KR102214878B1 - 물 사용을 감소시키는데 효과적인 저 포스페이트 배지 내의 co-함유 가스 기질의 발효 방법 - Google Patents

물 사용을 감소시키는데 효과적인 저 포스페이트 배지 내의 co-함유 가스 기질의 발효 방법 Download PDF

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Abstract

저 포스페이트 배지에서 CO-함유 가스 기질을 발효시키기 위한 공정이 제공된다. 상기 공정은 하나 이상의 전이 금속 원소를 포함하는 액체 배지와 적어도 하나 이상의 기타 전이 금속 원소 및 하나의 비-금속 원소를 포함하는 액체 배지를 블렌딩하여 발효 배지를 제공하는 것을 포함한다. 상기 공정은 하나 이상의 비-금속 원소와의 하나 이상의 전이 금속 원소의 침전을 방지하는데 효과적이다. 본 공정에서 사용된 발효 배지는 상당히 저하된 양의 물 및 감소된 포스페이트 수준을 필요로 하는 방식으로 제조된다.

Description

물 사용을 감소시키는데 효과적인 저 포스페이트 배지 내의 CO-함유 가스 기질의 발효 방법 {A PROCESS FOR FERMENTING CO-CONTAINING GASEOUS SUBSTRATES IN A LOW PHOSPHATE MEDIUM EFFECTIVE FOR REDUCING WATER USAGE}
본 출원은 2013 년 6 월 10 일에 출원되고, 그 전체가 본원에 참조로서 인용되는 미국 가출원 번호 61/833,240 의 혜택을 청구한다.
저 포스페이트 배지에서 CO-함유 가스 기질을 발효시키기 위한 방법이 제공된다. 더욱 구체적으로, 상기 방법은 보다 적은 양의 물을 필요로 하는 방식으로 제조된 배지에서 CO-함유 가스 기질을 발효시키는 것을 포함한다.
초산생성 미생물은 가스 기질의 발효를 통해 일산화탄소 (CO) 로부터 에탄올을 생성할 수 있다. 클로스트리듐 (Clostridium) 속으로부터의 혐기성 미생물을 사용하는 발효는 에탄올 및 기타 유용한 생성물을 생성한다. 예를 들어, 미국 특허 번호 5,173,429 에는 합성 가스로부터 에탄올 및 아세테이트를 생성하는 혐기성 미생물인 클로스트리듐 륭달리 (Clostridium ljungdahlii) ATCC No. 49587 이 기재되어 있다. 미국 특허 번호 5,807,722 에는 클로스트리듐 륭달리 (Clostridium ljungdahlii) ATCC No. 55380 을 사용하여 폐 가스를 유기 산 및 알코올로 전환하기 위한 공정 및 장치가 기재되어 있다. 미국 특허 번호 6,136,577 에는 클로스트리듐 륭달리 (Clostridium ljungdahlii) ATCC No. 55988 및 55989 를 사용하여 폐 가스를 에탄올로 전환하기 위한 공정 및 장치가 기재되어 있다.
발효 공정은 종종 다량의 물 및 영양분을 필요로 한다. 물 사용을 감소시키고, 특정 성분을 제외하고, 알코올 생산성을 유지하면서 다른 성분의 필요한 농도 수준을 감소시키는 것은 특히 상업적 규모의 발효에서, 상당한 비용 절감을 제공할 수 있다.
요약
보다 적은 양의 물을 사용하는 CO-함유 가스 기질을 발효시키기 위한 방법이 제공된다. 상기 방법에 사용되는 발효 배지는 상당히 적은 양의 물 및 감소된 수준의 포스페이트를 필요로 하는 방식으로 제조된다.
발효 공정은 하나 이상의 전이 금속 원소를 포함하는 액체 배지와 적어도 하나 이상의 다른 전이 금속 원소 및 하나의 비-금속 원소를 포함하는 액체 배지를 블렌딩하여 발효 배지를 제공하는 것을 포함한다. 상기 방법은 CO-함유 기질을 발효 배지와 접촉시키고 CO-함유 기질을 발효시켜 산성 pH 를 제공하는 것을 포함한다. 하나 이상의 전이 금속 원소의 하나 이상의 비-금속 원소와의 침전을 방지하기에 효과적이고 생성되는 에탄올 U.S. 갤론 당 발효 배지에 제공되는 약 2 U.S. 갤론 이하의 물을 이용하기에 효과적이다.
CO-함유 기질의 발효 방법은 CO-함유 기질을 발효기에 제공하는 것 및 CO-함유 기질을 발효 배지와 접촉시키는 것을 포함한다. 상기 방법은 Zn, Co 및 Ni 로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나 이상의 원소를 포함하는 첫번째 용액을 W 및 Se 로 이루어지는 군으로부터의 하나 이상의 원소를 포함하는 두번째 용액과 약 30 mS/cm 이하의 전도성 및 약 3 mM 이하의 포스페이트를 함유하는 발효 배지를 제공하기에 효과적인 양으로 블렌딩하는 것을 포함하는 방법에 의해 발효 배지를 제공하는 것을 포함한다. CO-함유 기질을 발효하는 것은 10 g 총 알코올/(L·일) 이상의 STY 를 제공하기에 효과적이고 생성되는 에탄올 U.S. 갤론 당 발효 배지에 제공되는 약 2 U.S. 갤론 이하의 물을 이용하기에 효과적이다.
또다른 양상에서, 발효 배지의 제조에서 물 사용을 감소시키기 위한 방법은 Zn, Co, Ni 중 하나 이상으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 원소를 포함하는 용액을 W, Se 중 하나 이상으로 이루어지는 군으로부터의 원소를 포함하는 용액과 약 30 mS/cm 이하의 전도성을 갖는 발효 배지를 제공하기에 효과적인 양으로 블렌딩하는 것을 포함한다. 발효 배지는 약 3 mM 초과의 포스페이트를 함유하는 발효 배지보다 약 10% 내지 약 40% 미만의 물을 필요로 한다.
본 방법의 여러 양상의 상기 및 기타 양상, 특징 및 장점은 하기 도면으로부터 더욱 명백해질 것이다.
도 1 은 저 포스페이트 배지 상의 정상 (steady) 상태 클로스트리듐 륭달리 (Clostridium ljungdahlii) 배양물의 성능 및 pH 를 조절하고 질소 공급원으로서 작용하는 염기로서의 NH4OH 의 사용을 예증한다.
하기 설명은 제한되는 의미로 해석되는 것이 아니고, 단지 예시적 구현예의 일반적인 원리를 기재하는 목적으로 설명된다. 본 발명의 범주는 특허청구범위를 참조로 하여 결정되어야만 한다.
하나의 양상에서, 발효기에 대한 영양소 공급물 중의 영양소 수준은 발효기 내의 초산생성 박테리아에 의한 각각의 영양소의 % 소모가 본질적으로 동일한 식으로 최적화된다. 예상외로, 소모되는 영양소의 양과 배지 내에 영양소의 산출되는 잔류 양 사이의 불균형이 전도성의 증가 및 발효 성능의 감소를 산출한다. 증가된 전도성을 완화시키기 위해, 다량의 물이 필요했다. 제공되는 영양소와 소모되는 영양소의 주의깊은 균형은 감소된 물 사용 및 감소된 영양소 사용을 산출한다. 본 양상에서, 영양소 배지 및 발효 공정은 90% 이상의 영양소가 이용되고, 또다른 양상에서, 적어도 약 95% 이상의 영양소가 이용되는 식으로 영양소 이용을 최적화한다.
본원에 기재되는 바와 같은 배지 및 초산생성 박테리아가 있는 생물반응기에서 수행된 신가스 발효는 신가스 중의 CO 의 알코올 및 기타 생성물로의 전환을 제공하기에 효과적이다. 본 양상에서, 생산성은 STY (g 총 알코올/(L·일) 로서 표현되는 공간 시간 수율) 로서 표현될 수 있다. 본 양상에서, 상기 방법은 적어도 약 10 g 이상의 총 알코올/(L·일) 의 STY (공간 시간 수율) 를 제공하기에 효과적이다. 가능한 STY 값은 약 10 g 총 알코올/(L·일) 내지 약 200 g 총 알코올/(L·일), 또다른 양상에서, 약 10 g 총 알코올/(L·일) 내지 약 160 g 총 알코올/(L·일), 또다른 양상에서, 약 10 g 총 알코올/(L·일) 내지 약 120 g 총 알코올/(L·일), 또다른 양상에서, 약 10 g 총 알코올/(L·일) 내지 약 80 g 총 알코올/(L·일), 또다른 양상에서, 약 20 g 총 알코올/(L·일) 내지 약 140 g 총 알코올/(L·일), 또다른 양상에서, 약 20 g 총 알코올/(L·일) 내지 약 100 g 총 알코올/(L·일), 또다른 양상에서, 약 40 g 총 알코올/(L·일) 내지 약 140 g 총 알코올/(L·일), 또다른 양상에서, 약 40 g 총 알코올/(L·일) 내지 약 100 g 총 알코올/(L·일) 을 포함한다.
정의
다르게 정의되지 않는다면, 본 발명에 대한 본 명세서 전반에 사용되는 바와 같은 하기 용어는 다음과 같이 정의되고, 하기 정의되는 단수형 또는 복수형 형태의 정의를 포함할 수 있다:
임의의 양을 수식하는 용어 "약" 은 실제 조건에서, 예를 들어, 실험실, 시험 공장, 또는 생산 설비에서 마주하는 양의 변화를 말한다. 예를 들어, "약" 에 의해 수식될 때의 혼합물 또는 정량에서 사용되는 성분 또는 측정값의 양에는 생산 공장 또는 실험실에서의 실험 조건에서 측정시 전형적으로 사용되는 변형 및 케어 정도가 포함된다. 예를 들어, "약" 에 의해 수식되는 경우 생성물의 성분의 양에는 공장 또는 실험실에서의 복합 실험 중의 배치 사이의 변화 및 분석 방법에서의 고유한 변화가 포함된다. "약" 에 의해 수식되는 지와 관계 없이, 양에는 상기 양에 대한 등가물이 포함된다. 본원에 언급되고 "약" 에 의해 수식된 임의의 정량은 또한 "약" 에 의해 수식되지 않은 양으로서 본 명세서에 사용될 수 있다.
용어 "가스 기질" 은 비-제한적인 의미에서 하나 이상의 가스를 함유하거나 이로부터 유도된 기질을 포함하는 것으로 사용된다.
용어 "신가스 (syngas)" 또는 "합성 가스" 는 다양한 양의 일산화탄소 및 수소를 함유하는 가스 혼합물에 제공되는 명칭인 합성 가스를 의미한다. 제조 방법의 예에는 수소를 제조하기 위한 천연 가스 또는 탄화수소의 스트림 개질 (reforming), 석탄의 가스화 및 폐기물에서 에너지로의 (waste-to-energy) 가스화 설비의 일부 유형에서 포함된다. 이름은 합성 천연 가스 (SNG) 를 창출하고 암모니아 또는 메탄올을 제조하기 위한 중간체로서의 이들의 용도로부터 기원한다. 신가스는 가연성이고 종종 연료 공급원으로서 또는 다른 화학물질의 제조를 위한 중간체로서 사용된다.
용어 "발효기" 에는 연속 교반 탱크 반응기 (Continuous Stirred Tank Reactor: CSTR), 고정화된 세포 반응기 (Immobilized Cell Reactor: ICR), 트리클 베드 반응기 (Trickle Bed Reactor: TBR), 유동층 바이오필름 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), 정지 믹서 (Static Mixer), 또는 가스-액체 접촉에 적합한 다른 용기 또는 다른 장치를 포함하는, 하나 이상의 용기 및/또는 타워 또는 파이프 정렬로 이루어지는 발효 장치가 포함된다.
용어 "발효", 발효 공정" 또는 "발효 반응" 등은 방법의 성장 상 및 생성물 생합성 상 모두를 포함하는 것으로 의도된다. 하나의 양상에서, 발효는 CO 의 알코올로의 전환을 말한다.
용어 "세포 밀도" 는 발효 브로스의 단위 부피 당 미생물 세포의 질량 (예를 들어, 그램/리터) 을 의미한다.
용어 "효율을 증가시킴", "증가된 효율" 등은 발효 공정과 관련하여 사용될 때 발효 내의 미생물의 성장 속도, 소모되는 기질 (예컨대 일산화탄소) 의 부피 또는 질량 당 생성되는 원하는 생성물 (예컨대 알코올) 의 부피 또는 질량, 원하는 생성물의 생성 속도 또는 생성 수준, 및 다른 발효 부산물과 비교하여 생성된 원하는 생성물의 상대적인 비율 중 하나 이상을 증가시키는 것을 포함한다.
본원에서 사용되는 바와 같은, "총 알코올" 에는 에탄올, 부탄올, 프로판올 및 메탄올이 포함된다. 하나의 양상에서, 총 알코올은 적어도 약 75 중량% 이상의 에탄올, 또다른 양상에서, 약 80 중량% 이상의 에탄올, 또다른 양상에서, 약 85 중량% 이상의 에탄올, 또다른 양상에서, 약 90 중량% 이상의 에탄올, 또다른 양상에서, 약 95 중량% 이상의 에탄올을 포함할 수 있다. 또다른 양상에서, 총 알코올은 약 25 중량% 이하의 부탄올을 포함할 수 있다.
용어 "특이적 CO 섭취" 는 단위 시간 (분) 당 미생물 세포의 단위 질량 (g) 에 의해 소모되는 CO 의 양 (mmole), 즉, mmole/그램/분을 의미한다.
CO-함유 기질
CO-함유 기질에는 CO 를 포함하는 임의의 가스가 포함될 수 있다. 본 양상에서, CO-함유 가스에는 신가스, 산업적 가스, 및 이의 혼합물이 포함될 수 있다.
신가스는 임의의 공지된 공급원으로부터 제공될 수 있다. 하나의 양상에서, 신가스는 탄소계 재료의 가스화로부터 공급될 수 있다. 가스화는 산소의 제한된 공급물 내의 바이오매스의 부분적인 연소를 수반한다. 산출 가스에는 주로 CO 및 H2 가 포함된다. 본 양상에서, 신가스는 적어도 약 10 mole % CO, 하나의 양상에서, 적어도 약 20 mole %, 하나의 양상에서, 약 10 내지 약 100 mole %, 또다른 양상에서, 약 20 내지 약 100 mole % CO, 또다른 양상에서, 약 30 내지 약 90 mole % CO, 또다른 양상에서, 약 40 내지 약 80 mole % CO, 또다른 양상에서, 약 50 내지 약 70 mole % CO 를 함유할 것이다. 적합한 가스화 방법 및 장치의 일부 예는 모두 본원에 참조로서 인용되는 미국 일련 번호 61/516,667, 61/516,704 및 61/516,646 (모두 2011 년 4 월 6 일에 출원되었음), 및 미국 일련 번호 13/427,144, 13/427,193 및 13/427,247 (모두 2012 년 3 월 22 일에 출원되었음) 에 제공된다.
또다른 양상에서, 상기 방법은 가스 기질 예컨대 고 부피 CO-함유 산업적 연도 가스로부터의 알코올의 생성을 지지하는 이용가능성을 갖는다. 일부 양상에서, CO 를 포함하는 가스는 탄소 함유 폐기물, 예를 들어, 산업적 연도 가스로부터 또는 다른 폐기물의 가스화로부터 유래된다. 이와 같이, 상기 방법은 그렇지 않으면 환경 내로 배출될 탄소를 포획하기 위한 효과적인 방법을 나타낸다. 산업적 연도 가스의 예에는 철 금속 제품 제조, 비-철 제품 제조, 석유 정제 공정, 석탄의 가스화, 바이오매스의 가스화, 전력 생성, 카본 블랙 생성, 암모니아 생성, 메탄올 생성 및 코크스 제조 동안 생성되는 가스가 포함된다.
CO-함유 기질의 조성에 따라, 상기 CO-함유 기질은 발효 공정에 직접 공급될 수 있고 또는 적합한 H2 대 CO 몰 비를 포함하도록 추가로 개질될 수 있다. 하나의 양상에서, 발효기에 제공되는 CO-함유 기질은 약 0.2 이상, 또다른 양상에서, 약 0.25 이상, 또다른 양상에서, 약 0.5 이상의 H2 대 CO 몰 비를 갖는다. 또다른 양상에서, 발효기에 제공되는 CO-함유 기질은 약 40 mole % 이상의 CO 와 H2 및 약 30 mole % 이하의 CO, 또다른 양상에서, 약 50 mole % 이상의 CO 와 H2 및 약 35 mole % 이하의 CO, 또다른 양상에서, 약 80 mole % 이상의 CO 와 H2 및 약 20 mole % 이하의 CO 를 포함할 수 있다.
하나의 양상에서, 상기 CO-함유 기질은 CO 및 H2 를 주로 포함한다. 본 양상에서, 상기 CO-함유 기질은 적어도 약 10 mole % CO, 하나의 양상에서, 적어도 약 20 mole %, 하나의 양상에서, 약 10 내지 약 100 mole %, 또다른 양상에서, 약 20 내지 약 100 mole % CO, 또다른 양상에서, 약 30 내지 약 90 mole % CO, 또다른 양상에서, 약 40 내지 약 80 mole % CO, 또다른 양상에서, 약 50 내지 약 70 mole % CO 를 함유할 것이다. 상기 CO-함유 기질은 적어도 약 0.75, 또다른 양상에서, 적어도 약 1.0, 또다른 양상에서, 적어도 약 1.5 의 CO/CO2 비를 가질 것이다.
하나의 양상에서, 가스 분리기는 가스 스트림의 하나 이상의 부분을 상당히 분리하도록 구성되고, 상기 부분은 하나 이상의 성분을 포함한다. 예를 들어, 상기 가스 분리기는 하기 성분: CO, CO2, H2 를 포함하는 가스 스트림으로부터 CO2 를 분리할 수 있고, CO2 는 CO2 제거기로 통과될 수 있고 가스 스트림의 나머지 (CO 및 H2 를 포함함) 는 생물반응기로 통과될 수 있다. 당업계에 공지된 임의의 가스 분리기가 사용될 수 있다. 본 양상에서, 발효기에 제공되는 신가스는 약 10 mole % 이하의 CO2, 또다른 양상에서, 약 1 mole % 이하의 CO2, 또다른 양상에서, 약 0.1 mole % 이하의 CO2 를 가질 것이다.
특정 가스 스트림은 고 농도의 CO 및 저 농도의 H2 를 포함할 수 있다. 하나의 양상에서, 높은 효율의 알코올 생성 및/또는 전반적인 탄소 포획을 달성하도록 기질 스트림의 조성을 최적화하는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들어, 기질 스트림 내의 H2 의 농도는 스트림이 생물반응기에 통과하기 전에 증가될 수 있다.
본 발명의 특정 양상에 따르면, 2 개 이상의 공급원으로부터의 스트림은 바람직한 및/또는 최적화된 기질 스트림을 생성하기 위해 조합 및/또는 블렌딩될 수 있다. 예를 들어, 고 농도의 CO 를 포함하는 스트림, 예컨대 제철소 컨버터로부터의 배기물은 고농도의 H2 를 포함하는 스트림, 예컨대 제철소 코크스 오븐으로부터의 배기가스 (off-gas) 와 조합될 수 있다.
가스 CO-함유 기질의 조성에 따라, 또한 이것을 임의의 원치 않는 불순물, 예컨대 발효에 도입하기 전의 먼지 입자를 제거하기 위해 처리하는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들어, 상기 가스 기질은 공지된 방법을 사용하여 여과되거나 스크럽될 수 있다.
생물반응기 디자인 및 조작
발효기 디자인의 설명은 모두 참조로서 본원에 인용되는 미국 일련 번호 13/471,827 및 13/471,858 (둘 다 2012 년 5 월 15 일에 출원됨), 및 미국 일련 번호 13/473,167 (2012 년 5 월 16 일에 출원됨) 에 기재되어 있다.
하나의 양상에 따르면, 상기 발효 공정은 반응기 용기에 대한 배지의 첨가에 의해 시작된다. 배지 조성물의 일부 예는 모두 참조로서 본원에 인용되는 미국 일련 번호 61/650,098 및 61/650,093 (2012 년 5 월 22 일에 출원됨), 및 미국 특허 번호 7,285,402 (2001 년 7 월 23 일에 출원됨) 에 기재되어 있다. 배지는 원치않는 미생물을 제거하도록 멸균할 수 있고 반응기를 원하는 미생물로 접종한다. 멸균이 항상 필요한 것은 아니다.
하나의 양상에서, 이용되는 미생물에는 초산생성 박테리아가 포함된다. 유용한 초산생성 박테리아의 예에는 클로스트리듐 (Clostridium) 속, 예컨대 WO 2000/68407, EP 117309, 미국 특허 번호 5,173,429, 5,593,886 및 6,368,819, WO 1998/00558 및 WO 2002/08438 에 기재된 것들을 포함하는 클로스트리듐 륭달리 (Clostridium ljungdahlii) 의 균주, WO 2007/117157 및 WO 2009/151342 에 기재된 것들을 포함하는 클로스트리듐 오토에타노게눔 (Clostridium autoethanogenum) 의 균주 (DSMZ, Germany 의 DSM 10061 및 DSM 19630) 및 미국 특허 번호 7,704,723 및 2010 년 4 월 29 일에 오클라호마 EPSCoR 연례 미국 주 컨퍼런스 (Oklahoma EPSCoR Annual State Conference) 에서 발표된 "Biofuels and Bioproducts from Biomass-Generated Synthesis Gas" (Hasan Atiyeh) 에 각각 기재된 것들을 포함하는 클로스트리듐 라그스달레이 (Clostridium ragsdalei) (P11, ATCC BAA-622) 및 알칼리바쿨럼 바치 (Alkalibaculum bacchi) (CP11, ATCC BAA-1772) 및 미국 특허 출원 번호 2007/0276447 에 기재된 클로스트리듐 카르복시디보란스 (Clostridium carboxidivorans) (ATCC PTA-7827) 가 포함된다. 다른 적합한 미생물에는 무렐라 종 (Moorella sp.) HUC22-1 을 포함하는 무렐라 (Moorella) 속의 것들 및 카르복시도테르무스 (Carboxydothermus) 속의 것들이 포함된다. 상기 참조문헌 각각은 본원에 참조로서 인용된다. 2 가지 이상의 미생물의 혼합된 배양물이 사용될 수 있다.
유용한 박테리아의 일부 예에는 아세토게늄 키부이 (Acetogenium kivui), 아세토아나에로븀 노테라에 (Acetoanaerobium noterae), 아세토박테리움 우디이 (Acetobacterium woodii), 알칼리바쿨럼 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), 클로스트리듐 아세티쿰 (Clostridium aceticum), 클로스트리듐 아세토부틸리쿰 (Clostridium acetobutylicum), 클로스트리듐 아세토부틸리쿰 (Clostridium acetobutylicum) P262 (DSMZ Germany 의 DSM 19630), 클로스트리듐 오토에타노게눔 (Clostridium autoethanogenum) (DSMZ Germany 의 DSM 19630), 클로스트리듐 오토에타노게눔 (Clostridium autoethanogenum) (DSMZ Germany 의 DSM 10061), 클로스트리듐 오토에타노게눔 (Clostridium autoethanogenum) (DSMZ Germany 의 DSM 23693), 클로스트리듐 오토에타노게눔 (Clostridium autoethanogenum) (DSMZ Germany 의 DSM 24138), 클로스트리듐 카르복시디보란스 (Clostridium carboxidivorans) P7 (ATCC PTA-7827), 클로스트리듐 코스카티이 (Clostridium coskatii) (ATCC PTA-10522), 클로스트리듐 드라케이 (Clostridium drakei), 클로스트리듐 륭달리 (Clostridium ljungdahlii) PETC (ATCC 49587), 클로스트리듐 륭달리 (Clostridium ljungdahlii) ERI2 (ATCC 55380), 클로스트리듐 륭달리 (Clostridium ljungdahlii) C-01 (ATCC 55988), 클로스트리듐 륭달리 (Clostridium ljungdahlii) O-52 (ATCC 55889), 클로스트리듐 마그눔 (Clostridium magnum), 클로스트리듐 파스퉤리아눔 (Clostridium pasteurianum) (DSMZ Germany 의 DSM 525), 클로스트리듐 라그스달리 (Clostridium ragsdali) P11 (ATCC BAA-622), 클로스트리듐 스카톨로게네스 (Clostridium scatologenes), 클로스트리듐 테르모아세티쿰 (Clostridium thermoaceticum), 클로스트리듐 울투넨세 (Clostridium ultunense), 데술포토마쿨럼 쿤즈네트소비이 (Desulfotomaculum kuznetsovii), 유박테리움 리모숨 (Eubacterium limosum), 게오박테르 술푸르레듀센스 (Geobacter sulfurreducens), 메타노사르시나 아세티보란스 (Methanosarcina acetivorans), 메타노사르시나 바르케리 (Methanosarcina barkeri), 모렐라 테르모아세티카 (Morrella thermoacetica), 모렐라 테르모오토트로피카 (Morrella thermoautotrophica), 옥소박테르 페니기이 (Oxobacter pfennigii), 펩토스트렙토코쿠스 프로둑투스 (Peptostreptococcus productus), 루미노코쿠스 프로둑투스 (Ruminococcus productus), 테르모안아에로박테르 키부이 (Thermoanaerobacter kivui), 및 이의 혼합물이 포함된다.
발효는 바람직하게는 원하는 발효가 일어나기 위해 (예를 들어, CO-에서-에탄올로) 적합한 조건 하에서 실시되어야만 한다. 고려되어야만 하는 반응 조건에는 압력, 온도, 가스 흐름 속도, 액체 흐름 속도, 배지 pH, 배지 산화환원 전위, 진탕 속도 (연속 교반 탱크 반응기를 사용하는 경우), 접종물 수준, 액체 상 내의 CO 가 제한되지 않도록 확보하는 최대 가스 기질 농도, 및 생성물 억제를 피하도록 하는 최대 생성물 농도가 포함된다.
본 발명의 방법은 미생물 배양물의 생존력을 지속시키는데 사용될 수 있는데, CO 의 용액 내로의 전달 속도가 배양물의 섭취 속도보다 적도록 미생물 배양물이 CO 에서 제한된다. 이러한 상황은 CO 를 포함하는 기질이 미생물 배양물에 연속적으로 제공되지 않는; 물질 전달 속도가 낮은; 또는 최적 온도에서 배양물 생존력을 지속시키기 위한 기질 스트림 내의 CO 가 불충분한 경우 일어날 수 있다. 이러한 구현예에서, 미생물 배양물은 액체 영양분 배지에 용해된 CO 를 빠르게 고갈시킬 것이고 기질을 충분히 빠르게 공급될 수 없는 추가의 성분으로서 제한되게 할 것이다.
스타트업: 접종 시, 초기 공급 가스 공급물 속도는 미생물의 초기 집단을 공급하기에 효과적으로 성립된다. 유출 가스는 유출 가스의 함량을 결정하기 위해 분석된다. 가스 분석 결과는 공급 가스 속도를 조절하기 위해 사용된다. 본 양상에서, 상기 방법은 약 0.5 내지 약 0.9, 또다른 양상에서, 약 0.6 내지 약 0.8, 또다른 양상에서, 약 0.5 내지 약 0.7, 또다른 양상에서, 약 0.5 내지 약 0.6 의 계산된 CO 농도 대 초기 세포 밀도 비를 제공한다.
또다른 양상에서, 발효 공정에는 신가스를 발효 배지에 약 0.15 mM 내지 약 0.70 mM, 또다른 양상에서, 약 0.15 mM 내지 약 0.50 mM, 또다른 양상에서, 약 0.15 mM 내지 약 0.35 mM, 또다른 양상에서, 약 0.20 mM 내지 약 0.30 mM, 또다른 양상에서, 약 0.23 mM 내지 약 0.27 mM 의 발효 배지 중의 초기 계산된 CO 농도를 제공하기에 효과적인 양으로 제공하는 것이 포함된다. 상기 방법은 출발 세포 밀도와 비교하여 세포 밀도를 증가시키는데 효과적이다.
후-스타트업: 원하는 수준에 도달할 시, 액체 상 및 세포 물질을 반응기로부터 회수하고 배지를 다시 보강한다. 상기 방법은 세포 밀도를 약 2.0 그램/리터 이상, 또다른 양상에서, 약 2 내지 약 30 그램/리터, 또다른 양상에서, 약 2 내지 약 25 그램/리터, 또다른 양상에서, 약 2 내지 약 20 그램/리터, 또다른 양상에서, 약 2 내지 약 10 그램/리터, 또다른 양상에서, 약 2 내지 약 8 그램/리터, 또다른 양상에서, 약 3 내지 약 30 그램/리터, 또다른 양상에서, 약 3 내지 약 6 그램/리터, 또다른 양상에서, 약 4 내지 약 5 그램/리터로 증가시키기에 효과적이다.
하나의 양상에서, 상기 방법은 Zn (또한 열약한 배지로서 언급됨), Co, Ni 중 하나 이상으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 원소를 포함하는 첫번째 용액을 W 및 Se 중 하나 이상으로 이루어지는 군으로부터의 원소를 포함하는 두번째 용액과 약 30 mS/cm 이하의 전도성을 갖는 발효 배지를 제공하기에 효과적인 양으로 블렌딩하는 것을 포함하는 방법에 의해 제공되는 발효 배지를 포함한다. 또다른 양상에서, 발효 배지는 약 1 내지 약 30 mS/cm, 또다른 양상에서, 약 1 내지 약 25 mS/cm, 또다른 양상에서, 약 1 내지 약 20 mS/cm, 또다른 양상에서, 약 1 내지 약 15 mS/cm, 또다른 양상에서, 약 1 내지 약 10 mS/cm, 또다른 양상에서, 약 1 내지 약 5 mS/cm, 또다른 양상에서, 약 1 내지 약 4 mS/cm, 또다른 양상에서, 약 1 내지 약 3 mS/cm, 또다른 양상에서, 약 1 내지 약 2 mS/cm, 또다른 양상에서, 약 2 내지 약 30 mS/cm, 또다른 양상에서, 약 2 내지 약 25 mS/cm, 또다른 양상에서, 약 2 내지 약 20 mS/cm, 또다른 양상에서, 약 2 내지 약 15 mS/cm, 또다른 양상에서, 약 2 내지 약 10 mS/cm, 또다른 양상에서, 약 2 내지 약 5 mS/cm, 약 2 내지 약 4 mS/cm, 또다른 양상에서, 약 2 내지 약 3 mS/cm, 또다른 양상에서, 약 3 내지 약 30 mS/cm, 또다른 양상에서, 약 3 내지 약 25 mS/cm, 또다른 양상에서, 약 3 내지 약 20 mS/cm, 또다른 양상에서, 약 3 내지 약 15 mS/cm, 또다른 양상에서, 약 3 내지 약 10 mS/cm, 또다른 양상에서, 약 3 내지 약 5 mS/cm, 또다른 양상에서, 약 4 내지 약 30 mS/cm, 또다른 양상에서, 약 4 내지 약 25 mS/cm, 또다른 양상에서, 약 4 내지 약 20 mS/cm, 또다른 양상에서, 약 4 내지 약 15 mS/cm, 또다른 양상에서, 약 4 내지 약 10 mS/cm, 또다른 양상에서, 약 4 내지 약 5 mS/cm 의 전도성을 갖는다.
또다른 양상에서, 원소의 블렌드는 580 nm 에서 약 0.70 이하의 광학 밀도를 갖는다. 또다른 양상에서, 상기 블렌드는 약 0 내지 약 0.70, 또다른 양상에서, 약 0.001 내지 약 0.65, 또다른 양상에서, 약 0.01 내지 약 0.65, 또다른 양상에서, 약 0.01 내지 약 0.50, 또다른 양상에서, 약 0.01 내지 약 0.45 의 광학 밀도를 갖는다. 본 양상에서, 탁도는 임의의 공지된 방법에 의해 측정될 수 있다. 광학 밀도 측정의 일부 예는 본원에 그 전체가 참조로서 인용된 EPA Guidance Manual, Turbidity Processes, April 1999 에 기재되어 있다.
또다른 양상에서, 상기 발효 배지는 약 14 mM 미만의 포스페이트를 함유한다. 관련된 양상에서, 상기 발효 배지는 약 2 내지 약 14 mM 포스페이트, 또다른 양상에서, 약 3 내지 약 12 mM 포스페이트, 또다른 양상에서, 약 3 내지 약 6 mM 포스페이트, 또다른 양상에서, 약 1 내지 약 3 mM 포스페이트, 또다른 양상에서, 약 1 내지 약 2 mM 포스페이트, 또다른 양상에서, 약 2 내지 약 3 mM 포스페이트를 함유한다.
하나의 양상에서, 상기 방법은 U.S. 갤론의 에탄올 당 발효 배지에 제공되는 약 2 U.S. 갤론 이하의 물을 이용하기 위해 효과적이다. 또다른 양상에서, 상기 방법은 약 0.5 내지 약 2 갤론의 물/갤론의 에탄올, 또다른 양상에서, 약 0.5 내지 약 1.8 갤론의 물/갤론의 에탄올, 또다른 양상에서, 약 0.5 내지 약 1.5 갤론의 물/갤론의 에탄올, 또다른 양상에서, 약 0.5 내지 약 1.35 갤론의 물/갤론의 에탄올, 또다른 양상에서, 약 0.5 내지 약 1.2 갤론의 물/갤론의 에탄올, 또다른 양상에서, 약 0.5 내지 약 1 갤론의 물/갤론의 에탄올, 또다른 양상에서, 약 0.5 내지 약 0.9 갤론의 물/갤론의 에탄올, 또다른 양상에서, 약 0.75 내지 약 2 갤론의 물/갤론의 에탄올, 또다른 양상에서, 약 0.75 내지 약 1.75 갤론의 물/갤론의 에탄올, 또다른 양상에서, 약 0.75 내지 약 1.5 갤론의 물/갤론의 에탄올, 또다른 양상에서, 약 0.75 내지 약 1.35 갤론의 물/갤론의 에탄올, 또다른 양상에서, 약 0.75 내지 약 1.2 갤론의 물/갤론의 에탄올, 또다른 양상에서, 약 0.75 내지 약 1 갤론의 물/갤론의 에탄올, 또다른 양상에서, 약 1 내지 약 2 갤론의 물/갤론의 에탄올, 또다른 양상에서, 약 1 내지 약 1.75 갤론의 물/갤론의 에탄올, 또다른 양상에서, 약 1 내지 약 1.5 갤론의 물/갤론의 에탄올, 또다른 양상에서, 약 1 내지 약 1.35 갤론의 물/갤론의 에탄올, 또다른 양상에서, 약 1 내지 약 1.2 갤론의 물/갤론의 에탄올, 또다른 양상에서, 약 1.5 내지 약 2 갤론의 물/갤론의 에탄올, 또다른 양상에서, 약 1.5 내지 약 1.75 갤론의 물/갤론의 에탄올, 또다른 양상에서, 약 1.75 내지 약 2 갤론의 물/갤론의 에탄올을 이용하기 위해 효과적이다.
또다른 양상에서, 상기 발효 배지는 약 3 mM 이상의 포스페이트를 함유하는 발효 배지보다 약 10% 내지 약 40% 미만의 물을 필요로 한다. 또다른 양상에서, 상기 발효 배지는 약 3 mM 이상의 포스페이트를 함유하는 발효 배지보다, 약 10% 내지 약 30% 미만의 물, 또다른 양상에서, 약 10% 내지 약 20% 미만의 물, 또다른 양상에서, 약 15% 내지 약 40% 미만의 물, 또다른 양상에서, 약 15% 내지 약 30% 미만의 물, 또다른 양상에서, 약 15% 내지 약 20% 미만의 물, 또다른 양상에서, 약 20% 내지 약 40% 미만의 물, 또다른 양상에서, 약 20% 내지 약 30% 미만의 물, 또다른 양상에서, 약 25% 내지 약 30% 미만의 물을 필요로 한다. 또다른 양상에서, 포스페이트 농도는 약 2 내지 약 2.5 mM, 또다른 양상에서 약 2.5 mM 내지 약 3.0 mM 일 수 있고, 표시된 범위 내에서 물 절감을 수득하기에 효과적이다.
또다른 양상에서, 상기 발효 배지는 약 0.005 ㎍ 이상/분의 Zn/세포의 그램, 약 0.0002 ㎍ 이상/분의 Co/세포의 그램, 약 0.003 ㎍ 이상/분의 Ni/세포의 그램, 약 0.039 ㎍ 이상/분의 W/세포의 그램, 및 약 0.001 ㎍ 이상/분의 Se/세포의 그램으로 제공된다. 본 양상에서, 상기 발효 배지는 하기 중 하나 이상을 하기 양으로 포함할 수 있다:
Zn: 하나의 양상에서, 약 0.005 내지 약 0.11 ㎍/분/세포의 그램, 또다른 양상에서, 약 0.005 내지 약 0.09 ㎍/분/세포의 그램, 또다른 양상에서, 약 0.005 내지 약 0.065 ㎍/분/세포의 그램, 또다른 양상에서, 약 0.005 내지 약 0.04 ㎍/분/세포의 그램, 또다른 양상에서, 약 0.01 내지 약 0.075 ㎍/분/세포의 그램, 또다른 양상에서, 약 0.01 내지 약 0.055 ㎍/분/세포의 그램, 또다른 양상에서, 약 0.02 내지 약 0.075 ㎍/분/세포의 그램, 또다른 양상에서, 약 0.02 내지 약 0.055 ㎍/분/세포의 그램; 하나의 예로서, 3 g/L/일/세포의 그램의 특이적 에탄올 생산성은 약 0.04 ㎍/분/세포의 그램의 Zn 공급 속도를 필요로 할 것이다;
Co: 하나의 양상에서, 약 0.002 내지 약 0.05 ㎍/분/세포의 그램, 또다른 양상에서, 약 0.002 내지 약 0.04 ㎍/분/세포의 그램, 또다른 양상에서, 약 0.002 내지 약 0.03 ㎍/분/세포의 그램, 또다른 양상에서, 약 0.002 내지 약 0.02 ㎍/분/세포의 그램, 또다른 양상에서, 약 0.005 내지 약 0.035 ㎍/분/세포의 그램, 또다른 양상에서, 약 0.005 내지 약 0.025 ㎍/분/세포의 그램, 또다른 양상에서, 약 0.01 내지 약 0.035 ㎍/분/세포의 그램, 또다른 양상에서, 약 0.01 내지 약 0.025 ㎍/분/세포의 그램; 하나의 예로서, 3 g/L/일/세포의 그램의 특이적 에탄올 생산성은 약 0.018 ㎍/분/세포의 그램의 Co 공급 속도를 필요로 할 것이다;
Ni: 하나의 양상에서, 약 0.003 내지 약 0.055 ㎍/분/세포의 그램, 또다른 양상에서, 약 0.003 내지 약 0.045 ㎍/분/세포의 그램, 또다른 양상에서, 약 0.003 내지 약 0.035 ㎍/분/세포의 그램, 또다른 양상에서, 약 0.003 내지 약 0.02 ㎍/분/세포의 그램, 또다른 양상에서, 약 0.005 내지 약 0.04 ㎍/분/세포의 그램, 또다른 양상에서, 약 0.005 내지 약 0.03 ㎍/분/세포의 그램, 또다른 양상에서, 약 0.01 내지 약 0.04 ㎍/분/세포의 그램, 또다른 양상에서, 약 0.01 내지 약 0.03 ㎍/분/세포의 그램; 하나의 예로서, 3 g/L/일/세포의 그램의 특이적 에탄올 생산성은 약 0.02 ㎍/분/세포의 그램의 Ni 공급 속도를 필요로 할 것이다;
W: 하나의 양상에서, 약 0.035 내지 약 0.80 ㎍/분/세포의 그램, 또다른 양상에서, 약 0.035 내지 약 0.65 ㎍/분/세포의 그램, 또다른 양상에서, 약 0.035 내지 약 0.47 ㎍/분/세포의 그램, 또다른 양상에서, 약 0.035 내지 약 0.30 ㎍/분/세포의 그램, 또다른 양상에서, 약 0.075 내지 약 0.55 ㎍/분/세포의 그램, 또다른 양상에서, 약 0.075 내지 약 0.40 ㎍/분/세포의 그램, 또다른 양상에서, 약 0.155 내지 약 0.55 ㎍/분/세포의 그램, 또다른 양상에서, 약 0.155 내지 약 0.40 ㎍/분/세포의 그램; 하나의 예로서, 3 g/L/일/세포의 그램의 특이적 에탄올 생산성은 약 0.29 ㎍/분/세포의 그램의 W 공급 속도를 필요로 할 것이다;
Se: 하나의 양상에서, 약 0.001 내지 약 0.03 ㎍/분/세포의 그램, 또다른 양상에서, 약 0.035 내지 약 0.65 ㎍/분/세포의 그램, 또다른 양상에서, 약 0.035 내지 약 0.47 ㎍/분/세포의 그램, 또다른 양상에서, 약 0.035 내지 약 0.30 ㎍/분/세포의 그램, 또다른 양상에서, 약 0.075 내지 약 0.55 ㎍/분/세포의 그램, 또다른 양상에서, 약 0.075 내지 약 0.40 ㎍/분/세포의 그램, 또다른 양상에서, 약 0.155 내지 약 0.55 ㎍/분/세포의 그램, 또다른 양상에서, 약 0.155 내지 약 0.40 ㎍/분/세포의 그램; 하나의 예로서, 3 g/L/일/세포의 그램의 특이적 에탄올 생산성은 약 0.01 ㎍/분/세포의 그램의 Se 공급 속도를 필요로 할 것이다.
또다른 양상에서, 상기 발효 배지는 약 0.006 ㎍ 이상/분의 N/세포의 그램, 약 0.025 ㎍ 이상/분의 P/세포의 그램, 및 약 0.001 ㎍ 이상/분의 K/세포의 그램으로 제공된다. 본 양상에서, 상기 발효 배지는 하기 중 하나 이상을 하기 양으로 포함할 수 있다:
N: 하나의 양상에서, 약 0.006 내지 약 0.12 ㎍/분/세포의 그램, 또다른 양상에서, 약 0.006 내지 약 0.095 ㎍/분/세포의 그램, 또다른 양상에서, 약 0.006 내지 약 0.07 ㎍/분/세포의 그램, 또다른 양상에서, 약 0.006 내지 약 0.045 ㎍/분/세포의 그램, 또다른 양상에서, 약 0.01 내지 약 0.085 ㎍/분/세포의 그램, 또다른 양상에서, 약 0.01 내지 약 0.06 ㎍/분/세포의 그램, 또다른 양상에서, 약 0.02 내지 약 0.085 ㎍/분/세포의 그램, 또다른 양상에서, 약 0.02 내지 약 0.06 ㎍/분/세포의 그램; 하나의 예로서, 3 g/L/일/세포의 그램의 특이적 에탄올 생산성은 약 0.044 ㎍/분/세포의 그램의 N 공급 속도를 필요로 할 것이다;
P: 하나의 양상에서, 약 0.025 내지 약 0.55 ㎍/분/세포의 그램, 또다른 양상에서, 약 0.025 내지 약 0.45 ㎍/분/세포의 그램, 또다른 양상에서, 약 0.025 내지 약 0.35 ㎍/분/세포의 그램, 또다른 양상에서, 약 0.025 내지 약 0.20 ㎍/분/세포의 그램, 또다른 양상에서, 약 0.05 내지 약 0.38 ㎍/분/세포의 그램, 또다른 양상에서, 약 0.05 내지 약 0.27 ㎍/분/세포의 그램, 또다른 양상에서, 약 0.1 내지 약 0.38 ㎍/분/세포의 그램, 또다른 양상에서, 약 0.1 내지 약 0.3 ㎍/분/세포의 그램; 하나의 예로서, 3 g/L/일/세포의 그램의 특이적 에탄올 생산성은 약 0.2 ㎍/분/세포의 그램의 P 공급 속도를 필요로 할 것이다;
K: 하나의 양상에서, 약 0.001 내지 약 25 ㎍/분/세포의 그램, 또다른 양상에서, 약 0.001 내지 약 0.03 ㎍/분/세포의 그램, 또다른 양상에서, 약 0.001 내지 약 0.025 ㎍/분/세포의 그램, 또다른 양상에서, 약 0.001 내지 약 0.02 ㎍/분/세포의 그램, 또다른 양상에서, 약 0.001 내지 약 0.01 ㎍/분/세포의 그램, 또다른 양상에서, 약 0.003 내지 약 0.02 ㎍/분/세포의 그램, 또다른 양상에서, 약 0.003 내지 약 0.015 ㎍/분/세포의 그램, 또다른 양상에서, 약 0.005 내지 약 0.02 ㎍/분/세포의 그램, 또다른 양상에서, 약 0.005 내지 약 0.015 ㎍/분/세포의 그램; 하나의 예로서, 3 g/L/일/세포의 그램의 특이적 에탄올 생산성은 약 0.01 ㎍/분/세포의 그램의 K 공급 속도를 필요로 할 것이다;
또다른 양상에서, 상기 발효 배지에는 약 0.02 중량 % 미만의 NaHCO3, 또다른 양상에서, 약 0.01 중량 % 미만의 NaHCO3, 또다른 양상에서, 약 0.005 중량% 미만의 NaHCO3 이 포함된다. NH4OH 를 NaHCO3 대신에 pH 조정을 위해 이용할 수 있다. 낮은 포스페이트 수준 단독 또는 NaHCO3 의 감소된 사용과 조합으로 낮은 배지 전도성을 산출한다. 낮은 배지 전도성은 기재된 바와 같이 희석을 덜 필요로 하고 물 필요성을 감소시킨다. 관련된 양상에서, 상기 발효 배지는 약 4.2 내지 약 4.8 의 pH 를 갖는다.
CO 공급 속도는 표준 입방 피트/분 (SCFM) 또는 표준 입방 피트/시간/리터로 표현될 수 있다. 본 양상에서, 상기 표준 입방 피트/시간/리터는 약 0.9 내지 약 2.0, 또다른 양상에서, 약 1.25 내지 약 1.75 SCFM 의 범위일 수 있다. 또다른 양상에서, 평균 CO 공급 속도는 약 0.016:1 내지 약 0.04:1, 또다른 양상에서, 약 0.02:1 내지 약 0.04:1, 또다른 양상에서, 약 0.02:1 내지 약 0.035:1, 또다른 양상에서, 약 0.025:1 내지 약 0.035:1, 또다른 양상에서, 약 0.025:1 내지 약 0.03:1 의 CO 공급 속도 대 발효기 부피의 비를 유지하기 위해 효과적인 CO 공급 속도이다.
또다른 양상에서, 상기 방법에는 약 25% 이상, 또다른 양상에서, 약 25% 내지 약 95%, 또다른 양상에서, 약 30% 내지 약 90%, 또다른 양상에서, 약 35% 내지 약 85%, 또다른 양상에서, 약 40% 내지 약 80%, 또다른 양상에서, 약 40% 내지 약 70%, 또다른 양상에서, 약 40% 내지 약 60%, 또다른 양상에서, 약 40% 내지 약 50% 의 H2 전환율을 모니터링 하는 것 및 H2 전환율을 유지하는 것이 포함된다. 상기 방법에는 약 0.001 내지 약 10 mmole/분/건조 세포의 그램, 또다른 양상에서, 약 0.001 내지 약 5 mmole/분/건조 세포의 그램, 또다른 양상에서, 약 0.001 내지 약 4 mmole/분/건조 세포의 그램, 또다른 양상에서, 약 0.001 내지 약 3 mmole/분/건조 세포의 그램, 또다른 양상에서, 약 0.001 내지 약 2 mmole/분/건조 세포의 그램, 또다른 양상에서, 약 0.001 내지 약 1 mmole/분/건조 세포의 그램, 또다른 양상에서, 약 0.05 내지 약 9 mmole/분/건조 세포의 그램, 또다른 양상에서, 약 0.05 내지 약 5 mmole/분/건조 세포의 그램, 또다른 양상에서, 약 0.05 내지 약 4 mmole/분/건조 세포의 그램, 또다른 양상에서, 약 0.05 내지 약 3 mmole/분/건조 세포의 그램, 또다른 양상에서, 약 0.05 내지 약 2 mmole/분/건조 세포의 그램, 또다른 양상에서, 약 0.05 내지 약 1 mmole/분/건조 세포의 그램, 또다른 양상에서, 약 1 내지 약 8 mmole/분/건조 세포의 그램, 또다른 양상에서, 약 1 내지 약 5 mmole/분/건조 세포의 그램, 또다른 양상에서, 약 1 내지 약 4 mmole/분/건조 세포의 그램, 또다른 양상에서, 약 1 내지 약 3 mmole/분/건조 세포의 그램, 또다른 양상에서, 약 1 내지 약 2 mmole/분/건조 세포의 그램의 CO 섭취를 모니터링 하는 것 및 CO 섭취를 유지하는 것이 추가로 포함될 수 있다.
실시예
실시예 1 : 적합성 시험
이전에 이용된 미량 금속 용액에는 하기 성분이 포함되었다 (모두 그램/리터로 표현됨).
저장액 적합성 시험
1) ZnSO4*7H2O 0.5222 2.35
2) COCl2*6H2O 1.6 7.196
3) NiCl2*6H2O 0.4944 2.222
4) Na2SeO3 0.16 0.72
5) Na2WO4*2H2O 3.2 14.404
6) H3PO4 (85%) 10% N/A
산성 매트릭스는 하나의 용액 내에 모든 상기 5 개의 미량 금속을 유지하는데 필요하다. 그러나, 상기 금속은 그 자체에 의해 물에 고도로 가용성이다. 따라서 적합성 시험이 하기 기재되는 바와 같이 수행되었다. 각각의 미량 금속의 개별 용액을 제조하였다. 각각의 용액의 농도는 저장 용액 내의 각각의 미량 금속의 농도와 동일하였다. 각각의 용액을 서로 혼합하고 실온에서 밤새 인큐베이션하였다. 다음날 아침 용액을 탁도에 대해 시각적으로 검사하고, (보르텍스된) 용액의 광학 밀도를 분광광도계 상에서 측정하였다. 결과를 하기에 제시한다.
Figure 112016001675853-pct00001

상기 데이터는 산 매트릭스가 Se 및 W 를 양자화되게 유지하여 이들이 Zn, Co 및 Ni 과 침전되지 않도록 필요하다는 것을 나타낸다. 상기 발견에 근거하여, 1 개의 미량 금속 저장 용액 대신에 2 개의 미량 금속 저장 용액을 제조하였다. 첫번째 저장 용액에는 Zn, Co, 및 Ni 이 포함되었고 두번째 저장 용액에는 W 및 Se 가 포함되었다. 상기 제조 방법은 H3PO4 의 사용을 감소시킨다. 실험실 저장 용액에서의 인산의 완전한 제거에 대해 보상하기 위해, 첫번째 저장 용액에 대한 인산 첨가의 양을 0.075 ml/L 에서 0.2 ml/L 로 증가시켰다. 따라서 배지 중의 H3PO4 의 총 순 (net) 감소는 76% 였다.
실시예 2 : 감소된 포스페이트 배지의 사용
상기 언급된 (76% 미만 인산 함유) 배지를 하기와 같이 4 가지 상태로의 정상 상태 배양물에서 시험하였다.
1. 개질된 배지를 정상 배양물 상에 존재하는 배지로 교체하였다 (T = 0 hrs).
2. 성장 배지 중의 NH4Cl 을 NH4OH 로 대체하였다. 예비 측정으로서 H2SO4 를 반응기의 pH 를 4.5 에서 유지하기 위해 성장 배지에 첨가하였다 (T = 108.74 hrs).
3. H2SO4 를 배지로부터 제거하고, NaHCO3 을 반응기의 pH 를 조절하기 위해 염기로서 NH4OH 로 대체하였다 (T = 158.42 hrs).
4. 첫번째 저장 용액 중의 성분을 발효 배지에 직접 첨가하였다 (T = 489.07 hrs).
도 1 은 저 포스페이트 배지 상의 정상 상태 클로스트리듐 륭달리 (Clostridium ljungdahlii) 배양물의 성능 및 pH 를 조절하고 질소 공급원으로서 작용하기 위한 염기로서의 NH4OH 의 사용을 보여준다. 발효 동안의 사건은 다음과 같았다.
Figure 112016001675853-pct00002
Figure 112016001675853-pct00003

108.74 hrs 에, 0.35 ml/L H2SO4 (75%) 를 함유하는 배지를 반응기에 첨가하였다. NH4Cl 을 배지로부터 제거하고, NH4OH 펌프를 시작하였다. 이것은 부가적인 염기가 반응기 내로 펌핑되는 것이 pH 세트-포인트 (set-point) 를 지나치게 하지 않을 것이라는 것을 확실히 하기 위해 실행되었다. 첨가된 양은 H3PO4 로서 제거되는 양자의 양에 근거하여 계산되었고, H3PO4 가 상기 pH 에서 1-염기성 (mono-protic) 이었고 H2SO4 가 2-염기성 (di-protic) 이었음을 고려하였다. 배양물이 여전히 염기를 사용하였고 H2SO4 가 제거되었음이 나중에 확인되었다.
135.32 hrs 에 시작하여, NaHCO3 의 염기 용액을 NH4OH 로 대체하였다. 염기의 농도를 0.5M 의 최종 용액이 정착될 때까지 NH4OH 펌프의 유속과 함께 조정하였다. 상기 농도를 사용하면, 배양물에 질소를 제공하기 위해 보충적 NH4OH 를 첨가할 필요가 없었다.
279.32 hrs 과 441.82 hrs 사이에 배지 중의 비타민의 농도를 1.6 ml/L 로 증가시켰다.
392.22 hrs 에, 세포 밀도를 3 g/L 로 감소시켰다.
최종 배지 조성 변화는 첫번째 저장 용액 성분을 배지에 이들의 고체 형태로 직접 첨가함으로써 실시된 (모든 다른 성분들로 실시된 바와 같이) 489.07 hrs 에 일어났다. 두번째 저장 용액 성분을 수용액으로서 첨가하였다.
본원에 기재된 본 발명이 이의 특정 구현예, 실시예 및 적용에 의해 기술되고 있지만, 특허청구범위에 언급되는 본 발명의 범주로부터 벗어나지 않으면서 당업자에 의해 수 많은 변경 및 변형이 이루어질 수 있을 것이다.

Claims (27)

  1. Zn, Co 및 Ni 로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나 이상의 원소를 포함하는 제 1 액체 배지와 W 및 Se 로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나 이상의 원소를 포함하는 제 2 액체 배지를 블렌딩하여 발효 배지를 제공하는 단계로서, 상기 발효 배지는 Zn, Co 및 Ni 로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나 이상의 원소와 W 및 Se 로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나 이상의 원소와의 침전이 방지되고, 30 mS/cm 이하의 전도성을 가짐;
    CO-함유 기질을 발효 배지와 접촉시키는 단계; 및
    CO-함유 기질을 초산생성 박테리아과 함께 발효시켜 산성 pH 를 제공하는 단계
    를 포함하는 발효 공정으로서,
    상기 발효 배지가 3 mM 이하의 포스페이트를 포함하고,
    상기 발효 공정은 생성되는 에탄올 U.S. 갤론 당 발효 배지에 제공되는 2 U.S. 갤론 이하의 물을 이용하는, 발효 공정.
  2. 제 1 항에 있어서, 발효가 4.2 내지 4.8 의 pH 를 제공하는 발효 공정.
  3. 제 1 항에 있어서, 원소의 블렌드가 580 nm 에서 0.7 이하의 광학 밀도를 갖는 발효 공정.
  4. 제 1 항에 있어서, 발효기에 제공된 CO-함유 기질이 0.75 이상의 CO/CO2 몰 비를 갖는 발효 공정.
  5. 제 1 항에 있어서, 10 g 총 알코올/(L·일) 이상의 STY 를 제공하는 발효 공정.
  6. 제 1 항에 있어서, CO-함유 기질을 아세토게늄 키부이 (Acetogenium kivui), 아세토아나에로븀 노테라에 (Acetoanaerobium noterae), 아세토박테리움 우디이 (Acetobacterium woodii), 알칼리바쿨럼 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), 클로스트리듐 아세티쿰 (Clostridium aceticum), 클로스트리듐 아세토부틸리쿰 (Clostridium acetobutylicum), 클로스트리듐 아세토부틸리쿰 (Clostridium acetobutylicum) P262, 클로스트리듐 오토에타노게눔 (Clostridium autoethanogenum) (DSMZ Germany 의 DSM 19630), 클로스트리듐 오토에타노게눔 (Clostridium autoethanogenum) (DSMZ Germany 의 DSM 10061), 클로스트리듐 오토에타노게눔 (Clostridium autoethanogenum) (DSMZ Germany 의 DSM 23693), 클로스트리듐 오토에타노게눔 (Clostridium autoethanogenum) (DSMZ Germany 의 DSM 24138), 클로스트리듐 카르복시디보란스 (Clostridium carboxidivorans) P7 (ATCC PTA-7827), 클로스트리듐 코스카티이 (Clostridium coskatii) (ATCC PTA-10522), 클로스트리듐 드라케이 (Clostridium drakei), 클로스트리듐 륭달리 (Clostridium ljungdahlii) PETC (ATCC 49587), 클로스트리듐 륭달리 (Clostridium ljungdahlii) ERI2 (ATCC 55380), 클로스트리듐 륭달리 (Clostridium ljungdahlii) C-01 (ATCC 55988), 클로스트리듐 륭달리 (Clostridium ljungdahlii) O-52 (ATCC 55889), 클로스트리듐 마그눔 (Clostridium magnum), 클로스트리듐 파스퉤리아눔 (Clostridium pasteurianum) (DSMZ Germany 의 DSM 525), 클로스트리듐 라그스달리 (Clostridium ragsdali) P11 (ATCC BAA-622), 클로스트리듐 스카톨로게네스 (Clostridium scatologenes), 클로스트리듐 테르모아세티쿰 (Clostridium thermoaceticum), 클로스트리듐 울투넨세 (Clostridium ultunense), 데술포토마쿨럼 쿤즈네트소비이 (Desulfotomaculum kuznetsovii), 유박테리움 리모숨 (Eubacterium limosum), 게오박테르 술푸르레듀센스 (Geobacter sulfurreducens), 메타노사르시나 아세티보란스 (Methanosarcina acetivorans), 메타노사르시나 바르케리 (Methanosarcina barkeri), 모렐라 테르모아세티카 (Morrella thermoacetica), 모렐라 테르모오토트로피카 (Morrella thermoautotrophica), 옥소박테르 페니기이 (Oxobacter pfennigii), 펩토스트렙토코쿠스 프로둑투스 (Peptostreptococcus productus), 루미노코쿠스 프로둑투스 (Ruminococcus productus), 테르모안아에로박테르 키부이 (Thermoanaerobacter kivui), 및 이의 혼합물로 이루어지는 군으로부터 선택되는 초산생성 박테리아와 함께 발효시키는 것을 포함하는 발효 공정.
  7. 제 1 항에 있어서, 발효 배지에 하기 중 적어도 하나 이상이 제공되는 발효 공정:
    0.04 ㎍ 이상/분의 Zn/세포의 그램,
    0.018 ㎍ 이상/분의 Co/세포의 그램,
    0.02 ㎍ 이상/분의 Ni/세포의 그램,
    0.29 ㎍ 이상/분의 W/세포의 그램, 및
    0.01 ㎍ 이상/분의 Se/세포의 그램.
  8. 제 1 항에 있어서, 발효 배지가 0.02 중량 % 미만의 NaHCO3 을 포함하는 발효 공정.
  9. 제 1 항에 있어서, 발효 배지에 하기 중 적어도 하나 이상이 제공되는 발효 공정:
    0.044 ㎍ 이상의 질소/분/세포의 그램,
    0.2 ㎍ 이상의 인/분/세포의 그램, 또는
    0.01 ㎍ 이상의 칼륨/분/세포의 그램.
  10. 제 5 항에 있어서, 총 알코올이 75 중량% 이상의 에탄올을 포함하는 발효 공정.
  11. 제 5 항에 있어서, 총 알코올이 25 중량% 이하의 부탄올을 포함하는 발효 공정.
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