TWI755353B - 氣體測試單元及方法 - Google Patents

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Abstract

本發明描述用於含C1受質之有效評估，且尤其用於在預期設施處局部或現場進行之此類評估之裝置及相關方法，所述預期設施用於使用C1碳源實施用於所需最終產物之生物轉化方法。給定、工業含C1受質之精確組成，以及組成波動範圍一般難以在遠程設施(例如實驗室或中試規模或大規模方法)處再現，所述再現為如商業效能之精確預測/模擬以證明商業按比例擴大之大型資本支出所需。

Description

氣體測試單元及方法
本發明之態樣係關於包含分離生物反應器段之裝置，用於評估測試含CO受質與參考含CO受質之間的比較效能。有利地，此類裝置可容納於適合於運輸(例如至產生工業含CO廢氣之地點)之容器內。
關於化石燃料溫室氣體(GHG)排放之環境問題已導致對可再生能源之日益重視。因此，乙醇正在全世界迅速變為主要富氫液體運輸燃料。基於歐洲、日本及美國以及若干開發中國家對乙醇生產之日益重視，預期在可預見之未來燃料乙醇工業之全球市場將持續增長。舉例而言，在美國，乙醇用以生產E10，乙醇於汽油中之10%混合物。在E10摻合物中，乙醇組分充當氧合劑，改良燃燒效率且減少空氣污染物產生。在巴西，以摻合於汽油中之氧合劑形式及獨立地以純燃料形式兩者，乙醇滿足約30%之運輸燃料需求。另外，歐盟(EU)對其各成員國對於可持續運輸燃料(諸如生物質來源之乙醇)之消耗已指定目標。
絕大部分燃料乙醇經由傳統基於酵母之醱酵方法生產，所述方法使用作物來源之碳水化合物(諸如自甘蔗提取之蔗糖或自穀類作物提取之澱粉)作為主要碳源。然而，此等碳水化合物原料之成本受其在用於競爭性用途之市場中(即作為人類及動物兩者之食物來源)之價值影響。另外，栽培產生澱粉或蔗糖之作物用於乙醇生產並非在所有地形均為經濟上可持續的，因為此隨當地土地價值及氣候兩者而變。出於 此等原因，備受關注的為開發將更低成本及/或更豐富碳資源轉化為燃料乙醇之技術。就此而言，一氧化碳(CO)為有機物質(諸如煤、石油及石油來源之產物)不完全燃燒之主要富能副產物。富CO廢氣由多種工業方法產生。舉例而言，據報導，澳大利亞之鋼鐵工業每年產生且向大氣中釋放超過500,000公噸CO。
最近，用於在工業規模上自CO生產乙醇之基於微生物(細菌)之製程替代方案已變為商業利益及投資之標的。在1903年首次發現微生物培養物在CO為唯一碳源之情況下生長之能力。此特徵後來經確定存在於自營生長之乙醯輔酶A(乙醯CoA)生化路徑(亦稱為伍茲-永達爾(Woods-Ljungdahl)路徑及一氧化碳脫氫酶/乙醯CoA合成酶(CODH/ACS)路徑)之生物體使用中。多種厭氧生物(包括一氧化碳營養型、光合、產甲烷及產乙酸生物)自此已顯示可代謝CO。厭氧細菌，諸如來自屬梭菌屬(Clostridium)之彼等已知可經由乙醯CoA生化路徑自CO、CO2及H2生產乙醇。舉例而言，自氣體生產乙醇之各種將達梭菌(Clostridium ljungdahlii)菌株描述於WO 00/68407、EP 1117309 A1、US 5,173,429、US 5,593,886、US 6,368,819、WO 98/00558及WO 02/08438中。細菌自產乙醇梭菌種(Clostridium autoethanogenum sp)亦已知可自氣體生產乙醇(Abrini等人，ARCHIVES OF MICROBIOLOGY 161：345-351(1994))。
因為生物之各酶以基本上完美之選擇性促進其指定生物轉化，所以微生物合成途徑與習知催化途徑相比可在更低能量成本之情況下實現更高產率。舉例而言，自所要產物分離由非選擇性副反應產生之副產物之能量需求可降低。另外，關於歸因於反應介質中之雜質之催化劑中毒的問題減少。然而，不管此等明顯優點，所述技術必須解決當前與自CO微生物合成乙醇相關，特定言之就保證生產率與其他技術具競爭性而言之某些挑戰。當使用CO作為其碳源時，上文所述之厭氧細 菌藉由醱酵產生乙醇，但其亦產生至少一種代謝物，例如CO2、甲烷、正丁醇及/或乙酸。任何此等代謝物之形成具有顯著影響既定製程之生產率及總經濟可行性的可能性，因為可用碳失去給代謝物且所要最終產物之生產效率受損。另外，除非代謝物(例如，乙酸)自身在微生物醱酵方法之時間及場所具有價值，否則其可能會造成廢物處置問題。在使含有CO之氣體厭氧醱酵以製造乙醇中解決除所要最終產物外之產物之形成的各種建議論述於WO2007/117157、WO2008/115080及WO2009/022925中。
乙醇生產率為關於既定醱酵方法在經濟上是否為吸引人的一種關鍵決定因素，高度取決於管理細菌生長之適當條件。舉例而言，自WO2010/093262已知，含有CO之受質必須以導致最佳微生物生長及/或所要代謝物產生之速率提供給微生物培養物。若提供不充足之受質，則微生物生長減緩且醱酵產物產生以乙醇為代價朝乙酸之偏移。若提供過量受質，則可能會導致不良微生物生長及/或細胞死亡。關於此等方法中之操作參數之間的關係之其他資訊見於WO2011/002318中。
關於自CO，且特定言之含CO廢物流，諸如鋼生產及一般而言之化學工業中排放之氣態流出物產生乙醇之生物方法之技術持續尋求改良總體方法經濟學(且因此改良工業競爭力)之解決方案，及/或導致在工業規模上採用相對新穎技術之較大確定性之解決方案。就此而言，除氣體組成中之變化以外，給定細菌培養物之商業效能可對特定含CO受質源，且更特定而言可滯留於特定工業操作器(例如鋼產生器)之氣態廢物流中之雜質之類型及量敏感。若過度考慮與未檢驗、局部含CO受質及公用設施(例如水源)相關之感知風險，則商業生物轉化方法之大型投資為難以作出的財務承諾。獲得給定技術中之客戶/投資者信任之有效手段因此在將用於乙醇生產之生物轉化方法推進為商業現實中 極重要。
本發明與有效評估含C1受質，且尤其關於在實施生物轉化方法以自C1碳源生產乙醇之預期設施處局部或現場進行之此類評估之裝置及相關方法之發現相關。通常，含C1受質包括至少一種選自由以下組成之群的C1碳源：CO、CO2及CH4。重要的是，已確定給定、工業含C1受質之精確組成通常難以在遠端設施(例如實驗室或中試規模或大規模方法)處再生，至少在需要商業效能之精確預測之程度上。重要的是，在無給定方法可達成其效能目標之足夠可信度的情況下，按比例擴大(例如方法設計及工程改造)所需的大型資本支出無法證明。就此而言，即使痕量之某些污染物(例如烴或含雜原子烴)可不利地影響細菌培養物，所述細菌培養物為易於自含C1受質萃取此類較重分子，允許此類分子在生物反應器之內部及外部液體再循環迴路中積聚之基於液體之系統。此外，局部氣體組成中之波動類似地難以在非現場測試設施中再生，且在許多情況下，此類波動之程度無法在不直接、局部接近含C1受質的情況下已知或理解。此外，應在重大投資決策之前進一步評估及確認可對預期、商業生物轉化設施(例如用於細菌培養基中之局部水源)之地點重要之其他態樣之適合性。
有利地，本文所述之裝置及方法可用於鑑別及補救次佳效能之原因(例如代謝物產率及/或受質利用率)。方法之含C1受質及/或其他局部來源之添加物之預處理必須建構或增強之程度可有利地在商業規模操作之前確定，改良商業設計及相關成本估計之精確性。此外，功效之現場論證向提供商且同樣向使用者提供藉由局部(亦即實際或工業)供應之含C1受質及可能的其他局部添加物操作之預期生物轉化方法之重要程度之安慰。
本發明的特定實施例係關於包括兩個生物反應器段，且在許多情況下僅使用兩個生物反應器段之氣體測試單元，其具有用於比較評估測試含C1受質之足夠儀錶、方法設備及分析能力，且重要的是，具有允許可運輸性之足夠尺寸限制。
在一態樣中，本發明提供一種氣體測試單元，其包括：(a)用於評估參考含C1受質之效能之第一生物反應器段；(b)用於評估測試含C1受質之效能之第二生物反應器段；及(c)經組態以用於分析第一及第二生物反應器之氣態及液態產物兩者之分析區段；其中氣體測試單元能夠容納在體積小於約6m3之容器內且可運輸至多個位置。
氣體測試單元能夠容納在長度、寬度及高度尺寸各自小於約1.8米，或各自小於約1.6米，或各自小於1.3米之箱內。在某些實施例中，箱之長度、寬度及高度尺寸中之一者小於約1.6米，且長度、寬度及高度尺寸中之其他兩者小於約1.3米。
氣體測試系統之分析區段包括氣相層析(GC)分析儀，其具有經組態以分別分析氣態及液態產物之第一及第二層析管柱。
第一及第二生物反應器段之生物反應器各自包括循環迴路生物反應器。第一及第二生物反應器段各自進一步包括外部再循環迴路及再循環泵，用於將生物反應器之鄰近底端抽取之液體再循環至生物反應器之鄰近相對頂端。
氣體測試單元可進一步包括用於控制一或多個選自由以下組成之群的操作參數之操作控制系統：新鮮培養基添加速率、氣態含C1受質饋入速率、反應器溫度以及反應器pH。在某些實施例中，一或多個操作參數包含反應器pH，且控制系統包含用於基於量測之反應器pH控制流至生物反應器之鹼性中和劑之流動的儀錶。
在某些實施例中，氣體測試單元包括安全控制系統，其用於回應於臨限值濃度以上之環境C1濃度之量測使至少測試含C1受質或參考 含C1受質之流動暫時中止。
在第二態樣中，本發明提供一種評估測試含C1受質用於生物轉化方法中之適合性的方法，所述方法包括：(a)將參考含C1受質饋入至含有C1-固定微生物之第一培養物之第一生物反應器中；(b)將測試含C1受質饋入至含有C1-固定微生物之第二培養物之第二生物反應器中；及(c)分析第一及第二生物反應器之氣態及液態產物兩者以測定第一及第二生物反應器之效能；其中測試含C1受質之適合性由第一生物反應器之效能相對於第二生物反應器之效能之比較建立。在某些實施例中，步驟(a)及步驟(b)的至少一部分同時進行。
在某些實施例中，C1-固定微生物為來自屬梭菌屬之一氧化碳營養型微生物。較佳地，C1-固定微生物選自由以下組成之群：自產乙醇梭菌、將達梭菌以及拉氏梭菌。
在某一實施例中，方法包括將參考含C1受質饋入至第二生物反應器中，隨後在步驟(b)中將測試含C1受質饋入至第二生物反應器中。
測試含C1受質為已經預處理以移除污染物之工業含C1廢氣流。在某些實施例中，測試含C1受質為原始工業氣流。在某些實施例中，方法包括測試原始含C1受質以確定生物過程對未處理廢氣流可行。
在一個實施例中，分析步驟(c)包括量測第一及第二生物反應器之氣態產物中之C1之濃度及量測第一及第二生物反應器之液態產物中之乙醇及至少一種其他代謝物之濃度。另外，根據本發明，C1-固定微生物之第一及第二培養物中之至少一者可包括藉由局部水源製備或補充之培養基。在一些實施例中，第一及第二培養物之效能經至少約7天之測試時段同時評估。
在另一態樣中，本發明提供一種測定測試含C1受質是否支持生物轉化方法之方法。所述方法包括：(a)維持C1-固定微生物之單獨、 第一及第二培養物，其使用參考含C1受質作為產生乙醇及至少一種其他代謝物之養分；(b)將作為第二培養物之養分之參考含C1受質改變為測試含C1受質；(c)在相同目標操作條件組下，但使用不同參考及測試含C1受質相對於第二培養物之效能評估第一培養物之效能；(d)若未在步驟(c)中獲得第二培養物之最小效能缺乏，則證實測試含C1受質支持生物轉化方法；(e)若在步驟(c)中獲得最小效能缺乏，則預處理測試含C1受質或增強其預處理以提供相對於用於在步驟(c)中評估效能之測試含C1受質之較高品質測試含C1受質。
在一個實施例中，方法進一步包括(f)在相同目標操作條件組下，但使用不同參考及較高品質測試含C1受質相對於第三培養物之效能評估第一培養物之效能；及(g)若未在步驟(f)中獲得第三培養物之最小效能缺乏，則證實較高品質測試含C1受質支持生物轉化方法。
在某些實施例中，不同水源用於製備第一及第二培養物或補充第一及第二培養物。
與本發明相關之此等及其他實施例、態樣及優點自以下實施方式顯而易見。
1‧‧‧氣體測試單元
10‧‧‧生物反應器段
10a‧‧‧生物反應器段
10b‧‧‧生物反應器段
12a‧‧‧氣體入口
12b‧‧‧氣體入口
14a‧‧‧噴布器
14b‧‧‧噴布器
16a‧‧‧氣體出口
16b‧‧‧氣體出口
18a‧‧‧液體入口
18b‧‧‧液體入口
20a‧‧‧液體出口
20b‧‧‧液體出口
22a‧‧‧氣體/液體分界面
22b‧‧‧氣體/液體分界面
25‧‧‧外部液體再循環迴路
25a‧‧‧外部液體再循環迴路
30‧‧‧外部液體再循環泵
30a‧‧‧液體再循環泵
30b‧‧‧液體再循環泵
35a‧‧‧鹼性中和劑入口
35b‧‧‧鹼性中和劑入口
40a‧‧‧pH分析儀
40b‧‧‧pH分析儀
45a‧‧‧液體入口
45b‧‧‧液體入口
75a‧‧‧虹吸截斷器
75b‧‧‧虹吸截斷器
100‧‧‧生物反應器
100a‧‧‧生物反應器
100b‧‧‧生物反應器
110a‧‧‧噴頭
110b‧‧‧噴頭
200‧‧‧含生物反應器段區段
201‧‧‧擱架
202a‧‧‧可變速率泵
202b‧‧‧可變速率泵
203a‧‧‧新鮮培養基容器
203b‧‧‧新鮮培養基容器
204a‧‧‧液態產物廢物容器
204b‧‧‧液態產物廢物容器
205a‧‧‧起泡器
205b‧‧‧起泡器
206a‧‧‧泵
206b‧‧‧泵
207a‧‧‧含CO受質流動速率顯示器/控制器
207b‧‧‧含CO受質流動速率顯示器/控制器
208a‧‧‧新鮮培養基流動速率顯示器/控制器
208b‧‧‧新鮮培養基流動速率顯示器/控制器
209a‧‧‧反應器溫度顯示器/控制器
209b‧‧‧反應器溫度顯示器/控制器
210‧‧‧C1氣體偵測器
250‧‧‧垂直隔板
300‧‧‧分析區段
301‧‧‧氣相層析分析儀
302a‧‧‧第一層析管柱
302b‧‧‧第二層析管柱
303‧‧‧封閉電組件
304‧‧‧顯示界面
305‧‧‧公用設施箱
306‧‧‧底層抽屜
315‧‧‧衛星通信系統
500‧‧‧容器
550‧‧‧鉸鏈連接件
575‧‧‧托盤
590‧‧‧叉車給料口
600‧‧‧平均尺寸人類
E‧‧‧高度
H‧‧‧高度
本發明之例示性實施例之更完整理解及其優點可藉由考慮到隨附圖式參看以下描述獲得，其中類似特徵藉由類似參考編號鑑別(例如圖1A之生物反應器100及圖2之生物反應器100a、100b)。
圖1A及1B分別描繪代表如本文所述之可運輸氣體測試單元之剖視側視圖及後視圖。
圖2描繪代表用於如本文所述之氣體測試單元中之生物反應器之全貌圖，且提供與其操作相關之其他細節。
圖3為說明代表方法之流程圖，所述方法可藉由如本文所述之氣體測試單元進行，用於確定測試含C1受質是否適合於生物轉化方 法(視情況遵循一或多種如本文所述之矯正措施(例如增加其純度))。
圖1-3應理解為呈現本發明之說明及/或涉及之原理。為了便於解釋及理解，簡化設備及製程流程描繪於圖1及2中，且不同設備之相對尺寸未必按比例繪製。對本發明之理解非必需的包含一些閥、儀錶以及其他設備及系統之細節未顯示。如具有本發明之知識之本領域的技術人員易於顯而易見，用於確定給定含C1受質及/或局部添加物是否支持生物轉化方法之裝置及方法將具有部分由其特定用途決定之組態及組件。
本發明與可出於上文鑑別之目的，僅使用另外用於在所需產物之最大產率及產量之情況下實施生物C1轉化方法之設備之選擇部分有效評估測試(或局部)含C1受質之重要認知相關。含C1受質通常包括至少一種選自由以下組成之群的C1碳源：CO、CO2及CH4。舉例而言，含C1受質可為含CO之氣態受質。含C1受質亦可包括H2及/或N2。舉例而言，具有用於比較測試測試氣體及參考氣體之單獨、第一及第二生物反應器之並行生物反應器段系統可提供證實局部可用氣體進料及/或添加劑甚至在不達到商業效能水準(例如就液態產物乙醇效價而言)的情況下支持商業方法之所需資訊。僅子組之實際生物反應器組件、方法容器、儀錶及分析儀為所需的，使得代表性氣體測試單元可能容納及運輸(例如747噴氣客機之貨艙中)至預期設施。特定效率可例如藉由僅具有兩個分別用於評估測試及參考氣體之生物反應器獲得，所述生物反應器不具有反應器內部分佈器件，除了用於將液體自外部再循環迴路饋入至生物反應器頂部之視情況存在之液體分佈器件(例如噴頭)。其他效率可獲自使用氣相層析(GC)來分析氣態及液態產物兩者。其他效率可藉由在各生物反應器段處避免C1-固定微生物之分離及再循環獲得。藉由利用此等及其他效率，可有 利地使得氣體測試單元可運輸(例如藉由空運、海運或陸運)至用於自含C1受質生產乙醇之生物轉化方法之預期、商業規模安設之遠程地點。氣體測試單元包含足夠用於現場評估局部可用含C1受質及方法添加劑，諸如水之設備，但無以下所有者之要求：(i)產率最大化所需的反應器系統，及/或(ii)全面監測及控制所有方法變量之分析系統及儀錶。此類要求一般與可運輸性之目標不符。有利地，已確定與定量結果相反，定性結果(例如與參考測試相比)可提供氣體品質驗證目的之有意義評估及/或鑑別需要矯正措施以解決效能缺乏之區域。
本發明係關於藉由自氣態含C1受質中之C1碳源之生物轉化產生所需最終產物，諸如乙醇操作之氣體測試單元，及另外涉及其之相關方法。氣體測試單元之第一及第二生物反應器段可例如藉由用於並行或同步效能評估之參考(或控制)含C1受質及測試(或工業可用的)含C1受質饋入，以建立提供就確定特定、測試含C1受質適合於給定方法而言之適用資訊之比較。生物反應器段中之每一者包括在操作中包括含有C1固定微生物(細菌培養物)之液體培養基的生物反應器。除所需最終產物以外，發生於生物反應器段中之每一者中之生物轉化方法另外產生非所需或較不所需代謝物，其如同所需產物(例如乙醇)可偵測於自此等段抽取之液態產物中。此類代謝物之實例為乙酸(例如呈乙酸形式)及2,3-丁二醇。術語「乙酸」或「乙酸」係指存在於培養基中之總乙酸，呈其陰離子(解離)形式(亦即呈乙酸根離子或CH3COO-形式)或呈游離、分子乙酸(CH3COOH)形式，其中此等形式之比率取決於系統之pH。如下所述，諸如水性氫氧化銨(NH4OH)或水性氫氧化鈉(NaOH)之鹼性中和劑可用於藉由中和形成之乙酸控制給定生物反應器中之培養基之pH(例如至可為pH=4.5與pH=8.0之間的任何特定pH值之pH設定點值)。生物反應器維持(或控制)以用於進行本文所述之方法之代表性pH範圍一般為約4.0至約8.0，諸如約 5.0至約6.5範圍內之任何pH值(設定點)(例如pH=5.0、5.5或6.0)。
代表性C1固定細菌為來自屬穆爾氏菌(Moorella)、梭菌屬、瘤胃球菌(Ruminococcus)、醋桿菌屬(Acetobacterium)、真桿菌屬(Eubacterium)、丁酸桿菌屬(Butyribacterium)、產醋桿菌屬(Oxobacter)、甲烷八疊球菌屬(Methanosarcina)、甲烷八疊球菌屬(Methanosarcina)以及脫硫腸狀菌屬(Desulfotomaculum)之彼等。
「微生物」為微觀生物，尤其為細菌、古細菌、病毒或真菌。本發明之微生物通常為細菌。如本文所用，「微生物」之引述應理解為涵蓋「細菌」。
本發明之微生物可基於功能特徵進一步分類。舉例而言，本發明之微生物可為或可衍生自C1固定細菌、厭氧菌、產乙酸菌、產乙醇菌、羧基氧化菌及/或甲烷氧化菌。表1提供微生物之代表性清單且鑑別其功能特徵。
Figure 104134733-A0202-12-0010-1
Figure 104134733-A0202-12-0011-2
「C1」係指單碳分子，例如CO、CO2、CH4或CH3OH。「C1-氧合物」係指以包括至少一個氧原子之單碳分子，例如CO、CO2或CH3OH。「C1-碳源」係指充當本發明之微生物之部分或唯一碳源之單碳分子。舉例而言，C1-碳源可包括CO、CO2、CH4中之一或多者。較佳地，C1-碳源包括CO及CO2中之一者或兩者。「C1-固定微生物」為具有自C1-碳源產生一或多種產物之能力的微生物。通常，本發明之微生物為C1-固定細菌。在一較佳實施例中，本發明之微生物衍生自表1中鑑別之C1-固定微生物。
「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，則厭氧菌可消極反應或甚至死亡。通常，本發明之微生物為厭氧菌。在一較佳實施例中，本發明之微生物衍生自表1中鑑別之厭氧菌。
「產乙酸菌」為產生或能夠產生乙酸(acetate/acetic acid)作為厭氧呼吸之產物的微生物。通常，產乙酸菌為使用伍德-永達爾路徑作為其能量保守及合成乙醯基-CoA及乙醯基-CoA衍生產物，諸如乙酸之主要機制的絕對厭氧細菌(Ragsdale,Biochim Biophys Acta,1784：1873-1898,2008)。產乙酸菌使用乙醯基-CoA路徑作為(1)自CO2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CO2之機制(Drake,Acetogenic Prokaryotes,The Prokaryotes，第3版，第354頁，New York,NY,2006)。所有天然存在之產乙酸菌為C1-固定、厭氧、自營及非甲烷氧化的。通常，本發明之微生物為產乙酸菌。在一較佳實施例中，本發明之微生物衍生自表1中鑑別之產乙酸菌。
「產乙醇菌」為產生或能夠產生乙醇之微生物。通常，本發明之微生物為產乙醇菌。在一較佳實施例中，本發明之微生物衍生自表1中鑑別之產乙醇菌。
「自營生物」為能夠在不存在有機碳的情況下生長之微生物。取而代之，自營生物使用無機碳源，諸如CO及/或CO2。通常，本發明之微生物為自營生物。在一較佳實施例中，本發明之微生物衍生自表1中鑑別之產自營生物。
「一氧化碳氧化菌」為能夠使用CO作為唯一碳源之微生物。通常，本發明之微生物為一氧化碳氧化菌。在一較佳實施例中，本發明之微生物衍生自表1中鑑別之一氧化碳氧化菌。
「甲烷氧化菌」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，本發明之微生物衍生自甲烷氧化菌。
更廣泛地，本發明之微生物可衍生自表1中鑑別之任何屬或物種。
在一較佳實施例中，本發明的微生物衍生自包括物種自產乙醇梭菌、將達梭菌及拉氏梭菌之梭菌屬之叢集。此等物種首先藉由Abrini,Arch Microbiol,161：345-351,1994(自產乙醇梭菌)、Tanner,Int J System Bacteriol,43：232-236,1993(將達梭菌)及Huhnke,WO 2008/028055(拉氏梭菌)報導及表徵。
此三種物種具有許多類似性。特定言之，此等物種全部為屬梭菌屬之C1-固定、厭氧、產乙酸、產乙醇及一氧化碳營養型成員。此等物種具有類似基因型及表現型及能量守恆及醱酵代謝模式。此外，此等 物種叢集於16S rRNA DNA具有大於99%一致性之梭菌rRNA同源組I中，具有約22-30mol%之DNAG+C含量、為革蘭氏陽性的、具有類似形態及大小(0.5-0.7×3-5μm之間的對數生長細胞)、為嗜溫性的(最佳生長於30-37℃下)、具有約4-7.5之類似pH範圍(其中最優pH為約5.5-6)、不具有細胞色素且經由Rnf錯合物保存能量。另外，已在此等物種中顯示羧酸還原為其對應醇(Perez,Biotechnol Bioeng,110：1066-1077,2012)。重要的是，此等物種亦全部顯示關於含有CO氣體之強力自營生長、產生乙醇及乙酸(acetate/acetic acid)作為主要醱酵產物，且在某些條件下產生少量2,3-丁二醇及乳酸。
然而，此三種物種亦具有多種差異。此等物種分離自不同來源：自產乙醇梭菌分離自家兔腸道，將達梭菌分離自雞舍廢棄物，且拉氏梭菌分離自淡水沈積物。此等物種在各種糖(例如鼠李糖、阿拉伯糖)、酸(例如葡糖酸鹽、檸檬酸鹽)、胺基酸(例如精胺酸、組胺酸)以及其他受質(例如甜菜鹼、丁醇)之利用率中不同。此外，此等物種在對某些維生素(例如硫胺素、生物素)之營養缺陷型中不同。此等物種在伍德-永達爾路徑基因及蛋白質之核酸及胺基酸序列中具有差異，但已發現此等基因及蛋白質之一般組織及數目在所有物種中相同(Köpke,Curr Opin Biotechnol,22：320-325,2011)。
因此，總體而言，自產乙醇梭菌、將達梭菌或拉氏梭菌之許多特徵並非對於所述物種特異性的，而是屬梭菌屬之C1-固定、厭氧、產乙酸、產乙醇及一氧化碳營養型成員之此叢集之一般特徵。然而，由於此等物種實際上為相異的，此等物種中之一者之基因修飾或操縱可不在此等物種中之另一者中具有相同效應。舉例而言，可觀測到生長、效能或產物產生中之差異。
本發明之微生物亦可衍生自自產乙醇梭菌、將達梭菌或拉氏梭菌之分離株或突變體。自產乙醇梭菌之分離株及突變體包含 JA1-1(DSM10061)(Abrini,Arch Microbiol,161：345-351,1994)、LBS1560(DSM19630)(WO 2009/064200)以及LZ1561(DSM23693)。將達梭菌之分離株及突變體包含ATCC 49587(Tanner,Int J Syst Bacteriol,43：232-236,1993)、PETCT(DSM13528,ATCC 55383)、ERI-2(ATCC 55380)(US 5,593,886)、C-01(ATCC 55988)(US 6,368,819)、O-52(ATCC 55989)(US 6,368,819)以及OTA-1(Tirado-Acevedo,Production of bioethanol from synthesis gas using Clostridium ljungdahlii,PhD thesis,North Carolina State University,2010)。拉氏梭菌之分離株及突變體包含PI 1(ATCC BAA-622，ATCC PTA-7826)(WO 2008/028055)。
本發明之微生物可經培養以產生一或多種產物。舉例而言，自產乙醇梭菌產生或可經工程改造以產生乙醇(WO 2007/117157)、乙酸(WO 2007/117157)、丁醇(WO 2008/115080及WO 2012/053905)、丁酸酯(WO 2008/115080)、2,3-丁二醇(WO 2009/151342)、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(WO2012/115527)、脂質(WO 2013/036147)、3-羥基丙酸酯(3-HP)(WO 2013/180581)、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 2014/0369152)及1-丙醇(WO 2014/0369152)。除一或多種目標產物以外，本發明之微生物亦可產生乙醇、乙酸及/或2,3-丁二醇。在某些實施例中，微生物生物質本身可視為產物。
一般而言，相同微生物用於第一及第二生物反應器中；然而，亦有可能在一些實施例中在不同生物反應器中使用不同C1-固定微生物。
含有受質之代表C1且特定言之含有如本文所述之受質之測試C1廣泛地包含任何C1-碳源。C1-碳源係指充當本發明之微生物之部分或 唯一碳源之單碳分子。舉例而言，C1-碳源可包括CO、CO2或CH4中之一或多者。較佳地，C1-碳源包括CO及CO2中之一者或兩者。受質可進一步包括其他非碳組分，諸如H2、N2或電子。
含C1受質可含有顯著比例之CO，較佳至少約5體積%至約99.5體積% CO。此類受質通常以工業方法(諸如鋼鐵製造方法或非亞鐵產物製造方法)之廢棄產物形式產生。產生氣態含CO受質之其他方法包含石油精煉方法、生物燃料生產方法(例如熱解方法及脂肪酸/三酸甘油酯加氫轉化方法)、煤及生物質氣化方法、電力生產方法、碳黑生產方法、氨生產方法、甲醇生產方法以及焦炭製造方法。產生自多種受質之多種化學工業流出物，以及合成氣(含有CO及H2兩者)可同樣充當潛在含CO受質。特定實例包含來自磷酸鹽及鉻酸鹽之生產的流出物。有利地，來自此等方法之廢物(例如廢氣)可如本文所述而用於有益產生適用最終產物(諸如乙醇)。受質及/或C1-碳源可為或可衍生自以工業方法之副產物形式或自一些其他來源，諸如自汽車排煙或生物質氣化獲得之廢物或排氣。在某些實施例中，工業方法選自由以下組成之群：二價鐵金屬產品製造(諸如軋鋼廠製造)、非鐵產品製造、石油精煉方法、煤炭氣化、電力生產、碳黑生產、氨生產、甲醇生產以及焦炭製造。在此等實施例中，受質及/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方法捕獲。
受質及/或C1-碳源可為或可衍生自合成氣，諸如藉由煤或精煉廠殘渣之氣化、生物質或木質纖維素材料之氣化或天然氣之重整獲得之合成氣。在另一實施例中，合成氣可獲自城市固體廢物或工業固體廢物之氣化。
關於受質及/或C1-碳源，術語「衍生自」係指在某種程度上經修飾或摻合之受質及/或C1-碳源。舉例而言，受質及/或C1-碳源可經處理以添加或移除某些組分或可與其他受質及/或C1-碳源之流摻合。
受質之組成可對反應效率及/或成本具有顯著影響。舉例而言，氧氣(O2)之存在可降低厭氧醱酵方法之效率。取決於受質之組成，可能需要處理、擦洗或過濾受質以移除任何非所需雜質，諸如毒素、非所需組分或粉塵顆粒及/或增加所需組分之濃度。
受質一般包括至少一些量之CO，諸如約1、2、5、10、20、30、40、50、60、70、80、90或100mol% CO。受質可包括一定範圍之CO，諸如約20-80、30-70或40-60mol% CO。較佳地，受質包括約40-70mol% CO(例如軋鋼廠或高爐氣體)、約20-30mol% CO(例如鹼性氧氣轉爐氣體)或約15-45mol% CO(例如合成氣)。在一些實施例中，受質可包括相對較低量之CO，諸如約1至10或1-20mol% CO。本發明之微生物通常將受質中之至少一部分CO轉化為產物。在一些實施例中，受質不包括或實質上不包括CO。
受質可包括一些量之H2。舉例而言，受質可包括約1、2、5、10、15、20或30mol% H2。在一些實施例中，受質可包括相對較高量之H2，諸如約60、70、80或90mol% H2。在其他實施例中，受質不包括或實質上不包括H2。
受質可包括一些量之CO2。舉例而言，受質可包括約1-80或1-30mol% CO2。在一些實施例中，受質可包括小於約20、15、10或5mol% CO2。在另一實施例中，受質不包括未實質上不包括CO2。
儘管受質通常為氣態，受質亦可以替代形式提供。舉例而言，受質可使用微泡分散發生器溶解於含CO氣體飽和液體中。另外舉例而言，受質可吸附至固體載體上。
已確定給定、工業含C1受質之精確組成通常難以在遠端設施(例如實驗室或中試規模或大規模方法)處再生，至少在需要商業效能之精確預測之程度上。重要的是，在無給定方法可達成其效能目標之足夠可信度的情況下，按比例擴大(例如方法設計及工程改造)所需的大型 資本支出無法證明。就此而言，即使痕量之某些污染物(例如烴或含雜原子烴)可不利地影響細菌培養物，所述細菌培養物為易於自含C1受質萃取此類較重分子，允許此類分子在生物反應器之內部及外部液體再循環迴路中積聚之基於液體之系統。此外，局部氣體組成中之波動類似地難以在非現場測試設施中再生，且在許多情況下，此類波動之程度無法在不直接、局部接近含C1受質的情況下已知或理解。此外，應在重大投資決策之前進一步評估及確認可對預期、商業生物轉化設施(例如用於細菌培養基中之局部水源)之地點重要之其他態樣之適合性。
已顯示在生物轉化方法中使用工業含C1受質存在許多挑戰。除主要氣體組分(諸如CO、H2、N2、CO2)以外之物質之存在可對醱酵方法具有有害影響。此外，來自工業方法之氣體之流動速率取決於所述方法之操作參數，且不經調試以提供與下游醱酵方法一致的體積氣體饋入速率(例如以Nm3/h為單位)。就成分(主要組分及污染物兩者)中之每一者之相對量而言之氣體之化學性質通常根據上游工業方法之操作參數及輸入隨時間推移快速改變。
可能使用工業排氣作為產物合成之氣體醱酵方法之唯一碳及能量進料的最顯著挑戰為廣泛範圍之殺細菌或毒性污染物之存在。來自氣化生物質之工業生產之合成氣產物之污染物對微生物醱酵之負面影響已有據可查。此等氣體含有焦油及氮化合物兩者，其均已一致地展示抑制微生物生長及產率，尤其在使用CO及H2作為其唯一碳及能量來源之一氧化碳營養型生物中(Ahmed等人2006)。合成氣中發現之氧化氮已在若干研究中顯示在低至40ppm之濃度下抑制一氧化碳營養型生物，C.carboxydivorans及拉氏梭菌(Datar等人2004；Lewis等人2006；Ahmed及Lewis,2007；Kundiyana等人2010。其他研究展示亦發現包含苯、甲苯乙苯及對 二甲苯之焦油(所有化合物發現於表2中所述之來自鋼製造之廢氣中)抑制一氧化碳營養型生物之產率及活力(Ahmed等人2006；Lewis等人2006)。
舉例而言，作為鋼製造方法之不可避免結果產生之廢氣含有CO且在一些情況下含有H2，且集中體現如上文所述的與使用工業廢氣相關之挑戰。通常，來自鋼製造方法之廢氣含有少量或不含氫氣。另外，此等廢氣中發現之多種污染化合物已為所熟知且經記錄(參見表2)。鋼排氣流中發現之污染物之數目及種類當然比據報導存在於諸如生物質衍生合成氣之其他工業氣體中的大得多。污染物數目及種類兩者中之此增加向醱酵系統呈現更顯著挑戰。儘管污染物對生物方法之「加成」效應難以精確預測，預料有害效應將嚴重得多。在以來自煉鋼方法之排氣的一部分形式傳遞至通風口或煙囪中之15種最豐富污染物中包括化合物，諸如氮氧化物、二氧化硫、苯、甲苯、氰化物及氟化物化合物，其中之每一者理解為對細菌有毒性。
如上所述，已發現包含苯、甲苯、乙苯及對二甲苯之焦油對C.carboxydivorans之活力及產率具有高度有害效應(Lewis等人2006)。苯螞蟻甲苯及二甲苯對厭氧細菌之相對毒性由Payne及Smith(1983)描述。然而，如上文所指出，此及其他化合物連同多種其他潛在毒性化合物存在於軋鋼廠氣體中。諸如鎘、鎳及鋅之重金屬對甲苯之毒性之附加影響由(Amor等人2001)描述。此等資料明顯地展示在存在甲苯的情況下之微生物效能藉由單獨地添加此等重金屬顯著及不利地影響。在軋鋼廠排氣中，此等金屬在一起存在，將預計將對微生物效能及產率提供更大挑戰。
顯著地，難以在實驗室環境中提供充分代表工業氣流之測試流。重要的是，即使在來自類似工業之氣流中，存在於個別氣流中之污染物之類型及量將顯著變化。甚至在單一工廠或設施內，廢氣之組成可 取決於上游條件及提供至工業方法之來源原料變化。此外，壓縮氣體通常改變氣體組成。特定言之，在高壓力下，污染物傾向於從氣態相退出。此造成現場之排放氣體於提供至實驗室之測試樣品之間的不一致/變化。
表2顯示來自BlueScope Steel Port Kembla Steelworks-Port Kembla,NSW,Australia的以公斤為單位之所有空氣排放物(點源+易散1)，其如在國家污染清單(National Pollution Inventory；NPI)(http：//www.npi.gov.au)中報導。此詳述來自BlueScope Steel Port Kembla Steelworks-Port Kembla,NSW,Australia之廢氣之典型引起污染組分。
Figure 104134733-A0202-12-0019-3
Figure 104134733-A0202-12-0020-5
如下所述，特別適用於本文所述的氣體測試單元及方法中之特定類型之生物反應器為循環迴路反應器，其中氣態含C1受質通常分佈(例如噴灑)至提昇區段之底部中，在連續液相中含有細菌培養基之反應器下端處或附近。上升氣泡在其向上運動穿過連續液相期間受限於提昇區段，直至任何未消耗及未溶解氣體在液位以上及延伸至反應器上端釋放至連續氣相(亦即蒸氣空間或頂部空間)中。提昇區段中之連續液相之循環可藉由相對低密度、中心部分誘導，大部分上升氣泡與相對高密度、外圍(外部)部分組合穿過所述中心部分，具有極少或不具有 氣體滯留。內部液體循環可因此經由中心部分中之液體之淨向上運動及外圍部分中之淨向下運動建立。如在下文中更詳細描述，包括循環迴路反應器之生物反應器段亦可包含反應器外部之強制液體循環，較佳經由自反應器底端抽取液體且將抽取之液體引入至反應器頂端中，進而提供反應器頂部空間中之逆流氣-液流動。
術語「生物反應器」以及任何可包含為氣體測試單元之「生物反應器段」之一部分的生物反應器並不限於循環迴路反應器，而是更廣泛地包含任何適合之容器或容器內之區段，用於藉由可用於進行本文所述的生物方法之C1-固定微生物維持培養基之液體體積，所述生物方法亦可在其一般厭氧地進行之程度上稱為醱酵方法。生物反應器之特定類型可包括任何適合於兩相(氣-液)接觸之容器，例如逆流流動反應器(例如具有向上流動之氣相及向下流動之液相)或並流流動反應器(例如具有向上流動之氣相及液相)。在此類兩相接觸容器中，液相可能為連續相，如在氣泡流過液體之移動塔的情況下。另外，氣相可能為連續相，如在分散液體(例如呈液滴形式)流過蒸氣空間的情況下。如在循環迴路反應器的情況下，生物反應器之不同區可用於含有連續液相及連續氣相。
生物反應器之特定實例包含連續攪拌槽反應器(CSTR)、固定化細胞反應器(ICR)、滴流床反應器(TBR)、移動床生物膜反應器(MBBR)、氣泡塔、氣舉醱酵槽以及膜反應器，諸如中空纖維膜生物反應器(HFMBR)。適合之生物反應器可包含靜態混合器，或其他容器及/或器件(例如塔或管道配置)，經組態用於使氣態含CO受質與液體細菌培養基接觸(例如在溶解及質量輸送動力學對進行生物轉化有利的情況下)。片語「複數個生物反應器」或可包含於「複數個生物反應器段」中之生物反應器意欲包含大於單一類型之生物反應器，儘管在一些情況下複數個生物反應器可為一種類型(例如循環迴路反應器)。
用於本文所述之生物過程中之一些適合過程流、操作參數及設備描述於美國專利申請公開案第US2011/0212433號中，其特此以全文引用之方式併入。
某些實施例係關於氣體測試單元，包括用於評估測試含C1受質之效能之第一生物反應器段及用於評估參考含C1受質之效能之第二生物反應器段。分析區段經組態以分析第一及第二生物反應器之氣態及液態產物兩者。氣體測試單元容納，或至少能夠容納於一般具有小於約6m3(例如約0.5m3至約6m3)，通常小於約3m3(例如約1m3至約3m3)，且通常小於約2.5m3(例如約1.5m3至約2.5m3)之體積的容器內。考慮到此類大小限制，氣體測試單元可運輸至多個位置，例如用於評估測試(或局部)含C1受質及視情況存在之其他局部添加物，諸如局部水源。根據其他代表實施例，氣體測試單元容納，或至少能夠容納於長度、寬度及高度尺寸各自小於約1.8米(例如此等尺寸中之每一者在約1.0米至約1.8米範圍內)，或各自小於約1.6米(例如此等尺寸中之每一者在約1.0米至約1.6米範圍內)之箱或其他容器內。此類箱或其他容器之長度、寬度及高度尺寸中之一者可小於約1.6米(例如在約1.0米至約1.6米範圍內)，且此等尺寸中之其他兩者小於約1.3米(例如在約0.8米至約1.6米範圍內)。
其他實施例係關於評估用於生物轉化方法中之測試含C1受質之適合性的方法。方法包括(a)將參考含C1受質饋入至含有C1-固定微生物之第一培養物之第一(參考)生物反應器中，及(b)將測試含C1受質饋入至含有C1-固定微生物之第二培養物之第二(測試)生物反應器中。方法進一步包括(c)分析第一及第二生物反應器之氣態及液態產物兩者以測定第一及第二生物反應器之效能。測試含C1受質之適合性由第一生物反應器之效能相對於第二生物反應器之效能之比較建立。較佳地，以上步驟(a)及(b)的至少一部分同時進行(亦即此等步驟的至少一 部分在時間上重疊)。通常，步驟(a)及(b)持續若干天(例如至少約3天，諸如約3天至約21天；至少約5天，諸如約5天至約21天；或至少約7天，諸如約7天至約14天)之同步操作時段或測試時段同時(或至少實質上同時)進行，以分析進行生物轉化方法中之微生物培養物之效能。舉例而言，根據一個實施例，測試含C1受質饋入至第二生物反應器之步驟(b)之整個持續時間可經參考含C1受質饋入至第一生物反應器之步驟(a)之持續時間涵蓋。此將例如出現在使用參考含C1受質開始第一及第二生物反應器兩者之操作，接著將第二生物反應器之進料自參考含C1受質改變為測試含C1受質之情況下。因此，在代表性實施例中，方法可進一步包括在步驟(b)之前將參考含C1受質饋入至第二生物反應器中。
除評估測試含C1受質以外，代表方法可藉由測定或評估比較效能，使用本文所述之裝置及方法替代地或以組合形式評估局部添加物，諸如局部水源。舉例而言，在評估水質的情況下，不同水源可用於製備及/或補充(例如藉由新鮮培養基)第一及第二細菌培養物。根據一個實施例，局部條件可藉由使用局部水源(例如局部製程水或局部飲用水)製備及補充(例如在添加之新鮮培養基中)第二生物反應器之細菌培養物，以及將測試含C1受質饋入至此培養物中評估。在另一實施例中，相同局部水源可用於製備及補充兩個生物反應器之細菌培養物，使得測試含C1受質自身可相對於使用相同水源之基線評估。在其他實施例中，相同含C1受質(例如參考或測試含C1受質)可饋入至兩個生物反應器中，以單獨評估不同水源之效應(例如局部製程水源或局部飲用水源，相比於純化水源，諸如蒸餾水)。
其他實施例係關於測定測試含C1受質是否支持生物轉化方法之方法。代表方法包括(a)維持C1-固定微生物之單獨、第一及第二培養物，其各自使用參考含C1受質作為產生乙醇及至少一種其他代謝物之 養分，及(b)將作為第二培養物之養分之參考含C1受質改變為測試含C1受質。方法進一步包括(c)在相同目標操作條件(例如自動及/或手動控制操作參數，例如在一些情況下，生物反應器pH之操作設定點)下，但使用不同參考及測試含CO受質相對於第二培養物之效能評估第一培養物之效能。方法進一步包括(d)若未在步驟(c)中獲得第二培養物之最小效能缺乏(或偏移)，則證實測試含C1受質支持生物轉化方法。方法可另外包括(e)若在步驟(c)中獲得最小效能缺乏或較大效能缺乏，則預處理測試含C1受質或增強其現有預處理以提供相對於用於在步驟(c)中評估效能之測試含C1受質之較高品質測試含C1受質。
根據替代實施例，以上方法中之步驟(e)可包括除藉由預處理或增強現有預處理改良測試含C1受質之品質以外的矯正措施。此類矯正措施可例如包含改良局部添加物，諸如局部水源之品質，或另外以較高品質添加物，例如局部飲用水替代局部製程水。其他矯正措施可包含調節操作條件，諸如生物反應器溫度、壓力及/或pH。任何類型之矯正措施可伴隨有藉由細菌培養物(例如第三培養物)再接種第二生物反應器，接著相對於再接種培養物評估第一培養物(或使用參考含C1受質作為養分，或其他參考條件之其他培養物)之效能以測試矯正措施(例如在相同目標操作條件組下，但使用不同參考及較高品質測試含C1受質及/或使用不同參考及較高品質添加物及/或使用經調節操作條件)。若未獲得再接種培養物(例如第三培養物)之最小效能缺乏，則方法可進一步包括證實矯正措施(例如較高品質測試含C1受質及/或較高品質添加物及/或經調節操作條件)支持生物轉化方法。以此方式，可例如使用本文所述之氣體測試單元以連續方式評估多種矯正措施(例如逐漸更高度純化之含C1受質)。根據一些實施例，測試/評估方法可在確定/確認至少一種測試含C1受質品質、添加物品質及/或操作條件組支持生物轉化方法時完成。
圖1A描繪具有背面、「濕式」或含生物反應器段區段200及正面、「乾燥」或分析區段300兩者之代表性氣體測試單元1之側視、輪廓圖。較佳地，此等區段200、300藉由屏障，諸如防止或至少阻礙容納於此等部分中之設備周圍之周圍環境互混之垂直隔板250。區段200中之生物反應器段之代表性生物反應器100具有一般介於約0.25至約5公升，且通常約1至約3公升範圍內之反應器體積。保持此反應器體積(亦即其含有反應器氣相及液相內容物)之生物反應器之典型長度為約0.5至約1.5米。通常，含生物反應器區段200將包含兩個分離生物反應器段，如自圖1B更顯而易見，用於參考及測試含CO受質兩者之效能之同步評估。
區段200中之生物反應器段可更包含外部液體再循環迴路25及締合外部再循環(recycle/recirculation)泵30，用於改良給定生物反應器100內之混合/均一性及/或改良蒸氣-液體質量轉移速率。使用外部液體再循環迴路25，包括培養基及C1-固定微生物之液態產物可自生物反應器100之底部區段(亦即接近底端)(例如自氣體分佈器件，諸如噴布器以下及/或自液體入口或液體出口以下)抽取且外部地再循環至生物反應器100之頂部區段(亦即接近相對頂端)(例如至劃分連續氣相區與連續液相區之間的邊界之氣體/液體分界面以上)。如上文所述，外部液體再循環迴路25較佳在無包括膜過濾系統及相關清潔程序之C1-固定微生物之分離及再循環所需的增加之複雜度的情況下操作。外部液體再循環泵30以所需速率，例如以能量使用率與質量轉移速率改良之間的最佳折衷提供外部液體循環。與安裝及控制生物反應器100相關之其他組件可包含於含生物反應器段區段200內，例如生物反應器100外部之擱架201及額外設備，諸如反應器溫度控制所需的設備(例如按需要，升高或降低生物反應器100之溫度的熱示蹤及/或風扇)。
分析區段300包含氣相層析(GC)分析儀301，包含分別經組態以分 析獲自生物反應器段10之氣態及液態產物兩者之第一及第二層析管柱302a、302b。此類組態不同於常規使用高壓液相層析(HPLC)以分析液態產物中之代謝物濃度。儘管本發明的實施例包含使用HPLC以進行液態產物分析，已確定若氣體測試單元之總分析要求合併至單一GC分析儀中，則空間有利地為守恆的。一般而言，用於氣態及液態產物之分析的管柱含有不同類型之固定相(例如樹脂)，用於進行所需層析分離。分析區段300內之其他設備可包含用作GC分析儀301之基線氣體源之高純度空氣發生器(「零空氣」發生器，未示出)、封閉電組件303及具有所需顯示界面304(例如電腦)之操作軟體及公用設施箱305。亦可包含衛星通信系統315以將來自氣體測試單元1(尤其當用於具有不佳或不可靠通信服務之預期安設位點時)之資料傳送至可遠離位點(例如與位點相距至少100哩、至少1,000哩或甚至至少5,000哩)之第二設施。舉例而言，第二設施可為生物轉化方法之開發者或許可人，對即時操作氣體測試單元有興趣。衛星通信系統315因此可將用於提供關於氣體測試單元1之操作指令，諸如推薦之操作參數調節或某些處理步驟(例如氣體預處理)之變化或添加某些處理步驟之資訊傳輸至第二設施。根據其他實施例，衛星通信系統315可允許直接控制氣體測試單元1之操作，包含本文所述之各種操作參數。其他輔助組件，諸如底層抽屜306、台架(未示出)及/或格柵風扇(未示出)亦可包含於分析區段300中。
如圖1A中所示，氣體測試單元1之組件容納在容器500內，呈其容易地可運輸至遠端位置以現場評估特定含C1受質。此可運輸性有利地避免固定實驗室、中試或示範單元之位點處就組成及組成波動兩者而言之再生商業氣流之嘗試中固有的潛在誤導性(及高成本)不準確性。平均尺寸人類600之描述提供容器500之典型尺寸之表示。在頂部覆蓋分析區段300處，容器500可具有連接件，諸如鉸鏈連接件550，用於打開容器以允許藉由分析區段300較好接入設備。應瞭解，容器500不必 完全封閉氣體測試單元1，且開口，諸如操作排氣風扇所需的開口可提供於容器500中。在容器500包含開口或暴露區域(或可打開之區域)之程度上，氣體測試單元1另外至少能夠容納於具有如上文所述之尺寸的完全閉合容器內。如圖1A及1B中所示，容器500可運輸於托盤575上且經由與叉車給料口590嚙合之叉車移動相對較短距離。
圖1B之背面輪廓圖說明各別生物反應器段10a、10b之兩個生物反應器100a、100b，其分別用於評估參考及測試含C1受質之效能。此等生物反應器中之每一者可裝備有如關於圖1A在上文所述之外部液體再循環迴路25。圖1B因此提供「濕式」或含生物反應器段區段200之更完整視圖。除用於調節反應器溫度之操作控制系統(上文所述)以外，或替代所述操作控制系統，其他操作控制系統可至少部分在區段200內，儘管與反饋控制迴路相關之儀錶軟體可較佳包含在分析區段300內。此類額外操作控制系統可用於控制操作參數，諸如新鮮培養基添加速率、氣態含C1受質饋入速率及反應器pH。在控制界面活性劑添加速率的情況下，可變速率泵202a、202b(例如注射泵)可用於將界面活性劑獨立地饋入至生物反應器100a、100b。在控制氣態含C1受質饋入速率的情況下，可使用適當流動控制閥門，其根據所需氣流速率及閥上游(供應壓力)及閥下游(操作壓力)之預期壓力尺寸化。在控制反應器pH的情況下，引入至生物反應器段(例如至再循環迴路25中，圖1A中示出)之鹼性中和劑之量可藉由可變速率泵控制。代表性pH控制系統關於圖2更詳細地描述。
如圖1B中所示，包含總共六個泵，其中三個此等泵206a用於傳遞鹼性中和劑及其他方法液體(Na2S、培養基等)至第一生物反應器100a，且其他三個泵206b用於傳遞此類液體至第二生物反應器100b。亦容納於含生物反應器區段200內的為關於與各生物反應器段之操作參數相關之顯示器及控制器，包含含CO受質流動速率顯示器/控制器 207a、207b；新鮮培養基流動速率顯示器/控制器208a、208b；及反應器溫度顯示器/控制器209a、209b。此等顯示器/控制器可包含於摺疊圖(未示出)上以易於操作員接近/觀看。如關於在分析區段中使用衛星通信系統在上文所述，在替代實施例中，衛星通信系統315可同樣存在於含生物反應器區段200內，具有如上文所述之相同功能。
如圖1B中另外說明，含生物反應器區段200內之設備包含與輸入至生物反應器100a、100b之進料，及自其抽取之產物之直接處理相關之設備。此類設備之實例為新鮮培養基容器203a、203b及液態產物廢物容器204a、204b及其於生物反應器100a、100b之相關接頭。此區段中之設備之其他實例為可用於各種目的之起泡器205a、205b。舉例而言，在一特定實施例中，各生物反應器100a、100b可具有來自此等反應器之氣態產物流體連通之一系列兩個或大於兩個起泡器。有可能在各生物反應器下游直接使用一或多個空起泡器作為針對生物反應器之液體溢流之保護性措施。可在一或多個空起泡器下游使用一或多個填充流體之起泡器以提供背壓源，其用於在分析氣體樣品時將氣態產物轉移至GC。含生物反應器區段200可進一步包含用於允許將新鮮空氣循環至此區段中之排氣風扇及通風口(未示出)。此可阻礙或預防在洩漏的情況下，此區段中之C1碳源(例如CO、CO2、CH4)積聚至自健康風險或爆炸風險觀點不安全之含量。就此而言，包括C1氣體偵測器210(例如CO偵測器)之安全控制系統亦可包含於含生物反應器區段200中。安全控制系統可經組態以覆蓋一或多個，例如所有上文所述之操作控制系統(例如以控制氣態含C1受質饋入速率)。舉例而言，安全控制系統可回應於臨限值濃度(例如警報臨限值濃度)以上之環境C1濃度之量測而使測試含C1受質及/或參考含C1受質，且較佳兩者之流動暫時中止。
圖2提供關於分別用於參考及測試含C1受質之比較效能評估之生物反應器100a、100b之操作的其他細節。根據代表方法，此等含C1受 質經由接近各生物反應器段之垂直延伸生物反應器100a、100b之底端安置之氣體入口12a、12b饋入至生物反應器段。舉例而言，氣體入口可在其對應生物反應器之長度之底部25%內，且較佳底部10%內延伸至其對應生物反應器中。氣體入口將通常延伸至其對應生物反應器中，延伸至可在一般對應於反應器長度之此等百分比內之高度處居中安置於生物反應器內之氣體分佈器件。特定氣體分佈器件接近其對應第一末端包含噴布器14a、14b，氣體入口可與所述噴布器流體連通。包含未在生物轉化反應中經利用之未經轉化之C1碳源及含C1受質之任何氣態雜質(例如H2)之氣態產物自各生物反應器抽取且經由接近與底端相對之生物反應器頂端安置之氣體出口16a、16b離開。氣體出口可在其對應生物反應器之長度之頂部25%內，且較佳頂部10%內延伸至其對應生物反應器中，或以其他方式，氣態產物可在氣體出口根本不延伸至其對應生物反應器中的情況下抽取自其對應生物反應器頂部。
液態產物(或「培養液」)可經由外部液體再循環迴路25a、25b，例如藉由使用液體再循環泵30a、30b泵送，自抽取液態產物之生物反應器100a、100b之底部區段再循環至生物反應器之頂部區段(例如至生物反應器100a、100b之長度之頂部10%以內及至液體分佈器件，諸如噴頭110a、110b以上，液態產物經由所述噴頭引入至連續氣相區中。此液體隨後與在氣體/液體分界面22a、22b處變得脫離且繼續向上(總體)流過連續氣相區之氣體接觸。以此方式，生物反應器100a、100b操作此區中流動之逆流氣體及液體(向上流動氣體及向下流動液體)，所述區安置於操作如上文所述之內部液體循環之連續液相區以上。
在界定就「反應器長度」而言之各種特徵之位置中，此長度係指含有反應器內容物(反應物及反應產物之摻和物)之部分，通常視為「反應器體積」或「反應器工作體積」之長度且此長度不包含可在反應器體積以上或以下延伸之製程管線(例如進料口管線或產物出口管線)， 或容納反應器但不含任何反應器內容物之管柱或其他容器之部分。舉例而言，在圓筒形反應器的情況下，反應器長度係指圓筒之軸的長度。反應器長度之「底部10%」係指自反應器底部開始且向上延伸反應器長度之10%的高度範圍。反應器長度之「頂部10%」係指自反應器頂部開始且向下延伸反應器長度之10%的高度範圍。
生物反應器100a、100b各包含用於引入新鮮培養基之液體入口18a、18b及用於抽取反應器之液態產物之液體出口20a、20b，所述液態產物可經取樣以測定乙醇及其他代謝物之濃度，以及在必要時測定C1-固定微生物之濃度。新鮮培養基經由入口及出口18a、18b、20a、20b轉移至生物反應器100a、100b中的每一者，及液態產物(或「培養液」)自所述生物反應器轉移可經由與此等入口及出口流體連通之小孔開口管道((例如具有約1mm至約6mm之內徑)進行。抽取自生物反應器100a、100b之液態產物可傳遞至對應於工作、未充氣液位(亦即將在無氣體滯留的情況下存在之液位)之高度H，且視情況延伸至所述高度以上。亦即最終段液態產物延伸至之最高高度E可處於高度H處或高於高度H。高度H可為可調節的，且可實質上對應於虹吸截斷器75a、75b或其他類型之液體放出點之高度H。因此，在圖2之實施例中，液態產物出口20a、20b與可相對於生物反應器100a、100b調節高度的虹吸截斷器75a、75b流體連通。高度E及高度H可經調節以獨立地管控液位或液壓頭，亦即其對應生物反應器100a、100b中之氣體/液體分界面22a、22b之液位。
在圖2中描繪之特定實施例中，液體入口18a、18b及液體出口20a、20b較佳安置於對應氣體入口12a、12b及噴布器14a、14b以下之靜止區段中以允許液體饋入至給定生物反應器段之此區段或反應器位置，且自其抽取。然而，入口及出口亦有可能安置於沿其對應生物反應器之長度的其他地方，其取決於饋入及抽取液態產物之所需位置。舉例而 言，在一替代實施例中，液體出口可安置於氣體/液體分界面22a、22b之液位處或附近，以例如提供基於液體抽取高度處之溢流之液位控制。
便利地，外部液體再循環迴路25a、25b可提供生物反應器液體取樣/分析之位置，且亦經組態以用於生物反應器控制。舉例而言，鹼性中和劑(例如水性鹼，諸如NH4OH溶液或NaOH溶液)可經由鹼性中和劑入口35a、35b添加至此等再循環迴路作為控制反應器pH之操作控制系統之一部分。操作系統可進一步包含基於量測之反應器pH控制鹼性中和劑之流動之儀錶，且可更特定而言包含與生物反應器100a、100b中之每一者相關之適合反饋控制迴路。此類控制迴路包括例如量測(例如連續或間歇地)外部液體再循環迴路25a、25b內之生物反應器液體之pH值之pH分析儀40a、40b。此類控制迴路亦包含必需的硬體(例如控制閥或可變速率饋入泵，未示出)及軟體(例如電腦程式)以比較量測之pH值於給定生物反應器之設定點值，且隨後控制鹼性中和劑之流動以達到或維持設定點。
因此，生物反應器100a、100b之外部再循環迴路可與對應鹼性中和入口35a、35b流體連通且包括用於獨立控制此等生物反應器內之pH之儀錶。外部液體再循環迴路25a、25b可包含與控制其他操作參數，諸如反應器溫度相關之儀錶。舉例而言，量測(例如連續或間歇地)外部液體再循環迴路內之液體之溫度(其中此類溫度代表生物反應器之操作溫度)之溫度傳輸器可用於調節上文所述之熱示蹤及/或風扇之操作以用於反應器溫度控制。另外，外部液體再循環迴路25a、25b可包含其他液體入口45a、45b，用於以相同或改變速率獨立地將其他液體稀釋劑、試劑(例如界面活性劑)及/或養分引入至生物反應器100a、100b。
生物反應器段10a、10b可因此具有獨立可控制方法操作變量，其控制可涉及對如上文所述之外部液體再循環迴路25a、25b之生物反應 器液態產物之取樣/分析，及/或經由入口18a、18b、35a、35b、45a、45b中的任一者引入新鮮培養基、鹼性中和劑及/或其他方法液體。代表性方法操作變量包含新鮮培養基添加速率、氣態含C1受質饋入速率、反應器溫度、反應器pH以及其組合。根據各種其他例示性控制方法，(1)含C1受質之流動(例如參考含C1受質流至生物反應器段10a之流動及/或測試含C1受質流至生物反應器段10b之流動)可基於量測之反應器pH控制，(2)鹼性中和劑流至生物反應器段10a、10b中之一者或兩者之流動可基於對應生物反應器液態產物中之量測之酸性代謝物濃度(例如乙酸濃度)控制，及/或(3)新鮮培養基流至生物反應器段10a、10b中之一者或兩者之流動可基於對應生物反應器液態產物中之C1-固定微生物之量測濃度控制。
上文所述之氣體測試單元可用於例如在商業規模生物轉化方法之預期安設位點處可用的評估測試含C1受質之方法中。第一及第二生物反應器可分別用於處理參考含C1受質(例如可在評估方法之整個持續時間中固定之已知組成之含C1碳源氣體)及測試含C1受質，其可為來自工業設施，諸如鋼製造設施之可用含C1廢氣，視情況經預處理以移除一或多種污染物。一般而言，進行預處理以移除測試含C1受質之一或多種污染物，或對生物轉化方法有害(例如對C1-固定微生物之生長有害)之一或多種污染物的至少一部分(例如一或多種污染物之至少75%、至少90%或至少99%)。通常，藉由預處理移除之測試含C1受質中之污染物為在不存在預處理的情況下，當相比於在相同條件下進行之相同方法時將促進生物轉化方法中之觀測效能缺乏之彼等。污染物包含烴(例如苯)及含雜原子烴(例如鹵化烴或含有Cl、O、N及/或S中之至少一者之烴，諸如二氯丙烷、表氯醇及二氧雜環己烯)。此類污染物中的任一者一般以少量(例如以按體積計小於1%、小於1000ppm、小於100ppm或甚至小於10ppm之量)存在於未處理、測試含C1受質中。 例示性預處理包含使測試含C1受質與選擇性地移除一或多種污染物(例如藉由吸附或溶解)之固體材料或液體洗滌介質接觸。代表性固體材料包含碳(例如活性木炭)、樹脂及沸石。其他污染物包含可藉由過濾及/或液體洗滌介質移除之粉塵顆粒及其他固體(例如催化劑細粒)。
代表性參考含C1受質可為純CO，或CO及一或多種其他氣體之合成摻合物(例如CO/H2摻合物或CO、CO2及H2摻合物)。一或多種其他氣體可為已知以大致相同濃度存在於測試含C1受質中之氣體。合成摻合物可代表效能資料已預先獲得，且視情況與較大規模操作之效能相關之組合物。以此方式，參考含C1受質與測試含C1受質之比較效能可用於計算後者在較大規模操作，例如中試規模、論證規模或商業規模操作處之預測效能。在許多情況下，包含純CO或CO之合成摻合物之參考含C1受質可自加壓圓筒供應及饋入至生物反應器中之一者或兩者。使用適合之壓力調節閥(或一系列閥)，圓筒下游之壓力可減少至生物反應器之操作壓力(例如0至5巴絕對壓力)。
分別處理參考及測試含C1受質之第一及第二生物反應器之效能可經測定及比較，作為確立測試含C1受質之適合性之基礎。出於此目的，如本文所述之氣體測試單元可經組態以分析第一及第二生物反應器之氣態及液態產物兩者。舉例而言，氣態產物可經分析以測定藉由細菌培養物消耗之後參考及測試含C1受質中之C1氣體之剩餘C1氣體之量。生物反應器之總體受質利用率係指輸入至生物反應器中且用於轉化為所需產物(例如乙醇)及其他微生物代謝物中之受質之百分比。使用含CO氣體作為實例，若離開生物反應器之氣態產物之組成經測定，則總體CO利用率(表示為百分率)可計算為：1-離開生物反應器之CO比率)/(輸入所述生物反應器之CO比率)。
氣體測試單元可提供或可至少提供測定生物反應器中之每一者 中之C1碳利用率之足夠資訊(例如進料及產物氣流速率及組成)，作為在此等生物反應器之間進行比較之一個效能參數。此C1碳源利用率在「每通過一次(per pass)」或「單程(once-through)」基礎上測定，不解釋可提供較高總利用率值之氣態產物再循環(及附加費用)之使用。然而，每通過一次C1碳利用率可用於模擬中以預測使用此類再循環之方法之總C1碳利用率。
來自氣體測試單元之其他分析結果可用於藉由參考與測試含C1受質操作之生物反應器之間的效能比較中。舉例而言，獲自此等生物反應器之液態產物可通常在分離C1-固定微生物(例如藉由過濾)之後經分析以測定乙醇及其他代謝物，包含乙酸及2,3-丁二醇之濃度(效價)。舉例而言，使用GC分析儀，所有此等濃度可以公克/公升，g/l為單位獲得。在一些情況下，適合之分析器件可與氣體測試單元包含在一起，或以其他方式分開使用以量測液態產物中之C1-固定微生物濃度。代表性器件包含量測電磁能量通過樣品之吸收率或透射率(例如，分光光度計)、樣品之某一生物活性(例如，盤讀取器)或樣品在拋棄式或可再用探針(例如，聯機生物質探針)中之另一特性(例如，阻抗/電容)之器件。氣態及液態產物之分析可連續(例如使用在線分析儀)或間歇地進行。分析亦可自動或手動進行，其中手動注入至分析儀，諸如GC中由於樣品製備之靈活性及設備要求之減少而通常較佳。舉例而言，用於生物反應器之液態產物之自動化分析之取樣系統可包含適合之導管(例如導管或管路)、閥、泵及致動器以允許在所需時間對所需生物反應器取樣，及用於沖洗(flushing/purging)樣品管線以獲得精確結果之適合器件考慮到此等考慮因素，且根據特定實施例，氣態產物之分析可自動進行且液態產物之分析可手動進行。
隨時間推移之生物反應器之氣態及液態產物之分析允許監測一或多個效能參數，用作確立視情況已經受如上文所述之預處理之給定 測試含C1受質之適合性的基礎。第一生物反應器(處理參考含C1受質)之效能相對於第二生物反應器(處理測試含C1受質)之效能之比較可一般涉及就第二生物反應器(或生物反應器培養物)相對於第一生物反應器(或生物反應器培養物)而言評估一或多個量測之效能參數是否實質上偏離(亦即展現效能缺乏或偏移)。生物反應器之效能可例如經如本文所述之同時操作時段或測試時段比較。為獲得關於經第一及第二生物反應器之操作時段(亦即此等生物反應器分別經饋入參考及測試含C1受質之時段)之效能的足夠資料，生物反應器之氣態及液態產物可經對應生物反應器操作時段以足夠取樣時間間隔(若不連續，則間歇地)分析。代表性取樣時間間隔在約15分鐘至約10小時範圍內，且通常為約30分鐘至約8小時。根據特定實施例，氣態產物以介於約30分鐘至約2小時範圍內的時間間隔取樣及分析，且液態產物以介於約4小時至約8小時範圍內的時間間隔取樣及分析。較佳地，在生物反應器測試時段期間，以實質上恆定之時間間隔獲取及分析氣態及液態產物樣品。
如上文所述，可在生物反應器之間比較之一個效能參數為C1碳源利用率。其他效能參數包含生物反應器之液態產物中之乙醇濃度(效價)及/或此等液態產物中之一或多種代謝物(例如乙酸)之濃度。另一效能參數為液態產物中之乙醇與給定代謝物之比(例如乙醇/乙酸重量比)。若此等效能參數中之一或多者並不就第二生物反應器(或生物反應器培養物)相對於第一生物反應器(或生物反應器培養物)而言實質上不同，則可確立給定測試含C1受質之適合性。根據一些實施例，可容許之差異之臨限值位準可就第二生物反應器相對於第一生物反應器之最小效能缺乏(或偏移)而言定量。
舉例而言，在上文所述之效能參數的情況下，效能缺乏可基於經測試時段之效能參數之平均值(例如相比於第二生物反應器之第一生物反應器中量測之C1碳源利用率之平均值)。最小效能缺乏可例如為量 測之效能參數之平均值中之至少5%缺乏、至少10%缺乏、至少15%缺乏或至少20%缺乏。如已考慮本發明之本領域的技術人員將顯而易見，其他特定最小效能缺陷(例如介於至少1%缺乏至至少75%缺乏範圍內之任何值)可用於定量取決於特定效能參數及其他因素，可容許確立適合性之臨限值差異。如已考慮本發明之本領域的技術人員亦將顯而易見，「缺乏」係指第二生物反應器相對於第一生物反應器之效能減少，例如(1)第二生物反應器相對於第一生物反應器之平均C1碳源利用率中之百分比減少，(2)第二生物反應器之液態產物相對於第一生物反應器之液態產物中之平均乙醇濃度之百分比減少，(3)第二生物反應器之液態產物相對於第一生物反應器之液態產物中之乙酸或其他代謝物之平均濃度中之百分比增加，或(4)第二生物反應器之液態產物相對於第一生物反應器之液態產物中之乙醇與給定代謝物(例如乙酸)之平均比率中之百分比減少。
根據其他實施例，效能缺乏可基於經測試時段之效能參數之變化率(例如相比於第二生物反應器之第一生物反應器中量測之C1碳源利用率之變化率)，且因此，最小效能缺乏可反映待使用測試含C1受質實現之所需穩定度。變化率可表示為每單位時間之量測效能參數中之平均差異(例如每天之平均C1碳源利用率%，或另外就獲自擬合效能參數之量測值與模型方程式，諸如指數速率方程式(例如指數衰減方程，或一階或高階反應速率方程，或動態表現)之速率常數而言表示。在變化率用作給定效能缺乏之基礎之此類狀況下，如上文所述表性、最小效能缺乏(就百分比而言)仍可適用。另外，在此類狀況下，「缺乏」再次係指第二生物反應器相對於第一生物反應器之效能之減少，例如(1)第二生物反應器相對於第一生物反應器之C1利用損失或相關衰減速率常數之平均速率中之百分比增加，(2)第二生物反應器之液態產物相對於第一生物反應器之液態產物中之乙醇濃度損失或相關衰減速率常數 之平均速率中之百分比增加，(3)第二生物反應器之液態產物相對於第一生物反應器之液態產物中之乙酸或其他代謝物之濃度增加或相關速率常數之平均速率中之百分比增加，或(4)第二生物反應器之液態產物相對於第一生物反應器之液態產物中之乙醇與給定代謝物(例如乙酸)之比中之減少或相關速率常數之平均速率中之百分比增加。
其他效能參數或其他效能參數變化可用作確立給定測試含C1受質之適合性的基礎，如將為已考慮本發明之本領域的技術人員理解。通常，用作確立測試含C1受質之適合性的基礎之所述生物反應器之效能之間的比較包括量測至少第一及第二生物反應器之氣態產物中之至少一種C1碳源之濃度及量測此等反應器之液態產物中之乙醇及至少一種其他代謝物(例如乙酸)之濃度。在許多情況下，用於饋入第一生物反應器之參考含C1受質之組成已知且因此不在測試時段期間在連續或甚至週期基礎上分析。在測試含C1受質的情況下情況亦可如此，至少經操作之一些有限持續時間(例如介於約1至約5天範圍內)，其可對應於測試時段。根據其他實施例，測試含C1受質之組成可在測試時段期間顯著波動，且實際上，此類波動可對於評估將在商業實踐中遇到之實際組成範圍下之效能有價值。在特定實施例中，按100%×(最高濃度/最低濃度-1)計，測試含C1受質中之C1碳源或其他氣體之濃度可波動至少約20%(例如約20%至約500%)，其中最高及最低濃度為測試時段期間量測之彼等。在其他實施例中，此偏差可為至少約40%(例如約40%至約250%)，至少約50%(例如約50%至約100%)。
根據圖3中描繪之特定方法，生物轉化方法，例如使用C1-固定微生物自C1-碳源產生乙醇之微生物醱酵使用參考含C1受質(例如合成氣體，其可為氣體摻合物，如上文所述)建立於第一及第二生物反應器兩者中。在此步驟中，使用參考含C1受質作為兩種培養物之養分，C1-固定微生物之單獨、第一及第二培養物得以維持。根據起始方法之一 種可能程序，第一及第二生物反應器可起初以C1-固定微生物接種或填充(例如以凍乾形式)，且在培養物中之一定批式生長時段之後，微生物可達成充分高濃度，使得連續添加新鮮培養基可起始。
在代表性實施例中，培養物例如藉由持續4天，或更通常約1天至約10天，例如約2天至約7天之總時段之批式接著連續操作建立。在此時段之後，已饋入至第二生物反應器之參考含C1受質改變為測試含C1受質(製程氣體)，而參考含C1受質連續饋入至第一生物反應器。第一生物反應器之操作藉由必要時可用於接種或再接種第二生物反應器(在此生物反應器之不佳/不穩定操作之情況下)之穩定細菌培養物(「對照/種子培養物」)維持。具有「對照/種子培養物」之第一生物反應器在相對於第一培養物評估第二培養物之效能之時段，例如藉由基於獲自生物反應器之氣態及液態產物之分析結果比較上文所述之效能參數中之一或多者期間操作。
如圖3中所示，自參考轉換為測試含C1受質之後的第二生物反應器中之穩態操作可能需要3天，或更一般化地，約1至約7天。測試含C1受質可再持續代表測試時段之3天，或更一般化地，再持續1至7天饋入至穩態測試(評估)條件下之此「實驗培養物」。為證實測試含C1受質之適合性，可進行額外時段之「穩定性測試」，其中氣態及液態產物之分析頻率與「實驗培養物」之前述效能評估相同，或可能相對於其減少。在代表實施例中，驗證穩定性測試時段可持續約3天至約28天，且通常約7天至約21天。因此，第二生物反應器可在關於此培養物建立穩態條件之時間期間，及/或在穩定性測試之後續時段期間監測實驗培養物之效能。在此等時段中之一者或兩者期間遇到不穩定性之情況下，或在獲得如上文所述之最小效能缺乏(亦即超出如上文所述之效能參數之缺乏之最小可容許水準)之情況下，第二生物反應器可經接種或再接種。在未遇到不穩定性(或最小或可容許不穩定性水準)之情況 下，或在未獲得如上文所述之最小效能缺乏(亦即未超出如上文所述之效能參數之缺乏之最小可容許水準)之情況下，隨後可確立或確認測試含C1受質適合於生物轉化方法。
若第二生物反應器變得需要接種或再接種(例如藉由第三細菌培養物)，則可測試如上文所述之矯正措施，接著就第二生物反應器而言重複實現穩態操作、相對於第一生物反應器進行效能評估及/或進行穩定性測試之步驟。代表性矯正措施為在增強型氣體處理(純化)之後獲得之較高品質(例如更純)測試含C1受質，隨後引入至第二生物反應器。矯正措施之測試可涉及基於獲得與初始測試中相同或不同之最小效能缺乏之效能評估。如圖3中所說明，可進行「進一步穩定性測試」之時段以確立或證實矯正措施適合於生物轉化方法。進一步穩定性測試之條件及持續時間可與初始穩定性測試之彼等相同或不同。如已考慮本發明之本領域的技術人員將瞭解，可進行其他、連續矯正措施之測試(例如使用第四、第五、第六等細菌培養物)，尤其在先前矯正措施不成功之情況下。
以下實例作為本發明之代表闡述。此等實例並不應理解為限制本發明之範疇，因為此等及其他等效實施例鑒於本發明及所附申請專利範圍將顯而易見。
實例1
單元組態
構築具有生物反應器區段，包含兩個循環環流反應器(反應器體積各為2公升)之氣體測試單元。含C1受質(參考及測試)之控制基於氣流計/控制器設定，且各反應器包含自動pH值補償(控制)系統，基於NH4OH或其他鹼性中和劑流動之調節。反應器段不包含用於細菌培養物之分離及再循環的膜分離系統。熱示蹤及風扇安裝於生物反應器區段中以用於反應器溫度控制。使用垂直隔板維持與生物反應器區段隔 開之分析區段中之設備包含雙管柱氣相層析(用於氣體及液體樣品之分離GC管柱)及閥/致動器以允許用於氣體分析之自動化取樣。分析區段經組態以將來自反應器之液態產物手動注入至GC中，用於測定乙醇、乙酸(乙酸)及2,3-丁二醇之濃度。膝上型電腦包含於此區段中以控制分析及方法操作參數。
更特定而言，氣相層析定製有外部烘箱、閥、致動器及6端口選擇閥以允許氣態產物之自動化及連續分析。此閥藉由亦控制GC且由膝上型電腦執行之軟體控制。僅閥及樣品保持迴路組態於主GC烘箱外部；其他管柱組件位於烘箱中。致動器及閥與烘箱隔離選擇為防止熱膨脹及收縮且從而延長操作壽命且減少維修之方式。GC及其支撐組件之寬度為大致80cm。適用於GC之其他設備包含零空氣發生器、熱導率(TCD)偵測器(在高純度純氬氣下運行)及火焰電離偵測器(FID)(在壓縮空氣及氫氣下運行)。
生物反應器及分析區段(包含GC及其支撐組件，其邊緣周圍具有大致10cm以允許冷卻)組裝至整裝箱中以用於運輸。使用例如活性碳預處理含C1受質考慮為「箱外」選項，其取決於客戶之氣體品質。對於溫度波動之額外控制/最小化，氣體測試單元可容納於室內(例如在臨時建築物內)。
實例2
實例1之氣體測試單元傳送至客戶現場以便於客戶含C1受質(測試含C1受質)之測試。待測試之含C1氣體如同以磷生產方法之主要副產物形式產生之工業氣體。通常，含C1如藉由客戶展開。氣體測試單元傳送至現場以確定測試含C1受質是否適合於藉由生物轉化方法轉化為產物。
測試含C1受質之組成顯示於表3中。
Figure 104134733-A0202-12-0041-9
測試含C1受質之氣體清除通常包括傳遞測試含C1受質通過靜電沈澱器及水洗滌器。測試含C1受質經進一步處理以移除已知污染物。進一步處理包含使用兩個泡沫洗滌器及活性碳床。第一泡沫洗滌器含有碳酸鈉溶液(5%)，第二泡沫洗滌器含有硫酸銅溶液，且碳床含有大致10kg來自Calgon之「sulfisorb 8 GAC」。
壓縮空氣推進器用於增加經處理測試含C1受質之壓力以在氣體測試單元之入口提供2.0巴之最小值。
在客戶設施處進行三次測試運行以分析測試含C1受質之適合性。測試運行1及2使用經處理測試含C1受質進行，且測試3使用原始/未處理測試含C1氣體進行。
測試運行1使用具有以下組成之經處理測試含C1受質進行：
Figure 104134733-A0202-12-0041-7
將液體養分培養基添加至GST反應器容器。液體養分培養基每公升含有MgCl、CaCl2(0.5mM)、KC1(2mM)、H3PO4(5mM)、Fe(100μM)、Ni、Zn(5μM)、Mn、B、W、Mo及Se(2μM)。培養基經高壓滅菌，且在高壓滅菌之後，培養基補充有硫胺素、泛酸鹽(0.05mg)及生物素(0.02mg)且藉由3mM半胱胺酸-HCl還原。
氮氣噴灑至反應器容器中，且pH及ORP經調節。GTS反應器容器隨後經由注射器接種凍乾細胞。凍乾細胞為保藏於DSMZ(The German Collection of Microorganisms and Cell Cultures,Inhoffenstraße 7 B, 38124 Braunschweig,Germany)之自產乙醇梭菌菌株DSM23693。輸入氣體隨後自氮氣轉變為經處理含C1氣體。
測試運行經5天之時段進行。在第4.2天，自產乙醇梭菌培養物之生長以肉眼確認。在第5天，醱酵液之GC分析確認1.6g/L之乙醇濃度及5.4g/L之乙酸濃度。
測試運行1確認凍乾接種物之成功復活，展示培養物之連續生長，且展示藉由培養物之乙醇產生。測試運行1確認經處理測試含C1受質適合於生物方法，且展示無對於生長具有負面影響之未知污染物存在於測試含C1受質中。
測試運行2使用具有13% CO組成之經處理含C1受質進行。肉眼確認生長確認於第3.75天。在第4.75天，在無同時發生的乙醇產生之情況下顯示5-6g/L之相對穩定乙酸濃度。此結果與供應不足培養條件一致。引入測試含C1之CO組成在第9.73天增加至72%之濃度。經隨後3天，觀測到乙醇產生，觀測到大於8g/L乙醇之量測值。
測試運行2確認測試運行1之發現。
測試運行3使用具有72%之CO組成之經處理測試含C1氣體開始。一旦已確定培養物之生長，氣體轉變為未處理測試含C1受質。培養物在未處理測試含C1供應至氣體測試單元之一天內收縮。測試運行3確認原始/未處理測試含C1氣體並不適合於生物方法。
單元操作/輔助設備
兩個生物反應器均將以凍乾生物饋入(接種)，且培養物使用合成氣體，諸如來自當地供應商之圓筒裝氣體建立。在藉由合成氣體啟動之後，一個反應器將轉變為現場氣體以持續數天至數週之測試時段驗證運行中之效能。若現場氣體在足夠壓力，例如標稱至少約2巴絕對壓力，例如在約3至約10巴絕對壓力範圍內不可用，則可視需要使用升壓 器壓氣機以將現場氣體之可用壓力增加至此類壓力，進而保證穩定輸入至生物反應器。用於將生物反應器之氣體源自合成氣體(例如瓶裝或圓筒裝氣體)轉變為現場氣體之閥可在一些情況下具有用於允許來自替代來源之氣流的額外端口。舉例而言，三通閥可允許操作者在合成氣體、現場氣體及沖洗氣體(其可為惰性氣體，諸如氮氣)中改變來源。可進行視情況存在之批式運行以研究增加液態產物之乙醇效價。由於測試所需的低計劃氣流速率(約2公升/分鐘)，離開氣體測試單元之氣態產物可返回至其來源(例如客戶廢氣流)或以其他方式排放至大氣中。
氣體測試單元包含之設備、輔助材料及支持，以及預期設施(客戶)之設備/要求及實施/操作氣體測試單元所需的來自當地供應商之其他要求之例示性列表如下：
Figure 104134733-A0202-12-0043-10
能力/目標/交付物
與氣體測試單元之操作相關之一些關鍵能力包含驗證(1)在整個藉由設施供應之改變氣體組成之範圍中穩定及以其他方式可接受之操作，(2)對於未處理氣體之積極微生物生長，(3)氣體及液體樣品之污染物概況，(4)使用合成摻合物在其他地方(在非現場測試中)獲得之效能目標，(5)由使用現場氣體相對於合成氣體及/或使用製程(局部、現場)水相對於自來(局部、飲用)水以及相對於購買之蒸餾水造成之任何操 作偏差。
來自預期設施之氣體之現場測試之其他目標為(1)獲得具有現場氣體、具有或不具有預處理及製程水相對於合成氣體之生物反應器效能之比較，(2)分相對於無污染物之合成氣體析總體而言包含微量化合物之氣體污染物對氣體吸收、微生物生長及代謝物選擇率之影響，(3)類似地分析現場製程水之影響，(4)分析是否需要進一步氣體清除/預處理，(5)分析是否局部製程水將支持各種稀釋劑(新鮮培養基)引入速率下之細菌生長，(6)藉由獲得之資料驗證或更新反應器模型且從而改良效能估計作為提供保證之基礎，(7)例如藉由與已知污染物比較獲得自氣體預處理床(吸附床)解吸附之氣體污染物之「事後析誤」分析。
預期由於獲自氣體測試單元之資訊而提供之關鍵交付物將變化且取決於簡化及預期設施之需要。交付物之一些代表性實例經驗證：(1)設施提供支持生物轉化方法之氣流，(2)產物(乙醇)及代謝物選擇率自經濟觀點可接受，(3)提出之氣體純化策略(若使用)有效，(4)製程水或另一局部水源可接受，(5)氣體組成波動之範圍可容許且其影響可經預測，(6)氣體測試單元之GC分析及其他資訊為精確的，(7)氣體污染物含量(若偵測)可經微生物培養容許。
總體而言，本發明之態樣係關於現場測試產生於預期設施處之實際氣體，用於生物轉化方法中，且尤其用於含CO受質之微生物醱酵以生產乙醇之可運輸單元。氣體測試單元及確立測試含CO受質之適合性之相關方法及方法論提供如本文所述之多種優點，尤其就獲得實際且精確效能預期及目標而言，其不可以其他方式獲自非現場模擬商業氣體組成之嘗試。本領域的技術人員藉由獲自本發明之知識將認識到可在不背離本發明之範疇的情況下在本文所述之裝置及方法中作出各種變化。
1‧‧‧氣體測試單元
10‧‧‧生物反應器段
25‧‧‧外部液體再循環迴路
30‧‧‧外部液體再循環泵
100‧‧‧生物反應器
200‧‧‧含生物反應器段區段
201‧‧‧擱架
250‧‧‧垂直隔板
300‧‧‧分析區段
301‧‧‧氣相層析分析儀
302a‧‧‧第一層析管柱
302b‧‧‧第二層析管柱
303‧‧‧封閉電組件
304‧‧‧顯示界面
305‧‧‧公用設施箱
306‧‧‧底層抽屜
315‧‧‧衛星通信系統
500‧‧‧容器
550‧‧‧鉸鏈連接件
575‧‧‧托盤
590‧‧‧叉車給料口
600‧‧‧平均尺寸人類

Claims (22)

  1. 一種氣體測試單元，其包括：用於評估參考含C1受質之效能之第一生物反應器段；用於評估測試含C1受質之效能之第二生物反應器段；經組態以分析所述第一及第二生物反應器之氣態及液態產物兩者之分析區段；其中所述第一及第二生物反應器段各包括循環迴路生物反應器；其中所述分析區段經組態使第一及第二生物反應器之效能可經測定及比較；其中所述氣體測試單元能夠容納於體積小於約6m3之容器內且可運輸至多個位置；且其中所述氣體測試單元能夠容納於長度、寬度及高度尺寸各小於約1.8米之箱內。
  2. 如申請專利範圍第1項之氣體測試單元，其中所述箱之長度、寬度及高度尺寸各小於約1.6米。
  3. 如申請專利範圍第2項之氣體測試單元，其中所述箱之所述長度、寬度及高度尺寸中之一者小於約1.6米，且所述長度、寬度及高度尺寸中之其他兩者小於約1.3米。
  4. 如申請專利範圍第1項之氣體測試單元，其中所述分析區段包括氣相層析(GC)分析儀，其具有經組態以分別用於分析所述氣態產物及所述液態產物之第一及第二層析管柱。
  5. 如申請專利範圍第1項之氣體測試單元，其中所述第一及第二生物反應器段各進一步包括外部再循環迴路及再循環泵，用於將所述生物反應器之鄰近底端抽取之液體再循環至所述生物反應器 之鄰近相對頂端。
  6. 如申請專利範圍第1項之氣體測試單元，其進一步包括用於控制一或多個選自由以下組成之群的操作參數之操作控制系統：培養基添加速率、氣態含C1受質饋入速率、反應器溫度及反應器pH。
  7. 如申請專利範圍第6項之氣體測試單元，其中所述一或多個操作參數包含反應器pH，且所述控制系統包含用於基於量測之反應器pH控制流至所述生物反應器之鹼性中和劑之流動的儀錶。
  8. 如申請專利範圍第1項之氣體測試單元，其進一步包括安全控制系統，其用於回應於臨限值濃度以上之環境C1碳源濃度之量測使至少所述測試含C1受質或所述參考含C1受質之流動暫時中止。
  9. 如申請專利範圍第1項之氣體測試單元，其中所述含C1受質含有至少一種選自由以下組成之群的C1-碳源：CO、CO2及CH4。
  10. 一種用於評估測試獲自工業方法(inductrial process)之含C1受質用於生物轉化方法中之適合性之方法，所述方法包括：(a)提供氣體測試單元，其包括：(i)用於評估參考含C1受質之效能之第一生物反應器段；(ii)用於評估測試含C1受質之效能之第二生物反應器段；(iii)經組態以分析所述第一及第二生物反應器之氣態及液態產物兩者之分析區段；其中所述氣體測試單元能夠容納於體積小於約6m3之容器內且可運輸至多個位置；(b)將所述參考含C1受質饋入至含有C1-固定微生物之第一培養物之第一生物反應器，所述第一生物反應器在目標操作條件組下操作；(c)將所述獲自工業方法之測試含C1受質饋入至含有所述C1-固定微生物之第二培養物之第二生物反應器，所述第二生物反 應器在與所述第一生物反應器相同目標操作條件組下操作；(d)分析所述第一及第二生物反應器之氣態及液態產物兩者以測定所述第一及第二生物反應器之效能；以及(e)相對於所述第二生物反應器之效能，比較所述第一生物反應器之效能以確定所述獲自工業方法之測試含C1受質用於生物轉化方法之適合性；所述方法之特徵在於其係於所述工業方法現場進行。
  11. 如申請專利範圍第10項之方法，其中步驟(b)及步驟(c)的至少一部分同時進行。
  12. 如申請專利範圍第10項之方法，其包括將所述參考含C1受質饋入至所述第二生物反應器，隨後在步驟(b)中將所述測試含C1受質饋入至所述第二生物反應器。
  13. 如申請專利範圍第10項之方法，其中所述獲自工業方法之測試含C1受質為已經預處理以移除污染物。
  14. 如申請專利範圍第10項之方法，其中分析步驟(d)包括量測所述第一及第二生物反應器之所述氣態產物中之C1碳源之濃度及量測所述第一及第二生物反應器之所述液態產物中之乙醇及至少一種其他代謝物之濃度。
  15. 如申請專利範圍第10項之方法，其中一氧化碳營養型微生物之所述第一及第二培養物中之至少一者包括藉由局部水源製備或補充有局部水源之培養基。
  16. 如申請專利範圍第10項之方法，其中所述C1-固定微生物為來自屬梭菌屬之一氧化碳營養型微生物。
  17. 如申請專利範圍第16項之方法，其中所述C1-固定微生物選自由以下組成之群：自產乙醇梭菌(Clostridium autoethanogenum)、將達梭菌(Clostridium ljungdahlii)及拉氏梭菌(Clostridium ragsdalei)。
  18. 一種確定獲自工業方法之測試含C1受質是否支持生物轉化方法之方法，所述方法包括：(a)提供氣體測試單元，其包括：(i)用於評估參考含C1受質之效能之第一生物反應器段；(ii)用於評估測試含C1受質之效能之第二生物反應器段；(iii)經組態以分析所述第一及第二生物反應器之氣態及液態產物兩者之分析區段；其中所述氣體測試單元能夠容納於體積小於約6m3之容器內且可運輸至多個位置；(b)維持一氧化碳營養型微生物之單獨、第一及第二培養物，其使用所述參考含C1受質作為產生乙醇及至少一種其他代謝物之養分；(c)將作為所述第二培養物之所述養分之所述參考含C1受質改變為獲自工業方法之測試含C1受質；(d)在相同目標操作條件組下，但使用不同參考及測試含C1受質相對於所述第二培養物之效能評估所述第一培養物之效能；(e)若未在步驟(d)中獲得所述第二培養物之最小效能缺乏，則證實所述測試含C1受質支持所述生物轉化方法；(f)若在步驟(d)中獲得最小效能缺乏，則預處理所述測試含C1受質或增強其預處理以提供相對於用於在步驟(d)中評估效能之所述測試含C1受質之較高品質測試含C1受質。
  19. 如申請專利範圍第18項之方法，其進一步包括：(g)在相同目標操作條件組下，但使用不同參考及較高品質測試含C1受質相對於第三培養物之效能評估所述第一培養物之效能；以及 (h)若未在步驟(g)中獲得所述第三培養物之最小效能缺乏，則證實所述較高品質測試含C1受質支持生物轉化方法。
  20. 如申請專利範圍第18項之方法，其中不同水源用於製備所述第一及第二培養物或補充所述第一及第二培養物。
  21. 如申請專利範圍第18項之方法，其中在步驟(d)中，所述第一及第二培養物之效能經至少約7天之測試時段同時評估。
  22. 如申請專利範圍第10項或18項之方法，其中所述含C1受質含有至少一種選自由以下組成之群的C1-碳源：CO、CO2及CH4。
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