KR102531892B1 - 바이오반응기 공정의 제어 - Google Patents

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가이 윌리엄 워터스
제이슨 칼 브롬리
저스틴 이 양
제로드 나단 윌슨
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란자테크 엔지, 인크.
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Abstract

원하는 최종 생성물, 예컨대 에탄올로의 CO의 생물학적 전환을 위한 방법, 및 연관 시스템 및 컴퓨터 프로그램(소프트웨어) 제품이 개시되어 있다. 이러한 방법에 사용된 제어 방법론은, 유리하게는, 한정된 유속에서의 새로운 배양 배지의 첨가에 의해 또는 또 다른 공정 개시 목표에 의해 표시될 수 있는, 연속식 조작을 달성하기 전에, 배취 조작 또는 다른 개시 조작 기간에 필요한 시간을 감소시킬 수 있다. 제어 방법론은, 대안적으로 또는 조합되어, 이 배취 조작 또는 다른 개시 조작 기간 동안 공정 성능 매개변수, 예컨대 원하는 최종 생성물의 생산성 또는 박테리아 성장 속도를 개선할 수 있다.

Description

바이오반응기 공정의 제어{CONTROL OF BIOREACTOR PROCESSES}
관련 출원에 대한 상호 참조
본원은 2014년 7월 11일자로 출원된 미국 출원 14/329,881호(이의 내용은 참고로 본 명세서에 포함됨)의 이익을 주장한다.
기술 분야
본 발명의 양태는 예를 들어 연속식 및 정상 상태 조작을 달성하기 위해 에탄올로의 CO 함유 기질의 미생물 발효를 위한 공정의 개시에 관한 것이다. 구체적인 양태는 유리한 결과를 발생시키는 조작 매개변수가 제어되는 방식에 관한 것이다.
화석 연료 온실 가스(fossil fuel greenhouse gas; GHG) 방출에 대한 환경 관심은 재생 가능한 에너지원에 대한 강조를 증가시켰다. 그 결과, 에탄올은 신속하게 세계에 걸쳐 주요 수소 풍부 액체 수송 연료가 되고 있다. 연료 에탄올 산업에 대한 세계 시장의 계속된 성장은 유럽, 일본 및 미국, 및 몇몇 개발 도상 국가에서 에탄올 생성에 대한 강조의 증가에 기초하여 예측할 수 있는 미래에 기대된다. 예를 들어, 미국에서, 에탄올은 가솔린 중의 에탄올의 10% 혼합물인 E10을 생성하도록 사용된다. E10 블렌드에서, 에탄올 성분은 소비 효율을 개선하고 공기 오염물질의 생성을 감소시키는 산소화제(oxygenating agent)로서 작용한다. 브라질에서, 에탄올은 가솔린 중에 블렌딩된 산소화제, 및 그 자체의 권한의 순수한 연료 둘 다로서 수송 연료의 대략 30%를 만족시킨다. 또한, 유럽연합(EU)은 지속 가능한 수송 연료, 예컨대 바이오매스 유래 에탄올의 소비를 위해 이의 구성원 국가의 각각에 대해 목표를 지시하였다.
매우 다양한 연료 에탄올은 주요 탄소 원으로서 작물 유래 탄화수소, 예컨대 사탕수수로부터 추출된 수크로스 또는 곡물 작물로부터 추출된 전분을 사용하는 전통적인 효모 기반 발효 공정을 통해 제조된다. 그러나, 이 탄화수소 공급물 스톡의 비용은 경쟁 사용에 대해 시장에서 이의 가치에 의해, 즉 인간 및 동물 둘 다에 대해 식품 공급원으로서 영향을 받는다. 또한, 에탄올 생성을 위한 전분 또는 수크로스 생성 작물의 배양은, 이것이 지역 토지 가치 및 기후 둘 다의 기능이므로, 모든 지리에서 상업적으로 지속 가능하지 않다. 연료 에탄올로 더 낮은 비용 및/또는 더 풍부한 탄소 자원을 전환하는 기술을 개발하는 것이 특히 관심 있다. 이와 관련하여, 일산화탄소(CO)는 유기 재료 예컨대 석탄, 오일 및 오일 유래 생성물의 불완전한 연소의 주요 에너지 풍부 부산물이다. CO 풍부 폐가스는 다양한 산업 공정으로부터 생긴다. 예를 들어, 호주에서의 철강 산업은 연간 500,000 미터 톤 초과의 CO를 생성하고 대기로 방출하는 것으로 보고되었다.
더욱 최근에, 산업 규모에서 CO로부터 에탄올을 생성하는 것에 대안적인 미생물(박테리아) 기반 공정은 상업적 관심 및 투자의 대상이 된다. CO가 유일한 탄소 원인 미생물 배양물이 성장하는 능력이 1903년에 처음에 개발되었다. 이 특징은 독립영양 성장의 아세틸 조효소 A(아세틸 CoA) 생화학 경로(우즈-리융다흘(Woods-Ljungdahl) 경로 및 일산화탄소 탈수소효소/아세틸 CoA 신타제(CODH/ACS) 경로로 또한 공지됨)의 유기체의 사용에 있는 것으로 후에 결정되었다. 일산화탄소영양, 광합성, 메탄생성 및 초산생성 유기체를 포함하는 다수의 혐기성 유기체는 CO를 대사시키는 것으로 이후에 밝혀졌다. 혐기성 박테리아, 예컨대 클로스트리듐(Clostridium) 속으로부터의 것은 아세틸 CoA 생화학 경로를 통해 CO, CO2 및 H2로부터 에탄올을 생성하는 것으로 공지되어 있다. 예를 들어, 가스로부터 에탄올을 생성하는 클로스트리듐 리융다리의 다양한 균주는 WO 제00/68407호; EP 제1117309호 A1; US 제5, 173,429호; US 제5,593,886호; US 제6,368,819호; WO 제98/00558호; 및 WO 제02/08438호에 기재되어 있다. 박테리아 클로스트리듐 아우토에토게늄(Clostridium autoethanogenum) 종은 가스로부터 에탄올을 생성하는 것으로 또한 공지되어 있다(Abrini et al, ARCHIVES OF MICROBIOLOGY 161: 345-351 (1994)).
유기체의 각각의 효소가 본질적으로 완벽한 선택성으로 이의 지정된 생물학적 전환을 촉진하기 때문에, 미생물 합성 경로는 종래의 촉매 경로와 비교하여 더 낮은 에너지 비용으로 더 높은 수율을 달성할 수 있다. 예를 들어, 원하는 생성물로부터 비선택적 부반응으로부터 생긴, 부산물을 분리하기 위한 에너지 요건이 감소할 수 있다. 또한, 반응 매질 중의 불순물로 인해, 촉매의 중독에 대한 관심이 감소한다.
그러나, 이 명확한 이점에도 불구하고, 특히 생성 속도가 다른 기술과 경쟁적이라는 것의 확신의 면에서 기술은 CO로부터 에탄올의 미생물 합성과 연관된 소정의 도전과제를 해결해야 한다. CO를 이의 탄소 원으로서 사용할 때, 상기 기재된 혐기성 박테리아는 발효에 의해 에탄올을 생성하지만, 이것이 또한 적어도 하나의 대사물질, 예를 들어 CO2, H2, 메탄, n-뷰탄올 및/또는 아세트산을 생성한다. 이용 가능한 탄소가 대사물질(들)로 소실되고 원하는 최종 생성물의 생성 효율이 손상되므로, 임의의 이들 대사물질의 형성은 소정의 공정의 생산성 및 전체 경제적 실행가능성에 상당히 영향을 미치는 가능성을 가진다. 또한, 대사물질(예를 들어, 아세트산) 그 자체가 미생물 발효 공정의 시간 및 장소에서 가치를 가지지 않는 경우, 이것은 폐기물 폐기 문제를 부여할 수 있다. 에탄올을 만들기 위한 CO 함유 가스의 혐기성 발효에서의 원하는 최종 생성물 이외의 생성물의 형성을 해결하기 위한 다양한 제안이 WO 제2007/117157호, WO 제2008/115080호 및 WO 제2009/022925호에 기재되어 있다.
소정의 발효 공정이 경제적으로 매력적인지에 대한 중요한 결정인자인 에탄올 생성 속도는 박테리아 성장에 대한 적절한 조건을 조절하는 데에 매우 의존적이다. 예를 들어, CO 함유 기질이 최적 미생물 성장 및/또는 원하는 대사물질 생성을 발생시키는 속도로 미생물 배양물에 제공되어야 한다는 것이 WO 제2010/093262호로부터 공지되어 있다. 불충분한 기질이 제공되는 경우, 미생물 성장은 느려지고, 발효 생성물은 에탄올을 희생하여 아세트산을 향한 이동을 생성한다. 과량의 기질이 제공되는 경우, 불량한 미생물 성장 및/또는 세포사가 생성될 수 있다. 이들 공정에서의 조작 매개변수 사이의 관계에 관한 추가의 정보는 WO 제2011/002318호에서 발견된다.
조작 매개변수의 제어는 특히 조작의 개시 기간 동안 중요하고, 여기서 가공 목적은 세포 배양물을 충분한 수준으로 성장시키고 연속식 조작에 대한 다른 조건을 확립할 뿐만 아니라, 생성물 및 부산물 생산성에 균형을 이루는 것에 초점을 둔다. 연속식 바이오반응기 조작 전의, 배취(batch) 배양 조작을 수행하는 데 필요한 시간의 감소는 공정 경제를 개선하는 것에 대하 주요 영향을 가진다. CO 함유 가스에서 성장할 수 있는 미생물이 일반적으로 음식 공급원으로서 당과 경쟁하는 기술에서 사용된 미생물보다 더 느린 속도에서 그렇다는 사실의 관점에서 이것은 특히 사실이다. 발효 공정의 조작의 상업적 견지로부터, 경제적으로 양호한 수준의 생성물의 합성을 위해 충분히 높은 세포 밀도를 확립, 즉 이것에 도달하는 데에 미생물 집단에 필요한 시간은 전체 수익성에 영향을 미치는 중요한 조작 비용을 대표한다. 개시 조작 기간 동안, 예를 들어 배취 조건 하에 배양 성장 속도 및/또는 생산성을 증대시키고 이로써 원하는 세포 밀도 및/또는 생성물 수준에 도달하는 데 필요한 시간을 감소시키는 능력은 CO 함유 폐가스로부터 에탄올을 생성하기 위한 생물학적 공정의 상업화에서 전체 성공에 중요한 결정인자이다.
본 발명의 양태는, 이용 가능한 데이터에 기초한, 생물학적 CO 전환 공정의 개시를 조절하는 방법에 관한 것이다. 보통, 이러한 공정의 시작 시, 바이오반응기는 일산화탄소영양 박테리아를 함유하는 배양 배지(즉, CO로부터 에너지를 유도하는 능력을 가짐)에 의해 변경(접종)된다. 대표적인 공정에 따르면, 에탄올은 원하는 최종 생성물이지만, 아세테이트는 아세트산의 형태로 원치 않는 대사물질로서 생성된다. 상기 기재된 바대로, CO는 경쟁 목적을 만족시키도록 바이오반응기에 사려 깊게 공급되어야 한다. 특히, CO의 공급부족은 에탄올을 희생하여 과도한 아세테이트 형성을 발생시킬 수 있지만, CO의 과공급은 박테리아 성장에 불리하게 영향을 미칠 수 있다. 이러한 고려의 관점에서, CO 또는 CO 함유 가스의 시간에 따른 유속에 대한 규명된 프로필은, 다른 공정으로부터 유래한 정보와 함께, 배취 조작 동안 예상된 박테리아 성장에 기초하여, 사용될 수 있다.
개시 조작 기간(예를 들어, 배취 조작 기간) 동안 우선시 되는 조작 목적은 배양 배지에서 박테리아(바이오매스)의 농도를 증가시키는 것이다. 따라서, 배취 조작 기간 동안 가스 흐름 프로필은 보통 보존적이고, CO의 과공급의 회피를 추구한다. 이것은 몇몇 경우에 원하는 에탄올 최종 생성물의 양을 초과하는 상당한 양의 아세트산의 형성을 발생시킬 수 있다. 박테리아 전환 공정에 걸쳐 생성된 임의의 아세트산이 배양 배지의 pH 값을 낮추므로, 염기성 중화제, 예컨대 수성 수산화암모늄이 도입될 수 있다. 중화제는 박테리아 성장에 적합한 배양 배지의 pH 값(예를 들어, 5.0의 pH)을 유지시키기 위해 바이오반응기에 투입될 수 있다.
본 발명의 실시형태는 CO 함유 기질 및 염기성 중화제(예를 들어, 수성 수산화암모늄) 둘 다를 일산화탄소영양 박테리아를 함유하는 배양 배지를 포함하는 바이오반응기로 공급하는 단계를 포함하는 CO를 원하는 최종 생성물, 예컨대 에탄올로 전환하기 위한 생물학적 발효 공정에 관한 것이다. 상기 공정은 배양 배지에서 허용되지 않는 pH 수준을 피하기 위해 원하는 최종 생성물, 및 중화제에 의해 (예를 들어, 아세트산암모늄과 같은 염으로) 전환된 산성 대사물질(예를 들어, 아세트산) 둘 다를 생성한다. 대표적인 일 실시형태에 따르면, 염기성 중화제의 유속은 배양 배지 내의 일산화탄소영양 박테리아 또는 산성 대사물질의 측정된 특성, 예컨대 측정된 농도 또는 측정된 생산성에 기초하여 제어될 수 있다. 대안적으로, 이러한 측정된 특성이 이용 가능하지 않은 경우, 예를 들어, 적합한 온라인 샘플링 및 분석 장비가 부족한 경우, 염기성 중화제의 유속은 CO 함유 기질의 측정된 유속 또는 달리 이 기질에 대한 기준점에 기초하여 제어될 수 있다.
본 발명의 다른 실시형태는 상기 기재된 바와 같은 배양 배지의 측정된 특성에 기초하여 또는 대안적으로, CO 함유 기질의 측정된 유속에 기초하여 또는 달리 이 기질에 대한 기준점에 기초하여, 바이오반응기에 대한 염기성 중화제의 유속을 제어하도록 구성된 제어기 및 바이오반응기를 포함하는 시스템에 관한 것이다. 배양 배지의 측정된 특성에 기초한 제어의 경우에, 시스템은 분석을 위해 바이오반응기로부터, 또한 단리된 샘플을 분석하도록 구성된 분석기로 배양 배지의 샘플을 단리하도록 구성된 필요한 샘플링 장치를 추가로 포함할 수 있다. 상기 제어 방법 대안 중 어느 하나에서, 대표적인 시스템은 측정된 pH 값에 기초하여 CO 함유 기질 유속을 제어하도록 구성된 제2 제어기, 바이오반응기로부터의 배양 배지의 샘플을 단리하도록 구성된 샘플링 장치 및/또는 샘플을 분석하고 이후 제어기로 측정된 pH 값을 입력하도록 구성된 분석기를 임의로 포함할 수 있다.
본 발명의 추가의 실시형태는 컴퓨터 프로그램이 내부에 구현된 비일시적 컴퓨터 판독 가능한 매체를 포함하는 컴퓨터 프로그램 제품에 관한 것이다. 이 컴퓨터 프로그램은 프로세서가 본 명세서에 기재된 제어 공정을 수행하는 데 필요한 단계를 수행하게 하는 명령어를 포함한다. 이 공정은 바이오반응기에 염기성 중화 유속을 제어하도록 구성된 제어기로 입력된 정보를 수신하는 단계를 포함한다. 이러한 방식으로 수신되고 입력될 수 있는 정보는 본 명세서에 기재된 바와 같은 측정된 특성에 대해 바이오반응기로부터 배양 배지 샘플을 분석하도록 구성된 분석기로부터 수신된 정보를 포함한다. 대안적으로, 정보는 유속 센서 또는 이 유속을 측정하도록 구성된 측정 장치로부터 수신된 CO 함유 기질의 측정된 유속일 수 있다. 수신된 정보는 CO 함유 기질 유속 기준점을 또한 포함할 수 있다. 수신되고 제어기에 입력된 정보의 유형에 무관하게, 대표적인 공정은 예를 들어, pH 미터 또는 직접적으로 배양 배지 또는 달리 바이오반응기로부터의 배양 배지의 샘플의 pH를 측정하도록 구성된 다른 분석기로부터 측정된 pH 값을 수신하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 측정된 pH 값은 CO 함유 기질 유속을 제어하도록 구성된 제2 제어기로 입력되어서, 측정된 pH 값은 제어에 대한 기초이다.
본 발명과 관련된 이들 및 다른 실시형태 및 양태는 하기 상세한 설명으로부터 명확하다.
본 발명의 예시적인 실시형태 및 이의 이점의 더 완전한 이해는 하기 도면의 고려 시 하기 설명을 참조함으로써 얻어질 수 있다.
도 1은 CO 함유 기질을 에탄올로 전환하기 위한 생물학적 공정의 조작 매개변수를 제어하기 위한 대표적인 방법론의 흐름도이다.
도 2는 종래의 제어 방법론을 이용하여 CO 함유 기질을 에탄올로 전환하기 위한 생물학적 공정을 위한, 시간에 따른 배양 배지에서의 에탄올, 일산화탄소영양 박테리아 및 아세트산의 측정된 농도의 그래프이다.
도 3은 본 명세서에 기재된 바와 같은 제어 방법론을 이용하여 CO 함유 기질을 에탄올로 전환하기 위한 생물학적 공정을 위한, 시간에 따른 배양 배지에서의 에탄올, 일산화탄소영양 박테리아 및 아세트산의 측정된 농도의 그래프이다.
도 4는 종래의 제어 방법론 및 본 명세서에 기재된 바와 같은 제어 방법론을 이용하여 CO 함유 기질을 에탄올로 전환하기 위한 생물학적 공정을 위한, 시간에 따른 CO 함유 기질 유속의 비교 그래프이다.
도 5는 종래의 제어 방법론 및 본 명세서에 기재된 바와 같은 제어 방법론을 이용하여 CO 함유 기질을 에탄올로 전환하기 위한 생물학적 공정을 위한, 시간에 따른 배양 배지에서의 일산화탄소영양 박테리아 농도의 비교 그래프이다.
도 6은 본 명세서에 기재된 바와 같은 대표적인 제어 방법론을 이용하여 CO 함유 기질을 에탄올로 전환하기 위한 생물학적 공정을 위한, 시간에 따른 배양 배지에서의 에탄올, 일산화탄소영양 박테리아 및 아세트산의 측정된 농도, 및 신선한 배양 배지의 측정된 유속의 그래프이다.
도 7은 본 명세서에 기재된 바와 같은 대표적인 제어 방법론을 이용하여 CO 함유 기질을 에탄올로 전환하기 위한 생물학적 공정을 위한, 시간에 따른 배양 배지에서의 에탄올, 일산화탄소영양 박테리아 및 아세트산의 측정된 농도, 및 NH4OH 중화제 용액 및 CO 함유 기질의 측정된 유속의 그래프이다.
본 발명은 일산화탄소영양 박테리아를 함유하는 배양 배지를 포함하는 바이오반응기에 CO 함유 기질 내의 CO를 공급함으로써 원하는 최종 생성물, 예컨대 에탄올을 제조하는 방법에 관한 것이다. 원하는 최종 생성물 이외에, 대표적인 공정은 추가적으로 원치않는 또는 덜 원하는 대사물질을 생성한다. 원하는 생성물, 예컨대 에탄올 이외에 생성될 수 있는 산성 대사물질의 예는 (예를 들어, 아세트산의 형태의) 아세테이트이다. 대표적인 일산화탄소영양 박테리아 또는 미생물(즉, CO로부터 에너지 및 탄소를 얻는 미생물)은 모렐라(Moorella), 클로스트리디아(Clostridia), 구미노코커스(Ruminococcus), 아세토박테륨(Acetobacterium), 유박테륨(Eubacterium), 부티리박테륨(Butyribacterium), 옥소박터(Oxobacter), 메타노사르시나(Methanosarcina) 및 데술포토마쿨룸(Desulfotomaculum) 속의 것이다. 클로스트리디아인 박테리아의 특정한 예는 씨. 리융달리(C. ljungdahli), 씨. 아우토에타노게늄(C. autoethanogenum), 씨. 라그스달레이(C. ragsdalei) 및 씨. 베이제렌키이(C. beijerenckei)를 포함한다.
대표적인 CO 함유 기질은 광범위하게 성장 및/또는 발효를 위한 박테리아의 하나 이상의 균주에 이용 가능하게 만들어질 수 있는 임의의 CO 함유 가스, 또는 가능하게는 액체를 포함한다. 이러한 CO 함유 기질은 바람직하게는 이러한 오염물질이 일산화탄소영양 박테리아의 성장에 불리한 효과를 가지는 정도로 오염물질을 포함하지 않는다(예를 들어, 하나 이상의 오염물질(들)은, 오염물질(들)이 없는 것을 제외하고 동일한 조건 하의 성장 속도와 비교하여, 성장 속도가 소정의 세트의 조건 하에 10% 초과로 감소하는 농도 또는 양으로 존재하지 않는다). 대표적인 가스 CO 함유 기질은 통상적으로 CO의 상당한 비율, 바람직하게는 적어도 5용적% 내지 100용적%의 CO를 함유한다. 이러한 기질은 산업 공정, 예컨대 철강 제조 공정 또는 비철 제품 제조 공정의 폐기 생성물로서 대개 제조된다. 가스 CO 함유 기질이 생성되는 다른 공정은 유기물, 예컨대 메탄, 에탄, 프로판, 석탄, 천연 가스, 원유, 정유 공장으로부터의 저가 잔류물(석유 코크스 또는 페트코크 포함), 고체 도시 쓰레기 또는 바이오매스의 기화를 포함한다. 바이오매스는 식품류의 추출 및 가공 동안 얻어진 부산물, 예컨대 사탕수수로부터의 당, 또는 옥수수 또는 그레인으로부터의 전분, 또는 임업에 의해 생성된 비식품 바이오매스 폐기물을 포함한다. 임의의 이들 탄소질 재료는 합성 가스(상당한 양의 H2 및 CO를 포함하는 합성가스)를 생성하기 위해 산소에 의해 기화, 즉 부분적으로 연소될 수 있다. 유리하게는, 이들 공정으로부터의 가스 스트림은 유용한 최종 생성물, 예컨대 에탄올의 유리한 생성을 위해 본 명세서에 기재된 바대로 사용될 수 있다. 다른 실시형태에서, CO를 함유하는 기질은 탄화수소의 스트림 개질로부터 유래할 수 있다. 이들 공정은 미국 출원 공보 제US2013/0045517호 A1; 제US2013/0210096호 A1; 제US2013/0203143호 A1 및 제US2013/0316411호 A1 및 미국 특허 제US 8,383,376호(이들 모두의 내용은 그 전문이 참고로 포함됨)에 더 자세히 기재되어 있다.
CO 함유 기질이 임의의 수소를 함유하는 것이 필요하지 않지만, H2의 존재는 원하는 최종 생성물의 형성에 보통 치명적이지 않다. 특정한 실시형태에서, CO 함유 기질은 낮은 농도의 H2, 예를 들어, 10용적% 미만, 5용적% 미만, 또는 1용적% 미만을 포함할 수 있다. CO 함유 기질은 또한 약간의 CO2, 예를 들어 1용적% 내지 80용적%, 1용적% 내지 50용적%, 또는 1용적% 내지 30용적%를 함유할 수 있다. 임의의 CO 함유 기질, 예컨대 가스 CO 함유 기질은 생물학적 전환 공정에서의 이의 사용 전에 일산화탄소영양 박테리아 또는 일반적으로 생물학적 전환 공정에 해로울 수 있는, 임의의 원치않는 불순물, 예컨대 먼지 입자 또는 임의의 다른 고체, 액체, 또는 가스 오염물질을 제거하기 위해 처리될 수 있다. 예를 들어, 가스 CO 함유 기질은 공지된 방법을 사용하여 여과되거나 스크러빙될 수 있다.
아세트산인 산성 대사물질의 맥락에서, 용어 "아세트산" 또는 "아세테이트"는 이의 음이온성(해리된) 형태(즉, 아세테이트 이온 또는 CH3COO-로서) 또는 자유, 분자 아세트산(CH3COOH)의 형태의 배양 배지에 존재하는 전체 아세테이트를 의미하고, 이들 형태의 비율은 시스템의 pH에 따라 달라진다. 용어 "바이오반응기"는, 일반적으로 혐기성으로 수행되는 정도로 발효 공정이라 또한 언급될 수 있는, 본 명세서에 기재된 생물학적 공정을 수행하기 위해 사용될 수 있는, 일산화탄소영양 박테리아의 배양물을 함유하기 위한 임의의 적합한 용기를 포함한다. 적합한 바이오반응기는 연속식 교반 탱크 반응기(Continuous Stirred Tank 반응기; CSTR), 부동화 세포 반응기(Immobilized Cell Reactor; ICR), 삼상층 반응기(Trickle Bed Reactor; TBR), 이동층 바이오필름 반응기(Moving Bed Biofilm Reactor; MBBR), 버블 칼럼, 가스 리프트 발효기(Gas Lift Fermenter), 막 반응기, 예컨대 중공 섬유 막 생물반응기(Hollow Fibre Membrane Bioreactor; HFM BR), 정적 혼합기일 수 있거나, CO 함유 기질을 (예를 들어, 생물학적 전환을 수행하기에 양호한 분해 및 질량 수송 동역학에 의해) 박테리아 배양 배지와 접촉시키기에 적합한 다른 용기 또는 장치(예를 들어, 탑(tower) 또는 배관 배열)를 포함할 수 있다.
본 명세서에 기재된 생물학적 공정에서 사용하기 위한 다른 적합한 공정 스트림, 조작 매개변수 및 장비는 미국 특허 출원 공보 제US2011/0212433호(본 명세서에 그 전문이 참고로 포함됨)에 기재되어 있다.
본 발명은 CO를 귀중한 최종 생성물, 예컨대 에탄올로 전환하기 위한 생물학적 공정의 발견과 더 특히 연관되고, 여기서 (ⅰ) 한정된 유속에서의 신선한 배양 배지의 첨가에 의해 또는 또 다른 공정 개시 목표에 의해 표시될 수 있는, 연속식 조작의 달성 전에, 배취 조작 기간 또는 다른 개시 조작 기간에 필요한 시간은 예상치 못하게 감소하고/하거나, (ⅱ) 원하는 최종 생성물의 생산성 또는 또 다른 공정 성능 매개변수(예를 들어, 박테리아 성장 속도)가 이 배취 조작 기간 또는 다른 개시 조작 기간 동안 예상치 못하게 개선된다. 배취 조작으로부터 연속식 조작으로의 전환은 공정에서 사용된 바이오반응기에 신선한 배양 배지를 첨가하는 것의 개시에 의해 표시될 수 있다. 대안적으로, 신선한 배양 배지 첨가의 속도가 별개의 시간에 시작하기보다는 점진적으로 증가하는 경우, 배취로부터 연속식 조작으로의 전환은 바이오반응기에 대한 신선한 배양 배지 첨가의 목표 속도의 달성 및/또는 바이오반응기로부터의 박테리아 함유 배양 배지 배출의 목표 속도의 달성에 의해 표시될 수 있다. 신선한 배양 배지 첨가 및/또는 박테리아 함유 배양 배지 배출의 목표 속도는 정상 상태 조작, 즉 원하는 최종 생성물의 생성의 연장된 기간(예를 들어, 적어도 3일, 또는 적어도 10일)에 걸쳐 조건이 실질적으로 일정하게 유지되는 조작과 연관된 속도일 수 있다. 달리, 이 목표 속도는 정상 상태 조작과 연관된 속도의 적어도 60%, 적어도 75%, 또는 적어도 90%일 수 있다.
신선한 배양 배지의 목표 속도와 별도로, 정상 상태로부터의 개시 조작 기간 또는 "온스트림(on-stream)" 조작 기간을 표시하도록 사용될 수 있는 다른 공정 개시 목표는 원하는 생성물(예를 들어, 에탄올), 일산화탄소영양 박테리아, 또는 산성 대사물질의 배양 배지 농도를 포함할 수 있다. 공정 개시 목표는 원하는 생성물, 일산화탄소영양 박테리아, 또는 산성 대사물질의 생산성을 또한 포함할 수 있다. 공정 개시 목표는 공정의 착수로서 예비결정, 즉 확립되고, 가능하게는 신선한 배양 배지의 첨가의 모니터링 및/또는 제어를 포함하는 생물학적 공정의 모니터링 및/또는 제어에 사용된, 컴퓨터 프로그램(소프트웨어) 생성물을 포함하는, 제어 시스템에 대한 입력으로서 사용될 수 있다.
본 발명의 특정한 실시형태는 자동화될 수 있는 소정의 제어 방법론이 배양 배지의 측정된 특성에 대한 CO 함유 기질의 유속을 효과적으로 일치시킬 수 있다는 발견에 기초한다. 이 방법론은, 개시 조작 기간(예를 들어, 배취 조작 기간)에서 사용될 때, 또는 일반적으로 사용될 때, 유리하게는 CO의 과공급의 회피와 커플링된, 아세트산 또는 아세테이트 생성의 감소의 면에서 상당히 개선된 균형을 제공한다. 놀랍게도, 배취 조작 기간 또는 다른 개시 조작 기간의 목적은 착수로부터 CO 함유 가스 유속 프로필을 확립하는 것의 종래의 실행과 비교하여, 원하는 최종 생성물 및 원치않는 대사물질(들) 둘 다의 생산성의 면에서, 훨씬 더 빨리 및 또한 훨씬 더 효과적으로 달성될 수 있다. 몇몇 실시형태에 따르면, 전체 공정 경제는 전이가 연속식 조작을 허용하는 배양 배지 내에 박테리아 농도를 달성하기 위한 감소한 시작 시간의 결과로서 크게 개선될 수 있다. 예를 들어, 소정의 바이오매스 박테리아 농도가 달성될 때 바이오반응기의 접종으로부터의 시간은, 공정 매개변수를 제어하기 위한 종래의 실행을 이용하여 달성된 결과와 비교하여, 적어도 20%(예를 들어, 20% 내지 80%)로, 통상적으로 적어도 35%(예를 들어, 35% 내지 75%)로, 및 대개 적어도 50%(예를 들어, 50% 내지 70%)로, 감소할 수 있다.
특정한 일 제어 방법론에 따르면, 개시 조작 기간(예를 들어, 배취 조작 기간) 동안 또는 몇몇 다른 조작 기간(예를 들어, 연속식, 정상 상태 또는 일반 조작 기간) 동안 측정된 배양 배지의 특성은 염기성 중화제(예를 들어, 수성 수산화암모늄)의 유속의 제어에 기초하여 사용된다. 대표적인 특성은 산성 대사물질(예를 들어, 아세트산 또는 아세테이트)의 농도, 산성 대사물질의 생산성, 일산화탄소영양 박테리아의 농도, 일산화탄소영양 박테리아의 생산성, 또는 이러한 특성의 조합을 포함한다. 일반적으로, 임의의 이들 특성의 증가는 염기성 중화제의 유속의 증가를 방향적으로 발생시킬 것이다. 구체적인 일 실시형태에서, 염기성 중화제 유속은, 일산화탄소영양 박테리아의 측정된 농도로부터 결국 결정된, 배양 배지 내의 목표인 산성 대사물질 농도에 기초하여 제어된다. 이러한 방식으로, 제어 방법론은 염기성 중화제의 소모, 및 구체적으로, 성장하는 박테리아 배양물에 의한, 질소의 증가한 이용을 설명한다. 이것은 유리하게는, 구체적으로 양호한 생성물 수율 분포를 가지는 박테리아 배양물을 신속히 성장시킬 목적으로 맞춰진, 시작(예를 들어, 배취 조작 기간) 동안 조건을 제공한다.
세포 배양 배지의 특성은 연속적으로 또는 간헐적으로, 예를 들어 주기적으로 측정될 수 있고, 각각의 연속적인 측정 사이의 시간 기간은 일반적으로 매 0.1초 내지 매 120초, 통상적으로 매 0.5초 내지 매 60초, 및 대개 매초 내지 매 10초이다. 측정된 특성은 일산화탄소영양 박테리아 또는 산성 대사물질 중 어느 하나의 배양 배지 내의 농도의 온라인 분석에 의해 얻어질 수 있다. 연속적인 측정 사이의 시간 간격과 함께 농도(예를 들어, 리터마다 그램, g/ℓ 단위)의 연속적인 측정에 기초하여, 일산화탄소영양 박테리아 또는 산성 대사물질의 생산성(예를 들어, 일마다 리터마다 그램, g/ℓ·일-1 단위)이 계산될 수 있다. 예를 들어, 일산화탄소영양 박테리아의 농도가 시간 1 및 시간 2로 지정된 연속적인 간격으로 결정되는 경우, 시간 2에서의 일산화탄소영양 박테리아의 생산성은 하기와 같이 표현될 수 있다: (시간 2에서의 농도 - 시간 1에서의 농도) / (시간 2 - 시간 1).
일반적으로, 산성 대사물질 농도는 여과 또는 막 분리의 결과로서 일산화탄소영양 박테리아가 없거나 실질적으로 없는 배양 배지 샘플에서 측정된다. 예를 들어, 박테리아를 제거하기 위한 (예를 들어, 0.05㎛ 내지 1㎛의 범위의) 적합한 기공 크기를 가지는 필터는, 반응기의 성능을 자동으로 및 분리하여 모니터링하기 위해, 단일 반응기로부터 세포 비함유 배양 배지를 배출시키도록 구성된, 또는 달리 상이한 시간에 다중 반응기(예를 들어, 직렬로 또는 병렬로 조작되거나, 달리 독립적으로 조작될 수 있는 2개 내지 10개의 반응기, 예컨대 4개 내지 6개의 반응기)로부터 이러한 액체를 배출시키도록 구성된 샘플링 시스템의 샘플 라인에서 통합될 수 있다. 다른 실시형태에 따르면, 배양 배지의 세포 비함유 샘플은 세포 풍부 보유액 스트림이 바이오반응기로 재순환되는 막 분리 시스템으로부터 투과액 스트림으로서 이용 가능할 수 있다. 투과액은, 분석에 사용되지 않는 경우, (예를 들어, 직렬로 조작되는) 제2 바이오반응기로 보통 흐를 수 있다. 바이오반응기로부터 얻은 세포 비함유 여액 또는 투과액은 최종 생성물(예를 들어, 에탄올) 농도 또는 산성 대사물질(예를 들어, 아세트산 또는 아세테이트) 농도의 특성의 온라인 측정에 사용된 대표적인 샘플을 제공할 수 있다. 이 농도는 공지된 분석 방법, 예컨대 크로마토그래피(예를 들어, 고압 액체 크로마토그래피, 또는 HPLC)에 의해 결정될 수 있다.
측정된 특성으로서 일산화탄소영양 박테리아 농도의 경우에, 배양 배지는 분석에 사용되지 않는 경우 (예를 들어, 직렬로 조작되는) 제2 바이오반응기로 보통 흐를 수 있는 예를 들어 블리드 스트림(bleed stream)으로서 바이오반응기로부터 직접적으로 배출될 수 있다. 블리드 스트림 또는 세포 배양 배지를 배출시키기 위한 다른 스트림으로부터의 샘플 라인은 일산화탄소영양 박테리아 농도의 특성의 온라인 측정을 위해 적합한 분석 장치에 유체로 연결될 수 있다. 대표적인 장치는 처분 가능한 또는 재사용 가능한 프로브(예를 들어, 온라인 바이오매스 프로브)에서 샘플을 통한 전자기 에너지의 흡수 또는 전송, 샘플(예를 들어, 플레이트 판독기)의 소정의 생물학적 활성, 또는 샘플의 또 다른 특성(예를 들어, 임피던스/커패시턴스)을 측정하는 것(예를 들어, 분광광도계)을 포함한다. 블리드 스트림 또는 다른 스트림으로부터의 샘플 라인은, 반응기의 성능을 자동으로 및 분리하여 모니터링하기 위해, 단일 반응기로부터 배양 배지를 배출시키도록 구성된, 또는 달리 상이한 시간에 다중 반응기(예를 들어, 직렬로 또는 병렬로 조작되거나, 달리 독립적으로 조작될 수 있는 2개 내지 10개의 반응기, 예컨대 4개 내지 6개의 반응기)로부터 이러한 액체를 배출시키도록 구성된 샘플링 시스템의 일부일 수 있다.
하나의 또는 다중 바이오반응기로부터 배양 배지의 온라인 분석을 위한 샘플링 시스템은 원하는 시간에 원하는 반응기의 자동화 샘플링을 허용하는 도관(예를 들어, 배관 또는 파이핑) 밸브, 펌프 및 액츄에이터, 및 정확한 결과를 얻기 위해 샘플 라인을 수세 처리(퍼징)하기에 적합한 장치를 포함할 것이다. 세포 비함유 배양 배지를 분석하는 경우에, 예를 들어 에탄올 또는 아세테이트의 농도를 얻기 위해, 상기 기재된 바와 같은, 여과된 액체 또는 막 투과액은 온라인 분석을 위해 구성된 적합한 샘플 컨테이너를 통해 적어도 간헐적으로, 그러나 바람직하게는 연속적으로 공급(예를 들어, 연동 펌프를 사용하여 펌프질)될 수 있다. 예를 들어, 이러한 샘플 컨테이너(예를 들어, 샘플 바이알)와 유체 연통하는 입구 및 출구 라인은 샘플 컨테이너 내외로의 배양 배지의 여과된 스트림을 연속하여 발생시킬 수 있다. 몇몇 실시형태에 따른 샘플 컨테이너를 통한 배양 배지의 연속식 공급은 바이오반응기의 조작의 일부 기간에 걸쳐, 예를 들어 적어도 3분, 적어도 5분, 또는 적어도 10분에 걸쳐 샘플 컨테이너 입구로부터의 샘플 컨테이너를 통한 샘플 컨테이너 출구로의 상기 기재된 바대로 세포 비함유 투과액 또는 여액 스트림의 흐름을 포함할 것이다. 구체적인 실시형태에 따라, 예를 들어, 여괴된 세포 비함유 배양 배지는 필터 플러깅을 막기 위해 연속적으로 9분 동안 샘플 컨테이너를 통해, 이후 샘플 라인에서 필터의 1분 백플러쉬를 통해 공급될 수 있다. 샘플링되지 않고 샘플 컨테이너 출구를 통해 흐르는 과량의 배양 배지는 폐기물로서 처분될 수 있다.
이러한 방식으로, 샘플 컨테이너에 존재하는 액체는 샘플 컨테이너 내의 세포 비함유 배양 배지의 분석의 시간에 이 세포 함유 배양 배지 내의 원하는 최종 생성물(예를 들어, 에탄올) 및 대사물질(들)(예를 들어, 아세트산 또는 아세테이트)의 농도의 면에서 바이오반응기 내의 세포 함유 배양 배지를 대표한다. 샘플 라인의 길이는 바이오반응기 내의 최종 생성물 및/또는 대사물질(들)의 실제 농도(들)와 분석의 시간에 샘플 컨테이너 내의 세포 비함유 배양 배지의 측정된 농도(들) 사이의 임의의 오프셋을 최소화하도록 최소화될 수 있다. 몇몇 실시형태에 따르면, 최종 생성물 및/또는 대사물질의 실제 농도와 측정된 농도 사이의 오프셋은 10% 미만, 5% 미만 또는 2% 미만일 것이다. 세포 비함유 배양 배지의 샘플은, 본질적으로 실시간으로 바이오반응기 내의 최종 생성물 및 대사물질(들)의 농도(들)를 결정하기 위해, 따라서 샘플 컨테이너로부터 배출되고 분석될 수 있다. 예를 들어, 자동화 샘플링은 정기적 간격으로 샘플 컨테이너의 상부에서 고무 시일을 관통하고 세포 비함유 배양 배지의 샘플을 배출시키기 위해 샘플링 니들을 사용하는 것을 수반할 수 있고, 연속적인 측정 사이의 시간 기간은 상기 기재된 바와 같다. 자동화 샘플링 장치는, 직렬로 또는 병렬로 조작되거나 달리 독립적으로 조작될 수 있는 동일한 수의 바이오반응기로부터 배양 배지를 샘플링하기 위해, 예를 들어 2개 내지 10개의 샘플 컨테이너, 예컨대 4개 내지 6개의 샘플 컨테이너를 포함할 수 있다.
더 일반적으로, 자동화 샘플링 장치는 반응기의 성능을 자동으로 및 분리하여 모니터링하기 위해 상이한 시간에 다중 반응기(직렬로 또는 병렬로 조작되거나 달리 독립적으로 조작될 수 있는 예를 들어, 2개 내지 10개의 반응기, 예컨대 4개 내지 6개의 반응기)의, 상기 기재된 바와 같은, 세포 배양 배지 및 세포 비함유 배양 배지 둘 다의 분석을 위해 적합한 도관(예를 들어, 배관 또는 파이핑) 밸브, 펌프 및 액츄에이터를 사용하여 구성될 수 있다. 대사물질(들)(예를 들어, 아세트산 또는 아세테이트)의 농도 및 생산성 및/또는 일산화탄소영양 박테리아의 농도 및 생산성을 포함하는 배양 배지의 특성은 정기적 간격으로 자동으로 결정될 수 있고, 성공적인 측정 사이의 시간 기간은 상기 기재된 바와 같다. 유리하게는, 온라인 자동화 샘플링 및 분석의 사용은 분석 결과가 인간 중재 없이 (예를 들어, 염기성 중화제의 유속을 제어하기 위해) 관련 제어기로 직접적으로 입력되게 허용한다. 또한, 본 명세서에 기재된 바와 같은 자동화 샘플링 장치는 예를 들어 희석 및/또는 피펫팅을 수행함으로써 조작자가 다중 바이오반응기로부터의 다중 액체 샘플을 추적 및 취급할 필요 없이, 본질적으로 실시간 기준으로, 바이오반응기 배양 배지, 또는 다중 바이오반응기 배양 배지의 특성의 모니터링을 허용한다. 신뢰성 및 데이터 재현 가능성, 및 바이오반응기(들)의 전체 조작은 이로써 상당히 개선된다.
바람직하게는, 프로세서가 이 제어 방법론을 수행하기 위한 제어기로 필요한 신호를 전송하게 하는 적절한 명령어에 의한 컴퓨터 프로그램의 사용을 수반하는 본 명세서에 기재된 바와 같은 제어 방법론이 자동화된다. 특정한 제어 방법론에 따르면, 배양 배지의 측정된 특성은 염기성 중화제(예를 들어, 하이드록사이드 화합물, 예컨대 수성 수산화암모늄 또는 다른 무기 또는 유기 염기)의 유속을 제어하기 위한 기초로서 사용된다. 이러한 제어 방법론은, 원하는 최종 생성물(예를 들어, 에탄올)의 배출의 한정된 속도 또는 다른 한정된 조작 매개변수에 의해 결정될 수 있는, 예를 들어 정상 상태 또는 연속식 조작의 기간 전에, 종래의 제어 방법론과 비교하여, 유리하게는 개시 조작 기간(예를 들어, 배취 조작 기간)의 시간을 감소시킬 수 있다. 이론에 구속되지 않으면서, 시간의 감소는 일산화탄소영양 박테리아가 염기성 중화제를 이용하거나 소모한다(예를 들어, 염기성 중화제 중의 질소를 이용함)는 사실에 적어도 부분적으로 기여될 수 있다. 일반적으로, 따라서, 배양 배지에 대한 적어도 2개의 공급물 스트림(예를 들어, CO 함유 기질 및 염기성 중화제 둘 다)이 소모되거나, 대사되거나, 달리 여기에 함유된 박테리아에 의해 이용되는 바이오반응기 공정에서 본 명세서에 기재된 바와 같은 제어 방법론이 특히 유리하다. 다른 실시형태에서, 본 명세서에 기재된 제어 방법론은 배취 조작 기간 및 연속식 조작 기간 둘 다, 또는 오직 연속식 조작 기간 동안 사용될 수 있다.
대표적인 특성은 산성 대사물질(예를 들어, 아세트산 또는 아세테이트), 또는 일산화탄소영양 박테리아의 측정된 농도(즉, 질량/용적, 예컨대 그램/리터 또는 그램·리터-1의 단위에서) 또는 측정된 생산성(즉, 질량/(용적·시간), 예컨대 그램/(리터·일) 또는 그램·리터-1·일-1의 단위에서)를 포함한다. 바람직한 실시형태에 따르면, 측정된 특성은 산성 대사물질의 측정된 농도 또는 측정된 생산성이다. 임의의 상기 특성은 측정 빈도에 의해 개시 조작 기간(예를 들어, 배취 조작 기간) 또는 다른 기간 동안 및 상기 기재된 바와 같은 샘플링 기법을 이용하여 연속적으로 또는 간헐적으로(예를 들어, 주기적으로) 측정될 수 있다. 예를 들어, 세포 비함유 또는 적어도 실질적으로 세포 비함유인 투과액 스트림의 샘플은 HPLC를 사용하여 산성 대사물질의 이의 농도에 대해 분석될 수 있다.
염기성 중화제의 유속의 제어는 더 구체적으로 상기 기재된 바대로 배양 배지의 임의의 측정된 특성, 및 이의 상응하는 기준점 사이의 차이에 기초할 수 있다. 예를 들어, 산성 대사물질 측정된 농도가 제어에 대한 기초인 경우, 염기성 중화제 유속은 배양 배지 내의 산성 대사물질 측정된 농도와 산성 대사물질 기준점 농도 사이의 차이에 기초하여 제어될 수 있다. 마찬가지로, 산성 대사물질 측정된 생산성, 일산화탄소영양 박테리아 측정된 농도, 또는 일산화탄소영양 박테리아 측정된 생산성이 제어에 대한 기초인 경우, 염기성 중화제 유속은 (ⅰ) 산성 대사물질 측정된 생산성 및 산성 대사물질 기준점 생산성, (ⅱ) 일산화탄소영양 박테리아 측정된 농도 및 일산화탄소영양 박테리아 기준점 농도, 또는 (ⅲ) 일산화탄소영양 박테리아 측정된 생산성 및 일산화탄소영양 박테리아 기준점 생산성 사이의 차이에 기초하여 제어될 수 있다.
산성 대사물질 기준점 농도가 결정되는 경우에, 예를 들어, 산성 대사물질 측정된 농도가 이의 기준점(또는 목표) 농도를 초과하는 경우, 제어 방법론은 염기성 중화제의 유속의 방향적인 감소를 발생시킬 수 있다. 염기성 중화제의 감소한 유속이 배양 배지의 pH가 감소하게 하면서, 이것은 배양 배지 내의 산성 대사물질의 농도를 궁극적으로 감소시킬 것이다. 바람직한 실시형태에 따르면, CO 함유 기질 유속은 배양 배지의 측정된 pH 값(예를 들어, 온라인 pH 미터를 사용하여 얻어진)에 기초하여 제어될 수 있다. 따라서, (예를 들어, pH 값 기준점 또는 목표 이하, 예컨대 4.0, 4.5, 5.0, 5.5, 또는 6.0으로) 측정된 pH 값의 감소가 CO 함유 기질 유속의 증가를 발생시킬 수 있다. 배양 배지가 CO 함유 기질의 증가한 흐름에 의해 공급될 때, 산성 대사물질 생산성은 에탄올 생산성을 위하여 감소하여서, 산성 대사물질 농도가 예를 들어 산성 대사물질 기준점 농도에 대해 방향적으로 감소하게 하고, pH 값이 증가하게 한다. 반대로, 산성 대사물질 측정된 농도가 결정된 기준점(또는 목표) 농도 아래로 해당하는 경우, 제어 방법론은 염기성 중화제의 유속의 방향적인 증가를 발생시킬 수 있다. 염기성 중화제의 증가한 유속이 배양 배지의 pH가 증가하게 하면서, 이것은 배양 배지 내의 산성 대사물질의 농도를 궁극적으로 증가시킬 것이다. CO 함유 기질 유속은 상기 기재된 바대로 배양 배지의 측정된 pH 값(예를 들어, 온라인 pH 미터를 사용하여 얻어진)에 기초하여 제어될 수 있다. 따라서, (예를 들어, pH 값 기준점 또는 목표 이하, 예컨대 4.2, 4.7, 5.2, 5.7, 또는 6.2로) 측정된 pH 값의 증가가 CO 함유 기질 유속의 감소를 발생시킬 수 있다. 배양 배지가 CO 함유 기질의 감소한 흐름에 의해 공급될 때, 산성 대사물질 생산성은 에탄올 생산성을 위하여 증가하여서, 산성 대사물질 농도가 예를 들어 산성 대사물질 기준점 농도에 대해 방향적으로 증가하게 하고, pH 값이 감소하게 한다.
상기 기재된 바대로 배양 배지의 다른 측정된 특성에 따라 염기성 중화제의 흐름을 제어함으로써 유사한 제어 방법론이 가능하다. 예를 들어, (ⅰ) 산성 대사물질 측정된 생산성이 상응하는 기준점(또는 목표) 생산성을 초과하는 경우, 제어 방법론은 염기성 중화제의 유속의 방향적인 감소를 발생시킬 수 있거나, (ⅱ) 일산화탄소영양 박테리아 측정된 농도가 상응하는 기준점(또는 목표) 농도를 초과하는 경우, 제어 방법론은 염기성 중화제의 유속의 방향적인 증가를 발생시킬 수 있거나, (ⅲ) 일산화탄소영양 박테리아 측정된 생산성이 상응하는 기준점(또는 목표) 농도를 초과하는 경우, 제어 방법론은 염기성 중화제의 유속의 방향적인 증가를 발생시킬 수 있다. 도 1은 수성 수산화암모늄(NH4OH)인 염기성 중화제의 유속이 아세트산인 산성 대사물질의 측정된 생산성에 기초한 대표적인 제어 방법론을 도시한다. NH4OH 유속은 결국 배양 배지의 pH에 영향을 미친다. NH4OH 유속의 임의의 변화에 대한 반응이 배양 배지 pH의 유지인 경우(즉, pH는 "평평함"), CO 함유 기질의 유속은 변하지 않고 있다. 그러나, 이러한 반응이 배양 배지 pH를 이의 기준점 초과로 증가시키는 경우(즉, pH는 "높음"), CO 함유 기질의 흐름은 감소하여, 아세트산 생산성을 증가시키고 pH는 다시 이의 기준점으로 돌아간다. 이러한 반응이 배양 배지 pH를 이의 기준점 아래로 감소시키는 경우(즉, pH는 "낮음"), CO 함유 기질의 흐름은 증가하여, 아세트산 생산성을 감소시키고 pH는 다시 이의 기준점으로 돌아간다.
배양 배지의 특성(예를 들어, 산성 대사물질 기준점 농도, 산성 대사물질 기준점 생산성, 일산화탄소영양 박테리아 기준점 농도, 또는 일산화탄소영양 박테리아 기준점 생산성)에 대한 임의의 기준점은 결국 바이오반응기 공정의 하나 이상의 다른 측정된 조작 매개변수(예를 들어, 측정된 유속, 농도 및/또는 생산성, 또는 pH)에 기초하여 결정될 수 있다. 예를 들어, 일산화탄소영양 박테리아 측정된 농도 또는 일산화탄소영양 박테리아 측정된 생산성은 기준점을 결정하도록 사용될 수 있다. 구체적인 실시형태에 따르면, 및 본 발명에 관한 소정의 발견에 기초하여, 기준점은 일산화탄소영양 박테리아 측정된 농도 또는 일산화탄소영양 박테리아 측정된 생산성에 비례할 수 있다. 산성 대사물질 기준점 생산성은 예를 들어 하기 식에 의해 독립적으로 결정될 수 있다:
A1
Figure 112017010596317-pct00001
BIOCONmv + B1 또는 A2
Figure 112017010596317-pct00002
BIOPRODmv + B2
식 중, A1 및 A2는 각각 기준점과 일산화탄소영양 박테리아 측정된 농도(BIOCONmv) 또는 일산화탄소영양 박테리아 측정된 생산성(BIOPRODmv) 사이의 비례 상수를 나타내고, B1 및 B2는 오프셋을 나타낸다. 상수 A1 및 B1, 또는 A2 및 B2는 실험 데이터, 예를 들어 동일한 바이오반응기를 사용하여 얻어진, 또는 달리 동일한 전환 공정(예를 들어, 에탄올로의 CO의 전환)을 수행하기 위한 미생물 배양물을 함유하는 바이오반응기를 사용하여 얻어진 이전의 데이터로부터 경험적으로 결정될 수 있다. 더 구체적으로, 이들 상수는 이러한 이전의 데이터의 선형 회귀 분석을 수행함으로써 얻어질 수 있다. BIOCONmv 또는 BIOPRODmv를 결정하는 경우에, 일산화탄소영양 박테리아 농도를 결정하기 위한 샘플링 및 분석은 상기 기재된 바대로 수행될 수 있다.
예시적인 실시형태에서, 따라서, 일산화탄소영양 박테리아 측정된 농도(BIOCONmv) 또는 일산화탄소영양 박테리아 측정된 생산성(BIOPRODmv)은 온라인 바이오매스 프로브 또는 다른 샘플링 장치 및 샘플 분석기를 사용하여 얻어질 수 있다. BIOCONmv 또는 BIOPRODmv의 값으로부터, 산성 대사물질 기준점 농도(또는 목표 농도) 또는 산성 대사물질 기준점 생산성(또는 목표 생산성)은 예를 들어 상기 제공된 식에 따라 결정될 수 있다.
희석제, 예컨대 신선한 배양 배지는 초기는 아니지만, 이후 생물학적 전환 공정 동안 약간 차후의 시점에 일반적으로 바이오반응기에 첨가된다. 희석제는 처음에 도입되고, 즉 희석제 흐름은 바이오반응기(예를 들어, CO 함유 기질 및/또는 염기성 중화제)에 대한 하나 이상의 다른 공급물이 처음에 도입됨과 동시에 개시될 수 있다. 달리, 희석제는 바이오반응기에 대한 하나 이상의 다른 공급물(예를 들어, CO 함유 기질 및/또는 염기성 중화제)이 처음에 도입된 몇 시간 후(예를 들어, 적어도 2시간 후, 적어도 6시간 후 또는 적어도 12시간 후) 처음에 도입될 수 있다. 신선한 배양 배지 흐름은 상기 기재된 바와 같은 임의의 공정 개시 목표과 동일할 수 있는 적합한 배양 배지 시작 목표를 획득한 후 시작할 수 있다. 이러한 목표는 예를 들어 일산화탄소영양 박테리아 또는 산성 대사물질 중 어느 하나의 미리 결정된 농도 또는 생산성을 포함할 수 있다. 일반적으로, 소정의 질량 유속 또는 용적측정 유속에서의 희석제, 예컨대 신선한 배양 배지의 첨가는 필적하는 질량 유속 또는 용적측정 유속에서의 원하는 최종 생성물 및 임의의 대사물질을 포함하는 배양 배지의 배출에 의해 (예를 들어, 동시에) 동반된다. 배출된 배양 배지는 (ⅰ) 일산화탄소영양 박테리아를 함유하지 않거나 실질적으로 함유하지 않거나(예를 들어, 여과 또는 막 분리에 의한 분리의 경우에), (ⅱ) 바이오반응기에 함유된 배양 배지에서처럼 동일한 또는 실질적으로 동일한 농도에서 일산화탄소영양 박테리아를 함유할 수 있다(예를 들어, 분리 없이 배출의 경우에). 몇몇 경우에, 배출된 배양 배지는 (ⅰ) 및 (ⅱ) 둘 다의 부분(예를 들어, 별개의 스트림)을 포함할 수 있다. 임의의 경우에, (ⅰ) 및 (ⅱ) 중 어느 하나 또는 둘 다는 (예를 들어, 제1 바이오반응기와 직렬로 조작함으로써) 동일한 생물학적 에탄올로의 CO의 전환 공정을 수행하기 위한 제2 바이오반응기로 공급될 수 있다.
바람직하게는, 희석제의 유속은 본 명세서에 정의된 바대로 배취 조작 기간의 전부 또는 일부 동안 점진적으로 증가한다. 그러나, 임의의 희석제 흐름이 이 기간 동안 추가될 필요는 없어서, 희석제 흐름은 차후의 (예를 들어, 연속식) 조작 기간 동안에만 추가되거나, 바이오반응기로의 희석제의 도입은 배취 조작 기간으로부터 연속식 조작 기간으로 이행을 표시하도록 사용된다.
염기성 중화제 유속에서처럼, 희석제 유속은 배양 배지의 임의의 측정된 특성에 기초하여, 및 상기 기재된 바와 같은 임의의 제어 방법론을 이용하여 제어될 수 있다. 특정한 실시형태에 따르면, 바이오반응기에 대한 희석제 유속은 배양 배지 내의 일산화탄소영양 박테리아 측정된 농도 또는 일산화탄소영양 박테리아 측정된 생산성에 기초하여 제어된다. 본 발명에 관한 소정의 발견에 기초하여, 희석제 유속 기준점은 지수 함수에 따라 결정될 수 있고, 측정된 농도 또는 측정된 생산성은 지수적이다. 예를 들어, 희석제 유속 기준점은 하기 중 하나에 따라 결정될 수 있다:
C1 (BIOCON mv ) C2 (BIOPROD mv ).
식 중, BIOCONmv 및 BIOPRODmv는 각각 일산화탄소영양 박테리아 측정된 농도 및 일산화탄소영양 박테리아 측정된 생산성을 나타내고, C1 및 C2는 상수이다. 상수 C1 및 C2는 실험 데이터로부터, 예를 들어 동일한 바이오반응기를 사용하여 얻어진, 또는 달리 동일한 전환 공정(예를 들어, 에탄올로의 CO의 전환)을 수행하기 위한 미생물을 함유하는 바이오반응기를 사용하여 얻어진 이전의 데이터로부터 경험적으로 결정될 수 있다. BIOCONmv 또는 BIOPRODmv를 결정하는 경우에, 일산화탄소영양 박테리아 농도를 결정하기 위한 샘플링 및 분석은 상기 기재된 바대로 수행될 수 있다.
제2 특정한 제어 방법론에 따르면, 배양 배지의 특성의 측정은 필요하지 않다. 오히려, 이전의 데이터는 일산화탄소영양 박테리아 농도 및 생산성의 변수, 및 산성 대사물질의 목표인 생산성을 제공하는 소정의 조성물의 CO 함유 가스(또는 기질)의 상응하는 흐름, 및 배양 배지의 pH를 유지시키는 염기성 중화제의 흐름 사이의 관계식을 사용하도록 사용될 수 있다. 이전의 데이터는 예를 들어 동일한 바이오반응기를 사용하여, 또는 달리 동일한 전환 공정(예를 들어, 에탄올로의 CO의 전환)을 수행하기 위한 미생물 배양물을 함유하는 바이오반응기를 사용하여 얻어질 수 있다. 일산화탄소영양 박테리아 농도 및 생산성을 포함하는 다른 생물학적 에탄올로의 CO 전환 공정으로부터의 정보를 사용함으로써, CO 함유 기질의 상응하는 유속 이외에, 염기성 중화제의 유속이 원하는 산성 대사물질 생산성에 예측될 수 있다. 더욱이, 이러한 정보를 사용하여, CO 함유 기질의 유속은 소정의 일산화탄소영양 박테리아 농도를 제공하고 원하는 산성 대사물질 생산성을 달성하기 위해 예측될 수 있다.
공정 변수 사이에 특정한 관계식은 예를 들어 하기 식에 기초할 수 있다:
W
Figure 112017010596317-pct00003
BIOPROD + X
Figure 112017010596317-pct00004
METPROD = NEUTFLO = Y
Figure 112017010596317-pct00005
COFLO + Z
식 중, BIOPROD, METPROD, NEUTFLO 및 COFLO는 각각 일산화탄소영양 박테리아 생산성, 산성 대사물질 생산성, 바이오반응기에 대한 염기성 중화제 유속 및 바이오반응기에 대한 CO 함유 기질 유속을 나타내고, W, X, Y 및 Z는 상기 기재된 바대로 이전의 데이터에 기초하여 경험적으로 결정된 상수이다. 더 구체적으로, 이들 상수는 이러한 이전의 데이터의 선형 회귀 분석을 수행함으로써 얻어질 수 있다. 생산성은 (예를 들어, 일산화탄소영양 박테리아 농도 또는 생산성의 경우에 분광광도계, 플레이트 판독기 또는 바이오매스 프로브를 사용하여 및/또는 산성 대사물질 농도 또는 생산성의 경우에 HPLC를 사용하여) 상기 기재된 바대로 측정될 수 있다.
따라서, 배취 조작 기간, 또는 다른 조작 기간 동안, 바이오반응기로의 CO 함유 기질 및 염기성 중화제 둘 다를 공급하는 특정한 실시형태에 따르면, 염기성 중화제 유속은 CO 함유 기질의 유속에 기초하여 제어된다. 예를 들어, 염기성 중화제 유속은 측정된 값(즉, CO 함유 기질 측정된 유속) 또는 달리 기준점 값(즉, CO 함유 기질 유속 기준점)에 기초하여 제어될 수 있다. 즉, 염기성 중화제 유속에 대한 기준점은 이러한 측정된 값 또는 기준점 값에 따라 결정될 수 있다. 소정의 실시형태에 따르면, 상기 기재된 공정 변수 관계식으로부터 명확한 것처럼, 염기성 중화제 유속 기준점은 CO 함유 기질 측정된 유속 또는 CO 함유 기질 유속 기준점에 선형으로 변할 수 있다. 훨씬 더 구체적으로, 염기성 중화제 유속 기준점은 하기 식에 따라 결정될 수 있다:
Y
Figure 112017010596317-pct00006
COFLOmv + Z 또는 Y
Figure 112017010596317-pct00007
COFLOsp + Z
식 중, COFLOmv 및 COFLOsp는 각각 CO 함유 기질 측정된 유속 및 CO 함유 기질 유속 기준점을 나타낸다. Y 및 Z는 Y의 경우에 상수, 즉 COFLOmv 또는 COFLOsp와 염기성 중화제 유속 기준점 사이의 비례의 상수 및 Z의 경우에 오프셋을 나타낸다.
이 제어 방법론의 특정한 유형에서, CO 함유 기질의 유속은 결국 배양 배지의 pH 값에 기초하여 제어될 수 있다. 예를 들어, 배양 배지의 pH 측정된 값이 pH 기준점 아래에 해당(예를 들어, 상기 기재된 특정한 pH 값 중 하나)하는 경우, 배양 배지는 너무 산성이 되고, 반응하여 CO 함유 기질 유속은 박테리아 배양물에 더 많은 CO를 공급하고 산 대사물질의 생산성을 감소시키기 위해 (예를 들어, CO 함유 기질 유입 라인에서 제어 밸브의 개방의 백분율을 자동으로 증가시킴으로써) 증가한다. 반대로, 배양 배지의 pH 측정된 값이 이 pH 기준점 초과로 상승하는 경우, 배양 배지는 너무 염기성이 되고, 반응하여 CO 함유 기질 유속은 박테리아 배양물에 더 적은 CO를 공급하고 산 대사물질의 생산성을 증가시키기 위해 (예를 들어, CO 함유 기질 유입 라인에서 제어 밸브의 개방의 백분율을 자동으로 감소시킴으로써) 감소한다.
대안적으로, CO 함유 유속 기준점은 배양 배지의 측정된 pH 값으로부터 결정될 수 있고, 이 기준점은 CO 함유 유속 측정된 값으로부터의 편차를 나타낸다. 이 고려사항의 관점에서, 배양 배지의 측정된 pH 값이 염기성 중화제의 유속 이외에 CO 함유 기질의 유속 둘 다에 대한 기준점을 생성할 수 있다. 그러나, CO 함유 기질 측정된 유속, (유속 기준점과 반대로) 이 측정된 유속이 염기성 중화제 유속에 대한 기준점을 결정하도록 사용되는 것이 일반적으로 바람직하다. 배양 배지 pH 값은 예를 들어 온라인 pH 분석기를 사용하여 연속하여 또는 간헐적으로(예를 들어, 정기적으로 규칙적 간격으로) 측정될 수 있다. 그렇지 않으면, 이 pH 값은 수동으로 측정될 수 있다.
실시예
하기 실시예는 본 발명의 대표로서 기재되어 있다. 이 실시예는, 이들 및 다른 균등한 실시형태가 본 개시내용 및 첨부된 청구항의 견지에서 명확하면서, 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 해석되지 않아야 한다.
실시예 1
종래의 "시간 기반" 시작 및 본 발명의 "자동화" 시작의 비교
에탄올로의 CO 전환을 위한 생물학적 공정은 씨. 리융달리 함유 배양 배지에 의해 바이오반응기를 접종함으로써 시작하였다. 배양 배지의 pH는 아세트산이 생성되면서 감소하기 시작하였다. 바이오반응기에 대한 CO 함유 기질 및 수산화암모늄 공급물은 배양 배지의 pH가 5.0에 도달할 때 시작하였다. 시작에 대한 CO 함유 기질의 유속은 CO 과공급의 회피가 주요 목적인 종래의, 미리 결정된 시간 기반 프로필에 의해 지배되었다. 비교 목적을 위해, 동일한 공정은 본 명세서에 기재된 바대로 제어 방법론을 이용하여 기재되어 있고, 수산화암모늄의 유속은 HPLC에 의해 자동으로 및 정기적으로 측정된 배양 배지 내의 (아세트산의 형태의) 아세테이트의 농도에 기초하여 제어되었다. 이 비교 시작의 진행은 2일의 기간에 걸쳐 배양 배지 내의 에탄올, 박테리아 및 아세트산의 농도를 제공하는 도 2 및 도 3에 도시되어 있다. 이 정보는 종래의 시간 기반 시작(도 2 - "시간 기반 제어")의 경우에 및 본 발명의 대표적인 실시형태에 따른 자동화 시작(도 3 - "자동화 제어")의 경우에 제공된다.
도 2 및 도 3의 비교로부터 명확한 것처럼, 에탄올인 원하는 생성물의 농도는 시간 기반 시작의 1일에 2그램/리터(g/ℓ) 미만인 반면, 이 농도는 자동화 시작에서의 이 시점에서 이미 거의 8g/ℓ이다. 또한, 도 4에 예시된 바대로, 자동화 시작이 시간 기반 시작과 비교하여 훨씬 더 빠른 CO 함유 기질 유속을 증가시킨다는 것이 명확하다. 이것은 박테리아 성장에 해로운 과공급 없이 에탄올 생성을 위한 박테리아 배양에 대한 필요한 양의 CO의 연속 공급으로 인한다. 시간 기반 프로필의 경우에, CO 함유 기질의 유속은 CO 과공급이 회피되게 보장하도록 특징적으로 보존된다. 그러나, 결과로서, CO 공급부족이 불가피하고, 아세트산은 에탄올이기보다는 주요 생성물이다. 도 5는 2개의 제어 방법론을 사용하여 이 시작 공정에 대해 시간에 따른 박테리아의 농도를 비교한다. 명확한 것처럼, 자동화 시작의 경우에 더 높은 CO 유속에도 불구하고, 미생물 성장은 저해되지 않고, 사실 이것은 증대된다.
이 결과에 기초하여, 본 명세서에 기재된 바와 같은 제어 방법론은 특히 소정의 공정 목적, 예컨대 원하는 아세트산 농도 또는 박테리아 농도를 달성하는 데 필요한 시간에 도달한다는 점에서 상당한 공정 이익을 제공할 수 있다. 목적은 개시 시작 기간, 예컨대 배취 조작 기간의 완료와 연관될 수 있고, 이런 경우 연속 조작으로의 이행은 더 신속하게 및 효과적으로 획득될 수 있다. 이것은 감소한 재료 소모 및 감소한 전체 조작 비용을 포함하는 중요한 상업적 이익을 발생시킨다. 셀 재순환 시스템이 장착된 2개의 반응기에 의한 공정 조작의 경우에, 반응기로부터 샘플 셀 비함유 투과액을 지시하고 임의의 추가의 처리 없이, 즉 샘플 여과 또는 원심분리 없이 이들 샘플을 자동화 HPLC로 공급할 수 있다. 반대로, HPLC에 대한 주입 전에 종래의 샘플 제조 방법은 특정한 산 또는 염기의 첨가, 이후 원심분리 또는 여과를 요한다. 이것은 복잡함을 추가하고 결과에서 더 큰 오류를 생성시키는 수동 피펫팅을 포함한다.
실시예 2
자동화 시작 - 측정된 농도에 기초한 NH 4 OH 흐름의 제어
에탄올로의 CO 전환을 위한 생물학적 공정은 씨. 리융달리 함유 배양 배지에 의해 바이오반응기를 접종함으로써 시작하였다. 배양 배지의 pH는 아세트산이 생성되면서 감소하기 시작하였다. 바이오반응기에 대한 CO 함유 기질 및 수산화암모늄 공급물은 배양 배지의 pH가 5.0에 도달할 때 시작하였다. 바이오반응기 내의 측정된 박테리아 농도에 기초하여, 아세테이트(아세트산) 목표 농도 및 희석제 유속은 하기 식에 따라 결정되었다:
아세테이트 목표 농도 = A1
Figure 112017010596317-pct00008
BIOCONmv + B1
희석제 유속 = C1(BIOCON mv )
식 중, A1, B1 및 C1은 이전 공정에서 얻어진 정보로부터 경험적으로 결정되었다. 온라인 HPLC를 사용하여 측정된 아세트산 농도에 기초하여, 수산화암모늄의 유속은 자동으로 조정되고, 즉 박테리아에 의해 아세트산 생성을 증가시키도록 증가하거나 아세트산 생성을 감소시키도록 감소한다. 가스 CO 함유 기질의 흐름은 목표 pH = 5.0에서 배양 배지의 pH를 유지시키기 위해 자동으로 증가하거나 감소하였다. 희석제의 유속 이외의 시간에 따른 에탄올, 박테리아 및 아세트산의 농도는 도 6에 도시되어 있다.
실시예 3
오직 측정된 pH 및 CO 함유 기질 흐름에 기초한 자동화 시작
생물학적 공정을 위한 이전의 시작 데이터에 기초하여, CO가 씨, 리융달리를 함유하는 배양 배지에 이것을 공급함으로써 에탄올로 전환된 실시예 1에 기재된 바대로, 관계식이 반응기 내의 소정의 박테리아 농도, 목표 아세트산 생산성을 생성하는 것에 필요한 소정의 조성물의 CO 함유 기질의 상응하는 유속, 및 소정의 목표에서 배양 배지 pH를 유지시키는 데 필요한 요구되는 수산화암모늄 유속 사이에 관계식이 확립되었다. 이 관계식은 하기한 바와 같다:
W
Figure 112017010596317-pct00009
BIOPROD + X
Figure 112017010596317-pct00010
METPROD = NEUTFLO = Y
Figure 112017010596317-pct00011
COFLO + Z
식 중, BIOPROD, METPROD, NEUTFLO 및 COFLO는 각각 박테리아(바이오매스) 생산성, 아세트산(아세테이트) 생산성, 바이오반응기에 대한 NH4OH 유속 및 바이오반응기에 대한 CO 함유 기질 유속을 나타낸다. 인자 W, X, Y 및 Z는 이전의 공정에서 얻어진 정보로부터 (선형 회귀를 사용하여) 경험적으로 결정되고, 여기서 박테리아 생산성 측정은 연속 시간 간격에서 측정된 농도에 기초한다. 즉, 측정된 박테리아 생산성은 (시간 2에서의 박테리아 농도 - 시간 1에서의 박테리아 농도) /(시간 2 - 시간 1)로서 계산되었다. 이 이전의 공정에서, 박테리아 농도는 분광광도계 또는 플레이트 판독기 또는 바이오매스 프로브를 사용하여 측정되었고, 측정된 아세트산 생산성은 (시간 2에서의 아세트산 농도 - 시간 1에서의 아세트산 농도)(시간 2 - 시간 1)로서 계산되었다. 아세트산 및 에탄올 농도는 HPLC에 의해 측정되었다. 이들 이전 공정으로부터 생성된 데이터에 따라, 하기 인자가 결정되었다: W = 1.2, X = 1.5, Y = 1.46, 및 Z = 3.21.
따라서, 자동화 시작을 위해 사용된 관계식은 NEUTFLO = 1.46
Figure 112017010596317-pct00012
COFLO + 3.21이었다. 배양 배지의 pH는 PID 제어기를 사용하여 자동으로 CO 함유 기질의 유속을 조정함으로써 5.0에서 유지되었다. 상기 관계식은 CO 함유 기질의 측정된 유속에 기초하여 수산화암모늄 유속을 설정하도록 사용되었다.
수산화암모늄 및 CO 함유 기질의 유속 이외에 시간에 따른 에탄올, 박테리아 및 아세트산의 농도는 도 7에 도시되어 있다. 유리하게는, 제 1일에 걸친 박테리아 성장은 2.9그램/(리터
Figure 112017010596317-pct00013
일)에서 높았고, 아세트산 생산성은 2.8그램/(리터
Figure 112017010596317-pct00014
일)에서 낮았다. 에탄올 생산성 및 농도가 최대화되었다. 이 관찰은 연속 공정을 확립하기 전에 중요한 생물학적 CO 전환 공정의 성공적인 시작과 일치하였다. 중요하게는, 바이오반응기 내의 박테리아 및 아세트산의 측정된 농도는 이 제어 방법론에서 직접적으로 사용되지 않았다. 오히려, 이 농도는 오직 조작의 진행을 확인하는 정도로 그러나 자동화에 대한 피드백 없이 모니터링되었다.
전체적으로, 본 발명의 양태는 CO 함유 기질이 더 고가의 생성물, 예컨대 에탄올을 생성하기 위해 사용된 생물학적 발효 공정에 대한 방법론을 제어하는 것에 관한 것이다. 제어 방법론은 이 공정의 개시 또는 시작을 유리하게 단축시킬 수 있어서, 종래의 제어 방법론(예를 들어, CO 함유 기질의 흐름에 대해 시간 기반 프로필)을 사용하여 필요한 시간 기간과 비교하여 바이오반응기의 접종 후 더 짧은 시간 기간에 (예를 들어, 소정의 공정 개시 목표의 도달 시) 연속 생성이 얻어졌다. 이 제어 방법론은 대안적으로 또는 또한 개시 또는 시작 동안에 원하는 최종 생성물의 생산성을 개선하고/하거나, 박테리아의 성장 속도를 개선할 수 있다. 본 개시내용으로부터 얻은 지식에 의해 당해 분야의 당업자는 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 제어 방법론, 시스템 및 컴퓨터 프로그램 제품에서 이루어질 수 있다는 것을 인식할 것이다.

Claims (31)

  1. 최종 생성물로의 CO의 전환을 개시시키고 수행하기 위한 방법으로서,
    a) CO 함유 기질 및 염기성 중화제 둘 다를 일산화탄소영양 박테리아(carboxydotrophic bacteria)를 함유하는 배양 배지를 포함하는 바이오반응기로 공급하는 단계;
    b) 배양 배지를 발효시키는 단계로서, CO 함유 기질 중 CO의 적어도 일부는 최종 생성물 및 산성 대사물질 포함하는 생성물로 전환되는 단계; 및
    c) 상기 최종 생성물의 생산을 최적화하는 단계로서,
    1) 산성 대사물질 농도 및 일산화탄소영양 박테리아 농도를 측정하는 단계;
    2) 하기 식(1)에 의해 산성 대사산물 기준점 농도를 결정하는 단계로서,
    (1) A1
    Figure 112022137295296-pct00025
    BIOCONmv + B1
    식 중, BIOCONmv는 배양 배지 내의 일산화탄소영양 박테리아 측정된 농도를 나타내고, A1 및 B1은 상수인 단계;
    3) 산성 대사물질 농도가 산성 대사물질 기준점 농도보다 낮은 경우 염기성 중화제 유속을 증가시키는 단계; 및
    4) 산성 대사물질 농도가 산성 대사물질 기준점 농도보다 큰 경우 염기성 중화제 유속을 감소시키는 단계
    에 의해 최적화하는 단계
    를 포함하는, 최종 생성물로의 CO의 전환을 개시시키고 수행하기 위한 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 산성 대사물질 측정된 농도는 간헐적으로 또는 연속적으로 결정되는, 최종 생성물로의 CO의 전환을 개시시키고 수행하기 위한 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 상수 A1 및 B1은 실험 데이터로부터 경험적으로 결정되는, 최종 생성물로의 CO의 전환을 개시시키고 수행하기 위한 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 일산화탄소영양 박테리아 측정된 농도는 간헐적으로 또는 연속적으로 결정되는, 최종 생성물로의 CO의 전환을 개시시키고 수행하기 위한 방법.
  5. 제1항에 있어서, 하기 식 (3)에 따라 결정되는 희석제 유속으로 희석제를 바이오반응기로 흐르게 하는 단계를 더 포함하는 방법:
    (3) C1 (BIOCON mv )
    식 중, BIOCONmv는 배양 배지 내의 일산화탄소영양 박테리아 측정된 농도를 나타내고, C1은 실험 데이터로부터 경험적으로 결정된 상수이다.
  6. 제1항에 있어서, CO 함유 기질 유속은 상기 배양 배지의 측정된 pH 값에 기초하여 제어되는, 최종 생성물로의 CO의 전환을 개시시키고 수행하기 위한 방법.
  7. 최종 생성물로의 CO의 전환을 개시시키고 수행하기 위한 방법으로서,
    a) CO 함유 기질 및 염기성 중화제 둘 다를 일산화탄소영양 박테리아(carboxydotrophic bacteria)를 함유하는 배양 배지를 포함하는 바이오반응기로 공급하는 단계;
    b) 배양 배지를 발효시키는 단계로서, CO 함유 기질 중 CO의 적어도 일부는 최종 생성물 및 산성 대사물질을 포함하는 생성물로 전환되는 단계;
    c) 바이오반응기에 대한 염기성 중화제 유속을 조정함으로써 상기 최종 생성물의 생산을 최적화하는 단계로서, 염기성 중화제 유속은 하기 식 (2)에 따라 결정되며,
    (2) Y
    Figure 112022137295296-pct00026
    COFLOmv + Z
    식 중, COFLOmv는 CO 함유 기질 측정된 유속을 나타내고, Y 및 Z는 실험 데이터로부터 경험적으로 결정된 상수인 단계
    를 포함하는, 최종 생성물로의 CO의 전환을 개시시키고 수행하기 위한 방법.
  8. 제1항 또는 제7항에 있어서, 상기 방법은 배취 조작 기간 동안 수행되는, 최종 생성물로의 CO의 전환을 개시시키고 수행하기 위한 방법.
  9. 제8항에 있어서, 연속 공정 개시 목표를 획득한 후, 신선한 배양 배지를 상기 바이오반응기에 첨가하는 단계 및 상기 바이오반응기로부터 상기 최종 생성물을 배출시키는 단계를 추가로 포함하는, 최종 생성물로의 CO의 전환을 개시시키고 수행하기 위한 방법.
  10. 제1항 또는 제7항에 있어서, 상기 CO 함유 기질은 철강 제조 공정, 비철 제품 제조 공정, 석유 정련 공정, 바이오연료 제조 공정, 석탄 기화 공정, 전력 생성 공정, 카본 블랙 제조 공정, 암모니아 제조 공정, 메탄올 제조 공정, 유기물의 기화, 탄화수소의 스트림 개질 및 코크스 제조 공정으로 이루어진 군으로부터 선택된 산업 공정으로부터 얻어진, 최종 생성물로의 CO의 전환을 개시시키고 수행하기 위한 방법.
  11. 제1항에 있어서, 상기 산성 대사물질은 아세트산인, 최종 생성물로의 CO의 전환을 개시시키고 수행하기 위한 방법.
  12. 제1항 또는 제7항에 있어서, 상기 최종 생성물은 에탄올인, 최종 생성물로의 CO의 전환을 개시시키고 수행하기 위한 방법.
  13. 제1항 또는 제7항에 있어서, 상기 염기성 중화제는 수산화암모늄 용액인, 최종 생성물로의 CO의 전환을 개시시키고 수행하기 위한 방법.
  14. 시스템으로서,
    바이오반응기,
    상기 바이오반응기로부터, 배양 배지의 샘플을 단리시키도록 구성된 샘플링 장치,
    상기 샘플을 분석하도록 구성된 분석기, 및
    상기 분석기로부터 수신된 상기 배양 배지의 측정된 특성과 산성 대사물질 기준점 농도에 기초하여, 상기 바이오반응기로 염기성 중화제 유속을 제어하도록 구성된 제어기를 포함하되,
    상기 측정된 특성은 산성 대사물질 측정된 농도, 일산화탄소영양 박테리아 측정된 농도, 또는 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되고,
    상기 염기성 중화제 유속은 상기 배양 배지 내의 상기 산성 대사물질 측정된 농도와 상기 배양 배지 내의 산성 대사물질 기준점 농도 사이의 차이에 기초하여 제어되고,
    산성 대사산물 기준점 농도는 하기 식(1)에 의해 결정되는, 시스템:
    (1) A1
    Figure 112022137295296-pct00027
    BIOCONmv + B1
    식 중, BIOCONmv는 배양 배지 내의 일산화탄소영양 박테리아 측정된 농도를 나타내고, A1 및 B1은 상수이다.
  15. 시스템으로서,
    바이오반응기,
    상기 바이오반응기로부터, 배양 배지의 샘플을 단리시키도록 구성된 샘플링 장치,
    상기 샘플을 분석하도록 구성된 분석기, 및
    상기 분석기로부터 수신된 상기 바이오반응기에 대한 CO 함유 기질 측정된 유속에 기초하여, 상기 바이오반응기로 염기성 중화제 유속을 제어하도록 구성된 제어기를 포함하되,
    상기 염기성 중화제 유속은 하기 식(2)에 따라 결정되는, 시스템:
    (2) Y
    Figure 112022137295296-pct00028
    COFLOmv + Z
    식 중, COFLOmv는 CO 함유 기질 측정된 유속을 나타내고, Y 및 Z는 실험 데이터로부터 경험적으로 결정된 상수이다.
  16. 컴퓨터 프로그램이 내부에 구현된 비일시적 컴퓨터 판독 가능한 매체를 포함하는 컴퓨터 시스템으로서, 상기 컴퓨터 프로그램은 프로세서가
    바이오반응기로부터의 배양 배지의 샘플을 분석하도록 구성된 분석기로부터, 상기 배양 배지의 측정된 특성을 수신하는 단계, 및
    상기 바이오반응기에 대한 염기성 중화제 유속을 제어하도록 구성된 제어기로, 제어를 위한 기준으로서 상기 배양 배지의 측정된 특성 및 산성 대사물질 기준점 농도를 입력하는 단계
    를 수행하도록 하는 명령어들을 포함하고,
    상기 측정된 특성은 산성 대사물질 측정된 농도, 일산화탄소영양 박테리아 측정된 농도, 또는 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되고,
    산성 대사산물 기준점 농도는 하기 식(1)에 의해 결정되는, 컴퓨터 시스템:
    (1) A1
    Figure 112022137295296-pct00029
    BIOCONmv + B1
    식 중, BIOCONmv는 배양 배지 내의 일산화탄소영양 박테리아 측정된 농도를 나타내고, A1 및 B1은 상수이다.
  17. 컴퓨터 프로그램이 내부에 구현된 비일시적 컴퓨터 판독 가능한 매체를 포함하는 컴퓨터 시스템으로서, 상기 컴퓨터 프로그램은 프로세서가
    바이오반응기에 대한 CO 함유 기질 측정된 유속을 수신하는 단계,
    상기 바이오반응기에 대한 염기성 중화제 유속을 제어하도록 구성된 제어기로, 제어를 위한 기준으로서 상기 CO 함유 기질 측정된 유속을 입력하는 단계
    를 수행하도록 하는 명령어들을 포함하고,
    상기 염기성 중화제 유속은 하기 식(2)에 따라 결정되는, 컴퓨터 시스템:
    (2) Y
    Figure 112022137295296-pct00030
    COFLOmv + Z
    식 중, COFLOmv는 CO 함유 기질 측정된 유속을 나타내고, Y 및 Z는 실험 데이터로부터 경험적으로 결정된 상수이다.
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