KR102531893B1 - 멀티-스테이지 생물반응기 공정 - Google Patents

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Abstract

C1 탄소 공급원을 원하는 최종 생성물로 전환하기 위한 멀티-스테이지 생물학적 공정 및 시스템을 설명한다. 공정은, 다수의 생물반응기 스테이지 간에 기체 CO 함유 기질을 병렬로 분할하는 스테이지를 포함한다. 액체 생성물들은, 제1 생물반응기 스테이지로부터 하류측 생물반응기 스테이지들로 연속적으로 직렬 공급된다. 각 스테이지에서의 미생물 분리와 재순환을 위한 요건을 피함으로써 동작이 간략화될 수 있다. 또한, 결합된 스테이지들에 대한 전체적 기체-액체 물질 전달이 매우 유리하여, 부산물의 대사산물 생산성이 상당히 낮으면서 최종 생성물의 생산성이 높게 된다.

Description

멀티-스테이지 생물반응기 공정{MULTI-STAGE BIOREACTOR PROCESSES}
본 발명의 양태들은, 다수의 생물반응기 스테이지(bioreactor stage)를 이용하는, 최종 생성물에 대한 C1-함유 기질의 미생물 발효를 위한 공정에 관한 것이다. 대표적인 공정에서, C1-함유 기질은 기상 처리를 위해 스테이지들 간에 병렬로 분배되는 반면, 액체 생성물들은 액상 처리를 위해 하나의 스테이지에서 다음의 연속 스테이지로 직렬로 전달된다.
화석 연료 온실 가스(greenhouse gas: GHG) 배출에 대한 환경 문제로 인해 재생가능 에너지원에 대한 중요성이 증가하고 있다. 그 결과, 에탄올은 전 세계적으로 빠르게 주요 수소 풍부 액체 수송 연료로 되고 있다. 유럽, 일본, 미국, 및 몇몇 개발도상국에서 에탄올 생산에 대한 강조가 증가함에 따라 연료 에탄올 산업에 대한 세계 시장의 지속적인 성장이 당분간 예상된다. 예를 들어, 미국에서, 에탄올은 가솔린 내의 에탄올의 10% 혼합물인 E10을 생산하는 데 사용된다. E10 배합물에서, 에탄올 성분은 산소화제로서 기능하여, 연소 효율을 개선하고 대기 오염 물질의 생성을 감소시킨다. 브라질에서, 에탄올은, 가솔린에 배합된 산소화제로서 및 자신의 고유한 순수 연료로서 수송 연료 수요의 약 30%를 충족시킨다. 또한, 유럽 연합(EU)은, 각 회원국이 바이오매스-유래 에탄올과 같은 지속가능한 수송 연료를 소비하도록 강제된 목표로 갖고 있다.
막대한 대부분의 연료 에탄올은, 사탕수수로부터 추출된 자당이나 그램 작물로부터 추출된 전분과 같은 주요 작물 유래 탄수화물을 주요 탄소 공급원(carbon source)으로서 사용하는 전통적인 효모 기반 발효 공정을 통해 생산된다. 그러나, 이러한 탄수화물 공급 원료의 가격은, 경쟁 용도, 즉, 인간과 동물 모두를 위한 식품 공급원으로서 시장에서의 가치에 의해 영향을 받는다. 또한, 에탄올 생산을 위한 전분 또는 자당 생산 작물의 재배는 모든 지역에서 경제적으로 지속될 수 없는데, 이는 지역 토지 가치와 기후의 함수이기 때문이다. 이러한 이유 때문에, 저비용 및/또는 더욱 풍부한 탄소 자원을 연료 에탄올로 전환하는 기술을 개발하는 것이 특히 중요하다. 이러한 점에서, 일산화탄소(CO)는, 석탄, 오일, 및 유가 제품과 같은 유기 물질들의 불완전 연소의 주요 에너지 풍부 부산물이다. CO-풍부 폐가스는 다양한 산업 공정으로부터 발생한다. 예를 들어, 호주의 철강 산업은 연간 500,000톤 이상의 CO를 생산하여 대기로 배출하는 것으로 보고되었다.
더욱 최근에는, 산업 규모에 있어서 CO부터 에탄올을 생산하기 위한 미생물(박테리아) 기반의 공정 대안이 상업적 관심과 투자의 대상으로 되었다. CO가 유일한 탄소 공급원인 미생물 배양물의 능력은 1903년에 처음 발견되었다. 이러한 특징은, 나중에 (우즈-융달리(Woods-Ljungdahl) 경로 및 일산화탄소 탈수소효소/아세틸 CoA 합성 효소(CODH/ACS) 경로라고도 알려진) 독립 영양 성장의 아세틸 조효소 A(아세틸 CoA) 생화학적 경로의 유기체의 사용시 상주하는 것으로 밝혀졌다. 일산화탄소영양(carboxydotrophic), 광합성(photosynthetic), 메탄 생성(methanogenic), 및 아세토젬(acetogenic) 유기체들을 포함하는 많은 혐기성 유기체들이 CO를 대사하는 것으로 나타났다. 클로스트리듐(Clostridium) 속의 것과 같은 혐기성 박테리아는, 아세틸 CoA 생화학적 경로를 통해 CO, CO2, H2로부터 에탄올을 생산하는 것으로 알려져 있다. 예를 들어, 가스로부터 에탄올을 생산하는 클로스트리듐 륭달리이(Clostridium ljungdahlii)의 다양한 균주는, WO 00/68407; EP 1117309 A1; US 5,173,429; US 5,593,886; US 6,368,819; WO 98/00558; 및 WO 02/08438에 개시되어 있다. 클로스트리듐 오토에타노제눔(Clostridium autoethanogenum) 종 박테리아는, 또한, 가스로부터 에탄올을 생성하는 것으로 알려져 있다(Abrini et al, ARCHIVES OF MICROBIOLOGY 161: 345-351 (1994)).
유기체의 각 효소는 본질적으로 완벽한 선택성으로 지정된 생물학적 전환을 촉진시키기 때문에, 미생물 합성 경로는 종래의 촉매 경로에 비해 낮은 에너지 비용으로 높은 수율을 달성할 수 있다. 예를 들어, 비선택적 부반응으로 인한 부산물을 원하는 생성물로부터 분리시키기 위한 에너지 요구량이 감소될 수도 있다. 또한, 반응 매질 내의 불순물로 인한 촉매 중독에 대한 우려가 감소된다. 그러나, 이러한 명백한 이점들에도 불구하고, 당업계에서는, CO로부터의 에탄올의 미생물 합성에 연관된 현재의 도전 과제들을, 특히 생산 속도가 다른 기술들과 경쟁적이라는 점에서 해결해야 한다. CO를 탄소 공급원으로서 사용하는 경우, 전술한 혐기성 박테리아는, 발효에 의해 에탄올을 생산하지만, 적어도 하나의 대사산물, 예를 들어, CO2, 메탄, n-부탄올, 및/또는 아세트산도 생성한다. 이러한 대사산물들의 형성은, 이용가능한 탄소가 대사산물(들)로 손실되고 원하는 최종 생성물의 생산 효율이 떨어짐에 따라 주어진 공정의 생산성과 전반적인 경제적 생존 능력에 상당한 영향을 줄 가능성이 있다. 또한, 미생물 발효 공정의 시간 및 장소에 있어서 대사산물(예를 들어, 아세트산) 자체가 가치가 없다면, 이는 폐기물 처리 문제를 야기할 수도 있다. 에탄올을 생산하기 위한 CO 함유 가스의 혐기성 발효에서 목적하는 최종 생성물 이외의 생성물의 형성을 다루는 다양한 제안 방안은 WO2007/117157, WO2008/115080, 및 WO2009/022925에 개시되어 있다.
주어긴 발효 공정이 경제적으로 매력적인지 여부를 결정짓는 핵심 요소인 에탄올 생산 속도는, 박테리아 성장에 적합한 조건을 관리하는 데 크게 의존한다. 예를 들어, CO 함유 기질이 최적의 미생물 성장 및/또는 원하는 대사산물 생산을 초래하는 속도로 미생물 배양물에 제공되어야 한다는 것은 WO2010/093262로부터 공지되어 있다. 불충분한 기질이 제공되면, 미생물 성장이 느려지고, 에탄올을 희생하여 발효 산물이 아세트산으로 이동하게 된다. 과도한 기질이 제공되면, 불량한 미생물 성장 및/또는 세포 사멸이 발생할 수 있다. 이들 공정에서의 동작 파라미터들 간의 관계에 관한 추가 정보는 WO2011/002318에서 찾을 수 있다.
CO로부터 에탄올을 생산하기 위한 생물학적 공정의 기술, 특히 철강 생산에서 배출되는 기상 유출물과 같은 CO를 함유하는 폐기물 스트림은, 공정 경제성을 개선하고 따라서 산업 경쟁력을 개선하는 솔루션을 지속적으로 찾고 있다. 종래의 실시에 따르면, 원하는 전환을 수행하기 위해 사용되는 미생물의 분리 및 재순환은 연속 공정들에서 허용 가능한 생산성을 달성하는 데 필수적인 것으로 간주된다. 생물반응기의 내부 또는 외부에 있는 적합한 멤브레인 분리 시스템이 이러한 목적에 효과적이라고 알려져 있다. 그러나, 멤브레인 및 관련 하우징, 밸브, 기기, 및 제어 장치는 전체 자본 및 운영 비용을 상당히 증가시킨다. 멤브레인 교체 및 CIP(제자리 세정) 옵션은, 수동 또는 자동에 상관없이, 일반적으로 조작자 시간의 상당량, 화학 물질, 및 가열(수동 작업의 경우) 또는 엄청나게 많은 자본 비용(자동 작업의 경우)을 필요로 한다. 예를 들어, 일부 생물반응기 시스템들은, 가성(NaOH) 용액을 사용한 간단한 세정이 실제로는 효과가 없다고 판명되었으므로, 세포 재순환 멤브레인을 세정하기 위해 비싼 효소 용액을 필요로 하였다.
생물학적 CO 전환 공정에서 전반적으로 중요한 고려 사항은, 동작 유연성을 높이고 에탄올 생산성과 생성물 품질을 개선하고 CO를 더욱 효율적으로 이용하는 개선점을 찾는 것과 관련이 있다. 자본 및 운영 비용에 실질적으로 영향을 미치지 않고 이러한 영역들 중 임의의 하나의 영역에서 심지어 약간의 발전을 달성하는 것은 산업 운영 규모에 중요한 영향을 미칠 수 있다.
본 발명의 양태들은, 산업 폐가스와 같은 C1-함유 기질로부터의 C1 탄소 공급원을 영양소로서 이용하는 C1-고정 미생물의 대사 경로를 통해 생성되는 에탄올 등의 유용한 최종 생성물을 생성하기 위한 생물학적 공정 및 연관된 시스템에서의 개선에 관한 것이다. 대표적인 공정 및 시스템은, 상호 연결된 생물반응기들의 다수의 스테이지를 이용하는 대안 유형의 동작, 특히, 스테이지들, 종종 전체 공정에서 사용되는, 일반적으로 대부분의 스테이지들(예를 들어, 제1 스테이지 및/또는 최종 또는 마지막 스테이지를 제외한 모든 스테이지들)，및 모든 스테이지들 중 적어도 하나의 스테이지로의(예를 들어, 스테이지들 중 적어도 하나의 생물반응기로의) 재순환을 위해 일산화탄소영양 미생물(carboxydotrophic microorganism)을 분리시키는 비용과 복잡성을 피할 수 있는 동작을 포함한다. 놀랍게도, 이러한 시스템을 사용함으로써, 특히 C1-함유 기질이 다수의 생물반응기에 병렬로 공급되는 반면 액체 생성물이 직렬로 공급되는 시스템을 사용함으로써, 전반적인 에탄올 생산성이 높아지고 이에 따라 원하지 않는 대사산물, 예를 들어 아세트산의 생산성이 낮아진다는 것이 입증되었다. 효율적인 전반적인 C1 탄소 공급원 이용 및 개선된 공정 유연성과 제어를 포함하는 다른 이점들도 실현된다.
본 발명의 실시형태들은 C1 탄소 공급원을 최종 생성물로 전환시키는 멀티-스테이지 공정에 관한 것이다. 대표적인 공정들은, 예를 들어, 생물반응기 스테이지들 간에 C1-함유 기질을 분할함으로써 기체 C1-함유 기질을 공정의 제1 생물반응기 스테이지와 적어도 제2 생물반응기 스테이지에 병렬 공급하는 단계를 포함하고, 이때, 각 스테이지에서 수용되는 가스 조성은 동일하거나 실질적으로 동일하며, 공정에 입력되는 C1-함유 기질의 조성을 나타낸다. 이러한 공정들은, 제1 생물반응기 스테이지로부터 제2 생물반응기 스테이지로 제1 스테이지 액체 생성물(first stage liquid product)의 적어도 일부를 직렬 공급하는 단계를 더 포함한다. 이러한 방식으로, 각 스테이지에서 수용되는 액체 생성물의 조성 또는 그 조성의 적어도 바이오매스가 없는 액체 분획물(예를 들어, C1-고정 미생물을 함유하지 않는 액체 배지의 분획물)은 이전의 상류측 스테이지로부터 수용되는 출력을 나타낼 수 있다. 따라서, 기체 조성물과는 달리 각 스테이지에서 수용되는 액체 생성물의 조성은, 일반적으로 동일하지 않으며, 실제로 원하는 최종 생성물 및 다른 대사산물의 농도에 대해 현저하게 가변될 수 있다. 예를 들어 원하는 최종 생성물의 농도는, 상류로부터 연속적 하류 스테이지들로의 방향으로 적어도 일부, 바람직하게는 모든 스테이지들에 걸쳐 점진적으로 증가할 수 있다. 대안으로 또는 조합하여, 다른 대사산물은 이러한 스테이지들 중 일부 또는 전부에 걸쳐 점진적으로 감소할 수 있다. 본 발명의 실시형태들은, C1-함유 기질로부터 목적하는 최종 생성물로 C1 탄소 공급원을 전환시키는 멀티-스테이지 공정들에 관한 것이며, 멀티-스테이지 공정은 원하는 최종 생성물에 대한 시스템의 특이성을 증가시킨다.
또한, C1-고정 미생물의 분리 및 재순환은, 전술한 바와 같은 대표적인 공정들에 따라 생물반응기 스테이지들 중 적어도 하나에서 유리하게 피할 수 있다. 이는 수용가능한 생산성 수준을 얻기 위해 세포 재순환이 요구되는 것으로 이해되는 종래의 연속적인 "환경조절장치"(chemostat) 생물학적 공정들과 직접적으로 대조된다. 이에 따라, 적어도 하나의 스테이지(예를 들어, 제2 스테이지에 공급되는 제1 스테이지의 액체 생성물)에 공급되는 액체 생성물은, 이전의 (예를 들어, 제1) 상류측 생물반응기 스테이지에서 사용되었으며 예를 들어, 이 상류 스테이지에서 분리 또는 여과되지 않은 C1-고정 미생물을 포함할 수도 있다. 이러한 액체 생성물은 일반적으로 배양 배지, 원하는 최종 생성물, 및 이전의 상류 스테이지로부터 수용된 다른 대사산물을 추가로 포함한다. 따라서, 바람직한 실시형태들에 따르면, (1) (예를 들어, 멤브레인 분리를 사용하는) C1-고정 미생물의 분리 및 (2) 후속하는 분리된 미생물의 회수되는 동일한 스테이지로의 재순환에 관련된 추가 비용 및 복잡성 없이 적어도 하나의 생물반응기 스테이지의 액체 생성물(예를 들어, 제1 스테이지 액체 생성물)이 후속 스테이지로 공급된다. 바람직한 실시형태들에서, 공정들은, 생물반응기 스테이지들 중 임의의 것으로부터의 C1-고정 미생물의 임의의 분리 및/또는 생물반응기 스테이지들 중 임의의 것으로의 임의의 재순환 없이 실행되지만, 최종 스테이지로부터 회수되는 액체 생성물은 일반적으로 세포 없는 액체에서 최종 생성물(들)을 복원하도록 이러한 식으로 분리된다. 따라서, 일부 실시형태들에 따르면, C1-고정 미생물 및/또는 세포 배양 배지는, 최종 스테이지 액체 생성물로부터 분리될 수도 있고 공정으로(예를 들어, 생물반응기 스테이지들 중 하나 이상의 스테이지로) 리턴될 수도 있다.
본 발명의 다른 실시형태들은 복수의 생물반응기를 포함하는 멀티-스테이지 시스템에 관한 것이다. 생물반응기들은, 제1 단부에서의 가스 유입구 및 제1 단부의 반대측인 제2 단부에서의 가스 유출구를 포함하며, 이때, 가스 유입구들과 가스 유출구들은 기체 C1-함유 기질을 복수의 생물반응기에 공급할 수 있고 병행하여 전환되지 않은 C1 탄소 공급원을 포함하는 기체 생성물들을 제거할 수 있다. 제1 생물반응기와 최종 생물반응기를 제외한 (즉, 다른 생물반응기로부터 액체 생성물이 공급되지 않기 때문에 가장 멀리 있는 상류측 생물반응기가 아닌, 또는 가장 멀리 있는 하류측 생물반응기로부터 회수되는 액체 생성물이 다른 생물반응기에 공급되지 않기 때문에 그 가장 멀리 있는 하류측 생물반응기가 아닌) 생물반응기들은, 인접하는 상류측 생물반응기로부터 C1-고정 미생물(바이오매스)을 포함하는 액체 생성물을 수용하고 C1-고정 미생물(세포 또는 바이오매스)을 포함하는 액체 생성물을 인접하는 하류측 생물반응기에 직렬로 반송하기 위한, 개별적인 액체 유입구들과 유출구들을 포함한다.
일반적으로, 액체 유입구와 유출구 모두는 제1 단부(즉, 기체 C1-함유 기질이 수용되는 단부)에 근접해 있으며, 이때, 액체 생성물은, 예를 들어, 생물반응기들의 하부 근처에서, 예를 들어, 반응기 길이의 하부 25% 내에서 또는 하부 10% 내에서 그 하부 근처에 공급될 수 있고 그 하부 근처로부터 회수될 수 있다. 최종 생물반응기로부터 최종 액체 생성물을 수용하기 위한 액체 생성물 유출구는 마찬가지로 최종 생물반응기의 제1 단부의 근처에 있다. "반응기 길이"와 관련하여 다양한 특징부의 위치를 정의할 때, 이 길이는 반응기 내용물(반응물과 반응 생성물의 혼합물)을 포함하는 구획의 길이를 지칭하며, 일반적으로 "반응기 부피" 또는 "반응기 동작 부피"로서 고려되며, 이 길이는, 반응기 부피의 위 또는 아래로 연장될 수도 있는 공정 라인(예를 들어, 공급 유입구 라인 또는 생성물 유출구 라인) 또는 반응기를 수용하지만 어떠한 반응기 내용물도 포함하지 않는 컬럼 또는 기타 용기의 구획을 포함하지 않는다. 예를 들어, 원통형 반응기의 경우, 반응기 길이는 원통의 축의 길이를 나타낸다. 반응기 길이의 "하부 10%"는, 반응기의 하부로부터 시작하여 반응기 길이의 10%에 대해 위로 연장되는 범위의 높이를 나타낸다. 반응기 길이의 "상부 10%"는, 반응기의 상부에서 시작하여 반응기 길이의 10%에 대해 아래로 연장되는 범위의 높이를 나타낸다. 마찬가지로, 반응기 길이의 "하부 1% 내지 10%"는, 반응기의 하부 위의 반응기 길이의 1%인 높이로부터 시작하여 반응기의 하부 위의 반응기 길이의 10%인 높이까지 위로 연장되는 범위의 높이를 나타낸다. 반응기 길이의 상위 "25% 내지 45%"는, 반응기의 상부 아래의 반응기 길이의 25%인 높이로부터 시작하여 반응기의 상부 아래의 반응기 길이의 45%인 높이까지 아래로 연장되는 범위의 높이를 나타낸다.
본 발명의 추가 실시형태들은 C1을 원하는 최종 생성물로 전환시키는 멀티-스테이지 생물학적 공정에 관한 것이다. 이 공정들은, (i) 멀티-스테이지 공정의 다수의 생물반응기 스테이지 간에 기체 C1-함유 기질을 병렬로 분배하는 단계, 및 (ii) 제1 생물반응기 스테이지로부터 하류측 생물반응기 스테이지들로 C1-고정 미생물을 포함하는 액체 생성물을 연속적으로 직렬 공급하는 단계를 포함한다. 최종 스테이지에서, 최종 스테이지 액체 생성물은 최종 생물반응기 스테이지로부터 회수된다. 소정의 실시형태들에서, 최종 스테이지 액체 생성물은, 바이오매스가 없는 액체 분획물(예컨대, C1-고정 미생물/바이오매스를 함유하지 않는 액체 분획물)로부터 회수된다.
구체적인 실시형태들에서, 본 발명은 일산화탄소(CO)를 에탄올로 전환시키는 멀티-스테이지 생물학적 공정에 관한 것이다. 이 공정은, (i) 멀티-스테이지 공정의 다수의 스테이지 간에 CO 함유 기질을 병렬로 분할시키는 단계, 및 (ii) 일산화탄소영양 미생물을 포함하는 액체 생성물을 제1 생물반응기 스테이지에서부터 하류측 생물반응기 스테이지들에 연속적으로 직렬 공급하는 단계를 포함한다. 최종 생물반응기 스테이지로부터 회수된 최종 스테이지 액체 생성물은, 적어도 약 50g/ℓ의 에탄올을 포함할 수도 있고, 적어도 약 50:1의 에탄올:아세트산 중량비를 가질 수도 있다. 소정의 실시형태들에서, 최종 스테이지 액체 생성물은 바이오매스가 없는 액체 분획물로부터 회수된다. 특정 공정들은 적어도 4개의 생물반응기 스테이지를 포함할 수도 있다. 이러한 병렬 가스/직렬 액체 동작 방식에 연관된 이러한 대표적인 공정들은, 부산물 형성을 최소화하면서 높은 수준의 생산성을 유리하게 달성할 수 있다. 다른 실시형태들에서, 본 발명은 에탄올 생산성을 감소시키면서 일산화탄소를 2,3-부탄다이올로 전환시키는 멀티-스테이지 생물학적 공정에 관한 것이다. 소정의 실시형태들에서, 일산화탄소영양 미생물은, 클로스트리듐 오토에타노제눔, 클로스트리듐 라그스달레이(Clostridium ragsdalei), 및 클로스트리듐 륭달리이로 이루어진 군에서 선택된다.
대체 실시형태들에서, 본 발명은 일산화탄소(CO)를 성장 의존성 최종 생성물(예를 들어, 아이소프로판올)로 전환하기 위한 멀티-스테이지 생물학적 공정에 관한 것이다. 이 방법은, (i) 멀티-스테이지 공정의 다수의 스테이지 간에 CO 함유 기질을 병렬로 분할시키는 단계, 및 (ii) 일산화탄소영양 미생물을 포함하는 액체 생성물을 연속적으로 제1 생물반응기 스테이지에서부터 하류측 생물반응기 스테이지로 연속적으로 병렬 공급하는 단계를 포함한다. 최종 생물반응기 스테이지로부터 회수된 최종 스테이지 액체 생성물, 또는 그 생성물의 적어도 바이오매스가 없는 액체 분획물은 적어도 약 10g/ℓ의 아이소프로판올을 포함할 수도 있다. 소정의 실시형태들에서, 아이소프로판올 생산 공정에서 이용되는 일산화탄소영양 미생물은, 아이소프로판올 생합성 경로에 있어서 적어도 하나의 이종 효소를 갖는 재조합 클로스트리듐 오토에타노제눔 균주이다. 본 발명의 멀티-스테이지 공정을 사용하면, 통상적인 2반응기 발효 시스템에 비해 성장 의존성 최종 생성물의 생산성을 증가시키는 공정을 제공한다. 본 발명의 일 실시형태에 따르면, 성장 의존성 최종 생성물은 아이소프로판올, 부탄올, 아세톤, 2-하이드록시부티르산(2-HIBA), 및 아이소부틸렌으로 이루어진 군으로부터 선택된다.
전반적으로, 아래에서 더욱 상세히 설명되는 바와 같이, 본 명세서에 설명되는 바와 같은 멀티-스테이지 생물학적 공정들은, 생체 전환 조작의 안정성을 개선할 수 있고, 각 스테이지에서 달성되는 성능(예를 들어, 최종 생성물 및 다른 대사산물의 역가)을 특정 목적에 맞추기 위한 더욱 큰 유연성을 제공할 수 있다. 종래의 공정에 비해 반응기 부피 기준으로 작은 생산력이더라도, 비교적 간단한 구성 및 제어 시스템은 상업적 규모에서 달성되는 자본 및/또는 운영 비용 감소를 통해 경제적 관점에서이를 효과적으로 보상할 수 있다. 또한, "반응기당" 기준에서 생산성의 감소는, 생물반응기 치수 면에서 개선된 유연성을 가능하게 하며, 비교적 더욱 짧고 더욱 넓은 용기를 사용할 수도 있어서, 이용가능한 저장 탱크의 치수와 더욱 일치하는 치수를 가질 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 스테이지들(예를 들어, 제1 생물반응기 스테이지와 제2 생물반응기 스테이지 중 적어도 하나, 적어도 4개의 생물반응기 스테이지, 또는 모든 생물반응기 스테이지들)의 생물반응기들은, 약 10:1 미만 (예를 들어, 약 5:1 내지 약 10:1)과 같은 약 15:1(예를 들어, 약 2:1 내지 약 15:1)인 길이 대 폭(예를 들어, 직경)의 비를 가질 수도 있다. 이어서, 감소된 생산성이 가능함으로써, 본 명세서에 설명된 바와 같이 공정//시스템에서 보다 낮은 압력을 사용할 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 스테이지들(예를 들어, 제1 생물반응기 스테이지와 제2 생물반응기 스테이지 중 적어도 하나, 적어도 4개의 생물반응기 스테이지, 또는 모든 생물반응기 스테이지들)의 생물반응기들은, 약 500킬로파스칼(kPa) 게이지 압력(즉, 대기압 초과), 예를 들어, 약 200kPa 게이지 압력 미만, 또는 심지어 약 100kPa 게이지 압력 미만에서 동작될 수도 있다. 또한, 본 명세서에 설명된 바와 같은 멀티-스테이지 공정 및 시스템은, 주어진 물질 전달 계수에 대해 종래의 공정에 비해 더욱 큰 가스 이용도를 유리하게 달성할 수 있다.
멀티-스테이지 공정에서, 본 명세서에 기술된 생물반응기 스테이지들 또는 그 일부는 단일 용기 내의 별개의 부분들일 수도 있다. 예를 들어, 이러한 용기(50,000 내지 3,000,000리터의 산업 표준 탱크일 수도 있음)는, 개별 생물반응기 스테이지들을 분리시키고 본 명세서에 기술된 바와 같이 증기 및 액체 흐름을 유도하는 내부 구조를 포함할 수 있다. 예를 들어, 내부 구조들은 기체 및 액체를 스테이지들을 통해 각각 병렬 및 직렬로 유동시키도록 구성될 수 있다. 용기 내에서의 생물반응기 스테이지들의 사용은, 예를 들어, 생물반응기 스테이지를 빠져나가는 전환되지 않은 C1 탄소 공급원을 포함하는 기체 생성물들의 공유된 흐름으로 작동하는 것과 같이, 본 명세서에 기술된 특정 동작 실시형태들을 용이하게 할 수도 있다. 일 실시형태에 따르면, 용기 내의 생물반응기 스테이지는, 제1 생물반응기 스테이지가 최고 고도(elevation)에 있고 최종 생물반응기 스테이지가 최저 고도에 있는 적층 관계로 배향될 수도 있으므로, 중력을 이용하여 스테이지들을 통한 액체 생성물의 전달을 보조할 수도 있다. 단일 용기 내에 생물반응기를 포함할 수 있는 연결된 생물반응기 스테이지들의 총 개수는 다양할 수도 있으며, 예시적인 실시형태들에서, 용기는 약 4개 내지 약 12개의 생물반응기 스테이지를 포함할 수도 있다. 내부 구조는, 도 1 및 도 2를 참조하여 본 명세서에 기술된 관련 배관 및/또는 다른 장비(예를 들어, 기체 및 액체 유입구들 및 이들의 연결부, 증기 및 액체 분배기, 라이저(riser), 다운커머(downcomer), 외부 액체 순환 루프, 액체 배양 배지 및 기타 첨가제를 위한 유입구 등)를 포함할 수 있다. 따라서, 이러한 내부 구조는, 더욱 상세히 후술하는 바와 같이, 재순환 루프를 이용하는 유도식 내부 순환 및/또는 외부 순환을 포함하여 원하는 흐름 구성을 달성하기 위해 스테이지들 간에 전체적인 유체 연통을 제공할 수 있어서, 높은 물질 전달 및 지정된 가스 유속에서의 혼합을 달성하는 데 필요한 유체 역학 조건을 생성할 수 있다. 이러한 용기에는, 예를 들어, 반드시 인접하지는 않은(즉, 서로 바로 상류 또는 하류에 있는) 생물반응기 스테이지들 간의 액체 순환을 위해, 전체 용기의 외부에 추가 액체 순환 루프를 장착할 수도 있다. 일부 실시형태들에서, 주어진 생물학적 전환 공정에 요구되는 생물반응기 스테이지들의 총 개수는, 용기 내에서의 스테이지들의 수를 초과할 수 있어서, 공정이 두 개 이상의 용기를 이용할 수도 있고, 그 용기들 중 한 개 또는 두 개가 복수의(예를 들어, 두 개 이상의) 생물반응기 스테이지를 포함한다.
본 명세서에 기술된 바와 같은 멀티-스테이지 생물학적 공정의 사용은 발효 파라미터 및 공정 제어에 대한 더욱 우수한 제어를 제공한다. 멀티-스테이지 공정의 스테이지들의 각각은 원하는 최종 결과를 제공하기 위해 다양한 공정 조건에서 동작될 수 있다. 예를 들어, 특정 스테이지들은 성장을 촉진시키기 위해 동작될 수 있고, 다른 스테이지들은 생산성을 위해 최적화될 수 있다. 멀티-스테이지 생물학적 공정을 사용함으로써, 더욱 우수한 생성물 역가, 바람직한 최종 생성물에 대한 더욱 큰 특이성, 개선된 기체 흡수, 및 다양한 조성물의 C1-함유 기질에 대한 더욱 큰 유연성이 가능하다.
본 발명과 관련된 이러한 실시형태들, 양태들, 이점들, 및 다른 실시형태들, 양태들, 이점들은 이하의 상세한 설명으로부터 명백해진다.
본 발명의 실시형태들 및 그 이점들은, 유사한 특징부들이 유사한 참조 번호들(예를 들어, 도 1의 생물반응기(100a) 및 도 2의 생물반응기(100))에 의해 식별되는 첨부 도면을 참조하여 하기 설명을 참조함으로써 더욱 완전하게 이해될 수도 있다.
도 1은, 간략화를 위해 유사한 개재 생물반응기들은 생략되어 있는, 적어도 2개의 상류측 생물반응기 및 2개의 하류측 생물반응기를 이용하는 대표적인 공정을 도시한다.
도 2는, 도 1에 도시된 바와 같은 대표적인 생물반응기의 확대도이며, 내부 구조 및 액체 순환과 관련된 추가 세부 정보를 제공한다.
도 3은, 6개의 생물반응기 스테이지를 이용하여, 본원에서 설명하는 생물학적 공정의 최종 액체 생성물의 취해진 샘플에 있어서 40일 이상의 작동 기간 동안 아세트산 및 2,3-부탄다이올의 부산물 대사산물 및 에탄올과 일산화탄소영양 미생물의 농도를 도시하는 그래프이다.
도 4는, 최종 액체 생성물 농도가 도 3에 도시된 40일 이상의 동작 기간 중 23일째 6개의 생물반응기 스테이지들의 각각으로부터의 액체 생성물의 취해진 샘플에 있어서 아세트산 및 2,3-부탄다이올의 부산물 대사산물과 에탄올의 측정된 농도의 그래프이다.
도 5a는 아이소프로판올 발효의 대사산물 프로파일을 도시하는 그래프이다.
도 5b는 아이소프로판올 생산성을 나타내는 그래프이다.
도 1 내지 도 5는, 관련된 개시 내용 및/또는 원리의 설명을 제공하는 것으로 이해되어야 한다. 설명 및 이해가 용이하도록, 간략화된 공정 흐름 방식 및 장비가 도 1 및 도 2에 도시되며, 이러한 도면들은 반드시 일정한 비율로 그려진 것은 아니다. 본 개시 내용을 이해하는 데 필수적이지 않은 밸브, 기기, 및 기타 장비와 시스템을 포함한 세부 정보는 도시하지 않는다. 본 개시 내용의 지식을 가진 통상의 기술자에게는 용이하게 명백한 바와 같이, 본 발명의 다른 실시형태들에 따른 C1-함유 기질의 생물학적 전환 방법들은, 부분적으로 그 방법들의 구체적인 용도에 의해 결정되는 구성 및 성분을 가질 것이다.
본 발명은, 다수의 생물반응기 스테이지에 기체 C1-함유 기질의 C1 탄소 공급원을 병렬로 공급함으로써 원하는 최종 생성물을 제조하는 공정에 관한 것으로서, 이러한 생물반응기 스테이지들은 이러한 스테이지들의 액체 생성물들을 직렬 처리하는 데 사용된다. 동작시, 각각의 생물반응기는 C1-고정 미생물을 포함하는 액체 배양 배지를 포함한다. 원하는 최종 생성물 이외에도, 본 명세서에 기술된 바와 같은 공정들은 바람직하지 않거나 덜 바람직한 대사산물을 추가로 생성한다. 대표적인 C1-고정 미생물은, 무렐라(Moorella), 클로스트리듐(Clostridia), 루미노코커스(Ruminococcus), 아세토박테륨(Acetobacterium), 유박테륨(Eubacterium), 부티리박테륨(Butyribacterium), 옥소박터(Oxobacter), 메타노사르시나(Methanosarcina), 메타노사르시나(Methanosarcina) 및 데설포토마쿨룸(Desulfotomaculum)속으로부터의 것이다. 클로스트리듐인 구체적인 미생물의 예로는, 씨. 륭달리이(C. ljundahlii), 씨. 오토에타노제눔(C. autoethanogenum), 씨, 라그스달레이(C. ragsdalei) 및 씨. 베이제렌케이(C. beijerenckei)가 있다.
대표적인 C1-함유 기질은, 광범위하게는, CO, CO2 및 CH4로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 C1 탄소 공급원이 성장 및/또는 발효를 위해 C1-고정 미생물의 하나 이상의 균주에 이용될 수 있는 C1 탄소 공급원 함유 가스를 포함한다. 이러한 C1-함유 기질은, 바람직하게, 오염물이 C1-고정 미생물의 성장에 악영향을 미칠 수도 있는 정도로 그러한 오염물을 포함하지 않는다(예를 들어, 동일 조건 하에서의 성장 속도에 비해 주어진 조건들의 세트 하에서는 오염물(들) 없이 성장 속도가 10%를 초과하여 감소하는 것과 같은 농도나 양으로 오염물(들)이 존재하지 않는다).
본 명세서에 설명된 바와 같은 대표적인 C1-함유 기질은 광범위하게 임의의 C1 탄소 공급원을 포함한다. C1 탄소 공급원은, 본 발명의 미생물을 위한 부분적 또는 유일한 탄소 공급원으로서 기능하는 하나의 탄소 분자를 가리킨다. 예를 들어, C1 탄소 공급원은 CO, CO2, CH4 중 하나 이상을 포함할 수도 있다. 바람직하게, C1 탄소 공급원은 CO와 CO2 중 하나 또는 둘 모두를 포함한다. 기질은 H2, N2 또는 전자와 같은 다른 비탄소 성분을 추가로 포함할 수도 있다.
C1-함유 기질은, 상당한 비율의 CO, 바람직하게는 적어도 약 5 내지 약 99.5% CO의 부피를 함유할 수도 있다. 이러한 기질은, 철강 제조 공정 또는 비철 제품 제조 공정과 같은 산업 공정의 폐기물로서 종종 제조된다. 기상 CO 함유 기질이 생성되는 다른 공정들에는, 석유 정제 공정, 바이오 연료 생산 공정(예를 들어, 열분해 공정 및 지방산/트리글리세리드 수소 전환 공정), 석탄 및 바이오매스 가스화 공정, 전력 생산 공정, 카본 블랙 생산 공정, 암모니아 생산 공정, 메탄올 생산 공정, 코크스 제조 공정 등이 있다. 다양한 기질에서 생산된 (CO와 H2를 모두 함유하는) 합성 가스뿐만 아니라 다수의 화학 산업 폐수도 마찬가지로 잠재적인 CO 함유 기질의 역할을 할 수 있다. 구체적인 예로는 인산염과 크롬산염의 생산으로부터 발생하는 폐수물이 있다. 유리하게, 이들 공정으로부터의 폐기물(예를 들어, 폐가스)은, 에탄올과 같은 유용한 최종 생성물의 유용한 생산을 위해 본 명세서에 기재된 바와 같이 사용될 수도 있다.
기질 및/또는 C1 탄소 공급원은, 산업 공정의 부산물로서, 또는 자동차 배기 가스 또는 바이오매스 가스화와 같은 일부 다른 공급원으로부터 얻어지는 폐기물 또는 배출 가스이거나 이러한 폐기물 또는 배출 가스로부터 유도될 수도 있다. 일부 실시형태들에서, 산업 공정은, 제철소 제조 등의 철강 제품 제조, 비철 제품 제조, 석유 정제 공정, 석탄 가스화, 전력 생산, 카본 블랙 생산, 암모니아 생산, 메탄올 생산, 및 코크스 제조로 이루어진 군에서 선택된다. 이러한 실시형태들에서, 기질 및/또는 C1 탄소 공급원은, 임의의 편리한 방법을 사용하여 대기로 방출되기 전에 산업 공정으로부터 포착될 수도 있다.
기질 및/또는 C1 탄소 공급원은, 석탄 또는 정련소 잔류물의 가스화, 바이오매스 또는 리그노셀룰로오스 물질의 가스화 또는 천연 가스의 개질에 의해 얻어진 합성 가스 등의 같은 합성 가스이거나 이러한 합성 가스로부터 유도될 수도 있다. 다른 일 실시형태에서, 합성 가스는 도시의 고형 폐기물 또는 산업 고체 폐기물의 가스화로부터 얻어질 수도 있다.
기질 및/또는 C1 탄소 공급원과 관련하여, "로부터 유도된"이란 용어는, 다소 개질되거나 배합된 기질 및/또는 C1 탄소 공급원을 가리킨다. 예를 들어, 기질 및/또는 C1 탄소 공급원은, 특정 성분을 첨가 또는 제거하도록 처리될 수도 있고 또는 다른 기질 및/또는 C1 탄소 공급원의 스트림과 배합될 수도 있다.
기질의 조성은 반응의 효율 및/또는 비용에 중요한 영향을 미칠 수도 있다. 예를 들어, 산소(O2)의 존재는 혐기성 발효 공정의 효율을 감소시킬 수도 있다. 기질의 조성에 따라, 기질을 처리, 스크러빙, 또는 필터링하여 독소, 원하지 않는 성분, 또는 먼지 입자와 같은 임의의 원하지 않는 불순물을 제거하고 및/또는 바람직한 성분의 농도를 증가시키는 것이 바람직할 수도 있다.
기질은, 일반적으로 CO, 예컨대 약 1, 2, 5, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90 또는 100몰%의 CO를 포함한다. 기질은 약 20 내지 80, 30 내지 70, 또는 40 내지 60몰% CO와 같은 범위의 CO를 포함할 수도 있다. 바람직하게, 기질은, 약 40 내지 70몰%의 CO(예를 들어, 제철소 또는 용광로 가스), 약 20 내지 30몰% CO(예를 들어, 염기성 산소 로 가스), 또는 약 15 내지 45몰% CO(예를 들어, 합성 가스)를 포함한다. 일부 실시형태들에서, 기질은, 비교적 저 농도의 CO, 예컨대 약 1-10 또는 1-20몰% CO를 포함할 수도 있다. 본 발명의 미생물은 전형적으로 기질 중의 CO의 적어도 일부를 생성물로 전환시킨다. 일부 실시형태들에서, 기질은 CO를 함유하지 않거나 실질적으로 함유하지 않는다.
기질은 일정량의 H2를 포함할 수도 있다. 예를 들어, 기질은 약 1, 2, 5, 10, 15, 20 또는 30몰%의 H2를 포함할 수도 있다. 일부 실시형태들에서, 기질은, 비교적 많은 H2, 예컨대 약 60, 70, 80 또는 90몰%의 H2를 포함할 수도 있다. 추가 실시형태들에서, 기질은 H2를 실질적으로 포함하지 않거나 실질적으로 포함하지 않는다.
기질은 소정량의 CO2를 포함할 수도 있다. 예를 들어, 기질은 약 1-80 또는 1-30몰% CO2를 포함할 수도 있다. 일부 실시형태들에서, 기질은 약 20, 15, 10, 또는 5몰% 미만의 CO2를 포함할 수도 있다. 다른 일 실시형태에서, 기질은 CO2를 함유하지 않거나 실질적으로 함유하지 않는다.
기질은 전형적으로 기체이지만, 기질은 또한 대체 형태로 제공될 수도 있다. 예를 들어, 기질은, 마이크로버블 분산 발생기를 사용하여 CO 함유 가스로 포화된 액체에 용해될 수도 있다. 추가 예로, 기질은 고체 지지체 상에 흡착될 수도 있다.
"미생물"은, 미생물, 특히 세균, 고세균(archea), 바이러스, 또는 곰팡이이다. 본 발명의 미생물은 전형적으로 박테리아이다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, "미생물"을 언급하는 것은 "박테리아"를 포함해야 한다.
본 발명의 미생물은 기능적 특징에 따라 더 분류될 수도 있다. 예를 들어, 본 발명의 미생물은, C1-고정 미생물, 혐기성 미생물, 아세토겐, 에타놀로겐, 카복시도트로프, 및/또는 메타노트로프일 수도 있고 또는 이들로부터 유도될 수도 있다. 표 1은 대표적인 미생물들의 목록을 제공하며 그 기능적 특징을 식별한다.
C1
고정
미생물		 혐기성
미생물		 아세토겐
 에타놀로겐 독립
영양
생물		 카복시도트로프 메타노트로프
아세토박테륨 우디이(Acetobacterium woodii) + + + +/- 1 - +/- 2 -
알카리바쿨룸 바시이(Alkalibaculum bacchii) + + + + + + -
블라우티아 프로둑타(Blautia producta) + + + - + + -
부티리박테륨 메틸로트로피쿰(Butyribacterium methylotrophicum) + + + + + + -
클로스트리듐 아세티쿰(Clostridium aceticum) + + + - + + -
클로스트리듐 오토에타노제눔 + + + + + + -
클로스트리듐 카복시디보란스(Clostridium carboxidivorans) + + + + + + -
클로스트리듐 코스카티이(Clostridium coskatii) + + + + + + -
클로스트리듐 드라케이(Clostridium drakei) + + + - + + -
클로스트리듐 포르미코아세티쿰(Clostridium formicoaceticum) + + + - + + -
클로스트리듐 륭달리이 + + + + + + -
클로스트리듐 마그눔(Clostridium magnum) + + + - + +/- 3 -
클로스트리듐 라그스달레이 + + + + + + -
클로스트리듐 스카톨로제네스(Clostridium scatologenes) + + + - + + -
유박테륨 리모섬(Eubacterium limosum) + + + - + + -
무렐라 써마우토트로피카(Moorella thermautotrophica) + + + + + + -
무렐라 써모아세티카(Moorella thermoacetica )(구명칭: 클로스트리듐 써모아세티쿰(Clostridium thermoaceticum)) + + + - 4 + + -
옥소박터 프펜니기이(Oxobacter pfennigii) + + + - + + -
스포로무사 오바타(Sporomusa ovata) + + + - + +/- 5 -
스포로무사 실바세티카(Sporomusa silvacetica) + + + - + +/- 6 -
스포로무사 스패로이데스(Sporomusa sphaeroides) + + + - + +/- 7 -
써모안에어로박터 키우비(Thermoanaerobacter kiuvi) + + + - + - -
1. 아세토박테륨 우디이 과당에서 에탄올을 생산할 수 있지만, 가스에서는 생산하지 못한다.
2. 아세토박테륨 우디이가 CO에서 성장할 수 있다고 보고되었지만, 그 방법은 의심스럽다.
3. 클로스트리듐 마그눔이 CO에서 성장할 수 있는지에 대해서는 아직 조사되지 않았다.
4. 무렐라 써모아세티카, 무렐라 종 HUC22-1의 한 균주는 가스로부터 에탄올을 생산하는 것으로 보고되었다.
5. 스포로무사 오바타가 CO에서 성장할 수 있는지는 조사되지 않았다.
6. 스포로무사 실바세티카가 CO에서 성장할 수 있는지는 조사되지 않았다.
7. 스포로무사 스패로이데스가 CO에서 성장할 수 있는지는 조사되지 않았다.
"C1"은 1 탄소 분자, 예를 들어 CO, CO2, CH4, 또는 CH3OH를 나타낸다. "C1-옥시게네이트"는 하나 이상의 산소 원자, 예컨대 CO, CO2, 또는 CH3OH를 또한 포함하는 1 탄소 분자를 나타낸다. "C1 탄소 공급원"은 본 발명의 미생물을 위한 부분적 또는 유일한 탄소 공급원으로서 기능하는 하나의 탄소 분자를 나타낸다. 예를 들어, C1 탄소 공급원은 CO, CO2, CH4 중 하나 이상을 포함할 수도 있다. 바람직하게, C1 탄소 공급원은 CO와 CO2 중 하나 또는 둘 모두를 포함한다. "C1-고정 미생물"은 C1 탄소 공급원으로부터 하나 이상의 생성물을 생산할 수 있는 능력을 가진 미생물이다. 전형적으로, 본 발명의 미생물은 C1-고정 박테리아이다. 바람직한 일 실시형태에서, 본 발명의 미생물은 표 1에서 식별된 C1-고정 미생물로부터 유도된다.
"혐기성 미생물"은 성장을 위해 산소를 필요로 하지 않는 미생물이다. 혐기성 미생물은, 산소가 소정의 임계값을 초과하여 존재하면 부정적으로 반응하거나 죽을 수도 있다. 전형적으로, 본 발명의 미생물은 혐기성 미생물이다. 바람직한 실시형태에서, 본 발명의 미생물은 표 1에서 식별된 혐기성 미생물로부터 유도된다.
"아세토겐"은, 혐기성 호흡의 산물로서 아세테이트(또는 아세트산)를 생산하거나 생산할 수 있는 미생물이다. 통상적으로, 아세토겐은, 에너지 보존과 아세테이트와 같은 아세틸-CoA 및 아세틸-CoA 유도 생성물의 합성을 위한 주 메커니즘으로서 우드-융달(Wood-Ljungdahl) 경로를 사용하는, 편성적(obligately) 혐기성 박테리아이다(Ragsdale, Biochim Biophys Acta, 1784 : 1873-1898, 2008). 아세토겐은, 아세틸-CoA 경로를, (1) CO2로부터 아세틸-CoA의 환원 합성을 위한 메커니즘, (2) 말단 전자 수용, 에너지 보존 프로세스, (3) 세포 탄소의 합성에 있어서의 CO2의 고정(동화) 메커니즘으로서 사용한다(Drake, Acetogenic Prokaryotes, In : The Prokaryotes, 3rd edition, p. 354, New York, NY, 2006). 모든 자연 발생 아세토겐은 C1-고정, 혐기성, 독립 영양 생물성, 및 비메타노트로픽이다. 전형적으로, 본 발명의 미생물은 아세토겐이다. 바람직한 실시형태에서, 본 발명의 미생물은 표 1에서 식별된 아세트겐으로부터 유도된다.
"에타놀로겐"은 에탄올을 생산하거나 생산할 수 있는 미생물이다. 전형적으로, 본 발명의 미생물은 에타놀로겐이다. 바람직한 실시형태에서, 본 발명의 미생물은 표 1에서 식별된 에타놀로겐으로부터 유도된다.
"독립 영양 생물"은 유기 탄소가 없는 상태에서 성장할 수 있는 미생물이다. 대신에, 독립 영양 생물은 CO 및/또는 CO2와 같은 무기 탄소 공급원을 사용한다. 전형적으로, 본 발명의 미생물은 독립 영양 생물이다. 바람직한 실시형태에서, 본 발명의 미생물은 표 1에서 식별된 독립 영영 생물로부터 유도된다.
"카복시도트로프"는, CO를 탄소의 유일한 공급원으로서 이용할 수 있는 미생물이다. 전형적으로, 본 발명의 미생물은 카복시도트로프이다. 바람직한 실시형태에서, 본 발명의 미생물은 표 1에서 식별된 카복시도트로프로부터 유도된다.
"메타노트로프"는 메탄을 탄소와 에너지의 유일한 공급원으로서 이용할 수 있는 미생물이다. 소정의 실시형태들에서, 본 발명의 미생물은 메타노트로프로부터 유도된다.
보다 일반적으로, 본 발명의 미생물은 표 1에서 식별된 임의의 속 또는 종으로부터 유도될 수도 있다.
바람직한 실시형태에서, 본 발명의 미생물은, 클로스트리듐 오토에타노제눔, 클로스트리듐 륭달리이, 및 클로스트리듐 라그스달레이 종들을 포함하는 Clostridia의 클러스터로부터 유도된다. 이러한 종들은, 문헌[Abrini, Arch Microbiol, 161: 345-351, 1994](클로스트리듐 오토에타노제눔), 문헌[Tanner, Int J System Bacteriol, 43: 232-236, 1993](클로스트리듐 륭달리이), 및 문헌[Huhnke, WO　2008/028055](클로스트리듐 라그스달레이)에서 먼저 보고되었으며, 이러한 문헌들에 의해 특성 규명되었다.
이러한 3종에는 많은 유사점들이 있다. 특히, 이러한 종들은 클로스트리듐 속의 C1-고정, 혐기성, 아세토제닉, 에타놀로겐, 및 일산화탄소영양 멤버들이다. 이러한 종들은 유사한 유전형과 표현형, 및 에너지 보존과 발효 대사의 모드를 갖고 있다. 또한, 이러한 종들은, clostridial rRNA 상동성 그룹 I에서 99% 초과의 동일성을 갖는 16S rRNA DNA로 클러스터링되며, 약 22 내지 30몰%의 DNA G + C 함량을 갖고, 그램 양성이고, 비슷한 모양과 크기(0.5 내지 0.7 × 3 내지 5㎛ 사이의 대수 성장 세포)를 갖고, 중온성(30 내지 37℃에서 최적으로 성장)이며, 약 4 내지 7.5의 유사한 pH 범위를 갖고(약 5.5 내지 6의 최적의 pH를 가짐), 사이토크롬이 없고, Rnf 복합체를 통해 에너지를 보존한다. 또한, 카복시산의 상응하는 알오콜로의 환원이 이러한 종들에서 나타났다(Perez, Biotechnol Bioeng, 110 : 1066-1077, 2012). 중요하게도, 이러한 종들은, 또한, 모두 CO 함유 가스에서 강력한 독립 영양 성장을 보이고, 주요 발효 산물인 에탄올과 아세테이트(또는 아세트산)를 생산하며, 소정의 조건 하에서 소량의 2,3-부탄다이올과 젖산을 생산한다.
그러나, 이러한 세 개의 종은 많은 차이점도 갖고 있다. 이러한 종들은, 토끼의 내장으로부터의 클로스트리듐 오토에타노제눔, 닭장 폐기물로부터의 클로스트리듐 륭달리이, 및 담수 침전물로부터의 클로스트리듐 라그스달레이와 같은 여러 공급원들로부터 분리되었다. 이러한 종들은, 다양한 당(예를 들어, 람노스, 아라비노스), 산(예를 들어, 글루코네이트, 시트르산), 아미노산(예를 들어, 아르기닌, 히스티딘), 및 기타 기질(예를 들어, 베타인, 부탄올)의 사용에 있어서 다르다. 또한, 이들 종은, 일부 비타민(예를 들어, 티아민, 바이오틴)에 대한 영양 요구성이 상이하다. 이들 종은 우드-융달 경로 유전자와 단백질의 핵산 및 아미노산 서열에 있어서 차이가 있지만, 이들 유전자와 단백질의 일반적인 조직과 개수는 모든 종들에서 동일한 것으로 밝혀졌다(Koepke, Curr Opin Biotechnol, 22: 320-325, 2011).
따라서, 요약하면, 클로스트리듐 오토에타노제눔, 클로스트리듐 륭달리이, 또는 클로스트리듐 라그스달레이의 많은 특징들은, 그 종들에 대하여 특정한 것이 아니라, 클로스트리듐 속의 C1-고정, 혐기성, 아세토제닉, 에타놀로겐, 및 일산화탄소영양 멤버들의 이 클러스터에 대한 다소 일반적인 특징들이다. 그러나, 이러한 종들은 사실상 구별되므로, 이러한 종들 중 하나의 종의 유전적 변형 또는 조작은 이러한 종들 중 다른 하나의 종에서 동일한 효과를 갖지 않을 수도 있다. 예를 들어, 성장, 성능, 또는 생성물 생산의 차이가 관찰될 수도 있다.
본 발명의 미생물은, 또한, 클로스트리듐 오토에타노제눔, 클로스트리듐 륭달리이, 또는 클로스트리듐 라그스달레이의 분리물 또는 변이체로부터 유도될 수도 있다. 클로스트리듐 오토에타노제눔의 분리물 및 변이체는 JA1-1(DSM10061)(Abrini, Arch Microbiol, 161: 345-351, 1994), LBS1560 (DSM19630)(WO2009/064200), 및 LZ1561(DSM23693)을 포함한다. 클로스트리듐 륭달리이의 분리물 및 변이체는, ATCC 49587(Tanner, Int J Syst Bacteriol, 43: 232-236, 1993), PETCT(DSM13528, ATCC 55383), ERI-2(ATCC 55380)(US　5,593,886), C-01(ATCC 55988)(US　6,368,819), O-52(ATCC 55989)(US　6,368,819), 및 OTA-1(Tirado-Acevedo, Production of bioethanol from synthesis gas using Clostridium ljungdahlii, PhD thesis, North Carolina State University, 2010)을 포함한다. 클로스트리듐 라그스달레이의 분리물 및 변이체는 PI 1(ATCC BAA-622, ATCC PTA-7826)(WO 2008/028055)을 포함한다.
본 발명의 미생물은 하나 이상의 생성물을 생산하도록 배양될 수도 있다. 예를 들어, 클로스트리듐 오토에타노제눔은, 에탄올(WO2007/117157), 아세테이트(WO2007/117157), 부탄올(WO2008/115080 및 WO 2012/053905), 부티레이트(WO2008/115080), 2,3-부탄다이올(WO　2009/151342), 락테이트(WO　2011/112103), 부텐(WO　2012/024522), 부타디엔(WO2012/024522), 메틸 에틸 케톤(2-부타논)(WO 2012/024522 및 WO 2013/185123), 에틸렌(WO 2012/026833), 아세톤(WO 2012/115527), 아이소프로판올(WO 2012/115527), 지질(WO 2013/036147), 3-하이드록시프로피오네이트(3-HP)(WO　2013/180581), 아이소프렌(WO 2013/180584), 지방산(WO 2013/191567), 2- 부탄올(WO 2013/185123), 1,2-프로판다이올(WO 2014/0369152), 및 1-프로판올(WO 2014/0369152)을 생성하거나 이러한 예들을 생성하도록 조작될 수 있다. 하나 이상의 표적 생성물에 더하여, 본 발명의 미생물은, 또한, 에탄올, 아세테이트, 및/또는 2,3-부탄다이올을 생성할 수도 있다. 일부 실시형태들에서는, 미생물 바이오매스 자체가 생성물로서 간주될 수도 있다.
아세트산인 산성 대사산물과 관련하여, "아세트산" 또는 “아세테이트"라는 용어는, 음이온성(해리된) 형태(즉, 아세테이트 이온 또는 CH3COO-) 또는 자유 분자 아세트산(CH3COOH)의 형태로 배양 배지에 존재하는 전체 아세테이트를 가리키며, 이러한 형태들의 비율은 시스템의 pH에 좌우된다. 후술하는 바와 같이, 수성 수산화 나트륨(NaOH)과 같은 염기성 중화제를 사용하여, 아세트산을 중화함으로써, 주어진 생물반응기에서 배양 배지의 pH를 제어할 수도 있다(예를 들어, pH=4.5 내지 pH=8.0의 임의의 특정한 pH 값일 수도 있는 pH 설정값으로 제어될 수 있다). 본 명세서에 기술된 공정들을 수행하기 위해 생물반응기들이 유지되는 대표적인 pH 범위는 약 4.0 내지 약 8.0, 예컨대 약 5.0 내지 약 6.5이다.
본 명세서에 사용되는 바와 같은 "액체 생성물"은, 멀티-스테이지 공정 중 적어도 하나의 스테이지에 공급되는 액체 스트림(예를 들어, 제2 스테이지에 공급되는 제1 스테이지 액체 생성물)을 의미한다. 액체 생성물은, (i) C1-고정 미생물을 함유하는 배양 배지, (ii) 원하는 최종 생성물, 및 (iii) 다른 대사산물을 함유한다. 액체 생성물은 또한 용해된 C1-함유 기질을 함유할 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같은 "최종 스테이지 액체 생성물"은 멀티-스테이지 공정의 최종 반응기 스테이지로부터 회수된 액체 생성물이다. 최종 스테이지 액체 생성물은 전형적으로 최종 스테이지의 바이오매스가 없는 액체 분획물로부터 회수된다.
본 명세서에 사용되는 바와 같은 "최종 생성물" 또는 "원하는 최종 생성물"은 본 발명의 미생물에 의해 생성된 대사산물을 가리킨다. 본 발명의 미생물은, 에탄올, 아세테이트, 부탄올, 부티레이트, 2,3-부탄다이올, 락테이트, 부탄, 부타디엔, 메틸 에틸 케톤(2-부타논)， 에틸렌, 아세톤, 아이소프로판올, 지질, 3-하이드록시프로피오네이트(3-HP), 아이소프렌, 지방산, 2-부탄올, 1,2-프로판다이올, 및 1- 프로판올을 생산하는 것으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 생성물을 생산하도록 배양될 수도 있다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같은 "성장 의존성 생성물"은 바어오매스의 생산 속도에 정비례하는 생산 속도를 나타내는 대사산물을 지칭한다. 성장 의존성 생성물의 예는 아이소프로판올, 아세테이트, 아세톤, 2-하이드록시부티르산(2-HIBA), 및 아이소부틸렌을 포함하지만, 이에 한정되지는 않는다.
멀티-스테이지 반응기 공정의 이점들 중 하나는 적어도 하나의 원하는 최종 생성물에 대해 발효 공정을 맞추는 능력이다. 제공되는 공정 파라미터에 따라, 하나의 발효 공정에서의 원하는 최종 생성물은 상이한 공정 조건 하에서 동작되는 상이한 발효 공정에서 바람직하지 않은 대사산물일 수도 있음을 이해할 것이다. 예를 들어, 에탄올 생산에 관한 멀티-스테이지 공정에서, 에탄올은 바람직한 최종 생성물이지만, 아이소프로판올 생산에 관한 멀티-스테이지 공정에서, 아이소프로판올은 원하는 최종 생성물이고, 에탄올은 부산물 대사산물이다.
후술하는 바와 같이, 본 발명의 실시에 특히 유용한 특정 유형의 생물반응기는, 라이저 내의 상대적으로 낮은 밀도의 구획과 하나 이상의 내부 또는 외부 다운커머 내의 비교적 높은 밀도의 구획 간의 밀도 구배에 의존하는 순환 루프 반응기이다. 라이저와 다운커머 구획들 모두는 연속적 액상 구역에서 액체 배양 배지를 포함하지만, 가스상 CO 함유 기질은 정상적으로 라이저 구획의 하부로 분포된다(예를 들어, 살포된다)． 상승하는 가스 기포들은, 소비되지 않은 및 용해되지 않은 임의의 가스가 액체 레벨 위의 연속적 기상 구역(즉, 증기 공간 또는 헤드스페이스) 내로 방출될 때까지 연속적 액상 구역을 통해 상방으로 이동하는 동안 이 구획으로 제한된다. 내부 또는 외부 액체 다운커머를 통한 하향 액체 순환은 루프 펌프에 의해 유도되거나 보조될 수도 있다. 그러나, 일부 경우에는, 루프 펌프가 복수의 생물반응기 중 적어도 하나에 대해 사용되지 않고, 종종 루프 펌프가 대부분의 생물반응들기 또는 모든 생물 반응기에 대해 사용되지 않아서, 밀도 유도 순환에만 의존하여 에너지 비용을 유리하게 보존한다.
"생물반응기 스테이지"의 일부로서 포함될 수도 있는 임의의 생물반응기 및 "생물반응기"라는 용어는, 순환 루프 반응기로 한정되지 않으며, 더욱 광범위하게, 본 명세서에 기재된 생물학적 공정들을 실시하는 데 사용될 수도 였는 일산화탄소영양 미생물을 갖는 배양 배지의 액체 부피를 유지하기 위한 임의의 적합한 용기 또는 용기 내의 구획을 포함하며, 이러한 공정들은 또한 일반적으로 혐기성으로 수행되는 정도까지 발효 공정이라 칭할 수도 있다. 특정 형태의 생물반응기는, 2상(기체-액체) 접촉, 예를 들어,（예를 들어, 상향 흐름 기상 및 하향 흐름 액상이 있는) 역류 흐름 반응기 또는 (예를 들어, 상향 흐름 기상과 액상이 있는) 공류 흐름 반응기에 적합한 임의의 용기를 포함할 수 있다. 이러한 2상 접촉 용기에서는, 이동하는 액체 칼럼을 통해 흐르는 가스 기포의 경우와 같이, 액상이 연속 상일 수 있다. 그 외에는, 증기 공간을 통해 흐르는 분산된 액체(예를 들어, 액적 형태)의 경우와 같이, 증기 상이 연속 상일 수 있다. 이하에서 더욱 완전하게 설명되는 일부 실시형태들에서, 생물반응기의 상이한 구역들은 연속적 액상 및 연속적 기상을 함유하는 데 사용될 수도 있다.
생물반응기의 구체적인 예로는, CIR(연속 교반형 탱크 반응기), ICR(고정형 세포 반응기), TBR(트릭클 베드 반응기), MBBR(이동 베드 바이오필름 반응기), 버블 컬럼, 가스 리스트 발효기, 및 중공 심유 멤브레인 생물반응기(FHMBR) 등의 멤브레인 반응기가 있다. 적합한 생물반응기는, （예를 들어, 생물학적 전환을 실시하는 데 유리한 용해 및 물질 전달 동역학을 이용하여) 가스상 C1-함유 기질을 액체 박테리아 배양 배지와 접촉시키는 데 적합한, 정적 혼합기 또는 다른 용기 및/또는 장치(예를 들어, 타워 또는 배관 구조)를 포함할 수도 있다. "복수의 생물반응기 스테이지"에 포함될 수도 있는 생물반응기들 또는 "복수의 생물반응기"라는 문구는, 하나의 유형보다 많은 유형의 생물반응기들을 포함하는 것을 의미하지만, 일부 경우에는, 복수의 생물반응기가 하나의 유형(예를 들어, 순환 루프 반응기)일 수도 있다.
본 명세서에 기재된 생물학적 공정들에서 사용하기 위한 일부 적합한 공정 스트림, 동작 파라미터, 및 장비는 미국 특허출원공보 제US2011/0212433호에 기재되어 있으며, 이 문헌의 전문은 본 명세서에 참고로 원용된다.
본 발명은, 더욱 구체적으로, 복수의 생물반응기 스테이지를 이용하여, 본 명세서에 기술된 바와 같은 병렬-기체, 직렬-액체 처리 구성을 포함하는, C1 탄소 공급원을 가치있는 최종 생성물로 전환하는 생물학적 공정의 발견에 연관된 것이다. 유리하게, 세포(미생물 또는 바이오매스) 분리 및 주어진 생물반응기 스테이지로의 재순환을 위한 하나 이상의 멤브레인 시스템을 피하면서, 전체 부산물의 형성이 매우 적고 (예를 들어, 2개 이상의 생물반응기에 걸친) 원하는 최종 생성물의 높은 전체 생산성을 달성할 수 있다.
구체적인 예로, 본 발명은, 본 명세서에 기술된 바와 같은 멀티-스테이지 공정을 사용하여 CO를 에탄올로 전환하는 공정들에 연관된 것이다. 일부 실시형태들에서, C1-고정 미생물은 일산화탄소영양 미생물이다. 보다 구체적으로, 일산화탄소영양 미생물은, 클로스트리듐 오토에타노제눔, 클로스트리듐 라그스달레이, 클로스트리듐 륭달리이로 이루어진 군에서 선택된다. 구체적인 실시형태들에서, 일산화탄소영양 미생물은 클로스트리듐 오토에타노제눔 균주 DSM23693이다. 다른 스테이지들의 하류에 위치하는 생물반응기 스테이지(예를 들어, 최종 생물반응기 스테이지)로부터 회수된, 중간 스테이지 액체 생성물 또는 최종 스테이지 액체 생성물의 대표적인 에탄올 농도는, 일반적으로 1리터당 약 40g(그램/리터 또는 g/ℓ) 이상이며(예를 들어, 약 40 내지 약 95g/ℓ), 통상적으로는 약 50g/ℓ 이상(예를 들어, 약 50 내지 약 80g/ℓ), 그리고 종종 약 60g/ℓ 이상(예를 들어, 약 60 내지 약 75g/ℓ)이다. 이러한 중간 스테이지 액체 생성물 또는 최종 스테이지 액체 생성물 중 에탄올:아세트산의 대표적인 중량비는, 일반적으로 약 50:1 이상(예를 들어, 약 50:1 내지 약 1000:1), 전형적으로 약 75:1 이상(예를 들어, 약 75:1 내지 약 500:1), 그리고 종종 적어도 약 100:1(예를 들어, 약 100:1 내지 약 250:1)이다. 액체 생성물의 이러한 특징들은, 보다 구체적으로, 중간 스테이지 생물 반응기 또는 최종 스테이지 생물 반응기로부터 회수된 액체 생성물을 나타낼 수 있으며, 일산화탄소영양 미생물(세포 또는 바이오매스)을 제거하기 위한 분리(예를 들어, 멤브레인 여과)를 수반할 수 있다. 일반적으로, 대사산물 농도를 결정하기 위해 사용되는 분석 방법(예를 들어, 기체 크로마토그래피(GC) 또는 고압 액체 크로마토그래피(HPLC))에는 무세포 샘플이 필요하다.
본 명세서에 기술된 바와 같은 멀티-스테이지 공정은, 전제적인 부산물 형성을 최소화하면서 높은 전체 에탄올 생산성을 달성하는 것 외에도, 양호한 전체 CO 이용을 추가로 제공할 수 있다. 전체 CO 이용은, 멀티-스테이지 공정에 입력되어 원하는 생성물(예를 들어, 에탄올) 및 기타 대사산물로의 전환에 이용되는 CO의 퍼센트(예를 들어, 생물반응기로의 총 CO 입력)를 나타낸다. 공정에서 배출되는 모든 기체 스트림들(즉, 기체 생성물들)의 조합된 조성이 알려지기나 (예를 들어, 사용된 각 생물반응기에서 나오는 개별 기체 흐름의 유속과 조성에 기초하여) 계산될 수 있다면, 전체 CO 이용은 다음과 같이 계산될 수 있다.
1-(멀티-스테이지 공정에서 나오는 CO의 비율)/(멀티-스테이지 공정으로 입력되는 CO의 비율)
전체 CO 이용은, 더욱 높은 총 이용 가치를 제공할 수 있는 기체 생성물 재순환용 (및 추가 비용)의 사용을 고려하지 않고 "패스당" 또는 "일회용"(once-through) 기준에 따라 결정된다. 대표적인 실시형태들에 따르면, 일산화탄소영양 미생물에 의한 CO 이용은, 일반적으로 약 35% 이상(예를 들어, 약 35% 내지 약 85%), 전형적으로 약 50% 이상(예를 들어, 약 50% 내지 약 80%), 그리고 종종 적어도 약 60%(예를 들어, 약 60% 내지 약 75%)이다. 경우에 따라, CO 이용은 적어도 약 70%일 수도 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 멀티-스테이지 공정의 발효 파라미터는 하나 이상의 성장 의존성 생성물의 생산을 증가시키도록 조정된다. 일 실시형태에서, 멀티-스테이지 공정의 발효 파라미터는 아이소프로판올에 대한 공정의 특이성을 증가시키도록 조정된다. 구체적인 예에서, 본 발명은 본 명세서에 기재된 바와 같은 멀티-스테이지 공정을 사용하여 CO를 아이소프로판올로 전환하는 공정에 연관된다. 일부 실시형태들에서, C1-고정 미생물은 재조합 클로스트리듐 오토에타노제눔 균주이다. 일부 실시형태들에서, 재조합 미생물은, 아이소프로판올 생합성 경로에서 적어도 하나의 효소를 발현 또는 과잉 발현하도록 적응된다.
본 발명의 실시형태들은, 바이오매스(예를 들어, 성장 의존성 생성물)의 생산 속도에 직접 비례하는 생산 속도를 나타내는 대사산물의 생산성을 증가시키는 방법에 관한 것이다. 도 5a 및 도 5b에서 입증된 바와 같이, 아세톤 및/또는 아이소프로판올의 생산 속도는 발효의 성장 스테이지와 관련되어 있다. 그래프에서 입증되는 바와 같이, 도 5a는 발효 공정에서의 아세데이트 농도와 아이소프로판올 농도 간의 강한 상관 관계를 CSTR로 도시한다. 아세테이트 농도와 아이소프로판올의 농도는 발효의 초기 성장 스테이지(제1일 및 제2일) 동안 증가한다. 성장 스테이지가 끝나기 시작하면, 아세테이트 농도와 아이소프로판올 농도가 모두 떨어진다. 도 5b는 아이소프로판올의 생산성과 성장률 사이의 관계를 도시한다. 아이소프로판올이 가장 높은 성장률로 생산성이 가장 높은 것으로 명백하게 입증되었다.
효소 CtfAB는 아세토아세테이트 및 아세틸 -CoA의 형성을 유도하는 아세토아세틸-CoA로부터 아세테이트로의 CoA 잔기(moiety)의 전달에 의해 아세토아세테이트의 형성을 촉매하는 것으로 나타났다. 이 효소 활성은 아세테이트의 가용성에 의존한다. 아세테이트에 대한 CtfAB의 Km 값은 24mM(1.4g/ℓ) 내지 1200mM(71g/ℓ) 중의 어느 값인 것으로 보고되었다. KM 값은, 효소가 최대 속도의 절반에서 작용하는 기질 농도이다. 따라서, CtfAB가 최대 속도의 절반으로 되도록 활성화되려면, 1.4 내지 71g/ℓ의 아세테이트가 필요하다. 본 발명자들은, 아세테이트가 아이소프로판올 발효 공정에서 제한 기질이 되지 않도록 적어도 14g/ℓ의 아세테이트가 세포 내에 필요하다고 어림잡는다.
본 발명에 의해 제공되는 바와 같은 멀티-스테이지 생물반응기 공정은 공정의 더욱 큰 적응성을 제공한다. 멀티-스테이지 공정의 다양한 스테이지에 대한 공정 파라미터 조정을 통해, 원하는 결과가 가변될 수 있다. 예를 들어, 멀티-스테이지 공정은, 원하는 최종 생성물(예를 들어, 에탄올 또는 2,3-부탄다이올, 또는 아이소프로판올과 같은 성장 의존성 생성물)에 대해 더욱 큰 생성물 특이성을 갖도록 맞춰질 수 있다. 멀티-스테이지 생물반응기 공정을 통해 제어되거나 조정될 수 있는 공정 파라미터들의 예는, C1-함유 기질 조성, C1-함유 기질 유속, 온도, 압력, 박테리아 희석율, 및 액체 배양 배지 조성을 포함한다.
적절한 조작의 예로는, 가변하는 유속에서 멀티-스테이지 공정의 상이한 스테이지들에 C1-함유 기질을 제공하는 것, 다양한 조성을 갖는 C1-함유 기질을 멀티-스테이지 공정의 상이한 스테이지들에 제공하는 것, 가변되는 조성을 갖는 액체 배양 배지를 멀티-스테이지 공정의 상이한 스테이지들에 제공하는 것(예를 들어, 멀티-스테이지 공정의 적어도 스테이지들에 대해 제한된 조성을 갖는 액체 배양 배지를 제공하는 것), 멀티-스테이지 시스템의 상이한 스테이지들 사이에서 온도를 변경하는 것(예를 들어, 제1반응기 스테이지 및 후속 반응기 스테이지들로부터 온도를 감소시키는 것), 멀티-스테이지 반응기 공정의 스테이지들 사이의 박테리아 희석율을 변경하는 것), (예를 들어, 액체 분배 장치의 펌프 속도를 변경하거나 내부 반응기 설계 또는 치수를 수정함으로써) 멀티-스테이지 공정의 각 스테이지 내에서 혼합 속도를 변경하는 것이 있다.
중요하게는, 전술한 바와 같이, 상기한 성능 파라미터들은, 종래의 연속 생물학적 전환 공정들에서 실시되는 바와 같이 하나의 (상류) 생물반응기의 액체 생성물에서 회수되고 다른 (상류) 생물반응기에 공급되는 일산화탄소영양 미생물을 분리 및 재순환시킬 필요가 없는 멀티-스테이지 생물반응기 공정들에서 달성될 수도 있다. 따라서, 일반적으로, 상류측 생물반응기 스테이지로부터 회수되고 소정의 생물반응기 스테이지에 공급되는 액체 생성물은, 상류 (이전) 생물반응기 스테이지에서 사용되는 일산화탄소영양 미생물을 포함할 수도 있는데, 이 미생물은, 한 스테이지에서 다른 스테이지로 연속적으로 직렬로 옮겨지는 액체 생성물들 중 하나 이상 바람직하게는 모두로부터 분리되기 않기 때문이다. 주어진 생물반응기 스테이지에 공급되는 액체 생성물은, 일반적으로 배양 배지, 원하는 최종 생성물, 및 상류 (이전) 스테이지로부터 수용된 다른 대사산물을 추가로 포함한다.
따라서, 종래의 세포 분리 및 재순환 (예를 들어, 멤브레인) 시스템의 사용을 유리하게 피하는 본원에서 설명하는 실시형태들에 따르면, 상류측 생물반응기 스테이지로부터 회수되는 액체 생성물은, 일산화탄소영양 미생물의 분리, 및 분리된 일산화탄소영양 미생물이 회수된 상류측 생물반응기 스테이지로 재순환되는 것을 겪지 않는다. 그러나, 본 명세서에 기술된 공정 및 시스템의 이러한 특징은, 상류 스테이지로부터의 액체 생성물의 회수에 이어서 및 소정의 생물반응기 스테이지로의 공급 전에 다양한 중간 스테이지의 사용을 배제하지 않으며, 이러한 스테이지들은 액체 생성물의 조성에 영향을 끼칠 수도 있고 또는 끼치지 않을 수도 있다. 이러한 중간 단계들은, 예를 들어, (i) (예를 들어, 분석 방법을 수행하는 데 필요한 만큼) 분리된 부분의 여과와 선택적으로 조합된 액체 생성물의 일부를 (예를 들어 샘플링을 위해) 분리시키는 단계, (ii) (예를 들어, 배양 배지, 특히, 영양제, 또는 계면활성제와 같은 공정 첨가제와) 액체 생성물을 혼합하는 단계, 및/또는 (iii) 액체 생성물을 (예를 들어, NH4OH 또는 NaOH와 같은 중화제와 반응시켜 pH를 증가시키는) 단계를 포함한다. 그러나, 일부 실시형태들에서, 주어진 생물반응기 스테이지로부터 회수된 액체 생성물은, 상기 기술된 (i), (ii) 및/또는 (iii)을 거치지 않고 또는 이들의 조합을 거치지 않고 주어진 생물반응기 스테이지에 공급될 수도 있다.
도 1은, 적어도 4개의 상호연결된 생물반응기 스테이지들(10a, 10b,...10y, 10z)을 포함하는 본 개시 내용의 특정 실시형태에 따른 대표적인 멀티-스테이지 생물 전환 공정을 도시하며, 여기서, 제2및 제3 스테이지들(10b, 10y) 사이의 점선은, 그 하나 이상의 추가 중간 스테이지들이 유사한 방식으로 및 유사한 장비와 연결을 이용하여 주어진 멀티-스테이지 시스템에 통합될 수도 있음을 나타내도록 사용된다. 더욱 후술하는 바와 같이, 기상의 C1-함유 기질은 스테이지들에 병렬 공급될 수 있는 반면, 바이오매스를 포함할 수 있는 액체 생성물은, 제1 생물 반응기 스테이지(10a)로부터 최종 생물반응기 스테이지(10z)까지 연속적으로 공급될 수 있으며, 최종 생물반응기 스테이지로부터의 최종 스테이지 액체 생성물은, 전술한 바와 같이, 이 액체 생성물에서 또는 바이오매스가 없는 분획물에서 대표적인 특징들을 갖고서 회수될 수도 있다.
대표적인 공정들에 따르면, 기상 C1-함유 기질은, 각 생물반응기 스테이지의 수직으로 연장되는 생물반응기(100a, 100b, 100y, 100z)의 하부 단부들 근처에 위치하는 가스 유입구(12a, 12b, 12y, 12z)를 통해 생물반응기 스테이지들에 공급된다. 예를 들어, 가스 유입구들은, 각자의 각 생물반응기들의 길이의 하부 25% 이내, 바람직하게는 하부 10% 내에서 각 생물반응기들 내로 연장될 수도 있다. 가스 유입구들은, 일반적으로 각자의 각 생물반응기들 내로, 일반적으로 반응기 길이의 이러한 백분율 이내의 높이에 상응하는 높이에서 생물반응기들 내의 중심에 배치될 수도 있는 가스 분배 장치들로 연장된다. 특정한 가스 분배 장치들은, 하나 이상의 생물반응기 내에서 각각의 제1 단부에 인접하여 가스 유입구들과 유체 연통할 수도 있는 스파저(sparger)(14a, 14b, 14y, 14z)를 포함한다. 생물 전환 반응에 이용되지 않는 전환되지 않은 C1 탄소 공급원 및 C1-함유 기질(예컨대, H2)의 임의의 가스 불순물을 포함하는 가스 생성물들은, 각 생물반응기로부터 배출되어, 하부 단부들의 반대측인 생물반응기들의 상부 단부들 근처에 위치하는 가스 유출구(16a, 16b, 16y, 16z)를 통해 유출된다. 가스 유출구들은, 각자의 각 생물반응기들의 길이의 상부 25% 이내, 바람직하게는 상부 10% 내에서 각자의 각 생물반응기들 내로 연장될 수도 있거나, 그렇지 않으면 기체 생성물들은, 가스 유출구들이 각자의 각 생물반응기 내로 전혀 연장되지 않으면서, 각자의 각 생물반응기들의 상부로부터 유출될 수도 있다.
중간 생물반응기들(100b, 100y) 각각은, 바로 인접하는 상류측 생물반응기로부터 회수되는 액체 생성물을 수용할 수 있고 바로 인접하는 하류측 생물반응기로 액체 생성물을 운반할 수 있는 액체 유입구(18b, 18y) 및 액체 유출구(20b, 20y)를 포함한다. 예를 들어, 제2 스테이지의 생물 반응기(100b)는, 제1 스테이지의 생물반응기(100a)로부터 (예를 들어, 액체 유출구(20a)를 통해) 회수되는 액체 생성물을 수용하기 위한 액체 유입구(18b) 및 액체 생성물을 (예를 들어, 도시하지 않은 액체 유입구를 통해) 제3 스테이지의 생물반응기(도시하지 않음)로 운반하기 위한 액체 유출구(20b)를 포함한다. 생물반응기(100a)(즉, 제1 스테이지(10a)의 생물 반응기)는, 상류측 생물반응기를 갖지 않고, 따라서 인접하는 상류측 생물반응기로부터 액체 생성물을 수용하기 위한 액체 유입구를 갖지 않는다. 생물 반응기(100z)(즉, 최종 스테이지(10z)의 생물반응기)는 하류측 생물반응기를 갖지 않고, 따라서 특히 인접하는 하류측 생물반응기로 액체 생성물을 운반하기 위한 액체 유출구를 갖지 않는다. 그러나, 최종 생물반응기(100z)는, 예를 들어 전술한 바와 같이 조성 면에서 대표적인 특징을 갖는, 최종 스테이지 액체 생성물을 회수하기 위한 액체 생성물 유출구(50)를 포함한다. 유입구 및 유출구(20a,...20y 및 18a,...18z)를 통해 연속적인 스테이지들로/로부터 액체 생성물(또는 "브로스"(broth))을 전달하는 것은, 이러한 유입구 및 유출구와 유체 연통하는, (예를 들어, 내경이 약 1㎜ 내지 약 12㎜인) 작은 구멍이 있는 개방 파이프들을 통해 작은 구멍이 열린 파이프를 통해 발생할 수도 있다.
중간 스테이지의 생물반응기의 액체 유출구(20b, 20y)의 경우와 같이, 최종 스테이지의 생물반응기(100z)의 액체 생성물 유출구(50)는 생물반응기의 하부 단부의 근처에 위치된다. 액체 생성물 유출구(50)에서 회수되는 최종 스테이지 액체 생성물의 생물반응기(100z)로부터의 회수 후에, 그 최종 스테이지 액체 생성물은, 작동중인 가스가 없는 액체 수준(즉, 유지되는 가스 없이 존재하는 액체 수준)에 상응하는 높이(H) 가스 보류)으로 전달될 수도 있으며, 선택 사항으로서, 이러한 액체 수준에 해당하는 높이(H)를 넘어 연장될 수도 있다. 즉, 최종 스테이지 액체 생성물이 연장되는 가장 높은 고도(E)는 높이(H)이거나 초과할 수도 있다. 높이(H)는, 조정가능할 수도 있고, 사이펀 브레이커(siphon breaker)(75) 또는 다른 유형의 액체 테이크오프 지점의 높이(H)에 실질적으로 대응할 수도 있다. 따라서, 도 1의 실시형태에서, 액체 생성물 유출구(50)는, 멀티-스테이지 공정의 생물 반응기(100a, 100b, 100y, 100z)에 비해 높이가 조정가능한 사이펀 브레이커(75)와 유체 연통한다. 고도(E) 및 높이(H)는, 최종 스테이지의 생물반응기(100z) 및 바람직하게는 다른 생물반응기의 액체 레벨 또는 수력학적 헤드를, 액체 생성물을 하나의 스테이지에서 다른 스테이지로 연속적으로 이송하는 액체 유입구 및 유출구(20a ... 20y 및 18a, ... 18z)에서의 액체 채움(또는 연속적 액상) 상태의 붕괴 없이 수력학적으로 연결될 수도 있는 정도로 제어하도록 조정될 수도 있다. 따라서, 고도(E) 및/또는 높이(H)는, 하나 이상의 바람직하게는 모든 생물반응기(100a ... 100z)의 액체 레벨을 제어할 수 있으며, 특히, 각자의 각 생물반응기들의 기체/액체 계면(22a ... 22z)의 레벨을 제어할 수도 있다.
도 1에 도시된 특정 실시형태에서, 액체 유입구(18b, 18y) 및 액체 유출구(20b, 20y)는, 바람직하게 각자의 가스 유입구(12b, 12y) 및 스파저(14b, 14y) 아래의 정지 구획에 위치하여, 액체를 주어진 생물반응기 스테이지의 이 구획 또는 반응기 위치로 공급할 수 있게 하고 이러한 구획이나 반응기 위치로부터 회수할 수 있게 한다. 그러나, 액체 생성물의 공급 및 회수를 위한 원하는 위치에 따라, 유입구와 유출구가 각각의 생물반응기의 길이를 따라 다른 곳에 또한 배치될 수도 있다. 대체 실시형태에서, 예를 들어, 액체 유출구는, 기체/액체 계면(22a, 22b, 22y, 22z)의 레벨에 또는 그 부근에 위치될 수도 있고, 또는 그렇지 않으면 하나 이상의 생물반응기에서의 독립적 액체 레벨 제어가 가능하도록 생물반응기들 간의 사이펀 효과 또는 액체 채움 상태를 붕괴시킬 수도 있다.
도 1에 또한 도시한 바와 같이, 하나 이상의, 예를 들어, 모든 생물반응기들(100a, 100b...100y, 100z)은, 주어진 생물반응기 내에서의 혼합/균일성을 개선하고 및/또는 증기-액체 물질 전달 비율을 개선하도록 (각자의 생물반응기들에 대하여 외부인) 외부 액체 재순환 루프들(25a, 25b...25y, 25z)을 포함할 수도 있다. 외부 액체 재순환 루프들(25a, 25b...25y, 25z)을 사용함으로써, 배양 배지와 C1-고정 미생물을 포함하는 액체 생성물이, 주어진 생물반응기의 하부 구획으로부터(예를 들어, 생물반응기의 길이의 하부 10% 내에서부터, 스파저(14a, 14b, 14y, or 14z) 등의 가스 분배 장치 아래로부터, 및/또는 액체 유입구 또는 액체 유출구 아래로부터) 회수될 수도 있고, 외부적으로 생물반응기로, 생물반응기의 상부 구획으로(예를 들어, 생물반응기의 상부 10% 내로 및/또는 연속적 기상 구역과 연속적 액상 구역 간의 경계들을 정하는 기체/액체 계면(22a, 22b, 22y, or 22z)으로) 재순환될 수도 있다. 외부 반응기 액체 재순환 루프들은 예를 들어, 에너지 사용과 물질 전달 속도 개선 간의 최적의 트레이드오프에서 원하는 속도로 외부 액체 순환을 제공하기 위해 각각의 외부 액체 재순환 펌프들(30a, 30b, 30y, 30z)을 포함할 수도 있다.
편리하게, 외부 액체 순환 루프들(25a, 25b...25y, 25z)은, 생물반응기 액체 샘플링/분석의 위치를 제공할 수 있으며, 또한 생물반응기 제어를 위해 구성될 수 있다. 예를 들어, 제1 및 제2 스테이지들의 생물반응기들(100a, 100b)은, 염기성 중화제 유입구들(35a 및 35b)을 통해 염기성 중화제(예를 들어, NH4OH 또는 NaOH와 같은 수성 염기)가 첨가될 수도 있는 각각의 외부 액체 순환 루프들(25a 및 25b)을 포함한다. 주어진 생물 반응기(들), 예를 들어 생물반응기들(100a, 100b)에 염기성 중화제를 첨가하는 것은, 예를 들어 외부 액체 재순환 루프들(25a, 25b) 내의 생물반응기 액체의 pH 값을 (예를 들어, 연속적으로 또는 간헐적으로) 측정하는 pH 분석기(40a, 40b)를 포함하는 적절한 피드백 제어 루프를 사용하여 개별적으로 제어될 수도 있다. 이러한 제어 루프는, 또한, 측정된 pH 값을 주어진 생물반응기의 설정값과 비교한 후 설정점을 달성하거나 유지하도록 염기성 중화제의 흐름을 제어하는 데 필요한 하드웨어(예를 들어, 제어 밸브 또는 가변 속도 공급 펌프, 도시하지 않음) 및 소프트웨어(예를 들어, 컴퓨터 프로그램)를 포함한다. 따라서, 생물반응기들 중 하나 이상의 (예를 들어, 모든) 외부 재순환 루프들은, 각각의 하나 이상의 (예를 들어, 모든) 염기성 중화제 유입구들과 유체 연통할 수도 있고, 하나 이상의 (예를 들어, 모든) 각 생물반응기들 내의 pH를 독립적으로 제어하기 위한 기기를 포함할 수도 있다.
또한, 하나 이상의 생물반응기들(100a, 100b...100y, 100z)의 외부 액체 재순환 루프들(25a, 25b...25y, 25z)은, 각 생물반응기들(100a, 100b...100y, 100z)의 외부 액체 재순환 루프들(25a, 25b) 내의 액체의 온도를 (예를 들어, 연속적으로 또는 간헐적으로) 측정하는 온도 송신기들(41a, 41b, 41y, 41z)을 포함할 수도 있고, 이러한 온도들은 생물반응기들의 동작 온도를 나타낸다. 따라서, 온도 송신기들(41a, 41b, 41y, 41z)에 더하여, 가열기 또는 열 교환기(42a, 42b, 42y, 42z), 및 측정된 온도를 주어진 생물반응기에 대한 설정점 온도와 비교한 후 가열기 또는 열 교환기(42a, 42b, 42y, 42z)의 동작을 제어하여 설정점을 달성하거나 유지하기 위한 필수 소프트웨어(예를 들어, 컴퓨터 프로그램)를 포함하는 제어 루프들을 사용하여 개별적인 생물반응기 온도 제어를 달성할 수도 있다. 특정 유형의 열 교환기로는, 튜브-인-튜브 및 딤플 재킷 구성을 갖는 것이 있다. 또한, 하나 이상의 생물반응기(도 1에 도시한 바와 같은 제1 및 제2 스테이지의 생물반응기들(100a, 100b))의 외부 액체 재순환 루프들(25a, 25b...25y, 25z)은, 액체 배양 배지 유입구들(45a, 45b), 또는 다른 액체 희석액, 시약(예를 들어, 계면활성제), 및/또는 영양제를 하나 이상의 생물반응기에 동일한 속도로 또는 가변 속도로 독립적으로 도입하기 위한 유입구들을 포함할 수도 있다. 따라서, 생물반응기들 중 하나 이상(예를 들어, 전부)의 외부 재순환 루프들은, 하나 이상의 가열기 또는 열 교환기과 각각 유체 연통할 수도 있고, 그 하나 이상의 각각의 생물반응기 내의 온도를 독립적으로 제어하기 위한 기기를 포함할 수도 있다.
따라서, 생물반응기 스테이지들 중 2개 이상(예를 들어, 제1 및 제2 생물반응기 스테이지(10a, 10b))는, 전술한 바와 같이 외부 액체 재순환 루프 상의 생물반응기 액체 생성물의 샘플링/분석을 필요로 하는 공정 조작 변수들을 포함하여 독립적으로 제어가능한 공정 조작 변수들을 가질 수도 있다. 대표적인 공정 조작 변수들은, 액체 배양 배지 첨가 속도, 기상 CO 함유 기질 공급 속도, 반응기 온도, 반응기 pH, 및 이들의 조합을 포함한다. 본 명세서에 기술된 바와 같이 멀티-스테이지 공정의 한 가지 중요한 이점은, C1-고정 미생물이 연속적인 생물반응기 스테이지들로 전달됨에 따라 C1-고정 미생물의 성장을 독립적으로 조절할 수 있는 능력에서 비롯된다. 박테리아 성장의 관리 및 최종 생성물 및 다른 대사산물의 생산은, 주어진 생물반응기 스테이지의 조건들(예를 들어, 전술한 공정 조작 변수들)을 주어진 처리 목적에 맞춤으로써 수행될 수 있다. 예를 들어, 일 실시형태에 따르면, 상대적으로 높은 속도의 액체 배양 배지를 제1 스테이지의 생물반응기에 첨가하여, 높은 박테리아 성장 속도를 촉진시키고, 또한 멀티-스테이지 생물반응기 시스템의 나머지 부분에 대해 안정한 균질 배양을 설정한다. 상대적으로 낮은 비율의 액체 배양 배지를, 최종 생성물의 높은 생산 속도를 달성하는 데 적합한, 더욱 확립된 세포 배양을 갖는 하류측 생물반응기들에 첨가할 수 있다. 이러한 식으로, 박테리아 성장은 유리하게 생성물 생성으로부터 분리되거나 결합해제될 수 있다. 전반적으로, 본 명세서에 기술된 시스템은, C1-고정 미생물이 각각의 연속적인 반응기의 상이한 성장 스테이지를 통해 진행됨에 따라 C1-고정 미생물의 대사를 제어한다는 점에서 많은 자유도를 제공한다는 점을 더욱 일반적으로 이해할 수 있다. 이러한 제어 특성은, 멀티-스테이지 생물학적 전환 공정을 전술한 바와 같은 특징을 갖는 최종 스테이지 액체 생성물로 동작시킬 수 있게 한다.
동일한 방식으로, 기체/액체 계면(22a, 22b...22y, 22z)의 액체 레벨, 또는 높이는, 개별적인 액체 레벨 제어 장비와 기기(예를 들어, 제어 밸브, 레벨 센서, 및 송신기)를 사용함으로써, 하나 이상의 생물반응기(100a, 100b...100y, 100z)에서 독립적으로 제어될 수 있다. 그러나, 예를 들어, 시스템의 모든 생물반응기들의 액체 레벨을 제어하는 단일 레벨 제어부를 구비함으로써 적어도 하나의 생물반응기에서의 액체 레벨이 각각의 하류측 생물반응기의 액체 레벨에 의존하도록 멀티-스테이지 공정들을 실행함으로써, 이러한 장비와 기기를 구현하는 추가 비용 및 복잡성을 유리하게 피할 수도 있다. 도 1의 생물반응기들(100a, 100b...100y, 100z)의 시스템을 동작시키는 구체적인 모드에 따르면, 액체 배양 배지는, 유입구(45a)를 통해 제1 스테이지의 생물반응기(100a)에 첨가되고, 예를 들어 오버플로우에 의해, 또는 그 외에는 최종 스테이지 액체 생성물이 도달하거나 연장되는 최고 고도(E)를 가변함으로써 제어될 수 있는 정수 헤드에 의해 제어되는 바와 같이 모든 반응기들을 통해 흐른다.
공정을 개시하기 위한 하나의 가능한 절차에 따르면, 제1 스테이지의 생물반응기(100a)는 초기에 C1-고정 미생물로 접종되거나 충전될 수도 있으며, 배양 중 일괄 성장 기간 후, 액체 배지의 연속 첨가가 개시될 수 있도록 충분히 높은 농도를 달성하게 된다. 이어서, 제1 스테이지 액체 생성물은, 예를 들어, 제1 스테이지로부터 제2 스테이지로의 오버플로우, 이어서 제2 스테이지로부터 제3 스테이지로의 오버플로우 등에 의해 연속적인 스테이지들로 운반된다. 시스템의 액체 레벨은, 궁극적으로 최종 스테이지 액체 생성물이 배출되는 수준(최종 생물반응기 스테이지로부터의 "배출" 수준이라고도 함)에 의해 결정될 수도 있다. 기상 C1-함유 기질은, 각 반응기에 개별적으로 첨가되지만, (예를 들어, 하나보다 많은 생물반응기 스테이지가 적층 구성과 같이 단일 용기 내에 배치되는 경우에) 연속적 액상 구역들로부터 유출되는 증기들이 결합되는 공유 헤드 스페이스가 가능하며, 일부 실시형태들에 따르면, 발포(foaming)를 감소시킬 수도 있다. 발효의 원하는 최종 생성물 및 다른 대사산물은 최종 생물반응기 스테이지로부터 배출된 최종 스테이지 액체 생성물로부터 회수된다. 최종 스테이지 액체 생성물은, 이러한 회수 전에 최종 생성물 및 대사산물을 제거하도록 (예를 들어, 막 여과에 의해) 분리된 후 C1-고정 미생물 및 다른 가능한 고체를 제거할 수도 있다. 이러한 분리(또는 염기 배지)로부터 회수된 액체 투과물의 일부 또는 전부는, 생물반응기 스테이지에서의 사용을 위해 재순환될 수도 있으며, 예를 들어, 선택적으로 영양제의 첨가에 이어서 제1 스테이지 생물반응기에 첨가될 수도 있다.
도 2는, 한 가지 가능한 유형의 생물반응기(100), 즉, 도 1에 도시한 공정을 포함하는 멀티-스테이지 공정의 생물반응기 스테이지(10)에 통합될 수 있는 순환형 루프 생물반응기를 도시한다. 동일한 특징들의 대부분은 도 1에 도시된 바와 같으며 (동일한 참조 번호로 식별되며), 바람직한 증기 및 액체 흐름 특징, 순환, 및 위상들 간의 분포/물질 전달을 촉진시키도록 특별히 사용될 수도 있는 반응기 내부 구조들 중 일부는 예외이다. 도 2에 더욱 명확하게 도시된 바와 같이, 생물반응기(100)는 자신의 연속 상 및 분산 상으로 구별 가능한 두 개의 구역으로 동작한다. 연속적 기상 구역(A)은, 외부 액체 재순환 루프(25)로부터 공급되는 (예를 들어, 하향으로 팽창되는 원뿔형 프로파일로) 흐르는 액체 생성물을 아래로 분산시키기 위한 복수의 개구를 갖는 샤워헤드(110) 등의 하나 이상의 액체 분배 장치를 통해 이러한 구역(헤드 스페이스이라고도 함)에 진입하는 액체 생성물에 의해 분산된 액상을 갖는다.
연속적 액상 구역(B)은, 가스 유입구(12)로부터 공급되어 흐르는 C1-함유 기질을 상측으로 분산시키기 위한 복수의 개구를 갖는 스파저(14) 등의 하나 이상의 가스 분배 장치를 통해 이 구역에 진입하는 C1-함유 기질에 의해 분산된 기상을 갖는다. 기체/액체 계면(22)은 연속적 기상 구역(A)과 연속적 액상 구역(B) 사이의 경계를 정한다. 연속적 액상 구역(B)은, 생물반응기(100)의 부피의 대부분을 점유할 수도 있고, 예를 들어, 반응기 길이의 하부 90%, 하부 80%, 또는 하부 75 % 내에 완전히 배치될 수도 있다. 이에 따라, 기체/액체 계면(22)은 반응기 길이의 상부 25%, 상부 20%, 또는 상부 10% 내에 위치될 수도 있다. 몇몇 경우에, 발포 층(도시되지 않음)은 기체/액체 계면 위에 상주할 수도 있으며, 본 개시 내용의 목적 상 연속적 기상 구역(A)에 상주한다.
따라서, 도 2의 특정 실시형태에 따르면, 외부 액체 재순환 루프(25)를 통해 재순환되는 액체 생성물(또는 "브로스")은 연속적 기상 구역(A)으로 도입된다. 이 액체 생성물은, 상기한 바와 같이 액체 생성물이 회수되는 생물반응기의 하부 구획으로부터 생물반응기의 상부 구획으로(예를 들어, (생물반응기(100)의 길이의 상부 10% 내로 및 액체 생성물이 도입되는 샤워 헤드(110)와 같은 액체 분배 장치(들)로) 전달될 수도 있다. 도 1과 관련하여 상술한 바와 같이, 외부 액체 재순환 루프(25)는, 액체 순환 및 기상과 액상 간의 물질 전달의 개선 이외에도, 공정 제어 기능을 수행하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 외부 재순환 루프(25)를 통해 재순환되는 액체 생성물은, 생물반응기(100)의 온도를 제어하기 위해 (예를 들어, 연속적 기상 구역(A)으로 도입되기 전에)) 외부 열 교환기(42)를 통과할 수도 있다. 그 외에는, 생물반응기(100)의 pH를 제어하기 위해, 예를 들어, 염기성 중화제 유입구(35)를 통해 염기성 중화제가 이 액체 생성물에 첨가될 수도 있다. 도 1에 도시된 바와 같은 복수의 생물반응기의 경우에, 하나 이상의 (예를 들어, 모든) 생물반응기의 외부 재순환 루프들은, 생물반응기들 중 각각의 하나 이상의 제1 단부 근처에서 회수되는 액체 생성물을 (제1 단부에 대향하도록 배치된) 각각의 하나 이상의 제2 단부 근처에 있는 각각의 하나 이상의 기상 구역들의 액체 분배기들로 재순환시키는 데 사용될 수도 있다.
스파저(14)를 통해 도입되는 C1-함유 기질은, 예를 들어, 생물반응기(100)에 대해 동심원으로 연속적 액상 구역(B) 내에 배치되고 상승하는 기포들을 이 구역의 중앙 영역으로 한정하는 라이저(120)에 공급될 수도 있다. 라이저(120)의 상부에서 유출된 후, 연속적 액상 구역(B)에서 용해되지 않았거나 이용되지 않은 잔류 가스는 계속해서 상측으로 흐르며 기체/액체 계면(22)에서 이 구역으로부터 해제된다. 라이저(120) 내의 가스 보류로 인해, 라이저(120) 내의 전체 밀도는 가스 기포들이 실질적으로 해제되는 다운커머(130)의 밀도보다 낮다. 도 2에 도시된 바와 같이, 다운커머(130)는 라이저(120)에 대해 환형으로 배치될 수도 있지만, 상이한 밀도의 연속적 액상 구역(B) 내에 영역들을 제공하기 위한 다른 구성이 가능하다. 예를 들어, 수직으로 연장되는 복수의 다운커머는, 반응기 길이의 하부 1% 내지 10% 이내로부터 반응기 길이의 상부 25% 내지 45% 내로 연장되어, 이 구역에 걸쳐 분산될 수도 있다. 또한, 이 구역에서 벌크 액체 흐름 방향을 나타내도록 화살표를 사용하여 도시한 바와 같이, 생물반응기(100)는, 즉 밀도 차에 의해 유도되는 연속적 액상 구역(B)에서의 내부 액체 순환으로 동작하며, 이에 따라, 라이저(120)에서의 상향 액체 흐름 및 다운커머(130)에서의 하향 액체 흐름이 발생하며, 이러한 라이저와 다운커머 모두는 생물반응기(100)의 내부에 있다. 일부 실시형태들에 따르면, 하나보다 많은 라이저 및/또는 하나보다 많은 다운커머가 액체 순화 제어에 사용될 수도 있다.
기체/액체 계면(22)에서 해제되는 가스는, 연속적 기상 구역(A)을 통해 상측으로 (벌크로) 계속 흐르고, 이 구역에서 샤워 헤드(110) 또는 다른 액체 분배 장치를 통해 이 구역으로 도입되는 액체 생성물과 접촉한다. 이러한 방식으로, 생물반응기(100)는, 전술한 바와 같이 내부 액체 순환으로 동작하는 연속적 액상 구역(B) 위에 배치된 이 구역에서 역류 가스 및 액체 흐름(상향 흐름 기체 및 하향 흐름 액체)으로 동작한다. 이러한 구역들 모두는 증기-액체 접촉 장치들을 포함할 수도 있다. 이러한 구역들에서 위상들 간의 물질 전달이 어떻게 실시되는지의 차이로 인해, 구역 A의 증기-액체 접촉 장치들(125A)은, 예를 들어, 각자의 형상(예를 들어, 직경 및/또는 두께) 및/또는 (예를 들어, 크기, 형상, 이격, 및/또는 총 개수 면에서의) 각자의 개구의 구성에 대하여 구역 B의 증기-액체 접촉 장치들(125B)과는 다를 수도 있다. 일부 실시형태들에 따르면, 완전히 상이한 유형의 증기-액체 접촉 장치들(예를 들어, 다공성 판들 및 Raschig 링과 같은 랜덤 패킹 재료)이 상이한 구역들에서 사용될 수도 있다. 유사하게, 상이한 또는 완전히 다른 유형의 증기-액체 접촉 장치들이 단일 구역 내에서 사용될 수도 있다.
통상의 기술자라면 인식할 수 있듯이, 본 명세서를 고려할 때, 본 명세서에 설명되는 멀티-스테이지 공정 및 시스템은 다음 중 임의의 것, 임의의 조합, 또는 전부를 포함하는 다수의 운영 이점에 연관된다: (1) 복잡성이 감소된 견고한 발효(혐기성 생물전환): 종래의 공정과 관련하여, 본 명세서에 기술된 바와 같은 멀티-스테이지 공정들은, 조작이 더욱 간단하고, 동작이 가능할 수 있는 현저하게 큰 "동작 엔벌로프" 또는 조건들의 범위를 갖는다. 이는, 각각의 개별적인 생물반응기에 대한 상대적으로 낮은 생산성 요구 사항, 및 모든 반응기들(제1 스테이지의 생물반응기 제외)이 바로 상류 반응기로부터 수용하여 발효를 안정화시키는 연속 공급물에 기인한다. 이는 유리하게도 장기간 안정된 상업적 동작을 위해 필요에 따라 당업계의 주요 목표들 중 하나, 즉, 규모의 운영 견고성을 다룬다. (2) 상당한 자유도: 이것은, 각 생물반응기의 상이한 성장 위상들을 통해 진행되므로 박테리아 배양의 신진 대사를 더욱 잘 제어할 수 있다. 각 스테이지에서의 조건들(예를 들어, 가스 공급 속도, 온도, 및/또는 pH 설정점)은 대사산물 비와 같은 발효 출력을 제어하도록 맞춰질 수 있다. 이에 따라, 높고 안정적인 최종 생성물 역가를 초래할 수 있다. 예를 들어, 본 발명자들은, 높고 안정적인 에탄올 역가(연속 실험실 테스트에서 >60g/리터), 매우 양호하고 안정적인 최종 액체 생성물 에탄올:아세테이트의 중량비(연속 실험실 테스트에서 100+)를 입증하였다. 이에 따라, 아세테이트 부산물이 직접적 재순환에 대한 주요 장애물인 배양 배지 및 물 재순환 시스템의 사용과 관련하여 잠재적으로 매우 큰 비용 절감이 실현될 수도 있다. (3) 성장과 생성물 생성을 구분하는 능력: 이것은, 성장 후, 후속 스테이지들에서 유도제가 첨가될 수 있는 공정들에서 유전적으로 조작된 세포들로부터 생물학적 최종 생성물을 생산할 때 상당한 이점이다. 이점은, 높은 희석율(즉, 액체 배양 배지의 첨가 속도)을 사용하여 제1 생물반응기 스테이지에서 높은 성장 속도를 가질 가능성으로부터 야기되며, 이는 시스템의 잔류물에 대해 안정적인 균질한 배양물을 설정한다. (4) 세포 재순환 시스템을 요구하지 않고 자본 비용의 큰 절감: 이러한 점에서, 멤브레인, 하우징, 밸브, 및 관련 기기와 제어부는 특히 상업적 규모에서 생물반응기들의 총 비용 중 상당 부분을 나타낸다. 박테리아 세포 재순환 요건들(예를 들어, 재순환 펌프 듀티)은, 또한 현저하게 감소되고, 외부 재순환 루프를 작동시키는 데 필요한 (예를 들어, 샤워 헤드 또는 상술한 바와 같은 다른 액체 분배기를 통해) 적당한 에너지만을 필요로 할 수도 있다. (5) 비용이 감소되고 간략화되고 더욱 강건한 동작: 이것은, 분리된 세포들의 멤브레인 분리 및 재순환이 각각의 생물반응기 스테이지에서 요구되지 않기 때문에 발생한다. 멤브레인 교체 및 수동 제자리 세정(CIP)과 관련된 비용은 운영자 시간, CIP 화학 물질, 및 가열 측면에서 중요하다. 이러한 점에서, 자동 CIP 옵션은 자본 비용이 엄청나기 때문에, 세포 재순환 멤브레인을 세정하기 위한 효소 용액도 마찬가지로 비싸며, 간단한 NaOH 세정 절차는 종종 효과가 없다. (6) 부피가 더욱 크고 더욱 짧은 스쿼터 에어리프트(squatter airlift) 루프 반응기 설계; 이러한 설계는 내부 장착된 기존의 산업 표준 벌크 탱크로 쉽게 수행될 수 있다. 이는 생물반응기에 대한 생산성 요구 사항으로 인해 발생하며, 생물반응기 제조에 있어서 상당한 비용 절감 효과를 가능하게 한다. 일부 실시형태들에 따르면, 본원에서 설명하는 바와 같은 공정 및 시스템은, 외부 재순환 또는 루프 펌프를 사용하지 않고 에어리프트 순환 효과만으로 효율적으로 동작할 수 있으며, 결과적으로 관련 외부 재순환 배관 및 장비도 필요하지 않다. 각 스테이지 간에 간단한 오버플로우/액체 헤드 레벨 제어를 이용하는 실시형태들에서는, 제어 밸브 및 배관에 대한 자본 지출의 추가 감소가 가능하다. (7) 저 동작 압력의 사용: 이는 개별 생물반응기에 대한 생산성 요구 사항들이 적어지는 추가 이점이다. 이때, 가스가 가압되지 않는 한, 높은 가스 보류가 생물반응기로의 가스 유속을 제한한다. 동작 압력을 감소시키는 기능은 압축 비용을 줄이는 효과가 있다.
다음에 따르는 실시예들은 본 발명의 대표적인 것으로서 설명된다. 이러한 실시예들은, 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 해석해서는 안 되며, 이러한 실시예들 및 다른 균등한 예들은 본 개시 내용과 첨부된 청구범위를 고려할 때 명백할 것이다.
실시예 1
실험 설정
본 명세서에 기술된 바와 같이 멀티-스테이지 생물학적 전환 공정의 확장된 평가를 위해, (시스템에 대해 9리터의 총 반응기 부피를 위한) 1.5리터 작동 부피를 각각 갖는 생물반응기들을 포함하는 6 스테이지를 갖는 시험 리그(rig)를 사용하였다. 구체적으로, 이러한 공정들은, 약 1.2미터 높이와 직경 50밀리미터의 주요 기둥을 갖고 유체역학 관찰을 위해 투명한 PVC 플라스틱으로 제조된, 역류, 액체 하향 루프 반응기들을 사용하였다. 제5 스테이지와 제6 스테이지는 다소 키가 큰 메인 컬럼들을 갖는다. 각 컬럼의 하부에 있는 플라스틱 저압 원심 펌프(수족관 듀티, 500 내지 2000 ℓ//h)를 사용하여 액체를 컬럼의 상부에 있는 풀-콘(full-cone) 샤워 헤드 액체 분배기로 재순환시켰다. 각 샤워 헤드의 압력 강하는 20 내지 40kPa 정도로 낮았다.
가스는, 소결된 스테인리스 스틸 스파저를 통해 별도로 및 기둥의 하부 근처에서 각 생물반응기 스테이지에 진입하였다. 사용되지 않고 용해되지 않은 가스는 샤워 헤드 위의 각 기둥의 상부에서 나왔다. 6개 스테이지 모두가 거의 대기압에서 실행되었다. 각 스테이지는 각각의 스퍼저 바로 아래의 각 메인 컬럼의 하부에 부착된 작은 구멍의 스테인레스 스틸 라인(1.5㎜ 내경 튜빙)에 의해 (액체 생성물의 전달을 위해) 다음 스테이지에 유동적으로 연결되었다. 액체 배양 배지를 제1 스테이지로 공급하고, 액체 헤드에 의해서만 생물반응기 스테이지의 시스템을 통해 이동시켰다. 최종 또는 제6 스테이지는, 조정 가능한 고도(adjustable in elevation)에 있는 액체 테이크오프 지점을 사용하여 전체 시스템에서의 반응기 액체 레벨을 제어하는 데 사용되었다. 각 스테이지에는 별도의 정량 화학 약품 라인 및 온도 제어부가 장착되었다. 최종 두 스테이지(즉, 제5 스테이지와 제6 스테이지)와는 별도로, 스테이지들에는 pH 측정 및 제어 시스템도 구비되어 있었다.
실시예 2
초기 셰이크다운 동작
초기 작업은, 씨. 오토에타노제눔을 함유하는 박테리아 배양 배지의 존재하에 가스 CO 함유 기질의 CO를 에탄올 및 다른 대사산물로 생물학적으로 전환시키는 멀티-스테이지 생물반응기 시스템의 효과를 시험하도록 설계되었다. 헤드 스페이스 샤워 스프레이 없이, 즉, 연속적 기상 구역이 개방 파이프인 실시예 1에 기술된 바와 같이 시험 리그의 간략화된 버전을 사용하였다. 어떠한 스파저도 사용하지 않았고, 즉, 가스는 개방된 3㎜ 내경 튜브를 통해 연속적 액상 구역으로 도입되었다. 제5 스테이지와 제6 스테이지의 생물반응기에 대한 온도 제어가 없었으며, 액체 레벨 제어가 간단한 오버플로우 액체 시스템(공유 가스 유출구)에 의해 유지되었다. 생물 전환 동작은, 2주 동안 안정적인 박테리아 성장을 달성하였으며, 결국 제6 스테이지의 생물반응기로부터 회수된 최종 스테이지 액체 생성물을 기준으로 아세테이트 생산량이 2g/ℓ 미만인 에탄올 생산량 43g/리터 초과에 도달하였다. 안정 스테이지 희석율, 또는 액체 배양 배지의 첨가는 약 2.5밀리리터/분(또는 각 생물반응기마다 매일 약 2.3리터 부피)이었다. 일부 물질 전달 생성 계면활성제들이 초기 생물반응기 스테이지에서 오버헤드 액체 레벨에서 제거되어 물질 전달을 감소시키는 것으로 관찰되었지만, 이러한 결과는 오버플로우 액체 레벨 제어를 위한 시스템의 유효성을 입증하였다.
실시예 3
수력학적 관철에 기초한 변형된 동작
제2동작에서, 실시예 1에 기술된 바와 같이 실질적으로 시험 리그에 도달하도록 변형을 행하였다. 실시예 2의 시험의 유체역학적 평가에 기초한 이러한 변형은, 컬럼의 하부에 부착된 1.5㎜ 내부 직경의 스테인레스 스틸을 사용하여 스테이지들 사이에 "액체만"(liquid only) 연결을 확립하는 것을 포함하였다. 이 직경은, 배양 배지 첨가의 동작 속도(희석율)에서 역 혼합을 방지하도록 충분히 작게 결정되었다. 반응기들의 하부에서의 이러한 액체 연결을 고려하여, 제6 생물반응기로부터 유출되는 최종 스테이지 액체 생성물을 위한 조정가능한 높이 유출구를, 시스템 전체에 걸친 액체 레벨 제어를 위해 추가하였다. 또한, 전체 콘 헤드 스페이스 샤워 스프레이를 액체 분배를 위한 모든 생물반응기에 추가하고, 온도 제어 시스템을 최종 2개의 반응기 스테이지의 외부 액체 재순환 루프에 추가하였다. 실시예 2에 기술된 바와 같이 결합된 미사용 CO를 함유하는 기체 생성물을 갖는 것과는 대조적으로, 6개의 생물반응기 각각에 별도의 기체 배출물을 제공하였다.
실시예 2에 기술된 생물학적 전환 반응의 48일 시험을 안정적인 동작으로 수행하였다. 지속적인 조건 하에서는, 생산성과 생성물 품질이 모두 매우 유리했다. 예를 들어, 10일 동안, 정상 상태의 동작 파라미터들(예를 들어, 압력, 온도, 유속, pH 값 등)은, 평균 61g/ℓ 이상의 액체 생성물 에탄올 역가와 평균 0.6g/리터(에탄올/아세트산의 약 100:1 w/w 비 이상)의 아세테이트(아세트산) 역가를 달성하였다. 2,3-부탄다이올 역가는 평균 8.4그램/리터였다. 이러한 결과는, 분당 약 2.5밀리리터의 액체 배양 배지의 첨가(또는 각 생물반응기에 대해 매일 약 2.3리터 용량의 희석율)로 달성되었다. 중요한 점은, 33일의 연속 동작 동안, 에탄올 역가는 지속적으로 50그램/리터 이상이었으며, 놀랍게도 역가가 3일 동안 70그램/리터 이상으로 높았고, 심지어 동작 동안 피크 역가는 76그램/리터였다. 최종 생물 반응기에서 매일 반응기 부피의 3.5인 희석율을 얻기 위해, 제2 생물반응기 스테이지, 제3 생물반응기 스테이지, 및 제4 생물반응기 스테이지에 대한 배양 배지의 첨가 속도가 증가되면, 최종 스테이지 액체 생성물에서 50g/ℓ 이상의 에탄올을 취득하였다. 이러한 확장된 동작에 대해 달성된 성능은 도 3에 도시되어 있으며, 이는 에탄올과 다른 대사산물, 즉 아세트산과 2,3-부탄다이올의 최종 스테이지 액체 생성물의 농도 및 미생물(바이오매스) 농도를 제공한다. 각 스테이지의 액체 생성물에 대한 대사산물 프로파일(에탄올, 아세트산, 및 2,3-부탄다이올 농도)은, 스트림에 있어서 23일째에 취한 액체 생성물 샘플을 기초로 하여 도 4에 예시되어 있다. 도 4는, 특히 연속 스테이지들에서 취득한 급속하게 증가하는 에탄올 농도 및 동시에 2,3-부탄다이올 농도의 매우 작은 증가와 아세테이트(아세트산) 농도의 감소를 도시한다. 이 동작으로부터의 결과에는, 48일 시험 시작시 안정적인 동작 동안 65 내지 75%의 개별적인 생물반응기 스테이지 CO 이용이 포함되었으며, 이는 더욱 높은 에탄올 생성물 역가가 달성되었을 때보다 나중 시점에서 80 내지 90%로 증가하였다. 이 결과는 이 스케일의 컬럼/루프 반응기에 대한 매우 높은 물질 전달 계수를 나타낸다.
유리하게, 최종 생성물 에탄올의 고 역가 및 매우 안정적인 동작은, 반응기의 하부에서의 액체 전달 라인의 위치 설정 및 반응기 헤드 스페이스에서의 액체 분배기의 추가를 통해 적어도 부분적으로 달성되었다. 이것은 발포 축적 및 액상의 상부로부터의 화학 첨가제의 우선적인 전달과 관련된 몇 가지 단점들을 감소시키는 효과를 가졌다. 전반적으로, 실시예 2와 실시예 3에서 실시된 시험들 간의 변형의 결과로 물질 전달 및 동작 제어 모두가 상당히 개선되었다. 또한, 기체-액체 계면 수준은, 각 컬럼/반응기의 상부에서 일관되게 유지되었으며, 실제 액체 인벤토리(실제 액체 부피)에 관계없이 더욱 쉽게 제어되었다. 따라서, 보류량은, 실시예 3에서 사용된 멀티-스테이지 생물반응기 시스템의 경우에 외부 드레인 라인을 사용하여 조정되는 액체 인벤토리에 의해 직접적으로 제어될 수 있다. 최종 생물반응기 스테이지 액상 생성물을 회수하는 데 사용되는 이 라인을, 조정가능한 높이의 사이펀 브레이커에 연결하여, 컬럼 내의 액상을 임의의 원하는 수준으로 설정할 수 있다. 반응기 길이의 대략 30 내지 50%(예를 들어, 공칭상 40% 보류)까지 연장되는 액체 헤드 높이에 대하여 특히 우수한 결과를 얻었다.
실시예 2와 실시예 3에서 얻어진 결과에 기초하여, 본 명세서에 기술된 바와 같은 공정 및 시스템은, 추가 에너지 입력 및/또는 자본 지출의 측면에서 상대적으로 낮은 요건 또는 심지어 이러한 요건을 요구하지 않는, 증기-액체 물질 전달을 개선할 수 있는 매우 높은 잠재력을 갖는다. 동작은 간략화되고, 예를 들어, 적어도 일부 멤브레인 분리 시스템 및/또는 레벨 제어 시스템(및 연관된 유량계, 펌프, 제어 밸브, 및 기타 기기와 장비)에 연관된 전술한 비용에 의해 비용 절감이 실현될 수도 있다.
전반적으로, 본 발명의 양태들은 전술한 바와 같은 구체적인 증기 및 액체 흐름 구성을 이용하는 멀티-스테이지 생물반응기 공정들에 관한 것이며, 이에 따라 특히 원하는 최종 생성물의 높은 생산성을 달성하는 것과 관련하여 연관된 시스템의 제조의 간략성과 함께 많은 공정 이점들이 발생한다. 본 개시 내용으로부터 얻은 지식을 갖는 통상의 기술자는 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 다양한 변경이 이루어질 수 있음을 인식할 것이다.

Claims (31)

  1. C1 탄소 공급원(carbon source)을 최종 생성물로 전환시키는 멀티-스테이지 공정(multi-stage process)으로서,
    상기 멀티-스테이지 공정의 제1 생물반응기 스테이지(first bioreactor stage) 및 적어도 제2 생물반응기 스테이지에 일산화탄소(CO)를 함유하는 기상 C1-함유 기질을 병렬 공급하는 단계로서, 상기 CO를 함유하는 기상 C1-함유 기질은 최종 생성물을 생성하기 위하여, 혐기성 조건하에서 C1-고정 일산화탄소영양 미생물(carboxydotrophic microorganism)을 사용하여 발효되는 단계, 및
    상기 제1 생물반응기 스테이지로부터 상기 제2 생물반응기 스테이지로, C1-고정 미생물 및 최종 생성물을 포함하는 제1 스테이지 액체 생성물(first stage liquid product) 스트림의 적어도 일부를 직렬 공급하는 단계를 포함하는, 멀티-스테이지 공정.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 기상 C1-함유 기질이 스테이지에 병렬 공급되고 상기 제1 스테이지 액체 생성물 스트림을 포함하는 액체 생성물들이 상기 제1 생물반응기 스테이지로부터 최종 생물반응기 스테이지로 연속 공급된 후 상기 최종 생물반응기 스테이지로부터 회수되는 적어도 4개의 생물반응기 스테이지를 포함하고, 상기 적어도 4개의 생물반응기 스테이지는 최종 생물반응기 스테이지를 포함하는, 멀티-스테이지 공정.
  4. 제3항에 있어서, 상기 적어도 4개의 생물반응기 스테이지의 전체 C1 이용은 적어도 60%인, 멀티-스테이지 공정.
  5. 제3항에 있어서, 최종 스테이지 액체 생성물 스트림이 상기 최종 생물반응기 스테이지로부터 회수된 후 상기 최종 스테이지 액체 생성물 스트림은, 각 생물반응기 스테이지에서의 액체 레벨을 관리하는 조정가능 고도(adjustable elevation)에 전달되는, 멀티-스테이지 공정.
  6. 제3항에 있어서, 상기 적어도 4개의 생물반응기 스테이지는 대기압 초과 200kPa 미만의 압력에서 동작되는, 멀티-스테이지 공정.
  7. 제1항에 있어서, 상기 최종 생성물은 에탄올이고, 에탄올 이외에도, 상기 C1-고정 미생물은 아세트산을 대사산물로서 생성하는, 멀티-스테이지 공정.
  8. 제7항에 있어서, 상기 멀티-스테이지 공정의 최종 생물반응기 스테이지로부터 최종 스테이지 액체 생성물 스트림을 회수하는 단계를 더 포함하고, 상기 최종 스테이지 액체 생성물 스트림의 바이오매스가 없는 액체 분획물은 적어도 50그램/ℓ(g/ℓ)의 에탄올을 포함하는, 멀티-스테이지 공정.
  9. 제8항에 있어서, 상기 최종 스테이지 액체 생성물 스트림의 상기 바이오매스가 없는 액체 분획물은 적어도 50:1의 에탄올:아세트산 중량비를 갖는, 멀티-스테이지 공정.
  10. 제1항에 있어서, 상기 최종 생성물은, 아이소프로판올, 부탄올, 아세테이트, 아세톤, 2-하이드록시아이소부티르산, 및 아이소부틸렌으로 이루어진 군으로부터 선택되는 성장 의존성 생성물인, 멀티-스테이지 공정.
  11. 제10항에 있어서, 상기 멀티-스테이지 공정의 최종 생물반응기 스테이지로부터 최종 스테이지 액체 생성물 스트림을 회수하는 단계를 더 포함하고, 상기 최종 스테이지 액체 생성물 스트림의 바이오매스가 없는 액체 분획물은 적어도 10그램/ℓ(g/ℓ)의 아이소프로판올을 포함하는, 멀티-스테이지 공정.
  12. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 생물반응기 스테이지들은, 액체 배지 첨가 속도, 기상 C1-함유 기질 공급 속도, 반응기 온도, 반응기 pH, 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 독립적으로 제어가능한 공정 조작 변수를 갖는, 멀티-스테이지 공정.
  13. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 생물반응기 스테이지들 중 적어도 하나는 10:1 미만인 길이 대 폭의 비를 갖는 생물반응기를 포함하는, 멀티-스테이지 공정.
  14. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 생물반응기 스테이지들 중 적어도 하나는 순환형 루프 생물반응기를 포함하는, 멀티-스테이지 공정.
  15. 제14항에 있어서, 상기 순환형 루프 생물반응기는 연속적 액상 구역에서 내부 액체 순환으로 동작하는, 멀티-스테이지 공정.
  16. 제15항에 있어서, 상기 연속적 액상 구역에서는, 액체가 내부 라이저(riser)에서 상향으로 흐르고 하나 이상의 내부 다운커머(downcomer)에서 하향으로 흐르는, 멀티-스테이지 공정.
  17. 제15항에 있어서, 상기 순환형 루프 생물반응기는, 상기 연속적 액상 구역 위의 연속적 기상 구역에서 역류 기체 및 액체 흐름으로 동작하는, 멀티-스테이지 공정.
  18. 제17항에 있어서, 상기 연속적 액상 구역은 상기 순환형 루프 생물반응기의 길이의 하부 75% 내에 있는, 멀티-스테이지 공정.
  19. 제17항에 있어서, 상기 연속적 액상 구역과 연속적 기상 구역은 기체-액체 접촉 장치들을 포함하고, 연속적 액상 구역 장치들은 연속적 기상 구역 장치들과 다른, 멀티-스테이지 공정.
  20. 제17항에 있어서, 외부 재순환 루프를 통해 재순환되는 액체 생성물은 상기 연속적 기상 구역으로 향하는, 멀티-스테이지 공정.
  21. 제20항에 있어서, 상기 외부 재순환 루프를 통해 재순환되는 상기 액체 생성물은, 상기 순환형 루프 생물반응기의 온도를 제어하도록 외부 열 교환기를 통해 전달되는, 멀티-스테이지 공정.
  22. 제20항에 있어서, 상기 순환형 루프 생물반응기의 pH를 제어하도록, 상기 외부 재순환 루프를 통해 재순환되는 상기 액체 생성물에 염기성 중화제가 첨가되는, 멀티-스테이지 공정.
  23. 멀티-스테이지 시스템으로서,
    제1 단부에서의 기체 유입구와 상기 제1 단부의 반대측인 제2 단부에서의 기체 유출구를 포함하는, 복수의 생물반응기로서, 상기 기체 유입구와 상기 기체 유출구는, 기상 C1-함유 기질을 상기 복수의 생물반응기에 공급할 수 있게 하고, 전환되지 않은 C1 탄소 공급원을 포함하는 기체 생성물을 병행하여 제거할 수 있게 하며, 제1 생물반응기가 아니고 최종 생물반응기도 아닌 상기 생물반응기들은, 인접하는 상류측 생물반응기로부터 바이오매스를 포함하는 상류 액체 생성물을 수용하고 바이오매스를 포함하는 액체 생성물을 인접하는 하류측 생물반응기에 직렬 반송하도록 각자의 제1 단부들에 근접해 있는 별도의 액체 유입구들과 유출구들을 포함하는 것인, 상기 복수의 생물반응기, 및
    상기 최종 생물반응기로부터 최종 스테이지 액체 생성물을 수용하기 위한, 상기 최종 생물반응기의 제1 단부 근처에 있는 액체 생성물 유출구를 포함하는, 멀티-스테이지 시스템.
  24. 제23항에 있어서, 상기 액체 생성물 유출구는, 상기 생물반응기들의 높이에 대하여 높이 조정가능한 사이펀 브레이커(siphon breaker)와 유체 연통하는, 멀티-스테이지 시스템.
  25. 제23항에 있어서, 상기 기체 유입구들은, 상기 복수의 생물반응기의 제1 단부들 근처에 있는 상기 복수의 생물반응기 내의 가스 스파저(gas sparger)들과 유체 연통하는, 멀티-스테이지 시스템.
  26. 제23항에 있어서, 상기 복수의 생물반응기는, 상기 생물반응기들의 상기 제1 단부들 근처에서 회수되는 액체를 상기 생물반응기들의 상기 제2 단부들 근처에 있는 연속적 기상 구역들의 액체 분배기들로 재순환하기 위한 외부 재순환 루프들을 포함하는, 멀티-스테이지 시스템.
  27. 제26항에 있어서, 상기 외부 액체 재순환 루프들은, 염기 중화제 유입구들과 유체 연통하고, 상기 복수의 생물반응기 내의 pH를 독립적으로 제어하기 위한 기기를 포함하는, 멀티-스테이지 시스템.
  28. 제26항에 있어서, 상기 외부 액체 재순환 루프들은, 가열기들 또는 열 교환기들과 유체 연통하고, 상기 복수의 생물반응기 내의 온도를 독립적으로 제어하기 위한 기기를 포함하는, 멀티-스테이지 시스템.
  29. CO를 에탄올로 전환시키기 위한 멀티-스테이지 생물학적 공정으로서,
    상기 멀티-스테이지 생물학적 공정의 복수의 생물반응기 스테이지들 간에 기체 CO 함유 기질을 병렬로 분할시키는 단계;
    일산화탄소영양 미생물을 포함하는 액체 생성물들을 제1 생물반응기로부터 하류측 생물반응기 스테이지들로 연속적으로 직렬 공급하는 단계; 및
    최종 생물반응기 스테이지로부터, 적어도 50:1인 에탄올:아세트산의 중량비와 적어도 50그램/리터(g/ℓ)의 에탄올을 포함하는 액체 분획물을 함유하는 비-일산화탄소영양 미생물(non-carboxydotrophic microorganism)을 갖는 최종 스테이지 액체 생성물을 회수하는 단계를 포함하는, 멀티-스테이지 생물학적 공정.
  30. 제29항에 있어서, 적어도 4개의 생물반응기 스테이지를 포함하고, 상기 적어도 4개의 생물반응기 스테이지는 최종 생물반응기 스테이지를 포함하는, 멀티-스테이지 생물학적 공정.
  31. 제29항에 있어서, 상기 복수의 생물반응기 스테이지 중 2개 이상은 단일 용기 내의 개별적인 구획들인, 멀티-스테이지 생물학적 공정.
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