KR102102427B1 - 향상된 가스 용해를 위한 시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 알려진 시스템과 비교하여 증가된 효율 및 유연성을 갖는 마이크로버블 시스템을 제공한다. 또한, 본 발명은 마이크로버블 생성 방법을 제공한다. 특히, 발명은 버블 사이즈를 감소시키고, 액체 발효 브로스 안으로의 가스 흡수를 증가시킴으로써 발효 반응의 효율을 증가시키는 것에 관한 것이다.

Description

향상된 가스 용해를 위한 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR IMPROVED GAS DISSOLUTION}
본 발명은 액체에서 가스 버블의 사이즈를 감소시키기 위한 시스템 및 관련된 이용 방법에 관한 것이다. 좀 더 구체적으로, 본 발명은 버블 사이즈를 감소시키고, 액체 발효 브로스로의 가스 흡수를 증가시킴으로써 발효 반응의 효율을 증가시키는 것에 관한 것이다.
많은 프로세스는 액체 기재(liquid substrate)에 용해된 가스를 이용한다. 액체로의 가스의 용해를 최대화하기 위해서, 가스 버블의 표면적은 최대화되어야 한다. 이것은 버블 사이즈를 최소화함으로써 달성될 수 있다.
US 4938865 및 AU677542에 설명된 것과 같은,이 "마이크로버블(microbubbles)" 을 생성하기 위한 알려진 방법 및 장치가 있다. 이 문헌에서 설명되는 장치는 제임슨 셀(Jameson cell)로서 알려져 있고, 액체 스트림으로의 가스 도입을 용이하게 하여 거품 층을 생성한다. 제임슨 셀은 단일의 급락하는 액체 분류(jet)를 채용하여 대기 공기를 베르누이 효과를 통해서 포입(entrain)하며, 이것은, 분류가 액체로 들어갈 때 매우 높은 전단 응력의 구역 내에서 대기 공기를 매우 작은 버블로 깨뜨린다.
제임슨 셀에 있어서, 가스는 컬럼의 상단에서 주입되어야하고, 가스는 빠른 속력의 액체에 의해서 포입된다. 가스 포입이 발생되도록 하기 위해서, 제임슨 셀은 최소 분류 속도의 요건을 갖는다. 이것은 8 m/s 또는 15 m/s 로 다양하게 언급된다. 더 낮은 최소 분류 속도에서 마이크로버블을 얻어 시스템의 에너지 효율을 높이고, 특정 적용의 요건에 따라 변하는 분류 속도를 허여함으로써 증가된 유연성을 제공하는 것이 장점일 수 있다.
제임슨 셀에서 가스 포입 메커니즘은 가스 입구 오리피스 및 액체 분류가, 흡입 효과를 생성하도록 다운코머(downcomer)에 의해서 둘러싸여야 한는 점을 요구한다. 또한, 제임스 셀은 액체 분로 및 혼합물을 받은 파이프에 부가하여 베셀을 요구한다. 제임슨 셀은 미네날의 부유선광(froth flotation)에서의 사용을 위해서 구성되고, 구체적으로 열 대 점성 소실의 높은 비율을 유발하는 고전단 구역에서 작은 입자 부착을 촉진한다. 이것은 미네랄 입자와 가스 버블 사이의 더 양호한 접촉을 위해서 고 난류를 요구한다. 이것 때문에, 제임슨 셀은 다운코머에서의 고 난류를 특징으로 한다. 고 난류는 전체적 시스템의 효율을 감소시키고, 미생물에 의한 발효와 같은 특정 적용을 위해서 사용될 때 세포 또는 단백질에 손상을 줄 수도 있다.
미생물을 이용한 발효 반응은 가스 형태의 필수적 기재를 공급받는다. 예를 들어, CO 및/또는 CO2 및/또는 O2 및/또는 H2를 함유하는 가스 스트림은 발효 브로스를 통해 기포를 발생하도록, 그리고/또는 생물반응기 내에 임의의 상부공간(headspace)에 제공될 수도 있도록 생물반응기 내에 펌핑될 수도 있다. 스트림의 가스 부분은 발효 브로스에서 용해되어, 다음으로 특정 반응에서 활성인 미생물에 의해서 사용가능하도록 된다. 발효 브로스 내의 가스의 이용가능성 및 농도는 발효 프로세스의 생산성에 상당한 영향을 줄 수 있다. 그러나, CO 및 O2와 같은 가스는 생물반응기 내에 수용된 일반적으로 수성 브로스에서 열악한 용해성을 가기며, 발효 프로세스에서 미생물에 의한 사용을 위해서 브로스 내로 가스의 바람직한 양을 용해시키는 것을 어렵게 하고, 그리고/또는 느리게 한다.
가스-대-액체 질량-전달을 증가시킴으로써 가스 발효의 효율을 향상시키기 위한 가능성 있는 방법은 마이크로버블의 분산(dispersions)으로 취입(sparge)하는 것이다. 이러한 향상은, 전체 셀 리사이클을 위한 접선 필터를 이용하는 연속, 교반식 탱크 반응기 내에서 성장되는 뷰틸리박테이움 메틸로트로피쿰(Butyribacterium methylotrophicum )을 포함하는 합성-가스 발효를 위해서 예시되었다(Bredwell and Worden 1998, Biotechnol. Prog. 14, 31-38).
본 발명의 목적은 종래 기술의 하나 이상의 단점을 극복하거나, 또는 적어도 대중에 유용한 선택을 제공하는 것이다.
제 1 양태에 있어서, 본 발명은,
a. 컬럼;
b. 상기 컬럼 안으로의 액체 도입을 용이하게 하도록 구성된 천공 판; 및
c. 상기 컬럼 안으로 가스를 취입하도록 구성된 가스 스파저를 포함하고, 상기 천공 판은 상기 가스 스파저의 위쪽에 위치되는, 마이크로버블 생성 시스템을 제공한다. 사용 시, 액체의 일 부분은 천공 판으로부터 유동되고, 컬럼 내에 수용된 액체 내로의 가스의 취입에 의해서 생성되는 거품 층과 접촉한다.
특정 일 실시형태에 있어서, 상기 천공 판은 상기 컬럼의 단면을 실질적으로 채운다.
특정 일 실시형태에 있어서, 상기 컬럼은 액체를 받고, 상기 액체를 상기 천공 판에 보내도록 구성된 액체 입구를 더 포함한다.
특정 일 실시형태에 있어서, 상기 컬럼은 가스 스트림을 받고, 상기 가스 스트림을 상기 가스 스파저에 보내도록 구성된 가스 입구를 더 포함한다.
특정 일 실시형태에 있어서, 상기 컬럼은 시스템에 의해서 생성된 마이크로버블 생성물을 받도록 구성된 액체 출구들 더 포함한다.
특정 일 실시형태에 있어서, 상기 컬럼은 가스 랠리프 밸브를 더 포함한다. 바람직하게는, 상기 가스 릴리프 밸브는 상기 천공 판의 레벨 아래 그리고 천공 판에 실질적으로 인접한 레벨에서 상기 컬럼에 위치된다.
특정 일 실시형태에 있어서, 상기 컬럼은 상기 컬럼의 베이스 쪽에 확장 섹션을 포함하여, 상기 컬럼의 폭이 상기 컬럼의 상단 쪽의 폭에 비해서 증가된다. 사용 시, 이 확장 섹션은 상기 액체의 하방 속도를 감소시키는 효과를 갖고, 가스 스파저를 통한 더욱 일정하고 효과적인 버블 생성을 허여한다.
특정 실시형태에 있어서, 상기 시스템은 상기 컬럼으로부터 마이크로버블 생성물을 받도록 구성된 거품/액체 분리기을 더 포함한다.
특정 일 실시형태에 있어서, 상기 거품/액체 분리기는 실질적인 거품 부분(fraction)의 적어도 일 부분을, 바람직하게는 액체 펌프를 통해서 상기 컬럼 상의 액체 입구로 보내도록 구성된다.
특정 일 실시형태에 있어서, 상기 거품/액체 분리기는 실질적인 거품 분량의 적어도 일 부분을 탈포 탱크로 보내도록 구성된다.
특정 일 실시형태에 있어서, 상기 탈포 탱크는 기포 저감 스프레이를 포함한다.
특정 일 실시형태에 있어서, 상기 탈포 탱크는 시스템으로부터 추출을 위한 기포분리액 생성물을 산출하도록 구성된다.
특정 일 실시형태에 있어서, 상기 컬럼은 하나 이상의 생성물을 생성하는 가스 기재의 발효를 위한 생물반응기이다. 대안적 실시형태에 있어서, 생물반응기는 상기 컬럼에 연결되고, 생물반응기는 상기 컬럼으로부터의 가스 기재의 마이크로버블을 함유하는 마이크로버블 생성물을 받도록 구성된다. 이 대안적 실시형태에 있어서, 생물반응기는 생물반응기로부터 발효 브로스를 받고 이것을 상기 컬럼으로 보내도록 구성된 브로스 출구를 포함한다.
특정 일 실시형태에 있어서, 상기 마이크로버블 생성 시스템은 발효 브로스의 하나 이상의 미생물로의 가스 기재의 질량 전당을 제공하도록 구성된다.
특정 일 실시형태에 있어서, 상기 생물 반응기는 CO를 함유하는 마이크로버블 생성물의 발효에 의한 하나 이상의 생성물의 생성이 가능한 하나 이상의 카르복시도트로픽(carboxydotrophic) 미생물의 배양체를 포함하는 발효 브로스를 수용한다.
특정 일 실시형태에 있어서, 상기 시스템은 상기 생물반응기로부터 발효 브로스를 받도록 구성된 주 가스-액체 분리기를 더 포함한다. 특정 일 실시형태에 있어서, 상기 주 가스-액체 분리기는 상기 시스템으로부터 브로스의 실질적 가스 성분의 적어도 일 부분을 제거하도록 구성된다. 다른 실시형태에 있어서, 상기 주 가스-액체 분리기는 상기 시스템으로부터의 브로스의 실질적 가스 성분의 적어도 일 부분을 제거하도록 구성된다.
특정 일 실시형태에 있어서, 상기 주 가스-액체 분리기는 기포 저감 스프레이를 더 포함한다.
특정 일 실시형태에 있어서, 상기 주 가스-액체 분리기는 브로스의 적어도 일 부분을 제 2 가스-액체 분리기에 보내도록 구성되고, 그리고/또는 브로스의 적어도 일 부분을 생성물 추출을 위한 생성물 회수 출구로 보내도록 구성된다.
특정 일 실시형태에 있어서, 제 2 가스-액체 분리기는 신규 배지(media)를 받도록 구성되고, 그리고/또는 브로스의 적어도 일 부분을 컬럼 상의 액체 입구에 , 바람직하게는 액체 펌프를 통해서 보내도록 구성된다. 상기 제 2 가스-액체 분리기는 브로스로부터 분리된 가스의 적어도 일 부분을 제거하는 가스 출구를 선택적으로 포함한다.
특정 일 실시형태에 있어서, 상기 마이크로버블 생성 시스템은 마이크로버블 가스 흡수 시스템의 일부이다.
특정 일 실시형태에 있어서, 상기 시스템은 상기 컬럼으로부터 마이크로버블 생성물을 받도록 구성된 가스-액체 분리기를 더 포함한다.
특정 일 실시형태에 있어서, 상기 가스-액체 분리기는 상기 시스템으로부터 마이크로버블 생성물의 실질적 가스 성분의 적어도 일 부분을 제거하도록 구성된다.
특정 일 실시형태에 있어서, 상기 가스-액체 분리기는 마이크로버블 생성물의 실질적 액체 부분의 적어도 일 부분을 상기 컬럼에, 바람직하게는 액체 펌프를 통해서 보내도록 구성된다.
특정 일 실시형태에 있어서, 두 개 이상의 마이크로버블 생성 시스템은 다른 하나의 상단에 적층되어 반응기 적층체를 형성한다. 특정 일 실시형태에 있어서, 단일의 가스 스트림은 분기되고, 상기 반응기 적층체를 형성하는 상기 두 개 이상의 마이크로버블 생성 시스템의 각각에 제공된다. 특정 일 실시형태에 있어서, 상기 반응기 적층체를 형성하는 상기 두 개 또는 마이크로버블 생성기 시스템은 기계적 지지 구조체를 통해서 서로 연결된다.
제 2 양태에 따르면, 본 발명은
a. 액체를 수용하는 컬럼 내에 가스 스파저를 통해서 가스를 취입하여 가스 버블을 형성하고, 그리고
b. 액체 분류를 생성하도록 상기 가스 스파저의 위쪽에 위치되는 천공 판을 통해서 상기 컬럼에 액체를 공급하여, 상기 액체 분류가 상기 버블과 접촉하고, 마이크로버블을 생성하는, 마이크로버블 생성 방법을 제공한다.
상기 도입된 액체는 상기 컬럼에 이미 존재하는 것과 같은 종류의 액체일 수도 있거나, 또는 다른 액체일 수도 있다. 상기 액체 분류는 상기 컬럼 내에 수용된 상기 액체 내에 가스를 취입함으로써 생성되는 버블을 깨뜨린다.
특정 일 실시형태에 있어서, 상기 액체 분류는 상기 컬럼 내에 수용된 상기 액체의 표면 상의 버블 매스로부터 생성된 거품 층과 접촉한다.
특정 일 실시형태에 있어서, 상기 거품 층의 상단은 상기 천공 판의 레벨에서 유지된다.
특정 일 실시형태에 있어서, 상기 천공 판의 기공의 직경은 주어진 전체 체적 액체 유량에 대해서, 소정의 액체 분류 속도가 얻어지도록 된다. 바람직하게는, 상기 기공은 약 0.1 내지 약 0.5 mm이다. 바람직하게는, 약 0.2 mm 직경이다.
일 특정 실시형태에 있어서, 상기 컬럼에 수용된 상기 액체 및/또는 상기 컬럼에 도입된 상기 액체 스트림은 하나 이상의 표면 활성 종을 포함한다. 일 특정 실시형태에 있어서, 이 표면 활성 종은, 단백질, 펩타이드, 이온성 또는 비이온성 계면활성제, 생물학적 계면활성제, 어떤 미생물의 셀을 포함하며, 이에 한정되지 않는 소수성 또는 양쪽 친매성 입자를 포함한다.
특정 일 실시형태에 있어서, 0.5 mm의 기공 사이즈를 갖는 스파저로부터 생성된 버블은 약 3 mm의 직경을 갖는다.
일 특정 실시형태에 있어서, 액체 분류와 하나 이상의 버블의 접촉 후에 생성되는 마이크로버블 직경은 약 200 내지 약 10 ㎛이다.
일 특정 실시형태에 있어서, 액체는 특정 액체 입구 유량으로 상기 컬럼에 도입되고, 가스는 특정 취입 유량으로 취입되고, 상기 유량들은 버블의 생성율이 버블이 액체 분류에 의해서 마이크로버블로 깨어지는 비율과 동일하도록 제어된다.
일 특정 실시형태에 있어서, 상기 방법은 상기 컬럼으로부터 액체 출구를 통한 마이크로버블 생성물의 추출을 더 포함한다. 바람직하게는, 상기 액체 출구는 상기 스파저의 레벌 위의 레벨에 위치되어 버블이 마이크로버블이 없는 액체 층에 형성되도록 한다.
일 특정 실시형태에 있어서, 상기 컬럼으로부터 추출되는 마이크로버블 생성물의 액체 대 가스의 체적 비는 가스가 취입되는 비율 및 액체가 컬럼에 도입되는 비율을 조절함으로써 제어된다.
일 특정 실시형태에 있어서, 마이크로버블 생성물의 버블의 사이즈는 초기 버블 사이즈 분류 속도를 조절함으로써 제어된다. 분류 속도는 천공 판을 통한 체적 액체 유량, 기공 수 및 기공 직경에 의해서 제어된다. 초기 버블 사이즈는 스파저 기공 직경 및 가스 취입 유량을 조절함으로써 제어된다.
특정 일 실시형태에 있어서, 양 방향으로 가스 유량의 전체 질량 플럭스는 마이크로버블 생성기가 연속 작동에 있을 때 서로 동일하다.
일 특정 실시형태에 있어서, 컬럼 내의 가스 압력은 가스 릴리프 밸브에 의해서 방출된다. 바람직하게는, 가스 릴리프 밸브는 상기 천공 판의 레벨의 아래, 그리고 실질적으로 인접한 레벨에서 컬럼에 위치된다.
일 특정 실시형태에 있어서, 상기 방법은 제 1 양태에서 설명된 바와 같은 마이크로버블 생성 시스템의 사용을 포함한다.
일 특정 실시형태에 있어서, 마이크로버블 생성 방법은 가스 발효와 함께 사용되어 하나 이상의 발효 생성물을 생성한다. 일 특정 실시형태에 있어서, 발효는 생물반응기가 여기서 설명된 컬럼일 수도 있거나, 또는 하나 이상의 분리된 생물반응기 베셀일 수도 있는 생물반응기 내에서 실시된다.
일 특정 실시형태에 있어서, 상기 방법은 가스 기재로부터 마이크로버블 생성물을 함유하는 발효 브로스의 하나 이상의 미생물까지의 질량 전달 단계를 포함한다.
특정 일 실시형태에 있어서, 발효 브로스는 CO를 함유하는 마이크로버블 생성물의 발효에 의한 하나 이상의 생성물을 생성할 수 있는 하나 이상의 카르복시도트로픽(carboxydotrophic) 미생물의 배양체를 포함한다.
일 특정 실시형태에 있어서, 생물반응기로부터의 브로스의 적어도 일 부분은 주 가스-액체 분리기로 보내진다. 일 특정 실시형태에 있어서, 브로스의 실질적 가스 성분의 적어도 일 부분은 주 가스-액체 분리기에 의해서 분리되고, 압축기/브로워(blower) 및 가스 스파저를 통해서 컬럼으로 보내진다. 다른 실시형태에 있어서, 브로스의 실질적 가스 성분의 적어도 일 부분은 주 가스-액체 분리기에 의해서 시스템으로부터 제거된다.
일 특정 실시형태에 있어서, 주 가스-액체 분리기는 브로스의 부분에 기포 저감 스프레이를 추가한다.
일 특정 실시형태에 있어서, 주 가스-액체 분리기는 브로스의 적어도 일 부분을 제 2 가스-액체 분리기에 보내고, 그리고/또는 생성물 추출을 위한 생성물 회수 출구로 브로스의 적어도 일 부분을 보낸다.
특정 일 실시형태에 있어서, 브로스의 적어도 일 부분이, 바람직하게는 액체 펌프에 의해서 컬럼 상의 액체 입구에 보내지기 전에 신규 배지가 제 2 가스-액체 분리기에서 브로스에 추가된다. 일 특정 실시형태에 있어서, 제 2 가스-액체 분리기에 서 브로스로부터 분리된 가스의 적어도 일 부분은 시스템으로부터 제거를 위한 가스 출구에 보내진다.
일 특정 실시형태에 있어서, 주 가스-액체 분리기로부터 받아진 브로스는, 바람직하게는 액체 펌프를 통해서 컬럼 상의 액체 입구에 직접적으로 복귀된다.
일 특정 실시형탱에 있어서, 마이크로버블 생성 방법은 거품 부분분리(fractionation) 방법과 함께 사용되어 하나 이상의 계면 활성 종을 산출한다.
특정 일 실시형태에 있어서, 마이크로버블 생성물의 적어도 일 부분은 부분분리를 위한 거품/액체 분리기로부터 보내진다.
일 특정 실시형태에 있어서, 거품/액체 분리기는 실질적 액체 부분을, 바람직하게는 액체 펌프를 통해서 컬럼 상의 액체 입구로 보낸다.
일 특정 실시형태에 있어서, 거품/액체 분리기는 실질적 거품 부분의 적어도 일 부분을 탈포 탱크로 보낸다. 표면 활성 종이 마이크로버블 생성물에 존재할 때, 거품 부분은 더 높은 농도의 물질을 함유할 것이다.
특정 일 실시형태에 있어서, 거품 저감 스프레이는 실질적 거품 부분에 적용되어, 추가의 프로세싱을 위해서 시스템으로부터 제거되는 기포분리액(foamate) 생성물을 산출한다.
일 특정 실시형태에 있어서, 상기 방법은 마이크로버블 가스 흡수 시스템을 포함하며, 여기서 하나 이상의 가스를 포함하는 제 1 가스 성분이 하나 이상의 가스를 포함하는 제 2 가스 성분으로부터 분리되며, 제 1 가스 성분이 액체에 실질적으로 용해될 수 있고, 제 2 가스 성분이 액체에 덜 용해성이거나 또는 실질적으로 불용성이다.
일 특정 실시형태에 있어서, 다성분 가스 스트림은 액체를 수용하는 컬럼 내에 취입되어, 마이크로버블 생성물을 생성하고, 이 생성물은 다음으로 컬럼으로부터 가스-액체 분리기로 보내진다.
일 특정 실시형태에 있어서, 가스-액체 분리기는 마이크로버블 생성물로부터 덜 용해성인 또는 실질적으로 불용성인 가스 성분의 적어도 일 부분을 제거하여 용해된 실질적으로 용해성인 가스 성분을 함유하는 액체 성분을 산출한다.
일 특정 실시형태에 있어서, 액체 성분은 시스템으로부터 제거되고, 당해 분야 기술 중 하나로 알려진 비등 테크닉에 의해서 분리된 가스의 수집을 가능하게 한다.
일 특정 실시형태에 있어서, 제 1 가스 성분은 CO2를 포함하고, 액체는 모노에탄올아민 또는 물을 포함한다.
일 특정 실시형태에 있어서, 본 발명은 제 2 양태의 방법에 의해서 생성되는 생성물을 제공한다.
일 특정 실시형태에 있어서, 생성물은 에탄올, 부탄올, 2, 3-부탄에디올, 아세톤, 이소프로판올, 아세트산, 젖산, 인산 및 바이오매스로 구성된 군으로부터 선택된 발효 생성물이다.
일 특정 실시형태에 있어서, 생성물은 거품 부분분리 방법에 의해서 분리된 표면 활성 종이다. 바람직하게는, 종은 단백질, 펩타이드, 이온성, 비이온성 계면활성제 또는 생물학적 계면활성제로 구성된 군으로부터 선택된다.
본 발명의 신규한 양태로 간주되어야 하는 본 발명의 다른 양태는, 본 발명의 실질적 적용의 적어도 하나의 예를 제공하는 다음의 설명을 읽을 때 당업자에게 자명해질 것이다.
이제 본 발명의 실시형태가, 단지 예로서, 첨부된 도면을 참조하여 설명될 것이다:
도 1은 본 발명의 마이크로버블 생성기의 개략적인 다이어그램이다.
도 2는 마이크로버블 거품 부분분리를 위해서 사용되는 본 발명의 실시형태를 도시한다.
도 3은 가스 발효 시스템에서 마이크로버블 생성을 위해 사용되는 본 발명의 실시형태를 도시한다.
도 4는 본 발명의 실시형태에서 사용되는 천공 판상의 기공의 배열를 도시한다.
도 5는 마이크로버블 생성기의 컬럼 내 천공 판 아래 및 실질적으로 인접한 레벨에서 마이크로버블의 이미지를 도시한다.
도 6은 누적 버블 사이즈 분포를 도시하고, 평균 버블 사이즈가 최대 버블 사이즈의 약 절반임을 도시한다.
도 7은 하나의 반응기가 다른 것의 상단에 배치되어 반응기의 적층체를 형성하는 멀티 마이크로버블 반응기의 대안적 구성의 예를 도시한다.
정의
"스파저(sparger)"는 액체 내에 가스를 도입하여 액체를 교반하거나 액체 내에서 가스를 용해하는 장치를 포함한다. 특정 일 실시형태에 있어서, 스파저는 천공 판, 소결(sintered) 유리, 소결 스틸, 다공성 고무 파이프, 다공성 금속 파이프, 다공성 세라믹 또는 스테인레스 스틸일 수도 있다. 스파저는 다양한 등급(공극율)의 것이어서, 특정 사이즈의 "버블"을 제공할 수도 있다.
"컬럼(column)"은 버블 생성 및 마이크로버블 생성을 위해서, 그리고 후속의 가스-액체 접촉, 가스-흡수, 생물/화학 반응, 표면 활성 재료 흡착을 위해서 하나 이상의 가스 및 액체 스트림이 도입되는 베셀(vessel)이다. 컬럼에서, 기상 및 액상은 수직 방향으로 유동한다. 컬럼에서, 부력이 액체에 의해서 부여되는 항력보다 더 큰 더 큰 버블은 위로 상승하는 한편, 부력이 액체에 의해서 부여되는 항력 이하인 더 작은 버블은 액체에 의해 아래로 유동된다. 컬럼은 임의의 종횡(높이 대 직경)비에 한정되지 않는다. 컬럼은 임의의 특정 재료에 한정되지 않고, 스테인레스 스틸 또는 PVC와 같은 프로세스에 적합하며 이에 한정되지 않는 임의의 재료로부터 구성될 수 있다. 컬럼은, 바이오/케미컬 엔지니어링 프로세싱에서 일반적인 하나 이상의 정적 믹서(static mixers)와 같은, 이에 한정 되지 않는 내측 구성요소를 수용할 수도 있다. 컬럼은 워터 재킷(water jacket)과 같은, 이에 한정되지 않는 외측 또는 내측 가열 또는 냉각 설비를 포함할 수도 있다. -"천공 판"은 컬럼에 액체를 도입하는 것을 용이하게 하여 다수의 액체 분류(이하 "액체 분류"라 함)를 형성하도록 구성된 판 또는 유사한 배열체를 포함한다. 전형적으로, 천공 판은 판 상에 고르게 분포된 기공을 가질 것이며, 이 기공은 판의 일 측으로부터 타측으로의 액체 유동을 허여한다. 대안적 실시형태에 있어서, 상기 판은 컬럼 안으로 유동되는 액체 분류를 생성하도록 구성된 하나 이상의 노즐을 포함할 수도 있다. 판은, 이러한 채널이 액체를 받고 컬럼 안으로의 유동을 용이하게 하는 임의 분포 또는 배열인 채널을 수용할 수도 있다. 판은 미리 결정된 수의 레이저로 태워진 구멍 또는 기공을 갖는 스테인레스 강으로 만들어질 수 있다. 특정 기공 사이즈는 마이크로버블 생성 시스템이 사용되는 적용에 의존한다. 특정 일 실시형태에서, 기공 사이즈는 직경이 약 130 ㎛이다 바람직하게는, 기공은 오프셋 로우(offset row) 배열로 배치되어, 하나의 열에 있는 각각의 기공이 상기 기공의 바로 위 및 아래에 있는 열의 2 개의 기공과 등거리이다. 동일 또는 상이한 공극율로 천공된 판이 가스 스파저로서 이용될 수 있다.
여기서 언급되는 바와 같이, "거품(foam)"은 액체 필름의 매트릭스(matrix)에서 가스 버블 매스(mass)이다. 거품의 체적 액체 부분은 바람직하게는 10 % 미만, 바람직하게는 5 % 미만, 바람직하게는 2 % 미만이다.
"거품/액체 분리기"는 가스-액체 혼합물을 함유하는 마이크로버블이 일정한 시간 동안 정착하도록 하고, 이 시간 동안에 가스 버블은 상승하고, 액체 표면에 적층되어 거품 층을 형성하고, 거품 사이의 액체(interstitial liquid)는 중력 하에서 거품 층의 아래 액체 풀(pool)로 다시 배수함으로써 액체로부터 거품을 분리하도록 구성된 장치이다. 거품/액체 분리기의 예는 당업자에게 알려져 있을 것이나, 예로서, 거품/액체 분리기는, 마이크로버블을 함유하는 가스-액체 혼합물이 중간 섹션의 포트를 통해서 계속적으로 베셀 안으로 도입되는 수직 베셀일 수도 있다. 거품은 계속적으로 베셀의 상단에 위치된 포트를 통해서 추출되고, 거품으로부터 분리된 액체는 계속적으로 베셀의 하단에 위치된 포트를 통해서 회수된다. 액체 레벨 제어 밸브는 액체의 회수 율을 조절함으로써 베셀 내 거품/액체 인터페이스를 유지하기 위해서 사용될 수도 있다.
여기서 언급되는 바와 같이, "탈포 탱크(de-foaming tank)"는 거품이 완전히 붕괴되어 표면 활성 재료로 농축되는 액체 형태 (기포분리액)을 산출하는 베셀이다. 버블에 원래 밀폐된 가스는 방출되고, 배기된다. 예로서, 탈포 탱크는 거품이 적절한 배관을 통해서 베셀 내에 도입되고, 적합한 탈포제 (거품 저감제) 가 거품 상에 분무되어 거품의 버블이 붕괴되도록 하는 스테인레스 강 베셀일 수도 있다. 기계적 교반기는 탱크 내 대량의 거품 내에서 탈포제의 분산을 돕기 위해서 사용될 수도 있다. 작동의 연속 모드에 있어서, 거품은 계속적으로 베셀 안으로 공급되고, 기포분리액은 계속적으로 회수된다.
"가스/거품 분리기"는 거품으로부터 가스를 분기하도록 구성된 장치이다. 가스/거품 분리기의 예는 당업자에게 알려져 있을 것이다. 버블 '분류 구역'은, 버블 사이의 차이, 즉 버블에 부여되는 항력과 부양력의 상대적 크기의 차이에 근거하여 더 큰 버블의 상승과 마이크로버블의 하강이 동시에 있는, 본 발명의 마이크로버블 컬럼의 섹션이다.
"가스/액체 분리기"는 가스-액체 혼합물이 일정 시간 동안 정착하게 하며, 이 시간 동안 실질적 액체 부분은 베셀의 바닥에 정착되어 회수되도록 함으로써 액체로부터 가스를 분리하도록 수성된 장치이다. 가스-액체 혼합물로부터 방출된 가스는 베셀의 상측 부분에 누적되고, 여기서 이 가스는 통기되거나 또는 재활용된다. 액상은 하나 이상의 표면 활성 물질을 함유하고, 가스는 안정된 버블에 밀폐되어 있는 특정한 경우에 있어서, 탈포제(기포 저감)가 버블을 붕괴시키기 위해서 사용되어 버브로부터 가스를 방출시킨다. 가스-액체 혼합물이 가압되고, 하나 이상의 가스 성분이 액체에 용해되는 특정한 경우에 있어서, 가스/액체 분리기 베셀은 가스-액체 혼합물을 감압하여 후속 분리를 위해서 액체로부터 가스를 방출할 수 있다. 가스/액체 분리기의 예는 당업자에게 알려져 있을 것이나, 예로서, 가스/액체 분리기는, 가스-액체 혼합물이 중간 섹션에 위치된 포트를 통해서 도입되고, 액체가 바닥으로부터 회수되고, 가스가 상단의 포트를 통해서 추출되는, 스테인레스 강으로 구성되고, 적합한 배관, 포트 및 펌프를 구비하는 수직 베셀일 수도 있다. 다른 예에서, 가스-액체 분리기는, 가스-액체 혼합물로부터 용해된 가스가 액체로부터 방출되고 이어서 분리되도록 하는, 압력이 상류 베셀보다 더 낮은 더 높은 고도로 올려진다. 여기서 언급되는 바와 같이, "기포 저감 스프레이"는, 스프레이 노즐과 같은, 적합한 타입의 스프레이어로부터 생성되는 가스에 분산되는 작은 기포저감(탈포제) 액적의 동적 집합을 가리킨다. 특정 실시형태에서, 기포저감 스프레이는 가압된 탈포제가 거품 층의 표면 상에 작은 액적의 형태로 분산되는 노즐을 포함하고, 거품은 후속하여 기포 저감(탈포제)의 작용에 의해서 붕괴된다.
여기서 언급되는 바와 같이, "표면 활성 종"은 액체의 표면 장력을 낮추고, 거품 또는 마이크로버블과 같은 가스-액체 분산을 안정화시키는 화합물을 가리킨다. 특정 실시형태에 있어서, 표면 활성 종은 단백질, 펩타이드, 이온성 또는 비이온성 계면활성제 또는 생물학적 계면활성제를 포함한다. 표면 활성 종은 발효 프로세스에서 미생물의 활동을 통해서 자연적으로 생성될 수 있고, 또는 용액에 인공적으로 첨가될 수도 있다.
여기서 언급되는 바와 같이, "마이크로버블"은 약 200 내지 약 10 ㎛의 직경을 갖는 가스 버블이다.
여기서 언급되는 바와 같이, "마이크로버블 생성물"은 마이크로버블을 함유하는 액체/가스 혼합물이다.
여기서 언급되는 바와 같이, "발효 브로스"는 적어도 하나의 양료 배지 및 박테리아 세포를 포함하는 배양 배지이다.
용어 "효율 상승" 또는 "상승된 효율" 등은, 발효 프로세스와 관련하여 사용될 때, 이에 한정되지 않으나, 발효를 촉진시키는 미생물의 성장율, 상승된 생성물 농도에서의 성장 및/또는 생성물 생성율, 소비된 기재의 체적당 생산된 소정의 생산물의 체적, 소정의 생산물의 생산율 또는 생산 레벨, 및 발효의 다른 부산물과 비교된 소정의 생산된 생성물의 상대적 비례 중 증가하는 하나 이상을 포함한다.
표현 "일산화탄소를 포함하는 기재" 등과 용어는 일산화탄소가, 예를 들어 성장 및/또는 발효를 위해 박테리아 균주에 이용가능한 어떠한 기재를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
표현 "일산화탄소를 포함하는 가스 기재" 등과 용어는 어떤 레벨의 일산화탄소를 함유하는 임의의 가스를 포함한다. 어떤 실시형태에 있어서, 기재는 적어도 약 20 체적% 내지 약 100 체적%의 CO, 20 체적% 내지 70 체적%의 CO, 30 체적% 내지 60 체적%의 CO, 및 40 체적% 내지 55 체적%의 CO 를 함유한다. 특정 실시형태에서, 기재는 약 25 체적%, 또는 약 30 체적%, 또는 약 35체적%, 또는 약 40 체적%, 또는 약 45 체적%, 또는 약 50 체적%의 CO, 또는 약 55 체적%의 CO, 또는 약 60 체적%의 CO를 포함한다.
기재가 어떠한 수소를 함유하는 것이 반드시 필요하지는 않으나, H2의 존재는 본 발명의 방법에 따른 생성물 형성에 해롭지 않다. 특정 실시형태에 있어서, 수소의 존재는 알코올 생성의 향상된 전체적 효율로 귀결된다. 예를 들어, 특정 실시형태에 있어서, 기재는 약 2:1, 또는 1:1, 또는 1:2의 H2:CO의 비를 포함할 수 있다. 일 실시형태에 있어서, 기재는 약 30 체적% 이하의 H2, 또는 20 체적% 이하의 H2, 약 15 체적% 이하의 H2, 또는 약 10 체적% 이하의 H2를 포함한다. 다른 실시형태에 있어서, 기재 스트림은 낮은 농도, 예를 들어 5 % 미만, 또는 4 % 미만, 또는 3 % 미만, 또는 2 % 미만, 또는 1 % 미만의 H2를 포함하고, 또는 실질적으로 수소가 없다. 또한, 기재는 약간의 CO2, 예를 들어, 약 1 체적% 내지 80 체적%의 CO2, 또는 1 체적% 내지 30 체적%의 CO2를 함유할 수도 있다. 일 특정 실시형태에 있어서, 기재는 약 20 체적% 이하의 CO2를 포함한다. 특정 실시형태에 있어서, 기재는 약 15 체적% 이하의 CO2, 약 10 체적% 이하의 CO2, 약 5 체적% 이하의 CO2를 포함하거나, 실질적으로 CO2를 포함하지 않는다.
본 발명의 특정 실시형태에 있어서, CO-함유 가스 기재는 산업 배출(industrial off) 또는 폐기 가스이다. "산업 폐기 또는 배출 가스"는 산업 프로세스에 의해서 생성된 CO를 포함하는 임의의 가스를 포함하는 것으로, 그리고 철 금속 생성물 제조, 비-철 생성물 제조, 석유 정제 프로세스, 석탁의 가스와, 바이오매스의 가스와, 전력 생산, 카본블랙 생산, 및 코크 제조의 결과로서 생성된 가스를 포함하는 것으로 넓게 이해되어야 한다. 또 다른 예는 여기서 다른 곳에 제공될 수도 있다.
문맥이 달리 요구하지 않는다면, 표현 "발효", "발효 프로세스", 또는 "발효 반응" 등은, 여기서 사용된 바와 같이, 프로세스의 성장 단계 및 생성물의 생합성 단계 모두를 포함하는 것으로 의도된다. 여기서 또한 설명되는 바와 같이, 어떤 실시형태에 있어서, 생물반응기는 제 1 성장 반응기 및 제 2 발효 반응기를 포함할 수도 있다. 이와 같이, 발효 반응에 대한 재료의 추가는 이 반응기의 어느 하나 또는 양쪽에 대한 추가를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
여기서 언급되는 용어 "생물반응기" (또는, 컬럼이 또한 생물반응기인 "컬럼")은 하나 이상의 베셀 및/또는 타워 또는 파이프 배열체로 구성된 발효 장치를 포함하며, 발효 장치는 연속 교반식 탱크 반응기(CSTR), 고정형 셀 반응기(ICR: Immobilized Cell Reactor), 살수층 반응기(TBR: Trickle Bed Reactor), 버블/마이크로버블 컬럼, 가스 리프트 발효기(Gas Lift Fermenter), 또는 가스-액체 접촉에 적합한 다른 용기나 장치를 포함한다. 어떤 실시형태에 있어서, 생물반응기는 제 1 성장 반응기 및 제 2 발효 반응기를 포함할 수도 있다. 이와 같이, 생물반응기 또는 발효 반응에 대한 기재의 첨가를 언급할 때, 적절한 이 반응기 중 어느 하나 또는 모두에 대한 추가를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
여기서 언급되는 바와 같이, "반응기의 적층체" 또는 반응기 적층체"는 다수의 마이크로버블 반응기의 구성이며, 여기서 하나의 반응기는 다른 반응기의 상단에 배치되고, 적합한 덕트, 펌프, 파이프, 피팅 및 기계적 지지 구조체를 갖는다. 반응기의 적층체는 지표 면적 요구를 상당히 증가시키지 않고 반응기 시스템의 처리량을 증가시킬 수 있다.
본 발명자는 알려진 시스템에 비하여 증가된 효율 및 유연성을 갖는 마이크로버블 생성 시스템을 개발하였다.
본 발명은 컬럼에서 큰 버블을 마이크로버블로 깨는 다수의 액체 분류를 이용한다. 큰 버블은 컬럼의 하측 섹션 또는 하단에 있는 가스 스파저에 의한 취입에 의해서 초기에 생성된다. 이 큰 버블은 액체의 상측에 배치된 거품 층으로 액체를 통해서 위로 이동된다. 액체 분류는 거품 층 안으로 천공 판을 통해서 액체를 펌핑함으로써 형성된다. 분류는 거품 버블을 더 작은 마이크로버블로 깨는 효과를 갖고, 이 마이크로버블은 액체 유동에 의해서 컬럼 아래로 씻겨 내려 간다(washed down). 더 큰 버블은 더 작은 버블로 깨어지는 거품 층에 유지되거나, 또는 만약 이들이 아래로 씻겨 내려가면, 이들은 위로 재이동된다. 액체/버블 혼합물을 포함하는 마이크로버블 생성물은 액체 출구를 통해서 컬럼으로부터 제거되고, 당업자에게 알려지는 또는 여기서 설명될 수도 있는 다른 적용을 위해서 사용될 수도 있다.
일반적으로, 주어진 에너지 소비에 대해서 가능한 가장 작은 버블을 생성하는 것이 바람직하다. 본 발명은 알려진 시스템에 비해서, 특정 버블 사이즈를 원하는 가스/액체 비율에서 갖는 마이크로버블 생성물의 생성을 위한 에너지 효율을 향상시켰다는 장점을 제공한다. 이것은, 액상과 기상 사이의 고속의 상대적 운동을 요구하는 '포입(entrainment)' 보다는 큰 가스 버블의 형태로 직접 취입함으로써 가스가 도입되기 때문이다. 마이크로버블은, 액체 표면의 깨트림보다 큰 버블을 깨트림으로써 본 발명에 의해 생성된다.
또한, 본 발명의 마이크로버블 생성 시스템은 마이크로버블 생성물 사이즈가 일정하게 유지될 수 있는 넓은 범위의 처리율에서 작동될 수 있다. 버블 사이즈는 컬럼에서 가스 상의 체류 시간 및 분류 속도에 의존된다. 주어진 가스 취입 률에 대해서, 액체 속도가 감소될 때, 가스의 체류 시간은 자동적으로 증가된다.
본 발명은 분류 속도의 어떠한 특정 요건을 갖지 않고, 분류 속도는 특정 적용의 요건에 근거하여 변할 수도 있다. 본 발명에 의해서 생성되는 난류는 알려진 시스템(예를 들어, 제임슨 셀)에 비하여 최소이다. 이것은 증가된 에너지 효율, 및 액체에 존재하는 단백질 또는 미생물에 대한 덜 가혹한 환경에 대해서(전단 및 난류의 관점에서) 장점을 갖는다.
본 발명의 추가적인 장점은 마이크로버블 생성이 알려진 시스템에 비하여 많이 감소된 수의 작동 부분을 갖는 단일의 베셀(컬럼)에서 일어난다는 것이다. 이것은 비용, 복잡성, 유지보수 요구 및 계속적 작동을 유지하기 위한 지원장치를 감소시킨다.
도 1에 도시된 특정 실시형태에서, 컬럼(1)은 액체 입구(2)를 통해서, 하나 이상의 계면 활성 종, 예를 들어, 그러나 한정되지 않는 단백질, 펩타이드, 이온성 또는 비이온성 계면활성제 또는 바이오-계면활성제를 함유하는 액체로 초기에 적어도 부분적으로 채워진다. 또한, 컬럼은 컬럼 상의 임의의 적절한 위치에 하나 이상의 추가적인 액체 입구 또는 출구를 수용하여, 채움 또는 컬럼으로부터 액체의 비움을 더욱 원할하게 할 수도 있다. 컬럼(1)은 가스 입구(4)에 연결되고, 가스를 액체 안으로 취입하는 스파저(3)를 포함한다. 스파저는 스파저가 생성한 버블(5)이 버블의 부양력에 의해서 분류 존(9)을 통해서 컬럼(1)의 거품 층(6)을 향해서 위로 이동되도록 위치된다. 스파저(3)로부터 생성된 버블의 직경은, 버블이 천공 판(7)을 통해서 유동되는 액체 분류의 힘에 의해서 아래로 눌리지 않도록 특정 상승 속도를 가질 만큼 충분히 커야 한다.
스파저로부터 생성된 버블은 액체의 상단으로 이동되어 거품 층(6)을 형성한다. 초기에는 거품 층의 두께가 가스 취입이 진행됨에 따라서 성장하나, 계속 작동 모드에서 일정한 두께로 유지된다. 컬럼(1)의 상단은 천공 판(7)을 수용하며, 액체가 이 천공 판에 통과되어 컬럼의 내측에 다수의 액체 분류를 형성할 수 있다. 천공 판은 가스 스파저 위쪽에 위치되어 액체 분류가 스파저에 의해서 생성되는 거품 층을 접촉하도록 할 수 있다. 천공 판은 스파저 바로 위쪽에 위치되는 것이 요구되지 않으며, 즉 천공 판이 오프셋(offset)되거나, 또는 거품 층으로 액체 분류의 도입을 가능하게 하는 임의의 적절한 배열일 수도 있다는 점이 당업자에게 이해될 것이다. 또한, 컬럼은 특정한 적용의 요구조건에 따라서 비수직으로(off-vertical)으로 정렬될 수도 있다. 바람직하게는, 거품 층(6)의 상단은 천공 판(7)의 레벨에서 유지된다. 기공의 직경은 주어진 전체 체적 유체 유동에 대해서, 소정의 액체 분류 속도가 얻어질 수 있어야 한다. 천공 판을 통한 액체의 유동에 의해서 생성되는 액체 분류는 거품의 표면을 뚫고, 거품 층(6)의 버블을 마이크로버블(microbubble)로 깨뜨린다.
소정의 적용에 따라서, 마이크로버블은 200 ㎛ 미만, 바람직하게는 150 ㎛ 미만, 바람직하게는 100 ㎛ 미만, 바람직하게는 60 ㎛ 미만의 직경일 수 있다. 마이크로버블은 액체와 함께 컬럼 내측의 분류 존(9)을 통해서 아래로 이동되는 한편, 동시에 새로운 버블이 가스 스파저를 통해서 컬럼의 바닥 또는 저부에서 생성된다. 액체 유입 유량 및 가스 유입 유량은 새로운 버블이 생성되는 비율이 거품 층의 상단의 버블이 마이크로버를로 깨지는 속도와 같도록 제어된다.
컬럼은 마이크로버블 생성물(10)이 컬럼을 나가는 액체 출구(8)를 더 포함한다. 폭이나 직경에서 어떠한 팽창 또는 수축이 없는 일직선의 컬럼의 경우에, 액체 출구(8)와 스파저(3) 사이의 거리는 분류 존으로부터 이격되고 실질적으로 마이크로버블이 없는 존에서 버블이 생성되도록 바람직하다. 만약 버블이 분류 존(9) 안으로 직접 취입된다면, 스파저에 의해서 주어지는 버블의 사이즈는 액체의 하향 속도 때문에 제어하기가 더욱 어렵다. 매우 큰 버블과 불규칙한 버블이 결과일 수 있다.
컬럼으로부터 나온는 마이크로버블 생성물(10)의 가스 체적 대 액체의 비는 입구 가스 유동 및 입구 액체 유동에 의해서 제어된다. 마이크로버블 생성물 중의 버블의 사이즈는 초기 버블 사이즈 및 분류 속도를 조절함으로써 제어된다. 분류 속도는 체적 액체 유량 및 기공 수와 기공 직경에 의해서 제어된다. 초기 버블 사이즈는 스파저 홀 직경 및 가스 취입 유량을 조절 함으로써 제어된다.
본 발명은 동시적인 더 큰 버블의 상향 유동 및 컬럼 내측의 마이크로버블의 하향유동에 의해서 특징지워진다. 불활성 가스의 경우에, 양쪽 방향으로의 가스 유동의 전체 질량 플럭스(flux)는 마이크로버블 생성기가 연속적인 작동에 있을 때에 서로 같다. 반응성 가스의 경우에, 입구 가스의 질량 플럭스는 하향유동 가스의 질량 플럭스와 반응에 의해서 소비되는 질량 플럭스의 합과 동일하다. 만약 가스 유동이 액체 분류가 깨뜨릴 수 있는 것을 초과하면, 가스 층이 천공 판 아래에 형성될 것이다. 이 시나리오에서 가스 방출을 보다 용이하게 하기 위해서, 컬럼은 가스를 방출하는 가스 릴리프 밸브를 더 포함할 수 있다. 컬럼 내측의 압력은 액체 배출구(8)에 연결된 선택적 압력 릴리즈 밸브에 의해서 제어될 수도 있다.
계면 활성 재료의 부화 및 추출
특정 실시형태에 있어서, 마이크로버블 생성 시스템은 용액으로부터 (단백질, 펩타이드, 이온성 또는 비이온선 계면 활성제 또는 생물학적 계면활성제와 같은) 계면 활성 종의 부화 및 추출을 위한 마이크로버블 거품 분리 프로세스 및 장치의 부분이다. 계면 활성 종이 마이크로버블 생성물에 존재할 때, 거품 부분은 더 높은 농도의 물질을 함유할 것이고, 그래서 추출 및/또는 정제, 이송, 저장을 포함하는 추가의 프로세싱을 위해서 바람직하다.
일 실시형태가 도 2에 도시되고, 여기서 마이크로버블 생성물은 가스 입구(19)로부터 수신되는 스파저(13)로부터의 가스 취입에 의해 생성되고, 액체 분류는 천공 판(11)을 통한 액체의 통과에 의해서 생성된다. 마이크로버블 생성물의 적어도 일 부분(18)은 컬럼(12)으로부터 분리를 위한 거품/액체 분리기(14)로 보내진다. 거품/액체 분리기는 실질적 액체 부분의 적어도 일 부분(17)을, 바람직하게는 액체 펌프(15)를 통해서 컬럼 상의 액체 입구로 보낸다. 컬럼(12)에 복귀되기 전에, 실질적 액체 부분은 신규 액체 공급(16)이 보충될 수도 있다. 실질적 액체 부분의 적어도 일 부분은 액체 출구(25)를 통해서 시스템으로부터 제거될 수도 있다. 거품/액체 분리기는 실질적 거품 부분(20)의 적어도 일 부분을 탈포 탱크(21)로 보낸다. 기포 저감 스프레이(anti-foam spray)(22)는 실질적 기포 부분에 적용되어 기포분리액(formate) 생성물을 산출하고, 이는 바람직한 계면 활성 종의 추출 및 추가적 가공을 위해 시스템으로부터 제거된다. 어떤한 과잉 가스는 가스 출구(24)를 통해서 탈포 탱크로부터 제거될 수도 있다.
특정 실시형태에 있어서, 마이크로버블 거품 분리 프로세스는 유제품 공급원료로부터 단백질을 추출하기 위해서 이용될 수도 있다. 단백질은 거품으로 마이크로버블의 표면에 흡착되고, 이 거품은 제거되고 붕괴되어 부화된 제품을 산출할 수 있다. 만약 거품이 매우 작다면, 단백질이 흡착되는 더 큰 비표면적이 있다. 기존의 작은 버블 생성 방법은 에너지 비효율적이고, 단백질을 변성시킬 수 있는 매우 높은 전단 응력 존을 생성한다. 또한, 높은 비표적 때문에, 본 발명에 의해서 생성되는 마이크로버블은 계면 흡착(interfacial absorption)에 있어서 뛰어나다.
특정 실시형태에 있어서, 마이크로버블 분리 프로세스는 폐 스트림(waste stream)으로부터, 예를 들어 폐수 처리 작동으로부터 단백질을 분리하여 생화학적 산소요구량(BOD)을 감소시키도록 사용될 수도 있다. 이것은 폐 스트림을 추가 처리 또는 환경으로 방출 전에 처리하기 위한 특별한 유용성을 갖는다. 이 경우에, 본 발명은 공급 스트림으로부터 상당한 양의 단백질을 제거할 것으로 예상된다. 특정한 실시형태에 있어서, 용액으로부터 제거된 계면 활성 종의 부분은 용액 내 종의 전체 양의 50 %, 60 %, 70 %, 80 %, 또는 90 % 보다 더 크다.
마이크로버블 가스 분리 시스템
특정한 실시형태에 있어서, 마이크로버블 생성 시스템은 가스 분리 시스템의 부분이다. 본 발명에 따른 특정 가스 분리 시스템은 미생물 및 발효 브로스를 수용하는 생물반응기(bioreactor)를 포함한다. 미생물은 브로스에 용해된 가스를 이용하여 에탄올 또는 2, 3-부탄디올과 같은 적어도 하나의 생성물을 생성한다. 시스템의 생물반응기는 마이크로버블 생성 시스템의 부분으로서 앞에서 설명된 컬럼이거나, 또는 별도의 베셀(vessel)일 수도 있다.
특히, O2 및 CO와 같은 상대적으로 불용성인 가스 종을 이용하는 전형적 가스 발효에 있어서, 주요한 제한 중 하나는 발효 기재에 용해될 수 있는 가스의 양 및 이 가스가 용해될 수 있는 비율이다. 본 발명은 마이크로버블 생성물을 함유하는 발효 브로스에서 가스상 물질로부터 하나 이상의 미생물로의 질량 전달의 향상된 방법을 제공한다.
도 3에 도시된 특정 실시형태에 있어서, 액체는 천공 판(31)을 통해서 컬럼(32)에 도입되어 액체 분류를 형성한다. 이 특정 실시형태에 있어서, 컬럼은 또한 생물반응기이다. 가스(29)는 액체에 취입되어 거품을 생성하고, 이 거품은 마이크로버블 생성물(30)로 파괴되며, 이 생성물은 다시 주 가스-액체 분리기(34)로 통과된다. 브로스의 실질적 가스 성분은 주 가스-액체 분리기에 의해서 분리되고, 압축기/블로워(38) 및 가스 스파저에 의해서 컬럼에 보내진다(35). 브로스의 실질적 가스 성분의 일 부분은 주 가스-액체 분리기(34)에 의해서 시스템(46)으로부터 제거될 수도 있다. 주 가스-액체 분리기는 여기에 수용된 브로스의 부분에 기포 저감 스프레이(37)를 추가할 수도 있다.
주 가스-액체 분리기는 브로스의 적어도 일 부분을 제 2 가스-액체 분리기(36)로 보내고(41), 그리고/또는 브로스의 적어도 일 부분을 생성물 추출을 위한 생성물 회수 출구(42)로 보낸다. 신규 매체(43)는, 낮은 가스 함량을 갖는 브로스의 적어도 일 부분이, 바람직하게는 액체 펌프(47)에 의해서 컬럼 상의 액체 입구로 보내지기 전에 제 2 가스-액체 분리기(36)에서 브로스에 추가된다. 제 2 가스-액체 분리기에서 브로스로부터 분리된 가스의 적어도 일 부분은 시스템으로부터 제거를 위한 추가의 가스 출구(48)로 보내진다.
도 2 및 도 3의 실시형태에 있어서, 컬럼은 컬럼의 하단에 확장 섹션 (도 3에서 13으로 라벨됨)을 포함함을 알 수 있다. 이 섹션에서, 액체 속도는 낮고, 스파저에 의해서 생성된 버블이 생성되고 용이하게 상승한다. 이 실시형태에 있어서, 액체 배출구는 도 1에서와 같이 컬럼의 측부에 위치되지 않고, 다른 위치, 예를 들어 컬럼의 베이스에 위치될 수도 있다.
마이크로버블 생성물은 전형적으로 생물반응기에 공급된다(또는 여기서 생성된다). 마이크로버블 생성물은 액체에 대한 가스의 큰 표면적이 액체에 의한 가스의 흡수를 향상시킨다는 장점을 갖는다. CO 또는 O2와 같은 저 용해성 가스를 이용할 때, 가스 용해를 치대화하여 미생물의 성장과 생성을 용이하게 하는 것이 바람직하다.
가스 스트림으로부터 가스의 추출
특정한 실시형태에 있어서, 방법은 마이크로버블 가스 흡수 시스템을 포함하고, 여기서 하나 이상의 가스를 포함하는 제 1 가스 성분은 하나 이상의 가스를 포함하는 제 2 가스 성분으로부터 분리되고, 제 1 가스 성분은 실질적으로 액체에 용해될 수 있고, 제 2 가스 성분은 액체에 덜 용해되거나, 비용해성이다.
이 실시형태에 있어서, 시스템은 액체 내 가스 성분의 용해에 의한 다성분 가스 스트림으로부터 가스 성분을 분리하기 위해서 사용될 수 있다. 이 실시형태는, 용해되어야 할 가스가 가스 상으로 유지되어야 할 다른 가스에 비해서 액체에서 높은 용해성을 나타내는 다성분 가스 혼합물로부터의 가스 제거를 위한 특별한 유용성을 갖는다. 액체는 물 또는 모노에탄올아민과 같은 임의의 적합한 용질을 포함한다. 특정 실시형태에 있어서, 많은 다른 가스를 함유하는 폐가스 스트림으로부터 CO2를 회수하는 것이 바람직할 수도 있다. CO2의 회수를 최대화하기 위해서, 본 발명의 마이크로버블 생성기는 CO2 흡수 액체 내에서 마이크로버블을 생성하기 위해서 사용된다. 다음으로, (용해된 CO2를 갖는) 액체는 혼합물의 가스 성분으로부터 분리되고, CO2는 표준 비등(effervescence) 기술, 예를 들어 압력 강하, 온도 상승 또는 교반에 의해서 회수될 수 있다.
생산 방법
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 미생물에 의해서 발효된 가스 물질은 CO를 함유하는 가스 기재이다. 가스 기재는 산업 프로세스의 부산물로서 얻어지는, 또는 자동차 배기 매연과 같은 어떤 다른 소스로부터의 CO-함유 폐 가스일 수도 있다. 어떤 실시형태에 있어서, 산업 프로세스는 제강 공장과 같은 철 금속 생산물 제조, 비철 생산물 제조, 석유 정제 프로세스, 석탄의 가스화, 전력 생산, 카본 블랙 생산, 암모니아 생산, 메탄올 생산 및 코크 제조로 구성된 그룹으로부터 선택된다. 이 실시형태에 있어서, CO-함유 가스는, 이 것이 대기로 배출되기 전에, 임의의 종래 방법을 이용하여 산업 프로세스로부터 포집될 수도 있다. CO는 합성가스(일산화탄소 및 수소를 포함하는 가스)의 성분일 수도 있다. 산업 프로세스로부터 생산된 CO는 주로 플레어(flare)되어 CO2를 생성하고, 따라서 본 발명은 CO2 그린하우스 가스 배출을 감소시키고 바이오연료를 생성하는 데에 있어 특별한 유용성을 갖는다. CO 함유 기재의 조성에 따라서, 이 기재는 발효로 도입되기 전에, 먼지 파티클과 같은 원하지 않는 임의의 불순물을 제거하기 위해서 처리되는 것이 또한 바람직할 수도 있다. 예를 들어 가스 기재는 알려진 방법을 이용하여 여과되거나 또는 스크러빙될 수도 있다.
박테리아의 성장 및 나타날 생성물의 제조를 위해서, CO 함유 기재 가스에 부가하여, 적합한 액체 양료 배지(nutrient medium)가 생물반응기에 공급될 필요가 있다는 것이 이해될 것이다.
발명의 양태 중 특정 실시형태에 있어서, 발효는 수성 배양 배지에서 일어난다. 본 방법의 양태 중 특정 실시형태에 있어서, 기재의 발효는 생물반응기에서 일어난다.
기재 및 배지는 생물반응기에 연속적, 배치식 또는 유가식 (batch fed fashion)으로 공급될 수도 있다. 양료 배지는 사용되는 미생물의 성장을 허여하기에 충분한 비타민 및 미네날을 함유할 것이다. CO를 사용한 발효에 적합한 혐기성 배지(Anaerobic media )는 당해 기술분야에서 알려져 있다. 예를 들어, 적합한 배지는 비에벨(Biebel)의 문헌(2001)에 기재되어 있다. 본 발명의 일 실시형태에서, 배지는 하기 실시예 부분에 기재되어 있다.
발효는 바람직하게는 바이오연료의 생산이 일어나게 하는 적절한 발효 조건 하에 수행되어야 한다. 고려되어야 하는 반응 조건은 압력, 온도, 가스 유속, 액체 유속, 배지 pH, 배지 산화환원 전위, 교반 속도(연속식 교반 탱크 반응기를 사용하는 경우), 접종물 레벨(inoculum level), 액상에서 CO가 제한이 되지 않게 보장하는 최대 가스 기재 농도 및 생성물 억제를 피하기 위한 최대 생성물 농도를 포함한다.
또한, 기재 스트림의 CO 농도(또는 가스 기재에서 CO의 부분 압력)를 증가시키고, 따라서 CO가 기재인 발효 반응의 효율을 증가시키는 것이 종종 바람직하다. 상승된 압력에서의 작업은, 발효 생산을 위한 탄소 원으로서 미생물에 의해서 취해지는 기상으로부터 액상으로의 탄소 전달의 비율에서 상당한 증가를 허여한다. 이것은 다시 생물 반응기가 대기압보다 상승된 압력에서 유지될 때 (가스 유량에 의해서 나뉘는 반응기 내 유체 체적으로서 정의되는) 머무름 시간이 감소될 수 있다. 최적 반응 조건은 사용되는 본 발명의 특정 미생물에 부분적으로 의존할 것이다. 그러나, 일반적으로, 대기압보다 더 높은 압력에서 발효가 행해지는 것이 바람직하다. 또한, 주어진 CO 전환 비율이 부분적으로 기재 머무름 시간의 함수이고, 소정의 머무름 시간을 달성하는 것은 다시 생물반응기의 요구되는 체적을 지배하므로, 가압 시스템의 사용은 요구되는 생물반응기의 체적을 감소시키고, 따라서 발효 장비의 자본 비용을 감소시킬 수 있다. 미국 특허 번호 5,593,886에 주어진 실시예에서, 반응기 체적은 반응기 작동 압력의 증가에 선형 비례하여 감소되고, 즉 10 대기압에서 작동되는 생물반응기는 1 대기압에서 작동되는 생물반응기의 체적의 10분의 1만을 필요로 한다.
예로서, 상승된 압력에서 가스-대-에탄올 발효를 실시하는 장점이 설명되었다. 예를 들어, WO 02/08438은, 각각 150 g/l/day 및 369 g/l/day 의 에탄올 생산성을 제공하는, 30 psig 및 75 psig의 압력 하에서 행해지는 가스-대-에탄올 발효를 설명한다. 그러나, 유사한 배지 및 대기압의 입력 가스 조성을 사용해서 행해지는 발효 예는 10 내지 20 배 적은 하루 당 리터 당 에탄올을 생산하는 것으로 밝혀졌다.
CO-함유 가스 기재의 도입 비율이 액상의 CO 농도가 한정되지 않는 것을 확실하게 하도록 되는 것이 바람직하다. 이것은 CO가 한정된 조건의 결과 하나 이상의 생성물이 배양에 의해서 소비되는 것이기 때문일 수도 있다.
발효 반응에 공급되기 위해서 사용되는 가스 스트림의 조성은 이러한 반응의 효율 및/또는 비용에 상당한 영향을 줄 수 있다. 예를 들어, O2는 혐기성 발효 프로세스의 효율을 감소시킬 수도 있다. 발효 전 또는 발효 후 발효 프로세스의 단계에서 원하지 않는 또는 불필요한 가스의 처리는 이러한 단계(예를 들어, 가스 스트림이 박테리아를 입력하기 전에 압축되는 경우, 불필요한 에너지가 발효에 필요하지 않은 가스를 압축하기 위해서 사용될 수도 있다)에 대한 부담을 증가시킬 수 있다. 따라서, 원하지 않는 성분을 제거하고 바람직한 성분의 농도를 증가시키기 위해서, 기재 스트림, 특히 산업 소스로부터 유도되는 기재 스트림을 처리하는 것이 바람직할 수도 있다.
특정 실시형태에 있어서, 본 발명의 박테리아 배양은 수성 배양 배지에서 유지된다. 바람직하게는, 수성 배양 배지는 최소 혐기성 미생물 성장 배지이다. 적합한 배지는 당해 분야에 알려져 있고, 예를 들어 미국 특허 번호 5,173,429 및 5,593,886 a및 WO 02/08438에서 설명되고, 이하 실시예 부분에서 설명되는 바와 같다.
생성물은, 분별 증류 또는 증발, 퍼베이퍼레이션(pervaporation), 가스 분리 및, 액액추출을 포함하는 추출 발효와 같은, 당해 분야에 알려져 있는 방법에 의해서 발효 브로스로부터 회수될 수도 있다. 또한, 생성물은 배지 안으로 확산되거나 분비되고, 이로부터 생성물은 상분리에 의해서 추출될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 있어서, 생성물은, 생물반응기로부터 브로스의 일 부분을 계속적으로 제거하고, 브로스로부터 미생물 세포를 분리하고, 브로스로부터 생성물을 회수함으로써 발효 브로스로부터 회수된다. 알코올은 예를 들어 증류에 의해서 편리하게 회수될 수도 있다. 아세톤은 예를 들어 증류에 의해서 회수될 수도 있다. 생산된 임의의 산은 예를 들어 활성화된 목탄(charcoal)에 흡착에 의해서 회수될 수도 있다. 바람직하게는 분리된 미생물 세포는 발효 생물반응기로 복귀된다. 바람직하게는, 임의의 알콜(들) 및 산(들)이 제거된 후 남아 있는 무 세포 투과액 (cell free permeate)은 발효 생물반응기로 복귀된다. 추가의 양료 (예를 들어 비타민 B)가 무 세포 투과액에 추가되어, 투과액이 생물반응기로 복귀되기 전에 양료 배지를 보충할 수도 있다.
또한, 만약 브로스의 pH가 위에서 설명된 바와 같이 조절되어 아세트 산의 활성화된 목탄으로의 흡착을 향상시켰다면, pH는 발효 생물반응기 내 브로스의 pH와 유사한 pH로 재조절되어야 한다.
특정 일 실시형태에 있어서, 본 발명의 발효 반응에 사용된 카르복시도트로픽(carboxydotrophic) 미생물은, 클로스트리디움 오토에타노게눔(Clostridium autoethanogenum), 클로스트리디움 륭달리이(Clostridium ljungdahlii), 클로스트리디움 래그스달레이(Clostridium ragsdalei), 클로스트리디움 카르복시디보란(Clostridium carboxidivorans), 클로스트리디움 드라케이(Clostridium drakei), 클로스트리디움 스카토로젠(Clostridium scatologenes), 클로스트리디움 아세티쿰(Clostridium aceticum), 클로스트리디움 포미코아세티쿰(Clostridium formicoaceticum), 클로스트리디움 마그넘(Clostridium magnum), 뷰틸박테리움 메틸오트로피쿰(Butyribacterium methylotrophicum), 아세토박테리움 우디(Acetobacterium woodii), 알카리박테리움 바치이(Alkalibaculum bacchii), 브라우티아 프로덕타(Blautia product), 유박테리움 리모섬(Eubacterium limosum), 모렐라 서모아세티카(Moorella thermoacetica), 모렐라 써모오토트로피카(Moorella thermautotrophica), 스포로무사 오바타(Sporomusa ovata), 스포로무사 실바세티카( Sporomusa silvacetica), 스포로무사 스파에로이드(Sporomusa sphaeroides), 옥소박터 펜니기(Oxobacter pfennigii), 및 써모아나에로박터 키유비( Thermoanaerobacter kiuvi)를 포함하는 카르복시도트로픽 초산생성(acetogenic) 박테리아의 그룹으로부터 선택된다.
특정 일 실시형태에 있어서, 미생물은, 종 C. 오토에타노게눔, C. 륭달리이(Clostridium ljungdahlii), 및C. 래그스달레이 및 관련 단리물을 포함하는 에탄올생성(ethanologenic), 초산생성 크로스트리디아(Clostridia)의 클러스터로부터 선택된다. 이는 균주 C. 아우토에타노제늄 JAI-1T (DSM10061) (Abrini J, Naveau, and Nyns 1994), C. 아우토에타노제늄 LBS1560 (DSM19630) ( WO/2009/064200), C. 아우토에타노제늄 LBS1561 (DSM23693), C. 리융다홀리 PETCT (DSM13528 = ATCC 55383) (Tanner, Miller, and Yang 1993), C. 리융다홀리 ERI-2 (ATCC 55380) (미국 특허 5,593,886), C. 리융다홀리 C-01(ATCC 55988) (미국 특허, 6,368,819), C. 리융다홀리 O-52 (ATCC 55989) (미국 특허 6,368,819), C. 라그스달레이 P11T (ATCC BAA-622) (WO 2008/028055), 관련 단리물, 예컨대 "C. 코스카티(coskatii) (미국 특허 출원 US20110229947) 및 "클로스트리디움 종"(Tyurin 및 Kiriukhin, 2012), 또는 돌연변이 균주, 예컨대 C. 리융다홀리 OTA-1(Tirado- Acevedo O. Production of Bioethanol from Synthesis Gas Using Clostridium ljungdahlii. PhD thesis, North Carolina State University, 2010)을 포함하지만, 이들로 제한되지는 않는다. 이 균주는 클로스트리디아 rRNA 클러스터 I 내에 하위클러스터를 형성하고, 이의 16S rRNA 유전자는 약 30%의 유사한 낮은 GC 함량으로 99% 초과로 동일하다. 그러나, DNA-DNA 재집합 및 DNA 핑거프린팅(fingerprinting) 실험은 이 균주가 별개의 종 에 속한다는 것을 보였다(WO 2008/028055).
이 클러스터의 모든 종은 유사한 형태 및 사이즈(대수 생장 세포는 0.5 ~ 0.7 x 3 ~ 5 ㎛)를 갖고, 중온성(30 ~ 37 ℃의 최적 성장 온도)이고, 엄격히 혐기성생물이다(Abrini, Naveau, and Nyns 1994; Tanner, Miller, and Yang 1993)(WO 2008/028055).또한, 이들은 이들은 모두 동일한 주요한 계통발생 특질, 예컨대 동일한 pH 범위(5.5 ~ 6의최적 초기 pH를 갖는 pH 4 ~ 7.5), 유사한 성장 속도로 CO 함유 가스에서 강한 독립영양 성장, 및 특정한 조건 하에 형성된 소량의 2,3-부탄다이올 및 락트산 및 주요 발효 최종 생성물로서의 에탄올 및 아세트산을 갖는 유사한 대사 프로파일을 공유한다(Abrini, Naveau, and Nyns 1994; Koepke et al. 2011; Tanner, Miller, and Yang 1993)(WO 2008/028055). 인돌(indole) 생성물이 모든 3 종에서 또한 관찰되었다. 그러나, 종은 다양한 당 (예를 들어, 람노스, 아라비노스), 산(예를 들어, 글루콘산, 구연산염), 아미노 산(예를 들어, 아르기니, 히스티딘), 또는 다른 기재(예를 들어, 베타인, 부탄올)의 기재 활용에 있어서 상이하다. 또한, 종 중 일부는 어떤 비타민(예를 들어, 티아민, 바이오틴)에 대해서 영양 요구체인 한편, 다른 종들을 그렇지 않다는 점이 발견되었다. 가스 흡수를 담당하는 wood ljungdahl 경로의 조직 및 수가, 핵 및 아미노 산의 순서의 차이에도 불구하고, 모든 종에서 동일하다는 점이 밝혀졌다(Koepke et al. 2011).
일 실시형태에 있어서, 모 미생물은 클로스트리디움 오토에타노게눔 또는 클로스트리디움 륭달리이이다. 특정 일 실시형태에 있어서, 미생물은 균주 DSM10061. C. 오토에타노게눔의 유도체인 클로스트리디움 오토에타노게눔 DSM23693 이다. 다른 특정 실시형태에 있어서, 미생물은 클로스트리디움 륭달리 DSM13528 (또는 ATCC55383)이다.
문맥에서 명백하게 달리 요구하지 않으면, 상세한 설명 및 청구항을 통해서, 단어 "포함하다", "포함하는" 등은 배타적이거나, 완전적인 의미에 반하는 포괄적인 의미, 즉 "포함하고, 그러나 한정되지 않는"의 의미로 이해되어야 한다.
만약 있다면, 위 및 아래에서 인용되는 모든 출원, 특허, 및 공개의 모든 개시내용은 참조에 의해서 여기에 포함된다.
이 명세서에서 어떠한 종래 기술에 대한 참조가 이 종래 기술이 세계 어떤 나라 연구 분야에서 공통의 일반 지식의 부분을 구성한다는 점의 인정이나 어떠한 형태의 시사가 아니며, 이렇게 받아들여져서도 안 된다.
또한, 본 발명은 본원의 명세서에서 가리켜지거나 언급되는 부분, 요소 및 특징으로 구성되며, 상기 부분, 요소 또는 특징은 둘 이상의 어떠한 또는 모든 결합으로 집합적으로, 또는 개별적으로 가리켜지고 언급되고 있다.
앞의 설명 참조부호는 정수 또는 구성요소의 알려진 균등물을 갖는 정수 또는 구성요소에 되고, 이러한 정수는 여기서 개별적으로 설명된 것처럼 포함된다.
여기서 설명된 본 바람직한 실시형태에 대한 다양한 변경 및 수정은 당업자에게 자명할 것이라는 점이 주의된다. 이러한 변경 및 수정은 본 발명의 수반되는 장점을 감소시키지 않으면서, 그리고 본 발명의 사상 및 범위로부터 벗어나지 않으면서, 만들어질 수도 있다. 따라서, 이러한 변경 및 수정은 본 발명의 범위 내에 포함된다는 점이 의도된다.
실시예
실시예 1 - 벤치 스케일(bench scale)의 거품 분리기
재료 및 방법
메인 컬럼은 90 mm의 내경 및 600 mm의 높이를 갖는다. 컬럼 바닥의 조대(coarse) 가스 스파저는 구멍이 있는 파이프 타입의 스파저이다. 이 스파저의 기공 직경은 약 0.5 mm이다. 이 조대 가스 스파저로부터 생성되는 버블의 사이즈는 약 3 mm 이다.
액체 분류를 생성하기 위해서 사용되는 천공 판의 예가 도 4에 도시된다. 판은 5 mm의 기공 대 기공 거리를 갖는 삼각형 패턴으로 배열된 0.2 mm의 평균 직경을 갖는 260 개의 기공을 갖는다. 판은 레이저-천공된 기공을 갖는 스테인레스 강으로 만들어 진다.
본 실험은 증류수에 0.1 g/L SDS 인 모델 용액을 이용하여 실시되었다. 액체의 체적 유량, Q L , 은 18.45 mL/s였다. 이것은 관계식 (1) 에 의해서 2.3 m/s의 분류 속도, v j ,를 주며,
Figure 112015075016616-pct00001
(1)
여기서, N은 천공 판 상의 기공의 전체 수이고, d는 기공의 직경이다.
메인 컬럼 내에서 액체 공탑 속도(superficial liquid velocity)는 다음 식(2)에 의해서 계산되며,
Figure 112015075016616-pct00002
(2)
여기서 는 A C 컬럼의 단면적이다. 이 예에서, A C = 6362 mm2 이고, 따라서, v L = 2.9 mm/s 이다.
동일한 액체 유량에 대해서, 가스 유량은 실제 적용에 의존해 변경될 수 있다. 일 예에서, 가스 체적 유량은 출구에서 측정된 27 mL/s였다(컬럼은 대기압에서 작동되었고, 컬럼의 높이는 작고, 따라서 컬럼 내의 가스 압축은 무시할 수 있다).
체적 보존에 의해서, 생성물 스트림은 27:18.45의 가스 대 액체 분량을 가져야 하고, 액체의 분량은
Figure 112015075016616-pct00003
이다. 따라서, 정적인 컬럼에 대한 실제 액체 속도(true liquid velocity)는
Figure 112015075016616-pct00004
이다. 이것은 7.25 mm/s 보다 작은 최종 속도를 갖는 그러한 버블만이 하측으로 유동하는 액체에 의해서 운반될 수 있다는 점을 의미한다.
하기 식(3), 스토케(Stokes) 방정식(Wallis G.B., One-dimensional Two-phase Flow, 1969)을 이용하여,
Figure 112015075016616-pct00005
(3)
생성물 스트림에서의 최대 버블 직경, d b , 이 예측될 수 있다. 방정식(3)은 생성물 스트림에서 최대 버블 직경이 0.115 mm, 즉 115 마이크론 또는 ㎛ 이라는 점을 제공한다. 이것이 이 실시형태에 대한 최대 버블 직경이라는 점을 주의한다, 즉 생산물 스트림의 모든 버블이 이 직경이라는 것을 의미하지 않는다. 사진 측정(도 5)은 평균 버블 직경이 약 0.06 mm, 즉 60 마이크론이라는 점을 도시하고, 이는 누적 버블 사이즈 분포를 도시하는 도 6의 그래프에서 도시되는 바와 같이, 최대 버블 직경의 반이다. 또한, 도 5의 이미지로부터 보이지 않고 더 작은 버블의 많은 부분이 있다.
특정 일 실시형태에 있어서, 도 2 에 도시된 바와 같은 예시적 마이크로버블 분리기에 대한 작동 파라미터는 다음과 같다:
유동 16, 액체 공급, 6 mL/s, 계면활성제 농도 = 0.1 g/L
유동 17, 재순환 액체, 12 mL/s, 계면활성제 농도 = 0.01 g/L
유동 18, 가스-액체 혼합물, 27 mL/s 가스 + 18 mL/s 액체 = 45 mL/s 혼합물
유동 19, 불활성 가스 입구 = 27 mL/s
유동 23, 기포분리액(액체), 0.54 mL/s, 계면활성제 농도 = 0.5 g/L
유동 20, 27 mL/s 가스 + 0.54 mL/s 액체 = 27.54 mL/s 거품
유동 24, 가스 출구, 27 mL/s
유동 25, 테일링(tailing; 액체), 5.46 mL/s, 계면활성제 농도 = 0.01 g/L
이 프로세스에서, 공급 용액 (6 mL/s, 0.1 g/L 계면활성제) 는 0.5 g/L의 계면활성제를 함유하는 농축된 스트림으로 전환되며(즉, 5의 부화 인자), 91%의 수율을 갖는다.
실시예 2 - 파일럿 스케일(pilot scale)의 생물반응기
제 1 실시예에서 설명된 바와 동일한 원리를 이용하여, 생물반응기로서 사용될 수 있는 더 큰 스케일의 가스-액체 접촉기(contactor)가 구성될 수 있다. 이 실시예에서, 생물반응기는 240 L의 파일럿 스케일 반응기에서 95 %의 산소 가스 전환을 달성하도록 구성된다. 마이크로버블 혼합물에서 구성된 체적 가스 분량은 24 % 이다.
마이크로버블 반응기의 메인 섹션은 0.5 m의 직경 및 1.2 m의 높이를 갖고, 2.4 의 높이 대 직경의 비를 갖는다. 펌프는 메인 컬럼의 단면적에 근거해서 0.05 m/s의 하향 액체 공탑 속도를 제공하도록 선택된다. 2.5 mm 직경의 큰 버블은 0.014 m/s의 가스 공탑 속도에 대응하여 10 m3/hr의 전체 체적 가스 유량으로 반응기의 바닥에 도입된다. 이 시스템으로부터 생성되는 마이크로버블은 120 마이크론의 직경을 갖는다.
더 큰 버블로 인한 메인 컬럼에서의 가스 억류현상(holdup)은 4.5 %이고, 마이크로버블로 인한 가스 억류현상은 24 %이다. 큰 버블 및 마이크로버블로 인한 가스-액체 혼합물의 비표면적, a, 는 모두 다음 수식(4)에 의해서 계산되며,
Figure 112015075016616-pct00006
(4)
여기서, G 는 큰 버블 또는 마이크로버블 중 어느 하나로 인한 대응하는 가스 억류현상이다. d b 는 평균 버블 직경이다. 방정식 4는 위에서 구성된 반응기가 적어도
Figure 112015075016616-pct00007
의 비표면적을 가질 것이라는 점을 보인다. 모든 다른 것이 동일하면, 이 반응기는, 1 mm의 평균 버블 직경 및 1,200 m- 1으로 20 %의 가스 억류현상에서 작동되는 종래의 버블 컬럼의 적어도 10 배 만큼 큰 체적 질량 전달 계수, k L a,를 가질 것이다.
이것은 동일한 생산성을 달성하기 위해서, 마이크로버블 발생기를 이용하는 생물반응기가 종래의 버블 컬럼 반응기 또는 전형적인 작동 조건 하의 버블 컬럼 반응기보다 90 % 더 작을 수 있다는 점을 의미한다. 적어도 부분적으로, 이것은 전형적으로 높은 에너지 소비와 연관된 상승된 압력의 요건을 제거하고, 따라서 시스템의 에너지 효율을 향상시킨다.
실시예 3 - 반응기 적층체(stacks)
제 2 예에서 설명된 바와 같이, 마이크로버블 반응기는 종래의 버블 컬럼 반응기보다 사이즈가 상당히 더 작을 수 있다. 특히, 마이크로버블 반응기는 종래의 버블 컬럼 반응기 보다 높이가 상당히 더 낮을 수 있다. 지표 면적을 더 잘 이용하기 위해서, 하나의 마이크로버블 반응기를 다른 것의 위에 적층하는 하여 종래의 버블 컬럼 반응기에 동등한 전체적인 높이 대 직경 비를 제공하는 것이 관련된다.
도 7은 이러한 구성의 예를 도시하며, 여기서 3 개의 개별 마이크로버블 반응기(R-1, R-2, R-3)가 수직 적층으로 배치된다. 3 개의 개별 반응기 각각은 도 1에 도시된 것과 동일한 구성을 갖는다. 지지 구조체는 명료성을 위해서 도면에 포함되지 않으나, 당업자에게 자명하다. 메인 공급원(1)으로부터의 가스 스트림은, 당업자에게 알려진, 적합한 유동 및 압력 제어 기구에 의해서 3 개의 반응기 각각으로 분기된다. 각각의 반응기로의 가스 유량은 동일할 수 있으나, 또한 서로 상이할 수 있다. 가스는 대응하는 스파저(S-1, S-2, S-3)를 통해서 큰 버블과 같은 형태로 적층된 반응기 각각에 도입된다.
개별 반응기로부터의 마이크로버블을 함유하는 액체 스트림은 가스-액체 분리기(4)에 의해서 수집되고, 여기 상류에서 액체의 일 부분이 유동 제어 밸브(3)를 통해서 생산물 스트림으로서 시스템으로부터 회수된다. 가스-액체 분리기(4)는 액체 샤워기(6)를 포함하고, 여기서 일정한 레벨의 기포 저감제, 또는 다른 개별 반응기 또는 다른 반응기 적층으로부터의 생성물의 어떤 부분을 함유하는 신규 배지가 가스-액체 분리기에 분사되어 가스-액체 분리를 돕는다. 배기 가스는 가스-액체 분리기 상의 포트(5)를 통해서 시스템을 떠난다. 탈기된 액체는 펌프(7)를 통해서 마이크로버블 생성기로 요구되어지고, 다음으로 마이크로버블 생성을 위해서 액체 분류로 분기된다.

Claims (33)

  1. (a) 가스 스파저(sparger)를 통해서, 액체를 수용하는 컬럼(column) 내에 가스를 취입(sparge)하여 가스 버블을 형성하는 단계로서, 상기 가스 버블은 상기 액체의 상부로 이동하여 거품 층을 형성하는 것인 단계; 및
    (b) 상기 가스 스파저의 위쪽에 위치된 천공 판의 위쪽에 위치된 입구를 통해서 상기 컬럼에 추가의 액체를 도입하는 단계로서, 상기 거품 층은 상기 천공 판의 레벨 아래에 유지되고, 액체 분류(jet)가 상기 거품 층에서 상기 버블과 접촉하고 상기 액체에 포입된(entrained) 마이크로버블을 생성하도록 상기 추가의 액체가 천공 판을 통해 아래쪽으로 통과하여 상기 액체 분류를 형성하며, 상기 마이크로버블은 상기 액체 분류에 의해 컬럼 아래로 씻겨 내려가는 단계를 포함하는, 마이크로버블 생성 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    단계(b)의 상기 천공 판은 0.1 내지 0.5 mm의 직경을 갖는 천공을 포함하는, 마이크로버블 생성 방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 컬럼에 수용된 액체 또는 상기 컬럼에 도입되는 액체 스트림은 단백질, 펩타이드, 이온성 계면활성제, 비이온성 계면활성제, 생물학적 계면활성제, 소수성 입자, 및 양쪽 친매성 입자로 구성되는 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 표면 활성 종을 함유하는, 마이크로버블 생성 방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 생성된 마이크로버블은 200 내지 10 ㎛의 직경을 갖는, 마이크로버블 생성 방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 액체에 포입된 마이크로버블의 적어도 일 부분을 거품/액체 분리기로 보내어 분리된 액체 스트림 및 분리된 거품 스트림을 생성하는 단계를 더 포함하는, 마이크로버블 생성 방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 분리된 액체 스트림의 적어도 일 부분을 다시 상기 컬럼으로 보내는 단계를 더 포함하는, 마이크로버블 생성 방법.
  7. 청구항 5에 있어서,
    상기 분리된 거품 스트림의 적어도 일 부분을 탈포 탱크(de-foaming tank)로 보내는 단계를 더 포함하는, 마이크로버블 생성 방법.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 액체에 포입된 마이크로버블의 적어도 일 부분을 가스/액체 분리기로 보내어, 실질적으로 불용성인 가스를 포함하는 분리된 가스 스트림과 실질적으로 용해되는 용해성 가스를 포함하는 분리된 액체 스트림을 생성하는 단계를 더 포함하는, 마이크로버블 생성 방법.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 마이크로버블의 사이즈를 제어하기 위해서, 상기 스파저 기공의 직경, 가스 취입 유량 및 액체 분류 속도로 구성되는 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 파라미터를 조절하는 단계를 더 포함하는, 마이크로버블 생성 방법.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 컬럼으로부터 가스 릴리프 밸브를 통해서 가스 압력을 방출하는 단계를 더 포함하는, 마이크로버블 생성 방법.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 액체에 포입된 마이크로버블의 적어도 일 부분을 발효 브로스(broth)의 적어도 하나의 미생물의 배양체(culture)에 제공하고, 상기 배양체를 혐기적으로 발효시켜 적어도 하나의 생성물을 생성하는 단계를 더 포함하는, 마이크로버블 생성 방법.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 마이크로버블은 CO를 포함하는, 마이크로버블 생성 방법.
  13. 청구항 11에 있어서,
    상기 적어도 하나의 생성물은 에탄올, 부탄올, 2,3-부탄디올, 아세톤, 이소프로판올, 아세트산, 락트산, 및 바이오매스로 구성되는 군으로부터 선택되는, 마이크로버블 생성 방법.
  14. 청구항 11에 있어서,
    상기 배양체는 상기 컬럼 내측에 위치되는, 마이크로버블 생성 방법.
  15. 청구항 11에 있어서,
    상기 배양체는 생물반응기 베셀에 위치되는, 마이크로버블 생성 방법.
  16. 청구항 15에 있어서,
    가스가 포집된 발효 브로스의 적어도 일 부분을 상기 생물반응기 베셀로부터 주(primary) 가스/액체 분리기로 보내어 분리된 가스 스트림 및 분리된 발효 브로스 스트림을 형성하는 단계를 더 포함하는, 마이크로버블 생성 방법.
  17. 청구항 16에 있어서,
    상기 분리된 가스 스트림의 적어도 일 부분을 상기 가스 스파저를 통해서 상기 컬럼에 다시 보내는 단계를 더 포함하는, 마이크로버블 생성 방법.
  18. 청구항 16에 있어서,
    상기 분리된 발효 브로스 스트림의 적어도 일 부분을 상기 입구를 통해서 상기 컬럼에 다시 보내는 단계를 더 포함하는, 마이크로버블 생성 방법.
  19. 청구항 16에 있어서,
    상기 입구를 통해서 상기 컬럼으로 보내기 전에 상기 분리된 발효 브로스 스트림으로부터 적어도 하나의 생성물을 분리하는 단계를 더 포함하는, 마이크로버블 생성 방법.
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