KR102046677B1

KR102046677B1 - 합성가스 발효 방법의 수행 방법

Info

Publication number: KR102046677B1
Application number: KR1020147035891A
Authority: KR
Inventors: 시로나 스코트; 송 리우; 칭-완 코
Original assignee: 이네오스 바이오 에스에이
Priority date: 2012-05-22
Filing date: 2013-05-15
Publication date: 2019-11-19
Also published as: RU2014151620A; KR102142234B1; BR112014028956A2; CN104822836B; CA2874086A1; JP2015520612A; US10858672B2; CN108841874B; US20130316422A1; TW201400615A; TWI650422B; AU2016203101B2; AU2013266676A1; WO2013176948A2; EP2852675B1; RU2623170C2; JP6228596B2; BR122021020217B1; AR091109A1; KR20150089928A

Abstract

전도도를 감소시키고, 약 10 g 에탄올/(L·일) 의 알코올 STY 를 제공하는데 효과적인 합성가스의 발효 방법을 제공한다. 상기 방법은 반응 용기 내에 합성가스를 도입하고, 상기 반응 용기에 약 100 mg 이상 질소/생성된 세포의 g 의 질소 주입량을 제공하는 것을 포함한다. 합성가스의 발효는 약 16 mS/cm 이하의 평균 전도도 및 10 g 에탄올/(L·일) 이상의 STY 를 갖는 발효 배지를 제공하는데 효과적이다.

Description

합성가스 발효 방법의 수행 방법 {METHOD OF OPERATION OF A SYNGAS FERMENTATION PROCESS}

본 출원은 미국 가출원 제 61/650,098 및 61/650,093 호 (둘 모두 2012 년 5 월 22 일에 제출됨) 및 미국 가출원 제 61/726,225 호 (2012 년 11 월 14 일에 제출됨) 의 우선권 주장으로서, 이들의 전문은 본원에 참조로서 인용된다.

전도도를 감소시키고, 약 10 g 에탄올/(L·일) 이상의 알코올 STY 를 제공하는데 효과적인 합성가스 (syngas) 의 발효 방법을 제공한다. 더욱 특히, 상기 방법은 반응 용기에 생성된 세포의 g 당 약 100 mg 이상 질소의 양으로 질소 주입량을 제공하는 것을 포함한다.

혐기성 미생물은 가스 기질의 발효를 통해 일산화탄소 (CO) 로부터 에탄올을 생성시킬 수 있다. 클로스트리디움 (Clostridium) 속으로부터의 혐기성 미생물을 사용하는 발효는 에탄올 및 기타 유용한 생성물을 생성한다. 예를 들어, 미국 특허 제 5,173,429 호에는 합성 가스로부터 에탄올 및 아세테이트를 생성시키는 혐기성 미생물인, 클로스트리디움 륭달리이 (Clostridium ljungdahlii) ATCC 번호 49587 이 기재되어 있다. 미국 특허 제 5,807,722 호에는 클로스트리디움 륭달리이 (Clostridium ljungdahlii) ATCC 번호 55380 을 사용하여 폐가스를 유기산 및 알코올로 전환시키기는 방법 및 설비가 기재되어 있다. 미국 특허 제 6,136,577 호에는 클로스트리디움 륭달리이 (Clostridium ljungdahlii) ATCC 번호 55988 및 55989 를 사용하여 폐가스를 에탄올로 전환시키기는 방법 및 설비가 기재되어 있다.

초산생성 (acetogenic) 박테리아는 안정한 실행 및 에탄올 생산성을 위하여 암모니아 형태로의 질소의 일정한 주입을 필요로한다. 가장 통상적으로, 암모니아 공급원은 저 pH 배지 스트림 중에서 제공되는 염화암모늄이다. 수산화암모늄의 사용이 비용 및 이용가능성의 측면에서 바람직하다. 하지만, 수산화암모늄이 기제이기 때문에, 이는 개별적인 배지 스트림으로서 첨가되어야 한다. 이러한 고 pH 스트림의 첨가는 발효 수행시 문제를 야기할 수 있다. 또한, 보다 농축된 배지를 사용하는 중 보다 높은 생산성 수준 (>50STY) 에서, 발효액의 이온 강도는 배양물 성능에 유해한 영향을 미치는 수준으로 증가된다.

[요약]

합성가스 발효 방법은 전도도를 감소시키고, 알코올 STY 를 증가시킨다. 상기 방법은 반응 용기 내에 합성가스를 도입하고, 상기 반응 용기에 약 100 mg 이상 질소/생성된 세포의 g 의 질소 주입량을 제공하는 것을 포함한다. 상기 합성가스의 발효는 약 16 mS/cm 이하의 평균 전도도 및 10 g 에탄올/(L·일) 이상의 STY 를 갖는 발효 배지를 제공하는데 효과적이다. 이러한 양태에서, 질소는 무수 암모니아, 수성 암모니아, 수산화암모늄, 아세트산암모늄, 유기 또는 무기 니트레이트 및 니트릴, 아민, 이민, 아미드, 아미노산, 아미노 알코올, 및 이들의 혼합물을 포함하는 공급원으로부터 제공된다. 일 양태에서, 질소는 수산화암모늄에 의해 제공된다. 상기 방법은 약 0.75 이상의 CO/CO₂ 비를 갖는 합성가스를 도입하고, 상기 합성가스를 하나 이상의 초산생성 박테리아와 발효시키는 것을 포함한다. 상기 발효 방법은 약 1.0 g/L 이상의 세포 밀도 및 약 5 내지 약 99% 의 CO 전환율을 제공하는데 효과적이다. 일 양태에서, 발효 배지는 약 0.01 g/L 이하의 이스트 추출물 및 약 0.01 g/L 이하의 탄수화물을 포함한다.

일 양태에서, 전도도를 감소시키기 위한 발효 방법은 발효 배지를 포함하는 반응 용기 내에 합성가스를 도입하는 것을 포함한다. 상기 방법은 반응 용기에 약 100 mg 이상 질소/생성된 세포의 g 의 비율로 질소 주입물을 제공하는 것을 포함하고, 이때 질소 주입물 중 염화암모늄은 수산화암모늄으로 치환된다. 상기 질소 주입물은 약 16 mS/cm 이하의 전도도 및 약 4.2 내지 약 4.8 의 pH 를 제공하는데 효과적이다.

또 다른 양태에서, 발효 배지 중의 전도도를 감소시키기 위한 방법은 반응 용기 내에 합성가스를 도입하고, 상기 반응 용기에 약 100 mg 이상 질소/생성된 세포의 g 의 비율로 질소 주입물을 제공하는 것을 포함한다. 이러한 양태에서, 질소 주입물 중 염화암모늄은 수산화암모늄으로 치환된다. 상기 방법은 질소 주입물이 염화암모늄인 발효와 비교하여 적어도 약 20% 의 전도도 감소를 제공하는데 효과적이다.

일 양태에서, 발효 배지는 생성된 세포의 g 당 약 100 내지 약 340 mg 의 질소, 생성된 세포의 g 당 약 10.5 내지 약 15 mg 의 인, 또는 생성된 세포의 g 당 약 26 내지 약 36 mg 의 칼륨을 포함한다. 이러한 양태에서, 질소 공급원은 수산화암모늄이다.

하기의 설명은 제한하는 의미로 기재되는 것이 아니라, 단지 예시적 구현예의 일반적 원칙을 설명하기 위해 이루어진다. 본 발명의 범위는 청구항를 참조로 하여 결정되어야 한다.

본원에 기재된 바와 같은, 배지 및 초산생성 박테리아를 포함하는 생물반응기 내에서 수행된 합성가스 발효는 합성가스 중 CO 의 알코올 및 기타 생성물로의 전환을 제공하는데 효과적이다. 질소 공급원으로서 수산화암모늄을 이용하고, 전도도를 낮추는 것은 높은 생산성 수준을 제공하는데 효과적이다. 이러한 양태에서, 알코올 생산성은 STY (g 에탄올/(L·일) 로서 표시되는 공간 시간 수율 (space time yield)) 로서 표시될 수 있다. 이러한 양태에서, 상기 방법은 적어도 약 10 g 에탄올/(L·일) 의 STY (공간 시간 수율) 을 제공하는데 효과적이다. 가능한 STY 값에는 약 10 g 에탄올/(L·일) 내지 약 200 g 에탄올/(L·일), 또 다른 양태에서, 약 10 g 에탄올/(L·일) 내지 약 160 g 에탄올/(L·일), 또 다른 양태에서, 약 10 g 에탄올/(L·일) 내지 약 120 g 에탄올/(L·일), 또 다른 양태에서, 약 10 g 에탄올/(L·일) 내지 약 80 g 에탄올/(L·일), 또 다른 양태에서, 약 10 g 에탄올/(L·일) 내지 약 15 g 에탄올/(L·일), 또 다른 양태에서, 약 15 g 에탄올/(L·일) 내지 약 20 g 에탄올/(L·일), 또 다른 양태에서, 약 20 g 에탄올/(L·일) 내지 약 140 g 에탄올/(L·일), 또 다른 양태에서, 약 20 g 에탄올/(L·일) 내지 약 100 g 에탄올/(L·일), 또 다른 양태에서, 약 40 g 에탄올/(L·일) 내지 약 140 g 에탄올/(L·일), 또 다른 양태에서, 약 40 g 에탄올/(L·일) 내지 약 100 g 에탄올/(L·일), 또 다른 양태에서, 약 10 g 에탄올/(L·일), 또 다른 양태에서, 약 15 g 에탄올/(L·일), 및 또 다른 양태에서, 약 16 g 에탄올/(L·일) 이 포함된다.

정의

달리 정의하지 않는 한, 본 개시를 위한 명세서 전체에 걸쳐 사용된 바와 같이 다음 용어를 하기와 같이 정의하며, 이는 하기 규정된 정의의 단수형 또는 복수형을 포함할 수 있다:

"전도도" 및 " 평균 전도도" 는 전기를 전도하는 능력을 의미한다. 물은 전하를 이동시키는 용해된 고체를 함유하기 때문에 전기를 전도한다. 예를 들어, 염화물, 질산염 및 황산염은 음 전하를 이동시키는 반면, 나트륨, 마그네슘 및 칼슘은 양 전하를 이동시킨다. 이러한 용해된 고체는 전기를 전도하는 물의 능력에 영향을 미친다. 전도도는 2 개의 전극 사이에 전압을 적용하는 프로브에 의해 측정된다. 전압의 하강을 사용하여 물의 저항을 측정하고, 이를 전도도로 전환시킨다. 평균 전도도는 공지된 기술 및 방법에 의해 측정될 수 있다. 평균 전도도 측정의 일부 예는 하기에 제공되어 있고, 이들은 모두 본원에 참조로서 인용된다: ASTM D1125, "Standard Test Methods for Electrical Conductivity and Resistivity of Water" 및 "Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater" 1999, American Public Health Association, American Water Works Association, Water Environment Federation.

임의의 양을 수식하는 용어 "약" 은 실제 조건, 예를 들어 실험실, 파일럿 플랜트 또는 생산 시설에서 이용되는 양에 있어서의 편차를 의미한다. 예를 들어, "약" 에 의해 수식되는 경우 수량 또는 혼합물 중 이용된 측정 또는 성분의 양은 생산 플랜트 또는 실험실에서의 실험 조건 하 측정에서 통상적으로 이용되는 고려의 정도 및 편차를 포함한다. 예를 들어, "약" 에 의해 수식되는 경우 생성물 성분의 양은 분석 방법에 내재된 편차 및 플랜트 또는 실험실에서 여러 실험 중 배치들 간의 편차를 포함한다. "약" 에 의해 수식되는 여부에 따라, 양은 이들 양에 대한 등가량을 포함한다. 본원에서 언급되고 "약" 에 의해 수식된 임의의 수량은 또한 "약" 에 의해 수식되지 않은 양으로서 본 개시에서 이용될 수 있다.

용어 "합성가스 (syngas)" 또는 "합성 가스 (synthesis gas)" 는 가변량의 일산화탄소 및 수소를 함유하는 가스 혼합물에 부여되는 명칭인 합성 가스를 의미한다. 제조 방법의 예에는 수소의 제조를 위한 천연 가스 또는 탄화수소의 스팀 변성 (steam reforming), 석탄의 가스화 및 일부 유형의 폐기물 에너지화 (waste-to-energy) 가스화 시설이 포함된다. 상기 명칭은 합성 천연 가스 (SNG) 생성 및 암모니아 또는 메탄올 제조를 위한 중간체로서의 이의 용도에서 비롯된 것이다. 합성가스는 가연성이며, 종종 연료 공급원으로서 또는 기타 화학물질의 제조를 위한 중간체로서 사용된다.

용어 "발효", "발효 방법" 또는 "발효 반응" 등은 방법의 생성물 생합성 단계 및 성장 단계 둘 모두를 포함하는 것으로 의도된다. 일 양태에서, 발효는 CO 가 알코올로 전환되는 것을 의미한다.

용어 "세포 밀도" 는 발효액의 단위 부피 당 미생물 세포의 질량, 예를 들어 g/l (리터 당 그램) 을 의미한다. 이러한 양태에서, 상기 방법 및 배지는 적어도 약 1.0 g/L 의 세포 밀도를 제공하는데 효과적이다. 세포 밀도는 약 1 내지 약 25 g/L, 또 다른 양태에서, 약 1 내지 약 20 g/L, 또 다른 양태에서, 약 1 내지 약 10 g/L, 또 다른 양태에서, 약 10 내지 약 20 g/L, 또 다른 양태에서, 약 12 내지 약 18 g/L, 또 다른 양태에서, 약 14 내지 약 16 g/L, 또 다른 양태에서, 약 2 내지 약 8 g/L, 또 다른 양태에서, 약 3 내지 약 6 g/L, 및 또 다른 양태에서, 약 4 내지 약 5 g/L 일 수 있다.

용어 "세포 재순환 (cell recycle)" 은 발효액으로부터의 미생물 세포의 분리 및 이들 분리된 미생물 세포의 전부 또는 일부를 발효기로 회수하는 것을 의미한다. 일반적으로, 여과 장치를 사용하여 분리가 수행된다.

용어 "발효기", "반응 용기" 또는 "생물반응기" 는 하나 이상의 용기 및/또는 타워 또는 배관 배열로 이루어지는 발효 장치를 포함하며, 이에는 연속 교반 탱크 반응기 (Continuous Stirred Tank Reactor (CSTR)), 고정화 세포 반응기 (Immobilized Cell Reactor (ICR)), 트리클 배드 반응기 (Trickle Bed Reactor (TBR)), 유동상 생물막 반응기 (Moving Bed Biofilm Reactor (MBBR)), 버블 컬럼 (Bubble Column), 가스 리프트 발효기 (Gas Lift Fermenter), 멤브레인 반응기 (Membrane Reactor), 예컨대 중공 섬유 멤브레인 생물반응기 (Hollow Fibre Membrane Bioreactor (HFMBR)), 고정식 혼합기 (Static Mixer), 또는 가스-액체 접촉에 적합한 기타 용기 또는 기타 장치가 포함된다.

CO-함유 가스 기질

일 양태에서, 상기 방법은 고 부피의 CO-함유 산업용 연료 가스와 같은 가스 기질로부터의 알코올의 생성을 뒷받침하는 적용성을 갖는다. 일부 양태에서, 가스는 탄소 함유 폐기물, 예를 들어 산업용 폐가스 또는 기타 폐기물의 가스화로부터 유래된 CO 를 포함한다. 이와 같이, 상기 방법은 그렇지 않은 경우 환경으로 배출되어 버리는 탄소를 포획하는 효과적인 방법을 나타낸다. 산업용 연료 가스의 예에는 철금속 제품 제조, 비(非)철금속 제품 제조, 석유 정제 공정, 석탄의 가스화, 바이오매스의 가스화, 전력 생산, 카본 블랙 생산, 암모니아 생산, 메탄올 생산 및 코크스 (coke) 제조 중 생성되는 가스가 포함된다.

또 다른 양태에서, CO-함유 가스 기질은 합성가스일 수 있다. 합성가스는 임의의 공지된 공급원으로부터 제공될 수 있다. 일 양태에서, 합성가스는 탄소함유 물질의 가스화로부터 공급될 수 있다. 가스화에는 제한된 산소 공급에서의 바이오매스의 부분 연소가 포함된다. 상기 수득된 가스는 주로 CO 및 H₂ 를 포함한다. 이러한 양태에서, 합성가스는 적어도 약 10 몰% CO, 일 양태에서, 적어도 약 20 몰%, 일 양태에서, 약 10 내지 약 100 몰%, 또 다른 양태에서, 약 20 내지 약 100 몰% CO, 또 다른 양태에서, 약 30 내지 약 90 몰% CO, 또 다른 양태에서, 약 40 내지 약 80 몰% CO, 및 또 다른 양태에서, 약 50 내지 약 70 몰% CO 를 함유할 수 있다. 상기 합성가스는 적어도 약 0.75, 또 다른 양태에서, 적어도 약 1.0, 또 다른 양태에서, 적어도 약 1.5, 또 다른 양태에서, 적어도 약 2.0, 또 다른 양태에서, 적어도 약 2.5, 또 다른 양태에서, 적어도 약 3.0, 및 또 다른 양태에서, 적어도 약 3.5 의 CO/CO₂ 몰비를 가질 수 있다. 적합한 가스화 방법 및 설비의 일부 예는 미국 특허 제 13/427,144, 13/427,193 및 13/427,247 호 (모두 2012 년 3 월 22 일에 제출됨) 에 제공되어 있고, 이들의 모두 본원에 참조로서 인용된다.

또 다른 양태에서, 초산생성 박테리아를 번식하는데 이용되는 합성가스는 실질적으로 CO 일 수 있다. 본원에 사용된 바, "실질적으로 CO" 는 적어도 약 50 몰% CO, 또 다른 양태에서, 적어도 약 60 몰% CO, 또 다른 양태에서, 적어도 약 70 몰% CO, 또 다른 양태에서, 적어도 약 80 몰% CO, 및 또 다른 양태에서, 적어도 약 90 몰% CO 를 의미한다.

CO-함유 가스 기질의 조성에 따라, 또한 이를 발효에 도입하기 전, 임의의 바람직하지 않은 불순물, 예컨대 먼지 입자를 제거하기 위해 이를 처리하는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들어, 가스 기질은 공지된 방법을 사용하여 여과 또는 세척될 수 있다.

배지

일 양태에 있어서, 상기 발효 방법은 반응 용기에 적합한 배지를 첨가함으로써 개시된다. 반응 용기 내 함유된 액체는 임의의 유형의 적합한 영양분 배지 또는 발효 배지를 포함할 수 있다. 상기 영양분 배지는 사용되는 미생물의 성장을 가능하게 하는데 효과적인 비타민 및 미네랄을 포함할 수 있다. 탄소 공급원으로서 CO 를 사용하는 에탄올의 발효에 적합한 혐기성 배지가 공지되어 있다. 적합한 발효 배지의 일례는 미국 특허 제 7,285,402 호에 기재되어 있고, 이는 본원에 참조로서 인용된다. 적합한 배지의 기타 예는 미국 특허 제 61/650,098 및 61/650,093 호 (둘 모두 2012 년 5 월 22 일에 제출됨) 에 기재되어 있고, 둘 모두 본원에 참조로서 인용된다. 일 양태에서, 이용된 배지는 약 0.01 g/L 미만의 이스트 추출물 및 약 0.01 g/L 미만의 탄수화물을 포함한다.

일 양태에서, 상기 방법은 반응 용기에 약 100 mg 이상 질소/생성된 세포의 g 의 양으로 질소 주입량을 제공하는 것을 포함한다. 또 다른 양태에서, 질소 주입량은 약 100 내지 약 340 mg 질소/생성된 세포의 g, 또 다른 양태에서, 약 160 내지 약 340 mg 질소/생성된 세포의 g, 또 다른 양태에서, 약 160 내지 약 200 mg 질소/생성된 세포의 g, 또 다른 양태에서, 약 160 내지 약 180 mg 질소/생성된 세포의 g, 또 다른 양태에서, 약 160 내지 약 170 mg 질소/생성된 세포의 g, 또 다른 양태에서, 약 170 내지 약 190 mg 질소/생성된 세포의 g, 또 다른 양태에서, 약 170 내지 약 180 mg 질소/생성된 세포의 g, 또 다른 양태에서, 약 200 내지 약 330 mg 질소/생성된 세포의 g, 또 다른 양태에서, 약 170 내지 약 175 mg 질소/생성된 세포의 g, 또 다른 양태에서, 약 175 내지 약 190 mg 질소/생성된 세포의 g, 또 다른 양태에서, 약 175 내지 약 185 mg 질소/생성된 세포의 g, 또 다른 양태에서, 약 175 내지 약 180 mg 질소/생성된 세포의 g, 또 다른 양태에서, 약 180 내지 약 200 mg 질소/생성된 세포의 g, 또 다른 양태에서, 약 180 내지 약 190 mg 질소/생성된 세포의 g, 또 다른 양태에서, 약 180 내지 약 185 mg 질소/생성된 세포의 g, 또 다른 양태에서, 약 185 내지 약 210 mg 질소/생성된 세포의 g, 또 다른 양태에서, 약 185 내지 약 200 mg 질소/생성된 세포의 g, 또 다른 양태에서, 약 185 내지 약 190 mg 질소/생성된 세포의 g, 또 다른 양태에서, 약 190 내지 약 210 mg 질소/생성된 세포의 g, 또 다른 양태에서, 약 190 내지 약 200 mg 질소/생성된 세포의 g, 또 다른 양태에서, 약 190 내지 약 195 mg 질소/생성된 세포의 g, 또 다른 양태에서, 약 210 내지 약 320 mg 질소/생성된 세포의 g, 또 다른 양태에서, 약 220 내지 약 310 mg 질소/생성된 세포의 g, 또 다른 양태에서, 약 230 내지 약 300 mg 질소/생성된 세포의 g, 또 다른 양태에서, 약 240 내지 약 290 mg 질소/생성된 세포의 g, 또 다른 양태에서, 약 250 내지 약 280 mg 질소/생성된 세포의 g, 또 다른 양태에서, 약 260 내지 약 270 mg 질소/생성된 세포의 g, 또 다른 양태에서, 약 195 내지 약 300 mg 질소/생성된 세포의 g, 또 다른 양태에서, 약 195 내지 약 275 mg 질소/생성된 세포의 g, 또 다른 양태에서, 약 195 내지 약 250 mg 질소/생성된 세포의 g, 또 다른 양태에서, 약 195 내지 약 225 mg 질소/생성된 세포의 g, 및 또 다른 양태에서, 약 195 내지 약 200 mg 질소/생성된 세포의 g 이다. 이러한 양태에서, 질소는 무수 암모니아, 수성 암모니아, 수산화암모늄, 아세트산암모늄, 유기 또는 무기 니트레이트 및 니트릴, 아민, 이민, 아미드, 아미노산, 아미노 알코올, 및 이들의 혼합물을 포함하는 공급원으로부터 제공된다. 일 양태에서, 질소는 수산화암모늄에 의해 제공된다.

또 다른 양태에서, 상기 방법은 약 16 mS/cm 이하, 또 다른 양태에서, 약 12 mS/cm 이하, 또 다른 양태에서, 약 8 mS/cm 이하, 또 다른 양태에서, 약 6.5 mS/cm 이하, 또 다른 양태에서, 약 6.0 mS/cm 이하, 또 다른 양태에서, 약 5.5 mS/cm 이하, 또 다른 양태에서, 약 5.0 mS/cm 이하, 또 다른 양태에서, 약 4.7 mS/cm 이하, 또 다른 양태에서, 약 4.5 mS/cm 이하, 또 다른 양태에서, 약 4.0 mS/cm 내지 약 6.5 mS/cm, 또 다른 양태에서, 약 5.0 mS/cm 내지 약 6.0 mS/cm, 및 또 다른 양태에서, 약 4.0 mS/cm 내지 약 5.0 mS/cm 의 평균 전도도를 제공하는데 효과적이다.

일 양태에서, 상기 방법은 목적하는 STY 수준을 유지하면서, 전도도를 조절하는 것을 포함한다. 배지 중 염화암모늄의 수산화암모늄으로의 치환 또는 대체는 전도도를 감소시키고, 목적하는 STY 수준을 유지하는데 효과적이다. 이러한 양태에서, 수산화암모늄은 배지의 성분으로서 첨가되고/되거나 배지의 pH 를 조절하기 위해 사용된다. 이러한 양태에서, 염화암모늄의 수산화암모늄으로의 치환은 배지 전도도를 약 20% 이상, 또 다른 양태에서, 약 25% 이상, 또 다른 양태에서, 약 20 내지 약 30%, 및 또 다른 양태에서, 약 25 내지 약 30% 감소시키는데 효과적이다.

또 다른 양태에서, 약 100 내지 약 340 mg 질소/생성된 세포의 g 의 임의의 질소 주입량은 약 16 mS/cm 이하의 평균 전도도를 제공하고, 약 10 g 에탄올/(L·일) 내지 약 200 g 에탄올/(L·일) 의 STY 를 유지하는데 효과적이다. 보다 특정한 양태에서, 약 190 내지 약 210 mg 질소/생성된 세포의 g 의 질소 주입량은 약 4 내지 약 6.5 mS/cm, 또 다른 양태에서, 약 5 내지 약 6 mS/cm, 및 또 다른 양태에서, 약 4 내지 약 5 mS/cm 의 평균 전도도를 제공하는데 효과적이다. 또 다른 보다 특정한 양태에서, 약 190 내지 약 200 mg 질소/생성된 세포의 g 의 질소 주입량은 약 4 내지 약 6.5 mS/cm, 또 다른 양태에서, 약 5 내지 약 6 mS/cm, 및 또 다른 양태에서, 약 4 내지 약 5 mS/cm 의 평균 전도도를 제공하는데 효과적이다. 또 다른 보다 특정한 양태에서, 약 190 내지 약 195 mg 질소/생성된 세포의 g 의 질소 주입량은 약 4 내지 약 6.5 mS/cm, 또 다른 양태에서, 약 5 내지 약 6 mS/cm, 및 또 다른 양태에서, 약 4 내지 약 5 mS/cm 의 평균 전도도를 제공하는데 효과적이다. 또 다른 보다 특정한 양태에서, 약 195 내지 약 200 mg 질소/생성된 세포의 g 의 질소 주입량은 약 4 내지 약 6.5 mS/cm, 또 다른 양태에서, 약 5 내지 약 6 mS/cm, 및 또 다른 양태에서, 약 4 내지 약 5 mS/cm 의 평균 전도도를 제공하는데 효과적이다.

일 양태에서, 배지는 적어도 하나 이상의 질소 공급원, 적어도 하나 이상의 인 공급원 및 적어도 하나 이상의 칼륨 공급원을 포함한다. 상기 배지는 상기 셋 중 임의의 하나, 셋의 임의의 조합물을 포함할 수 있고, 중요한 양태에서, 셋 모두를 포함한다. 인 공급원은 인산, 인산암모늄, 인산칼륨, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 인 공급원을 포함할 수 있다. 칼륨 공급원은 염화칼륨, 인산칼륨, 질산칼륨, 황산칼륨, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 칼륨 공급원을 포함할 수 있다.

일 양태에서, 배지는 하나 이상의 의 철, 텅스텐, 니켈, 코발트, 마그네슘, 황 및 티아민을 포함한다. 상기 배지는 이들 성분 중 임의의 하나, 임의의 조합물을 포함할 수 있고, 중요한 양태에서, 이들 성분을 모두 포함한다. 철은 염화 제1철 (ferrous chloride), 황산 제1철 (ferrous sulfate), 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 철 공급원을 포함할 수 있다. 텅스텐 공급원은 텅스텐산나트륨, 텅스텐산칼슘, 텅스텐산칼륨, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 텅스텐 공급원을 포함할 수 있다. 니켈 공급원은 염화니켈, 황산니켈, 질산니켈, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 니켈 공급원을 포함할 수 있다. 코발트 공급원은 염화코발트, 불화코발트, 브롬화코발트, 요오드화코발트, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 코발트 공급원을 포함할 수 있다. 마그네슘 공급원은 염화마그네슘, 황산마그네슘, 인산마그네슘, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 마그네슘 공급원을 포함할 수 있다. 황 공급원은 시스테인, 황화나트륨, 및 이들의 혼합물을 포함할 수 있다.

각종 성분의 농도는 하기와 같다:

방법 수행시 pH 를 약 4.2 내지 약 4.8 범위로 유지한다. 상기 배지는 약 0.01 g/L 미만의 이스트 추출물 및 약 0.01 g/L 미만의 탄수화물을 포함한다.

생물반응기 작동

일 측면에 있어서, 상기 발효 방법은 반응 용기에 배지를 첨가함으로써 개시된다. 상기 배지를 살균하여 바람직하지 않은 미생물을 제거하고, 상기 반응기에 목적하는 미생물을 접종한다. 일 양태에서, 이용된 미생물은 초산생성 박테리아를 포함한다. 유용한 초산생성 박테리아의 예에는 클로스트리디움 (Clostridium) 속의 것들, 예컨대 클로스트리디움 륭달리이 (Clostridium ljungdahlii) 균주 (WO 2000/68407, EP 117309, 미극 특허 제 5,173,429, 5,593,886 및 6,368,819 호, WO 1998/00558 및 WO 2002/08438 에 기재된 것들 포함), 클로스트리디움 오토에타노게눔 (Clostridium autoethanogenum) (DSMZ Germany 의 DSM 10061 및 DSM 19630) 균주 (WO 2007/117157 및 WO 2009/151342 에 기재된 것들 포함) 및 클로스트리디운 라그스달레이 (Clostridium ragsdalei) (P11, ATCC BAA-622) 및 알칼리바쿨룸 바치 (Alkalibaculum bacchi) (CP11, ATCC BAA-1772) (각각, 미국 특허 제 7,704,723 및 ["Biofuels and Bioproducts from Biomass-Generated Synthesis Gas", Hasan Atiyeh, presented in Oklahoma EPSCoR Annual State Conference, April 29, 2010] 에 기재된 것들 포함) 및 클로스트리디움 카르복시디보란스 (Clostridium carboxidivorans) (ATCC PTA-7827) (미국 특허 출원 제 2007/0276447 호에 기재된 것) 가 포함된다. 기타 적합한 미생물에는 무렐라 (Moorella) 종 HUC22-1 를 포함하는 무렐라 (Moorella) 속의 것들 및 카르복시도테르무스 (Carboxydothermus) 속의 것들이 포함된다. 각각의 이들 참고문헌은 본원에 참조로서 인용된다. 둘 이상의 미생물의 혼합 배양물이 사용될 수 있다.

유용한 박테리아의 일부 예에는 아세토게늄 키부이 (Acetogenium kivui), 아세토아나에로비움 노테라에 (Acetoanaerobium noterae), 아세토박테리움 우디이 (Acetobacterium woodii), 알칼리바쿨룸 바치 (Alkalibaculum bacchi) CP11 (ATCC BAA-1772), 블라우티아 프로둑타 (Blautia producta), 부티리박테리움 메틸로트로피쿰 (Butyribacterium methylotrophicum), 칼다나에로박테르 서브테라네우스 (Caldanaerobacter subterraneous), 칼다나에로박테르 서브테라네우스 파시피쿠스 (Caldanaerobacter subterraneous pacificus), 카르복시도테르무스 히드로게노포르만스 (Carboxydothermus hydrogenoformans), 클로스트리디움 아세티쿰 (Clostridium aceticum), 클로스트리디움 아세토부틸리쿰 (Clostridium acetobutylicum), 클로스트리디움 아세토부틸리쿰 P262 (DSMZ Germany 의 DSM 19630), 클로스트리디움 오토에타노게눔 (Clostridium autoethanogenum) (DSMZ Germany 의 DSM 19630), 클로스트리디움 오토에타노게눔 (DSMZ Germany 의 DSM 10061), 클로스트리디움 오토에타노게눔 (DSMZ Germany 의 DSM 23693), 클로스트리디움 오토에타노게눔 (DSMZ Germany 의 DSM 24138), 클로스트리디움 카르복시디보란스 (Clostridium carboxidivorans) P7 (ATCC PTA-7827), 클로스트리디움 코스카티이 (Clostridium coskatii) (ATCC PTA-10522), 클로스트리디움 드라케이 (Clostridium drakei), 클로스트리디움 륭달리이 (Clostridium ljungdahlii) PETC (ATCC 49587), 클로스트리디움 륭달리이 ERI2 (ATCC 55380), 클로스트리디움 륭달리이 C-01 (ATCC 55988), 클로스트리디움 륭달리이 O-52 (ATCC 55889), 클로스트리디움 마그눔 (Clostridium magnum), 클로스트리디움 파스튜리아눔 (Clostridium pasteurianum) (DSMZ Germany 의 DSM 525), 클로스트리디움 라그스달리 (Clostridium ragsdali) P11 (ATCC BAA-622), 클로스트리디움 스카톨로게네스 (Clostridium scatologenes), 클로스트리디움 테르모아세티쿰 (Clostridium thermoaceticum), 클로스트리디움 울투넨세 (Clostridium ultunense), 데술포토마쿨룸 쿠즈네초비이 (Desulfotomaculum kuznetsovii), 유박테리움 리모숨 (Eubacterium limosum), 제오박테르 술푸레두센스 (Geobacter sulfurreducens), 메타노사르시나 아세티보란스 (Methanosarcina acetivorans), 메타노사르시나 바르케리 (Methanosarcina barkeri), 무렐라 테르모아세티카 (Moorella thermoacetica), 무렐라 테르모오토트로피카 (Moorella thermoautotrophica), 옥소박테르 프펜니지이 (Oxobacter pfennigii), 펩토스트렙토코쿠스 프로둑투스 (Peptostreptococcus productus), 루미노코쿠스 프로둑투스 (Ruminococcus productus), 테르모아나에로박테르 키부이 (Thermoanaerobacter kivui), 및 이들의 혼합물이 포함된다.

접종 시, 초기 주입 가스 공급률은 미생물의 초기 개체군을 공급하는데 효과적으로 설정된다. 배출 가스를 분석하여 배출가스의 함량을 측정한다. 가스 분석의 결과를 사용하여 가스 주입률을 조정한다. 목적하는 수준에 이르면, 액체상 및 세포 물질을 반응기로부터 제거하고, 배지를 보충한다. 이러한 양태에서, 생물반응기를 적어도 약 2 g/l, 및 또 다른 양태에서, 약 2 내지 약 50 g/l, 각종 다른 양태에서, 약 5 내지 약 40 g/l, 약 5 내지 약 30 g/l, 약 5 내지 약 20 g/l, 약 5 내지 약 15 g/l, 약 10 내지 약 40 g/l, 약 10 내지 약 30 g/l, 약 10 내지 약 20 g/l, 약 15 내지 약 20, 및 약 10 내지 약 15 g/l 의 세포 밀도를 유지하도록 작동시킨다. 세포 밀도는 재순환 필터를 통해 조절될 수 있다. 생물반응기의 일부 예는 2011 년 6 월 30 일에 제출된 미국 특허 제 61/571,654 및 61/571,565 호, 2011 년 9 월 13 일에 제출된 미국 특허 제 61/573,845 호, 2012 년 5 월 15 일에 제출된 미국 특허 제 13/471,827 및 13/471,858 호, 및 2012 년 5 월 16 일에 제출된 미국 특허 제 13/473,167 호에 기재되어 있고, 이들은 모두 본원에 참조로서 인용된다.

일 양태에서, 상기 방법은 약 5 내지 약 99% 의 CO 전환율을 제공하는데 효과적이고, 또 다른 양태에서, CO 전환율은 약 10 내지 약 90%, 또 다른 양태에서, 약 20 내지 약 80%, 또 다른 양태에서, 약 30 내지 약 70%, 또 다른 양태에서, 약 40 내지 약 60%, 또 다른 양태에서, 약 50 내지 약 95%, 또 다른 양태에서, 약 60 내지 약 95%, 또 다른 양태에서, 약 70 내지 약 95%, 또 다른 양태에서, 약 80 내지 약 95%, 및 또 다른 양태에서, 약 80 내지 약 90% 이다.

실시예

실시예 1: 질소 공급원으로서의 NH₄OH

재순환 루프를 포함하지 않는, CSTR 을 통해 바로 작동되는 생물반응기 (bioreactor) (New Brunswick BioFlo I 또는 IIc) 내에서 실험을 수행하였다. 생물반응기 작동 조건은 하기와 같았다:

배양형은 클로스트리디움 륭달리이 (Clostridium ljungdahlii) C01 이었다.

배양물 온도는 약 38 ℃ 로 유지하였다.

교반은 디지털 판독기 상에서 약 800 rpm 이었다.

배양물 부피는 약 2450 내지 2500 ml 였다.

배양물 pH 설정값은 약 4.5 내지 4.6 이었다. pH 조절을 위해 5 % NaHCO₃ 의 용액을 사용하였다.

주입 기체는 15% H₂, 45% N₂, 30% CO 및 10% CO₂ 의 합성 블렌드로서, 이를 약 411 ml/분의 속도로 상기 배양물에 주입하였다.

배지를 약 1.3 ml/분 또는 약 1870 ml/일로 상기 반응기 내에 주입하였다.

액체 및 세포 체류 시간은 약 29 -31 시간이었다.

미생물 배양물을 생물반응기 내에서 안정한 작동에 이르게 하였다. 출발 암모늄 공급원은 NH₄Cl 이었다. 안정한 작동에 이르면, 출발 배지로부터 암모니아 염화물을 제거하여 암모늄 공급원을 NH₄OH 로 변경하였다. 배지 성분 및 농도는 하기 기재된 바와 같다.

암모늄 공급원 변경 중 하기 단계를 수행하였다.

· 출발 배지의 유동 속도를 감소시켜, NH₄OH 배지의 유동 속도를 보상하고, 시스템 내 동일한 총 액체 흐름을 유지시켰다.

· 출발 배지의 감소에도 불구하고 동일한 총 성분 주입량을 유지하기 위하여 상기 배지 유동 속도를 감소시켰기 때문에, 출발 배지 성분 농도를 동일한 백분율(%) 로 증가시켰다.

하기 변수들을 모니터링하였다:

· 기체 전환율 및 흡수

· 생성물 농도

· 세포 밀도

· 배양물 pH

· 기저 저장 수준 (base reservoir level)

· XRT / LRT

수산화암모늄으로의 암모늄 공급원의 변화는 하기 결과를 제공하였다:

· 평균 전도도 판독값이 약 20% 감소하였다.

· 에탄올 농도가 약 18% 증가하였다.

· 에탄올 생산성이 16.2 에서 18.3 g/L·일로 13% 증가하였다.

· 측정된 배양물 pH 가 약 4.6% 증가하였다.

· 평균 기제 첨가율이 약 86% 떨어졌다.

· 아세트산 농도는 초기에 증가한 후, 점진적으로 감소하였다.

· 암모늄 공급원의 변화에 따른, 기체 흡수, 기체 전환율, 세포 밀도 또는 부탄올 농도에 있어서의 유의하고 식별가능한 변화는 없었다.

결과는 하기와 같았다:

개시한 본 발명을 특정 구현예, 실시예 및 이의 적용으로서 기재하였으나, 청구항에 설정된 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한 당업자에 의해 수많은 변형 및 변화가 이루어질 수 있다.

Claims

발효 배지를 포함하는 반응 용기 내에 합성가스를 도입하고;
상기 반응 용기에 수산화암모늄을 제공하고, 상기 수산화암모늄이 100 mg 이상 질소/생성된 세포의 g 을 제공하고; 및
상기 합성가스를 하나 이상의 초산생성 박테리아로 발효시키는 것을 포함하는 합성가스의 발효 방법으로서,
상기 발효 배지가 16 mS/cm 이하의 평균 전도도 및 4.2 내지 4.8 의 pH 를 가지고,
상기 방법이 10 g 에탄올/(L·일) 이상의 STY 를 제공하는 발효 방법.
제 1 항에 있어서, 합성가스가 약 0.75 이상의 CO/CO₂ 비를 갖는 합성가스의 발효 방법.
제 1 항에 있어서, 초산생성 박테리아가 아세토게늄 키부이 (Acetogenium kivui), 아세토아나에로비움 노테라에 (Acetoanaerobium noterae), 아세토박테리움 우디이 (Acetobacterium woodii), 알칼리바쿨룸 바치 (Alkalibaculum bacchi) CP11 (ATCC BAA-1772), 블라우티아 프로둑타 (Blautia producta), 부티리박테리움 메틸로트로피쿰 (Butyribacterium methylotrophicum), 칼다나에로박테르 서브테라네우스 (Caldanaerobacter subterraneous), 칼다나에로박테르 서브테라네우스 파시피쿠스 (Caldanaerobacter subterraneous pacificus), 카르복시도테르무스 히드로게노포르만스 (Carboxydothermus hydrogenoformans), 클로스트리디움 아세티쿰 (Clostridium aceticum), 클로스트리디움 아세토부틸리쿰 (Clostridium acetobutylicum), 클로스트리디움 오토에타노게눔 (Clostridium autoethanogenum) (DSMZ Germany 의 DSM 19630), 클로스트리디움 오토에타노게눔 (DSMZ Germany 의 DSM 10061), 클로스트리디움 오토에타노게눔 (DSMZ Germany 의 DSM 23693), 클로스트리디움 오토에타노게눔 (DSMZ Germany 의 DSM 24138), 클로스트리디움 카르복시디보란스 (Clostridium carboxidivorans) P7 (ATCC PTA-7827), 클로스트리디움 코스카티이 (Clostridium coskatii) (ATCC PTA-10522), 클로스트리디움 드라케이 (Clostridium drakei), 클로스트리디움 륭달리이 (Clostridium ljungdahlii) PETC (ATCC 49587), 클로스트리디움 륭달리이 ERI2 (ATCC 55380), 클로스트리디움 륭달리이 C-01 (ATCC 55988), 클로스트리디움 륭달리이 O-52 (ATCC 55889), 클로스트리디움 마그눔 (Clostridium magnum), 클로스트리디움 파스튜리아눔 (Clostridium pasteurianum) (DSMZ Germany 의 DSM 525), 클로스트리디움 라그스달리 (Clostridium ragsdali) P11 (ATCC BAA-622), 클로스트리디움 스카톨로게네스 (Clostridium scatologenes), 클로스트리디움 테르모아세티쿰 (Clostridium thermoaceticum), 클로스트리디움 울투넨세 (Clostridium ultunense), 데술포토마쿨룸 쿠즈네초비이 (Desulfotomaculum kuznetsovii), 유박테리움 리모숨 (Eubacterium limosum), 제오박테르 술푸레두센스 (Geobacter sulfurreducens), 메타노사르시나 아세티보란스 (Methanosarcina acetivorans), 메타노사르시나 바르케리 (Methanosarcina barkeri), 무렐라 테르모아세티카 (Moorella thermoacetica), 무렐라 테르모오토트로피카 (Moorella thermoautotrophica), 옥소박테르 프펜니지이 (Oxobacter pfennigii), 펩토스트렙토코쿠스 프로둑투스 (Peptostreptococcus productus), 루미노코쿠스 프로둑투스 (Ruminococcus productus), 테르모아나에로박테르 키부이 (Thermoanaerobacter kivui), 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 합성가스의 발효 방법.
제 1 항에 있어서, 약 1.0 g/L 이상의 세포 밀도를 제공하는데 효과적인 합성가스의 발효 방법.
제 1 항에 있어서, 약 5 내지 약 99% 의 CO 전환율을 제공하는데 효과적인 합성가스의 발효 방법.
제 1 항에 있어서, 발효 배지가 약 0.01 g/L 이하의 이스트 추출물을 갖는 합성가스의 발효 방법.
제 1 항에 있어서, 발효 배지가 약 0.01 g/L 이하의 탄수화물을 갖는 합성가스의 발효 방법.
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