用于在好氧生物合成期间控制氧浓度的方法与流程

优先权声明

本申请要求提交于2018年3月30日的美国临时专利申请号62/650,585的权益，该临时专利申请全文以引用方式并入本文。

本公开一般涉及用于在好氧生物合成期间控制氧浓度的方法。具体地讲，本公开涉及用于将包含易燃气体诸如氢气的发酵液的气相中的氧浓度降低至低于极限氧浓度(“loc”)，然后将该气相从发酵液中分离的方法。

背景技术：

在气体进料发酵中，富碳气体诸如二氧化碳、一氧化碳和甲烷由微生物转化成多种多样的产物，诸如燃料、蛋白质和化合物，例如醇和有机酸。这些产物被化学、石化、医药、动物饲料、环境和农业领域中的行业使用。气体发酵过程可利用多种原料，包括家庭、工业或农业废物，从而减少对碳的化石源的依赖并减少温室气体的排放。当与高温和高压化学催化反应相比时，发酵过程通常在较低的反应温度和压力下操作。

发酵过程中使用的微生物在发酵罐内在各种工程和物理条件下生长，诸如搅拌、混合、曝气、压力、剪切、温度和ph。一些微生物在厌氧条件下生长，然而另一些在好氧条件下生长。对于好氧反应，通常将空气用作氧气源，但也可使用富氧空气或纯氧气。一般优选的是在最高可能的氧浓度下操作以使氧质量传递最大化，从而优化生产率。这是因为从气相到液相的氧质量传递的速率对于大多数好氧微生物生物合成反应而言是限速步骤。

在好氧生物合成期间，来自氧气源的任何未反应的氧气(例如空气)从发酵液中分离到生物反应器(例如发酵罐)的顶部空间中。未反应的氧气与其他未反应的气体(例如，废气)在生物反应器的顶部空间中混合。在进气包含潜在易燃组分的某些情况下，进气(例如含氧气体、含氢气体和含二氧化碳气体)的总和可具有大于包含所述易燃组分的组合物的loc的氧浓度，例如对于空气/氢气体系而言为6体积％氧浓度。发酵罐顶部空间中的气体混合物和废气中的任何未反应的氧气均可导致易燃混合物，尤其是当好氧生物合成过程中使用或产生易燃气体(例如氢气)、易燃挥发性有机产物或中间体时。即使小规模(例如实验室)操作时，仍存在来自易燃气体混合物的爆炸的风险，但是由于小规模的生物反应器和减小的气体体积，这种风险的程度得以减轻。然而，当扩大用于中试或商业用途的生物反应器的尺寸时，易燃性和爆炸的风险是安全操作该方法的主要关注点。此外，当设计高于loc操作的大规模系统时，必要的设备设计特征可能是极其花费资本的，尤其是在较高的操作压力下，例如，可能需要防爆电子器件、防爆阀、较厚的钢等。

因此，需要在将气相从发酵液分离到生物反应器的顶部空间中之前，将氧浓度改善控制到低于易燃气体组分的易燃性的极限氧浓度(loc)，同时实现可接受的生产率、资本成本(资金效率)和操作成本。

技术实现要素：

在一些实施方案中，本公开涉及用于在好氧生物合成期间控制氧浓度的方法，该方法包括：将含氧气体进料到包含发酵原料的生物反应器中；使发酵原料与含氧气体反应以形成发酵液，所述发酵液包含分散在所述发酵液内的气相，所述气相包含来自所述含氧气体的未反应的氧气；将该气相中未反应的氧气的浓度降低至小于易燃性的极限氧浓度(“loc”)；以及将气相从发酵液中分离。在一些方面，降低未反应的氧气的浓度的步骤在将气相从发酵液中分离的步骤之前发生。在一些方面，降低气相中未反应的氧气的浓度的步骤包括用氧气还原催化剂吸附所述未反应的氧气或使所述未反应的氧气与氧气还原催化剂反应。在一些方面，降低气相中未反应的氧气的浓度的步骤包括在吸氧液体中吸收未反应的氧气，所述吸氧液体用液体不可透过的气体膜从发酵液中分离。在一些方面，降低气相中未反应的氧气的浓度的步骤包括用稀释剂稀释未反应的氧气。在一些方面，稀释剂包括气体流，所述气体流包含氮气、二氧化碳和氢气中的一种或多种。在一些方面，稀释剂包含小于5体积％，例如小于3体积％的氧气。在一些方面，含氧气体为空气。在一些方面，含氧气体包含大于21体积％的氧浓度。在一些方面，从发酵液中分离的气相包含小于6体积％，例如小于5.5体积％、小于5体积％、小于4.5体积％、小于4体积％、小于3.5体积％、小于3体积％、小于2体积％或小于1体积％的氧气。在一些方面，原料包含微生物，所述微生物包括钩虫贪铜菌(c.necator)或耐金属贪铜菌(c.metallidurans)。在一些方面，生物反应器选自单个发酵罐、串联的多个发酵罐、搅拌釜式发酵罐、非搅拌釜式发酵罐、膜发酵罐、固定床发酵罐、流化床发酵罐、单个高压釜、串联的多个高压釜、活塞流发酵罐、气动搅拌发酵罐、带有具有强制循环的外部回路的气升式发酵罐、鼓泡塔发酵罐、固定(填充)床塔式发酵罐、具有多个隔室的水平单个发酵罐、以及多级塔式发酵罐。在一些方面，将气相从发酵液分离到生物反应器的顶部空间。在一些方面，该方法还包括将易燃气体进料到生物反应器中。在一些方面，易燃气体包含氢气。

在一些实施方案中，本公开涉及用于在好氧生物合成期间控制氧浓度的方法，该方法包括：将发酵原料进料到包含微生物的生物反应器中；将易燃气体进料到生物反应器中；将含氧气体进料到生物反应器中，所述含氧气体具有大于21体积％的氧浓度；使发酵原料与含氧气体和易燃气体反应以形成发酵液，所述发酵液包含分散在该发酵液内的气相，所述气相包含来自所述含氧气体和/或所述易燃气体的未反应的氧气；将气相中未反应的氧气的浓度降低至小于极限氧浓度(“loc”)；以及将气相从发酵液分离到生物反应器的上顶部空间。在一些方面，易燃气体包含氢气。在一些方面，含氧气体和易燃气体以单独进料的形式连续进料到生物反应器。在一些方面，降低气相中未反应的氧气的浓度的步骤包括用氧气还原催化剂吸附未反应的氧气或使未反应的氧气与氧气还原催化剂反应，或者用吸氧液体吸收未反应的氧气，所述吸氧液体用液体不可透过的气体膜从发酵液中分离。在一些方面，降低气相中未反应的氧气的浓度的步骤包括用稀释剂稀释未反应的氧气，所述稀释剂包含小于5体积％，例如小于3体积％的氧气。

附图说明

根据所附非限制性附图将更好地理解本公开，其中：

图1示出了根据本公开的实施方案，通过氧破坏方案(选项1)或氧稀释方案(选项2)降低废气中的氧浓度的曲线图。

图2示出了根据本公开的实施方案，使用固体氧气还原催化剂的氧破坏方案。

图3示出了根据本公开的实施方案，使用液体不可透过的气体膜的氧破坏方案。

图4示出了根据本公开的实施方案的氧气体稀释方案，其中发酵罐内的分散气相用氮气稀释以将氧浓度降低至低于分散气相中的loc。

具体实施方式

本公开涉及用于在好氧生物合成(例如发酵)期间控制氧浓度的方法。在一些方面，将发酵液的气相中的氧浓度降低至低于易燃气体组合物的loc，例如对于氢气/氧气混合物而言为6体积％，然后将其从发酵液分离至生物反应器(例如发酵罐)的顶部空间。用于在好氧生物合成期间控制氧浓度的方法可包括将含氧气体进料到包含微生物和易燃发酵原料的生物反应器中，以及使含氧气体的氧与微生物反应以形成发酵液，所述发酵液包含气相，其中未反应的氧气分散在发酵液内。分散在发酵液内的气相还可包括易燃气体，例如易燃发酵原料的至少一部分。该方法还包括将分散气相中未反应的氧气的浓度降低至小于loc，然后将该气相从发酵液分离到生物反应器的顶部空间。

氧浓度的控制参数

如本文所述，将生物反应器中的氧浓度控制在指定范围内。将发酵液中的溶解的氧浓度控制为至少微生物发挥功能所需的最小值。需要最小值，因为微生物是好氧的并且需要一定量的氧气。利用上述氧控制方案来控制生物反应器的顶部空间中的气态氧浓度以在loc以下安全地操作。在一些方面，loc为大约6.0体积％的发酵液外部的气体混合物中的氧气。作为安全措施，可将顶部空间中的气态氧浓度测量并控制为小于loc的90％，例如小于85％、小于80％、小于75％或小于70％。在一些方面，将顶部空间中的气态氧浓度控制在loc的60％至95％，例如65％至90％、70％至85％、70％至80％、或75％至85％的范围内。

可通过合适的装置将至少一种包含含氧气体的进料流引入生物反应器中，以便产生微泡并增强气相和本体液体之间的气-液界面。另外，气-液质量传递取决于反应器构造。存在七个将气体质量传递到反应位点的大致步骤。

1.通过气泡内的本体气体扩散到气-液界面。

2.跨所述气-液界面移动。

3.溶质气体扩散通过邻近气泡的相对未混合的液体区域(膜)并进入充分混合的本体液体中。

4.溶质气体通过该本体液体传输到细胞周围的停滞膜。

5.通过与所述细胞相关的第二未混合的液体膜进行传输。

6.跨细胞膜传输。

7.通过细胞传输到反应位点。

顶部空间中的气态氧浓度

生物反应器的顶部空间中的气态氧浓度的上限受安全考虑的限制。通常，文献引用初始气体混合物的h2/co2/o2(氢气/二氧化碳/氧气)的7∶1∶1或8∶1∶1的比率以获得钩虫贪铜菌(c.necator)气体发酵的最佳生长/生产条件(ishizaki等人，2001)，但该比率可由于调节和/或反应需要而有所不同。这意指氢气/氧气比率在氢气和氧气浓度的易燃范围内。当与作为稀释剂的氢气和二氧化碳混合时，临界氧浓度为5.9体积％(jones和kenny，1935)。因此，5.9体积％的loc在此被定义为可由根据本公开的发酵过程混合物形成易燃气体混合物的最小氧浓度。这些发酵过程包括气相，所述气相包括例如氧气、氮气、氢气、二氧化碳和水蒸气混合物，其上升至生物反应器(例如发酵罐)的顶部空间。生物反应器中的温度和压力条件也可影响顶部空间中组分的相对浓度。

在发酵液中的气相上升至生物反应器的顶部空间之前，未反应的组分(例如，氧气、氮气、氢气、二氧化碳和/或水蒸气)处于发酵液内的分散气相(例如气泡)中。将分散气相中的氧浓度降低至低于loc，然后将其从发酵液分离到反应器的顶部空间中并与其他易燃气体混合。具体地讲，气相中的氧浓度降低至低于顶部空间气体混合物的loc，例如6.0体积％的氧气。为了保持安全裕度，生物反应器可在loc的65％至85％内，或甚至小于65％操作。在一些方面，将顶部空间中的气态氧浓度控制为3.5体积％至4.5体积％的氧气，例如3.75体积％至4.25体积％、3.85体积％至4.15体积％、3.95体积％至4.05体积％或大约4体积％的氧气。生物反应器废气也具有相同的loc。

在一些方面，气体质量传递到反应位点的步骤包括通过气泡内的本体气体扩散到气-液界面，跨气-液界面移动，溶质气体扩散通过邻近气泡的相对未混合的液体区域(膜)并进入充分混合的本体液体中，溶质气体通过本体液体输送到细胞周围的停滞膜，通过与细胞相关的第二未混合液体膜输送，跨细胞膜输送，以及通过细胞输送到反应位点。

气-液质量传递还取决于发酵罐构型，并且应当通过合适的装置将气体混合物引入发酵罐中以产生小气泡或微气泡(具有高比表面积)，从而增加可用于气体质量传递的气-液界面表面积。期望在最高可能的氧浓度下操作，以便使氧质量传递最大化，从而使发酵罐中的气体发酵反应的生产率最大化。

在一些方面，通过用氧气还原催化剂吸附未反应的氧气或使未反应的氧气与氧气还原催化剂反应来降低气相中未反应的氧气的浓度。氧气还原催化剂可以足够的量进料于或存在于生物反应器的顶部，以将气相中的氧浓度降低至低于loc。在一些方面，氧气还原催化剂为固体氧气还原催化剂。固体氧气还原催化剂可设置在生物反应器的一部分中，该部分在发酵液内或发酵液上方(例如，发酵液正上方或邻近发酵液)，以在分离的气相形成于顶部空间和生物反应器中之前捕集任何未反应的氧气。这样，本体气体仅在发酵液的气相与固体氧气还原催化剂的反应区接触之后在顶部空间中形成。

在一些方面，通过用液体不可透过的气体膜吸附未反应的氧气来降低气相中未反应的氧气的浓度。液体不可透过的气体膜包括吸氧液体区域，该区域防止发酵液和吸氧液体共混，但允许气体(例如来自发酵液中的塌缩气泡)从发酵液逸出通过膜到液体区域中。换句话讲，液体不可透过的气体膜允许气体穿过但液体不可透过。液体不可透过的气体膜可设置在生物反应器的一部分中，该部分位于发酵液的正上方或邻近发酵液，以在分离的气相(例如，本体气相)形成于生物反应器的顶部空间中之前捕集任何未反应的氧气。如本文所用，“顶部空间”是生物反应器的不包括发酵液的一部分，例如，立式生物反应器中发酵液上方的体积。在一些方面，氧稀释方案和/或氧去除(例如破坏)方案特别适用于具有氧浓度梯度的立式反应器，例如具有竖直分离区域的回路、升程或管式反应器。

在一些方面，通过用稀释剂稀释包含未反应的氧气的气相来降低气相中未反应的氧气的浓度。稀释剂可包含低氧气体流，该低氧气流以足够的量进料到生物反应器中，以将气相中未反应的氧气的浓度降低至低于易燃气体组分的loc。在一些方面，稀释剂可以为氮气、二氧化碳和氢气中的一种或多种。在一些方面，稀释剂包含浓度低于氧气/易燃气体混合物的loc的氧气。

常规地，为了在具有爆炸性顶部空间或气体体积的情况下，安全地操作好氧微生物生物合成过程，例如气体发酵，生物反应器被设计成具有较强的壁以承受来自爆燃或爆炸的压力和温度。在一些情况下，生物反应器的壁可被加强，例如构造成具有较大的宽度或由特定材料制成，以承受爆燃或爆炸。然而，利用具有较强壁的发酵罐可增加资本设备成本和操作成本。附加的策略包括保持低于易燃性极限，将易燃气体与氧气分离，原位生成氢气，或直接使用电子作为能量源。然而，这些另选的策略全部均具有经济学或生产率方面的缺点，并且可能与用于发酵的微生物不相容。例如，低于loc操作生物反应器将减少从气相到液相的氧质量传递并降低终产物的总生产率。

发明人现已发现，在气相从发酵液中分离之前降低发酵液中的氧浓度可大大降低顶部空间气体和废气的易燃性，同时维持发酵液中的高氧质量传递。在气相从发酵液中分离之前利用氧去除方案或氧稀释方案将未反应的氧浓度降低至低于易燃性极限，从而实现对该方法的安全操作。据发现，用惰性气体(例如氮气)将气相稀释至低于loc的氧浓度可防止生物反应器的顶部空间中的爆燃或爆炸。有利地，通过在发酵过程后期，例如在微生物消耗最大量的氧气之后稀释气相，该过程维持发酵液中的最大量的氧气，然后将其分离到生物反应器的顶部空间。还发现，通过吸附或吸收(例如，使用氧气还原催化剂或者与液体不可透过的气体膜结合的吸氧液体)从气相中去除氧气还可防止生物反应器的顶部空间中的爆燃或爆炸。有利地，这还允许生物反应器设计包括多种材料，并且不限于适应受控爆炸的当前增强型生物反应器设计。

该方法有利地控制发酵液中的氧浓度以确保生物反应器的安全操作，同时保持氧浓度以获得微生物对碳源的高转化率。在典型的气体发酵过程中，将包括微生物的发酵原料(例如的气态co2)与易燃气体(例如氢气和含氧气体)混合以形成发酵液。易燃气体和含氧气体处于发酵液中的分散气相(例如气泡)中并且任何未反应的气体最终作为废气上升至生物反应器(例如发酵罐)的顶部空间。“废气”是指在发酵过程期间从发酵液中分离的气体的气态混合物。如果氧浓度相对较高，例如高于废气中易燃组分的极限氧浓度(“loc”)，则其易于燃烧。有利地，该方法在分散气相上升到生物反应器的上部部分(例如，顶部空间)之前减少该分散气相中的氧气量以防止燃烧。本发明的方法使得能够在进入生物反应器的进料流中使用较高浓度的过量氧气(例如，高于易燃组分的loc)以促进较高的反应速率，然后将来自发酵液的分散气相的氧气稀释或除去，然后将其分离以在生物反应器的顶部空间中形成本体气体。

本发明的方法可极大地改善方法效率并实现对发酵过程的安全操作。该方法利用具有高于loc的高氧浓度(例如，氢气/空气混合物中大于6体积％的氧气)的含氧气体以促进与微生物的反应，然后在气相从发酵液分离到顶部空间中之前提供用于去除或稀释未反应的氧气的手段。在一些方面，含氧气体可包含大于6体积％，例如大于10体积％、大于大于20体积％、大于40体积％、大于60体积％、大于80体积％、大于90体积％、大于95体积％和大于99体积％的氧气。在一些方面，含氧气体包括纯氧气。

在一些情况下，发酵过程是在大型非搅拌式发酵罐中与好氧微生物的空气进料发酵反应。大型非搅拌式发酵罐可包括发酵液，该发酵液具有在易燃性范围内的分散气相。在气相从发酵液分离到发酵罐顶部空间中之前，降低发酵液内分散气相的氧浓度。将气相中的氧浓度降低至低于易燃组分的易燃性的loc的浓度。例如，对于包含高于氢气的易燃性下限的氢浓度的富氢气流，在发酵液的分散气相中将该气相中的氧浓度降低至小于6体积％的氧气。在一些方面，将发酵液的气相中的氧浓度降低至小于6体积％，例如小于5.9体积％、小于5.5体积％、小于5.0体积％、小于4.0体积％、小于3.0体积％、小于2.0体积％、小于1.0体积％、小于0.5体积％、小于0.1体积％、小于.01体积％的氧气。在一些方面，气相中的氧浓度被控制为小于顶部空间中气态混合物易燃性的loc的90％，例如小于85％、小于80％、小于75％、或小于70％。

微生物

向本文所述的生物反应器提供微生物以便用于好氧生物合成，例如发酵。对于好氧反应，通常将空气用作氧气源，但也可使用富氧空气或纯氧气。一般优选的是在发酵罐内以最高可能的分散气相中的氧浓度操作以使氧质量传递最大化，从而优化生产率。这是因为从气相到液相的氧质量传递的速率对于大多数好氧微生物生物合成反应而言是已知的限速步骤。氧浓度高于包含易燃组分的气态组合物的loc(例如大于6体积％的氧气)的结果是，当易燃气体(例如氢气)、易燃挥发性有机产物或中间体存在时，发酵罐顶部空间和废气流中的任何未反应的氧气可导致不安全的易燃混合物的形成。

微生物可以为钩虫贪铜菌(c.necator)或具有与其相似特性的生物体。钩虫贪铜菌(先前被称为真养嗜酸氢菌(hydrogenomonaseutrophus)、真养产碱杆菌(alcaligeneseutropha)、富养罗尔斯通氏菌(ralstoniaeutropha)和真养沃特氏菌(wautersiaeutropha)是β变形菌类的革兰氏阴性带鞭毛的土壤细菌。这种氢氧化细菌能够在无氧环境和有氧环境的界面处生长，并且容易在异养生活方式和自养生活方式之间适应。该细菌的能量来源包括有机化合物和氢气两者。钩虫贪铜菌(c.necator)的附加特性包括微需氧性、抗铜性(makar和casida；1987)、细菌捕食(byrp等人，1985；sillman和casida，1986；zeph和casida，1986)和聚羟基丁酸酯(phb)合成。此外，已报道这些细胞能够进行有氧生长和硝酸盐依赖型厌氧生长。可用于本公开的钩虫贪铜菌(c.necator)生物体的非限制性示例是钩虫贪铜菌h16菌株。在一个非限制性实施方案中，使用钩虫贪铜菌(c.necator)h16菌株的宿主，其中phac1ab1基因座的至少一部分被敲除(δphacab)，如美国专利申请序列号15/717,216中所述，该美国专利申请的教导内容以引用方式并入本文。生物体可选自罗尔斯通菌属(ralstonia)、沃特氏菌属(wausteria)、贪铜菌属(cupriavidus)、产碱杆菌属(alcaligenes)、伯克氏菌属(burkholderia)或潘多拉菌属(pandoraea)的非致病性成员。

进料流

如上所述，需要氧气来进行发酵并经由进料流引入生物反应器。为了以安全的方式将气态进料流引入生物反应器中，使用至少两种不同的连续流。至少一种连续进料流包含易燃气体(例如氢气)，并且至少一种连续进料流包含气态氧，例如含氧气体。包含易燃气体的至少一种连续流将包含氢气(易燃气体)，可任选地包含浓度低于该气体流的易燃性的极限氧浓度(“loc”)的氧气，并且可任选地包含co2气体进料的全部或一部分。所述包含气态氧的至少一种连续流可以为空气进料流。此类流将不包含高于氢气的易燃性下限的氢气，但可任选地包含co2气体进料的全部或一部分。通过诸如微泡发生器、文丘里喷嘴或多孔气体鼓泡器的装置将每种气体进料流引入生物反应器中。通过将氢气和氧气分离成单独的进料流，易燃气体混合物不能在进料系统中形成，并且包含氢气和氧气两者的气体混合物仅存在于发酵液内以及顶部空间和废气流内的小体积气泡中。

在一些方面，可将含氧气体(例如空气)直接进料到发酵液中。在一些方面，含氧气体可以为富氧源，例如富氧空气或纯氧气。在一些方面，含氧气体可包含大于6体积％，例如大于10体积％、大于20体积％、大于40体积％、大于60体积％、大于80体积％、或大于90体积％的氧气。在一些方面，含氧气体可以为纯氧气。

在发酵过程中，通常将空气用作氧气源，但在一些情况下，可使用纯氧气或富氧空气。任何未反应的氧气(连同空气中存在的氮气一起)以气态流出物的形式离开一个或多个反应器。未反应的氧气通常被称为废气中的氧浓度或“氧气渗漏”。气态流出物中的任何气化产物均可被冷凝和回收，并且废气离开系统到减排系统。发酵液中剩余的产物可从来自生物反应器的液体流出物中回收。

生物反应器

如本文所述，生物反应器的温度和压力参数可例如在低于大气压至高于大气压的压力处，以及在20℃至50℃的温度处变化。待使用的生物反应器的类型可基于期望的操作温度和压力以及附加的因素来选择。附加因素的示例包括是否期望机械搅拌或搅动、微生物是否将固定、以及期望多少加氧点。

生物反应器的示例，诸如气体发酵罐的类型，包括单个发酵罐、串联的多个发酵罐、搅拌釜式发酵罐、非搅拌釜式发酵罐、膜发酵罐、固定床发酵罐、流化床发酵罐、单个高压釜、串联的多个高压釜、活塞流发酵罐、具有内部引流管回路或外部回路的气动搅拌发酵罐(诸如气体(空气)升式发酵罐)、带有具有强制循环的外部回路的气升式发酵罐、鼓泡塔发酵罐、固定(填充)床塔式发酵罐、具有多个隔室的水平单个发酵罐、以及多级塔式发酵罐。此外，发酵罐可以分批模式、分批补料模式和连续模式操作。

从发酵液中去除氧

如本文所述，发酵液包含与生物反应器中的好氧微生物组合的进料流。在一些方面，进料流(例如，碳源进料流、含易燃气体的流和含氧气体进料流)与生物反应器中的微生物反应以至少部分地形成发酵液(其还可包含其他产物、副产物和进料到生物反应器的其他培养基)。未反应的氧气或未被微生物消耗的氧气作为发酵液内分散气相中的溶解氧和气态氧两者存在。对于可溶的其他气体也是如此。包含未反应的组分(例如氧气、氮气、氢气、二氧化碳和/或水蒸气)的分散气相上升至生物反应器的顶部空间。

将气相中的氧浓度降低至小于小于分散气体组合物中易燃组分的易燃性的极限氧浓度(“loc”)。作为安全措施，可将上升到顶部空间的气相测量并控制为小于loc的90％，例如小于loc的85％、小于loc的80％、小于loc的75％或小于loc的70％。在一些方面，将顶部空间中的气态氧浓度控制在loc的60％至95％，例如65％至90％、70％至85％、70％至80％、或75％至85％的范围内。在一些方面，loc应当小于6.0体积％，例如小于5.9体积％、小于5.5体积％、小于5.0体积％、小于4.0体积％、小于3.0体积％、小于2.0体积％、小于1.0体积％、小于0.5体积％、小于0.1体积％、小于.01体积％的氧气，或者不含氧气。在某些方面，氢气是发酵反应体系中唯一的易燃气体。就范围而言，气相中的氧浓度降低至.01体积％至6.0体积％，例如0.1体积％至5.9体积％、0.5体积％至5.5体积％、1.0体积％至5.0体积％、2.0体积％至4.0体积％、或3.0体积％至4.0体积％的范围。

图1示出了根据本公开的实施方案，气相中降低的氧浓度的曲线图。在发酵期间，发酵液中的氧浓度可大于loc，例如，对于氢气/氧气混合物而言，6体积％的氧气。由于从气相到液相的氧质量传递速率是发酵过程中的限速步骤，因此通常优选的是为发酵提供最高可能的气相氧浓度以最大化氧质量传递，从而优化终产物的产量。然而，当发酵液的气相包括高浓度的氧气时，这可在生物反应器的顶部空间中产生废气混合物，所述废气混合物为易燃混合物。在某些方面，发酵液中的进气的总和大于loc。在一些方面，本发明方法将分散气相中的氧浓度降低至低于loc，或降低至低于loc的安全裕度，然后将其从发酵液中分离并形成废气。

根据本公开的实施方案，气相中的氧浓度可通过氧去除方案或氧稀释方案来降低。在这些方法的每一个中，降低分散气相的氧浓度，然后将其作为生物反应器的顶部空间中的废气从发酵液中分离。具体地讲，将分散气相的氧浓度降低至低于loc或低于loc的安全裕度，从而防止在单独的气相混合物形成废气时生物反应器中的爆燃或爆炸。如图1所示，在气相从发酵液中分离之前，通过采用氧去除方案(选项1)或氧稀释方案(选项2)来降低氧浓度。

在一些方面，降低氧含量的方法可包括氧去除方案(选项1)。氧去除方案可包括通过吸附或吸收从气相中去除氧气。在一些方面，在气相从发酵液中分离之前，将氧气还原催化剂进料到发酵液中。在一些方面，氧气还原催化剂是安装在生物反应器的一部分中的固定床。在一些方面，包含氧气还原催化剂的固定床位于发酵液内、或发酵液正上方或邻近发酵液，使得直到在氧气还原催化剂上方才形成单独的本体气相。在一些方面，氧气还原催化剂位于发酵液和顶部空间之间的界面处。在一些方面，氧气还原催化剂为固体氧气还原催化剂。固体氧气还原催化剂可捕集任何未反应的氧气，然后其与生物反应器的顶部空间中的废气混合。

在一些方面，氧去除方案包括用于在存在潜在易燃气体或蒸气混合物的情况下降低氧气含量的防护氧化剂。防护氧化剂公开于例如美国专利号6,888,034和9,221,737以及美国专利公布号2016/0176813中，所述专利以引用方式并入本文。防护氧化剂可与生物反应器一起使用，例如，在生物反应器内使用，以将氧浓度降低至低于loc的安全裕度。在一些方面，防护氧化剂在发酵液内、在发酵液正上方或邻近发酵液，以减少气相中的氧气，然后其在生物反应器的顶部空间中形成本体气体。在一些方面，防护氧化剂可在好氧生物合成过程中降低发酵液的气相、顶部空间中的废气混合物、和/或最终废气中的氧气含量。任何未反应的氧气(连同空气中存在的氮气一起)以气态流出物的形式离开一个或多个发酵罐。除了降低氧浓度之外，防护氧化剂还为所述方法提供稳定性。

遗憾的是，在氧气渗漏浓度超过极限氧浓度(“loc”)的情况下，在顶部空间和废气流中可形成不安全的易燃混合物。因此，作为安全裕度，含氢混合物的氧气渗漏通常保持低于4体积％。较高的氧气渗漏也意指进料到发酵罐的空气未被充分利用。换句话讲，该方法需要更多的空气，这导致增加的压缩成本。此外，增加的废气体积导致增加的废气处理成本。美国专利号3,957,876(rapoport和white)教导了通过使用所谓的清除反应区来减少来自环己烷氧化过程的氧气渗漏的方法。

图2示出了根据本公开的实施方案利用氧气还原催化剂的氧去除方案。在气相从发酵液中分离之前，氧气还原催化剂将氧浓度从大于分散气相中的4.0体积％降低至小于4.0体积％。图2示出了生物反应器的顶部空间中的分离气相具有小于4.0体积％的氧浓度。在一些方面，氧气还原催化剂将氧浓度降低至安全裕度，所述安全裕度为小于loc的80％。在空气用作含氧气体的情况下，废气中也将存在未反应的h2、未反应的co2、氮气(来自空气)和水蒸气(饱和浓度)。氧气还原催化剂可将氧浓度降低至小于4.0体积％，其为小于易燃性的loc的80％。

在所示实施方案中，将含氧气体流(例如，空气)以最高可能的氧浓度添加到生物反应器中，以便使氧质量传递最大化并因此使生产率最大化。然而，可使用固体氧气还原催化剂，将未反应的氧气从作为气态流出物离开发酵罐的未反应的气体中去除。固体氧气还原催化剂可位于发酵液的上部部分中以在单独的废气气相形成于顶部空间中之前去除过量的氧气。在一些方面，固体氧气还原催化剂位于发酵液和生物反应器的顶部空间之间的界面处。

图3示出了根据本公开的实施方案的氧去除方案，该氧去除方案利用吸氧液体将发酵液的气相中的氧浓度降低至低于loc，所述吸氧液体利用液体不可透过的气体膜从发酵液中分离。液体不可透过的气体膜将氧浓度从分散气相中的大于4.0体积％降低至小于4.0体积％。在一些方面，液体不可透过的气体膜将气相中的氧浓度降低大于5％，例如大于10％、大于20％、大于40％、大于60％、大于80％或大于90％的相对量。液体不可透过的气体膜可位于发酵液正上方(邻近发酵液)的发酵上部部分，例如用于捕集膜中的氧气的反应区。在一些方面，液体不可透过的气体膜位于发酵液和生物反应器的顶部空间之间的界面处。

液体不可透过的气体膜提供包含吸氧液体的反应区域以从气相中除去氧气。液体不可透过的气体膜防止发酵液和吸氧液体共混，但允许气体(来自发酵液中的塌缩气泡)从发酵液逸出到液体区域中。

图4示出了根据本公开的实施方案的氧稀释方案。在一些方面，降低氧气含量的方法可包括氧稀释方案。氧稀释方案用氮气稀释发酵液内的分散气相以将氧浓度降低至低于分散气相的loc。如图4所示，在单独的气相混合物形成于顶部空间和废气中之前，将氮气进料到生物反应器中以稀释分散气相中的氧气。在一些方面，氮气进料流可在发酵液的上部部分处供应至生物反应器。氧稀释方案在将分散气体分离到顶部空间和废气中之前，利用合适的稀释气体流(例如，耗尽氧气的气体流、惰性气体流、或具有高浓度易燃气体(例如，纯氢气)的气体流)稀释发酵液中的分散气相。

氧稀释方案包括利用合适的稀释剂稀释包含未反应的氧气的分散气相。在一些方面，稀释剂可以为耗尽氧气的流或惰性气体流。在一些方面，稀释剂可包括氮气、氢气、二氧化碳、或它们的组合。在一些方面，稀释剂可以为包含小于6.0体积％，例如小于5.9体积％、小于5.5体积％、小于5.0体积％、小于4.0体积％、小于3.0体积％、小于2.0体积％、小于1.0体积％、小于0.5体积％、小于0.1体积％、小于.01体积％的氧气，或者不含氧气的流。例如，稀释剂可由惰性气体组成。

通过将氧浓度降低至低于易燃性的loc，例如对于氢气/空气混合物而言为6体积％，所述方法降低了气体混合物的易燃性程度并且减弱了爆燃或爆炸的风险。在一些方面，降低氧气含量的方法包括在单独的本体气相形成于生物反应器的顶部空间中之前，用惰性气体(例如氮气)稀释分散气相。该方法将安全裕度内氧浓度降低至低于气体混合物的易燃性的loc。

在一些方面，以进入生物反应器的再循环流(例如包含来自发酵过程的氮气或其他气体的再循环流)的形式，将稀释剂引入生物反应器。在一些方面，通过在发酵液的上部部分处添加氢气、氮气、二氧化碳再循环流来稀释氧浓度。未反应的氢气和二氧化碳再循环至发酵液的上部部分而不是发酵罐的底部，以实现再循环以及稀释发酵液的气相中的氧气。将稀释剂进料到反应器以将氧浓度降低至低于易燃性的loc。在没有上述氧破坏(例如，去除)和稀释方案的情况下，将需要用更厚/更强的壁来构建生物反应器以便安全地容纳潜在易燃混合物，并且此类生物反应器将更昂贵。

在一些方面，氧稀释方案和氧去除方案可组合使用以降低氧浓度。

实施方案

实施方案1：一种用于在好氧生物合成期间控制氧浓度的方法，所述方法包括：将含氧气体进料到容纳微生物的生物反应器中，其中易燃气体发酵原料组分在所述生物反应器内；使来自所述含氧气体的氧气的至少一部分与所述微生物反应；形成发酵液，所述发酵液包含分散在所述发酵液内的气相，所述气相包含来自所述含氧气体的未反应的氧气；将所述气相中所述未反应的氧气的浓度降低至小于所述易燃气体原料组分的易燃性的极限氧浓度(loc)，其中所述降低包括用稀释剂稀释所述未反应的氧气；以及将气相从发酵液中分离。

实施方案2：根据实施方案1所述的实施方案，其中稀释剂包括气体流，所述气体流包含氮气、二氧化碳和氢气中的一种或多种。

实施方案3：根据实施方案1或2所述的实施方案，其中所述稀释剂包含小于5体积％的氧气。

实施方案4：根据实施方案1-3中任何实施方案所述的实施方案，其中所述含氧气体包含大于21体积％的氧气。

实施方案5：根据实施方案1-4中任何实施方案所述的实施方案，其中所述含氧气体包括空气。

实施方案6：根据实施方案1-5中任何实施方案所述的实施方案，其中从所述发酵液中分离的气相包含浓度小于loc的85％的氧气。

实施方案7：根据实施方案1-6中任何实施方案所述的实施方案，其中从所述发酵液中分离的气相包含小于6体积％的氧气。

实施方案8：根据实施方案1-7中任何实施方案所述的实施方案，其中降低所述未反应的氧气的浓度的步骤在将所述气相从所述发酵液中分离的步骤之前发生。

实施方案9：根据实施方案1-8中任何实施方案所述的实施方案，其中所述微生物包括钩虫贪铜菌(c.necator)或耐金属贪铜菌(c.metallidurans)。

实施方案10：根据实施方案1-9中任何实施方案所述的实施方案，其中所述生物反应器选自单个发酵罐、串联的多个发酵罐、搅拌釜式发酵罐、非搅拌釜式发酵罐、膜发酵罐、固定床发酵罐、流化床发酵罐、单个高压釜、串联的多个高压釜、活塞流发酵罐、气动搅拌发酵罐、带有具有强制循环的外部回路的气升式发酵罐、鼓泡塔发酵罐、固定(填充)床塔式发酵罐、具有多个隔室的水平单个发酵罐、以及多级塔式发酵罐。

实施方案11：根据实施方案1-10中任何实施方案所述的实施方案，其中所述分离包括将所述气相从所述发酵液分离到所述生物反应器的顶部空间。

实施方案12：根据实施方案1-11中任何实施方案所述的实施方案，所述方法还包括将易燃气体组合物进料到所述生物反应器中。

实施方案13：根据实施方案12所述的实施方案，其中所述易燃气体组合物包含氢气。

实施方案14：根据实施方案12或13中任何实施方案所述的实施方案，其中所述含氧气体和所述易燃气体组合物以单独进料形式连续进料到所述生物反应器。

实施方案15：一种用于在好氧生物合成期间控制氧浓度的方法，所述方法包括：将含氧气体进料到容纳微生物的生物反应器中，其中易燃气体发酵原料组分在所述生物反应器内；使来自所述含氧气体的氧气的至少一部分与所述微生物反应；形成发酵液，所述发酵液包含分散在所述发酵液内的气相，所述气相包含来自所述含氧气体的未反应的氧气；将所述气相中未反应的氧气的浓度降低至小于所述易燃气体原料组分的易燃性的loc，其中所述降低包括用固体氧催化剂吸附所述未反应的氧气或使所述未反应的氧气与固体氧催化剂反应；以及将气相从发酵液中分离。

实施方案16：根据实施方案15所述的实施方案，其中含氧气体包含大于21体积％的氧气。

实施方案17：根据实施方案15或16所述的实施方案，其中所述含氧气体包括空气。

实施方案18：根据实施方案15-17中任何实施方案所述的实施方案，其中从所述发酵液中分离的气相包含浓度小于loc的85％的氧气。

实施方案19：根据实施方案15-18中任何实施方案所述的实施方案，其中从所述发酵液中分离的气相包含小于6体积％的氧气。

实施方案20：根据实施方案15-19中任何实施方案所述的实施方案，其中降低所述未反应的氧气的浓度的步骤在将所述气相从所述发酵液中分离的步骤之前发生。

实施方案21：根据实施方案15-20中任何实施方案所述的实施方案，其中所述微生物包括钩虫贪铜菌(c.necator)或耐金属贪铜菌(c.metallidurans)。

实施方案22：根据实施方案15-21中任何实施方案所述的实施方案，其中所述生物反应器选自单个发酵罐、串联的多个发酵罐、搅拌釜式发酵罐、非搅拌釜式发酵罐、膜发酵罐、固定床发酵罐、流化床发酵罐、单个高压釜、串联的多个高压釜、活塞流发酵罐、气动搅拌发酵罐、带有具有强制循环的外部回路的气升式发酵罐、鼓泡塔发酵罐、固定(填充)床塔式发酵罐、具有多个隔室的水平单个发酵罐、以及多级塔式发酵罐。

实施方案23：根据实施方案15-22中任何实施方案所述的实施方案，其中所述分离包括将所述气相从所述发酵液分离到所述生物反应器的顶部空间。

实施方案24：根据实施方案15-23中任何实施方案所述的实施方案，所述方法还包括将易燃气体组合物进料到所述生物反应器中。

实施方案25：根据实施方案24所述的实施方案，其中所述易燃气体组合物包含氢气。

实施方案26：根据实施方案24或25所述的实施方案，其中所述含氧气体和所述易燃气体组合物以单独进料形式连续进料到所述生物反应器。

实施方案27：一种用于在好氧生物合成期间控制氧浓度的方法，所述方法包括：将含氧气体进料到容纳微生物的生物反应器中，其中易燃气体发酵原料组分在所述生物反应器内；使来自所述含氧气体的氧气的至少一部分与所述微生物反应；形成发酵液，所述发酵液包含分散在所述发酵液内的气相，所述气相包含来自所述含氧气体的未反应的氧气；将所述气相中未反应的氧气的浓度降低至小于所述易燃气体原料组分的易燃性的loc，其中所述降低包括在吸氧液体中吸收所述未反应的氧气；以及将气相从发酵液中分离。

实施方案28：根据实施方案27所述的实施方案，其中含氧气体包含大于21体积％的氧气。

实施方案29：根据实施方案27或28所述的实施方案，其中所述含氧气体包括空气。

实施方案30：根据实施方案27-29中任何实施方案所述的实施方案，其中从所述发酵液中分离的气相包含浓度小于loc的85％的氧气。

实施方案31：根据实施方案27-30中任何实施方案所述的实施方案，其中从所述发酵液中分离的气相包含小于6体积％的氧气。

实施方案32：根据实施方案27-31中任何实施方案所述的实施方案，其中降低所述未反应的氧气的浓度的步骤在将所述气相从所述发酵液中分离的步骤之前发生。

实施方案33：根据实施方案27-32中任何实施方案所述的实施方案，其中所述微生物包括钩虫贪铜菌(c.necator)或耐金属贪铜菌(c.metallidurans)。

实施方案34：根据实施方案27-33中任何实施方案所述的实施方案，其中所述生物反应器选自单个发酵罐、串联的多个发酵罐、搅拌釜式发酵罐、非搅拌釜式发酵罐、膜发酵罐、固定床发酵罐、流化床发酵罐、单个高压釜、串联的多个高压釜、活塞流发酵罐、气动搅拌发酵罐、带有具有强制循环的外部回路的气升式发酵罐、鼓泡塔发酵罐、固定(填充)床塔式发酵罐、具有多个隔室的水平单个发酵罐、以及多级塔式发酵罐。

实施方案35：根据实施方案27-34中任何实施方案所述的实施方案，其中所述分离包括将所述气相从所述发酵液分离到所述生物反应器的顶部空间。

实施方案36：根据实施方案27-35中任何实施方案所述的实施方案，所述方法还包括将易燃气体组合物进料到所述生物反应器中。

实施方案37：根据实施方案36所述的实施方案，其中所述易燃气体组合物包含氢气。

实施方案38：根据实施方案36或37所述的实施方案，其中所述含氧气体和所述易燃气体组合物以单独进料形式连续进料到所述生物反应器。

虽然已经详细描述了本公开，但在本公开的实质和范围内的修改对于本领域的技术人员将是显而易见的。应当理解，上文和/或所附权利要求中所列举的本公开的各方面和各种实施方案的各部分以及各种特征可全部或部分地组合或互换。在各种实施方案的前述说明中，涉及另一实施方案的那些实施方案可与其他实施方案适当地组合，如本领域的普通技术人员将理解的。此外，本领域的普通技术人员将理解，前述说明仅以举例的方式，并不旨在限制本公开。本文引用的所有美国专利和出版物均全文以引用方式并入。本文所引用的参考文献的完整细节提供如下：

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