KR101317447B1 - 알코올 제조 방법 - Google Patents

알코올 제조 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR101317447B1
KR101317447B1 KR1020127021255A KR20127021255A KR101317447B1 KR 101317447 B1 KR101317447 B1 KR 101317447B1 KR 1020127021255 A KR1020127021255 A KR 1020127021255A KR 20127021255 A KR20127021255 A KR 20127021255A KR 101317447 B1 KR101317447 B1 KR 101317447B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
fermentation
delete delete
ethanol
potential
fermentation broth
Prior art date
Application number
KR1020127021255A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20120125497A (ko
Inventor
윌 데이비드 바커
제이슨 칼 브롬리
크리스토프 다니엘 미할케아
Original Assignee
란자테크 뉴질랜드 리미티드
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 란자테크 뉴질랜드 리미티드 filed Critical 란자테크 뉴질랜드 리미티드
Publication of KR20120125497A publication Critical patent/KR20120125497A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101317447B1 publication Critical patent/KR101317447B1/ko

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12P—FERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
    • C12P7/00—Preparation of oxygen-containing organic compounds
    • C12P7/02—Preparation of oxygen-containing organic compounds containing a hydroxy group
    • C12P7/04—Preparation of oxygen-containing organic compounds containing a hydroxy group acyclic
    • C12P7/06—Ethanol, i.e. non-beverage
    • C12P7/065—Ethanol, i.e. non-beverage with microorganisms other than yeasts
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12P—FERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
    • C12P1/00—Preparation of compounds or compositions, not provided for in groups C12P3/00 - C12P39/00, by using microorganisms or enzymes
    • C12P1/04—Preparation of compounds or compositions, not provided for in groups C12P3/00 - C12P39/00, by using microorganisms or enzymes by using bacteria
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M35/00—Means for application of stress for stimulating the growth of microorganisms or the generation of fermentation or metabolic products; Means for electroporation or cell fusion
    • C12M35/02—Electrical or electromagnetic means, e.g. for electroporation or for cell fusion
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12N—MICROORGANISMS OR ENZYMES; COMPOSITIONS THEREOF; PROPAGATING, PRESERVING, OR MAINTAINING MICROORGANISMS; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING; CULTURE MEDIA
    • C12N1/00—Microorganisms, e.g. protozoa; Compositions thereof; Processes of propagating, maintaining or preserving microorganisms or compositions thereof; Processes of preparing or isolating a composition containing a microorganism; Culture media therefor
    • C12N1/20—Bacteria; Culture media therefor
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12N—MICROORGANISMS OR ENZYMES; COMPOSITIONS THEREOF; PROPAGATING, PRESERVING, OR MAINTAINING MICROORGANISMS; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING; CULTURE MEDIA
    • C12N13/00—Treatment of microorganisms or enzymes with electrical or wave energy, e.g. magnetism, sonic waves
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12P—FERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
    • C12P7/00—Preparation of oxygen-containing organic compounds
    • C12P7/02—Preparation of oxygen-containing organic compounds containing a hydroxy group
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12P—FERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
    • C12P7/00—Preparation of oxygen-containing organic compounds
    • C12P7/02—Preparation of oxygen-containing organic compounds containing a hydroxy group
    • C12P7/04—Preparation of oxygen-containing organic compounds containing a hydroxy group acyclic
    • C12P7/06—Ethanol, i.e. non-beverage
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12P—FERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
    • C12P7/00—Preparation of oxygen-containing organic compounds
    • C12P7/02—Preparation of oxygen-containing organic compounds containing a hydroxy group
    • C12P7/04—Preparation of oxygen-containing organic compounds containing a hydroxy group acyclic
    • C12P7/06—Ethanol, i.e. non-beverage
    • C12P7/08—Ethanol, i.e. non-beverage produced as by-product or from waste or cellulosic material substrate
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12P—FERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
    • C12P7/00—Preparation of oxygen-containing organic compounds
    • C12P7/40—Preparation of oxygen-containing organic compounds containing a carboxyl group including Peroxycarboxylic acids
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12P—FERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
    • C12P7/00—Preparation of oxygen-containing organic compounds
    • C12P7/40—Preparation of oxygen-containing organic compounds containing a carboxyl group including Peroxycarboxylic acids
    • C12P7/54—Acetic acid
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12R—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES C12C - C12Q, RELATING TO MICROORGANISMS
    • C12R2001/00—Microorganisms ; Processes using microorganisms
    • C12R2001/01—Bacteria or Actinomycetales ; using bacteria or Actinomycetales
    • C12R2001/145—Clostridium
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E50/00—Technologies for the production of fuel of non-fossil origin
    • Y02E50/10—Biofuels, e.g. bio-diesel

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Wood Science & Technology (AREA)
  • Zoology (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
  • Genetics & Genomics (AREA)
  • Biotechnology (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microbiology (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Cell Biology (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Virology (AREA)
  • Mycology (AREA)
  • Tropical Medicine & Parasitology (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Preparation Of Compounds By Using Micro-Organisms (AREA)

Abstract

본 발명은 CO 및/또는 H2를 함유하는 가스상 기질의 미생물 발효에 있어서 탄소 포획 효율을 향상시키기 위한 방법에 관한 것으로; 상기 방법은 발효물에 전위를 인가하는 것을 포함한다. 특정 측면에서, 본 발명은 CO 및/또는 H2를 함유하는 가스상 기질의 미생물 발효에 있어서 탄소 포획 효율을 향상시켜 알코올(들) 및/또는 산(들)을 제조하는 것에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 일산화탄소 영양 발효에 있어서 탄소 포획 효율을 향상시키기 위한 방법에 관한 것이다.

Description

알코올 제조 방법 {ALCOHOL PRODUCTION PROCESS}
본 발명은 일반적으로는 미생물 발효에 의한 생성물의 제조 방법에 관한 것이고, 특히 알코올의 제조 방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 일산화탄소 영양 발효 (carboxydotrophic fermentation)에 있어서 탄소 포획 효율을 향상시키기 위한 방법에 관한 것이다.
에탄올은 수소가 풍부한 주요 수송용 액상 연료로서 급속하게 전세계적으로 각광받고 있다. 2005년 전세계의 에탄올 소비량은 122억 갤런에 달하는 것으로 평가되었다. 에탄올 연료 산업의 세계적 시장은 또한 유럽, 일본, 미국 및 일부 개발도상국에서 에탄올에 대한 관심이 증가되고 있기에 장래 가파르게 성장을 계속할 것으로 예상된다.
예를 들어, 미국에서는, 에탄올이 가솔린에 에탄올을 10% 혼합한 혼합물, E10을 제조하는데 사용된다. E10 혼합물에서, 에탄올 성분은 연소 효율을 증진시키고 공기 오염원 발생을 감소시키는 산소 처리제 (oxygenating agent)로 작용한다. 브라질에서는, 에탄올이 가솔린에 혼합되는 산소 처리제로서 및 그 자체 순수 연료로서 수송용 연료 수요의 대략 30%를 충족시킨다. 또한, 유럽의 경우, 온실 가스 (GHG) 방출 결과를 둘러싼 환경에 관한 관심으로 인하여, 유럽 연합 (EU)의 회원국에서는, 바이오매쓰에 기원하는 에탄올과 같이 환경 파괴 없이 지속 가능한 수송용 연료의 소비가 강제되고 있다.
에탄올 연료의 막대한 대부분은 주요 탄소 공급원으로서 사탕수수로부터 추출한 자당 또는 곡물로부터 추출한 녹말 등의 작물 유래 탄수화물을 사용하는 전통적인 효모계 발효 공정을 통하여 생산되고 있다. 그러나, 이들 탄수화물 공급 원료의 단가는 인간이 필요로 하는 식량이나 동물 사료로서의 그들의 가치에 의하여 영향을 받고, 에탄올 생산을 위한 녹말 또는 자당 생산용 작물의 재배는 모든 지역에서 경제적으로 지속 가능한 것이 아니다. 그러므로, 적은 비용으로 및/또는 더 많은 탄소 원료를 에탄올 연료로 변환하는 기술을 개발하는 것이 관심사이다.
CO는 석탄 또는 석유 및 석유 유래 제품 등 유기 물질의 불완전 연소시 생성되는 주요한 부산물로서 에너지가 풍부한 공짜 물질이다. 예를 들어, 호주의 철강 산업은 연간 500,000톤 이상의 CO를 만들어내고 대기중으로 배출하는 것으로 보고되었다.
주로 CO 및/또는 CO와 수소 (H2)로 이루어지는 가스를 다양한 연료 및 화학물질로 전환시키는데 촉매공정이 이용될 수 있다. 이들 생물학적 공정은, 일반적으로 화학 반응보다 더딤에도 불구하고 높은 특이성, 높은 수율, 낮은 에너지 비용 및 독성에 대한 큰 저항성 등 촉매 공정과 비교할 때 몇 가지 장점을 가진다.
유일한 탄소원으로서 CO 상에서 미생물이 생장하는 능력은 1903년에 처음 발견되었다. 이것은 독립 영양 생장 아세틸 코엔자임 A (acetyl CoA) 생화학적 경로 [Woods-Ljungdahl 경로 및 일산화탄소 탈수소효소/아세틸 CoA 합성효소 (CODH/ACS) 경로라고도 알려져 있음]를 사용하는 미생물들의 특징이라는 것이 후에 알려졌다. 일산화탄소 영양 미생물, 광합성 미생물, 메탄 생성 미생물 및 아세토젠 미생물을 비롯한 혐기성 미생물의 대다수는 CO를 여러 가지 최종 산물, 예컨대 CO2, H2, 메탄, n-부탄올, 아세테이트 및 에탄올로 대사시키는 것으로 나타났다. 이러한 모든 미생물은 유일한 탄소원으로서 CO를 사용하면서 이들 최종 생성물 중 2종 이상을 생산한다.
클로스트리듐 (Clostridium)속에 속하는 혐기성 박테리아는 아세틸 CoA 생화학적 경로를 통해 CO, CO2 및 H2로부터 에탄올을 생산하는 것으로 입증되었다. 예컨대, WO 00/68407호, EP 117309호, US 특허 제 5,173,429호, 5,593,886호, 및 6,368,819호, WO 98/00558호 및 WO 02/08438호에는 여러 가지 가스로부터 에탄올을 생산하는 다양한 클로스트리듐 륭달리 (Clostridium ljungdahlii) 균주가 설명되어 있다. 클로스트리듐 오토에타노게눔 종 (Clostridium autoethanogenum sp) 박테리움 역시 다양한 가스로부터 에탄올을 생성하는 것으로 알려져 있다 (Abrini 외, Archives of Microbiology 161, pp 345-351 (1994)).
그러나, 가스의 미생물 발효를 통한 에탄올 제조는 언제나 아세테이트 및/또는 아세트산의 동시 제조와 관련이 있다. 이용 가능한 탄소 중 일부는 에탄올보다는 아세테이트/아세트산으로 전환되기 때문에, 이러한 발효 공정을 이용한 에탄올의 제조의 효율은 원하는 수준보다 낮을 수 있다. 또한, 상기 아세테이트/아세트산 부산물이 일부 다른 목적에 사용될 수 없다면, 폐기물 처리 문제를 야기할 수 있다. 아세테이트/아세트산은 미생물을 통해 메탄으로 전환되기 때문에, GHG 방출에 기여할 가능성이 있다.
유일한 탄소원 및 에너지원으로 일산화탄소를 이용하는 미생물의 능력과 관련되어 있는 몇 가지 효소들은 그 활성에 금속 보조 인자 (metal co-factor)를 필요로 하는 것으로 알려져 있다. 활성에 금속 보조 인자의 결합을 요하는 핵심 효소로는 일산화탄소 탈수소효소 (CODH), 및 아세틸-CoA 합성효소 (ACS)를 들 수 있다.
본 발명에 참고로 통합된 WO 2007/117157호, WO 2008/115080호, WO 2009/022925호, WO 2009/058028호, WO 2009/064200호, WO 2009/064201호 및 WO 2009/113878호에는 일산화탄소를 함유하는 가스를 혐기적으로 발효시킴으로써 알코올, 특히 에탄올을 생산하는 공정이 설명되어 있다. WO 2007/117157호에 개시되어 있는 발효 공정의 부산물로서 생산된 아세테이트는 수소 가스와 일산화탄소 가스로 전환되고 이들 중 한 가지 또는 두 가지 모두는 혐기성 발효 공정에 이용될 수 있다. WO 2009/022925호에는 CO를 함유하는 기질을 발효에 의하여 산 및 알코올 등의 생산물로 전환시키는데 있어서 pH 와 ORP의 효과가 설명되어 있다. WO 2009/058028호에는 발효에 의하여 알코올 등의 생산물을 생산하기 위한 산업 폐기 가스의 용도가 설명되어 있다. WO 2009/064200호에는 CO의 담체 및 발효에 있어서의 CO의 용도가 설명되어 있다. WO 2009/113878호에는 CO를 함유하는 기질의 발효 과정 중 산의 알코올로의 전환이 설명되어 있다.
CO 및/또는 CO2를 함유하는 기질의 발효는 탄소를 미생물 세포 매쓰 (cell mass) 및/또는 에탄올과 같은 생성물에 고정시키기 위하여 에너지 (통상적으로 '환원 당량'으로 일컬음)를 필요로 한다. 탄소의 세포 매쓰 및 생성물로의 고정화를 위하여 요구되는 환원 당량은 통상적으로 CO 및/또는 H2의 산화를 통하여 유래한다. H2가 없으면, 모든 환원 당량은 CO의 CO2로의 산화로부터 유래한다. 수소 이용이 가능한 경우, H2의 적어도 일부가 환원 당량을 생성하는데 사용될 수 있고 더 적은 양의 CO가 CO2로 산화되게 된다. 사용 가능한 H2가 충분한 극단적인 경우, CO 및/또는 CO2의 모든 탄소가 세포 매쓰 및 알코올과 같은 생성물 내로 고정될 수 있고, 환원 당량은 모두 H2로부터 유래할 수 있다. CO2가 생성되는 경우, 고정되기보다는 발효 시스템으로부터 배출되기 때문에 이는 탄소 포획의 비효율을 나타내는 것이다. 본 발명의 목적은 전술한 단점들 중 적어도 일부를 극복하는 방법을 제공하거나 적어도 공중에게 유용한 선택을 제공함에 있다.
발명의 요약
본 발명의 제1 광의의 측면에 있어서, Wood-Ljungdahl 경로를 통하여 일산화탄소 영양 발효시 탄소 포획 효율을 향상시키는 방법이 제공되고, 이 방법은 발효물에 전위를 인가하는 것을 포함한다. 특정한 실시 상태에 있어서, 탄소는 CO 및/또는 CO2를 세포 매쓰 및/또는 생성물 내로 고정화함으로써 포획된다.
특정 실시 상태에 있어서, 발효에 의하여 생성되는 생성물은 산 및/또는 알코올이다.
제2 광의의 측면에 있어서, CO를 함유하는 기질의 발효시 미생물의 생장을 증가시키는 방법이 제공되고, 이 방법은 발효물에 전위를 인가하는 것을 포함한다.
특정 실시 상태에 있어서, 미생물 생장률은 5% 이상 증가한다. 특정 실시 상태에 있어서, 미생물 생장률은 10% 이상 증가한다. 특정 실시 상태에 있어서, 미생물 생장률은 15% 이상 증가한다. 특정 실시 상태에 있어서, 미생물 생장률은 20% 이상 증가한다.
제1 관점 및 제2 관점의 특정 실시 상태에 있어서, 전위는 전기 분해에 의하여 발효물에 인가된다. 특정 실시 상태에 있어서, 전기 분해는 2개의 전극을 통하여 20 V에 이르는 전압으로 직류를 흘려보내는 것을 포함한다. 특정 실시 상태에 있어서, 2 V 이상, 또는 4 V 이상, 또는 6 V 이상, 또는 8 V 이상, 또는 10 V 이상, 또는 15 V 이상, 또는 20 V 이상의 전위가 인가된다. 본 발명의 특정 실시 상태에 있어서, 전위는 전해질을 통한 실질적인 정전류가 대략 1 mA, 또는 대략 2 mA, 또는 대략 3 mA, 또는 대략 4 mA, 또는 대략 5 mA, 또는 대략 6 mA, 또는 대략 7 mA, 또는 대략 8 mA, 또는 대략 9 mA, 또는 대략 10 mA로 유지되도록 제어될 수 있다.
제1 관점 및 제2 관점의 특정 실시 상태에 있어서, 상기 방법은 발효 배양액에 하나 이상의 전자 셔틀 매개자(들) (electron shuttle mediator (s))를 첨가하는 것을 포함한다. 또는, 발효는 하나 이상의 전자 셔틀 매개자 없이도 수행될 수 있다.
본 발명의 또 다른 관점에 있어서, CO 및/또는 H2를 함유하는 기질의 발효 방법이 제공되는데, 여기서 CO 및/또는 H2의 적어도 일부는 하나 이상의 환원 당량을 생산하는데 사용된다. 본 발명의 이러한 관점에 따른 방법은 상기 하나 이상의 환원 당량을 생산하는데 사용되는 CO 및/또는 H2의 양을 저감시키거나 감소시킬 수 있도록 발효조에 하나 이상의 전자를 제공하는 것을 포함한다.
본 발명의 실시 상태는 CO를 함유하는 가스상 기질의 발효에 의하여 산 및 알코올, 특히 에탄올의 생산에 특히 활용될 수 있다. 상기 기질은 공업적 공정의 부산물로서 얻어지는 가스를 함유할 수 있다. 특정 실시 상태에 있어서, 상기 공업적 공정은 철 금속 제품 제조, 비철 금속 제품 제조, 석유 정제 공정, 바이오매쓰의 가스화, 석탄의 가스화, 전기력 생산, 카본 블랙 생산, 암모니아 생산, 메탄올 생산 및 코크스 제조로 이루어진 군으로부터 선택된다. 본 발명의 한 가지 실시 상태에 있어서, 상기 가스상 기질은 합성 가스 (syngas)이다. 한 가지 실시 상태에 있어서, 상기 가스상 기질은 스틸 밀 (steel mill)로부터 얻어지는 가스를 포함한다.
제1 관점 및 제2 관점의 특정 실시 상태에 있어서, CO-함유 기질은 통상적으로 CO를 주로 함유하고, 예컨대 적어도 약 20 부피% 내지 약 100 부피%, 40 부피% 내지 95 부피%, 40 부피% 내지 60 부피%, 45 부피% 내지 55 부피%이다. 특정 실시 상태에 있어서, 상기 기질은 약 25 부피%, 또는 약 30 부피%, 또는 약 35 부피%, 또는 약 40 부피%, 또는 약 45 부피%, 또는 약 50 부피%, 또는 약 55 부피%, 또는 약 60 부피%의 CO를 함유한다. 6%와 같이 CO의 농도가 낮은 기질도 역시 적절할 수 있는데, 특히 H2 및 CO2가 동시에 존재하는 경우에 그러하다.
다양한 실시 상태에 있어서, 발효는 하나 이상의 일산화탄소 영양 박테리아 균주의 배양체를 사용하여 수행된다. 다양한 실시 상태에 있어서, 상기 이산화탄소 영양 박테리움은 클로스트리듐 (Clostridium), 무렐라 (Moorella), 옥소박터 (Oxobacter), 펩토스트렙토코쿠스 (Peptostreptococcus), 아세토박테리움 (Acetobacterium), 유박테리움 (Eubacterium) 또는 부티리박테리움 (Butyribacterium)으로부터 선택된다. 한 가지 실시 상태에 있어서, 상기 일산화탄소 영양 박테리움은 클로스트리듐 오토에타노게눔 (Clostridium autoethanogenum)이다.
본 발명의 또 다른 실시 상태에 있어서, CO 및/또는 CO2 및 임의로 H2를 함유하는 기질을 발효 배양액에 도입하기 위한 수단 및 발효 배양액에 전위를 인가하기 위한 수단을 포함하는 전기화학적 바이오리액터가 제공된다. 특정 실시 상태에 있어서, 상기 전위를 인가하기 위한 수단은 발효 배양액에 원하는 전류가 유지될 수 있도록 제어 가능하다.
특정 실시 상태에 있어서, 상기 전기화학적 바이오리액터는 발효 배양액이 반쪽 전지 내에서 유지될 수 있도록 설정된다. 특정 실시 상태에 있어서, 상기 반쪽 전지는 산소를 배제한다.
또한, 본 발명은 본 출원의 명세서에 언급되고 표시된 부분, 요소 및 특징을, 각각 또는 통합하여 포함할 수 있고, 상기 부분, 요소 또는 특징의 2 이상의 임의의 또는 모든 조합으로 포함할 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 공지의 등가치를 가지는 특정 정수가 본 발명에서 언급되는 경우, 이러한 등가치는 각각 기재된 것처럼 본 발명에 포함된다.
도면의 간단한 설명
도 1은 Wood-Ljungdahl 경로를 통한 CO 및/또는 CO2의 세포 물질 및 생성물로의 전환에 대한 모식적인 개관이다.
도 2는 본 발명의 한 가지 실시 상태에 따른 전위를 인가하는 수단을 포함하는 바이오리액터의 계획도이다.
발명의 상세한 설명
본 발명에 따르면, Wood-Ljungdahl 경로를 통하여 발효시 탄소 포획 효율을 향상시키는 방법이 제공되고, 상기 방법은 발효물에 전위를 인가하는 것을 포함한다. 특정 실시 상태에 있어서, 탄소는 CO 및/또는 CO2의 세포 매쓰 및/또는 생성물로의 고정화를 통하여 포획된다. 특정 실시 상태에 있어서, 일산화탄소 영양 미생물이 발효에 이용된다. 특정 실시 상태에 있어서, 발효에 의하여 생성되는 생성물은 산 및/또는 알코올이다. 예컨대, 클로스트리듐 오토에타노게눔에 의한 탄소 함유 기질의 발효는 아세테이트 및 에탄올을 함유하는 생성물을 생성시킨다.
통상적으로, CO 및/또는 CO2를 함유하는 기질은 도 1에 간략히 나타낸 바와 같은 Wood-Ljungdahl 경로를 통하여 세포 물질 및 생성물로 전환된다.
본 발명의 목적을 위하여 환원 당량은 NADH 또는 그 유사물과 같은 생물학적 환원 에너지로 정의할 수 있다. 환원 당량은 생성물(들) 및 세포 매쓰에 탄소를 고정하는 발효 등 세포 공정에 사용되고, 발효시 형성되는 대사물질들을 생성 및 환원시키기 위한 환원력으로 사용된다.
이 기술 분야의 숙련자에 의하여 이해될 수 있는 바와 같이, 발효는 세포로 하여금 유기 화합물의 산화로부터 에너지를 얻을 수 있도록 하는 공정이다. 혐기성 조건에서, 발효는 산소의 부재시 호흡이 일어날 수 있도록 한다. 에탄올 발효, 젖산 발효 및 해당과정 등 다수의 혐기성 발효 공정들이 잘 알려져 있다. Wood-Ljungdahl 경로를 통한 CO 및/또는 CO2를 함유하는 기질의 발효는 탄소를 세포 매쓰 및/또는 생성물 내로 고정시키기 위한 에너지를 필요로 한다. 환원 당량은 이러한 반응에 필요한 에너지를 공급한다. CO를 함유하는 기질의 발효는 알코올(들) 및/또는 산(들)을 함유하는 생성물(들)을 생산할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 이러한 발효에 의하여 형성되는 대사물질의 예로는 산; 예컨대 아세테이트, 프로피오네이트, 부티레이트, 락테이트, 아크릴레이트; 및 기타 생성물들, 예컨대 에탄올, 아세톤, 프로판올, 부탄올 및 2,3-부탄디올을 들 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
환원 당량은 (i) 수소화효소 또는 (ii) 워터 가스 시프트 반응 (Water Gas Shift Reactions)을 통하여 H2 또는 CO로부터 나온다:
(i) NAD+ + H2 → NADH + H+
(ii) CO + H2O → CO2 + H2
하기의 (비제한적) 예시는 CO의 에탄올 (CH3CH2OH)로의 전환에 환원 당량 (RE)가 필요함을 입증한다.
Figure 112012064844676-pct00001
상기 식에서 볼 수 있는 바와 같이, CO의 에탄올로의 전환은 2CO로 나타낸 바와 같이 2 개의 탄소 분자를 필요로 한다. 탄소 고정화 및 CO의 CH3CO2H로의 환원에 환원 2 당량이 요구된다. CH3CO2H의 CH3CH2OH로의 환원에 추가로 환원 2 당량이 요구된다. 이들 환원 당량에 대한 요구는 하기 화학양론을 충족시킨다.
6CO + 3H2O → CH3CH2OH + 4CO2
이 예시에서, 환원 당량은 워터 가스 시프트 반응의 방식으로 CO로부터 유래된 것이다. 본 발명의 한 가지 관점에 따르면, CO 및/또는 CO2를 고정하는데 필요한 환원 당량 중 적어도 일부는 전기적으로 공급된다. 이론에 얽매일 필요없이, 발효물에 전위를 인가시킨 결과 환원력 또는 환원 당량이 재생성되고, 이들이 탄소를 고정하는데 필요한 세포 환원 반응에 사용될 수 있다. 특정 실시 상태에 있어서, 하나 이상의 미생물에 전자가 공급되어 탄소를 세포 매쓰 및/또는 생성물 내로 고정시키는데 필요한 CO 및/또는 H2의 양을 저감시킨다. 따라서, 탄소를 세포 매쓰 및/또는 생성물 내로 고정시키는데 필요한 CO의 양이 감소함에 따라, 상기 반응의 부산물로서 생성되는 CO2의 양 역시 감소한다. 특정 실시 상태에 있어서, 상기 전자는 전기분해에 의하여 공급된다.
공지의 전기화학적 탄수화물 발효에 있어서, 전자는 통상적으로, 예컨대 메틸 비올로겐, 벤질 비올로겐 또는 뉴트럴 레드 등의 전자 셔틀 매개자를 이용하여 가용되게 된다. 이러한 발효의 예시들은 본 발명에 참조로서 전부 포함되는 문헌 [Zeikus et al., Applied Microbiology and Biotechnology, 2002, 58: 476-481] 및 이 문헌 중의 참조 문헌에 세술되어 있다. 본 발명의 특정 실시 상태에 있어서, 상기 전자들은 전자 셔틀 매개자를 필요로 하지 않고도 제공된다. 이론에 얽매일 필요없이, 실시예 부분에 기재되는 하나 이상의 배지 성분이 전자 셔틀로서 기능할 수 있는 것으로 여겨진다.
또한, 놀랍게도 전위가 발효물에 인가되는 경우, 미생물(들)의 대사가 변화한다는 것을 알게 되었다. 본 발명의 특정 실시 상태에 있어서, 전위를 인가한 결과는 미생물 생장의 증가이다. 특정 실시 상태에 있어서, 미생물 생장률은 5% 이상, 또는 10% 이상, 또는 15% 이상, 또는 20% 이상 증가한다. 이렇게, 본 발명은 미생물의 생장률을 증가시키는 방법을 제공한다. 탄소 고정화 대사가 변하는 결과로서 대사물질의 생성에 있어서 미미한 감소가 있을 수 있음은 감안된다.
또한, 발효 중에 미생물 생장이 우선적인, 예컨대 개시 (start-up) 단계가 있을 수 있음을 인지하여야 한다. 이 단계 중에, 발효물에 전위가 인가될 수 있고 그로써 생장률이 증가할 수 있다. 생성물의 형성이 우선적인 발효기에는, 전위는 감소 내지는 제거될 수 있다.
또 한 가지 관점에 있어서, 본 발명은 하나 이상의 미생물에 CO 및/또는 CO2를 함유하는 기질을 공급하는 수단 및 하나 이상의 미생물에 전자를 공급하는 수단을 포함하는 전기화학적 바이오리액터를 제공한다. 일산화탄소 영양 미생물들은 통상 혐기성이고 CO 및/또는 CO2를 함유하는 기질의 발효는 통상적으로 가스형으로 제공된다. CO 및/또는 CO2를 함유하는 기질의 발효는 하나 이상의 미생물 및 세포 생장 및 대사에 필요한 필수 영양분을 함유하는 발효 배양액을 함유하는 바이오리액터에서 수행될 수 있다. 본 발명에 따르면, 발효 배양액에 전위를 인가함으로써 미생물에 전자를 공급할 수 있다. 발효 배양액은 통상적으로 미생물, 금속 및 비금속 영양분을 함유하는 액상 영양 배지이다. 이러한 액체 영양 배지는 적합한 전해질이고, 여기서 전자는 하나 이상의 전극을 통하여 제공될 수 있다.
특정 실시 상태에 있어서, 발효는 혐기 상태가 유지된 채 진행되어야 하므로, 간이한 물의 전기분해를 이용할 수 없는데 전기분해적으로 생성되는 산소가 미생물 세포 기능에 해로울 수 있기 때문이다. 그러나, 전자는 반쪽 전지를 통하여 발효 배양액으로 공급될 수 있는데, 여기서 음극은 바이오리액터 내에 위치할 수 있고 양극은 산소의 생성이 발효에 해를 미치지 않도록 바이오리액터 외부에 위치할 수 있다. 이러한 반쪽 전지에서, 전기 서킷은 염다리 및/또는 투과성 막을 제공함으로써 유지되어 이온 흐름을 뒷받침할 수 있다.
또한, 본 발명의 방법은 CO 및/또는 CO2 및 임의로 H2를 함유하는 기질 발효의 총에너지 효율을 높일 수 있다는 것을 인식하여야 한다. 이들 기질은 통상적으로 가스 형태로 제공되어 이러한 화합물을 생성물로 전환하기 위하여 용액으로 이동시키는 데 많은 에너지가 소요된다. 그러나, 동일한 양의 환원 당량을 전자 형태로 용액 내로 이동시키는데 필요한 에너지는 실질적으로 더 적다.
정의
달리 정의하지 않는 한, 본 명세서를 통하여 사용되는 이하의 용어들은 다음과 같이 정의한다:
"일산화탄소를 함유하는 기질" 등의 용어는 일산화탄소가, 예컨대 생장 및/또는 발효를 위한 하나 이상의 균주에 이용가능하게 되는 임의의 기질을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
"일산화탄소를 함유하는 가스상 기질"이라는 용어는 일산화탄소를 함유하는 임의의 가스를 포함한다. 일반적으로, 상기 가스상 기질은 충분한 비율, 바람직하게는 적어도 약 5 부피% 내지 약 100 부피%의 CO를 함유하게 된다.
발효 생성물의 문맥상, 본 발명에서 사용되는 "산"이라는 용어는 카르복시산 및 관련 카르복시산염 음이온, 예컨대, 본 발명에서 기재한 바와 같이 발효 배양액에 존재하는 유리 아세트산과 아세테이트의 혼합물을 포함한다. 상기 발효 배양액에서 카르복시산염에 대한 분자 산의 비율은 그 시스템의 pH에 의존한다. "아세테이트"라는 용어는 아세테이트 단독 및 분자 또는 유리 아세트산과 아세테이트의 혼합물, 예컨대, 본 발명에서 기재한 바와 같이 발효 배양액에 존재하는 아세테이트와 유리 아세트산의 혼합물 모두를 포함한다. 상기 발효 배양액에서 아세테이트에 대한 분자 아세트산의 비율은 그 시스템의 pH에 의존한다.
본 발명에서 사용되는 "전자 셔틀 매개자(들)" 또는 "레독스 매개자(들)"이라는 용어는 가역적 전자 주개 및/또는 전자 받개로서 기능하는 전자 셔틀을 의미하려는 것이다. 매개자는 비올로겐 염료 (예컨대, 메틸 비올로겐), 안트라퀴논 및 기타 퀴논 염료, 트리페닐메탄 염료, 프탈로시아님, 메틴 염료, 피롤 염료, 포르피린 염료, 프테리딘, 프테리돈, 플라빈 및 VI, VII 및 VIII족 제2 금속 착물을 포함한다.
"바이오리액터"라는 용어는 연속 교반식 탱크 리액터 (CSTR:Continuous Stirred Tank Reactor), 고정형 셀 리액터 (ICR: Immobilized Cell Reactor), 살수층 리액터 (TBR: Trickle Bed Reactor), 유동상 생물막 리액터 (moving bed biofilm reactor), 기포 컬럼, 가스 리프트 발효조, 막 리액터, 예컨대 중공 섬유막 바이오리액터 (HFMBR: Hollow Fibre Membrane Bioreactor), 정전식 믹서, 또는 가스-액체 접촉에 적합한 기타의 용기나 장치를 비롯한, 1 이상의 용기 및/또는 탑 또는 파이프 배관으로 이루어진 발효 장치를 포함한다.
달리 언급하지 않는 한, 본 명세서에서 사용되는 "발효", "발효 공정" 또는 "발효 반응" 등의 용어는 그 공정에 있어서 생장 단계와 생성물의 생합성 단계를 모두 포괄하는 것이다. 본 발명에서 더 설명할 바와 같이, 일부 실시 상태에서 상기 바이오리액터는 제1 생장 리액터와 제2 발효 리액터로 구성될 수 있다. 따라서, 발효 반응에 금속 또는 조성물을 첨가하는 것은 이들 리액터 중 어느 하나 또는 양자 모두에 첨가하는 것을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
이하의 설명은 본 발명의 특정 실시 상태, 다시 말하여 1차 기질로서 CO를 사용하여 에탄올 및/또는 아세테이트를 제조하는 것에 초점을 맞추지만, 본 발명과 관련되는 기술 분야에서 통상의 기술을 가진 자에게 알려진 대안 알코올 및/또는 산의 제조 및 대안 기질의 사용에 적용할 수 있다고 이해되어야 한다. 예를 들어, 이산화탄소 및 수소를 함유하는 가스상 기질이 사용될 수 있다. 또한, 본 발명은 부티레이트, 프로피오네이트, 카프로에이트, 에탄올, 프로판올, 및 부탄올을 생산하기 위한 발효에도 적용될 수 있다. 본 방법은 수소를 생산하기 위하여도 사용될 수 있다. 예컨대, 이들 생성물은 무렐라 (Moorella), 클로스트리디아 (Clostridia), 루미노코커스 (Ruminococcus), 아세토박테리움 (Acetobacterium) 유박테리움 (Eubacterium), 부티리박테리움 (Butyribacterium), 옥소박터 (Oxobacter), 메타노사르시나 (Methanosarcina), 및 데설포토마쿨룸 (Desulfotomaculum) 속의 미생물을 이용한 발효에 의해 생산될 수 있다.
발효
본 발명의 특정 실시 상태는 하나 이상의 공업적 공정에 의하여 제조된 가스 스트림을 이용하기 위하여 적용된다. 이러한 공정으로는 철강 제조 공정, 특히 CO를 고함량 또는 소정 수준 이상 (즉, 5%) 함유하는 가스 스트림을 생성하는 공정을 들 수 있다. 이러한 실시 상태에 따르면, 하나 이상의 바이오리액터 내에서 산 및/또는 알코올, 특히 에탄올 또는 부탄올을 생산하기 위하여 아세트산 생성 박테리아를 사용하는 것이 좋다. 이 기술 분야의 숙련자는 본 발명을 내연 기관을 포함하는 운송 수단 등의 다양한 공업 또는 폐기 가스 스트림에 적용할 수 있다는 것에 본 명세서의 기재를 고려할 수 있을 것이다. 또한, 이 기술 분야의 숙련자는 본 발명을 동일하거나 상이한 미생물을 이용하는 발효 반응 등 기타의 발효 반응에 적용할 수 있다는 데 본 명세서의 기재를 고려할 수 있을 것이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 특정 실시 상태 및/또는 기재된 응용법에 한정되는 것이 아니고 그 대신 더 광의로 이해되어야 하며; 예컨대, 가스 스트림원은 적어도 그 성분이 발효 반응에 공급용으로 사용될 수 있는 것 외에도 비제한적인 것이다. 가스상 기질로부터 에탄올 및 기타 알코올을 제조하기 위한 공정이 알려져 있다. 공정의 예로는 예컨대 WO 2007/117157호, WO 2008/115080호, WO 2009/022925호, WO 2009/064200호, US 6,340,581호, US 6,136,577호, US 5,593,886호, US 5,807,722호 및 US 5,821,111호에 기재되어 있는 것들을 포함하며, 각각은 본 명세서에 참조로 포함되는 것이다.
많은 혐기성 박테리아가 CO를, 예컨대 n-부탄올 및 에탄올 등의 알코올 및 아세트산으로의 발효를 수행할 수 있는 것으로 알려져 있고 본 발명의 공정에 사용하기에 적합하다. 본 발명에서 사용되기에 적합할 수 있는 이러한 박테리아의 예로는 WO 00/68407호, EP 117309호, US 5,173,429호, 5,593,886호, 및 6,368,819호, WO 98/00558호 및 WO 02/08438호에 개시되어 있는 것들을 비롯한 클로스트리듐 륭달리 (Clostridium ljungdahlii) 균주, 클로스트리듐 카르복시디보란스 (Clostridium carboxydivorans) (Liou 외, International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology 33: pp 2085-2091), 클로스트리듐 라그스달레이 (Clostridium ragsdalei) (WO/2008/028055호) 및 클로스트리듐 오토에타노게눔 (Clostridium autoethanogenum) (Abrini 외, Archives of Microbiology 161: pp 345-351)과 같은 클로스트리듐 (Clostridium ) 속 균주를 들 수 있다. 기타 적절한 박테리아로 무렐라 (Moorella) 속 균주로서, 예컨대 무렐라 (Moorella sp) HUC22-1 (Sakai 외, Biotechnology Letters 29: pp 1607-1612), 및 카르복시도써무스 (Carboxydothermus) 속 균주 (Svetlichny, V.A., 외 (1991), Systematic and Applied Microbiology 14: 254-260)를 들 수 있다. 추가의 예로는 무렐라 써모아세티 (Moorella thermoacetica), 무렐라 써모오토트로피카 (Moorella thermoautotrophica), 루미노코쿠스 프로덕투스 (Ruminococcus productus), 아세토박테리움 우디이 (acetobacterium woodii), 유박테리움 리모숨 (Eubacterium limosum), 부티리박테리움 메틸로트로피쿰 (Butyribacterium methylotrophicum), 옥소박터 페니기이 (Oxobacter pfennigii), 메타노사르시나 바르켄 (Methanosarcina barken), 메타노사르시나 아세티보란스 (Methanosarcina acetivorans), 데설포토마쿨룸 쿠츠네초비이 (Desulfotomaculum kuznetsovii) (Simpa 외, Critical Reviews in Biotechnology, 2006 Vol. 26. Pp41-65)를 들 수 있다. 이에 더하여, 이 기술 분야에서 숙련된 자가 이해할 수 있다면 기타 아세트산 생성 혐기성 박테리아도 본 발명에 적용될 수 있음이 이해되어야 한다. 본 발명이 2종 이상의 박테리아의 혼합 배양체에 적용될 수도 있다는 것이 또한 이해될 것이다.
본 발명에 사용되기에 적합한 미생물의 한 예는 클로스트리듐 오토에타노게눔이다. 한 실시 상태에 있어서, 상기 클로스트리듐 오토에타노게눔은 식별 수탁 번호 19630으로 독일생물자원센터 (DSMZ)에 기탁된 식별 특성을 가지는 클로스트리듐 오토에타노게눔이다. 또 다른 실시 상태에 있어서, 상기 클로스트리듐 오토에타노게눔은 수탁 번호 DSMZ 10061로 DSMZ에 기탁된 식별 특성을 가지는 클로스트리듐 오토에타노게눔이다. 또 다른 미생물 예는 클로스트리듐 륭달리이다.
본 발명의 방법에 사용되는 박테리아의 배양은 혐기성 박테리아를 이용하여 기질을 배양 및 발효시키기 위한 여러 가지 공지 공정을 이용하여 수행할 수 있다. 예시적인 기술은 하기 "실시예" 란에 제시되어 있다. 추가 예시를 위해, 발효시 가스상 기질을 이용하는 다음 문헌에 일반적으로 설명된 방법들도 사용할 수 있다: (i) K. T. Klasson,외 (1991). Bioreactors for synthesis gas fermentations resources. Conservation and Recycling, 5; 145-165; (ii) K. T. Klasson, 외 (1991). Bioreactor design for synthesis gas fermentations. Fuel. 70. 605-614; (iii) K. T. Klasson, 외 (1992). Bioconversion of synthesis gas into liquid or gaseous fuels. Enzyme and Microbial Technology. 14; 602-608; (iv) J. L. Vega, 외 (1989). Study of Gaseous Substrate Fermentation: Carbon Monoxide Conversion to Acetate. 2. Continuous Culture. Biotech. Bioeng. 34. 6. 785-793; (v) J. L. Vega, 외 (1989). Study of gaseous substrate fermentations: Carbon monoxide conversion to acetate. 1. Batch culture. Biotechnology and Bioengineering. 34. 6. 774-784; (vi) J. L.Vega, 외 (1990). Design of Bioreactors for Coal Synthesis Gas Fermentations. Resources, Conservation and Recycling. 3. 149-160; 상기 문헌들은 모두 본 발명에 참조되었다.
발효는 예컨대 연속 교반식 탱크 리액터 (CSTR:Continuous Stirred Tank Reactor), 고정형 셀 리액터 (ICR: Immobilized Cell Reactor), 기포 컬럼 리액터 (BCR: bubble column reactor), 막 리액터, 예컨대 중공 섬유막 바이오리액터 (HFMBR: Hollow Fibre Membrane Bioreactor) 또는 살수층 리액터 (TBR: Trickle Bed Reactor)와 같은 모든 적합한 바이오리액터에서 수행될 수 있다. 또한, 본 발명의 일부 실시 상태에 있어서, 바이오리액터는 미생물이 배양되는 제1의 생장 리액터, 상기 생장 리액터로부터의 발효 배지가 주입되고, 대부분의 발효 산물 (예컨대 에탄올 및 아세테이트)가 생성되는 제2의 발효 리액터를 포함하여 이루어진다.
본 발명의 다양한 실시 상태에 따라, 발효 반응의 탄소원은 CO를 함유하는 가스상 기질이다. 이러한 기질은 산업 공정으로부터 나오거나 또는 자동차 배기 매연과 같은 다른 원료로부터의 부산물로서 얻어지는 CO 함유 폐가스일 수 있다. 특정 실시 상태에 있어서, 산업 공정은 스틸 밀과 같은 금속 제품 제조, 비금속 제품 제조, 석유 정제 공정, 석탄의 가스화, 전기력 생산, 카본 블랙 생산, 암모니아 생산, 메탄올 생산 및 코크스 제조로 이루어진 군으로부터 선택된다. 이들 실시 상태에 있어서 CO 함유 기질은 임의의 편리한 방법을 이용하여, 대기중에 방출되기 전에 산업 공정으로부터 포획될 수 있다. CO 함유 기질의 조성에 따라, 이를 발효 공정에 도입시키기 전에, 먼지 입자와 같은 원치 않는 불순물을 제거하는 처리를 하는 것이 요구될 수도 있다. 예를 들어, 가스상 기질은 공지 방법을 이용하여 여과 또는 스크러빙 처리할 수 있다.
혹은, CO 함유 기질은 바이오매쓰의 가스화로부터 원료화된 것일 수 있다. 가스화 공정은 공기 또는 산소의 공급이 제한된 상태에서 바이오매쓰의 부분 연소를 수반한다. 결과물인 가스는 통상적으로 주로 CO 및 H2, 적은 부피의 CO2, 메탄, 에틸렌 및 에탄을 함유한다. 예를 들어, 사탕수수로부터 당, 또는 옥수수나 곡물로부터 전분과 같은 식품, 또는 산림 산업에 의하여 발생하는 비식품 바이오매쓰 폐기물의 추출 및 공정 중에 생겨나는 바이오매쓰 부산물들이 본 발명에서 사용되는 데 적합한 CO 함유 가스를 생성하기 위하여 가스화될 수 있다.
CO 함유 기질은 통상적으로 CO를 주요 부분으로, 예컨대 적어도 약 20 부피% 내지 약 100 부피% CO, 40 부피% 내지 95 부피% CO, 60 부피% 내지 90 부피% CO, 및 70 부피% 내지 90 부피% CO를 함유한다. 특정 실시 상태에 있어서, 상기 기질은 25 부피%, 또는 30 부피%, 또는 35 부피%, 또는 40 부피%, 또는 45 부피%, 또는 50 부피%를 함유한다. 예컨대 6% 등의 저농도의 CO를 가지는 기질이 H2 및 CO2도 역시 존재하는 경우에는 특히 적당할 수 있다.
기질이 수소를 함유할 필요는 없으나, 본 발명에 따른 산물 생성에 H2의 존재가 유해하지는 않다. 특정 실시 상태에 있어서, 수소의 존재는 알코올 제조의 총 효율을 향상시키는 결과를 낳는다. 예컨대, 특정 실시 상태에 있어서, 상기 기질은 대략 2:1, 또는 1:1 또는 1:2 비율의 H2:CO를 함유할 수 있다. 다른 실시 상태에 있어서, 상기 기질 흐름은 저농도의 H2, 예를 들어, 5% 미만, 4% 미만, 3% 미만, 2% 미만 또는 1% 미만의 H2를 함유하거나 수소가 실질적으로 없다. 또한, 상기 기질은 일정량의 CO2, 예를 들어 약 1 부피% 내지 약 80 부피% CO2, 또는 1 부피% 내지 약 30 부피% CO2를 함유할 수도 있다. 특정 실시 상태에 있어서, 상기 기질 스트림은 CO2를 함유하고, CO를 함유하지 않거나 최소량 함유한다.
기질은 또한 예를 들어 약 1 부피% 내지 약 80 부피%의 CO2, 또는 1 부피% 내지 약 30 부피%의 CO2 등의 어느 정도의 CO2를 함유할 수도 있다.
통상적으로, 일산화탄소는 가스상 상태로 발효 반응에 첨가된다. 그러나, 본 발명의 방법은 이 상태로 기질을 첨가하는 것에 국한되지 않는다. 예를 들어, 일산화탄소는 액체로 제공될 수 있다. 예를 들어, 액체를 일산화탄소 함유 가스로 포화시켜 바이오리액터로 첨가할 수 있다. 이것은 표준 방법론을 이용하여 달성된다. 예를 들어서, 이 목적을 위해, 마이크로 버블 분산 발생기 (Hensirisak 외, Scale-up of microbubble dispersion generator for aerobic fermentation; Applied Biochemistry and Biotechnology Volume 101, Number 3, October , 2002) 를 사용할 수 있다.
박테리아의 생장과 CO에서 에탄올로의 발효를 일으키기 위해서는 CO 함유 기질 가스에 더해서, 적절한 액상 영양 배지를 바이오리액터에 주입할 필요가 있다. 영양 배지는 사용되는 미생물이 생장하는데 충분한 비타민과 무기질을 함유한다. 유일한 탄소원으로서 CO를 이용하여 에탄올을 발효시키는데 적합한 혐기성 배지는 공지이다. 예컨대, 전술한 바와 같은 US 5,173,429호 및 5,593,886호, 그리고 WO 02/08438호, WO 2007/115157호 및 WO 2008/115080호, WO 2009/022925호, WO 2009/058028호, WO 2009/064200호, WO 2009/064201호 및 WO 2009/113878호에 설명되어 있다. 본 발명은 미생물의 생장 및/또는 발효 공정에서 알코올 제조를 뒷받침하는 효율을 증가시키는 신규한 배지를 제공한다. 이 배지를 이하에서 더 자세히 설명할 것이다.
발효는 좋기로는 원하는 발효가 일어나도록 (예컨대 CO에서 에탄올로) 적당한 조건에서 수행되어야 한다. 고려되어야 할 반응 조건은 압력, 온도, 가스 유량, 액체 유량, 배지 pH, 배지 산화 환원 전위, 교반율 (연속 교반 탱크 리액터를 사용한다면), 접종원 수준, 액상에서 CO가 제한 요소가 되지 않도록 하기 위한 최대 가스상 기질 농도, 및 산물 억제를 피하기 위한 최대 산물 농도 등이다. 적절한 조건이 WO 02/08438호, WO 07/117157호, WO 08/115080호 및 WO 2009/022925호에 설명되어 있다. 최적 반응 조건은 부분적으로는 사용되는 특정 미생물에 달려 있다. 그러나, 일반적으로, 발효는 주변 압력보다 높은 압력에서 수행되는 것이 좋다. 높은 압력에서 시행하면 가스상의 CO로부터, 미생물이 에탄올을 생성하기 위하여 탄소원으로 흡수할 수 있게 되는 액체상으로의 CO 전환률이 유의적으로 증가하게 된다. 이것은 결국 바이오리액터가 대기압보다는 높은 압력에서 유지되는 경우에 체류 시간 (바이오리액터 내의 액체 부피를 가스 유량으로 나눈 것으로 정의)이 감소한다는 것을 의미한다.
또한, 주어진 CO로부터 에탄올로의 주어진 전환률은 부분적으로는 기질 체류 시간의 함수이고, 원하는 체류 시간의 달성은 곧 바이오리액터의 요구되는 용량을 가리키는 것이므로, 가압 장치의 사용은 요구되는 바이오리액터의 체적을 크게 감소시켜, 그 결과, 발효 장비에 드는 자본 비용을 크게 감소시킬 수 있다. US 5,593,886호에 제시된 실시예에 따르면, 리액터 작업 압력 증가에 따라 리액터의 체적을 줄일 수 있다. 즉, 10 기압에서 작동하는 바이오리액터는 1 기압에서 작동하는 바이오리액터 체적의 단지 1/10만을 필요로 한다.
고압 하에서 가스를 에탄올로 발효시키는 공정의 장점은 다른 문헌에도 설명되어 있다. 예를 들어, WO 02/08438호는 30 psig와 75 psig의 압력 하에서 수행된 가스로부터 에탄올로의 발효는, 에탄올 생산량이 각각 150 g/l/1일 및 369 g/l/1일이었다고 설명하고 있다. 그러나, 대기압에서 유사한 배지와 주입 가스 조성물을 사용하여 발효시킨 실시예에서는 1일 1리터당 에탄올 생산량이 10분의 일 내지 20분의 일 정도로 감소한 것으로 나타났다.
CO를 함유하는 가스상 기질의 도입 속도는 액상 CO의 농도가 제한적이 되지 않게 할 정도인 것이 바람직하다. 이는 CO-제한 조건 결과, 에탄올 생성물이 배양체에 의해 소비될 수 있기 때문이다.
생성물의 회수
발효 반응 산물은 공지 방법을 이용하여 회수할 수 있다. 예시적인 방법이 WO 07/117157호, WO 08/115080호 및 US 6,340,581호, 6,136,577호, 5,593,886호, 5,807,722호 및 5,821,111호에 설명되어 있다. 그러나, 단지 간략하게, 예시적으로만, 분별 증류 또는 증발, 및 추출식 발효와 같은 방법에 의해 발효 배지로부터 에탄올이 회수될 수 있다.
발효 배지로부터 에탄올을 증류시키면 에탄올과 물의 공비 혼합물 (즉 95% 에탄올 및 5% 물)이 생산된다. 이어서, 역시 기술 분야에 공지인 분자체 에탄올 탈수 기술을 이용함으로써 무수 에탄올을 수득할 수 있다.
추출식 발효 공정은 묽은 발효 배지로부터 에탄올을 회수하기 위하여, 발효 미생물에 대한 독성 위험이 낮은 수혼화성 용매를 사용한다. 예컨대, 이러한 유형의 추출 공정에 사용할 수 있는 용매는 올레일 알코올이다. 이 공정에서, 올레일 알코올은 발효조 내로 연속 도입되고, 이 용매는 발효조 최상부에 층을 형성하여, 연속적으로 추출되어 원심분리기로 주입되게 된다. 이렇게 되면 물과 세포가 올레일 알코올로부터 용이하게 분리되어 발효조로 반송되는 한편, 에탄올이 많이 들어있는 용매는 플래쉬 증기화 유닛 내로 주입된다. 에탄올의 대부분은 기화 및 응축되는 한편 비휘발성인 올레일 알코올은 회수되어 발효에 재사용된다.
발효 반응에서 부산물로서 생성된 아세테이트 역시 기술 분야의 공지 방법에 따라 발효 배지로부터 회수될 수 있다.
예컨대, 활성화된 챠콜 필터를 포함하는 흡착 장치를 사용할 수 있다. 이 경우, 미생물 세포는 적절한 분리 방법에 의해, 가장 먼저 발효 배지로부터 제거된다. 기술 분야에는 생성물의 회수를 위해 무세포 발효 배지를 생산하는 수많은 여과 기반 방법이 공지되어 있다. 무세포 에탄올 - 및 아세테이트를 함유하는 삼출물 (permeate)을 활성 챠콜을 함유하는 컬럼을 통해 통과시킴으로써 아세테이트를 흡착시킨다. 염 (아세테이트) 형태보다는 산 형태의 아세테이트 (아세테이트)가 활성 챠콜에 더 용이하게 흡착된다. 따라서, 대부분의 아세테이트를 아세트산 형태로 전환시키기 위해서는, 발효 배지를 활성 챠콜 컬럼에 통과시키기 전에 발효 배지의 pH를 약 3 미만으로 감소시키는 것이 좋다.
활성 챠콜에 흡착된 아세트산은 기술 분야의 공지 방법을 이용하는 용리법에 의해 회수할 수 있다. 예컨대, 결합된 아세테이트를 용리시키기 위해 에탄올을 이용할 수 있다. 특정 실시 상태에 있어서, 발효 공정 자체에 의해 생산된 에탄올은 아세테이트를 용리시키는데 이용될 수 있다. 에탄올의 끓는점은 78.8℃이고 아세트산의 끓는점은 107℃이므로, 증류와 같은 휘발성에 기반한 방법을 이용하여 에탄올과 아세테이트를 서로 쉽게 분리할 수 있다.
발효 배지로부터 아세테이트를 회수하는 기타 방법은 기술 분야에 공지이며 본 발명의 방법에 이용될 수 있다. 예컨대, US 6,368,819호 및 6,753,170호에는 발효 배지로부터 아세트산을 추출하는데 이용할 수 있는 용매 및 공용매 장치가 설명되어 있다. 에탄올의 추출식 발효와 관련하여 전술한 올레일 알코올-기반 장치의 경우와 마찬가지로, US 6,368,819호 및 6,753,170호에 설명된 장치는 아세트산 추출을 위하여 발효 미생물의 존재 또는 부재 하에 발효 배지와 혼합될 수 있는 수혼화성 용매/공용매를 설명하고 있다. 아세트산을 함유하는 용매/공용매는 이어서 증류에 의해 배지로부터 분리된다. 이어서 2차 증류 단계를 이용하여 용매/공용매 장치로부터 아세트산을 정제할 수 있다.
발효 반응 산물 (예컨대 에탄올과 아세테이트)의 회수는 발효 바이오리액터로부터 발효 배지의 일부분을 연속적으로 제거하고, 이 배지로부터 미생물 세포를 분리한 다음 (간편하게 여과에 의해), 순차적으로 또는 동시에 배지로부터 하나 이상의 생성물을 회수함으로써 달성할 수 있다. 전술한 바와 같이 에탄올은 간편하게 증류에 의해 회수될 수 있고, 아세테이트는 활성 챠콜 상에 흡착시킴으로써 회수할 수 있다. 분리된 미생물 세포는 발효 바이오리액터로 반송될 수 있다. 에탄올과 아세테이트가 제거된 후의 무세포 삼출물 역시 발효 바이오리액터로 반송될 수 있다. 부가적인 영양 성분 (예컨대 비타민 B)를 이 무세포 삼출물에 첨가하여 배지가 바이오리액터로 반송되기 전에 영양 배지를 보강시킬 수 있다. 또한, 활성 챠콜에 대한 아세트산의 흡착능을 증대시키기 위해 배지의 pH가 전술한 바와 같이 조정된 경우에는, 그 pH는 바이오리액터로 배지가 반송되기 전에, 발효 바이오리액터 내의 배지의 pH와 유사하게 재조정되어야 한다.
전기화학적 발효
본 발명에 따르면, Wood-Ljungdahl 경로를 통한 일산화탄소 영양 발효에 있어서 탄소 포획 효율을 향상시키는 방법이 제공되고, 상기 방법은 발효물에 전위를 인가하는 것을 포함한다. 전위는 이 기술 분야의 숙련자에게 알려져 있는 임의의 수단에 의하여 발효물에 인가될 수 있다. 예컨대, 전위를 인가하기 위한 한 가지 공지의 수단은 전기화학적 전지이다. 특히, 본 발명에 사용하기에 적합한 전기화학적 전지는 전기분해 전지이다. 본 발명에 따르면, 발효는 통상적으로 하나 이상의 미생물 및 금속 이온 등의 필수 영양분을 함유하는 발효 배양액을 이용하여 수행된다. 이로써, 상기 액체 영양 배지는 전기분해용으로 이상적인 전해질을 제공한다. 따라서, 전위는 전기 서킷에 연결된 전극을 제공함으로써 인가될 수 있다.
본 발명의 특정 실시 상태에 있어서, 상기 미생물은 혐기성이고 실질적으로 무산소 상태로 유지되어야 한다. 양 전극이 모두 전해질 내에 놓여진 경우의 전기분해시, 산소는 물의 분해를 통하여 양극에서 생성될 것이다. 이것은 미생물 배양에 유해할 것이다. 이렇게, 특정 실시 상태에 있어서, 상기 방법은 반쪽 전지를 통하여 발효물에 전위를 인가하는 것을 포함하는데, 여기서 양극은 이온 투과성 막 또는 대체용 염다리를 통하여 발효 배양액으로부터 분리된다. 이러한 실시 상태에 있어서, 산소는 미생물 배양체에 해를 가함이 없이 폐기될 수 있다.
본 발명에 따르면, 발효조에 인가되는 전위는 탄소 고정 효율을 증가시킨다. 본 발명의 특정 실시 상태에 있어서, 일산화탄소 영양 박테리아는 CO 및/또는 CO2를 함유하는 기질의 적어도 일부를 세포 매쓰 및/또는 에탄올과 같은 생성물 내로 고정시킨다. 탄소를 고정시키는데 필요한 에너지를 일반적으로 '환원 당량'이라고 하고, 다수의 환원된 엔티티의 산화를 통하여 유래할 수 있다. 클로스트리듐 오토에타노게눔 등 일산화탄소 영양 박테리아는 통상적으로 CO 및/또는 H2의 산화로부터 환원 당량을 끌어온다. 그러나, 본 발명에 따르면, 탄소 고정화의 효율은 발효물에 전위를 인가함으로써 향상된다. 본 발명에 따르면, 환원 당량으로서 CO 및/또는 H2에 대하여 요구되는 것보다 낮은 환원 당량으로 탄소가 세포 매쓰 및 에탄올 등의 생성물로서 고정된다. 그러므로, 일산화탄소 영양 발효시에 전위를 인가하면 세포 매쓰 및/또는 생성물로서 고정되는 탄소의 양당 생산되는 CO2의 양이 감소한다.
통상적으로, 발효물에 전위가 인가되면, 발효 배양액 중에 존재하는 벤질 비올로겐 또는 메틸 비올로겐 등의 하나 이상의 전자 셔틀 매개자가 환원된다. 차례로 이들 매개자는, 예컨대 페레독신ox/red- 짝 또는 NAD (P)/NAD (P) 짝 등의 미생물 세포 환원 시스템을 보조한다. 그러므로, 본 발명의 특정 실시 상태에 따르면, 하나 이상의 전자 셔틀 매개자가 발효 배양액에 제공된다. 그러나, 특정 실시 상태에 있어서, 상기 방법은 전자 셔틀 매개자 없이도 진행된다.
전위를 활용하는 것은 또한 미생물(들)이 탄소를 고정하는 방법을 변화시킬수 있다는 것 역시 인식되어야 한다. 본 발명에서 제공되는 실시예에 있어서, 발효조를 통하여 전위를 인가하는 것은 세포 매쓰로 향하는 탄소의 분율을 증가시키고 이로써 미생물 생장을 증가시킨다. 특정 실시 상태에 있어서, 미생물 생장은 5% 이상, 또는 10% 이상, 또는 15% 이상, 또는 20% 이상으로 증가한다.
이 기술 분야의 숙련자라면, 탄소 고정화 효율을 증가시키고 및/또는 미행물 생장을 향상시키는데 필요한 전위를 결정하는 방법을 이해할 것이다. 그러나, 실시예에 의하면, 20 V 이하의 전압의 직류가 전극을 통하여 인가될 수 있다. 특정 실시 상태에 있어서, 2 V 이상, 또는 4 V 이상, 또는 6 V 이상, 또는 8 V 이상, 또는 10 V 이상, 또는 15 V 이상, 또는 20 V 이상의 전위가 인가된다. 본 발명의 특정 실시 상태에 있어서, 전위는 전해질을 통한 실질적인 정전류가 대략 1 mA, 또는 대략 2 mA, 또는 대략 3 mA, 또는 대략 4 mA, 또는 대략 5 mA, 또는 대략 6 mA, 또는 대략 7 mA, 또는 대략 8 mA, 또는 대략 9 mA, 또는 대략 10 mA로 유지되도록 제어될 수 있다. 재차, 이 기술 분야의 숙련자는 시간에 따라 변화할 수 있고 상이한 미생물에 대한 다를 수 있는 최적 전류를 결정하는 방법을 이해할 것이다.
본 발명의 또 다른 실시 상태에 있어서, CO 및/또는 CO2 및 임의로 H2를 함유하는 기질을 발효 배양액으로 도입하기 위한 수단 및 상기 발효 배양액에 전위를 인가하기 위한 수단을 포함하는 전기화학적 바이오리액터가 제공된다. 특정 실시 상태에 있어서, 상기 전위를 인가하기 위한 수단은 제어 가능하고, 이로써 원하는 전류가 발효 배양액 전체에 유지될 수 있다.
도 2는 본 발명의 특정 실시 상태에 따른 전기 화학적 바이오리액터를 보여준다. 바이오리액터 1은 가스상 기질을 공급하기 위한 수단 (2) 및 발효물에 전위를 인가하기 위한 수단을 포함한다. 특정 실시 상태에 있어서, 상기 발효는 혐기성이므로, 상기 바이오리액터는 이온 투과성 분리기 (4)로 분리된 2개의 전극 (3)을 포함한다. 상기 이온 투과성 분리기는 다공성 막 또는 세라믹 물질 또는 기타 이 기술 분야에 알려진 적절한 물질일 수 있다. 사용시, 바이오리액터의 일부 (5)는 하나 이상의 미생물 및 액체 영양분 배지를 함유하는 발효 배양액으로 채워질 수 있다. 사용시, 바이오리액터의 또 다른 일부 (6)는 전도성 염 용액으로 채워질 수 있다. 전극 (3)은 사용시 상기 발효 배양액 및 전도성 염 용액에 놓여질 수 있도록 형성된다. 또한, 상기 바이오리액터는 전기 서킷 및 전극을 통하여 전위를 제어할 수 있는 수단 (7)을 포함한다.
실시예
재료 및 방법
Figure 112012064844676-pct00002
Cr( II ) 용액의 제조
1 리터 용량의 삼구목 플라스크에 가스가 샐 수 없는 입구 및 출구를 장착하여 비활성 가스하에서의 작업 및 나중에 원하는 생성물의 적당한 저장 용기로의 운반을 가능하게 하였다. 상기 플라스크에 CrCl3.6H20 (4O g, 0.15 mol), 아연 분말 [20 메시] (18.3 g, 0.28 mol), 수은 (13.55 g, 1 mL, 0.0676 mol) 및 500 mL의 증류수를 채웠다. N2를 이용하여 1 시간 동안 플러싱한 후, 그 혼합물을 약 80℃까지 가열하여 반응을 개시했다. 일정한 N2 흐름하에서 2 시간 동안 교반한 후, 그 혼합물을 실온으로 냉각하고 반응 혼합물이 진한 청색 용액이 될 때까지 48 시간 동안 연속적으로 교반했다. 그 용액을 N2로 퍼지한 혈청병에 옮기고 사용시까지 냉장고에서 보관했다.
박테리아: 사용된 클로스트리듐 오토에타노게눔 (Clostridium autoethanogenum) 은 DSMZ 19630의 기탁번호로 독일 생물 자원 센터 (DSMZ)에 기탁된 것이다.
시료채취 및 분석 과정
CSTR 리액터로부터 20 일동안 간격을 두고 배지 시료를 취했다. 각각의 경우마다, 가스가 리액터로 유입되거나 유출되지 않도록 주의하면서 배지를 샘플링했다.
HPLC :
HPLC 시스템 Agilent 1100 Series. 이동상: 0.0025 N 황산. 유량 및 압력: 0.800 mL/min. 컬럼: Alltech IOA; Catalog # 9648, 150 x 6.5 mm, 입자크기 5 ㎛. 컬럼의 온도: 60℃. 검출기: Refractive Index. 검출기의 온도: 45℃.
시료 제조 방법:
400 ㎕의 시료 및 50 ㎕의 0.15 M ZnSO4 및 50 ㎕의0.15 M Ba (OH)2를 에펜도르프 (Eppendorf) 튜브에 로딩한다. 상기 튜브를 12,000 rpm 및 4℃에서 10 분간 원심분리한다. 200 ㎕의 상층액을 HPLC 바이알에 옮기고, 5 ㎕를 HPLC 기기에 주입한다.
헤드스페이스 (Headspace ) 분석:
측정은 두 개의 채널이 설치된 Varian CP-4900 micro GC 상에서 수행했다. 채널 1은 70℃, 20O kPa 아르곤 및 4.2 초의 백플러시 시간 (backflush time)으로 작동하는 10m Mol-sieve 컬럼인 반면, 컬럼 2는 백플러시없이 90℃, 15O kPa 헬륨에서 작동하는 10m PPQ 컬럼이었다. 두 채널에 대한 주입 온도는 70℃였다. 런타임은 120 초로 설정하였지만, 모든 중요 피크는 일반적으로 100 초 전에 용리하였다.
실시예 1: CSTR 에서 회분식 발효
2종의 2리터 CSTR (A) 및 (B)를 하기의 조건하에 두었다. 배지를 하기와 같이 제조했다. 85% H3PO4 (30 mM)를 용액 A의 1.5 L 용액에 첨가했다. 그 배지의 pH를 NH4OH의 첨가를 통해 5.3으로 조절했다. 그 배지 용액을 사용에 앞서 121℃에서 30 분간 고압처리하거나 여과하여 멸균했다. 산화환원 지시약으로 레자주린 (Resazurin)을 첨가했다. 그 배지 용액을 1.5 리터의 CSTR 용기에 무균 및 혐기적으로 옮기고, N2를 이용하여 연속적으로 스파지했다. 발효 용기에 옮겨지면, 그 옮겨진 배지의 환원 상태 및 pH는 프로브를 통해 직접 측정할 수 있었다. 그 배지를 37℃까지 가열하고 300 rpm에서 교반했다.
황산나트륨 용액 (0.2 M 용액 3.75 mL)을 첨가한 후, 미량 금속 용액 B (1.5 mL), Na2WO4 (0.01 M 용액 1.5 mL)을 첨가하고 그 후 용액 C (15 mL)를 첨가하였다. 용액의 ORP를 Cr(II)를 이용하여 대략 -200 mV로 맞추었다.
2 개의 스테인레스 스틸 전극으로 CSTR을 변경함으로써 발효조 B를 전기화학적 바이오리액터로 전환하였다. 음극은 액체 영양분 배지에 위치시키고, 반면 양극은 상기 액체 영양분 배지와 이온 투과성 막으로 분리된 반쪽 전지 용기에 위치시켰다. 양극 반쪽 전지 용기는 KCl 3 M 용액을 함유하였다. 전위 10~15 V로 전극을 통하여 직류를 인가하고, 이로써 발효 내내 전류는 대략 7 mA로 유지되었다.
접종 전에, 가스를 2% H2, 33% N2, 44% CO, 21% CO2의 배합물 및 100% H2로 전환하였다. 활발히 생장중인 클로스트리듐 오토에타노게눔 배양체를 대략 10% (v/v) 수준으로 CSTR에 접종하였다. 이 실험 중, Na2S 용액을 대략 0.16 mMol/일의 속도로 첨가하였다. 대조군 발효조 (A)와 전기화학적 바이오리액터 (B)를 비교하기 위하여 발효조들을 실질적으로 유사한 조건에서 가동하고 기질의 공급은 각 미생물 배양체의 요구량에 맞추어 증가시켰다.
Figure 112012064844676-pct00003
* 발효 파라미터들의 그래픽 제도로부터 추정
발효를 통하여 전기화학적 바이오리액터 (B)에서 생산된 CO2는 (A)에서 생산된 것보다 실질적으로 적었다. 이것은 (A)에서보다 (B)에서 환원 당량 생산을 위하여 사용된 CO가 적었음을 의미한다. 이것은 미생물 생장 및 대사물질 생산이 유사하였기 때문에 예상치 못했던 것이다. 이는 전기화학적 바이오리액터 (B)에서 이용 가능한 전자가 특정량의 탄소를 미생물 세포 매쓰 및/또는 생성물로서 고정화하는데 필요한 환원 당량을 상쇄한 것으로 여겨진다. 또 다른 놀라운 결과는 전기 화학적 바이오리액터 (B)의 미생물 생장이 대략 20%만큼 발효조 (A)에서의 미생물 생장을 초과한 반면, 에탄올 생산은 다소 감소하였다는 것이다.
본 발명은 독자가 과도한 실험 없이 본 발명을 실시할 수 있게 하기 위하여 특정 양호한 실시 상태를 언급하며 본 명세서에 기술되었다. 이 기술 분야의 숙련자라면 본 명세서에 구체적으로 설명된 것들 이외에도 변형예와 개조예가 실시될 수 있음을 이해할 것이다. 본 발명은 이러한 모든 변형예 및 개조예를 포괄한다. 뿐만 아니라, 제목, 표제 등은 본 발명의 이해를 돕기 위하여 제시된 것이므로, 본 발명의 범위가 제한되는 것은 아니다.
상기 및 하기에 인용된 모든 출원, 특허 및 기타 문헌은 그 내용이 본 발명에 참고로 포함되었다.
본 발명 명세서에서 종래기술과 관련한 언급은 세계 어느 국가에서건 본 발명의 노력 분야에서 그러한 종래 기술이 일반 상식 수준의 일부를 구성함을 인정하거나, 또는 그러하다고 암시하는 것도 아니고, 또 그러한 의미로 받아들여져서도 아니된다.
본 발명의 상세한 설명과 특허청구범위 전반에 걸쳐, 문맥상 달리 필요하지 않는 한, "포함하다", "포함하는" 등의 용어는 배타적인 의미와 반대로 포괄적인 의미로 이해되어야 하며, 따라서 "포함하며, 이에 한정되지 않는"의 의미로 이해되어야 한다.

Claims (29)

  1. 일산화탄소 (CO) 및
    일산화탄소 (CO)와 수소 (H2)의 혼합 가스
    로 이루어진 군으로부터 선택되는 가스상 기질의 미생물 발효를 위한 방법으로서, 상기 방법은 발효 반응 조건에서 가동되는 바이오리액터에서 일산화탄소 영양 박테리아를 포함하는 발효 배양액과 상기 가스상 기질을 접촉시키는 것 및 상기 발효 배양액에 전위를 인가하여 알코올, 산, 또는 이들의 혼합물을 포함하는 생성물을 생산하는 것을 포함하는 것인 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 전위는 음극 및 양극을 통하여 인가되어 그 사이에서 직류를 형성하고, 상기 음극은 상기 발효 배양액에 침지되고, 상기 양극은 상기 발효 배양액 외부의 전해질 내에 침지되며, 상기 전해질 및 발효 배양액은 염다리 또는 이온 투과성 막에 의하여 연결되는 것인 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 전위는 2 V 이상인 것인 방법.
  4. 제2항에 있어서, 상기 발효 배양액을 통하여 일정한 전류가 흐르도록 전압을 조절하는 것인 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 전류는 1 mA를 초과하여 유지되는 것인 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 발효 배양액에 하나 이상의 전자 셔틀 매개자가 제공되는 것인 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 전위를 인가하는 것이 박테리아의 생장을 5% 이상 증가시키는 것인 방법.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 삭제
  18. 삭제
  19. 삭제
  20. 삭제
  21. 삭제
  22. 삭제
  23. 삭제
  24. 삭제
  25. 삭제
  26. 삭제
  27. 삭제
  28. 삭제
  29. 삭제
KR1020127021255A 2010-01-14 2011-01-14 알코올 제조 방법 KR101317447B1 (ko)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US29514510P 2010-01-14 2010-01-14
US61/295,145 2010-01-14
PCT/NZ2011/000002 WO2011087380A1 (en) 2010-01-14 2011-01-14 Alcohol production process

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20120125497A KR20120125497A (ko) 2012-11-15
KR101317447B1 true KR101317447B1 (ko) 2013-10-11

Family

ID=44304462

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020127021255A KR101317447B1 (ko) 2010-01-14 2011-01-14 알코올 제조 방법

Country Status (12)

Country Link
US (1) US8377665B2 (ko)
EP (2) EP2524046B1 (ko)
KR (1) KR101317447B1 (ko)
CN (2) CN105755058B (ko)
AU (1) AU2011205873B2 (ko)
CA (1) CA2786751C (ko)
ES (2) ES2690151T3 (ko)
MY (1) MY159196A (ko)
NZ (1) NZ600866A (ko)
PL (1) PL3070170T3 (ko)
PT (1) PT2524046T (ko)
WO (1) WO2011087380A1 (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20180071731A (ko) 2016-12-20 2018-06-28 서강대학교산학협력단 미생물 발효를 이용한 1,3-부타디엔의 제조 방법

Families Citing this family (20)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2814971A4 (en) * 2012-02-17 2015-09-30 Greenfield Specialty Alcohols Inc METHOD AND SYSTEM FOR ELECTRICALLY SUPPORTED HYDROGEN MANUFACTURE FROM ORGANIC MATERIAL
WO2013126820A1 (en) * 2012-02-24 2013-08-29 Logos Technologies, Inc. Bio-electro reactors with real-time adjustable electric parameters and sequencing programmable power supplies
EA030665B1 (ru) * 2012-12-05 2018-09-28 Ланцатек Нью Зилэнд Лимитед Способ ферментации
US9650651B2 (en) 2013-03-14 2017-05-16 Rathin Datta Method for production of n-propanol and other C3-containing products from syngas by symbiotic co-cultures of anaerobic microorganisms
EP2816119A1 (en) 2013-06-18 2014-12-24 Johann Wolfgang Goethe-Universität Method for storing gaseous hydrogen through producing methanoate (formate)
EP3024940A4 (en) 2013-07-26 2017-03-29 Greenfield Specialty Alcohols Inc. Method and system for production of hydrogen, methane, volatile fatty acids, and alcohols from organic material
BR102013022434B8 (pt) 2013-09-02 2022-06-21 Advel Tecnologia E Comercio Eireli Processo para fermentação microbiana de substratos açucarados
WO2015037710A1 (ja) 2013-09-13 2015-03-19 積水化学工業株式会社 有機物質の製造装置及び有機物質の製造方法
PL3058080T3 (pl) * 2013-10-17 2019-10-31 Lanzatech New Zealand Ltd Proces wychwytywania węgla w fermentacji gazowej
WO2016017551A1 (ja) * 2014-07-29 2016-02-04 積水化学工業株式会社 廃棄物から有機物質を製造する装置及び廃棄物から有機物質を製造する方法
EP3603831A1 (en) * 2014-07-30 2020-02-05 Sekisui Chemical Co., Ltd. Apparatus for producing organic substance from waste and method for producing organic substance from waste
US10550408B2 (en) 2014-07-30 2020-02-04 Sekisui Chemical Co., Ltd. Apparatus for producing organic substance and method for producing organic substance
CN107429266A (zh) * 2015-03-20 2017-12-01 积水化学工业株式会社 有机物质的生产方法及装置
US10494596B2 (en) 2015-12-09 2019-12-03 The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University Enhanced microbial electrosynthesis by using co-cultures
WO2017212605A1 (ja) 2016-06-09 2017-12-14 積水化学工業株式会社 廃棄物から有機物質を製造する装置及び廃棄物から有機物質を製造する方法
WO2018055756A1 (ja) 2016-09-26 2018-03-29 積水化学工業株式会社 有価物生成方法及び装置
CN110523355A (zh) * 2018-05-23 2019-12-03 青岛千和电子有限公司 氧化反应发生器
WO2021060289A1 (ja) 2019-09-24 2021-04-01 積水化学工業株式会社 精製ガスの製造方法、有価物の製造方法、ガス精製装置及び有価物製造装置
WO2021110992A1 (en) 2019-12-04 2021-06-10 Synbionik Gmbh Non-naturally occurring bacteria modified able to produce tryptophan derived compounds
CN112501213B (zh) * 2020-06-23 2023-06-06 哈尔滨工业大学 一种电子传递介体强化拜氏梭菌发酵制备氢气和丁醇的阴极电发酵方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2002097106A1 (en) 2001-05-30 2002-12-05 Bioneer Corporation Electrochemical preparation of acetic acid
WO2009072887A1 (en) 2007-12-07 2009-06-11 Spark Origin B.V. Method and device for converting biomass into methane
US20090317882A1 (en) 2008-06-20 2009-12-24 The Penn State Research Foundation Electromethanogenic reactor and processes for methane production

Family Cites Families (32)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4533211A (en) 1983-01-31 1985-08-06 International Business Machines Corporation Frequency multiplexed optical spatial filter based upon photochemical hole burning
JPS60149378A (ja) * 1984-01-12 1985-08-06 Shigeo Kono 高圧静電電位荷電による発酵法
US5173429A (en) 1990-11-09 1992-12-22 The Board Of Trustees Of The University Of Arkansas Clostridiumm ljungdahlii, an anaerobic ethanol and acetate producing microorganism
US5593886A (en) 1992-10-30 1997-01-14 Gaddy; James L. Clostridium stain which produces acetic acid from waste gases
US5821111A (en) 1994-03-31 1998-10-13 Bioengineering Resources, Inc. Bioconversion of waste biomass to useful products
US6136577A (en) 1992-10-30 2000-10-24 Bioengineering Resources, Inc. Biological production of ethanol from waste gases with Clostridium ljungdahlii
US5807722A (en) 1992-10-30 1998-09-15 Bioengineering Resources, Inc. Biological production of acetic acid from waste gases with Clostridium ljungdahlii
KR100387301B1 (ko) 1996-07-01 2003-06-12 바이오 엔지니어링 리소스 인코포레이티드 폐가스로부터의 생성물의 생물학적 제조방법
UA72220C2 (uk) 1998-09-08 2005-02-15 Байоенджініерінг Рісорсиз, Інк. Незмішувана з водою суміш розчинник/співрозчинник для екстрагування оцтової кислоти, спосіб одержання оцтової кислоти (варіанти), спосіб анаеробного мікробного бродіння для одержання оцтової кислоти (варіанти), модифікований розчинник та спосіб його одержання
CA2372495C (en) 1999-05-07 2010-03-09 Bioengineering Resources, Inc. Clostridium strains which produce ethanol from substrate-containing gases
JP4557344B2 (ja) * 2000-02-01 2010-10-06 独立行政法人科学技術振興機構 水素資化メタン菌からのビタミンｂ１２の生産方法
MXPA03000711A (es) 2000-07-25 2003-06-04 Bioengineering Resources Inc Metodos para incrementar la produccion de etanol de una fermentacion microbiana.
WO2005118826A1 (en) * 2004-05-26 2005-12-15 Novus Energy, Llc Ethanol production from biological wastes
KR20080108990A (ko) * 2006-02-13 2008-12-16 나가주나 에너지 프라이빗 리미티드 수소의 과생산을 위한 공정
NZ546496A (en) 2006-04-07 2008-09-26 Lanzatech New Zealand Ltd Gas treatment process
US20070275447A1 (en) 2006-05-25 2007-11-29 Lewis Randy S Indirect or direct fermentation of biomass to fuel alcohol
US7704723B2 (en) 2006-08-31 2010-04-27 The Board Of Regents For Oklahoma State University Isolation and characterization of novel clostridial species
NZ553984A (en) 2007-03-19 2009-07-31 Lanzatech New Zealand Ltd Alcohol production process
US20080305540A1 (en) 2007-06-08 2008-12-11 Robert Hickey Membrane supported bioreactor for conversion of syngas components to liquid products
US20090035848A1 (en) 2007-08-03 2009-02-05 Robert Hickey Moving bed biofilm reactor (mbbr) system for conversion of syngas components to liquid products
CN102016052B (zh) 2007-08-15 2015-04-29 朗泽科技新西兰有限公司 生产醇的工艺
NZ560757A (en) 2007-10-28 2010-07-30 Lanzatech New Zealand Ltd Improved carbon capture in microbial fermentation of industrial gases to ethanol
WO2009064201A2 (en) 2007-11-13 2009-05-22 Lanzatech New Zealand Limited Use of carriers in microbial fermentation
JP5600296B2 (ja) 2007-11-13 2014-10-01 ランザテク・ニュージーランド・リミテッド 新規細菌及びその使用法
CN101182555B (zh) * 2007-12-03 2011-01-19 南京工业大学 一种利用氧化还原电位调控厌氧发酵产丁二酸的方法
WO2009113878A1 (en) 2008-03-12 2009-09-17 Lanzatech New Zealand Limited Microbial alcohol production process
KR101417235B1 (ko) 2008-12-01 2014-07-08 란자테크 뉴질랜드 리미티드 최적화된 발효 배지
US20110300593A1 (en) 2008-12-01 2011-12-08 Lanzatech New Zealand Limited Optimised fermentation media
WO2010093262A1 (en) 2009-01-29 2010-08-19 Lanzatech New Zealand Limited Alcohol production process
US20110281336A1 (en) 2009-02-26 2011-11-17 Lanzatech New Zealand Limited Methods of sustaining culture viability
EP3739056A1 (en) 2009-07-02 2020-11-18 LanzaTech New Zealand Limited Alcohol production process
US9175408B2 (en) * 2009-12-22 2015-11-03 University Of Massachusetts Microbial production of multi-carbon chemicals and fuels from water and carbon dioxide using electric current

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2002097106A1 (en) 2001-05-30 2002-12-05 Bioneer Corporation Electrochemical preparation of acetic acid
WO2009072887A1 (en) 2007-12-07 2009-06-11 Spark Origin B.V. Method and device for converting biomass into methane
US20090317882A1 (en) 2008-06-20 2009-12-24 The Penn State Research Foundation Electromethanogenic reactor and processes for methane production

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20180071731A (ko) 2016-12-20 2018-06-28 서강대학교산학협력단 미생물 발효를 이용한 1,3-부타디엔의 제조 방법

Also Published As

Publication number Publication date
PT2524046T (pt) 2016-07-08
CN102741417B (zh) 2016-01-27
ES2578229T3 (es) 2016-07-21
NZ600866A (en) 2013-04-26
PL3070170T3 (pl) 2019-02-28
AU2011205873A1 (en) 2012-07-19
CA2786751A1 (en) 2011-07-21
EP3070170B1 (en) 2018-08-01
CN105755058A (zh) 2016-07-13
US20110269197A1 (en) 2011-11-03
EP2524046B1 (en) 2016-04-13
KR20120125497A (ko) 2012-11-15
ES2690151T3 (es) 2018-11-19
US8377665B2 (en) 2013-02-19
CA2786751C (en) 2014-03-25
WO2011087380A1 (en) 2011-07-21
CN105755058B (zh) 2021-01-15
EP2524046A1 (en) 2012-11-21
CN102741417A (zh) 2012-10-17
MY159196A (en) 2016-12-30
AU2011205873B2 (en) 2012-09-27
EP3070170A1 (en) 2016-09-21
EP2524046A4 (en) 2013-10-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101317447B1 (ko) 알코올 제조 방법
KR101312107B1 (ko) 미생물 알콜 생산 방법
KR101417235B1 (ko) 최적화된 발효 배지
US10724059B2 (en) Fermentation process
US20130230894A1 (en) Optimised Fermentation Media
KR101715417B1 (ko) 배양체 생존능력을 유지시키는 방법
US9783835B2 (en) Method for producing a lipid in a fermentation process
US20110250629A1 (en) Alcohol production process
BARKER et al. Patent 2786751 Summary

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
A302 Request for accelerated examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20160923

Year of fee payment: 4

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20170926

Year of fee payment: 5

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20180921

Year of fee payment: 6