JP2015520612A - シンガス発酵プロセスの操作方法 - Google Patents

シンガス発酵プロセスの操作方法 Download PDF

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Abstract

伝導率を低減し、約10gのエタノール/(L・日)のSTYを与えるのに有効なシンガスの発酵プロセスを提供する。本プロセスは、シンガスを反応容器に導入する工程及び生成細胞1グラム当たり約100mg以上の窒素という反応容器への窒素供給速度を与える工程を含む。シンガスの発酵は、約16mS/cm以下の平均伝導率及び10g以上のエタノール/(L・日)のSTYを有する発酵培地を与えるのに有効である。【選択図】なし

Description

この出願は、両方とも2012年5月22日に出願された米国仮特許出願第61/650,098号及び第61/650,093号並びに2012年11月14日に出願された米国仮特許出願第61/726,225号の利益を主張する。なお、これら全ての内容全体を参照によって本明細書に援用する。
伝導率を低減し、かつ約10g以上のエタノール/(L・日)を与えるのに有効なシンガスの発酵プロセスを提供する。さらに詳しくは、本プロセスは、生成細胞1グラム当たり約100mg以上の量での反応容器への窒素供給速度を与える工程を含む。
背景
嫌気性微生物はCOからガス状基質の発酵によってエタノールを生産することができる。クロストリジウム属由来の嫌気性微生物を用いた発酵はエタノール及び他の有用な生成物をもたらす。例えば、米国特許第5,173,429号は、合成ガスからエタノール及びアセタ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について記載している。米国特許第5,807,722号は、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について記載している。米国特許第6,136,577号は、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について記載している。
酢酸生成菌は、安定した性能及びエタノール生産性のためにはアンモニアの形での窒素の一定供給を必要とする。最も典型的には、アンモニア源は低pH培地ストリームで供給される塩化アンモニウムである。コスト及び利用能のため水酸化アンモニウムの使用が好ましい。しかしながら、水酸化アンモニウムは塩基であるため、別の培地ストリームとして添加しなければならない。この高pHストリームの添加は、発酵の操作上の問題を引き起こす可能性がある。さらに、高濃縮培地の使用中の高生産性レベル(>50STY)では、発酵ブロスのイオン強度が培養性能に有害作用をもたらすレベルまで上昇する。
概要
シンガス発酵プロセスは伝導率を低減し、かつアルコールSTYを高める。本プロセスは、シンガスを反応容器に導入する工程及び生成細胞1g当たり100mg以上の窒素という反応容器への窒素供給速度を与える工程を含む。シンガスの発酵は、約16mS/cm以下の平均伝導率及び10g以上のエタノール/(L・日)を有する発酵培地を与えるのに有効である。この態様では、窒素は無水アンモニア、アンモニア水、水酸化アンモニウム、酢酸アンモニウム、有機又は無機ニトラート及びニトリル、アミン、イミン、アミド、アミノ酸、アミノアルコール、並びにその混合物を含めた窒素源から供給される。一態様では、窒素は水酸化アンモニウムによって供給される。このプロセスは、約0.75以上のCO/CO2比を有するシンガスを導入する工程及びこのシンガスを1種以上の酢酸生成菌で発酵させる工程を含む。発酵プロセスは、約1.0g/L以上の細胞密度及び約5〜約99%のCO転化率を与えるのに有効である。一態様では、発酵培地は約0.01g/L以下の酵母エキス及び約0.01g/L以下の炭水化物を含む。
一態様では、発酵における伝導率を低減するためのプロセスは、発酵培地を含む反応容器にシンガスを導入する工程を含む。このプロセスは、生成細胞1グラム当たり約100mg以上の窒素という速度で反応容器に窒素フィードを供給する工程を含む。ここで、窒素フィードには塩化アンモニウムの代わりに水酸化アンモニウムを用いる。この窒素フィードは、約16mS/cm以下の伝導率及び約4.2〜約4.8のpHを与えるのに有効である。
別の態様では、発酵における伝導率を低減するためのプロセスは、反応容器にシンガスを導入する工程及び生成細胞1グラム当たり約100mg以上の窒素という速度で反応容器に窒素フィードを供給する工程を含む。この態様では、窒素フィードには塩化アンモニウムの代わりに水酸化アンモニウムを用いる。このプロセスは、窒素フィードが塩化アンモニウムである発酵に比べて少なくとも約20%の伝導率の低減をもたらす。
一態様では、発酵培地は、生成細胞1グラム当たり約100〜約340mgの窒素、生成細胞1グラム当たり約10.5〜約15mgのリン、又は生成細胞1グラム当たり約26〜約36mgのカリウムを含む。この態様では、窒素源は水酸化アンモニウムである。
詳細な説明
下記説明を限定的意味に解釈すべきでなく、典型的態様の一般原理を説明するという目的のためだけに説明する。請求項を参照して本発明の範囲を決定すべきである。
本明細書に記載の培地及び酢酸生成菌を用いてバイオリアクタ内で行なわれるシンガス発酵は、シンガス中のCOをアルコールその他の生成物に変換するのに有効である。窒素源として水酸化アンモニウムを利用すること及び伝導率を下げることは高生産性レベルを与えるのに有効である。この態様では、アルコール生産性をSTY(エタノールのg数/(L・日)として表される時空収量)として表すことができる。この態様では、プロセスは、少なくとも約10gのエタノール/(L・日)のSTY(時空収量)を与えるのに有効である。可能なSTY値としては、約10gのエタノール/(L・日)〜約200gのエタノール/(L・日)、別の態様では、約10gのエタノール/(L・日)〜約160gのエタノール/(L・日)、別の態様では、約10gのエタノール/(L・日)〜約120gのエタノール/(L・日)、別の態様では、約10gのエタノール/(L・日)〜約80gのエタノール/(L・日)、別の態様では、約10gのエタノール/(L・日)〜約15gのエタノール/(L・日)、別の態様では、約15gのエタノール/(L・日)〜約20gのエタノール/(L・日)、別の態様では、約20gのエタノール/(L・日)〜約140gのエタノール/(L・日)、別の態様では、約20gのエタノール/(L・日)〜約100gのエタノール/(L・日)、別の態様では、約40gのエタノール/(L・日)〜約140gのエタノール/(L・日)、別の態様では、約40gのエタノール/(L・日)〜約100gのエタノール/(L・日)、別の態様では、約10gのエタノール/(L・日)、別の態様では、約15gのエタノール/(L・日)、及び別の態様では、約16gのエタノール/(L・日)がある。
定義
特に定義のない限り、本開示のためにこの明細書全体を通じて使用する下記用語は以下の定義通りであり、下記定義の単数形又は複数形のいずれをも包含し得る。
「伝導率」及び「平均伝導率」は、電気を通す能力を意味する。水は電荷を運ぶ溶解固体を含有するので電気を通す。例えば、塩素イオン、硝酸イオン、及び硫酸イオンは負電荷を運び、一方ナトリウムイオン、マグネシウムイオン、及びカルシウムイオンは正電荷を運ぶ。これらの溶解固体は水の電気を通す能力に影響を与える。伝導率は、2つの電極間に電圧を印加するプローブによって測定される。電圧降下を用いて水の抵抗を測定してからこれを伝導率に換算する。既知の技術及び方法により平均伝導率を計測することができる。平均伝導率の測定のいくつかの例は、ASTM D1125、“Standard Test Methods for Electrical Conductivity and Resistivity of Water”、及び“Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater”, 1999, American Public Health Association, American Water Works Association, Water Environment Federation（両内容を参照によってここに援用する）に提供されている。
いずれの量をも修飾する用語「約」は、実社会条件、例えば、研究室、パイロットプラント、又は生産施設で遭遇する当該量の変動を表す。例えば、「約」によって修飾されているときの混合物又は量に使われる成分又は測定の量には、生産プラント又は研究室における実験条件で測定するのに典型的に利用される変動及び注意の度合が含まれる。例えば、「約」によって修飾されているときの生成物の成分の量には、プラント又は研究室における複数実験のバッチ間の変動及び分析法に固有の変動が含まれる。「約」によって修飾されていてもいなくても、量は当該量に等価な量を包含する。本明細書で言及され、「約」によって修飾されているいずれの量をも、「約」によって修飾されていない量として本開示で使用することもできる。
用語「シンガス」又は「合成ガス」は、各種量の一酸化炭素及び水素を含有するガス混合物に与えられる名称である合成ガスを意味する。生産方法の例には、水素を生産するための天然ガス又は炭化水素の水蒸気改質、石炭のガス化があり、いくつかのタイプの廃棄物発電(waste-to-energy)ガス化施設がある。この名称は、合成天然ガス(SNG)を生成する際の中間体として、またアンモニア又はメタノールを生産するための中間体として使用することに由来する。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製造用の中間体として使用されることが多い。
用語「発酵」、「発酵プロセス」又は「醗酵反応」等は、プロセスの成長期と産物生合成期の両方を包含することを意図する。一態様では、発酵は、COのアルコールへの変換を意味する。
用語「細胞密度」は、発酵ブロスの単位体積当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。この態様では、プロセス及び培地は少なくとも約1.0g/Lの細胞密度を与えるのに有効である。細胞密度は約1〜約25g/L、別の態様では、約1〜約20g/L、別の態様では、約1〜約10g/L、別の態様では、約10〜約20g/L、別の態様では、約12〜約18g/L、別の態様では、約14〜約16g/L、別の態様では、約2〜約8g/L、別の態様では、約3〜約6g/L、別の態様では、約4〜約5g/Lであり得る。
用語「細胞リサイクル」は、微生物細胞を発酵ブロスから分離し、その分離した微生物細胞の全て又は一部を発酵槽に戻すことを意味する。一般に、ろ過装置を用いて分離を達成する。
用語「発酵槽」、「反応容器」又は「バイオリアクタ」には、1つ以上の容器及び／又は塔又は配管から成る発酵装置があり、連続撹拌タンク反応器(Continuous Stirred Tank Reactor)(CSTR)、固定化細胞反応器(Immobilized Cell Reactor)(ICR)、トリクルベッド反応器(Trickle Bed Reactor)(TBR)、移動床生物膜反応器(Moving Bed Biofilm Reactor)(MBBR)、気泡塔(Bubble Column)、ガスリフト発酵槽(Gas Lift Fermenter)、中空繊維膜バイオリアクタ(Hollow Fibre Membrane Bioreactor)(HFMBR)等の膜反応器(Membrane Reactor)、静的ミキサー、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。
CO含有ガス状基質
一態様では、プロセスは、高容量CO含有産業燃料ガス等のガス状基質からのアルコールの生産を支持する適応性を有する。一部の態様では、COを含むガスは、炭素含有廃棄物、例えば、産業廃棄ガスから又は他の廃棄物のガス化から導かれる。そのようなものとして、本プロセスは、そうでなければ環境にまき散らされるであろう炭素を捕獲するのに有効なプロセスとなる。産業燃料ガスの例としては、鉄系材料製品製造、非鉄製品製造、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中に生成されるガスが挙げられる。
別の態様では、CO含有ガス状基質はシンガスであり得る。シンガスはいずれの既知源から供給されてもよい。一態様では、シンガスは炭素質材料のガス化から供給され得る。ガス化は、酸素供給を制限した状態でのバイオマスの部分燃焼を伴う。結果として生じるガスは主にCOとH2を含む。この態様では、シンガスは少なくとも約10モル%のCO、一態様では、少なくとも約20モル%、一態様では、約10〜約100モル%、別の態様では、約20〜約100モル%のCO、別の態様では、約30〜約90モル%のCO、別の態様では、約40〜約80モル%のCO、別の態様では、約50〜約70モル%のCOを含有するであろう。シンガスは少なくとも約0.75、別の態様では、少なくとも約1.0、別の態様では、少なくとも約1.5、別の態様では、少なくとも約2.0、別の態様では、少なくとも約2.5、別の態様では、少なくとも約3.0、別の態様では、少なくとも約3.5のCO/CO2モル比を有するであろう。適切なガス化方法及び装置のいくつかの例は、全て2012年3月22日に出願された米国特許出願第13/427,144号、第13/427,193号及び第13/427,247号（全てその内容を参照によってここに援用する）に提供されている。
別の態様では、酢酸生成菌を増殖させるために利用するシンガスは実質的にCOであってよい。本明細書では、「実質的にCO」は、少なくとも約50モル%のCO、別の態様では、少なくとも約60モル%のCO、別の態様では、少なくとも約70モル%のCO、別の態様では、少なくとも約80モル%のCO、別の態様では、少なくとも約90モル%のCOを意味する。
ガス状CO含有基質の組成によっては、発酵槽にそれを導入する前に処理して、粉塵粒子等のいずれの望ましくない不純物をも除去ることも望ましい。例えば、既知方法を用いてガス状基質をろ過又は洗浄することができる。
培地
一態様によれば、適切な培地の反応容器への添加によって発酵プロセスを開始する。反応容器に含まれる固体は、いずれのタイプの適切な栄養素又は発酵培地であってもよい。栄養培地は、使用する微生物の成長を可能にするのに有効なビタミン及びミネラルを含むであろう。炭素源としてCOを用いるエタノールの発酵に適した嫌気性培地は既知である。適切な発酵培地の一例は、参照によってその内容をここに援用する米国特許第7,285,402号に記載されている。適切な培地の他の例は、両方とも2012年5月22日に出願され、両方とも参照によってその内容をここに援用する米国特許出願第61/650,098号及び第61/650,093号に記載されている。一態様では、利用培地は約0.01g/L未満の酵母エキス及び約0.01g/L未満の炭水化物を含む。
一態様では、本プロセスは、生成細胞1グラム当たり約100mg以上の窒素という反応容器への窒素供給速度を与える工程を含む。別の態様では、窒素供給速度は、生成細胞1グラム当たり約100〜約340mgの窒素、別の態様では、生成細胞1グラム当たり約160〜約340mgの窒素、別の態様では、生成細胞1グラム当たり約160〜約200mgの窒素、別の態様では、生成細胞1グラム当たり約160〜約180mgの窒素、別の態様では、生成細胞1グラム当たり約160〜約170mgの窒素、別の態様では、生成細胞1グラム当たり約170〜約190mgの窒素、別の態様では、生成細胞1グラム当たり約170〜約180mgの窒素、別の態様では、生成細胞1グラム当たり約200〜約330mgの窒素、別の態様では、生成細胞1グラム当たり約170〜約175mgの窒素、別の態様では、生成細胞1グラム当たり約175〜約190mgの窒素、別の態様では、生成細胞1グラム当たり約175〜約185mgの窒素、別の態様では、生成細胞1グラム当たり約175〜約180mgの窒素、別の態様では、生成細胞1グラム当たり約180〜約200mgの窒素、別の態様では、生成細胞1グラム当たり約180〜約190mgの窒素、別の態様では、生成細胞1グラム当たり約180〜約185mgの窒素、別の態様では、生成細胞1グラム当たり約185〜約210mgの窒素、別の態様では、生成細胞1グラム当たり約185〜約200mgの窒素、別の態様では、生成細胞1グラム当たり約185〜約190mgの窒素、別の態様では、生成細胞1グラム当たり約190〜約210mgの窒素、別の態様では、生成細胞1グラム当たり約190〜約200mgの窒素、別の態様では、生成細胞1グラム当たり約190〜約195mgの窒素、別の態様では、生成細胞1グラム当たり約210〜約320mgの窒素、別の態様では、生成細胞1グラム当たり約220〜約310mgの窒素、別の態様では、生成細胞1グラム当たり約230〜約300mgの窒素、別の態様では、生成細胞1グラム当たり約240〜約290mgの窒素、別の態様では、生成細胞1グラム当たり約250〜約280mgの窒素、別の態様では、生成細胞1グラム当たり約260〜約270mgの窒素、別の態様では、生成細胞1グラム当たり約195〜約300mgの窒素、別の態様では、生成細胞1グラム当たり約195〜約275mgの窒素、別の態様では、生成細胞1グラム当たり約195〜約250mgの窒素、別の態様では、生成細胞1グラム当たり約195〜約225mgの窒素、別の態様では、生成細胞1グラム当たり約195〜約200mgの窒素である。この態様では、窒素は、無水アンモニア、アンモニア水、水酸化アンモニウム、酢酸アンモニウム、有機又は無機ニトラート及びニトリル、アミン、イミン、アミド、アミノ酸、アミノアルコール、並びにその混合物を含めた窒素源によって供給される。一態様では、窒素は水酸化アンモニウムから供給される。
別の態様では、本プロセスは、約16mS/cm以下、別の態様では、約12mS/cm以下、別の態様では、約8mS/cm以下、別の態様では、約6.5mS/cm以下、別の態様では、約6.0mS/cm以下、別の態様では、約5.5mS/cm以下、別の態様では、約5.0mS/cm以下、別の態様では、約4.7mS/cm以下、別の態様では、約4.5mS/cm以下、別の態様では、約4.0mS/cm〜約6.5mS/cm、別の態様では、約5.0mS/cm〜約6.0mS/cm、別の態様では、約4.0mS/cm〜約5.0mS/cmの平均伝導率を与えるのに有効である。
一態様では、本プロセスは、所望のSTYレベルを維持しながらの伝導率の制御を含む。培地中の塩化アンモニウムを水酸化アンモニウムに代えることは伝導率を低減し、かつ所望のSTYレベルを維持するのに有効である。この態様では、水酸化アンモニウムを培地の成分として添加し、及び／又は水酸化アンモニウムを用いて培地のpHを調整する。この態様では、塩化アンモニウムと水酸化アンモニウムの交換は、約20%以上、別の態様では、約25%以上、別の態様では、約20〜約30%、別の態様では、約25〜約30%だけ培地伝導率を低減するのに有効である。
別の態様では、生成細胞1グラム当たり約100〜約340mgの窒素といういずれの窒素供給速度も約16mS/cm以下の平均伝導率を与え、約10gのエタノール/(L・日)〜約200gのエタノール/(L・日)のSTYを維持するのに有効である。さらに特定の態様では、生成細胞1グラム当たり約190〜約210mgの窒素という窒素供給速度は、約4〜約6.5mS/cm、別の態様では、約5〜約6mS/cm、別の態様では、約4〜約5mS/cmの平均伝導率を与えるのに有効である。別のさらに特定の態様では、生成細胞1グラム当たり約190〜約200mgの窒素という窒素供給速度は、約4〜約6.5mS/cm、別の態様では、約5〜約6mS/cm、別の態様では、約4〜約5mS/cmの平均伝導率を与えるのに有効である。別のさらに特定の態様では、生成細胞1グラム当たり約190〜約195mgの窒素という窒素供給速度は、約4〜約6.5mS/cm、別の態様では、約5〜6mS/cm、別の態様では、約4〜約5mS/cmの平均伝導率を与えるのに有効である。別のさらに特定の態様では、生成細胞1グラム当たり約195〜約200mgの窒素という窒素供給速度は、生成細胞1グラム当たり約4〜約6.5mS/cm、別の態様では、約5〜約6mS/cm、別の態様では、約4〜約5mS/cmの平均伝導率を与えるのに有効である。
一態様では、培地は少なくとも1つ以上の窒素源、少なくとも1つ以上のリン源及び少なくとも1つ以上のカリウム源を含む。培地は、これら3つのいずれか1つ、これら3つのいずれかの組み合わせを含んでよく、重要な態様では、3つ全てを含む。リン源としては、リン酸、リン酸アンモニウム、リン酸カリウム、及びその混合物から成る群より選択されるリン源が挙げられる。カリウム源としては、塩化カリウム、リン酸カリウム、硝酸カリウム、硫酸カリウム、及びその混合物から成る群より選択されるカリウム源が挙げられる。
一態様では、培地は、鉄、タングステン、ニッケル、コバルト、マグネシウム、硫黄及びチアミンの1つ以上を含む。培地は、これら成分の任意の1つ、任意の組み合わせを含んでよく、重要な態様では、これらの成分全てを含む。鉄としては、塩化第一鉄、硫酸第一鉄、及びその混合物から成る群より選択される鉄源が挙げられる。タングステン源としては、タングステン酸ナトリウム、タングステン酸カルシウム、タングステン酸カリウム、及びその混合物から成る群より選択されるタングステン源が挙げられる。ニッケル源としては、塩化ニッケル、硫酸ニッケル、硝酸ニッケル、及びその混合物から成る群より選択されるニッケル源が挙げられる。コバルト源としては、塩化コバルト、フッ化コバルト、臭化コバルト、ヨウ化コバルト及びその混合物から成る群より選択されるコバルト源が挙げられる。マグネシウム源としては、塩化マグネシウム、硫酸マグネシウム、リン酸マグネシウム、及びその混合物から成る群より選択されるマグネシウム源が挙げられる。硫黄源としては、システイン、硫化ナトリウム、及びその混合物が挙げられる。
種々の成分の濃度は以下の通り：
Figure 2015520612
プロセス操作は、pHを約4.2〜約4.8の範囲で維持する。培地は約0.01g/L未満の酵母エキス及び約0.01g/L未満の炭水化物を含む。
バイオリアアクタ操作
一態様によれば、反応容器への培地の添加によって発酵プロセスを開始する。培地を滅菌して望ましくない微生物を除去し、所望の微生物をリアクタに播種する。一態様では、利用する微生物は酢酸生成菌を含む。有用な酢酸生成菌の例としては、WO 2000/68407、EP 117309、米国特許第5,173,429号、第5,593,886号及び第6,368,819号、WO 1998/00558及びWO 2002/08438号に記載されているものを含め、クロストリジウム・リュングダリイ株等のクロストリジウム属のもの、WO 2007/117157及びWO 2009/151342に記載されているものを含め、クロストリジウム・オートエタノゲナム(Clostridium autoethanogenum)株(DSMZ, GermanyのDSM 10061及びDSM 19630)並びにそれぞれ米国特許第7,704,723号及び“Biofuels and Bioproducts from Biomass-Generated Synthesis Gas”, Hasan Atiyeh（2010年4月29日にOklahoma EPSCoR Annual State Conferenceで提示された）に記載されているものを含め、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)並びに米国特許出願第2007/0276447号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を含め、ムーレラ属のもの、及びカルボキシドサーマス(Carboxydothermus)属のものが挙げられる。これらの各参考文献は、参照によって本明細書に援用される。2種以上の微生物の混合培養物を使用してもよい。
有用な細菌のいくつかの例としては、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・アセトブチリカムP262(DSMZ GermanyのDSM 19630)、クロストリジウム・オートエタノゲナム(DSMZ GermanyのDSM 19630)、クロストリジウム・オートエタノゲナム(DSMZ GermanyのDSM 10061)、クロストリジウム・オートエタノゲナム(DSMZ GermanyのDSM 23693)、クロストリジウム・オートエタノゲナム(DSMZ GermanyのDSM 24138)、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・パストゥリアナム(Clostridium pasteurianum)(DSMZ GermanyのDSM 525)、クロストリジウム・ラグスダリ(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)、モーレラ・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)、及びその混合物が挙げられる。
播種時に、微生物の初期集団を供給するのに有効な初期フィードガス供給速度を確立する。流出ガスを分析して流出ガスの内容を判定する。ガス分析の結果を用いてフィードガス速度を調節する。所望レベルに達したら、液相と細胞材料をリアクタから引き出し、培地を補充する。この態様では、バイオリアクタを操作して少なくとも約2グラム/リットル、別の態様では、約2〜約50グラム/リットル、種々の他の態様では、約5〜約40グラム/リットル、約5〜約30グラム/リットル、約5〜約20グラム/リットル、約5〜約15グラム/リットル、約10〜約40グラム/リットル、約10〜約30グラム/リットル、約10〜約20グラム/リットル、約15〜約20グラム/リットル、及び約10〜約15グラム/リットルの細胞密度を維持する。リサイクルフィルターを介して細胞密度を調節することができる。バイオリアクタのいくつかの例は、2011年6月30日に出願された米国許出願第61/571,564号及び第61/571,565号、2011年9月13日に出願された米国特許出願第61/573,845号、2012年5月15日に出願された米国特許出願第13/471,827号及び第13/471,858号、並びに2012年5月16日に出願された米国特許出願第13/473,167号（全ての内容を参照によってここに援用する）に記載されている。
一態様では、本プロセスは、約5〜約99%のCO転化率、別の態様では、約10〜約90%のCO転化率、別の態様では、約20〜約80%、別の態様では、約30〜約70%、別の態様では、約40〜約60%、別の態様では、約50〜約95%、別の態様では、約60〜約95%、別の態様では、約70〜約95%、別の態様では、約80〜約95%、別の態様では、約80〜約90%のCO転化率を与えるのに有効である。
実施例1：窒素源としてNH4OH
実験は、リサイクルループなしで直線状のCSTRとして作動するバイオリアクタ(New Brunswick BioFlo I又はIIc)で行なった。バイオリアクタ操作条件は以下の通り：
培養菌タイプはクロストリジウム・リュングダリイC01であった。
培養温度は約38℃で維持した。
撹拌はデジタル読み取りで約800rpmであった。
培養体積は約2450〜2500mlであった。
培養pH設定点は約4.5〜4.6であった。pH調節のため5%のNaHCO3溶液を用いた。
フィードガスは15%のH2、45%のN2、30%のCO及び10%のCO2の合成ブレンドであり、約411ml/分の速度で培養に供給した。
培地は、約1.3ml/分、又は約1870ml/日でリアクタに供給した。
液体及び細胞の保持時間は約29〜31時間であった。
微生物培養をバイオリアクタ内での安定した作動状態に導いた。開始アンモニウム源はNH4Clだった。安定作動状態に達したら、開始培地から塩化アンモニウムを除去することによってアンモニウム源をNH4OHに変更した。培地成分及び濃度を以下に示す。
Figure 2015520612
* Na+濃度はNaCl由来のみである。それはNa2WO4・2H2O等の他成分由来のNa+を含まない。
アンモニウム源変更中に下記工程を行なった。
・開始培地の流速を減じてNH4OH培地の流速を補償し、システムへの同一の総液体流量を維持した。
・開始培地の減少にもかかわらず、同じ全体的な成分供給速度を保つために培地流速を低減しながら、開始培地成分濃度を同割合増やした。
下記パラメータをモニターした：
・ガスの転化率と取り込み
・生成物濃度
・細胞密度
・培養pH
・塩基蓄積(reservoir)レベル
・XRT/LRT
アンモニウム源の水酸化アンモニウムへの変更は下記結果をもたらした：
・約20%の低下を示す平均伝導率。
・約18%上昇したエタノール濃度。
・16.2から18.3g/L・日へ13%上昇したエタノール生産性。
・約4.6に上昇した測定培養pH。
・約86%降下した平均塩基添加速度。
・酢酸濃度の初期増加後、濃度が定常的に減少した。
・アンモニウム源の変更によるガス取り込み、ガス転化率、細胞密度又はブタンール濃度は有意な観察できる変化はなかた。
結果は以下の通りだった：
Figure 2015520612
Figure 2015520612
* t=236時間で測定 ** t=298時間で測定
本明細書で開示する発明についてその特定の実施形態、実施例及び応用を利用して述べたが、当業者は、請求項に記載の本発明の範囲から逸脱することなく、それらに多くの修正及び変更を加えることができるであろう。

Claims (46)

  1. シンガスの発酵プロセスであって、下記工程：
    発酵培地を含む反応容器に前記シンガスを導入する工程；
    生成細胞1グラム当たり約100mg以上の窒素という前記反応容器への窒素供給速度を与える工程；及び
    前記シンガスを発酵させる工程
    を含んでなり、
    前記プロセスが、約16mS/cm以下の平均伝導率及び10g以上のエタノール/(L・日)のSTYを与えるのに有効である、プロセス。
  2. 前記窒素が、無水アンモニア、アンモニア水、水酸化アンモニウム、酢酸アンモニウム、有機又は無機ニトラート及びニトリル、アミン、イミン、アミド、アミノ酸、アミノアルコール、並びにその混合物から成る群より供給される、請求項1記載のプロセス。
  3. 前記窒素が水酸化アンモニウムによって供給される、請求項2記載の発酵プロセス。
  4. 前記シンガスが約0.75以上のCO/CO2比を有する、請求項1記載の発酵プロセス。
  5. 前記発酵が、前記シンガスを1種以上の酢酸生成菌と接触させる工程を含む、請求項1記載の発酵プロセス。
  6. 前記酢酸生成菌が、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 GermanyのDSM 19630)、クロストリジウム・オートエタノゲナム(DSMZ GermanyのDSM 19630)、クロストリジウム・オートエタノゲナム(DSMZ GermanyのDSM 10061)、クロストリジウム・オートエタノゲナム(DSMZ GermanyのDSM 23693)、クロストリジウム・オートエタノゲナム(DSMZ GermanyのDSM 24138)、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・パストゥリアナム(DSMZ GermanyのDSM 525)、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、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、モーレラ・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、及びその混合物から成る群より選択される、請求項5記載の発酵プロセス。
  7. 前記プロセスが約1.0g/L以上の細胞密度を与えるのに有効である、請求項1記載の発酵プロセス。
  8. 前記プロセスが約5〜約99%のCO転化率を与えるのに有効である、請求項1記載の発酵プロセス。
  9. 前記発酵培地が約0.01g/L以下の酵母エキスを有する、請求項1記載の発酵プロセス。
  10. 前記発酵培地が約0.01g/L以下の炭水化物を有する、請求項1記載の発酵プロセス。
  11. シンガスの発酵プロセスであって、下記工程：
    発酵培地を含む反応容器に前記シンガスを導入する工程；
    前記シンガスを酢酸生成菌と接触させる工程；及び
    生成細胞1グラム当たり約100mg以上の窒素という前記反応容器への窒素供給速度を与える工程
    を含んでなるプロセス。
  12. 前記窒素が、無水アンモニア、アンモニア水、水酸化アンモニウム、酢酸アンモニウム、有機又は無機ニトラート及びニトリル、アミン、イミン、アミド、アミノ酸、アミノアルコール、並びにその混合物から成る群より供給される、請求項11記載のプロセス。
  13. 前記窒素が水酸化アンモニウムによって供給される、請求項12記載の発酵プロセス。
  14. 前記プロセスが、約16mS/cm以下の平均伝導率を与えるのに有効である、請求項11記載のプロセス。
  15. 前記プロセスが、約10g以上のエタノール/(L・日)のSTYを与えるのに有効である、請求項11記載のプロセス。
  16. 前記シンガスが約0.75以上のCO/CO2比を有する、請求項11記載の発酵プロセス。
  17. 前記酢酸生成菌が、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 GermanyのDSM 19630)、クロストリジウム・オートエタノゲナム(DSMZ GermanyのDSM 19630)、クロストリジウム・オートエタノゲナム(DSMZ GermanyのDSM 10061)、クロストリジウム・オートエタノゲナム(DSMZ GermanyのDSM 23693)、クロストリジウム・オートエタノゲナム(DSMZ GermanyのDSM 24138)、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・パストゥリアナム(DSMZ GermanyのDSM 525)、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、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、モーレラ・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、及びその混合物から成る群より選択される、請求項11記載の発酵プロセス。
  18. 前記プロセスが約1.0g/L以上の細胞密度を与えるのに有効である、請求項11記載の発酵プロセス。
  19. 前記プロセスが約5〜約99%のCO転化率を与えるのに有効である、請求項11記載の発酵プロセス。
  20. 前記発酵培地が約0.01g/L以下の酵母エキスを有する、請求項11記載の発酵プロセス。
  21. 前記発酵培地が約0.01g/L以下の炭水化物を有する、請求項11記載の発酵プロセス。
  22. 発酵における伝導率を低減するためのプロセスであって、下記工程：
    発酵培地を含む反応容器にシンガスを導入する工程；及び
    生成細胞1グラム当たり約100mg以上の窒素という速度で前記反応容器に窒素フィードを供給する工程（ここで、前記窒素フィードには塩化アンモニウムの代わりに水酸化アンモニウムを用いる）
    を含んでなり、
    前記窒素フィードが、約16mS/cm以下の伝導率及び約4.2〜約4.8のpHを与えるのに有効である、プロセス。
  23. 前記プロセスが、約10g以上のエタノール/(L・日)のSTYを与えるのに有効である、請求項22記載のプロセス。
  24. 前記シンガスが約0.75以上のCO/CO2比を有する、請求項22記載の発酵プロセス。
  25. 前記発酵が、前記シンガスを1種以上の酢酸生成菌と接触させる工程を含む、請求項22記載の発酵プロセス。
  26. 前記酢酸生成菌が、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 GermanyのDSM 19630)、クロストリジウム・オートエタノゲナム(DSMZ GermanyのDSM 19630)、クロストリジウム・オートエタノゲナム(DSMZ GermanyのDSM 10061)、クロストリジウム・オートエタノゲナム(DSMZ GermanyのDSM 23693)、クロストリジウム・オートエタノゲナム(DSMZ GermanyのDSM 24138)、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・パストゥリアナム(DSMZ GermanyのDSM 525)、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、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、モーレラ・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、及びその混合物から成る群より選択される、請求項25記載の発酵プロセス。
  27. 前記プロセスが約1.0g/L以上の細胞密度を与えるのに有効である、請求項22記載の発酵プロセス。
  28. 前記プロセスが少なくとも約5〜約99%のCO転化率を与えるのに有効である、請求項22記載の発酵プロセス。
  29. 前記発酵培地が約0.01g/L以下の酵母エキスを有する、請求項22記載の発酵プロセス。
  30. 前記発酵培地が約0.01g/L以下の炭水化物を有する、請求項22記載の発酵プロセス。
  31. 発酵における伝導率を低減するためのプロセスであって、下記工程：
    発酵培地を含む反応容器にシンガスを導入する工程；及び
    生成細胞1グラム当たり約100mg以上の窒素という速度で前記反応容器に窒素フィードを供給する工程（ここで、前記窒素フィードには塩化アンモニウムの代わりに水酸化アンモニウムを用いる）
    を含んでなり、
    前記プロセスが、前記窒素フィードが塩化アンモニウムである発酵に比べて少なくとも約20%の伝導率の低減をもたらすのに有効である、プロセス。
  32. 前記プロセスが、約10g以上のエタノール/(L・日)のSTYを与えるのに有効である、請求項31記載のプロセス。
  33. 前記シンガスが約0.75以上のCO/CO2比を有する、請求項31記載の発酵プロセス。
  34. 前記発酵が、前記シンガスを1種以上の酢酸生成菌と接触させる工程を含む、請求項31記載の発酵プロセス。
  35. 前記酢酸生成菌が、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 GermanyのDSM 19630)、クロストリジウム・オートエタノゲナム(DSMZ GermanyのDSM 19630)、クロストリジウム・オートエタノゲナム(DSMZ GermanyのDSM 10061)、クロストリジウム・オートエタノゲナム(DSMZ GermanyのDSM 23693)、クロストリジウム・オートエタノゲナム(DSMZ GermanyのDSM 24138)、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・パストゥリアナム(DSMZ GermanyのDSM 525)、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、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、モーレラ・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、及びその混合物から成る群より選択される、請求項34記載の発酵プロセス。
  36. 前記プロセスが約1.0g/L以上の細胞密度を与えるのに有効である、請求項31記載の発酵プロセス。
  37. 前記プロセスが少なくとも約5〜約99%のCO転化率を与えるのに有効である、請求項31記載の発酵プロセス。
  38. 前記発酵培地が約0.01g/L以下の酵母エキスを有する、請求項31記載の発酵プロセス。
  39. 前記発酵培地が約0.01g/L以下の炭水化物を有する、請求項31記載の発酵プロセス。
  40. 下記：
    生成細胞1グラム当たり約100〜約340mgの窒素；
    生成細胞1グラム当たり約10.5〜約15mgのリン；及び
    生成細胞1グラム当たり約26〜約36mgのカリウム
    を含んでなる発酵培地。
  41. 前記窒素源が水酸化アンモニウムである、請求項40記載の発酵培地。
  42. 前記リンが、リン酸、リン酸アンモニウム、リン酸カリウム、及びその混合物から成る群より選択されるリン源から供給され、前記カリウムが、塩化カリウム、リン酸カリウム、硝酸カリウム、硫酸カリウム、及びその混合物から成る群より選択されるカリウム源から供給される、請求項40記載の発酵培地。
  43. 前記発酵培地が下記
    生成細胞1グラム当たり少なくとも約2.7mgの鉄、
    生成細胞1グラム当たり少なくとも約10μgのタングステン、
    生成細胞1グラム当たり少なくとも約34μgのニッケル、
    生成細胞1グラム当たり少なくとも約9μgのコバルト、
    生成細胞1グラム当たり少なくとも約4.5mgのマグネシウム、
    生成細胞1グラム当たり少なくとも約11mgの硫黄、及び
    生成細胞1グラム当たり少なくとも約6.5μgのチアミン
    の1つ以上を含む、請求項40記載の発酵培地。
  44. 前記発酵培地が下記
    生成細胞1グラム当たり約2.7〜約5mgの鉄、
    生成細胞1グラム当たり約10〜約30μgのタングステン、
    生成細胞1グラム当たり約34〜約40μgのニッケル、
    生成細胞1グラム当たり約9〜約30μgのコバルト、
    生成細胞1グラム当たり約4.5〜約10mgのマグネシウム、
    生成細胞1グラム当たり約11〜約20mgの硫黄、及び
    生成細胞1グラム当たり約6.5〜約20μgのチアミン
    の1つ以上を含む、請求項40記載の発酵培地。
  45. 前記鉄が、塩化第一鉄、硫酸第一鉄、及びその混合物から成る群より選択される鉄源から供給され、前記タングステンが、タングステン酸ナトリウム、タングステン酸カルシウム、タングステン酸カリウム、及びその混合物から成る群より選択されるタングステン源から供給され、前記ニッケルが、塩化ニッケル、硫酸ニッケル、硝酸ニッケル、及びその混合物から成る群より選択されるニッケル源から供給され、前記コバルトが、塩化コバルト、フッ化コバルト、臭化コバルト、ヨウ化コバルト、及びその混合物から成る群より選択されるコバルト源から供給され、前記マグネシウムが、塩化マグネシウム、硫酸マグネシウム、リン酸マグネシウムから成る群より選択されるマグネシウム源から供給され、前記硫黄が、システイン、硫化ナトリウム、及びその混合物から成る群より選択される硫黄源から供給される、請求項44記載の発酵培地。
  46. 前記発酵培地が約4.2〜約4.8のpHを有する、請求項40記載の発酵培地。
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