JP6347788B2 - 発酵プロセス - Google Patents
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Description
a.1種以上の微生物の培養物を含むバイオリアクターにおいて、COを含むガス状基質を発酵させて、1種以上の生成物を含む発酵ブロスを生成することと、
b.ブロスの少なくとも一部を、ブリードストリームを介してバイオリアクターから通すことと、
c.透過物ストリームの少なくとも一部を、バイオリアクターから通すことと、
d.ブリードストリームおよび/または透過物ストリームから1種以上の生成物の少なくとも一部を除去して、生成物枯渇ストリームを提供することと、
e.生成物枯渇ストリームを浄化モジュールに通すことであって、バイオマス、タンパク質、有機成分、または無機成分からなる群から選択される、生成物枯渇ストリームの1つ以上の成分の少なくとも一部が、生成物枯渇ストリームから除去されて、処理されたストリームを提供する、通すことと、
f.処理されたストリームの少なくとも一部を、バイオリアクターに通すことと、を含む方法が提供される。
a.本発明の第2の態様において、COを含む基質の微生物発酵のための方法であって、
a.1種以上の微生物の培養物を含むバイオリアクターにおいて、COを含むガス状基質を発酵させて、1種以上の生成物を含む発酵ブロスを生成することと、
b.ブロスの少なくとも一部を、ブリードストリームを介してバイオリアクターから通すことと、
c.透過物ストリームの少なくとも一部を、バイオリアクターから通すことと、
d.ブリードストリームおよび/または透過物ストリームから1種以上のアルコールの少なくとも一部を除去して、生成物枯渇ストリームを提供することと、
e.生成物枯渇ストリームを嫌気性消化段階に通すことであって、有機成分およびバイオマスからなる群から選択される1種以上の成分の少なくとも一部が、生成物枯渇ストリームから除去されて、処理されたストリームおよびガス状副生成物を提供する、通すことと、
f.処理されたストリームの少なくとも一部を、バイオリアクターに通すことと、
g.ステップ(e)のガス状副生成物の少なくとも一部を、微生物発酵の1つ以上のステップのための熱、エネルギーまたは炭素源として使用することとを含む方法が提供される。
a.第1の態様の実施形態は、本発明の第2の態様と類似している。
a.1種以上の酢酸生成微生物の培養物を含む第1のバイオリアクターにおいて、COを含む基質を発酵させて、1種以上のアルコールおよび任意選択でアセテートを含む発酵ブロスを生成することと、
b.ブロスの少なくとも一部を、ブリードストリームを介して第1のバイオリアクターから第2のバイオリアクターに通すことと、
c.透過物ストリームの少なくとも一部を、第1のバイオリアクターから第2のバイオリアクターに通すことと、
d.1種以上の酢酸生成微生物の培養物を含む第2のバイオリアクターにおいて、COを含む基質を発酵させて、1種以上のアルコールおよび任意選択でアセテートを含む発酵ブロスを生成することと、
e.ブロスの少なくとも一部を、ブリードストリームを介して第2のバイオリアクターから除去することと、
f.透過物ストリームの少なくとも一部を、第2のバイオリアクターから除去することと、
g.ブリードストリームおよび透過物ストリームを組み合わせて、組み合わされたストリームを生成することと、
h.組み合わされたストリームを処理して、1種または複数種の生成物の少なくとも一部を除去し、生成物枯渇ストリームを生成することと、
i.生成物枯渇ストリームを処理して、バイオマスおよびタンパク質の少なくとも一部を除去することと、
j.ステップ(i)の処理されたストリームを、ステップ(a)の1次バイオリアクターに通すことと、を含む方法が提供される。
a.1種以上の微生物の培養物を含むバイオリアクターにおいて、CO2およびH2を含むガス状基質を発酵させて、1種以上の酸を含む発酵ブロスを生成することと、
b.ブロスの少なくとも一部を、ブリードストリームを介してバイオリアクターから通すことと、
c.透過物ストリームの少なくとも一部を、バイオリアクターから通すことと、
d.ブリードストリームおよび/または透過物ストリームから1種以上の酸の少なくとも一部を除去して、酸枯渇ストリームを提供することと、
e.アセテート枯渇ストリームを浄化モジュールに通すことであって、バイオマス、タンパク質、有機成分、または無機成分からなる群から選択される、酸枯渇ストリームの1つ以上の成分の少なくとも一部が、生成物枯渇ストリームから除去されて、処理されたストリームを提供する、通すことと、
f.処理されたストリームの少なくとも一部を、バイオリアクターに通すことと、を含む方法が提供される。
別段に指定されない限り、以下の用語は、本明細書全体で使用される場合、以下のように定義される。
バイオマスは、任意の既知の手段により、バイオリアクターから出るブリードストリームから除去され得る。発酵ブロスからバイオマスを除去するための典型的な方法は、消化法、凝集および沈降を含むが、これらに限定されない。本発明のある特定の実施形態において、バイオマスの除去は必要ではない。
アルコール(エタノール)は、様々なプロセスにより、発酵ブロス、ブリードストリームまたは透過物ストリームから除去され得る。沸点および揮発性の違いに基づくアルコールの除去のための技術は、充填蒸留、蒸気ストリッピングおよび部分凝縮分離を含むが、これらに限定されない。アルコールはまた、圧力スイング蒸留およびパーベーパレーションにより除去され得る。圧力スイング蒸留およびパーベーパレーションは、分圧の違いに基づく分離をもたらす圧力変化環境内で動作する。アルコールを除去するための他の方法は、擬似移動床(SMB)、パーストラクションおよび液液抽出を含む。これらの方法は、エタノールに対する高い分子親和性の特性を示す固相および/または有機溶媒を利用して、ブロスまたはブリードからエタノール成分を除去する。
汚染物質もしくは不要な生成物をブロスストリームから濾過するために、またはバイオマス除去モジュールもしくはアルコール除去モジュールにより捕捉されない任意のバイオマスもしくはアルコールを捕捉するために、濾過モジュールが提供されてもよい。本発明のある特定の実施形態において、フィルタモジュールは、必要とされなくてもよい。濾過モジュールは、逆浸透ステップまたはナノ濾過ステップ等の1つ以上の濾過ステップを含み得る。濾過モジュールは、1種以上の有機成分、1種以上の無機成分、バイオマス成分、およびタンパク質成分を含む、バイオリアクターに戻されるストリームの1種以上の不要な成分の除去を目的としてもよい。
本発明のある特定の実施形態によれば、発酵ブロスが処理された透過物ストリームとしてバイオリアクターに再びリサイクルされる前に、バイオリアクターから出る発酵ブロス中の酢酸の少なくとも一部が除去される。酢酸は、任意の既知の手段により発酵ブロスから除去され得る。酢酸を除去するための1つのそのような方法は、好気性消化によるものである。好気性消化は、蒸留された透過物および廃棄物が反応器内で組み合わされ、酢酸、エタノールおよび2,3−ブタンジオールまたは他の有機成分をバイオマスおよびCO2に代謝することができる、酵母および/または細菌の混合物で植菌されるプロセスである。このプロセスはまた、副生成物として熱を生成する。酵母および細菌は、遠心分離または濾過等の方法により、ブロスから除去される。得られた「処理された透過物」は、次いで1次バイオリアクターに戻される。
バイオリアクターにリサイクルする前に、発酵ブロスの有機含有物を低減することが望ましくなり得る。そのような有機含有物は、エタノール、2,3−ブタンジオール、ブタノール、イソプロパノール、2,3−ブタンジオン、アセトインを含み得る。1つのそのような方法は、嫌気性消化である。別の方法は、好気性消化である。別の方法は、ナノ濾過である。別の方法は、逆浸透である。除去は、発酵に対する阻害、および/または気液物質移動に対する任意の悪影響を防止するために必要である。
本発明のある特定の実施形態は、1つ以上の産業プロセスにより生成されたガスストリームを使用するように構成される。そのようなプロセスは、製鉄プロセス、具体的には高CO含量または所定レベル(すなわち5%)を超えるCO含量を有するガスストリームを生成するプロセスを含む。そのような実施形態によれば、1つ以上のバイオリアクター内で酸および/またはアルコール、具体的にはエタノールまたはブタノールを生成するために、好ましくは酢酸生成細菌が使用される。当業者には、本開示を考慮して、本発明が、内燃機関を有する車両のガスストリームを含む様々な産業または廃棄ガスストリームに適用され得ることが認識される。また、当業者には、本開示を考慮して、本発明が、同じまたは異なる微生物を使用するものを含む他の発酵反応に適用され得ることが認識される。したがって、本発明の範囲は、説明された具体的実施形態および/または用途に限定されないことが意図され、その代わりより広い意味で理解されたいが、例えば、ガスストリームの源は制限的ではなく、それ以外に、少なくともその成分が発酵反応に供給するために使用可能である。本発明は、全体的炭素捕捉ならびに/またはCOを含むガス状基質からのエタノールおよび他のアルコールの生成を改善するための、特定の利用可能性を有する。ガス状基質からのエタノールおよび他のアルコールの生成のためのプロセスは既知である。例示的プロセスは、例えば、国際公開第WO2007/117157号、国際公開第WO2008/115080号、国際公開第WO2009/022925号、国際公開第WO2009/064200号、米国特許第6,340,581号、米国特許第6,136,577号、米国特許第5,593,886号、米国特許第5,807,722号および米国特許第5,821,111号に記載されるものを含み、これらはそれぞれ、参照により本明細書に組み込まれる。
発酵反応の生成物は、既知の方法を使用して回収され得る。例示的な方法は、国際公開第WO07/117157号、国際公開第WO08/115080号、米国特許第6,340,581号、米国特許第6,136,577号、米国特許第5,593,886号、米国特許第5,807,722号、および米国特許第5,821,111号に記載のものを含む。しかしながら、簡潔に説明すると、例示のみを目的として、エタノールは、分別蒸留または蒸発、および抽出発酵等の方法により、発酵ブロスから回収され得る。
本発明は、CO2およびH2含有産業燃焼排ガス等のガス状基質からのアセテートおよびエタノールの生成を補助することへの具体的な適用可能性を有する。1つのそのような種類のガスストリームは、典型的には50〜60%のCO2、20〜30%のH2、5〜15%のCO、および5〜15%のCH4を含有する、水素製造プラントからの排ガスである。CO2およびH2に富む排ガスをもたらす別の産業プロセスは、アンモニア製造である。同様のストリームが、任意の炭素系原料、例えば石油、石炭およびバイオマスの処理から生成される。本発明はまた、代替のアルコールを生成する反応にも適用可能である。
好ましくは、発酵のための炭素源は、水素と組み合わせて二酸化炭素を含むガス状基質であってもよい。同様に、ガス状基質は、産業プロセスの副生成物として得られた、またはいくつかの他の源から得られたCO2およびH2含有廃棄ガスであってもよい。世界中のCO2放出の最大の源は、発電所、産業施設および他の源における石炭、石油およびガス等の化石燃料の燃焼からのものである。
以前に述べたように、効率、酸および/もしくはアルコール生成、ならびに/または発酵反応の全体的炭素捕捉を改善するために、産業廃棄ストリームを1つ以上のさらなるストリームとブレンドすることが望ましくなり得る。
嫌気性細胞は、アセチル−CoA生化学的経路を介して、CO、CO2およびH2からエタノールおよび酢酸を生成することが示されている。
4H2+2CO2 −> CH3COOH+2H20
実施例
廃棄物リサイクル特許のための方法および材料
培地:
2リットルの反応器に、上記の表に指定される全ての金属、リン酸、ビタミンB溶液)、および3g/Lの酢酸アンモニウムを含有する1.5Lの培地を充填した。次いで、培地を「実際の製鉄所ガス」(約50%のCO、20%のCO2、28%のN2および2%のH2)を使用して脱気した。0.5MのNa2Sまたは0.12Mの(NH4)2SO3(pH6.0)を0.2mL/hの速度で添加して、植菌前の培地に硫黄を供給した。ORP(AgCl2)を、約2g/Lのバイオマスを用いた連続稼動種培養器からの200mLの培養物による植菌の前に、0.2MのCr2+でさらに−200mVに調節した。ヘッドスペース内のpH、ORP、ガス取り込みおよびH2Sを、次の数時間注意深く監視し、確実に始動を成功させた。
培養物の試料を1日4回採取し、分光光度計を使用して光学密度(600nmでの吸光度)を測定した。同じ試料から、アリコートをHPLC(Agilent)分析に供して、エタノール、酢酸、2,3−ブタンジオール、乳酸、およびリン酸を定量した。流入および流出ガスストリームのガス組成は、マイクロGC(Varian)上で1時間毎に分析して、異なるガスを定量し、ガス(CO)消費を監視した。
透過物は、中空繊維膜を通して連続的に発酵ブロスを循環させ、培地流入速度の約50%の速度で濾液を除去することにより得られる。両方の発酵槽において細胞がリサイクルされる2段発酵槽システムの反応器2からの透過物であって、反応器1からの廃棄物および透過物の両方が反応器2に供給される透過物が収集された。透過物は蒸留され、フィルタを通して濾過された。蒸留プロセスの間、エタノールおよび溶解したタンパク質が除去され、一方酢酸および2,3−ブタンジオールは透過物中に残留した。LS03ビタミンB溶液を添加し(20mL/L塩、新鮮な培地の調製のために行ったのと同様に金属を添加した。この蒸留された透過物は、次いで、2段発酵槽システムの反応器1内に再び供給された。最初は、反応器性能に明確な変化は観察されなかった。蒸留された透過物の供給が開始された後、酢酸の生成速度の低下が観察された。実験は、240時間続いた。両方の発酵槽内の細菌の生存能力は、実験のいかなる段階においても影響されなかった。9日目において、ガスの取り込みは、両方の発酵槽において低下し始めた。通常通り、水素取り込みが初めに/最も明らかに影響された。10日目において、「第2ラウンドの透過物」がバイオリアクターに供給された。第2ラウンドの透過物は、反応器が上述の蒸留された透過物に対して稼動している間収集された。
この実験において、2段反応器システムの反応器2からの透過物および廃棄物(1/1の比)を、100%培地リサイクル実験のために収集した。廃棄物を75℃に加熱し、次いで一晩沈殿させて、バイオマス/タンパク質を除去した。その後、沈殿した廃棄物および透過物を蒸留してエタノールを除去した。この実験において、硫黄源としてのNa2Sは、Na2Sを濃縮H3PO4中に滴下し、最終的にH2Sがガス流入と共に発酵槽内に運ばれることによって置換された。これにより、廃棄物中のナトリウム負荷が低減され、処理された廃棄物が発酵槽内に再び戻される際の潜在的問題としての過剰のナトリウムが排除される。
以下に、本願の当初の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
[1]
COを含む基質の微生物発酵における炭素捕捉を改善するための方法であって、
h.1種以上の微生物の培養物を含むバイオリアクターにおいて、COを含むガス状基質を発酵させて、1種以上の生成物を含む発酵ブロスを生成することと、
i.前記発酵ブロスの少なくとも一部を、ブリードストリームを介して前記バイオリアクターから通すことと、
j.透過物ストリームの少なくとも一部を、前記バイオリアクターから通すことと、
k.前記ブリードストリームおよび/または透過物ストリームから前記1種以上の生成物の少なくとも一部を除去して、生成物枯渇ストリームを提供することと、
l.前記生成物枯渇ストリームを浄化モジュールに通すことであって、バイオマス、タンパク質、有機成分、または無機成分からなる群から選択される、前記生成物枯渇ストリームの1つ以上の成分の少なくとも一部が、前記生成物枯渇ストリームから除去されて、処理されたストリームを提供する、通すことと、
m.前記処理されたストリームの少なくとも一部を、前記バイオリアクターに通すことと
を含む方法。
[2]
前記1種以上の生成物は、アルコールまたは酸である、[1]に記載の方法。
[3]
前記1種以上の生成物は、エタノール、酢酸または2,3−ブタンジオールからなる群から選択される、[1]または[2]に記載の方法。
[4]
ステップ(d)において除去される前記1種以上の生成物の少なくとも一部は、蒸留プロセスにより除去される、[1]〜[3]のいずれかに記載の方法。
[5]
前記浄化モジュールは、嫌気性消化モジュールを含む、[1]〜[4]のいずれかに記載の方法。
[6]
前記浄化モジュールは、バイオマス除去モジュール、有機成分除去モジュール、無機成分除去モジュール、酸除去モジュールまたは滅菌モジュールの少なくとも1つを含む、[1]〜[5]のいずれかに記載の方法。
[7]
前記嫌気性消化モジュールは、メタンおよび二酸化炭素を含むガス状基質を生成する、[5]に記載の方法。
[8]
前記嫌気性消化により生成された前記メタンは、炭素、熱またはエネルギー源として使用される、[7]に記載の方法。
[9]
前記メタンは、COを生成するメタンの改質、浸透および/またはブリードストリームから1種以上の生成物を除去するための蒸留プロセスの直接的もしくは間接的加熱、ガスタービンを使用した発電からなる群から選択されるプロセスにおいて使用される、[7]または[8]に記載の方法。
[10]
前記ブリードストリームおよび/または透過物ストリームの1種以上の成分は、前記ストリームが前記バイオリアクターに再び通される前に還元される、[1]〜[9]のいずれかに記載の方法。
[11]
処理されたストリームまたは浄化されたストリームが前記バイオリアクターに再び通される前に、液体栄養培地の1種以上の成分が前記処理または浄化されたストリームに添加される、[1]〜[10]のいずれかに記載の方法。
[12]
前記バイオリアクターは、二段反応器システムである、[11]に記載の方法。
[13]
前記発酵は、連続発酵である、[1]〜[12]のいずれかに記載の方法。
[14]
ブリードストリームおよび/または透過物の捕捉および処理は、連続プロセスである、[1]〜[13]に記載の方法。
[15]
前記微生物は、A.ウッディであり、前記ガス状基質は、CO 2 およびH 2 であり、前記1種以上の生成物は、酢酸である、[1]〜[14]のいずれかに記載の方法。
Claims (12)
- ガス状基質の微生物発酵のための方法であって、
a.CO;
CO 2 およびH 2 ;または
CO、CO 2 およびH 2
を含むガス状基質を、液体栄養培地中の少なくとも1種の微生物の培養物を含むバイオリアクターに供給し、ガス状基質を発酵させて、少なくとも1種の生成物を生成することと、
b.バイオリアクターから、ブリードストリームの少なくとも一部を生成物回収手段に通すことと、
c.バイオリアクターから、透過物ストリームの少なくとも一部を生成物回収手段に通すことと、
d.ブリードストリーム、透過物ストリーム、またはその混合物のいずれかからの少なくとも1種の生成物の少なくとも一部を除去して生成物枯渇ストリームを提供することと、
e.生成物枯渇ストリームを浄化モジュールに通し、処理されたストリームを提供することと、
f.処理されたストリームの少なくとも一部を、バイオリアクターに通すことと
を含み、
浄化モジュールは、バイオマス除去モジュール、有機物除去モジュール、無機物除去モジュール、フィルタモジュール、または滅菌モジュールの少なくとも1つを備え、
バイオマス、タンパク質、有機成分、または無機成分からなる群から選択される1種以上の成分の少なくとも一部は、前記浄化モジュールにより前記生成物枯渇ストリームから除去され、前記処理されたストリームが提供される、方法。 - 前記生成物回収手段は、蒸留手段を備え、前記少なくとも1種の生成物の少なくとも一部は、蒸留プロセスにより除去される、請求項1に記載の方法。
- 前記浄化モジュールは、酸除去モジュールをさらに含み、前記処理されたストリームは、10g/L未満の酸濃度を有する、請求項1に記載の方法。
- 前記処理されたストリームは、4g/L未満の酸濃度を有する、請求項3に記載の方法。
- 前記処理された蒸気が前記バイオリアクターに再び通される前に、1種以上の栄養物、金属または塩が前記処理されたストリームに添加される、請求項1に記載の方法。
- 1種以上の栄養物、金属または塩は、鉄、カリウム、カルシウム、マグネシウム、ホウ素、コバルト、クロム、マンガン、モリブデン、ナトリウム、ニッケル、セレン、亜鉛、塩化物、リン、硫化物、窒素、タングステンおよびビタミンBからなる群から選択される、請求項5に記載の方法。
- 前記少なくとも1種の生成物は、エタノール、ブタノール、プロパノール、プロピオネート、2,3−ブタンジオール、酢酸、酪酸およびプロピオン酸からなる群から選択される、請求項1に記載の方法。
- 前記1種以上の微生物は、カルボキシド栄養性酢酸生成細菌である、請求項1に記載の方法。
- ブリードストリームおよび/または透過物の処理は、連続プロセスである、請求項1〜8のいずれかに記載の方法。
- 前記浄化モジュールは、嫌気性消化モジュール、好気性消化モジュール、および濾過モジュールからなる群から選択されるバイオマス除去モジュールである、請求項1に記載の方法。
- 前記生成物枯渇ストリームは、嫌気性消化モジュールとして定義される少なくとも1種の浄化モジュールに通され、バイオマスおよび/またはタンパク質の少なくとも一部を消費してCO2およびメタンを含むガス状副生成物を提供する、請求項1に記載の方法。
- 嫌気性消化により生成された前記メタンは、炭素、熱またはエネルギー源として使用される、請求項11に記載の方法。
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