JP2014518090A - シンガスの発酵方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】メインリアクタに植え付けるのに必要な時間を短縮するのに効果的であるシンガスの発酵方法を提供する。
【解決手段】酢酸生成菌の培養物を増殖させて、メインリアクタのための種菌を得る工程及びメインリアクタにおいてシンガスを発酵させる工程を含む。
【選択図】図１

Description

本出願は、いずれも2011年6月30日に出願された米国仮特許出願第61/571,564号及び同第61/571,565号並びに2011年9月13日に出願の同第61/573,845号の恩典を主張するものであり、これらの明細書の記載はすべて本願明細書に全体として援用されている。
シンガスの発酵方法が提供される。より詳細には、方法には、メインリアクタのための種菌として用いるのに効果的な培養物を増殖させる工程及びメインリアクタにおいてシンガスを発酵させる工程が含まれる。
嫌気性微生物は、ガス状基質の発酵によって一酸化炭素(CO)からエタノールを生産し得る。クロストリジウム属由来の嫌気性微生物を用いて発酵させると、エタノール及び他の有用な生成物が生じる。例えば、米国特許第5,173,429号明細書には、合成ガスからエタノール及びアセテートを生成する嫌気性微生物、クロストリジウム・リュングダリイ(Clostridium ljungdahlii)ATCC No.49587が記載されている。米国特許第5,807,722号明細書には、クロストリジウム・リュングダリイATCC No.55380を用いて廃ガスを有機酸とアルコールに変換するための方法及び装置が記載されている。米国特許第6,136,577号明細書には、クロストリジウム・リュングダリイATCC No.55988及び55989を用いて廃ガスをエタノールに変換するための方法及び装置が記載されている。
COは、シンガスの形でガス状基質の一部として発酵にしばしば供給される。一酸化炭素及び水素が含まれる発生炉ガス又は合成ガス又はシンガスを生成する炭素質材料のガス化は、当該技術においてよく知られている。典型的には、このようなガス化プロセスには炭素質材料の部分酸化又は飢餓空気酸化が必要とされ、国際公開第2009/154788号パンフレットに記載されているように化学量論量未満の量の酸素がガス化プロセスに供給されて、一酸化炭素の生成が促進される。
酢酸生成菌による発酵プロセスには、1つ以上のシードリアクタ、1つ以上の発育リアクタ及び少なくとも1つのメインリアクタが含まれ得る。酢酸生成菌は、通常は、シードリアクタにおいて特定の細胞密度に発育される。次に、シードリアクタを用いて、発育発酵槽に植え付けられる。発育発酵槽は、通常、シードリアクタより大きいサイズを有する。次に、発育リアクタ内の酢酸生成菌が望ましい細胞密度に発育される。次に、発育リアクタが、他のより大きい発育リアクタに植え付けるために用いられることになるか又はメインリアクタに植え付けるために用いられることになる。メインリアクタは、発育リアクタより大きいサイズを有する。このプロセスからみて、シードリアクタから開始してメインリアクタに植え付けるには、時間が必要である。更に、発育リアクタが故障した場合には、プロセスが再始動されることを必要とし、更に多くの時間が必要である。
メインリアクタに植え付けるために必要とされる時間を短縮するのに効果的であるシンガスを発酵させる方法が提供される。この態様において、シードリアクタの植え付けからメインリアクタの植え付けまでの合計時間が短縮される。方法は、また、リアクタ故障の場合には再始動がより速くなる。
一態様において、メインリアクタに植え付けるのに効果的な酢酸生成菌の培養物を増殖させる工程を含むシンガスを発酵させる方法が提供される。増殖させる工程には: i)酢酸生成菌の第1の培養物をプレリアクタに植え付けて、最小生細胞密度を得る段階、及びii)プレリアクタ内の酢酸生成菌の培養物を発育させて、プレリアクタ目標細胞密度を得る段階が含まれる。増殖させる工程は、更に、下記の式によって記載され得る: (a)(プレリアクタ目標細胞密度×プレリアクタ容積)÷((メインリアクタの容積)×(プレリアクタの容積÷移されるプレリアクタの容積))が最小生細胞密度以上である場合には、プレリアクタの容積をメインリアクタへメインリアクタ内の最小生細胞密度を得るのに効果的な量で移すか、又は(b) (プレリアクタ目標細胞密度×プレリアクタ容積)÷(メインリアクタの容積×(プレリアクタの容積÷移されるプレリアクタの容積))が最小生細胞密度未満である場合には、プレリアクタの容積を次のプレリアクタへ次のプレリアクタ内の最小生細胞密度を得るのに効果的な量で移す。プレリアクタの容積がメインリアクタへ移されるまで段階iiが反復される。次に、シンガスの発酵がメインリアクタにおいて行われる。
一態様において、メインリアクタに植え付けるのに効果的な酢酸生成菌の培養物を増殖させる工程を含むシンガスを発酵させる方法が提供される。増殖させる工程には: i)酢酸生成菌の第1の培養物をプレリアクタに植え付けて、最小生細胞密度を得る段階、及びii)プレリアクタ内の酢酸生成菌の培養物を発育させて、プレリアクタ目標細胞密度を得る段階が含まれる。増殖させる工程は、更に、下記の式によって記載することができる: (a)(プレリアクタ目標細胞密度×プレリアクタ容積)÷(メインリアクタの容積×(プレリアクタの容積÷移されるプレリアクタの容積))が最小生細胞密度以上である場合には、プレリアクタの容積をメインリアクタへメインリアクタ内の最小生細胞密度を得るのに効果的な量で移すか、又は(b) (プレリアクタ目標細胞密度×プレリアクタ容積)÷(メインリアクタの容積×(プレリアクタの容積÷移されるプレリアクタの容積))が最小生細胞密度未満である場合には、メインリアクタの容積を調整し且つプレリアクタの容積をメインリアクタへメインリアクタ内の最小生細胞密度を得るのに効果的な量で移し、且つ最小生細胞密度を維持しつつメインリアクタの容積を増加させる。次に、シンガスの発酵がメインリアクタ内で行われる。
他の態様において、シンガスの発酵のためにメイン発酵槽を開始させる方法が提供される。方法には、酢酸生成菌の第1の培養物をシードリアクタに植え付けて1リットルにつき少なくとも約0.2グラムのシードリアクタにおける最初の最小生細胞密度を得る工程を含まれる。酢酸生成菌の培養物をシンガスによって発育させて、1リットルにつき少なくとも約5グラムのシードリアクタの細胞密度が得られる。第1の発育リアクタにシードリアクタからの種菌が1リットルにつき少なくとも約0.2グラムの発育リアクタにおける細胞密度を得るのに効果的な量で植え付けられる。培養物をシンガスによって発育させて、1リットルにつき少なくとも約5グラムの第1の発育リアクタ内の細胞密度が得られる。第2のリアクタに第1の発育リアクタからの種菌が1リットルにつき少なくとも約0.2グラムの発育リアクタにおける細胞密度を得るのに効果的な量で植え付けられる。培養物をシンガスによって発育させて、1リットルにつき少なくとも約5グラムの第2の発育リアクタ内の細胞密度が得られる。メイン発酵槽に第2の発育リアクタからの種菌が1リットルにつき少なくとも約0.2グラムのメインリアクタ内の細胞密度を得るのに効果的な量で植え付けられる。
上記の態様と他の態様、特徴及び方法のいくつかの態様の利点は、下記の図面からより明らかになるであろう。
対応する符号は、図面のいくつかの図全体にわたって対応する構成成分を示している。当業者は、図の要素が簡単且つ明瞭に示されるとともに必ずしも一定の比率で示されていないことを認めるであろう。例えば、図における要素の一部の寸法は、本方法及び装置の種々の態様の理解を高めるのを援助するために他の要素と比較して誇張される場合がある。また、これらの種々の態様の遮断されていない図を容易にするために商業的に実行可能な態様に有効であるか又は必要である共通の又はよく理解されている要素は、しばしば示されていない。
図1は、シンガスを発酵させる方法を示す図である。
下記の説明は、限定的にみなされるべきでなく、単に例示的実施態様の一般的原理のためにだけ記載されている。本発明の範囲は、特許請求の範囲に関して決定されなければならない。
種菌をメインリアクタに急速に供給するのに効果的である一連の1つ以上のプレリアクタが提供される。1つ以上のプレリアクタとメインリアクタは、操作可能に接続されて、培養物の移動を可能にする。1つ以上のプレリアクタの各々は、最小生細胞密度で植え付けられ、次に、発育させて、次の植え付けのための目標細胞密度を得る。任意のプレリアクタの約25%〜約75%の容積が、次のリアクタへ移される。残りの容積は、維持され、次の任意のリアクタが故障すれば再植え付けのために使用し得る。
定義
特に定義されない限り、本開示のためにこの明細書全体に用いられる下記の用語は以下の通り定義され、下記の定義の単数形も複数形も含み得る:
任意の量を修飾する用語「約」は、現実の社会状況で、例えば、ラボ、パイロットプラント、又は生産設備で直面するその量の変動を意味する。例えば、混合物に使われる成分又は測定の量又は「約」によって修飾される場合の量には、生産プラント又はラボにおける実験条件で測定するのに典型的に使われる変動及び注意の程度が含まれる。例えば、「約」によって修飾される場合の生成物の成分の量には、プラント又はラボにおける複数の実験でのバッチ間の変動及び分析法に固有な変動が含まれる。「約」によって修飾されてもされなくても、量にはそれの量に対して同等の量が含まれる。本明細書に述べられ且つ「約」によって修飾されている任意の量もまた、「約」によって修飾されていない量として本開示に使われ得る。
本明細書に用いられる「炭素質材料」は、石炭や石油化学製品のような炭素を多く含んだ材料を意味する。しかしながら、この明細書において、炭素質材料には固体、液体、ガス、又はプラズマ状態であるとしても任意の炭素材料が含まれる。炭素質材料とみなされ得る多数の品目の中で、本開示は、以下を企図する: 炭素質材料、炭素質液体製品、炭素質工業液体再循環物、炭素質都市ごみ(MSW又はmsw)、炭素質一般廃棄物、炭素質農業資材、炭素質森林材料、炭素質木材廃棄物、炭素質土木材料、炭素質植物材料、炭素質産業廃棄物、炭素質発酵廃液、炭素質石油化学副産物、炭素質アルコール製造副産物、炭素質石炭、タイヤ、プラスチック、廃プラスチック、コークス炉タール、ファイバソフト、リグニン、黒液、ポリマー、廃ポリマー、ポリエチレンテレフタレート(PETA)、ポリスチレン(PS)、下水汚泥、動物排泄物、作物残渣、エネルギー作物、森林加工残渣、木材加工残渣、畜産廃棄物、家禽廃棄物、食品加工残渣、発酵プロセス廃棄物、エタノール副産物、使用済穀類、廃微生物、又はこれらの組み合わせ。
用語「ファイバソフト(fibersoft)」又は「ファイバソフト(Fibersoft)」又は「軟質繊維(fibrosoft)」又は「軟質繊維(fibrousoft)」は、種々の物質の軟化及び濃縮の結果として生成される一種の炭素質材料を意味する; 一例として、炭素質材料は、種々の物質のスチームオートクレーブ処理によって生成される。他の例において、ファイバソフトには、結果として軟質繊維材料になる一般廃棄物、産業廃棄物、商業廃棄物、及び医療廃棄物のスチームオートクレーブ処理が含まれ得る。
用語「都市ごみ」又は「MSW」又は「msw」は、家庭廃棄物、商業廃棄物、産業廃棄物及び/又は残留廃棄物が含まれてもよい廃棄物を意味する。
用語「シンガス」又は「合成ガス」は、一酸化炭素と水素の種々の量を含有するガス混合物に示される名称である合成ガスを意味する。製造法の例としては、水素を製造する天然ガス又は炭化水素の水蒸気改質、石炭のガス化及び廃棄物発電ガス化設備のいくつかのタイプが挙げられる。名称は、合成天然ガス(SNG)を生成する際の中間体及びアンモニア又はメタノールを製造するための中間体としての使用に由来する。シンガスは、フィッシャー-トロプシュ合成、以前はガソリンプロセスへのMobilメタノールを介して燃料又は潤滑剤として用いられる合成石油を得る際の中間体として用いられる。シンガスは、主に水素、一酸化炭素、及びいくらかの二酸化炭素からなり、天然ガスのエネルギー密度(すなわち、BTU含量)の半分より少ない。シンガスは、可燃性であり、燃料源として又は他の化学薬品の製造のための中間体としてしばしば用いられている。
用語「発酵」、「発酵プロセス」又は「醗酵反応」等は、プロセスの発育相と産物生合成相双方を包含することを意図する。一態様において、発酵は、COのアルコールへの変換を意味する。
プレリアクタ設計
プロセスに従って、酢酸生成菌の培養物がプレリアクタに植え付けられて、最小細胞密度が得られる。この態様において、プレリアクタは、1つ以上のシードリアクタ及び1つ以上の発育リアクタであってもよい。シードリアクタは、約500リットル以下、他の態様においては、400リットル以下、他の態様においては、300リットル以下、他の態様においては、200リットル以下、他の態様においては、約100リットル以下、他の態様においては、約50リットル以下の容積を有してもよい。発育リアクタは、約250,000リットル以下、他の態様においては、150,000リットル以下、他の態様においては、100,000リットル以下、他の態様においては、50,000リットル以下、他の態様においては、10,000リットル以下、他の態様においては、1,000リットル以下の容積を有してもよい。本明細書に用いられる「容積」は、非ガス液体使用容積を意味する。
シードリアクタは、例えばボトル入シンガスが含まれるシンガスによって供給される。この態様において、500リットル以下の容積を有するシードリアクタを用いることにより、シードリアクタがボトル入シンガスによって供給されることを可能にする。ガス化プロセスからのシンガスの供給が利用できない場合には、ボトル入シンガスの使用は重要なことである。有用なシンガス組成物は、本願明細書に記載されている。一態様においては、プレリアクタは、メインリアクタから再循環されたガスによって供給されてもよい。
シードリアクタ内の培養物はプレリアクタ目標細胞密度に発育され、シードリアクタの容積を用いて、シードリアクタより容積の大きい次のプレリアクタに植え付けられる。この態様において、第2のプレリアクタは、1つ以上の発育リアクタであってもよい。重要な態様において、プロセスには、少なくとも2つの発育リアクタ、他の態様においては、少なくとも3つの発育リアクタ、他の態様においては、少なくとも4つの発育リアクタが用いられる。
シンガスを発酵させる方法の一態様は、一般的には図1に示されている。この態様において、方法には、シードリアクタ100、第1の発育リアクタ200、第2の発育リアクタ300、及びメインリアクタ400が含まれる。各リアクタには、ガス供給部500を通してシンガスが供給され得る。栄養素は、栄養素供給部600を通して各リアクタに供給され得る。各リアクタには、アジテータ150及び少なくとも1つのインペラ250が含まれてもよい。各リアクタからの培地は冷却器/熱交換器550に送られることになり、冷却された培地は反応器にまた循環されることになる。一リアクタからの培地は、トランスファライン700を通して次のリアクタへ移されることになる。
各リアクタからの培地は、リサイクルフィルタ350に送られることになる。濃縮細胞425は反応器に戻されることになり、透過物450は更に処理のために送られることになる。更なる処理には、望ましい生成物、例えばエタノール、酢酸、ブタノールの分離が含まれてもよい。
プレリアクタ操作
プレリアクタ操作は、メインリアクタ植え付けのための迅速な始動を可能にする。この態様において、第1のプレリアクタの植え付けからメインリアクタの植え付けまでの時間は、約20日以下、他の態様においては、約15日以下、他の態様においては、約10日以下である。プロセスは、また、プレリアクタのいずれかが故障すればより迅速な回収が可能である。
プロセスに従って、酢酸生成菌の培養物がプレリアクタ又はシードリアクタに植え付けられて、最小細胞密度が得られる。本明細書に用いられる「最小細胞密度」は、1リットルにつき少なくとも約0.1グラム、他の態様においては、1リットルにつき少なくとも約0.2グラム、他の態様においては、1リットルにつき少なくとも約0.3グラム、他の態様においては、1リットルにつき少なくとも約0.4グラム、他の態様においては、1リットルにつき少なくとも約0.5グラムの生細胞密度を意味する。最小細胞密度は、1リットルにつき約1.2グラムを超えない。他の態様においては、プレリアクタ又はシードリアクタに植え付けるために用いられる第1の培養物は、pH 6.5以下、他の態様においては4.5以下、他の態様においては約4.0〜約4.5を有する。プレリアクタ又はシードリアクタに植え付けるために用いられる第1の培養物は、1リットルにつき約10グラム以下、他の態様においては、1リットルにつき約1〜約10グラム、他の態様においては、1リットルにつき約1〜約5グラム、他の態様においては、1リットルにつき約1〜約3グラム、他の態様においては、1リットルにつき約2グラムの酢酸濃度を有する。
酢酸生成菌は、目標細胞密度に達するまでプレリアクタ内で発育される。本明細書に用いられる「プレリアクタ目標細胞密度」は、1リットルにつき少なくとも約5グラム、他の態様においては、1リットルにつき少なくとも約10グラム、他の態様においては、1リットルにつき少なくとも約15グラム、他の態様においては、1リットルにつき少なくとも約20グラムの生細胞密度を意味する。プレリアクタ目標細胞密度は、一般的には、1リットルにつき約50グラムを超えない。他の態様においては、プレリアクタ目標細胞密度は、1リットルにつき約12〜約15グラム、他の態様においては、1リットルにつき約20〜約24グラムである。
一態様において、続いての各プレリアクタは、その前のプレリアクタの容積より大きい。このプロセスに従って、移されるプレリアクタ容積と次のプレリアクタ又はメインリアクタとの容積比は、約0.02〜約0.5、他の態様においては、約0.02〜約0.2である。他の態様において、プレリアクタの容積の約20〜約75%が、次のプレリアクタ又はメインリアクタに植え付けるために用いられる。移されてもよい他のリアクタ容積には、約30〜約70%、約40〜約60%及び約45〜約55%が含まれる。この態様において、容積を維持することにより、次のリアクタが故障すればより急速な回収を可能にする。本明細書に用いられる「リアクタ故障」は、ガス変換が行われず且つ顕微鏡評価の後に細胞が視覚的に死滅しているようにみえる状態を意味する。この態様において、リアクタ故障が生じると、24時間以内にリアクタに再植え付けされてもよい。
プレリアクタ内の目標細胞密度に達すると、プロセスにおける次の段階は、以下のように記載され得る:
(プレリアクタ目標細胞密度)×(プロリアクタ容積)÷[(メインリアクタの容積)×(プレリアクタの容積)÷(移されるプレリアクタの容積)]≧最小生細胞密度である場合には、
プレリアクタの容積がメインリアクタへメインリアクタ内の最小細胞密度を得るのに効果的な量で移されるか; 又は
(プレリアクタ目標細胞密度)×(プロリアクタ容積)÷[(メインリアクタの容積)×(プレリアクタの容積)÷(移されるプレリアクタの容積)]≦最小生細胞密度である場合には、プレリアクタの容積が次のプレリアクタへメインリアクタ内の最小細胞密度を得るのに効果的な量で移される。一方のプレリアクタからもう一方へ移るこの工程は、メインリアクタへの移動まで反復されることになる。
他の態様において、プレリアクタ内の目標細胞密度に達すると、プロセスにおける次の段階は、以下のように記載され得る:
(プレリアクタ目標細胞密度)×(プロリアクタ容積)÷[(メインリアクタの容積)×(プレリアクタの容積)÷(移されるプレリアクタの容積)]≧最小生細胞密度である場合には、
プレリアクタの容積がメインリアクタへメインリアクタ内の最小細胞密度を得るに効果的な量で移されるか; 又は
(プレリアクタ目標細胞密度)×(プロリアクタ容積)÷[(メインリアクタの容積)×(プレリアクタの容積)÷(移されるプレリアクタの容積)]≦最小生細胞密度である場合には、メインリアクタの容積が調整されることになり、プレリアクタの容積がメインリアクタ内の最小生細胞密度を得る量で移されることになる。次に、メインリアクタの容積が最小生細胞密度を維持しつつ時間が経つにつれて望ましい容積に増加される。
各リアクタは、細胞発育を最大にさせ且つ培養物の状態を維持するのに効果的な方法で操作され得る。一態様において、各リアクタに用いられる培養液は、同じであっても異なってもよい。好適な培養液の例としては、米国特許第7,285,402号明細書、PCT/US2009/001522、米国仮特許出願公開第61/458,899号明細書、同第61/458,903号明細書、同第61/458,976号明細書に記載されているものが挙げられ、全て2010年12月3日に出願されており、これらの明細書の全てが本願明細書に全体で援用されている。より高い濃度レベルの1つ以上のビタミンが、発育相の間に用いられてもよい。
一態様において、シードリアクタは、1リットルにつき約0.3〜約0.7グラムの細胞で植え付けられてもよい。シンガスは、毎分約0.5〜約2.0リットル、他の態様においては、毎分約0.75〜約1.25リットルの速度でシードリアクタにスパージされてもよい。最初の撹拌は、最大限の撹拌力の約10〜約40%で行われる。撹拌速度は、1時間にわたって全出力まで増加され得る。例えば、撹拌速度はより小さいリアクタに対して約100から約1000rpmまで増加させることができ、増加はより大きいリアクタに対しては対応してより小さくなる。
酢酸生成菌
一態様において、用いられる微生物には、酢酸生成菌が含まれる。有用な酢酸生成菌の例としては、国際公開第2000/68407号パンフレット、欧州特許第117309号明細書、米国特許第5,173,429号明細書、同第5,593,886号明細書、同第6,368,819号明細書、国際公開第1998/00558号パンフレット及び同第2002/08438号パンフレットに記載されているものが含まれる、クロストリジウム属のもの、例えばクロストリジウム・リュングダリイ株、国際公開第2007/117157号パンフレット及び同第2009/151342号パンフレットに記載されているものが含まれるクロストリジウム・オートエタノゲナム(Clostridium autoethanogenum)株(DSMZのDSM 10061及びDSM 19630、ドイツ)及び米国特許第7,704,723号明細書及び「Biofuels and Bioproducts from Biomass-Generated Synthesis Gas」, Hasan Atiyeh, presented in Oklahoma EPSCoR Annual State Conference, April 29, 2010にそれぞれ記載されているものが含まれるクロストリジウム・ラグスダレイ(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)及び米国特許出願公開第2007/0276447号明細書に記載されているクロストリジウム・カルボキシジボランス(Clostridium carboxidivorans)(ATCC PTA-7827)が挙げられる。他の適切な微生物には、ムーレラ種(Moorella sp.) HUC22-1が含まれるムーレラ属のもの及びカルボキシドサーマス(Carboxydothermus)属のものが含まれる。これらの文献の各々は、本願明細書に援用されているものとする。2つ以上の微生物の混合培養物を用いてもよい。
有用な細菌の一部の例としては、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)、アセトバクテリウム・ウッディイ(Acetobacterium woodii)、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)、カルボキシドテルムス・ヒドロゲノホルマンス(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・アセトブチリクムP262(DSMZのDSM 19630、ドイツ)、クロストリジウム・オートエタノゲナム(DSMZのDSM 19630、ドイツ)、クロストリジウム・オートエタノゲナム(DSMZのDSM 10061、ドイツ)、クロストリジウム・オートエタノゲナム(DSMZのDSM 23693、ドイツ)、クロストリジウム・オートエタノゲナム(DSMZのDSM 24138、ドイツ)、クロストリジウム・カルボキシジボランスP7(ATCC PTA-7827)、クロストリジウム・コスカティ(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・パストゥリアナム(Clostridium pasteurianum)(DSMZのDSM 525、ドイツ)、クロストリジウム・ラグスダレイ(Clostridium ragsdali)P11(ATCC BAA-622)、クロストリジウム・スカトロゲネス(Clostridium scatologenes)、クロストリディウム・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・リモーサム(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)、ムーレラ・サーモアセチカ(Morrella thermoacetica)、モーレラ・サーモオートトロフィカ(Morrella thermoautotrophica)、オキソバクター・フェニギイ(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)、サーモアナエロバクター・キブイ(Thermoanaerobacter kivui)、及びこれらの混合物が挙げられる。
シンガス
シンガスは、既知の任意の供給源から供給され得る。一態様において、シンガスは、炭素質材料のガス化から供給されてもよい。ガス化には、酸素の制限された供給においてバイオマスの部分燃焼を必要とする。得られたガスには、主にCO及びH2が含まれる。この態様において、シンガスは、少なくとも約10モル%のCO、一態様においては、少なくとも約20モル%、一態様においては、約10〜約100モル%、他の態様においては、約20〜約100モル%のCO、他の態様においては、約30〜約90モル%のCO、他の態様においては、約40〜約80モル%のCO、他の態様においては、約50〜約70モル%のCOを含有する。シンガスは、少なくとも約0.75のCO/CO2モル比を有する。適切なガス化方法及び装置の一部の例は、米国特許出願公開第61/516,667号明細書、同第61/516,704号明細書及び同第61/516,646号明細書に示されており、これらの明細書は全て2011年4月6日に出願され、これらの明細書は全て本願明細書に援用されている。
他の態様において、酢酸生成菌を増殖するのに用いられるシンガスは、ほぼCOであり得る。本明細書に用いられる「ほぼCO」は、少なくとも約50モル%のCO、他の態様においては、少なくとも60モル%のCO、他の態様においては、少なくとも約70モル%のCO、他の態様においては、少なくとも約80モル%のCO、他の態様においては、少なくとも約90モル%のCOを意味する。
実施例1: 2つの発育リアクタからの始動
シード発酵槽(90リットル)に、クロストリジウム・リュングダリイを植え付ける。約12グラム/リットルの細胞密度が得られるまでシンガスを発酵させた。シード発酵槽(約45リットル)の半分を用いて、第1の発育リアクタに植え付けて、約1390リットルの第1の発育リアクタの全容積及び1リットルにつき約0.38グラムの開始細胞密度を得る。シンガスを植え付けの時間から140時間発酵させて、1リットルにつき約12グラムの細胞密度を得る。第1の発育リアクタ(約703リットル)からの培養物を用いて、第2の発育リアクタに植え付けて、約22200リットルの第2の発育リアクタの全容積及び1リットルにつき約0.38グラムの細胞密度を得る。シンガスを植え付けの時間から140時間発酵させて、1リットルにつき約12グラムの細胞密度を得る。第2の発育リアクタ(約12,000リットル)からの培養物を用いて、メインリアクタに植え付けて、約350,000〜400,000リットルのメインリアクタの全容積及び1リットルにつき約0.40グラムの細胞密度を得る。第1の発育リアクタの植え付けからメインリアクタの植え付けまでの全経過時間は、11.7日間である。
実施例2: シードリアクタ及び1つの発育リアクタからの始動
シード発酵槽(1600リットル)に、クロストリジウム・リュングダリイを植え付ける。約12グラム/リットルの細胞密度が得られるまでシンガスを発酵させた。シード発酵槽(約700リットル)の半分を用いて、第1の発育リアクタに植え付けて、約2250リットルの第1の発育リアクタの全容積及び1リットルにつき約0.38グラムの開始細胞密度を得る。シンガスを植え付けの時間から140時間発酵させて、1リットルにつき約12グラムの細胞密度を得る。第1の発育リアクタ(約11,000リットル)からの培養物を用いて、メインリアクタに植え付けて、約350,000〜約400,000リットルのメインリアクタの全容積及び1リットルにつき約0.38グラムの細胞密度を得る。第1の発育リアクタの植え付けからメインリアクタの植え付けまでの全経過時間は、9.2日間である。
本明細書に開示された本発明をその個々の実施態様、実施例及び適用によって記載してきたが、特許請求の範囲に示された本発明の範囲から逸脱することなくこれらに多数の修正及び変更が当業者によってなされ得る。

Claims (27)

  1. シンガスを発酵させる方法であって、メインリアクタに植え付けるのに効果的な酢酸生成菌の培養物を増殖させる工程を含み、増殖させる工程が、
    i) 酢酸生成菌の第1の培養物をプレリアクタに植え付けて、最小生細胞密度を得る段階、
    ii) プレリアクタ内の酢酸生成菌の培養物を発育させて、プレリアクタ目標細胞密度を得る段階であって、
    (a) (プレリアクタ目標細胞密度×プレリアクタ容積)÷(メインリアクタの容積×(プレリアクタの容積÷移されるプレリアクタの容積))が最小生細胞密度以上である場合には、プレリアクタの容積をメインリアクタへメインリアクタ内の最小生細胞密度を得るのに効果的な量で移すか、又は
    (b) (プレリアクタ目標細胞密度×プレリアクタ容積)÷(メインリアクタの容積×(プレリアクタの容積÷移されるプレリアクタの容積))が最小生細胞密度未満である場合には、プレリアクタの容積を次のプレリアクタへ次のプレリアクタ内の最小生細胞密度を得るのに効果的な量で移す、前記段階、及び
    iii) プレリアクタの容積がメインリアクタへ移されるまで段階iiを反復させる段階
    を含む前記工程、を含む前記方法。
  2. 最小生細胞密度が、1リットルにつき少なくとも約0.2グラムである、請求項1に記載の方法。
  3. プレリアクタ目標細胞密度が、1リットルにつき少なくとも約5グラムである、請求項1に記載の方法。
  4. プレリアクタの容積の約25%〜約75%を用いて、次のプレリアクタ又はメインリアクタに植え付ける、請求項1に記載の方法。
  5. 移されるプレリアクタ容積と次のプレリアクタ容積又はメインリアクタ容積との容積比が、約0.02〜約0.5である、請求項1に記載の方法。
  6. シンガスが、少なくとも約0.75のCO/CO2モル比を有する、請求項1に記載の方法。
  7. 第1の培養物が、pH 6.5以下を有し且つ1リットルにつき10グラム以下の酢酸濃度を有する、請求項1に記載のプロセス。
  8. シンガスが、約20〜約100モル%のCOを有する、請求項1に記載の方法。
  9. 酢酸生成菌を増殖させるのに用いられるシンガスが、ほぼCOである、請求項1に記載のプロセス。
  10. 酢酸生成菌が、アセトゲニウム・キブイ、アセトアナエロビウム・ノテラエ、アセトバクテリウム・ウッディイ、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、カルボキシドテルムス・ヒドロゲノホルマンス、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・アセトブチリカムP262(DSMZのDSM 19630、ドイツ)、クロストリジウム・オートエタノゲナム(DSMZのDSM 19630、ドイツ)、クロストリジウム・オートエタノゲナム(DSMZのDSM 10061、ドイツ)、クロストリジウム・オートエタノゲナム(DSMZのDSM 23693、ドイツ)、クロストリジウム・オートエタノゲナム(DSMZのDSM 24138、ドイツ)、クロストリジウム・カルボキシジボランスP7(ATCC PTA-7827)、クロストリジウム・コスカティ(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・パストゥリアナム(DSMZのDSM 525、ドイツ)、クロストリジウム・ラグスダレイP11(ATCC BAA-622)、クロストリジウム・スカトロゲネス、クロストリディウム・サーモアセチカム、クロストリジウム・ウルツネンセ、デスルホトマクルム・クズネツォビイ、ユーバクテリウム・リモーサム、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、ムーレラ・サーモアセチカ、モーレラ・サーモオートトロフィカ、オキソバクター・フェニギイ、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、サーモアナエロバクター・キブイ、及びこれらの混合物からなる群より選ばれる、請求項1に記載の方法。
  11. シンガスを発酵させる方法であって、メインリアクタに植え付けるのに効果的な酢酸生成菌の培養物を増殖させる工程を含み、増殖させる工程が、
    i) 酢酸生成菌の第1の培養物をプレリアクタに植え付けて、最小生細胞密度を得る段階、
    ii) プレリアクタ内の酢酸生成菌の培養物を発育させて、プレリアクタ目標細胞密度を得る段階であって、
    (a) (プレリアクタ目標細胞密度×プレリアクタ容積)÷(メインリアクタの容積×2)が最小生細胞密度以上である場合には、プレリアクタの容積をメインリアクタへメインリアクタ内の最小生細胞密度を得るのに効果的な量で移すか、又は
    (b) (プレリアクタ目標細胞密度×プレリアクタ容積)÷(メインリアクタの容積×2)が最小生細胞密度未満である場合には、メインリアクタの容積を調整し且つプレリアクタの容積をメインリアクタへメインリアクタ内の最小生細胞密度を得るのに効果的な量で移し、且つ最小生細胞密度を維持しつつメインリアクタの容積を増加させる、前記段階
    を含む、前記工程を含む、前記方法。
  12. 最小生細胞密度が、1リットルにつき少なくとも約0.2グラムである、請求項11に記載の方法。
  13. プレリアクタ目標細胞密度が、1リットルにつき少なくとも約5グラムである、請求項11に記載の方法。
  14. シンガスが、少なくとも約0.75のCO/CO2モル比を有する、請求項11に記載の方法。
  15. シンガスが、約20〜約100モル%のCOを有する、請求項11に記載の方法。
  16. 酢酸生成菌を増殖させるのに用いられるシンガスが、ほぼCOである、請求項11に記載の方法。
  17. 第1の培養物が、pH 6.5以下を有し且つ1リットルにつき10グラム以下の酢酸濃度を有する、請求項11に記載の方法。
  18. 酢酸生成菌が、アセトゲニウム・キブイ、アセトアナエロビウム・ノテラエ、アセトバクテリウム・ウッディイ、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、カルボキシドテルムス・ヒドロゲノホルマンス、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・アセトブチリカムP262(DSMZのDSM 19630、ドイツ)、クロストリジウム・オートエタノゲナム(DSMZのDSM 19630、ドイツ)、クロストリジウム・オートエタノゲナム(DSMZのDSM 10061、ドイツ)、クロストリジウム・オートエタノゲナム(DSMZのDSM 23693、ドイツ)、クロストリジウム・オートエタノゲナム(DSMZのDSM 24138、ドイツ)、クロストリジウム・カルボキシジボランスP7(ATCC PTA-7827)、クロストリジウム・コスカティ(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・パストゥリアナム(DSMZのDSM 525、ドイツ)、クロストリジウム・ラグスダレイP11(ATCC BAA-622)、クロストリジウム・スカトロゲネス、クロストリディウム・サーモアセチカム、クロストリジウム・ウルツネンセ、デスルホトマクルム・クズネツォビイ、ユーバクテリウム・リモーサム、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、ムーレラ・サーモアセチカ、モーレラ・サーモオートトロフィカ、オキソバクター・フェニギイ、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、サーモアナエロバクター・キブイ、及びこれらの混合物からなる群より選ばれる、請求項11に記載の方法。
  19. シンガスの発酵のためにメイン発酵槽を開始させる方法であって:
    酢酸生成菌の第1の培養物をシードリアクタに植え付けて、1リットルにつき少なくとも約0.2グラムのシードリアクタ内の最初の最小生細胞密度を得る工程;
    酢酸生成菌の培養物をシンガスによって発育させて、1リットルにつき少なくとも約5グラムのシードリアクタ内の細胞密度を得る工程;
    第1の発育リアクタにシードリアクタからの種菌を1リットルにつき少なくとも約0.2グラムの発育リアクタ内の細胞密度を得るのに効果的な量で植え付ける工程;
    培養物をシンガスによって発育させて、1リットルにつき少なくとも約5グラムの第1の発育リアクタ内の細胞密度を得る工程;
    第2の発育リアクタに第1の発育リアクタからの種菌を1リットルにつき少なくとも約0.2グラムの発育リアクタ内の細胞密度を得るのに効果的な量で植え付ける工程;
    培養物をシンガスによって発育させて、1リットルにつき少なくとも約5グラムの第2の発育リアクタ内の細胞密度を得る工程; 及び
    メイン発酵槽に第2の発育リアクタからの種菌を1リットルにつき少なくとも約0.2グラムのメインリアクタ内の細胞密度を得るのに効果的な量で植え付ける工程
    を含む、前記方法。
  20. 第1の培養物が、pH 6.5以下を有し且つ1リットルにつき10グラム以下の酢酸濃度を有する、請求項19に記載の方法。
  21. シードリアクタの容積の約25%〜約75%が第1の発育リアクタに植え付けられ、第1の発育リアクタの容積の25%〜約75%が第2の発育リアクタに植え付けられ、且つ第2の発育リアクタの容積の約25%〜約75%がメイン発酵槽に植え付けられる、請求項19に記載の方法。
  22. リアクタ容積と種菌を受け取るリアクタの容積との比が、約0.02〜約0.5である、請求項19に記載の方法。
  23. シードリアクタが、500リットル以下の容積を有する、請求項19に記載の方法。
  24. シンガスが、少なくとも約0.75のCO/CO2モル比を有する、請求項19に記載のプロセス。
  25. シンガスが、約20〜約100モル%のCOを有する、請求項19に記載の方法。
  26. 酢酸生成菌を増殖させるのに用いられるシンガスが、ほぼCOである、請求項19に記載の方法。
  27. 酢酸生成菌が、アセトゲニウム・キブイ、アセトアナエロビウム・ノテラエ、アセトバクテリウム・ウッディイ、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、カルボキシドテルムス・ヒドロゲノホルマンス、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・アセトブチリカムP262(DSMZのDSM 19630、ドイツ)、クロストリジウム・オートエタノゲナム(DSMZのDSM 19630、ドイツ)、クロストリジウム・オートエタノゲナム(DSMZのDSM 10061、ドイツ)、クロストリジウム・オートエタノゲナム(DSMZのDSM 23693、ドイツ)、クロストリジウム・オートエタノゲナム(DSMZのDSM 24138、ドイツ)、クロストリジウム・カルボキシジボランスP7(ATCC PTA-7827)、クロストリジウム・コスカティ(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・パストゥリアナム(DSMZのDSM 525、ドイツ)、クロストリジウム・ラグスダレイP11(ATCC BAA-622)、クロストリジウム・スカトロゲネス、クロストリディウム・サーモアセチカム、クロストリジウム・ウルツネンセ、デスルホトマクルム・クズネツォビイ、ユーバクテリウム・リモーサム、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、ムーレラ・サーモアセチカ、モーレラ・サーモオートトロフィカ、オキソバクター・フェニギイ、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、サーモアナエロバクター・キブイ、及びこれらの混合物からなる群より選ばれる、請求項19に記載の方法。
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