JP5995964B2 - イソホロンによる生産物吸収を包含するabe発酵法 - Google Patents
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Description
それゆえ、例えば再生原料又はそのうえさらに、例えば二酸化炭素(CO2)又は一酸化炭素(CO)のようなガス状の炭素源に由来するものといった将来有望な炭素源を基礎とする代替的な製造法を開発することへの大きな関心がある。発酵プロセスは、プラットフォーム化学物質、特別な化学物質、それに燃料を製造するための代替法を提供することができる。
発酵による大部分の製造法における最大の問題は、発酵ブロスからの有機生産物の分離であり、なぜなら、これは非常に複雑であることが多く、なによりも高い含水量を有しているからである。多量の水はプロセス技術的な見地から所望されておらず、なぜなら、これらは方法においてたくさんのエネルギーを必要とするからである。クロストリジウム属(Clostridien)(例えば:クロストリジウム・アセトブチリカム(Clostridium acetobutylicum))による古典的なアセトン−ブタノール−エタノール(ABE)発酵は、例えば、低分子量の有機化合物を製造するための微生物学的な方法であり、すでに1916年から工業的に利用されており、発酵ブロス中で3:6:1の比において生産物のアセトン−ブタノール−エタノールを生んでいた。
この方法は、エネルギー需要が高いという欠点を有しており、なぜなら、冷却を連続的に保持しなければならないからである。更なる欠点は、冷却トラップ内では生産物が不十分にしか吸着されず、そのため、かなりの割合がトラップから再び排出され、かつ場合により発酵槽に返送され、それによって余計な製造阻害が起こり得ることである。
意想外にも、イソホロンによる低分子量の有機化合物の吸収を包含する以下に記載した方法が、本発明の設定した課題を解決できることを見出した。
イソホロンは、アセトンの縮合三量体生成物及び高沸点溶媒であり、それは、なかでも塗料、印刷インキ、接着剤及び農産物保護剤の産業において使用される。
本発明の更なる利点は、低分子量の有機化合物が再び非常に簡単にイソホロンから分離されえ、ひいては高純度で取得することができる点である。
本発明の更なる別の利点は、微生物の供給のために用いられるガスが同時にキャリアガスの役割も果たすことができる点であり、このことは、用いられるガスが、二酸化炭素、一酸化炭素、水素、合成ガス又は前述のガスの任意の混合物の割合を有する場合に殊に当てはまる。
さらに、本発明は、低分子量の生産物をインサイチューで発酵ブロスから除去することができ、ひいては発酵槽ブロス中で、存在する微生物に毒性作用を及ぼす可能性のある高い生産物濃度が生じ得ないという利点を有する。
A)低分子量の有機化合物を生産する微生物を包含する水溶液を準備する工程;
B)該水溶液中に少なくとも1種のガス又はガス混合物を導入する工程;
C)該ガス流を、イソホロン含有組成物に導出する工程;及び、場合により
D)該低分子量の有機化合物を、該イソホロン含有組成物から分離する工程
を包含する。
全てのパーセント(%)値は、別記しない限り、質量パーセントである。
別記しない限り、圧力、温度といった周囲パラメータに関しては標準条件を意図している。
係る遺伝子工学的に変異させられた微生物は、低分子量の有機化合物としてのアセトンの製造のために、例えばEP2181195に記載されている。この出願に開示される細胞は、本発明に従って有利には、アセトンを製造するための本発明による方法において用いられる。係る細胞は、殊に好気性条件下での製造法に適している。
低分子量の有機化合物としてアセトンを製造するための遺伝子工学的に変異させられた更なる微生物は、WO2010121849に記載されている。この出願に開示される細胞は、本発明に従って有利には、アセトンを製造するための本発明による方法において、殊に嫌気性条件下でのアセトンの製造法において用いられる。
低分子量の有機化合物としてブタノールを製造するための遺伝子工学的に変異させられた係る微生物は、WO2008124523、WO2008052973及びWO2008052596に記載されている。この出願に開示される細胞は、本発明に従って有利には、ブタノールを製造するための本発明による方法において用いられる。
低分子量の有機化合物としてエタノールを製造するための遺伝子工学的に変異させられた微生物は、WO2011003893及びWO2010130806に記載されている。この出願に開示される細胞は、本発明に従って有利には、エタノールを製造するための本発明による方法において用いられる。
有利には、このガス又はガス混合物は、空気、合成ガス、窒素、二酸化炭素、一酸化炭素、水素、酸素及びメタンを包含する群、有利には空気、合成ガス、窒素、二酸化炭素、一酸化炭素、水素、酸素及びメタンから成る群から選択される少なくとも1種を含む。
工程段階B)におけるこの変法において用いられるガス又はガス混合物は、有利には、窒素、空気、合成ガス、二酸化炭素、一酸化炭素、H2、メタンを包含する群、有利には窒素、空気、合成ガス、二酸化炭素、一酸化炭素、H2、メタンから成る群から選択される少なくとも1種である。
好ましく、かつそれゆえ有利なのは、イソホロン含有組成物を抜けるガス又はガス混合物が工程段階A)の水溶液に再び供給される場合である。
例えば、常圧での沸点は、アセトンについては56℃、水については100℃、イソホロンについては215℃である。
したがって、これと関連して、アセトン及びイソホロン含有組成物を含む系について、有利な温度は、イソホロン含有組成物からアセトンを分離するために、20℃〜75℃、殊に30〜60℃の範囲にあり、その際、温度はイソホロン含有組成物中で測定する。
これと関連して、有利な圧力は、0〜1.7bar、特に有利には0.9〜1.1barの範囲にある。
特に有利なのは、これと関連して、常圧(すなわち周囲圧力)と30〜60℃の範囲の温度の組合せである。
発酵槽水溶液からの有機成分(アセトン/エタノール/ブタノール)の単離を試験した。全ての例において、最大15質量%の有機割合(例えば:アセトン/エタノール/ブタノール)を有する、ほぼ水性の発酵槽溶液を使用し、該有機構成成分をガス流によって発酵槽からストリッピング除去した。最終的な精製及び生産物単離は、蒸留分離によって行った。
アセトン2.0質量%の有機割合を有する1リットルの水溶液を、2リットルの発酵槽に入れた。該発酵槽を200rpmで攪拌し、かつ1分間における反応器体積1当たりのストリッピングガス(Stripgas)体積0.6(vvm)をガス供給した。ストリッピングガスとして窒素を使用し、かつ発酵槽溶液の温度を34℃に調節した。ガス状のアセトンを濃縮し、ひいては単離するために、発酵槽に2つの冷却容器を下流で連結した。冷却容器の受け器を、そのためにドライアイス中で−78℃にて貯蔵し、かつ該冷却器は5℃に冷却した。
この実験を手がかりにして、アセトンを発酵槽からガスによってストリッピング除去できることを示し得た。5.5時間後には、僅かに1.0質量%までのアセトン(出発アセトン量の50%まで)が、23時間後には、僅かに0.1質量%までのアセトン(出発アセトン量の5%まで)が発酵槽水溶液中にあった。しかしながら、ストリッピング除去されたアセトンの冷却受け器中での回収率は、23時間後、<40%に過ぎず、すなわち、ストリッピングされたアセトンの60%超は、この手法では捕集及び単離することはできなかった。
アセトン0.5質量%の有機割合を有する1.4リットルの水溶液を、2リットルの発酵槽に入れた。該発酵槽を500rpmで攪拌し、かつ1分間における反応器体積1当たりのストリッピングガス体積0.2(vvm)をガス供給した。ストリッピングガスとして窒素を使用し、かつ発酵槽溶液の温度を30℃に調節した。冷却容器を下流で連結する代わりに、ガス流を、ジメチルスルホキシド(DMSO)溶媒が入れられた6つの連続してつなげた洗瓶−該洗瓶は発酵槽の下流に連結している−に、DMSO中でガス状のアセトンを吸収するために通した。最初の5つの洗瓶には200gのDMSOを入れており、6つ目の洗瓶には500gのDMSOを入れていた。より少ないガス供給率と、より少ない出発アセトン量に基づき、アセトンのストリッピング除去は、予期した通り、より緩慢に行われ、23時間後には、なお0.28質量%までのアセトン(出発アセトン量の55%まで)が、48時間後には、僅かに0.13質量%までのアセトン(出発アセトン量の27%まで)が発酵槽水溶液中にあった。連続してつなげたDMSO溶液によって、アセトン回収率は改善されたが、しかし、これは依然として明らかに低過ぎた。23時間後、ストリッピングされたアセトンの回収率は90%を下回っており、48時間後、僅かに74%に過ぎなかった。
アセトン5質量%、エタノール5質量%及び1−ブタノール5質量%の有機割合を有する0.3リットルの水溶液を、1リットルの発酵槽に入れた。該発酵槽を200rpmで攪拌し、かつ1分間における反応器体積1当たりのストリッピングガス体積0.1(vvm)をガス供給した。ストリッピングガスとして窒素を使用し、かつ発酵槽溶液の温度を30℃に調節した。冷却容器を下流で連結する代わりに、ガス流を、イソホロン溶媒が入れられた4つの連続してつなげた洗瓶−該洗瓶は発酵槽の下流に連結している−に、イソホロン中でガス状のアセトン、エタノール及びブタノールを吸収するために通した。洗瓶には、それぞれ300gのイソホロンを入れていた。28時間後には、なお2.50質量%までのアセトン(出発アセトン量の50%まで)、なお4.50質量%までのエタノール(出発エタノール量の90%まで)及び、なお4.60質量%までの1−ブタノール(出発ブタノール量の92%まで)が発酵槽水溶液中にあった。68時間後には、なお0.76質量%までのアセトン(出発アセトン量の15%まで)、なお4.03質量%までのエタノール(出発エタノール量の80%まで)及び、なお3.83質量%までの1−ブタノール(出発ブタノール量の76%まで)が発酵槽水溶液中にあった。連続してつなげたイソホロン溶液によって、アセトンの明らかな回収率の改善が見られ、それにエタノール及び1−ブタノールの回収率も、明らかに90%を上回っていた。28時間後には、ストリッピングされたアセトンの回収率は93%を上回り、ストリッピングされたエタノールの回収率は95%を上回り、ストリッピングされた1−ブタノールの回収率は96%を上回っていた。68時間後には、ストリッピングされたアセトンの回収率は92%を上回り、ストリッピングされたエタノールの回収率は93%を上回り、ストリッピングされた1−ブタノールの回収率は94%を上回っていた。
イソホロンに溶解したアセトン、エタノール及びブタノールを純物質として得るために、係る混合物を蒸留分離した。そのために、イソホロンに溶解したアセトン−エタノール−ブタノールの混合物(それぞれ5質量%)5リットルをしかけて常圧で蒸留により分離し、その際、塔の還流比は8:1であった。常圧での沸点は、アセトンについては56℃、エタノールについては78℃、1−ブタノールについては118℃であり、かつイソホロンについては215℃であった。ここで、ほぼ純粋なアセトン相だけでなく、純粋なエタノール相及びブタノール相が得られた。その際、個々の単離された相の純度分は、99%を超えるまでの純度であった。
Claims (12)
- 工程段階:
A)アセトン、ブタノールおよびエタノールから成る群から選択される少なくとも1種の低分子量の有機化合物を生産する微生物を包含する水溶液を準備する工程;
B)該水溶液中に少なくとも1種のガス又はガス混合物を導入する工程;
C)該ガス流を、イソホロン含有組成物に導出する工程;及び、場合により
D)該低分子量の有機化合物を、該イソホロン含有組成物から分離する工程
を包含する方法。 - 前記微生物が、クロストリジウム(Clostridium)、ザイモモナス(Zymomonas)、エシェリキア(Escherichia)、サルモネラ(Salmonella)、ロドコッカス(Rhodocuccus)、シュードモナス(Pseudomonas)、バチルス(Bacillus)、ラクトバチルス(Lactobacillus)、エンテロコッカス(Enterococcus)、アルカリゲネス(Alcaligenes)、クレブシエラ(Klebsiella)、パエニバチルス(Paenibacillus)、アルトロバクター(Arthrobacter)、コリネバクテリウム(Corynebacterium)、ブレビバクテリウム(Brevibacterium)、ピチア(Pichia)、カンジダ(Candida)、ハンゼヌラ(Hansenula)及びサッカロミセス(Saccharomyces)を包含する群の属、有利にはクロストリジウム、ザイモモナス、エシェリキア、サルモネラ、ロドコッカス、シュードモナス、バチルス、ラクトバチルス、エンテロコッカス、アルカリゲネス、クレブシエラ、パエニバチルス、アルトロバクター、コリネバクテリウム、ブレビバクテリウム、ピチア、カンジダ、ハンゼヌラ及びサッカロミセスから成る群の属から選択されていることを特徴とする、請求項1記載の方法。
- 前記ガス又はガス混合物が、空気、合成ガス、窒素、二酸化炭素、一酸化炭素、水素、酸素及びメタンを包含する群から選択されている少なくとも1種を含むことを特徴とする、請求項1または2記載の方法。
- 前記低分子量の有機化合物が、アセトンであることを特徴とする、請求項1から3までのいずれか1項記載の方法。
- 前記低分子量の有機化合物が、アセトン、エタノール及びブタノールであり、かつクロストリジウム・アセトブチリカム(Clostridium acetobutylicum)及びクロストリジウム・ベイジェリンキ(Clostridium beijerinckii)を微生物として用い、かつ窒素、空気、合成ガス、二酸化炭素、一酸化炭素、H2及びメタンを包含する群、有利には窒素、空気、合成ガス、二酸化炭素、一酸化炭素、H2及びメタンから成る群から選択されるガス又はガス混合物を用いることを特徴とする、請求項1から3までのいずれか1項記載の方法。
- 前記低分子量の有機化合物がアセトンであり、かつ微生物として、アセトンを、アセチル補酵素Aから出発して、
アセチルCoAからアセトアセチルCoAへの酵素反応、
アセトアセチルCoAからアセトアセテート及びCoAへの酵素反応、その際、該補酵素Aは、受容体分子に転用されない、及び
アセトアセテートからアセトン及びCO2への脱炭酸
を介して生産するものを用いることを特徴とする、請求項1から4までのいずれか1項記載の方法。 - 前記低分子量の有機化合物がアセトンであり、アセトンを二酸化炭素及び一酸化炭素を含む群から選択される少なくとも1種の炭素源から形成することができる酢酸産生微生物を用い、かつ工程段階B)において用いられる前記ガス又はガス混合物が、窒素、合成ガス、二酸化炭素、一酸化炭素及びH2を包含する群から選択される少なくとも1種であることを特徴とする、請求項1から4までのいずれか1項記載の方法。
- 工程段階C)において導出された前記ガス流を、空間的に切り離された複数のイソホロン含有組成物に通すことを特徴とする、請求項1から7までのいずれか1項記載の方法。
- 前記イソホロン含有組成物を抜ける前記ガス又はガス混合物を、工程段階A)の前記水溶液に再び供給することを特徴とする、請求項1から8までのいずれか1項記載の方法。
- 工程段階A)において、前記微生物が、前記低分子量の有機化合物を好気性条件下で生産し、かつ工程段階B)におけるガス又はガス混合物として、酸素元素を含むガス又はガス混合物を用いることを特徴とする、請求項1から9までのいずれか1項記載の方法。
- 工程段階A)において、前記微生物が、前記低分子量の有機化合物を嫌気性条件下で生産し、かつ工程段階B)において、酸素元素を含まないガス又はガス混合物を用いることを特徴とする、請求項1から10までのいずれか1項記載の方法。
- アセトン、ブタノールおよびエタノールから成る群から選択される少なくとも1種の低分子量の有機化合物を含むガス又はガス混合物からアセトン、ブタノールおよびエタノールから成る群から選択される少なくとも1種の低分子量の有機化合物を吸収するためのイソホロンの使用。
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