JP2015528309A - Method and system for production of fermentation products - Google Patents

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Abstract

本発明は、エタノールおよびブタノールを含むアルコールなどの発酵産物の生成、および原位置生成物除去方法を用いる方法に関する。The present invention relates to the production of fermentation products such as alcohols including ethanol and butanol, and to methods using in situ product removal methods.

Description

本出願は、2012年9月12日に出願された米国仮特許出願第61/699,976号明細書;2012年10月11日に出願された米国仮特許出願第61/712,385号明細書;2013年3月14日に出願された米国特許出願第13/828,353号明細書;および2013年3月15日に出願された米国特許出願第13/836,115号明細書の利益を主張するものであり;それぞれの内容全体が、参照により本明細書に援用される。   This application is based on US Provisional Patent Application No. 61 / 699,976, filed September 12, 2012; US Provisional Patent Application No. 61 / 712,385, filed October 11, 2012. Benefits of US Patent Application No. 13 / 828,353 filed March 14, 2013; and US Patent Application No. 13 / 836,115 filed March 15, 2013 The entire contents of each are hereby incorporated by reference.

本出願に関連する配列表は、EFS−Webを介して電子書式で提出され、全体が参照により本明細書に援用される。   The sequence listing relevant to this application is submitted in electronic form via EFS-Web, which is incorporated herein by reference in its entirety.

本発明は、エタノールおよびブタノールを含むアルコールなどの発酵産物の生成、および原位置生成物除去方法を用いる方法に関する。   The present invention relates to the production of fermentation products such as alcohols including ethanol and butanol, and to methods using in situ product removal methods.

多くの化学薬品および消費者製品が、製造プロセスとして発酵を用いて生成され得る。例えば、エタノールおよびブタノールなどのアルコールには、燃料、試薬、および溶媒などの様々な産業的および科学的な用途がある。ブタノールは、燃料添加剤として、プラスチック産業における原料化学物質として、ならびに食品および香料産業における食品グレードの抽出剤としての使用を含む様々な用途を有する重要な産業用化学物質である。植物由来の材料などの材料からのブタノールまたはブタノール異性体の生成は、石油化学製品の使用を最小限に抑えることができ、当該技術分野において進展をもたらすであろう。さらに、植物由来の材料または他のバイオマス源を用いた化学薬品および燃料の生成は、石油化学プロセスに対する、環境に優しくかつ持続可能な代替手段を提供するであろう。   Many chemicals and consumer products can be produced using fermentation as a manufacturing process. For example, alcohols such as ethanol and butanol have a variety of industrial and scientific uses such as fuels, reagents, and solvents. Butanol is an important industrial chemical with a variety of uses including as a fuel additive, as a raw chemical in the plastics industry, and as a food grade extractant in the food and fragrance industry. The production of butanol or butanol isomers from materials such as plant-derived materials can minimize the use of petrochemicals and will lead to progress in the art. Furthermore, the generation of chemicals and fuels using plant-derived materials or other biomass sources will provide an environmentally friendly and sustainable alternative to petrochemical processes.

遺伝子組み換えおよび代謝工学などの技術を用いて、植物由来の材料または他のバイオマス源から特定の生成物を生成するために微生物を改変することができる。しかしながら、例えば、ブタノールの生成の際、高収率でブタノールを生成するいくつかの微生物は、低いブタノール毒性閾値も有する。ブタノールが生成されるにつれて発酵からブタノールを除去することは、こうした低いブタノール毒性閾値に対処する手段である。したがって、ブタノール生成微生物の低いブタノール毒性閾値にもかかわらず、高収率でブタノールを生成するための効率的な方法およびシステムを開発することが引き続き必要とされている。   Techniques such as genetic engineering and metabolic engineering can be used to modify microorganisms to produce specific products from plant-derived materials or other biomass sources. However, for example, in the production of butanol, some microorganisms that produce butanol in high yield also have a low butanol toxicity threshold. Removing butanol from the fermentation as it is produced is a means to address these low butanol toxicity thresholds. Accordingly, there is a continuing need to develop efficient methods and systems for producing butanol in high yields despite the low butanol toxicity threshold of butanol producing microorganisms.

原位置生成物除去(ISPR)(抽出発酵とも呼ばれる)が、ブタノールまたは他の発酵産物が生成されるにつれて発酵からブタノールまたは他の発酵産物を除去するのに使用可能であり、それによって、微生物が高収率でブタノールを生成することが可能になる。当該技術分野において記載されている発酵アルコールを除去するための1つのISPR方法は、液液抽出(例えば、特許文献1を参照)である。一般に、ブタノール発酵に関して、微生物を含む発酵ブロスが、ブタノール濃度が例えば毒性レベルに達する前の時点で抽出剤と接触される。ブタノールが、抽出剤中に分配されて、微生物を含有する発酵ブロス中のブタノールの濃度が低下され、それによって、阻害性ブタノールへの微生物の曝露が抑えられる。   In situ product removal (ISPR) (also called extractive fermentation) can be used to remove butanol or other fermentation products from the fermentation as butanol or other fermentation products are produced, thereby allowing the microorganism to It becomes possible to produce butanol in a high yield. One ISPR method for removing fermented alcohol described in the art is liquid-liquid extraction (see, for example, Patent Document 1). In general, for butanol fermentation, the fermentation broth containing the microorganism is contacted with the extractant at a time before the butanol concentration reaches, for example, a toxic level. Butanol is distributed in the extractant to reduce the concentration of butanol in the fermentation broth containing the microorganism, thereby reducing microbial exposure to inhibitory butanol.

技術的および経済的に実行可能であるために、液液抽出は、抽出剤中へのアルコールの効率的な物質移動のための抽出剤と発酵ブロスとの接触;発酵ブロスからの抽出剤の相分離(発酵中および/または発酵後);抽出剤の効率的な回収および再利用;および長期間の運転にわたる抽出剤の分配係数の減少が最小限であることを必要とする。抽出剤は、例えば、発酵の原料として使用されるバイオマス中に存在する脂質の蓄積によって、再利用されるたびに時間とともに汚染され得、この汚染には、抽出剤の分配係数の減少が伴い得る。   In order to be technically and economically feasible, liquid-liquid extraction is the contact of the extractant with the fermentation broth for efficient mass transfer of alcohol into the extractant; the phase of the extractant from the fermentation broth. Separation (during and / or after fermentation); efficient recovery and reuse of the extractant; and a reduction in the extractant's partition coefficient over a long period of operation is minimal. The extractant can become contaminated over time each time it is reused, for example by the accumulation of lipids present in the biomass used as fermentation feedstock, which can be accompanied by a decrease in the partition coefficient of the extractant. .

さらに、抽出発酵中の非溶解固体の存在は、アルコール生成の効率に悪影響を与え得る。例えば、非溶解固体の存在は、物質移動係数を低下させ、相分離を妨げ、抽出剤中の非溶解固体からの油の蓄積を生じ、時間の経過とともに抽出効率の低下を招くことがあり、発酵ブロスからの抽出剤液滴の離脱を遅くすることがあり、発酵槽体積効率を低下させることがあり、抽出剤が、固体に捕捉され、可溶物含有乾燥穀類蒸留粕(DDGS)として最終的に除去されるため、抽出剤の損失を増加させることがある。   Furthermore, the presence of undissolved solids during extractive fermentation can adversely affect the efficiency of alcohol production. For example, the presence of undissolved solids can reduce the mass transfer coefficient, impede phase separation, cause oil accumulation from the undissolved solids in the extractant, and lead to a decrease in extraction efficiency over time, May slow the detachment of extractant droplets from the fermentation broth, may reduce fermenter volumetric efficiency, and the extractant will be trapped in a solid and finally finished as a soluble cereal-containing dry cereal distiller (DDGS) May increase the loss of extractant.

米国特許出願公開第2009/0305370号明細書US Patent Application Publication No. 2009/030305370

したがって、微生物に対するブタノールなどの発酵アルコールの毒性作用を軽減し、抽出剤の分配係数の低下も抑えることができる代替的な抽出発酵プロセスが引き続き必要とされている。本発明は、本明細書に記載される必要性を満たし、エタノールおよびブタノールなどのアルコールの発酵生成のための方法、プロセス、およびシステムを提供する。   Accordingly, there is a continuing need for alternative extractive fermentation processes that can reduce the toxic effects of fermented alcohols such as butanol on microorganisms and also reduce the reduction in extractant partition coefficient. The present invention meets the needs described herein and provides methods, processes, and systems for the fermentative production of alcohols such as ethanol and butanol.

本発明は、発酵装置中で発酵産物を生成する微生物を含む発酵ブロスを提供する工程と;発酵ブロスを少なくとも1つの抽出剤と接触させる工程と;発酵産物を回収する工程とを含む、発酵ブロスから発酵産物を回収するための方法に関する。ある実施形態において、発酵ブロスを少なくとも1つの抽出剤と接触させる工程は、発酵装置、外部ユニット、またはその両方で行われる。ある実施形態において、外部ユニットは抽出器である。ある実施形態において、抽出器は、サイフォン、デカンター、遠心分離機、重力沈降器、相分離器(phase splitter)、ミキサーセトラー、カラム抽出器、遠心抽出器、撹拌抽出器、ハイドロサイクロン、スプレー塔、およびそれらの組合せから選択される。ある実施形態において、抽出剤は、C〜C22の脂肪アルコール、C〜C22の脂肪酸、C〜C22の脂肪酸のエステル、C〜C22の脂肪アルデヒド、C〜C22の脂肪アミド、およびそれらの混合物から選択される。ある実施形態において、抽出剤は、オレイルアルコール、ベヘニルアルコール、セチルアルコール、ラウリルアルコール、ミリスチルアルコール、ステアリルアルコール、オレイン酸、ラウリン酸、リノール酸、リノレン酸、ミリスチン酸、ステアリン酸、オクタン酸、デカン酸、ウンデカン酸、ミリスチン酸メチル、オレイン酸メチル、1−ノナノール、1−デカノール、2−ウンデカノール、1−ノナナール、1−ウンデカノール、ウンデカナール、ラウリンアルデヒド、2−メチルウンデカナール、オレアミド、リノレアミド、パルミトアミド、ステアリルアミド、2−エチル−1−ヘキサノール、2−ヘキシル−1−デカノール、2−オクチル−1−ドデカノール、およびそれらの混合物から選択される。ある実施形態において、親水性溶質が、発酵ブロスに加えられる。ある実施形態において、親水性溶質は、ポリヒドロキシル化化合物、ポリカルボン酸、ポリオール化合物、イオン性塩、およびそれらの混合物から選択される。ある実施形態において、発酵ブロスを少なくとも1つの抽出剤と接触させる工程は、2つ以上の外部ユニットで行われる。ある実施形態において、発酵ブロスを少なくとも1つの抽出剤と接触させる工程は、2つ以上の発酵装置で行われる。ある実施形態において、発酵装置は、相分離を向上させるための内部またはデバイスを含む。ある実施形態において、内部またはデバイスは、コアレッサ、バッフル、有孔プレート、ウェル、ラメラセパレータ、円錐(cone)、およびそれらの組合せから選択される。ある実施形態において、リアルタイム測定が、発酵産物の抽出を監視するのに使用される。ある実施形態において、発酵産物の抽出が、相分離のリアルタイム測定によって監視される。ある実施形態において、相分離が、相分離の速度、抽出剤の液滴径、および/または発酵ブロスの組成を測定することによって監視される。ある実施形態において、相分離が、伝導度測定、誘電率測定、粘弾性測定、および/または超音波測定によって監視される。ある実施形態において、微生物を含む発酵ブロスを提供する工程は、2つ以上の発酵装置で行われる。ある実施形態において、発酵産物は、生成物アルコールであり得る。ある実施形態において、生成物アルコールは、エタノール、プロパノール、ブタノール、ペンタノール、ヘキサノール、およびフーゼルアルコールから選択される。ある実施形態において、微生物は、ブタノール生合成経路を含む。ある実施形態において、ブタノール生合成経路は、1−ブタノール生合成経路、2−ブタノール生合成経路、イソブタノール生合成経路、または2−ブタノン経路である。ある実施形態において、微生物は組み換え微生物である。ある実施形態において、本方法は、発酵性炭素源、非溶解固体、油、および水を含む原料スラリーを提供する工程と;原料スラリーを分離して、以下の3つの流れ:(i)発酵性炭素源を含む水溶液、(ii)固体を含むウェットケーキ、および(iii)油を形成する工程と;水溶液を発酵ブロスに加える工程とをさらに含む。ある実施形態において、油は加水分解されて、脂肪酸が形成される。ある実施形態において、発酵ブロスは、脂肪酸と接触される。ある実施形態において、油は、酵素によって加水分解される。ある実施形態において、酵素は、1つ以上のリパーゼまたはホスホリパーゼである。ある実施形態において、原料スラリーは、原料の加水分解によって生成される。ある実施形態において、原料は、ライ麦、小麦、トウモロコシ、サトウキビ、大麦、セルロース系またはリグノセルロース系材料、およびそれらの組合せから選択される。ある実施形態において、原料スラリーは、デカンターボウル遠心分離、三相遠心分離、ディスクスタック遠心分離、ろ過遠心分離、デカンター遠心分離、ろ過、膜ろ過、精密ろ過、真空ろ過、ベルトフィルター、加圧ろ過、ふるいを用いたろ過、ふるい分け分離、格子(grating)、多孔質格子、浮遊法(flotation)、ハイドロサイクロン、フィルタープレス、スクリュープレス、重力沈降器、ボルテックス分離器(vortex separator)、またはそれらの組合せによって分離される。ある実施形態において、原料を分離する工程は、単一工程プロセスである。ある実施形態において、ウェットケーキは、水溶液と組み合わされる。ある実施形態において、本方法は、水溶液を触媒と接触させて、水溶液中の油を脂肪酸に転化する工程をさらに含む。ある実施形態において、水溶液および脂肪酸は、発酵ブロスに加えられる。ある実施形態において、触媒は失活される。 The present invention provides a fermentation broth comprising: providing a fermentation broth comprising a microorganism that produces a fermentation product in a fermentation apparatus; contacting the fermentation broth with at least one extractant; and recovering the fermentation product. The present invention relates to a method for recovering fermentation products from In certain embodiments, the step of contacting the fermentation broth with at least one extractant is performed in a fermentation apparatus, an external unit, or both. In certain embodiments, the external unit is an extractor. In certain embodiments, the extractor comprises a siphon, a decanter, a centrifuge, a gravity settler, a phase splitter, a mixer settler, a column extractor, a centrifugal extractor, a stirred extractor, a hydrocyclone, a spray tower, And combinations thereof. In certain embodiments, the extraction agent, fatty alcohols, fatty acids C 7 -C 22 of C 7 -C 22, esters of fatty acids of C 7 -C 22, fatty aldehydes of C 7 ~C 22, C 7 ~C 22 Of fatty amides, and mixtures thereof. In certain embodiments, the extractant is oleyl alcohol, behenyl alcohol, cetyl alcohol, lauryl alcohol, myristyl alcohol, stearyl alcohol, oleic acid, lauric acid, linoleic acid, linolenic acid, myristic acid, stearic acid, octanoic acid, decanoic acid, Undecanoic acid, methyl myristate, methyl oleate, 1-nonanol, 1-decanol, 2-undecanol, 1-nonanal, 1-undecanol, undecanal, laurinaldehyde, 2-methylundecanal, oleamide, linoleamide, palmitoamide, stearyl Selected from amide, 2-ethyl-1-hexanol, 2-hexyl-1-decanol, 2-octyl-1-dodecanol, and mixtures thereof. In certain embodiments, a hydrophilic solute is added to the fermentation broth. In certain embodiments, the hydrophilic solute is selected from polyhydroxylated compounds, polycarboxylic acids, polyol compounds, ionic salts, and mixtures thereof. In certain embodiments, contacting the fermentation broth with at least one extractant is performed in two or more external units. In certain embodiments, the step of contacting the fermentation broth with at least one extractant is performed in two or more fermentation apparatuses. In certain embodiments, the fermenter includes an interior or device for improving phase separation. In certain embodiments, the interior or device is selected from coalescers, baffles, perforated plates, wells, lamellar separators, cones, and combinations thereof. In certain embodiments, real-time measurements are used to monitor the fermentation product extraction. In certain embodiments, the fermentation product extraction is monitored by real-time measurement of phase separation. In certain embodiments, phase separation is monitored by measuring the rate of phase separation, extractant droplet size, and / or the composition of the fermentation broth. In certain embodiments, phase separation is monitored by conductivity measurements, dielectric constant measurements, viscoelastic measurements, and / or ultrasonic measurements. In certain embodiments, the step of providing a fermentation broth comprising microorganisms is performed in two or more fermentation apparatuses. In certain embodiments, the fermentation product can be a product alcohol. In certain embodiments, the product alcohol is selected from ethanol, propanol, butanol, pentanol, hexanol, and fusel alcohol. In certain embodiments, the microorganism comprises a butanol biosynthetic pathway. In certain embodiments, the butanol biosynthesis pathway is the 1-butanol biosynthesis pathway, the 2-butanol biosynthesis pathway, the isobutanol biosynthesis pathway, or the 2-butanone pathway. In certain embodiments, the microorganism is a recombinant microorganism. In certain embodiments, the method includes providing a raw slurry comprising a fermentable carbon source, undissolved solids, oil, and water; and separating the raw slurry into the following three streams: (i) fermentable An aqueous solution comprising a carbon source, (ii) a wet cake comprising a solid, and (iii) forming an oil; and adding the aqueous solution to the fermentation broth. In certain embodiments, the oil is hydrolyzed to form fatty acids. In certain embodiments, the fermentation broth is contacted with a fatty acid. In certain embodiments, the oil is hydrolyzed enzymatically. In certain embodiments, the enzyme is one or more lipases or phospholipases. In certain embodiments, the raw slurry is produced by hydrolysis of the raw material. In certain embodiments, the raw material is selected from rye, wheat, corn, sugar cane, barley, cellulosic or lignocellulosic materials, and combinations thereof. In some embodiments, the raw slurry is decanter bowl centrifuge, three-phase centrifuge, disc stack centrifuge, filtration centrifuge, decanter centrifuge, filtration, membrane filtration, microfiltration, vacuum filtration, belt filter, pressure filtration, By filtration through a sieve, sieving separation, grating, porous grid, floatation, hydrocyclone, filter press, screw press, gravity settling, vortex separator, or combinations thereof To be separated. In certain embodiments, the step of separating the feedstock is a single step process. In certain embodiments, the wet cake is combined with an aqueous solution. In certain embodiments, the method further comprises contacting the aqueous solution with a catalyst to convert the oil in the aqueous solution to fatty acids. In certain embodiments, the aqueous solution and fatty acid are added to the fermentation broth. In certain embodiments, the catalyst is deactivated.

本発明は、1つ以上の発酵装置であって:原料スラリーを受け入れるための入口;および発酵産物を含む発酵ブロスを排出するための出口を含む1つ以上の発酵装置と;1つ以上の抽出器であって:発酵ブロスを受け入れるための第1の入口;抽出剤を受け入れるための第2の入口;希薄な発酵ブロスを排出するための第1の出口;および濃厚な抽出剤を排出するための第2の出口を含む1つ以上の抽出器とを含むシステムにも関する。ある実施形態において、システムは、1つ以上の液化ユニットと;1つ以上の分離手段と;任意に、1つ以上の洗浄システムとをさらに含む。ある実施形態において、分離手段は、デカンターボウル遠心分離、三相遠心分離、ディスクスタック遠心分離、ろ過遠心分離、デカンター遠心分離、ろ過、真空ろ過、ベルトフィルター、加圧ろ過、膜ろ過、精密ろ過、ふるいを用いたろ過、ふるい分け分離、格子、多孔質格子、浮遊法、ハイドロサイクロン、フィルタープレス、スクリュープレス、重力沈降器、ボルテックス分離器、およびそれらの組合せから選択される。ある実施形態において、システムは、オンライン測定デバイスも含む。ある実施形態において、オンライン測定デバイスは、粒度分析器、フーリエ変換赤外線分光器、近赤外線分光器、ラマン分光器、高圧液体クロマトグラフィー、粘度計、密度計、張力計、液滴径分析器、pH計、溶解された酸素プローブ、およびそれらの組合せから選択される。   The present invention includes one or more fermenters: one or more fermenters including an inlet for receiving a raw slurry; and an outlet for discharging a fermentation broth containing fermentation products; and one or more extractions A first inlet for receiving the fermentation broth; a second inlet for receiving the extractant; a first outlet for discharging the dilute fermentation broth; and for discharging the rich extractant And a system including one or more extractors including a second outlet. In certain embodiments, the system further comprises one or more liquefaction units; one or more separation means; and optionally one or more cleaning systems. In certain embodiments, the separation means comprises decanter bowl centrifugation, three-phase centrifugation, disc stack centrifugation, filtration centrifugation, decanter centrifugation, filtration, vacuum filtration, belt filter, pressure filtration, membrane filtration, microfiltration, It is selected from filtration using a sieve, sieving separation, grid, porous grid, flotation method, hydrocyclone, filter press, screw press, gravity settler, vortex separator, and combinations thereof. In certain embodiments, the system also includes an online measurement device. In certain embodiments, the online measurement device is a particle size analyzer, Fourier transform infrared spectrometer, near infrared spectrometer, Raman spectrometer, high pressure liquid chromatography, viscometer, density meter, tension meter, droplet size analyzer, pH Selected from a total, a dissolved oxygen probe, and combinations thereof.

本明細書に組み込まれ、本明細書の一部を成す添付の図面は、本発明を例示し、さらに、本明細書とともに、本発明の原理を説明し、関連技術分野の当業者が本発明を行い、使用できるようにする働きを果たす。   The accompanying drawings, which are incorporated in and constitute a part of this specification, illustrate the invention and, together with the description, explain the principles of the invention and allow those skilled in the relevant art to understand the invention. And make it available for use.

液化の後かつ発酵の前に、非溶解固体が分離によって除去される、本発明の例示的な方法およびシステムを概略的に示す。Figure 2 schematically illustrates an exemplary method and system of the present invention where undissolved solids are removed by separation after liquefaction and prior to fermentation. ISPRが、発酵の下流で行われる、本発明の例示的な方法およびシステムを概略的に示す。1 schematically illustrates an exemplary method and system of the present invention in which ISPR is performed downstream of the fermentation. 油流が排出される、本発明の別の例示的な代替的な方法およびシステムを概略的に示す。Fig. 4 schematically illustrates another exemplary alternative method and system of the present invention in which an oil stream is discharged. ウェットケーキが洗浄サイクルに供される、本発明の別の例示的な代替的な方法およびシステムを概略的に示す。Fig. 4 schematically illustrates another exemplary alternative method and system of the present invention in which a wet cake is subjected to a wash cycle. 油流が排出され、ウェットケーキが洗浄サイクルに供される、本発明の別の例示的な代替的な方法およびシステムを概略的に示す。Fig. 4 schematically illustrates another exemplary alternative method and system of the present invention in which the oil stream is drained and the wet cake is subjected to a wash cycle. 水溶液およびウェットケーキが組み合わされ、発酵に送られ(図6A)、水溶液、油、およびウェットケーキが組み合わされ、発酵に送られる(図6B)、本発明の別の例示的な代替的な方法およびシステムを概略的に示す。Another exemplary alternative method of the present invention, wherein the aqueous solution and wet cake are combined and sent to fermentation (FIG. 6A), and the aqueous solution, oil, and wet cake are combined and sent to fermentation (FIG. 6B) The system is shown schematically. 水溶液およびウェットケーキが組み合わされ、発酵に送られ(図6A)、水溶液、油、およびウェットケーキが組み合わされ、発酵に送られる(図6B)、本発明の別の例示的な代替的な方法およびシステムを概略的に示す。Another exemplary alternative method of the present invention, wherein the aqueous solution and wet cake are combined and sent to fermentation (FIG. 6A), and the aqueous solution, oil, and wet cake are combined and sent to fermentation (FIG. 6B) The system is shown schematically. 水溶液が転化(例えば、加水分解、エステル交換)および/または非活性化に供される、本発明の例示的な代替的な方法およびシステムを概略的に示す。FIG. 2 schematically illustrates an exemplary alternative method and system of the present invention in which an aqueous solution is subjected to conversion (eg, hydrolysis, transesterification) and / or deactivation. 水溶液が転化(例えば、加水分解、エステル交換)および/または非活性化に供される、本発明の例示的な代替的な方法およびシステムを概略的に示す。FIG. 2 schematically illustrates an exemplary alternative method and system of the present invention in which an aqueous solution is subjected to conversion (eg, hydrolysis, transesterification) and / or deactivation. 水溶液が転化(例えば、加水分解、エステル交換)および/または非活性化に供される、本発明の例示的な代替的な方法およびシステムを概略的に示す。FIG. 2 schematically illustrates an exemplary alternative method and system of the present invention in which an aqueous solution is subjected to conversion (eg, hydrolysis, transesterification) and / or deactivation. 水溶液が転化(例えば、加水分解、エステル交換)および/または非活性化に供される、本発明の例示的な代替的な方法およびシステムを概略的に示す。FIG. 2 schematically illustrates an exemplary alternative method and system of the present invention in which an aqueous solution is subjected to conversion (eg, hydrolysis, transesterification) and / or deactivation. 下流の処理を含む本発明の例示的な発酵プロセスを概略的に示す。1 schematically illustrates an exemplary fermentation process of the present invention including downstream processing. 下流の処理を含む本発明の例示的な発酵プロセスを概略的に示す。1 schematically illustrates an exemplary fermentation process of the present invention including downstream processing. 本明細書に記載されるプロセスに使用され得る様々なシステムを示した。Various systems have been shown that can be used in the processes described herein. 本明細書に記載されるプロセスに使用され得る様々なシステムを示した。Various systems have been shown that can be used in the processes described herein. 本明細書に記載されるプロセスに使用され得る様々なシステムを示した。Various systems have been shown that can be used in the processes described herein. 本明細書に記載されるプロセスに使用され得る様々なシステムを示した。Various systems have been shown that can be used in the processes described herein. 本明細書に記載されるプロセスに使用され得る様々なシステムを示した。Various systems have been shown that can be used in the processes described herein. 本明細書に記載されるプロセスに使用され得る様々なシステムを示した。Various systems have been shown that can be used in the processes described herein. 本明細書に記載されるプロセスに使用され得る様々なシステムを示した。Various systems have been shown that can be used in the processes described herein. 本明細書に記載されるプロセスに使用され得る様々なシステムを示した。Various systems have been shown that can be used in the processes described herein. 本明細書に記載されるプロセスに使用され得る様々なシステムを示した。Various systems have been shown that can be used in the processes described herein. 複数回抽出剤流系を概略的に示す。Figure 2 schematically shows a multiple extractant flow system. 複数回抽出剤流系を概略的に示す。Figure 2 schematically shows a multiple extractant flow system. 発酵プロセスを監視するためにオンライン、インライン、アットライン、および/またはリアルタイム測定を用いる本発明の例示的な発酵プロセスを概略的に示す。1 schematically illustrates an exemplary fermentation process of the present invention using online, in-line, at-line, and / or real-time measurements to monitor the fermentation process. A、Bは、ラグ(rag)層の形成を軽減するための本発明の例示的な方法を概略的に示す。A, B schematically illustrate an exemplary method of the present invention for mitigating the formation of a lag layer. 発酵、抽出、および蒸留プロセスを含む本発明の例示的な方法を概略的に示す。2 schematically illustrates an exemplary method of the present invention including a fermentation, extraction, and distillation process. 抽出塔効率に対する発酵ブロス対抽出剤の比率(水相/有機相(aq/org))の影響を示す。The influence of the ratio of fermentation broth to extractant (aqueous phase / organic phase (aq / org)) on the extraction tower efficiency is shown. A、Bは、イソブタノール濃度およびグルコースプロファイルに対する、外部の抽出塔を用いたISPRの影響を示す。A and B show the effect of ISPR using an external extraction tower on isobutanol concentration and glucose profile. イソブタノール除去率に対する、ミキサーセトラーを用いたISPRの影響を示す。The influence of ISPR using a mixer settler on the isobutanol removal rate is shown. インライン測定を用いたでんぷん濃度の範囲のFTIRスペクトルを示す。Figure 5 shows an FTIR spectrum in the range of starch concentrations using in-line measurement. トウモロコシマッシュの処理の際のウェットケーキのでんぷん濃度のFTIRスペクトルを示す。Figure 5 shows the FTIR spectrum of starch concentration of wet cake during corn mash processing. トウモロコシマッシュの処理の際のトウモロコシ油のFTIRスペクトルを示す。Figure 2 shows FTIR spectrum of corn oil during corn mash processing. COFA中のイソブタノールのリアルタイム測定を示す。2 shows real time measurement of isobutanol in COFA.

特に定義されない限り、本明細書において使用される全ての技術用語および科学用語は、本発明が属する技術分野の当業者によって一般に理解されるのと同じ意味を有する。矛盾が生じた場合、定義を含めて本出願が優先するものとする。また、文脈上異なる解釈を要する場合を除き、単数形の用語は複数形を含み、複数形の用語は単数形を含むものとする。本明細書に記載される全ての刊行物、特許、および他の参照文献は、あらゆる目的のために、全体が参照により本明細書に援用される。   Unless defined otherwise, all technical and scientific terms used herein have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. In case of conflict, the present application, including definitions, will control. Also, unless otherwise required by context, singular terms shall include pluralities and plural terms shall include the singular. All publications, patents, and other references mentioned herein are hereby incorporated by reference in their entirety for all purposes.

本発明をさらに定義するために、以下の用語および定義が、本明細書において提供される。   In order to further define the invention, the following terms and definitions are provided herein.

本明細書において使用される際の「含む(comprises)」、「含む(comprising)」、「含む(includes)」、「含む(including)」、「有する(has)」、「有する(having)」、「含有する(contains)」、または「含有する(containing)」という用語、またはそれらの任意の他の活用形は、記載される整数または整数の群を包含するが、任意の他の整数または整数の群を除外しないことを意味することが理解されよう。例えば、要素の列挙を含む組成物、混合物、プロセス、方法、物品、または装置は、必ずしもそれらの要素のみに限定されるわけではなく、明示的に列挙されていないかあるいはこのような組成物、混合物、プロセス、方法、物品、または装置に固有の他の要素を含み得る。さらに、相反する明示的な記載がない限り、「または」は、排他的な「または」ではなく包括的な「または」を指す。例えば、条件AまたはBは、以下のうちの1つによって満たされる:Aが真であり(または存在する)かつBが偽である(または存在しない)、Aが偽であり(または存在しない)かつBが真である(または存在する)、AおよびBの両方とも真である(または存在する)。   As used herein, “comprises”, “comprising”, “includes”, “including”, “has”, “having” , “Contains”, or “containing”, or any other conjugation thereof, includes the integer or group of integers described, but any other integer or It will be understood that it means not to exclude groups of integers. For example, a composition, mixture, process, method, article or device that includes an enumeration of elements is not necessarily limited to only those elements, but is not explicitly recited or such a composition, It may include mixtures, processes, methods, articles, or other elements specific to the device. Further, unless expressly stated to the contrary, “or” refers to an inclusive “or” rather than an exclusive “or”. For example, condition A or B is satisfied by one of the following: A is true (or exists) and B is false (or does not exist), A is false (or does not exist) And B is true (or exists), both A and B are true (or exist).

また、本発明の要素または構成要素の前にある不定冠詞「a」および「an」は、事例の数、すなわち、要素または構成要素の出現の数に関して限定されないことが意図される。したがって、「a」または「an」は、1つまたは少なくとも1つを含むものと読まれるべきであり、要素または構成要素の単数語形は、数値が単数であることを明白に意味しない限り、複数も含む。   Also, the indefinite articles “a” and “an” preceding an element or component of the invention are not intended to be limited regarding the number of instances, ie, the number of occurrences of the element or component. Thus, “a” or “an” should be read to include one or at least one, and the singular form of an element or component is plural unless the number is explicitly meant to be singular. Including.

本明細書において使用される際の「発明」または「本発明」の用語は、非限定的な用語であり、発明の任意の1つの実施形態を指すことは意図されず、本出願に記載される考えられる全ての実施形態を包含する。   The terms “invention” or “invention” as used herein are non-limiting terms and are not intended to refer to any one embodiment of the invention, but are described in this application. All possible embodiments are included.

本明細書において使用される際の、用いられる本発明の成分または反応剤の量を修飾する「約」という用語は、例えば、現実の世界で濃縮物または溶液を作製するのに使用される典型的な測定および液体処理手順によって;これらの手順における不注意による誤りによって;組成物を作製するかまたは方法を行うのに用いられる成分の製造、供給源、または純度の差などによって起こり得る数量の変動を指す。「約」という用語は、特定の初期混合物から得られる組成物のための平衡条件が異なるために異なる量も包含する。「約」という用語によって修飾されているか否かにかかわらず、特許請求の範囲は、量に対する均等物を含む。一実施形態において、「約」という用語は、報告される数値の10%以内、あるいは報告される数値の5%以内を意味する。   As used herein, the term “about”, which modifies the amount of the inventive component or reactant used, is typical of, for example, used to make concentrates or solutions in the real world. Due to physical measurements and liquid processing procedures; due to inadvertent errors in these procedures; the quantity of components that can occur due to differences in the manufacture, source, or purity of the components used to make the composition or perform the method Refers to fluctuations. The term “about” encompasses different amounts due to different equilibrium conditions for compositions obtained from a particular initial mixture. Whether or not modified by the term “about”, the claims include equivalents to the quantities. In one embodiment, the term “about” means within 10% of the reported numerical value, or within 5% of the reported numerical value.

本明細書において使用される際の「バイオマス」は、トウモロコシ、サトウキビ、小麦、セルロース系またはリグノセルロース系材料、およびセルロース、ヘミセルロース、リグニン、でんぷん、オリゴ糖、二糖類、および/または単糖類、およびそれらの混合物を含む材料などの天然資源に由来する任意の糖およびでんぷんを含む発酵性糖および/またはでんぷんを提供する加水分解性多糖類を含有する天然産物を指す。バイオマスは、タンパク質および/または脂質などのさらなる成分も含み得る。バイオマスは、1つの供給源に由来してもよく、またはバイオマスは、2つ以上の供給源に由来する混合物を含み得る。例えば、バイオマスは、トウモロコシの穂軸とトウモロコシの茎葉との混合物、または草と葉との混合物を含み得る。バイオマスとしては、以下に限定はされないが、バイオエネルギー作物、農業残渣、都市固形廃棄物、産業固形廃棄物、製紙からの汚泥、庭ごみ、木くずおよび林業廃棄物(例えば、森林間伐材)が挙げられる。バイオマスの例としては、以下に限定はされないが、トウモロコシ、トウモロコシの穂軸、トウモロコシの皮、トウモロコシの茎葉などの作物残渣、草、小麦、ライ麦、小麦のわら、スペルト小麦、ライ小麦、大麦、大麦のわら、オート麦、牧草、稲、稲わら、スイッチグラス、ジャガイモ、サツマイモ、キャッサバ、キクイモ、サトウキビの絞りかす、ソルガム、サトウキビ、テンサイ、飼料用ビート、大豆、ヤシ、ココナツ、ナタネ、ベニバナ、ヒマワリ、アワ、ユーカリ、茅、穀類の粉砕から得られる成分、樹木(例えば、枝、根、葉)、木質チップ、おがくず、潅木および低木、野菜、果物、花、動物の糞尿、およびそれらの混合物が挙げられる。例えば、マッシュ、絞り汁、糖蜜、または加水分解物が、粉砕および液化などの発酵のためにバイオマスを処理するための当該技術分野において公知の任意の処理によって、バイオマスから形成され得る。例えば、セルロース系および/またはリグノセルロース系バイオマスは、参照により本明細書に援用される米国特許出願公開第2007/0031918号明細書に開示されている低アンモニア前処理などの、当業者に公知の任意の方法によって発酵性糖を含有する加水分解物を得るように処理され得る。セルロース系および/またはリグノセルロース系バイオマスの酵素的糖化は、通常、セルロースおよびヘミセルロースを分解して、グルコース、キシロース、およびアラビノースを含む糖類を含有する加水分解物を生成するために酵素混合物(例えば、セルラーゼ、キシラナーゼ、グルコシダーゼ、グルカナーゼ、リアーゼ)を利用する。セルロース系および/またはリグノセルロース系バイオマスに適した糖化酵素は、Lynd,et al.(Microbiol.Mol.Biol.Rev.66:506−577,2002)に概説されている。   “Biomass” as used herein refers to corn, sugarcane, wheat, cellulosic or lignocellulosic materials, and cellulose, hemicellulose, lignin, starch, oligosaccharides, disaccharides, and / or monosaccharides, and It refers to a natural product containing fermentable sugars and / or hydrolyzable polysaccharides that provide starch, including any sugars and starches derived from natural resources such as materials including mixtures thereof. Biomass can also include additional components such as proteins and / or lipids. The biomass may be derived from one source, or the biomass may include a mixture derived from two or more sources. For example, the biomass may comprise a mixture of corn cobs and corn stover, or a mixture of grass and leaves. Biomass includes, but is not limited to, bioenergy crops, agricultural residues, municipal solid waste, industrial solid waste, paper sludge, garden waste, wood waste and forestry waste (eg, forest thinning) It is done. Examples of biomass include, but are not limited to, crop residues such as corn, corn cobs, corn hulls, corn stover, grass, wheat, rye, wheat straw, spelled wheat, rye wheat, barley, Barley straw, oats, pasture, rice, rice straw, switchgrass, potato, sweet potato, cassava, chrysanthemum, sugar cane pomace, sorghum, sugar cane, sugar beet, feed beet, soy, palm, coconut, rapeseed, safflower, Sunflower, millet, eucalyptus, cocoon, ingredients obtained from grinding grains, trees (eg branches, roots, leaves), wood chips, sawdust, shrubs and shrubs, vegetables, fruits, flowers, animal manure, and mixtures thereof Is mentioned. For example, mash, juice, molasses, or hydrolyzate can be formed from the biomass by any process known in the art for processing biomass for fermentation such as grinding and liquefaction. For example, cellulosic and / or lignocellulosic biomass is known to those skilled in the art, such as the low ammonia pretreatment disclosed in US 2007/0031918, which is hereby incorporated by reference. It can be processed to obtain a hydrolyzate containing fermentable sugars by any method. Enzymatic saccharification of cellulosic and / or lignocellulosic biomass typically involves degrading cellulose and hemicellulose to produce a hydrolyzate containing sugars including glucose, xylose, and arabinose (eg, an enzyme mixture (e.g., Cellulase, xylanase, glucosidase, glucanase, lyase). Saccharifying enzymes suitable for cellulosic and / or lignocellulosic biomass are described in Lynd, et al. (Microbiol. Mol. Biol. Rev. 66: 506-577, 2002).

本明細書において使用される際の「発酵性炭素源」または「発酵性炭素基質」は、微生物によって代謝されることが可能な炭素源を指す。好適な発酵性炭素源としては、以下に限定はされないが、グルコースまたはフルクトースなどの単糖類;ラクトースまたはスクロースなどの二糖類;オリゴ糖;でんぷんまたはセルロースなどの多糖類;1つの炭素基質;およびそれらの混合物が挙げられる。   A “fermentable carbon source” or “fermentable carbon substrate” as used herein refers to a carbon source that can be metabolized by a microorganism. Suitable fermentable carbon sources include, but are not limited to, monosaccharides such as glucose or fructose; disaccharides such as lactose or sucrose; oligosaccharides; polysaccharides such as starch or cellulose; one carbon substrate; Of the mixture.

本明細書において使用される際の「発酵性糖」は、発酵産物の生成のために、本明細書に開示されている微生物によって代謝されることが可能な1種以上の糖類を指す。   As used herein, “fermentable sugar” refers to one or more sugars that can be metabolized by the microorganisms disclosed herein for the production of fermentation products.

本明細書において使用される際の「原料」は、発酵プロセスにおける原料を指し、原料は、非溶解固体および油を含むかまたは含まない発酵性炭素源を含有し、該当する場合、原料は、発酵性炭素源がでんぷんから除去されたかまたは液化、糖化、または他のプロセスなどによるさらなる処理による複合糖類の分解から得られる前または後に発酵性炭素源を含有する。原料は、バイオマスを含むかまたはバイオマスに由来し得る。好適な原料としては、以下に限定はされないが、ライ麦、小麦、トウモロコシ、トウモロコシマッシュ、サトウキビ、サトウキビマッシュ、大麦、セルロース系材料、リグノセルロース系材料、またはそれらの混合物が挙げられる。「原料油」に言及される場合、この用語が、所与の原料から生成される油を包含することが理解されよう。   “Raw material” as used herein refers to a raw material in a fermentation process, the raw material contains a fermentable carbon source with or without undissolved solids and oil, and where applicable, the raw material is: The fermentable carbon source is removed from the starch or contains the fermentable carbon source before or after being obtained from the degradation of the complex saccharide by further processing, such as by liquefaction, saccharification, or other processes. The feedstock can include or be derived from biomass. Suitable raw materials include, but are not limited to, rye, wheat, corn, corn mash, sugar cane, sugar cane mash, barley, cellulosic material, lignocellulosic material, or mixtures thereof. When referring to “feed oil”, it will be understood that this term encompasses oil produced from a given feed.

本明細書において使用される際の「発酵ブロス」は、水と、発酵性炭素源(例えば、糖類)と、溶解固体と、任意に発酵産物(例えば、生成物アルコール)を生成する微生物と、任意に発酵産物(例えば、生成物アルコール)と、他の成分との混合物を指す。ある実施形態において、発酵ブロスは、発酵産物(例えば、生成物アルコール)が微生物による発酵性炭素源の代謝によって作製される発酵装置中に保持される材料を指す。場合により、本明細書において使用される際の「発酵ブロス」という用語は、「発酵培地」または「発酵された混合物」と同義に使用され得る。ある実施形態において、生成物アルコールを含む発酵ブロスは、発酵ビールまたはビールと呼ばれ得る。   “Fermentation broth” as used herein refers to water, a fermentable carbon source (eg, sugars), dissolved solids, and optionally a microorganism that produces a fermentation product (eg, product alcohol); Optionally refers to a mixture of the fermentation product (eg, product alcohol) and other ingredients. In certain embodiments, a fermentation broth refers to a material in which a fermentation product (eg, product alcohol) is retained in a fermenter made by metabolism of a fermentable carbon source by a microorganism. In some cases, the term “fermentation broth” as used herein may be used interchangeably with “fermentation medium” or “fermented mixture”. In certain embodiments, the fermentation broth containing the product alcohol may be referred to as a fermented beer or beer.

本明細書において使用される際の「発酵装置」または「発酵槽」は、発酵反応が行われ、それによって、発酵産物(例えば、エタノールまたはブタノールなどの生成物アルコール)が発酵性炭素源から生成されるユニットを指す。「発酵装置」という用語は、本明細書において「発酵槽」と同義に使用され得る。   A “fermentor” or “fermentor” as used herein undergoes a fermentation reaction whereby fermented products (eg, product alcohols such as ethanol or butanol) are produced from a fermentable carbon source. Refers to the unit to be played. The term “fermenter” may be used interchangeably with “fermentor” herein.

本明細書において使用される際の「液化ユニット」は、液化が行われるユニットを指す。液化は、オリゴ糖が原料から放出されるプロセスである。原料がトウモロコシである、ある実施形態において、オリゴ糖は、液化中にトウモロコシでんぷん含有物から放出される。   A “liquefaction unit” as used herein refers to a unit in which liquefaction takes place. Liquefaction is the process by which oligosaccharides are released from the raw material. In certain embodiments where the feedstock is corn, oligosaccharides are released from the corn starch content during liquefaction.

本明細書において使用される際の「糖化ユニット」は、糖化(すなわち、オリゴ糖の単糖類への分解)行われるユニットを指す。発酵および糖化が同時に行われる場合、糖化ユニットおよび発酵装置は、同じユニットであってもよい。   A “glycation unit” as used herein refers to a unit that undergoes saccharification (ie, degradation of oligosaccharides into monosaccharides). When fermentation and saccharification are performed simultaneously, the saccharification unit and the fermentation apparatus may be the same unit.

本明細書において使用される際の「糖」は、オリゴ糖、二糖類、単糖類、および/またはそれらの混合物を指す。「糖」という用語は、でんぷん、デキストラン、グリコーゲン、セルロース、ペントサン、ならびに糖類を含む炭水化物も含む。   “Sugar” as used herein refers to oligosaccharides, disaccharides, monosaccharides, and / or mixtures thereof. The term “sugar” also includes starch, dextran, glycogen, cellulose, pentosan, and carbohydrates including sugars.

本明細書において使用される際、「糖化酵素」は、多糖類および/またはオリゴ糖、例えば、グリコーゲンまたはでんぷんのα−1,4−グルコシド結合を加水分解することが可能な1種以上の酵素を指す。糖化酵素は、セルロース系またはリグノセルロース系材料を加水分解することが可能な酵素も含み得る。   As used herein, “saccharifying enzyme” refers to one or more enzymes capable of hydrolyzing an α-1,4-glucoside bond of polysaccharides and / or oligosaccharides, such as glycogen or starch. Point to. Saccharifying enzymes may also include enzymes capable of hydrolyzing cellulosic or lignocellulosic materials.

本明細書において使用される際の「非溶解固体」は、水性媒体に溶解しない原料の非発酵性部分、例えば、胚芽、繊維、グルテン、および任意のさらなる成分を指す。例えば、原料の非発酵性部分は、原料の固体として残る部分を含み、発酵ブロスから液体を吸収し得る。   As used herein, “non-dissolved solid” refers to a non-fermentable portion of a raw material that does not dissolve in an aqueous medium, such as germ, fiber, gluten, and any additional ingredients. For example, the non-fermentable portion of the feed includes the portion that remains as a solid of the feed and can absorb liquid from the fermentation broth.

本明細書において使用される際の「油」は、植物(例えば、バイオマス)または動物から得られる脂質を指す。油の例としては、以下に限定はされないが、牛脂、トウモロコシ油、キャノーラ油、カプリン酸/カプリル酸トリグリセリド、ヒマシ油、ココナツ油、綿実油、魚油、ホホバ油、ラード、亜麻仁油、牛脚油、オイチシカ油、ヤシ油、ピーナッツ油、菜種油、米油、ベニバナ油、大豆油、ヒマワリ油、キリ油、ジャトロファ油、および植物油ブレンドが挙げられる。   “Oil” as used herein refers to lipids obtained from plants (eg, biomass) or animals. Examples of oils include but are not limited to beef tallow, corn oil, canola oil, capric / caprylic triglycerides, castor oil, coconut oil, cottonseed oil, fish oil, jojoba oil, lard, flaxseed oil, cow leg oil, Examples include oil of deer, coconut oil, peanut oil, rapeseed oil, rice oil, safflower oil, soybean oil, sunflower oil, kiri oil, jatropha oil, and vegetable oil blends.

本明細書において使用される際の「生成物アルコール」は、発酵性炭素基質源としてバイオマスを用いる発酵プロセスにおいて微生物によって生成され得る任意のアルコールを指す。生成物アルコールとしては、以下に限定はされないが、C〜Cのアルキルアルコールが挙げられる。ある実施形態において、生成物アルコールはC〜Cのアルキルアルコールである。他の実施形態において、生成物アルコールはC〜Cのアルキルアルコールである。C〜Cのアルキルアルコールとしては、以下に限定はされないが、メタノール、エタノール、プロパノール、ブタノール、ペンタノール、およびヘキサノールが挙げられることが理解されよう。同様に、C〜Cのアルキルアルコールとしては、以下に限定はされないが、エタノール、プロパノール、ブタノール、ペンタノール、およびヘキサノールが挙げられる。ある実施形態において、生成物アルコールは、フーゼルアルコール(またはフーゼル油)およびグリセロールも含み得る。「アルコール」はまた、生成物アルコールに関連して本明細書において使用され得る。 A “product alcohol” as used herein refers to any alcohol that can be produced by a microorganism in a fermentation process that uses biomass as the fermentable carbon substrate source. Product alcohols include, but are not limited to, C 1 -C 8 alkyl alcohols. In certain embodiments, the product alcohol is an alkyl alcohol of C 2 -C 8. In other embodiments, the product alcohol is an alkyl alcohol of C 2 -C 5. It will be appreciated that C 1 -C 8 alkyl alcohols include, but are not limited to, methanol, ethanol, propanol, butanol, pentanol, and hexanol. Similarly, the alkyl alcohol C 2 -C 8, but are not limited to, ethanol, propanol, butanol, pentanol, and hexanol and the like. In certain embodiments, the product alcohol may also include fusel alcohol (or fusel oil) and glycerol. “Alcohol” may also be used herein in connection with the product alcohol.

本明細書において使用される際の「ブタノール」は、ブタノール異性体1−ブタノール(1−BuOH)、2−ブタノール(2−BuOH)、tert−ブタノール(t−BuOH)、および/またはイソブタノール(iBuOH、i−BuOH、I−BUOH、2−メチル−1−プロパノールとしても知られているiB)を、個々にまたはそれらの混合物として指す。場合により、ブタノールのエステルに言及する場合、「ブチルエステル」および「ブタノールエステル」という用語は、同義に使用され得る。   “Butanol” as used herein refers to butanol isomers 1-butanol (1-BuOH), 2-butanol (2-BuOH), tert-butanol (t-BuOH), and / or isobutanol ( iB), also known as iBuOH, i-BuOH, I-BUOH, 2-methyl-1-propanol, is referred to individually or as a mixture thereof. Optionally, when referring to esters of butanol, the terms “butyl ester” and “butanol ester” may be used interchangeably.

本明細書において使用される際の「プロパノール」は、プロパノール異性体イソプロパノールまたは1−プロパノールを指す。   “Propanol” as used herein refers to the propanol isomer isopropanol or 1-propanol.

本明細書において使用される際の「ペンタノール」は、ペンタノール異性体1−ペンタノール、3−メチル−1−ブタノール、2−メチル−1−ブタノール、2,2−ジメチル−1−プロパノール、3−ペンタノール、2−ペンタノール、3−メチル−2−ブタノール、または2−メチル−2−ブタノールを指す。   “Pentanol” as used herein refers to the pentanol isomers 1-pentanol, 3-methyl-1-butanol, 2-methyl-1-butanol, 2,2-dimethyl-1-propanol, It refers to 3-pentanol, 2-pentanol, 3-methyl-2-butanol, or 2-methyl-2-butanol.

本明細書において使用される際の「原位置生成物除去(ISPR)」は、生成物が生成される際に、生物学的プロセスにおける生成物濃度を制御するための、発酵などの生物学的プロセスからの特定の生成物の選択的な除去を指す。   As used herein, “in situ product removal (ISPR)” refers to biological, such as fermentation, to control product concentration in a biological process as the product is produced. Refers to the selective removal of a specific product from the process.

本明細書において使用される際の「抽出剤」は、発酵産物(例えば、生成物アルコール)を抽出するのに使用される溶媒を指す。場合により、本明細書において使用される際の「抽出剤」という用語は、「溶媒」と同義に使用され得る。   “Extractant” as used herein refers to a solvent used to extract a fermentation product (eg, product alcohol). In some cases, the term “extractant” as used herein may be used interchangeably with “solvent”.

本明細書において使用される際の「水不混和性」は、1つの液相を形成するように、発酵ブロスなどの水溶液と混合することができない抽出剤または溶媒などの化学成分を指す。   “Water immiscible” as used herein refers to a chemical component, such as an extractant or solvent, that cannot be mixed with an aqueous solution, such as a fermentation broth, to form one liquid phase.

本明細書において使用される際の「カルボン酸」は、炭素原子が、カルボニル基(−C=O)を作製するように二重結合によって酸素原子に結合され、単結合によってヒドロキシル基(−OH)に結合される一般化学式−COOHで表される任意の有機化合物を指す。カルボン酸は、プロトン化カルボン酸の形態、カルボン酸の塩の形態(例えば、アンモニウム塩、ナトリウム塩、またはカリウム塩)、またはプロトン化カルボン酸とカルボン酸の塩との混合物として存在してもよい。カルボン酸という用語は、例えば、バイオマスに由来する脂肪酸エステルまたはトリグリセリド、ジグリセリド、モノグリセリド、およびリン脂質の加水分解によって生成され得る、単一の化学種(例えば、オレイン酸)またはカルボン酸の混合物を表し得る。   As used herein, “carboxylic acid” refers to a carbon atom bonded to an oxygen atom by a double bond to create a carbonyl group (—C═O), and a hydroxyl group (—OH by a single bond. ) Is an organic compound represented by the general chemical formula —COOH. The carboxylic acid may exist in the form of a protonated carboxylic acid, a salt of a carboxylic acid (eg, an ammonium salt, a sodium salt, or a potassium salt), or a mixture of a protonated carboxylic acid and a salt of a carboxylic acid. . The term carboxylic acid refers to a single species (eg, oleic acid) or a mixture of carboxylic acids that can be produced, for example, by hydrolysis of fatty acid esters or triglycerides, diglycerides, monoglycerides, and phospholipids derived from biomass. obtain.

本明細書において使用される際の「脂肪酸」は、飽和または不飽和のいずれかである、C〜C28の炭素原子(最も一般的に、C12〜C24の炭素原子)を有するカルボン酸(例えば、脂肪族モノカルボン酸)を指す。脂肪酸はまた、分枝鎖状または非分枝鎖状であり得る。脂肪酸は、エステル化形態、動物性または植物性脂肪、油、またはろうに由来するか、またはそれらに含まれ得る。脂肪酸は、脂肪および脂肪油中のグリセリドの形態で天然に存在するものであってもよく、または脂肪の加水分解によってまたは合成によって得られる。脂肪酸という用語は、単一の化学種または脂肪酸の混合物を表し得る。さらに、脂肪酸という用語は、遊離脂肪酸も包含する。 As used herein, a “fatty acid” is a carbon having from C 4 to C 28 carbon atoms (most commonly C 12 to C 24 carbon atoms), which is either saturated or unsaturated. Refers to an acid (eg, an aliphatic monocarboxylic acid). The fatty acids can also be branched or unbranched. Fatty acids can be derived from or included in esterified forms, animal or vegetable fats, oils, or waxes. Fatty acids may be naturally occurring in the form of glycerides in fats and fatty oils, or are obtained by hydrolysis of fats or synthetically. The term fatty acid can refer to a single chemical species or a mixture of fatty acids. Furthermore, the term fatty acid also encompasses free fatty acids.

本明細書において使用される際の「脂肪アルコール」は、飽和または不飽和のいずれかである、C〜C22の炭素原子の脂肪族鎖を有するアルコールを指す。 “Fatty alcohol” as used herein refers to an alcohol having an aliphatic chain of C 4 to C 22 carbon atoms, either saturated or unsaturated.

本明細書において使用される際の「脂肪アルデヒド」は、飽和または不飽和のいずれかである、C〜C22の炭素原子の脂肪族鎖を有するアルデヒドを指す。 “Fatty aldehyde” as used herein refers to an aldehyde having an aliphatic chain of C 4 to C 22 carbon atoms, either saturated or unsaturated.

本明細書において使用される際の「脂肪アミド」は、飽和または不飽和のいずれかである、C〜C22の炭素原子の脂肪族鎖を有するアミドを指す。 “Fatty amide” as used herein refers to an amide having an aliphatic chain of C 4 to C 22 carbon atoms, either saturated or unsaturated.

本明細書において使用される際の「脂肪エステル」は、飽和または不飽和のいずれかである、C〜C22の炭素原子の脂肪族鎖を有するエステルを指す。 “Fatty ester” as used herein refers to an ester having an aliphatic chain of C 4 to C 22 carbon atoms, either saturated or unsaturated.

本明細書において使用される際の「水相」は、例えば液相および気相を含む例えば二相混合物の水相、2つの液相(例えば、有機相および水相)および気相を含有する三相混合物の水相、水相がある程度の量の懸濁固体を含有する二相もしくは三相混合物のいずれかの水相、または気相、有機相、水相および固相を含む四相混合物を指す。ある実施形態において、三相混合物は、気相、液相、および固相を含み得る。ある実施形態において、水相は、発酵ブロスを水不混和性有機抽出剤と接触させることによって得られる。発酵抽出を含む本明細書に記載されるプロセスの一実施形態において、「発酵ブロス」という用語は、この場合、二相発酵抽出における水相を指し得る。   “Aqueous phase” as used herein includes, for example, an aqueous phase of a two-phase mixture, including a liquid phase and a gas phase, two liquid phases (eg, an organic phase and an aqueous phase), and a gas phase. A three-phase mixture aqueous phase, a two-phase or three-phase mixture aqueous phase in which the aqueous phase contains a certain amount of suspended solids, or a four-phase mixture comprising a gas phase, an organic phase, an aqueous phase and a solid phase Point to. In certain embodiments, a three-phase mixture can include a gas phase, a liquid phase, and a solid phase. In certain embodiments, the aqueous phase is obtained by contacting the fermentation broth with a water-immiscible organic extractant. In one embodiment of the process described herein that includes a fermentation extraction, the term “fermentation broth” may in this case refer to the aqueous phase in a two-phase fermentation extraction.

本明細書において使用される際の「有機相」は、発酵ブロスを水不混和性有機抽出剤と接触させることによって得られる混合物(例えば、二相混合物、三相混合物、四相混合物)の非水相を指す。場合により、本明細書において使用される際の「有機相」という用語は、「抽出剤相」と同義に使用され得る。   As used herein, “organic phase” refers to the non-existence of a mixture (eg, a two-phase mixture, a three-phase mixture, a four-phase mixture) obtained by contacting a fermentation broth with a water-immiscible organic extractant. Refers to the water phase. In some cases, the term “organic phase” as used herein may be used interchangeably with “extractant phase”.

本明細書において使用される際の「有効力価」は、発酵ブロスのリットル当たりの、発酵によって生成される特定の発酵産物(例えば、生成物アルコール)の総量を指す。   “Effective titer” as used herein refers to the total amount of a particular fermentation product (eg, product alcohol) produced by fermentation per liter of fermentation broth.

プロセス流に関連して本明細書において使用される際の「部分」は、流れ全体、ならびに流れの全ての成分を含む、流れの任意の1つまたは複数の成分を含む、流れの組成物を保持する流れの任意の分画部分を指す。   A “portion” as used herein in connection with a process stream refers to a composition of a stream that includes the entire stream as well as any one or more components of the stream, including all components of the stream. Refers to any fractional part of the stream to be retained.

本発明は、発酵を用いて生成物アルコールなどの発酵産物を生成するためのプロセスおよび方法を提供する。本明細書に記載されるプロセスおよび方法を用いて生成され得る他の発酵産物としては、プロパンジオール、ブタンジオール、アセトン、乳酸、酢酸、酪酸、およびプロピオン酸などの酸;水素、メタン、および二酸化炭素などのガス;アミノ酸;ビオチン、ビタミンB(リボフラビン)、ビタミンB12(例えば、コバラミン)、アスコルビン酸(例えば、ビタミンC)、ビタミンE(例えば、a−トコフェロール)、およびビタミンK(例えば、メナキノン)などのビタミン;エリスロマイシン、ペニシリン、ストレプトマイシン、およびテトラサイクリンなどの抗生物質;ならびにクエン酸、インベルターゼ、ソルビトール、ペクチナーゼ、およびキシリトールなどの他の生成物が挙げられる。 The present invention provides processes and methods for producing fermentation products such as product alcohol using fermentation. Other fermentation products that can be produced using the processes and methods described herein include acids such as propanediol, butanediol, acetone, lactic acid, acetic acid, butyric acid, and propionic acid; hydrogen, methane, and dioxide Gases such as carbon; amino acids; biotin, vitamin B 2 (riboflavin), vitamin B 12 (eg, cobalamin), ascorbic acid (eg, vitamin C), vitamin E (eg, a-tocopherol), and vitamin K (eg, Vitamins such as menaquinone); antibiotics such as erythromycin, penicillin, streptomycin, and tetracycline; and other products such as citric acid, invertase, sorbitol, pectinase, and xylitol.

本発明は、発酵プロセスによって生成物アルコールを生成し、発酵プロセスによって生成される生成物アルコールを回収するための方法およびシステムを提供する。本明細書に記載される方法の一実施形態の例として、発酵は、原料を発酵装置中に直接導入することによって開始され得る。ある実施形態において、1つ以上の発酵装置が、本明細書に記載される方法に使用され得る。好適な原料としては、以下に限定はされないが、ライ麦、小麦、トウモロコシ、トウモロコシマッシュ、サトウキビ、サトウキビマッシュ、大麦、セルロース系材料、リグノセルロース系材料、またはそれらの混合物が挙げられる。これらの原料は、乾式粉砕または湿式粉砕などの方法を用いて処理され得る。ある実施形態において、発酵装置への導入の前に、原料は、液化されて、非溶解固体、発酵性炭素源(例えば、糖)、および油を含み得る原料スラリーが生成され得る。原料の液化は、酸プロセス、酵素プロセス(例えば、α−アミラーゼ)、酸−酵素プロセス、またはそれらの組合せを含むがこれらに限定されない任意の公知の液化プロセスによって行われ得る。ある実施形態において、液化は、1つ以上の液化ユニットで行われ得る。   The present invention provides a method and system for producing product alcohol by a fermentation process and recovering the product alcohol produced by the fermentation process. As an example of one embodiment of the method described herein, fermentation can be initiated by introducing the raw material directly into the fermentor. In certain embodiments, one or more fermenters can be used in the methods described herein. Suitable raw materials include, but are not limited to, rye, wheat, corn, corn mash, sugar cane, sugar cane mash, barley, cellulosic material, lignocellulosic material, or mixtures thereof. These raw materials can be processed using methods such as dry grinding or wet grinding. In certain embodiments, prior to introduction into the fermenter, the feed may be liquefied to produce a feed slurry that may include undissolved solids, fermentable carbon sources (eg, sugars), and oil. The liquefaction of the raw material can be performed by any known liquefaction process including, but not limited to, an acid process, an enzymatic process (eg, α-amylase), an acid-enzymatic process, or a combination thereof. In certain embodiments, liquefaction can be performed in one or more liquefaction units.

原料スラリーが、発酵装置に直接供給される場合、非溶解固体および/または油は、生成物アルコールの効率的な除去および回収を妨げ得る。特に、液液抽出が、発酵ブロスから生成物アルコールを抽出するのに用いられる場合、非溶解固体(例えば、微粒子)の存在は、抽出剤と発酵ブロスとの接触を妨げることによって、抽出剤への生成物アルコールの物質移動速度を低下させること;発酵装置中でエマルジョンを生成または促進し、それによって、抽出剤および発酵ブロスの相分離を妨げること;抽出剤および生成物アルコールの少なくとも一部が、可溶物含有乾燥穀類蒸留粕(DDGS)として除去され得る固体に「捕捉される」ため、抽出剤を回収し、再利用する効率を低下させること;発酵装置中の体積を占める固体があるためおよび発酵ブロスからの抽出剤のより遅い離脱があるため、発酵装置体積効率を低下させること;および油による汚染によって、抽出剤の寿命が短縮されることを含むがこれらに限定されない、システムの非効率を招き得る。これらの影響は、資本コストおよび運転コストを増加させ得る。さらに、DDGSに「捕捉される」抽出剤は、DDGS値および動物飼料として販売するための必要条件から外れ得る。したがって、これらの問題を回避し、および/または最小限に抑えるために、非溶解固体の少なくとも一部が、原料スラリーを発酵装置に加える前に、原料スラリーから除去され得る。生成物アルコール生成の抽出活性および効率が、非溶解固体が除去された発酵ブロスにおいて抽出が行われる場合に高められ得る。   When the raw slurry is fed directly to the fermenter, undissolved solids and / or oils can prevent efficient removal and recovery of product alcohol. In particular, when liquid-liquid extraction is used to extract product alcohol from the fermentation broth, the presence of undissolved solids (eg, microparticles) leads to the extractant by preventing contact between the extractant and the fermentation broth. Reducing the mass transfer rate of the product alcohol; generating or promoting an emulsion in the fermentor, thereby preventing phase separation of the extractant and fermentation broth; at least a portion of the extractant and product alcohol being Reducing the efficiency of recovering and reusing extractants because they are “trapped” by solids that can be removed as soluble cereal-containing dry cereal distillers (DDGS); there is a solid that occupies volume in the fermenter Reducing the fermenter volumetric efficiency because of and slower release of the extractant from the fermentation broth; and the lifetime of the extractant due to oil contamination But it is not limited to including being shorter, can lead to inefficiency of the system. These effects can increase capital and operating costs. In addition, extractants that are “trapped” by DDGS can deviate from DDGS values and requirements for selling as animal feed. Thus, to avoid and / or minimize these problems, at least a portion of the undissolved solids can be removed from the raw slurry prior to adding the raw slurry to the fermentor. The extraction activity and efficiency of product alcohol production can be enhanced when extraction is performed in a fermentation broth from which undissolved solids have been removed.

原料を処理して、原料スラリーを生成し、原料スラリーを分離して、発酵性炭素源を含む水相と、固相(例えば、ウェットケーキ)とを生成するための方法およびシステムが、図を参照して本明細書に記載される。図1に示されるように、ある実施形態において、システムは、原料を液化して、原料スラリーを生成するように構成される液化10を含む。例えば、原料12は、(例えば、液化ユニットの入口を介して)液化10に導入され得る。原料12は、大麦、オート麦、ライ麦、ソルガム、小麦、ライ小麦、スペルト小麦、アワ、サトウキビ、トウモロコシ、またはそれらの組合せを含むがこれらに限定されない、糖および/またはでんぷんなどの発酵性炭素源を含有する、当業界で公知の任意の好適なバイオマス材料であり得る。水も液化10に導入され得る。   A method and system for processing a raw material to produce a raw slurry, separating the raw slurry, and producing a water phase containing a fermentable carbon source and a solid phase (eg, wet cake) Reference is made herein. As shown in FIG. 1, in one embodiment, the system includes a liquefaction 10 configured to liquefy the feedstock to produce a feed slurry. For example, the feedstock 12 can be introduced into the liquefaction 10 (eg, via the inlet of the liquefaction unit). Raw material 12 includes fermentable carbon sources such as sugar and / or starch, including but not limited to barley, oats, rye, sorghum, wheat, rye wheat, spelled wheat, millet, sugar cane, corn, or combinations thereof. Can be any suitable biomass material known in the art. Water can also be introduced into the liquefaction 10.

原料12を液化するプロセスは、原料12中のでんぷんを水溶性糖に加水分解することを含む。酸プロセス、酵素プロセス、または酸−酵素プロセスを含むがこれらに限定されない、当業界で用いられる任意の公知の液化プロセス、同様に液化ユニットが使用され得る。このようなプロセスは、単独でまたは組み合わせて使用され得る。ある実施形態において、酵素プロセスを用いることができ、適切な酵素14、例えば、α−アミラーゼが、液化10に導入される。本発明のシステムおよび方法に使用され得るα−アミラーゼの例が、米国特許第7,541,026号明細書;米国特許出願公開第2009/0209026号明細書;米国特許出願公開第2009/0238923号明細書;米国特許出願公開第2009/0252828号明細書;米国特許出願公開第2009/0314286号明細書;米国特許出願公開第2010/02278970号明細書;米国特許出願公開第2010/0048446号明細書;米国特許出願公開第2010/0021587号明細書に記載されており、それぞれの内容全体が参照により本明細書に援用される。   The process of liquefying the raw material 12 includes hydrolyzing the starch in the raw material 12 into a water-soluble sugar. Any known liquefaction process used in the art, including but not limited to acid processes, enzyme processes, or acid-enzyme processes, as well as liquefaction units may be used. Such processes can be used alone or in combination. In certain embodiments, an enzymatic process can be used and a suitable enzyme 14, such as α-amylase, is introduced into the liquefaction 10. Examples of α-amylases that can be used in the systems and methods of the present invention are US Pat. No. 7,541,026; US Patent Application Publication No. 2009/0209026; US Patent Application Publication No. 2009/0238923. US Patent Application Publication No. 2009/0252828; US Patent Application Publication No. 2009/0314286; US Patent Application Publication No. 2010/02278970; US Patent Application Publication No. 2010/0048446 U.S. Patent Application Publication No. 2010/0021587, the entire contents of each of which are incorporated herein by reference.

ある実施形態において、液化および/または糖化のための酵素が、微生物によって生成され得る。このような酵素を生成する微生物の例が、米国特許第7,498,159号明細書;米国特許出願公開第2012/0003701号明細書;米国特許出願公開第2012/0129229号明細書;PCT国際公報の国際公開第2010/096562号パンフレット;およびPCT国際公報の国際公開第2011/153516号パンフレットに記載されており、それぞれの内容全体が参照により本明細書に援用される。ある実施形態において、液化および/または糖化のための酵素が、生成物アルコールも生成する微生物によって発現され得る。ある実施形態において、液化および/または糖化のための酵素が、ブタノール生合成経路も発現する微生物によって発現され得る。ある実施形態において、ブタノール生合成経路は、1−ブタノール生合成経路、2−ブタノール生合成経路、イソブタノール生合成経路、または2−ブタノン生合成経路であり得る。   In certain embodiments, enzymes for liquefaction and / or saccharification can be produced by microorganisms. Examples of microorganisms that produce such enzymes are US Pat. No. 7,498,159; US Patent Application Publication No. 2012/0003701; US Patent Application Publication No. 2012/0129229; PCT International International Publication No. 2010/096562 pamphlet; and PCT International Publication No. 2011/153516 pamphlet, the entire contents of each of which are incorporated herein by reference. In certain embodiments, enzymes for liquefaction and / or saccharification may be expressed by microorganisms that also produce product alcohol. In certain embodiments, an enzyme for liquefaction and / or saccharification may be expressed by a microorganism that also expresses a butanol biosynthetic pathway. In certain embodiments, the butanol biosynthesis pathway can be the 1-butanol biosynthesis pathway, the 2-butanol biosynthesis pathway, the isobutanol biosynthesis pathway, or the 2-butanone biosynthesis pathway.

原料12を液化するプロセスは、発酵性炭素源(例えば、糖)および非溶解固体を含む原料スラリー16(マッシュまたは高粘度のマッシュとも呼ばれる)を生成する。ある実施形態において、原料スラリー16は、発酵性炭素源(例えば、糖)、油、および非溶解固体を含み得る。非溶解固体は、原料12の非発酵性部分であり得る。ある実施形態において、原料12は、乾式粉砕された、分画されていないトウモロコシの実などのトウモロコシであってもよく、原料スラリー16は、トウモロコシマッシュスラリーである。原料スラリー16は、液化10の出口から排出されてもよく、分離20に送られ得る。   The process of liquefying the raw material 12 produces a raw slurry 16 (also called mash or high viscosity mash) that contains a fermentable carbon source (eg, sugar) and undissolved solids. In certain embodiments, feed slurry 16 may include a fermentable carbon source (eg, sugar), oil, and undissolved solids. The undissolved solid can be a non-fermentable portion of the raw material 12. In some embodiments, the feedstock 12 may be corn such as dry-milled, unfractionated corn kernels, and the feed slurry 16 is a corn mash slurry. The raw slurry 16 may be discharged from the outlet of the liquefaction 10 and may be sent to the separation 20.

分離20は、原料スラリー16を受け入れるための入口を有し、原料スラリー16から非溶解固体を除去するように構成され得る。分離20はまた、油、および/または油および非溶解固体を除去するように構成され得る。分離20は、原料スラリー16を撹拌するかまたは回転させて、液相または水溶液22および固相またはウェットケーキ24を生成し得る。   Separation 20 has an inlet for receiving raw slurry 16 and may be configured to remove undissolved solids from raw slurry 16. Separation 20 may also be configured to remove oil and / or oil and undissolved solids. Separation 20 may stir or rotate the raw slurry 16 to produce a liquid or aqueous solution 22 and a solid or wet cake 24.

水溶液22は、例えば、オリゴ糖の形態の糖、および水を含み得る。水溶液22は、少なくとも約10重量%のオリゴ糖、少なくとも約20重量%のオリゴ糖、または少なくとも約30重量%のオリゴ糖を含み得る。水溶液22は、出口を介して分離20から排出され得る。ある実施形態において、出口は、分離20の上部の近くに位置し得る。   The aqueous solution 22 can include, for example, sugars in the form of oligosaccharides, and water. The aqueous solution 22 may include at least about 10% by weight oligosaccharide, at least about 20% by weight oligosaccharide, or at least about 30% by weight oligosaccharide. The aqueous solution 22 can be discharged from the separation 20 via the outlet. In certain embodiments, the outlet may be located near the top of the separation 20.

ウェットケーキ24は、非溶解固体を含み得る。ウェットケーキ24は、出口を介して分離20から排出され得る。ある実施形態において、出口は、分離20の底部の近くに位置し得る。ウェットケーキ24は、糖および水の一部も含み得る。ウェットケーキ24は、水溶液22が分離20から排出された後、分離20においてさらなる水で洗浄され得る。あるいは、ウェットケーキ24は、さらなる分離デバイスによってさらなる水で洗浄され得る。ウェットケーキ24の洗浄により、ウェットケーキ中に存在する糖(例えば、オリゴ糖)が回収され、回収された糖および水は、液化10に再利用され得る。洗浄後、ウェットケーキ24は、任意の好適な公知の方法によって、可溶物含有乾燥穀類蒸留粕(DDGS)を形成するようにさらに処理され得る。分離20において形成されるウェットケーキ24からのDDGSに形成にはいくつかの利点がある。非溶解固体が発酵装置に送られないため、DDGSは、発酵装置の条件に供されない。例えば、DDGSは、発酵装置中に存在する微生物または発酵装置中に存在し得る任意の他の物質(例えば、抽出剤および/または生成物アルコール)と接触しないため、微生物および/または他の物質が、DDGSに捕捉されない。これらの影響が、例えば、動物飼料としてのDDGSの後の処理および販売に利点を与える。   The wet cake 24 may include undissolved solids. The wet cake 24 can be discharged from the separation 20 via the outlet. In certain embodiments, the outlet may be located near the bottom of the separation 20. The wet cake 24 may also contain some sugar and water. The wet cake 24 may be washed with additional water in the separation 20 after the aqueous solution 22 has been drained from the separation 20. Alternatively, the wet cake 24 can be washed with additional water by an additional separation device. By washing the wet cake 24, sugars (for example, oligosaccharides) present in the wet cake are recovered, and the recovered sugar and water can be reused in the liquefaction 10. After washing, the wet cake 24 can be further processed to form a solubilized dry cereal distiller (DDGS) by any suitable known method. There are several advantages to forming DDGS from the wet cake 24 formed in the separation 20. Because undissolved solids are not sent to the fermentor, DDGS is not subjected to fermentor conditions. For example, since DDGS does not come into contact with microorganisms present in the fermentor or any other material that may be present in the fermenter (eg, extractant and / or product alcohol), the microorganisms and / or other materials are , Not captured by DDGS. These effects provide an advantage for subsequent processing and marketing of DDGS as animal feed, for example.

分離20は、例えば、デカンターボウル遠心分離機、三相遠心分離機、ディスクスタック遠心分離機、ろ過遠心分離機、またはデカンター遠心分離機などの遠心分離機を含む、当業界で用いられる任意の従来の分離デバイスであり得る。ある実施形態において、原料スラリー16からの非溶解固体の除去は、ろ過、真空ろ過、ベルトフィルター、加圧ろ過、膜ろ過、精密ろ過、ふるいを用いたろ過、ふるい分け分離、火格子(grate)または格子、多孔質格子、浮遊法、ハイドロサイクロン、フィルタープレス、スクリュープレス、重力沈降器、ボルテックス分離器、または液体から固体を分離するのに使用され得る任意の方法もしくはデバイスによって行われ得る。ある実施形態において、分離20は、単一工程プロセスである。一実施形態において、非溶解固体は、原料スラリー16から除去されて、2つの生成物流、例えば、原料スラリー16と比較してより低い濃度の固体を含有するオリゴ糖の水溶液および原料スラリー16と比較してより高い濃度の固体を含有するウェットケーキが形成され得る。さらに、例えば、三相遠心分離が、原料スラリー16からの固体の除去に用いられる場合、油を含有する第3の流れが生成され得る。したがって、いくつかの生成物流が、異なる分離技術またはそれらの組合せを用いて生成され得る。   Separation 20 can be any conventional used in the art including, for example, a centrifuge such as a decanter bowl centrifuge, a three-phase centrifuge, a disk stack centrifuge, a filtration centrifuge, or a decanter centrifuge. Separation device. In certain embodiments, the removal of undissolved solids from the raw slurry 16 may be performed by filtration, vacuum filtration, belt filter, pressure filtration, membrane filtration, microfiltration, sieving filtration, sieving separation, grate or It can be performed by a grid, porous grid, flotation method, hydrocyclone, filter press, screw press, gravity settler, vortex separator, or any method or device that can be used to separate solids from liquids. In certain embodiments, separation 20 is a single step process. In one embodiment, undissolved solids are removed from the raw slurry 16 and compared to two product streams, for example, an oligosaccharide aqueous solution containing a lower concentration of solids compared to the raw slurry 16 and the raw slurry 16. Thus, a wet cake containing a higher concentration of solids can be formed. Further, for example, if a three-phase centrifuge is used to remove solids from the raw slurry 16, a third stream containing oil can be generated. Thus, several product streams can be produced using different separation techniques or combinations thereof.

三相遠心分離機は、2つの液相(例えば、水流および油流)および固相(例えば、固体またはウェットケーキ)を生成するために、原料スラリーの分離などの原料スラリーの三相分離に使用され得る(例えば、Flottweg Tricanter(登録商標),Flottweg AG,Vilsibiburg,Germanyを参照)。2つの液相は、例えば、二次汚染を防止するために2つの排出システムを介して遠心分離機のボウルから分離またはデカントされてもよく、固相は、別個の排出システムを介して除去され得る。   Three-phase centrifuges are used for three-phase separation of raw slurry, such as raw slurry separation, to produce two liquid phases (eg, water and oil streams) and solid phase (eg, solid or wet cake) (See, eg, Flottweg Tricanter®, Flottweg AG, Vilsibiburg, Germany). The two liquid phases may be separated or decanted from the centrifuge bowl, for example, via two discharge systems to prevent cross-contamination, and the solid phase is removed via a separate discharge system. obtain.

原料としてトウモロコシを用いるある実施形態において、三相遠心分離機が、液化されたトウモロコシマッシュから固体およびトウモロコシ油を同時に除去するのに使用され得る。固体は、でんぷんが、液化中に可溶性オリゴ糖へと加水分解された後に残る非溶解固体であり得る。トウモロコシ油は、磨砕および/または液化中にトウモロコシの実の胚芽から取り出され得る。ある実施形態において、三相遠心分離機は、1つの原料流および3つの出口流を有し得る。原料流は、液化中に生成される液化されたトウモロコシマッシュからなり得る。マッシュは、オリゴ糖(例えば、液化でんぷん)の水溶液;トウモロコシに由来する不溶性の非でんぷん成分からなる非溶解固体;およびグリセリドおよび遊離脂肪酸からなるトウモロコシ油からなり得る。三相遠心分離機からの3つの出口流は、マッシュからの非溶解固体の大部分を含有するウェットケーキ;マッシュからの液化でんぷんの大部分を含有する重質遠心分離液(heavy centrate)流;およびマッシュからのトウモロコシ油の大部分を含有する軽質遠心分離液(light centrate)流であり得る。重質遠心分離液流は、発酵に供給され得る。ウェットケーキは、ウェットケーキから可溶性でんぷんを回収するために、本明細書に記載される蒸発器凝縮物および/または逆流(backset)などのプロセス再利用水で洗浄され得る。軽質遠心分離液流は、副産物として販売され、別の副産物に転化され、またはトウモロコシ油をトウモロコシ油脂肪酸(COFA)に転化することなどの処理に使用され得る。ある実施形態において、COFAは、抽出剤として使用され得る。   In certain embodiments using corn as a feedstock, a three-phase centrifuge can be used to simultaneously remove solids and corn oil from the liquefied corn mash. The solid can be an undissolved solid that remains after the starch has been hydrolyzed to soluble oligosaccharides during liquefaction. Corn oil can be removed from corn kernel germs during grinding and / or liquefaction. In certain embodiments, a three-phase centrifuge may have one feed stream and three outlet streams. The feed stream can consist of liquefied corn mash produced during liquefaction. The mash can consist of an aqueous solution of oligosaccharides (eg, liquefied starch); a non-dissolved solid composed of insoluble non-starch components derived from corn; and corn oil composed of glycerides and free fatty acids. The three outlet streams from the three-phase centrifuge are a wet cake containing the majority of undissolved solids from the mash; a heavy centrifuge stream containing the majority of the liquefied starch from the mash; And may be a light centrate stream containing the majority of corn oil from the mash. The heavy centrifuge stream can be fed to the fermentation. The wet cake can be washed with process reclaimed water such as the evaporator condensate and / or backset described herein to recover soluble starch from the wet cake. The light centrifuge stream can be sold as a by-product, converted to another by-product, or used in processes such as converting corn oil to corn oil fatty acid (COFA). In certain embodiments, COFA can be used as an extractant.

図1を参照すると、水溶液22を発酵させて、生成物アルコールを生成するように構成される発酵30(または発酵装置30)が、水溶液22を受け入れるための入口を有する。発酵30は、当該技術分野において公知の任意の好適な発酵装置であり得る。発酵30は、発酵ブロスを含み得る。ある実施形態において、同時糖化発酵(SSF)は、発酵30の内部で行われ得る。酸プロセス、酵素プロセス、または酸−酵素プロセスを含むがこれらに限定されない、当業界で用いられる任意の公知の糖化プロセスが使用され得る。ある実施形態において、酵素38(例えば、グルコアミラーゼなど)は、水溶液22中のオリゴ糖を加水分解して単糖類を形成するために、発酵30の入口に導入され得る。本発明のシステムおよび方法に使用され得るグルコアミラーゼの例が、米国特許第7,413,887号明細書;米国特許第7,723,079号明細書;米国特許出願公開第2009/0275080号明細書;米国特許出願公開第2010/0267114号明細書;米国特許出願公開第2011/0014681号明細書;および米国特許出願公開第2011/0020899号明細書に記載されており、それぞれの内容全体が参照により本明細書に援用される。ある実施形態において、グルコアミラーゼは、微生物によって発現され得る。ある実施形態において、グルコアミラーゼは、生成物アルコールも生成する微生物によって発現され得る。ある実施形態において、グルコアミラーゼは、ブタノール生合成経路も発現する微生物によって発現され得る。ある実施形態において、ブタノール生合成経路は、1−ブタノール生合成経路、2−ブタノール生合成経路、イソブタノール生合成経路、または2−ブタノン生合成経路であり得る。   With reference to FIG. 1, a fermentation 30 (or fermenter 30) configured to ferment an aqueous solution 22 to produce product alcohol has an inlet for receiving the aqueous solution 22. Fermentation 30 may be any suitable fermenter known in the art. Fermentation 30 may include a fermentation broth. In certain embodiments, simultaneous saccharification and fermentation (SSF) can occur within fermentation 30. Any known saccharification process used in the art may be used, including but not limited to acid processes, enzyme processes, or acid-enzyme processes. In certain embodiments, enzyme 38 (eg, glucoamylase, etc.) can be introduced at the entrance of fermentation 30 to hydrolyze the oligosaccharides in aqueous solution 22 to form monosaccharides. Examples of glucoamylases that can be used in the systems and methods of the present invention are US Pat. No. 7,413,887; US Pat. No. 7,723,079; US Patent Application Publication No. 2009/0275080. U.S. Patent Application Publication No. 2010/0267114; U.S. Patent Application Publication No. 2011/0014681; and U.S. Patent Application Publication No. 2011/0020899. Is incorporated herein by reference. In certain embodiments, the glucoamylase can be expressed by a microorganism. In certain embodiments, the glucoamylase can be expressed by a microorganism that also produces product alcohol. In certain embodiments, the glucoamylase can be expressed by a microorganism that also expresses the butanol biosynthetic pathway. In certain embodiments, the butanol biosynthesis pathway can be the 1-butanol biosynthesis pathway, the 2-butanol biosynthesis pathway, the isobutanol biosynthesis pathway, or the 2-butanone biosynthesis pathway.

ある実施形態において、グルコアミラーゼなどの酵素が、液化に加えられ得る。液化へのグルコアミラーゼなどの酵素の添加により、原料スラリーまたは液化されたマッシュの粘度が低下され得、分離効率が向上され得る。ある実施形態において、原料スラリーの粘度を低下させることが可能な任意の酵素が使用され得る(例えば、Viscozyme(登録商標),Sigma−Aldrich,St.Louis,MO)。原料の粘度は、当該技術分野において公知の任意の方法(例えば、粘度計、レオメータ)によって測定され得る。   In certain embodiments, an enzyme such as glucoamylase can be added to the liquefaction. By adding an enzyme such as glucoamylase to the liquefaction, the viscosity of the raw slurry or the liquefied mash can be reduced, and the separation efficiency can be improved. In certain embodiments, any enzyme capable of reducing the viscosity of the raw slurry can be used (eg, Viscozyme®, Sigma-Aldrich, St. Louis, MO). The viscosity of the raw material can be measured by any method known in the art (eg, viscometer, rheometer).

微生物32が、発酵30に導入され得る。ある実施形態において、微生物32が、発酵ブロスに含まれ得る。ある実施形態において、微生物32が、別個の槽またはタンク(例えば、繁殖タンク)中で繁殖され得る。ある実施形態において、繁殖タンクからの微生物は、1つ以上の発酵装置に接種するのに使用され得る。ある実施形態において、1つ以上の繁殖タンクが、本明細書に記載される方法およびシステムに使用され得る。ある実施形態において、繁殖タンクは、発酵装置の約2%〜約5%のサイズであり得る。ある実施形態において、繁殖タンクは、以下のマッシュ、水、酵素、栄養、抽出剤、および微生物のうちの1つ以上を含み得る。ある実施形態において、生成物アルコールが、繁殖タンク中で生成され得る。   Microorganisms 32 can be introduced into the fermentation 30. In certain embodiments, microorganism 32 may be included in the fermentation broth. In certain embodiments, the microorganism 32 can be propagated in a separate tank or tank (eg, a breeding tank). In certain embodiments, microorganisms from a breeding tank can be used to inoculate one or more fermenters. In certain embodiments, one or more breeding tanks can be used in the methods and systems described herein. In certain embodiments, the breeding tank can be about 2% to about 5% of the size of the fermenter. In certain embodiments, the breeding tank may contain one or more of the following mashes, water, enzymes, nutrients, extractants, and microorganisms. In certain embodiments, product alcohol may be produced in the breeding tank.

ある実施形態において、微生物32は、細菌、シアノバクテリア、糸状菌、または酵母であり得る。ある実施形態において、微生物32は、水溶液22中の糖を代謝し、生成物アルコールを生成する。ある実施形態において、微生物32は、組み換え微生物であり得る。ある実施形態において、微生物32は、吸着、共有結合、架橋、閉じ込め、および封入などによって固定化され得る。細胞を閉じ込めるための方法が、例えば、参照により本明細書に援用される米国特許出願公開第2011/0306116号明細書に記載されるように、当該技術分野において公知である。   In certain embodiments, the microorganism 32 may be a bacterium, cyanobacteria, filamentous fungus, or yeast. In certain embodiments, the microorganism 32 metabolizes the sugar in the aqueous solution 22 to produce a product alcohol. In certain embodiments, the microorganism 32 may be a recombinant microorganism. In certain embodiments, the microorganism 32 can be immobilized by adsorption, covalent bonding, crosslinking, confinement, encapsulation, and the like. Methods for confining cells are known in the art, for example, as described in US Patent Application Publication No. 2011/0306116, which is hereby incorporated by reference.

ある実施形態において、原位置生成物除去(ISPR)が、生成物アルコールが微生物32によって生成されるにつれて発酵30から生成物アルコールを除去するのに用いられ得る。ある実施形態において、液液抽出が、ISPRに用いられ得る。ある実施形態において、発酵30は、抽出剤34を受け入れるための入口を有し得る。ある実施形態において、抽出剤34は、発酵30の下流で発酵ブロスに加えられ得る。発酵30または発酵30の下流での抽出剤34の添加の代替的な手段は、点線によって表される。ある実施形態において、ISPRは、繁殖タンク中で行われ得る。ある実施形態において、ISPRは、発酵装置および繁殖タンク中で行われ得る。ある実施形態において、ISPRは、発酵および/または繁殖の開始の時点(例えば、時間0)で行われ得る。発酵および/または繁殖の開始時にISPRを開始することによって、発酵装置および繁殖タンク中の生成物アルコールの濃度が、低いレベルに維持され、それによって、微生物に対する生成物アルコールの影響を最小限に抑え、微生物が、増加した細胞塊を得ることが可能になり得る。ある実施形態において、抽出剤は、繁殖タンクに加えられ得る。ある実施形態において、抽出剤は、繁殖タンクの接種の前に加えられ得る。ある実施形態において、抽出剤は、繁殖タンクの接種の後に加えられ得る。ある実施形態において、抽出剤は、繁殖タンクの接種後の様々な時点で加えられ得る。ある実施形態において、抽出剤は、発酵装置に加えられ得る。ある実施形態において、抽出剤は、発酵装置の接種の前に加えられ得る。ある実施形態において、抽出剤は、発酵装置の接種の後に加えられ得る。ある実施形態において、抽出剤は、発酵装置の接種後の様々な時点で加えられ得る。ある実施形態において、抽出剤は、発酵装置および繁殖タンクに加えられ得る。液液抽出の例が本明細書に記載されている。抽出発酵を用いて発酵ブロスからアルコールを生成し、回収するための方法が、米国特許出願公開第2009/0305370号明細書;米国特許出願公開第2010/0221802号明細書;米国特許出願公開第2011/0097773号明細書;米国特許出願公開第2011/0312044号明細書;米国特許出願公開第2011/0312043号明細書;およびPCT国際公報の国際公開第2011/159998号パンフレットに記載されており;それぞれの内容全体が参照により本明細書に援用される。   In certain embodiments, in-situ product removal (ISPR) may be used to remove product alcohol from fermentation 30 as product alcohol is produced by microorganism 32. In certain embodiments, liquid-liquid extraction can be used for ISPR. In certain embodiments, the fermentation 30 may have an inlet for receiving the extractant 34. In certain embodiments, extractant 34 may be added to the fermentation broth downstream of fermentation 30. An alternative means of adding extractant 34 downstream of fermentation 30 or fermentation 30 is represented by a dotted line. In certain embodiments, ISPR can be performed in a breeding tank. In certain embodiments, ISPR can be performed in fermenters and propagation tanks. In certain embodiments, ISPR may be performed at the start of fermentation and / or propagation (eg, time 0). By initiating ISPR at the beginning of fermentation and / or propagation, the concentration of product alcohol in the fermenter and propagation tank is maintained at a low level, thereby minimizing the effect of product alcohol on the microorganisms. , It may be possible for the microorganism to obtain an increased cell mass. In certain embodiments, the extractant can be added to a breeding tank. In certain embodiments, the extractant can be added prior to inoculation of the breeding tank. In certain embodiments, the extractant can be added after inoculation of the breeding tank. In certain embodiments, the extractant can be added at various times after inoculation of the breeding tank. In certain embodiments, the extractant can be added to the fermentation apparatus. In certain embodiments, the extractant may be added prior to inoculation of the fermenter. In certain embodiments, the extractant may be added after inoculation of the fermenter. In certain embodiments, the extractant can be added at various times after inoculation of the fermenter. In certain embodiments, the extractant can be added to the fermentor and propagation tank. Examples of liquid-liquid extraction are described herein. Methods for producing and recovering alcohol from fermentation broth using extractive fermentation are described in US Patent Application Publication No. 2009/0305370; US Patent Application Publication No. 2010/0221802; US Patent Application Publication 2011. U.S. Patent Application Publication No. 2011/0312044; U.S. Patent Application Publication No. 2011/0312043; and PCT International Publication No. International Publication No. 2011/159998; Is incorporated herein by reference in its entirety.

抽出剤34は、発酵ブロスと接触して、例えば、二相混合物(例えば、生成物アルコールを含む抽出剤富化相および生成物アルコールが希薄な水相)を含む流れ36を形成する。ある実施形態において、流れ36は、例えば、気相、有機相、水相、および固相を含む四相混合物であり得る。発酵ブロス中の生成物アルコール、またはその一部が、抽出剤34に移される。ある実施形態において、流れ36は、発酵30の出口を介して排出され得る。生成物アルコールは、従来の技術を用いて、流れ36中の抽出剤から分離され得る。   The extractant 34 is in contact with the fermentation broth to form a stream 36 containing, for example, a two-phase mixture (eg, an extractant-enriched phase containing product alcohol and an aqueous phase lean in product alcohol). In certain embodiments, stream 36 can be a four-phase mixture including, for example, a gas phase, an organic phase, an aqueous phase, and a solid phase. Product alcohol, or a portion thereof, in the fermentation broth is transferred to the extractant 34. In certain embodiments, the stream 36 may be discharged via the fermentation 30 outlet. The product alcohol can be separated from the extractant in stream 36 using conventional techniques.

ある実施形態において、発酵装置の内部またはデバイスが、発酵ブロスと抽出剤との相分離を向上させるのに使用され得る。例えば、内部またはデバイスは、発酵ブロスと抽出剤との相分離を促進するためのコアレッサとして働き、および/または相分離を向上させるための物理的障壁として働き得る。これらの発酵装置の内部またはデバイスはまた、固体が抽出剤相(または層)中で沈降するのを防ぎ、抽出剤層中に混入され得る水滴の凝集を促進し、オフガス(例えば、CO、空気)の除去を促進し、それによって、抽出剤相および/または液液界面の外乱(disturbance)を最小限に抑え得る。本明細書に記載される方法およびシステムに使用され得る内部またはデバイスの例としては、以下に限定はされないが、バッフル、有孔プレート、ディープウェル、ラメラセパレータ、円錐などが挙げられる。ある実施形態において、有孔プレートは、平坦な水平有孔プレートであり得る。ある実施形態において、円錐は、倒立円錐または同心円錐であり得る。ある実施形態において、内部は、回転してもよい。ある実施形態において、内部またはデバイスは、発酵ブロスおよび抽出剤の液液界面の水位またはおよその水位に位置し得る。ある実施形態において、水相の凝集および回収を向上させるために、凝集パッド(coalescing pad)が追加されてもよく、および/または出口ポートが再配置されてもよい。 In certain embodiments, the interior or device of the fermentation apparatus can be used to improve the phase separation between the fermentation broth and the extractant. For example, the interior or device can serve as a coalescer to facilitate phase separation between the fermentation broth and the extractant and / or can serve as a physical barrier to improve phase separation. The interior or device of these fermenters also prevents solids from settling in the extractant phase (or layer), promotes the aggregation of water droplets that can be incorporated into the extractant layer, and off-gas (eg, CO 2 , (Air) removal, thereby minimizing the extractant phase and / or liquid-liquid interface disturbances. Examples of internals or devices that can be used in the methods and systems described herein include, but are not limited to, baffles, perforated plates, deep wells, lamellar separators, cones, and the like. In certain embodiments, the perforated plate can be a flat horizontal perforated plate. In certain embodiments, the cone may be an inverted cone or a concentric cone. In certain embodiments, the interior may rotate. In certain embodiments, the interior or device may be located at or near the liquid-liquid interface level of the fermentation broth and extractant. In certain embodiments, a coalescing pad may be added and / or the outlet port may be repositioned to improve agglomeration and recovery of the aqueous phase.

ある実施形態において、ISPRおよび/または発酵の完了の前に、流れ35が、発酵30の出口から排出され得る。排出された流れ35は、微生物32を含み得る。微生物32は、例えば、遠心分離または膜ろ過によって、流れ35から分離され得る。ある実施形態において、発酵ブロスへの抽出剤の添加の前に微生物を除去することによって、微生物は、抽出剤に曝されないため、抽出剤が微生物に与え得るいかなる悪影響も受けない。さらに、抽出プロセスの上流で微生物を除去することによって、より積極的な抽出プロセス(例えば、分離を促進するための混合物の加熱または冷却、より高いKおよび/またはより高い選択性の抽出剤、またはより低い生体適合性を有するものの向上した特性を有する抽出剤の使用)が、生成物アルコールを回収するのに用いられ得る。ある実施形態において、微生物32は、生成物アルコールの生成速度を上昇させ得る発酵30に再利用されてもよく、それによって、生成物アルコール生成の効率が向上される。 In certain embodiments, stream 35 may be discharged from the outlet of fermentation 30 prior to completion of ISPR and / or fermentation. The discharged stream 35 may contain microorganisms 32. The microorganism 32 can be separated from the stream 35 by, for example, centrifugation or membrane filtration. In certain embodiments, by removing the microorganisms prior to the addition of the extractant to the fermentation broth, the microorganisms are not exposed to the extractant and thus are not subject to any adverse effects that the extractant can have on the microorganisms. Further, by removing the microorganisms in the upstream of the extraction process, more aggressive extraction process (e.g., heating or cooling of the mixture to facilitate separation, a higher K D and / or higher selectivity of the extraction agent, Or the use of extractants with improved properties but lower biocompatibility) can be used to recover the product alcohol. In certain embodiments, the microorganisms 32 may be recycled to the fermentation 30 that may increase the production rate of product alcohol, thereby improving the efficiency of product alcohol production.

図2を参照すると、ある実施形態において、ISPRは、発酵30の下流で行われ得る。ある実施形態において、生成物アルコールおよび微生物32を含む流れ33は、発酵30の出口から排出され、下流で、例えば、生成物アルコールの回収のために抽出塔に送られ得る。ある実施形態において、流れ33は、ISPRの前に微生物32を分離することによって処理され得る。例えば、流れ33からの微生物32の除去は、遠心分離、ろ過、真空ろ過、ベルトフィルター、加圧ろ過、膜ろ過、精密ろ過、ふるいを用いたろ過、ふるい分け分離、火格子または格子、多孔質格子、浮遊法、ハイドロサイクロン、フィルタープレス、スクリュープレス、重力沈降器、ボルテックス分離器、または液体から固体(例えば、微生物)を分離するのに使用され得る任意の方法もしくは分離デバイスによって行われ得る。微生物32の除去の後、流れ33は、生成物アルコールの回収のために抽出塔に送られ得る。   Referring to FIG. 2, in some embodiments, ISPR may be performed downstream of fermentation 30. In certain embodiments, stream 33 comprising product alcohol and microorganisms 32 may be discharged from the outlet of fermentation 30 and sent downstream, for example, to an extraction tower for product alcohol recovery. In certain embodiments, stream 33 can be processed by separating microorganism 32 prior to ISPR. For example, removal of microorganisms 32 from stream 33 can be performed by centrifugation, filtration, vacuum filtration, belt filter, pressure filtration, membrane filtration, microfiltration, sieving filtration, sieving separation, grate or lattice, porous lattice Can be performed by flotation, hydrocyclone, filter press, screw press, gravity settler, vortex separator, or any method or separation device that can be used to separate solids (eg, microorganisms) from liquids. After removal of microorganism 32, stream 33 may be sent to an extraction tower for product alcohol recovery.

本明細書に記載される方法およびシステムのさらなる実施形態が、図3〜6に示される。発酵装置への抽出剤の添加(例えば、流れ36を生成する)または発酵装置の下流で行われる抽出(例えば、流れ33を生成する)の選択肢を含む図3〜6は、それぞれ図1および2と同様であるため、再度詳細に説明しない。   Further embodiments of the methods and systems described herein are shown in FIGS. 3-6, including the option of adding an extractant to the fermentor (eg, producing stream 36) or extraction performed downstream of the fermentor (eg, producing stream 33) are shown in FIGS. 1 and 2, respectively. Therefore, it will not be described again in detail.

図3を参照すると、本発明のシステムおよび方法は、分離20の出口からの油26の排出を含み得る。原料スラリー16は、発酵性糖を含む第1の液相または水溶液22、非溶解固体を含む固相またはウェットケーキ24、および分離20を出ることができる油26を含む第2の液相へと分離され得る。ある実施形態において、第1の液相、第2の液相、および固相への原料スラリー16の分離は、単一工程で行われ得る。ある実施形態において、原料12は、トウモロコシであり、油26は、トウモロコシ油である。ある実施形態において、油26は、油の貯蔵に適した貯蔵タンクまたは任意のユニットに送られ得る。任意の好適な分離デバイス、例えば、三相遠心分離機が、水溶液22、ウェットケーキ24、および油26を排出するのに使用され得る。ある実施形態において、原料がトウモロコシである場合、トウモロコシ油などの原料12からの油の一部が、ウェットケーキ24中に残る。ある実施形態において、油26が、原料12(例えば、トウモロコシ)から分離20を介して除去されるとき、発酵30中の発酵ブロスは、減少された量のトウモロコシ油を含む。   Referring to FIG. 3, the system and method of the present invention may include the discharge of oil 26 from the outlet of the separation 20. Raw slurry 16 into a first liquid phase or aqueous solution 22 containing fermentable sugars, a solid phase or wet cake 24 containing undissolved solids, and a second liquid phase containing oil 26 that can exit separation 20. Can be separated. In certain embodiments, the separation of the raw slurry 16 into the first liquid phase, the second liquid phase, and the solid phase can be performed in a single step. In certain embodiments, feedstock 12 is corn and oil 26 is corn oil. In certain embodiments, oil 26 may be sent to a storage tank or any unit suitable for storing oil. Any suitable separation device, such as a three-phase centrifuge, can be used to drain the aqueous solution 22, wet cake 24, and oil 26. In certain embodiments, when the raw material is corn, some of the oil from raw material 12, such as corn oil, remains in wet cake 24. In certain embodiments, when the oil 26 is removed from the feedstock 12 (eg, corn) via separation 20, the fermentation broth in fermentation 30 includes a reduced amount of corn oil.

本明細書に記載されるように、ある実施形態において、油は、原料または原料スラリーから分離されてもよく、油貯蔵ユニットに貯蔵され得る。例えば、油は、三相遠心分離機または機械的抽出を含む分離のための任意の好適な手段を用いて、原料または原料スラリーから分離され得る。原料または原料スラリーからの油の除去を向上させるために、界面活性剤、抗乳化剤、または凝集剤ならびに酵素などの油抽出助剤が用いられ得る。油抽出助剤の例としては、以下に限定はされないが、非高分子液体界面活性剤;タルカムパウダー;微細タルカムパウダー;塩(NaOH);炭酸カルシウム;ならびにPectinex(登録商標)Ultra SP−L、Celluclast(登録商標)、およびViscozyme(登録商標)L(Sigma−Aldrich,St.Louis,MO)、およびNZ 33095(Novozymes,Franklinton,NC)などの酵素が挙げられる。   As described herein, in certain embodiments, the oil may be separated from the raw material or raw slurry and stored in an oil storage unit. For example, the oil may be separated from the feed or feed slurry using a three-phase centrifuge or any suitable means for separation including mechanical extraction. Oil extraction aids such as surfactants, demulsifiers, or flocculants as well as enzymes can be used to improve the removal of oil from the raw material or raw material slurry. Examples of oil extraction aids include, but are not limited to, non-polymeric liquid surfactants; talcum powder; fine talcum powder; salt (NaOH); calcium carbonate; and Pectinex® Ultra SP-L, Enzymes such as Celluclast® and Viscozyme® L (Sigma-Aldrich, St. Louis, MO), and NZ 33095 (Novozymes, Franklinton, NC).

図4に示されるように、油が別々に排出されない場合、油はウェットケーキ24とともに除去され得る。ウェットケーキ24が、分離20を介して除去されるとき、ある実施形態において、原料がトウモロコシである場合、トウモロコシ油などの原料12からの油の一部が、ウェットケーキ24中に残る。ウェットケーキ24は、混合60に送られ、水または他の溶媒と組み合わされて、ウェットケーキ混合物65が形成され得る。ある実施形態において、水は、新鮮な水(fresh water)、逆流、調理水(cook water)、プロセス水、蒸留残留水(lutter water)、蒸発水、または発酵処理施設において入手可能な任意の水源、またはそれらの任意の組合せであり得る。ウェットケーキ混合物65は、分離70に送られ、ウェットケーキ24から回収される発酵性糖、およびウェットケーキ74を含む洗浄遠心分離液75が生成され得る。洗浄遠心分離液75は、液化10に再利用され得る。   As shown in FIG. 4, the oil can be removed along with the wet cake 24 if the oil is not drained separately. When the wet cake 24 is removed via the separation 20, in some embodiments, if the feed is corn, some of the oil from the feed 12 such as corn oil remains in the wet cake 24. Wet cake 24 may be sent to mixing 60 and combined with water or other solvent to form wet cake mixture 65. In certain embodiments, the water is fresh water, reverse flow, cook water, process water, luter water, evaporative water, or any water source available in a fermentation treatment facility. Or any combination thereof. The wet cake mixture 65 can be sent to the separation 70 to produce a fermentable sugar recovered from the wet cake 24 and a washed centrifuge 75 containing the wet cake 74. Washed centrifuge liquid 75 can be reused for liquefaction 10.

ある実施形態において、分離70は、例えば、デカンターボウル遠心分離、三相遠心分離、ディスクスタック遠心分離、ろ過遠心分離、デカンター遠心分離、ろ過、真空ろ過、ベルトフィルター、加圧ろ過、膜ろ過、ふるいを用いたろ過、ふるい分け分離、格子、多孔質格子、浮遊法、ハイドロサイクロン、フィルタープレス、スクリュープレス、重力沈降器、ボルテックス分離器、またはそれらの組合せを含む、固体および液体を分離することが可能な任意の分離デバイスであり得る。   In certain embodiments, separation 70 may be, for example, decanter bowl centrifugation, three-phase centrifugation, disk stack centrifugation, filtration centrifugation, decanter centrifugation, filtration, vacuum filtration, belt filter, pressure filtration, membrane filtration, sieving. Capable of separating solids and liquids, including filtration, sieving separation, grids, porous grids, flotation methods, hydrocyclones, filter presses, screw presses, gravity settlers, vortex separators, or combinations thereof Any separation device can be used.

ある実施形態において、ウェットケーキは、1回以上の洗浄サイクルまたは洗浄システムに供され得る。例えば、ウェットケーキ74は、ウェットケーキ74を第2の洗浄システムに送ることによって、さらに処理され得る。ある実施形態において、ウェットケーキ74は、第2の混合60’に送られ、ウェットケーキ混合物65’が形成され得る。ウェットケーキ混合物65’は、第2の分離70’に送られ、洗浄遠心分離液75’およびウェットケーキ74’が生成され得る。洗浄遠心分離液75’は、液化10に再利用され得る。ある実施形態において、洗浄遠心分離液75’は、洗浄遠心分離液75と組み合わされ、液化10に再利用され得る。ある実施形態において、ウェットケーキ74’は、本明細書に記載されるさらなる処理のためにウェットケーキ74と組み合わされ得る。ある実施形態において、分離70’は、例えば、デカンターボウル遠心分離、三相遠心分離、ディスクスタック遠心分離、ろ過遠心分離、デカンター遠心分離、ろ過、真空ろ過、ベルトフィルター、加圧ろ過、膜ろ過、精密ろ過、ふるいを用いたろ過、ふるい分け分離、格子、多孔質格子、浮遊法、ハイドロサイクロン、フィルタープレス、スクリュープレス、重力沈降器、ボルテックス分離器、またはそれらの組合せを含む、固体および液体を分離することが可能な任意の分離デバイスであり得る。ある実施形態において、ウェットケーキは、1回、2回、3回、4回、5回、またはそれ以上の洗浄サイクルまたは洗浄システムに供され得る。   In certain embodiments, the wet cake may be subjected to one or more cleaning cycles or cleaning systems. For example, the wet cake 74 can be further processed by sending the wet cake 74 to a second cleaning system. In certain embodiments, the wet cake 74 may be sent to the second mixing 60 'to form a wet cake mixture 65'. The wet cake mixture 65 'can be sent to the second separation 70' to produce a wash centrifuge 75 'and a wet cake 74'. The washed centrifuge liquid 75 ′ can be reused for liquefaction 10. In certain embodiments, the washed centrifuge 75 'may be combined with the washed centrifuge 75 and reused for liquefaction 10. In certain embodiments, wet cake 74 'may be combined with wet cake 74 for further processing as described herein. In certain embodiments, separation 70 ′ can be, for example, decanter bowl centrifugation, three-phase centrifugation, disk stack centrifugation, filtration centrifugation, decanter centrifugation, filtration, vacuum filtration, belt filter, pressure filtration, membrane filtration, Separation of solids and liquids, including microfiltration, sieving filtration, sieving separation, grids, porous grids, flotation, hydrocyclone, filter press, screw press, gravity settler, vortex separator, or combinations thereof It can be any separation device that can. In certain embodiments, the wet cake may be subjected to one, two, three, four, five, or more cleaning cycles or cleaning systems.

ウェットケーキ74は、シロップと組み合わされ、次に、乾燥されて、任意の好適な公知のプロセスを通してDDGSが形成され得る。ウェットケーキ74からのDDGSの形成にはいくつかの利点がある。非溶解固体が発酵装置に加えられないため、DDGSは、捕捉された抽出剤および/または生成物アルコールを有さず、発酵装置の条件に供されず、発酵装置中に存在する微生物と接触しない。これらの利点により、例えば、動物飼料としてのDDGSを処理するのがより容易になる。   The wet cake 74 can be combined with syrup and then dried to form DDGS through any suitable known process. There are several advantages to forming DDGS from wet cake 74. Because no undissolved solid is added to the fermentor, DDGS has no captured extractant and / or product alcohol, is not subjected to fermentor conditions, and does not contact microorganisms present in the fermentor. . These advantages make it easier to process DDGS as animal feed, for example.

ある実施形態において、非溶解固体の一部が、発酵30に送られ得る。ある実施形態において、非溶解固体のこの部分は、より小さい粒度を有し得る(例えば、微粉)。ある実施形態において、非溶解固体のこの部分は、全蒸留廃液(whole stillage)を形成し得る。ある実施形態において、この全蒸留廃液は、希薄な蒸留廃液(thin stillage)およびウェットケーキを形成するように処理され得る。ある実施形態において、全蒸留廃液から形成されるウェットケーキおよびウェットケーキ74および/または74’は、組み合わされ、DDGSを生成するようにさらに処理され得る。   In certain embodiments, a portion of the undissolved solid can be sent to fermentation 30. In certain embodiments, this portion of the undissolved solid can have a smaller particle size (eg, a fine powder). In certain embodiments, this portion of the undissolved solid may form a total distillation waste. In certain embodiments, the total distillation waste can be treated to form a thin distillation waste and a wet cake. In certain embodiments, the wet cakes and wet cakes 74 and / or 74 'formed from the total distillation effluent can be combined and further processed to produce DDGS.

図4に示されるように、油は、ウェットケーキから別々に排出されず、油は、ウェットケーキの一部として含まれ、最終的にDDGS中に存在する。トウモロコシが、原料として用いられる場合、トウモロコシ油は、トリグリセリド、ジグリセリド、モノグリセリド、脂肪酸、およびリン脂質を含有し、これらは、動物の代謝エネルギー源を提供する。ウェットケーキ中および最終的にDDGS中の油(例えば、トウモロコシ油)の存在により、望ましい動物飼料、例えば、高脂肪含量の動物飼料が得られる。   As shown in FIG. 4, the oil is not drained separately from the wet cake, and the oil is included as part of the wet cake and is ultimately present in the DDGS. When corn is used as a raw material, corn oil contains triglycerides, diglycerides, monoglycerides, fatty acids, and phospholipids, which provide a source of metabolic energy for animals. The presence of oil (eg, corn oil) in the wet cake and ultimately DDGS provides the desired animal feed, eg, high fat content animal feed.

ある実施形態において、油が、ウェットケーキおよびDDGSから分離され、同じかまたは異なるアルコール発酵プロセスにおけるその後の使用のためにISPR抽出剤に転化され得る。バイオマスから抽出剤を得るための方法が、米国特許出願公開第2011/0312044号明細書;米国特許出願公開第2011/0312043号明細書;および米国特許出願公開第2012/0156738号明細書に記載されており;それぞれの内容全体が参照により本明細書に援用される。油が、例えば、溶媒抽出プロセスを含む任意の好適な公知のプロセスを用いてウェットケーキおよびDDGSから分離され得る。本発明の一実施形態において、ウェットケーキまたはDDGSは、抽出ユニットに加えられ、ヘキサンなどの溶媒で洗浄されて、油が除去され得る。用いられ得る他の溶媒としては、例えば、ブタノール、イソヘキサン、エタノール、石油エーテルなどの石油蒸留物、またはそれらの混合物が挙げられる。油の抽出の後、ウェットケーキまたはDDGSは、一切の残留溶媒を除去するように処理され得る。例えば、ウェットケーキまたはDDGSは、当該技術分野において公知の任意の方法を用いて、一切の残留溶媒を蒸発させるように加熱され得る。溶媒を除去した後、ウェットケーキまたはDDGSは、一切の残留水を除去するように乾燥プロセスに供され得る。処理されたウェットケーキは、DDGSを生成するのに使用され得る。処理されたDDGSは、乳牛および肉牛、家禽、ブタ、家畜、ウマ、水産養殖、およびペットなどの動物用の補足飼料として使用され得る。   In certain embodiments, the oil can be separated from the wet cake and DDGS and converted to an ISPR extractant for subsequent use in the same or different alcohol fermentation processes. Methods for obtaining extractants from biomass are described in US Patent Application Publication No. 2011/0312044; US Patent Application Publication No. 2011/0312043; and US Patent Application Publication No. 2012/0156738. The entire contents of each are incorporated herein by reference. The oil can be separated from the wet cake and DDGS using any suitable known process including, for example, a solvent extraction process. In one embodiment of the invention, the wet cake or DDGS can be added to the extraction unit and washed with a solvent such as hexane to remove the oil. Other solvents that can be used include, for example, petroleum distillates such as butanol, isohexane, ethanol, petroleum ether, or mixtures thereof. After oil extraction, the wet cake or DDGS can be treated to remove any residual solvent. For example, the wet cake or DDGS can be heated to evaporate any residual solvent using any method known in the art. After removing the solvent, the wet cake or DDGS can be subjected to a drying process to remove any residual water. The treated wet cake can be used to produce DDGS. Treated DDGS can be used as supplementary feed for animals such as dairy and beef cattle, poultry, pigs, livestock, horses, aquaculture, and pets.

ある実施形態において、抽出剤は、ウェットケーキの色を調節するための手段として使用され得る。例えば、トウモロコシなどの原料は、動物飼料(例えば、家禽飼料)を含む食品中の着色剤として使用され得る顔料(例えば、キサントフィル)を含有する。抽出剤への曝露により、これらの顔料を調節することができ、例えば、より明るい色のウェットケーキが得られる。より明るい色のウェットケーキにより、より明るい色のDDGSが生成され得、これは、ある動物飼料に望ましい品質であり得る。   In certain embodiments, the extractant can be used as a means to adjust the color of the wet cake. For example, raw materials such as corn contain pigments (eg, xanthophyll) that can be used as colorants in foods including animal feed (eg, poultry feed). Exposure to the extractant can adjust these pigments, for example, a lighter color wet cake is obtained. A lighter color wet cake can produce a lighter color DDGS, which may be of the desired quality for certain animal feeds.

ある実施形態において、トウモロコシが原料として使用される場合、キサントフィルが、トウモロコシおよび/または非溶解固体から単離され、DDGSまたは動物飼料中の顔料成分として、または医薬品および栄養補助食品用途のためのサプリメントとして使用され得る。キサントフィルを単離するための方法としては、以下に限定はされないが、サイズ排除クロマトグラフィーなどのクロマトグラフィー、エタノール抽出などの溶媒抽出、およびアルカラーゼ(alcalase)加水分解などの酵素処理が挙げられる(例えば、それぞれの内容全体が参照により本明細書に援用される、Tsui,et al.,J.Food Eng.83:590−595,2007;Li,et al.,Food Science 31:72−77,2010:米国特許第5,648,564号明細書;米国特許第6,169,217号明細書;米国特許第6,329,557号明細書;米国特許第8,236,929号明細書を参照)。ある実施形態において、キサントフィルが、トウモロコシおよび/または非溶解固体から単離され、COFAに加えられ得る。ある実施形態において、COFAおよび/またはキサントフィルは、食品、医薬品、および栄養補助食品用途に使用され得る。   In certain embodiments, when corn is used as a raw material, xanthophyll is isolated from corn and / or undissolved solids, as a pigment component in DDGS or animal feed, or as a supplement for pharmaceutical and dietary supplement applications Can be used as Methods for isolating xanthophyll include, but are not limited to, chromatography such as size exclusion chromatography, solvent extraction such as ethanol extraction, and enzymatic treatment such as alcalase hydrolysis (eg, Tsui, et al., J. Food Eng. 83: 590-595, 2007; Li, et al., Food Science 31: 72-77, 2010, the entire contents of each of which are incorporated herein by reference. U.S. Pat. No. 5,648,564; U.S. Pat. No. 6,169,217; U.S. Pat. No. 6,329,557; U.S. Pat. No. 8,236,929. ). In certain embodiments, xanthophyll can be isolated from corn and / or undissolved solids and added to COFA. In certain embodiments, COFA and / or xanthophyll can be used in food, pharmaceutical, and dietary supplement applications.

ウェットケーキまたはDDGSからの抽出の後、得られる油および溶媒混合物は、油および溶媒の分離のために収集され得る。一実施形態において、油/溶媒混合物は、蒸発によって処理されてもよく、それによって、溶媒は蒸発され、収集され、再利用され得る。回収された油は、同じかまたは異なるアルコール発酵プロセスにおけるその後の使用のためにISPR抽出剤に転化され得る。   After extraction from wet cake or DDGS, the resulting oil and solvent mixture can be collected for oil and solvent separation. In one embodiment, the oil / solvent mixture may be processed by evaporation so that the solvent can be evaporated, collected and reused. The recovered oil can be converted to ISPR extractant for subsequent use in the same or different alcohol fermentation processes.

発酵装置中に存在する油が脂肪酸およびグリセリンに分解され得るため、原料の油成分の除去は生成物アルコール生成にとって有利である。グリセリンは、水中に蓄積し、システム全体にわたって再利用のために利用可能な水の量を減少させ得る。したがって、原料の油成分の除去は、システムを通して再利用され得る水の量を増加させることによって、生成物アルコール生成の効率を高めることができる。   Since the oil present in the fermentor can be broken down into fatty acids and glycerin, removal of the oil component of the feed is advantageous for product alcohol production. Glycerin can accumulate in water and reduce the amount of water available for reuse throughout the system. Thus, removal of the feed oil component can increase the efficiency of product alcohol production by increasing the amount of water that can be recycled through the system.

図5を参照すると、油が、本明細書に記載されるプロセス中の様々な時点で除去され得る。原料スラリー16は、例えば、三相遠心分離機を用いて、第1の液相または水溶液22、油26を含む第2の液相、および固相またはウェットケーキ24へと分離され得る。ウェットケーキ24は、発酵性糖および油を回収するようにさらに処理され得る。ウェットケーキ24は、混合60に送られ、水または他の溶媒と組み合わされて、ウェットケーキ混合物65が形成され得る。ある実施形態において、水は、逆流、調理水、プロセス水、蒸留残留水、蒸発から収集される水、または発酵処理施設で入手可能な任意の水源、またはそれらの任意の組合せであり得る。ウェットケーキ混合物65は、分離70(例えば、三相遠心分離機)に送られ、発酵性糖、油流76、およびウェットケーキ74を含む洗浄遠心分離液75が生成され得る。洗浄遠心分離液75は、液化10に再利用され得る。   Referring to FIG. 5, oil can be removed at various points during the process described herein. The raw slurry 16 can be separated into a first liquid phase or aqueous solution 22, a second liquid phase containing oil 26, and a solid phase or wet cake 24 using, for example, a three-phase centrifuge. The wet cake 24 can be further processed to recover fermentable sugar and oil. Wet cake 24 may be sent to mixing 60 and combined with water or other solvent to form wet cake mixture 65. In certain embodiments, the water can be backflow, cooking water, process water, distilled residual water, water collected from evaporation, or any water source available at a fermentation treatment facility, or any combination thereof. The wet cake mixture 65 may be sent to a separation 70 (eg, a three-phase centrifuge) to produce a washed centrifuge 75 that includes fermentable sugar, oil stream 76, and wet cake 74. Washed centrifuge liquid 75 can be reused for liquefaction 10.

本明細書に記載されるように、ウェットケーキは、1回以上の洗浄サイクルまたは洗浄システムに供され得る。ある実施形態において、ウェットケーキ74は、第2の混合60’に送られ、ウェットケーキ混合物65’が形成され得る。ウェットケーキ混合物65’は、第2の分離70’に送られ、洗浄遠心分離液75’、油流76’およびウェットケーキ74’が生成され得る。洗浄遠心分離液75’は、液化10に再利用され得る。ある実施形態において、洗浄遠心分離液75’は、洗浄遠心分離液75と組み合わされ、液化10に再利用され得る。ある実施形態において、ウェットケーキ74’は、後述されるさらなる処理のためにウェットケーキ74と組み合わされ得る。ある実施形態において、油流76’および油26は、組み合わされ、発酵プロセスに使用され得る抽出剤の生成のためにさらに処理され得るか、または油流76’および油26は、組み合わされ、消費者製品の製造のためにさらに処理され得る。   As described herein, the wet cake may be subjected to one or more cleaning cycles or cleaning systems. In certain embodiments, the wet cake 74 may be sent to the second mixing 60 'to form a wet cake mixture 65'. The wet cake mixture 65 'can be sent to the second separation 70' to produce a wash centrifuge 75 ', an oil stream 76' and a wet cake 74 '. The washed centrifuge liquid 75 ′ can be reused for liquefaction 10. In certain embodiments, the washed centrifuge 75 'may be combined with the washed centrifuge 75 and reused for liquefaction 10. In certain embodiments, the wet cake 74 'can be combined with the wet cake 74 for further processing as described below. In certain embodiments, oil stream 76 'and oil 26 can be combined and further processed to produce an extractant that can be used in a fermentation process, or oil stream 76' and oil 26 can be combined and consumed. Can be further processed for the manufacture of consumer products.

ウェットケーキ74は、シロップと組み合わされ、次に、乾燥されて、任意の好適なプロセスを用いてDDGSが形成され得る。ウェットケーキ74からのDDGSの形成にはいくつかの利点がある。非溶解固体が発酵装置に加えられないため、DDGSは、抽出剤および/または生成物アルコールを含有せず、発酵装置の条件に供されず、発酵装置中に存在する微生物と接触しない。これらの利点により、例えば、動物飼料としてのDDGSを処理するのがより容易になる。本明細書に記載されるように、ある実施形態において、ウェットケーキ74、74’、および全蒸留廃液から形成されるウェットケーキは、組み合わされ、DDGSを生成するようにさらに処理され得る。   The wet cake 74 can be combined with syrup and then dried to form DDGS using any suitable process. There are several advantages to forming DDGS from wet cake 74. Since no undissolved solids are added to the fermentor, DDGS does not contain extractant and / or product alcohol, is not subjected to fermentor conditions, and does not come into contact with microorganisms present in the fermentor. These advantages make it easier to process DDGS as animal feed, for example. As described herein, in certain embodiments, the wet cakes 74, 74 ', and the wet cake formed from the total distillation waste liquor can be combined and further processed to produce DDGS.

図6Aに示されるように、水溶液22およびウェットケーキ24は、組み合わされ、冷却され、発酵30に送られ得る。原料スラリー16は、例えば、三相遠心分離機を用いて、第1の液相または水溶液22、油26を含む第2の液相、および固相またはウェットケーキ24へと分離され得る。ある実施形態において、油26は、油の貯蔵に適した貯蔵タンクまたは任意のユニットに送られ得る。水溶液22およびウェットケーキ24は、混合80に送られ、再スラリー化されて、水溶液/ウェットケーキ混合物82が形成され得る。混合物82は、冷却器90に送られ、冷却された混合物92が生成されてもよく、これが、発酵30に送られ得る。ある実施形態において、油26が、分離20を介して原料スラリー16から除去される場合、混合物82および92は、減少された量の油を含む。   As shown in FIG. 6A, the aqueous solution 22 and wet cake 24 can be combined, cooled, and sent to the fermentation 30. The raw slurry 16 can be separated into a first liquid phase or aqueous solution 22, a second liquid phase containing oil 26, and a solid phase or wet cake 24 using, for example, a three-phase centrifuge. In certain embodiments, oil 26 may be sent to a storage tank or any unit suitable for storing oil. The aqueous solution 22 and wet cake 24 can be sent to the mix 80 and reslurried to form an aqueous solution / wet cake mixture 82. Mixture 82 may be sent to cooler 90 to produce cooled mixture 92, which may be sent to fermentation 30. In certain embodiments, when oil 26 is removed from feed slurry 16 via separation 20, mixtures 82 and 92 include a reduced amount of oil.

別の実施形態において、図6Bに示されるように、原料スラリー16は、分離デバイス(例えば、三相遠心分離機)を用いて分離されて、第1の液相または水溶液22、油26を含む第2の液相、および固相またはウェットケーキ24が生成され得る。水溶液22、ウェットケーキ24、および油26、またはそれらの一部が、発酵30に送られ得る。ある実施形態において、水溶液22、ウェットケーキ24、および油26、またはそれらの一部が、例えば、混合によって組み合わされて、水溶液、ウェットケーキ、および油混合物が形成されてもよく、混合物は、発酵30に送られ得る。ある実施形態において、水溶液22およびウェットケーキ24は、組み合わされて、水溶液およびウェットケーキ混合物が形成されてもよく、次に、油26が、混合物に加えられて、水溶液、ウェットケーキ、および油混合物が形成されてもよく、この混合物は、発酵30に送られ得る。ある実施形態において、水溶液22およびウェットケーキ24は、組み合わされて、水溶液およびウェットケーキ混合物が形成されてもよく、この混合物および油26、またはそれらの一部が、別個の流れとして発酵30に送られ得る。   In another embodiment, as shown in FIG. 6B, the raw slurry 16 is separated using a separation device (eg, a three-phase centrifuge) to include a first liquid phase or aqueous solution 22, oil 26. A second liquid phase and a solid phase or wet cake 24 may be produced. Aqueous solution 22, wet cake 24, and oil 26, or portions thereof, can be sent to fermentation 30. In certain embodiments, the aqueous solution 22, wet cake 24, and oil 26, or portions thereof, may be combined, for example, by mixing to form an aqueous solution, wet cake, and oil mixture, the mixture being fermented 30 can be sent. In certain embodiments, aqueous solution 22 and wet cake 24 may be combined to form an aqueous solution and wet cake mixture, and then oil 26 is added to the mixture to provide the aqueous solution, wet cake, and oil mixture. May be formed and this mixture may be sent to fermentation 30. In certain embodiments, the aqueous solution 22 and wet cake 24 may be combined to form an aqueous solution and wet cake mixture, and the mixture and oil 26, or portions thereof, are sent to the fermentation 30 as a separate stream. Can be.

本明細書に記載される方法およびシステムのさらなる実施形態において、糖化は、別個の糖化システム中で行われ得る。ある実施形態において、糖化システムが、液化10と分離20との間または分離20と発酵30との間に位置し得る。ある実施形態において、液化および/または糖化は、Stargen(商標)(Genencor International,Palo Alto,CA)およびBPX(商標)(Novozymes,Franklinton,NC)などの生でんぷん酵素または低温加水分解酵素を用いて行われ得る。ある実施形態において、原料スラリーは、生でんぷん加水分解(低温調理または低温加水分解としても知られている)に供され得る。   In further embodiments of the methods and systems described herein, saccharification can be performed in a separate saccharification system. In certain embodiments, a saccharification system may be located between liquefaction 10 and separation 20 or between separation 20 and fermentation 30. In certain embodiments, liquefaction and / or saccharification is performed using raw starch enzymes or cold hydrolyzing enzymes such as Stargen ™ (Genencor International, Palo Alto, Calif.) And BPX ™ (Novozymes, Franklinton, NC). Can be done. In certain embodiments, the raw slurry can be subjected to raw starch hydrolysis (also known as low temperature cooking or low temperature hydrolysis).

ある実施形態において、本発明のシステムおよび方法は、非溶解固体および/または油の除去のための一連の2つ以上の分離デバイス(例えば、遠心分離機)を含み得る。例えば、第1の分離ユニットから排出される水溶液は、第2の分離ユニットの入口に送られ得る。第1の分離ユニットおよび第2の分離ユニットは、同一であっても(例えば、2つの三相遠心分離機)または異なっていてもよい(例えば、三相遠心分離機およびデカンター遠心分離機)。分離は、デカンターボウル遠心分離、三相遠心分離、ディスクスタック遠心分離、ろ過遠心分離、デカンター遠心分離、ろ過、真空ろ過、ベルトフィルター、加圧ろ過、膜ろ過、ふるいを用いたろ過、ふるい分け分離、格子、多孔質格子、浮遊法、ハイドロサイクロン、フィルタープレス、スクリュープレス、重力沈降器、ボルテックス分離器、またはそれらの組合せを含むがこれらに限定されないいくつかの手段によって行われ得る。   In certain embodiments, the systems and methods of the present invention may include a series of two or more separation devices (eg, a centrifuge) for removal of undissolved solids and / or oils. For example, the aqueous solution discharged from the first separation unit can be sent to the inlet of the second separation unit. The first separation unit and the second separation unit may be the same (eg, two three-phase centrifuges) or different (eg, a three-phase centrifuge and a decanter centrifuge). Separation includes decanter bowl centrifugation, three-phase centrifugation, disc stack centrifugation, filtration centrifugation, decanter centrifugation, filtration, vacuum filtration, belt filter, pressure filtration, membrane filtration, filtration using sieve, sieving separation, This can be done by several means including but not limited to grids, porous grids, flotation methods, hydrocyclones, filter presses, screw presses, gravity settlers, vortex separators, or combinations thereof.

発酵ブロス中の非溶解固体がないかまたは最小限であることには、いくつかの利点がある。例えば、下流の処理における運転ユニットの必要性がなくなり、それによって、生成物アルコール生成の効率を高めることができる。また、発酵装置を出る発酵ブロス中の非溶解固体がより少ないことの結果として、全蒸留廃液を処理するのに使用される遠心分離機の一部または全てを省略することができる。原料スラリーからの非溶解固体の除去により、バイオマスの処理生産性および費用対効果が向上され得る。向上した生産性としては、発酵前に非溶解固体を除去しない方法およびシステムと比べて、生成物アルコール生成の向上した効率および/または向上した抽出活性が挙げられる。原料スラリーから非溶解固体を分離するための方法およびシステムのさらなる説明については、例えば、それぞれの内容全体が参照により本明細書に援用される米国特許出願公開第2012/0164302号明細書およびPCT国際特許出願第PCT/US2013/51571号明細書を参照されたい。   The absence or minimal of undissolved solids in the fermentation broth has several advantages. For example, the need for operating units in downstream processing is eliminated, thereby increasing the efficiency of product alcohol production. Also, some or all of the centrifuge used to treat the total distillation waste can be omitted as a result of less undissolved solids in the fermentation broth exiting the fermenter. Removal of undissolved solids from the raw slurry can improve biomass processing productivity and cost effectiveness. Improved productivity includes improved efficiency of product alcohol production and / or improved extraction activity compared to methods and systems that do not remove undissolved solids prior to fermentation. For further description of methods and systems for separating undissolved solids from feed slurries, see, for example, US 2012/0164302 and PCT International, each of which is incorporated herein by reference in its entirety. See patent application PCT / US2013 / 51571.

本明細書に記載されるように、生成物アルコールは、液液抽出を含むいくつかの方法を用いて、発酵ブロスから回収され得る。本明細書に記載される方法およびシステムのある実施形態において、抽出剤が、発酵ブロスから生成物アルコールを回収するのに使用され得る。本明細書において使用される抽出剤は、例えば、以下の特性および/または特徴:(i)微生物と生体適合性であること、(ii)発酵ブロスと不混和性であること、(iii)生成物アルコールの抽出のための高い分配係数(Kp)、(iv)栄養および/または水の抽出のための低い分配係数、(v)低い粘度(μ)、(vi)例えば水と比較して、生成物アルコールの高い選択性、(vii)発酵ブロスと比べて低い密度(ρ)または発酵ブロスの密度と比較して異なる密度、(viii)抽出剤および生成物アルコールの下流の処理に適した沸点、(ix)周囲温度より低い融点、(x)固体への最小の吸収性、(xi)発酵ブロスとエマルジョンを形成する傾向が低いこと、(xii)発酵プロセス全体にわたる安定性、(xiii)低コスト、および(xiv)無害であることのうちの1つ以上を有し得る。   As described herein, the product alcohol can be recovered from the fermentation broth using a number of methods including liquid-liquid extraction. In certain embodiments of the methods and systems described herein, an extractant can be used to recover product alcohol from the fermentation broth. The extractant used herein may be, for example, the following properties and / or characteristics: (i) biocompatible with microorganisms, (ii) immiscible with fermentation broth, (iii) produced High partition coefficient (Kp) for extraction of product alcohols, (iv) low partition coefficient for extraction of nutrients and / or water, (v) low viscosity (μ), (vi) compared to eg water, High selectivity of product alcohol, (vii) low density compared to fermentation broth (ρ) or different density compared to density of fermentation broth, (viii) boiling point suitable for downstream processing of extractant and product alcohol (X) melting point below ambient temperature, (x) minimal absorbency to solid, (xi) low tendency to form emulsion with fermentation broth, (xii) stability throughout fermentation process, (xiii) It may have one or more of :) low cost and (xiv) harmless.

ある実施形態において、抽出剤は、本明細書に記載される特定の特性および/または特徴に基づいて選択され得る。例えば、抽出剤の粘度は、システムの物質移動特性、すなわち、生成物アルコールが水相から抽出剤相(すなわち、有機相)へと抽出され得る効率に影響を与え得る。抽出剤の密度は、相分離に影響を与え得る。ある実施形態において、選択性は、抽出剤によって取り込まれる水に対する生成物アルコールの相対量を指す。沸点は、生成物アルコール回収のコストおよび方法に影響を与え得る。例えば、ブタノールが、蒸留によって抽出剤相から回収される場合、抽出剤の沸点は、抽出剤の熱分解もしくは副反応、または蒸留プロセスにおける深い真空の必要性を最小限に抑えながら、ブタノールの分離を可能にするのに十分に低くすべきである。   In certain embodiments, the extractant can be selected based on the particular properties and / or characteristics described herein. For example, the viscosity of the extractant can affect the mass transfer characteristics of the system, that is, the efficiency with which product alcohol can be extracted from the aqueous phase to the extractant phase (ie, the organic phase). The density of the extractant can affect the phase separation. In certain embodiments, selectivity refers to the relative amount of product alcohol relative to water taken up by the extractant. Boiling point can affect the cost and method of product alcohol recovery. For example, if butanol is recovered from the extractant phase by distillation, the boiling point of the extractant will separate the butanol while minimizing the need for a pyrolysis or side reaction of the extractant or a deep vacuum in the distillation process. Should be low enough to allow

抽出剤は、微生物と生体適合性であり得、すなわち、微生物に無害であるかまたは微生物が許容可能なレベルに害される程度に毒性であるに過ぎない。ある実施形態において、生体適合性は、微生物が抽出剤の存在下で発酵性炭素源を利用する能力の尺度を指す。抽出剤の生体適合性の程度は、例えば、抽出剤および生成物アルコールの存在下における微生物のグルコース利用率によって決定され得る。ある実施形態において、非生体適合性抽出剤は、微生物が発酵性炭素源を利用する能力を妨げる抽出剤を指す。例えば、非生体適合性抽出剤により、微生物は、抽出剤が存在しない場合の率の約25%超、約30%超、約35%超、約40%超、約45%超、または約50%超の率でグルコースを利用することができない。   The extractant can be biocompatible with the microorganism, i.e., it is harmless to the microorganism or only toxic to the extent that the microorganism is harmed to an acceptable level. In certain embodiments, biocompatibility refers to a measure of the ability of a microorganism to utilize a fermentable carbon source in the presence of an extractant. The degree of biocompatibility of the extractant can be determined, for example, by the glucose utilization rate of the microorganism in the presence of the extractant and the product alcohol. In certain embodiments, a non-biocompatible extractant refers to an extractant that interferes with the ability of a microorganism to utilize a fermentable carbon source. For example, with a non-biocompatible extractant, the microbe is more than about 25%, greater than about 30%, greater than about 35%, greater than about 40%, greater than about 45%, or about 50% of the rate in the absence of the extractant. Glucose cannot be used at a rate exceeding%.

当業者は、本明細書に記載される所望の特性および/または特徴を最大にし、生成物アルコールの回収を最適化するように抽出剤を選択し得る。当業者は、抽出剤の混合物を使用することが有利であり得ることも理解し得る。例えば、抽出剤混合物は、生成物アルコールの分配係数を増加させるのに使用され得る。さらに、抽出剤混合物は、密度、沸点、および粘度などの、抽出剤の物理的特性を調整し、最適化するのに使用され得る。例えば、適切な組合せが、発酵ブロスから生成物アルコールを除去するための抽出剤の経済的使用を可能にするために、生成物アルコールの十分な分配係数および十分な生体適合性を有する抽出剤を提供し得る。   One skilled in the art can select the extractant to maximize the desired properties and / or characteristics described herein and to optimize the recovery of the product alcohol. One skilled in the art can also appreciate that it may be advantageous to use a mixture of extractants. For example, the extractant mixture can be used to increase the partition coefficient of the product alcohol. In addition, the extractant mixture can be used to adjust and optimize the physical properties of the extractant, such as density, boiling point, and viscosity. For example, an extractant with a sufficient partition coefficient of product alcohol and sufficient biocompatibility to allow an appropriate combination to allow economical use of the extractant to remove product alcohol from the fermentation broth. Can be provided.

ある実施形態において、本明細書に記載される方法およびシステムに有用な抽出剤は、有機溶媒であり得る。ある実施形態において、本明細書に記載される方法およびシステムに有用な抽出剤は、水不混和性有機溶媒であり得る。ある実施形態において、抽出剤は、飽和、単不飽和、多価不飽和C12〜C22の脂肪アルコール、C12〜C22の脂肪酸、C12〜C22の脂肪酸のエステル、C12〜C22の脂肪アルデヒド、C12〜C22の脂肪アミド、およびそれらの混合物からなる群から選択される有機抽出剤であり得る。ある実施形態において、抽出剤はまた、飽和、単不飽和、多価不飽和C〜C22の脂肪アルコール、C〜C28の脂肪酸、C〜C28の脂肪酸のエステル、C〜C22の脂肪アルデヒド、C〜C22の脂肪アミド、およびそれらの混合物からなる群から選択される有機抽出剤であり得る。ある実施形態において、脂肪酸は、C〜C24の脂肪酸であってもよく、および/またはエステルは、C〜C24の脂肪酸のエステルであり得る。ある実施形態において、抽出剤は、飽和、単不飽和、多価不飽和C12〜C18の脂肪アルコール、C12〜C18の脂肪酸、C12〜C18の脂肪酸のエステル、C12〜C18の脂肪アルデヒド、C12〜C18の脂肪アミド、およびそれらの混合物からなる群から選択される有機抽出剤であり得る。ある実施形態において、抽出剤は、飽和、単不飽和、多価不飽和C14〜C18の脂肪アルコール、C14〜C18の脂肪酸、C14〜C18の脂肪酸のエステル、C14〜C18の脂肪アルデヒド、C14〜C18の脂肪アミド、およびそれらの混合物からなる群から選択される有機抽出剤であり得る。ある実施形態において、抽出剤は、飽和、単不飽和、多価不飽和C16〜C18の脂肪アルコール、C16〜C18の脂肪酸、C16〜C18の脂肪酸のエステル、C16〜C18の脂肪アルデヒド、C16〜C18の脂肪アミド、およびそれらの混合物からなる群から選択される有機抽出剤であり得る。ある実施形態において、抽出剤は、カルボン酸を含み得る。ある実施形態において、脂肪酸のエステルは、脂肪酸とアルコールとの組合せ(例えば、脂肪エステル)であり得る。ある実施形態において、アルコールは、生成物アルコールであり得る。ある実施形態において、エステルは、メチルエステル、エチルエステル、プロピルエステル、ブチルエステル、ペンチルエステル、ヘキシルエステル、またはグリセリドであり得る。 In certain embodiments, the extractant useful in the methods and systems described herein can be an organic solvent. In certain embodiments, the extractant useful in the methods and systems described herein can be a water-immiscible organic solvent. In certain embodiments, the extraction agent is saturated, monounsaturated, fatty alcohols, fatty acids C 12 -C 22 polyunsaturated C 12 -C 22, esters of fatty acids of C 12 ~C 22, C 12 ~C It can be an organic extractant selected from the group consisting of 22 fatty aldehydes, C 12 -C 22 fatty amides, and mixtures thereof. In certain embodiments, the extraction may also contain saturated, monounsaturated, esters of polyunsaturated fatty alcohols C 4 -C 22, fatty acids C 4 -C 28, fatty acids C 4 ~C 28, C 4 ~ It can be an organic extractant selected from the group consisting of C 22 fatty aldehydes, C 4 -C 22 fatty amides, and mixtures thereof. In certain embodiments, the fatty acid may be a C 4 to C 24 fatty acid and / or the ester may be an ester of a C 4 to C 24 fatty acid. In certain embodiments, the extraction agent is saturated, monounsaturated, fatty alcohols, fatty acids C 12 -C 18 polyunsaturated C 12 -C 18, esters of fatty acids of C 12 ~C 18, C 12 ~C It can be an organic extractant selected from the group consisting of 18 fatty aldehydes, C 12 -C 18 fatty amides, and mixtures thereof. In certain embodiments, the extraction agent is saturated, monounsaturated, fatty alcohols polyunsaturated C 14 -C 18, fatty acids C 14 -C 18, esters of fatty acids of C 14 ~C 18, C 14 ~C It can be an organic extractant selected from the group consisting of 18 fatty aldehydes, C 14 -C 18 fatty amides, and mixtures thereof. In certain embodiments, the extraction agent is saturated, monounsaturated, esters of polyunsaturated fatty alcohols C 16 -C 18, fatty acids C 16 -C 18, fatty acids C 16 ~C 18, C 16 ~C It can be an organic extractant selected from the group consisting of 18 fatty aldehydes, C 16 -C 18 fatty amides, and mixtures thereof. In certain embodiments, the extractant can include a carboxylic acid. In certain embodiments, the ester of a fatty acid can be a combination of a fatty acid and an alcohol (eg, a fatty ester). In certain embodiments, the alcohol can be a product alcohol. In certain embodiments, the ester can be a methyl ester, ethyl ester, propyl ester, butyl ester, pentyl ester, hexyl ester, or glyceride.

ある実施形態において、抽出剤は、C12〜C22の脂肪アルコール、C12〜C22の脂肪酸、C12〜C22の脂肪酸のエステル、C12〜C22の脂肪アルデヒド、C12〜C22の脂肪アミド、およびそれらの混合物から選択される第1の抽出剤;およびC12〜C22の脂肪アルコール、C12〜C22の脂肪酸、C12〜C22の脂肪酸のエステル、C12〜C22の脂肪アルデヒド、C12〜C22の脂肪アミド、およびそれらの混合物から選択される第2の抽出剤を含み得る。ある実施形態において、抽出剤は、C12〜C22の脂肪アルコール、C12〜C22の脂肪酸、C12〜C22の脂肪酸のエステル、およびそれらの混合物から選択される第1の抽出剤;およびC12〜C22の脂肪アルコール、C12〜C22の脂肪酸、C12〜C22の脂肪酸のエステル、およびそれらの混合物から選択される第2の抽出剤を含み得る。ある実施形態において、抽出剤は、C12〜C18の脂肪アルコール、C12〜C18の脂肪酸、C12〜C18の脂肪酸のエステル、およびそれらの混合物から選択される第1の抽出剤;およびC12〜C18の脂肪アルコール、C12〜C18の脂肪酸、C12〜C18の脂肪酸のエステル、およびそれらの混合物から選択される第2の抽出剤を含み得る。ある実施形態において、抽出剤は、C14〜C18の脂肪アルコール、C14〜C18の脂肪酸、C14〜C18の脂肪酸のエステル、およびそれらの混合物から選択される第1の抽出剤;およびC14〜C18の脂肪アルコール、C14〜C18の脂肪酸、C14〜C18の脂肪酸のエステル、およびそれらの混合物から選択される第2の抽出剤を含み得る。ある実施形態において、抽出剤は、C12〜C22の脂肪アルコール、C12〜C22の脂肪酸、C12〜C22の脂肪酸のエステル、C12〜C22の脂肪アルデヒド、C12〜C22の脂肪アミド、およびそれらの混合物から選択される第1の抽出剤;およびC〜C11の脂肪アルコール、C〜C11の脂肪酸、C〜C11の脂肪酸のエステル、C〜C11の脂肪アルデヒド、およびそれらの混合物から選択される第2の抽出剤を含み得る。 In certain embodiments, the extraction agent, fatty alcohols, fatty acids C 12 -C 22 of C 12 ~C 22, C 12 esters of fatty acids -C 22, fatty aldehydes of C 12 ~C 22, C 12 ~C 22 fatty amides, and first extraction agent selected from mixtures thereof; fatty alcohols and C 12 -C 22, fatty acids C 12 -C 22, esters of fatty acids of C 12 ~C 22, C 12 ~C A second extractant selected from 22 fatty aldehydes, C 12 -C 22 fatty amides, and mixtures thereof may be included. In certain embodiments, the extraction agent is first extraction agent selected from the C 12 fatty alcohols -C 22, fatty acids C 12 -C 22, esters of fatty acids of C 12 -C 22, and mixtures thereof; And a second extractant selected from C 12 -C 22 fatty alcohols, C 12 -C 22 fatty acids, esters of C 12 -C 22 fatty acids, and mixtures thereof. In certain embodiments, the extraction agent is first extraction agent selected from C 12 -C 18 fatty alcohols, fatty acids C 12 -C 18, esters of fatty acids of C 12 -C 18, and mixtures thereof; And a second extractant selected from C 12 -C 18 fatty alcohols, C 12 -C 18 fatty acids, esters of C 12 -C 18 fatty acids, and mixtures thereof. In certain embodiments, the extraction agent is first extractant selected fatty alcohols, fatty acids C 14 -C 18 in C 14 -C 18, esters of fatty acids of C 14 -C 18, and mixtures thereof; And a second extractant selected from C 14 -C 18 fatty alcohols, C 14 -C 18 fatty acids, esters of C 14 -C 18 fatty acids, and mixtures thereof. In certain embodiments, the extraction agent, fatty alcohols, fatty acids C 12 -C 22 of C 12 ~C 22, C 12 esters of fatty acids -C 22, fatty aldehydes of C 12 ~C 22, C 12 ~C 22 fatty amides, and first extraction agent selected from mixtures thereof; fatty alcohols, fatty acids C 7 -C 11 and of C 7 -C 11, esters of fatty acids of C 7 ~C 11, C 7 ~C A second extractant selected from 11 fatty aldehydes, and mixtures thereof.

ある実施形態において、抽出剤は、オレイルアルコール、ベヘニルアルコール、セチルアルコール、ラウリルアルコール(1−ドデカノールとも呼ばれる)、ミリスチルアルコール、ステアリルアルコール、オレイン酸、ラウリン酸、リノール酸、リノレン酸、ミリスチン酸、パルミチン酸、ステアリン酸、オクタン酸、デカン酸、ウンデカン酸、ミリスチン酸メチル、オレイン酸メチル、1−ノナノール、1−デカノール、2−ウンデカノール、1−ノナナール、1−ウンデカノール、ウンデカナール、ラウリンアルデヒド、2−メチルウンデカナール、オレアミド、リノレアミド、パルミトアミド、ステアリルアミド、2−エチル−1−ヘキサノール、2−ヘキシル−1−デカノール、2−オクチル−1−ドデカノール、およびそれらの混合物などの有機抽出剤であり得る。ある実施形態において、抽出剤は、以下のオレイン酸、ラウリン酸、リノール酸、リノレン酸、ミリスチン酸、パルミチン酸、ステアリン酸、オクタン酸、デカン酸、およびウンデカン酸のうちの1つ以上を含み得る。ある実施形態において、抽出剤は、以下のオレイン酸、リノール酸、リノレン酸、ミリスチン酸、パルミチン酸、およびステアリン酸のうちの1つ以上を含み得る。ある実施形態において、抽出剤は、以下のオレイン酸、リノール酸、パルミチン酸、およびステアリン酸のうちの1つ以上を含み得る。ある実施形態において、抽出剤は、以下のオレイン酸、ラウリン酸、リノール酸、リノレン酸、ミリスチン酸、パルミチン酸、ステアリン酸、オクタン酸、デカン酸、およびウンデカン酸のうちの1つ以上、ならびにオレイン酸、ラウリン酸、リノール酸、リノレン酸、ミリスチン酸、パルミチン酸、ステアリン酸、オクタン酸、デカン酸、およびウンデカン酸の1つ以上のエステルを含み得る。ある実施形態において、抽出剤は、以下のオレイン酸、リノール酸、リノレン酸、ミリスチン酸、パルミチン酸、およびステアリン酸のうちの1つ以上、ならびにオレイン酸、リノール酸、リノレン酸、ミリスチン酸、パルミチン酸、およびステアリン酸の1つ以上のエステルを含み得る。ある実施形態において、抽出剤は、以下のオレイン酸、リノール酸、パルミチン酸、およびステアリン酸のうちの1つ以上、ならびにオレイン酸、リノール酸、パルミチン酸、およびステアリン酸の1つ以上のエステルを含み得る。ある実施形態において、抽出剤は、以下のオレイルアルコール、ベヘニルアルコール、セチルアルコール、ラウリルアルコール、ミリスチルアルコール、ステアリルアルコールのうちの1つ以上を含み得る。ある実施形態において、抽出剤は、以下の1−ノナノール、1−デカノール、2−ウンデカノール、1−ノナナール、1−ウンデカノール、ウンデカナール、2−エチル−1−ヘキサノール、2−ヘキシル−1−デカノール、2−オクチル−1−ドデカノールのうちの1つ以上を含み得る。   In certain embodiments, the extractant is oleyl alcohol, behenyl alcohol, cetyl alcohol, lauryl alcohol (also called 1-dodecanol), myristyl alcohol, stearyl alcohol, oleic acid, lauric acid, linoleic acid, linolenic acid, myristic acid, palmitic acid. , Stearic acid, octanoic acid, decanoic acid, undecanoic acid, methyl myristate, methyl oleate, 1-nonanol, 1-decanol, 2-undecanol, 1-nonanal, 1-undecanol, undecanal, laurinaldehyde, 2-methyl Undecanal, oleamide, linoleamide, palmitoamide, stearylamide, 2-ethyl-1-hexanol, 2-hexyl-1-decanol, 2-octyl-1-dodecanol, and their It may be an organic extractant such compounds. In certain embodiments, the extractant may include one or more of the following oleic acid, lauric acid, linoleic acid, linolenic acid, myristic acid, palmitic acid, stearic acid, octanoic acid, decanoic acid, and undecanoic acid. . In certain embodiments, the extractant may include one or more of the following oleic acid, linoleic acid, linolenic acid, myristic acid, palmitic acid, and stearic acid. In certain embodiments, the extractant can include one or more of the following oleic acid, linoleic acid, palmitic acid, and stearic acid. In certain embodiments, the extractant comprises one or more of the following oleic acid, lauric acid, linoleic acid, linolenic acid, myristic acid, palmitic acid, stearic acid, octanoic acid, decanoic acid, and undecanoic acid, and olein One or more esters of acid, lauric acid, linoleic acid, linolenic acid, myristic acid, palmitic acid, stearic acid, octanoic acid, decanoic acid, and undecanoic acid may be included. In certain embodiments, the extractant is one or more of the following oleic acid, linoleic acid, linolenic acid, myristic acid, palmitic acid, and stearic acid, and oleic acid, linoleic acid, linolenic acid, myristic acid, palmitic acid. Acids and one or more esters of stearic acid may be included. In certain embodiments, the extractant comprises one or more of the following oleic acid, linoleic acid, palmitic acid, and stearic acid, and one or more esters of oleic acid, linoleic acid, palmitic acid, and stearic acid. May be included. In certain embodiments, the extractant may include one or more of the following oleyl alcohol, behenyl alcohol, cetyl alcohol, lauryl alcohol, myristyl alcohol, stearyl alcohol. In certain embodiments, the extractant comprises the following 1-nonanol, 1-decanol, 2-undecanol, 1-nonanal, 1-undecanol, undecanal, 2-ethyl-1-hexanol, 2-hexyl-1-decanol, One or more of 2-octyl-1-dodecanol may be included.

ある実施形態において、抽出剤は、生体適合性抽出剤と非生体適合性抽出剤との混合物であり得る。生体適合性抽出剤と非生体適合性抽出剤との混合物の例としては、以下に限定はされないが、オレイルアルコールおよびノナノール、オレイルアルコールおよび1−ウンデカノール、オレイルアルコールおよび2−ウンデカノール、オレイルアルコールおよび1−ノナナール、オレイルアルコールおよびデカノール、およびオレイルアルコールおよびドデカノールが挙げられる。生体適合性および非生体適合性抽出剤のさらなる例が、米国特許出願公開第2009/0305370号明細書および米国特許出願公開第2011/0097773号明細書に記載されており;それぞれの内容全体が参照により本明細書に援用される。ある実施形態において、生体適合性抽出剤は、高い大気圧沸点を有し得る。例えば、生体適合性抽出剤は、水の大気圧沸点より高い大気圧沸点を有し得る。   In certain embodiments, the extractant can be a mixture of a biocompatible extractant and a non-biocompatible extractant. Examples of mixtures of biocompatible and non-biocompatible extractants include, but are not limited to, oleyl alcohol and nonanol, oleyl alcohol and 1-undecanol, oleyl alcohol and 2-undecanol, oleyl alcohol and 1 -Nonanal, oleyl alcohol and decanol, and oleyl alcohol and dodecanol. Further examples of biocompatible and non-biocompatible extractants are described in US 2009/0305370 and US 2011/0097773; see the entire contents of each. Is incorporated herein by reference. In certain embodiments, the biocompatible extractant can have a high atmospheric pressure boiling point. For example, the biocompatible extractant can have an atmospheric boiling point that is higher than the atmospheric boiling point of water.

ある実施形態において、親水性溶質は、抽出剤と接触される発酵ブロスに加えられ得る。水相中の親水性溶質の存在により、相分離が向上され得、有機相に分液される生成物アルコールの割合が増加され得る。親水性溶質の例としては、以下に限定はされないが、ポリヒドロキシル化化合物、ポリカルボン酸化合物、ポリオール化合物、および解離イオン性塩が挙げられる。グルコース、フルクトース、スクロース、マルトース、およびオリゴ糖などの糖類が、親水性溶質として働き得る。他のポリヒドロキシル化化合物としては、グリセロール、エチレングリコール、プロパンジオール、ポリグリセロール、およびヒドロキシル化フラーレンが挙げられる。ポリカルボン酸化合物としては、クエン酸、酒石酸、マレイン酸、コハク酸、ポリアクリル酸、およびそれらのナトリウム塩、カリウム塩、またはアンモニウム塩が挙げられる。発酵ブロス中の親水性溶質として使用され得るイオン性塩は、ナトリウム、カリウム、アンモニウム、マグネシウム、カルシウム、および亜鉛を含むカチオン;ならびにサルフェート、ホスフェート、塩化物、およびニトレートを含むアニオンを含む。発酵ブロス中の親水性溶質の量は、生成物アルコールを生成する微生物の増殖および/または生産性に悪影響を与えずに、水相(例えば、発酵ブロス)から有機相(例えば、抽出剤)への生成物アルコールの移動を最大にするように、当業者によって選択され得る。高いレベルの親水性溶質は、微生物に対する浸透ストレスおよび/または毒性を与え得る。当業者は、微生物に対する浸透ストレスおよび/または毒性の影響を最小限に抑えるための、親水性溶質の最適な量を決定するためのいくつもの公知の方法を使用し得る。   In certain embodiments, a hydrophilic solute can be added to the fermentation broth that is contacted with the extractant. Due to the presence of hydrophilic solutes in the aqueous phase, phase separation can be improved and the proportion of product alcohol that is separated into the organic phase can be increased. Examples of hydrophilic solutes include, but are not limited to, polyhydroxylated compounds, polycarboxylic acid compounds, polyol compounds, and dissociated ionic salts. Sugars such as glucose, fructose, sucrose, maltose, and oligosaccharides can serve as hydrophilic solutes. Other polyhydroxylated compounds include glycerol, ethylene glycol, propanediol, polyglycerol, and hydroxylated fullerene. Examples of the polycarboxylic acid compound include citric acid, tartaric acid, maleic acid, succinic acid, polyacrylic acid, and sodium, potassium, or ammonium salts thereof. Ionic salts that can be used as hydrophilic solutes in the fermentation broth include cations including sodium, potassium, ammonium, magnesium, calcium, and zinc; and anions including sulfate, phosphate, chloride, and nitrate. The amount of hydrophilic solute in the fermentation broth is from the aqueous phase (eg, fermentation broth) to the organic phase (eg, extractant) without adversely affecting the growth and / or productivity of the microorganism that produces the product alcohol. Can be selected by those skilled in the art to maximize the migration of the product alcohol. High levels of hydrophilic solutes can impart osmotic stress and / or toxicity to microorganisms. One skilled in the art can use a number of known methods for determining the optimal amount of hydrophilic solute to minimize the effects of osmotic stress and / or toxicity on microorganisms.

生成物アルコールがブタノールである、ある実施形態において、抽出剤は、ブタノールのアルキル部分を引き付け、水への親和性をほとんどまたは全く提供しないように選択され得る。例えば水に水素結合を提供しない抽出剤が、アルコールを選択的に吸収する。ある実施形態において、抽出剤は、芳香族化合物を含み得る。ある実施形態において、抽出剤は、クメン、パラ−シメン(1−メチル−4−(1−メチルエチル)ベンゼンとしても知られている)、メタ−シメン(1−メチル−3−(1−メチルエチル)ベンゼンとしても知られている)、メタ−ジイソプロピルベンゼン、パラ−ジイソプロピルベンゼン、トリエチルベンゼン、エチルブチルベンゼン、およびtert−ブチルスチレンを含むがこれらに限定されないアルキル置換ベンゼンを含み得る。アルキル置換ベンゼンを用いる利点は、他の炭化水素と比べて、比較的高いブタノール親和性である。さらに、イソプロピル置換またはイソブチル置換ベンゼンが、他の置換ベンゼンより、ブタノール親和性に特定の利点を提供し得る。別の利点は、相分離可能性および長期の再利用に役立つ、より低い粘度、より低い表面張力、より低い密度、より高い熱安定性、およびより高い化学安定性である。ある実施形態において、ブタノールのアルキル部分を引き付ける抽出剤は、例えば、ブタノールのヒドロキシル部分への水素結合の形態で親和性を提供する別の抽出剤と組み合わされてもよく、それによって、混合物は、水を上回る、選択性と分配(partitioning)との最適なバランスを提供する。ある実施形態において、ブタノールを含有する抽出剤は、発酵ブロスから分離され、真空下で動作するカラム中で蒸留される相であり得る。この蒸留は、抽出剤をほとんど含有しない高純度ブタノールの留出物を維持するために、還流状態で動作し得る。塔底物は、真空下での再沸騰温度が、利用可能な蒸気から間接的に熱を供給するのに好適であるように、蒸留原料に含まれるブタノールの部分を含み得る。蒸留は、分縮器を用いて行われてもよく、ここで、還流液のみが凝縮され、実質的にブタノール組成物の蒸気留出物が、凝縮されたビール塔の塔頂蒸気からデカントされたブタノール流を同時に供給される精留塔の塔底部に直接送られ得る。このタイプの蒸留の利点は、抽出剤からブタノールを取り除くことにより生成される蒸気を取り込む熱によって、デカントされたブタノール流を精製するためのリボイラーの必要性がなくなることである。   In certain embodiments where the product alcohol is butanol, the extractant can be selected to attract the alkyl portion of butanol and provide little or no affinity for water. For example, an extractant that does not provide hydrogen bonds to water selectively absorbs alcohol. In certain embodiments, the extractant can include an aromatic compound. In certain embodiments, the extractant is cumene, para-cymene (also known as 1-methyl-4- (1-methylethyl) benzene), meta-cymene (1-methyl-3- (1-methyl). It may also include alkyl-substituted benzenes, including but not limited to, meta-diisopropylbenzene, para-diisopropylbenzene, triethylbenzene, ethylbutylbenzene, and tert-butylstyrene. The advantage of using an alkyl-substituted benzene is a relatively high butanol affinity compared to other hydrocarbons. Furthermore, isopropyl substituted or isobutyl substituted benzene may provide certain advantages for butanol affinity over other substituted benzenes. Another advantage is lower viscosity, lower surface tension, lower density, higher thermal stability, and higher chemical stability, which aids phase separability and long term reuse. In certain embodiments, an extractant that attracts the alkyl portion of butanol may be combined with another extractant that provides affinity, for example, in the form of hydrogen bonds to the hydroxyl portion of butanol, whereby the mixture is Provides an optimal balance of selectivity and partitioning over water. In certain embodiments, the butanol-containing extractant can be a phase that is separated from the fermentation broth and distilled in a column operating under vacuum. This distillation can operate at reflux to maintain a high purity butanol distillate that contains little extractant. The bottoms can include a portion of butanol contained in the distillation feed so that the reboiling temperature under vacuum is suitable for supplying heat indirectly from the available steam. The distillation may be carried out using a condensing device, where only the reflux liquid is condensed and the substantially butanol composition vapor distillate is decanted from the condensed beer tower overhead vapor. The butanol stream can be sent directly to the bottom of a rectification column fed simultaneously. The advantage of this type of distillation is that the heat that entrains the vapor generated by removing butanol from the extractant eliminates the need for a reboiler to purify the decanted butanol stream.

ある実施形態において、抽出剤は、原料から生成され得る。例えば、原料中に存在するトウモロコシ油などの油が、抽出発酵用の抽出剤の生成に使用され得る。油中のグリセリドは、生成物アルコールの回収のための抽出剤として使用され得る、脂肪酸および/または脂肪エステル(例えば、エチルエステル、ブチルエステル、フーゼルエステル)などの反応生成物へと化学的にまたは酵素的に転化され得る。トウモロコシ油を例として用いると、トウモロコシ油トリグリセリドは、水酸化アンモニアなどの塩基と反応されて、脂肪アミドおよびグリセロールが得られる。ある実施形態において、原料中の油が、触媒によって加水分解されて、脂肪酸が生成され得る。ある実施形態において、油中のアシルグリセリドの少なくとも一部が、油を触媒と接触させることによって、カルボン酸へと加水分解され得る。ある実施形態において、得られる酸/油組成物は、油中のアシルグリセリドの部分加水分解からのモノグリセリドおよび/またはジグリセリドを含む。ある実施形態において、得られる酸/油組成物は、グリセロール、アシルグリセリド加水分解の副生成物を含む。ある実施形態において、得られる酸/油組成物は、油中のリン脂質の部分加水分解からのリゾリン脂質を含む。バイオマスから抽出剤を得るための方法が、米国特許出願公開第2011/0312044号明細書;米国特許出願公開第2011/0312043号明細書;および米国特許出願公開第2012/0156738号明細書に記載されており、それぞれの内容全体が全て、参照により本明細書に援用される。   In certain embodiments, the extractant can be produced from a raw material. For example, oil such as corn oil present in the feedstock can be used to produce an extractant for extractive fermentation. The glycerides in the oil chemically or into reaction products such as fatty acids and / or fatty esters (eg, ethyl esters, butyl esters, fusel esters) that can be used as extractants for the recovery of product alcohol It can be converted enzymatically. Using corn oil as an example, corn oil triglycerides are reacted with a base such as ammonia hydroxide to give fatty amides and glycerol. In certain embodiments, the oil in the feed can be hydrolyzed by a catalyst to produce fatty acids. In certain embodiments, at least a portion of the acylglycerides in the oil can be hydrolyzed to a carboxylic acid by contacting the oil with a catalyst. In certain embodiments, the resulting acid / oil composition comprises monoglycerides and / or diglycerides from partial hydrolysis of acylglycerides in the oil. In certain embodiments, the resulting acid / oil composition comprises glycerol, an acylglyceride hydrolysis byproduct. In certain embodiments, the resulting acid / oil composition comprises lysophospholipids from partial hydrolysis of phospholipids in the oil. Methods for obtaining extractants from biomass are described in US Patent Application Publication No. 2011/0312044; US Patent Application Publication No. 2011/0312043; and US Patent Application Publication No. 2012/0156738. The entire contents of each of which are hereby incorporated by reference.

ある実施形態において、原料または原料スラリー中の油の転化(例えば、加水分解、エステル交換)は、発酵装置への触媒の添加によって発酵装置中で行われ得る。例えば、リパーゼなどの触媒が、発酵装置に加えられて、原料または原料スラリー中に存在する油が、脂肪酸および/または脂肪エステルに転化され得る。ある実施形態において、原料または原料スラリー中の油の転化は、別個のユニット中で行われ得る。例えば、原料または原料スラリーは、ユニットに送られてもよく、リパーゼなどの触媒が、このユニットに加えられて、原料または原料スラリー中に存在する油が脂肪酸に転化され得る。別の例として、原料または原料スラリーは、ユニットに送られてもよく、リパーゼおよびアルコール(例えば、エタノール、ブタノール、フーゼルアルコール)などの触媒が、このユニットに加えられて、原料または原料スラリー中に存在する油が脂肪エステルに転化され得る。ある実施形態において、脂肪酸および/または脂肪エステルは、発酵装置に加えられてもよく、生成物アルコールの回収のために抽出剤として使用され得る。ある実施形態において、脂肪酸および/または脂肪エステルは、外部の抽出器または抽出剤塔に加えられてもよく、生成物アルコールの回収のために抽出剤として使用され得る。   In certain embodiments, the conversion (eg, hydrolysis, transesterification) of the oil in the feed or feed slurry can be performed in the fermenter by the addition of a catalyst to the fermenter. For example, a catalyst such as lipase can be added to the fermenter to convert the oil present in the feed or feed slurry to fatty acids and / or fatty esters. In certain embodiments, the conversion of the oil in the feed or feed slurry can be performed in a separate unit. For example, the raw material or raw material slurry may be sent to a unit and a catalyst such as lipase may be added to the unit to convert the oil present in the raw material or raw material slurry to fatty acids. As another example, the raw material or raw slurry may be sent to a unit, and a catalyst such as lipase and alcohol (eg, ethanol, butanol, fusel alcohol) is added to the unit and into the raw material or raw slurry. The oil present can be converted to fatty esters. In certain embodiments, fatty acids and / or fatty esters may be added to the fermenter and used as extractants for the recovery of product alcohol. In certain embodiments, fatty acids and / or fatty esters may be added to an external extractor or extractant tower and used as an extractant for the recovery of product alcohol.

ある実施形態において、油が、原料スラリーから分離されてもよく、油は、ユニットに送られてもよく、リパーゼなどの触媒が、このユニットに加えられて、脂肪酸流が生成され得る。脂肪酸流は、リパーゼを失活させるように加熱されてもよく、次に、脂肪酸流は、外部の抽出器または貯蔵タンクに送られ得る。貯蔵タンクからの脂肪酸が、発酵ブロスからの生成物アルコールの抽出のために外部の抽出器に送られ得る。ある実施形態において、原料スラリーから分離される油が、貯蔵タンクに貯蔵され得る。リパーゼなどの触媒が、貯蔵タンクに加えられて、脂肪酸流が生成され得る。脂肪酸流は、リパーゼを失活させるように加熱され、冷却され、次に、発酵ブロスからの生成物アルコールの抽出のために外部の抽出器に送られ得る。ある実施形態において、原料スラリーから分離される油が、ユニットに送られてもよく、リパーゼなどの触媒が、このユニットに加えられて、脂肪酸流が生成され得る。脂肪酸流は、リパーゼを失活させるように加熱され、冷却されてもよく、次に、脂肪酸流は、発酵装置に送られ得る。   In certain embodiments, the oil may be separated from the feed slurry, the oil may be sent to a unit, and a catalyst such as lipase may be added to the unit to produce a fatty acid stream. The fatty acid stream may be heated to deactivate the lipase and then the fatty acid stream may be sent to an external extractor or storage tank. Fatty acids from the storage tank can be sent to an external extractor for extraction of product alcohol from the fermentation broth. In certain embodiments, the oil separated from the raw slurry can be stored in a storage tank. A catalyst such as lipase can be added to the storage tank to produce a fatty acid stream. The fatty acid stream can be heated to quench the lipase, cooled, and then sent to an external extractor for extraction of product alcohol from the fermentation broth. In certain embodiments, oil separated from the raw slurry may be sent to the unit and a catalyst such as lipase may be added to the unit to produce a fatty acid stream. The fatty acid stream may be heated and cooled to inactivate the lipase, and then the fatty acid stream may be sent to the fermenter.

ある実施形態において、1つ以上の触媒は、1つ以上の酵素、例えば、ヒドロラーゼ酵素であり得る。ある実施形態において、1つ以上の触媒は、1つ以上の酵素、例えば、リパーゼ酵素であり得る。リパーゼ酵素は、例えば、アブシディア属(Absidia)、アクロモバクター属(Achromobacter)、アエロモナス属(Aeromonas)、アルカリゲネス属(Alcaligenes)、アルテルナリア属(Alternaria)、アスペルギルス属(Aspergillus)、アクロモバクター属(Achromobacter)、アウレオバシジウム属(Aureobasidium)、バチルス属(Bacillus)、ビューベリア属(Beauveria)、ブロコトリックス属(Brochothrix)、カンジダ属(Candida)、クロモバクター属(Chromobacter)、コプリナス属(Coprinus)、フザリウム属(Fusarium)、ゲオトリクム属(Geotricum)、ハンゼヌラ属(Hansenula)、フミコラ属(Humicola)、ハイホジーマ属(Hyphozyma)、ラクトバチルス属(Lactobacillus)、メタリジウム属(Metarhizium)、ケカビ属(Mucor)、ネクトリア属(Nectria)、アカパンカビ属(Neurospora)、ペシロマイセス属(Paecilomyces)、ペニシリウム属(Penicillium)、シュードモナス属(Pseudomonas)、リゾクトニア菌(Rhizoctonia)、リゾムコール属(Rhizomucor)、クモノスカビ属(Rhizopus)、ロドスポリジウム属(Rhodosporidium)、ロドトルラ属(Rhodotorula)、サッカロマイセス属(Saccharomyces)、イノシシ属(Sus)、スポロボロマイセス属(Sporobolomyces)、サーモマイセス属(Thermomyces)、チアロスポレラ(Thiarosporella)、トリコデルマ属(Trichoderma)、バーティシリウム属(Verticillium)、および/またはヤロウィア属(Yarrowia)を含む任意の供給源に由来し得る。ある実施形態において、リパーゼの供給源は、アブシディア・ブラケスレーナ(Absidia blakesleena)、アブシディア・コリムビフェラ(Absidia corymbifera)、アクロモバクター・イオファガス(Achromobacter iophagus)、アルカリゲネス属(Alcaligenes sp.)、アルタナリア・ブラシキコラ(Alternaria brassiciola)、アスペルギルス・フラブス(Aspergillus flavus)、アスペルギルス・ニガー(Aspergillus niger)、アスペルギルス・ツビンゲンシス(Aspergillus tubingensis)、アウレオバシジウム・プルランス(Aureobasidium pullulans)、バチルス・コアグランス(Bacillus coagulans)、バチルス・プミルス(Bacillus pumilus)、バチルス・ステアロサーモフィルス(Bacillus strearothermophilus)、枯草菌(Bacillus subtilis)、ブロコトリクス・サーモソハタ(Brochothrix thermosohata)、バークホルデリア・セパシア(Burkholderia cepacia)、カンジダ・キリンドラケア(Candida cylindracea)(カンジダ・ルゴサ(Candida rugosa))、カンジダ・パラリポリティカ(Candida paralipolytica)、カンジダ・アンタークティカ(Candida antarctica)リパーゼA、カンジダ・アンタークティカ(Candida antarctica)リパーゼB、カンジダ・エルノビ(Candida ernobii)、カンジダ・デフォルマンス(Candida deformans)、カンジダ・ルゴサ(Candida rugosa)、カンジダ・パラプシロシス(Candida parapsilosis)、クロモバクター・ビスコスム(Chromobacter viscosum)、ネナガヒトヨタケ(Coprinus cinerius)、フザリウム・ヘテロスポルム(Fusarium heterosporum)、フザリウム・オキシスポルム(Fusarium oxysporum)、フザリウム・ソラニ(Fusarium solani)、フザリウム・ソラニピシ(Fusarium solanipisi)、フザリウム・ロゼウム・クルモルム(Fusarium roseum culmorum)、ゲオトリクム・カンジドゥム(Geotrichum candidum)、ゲオトリクム・ペニシラツム(Geotricum penicillatum)、ハンゼヌラ・アノマラ(Hansenula anomala)、フミコラ・ブレビスポラ(Humicola brevispora)、フミコラ・ブレビス変種サーモイデア(Humicola brevis var.thermoidea)、フミコラ・インソレンス(Humicola insolens)、ラクトバチルス・クルヴァトゥス(Lactobacillus curvatus)、リゾプス・オリゼ(Rhizopus oryzae)、ムコール・ジャバニクス(Mucor javanicus)、アカパンカビ(Neurospora crassa)、ネクトリア・ハエマトコカ(Nectria haematococca)、ペニシリウム・シクロピウム(Penicillium cyclopium)、ペニシリウム・クルストスム(Penicillium crustosum)、ペニシリウム・エクスパンスム(Penicillium expansum)、ペニシリウム・ロックフォルティ(Penicillium roqueforti)、ペニシリウム・カメンベルティ(Penicillium camembertii)、ペニシリウム属(Penicillium sp.)I、ペニシリウム属(Penicillium sp.)II、緑膿菌(Pseudomonas aeruginosa)、シュードモナス・アルカリゲネス(Pseudomonas alcaligenes)、シュードモナス・セパシア(Pseudomonas cepacia)(別名、バークホルデリア・セパシア(Burkholderia cepacia))、蛍光菌(Pseudomonas fluorescens)、シュードモナス・フラギ(Pseudomonas fragi)、シュードモナス・マルトフィリア(Pseudomonas maltophilia)、シュードモナス・メンドシナ(Pseudomonas mendocina)、シュードモナス・メフィティカ・リポリティカ(Pseudomonas mephitica lipolytica)、シュードモナス・アルカリゲネス(Pseudomonas alcaligenes)、シュードモナス・プランタリ(Pseudomonas plantari)、シュードモナス・シュードアルカリゲネス(Pseudomonas pseudoalcaligenes)、シュードモナス・プチダ(Pseudomonas putida)、シュードモナス・スツッツェリ(Pseudomonas stutzeri)、およびシュードモナス・ウィスコンシネンシス(Pseudomonas wisconsinensis)、イネ紋枯病菌(Rhizoctonia solani)、リゾムコール・ミエヘイ(Rhizomucor miehei)、リゾプス・アリズス(Rhizopus arrhizus)、リゾプス・デレマ(Rhizopus delemar)、リゾプス・ジャポニクス(Rhizopus japonicus)、リゾプス・ミクロスポルス(Rhizopus microsporus)、リゾプス・ノドスス(Rhizopus nodosus)、リゾプス・オリゼ(Rhizopus oryzae)、ロドスポリジウム・トルロイデス(Rhodosporidium toruloides)、ロドトルラ・グルチニス(Rhodotorula glutinis)、サッカロマイセス・セレビシエ(Saccharomyces cerevisiae)、スポロボロマイセス・シバタヌス(Sporobolomyces shibatanus)、イノシシ(Sus scrofa)、サーモマイセス・ラヌギノスス(Thermomyces lanuginosus)(旧フミコラ・ラヌギノサ(Humicola lanuginose))、チアロスポレラ・ファセオリナ(Thiarosporella phaseolina)、トリコデルマ・ハルジアヌム(Trichoderma harzianum)、トリコデルマ・リーゼイ(Trichoderma reesei)、およびヤロウィア・リポリティカ(Yarrowia lipolytica)からなる群から選択され得る。   In certain embodiments, the one or more catalysts can be one or more enzymes, eg, hydrolase enzymes. In certain embodiments, the one or more catalysts can be one or more enzymes, such as a lipase enzyme. The lipase enzymes are, for example, Absidia, Achromobacter, Aeromonas, Alcaligenes, Alternaria, Aspergillus, Aspergillus, Achromobacter, Aureobasidium, Bacillus, Beauveria, Brochothrix, Candida, Cromobacter, Chromobacter, Chromobacter Genus (Fusarium), Geotricum (Geotri) um), Hansenula, Humicola, Hyphozyma, Lactobacillus, Metarhidium, Mucor, Nectria, Nectria, and Nectria ), Pecilomyces, Penicillium, Pseudomonas, Rhizoctonia, Rhizomucor, Rhizodrum ), Saccharomyces (S ccharomyces), wild boar (Sus), sporoboromyces, Thermomyces, Thiarosporelella, Trichoderma il / Virticia wi ) From any source. In certain embodiments, the source of lipase is Absidia blackesleena, Absidia corimbifera, Achromobacter iophagas, Alkalinea sp. brassicola, Aspergillus flavus, Aspergillus niger, Aspergillus tubingensis, Aureobasiul pulid (Aureobasiul pulidus) lans), Bacillus coagulans, Bacillus pumilus, Bacillus stearothermophilus, rothia thorax (Bacillis subtilis) (Burkholderia cepacia), Candida cylindracea (Candida rugosa), Candida paralipolytica (Candida paralipolitica), Candida antida arctica lipase A, Candida antarctica lipase B, Candida ernobii, Candida deformos, Candida rosida Chromobacter viscosum, Corinus cinerius, Fusarium heterosporum, Fusarium oxysporum, Fusarium oxysporum Potassium-Soranipishi (Fusarium solanipisi), Fusarium roseum, Kurumorumu (Fusarium roseum culmorum), Geotrichum-Kanjidumu (Geotrichum candidum), Geotrichum-Penishiratsumu (Geotricum penicillatum), Hansenula anomala (Hansenula anomala), Humicola Burebisupora (Humicola brevispora) , Humicola brevis var. Thermoidea (Humicola brevis var. thermoidea, Humicola insolens, Lactobacillus curtotus, Rhizopus auricae, Mucor javnicus (Mucor javanics) Penicillium cyclopium, Penicillium crustosum, Penicillium expansum, Penicillium rockforti roqueforti, Penicillium camembertii, Penicillium sp. II, Penicillium sp. al, Pseudomonas aeruginosa Pseudomonas cepacia (also known as Burkholderia cepacia), Pseudomonas fluorescens, Pseudomonas fragii, Pseudomonas on multoria maltophilia), Pseudomonas mendocina (Pseudomonas mendocina), Pseudomonas Mefitika lipolytica (Pseudomonas mephitica lipolytica), Pseudomonas Alcaligenes (Pseudomonas alcaligenes), Pseudomonas Purantari (Pseudomonas plantari), Pseudomonas shoe de alkali monocytogenes (Pseudomonas pseudoalcaligenes), Pseudomonas putida (Pseudomonas putida), Pseudomonas stutzeri, and Pseudomonas Wisconsinensis (Pseudomona) wisconsinensis), rice sheath blight fungus (Rhizoctonia solani), Rhizomucor miehei (Rhizomucor miehei), Rhizopus Arizusu (Rhizopus arrhizus), Rhizopus Derema (Rhizopus delemar), Rhizopus japonicus (Rhizopus japonicus), Rhizopus Mikurosuporusu (Rhizopus microsporus, Rhizopus nodosus, Rhizopus oryzae, Rhodosporidium toruloides, Rhodotorus glutinosto Cerevisiae (Saccharomyces cerevisiae), scan polo rags My Seth Shibatanusu (Sporobolomyces shibatanus), wild boar (Sus scrofa), Thermomyces lanuginosus (Thermomyces lanuginosus) (formerly Humicola lanuginosa (Humicola lanuginose)), Chiarosuporera-Faseorina (Thiarosporella phaseolina), It can be selected from the group consisting of Trichoderma harzianum, Trichoderma reesei, and Yarrowia lipolytica.

ある実施形態において、ヒドロラーゼおよび/またはリパーゼは、微生物によって発現され得る。ある実施形態において、微生物は、同種または異種のヒドロラーゼおよび/またはリパーゼを発現するように操作され得る(engineered)。ある実施形態において、ヒドロラーゼおよび/またはリパーゼは、生成物アルコールも生成する微生物によって発現され得る。ある実施形態において、ヒドロラーゼおよび/またはリパーゼは、ブタノール生合成経路も発現する微生物によって発現され得る。ある実施形態において、ブタノール生合成経路は、1−ブタノール生合成経路、2−ブタノール生合成経路、イソブタノール生合成経路、または2−ブタノン生合成経路であり得る。   In certain embodiments, the hydrolase and / or lipase can be expressed by a microorganism. In certain embodiments, the microorganism can be engineered to express homologous or heterologous hydrolases and / or lipases. In certain embodiments, the hydrolase and / or lipase can be expressed by a microorganism that also produces product alcohol. In certain embodiments, the hydrolase and / or lipase can be expressed by a microorganism that also expresses the butanol biosynthetic pathway. In certain embodiments, the butanol biosynthesis pathway can be the 1-butanol biosynthesis pathway, the 2-butanol biosynthesis pathway, the isobutanol biosynthesis pathway, or the 2-butanone biosynthesis pathway.

触媒として適した市販のリパーゼ調製物としては、以下に限定はされないが、Novozymes(Franklinton,NC)から入手可能な、Lipolase(登録商標)100 L、Lipex(登録商標)100L、Lipoclean(登録商標)2000T、Lipozyme(登録商標)CALB L、Novozyme(登録商標)CALA L、およびPalatase 20000L、あるいはSigma Aldrich(St.Louis,MO)から入手可能な、蛍光菌(Pseudomonas fluorescens)、シュードモナス・セパシア(Pseudomonas cepacia)、ムコール・ミエヘイ(Mucor miehei)、ブタ膵臓(hog pancreas)、カンジダ・キリンドラケア(Candida cylindracea)、カンジダ・ルゴサ(Candida rugosa)、リゾプス・ニベウス(Rhizopus niveus)、カンジダ・アンタークティカ(Candida antarctica)、リゾプス・アリズス(Rhizopus arrhizus)またはアスペルギルス属(Aspergillus)に由来するリパーゼが挙げられる。ある実施形態において、リパーゼは、熱安定性および/または耐熱性、および/または溶媒耐性であり得る。   Commercially available lipase preparations suitable as catalysts include, but are not limited to, Lipolase® 100 L, Lipex® 100 L, Lipoclean®, available from Novozymes (Franklinton, NC). 2000T, Lipozyme (R) CALB L, Novozyme (R) CALA L, and Palatase 20000L, or available from Sigma Aldrich (St. Louis, MO), Pseudomonas fluorescens, ), Mucor miehei, hog pancreas, Candida ki Candida cylindracea, Candida rugosa, Rhizopus niveus, Candida antarctica, genus sp. Can be mentioned. In certain embodiments, the lipase may be heat stable and / or heat resistant and / or solvent resistant.

ある実施形態において、1つ以上の触媒は、ホスホリパーゼであり得る。本発明に有用なホスホリパーゼは、様々な生物学的供給源、例えば、以下に限定はされないが、フザリウム・クルモルム(Fusarium culmorum)、フザリウム・ヘテロスポルム(Fusarium heterosporum)、フザリウム・ソラニ(Fusarium solani)、もしくはフザリウム・オキシスポルム(Fusarium oxysporum)の菌株などのフザリウム属(Fusarium)内の糸状菌種;またはアワモリコウジカビ(Aspergillus awamori)、アスペルギルス・フォエティダス(Aspergillus foetidus)、アスペルギルス・ジャポニクス(Aspergillus japonicus)、アスペルギルス・ニガー(Aspergillus niger)もしくはニホンコウジカビ(Aspergillus oryzae)の菌株などのアスペルギルス属(Aspergillus)内の糸状菌種から得られる。Lecitase(登録商標)Ultra(Novozymes A’S,Denmark)という商品などのサーモマイセス・ラヌギノスス(Thermomyces lanuginosus)ホスホリパーゼ変異体も本発明に有用である。1つ以上のホスホリパーゼが、凍結乾燥粉末として適用され、固定化され、または水溶液に溶解され得る。   In certain embodiments, the one or more catalysts can be a phospholipase. Phospholipases useful in the present invention can be of various biological sources, such as, but not limited to, Fusarium culmorum, Fusarium heterosporum, Fusarium solani, or Filamentous fungi within the genus Fusarium, such as the strain of Fusarium oxysporum; Aspergill s niger) or obtained from Aspergillus oryzae (Aspergillus oryzae) of the genus Aspergillus, such as strains (Aspergillus) in the filamentous fungi species. Thermomyces lanuginosus phospholipase variants such as Lecitase® Ultra (Novozymes A'S, Denmark) are also useful in the present invention. One or more phospholipases can be applied as a lyophilized powder, immobilized, or dissolved in an aqueous solution.

ある実施形態において、ホスホリパーゼは、微生物によって発現され得る。ある実施形態において、微生物は、同種または異種のホスホリパーゼを発現するように操作され得る。ある実施形態において、ホスホリパーゼは、生成物アルコールも生成する微生物によって発現され得る。ある実施形態において、ホスホリパーゼは、ブタノール生合成経路も発現する微生物によって発現され得る。ある実施形態において、ブタノール生合成経路は、1−ブタノール生合成経路、2−ブタノール生合成経路、イソブタノール生合成経路、または2−ブタノン生合成経路であり得る。   In certain embodiments, the phospholipase can be expressed by a microorganism. In certain embodiments, the microorganism can be engineered to express a homologous or heterologous phospholipase. In certain embodiments, phospholipases can be expressed by microorganisms that also produce product alcohol. In certain embodiments, the phospholipase can be expressed by a microorganism that also expresses the butanol biosynthetic pathway. In certain embodiments, the butanol biosynthesis pathway can be the 1-butanol biosynthesis pathway, the 2-butanol biosynthesis pathway, the isobutanol biosynthesis pathway, or the 2-butanone biosynthesis pathway.

イソ酪酸、フェニルエタノール、3−メチル−1−ブタノール、2−メチル−1−ブタノール、イソブチルアルデヒド、酢酸、ケトイソ吉草酸、ピルビン酸、およびジヒドロキシイソ吉草酸などの、発酵の副生成物は、微生物に対する阻害作用を有し得る。ある実施形態において、これらの副生成物は、エステル化によって変性され得る。例えば、副生成物は、カルボン酸、アルコール、脂肪酸、または他の副生成物でエステル化され得る。ある実施形態において、これらのエステル化反応は、リパーゼまたはホスホリパーゼによって触媒され得る。例として、発酵ブロス中に存在するリパーゼは、発酵中に生成される副生成物のエステル化を触媒し得る。これらの副生成物のエステル化は、微生物に対するそれらの阻害作用を最小限に抑え得る。   Byproducts of fermentation, such as isobutyric acid, phenylethanol, 3-methyl-1-butanol, 2-methyl-1-butanol, isobutyraldehyde, acetic acid, ketoisovaleric acid, pyruvic acid, and dihydroxyisovaleric acid are microorganisms May have an inhibitory effect on In certain embodiments, these by-products can be modified by esterification. For example, by-products can be esterified with carboxylic acids, alcohols, fatty acids, or other by-products. In certain embodiments, these esterification reactions can be catalyzed by lipases or phospholipases. As an example, the lipase present in the fermentation broth can catalyze the esterification of by-products produced during fermentation. Esterification of these by-products can minimize their inhibitory effects on microorganisms.

図7Aを参照すると、原料12が、図1〜6に記載されるように処理され得るため、詳細に記載されない。次に、水溶液22が、一切の残油を除去するようにさらに処理され得る。ある実施形態において、水溶液22は、遠心分離、デカンテーション、または油除去に使用され得る任意の他の方法に供され得る。ある実施形態において、水溶液22は、ユニット25(または槽)に送られてもよく、触媒23(例えば、リパーゼ)が、ユニット25に加えられて、水溶液22中に存在する油が脂肪酸に転化され、流れ27が生成され得る。次に、流れ27は、発酵30に送られてもよく、微生物32も、生成物アルコールの生成のために発酵30に加えられ得る。発酵30の後、生成物アルコールおよび脂肪酸を含む流れ31が、生成物アルコールの回収のために、外部ユニット、例えば、外部の抽出器または外部の抽出ループに送られ得る。   Referring to FIG. 7A, raw material 12 is not described in detail because it can be processed as described in FIGS. The aqueous solution 22 can then be further processed to remove any residual oil. In certain embodiments, the aqueous solution 22 can be subjected to centrifugation, decantation, or any other method that can be used for oil removal. In certain embodiments, the aqueous solution 22 may be sent to a unit 25 (or tank) and a catalyst 23 (eg, lipase) is added to the unit 25 to convert the oil present in the aqueous solution 22 to fatty acids. , Stream 27 may be generated. Stream 27 may then be sent to fermentation 30 and microorganism 32 may also be added to fermentation 30 for production of product alcohol. After fermentation 30, stream 31 containing product alcohol and fatty acids can be sent to an external unit, such as an external extractor or an external extraction loop, for product alcohol recovery.

図7Bを参照すると、ある実施形態において、触媒23が、例えば加熱によって失活され得る。ある実施形態において、触媒23を含む流れ27が、発酵30への添加の前に、触媒23を失活させるように加熱される(q)。図7Cを参照すると、ある実施形態において、失活は、別個のユニット、例えば、失活ユニット中で行われ得る。ある実施形態において、流れ27は、失活28に送られ得る。失活の後、流れ27’が、発酵30に送られてもよく、微生物32も、生成物アルコールの生成のために発酵30に加えられ得る。   Referring to FIG. 7B, in certain embodiments, catalyst 23 may be deactivated, for example, by heating. In certain embodiments, stream 27 containing catalyst 23 is heated (q) to deactivate catalyst 23 prior to addition to fermentation 30. Referring to FIG. 7C, in certain embodiments, deactivation may be performed in a separate unit, eg, a deactivation unit. In certain embodiments, stream 27 may be sent to deactivation 28. After deactivation, stream 27 'may be sent to fermentation 30 and microorganism 32 may also be added to fermentation 30 for production of product alcohol.

油を脂肪酸に転化することによって水溶液22から油を除去することにより、より効率的な発酵による生産工場のエネルギー節約、油の除去による装置のより少ない汚損、エネルギー必要量、例えば、穀類蒸留粕を乾燥させるのに必要とされるエネルギーの減少、および蒸発器または蒸発トレイン(evaporation train)の向上した動作が得られる。さらに、発酵装置中に存在する油が脂肪酸およびグリセリンへと分解され得るため、原料の油成分の除去は生成物アルコール生成に有利である。グリセリンは、水中に蓄積し、システム全体を通して再利用に利用可能な水の量を減少させ得る。したがって、原料の油成分の除去は、システムを通して再利用され得る水の量を増加させることによって、生成物アルコール生成の効率を高める。また、安定したエマルジョンは、油の除去によって生じる可能性が低い。本発明のある実施形態において、エマルジョンが形成される場合、エマルジョンは、機械的処理、プロトン性溶媒の添加、または他の従来の手段によって、容易に分解され得る。   By removing the oil from the aqueous solution 22 by converting the oil into a fatty acid, energy savings of the production plant by more efficient fermentation, less fouling of the equipment by removing the oil, energy requirements such as cereal distillation lees A reduction in the energy required to dry and an improved operation of the evaporator or evaporation train is obtained. Furthermore, since the oil present in the fermenter can be broken down into fatty acids and glycerin, removal of the raw oil component is advantageous for product alcohol production. Glycerin can accumulate in water and reduce the amount of water available for reuse throughout the system. Thus, removal of the feed oil component increases the efficiency of product alcohol production by increasing the amount of water that can be recycled through the system. Also, a stable emulsion is less likely to result from oil removal. In certain embodiments of the invention, when an emulsion is formed, the emulsion can be easily broken down by mechanical processing, addition of protic solvents, or other conventional means.

別の実施形態において、図7Dを参照すると、水溶液22が、発酵30に送られてもよく、触媒23(例えば、リパーゼ)が、発酵30に加えられて、水溶液22中に存在する油が脂肪酸および/または脂肪エステルに転化され得る。ある実施形態において、脂肪エステルは、脂肪酸とアルコールとの組合せによって得られる。ある実施形態において、アルコールは、生成物アルコールを含む、発酵30中の任意のアルコールであり得る。ある実施形態において、脂肪酸および/または脂肪エステルに転化される水溶液22中の油の量は、少なくとも約50%、少なくとも約60%、少なくとも約70%、少なくとも約80%、少なくとも約90%、または少なくとも約95%であり得る。ある実施形態において、油の転化によって生成される脂肪エステルおよび脂肪酸の比率は、約75:25であり得る。ある実施形態において、脂肪エステルおよび脂肪酸の比率は、約80:20であり得る。ある実施形態において、触媒23が、特定の油転化率を維持する量で発酵30に加えられ得る。   In another embodiment, referring to FIG. 7D, the aqueous solution 22 may be sent to the fermentation 30 and a catalyst 23 (eg, lipase) is added to the fermentation 30 so that the oil present in the aqueous solution 22 is a fatty acid. And / or can be converted to fatty esters. In certain embodiments, the fatty ester is obtained by a combination of a fatty acid and an alcohol. In certain embodiments, the alcohol can be any alcohol in fermentation 30 including the product alcohol. In certain embodiments, the amount of oil in aqueous solution 22 that is converted to fatty acids and / or fatty esters is at least about 50%, at least about 60%, at least about 70%, at least about 80%, at least about 90%, or It can be at least about 95%. In certain embodiments, the ratio of fatty ester and fatty acid produced by oil conversion can be about 75:25. In certain embodiments, the ratio of fatty ester and fatty acid can be about 80:20. In certain embodiments, catalyst 23 may be added to fermentation 30 in an amount that maintains a particular oil conversion.

発酵30の後、生成物アルコール、脂肪酸、および脂肪エステルを含む流れ31が、生成物アルコールの回収のためにさらに処理され得る。例えば、流れ31は、生成物アルコールの回収のために、外部ユニット、例えば、外部の抽出器または外部の抽出ループに送られ得る。ある実施形態において、流れ31中の脂肪酸および脂肪エステルは、抽出剤として使用され得る。ある実施形態において、外部ユニットは、抽出剤を含み得る。ある実施形態において、抽出剤は、脂肪酸および/または脂肪酸のエステルを含み得る。   After fermentation 30, stream 31 comprising product alcohol, fatty acid, and fatty ester can be further processed for product alcohol recovery. For example, stream 31 may be sent to an external unit, such as an external extractor or an external extraction loop, for product alcohol recovery. In certain embodiments, the fatty acids and fatty esters in stream 31 can be used as extractants. In certain embodiments, the external unit may include an extractant. In certain embodiments, the extractant can include fatty acids and / or esters of fatty acids.

本発明は、発酵プロセスによって生成される生成物アルコールを回収するための方法およびシステムも提供する。生成物アルコール回収のための1つのこのようなプロセスは液液抽出である。ISPR技術としての液液抽出の使用は、この技術を実施するのに必要とされる設備投資の正味現在価値を最大にする液液抽出プロセスによって最も良く提供される。液液抽出プロセスの正味現在価値を最大にする態様は、発酵ブロスから抽出剤を分離するのに関連する大きい資本コストおよび運転コスト支出を回避することである。   The present invention also provides a method and system for recovering product alcohol produced by the fermentation process. One such process for product alcohol recovery is liquid-liquid extraction. The use of liquid-liquid extraction as an ISPR technique is best provided by a liquid-liquid extraction process that maximizes the net present value of the capital investment required to implement this technique. The aspect that maximizes the net present value of the liquid-liquid extraction process is to avoid the large capital and operating cost expenditures associated with separating the extractant from the fermentation broth.

液液抽出プロセスの一実施形態において、抽出剤は、発酵装置に直接加えられてもよく、発酵ブロスおよび抽出剤は、物質移動(例えば、発酵ブロスから抽出剤への生成物アルコールの移動)をもたらすように一緒に混合され、発酵が高い有効な生成物アルコール力価を促進することが可能になり得る。このようなプロセスにおいて、混合が強くまたは激し過ぎる場合、発酵ブロスおよび抽出剤は、遠心分離機などの分離デバイスを用いて分離される必要があり得る。混合があまり激しくない場合、相分離は、抽出剤と発酵ブロスとの密度差によって引き起こされる重力沈降によって行われ得る。いずれの場合も、追加の発酵装置が、発酵装置に加えられる抽出剤によって取り込まれる発酵装置体積の減少を克服するのに必要とされ得る。発酵装置への抽出剤の直接の添加は、発酵装置内の相分離にかかわりなく、バッチ式、セミバッチ式、または連続式で行われ得る。連続式が用いられ、発酵ブロスおよび抽出剤の重力分離が可能でない場合、遠心分離機などの分離デバイスが、抽出剤からの生成物アルコールの分離に必要とされ得る。抽出剤から生成物アルコールを除去するのに用いられる分離プロセスが、発酵ブロス中に存在する微生物が、分離プロセス中に生存できるようなものである場合、生成物アルコール/抽出剤からの発酵ブロスの分離が必要ないことがある。   In one embodiment of the liquid-liquid extraction process, the extractant may be added directly to the fermenter and the fermentation broth and extractant perform mass transfer (eg, transfer of product alcohol from the fermentation broth to the extractant). Mixed together to result, fermentation may be able to promote a high effective product alcohol titer. In such a process, if the mixing is too strong or intense, the fermentation broth and extractant may need to be separated using a separation device such as a centrifuge. If the mixing is not very intense, phase separation can be done by gravity settling caused by the density difference between the extractant and the fermentation broth. In either case, additional fermenter may be required to overcome the reduction in fermenter volume taken up by the extractant added to the fermenter. The direct addition of the extractant to the fermenter can be done in batch, semi-batch, or continuous mode regardless of phase separation in the fermenter. If a continuous system is used and gravity separation of the fermentation broth and extractant is not possible, a separation device such as a centrifuge may be required for the separation of the product alcohol from the extractant. If the separation process used to remove the product alcohol from the extractant is such that the microorganisms present in the fermentation broth can survive during the separation process, the fermentation broth from the product alcohol / extractant Separation may not be necessary.

液液抽出プロセスの別の実施形態は、外部の抽出器または抽出塔を含み得る。例えば、発酵装置からの発酵ブロスが、外部の抽出器に送られてもよく、ここで、発酵ブロスは、抽出剤と混合される。次に、発酵ブロスと抽出剤との混合物が、分離されて、生成物アルコールが希薄な発酵ブロス流および生成物アルコールが濃厚な抽出剤流が生成され得る。より希薄な発酵ブロス流は、発酵装置に戻され得る。より濃厚な抽出剤流は、生成物アルコール回収のために抽出剤から生成物アルコールの少なくとも一部を分離するようにさらに処理され得る。ある実施形態において、抽出剤流からの生成物アルコール回収率は、工場生産を維持する率に設定され得る。ある実施形態において、液液抽出プロセスは、1つ以上の外部の液液抽出器を含み得る。   Another embodiment of the liquid-liquid extraction process may include an external extractor or extraction tower. For example, fermentation broth from the fermenter may be sent to an external extractor, where the fermentation broth is mixed with an extractant. The mixture of fermentation broth and extractant can then be separated to produce a fermentation broth stream that is lean in product alcohol and an extractant stream that is rich in product alcohol. A more dilute fermentation broth stream can be returned to the fermenter. The richer extractant stream can be further processed to separate at least a portion of the product alcohol from the extractant for product alcohol recovery. In certain embodiments, the product alcohol recovery from the extractant stream may be set to a rate that maintains factory production. In certain embodiments, the liquid-liquid extraction process may include one or more external liquid-liquid extractors.

ある実施形態において、発酵は、発酵装置および外部の抽出器中で行われ得る。外部の抽出器中に存在する発酵ブロスのさらなる体積が、全体的な発酵装置体積を増加させる働きを果たし、ひいては生成物アルコールの全体の生産を増加させ得る。   In certain embodiments, the fermentation can be performed in a fermentation apparatus and an external extractor. The additional volume of fermentation broth present in the external extractor can serve to increase the overall fermenter volume and thus increase the overall production of product alcohol.

生成物アルコールの除去に関する外部の抽出器の性能は、界面接触に利用可能な表面積、発酵ブロスおよび抽出剤の物理的性質、外部の抽出器中に存在する2つの相(例えば、発酵ブロス相および抽出剤相)の相対量、および発酵ブロス相と抽出剤相との間の濃度駆動力差(concentration driving force difference)に応じて決まる。所与の生成物アルコール濃度駆動力での外部の抽出器の効率の最大化は、外部の抽出器中に分散された相の液滴径を、例えば、ノズル設計、内部設計、および/または撹拌によって減少させることによって行われ得る。ある実施形態において、外部の抽出器の設計および動作は、生成物アルコールの生産性要件を維持するために、発酵ブロス相と抽出剤相との間の十分な生成物アルコールの移動をもたらすのに十分な混合を提供し得る。   The performance of the external extractor with respect to product alcohol removal is the surface area available for interfacial contact, the physical properties of the fermentation broth and extractant, the two phases present in the external extractor (e.g., the fermentation broth phase and Dependent on the relative amount of extractant phase) and the concentration driving force difference between the fermentation broth phase and extractant phase. Maximizing the efficiency of the external extractor at a given product alcohol concentration driving force can reduce the droplet size of the phase dispersed in the external extractor, eg, nozzle design, internal design, and / or agitation. It can be done by reducing by. In certain embodiments, the design and operation of the external extractor can provide sufficient product alcohol transfer between the fermentation broth phase and the extractant phase to maintain product alcohol productivity requirements. Sufficient mixing can be provided.

場合によっては、発酵からのCOが、外部の抽出器中で生成されて、相分離を妨げ得る液滴の形成につながり得る。例えば、発酵ブロスの液滴は、抽出剤相を通って上昇するCOに付着し得る。ある実施形態において、抽出剤相は、液滴の凝集を向上させるために、連続相として維持され得る。ある実施形態において、外部の抽出器は、内部またはCOのための出口ポートを含み得る。発酵ブロス相の凝集および回収を向上させるために、例えば、凝集パッドが、外部の抽出器に追加されてもよく、および/または出口ポートが配置されてもよい。 In some cases, CO 2 from the fermentation can be produced in an external extractor, leading to the formation of droplets that can interfere with phase separation. For example, fermentation broth droplets may adhere to the CO 2 rising through the extractant phase. In certain embodiments, the extractant phase can be maintained as a continuous phase to improve droplet aggregation. In certain embodiments, the external extractor may include an outlet port for the interior or CO 2. To improve flocculation and recovery of the fermentation broth phase, for example, a flocculation pad may be added to the external extractor and / or an outlet port may be arranged.

発酵ブロスから生成物アルコールを分離するための条件は、発酵ブロス中に存在する微生物に有害であり得る。ある実施形態において、微生物は、発酵ブロスを抽出剤と接触させる前に、発酵ブロスから分離され得る。ある実施形態において、微生物は、この混合物の分離(または処理)の前に、発酵ブロスと抽出剤との混合物から分離され得る。例えば遠心分離を含む、発酵ブロスまたは発酵ブロスと抽出剤との混合物から微生物を分離することが可能な任意の分離方法が使用され得る。発酵ブロスを抽出剤と接触させる前に、微生物を分離することによって、より高い温度および/または非生体適合性抽出剤などのより厳しい抽出条件を使用することが可能になり得る。微生物に有害でない分離方法が使用される場合、生成物アルコール除去の前に発酵ブロスおよび抽出剤を分離する必要がないことがある。   Conditions for separating the product alcohol from the fermentation broth can be detrimental to microorganisms present in the fermentation broth. In certain embodiments, the microorganism may be separated from the fermentation broth prior to contacting the fermentation broth with the extractant. In certain embodiments, the microorganism may be separated from the mixture of fermentation broth and extractant prior to separation (or processing) of the mixture. Any separation method capable of separating the microorganisms from the fermentation broth or the mixture of fermentation broth and extractant may be used including, for example, centrifugation. Separating the microorganisms before contacting the fermentation broth with the extractant may allow higher temperatures and / or more stringent extraction conditions such as non-biocompatible extractants to be used. If separation methods are used that are not harmful to microorganisms, it may not be necessary to separate the fermentation broth and extractant prior to product alcohol removal.

抽出剤および発酵ブロスが分離されない場合、抽出剤は、蒸発器トレイン原料に含まれ、したがって、蒸発中に形成され、おそらく動物飼料に組み込まれるシロップの成分になり得る。ある実施形態において、抽出剤は、例えば遠心分離を含む任意の分離手段を用いて、シロップから分離され得る。(例えば、水と同等の)低沸点の生体適合性抽出剤は、抽出剤および水が生成プロセスに使用するために再利用され得るため、このような分離を必要としないことがある。   If the extractant and fermentation broth are not separated, the extractant is included in the evaporator train feed and can thus be a component of the syrup formed during evaporation and possibly incorporated into animal feed. In certain embodiments, the extractant can be separated from the syrup using any separation means including, for example, centrifugation. A low boiling biocompatible extractant (eg, equivalent to water) may not require such separation because the extractant and water can be reused for use in the production process.

典型的なトウモロコシからの生成物アルコールの生産工場において、塩およびビールの他の溶解固体を除去するために再利用水を蒸発器トレイン中で蒸留しながら、生産工場の水を再利用することによって、全生成プロセスの水のバランスが維持され得る。蒸発器トレインから得られるシロップは、非溶解固体と混合されてもよく、混合物は、乾燥され、動物飼料として販売され得る。動物飼料のための非溶解固体を処理するための方法およびシステムが、例えば、米国特許出願公開第2012/0164302号明細書;米国特許出願公開第2011/0315541号明細書;米国特許出願公開第2013/0164795号明細書;およびPCT国際特許出願第PCT/US2013/51571号明細書に記載されており、それぞれの内容全体が参照により本明細書に援用される。   In a typical product alcohol production plant from corn, by recycling the water in the production plant while distilling the recycled water in the evaporator train to remove salt and other dissolved solids of beer The water balance of the entire production process can be maintained. The syrup obtained from the evaporator train may be mixed with undissolved solids and the mixture can be dried and sold as animal feed. Methods and systems for processing undissolved solids for animal feed are described, for example, in US Patent Application Publication No. 2012/0164302; US Patent Application Publication No. 2011/0315541; US Patent Application Publication No. 2013. No. / 0164795; and PCT International Patent Application No. PCT / US2013 / 51571, the entire contents of each of which are hereby incorporated by reference.

本明細書に記載されるように、非溶解固体は、発酵への原料の添加の前に、原料(または原料スラリー)から除去され得る。非溶解固体が、発酵の上流で除去されない場合、非溶解固体を除去するためのビールの遠心分離が、蒸発器の汚損を回避するために必要となり得る。例えば、商業的な乾式摩砕されたトウモロコシからの生成物アルコールの生産工場において、蒸発器トレイン原料中の非溶解固体含有物は、全懸濁固体の約3%で動作することができ、全懸濁固体の3.5〜4%もの高さであってもよい。全懸濁固体におけるパーセンテージをこれらのパーセンテージ値以下に維持するのに十分な固体を除去する上流のプロセスにより、例えば、ビールを蒸発器(または蒸発トレイン)に送る前の、遠心分離の必要性がなくなり得る。この遠心分離をなくすことで、乾式摩砕されたトウモロコシからの生成物アルコールの生産工場を改装するのに必要とされる資本が節約されるであろう。   As described herein, undissolved solids can be removed from the feed (or feed slurry) prior to the addition of feed to the fermentation. If undissolved solids are not removed upstream of the fermentation, centrifuging beer to remove undissolved solids may be necessary to avoid evaporator fouling. For example, in a product alcohol production plant from commercial dry ground corn, the undissolved solids content in the evaporator train feed can operate at about 3% of the total suspended solids, It may be as high as 3.5-4% of the suspended solids. An upstream process that removes enough solids to keep the percentage of total suspended solids below these percentage values, for example, the need for centrifugation before sending the beer to the evaporator (or evaporation train). It can disappear. Eliminating this centrifugation will save the capital needed to retrofit the production plant for product alcohol from dry ground corn.

発酵の前に原料スラリー中に存在する非溶解固体の少なくとも一部を除去することによって、外部の抽出器中の発酵ブロス相と抽出剤相との間の界面表面積が、界面における非溶解固体の量を減少させ、発酵ブロスと抽出剤との間の生成物アルコール移動を促進し、発酵ブロスと抽出剤との明瞭な相分離を提供することによって、増加され得る。また、明瞭な相分離により、追加の分離工程(例えば、遠心分離)の必要がなくなるため、資本支出の節約にもなり得る。   By removing at least a portion of the undissolved solids present in the raw slurry prior to fermentation, the interfacial surface area between the fermentation broth phase and the extractant phase in the external extractor is reduced to the undissolved solids at the interface. It can be increased by reducing the amount, promoting product alcohol transfer between the fermentation broth and the extractant, and providing a clear phase separation between the fermentation broth and the extractant. The clear phase separation can also save capital expenditures because it eliminates the need for additional separation steps (eg, centrifugation).

外部の抽出器を出る発酵ブロスおよび抽出剤の分離は、固体含有物および発酵ブロス中の固体含有物の粒度分布、発酵ブロス中のガス含有量および気泡径分布、粘度、密度、および表面張力を含むがこれらに限定されない、発酵ブロスおよび抽出剤の物理的特性ならびに外部の抽出器の設計および動作および発酵装置の設計および動作によって影響され得る。これらの特性により、外部の抽出器または発酵装置を出る発酵ブロスおよび抽出剤を分離するための分離デバイス(例えば、遠心分離機)の必要性が判断され得る。分離デバイスの必要をなくす条件下での動作により、液液抽出ISPRを実施するための資本支出が最小限に抑えられ得る。さらに、所与の組の発酵ブロスおよび抽出剤の物理的特性を有する発酵ブロス相と抽出剤相との間の界面面積を最大にすることによって抽出器のサイズを最小限に抑えることにより、発酵ブロスおよび抽出剤を安い費用で相分離する能力が維持され得る。遠心分離機などの分離デバイスの資本コストおよび運転コストをなくすことによって、液液抽出ISPRプロセスを用いる乾式摩砕されたトウモロコシからの生成物アルコールの生産工場の正味現在価値が向上され得る。   Separation of the fermentation broth and extractant leaving the external extractor determines the particle size distribution of the solid content and the solid content in the fermentation broth, the gas content and bubble size distribution in the fermentation broth, viscosity, density, and surface tension. It can be influenced by the physical properties of the fermentation broth and extractant, including but not limited to, the design and operation of the external extractor and the design and operation of the fermentation apparatus. These characteristics can determine the need for a separation device (eg, a centrifuge) to separate the fermentation broth and extractant exiting the external extractor or fermenter. By operating under conditions that eliminate the need for a separation device, capital expenditures for performing liquid-liquid extraction ISPR can be minimized. In addition, fermentation can be reduced by minimizing the size of the extractor by maximizing the interfacial area between the fermentation broth phase and the extractant phase that have the physical properties of a given set of fermentation broth and extractant. The ability to phase separate broth and extractant at a low cost can be maintained. By eliminating the capital and operating costs of a separation device such as a centrifuge, the net present value of the product alcohol production plant from dry ground corn using a liquid-liquid extraction ISPR process can be improved.

本明細書に記載される方法およびシステムの別の実施形態において、相分離能力を含む抽出器設計が、発酵ブロスおよび抽出剤の物理的特性に対応するように調整され得る。非溶解固体が原料スラリーから除去されない場合または発酵ブロス中の生成物アルコールの濃度が低過ぎる場合、相分離装置を含まない抽出器を用いる工場の生産性を維持するのに十分な生成物アルコールを除去することができないことがある。したがって、本発明は、固体除去ならびに外部の抽出器を用いる生成物アルコールの回収を含む方法およびシステムを提供し、ここで、抽出器は、最大の生成物アルコール回収のために相分離能力を向上させるように設計された。   In another embodiment of the methods and systems described herein, the extractor design, including phase separation capabilities, can be adjusted to accommodate the physical characteristics of the fermentation broth and extractant. If undissolved solids are not removed from the raw slurry, or if the concentration of product alcohol in the fermentation broth is too low, there should be enough product alcohol to maintain factory productivity using an extractor that does not include a phase separator. Sometimes it cannot be removed. Accordingly, the present invention provides a method and system that includes solids removal and product alcohol recovery using an external extractor, where the extractor improves phase separation capability for maximum product alcohol recovery. Designed to let you.

本発明の例示的なプロセスが、図8に示される。図8中のいくつかのプロセスおよび流れが、図1〜7に使用されるのと同じ名称および番号を用いて特定されており、図1〜7に記載されるのと同じかまたは同様のプロセスおよび流れを表す。   An exemplary process of the present invention is shown in FIG. Several processes and flows in FIG. 8 have been identified using the same names and numbers as used in FIGS. 1-7, and the same or similar processes as described in FIGS. And represents the flow.

図1〜7を参照して本明細書に記載されるように、原料12が処理され、固体が分離され得る(100)。簡潔に述べると、原料12は、液化されて、非溶解固体、発酵性糖(または発酵性炭素源)、および原料に応じて、油を含む原料スラリーが生成され得る。次に、原料スラリーは、懸濁固体を除去するために分離方法に供されて、ウェットケーキ、溶解された発酵性糖を含む水溶液22(または遠心分離液)、および任意に油流が生成され得る。固体分離は、デカンターボウル遠心分離、三相遠心分離、ディスクスタック遠心分離、ろ過遠心分離、デカンター遠心分離、ろ過、真空ろ過、ベルトフィルター、加圧ろ過、膜ろ過、精密ろ過、ふるいを用いたろ過、ふるい分け分離、格子、多孔質格子、浮遊法、ハイドロサイクロン、フィルタープレス、スクリュープレス、重力沈降器、ボルテックス分離器、またはそれらの組合せを含むがこれらに限定されないいくつかの手段によって行われ得る。   As described herein with reference to FIGS. 1-7, feedstock 12 can be processed and solids can be separated (100). Briefly, raw material 12 can be liquefied to produce a raw slurry that includes oil depending on the undissolved solids, fermentable sugar (or fermentable carbon source), and raw material. The raw slurry is then subjected to a separation process to remove suspended solids to produce a wet cake, an aqueous solution 22 (or centrifuge) containing dissolved fermentable sugar, and optionally an oil stream. obtain. Solid separation is decanter bowl centrifugation, three-phase centrifugation, disk stack centrifugation, filtration centrifugation, decanter centrifugation, filtration, vacuum filtration, belt filter, pressure filtration, membrane filtration, microfiltration, filtration using a sieve , Sieving separation, grid, porous grid, flotation method, hydrocyclone, filter press, screw press, gravity settler, vortex separator, or combinations thereof may be performed by a number of means.

水溶液22および微生物32は、発酵30に加えられてもよく、ここで、発酵性糖は、微生物32によって発酵されて、生成物アルコールを含む流れ105が生成される。ある実施形態において、発酵中、流れ105の一部が、抽出器120(または抽出120)に移されてもよく、ここで、流れ105は、抽出剤124と接触される。ある実施形態において、抽出剤が、抽出剤貯蔵タンクまたはユニットに貯蔵され得る。ある実施形態において、生成物アルコールおよび/または他の代謝産物の濃度が所定の濃度に達したとき、流れ105は、発酵30から除去され得る。ある実施形態において、所定の濃度は、微生物の代謝に悪影響を与える生成物アルコールおよび/または他の代謝産物の濃度であり得る。ある実施形態において、流れ105は、発酵が開始されたとき、発酵30から除去され得る。ある実施形態において、流れ105は、微生物32に対する生成物アルコールの影響を最小限に抑えるために、発酵30から除去され得る。ある実施形態において、発酵30は、1つ、2つ、3つ、4つ、5つ、6つ、7つ、8つ、またはそれ以上の発酵装置を含み得る。   The aqueous solution 22 and the microorganism 32 may be added to the fermentation 30, where fermentable sugars are fermented by the microorganism 32 to produce a stream 105 containing product alcohol. In certain embodiments, during fermentation, a portion of stream 105 may be transferred to extractor 120 (or extract 120), where stream 105 is contacted with extractant 124. In certain embodiments, the extractant can be stored in an extractant storage tank or unit. In certain embodiments, stream 105 can be removed from fermentation 30 when the concentration of product alcohol and / or other metabolites reaches a predetermined concentration. In certain embodiments, the predetermined concentration may be a concentration of product alcohol and / or other metabolites that adversely affect microbial metabolism. In certain embodiments, stream 105 may be removed from fermentation 30 when fermentation is initiated. In certain embodiments, stream 105 may be removed from fermentation 30 to minimize the effect of product alcohol on microorganism 32. In certain embodiments, the fermentation 30 may include one, two, three, four, five, six, seven, eight, or more fermenters.

ある実施形態において、抽出剤は、発酵30に加えられ得る。ある実施形態において、抽出剤を含む発酵ブロスの一部が、抽出器120に移されてもよく、ある実施形態において、抽出剤は、抽出剤を含む発酵ブロスから除去され得る。抽出剤を発酵30に加えることによって、ISPRが、発酵30で開始され得る。   In certain embodiments, an extractant can be added to fermentation 30. In certain embodiments, a portion of the fermentation broth that includes the extractant may be transferred to the extractor 120, and in certain embodiments, the extractant may be removed from the fermentation broth that includes the extractant. By adding an extractant to fermentation 30, ISPR can be initiated at fermentation 30.

生成物アルコール、またはその一部が、流れ105から抽出剤124に移動し、生成物アルコールがより濃厚な抽出剤を含む流れ122が、分離130に送られ得る。生成物アルコールがより希薄な発酵ブロスを含む流れ127が、発酵30に戻され得る。分離130は、流れ122から生成物アルコールの一部を除去し、より希薄な抽出剤を含む流れ125が、抽出器120に戻され得る。ある実施形態において、抽出器120は、発酵30の外部にあり得る。ある実施形態において、発酵30は、抽出器を含み得る。ある実施形態において、抽出剤、発酵ブロス、またはその両方は、少なくとも部分的に不混和性であり得る。流れ135は、生成物アルコールの回収を含むさらなる処理(例えば、蒸留)のために下流に送られ得る。   The product alcohol, or a portion thereof, moves from stream 105 to extractant 124, and stream 122, where the product alcohol contains a richer extractant, may be sent to separation 130. Stream 127 containing the fermentation broth with a leaner product alcohol can be returned to fermentation 30. Separation 130 removes some of the product alcohol from stream 122, and stream 125 containing a leaner extractant can be returned to extractor 120. In certain embodiments, the extractor 120 can be external to the fermentation 30. In certain embodiments, fermentation 30 may include an extractor. In certain embodiments, the extractant, the fermentation broth, or both can be at least partially immiscible. Stream 135 may be sent downstream for further processing including recovery of product alcohol (eg, distillation).

抽出の間、抽出剤または抽出剤の一部の損失があり得る。ある実施形態において、抽出剤124は、抽出器120または抽出剤貯蔵ユニットへの抽出剤の添加によって補充され得る。ある実施形態において、例えば、抽出剤が原料または原料スラリーから得られる場合、抽出剤124は、原料または原料スラリー中の油を抽出剤に転化することによって補充され得る。例えば、触媒が、発酵30に加えられて、水溶液22中の油が脂肪酸および/または脂肪エステルに転化され得(例えば、図7Dを参照)、生成物アルコール、脂肪酸、および/または脂肪エステルを含む流れ105の一部が、抽出器120に移されてもよく、ここで、流れ105は、抽出剤124と接触され得る。生成物アルコール富化抽出剤、脂肪酸、および/または脂肪エステルを含む流れ122が、分離130に送られて、より希薄な抽出剤、脂肪酸、および/または脂肪エステルを含む流れ125が生成され得る。ある実施形態において、流れ125は、抽出器120に戻される前にさらに処理され得る。例えば、流れ125中に存在する脂肪エステルは、加水分解に供されて、生成物アルコールおよび脂肪酸を含む流れが生成され得る。生成物アルコールおよび脂肪酸を含むこの流れは、抽出器120に送られてもよく、またはこの流れは、流れ122と組み合わされてもよく、組み合わされた流れは、分離130に送られ得る。別の実施形態において、生成物アルコールおよび脂肪酸を含むこの流れは、分離130に送られてもよく、またはこの流れは、別の分離ユニットに送られて、生成物アルコール流および脂肪酸流が生成され得る。脂肪酸流は、抽出器120に送られてもよく、生成物アルコール流は、流れ135と組み合わされてもよく、生成物アルコール回収のためにさらに処理され得る。   There may be some loss of extractant or extractant during extraction. In certain embodiments, the extractant 124 may be replenished by addition of the extractant to the extractor 120 or extractant storage unit. In certain embodiments, for example, where the extractant is obtained from a raw material or raw slurry, the extractant 124 can be replenished by converting the oil in the raw material or raw slurry to the extractant. For example, a catalyst can be added to fermentation 30 to convert the oil in aqueous solution 22 to fatty acids and / or fatty esters (see, eg, FIG. 7D), including product alcohols, fatty acids, and / or fatty esters. A portion of stream 105 may be transferred to extractor 120, where stream 105 may be contacted with extractant 124. A stream 122 containing the product alcohol-enriched extractant, fatty acid, and / or fatty ester may be sent to separation 130 to produce a stream 125 containing a leaner extractant, fatty acid, and / or fatty ester. In certain embodiments, stream 125 may be further processed before being returned to extractor 120. For example, fatty esters present in stream 125 can be subjected to hydrolysis to produce a stream comprising product alcohol and fatty acids. This stream containing product alcohol and fatty acids may be sent to extractor 120, or this stream may be combined with stream 122, and the combined stream may be sent to separation 130. In another embodiment, this stream containing product alcohol and fatty acid may be sent to separation 130 or this stream is sent to another separation unit to produce a product alcohol stream and a fatty acid stream. obtain. The fatty acid stream may be sent to the extractor 120 and the product alcohol stream may be combined with the stream 135 and further processed for product alcohol recovery.

ある実施形態において、抽出器に通した後の発酵ブロスおよび抽出剤の相分離が不十分であり得るため、許容できないレベルの分散された抽出剤が、発酵装置に戻る発酵ブロス中に残るか、および/または許容できないレベルの発酵ブロス液滴が、蒸留に進む抽出剤中に残る。ある実施形態において、発酵ブロスおよび抽出剤の相分離は、1つ以上のハイドロサイクロンまたは同様のボルテックスデバイスを通って抽出器の上部または底部を出る不均質混合物を処理することによって促進され得る。ある実施形態において、発酵ブロスおよび抽出剤を互いに接触させるために、スタティックミキサーが、抽出器の代わりに使用されてもよく、形成される不均質混合物が、水(例えば、発酵ブロス)相および有機(例えば、抽出剤)相を分離させるために、1つ以上のハイドロサイクロンまたは同様のボルテックスデバイスを通して送り出されてもよい。ある実施形態において、1つ以上のハイドロサイクロンまたは同様のボルテックスデバイスが、ガス流から液体または液滴を除去するのに使用され得る。ある実施形態において、ガス流は、発酵装置からのものであり得る。ある実施形態において、ガス流は、脱気デバイスからのものであり得る。   In certain embodiments, the phase separation of the fermentation broth and extractant after passing through the extractor may be insufficient, so that unacceptable levels of dispersed extractant remain in the fermentation broth that returns to the fermentor, And / or unacceptable levels of fermentation broth droplets remain in the extractant proceeding to distillation. In certain embodiments, phase separation of the fermentation broth and extractant can be facilitated by treating the heterogeneous mixture exiting the top or bottom of the extractor through one or more hydrocyclones or similar vortex devices. In certain embodiments, a static mixer may be used in place of the extractor to bring the fermentation broth and extractant into contact with each other, and the heterogeneous mixture that is formed becomes a water (eg, fermentation broth) phase and organic It may be pumped through one or more hydrocyclones or similar vortex devices to separate the (eg extractant) phase. In certain embodiments, one or more hydrocyclones or similar vortex devices can be used to remove liquids or droplets from a gas stream. In certain embodiments, the gas stream can be from a fermenter. In certain embodiments, the gas stream can be from a degassing device.

バッチまたはセミバッチ発酵プロセスにおいて、発酵性糖の一部が、微生物32によって代謝されたとき、ビールを含む流れ103が、ビールから生成物アルコールを分離するために、下流で分離140に送られ得る。生成物アルコールを含む流れ145が、生成物アルコールの回収を含むさらなる処理(例えば、蒸留)のために下流に送られ得る。連続発酵プロセスにおいて、ビールを含む流れ103が、ビールから生成物アルコールを分離するために、下流で分離140に送られ得る。全蒸留廃液を含む流れ142が、固体除去および希薄な蒸留廃液の生成を含むさらなる処理のために下流に送られ得る。   In a batch or semi-batch fermentation process, when a portion of the fermentable sugar is metabolized by the microorganism 32, the stream 103 containing beer can be sent downstream to the separation 140 to separate the product alcohol from the beer. Stream 145 containing product alcohol can be sent downstream for further processing (eg, distillation) including recovery of product alcohol. In a continuous fermentation process, a stream 103 containing beer may be sent downstream to separation 140 to separate product alcohol from the beer. Stream 142 containing total distillate waste can be sent downstream for further processing including solids removal and production of dilute distillate waste.

ある実施形態において、発酵30が、2つ以上の発酵装置を含んでいてもよく、流れ105が、2つ以上の発酵装置からの組み合わされた複数の流れを含み得る。ある実施形態において、組み合わされた複数の流れは、抽出器120に送られ得る。ある実施形態において、流れ127は、分割されてもよく、流れ127の部分が、複数の発酵装置に戻され得る。ある実施形態において、抽出器120は、並列または直列に一緒に接続された一連のユニットであり得る。   In certain embodiments, the fermentation 30 may include two or more fermenters, and the stream 105 may include a combined plurality of streams from two or more fermenters. In certain embodiments, the combined multiple streams may be sent to the extractor 120. In certain embodiments, stream 127 may be split and portions of stream 127 may be returned to multiple fermenters. In certain embodiments, the extractor 120 can be a series of units connected together in parallel or in series.

ある実施形態において、抽出は、所定の期間にわたって行われ得る。抽出は、例えば、発酵30中の生成物アルコールの濃度が、分離140が必要ないほど十分に低くなるまで行われ得る。ある実施形態において、抽出は、長期間にわたって行われ得る。   In certain embodiments, the extraction can be performed over a predetermined period. Extraction can be performed, for example, until the concentration of product alcohol in fermentation 30 is sufficiently low that separation 140 is not required. In certain embodiments, the extraction can be performed over an extended period of time.

本明細書に記載される方法およびシステムのある実施形態において、デカンターが、相分離に使用され得る。ある実施形態において、デカンターは、抽出器と組み合わせて使用され得る。ある実施形態において、デカンターの表面は、相分離を向上させるために改質され得る。例えば、デカンターの表面は、親水性および/または疎水性表面の追加によって改質され得る。   In certain embodiments of the methods and systems described herein, a decanter can be used for phase separation. In certain embodiments, the decanter can be used in combination with an extractor. In certain embodiments, the surface of the decanter can be modified to improve phase separation. For example, the surface of the decanter can be modified by the addition of hydrophilic and / or hydrophobic surfaces.

ある実施形態において、酸素、空気、および/または栄養が、流れ125および/または流れ127に加えられ得る。ある実施形態において、栄養は、抽出剤に可溶であり得る。ある実施形態において、酸素の濃度が、様々な流れ中で測定されてもよく、プロセス中への酸素の流れを変化させるための制御ループの一環として使用され得る。ある実施形態において、より高い有効力価を可能にするために、マッシュが、抽出器120に加えられ得る。ある実施形態において、分離130および140は、抽出器であり得る。ある実施形態において、これらの抽出器は、水を用いて、抽出剤から生成物アルコールを抽出することができ、その後、生成物アルコールが、水相から分離され得る。ある実施形態において、抽出剤には、発酵ブロスから生成物アルコールを抽出する能力を促進する溶質が注入され得る。ある実施形態において、サージタンクが、分離(例えば、蒸留)の前に、抽出剤中の生成物アルコールの濃度を平衡化する手段として、抽出器120と分離130との間に配置され得る。   In certain embodiments, oxygen, air, and / or nutrients can be added to stream 125 and / or stream 127. In certain embodiments, the nutrition can be soluble in the extractant. In certain embodiments, the concentration of oxygen may be measured in various streams and may be used as part of a control loop to change the oxygen flow into the process. In certain embodiments, mash can be added to the extractor 120 to allow for higher effective titers. In certain embodiments, separations 130 and 140 can be extractors. In certain embodiments, these extractors can use water to extract the product alcohol from the extractant, after which the product alcohol can be separated from the aqueous phase. In certain embodiments, the extractant can be injected with a solute that facilitates the ability to extract product alcohol from the fermentation broth. In certain embodiments, a surge tank may be placed between the extractor 120 and the separation 130 as a means of equilibrating the concentration of product alcohol in the extractant prior to separation (eg, distillation).

ある実施形態において、抽出器120は、発酵ブロスおよび抽出剤を混合するために発酵中に生成されるCOを用いるように設計され得る。ある実施形態において、抽出器120は、発酵ブロス中のCOの容易な離脱を可能にするように設計され得る。この設計は、抽出器120を通って上昇するCO気泡による混合のレベルの制御を容易にするであろう。ある実施形態において、発酵ブロスは、流れ105中のCOの濃度を最小限に抑えるために、発酵30から除去され得る。ある実施形態において、抽出器離脱領域の設計は、発酵ブロスと抽出剤との間の相分離を促進するための表面を含み得る。ある実施形態において、親水性および/または疎水性表面が、相分離を向上させるために、離脱領域に取り付けられ得る。ある実施形態において、外部の抽出器は、内部またはCOのための出口ポートを含み得る。例えば、凝集パッドが、外部の抽出器に追加され得る。 In certain embodiments, the extractor 120 may be designed to use the CO 2 produced during fermentation to mix the fermentation broth and extractant. In certain embodiments, the extractor 120 can be designed to allow easy removal of CO 2 in the fermentation broth. This design will facilitate control of the level of mixing due to the CO 2 bubbles rising through the extractor 120. In certain embodiments, the fermentation broth can be removed from the fermentation 30 to minimize the concentration of CO 2 in the stream 105. In certain embodiments, the design of the extractor withdrawal region may include a surface to facilitate phase separation between the fermentation broth and the extractant. In certain embodiments, hydrophilic and / or hydrophobic surfaces can be attached to the release region to improve phase separation. In certain embodiments, the external extractor may include an outlet port for the interior or CO 2. For example, an agglomeration pad can be added to an external extractor.

CO混合を最小限に抑えるためのある実施形態において、抽出器は、抽出器の底部で直径が小さく、抽出器の上部に向かって徐々に直径が大きくなるように設計され得る(例えば、円錐形)。ある実施形態において、抽出器は、直径が段階的に増加するように設計され得る。例えば、抽出器は、一定の直径の第1の領域、続いて、直径の段階的増加を経て、一定の直径の第2の領域を含み得る。ある実施形態において、抽出器は、直径の第2の段階的増加を経て、一定の直径の第3の領域をさらに含み得る。ある実施形態において、抽出器は、直径の1つ以上の段階的増加を含み得る。ある実施形態において、抽出器は、一定の直径の1つ以上の領域を含み得る。 In certain embodiments for minimizing CO 2 mixing, the extractor can be designed to have a small diameter at the bottom of the extractor and gradually increase in diameter toward the top of the extractor (eg, a cone). form). In certain embodiments, the extractor can be designed such that the diameter increases in steps. For example, the extractor may include a first region of constant diameter followed by a second region of constant diameter via a gradual increase in diameter. In certain embodiments, the extractor may further include a third region of constant diameter via a second gradual increase in diameter. In certain embodiments, the extractor may include one or more incremental increases in diameter. In certain embodiments, the extractor may include one or more regions of constant diameter.

発酵の間、発酵ブロスのガス含量(例えば、CO)は変化し、これらのガスは、ガスストリッパーを用いることによって、発酵ブロスから除去され得る。発酵ブロスから取り除かれるガスの量は、ガスストリッパーを通る流量および/またはガスストリッパーの圧力を変化させることによって調整され得る。ある実施形態において、発酵ブロス中のCOの量は、発酵ブロスを抽出器に移す前に減少され得る。例えば、COは、ガスストリッパーまたは当業者に公知の任意の手段を用いて、発酵ブロスから取り除かれ得る。ある実施形態において、COの除去は、周囲圧力以下で行われ得る。ある実施形態において、発酵は、抽出器中で続いてもよく、COは、微生物によって生成され得る。抽出器中のCO混合を最小限に抑えるために、ある実施形態において、抽出器中の発酵ブロスの滞留時間が減少され得る。ある実施形態において、滞留時間は、抽出器の高さを調節することによって減少され得る。ある実施形態において、抽出器の高さは減少され得る。抽出器の高さを減少させることにより、理論的な抽出段の数が減少され得る。ある実施形態において、理論的な抽出段の数を維持するために、抽出器は、減少した高さの2つ以上の抽出器と取り替えられ得る。ある実施形態において、2つ以上の抽出器は、連続していてもよい。ある実施形態において、2つ以上の抽出器は、連結されていてもよい。ある実施形態において、2つ以上の抽出器は、向流を維持するように連結され得る。ある実施形態において、脱気段が、1つ以上の抽出段に追加され得る。 During fermentation, the gas content (eg, CO 2 ) of the fermentation broth changes and these gases can be removed from the fermentation broth by using a gas stripper. The amount of gas removed from the fermentation broth can be adjusted by changing the flow rate through the gas stripper and / or the gas stripper pressure. In certain embodiments, the amount of CO 2 in the fermentation broth can be reduced before transferring the fermentation broth to the extractor. For example, CO 2 can be removed from the fermentation broth using a gas stripper or any means known to those skilled in the art. In certain embodiments, the removal of CO 2 can be performed at ambient pressure or lower. In certain embodiments, the fermentation may continue in the extractor and CO 2 may be produced by the microorganism. In order to minimize CO 2 mixing in the extractor, in certain embodiments, the residence time of the fermentation broth in the extractor can be reduced. In certain embodiments, the residence time can be reduced by adjusting the height of the extractor. In certain embodiments, the height of the extractor can be reduced. By reducing the height of the extractor, the number of theoretical extraction stages can be reduced. In certain embodiments, the extractor can be replaced with two or more extractors of reduced height to maintain a theoretical number of extraction stages. In certain embodiments, two or more extractors may be continuous. In certain embodiments, two or more extractors may be linked. In certain embodiments, two or more extractors can be coupled to maintain countercurrent. In certain embodiments, a degassing stage can be added to one or more extraction stages.

図8を参照すると、ある実施形態において、抽出器120中の分散相液滴のサイズは、物質移動の速度を高めるために、様々な手段によって、測定され、調整され得る。例えば、液滴径は、集束ビーム反射測定法(FBRM(登録商標))または粒子顕微画像鏡測定法(PVM(登録商標))技術(Mettler−Toledo,LLC,Columbus OH)などの粒度分析を用いて測定され得る。ある実施形態において、発酵ブロスは分散相であってもよく、抽出剤は連続相であってもよく、これらの条件下で、発酵ブロス中に存在する固体は、抽出剤とそれほど相互作用し得ない。ある実施形態において、分離130の条件は、抽出剤に対する酸化的および熱的不安定性の影響を最小限に抑えるように制御され得る。   Referring to FIG. 8, in certain embodiments, the size of the dispersed phase droplets in the extractor 120 can be measured and adjusted by various means to increase the rate of mass transfer. For example, droplet size can be determined using particle size analysis such as focused beam reflectometry (FBRM®) or particle microscopic imaging (PVM®) technology (Mettler-Toledo, LLC, Columbia OH). Can be measured. In certain embodiments, the fermentation broth may be a dispersed phase and the extractant may be a continuous phase, and under these conditions, solids present in the fermentation broth may interact less with the extractant. Absent. In certain embodiments, the conditions of separation 130 can be controlled to minimize the effects of oxidative and thermal instabilities on the extractant.

ある実施形態において、抽出剤の品質が、監視され、生成物アルコールの良好な生成のために必要な頻度で抽出剤が補充され得る。ある実施形態において、抽出剤は、全蒸留廃液固体に取り込まれ得る。全蒸留廃液は、液体(例えば、希薄な蒸留廃液)流および固体流へと分離されてもよく、固体は、抽出剤を回収するために洗浄され得る。ある実施形態において、抽出器120の温度は、プロセス全体の効率を向上させるように調整され得る。ある実施形態において、抽出器120への発酵ブロスおよび抽出剤の流れは、並流であっても、または向流であってもよい。ある実施形態において、膜が、発酵ブロスおよび抽出剤の混合を最小限に抑えるのに使用され得る。ある実施形態において、抽出剤は、生成物アルコールを吸収するポリマービーズまたは無機ビーズであり得る。ある実施形態において、ポリマービーズまたは無機ビーズは、生成物アルコールを優先的に吸収し得る。   In certain embodiments, the quality of the extractant can be monitored and replenished with the extractant as often as necessary for good production of product alcohol. In certain embodiments, the extractant may be incorporated into the total distillation waste solid. The total distillation effluent may be separated into a liquid (eg, dilute distillation effluent) stream and a solid stream, and the solid may be washed to recover the extractant. In certain embodiments, the temperature of the extractor 120 can be adjusted to improve overall process efficiency. In certain embodiments, the fermentation broth and extractant streams to the extractor 120 may be cocurrent or countercurrent. In certain embodiments, a membrane can be used to minimize mixing of the fermentation broth and extractant. In certain embodiments, the extractant can be polymer beads or inorganic beads that absorb the product alcohol. In certain embodiments, polymer beads or inorganic beads may preferentially absorb product alcohol.

ある実施形態において、インライン、オンライン、アットライン、またはリアルタイム測定などの測定が、様々な流れ中の生成物アルコールおよび/または代謝副産物の濃度を測定するのに使用され得る。これらの測定は、様々なユニットまたは槽(例えば、発酵30、抽出器120、分離130および140など)間の流れを変化させ、プロセス全体を向上させるための制御ループの一環として使用され得る。   In certain embodiments, measurements such as in-line, online, at-line, or real-time measurements can be used to measure the concentration of product alcohol and / or metabolic by-products in various streams. These measurements can be used as part of a control loop to change the flow between various units or vessels (eg, fermentation 30, extractor 120, separations 130 and 140, etc.) and improve the overall process.

本発明の別の例示的なプロセスが、図9に示される。図9中のいくつかのプロセスおよび流れが、図1〜8に使用されるのと同じ名称および番号を用いて特定されており、図1〜8に記載されるのと同じかまたは同様のプロセスおよび流れを表す。   Another exemplary process of the present invention is shown in FIG. Several processes and flows in FIG. 9 have been identified using the same names and numbers as used in FIGS. 1-8, and the same or similar processes as described in FIGS. And represents the flow.

図1〜7を参照して本明細書に記載されるように、原料12が処理され、固体が分離され得る(100)。ある実施形態において、原料12は、蒸発160によって生成される再利用水(例えば、流れ162)と混合され得る。本明細書に記載されるように、原料スラリーは、懸濁固体を除去するために分離方法に供されて、ウェットケーキ24、溶解された発酵性糖を含む水溶液22(または遠心分離液)、および原料に応じて、油が生成され得る。ウェットケーキ24は、乾燥器170中で乾燥され、DDGSを生成するのに使用され得る。ある実施形態において、ウェットケーキ24は、水(例えば、再利用水/流れ162)で再スラリー化され、さらなる発酵性糖を除去するために分離に供されて、洗浄されたウェットケーキ(例えば、図4および5に記載される74、74’)が生成され得る。ある実施形態において、ウェットケーキ流24、74、および74’は、組み合わされてもよく、組み合わされたウェットケーキ流は、乾燥器170中で乾燥され、DDGSを生成するのに使用され得る。   As described herein with reference to FIGS. 1-7, feedstock 12 can be processed and solids can be separated (100). In certain embodiments, feed 12 may be mixed with recycled water (eg, stream 162) produced by evaporation 160. As described herein, the raw slurry is subjected to a separation process to remove suspended solids, wet cake 24, aqueous solution 22 (or centrifuge) containing dissolved fermentable sugar, And depending on the feedstock, oil can be produced. The wet cake 24 can be dried in the dryer 170 and used to produce DDGS. In certain embodiments, the wet cake 24 is reslurried with water (eg, recycled water / stream 162), subjected to separation to remove additional fermentable sugar, and washed wet cake (eg, 74, 74 ′) described in FIGS. 4 and 5 can be generated. In certain embodiments, wet cake streams 24, 74, and 74 'may be combined, and the combined wet cake streams may be dried in dryer 170 and used to produce DDGS.

水溶液22および微生物32が、発酵30に加えられてもよく、ここで、発酵性糖は、微生物32によって代謝されて、生成物アルコールを含む流れ105が生成される。ある実施形態において、酵素が、発酵30に加えられ得る。流れ105は、抽出器120に送られてもよく、抽出剤124と接触され得る。生成物アルコールがより希薄な発酵ブロスを含む流れ127が、発酵30に戻されてもよく、生成物アルコールがより濃厚な抽出剤を含む流れ122が、分離130に送られ得る。ある実施形態において、抽出器120は、流れ122が最小の細胞塊および最小の基質を含有するように運転され得る。分離130は、微生物32または基質を損傷することがあり、それにより、発酵速度が低下され得る。最小の細胞塊および基質を含む抽出器120を運転することにより、分離130による損傷の可能性が最小限に抑えられ得る。より希薄な抽出剤を含む流れ125が、抽出器120に戻され得る。分離130からの流れ135が、生成物アルコールの回収を含むさらなる処理のために、精製150に送られ得る。ある実施形態において、抽出剤が、発酵30に加えられ得る。ある実施形態において、抽出剤を含む発酵ブロスの一部が、抽出器120に移されてもよく、ある実施形態において、抽出剤は、抽出剤を含む発酵ブロスから回収され得る。ある実施形態において、抽出器への発酵ブロスおよび抽出剤の流量が、相分離を向上させるために調節され得る。例えば、発酵の早期または後期の段階で抽出器に入る全体的な流量をより低くすることで、発酵ブロスおよび抽出剤の相分離が向上され得る。   Aqueous solution 22 and microorganism 32 may be added to fermentation 30 where fermentable sugars are metabolized by microorganism 32 to produce stream 105 containing product alcohol. In certain embodiments, enzymes can be added to fermentation 30. Stream 105 may be sent to extractor 120 and may be contacted with extractant 124. Stream 127 containing the fermentation broth in which the product alcohol is more dilute may be returned to fermentation 30 and stream 122 containing the extractant in which the product alcohol is richer may be sent to separation 130. In certain embodiments, the extractor 120 can be operated such that the stream 122 contains minimal cell mass and minimal substrate. Separation 130 can damage microorganisms 32 or the substrate, which can reduce the fermentation rate. By operating the extractor 120 with minimal cell mass and substrate, the potential for damage due to the separation 130 can be minimized. A stream 125 containing a leaner extractant can be returned to the extractor 120. Stream 135 from separation 130 may be sent to purification 150 for further processing including recovery of product alcohol. In certain embodiments, an extractant can be added to fermentation 30. In certain embodiments, a portion of the fermentation broth that includes the extractant may be transferred to the extractor 120, and in certain embodiments, the extractant may be recovered from the fermentation broth that includes the extractant. In certain embodiments, the fermentation broth and extractant flow rates to the extractor can be adjusted to improve phase separation. For example, lowering the overall flow rate entering the extractor early or late in the fermentation can improve the phase separation of the fermentation broth and extractant.

本明細書に記載されるように、バッチ発酵プロセスの後または連続発酵プロセスにおける安定した流出物流として、ビールを含む流れ103が、全蒸留廃液142から生成物アルコールを分離するために、下流で分離140に送られ得る。上流の固体除去プロセスを用いると、希薄なマッシュ中の非溶解固体含量が低下され得るため、固体を除去するために全蒸留廃液142を遠心分離する必要がないことがある。したがって、全蒸留廃液142は、蒸発160に直接送られ得る。蒸発160によって生成されるシロップ165は、乾燥器170中でウェットケーキ24、74、74’と混合されて、DDGSが形成され得る。   As described herein, as a stable effluent stream after a batch fermentation process or as a continuous fermentation process, a stream 103 containing beer is separated downstream to separate product alcohol from the total distillation waste liquor 142. 140 may be sent. Using an upstream solids removal process may reduce the content of undissolved solids in the dilute mash so that it may not be necessary to centrifuge the total distillation waste liquor 142 to remove the solids. Thus, the total distillation waste 142 can be sent directly to the evaporation 160. The syrup 165 produced by the evaporation 160 can be mixed with the wet cakes 24, 74, 74 'in the dryer 170 to form a DDGS.

ある実施形態において、全蒸留廃液からの全懸濁固体(TSS)を含む逆流が、原料スラリーの調製のために使用(または再利用)され得る。ある実施形態において、全蒸留廃液または全蒸留廃液の一部が、蒸発の前に、ターボ式ろ過(turbo filtration)または超遠心分離を含むがこれらに限定されない固体分離システムによって処理され得るか、あるいは全蒸留廃液または全蒸留廃液の一部が、自浄式の浄水のために処理され得る。   In certain embodiments, a reverse flow comprising total suspended solids (TSS) from the total distillation waste liquor can be used (or recycled) for the preparation of the raw slurry. In certain embodiments, the total distillation waste or a portion of the total distillation waste can be processed by a solids separation system prior to evaporation, including but not limited to turbo filtration or ultracentrifugation, or Total distillation waste or a portion of total distillation waste can be processed for self-cleaning water.

粗粒固体が液化されたマッシュから除去されるある実施形態において、生成される全蒸留廃液は、微細な固体および不溶性の微生物断片を含有していてもよく、これらの分散された固体は、ターボ式ろ過を用いて除去され得る。ターボ式ろ過は、原料懸濁液を、微細な固体を保持し得るろ過器を通した遠心運動に供することを含み得る。ウェットケーキへと形成されるときのこれらの微細な固体は、微細な穀物粒子の細孔の表面および内部の両方に吸収されるいくらかの抽出剤を含有し得る。場合によっては、水によるウェットケーキの洗浄は、ウェットケーキから抽出剤を回収するのに不十分である。ある実施形態において、有機相などの濃縮された生成物アルコール流が、全蒸留廃液ウェットケーキから抽出剤を回収するのに使用され得る。ある実施形態において、この有機相は、デカンター中で形成され得る。ある実施形態において、生成物アルコールで洗浄されたウェットケーキは、その後、ウェットケーキから生成物アルコールを回収するために、水で洗浄され得る。   In certain embodiments where coarse solids are removed from the liquefied mash, the total distillate waste produced may contain fine solids and insoluble microbial fragments, and these dispersed solids are turbocharged. Can be removed using formula filtration. Turbofiltration can include subjecting the raw material suspension to a centrifugal motion through a filter that can retain fine solids. These fine solids when formed into a wet cake may contain some extractant that is absorbed both on the surface and inside the pores of the fine grain particles. In some cases, washing the wet cake with water is insufficient to recover the extractant from the wet cake. In certain embodiments, a concentrated product alcohol stream, such as an organic phase, can be used to recover the extractant from the total distillation waste liquid wet cake. In certain embodiments, the organic phase can be formed in a decanter. In certain embodiments, the wet cake washed with product alcohol may then be washed with water to recover the product alcohol from the wet cake.

ある実施形態において、本明細書に記載される方法およびシステムは、抽出剤リザーバ(またはタンクもしくは槽)を含み得る。抽出剤が、抽出剤リザーバに加えられてもよく、この抽出剤は、抽出器に循環され得る。ある実施形態において、抽出剤は、抽出器に送られてもよく、抽出器からの流れが、抽出剤リザーバに戻され得る。ある実施形態において、抽出剤リザーバからの抽出剤は、抽出器および/または発酵装置に循環され得る。ある実施形態において、抽出剤流が、抽出剤リザーバ、抽出器、および発酵装置の間で循環され得る。ある実施形態において、発酵の完了時に、抽出剤リザーバ、抽出器、および/または発酵装置の含有物が、生成物アルコールを回収するようにさらに処理され得る。   In certain embodiments, the methods and systems described herein can include an extractant reservoir (or tank or tank). An extractant may be added to the extractant reservoir, which can be circulated to the extractor. In certain embodiments, the extractant may be sent to an extractor and the flow from the extractor may be returned to the extractant reservoir. In certain embodiments, the extractant from the extractant reservoir can be circulated to the extractor and / or fermenter. In certain embodiments, the extractant stream can be circulated between the extractant reservoir, the extractor, and the fermentation apparatus. In certain embodiments, upon completion of the fermentation, the extractant reservoir, extractor, and / or fermenter contents may be further processed to recover product alcohol.

抽出剤からの生成物アルコールの分離または抽出は、吸上げ(siphoning)、デカンテーション、遠心分離、重力沈降器、膜による分相などを含むがこれらに限定されない、当該技術分野において公知の方法を用いて行われ得る。ある実施形態において、抽出は、例えば、ミキサーセトラーを用いて行われ得る。ミキサーセトラーは、段階式(stage−wise)抽出器であり、ポンプ、撹拌器、スタティックミキサー、混合用T字管(mixing tee)、衝突装置(impingement device)、循環するスクリーン(circulating screen)、またはレイニングバケット(raining bucket)などの、混合のための様々な要素とともに利用可能である。ミキサーセトラーの例が、図10A〜10Hに示される。例えば、図10Aは、混合の供給源としてポンプを用いるミキサーセトラーを示す。図10Bは、混合の供給源としてミキサーを用いるミキサーセトラーを示す。図10Cは、混合の供給源としてスタティックミキサーを用いるミキサーセトラーを示す。図10Dは、混合の供給源として混合用T字管を用いるミキサーセトラーを示す。図10Eは、混合の供給源として衝突式ミキサーを用いるミキサーセトラーを示す。図10Fは、混合の供給源としてレイニングバケットまたはメッシュスクリーンを用いるミキサーセトラーを示す。図10Gは、セトラーとして遠心分離機を用いるミキサーセトラーを示す。図10Hは、セトラーとしてハイドロサイクロンまたはボルテックス分離器を用いるミキサーセトラーを示す。ある実施形態において、1つ以上の混合デバイスが、本明細書に記載される方法およびシステムに使用され得る。   Separation or extraction of the product alcohol from the extractant includes methods known in the art, including but not limited to siphoning, decanting, centrifuging, gravity settling, membrane phase separation, etc. Can be used. In certain embodiments, the extraction can be performed using, for example, a mixer settler. A mixer settler is a stage-wise extractor, pump, stirrer, static mixer, mixing tee, impingement device, circulating screen, or It can be used with various elements for mixing, such as a laying bucket. An example of a mixer settler is shown in FIGS. For example, FIG. 10A shows a mixer settler that uses a pump as the source of mixing. FIG. 10B shows a mixer settler that uses a mixer as the source of mixing. FIG. 10C shows a mixer settler that uses a static mixer as the source of mixing. FIG. 10D shows a mixer settler that uses a mixing tee as a source of mixing. FIG. 10E shows a mixer settler that uses a collision mixer as the source of mixing. FIG. 10F shows a mixer settler that uses a laying bucket or mesh screen as the source of mixing. FIG. 10G shows a mixer settler that uses a centrifuge as the settler. FIG. 10H shows a mixer settler that uses a hydrocyclone or vortex separator as the settler. In certain embodiments, one or more mixing devices can be used in the methods and systems described herein.

ある実施形態において、ミキサーは、例えば、平坦なブレード、ピッチ付きブレードタービン、または曲線状のプロペラなどの撹拌器を含み得る。撹拌型ミキサーによって生成される液滴径は、撹拌器設計、タンク設計、撹拌器速度、および運転モードによって制御され得る。スタティックミキサーの場合、液滴径は、ミキサーの直径および流量によって制御され得る。例えば、液滴径は、発酵の間に、ミキサーを通る流量を変化させることによって制御され得る。ある実施形態において、ガスおよびミキサーは、混合プロセスに使用され得る。   In certain embodiments, the mixer may include an agitator such as, for example, a flat blade, a pitched blade turbine, or a curved propeller. The droplet size produced by the agitator mixer can be controlled by agitator design, tank design, agitator speed, and operating mode. In the case of a static mixer, the droplet size can be controlled by the mixer diameter and flow rate. For example, droplet size can be controlled by changing the flow rate through the mixer during fermentation. In certain embodiments, gases and mixers can be used in the mixing process.

ある実施形態において、1つ以上のミキサーセトラーが、本明細書に記載される方法およびシステムに使用され得る。ある実施形態において、1つ以上のミキサーセトラーは、図10Iおよび10Jに示されるように、直列でまたは向流モードで配置され得る。ある実施形態において、ミキサーセトラーは、列状の配置(column arrangement)で積み重ねられ、複数の混合および沈殿領域を提供し得る。ある実施形態において、セトラーは、相分離を促進するために親水性または疎水性表面を含み得る。   In certain embodiments, one or more mixer settlers can be used in the methods and systems described herein. In certain embodiments, one or more mixer settlers may be arranged in series or in countercurrent mode, as shown in FIGS. 10I and 10J. In certain embodiments, the mixer settlers can be stacked in a column arrangement to provide multiple mixing and precipitation areas. In certain embodiments, the settler may include a hydrophilic or hydrophobic surface to facilitate phase separation.

別の実施形態において、カラム抽出器または遠心抽出器は、本明細書に記載される方法およびシステムに使用され得る。カラム抽出器は、着実に変化する濃度プロファイルにより、抽出器の長さにわたって物質移動のための条件を提供する差動抽出器(differential extractor)である。異なるタイプの差動抽出器は、非機械的、パルス撹拌型、および回転撹拌型に分類され得る。遠心式抽出器は、このようなタイプの1つであるPodbielniak(登録商標)遠心式接触器(centrifugal contactor)を備えた別の種類の差動抽出器である。   In another embodiment, a column extractor or centrifugal extractor can be used in the methods and systems described herein. A column extractor is a differential extractor that provides conditions for mass transfer over the length of the extractor with a steadily changing concentration profile. Different types of differential extractors can be categorized as non-mechanical, pulse agitation, and rotary agitation. Centrifugal extractors are another type of differential extractor equipped with one such type, Podbielniak (R) centrifugal contactor.

ある実施形態において、非機械的なスプレー塔が、本明細書に記載される方法およびシステムに使用され得る。非機械的なスプレー塔の一例としては、カラム内部を含まない非機械的なスプレー塔が挙げられる。ノズルの数およびノズル直径は、液滴径を決定するのに使用され得る。ある実施形態において、スプレー塔は、内部を有し得る。ある実施形態において、スプレー塔は、らせん状の配管を含み得る。らせん状の配管により、液滴の上昇および発酵ブロスおよび抽出剤のさらなる混合が可能になり得る。ある実施形態において、充填塔、シーブトレイ(sieve tray)、およびバッフルトレイ(baffle tray)などの非機械的な抽出器が、本明細書に記載される方法およびシステムに使用され得る。これらの抽出器の例が、図10Kに示される。ある実施形態において、このような抽出器の充填は、ランダムであってもまたは構造化されていてもよい。   In certain embodiments, non-mechanical spray towers can be used in the methods and systems described herein. An example of a non-mechanical spray tower is a non-mechanical spray tower that does not include the interior of the column. The number of nozzles and nozzle diameter can be used to determine the droplet size. In certain embodiments, the spray tower can have an interior. In certain embodiments, the spray tower may include helical tubing. Spiral piping may allow for drop rise and further mixing of the fermentation broth and extractant. In certain embodiments, non-mechanical extractors such as packed towers, sieve trays, and baffle trays can be used in the methods and systems described herein. Examples of these extractors are shown in FIG. 10K. In certain embodiments, the filling of such extractors may be random or structured.

ある実施形態において、パルス撹拌型抽出器が、本明細書に記載される方法およびシステムに使用され得る。パルス撹拌型抽出器は、トレイが垂直に移動する往復式トレイ(reciprocating tray)または振動板を含む様々な設計も有する。全体的な充填塔および/またはシーブトレイカラムも、より小さい分散相液滴およびより多い物質移動を促進するために、垂直に振動し得る。これらの抽出器の例が、図10Lに示される。ある実施形態において、回転撹拌型または回転円板式接触器が、本明細書に記載される方法およびシステムに使用され得る。これらの抽出器の例が、図10Mに示される。   In certain embodiments, a pulse agitation extractor may be used in the methods and systems described herein. Pulse agitation extractors also have a variety of designs, including a reciprocating tray or diaphragm where the tray moves vertically. The overall packed tower and / or sieve tray column can also vibrate vertically to facilitate smaller dispersed phase droplets and more mass transfer. Examples of these extractors are shown in FIG. 10L. In certain embodiments, a rotating agitation or rotating disk contactor may be used in the methods and systems described herein. Examples of these extractors are shown in FIG. 10M.

ある実施形態において、撹拌抽出器が、本明細書に記載される方法およびシステムに使用され得る。例えば、遠心分離機を備えた撹拌抽出器は、高い物質移動速度および明瞭な相分離を提供し得る。ある実施形態において、撹拌型カラムが、本明細書に記載される方法およびシステムに使用され得る。例えば、内部を有する撹拌型カラムは、高い物質移動速度を提供し得る。   In certain embodiments, a stirrer extractor can be used in the methods and systems described herein. For example, a stirred extractor with a centrifuge can provide high mass transfer rates and distinct phase separation. In certain embodiments, stirred columns can be used in the methods and systems described herein. For example, a stirred column with an interior can provide a high mass transfer rate.

液液抽出プロセスの一態様は、絶えず変化する発酵の間、抽出器の良好な運転条件を決定している。例えば、典型的なトウモロコシから生成物アルコールへのバッチ発酵は、発酵装置中の特定の体積の発酵ブロスに加えられる微生物(または細胞塊)の最初の接種、続いて、所定の体積になるまでの発酵装置のさらなる充填を用いる。発酵は、所定の量の発酵性炭素源(例えば、糖)が消費されるまで続けられる。バッチ発酵の間、細胞塊、反応中間体、反応の副生成物、および基質成分の濃度が、粘度、密度、および表面張力を含む発酵ブロスの物理的特性と同様に、時間とともに変化する。発酵の性能パラメータ、例えば、生産の速度、力価、および収率パラメータならびに売上高、投資利益率、および利益などの工場の経済性を向上させるために、抽出器は、変化する発酵ブロスを補うために様々な方法で運転され得る。さらに、動的発酵の特性は、抽出器のサイズ制限に影響を与え得る。抽出器および発酵装置の運転の適切な統合は、プロセスの機械的なモデルの使用によって利益を得られる(例えば、Daugulis and Kollerup,Biotechnology and Bioengineering 27:1345−1356,1985を参照)。機械的モデルを補強すること、例えば、実験データにより主要なモデルパラメータを設定することも有益である。向上した速度、力価、および発酵プロセスの収率を考慮するための差動抽出器の設計パラメータとしては、抽出器カラムの断面積当たりの抽出器への最大総流量ならびに所与の発酵ブロス対抽出剤の比率で十分な生成物アルコールを除去するのに必要とされる抽出器の高さが挙げられる。バッチ発酵中の単位面積当たりの最大流量および抽出器の高さを変化させる必要があり得る。差動抽出器の別の考慮事項は、分散相の液滴径である。適切な液滴径は、十分な物質移動を提供するのに十分な小ささと、抽出器を出る明瞭な相分離を可能にするのに十分な大きさとの間のバランスであり得る。段階式抽出器において、効率的な物質移動に必要とされる混合強度、沈殿するのに必要とされる対応する時間、および/または相を分離するのに必要とされるエネルギーは、考慮すべきさらなる要素である。段階式抽出器または差動抽出器のいずれのタイプの抽出器においても、抽出器に供給される抽出剤に対する発酵ブロスの比率は、抽出器のサイズの決定に役割を果たす。   One aspect of the liquid-liquid extraction process determines good operating conditions for the extractor during constantly changing fermentations. For example, a batch fermentation of a typical corn to product alcohol may involve a first inoculation of microorganisms (or cell clumps) that are added to a specific volume of fermentation broth in the fermentor, followed by a predetermined volume. A further filling of the fermenter is used. Fermentation is continued until a predetermined amount of fermentable carbon source (eg, sugar) is consumed. During batch fermentation, the concentration of cell masses, reaction intermediates, reaction by-products, and substrate components change over time, as well as the physical properties of the fermentation broth including viscosity, density, and surface tension. To improve the performance parameters of fermentation, for example, production speed, titer, and yield parameters and factory economics such as sales, return on investment, and profit, the extractor supplements the changing fermentation broth Can be driven in various ways. Furthermore, the characteristics of dynamic fermentation can affect the size limit of the extractor. Appropriate integration of extractor and fermenter operations can benefit from the use of a mechanical model of the process (see, eg, Daugulis and Kollerup, Biotechnology and Bioengineering 27: 1345-1356, 1985). It is also beneficial to augment the mechanical model, for example to set key model parameters with experimental data. Differential extractor design parameters to account for improved speed, titer, and fermentation process yield include the maximum total flow to the extractor per cross section of the extractor column and the given fermentation broth pair. The extractor height required to remove sufficient product alcohol at the extractant ratio is mentioned. It may be necessary to vary the maximum flow rate per unit area and the height of the extractor during batch fermentation. Another consideration of the differential extractor is the droplet size of the dispersed phase. A suitable droplet size can be a balance between small enough to provide sufficient mass transfer and large enough to allow clear phase separation exiting the extractor. In a staged extractor, the mixing intensity required for efficient mass transfer, the corresponding time required for precipitation, and / or the energy required to separate the phases should be considered. It is a further element. In any type of extractor, staged or differential extractor, the ratio of fermentation broth to extractant fed to the extractor plays a role in determining the size of the extractor.

ある実施形態において、固定サイズの抽出器が用いられ、抽出器へのフラッディング(flooding)を回避する最大許容流量(maximum allowable flow)が、発酵ブロスの物理的特性および濃度の変化により、発酵の間に低い値から高い値まで(例えば、所与の抽出器設計では最大の1/3〜2/3)変化される場合、発酵を適度な時間で完了させつつ、抽出器への流量が最大流量を超えずに変化され得る。ある実施形態において、抽出器が撹拌される場合、撹拌の速度は、発酵ブロスの変化を埋め合わせるために、発酵の間に変化され得る。液滴径は、抽出器内で測定されてもよく、固定された液滴径を維持するための速度は、発酵ブロスの変化を埋め合わせるために、発酵の間を通して制御され得る。任意の時点で生じる物質移動の量が、入口および出口流中の生成物アルコールの濃度を測定し、発酵の間の物質移動を制御するための条件(例えば、流量、流量比、撹拌)を調整することによって評価され得る。   In certain embodiments, a fixed size extractor is used and the maximum allowed flow that avoids flooding to the extractor is reduced during fermentation due to changes in the physical properties and concentration of the fermentation broth. When changing from low to high (for example, maximum 1/3 to 2/3 for a given extractor design), the flow to the extractor is maximized while the fermentation is completed in a reasonable amount of time. Can be changed without exceeding. In certain embodiments, when the extractor is agitated, the rate of agitation can be changed during fermentation to compensate for changes in the fermentation broth. The droplet size may be measured in the extractor and the rate to maintain a fixed droplet size can be controlled throughout the fermentation to make up for changes in the fermentation broth. The amount of mass transfer that occurs at any given time measures the concentration of product alcohol in the inlet and outlet streams and adjusts the conditions (eg flow rate, flow ratio, agitation) to control mass transfer during fermentation Can be evaluated.

ある実施形態において、様々なサイズの複数の抽出器が、用いられてもよく、各抽出器中の条件(例えば、流量、流量比、撹拌)が、発酵プロセスの向上した制御を提供するように調整され得る。ある実施形態において、発酵ブロス対抽出剤の比率が、抽出効率を向上させ、抽出剤中の生成物アルコールの濃度を増加させ(効率の向上に相当する)、抽出器を通る必要な流量を減少させるように調節され得る。   In certain embodiments, multiple extractors of various sizes may be used such that the conditions (eg, flow rate, flow ratio, agitation) in each extractor provide improved control of the fermentation process. Can be adjusted. In certain embodiments, the ratio of fermentation broth to extractant increases extraction efficiency, increases the concentration of product alcohol in the extractant (corresponding to increased efficiency), and reduces the required flow rate through the extractor. Can be adjusted.

本明細書に記載される方法およびシステムのさらなる実施形態において、2つ以上の発酵ブロスまたは水流が存在し得る。第1の水流から吸収された生成物アルコールを有する抽出剤相が、第1の水流より少ない生成物アルコールまたは発酵ブロスを含有する第2の水流と接触されて、濃厚な抽出剤相から第2の水相への生成物アルコールの移動が可能になり得る。ある実施形態において、濃厚な抽出剤と希薄な水流との接触は、多段式接触デバイスまたはスタティックミキサー、続いて、セトラーで行われ得る。ある実施形態において、濃厚な抽出剤と希薄な水流との接触は、同じデバイス中で行われてもよく、ここで、希薄な抽出剤が、発酵ブロスと接触される。有孔バッフルを備えた抽出器が、別個のコンパートメントにおける発酵ブロスおよび希薄な水流の両方の下降流を可能にし得る一方、生成物アルコールが希薄な抽出剤は、全てのコンパートメントにわたって連続相を形成し得る。この構成の利点は、抽出剤が抽出器の閉じた体積に限定されたままである場合に生産工場中で必要とされ得る抽出剤の減少した量である。この構成の別の利点は、抽出剤が、蒸留中の分解の可能性がないため、より長い耐用寿命を示し得ることである。生成物アルコールを均質な水流に移すことによって、生成物アルコールは、カラムの能力および熱統合を考慮しながら、希薄な水流の分配によって2つ以上のストリップ塔に送られ得る。生成物アルコールが発酵ブロスから抽出される間またはその直後に、生成物アルコールが水性媒体中に抽出される場合、抽出剤に曝される装置を清掃する必要性が減少され得る。   In further embodiments of the methods and systems described herein, there may be more than one fermentation broth or water stream. An extractant phase having product alcohol absorbed from the first water stream is contacted with a second water stream containing less product alcohol or fermentation broth than the first water stream and second from the concentrated extractant phase. It may be possible to transfer the product alcohol to the aqueous phase. In certain embodiments, the contact between the rich extractant and the dilute water stream can be performed with a multi-stage contact device or static mixer followed by a settler. In certain embodiments, contacting the rich extractant and the dilute water stream may be performed in the same device, wherein the dilute extractant is contacted with the fermentation broth. An extractor with a perforated baffle may allow downflow of both the fermentation broth and dilute water flow in separate compartments, while the product alcohol dilute extractant forms a continuous phase across all compartments. obtain. The advantage of this configuration is the reduced amount of extractant that may be required in the production plant if the extractant remains confined to the closed volume of the extractor. Another advantage of this configuration is that the extractant can exhibit a longer useful life because there is no possibility of degradation during distillation. By transferring the product alcohol to a homogeneous water stream, the product alcohol can be sent to two or more strip towers by dilute water stream distribution, taking into account column capacity and heat integration. If the product alcohol is extracted into an aqueous medium during or shortly after the product alcohol is extracted from the fermentation broth, the need to clean the equipment exposed to the extractant may be reduced.

ある実施形態において、生成物アルコールが、生成物アルコールの移送に対して選択的な障壁をわたって、発酵ブロスから第2の水流または抽出剤に移され得る。ある実施形態において、この障壁は、膜材料によって提供され得る。膜材料は、有機または無機のいずれかであり得る。膜材料の例としては、ポリマーおよびセラミックが挙げられる。ある実施形態において、生成物アルコールは、ヒドロゲルを用いて発酵ブロスから分離され得る。ある実施形態において、ヒドロゲルは、以下に限定はされないが、ヒドロキシル官能基、炭化水素の性質、網目構造サイズ(network size)などの、生成物アルコールとの相互作用を促進する機能要素を含み得る。ある実施形態において、ヒドロゲルは、高分子網目構造またはポリマー配合物を含み得る。ポリマー配合物の例としては、以下に限定はされないが、以下のもの:アクリル酸、ナトリウムアクリレート、ヒドロキシエチルアクリレート、メタクリレート、ヒドロキシブチルアクリレート、ブチルアクリレート、ビニル化ポリエチレンオキシド、ビニル化プロピレンオキシド、ビニル化ポリテトラメチレンオキシド、ポリグリコールのアクリレートおよびジアクリレート、ポリビニルアルコールおよび炭化水素誘導体化ポリビニルアルコール、およびスチレンおよびスチレン誘導体のうちの1つ以上が挙げられる。ある実施形態において、ヒドロゲルは、ヒドロキシエチルアクリレートおよびメタクリレート、ヒドロキシブチルアクリレートおよびメタクリレート、またはブチルアクリレートおよびメタクリレートを含み得る。   In certain embodiments, product alcohol may be transferred from the fermentation broth to the second water stream or extractant across a selective barrier to product alcohol transport. In certain embodiments, this barrier may be provided by a membrane material. The membrane material can be either organic or inorganic. Examples of membrane materials include polymers and ceramics. In certain embodiments, the product alcohol can be separated from the fermentation broth using a hydrogel. In certain embodiments, the hydrogel may include functional elements that facilitate interaction with the product alcohol, such as, but not limited to, hydroxyl functionality, hydrocarbon nature, network size, and the like. In certain embodiments, the hydrogel may comprise a polymer network or polymer blend. Examples of polymer formulations include, but are not limited to, the following: acrylic acid, sodium acrylate, hydroxyethyl acrylate, methacrylate, hydroxybutyl acrylate, butyl acrylate, vinylated polyethylene oxide, vinylated propylene oxide, vinylated One or more of polytetramethylene oxide, polyglycol acrylates and diacrylates, polyvinyl alcohol and hydrocarbon derivatized polyvinyl alcohol, and styrene and styrene derivatives. In certain embodiments, the hydrogel may comprise hydroxyethyl acrylate and methacrylate, hydroxybutyl acrylate and methacrylate, or butyl acrylate and methacrylate.

本明細書に記載される方法およびシステムの他の実施形態において、発酵ブロスは、大気圧を超える圧力で発酵装置の底部から除去され、大気圧で動作する第1のフラッシュタンクに通されて、COなどの溶解ガスが放出され得る。この第1のフラッシュタンクは、脱気サイクロンであってもよく、この第1のフラッシュタンクからの蒸気が、発酵装置からの蒸気と組み合わされ、スクラバーに送られ得る。ある実施形態において、第1のフラッシュタンクからの発酵ブロスは、大気圧未満の圧力で動作する第2のフラッシュタンクに通されて、COなどのより多くの溶解ガスが放出され得る。この第2のフラッシュタンクは、脱気サイクロンであってもよく、この第2のフラッシュタンクからの蒸気は、大気圧に再圧縮され、冷却され、部分的に凝縮されてから、発酵装置からの蒸気と組み合わされ、スクラバーに送られ得る。この第2のフラッシュタンクを出る発酵ブロスは、残留しているかまたは新たに形成された溶解ガスが抽出塔中に気相を形成しないように、大気圧を超える圧力で動作する抽出塔に注入され得る。 In other embodiments of the methods and systems described herein, the fermentation broth is removed from the bottom of the fermenter at a pressure above atmospheric pressure and passed through a first flash tank operating at atmospheric pressure, A dissolved gas such as CO 2 can be released. This first flash tank may be a degassing cyclone, and the steam from this first flash tank may be combined with the steam from the fermenter and sent to the scrubber. In some embodiments, the fermentation broth from the first flash tank is passed through a second flash tank operating at a pressure less than atmospheric pressure, more soluble gases such as CO 2 can be released. This second flash tank may be a degassed cyclone, and the vapor from this second flash tank is recompressed to atmospheric pressure, cooled, partially condensed and then from the fermenter. It can be combined with steam and sent to a scrubber. The fermentation broth exiting this second flash tank is injected into an extraction tower operating at a pressure above atmospheric pressure so that any remaining or newly formed dissolved gas does not form a gas phase in the extraction tower. obtain.

本明細書に記載される方法およびシステムの別の実施形態において、発酵ブロスは、抽出器に送られ、抽出剤と接触されて、水流と、抽出剤および生成物アルコールを含む有機流とが生成され得る。この有機流は、抽出剤からの生成物アルコールの分離のためのフラッシュタンク(例えば、真空フラッシュ)に送られ得る。ある実施形態において、フラッシュタンクからの抽出剤流は、抽出器および/または発酵装置に再利用され得る。ある実施形態において、有機流は、フラッシュタンクの前に第2の抽出器に送られ得る。この第2の抽出器は、例えば、有機流中の一切の残留水を除去するのに使用され得る。抽出器は、サイフォン、デカンター、遠心分離機、重力沈降器、ミキサーセトラー、またはそれらの組合せであり得る。ある実施形態において、抽出剤は、以下に限定はされないが、牛脂、トウモロコシ油、キャノーラ油、カプリン酸/カプリル酸トリグリセリド、ヒマシ油、ココナツ油、綿実油、魚油、ホホバ油、ラード、亜麻仁油、牛脚油、オイチシカ油、ヤシ油、ピーナッツ油、菜種油、米油、ベニバナ油、大豆油、ヒマワリ油、キリ油、ジャトロファ油、および植物油ブレンドなどの油、またはそれらに由来する脂肪酸であり得る。   In another embodiment of the methods and systems described herein, the fermentation broth is sent to an extractor and contacted with an extractant to produce a water stream and an organic stream comprising the extractant and product alcohol. Can be done. This organic stream can be sent to a flash tank (eg, a vacuum flash) for separation of the product alcohol from the extractant. In certain embodiments, the extractant stream from the flash tank can be recycled to the extractor and / or fermenter. In certain embodiments, the organic stream can be sent to a second extractor before the flash tank. This second extractor can be used, for example, to remove any residual water in the organic stream. The extractor can be a siphon, decanter, centrifuge, gravity settler, mixer settler, or combinations thereof. In certain embodiments, the extractant is not limited to beef tallow, corn oil, canola oil, capric / caprylic triglycerides, castor oil, coconut oil, cottonseed oil, fish oil, jojoba oil, lard, flaxseed oil, cow It can be an oil, such as a leg oil, deer oil, palm oil, peanut oil, rapeseed oil, rice oil, safflower oil, soybean oil, sunflower oil, kiri oil, jatropha oil, and vegetable oil blends, or fatty acids derived therefrom.

本明細書に記載される方法およびシステムのある実施形態において、自動の自浄式ろ過が、これらの方法およびシステムに使用され得る。発酵ブロスは、発酵装置から除去されてもよく、自動の自浄式フィルタに入る前に冷却器(例えば、発酵生産設備における既存の冷却器)を用いて冷却され得る。いくらかの微粒子が、精製されたマッシュがフィルタを通過するにつれてフィルタのスクリーン媒体に保持され得る。さらなるフィルタが、同時にバックフラッシュ(backflush)を行ってもよく、ここで、精製されたマッシュの一部が、微粒子を保有するスクリーンを通って逆流し、濃縮された固体流が排出され得る。ある実施形態において、精製されたマッシュの一部が、抽出器の上部に入り得る一方、抽出剤が、抽出器の底部に供給される。精製されたマッシュおよび抽出剤は、密度差によって受動的にまたは当該技術分野において一般的に使用される手段による機械的な運動(例えば、Karr(登録商標)カラム)を用いて接触され得る。ある実施形態において、生成物アルコールを含有する抽出剤の有機液体流が、抽出器の上部から出て、精製されたマッシュと比べて生成物アルコールが少なくとも部分的に減少された発酵ブロスの水性液体流が、抽出器の底部から出る。水性液体流および濃縮された固体流は、組み合わされ、発酵装置に戻され得る。生成物アルコールが濃厚な抽出剤流は、熱交換器中で加熱されてもよく、熱交換器は、抽出器の底部から生じる、生成物アルコールが希薄な抽出剤流からの熱を伝達する。いくらかの熱を放出した後、希薄な抽出剤は、発酵に適した温度に達するまで、熱交換器中で、水でさらに冷却され得る。発酵ブロスの循環は、伝熱デバイスおよび物質移動デバイスを通る経路を含み、外部の冷却ループを通過するごとの熱および生成物アルコールの除去を可能にし得る。さらに、ある実施形態において、熱および生成物アルコール除去の速度は、外部の冷却ループを通る循環流量を調整し、熱交換器中の冷却流体の流量を調整し、および/または抽出剤の流量を調整することによって、発酵中の熱および生成物アルコール生成の速度とバランスを取られ得る。   In certain embodiments of the methods and systems described herein, automatic self-cleaning filtration can be used for these methods and systems. The fermentation broth may be removed from the fermenter and may be cooled using a cooler (eg, an existing cooler in a fermentation production facility) before entering the automatic self-cleaning filter. Some particulate can be retained on the filter screen media as the purified mash passes through the filter. An additional filter may perform backflush at the same time, where a portion of the purified mash can be backflowed through a screen containing particulates and a concentrated solids stream can be discharged. In certain embodiments, a portion of the purified mash can enter the top of the extractor while the extractant is fed to the bottom of the extractor. Purified mash and extractant can be contacted either passively by density differences or using mechanical motion (eg, a Karr® column) by means commonly used in the art. In certain embodiments, an aqueous liquid stream of extractant containing product alcohol exits the top of the extractor and is at least partially reduced in product alcohol compared to purified mash. A stream exits from the bottom of the extractor. The aqueous liquid stream and the concentrated solid stream can be combined and returned to the fermenter. The product alcohol-rich extractant stream may be heated in a heat exchanger that transfers heat from the product alcohol-lean extractant stream originating from the bottom of the extractor. After releasing some heat, the dilute extractant can be further cooled with water in a heat exchanger until a temperature suitable for fermentation is reached. The circulation of the fermentation broth can include a path through the heat transfer device and mass transfer device to allow removal of heat and product alcohol as it passes through the external cooling loop. Further, in certain embodiments, the rate of heat and product alcohol removal can adjust the circulation flow rate through the external cooling loop, adjust the flow rate of the cooling fluid in the heat exchanger, and / or the flow rate of the extractant. By adjusting, the heat during fermentation and the rate of product alcohol production can be balanced.

本明細書に記載される方法およびシステムのある実施形態において、発酵ブロスからの抽出剤の相分離が、プロセスの温度および/またはpHを調節することによって促進され得る。例えば、プロセスは、発酵装置の温度および/またはpHと異なる温度および/またはpHで操作され得る。ある実施形態において、プロセスは、発酵装置と比較して低下したpHで操作され得る。ある実施形態において、プロセスは、発酵装置と比較してより高い温度で操作され得る。ある実施形態において、プロセスは、発酵装置と比較して低下したpHおよびより高い温度で操作され得る。より高い温度は、水相と有機相との間の生成物アルコールの物質移動の動特性を向上させることができ、水相中に分散された抽出剤液滴および有機相中に分散された水滴の凝集の動特性を向上させ得る。ある実施形態において、発酵ブロスおよび抽出剤を含有する抽出器の内部の温度は、抽出器に入る発酵ブロスおよび/または抽出剤を加熱することによって上昇され得る。発酵ブロスは、水蒸気もしくは蒸気の注入によって直接または熱交換器を介して間接的に加熱され得る。ある実施形態において、抽出器に供給される抽出剤は、その温度が既に上昇され得る蒸留から生じ得る。ある実施形態において、抽出剤は、発酵温度より高い温度に冷却され得る。   In certain embodiments of the methods and systems described herein, phase separation of the extractant from the fermentation broth can be facilitated by adjusting the temperature and / or pH of the process. For example, the process can be operated at a temperature and / or pH different from the temperature and / or pH of the fermenter. In certain embodiments, the process can be operated at a reduced pH compared to the fermenter. In certain embodiments, the process may be operated at a higher temperature compared to the fermenter. In certain embodiments, the process may be operated at a reduced pH and higher temperature compared to the fermenter. Higher temperatures can improve the mass transfer kinetics of product alcohol between the aqueous and organic phases, with extractant droplets dispersed in the aqueous phase and water droplets dispersed in the organic phase. It is possible to improve the dynamic characteristics of the aggregation. In certain embodiments, the temperature inside the extractor containing the fermentation broth and extractant can be increased by heating the fermentation broth and / or extractant entering the extractor. The fermentation broth can be heated directly by steam or steam injection or indirectly through a heat exchanger. In certain embodiments, the extractant fed to the extractor can result from distillation whose temperature can already be increased. In certain embodiments, the extractant can be cooled to a temperature above the fermentation temperature.

ある実施形態において、低下したpHは、水性ブロス相への抽出剤の溶解性および分散性を最小限に抑えることができる。ある実施形態において、抽出剤は、公知の関連するpKa値を有する脂肪酸であり得る。ある実施形態において、発酵ブロスのpHは、脂肪酸のカルボン酸基が実質的にプロトン化されるように、抽出剤のpKa未満に低下され得る。ある実施形態において、pHは、COガスを発酵ブロス中に導入するかあるいは硫酸または任意の他の有機もしくは無機酸などの少量の液体酸を発酵ブロス中に注入することによって低下され得る。ある実施形態において、抽出剤から分離した後の発酵ブロスのpHは、発酵のpHに調整され得る。 In certain embodiments, the reduced pH can minimize the solubility and dispersibility of the extractant in the aqueous broth phase. In certain embodiments, the extractant can be a fatty acid with a known associated pKa value. In certain embodiments, the pH of the fermentation broth can be lowered below the pKa of the extractant so that the carboxylic acid group of the fatty acid is substantially protonated. In some embodiments, pH may be lowered by injecting a small amount of liquid acid such or sulfuric acid or any other organic or inorganic acids are introduced into the fermentation broth of CO 2 gas in the fermentation broth. In certain embodiments, the pH of the fermentation broth after separation from the extractant can be adjusted to the pH of the fermentation.

抽出剤相が連続相である、ある実施形態において、水相は、抽出剤相中に分配または分散され得る。例えば、生成物アルコールを含む発酵ブロスが、分配器または分散デバイスによって抽出器(例えば、外部の抽出器)に送られ得る。ある実施形態において、分配器または分散デバイスは、スプレーノズルなどのノズルであり得る。ある実施形態において、分配器または分散デバイスは、スプレー塔であり得る。例として、発酵ブロスの液滴は、抽出剤に通されてもよく、生成物アルコールは、抽出剤に移される。発酵ブロスの液滴が、抽出器の底部で凝集し、発酵装置に戻され得る。生成物アルコールを含む抽出剤は、本明細書に記載される生成物アルコールの回収のためにさらに処理され得る。さらに、発酵の完了時に、発酵装置中に残留する生成物アルコールも、生成物アルコールの回収のためにさらに処理され得る。ある実施形態において、抽出剤相は、向流であり得る。   In certain embodiments where the extractant phase is a continuous phase, the aqueous phase can be distributed or dispersed in the extractant phase. For example, a fermentation broth containing product alcohol can be sent to an extractor (eg, an external extractor) by a distributor or dispersion device. In certain embodiments, the distributor or dispersion device can be a nozzle, such as a spray nozzle. In certain embodiments, the distributor or dispersion device can be a spray tower. As an example, a drop of fermentation broth may be passed through an extractant and the product alcohol is transferred to the extractant. Fermentation broth droplets can aggregate at the bottom of the extractor and be returned to the fermenter. The extractant containing the product alcohol can be further processed for recovery of the product alcohol described herein. In addition, product alcohol remaining in the fermenter upon completion of the fermentation can be further processed for product alcohol recovery. In certain embodiments, the extractant phase can be countercurrent.

抽出剤相が連続相であり、水相が分散相である、ある実施形態において、物質移動速度が、水相を抽出剤相中に分散するために静電噴霧を用いて向上され得る。ある実施形態において、1つ以上のスプレーノズルが、静電噴霧に用いられ得る。ある実施形態において、1つ以上のスプレーノズルは、アノードであり得る。ある実施形態において、1つ以上のスプレーノズルは、カソードであり得る。   In certain embodiments where the extractant phase is a continuous phase and the aqueous phase is a dispersed phase, the mass transfer rate can be improved using electrostatic spraying to disperse the aqueous phase in the extractant phase. In certain embodiments, one or more spray nozzles can be used for electrostatic spraying. In certain embodiments, one or more spray nozzles can be an anode. In certain embodiments, the one or more spray nozzles can be a cathode.

ある実施形態において、抽出器流出物が、相分離を促進するのに使用され得る。例えば、抽出器の上部からの濃厚な抽出剤(すなわち、生成物アルコールが濃厚な抽出剤)の一部が、還流として抽出器の上部に戻されてもよく、残りの濃厚な抽出剤は、生成物アルコールの回収のためにさらに処理され得る。また、抽出器の底部からの希薄な発酵ブロスの一部が、還流として抽出器の底部に戻されてもよく、残りの希薄な発酵ブロスは、発酵装置に戻され得る。別の実施形態において、濃厚な抽出剤は、抽出器の上部を出てデカンターに入り、重質相と軽質相とに分離され得る。デカンターからの重質相は、相分離を促進するために抽出器の上部に送られ得る。デカンターからの軽質相は、生成物アルコールの回収のためにさらに処理され得る。   In certain embodiments, the extractor effluent can be used to facilitate phase separation. For example, a portion of the rich extractant from the top of the extractor (ie, the extractant rich in product alcohol) may be returned to the top of the extractor as reflux, with the remaining rich extractant being It can be further processed for product alcohol recovery. Also, a portion of the lean fermentation broth from the bottom of the extractor may be returned to the bottom of the extractor as reflux and the remaining lean fermentation broth may be returned to the fermenter. In another embodiment, the concentrated extractant can exit the top of the extractor and enter the decanter and be separated into a heavy phase and a light phase. The heavy phase from the decanter can be sent to the top of the extractor to facilitate phase separation. The light phase from the decanter can be further processed for product alcohol recovery.

本明細書に記載される方法およびシステムのある実施形態において、複数回の抽出剤流量が、生成物アルコール回収に用いられ得る。例えば、各発酵装置の発酵サイクルが異なる時点にある複数の発酵装置および抽出器が使用され得る。例として図11Aを参照すると、発酵装置300が、発酵装置400と比較してより早い時点にあり、発酵装置400は、発酵装置500と比較してより早い時点にある。発酵装置300からの生成物アルコール302を含む発酵ブロスが、抽出器305中の抽出剤307と接触されてもよく、生成物アルコールが、抽出剤に移されて、生成物アルコール富化抽出剤309が生成され得る。抽出器305からの生成物アルコール富化抽出剤309は、抽出器405に送られ得る。発酵装置400からの生成物アルコール402を含む発酵ブロスが、抽出器405に送られて、生成物アルコール富化抽出剤409が生成され得る。生成物アルコール富化抽出剤409は、抽出器505に送られ得る。発酵装置500からの生成物アルコール502を含む発酵ブロスが、抽出器505に送られ得る。抽出器505からの生成物アルコール富化抽出剤509が、生成物アルコールの回収のために処理され得る。生成物アルコールが希薄な発酵ブロス(304、404、504)が、それぞれ発酵装置300、400、および500に戻され得る。発酵装置および抽出器の数は、運転設備に応じて変化し得る。このプロセスの利点は、例えば、全抽出剤処理および抽出器のサイズの減少である。   In certain embodiments of the methods and systems described herein, multiple extractant flow rates can be used for product alcohol recovery. For example, multiple fermenters and extractors can be used where the fermentation cycle of each fermenter is at a different point. Referring to FIG. 11A as an example, the fermenter 300 is at an earlier point in time compared to the fermenter 400, and the fermenter 400 is at an earlier point compared to the fermenter 500. The fermentation broth containing the product alcohol 302 from the fermenter 300 may be contacted with the extractant 307 in the extractor 305 and the product alcohol is transferred to the extractant to produce the product alcohol enriched extractant 309. Can be generated. The product alcohol enriched extractant 309 from the extractor 305 can be sent to the extractor 405. Fermentation broth containing product alcohol 402 from fermenter 400 may be sent to extractor 405 to produce product alcohol enriched extractant 409. The product alcohol enriched extractant 409 can be sent to the extractor 505. Fermentation broth containing product alcohol 502 from fermenter 500 may be sent to extractor 505. Product alcohol enriched extractant 509 from extractor 505 can be processed for recovery of product alcohol. The fermentation broth (304, 404, 504) that is lean in product alcohol can be returned to the fermentation apparatus 300, 400, and 500, respectively. The number of fermenters and extractors can vary depending on the operating equipment. The advantages of this process are, for example, total extractant treatment and reduction in extractor size.

この例の別の実施形態において、さらなる発酵装置F’およびさらなる抽出器E’が存在し得る(図11B)。この実施形態において、発酵装置500(発酵装置300および400と比較して後の時点にある)が発酵を完了したとき、発酵装置500は、非稼動にされてもよく(taken off−line)、ある実施形態において、発酵装置500は、定置洗浄(clean−in−place)(CIP)および定置滅菌(sterilization−in−place)(SIP)手順などの衛生および/または滅菌手順を行ってもよい。発酵装置500が非稼動にされたとき、発酵装置F’が、稼動され得る(brought on−line)。この実施形態において、発酵装置F’は、発酵装置300と比較して早い時点にあり、発酵装置300は、発酵装置400と比較して早い時点にある。図11Aについての説明と同様に、発酵装置F’からの生成物アルコールF’−02を含む発酵ブロスが、抽出器E’中の抽出剤と接触されてもよく、生成物アルコールが、抽出剤に移されて、生成物アルコール富化抽出剤E’−09が生成され得る。抽出器E’からの生成物アルコール富化抽出剤E’−09が、抽出器305に送られ得る。発酵装置300からの生成物アルコール302を含む発酵ブロスが、抽出器305に送られて、生成物アルコール富化抽出剤309が生成され得る。生成物アルコール富化抽出剤309は、抽出器405に送られ得る。発酵装置400からの生成物アルコール402を含む発酵ブロスが、抽出器405に送られ得る。抽出器405からの生成物アルコール富化抽出剤409が、生成物アルコールの回収のために処理され得る。生成物アルコールが希薄な発酵ブロス(F’−04、304、404)が、それぞれ発酵装置F’、300、および400に戻され得る。ある実施形態において、このプロセスは、複数サイクル、例えば、少なくとも1回、少なくとも2回、少なくとも3回、少なくとも4回、少なくとも5回、少なくとも10回、少なくとも15回、少なくとも20回、またはそれ以上のサイクルにわたって繰り返され得る。ある実施形態において、発酵装置を非稼動にし、さらなる発酵装置を稼動させるプロセスは、手動であってもまたは自動化されていてもよい。このプロセスの利点は、生成物回収(例えば、蒸留)への減少した抽出器流量である。   In another embodiment of this example, there may be an additional fermentor F 'and an additional extractor E' (FIG. 11B). In this embodiment, when the fermenter 500 (at a later point in time compared to fermenters 300 and 400) completes the fermentation, the fermenter 500 may be deactivated (taken off-line), In certain embodiments, the fermentation apparatus 500 may perform hygiene and / or sterilization procedures, such as clean-in-place (CIP) and sterilization-in-place (SIP) procedures. When the fermenter 500 is deactivated, the fermentor F 'can be activated (bront on-line). In this embodiment, the fermenter F ′ is at an early point compared to the fermenter 300, and the fermenter 300 is at an earlier point compared to the fermenter 400. Similar to the description for FIG. 11A, the fermentation broth containing the product alcohol F′-02 from the fermenter F ′ may be contacted with the extractant in the extractor E ′, where the product alcohol is the extractant. To produce the product alcohol-enriched extractant E′-09. Product alcohol enriched extractant E'-09 from extractor E 'can be sent to extractor 305. Fermentation broth containing product alcohol 302 from fermenter 300 may be sent to extractor 305 to produce product alcohol enriched extract 309. The product alcohol enriched extractant 309 can be sent to the extractor 405. Fermentation broth containing product alcohol 402 from fermenter 400 may be sent to extractor 405. Product alcohol enriched extractant 409 from extractor 405 may be processed for product alcohol recovery. The fermentation broth (F'-04, 304, 404) that is lean in product alcohol can be returned to the fermenters F ', 300, and 400, respectively. In certain embodiments, the process comprises multiple cycles, e.g., at least 1, at least 2, at least 3, at least 4, at least 5, at least 10, at least 15, at least 20, or more Can be repeated over a cycle. In certain embodiments, the process of deactivating a fermenter and operating a further fermenter may be manual or automated. The advantage of this process is reduced extractor flow to product recovery (eg, distillation).

ある実施形態において、抽出剤が、生成物アルコールの引火点(すなわち、引火性)を低下させ得る。引火点は、火炎伝播が液体の表面にわたって起こる最低温度を指す。引火点は、例えば、ASTM D93−02方法(「Standard Test Methods for Flash Point by Pensky−Martens Closed Tester」)を用いて測定され得る。生成物アルコールの引火点の低下により、例えば、潜在的に引火性の生成物アルコールの火災の危険性を最小限に抑えることによって、アルコール生産工場の安全条件が向上され得る。安全条件を向上させることによって、物的損害および収益の損失の危険性だけでなく、負傷の危険性が最小限に抑えられる。微生物の不活性化が必要とされるある実施形態において、抽出剤が、微生物の不活性化を向上させ得る。   In certain embodiments, the extractant may reduce the flash point (ie, flammability) of the product alcohol. The flash point refers to the lowest temperature at which flame propagation occurs across the surface of the liquid. The flash point can be measured, for example, using the ASTM D93-02 method ("Standard Test Methods for Flash Point by Pensky-Martens Closed Tester"). By reducing the flash point of the product alcohol, the safety conditions of the alcohol production plant can be improved, for example, by minimizing the risk of fire of potentially flammable product alcohol. Improving safety conditions minimizes the risk of injury as well as the risk of property damage and loss of revenue. In certain embodiments where microbial inactivation is required, the extractant may improve microbial inactivation.

ある実施形態において、本明細書に記載されるプロセスは、例えば、発酵ブロスおよび抽出剤の濃度および他の物理的特性のオンライン、インライン、アットライン、および/またはリアルタイム測定を用いた、統合された抽出発酵プロセスであり得る。これらの測定は、例えば、フィードバックループにおいて、発酵の条件および/または抽出器の条件を調整し、制御するのに使用され得る。ある実施形態において、発酵ブロス中の生成物アルコールおよび/または他の代謝産物および基質の濃度は、オンライン、インライン、アットライン、および/またはリアルタイム測定用の任意の好適な測定デバイスを用いて測定され得る。ある実施形態において、測定デバイスは、以下のもの:フーリエ変換赤外線分光器(FTIR)、近赤外線分光器(NIR)、ラマン分光器、高圧液体クロマトグラフィー(HPLC)、粘度計、密度計、張力計、液滴径分析器、pH計、溶存酸素(DO)プローブなどのうちの1つ以上であり得る。ある実施形態において、発酵装置から放出されるオフガスが、例えば、インライン質量分析計によって分析され得る。発酵装置から放出されるオフガスの測定は、発酵反応中に存在する化学種を特定するための手段として使用され得る。抽出剤に溶解された生成物アルコールおよび他の代謝産物および基質の濃度はまた、本明細書に記載される技術およびデバイスを用いて測定され得る。   In certain embodiments, the processes described herein are integrated using, for example, online, in-line, at-line, and / or real-time measurements of fermentation broth and extractant concentrations and other physical properties. It can be an extractive fermentation process. These measurements can be used to adjust and control fermentation conditions and / or extractor conditions, for example, in a feedback loop. In certain embodiments, the concentration of product alcohol and / or other metabolites and substrates in the fermentation broth is measured using any suitable measurement device for online, in-line, at-line, and / or real-time measurement. obtain. In certain embodiments, the measurement device is: Fourier transform infrared spectrometer (FTIR), near infrared spectrometer (NIR), Raman spectrometer, high pressure liquid chromatography (HPLC), viscometer, density meter, tensiometer. , A droplet size analyzer, a pH meter, a dissolved oxygen (DO) probe, and the like. In certain embodiments, off-gas released from the fermenter can be analyzed, for example, by an in-line mass spectrometer. Measurement of off-gas released from the fermenter can be used as a means to identify chemical species present during the fermentation reaction. The concentration of product alcohol and other metabolites and substrates dissolved in the extractant can also be measured using the techniques and devices described herein.

ある実施形態において、測定された入力が、制御装置および/または制御システムに送られてもよく、発酵装置(温度、pH、栄養、酵素および/または基質濃度)内の条件が、濃度、濃度プロファイル、および/または抽出器内の条件(発酵ブロス流量、発酵ブロスから抽出剤への流量、撹拌速度、液滴径、温度、pH、DO含量)を維持するように変更され得る。同様に、抽出器内の条件が、発酵装置内の濃度および/または濃度プロファイルを維持するように変更され得る。このような制御システムを用いて、プロセスパラメータが、全体的な工場の生産性および経済的目標を向上させるように維持され得る。ある実施形態において、発酵のリアルタイム制御が、発酵装置中の成分(例えば、糖類、酵素、栄養など)の濃度の変動、抽出器内の条件の変動、またはその両方によって行われ得る。   In certain embodiments, the measured input may be sent to a controller and / or control system where the conditions in the fermentation device (temperature, pH, nutrients, enzyme and / or substrate concentration) are the concentration, concentration profile. And / or can be modified to maintain conditions in the extractor (fermentation broth flow rate, fermentation broth to extractant flow rate, agitation speed, droplet size, temperature, pH, DO content). Similarly, the conditions in the extractor can be changed to maintain the concentration and / or concentration profile in the fermenter. With such a control system, process parameters can be maintained to improve overall factory productivity and economic goals. In certain embodiments, real-time control of fermentation can be performed by varying concentrations of components (eg, sugars, enzymes, nutrients, etc.) in the fermentation apparatus, varying conditions within the extractor, or both.

イソブタノール発酵プロセスの例として、Karr(登録商標)カラム中のイソブタノール抽出の効率は、発酵ブロス中のでんぷん、糖類およびイソブタノールの濃度が変化するにつれて、連続的に変化する。抽出器の効率を最大にするために、イソブタノール発酵の生成プロファイルに適合するように、イソブタノールが発酵ブロスから除去される速度を変更することが有利であり得る。抽出剤中のイソブタノール濃度が、最大化されて、よりエネルギー効率の優れた蒸留操作が得られる。   As an example of an isobutanol fermentation process, the efficiency of isobutanol extraction in a Karr® column changes continuously as the concentration of starch, sugars and isobutanol in the fermentation broth changes. In order to maximize the efficiency of the extractor, it may be advantageous to alter the rate at which isobutanol is removed from the fermentation broth to match the production profile of the isobutanol fermentation. The isobutanol concentration in the extractant is maximized, resulting in a more energy efficient distillation operation.

プロセス制御法の一環として、発酵ブロス(例えば、カラム原料)中のイソブタノールのリアルタイム測定が、抽出剤中および希薄な発酵ブロス中のイソブタノールのリアルタイム測定と結び付けられ得る。これらの測定は、抽出器への発酵ブロス対抽出剤の比率(流量)を調整するのに使用され得る。イソブタノール抽出の速度を、イソブタノール生成の速度と適合させる柔軟性により、抽出器が抽出の間を通して効率的に運転され得る。さらに、抽出剤中のイソブタノールの高い濃度を維持することによって、蒸留塔への体積流量が、最小限に抑えられて、蒸留操作のためのエネルギー節約になり得る。相分離はまた、例えば、相分離の速度、抽出剤液滴径、および/または発酵ブロスの組成を監視することによって、リアルタイム測定を用いて監視され得る。ある実施形態において、相分離は、伝導度測定、誘電率測定、粘弾性測定、または超音波測定によって監視され得る。ある実施形態において、自動化された相分離検出システムが、相分離を監視するのに使用され得る。この自動化システムは、例えば、発酵ブロスおよび抽出剤を混合した後、抽出器へのおよび抽出器からの発酵ブロスおよび抽出剤の流量を調整し、および/または抽出剤の液滴径を調整するのに使用され得る。これらのリアルタイム監視システムを用いて、水相および有機相の明瞭な相分離が得られる。   As part of the process control method, real-time measurement of isobutanol in the fermentation broth (eg, column feed) can be combined with real-time measurement of isobutanol in the extractant and dilute fermentation broth. These measurements can be used to adjust the ratio (flow rate) of fermentation broth to extractant to the extractor. With the flexibility to match the rate of isobutanol extraction with the rate of isobutanol production, the extractor can be operated efficiently throughout the extraction. Furthermore, by maintaining a high concentration of isobutanol in the extractant, the volumetric flow to the distillation column can be minimized, saving energy for the distillation operation. Phase separation can also be monitored using real-time measurements, for example, by monitoring the rate of phase separation, extractant droplet size, and / or the composition of the fermentation broth. In certain embodiments, phase separation can be monitored by conductivity measurements, permittivity measurements, viscoelastic measurements, or ultrasonic measurements. In certain embodiments, an automated phase separation detection system can be used to monitor phase separation. This automated system can, for example, adjust the flow rate of fermentation broth and extractant to and from the extractor and / or adjust the droplet size of the extractant after mixing the fermentation broth and extractant. Can be used. With these real-time monitoring systems, a clear phase separation of the aqueous and organic phases is obtained.

プロセス制御法の別の例として、液滴径が、プロセス粒子分析器(JM Canty,Inc.,Buffalo,NY)、集束ビーム反射測定法(FBRM(登録商標))、または粒子顕微画像鏡測定法(PVM(登録商標))技術(Mettler−Toledo,LLC,Columbus OH)などの粒度分析を用いて測定され得る。ある実施形態において、これらの測定は、リアルタイムの原位置粒子系特性評価であり得る。液滴径をリアルタイムで監視することによって、液滴の形状および寸法の変化が検出され得、プロセス工程が、液滴径を調節し、物質移動の速度を促進するように調整され得る。例えば、液滴径を用いて、発酵ブロス中の抽出剤の量を監視することができる。相分離の後、いくらかの抽出剤が、発酵ブロス中に存在してもよく、発酵ブロスが発酵装置に再利用されるある実施形態において、液滴径の監視は、発酵装置に戻る発酵ブロス中の抽出剤の量を最小限に抑える手段を提供するであろう。発酵ブロス中の抽出剤の量が多過ぎる場合、相分離は、例えば、抽出器中の抽出剤の液滴径を調整するか、および/または抽出器への発酵ブロスおよび抽出剤の流量を調整することによって向上され得る。プロセス工程中のこれらの調整は、希薄な蒸留廃液およびDDGS中の抽出剤の量を最小限に抑えるだけでなく、発酵ブロス中の抽出剤の量を最小限に抑えることができる。   As another example of a process control method, the droplet size is measured by a process particle analyzer (JM Canty, Inc., Buffalo, NY), a focused beam reflectometry (FBRM®), or a particle microscope imaging method. It can be measured using particle size analysis such as (PVM®) technology (Mettler-Toledo, LLC, Columbia OH). In certain embodiments, these measurements can be real-time in situ particle characterization. By monitoring droplet size in real time, changes in droplet shape and size can be detected, and process steps can be adjusted to adjust droplet size and promote mass transfer rates. For example, the droplet size can be used to monitor the amount of extractant in the fermentation broth. After phase separation, some extractant may be present in the fermentation broth, and in certain embodiments where the fermentation broth is recycled to the fermentor, droplet size monitoring is performed in the fermentation broth back to the fermentor. Will provide a means to minimize the amount of extractant. If the amount of extractant in the fermentation broth is too high, phase separation, for example, adjusts the drop size of the extractant in the extractor and / or adjusts the flow rate of the fermentation broth and extractant to the extractor Can be improved. These adjustments during the process steps not only minimize the amount of extractant in the distillate waste and DDGS, but can also minimize the amount of extractant in the fermentation broth.

この制御法の一実施形態において、発酵ブロス中のイソブタノールは、イソブタノールの濃度が微生物に有害になる濃度または設定点を超えないであろう。イソブタノール発酵ブロス設定点は、発酵が発酵の経路に基づいて進行するにつれて、より高くまたはより低く調整され得る。例えば、発酵ブロス中のイソブタノールの濃度と、イソブタノールの設定点濃度との連続比較は、発酵ブロス対抽出剤の比率または抽出器への発酵ブロスおよび抽出剤の流量を調節するのに用いられ得る。発酵ブロス中のイソブタノール濃度を調節するために、発酵ブロスの原位置測定が、フーリエ変換赤外分光法(FTIR)、近赤外分光法(NIR)、および/またはラマン分光法を用いて行われ得る。さらに、発酵装置ヘッドスペースの測定が、FTIR、ラマン分光法、および/または質量分析法を用いて行われ得る。   In one embodiment of this control method, the isobutanol in the fermentation broth will not exceed a concentration or set point where the concentration of isobutanol is harmful to the microorganism. The isobutanol fermentation broth set point can be adjusted higher or lower as the fermentation proceeds based on the path of fermentation. For example, a continuous comparison of the concentration of isobutanol in the fermentation broth and the set point concentration of isobutanol can be used to adjust the ratio of fermentation broth to extractant or the flow of fermentation broth and extractant to the extractor. obtain. In order to adjust the isobutanol concentration in the fermentation broth, in-situ measurement of the fermentation broth is performed using Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), near infrared spectroscopy (NIR), and / or Raman spectroscopy. Can be broken. In addition, fermentation headspace measurements can be made using FTIR, Raman spectroscopy, and / or mass spectrometry.

ある実施形態において、効率的な抽出器操作が、抽出器のフラッディングの寸前まで行われ得る。入口および出口流からの濃度データを用いるリアルタイムプロセス制御の使用により、抽出器が、フラッディングの寸前まで容易に操作されるのが可能になる。ある実施形態において、リアルタイム抽出剤監視を用いて、発酵ブロスからの副生成物または汚染物質の、抽出剤中への分配を検出することができる。アルコール、脂質、油、および他の発酵成分などの副生成物が、抽出剤の抽出効率を低下させ得る。フーリエ変換赤外分光法(FTIR)、近赤外分光法(NIR)、高性能液体クロマトグラフィー(HPLC)、および核磁気共鳴(NMR)を含むがこれらに限定されない多くのプロセス監視技術が、この測定に適用され得る。副生成物または汚染の存在下で抽出剤を監視するために選択される分析技術は、リアルタイムアルコール測定に用いられるのと異なる技術であり得る。リアルタイムデータを用いて、汚染された抽出剤の改善(remediation)またはプロセスからの汚染された抽出剤の除去を開始させることができる。これらの技術ならびにガスクロマトグラフィー(GC)および超臨界流体クロマトグラフィー(SFC)も、抽出剤の熱分解を監視するのに用いられ得る。   In certain embodiments, efficient extractor operation can be performed just before the flooding of the extractor. The use of real-time process control with concentration data from the inlet and outlet streams allows the extractor to be easily operated just before flooding. In certain embodiments, real-time extractant monitoring can be used to detect partitioning of by-products or contaminants from the fermentation broth into the extractant. By-products such as alcohol, lipids, oils, and other fermentation components can reduce the extraction efficiency of the extractant. Many process monitoring techniques include, but are not limited to, Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), near infrared spectroscopy (NIR), high performance liquid chromatography (HPLC), and nuclear magnetic resonance (NMR). Can be applied to measurement. The analytical technique selected to monitor the extractant in the presence of by-products or contamination can be a different technique than that used for real-time alcohol measurements. Real-time data can be used to initiate a remediation of the contaminated extractant or removal of the contaminated extractant from the process. These techniques as well as gas chromatography (GC) and supercritical fluid chromatography (SFC) can also be used to monitor the pyrolysis of the extractant.

図12を参照すると、本発明のシステムおよび方法は、オンライン、インライン、アットライン、および/またはリアルタイム測定のための手段を含み得る(丸は、測定デバイスを表し、点線、フィードバックループを表す)。図12は、オンライン、インライン、アットライン、および/またはリアルタイム測定のための測定デバイスの追加を除いて、図9と同様であるため、再度詳細に説明しない。   Referring to FIG. 12, the system and method of the present invention may include means for on-line, in-line, at-line, and / or real-time measurements (circles represent measurement devices, dotted lines, feedback loops). FIG. 12 is similar to FIG. 9 except for the addition of measurement devices for online, in-line, at-line, and / or real-time measurements and will not be described in detail again.

例として、水流22のオンライン測定が、発酵性炭素源(例えば、多糖類)、油、および/または溶存酸素の濃度を監視するのに用いられ得る。例えば、FTIRが、水流22中の油の分散を監視するのに使用されてもよく、プロセスイメージング(process imaging)が、水流22中の濃度および油滴のサイズを監視するのに使用され得る。ある実施形態において、発酵30のオンライン測定が、生成物アルコールの除去率を監視するのに用いられ得る。発酵性炭素源、溶存酸素、生成物アルコール、および副生成物の測定が、微生物に耐えられる発酵30中の生成物アルコールの濃度を維持するために、生成物アルコールの除去速度を調整するのに使用され得る。設定点生成物アルコール濃度を維持することによって、生成物の阻害および毒性が最小限に抑えられ得る。   As an example, on-line measurements of the water stream 22 can be used to monitor the concentration of fermentable carbon sources (eg, polysaccharides), oil, and / or dissolved oxygen. For example, FTIR may be used to monitor the dispersion of oil in the water stream 22, and process imaging may be used to monitor the concentration in the water stream 22 and the size of the oil droplets. In certain embodiments, online measurements of fermentation 30 may be used to monitor product alcohol removal rate. Measurements of fermentable carbon source, dissolved oxygen, product alcohol, and by-products are used to adjust the rate of product alcohol removal to maintain the concentration of product alcohol in fermentation 30 that can withstand microorganisms. Can be used. By maintaining the set point product alcohol concentration, product inhibition and toxicity can be minimized.

流れ105および流れ122のオンライン測定を用いて、プロセス制御フィードバックループを操作することができる。例えば、流れ105中の生成物アルコールの濃度が、抽出器120へのこの流れの流量を制御するのに使用されてもよく;流れ122中の生成物アルコールの濃度が、分離130へのこの流れの流量を制御し、発酵ブロス対抽出剤の比率を設定するのに使用され得る。さらに、流れ105および流れ122のオンライン測定はまた、リアルタイム生成物アルコール物質収支を確立するのに用いられ得る。抽出器120および分離130のためのプロセス制御フィードバックループを用いて、抽出剤および発酵ブロスの相分離の質を監視することができる。例えば、オンライン測定デバイスは、抽出剤および発酵ブロスの分離のバランスを検出するのに使用されてもよく、したがって、抽出剤および発酵ブロスの供給速度が、相分離を向上させるために調整され得る。光学デバイスなどのオンラインデバイスが、例えば、抽出器120中で、ラグ層(例えば、油と、水溶液と、固体との混合物)の存在下で検出するのに使用されてもよく、発酵ブロス対抽出剤の比率が、ラグ層の形成を最小限に抑えるために調整され得る。分離130からの流れ135のオンライン測定を用いて、この流れ中の発酵ブロスの存在を監視することができ、流れ135中の発酵ブロスの存在は、不十分な相分離を示し得る。流れ135中の発酵ブロスの濃度が、特定の設定点を超える場合、流量の調整または発酵ブロス対抽出剤の比率の調整などのプロセス変化が、相分離を向上させるために実施され得る。さらに、流れ135中の生成物アルコールの濃度が、分離130の効率的な操作を確実にするために、プロセス制御フィードバックループとして使用され得る。   The on-line measurement of stream 105 and stream 122 can be used to operate the process control feedback loop. For example, the concentration of product alcohol in stream 105 may be used to control the flow rate of this stream to extractor 120; the concentration of product alcohol in stream 122 is this stream to separation 130. And can be used to set the ratio of fermentation broth to extractant. Further, on-line measurements of stream 105 and stream 122 can also be used to establish a real-time product alcohol mass balance. A process control feedback loop for the extractor 120 and separation 130 can be used to monitor the quality of the phase separation of the extractant and fermentation broth. For example, an on-line measurement device may be used to detect the balance of separation of extractant and fermentation broth, and therefore the feed rate of extractant and fermentation broth can be adjusted to improve phase separation. Online devices such as optical devices may be used to detect, for example, in extractor 120 in the presence of a lag layer (eg, a mixture of oil, aqueous solution, and solid) The agent ratio can be adjusted to minimize the formation of the lug layer. Online measurements of stream 135 from separation 130 can be used to monitor the presence of fermentation broth in this stream, and the presence of fermentation broth in stream 135 can indicate insufficient phase separation. If the concentration of fermentation broth in stream 135 exceeds a certain set point, process changes such as adjusting the flow rate or adjusting the ratio of fermentation broth to extractant can be performed to improve phase separation. Furthermore, the concentration of product alcohol in stream 135 can be used as a process control feedback loop to ensure efficient operation of separation 130.

別の例として、流れ127中の生成物アルコールの濃度のオンライン測定を用いて、抽出効率を監視し、微生物に耐えられる発酵30中の生成物アルコールの濃度を維持することができる。さらに、流れ127が、発酵30に戻る抽出剤の量を最小限に抑える手段として抽出剤の存在について監視され得る。例えば、分光イメージングおよびプロセスイメージング技術が、流れ127中の抽出剤の存在を監視するのに使用され得る。さらに、流れ127中の抽出剤の特定の濃度が、抽出効率および相分離を向上させるために維持され得る。   As another example, online measurement of the concentration of product alcohol in stream 127 can be used to monitor extraction efficiency and maintain the concentration of product alcohol in fermentation 30 that can withstand microorganisms. Further, stream 127 can be monitored for the presence of extractant as a means of minimizing the amount of extractant returning to fermentation 30. For example, spectroscopic and process imaging techniques can be used to monitor the presence of extractant in stream 127. Furthermore, a specific concentration of extractant in stream 127 can be maintained to improve extraction efficiency and phase separation.

別の実施形態において、分離130からの流れ135が、生成物アルコールおよび抽出剤152の回収を含むさらなる処理のために、精製150に送られ得る。抽出剤152が、抽出器120に送られ得る。オンライン測定を用いて、汚染物質および分解生成物の流れ152を監視することができる。流れ152を監視することによって、抽出器120および発酵30の汚染の可能性が最小限に抑えられる。流れ152中の汚染物質の増加が存在する場合、この流れが、例えば、吸収または化学反応によって、これらの汚染物質を除去するようにさらに処理され得る。   In another embodiment, stream 135 from separation 130 may be sent to purification 150 for further processing including recovery of product alcohol and extractant 152. Extractant 152 may be sent to extractor 120. Online measurements can be used to monitor pollutant and degradation product streams 152. By monitoring stream 152, the potential for contamination of extractor 120 and fermentation 30 is minimized. If there is an increase in contaminants in stream 152, this stream can be further processed to remove these contaminants, for example, by absorption or chemical reaction.

抽出プロセス中、ラグ層が、水相および有機相の界面に形成されることがあり、固体および抽出剤(例えば、抽出剤の液滴)から構成されるラグ層は、蓄積して、おそらく相分離を妨げ得る。ラグ層の形成を軽減するために、水相および有機相の撹拌が用いられ得る。例えば、羽根が、水相−有機相界面でラグ層を分散させるのに使用され得る。また、再循環ループなどの流体流または振動/揺動が、ラグの形成を破壊するのに使用され得る。図13Aおよび13Bは、ラグ層の形成を軽減するための例示的なプロセスを示す。図13Aは、ラグ層の処理のための、セトラーまたはデカンターの下流で撹拌ユニットと組み合わされたスタティックミキサーの使用を例示し、図13Bは、ラグ層の処理のための、セトラーまたはデカンターの上流で撹拌ユニットと組み合わされたスタティックミキサーの使用を例示する。ある実施形態において、コアレッサまたは超音波撹拌などの他のデバイスが、ラグ層を分散させるのに使用され得る。ある実施形態において、これらのデバイスは、セトラーまたはデカンターに統合され得る。   During the extraction process, a lag layer may form at the interface of the aqueous and organic phases, and the lag layer composed of solid and extractant (eg, extractant droplets) accumulates and possibly phase. May prevent separation. To mitigate the formation of the lag layer, stirring of the aqueous and organic phases can be used. For example, vanes can be used to disperse the lag layer at the aqueous-organic phase interface. Also, fluid flow or vibrations / oscillations such as recirculation loops can be used to disrupt the formation of the lugs. 13A and 13B illustrate an exemplary process for mitigating the formation of a lag layer. FIG. 13A illustrates the use of a static mixer combined with an agitation unit downstream of the settler or decanter for the treatment of the lag layer, and FIG. 13B upstream of the settler or decanter for the treatment of the lag layer. Illustrates the use of a static mixer in combination with a stirring unit. In certain embodiments, other devices such as coalescers or ultrasonic agitation can be used to disperse the lag layer. In certain embodiments, these devices can be integrated into a settler or decanter.

本明細書に記載される方法およびシステムは、バッチ発酵、流加発酵、または連続発酵を用いて行われ得る。バッチ発酵は、発酵ブロスの組成が発酵の開始時に確立され、発酵プロセスに人為的に改変されない閉鎖系である。バッチ発酵のある実施形態において、抽出剤が、発酵装置に加えられ得る。ある実施形態において、抽出剤の体積は、発酵装置有効体積(working volume)の約20%〜約60%であり得る。   The methods and systems described herein can be performed using batch fermentation, fed-batch fermentation, or continuous fermentation. Batch fermentation is a closed system in which the composition of the fermentation broth is established at the beginning of the fermentation and is not artificially modified into the fermentation process. In certain embodiments of batch fermentation, an extractant can be added to the fermenter. In certain embodiments, the volume of the extractant can be about 20% to about 60% of the fermenter working volume.

流加発酵は、基質(例えば、発酵性糖)が発酵プロセス中に徐々に加えられるバッチ発酵の一形態である。異化代謝産物抑制(catabolite repression)が微生物の代謝を阻害し得る場合、流加システムが有用であり、その場合、媒体中に限られた量の基質を有するのが望ましい。ある実施形態において、基質および/または栄養の濃度が、発酵中に監視され得る。ある実施形態において、pH、溶存酸素、およびガス(例えば、CO)などのパラメータが、発酵中に監視され得る。これらの測定から、基質および/または栄養の添加の速度または量が決定され得る。ある実施形態において、発酵ブロスのレベルまたは量が発酵中に減少するにつれて、さらなるマッシュが、発酵ブロスのレベルまたは量を維持し、例えば、発酵プロセスの開始時の発酵ブロスのレベルまたは量を維持するために、発酵装置に加えられ得る。流加発酵のある実施形態において、抽出剤が、発酵装置に加えられ得る。 Fed-batch fermentation is a form of batch fermentation where a substrate (eg, fermentable sugar) is added gradually during the fermentation process. Where catabolic repression can inhibit microbial metabolism, fed-batch systems are useful, in which case it is desirable to have a limited amount of substrate in the medium. In certain embodiments, substrate and / or nutrient concentrations can be monitored during fermentation. In certain embodiments, parameters such as pH, dissolved oxygen, and gas (eg, CO 2 ) can be monitored during fermentation. From these measurements, the rate or amount of substrate and / or nutrient addition can be determined. In certain embodiments, as the level or amount of fermentation broth decreases during fermentation, additional mash maintains the level or amount of fermentation broth, for example, maintains the level or amount of fermentation broth at the start of the fermentation process. Can be added to the fermenter. In certain embodiments of fed-batch fermentation, an extractant can be added to the fermenter.

連続発酵は、発酵ブロスが発酵装置に連続して加えられ、ある量の発酵ブロスがさらなる処理(例えば、生成物アルコールの回収)のために除去される開放系である。ある実施形態において、発酵ブロスの添加および除去は同時であってもよい。ある実施形態において、等量の発酵ブロスが、加えられ、発酵装置から除去され得る。連続発酵のある実施形態において、抽出剤が、発酵装置に加えられ得る。ある実施形態において、抽出剤の体積は、発酵装置有効体積の約3%〜約50%であり得る。ある実施形態において、抽出剤の体積は、発酵装置有効体積の約3%〜約20%であり得る。ある実施形態において、抽出剤の体積は、発酵装置有効体積の約3%〜約10%であり得る。   Continuous fermentation is an open system in which fermentation broth is continuously added to the fermenter and an amount of fermentation broth is removed for further processing (eg, recovery of product alcohol). In certain embodiments, the addition and removal of the fermentation broth may be simultaneous. In certain embodiments, an equal amount of fermentation broth can be added and removed from the fermenter. In certain embodiments of continuous fermentation, an extractant can be added to the fermenter. In certain embodiments, the volume of the extractant can be about 3% to about 50% of the fermenter effective volume. In certain embodiments, the volume of the extractant can be about 3% to about 20% of the fermenter effective volume. In certain embodiments, the volume of the extractant can be about 3% to about 10% of the fermenter effective volume.

本明細書に記載される方法およびシステムのある実施形態において、ガスストリッピングが、発酵ブロスから生成物アルコールを除去するのに使用され得る。ガスストリッピングは、空気、窒素、または二酸化炭素などの1種以上のガスを発酵ブロスに提供し、それによって、生成物アルコール含有気相を形成することによって行われ得る。例えば、ガスストリッピングは、発酵ブロスを通して1種以上のガスを散布することによって行われ得る。ある実施形態において、ガスは、発酵反応によって提供され得る。例として、二酸化炭素が、微生物による発酵性炭素源の代謝の副生成物として提供され得る。ある実施形態において、ガスストリッピングは、発酵ブロスから生成物アルコールを除去するために、抽出剤と同時に使用され得る。生成物アルコールは、生成物アルコールを凝縮するために冷却された排水器(chilled water trap)を使用すること、または気相を溶媒で洗浄することなどの、当該技術分野において公知の方法を用いて、生成物アルコール含有気相から回収され得る。   In certain embodiments of the methods and systems described herein, gas stripping can be used to remove product alcohol from the fermentation broth. Gas stripping can be performed by providing one or more gases, such as air, nitrogen, or carbon dioxide, to the fermentation broth, thereby forming a product alcohol-containing gas phase. For example, gas stripping can be performed by sprinkling one or more gases through the fermentation broth. In certain embodiments, the gas can be provided by a fermentation reaction. As an example, carbon dioxide can be provided as a byproduct of the metabolism of fermentable carbon sources by microorganisms. In certain embodiments, gas stripping can be used simultaneously with the extractant to remove product alcohol from the fermentation broth. The product alcohol is obtained using methods known in the art, such as using a cooled water trap to condense the product alcohol, or washing the gas phase with a solvent. The product alcohol-containing gas phase can be recovered.

組み換え微生物および生合成経路
理論によって制約されるのを望むものではないが、本明細書に記載される方法は、アルコール生成微生物、特に、それらの耐性レベルを超える力価でアルコールを生成する組み換え微生物を含む発酵産物を生成することができる任意の微生物に関連して有用であると考えられる。
Recombinant microorganisms and biosynthetic pathways While not wishing to be bound by theory, the methods described herein are intended to produce alcohol-producing microorganisms, particularly recombinant microorganisms that produce alcohols with potency above their resistance level. Are considered useful in connection with any microorganism capable of producing a fermentation product comprising

アルコール生成微生物は、当該技術分野において公知である。例えば、メタン資化性細菌(例えば、メチロサイナス・トリコスポリウム(Methylosinus trichosporium))によるメタンの発酵酸化により、メタノールが生成され、酵母菌株CEN.PK113−7D(CBS 8340,the Centraal Buro voor Schimmelculture;van Dijken,et al.,Enzyme Microb.Techno.26:706−714,2000)により、エタノールが生成される。アルコールを生成する組み換え微生物も、当該技術分野において公知である(例えば、Ohta,et al.,Appl.Environ.Microbiol.57:893−900,1991;Underwood,et al.,Appl.Environ.Microbiol.68:1071−1081,2002;Shen and Liao,Metab.Eng.10:312−320,2008;Hahnai,et al.,Appl.Environ.Microbiol.73:7814−7818,2007;米国特許第5,514,583号明細書;米国特許第5,712,133号明細書;PCT出願公開番号国際公開第1995/028476号パンフレット;Feldmann,et al.,Appl.Microbiol.Biotechnol.38:354−361,1992;Zhang,et al.,Science 267:240−243,1995;米国特許出願公開第2007/0031918A1号明細書;米国特許第7,223,575号明細書;米国特許第7,741,119号明細書;米国特許第7,851,188号明細書;米国特許出願公開第2009/0203099A1号明細書;米国特許出願公開第2009/0246846A1号明細書;およびPCT出願公開番号国際公開第2010/075241号パンフレット、これらは全て参照により本明細書に援用される)。   Alcohol-producing microorganisms are known in the art. For example, methanol is produced by fermentative oxidation of methane by a methane-utilizing bacterium (for example, Methylosinus trichospolium), and yeast strain CEN. Ethanol is produced by PK113-7D (CBS 8340, the Central Blue floor Scheme; van Dijken, et al., Enzyme Microb. Techno. 26: 706-714, 2000). Recombinant microorganisms that produce alcohol are also known in the art (eg, Ohta, et al., Appl. Environ. Microbiol. 57: 893-900, 1991; Underwood, et al., Appl. Environ. Microbiol. 68: 1071-1081, 2002; Shen and Liao, Metab. Eng.10: 312-320, 2008; Hahnai, et al., Appl. Environ.Microbiol.73: 7814-7818, 2007; U.S. Pat. No. 5,712,133; PCT application publication number WO 1995/028476; Feldmann, et al., Appl. Biobiol.Biotechnol.38: 354-361,1992; Zhang, et al., Science 267: 240-243, 1995; U.S. Patent Application Publication No. 2007 / 0031918A1; U.S. Patent No. 7,223,575 U.S. Patent No. 7,741,119; U.S. Patent No. 7,851,188; U.S. Patent Application Publication No. 2009 / 0203099A1; U.S. Patent Application Publication No. 2009 / 0246846A1; and PCT Application Publication No. WO 2010/075241, all of which are incorporated herein by reference).

さらに、微生物は、エタノールおよびブタノールなどの生成物アルコールを生成することが可能な組み換え微生物を生成するための組み換え技術を用いて改変され得る。生合成経路を介して生成物アルコールを生成するように組み換え技術によって改変される微生物としては、クロストリジウム属(Clostridium)、ザイモモナス属(Zymomonas)、エシェリキア属(Escherichia)、サルモネラ属(Salmonella)、セラチア属(Serratia)、エルウイニア属(Erwinia)、クレブシエラ属(Klebsiella)、赤痢菌属(Shigella)、ロドコッカス属(Rhodococcus)、シュードモナス属(Pseudomonas)、バチルス属(Bacillus)、乳酸杆菌属(Lactobacillus)、エンテロコッカス属(Enterococcus)、アルカリゲネス属(Alcaligenes)、クレブシエラ属(Klebsiella)、パエニバチルス属(Paenibacillus)、アルスロバクター属(Arthrobacter)、コリネバクテリウム属(Corynebacterium)、ブレビバクテリウム属(Brevibacterium)、シゾサッカロマイセス属(Schizosaccharomyces)、クルイベロマイセス属(Kluyveromyces)、ヤロウイア属(Yarrowia)、ピヒア属(Pichia)、カンジダ属(Candida)、ハンゼヌラ属(Hansenula)、イサタケンキア属(Issatchenkia)、またはサッカロマイセス属(Saccharomyces)のメンバーが挙げられる。ある実施形態において、組み換え微生物は、大腸菌(Escherichia coli)、ラクトバチルス・プランタラム(Lactobacillus plantarum)、クルイベロマイセス・ラクチス(Kluyveromyces lactis)、クルイベロマイセス・マルシアヌス(Kluyveromyces marxianus)およびサッカロマイセス・セレビシエ(Saccharomyces cerevisiae)からなる群から選択され得る。ある実施形態において、組み換え微生物は酵母である。ある実施形態において、組み換え微生物は、サッカロマイセス属(Saccharomyces)、ジゴサッカロマイセス属(Zygosaccharomyces)、シゾサッカロマイセス属(Schizosaccharomyces)、デッケラ属(Dekkera)、トルロプシス属(Torulopsis)、ブレタノマイセス属(Brettanomyces)、およびカンジダ属(Candida)のいくつかの種から選択されるクラブトリー陽性酵母である。クラブトリー陽性酵母種としては、以下に限定はされないが、サッカロマイセス・セレビシエ(Saccharomyces cerevisiae)、サッカロマイセス・クルイベリ(Saccharomyces kluyveri)、シゾサッカロマイセス・ポンベ(Schizosaccharomyces pombe)、サッカロマイセス・バイアヌス(Saccharomyces bayanus)、サッカロマイセス・ミカタエ(Saccharomyces mikitae)、サッカロマイセス・パラドキサス(Saccharomyces paradoxus)、ジゴサッカロマイセス・ルーキシィ(Zygosaccharomyces rouxii)、およびカンジダ・グラブラタ(Candida glabrata)が挙げられる。   Furthermore, the microorganism can be modified using recombinant techniques to produce recombinant microorganisms capable of producing product alcohols such as ethanol and butanol. Microorganisms that are modified by recombinant techniques to produce product alcohols via biosynthetic pathways include Clostridium, Zymomonas, Escherichia, Salmonella, Serratia (Serratia), Erwinia, Klebsiella, Shigella, Rhodococcus, Pseudomonas, Bacillus, Lactobacillus, Lactobacillus, Lactobacillus (Enterococcus), Alcaligenes, Klebsiella (K ebsiella), Paenibacillus, Arthrobacter, Corynebacterium, Brevibacterium, Schizosaccharomyces, Schizosaccharomyces Examples include members of the genus Yarrowia, Pichia, Candida, Hansenula, Issatchenkia, or Saccharomyces. In certain embodiments, the recombinant microorganisms are Escherichia coli, Lactobacillus plantarum, Kluyveromyces lactis, Kluyveromyces marciane cerevisiae and Kluyveromyces cerevisiae. (Saccharomyces cerevisiae) may be selected. In certain embodiments, the recombinant microorganism is yeast. In certain embodiments, the recombinant microorganism is a genus Saccharomyces, Zygosaccharomyces, Schizosaccharomyces, Dekkera, Torulopis genus, Torulopsis s. Crabtree positive yeast selected from several species of the genus (Candida). Examples of crabtree positive yeast species include, but are not limited to, Saccharomyces cerevisiae, Saccharomyces kluyveri, Schizosaccharomyces pombe (Schizosaccharomyces pombe). Mikatae (Saccharomyces mikitae), Saccharomyces paradoxus (Saccharomyces paradoxus), Zygosaccharomyces rouxii, and Candida glabrata (Candrida) ata).

サッカロマイセス・セレビシエ(Saccharomyces cerevisiae)が、当該技術分野において公知であり、米国培養細胞系統保存機関(American Type Culture Collection)(Rockville,MD)、Centraalbureau voor Schimmelcultures(CBS)Fungal Biodiversity Centre、LeSaffre、Gert Strand AB、Ferm Solutions、North American Bioproducts、Martrex、およびLallemandを含むがこれらに限定されない様々な供給元から入手可能である。サッカロマイセス・セレビシエ(Saccharomyces cerevisiae)としては、以下に限定はされないが、BY4741、CEN.PK 113−7D、Ethanol Red(登録商標)酵母、Ferm Pro(商標)酵母、Bio−Ferm(登録商標)XR酵母、Gert Strand Prestige Batch Turboアルコール酵母、Gert Strand Pot Distillers酵母、Gert Strand Distillers Turbo酵母、FerMax(商標)Green酵母、FerMax(商標)Gold酵母、Thermosacc(登録商標)酵母、BG−1、PE−2、CAT−1、CBS7959、CBS7960、およびCBS7961が挙げられる。   Saccharomyces cerevisiae is known in the art and is the American Type of Culture Culture Collection (Rockville, MD), CentralbureCulture (Soccharomyces cerevisiae). Available from a variety of sources including, but not limited to, Ferm Solutions, North American Bioproducts, Martrex, and Lalland. Examples of Saccharomyces cerevisiae include, but are not limited to, BY4741, CEN. PK 113-7D, Ethanol Red (registered trademark) yeast, Ferm Pro (registered trademark) yeast, Bio-Ferm (registered trademark) XR yeast, Gert Strand Prestige Batch Turbo alcohol yeast, Gert Strand Pot Distillers yeast, Gert Strb yeast yeast, Gert Strb yeast FerMax ™ Green yeast, FerMax ™ Gold yeast, Thermosacc® yeast, BG-1, PE-2, CAT-1, CBS7959, CBS7960, and CBS7961.

ある実施形態において、微生物は、固定化または封入され得る。例えば、微生物は、アルギネート、アルギン酸カルシウム、またはポリアクリルアミドゲルを用いて、または珪藻岩、セライト、珪藻土、シリカゲル、プラスチック、または樹脂などの様々な高表面積支持基質へのバイオフィルム形成の誘導によって固定化または封入され得る。ある実施形態において、ISPRは、固定化または封入された微生物と組み合わせて使用され得る。この組合せは、比体積生産性、代謝率、生成物アルコール収率、および生成物アルコールへの耐性などの生産性を向上させ得る。さらに、固定化および封入は、微生物に対するせん断などのプロセス条件の影響を最小限に抑え得る。   In certain embodiments, the microorganism can be immobilized or encapsulated. For example, microorganisms are immobilized using alginate, calcium alginate, or polyacrylamide gels, or by induction of biofilm formation on various high surface area support substrates such as diatomite, celite, diatomaceous earth, silica gel, plastic, or resin. Or it can be encapsulated. In certain embodiments, ISPR can be used in combination with immobilized or encapsulated microorganisms. This combination can improve productivity such as specific volume productivity, metabolic rate, product alcohol yield, and tolerance to product alcohol. Furthermore, immobilization and encapsulation can minimize the effects of process conditions such as shear on microorganisms.

発酵を用いたブタノールの生成、ならびにブタノールを生成する微生物は、例えば、米国特許第7,851,188号明細書、および米国特許出願公開第2007/0092957号明細書;同第2007/0259410号明細書;同第2007/0292927号明細書;同第2008/0182308号明細書;同第2008/0274525号明細書;同第2009/0155870号明細書;同第2009/0305363号明細書;および同第2009/0305370号明細書に開示されており、それぞれの内容全体が参照により本明細書に援用される。ある実施形態において、微生物は、生合成経路を含むように改変される。ある実施形態において、生合成経路は、改変されたブタノール生合成経路である。ある実施形態において、生合成経路は、ピルビン酸を発酵産物に転化する。ある実施形態において、生合成経路は、ピルビン酸ならびにアミノ酸を発酵産物に転化する。ある実施形態において、経路の各基質−生成物転化を触媒する少なくとも1つ、少なくとも2つ、少なくとも3つ、または少なくとも4つのポリペプチドが、微生物中の異種のポリヌクレオチドによってコードされる。ある実施形態において、経路の基質−生成物転化を触媒する全てのポリペプチドが、微生物中の異種のポリヌクレオチドによってコードされる。ある実施形態において、アセト乳酸から2,3−ジヒドロキシイソ吉草酸へ
の基質−生成物転化を触媒するポリペプチドおよび/またはイソブチルアルデヒドからイソブタノールへの基質−生成物転化を触媒するポリペプチドは、補因子として還元型のニコチンアミドアデニンジヌクレオチド(NADH)を用いることが可能である。
Production of butanol using fermentation and microorganisms that produce butanol are described, for example, in US Pat. No. 7,851,188 and US Patent Application Publication No. 2007/0092957; 2007/0259410. No. 2007/0292927; No. 2008/0182308; No. 2008/0274525; No. 2009/0155870; No. 2009/0305363; 2009/0305370, the entire contents of each of which are hereby incorporated by reference. In certain embodiments, the microorganism is modified to include a biosynthetic pathway. In certain embodiments, the biosynthetic pathway is a modified butanol biosynthetic pathway. In certain embodiments, the biosynthetic pathway converts pyruvate into a fermentation product. In certain embodiments, the biosynthetic pathway converts pyruvate as well as amino acids into a fermentation product. In certain embodiments, at least one, at least two, at least three, or at least four polypeptides that catalyze each substrate-product conversion of the pathway are encoded by heterologous polynucleotides in the microorganism. In certain embodiments, all polypeptides that catalyze pathway substrate-product conversion are encoded by heterologous polynucleotides in the microorganism. In certain embodiments, a polypeptide that catalyzes substrate-product conversion from acetolactate to 2,3-dihydroxyisovaleric acid and / or a polypeptide that catalyzes substrate-product conversion from isobutyraldehyde to isobutanol comprises: Reduced nicotinamide adenine dinucleotide (NADH) can be used as a cofactor.

生合成経路
使用され得るイソブタノールの生成のための生合成経路としては、参照により本明細書に援用される米国特許第7,851,188号明細書に記載されているものが挙げられる。一実施形態において、イソブタノール生合成経路は、以下の基質−生成物転化を含む:
a)例えば、アセト乳酸シンターゼによって触媒され得る、ピルビン酸からアセト乳酸;
b)例えば、アセトヒドロキシ酸レダクトイソメラーゼによって触媒され得る、アセト乳酸から2,3−ジヒドロキシイソ吉草酸;
c)例えば、アセトヒドロキシ酸デヒドラターゼによって触媒され得る、2,3−ジヒドロキシイソ吉草酸からα−ケトイソ吉草酸;
d)例えば、分枝鎖α−ケト酸デカルボキシラーゼによって触媒され得る、α−ケトイソ吉草酸からイソブチルアルデヒド;および
e)例えば、分枝鎖アルコールデヒドロゲナーゼによって触媒され得る、イソブチルアルデヒドからイソブタノール。
Biosynthetic pathways Biosynthetic pathways for the production of isobutanol that can be used include those described in US Pat. No. 7,851,188, incorporated herein by reference. In one embodiment, the isobutanol biosynthetic pathway comprises the following substrate-product conversion:
a) pyruvate to acetolactate, which can be catalyzed, for example, by acetolactate synthase;
b) 2,3-dihydroxyisovaleric acid from acetolactate, which can be catalyzed, for example, by acetohydroxy acid reductoisomerase;
c) 2,3-dihydroxyisovaleric acid to α-ketoisovaleric acid, which can be catalyzed, for example, by acetohydroxyacid dehydratase;
d) α-ketoisovaleric acid to isobutyraldehyde, which can be catalyzed, for example, by branched chain α-keto acid decarboxylase; and e) isobutyraldehyde to isobutanol, which can be catalyzed, for example, by branched chain alcohol dehydrogenase.

別の実施形態において、イソブタノール生合成経路は、以下の基質−生成物転化を含む:
a)例えば、アセト乳酸シンターゼによって触媒され得る、ピルビン酸からアセト乳酸;
b)例えば、ケトール酸レダクトイソメラーゼによって触媒され得る、アセト乳酸から2,3−ジヒドロキシイソ吉草酸;
c)例えば、ジヒドロキシ酸デヒドラターゼによって触媒され得る、2,3−ジヒドロキシイソ吉草酸からa−ケトイソ吉草酸;
d)例えば、トランスアミナーゼまたはバリンデヒドロゲナーゼによって触媒され得る、α−ケトイソ吉草酸からバリン;
e)例えば、バリンデカルボキシラーゼによって触媒され得る、バリンからイソブチルアミン;
f)例えば、オメガトランスアミナーゼによって触媒され得る、イソブチルアミンからイソブチルアルデヒド;および
g)例えば、分枝鎖アルコールデヒドロゲナーゼによって触媒され得る、イソブチルアルデヒドからイソブタノール。
In another embodiment, the isobutanol biosynthetic pathway comprises the following substrate-product conversion:
a) pyruvate to acetolactate, which can be catalyzed, for example, by acetolactate synthase;
b) 2,3-dihydroxyisovaleric acid from acetolactate, which can be catalyzed, for example, by ketolate reductoisomerase;
c) 2,3-dihydroxyisovaleric acid to a-ketoisovaleric acid, which can be catalyzed, for example, by dihydroxy acid dehydratase;
d) α-ketoisovaleric acid to valine, which can be catalyzed, for example, by transaminase or valine dehydrogenase;
e) valine to isobutylamine, which can be catalyzed, for example, by valine decarboxylase;
f) Isobutylamine to isobutyraldehyde, which can be catalyzed by, for example, omega transaminase; and g) Isobutyraldehyde to isobutanol, which can be catalyzed by, for example, branched chain alcohol dehydrogenase.

別の実施形態において、イソブタノール生合成経路は、以下の基質−生成物転化を含む:
a)例えば、アセト乳酸シンターゼによって触媒され得る、ピルビン酸からアセト乳酸;
b)例えば、アセトヒドロキシ酸レダクトイソメラーゼによって触媒され得る、アセト乳酸から2,3−ジヒドロキシイソ吉草酸;
c)例えば、アセトヒドロキシ酸デヒドラターゼによって触媒され得る、2,3−ジヒドロキシイソ吉草酸からα−ケトイソ吉草酸;
d)例えば、分枝鎖ケト酸デヒドロゲナーゼによって触媒され得る、α−ケトイソ吉草酸からイソブチリル−CoA;
e)例えば、アシル化アルデヒドデヒドロゲナーゼによって触媒され得る、イソブチリル−CoAからイソブチルアルデヒド;および
f)例えば、分枝鎖アルコールデヒドロゲナーゼによって触媒され得る、イソブチルアルデヒドからイソブタノール。
In another embodiment, the isobutanol biosynthetic pathway comprises the following substrate-product conversion:
a) pyruvate to acetolactate, which can be catalyzed, for example, by acetolactate synthase;
b) 2,3-dihydroxyisovaleric acid from acetolactate, which can be catalyzed, for example, by acetohydroxy acid reductoisomerase;
c) 2,3-dihydroxyisovaleric acid to α-ketoisovaleric acid, which can be catalyzed, for example, by acetohydroxyacid dehydratase;
d) α-ketoisovaleric acid to isobutyryl-CoA, which can be catalyzed, for example, by branched-chain ketoacid dehydrogenase;
e) Isobutyryl-CoA to isobutyraldehyde, which can be catalyzed by, for example, acylated aldehyde dehydrogenase; and f) Isobutyraldehyde to isobutanol, which can be catalyzed by, for example, branched chain alcohol dehydrogenase.

使用され得る1−ブタノールの生成のための生合成経路としては、参照により本明細書に援用される米国特許出願公開第2008/0182308号明細書に記載されているものが挙げられる。一実施形態において、1−ブタノール生合成経路は、以下の基質−生成物転化を含む:
a)例えば、アセチル−CoAアセチルトランスフェラーゼによって触媒され得る、アセチル−CoAからアセトアセチル−CoA;
b)例えば、3−ヒドロキシブチリル−CoAデヒドロゲナーゼによって触媒され得る、アセトアセチル−CoAから3−ヒドロキシブチリル−CoA;
c)例えば、クロトナーゼによって触媒され得る、3−ヒドロキシブチリル−CoAからクロトニル−CoA;
d)例えば、ブチリル−CoAデヒドロゲナーゼによって触媒され得る、クロトニル−CoAからブチリル−CoA;
e)例えば、ブチルアルデヒドデヒドロゲナーゼによって触媒され得る、ブチリル−CoAからブチルアルデヒド;および
f)例えば、ブタノールデヒドロゲナーゼによって触媒され得る、ブチルアルデヒドから1−ブタノール。
Biosynthetic pathways for the production of 1-butanol that can be used include those described in US Patent Application Publication No. 2008/0182308, which is incorporated herein by reference. In one embodiment, the 1-butanol biosynthetic pathway comprises the following substrate-product conversion:
a) For example, acetyl-CoA to acetoacetyl-CoA, which can be catalyzed by acetyl-CoA acetyltransferase;
b) acetoacetyl-CoA to 3-hydroxybutyryl-CoA, which can be catalyzed, for example, by 3-hydroxybutyryl-CoA dehydrogenase;
c) 3-hydroxybutyryl-CoA to crotonyl-CoA, which can be catalyzed, for example, by crotonase;
d) Crotonyl-CoA to butyryl-CoA, which can be catalyzed, for example, by butyryl-CoA dehydrogenase;
e) butyryl-CoA to butyraldehyde, which can be catalyzed by, for example, butyraldehyde dehydrogenase; and f) butyraldehyde to 1-butanol, which can be catalyzed by, for example, butanol dehydrogenase.

使用され得る2−ブタノールの生成のための生合成経路としては、参照により本明細書に援用される米国特許出願公開第2007/0259410号明細書および米国特許出願公開第2009/0155870号明細書に記載されているものが挙げられる。一実施形態において、2−ブタノール生合成経路は、以下の基質−生成物転化を含む:
a)例えば、アセト乳酸シンターゼによって触媒され得る、ピルビン酸からα−アセト乳酸;
b)例えば、アセト乳酸デカルボキシラーゼによって触媒され得る、α−アセト乳酸からアセトイン;
c)例えば、アセトインアミナーゼによって触媒され得る、アセトインから3−アミノ−2−ブタノール;
d)例えば、アミノブタノールキナーゼによって触媒され得る、3−アミノ−2−ブタノールから3−アミノ−2−ブタノールホスフェート;
e)例えば、アミノブタノールホスフェートホスホリラーゼによって触媒され得る、3−アミノ−2−ブタノールホスフェートから2−ブタノン;および
f)例えば、ブタノールデヒドロゲナーゼによって触媒され得る、2−ブタノンから2−ブタノール。
Biosynthetic pathways for the production of 2-butanol that can be used include US Patent Application Publication No. 2007/0259410 and US Patent Application Publication No. 2009/0155870, which are incorporated herein by reference. What is described is mentioned. In one embodiment, the 2-butanol biosynthetic pathway includes the following substrate-product conversion:
a) α-acetolactic acid from pyruvate, which can be catalyzed, for example, by acetolactate synthase;
b) α-acetolactic acid to acetoin, which can be catalyzed, for example, by acetolactate decarboxylase;
c) Acetoin to 3-amino-2-butanol, which can be catalyzed, for example, by acetoin aminase;
d) 3-amino-2-butanol to 3-amino-2-butanol phosphate, which can be catalyzed, for example, by aminobutanol kinase;
e) 2-butanone from 3-amino-2-butanol phosphate, which can be catalyzed by, for example, aminobutanol phosphate phosphorylase; and f) 2-butanone to 2-butanol, which can be catalyzed by, for example, butanol dehydrogenase.

別の実施形態において、2−ブタノール生合成経路は、以下の基質−生成物転化を含む:
a)例えば、アセト乳酸シンターゼによって触媒され得る、ピルビン酸からα−アセト乳酸;
b)例えば、アセト乳酸デカルボキシラーゼによって触媒され得る、α−アセト乳酸からアセトイン;
c)例えば、ブタンジオールデヒドロゲナーゼによって触媒され得る、アセトインから2,3−ブタンジオール;
d)例えば、ジオールデヒドラターゼによって触媒され得る、2,3−ブタンジオールから2−ブタノン;および
e)例えば、ブタノールデヒドロゲナーゼによって触媒され得る、2−ブタノンから2−ブタノール。
In another embodiment, the 2-butanol biosynthetic pathway comprises the following substrate-product conversion:
a) α-acetolactic acid from pyruvate, which can be catalyzed, for example, by acetolactate synthase;
b) α-acetolactic acid to acetoin, which can be catalyzed, for example, by acetolactate decarboxylase;
c) 2,3-butanediol from acetoin, which can be catalyzed, for example, by butanediol dehydrogenase;
d) 2,3-butanediol to 2-butanone, which can be catalyzed by, for example, diol dehydratase; and e) 2-butanone to 2-butanol, which can be catalyzed by, for example, butanol dehydrogenase.

使用され得る2−ブタノンの生成のための生合成経路としては、参照により本明細書に援用される米国特許出願公開第2007/0259410号明細書および米国特許出願公開第2009/0155870号明細書に記載されているものが挙げられる。一実施形態において、2−ブタノン生合成経路は、以下の基質−生成物転化を含む:
a)例えば、アセト乳酸シンターゼによって触媒され得る、ピルビン酸からα−アセト乳酸;
b)例えば、アセト乳酸デカルボキシラーゼによって触媒され得る、α−アセト乳酸からアセトイン;
c)例えば、アセトインアミナーゼによって触媒され得る、アセトインから3−アミノ−2−ブタノール;
d)例えば、アミノブタノールキナーゼによって触媒され得る、3−アミノ−2−ブタノールから3−アミノ−2−ブタノールホスフェート;および
e)例えば、アミノブタノールホスフェートホスホリラーゼによって触媒され得る、3−アミノ−2−ブタノールホスフェートから2−ブタノン。
Biosynthetic pathways for the production of 2-butanone that can be used include US Patent Application Publication No. 2007/0259410 and US Patent Application Publication No. 2009/0155870, which are incorporated herein by reference. What is described is mentioned. In one embodiment, the 2-butanone biosynthetic pathway includes the following substrate-product conversion:
a) α-acetolactic acid from pyruvate, which can be catalyzed, for example, by acetolactate synthase;
b) α-acetolactic acid to acetoin, which can be catalyzed, for example, by acetolactate decarboxylase;
c) Acetoin to 3-amino-2-butanol, which can be catalyzed, for example, by acetoin aminase;
d) 3-amino-2-butanol to 3-amino-2-butanol phosphate, which can be catalyzed by, for example, aminobutanol kinase; and e) 3-amino-2-butanol, which can be catalyzed by, for example, aminobutanol phosphate phosphorylase From phosphate to 2-butanone.

別の実施形態において、2−ブタノン生合成経路は、以下の基質−生成物転化を含む:
a)例えば、アセト乳酸シンターゼによって触媒され得る、ピルビン酸からα−アセト乳酸;
b)例えば、アセト乳酸デカルボキシラーゼによって触媒され得る、α−アセト乳酸からアセトイン;
c)例えば、ブタンジオールデヒドロゲナーゼによって触媒され得る、アセトインから2,3−ブタンジオール;および
d)例えば、ジオールデヒドラターゼによって触媒され得る、2,3−ブタンジオールから2−ブタノン。
In another embodiment, the 2-butanone biosynthetic pathway comprises the following substrate-product conversion:
a) α-acetolactic acid from pyruvate, which can be catalyzed, for example, by acetolactate synthase;
b) α-acetolactic acid to acetoin, which can be catalyzed, for example, by acetolactate decarboxylase;
c) 2,3-butanediol from acetoin, which can be catalyzed by, for example, butanediol dehydrogenase; and d) 2-butanone from 2,3-butanediol, which can be catalyzed by, for example, diol dehydratase.

「アセトヒドロキシ酸シンターゼ」、「アセト乳酸シンターゼ」、および「アセト乳酸シンテターゼ」(「ALS」と略記される)という用語は、ピルビン酸からアセト乳酸およびCOへの転化を触媒する酵素活性を有するポリペプチドを指すために本明細書において同義に使用され得る。アセト乳酸シンターゼの例は、EC番号2.2.1.6(Enzyme Nomenclature 1992,Academic Press,San Diego)によって知られている。これらの未修飾酵素は、枯草菌(Bacillus subtilis)(ジェンバンク(GenBank)番号:CAB15618(配列番号1)、Z99122(配列番号2)、NCBI(国立生物工学情報センター(National Center for Biotechnology Information))アミノ酸配列、NCBIヌクレオチド配列)、肺炎桿菌(Klebsiella pneumoniae)(ジェンバンク(GenBank)番号:AAA25079(配列番号3)、M73842(配列番号4))、および乳酸連鎖球菌(Lactococcus lactis)(ジェンバンク(GenBank)番号:AAA25161(配列番号5)、L16975(配列番号6))を含むがこれらに限定されないいくつかの供給源から入手可能である。 The terms “acetohydroxyacid synthase”, “acetolactic acid synthase”, and “acetolactic acid synthetase” (abbreviated as “ALS”) have enzymatic activity that catalyzes the conversion of pyruvate to acetolactate and CO 2 . Can be used interchangeably herein to refer to a polypeptide. An example of acetolactate synthase is known by EC number 2.2.1.6 (Enzyme Nomenclature 1992, Academic Press, San Diego). These unmodified enzymes are Bacillus subtilis (GenBank number: CAB15618 (SEQ ID NO: 1), Z99122 (SEQ ID NO: 2), NCBI (National Center for Biotechnology Information) Amino acid sequence, NCBI nucleotide sequence), Klebsiella pneumoniae (GenBank number: AAA25079 (SEQ ID NO: 3), M73842 (SEQ ID NO: 4)), and Lactococcus lactis (GenBank ) Number: AAA25161 (SEQ ID NO: 5), L16975 (SEQ ID NO: 6)), but not limited to Available from several sources.

「ケト酸レダクトイソメラーゼ」(「KARI」)、「アセトヒドロキシ酸イソメロレダクターゼ」、および「アセトヒドロキシ酸レダクトイソメラーゼ」という用語は、同義に使用され、(S)−アセト乳酸から2,3−ジヒドロキシイソ吉草酸への反応を触媒する酵素活性を有するポリペプチドを指す。KARI酵素の例は、EC番号EC 1.1.1.86(Enzyme Nomenclature 1992,Academic Press,San Diego)として分類されてもよく、大腸菌(Escherichia coli)(ジェンバンク(GenBank)番号:NP_418222(配列番号7)、NC_000913(配列番号8))、サッカロマイセス・セレビシエ(Saccharomyces cerevisiae)(ジェンバンク(GenBank)番号:NP_013459(配列番号9)、NC_001144(配列番号10))、メタノコッカス・マリパルディス(Methanococcus maripaludis)(ジェンバンク(GenBank)番号:CAF30210(配列番号11)、BX957220(配列番号12))、および枯草菌(Bacillus subtilis)(ジェンバンク(GenBank)番号:CAB14789(配列番号13)、Z99118(配列番号14))を含むがこれらに限定されない広範囲の微生物から入手可能である。KARIとしては、アナエロスティペス・カカエ(Anaerostipes caccae)KARI変異体「K9G9」および「K9D3」(それぞれ、配列番号15および16)が挙げられる。ケト酸レダクトイソメラーゼ(KARI)酵素が、参照により本明細書に援用される、米国特許出願公開第2008/0261230号明細書、同第2009/0163376号明細書、および同第2010/0197519号明細書、およびPCT出願公報番号国際公開第2011/041415号パンフレットに記載されている。これらの文献に開示されているKARIの例は、乳酸連鎖球菌(Lactococcus lactis)、コレラ菌(Vibrio cholera)、緑膿菌(Pseudomonas aeruginosa)PAO1、および蛍光菌(Pseudomonas fluorescens)PF5突然変異体に由来するものである。ある実施形態において、KARIはNADHを用いる。ある実施形態において、KARIは、還元型のニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸(NADPH)を用いる。   The terms “keto acid reductoisomerase” (“KARI”), “acetohydroxy acid isomero reductase”, and “acetohydroxy acid reductoisomerase” are used interchangeably and are derived from (S) -acetolactic acid to 2,3 -Refers to a polypeptide having enzymatic activity that catalyzes the reaction to dihydroxyisovaleric acid. An example of a KARI enzyme may be classified as EC number EC 1.1.1.86 (Enzyme Nomenclature 1992, Academic Press, San Diego), Escherichia coli (GenBank number: NP — 418222 (sequence) No. 7), NC — 000913 (SEQ ID NO: 8)), Saccharomyces cerevisiae (GenBank numbers: NP — 013459 (SEQ ID NO: 9), NC — 00144 (SEQ ID NO: 10)), Methanococcus maripardis (Methanococcus Methanococus) (GenBank number: CAF30210 (SEQ ID NO: 11), BX957220 (SEQ ID NO: 12)), and Bacillus subtilis (GenBank numbers: CAB14789 (SEQ ID NO: 13), Z99118 (SEQ ID NO: 14)), available from a wide range of microorganisms including but not limited to It is. KARI includes Anaerostipes cakae KARI mutants “K9G9” and “K9D3” (SEQ ID NOS: 15 and 16, respectively). The keto acid reductoisomerase (KARI) enzyme is incorporated herein by reference, US 2008/0261230, 2009/0163376, and 2010/0197519. And PCT application publication number WO 2011/041415. Examples of KARI disclosed in these documents are Lactococcus lactis, Vibrio cholera, Pseudomonas aeruginosa PAO1, and PF5 derived from Pseudomonas fluorescens PF5. To do. In some embodiments, KARI uses NADH. In certain embodiments, KARI uses reduced nicotinamide adenine dinucleotide phosphate (NADPH).

「アセトヒドロキシ酸デヒドラターゼ」および「ジヒドロキシ酸デヒドラターゼ」(「DHAD」)という用語は、2,3−ジヒドロキシイソ吉草酸からα−ケトイソ吉草酸への転化を触媒する酵素活性を有するポリペプチドを指す。アセトヒドロキシ酸デヒドラターゼの例は、EC番号4.2.1.9によって知られている。このような酵素は、大腸菌(Escherichia coli)(ジェンバンク(GenBank)番号:YP_026248(配列番号17)、NC000913(配列番号18))、サッカロマイセス・セレビシエ(Saccharomyces cerevisiae)(ジェンバンク(GenBank)番号:NP_012550(配列番号19)、NC 001142(配列番号20)、M.マリパルディス(M.maripaludis)(ジェンバンク(GenBank)番号:CAF29874(配列番号21)、BX957219(配列番号22))、枯草菌(B.subtilis)(ジェンバンク(GenBank)番号:CAB14105(配列番号23)、Z99115(配列番号24))、乳酸連鎖球菌(L.lactis)、およびアカパンカビ(N.crassa)を含むがこれらに限定されない広範囲の微生物から入手可能である。参照により本明細書に援用される、米国特許出願公開第2010/0081154号明細書、および米国特許第7,851,188号明細書には、ミュータンス連鎖球菌(Streptococcus mutans)に由来するDHADを含むジヒドロキシ酸デヒドラターゼ(DHAD)が記載されている。   The terms “acetohydroxy acid dehydratase” and “dihydroxy acid dehydratase” (“DHAD”) refer to polypeptides having enzymatic activity that catalyzes the conversion of 2,3-dihydroxyisovaleric acid to α-ketoisovaleric acid. An example of acetohydroxy acid dehydratase is known by EC number 4.2.1.9. Such enzymes include Escherichia coli (GenBank number: YP — 026248 (SEQ ID NO: 17), NC000913 (SEQ ID NO: 18)), Saccharomyces cerevisiae (GenBank number: NP — 25 — (SEQ ID NO: 19), NC 001142 (SEQ ID NO: 20), M. maripaldis (GenBank number: CAF 29874 (SEQ ID NO: 21), BX957219 (SEQ ID NO: 22)), Bacillus subtilis (B. subtilis (GenBank number: CAB14105 (SEQ ID NO: 23), Z99115 (SEQ ID NO: 24)), Lactococcus lactis (L. and is available from a wide range of microorganisms including, but not limited to, N. crassa, U.S. Patent Application Publication No. 2010/0081154, and U.S. Pat. Japanese Patent No. 7,851,188 describes dihydroxy acid dehydratase (DHAD) containing DHAD derived from Streptococcus mutans.

「分枝鎖α−ケト酸デカルボキシラーゼ」、「α−ケト酸デカルボキシラーゼ」、「α−ケトイソ吉草酸デカルボキシラーゼ」、または「2−ケトイソ吉草酸デカルボキシラーゼ」(「KIVD」)という用語は、α−ケトイソ吉草酸からイソブチルアルデヒドおよびCOへの転化を触媒する酵素活性を有するポリペプチドを指す。分枝鎖α−ケト酸デカルボキシラーゼの例は、EC番号4.1.1.72によって知られており、乳酸連鎖球菌(Lactococcus lactis)(ジェンバンク(GenBank)番号:AAS49166(配列番号25)、AY548760(配列番号26);CAG34226(配列番号27)、AJ746364(配列番号28)、ネズミチフス菌(Salmonella typhimurium)(ジェンバンク(GenBank)番号:NP_461346(配列番号29)、NC_003197(配列番号30))、クロストリジウム・アセトブチリクム(Clostridium acetobutylicum)(ジェンバンク(GenBank)番号:NP_149189(配列番号31)、NC_001988(配列番号32))、M.カセオリティクス(M.caseolyticus)(配列番号33)、およびL.グライ(L.grayi)(配列番号34)を含むがこれらに限定されないいくつかの供給源から入手可能である。 The term “branched α-keto acid decarboxylase”, “α-keto acid decarboxylase”, “α-ketoisovalerate decarboxylase” or “2-ketoisovalerate decarboxylase” (“KIVD”) It refers to a polypeptide having enzymatic activity that catalyzes the conversion of α-ketoisovaleric acid to isobutyraldehyde and CO 2 . An example of a branched chain α-keto acid decarboxylase is known by EC number 4.1.1.72, Lactococcus lactis (GenBank number: AAS49166 (SEQ ID NO: 25)) AY548760 (SEQ ID NO: 26); CAG34226 (SEQ ID NO: 27), AJ746364 (SEQ ID NO: 28), Salmonella typhimurium (GenBank number: NP_461346 (SEQ ID NO: 29), NC_003197 (SEQ ID NO: 30)), Clostridium acetobutylicum (GenBank number: NP — 149189 (SEQ ID NO: 31), NC — 001988 SEQ ID NO: 32)), M. caseoliticus (SEQ ID NO: 33), and L. grayi (SEQ ID NO: 34) from several sources including but not limited to Is possible.

「分枝鎖アルコールデヒドロゲナーゼ」(「ADH」)という用語は、イソブチルアルデヒドからイソブタノールへの転化を触媒する酵素活性を有するポリペプチドを指す。分枝鎖アルコールデヒドロゲナーゼの例は、EC番号1.1.1.265によって知られているが、他のアルコールデヒドロゲナーゼ(特に、EC 1.1.1.1または1.1.1.2)にも分類され得る。アルコールデヒドロゲナーゼは、NADPH依存性またはNADH依存性であり得る。このような酵素は、サッカロマイセス・セレビシエ(Saccharomyces cerevisiae)(ジェンバンク(GenBank)番号:NP_010656(配列番号35)、NC_001136(配列番号36)、NP_014051(配列番号37)、NC_001145(配列番号38))、大腸菌(Escherichia coli)(ジェンバンク(GenBank)番号:NP_417484(配列番号39)、NC_000913(配列番号40))、C.アセトブチリクム(C.acetobutylicum)(ジェンバンク(GenBank)番号:NP_349892(配列番号41)、NC_003030(配列番号42);NP_349891(配列番号43)、NC_003030(配列番号44))を含むがこれらに限定されないいくつかの供給源から入手可能である。米国特許出願公開第2009/0269823号明細書には、SadB、アクロモバクター・キシロソキシダンス(Achromobacter xylosoxidans)に由来するアルコールデヒドロゲナーゼ(ADH)が記載されている。アルコールデヒドロゲナーゼは、(参照により本明細書に援用される米国特許出願公開第2011/0269199号明細書に記載されているように)ウマ肝臓由来のADHおよびベイジェリンキア・インディカ(Beijerinckia
indica)ADHも含む。
The term “branched alcohol dehydrogenase” (“ADH”) refers to a polypeptide having an enzymatic activity that catalyzes the conversion of isobutyraldehyde to isobutanol. An example of a branched chain alcohol dehydrogenase is known by EC number 1.1.1.265, but other alcohol dehydrogenases (especially EC 1.1.1.1 or 1.1.1.2) Can also be classified. Alcohol dehydrogenase can be NADPH-dependent or NADH-dependent. Such enzymes are Saccharomyces cerevisiae (GenBank number: NP — 010656 (SEQ ID NO: 35), NC — 00136 (SEQ ID NO: 36), NP — 014051 (SEQ ID NO: 37), NC — 00145 (SEQ ID NO: 38)), Escherichia coli (GenBank numbers: NP_417484 (SEQ ID NO: 39), NC_000913 (SEQ ID NO: 40)), C.I. A number including, but not limited to, C. acetobutylicum (GenBank numbers: NP_349892 (SEQ ID NO: 41), NC_003030 (SEQ ID NO: 42); NP_349891 (SEQ ID NO: 43), NC_003030 (SEQ ID NO: 44)) Available from these sources. US Patent Application Publication No. 2009/0269823 describes an alcohol dehydrogenase (ADH) derived from SadB, Achromobacter xylosoxidans. Alcohol dehydrogenase is ADH derived from equine liver (as described in US Patent Application Publication No. 2011/0269199, which is incorporated herein by reference) and Beijerinckia.
indica) ADH is also included.

「ブタノールデヒドロゲナーゼ」という用語は、イソブチルアルデヒドからイソブタノールへの転化または2−ブタノンおよび2−ブタノールの転化を触媒する酵素活性を有するポリペプチド(またはポリペプチド)を指す。ブタノールデヒドロゲナーゼは、アルコールデヒドロゲナーゼの幅広いファミリーのサブセットである。ブタノールデヒドロゲナーゼは、NAD−またはNADP依存性であり得る。NAD依存性酵素は、EC 1.1.1.1として知られており、例えば、ロドコッカス・ルーバー(Rhodococcus ruber)(ジェンバンク(GenBank)番号:CAD36475、AJ491307)から入手可能である。NADP依存性酵素は、EC 1.1.1.2として知られており、例えば、ピュロコックス・フリオスス(Pyrococcus furiosus)(ジェンバンク(GenBank)番号:AAC25556、AF013169)から入手可能である。さらに、ブタノールデヒドロゲナーゼは、大腸菌(Escherichia coli)(ジェンバンク(GenBank)番号:NP 417484、NC_000913)から入手可能であり、シクロヘキサノールデヒドロゲナーゼは、アシネトバクター属(Acinetobacter sp.)(ジェンバンク(GenBank)番号:AAG10026、AF282240)から入手可能である。「ブタノールデヒドロゲナーゼ」という用語は、補因子としてNADHまたはNADPHのいずれかを用いたブチルアルデヒドから1−ブタノールへの転化を触媒する酵素も指す。ブタノールデヒドロゲナーゼは、例えば、C.アセトブチリクム(C.acetobutylicum)(ジェンバンク(GenBank)番号:NP_149325、NC_001988;この酵素は、アルデヒドおよびアルコールデヒドロゲナーゼ活性の両方を有する);NP_349891、NC_003030;およびNP_349892、NC_003030)および大腸菌(Escherichia coli)(ジェンバンク(GenBank)番号:NP_417−484、NC_000913)から入手可能である。   The term “butanol dehydrogenase” refers to a polypeptide (or polypeptide) having enzymatic activity that catalyzes the conversion of isobutyraldehyde to isobutanol or the conversion of 2-butanone and 2-butanol. Butanol dehydrogenase is a subset of a broad family of alcohol dehydrogenases. Butanol dehydrogenase can be NAD- or NADP-dependent. NAD-dependent enzymes are known as EC 1.1.1.1 and are available, for example, from Rhodococcus rubber (GenBank number: CAD36475, AJ491307). NADP-dependent enzymes are known as EC 1.1.1.2 and are available, for example, from Pyrococcus furiosus (GenBank number: AAC25556, AF013169). Furthermore, butanol dehydrogenase is available from Escherichia coli (GenBank number: NP 417484, NC_000913), and cyclohexanol dehydrogenase is Acinetobacter sp. (GenBank number: AAG10026, AF282240). The term “butanol dehydrogenase” also refers to an enzyme that catalyzes the conversion of butyraldehyde to 1-butanol using either NADH or NADPH as a cofactor. Butanol dehydrogenase is, for example, C.I. C. acetobutylicum (GenBank numbers: NP — 149325, NC — 001988; this enzyme has both aldehyde and alcohol dehydrogenase activity); NP — 349891, NC — 003030; and NP — 349892, NC — 003030 and Escherichia Bank (GenBank) number: NP_417-484, NC_000913).

「分枝鎖ケト酸デヒドロゲナーゼ」という用語は、通常、電子受容体としてNAD(ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド)を用いた、α−ケトイソ吉草酸からイソブチリル−CoA(イソブチリル−補酵素A)への転化を触媒する酵素活性を有するポリペプチドを指す。分枝鎖ケト酸デヒドロゲナーゼの例は、EC番号1.2.4.4によって知られている。このような分枝鎖ケト酸デヒドロゲナーゼは、4つのサブユニットから構成され、全てのサブユニットからの配列が、枯草菌(Bacillus subtilis)(ジェンバンク(GenBank)番号:CAB14336(配列番号45)、Z99116(配列番号46);CAB14335(配列番号47)、Z99116(配列番号48);CAB14334(配列番号49)、Z99116(配列番号50);およびCAB14337(配列番号51)、Z99116(配列番号52))およびシュードモナス・プチダ(Pseudomonas putida)(ジェンバンク(GenBank)番号:AAA65614(配列番号53)、M57613(配列番号54);AAA65615(配列番号55)、M57613(配列番号56);AAA65617(配列番号57)、M57613(配列番号58);およびAAA65618(配列番号59)、M57613(配列番号60))を含むがこれらに限定されない広範囲の微生物から入手可能である。 The term “branched keto acid dehydrogenase” is usually the conversion of α-ketoisovaleric acid to isobutyryl-CoA (isobutyryl-coenzyme A) using NAD + (nicotinamide adenine dinucleotide) as the electron acceptor. Refers to a polypeptide having an enzymatic activity that catalyzes. An example of a branched chain keto acid dehydrogenase is known by EC number 1.2.4.4. Such a branched chain keto acid dehydrogenase is composed of four subunits, and the sequences from all the subunits are Bacillus subtilis (GenBank number: CAB14336 (SEQ ID NO: 45), Z99116. (SEQ ID NO: 46); CAB14335 (SEQ ID NO: 47), Z99116 (SEQ ID NO: 48); CAB14334 (SEQ ID NO: 49), Z99116 (SEQ ID NO: 50); and CAB14337 (SEQ ID NO: 51), Z99116 (SEQ ID NO: 52)) and Pseudomonas putida (GenBank number: AAA65614 (SEQ ID NO: 53), M57613 (SEQ ID NO: 54); AAA65615 (SEQ ID NO: 55), M57613 ( Column number 56); AAA65617 (SEQ ID NO: 57), M57613 (SEQ ID NO: 58); and AAA65618 (SEQ ID NO: 59), including M57613 (SEQ ID NO: 60)) is available from a wide range of microorganisms, including but not limited to.

「アシル化アルデヒドデヒドロゲナーゼ」という用語は、通常、電子供与体としてNADHまたはNADPHのいずれかを用いた、イソブチリル−CoAからイソブチルアルデヒドへの転化を触媒する酵素活性を有するポリペプチドを指す。アシル化アルデヒドデヒドロゲナーゼの例は、EC番号1.2.1.10および1.2.1.57によって知られている。このような酵素は、クロストリジウム・ベイジェリンキ(Clostridium beijerinckii)(ジェンバンク(GenBank)番号:AAD31841(配列番号61)、AF157306(配列番号62))、クロストリジウム・アセトブチリクム(Clostridium acetobutylicum)(ジェンバンク(GenBank)番号:NP_149325(配列番号63)、NC_001988(配列番号64);NP_149199(配列番号65)、NC_001988(配列番号66))、シュードモナス・プチダ(Pseudomonas putida)(ジェンバンク(GenBank)番号:AAA89106(配列番号67)、U13232(配列番号68))、およびサーマス・サーモフィルス(Thermus thermophilus)(ジェンバンク(GenBank)番号:YP_145486(配列番号69)、NC_006461(配列番号70))を含むがこれらに限定されない複数の供給源から入手可能である。   The term “acylated aldehyde dehydrogenase” refers to a polypeptide having an enzymatic activity that catalyzes the conversion of isobutyryl-CoA to isobutyraldehyde, usually using either NADH or NADPH as an electron donor. Examples of acylated aldehyde dehydrogenases are known by EC numbers 1.2.1.10 and 1.2.2.17. Such enzymes include Clostridium beijerinckii (GenBank numbers: AAD31841 (SEQ ID NO: 61), AF157306 (SEQ ID NO: 62)), Clostridium acetobutylicum (Genbank) (Genbank) NP_149325 (SEQ ID NO: 63), NC_001988 (SEQ ID NO: 64); NP_149199 (SEQ ID NO: 65), NC_001988 (SEQ ID NO: 66)), Pseudomonas putida (GenBank) number: AAA89106 (SEQ ID NO: 67) ), U13232 (SEQ ID NO: 68)), and Thermus Mofirusu (Thermus thermophilus) (Genbank (GenBank) Number: YP_145486 (SEQ ID NO: 69), NC_006461 (SEQ ID NO: 70)) including available from multiple sources, including but not limited to.

「トランスアミナーゼ」という用語は、アミン供与体としてアラニンまたはグルタミン酸塩のいずれかを用いた、α−ケトイソ吉草酸からL−バリンへの転化を触媒する酵素活性を有するポリペプチドを指す。トランスアミナーゼの例は、EC番号2.6.1.42および2.6.1.66によって知られている。このような酵素は、いくつかの供給源から入手可能である。アラニン依存性酵素の供給源の例としては、以下に限定はされないが、大腸菌(Escherichia coli)(ジェンバンク(GenBank)番号:YP_026231(配列番号71)、NC_000913(配列番号72))およびバチルス・リケニフォルミス(Bacillus licheniformis)(ジェンバンク(GenBank)番号:YP_093743(配列番号73)、NC_006322(配列番号74))が挙げられる。グルタミン酸塩依存性酵素の供給源の例としては、以下に限定はされないが、大腸菌(Escherichia coli)(ジェンバンク(GenBank)番号:YP_026247(配列番号75)、NC_000913(配列番号76))、サッカロマイセス・セレビシエ(Saccharomyces cerevisiae)(ジェンバンク(GenBank)番号:NP_012682(配列番号77)、NC_001142(配列番号78))およびメタノバクテリウム・サーモオートトロフィクム(Methanobacterium thermoautotrophicum)(ジェンバンク(GenBank)番号:NP_276546(配列番号79)、NC_000916(配列番号80))が挙げられる。   The term “transaminase” refers to a polypeptide having an enzymatic activity that catalyzes the conversion of α-ketoisovaleric acid to L-valine using either alanine or glutamate as the amine donor. Examples of transaminases are known by EC numbers 2.6.1.42 and 2.6.1.66. Such enzymes are available from several sources. Examples of sources of alanine-dependent enzymes include, but are not limited to, Escherichia coli (GenBank numbers: YP — 026231 (SEQ ID NO: 71), NC — 000913 (SEQ ID NO: 72)) and Bacillus licheniformis. (Bacillus licheniformis) (GenBank number: YP_093743 (SEQ ID NO: 73), NC_006322 (SEQ ID NO: 74)). Examples of sources of glutamate-dependent enzymes include, but are not limited to, Escherichia coli (GenBank numbers: YP — 026247 (SEQ ID NO: 75), NC — 000913 (SEQ ID NO: 76)), Saccharomyces Saccharomyces cerevisiae (GenBank number: NP_012682 (SEQ ID NO: 77), NC_001142 (SEQ ID NO: 78)) and Methanobacterum thermoautotrophicum (N) SEQ ID NO: 79), NC_000916 (SEQ ID NO: 80)).

「バリンデヒドロゲナーゼ」という用語は、通常、電子供与体としてNAD(P)Hおよびアミン供与体としてアンモニアを用いた、α−ケトイソ吉草酸からL−バリンへの転化を触媒する酵素活性を有するポリペプチドを指す。バリンデヒドロゲナーゼの例は、EC番号1.4.1.8および1.4.1.9によって知られており、このような酵素は、ストレプトマイセス・セリカラー(Streptomyces coelicolor)(ジェンバンク(GenBank)番号:NP_628270(配列番号81)、NC_003888(配列番号82))および枯草菌(Bacillus subtilis)(ジェンバンク(GenBank)番号:CAB14339(配列番号83)、Z99116(配列番号84))を含むがこれらに限定されないいくつかの供給源から入手可能である。   The term “valine dehydrogenase” is a polypeptide having an enzymatic activity that catalyzes the conversion of α-ketoisovaleric acid to L-valine, usually using NAD (P) H as an electron donor and ammonia as an amine donor. Point to. Examples of valine dehydrogenases are known by EC numbers 1.4.1.8 and 1.4.1.9, such enzymes are described in Streptomyces coelicolor (GenBank). Including: NP_628270 (SEQ ID NO: 81), NC_003888 (SEQ ID NO: 82)) and Bacillus subtilis (GenBank numbers: CAB14339 (SEQ ID NO: 83), Z99116 (SEQ ID NO: 84)). Available from several non-limiting sources.

「バリンデカルボキシラーゼ」という用語は、L−バリンからイソブチルアミンおよびCOへの転化を触媒する酵素活性を有するポリペプチドを指す。バリンデカルボキシラーゼの例は、EC番号4.1.1.14によって知られている。このような酵素は、例えば、ストレプトマイセス・ビリジファシエンス(Streptomyces viridifaciens)(ジェンバンク(GenBank)番号:AAN10242(配列番号85)、AY116644(配列番号86))などのストレプトマイセス属(Streptomyces)に見られる。 The term “valine decarboxylase” refers to a polypeptide having an enzymatic activity that catalyzes the conversion of L-valine to isobutylamine and CO 2 . An example of valine decarboxylase is known by EC number 4.1.1.14. Such enzymes include, for example, Streptomyces viridifaciens (GenBank numbers: AAN10242 (SEQ ID NO: 85), AY116644 (SEQ ID NO: 86)) and other Streptomyces genera (Streptomyces). ).

「オメガトランスアミナーゼ」という用語は、アミン供与体として好適なアミノ酸を用いた、イソブチルアミンからイソブチルアルデヒドへの転化を触媒する酵素活性を有するポリペプチドを指す。オメガトランスアミナーゼの例は、EC番号2.6.1.18によって知られており、アルカリゲネス・デニトリフィカンス(Alcaligenes denitrificans)(AAP92672(配列番号87)、AY330220(配列番号88))、ラルストニア・ユートロファ(Ralstonia eutropha)(ジェンバンク(GenBank)番号:YP_294474(配列番号89)、NC_007347(配列番号90))、シェワネラ・オネイデンシス(Shewanella oneidensis)(ジェンバンク(GenBank)番号:NP_719046(配列番号91)、NC_004347(配列番号92))、およびシュードモナス・プチダ(Pseudomonas putida)(ジェンバンク(GenBank)番号:AAN66223(配列番号93)、AE016776(配列番号94))を含むがこれらに限定されないいくつかの供給源から入手可能である。   The term “omega transaminase” refers to a polypeptide having enzymatic activity that catalyzes the conversion of isobutylamine to isobutyraldehyde using an amino acid suitable as an amine donor. An example of an omega transaminase is known by EC number 2.6.1.18, Alcaligenes denitrificans (AAP92672 (SEQ ID NO: 87), AY330220 (SEQ ID NO: 88)), Ralstonia eutropha (Ralstonia eutropha) (GenBank number: YP — 294474 (SEQ ID NO: 89), NC — 007347 (SEQ ID NO: 90)), Shewanella oneidensis (GenBank) number: NP — 719046 (SEQ ID NO: 91) (SEQ ID NO: 92)), and Pseudomonas putida GenBank (GenBank) Number: AAN66223 (SEQ ID NO: 93), which is available from several sources, including, AE016776 (SEQ ID NO: 94)) without limitation.

「アセチル−CoAアセチルトランスフェラーゼ」という用語は、アセチル−CoAからアセトアセチル−CoAおよび補酵素A(CoA)の2つの分子の転化を触媒する酵素活性を有するポリペプチドを指す。アセチル−CoAアセチルトランスフェラーゼの例は、短鎖アシル−CoAおよびアセチル−CoAに対する基質選択性(順方向の反応)を有するアセチル−CoAアセチルトランスフェラーゼであり、E.C.2.3.1.9[Enzyme Nomenclature 1992,Academic Press,San Diego]として分類されるが;より広い基質範囲を有する酵素(E.C.2.3.1.16)が同様に機能する。アセチル−CoAアセチルトランスフェラーゼは、いくつかの供給源、例えば、大腸菌(Escherichia coli)(ジェンバンク(GenBank)番号:NP_416728、NC_000913;NCBI)アミノ酸配列、NCBIヌクレオチド配列)、クロストリジウム・アセトブチリクム(Clostridium acetobutylicum)(ジェンバンク(GenBank)番号:NP_349476.1、NC_003030;NP_149242、NC_001988、枯草菌(Bacillus subtilis)(ジェンバンク(GenBank)番号:NP_390297、NC_000964)、およびサッカロマイセス・セレビシエ(Saccharomyces cerevisiae)(ジェンバンク(GenBank)番号:NP_015297、NC_001148)から入手可能である。   The term “acetyl-CoA acetyltransferase” refers to a polypeptide having an enzymatic activity that catalyzes the conversion of two molecules, acetyl-CoA to acetoacetyl-CoA and coenzyme A (CoA). An example of acetyl-CoA acetyltransferase is acetyl-CoA acetyltransferase with substrate selectivity (forward reaction) for short chain acyl-CoA and acetyl-CoA. C. 2.3.1.9 [Enzyme Nomenclature 1992, Academic Press, San Diego], but enzymes with a wider substrate range (EC 2.3.1.16) function similarly. Acetyl-CoA acetyltransferase is available from several sources, for example, Escherichia coli (GenBank numbers: NP_416728, NC_000913; NCBI amino acid sequence, NCBI nucleotide sequence), Clostridium acetobutylicum (Clostridium acetobutylicum GenBank numbers: NP_349476.1, NC_003030; NP_149242, NC_001988, Bacillus subtilis (GenBank numbers: NP_390297, NC_000964), and Saccharomyces cerevisiae (Saccharice Enbanku (GenBank) number: NP_015297, it is available from NC_001148).

「3−ヒドロキシブチリル−CoAデヒドロゲナーゼ」という用語は、アセトアセチル−CoAから3−ヒドロキシブチリル−CoAへの転化を触媒する酵素活性を有するポリペプチドを指す。3−ヒドロキシブチリル−CoAデヒドロゲナーゼの例は、NADH依存性であってもよく、(S)−3−ヒドロキシブチリル−CoAまたは(R)−3−ヒドロキシブチリル−CoAに対する基質選択性を有する。例は、それぞれE.C.1.1.1.35およびE.C.1.1.1.30として分類されてもよい。さらに、3−ヒドロキシブチリル−CoAデヒドロゲナーゼは、NADPH依存性であってもよく、(S)−3−ヒドロキシブチリル−CoAまたは(R)−3−ヒドロキシブチリル−CoAに対する基質選択性を有し、それぞれE.C.1.1.1.157およびE.C.1.1.1.36として分類される。3−ヒドロキシブチリル−CoAデヒドロゲナーゼは、いくつかの供給源、例えば、クロストリジウム・アセトブチリクム(Clostridium acetobutylicum)(ジェンバンク(GenBank)番号:NP_349314、NC_003030)、枯草菌(Bacillus subtilis)(ジェンバンク(GenBank)番号:AAB09614、U29084)、ラルストニア・ユートロファ(Ralstonia eutropha)(ジェンバンク(GenBank)番号:YP_294481、NC_007347)、およびアルカリゲネス・ユートロフス(Alcaligenes eutrophus)(ジェンバンク(GenBank)番号:AAA21973、J04987)から入手可能である。   The term “3-hydroxybutyryl-CoA dehydrogenase” refers to a polypeptide having an enzymatic activity that catalyzes the conversion of acetoacetyl-CoA to 3-hydroxybutyryl-CoA. Examples of 3-hydroxybutyryl-CoA dehydrogenase may be NADH-dependent and have substrate selectivity for (S) -3-hydroxybutyryl-CoA or (R) -3-hydroxybutyryl-CoA . Examples are shown in E.E. C. 1.1.1.15 and E.I. C. It may be classified as 1.1.1.30. Furthermore, 3-hydroxybutyryl-CoA dehydrogenase may be NADPH-dependent and has substrate selectivity for (S) -3-hydroxybutyryl-CoA or (R) -3-hydroxybutyryl-CoA. And E.E. C. 1.1.1.157 and E.I. C. Classified as 1.1.1.36. 3-Hydroxybutyryl-CoA dehydrogenase is available from several sources, such as Clostridium acetobutylicum (GenBank numbers: NP_349314, NC_003030), Bacillus subtilis (Genbank) Number: AAB09614, U29084), Ralstonia eutropha (GenBank number: YP_2944481, NC_007347), and Alcaligenes eutrophus (obtained from GenBank (Abank 98: GenBank7A984)) It is.

「クロトナーゼ」という用語は、3−ヒドロキシブチリル−CoAからクロトニル−CoAおよびHOへの転化を触媒する酵素活性を有するポリペプチドを指す。クロトナーゼの例は、(S)−3−ヒドロキシブチリル−CoAまたは(R)−3−ヒドロキシブチリル−CoAに対する基質選択性を有してもよく、それぞれE.C.4.2.1.17およびE.C.4.2.1.55として分類されてもよい。クロトナーゼは、いくつかの供給源、例えば、大腸菌(Escherichia coli)(ジェンバンク(GenBank)番号:NP_415911、NC_000913)、クロストリジウム・アセトブチリクム(Clostridium acetobutylicum)(ジェンバンク(GenBank)番号:NP_349318、NC_003030)、枯草菌(Bacillus subtilis)(ジェンバンク(GenBank)番号:CAB13705、Z99113)、およびエロモナス・キャビエ(Aeromonas caviae)(ジェンバンク(GenBank)番号:BAA21816、D88825)から入手可能である。 The term “crotonase” refers to a polypeptide having enzymatic activity that catalyzes the conversion of 3-hydroxybutyryl-CoA to crotonyl-CoA and H 2 O. Examples of crotonases may have substrate selectivity for (S) -3-hydroxybutyryl-CoA or (R) -3-hydroxybutyryl-CoA, respectively. C. 4.2.1.17 and E.I. C. It may be classified as 4.2.1.55. Crotonase can be obtained from several sources, for example, Escherichia coli (GenBank numbers: NP_415911, NC_000913), Clostridium acetobutylicum (GenBank numbers: NP_00303, NP_00303, Available from Bacillus subtilis (GenBank numbers: CAB13705, Z99113), and Aeromonas caviae (GenBank numbers: BAA21816, D88825).

「ブチリル−CoAデヒドロゲナーゼ」という用語は、クロトニル−CoAからブチリル−CoAへの転化を触媒する酵素活性を有するポリペプチドを指す。ブチリル−CoAデヒドロゲナーゼの例は、NADH依存性、NADPH依存性、またはフラビン依存性であってもよく、それぞれE.C.1.3.1.44、E.C.1.3.1.38、およびE.C.1.3.99.2として分類されてもよい。ブチリル−CoAデヒドロゲナーゼは、いくつかの供給源、例えば、クロストリジウム・アセトブチリクム(Clostridium acetobutylicum)(ジェンバンク(GenBank)番号:NP_347102、NC_003030)、ミドリムシ(Euglena gracilis)(ジェンバンク(GenBank)番号:Q5EU90、AY741582)、ストレプトマイセス・コリヌス(Streptomyces collinus)(ジェンバンク(GenBank)番号:AAA92890、U37135)、およびストレプトマイセス・セリカラー(Streptomyces coelicolor)(ジェンバンク(GenBank)番号:CAA22721、AL939127)から入手可能である。   The term “butyryl-CoA dehydrogenase” refers to a polypeptide having an enzymatic activity that catalyzes the conversion of crotonyl-CoA to butyryl-CoA. Examples of butyryl-CoA dehydrogenase may be NADH-dependent, NADPH-dependent, or flavin-dependent, respectively. C. 1.3.1.44, E.I. C. 1.3.1.38, and E.I. C. It may be classified as 1.3.99.2. Butyryl-CoA dehydrogenase is available from several sources, for example, Clostridium acetobutylicum (GenBank numbers: NP_347102, NC_003030), Euglena gracilis (GenQ5: 82) ), Streptomyces colilinus (GenBank number: AAA92890, U37135), and Streptomyces coelicolor (GenBank number: CAA22721 available from CAA22721) A.

「ブチルアルデヒドデヒドロゲナーゼ」という用語は、補因子としてNADHまたはNADPHを用いた、ブチリル−CoAからブチルアルデヒドへの転化を触媒する酵素活性を有するポリペプチドを指す。NADHに対する選択性を有するブチルアルデヒドデヒドロゲナーゼは、E.C.1.2.1.57として知られており、例えば、クロストリジウム・ベイジェリンキ(Clostridium beijerinckii)(ジェンバンク(GenBank)番号:AAD31841、AF157306)およびクロストリジウム・アセトブチリクム(Clostridium acetobutylicum)(ジェンバンク(GenBank)番号:NP.sub.−−149325、NC.sub.−−001988)から入手可能である。   The term “butyraldehyde dehydrogenase” refers to a polypeptide having enzymatic activity that catalyzes the conversion of butyryl-CoA to butyraldehyde using NADH or NADPH as a cofactor. Butyraldehyde dehydrogenase with selectivity for NADH is E. coli. C. Known as 1.2.1.57, for example, Clostridium beijerinckii (GenBank numbers: AAD31841, AF157306) and Clostridium acetobutylicum (Gen: B NP.sub .-- 149325, NC.sub .-- 001988).

「イソブチリル−CoAムターゼ」という用語は、ブチリル−CoAからイソブチリル−CoAへの転化を触媒する酵素活性を有するポリペプチドを指す。この酵素は、補因子として補酵素B12を使用する。イソブチリル−CoAムターゼの例は、EC番号5.4.99.13によって知られている。これらの酵素は、ストレプトマイセス・シンナモネンシス(Streptomyces cinnamonensis)(ジェンバンク(GenBank)番号:AAC08713(配列番号95)、U67612(配列番号96);CAB59633(配列番号97)、AJ246005(配列番号98))、ストレプトマイセス・セリカラー(Streptomyces coelicolor)(ジェンバンク(GenBank)番号:CAB70645(配列番号99)、AL939123(配列番号100);CAB92663(配列番号101)、AL939121(配列番号102))、およびストレプトマイセス・アベルミティリス(Streptomyces avermitilis)(ジェンバンク(GenBank)番号:NP_824008(配列番号103)、NC_003155(配列番号104);NP_824637(配列番号105)、NC_003155(配列番号106))を含むがこれらに限定されないいくつかのストレプトマイセス属(Streptomyces)に見られる。 The term “isobutyryl-CoA mutase” refers to a polypeptide having an enzymatic activity that catalyzes the conversion of butyryl-CoA to isobutyryl-CoA. This enzyme uses the coenzyme B 12 as a cofactor. An example of isobutyryl-CoA mutase is known by EC number 5.4.99.13. These enzymes are Streptomyces cinnamonensis (GenBank numbers: AAC08713 (SEQ ID NO: 95), U67612 (SEQ ID NO: 96); CAB59633 (SEQ ID NO: 97), AJ246005 (SEQ ID NO: 98)) Streptomyces coelicolor (GenBank number: CAB70645 (SEQ ID NO: 99), AL939123 (SEQ ID NO: 100); CAB92663 (SEQ ID NO: 101), AL939121 (SEQ ID NO: 102)), and Streptomyces Streptomyces avermitilis (GenBank number) : NP_824008 (SEQ ID NO: 103), NC_003155 (SEQ ID NO: 104); NP_824637 (SEQ ID NO: 105), seen in NC_003155 (SEQ ID NO: 106)) Several Streptomyces genus including, but not limited to a (Streptomyces).

「アセト乳酸デカルボキシラーゼ」という用語は、α−アセト乳酸からアセトインへの転化を触媒する酵素活性を有するポリペプチドを指す。アセト乳酸デカルボキシラーゼの例は、EC 4.1.1.5として知られており、例えば、枯草菌(Bacillus subtilis)(ジェンバンク(GenBank)番号:AAA22223、L04470)、クレブシエラ・テリゲナ(Klebsiella terrigena)(ジェンバンク(GenBank)番号:AAA25054、L04507)および肺炎桿菌(Klebsiella pneumoniae)(ジェンバンク(GenBank)番号:AAU43774、AY722056)から入手可能である。   The term “acetolactic decarboxylase” refers to a polypeptide having an enzymatic activity that catalyzes the conversion of α-acetolactic acid to acetoin. An example of an acetolactate decarboxylase is known as EC 4.1.1.5, for example Bacillus subtilis (GenBank numbers: AAA22223, L04470), Klebsiella terrigena (GenBank numbers: AAA25054, L04507) and Klebsiella pneumoniae (GenBank numbers: AAU43774, AY722056).

「アセトインアミナーゼ」または「アセトイントランスアミナーゼ」という用語は、アセトインから3−アミノ−2−ブタノールへの転化を触媒する酵素活性を有するポリペプチドを指す。アセトインアミナーゼは、補因子ピリドキサール5’−リン酸またはNADHまたはNADPHを用い得る。得られる生成物は、3位に(R)または(S)立体化学を有し得る。ピリドキサールリン酸依存性酵素は、アミノ供与体としてアラニンまたはグルタミン酸塩などのアミノ酸を使用し得る。NADH−およびNADPH依存性酵素は、第2の基質としてアンモニアを使用し得る。アミノアルコールデヒドロゲナーゼとしても知られているNADH依存性アセトインアミナーゼの好適な例が、Itoら(米国特許第6,432,688号明細書)によって記載されている。ピリドキサール依存性アセトインアミナーゼの例は、ShinおよびKim(J.Org.Chem.67:2848−2853,2002)によって記載されているアミン:ピルビン酸アミノトランスフェラーゼ(アミン:ピルビン酸トランスアミナーゼとも呼ばれる)である。   The term “acetoin aminase” or “acetoin transaminase” refers to a polypeptide having an enzymatic activity that catalyzes the conversion of acetoin to 3-amino-2-butanol. Acetoin aminase may use the cofactor pyridoxal 5'-phosphate or NADH or NADPH. The resulting product may have (R) or (S) stereochemistry at the 3-position. Pyridoxal phosphate dependent enzymes may use amino acids such as alanine or glutamate as the amino donor. NADH- and NADPH-dependent enzymes may use ammonia as the second substrate. A suitable example of NADH-dependent acetoin aminase, also known as amino alcohol dehydrogenase, has been described by Ito et al. (US Pat. No. 6,432,688). An example of a pyridoxal-dependent acetoin aminase is the amine: pyruvate aminotransferase (also called amine: pyruvate transaminase) described by Shin and Kim (J. Org. Chem. 67: 2848-2853, 2002). .

「アセトインキナーゼ」という用語は、アセトインからホスホアセトインへの転化を触媒する酵素活性を有するポリペプチドを指す。アセトインキナーゼは、反応におけるリン酸供与体としてATP(アデノシン三リン酸)またはホスホエノールピルビン酸を用い得る。類似の基質であるジヒドロキシアセトンにおける類似の反応を触媒する酵素としては、例えば、EC 2.7.1.29(Garcia−Alles,et al.,Biochemistry 43:13037−13046,2004)として知られている酵素が挙げられる。   The term “acetoin kinase” refers to a polypeptide having an enzymatic activity that catalyzes the conversion of acetoin to phosphoacetoin. Acetoin kinase may use ATP (adenosine triphosphate) or phosphoenolpyruvate as a phosphate donor in the reaction. An enzyme that catalyzes a similar reaction in a similar substrate, dihydroxyacetone, is known, for example, as EC 2.7.1.29 (Garcia-Alles, et al., Biochemistry 43: 13037-13046, 2004). Enzymes.

「アセトインリン酸アミナーゼ」という用語は、ホスホアセトインから3−アミノ−2−ブタノールO−リン酸への転化を触媒する酵素活性を有するポリペプチドを指す。アセトインリン酸アミナーゼは、補因子ピリドキサール5’−リン酸、NADH、またはNADPHを使用し得る。得られる生成物は、3位に(R)または(S)立体化学を有し得る。ピリドキサールリン酸依存性酵素は、アラニンまたはグルタミン酸塩などのアミノ酸を使用し得る。NADH依存性およびNADPH依存性酵素は、第2の基質としてアンモニアを使用し得る。ホスホアセトインにおけるこの反応を触媒する酵素の報告はないが、類似の基質であるセリノールリン酸塩(serinol phosphate)における類似の反応を行うことが提示されるピリドキサールリン酸依存性酵素がある(Yasuta,et al.,Appl.Environ.Microbial.67:4999−5009,2001)。   The term “acetoin phosphate aminase” refers to a polypeptide having an enzymatic activity that catalyzes the conversion of phosphoacetoin to 3-amino-2-butanol O-phosphate. Acetoin phosphate aminase may use the cofactor pyridoxal 5'-phosphate, NADH, or NADPH. The resulting product may have (R) or (S) stereochemistry at the 3-position. The pyridoxal phosphate-dependent enzyme may use amino acids such as alanine or glutamate. NADH-dependent and NADPH-dependent enzymes can use ammonia as the second substrate. There are no reports of enzymes that catalyze this reaction in phosphoacetoin, but there is a pyridoxal phosphate-dependent enzyme that is proposed to perform a similar reaction in a similar substrate, serinol phosphate (Yasuta, et al. al., Appl. Environ. Microbial. 67: 4999-5209, 2001).

「アミノアルコールO−リン酸リアーゼ」とも呼ばれる「アミノブタノールリン酸ホスホリアーゼ」という用語は、3−アミノ−2−ブタノールO−リン酸から2−ブタノンへの転化を触媒する酵素活性を有するポリペプチドを指す。アミノブタノールリン酸ホスホ−リアーゼは、補因子ピリドキサール5’−リン酸を用い得る。類似の基質である1−アミノ−2−プロパノールリン酸における類似の反応を触媒する酵素の報告がある(Jones,et al.,Biochem J.134:167−182,1973)。米国特許出願公開第2007/0259410号明細書には、生物のエルウィニア・カロトボラ(Erwinia carotovora)に由来するアミノブタノールリン酸ホスホ−リアーゼが記載されている。   The term “aminobutanol phosphate phospholyase”, also referred to as “aminoalcohol O-phosphate lyase”, refers to a polypeptide having an enzymatic activity that catalyzes the conversion of 3-amino-2-butanol O-phosphate to 2-butanone. Point to. The aminobutanol phosphate phospho-lyase can use the cofactor pyridoxal 5'-phosphate. There have been reports of enzymes that catalyze similar reactions in a similar substrate, 1-amino-2-propanol phosphate (Jones, et al., Biochem J. 134: 167-182, 1973). US Patent Application Publication No. 2007/0259410 describes aminobutanol phosphate phospho-lyases derived from the organism Erwinia carotovora.

「アミノブタノールキナーゼ」という用語は、3−アミノ−2−ブタノールから3−アミノ−2−ブタノールO−リン酸への転化を触媒する酵素活性を有するポリペプチドを指す。アミノブタノールキナーゼは、リン酸供与体としてATPを用い得る。3−アミノ−2−ブタノールにおけるこの反応を触媒する酵素の報告はないが、類似の基質であるエタノールアミンおよび1−アミノ−2−プロパノールにおける類似の反応を触媒する酵素の報告がある(Jones,et al.、上掲)。米国特許出願公開第2009/0155870号明細書には、実施例14において、エルウィニア・カロトボラ亜種アトロセプティカ(Erwinia carotovora subsp.Atroseptica)のアミノアルコールキナーゼが記載されている。   The term “aminobutanol kinase” refers to a polypeptide having an enzymatic activity that catalyzes the conversion of 3-amino-2-butanol to 3-amino-2-butanol O-phosphate. Aminobutanol kinase can use ATP as a phosphate donor. There are no reports of enzymes that catalyze this reaction in 3-amino-2-butanol, but there are reports of enzymes that catalyze similar reactions in the similar substrates ethanolamine and 1-amino-2-propanol (Jones, et al., supra). US Patent Application Publication No. 2009/0155870 describes, in Example 14, an amino alcohol kinase of Erwinia carotovora subsp. Atroseptica.

「アセトインレダクターゼ」としても知られている「ブタンジオールデヒドロゲナーゼ」という用語は、アセトインから2,3−ブタンジオールへの転化を触媒する酵素活性を有するポリペプチドを指す。ブタンジオールデヒドロゲナーゼは、アルコールデヒドロゲナーゼの幅広いファミリーのサブセットである。ブタンジオールデヒドロゲナーゼ酵素は、アルコール生成物における(R)−または(S)−立体化学の生成に対する特異性を有し得る。(S)に特異的なブタンジオールデヒドロゲナーゼは、EC 1.1.1.76として知られており、例えば、肺炎桿菌(Klebsiella pneumoniae)(ジェンバンク(GenBank)番号:BBA13085、D86412)から入手可能である。(R)に特異的なブタンジオールデヒドロゲナーゼは、EC 1.1.1.4として知られており、例えば、セレウス菌(Bacillus cereus)(ジェンバンク(GenBank)番号NP 830481、NC_004722;AAP07682、AE017000)、および乳酸連鎖球菌(Lactococcus lactis)(ジェンバンク(GenBank)番号AAK04995、AE006323)か
ら入手可能である。
The term “butanediol dehydrogenase”, also known as “acetoin reductase”, refers to a polypeptide having an enzymatic activity that catalyzes the conversion of acetoin to 2,3-butanediol. Butanediol dehydrogenase is a subset of a broad family of alcohol dehydrogenases. The butanediol dehydrogenase enzyme may have specificity for the production of (R)-or (S) -stereochemistry in the alcohol product. A butanediol dehydrogenase specific for (S) is known as EC 1.1.1.76 and is available, for example, from Klebsiella pneumoniae (GenBank number: BBA13085, D86412) is there. A butanediol dehydrogenase specific for (R) is known as EC 1.1.1.4, for example Bacillus cereus (GenBank numbers NP 830481, NC_004722; AAP07682, AE017000). , And Lactococcus lactis (GenBank numbers AAK04995, AE006323).

「ジオールデヒドラターゼ」または「プロパンジオールデヒドラターゼ」としても知られている「ブタンジオールデヒドラターゼ」という用語は、2,3−ブタンジオールから2−ブタノンへの転化を触媒する酵素活性を有するポリペプチドを指す。ブタンジオールデヒドラターゼは、補因子アデノシルコバラミン(補酵素BwまたはビタミンB12としても知られているが;ビタミンB12は、補酵素B12でない他の形態のコバラミンを指すこともある)を用い得る。アデノシルコバラミン依存性酵素は、EC 4.2.1.28として知られており、例えば、クレブシエラ・オキシトカ(Klebsiella oxytoca)(ジェンバンク(GenBank)番号:AA08099(αサブユニット)、D45071;BAA08100(βサブユニット)、D45071;およびBBA08101(γサブユニット)、D45071(全ての3つのサブユニットが活性に必要とされることに留意されたい)、および肺炎桿菌(Klebsiella pneumonia)(ジェンバンク(GenBank)番号:AAC98384(αサブユニット)、AF102064;ジェンバンク(GenBank)番号:AAC98385(βサブユニット)、AF102064、ジェンバンク(GenBank)番号:AAC98386(γサブユニット)、AF102064)から入手可能である。他の好適なジオールデヒドラターゼとしては、以下に限定はされないが、ネズミチフス菌(Salmonella typhimurium)(ジェンバンク(GenBank)番号:AAB84102(大型サブユニット)、AF026270;ジェンバンク(GenBank)番号:AAB84103(中型サブユニット)、AF026270;ジェンバンク(GenBank)番号:AAB84104(小型サブユニット)、AF026270);およびラクトバチルス・コリノイデス(Lactobacillus collinoides)(ジェンバンク(GenBank)番号:CAC82541(大型サブユニット)、AJ297723;ジェンバンク(GenBank)番号:CAC82542(中型サブユニット);AJ297723;ジェンバンク(GenBank)番号:CAD01091(小型サブユニット)、AJ297723)から入手可能なB12依存性ジオールデヒドラターゼ;ならびにラクトバチルス・ブレビス(Lactobacillus brevis)(特に、株CNRZ 734およびCNRZ 735、Speranza,et al.,J.Agric.Food Chem.45:3476−3480,1997)に由来する酵素、および対応する酵素をコードするヌクレオチド配列が挙げられる。ジオールデヒドラターゼ遺伝子単離の方法は、当該技術分野において周知である(例えば、米国特許第5,686,276号明細書)。   The term “butanediol dehydratase”, also known as “diol dehydratase” or “propanediol dehydratase”, refers to a polypeptide having an enzymatic activity that catalyzes the conversion of 2,3-butanediol to 2-butanone. Butanediol dehydratase may use the cofactor adenosylcobalamin (also known as coenzyme Bw or vitamin B12; vitamin B12 may refer to other forms of cobalamin that are not coenzyme B12). An adenosylcobalamin-dependent enzyme is known as EC 4.2.1.28, for example, Klebsiella oxytoca (GenBank number: AA08099 (α subunit), D45071; BAA08100 ( β subunit), D45071; and BBA08101 (γ subunit), D45071 (note that all three subunits are required for activity), and Klebsiella pneumonia (GenBank) Number: AAC98384 (α subunit), AF102064; GenBank Number: AAC98385 (β subunit), AF102064, GenBank k) Number: AAC 98386 (γ subunit), AF102064) Other suitable diol dehydratases include, but are not limited to, Salmonella typhimurium (GenBank number: AAB84102). (Large subunit), AF026270; GenBank number: AAB84103 (medium subunit), AF026270; GenBank number: AAB84104 (small subunit), AF026270; and Lactobacillus collinoides (GenBank number: CAC82541 (large subunit), AJ2977 3; GenBank number: CAC82542 (medium subunit); AJ297723; GenBank number: CAD01091 (small subunit), AJ297723); B12-dependent diol dehydratase available from Lactobacillus brevis ( Lactobacillus brevis) (especially the strains CNRZ 734 and CNRZ 735, Speranza, et al., J. Agric. Food Chem. 45: 3476-3480, 1997) and nucleotide sequences encoding the corresponding enzymes. Methods for isolating diol dehydratase genes are well known in the art (eg, US Pat. No. 5,686,276).

「ピルビン酸デカルボキシラーゼ」という用語は、ピルビン酸からアセトアルデヒドおよび二酸化炭素への脱炭酸を触媒する酵素活性を有するポリペプチドを指す。ピルビン酸デヒドロゲナーゼは、EC番号4.1.1.1によって知られている。これらの酵素は、サッカロマイセス・セレビシエ(Saccharomyces cerevisiae)(ジェンバンク(GenBank)番号:CAA97575(配列番号107)、CAA97705(配列番号109)、CAA97091(配列番号111))を含むいくつかの酵母に見られる。   The term “pyruvate decarboxylase” refers to a polypeptide having an enzymatic activity that catalyzes the decarboxylation of pyruvate to acetaldehyde and carbon dioxide. Pyruvate dehydrogenase is known by EC number 4.1.1.1. These enzymes are found in several yeasts including Saccharomyces cerevisiae (GenBank number: CAA97575 (SEQ ID NO: 107), CAA97705 (SEQ ID NO: 109), CAA97091 (SEQ ID NO: 111)). .

本明細書において提供されるイソブタノール生合成経路を含む微生物が、1つ以上のさらなる修飾をさらに含み得ることが理解されよう。米国特許出願公開第2009/0305363号明細書(参照により援用される)には、細胞質ゾルに限局されたアセト乳酸シンターゼの発現およびピルビン酸デカルボキシラーゼ活性の実質的な消失のために酵母を改変することによるピルビン酸からアセト乳酸への増加した転化が開示されている。ある実施形態において、微生物は、グリセロール−3−リン酸デヒドロゲナーゼ活性を低下させるための修飾および/またはピルビン酸デカルボキシラーゼ活性を有するポリペプチドをコードする少なくとも1つの遺伝子の崩壊または米国特許出願公開第2009/0305363号明細書(参照により本明細書に援用される)に記載されるようなピルビン酸デカルボキシラーゼ遺伝子発現を制御する調節要素をコードする少なくとも1つの遺伝子の崩壊、および/または米国特許出願公開第2010/0120105号明細書(参照により本明細書に援用される)に記載されるようなエントナー−ドウドロフ経路を介した増加した炭素フラックスまたは還元当量の平衡を提供する修飾を含み得る。他の修飾には、ピルビン酸を利用する生合成経路における工程を触媒するポリペプチドをコードする少なくとも1つのポリヌクレオチドの組み込みが含まれる。他の修飾には、アセト乳酸レダクターゼ活性を有するポリペプチドをコードする内因性ポリヌクレオチドにおける少なくとも1つの欠失、突然変異、および/または置換が含まれる。ある実施形態において、アセト乳酸レダクターゼ活性を有するポリペプチドは、サッカロマイセス・セレビシエ(Saccharomyces cerevisiae)のYMR226C(配列番号127、128)またはその相同体である。さらなる修飾には、アルデヒドデヒドロゲナーゼおよび/またはアルデヒドオキシダーゼ活性を有するポリペプチドをコードする内因性ポリヌクレオチドにおける欠失、突然変異、および/または置換が含まれる。ある実施形態において、アルデヒドデヒドロゲナーゼ活性を有するポリペプチドは、サッカロマイセス・セレビシエ(Saccharomyces cerevisiae)に由来するALD6またはその相同体である。酵母生成宿主細胞がpdc−である、グルコース抑制を低下させる効果を有する遺伝子修飾が、参照により本明細書に援用される米国特許出願公開第2011/0124060号明細書に記載されている。ある実施形態において、欠失または下方制御されるピルビン酸デカルボキシラーゼは、PDC1、PDC5、PDC6、およびそれらの組合せからなる群から選択される。ある実施形態において、ピルビン酸デカルボキシラーゼは、表1中の酵素から選択される。ある実施形態において、微生物は、グリセルアルデヒド−3−リン酸からグリセリン酸1,3,ビスリン酸への転化を触媒するポリペプチドをコードするポリヌクレオチドの欠失または下方制御を含み得る。ある実施形態において、この反応を触媒する酵素は、グリセルアルデヒド−3−リン酸デヒドロゲナーゼである。   It will be appreciated that the microorganism comprising the isobutanol biosynthetic pathway provided herein may further comprise one or more additional modifications. US 2009/0305363 (incorporated by reference) modifies yeast for cytosolic localized expression of acetolactate synthase and substantial loss of pyruvate decarboxylase activity. An increased conversion of pyruvate to acetolactate is thus disclosed. In certain embodiments, the microorganism is modified to reduce glycerol-3-phosphate dehydrogenase activity and / or disruption of at least one gene encoding a polypeptide having pyruvate decarboxylase activity or US Patent Application Publication No. 2009/2009. Disruption of at least one gene encoding a regulatory element that controls pyruvate decarboxylase gene expression as described in US Pat. No. 3,030,363 (incorporated herein by reference) and / or published US patent applications Modifications that provide increased carbon flux or reducing equivalent equilibration via the Entner-Doudoroff pathway as described in 2010/01201005 (incorporated herein by reference) may be included. Other modifications include the incorporation of at least one polynucleotide encoding a polypeptide that catalyzes a step in a biosynthetic pathway that utilizes pyruvate. Other modifications include at least one deletion, mutation, and / or substitution in the endogenous polynucleotide encoding a polypeptide having acetolactate reductase activity. In certain embodiments, the polypeptide having acetolactate reductase activity is Saccharomyces cerevisiae YMR226C (SEQ ID NO: 127, 128) or a homologue thereof. Further modifications include deletions, mutations, and / or substitutions in the endogenous polynucleotide encoding a polypeptide having aldehyde dehydrogenase and / or aldehyde oxidase activity. In certain embodiments, the polypeptide having aldehyde dehydrogenase activity is ALD6 from Saccharomyces cerevisiae or a homologue thereof. A genetic modification with the effect of reducing glucose repression in which the yeast production host cell is pdc- is described in US 2011/0124060, which is incorporated herein by reference. In certain embodiments, the pyruvate decarboxylase that is deleted or down-regulated is selected from the group consisting of PDC1, PDC5, PDC6, and combinations thereof. In certain embodiments, the pyruvate decarboxylase is selected from the enzymes in Table 1. In certain embodiments, the microorganism may comprise a deletion or downregulation of a polynucleotide encoding a polypeptide that catalyzes the conversion of glyceraldehyde-3-phosphate to glycerate 1,3, bisphosphate. In certain embodiments, the enzyme that catalyzes this reaction is glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase.

Figure 2015528309
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ある実施形態において、任意の特定の核酸分子またはポリペプチドは、本明細書に記載されるヌクレオチド配列またはポリペプチド配列と少なくとも80%、85%、90%、95%、96%、97%、98%、または99%同一であり得る。当該技術分野において公知の「同一性パーセント」という用語は、2つ以上のポリペプチド配列または2つ以上のポリヌクレオチド配列間における、それらの配列を比較することによって決定される関係である。当該技術分野において、「同一性」は、ポリペプチドまたはポリヌクレオチド配列間における、場合によっては、このような配列のストリング間のマッチによって決定される配列の関連性の程度も意味する。同一性および類似度は、Computational Molecular Biology(Lesk,A.M.,Ed.)Oxford University:NY(1988);Biocomputing:Informatics and Genome Projects(Smith,D.W.,Ed.)Academic:NY(1993);Computer Analysis of Sequence Data,Part I(Griffin,A.M.,and Griffin,H.G.,Eds.)Humania:NJ(1994);Sequence Analysis in Molecular Biology(von Heinje,G.,Ed.)Academic(1987);およびSequence Analysis Primer(Gribskov,M.and Devereux,J.,Eds.)Stockton:NY(1991)に開示されているものを含むがこれらに限定されない公知の方法によって容易に計算され得る。   In certain embodiments, any particular nucleic acid molecule or polypeptide is at least 80%, 85%, 90%, 95%, 96%, 97%, 98 with a nucleotide sequence or polypeptide sequence described herein. %, Or 99% identical. The term “percent identity” as known in the art is a relationship determined by comparing two or more polypeptide sequences or between two or more polynucleotide sequences. In the art, “identity” also means the degree of sequence relatedness determined by a match between strings of polypeptide or polynucleotide sequences, and possibly strings of such sequences. Identity and similarity are calculated using the Computational Molecular Biology (Lesk, AM, Ed.) Oxford University: NY (1988); Biocomputing: Informatics and Genome Projects (Smith, D.W. 1993); Computer Analysis of Sequence Data, Part I (Griffin, AM, and Griffin, HG, Eds.) Humania: NJ (1994); Sequence Analysis in Hole in ul. .) Academic (1987); and Sequence Analysis Primer (Gribskov, M. and Devereux, J., Eds.) Stockton: NY (1991) can be readily calculated by known methods, including but not limited to those disclosed.

同一性を決定するための方法は、試験される配列間のベストマッチをもたらすように設計され得る。同一性および類似度を決定するための方法は、公的に利用可能なコンピュータプログラムで体系化される。配列アラインメントおよび同一性パーセント計算は、LASERGENEバイオインフォマティクスコンピューティングスイート(DNASTAR Inc.,Madison,WI)のMegAlign(商標)プログラムを用いて行われ得る。配列の多重アラインメントは、Clustal Vという名称のアラインメント方法(Higgins and Sharp,CABIOS.5:151−153,1989;Higgins,et al.,Comput.Appl.Biosci.8:189−191,1992によって開示されている)に対応し、かつLASERGENEバイオインフォマティクスコンピューティングスイート(DNASTAR Inc.)のMegAlign(商標)プログラムに見られるClustal Vアラインメント法を含む、数種類のアルゴリズムを包含するClustalアラインメント法を用いて行われ得る。多重アラインメントでは、デフォルト値は、ギャップペナルティ(GAP PENALTY)=10およびギャップ長ペナルティ(GAP LENGTH PENALTY)=10に対応する。Clustal法を用いたタンパク質配列のペアワイズアラインメントおよび同一性パーセント計算のためのデフォルトパラメータは、Kタプル(KTUPLE)=1、ギャップペナルティ(GAP PENALTY)=3、ウィンドウ(WINDOW)=5およびダイアゴナル・セーブド(DIAGONALS SAVED)=5である。核酸についてのこれらのパラメータは、Kタプル(KTUPLE)=2、ギャップペナルティ(GAP PENALTY)=5、ウィンドウ(WINDOW)=4およびダイアゴナル・セーブド(DIAGONALS SAVED)=4である。Clustal Vプログラムを用いた配列のアラインメントの後、同じプログラムの配列距離テーブルを見ることによって、同一性パーセントを得ることが可能である。さらに、Clustal Wアラインメント法が利用可能であり、Clustal Wという名称のアラインメント方法(Higgins and Sharp,CABIOS.5:151−153,1989;Higgins,et al.,Comput.Appl.Biosci.8:189−191,1992)に対応し、かつLASERGENEバイオインフォマティクスコンピューティングスイート(DNASTAR Inc.)のMegAlign(商標)v6.1プログラムに見られる。多重アラインメントについてのデフォルトパラメータ(ギャップペナルティ(GAP PENALTY)=10、ギャップ長ペナルティ(GAP LENGTH PENALTY)=0.2、ディレイディバージェント配列(Delay Divergen Seqs)(%)=30、DNAトランジションウェイト(DNA Transition Weight)=0.5、タンパク質ウェイト行列(Protein Weight Matrix)=Gonnetシリーズ、DNAウェイト行列(DNA Weight Matrix)=IUB)。Clustal Wプログラムを用いた配列のアラインメントの後、同じプログラムの配列距離テーブルを見ることによって、同一性パーセントを得ることが可能である。   The method for determining identity can be designed to provide the best match between the sequences tested. The method for determining identity and similarity is organized with publicly available computer programs. Sequence alignment and percent identity calculations can be performed using the MEGAlign ™ program of the LASERGENE bioinformatics computing suite (DNASTAR Inc., Madison, Wis.). Multiple alignment of sequences is disclosed by an alignment method named Clustal V (Higgins and Sharp, CABIOS. 5: 151-153, 1989; Higgins, et al., Comput. Appl. Biosci. 8: 189-191, 1992). Can be performed using a Clustal alignment method that includes several algorithms, including the Clustal V alignment method found in the MEGAlign ™ program of the LASERGENE Bioinformatics Computing Suite (DNASTAR Inc.) . For multiple alignments, the default values correspond to a gap penalty (GAP PENALTY) = 10 and a gap length penalty (GAP LENGTH PENALTY) = 10. The default parameters for pairwise alignment of protein sequences using the Clustal method and calculation of percent identity are: K-tuple (KTUPLE) = 1, gap penalty (GAP PENALTY) = 3, window (WINDOW) = 5 and diagonal saved ( DIAGONALS SAVED) = 5. These parameters for the nucleic acids are K Tuple = 2, GAP PENALTY = 5, WINDOW = 4 and Diagonal Saved = 4. After sequence alignment using the Clustal V program, it is possible to obtain percent identity by looking at the sequence distance table of the same program. In addition, the Clustal W alignment method is available, and an alignment method named Clustal W (Higgins and Sharp, CABIOS. 5: 151-153, 1989; Higgins, et al., Compute. Appl. Biosci. 8: 189-). 191, 1992) and found in the MERSAlign ™ v6.1 program of the LASERGENE Bioinformatics Computing Suite (DNASTAR Inc.). Default parameters for multiple alignment (GAP PENALTY = 10, gap length penalty (GAP LENGTH PENALTY) = 0.2, delay divergent sequences (%) = 30, DNA transition weights (DNA) (Transition Weight) = 0.5, Protein Weight Matrix = Gonnet series, DNA Weight Matrix = IUB). After sequence alignment using the Clustal W program, it is possible to obtain percent identity by looking at the sequence distance table of the same program.

標準的な組み換えDNAおよび分子クローニング技術が、当該技術分野において周知であり、Sambrookら(Sambrook,J.,Fritsch,E.F.and Maniatis,T.(Molecular Cloning:A Laboratory Manual;Cold Spring Harbor Laboratory Press,Cold Spring Harbor,1989、本明細書においてManiatisと呼ばれる)によっておよびAusubelら(Ausubel,et al.,Current Protocols in Molecular Biology,pub.by Greene Publishing Assoc.and Wiley−Interscience,1987)によって記載されている。ブタノール生合成経路を含む微生物を構築するための方法の例が、例えば、米国特許第7,851,188号明細書、および米国特許出願公開第2007/0092957号明細書;同第2007/0259410号明細書;同第2007/0292927号明細書;同第2008/0182308号明細書;同第2008/0274525号明細書;同第2009/0155870号明細書;同第2009/0305363号明細書;および同第2009/0305370号明細書に開示されており、それぞれの内容全体が参照により本明細書に援用される。   Standard recombinant DNA and molecular cloning techniques are well known in the art and are described in Sambrook et al. (Sambrook, J., Fritsch, EF and Maniatis, T. (Molecular Cloning: A Laboratory Manual; Cold Spring Harbor Lab; Press, Cold Spring Harbor, 1989, referred to herein as Maniatis) and Ausubel et al. (Ausubel, et al., Current Protocols in Molecular Biology, public. Pub. By Greene Publishing Incorporated. Examples of methods for constructing microorganisms that contain a butanol biosynthetic pathway are described, for example, in US Patent No. 7,851,188, and US Patent Application Publication No. 2007/0092957. No. 2007/0259410; No. 2007/0292927; No. 2008/0182308; No. 2008/0274525; No. 2009/0155870; No. 2009 / No. No. 0305363; and 2009/0205370, the entire contents of each of which are incorporated herein by reference.

さらに、本発明の様々な実施形態を本明細書に説明してきたが、それらは例として示されたに過ぎず、限定するものではないことを理解されたい。本発明の趣旨および範囲から逸脱せずに本発明の形態および細部の様々な変更を行うことができることが、関連技術の当業者に明らかであろう。したがって、本発明の広さおよび範囲は、記載した例示的実施形態のいずれによって限定されるものでもなく、以下の特許請求の範囲およびそれらの均等物のみにしたがって規定されるものである。   Moreover, while various embodiments of the invention have been described herein, it should be understood that they have been presented by way of example only and not limitation. It will be apparent to those skilled in the relevant art that various modifications can be made in the form and details of the invention without departing from the spirit and scope of the invention. Accordingly, the breadth and scope of the present invention should not be limited by any of the described exemplary embodiments, but should be defined only in accordance with the following claims and their equivalents.

本明細書に記載される全ての刊行物、特許および特許出願は、本発明が関する技術分野の当業者の技能のレベルを示し、それぞれの個々の刊行物、特許または特許出願が参照により援用されることが具体的にかつ個々に示されているのと同程度に、参照により本明細書に援用される。   All publications, patents and patent applications mentioned in this specification are indicative of the level of skill of those skilled in the art to which this invention pertains, and each individual publication, patent or patent application is incorporated by reference. To the same extent as specifically and individually indicated herein by reference.

以下の非限定的な実施例は、本発明をさらに例示する。以下の実施例が原料としてトウモロコシを含む一方、本発明から逸脱せずに、サトウキビなどの他のバイオマス源が、原料に使用され得ることを理解されたい。さらに、以下の実施例は、エタノールおよびブタノールを含む一方、本発明から逸脱せずに、他のアルコールまたは発酵産物が、生成され得る。   The following non-limiting examples further illustrate the present invention. While the following examples include corn as a raw material, it should be understood that other biomass sources such as sugar cane can be used for the raw material without departing from the invention. In addition, the following examples include ethanol and butanol, while other alcohols or fermentation products can be produced without departing from the invention.

略語の意味は以下のとおりである:「atm」は気圧を意味し、「ccm」は立方センチメートル/分を意味し、「g/L」はグラム/リットルを意味し、「g」はグラムを意味し、「gpl」はグラム/リットルを意味し、「gpm」はガロン/分を意味し、「h」または「hr」は時間を意味し、「HPLC」は高性能液体クロマトグラフィーを意味し、「kg」はキログラムを意味し、「L」はリットルを意味し、「min」は分を意味し、「mL」はミリリットルを意味し、「ppm」は百万分率を意味し、「psig」はポンド/平方インチ(ゲージ圧)を意味し、「重量%」は重量パーセントを意味する。   Abbreviations have the following meanings: “atm” means atmospheric pressure, “ccm” means cubic centimeters / minute, “g / L” means grams / liter, and “g” means grams. “Gpl” means grams / liter, “gpm” means gallons / minute, “h” or “hr” means time, “HPLC” means high performance liquid chromatography, “Kg” means kilograms, “L” means liters, “min” means minutes, “mL” means milliliters, “ppm” means parts per million, “psig” "" Means pounds per square inch (gauge pressure) and "wt%" means weight percent.

実施例1
発酵によって生成されるブタノールの生成および回収のための方法
本明細書に記載される方法は、Aspenモデル化などの計算モデル化を用いて実証され得る(例えば、米国特許第7,666,282号明細書を参照)。例えば、市販のモデル化ソフトウェアAspen Plus(登録商標)(Aspen Technology,Inc.,Burlington,MA)は、統合されたブタノール発酵、精製、および水管理プロセスのためのAspenモデルを作り出すために、American Institute of Chemical Engineers,Inc.(New York,NY)から入手可能なDIPPRなどの物理的特性データベースとともに使用され得る。このプロセスモデル化は、多くの基礎工学的計算、例えば、物質収支およびエネルギー収支、気/液平衡、および反応速度計算を行うことができる。Aspenモデルを生成するために、情報入力は、例えば、実験データ、含水量および原料の組成、マッシュの調理およびフラッシュのための温度、糖化条件(例えば、酵素原料、でんぷん転化率、温度、圧力)、発酵条件(例えば、微生物原料、グルコース転化率、温度、圧力)、脱気条件、溶媒塔、プレフラッシュ塔、凝縮器、蒸発器、遠心分離機などを含み得る。
Example 1
Methods for the production and recovery of butanol produced by fermentation The methods described herein can be demonstrated using computational modeling, such as Aspen modeling (eg, US Pat. No. 7,666,282). See the description). For example, the commercially available modeling software Aspen Plus® (Aspen Technology, Inc., Burlington, Mass.) Is used by the American Institute to create Aspen models for integrated butanol fermentation, purification, and water management processes. of Chemical Engineers, Inc. (New York, NY) can be used with a physical property database such as DIPPR available. This process modeling can perform many basic engineering calculations such as mass and energy balance, gas / liquid equilibrium, and reaction rate calculations. To generate an Aspen model, information input includes, for example, experimental data, moisture content and ingredient composition, temperature for cooking and flushing mash, saccharification conditions (eg, enzyme ingredient, starch conversion, temperature, pressure) , Fermentation conditions (eg, microbial raw materials, glucose conversion, temperature, pressure), deaeration conditions, solvent towers, preflash towers, condensers, evaporators, centrifuges, and the like.

Aspenモデルは、イソブタノールを生成するために、53400kg/時のトウモロコシがマッシュされ、発酵され、イソブタノールの大部分が、発酵中に抽出され、蒸留される厳密な物質収支およびエネルギー収支で作り出された。このモデルは、連続プロセスとしての一連のバッチ発酵の近似を含んでいた。この発酵、抽出、および蒸留プロセスの例が、図14に示される。   The Aspen model is produced with a strict mass and energy balance where 53400 kg / hr of corn is mashed and fermented to produce isobutanol, and the majority of isobutanol is extracted and distilled during fermentation. It was. This model included an approximation of a series of batch fermentations as a continuous process. An example of this fermentation, extraction, and distillation process is shown in FIG.

1.5重量%の懸濁固体を含むように精製された、液化されたトウモロコシマッシュ601を、熱交換器および水冷却器を介して、170.7トン/時および85℃で注入し、32℃で発酵600に供給した。95.8%の二酸化炭素、3.4%の水、および0.8%のイソブタノールの平均連続モル組成を有する蒸気流602を、大気圧で、17.2トン/時で、発酵600からスクラバーへと放出した。12.6gplのイソブタノールを含む平均ビール流603を、発酵600から連続して排出し、イソブタノール回収のために蒸留する前に、マッシュ601によって熱交換器を介して予め加熱した。   Liquefied corn mash 601 purified to contain 1.5 wt% suspended solids is injected at 170.7 tons / hour and 85 ° C. via a heat exchanger and water cooler, 32 Feed to fermentation 600 at 0C. A steam stream 602 having an average continuous molar composition of 95.8% carbon dioxide, 3.4% water, and 0.8% isobutanol is passed from fermentation 600 at 17.2 tons / hour at atmospheric pressure. Released to scrubber. An average beer stream 603 containing 12.6 gpl of isobutanol was continuously discharged from fermentation 600 and preheated via a heat exchanger with mash 601 prior to distillation for isobutanol recovery.

3875トン/時の組み合わされた平均流量を有する流れ604を、11.1gplの平均イソブタノール濃度および32℃の平均温度で発酵600から除去し、イソブタノールの部分的な除去のために抽出器610を通して循環させる。7.9gplのイソブタノールを含有する、出てきた水性ブロス605を、発酵600に再び入る前に、冷却塔水(CTW)との熱交換によって30℃に冷却する。ジイソプロピルベンゼンを含む溶媒が抽出器610に入り、30.1gplのイソブタノールを含む流れ606として出る。抽出器610は、発酵ブロスを溶媒と接触させるための5つの理論的な液液平衡段階を効果的に提供する。流れ606は、340トン/時で、熱交換器を通過し、蒸留塔620の12個の理論段の中央部に入る。リボイラーは、ジイソプロピルベンゼンを含み、かつイソブタノールを実質的に含まない溶媒流607を生成するために150psigの蒸気を用いて、0.6気圧(atm)および183℃で動作しており、溶媒流607は、熱交換器を介して溶媒流606と熱交換し、抽出器610に再び入る前に冷却水CTWによってさらに冷却される。蒸留塔620の塔頂蒸気を、冷却し(CTW)、凝縮(630)して、23.1トン/時の還流、0.2トン/時の残留蒸気オフガス608、ならびに99.2%のイソブタノール、0.6%の水、および0.2%のジイソプロピルベンゼンを含む13.2トン/時の蒸留生成物609を形成する。   Stream 604 having a combined average flow rate of 3875 tons / hour is removed from fermentation 600 at an average isobutanol concentration of 11.1 gpl and an average temperature of 32 ° C., and extractor 610 for partial removal of isobutanol. Circulate through. The emerging aqueous broth 605 containing 7.9 gpl isobutanol is cooled to 30 ° C. by heat exchange with cooling tower water (CTW) before re-entering fermentation 600. Solvent containing diisopropylbenzene enters extractor 610 and exits as stream 606 containing 30.1 gpl isobutanol. The extractor 610 effectively provides five theoretical liquid-liquid equilibration stages for contacting the fermentation broth with the solvent. Stream 606 passes through the heat exchanger at 340 tons / hour and enters the middle of the 12 theoretical stages of distillation column 620. The reboiler is operating at 0.6 atmospheres (atm) and 183 ° C. using 150 psig of steam to produce a solvent stream 607 containing diisopropylbenzene and substantially free of isobutanol. 607 exchanges heat with the solvent stream 606 via a heat exchanger and is further cooled by cooling water CTW before entering the extractor 610 again. The top vapor of distillation column 620 is cooled (CTW) and condensed (630) to 23.1 ton / hour reflux, 0.2 ton / hour residual vapor off-gas 608, and 99.2% isoform. A 13.2 ton / hour distillation product 609 is formed containing butanol, 0.6% water, and 0.2% diisopropylbenzene.

実施例2
抽出剤カラムを用いたエタノールの回収のための方法
1インチの直径のKarr(登録商標)抽出塔(Koch Modular Process Systems,Paramus,NJ)を用いて、エタノール発酵中に生成された発酵ブロスを処理した。カラムは、一連のプレートを含み、このプレートは、カラムの長さに沿って下方に延在し、中心軸に取り付けられる。軸は、往復運動で上下に有孔プレート(1/4インチの直径の穿孔)を動かすことができる駆動装置に取り付けられる。運動の頻度は、試験中に可変であったが、振動(0.75インチ)のストローク長さおよびトレイの間隔(2インチ)は両方とも固定であった。使用されるカラムは、3000mmのプレート積層高さを有していた。
Example 2
Method for recovery of ethanol using an extractant column A 1-inch diameter Karr® extraction tower (Koch Modular Process Systems, Paramus, NJ) is used to treat the fermentation broth produced during ethanol fermentation did. The column includes a series of plates that extend downward along the length of the column and are attached to a central axis. The shaft is attached to a drive that can move a perforated plate (1/4 inch diameter perforation) up and down in a reciprocating motion. The frequency of movement was variable during the test, but the stroke length of the vibration (0.75 inches) and the tray spacing (2 inches) were both fixed. The column used had a plate stack height of 3000 mm.

カラムの上部に、発酵ブロスからなる水性原料を提供する一方、カラムの底部に、抽出剤としてのトウモロコシ油脂肪酸(COFA)の原料を提供した。2つの原料は、カラムを通って互いに向流に流れ、これらをカラムの反対側で生成物として収集した。   An aqueous feedstock consisting of fermentation broth was provided at the top of the column, while a corn oil fatty acid (COFA) feedstock as an extractant was provided at the bottom of the column. The two feeds flowed counter-current to each other through the column and were collected as products on the opposite side of the column.

場合によっては固体の一部が遠心分離によって除去されている液化および糖化されたトウモロコシマッシュからのエタノールの生成のための発酵プロトコルを用いて発酵ブロスを得た。場合によっては、COガス放出を最大またはほぼ最大に保ちながら試験の一部を行う一方、ガス放出が有効に停止されたとき別の部分を行うように、数日間かけて抽出試験を行った。この作業に使用されるCOFAは、Emery Oleochemicals(Cincinnati,OH)製の蒸留グレードであった。 Fermentation broth was obtained using a fermentation protocol for the production of ethanol from liquefied and saccharified corn mash, where some of the solids were removed by centrifugation. In some cases, the extraction test was conducted over several days, with one part of the test performed while maximizing or nearly maximizing CO 2 gas emissions while another part was performed when gas emissions were effectively stopped. . The COFA used for this work was a distillation grade made by Emery Oleochemicals (Cincinnati, OH).

カラム中の連続相としてCOFAを用いていくつかの実験を行う一方、連続水相を用いて他の実験を行った。また、所定の位置の内部を用いてまたは用いずに実験を行った。ステンレス鋼およびポリテトラフルオロエチレン(PTFE)の2つのタイプの内部を試験した。カラムがフラッディングを伴わずに操作され得る流量範囲(flow regime)を決定するために、流量の範囲を調べた。   Some experiments were performed using COFA as the continuous phase in the column, while others were performed using the continuous aqueous phase. In addition, experiments were performed with or without the inside of a predetermined position. Two types of interiors were tested: stainless steel and polytetrafluoroethylene (PTFE). In order to determine the flow regime in which the column can be operated without flooding, the flow range was examined.

発酵からの動的供給の影響
試験の間、場合によっては、発酵が進行するにつれて、カラムの性能が変化することが分かった。発酵の初期に、原料を含む発酵ブロスは、糖分が多く、中間時点で、かなりの量のCO(流体流に影響を与え得る)が、発酵ブロスから発生する一方、後の時点で、発酵ブロス中のエタノールの濃度は高い。原料のこの経時的な変化は、抽出塔の能力の変化に反映された。
Effect of dynamic feed from fermentation During testing, it was found that in some cases the column performance changed as the fermentation progressed. Early in the fermentation, the fermentation broth containing the raw material is high in sugar and at an intermediate time a significant amount of CO 2 (which can affect the fluid flow) is generated from the fermentation broth, while at a later time the fermentation broth The concentration of ethanol in the broth is high. This change in raw material over time was reflected in changes in the capacity of the extraction tower.

PTFEプレートおよび連続COFA相(撹拌なし)を用いた条件では、発酵がほぼピークのガス発生時であるとき(「中間ブロス(intermediate broth)」)および発酵の終わり頃であるとき(「最終ブロス(end broth)」)に収集された発酵ブロスを用いたとき、性能の差が示された。最終ブロスを用いると、14gpm/ft(試料3E)の液体スループット率は、カラムのフラッディングを伴わずに達成された。フラッディングの前に得られる中間ブロスの最大スループットは、9gpm/ft未満であり(試料4D)、水滴のサイズおよび外観の顕著な違いがあった。水相の液滴径は、中間ブロスと比較して、最終ブロスの方がより大きかった(小滴の形成を伴う)。 Conditions using a PTFE plate and a continuous COFA phase (no agitation) are when the fermentation is at about peak gas evolution (“intermediate broth”) and near the end of the fermentation (“final broth ( end broth))), the performance difference was shown when using the fermentation broth collected. With the final broth, a liquid throughput rate of 14 gpm / ft 2 (Sample 3E) was achieved without column flooding. The maximum throughput of the intermediate broth obtained before flooding was less than 9 gpm / ft 2 (Sample 4D), with significant differences in water droplet size and appearance. The droplet size of the aqueous phase was larger in the final broth (with the formation of droplets) compared to the intermediate broth.

連続相
最大カラムスループットは、連続相の性質にも影響された。連続水相およびステンレス鋼(S.Steel)内部で動作する、発酵条件の終わり頃には、約14gpm/ftの総液体容量が得られた(試料2B)。連続有機相およびPTFE内部では、率は9gpm/ft未満であった(試料4D)。結果が、表2に示される。略語AQは水相を指し、略語ORGは有機相を指す。表2を参照すると、相は連続しており、試料は実施条件を指し、内部は内部の材料を指し、Nom.AQは公称水性流量を指し、Nom.ORGは公称有機流量を指し、総流量(ccm)は水性および有機原料の総流量を指し、総流量(gpm/ft)は単位断面積当たりの総流量を指す。
Continuous phase Maximum column throughput was also affected by the nature of the continuous phase. Around the end of the fermentation conditions, operating within a continuous aqueous phase and stainless steel (S. Steel), a total liquid volume of approximately 14 gpm / ft 2 was obtained (Sample 2B). Within the continuous organic phase and PTFE, the rate was less than 9 gpm / ft 2 (Sample 4D). The results are shown in Table 2. The abbreviation AQ refers to the aqueous phase and the abbreviation ORG refers to the organic phase. Referring to Table 2, the phases are continuous, the sample refers to the operating conditions, the interior refers to the internal material, and Nom. AQ refers to the nominal aqueous flow rate. ORG refers to the nominal organic flow rate, total flow rate (ccm) refers to the total flow rate of aqueous and organic raw materials, and total flow rate (gpm / ft 2 ) refers to the total flow rate per unit cross-sectional area.

Figure 2015528309
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カラムが、発酵の終わり頃に発酵ブロスを含む原料を用いて内部なしで操作される場合、連続相の選択がカラムの能力に影響を与えた。連続水相では、約25gpm/ftで操作することが可能であった(試料2Gおよび2H)。しかしながら、連続COFA相では、18gpm/ftでフラッディングの問題が生じた(試料2I)。結果が、表3に示される。 When the column was operated without an interior using a feed containing fermentation broth near the end of the fermentation, the choice of continuous phase affected the capacity of the column. In the continuous aqueous phase it was possible to operate at about 25 gpm / ft 2 (samples 2G and 2H). However, in the continuous COFA phase, a flooding problem occurred at 18 gpm / ft 2 (Sample 2I). The results are shown in Table 3.

Figure 2015528309
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実施例3
抽出塔の能力に対する発酵条件の影響
発酵ブロスの性質は不変ではなく、発酵プロセスが進行するにつれて変化する。発酵の際、炭水化物が微生物によって代謝されるにつれて、炭水化物の濃度が低下する。発酵ブロスのこの組成変化は、抽出プロセスに影響を与える、発酵ブロスの粘度および表面張力などの物理的パラメータを変化させるであろう。濃度の変化に加えて、中間時点で、かなりの量のCOが発生され;このCOは、カラムを通る水性液体および有機液体の流量に影響を与えるであろう。
Example 3
Effect of fermentation conditions on the capacity of the extraction tower The properties of the fermentation broth are not unchanged and change as the fermentation process proceeds. During fermentation, the carbohydrate concentration decreases as the carbohydrate is metabolized by the microorganism. This change in composition of the fermentation broth will change physical parameters such as the viscosity and surface tension of the fermentation broth that affect the extraction process. In addition to the concentration change, a significant amount of CO 2 is generated at an intermediate point; this CO 2 will affect the flow of aqueous and organic liquids through the column.

PTFE内部が装備された、1インチの直径のガラス製のKarr(登録商標)抽出塔(Koch Modular Process Systems,Paramus,NJ)を用いて、エタノール発酵からの発酵ブロスを処理した。発酵の間のいくつかの時点で処理を行った。有機抽出剤(COFA)は、カラム中の連続相であり、発酵ブロスは、液滴としてカラムを通過する。カラムへの発酵ブロスの導入の前に、発酵ブロスを、管路(line)内のT字管(tee)に通し、ここで、原料中に存在するCO気泡を、通気孔を通して除去した。 The fermentation broth from the ethanol fermentation was processed using a 1-inch diameter glass Karr® extraction tower (Koch Modular Process Systems, Paramus, NJ) equipped with PTFE interior. Treatment was carried out at several points during the fermentation. Organic extractant (COFA) is the continuous phase in the column and the fermentation broth passes through the column as droplets. Prior to the introduction of the fermentation broth into the column, the fermentation broth was passed through a Tee in the line where the CO 2 bubbles present in the feed were removed through the vents.

静止した内部(撹拌なし)では、発酵の終わり頃に取られたブロス(「最終ブロス」)と比較して、ピークのガス発生時に取られた発酵ブロス(「中間ブロス」)を用いたとき、性能の差が示された。中間ブロスを用いて、14gpm/ftの液体スループット率が得られた。最終ブロスの最大スループット(カラムのフラッディングの前)は、9gpm/ft未満であった。水滴のサイズおよび外観の顕著な違いがあった。水相の液滴径は、中間ブロスと比較して最終ブロスの方が明らかに大きかった。 In a static interior (no agitation) when using fermentation broth taken at peak gas evolution ("intermediate broth") compared to broth taken at the end of fermentation ("final broth"), A difference in performance was shown. With an intermediate broth, a liquid throughput rate of 14 gpm / ft 2 was obtained. The final broth maximum throughput (before column flooding) was less than 9 gpm / ft 2 . There were significant differences in water droplet size and appearance. The water phase droplet size was clearly larger in the final broth compared to the intermediate broth.

実施例4
抽出塔効率に対するイソブタノール濃度の影響
典型的な発酵プロセス中、生成物のレベルが時間とともに変化する。この動的な濃度変化が、抽出プロセス中の物質移動に影響を与え得る。
Example 4
Effect of Isobutanol Concentration on Extraction Tower Efficiency During a typical fermentation process, product levels change over time. This dynamic concentration change can affect mass transfer during the extraction process.

イソブタノール濃度の影響を実証するために、ステンレス鋼の内部を装備した1インチの直径のガラス製のKarr(登録商標)抽出塔(Koch Modular Process Systems,Paramus,NJ)を用いて、約3g/Lのイソブタノールを含有する発酵からの発酵ブロスを処理した。発酵ブロスが、抽出器中の連続相で形成された一方、有機抽出剤(COFA)は、液滴としてカラムを通過した。CO生成が実質的に停止したが、発酵ブロスを、管路内のT字管に通し、ここで、原料中に存在する一切のCO気泡を、原料が抽出塔に入る前に除去した。 To demonstrate the effect of isobutanol concentration, using a 1 inch diameter glass Karr® extraction tower (Koch Modular Process Systems, Paramus, NJ) equipped with a stainless steel interior, approximately 3 g / The fermentation broth from the fermentation containing L isobutanol was processed. The fermentation broth was formed in the continuous phase in the extractor, while the organic extractant (COFA) passed through the column as droplets. Although the CO 2 production was substantially stopped, the fermentation broth was passed through a T-tube in the conduit where any CO 2 bubbles present in the feed were removed before the feed entered the extraction tower. .

原料および出てくる流れの試料を、液体クロマトグラフィー(LC)またはガスクロマトグラフィー(GC)によってイソブタノールについて分析した。結果が、表4に示される。物質収支を行い、平衡移動段の高さ(height of an equilibrium transfer stage)(HETS)を、クレムザーの式(Kremser equation)を用いて計算した。そのままの発酵ブロスの2つのデータ点について、HETS値は、10および13フィートであった。   Samples of the feed and the emerging stream were analyzed for isobutanol by liquid chromatography (LC) or gas chromatography (GC). The results are shown in Table 4. Mass balance was performed and the height of the equilibria transfer stage (HETS) was calculated using the Kremser equation. For the two data points of the raw fermentation broth, the HETS values were 10 and 13 feet.

次に、イソブタノールを発酵ブロスに加えて、濃度を20g/Lにした。抽出試験を行い、データから、HETSが18フィートであることが分かった。この値は、そのままのブロスで得られる値より約50%高く、約20g/Lのイソブタノールを入れた希薄な蒸留廃液を用いて得られたデータと一致している(図15を参照)。   Next, isobutanol was added to the fermentation broth to a concentration of 20 g / L. An extraction test was performed and the data showed that the HETS was 18 feet. This value is about 50% higher than that obtained with neat broth and is consistent with the data obtained with dilute distillation waste liquor containing about 20 g / L of isobutanol (see FIG. 15).

Figure 2015528309
Figure 2015528309

実施例5
外部の抽出塔を用いたISPR
イソブタノール発酵(10リットル規模)からの発酵ブロスを、5/8インチの直径の卓上Karr(登録商標)カラムへと循環させた。抽出溶媒(COFA)を、抽出剤リザーバからKarr(登録商標)カラムに再利用した。対照の発酵を実施し、ある体積のCOFAを発酵装置に加えて、発酵ブロスからイソブタノールを連続して抽出した。
Example 5
ISPR using external extraction tower
The fermentation broth from the isobutanol fermentation (10 liter scale) was circulated to a 5/8 inch diameter tabletop Karr® column. Extraction solvent (COFA) was recycled from the extractant reservoir to the Karr® column. A control fermentation was performed and a volume of COFA was added to the fermentor to continuously extract isobutanol from the fermentation broth.

発酵中、Karr(登録商標)カラムを2回運転した。第1の運転は、発酵の4〜7時間の時点であり、第2の運転は、発酵の22〜33時間の時点であった。両方の発酵について、pOおよびpHなどのパラメータを監視した。測定されたpOは、Karr(登録商標)カラムを使用せずに実施される対照と比較して、Karr(登録商標)カラムが使用される実施でより低かった。絶対pH値は、Karr(登録商標)カラムおよび対照で同様であったが、pHプロファイルは、2つの運転で異なっていた。対照の1つの緩やかなピークに対して、Karr(登録商標)カラム中のpHは早くピークに達し、平らになり、次に、再度ピークに達した。 During the fermentation, the Karr® column was run twice. The first run was at 4-7 hours of fermentation and the second run was at 22-33 hours of fermentation. Parameters such as pO 2 and pH were monitored for both fermentations. The measured pO 2 was lower with the implementation using the Karr® column compared to the control performed without using the Karr® column. The absolute pH values were similar for the Karr® column and the control, but the pH profile was different for the two runs. For one gentle peak of the control, the pH in the Karr® column reached the peak quickly, flattened, and then peaked again.

抽出溶媒の2つのアリコート(それぞれ1.8リットル)を、Karr(登録商標)カラムから分析した。試料を、各アリコートから取り、イソブタノール含量について分析した。Karr(登録商標)カラムを用いて発酵中に生成されたイソブタノールの量は、対照の発酵中で生成されたイソブタノールの量と同等であった。Karr(登録商標)カラムを用いた発酵は、合計で82.4グラムのイソブタノールを生成し:約34グラムは、3.6リットルの有機相中にあり、48グラムは水相中にあった。対照(発酵装置に加えられた30体積%の有機相)は、90g/Lを生成し、60グラムは、3リットルの有機相中にあり、30グラムは水相中にあった。水相中のイソブタノール濃度は、Karr(登録商標)カラム運転中の抽出の非ゼロの開始に対して、時間ゼロからの対照の発酵装置中のCOFAの存在により、対照中でより低かった。22時間の時点でのKarr(登録商標)では、イソブタノールは、それが生成されるより速く発酵装置から抽出された。グルコースプロファイルを、対照およびKarr(登録商標)カラムについて生成した。プロファイルは同様であり、これは、細胞増殖および代謝が同等であったことを示す。結果が、図16Aおよび16Bに示される。括弧内は、Karr(登録商標)カラムが運転中であった時点(4〜7時間および22〜33時間)を示す。   Two aliquots of extraction solvent (1.8 liters each) were analyzed from a Karr® column. Samples were taken from each aliquot and analyzed for isobutanol content. The amount of isobutanol produced during fermentation using a Karr® column was comparable to the amount of isobutanol produced during control fermentation. Fermentation using a Karr® column produced a total of 82.4 grams of isobutanol: about 34 grams were in 3.6 liters of organic phase and 48 grams were in the aqueous phase. . The control (30 vol% organic phase added to the fermentor) produced 90 g / L, 60 grams were in 3 liters of organic phase and 30 grams were in the aqueous phase. The isobutanol concentration in the aqueous phase was lower in the control due to the presence of COFA in the control fermentor from time zero versus non-zero start of extraction during the Karr® column operation. At Karr® at 22 hours, isobutanol was extracted from the fermentor faster than it was produced. Glucose profiles were generated for the control and Karr® columns. The profiles were similar, indicating that cell growth and metabolism were comparable. Results are shown in FIGS. 16A and 16B. In parentheses are the time points (4-7 hours and 22-33 hours) when the Karr® column was in operation.

実施例6
ミキサーセトラーを用いたISPR
外部のミキサーセトラーシステムを用いて、イソブタノールを生成する微生物(すなわち、イソブタノロゲン(isobutanologen))を含有する活性な発酵ブロスからイソブタノールを連続して除去した。試験には、イソブタノール生成微生物(すなわち、イソブタノロゲン)が接種された約100リットルの発酵ブロスを使用した。発酵装置の含有物を、ミキサーセトラー抽出システムを通して、発酵装置から再循環させた。イソブタノールを含有していない蒸留されたCOFAを含む抽出剤を、一回通過式(once−through basis)で使用した。
Example 6
ISPR using a mixer settler
An external mixer-settler system was used to continuously remove isobutanol from the active fermentation broth containing the isobutanol producing microorganisms (ie, isobutanologen). The test used about 100 liters of fermentation broth inoculated with an isobutanol producing microorganism (ie, isobutanologen). The fermenter contents were recycled from the fermentor through a mixer-settler extraction system. An extractant containing distilled COFA that did not contain isobutanol was used in an once-through basis.

2つのスタティックミキサーを試験した。試験の大部分には、Kenics(登録商標)ステンレス鋼スタティックミキサー(直径1/2インチで、36の混合要素を有する)を使用した。12〜24時間の運転の間、プラスチック製ミキサーを使用した(StaMixCo HT−11−12.6−24,StaMixCo LLC,Brooklyn,NY)。発酵ブロスおよびCOFAを、T字管の反対側に供給し、そこから混合物がスタティックミキサーを通って流れた。スタティックミキサーを出た材料をセトラーに供給した。セトラーは、5リットルのガラスタンクから作製されていた。浸漬管が、周縁部の近くで、セトラーの上部を通過し、セトラーのほぼ半分にわたって下方に延在していた。有機相を、セトラーの上部で、ポートを通して抜き取った一方、発酵ブロスを、セトラーの底部から除去した。セトラーには、2つの液相の離脱を補助し、それによって、界面における固体の蓄積を最小限に抑えるために、水相−有機相界面への穏やかな混合を与える撹拌器が装備されていた。運転中に収集されたデータが、表5に表され、図17は、発酵の間に達成されたイソブタノール除去率を示す。データから分かるように、水性ブロス中のイソブタノールレベルは、比較的一定のままであり、これは、イソブタノールが、それが生成されるのとほぼ同じ速度で発酵ブロスから除去されたことを示す。表5を参照すると、経過時間は、発酵の開始からの時間であり、AQ流量は、水性原料流であり、ORG流量は、有機原料流であり、AQ原料中のiBは、水性原料中のイソブタノールであり、ORG生成物中のiBは、濃厚な有機生成物中のイソブタノールである。   Two static mixers were tested. For most of the test, a Kenics® stainless steel static mixer (1/2 inch in diameter and having 36 mixing elements) was used. A plastic mixer was used during the 12-24 hour run (StaMixCo HT-11- 12.6-24, StaMixCo LLC, Brooklyn, NY). Fermentation broth and COFA were fed to the opposite side of the T-tube from which the mixture flowed through a static mixer. The material exiting the static mixer was fed to the settler. The settler was made from a 5 liter glass tank. A dip tube passed over the top of the settler, near the periphery, and extended downward over almost half of the settler. The organic phase was withdrawn through the port at the top of the settler, while the fermentation broth was removed from the bottom of the settler. The settler was equipped with a stirrer to provide gentle mixing at the aqueous-organic phase interface to assist in the separation of the two liquid phases and thereby minimize solids accumulation at the interface. . Data collected during operation is presented in Table 5, and FIG. 17 shows the isobutanol removal rate achieved during the fermentation. As can be seen from the data, the isobutanol level in the aqueous broth remained relatively constant, indicating that isobutanol was removed from the fermentation broth at approximately the same rate that it was produced. . Referring to Table 5, the elapsed time is the time from the start of fermentation, the AQ flow rate is an aqueous feed stream, the ORG flow rate is an organic feed stream, and iB in the AQ feed is in the aqueous feed stream. Isobutanol, iB in the ORG product is isobutanol in the concentrated organic product.

Figure 2015528309
Figure 2015528309

実施例7
オンライン、アットライン、およびリアルタイム測定
トウモロコシ原料から調製されたマッシュ流を、三相遠心分離機に送って、マッシュ、トウモロコシ油、およびウェットケーキの3つの流れを生成した。オンラインまたはアットラインプロセス測定が、例えば、でんぷん/糖類の回収およびトウモロコシ油の品質を向上させ、ウェットケーキから抽出されるでんぷん/糖類の量を最大にするのに用いられる。リアルタイム測定が、例えば、でんぷん/糖の濃度設定点を維持するために、スラリータンクへの逆流、調理水、または水の添加を制御するのに使用される。最小量の添加水を用いて、三相遠心分離機にかかる水圧荷重を減少させながら、ウェットケーキから抽出されるでんぷん/糖の量が最大にされる。
Example 7
Online, at-line, and real-time measurements A mash stream prepared from corn feed was sent to a three-phase centrifuge to generate three streams: mash, corn oil, and wet cake. Online or at-line process measurements are used, for example, to improve starch / sugar recovery and corn oil quality and maximize the amount of starch / sugar extracted from the wet cake. Real-time measurements are used to control the backflow, cooking water, or water addition to the slurry tank, for example, to maintain a starch / sugar concentration set point. A minimum amount of added water is used to maximize the amount of starch / sugar extracted from the wet cake while reducing the hydraulic load on the three-phase centrifuge.

固体の存在の測定を可能にするダイヤモンド減衰全反射(ATR)プローブを用いたフーリエ変換赤外分光法(FTIR)を用いて、トウモロコシマッシュ試料を分析した。標準試料のスペクトルを収集することによってFTIRを校正し、HPLCを用いた全でんぷん/糖測定が完了された。HPLCデータを用いて、FTIRのための多変量部分最小二乗(PLS)モデルを作成した。FTIRスペクトルを収集し、全でんぷん濃度を生成した。図18は、FTIRを校正するのに使用されるでんぷん濃度の範囲を示す。   Corn mash samples were analyzed using Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) with a diamond attenuated total reflection (ATR) probe that allows measurement of the presence of solids. The FTIR was calibrated by collecting a spectrum of the standard sample and the complete starch / sugar measurement using HPLC was completed. Using the HPLC data, a multivariate partial least squares (PLS) model for FTIR was created. FTIR spectra were collected to produce a total starch concentration. FIG. 18 shows the range of starch concentrations used to calibrate FTIR.

250g/Lの平均出発濃度を有するトウモロコシマッシュを、三相遠心分離機に供給した。それに続くウェットケーキを再スラリー化し、でんぷんの濃度を2つの試料について測定した:80g/Lおよび70g/L。次に、このスラリーを、三相遠心分離機を用いて分離し、ウェットケーキを再スラリー化した。このスラリーのでんぷん濃度を測定したところ、28.9g/Lであった。結果が、図19に示される。これらの測定を用いて、水の正確な量を測定して、各段階でウェットケーキを再スラリー化した。水の添加の最適化により、でんぷん濃度が最大にされ、分離工程にかかる水圧荷重が最小限に抑えられた。ウェットケーキの水分含量を、近赤外分光法(NIR)を用いて測定した。   Corn mash having an average starting concentration of 250 g / L was fed to a three-phase centrifuge. The subsequent wet cake was reslurried and the starch concentration was measured for two samples: 80 g / L and 70 g / L. The slurry was then separated using a three-phase centrifuge and the wet cake was reslurried. The starch concentration of this slurry was measured and found to be 28.9 g / L. The result is shown in FIG. These measurements were used to measure the exact amount of water and reslurry the wet cake at each stage. By optimizing the addition of water, the starch concentration was maximized and the hydraulic load on the separation process was minimized. The moisture content of the wet cake was measured using near infrared spectroscopy (NIR).

トウモロコシ油の品質をリアルタイムで監視し、三相遠心分離機の変数(例えば、供給速度、重力、入口流量、スクロール速度)を制御するのにデータを使用する。三相遠心分離機によって生成されたトウモロコシ油の品質を、分離中にトウモロコシ油中に運ばれる水の濃度を監視することによって測定した。ダイヤモンドATRプローブを用いたFTIRを用いて、トウモロコシ油が三相遠心分離機を出るにつれてトウモロコシ油スペクトルを収集した。ダイヤモンドATRプローブ手法を用いた水の検出限界は約500ppmであった。より低い検出限界は、より長い有効経路長を有するフローセルの使用により達成された。   Corn oil quality is monitored in real time and the data is used to control the variables of the three-phase centrifuge (eg, feed rate, gravity, inlet flow rate, scroll rate). The quality of the corn oil produced by the three-phase centrifuge was measured by monitoring the concentration of water carried into the corn oil during the separation. Corn oil spectra were collected as the corn oil exited the three-phase centrifuge using FTIR with a diamond ATR probe. The detection limit of water using the diamond ATR probe technique was about 500 ppm. A lower detection limit was achieved by using a flow cell with a longer effective path length.

図20は、100ppm台(100’s of ppm)までのパーセントレベル濃度を超える範囲の水濃度を含有するトウモロコシ油の一連の赤外線スペクトルを含む。水濃度を、3700cm−1〜3050cm−1の−OH伸長領域を用いて測定した。データは、プロセスFTIRを用いて、油データ中のリアルタイム水濃度を生成したことを示した。リアルタイム水濃度データを用いて、三相遠心分離機のプロセス変数(例えば、供給速度、重力、入口流量、スクロール速度)を制御した。三相遠心分離機の操作は、水の設定点を超えずに、最高品質のトウモロコシ油を得るかまたはスループットを最大にするように制御され得る。   FIG. 20 includes a series of infrared spectra of corn oil containing water concentrations in the range of percent level concentrations up to the 100 ppm range (100's of ppm). The water concentration was measured using an -OH extension region of 3700 cm-1 to 3050 cm-1. The data showed that process FTIR was used to generate real-time water concentrations in the oil data. Real-time water concentration data was used to control the process variables of the three-phase centrifuge (eg, feed rate, gravity, inlet flow rate, scroll rate). The operation of the three-phase centrifuge can be controlled to obtain the highest quality corn oil or maximize throughput without exceeding the water set point.

リアルタイム抽出剤監視を用いて、抽出剤の熱分解を検出し、監視した。リアルタイムでのこれらの熱分解生成物の検出を用いて、抽出剤の改善またはプロセスからの汚染された抽出剤の除去を開始する。   Real-time extractant monitoring was used to detect and monitor the pyrolysis of the extractant. The detection of these pyrolysis products in real time is used to begin improving the extractant or removing the contaminated extractant from the process.

図21は、イソブタノール富化COFAのリアルタイム測定の例である。フローセル中のダイヤモンドATRサンプリングプローブを用いたMetter−Toledo ReactIR(商標)247を用いて、データを収集した。COFA流を1インチの直径のKarr(登録商標)カラムの出口から収集し、蠕動ポンプを用いてFTIRに注入した。イソブタノールを入れたCOFA標準を作成し、多変量PLSモデルを生成することによって、FTIRを校正した。   FIG. 21 is an example of real-time measurement of isobutanol-enriched COFA. Data was collected using a Metter-Toledo ReactIR ™ 247 with a diamond ATR sampling probe in a flow cell. A COFA stream was collected from the outlet of a 1 inch diameter Karr® column and injected into the FTIR using a peristaltic pump. The FTIR was calibrated by creating a COFA standard with isobutanol and generating a multivariate PLS model.

実施例8
液滴径の分析
この実施例には、発酵ブロスおよび抽出剤(COFA)を含有するプロセス流をスタティックミキサーに送った後の液体抽出剤液滴の分析が記載されている。プロセス流がスタティックミキサーを出た約24時間後に、PVM(登録商標)プローブ(Mettler−Toledo,LLC,Columbus OH)をプロセス流に挿入した。PVM(登録商標)プローブを用いて、発酵運転中、2分ごとに画像を収集した。画像は、サイズが直径50〜80μmの範囲のCOFA液滴およびサイズが直径200〜400μmの範囲のCO気泡の両方の存在を示した。スタティックミキサーの後の発酵ブロスおよびCOFAを含有するプロセス流中の液滴径の監視を用いて、COFA液滴中へのイソブタノールの良好な物質移動を確実にするために、液滴が特定の平均直径未満に確実に保たれるようにする。
Example 8
Droplet size analysis This example describes the analysis of liquid extractant droplets after a process stream containing fermentation broth and extractant (COFA) has been sent to a static mixer. Approximately 24 hours after the process stream exited the static mixer, a PVM® probe (Mettler-Toledo, LLC, Columbia OH) was inserted into the process stream. Images were collected every 2 minutes during the fermentation run using a PVM® probe. The image showed the presence of both COFA droplets with a size ranging from 50-80 μm in diameter and CO 2 bubbles ranging in size from 200-400 μm in diameter. Using droplet size monitoring in the process stream containing the fermentation broth and COFA after the static mixer, to ensure good mass transfer of isobutanol into the COFA droplets, Ensure that it is kept below the average diameter.

また、PVM(登録商標)プローブを用いて、発酵装置へと流れが戻る前に、希薄なブロス流中のCOFA液滴を撮像した。この流れ中のCOFA液滴の検出は、発酵装置に戻るCOFAの量を示す。PVM(登録商標)プローブを用いて、発酵中、2分ごとに流れの画像を収集した。スタティックミキサーを出る流れと異なり、希薄なブロス流は、より少なくかつより小さい液滴(10〜40μm)を有していた。これらの測定は、発酵装置に戻るCOFAの量を監視するためにプロセスイメージングを使用する実現可能性を実証する。   A PVM® probe was also used to image COFA droplets in a dilute broth stream before returning flow to the fermenter. Detection of COFA droplets in this stream indicates the amount of COFA returning to the fermenter. Flow images were collected every 2 minutes during fermentation using a PVM® probe. Unlike the stream exiting the static mixer, the dilute broth stream had fewer and smaller droplets (10-40 μm). These measurements demonstrate the feasibility of using process imaging to monitor the amount of COFA returning to the fermenter.

両方の標本点(sample point)からのリアルタイム平均液滴径データを用いて、発酵ブロスおよびCOFAの相分離を監視した。希薄な発酵ブロスの再利用流(イソブタノール抽出後)中で検出された小さいCOFA液滴の濃度または数の増加は、発酵ブロスの相分離の指標であり得、COFAは、分解しており、多過ぎるCOFAが抽出器を出ている。相分離の質を向上させ、希薄なブロス流中の発酵装置に戻るCOFA液滴の数または濃度を減少させるために、平均COFA液滴径が、スタティックミキサーの後に増加される。   Real-time average droplet size data from both sample points was used to monitor the phase separation of the fermentation broth and COFA. An increase in the concentration or number of small COFA droplets detected in the dilute fermentation broth recycle stream (after isobutanol extraction) can be an indication of the phase separation of the fermentation broth, where COFA is degraded, Too much COFA is leaving the extractor. In order to improve the quality of the phase separation and reduce the number or concentration of COFA droplets returning to the fermenter in the lean broth stream, the average COFA droplet size is increased after the static mixer.

平均COFA液滴径に影響を与え得るさらなるプロセス変数としては、発酵ブロス中の多糖類の濃度、発酵ブロス対COFAの比率、およびスタティックミキサーを通る総流量が挙げられる。発酵が進行するにつれて、流量および/または発酵ブロス対COFAの比率が、一定の平均COFA液滴径を維持するように変化され得る。   Additional process variables that can affect the average COFA droplet size include the concentration of polysaccharide in the fermentation broth, the ratio of fermentation broth to COFA, and the total flow through the static mixer. As fermentation proceeds, the flow rate and / or the ratio of fermentation broth to COFA can be varied to maintain a constant average COFA droplet size.

実施例9
抽出機の設計
この実施例には、大規模な抽出器ユニットを設計するための方法が記載されている。パイロット規模抽出からのデータを用いて、大規模な抽出器ユニットのサイズを推定する。パイロット規模抽出からの抽出器ユニットの流れの相分離に対する流量、撹拌速度、および内部の存在または非存在の影響が決定される。総流量および発酵ブロス流量対抽出剤流量の比率は、発酵の間、固定の温度で変化され、相分離が中断する条件が観察される。抽出器ユニット流れ表面積の平方フット当たりの抽出器ユニットへの達成可能な最大流量を記録する。下式を用いて、単位面積当たりの流量を決定する:

Figure 2015528309
U=単位面積当たりの流量(ガロン/分/平方フット)
F=抽出器ユニットへの発酵ブロスおよび抽出剤の総流量(ガロン/分)
A=流れの方向における断面積(平方フィート)
抽出塔の場合、これは、下式によって示される。
Figure 2015528309
D=カラム直径(フィート)。 Example 9
Extractor Design This example describes a method for designing a large extractor unit. The data from the pilot scale extraction is used to estimate the size of the large extractor unit. The effects of flow rate, agitation rate, and internal presence or absence on the phase separation of the extractor unit flow from the pilot scale extraction are determined. The total flow rate and the ratio of fermentation broth flow rate to extractant flow rate are changed at a fixed temperature during fermentation, and conditions are observed where phase separation is interrupted. Record the maximum achievable flow rate to the extractor unit per square foot of extractor unit flow surface area. Use the following formula to determine the flow rate per unit area:
Figure 2015528309
U = flow rate per unit area (gallon / min / square foot)
F = total flow of fermentation broth and extractant to extractor unit (gallons / min)
A = cross-sectional area in the direction of flow (square feet)
In the case of an extraction column, this is shown by the following equation:
Figure 2015528309
D = column diameter (feet).

大規模な抽出器ユニットの直径が、下式を用いて、抽出器ユニットへの発酵ブロスおよび抽出剤の予測流量によって推定される:

Figure 2015528309
大規模=大規模な抽出器への発酵ブロスおよび抽出剤の総流量(ガロン/分)。 The diameter of the large extractor unit is estimated by the expected flow of fermentation broth and extractant to the extractor unit using the following formula:
Figure 2015528309
F large scale = total flow of fermentation broth and extractant to large extractor (gallons / min).

パイロット規模抽出器ユニットの高さが、内部が存在する場合および存在しない場合の異なる流量を含む異なる流量範囲、異なる撹拌速度、および生成物アルコールの異なる濃度で測定される。このデータを用いて、抽出器ユニットの高さによって得られる理論段の数が、クレムザーの式(Kremser Equation)を用いて推定される(Seader and Henley,Separation Process Principles,2nd edition,John Wiley & Sons,2006,pp.358−359):

Figure 2015528309
Figure 2015528309
ブロス=抽出器ユニットへのブロスの流量(ガロン/分)
抽出剤=抽出器ユニットへの抽出剤の流量(ガロン/分)
m=発酵ブロスおよび抽出剤相中の生成物アルコールの分配係数(g/L当たりのg/L)
Xf=発酵ブロス原料中の生成物アルコールの濃度(g/L)
Xn=抽出器ユニットを出る発酵ブロス中の生成物アルコールの濃度(g/L)
Ys=抽出器ユニットに入る抽出剤中の生成物アルコールの濃度(g/L)
n=抽出器ユニットの高さによって得られる理論段の数
式3は、E≠1である場合のみ有効である。 The height of the pilot scale extractor unit is measured at different flow ranges, including different flow rates with and without the interior, different stirring speeds, and different concentrations of product alcohol. Using this data, the number of theoretical stages obtained by the height of the extractor unit, Kuremuza of formula (Kremser Equation) estimated (Seader and Henley with, Separation Process Principles, 2 nd edition , John Wiley & Sons, 2006, pp. 358-359):
Figure 2015528309
Figure 2015528309
F broth = flow rate of broth to the extractor unit (gallons / min)
F extractant = flow rate of extractant to the extractor unit (gallons / min)
m = partition coefficient of product alcohol in fermentation broth and extractant phase (g / L per g / L)
Xf = concentration of product alcohol in fermentation broth material (g / L)
Xn = concentration of product alcohol in the fermentation broth exiting the extractor unit (g / L)
Ys = product alcohol concentration in the extractant entering the extractor unit (g / L)
n = number of theoretical plates obtained by the height of the extractor unit Equation 3 is valid only if E ≠ 1.

抽出器ユニットの理論段の高さが、パイロット規模抽出に使用される抽出塔の高さを、所与の実験で実現される理論段の数で除算することによって示される。大規模な分離を達成するのに必要とされる理論段の数が、式4:

Figure 2015528309
(式中、’は、大規模な抽出器ユニットの条件を示す)で大規模に予測される運転条件を用いて推定される。 The height of the theoretical stage of the extractor unit is shown by dividing the height of the extraction column used for pilot scale extraction by the number of theoretical stages realized in a given experiment. The number of theoretical plates required to achieve large scale separation is given by Equation 4:
Figure 2015528309
(Where 'indicates the condition of the large extractor unit) is estimated using the operating conditions predicted on a large scale.

同様の流量条件について測定される理論段の数および理論段の高さの積により、大規模な抽出器ユニットの全高が推定される。大規模な抽出器ユニットで予測される流量および濃度が、動的発酵モデルを用いて推定される(例えば、Daugulis,et al.,Biotech.Bioeng.27:1345−1356,1985)。   The product of the number of theoretical plates and the height of the theoretical plates measured for similar flow conditions estimates the total height of the large extractor unit. The predicted flow rate and concentration in large scale extractor units are estimated using a dynamic fermentation model (eg, Daugulis, et al., Biotech. Bioeng. 27: 1345-1356, 1985).

本発明の様々な実施形態を上に説明してきたが、それらは例として示されたに過ぎず、限定するものではないことを理解されたい。本発明の趣旨および範囲から逸脱せずに本発明の形態および細部の様々な変更を行うことができることが、関連技術の当業者に明らかであろう。したがって、本発明の広さおよび範囲は、上述した例示的実施形態のいずれによって限定されるものでもなく、以下の特許請求の範囲およびそれらの均等物のみにしたがって規定されるものである。   While various embodiments of the invention have been described above, it should be understood that they have been presented by way of example only and not limitation. It will be apparent to those skilled in the relevant art that various modifications can be made in the form and details of the invention without departing from the spirit and scope of the invention. Accordingly, the breadth and scope of the present invention is not limited by any of the above-described exemplary embodiments, but is defined only in accordance with the following claims and their equivalents.

本明細書に記載される全ての刊行物、特許および特許出願は、本発明が関する技術分野の当業者の技能のレベルを示し、それぞれの個々の刊行物、特許または特許出願が参照により援用されることが具体的にかつ個々に示されているのと同程度に、参照により本明細書に援用される。   All publications, patents and patent applications mentioned in this specification are indicative of the level of skill of those skilled in the art to which this invention pertains, and each individual publication, patent or patent application is incorporated by reference. To the same extent as specifically and individually indicated herein by reference.

Claims (39)

生成物アルコールを生成する微生物を含む発酵ブロスを提供する工程と;
前記発酵ブロスを少なくとも1つの抽出剤と接触させる工程と;
前記生成物アルコールを回収する工程と
を含む、発酵ブロスから生成物アルコールを回収するための方法。
Providing a fermentation broth comprising a microorganism that produces a product alcohol;
Contacting the fermentation broth with at least one extractant;
Recovering the product alcohol from the fermentation broth comprising recovering the product alcohol.
前記発酵ブロスを少なくとも1つの抽出剤と接触させる前記工程が、前記発酵装置、外部ユニット、またはその両方で行われる、請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, wherein the step of contacting the fermentation broth with at least one extractant is performed in the fermentation apparatus, an external unit, or both. 前記外部ユニットが抽出器である、請求項2に記載の方法。   The method of claim 2, wherein the external unit is an extractor. 前記抽出器が、サイフォン、デカンター、遠心分離機、重力沈降器、相分離器、ミキサーセトラー、カラム抽出器、遠心抽出器、撹拌抽出器、ハイドロサイクロン、スプレー塔、またはそれらの組合せから選択される、請求項3に記載の方法。   The extractor is selected from a siphon, decanter, centrifuge, gravity settler, phase separator, mixer settler, column extractor, centrifugal extractor, stirred extractor, hydrocyclone, spray tower, or combinations thereof The method according to claim 3. 前記少なくとも1つの抽出剤が、C〜C22の脂肪アルコール、C〜C22の脂肪酸、C〜C22の脂肪酸のエステル、C〜C22の脂肪アルデヒド、C〜C22の脂肪アミド、およびそれらの混合物から選択される、請求項1に記載の方法。 Wherein the at least one extraction agent, fatty alcohols C 7 -C 22, fatty acids C 7 -C 22, esters of fatty acids of C 7 -C 22, fatty aldehydes of C 7 -C 22, of C 7 -C 22 The method of claim 1, selected from fatty amides and mixtures thereof. 前記少なくとも1つの抽出剤が、オレイルアルコール、ベヘニルアルコール、セチルアルコール、ラウリルアルコール、ミリスチルアルコール、ステアリルアルコール、オレイン酸、ラウリン酸、リノール酸、リノレン酸、ミリスチン酸、ステアリン酸、オクタン酸、デカン酸、ウンデカン酸、ミリスチン酸メチル、オレイン酸メチル、1−ノナノール、1−デカノール、2−ウンデカノール、1−ノナナール、1−ウンデカノール、ウンデカナール、ラウリンアルデヒド、2−メチルウンデカナール、オレアミド、リノレアミド、パルミトアミド、ステアリルアミド、2−エチル−1−ヘキサノール、2−ヘキシル−1−デカノール、2−オクチル−1−ドデカノール、およびそれらの混合物から選択される、請求項1に記載の方法。   The at least one extractant is oleyl alcohol, behenyl alcohol, cetyl alcohol, lauryl alcohol, myristyl alcohol, stearyl alcohol, oleic acid, lauric acid, linoleic acid, linolenic acid, myristic acid, stearic acid, octanoic acid, decanoic acid, undecane Acid, methyl myristate, methyl oleate, 1-nonanol, 1-decanol, 2-undecanol, 1-nonanal, 1-undecanol, undecanal, laurinaldehyde, 2-methylundecanal, oleamide, linoleamide, palmitoamide, stearylamide The method of claim 1, selected from: 2-ethyl-1-hexanol, 2-hexyl-1-decanol, 2-octyl-1-dodecanol, and mixtures thereof. 親水性溶質が、前記発酵ブロスに加えられる、請求項6に記載の方法。   The method of claim 6, wherein a hydrophilic solute is added to the fermentation broth. 前記親水性溶質が、ポリヒドロキシル化化合物、ポリカルボン酸、ポリオール化合物、イオン性塩、またはそれらの混合物からなる群から選択される、請求項7に記載の方法。   8. The method of claim 7, wherein the hydrophilic solute is selected from the group consisting of polyhydroxylated compounds, polycarboxylic acids, polyol compounds, ionic salts, or mixtures thereof. 前記発酵ブロスを少なくとも1つの抽出剤と接触させる前記工程が、2つ以上の外部ユニットで行われる、請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, wherein the step of contacting the fermentation broth with at least one extractant is performed in two or more external units. 前記発酵ブロスを少なくとも1つの抽出剤と接触させる前記工程が、2つ以上の発酵装置で行われる、請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, wherein the step of contacting the fermentation broth with at least one extractant is performed in two or more fermentation apparatuses. 前記発酵装置が、相分離を向上させるための内部またはデバイスを含む、請求項10に記載の方法。   The method of claim 10, wherein the fermenter comprises an interior or device for improving phase separation. 前記内部またはデバイスが、コアレッサ、バッフル、有孔プレート、ウェル、ラメラセパレータ、円錐、またはそれらの組合せからなる群から選択される、請求項11に記載の方法。   12. The method of claim 11, wherein the interior or device is selected from the group consisting of coalescers, baffles, perforated plates, wells, lamellar separators, cones, or combinations thereof. リアルタイム測定が、生成物アルコールの抽出を監視するのに使用される、請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, wherein real time measurements are used to monitor product alcohol extraction. 生成物アルコールの抽出が、相分離のリアルタイム測定によって監視される、請求項13に記載の方法。   14. The method of claim 13, wherein product alcohol extraction is monitored by real-time measurement of phase separation. 相分離が、相分離の速度、抽出剤の液滴径、および/または発酵ブロスの組成を測定することによって監視される、請求項14に記載の方法。   15. The method of claim 14, wherein phase separation is monitored by measuring phase separation rate, extractant droplet size, and / or fermentation broth composition. 相分離が、伝導度測定、誘電率測定、粘弾性測定、または超音波測定によって監視される、請求項15に記載の方法。   16. The method of claim 15, wherein phase separation is monitored by conductivity measurement, dielectric constant measurement, viscoelasticity measurement, or ultrasonic measurement. 微生物を含む発酵ブロスを提供する工程が、2つ以上の発酵装置で行われる、請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, wherein the step of providing a fermentation broth comprising microorganisms is performed in two or more fermentation apparatuses. 前記生成物アルコールが、エタノール、プロパノール、ブタノール、ペンタノール、ヘキサノール、およびフーゼルアルコールから選択される、請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, wherein the product alcohol is selected from ethanol, propanol, butanol, pentanol, hexanol, and fusel alcohol. 前記微生物が、ブタノール生合成経路を含む、請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, wherein the microorganism comprises a butanol biosynthetic pathway. 前記ブタノール生合成経路が、1−ブタノール生合成経路、2−ブタノール生合成経路、またはイソブタノール生合成経路である、請求項19に記載の方法。   20. The method of claim 19, wherein the butanol biosynthetic pathway is a 1-butanol biosynthetic pathway, a 2-butanol biosynthetic pathway, or an isobutanol biosynthetic pathway. 前記微生物が組み換え微生物である、請求項19に記載の方法。   The method according to claim 19, wherein the microorganism is a recombinant microorganism. 発酵性炭素源、非溶解固体、油、および水を含む原料スラリーを提供する工程と;
前記原料スラリーを分離し、それによって、(i)発酵性炭素源を含む水溶液、(ii)固体を含むウェットケーキ、および(iii)油が形成される工程と;
前記水溶液を前記発酵ブロスに加える工程と
をさらに含む、請求項1に記載の方法。
Providing a raw slurry comprising a fermentable carbon source, an undissolved solid, oil, and water;
Separating the raw slurry, thereby forming (i) an aqueous solution containing a fermentable carbon source, (ii) a wet cake containing a solid, and (iii) an oil;
Adding the aqueous solution to the fermentation broth.
前記油が加水分解されて、脂肪酸が形成される、請求項22に記載の方法。   23. The method of claim 22, wherein the oil is hydrolyzed to form a fatty acid. 前記発酵ブロスが、前記脂肪酸と接触される、請求項23に記載の方法。   24. The method of claim 23, wherein the fermentation broth is contacted with the fatty acid. 前記油が、酵素によって加水分解される、請求項23に記載の方法。   24. The method of claim 23, wherein the oil is hydrolyzed enzymatically. 前記酵素が、1つ以上のリパーゼまたはホスホリパーゼである、請求項25に記載の方法。   26. The method of claim 25, wherein the enzyme is one or more lipases or phospholipases. 前記原料スラリーが、原料の加水分解によって生成される、請求項22に記載の方法。   23. The method of claim 22, wherein the raw slurry is produced by raw material hydrolysis. 原料が、ライ麦、小麦、トウモロコシ、サトウキビ、大麦、セルロース系またはリグノセルロース系材料、またはそれらの組合せから選択される、請求項27に記載の方法。   28. The method of claim 27, wherein the raw material is selected from rye, wheat, corn, sugar cane, barley, cellulosic or lignocellulosic materials, or combinations thereof. 前記原料スラリーが、デカンターボウル遠心分離、三相遠心分離、ディスクスタック遠心分離、ろ過遠心分離、デカンター遠心分離、ろ過、真空ろ過、ベルトフィルター、加圧ろ過、ふるいを用いたろ過、ふるい分け分離、格子、多孔質格子、浮遊法、ハイドロサイクロン、フィルタープレス、スクリュープレス、重力沈降器、ボルテックス分離器、またはそれらの組合せによって分離される、請求項22に記載の方法。   The raw slurry is decanter bowl centrifuge, three-phase centrifuge, disc stack centrifuge, filtration centrifuge, decanter centrifuge, filtration, vacuum filtration, belt filter, pressure filtration, sieving filtration, sieving separation, lattice 24. The method of claim 22, wherein the separation is by a porous grid, flotation method, hydrocyclone, filter press, screw press, gravity settler, vortex separator, or combinations thereof. 前記原料を分離する工程が、単一工程プロセスである、請求項22に記載の方法。   24. The method of claim 22, wherein the step of separating the feedstock is a single step process. 前記ウェットケーキが、前記水溶液と組み合わされる、請求項22に記載の方法。   24. The method of claim 22, wherein the wet cake is combined with the aqueous solution. 前記水溶液を触媒と接触させて、前記水溶液中の油を脂肪酸に転化する工程をさらに含む、請求項22に記載の方法。   23. The method of claim 22, further comprising contacting the aqueous solution with a catalyst to convert the oil in the aqueous solution to a fatty acid. 前記水溶液および脂肪酸が、前記発酵ブロスに加えられる、請求項32に記載の方法。   33. The method of claim 32, wherein the aqueous solution and fatty acid are added to the fermentation broth. 前記触媒が失活される、請求項32に記載の方法。   The method of claim 32, wherein the catalyst is deactivated. 1つ以上の発酵装置であって:
原料スラリーを受け入れるための入口;および
生成物アルコールを含む発酵ブロスを排出するための出口
を含む1つ以上の発酵装置と;
1つ以上の抽出器であって:
前記発酵ブロスを受け入れるための第1の入口;
抽出剤を受け入れるための第2の入口;
希薄な発酵ブロスを排出するための第1の出口;および
濃厚な抽出剤を排出するための第2の出口
を含む1つ以上の抽出器と
を含むシステム。
One or more fermentation equipments:
One or more fermenters including an inlet for receiving the raw slurry; and an outlet for discharging the fermentation broth containing the product alcohol;
One or more extractors:
A first inlet for receiving the fermentation broth;
A second inlet for receiving the extractant;
One or more extractors including a first outlet for discharging the lean fermentation broth; and a second outlet for discharging the rich extractant.
1つ以上の液化ユニットと;
1つ以上の分離手段と;
任意に、1つ以上の洗浄システムと
をさらに含む、請求項35に記載のシステム。
One or more liquefaction units;
One or more separation means;
36. The system of claim 35, optionally further comprising one or more cleaning systems.
前記分離手段が、デカンター遠心分離、三相遠心分離、ディスクスタック遠心分離、ろ過遠心分離、デカンター遠心分離、ろ過、真空ろ過、ベルトフィルター、加圧ろ過、膜ろ過、精密ろ過、ふるいを用いたろ過、ふるい分け分離、格子、多孔質格子、浮遊法、ハイドロサイクロン、フィルタープレス、スクリュープレス、重力沈降器、ボルテックス分離器、およびそれらの組合せから選択される、請求項36に記載のシステム。   The separation means is decanter centrifuge, three-phase centrifuge, disc stack centrifuge, filtration centrifuge, decanter centrifuge, filtration, vacuum filtration, belt filter, pressure filtration, membrane filtration, microfiltration, filtration using a sieve 37. The system of claim 36, selected from: sieving separation, grid, porous grid, flotation method, hydrocyclone, filter press, screw press, gravity settler, vortex separator, and combinations thereof. オンライン測定デバイスをさらに含む、請求項35に記載のシステム。   36. The system of claim 35, further comprising an online measurement device. 前記オンライン測定デバイスが、粒度分析器、フーリエ変換赤外線分光器、近赤外線分光器、ラマン分光器、高圧液体クロマトグラフィー、粘度計、密度計、張力計、液滴径分析器、pH計、溶解された酸素プローブ、またはそれらの組合せから選択される、請求項38に記載のシステム。   The online measuring device is a particle size analyzer, Fourier transform infrared spectrometer, near infrared spectrometer, Raman spectrometer, high pressure liquid chromatography, viscometer, density meter, tension meter, droplet size analyzer, pH meter, dissolved 40. The system of claim 38, wherein the system is selected from an oxygen probe, or a combination thereof.
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