(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2023-03-15
(54)【発明の名称】生物変換のためのプロセス制御
(51)【国際特許分類】
C12P 7/06 20060101AFI20230308BHJP
C12N 1/20 20060101ALI20230308BHJP
C12P 7/40 20060101ALI20230308BHJP
【ＦＩ】
C12P7/06
C12N1/20 A
C12P7/40
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2022542381
(86)(22)【出願日】2020-12-15
(85)【翻訳文提出日】2022-07-11
(86)【国際出願番号】 US2020065092
(87)【国際公開番号】W WO2021146013
(87)【国際公開日】2021-07-22
(31)【優先権主張番号】62/961,743
(32)【優先日】2020-01-16
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】520314674
【氏名又は名称】ジュペン バイオ （エイチケイ） リミテッド
(74)【代理人】
【識別番号】100094569
【弁理士】
【氏名又は名称】田中 伸一郎
(74)【代理人】
【識別番号】100103610
【弁理士】
【氏名又は名称】▲吉▼田 和彦
(74)【代理人】
【識別番号】100109070
【弁理士】
【氏名又は名称】須田 洋之
(74)【代理人】
【識別番号】100119013
【弁理士】
【氏名又は名称】山崎 一夫
(74)【代理人】
【識別番号】100123777
【弁理士】
【氏名又は名称】市川 さつき
(74)【代理人】
【識別番号】100111796
【弁理士】
【氏名又は名称】服部 博信
(74)【代理人】
【識別番号】100123766
【弁理士】
【氏名又は名称】松田 七重
(72)【発明者】
【氏名】ノイベック マイケル
(72)【発明者】
【氏名】スティルウェル トレバー
(72)【発明者】
【氏名】カマルゴ ネスター
【テーマコード（参考）】
4B064
4B065
【Ｆターム（参考）】
4B064AC03
4B064CA02
4B064CD07
4B064DA16
4B065AA01X
4B065AC14
4B065BA30
4B065BD29
4B065CA06
(57)【要約】
ガス状基質を有用な最終生成物、例えば、エタノールに変換するための生物学的プロセスを強化するための制御プロセスを提供する。プロセスは、基質添加速度で、ＣＯ及びＣＯ2の１種以上を含むガス状基質をバイオリアクターに供給する工程を含む。バイオリアクターに供給された酢酸生成菌は、発酵ブロス中でガス状基質を発酵させる。プロセスは、発酵ブロス中のカルボン酸及び／又はカルボキシレートの濃度を決定する工程を含む。制御アルゴリズムにより、これらの濃度を用いてガス状基質の添加速度を調整する。
【選択図】 図１
【選択図】 図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
プロセスであって、基質添加速度で、ＣＯを含むガス状基質をバイオリアクターに供給する工程、
酢酸生成菌を前記バイオリアクターに供給する工程、
発酵ブロス中で前記ガス状基質を発酵させる工程、
発酵ブロス中のＡMの濃度を決定する工程であって、ＡMが、カルボン酸及びカルボキシレートの濃度である、前記工程、及び
ＡMを制御アルゴリズムに用いてガス状基質の添加速度を調整する工程
を含む、前記プロセス。
【請求項2】
制御アルゴリズムが、式Ｉterm＝Ｅint／ＩによりＩtermを決定する工程を含み、式中、Ｉは、定数であり、
式中、Ｅint＝（前のＥint）＋（ＡM－ＡT）*ｄｔであり、式中、ｄｔは、透過物中のＡMを決定する間の時間間隔であり、式中、前のＥint及びＥintは、開始時及び終了時の値、又は時間間隔ｄｔでの値である、請求項１に記載のプロセス。
【請求項3】
制御アルゴリズムが、式Ｐterm＝（ＡM－ＡT）*ＰによりＰtermを決定する工程を含み、式中、ＡTは、カルボン酸及びカルボキシレートの目標濃度であり、Ｐは、定数である、請求項２に記載のプロセス。
【請求項4】
制御アルゴリズムが、式Ｅint＝（前のＥint）＋（ＡM－ＡT）*ｄｔによりＥintを決定する工程であって、式中、ｄｔが、透過物中のＡMを決定する間の時間間隔であり、式中、前のＥint及びＥintが、開始時及び終了時の値、又は時間間隔ｄｔでの値である、前記工程、
式Ｉterm＝Ｅint／ＩによりＩtermを決定する工程であって、Ｉが、定数である、前記工程、及び
式コントローラーoutput＝Ｐterm＋Ｉtermによりコントローラーoutputを決定する工程
を更に含む、請求項２に記載のプロセス。
【請求項5】
Ｉが、１００～１０，０００である、請求項２に記載のプロセス。
【請求項6】
Ｐが、０～５０である、請求項３に記載のプロセス。
【請求項7】
透過物が、発酵ブロスから形成され、カルボン酸が、該透過物で測定される、請求項１に記載のプロセス。
【請求項8】
カルボン酸の濃度が、近赤外線分光法（ＮＩＲ）、ガスクロマトグラフィー、高圧液体クロマトグラフィー、質量分析法、及びこれらの組み合わせからなる群より選ばれる分析技術により測定される、請求項１に記載のプロセス。
【請求項9】
プロセスが、少なくとも約１００ｇエタノール／（Ｌ・日）のＳＴＹを提供する、請求項１に記載のプロセス。
【請求項10】
発酵ブロス中のＡMの濃度を決定する工程、及びＡMを制御アルゴリズムに用いてガス状基質の添加速度を調整する工程が、３０分内に完了する、請求項１に記載のプロセス。
【請求項11】
酢酸生成菌が、クロストリジウム属細菌、クロストリジウム・アセチカム、クロストリジウム・アセトブチリカム、クロストリジウム・アセトブチリクムＰ２６２（ＤＳＭＺドイツのＤＳＭ１９６３０）、クロストリジウム・オートエタノゲナム（ＤＳＭＺドイツのＤＳＭ１９６３０）、クロストリジウム・オートエタノゲナム（ＤＳＭＺドイツのＤＳＭ１００６１）、クロストリジウム・オートエタノゲナム（ＤＳＭＺドイツのＤＳＭ２３６９３）、クロストリジウム・オートエタノゲナム（ＤＳＭＺドイツのＤＳＭ２４１３８）、クロストリジウム・カルボキシディボランスＰ７（ＡＴＣＣ ＰＴＡ－７８２７）、クロストリジウム・コスカチイ（ＡＴＣＣ ＰＴＡ－１０５２２）、クロストリジウム・ドラケイ、クロストリジウム・リュングダリイＰＥＴＣ（ＡＴＣＣ ４９５８７）、クロストリジウム・リュングダリイＥＲＩ２（ＡＴＣＣ ５５３８０）、クロストリジウム・リュングダリイＣ－０１（ＡＴＣＣ ５５９８８）、クロストリジウム・リュングダリイＯ－５２（ＡＴＣＣ ５５８８９）、クロストリジウム・マグナム、クロストリジウム・パストゥリアヌム（ＤＳＭＺドイツのＤＳＭ５２５）、クロストリジウム・ラグスダリＰ１１（ＡＴＣＣ ＢＡＡ－６２２）、クロストリジウム・スカトロゲネス、クロストリジウム・サーモアセチカム、クロストリジウム・ウルツネンセ、酢酸生成菌、アセトバクテリウム属細菌、アセトゲニウム・キブイ、アセトバクテリウム・ノテラエ、アルカリバクルム・バッキＣＰ１１（ＡＴＣＣ ＢＡＡ－１７７２）、ブラウティア・プロダクタ、ブチリバクテリウム・メチロトロフィカム、カルダナエロバクター・サブテラネウス、カルダナエロバクター・サブテラネウス・パシフィカム、カーボキシドサーマス・ハイドロゲノフォルマンス、デスルホトマクルム・クズネツォビイ、ユーバクテリウム・リモスム、ゲオバクター・スルフレデュセンス、メタノサルシナ・アセチボランス、メタノサルシナ・バーケリ、モーレラ・サーモアセティカ、モーレラ・サーモオートトロフィカ、オキソバクター・フェニジイ、ペプトストレプトコッカス・プロダクツス、ルミノコッカス・プロダクツス、サーモアネロバクター・キブイ、クロストリジウム・スティックランディイ、及びこれらの組み合わせからなる群より選ばれる、請求項１に記載のプロセス。
【請求項12】
プロセスが、約４～約６．９の範囲に維持される、請求項１に記載のプロセス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本出願は、２０２０年１月１６日に出願された米国仮特許出願第６２／９６１，７４３号の利益を主張するものであり、該仮特許出願のすべての内容は、参照として本明細書に含まれる。
一酸化炭素を含むガス状基質の生物変換のプロセスを提供する。より具体的には、該プロセスは、カルボン酸及び／又はカルボキシレートの濃度を用いてガス状基質の添加速度を制御することにより、ガス状基質の生物変換を制御する工程を含む。
一酸化炭素を含むガス状基質の生物変換のプロセスを提供する。より具体的には、該プロセスは、カルボン酸及び／又はカルボキシレートの濃度を用いてガス状基質の添加速度を制御することにより、ガス状基質の生物変換を制御する工程を含む。
【背景技術】
【0002】
一酸化炭素の生成は、自然のプロセスのみならず、石炭、石油及び天然ガスなどの化石燃料の燃焼を含む工業的プロセスからも起こる。工業的プロセスが一因で、環境への炭素放出が、増加し続けている。
発酵の制御は、多くの場合、手動測定、及びかかる測定の結果に基づく調整に基づいている。かかる手動プロセスは、測定と調整との間にある程度の時間差を有するため、発酵の効率が悪くなることがある。さらに、より自動化された制御戦略の使用により、より精密な制御を提供し、より速い反応時間を提供し、労働コストを下げることができる。
一酸化炭素（ＣＯ）の大量発生を考慮すると、一酸化炭素を効率的に利用することができる細菌発酵システムのニーズがある。
発酵の制御は、多くの場合、手動測定、及びかかる測定の結果に基づく調整に基づいている。かかる手動プロセスは、測定と調整との間にある程度の時間差を有するため、発酵の効率が悪くなることがある。さらに、より自動化された制御戦略の使用により、より精密な制御を提供し、より速い反応時間を提供し、労働コストを下げることができる。
一酸化炭素（ＣＯ）の大量発生を考慮すると、一酸化炭素を効率的に利用することができる細菌発酵システムのニーズがある。
【発明の概要】
【0003】
プロセスは、基質の添加速度で、ＣＯを含むガス状基質をバイオリアクターに供給する工程を含む。バイオリアクターに供給された酢酸生成菌は、発酵ブロス中でガス状基質を発酵させる。本発明のプロセスは、発酵ブロス中のＡMの濃度を決定する工程を含み、ＡMは、カルボン酸及びカルボキシレートの濃度である。制御アルゴリズムにより、ＡMを用いてガス状基質の添加速度を調整する。
【0004】
上記で述べた本開示の特徴を詳しく理解することができるように、上記で簡潔に要約した本開示のより具体的な説明は、そのいくつかが、添付の図面に示されている実施形態を参照することによって得ることができる。しかしながら、本開示が他の等しく有効な実施形態を認め得るため、添付の図面は、本開示の典型的な実施形態を示すものにすぎず、したがって本開示の範囲を限定するものと考慮すべきではないことに留意されたい。
【図面の簡単な説明】
【0005】
【発明を実施するための形態】
【0006】
以下の記載は、限定的な意味で捉えるべきではなく、単に例示的な実施形態の一般原理を説明する目的のために行うものにすぎない。本開示の範囲は、特許請求の範囲を参照して決定すべきである。
定義
特に定義されていない限り、本開示のために本明細書全体を通して使用されている以下の用語は、以下のとおり定義されており、以下に定義されている定義の単数形又は複数形のどちらかを含むことができる。
任意の量を修飾する用語「約」は、現実世界の状況、例えば、実験室、パイロットプラント又は生産施設において遭遇する量の変動を指す。例えば、混合物若しくは量に使用される成分又は測定の量は、「約」により修飾される場合、生産プラント又は実験室内の実験条件下で測定する際に通常使用される変更及び注意の度合いを含む。例えば、生成物の成分量は、「約」により修飾される場合、プラント又は実験室内の複数の実験におけるバッチ間の変動、及び分析方法に固有の変動を含む。「約」により修飾されるか否かにかかわらず、量は、該量と同等のものを含む。本明細書において述べられており、「約」により修飾されている量はいずれも、「約」により修飾されていない量として本開示に使用することもできる。
定義
特に定義されていない限り、本開示のために本明細書全体を通して使用されている以下の用語は、以下のとおり定義されており、以下に定義されている定義の単数形又は複数形のどちらかを含むことができる。
任意の量を修飾する用語「約」は、現実世界の状況、例えば、実験室、パイロットプラント又は生産施設において遭遇する量の変動を指す。例えば、混合物若しくは量に使用される成分又は測定の量は、「約」により修飾される場合、生産プラント又は実験室内の実験条件下で測定する際に通常使用される変更及び注意の度合いを含む。例えば、生成物の成分量は、「約」により修飾される場合、プラント又は実験室内の複数の実験におけるバッチ間の変動、及び分析方法に固有の変動を含む。「約」により修飾されるか否かにかかわらず、量は、該量と同等のものを含む。本明細書において述べられており、「約」により修飾されている量はいずれも、「約」により修飾されていない量として本開示に使用することもできる。
【0007】
用語「発酵槽」は、１つ以上の容器及び／若しくは塔、又は配管からなる発酵装置／バイオリアクターを含み、回分反応器、半回分反応器、連続反応器、連続撹拌槽型反応器（ＣＳＴＲ）、気泡塔反応器、外部循環ループ式反応器、内部循環ループ式反応器、固定化細胞反応器（ＩＣＲ）、トリクルベッド反応器（ＴＢＲ）、移動床式バイオフィルム反応器（ｍｏｖｉｎｇ ｂｅｄ ｂｉｏｆｉｌｍ ｒｅａｃｔｏｒ、ＭＢＢＲ）、ガスリフト型発酵槽、中空糸膜バイオリアクター（ＨＦＭＢＲ）などの膜反応器、スタティックミキサー、ガスリフト型発酵槽、又は気液接触に適した他の容器若しくは他の装置が挙げられる。
用語「発酵」、「発酵プロセス」又は「発酵反応」等は、プロセスの増殖期及び生成物の生合成期の両方を包含することを意図している。一態様において、発酵は、ＣＯのカルボン酸への変換を指す。別の態様において、発酵は、ＣＯのアルコールへの変換を指す。更に別の態様において、発酵は、ＣＯの、アルコール及びカルボン酸への変換を指す。
用語「細胞密度」は、発酵ブロスの単位体積あたりの微生物細胞の質量、例えば、グラム／リットルを意味する。
用語「発酵」、「発酵プロセス」又は「発酵反応」等は、プロセスの増殖期及び生成物の生合成期の両方を包含することを意図している。一態様において、発酵は、ＣＯのカルボン酸への変換を指す。別の態様において、発酵は、ＣＯのアルコールへの変換を指す。更に別の態様において、発酵は、ＣＯの、アルコール及びカルボン酸への変換を指す。
用語「細胞密度」は、発酵ブロスの単位体積あたりの微生物細胞の質量、例えば、グラム／リットルを意味する。
【0008】
本明細書において使用されているように、生産性は、ＳＴＹとして表される。この態様において、生産性ＳＴＹ（空時収量）は、アルコールＳＴＹ（ｇエタノール／（リットル*日））として表され得る。
本明細書において使用されているように、「含酸素炭化水素系化合物」としては、例えば、エタノールやブタノールなどの、炭素と、Ｈ2と、酸素とを含有する化合物を挙げることができる。
一態様において、システムは、ガス状基質を受け入れるために設けられた１つ以上のバイオリアクターを含んでもよい。前記１つ以上のバイオリアクターは、酢酸生成菌と発酵培地とを含有する発酵ブロスを含んでもよい。発酵制御システムは、バイオリアクターから発酵ブロスの試料を単離するために設けられたサンプリング装置と、単離された試料を分析するために設けられた分析計とを含んでもよい。前記システムは、ガス状基質の添加速度を制御するために設けられたコントローラーを含んでもよく、該ガス状基質の添加速度は、少なくとも部分的に該分析計により決定されたカルボン酸及びカルボキシレートの濃度に基づくものである。
更なる態様は、非一時的なコンピューター可読媒体を含むコンピュータープログラム製品であって、該媒体が、それに具体化されるコンピュータープログラムを有する、前記製品に関する。かかるコンピュータープログラムは、本明細書に記載の制御プロセスを行うために必要な工程をプロセッサーに実行させるための命令を含む。かかるプロセスは、ガス状基質の添加速度を制御するために設けられたコントローラーに入力する情報を受け取る工程を含む。このように受け取って、かつ入力する情報としては、バイオリアクターからの試料を分析するために設けられた分析計から受け取った情報を含む。
本明細書において使用されているように、「含酸素炭化水素系化合物」としては、例えば、エタノールやブタノールなどの、炭素と、Ｈ2と、酸素とを含有する化合物を挙げることができる。
一態様において、システムは、ガス状基質を受け入れるために設けられた１つ以上のバイオリアクターを含んでもよい。前記１つ以上のバイオリアクターは、酢酸生成菌と発酵培地とを含有する発酵ブロスを含んでもよい。発酵制御システムは、バイオリアクターから発酵ブロスの試料を単離するために設けられたサンプリング装置と、単離された試料を分析するために設けられた分析計とを含んでもよい。前記システムは、ガス状基質の添加速度を制御するために設けられたコントローラーを含んでもよく、該ガス状基質の添加速度は、少なくとも部分的に該分析計により決定されたカルボン酸及びカルボキシレートの濃度に基づくものである。
更なる態様は、非一時的なコンピューター可読媒体を含むコンピュータープログラム製品であって、該媒体が、それに具体化されるコンピュータープログラムを有する、前記製品に関する。かかるコンピュータープログラムは、本明細書に記載の制御プロセスを行うために必要な工程をプロセッサーに実行させるための命令を含む。かかるプロセスは、ガス状基質の添加速度を制御するために設けられたコントローラーに入力する情報を受け取る工程を含む。このように受け取って、かつ入力する情報としては、バイオリアクターからの試料を分析するために設けられた分析計から受け取った情報を含む。
【0009】
ガス状基質の変換のためのバイオリアクターシステム
プロセスは、バイオリアクターシステム、例えば、両方とも２０１９年８月２日に出願された米国特許出願第１６／５３０，４８１号及び第１６／５３０，５０２号、２０１２年５月１５日に出願された米国特許出願第１３／４７１，８５８号、２０１２年５月１５日に出願された米国特許出願第１３／４７１，８２７号（２０１８年５月２２日に登録された米国特許第９，９７６，１５８号）、並びに２０１２年５月１６日に出願された米国特許出願第１３／４７３，１６号（２０１３年１１月２６日に登録された米国特許第８，５９２，１９号）に記載のものなどを利用してもよい。これらのすべては、参照として本明細書に含まれる。
バイオリアクターシステムの一態様は、図１に示されている。該システムは、ガス状基質添加ライン１０３により供給されるガス状基質を発酵するのに適合されているバイオリアクター１０１を含み得る。該システムは、オフガス排出ライン１０５を通してバイオリアクター１０１からオフガスを排出するのを可能にする。バイオリアクター１０１は、栄養供給槽１０７から栄養が供給され得る。
図１に更に示されているように、発酵ブロスは、発酵ブロス引き出しライン１１３を通してバイオリアクター１０１から除去され、精密ろ過又は限外ろ過１１５に供給され得る。精密ろ過又は限外ろ過１１５からの少なくとも一部の細胞は、細胞戻しライン１３３により、バイオリアクター１０１に戻され得る。透過物（ｐｅｒｍｅａｔｅ）は、透過物ライン１１７により、精密ろ過又は限外ろ過１１５から蒸留供給槽１１９に運ばれ、次に、蒸留塔１２１に運ばれ得る。蒸留塔１２１は、蒸留生成物１３５及び水（蒸留底部）を提供する。水（蒸留底部）は、水戻しライン１２３を通してバイオリアクター１０１に戻され得る。
一態様において、透過物ライン１１７からの透過物は、酸制御装置１２５により分析さえ得る。酸制御装置１２５は、ガス流コントローラー１２９にシグナル（点線シグナルライン１２７と示される）を提供し得る。
プロセスは、バイオリアクターシステム、例えば、両方とも２０１９年８月２日に出願された米国特許出願第１６／５３０，４８１号及び第１６／５３０，５０２号、２０１２年５月１５日に出願された米国特許出願第１３／４７１，８５８号、２０１２年５月１５日に出願された米国特許出願第１３／４７１，８２７号（２０１８年５月２２日に登録された米国特許第９，９７６，１５８号）、並びに２０１２年５月１６日に出願された米国特許出願第１３／４７３，１６号（２０１３年１１月２６日に登録された米国特許第８，５９２，１９号）に記載のものなどを利用してもよい。これらのすべては、参照として本明細書に含まれる。
バイオリアクターシステムの一態様は、図１に示されている。該システムは、ガス状基質添加ライン１０３により供給されるガス状基質を発酵するのに適合されているバイオリアクター１０１を含み得る。該システムは、オフガス排出ライン１０５を通してバイオリアクター１０１からオフガスを排出するのを可能にする。バイオリアクター１０１は、栄養供給槽１０７から栄養が供給され得る。
図１に更に示されているように、発酵ブロスは、発酵ブロス引き出しライン１１３を通してバイオリアクター１０１から除去され、精密ろ過又は限外ろ過１１５に供給され得る。精密ろ過又は限外ろ過１１５からの少なくとも一部の細胞は、細胞戻しライン１３３により、バイオリアクター１０１に戻され得る。透過物（ｐｅｒｍｅａｔｅ）は、透過物ライン１１７により、精密ろ過又は限外ろ過１１５から蒸留供給槽１１９に運ばれ、次に、蒸留塔１２１に運ばれ得る。蒸留塔１２１は、蒸留生成物１３５及び水（蒸留底部）を提供する。水（蒸留底部）は、水戻しライン１２３を通してバイオリアクター１０１に戻され得る。
一態様において、透過物ライン１１７からの透過物は、酸制御装置１２５により分析さえ得る。酸制御装置１２５は、ガス流コントローラー１２９にシグナル（点線シグナルライン１２７と示される）を提供し得る。
【0010】
ガス状基質
ガス状基質は、ＣＯを含んでもよい。より具体的には、ガス状基質は、ＣＯ含有基質、又はＣＯ含有基質とＣＯ2含有基質との組み合わせであってもよい。
ＣＯ含有基質：ＣＯ含有基質は、ＣＯを含むあらゆるガスを含んでもよい。この態様において、ＣＯ含有ガスとしては、合成ガス、工業ガス、及びこれらの混合物を挙げることができる。関連態様において、ガス状基質は、ＣＯに加えて、窒素ガス（Ｎ2）、二酸化炭素（ＣＯ2）、メタンガス（ＣＨ4）、合成ガス、及びこれらの組み合わせを含んでもよい。
合成ガスは、任意の既知の供給源から供給されてもよい。一態様において、合成ガスは、炭素質材料のガス化から供給されてもよい。ガス化は、酸素供給が制限された状態でのバイオマスの部分燃焼を含む。得られたガスは、ＣＯ及びＨ2を含むことがある。この態様において、合成ガスは、少なくとも約１０モル％ＣＯ、一態様において、少なくとも約２０モル％、一態様において、約１０～約１００モル％、別の態様において、約２０～約１００モル％ＣＯ、別の態様において、約３０～約９０モル％ＣＯ、別の態様において、約４０～約８０モル％ＣＯ、及び別の態様において、約５０～約７０モル％ＣＯを含むであろう。好適なガス化方法及び装置のいくつかの例は、米国特許出願第６１／５１６，６６７号、第６１／５１６，７０４号及び第６１／５１６，６４６号（いずれも２０１１年４月６日に出願された）、並びに米国特許出願第１３／４２７，１４４号、第１３／４２７，１９３号及び第１３／４２７，２４７号（いずれも２０１２年３月２２日に出願された）において提供される。これらのすべては、参照として本明細書に含まれる。
ガス状基質は、ＣＯを含んでもよい。より具体的には、ガス状基質は、ＣＯ含有基質、又はＣＯ含有基質とＣＯ2含有基質との組み合わせであってもよい。
ＣＯ含有基質：ＣＯ含有基質は、ＣＯを含むあらゆるガスを含んでもよい。この態様において、ＣＯ含有ガスとしては、合成ガス、工業ガス、及びこれらの混合物を挙げることができる。関連態様において、ガス状基質は、ＣＯに加えて、窒素ガス（Ｎ2）、二酸化炭素（ＣＯ2）、メタンガス（ＣＨ4）、合成ガス、及びこれらの組み合わせを含んでもよい。
合成ガスは、任意の既知の供給源から供給されてもよい。一態様において、合成ガスは、炭素質材料のガス化から供給されてもよい。ガス化は、酸素供給が制限された状態でのバイオマスの部分燃焼を含む。得られたガスは、ＣＯ及びＨ2を含むことがある。この態様において、合成ガスは、少なくとも約１０モル％ＣＯ、一態様において、少なくとも約２０モル％、一態様において、約１０～約１００モル％、別の態様において、約２０～約１００モル％ＣＯ、別の態様において、約３０～約９０モル％ＣＯ、別の態様において、約４０～約８０モル％ＣＯ、及び別の態様において、約５０～約７０モル％ＣＯを含むであろう。好適なガス化方法及び装置のいくつかの例は、米国特許出願第６１／５１６，６６７号、第６１／５１６，７０４号及び第６１／５１６，６４６号（いずれも２０１１年４月６日に出願された）、並びに米国特許出願第１３／４２７，１４４号、第１３／４２７，１９３号及び第１３／４２７，２４７号（いずれも２０１２年３月２２日に出願された）において提供される。これらのすべては、参照として本明細書に含まれる。
【0011】
別の態様において、プロセスは、ＣＯを大量に含有する工業ガスなどのガス状基質からのアルコールの生産を支える適用性を有する。いくつかの態様において、ＣＯを含むガスは、炭素含有廃棄物、例えば、産業廃棄物のガスに由来するか、又は他の廃棄物のガス化に由来する。したがって、該プロセスは、そうでなければ環境中に排出されるであろう炭素を捕捉するための効果的なプロセスを表す。工業ガスの例としては、鉄金属製品の製造、非鉄製品の製造、石油精製プロセス、石炭のガス化、バイオマスのガス化、電力生産、カーボンブラック生産、アンモニア生産、メタノール生産、コークス製造、及びガス改質の間に生成されるガスが挙げられる。
別の態様において、Ｈ2は、産業廃棄物のガスから供給されるか、又は他の廃棄物のガス化から供給されてもよい。したがって、該プロセスは、そうでなければ環境中に排出されるであろうＨ2を捕捉するための効果的なプロセスを表す。工業ガスの例としては、鉄金属製品の製造、非鉄製品の製造、石油精製プロセス、石炭のガス化、バイオマスのガス化、電力生産、カーボンブラック生産、アンモニア生産、メタノール生産、及びコークス製造の間に生成されるガスが挙げられる。Ｈ2の他の供給源としては、例えば、Ｈ2Ｏの電解やバイオ生成Ｈ2が挙げられる。
別の態様において、Ｈ2は、産業廃棄物のガスから供給されるか、又は他の廃棄物のガス化から供給されてもよい。したがって、該プロセスは、そうでなければ環境中に排出されるであろうＨ2を捕捉するための効果的なプロセスを表す。工業ガスの例としては、鉄金属製品の製造、非鉄製品の製造、石油精製プロセス、石炭のガス化、バイオマスのガス化、電力生産、カーボンブラック生産、アンモニア生産、メタノール生産、及びコークス製造の間に生成されるガスが挙げられる。Ｈ2の他の供給源としては、例えば、Ｈ2Ｏの電解やバイオ生成Ｈ2が挙げられる。
【0012】
ＣＯ含有基質の組成に応じて、ＣＯ含有基質は、発酵プロセスに直接提供されるか、又は適切なＨ2対ＣＯのモル比を含むように更に改変されてもよい。一態様において、発酵槽に供給されるＣＯ含有基質は、約０．２以上、別の態様において、約０．２５以上、及び別の態様において、約０．５以上のＨ2対ＣＯのモル比を有する。別の態様において、発酵槽に供給されるＣＯ含有基質は、約４０モル％以上のＣＯプラスＨ2かつ約３０モル％以下のＣＯ、別の態様において、約５０モル％以上のＣＯプラスＨ2かつ約３５モル％以下のＣＯ、及び別の態様において、約８０モル％以上のＣＯプラスＨ2かつ約２０モル％以下のＣＯを含んでもよい。
一態様において、ＣＯ含有基質は、ＣＯ及びＨ2を含む。この態様において、ＣＯ含有基質は、少なくとも約１０モル％のＣＯ、一態様において、少なくとも約２０モル％のＣＯ、一態様において、約１０～約１００モル％のＣＯ、別の態様において、約２０～約１００モル％のＣＯ、別の態様において、約３０～約９０モル％のＣＯ、別の態様において、約４０～約８０モル％のＣＯ、及び別の態様において、約５０～約７０モル％のＣＯを含むであろう。
一態様において、ＣＯ含有基質は、ＣＯ及びＨ2を含む。この態様において、ＣＯ含有基質は、少なくとも約１０モル％のＣＯ、一態様において、少なくとも約２０モル％のＣＯ、一態様において、約１０～約１００モル％のＣＯ、別の態様において、約２０～約１００モル％のＣＯ、別の態様において、約３０～約９０モル％のＣＯ、別の態様において、約４０～約８０モル％のＣＯ、及び別の態様において、約５０～約７０モル％のＣＯを含むであろう。
【0013】
一態様において、ガス分離器は、少なくとも一部のガス流（その一部は、１種以上の成分を含む）を実質的に分離するために設けられる。例えば、ガス分離器により、以下の成分：ＣＯ、ＣＯ2、Ｈ2を含むガス流からＣＯ2を分離することができ、ＣＯ2をＣＯ2貯蔵部に移すことができ、残りのガス流（ＣＯ及びＨ2を含む）をバイオリアクターに移すことができる。当技術分野において知られている任意のガス分離器を利用してもよい。この態様において、発酵槽に供給される合成ガスは、約１０モル％以下のＣＯ2、別の態様において、約１モル％以下のＣＯ2、及び別の態様において、約０.１モル％以下のＣＯ2を有するであろう。
ある種のガス流は、高濃度のＣＯと低濃度のＨ2とを含んでもよい。一態様において、より高い効率のアルコール生産及び／又は全体的な炭素捕捉を達成するために、基質流の組成を最適化するのが望ましいことがある。別の態様において、基質流をバイオリアクターに移す前に、該基質流中のＨ2の濃度を高めてもよい。
ある種のガス流は、高濃度のＣＯと低濃度のＨ2とを含んでもよい。一態様において、より高い効率のアルコール生産及び／又は全体的な炭素捕捉を達成するために、基質流の組成を最適化するのが望ましいことがある。別の態様において、基質流をバイオリアクターに移す前に、該基質流中のＨ2の濃度を高めてもよい。
【0014】
本開示の特定の態様によれば、２種以上の供給源からの流れを組み合わせ、及び／又はブレンドして、望ましい及び／又は最適化された基質流を生産することができる。例えば、製鋼工場の転炉からの排ガスなどの高濃度のＣＯを含む流れを、製鋼工場のコークス炉からのオフガスなどの高濃度のＨ2を含む流れと組み合わせることができる。
ガス状ＣＯ含有基質の組成に応じて、該ガス状ＣＯ含有基質を発酵に導入する前に、あらゆる望ましくない不純物、例えば、ダスト粒子、及びシアン化物や酸素などの化学的不純物を除去するために、該ガス状ＣＯ含有基質を処理するのが望ましいこともある。例えば、既知の方法を用いて、ガス状基質をろ過又はスクラブし得る。
ガス状ＣＯ含有基質の組成に応じて、該ガス状ＣＯ含有基質を発酵に導入する前に、あらゆる望ましくない不純物、例えば、ダスト粒子、及びシアン化物や酸素などの化学的不純物を除去するために、該ガス状ＣＯ含有基質を処理するのが望ましいこともある。例えば、既知の方法を用いて、ガス状基質をろ過又はスクラブし得る。
【0015】
酢酸生成菌
プロセスは、酢酸生成菌を用いて、発酵バイオリアクター中で発酵を行う工程を含む。有用な酢酸生成菌の例としては、クロストリジウム属（genus Clostridium）の酢酸生成菌、例えば、国際公開第２０００／６８４０７号、ＥＰ１１７３０９、米国特許第５，１７３，４２９号、第５，５９３，８８６号及び第６，３６８，８１９号、国際公開第１９９８／００５５８号及び国際公開第２００２／０８４３８号に記載の酢酸生成菌を含むクロストリジウム・リュングダリイ（Clostridium ljungdahlii）の株、国際公開第２００７／１１７１５７号及び国際公開第２００９／１５１３４２号に記載の酢酸生成菌を含むクロストリジウム・オートエタノゲナム（Clostridium autoethanogenum）（ＤＳＭＺドイツのＤＳＭ１００６１及びＤＳＭ１９６３０）の株、米国特許第７，７０４，７２３号及び「Biofuels and Bioproducts from Biomass-Generated Synthesis Gas」, Hasan Atiyeh, presented in Oklahoma EPSCoR Annual State Conference, April 29, 2010に記載の酢酸生成菌のそれぞれを含むクロストリジウム・ラグスダリ（Clostridium ragsdalei）（Ｐ１１、ＡＴＣＣ ＢＡＡ－６２２）及びアルカリバクルム・バッキ（Alkalibaculum bacchi）（ＣＰ１１、ＡＴＣＣ ＢＡＡ－１７７２）、及び米国特許出願第２００７／０２７６４４７号に記載のクロストリジウム・カルボキシディボランス（Clostridium carboxidivorans）（ＡＴＣＣ ＰＴＡ－７８２７）が挙げられる。他の好適な微生物としては、ムーレラ属（genus Moorella）（ムーレラ種ＨＵＣ２２－１を含む）の微生物、及びカーボキシドサーマス属（genus Carboxydothermus）の微生物が挙げられる。これらの文献のそれぞれは、参照として本明細書に含まれる。２種以上の微生物の混合培養を使用してもよい。
プロセスは、酢酸生成菌を用いて、発酵バイオリアクター中で発酵を行う工程を含む。有用な酢酸生成菌の例としては、クロストリジウム属（genus Clostridium）の酢酸生成菌、例えば、国際公開第２０００／６８４０７号、ＥＰ１１７３０９、米国特許第５，１７３，４２９号、第５，５９３，８８６号及び第６，３６８，８１９号、国際公開第１９９８／００５５８号及び国際公開第２００２／０８４３８号に記載の酢酸生成菌を含むクロストリジウム・リュングダリイ（Clostridium ljungdahlii）の株、国際公開第２００７／１１７１５７号及び国際公開第２００９／１５１３４２号に記載の酢酸生成菌を含むクロストリジウム・オートエタノゲナム（Clostridium autoethanogenum）（ＤＳＭＺドイツのＤＳＭ１００６１及びＤＳＭ１９６３０）の株、米国特許第７，７０４，７２３号及び「Biofuels and Bioproducts from Biomass-Generated Synthesis Gas」, Hasan Atiyeh, presented in Oklahoma EPSCoR Annual State Conference, April 29, 2010に記載の酢酸生成菌のそれぞれを含むクロストリジウム・ラグスダリ（Clostridium ragsdalei）（Ｐ１１、ＡＴＣＣ ＢＡＡ－６２２）及びアルカリバクルム・バッキ（Alkalibaculum bacchi）（ＣＰ１１、ＡＴＣＣ ＢＡＡ－１７７２）、及び米国特許出願第２００７／０２７６４４７号に記載のクロストリジウム・カルボキシディボランス（Clostridium carboxidivorans）（ＡＴＣＣ ＰＴＡ－７８２７）が挙げられる。他の好適な微生物としては、ムーレラ属（genus Moorella）（ムーレラ種ＨＵＣ２２－１を含む）の微生物、及びカーボキシドサーマス属（genus Carboxydothermus）の微生物が挙げられる。これらの文献のそれぞれは、参照として本明細書に含まれる。２種以上の微生物の混合培養を使用してもよい。
【0016】
有用な酢酸生成菌の追加の例としては、アセトゲニウム・キブイ（Acetogenium kivui）、アセトアナエロビウム・ノテラエ（Acetoanaerobium noterae）、アルカリバクルム・バッキＣＰ１１（ＡＴＣＣ ＢＡＡ－１７７２）、ブラウティア・プロダクタ（Blautia producta）、ブチリバクテリウム・メチロトロフィカム（Butyribacterium methylotrophicum）、カルダナエロバクター・サブテラネウス（Caldanaerobacter subterraneous）、カルダナエロバクター・サブテラネウス・パシフィカム（Caldanaerobacter subterraneous pacificus）、カーボキシドサーマス・ハイドロゲノフォルマンス（Carboxydothermus hydrogenoformans）、クロストリジウム・アセチカム（Clostridium aceticum）、クロストリジウム・アセトブチリカム（Clostridium acetobutylicum）、クロストリジウム・アセトブチリカムＰ２６２（ＤＳＭＺドイツのＤＳＭ１９６３０）、クロストリジウム・オートエタノゲナム（ＤＳＭＺドイツのＤＳＭ１９６３０）、クロストリジウム・オートエタノゲナム（ＤＳＭＺドイツのＤＳＭ１００６１）、クロストリジウム・オートエタノゲナム（ＤＳＭＺドイツのＤＳＭ２３６９３）、クロストリジウム・オートエタノゲナム（ＤＳＭＺドイツのＤＳＭ２４１３８）、クロストリジウム・カルボキシディボランスＰ７（ＡＴＣＣ ＰＴＡ－７８２７）、クロストリジウム・コスカチイ（Clostridium coskatii）（ＡＴＣＣ ＰＴＡ－１０５２２）、クロストリジウム・ドラケイ（Clostridium drakei）、クロストリジウム・リュングダリイＰＥＴＣ（ＡＴＣＣ ４９５８７）、クロストリジウム・リュングダリイＥＲＩ２（ＡＴＣＣ ５５３８０）、クロストリジウム・リュングダリイＣ－０１（ＡＴＣＣ ５５９８８）、クロストリジウム・リュングダリイＯ－５２（ＡＴＣＣ ５５８８９）、クロストリジウム・マグナム（Clostridium magnum）、クロストリジウム・パストゥリアヌム（Clostridium pasteurianum）（ＤＳＭＺドイツのＤＳＭ５２５）、クロストリジウム・ラグスダリＰ１１（ＡＴＣＣ ＢＡＡ－６２２）、クロストリジウム・スカトロゲネス（Clostridium scatologenes）、クロストリジウム・サーモアセチカム（Clostridium thermoaceticum）、クロストリジウム・ウルツネンセ（Clostridium ultunense）、デスルホトマクルム・クズネツォビイ（Desulfotomaculum kuznetsovii）、ユーバクテリウム・リモスム（Eubacterium limosum）、ゲオバクター・スルフレデュセンス（Geobacter sulfurreducens）、メタノサルシナ・アセチボランス（Methanosarcina acetivorans）、メタノサルシナ・バーケリ（Methanosarcina barkeri）、モーレラ・サーモアセティカ（Moorella thermoacetica）、モーレラ・サーモオートトロフィカ（Moorella thermoautotrophica）、オキソバクター・フェニジイ（Oxobacter pfennigii）、ペプトストレプトコッカス・プロダクツス（Peptostreptococcus productus）、ルミノコッカス・プロダクツス（Ruminococcus productus）、サーモアネロバクター・キブイ（Thermoanaerobacter kivui）、クロストリジウム・スティックランディイ（Clostridium Stick-landii）、及びこれらの混合物が挙げられる。
【0017】
発酵培地
一態様によれば、発酵プロセスは、反応容器への培地の添加により開始する。培地組成物のいくつかの例は、２０１２年５月２２日に出願された米国特許出願第６１／６５０,０９８号及び第６１／６５０,０９３号、並びに２００１年７月２３日に出願された米国特許第７,２８５,４０２号に記載されており、これらのすべては、参照として本明細書に含まれる。培地を滅菌して望ましくない微生物を除去することができ、反応器に所望の微生物を接種する。滅菌は、必ずしも必要なわけではない。
別の態様において、酢酸生成菌と共に使用するための様々な培地成分の濃度は、以下のとおりである。
一態様において、培地は、約０.０１ｇ／Ｌ未満の酵母エキスと約０.０１ｇ／Ｌ未満の炭水化物とを含む。
一態様によれば、発酵プロセスは、反応容器への培地の添加により開始する。培地組成物のいくつかの例は、２０１２年５月２２日に出願された米国特許出願第６１／６５０,０９８号及び第６１／６５０,０９３号、並びに２００１年７月２３日に出願された米国特許第７,２８５,４０２号に記載されており、これらのすべては、参照として本明細書に含まれる。培地を滅菌して望ましくない微生物を除去することができ、反応器に所望の微生物を接種する。滅菌は、必ずしも必要なわけではない。
別の態様において、酢酸生成菌と共に使用するための様々な培地成分の濃度は、以下のとおりである。
【表1】
一態様において、培地は、約０.０１ｇ／Ｌ未満の酵母エキスと約０.０１ｇ／Ｌ未満の炭水化物とを含む。
【0018】
発酵制御
自動化され得る制御方法論により、ガス状基質を有用な最終生成物、例えば、エタノールに変換するための生物学的プロセスを強化することができる。例えば、自動化制御戦略を用いると、自動化制御戦略を用いていないプロセスと比べて、生産性を３００％以上向上させることができる。
本明細書に記載の発酵制御方法論を用いて、本明細書に記載の培地及び酢酸生成菌を使用してバイオリアクターで行う発酵は、少なくとも約１００ｇエタノール／（Ｌ・日）のＳＴＹ（空時収量）を提供するのに有効である。可能なＳＴＹ値としては、約１００ｇエタノール／（Ｌ・日）～約３００ｇエタノール／（Ｌ・日）、別の態様において、約１００ｇエタノール／（Ｌ・日）～約２５０ｇエタノール／（Ｌ・日）、及び別の態様において、約１００ｇエタノール／（Ｌ・日）～約２００ｇエタノール／（Ｌ・日）が挙げられる。本明細書に記載のような自動化制御システムを用いたＳＴＹ値（２０１及び２０３として示されている）と、手動制御システムを用いたＳＴＹ値（２０５及び２０７として示されている）との比較は、図２に示されている。図２に示されている別の態様において、自動化制御システムは、手動システムより一層速くＳＴＹを向上させることができた。この態様において、発酵ブロス中のＡMの濃度を決定する工程、及びＡMを制御アルゴリズムに用いてガス状基質の添加速度を調整する工程は、３０分未満、別の態様において、約０.１秒～約３０分、別の態様において、約０.１秒～約２０分、別の態様において、約０.２１秒～約１０分、別の態様において、約０.１秒～約１分、及び別の態様において、約１秒～約５分で完了する。
自動化され得る制御方法論により、ガス状基質を有用な最終生成物、例えば、エタノールに変換するための生物学的プロセスを強化することができる。例えば、自動化制御戦略を用いると、自動化制御戦略を用いていないプロセスと比べて、生産性を３００％以上向上させることができる。
本明細書に記載の発酵制御方法論を用いて、本明細書に記載の培地及び酢酸生成菌を使用してバイオリアクターで行う発酵は、少なくとも約１００ｇエタノール／（Ｌ・日）のＳＴＹ（空時収量）を提供するのに有効である。可能なＳＴＹ値としては、約１００ｇエタノール／（Ｌ・日）～約３００ｇエタノール／（Ｌ・日）、別の態様において、約１００ｇエタノール／（Ｌ・日）～約２５０ｇエタノール／（Ｌ・日）、及び別の態様において、約１００ｇエタノール／（Ｌ・日）～約２００ｇエタノール／（Ｌ・日）が挙げられる。本明細書に記載のような自動化制御システムを用いたＳＴＹ値（２０１及び２０３として示されている）と、手動制御システムを用いたＳＴＹ値（２０５及び２０７として示されている）との比較は、図２に示されている。図２に示されている別の態様において、自動化制御システムは、手動システムより一層速くＳＴＹを向上させることができた。この態様において、発酵ブロス中のＡMの濃度を決定する工程、及びＡMを制御アルゴリズムに用いてガス状基質の添加速度を調整する工程は、３０分未満、別の態様において、約０.１秒～約３０分、別の態様において、約０.１秒～約２０分、別の態様において、約０.２１秒～約１０分、別の態様において、約０.１秒～約１分、及び別の態様において、約１秒～約５分で完了する。
【0019】
本明細書に記載の発酵制御方法論を用いて、本明細書に記載の培地及び酢酸生成菌を使用してバイオリアクターで行う発酵は、少なくとも約１グラム／リットル、別の態様において、約１～約５０グラム／リットル、及び別の態様において、約３～約３０グラム／リットルの細胞密度を提供するのに有効である。本明細書に記載のような自動化された自動化制御システムを用いた細胞密度値（３０１及び３０３として示されている）と、手動制御システムを用いた細胞密度値（３０５及び３０７として示されている）との比較は、図３に示されている。図３に示されている別の態様において、自動化制御システムは、手動システムより一層速く細胞密度を向上させることができた。
プロセス制御方法論は、図４～８において説明している。様々な制御態様は、これらの図に示されている。全体的なプロセス制御方法論を提供するために、任意の方法により様々な制御態様を組み合わせることができる。
プロセス制御方法論の全体的な概要は、図４に示されている。この態様において、プロセスは、ガス状基質の添加速度で、ＣＯ及びＣＯ2の１種以上を含むガス状基質をバイオリアクターに供給する工程を含む。前記バイオリアクター内の酢酸生成菌は、発酵ブロス中で前記ガス状基質を発酵させる。前記プロセスは、酸濃度の測定を用いて、発酵槽から前記発酵ブロス中の酸濃度を決定する工程を含む。ガスコントローラーにより、前記ガス状基質の添加速度を調整して、酸濃度の目標範囲に達する。測定される酸濃度は、カルボン酸の濃度、カルボキシレートの濃度、又はカルボン酸とカルボキシレートとの組み合わせの濃度である。発酵ブロスを酸測定に直接利用し得る。別の態様において、発酵ブロスから透過物を形成してもよく、該透過物中の酸濃度を決定し得る。本明細書に記載の分析技術のいずれかを用いて、酸濃度の測定を行ってもよい。
プロセス制御方法論は、図４～８において説明している。様々な制御態様は、これらの図に示されている。全体的なプロセス制御方法論を提供するために、任意の方法により様々な制御態様を組み合わせることができる。
プロセス制御方法論の全体的な概要は、図４に示されている。この態様において、プロセスは、ガス状基質の添加速度で、ＣＯ及びＣＯ2の１種以上を含むガス状基質をバイオリアクターに供給する工程を含む。前記バイオリアクター内の酢酸生成菌は、発酵ブロス中で前記ガス状基質を発酵させる。前記プロセスは、酸濃度の測定を用いて、発酵槽から前記発酵ブロス中の酸濃度を決定する工程を含む。ガスコントローラーにより、前記ガス状基質の添加速度を調整して、酸濃度の目標範囲に達する。測定される酸濃度は、カルボン酸の濃度、カルボキシレートの濃度、又はカルボン酸とカルボキシレートとの組み合わせの濃度である。発酵ブロスを酸測定に直接利用し得る。別の態様において、発酵ブロスから透過物を形成してもよく、該透過物中の酸濃度を決定し得る。本明細書に記載の分析技術のいずれかを用いて、酸濃度の測定を行ってもよい。
【0020】
酸コントローラーのためのプロセス制御方法論の別の態様は、図５に示されている。この態様において、コントローラー入力は、酸濃度の設定値と酸濃度の測定値とを含む。入力を、積分動作を有するコントローラーにより提供される制御アルゴリズムにおいて使用し得る。前記コントローラーは、ガス流目標値の出力を提供する。
酸コントローラーのためのプロセス制御方法論の別の態様は、図６に示されている。この態様において、コントローラー入力は、酸濃度の設定値と酸濃度の測定値とを含む。入力を、積分動作を有するコントローラーにより提供される制御アルゴリズムにおいて使用し得る。線形から指数への変換を、ガス流目標値の出力を提供するのに適用し得る。
ガスコントローラーのためのプロセス制御方法論の別の態様は、図７に示されている。この態様において、ガス流目標値の入力をガス流制御装置に提供する。前記ガス流制御装置は、発酵槽へのガス流を制御する。
ガスコントローラーのためのプロセス制御方法論の別の態様は、図８に示されている。この態様において、コントローラー入力は、ガス流目標値の入力とガス流の測定値とを含む。入力を、積分動作を有するコントローラーにより提供される制御アルゴリズムにおいて使用し得る。前記コントローラーは、作動してガス流制御装置を制御する。前記ガス流制御装置は、発酵槽へのガス流の出力（ａ ｇａｓ ｆｌｏｗ ｔｏ ｆｅｒｍｅｎｔｏｒ ｏｕｔｐｕｔ）を提供する。
酸コントローラーのためのプロセス制御方法論の別の態様は、図６に示されている。この態様において、コントローラー入力は、酸濃度の設定値と酸濃度の測定値とを含む。入力を、積分動作を有するコントローラーにより提供される制御アルゴリズムにおいて使用し得る。線形から指数への変換を、ガス流目標値の出力を提供するのに適用し得る。
ガスコントローラーのためのプロセス制御方法論の別の態様は、図７に示されている。この態様において、ガス流目標値の入力をガス流制御装置に提供する。前記ガス流制御装置は、発酵槽へのガス流を制御する。
ガスコントローラーのためのプロセス制御方法論の別の態様は、図８に示されている。この態様において、コントローラー入力は、ガス流目標値の入力とガス流の測定値とを含む。入力を、積分動作を有するコントローラーにより提供される制御アルゴリズムにおいて使用し得る。前記コントローラーは、作動してガス流制御装置を制御する。前記ガス流制御装置は、発酵槽へのガス流の出力（ａ ｇａｓ ｆｌｏｗ ｔｏ ｆｅｒｍｅｎｔｏｒ ｏｕｔｐｕｔ）を提供する。
【0021】
サンプリング：発酵ブロスは、バイオリアクターから直接取り出すことができる。発酵ブロスを取り出すための、流出流（ｂｌｅｅｄ ｓｔｒｅａｍ）又は他の流れからの試料ラインは、オンライン測定用の適切な分析装置に流動的に連結され得る。１又は複数の反応器からの、オンライン分析のためのサンプリングシステムは、所望の時間で所望のバイオリアクターの自動化サンプリングを可能にするための、好適な導管（例えば、チューブや配管）、バルブ、ポンプ、及びアクチュエータ、並びに試料ラインをフラッシュ（パージ）するのに適した装置を含み得る。
一態様において、プロセスは、ろ過又は膜分離の結果、細菌細胞を有しないか又は実質的に有しない透過物に対して、分析を行う工程を含む。細胞分離システムから透過物流を得ることができ、該透過物流を分析に用いることができる。試料コンディショニング方法、例えば、炭素ろ過、温度制御、気泡除去、及び１種以上の試料コンディショニング方法の組み合わせを利用し得る。
発酵ブロスを、連続的に測定するか、又は断続的に、例えば、連続する各測定間の期間、一般的には０.１秒～１０分、一態様において、０.１秒～５分、一態様において、０.１秒ごと～１２０秒ごと、一態様において、０.５秒ごと～６０秒ごと、及び別の態様において、１秒ごと～１０秒ごとに周期的に測定することができる。
一態様において、プロセスは、ろ過又は膜分離の結果、細菌細胞を有しないか又は実質的に有しない透過物に対して、分析を行う工程を含む。細胞分離システムから透過物流を得ることができ、該透過物流を分析に用いることができる。試料コンディショニング方法、例えば、炭素ろ過、温度制御、気泡除去、及び１種以上の試料コンディショニング方法の組み合わせを利用し得る。
発酵ブロスを、連続的に測定するか、又は断続的に、例えば、連続する各測定間の期間、一般的には０.１秒～１０分、一態様において、０.１秒～５分、一態様において、０.１秒ごと～１２０秒ごと、一態様において、０.５秒ごと～６０秒ごと、及び別の態様において、１秒ごと～１０秒ごとに周期的に測定することができる。
【0022】
カルボン酸及びカルボキシレートの測定：一態様において、プロセスは、発酵ブロス中のＡMの濃度を決定する工程であって、ＡMが、カルボン酸及びカルボキシレートの濃度である、前記工程を含む。プロセスは、近赤外線分光法（ＮＩＲ）、ガスクロマトグラフィー、高圧液体クロマトグラフィー、質量分析法、及びこれらの組み合わせからなる群より選ばれる分析装置を使用して、カルボン酸及びカルボキシレートの濃度を決定する工程を含む。一態様において、ＮＩＲにより、透過物中のカルボン酸及び／又はカルボキシレートを測定する。ＮＩＲは、連続測定を可能にする、インラインのものであってもよい。有用なＮＩＲ周波数としては、一態様において、約８００～２２００ｎｍ、別の態様において、約１２８０～約２１８４ｎｍ、別の態様において、約１６４０～約１７２４ｎｍ、別の態様において、約１６３０～約１９１０ｎｍ、及び別の態様において、約８７０～約２１８４ｎｍを挙げることができる。
制御アルゴリズム：一態様において、本明細書に記載のような制御方法論は、自動化されたものであり、該制御方法論を行うための必要なシグナルをコントローラーに送るのをプロセッサーに実行させるための、適切な命令を有するコンピュータープログラムの使用を含む。
制御アルゴリズム：一態様において、本明細書に記載のような制御方法論は、自動化されたものであり、該制御方法論を行うための必要なシグナルをコントローラーに送るのをプロセッサーに実行させるための、適切な命令を有するコンピュータープログラムの使用を含む。
【0023】
一態様において、カルボン酸及びカルボキシレートの測定により提供されるＡM値を制御アルゴリズムに用いて、基質添加速度を調整する。この態様において、前記制御アルゴリズムは、式Ｉterm＝Ｅint／ＩによりＩtermを決定する工程を含み、式中、Ｉは、定数であり、式中、Ｅint＝（前の（ｐｒｅｖｉｏｕｓ）Ｅint）＋（ＡM－ＡT）*ｄｔである（式中、ｄｔは、透過物中のＡMを決定する間の時間間隔であり、式中、前のＥint及びＥintは、開始時及び終了時の値、又は時間間隔ｄｔでの値である）。前記制御アルゴリズムは、式Ｐterm＝（ＡM－ＡT）*ＰによりＰtermを決定する工程を更に含んでもよく、式中、ＡTは、カルボン酸及びカルボキシレートの目標濃度であり、Ｐは、定数である。加えて、前記制御アルゴリズムは、式Ｅint＝（前のＥint）＋（ＡM－ＡT）*ｄｔによりＥintを決定する工程であって、式中、ｄｔは、透過物中のＡMを決定する間の時間間隔であり、式中、前のＥint及びＥintは、開始時及び終了時の値、又は時間間隔ｄｔでの値である、前記工程；式Ｉterm＝Ｅint／ＩによりＩtermを決定する工程であって、Ｉは、定数である、前記工程；及び式コントローラーoutput＝Ｐterm＋Ｉtermによりコントローラーoutputを決定する工程を更に含む。定数Ｉ及び定数Ｐは、プロセス条件及び／又は設備に基づいて決められる。この態様において、Ｐは、０～５０、別の態様において、約１～約３０、及び別の態様において、約３～約１０であってもよい。Ｉは、約１００～約１０,０００、別の態様において、約５００～約５０００、及び別の態様において、約８００～約２５００であってもよい。コントローラーのチューニング定数であるＩ及びＰの値及び範囲は、以下の条件に従って適切であり：時間増分（「ｄｔ」）：秒単位；酸測定（及び酸誤差）：ｇ／Ｌ総酸単位；次に、コントローラー出力の０から１００までの線形スパンを、接種条件（～１ｇ／Ｌ細胞濃度）下で必要とされる～１０％の初期ＧＦＲから高生産性の定常状態で必要とされる約１５０％のＧＦＲまでのＧＦＲの指数スパンにマッピングするように、コントローラー出力を指数化する。異なる時間単位（例えば、分）、酸測定単位（例えば、ｐｐｍ）、又は指数化スパンの使用により、コントローラーのチューニング定数及び指数定数の種々の適切な値及び範囲をもたらすであろう。
【0024】
システムに利用されるコントローラーとしては、Ｉコントローラー、ＰＩコントローラー、ＩＤコントローラー、及びＰＩＤコントローラーを挙げることができる。
発酵制御中、発酵ブロスのｐＨは、ある範囲に維持される。例えば、一態様において、ｐＨは、約４～約６.９、別の態様において、約５～約６.５、別の態様において、約５.１～約６、別の態様において、約５.２～約６、別の態様において、約４.５～約５、別の態様において、約４～約４.５、別の態様において、約４.７５～約４.９、別の態様において、約４.６～約４.７５、別の態様において、約４.４５～約４.６、別の態様において、約４.３～約４.４５、別の態様において、約４.６～約４.９、別の態様において、約４.４５～約４.７５、及び更に別の態様において、約４.３～約４.６の間に維持される。
発酵制御中、発酵ブロスのｐＨは、ある範囲に維持される。例えば、一態様において、ｐＨは、約４～約６.９、別の態様において、約５～約６.５、別の態様において、約５.１～約６、別の態様において、約５.２～約６、別の態様において、約４.５～約５、別の態様において、約４～約４.５、別の態様において、約４.７５～約４.９、別の態様において、約４.６～約４.７５、別の態様において、約４.４５～約４.６、別の態様において、約４.３～約４.４５、別の態様において、約４.６～約４.９、別の態様において、約４.４５～約４.７５、及び更に別の態様において、約４.３～約４.６の間に維持される。
【実施例】
【0025】
実施例１：制御の計算
クロストリジウム・リュングダリイＣ－０１（ＡＴＣＣ ５５９８８）を用いて、発酵を行った。ＮＩＲを用いて透過物流中の酸を測定した。下記の表には、いくつかの繰り返しにわたる制御の計算が示されている。表に示されているように、酸濃度が高くなった場合、コントローラーは、ガス流速を正確に増加させた。或いは、酸濃度が低くなった場合、コントローラーは、ガス流速を正確に低減させた。
誤差値＝ＡM－ＡT
比例項＝Ｐ＿ｃｏｎｓｔ*Ｅ＿ｖａｌ
誤差積分＝ＩＦ（モード＝「Ｃａｓ」、（前のＥ＿ｉｎｔ）＋Ｅ＿ｖａｌ*ｄｔ、（ＬＮ（前のＧＦＲ）／ｅｘｐ＿ｃｏｎｓｔ－Ｐ＿ｔｅｒｍ）*Ｉ＿ｃｏｎｓｔ）
積分項＝Ｅ＿ｉｎｔ／Ｉ＿ｃｏｎｓｔ
ＰＩＤ出力＝Ｐ＿ｔｅｒｍ＋Ｉ＿ｔｅｒｍ
ガス流速＝ＩＦ（モード＝「Ｃａｓ」、ＥＸＰ（ｅｘｐ＿ｃｏｎｓｔ*ＰＩＤ＿ｏｕｔ）、前のＧＦＲ）
酸の目標値（ＡT）＝２.５ｇ／Ｌ
クロストリジウム・リュングダリイＣ－０１（ＡＴＣＣ ５５９８８）を用いて、発酵を行った。ＮＩＲを用いて透過物流中の酸を測定した。下記の表には、いくつかの繰り返しにわたる制御の計算が示されている。表に示されているように、酸濃度が高くなった場合、コントローラーは、ガス流速を正確に増加させた。或いは、酸濃度が低くなった場合、コントローラーは、ガス流速を正確に低減させた。
誤差値＝ＡM－ＡT
比例項＝Ｐ＿ｃｏｎｓｔ*Ｅ＿ｖａｌ
誤差積分＝ＩＦ（モード＝「Ｃａｓ」、（前のＥ＿ｉｎｔ）＋Ｅ＿ｖａｌ*ｄｔ、（ＬＮ（前のＧＦＲ）／ｅｘｐ＿ｃｏｎｓｔ－Ｐ＿ｔｅｒｍ）*Ｉ＿ｃｏｎｓｔ）
積分項＝Ｅ＿ｉｎｔ／Ｉ＿ｃｏｎｓｔ
ＰＩＤ出力＝Ｐ＿ｔｅｒｍ＋Ｉ＿ｔｅｒｍ
ガス流速＝ＩＦ（モード＝「Ｃａｓ」、ＥＸＰ（ｅｘｐ＿ｃｏｎｓｔ*ＰＩＤ＿ｏｕｔ）、前のＧＦＲ）
酸の目標値（ＡT）＝２.５ｇ／Ｌ
【0026】
【表2】
【0027】
ｄｔ＝６０、Ｐ＿ｃｏｎｓｔ＝５、Ｉ＿ｃｏｎｔ＝１０３６、ｅｘｐ＿ｃｏｎｓｔ＝０.０６２１４６
本明細書において開示されている本開示は、特定の実施形態、実施例及びそれらの応用により説明されているが、特許請求の範囲に記載の本開示の範囲から逸脱することなく、当業者により、多数の変更及び変形を本開示に加えることができる。
本明細書において開示されている本開示は、特定の実施形態、実施例及びそれらの応用により説明されているが、特許請求の範囲に記載の本開示の範囲から逸脱することなく、当業者により、多数の変更及び変形を本開示に加えることができる。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【国際調査報告】