KR102025458B1 - 가스 공급 발효 시스템 - Google Patents

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조슈아 실버맨
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드류 레짓스키
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칼리스타, 인코포레이티드
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Abstract

발효기는 용기 내에 적어도 부분적으로 배치된 적어도 하나의 중공 유체 도관을 가질 수 있다. 중공 유체 도관의 외부 원주 및 용기의 내부 원주는 액체 배지 및 압축된 가스 기질 버블을 포함하는 다상 혼합물이 흐르는 하류 흐름 경로를 획정할 수 있다. 중공 유체 도관의 내부 원주는 하류 흐름 경로와 유체 연통하는 상류 흐름 경로를 획정할 수 있다. 다상 액체는 상류 흐름 경로를 통해 흐르고 발효기를 떠날 수 있다. 중공 유체 도관 또는 용기에서 냉각이 제공될 수 있다. 하나 이상의 배압 생성기는 발효기에서 배압을 유지시키기 위해 사용될 수 있다. 하나 이상의 유체 이동장치는 하류 및 상류 흐름 경로에서 유도된 및/또는 강제된 흐름을 다양하게 생성하기 위해 사용될 수 있다.

Description

가스 공급 발효 시스템{GAS-FED FERMENTATION SYSTEMS}
본 발명은 일반적으로 발효에서 유용한 용기, 시스템 및 공정, 및 특히 가스 기질을 이용한 발효 시스템에 관한 것이다.
대단히 증가하는 화석 연료 매장의 고갈, 온실 가스의 생성 증가 및 기후 변화에 대한 최근의 관심으로, 화석 연료에 대해 생체연료(예를 들어, 에탄올, 바이오디젤)를 대체하는 것이 산업적으로 주목되고 있다. 그러나, 현재까지 생성된 생체연료는 그 자체의 어려움 및 문제를 갖는다. 1세대 생체연료는 식물로부터 유래하지만(예를 들어, 전분; 사탕수수 당; 및 옥수수, 평지씨, 대두, 팜 및 다른 식물성 오일), 이 연료 농작물은 인간 및 동물 소비를 위해 성장된 농작물과 경쟁한다. 세계적으로 이용 가능한 농지의 양은 식품 및 연료 둘 다에 대한 증가하는 수요를 만족시키기에 불충분하다. 생체연료 상용성 곡물에 대한 식품 공급자에 의한 요구를 감소시키기 위해, 셀룰로스 또는 조류와 같은 대안적인 생물학적 재료를 사용한 2세대 생체연료가 개발 중에 있다. 그러나, 높은 제조 비용과 제조 시 기술적 어려움은 2세대 생체연료가 전혀 더 비용 효과적이거나 접근 가능하게 하지 않는다.
3세대 또는 그 윗세대의 생체연료는 대안적인 비식품계 탄소 공급원료를 사용하여 제조된다. 이 효과의 일부로서, 연료, 활택제 및 플라스틱을 포함하는 더 고차의 탄화수소 화합물의 제조 시 대안적인 비생물계 공급원료의 사용은 대단히 증가하는 추진력을 얻고 있다. 이러한 공급원료는 무엇보다도 메탄 및 합성가스를 포함하는 탄소 함유 화합물과 탄소 비함유 화합물의 하나 이상의 탄소 함유 화합물 또는 혼합물을 포함할 수 있다. 메탄은 예를 들어 비교적 풍부하게 천연 발생하고 세계에 걸쳐 많은 위치에서 발견된다. 메탄은 또한 많은 생물학적 부패 공정 동안 생성되고, 따라서 폐기 처리 및 쓰레기 매립지 설비로부터 포획될 수 있다. 이의 상대 풍부도의 경우, 메탄은 CO2의 상대 온실 가스 기여의 23배를 갖는 강력한 온실 가스이다. 역사적으로, 메탄은 더 높은 값의 생성물로 전환하거나 먼 또는 부존 위치, 예컨대 먼 가스 지역 또는 연안 제조 플랫폼으로부터 시장으로 운송하는 데 어려운 다소 귀중한 부산물로 생각되었다. 이러한 공급원으로부터의 메탄, 및 하수 처리 설비 및 쓰레기 매립지에서 발생하는 생물학적 분해 공정에 의해 생성된 메탄은 주로 배기되거나 연소된다. 메탄 및 유사한 탄소 함유 가스를 하나 이상의 더 높은 값의 C2 또는 더 고차의 탄화수소로 경제적으로 및 효과적으로 전환시키는 능력은 상당한 환경 이익을 제공함과 동시에 비교적 풍부한 비생물학적으로 생성된 공급원료의 이점을 취하는 절차를 허용할 것이다.
최근의 메탄의 국내 제조 상승(2006년에 일당 480억 평방 피트 당량으로부터 2012년에 일당 650억 평방 피트 당량)은 천연 가스의 비용이 낮게 기록되게(2006년에 약 $14.00/MMBTU로부터 2012년에 약 $2.50/MMBTU) 추진시켰다. 국내 천연 가스는 주로 수리학적 파쇄("프래킹(fracking)")에 의해 생성되지만, 메탄은 또한 다른 공급원, 예컨대 쓰레기 매립지 및 하수로부터 얻어질 수 있다. 그러나, 메탄의 휘발성은 연료로서의 메탄의 운송 및/또는 직접 사용이 문제가 되게 한다.
이러한 이유로, 메탄을 1종 이상의 액체 생성물, 예를 들어 모터 연료로 전환시켜, 사용 또는 판매 지점까지로의 더 용이한 운송을 허용하는 강한 장려가 존재한다. 2가지 주요 접근법이 최근에 추구된다: 액화 천연 가스(LNG)를 발생시키는 액화 및 가스를 액체로 전환(GTL)시키는 화학 전환(Patel, 2005, 7th World Congress of Chemical Engineering, Glasgow, Scotland, UK). 피셔-트롭시(Fischer Tropsch: F-T) 공정은 현재 많은 분량의 메탄을 더 높은 차수의 탄화수소로 전환시키기 위한 가장 일반적인 접근법이다(Patel, 2005). F-T 공정이 천연 가스로부터 증기 개질에 의해 생성된 유입으로서 합성가스를 취한다는 것에 주의한다(합성가스는 물 및 산소와의 고온 반응에 의해 석탄 기화로부터 또한 공급될 수 있다). F -T 공정은 오늘날의 연료 공급과 일치하는 석유 생성물을 생성하지만, 낮은 수율, 불량한 선택도(다운스트림 이용 강박관념을 생성시킴)를 포함하는 다수의 단점을 겪고 경제적인 제조를 성취하기 위해 상당한 자본 지출 및 규모를 요한다(Spath and Dayton, December 2003 NRELlTP-510-34929). 대량 규모는 F-T 플랜트에 필요하고(일반적으로 자본 비용에서 20억 달러 초과[Patel, 2005]), 또한 F-T 공정의 막대한 자본 비용을 상쇄시키는 데 필요한 다량의 메탄 공급원료로 인해 상당한 제한을 나타낸다. 메탄 운송이 대부분의 경우에 엄청나게 고가이므로, 이러한 플랜트는 보통 중요한 메탄 저장소 또는 메탄 관로의 형태의 메탄의 꾸준하고 신뢰할만하고 비용 효과적인 공급원과 동시 위치해야 한다. 추가적인 비용 및 규모확대 인자가 가스 스크러빙 기술의 자본환경인데(Spath and Dayton, 2003), 왜냐하면 F-T 촉매가 합성가스 전환 공정을 통해 영향받지 않고 통과하는 천연 가스에서 발견되는 일반 오염물질에 상당히 민감하기 때문이다.
대량 자본 투자와 조합된, 대용적의 비교적 깨끗한 메탄 함유 가스에 대한 접근의 준비에 대한 요건은 현재 세계에서 일부 몇몇 위치에서 천연 가스 기반 F-T 플랜트를 성공적이고 경제적으로 실행가능한 조작으로 제한한다(Spath and Dayton, 2003). 높은 수송 비용과 조합된, 액체로의 가스 공정 또는 액화 천연 가스 플랜트에 대한 높은 최소 공정처리 요건은 '부존(stranded)' 가스 매장으로 남은 더 적은 메탄 공급원을 생성시킨다. 이러한 부존 가스는 연안 오일 우물에서 생성된 천연 가스 또는 쓰레기 매립지로부터의 메탄 배출가스를 포함할 수 있지만, 이들로 제한되지는 않는다. 효과적인 소규모 전환 기술의 현재의 부재로 인해, 메탄 축적이 상당한 안전성 위험을 나타내면서, 이러한 부존 가스 공급원은 통상적으로 대기로 배기되거나 연소된다. 피셔-트롭시 공정을 이용한 액체로의 가스 설비는 1938년부터 반연속적으로 조작되고 있다. 몇몇 회사는 현재 상기 기재된 메탄의 비용 및 현재의 이용가능성을 고려하여 새로운 플랜트의 도입을 조사 중에 있다. 그러나, 지난 70년이 넘는 상당한 조사 및 개발에도 불구하고, 피셔-트롭시 기술의 제한은 상업적인 액체로의 가스 공정의 광범위한 채택을 방해한다.
상기 제한의 과점에서, 탄소 공급원으로서 C1 기질을 사용하는 생물학적 발효는 식품 공급원과 화학물질/연료에 대한 발효 사이의 현재의 경쟁 둘 다, 및 천연 가스의 이용에 대한 우수한 옵션의 결여에 대한 매력적인 해결책을 제기한다. 그러나, 가스 기질, 예컨대 메탄, CO 또는 CO2에 대한 발효는 탄소 기질이 기상으로부터 수상으로 수송되어 배양에서 C1 대사작용 비광합성 미생물에 의한 흡수 및 대사를 허용해야 한다는 요건으로 인해 상당한 도전을 나타낸다. 동시에, 다른 가스, 예컨대 O2 또는 H2는 기상으로부터 수송되어 세포 대사가 진행되도록(각각 호기성 또는 염기성 대사) 허용하는 데 또한 필요할 수 있다. 폐기 생성물(예컨대, 호기성 대사의 경우에 CO2)은 반응기로부터 신속히 제거되어 효과적인 미생물 성장을 허용해야 한다. 추가로, C1 기질의 대사로부터의 열 생성은 상당하고, 시스템은 미생물 성장을 위해 최적 조건을 유지시키기 위해 연속하여 냉각되어야 한다.
액상으로부터 기상으로의 대류 물질 이동은 물질 이동 계수로 기재될 수 있다. 플럭스(flux)는 물질 이동 계수, 표면적 및 농도 차이의 곱이다(플럭스 = k A ΔC).
물질 이동 계수는 수송된 분자의 크기, 수상 중의 이의 용해도 및 상 사이의 경계 층의 크기를 포함하는 다양한 인자에 의해 영향을 받는다(통상적으로 혼합 속도 및 난류에 의해 발효 시스템에서 제어됨). 대부분의 발효 시스템에서의 기상과 액상 사이의 표면적은 유입 가스의 버블 크기에 의해 주로 제한된다. 버블 크기는 작은 기공을 통한 가스의 도입, 및 버블을 파괴시키는 전단력의 증가에 의해 제어될 수 있고 유착을 방지한다. 농도 차이는 기상 경계 층에 걸친 농도 차이, 액상 경계 층에 걸친 농도 차이, 벌크 증기와 증기(벌크 액체와 평행일 수 있음) 사이의 농도 차이 또는 벌크 액체와 액체(벌크 증기와 평행일 수 있음) 사이의 농도 차이일 수 있다. 대부분의 발효 시스템에서, 농도 차이는 기상의 압력에 의해 제어된다.
종래의 발효 시스템(생물반응기)은 교반 또는 에어리프트의 2의 방법 중 하나에 의해 가스 혼합을 성취한다. 교반된 발효기는 일반적으로 단일 대형 발효기에 중앙에 위치한 교반 블레이드에 의해 혼합을 성취한다. 교반기 블레이드는 액체에서 난류 및 전단을 생성시키는 반면, 가스 버블은 발효기의 바닥에서 도입되어, 이것이 발효기를 이동하면서 버블의 진행을 방해하고 발효기 내에 유착하는 버블의 경향을 감소시키기 위해 가스 버블을 전단시킨다. 이러한 유형의 발효기의 이점은 빠르고 비교적 균질한 혼합 및 혼합 블레이드의 고속으로 인해 가능한 가스 버블 분산이다. 그러나, 용적이 증가하면서 동일한 혼합 속도를 얻기 위한 에너지 요건 및 질량 이동이 방해될 수 있으므로 이러한 유형의 발효기는 규모 확대하기 어려울 수 있다. 추가로, 격렬한 혼합이 발효 액체의 상당한 가열을 의미하고, 단일 대형 발효기의 사용은 열 교환 냉각에 이용 가능한 표면적을 제한한다.
에어리프트 발효기는 액체에 대한 흐름 경로를 도입함으로써 기계적 교반기를 피한다. 에어리프트 발효기는 양 말단에서 상호연결된 하류 및 상류 구역을 갖고; 이 구역은 별개의 유닛(루프 발효기라 칭함) 또는 동심 유닛(에어리프트 발효기)일 수 있다. 양자의 경우에, 가스는 버블 생성 장치를 통해 상류 구역의 바닥에서 공급된다. 버블은 액체와 혼합되어, 액체의 밀도를 감소시키고 가스-액체 혼합물이 상류 구역을 통해 상승하도록 한다. 상승하는 혼합물은 반응기의 상부에서 액체를 대체하고, 이는 하류 구역 아래로 이동하여 바닥에서 액체를 대체하여, 발효기에서의 원형 흐름을 확립한다. 액체 중의 가스 버블에 대한 긴 잔류 시간을 얻기 위해, 에어리프트 발효기는 일반적으로 길고 제한된 횡단면적을 갖는다. 이는 가스가 발효기에 존재하는 액체의 칼럼에 의해 형성된 정수 압력을 극복하기 위해 비교적 고압으로 공급되어야 한다는 것을 의미한다. 또한, 압력이 높이에 따라 감소하면서 버블 크기는 발효기에 걸쳐 상당히 증가한다. 증가하는 버블 직경은 물질 이동이 발생할 수 있는 가스 버블 면적(가스 버블 면적의 제곱에 비례)에 대한 가스 버블 용적(가스 버블 반경의 세제곱에 비례)의 비율을 감소시킴으로써 가스 버블과 액상 사이의 물질 이동의 속도를 비례하여 감소시킨다. 에어리프트 발효기에서의 유속 및 전단력은 교반 탱크 발효기에서보다 상당히 작고, 이는 또한 버블 유착을 증가시키고 발효기의 냉각의 효율을 감소시키는 경향이 있다. 마지막으로, 하류 구역으로의 액체의 반환 전에 발효기의 상류 부분에 진입하는 혼합물로부터의 비사용된 가스 및 폐기 가스의 분리는 도전일 수 있다.
일 양상에서, 본 개시내용은 미생물 발효를 위한 가스 기질의 효과적인 물질 이동을 위한 방법 및 장치를 제공한다. 추가적으로, 본 개시내용은 C1 대사작용 비광합성 미생물을 주로 포함하는 배양물을 사용하여 가스 탄소 함유 공급원료를 발효하는 방법을 제공한다. 또 다른 양상에서, 본 개시내용은 효과적인 열 교환 및 폐기 가스 제거 이외에 액상으로의 기상의 높은 플럭스의 물질 이동을 허용하는 규모 확대형 발효기 설계를 제공한다. 당해 분야에 공지된 단점을 극복하고 다양한 생성물의 최적 제조를 위한 새로운 방법을 공중에게 제공하는 발효를 위한 시스템 및 방법이 제공된다.
이러한 발효 시스템은 C1 화합물을 우선적으로 대사작용시킬 수 있는 미생물의 하나 이상의 종을 사용할 수 있다. 이러한 미생물은 원핵생물 또는 박테리아, 예컨대 메틸로모나스(Methylomonas), 메틸로박터(Methylobacter), 메틸로코커스(Methylococcus), 메틸로시누스(Methylosinus), 메틸로시스티스(Methylocystis), 메틸로마이크로븀(Methylomicrobium), 메타노모나스(Methanomonas), 메틸로필루스(Methylophilus), 메틸로바실루스(Methylobacillus), 메틸로박테륨(Methylobacterium), 하이포마이크로븀(Hyphomicrobium), 잔토박터(Xanthobacter), 바실루스(Bacillus), 파라코커스(Paracoccus), 노카르디아(Nocardia), 아르트로박터(Arthrobacter), 로도슈도모나스(Rhodopseudomonas) 또는 슈도모나스(Pseudomonas)를 포함한다. 몇몇 경우에서, C1 대사작용 미생물은 메탄영양세균(methanotroph), 메틸영양세균(methylotroph) 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 바람직한 메탄영양세균은 메틸로모나스, 메틸로박터, 메틸로코커스, 메틸로시누스, 메틸로시스티스, 메틸로마이크로븀, 메타노모나스 또는 이들의 조합을 포함한다. 예시적인 메탄영양세균은 메틸로모나스 종(Methylomonas sp .) 16a(ATCC PTA 2402), 메틸로시누스 트리초스포륨(Methylosinus trichosporium)(NRRL B-ll,196), 메틸로시누스 스포륨(Methylosinus sporium)(NRRL B-ll, 197), 메틸로시스티스 파르부스(Methylocystis parvus)(NRRL B-ll, 198), 메틸로모나스 메타니카(Methylomonas methanica)(NRRL B-5 11,199), 메틸로모나스 알부스(Methylomonas albus)(NRRL B-ll, 200), 메틸로박터 캅술라투스(Methylobacter capsulatus)(NRRL B-11,201), 메틸로박테륨 오가노필룸(Methylobacterium organophilum)(ATCC 27,886), 메틸로모나스 종 AJ-3670(FERM P-2400), 메틸로마이크로븀 알칼리필룸(Methylomicrobium alcaliphilum), 메틸로셀라 실베스트리스(Methylocella silvestris), 메틸아시디필룸 인페르노룸(Methylacidiphilum infernorum), 메틸리븀 페트롤레이필룸(Methylibium petroleiphilum), 메틸로시누스 트리초스포륨 OB3b, 메틸로코커스 캅술라투스 바쓰(Bath), 메틸로모나스 종 16a, 메틸로마이크로븀 알칼리필룸 20Z 또는 이들의 고성장 변이체를 포함한다. 바람직한 메틸영양세균은 메틸로박테륨 엑스토르?스(Methylobacterium extorquens), 메틸로박테륨 라디오톨레란스(Methylobacterium radiotolerans), 메틸로박테륨 포풀리(Methylobacterium populi), 메틸로박테륨 클로로메타니쿰(Methylobacterium chloromethanicum), 메틸로박테륨 노둘란스(Methylobacterium nodulans) 또는 이들의 조합을 포함한다.
합성가스에서 발견되는 C1 화합물을 대사작용시키는 미생물은 클로스트리듐(Clostridium), 모렐라(Moorella), 피로코커스(Pyrococcus), 유박테륨(Eubacterium), 데설포박테륨(Desulfobacterium), 카복시도테르무스(Carboxydothermus), 아세토게늄(Acetogenium), 아세토박테륨(Acetobacterium), 아세토아나에로븀(Acetoanaerobium), 부티리바세테륨(Butyribaceterium), 펩토스트렙토코커스(Peptostreptococcus) 또는 이들의 조합을 포함하지만, 이들로 제한되지는 않는다. 예시적인 메틸영양세균은 클로스트리듐 아우토에타노게눔(Clostridium autoethanogenum), 클로스트리듐 륭달리(Clostridium ljungdahli), 클로스트리듐 라그스달레이(Clostridium ragsdalei), 클로스트리듐 카복시디보란스(Clostridium carboxydivorans), 부티리박테륨 메틸로트로피쿰(Butyribacterium methylotrophicum), 클로스트리듐 우디(Clostridium woodii), 클로스트리듐 네오프로파놀로겐(Clostridium neopropanologen) 또는 이들의 조합을 포함한다. 몇몇 경우에서, C1 대사작용 미생물은 진핵생물, 예컨대 킨디다(Candida), 야로위아(Yarrowia), 한세눌라(Hansenula), 피치아(Pichia), 토룰롭시스(Torulopsis) 또는 로도토룰라(Rhodotorula)를 포함하는 효모이다.
다른 경우에, C1 대사작용 비광합성 미생물은 절대적 C1 대사작용 비광합성 미생물, 예컨대 절대적 메탄영양세균, 절대적 메틸영양세균 또는 이들의 조합이다. 몇몇 경우에서, C1 대사작용 비광합성 미생물은 지방산 생성 효소, 폼알데하이드 동화 효소 또는 이들의 조합을 코딩하는 이종성 폴리뉴클레오타이드를 포함하는 재조합 미생물이다.
도면에서, 도면에서의 구성요소의 크기 및 상대 위치는 확대되어 작도될 필요는 없다. 예를 들어, 다양한 구성요소 및 각도가 확대되어 작도되지 않고, 이들 구성요소 중 몇몇은 임의로 확대되고 배치되어 도면 판독을 개선한다. 추가로, 작도된 구성요소의 특정한 형상은 특정한 구성요소의 실제 형상에 대한 어떠한 정보를 전달하는 의도가 없고 도면에서 인식의 용이를 위해 유일하게 선택된다.
도 1은 다수의 중공 유체 도관의 각각과 둘러싼 용기 사이의 다수의 하류 흐름 경로 및 다수의 중공 유체 도관의 각각 내의 다수의 상류 흐름 경로를 생성하기 위해 용기 내에 배치된 다수의 중공 유체 도관을 포함하는 예시적인 발효기 용기의 투시도를 나타내고; 하나 이상의 예시된 실시형태에 따라 하류 및 상류 흐름경로는 하류 흐름경로에서의 흐름의 적어도 일부가 중공 유체 도관에 진입하여 상류 흐름 경로에서 흐름의 적어도 일부를 제공하도록 유체 흐름가능하게 커플링된다(fluidly coupled).
도 2는 하나 이상의 예시된 실시형태에 따라 단독으로 또는 조합되어 가스 기질을 발효시켜 1종 이상의 가스 또는 액체 C2 또는 더 고차의 탄화수소를 제공하는 데 유용한 임의의 냉각 하위시스템, 배압 하위시스템 및 분리 하위시스템을 포함하는 예시적인 발효 시스템의 블록 흐름 다이어그램을 나타낸다.
도 3은 하나 이상의 예시된 실시형태에 따라 하류 흐름 경로 및 상류 흐름 경로를 형성하기 위해 둘러싼 용기 내에 배치된 단일 중공 유체 도관 및 하류 흐름 경로 및 상류 흐름 경로 둘 다를 통한 흐름을 강제하는 외부에 탑재된 유체 이동장치를 포함하는 예시적인 발효기의 단면도를 나타낸다.
도 4는 하나 이상의 예시된 실시형태에 따라 다수의 하류 흐름 경로 및 상류 흐름 경로를 형성하기 위해 용기에 의해 적어도 부분적으로 둘러싸인 다수의 중공 유체 도관 및 하류 흐름 경로 및 상류 흐름 경로 둘 다를 통한 흐름을 강제하는 외부에 탑재된 유체 이동장치를 포함하는 예시적인 발효기의 단면도를 나타낸다.
도 5는 하나 이상의 예시된 실시형태에 따라 다수의 하류 흐름 경로 및 상부 흐름을 형성하기 위해 용기에 의해 적어도 부분적으로 둘러싸인 다수의 중공 유체 도관 및 하류 흐름 경로를 통한 흐름을 강제하고 상류 흐름 경로를 통한 흐름을 강제하는 외부에 탑재된 유체 이동장치를 포함하는 예시적인 발효기의 단면도를 나타낸다.
도 6은 하나 이상의 예시된 실시형태에 따라 다수의 하류 및 상류 흐름 경로를 형성하기 위해 접시형 바닥 용기(dished bottom vessel)에 의해 적어도 부분적으로 둘러싸인 다수의 중공 유체 도관 및 하류 흐름 경로를 통한 흐름을 유도하고 상류 흐름 경로를 통한 흐름을 강제하는 외부에 탑재된 유체 이동장치를 포함하는 예시적인 발효기의 단면도를 나타낸다.
도 7은 하나 이상의 예시된 실시형태에 따라 하류 및 상류 흐름 경로 둘 다에서 임의의 냉각을 포함하는 발효 방법의 고수준 흐름 다이어그램을 나타낸다.
도 8은 하나 이상의 예시된 실시형태에 따라 배압 하위시스템을 이용한 승압에서의 발효기의 유지를 임의로 포함하는 발효 방법의 고수준 흐름 다이어그램을 나타낸다.
도 9는 하나 이상의 예시된 실시형태에 따라 배압 하위시스템을 이용한 승압에서의 발효기의 유지, 임의의 분리 하위시스템에서의 발효기로부터 제거된 다상 혼합물의 분리 및 다시 발효기로의 분리된 다상 혼합물의 적어도 일부의 재순환을 임의로 포함하는 발효 방법의 고수준 흐름 다이어그램을 나타낸다.
하기 설명에서, 소정의 구체적인 상세내용은 다양한 실시형태의 완전한 이해를 제공하도록 기재되어 있다. 그러나, 당해 분야의 당업자는 본 발명이 이 상세내용 없이 실행될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 다른 경우에, 구조, 표준 용기 설계 상세내용, 이용 가능한 부품, 예컨대 액체 또는 가스 분배기, 펌프, 터빈 및 유사부품의 구체적인 설계 매개변수, 미국 기계 엔지니어 학회(American Society of Mechanical Engineers: ASME) 압력 용기의 설계 및 구성에 관한 상세내용, 제어 시스템 이론, 하나 이상의 발효 공정에서의 구체적인 단계 등이 실시형태의 설명을 불필요하게 모호하게 하지 않도록 상세히 도시되거나 기재되어 있지 않다. 문맥상 달리 필요하지 않은 한, 명세서 및 하기하는 특허청구범위에 걸쳐, 단어 "포함한다" 및 이의 변형어, 예컨대, "포함" 및 "포함하는"은 개방의 포괄 의미로, 즉 "포함하지만, 이들로 제한되지는 않는다"로 해석되어야 한다. 추가로, 본 명세서에서 제공된 제목은 오직 편의 목적이고 청구된 발명의 범위 또는 의미를 해석하지 않는다.
본 명세서에 걸쳐 "하나의 실시형태" 또는 "일 실시형태"에 대한 언급은 실시형태와 관련하여 기재된 특정한 특성, 구조 또는 특징이 적어도 하나의 실시형태에 포함된다는 것을 의미한다. 따라서, 본 명세서에 걸쳐 다양한 위치에서의 "하나의 실시형태에서" 또는 "일 실시형태에서"의 구절의 존재는 모두 동일한 실시형태를 언급할 필요는 없다. 더욱이, 특정한 특성, 구조 또는 특징은 하나 이상의 실시형태에서 임의의 적합한 의미로 조합될 수 있다. 또한, 본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 것처럼, 단수 형태 "일", "하나" 및 "이"는 내용이 명확히 달리 기술하지 않은 한 복수 지칭을 포함한다. 용어 "또는"은 일반적으로 내용이 명확히 달리 기술하지 않은 한 "및/또는"을 포함하는 이의 의미로 사용된다는 것에 또한 유의해야 한다.
발효기는 일반적으로 발효 공정이 실행되는 임의의 용기로 정의된다. 많은 수의 발효 공정 및 매우 다양한 발효 가능한 기질을 고려할 때, 발효기는 알코올 음료 산업에서 발견되는 단순한 연속 교반 탱크 반응기로부터 특정한 기질 및/또는 특정한 생물학적 종에 맞는 내부 구조 및 가스 분포를 갖는 매우 복잡한 특수 용기의 범위일 수 있다. 탄소 함유 가스, 예컨대 메탄 및 합성가스(CO와 H2의 혼합물)를 더 긴 사슬 가스 및 액체 탄화수소로 전환하는 데 유용한 발효기는 다상 혼합물을 제공하도록 1종 이상의 영양소를 함유하는 액체 배지 내에 C1 탄소 화합물을 함유하는 가스 기질을 일반적으로 분산시킨다. 이 다상 혼합물은 하나 이상의 미생물학적 콜로니로 공급되고, 이 콜로니는 가스 기질 내의 C1 탄소 화합물(들)의 일부를 더 바람직한, 더 긴 사슬의, C2 또는 더 고차의 화합물로 전환시킨다. 콜로니를 포함하는 기질 조성물, 영양소 및 미생물학적 유기체(즉, 발효기 내의 바이오매스)는 액체, 가스 또는 세포내 물질로서 존재할 수 있는 C2 또는 더 고차의 화합물의 원하는 최종 매트릭스를 제공하도록 다양하게 조정되거나 맞춰질 수 있다.
물질 이동 시각으로부터, 가스 기질 발효기는, 기질이 가스 버블 내에 포획되고, 기질의 미생물학적 흡수가 발생하도록, 가스 기질이 처음에 액체 배지 중의 용해를 통해 직접적으로 또는 간접적으로 가스 버블로부터 미생물학적 유기체로 통과해야 한다는 점에서 독특한 도전을 제시한다. 이러한 발효 공정은 따라서 발효기 내에서 가스 버블로부터 미생물학적 유기체로의 바람직하게 고수준의 기질의 물질 이동을 용이하게 하고/하거나 지속시키는 시스템의 능력에 의해 흔히 제한된다. 최소한, 가스 버블로부터 둘러싼 액체 배지 또는 미생물학적 유기체로의 물질 이동의 속도는 가스 버블 내의 가스 압력, 가스 버블의 용적 대 표면적 비 및 둘러싼 액체 또는 미생물학적 유기체와의 가스 버블의 접촉 시간의 함수이다. 가스 버블 내의 압력의 증가 또는 둘러싼 액체 또는 미생물학적 유기체와의 가스 버블의 접촉 시간의 증가는 기질과 미생물학적 유기체 사이의 더 높은 효과적인 물질 이동 속도를 발생시킨다. 가스 버블의 용적 대 표면적 비의 감소(즉, 가스 버블의 직경의 감소)는 가스 버블과 둘러싼 액체 사이의 더 높은 효과적인 물질 이동 속도를 발생시킨다. 이상적인 발효기는 따라서 연장된 기간 동안 둘러싼 액체 또는 미생물학적 유기체와 밀접한 또는 친밀한 접촉으로 유지되는 비교적 고압에서 비교적 작은 직경의 많은 가스 버블을 가질 것이다.
비교적 작은 직경, 비교적 높은 압력의 가스 버블을 제공할 수 있는 다수의 발효 시스템, 방법 및 장치가 본 명세서에 개시되어 있다. 둘러싼 액체 및/또는 생물학적 유기체(들)와의 연장된 접촉 시간을 제공할 수 있는 다수의 발효 시스템, 방법 및 장치가 본 명세서에 개시되어 있다. 이러한 발효 시스템, 방법 및 장치는 C1 화합물을 더 바람직한 가스, 액체 및 세포내 C2 및 더 고차의 화합물로 전환하는 데 있어서 특히 유용한 것으로 밝혀진 매우 효과적인 가스 기질 발효 시스템을 유리하게 제공할 수 있다.
본 명세서에 사용되는 바와 같은 용어 "C1 기질" 또는 "C1 화합물"은 탄소-탄소 결합이 결여된 임의의 탄소 함유 분자 또는 조성물을 의미한다. 샘플 분자 또는 조성물은 메탄, 메탄올, 폼알데하이드, 폼산 또는 이들의 염, 일산화탄소, 이산화탄소, 합성가스, 메틸아민(예를 들어, 모노메틸아민, 디메틸아민, 트라이메틸아민), 메틸티올 또는 메틸할로겐을 포함한다.
본 명세서에 사용되는 바와 같은 용어 "C1 대사작용 미생물" 또는 "C1 대사작용 비광합성 미생물"은 에너지의 공급원으로서 또는 에너지 및 바이오매스의 이의 유일한 공급원으로서 단일 탄소(C1) 기질을 사용하는 능력을 갖는 임의의 미생물을 의미하고, 에너지 및 바이오매스를 위해 다른 탄소 기질(예컨대, 당 및 복합 탄수화물)을 사용하거나 사용하지 않을 수 있다. 예를 들어, C1 대사작용 미생물은 C1 기질, 예컨대 메탄 또는 메탄올을 산화시킬 수 있다. C1 대사작용 미생물은 박테리아(예컨대, 메탄영양세균 및 메틸영양세균) 및 효모를 포함한다. 적어도 몇몇 경우에서, C1 대사작용 미생물은 광합성 미생물, 예컨대 조류를 포함하지 않는다. 소정의 실시형태에서, C1 대사작용 미생물은 "절대적 C1 대사작용 미생물"일 것이고, 이것은 에너지의 이의 유일한 공급원이 C1 기질을 포함하고 그 외를 포함하지 않는다는 것을 의미한다.
본 명세서에 사용되는 바와 같은 용어 "메틸영양세균 박테리아"는 탄소-탄소 결합을 포함하지 않는 유기 화합물을 산화시킬 수 있는 임의의 박테리아를 의미한다. 소정의 실시형태에서, 메틸영양세균 박테리아는 메탄영양세균일 수 있다. 예를 들어, "메탄영양세균 박테리아"는 탄소 및 에너지의 이의 일차 공급원으로서 메탄을 산화시키는 능력을 갖는 임의의 메틸영양세균 박테리아를 의미한다. 예시적인 메탄영양세균 박테리아는 메틸로모나스, 메틸로박터, 메틸로코커스, 메틸로시누스, 메틸로시스티스, 메틸로마이크로븀 또는 메타노모나스를 포함한다. 소정의 다른 실시형태에서, 메틸영양세균 박테리아는 "절대적 메틸영양세균 박테리아"이고, 이는 에너지의 생성을 위해 C1 기질의 이용으로 제한되는 박테리아를 의미한다.
본 명세서에 사용되는 바와 같은 용어 "CO를 사용하는 박테리아"는 탄소 및 에너지의 공급원으로서 일산화탄소(CO)를 산화시키는 능력을 자연히 보유하는 박테리아를 의미한다. 일산화탄소는 "합성 가스" 또는 "합성가스", 임의의 유기 공급원료의 기화에 의해 생성된 수소와 일산화탄소의 혼합물, 예컨대 석탄, 석탄 오일, 천연 가스, 바이오매스 및 폐기 유기물로부터 사용될 수 있다. 일산화탄소를 사용하는 박테리아는 이의 탄소 공급원으로서 일산화탄소에서 성장을 위해 유전적으로 변형되어야 하는 박테리아를 포함하지 않는다.
본 명세서에 사용되는 바와 같은 용어 "합성가스"는 적어도 일산화탄소(CO)와 수소(H2)를 포함하는 혼합물을 의미한다. 적어도 몇몇 경우에서, 합성가스는 또한 CO2, 메탄, 및 CO 및 H2에 비해 더 적은 분량의 다른 가스를 포함할 수 있다. 합성가스는 물 가스 이동 또는 석탄 기화 공정(이들로 제한되지는 않음)을 포함하는 임의의 이용 가능한 공정을 이용하여 제조될 수 있다.
본 명세서에 사용되는 바와 같은 용어 "성장"은 세포량의 임의의 증가로 정의된다. 이는 하나 이상의 세포내 또는 세포간 중합체, 예컨대 소정의 지질의 축적으로 인해 세포량이 증가할 때 "균형 성장" 동안 또는 "비균형 성장" 동안 세포 분열(복제) 및 새로운 세포의 형성을 통해 발생할 수 있다. 후자의 경우에, 성장은 세포 내의 생물중합체의 축적으로 인한 세포 크기의 증가로 나타날 수 있다. "균형 세포 성장" 동안, 모든 공급원료(전자 도너 및 전자 억셉터) 및 모든 영양소는 세포의 거대분자 성분의 모두를 만드는 데 필요한 비율로 존재한다. 즉, 공급원료 또는 영양소는 단백질, 복합 탄수화물 중합체, 지방 또는 핵산의 합성을 제한하지 않는다. 반대로, "비균형 세포 성장" 동안, 하나 이상의 세포의 거대분자를 만드는 데 필요한 공급원료 또는 영양소는 균형 성장에 필요한 양 또는 비율로 존재하지 않는다. 따라서, 이 공급원료 또는 영양소는 제한이 되고 "제한 영양소"라 칭한다.
몇몇 세포가 비균형 조건 하에 순 성장을 여전히 성취할 수 있지만, 성장은 비균형이고, 제한 공급원료 또는 영양소의 부재 하에 합성될 수 있는 중합체가 축적될 것이다. 이 중합체는 지질 또는 세포내 저장 생성물, 예컨대 폴리드록시알카노에이트(PHA), 예컨대 폴리하이드록시뷰티레이트(PHB), 폴리드록시발러레이트(PHV) 및 폴리하이드록시헥사노에이트(PHHx)-글라이코겐 또는 분비 물질, 예컨대 세포외 폴리사카라이드를 포함한다. 이러한 오일 조성물은 생체플라스틱의 제조에 유용하다.
샘플 균형 및 비균형 성장 조건은 배지 내의 질소 함량이 다를 수 있다. 예를 들어, 질소는 건조 세포 중량의 약 12%를 구성하고, 이것은 100㎎/ℓ의 건조 세포 중량을 성장시키기 위해 12㎎/ℓ의 질소가 (필요한 화학량론적 비의 공급원료 및 다른 영양소와 함께) 공급되어야 한다는 것을 의미한다. 다른 공급원료 및 영양소가 100㎎/ℓ의 건조 세포 중량을 생성하는 데 필요한 분량으로 이용 가능하지만, 12㎎/ℓ 미만의 질소가 제공되어야 하는 경우, 질소를 함유하지 않는 중합체의 축적과 함께 비균형 세포 성장이 발생할 수 있다. 질소가 후속하여 제공되는 경우, 저장된 중합체는 세포에 대한 공급원료로서 작용하여, 새로운 세포의 복제 및 제조와 함께 균형 성장을 허용할 수 있다.
본 명세서에 사용되는 바와 같은 용어 "성장 주기"는, 세포 또는 미생물에 적용될 때, 세포 또는 미생물이 배양 조건에서 움직이는 대사 주기를 의미한다. 예를 들어, 주기는 다양한 단계, 예컨대 대수기, 지수기, 지수기의 끝 및 정지기를 포함할 수 있다.
본 명세서에 사용되는 바와 같은 용어 "지수 성장", "지수기 성장", "대수기" 또는 "대수기 성장"은 미생물이 성장하고 분열하는 속도를 의미한다. 예를 들어, 대수기 동안, 미생물은 이의 유전 능력, 배지의 성질 및 이것이 성장하는 조건을 고려하여 이의 최대 속도에서 성장한다. 미생물 성장 속도는 지수기 동안 일정하고, 규칙적 간격으로 미생물이 분할하고 수가 배가 된다. "활발히 성장하는" 세포는 대수기에서 성장하는 것이다. 반대로, "정지기"는 배양의 세포 성장이 느려지거나 심지어 중지되는 성장 주기에서의 시점을 의미한다.
본 명세서에 사용되는 바와 같은 용어 "성장 변경 환경"은 세포 성장을 저해하거나 세포를 사멸하는 능력을 갖는 에너지, 화학물질 또는 생물을 의미한다. 저해제는 돌연변이 유발원, 약물, 항생제, UV 광, 극도의 온도, pH, 대사 부산물, 유기 화학물질, 무기 화학물질, 박테리아, 바이러스 등을 포함할 수 있다.
본 명세서에 사용되는 바와 같은 용어 "고성장 변이체"는 유일한 탄소 및 에너지 공급원으로서 C1 기질, 예컨대 메탄 또는 메탄올과 성장할 수 있고, 모, 기준 또는 야생형 유기체, 미생물, 박테리아, 효모 또는 세포보다 빠른 지수기 성장 속도를 보유하는 유기체, 미생물, 박테리아, 효모 또는 세포를 의미한다 - 즉, 고성장 변이체는 모 세포와 비교하여 더 빠른 배가 시간 및 결과적으로 높은 성장 속도 및 대사되는 C1 기질 1그램당 높은 세포량의 수율을 갖는다(예를 들어, 미국 특허 제6,689,601호 참조).
본 명세서에 사용되는 바와 같은 용어 "생체연료"는 "바이오매스"로부터 적어도 부분적으로 유래한 연료를 의미한다.
본 명세서에 사용되는 바와 같은 용어 "바이오매스"는 생물학적 기원을 갖는 재생 가능한 자원을 의미한다.
본 명세서에 사용되는 바와 같은 용어 "바이오리파이너리(biorefinery)"는 바이오매스 전환 공정을 통합한 시설 및 바이오매스로부터 연료를 생성시키는 설비를 의미한다.
본 명세서에 사용되는 바와 같은 용어 "리파이너리"는 오일 조성물(예를 들어, 바이오매스, 생체연료 또는 화석 연료, 예컨대 원유, 석탄 또는 천연 가스)이 처리될 수 있는 오일 리파이너리(oil refinery)(즉, 정유 공장) 또는 이의 양상을 의미한다. 이러한 리파이너리에서 실행되는 샘플 공정은 크래킹, 에스테르화교환, 개질, 증류, 수소화공정, 이성질체화 또는 이들의 임의의 조합을 포함한다.
본 명세서에 사용되는 바와 같은 용어 "재조합" 또는 "비천연"은 적어도 하나의 유전 변경을 갖거나 이종성 핵산 분자의 도입에 의해 변형된 유기체 미생물, 세포, 핵산 분자 또는 벡터를 의미하거나, 내인성 핵산 분자 또는 유전자의 발현이 제어될 수 있도록 변경된 세포를 의미한다. 재조합은 또한 하나 이상의 이러한 변형을 갖는 세포로부터 유래한 세포를 의미한다. 예를 들어, 재조합 세포는 네이티브 세포(즉, 비변형 또는 야생형 세포) 내에 동일한 형태로 발견되지 않는 유전자 또는 다른 핵산 분자를 발현할 수 있거나, 내인성 유전자, 예컨대 달리 과발현되거나, 저발현되거나, 최소로 발현되거나 전혀 발현되지 않을 수 있는 유전자의 변경된 발현 패턴을 제공할 수 있다. 다른 예에서, 효소 또는 이의 기능적 단편을 코딩하는 핵산 분자에 대한 유전 변형은 이의 천연 발생 상태로부터 변경되거나 새로운 재조합 미생물 또는 세포에 생물화학 반응(들) 또는 대사 경로 역량을 제공할 수 있다.
본 명세서에 사용되는 바와 같은 용어 "이종성" 핵산 분자, 작제물 또는 서열은 이것이 발현된 세포에 네이티브가 아닌 핵산 분자 또는 핵산 분자 서열의 일부를 의미하거나, 유사한 조건에서 네이티브 발현 수준과 비교하여 변경된 발현을 갖는 핵산 분자이다. 예를 들어, 이종성 대조군 서열(예를 들어, 프로모터, 인핸서)은 자연 또는 배양에서 보통 발현되는 유전자 또는 핵산 분자와 다른 방식으로 유전자 또는 핵산 분자의 발현을 조절하기 위해 사용될 수 있다. 일반적으로, 이종성 핵산 분자는 이것이 존재하는 세포 또는 게놈의 일부에 내인성이 아니고, 접합, 형질전환, 형질감염, 전기천공 등에 의해 세포에 첨가된다.
본 개시내용의 발효를 위한 시스템은 별개 유닛(예를 들어, 서로 근접하거나 인접하거나 그렇지 않게 배치된 프로세싱 유닛 또는 시스템), 통합 유닛을 포함할 수 있거나, 시스템 그 자체는 상호연결되고 통합될 수 있다. 본 개시내용의 시스템은 1종 이상의 C1 화합물, 산소 및/또는 수소를 포함하는 적어도 하나의 기상 공급원료를 사용할 수 있다. 소정의 실시형태에서, 발효 시스템은 발효 배양에서 일차 미생물로서 C1 대사작용 미생물(예를 들어, 메탄영양세균, 예컨대 메틸로시누스 트리초스포륨 OB3b, 메틸로코커스 캅술라투스 바쓰, 메틸로모나스 종 16a, 메틸로마이크로븀 알칼리필룸 20Z 또는 고성장 변이체 또는 이들의 조합)을 사용한다.
다양한 배양 방법론은 본 명세서에 기재된 미생물, 박테리아 및 효모에 사용될 수 있다. 예를 들어, C1 대사작용 미생물, 예컨대 메탄영양세균 또는 메틸영양세균 박테리아는 회분 배양 및 연속 배양 방법론에 의해 성장할 수 있다. 일반적으로 대수기에서의 세포는 대개 몇몇 시스템에서 관심 있는 중간체 또는 생성물의 벌크 제조에 책임이 있는 반면, 정지기 또는 지수기 후 제조가 다른 시스템에서 얻어질 수 있다.
전통적인 회분 배양 방법은 배양이 시작되고 배양 과정 동안 변경되지 않을 때 배지 조성물이 설정된 밀폐 시스템이다. 즉, 배지는 선택된 하나 이상의 미생물에 의한 배양 과정의 초기에 접종되고 이후 시스템에 어떤 것도 첨가함이 없이 성장하도록 허용된다. 본 명세서에 사용되는 바와 간은 "회분" 배양은 초기에 첨가된 특정한 탄소 공급원의 양을 변화시키지 않는 것과 관련되는 반면, pH 및 산소 농도와 같은 인자의 조절은 배양 동안 모니터링되고 변경될 수 있다. 배취 시스템에서, 배양 시간까지 시스템의 대사물질 및 바이오매스 조성의 변화는 종료된다. 회분 배양 내에, 세포(예를 들어, 박테리아, 예컨대 메틸영양세균)는 일반적으로 정지 유도기로부터 고성장 대수기로 정지기로 이동할 것이고, 여기서 성장 속도는 감소하거나 중지된다(그리고 조건이 변하는 경우 결국 세포사를 발생시킬 것이다).
유가 배양 시스템은 배양이 진행되면서 관심 있는 탄소 기질이 증분으로 첨가되는 표준 회분 시스템의 변동이다. 세포 대사가 이화물질 억제에 의해 저해되려 할 때 및 이것이 배지에서 제한된 양의 기질을 갖는 것이 바람직할 때 유가 배양 시스템은 유용하다. 유가 배양 시스템에서 실제 기질 농도를 측정하는 것이 어려우므로, 측정 가능한 인자, 예컨대 pH, 용존 산소 및 폐기 가스의 분압의 변화에 기초하여 예상한다. 회분 배양 및 유가 배양 방법은 일반적이고 당해 분야에 공지되어 있다(예를 들어, 문헌[Thomas D. Brock, Biotechnology: A Textbook of Industrial Microbiology, 2nd Ed. (1989) Sinauer Associates, Inc., Sunderland, MA; Deshpande, 1992, Appl. Biochem. Biotechnol. 36:227] 참조).
연속 배양은 규정된 배양 배지가 연속하여 생물반응기에 첨가되는 반면, 동량의 사용된("순화") 배지가 동시에 처리를 위해 제거된다는 점에서 "개방" 시스템이다. 연속 배양은 일반적으로 일정한 높은 액상 밀도로 세포를 유지시키고, 여기서 세포는 대수 성장기에 있다. 대안적으로, 연속 배양은 부동화 세포(예를 들어, 바이오필름)로 실행될 수 있고, 여기서 탄소 및 영양소는 연속하여 첨가되고, 귀중한 생성물, 부산물 및 폐기 생성물은 세포량으로부터 연속하여 제거된다. 세포 부동화는 천연 재료, 합성 재료 또는 이들의 조합으로 이루어진 광범위한 고체 지지체로 성취될 수 있다.
연속 또는 반연속 배양은 세포 성장 또는 최종 생성물 농도에 영향을 미치는 하나 이상의 인자의 조절을 허용한다. 예를 들어, 일 방법은 고정된 속도로 제한된 영양소(예를 들어, 탄소 공급원, 질소)를 유지시키고 모든 다른 매개변수가 시간에 따라 변하게 허용할 수 있다. 다른 실시형태에서, 성장에 영향을 미치는 몇몇 인자는 연속하여 변경될 수 있는 반면, 배지 혼탁도에 의해 측정된 세포 농도는 일정하게 유지된다. 연속 배양 시스템의 목표는 세포 성장률에 대해 빠진 배지로 인한 세포 손실의 균형을 이루면서 정상 상태 성장 조건을 유지하는 것이다. 생성물 형성의 속도를 최대화하는 연속 배양 과정 및 기법을 위한 영양소 및 성장 인자를 조절하는 방법은 당해 분야에 널리 공지되어 있다(문헌[Brock, 1992] 참조).
소정의 실시형태에서, 배양 배지는 C1 대사작용 미생물에 대한 에너지의 공급원으로서 탄소 기질을 포함한다. 적합한 기질은 C1 기질, 예컨대 메탄, 메탄올, 폼알데하이드, 폼산(포메이트), 일산화탄소, 이산화탄소, 메틸화 아민(메틸아민, 디메틸아민, 트라이메틸아민 등), 메틸화 티올 또는 메틸 할로겐(브로모메탄, 클로로메탄, 요오도메탄, 다이클로로메탄 등)을 포함한다. 소정의 실시형태에서, 배양 배지는 C1 대사작용 미생물에 대한 유일한 탄소 공급원으로서 단일 C1 기질을 포함하거나, C1 대사작용 미생물에 대한 다중 탄소 공급원으로서 2종 이상의 C1 기질의 혼합물(혼합 C1 기질 조성물)을 포함할 수 있다.
추가적으로, 몇몇 C1 대사작용 유기체는 대사 활성을 위해 비-C1 기질, 예컨대 당, 글루코사민 또는 다양한 아미노산을 이용하는 것으로 나타났다. 예를 들어, 몇몇 킨디다 종은 알라닌 또는 올레산을 대사시킬 수 있다(Sulter et al., Arch. Microbiol. 153:485-489, 1990). 메틸로박테륨 엑스토르?스 AM1은 제한된 수의 C2, C3 및 C4 기질에서 성장할 수 있다(Van Dien et al., Microbiol. 149:601-609, 2003). 대안적으로, C1 대사작용 미생물은 대안적인 탄소 기질을 이용하는 능력을 갖는 재조합 변이체일 수 있다. 그러므로, 배양 배지 중의 탄소 공급원이 선택된 C1 대사작용 미생물에 따라 탄소 기질과 단일 및 다중 탄소 화합물과의 혼합물을 포함할 수 있는 것으로 고려된다.
소정의 실시형태에서, 본 개시내용은 C1 대사작용 비광합성 미생물을 주로 포함하는 배양물로부터의 바이오매스를 오일 조성물로 전환시키는 단계 및 오일 조성물을 연료로 정련하는 단계를 포함하는 연료를 제조하는 방법을 제공한다. 소정의 실시형태에서, C1 대사작용 비광합성 미생물은 절대적 C1 대사작용 비광합성 미생물, 예컨대 절대적 메탄영양세균 또는 메틸영양세균이다. 추가의 실시형태에서, C1 대사작용 비광합성 미생물은 지방산 생성 효소, 폼알데하이드 동화 효소 또는 이들의 조합을 코딩하는 이종성 폴리뉴클레오타이드를 포함하는 재조합 미생물이다. 추가의 실시형태에서, 오일 조성물은 C1 대사작용 비광합성 미생물, 예컨대 메틸영양세균 또는 메탄영양세균의 세포막으로부터 유도되거나 추출된다.
소정의 실시형태에서, 본 개시내용은 연료를 생성하기 위해 정련 유닛에서 오일 조성물을 정련함으로써 연료를 제조하는 방법을 제공하고, 오일 조성물은 C1 대사작용 비광합성 미생물, 예컨대 메틸영양세균 또는 메탄영양세균으로부터 유래한다. 추가의 실시형태에서, 상기 방법은 C1 대사작용 비광합성 미생물로부터 오일 조성물을 추출하기 위한 프로세싱 유닛의 사용을 추가로 포함한다. 추가의 다른 실시형태에서, 상기 방법은 (a) 제어된 배양 유닛에서 C1 기질을 포함하는 공급원료의 존재 하에 C1 대사작용 박테리아를 배양하는 단계로서, 배양된 박테리아가 오일 조성물을 생성하는 것인 단계; (b) 프로세싱 유닛에서 배양된 박테리아로부터 오일 조성물을 추출하는 단계; 및 (c) 연료를 생성하기 위해 정련 유닛에서 추출된 오일 조성물을 정련하는 단계를 포함한다. 소정의 실시형태에서, 공급원료 C1 기질은 메탄, 메탄올, 폼알데하이드, 폼산, 일산화탄소, 이산화탄소, 메틸아민, 메틸티올 또는 메틸할로겐이다.
소정의 실시형태에서, 본 개시내용은 천연 생성물, 예컨대 에탄올, 아세테이트, 부탄올, 단세포 단백질, 당 또는 다른 대사물질 또는 세포 생성물을 제조하는 방법을 제공하고, 천연 생성물은 C1 대사작용 비광합성 미생물, 예컨대 메틸영양세균 또는 메탄영양세균으로부터 유래한다.
추가의 실시형태에서, 상기 방법은 C1 대사작용 비광합성 미생물로부터 천연 생성물을 추출하기 위한 프로세싱 유닛의 사용을 추가로 포함한다.
추가의 다른 실시형태에서, 상기 방법은 (a) 제어된 배양 유닛에서 C1 기질을 포함하는 공급원료의 존재 하에 C1 대사작용 박테리아를 배양하는 단계로서, 배양된 박테리아가 천연 생성물을 생성하는 것인 단계; (b) 프로세싱 유닛에서 배양된 박테리아로부터 천연 생성물을 추출하는 단계; 및 (c) 상업 제품을 생성하기 위해 천연 생성물을 정련하는 단계를 포함한다. 소정의 실시형태에서, 공급원료 C1 기질은 메탄, 메탄올, 폼알데하이드, 폼산, 일산화탄소, 이산화탄소, 메틸아민, 메틸티올 또는 메틸할로겐이다.
소정의 실시형태에서, 본 개시내용은 천연 또는 비천연 생성물, 예컨대 에탄올, 아세테이트, 부탄올, 아이소프렌, 프로필렌, 파르네센, 효소 또는 다른 대사물질 또는 세포 생성물을 제조하는 방법을 제공하고, 생성물은 유전적으로 조작된 C1 대사작용 비광합성 미생물, 예컨대 이종성 뉴클레오타이드 서열로 형질전환된 메틸영양세균 또는 메탄영양세균으로부터 유래한다. 추가의 실시형태에서, 상기 방법은 유전적으로 조작된 C1 대사작용 비광합성 미생물로부터 생성물을 추출하기 위한 프로세싱 유닛의 사용을 추가로 포함한다. 추가의 다른 실시형태에서, 상기 방법은 (a) 제어된 배양 유닛에서 C1 기질을 포함하는 공급원료의 존재 하에 유전적으로 조작된 C1 대사작용 박테리아를 배양하는 단계로서, 배양된 박테리아가 천연 생성물을 생성하는 것인 단계; (b) 프로세싱 유닛에서 배양된 박테리아로부터 천연 생성물을 추출하는 단계; 및 (c) 상업 제품을 생성하기 위해 천연 생성물을 정련하는 단계를 포함한다. 소정의 실시형태에서, 공급원료 C1 기질은 메탄, 메탄올, 폼알데하이드, 폼산, 일산화탄소, 이산화탄소, 메틸아민, 메틸티올 또는 메틸할로겐이다.
소정의 실시형태에서, 본 개시내용은 천연 또는 비천연 생성물, 예컨대 에탄올, 아세테이트, 부탄올, 아이소프렌, 프로필렌, 파르네센, 효소 또는 다른 대사물질 또는 세포 생성물을 제조하는 방법을 제공하고, 생성물은 비-C1 대사작용 미생물, 예컨대 에셰리키아 콜라이(Escherichia coli), 사카로마이세스 세레비시아(Saccaromyces cerevisiae)에 또는 다른 일반 제조 미생물로부터 유래한다. 소정의 실시형태에서, 공급원료 기질은 글루코스, 수크로스, 글라이세롤, 셀룰로스 또는 다른 다중 탄소 공급원료이다.
도 1은 용기(108)에 의해 형성된 내부 공간(106) 내에 배치된 다수의 중공 유체 도관(102)(명확성을 위해 오직 도 1에 도시된 것)을 포함하는 예시적인 발효기(100)를 나타낸다. 용기(108)는 하나 이상의 벽(110), 하부(124) 및 중공 유체 도관(102), 용기(108) 또는 둘 다를 부분적으로 또는 완전히 둘러싸는 임의의 상부(126)를 포함할 수 있다. 다수의 중공 유체 도관(102)과 용기(108) 사이에 존재하는 공간의 적어도 일부는 하류 흐름(116)이 발생할 수 있는 하나 이상의 하류 흐름 경로(114)를 제공한다. 다수의 중공 유체 도관(102)의 각각 내에 존재하는 공간의 적어도 일부는 상류 흐름(120)이 발생할 수 있는 하나 이상의 상류 흐름 경로(118)를 제공한다. 1종 이상의 액체 분배기(130)는 하류 흐름 경로(114)로 1종 이상의 액체를 도입하기 위해 용기(108) 내에, 상에 또는 주위에 배치될 수 있다. 하나 이상의 가스 분배기(132)는 하류 흐름 경로(114)로 1종 이상의 가스 또는 가스 기질을 도입하기 위해 용기(108) 내에, 상에 또는 주위에 배치될 수 있다. 용기(108) 내의 중공 유체 도관(102)의 배치는 유리하게는 루프 또는 에어리프트 발효기 설계보다 더 정확하고 더 편리한 스케일링(scaling)을 허용하는데, 왜냐하면 발효기(100)의 용적이 길이보다 반경 또는 단면 프로필에 기초하여 스케일링되기 때문이다.
몇몇 경우에서, 하나 이상의 가스 분배기(132)를 통한 하나 이상의 기질 가스의 첨가는 하류 흐름 경로(114) 내의 액체에 대한 미세하게 분할된 기질 가스 버블의 형성을 촉진시킨다. 액체와 미세하게 분할된, 분산된 가스 또는 가스 기질 버블의 조합은 하류 흐름 경로(114)에서 일반적으로 하류 흐름(116)을 갖는 다상 혼합물을 생성한다. 하류 흐름(116)은 다상 혼합물 액체 내에 분산된 상당한 수의 비말동반된 가스 또는 기질 가스 버블을 포함한다. 다상 혼합물 내의 가스 버블과 액체 사이의 밀도의 차이는 가스 또는 가스 기질 버블이 상류로 상승하도록 만든다. 그러나, 가스 버블 상승 속도보다 높은 속도로 하류 흐름 경로(114)에서의 하류 흐름(116)의 분리를 촉진시키는 적어도 하나 속도를 유지시킴으로써, 하류 흐름 경로(114)에서의 다상 혼합물에 존재하는 가스 기질 버블은 일반적으로 하류 방향으로 감소된 속도로 이동할 것이다. 하류 흐름 경로(114)에서의 가스 기질 버블의 순 속도는 하류 흐름 경로(114)에서의 다상 유체의 피상적 속도에서 가스 기질 버블의 상승 속도를 뺀 것이다. 가스 기질 버블이 에어리프트 발효기 내에서 필적하는 상승 속도보다 낮은 속도로 하류 흐름 경로(114)를 통해 이동하므로, 하류 흐름 경로(114) 내에 존재하는 미생물학적 유기체와 가스 기질 버블 사이의 접촉 시간은 유리하게는 에어리프트형 발효기에 걸쳐 증가한다. 오직 하나의 액체 분배기(130) 및 하나의 가스 분배기(132)가 명확성을 위해 도 1에 도시되어 있지만, 임의의 수의 추가적인 액체 분배기, 가스 분배기 또는 이들의 조합이 하류 흐름 경로(114) 내에 규칙적 간격 또는 불규칙적 간격으로 첨가될 수 있다.
하류 흐름 경로(114)에서의 다상 혼합물은 다수의 중공 유체 도관(102)(즉, 상류 흐름 경로(118))을 용기 벽(110)과 다수의 중공 유체 도관(102) 사이에 존재하는 용기(108)의 내부 공간(106)(즉, 하류 흐름 경로)에 유체 흐름가능하게 연결(fluidly connecting)하거나 유체 흐름가능하게 커플링시키는 하나 이상의 유체 도관, 개구, 오리피스, 애퍼처(aperture) 또는 갭을 통해 상류 흐름 경로(118)에 진입한다(122). 일 경우에, 하류 흐름 경로(114)에서의 다상 혼합물은 중공 유체 도관과 용기(108)의 하부(124) 사이의 갭을 통해 중공 유체 도관(102)에 진입할 수 있다. 적어도 몇몇 경우에서, 용기(108)의 하부(124)는 용기(108) 내의 원하는 위치에서 생물학적 재료(즉, "바이오고형물" 또는 "바이오매스")의 축적을 촉진하도록 형상화되거나, 형성되거나, 구성될 수 있다. 예를 들어, 하부(124)는 발효기(100)의 하부에 떨어지는 바이오매스가 하나 이상의 사전결정된 위치에서 우선적으로 수집되도록 원뿔형이거나, 접시형이거나, 기울어질 수 있다. 이러한 경우에, 다수의 중공 유체 도관(102)의 각각은 다수의 중공 유체 도관(102)의 각각의 입구와 용기(108)의 하부(124) 사이의 규정된 원하는 또는 바람직한 갭 또는 간격을 유지시키기 위해 상이한 길이를 가질 수 있다.
상류 흐름 경로(118)에 진입하면서, 다상 혼합물은 내부에 상류 흐름(120)을 생성한다. 상류 흐름 경로(118)에서의 유체 및 가스 버블 둘 다는 일반적인 상류 방향으로 이동할 것이다. 상류 흐름 경로(118) 내의 가스 버블의 상승 속도는 유체의 속도와 유체 내의 가스 버블의 상승 속도와 동일하다. 적어도 몇몇 경우에서, 임의의 수의 추가적인 액체 분배기(130), 가스 분배기(132) 또는 이들의 조합이 상류 흐름 경로(118) 내에 규칙적 간격 또는 불규칙적 간격으로 첨가될 수 있다.
다상 혼합물(136)은 상류 흐름 경로(118)로부터 흐르고 하나 이상의 다상 혼합물 배출 연결부(138)를 통해 발효기(100)를 떠난다. 적어도 몇몇 경우에서, 하나 이상의 다상 혼합물 배출 연결부(138)는 다수의 중공 유체 도관(102)에 의해 제공된 상류 흐름 경로(118)의 각각에 유체 흐름가능하게 커플링될 수 있다. 몇몇 경우에서, 하나 이상의 다상 혼합물 배출 연결부(138)는 하나 이상의 플랜지 부착된(flanged) 또는 나사산 형성된(threaded) 연결부를 포함할 수 있다. 몇몇 경우에서, 하나 이상의 다상 혼합물 배출 연결부(138)는 하나 이상의 급속 분리(quick disconnect) 또는 유사한 쉽게 살균 가능한 유체 흐름가능하게 커플링 또는 연결부를 포함할 수 있다.
몇몇 경우에서, (예를 들어, 현열 형태의) 열 에너지는 발효기(100) 내에 발생하는 발효 공정 또는 공정들에 의해 생성되거나 방출될 수 있다. 발효기(100) 내의 미생물학적 유기체의 성장 또는 대사에 부정적으로 영향을 미치는 충분한 열 에너지가 제어되지 않은 채 발효기(100) 내에 축적될 수 있다. 몇몇 경우에서, 제어되지 않은 열 에너지 증가는 발효기 내의 미생물학적 유기체의 전부 또는 일부의 사멸을 발생시킬 수 있다. 발효기(100)로부터의 열 에너지의 적어도 일부를 제거하기 위해, 하나 이상의 열 전달 표면(128)은 중공 유체 도관(102)의 내부 또는 외부에 배치될 수 있고, 하나 이상의 열 전달 표면(140)은 용기(106)의 내부 또는 외부에 배치될 수 있거나, 이러한 열 전달 표면(128, 140)은 하류 흐름 경로(114) 및 상류 흐름 경로(118) 중 어느 하나 또는 둘 다와 유체 및 열 접촉으로 임의의 표면의 조합에 배치될 수 있다.
발효기(100)는 용기(108)에 의해 형성된 내부 공간(106)에 전부 또는 부분적으로 배치된 임의의 수의 중공 유체 도관(102)을 포함할 수 있다. 다수의 중공 유체 도관(102)의 각각은 일정한 또는 가변적인 단면 프로필 및 일정한 또는 가변적인 벽 두께를 갖는 임의의 크기, 형상 또는 구성의 밀폐 유체 채널을 포함할 수 있다. 중공 유체 도관(102)의 각각은 다수의 중공 유체 도관(102)의 각각의 내부에서의 상류 흐름 경로(118)로의 다상 혼합물의 진입을 허용하는 적어도 하나의 개구 또는 입구를 포함한다. 다수의 중공 유체 도관(102)의 각각은 상류 흐름 경로(118)로부터 다상 혼합물(136)의 탈출을 허용하는 적어도 하나의 개구 또는 출구를 포함한다. 용기(108)는 내부 공간(106)을 형성하거나 달리 이를 획정하는 하나 이상의 벽(110)을 갖는 임의의 크기, 형상 또는 구성을 가질 수 있다. 하나 이상의 벽(110)에 의해 형성된 내부 주연부는 용기(108)의 횡단면 프로필 및 횡단면적을 제공한다. 하나 이상의 벽(110)은 또한 용기(108)의 내부 주연부(150)를 형성한다.
중공 유체 도관(102)의 각각은 내부 주연부(152)(이의 적어도 일부는 상류 흐름 경로(118)와 유체 접촉함) 및 외부 주연부(154)(이의 적어도 일부는 하류 흐름 경로(114)와 유체 접촉함)를 포함한다. 하류 흐름 경로(114)는 중공 유체 도관(102)의 외부 주연부(154) 및 용기(108)의 내부 주연부(150)에 의해 경계를 이룬다. 상류 흐름 경로(120)는 각자의 수의 중공 유체 도관(102)의 각각의 내부 주연부(154)에 의해 경계를 이룬다. 중공 유체 도관(102)의 각각은 용기(108) 내의 내부 공간(106)에 유체 흐름가능하게 커플링되어, 하류 흐름 경로(114)로부터 상류 흐름 경로(118)로의 다상 혼합물의 자유 흐름을 허용한다.
적어도 몇몇 경우에서, 다수의 중공 유체 도관(102)의 응집체 횡단면적은 용기(108)의 횡단면적의 약 90% 미만; 용기(108)의 횡단면적의 약 75% 미만; 용기(108)의 횡단면적의 약 50% 미만; 용기(108)의 횡단면적의 약 25% 미만; 용기(108)의 횡단면적의 약 15% 미만; 또는 용기(108)의 횡단면적의 약 10% 미만이다.
1종 이상의 액체는 하류 흐름 경로(114)에 위치하거나 이에 유체 흐름가능하게 커플링된 1종 이상의 액체 분배기(130)를 사용하여 하류 흐름 경로(114)로 도입될 수 있다. 이러한 액체는 발효기(100) 내에 바이오매스를 형성하는 미생물학적 유기체로 용해된 또는 현탁된 물질 또는 영양소를 지원하거나 수송할 수 있는 임의의 액체 배지을 포함할 수 있다. 1종 이상의 가스, 기질 가스 또는 이들의 조합은 하류 흐름 경로(114)에 위치하거나 이에 유체 흐름가능하게 커플링된 하나 이상의 가스 분배기(132)를 사용하여 하류 흐름 경로(114)로 도입될 수 있다. 이러한 가스는 발효기(100) 내에 생물학적 유기체로 물질 또는 영양소를 지원하거나 수송할 수 있는 단일 가스 또는 가스의 조합을 포함할 수 있다. 적어도 몇몇 경우에서, 이러한 가스는 하나 이상의 불활성 가스, 예를 들어 질소를 포함할 수 있다. 적어도 몇몇 경우에서, 복수의 가스, 복수의 기질 가스 또는 몇몇 이들의 조합은 발효기(100)의 외부의 폭발성 가스 혼합물의 형성을 유리하게 감소시키거나 심지어 불가능하게 하도록 하류 흐름 경로(114)에 분리하여 도입될 수 있다. 예를 들어, 발효기(100) 내에서 생물학적 유기체에 대한 가스 기질의 적어도 일부를 제공하도록 가연성 C1 화합물(예를 들어, 메탄)이 사용되는 경우 및 발효기(100) 내에서 생물학적 유기체에 산소를 제공하도록 공기가 사용된 경우, 발효기(100)의 외부의 공기와 C1 화합물의 혼합을 피하기 위해 가연성 C1 화합물을 함유하는 가스는 제1 가스 분배기(132a)를 사용하여 도입될 수 있고, 공기는 제2의, 물리적으로 구별되는 또는 분리된, 가스 분배기(132b)를 사용하여 도입될 수 있다. 하류 흐름 경로(114)로의 1종 이상의 액체 및 1종 이상의 가스의 도입은 하류 흐름 경로(114) 내의 다상 유체의 하류 흐름(116)을 생성시킨다. 하류 흐름 경로(114) 내에 발생하는 생물학적 성장은 하류 흐름 경로(114)에서의 다상 유체의 하류 흐름(116)으로부터 산소, 영양소 및 C1 화합물을 흡수할 수 있다.
발효기(100)로의 하나 이상의 가연성 C1 화합물 및 산소 함유 가스의 동시 도입은 발효기(100) 내의 가연성 또는 폭발성 가스 혼합물을 형성시킬 수 있다. 이러한 발생의 가능성을 감소시키기 위해, 하류 흐름 경로(114) 및 상류 흐름 경로(118)는 액체가 1종 이상의 액체 분배기(130)를 통해 발효기(100)로 도입될 때 둘 다 "유체 충전"으로 있게 하는 물리적 형상 또는 구성을 가질 수 있다(즉, 하류 흐름 경로(114) 및 상류 흐름 경로(118) 내의 가스 축적 지점이 최소화되거나, 더 바람직하게는 제거됨). 적어도 몇몇 경우에서, 1종 이상의 가스 방출 디바이스 또는 액체/가스 분리 디바이스(도 1에 도시되지 않음)는 발효기(100)로부터 축적된 가스를 제거하기 위해 하류 흐름 경로(114), 상류 흐름 경로(118) 또는 둘 다에 유체 흐름가능하게 커플링될 수 있다. 이러한 제거된 가스는 부분적으로 또는 완전히 회수되거나 부분적으로 또는 완전히 발효기(100)로 재순환되거나 플레어링(flared)되거나 달리 안정하게 폐기될 수 있다.
다수의 중공 유체 도관(102)의 각각은 동일한 또는 상이한 횡단면 프로필을 가질 수 있다. 예시적인 중공 유체 도관(102) 횡단면 프로필은 원형 횡단면 프로필, 직사각형 또는 정사각형 횡단면 프로필 또는 삼각형 횡단면 프로필(즉, 중공 유체 도관(102)의 장축에 횡단으로 취한 프로필)을 포함하지만, 이들로 제한되지는 않는다. 몇몇 경우에서, 단일 발효기(100) 내에 일 유형 초과의 중공 유체 도관(102)을 사용할 수 있다. 예를 들어, 발효기(100) 내의 다수의 중공 유체 도관(102)의 일부는 원형 횡단면 프로필을 가질 수 있는 반면, 중공 유체 도관(102)의 나머지 부분은 정사각형 횡단면 프로필을 갖는다.
중공 유체 도관(102)의 전부 또는 일부는 생물학적 유기체의 성장을 지지하거나, 촉진하거나, 달리 발전시키는 데 있어서 유용한 하나 이상의 볼록 양각 또는 오목 양각 표면 특징을 포함할 수 있다. 중공 유체 도관(102)의 전부 또는 일부는 하류 흐름 경로(114), 상류 흐름 경로(120) 또는 둘 다에서의 각각의 열 전달 표면(들)(128, 140)에 대한 난류 또는 열 전달을 촉진하거나, 달리 증대시키는 데 있어서 유용한 하나 이상의 볼록 양각 또는 오목 양각 표면 특징을 포함할 수 있다. 중공 유체 도관(102)의 전부 또는 일부는 상류 흐름 경로(118) 내의 난류를 증가시키는 하나 이상의 배플(baffle)을 포함할 수 있고, 이러한 난류 증가는 유리하게는 상류 흐름 경로(118) 내의 물질 이동을 개선하고 상류 흐름 경로(118)에 존재하는 가스 기질 버블의 잔류 시간을 증가시킬 수 있다.
몇몇 경우에서, 다수의 중공 유체 도관(102)의 각각의 장축은 용기(108)에 배치된 모든 다른 중공 유체 도관(102)의 장축에 평행으로 정렬된다. 몇몇 경우에서, 다수의 중공 유체 도관(102)의 각각의 장축은 용기(108)의 장축에 평행이다. 몇몇 경우에서, 다수의 중공 유체 도관(102)의 전부 또는 일부의 각각의 장축은 용기(108)의 장축에 평행이고 이에 공축으로 정렬된다.
중공 유체 도관(102)의 각각은 동일한 또는 상이한 길이를 가질 수 있다. 몇몇 경우에서, 다수의 중공 유체 도관(102)의 적어도 일부는 용기(108)의 하부(124)로 또는 그 뒤로 연장될 수 있다. 이러한 경우에, 하류 흐름 경로(114)는 하나 이상의 외부 유체 도관을 통해, 예를 들어 용기(108)의 외부에 배치된 하나 이상의 배관 네트워크를 통해 상류 흐름 경로(118)에 유체 흐름가능하게 커플링될 수 있다. 중공 유체 도관(102)의 각각은 약 6인치 내지 약 240인치; 약 12인치 내지 약 192인치; 또는 약 24인치 내지 약 144인치의 길이를 가질 수 있다.
다수의 중공 유체 도관(102)의 각각은 금속, 비금속 또는 복합 구조일 수 있다. 예를 들어, 중공 유체 도관(102)의 각각은 하나 이상의 금속 재료, 예컨대 304, 304L, 316 또는 316L 스테인리스 강을 포함할 수 있다. 몇몇 경우에서, 하나 이상의 코팅, 층, 오버레이, 인서트(insert) 또는 다른 재료는 이에 부착하거나 여기서 성장하는 미생물학적 유기체에 대한 능력에 유리하게 또는 해롭게 영향을 미치도록 다수의 중공 유체 도관(120)의 각각의 전부 또는 일부에 침착되거나, 이에 도포되거나, 이와 접합되거나, 이것과 일체로 형성될 수 있다. 예를 들어, 미생물학적 유기체의 성장 또는 부착을 저해하는 코팅은 열 전달 표면(128)에 열 전도성으로 커플링된 중공 유체 도관(102)의 일부에 침착되거나, 이것과 일체로 형성될 수 있다. 다른 예에서, 생물학적 유기체의 성장 또는 부착을 촉진하는 코팅은 축적된 바이오매스의 제거가 더 쉽게 성취되는 영역에서 중공 유체 도관(102)에 침착되거나, 이것과 일체로 형성될 수 있다.
적어도 몇몇 경우에서, 중공 유체 도관(102)의 각각은 도관의 장축을 따라 연장되는 애퍼처를 갖는 실질적으로 직사각형 또는 정사각형인 중공 부재를 포함한다. 다른 경우에, 중공 유체 도관(102)의 각각은 도관의 장축을 따라 연장되는 애퍼처를 갖는 실질적으로 원통형인 중공 부재를 포함한다. 이러한 정사각형 또는 원통형 중공 유체 도관(102)의 내부 및 외부 직경은 도관의 축 길이를 따라 연속하거나 일정할 수 있거나, 도관의 축 길이를 따라 변할 수 있다. 예를 들어, 원통형 중공 유체 도관(102)의 내부 및 외부 직경은 상류 흐름 경로를 따른 유체 속도가 중공 유체 도관(102)의 입구로부터 출구로 감소하도록 상류 흐름 경로(118)를 따라 동시에 증가할 수 있다. 원통형 중공 유체 도관(102)은 약 2인치 내지 약 240인치; 약 4 내지 약 192인치; 약 6인치 내지 약 144인치; 약 8인치 내지 약 120인치; 또는 약 12인치 내지 약 96인치의 내경을 가질 수 있다. 직사각형 또는 정사각형 중공 유체 도관(102)은 약 2인치 내지 약 240인치; 약 4 내지 약 192인치; 약 6인치 내지 약 144인치; 약 8인치 내지 약 120인치; 또는 약 12인치 내지 약 96인치의 대각선을 가질 수 있다.
적어도 몇몇 경우에서, 중공 유체 도관(102), 용기(108) 또는 둘 다의 구성은 공정 접촉 표면의 전부 또는 일부의 무균화를 용이하게 하는 특징을 포함할 수 있다. 이러한 무균화는 예를 들어 증기 무균화, 자외선 무균화, 화학 무균화 또는 이들의 조합을 이용하여 성취될 수 있다. 적어도 몇몇 경우에서, 하나 이상의 비금속 재료 또는 하나 이상의 비금속 코팅은 다수의 중공 유체 도관(102)의 몇몇 또는 전부의 내부 또는 외부의 전부 또는 일부 내에 사용될 수 있다. 이러한 비금속 재료의 사용은 예를 들어 생물학적 성장을 지지하거나 촉진할 수 있는 살균 가능한 표면을 유리하게 제공할 수 있다.
다수의 중공 유체 도관(102)의 전부 또는 일부는 하류 흐름 경로(114) 또는 상류 흐름 경로(120) 중 어느 하나 또는 둘 다 내의 열 축적을 제한하는 데 있어서 유용한 하나 이상의 열 에너지 이동 표면(128)을 임의로 포함할 수 있다. 열 에너지 이동 표면(128)은 중공 유체 도관(102)의 내부 주연부(152), 외부 주연부(154), 또는 내부 주연부 및 외부 주연부 둘 다를 따라 배치된 하나 이상의 도관 또는 저장소를 포함할 수 있다. 하나 이상의 도관 또는 저장소는 하나 이상의 열 전달 매체가 흐를 수 있는 임의의 디바이스 또는 시스템을 포함할 수 있다. 적어도 몇몇 경우에서, 하나 이상의 열 에너지 이동 표면(128)은 중공 유체 도관(102)과 일체형으로 형성되어, 도관의 적어도 일부를 형성할 수 있다. 일 예에서, 열 에너지 이동 표면(128)은 열 전달 유체가 흐르거나 순환할 수 있고, 중공 유체 도관(102)의 적어도 일부에 열 전도성으로 커플링된 하나 이상의 저장소를 포함할 수 있다. 다른 예에서, 열 에너지 이동 표면(128)은 열 전달 유체가 흐르거나 순환할 수 있고, 중공 유체 도관(102)의 적어도 일부에 열 전도성으로 커플링된 하나 이상의 파이프 또는 튜빙 코일 또는 유사한 구조물을 포함할 수 있다. 열 전달 매체는 하류 흐름 경로(114) 또는 상류 흐름 경로(118) 중 어느 하나 또는 둘 다에 열 에너지를 제공하거나 이것들로부터 열 에너지를 제거할 수 있는 가스 또는 액체를 포함하는 임의의 재료를 포함할 수 있다. 예시적인 열 전달 매체는 냉각수, 냉수 및 증기를 포함하지만, 이들로 제한되지는 않는다.
중공 유체 도관(102)의 각각은 용기(108)에 영구적으로 또는 탈착 가능하게 부착될 수 있다. 적어도 몇몇 경우에서, 중공 유체 도관 다상 혼합물 배출 유체 연결부(138)는 용기(108)의 상부(126)에 부착되거나 달리 고정되어 상류 흐름 경로(118)를 통해 흐르는 다상 혼합물(136)이 다수의 중공 유체 도관(102)의 각각을 빠져나가도록 할 수 있다.
용기(108)의 높이는 다수의 중공 유체 도관(102)의 전부 또는 일부의 길이와 동일하거나 상이할 수 있다. 용기(108)의 높이가 다수의 중공 유체 도관(102)의 전부 또는 일부의 길이보다 낮은 경우, 중공 유체 도관(102)의 전부 또는 일부는 용기(108)의 하부(124), 용기(108)의 상부(126), 또는 용기(108)의 상부 및 하부 둘 다로부터 돌출될 수 있다. 용기(108)는 약 6인치 내지 약 240인치; 약 12인치 내지 약 192인치; 또는 약 24인치 내지 약 144인치의 높이를 가질 수 있다.
용기(108)는 규칙적 또는 불규칙적 횡단면 프로필(즉, 용기(108)의 장축에 횡단으로 취한 프로필)을 가질 수 있다. 예시적인 용기(108) 횡단면 프로필은 원형 횡단면 프로필, 정사각형 횡단면 프로필 또는 삼각형 횡단면 프로필을 포함하지만, 이들로 제한되지는 않는다. 예를 들어, 용기(108)의 횡단면 프로필은 다상 혼합물의 유체 속도 및 압력이 하류 흐름 경로(114)를 따라 증가하도록 하류 흐름 경로(114)를 따라 동시에 감소할 수 있다.
용기(108)의 벽(들)(110), 하부(124) 또는 상부(126)의 전부 또는 일부는 하류 흐름 경로(114) 내의 열 축적을 제한하는 데 있어서 유용한 하나 이상의 열 에너지 이동 표면(140)을 임의로 포함할 수 있다. 열 에너지 이동 표면(140)은 용기(108) 내의 하류 흐름 경로(114)의 적어도 일부에 열 전도성으로 커플링되고 하나 이상의 열 전달 매체가 흐를 수 있는 하나 이상의 도관 또는 저장소를 포함할 수 있다. 예를 들어, 열 에너지 이동 표면(140)은 열 전달 유체가 흐르거나 순환할 수 있는 하나 이상의 저장소를 포함할 수 있다. 다른 예에서, 열 에너지 이동 표면(140)은 열 전달 유체가 흐르거나 순환할 수 있는 하나 이상의 파이프 또는 튜빙 코일 또는 유사한 구조물을 포함할 수 있다. 열 전달 매체는 하류 흐름 경로(114)에 열 에너지를 제공하거나 이것으로부터 열 에너지를 제거할 수 있는 가스 또는 액체를 포함하는 임의의 재료를 포함할 수 있다. 예시적인 열 전달 매체는 냉각수, 냉수 및 증기를 포함하지만, 이들로 제한되지는 않는다.
적어도 몇몇 경우에서, 용기(106)는 금속, 비금속 또는 복합 구조일 수 있다. 예시적인 금속 구조는 304, 304L, 316 또는 316L 스테인리스 강과 같은 재료로 제작된 용기 벽, 상부 및 하부 표면을 포함한다. 예시적인 비금속 구조는 섬유유리, 섬유유리 강화 플라스틱(FRP), 폴리에틸렌 등을 포함하지만, 이들로 제한되지는 않는다. 예시적인 복합 구조는 금속 강화 FRP 등을 포함하지만, 이들로 제한되지는 않는다. 몇몇 경우에서, 하나 이상의 코팅 또는 다른 재료는 이에 부착하는 미생물학적 유기체에 대한 능력에 다양하게 영향을 미치도록 용기(108)와 일체로 형성되거나 이에 도포될 수 있다. 예를 들어, 미생물학적 유기체의 성장 또는 부착을 저해하는 코팅은 열 전달 표면(140)이 점유한 영역에서 용기(108)에 침착되거나 이것과 일체로 형성될 수 있다. 다른 예에서, 미생물학적 유기체의 성장 또는 부착을 촉진하는 코팅은 축적된 바이오매스의 제거가 더 쉽게 성취되는 영역에서 용기(108)에 침착되거나 이것과 일체로 형성될 수 있다.
1종 이상의 액체 분배기(130)는 하류 흐름 경로(114) 내에, 상류 흐름 경로(118) 내에 배치되거나, 하류 흐름 경로(114)에 유체 흐름가능하게 커플링되거나, 상류 흐름 경로(120)에 유체 흐름가능하게 커플링되거나 이들의 조합이다. 1종 이상의 액체 분배기(130)는 선택된 흐름 경로 내에 임의의 원하는 패턴으로 유체를 분포시킬 수 있는 임의의 디바이스, 구조물 또는 시스템을 포함할 수 있다. 몇몇 경우에서, 1종 이상의 액체 분배기(130)의 전부 또는 일부는 유체가 각각의 흐름 경로에 진입하는 다수의 오리피스 또는 애퍼처를 포함하는 파이프 또는 분포 플레이트를 포함할 수 있다. 몇몇 경우에서, 1종 이상의 액체 분배기(130)의 전부 또는 일부는 용기(108)의 적절한 위치에 배치된 유체 연결부, 예컨대 노즐 또는 커플링을 포함할 수 있다. 적어도 몇몇 경우에서, 액체 분배기(130)는 하류 흐름 경로(114), 상류 흐름 경로(120) 중 어느 하나 또는 둘 다 내의 다수의 위치에서 배치될 수 있다. 하류 흐름 경로(114) 및/또는 상류 흐름 경로(120) 내의 다수의 위치에 배치된 액체 분배기(130)의 사용은 축적된 바이오매스에서 하나 이상의 바람직한 품질을 촉진하는 데 있어서 유용한 1종 이상의 성분을 포함하는 액체의 도입을 유리하게 허용한다. 예를 들어, 하나 이상의 성장 촉진 성분을 함유하는 액체는 하류 흐름 경로(114)에 배치된 제1 액체 분배기(130a)를 사용하여 도입될 수 있고, 하나 이상의 원하는 화합물의 제조를 증가시키는 1종 이상의 성분을 함유하는 액체는 하류 흐름 경로(114) 또는 상류 흐름 경로(120)에서 더 뒤의 지점에 배치된 제2 액체 분배기(130b)를 사용하여 도입될 수 있다.
1종 이상의 액체 분배기(130)는 예상된 흐름, 조작 온도, 조작 압력 및 허용 가능한 압력 하강에 따라 크기 조절되거나 선택된다. 액체 분배기(130)는 분배기에서 액체가 빠져나가는 다수의 오리피스를 포함할 수 있고, 이러한 오리피스는 규정된 흐름 범위 및 허용 가능한 압력 하강 범위에 따라 크기 조절되거나 배치될 수 있다. 몇몇 경우에서, 1종 이상의 액체 분배기(130)를 빠져나가는 액체는 각자의 흐름 경로를 통해 흐르는 다상 혼합물 및 분배기(130)를 빠져나가는 액체의 분산 또는 이들 사이의 혼합을 촉진하는 하나 이상의 분산 또는 혼합 디바이스를 통해 흐를 수 있다.
하나 이상의 가스 분배기(132)는 하류 흐름 경로(114), 상류 흐름 경로(120) 또는 둘 다 내에 또는 이들과 유체 접촉으로 배치될 수 있다. 하나 이상의 가스 분배기(132)는 선택된 흐름 경로 내에 규정된 물리적 가스 버블 크기 또는 형상을 갖는 1종 이상의 가스를 임의의 규정된 패턴으로 분포시킬 수 있는 임의의 디바이스, 구조물 또는 시스템을 포함할 수 있다. 몇몇 경우에서, 하나 이상의 가스 분배기(132)의 전부 또는 일부는 가스, 가스 기질 또는 이들의 조합이 흐름 경로로 도입되는 다수의 오리피스 또는 애퍼처를 포함하는 파이프 또는 분포 플레이트를 포함할 수 있다. 몇몇 경우에서, 하나 이상의 가스 분배기(132)의 전부 또는 일부는 선택된 흐름 경로 내에 다수의 미세한 가스 버블을 생성시킬 수 있는 소결된 금속 또는 다공성 세라믹 분포 플레이트를 포함할 수 있다. 적어도 몇몇 경우에서, 가스 분배기(132)는 하류 흐름 경로(114), 상류 흐름 경로(118) 또는 둘 다 중 어느 하나 또는 둘 다 내의 다수의 위치에 배치될 수 있다.
가스 기질 버블은 액체 분배기(130) 근처의 위치에서(즉, 하류 흐름 경로(114)의 시작 시) 도입될 수 있다. 액체 분배기(130) 근처의 위치에서의 가스 기질 버블의 도입은 하류 흐름 경로(114)를 통한 다상 혼합물의 흐름에 의한 하류 흐름 경로(114)를 따른 가스 기질 버블의 밀기를 유리하게 허용한다. 증가하는 정수두(hydrostatic head)에 기여하는 하류 흐름 경로(114)를 따른 압력 증가에 따라 가스 기질 버블 크기가 감소하는 경향이 있으므로, 하류 흐름 경로(114)를 따른 하류에서의 가스 기질 버블의 밀기는 물질 이동을 유리하게 개선할 수 있다. 다상 혼합물의 하류 흐름(116)에 존재하는 가스 기질 버블은 하류 흐름 경로(114)를 따라 발효기(100)를 통해 이동하면서 더 작아지는 경향이 있다. 유리하게는, 가스 기질 버블을 분산시키거나 발효기(100) 내의 다상 혼합물에 존재하는 가스 기질 버블의 분산을 유지시키기 위해 종래의 교반기가 필요하지 않으므로, 발효기(100) 내의 전단력 및 열 생성은 감소한다.
하류 흐름 경로(114) 및/또는 상류 흐름 경로(120) 내의 다수의 위치에 배치된 가스 분배기(132)의 사용은 축적된 바이오매스에서 하나 이상의 바람직한 품질을 촉진하는 데 있어서 유용한 1종 이상의 성분을 함유하는 가스 기질의 도입을 유리하게 허용한다. 예를 들어, 하나 이상의 성장 촉진 성분을 함유하는 가스 기질은 하류 흐름 경로(114)에 배치된 제1 가스 분배기(132a)를 사용하여 도입될 수 있고, 하나 이상의 원하는 화합물의 제조를 증가시키는 1종 이상의 성분을 함유하는 가스 기질은 하류 흐름 경로(114) 또는 상류 흐름 경로(120)에서 더 뒤의 지점에 배치된 제2 가스 분배기(132b)를 사용하여 도입될 수 있다. 적어도 몇몇 경우에서, 가스 분배기(132)는 약 0.01인치 내지 약 1인치; 약 0.05인치 내지 약 0.75인치; 약 0.075인치 내지 약 0.75인치; 또는 약 0.1인치 내지 약 0.5인치의 직경을 갖는 가스 기질 버블을 제공할 수 있다.
도 2는 임의의 배압 하위시스템(230), 분리 하위시스템(250) 및 임의의 열 하위시스템(270)을 따라 발효기(100)를 포함하는 예시적인 발효 시스템(200)을 나타낸다. 통합 시스템(200)으로 도시된 것처럼, 임의의 하위시스템은 설치되거나 그렇지 않으면 개별적으로 또는 임의의 조합으로 발효기(100)와 조합될 수 있다. 1종 이상의 액체(202) 및 1종 이상의 가스 기질(204)은 발효기(100)에 도입되어 발효기(100)를 거쳐 하류 흐름 경로(들)(114) 및 상류 흐름 경로(들)(118)를 통해 이동하는 다상 혼합물을 내부에 형성할 수 있다. 발효기(100)를 통과한 후, 다상 유체는 발효기(100) 내의 생물학적 유기체에 의해 생성된 하나 이상의 화합물, 다상 혼합물 내의 액체 중의 소비되지 않은 영양소 및 다른 화합물, 다상 혼합물 내의 가스 버블 중의 소비되지 않은 가스 및 바이오고형물의 형태의 미생물학적 유기체를 포함할 수 있다. 과량의 미생물학적 유기체는 적어도 하나의 바이오매스 제거 유체 연결부(208)를 통해 간헐적으로 또는 연속하여 바이오매스로서 발효기(100)로부터 제거될 수 있다. 발효기(100) 내의 바이오매스 축적물은 발효기(100) 내의 전체 바이오매스를 규정된 범위 내로 또는 규정된 한계치(threshold) 초과 또는 미만으로 유지시키도록 제거될 수 있다. 적어도 몇몇 경우에서, 적어도 하나의 바이오매스 제거 유체 연결부(208)를 통해 발효기(100)로부터 제거된 바이오매스는 1종 이상의 유용한 화합물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 과량의 바이오매스 내의 생물학적 유기체는 생체연료, 예컨대 바이오디젤의 제조에서 유용한 일정량의 1종 이상의 세포내 지질 또는 유사한 화합물을 포함할 수 있다.
1종 이상의 액체(202)는 발효기(100) 내에 미생물학적 유기체에 1종 이상의 영양소를 유지시키거나 제공하기에 적합한 임의의 액체를 포함할 수 있다. 이러한 액체(202)는 물, 1종 이상의 알코올, 미네랄, 1종 이상의 질소 함유 화합물, 1종 이상의 인 함유 화합물 등을 함유하는 용액을 포함할 수 있지만, 이것으로 제한되지는 않는다. 적어도 몇몇 경우에서, 하나 이상의 유체 이동장치(216)는 제어된 방식으로 대기압 초과의 압력에서 발효기(100)에서의 또는 유체 흐름가능하게 커플링된 1종 이상의 액체 분배기(130)에 1종 이상의 액체(202)를 전달하도록 사용된다. 하나 이상의 유체 이동장치(216)는 임의의 유형의 펌프 또는 2 지점 사이에 액체를 수송할 수 있는 유사한 디바이스를 포함할 수 있다. 예시적인 유체 이동장치(216)는 원심분리 펌프, 용적식(positive displacement) 펌프, 동공이송식(progressing cavity) 펌프, 이중 격막 펌프 등을 포함하지만, 이들로 제한되지는 않는다. 다른 예시적인 유체 이동장치(216)는 이덕터(eductor), 이젝터(ejector) 및 유사한 디바이스를 포함하지만, 이들로 제한되지는 않는다. 발효기(100)로의 액체(202)의 수송은 흐름 제어되거나, 압력 제어되거나, 발효기(100) 내의 하나 이상의 지점으로부터 또는 발효 시스템(200) 내의 하나 이상의 지점으로부터 수집된 압력, 온도, 흐름, 수준, 유속, 표면적 속도 또는 조성 분석 공정 가변 데이터의 조합을 이용하여 제어될 수 있다. 적어도 몇몇 경우에서, 유체 이동장치(216)에 의한 액체(202)의 수송은 발효기(100) 내의 1종 이상의 성분 또는 화합물(예를 들어, 1종 이상의 질소 함유 영양소)의 측정된 농도에 기초하여 제어될 수 있고, 예를 들어 유체 이동장치(216)가 수송한 액체(206)의 흐름은 발효기(100) 내의 측정된 영양소 농도 감소에 반응하여 증가할 수 있다.
적어도 몇몇 경우에서, 유체 이동장치(216)가 수송한 액체의 유속은 전체적으로 또는 부분적으로 다상 혼합물에 존재하는 가스 버블을 하류 흐름 경로(114)를 따라 하류로 수송할 수 있는 규정된 범위 내에 하류 흐름 경로(114)에서 하류 유체 흐름(116)의 속도를 유지시키는 것에 기초할 수 있다. 하류 흐름 경로(114)에서의 하류 흐름(116)의 속도는 하나 이상의 접촉 또는 비접촉 흐름 센서를 사용하여 측정될 수 있다. 예시적인 흐름 센서는 자기 유량계, 도플러 유량계, 질량 유량계 등을 포함할 수 있지만, 이들로 제한되지는 않는다. 이러한 경우에, 하류 흐름 경로(114)에서의 하류 흐름(116)은 약 0.1 피트/초(f/s) 내지 약 15f/s; 약 0.2 피트/초(f/s) 내지 약 10f/s; 또는 약 0.5 피트/초(f/s) 내지 약 5f/s의 속도를 가질 수 있다.
발효기(100)의 입구 측에 도시되어 있지만, 유체 이동장치(216)는 임의의 위치에서 배치될 수 있고, 하류 흐름 경로(114)에서 하류 흐름(116)을 제공하고 상류 흐름 경로(118)에서 상류 흐름(120)을 제공하는 것이 가능하다. 예를 들어, 도 2에 도시된 바대로, 유체 이동장치(216)는 하류 흐름 경로(114)를 통한 강제된 하류 흐름(116)을 제공하고 상류 흐름 경로(118)를 통한 강제된 상류 흐름(120)을 제공하기 위해 발효기(100)의 입구에 유체 흐름가능하게 커플링될 수 있다. 다른 예에서, 유체 이동장치(216)의 전부 또는 일부는 하류 흐름 경로(114)를 따라 유도된 하류 흐름(116)을 제공하고 상류 흐름 경로(118)를 따라 강제된 상류 흐름(120)을 제공하기 위해 하류 흐름 경로(114)와 상류 흐름 경로(118) 사이에 유체 흐름가능하게 커플링될 수 있다. 또 다른 예에서, 유체 이동장치(216)의 전부 또는 일부는 하류 흐름 경로(114)를 통해 하류 흐름(116)을 유도하고 상류 흐름 경로(118)를 통해 상류 흐름(120)을 유도하기 위해 다상 혼합물 배출 유체 연결부(138)에 유체 흐름가능하게 커플링될 수 있다.
1종 이상의 가스 기질(204)은 발효기(100) 내에서 생물학적 유기체에 1종 이상의 영양소를 유지시키거나 제공하기에 적합한 임의의 가스, 가스 또는 가스의 조합을 포함할 수 있다. 이러한 가스는 1종 이상의 가스 함유 탄소 화합물을 포함할 수 있지만, 이들로 제한되지는 않는다. 이러한 가스는 C1 탄소 화합물, 예컨대 메탄 또는 일산화탄소를 함유하는 1종 이상의 가스를 포함할 수 있지만, 이들로 제한되지는 않는다. 1종 이상의 가스 기질(204)은 발효기(100) 내의 생물학적 유기체의 대사 공정에 사용된 1종 이상의 가스를 또한 포함할 수 있다. 이러한 가스는 산소, 산소 함유 화합물 및 수소를 포함할 수 있지만, 이들로 제한되지는 않는다. 1종 이상의 가스 기질(204)은 순수한 가스로서 또는 가스 혼합물(예를 들어, 합성가스 - 일산화탄소와 수소의 혼합물)로서 발효기(100)로 수송될 수 있다. 1종 이상의 가스 기질(204)은 개별적으로 발효기(100)로 수송될 수 있다(예를 들어, 메탄 및 산소 함유 가스, 예컨대 공기는 발효기(100)의 외부의 폭발성 가스 혼합물의 형성의 가능성을 최소화하기 위해 개별적으로 수송될 수 있다).
1종 이상의 가스 기질(204)은 가스 이동장치(218)를 사용하여 발효기(100)로 임의로 수송될 수 있다. 예시적인 가스 이동장치(218)는 회전 로브(lobe) 압축기, 원심분리 압축기, 나사 압축기 등을 포함하지만, 이들로 제한되지는 않는다. 1종 이상의 가스 기질(204)의 전달 압력은 발효기(100)의 조작 압력 및 하류 흐름 경로(114) 내에 1종 이상의 가스 기질(204)을 분포시키는 데 사용되는 가스 분배기(132)와 관련된 압력 하강을 포함하는 다양한 인자에 따라 달라진다. 유사하게, 1종 이상의 가스 기질의 전달 유속은 적어도 부분적으로 발효기(100)에 존재하는 생물학적 유기체의 필요에 따라 규정된 범위 내로 발효기(100) 내의 용존 가스의 농도 또는 수준을 유지시키도록(예를 들어, 적어도 4ppm 초과의 용존 산소) 수동으로 또는 자동으로 제어될 수 있다. 적어도 몇몇 경우에서, 1종 이상의 가스 기질(204)은 약 5psig 내지 약 600psig; 약 5psig 내지 약 600psig; 약 25psig 내지 약 400psig; 또는 약 50psig 내지 약 300psig의 압력에서 발효기(100)로 전달될 수 있다.
임의의 수의 가스는 일반 가스 분포 헤더(132) 또는 임의의 수의 개별적인 가스 분포 헤더(132)를 통해 도입될 수 있다. 이러한 가스 분포 헤더는 발효기(100) 내의 단일 지점에서 가스 기질(204)의 전부를 도입할 수 있거나, 발효기(100)에 걸친 다양한 위치에서 가스 기질(204)의 일부를 도입할 수 있다. 적어도 몇몇 경우에서, 가스 기질(204)은 메탄, 일산화탄소, 수소 또는 산소를 포함할 수 있지만, 이들로 제한되지는 않는다. 적어도 몇몇 경우에서, 가스 기질(204)의 공급 속도는 액체 배지(202)의 공급 속도에 참조될 수 있다. 예를 들어, 메탄은 1리터의 액체 배지당 약 0.1그램의 메탄(g/ℓ) 내지 약 100g/ℓ; 약 0.5g/ℓ 내지 약 50g/ℓ; 또는 약 1g/ℓ 내지 약 25g/ℓ의 속도로 가스 기질(204)로서 도입될 수 있다. 일산화탄소("CO")는 1리터의 액체 배지당 약 0.1그램의 CO(g/ℓ) 내지 약 100g/ℓ; 약 0.5g/ℓ 내지 약 50g/ℓ; 또는 약 1g/ℓ 내지 약 25g/ℓ의 속도로 가스 기질(204)로서 도입될 수 있다. 산소는 1리터의 액체 배지당 약 1그램의 산소(g/ℓ) 내지 약 100g/ℓ; 약 2g/ℓ 내지 약 50g/ℓ; 또는 약 5g/ℓ 내지 약 25g/ℓ의 속도로 가스 기질(204)로서 도입될 수 있다. 수소는 1리터의 액체 배지당 약 0.01그램의 수소(g/ℓ) 내지 약 50g/ℓ; 약 0.1g/ℓ 내지 약 25g/ℓ; 또는 약 1g/ℓ 내지 약 10g/ℓ의 속도로 가스 기질(204)로서 도입될 수 있다.
발효기(100) 내에서, 미생물학적 유기체는 다상 혼합물에 존재하는 탄소 함유 화합물의 적어도 일부를 대사시킬 것이다. 이 과정의 적어도 일부는 발효기(100)에 존재하는 바이오매스의 전체 분량을 증가시키는 추가적인 미생물학적 유기체의 제조를 포함할 수 있다. 발효기(100) 내에 바이오매스가 제어되지 않은 채 하나의 지점에 축적될 수 있어서, 발효기(100)의 하나 이상의 조작 양상(예를 들어, 유속, 압력 하강, 원하는 생성물의 제조 등)이 과량의 바이오매스의 존재에 의해 손상되거나 부정적으로 영향을 받는다. 이러한 경우에, 발효기(100)에 존재하는 바이오매스의 적어도 일부를 제거하는 능력이 바람직하다. 적어도 몇몇 경우에서, 발효기(100)의 바닥(124)의 적어도 일부는 기울어지거나(예를 들어, 원뿔 하부), 형상화될 수 있어서(예를 들어, ASME 접시형 헤드(dished head)), 바이오매스는 발효기(100) 내의 일정 위치에서 우선적으로 축적하여 적어도 하나의 바이오매스 제거 유체 연결부(208)를 통한 발효기(100)로부터의 바이오고형물 제거를 용이하게 한다. 예를 들어, ASME 접시형 헤드는 유체 연결부에 근접한 헤드 또는 적어도 하나의 바이오매스 제거 유체 연결부(208)를 통한 발효기(100)로부터의 바이오고형물(208)의 제거를 허용하는 유사한 디바이스의 중앙 위치에서 바이오고형물의 축적을 용이하게 할 수 있다.
배압 하위시스템(230)은 규정된 범위 내로 발효기(100) 내의 압력을 유지시키기 위해 임의의 수의 디바이스, 시스템 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 예를 들어, 배압 하위시스템(230)은 대기압 이상의 범위에서 발효기(100) 내의 압력을 유지시킬 수 있다. 적어도 몇몇 경우에서, 배압 하위시스템(230)은 1psig 내지 약 150psig; 약 1psig 내지 약 100psig; 약 1psig 내지 약 75psig; 약 1psig 내지 약 50psig; 또는 약 1psig 내지 약 25psig의 상류 압력(즉, 발효기(100) 내의 압력)을 유지시킬 수 있다. 대기압 초과의 압력으로 발효기(100)를 유지시키는 것은 미생물학적 유기체의 대사 공정에 사용된 가스의 분압(즉, 대기압에서 성취 가능한 것보다 높은 가스 기질 분압)을 발효기(100) 내의 상승된 수준으로 유지시킴으로써 발효기(100) 내의 가스 기질 버블, 액체 배지와 결과적으로 미생물학적 유기체 사이의 물질 이동의 속도를 유리하게 개선할 수 있다.
발효기(100)를 빠져나온 다상 혼합물(136)의 적어도 일부는 배압 하위시스템(230)에 의해 수용된다. 발효기(100)를 빠져나온 다상 혼합물(136)의 유속은 수동으로 또는 자동으로 제어될 수 있다. 예를 들어, 발효기(100)를 빠져나온 다상 혼합물(136)의 유속은 공정 부재(도 2에 도시되지 않음), 예컨대 질량 유량계, 자기 유량계, 초음파 유량계 또는 유사장치를 사용하여 측정될 수 있다. 이러한 흐름 측정은 다상 혼합물 배출(136) 흐름, 속도, 압력, 조성 또는 이들의 조합을 대표하는 데이터를 포함하는 하나 이상의 신호를 제어 하위시스템(290)에 제공할 수 있다. 제어 하위시스템(290)은 제어 출력을 최종 제어 부재, 예컨대 제어 밸브(도 2에 도시되지 않음)에 제공할 수 있는 로컬 컨트롤러, 중앙 제어 시스템 또는 분포 제어 시스템을 포함할 수 있다. 다상 혼합물 배출(136)은 배압 하위시스템(230)을 통과하고 저압 다상 혼합물(232)로서 빠져나온다. 적어도 몇몇 경우에서, 배압 하위시스템(230)은 하류 압력(즉, 분리 하위시스템(250)에 대한 압력)을 유지할 수 있고, 저압 다상 혼합물(232)은 약 1psig 내지 약 150psig; 약 1psig 내지 약 100psig; 약 1psig 내지 약 75psig; 약 1psig 내지 약 50psig; 또는 약 1psig 내지 약 25psig의 압력을 가질 수 있다.
배압 하위시스템(230)은 오리피스, 압력 감소 밸브, 터빈, 또는 공지된 제어 가능한 압력 하강을 제공할 수 있는 임의의 다른 디바이스 또는 시스템(이들로 제한되지는 않음)을 포함하는 임의의 수의 압력 감소 디바이스를 포함할 수 있다. 몇몇 경우에서, 발효기(100) 내의 압력은 배압 하위시스템(230)에 제공된 하나 이상의 제어 입력에 기초하여 수동으로 또는 자동으로 변하거나 제어되거나 조정될 수 있다. 적어도 몇몇 경우에서, 배압 하위시스템(230)은 하나 이상의 터빈 또는 샤프트 출력(234)을 제공할 수 있는 유사한 디바이스를 포함할 수 있다. 이러한 샤프트 출력(234)은 에너지 회수 디바이스(236), 예를 들어 지역 상업용, 산업용 또는 가정용 전기 분포 네트워크에 지역 소비 또는 공급용 전력을 제공할 수 있는 생성기에 대한 입력으로서 사용될 수 있다.
분리 하위시스템(250)은 저압 다상 혼합물(232)을 적어도 가스 유출물(252) 및 액체 유출물(254)로 분리시키기 위해 임의의 수의 디바이스, 시스템 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 적어도 몇몇 경우에서, 저압 다상 혼합물(232)에 존재하는 바이오고형물은 고형물 함유 유출물(256)로 분리될 수 있다. 적어도 몇몇 경우에서, 분리 하위시스템(250)으로부터의 고형물 함유 유출물(256)의 적어도 일부는 1종 이상의 액체(202)와 조합되어 발효기(100)로 복귀하기 위한 혼합물(258)을 제공할 수 있다. 적어도 몇몇 경우에서, 분리 하위시스템(250)은 용기(108)의 용적의 적어도 약 10%; 용기(108)의 용적의 적어도 약 20%; 용기(108)의 용적의 적어도 약 20%; 또는 용기(108)의 용적의 적어도 약 40%의 응집체 용적을 갖는 하나 이상의 분리장치를 포함할 수 있다.
분리 하위시스템(250)은 저압 다상 혼합물(232)로부터 가스 유출물(252) 및 액체 유출물(254)을 분리시킬 수 있는 하나 이상의 수동 분리장치(예를 들어, 하나 이상의 습식 사이클론 등)를 포함할 수 있다. 적어도 몇몇 경우에서, 수동 분리장치는 저압 다상 혼합물(232)에 존재하는 바이오고형물의 적어도 일부를 분리시키는 고형물 분리 구역을 또한 포함할 수 있다. 다른 경우에, 분리 하위시스템(230)은 저압 다상 혼합물(232)로부터 가스 유출물(252), 액체 유출물(254) 및 고형물 함유 유출물을 분리시킬 수 있는 하나 이상의 능동 분리 디바이스(예를 들어, 3상 회전 분리장치)를 포함할 수 있다.
적어도 몇몇 경우에서, 가스 유출물(252)은 1종 이상의 가스 기질(예를 들어, 메탄 또는 일산화탄소)과 발효기(100)에서의 생물학적 유기체에 의한 부산물로서 생성된 1종 이상의 가스 부산물(예를 들어, 이산화탄소)의 혼합물을 포함할 수 있다. 적어도 몇몇 경우에서, 가스 유출물(252)은 분리되고(도 2에 도시되지 않음), 1종 이상의 가스 기질의 적어도 일부는 예를 들어 가스 기질(204)로서 발효기(100)로 재순환될 수 있다. 적어도 몇몇 경우에서, 가스 유출물(252)은 1종 이상의 유용한 화합물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 가스 유출물(252)은, 후속 공정에서 최종 생성물로서 또는 원료로서 가치를 갖는, 에탄, 에틸렌, 프로판, 부탄 및 이에 기초한 화합물(이들로 제한되지는 않음)을 포함하는 일정량의 1종 이상의 가스 C2+ 탄화수소 화합물을 포함할 수 있다. 발효기(100)로 가스 유출물(252)의 적어도 일부를 재순환시키기 전에 이러한 유용한 화합물은 가스 유출물(252)로부터 제거될 수 있다.
적어도 몇몇 경우에서, 액체 유출물(254)은 발효기로 도입된 1종 이상의 액체, 영양소 등과 액체(202)와의 혼합물을 포함할 수 있다. 이러한 경우에, 액체 유출물(254)의 적어도 일부는 분리되고(도 2에 도시되지 않음), 예를 들어 액체 배지(202)로서 발효기(100)로 재순환될 수 있다. 적어도 몇몇 경우에서, 액체 유출물(254)은 1종 이상의 유용한 화합물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 액체 유출물(254)은, 후속 공정에서 최종 생성물로서 또는 원료로서 가치를 갖는, 알코올, 케톤, 글라이콜 및 이에 기초한 다른 화합물(이들로 제한되지는 않음)을 포함하는 일정량의 1종 이상의 액체 C2+ 탄화수소 화합물을 포함할 수 있다. 액체 유출물(254)을 폐기하거나 액체 유출물(254)의 적어도 일부를 발효기(100)로 다시 재순환시키기 전에 이러한 유용한 탄화수소 화합물은 액체 유출물(254)로부터 분리될 수 있다.
적어도 몇몇 경우에서, 고형물 함유 유출물(256)은 발효기(100)로부터 제거된 1종 이상의 액체 및 바이오매스를 포함하는 슬러리 또는 혼합물을 포함할 수 있다. 이러한 경우에, 고형물 함유 유출물(256)의 적어도 일부를 발효기(100)로 다시 재순환시키는 것이 바람직할 수 있다. 발효기(100)로의 바이오매스의 재순환은 발효기(100) 내의 미생물학적 콜로니를 재시딩하도록 유리하게 작용할 수 있다. 도 2에 도시되어 있지 않지만, 고형물 함유 유출물(256)의 적어도 일부는 발효기(100)에서의 하류 흐름 경로(114)로 직접적으로 재순환될 수 있다. 고형물 함유 유출물(256)의 적어도 일부는 1종 이상의 액체(202)와 혼합되고 발효기(100)로 재순환될 수 있다. 적어도 몇몇 경우에서, 고형물 함유 유출물(256)은 1종 이상의 유용한 화합물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 고형물 함유 유출물(256) 내의 생물학적 유기체는 생체연료, 예컨대 바이오디젤의 제조에 유용한 일정량의 1종 이상의 세포내 지질 또는 유사한 화합물을 포함할 수 있다. 도 2에 도시되어 있지 않지만, 이러한 경우에, 고형물 함유 유출물(256)의 적어도 일부는 후속 공정을 위한 분리 하위시스템(230)으로부터 1종 이상의 원하는 생성물로 제거될 수 있다.
열 하위시스템(270)은 발효기(100)에서의 다상 유체에 열 에너지를 첨가하거나 이로부터 열 에너지를 제거하기 위해 임의의 수의 디바이스, 시스템 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 적어도 몇몇 경우에서, 발효기(100) 내에 발생하는 발효는 부산물로서 열을 생성한다. 이러한 열은 제어되지 않은 채 발효기(100) 내의 미생물학적 유기체의 대사 또는 건강에 부정적으로 영향을 미칠 수 있다. 대안적으로, 미생물학적 유기체는 유기체의 대사 또는 건강이 부정적으로 영향을 받는 것보다 낮은 온도를 또한 가질 수 있다. 그러므로, 발효기(100) 내의 생물학적 유기체는 최적 성장 및 대사 조건을 제공하는 규정된 온도 범위를 갖는다. 적어도 몇몇 경우에서, 발효기(100) 내의 다상 혼합물은 열 하위시스템(270)을 사용하여 약 130℉ 미만; 약 120℉ 미만; 약 110℉ 미만; 약 100℉ 미만; 약 95℉ 미만; 약 90℉ 미만; 약 85℉ 미만; 또는 약 80℉ 미만의 온도에서 유지될 수 있다. 적어도 몇몇 경우에서, 발효기(100) 내의 다상 혼합물은 열 하위시스템(270)을 사용하여 약 55℉ 내지 약 120℉; 약 60℉ 내지 약 110℉; 약 110℉ 내지 약 120℉; 약 100℉ 내지 약 120℉; 약 65℉ 내지 약 100℉; 약 65℉ 내지 약 95℉; 또는 약 70℉ 내지 약 90℉의 온도에서 유지될 수 있다.
적어도 몇몇 경우에서, 하나 이상의 열 전달 표면(128)은 내부의 다상 혼합물의 하류 흐름(116)의 온도를 변경하거나 조정하거나 제어하기 위해 하류 흐름 경로(114) 내에 적어도 부분적으로 배치될 수 있다. 유사하게, 하나 이상의 열 전달 표면(140)은 내부의 다상 혼합물의 상류 흐름(120)의 온도를 변경하거나 조정하거나 제어하기 위해 상류 흐름 경로(118) 내에 적어도 부분적으로 배치될 수 있다.
적어도 몇몇 경우에서, 이러한 열 전달 표면(128, 140)은 전기 전류의 통과 시 냉각을 제공하는 하나 이상의 압전 표면을 포함할 수 있다. 이러한 열 전달 표면(128, 140)은 전기 전류의 통과 시 다상 혼합물의 온도를 증가시키기 위해 가열을 제공하는 하나 이상의 저항 표면(예를 들어, 칼로드(Calrod) 가열기)을 포함할 수 있다. 이러한 경우에, 열 하위시스템(270)은 발효기(100)에서의 다상 혼합물의 측정된 온도에 적어도 부분적으로 기초하여 열 전달 표면(128, 140)에 대한 전기 전력의 흐름을 제어하기 위해 하나 이상의 시스템을 포함할 수 있다.
다른 경우에, 이러한 열 전달 표면(128, 140)은 하류 흐름 경로(114), 상류 흐름 경로(120) 또는 둘 다 내에 배치되고 발효기(100)에서의 다상 혼합물을 다양하게 냉각시키거나 가열시키기 위해 감온 또는 승온에서 열 전달 매체가 순환되는 다수의 저장소 또는 도관을 포함할 수 있다. 열 전달 매체는 발효기(100)에서의 다상 혼합물 내외로 열 에너지를 수송하거나 달리 운송할 수 있는 임의의 유체, 액체 또는 가스를 포함할 수 있다. 이러한 경우에, 열 하위시스템(270)은 (예를 들어, 발효기(100)에서의 다상 혼합물을 냉각하기 위해) 열 전달 매체로부터 열 에너지를 제거하거나 (예를 들어, 발효기(100)에서의 다상 혼합물을 가온시키기 위해) 열 전달 매체에 열 에너지를 부여하기 위해 하나 이상의 시스템 또는 디바이스를 포함할 수 있다.
적어도 하나의 경우에, 열 전달 매체는 물 또는 물의 수용액 및 하나 이상의 부식, 스케일 및 미생물학적 저해제를 포함할 수 있다. 이러한 경우에, 열 하위시스템(270)은 다상 혼합물을 냉각시키기 위해 열 전달 매체로부터 열 에너지를 제거하기 위한 하나 이상의 시스템을 포함할 수 있다. 예를 들어, 개방 루프 증발 냉각탑 또는 밀폐 루프 공기 냉각기는 열 전달 매체를 냉각시키기 위해 사용될 수 있다. 이러한 경우에, 열 하위시스템(270)은 다상 혼합물을 가온시키기 위해 열 전달 매체에 열 에너지를 부여하기 위한 하나 이상의 시스템을 임의로 포함할 수 있다. 예를 들어, 천연 가스 또는 전기 물 가열기 또는 노(furnace)는 열 전달 매체를 가온시키기 위해 사용될 수 있다.
열 전달 매체는 하나 이상의 열 매체 분포 네트워크(272)를 통해 열 하위시스템(270)에 의해 제공될 수 있다. 하나 이상의 열 매체 분포 네트워크(272)는 전기 가열 및 냉각 열 전달 표면(128, 140)이 제공된 전기 분포 네트워크를 포함할 수 있다. 하나 이상의 열 매체 분포 네트워크(272)는 액체 열 전달 매체(예를 들어, 물)가 열 전달 표면(128, 140)에 제공된 유체 도관의 네트워크를 포함할 수 있다. 열 매체 분포 네트워크(272)로부터의 브랜치(210, 214)는 열 전달 매체를 열 전달 표면(128, 140)에 공급하도록 사용될 수 있다. 예를 들어, 브랜치(210)는 열 매체 분포 네트워크(272)로부터의 열 전달 매체를 하류 흐름 경로(114)에 배치된 열 전달 표면(128)에 공급하도록 사용될 수 있고, 브랜치(214)는 열 매체 분포 네트워크(272)로부터의 열 전달 매체를 상류 흐름 경로(120)에 배치된 열 전달 표면(140)에 공급하도록 사용될 수 있다.
열 전달 매체는 수집되고 하나 이상의 열 매체 수집 네트워크(274)를 통해 열 하위시스템(270)으로 적어도 부분적으로 복귀될 수 있다. 하나 이상의 열 매체 수집 네트워크(274)는 네트워크된 유체 도관(212, 216)의 수집을 포함할 수 있고, 여기서 액체 열 전달 매체(예를 들어, 물)는 열 전달 표면(128, 140)으로부터 제거된다. 열 매체 수집 네트워크(274)로부터의 브랜치는 열 전달 표면(128, 140)으로부터의 열 전달 매체를 수집하도록 사용될 수 있다. 예를 들어, 브랜치(212)는 하류 흐름 경로(114)에 배치된 열 전달 표면(128)으로부터 열 매체 수집 네트워크(274)로 열 전달 매체를 복귀시키도록 사용될 수 있고, 브랜치(216)는 상류 흐름 경로(120)에 배치된 열 전달 표면(140)으로부터 열 매체 수집 네트워크(274)로 열 전달 매체를 복귀시키도록 사용될 수 있다.
적어도 몇몇 경우에서, 발효 공정의 전부 또는 일부는 제어 하위시스템(290)을 사용하여 적어도 부분적으로 자동으로 제어될 수 있다. 제어 하위시스템(290)은 하나 이상의 공정 변수를 나타내는 아날로그 또는 디지털 데이터를 포함하는 신호의 형태로 하나 이상의 공정 부재에 의해 제공된 공정 관련 정보를 수집할 수 있다. 예를 들어, 제어 하위시스템은 질량 흐름 센서, 용적측정 흐름 센서, 온도 센서, 압력 센서, 수위 센서, 분석 센서(예를 들어, 용존 산소 센서, 생물학적 산소 요구량 또는 "BOD" 센서, pH 센서, 전도율 센서 등) 또는 발효기(100) 내의 하나 이상의 공정 관련 조건을 나타내는 데이터를 포함하는 신호를 제공할 수 있는 임의의 다른 디바이스(이들로 제한되지는 않음)를 포함하는 하나 이상의 공정 부재를 사용한 공정 관련 신호를 수집할 수 있다.
제어 하위시스템(290)은 적어도 부분적으로 공정 부재로부터 수신된 공정 변수 신호에 기초한 발효 공정의 하나 이상의 양상을 제어하거나 변경하거나 조정하는 명령어의 하나 이상의 세트를 실행할 수 있다. 이러한 명령어는 제어 하위시스템(290)에 의해 하나 이상의 제어 출력 신호를 생성시킬 수 있다. 제어 출력 신호는 제어 하위시스템(290)으로부터 하나 이상의 최종 제어 부재, 예컨대 블록 밸브, 제어 밸브, 모터, 가변 스피드 드라이브 등으로 전송될 있다. 최종 제어 부재와 발효 공정 사이의 상호작용은 결국 발효 공정의 높은 정도의 비교적 정확한 제어로 제어 하위시스템(290)을 제공할 수 있다.
예를 들어, 발효기(100)에서의 다상 혼합물의 온도를 나타내는 데이터를 포함하는 하나 이상의 신호의 수신에 응답하여, 제어 하위시스템(290)은 하나 이상의 열 전달 표면(128, 140)으로의 열 전달 매체의 흐름을 개시하거나 변경하거나 중지시킬 수 있다. 유사하게, 발효기(100)에서의 다상 혼합물의 용존 산소 수준을 나타내는 데이터를 포함하는 하나 이상의 신호의 수신에 응답하여, 제어 하위시스템(290)은 발효기(100)로의 산소 함유 가스 기질(204)의 흐름을 증가시키거나 감소시키거나 유지시킬 수 있다. 오직 2의 예시적인 예가 본 명세서에 제공되지만, 발효 공정에 적절한 임의의 흐름, 수준, 압력, 분석 값 등은 하나 이상의 적절한 공정 센서 및 하나 이상의 적절한 최종 제어 부재를 사용하여 제어 하위시스템(290)에 의해 유사하게 제어될 수 있다.
도 3은 예시적인 발효기(300)의 정면 단면도를 나타낸다. 발효기(300)는 하류 흐름 경로(114) 내에 적어도 부분적으로 배치된 하나 이상의 구조물(302a-302c)(오직 3개가 도시됨, 임의의 수가 가능함, 총체적으로 "구조물(302)") 및 상류 흐름 경로(120) 내에 적어도 부분적으로 배치된 하나 이상의 구조물(304a-304d)(오직 4개가 도시됨, 임의의 수가 가능함, 총체적으로 "구조물(304)")을 포함하는 하나 이상의 내부 구조물을 포함한다. 이러한 구조물은 다상 혼합물에서의 가스 버블과 액체 사이의 및 다상 혼합물과 생물학적 유기체 사이의 하류 및 상류 흐름 경로(114, 118) 물질 이동 둘 다를 유리하게는 촉진할 수 있다. 이러한 구조물은 유리하게는 하류 및 상류 흐름 경로(114, 118) 내에서 더 균일한 분포를 용이하게 함으로써 다상 혼합물 내의 가스 버블의 통합성을 촉진하고, 발효기(300) 내에서 다상 혼합물에 존재하는 가스 기질 버블과 생물학적 유기체 사이의 추가적인 접촉 시간을 촉진할 수 있다. 발효기(300)는 적어도 하나의 바이오매스 제거 유체 연결부(208)에 근접한 발효기(300)에서의 위치에서 과량의 바이오매스(306)의 수집을 유리하게 촉진하는 원뿔 하부(124)를 갖는다.
발효기(300)는 용기(108) 내에 배치된 하나의 중공 유체 도관(102)을 포함한다. 적어도 하나의 유체 이동장치(216)는 하류 흐름 경로(114)의 입구 면에 배치되고, 액체 흐름은 발효기(300)의 상부(126) 주위에 배치된 복수의 유체 연결부(130a 내지 130n)(총체적으로, "유체 연결부(130)")를 통해 발효기(300)에서 하류 흐름 경로(114)에 걸쳐 분포된다. 유체 연결부(130)는 하류 흐름 경로(114)의 적어도 일부에 직접적으로, 유체로, 커플링된다. 적어도 하나의 유체 이동장치(216)는 하류 흐름 경로(114) 내에 액체(308)의 일반적인 하류 흐름(116)을 제공한다.
발효기(300)는 발효기(300) 주위에 배치된 다수의 가스 분배기(132a-132n)(총체적으로, "가스 분배기(132)")를 포함한다. 하나 이상의 기질 가스(204)는 가스 버블(310)의 형태로 하류 흐름 경로(114)로 도입된다. 적어도 몇몇 경우에서, 가스 버블(310)은 1종 이상의 가스 기질을 포함할 수 있다. 하류 흐름 경로(114) 내에서, 액체(308) 및 가스 버블(310)은 혼합되고 그렇지 않으면 조합되어 다상 혼합물(312)을 형성한다. 하류 흐름 경로(114) 내에서, 다상 혼합물에서의 가스 기질 및 영양소는 생물학적 유기체에 의해 사용되어 하류 흐름 경로(114)를 형성하는 모든 내부 표면이 아닌 경우 대부분에서 바이오매스(314)를 형성한다.
적어도 몇몇 경우에서, 하류 흐름 경로(114)로 도입된 액체(308)는 적어도 하류 흐름 경로(114) 내에 바이오매스의 성장 및 전개를 지지할 수 있는 1종 이상의 영양소, 미량 원소, 미네랄 등을 포함하는 수용액을 포함할 수 있다. 적어도 몇몇 경우에서, 액체(308)는 약 1밀리그램/리터(㎎/ℓ) 내지 약 30㎎/ℓ; 약 1밀리그램/리터(㎎/ℓ) 내지 약 20㎎/ℓ; 또는 약 1밀리그램/리터(㎎/ℓ) 내지 약 10㎎/ℓ의 용존 질소 농도를 제공할 수 있는 용존 질소 또는 1종 이상의 질소 함유 화합물을 포함할 수 있다. 적어도 몇몇 경우에서, 액체(308)는 약 1㎎/ℓ 내지 약 30㎎/ℓ; 약 1밀리그램/리터(㎎/ℓ) 내지 약 20㎎/ℓ; 또는 약 1밀리그램/리터(㎎/ℓ) 내지 약 10㎎/ℓ의 용존 인 농도를 제공할 수 있는 용존 인 또는 1종 이상의 인 함유 화합물을 포함할 수 있다.
적어도 몇몇 경우에서, 하류 흐름 경로(114)로 도입된 가스는 메탄, 일산화탄소, 산소, 산소 함유 화합물, 수소 및 수소 함유 화합물 중 적어도 하나(이들로 제한되지는 않음)를 포함하는 임의의 수의 기질 가스를 포함할 수 있다. 적어도 몇몇 경우에서, 가스(들)는 액체(308)에서 가스의 용해를 유리하게 지지하는 조건(예를 들어, 농도, 온도 및 압력)에서 공급되어 다상 혼합물(312)을 형성할 수 있다. 적어도 몇몇 경우에서, 기질 가스의 첨가는 발효기(300) 내에서 다상 혼합물에서의 임의의 한정된 수준의 용존 가스를 유지시키기 위해 수동으로 또는 자동으로 제어될 수 있다. 몇몇 경우에서, 도 3에 도시되어 있지 않지만, 가스 버블(310)은 하류 흐름 경로(114), 상류 흐름 경로(120) 또는 둘 다 내에 도입될 수 있다. 발효기(300)에서 상이한 지점에서 도입된 가스 버블(310)은 동일한 조성을 갖거나 갖지 않을 수 있거나, 동일한 온도 또는 압력에 있거나 있지 않을 수 있다. 적어도 몇몇 경우에서, 가스 버블(310)의 조성은 가스 버블(310)이 도입된 발효기(300) 내의 위치에 적어도 부분적으로 기초하여 조정될 수 있다. 예를 들어, 기질 가스는 발효기(300)에서의 다양한 지점에서 하나 이상의 가스 분배기(132)를 통해 도입된 가스 버블(310)에서 상이한 농도를 가질 수 있다. 적어도 몇몇 경우에서, 가스 버블(310)의 온도는 가스 버블(310)이 도입된 발효기(300) 내의 위치에 적어도 부분적으로 기초하여 조정될 수 있다. 적어도 몇몇 경우에서, 가스 버블(310)의 압력은 가스 버블(310)이 도입된 발효기(300) 내의 위치에 적어도 부분적으로 기초하여 조정될 수 있다.
적어도 몇몇 경우에서, 가스 버블(310)의 조성, 온도 또는 압력 중 적어도 하나는 다상 혼합물 내의 약 0.1㎎/ℓ 내지 약 100㎎/ℓ; 약 0.5㎎/ℓ 내지 약 50㎎/ℓ; 약 1㎎/ℓ 내지 약 20㎎/ℓ; 또는 약 1㎎/ℓ 내지 약 10㎎/ℓ의 용존 메탄 농도를 유지시키기 위해 조정되거나 그렇지 않으면 제어될 수 있다. 적어도 몇몇 경우에서, 가스 버블(310)의 조성, 온도 또는 압력 중 적어도 하나는 다상 혼합물 내에 약 0.1㎎/ℓ 내지 약 100㎎/ℓ; 약 0.5㎎/ℓ 내지 약 50㎎/ℓ; 약 1㎎/ℓ 내지 약 20㎎/ℓ; 또는 약 1㎎/ℓ 내지 약 10㎎/ℓ의 용존 일산화탄소 농도를 유지시키기 위해 조정되거나 그렇지 않으면 제어될 수 있다. 적어도 몇몇 경우에서, 가스 버블(310)의 조성, 온도 또는 압력 중 적어도 하나는 다상 혼합물 내에 약 0.1㎎/ℓ 내지 약 100㎎/ℓ; 약 0.5㎎/ℓ 내지 약 50㎎/ℓ; 약 1㎎/ℓ 내지 약 20㎎/ℓ; 또는 약 1㎎/ℓ 내지 약 10㎎/ℓ의 용존 산소 농도를 유지시키기 위해 조정되거나 그렇지 않으면 제어될 수 있다. 적어도 몇몇 경우에서, 가스 버블(310)의 조성, 온도 또는 압력 중 적어도 하나는 다상 혼합물 내에 약 0.1㎎/ℓ 내지 약 50㎎/ℓ; 약 0.5㎎/ℓ 내지 약 25㎎/ℓ; 약 1㎎/ℓ 내지 약 10㎎/ℓ; 또는 약 1㎎/ℓ 내지 약 5㎎/ℓ의 용존 수소 농도를 유지시키기 위해 조정되거나 그렇지 않으면 제어될 수 있다.
적어도 몇몇 경우에서, 구조물(302)은 적어도 부분적으로 하류 흐름 경로(114) 내에 배치될 수 있다. 가스 버블(310)이 보통 하류 흐름 경로(114) 내에서 상류로 흐르는 경향일 수 있지만, 하류 흐름 경로 내의 유체 속도는 유체 속도보다 낮은 속도에서 하류로 기질 가스 버블(310)을 "미는" 경향이 있다. 하류 흐름 경로(114)에서의 가스 버블(310)의 연장된 잔류 시간은 유리하게는 가스 버블(310)에 존재하는 가스(들)가 다상 혼합물로 용해하고 결과적으로 하류 흐름 경로(114)에서 바이오매스(314)에 존재하는 생물학적 유기체가 다상 혼합물로부터 용존 기질 가스(들)를 흡수하는 연장된 가능성을 제공한다. 구조물(302)은 유리하게는 아래에 및 주위에 포획된 가스 버블(310)로서 이 효과를 증대시킬 수 있고, 구조물은 또한 하류 흐름 경로(114) 내에서 연장된 잔류 시간으로부터 이전에 기술된 부수하는 이익을 경험할 것이다. 연장된 잔류 시간은 하류 흐름 경로 내에서 더 많은 분량의 바이오매스(314)의 전개를 지지하는 데 특히 유리하다. 이렇게 전개된 더 많은 분량의 바이오매스(314)는 하류 흐름 경로(114)에 존재하는 증대된 수준의 용존 기질 가스(들)에 적어도 부분적으로 기여할 수 있다.
구조물(302)은 하류 흐름 경로(114)와 유체 접촉하는 임의의 수, 유형, 크기 또는 구성의 돌출 부재 또는 오목한 멈춤쇠(detent)를 포함할 수 있다. 구조물(302)의 전부 또는 일부는 구조물(302)의 기능에 따라 유사하거나 상이할 수 있다. 예를 들어, 다상 혼합물의 혼합을 촉진하고 가스 버블(310)의 잔류 시간을 증가시키는 일반 제1 설계 유형을 공유하는 다수의 구조물(302a)은 하류 흐름 경로(114) 내에 배치될 수 있다. 바이오매스(314)의 성장 또는 형성을 촉진하는 연장된 표면을 제공하는 일반 제2 설계 유형을 공유하는 다수의 구조물(302b)은 하류 흐름 경로(114) 내에 배치될 수 있다.
적어도 몇몇 경우에서, 구조물(304)은 상류 흐름 경로(120) 내에 적어도 부분적으로 배치될 수 있다. 가스 버블(310)은 상류 흐름 경로(114) 내에서 상류로 흐를 것이지만, 추가적인 상류 속도는 가스 버블(310)의 정상 상승 속도를 초과하는 속도에서 상류로 가스 버블(310)을 "미는" 경향이 있는 상류 흐름 경로(118) 내의 상류 유체 흐름(120)의 속도에 의해 가스 버블(310)에 부여된다. 구조물(304)은 유리하게는 상류 흐름 경로(118)에서 가스 버블(310)의 진행을 방해하거나 그렇지 않으면 지연시켜, 상류 흐름 경로(118) 내의 가스 버블(310)의 잔류 시간을 증가시킬 수 있다. 상류 흐름 경로(118)에서의 가스 버블(310)의 연장된 잔류 시간은 유리하게는 가스 버블(310)에 존재하는 가스(들)가 다상 혼합물로 용해되고 결과적으로 상류 흐름 경로(118)에서 바이오매스(314)에 존재하는 생물학적 유기체가 다상 혼합물로부터 용존 기질 가스(들)를 흡수하는 연장된 가능성을 제공한다. 구조물(304)은 유리하게는 아래에 및 주위에 포획된 가스 버블(310)로서 이 효과를 증대시킬 수 있고, 구조물(304)은 또한 상류 흐름 경로(118) 내에서 연장된 잔류 시간으로부터 이전에 기술된 부수하는 이익을 경험할 것이다. 연장된 잔류 시간은 상류 흐름 경로(118) 내에서 더 많은 분량의 바이오매스(314)의 전개를 지지하는 데 특히 유리하다. 이렇게 전개된 더 많은 분량의 바이오매스(314)는 상류 흐름 경로(118)에 존재하는 증대된 수준의 용존 기질 가스(들)에 적어도 부분적으로 기여할 수 있다.
구조물(304)은 상류 흐름 경로(118)와 유체 접촉하는 임의의 수, 유형, 크기 또는 구성의 돌출 부재 또는 오목한 멈춤쇠를 포함할 수 있다. 구조물(304)의 전부 또는 일부는 구조의 기능에 따라 유사하거나 상이할 수 있다. 예를 들어, 다상 혼합물의 혼합을 촉진하고 가스 버블(310)의 잔류 시간을 증가시키는 일반 제1 설계 유형을 공유하는 다수의 구조물(304a)은 상류 흐름 경로(118) 내에 배치될 수 있다. 바이오매스(314)의 성장 또는 형성을 촉진하는 연장된 표면을 제공하는 일반 제2 설계 유형을 공유하는 다수의 구조물(304b)은 상류 흐름 경로(114) 내에 배치될 수 있다.
바이오매스(314)가 하류 흐름 경로(114) 및 상류 흐름 경로(118) 내에 축적되면서, 과량의 바이오매스는 발효기(300)의 내부 표면으로부터 벗겨지거나 그렇지 않으면 탈착될 것이다. 과량의 바이오매스의 적어도 일부는 바이오매스가 축적되는 발효기(300)에서 하부로 떨어질 것이다. 과량의 바이오매스의 적어도 일부는 발효기(300)로부터 다상 혼합물(136)에 의해 운반되거나 수송될 것이다. 발효기(300)의 하부 내의 과량의 바이오매스 축적은 바이오고형물로서 제거될 수 있다. 이러한 바이오고형물의 적어도 일부는 추가로 공정처리되어 하나 이상의 대체 가능한 생성물, 예컨대 후속 공정처리를 위한 원료 또는 최종 생성물로서 유용한 생체연료 또는 C2 + 탄화수소를 생성시킬 수 있다. 발효기(300)로부터 제거된 과량의 바이오매스의 적어도 일부는 다른 발효기(300)에서 바이오고형물에 존재하는 미생물학적 유기체를 "재시딩"하거나 전파시키도록 사용될 수 있다.
발효기(300)로부터 다상 혼합물(136)에 의해 운반된 과량의 바이오매스의 적어도 일부는 예를 들어 분리 하위시스템(250)에서 분리되고 적어도 일부는 적어도 발효기(300)로 재순환되어 발효기(300) 내에서 미생물학적 콜로니를 확립하는 것을 도울 수 있다.
적어도 몇몇 경우에서, 가스 탄소 함유 공급원료를 발효시키기 위해 사용된 미생물학적 유기체는 C1 대사작용 비광합성 미생물을 주로 포함하는 배양물을 이용한다. 이러한 발효 시스템은 원핵생물 또는 박테리아, 예컨대 메틸로모나스, 메틸로박터, 메틸로코커스, 메틸로시누스, 메틸로시스티스, 메틸로마이크로븀, 메타노모나스, 메틸로필루스, 메틸로바실루스, 메틸로박테륨, 하이포마이크로븀, 잔토박터, 바실루스, 파라코커스, 노카르디아, 아르트로박터, 로도슈도모나스 또는 슈도모나스인 C1 대사작용 미생물의 하나 이상의 종을 사용할 수 있다. 몇몇 경우에서, C1 대사작용 박테리아는 메탄영양세균 또는 메틸영양세균을 포함할 수 있다. 바람직한 메탄영양세균은 메틸로모나스, 메틸로박터, 메틸로코커스, 메틸로시누스, 메틸로시스티스, 메틸로마이크로븀, 메타노모나스 또는 이들의 조합을 포함한다. 예시적인 메탄영양세균은 메틸로모나스 종 16a(ATCC PTA 2402), 메틸로시누스 트리초스포륨(NRRL B-ll,196), 메틸로시누스 스포륨(NRRL B-ll, 197), 메틸로시스티스 파르부스(NRRL B-ll, 198), 메틸로모나스 메타니카(NRRL B-5 11,199), 메틸로모나스 알부스(NRRL B-ll, 200), 메틸로박터 캅술라투스(NRRL B-11,201), 메틸로박테륨 오가노필룸(ATCC 27,886), 메틸로모나스 종 AJ-3670(FERM P-2400), 메틸로마이크로븀 알칼리필룸, 메틸로셀라 실베스트리스, 메틸아시디필룸 인페르노룸, 메틸리븀 페트롤레이필룸, 메틸로시누스 트리초스포륨 OB3b, 메틸로코커스 캅술라투스 바쓰, 메틸로모나스 종 16a, 메틸로마이크로븀 알칼리필룸 20Z 또는 이들의 고성장 변이체를 포함한다. 바람직한 메틸영양세균은 메틸로박테륨 엑스토르?스, 메틸로박테륨 라디오톨레란스, 메틸로박테륨 포풀리, 메틸로박테륨 클로로메타니쿰, 메틸로박테륨 노둘란스 또는 이들의 조합을 포함한다.
합성가스에서 발견되는 C1 화합물을 대사시킬 수 있는 미생물은 클로스트리듐, 모렐라, 피로코커스, 유박테륨, 데설포박테륨, 카복시도테르무스, 아세토게늄, 아세토박테륨, 아세토아나에로븀, 부티리바세테륨, 펩토스트렙토코커스 또는 이들의 조합을 포함하고(이들로 제한되지 않음), 이들을 또한 사용할 수 있다. 예시적인 메틸영양세균은 클로스트리듐 아우토에타노게눔, 클로스트리듐 륭달리, 클로스트리듐 라그스달레이, 클로스트리듐 카복시디보란스, 부티리박테륨 메틸로트로피쿰, 클로스트리듐 우디, 클로스트리듐 네오프로파놀로겐 또는 이들의 조합을 포함한다. 몇몇 경우에서, C1 대사작용 미생물은 진핵생물, 예컨대 킨디다, 야로위아, 한세눌라, 피치아, 토룰롭시스 또는 로도토룰라를 포함하는 효모이다.
다른 경우에, C1 대사작용 비광합성 미생물은 절대적 C1 대사작용 비광합성 미생물, 예컨대 절대적 메탄영양세균 또는 메틸영양세균이다. 몇몇 경우에서, C1 대사작용 비광합성 미생물은 지방산 생성 효소, 폼알데하이드 동화 효소 또는 이들의 조합을 코딩하는 이종성 폴리뉴클레오타이드를 포함하는 재조합 미생물이다.
도 4는 예시적인 발효기(400)의 정면 단면도를 나타낸다. 발효기(400)의 하부(124)는 복수의 원뿔 구역을 포함하고, 이들 각각은 과량의 바이오매스(306)를 축적할 수 있다. 이러한 경우에, 적어도 하나의 바이오매스 제거 유체 연결부(208)는 과량의 바이오매스가 축적된 하부(124)에서의 위치에 근접하게 배치되어 과량의 바이오매스(306)의 제거를 용이하게 할 수 있다. 발효기(400)는 용기(108) 내에 배치된 6개 이상의 중공 유체 도관(102a-102f)(총체적으로, "중공 유체 도관(102)")을 포함한다. 적어도 하나의 유체 이동장치(216)는 하류 흐름 경로(114)의 입구 면에 배치되고, 액체 흐름은 발효기 상부(126) 주위에 배치된 복수의 유체 연결부(130a 내지 130f)(총체적으로, "유체 연결부(130)")를 통해 하류 흐름 경로(114)에 걸쳐 분포된다. 유체 연결부(130)의 각각은 하류 흐름 경로(114)에 직접적으로, 유체로, 커플링된다. 적어도 하나의 유체 이동장치(216)는 하류 흐름 경로(114) 내에 액체(308)의 일반적인 하류 흐름을 제공한다.
다상 혼합물(136)은 복수의 다상 혼합물 배출 유체 연결부(138)를 통해 발효기(400)에 존재하고, 다상 혼합물 배출 유체 연결부의 각각은 상류 흐름 경로(118)에 직접적으로 유체 흐름가능하게 커플링된다. 다상 혼합물 배출 유체 연결부(138)의 각각은 상류 흐름 경로(118)로부터 배압 하위시스템(230)으로 다상 혼합물을 운송하는 데 사용된 다상 혼합물 배출 유체 도관(402)에 유체 흐름가능하게 커플링된다.
도 4에 도시된 배압 하위시스템(230)은 적어도 하나의 다상 터빈(404)을 포함한다. 상류 흐름 경로(118)로부터 제거된 비교적 더 고압인 다상 혼합물의 압력은 다상 터빈(404)을 통해 감소하여 비교적 더 낮은 압력의 다상 혼합물을 제공하고, 이 다상 혼합물은 배압 시스템(230)으로부터 하나 이상의 유체 도관(406)을 통해 지시된다. 비교적 더 낮은 압력의 다상 혼합물의 적어도 일부는 후속하여 분리 하위시스템(250)으로 도입될 수 있다. 적어도 몇몇 경우에서, 다상 터빈(404)은 비교적 더 고압으로부터 비교적 더 낮은 압력으로 다상 혼합물의 압력을 감소시킴으로써 방출된 에너지의 적어도 일부를 회수하기 위해 하나 이상의 에너지 회수 디바이스(도 4에 도시되지 않음), 예컨대 전기 생성기에 물리적으로 커플링될 수 있다. 적어도 몇몇 경우에서, 다상 터빈(404) 및 에너지 회수 디바이스의 물리적 커플링은 샤프트(408) 또는 기계적 전력을 수송할 수 있는 유사한 연결부를 이용하여 성취될 수 있다. 배압 하위시스템(230)은 약 120psig 미만; 약 90psig 미만; 약 60psig 미만; 약 30psig 미만; 또는 약 15psig 미만으로 상류 흐름 경로(118)에 존재하는 다상 혼합물의 압력을 줄이거나 감소시킬 수 있다.
하나 이상의 유체 도관(406)을 통해 배압 하위시스템(230)에 존재하는 비교적 더 낮은 압력의 다상 혼합물은 몇몇 경우에 분리 하위시스템(250)으로 도입될 수 있다. 분리 하위시스템(250) 내에서, 비교적 더 낮은 압력의 다상 혼합물은 복수의 상으로 분리될 수 있다. 몇몇 경우에서, 비교적 더 낮은 압력의 다상 혼합물은 1종 이상의 원하는 생성물(예를 들어, C2 + 탄화수소, 예컨대 에탄 및 에틸렌), 1종 이상의 소비되지 않은 가스 기질(예를 들어, 메탄 또는 일산화탄소) 또는 1종 이상의 대사 또는 화학 부산물(예를 들어, 이산화탄소)을 포함하는 기상(252)으로 적어도 분리될 수 있다. 몇몇 경우에서, 비교적 더 낮은 압력의 다상 혼합물은 1종 이상의 원하는 생성물(예를 들어, C2 + 탄화수소, 예컨대 알코올 및 케톤), 1종 이상의 소비되지 않은 액상 영양소 또는 1종 이상의 대사 또는 화학 부산물을 포함하는 액상(254)으로 적어도 분리될 수 있다. 몇몇 경우에서, 비교적 더 낮은 압력의 다상 혼합물은 1종 이상의 원하는 바이오고형물 생성물(예를 들어, 생체연료로서 유용한 세포내 지질) 또는 하나 이상의 대사 또는 화학 부산물(예를 들어, 과량의 바이오매스)을 포함하는 고형물 함유 상(256)으로 적어도 분리될 수 있다.
도 5는 예시적인 발효기 시스템(500)의 정면 단면도를 나타낸다. 발효기(500)는 용기(108)에 걸쳐 완전히(즉, 상부(126)로부터 하부(124)로) 연장된 복수의 중공 유체 도관(102)을 포함한다. 상류 흐름 경로(118)는 하나 이상의 유체 도관(502)을 통해 하류 흐름 경로(114)에 유체 흐름가능하게 커플링된다. 적어도 몇몇 경우에서, 하나 이상의 단리 디바이스(504)는 하나 이상의 유체 도관(502)의 적어도 일부에 배치될 수 있다. 적어도 몇몇 경우에서, 하나 이상의 유체 도관(502)은 하나 이상의 유체 연결부(506)를 사용하여 하류 흐름 경로(114)의 적어도 일부에 유체 흐름가능하게 커플링된다. 적어도 몇몇 경우에서, 하나 이상의 유체 도관(502)은 하나 이상의 유체 연결부(508)를 사용하여 상류 흐름 경로(118)의 적어도 일부에 유체 흐름가능하게 커플링된다. 하나 이상의 단리 디바이스(504) 및 하나 이상의 유체 연결부(506, 508)는 유리하게는 하나 이상의 중공 유체 도관(102)의 단리를 허용한다. 중공 유체 도관(102)을 선택적으로 단리시키는 능력은 유리하게는 전체 발효기(500)가 운행 중지될 것을 필요로 하지 않으면서 중공 유체 도관(102)의 일상적인 유지 및 세정을 허용한다.
하류 흐름 경로(114) 및 상류 흐름 경로(118)를 커플링시키는 2개의 상이한 시스템이 도시되어 있다. 제1 경우에, 하류 흐름 경로(114) 및 상류 흐름 경로(118)를 직접적으로 유체 흐름가능하게 커플링시키는 유체 도관(502)이 도시되어 있다. 강제된 유체 흐름 또는 유도된 유체 흐름이 하류 흐름 경로(114) 및 상류 흐름 경로(118) 둘 다에서 사용되는 이러한 직접 유체 흐름가능하게 커플링 설치를 사용할 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 유체 이동장치(216)가 하류 흐름 경로(114)의 입구 유체 연결부(130)에 유체 흐름가능하게 커플링되거나 상류 흐름 경로(118)의 출구 유체 연결부(138)에 유체 흐름가능하게 커플링된 직접적인 유체 흐름가능하게 커플링 시스템이 유리할 수 있다. 이러한 경우에, 과량의 바이오매스(306)는 유체 도관(502) 내에 축적될 수 있다. 이러한 축적된 과량의 바이오매스(306)는 적어도 하나의 바이오매스 제거 유체 연결부(208)를 사용하여 제거될 수 있다.
제2 경우에, 하나 이상의 유체 이동장치(216)는 하류 흐름 경로(114)와 상류 흐름 경로(118) 사이에 유체 흐름가능하게 커플링된다. 이러한 유체 흐름가능하게 커플링은 하류 흐름 경로(114)에서 유도된 하류 흐름(116)을 제공하고 상류 흐름 경로(118)에서 강제된 상류 흐름(120)을 제공한다. 적어도 몇몇 경우에서, 하나 이상의 유체 이동장치(216)는 하나 이상의 유체 연결부(예를 들어, 플랜지, 트레드, 퀵 커넥트 등)(506)를 사용하여 하류 흐름 경로(114)에 유체 흐름가능하게 커플링될 수 있다. 적어도 몇몇 경우에서, 하나 이상의 유체 이동장치(216)는 하나 이상의 유체 연결부(예를 들어, 플랜지, 트레드, 퀵 커넥트 등)(508)를 사용하여 상류 흐름 경로에 유체 흐름가능하게 커플링될 수 있다
적어도 몇몇 경우에서, 하나 이상의 유체 이동장치(216)로 배출된 과량의 바이오매스(306)는 하나 이상의 축적장치(510)에서 포획되거나 그렇지 않으면 축적될 수 있다. 예시적인 축적장치(510)는 하나 이상의 단일 단계 또는 다중 단계 여과 디바이스, 예컨대 카트리지 필터, 자가 세정 필터, 백 필터, 바스킷 필터 또는 이들의 조합을 포함하지만, 이들로 제한되지는 않는다. 예시적인 축적장치(510)는 하나 이상의 하이드로사이클론 등을 포함할 수 있지만, 이들로 제한되지는 않는다. 적어도 몇몇 경우에서, 과량의 바이오매스(306)의 적어도 일부는 적어도 하나의 바이오매스 제거 유체 연결부(208)를 사용하여 축적장치(510)로부터 제거될 수 있다. 도 5에 도시되어 있지 않지만, 적어도 몇몇 경우에서, 하나 이상의 바이오매스 제거 유체 연결부(208)는 용기(108)에 배치될 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 바이오매스 제거 유체 연결부(208)는 축적된 바이오고형물(306)을 제거하기 위해 용기(108)의 하부(124)에 배치될 수 있다.
발효기(500)에 또한 복수의 가스 분포 헤더(132)가 장착된다. 제1 가스 분포 헤더(132a)는 하류 흐름 경로(114)에 배치된다. 제2 가스 분포 헤더(132b)는 상류 흐름 경로(118)에 배치된다. 이러한 배열은 유리하게는 다상 혼합물이 상류 흐름 경로(118)로 진입하기 전에 하류 흐름 경로(114)를 통과하는 동안 다상 혼합물로부터 고갈된 가스 기질을 보충하거나 증가시키는 능력을 제공한다. 예를 들어, 메탄이 가스 기질로서 사용되고 하류 흐름 경로에 존재하는 다상 혼합물에서의 메탄 농도가 규정된 값보다 낮은 경우, 추가적인 메탄은 가스 분포 헤더(132b)를 사용하여 상류 흐름 경로(118)에서 다상 혼합물에 첨가될 수 있다. 제2 가스 분포 헤더(132b)는 유리하게는 발효기(500) 내에서 상이한 위치에서 상이한 유형의 미생물을 기르는 능력을 제공할 수 있다. 예를 들어, 제1 가스 분포 헤더(132a)를 통해 제1 가스 기질을 도입하는 것은 하류 흐름 경로(114)에서 제1 가스 기질 대사작용 미생물의 성장을 촉진할 수 있다. 제2 가스 분포 헤더(132b)를 통해 제2 가스 기질을 도입하는 것은 상류 흐름 경로(114)에서 제2 가스 기질 대사작용 미생물의 성장을 촉진할 수 있다. 동일한 발효기(500)에서 복수의 가스 기질을 공급하는 능력은 유리하게는 발효기(500)에서 성취 가능한 생성물 매트릭스를 확장시킬 수 있다.
도 6은 예시적인 발효기 시스템(600)의 정면 단면도를 나타낸다. 용기(108)의 하부는 복수의 접시형 헤드를 포함한다(예를 들어, ASME 접시형 헤드, 이들 각각은 과량의 바이오매스(306)를 축적할 수 있음). 이러한 경우에, 적어도 하나의 바이오매스 제거 유체 연결부(208)는 과량의 바이오매스가 축적하는 하부(124)에서의 위치에 근접하게 배치되어 과량의 바이오매스(306)의 제거를 용이하게 할 수 있다. 발효기(602)는 용기(108) 내에 배치된 복수의 중공 유체 도관(102a 내지 02b)(총체적으로, "중공 유체 도관(102)")을 포함한다.
적어도 하나의 유체 이동장치(216)는 하나 이상의 다상 혼합물 배출 유체 연결부(138)를 통해 상류 흐름 경로(118)에 유체 흐름가능하게 커플링된다. 이러한 배열(여기서, 하류 흐름 경로(114) 및 상류 흐름 경로(118) 둘 다 적어도 하나의 유체 이동장치(216)의 흡인 면에 유체 흐름가능하게 커플링됨)은 하류 흐름 경로(114) 및 상류 흐름 경로(118) 둘 다를 통한 유체 흐름을 적어도 부분적으로 유도할 수 있다. 도 6에 도시되어 있지 않지만, 적어도 몇몇 경우에서, 하나 이상의 임의의 추가적인 유체 이동장치(216)는 하나 이상의 액체 분포 헤더(130a 내지 130c)를 통해 하류 흐름 경로(114)에 유체 흐름가능하게 커플링될 수 있다. 적어도 하나의 유체 이동장치(216)는 유체 흐름가능하게 커플링된다.
복수의 가스 분포 헤더(132a 내지 132b)(총체적으로 "가스 분포 헤더(132)")는 발효기(602)의 하류 흐름 경로(114)와 유체 연통한다. 이러한 배열은 유리하게는 다상 혼합물이 상류 흐름 경로(118)에 진입하기 전에 하류 흐름 경로(114)를 통과하는 동안 다상 혼합물로부터 고갈된 가스 기질을 보충하거나 증가시키는 능력을 제공한다. 예를 들어, 메탄이 가스 기질로서 사용되고 하류 흐름 경로에 존재하는 다상 혼합물에서의 메탄 농도가 규정된 값보다 낮은 경우, 추가적인 메탄은 가스 분포 헤더(132b)를 사용하여 상류 흐름 경로(118)에서 다상 혼합물에 첨가될 수 있다. 제2 가스 분포 헤더(132b)는 유리하게는 발효기(602) 내에서 상이한 위치에서 상이한 유형의 미생물을 기르는 능력을 제공할 수 있다. 예를 들어, 제1 가스 분포 헤더(132a)를 통해 제1 가스 기질을 도입하는 것은 하류 흐름 경로(114)에서 제1 가스 기질 대사작용 미생물의 성장을 촉진할 수 있다. 제2 가스 분포 헤더(132b)를 통해 제2 가스 기질을 도입하는 것은 상류 흐름 경로(114)에서 제2 가스 기질 대사작용 미생물의 성장을 촉진할 수 있다. 동일한 발효기(602)에서 복수의 가스 기질을 공급하는 능력은 유리하게는 발효기(602)에서 성취 가능한 생성물 매트릭스를 확장시킬 수 있다.
도 7은 도 1 내지 도 6과 관련하여 위에서 자세히 기재된 하나 이상의 발효기 시스템(300, 400, 500, 600)에서 하나 이상의 발효기(100)를 사용하는 발효 시스템의 조작의 고수준 방법을 나타낸다. 이러한 시스템은 유리하게는 하류 흐름 경로(114)에서 1종 이상의 영양소 및 1종 이상의 가스 기질을 포함하는 1종 이상의 액체 배지를 도입하여 내부에 전체 하류 흐름(116)을 갖는 다상 혼합물을 제공한다. 하류 흐름경로(114) 내의 다상 혼합물의 유체 속도는 다상 혼합물에 존재하는 가스 기질 버블이 하류 방향으로 흐르게 하는 데 충분하다. 그러나, 다상 혼합물 내에서 가스 기질 버블이 상승하는 경향은 유리하게는 하류 흐름 경로(114) 내에서 가스 기질 버블의 잔류 시간을 연장하여, 하류 흐름 경로에서 물질 이동 및 후속하는 가스 기질의 미생물학적 흡수를 증대시킨다. 하류 흐름 경로(114)를 통과한 후, 다상 혼합물은 상류 흐름(118) 경로에 진입하고, 여기서 추가적인 물질 이동 및 미생물학적 흡수가 발생할 수 있다. 다상 혼합물은 발효기로부터 제거되고 임의로 압력은 감소하고 분리되어 하나 이상의 원하는 재료를 제공한다. 방법이 (702)에서 시작된다.
(704)에서, 가스 기질은 액체 배지 내에 분산되어 다상 혼합물을 형성한다. 이러한 분산은 입구 근처에서 또는 입구에서 또는 하류 흐름 경로(114)의 시작에서 발생할 수 있지만, 가스 기질의 추가적인 분량은 하류 흐름 경로(114), 상류 흐름 경로(118) 또는 둘 다에서 다른 위치에서 분산될 수 있다. 몇몇 경우에서, 가스 기질은 하류 흐름 경로(114), 상류 흐름 경로(118) 또는 둘 다 내에 다수의 위치에서 분산될 수 있고, 각각의 분산 지점에서의 가스 기질은 동일한 또는 상이한 온도, 압력, 조성 또는 이들의 조합을 가질 수 있다. 발효기 내에서 상이한 위치에서 가스 기질의 물리적 또는 조성적 특성을 변경하는 능력은 유리하게는 발효기에 존재하는 특정한 미생물학적 종뿐만 아니라, 발효기 내에서 가스 기질의 분산 지점에 기초한 발효기 내의 미생물학적 종의 특정한 위치에 가스 기질의 맞춤을 허용한다.
(706)에서, 다상 혼합물은 하류 흐름 경로(114) 내에 하류 흐름(116)을 제공한다. 기질 가스 버블은 초당 "X" 피트의 가스 버블 상승 속도로 하류 흐름 경로 내에 상승하는 경향이 있을 것이다. 다상 혼합물은 초당 "Y" 피트의 하류 흐름 경로(114) 내에 표면적 유체 속도(superficial fluid velocity)를 가질 것이다. 다상 혼합물의 표면적 유체 속도를 가스 버블 상승 속도를 초과하여(즉, Y > X) 유지시킴으로써, 기질 가스 버블은 하류 흐름 경로(114)에서 상류보다는 하류로 흐를 것이다. 가스 기질 버블 상승 속도를 아주 약간 초과하는 속도로 하류 흐름 경로(114)에서 다상 혼합물의 유속을 조정하거나 그렇지 않으면 제어함으로써, 하류 흐름 경로(114)에서의 가스 버블의 잔류 시간은 증가할 수 있다. 하류 흐름 경로(114)에서의 이러한 잔류 시간 증가는 유리하게는 하류 흐름 경로(114)에 존재하는 미생물학적 유기체에 의한 가스 기질(204)의 물질 이동 및 미생물학적 흡수를 개선할 수 있다. 몇몇 경우에서, 하류 흐름 경로(114)에서의 다상 혼합물의 속도는 측정되고 제어될 수 있다. 예를 들어, 제어 하위시스템(290)은 하류 흐름 경로(114)에서의 다상 혼합물의 유체 속도를 하류 흐름 경로(114)에서의 기질 가스 버블의 과량의 상승 속도에서 약간 규정된 범위로 변경하거나 조정하거나 제어할 수 있다. 몇몇 경우에서, 가스 기질(204)의 온도, 압력 또는 조성은 하류 흐름 경로(114) 내에서 원하는 가스 기질 버블 크기를 유지시키기 위해 제어 하위시스템(290)을 통해 변경되거나 조정되거나 제어될 수 있다. 다른 경우에, 가스 기질(204)의 온도, 압력 또는 조성은 하류 흐름 경로(114)에서의 규정된 범위의 다상 혼합물의 액상 내의 1종 이상의 가스 기질 성분(예를 들어, 메탄, 이산화탄소, 수소, 산소, 질소 등)의 농도를 유지시키기 위해 제어 하위시스템(290)을 통해 변경되거나 조정되거나 제어될 수 있다.
(708)에서, 하류 흐름 경로(114) 내의 다상 혼합물의 온도는 규정된 온도 범위 내로 온도를 유지시키기 위해 변경되거나 조정되거나 제어될 수 있다. 적어도 몇몇 경우에서, 규정된 온도 범위는 발효기(100) 내에 사용된 미생물학적 종에 적어도 부분적으로 기초하여 선택되거나 그렇지 않으면 결정될 수 있다. 과량의 열은 발효기(100) 내의 활성의 적어도 일부를 책임지는 미생물학적 유기체에 의해 부산물로서 생성될 수 있다. 이 과량의 열은, 제어되지 않은 채 있으면, 발효기(100) 내의 미생물학적 유기체의 일부 또는 전부의 성장 또는 대사를 저해하거나 부정적으로 영향을 미칠 수 있다. 적어도 몇몇 경우에서, 하류 흐름 경로(114)에서의 다상 혼합물의 온도를 규정된 범위 내로 유지시키기 위해 하류 흐름 경로(114) 내에 냉각이 제공될 수 있다. 이러한 냉각은 하류 흐름 경로(114)에 열 전도성으로 커플링된 저장소 또는 코일(140)을 통한 냉각 매체의 통과를 포함할 수 있다. 냉각수 또는 다른 냉각 매체(예를 들어, 글라이콜 용액, 염수 용액 등)는 발효기(100) 내의 냉각을 제공하기 위해 또한 사용될 수 있다. 적어도 몇몇 경우에서, 제어 하위시스템(290)은 하류 흐름 경로(114)에 열 전도성으로 커플링된 저장소 또는 코일(140)을 통과한 냉각 매체의 유속 또는 온도를 제어할 수 있다.
다른 경우에, 미생물학적 종에 의해 생성된 열은 원하는 온도 범위 내에 발효기를 유지시키는 데 불충분할 수 있다. 이는 예를 들어 발효기(100)가 노출된 또는 부분적으로 노출된 외부 위치에 위치하는 극도로 추운 환경에서 발생할 수 있다. 몇몇 경우에서, 냉각을 위해 사용된 하류 흐름 경로(114)에 열 전도성으로 커플링된 저장소 또는 코일(140)이 발효기(100)에 가온을 제공하기 위해 또한 사용될 수 있다. 다른 경우에, 전용 가온 저장소 또는 코일은 하류 흐름 경로(114)에 열 전도성으로 커플링될 수 있다. 이러한 가온은 하류 흐름 경로(114) 내에 적어도 부분적으로 배치된 저장소 또는 코일을 통한 가온 매체의 통과를 포함할 수 있다. 따뜻한 물, 증기 또는 유사한 열 전달 유체(예를 들어, 글라이콜 용액, 열 오일 등)는 발효기(100) 내에 임의로 가온을 제공하기 위해 또한 사용될 수 있다. 적어도 몇몇 경우에서, 제어 하위시스템(290)은 하류 흐름 경로(114)에 열 전도성으로 커플링된 저장소 또는 코일(140)을 통과한 가온 매체의 유속 또는 온도를 제어할 수 있다.
(710)에서, 가스 기질 버블이 하류 흐름 경로를 따라 더 깊게 밀리면서 하류 흐름 경로(114) 내에서 하류 흐름(116)에서 다상 혼합물과 이동하는 가스 기질 버블에서의 압력은 증가할 것이다. 압력 증가는 발효기(100)에서 액체의 칼럼이 가스 기질 버블에 가한 정수 압력의 증가에 적어도 부분적으로 기여할 수 있다. 압력 증가는 몇몇 경우에 유리하게는 하류 흐름 경로(114)에서 다상 혼합물을 형성하는 액체 배지와 가스 기질 버블 사이의 물질 이동을 증가시킬 수 있다. 적어도 몇몇 경우에서, 가스 기질 버블에 대한 압력 증가는 또한 유리하게는 하류 흐름 경로에 존재하는 미생물학적 유기체에 의한 가스 기질에 존재하는 1종 이상의 성분의 흡수를 개선할 수 있다.
(712)에서, 다상 혼합물은 하류 흐름 경로를 빠져나오고 상류 흐름 경로(118)에 진입한다. 상류 흐름 경로에 진입하는 다상 혼합물은 비흡수된 영양소를 함유하는 액체, 비용해되고 비흡수된 가스 기질을 함유하는 가스 기질 버블을 포함할 수 있지만, 이들로 제한되지는 않는다. 상류 흐름 경로(118)에 진입하는 다상 혼합물은 발효기(100)의 벽 및/또는 바닥으로부터 쓸려나간 비말동반된 생물학적 물질을 또한 포함할 수 있다. 적어도 몇몇 경우에서, 물질 이동을 촉진하는 하나 이상의 구조물은 상류 흐름 경로(118)의 적어도 일부 내에 배치될 수 있다. 이러한 구조물은 하나 이상의 배플, 하나 이상의 비동력 또는 정적 혼합기, 하나 이상의 동력 또는 동적 혼합기 등을 포함할 수 있지만, 이들로 제한되지는 않는다. 적어도 몇몇 경우에서, 1종 이상의 영양소를 포함하는 추가적인 액체 또는 추가적인 가스 기질은 상류 흐름 경로(118)로 도입될 수 있다. 이러한 추가적인 영양소 또는 가스 기질은 하류 흐름 경로(118)에서 화학적 또는 미생물학적 공정을 통해 소비된 것을 보충하도록 도입될 수 있다. 이러한 추가적인 영양소 또는 가스 기질은 상류 흐름 경로(118)에 존재하는 미생물학적 유기체에 추가적인 또는 상이한 영양소 또는 가스 기질을 제공하도록 도입될 수 있다. 다상 혼합물이 상류(120)로 흐르면서, 정수 압력이 상류 흐름 경로(118)를 통한 상승에서 감소하면서 다상 혼합물에 존재하는 가스 기질 버블에 대한 압력은 점진적으로 감소할 것이다.
(714)에서, 상류 흐름 경로(118) 내의 다상 혼합물의 온도는 규정된 온도 범위 내로 온도를 유지시키기 위해 변경되거나 조정되거나 제어될 수 있다. 적어도 몇몇 경우에서, 규정된 온도 범위는 발효기(100) 내에 사용된 미생물학적 종에 적어도 부분적으로 기초하여 선택되거나 결정될 수 있다. 과량의 열은 발효기(100) 내의 활성의 적어도 일부를 책임지는 미생물학적 유기체에 의해 부산물로서 생성될 수 있다. 이 과량의 열은, 제어되지 않은 채 있으면, 발효기(100) 내의 미생물학적 유기체의 일부 또는 전부의 성장 또는 대사를 저해하거나 부정적으로 영향을 미칠 수 있다. 적어도 몇몇 경우에서, 상류 흐름 경로(118)에서의 다상 혼합물의 온도를 규정된 범위 내로 유지시키기 위해 상류 흐름 경로(118) 내에 냉각이 제공될 수 있다. 이러한 냉각은 상류 흐름 경로(118)에 열 전도성으로 커플링된 저장소 또는 코일(128)을 통한 냉각 매체의 통과를 포함할 수 있다. 냉각수 또는 다른 냉각 매체(예를 들어, 글라이콜 용액, 염수 용액 등)는 발효기(100) 내의 냉각을 제공하기 위해 또한 사용될 수 있다. 적어도 몇몇 경우에서, 제어 하위시스템(290)은 상류 흐름 경로(118)에 열 전도성으로 커플링된 저장소 또는 코일(128)을 통과한 냉각 매체의 유속 또는 온도를 제어할 수 있다.
다른 경우에, 미생물학적 종에 의해 생성된 열은 원하는 온도 범위 내에 발효기를 유지시키는 데 불충분할 수 있다. 이는 예를 들어 발효기(100)가 노출된 또는 부분적으로 노출된 외부 위치에 위치하는 극도로 추운 환경에서 발생할 수 있다. 몇몇 경우에서, 냉각을 위해 사용된 상류 흐름 경로(118)에 열 전도성으로 커플링된 저장소 또는 코일(128)이 발효기(100)에 가온을 제공하기 위해 또한 사용될 수 있다. 다른 경우에, 전용 가온 저장소 또는 코일은 상류 흐름 경로(118)에 열 전도성으로 커플링될 수 있다. 이러한 가온은 상류 흐름 경로(118) 내에 적어도 부분적으로 배치된 저장소 또는 코일을 통한 가온 매체의 통과를 포함할 수 있다. 따뜻한 물, 증기 또는 유사한 열 전달 유체(예를 들어, 글라이콜 용액, 열 오일 등)는 발효기(100) 내에 임의로 가온을 제공하기 위해 또한 사용될 수 있다. 적어도 몇몇 경우에서, 제어 하위시스템(290)은 상류 흐름 경로(118)에 열 전도성으로 커플링된 저장소 또는 코일(128)을 통과한 가온 매체의 유속 또는 온도를 제어할 수 있다. 공정은 (716)에서 종료된다.
도 8은 도 1 내지 도 6과 관련하여 위에서 자세히 기재된 하나 이상의 발효기 시스템(300, 400, 500, 600)에서 하나 이상의 발효기(100)를 사용하는 발효 시스템의 조작(800)의 고수준 방법을 나타낸다. 예시적인 발효 방법(800)은, 발효 방법(800)이 하나 이상의 배압 하위시스템(230)을 사용하여 승압에서 수행된다는 점을 제외하고는, 도 7에 자세히 기재된 발효 방법(700)과 관련하에 자세히 기재된 것과 동일하거나 거의 동일한 단계를 사용한다. 이러한 배압 하위시스템(230)은 유리하게는 발효기(100)에서의 압력을 대기압 초과 수준으로 유지시켜, 다상 혼합물(312)에서의 가스 버블(310)에 함유된 가스(들)의 분압을 증가시킨다. 가스 버블(310) 내의 가스(들)의 분압을 증가시킴으로써, 가스 버블(310)과 액체(308) 사이의 물질 이동 속도는 증대되고, 다상 혼합물 내의 용존 가스(들)의 이용가능성 증대는 유리하게는 발효기(100)에서의 미생물학적 유기체에 의한 가스(들)의 흡수를 개선한다. 방법은 (802)에서 시작된다.
(804)에서, 액체(308) 및 가스(들)는 대기압 초과의 제1 압력에서 발효기(100)로 도입된다. 배압 하위시스템(230)의 존재는 발효기(100) 내의 압력을 유지시켜, 하류 흐름 경로(114) 및 상류 흐름 경로(118) 둘 다에서의 압력을 증가시킨다. 적어도 몇몇 경우에서, 제1 압력은 약 5psig 내지 약 150psig; 약 5psig 내지 약 100psig; 또는 약 5psig 내지 약 75psig일 수 있다. 다상 혼합물이 하류 흐름 경로(114)를 통과하면서, 정수 압력은 가스 버블(310)에 축적되어, 가스 버블(310)에 존재하는 가스(들)의 분압을 추가로 증가시키고 가스 버블(310)과 다상 혼합물 사이의 물질 이동 속도를 추가로 증가시킬 것이다. 다상 혼합물의 압력은 하류 흐름 경로(118)의 하부에서 제2 압력으로 증가할 것이다. 적어도 몇몇 경우에서, 제2 압력은 약 10psig 내지 약 150psig; 약 10psig 내지 약 100psig; 또는 약 10psig 내지 약 75psig일 수 있다. 다상 혼합물이 상류 흐름 경로(118)를 통과하면서, 가스 버블(310)에 대한 정수 압력은 상류 흐름 경로(118)의 출구에서 제3 압력으로 방출될 것이다. 적어도 몇몇 경우에서, 제3 압력은 약 5psig 내지 약 150psig; 약 5psig 내지 약 100psig; 또는 약 5psig 내지 약 75psig일 수 있다.
(806)에서, 다상 혼합물 배출 유체 연결부(138)를 통해 중공 유체 도관을 빠져나온 다상 혼합물은 배압 하위시스템(230)으로 지시된다. 배압 하위시스템(230) 내에서, 하나 이상의 시스템 또는 디바이스는 다상 혼합물의 압력을 제3 압력보다 낮은 수준으로 감소시키기 위해 사용된다. 이러한 압력 감소는 디바이스, 예컨대 오리피스 플레이트 또는 배압 제어 밸브를 포함하는 하나 이상의 압력 하강을 이용하여 성취될 수 있다. 하나 이상의 경우에서, 하나 이상의 압력 하강 유도 디바이스는 고압 다상 혼합물이 통과한 다상 터빈을 포함하여 제4 압력에서 저압 다상 혼합물(232)을 제공할 수 있다. 적어도 몇몇 경우에서, 제4 압력은 약 5psig 내지 약 150psig; 약 5psig 내지 약 100psig; 또는 약 5psig 내지 약 75psig일 수 있다. 적어도 몇몇 경우에서, 다상 혼합물(136)의 압력 감소 동안 방출된 에너지의 적어도 일부는 포획될 수 있고, 예를 들어 다상 터빈에서 방출된 에너지는 전기 생성기, 유체 이동장치 또는 가스 이동장치를 돌리도록 사용될 수 있다. 방법은 (808)에서 종료된다.
도 9는 도 1 내지 도 6과 관련하여 위에서 자세히 기재된 하나 이상의 발효기 시스템(300, 400, 500, 600)에서 하나 이상의 발효기(100)를 사용하는 발효 시스템의 조작(900)의 고수준 방법을 나타낸다. 예시적인 발효 방법(900)은, 배압 하위시스템(230)으로부터 제거된 저압 다상 혼합물(232)이 분리 하위시스템(250)으로 도입되고 여기서 분리된다는 점을 제외하고는, 도 7 및 도 8과 관련하여 자세히 기재된 발효 방법(700 및 800)과 동일하거나 거의 동일한 단계를 사용한다. 분리 하위시스템(250)은 저압 다상 혼합물을 적어도 가스 및 액체로 분리시키는 하나 이상의 디바이스 또는 시스템을 포함할 수 있다. 몇몇 경우에서, 분리 하위시스템(250)은 저압 다상 혼합물(232)을 가스(252), 액체(254) 및 고체 농후 액체(256)로 분리시킬 수 있다. 방법은 (902)에서 시작된다.
(904)에서, 분리 하위시스템(230)으로부터의 저압 다상 혼합물(232)은 분리 하위시스템(250)으로 도입된다. 분리 하위시스템 내에서, 다상 혼합물(232)은 적어도 가스(252) 및 액체(254)로 분리될 수 있다. 적어도 몇몇 경우에서, 분리된 가스(252)의 적어도 일부는 후속하여 공정처리되거나 분리될 수 있다. 공정처리된 또는 분리된 가스의 적어도 일부는 가스 기질(204)로서 발효기(100)로 재순환될 수 있다. 몇몇 경우에서, 분리된 가스의 적어도 일부는 판매되거나 그렇지 않으면 폐기될 수 있다. 적어도 몇몇 경우에서, 분리된 가스의 적어도 일부는 대체 가능한 상품으로서 판매되거나 거래된다. 적어도 몇몇 경우에서, 분리된 가스는 에탄, 에틸렌, 프로판, 부탄 및 이들의 화합물(이들로 제한되지는 않음)을 포함하는 1종 이상의 C2+ 탄화수소 가스를 포함할 수 있다.
적어도 몇몇 경우에서, 분리된 액체(254)의 적어도 일부는 후속하여 공정처리되거나 분리될 수 있다. 분리된 가스(252)의 적어도 일부는 후속하여 공정처리되거나 분리될 수 있다. (906)에서, 다상 혼합물(136)과 발효기(100)로부터 제거된 바이오고형물을 포함하거나 포함하지 않을 수 있는 공정처리되거나 분리된 액체의 적어도 일부는 발효기(100)로 재순환될 수 있다. 예를 들어, 바이오고형물을 포함하는 분리된 액체(256)의 적어도 일부는 액체 공급물(202)의 적어도 일부와 조합되어 발효기(100)로 공급된 혼합물(258)을 제공할 수 있다. 이러한 재순환은 유리하게는 확립된 생물학적 종에 발효기(100)의 계속되는 연속 또는 반연속 접종을 제공할 수 있다. 몇몇 경우에서, 분리된 액체의 적어도 일부는 판매되거나 그렇지 않으면 폐기될 수 있다. 적어도 몇몇 경우에서, 분리된 액체의 적어도 일부는 대체 가능한 상품으로서 판매되거나 거래될 수 있다. 적어도 몇몇 경우에서, 분리된 액체는 1종 이상의 알코올, 글라이콜 또는 케톤(이들로 제한되지는 않음)을 포함하는 1종 이상의 C2+ 탄화수소 액체를 포함할 수 있다. 공정은 (908)에서 종료된다.
요약서에 기재된 것을 포함하는 예시된 실시형태의 상기 설명은 배타적이거나 실시형태를 개시된 정확한 형태로 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 구체적인 실시형태 및 실시예는 예시적인 목적을 위해 본 명세서에 기재되어 있지만, 당해 분야의 당업자가 인지할 수 있는 것처럼, 본 개시내용의 정신 및 범위를 벗어남이 없이 다양한 동등한 변형이 이루어질 수 있다. 다양한 실시형태의 본 명세서에 제공된 교시내용은 다른 발효기 및 발효 시스템에 적용될 수 있다 이러한 발효기 및 발효 시스템은 화학 중간체 제조 이외의 목적을 위해 발효기를 포함할 수 있고, 식품 또는 음료 제조에서 유용한 발효기 및 발효 시스템을 포함할 수 있다. 유사하게, 냉각 하위시스템, 배압 하위시스템, 분리 하위시스템 및 제어 하위시스템을 포함하는 본 명세서에 기재된 보조 시스템은 단일 시스템, 예를 들어 팩키지 냉각탑 또는 팩키지 제어 시스템을 포함할 수 있거나, 냉각 또는 가온 매체의 제어된 제조 및 분포를 용이하게 하는(즉, 하위시스템을 냉각함으로써); 에너지의 보충적 생성으로 또는 이것 없이 발효기 시스템에서 배압의 제어 유지를 용이하게 하는(즉, 배압 하위시스템에 의한); 재순환 또는 회수 및 후속하는 공정처리 또는 판매를 위해 가스, 액체 및 반고체로의 다상 혼합물의 적어도 일부의 분리를 용이하게 하는(즉, 분리 하위시스템에 의한) 방식으로 물리적으로, 유체로 및 연통으로 커플링된 임의의 수의 하위부품을 포함하는 고객 제작 설계된 하위시스템을 포함할 수 있다. 제어 하위시스템은 발효 시스템 또는 임의의 보조 하위시스템의 전부 또는 일부를 위한 모니터링, 알라밍, 제어 및 제어 출력을 제공하는 통합된 또는 분포된 제어 시스템을 포함할 수 있다. 제어 하위시스템은 발효 시스템 또는 임의의 보조 하위시스템의 하나 이상의 양상의 제어를 위한 임의의 수의 개별적인 루프 컨트롤러 등을 또한 포함할 수 있다.
상기 상세한 설명은 공정 흐름 다이어그램, 장비 단면도 및 예시적인 방법의 사용을 통한 디바이스 및/또는 공정의 다양한 실시형태를 기술한다. 그러므로 블록 다이어그램, 도면 및 실시예가 하나 이상의 기능 및/또는 조작을 함유하는 한, 당해 분야의 당업자는 개별적으로 및/또는 총체적으로 화학 조작 분야의 당업자에게 널리 공지된 광범위한 선반 재고 또는 상업화 부품을 사용하여 이러한 블록 다이어그램, 흐름도 또는 실시예 내의 각각의 기능 및/또는 조작이 실행될 수 있다는 것을 이해할 수 있다. 예를 들어, 오직 원형, 삼각형 및 정사각형 중공 금속 도관이 명확히 기재되어 있지만, 당해 분야의 당업자는 실질적으로 임의의 중공 유체 도관이 대체될 수 있다는 것을 인식할 것이다. 본 명세서에 기재된 미생물학적 종은 본 명세서에 기재된 발효기 또는 발효기 시스템에서 지지될 수 있는 잠재적 미생물학적 종의 샘플을 제공하도록 의도된다.
미국 가출원 제61/711,104호(2012년 10월 8일에 출원)의 개시내용은 본 명세서에서 그 전문이 포함된다.
상기 기재된 다양한 실시형태가 추가의 실시형태를 제공하도록 조합될 수 있다. 본 명세서에 언급되고/되거나 출원 데이터 시트에 기재된, 미국 가출원 제61/671,542호(2012년 7월 13일에 출원)(이들로 제한되지는 않음)를 포함하는, 모든 미국 특허, 미국 특허 출원 공보, 미국 특허 출원, 외국 특허, 외국 특허 출원 및 비특허 공보는 본 명세서에서 그 전문이 참조문헌으로 포함된다. 실시형태의 양상이, 필요한 경우, 다양한 특허, 출원 및 공보의 시스템, 공정, 생물학적 배지 및 개념을 이용하여 변형되어 다른 추가의 실시형태를 제공할 수 있다.
이 변화 및 다른 변화가 상기 기재된 설명의 관점에서 실시형태에 이루어질 수 있다. 일반적으로, 하기 특허청구범위에서, 사용된 용어는 명세서 및 특허청구범위에 개시된 구체적인 실시형태에 특허청구범위를 제한하도록 해석되어서는 안 되지만, 이러한 특허청구범위가 권한 부여한 등가물의 완전 범위와 함께 모든 가능한 실시형태를 포함하는 것으로 해석되어야 한다. 따라서, 특허청구범위는 본 개시내용에 의해 제한되지 않는다.

Claims (89)

  1. 생물학적 성장을 자극하기 위한 시스템으로서,
    상부를 포함하는 용기;
    상기 용기에 의해 형성된 내부 공간 내에 배치된 적어도 하나의 중공 유체 도관으로서, 상기 적어도 하나의 중공 유체 도관을 통한 유체 흐름을 허용하고, 적어도 하나의 입구 및 적어도 하나의 출구를 포함하되,
    상기 적어도 하나의 중공 유체 도관의 적어도 하나의 입구는 상기 적어도 하나의 중공 유체 도관의 외부 주연부 및 상기 용기의 내부 주연부에 의해 경계를 이룬 하류 흐름 경로를 제공하고 상기 적어도 하나의 중공 유체 도관의 내부 주연부에 의해 경계를 이룬 상류 흐름 경로를 제공하도록 위치되고, 상기 용기의 내부 공간과 유체 연통하는, 상기 적어도 하나의 중공 유체 도관;
    상기 적어도 하나의 중공 유체 도관의 적어도 하나의 출구에 인접하게 하류 흐름의 시작 부분에 배치되고, 하류 흐름 경로의 시작 부분에서 하나 이상의 가스를 상기 하류 흐름 경로로 도입하여 다상 혼합물을 생성하는 가스 분배기;
    상기 하류 흐름 경로에서 하류 유체 흐름을 제공하고 상기 상류 흐름 경로에서 상류 유체 흐름을 제공하기 위한 적어도 하나의 제1 유체 이동장치; 및
    상기 하류 흐름 경로 또는 상기 상류 흐름 경로 중 적어도 하나에 열 커플링된 열 전달 시스템을 포함하는, 생물학적 성장을 자극하기 위한 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 유체 이동장치는 (a) 상기 하류 흐름 경로에서 유체 흐름을 유도하고 상기 상류 흐름 경로에서 유체 흐름을 강제하도록 상기 적어도 하나의 중공 유체 도관 입구에 유체 흐름가능하게 커플링되거나(fluidly coupled); (b) 상기 상류 흐름 경로 및 상기 하류 흐름 경로 둘 다에서 유체 흐름을 강제하도록 상기 상류 흐름 경로 및 상기 하류 흐름 경로 둘 다의 외부에 배치되고 상기 하류 흐름 경로에 유체 흐름가능하게 커플링되거나; 또는 (c) 상기 상류 흐름 경로 및 상기 하류 흐름 경로 둘 다에서 유체 흐름을 유도하도록 상기 상류 흐름 경로 및 상기 하류 흐름 경로 둘 다의 외부에 배치되고 상기 상류 흐름 경로에 유체 흐름가능하게 커플링된, 생물학적 성장을 자극하기 위한 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 하류 흐름 경로 또는 상기 상류 흐름 경로 중 적어도 하나에 열 커플링된 상기 열 전달 시스템은 상기 적어도 하나의 중공 유체 도관의 적어도 일부에 또는 상기 용기의 적어도 일부에 열 전도성으로 커플링된 열 전달 시스템을 포함하는, 생물학적 성장을 자극하기 위한 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 용기는 과량의 바이오매스의 축적을 조장하는 바이오매스 축적장치를 더 포함하는, 생물학적 성장을 자극하기 위한 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 상류 흐름 경로의 적어도 일부는 (a) 바이오매스 성장을 촉진시키는 하나 이상의 돌출 부재 또는 오목한 멈춤쇠(detents) 또는 (b) 상기 상류 흐름 경로에서 흐르는 다상 혼합물의 상들(phases) 간에 물질 이동을 촉진시키는 하나 이상의 돌출 부재 또는 오목한 멈춤쇠를 포함하는, 생물학적 성장을 자극하기 위한 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 상기 하류 흐름 경로의 적어도 일부는 (a) 바이오매스 성장을 촉진시키는 하나 이상의 돌출 부재 또는 오목한 멈춤쇠 또는 (b) 상기 하류 흐름 경로에서 흐르는 다상 혼합물의 상들 간에 물질 이동을 촉진시키는 하나 이상의 돌출 부재 또는 오목한 멈춤쇠를 포함하는, 생물학적 성장을 자극하기 위한 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 상기 다상 혼합물을 복수의 상으로 분리시키는 것을 촉진시키는 적어도 하나의 분리장치를 더 포함하되, 상기 분리장치는 상기 적어도 하나의 중공 유체 도관 출구로부터 상기 다상 혼합물의 적어도 일부를 수용하도록 유체 흐름 가능하게 커플링된, 생물학적 성장을 자극하기 위한 시스템.
  8. 제7항에 있어서, 상기 적어도 하나의 분리장치는 또한 분리된 상기 다상 혼합물의 적어도 일부를 상기 하류 흐름 경로로 복귀시키기 위하여 상기 용기에 유체 흐름가능하게 커플링된, 생물학적 성장을 자극하기 위한 시스템.
  9. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 중공 유체 도관은 (a) 상기 용기의 장축에 평행으로 배향된 장축을 갖는 단일 중공 유체 도관; 또는 (b) 각각 상기 용기의 장축에 평행하게 배향된 각각의 장축을 갖는 복수의 중공 유체 도관을 포함하는, 생물학적 성장을 자극하기 위한 시스템.
  10. 제1항에 있어서, 상기 열 전달 시스템은 상기 용기의 적어도 일부 또는 상기 적어도 하나의 중공 유체 도관의 적어도 일부에 열 커플링된 하나 이상의 열 전달 매체를 포함하는 저장소를 포함하는, 생물학적 성장을 자극하기 위한 시스템.
  11. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 중공 유체 도관의 응집체 전체 횡단면적이 상기 용기의 전체 횡단면적의 적어도 10%인, 생물학적 성장을 자극하기 위한 시스템.
  12. 생물학적 성장을 자극하는 방법으로서,
    적어도 물 및 1종 이상의 영양소를 포함하는 액체 배지 중에 가스를 분산시켜 상기 액체 배지 중에 분산된 가스 버블을 포함하는 다상 혼합물을 형성하는 단계;
    용기 내에서 다수의 상류 흐름 경로에 다상 혼합물을 흐르게 하기 전에 용기 내에서 하나 이상의 하류 흐름 경로에서 상기 다상 혼합물을 제1 속도 및 제1 압력에서 흐르게 하는 단계로서, 상기 하나 이상의 하류 흐름 경로는 다수의 중공 유체 도관의 외부 주연부와 상기 다수의 중공 유체 도관을 적어도 부분적으로 둘러싸는 상기 용기의 내부 주연부 사이에 형성되고, 가스의 분산은 상기 하나 이상의 하류 흐름 경로의 시작 부분에서 발생하는, 상기 다상 혼합물을 흐르게 하는 단계;
    제1 바이오매스를 생성하기 위하여 상기 다상 혼합물을 상기 하나 이상의 하류 흐름 경로에 존재하는 다수의 미생물과 접촉시키는 동안 상기 다상 혼합물에서 압축된 가스 버블을 생성하기 위하여 상기 다상 혼합물의 압력을 상기 제1 압력으로부터 제2 압력으로 증가시키는 단계; 및
    제2 바이오매스를 생성하기 위하여 상기 다상 혼합물을 다수의 상류 흐름 경로에 존재하는 다수의 미생물과 접촉시키는 동안 상기 다상 혼합물에서 압축된 가스 버블을 유지시키기 위하여 다수의 상류 흐름 경로에서 상기 다상 혼합물을 제2 속도에서 흐르게 하고, 상기 압력을 제3 압력에서 또는 제3 압력 초과에서 유지시키는 단계로서, 상기 각자의 수의 상류 흐름 경로의 각각은 상기 다수의 중공 유체 도관의 각각의 내부 주연부에 의해 형성된, 상기 압력을 유지시키는 단계를 포함하는, 생물학적 성장을 자극하는 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 다수의 상류 흐름 경로로부터 제거된 다상 혼합물을, 적어도 분리된 기상 및 분리된 액상을 포함하는 복수의 상으로 분리시키는 단계를 더 포함하는, 생물학적 성장을 자극하는 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 다상 혼합물을 분리시키기 전에 상기 다수의 상류 흐름 경로로부터 제거된 다상 혼합물의 압력을 제4 압력으로 감소시키는 단계를 더 포함하는, 생물학적 성장을 자극하는 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    하나 이상의 에너지 포획 시스템을 이용하여 상기 다상 혼합물의 압력을 제4 압력으로 적어도 부분적으로 감소시킴으로써 전기를 생성하는 단계를 더 포함하는, 생물학적 성장을 자극하는 방법.
  16. 생물학적 성장을 자극하기 위한 장치로서,
    다수의 중공 유체 도관의 각각의 외부 주연부 및 수직으로 배열된 용기의 내부 주연부에 의해 경계를 이룬 다수의 하류 흐름 경로를 제공하도록 위치하고, 수직으로 배열된 용기 내에 적어도 부분적으로 배치된 다수의 중공 유체 도관으로서;
    상기 수직으로 배열된 용기는 상부 및 상기 다수의 하류 흐름 경로의 적어도 일부에 유체 흐름가능하게 커플링된 적어도 하나의 유체 입구 연결부를 포함하고;
    상기 다수의 중공 유체 도관의 각각은 상기 다수의 하류 유체 흐름 경로로부터 유래한 유체를 위한 각자의 수의 상류 흐름 경로를 제공하고, 상기 상류 흐름 경로의 각각은 상기 각자의 중공 유체 도관의 각각의 내부 주연부에 의해 경계를 이루고, 상기 다수의 상류 흐름 경로의 각각은 다상 유체를 제거하도록 상기 용기의 상부에 연결된 적어도 하나의 다상 혼합물 배출 연결부에 유체 흐름가능하게 커플링되고, 상기 다상 혼합물 배출 연결부는 상기 다상 혼합물을 용기 내에서 용기 외부로 배출하도록 구성되는, 다수의 중공 유체 도관;
    상기 용기의 상부에 인접한 상기 다수의 하류 흐름 경로의 시작 부분에 배치된 적어도 하나의 가스 분배기; 및
    상기 다수의 하류 흐름 경로 또는 다수의 상류 흐름 경로 중 적어도 하나의 적어도 일부 내에 배치된 다수의 제1 돌출 부재 또는 오목한 멈춤쇠로서, 상기 다수의 제1 돌출 부재 또는 오목한 멈춤쇠의 각각은 (a) 해당 제1 돌출 부재 또는 오목한 멈춤쇠 상에서 생물학적 성장을 촉진시키거나 또는 (b) 상기 다수의 제1 돌출 부재 또는 오목한 멈춤쇠가 배치된 상기 다수의 하류 흐름 경로 또는 상류 흐름 경로 중 하나에 흐르는 다상 혼합물의 상들 간에 물질 이동을 촉진시키는, 상기 다수의 제1 돌출 부재 또는 오목한 멈춤쇠를 포함하는, 생물학적 성장을 자극하기 위한 장치.
  17. 제16항에 있어서, 상기 다수의 하류 흐름 경로에 적어도 부분적으로 또는 상기 다수의 상류 흐름 경로의 적어도 일부에 적어도 부분적으로 배치된 적어도 하나의 열 전달 표면을 더 포함하는, 생물학적 성장을 자극하기 위한 장치.
  18. 제16항에 있어서, 상기 다수의 중공 유체 도관의 응집체 횡단면적이 상기 용기의 횡단면적의 적어도 10%인, 생물학적 성장을 자극하기 위한 장치.
  19. 제16항에 있어서, 상기 용기는 상기 용기에 의해 형성된 내부 공간의 적어도 일부에서 과량의 바이오매스의 축적을 조장하는 바이오매스 축적장치를 더 포함하는, 생물학적 성장을 자극하기 위한 장치
  20. 제16항에 있어서, 상기 다수의 중공 유체 도관은 (a) 상기 용기의 장축에 평행으로 배향된 장축을 갖는 단일 중공 유체 도관; 또는 (b) 각각 상기 용기의 장축에 평행으로 배향된 각각의 장축을 갖는 복수의 중공 유체 도관을 포함하는, 생물학적 성장을 자극하기 위한 장치.
  21. 제12항에 있어서, 제1 바이오매스를 생성하기 위하여 상기 다상 혼합물을 상기 하나 이상의 하류 흐름 경로에 존재하는 다수의 미생물과 접촉시키는 것은, 상기 다상 혼합물을 (a) 바이오매스 성장을 촉진시키는 하나 이상의 돌출 부재 또는 오목한 멈춤쇠 또는 (b) 상기 하나 이상의 하류 흐름 경로에서 흐르는 상기 다상 혼합물의 상들 간에 물질 이동을 촉진시키는 하나 이상의 돌출 부재 또는 오목한 멈춤쇠와 접촉시키는 것을 포함하는, 생물학적 성장을 자극하는 방법.
  22. 제12항에 있어서, 제2 바이오매스를 생성하기 위하여 상기 다상 혼합물을 상기 다수의 상류 흐름 경로에 존재하는 다수의 미생물과 접촉시키는 것은, 상기 다상 혼합물을 (a) 바이오매스 성장을 촉진시키는 하나 이상의 돌출 부재 또는 오목한 멈춤쇠 또는 (b) 상기 하나 이상의 상류 흐름 경로에서 흐르는 상기 다상 혼합물의 상들 간에 물질 이동을 촉진시키는 하나 이상의 돌출 부재 또는 오목한 멈춤쇠와 접촉시키는 것을 포함하는, 생물학적 성장을 자극하는 방법.
  23. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 중공 유체 도관의 상기 적어도 하나의 출구에 유체 흐름가능하게 커플링된 적어도 하나의 배압 생성기(back pressure generator)를 더 포함하는, 생물학적 성장을 자극하기 위한 시스템.
  24. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 중공 유체 도관은 상기 용기의 상부로부터 내부 공간으로 돌출하는, 생물학적 성장을 자극하기 위한 시스템.
  25. 제1항에 있어서, 상기 용기 내에서 상기 용기 외부로 상기 다상 혼합물을 배출하도록 구성된 다상 혼합물 배출 연결부를 더 포함하는 시스템으로서, 상기 다상 혼합물 배출 연결부는 상기 용기의 상부에 연결되고 상기 적어도 하나의 중공 유체 도관의 적어도 하나의 출구와 유체 연통하는, 생물학적 성장을 자극하기 위한 시스템.
  26. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 중공 유체 도관은 폐쇄 유체 채널인 생물학적 성장을 자극하기 위한 시스템.
  27. 제12항에 있어서, 상기 용기의 상부에 연결되고, 상기 다수의 중공 유체 도관과 유체 연통하는 다상 혼합물 배출 연결부를 통하여 상기 용기의 상부로부터 상기 다상 혼합물을 배출하는 것을 더 포함하는, 생물학적 성장을 자극하기 위한 방법.
  28. 제12항에 있어서, 상기 다수의 중공 유체 도관은 폐쇄 유체 채널을 포함하는, 생물학적 성장을 자극하기 위한 방법.
  29. 제16항에 있어서, 상기 다수의 중공 유체 도관은 상기 용기의 상부로부터 내부 공간으로 돌출하는, 생물학적 성장을 자극하기 위한 장치.
  30. 제16항에 있어서, 상기 다수의 중공 유체 도관은 폐쇄 유체 채널을 포함하는, 생물학적 성장을 자극하기 위한 장치.
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