被培育生長至指數生長期(如經由視覺檢查而被測定)。就每一次接種，大約90 ml的儲備培養物由該等血清瓶中被轉移至1 L的培養基中，相當於9%的體積接種。一成功的接種被描述如下。所概述的程序可以被重複進行數次以獲得一成功的接種。
在獲得一成功的接種中，90 ml/L的接種物被添加至一包含有0.4 ml/L維生素與鹽類的1公升批次的基礎培養基中(t=0)。攪拌速率為240 rpm，pH值為5.3，溫度為38.5℃，以及氣體滯留時間(連續氣體流動)為110分鐘。該氣體進料包含62% H2、31% CO以及7% C2H6。在13小時後(t=13)，一些CO的轉化率被注意到，以及在t=23小時之時，該攪拌速率由240 rpm被增加至300 rpm。在t=27小時之時，該氣體滯留時間被降低至100分鐘，以及在t=46小時之時，在氣體滯留時間上的一進一步的降低被完成。在t=28小時、59小時、72小時及85小時之時，該攪拌速率亦以100 rpm增量而被增加。
在t=110小時之時，該系統以一為80分鐘的氣體滯留時間與一為600 rpm的攪拌速率來進行操作。該細胞濃度為0.5 g/L以及該CO轉化率為35%。仍尚未有H2轉化率，但是少量的乙醇與乙酸(各個大約1 g/L)已經被累積在該批次培養液(batch culture broth)中。直到此刻的成果著重在反應器中的細胞生長。
在t=120小時之時，利用與在該基礎培養基中相同濃度的培養基流動(medium flow)以一為0.4 mL/min的速率而被啟動。一在氣體速率、攪拌速率以及培養基速率上的額定增加的程序接著被起始，同時於過量H2之下小心地維持該系統。在t=210小時之時，該乙醇濃度為17 g/L，該乙酸濃度為1 g/L，該細胞濃度為1.6 g/L、該CO轉化率是接近100%以及該H2轉化率為90%。乙醇生產力達到11.4 g/L-天。
一逐步的氣體速率增加(gradual gas rate increases)的程序再次被啟動。並行的維生素增加(vitamin increases)被完成，以使該維生素添加速率(vitamin addition rate)達至0.7 mL/L培養基。在t=610小時之時，該反應器產生20 g/L的乙醇與大約2 g/L的乙酸。該CO轉化率是接近100%以及該H2轉化率為85%。該乙醇生產力達到14 g/L-天。
用於實施例1-4的發酵培養基包含有一或多種選自於那些被呈現於表1之內者的成分。
實施例1：楊氏梭菌(Clostridium ljungdahlii) PETC：藉由將CO與H2轉化率差異維持在一預定數值來增加在反應器中之細菌的細胞密度。
含有發酵培養基的New Brunswick bioflow I反應器以0.45 g/L活躍地生長的楊氏梭菌(Clostridium ljungdahlii)而被啟動。在該實驗開始之前，該反應器的攪拌速率被設定至100 rpm以及該氣體的流動速率被設定至25 mL/min。在每2至4小時的時間間隔下，由該反應器中所取出的氣體與液體樣品針對各種不同的氣體成分的消耗或生成、培養液乙酸濃度、培養液乙醇濃度以及培養物的光學密度而被分析。達至該反應器的合成氣流動被即時地測量。基於該CO與該H2的轉化率，該反應器的攪拌以一逐步的方式而被增加。被用來增加攪拌的準則如下；落在100至500 rpm的範圍內，若該CO與該H2轉化率大於10%並且數值上在彼此的15%之內(亦即H2為12%以及CO為25%)，該攪拌被增加以50 rpm。落在500至600 rpm的範圍內：若該CO與該H2轉化率數值上是在彼此的15%之內(亦即H2為30%以及CO為43%)，該攪拌被增加以100 rpm。同樣地，氣體流動至該反應器的速率以一逐步的方式而被增加。被用來增加氣體的準則如下：
若H2轉化率大於45%，氣體被增加以5%。
若H2轉化率大於50%，氣體被增加以10%。
若H2轉化率大於65%，氣體被增加以15%。
若H2轉化率大於75%，氣體被增加以20%。
在所有上述的情況中，該氣體僅在該CO轉化率大於65%時被增加。
在細菌開始活躍地生長於該反應器中之後(當該反應器的細胞密度達到超過該初始細胞密度的大約50%時)，若該培養液的乙酸濃度是低於一預定數值時，該培養物被補充以維生素的組成物(除了已經存在於該培養基中的維生素之外)。被用來將維生素的混合物添加至該培養物的準則如下所示：若該培養液的乙酸少於大約2.5 g/L，每公升的培養物被添加以大約0.34 mL的維生素，若該培養液的乙酸少於大約2 g/L，每公升的培養物被添加以大約0.67 mL的維生素，若該培養液的乙酸少於大約1.5 g/L，每公升的培養物被添加以大約1 mL的維生素。被用於這些實驗中的維生素之組成物如下：
生物素(Biotin)　0.08-1 μM
硫胺氫氯酸(Thiamin HCl)　0.12-1.5 μM
鈣d-泛酸鹽(calcium d-Pantothenate)　0.15-5 μM
除了生物素、硫胺以及鈣泛酸鹽之外，ATCC維生素補充劑(產品型號No.MD-VS)被添加至PETC實施例中，以達到1%(相對於發酵培養基)的最終濃度。
在接種之後的第12.33小時，達至該反應器的生長培養基流動(growth media flow)以0.09 mL/min(大約細胞滯留時間：277小時)而被啟動。在接種之後的第16.08小時，達至該反應器的生長培養基流動被增加至0.5 mL/min(大約細胞滯留時間：50小時)。在接種之後的第17.8小時，一細胞再循環系統被附加至該反應器以控制在該培養液中的高乙酸(8.027 g/L)。在此時，七分之一(以體積計)的培養物被用來清洗該細胞再循環系統[因此七分之一(以體積計)的該培養物被損失]。一旦細胞再循環系統附加至該反應器被完成，在接種之後的第18.02小時，該培養液之乙酸的稀釋藉由將該生長培養基流動增加至1.5 mL/min而被啟動，繼而引出1 mL/min的滲透液(permeate)通過該細胞再循環系統。
在該反應器中的細胞密度隨著時間而被增加並且在該反應器的接種之後的第93.13小時之內達到2 g/L的細胞質量。在此時，該培養物的培養液乙醇濃度為3.8 g/L以及整體的培養液乙酸濃度為6.93 g/L。在此啟始(start-up)的期間，該培養物的pH值被維持在介於4.4和5.1之間。該培養物/反應器的溫度被維持在38.5至39.2℃之間。
實施例2：楊氏梭菌(Clostridium ljungdahlii) C-01：藉由將CO與H2轉化率差異維持在一預定數值來增加在反應器中之細菌的細胞密度。
含有大約1.5公升(例如在大約1.32至大約1.6公升的範圍內)的發酵培養基的New Brunswick Bioflow I生物反應器以0.28 g/L活躍地生長的楊氏梭菌(Clostridium ljungdahlii) C-01菌株而被啟動。在該實驗開始之前，在該生物反應器中的攪拌速率被設定至大約100 rpm以及該氣體的流動速率被設定至大約30 mL/min。在該生物反應器中的溫度於整個實驗過程中被維持在大約36至大約38℃的範圍之內。下列的樣品在不同的時間間隔(例如大約2小時的時間間隔)下被取出並且被分析：被進料至該生物反應器中的合成氣、來自於該生物反應器的廢氣、在該生物反應器中的發酵液。該樣品分析提供：各種不同的氣態成分的消耗、各種不同的氣態成分的生成、乙酸的濃度、乙醇的濃度以及發酵液的光學密度。基於該CO與該H2的轉化率，該反應器的首次攪拌從大約100 rpm以一逐步的方式而被增加。被用來增加攪拌的準則如下：落在大約100至大約500 rpm的範圍內，若該CO與該H2轉化率大於或等於大約10%並且數值上在彼此的大約15%之內(例如該H2轉化率為大約12%以及該CO轉化率為大約25%)，該攪拌被增加以大約50 rpm。落在大約500至大約600 rpm的範圍內：若該CO與該H2轉化率數值上在彼此的15%之內(例如H2轉化率為大約30%以及CO轉化率為大約43%)，該攪拌被增加以大約100 rpm。一旦該CO與該H2的轉化率分別等於或大於大約60%與大約45%，除了攪拌增加之外，氣體流動至該反應器的速率以一逐步的方式而被增加。被用來增加氣體的準則如下：
若H2轉化率大於或等於大約45%，則合成氣輸入量被增加以大約5%。
若H2轉化率大於或等於大約50%，則合成氣輸入量被增加以大約10%。
若H2轉化率大於或等於大約65%，則合成氣輸入量被增加以大約15%。
若H2轉化率大於或等於大約75%，則合成氣輸入量被增加以大約20%。
在細菌開始活躍地生長於該反應器中之後(當該反應器的細胞密度達到超過該初始細胞密度的大約50%時)，若該培養液的乙酸濃度低於一預定數值時，該培養物被補充以維生素的組成物(除了已經存在於該培養基中的維生素之外)。被用來將維生素的混合物添加至該培養物中的準則如下所示：若該培養液的乙酸少於大約2.5 g/L，每公升的培養物被添加以大約0.34 mL的維生素，若該培養液的乙酸少於大約2 g/L，每公升的培養物被添加以大約0.67 mL的維生素，若該培養液的乙酸少於大約1.5 g/L，每公升的培養物被添加以大約1 mL的維生素。被用於這些實驗中的維生素之組成物如下：
生物素　0.08-0.8 μM
硫胺氫氯酸　0.12-1.2 μM
鈣d-泛酸鹽　0.15-1.5 μM
在接種之後的大約第28小時，達至該反應器的培養基流動以大約0.5 mL/min(大約細胞滯留時間：大約125小時)而被啟動。在所有整個實驗過程中，pH值被維持在大約4.5左右。
細胞質量隨著時間增加並且在該反應器的接種之後的大約第128小時之內達到大約2.8 g/L的細胞質量。在此時，該培養物正產生超過大約25 g/L的乙醇。
實施例3：Clostridium autoethanogenum(DSM 10061)：藉由將CO與H2轉化率差異維持在一預定數值來增加在反應器中之細菌的細胞密度。
含有大約1.5公升(例如在大約1.38至大約1.6公升的範圍內)的發酵培養基的New Brunswick bioflow I生物反應器以0.33 g/L活躍地生長的Clostridium autoethanogenum菌株而被啟動。在該實驗開始時，該生物反應器的攪拌速率被設定至100 rpm以及該氣體的流動速率被設定至大約30 mL/min。該生物反應器中的溫度於整個實驗過程中被維持在大約36至大約37.5℃的範圍之內。下列的樣品在不同的時間間隔(例如大約2小時的時間間隔)下被取出並且被分析：被進料至該生物反應器中的合成氣、來自於該生物反應器的廢氣、在該生物反應器中的發酵液。該樣品分析提供：各種不同的氣態成分的消耗、不同的氣態成分的生成、乙酸的濃度、乙醇的濃度以及發酵液的光學密度。基於該CO與該H2的轉化率，該反應器的首次攪拌以一逐步的方式而被增加。被用來增加攪拌的準則如下：落在大約100至大約500 rpm的範圍內，若該CO與該H2轉化率大於大約10%並且數值上在彼此的大約15%之內(例如該H2轉化率為大約12%以及該CO轉化率為大約25%)，該攪拌被增加以大約50 rpm。落在大約500至大約600 rpm的範圍內：若該CO與該H2轉化率數值上是在彼此的15%之內(例如H2為大約30%以及CO為大約43%)，該攪拌被增加以大約100 rpm。一旦該CO與該H2的轉化率分別等於或大於大約65%與大約45%，除了攪拌增加之外，氣體流動至該反應器的速率以一逐步的方式而被增加。被用來增加氣體的準則如下：
若H2轉化率大於或等於大約45%，則合成氣輸入量被增加以大約5%。
若H2轉化率大於或等於大約50%，則合成氣輸入量被增加以大約10%。
若H2轉化率大於或等於大約65%，則合成氣輸入量被增加以大約15%。
若H2轉化率大於或等於大約75%，則合成氣輸入量被增加以大約20%。
在細菌開始活躍地生長於該反應器中之後(當該反應器的細胞密度達到超過該初始細胞密度的大約50%時)，若該培養液的乙酸濃度是低於一預定值數時，該培養物被補充以維生素的組成物(除了已經存在於該培養基中的維生素之外)。被用來將維生素的混合物添加至該培養物的準則如下所示：若該培養液的乙酸少於大約2.5 g/L，每公升的培養物被添加以大約0.34 mL的維生素，若該培養液的乙酸少於大約2 g/L，每公升的培養物被添加以大約0.67 mL的維生素，若該培養液的乙酸少於大約1.5 g/L，每公升的培養物被添加以大約1 mL的維生素。被用於這些實驗中的維生素之組成物如下：
生物素　0.08-0.8 μM
硫胺氫氯酸　0.12-1.2 μM
鈣d-泛酸鹽　0.15-1.5 μM
在接種之後的大約第12.5小時，達至該反應器的培養基流動以大約0.1 mL/min而被啟動(大約細胞滯留時間：大約233小時)。在接種之後的大約第27.8小時，達至該反應器的培養基流動以大約0.2 mL/min而被啟動(大約細胞滯留時間：大約116小時)。在接種之後的大約第66.2小時，達至該反應器的培養基流動以大約0.42 mL/min而被啟動(大約細胞滯留時間：大約61小時)。在所有整個實驗過程中，pH值被維持在大約4.5左右。
細胞質量隨著時間增加並且在該反應器的接種之後的大約第120小時之內達到大約2.59 g/L的細胞質量。在此時，該培養物正產生超過大約19 g/L的乙醇。
實施例4：食甲基丁酸桿菌(Butyribacterium methylotrophicum)(ATCC 33266)。
藉由將CO與H2轉化率差異維持在一預定數值來增加在反應器中之細菌的細胞密度。
在此實驗中，本揭露內容的啟始方法(start-up method)以一非梭狀芽孢桿菌的產乙酸鹽生物來被測試。
本實驗在一New Brunswick bioflow I反應器中[在一如上所述的發酵培養基中含有0.79 g/L活躍地生長的食甲基丁酸桿菌(Butyribacterium methylotrophicum)]而被啟動。在該實驗開始之前，該反應器的攪拌速率被設定至100 rpm以及該氣體的流動速率被設定至40 mL/min。在每2至4小時的時間間隔下，由該反應器中所取出的氣體與液體樣品針對各種不同氣體成分的消耗或生成、培養液乙酸濃度、培養液乙醇濃度以及培養物的光學密度而被分析。此外，合成氣的組成物被每日地測量，並且達至該反應器的合成氣流動藉由一調控該合成氣輸送至該反應器的質量流動控制器而被即時地測量。基於該CO與該H2的轉化率，該反應器的攪拌以一逐步的方式而被增加。被用來增加攪拌的準則如下。落在100至500 rpm的範圍內，若該CO與該H2轉化率大於10%並且數值上在彼此的15%之內(亦即H2為12%以及CO為25%)，該攪拌被增加以50 rpm。落在500至600 rpm的範圍內：若該CO與該H2轉化率數值上是在彼此的15%之內(亦即H2為30%以及CO為43%)，該攪拌被增加以100 rpm。相似地，氣體流動至該反應器的速率以一逐步的方式而被增加。被用來增加氣體的準則如下：
若H2轉化率大於45%，氣體被增加以5%。
若H2轉化率大於50%，氣體被增加以10%。
若H2轉化率大於65%，氣體被增加以15%。
若H2轉化率大於75%，氣體被增加以20%。
在所有上述的情況中，該氣體僅在該CO轉化率大於大約65%時被增加。
在細菌開始活躍地生長於該反應器中之後(當該反應器的細胞密度達到超過該初始細胞密度的大約50%時)，若該培養液的乙酸濃度是低於一預定數值時，該培養物被補充以維生素的組成物(除了已經存在於該培養基中的維生素之外)。被用來添加將維生素的混合物添加至該培養物的準則如下所示：若該培養液的乙酸少於大約2.5 g/L，每公升的培養物被添加以大約0.34 mL的維生素，若該培養液的乙酸少於大約2 g/L，每公升的培養物被添加以大約0.67 mL的維生素，若該培養液的乙酸少於大約1.5 g/L，每公升的培養物被添加以大約1 mL的維生素。被用於這些實驗中的維生素之組成物如下：
生物素　0.08-0.8 μM
硫胺氫氯酸　0.12-1.2 μM
鈣d-泛酸鹽　0.15-1.5 μM
在此實驗中，一細胞再循環系統(CRS)在實驗開始之前被附加至該反應器。在實驗開始之後的第09.58小時，達至該反應器的發酵培養基(營養)流動以一為1 mL/min的速率而被啟動，並且通過該CRS，滲透液(permeates)在一為1 mL/min的速率下從該反應器中被引出。
該反應器中的細胞密度隨著時間被增加並且在該反應器接種之後的第43小時之內達到4.56 g/L的細胞質量。在此時，該培養物的培養液乙醇濃度為10.53 g/L以及整體的培養液乙酸濃度為4.24 g/L。在此啟始(start-up)的期間，該培養物的pH值被維持在介於4.69和4.71之間。該培養物/反應器的溫度被維持在38.5至38.6℃之間。
在不背離本揭露內容(包括於具體例、實施例、申請專利範圍、應用等等)的範疇之下的許多修飾與變化可為那些熟習本技藝者所完成。所有公開的文件在此被併入本案以作為參考資料。
100．．．生物反應器
101．．．包含有氣態基質的氣態流體
102．．．發酵培養基的流體
105．．．攪拌器
110．．．發酵液的流體
120．．．發酵槽廢氣的流體
200．．．細胞再循環裝置
210．．．滲透流體
220．．．細胞被濃縮並且回送
第1圖包含一示意圖，它例示說明一氣態基質的微生物發酵方法的一具體例。
100．．．生物反應器
101．．．包含有氣態基質的氣態流體
102．．．發酵培養基的流體
105．．．攪拌器
110．．．發酵液的流體
120．．．發酵槽廢氣的流體
200．．．細胞再循環裝置
210．．．滲透流體
220．．．細胞被濃縮並且回送

Claims (6)

  1. 一種從一氣態基質產生一或多種醇類之方法，該方法包含：在一生物反應器中，將包含有一氧化碳(CO)與氫(H2)的氣態基質添加至一水性培養基中，其中該水性培養基包含一或多種厭氧性產乙酸鹽的微生物；以一為10~1000rpm的攪拌器速度來攪拌該水性培養基；測量CO的轉化率；測量H2的轉化率；以及當該生物反應器中的CO轉化率為25~95%、該生物反應器中的H2轉化率為25~95%，且該生物反應器中的CO轉化率與H2轉化率之間的差異為0~25%時，藉由一為1.05~2.0的流動因子(氣體進料的建議數量(proposed quantity)除以氣體進料的現行數量(current quantity))來增加氣態基質進入該生物反應器中的流動速率；其中當一第二CO轉化率為0~25%且一第二H2轉化率為0~25%時，增加該攪拌器速度。
  2. 如請求項1之方法，其中該氣態基質的流動速率係在攪拌器速度的二個連續增加之間被增加。
  3. 如請求項1之方法，其中當H2轉化率大於45%時，該氣態基質的流動速率被增加以5%。
  4. 如請求項1之方法，其中當H2轉化率大於50%時，該氣態基質的流動速率被增加以10%。
  5. 如請求項1之方法，其中當H2轉化率大於65%時，該氣態基質的流動速率被增加以15%。
  6. 如請求項1之方法，其中當H2轉化率大於75%時，該氣態基質的流動速率被增加以20%。
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