JP6599427B2 - バイオリアクタプロセスの制御 - Google Patents

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関連出願の相互参照
本出願は、２０１４年７月１１日出願の米国特許出願第１４／３２９，８８１号の利益を主張し、その内容は、参照により本明細書に組み込まれる。

本発明の態様は、例えば、連続及び定常状態操作を達成するための、エタノールへのＣＯ含有基質の微生物発酵のためのプロセスの開始に関する。特定の態様は、操作パラメータが制御され、有利な結果につながる様式に関する。

化石燃料温室効果ガス（ＧＨＧ）放出に関する環境問題は、再生可能エネルギー源のますますの強調につながっている。結果として、エタノールが、世界中で急速に主要な水素に富む液体輸送燃料になっている。燃料エタノール産業に対する世界市場における継続的成長は、欧州、日本、及び米国、ならびにいくつかの発展途上国におけるエタノール生産のさらなる強調に基づいて、近い将来見込まれている。例えば、米国では、エタノールが、Ｅ１０、ガソリン中エタノールの１０％混合物を生産するのに使用されている。Ｅ１０ブレンド中、エタノール構成成分は、酸素化剤の役割を果たし、燃焼の効率を改善し、大気汚染物質の生成を減少させる。ブラジルでは、エタノールは、ガソリン中にブレンドされた酸素化剤として、及びそれ自体で純粋な燃料としての両方で、輸送燃料要求のおおよそ３０％を満たしている。さらに、欧州連合（ＥＵ）は、その加盟国の各々に対して、バイオマス由来のエタノール等の持続可能な輸送燃料の消費の義務的目標を持っている。

燃料エタノールの大部分は、サトウキビから抽出されたスクロースまたは穀類作物から抽出されたデンプン等の、作物由来の炭水化物を主な炭素源として使用する従来のイーストベースの発酵プロセスを介して生産される。しかしながら、これらの炭水化物供給原料のコストは、競合する用途のため、具体的に言えば、ヒト及び動物の両方のための食料源としての、市場におけるこれらの価値によって影響を受ける。さらに、エタノール生成のためのデンプンまたはスクロースを生成する作物の栽培は、現地の地価及び気候の両方の相関関係であるため、すべての地形で経済的に持続可能ではない。これらの理由のため、特に注目されるのは、より低いコスト及び／またはより豊富な炭素源を燃料エタノールに変換するための技術の開発である。その点、一酸化炭素（ＣＯ）は、石炭、油、及び油由来生成物等の有機物質の不完全燃焼の主なエネルギーに富む副生成物である。ＣＯに富む廃ガスは、様々な産業プロセスから生じる。例えば、豪州の鉄鋼産業は、年間５００，０００メートルトンを超えるＣＯを生成し、大気中に放出すると報告されている。

最近になって、工業規模でのＣＯからエタノールを生成するための微生物（細菌）ベースのプロセス代替手段が、商業的関心及び投資の対象になっている。ＣＯが唯一の炭素源である、微生物培養物が成長する能力は、１９０３年に最初に発見された。この特質は、独立栄養増殖のアセチル補酵素Ａ（アセチルＣｏＡ）生化学的経路（ウッド−リュングダール（Ｗｏｏｄｓ−Ｌｊｕｎｇｄａｈｌ）経路及び一酸化炭素デヒドロゲナーゼ／アセチルＣｏＡシンターゼ（ＣＯＤＨ／ＡＣＳ）経路としても知られている）の生物の使用に存することが断定された。以来、カルボキシド栄養性生物、光合成生物、メタン生成活性生物、及び酢酸生成生物を含む多数の嫌気性生物が、ＣＯを代謝することが示されている。Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ属の細菌などの嫌気性細菌は、アセチルＣｏＡ生化学的経路を介してＣＯ、ＣＯ_２、及びＨ_２からエタノールを生成することが知られている。例えば、ガスからエタノールを生成する様々なＣｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ ｌｊｕｎｇｄａｈｌｉｉの株は、国際公開第００／６８４０７号、欧州特許第１１１７３０９Ａｌ号、米国第５，１７３，４２９号、同第５，５９３，８８６号、同第６，３６８，８１９号、国際公開第９８／００５５８号、及び同第０２／０８４３８号に記載されている。細菌のＣｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ ａｕｔｏｅｔｈａｎｏｇｅｎｕｍ種もまた、ガスからエタノールを生成することが知られている（Ａｂｒｉｎｉ ｅｔ ａｌ，ＡＲＣＨＩＶＥＳ ＯＦ ＭＩＣＲＯＢＩＯＬＯＧＹ １６１：３４５−３５１（１９９４））。

生物の各酵素が、本質的に完璧な選択性を用いてその指定された生物学的変換を促進するため、微生物合成ルートは、従来の触媒ルートと比較して、より低いエネルギーコストでより高い収率を達成することができる。例えば、非選択的副反応から生じた副生成物を所望の生成物から分離するためのエネルギー必要量が、低減され得る。さらに、反応媒体中の不純物に起因する触媒の中毒に関する懸念が、減少する。

しかしながら、これらの明白な利益にも関わらず、当該技術分野は、特に、生成率が他の技術に対抗することを確実にすることに関して、ＣＯからのエタノールの微生物合成に関わる特定の困難に対処しなければならない。ＣＯをこれらの炭素源として使用するとき、上述の嫌気性細菌は、発酵によりエタノールを生成するが、嫌気性細菌は、少なくとも１つの代謝物、例えば、ＣＯ_２、Ｈ_２、メタン、ｎ−ブタノール、及び／または酢酸も生成する。これらの代謝物のうちのいずれかの形成は、利用可能な炭素が代謝物（複数可）になって失われ、所望の最終生成物の生成効率が損なわれるため、所与のプロセスの生産性及び経済的実行可能性全体に著しい影響を与える可能性がある。さらに、微生物発酵プロセスのその場で代謝物（例えば、酢酸）自体に価値がない限り、廃棄物処理の問題を引き起こし得る。エタノールを作成するためのＣＯ含有ガスの嫌気的発酵における所望の最終生成物以外の生成物の形成に対処するための様々な提案が、国際公開第２００７／１１７１５７号、同第２００８／１１５０８０号、及び同第２００９／０２２９２５号で論じられている。

所与の発酵プロセスが経済的に魅力的であるかどうかに関する主な決定要因であるエタノール生成率は、細菌成長のための適切な条件の管理に大きく依存する。例えば、ＣＯ含有基質が、最適な微生物成長及び／または所望の代謝物生成をもたらす速度で微生物培養に提供されなければならないことは、国際公開第２０１０／０９３２６２号から知られている。不十分な基質が提供された場合、微生物成長は遅くなり、発酵生成物の収率はエタノールを犠牲にして酢酸に移行する。過剰な基質が提供された場合、微生物成長不良及び／または細胞の死を生じ得る。これらのプロセスにおける操作パラメータ間の関係に関するさらなる情報は、国際公開第２０１１／００２３１８号に見出される。

操作パラメータの制御は、処理目標が、細胞培養を十分なレベルにまで成長させ、かつ連続操作のための他の条件を確立することにだけでなく、生成物及び副生成物生産性の均衡を保つことにも焦点を合わせる最初の操作の期間の間に、特に重要である。連続バイオリアクタ操作の前のバッチ培養操作を行うために必要な時間の低減は、プロセス経済性の改善に重大な意味を持つ。これは、ＣＯ含有ガスで成長する能力のある微生物は、一般に糖類を食料源として用いる競合する技術において使用される微生物よりも遅い速度で成長するという事実の点から、特に正しい。発酵プロセスの操作の商業の点から見て、微生物個体群が確立する、例えば、生成物の経済的に好ましいレベルの合成に十分に高い細胞密度に達するのに必要な時間は、利益性全体に影響を与える重要な運転費を表す。例えば、バッチ条件下での最初の操作期間の間の培養成長速度及び／または生産性を向上させ、これにより、所望の細胞密度及び／または生成レベルに達するのに必要な時間を短縮させる能力は、ＣＯ含有廃ガスからエタノールを生成するための生物学的プロセスの商業化における成功全体の重要な決定要因である。

本発明の態様は、利用可能なデータに基づいて生物学的ＣＯ変換プロセスの開始を制御するための方法に関する。通常、そのようなプロセスの開始時に、バイオリアクタを、（例えば、ＣＯからエネルギーを得る能力を有する）カルボキシド栄養性細菌を含む培養液で満たす（植え付ける）。典型的なプロセスに従って、エタノールが、所望の最終生成物であるのに対し、酢酸塩が酢酸の形態の望ましくない代謝物として生成される。上で論じられたように、ＣＯは、競合する目標を達成するために、慎重にバイオリアクタに供給されなければならない。具体的には、ＣＯの供給不足が、エタノールを消費して過剰な酢酸塩形成を生じ得るのに対し、ＣＯの供給過剰は、細菌成長に負の影響を与え得る。これらの留意事項の点から、ＣＯまたはＣＯ含有ガスの経時的流量の特定のプロファイルが、バッチ操作の間の予期される細菌成長に基づいて、他のプロセスから得られた情報と組み合わせて、使用され得る。

最初の操作期間（例えば、バッチ操作期間）の間の最優先操作目標は、培養液内で細菌（バイオマス）の濃度を上昇させることである。したがって、バッチ操作期間の間のガス流プロファイルは、通常、控えめであり、ＣＯの供給過剰を避けるように努める。これは、著しい量の酢酸の形成を生じ得、場合によっては、所望されるエタノール最終生成物の量を超え得る。細菌変換プロセスをとおして生成されたあらゆる酢酸が培養液のｐＨ値を下げるため、水酸化アンモニウム溶液等の塩基性中和剤が、導入されてもよい。中和剤が、細菌成長に好適な培養液のｐＨ値（例えば、５．０のｐＨ）を維持するために、バイオリアクタに添加されてもよい。

本発明の実施形態は、ＣＯをエタノール等の所望の最終生成物に変換するための生物学的発酵プロセスに対し、ＣＯ含有基質及び塩基性中和剤（例えば、水酸化アンモニウム溶液）の両方を、カルボキシド栄養性細菌を含む培養液を備えるバイオリアクタに供給することを含む。このプロセスは、培養液内の許容できないｐＨレベルを避けるために、所望の最終生成物と、中和剤によって（例えば、酢酸アンモニウム等の塩に）変換される酸性代謝物（例えば、酢酸）と、の両方を生成する。１つの代表的な実施形態に従って、塩基性中和剤の流量は、培養液内のカルボキシド栄養性細菌または酸性代謝物の測定された濃度または測定された生産性等の測定された特性に基づいて、制御されてもよい。あるいは、そのような測定された特性が利用可能でない場合、例えば、好適なオンラインサンプリング及び分析装置がない場合、塩基性中和剤の流量は、ＣＯ含有基質の測定された流量に基づいて、またはさもなければこの基質の設定値に基づいて制御されてもよい。

本発明の他の実施形態は、上述のように培養液の測定された特性に基づいて、もしくは代替的には、ＣＯ含有基質の測定された流量に基づいて、またはさもなければこの基質の設定値に基づいてのいずれかで、バイオリアクタ及びバイオリアクタへの塩基性中和剤の流量を制御するように構成された制御装置を備えるシステムに対する。培養液の測定された特性に基づく制御の場合、システムは、単離された試料を分析するように構成された分析装置に加えて、分析のためにバイオリアクタから培養液の試料を単離するように構成された必要なサンプリング装置をさらに備えてもよい。上記の制御方法代替手段のいずれかにおいて、典型的なシステムは、任意選択的に、測定されたｐＨ値に基づいてＣＯ含有基質流量を制御するように構成された第２の制御装置、バイオリアクタから培養液の試料を単離するように構成されたサンプリング装置、及び／または試料を分析し、次いで制御装置に測定されたｐＨ値を入力するように構成された分析装置を含んでもよい。

本発明のさらなる実施形態は、非一時的コンピュータ可読媒体上に具現化されたコンピュータプログラムを有する非一時的コンピュータ可読媒体を備える、コンピュータプログラム製品に対する。これらのコンピュータプログラムは、プロセッサに本明細書に記載される制御プロセスを実行するのに必要なステップを行わせるための命令を含む。これらのプロセスには、バイオリアクタへの塩基性中和流量を制御するように構成された制御装置への入力である情報の受信が含まれる。この様式で受信及び入力されてもよい情報には、上述のように測定された特性に関してバイオリアクタからの培養液試料を分析するように構成された分析装置から受信された情報が含まれる。あるいは、この情報は、この流れを測定するように構成された流量センサまたは測定デバイスから受信された、ＣＯ含有基質の測定された流量でもよい。この受信された情報は、ＣＯ含有基質の流量設定値も含んでもよい。制御装置に受信及び入力された情報の種類に関わらず、典型的なプロセスは、例えば、培養液のｐＨを直接、またはさもなければバイオリアクタからの培養液の試料のｐＨを測定するように構成されたｐＨ計または他の分析装置から、測定されたｐＨ値を受信することをさらに含んでもよい。測定されたｐＨ値が制御の基準である測定されたｐＨ値は、ＣＯ含有基質流量を制御するように構成された第２の制御装置に入力されてもよい。

本発明に関係するこれらの実施形態及び態様、ならびに他の実施形態及び態様は、以下の発明を実施するための形態から明らかである。

本発明の例となる実施形態のより完全な理解及びその利益は、付属の図を考慮して以下の説明を参照することにより得られ得る。

ＣＯ含有基質をエタノールに変換するための生物学的プロセスの操作パラメータを制御するための代表的な方法のフローチャートである。 従来の制御方法を使用した、ＣＯ含有基質をエタノールに変換するための生物学的プロセスの、培養液内のエタノール、カルボキシド栄養性細菌、及び酢酸の経時的な測定された濃度のグラフである。 本明細書に記載される制御方法を使用した、ＣＯ含有基質をエタノールに変換するための生物学的プロセスの、培養液内のエタノール、カルボキシド栄養性細菌、及び酢酸の経時的な測定された濃度のグラフである。 従来の制御方法及び本明細書に記載される制御方法を使用した、ＣＯ含有基質をエタノールに変換するための生物学的プロセスの、経時的なＣＯ含有基質流量の比較グラフである。 従来の制御方法及び本明細書に記載される制御方法を使用した、ＣＯ含有基質をエタノールに変換するための生物学的プロセスの、経時的な培養液内のカルボキシド栄養性細菌濃度の比較グラフである。 本明細書に記載される代表的な制御方法を使用した、ＣＯ含有基質をエタノールに変換するための生物学的プロセスの、培養液内のエタノール、カルボキシド栄養性細菌、及び酢酸の経時的な測定された濃度、ならびに新しい培養液の測定された流量グラフである。 本明細書に記載される代替制御方法を使用した、ＣＯ含有基質をエタノールに変換するための生物学的プロセスの、培養液内の経時的なエタノール、カルボキシド栄養性細菌、及び酢酸の測定された濃度、ならびにＮＨ_４ＯＨ中和剤溶液及びＣＯ含有基質の測定された流量のグラフである。

本発明は、カルボキシド栄養性細菌を含む培養液を備えるバイオリアクタにＣＯ含有基質中のＣＯを供給することにより、エタノール等の所望の最終生成物を生成するためのプロセスに関する。所望の最終生成物に加えて、典型的なプロセスは、望ましくない代謝物またはより望ましくない代謝物をさらに生成する。エタノール等の所望の生成物に加えて生成され得る酸性代謝物の例は、酢酸塩（例えば、酢酸の形態）である。典型的なカルボキシド栄養性細菌または微生物（例えば、ＣＯからエネルギー及び炭素を得る微生物）は、Ｍｏｏｒｅｌｌａ属、Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉａ属、Ｒｕｍｉｎｏｃｏｃｃｕｓ属、Ａｃｅｔｏｂａｃｔｅｒｉｕｍ属、Ｅｕｂａｃｔｅｒｉｕｍ属、Ｂｕｔｙｒｉｂａｃｔｅｒｉｕｍ属、Ｏｘｏｂａｃｔｅｒ属、Ｍｅｔｈａｎｏｓａｒｃｉｎａ属、Ｍｅｔｈａｎｏｓａｒｃｉｎａ属、及びＤｅｓｕｌｆｏｔｏｍａｃｕｌｕｍ属のものである。Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉａである細菌の特定の例には、Ｃ．ｌｊｕｎｄａｈｌｉｉ、Ｃ．ａｕｔｏｅｔｈａｎｏｇｅｎｕｍ、Ｃ．ｒａｇｓｄａｌｅｉ、及びＣ．ｂｅｉｊｅｒｅｎｃｋｅｉが含まれる。

代表的なＣＯ含有基質には、広く、成長及び／または発酵のために細菌の１つ以上の株が一酸化炭素を利用できるあらゆるＣＯ含有ガス、または場合により液体が含まれる。そのようなＣＯ含有基質は、好ましくは、そのような汚染物質がカルボキシド栄養性細菌の成長に悪影響を与え得る程度まで汚染物質を含まない（例えば、１つ以上の汚染物質（複数可）が、成長速度が所与の一組の条件下で、同じ条件下だが汚染物質（複数可）を含まない成長速度と比較して、１０％超減速されるような濃度または量で存在しない）。代表的な気体ＣＯ含有基質は、典型的に、かなりの割合のＣＯ、好ましくは少なくとも５体積％〜１００体積％のＣＯを含有する。そのような基質は、多くの場合、鋼製造プロセスまたは非鉄製品製造プロセス等の産業プロセスの廃棄物として生成される。気体ＣＯ含有基質が生成される他のプロセスには、メタン、エタン、プロパン、石炭、天然ガス、原油、石油精製所（石油コークスもしくはペトコークス（ｐｅｔｃｏｋｅ）を含む）からの低価値残渣、固形都市廃棄物、またはバイオマスなどの有機物のガス化が含まれる。バイオマスには、サトウキビからの砂糖、もしくはトウモロコシまたは穀物からのデンプン等の食料品の抽出及び処理の間に得られる副生成物、または林業によって生成される非食品バイオマス廃棄物が含まれる。これらの炭素質物質のうちのいずれも、ガス化、例えば、酸素で部分的に燃焼されて、合成ガス（ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｇａｓ）（かなりの量のＨ_２及びＣＯを含む合成ガス（ｓｙｎｇａｓ））を生成することができる。有利に、これらのプロセスからのガス流は、本明細書に記載されるように、エタノール等の有用な最終生成物の有益な生成のために使用され得る。他の実施形態において、ＣＯを含む基質は、炭化水素の水蒸気改質から得ることができる。これらのプロセスは、米国特許出願公開第ＵＳ２０１３／００４５５１７Ａ１号、同第ＵＳ２０１３／０２１００９６Ａ１号、同第ＵＳ２０１３／０２０３１４３Ａ１号、及び同第ＵＳ２０１３／０３１６４１１Ａ１号、ならびに米国特許第ＵＳ８，３８３，３７６号にさらに詳細に記載され、これらのすべての内容は、参照によりその全体が組み込まれる。

ＣＯ含有基質が少しも水素を含有する必要はない一方で、Ｈ_２の存在は、通常、所望の最終生成物の形成に悪影響をもたらさない。特定の実施形態において、ＣＯ含有基質は、低濃度のＨ_２、例えば、１０体積％未満、５体積％未満、または１体積％未満のＨ_２を含んでもよい。ＣＯ含有基質は、いくらかのＣＯ_２、例えば、１体積％〜８０体積％、１体積％〜５０体積％、または１体積％〜３０体積％のＣＯ_２も含有してもよい。気体ＣＯ含有基質等のいずれかのＣＯ含有基質は、生物学的変換プロセスにおけるその使用の前に処理されて、概してカルボキシド栄養性細菌または生物学的変換プロセスに悪影響をもたらし得る、塵粒子または他の固体、液体、もしくは気体の汚染物質等のあらゆる望ましくない不純物を除去されてもよい。例えば、気体ＣＯ含有基質は、既知の方法を使用して、濾過またはスクラブされてもよい。

酢酸である酸性代謝物の文脈において、「酢酸」または「酢酸塩」という用語は、そのアニオンの（解離）形態（例えば、酢酸塩イオンもしくはＣＨ_３ＣＯＯ⁻として）または遊離分子酢酸（ＣＨ_３ＣＯＯＨ）の形態のいずれかで、これらの形態がシステムのｐＨに依存する比率で、培養液中に存在する総酢酸塩を指す。「バイオリアクタ」という用語は、本明細書に記載される生物学的プロセスを実行するために使用され得るカルボキシド栄養性細菌の培養を含むための任意の好適な容器を含み、これはまた、発酵プロセスが一般に嫌気的に実施される範囲において、発酵プロセスとも称され得る。好適なバイオリアクタは、連続撹拌槽型反応器（ＣＳＴＲ）、固定化細胞反応器（ＩＣＲ）、トリクルベッド反応器（ＴＢＲ）、移動床生物膜反応器（ＭＢＢＲ）、気泡塔、ガスリフト発酵槽、中空繊維膜バイオリアクタ（ＨＦＭＢＲ）等の膜反応器、静的ミキサーでもよいか、または、（例えば、生物学的変換を実施するのに好ましい溶解及び物質輸送動態を用いて）ＣＯ含有基質を細菌培養液に接触させるのに好適な他の容器またはデバイス（例えば、塔または配管）を含み得る。

他の好適なプロセスの流れ、操作パラメータ、及び本明細書に記載される生物学的プロセスで使用するための装置は、米国特許出願公開第ＵＳ２０１１／０２１２４３３号に記載され、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。

本発明は、特にＣＯをエタノール等の価値のある最終生成物に変換するための、（ｉ）規定の流量での新しい培養液の添加、もしくは目標を開始する別のプロセスのいずれかによって区別され得る連続操作を達成する前に、バッチ操作期間もしくは他の最初の操作期間に必要な時間が、予想外に短縮され、かつ／または（ｉｉ）所望の最終生成物の生産性もしくは別のプロセス性能パラメータ（例えば、細菌成長速度）が、このバッチ操作期間もしくは他の最初の操作期間の間に予想外に改善された、生物学的プロセスの発見に関連する。バッチ操作から連続操作への転換は、新しい培養液の本プロセスで使用されるバイオリアクタへの添加の開始によって区別される。あるいは、新しい培養液添加の速度が、慎重な時点で開始されるよりもむしろ徐々に増加する場合、バッチから連続操作への転換は、バイオリアクタへの新しい培養液添加の目標速度を達成することによって、及び／またはバイオリアクタからの細菌含有培養液取り出しの目標速度を達成することによって区別されてもよい。新しい培養液添加及び／または細菌含有培養液取り出しの目標速度は、定常状態操作、例えば、条件が所望の最終生成物の生成の長い期間（例えば、少なくとも３日、または少なくとも１０日）にわたって実質的に一定で維持される操作と関連した速度でもよい。さもなければ、これらの目標速度は、定常状態操作と関連した速度の少なくとも６０％、少なくとも７５％、または少なくとも９０％でもよい。

新しい培養液の目標速度以外に、最初の操作期間と定常状態または「稼働中の」操作期間とを区別するために使用されてもよい他のプロセス開始目標は、所望の生成物（例えば、エタノール）、カルボキシド栄養性細菌、または酸性代謝物の培養液濃度を含み得る。プロセス開始目標は、所望の生成物、カルボキシド栄養性細菌、または酸性代謝物の生産性も含んでもよい。プロセス開始目標は事前に決定、例えば、プロセスの始めから確立され、場合により、新しい培養液の添加の監視及び／または制御を含む、生物学的プロセスの監視及び／または制御のために使用されるコンピュータプログラム（ソフトウェア）製品を含む制御システムへの入力として使用されてもよい。

本発明の特定の実施形態は、自動化されてもよいある特定の制御方法が、ＣＯ含有基質流量と培養液の測定された特性とを効果的に適合させることができるという研究結果に基づく。これらの方法は、最初の操作期間（例えば、バッチ操作期間）に使用されるとき、または一般的に使用されるとき、ＣＯの供給過剰の回避に加えて、酢酸または酢酸塩生成の低減の点から、大幅に改善された平衡を有利に提供する。驚くべきことに、バッチ操作期間または他の最初の操作期間の目標は、最初からＣＯ含有ガス流量プロファイルの確立の従来と比較して、はるかにより早く、また、所望の最終生成物及び望ましくない代謝物（複数可）の両方の生産性の点からはるかにより効率的に達成され得る。いくつかの実施形態に従って、プロセス経済性全体が、連続操作への移行を可能にする培養液中の細菌濃度を達成するための始動時間の短縮の結果として、大幅に改善され得る。例えば、バイオリアクタの植え付けから所与のバイオマス細菌濃度が達成されるまでの時間は、プロセスパラメータを制御するための従来の行為を使用して達成される結果と比較して、少なくとも２０％（例えば、２０％〜８０％）、典型的には、少なくとも３５％（例えば、３５％〜７５％）、多くの場合少なくとも５０％（例えば、５０％〜７０％）まで短縮され得る。

１つの特定の制御方法に従って、最初の操作期間（例えば、バッチ操作期間）の間、または何らかの他の操作期間（例えば、連続、定常状態、または通常操作期間）の間に測定された培養液の特性は、塩基性中和剤（例えば、水酸化アンモニウム溶液）の流量の制御の基準として使用される。代表的な特性には、酸性代謝物（例えば、酢酸または酢酸塩）の濃度、酸性代謝物の生産性、カルボキシド栄養性細菌の濃度、カルボキシド栄養性細菌の生産性、またはそのような特性の組み合わせが含まれる。一般に、これらの特性のうちのいずれかの上昇は、一方向に塩基性中和剤の流量の増加をもたらす。１つの特定の実施形態において、塩基性中和剤の流量は、培養液中の目標の酸性代謝物濃度に基づいて制御され、次にこれは、カルボキシド栄養性細菌の測定された濃度から決定される。このように、制御方法は、塩基性中和剤の消費、具体的には、細菌培養物を培養することによる窒素の増加した利用からなる。これは、好ましい生成物収率分布で細菌培養物を迅速に培養させるという目標に特別に適合された始動の間（例えば、バッチ操作期間）の条件を有利に提供する。

細胞培養液の特性は、連続的または断続的に、例えば、定期的に測定されてもよく、各々の一連の測定間の期間は、一般に０．１秒〜１２０秒に１回、典型的には０．５秒〜６０秒に１回、多くの場合１秒〜１０秒に１回である。測定された特性は、カルボキシド栄養性細菌または酸性代謝物の培養液中の濃度のオンライン分析によって得られてもよい。一連の測定間の時間間隔と共に（例えば、１リットル当たりのグラム数、ｇ／ｌでの）濃度の一連の測定に基づいて、（例えば、１日当たりの１リットル当たりのグラム数、ｇ／ｌ・日^−１での）カルボキシド栄養性細菌または酸性代謝物の生産性を計算することができる。例えば、カルボキシド栄養性細菌の濃度が連続する間隔で判定された場合、指定された時間１及び時間２、次いで、時間２の時点でのカルボキシド栄養性細菌の生産性は、次のように表現され得る：（時間２の時点での濃度−時間１の時点での濃度）／（時間２−時間１）。

一般に、酸性代謝物濃度は、濾過または膜分離の結果として、カルボキシド栄養性細菌を含まないか、または実質的に含まない培養液試料中で測定される。例えば、（例えば、０．０５μｍ〜１μｍの範囲の）細菌を除去するのに好適な細孔の大きさを有するフィルタが、反応器の動作を自動的かつ別個に監視するために、異なる時間に細胞不含培養液を単一の反応器から取り出すように構成されたか、あるいはさもなければ、そのような液体を複数の反応器（例えば、直列もしくは並列で動作することができるか、またはさもなければ独立して動作する４〜６個の反応器等の２〜１０個の反応器）から取り出すように構成されたサンプリングシステムの試料ライン上に組み込まれてもよい。他の実施形態に従って、培養液の細胞不含試料は、細胞に富む濃縮水流がバイオリアクタへと再循環される膜分離システムからの透過水流として利用可能でもよい。透過水は、分析のために使用されない場合、通常、（例えば、直列で動作する）第２のバイオリアクタへと流れてもよい。バイオリアクタから得られた細胞不含濾液または透過水は、最終生成物（例えば、エタノール）濃度または酸性代謝物（例えば、酢酸もしくは酢酸塩）濃度の特性のオンライン測定のために使用される典型的な試料を提供することができる。これらの濃度は、クロマトグラフィー（例えば、高圧液体クロマトグラフィー、またはＨＰＬＣ）等の既知の分析法によって判定されてもよい。

測定された特性としてカルボキシド栄養性細菌濃度の場合、培養液は、分析のために使用されない場合、例えば、通常（例えば、直列で動作する）第２のバイオリアクタへ流れてもよいブリード流として、バイオリアクタから直接取り出されてもよい。細胞培養液の取り出しのためのブリード流または他の流れからの試料ラインは、カルボキシド栄養性細菌濃度の特性のオンライン測定のための好適な分析デバイスに流体接続されてもよい。代表的なデバイスは、吸光度もしくは試料をとおした電磁エネルギーの伝達（例えば、分光光度計）、試料のある特定の生物学的活動（例えば、プレートリーダー）、または使い捨てもしくは再利用可能なプローブ（例えば、オンラインバイオマスプローブ）内の試料の別の特性（例えば、電気抵抗／静電容量）を測定するものを含む。ブリード流または他の流れからの試料ラインは、反応器の動作を自動的かつ別個に監視するために、異なる時間に培養液を単一の反応器から取り出すように構成されたか、あるいはさもなければ、そのような液体を複数の反応器（例えば、直列もしくは並列で動作することができるか、またはさもなければ独立して操作される４〜６個の反応器等の２〜１０個の反応器）から取り出すように構成されたサンプリングシステムの一部でもよい。

１つまたは複数のバイオリアクタからの培養液のオンライン分析のためのサンプリングシステムは、所望の時間に所望の反応器の自動サンプリングを可能にするための好適な導管（例えば、管類またはパイプ）弁、ポンプ、及びアクチュエータと、正確な結果を得るために試料ラインをフラッシング（パージ）するための好適なデバイスと、を含む。例えば、エタノールもしくは酢酸塩の濃度を得るために細胞不含培養液を分析する場合、上述のように、濾過した液体または膜透過水を、少なくとも断続的に、しかし好ましくは連続的に、オンライン分析のために構成された好適な試料容器をとおして供給してもよい（例えば、蠕動ポンプを使用して注入してもよい）。例えば、そのような試料容器（例えば、試料バイアル）と流体連通している注入ライン及び送出ラインは、培養液の濾過された流れを試料容器に、及び試料容器から連続的に導いてもよい。いくつかの実施形態に従って、試料容器をとおした培養液の連続供給は、バイオリアクタの動作のある期間にわたって、例えば、少なくとも３分、少なくとも５分、または少なくとも１０分にわたって、上述のように、試料容器注入口から試料容器をとおり、試料容器出口に細胞不含透過水または濾液流が流れることを伴う。特定の実施形態に従って、例えば、濾過された細胞不含培養液は、フィルタの詰まりを防ぐために、試料容器をとおって９分間連続的に供給され、続いて試料ライン上で１分のフィルタのバックフラッシュを行ってもよい。サンプリングされず、試料容器出口をとおって流れる過剰培養液は、廃棄物として廃棄されてもよい。

このように、試料容器内に存在する液体は、試料容器内の細胞不含培養液の分析の時点での、この細胞を含む培養液中の所望の最終生成物（例えば、エタノール）及び代謝物（複数可）（例えば、酢酸または酢酸塩）の濃度の点から、バイオリアクタ内の細胞を含む培養液を表す。試料ラインの長さは、バイオリアクタ内の最終生成物及び／または代謝物（複数可）の実際の濃度（複数可）と、分析の時点での試料容器内の細胞不含培養液の測定された濃度（複数可）との間のあらゆるオフセットを最小化するために、最短化されてもよい。いくつかの実施形態に従って、最終生成物及び／または代謝物の実際の濃度と、測定された濃度との間のオフセットは、１０％未満、５％未満、または２％未満になる。したがって、細胞不含培養液の試料は、本質的にリアルタイムでバイオリアクタ内の最終生成物及び代謝物（複数可）の濃度（複数可）を判定するために、試料容器から取り出され、分析されてもよい。例えば、自動サンプリングは、一定間隔で試料容器の上部上のゴム封止体に突き刺し、細胞不含培養液の試料を取り出すためのサンプリング針の使用を伴ってもよく、一連の測定間の期間は、上述のとおりである。自動サンプリング装置は、直列もしくは並列で動作してもよいか、またはさもなければ独立して動作してもよい同数のバイオリアクタからの培養液をサンプリングするための、例えば、４〜６個の試料容器等の２〜１０個の試料容器を含んでもよい。

より一般的には、自動サンプリング装置は、好適な導管（例えば、管類またはパイプ）弁、ポンプ、及びアクチュエータを使用して、上述のように反応器の動作を自動的かつ別個に監視するために、異なる時間に複数の反応器（直列もしくは並列で動作するか、またはさもなければ独立して動作してもよい、例えば、４〜６個の反応器等の２〜１０個の反応器）の細胞培養液及び細胞不含培養液の両方の分析のために構成されてもよい。代謝物（複数可）（例えば、酢酸もしくは酢酸塩）の濃度及び生産性、ならびに／またはカルボキシド栄養性細菌の濃度及び生産性を含む培養液の特性は、一定間隔で自動的に判別されてもよく、一連の測定間の期間は、上述のとおりである。有利に、オンライン自動サンプリング及び分析の使用は、分析結果が、ヒトの介入なしに（例えば、塩基性中和剤の流量を制御するための）関連制御装置に直接入力されることを可能にする。さらに、本明細書に記載される自動サンプリング装置は、操作者が、例えば、希釈及び／またはピペット操作を行うことによって、複数のバイオリアクタからの複数の液体試料を追跡及び取り扱う必要なしに、基本的にリアルタイムで、バイオリアクタ培養液、または複数のバイオリアクタ培養液の特性の監視を可能にする。これにより、信頼性及びデータ再現精度、ならびにバイオリアクタ（複数可）の動作全体が、大幅に改善される。

好ましくは、本明細書に記載される制御方法は、自動化され、プロセッサにこれらの制御方法を実施するために必要な信号を制御装置に送信させるための適切な命令を伴う、コンピュータプログラムの使用を伴う。特定の制御方法に従って、培養液の測定された特性は、塩基性中和剤（例えば、水酸化アンモニウム溶液、または他の無機塩基もしくは有機塩基等の水酸化物化合物）の流量制御の基準として使用される。そのような制御方法は、従来の制御方法と比較して、所望の最終生成物（例えば、エタノール）の定義済み取り出し速度、または他の定義済み操作パラメータによって区別されてもよい、例えば、定常状態または連続操作の期間前の、最初の操作期間（例えば、バッチ操作期間）の時間を有利に短縮することができる。理論に束縛されるものではないが、時間の短縮は、カルボキシド栄養性細菌が塩基性中和剤を利用または消費する（例えば、塩基性中和剤中の窒素を利用する）という事実に、少なくとも部分的に起因し得る。したがって、一般に、本明細書に記載される制御方法は、培養液への少なくとも２つの供給流（例えば、ＣＯ含有基質及び塩基性中和剤の両方）が、その中に含まれる細菌によって消費されるか、代謝されるか、またはさもなければ利用されるバイオリアクタプロセスにおいて、特に有利である。他の実施形態において、本明細書に記載される制御方法は、バッチ操作期間及び連続操作期間の両方、または連続操作期間のみに使用されてもよい。

代表的な特性としては、酸性代謝物（例えば、酢酸もしくは酢酸塩）、またはカルボキシド栄養性細菌の、（例えば、グラム／リットルもしくはグラム・リットル^１等の質量／体積の単位での）測定された濃度、または（例えば、グラム／（リットル・日）もしくはグラム・リットル^−１・日^−１等の質量／（体積・時間）の単位での）測定された生産性が挙げられる。好ましい実施形態に従って、測定された特性は、酸性代謝物の測定された濃度または測定された生産性である。上記特性のうちのいずれかは、上述のように、ある測定頻度を用いてサンプリング技術を使用して、最初の操作期間（例えば、バッチ操作期間）または他の期間の間、連続的または断続的（例えば、定期的）に測定されてもよい。例えば、細胞不含または少なくとも実質的に細胞不含である透過水流の試料は、ＨＰＬＣを使用して、酸性代謝物のその濃度を分析されてもよい。

塩基性中和剤の流量の制御は、より具体的には、上述の培養液の測定された特性のうちのいずれかと、これらの対応する設定値との間の差異に基づいてもよい。例えば、酸性代謝物の測定された濃度が制御の基準である場合には、塩基性中和剤の流量は、培養液中の酸性代謝物の測定された濃度と、酸性代謝物の設定濃度との間の差異に基づいて制御されてもよい。同様に、酸性代謝物の測定された生産性、カルボキシド栄養性細菌の測定された濃度、またはカルボキシド栄養性細菌の測定された生産性が制御の基準である場合には、塩基性中和剤の流量は、（ｉ）酸性代謝物の測定された生産性と、酸性代謝物の設定生産性との間の差異、（ｉｉ）カルボキシド栄養性細菌の測定された濃度と、カルボキシド栄養性細菌の設定濃度との間の差異、または（ｉｉｉ）カルボキシド栄養性細菌の測定された生産性と、カルボキシド栄養性細菌の設定生産性との間の差異に基づいて制御されてもよい。

酸性代謝物の設定濃度が判定される場合、例えば、酸性代謝物の測定された濃度がこの設定（または目標）濃度を超えた場合、この制御方法は、塩基性中和剤の流量の一方向の減少をもたらし得る。これは、最終的に、塩基性中和剤の減少した流量が培養液のｐＨを低下させるため、培養液中の酸性代謝物の濃度を減少させる。好適な実施形態に従って、ＣＯ含有基質流量は、（例えば、オンラインｐＨ計を使用し得て得られた）培養液の測定されたｐＨ値に基づいて制御されてもよい。したがって、（例えば、４．０、４．５、５．０、５．５、または６．０等のｐＨ値の設定値または目標未満への）測定されたｐＨ値の減少は、ＣＯ含有基質流量の増加をもたらし得る。培養液がＣＯ含有基質の増加した流れで供給されるようになったとき、酸性代謝物生産性は、エタノール生産性に有利に減少し、酸性代謝物濃度を、例えば、酸性代謝物の設定濃度に向かって一方向に減少させ、ｐＨ値を上昇させる。反対に、酸性代謝物の測定された濃度が決められた設定（または目標）濃度未満に落ちた場合、制御方法は、塩基性中和剤の流量の一方向の増加をもたらし得る。これは、最終的に、塩基性中和剤の上昇した流量が培養液のｐＨを上昇させるため、培養液中の酸性代謝物の濃度を上昇させる。ＣＯ含有基質流量は、上述のように、培養液の（例えば、オンラインｐＨ計を使用して得られた）測定されたｐＨ値に基づいて制御されてもよい。したがって、（例えば、４．２、４．７、５．２、５．７、または６．２等のｐＨ値設定値または目標超への）測定されたｐＨ値の上昇は、ＣＯ含有基質流量の減少をもたらし得る。培養液がＣＯ含有基質の減少した流れで供給されるようになったとき、酸性代謝物生産性は、エタノール生産性を犠牲にして増加し、酸性代謝物濃度を、例えば、酸性代謝物の設定濃度に向かって一方向に上昇させ、ｐＨ値を減少させる。

類似した制御方法は、上述のように培養液の他の測定された特性に従って塩基性中和剤の流れを制御することにより、可能である。例えば、（ｉ）酸性代謝物の測定された生産性が対応する設定（または目標）生産性を超えた場合、この制御方法は、塩基性中和剤の流量の一方向の減少をもたらし得るか、（ｉｉ）カルボキシド栄養性細菌の測定された濃度が対応する設定（または目標）濃度を超えた場合、この制御方法は、塩基性中和剤の流量の一方向の増加をもたらし得るか、または（ｉｉｉ）カルボキシド栄養性細菌の測定された生産性が対応する設定（または目標）濃度を超えた場合、この制御方法は、塩基性中和剤の流量の一方向の増加をもたらし得る。図１は、塩基性中和剤、水酸化アンモニウム溶液（ＮＨ_４ＯＨ）の流量が、酸性代謝物、酢酸の測定された生産性に基づく代表的な制御方法を描写する。次に、ＮＨ_４ＯＨ流量は、培養液のｐＨに影響を与える。ＮＨ_４ＯＨ流量における何らかの変化に対する対応が培養液のｐＨの管理である（例えば、ｐＨが「平坦」である）場合には、ＣＯ含有基質流量は、変わらないままである。しかしながら、そのような対応が培養液のｐＨをその設定値を超えて上昇させた（例えば、ｐＨが「高い」）場合には、ＣＯ含有基質の流れは減少され、酢酸生産性が増加し、ｐＨをその設定値に戻す。そのような対応が培養液のｐＨをその設定値未満に減少させた（例えば、ｐＨが「低い」）場合には、ＣＯ含有基質の流れは増加され、酢酸生産性が減少し、ｐＨをその設定値に戻す。

次に、培養液の特性の設定値のうちのいずれか（例えば、酸性代謝物の設定濃度、酸性代謝物の設定生産性、カルボキシド栄養性細菌の設定濃度、またはカルボキシド栄養性細菌の設定生産性）が、バイオリアクタプロセスの１つ以上の他の測定された操作パラメータ（例えば、測定された流量、濃度、及び／もしくは生産性、またはｐＨ）に基づいて判定されてもよい。例えば、カルボキシド栄養性細菌の測定された濃度またはカルボキシド栄養性細菌の測定された生産性が、設定値を判定するために使用されてもよい。特定の実施形態に従って、かつ本発明に関係するある特定の発見に基づいて、設定値は、カルボキシド栄養性細菌の測定された濃度またはカルボキシド栄養性細菌の測定された生産性に比例し得る。酸性代謝物の設定生産性は、例えば、式

によって独立して判定されてもよく、式中、Ａ_１及びＡ_２は、設定値と、カルボキシド栄養性細菌の測定された濃度（ＢＩＯＣＯＮｍｖ）またはカルボキシド栄養性細菌の測定された生産性（ＢＩＯＰＲＯＤｍｖ）との間の比例定数をそれぞれ表し、Ｂ_１及びＢ_２は、オフセットを表す。定数Ａ_１及びＢ_１、またはＡ_２及びＢ_２は、実験データ、例えば、同じバイオリアクタを使用して得られたか、またはさもなければ同じ変換プロセス（例えば、エタノールへのＣＯの変換）を実施するための微生物培養液を含むバイオリアクタを使用して得られた以前のデータから実験的に決定されてもよく、より具体的には、これらの定数はそのような以前のデータの回帰分析を行うことにより得られてもよい。ＢＩＯＣＯＮｍｖまたはＢＩＯＰＲＯＤｍｖを決定する場合、カルボキシド栄養性細菌濃度を判定するためのサンプリング及び分析は、上述のように行われてもよい。

したがって、例となる実施形態において、カルボキシド栄養性細菌の測定された濃度（ＢＩＯＣＯＮｍｖ）またはカルボキシド栄養性細菌の測定された生産性（ＢＩＯＰＲＯＤｍｖ）は、オンラインバイオマスプローブまたは他のサンプリングデバイス及び試料分析装置を使用して得ることができる。ＢＩＯＣＯＮｍｖまたはＢＩＯＰＲＯＤｍｖの値から、酸性代謝物の設定濃度（もしくは目標濃度）または酸性代謝物の設定生産性（もしくは目標生産性）が、例えば、上記に提供される式に従って判定されてもよい。

新しい培養液等の希釈剤は、一般的に、最初でない場合には、生物学的変換プロセスの間のある後の時点でバイオリアクタに添加される。希釈剤は、バイオリアクタへの１つ以上の他の供給物（例えば、ＣＯ含有基質及び／または塩基性中和剤）が最初に導入されるときに一緒に最初に導入、例えば、希釈剤流が開始されてもよい。さもなければ、希釈剤は、バイオリアクタへの１つ以上の他の供給物（例えば、ＣＯ含有基質及び／または塩基性中和剤）が最初に導入された後のある時点（例えば、少なくとも２時間後、少なくとも６時間後、または少なくとも１２時間後）に、最初に導入されてもよい。新しい培養液流は、上述のプロセス開始目標のうちのいずれかと同じでもよい好適な培養液開始目標を達成した後に、開始されてもよい。そのような目標には、例えば、カルボキシド栄養性細菌または酸性代謝物のいずれかの規定の濃度または生産性が含まれてもよい。一般に、所与の質量流量または体積流量での新しい培養液等の希釈剤の添加は、同等の質量流量または体積流量での、所望の最終生成物及び任意の代謝物を含む（例えば、同時の）培養液の取り出しを伴う。取り出された培養液は、（ｉ）（例えば、濾過もしくは膜分離によって分離される場合）カルボキシド栄養性細菌を含み得ないか、もしくは実質的に含み得ないか、または（ｉｉ）（例えば、分離せずに取り出された場合）バイオリアクタ内に含まれる培養液中と同じもしくは実質的に同じ濃度でカルボキシド栄養性細菌を含み得る。いくつかの事例では、取り出された培養液は、（ｉ）及び（ｉｉ）の両方の部分（例えば、別個の流れ）を含み得る。いずれにしても、（ｉ）及び（ｉｉ）のいずれかまたは両方が、同じ生物学的なＣＯからエタノールへの変換プロセスを実施するために、（例えば、第１のバイオリアクタと一緒に直列で動作することによって）第２のバイオリアクタに供給されてもよい。

好ましくは、希釈剤の流量は、本明細書に定義されるように、バッチ操作期間のすべてまたは一部の間、徐々に増加される。しかしながら、希釈剤流が後の（例えば、連続）操作期間の間にだけ添加されるように、またはバイオリアクタへの希釈剤の導入がバッチ操作期間から連続操作期間への移行を区別するために使用されるように、何らかの希釈剤流がこの期間の間に添加される必要はない。

塩基性中和剤の流量と同様に、希釈剤流量は、上述のように、培養液の測定された特性のうちのいずれかに基づいて、制御方法のうちのいずれかを使用して制御されてもよい。特定の実施形態に従って、バイオリアクタへの希釈剤流量は、培養液中のカルボキシド栄養性細菌の測定された濃度またはカルボキシド栄養性細菌の測定された生産性に基づいて、制御されてもよい。本発明に関するある特定の発見に基づいて、希釈剤流量設定値が、指数関数に従って判定されてもよく、測定された濃度または測定された生産性が、指数である。例えば、希釈剤流量設定値は、式

のうちの１つに従って判定されてもよく、式中、ＢＩＯＣＯＮｍｖ及びＢＩＯＰＲＯＤｍｖは、それぞれカルボキシド栄養性細菌の測定された濃度及びカルボキシド栄養性細菌の測定された生産性をそれぞれ表し、Ｃ_１及びＣ_２は、定数である。定数Ｃ_１及びＣ_２は、実験データから、例えば、同じバイオリアクタを使用して得られたか、またはさもなければ同じ変換プロセス（例えば、エタノールへのＣＯの変換）を実施するための微生物培養を含むバイオリアクタを使用して得られた以前のデータから実験的に決定されてもよく、ＢＩＯＣＯＮｍｖまたはＢＩＯＰＲＯＤｍｖを決定する場合、カルボキシド栄養性細菌濃度を判定するためのサンプリング及び分析は、上述のように行われてもよい。

第２の特定の制御方法に従って、培養液の特性の測定は、必要ではない。むしろ、以前のデータを使用して、カルボキシド栄養性細菌の濃度及び生産性、酸性代謝物の目標生産性をもたらす所与の組成物のＣＯ含有ガス（または基質）の対応する流れ、及び培養液のｐＨを維持する塩基性中和剤流の変数間の関係を確立してもよい。以前のデータは、例えば、同じバイオリアクタを使用して、またはさもなければ同じ変換プロセス（例えば、エタノールへのＣＯの変換）を実施するための微生物培養を含むバイオリアクタを使用して得ることができる。ＣＯ含有基質の対応する流量に加えて、カルボキシド栄養性細菌濃度及び生産性を含む他の生物学的なＣＯからエタノールへの変換プロセスからの情報を使用して、塩基性中和剤の流量を、所望の酸性代謝物生産性に関して推定してもよい。さらに、そのような情報を使用して、ＣＯ含有基質流量が、所与のカルボキシド栄養性細菌濃度を供給し、所望の酸性代謝物生産性を達成するために推定され得る。

プロセス変数間の特定の関係は、例えば、以下の等式：

に基づき得、式中、ＢＩＯＰＲＯＤ、ＭＥＴＰＲＯＤ、ＮＥＵＴＦＬＯ、及びＣＯＦＬＯは、それぞれ、カルボキシド栄養性細菌の生産性、酸性代謝物の生産性、バイオリアクタへの塩基性中和剤の流量、及びバイオリアクタへのＣＯ含有基質流量を表し、Ｗ、Ｘ、Ｙ、及びＺは、上述のように以前のデータに基づいて実験的に決定された定数である。より具体的には、これらの定数はそのような以前のデータの回帰分析を行うことにより得られてもよい。生産性は、（例えば、カルボキシド栄養性細菌濃度もしくは生産性の場合、分光光度計、プレートリーダー、もしくはバイオマスプローブを使用して、かつ／または酸性代謝物濃度もしくは生産性の場合、ＨＰＬＣを使用して）上述のように測定することができる。

したがって、特定の実施形態に従って、バイオリアクタへのＣＯ含有基質及び塩基性中和剤の両方を供給するバッチ操作期間、または他の操作期間の間、塩基性中和剤の流量は、ＣＯ含有基質流量に基づいて制御される。例えば、塩基性中和剤の流量は、測定された値（例えば、ＣＯ含有基質の測定された流量）またはさもなければ設定値（例えば、ＣＯ含有基質の流量設定値）のいずれかに基づいて制御されてもよい。つまり、塩基性中和剤の流量の設定値は、そのような測定された値または設定値に従って決定されてもよい。ある特定の実施形態に従って、上記のプロセス変数の関係から明らかなように、塩基性中和剤の流量設定値は、ＣＯ含有基質の測定された流量またはＣＯ含有基質の流量設定値のいずれかと共に、直線的に変化し得る。さらにより具体的には、塩基性中和剤の流量設定値は、式：

に従って決定されてもよく、式中、ＣＯＦＬＯｍｖ及びＣＯＦＬＯｓｐは、それぞれ、ＣＯ含有基質の測定された流量及びＣＯ含有基質の流量設定値を表す。Ｙ及びＺは、定数、具体的には、Ｙの場合、ＣＯＦＬＯｍｖまたはＣＯＦＬＯｓｐと塩基性中和剤の流量設定値との間の比例定数、及びＺの場合、オフセットを表す。

特定の種類のこれらの制御方法において、次にＣＯ含有基質流量は、培養液のｐＨ値に基づいて制御されてもよい。例えば、培養液のｐＨの測定された値がｐＨ設定値（例えば、上に示される特定のｐＨ値のうちの１つ）未満に減少した場合、培養液が過度に酸性になり、それに応答して、より多くのＣＯを細菌培養液に供給し、酸性代謝物の生産性を減少させるために、（例えば、ＣＯ含有基質注入ライン上の制御弁の開口率を自動的に上昇させることによって）ＣＯ含有基質流量が増加される。反対に、培養液のｐＨの測定された値がこのｐＨ設定値を超えて上昇した場合、培養液が過度にアルカリ性になり、それに応答して、より少量のＣＯを細菌培養液に供給し、酸性代謝物の生産性を上昇させるために、（例えば、ＣＯ含有基質注入ライン上の制御弁の開口率を自動的に減少させることによって）ＣＯ含有基質流量が減少される。

あるいは、ＣＯ含有流量設定値は、培養液の測定されたｐＨ値から決定してもよく、この設定値は、ＣＯ含有流量の測定された値からの偏差を表す。これらの留意事項の点から、培養液の測定されたｐＨ値が塩基性中和剤の流量に加えて、ＣＯ含有基質流量の両方の設定値を生成することが可能であり得る。しかしながら、ＣＯ含有基質の測定された流量、（流量設定値に対して）この測定された流量が塩基性中和剤の流量の設定値を決定するために使用されることが、一般に好まれる。培養液のｐＨ値は、例えば、オンラインｐＨ分析装置を使用して、連続的または断続的のいずれかで（例えば、一定間隔で）測定されてもよい。さもなければ、このｐＨ値は、手作業で測定されてもよい。

以下の実施例は、本発明を代表するものとして記載される。これらの実施例は、これらの実施形態及び他の同等の実施形態が本開示及び添付の特許請求の点から明らかになるとおり、本発明の範囲を制限すると解釈されるべきではない。

実施例１
従来の「時間ベースの」始動と本発明の「自動」始動との比較
Ｃ．ｌｊｕｎｄａｈｌｉｉを含む培養液を接種することによって、ＣＯからエタノールへの変換の生物学的プロセスを開始した。培養液のｐＨは、酢酸が生成されるに従い、低下し始めた。培養液のｐＨが５．０に達したとき、バイオリアクタへのＣＯ含有基質及び水酸化アンモニウム供給を開始した。始動の間中のＣＯ含有基質流量を、ＣＯ供給過剰の回避が主な目標であった従来の規定の時間ベースのプロファイルによって管理した。比較目的のため、水酸化アンモニウムの流量が培養液中の（酢酸の形態の）酢酸塩の濃度に基づいて制御され、ＨＰＬＣによって自動的かつ定期的に測定された、本明細書に記載される制御方法を使用して同じプロセスを開始した。これらの比較始動の進捗を、２日の期間にわたる培養液中のエタノール、細菌、及び酢酸の濃度を提供する図２及び図３に示す。この情報は、本発明の代表的な実施形態に従った、従来の時間ベースの始動の場合（図２−「時間ベースの制御」）、及び自動始動の場合（図３−「自動制御」）で提供される。

図２と図３との比較から明らかであるように、所望の生成物、エタノールの濃度は、時間ベースの始動の１日目に２グラム／リットル（ｇ／ｌ）未満であり、この濃度は、自動始動ではこの時点で既にほぼ８ｇ／ｌである。さらに、図４に図示されるように、時間ベースの始動と比較して、自動始動がはるかに早いＣＯ含有基質流量の増加をもたらすことは明らかである。これは、細菌成長に悪影響をもたらす供給過剰をせずに、細菌培養液への、エタノール生成のために必要な量のＣＯの連続供給に起因する。時間ベースのプロファイルの場合、ＣＯ含有基質流量は、ＣＯ供給過剰の回避を確実にするために、特徴的に控えめであった。しかしながら、結果として、ＣＯ供給不足は避けられず、エタノールよりもむしろ酢酸が主な生成物である。図５は、これら２つの制御方法を使用したこれらの始動プロセスの経時的な細菌の濃度を比較する。明らかであるように、自動始動の場合のより多いＣＯ流量を用いてさえ、微生物成長は抑制されず、実際、高められた。

これらの結果に基づいて、本明細書に記載される制御方法は、特に、所望の酢酸濃度または細菌濃度等の所与のプロセス目標を達成するのに必要な時間の短縮に関して、大きなプロセス利益をもたらすことができる。目標は、バッチ操作期間等の最初の始動期間の完了と関連してもよく、その場合、連続操作への移行が、より迅速かつ効率的に達成され得る。これは、材料消費の低減及び運営費全体の低減を含む重要な商業利益につながる。細胞再循環システムを装備した２つの反応器を用いて動作するプロセスの場合、いずれのさらなる処理をせずに、例えば、試料濾過または遠心分離をせずに、反応器から細胞不含透過水を直接サンプリングして、これらの試料を自動ＨＰＬＣに供給することが、可能であり得る。その一方、従来の試料調製方法は、ＨＰＬＣへの注入前に、特定の酸または塩基の添加、続いて遠心分離または濾過が必要である。これは、複雑にし、結果により多くのエラーを生じる手作業のピペット操作を伴う。

実施例２
自動始動−測定された濃度に基づいたＮＨ_４ＯＨ流の制御
Ｃ．ｌｊｕｎｄａｈｌｎを含む培養液を接種することによって、ＣＯからエタノールへの変換の生物学的プロセスを開始した。培養液のｐＨは、酢酸が生成されるに従い、低下し始めた。培養液のｐＨが５．０に達したとき、バイオリアクタへのＣＯ含有基質及び水酸化アンモニウム供給を開始した。バイオリアクタ内の測定された細菌濃度に基づいて、酢酸塩（酢酸）目標濃度及び希釈剤流量を以下の等式に従って決定し、

式中、Ａ_１、Ｂ_１、及びＣ_１は、先のプロセスで得られた情報から、実験的に決定した。オンラインＨＰＬＣを使用して測定した酢酸濃度に基づいて、水酸化アンモニウムの流量を自動的に調節、例えば、細菌による酢酸生成を増加させるために増加させたか、または酢酸生成を減少させるために減少させた。培養液のｐＨを目標ｐＨ＝５．０に維持するように、気体ＣＯ含有基質の流れを自動的に増加または減少させた。希釈剤の流量に加えて、経時的エタノール、細菌、及び酢酸の濃度を、図６に示す。

実施例３
自動始動−測定されたｐＨ及びＣＯ含有基質流量のみに基づく
生物学的プロセスの先の始動データに基づいて、Ｃ．ｌｊｕｎｄａｈｌｉｉを含む培養液にＣＯを供給することによりＣＯをエタノールに変換した実施例１に記載されるように、反応器内の所与の細菌濃度と、目標酢酸生産性を得るためにそれを必要とした所与の組成物のＣＯ含有基質の対応する流量と、培養液のｐＨを所与の目標に維持するために必要な、必要とされる水酸化アンモニウム流量との間の関係を確立した。これらの関係は、以下のとおりであった：

式中、ＢＩＯＰＲＯＤ、ＭＥＴＰＲＯＤ、ＮＥＵＴＦＬＯ、及びＣＯＦＬＯは、それぞれ、細菌（バイオマス）生産性、酢酸（酢酸塩）生産性、バイオリアクタへのＮＨ_４ＯＨの流量、及びバイオリアクタへのＣＯ含有基質流量を表した。因数、Ｗ、Ｘ、Ｙ、及びＺを、細菌生産性測定が連続時間間隔で測定された濃度に基づいた以前のプロセスで得られた情報から、（線形回帰を使用して）実験的に決定した。つまり、測定された細菌生産性を、時間２の時点での細菌濃度−時間１の時点での細菌濃度）／（時間２−時間１）で算出した。これらの以前のプロセスで、細菌濃度を分光光度計またはプレートリーダーまたはバイオマスプローブを使用して測定し、測定された酢酸生産性を、時間２の時点での酢酸濃度−時間１の時点での酢酸濃度）／（時間２−時間１）で算出した。酢酸及びエタノール濃度を、ＨＰＬＣによって測定した。これらの以前のプロセスから生成されたデータに従って、以下の因数を決定した：Ｗ＝１．２、Ｘ＝１．５、Ｙ＝１．４６、及びＺ＝３．２１。

したがって、自動始動のために使用した関係は、ＮＥＵＴＦＬＯ＝１．４６・ＣＯＦＬＯ＋３．２１であった。培養液のｐＨを、ＰＩＤ制御装置を使用してＣＯ含有基質の流れを自動的に調節することによって、５．０に維持した。上記の関係を、ＣＯ含有基質の測定された流量に基づいて水酸化アンモニウム流量を設定するために使用した。

水酸化アンモニウム及びＣＯ含有基質流量に加えて経時的エタノール、細菌、及び酢酸の濃度を、図７に示す。有利に、１日目をとおして細菌成長は高く、２．９グラム／（リットル・日）であり、酢酸生産性は低く、２．８グラム／（リットル・日）であった。エタノール生産性及び濃度を最大化した。これらの観察は、連続プロセスを確立する前に重要である、生物学的ＣＯ変換プロセスの成功した始動と一致した。重要なことには、バイオリアクタ内の細菌及び酢酸の測定された濃度は、この制御方法で直接使用しなかった。むしろ、作業の進捗を確認するためだが自動操作へのフィードバックがない範囲内においてのみ、これらの濃度を監視した。

全体的に、本発明の態様は、ＣＯ含有基質がエタノール等のより高い価値のある生成物を生成するために使用される生物学的発酵プロセスの制御方法に対する。本制御方法は、バイオリアクタの植え付け後、従来の制御方法（例えば、ＣＯ含有基質流の時間ベースのプロファイル）を使用して必要とされる期間と比較して、より短い期間で（例えば、所与のプロセス開始目標を達成したら）連続生成に到達できるように、これらのプロセスの開始または始動を有利に短縮し得る。これらの制御方法は、代替的に、または加えて、所望の最終生成物の生産性を向上させ得、かつ／または、開始もしくは始動の間、細菌の成長速度を向上させ得る。本開示から得られた知識を有する当業者は、本発明の範囲から逸脱することなく、様々な変更が制御方法、システム、及びコンピュータプログラム製品に加えられ得ることを認識するであろう。

Claims (9)

1. 発酵プロセスへの塩基性中和剤の供給を最適化するプロセスであって、
   ａ）ＣＯ含有基質及び塩基性中和剤を、液体栄養培地中のカルボキシド栄養性細菌培養物を含むバイオリアクタに供給し、
   ｂ）培養物を発酵させ、ここで前記基質中のＣＯの少なくとも一部がエタノール及び酸性代謝物を含む生成物に変換され、
   ｃ）前記生成物の生産を、
   １）酸性代謝物濃度、及びカルボキシド栄養性細菌生産性を測定し、
   ２）式（１）：
   （式中、ＢＩＯＰＲＯＤｍｖは、カルボキシド栄養性細菌の測定された生産性を表し、Ａ₁ 及びＢ ₁ は定数を表す。）
   のいずれかに従って酸性代謝物設定値濃度を決定し、
   ３）酸性代謝物濃度が酸性代謝物設定値濃度未満である場合、塩基性中和剤流量を増加させ、そして
   ４）酸性代謝物濃度が酸性代謝物設定値濃度よりも高い場合、塩基性中和剤流量を減少させること、
   により最適化することを含む、前記プロセス。
2. 前記酸性代謝物の測定された濃度は、断続的又は連続的に判定される、請求項１に記載のプロセス。
3. 前記定数Ａ₁ 及びＢ ₁ は、実験データから実験的に決定される、請求項１に記載のプロセス。
4. 前記カルボキシド栄養性細菌の濃度は、断続的又は連続的に判定される、請求項１に記載のプロセス。
5. 前記プロセスは、バッチ操作期間の間に行われる、請求項１に記載のプロセス。
6. 前記ＣＯ含有基質は、鋼製造プロセス、非鉄製品製造プロセス、石油精製プロセス、バイオ燃料生成プロセス、石炭ガス化プロセス、電力生産プロセス、カーボンブラック生成プロセス、アンモニア生成プロセス、メタノール生成プロセス、有機物のガス化、炭化水素の水蒸気改質、及びコークス製造プロセスからなる群から選択される産業プロセスから得られる、請求項１に記載のプロセス。
7. 前記酸性代謝物は、酢酸である、請求項１に記載のプロセス。
8. 前記塩基性中和剤は、水酸化アンモニウム溶液である、請求項１に記載のプロセス。
9. バイオリアクタに希釈剤を流すことをさらに含む、請求項１に記載のプロセスであって、希釈剤流量は、式（３）：
   （式中、ＢＩＯＰＲＯＤｍｖは、カルボキシド栄養性細菌の測定された生産性を表し、Ｃ ₁ は、実験データから、実験的に決定された定数を表す。）
   によって決定される、前記プロセス。