KR20150021065A - 발효 및 모사 이동층 공정 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 발효 브로스(broth)로부터 하나 이상의 발효 생성물의 생성, 분리 및 회수를 위한 개선된 방법을 제공한다. 또한, 본 발명은 발효 반응의 효율을 증가시키기 위한 방법을 제공한다. 특히, 본 발명은 발효 브로스로부터 발효 생성물들의 분리를 위한 모사 이동층(simulated moving bed)을 포함하는 발효 시스템, 및 상응하는 방법에 관한 것이다.

Description

발효 및 모사 이동층 공정{A FERMENTATION AND SIMULATED MOVING BED PROCESS}
발명의 분야
본 발명은 일반적으로 미생물 발효에 의해 생성물, 특히 알코올을 생성하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 발효 브로스(fermentation broth)로부터 발효 생성물들의 분리를 위한 모사 이동층(simulated moving bed)을 포함한 발효 시스템, 및 상응하는 방법에 관한 것이다.
발명의 배경
수송을 위한 생물연료(biofuel)는 가솔린의 매력적인 대체물이며 저 농도 배합물로서 연료 시장을 급속하게 침투하고 있다. 천연 공급원으로부터 기원한 생물원료는 화석 연료자원(예를 들면, 가솔린)으로부터 기원한 것들보다도 더 환경적으로 지속가능하며, 이들의 사용은 연료 소비의 결과로서 대기중으로 방출되는 소위 화석(fossil) 이산화탄소(CO2) 기체의 수준을 감소시킨다. 또한, 생물연료는 많은 지리적 영역들에서 현지 생성될 수 있으며 수입된 화석 에너지 자원들에 대한 의존성을 감소시키는 작용을 할 수 있다.
에탄올은 전세계에서 수소-풍부한 주요한 액체 수송 연료가 되고 있다. 에탄올의 세계적인 소비는 2012년에 272억 갤런(gallon)에 이르는 것으로 예측되었으며 연료 에탄올 산업에 대한 세계 시장은 또한 앞으로 급격하게 성장할 것으로 예측되어 왔다. 이러한 성장은 주로 유럽, 일본, 미국 및 몇몇의 개발도상국들에서 에탄올에 대한 관심이 증가하고 있는 것에 기인한다.
예를 들어, 미국에서, 에탄올은 가솔린 중 에탄올 10% 혼합물인 E10을 생성하는데 사용된다. E10 배합물들에서, 에탄올 성분은 산소 공급제(oxygenating agent)로서 작용하여, 연소 효율을 개선시키고 공기 오염물들의 생성을 감소시킨다. 브라질에서는, 에탄올은 가솔린 속에 배합된 산소 공급제 및 이 자체로 순수한 연료 두 가지 모두에서, 약 30%의 수송 연료 요구를 만족시키고 있다. 또한, 유럽에서는, 온실 기체(Green House Gas: GHG) 방출의 결과를 둘러싼 환경적 관심이, 유럽 연합(EU)으로 하여금 각 회원국들에게 바이오매스 기원한 에탄올과 같은 지속가능한 수송 연료의 소비에 대한 법에 규정된 목표를 설정하도록 하는 자극제가 되어 왔다.
1,2-부탄디올, 1,3-부탄디올, 1,4-부탄디올 및 2,3-부탄디올을 포함하는 부탄디올들은 자동차용 연료 부가제로서 사용될 수 있다. 이들은 또한, 잠재적으로 보다 높은 가치 및/또는 보다 높은, 다수의 다른 에너지 제품들로 비교적 용이하게 전환될 수 있다. 예를 들어, 2,3-부탄디올은 2단계 공정에서 항공 연료로서 사용될 수 있는 8-탄소 이량체로 용이하게 전환될 수 있다.
2,3-부탄디올은 이들의 이-기능성 골격(di-functional backbone), 즉, 2-하이드록실 그룹들으로부터 그 다기능성(versatility)을 유도하고, 다인접한 C-원자들에 위치하여 분자가 부타디엔, 부티디온, 아세토인, 메틸에틸 케톤 등과 같은 물질로 매우 용이하게 전환되도록 한다. 이러한 화학적 화합물들은 광범위한 산업적으로 생성된 화학물질들을 제조하기 위한 기본 분자들로서 사용된다.
또한, 2,3-부탄디올은 내부 연소 엔진(internal combustion engine)에서 연료로서 사용될 수 있다. 이는 몇몇 방법들에서, 에탄올보다 가솔린과 보다 더 유사하다. 환경적으로 지속가능한 연료의 생성 및 적용에 대한 관심이 높아짐에 따라, 2,3-부탄디올(흔히 바이오-부탄올로 언급됨)을 생성하기 위한 생물학적 공정에 있어서의 관심이 증가되어 왔다.
대부분의 연료 에탄올은 주요 탄소원으로서, 사탕수수로부터 추출된 수크로오스 또는 곡물 작물로부터 추출된 전분과 같은, 작물 기원의 탄수화물을 사용하는 전통적인 효모-계 발효 공정들을 통해 생성된다. 2,3-부탄디올은 또한 탄수화물 함유의 공급원료(feedstock)의 미생물 발효에 의해 생성될 수 있다(Syu MJ, Appl Microbiol Biotechnol 55:10-18 (2001), Qin et al., Chinese J Chem Eng 14(1):132-136 (2006)). 그러나, 이러한 탄수화물 공급 원료의 비용은 인간 식품 또는 동물 사료로서의 이들의 가치에 의해 영향을 받는 반면, 에탄올 생성을 위한 전분 또는 수크로오스-생성 작물의 재배는 모든 지역에서 경제적으로 지속가능하지 않다. 따라서, 이는 보다 낮은 비용이고/이거나 보다 풍부한 탄소 자원들을 생물연료 생성물로 전환시키는 기술을 개발하는 것에 관련된다.
일산화탄소(CO)는, 석탄 또는 오일 및 오일 기원의 생성물들과 같은 유기 물질들의 불완전 연소의, 자유 에너지-풍부한 주요 부산물이다. 예를 들어, 호주에서 강철 산업은 매년 500,000톤 초과의 CO를 생성하여 대기 중으로 방출하는 것으로 보고되고 있다.
주로 CO 및/또는 CO 및 수소(H2)로 구성된 기체를 다양한 연료들 및 화학물질들로 전환시킬 수 있는, 촉매 공정들이 사용될 수 있는 것은 오랫동안 인지되어 왔다. 그러나, 미생물들 또한 이러한 기체들을 연료들 및 화학물질들로 전환시킬 수 있다. 이러한 생물학적 공정은, 일반적으로 화학 반응들보다 느리다고 하더라도, 촉매 공정들에 비해 보다 높은 특이성, 보다 높은 수율, 보다 낮은 에너지 비용 및 보다 높은 내독성을 포함하는, 수개의 장점들을 갖는다.
이들의 단독 탄소원으로서 CO 상에서 자라는 미생물들의 능력은 1903년에 최초로 발견되었다. 이는 후에 자가영양 성장(이는 또한 우즈-륜갈 경로(Woods-Ljungdahl) 경로로 알려짐)의 아세틸 조효소 A(아세틸 CoA) 생화학적 경로를 사용하는 유기체들의 특성인 것으로 이후 확인되었다. 일산화탄소영양, 광합성, 메탄생성 및 초산생성 유기체들을 포함하는 다수의 혐기성 유기체들은 CO를, CO2, H2, 메탄, n-부탄올, 아세트산 및 에탄올과 같은 다양한 최종 생성물들로 대사하는 것으로 알려져 있다.
클로스트리디움(Clostridium) 속의 것들과 같은 혐기성 박테리아는 CO, CO2 및 H2로부터 아세틸 CoA 생화학적 경로를 통해 에탄올을 생성하는 것으로 실증되어 왔다. 예를 들어, 기체들로부터 에탄올을 생성하는 클로스트리디움 륭달리이(Clostridium ljungdahlii)의 다양한 균주들은 WO 00/68407, EP 117309, 미국 특허 5,173,429, 5,593,886, 및 6,368,819, WO 98/00558 및 WO 02/08438에 기술되어 있다. 박테리아 클로스트리디움 오토에타노게눔 아종(Clostridium autoethanogenum sp)은 또한 기체들로부터 에탄올을 생성하는 것으로 알려져 있다(Abrini et al, Archives of Microbiology 161, pp 345-351 (1994)).
그러나, 기체들의 발효에 의한, 미생물에 의한 생물연료 생성은 부산물로서 아세테이트 및/또는 아세트산의 동시-생성과 항상 관련되어 있다. 이러한 아세테이트/아세트산은 반응을 억제하는 잠재능을 가지며, 일반적으로 발효 브로스로부터 제거될 필요가 있다. 또한, 아세테이트/아세트산 부산물이 일부 다른 목적으로 사용될 수 있지 않다면, 이는 폐기물 처리 문제를 야기할 수 있다. 아세테이트/아세트산은 미생물들에 의해 메탄으로 전환되므로 온실기체(GHG) 방출에 기여하는 잠재능을 갖는다.
에탄올 및 2,3-부탄디올과 같은 생성물들을 생성하는 기체 기재(substrate)들의 발효는 액체 발효 브로스를 함유하는 생물 반응기에서 대표적으로 수행된다. 상기 브로스는 미생물들 및 이들의 성장을 위한 영양소들, 두 가지 모두를 함유한다. 시간이 경과함에 따라, 영양소들(기체 기재, 그 자체를 포함)은 원하는 생성물들로 전환되지만, 미생물에게 유독할 수 있는, 원하지 않은 부산물들 및 세포 잔해가 생성된다. 원하는, 및 원하지 않는 생성물들 두 가지 모두는 특히 고 농도로 존재하는 경우, 발효 효능을 억제할 수 있다.
상기 발효 반응 억제로 야기된 반응 비효율성을 감소하고, 원하는 생성물들을 회수하기 위하여, 브로스는 연속 또는 뱃치(batch) 공정에서 생물 반응기로부터 제거되고 신선한 영양 배지(nutrient medium)로 대체된다. 상기 원하는 생성물들은 대표적으로, 상기 브로스로부터 분별 증류 및 추출 발효와 같은 표준 추출 방법을 사용하여 추출된다. 그러나, 발효 용액들로부터 유기 대사물질들을 추출하기 위한 이러한 알려진 방법들은 다수의 문제점들을 안고 있다.
용매 추출 시스템들은, 약한 유기 브로스에 적용시키는 경우, 종종 불량한 분배 비율을 보여주며, 이는 분리를 어렵게 한다. 염 포화(salt saturation)는 분배 비율을 개선시킬 수 있지만 수성 폐기물(waste aqueous)으로부터 염을 제거하는 것을 요구함으로써 추출 공정을 복잡하게 하며, 상기 염이 재사용을 위해 회수될 수 없는 경우 소비가능 비용을 현저하게 증가시킨다. 액체 압력 막들(역 삼투압 및 나노 여과 막들)은 단쇄 알코올들, 디올들, 및 유기산들에 대해, 충분히 높은 거부 를 보이지 않는다. 소수성 또는 친수성 막들, 두 가지 증 어느 것도 분자량 컷-오프(cut-off)들이 명백한 분리를 보여주기에 충분히 촘촘(tight)하게 제작될 수 없으며, 두 가지 막 유형들 모두 발효 브로스들에서 엄격한 예비-여과를 필요로 하는, 발효 브로스내 심각한 미립자 오염(particulate fouling)을 나타낸다.
증류는 현재 연속, 고 순도 유기물 회수를 위한 주요 방법이다. 그러나, 증류는 물보다 더 낮은 비등점을 지니며 양호하지 않은 공비혼합물들이 없는 유기 생성물들과 함께 사용되는 것으로 제한된다. 증류에 의해 수용액으로부터 2,3-부탄디올의 분리는 2,3-부탄디올의 고 비등점(180 내지 184℃) 및 물의 고 친화성으로 인하여 비용이 많이 들고 어렵다. 발효 브로스로부터의 에탄올의 증류는, 증류에 의해 해결될 수 없고 효율적으로 분리하기 위한 추가의 단계들 및 기술을 필요로하는 에탄올과 물의 공비혼합물(즉, 95% 에탄올 및 5% 물)을 산출한다.
아세트산은 전형적으로 상기 브로스를 여과하여 현탁된 유기 물질을 제거한 다음, 상기 브로스를 활성탄 칼럼에 통과시켜 아세테이트를 흡착시킴으로써 제거된다. 상기 공정은, 상기 발효 브로스의 pH가 활성탄 칼럼을 통해 전달되기 전에 약 3 미만으로 감소되어, 대부분의 아세테이트를 아세트산 형태로 전환시키는 것을 요구한다. 이러한 제거 방법은, 추가적인 단계들 및 브로스에 pH 변경 화학물질들의 부가를 요구하므로, 바람직하지 않다.
생성물 회수의 알려진 방법들은 2,3-부탄디올 및 아세트산을 포함하는 발효 시스템들을 통해 제조될 수 있는 유기 생성물들의 주요 부류들을 회수하는데 적절하지 않다(또는 비용 및/또는 에너지 소비 및/또는 회수된 생성물의 비율 측면에서 비효율적이다). 따라서, 회수는 미생물 발효를 사용하는 생물연료의 상업적으로 실용적인 생성을 위한 병목 구간(bottle-neck)이며, 회수를 보다 효율적이고 비용-효과적인 방식으로 개선시키기 위한 신규 기술들이 요구되고 있다.
본 발명의 목적은 선행 기술의 단점들 중 적어도 하나를 극복하거나 개선하는 공정 및 발효 시스템을 제공하거나, 적어도 유용한 선택으로 공공에 제공하기 위한 것이다.
발명의 요약
본 발명은 발효 브로스로부터 하나 이상의 발효 생성물의 분리 효율을 개선시키는 방법에 관한 것이다. 본 발명은 발효 브로스로부터 하나 이상의 발효 생성물을 분리하기 위한 방법을 제공하며, 여기서 분리를 위한 에너지 요구도는 알려진 방법들과 비교하여 실질적으로 감소된다.
본 발명은 하나 이상의 발효 생성물을 포함하는 발효 스트림(stream)으로부터 물을 제거하기 위한 개선된 시스템을 제공함으로써 발효 브로스로부터 하나 이상의 발효 생성물을 분리하는 개선된 방법을 제공한다.
제1 양태에서, 본 발명은 발효 브로스로부터 하나 이상의 발효 생성물을 분리하는 방법을 제공하며, 상기 방법은
a) 하나 이상의 미생물의 배양물을 함유하는 생물 반응기에서 기체 기재를 발효시켜 하나 이상의 발효 생성물을 포함하는 발효 브로스를 생성하는 단계;
b) 상기 발효 브로스를, 처리된 브로스 스트림을 생성하는 조건들에서 운행된 처리 영역을 통해 전달하는 단계로서, 상기 처리된 스트림은 실질적으로 바이오매스가 없는 단계;
c) 상기 처리된 브로스 스트림의 적어도 일부를 흡착제를 포함하는 모사 이동층(SMB) 모듈에 제공하는 단계;
d) 상기 하나 이상의 발효 생성물을 상기 흡착제 상에 흡착시키고, 브로스의 흡착되지 않은 성분들을 함유하는 라피네이트(raffinate)를 산출하는 단계; 및
e) 흡착제로부터 하나 이상의 생성물을 탈착시켜 생성물 스트림을 산출하는 단계를 포함한다.
상기 제1 양태의 일 구현예에서, 처리 영역은 적어도 하나의 열(heat) 처리 영역을 포함한다. 상기 제1 양태의 일 구현예에서, 상기 처리 영역은 열 처리 영역 및 여과 영역을 포함한다. 일 구현예에서, 상기 처리 영역은 발효 브로스로부터 현탁되고/되거나 용해성인 바이오매스의 적어도 일부를 제거한다. 일 구현예에서, 상기 처리 영역은 상기 발효 브로스로부터 현탁되고/되거나 용해성인, 실질적으로 모든 바이오매스를 제거한다. 본 발명의 특정 양태들에서, 상기 처리된 브로스 스트림은 실질적으로 바이오매스를 함유하지 않는다. 특정 구현예들에서, 상기 처리된 브로스 스트림은 미량의 바이오매스를 함유한다.
상기 제1 양태의 일 구현예에서, 상기 방법은 라피네이트를 상기 생물 반응기로 재순환(recycle)시키는 단계를 포함한다.
상기 제1 양태의 추가 구현예에서, 상기 생성물들은, 상기 흡착제를 용매로 플러싱(flushing)함으로써 단계 (e)에서 탈착되어 생성물-용매 용액을 산출한다. 바람직하게는, 상기 생성물-용매 용액은 실질적으로 상기 발효 브로스로부터 수반된 염들을 함유하지 않는다. 바람직하게는, 상기 생성물-용매 용액 중 물의 농도는 5 용적% 미만, 또는 3 용적% 미만, 또는 1 용적% 미만이다. 일 구현예에서, 상기 생성물-용매 용액 중 실질적으로 물이 없다.
바람직하게는, 상기 생성물들은 산들 및/또는 알코올들을 포함한다. 특정 구현예들에서, 상기 용매는 알코올이다. 일 구현예에 따라서, 상기 생성물은 에탄올, 아세트산, 2,3-부탄디올, 부탄올, 이소-프로판올 및 아세톤을 포함하는 그룹 중에서 선택된다. 일 양태에서, 상기 용매는 에탄올, 메탄올, 프로판올 및 메틸 t-부틸 에테르를 포함하는 그룹 중에서 선택된다. 바람직한 구현예에서, 상기 하나 이상의 생성물은 에탄올, 2,3-부탄디올 및 아세트산을 포함하는 그룹 중에서 선택되며, 상기 용매는 에탄올이다.
일 구현예에서, 상기 흡착 단계에 사용된 상기 용매는 사전에 추출된 발효 공정의 생성물이다. 발효 공정의 생성물로 탈착하는 것은, 추가적인 분리가 다른 하나로부터 발효의 상이한 생성물을 분리하는데 요구될 수 있다고 해도, 추가의 요구된 분리 단계를 추가하지 않고 생성물을 산출함을 의미함이 인식될 것이며, 여기서 하나 이상의 생성물이 생성된다.
특수한 구현예에서, 기체 기재는 단계 (a)에서 생물 반응기에서 발효되어 에탄올 및 2,3-부탄디올을 포함하는 발효 브로스를 생성한다. 발효 브로스는 처리 영역으로 전달되며, 여기서 바이오매스 및/또는 용해성 단백질의 적어도 일부는 상기 발효 브로스로부터 제거되어 처리된 스트림을 제공한다. 특수한 구현예에서, 처리된 스트림은 SMB로 유동되며, 여기서 상기 에탄올 및 2,3-부탄디올 중 적어도 일부는 상기 처리된 스트림으로부터 흡수(absorb)되어 라피네이트 스트림을 생성한다. 용매는 흡착기(adsorber)를 통하여 전달되어, 상기 에탄올 및 2,3-부탄디올을 탈착하여 추출 스트림을 제공한다. 추가 구현예에서, 상기 추출 스트림은 에탄올 스트림 및 2,3-부탄디올 스트림을 제공하기 위한 조건들 하에서 운행된 회수 영역을 통하여 전달된다. 특수한 구현예에서, 상기 라피네이트 스트림의 적어도 일부는 생물 반응기로 다시 전달된다.
제2의 양태에서, 본 발명은 발효 브로스로부터 하나 이상의 발효 생성물을 생성 및 회수하는 방법을 제공하며, 상기 방법은,
a) 하나 이상의 미생물의 배양물을 함유하는 생물 반응기에서 기체 기재를 발효시켜 하나 이상의 발효 생성물을 포함하는 발효 브로스를 생성하는 단계;
b) 상기 발효 브로스를 처리된 브로스 스트림을 생성하기 위한 조건들 하에서 운행된 처리 영역에 전달하는 단계로서, 상기 처리된 브로스 스트림은 바이오매스를 실질적으로 함유하지 않는 단계;
c) 상기 처리된 브로스 스트림의 적어도 일부를 흡착제를 포함하는 모사 이동층(SMB) 모듈에 제공하는 단계;
d) 상기 하나 이상의 발효 생성물을 상기 흡착제 상에 흡착시켜 상기 브로스의 흡착되지 않은 성분들을 함유하는 라피네이트를 산출하는 단계;
e) 상기 하나 이상의 생성물을 상기 흡착제로부터 탈착하여 생성물 스트림을 산출하는 단계; 및
f) 상기 라피네이트의 적어도 일부를 상기 생물 반응기로 재순환시키는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 구현예에서, 단계 (b)의 처리 영역은 발효 브로스로부터 바이오매스 및/또는 용해성 단백질의 적어도 일부를 제거하여 바이오매스를 실질적으로 함유하지 않는 처리된 브로스 스트림을 제공한다. 일 구현예에서, 바이오매스 및/또는 용해성 단백질의 적어도 일부는 상기 생물 반응기로 되돌아 간다.
본 발명의 일 구현예에서, 상기 발효 브로스의 적어도 일부는 생물 반응기를 빠져나가면서 여과 단계를 통하여 전달되며, 이로써 투과 스트림(permeate stream)을 생성한다. 특정 구현예들에서, 상기 투과 스트림 및 처리된 브로스 스트림은 상기 SMB 모듈에 전달되기 전에 결합된다.
일 구현예에서, 상기 라피네이트는 상기 생물 반응기로 되돌아가서 액체 영양 배지의 일부를 구성한다. 특정 구현예들에서, 상기 라피네이트는 상기 생물 반응기로 되돌아가기 전에 배지 제조 단계(media preparation step)를 거친다. 특정 구현예들에서, 상기 배지 제조 단계는 상기 라피네이트 스트림에 하나 이상의 영양소을 부가함을 포함한다.
특정 구현예들에서, 상기 라피네이트는 생성물들을 실질적으로 함유하지 않는다. 바람직한 구현예들에서, 상기 라피네이트는 적어도 80%의 H2O, 또는 적어도 85%의 H2O, 또는 적어도 90%의 H2O, 또는 적어도 95%의 H2O를 포함한다. 특정 구현예들에서, 상기 라피네이트는 상기 흡착제로부터 상기 하나 이상의 생성물을 탈착하는데 사용된 미량의 용매를 포함한다.
제3 양태에서, 하나 이상의 산을 생성하고 회수하는 방법을 제공되며, 상기 방법은,
a) 액체 영양 브로스에서 배양물 또는 하나 이상의 미생물을 함유하는 생물 반응기에 기체 물질을 유동시키는 단계;
b) 상기 기체 기재를 발효시켜 하나 이상의 산(들)을 포함하는 발효 브로스를 생성하는 단계;
c) 상기 발효 브로스를 처리 영역에 전달하는 단계로서, 여기서 바이오매스 및/또는 용해성 단백질 중의 적어도 일부가 상기 발효 브로스로부터 제거되어 처리된 브로스 스트림을 제공하는 단계;
d) 상기 처리된 브로스 스트림을 흡착제를 포함하는 모사 이동층 모듈에 유동시키는 단계;
e) 상기 처리된 브로스 스트림으로부터 하나 이상의 산의 적어도 일부를 흡착제에 흡착시켜 라피네이트 스트림을 생성시키는 단계;
f) 용매를 흡착제를 통하여 전달하여 상기 하나 이상의 산을 탈착시키는 단계; 및
g) 상기 라피네이트 스트림의 적어도 일부를 상기 생물 반응기에 전달하는 단계를 포함한다.
상기 제3 양태의 일 구현예에서, 상기 흡착된 산은 락트산 및/또는 아세트산이며, 상기 산의 제거는 상기 브로스 배양물의 억제 및/또는 붕괴를 방지한다. 특수한 구현예에서, 상기 흡착된 락트산 및/또는 아세트산은 상기 흡수제(absorbent)로부터 탈착되어 추출 스트림을 통해 상기 SMB를 빠져나간다. 따라서, 상기 브로스의 pH는 상기 추출 스트림을 통한, 상기 락트산 및/또는 아세트산의 제거를 통해 조절된다. 일 구현예에서, 생물 반응기로부터 산의 제거는 하나 이상의 미생물의 배양의 억제를 방지한다.
일 구현예에서, 하나 이상의 산(들)은 용매에 의해 단계 (f)에서 탈착된다. 일 구현예에 따라서, 탈착에 사용된 용매는 에탄올, 메탄올, 프로판올 및 메틸 t-부틸 에테르이다. 추가 구현예에서, 탈착에 사용된 용매는 사전에 추출된 발효 공정에 의해 생성된 용매이다.
상기 제3 양태의 대체 구현예에서, 상기 처리된 브로스 스트림 중 산의 적어도 일부는 상기 SMB 모듈로 제공되기 전에 이의 상응하는 염으로 전환된다. 일 구현예에서, 상기 처리된 브로스 스트림의 산은 나트륨 히드록시드를 사용하여 나트륨 아세테이트로 전환되는 아세트산이다. 상기 전환된 나트륨 아세테이트는 상기 처리된 브로스 스트림과 함께 상기 SMB 모듈에 제공되며, 여기서 상기 나트륨 아세테이트는 상기 라피네이트와 함께 상기 SMB 모듈을 빠져나가 상기 생물 반응기로 다시 재순환된다.
일 구현예에서, 단계 (c)에서 발효 브로스로부터 제거된 바이오매스 및/또는 용해성 단백질은 생물 반응기로 재순환된다.
상기 제3 양태의 일 구현예에서, 하나 이상의 산은 상기 공정에 의해 제거되며, 이로써 상기 생물 반응기의 pH는 바람직한 범위내에서 유지된다. 미생물 성장 및 대사산물 생성은 생물 반응기 내 pH를 바람직한 범위내로 유지시킴으로써 최적화될 수 있다. 특수한 구현예에서, 상기 바람직한 범위는 최적 운행 pH(optimum operating pH)의 ±0.5 단위이다. 전형적으로, 아세트산 발효에서, pH는 6 내지 8, 또는 6.5 내지 7.5, 또는 6.7 내지 7.4, 또는 6.8 내지 7.3, 또는 6.9 내지 7.1, 또는 실질적으로 7.0이다. 발효시 본 발명의 제1 및 제2 양태들에 따라서, pH는 4.5 내지 6; 또는 4.61 내지 5.9로; 또는 4.7 내지 5.8; 또는 4.8 내지 5.5에서 유지된다. 일 구현예에서, pH는 실질적으로 pH 4.8, 또는 pH 5.0, 또는 pH 5.5에서 유지된다.
상기 제3 양태의 특정 구현예들에서, 주요 발효 생성물은 아세트산이다. 특정 구현예들에서, 반응기에 제공된 기체 기재는 CO, CO, 및 H2, CO2, 및 H2, CO2, CO 및 H2, 또는 이의 혼합물들로 이루어진 그룹에서 선택된다. 상기 제3 양태의 일 구현예에서, 하나 이상의 미생물은 아세토박테리움 우디이(Acetobacterium woodii), 클로스트리디움 오토에타노게눔(Clostridium autoethanogenum), 클로스트리디움 륭달리이(Clostridium ljungdahlii), 클로스트리디움 라그스달레이(Clostridium ragsdalei), 클로스트리디움 코스카티이(Clostridium coskatii) 또는 이들의 혼합물들로 이루어진 그룹 중에서 선택된다.
상기 제3 양태의 단계 (a)는 알코올과 같은 다른 생성물을 생성할 수 있다. 특수한 구현예에서, 하나 이상의 추가의 발효 생성물은 단계 (e)에서 흡착된다. 일 구현예에 따라서, 추가의 생성물은 에탄올, 2,3-부탄디올, 부탄올, 및 이소-프로판올을 포함하는 그룹 중에서 선택된다.
상기 양태들 중 임의의 특수한 구현예에서, 처리 단계는 적어도 여과 단계를 포함하며, 여기서 현탁되고/되거나 용해성인 바이오매스의 적어도 일부는 이것이 SMB 모듈로 전달되기 전에 발효 브로스로부터 제거된다. 여과(filtration)는 결과로, 발효 브로스로부터 현탁되고/되거나 용해성인 바이오매스의 제거를 초래한다. 특정 구현예들에서, 여과는 결과로, 실질적으로 바이오매스가 없는 처리된 브로스 스트림을 초래한다. 여과는 막(membrane)을 통하여 브로스를 전달시키는 경로로 이루어질 수 있다. 일 구현예에서, 응집(flocculation)은 여과 전에 응결제를 부가함으로써 유도될 수 있다.
특정 구현예들에서, 처리 단계는 적어도 하나의 열(heat) 처리 단계를 추가로 포함한다. 브로스 스트림으로부터 바이오매스의 제거를 위한 다른 방법들이 처리 단계에서 또한 사용될 수 있다는 것은 숙련가에게 인식될 수 있다.
상기 제1 양태의 방법의 수행은 상기 제2 양태의 방법의 수행을 초래할 수 있으며, 이의 역 진행 또한 가능하다.
추가의 양태에서, 본 발명은 발효 시스템을 제공하며, 상기 시스템은 적어도,
a) 기체 기재로부터 하나 이상의 발효 생성물을 생성할 수 있는 하나 이상의 미생물의 배양물을 함유하는 발효 브로스를 함유하는 생물 반응기;
b) 상기 발효 브로스의 일 부분과 함께 제공되도록 조정된 모사 이동층(SMB) 모듈;
c) 상기 발효 브로스의 일 부분으로부터 하나 이상의 발효 생성물을 흡착하도록 조정된 상기 SMB 모듈 내 흡착제를 포함한다.
일 구현예에서, 상기 시스템은, 브로스가 SMB 모듈에 의해 수용되기 전에 발효 브로스의 일부로부터 현탁되고/되거나 용해성인 바이오매스를 제거하도록 조정된 처리 모듈을 추가로 포함한다. 상기 처리 모듈은 적어도 하나의 여과 모듈을 포함한다. 특정 구현예들에서, 상기 처리 모듈은 열 처리 모듈 및 여과 모듈을 포함한다. 앞서 나타낸 바와 같이, 상기 SMB 모듈은 생물 반응기 내에 또는 이의 일부로서 또는 이와는 별개로 제공될 수 있지만, 상기 브로스의 일부를 수용하기 위하여 이와 유체 연통(fluid communication)할 수도 있다.
일 구현예에서, 상기 시스템은 제거된 바이오매스/용해성 단백질을 생물 반응기로 다시 전달하는 수단을 추가로 포함한다. 일 구현예에서, 상기 시스템은 SMB 모듈을 빠져나간 라피네이트 스트림을 생물 반응기로 다시 전달하기 위한 수단을 포함한다.
상기 제3 양태의 특수한 구현예들에서, 생물 반응기는 기체 기재의 발효를 위해 구성되어 산(들) 및/또는 알코올(들)을 포함하는 생성물들을 생성한다. 특수한 구현예에서, 상기 기체 기재는 CO를 포함하며, 임의로 H2를 포함한다. 대체 구현예에서, 상기 기체 기재는 CO2 및 H2를 포함한다.
상기 제3 양태의 특수한 구현예들에서, 상기 시스템은 조절 수단 및 가공 수단을 포함하며, 이는 배지 공급 속도, 액체 보유 시간 및 기재 공급 속도를 포함하는 파라미터들이 당해 분야에 알려진 방법에 따라, 예컨대 본 기재내용 및 본원에 참조로 완전히 혼입된 WO2010/093262에 기술된 방법과 같이, 조절될 수 있도록 한다.
상기 양태들 중 임의의 특수한 구현예에서, 상기 방법은 SMB 모듈에서 생성물 제거 전 또는 후에 생물 반응기 또는 라피네이트로부터 각각 제거된 발효 브로스의 처리를 추가로 포함한다. 특수한 구현예에서, 상기 처리는 영양 배지를 생물 반응기로 회수하기 전에 이를 보충하기 위해 라피네이트에 부가되는 추가의 성분 또는 영양소(예컨대 비타민 B)으로 이루어질 수 있다. 또한, 상기 라피네이트의 pH는, 상기 생물 반응기로 회수되어 생물 반응기 내의 브로스의 pH를 조절하기 전에 조정될 수 있다.
상기 양태들 중 임의의 특수한 구현예에서, 흡착제는 불소화된 탄소 흡착제이다. 대안적인 구현예에서, 상기 흡착제는 활성탄 흡착제이다. 다른 구현예들에서, 상기 흡착제는 C18 표면 변형된 실리카 겔이다.
상기 언급된 흡착제들은 적절한 흡착제들의 예시들이며, 완전한(exhaustive) 목록으로 의도되지 않는다. 숙련가는 본원에 정의된 SMB 공정에서 사용하기 위한 적합한 선택성 및 소수성을 가진 어떠한 흡착제 물질도 사용할 수 있음을 이해할 수 있다.
SMB가 생물 반응기로부터 분리되면서도 이와 유체 연통하는 것이 바람직하다고 여겨지기는 하지만, 상기 SMB는 생물 반응기 내에서 제공될 수 있다. SMB가 상기 생물 반응기 속에 포함되는 경우에, 바람직하게는, 상기 SMB는 브로스 내에서 현탁되고/되거나 용해성인 바이오매스으로부터 분리되어 유지된다. 예를 들어, 상기 브로스의 일 부분은 막에 의해 그 나머지로부터 분리되어 상기 SMB가 발효 생성물들과 연통하지만 SMB의 수행능에 영향을 미칠 수 있는 현탁되거나 용해성인 바이오매스과 연통하지 않도록 할 수 있다. 추가로 또는 대안적으로, 상기 SMB의 공급물(feed)은 동일한 말단까지 여과기와 함께 제공될 수 있다. 이는 본 발명의 모든 양태들에 적용된다.
놀랍게도, SMB 공정은 희석된 농도의 유기 생성물을 포함하는 처리된 브로스 스트림 및/또는 발효 브로스로부터 목적한 생성물을 분리하는데 유리하다. 본 발명의 일 구현예에서, 발효 브로스 및 처리된 브로스 스트림내 에탄올 및/또는 2,3-부탄디올의 농도는 수중 30 중량% 이하, 또는 수중 15 중량% 미만이다. 일 구현예에서, 발효 브로스 또는 처리된 스트림은 수중에서 2 내지 10 중량%의 에탄올/2,3-부탄디올을 함유하며, 여기서 에탄올 대 2,3-부탄디올은 5;1 내지 1;1의 비율로 존재한다. 바람직한 구현예에서, 상기 발효 브로스 또는 처리된 스트림은 수중에서 6 중량%의 에탄올/2,3-부탄디올을 함유하며, 여기서 에탄올 대 2,3-부탄디올은 1:1의 비율로 존재한다. 또한, 놀랍게도 2 중량% 미만인 2,3-부탄디올 농도가 상기 SMB 공정을 사용하여 분리될 수 있음이 밝혀졌다. 특수한 구현예에서, 흡착제는 브로스로부터의 발효 생성물의 적어도 약 50%, 약 60%, 약 70%, 약 80%, 약 90%, 약 95%, 약 99% 또는 실질적으로 100%를 흡착한다. 일 구현예에서, 흡착제는 브로스로부터 발효 생성물의 50 내지 100%, 또는 60 내지 95%, 또는 70 내지 90%, 또는 70 내지 100%를 흡착한다.
본 발명의 특수한 구현예들에서, 흡착제는 바람직하게는 적어도 6.0 W/W, 또는 적어도 7.0 W/W, 또는 적어도 8.0 W/W, 또는 적어도 9.0 W/W, 또는 적어도 10.0 W/W의 에탄올 흡착 비율를 가질 것이다. 특정 구현예들에서, 흡착제는, 에탄올 흡착 비율이 6.0 내지 10.0 W/W, 또는 7.0 내지 10.0 W/W, 또는 6.0 내지 9.0 W/W, 또는 7.0 내지 9.0 W/W이다.
본 발명에 따라서, 흡착제는 바람직하게는 적어도 9.0 W/W, 또는 적어도 10.0 W/W, 또는 적어도 12.0 W/W, 또는 적어도 16.0 W/W, 또는 적어도 18.0 W/W, 또는 적어도 20.0 W/W의 2,3-부탄디올 흡착 비율을 가질 것이다. 특정 구현예들에서, 흡착제는 9.0 내지 20.0 W/W, 또는 12.0 내지 20.0 W/W, 또는 10.0 내지 18.0 W/W, 또는 12.0 내지 18.0 W/W, 또는 16.0 내지 20.0 W/W의 2,3-부탄디올 흡착 비를 갖는다.
본 발명의 특수한 구현예에서, 유기 생성물들이 흡착제에 흡착되는 온도는 20℃ 내지 75℃, 또는 25℃ 내지 40℃, 또는 25℃ 내지 35℃이다. 바람직한 구현예에서, 유기 생성물들이 흡착제에 흡착되는 온도는 약 25℃이다. 인식될 바와 같이, 이는 증류에 의해 생성물을 분리하는데 요구되는 것보다 유의적으로 더 낮다.
본 발명의 특정 구현예들에서, 생성물이 흡착제로부터 탈착되는 온도는 20℃ 내지 120℃, 또는 20℃ 내지 110℃, 또는 25℃ 내지 100℃, 또는 40℃ 내지 100℃, 또는 40℃ 내지 90℃ 미만이다. 특정 구현예들에서, 생성물이 흡착제로부터 탈착되는 온도는 약 90℃이다.
본 발명의 특수한 구현예에서, 생성물이 흡착제에 흡착되는 압력은 200 psig (1,379kPag) 미만, 또는 150 psig(1,034 kPag) 미만 또는 약 100 psig(689 kPag) 미만, 또는 약 50 psig(345 kPag) 미만이다. 특정 구현예들에서, 생성물이 흡착제에 흡착되는 압력은 14.7 내지 200psig(101 내지 1,379 kPag)이다. 본 발명의 구현예들은, 수성 발효 브로스로부터 일반적으로 산, 알코올 및 디올과 같은 기체 발효의 유기 생성물의 분리에서 특수한 적용을 발견한다. 특히 아세트산, 에탄올 및 2,3-부탄디올은 CO를 포함하는 기체 기재의 발효에 의해 생성되며 본 발명을 사용하여 수성 유기 스트림으로부터 분리될 수 있다.
상기 양태들의 추가 구현예들에서, 에탄올과 같은 알코올 생성물은 브로스를 SMB 모듈에 전달하고, 임의로 여과 모듈에 전달하기 전에, 생물 반응기(또는 브로스의 다른 부위)로부터 제거된 브로스의 일부로부터 추출된다. 바람직하게는, 에탄올은 증류에 의해 브로스로부터 추출된다. 특수한 구현예에서, 추출된 알코올은 SMB 모듈에서 탈착제로서 사용된다.
상기 양태들의 추가 구현예들에서, SMB 모듈은 생성물들 및/또는 산들의 흡착 후 재생된다. 특수한 구현예에서, 흡착제는 실질적으로 모든 탈착제를 제거한다. 특수한 구현예들에서, 상기 흡착제는 스팀 스트리핑(steam stripping)에 의해 탈착제를 제거한다. 스팀 스트리핑은 흡착 전에 발생하여 시스템으로부터 제거된 응축된 스트리핑 용액을 생성하거나, 응축된 스트리핑 용액이 라피네이트와 함께 시스템 밖으로 운반되는 흡착 단계와 함께 발생할 수 있다. 상기 응축된 스트리핑 용액 또는 탈착제-함유의 라피네이트는 증류하여 추출된 탈착제를 회수하며, 이는 상기 공정에 되돌아간다.
기체 기재는 산업 공정의 부산물로서 수득된 기체를 포함할 수 있다. 특정 구현예들에서, 상기 산업 공정은 철 금속 생성물 제조, 비-철 생성물 제조, 석유 정제 공정, 바이오매스의 기체화, 석탄의 기체화, 전기력 생성, 카본 블랙(carbon black) 생성, 암모니아 생성, 메탄올 생성 및 코크스(coke) 제조로 이루어진 그룹 중에서 선택된다. 본 발명의 일 구현예에서, 상기 기체 기재는 합성기체이다. 일 구현예에서, 기체 기재는 제강소(steel mill)로부터 산출된 기체를 포함한다.
특수한 구현예에서, 상기 기체 기재는 CO를 함유하는 기체 기재이다. 추가 구현예들에서, 상기 기재는 적어도 약 15 용적% CO 내지 100 용적% CO, 예를 들면, 20 용적% CO 내지 100 용적% CO, 예를 들면, 43 용적% CO 내지 95 용적% CO, 예를 들면, 75 용적% CO 내지 95 용적% CO, 또는 예를 들면, 80 용적% 내지 90 용적% CO를 함유한다. 일 특수 구현예에서, 기체 기재는 약 95% CO를 포함한다. 기재가 CO2 및 H2를 또한 함유하는 경우, 예컨대 6%와 같은 보다 낮은 CO 수준이 고려된다. 다른 구현예들에서, 기재 스트림은 2% 내지 13%의 H2 농도를 포함한다.
다양한 구현예들에서, 발효는 일산화탄소영양 박테리아 중 하나 이상의 균주를 포함하는 미생물 배양물을 사용하여 수행한다. 다양한 구현예들에서, 일산화탄소영양 박테리아은 클로스트리디움(Clostridium), 무렐라(Moorella), 옥소박터(Oxobacter), 펩토스트렙토코쿠스(Peptostreptococcus), 아세토박테리움(Acetobacterium), 유박테리움(Eubacterium), 또는 부티리박테리움(Butyribacterium) 중에서 선택된다. 일 구현예에서, 일산화탄소영양 박테리아은 클로스트리디움 오토에타노게눔(Clostridium autoethanogenum)이다. 특수 구현예에서, 상기 박테리아은 수탁 번호 제DSMZ10061호 또는 제DSMZ23693호의 식별 특성을 갖는다.
본 발명은 또한, 본 출원 명세서에 언급되거나 나타낸 부분들, 요소들 및 내용들을, 개별적으로 또는 총괄적으로, 상기 부분들, 요소들 또는 내용들 중의 2개 이상의 임의의 또는 모든 조합에 있어, 그리고 본 발명에 관계된 당해 분야에서 알려진 균등물을 갖는 특정 정수들이 언급되는 경우 포함하며, 그와 같은 알려진 균등물들은 개별적으로 여기서 설정된 것 같이 포함된 것으로 의도된다.
본 발명의 이러한 양태들 및 다른 양태들은, 이들의 신규한 양태들 모두에서 고려되어야 하며, 첨부된 도면들을 참조로 단지 실시예로서 주어지는 것이 명백할 것이며, 상기 첨부된 도면들은:
도 1로서 본 발명의 구현예에 따른 발효 시스템의 개략도;
도 2로서 본 발명의 구현예에 따른 발효 시스템의 개략도를 포함하며, 여기서 SMB 모듈은 기체 발효와 연결되어 에탄올 및 2,3-부탄디올과 같은 발효 생성물들을 추출한다.
발명의 상세한 설명
정의들
달리 나타내지 않은 한, 다음의 용어들은 명세서 전체에 걸쳐 다음과 같이 정의된다:
라피네이트 - 발효 생성물들이 흡착제에 흡착된 다음 발효 브로스의 나머지 물질.
발효 브로스 또는 브로스 - 생물 반응기에서 발견된 성분들(브로스 배양물 및 영양 배지 포함)의 혼합물.
영양 배지 - 미생물 배양물의 성장에 적절한 영양소들 및 다른 성분들을 함유하는 발효 브로스에 부가된 용액.
브로스 배양물 - 발효 브로스 속에 존재하는 미생물 배양물.
브로스 배양물 밀도 - 발효 브로스 내 미생물 세포들의 밀도.
일산화탄소를 포함하는 기체 기재 - 및 유사 용어들은 일산화탄소를 함유하는 임의의 기체를 포함한다. 기체 기재는 전형적으로 유의미한 비율의 CO, 바람직하게는 적어도 약 5 용적% 내지 약 100 용적% CO를 함유할 것이다.
산 - 여기에서 사용된 바와 같이, 이 용어는 카복실산 형태를 포함한다. 아세테이트 형태의 아세트산은 본 발명의 흡착제 공정과 함께 사용하기에 적합하지 않다. 발효 브로스 내에 존재하는 아세테이트는 pH 조절에 의해 산 형태로 전환될 수 있다. 발효 브로스 내에서 아세트산 대 아세테이트의 분자 비율은 시스템의 pH에 의존한다.
생물 반응기 또는 발효기 - 는 연속 교반식 탱크 반응기(Continuous Stirred Tank Reactor: CSTR), 고정 세포 반응기(Immobilized Cell Reactor: ICR), 트리클 층 반응기(Trickle Bed Reactor: TBR), 이동층 생물막 반응기(Moving Bed Biofilm Reactor: MBBR), 버블 칼럼(Bubble Column), 기체 리프트 발효기(Gas Lift Fermenter), 할로우 섬유막 생물 반응기(Hollow Fibre Membrane Bioreactor: HFMBR)와 같은 막 반응기, 정적 혼합기, 또는 다른 용기 또는 기체-액체 접촉에 적합한 다른 장치를 포함하는, 하나 이상의 용기 및/또는 타워(tower) 또는 파이핑 배열(piping arrangement)로 이루어진 발효 장치를 포함한다.
제2 또는 제2 생물 반응기 - 여기에서 사용된 바와 같이, 이러한 용어들은 제1 및/또는 제2의 생물 반응기와 직렬식 또는 병렬식으로 연결될 수 있는, 임의의 수의 추가적인 생물 반응기들을 포괄하는 것으로 의도된다.
발효, 발효 공정 또는 발효 반응 - 및 유사 용어들은, 여기에 사용된 바와 같이, 공정의 성장 상(phase) 및 생성물 생합성 상(phase), 두 가지 모두를 포함하는 것으로 의도된다. 일부 구현예들에서, 생물 반응기는 제1 성장 반응기 및 제2 발효 반응기를 포함할 수 있다. 이와 같이, 발효 반응에 대한 성분들의 처리, 또는 부가는 이들 반응기 각각 또는 두가지 모두와 관계된 것으로 의도되어야 한다.
분배 비율 - 여기에서 사용된 바와 같이, 이는 추출물 중 단일 확정 형태의, A의 물질의 농도 대 평형 상태에 있는 다른 상(phase)에서 동일한 형태에서의 이의 농도 비율를 정의하는 것으로 의도되며, 이는 하기 식으로 나타난다:
Ⅰ.
Figure pct00001
. .
(IUPAC. Compendium of Chemical Terminology, 2nd ed. (the "Gold Book". Compiled by A.D. McNaught and A, Wilkinson, Blackwell Scientific Publications, Oxford (1997). XML on-line corrected version: hip://goldbook.iupac.org(2006) created by M.Nic, J. Jirat, B.Kosta; updates compiled by A.Jenkins. ISBN 0-9678550-9-8)
영양 배지의 성분 - 여기에서 사용된 바와 같이, 액체 영양 배지에 제공된 임의의 물질을 지칭하는 것으로 의도되며, 상기 영양 배지는 미생물의 성장을 보조하며 비제한적으로, 비타민들, 미량 금속들 및 무기질들을 포함한다. 수성 유기 스트림은, 여기에서 사용된 바와 같이, 발효 공정의 하나 이상의 유기 생성물을 포함하는 수성 스트림을 정의하는 것으로 의도된다. 유기 생성물들의 예시들은 비제한적으로 에탄올; 2,3-부탄디올; 아세트산; 프로판올; 부탄올; 이소프로판올 및 아세톤, 물에 대해 고 친화성인, 즉, 물 속에서 높은 정도로 용해성인 화합물을 포함한다.
명세서 전체 및 임의의 청구항에 걸쳐서, 문맥에서 달리 요구하지 않는 한, 단어 "포함하다", "포함하는" 및 유사 단어들은 다시 말해서, "포함하나, 이에 한정되지 않는"의 의미인, 배타적인 의미와 대치되는 포괄적인 의미로 해석되어야 한다.
본 발명자들은, SMB가 일반적으로 수용액으로부터, 물에 대해 고 친화성을 갖는 알코올, 디올, 및 유기산과 같은 유기 화합물을 추출하는 것에 유리하게 적용할 수 있다는 점을 확인하였고, 이를 위한 공정을 개발하였다. 지금까지, SMB는 유기 용매로부터 유기 화합물을 분리하거나 수용액으로부터 유기 화합물을 추출하는데에만 사용되어 왔으며, 여기서 유기 성분은 물에 대해 낮은 친화성을 갖는다. 알코올들, 디올들, 및 유기산들은 저 탄소쇄(carbon chain) 길이 및 고 극성을 가지므로, 이러한 화학물질들은 물에 대해 고 친화성을 가지는 경향이 있으며, 즉, 물 속에서 실질적으로 완전히 용해성이다. 또한, 이들 화합물은 불순물을 함유하는 저 농도 용액(즉, 10 % w/w) 속에서 전형적으로 생성된다. 발효 용액들은 종종 흡착제 표면에 대해 물리적으로 차단하거나 경쟁함으로써 흡착을 제한하는 현탁되고 용해성인 바이오매스 오염물질들 뿐만 아니라 다양한 무기 화합물들을 함유한다. 본 발명의 적어도 몇몇의 바람직한 구현예들은 최적화된 흡착제 선택성, 용량, 질량 전달 비율, 및 장기 안정성 중의 적어도 하나를 지닌 공정 및 시스템을 제공함으로써 이러한 제한들 중 적어도 하나를 극복하는데 목표를 둔다. 본 발명은 또한 연속식 운행을 위해 최적화됨으로써 SMB 자본 소비 및 운행 비용을 감소시키는 SMB 모듈을 바람직하게 제공한다.
발효 생성물들을 추출하기 위한 SMB 기술에 대한 커플링 기체 발효의 이러한 방법은 알려진 분리 방법들에 비하여 몇가지 장점들을 제공한다.
재생성의, 연속적인 흡착은 흡착제 및 용매/탈착제 양 및 에너지 소비를 감소시킨다. 운행 비용은 증발, 용매 추출 및 결정화와 같은 통상의 단위 공정보다 유의적으로 더 낮다.
고정층들과 비교하여, SMB는 훨씬 더 효과적인 용적의 기능적 흡착제를 갖는다. 뱃치(고정층) 공정에서, 소정의 층(bed) 수준의 액체 조성물은 시간에 따라 주기적으로 변하며, 상기 층의 대부분은 소정의 시간에서 활성이 아니다. SMB 추출을 사용하는 연속 공정 동안, 소정의 수준에서의 조성물은 고정되고, 상기 층 전체는 유용한 기능을 수행한다.
발효 생성물들은, 흡착제 상에서 탈착제/용매를 전달함으로써 흡착제로부터 탈착되어 생성물-용매 용액을 산출할 수 있다. 본 발명은 유기 생성물을 용매(예를 들면, 브로스로부터의 물) 및/또는 원하지 않은 용질들의 캐리 오버(carry-over)가 최소 내지 아예 없는 수준으로, 고 수율 및 순도로 분리한다는 점에서 통상의 분리 기술보다 추가의 장점을 갖는다.
SMB의 추가의 장점은 용액으로부터 하나 이상의 생성물을 동시 추출하는 이의 능력이다. 흡착제 층의 최적화는, SMB가 기존의 추출 방법들을 사용하여서는 수행될 수 없는 동일한 공정 조건 하에서 다수의 유기 생성물을 명확하게 추출하도록 한다.
광범위한 용어로, 본 발명은 흡착제를 포함하는 모사 이동층(SMB) 모듈을 사용하여 발효 브로스로부터 하나 이상의 발효 생성물을 분리하는 방법을 제공한다.
본 발명의 구현예들은 발효 브로스로부터 산, 알코올 및 디올과 같은 기체 발효의 수성 유기 생성물의 분리에서 특수한 적용을 발견한다. 특히, 아세트산, 에탄올 및 2,3-부탄디올은 CO를 포함하는 기체 기재의 발효에 의해 생성되며, 이들은본 발명을 사용하여 수성 유기 스트림으로부터 분리될 수 있다.
알려진 용매 추출 시스템은, 저 유기 생성물 농도를 갖는 브로스를 사용하는 경우 불량한 분배 계수를 보여준다. 염 포화(salt saturation)가 상기 분배 효율을 개선시킬 수 있지만, 이는 수성 폐기물로부터 염을 제거하는 비용에 부가되어 염이 재사용을 위해 회수될 수 없는 경우 소비 비용을 현저히 증가시킨다. SMB는 발효 생성물의 선택적인 흡착/탈착으로 인한 화학물질 소비 및 브로스 처리를 최소로 요구하여 추출 공정을 단순화시킨다. 본 발명의 특수한 구현예에서, 사용된 탈착제 화학물질이 발효로부터의 유기 생성물인 경우, SMB 공정은 실질적으로 화학적 소비를 요구하지 않는다.
본 발명의 특수한 구현예들에서, 상기 방법들은 발효 브로스를 SMB 모듈로 전달하기 전에 발효 브로스의 여과 단계를 포함한다. 여과는 결과로, 발효 브로스로부터 현탁되고/되거나 용해성인 바이오매스의 제거를 초래한다. 여과는 비제한적으로 나노(nano) 여과 및 울트라(ultra) 여과 막들을 포함하는 막을 통해 브로스를 전달하거나, 발효 브로스의 변성, 또는 당해 분야에 알려진 다른 여과 방법들에 의해 경유될 수 있다. 응집은 여과 전에 응집제를 부가하여 유도할 수 있다. 여과는 별개의 모듈로 수행되거가 SMB 모듈의 일부로서 포함될 수 있다.
적합한 흡착제의 예는 불소화된 탄소 흡착제이다. 특정 구현예들에서, 흡착제는 활성탄 흡착제 또는 불소화된 탄소 흡착제이다. 다른 구현예에서, 흡착제는 C18 표면 변형된 실리카 겔이다.
바람직하게는, 흡착제는 변성된 발효 브로스로부터 물을 분리할 수 있는 임의의 흡착제 물질일 수 있다. 적절한 흡착제는 불소화된 탄소 흡착제들을 포함한다. 적절한 불소화된 탄소 흡착제들의 예들은 표면 불소화된 탄소 흡착제, 예를 들면, ORSCNCB4FL5GR 및 ORSNCB4FLGR(Orochem Technologies, Inc에서 구입 가능)을 포함하며 이후 FC-5 및 FC-1으로 각각 언급된다. 다른 적절한 흡착제들은 활성탄 흡착제들은 포함한다. 활성탄 흡착제의 예는 ORSNCB4GR(일리노이주 롬바드 소재의 Orochem Technologies, Inc.에서 구입 가능)를 포함하며 이후 E-325로 언급된다. C18 표면 변형된 실리카 겔은 또한 여기에 기술된 SMB 공정에서 사용하기에 적합한 특성을 갖는다. 예시적인 C18 표면 변형된 실리카 겔은 RELIASIL 5 마이크론 C18 (스위스, 주크(Zug)의 Infochroma에서 구입 가능)이다.
최적화된 흡착제 및 조건을 사용함으로써, 본 발명자들은, 발효 생성물이 브로스로부터 통상의 추출 기술과 비교하여 고 수율의 효율적인 방법으로 추출될 수 있음을 보여주었다. 최적화된 소수성 흡착제는 본 발명자들에 의해 에탄올, 프로판올, 부탄올, 아세트산, 2,3-부탄디올 및 아세톤과 같은 유기 화합물에 대해 높은 수용력(capacity) 및 선택성(selectivity)을 보여주는 것으로 알려졌다. 상기 방법은 또한 결과로, 용액 속에 존재하는 물 및 무기 염들의 실질적으로 완전한 거부를 초래한다.
특수한 구현예에서, 흡착제는 적어도 약 50%, 약 60%, 약 70%, 약 80%, 약 90%, 약 95%, 약 99% 또는 실질적으로 100%의 브로스로부터의 발효 생성물을 흡착한다.
생성물들은 증류와 같이 당해 분야의 숙련가에게 알려진 표준 방법에 의해 탈착된 생성물 혼합물로부터 분리될 수 있다. 예를 들어, 에탄올의 비등점은 78.8℃이며 아세트산의 비등점은 107℃이다. 그 결과, 에탄올 및 아세트산은 증발과 같은 휘발계 방법을 사용하여 서로로부터 용이하게 분리될 수 있다. 아세테이트는 활성탄 상에 흡착시켜 회수할 수 있다. 분리의 다른 예는 유기-용매 나노여과 막이다. 이들은 압력 여과(pressure filtration)를 통해 서로로부터 2개의 용매 성분들의 크기 분리를 가능하도록 한다.
SMB는 흡착제로부터 유기 생성물을 제거하기 위한 용매 탈착제를 필요로 한다. 적절한 탈착제는 흡착제로부터 및 이후 탈착된 생성물로부터 공정 조건에 대한 단지 약간의 변화로 명확한 분리를 보장하면서, 거의 완전한 탈착제 재생이 가능하도록 한다. 바람직하게는, 탈착제는 메탄올, 에탄올, 프로판올, 및 메틸 t-부틸 에테르를 포함하는 그룹 중에서 선택된다. 바람직한 구현예들에서, 탈착제는 메탄올 또는 에탄올이다.
특수한 구현예에서, 탈착을 위해 사용된 용매는 상기 발효 공정에 의해 생성되고 사전에 추출된 용매이다. 이는 소비가능 비용 및 가능한 폐기물 처리 요구를 감소시킨다. 용매로서 추출된 생성물을 사용하는 것은, 원하지 않은 용매/탈착제 또는 용매/탈착제 오염물질들이 발효 효율을 억제할 수 있는 브로스로 재순환되는 가능성을 감소시킨다. 특수한 구현예에서, 용매는 발효에 의해 또는 연결된 발효 공정에 의해 생성된 에탄올이다. 이러한 용매는 브로스를 SMB 모듈에 전달시키기 전에 브로스의 제거된 부위로부터 추출될 수 있거나 브로스의 다른 부위로부터 수득될 수 있다.
SMB는 표적 생성물과 흡착제 표면 사이의 분자 상호작용에 의존하므로, 이의 분리 수행능은 증류와는 달리, 고온을 필요로 하지 않는다. SMB는 브로스 탄화수소 및 수용액으로부터 유의하게 열 또는 압력의 요구없이 유기 화합물의 연속적인 회수를 가능하도록 한다. 이는 에너지 소비를 감소시킬 수 있으며, 또한 결과로 온실 기체 방출의 감소를 초래할 수 있다. 저온 및 압력 요건은 또한 최소의 처리로 라피네이트의 재순환을 가능하게 하면서 브로스 영양소들의 변질을 피할 수 있다.
본 발명의 특수한 구현예에서, 생성물이 흡착제에 흡착되는 온도는 25℃ 내지 75℃이다. 바람직한 구현예에서, 유기 생성물이 흡착제에 흡착되는 온도는 약 25℃이다. 본 발명의 추가적인 특수한 구현예에서, 생성물이 흡착제로부터 탈착되는 온도는 25℃ 내지 120℃이다. 특정 구현예들에서, 생성물이 흡착제로부터 탈착되는 온도는 약 90℃이다. 본 발명의 특수한 구현예에서, 생성물이 흡착제에 흡착되는 압력은 200 psig(1,379kPag) 미만 또는 150 psig(1,034kPag) 미만 또는 약 100 psig(689kPag)이다.
본 발명의 구현예에서, 라피네이트는 생물 반응기로 재순환된다. 재순환 전에, 라피네이트가 처리될 수 있으며, 상기 처리는 라피네이트에 부가되어 영양 배지를 보충하는 추가의 성분들 또는 영양소들(예를 들면, 비타민 B)로 구성될 수 있다. 상기 라피네이트의 pH는 생물 반응기로 돌아가기 전에 조절되어 생물 반응기 내 브로스의 pH를 조절할 수 있다.
발효 반응기 내의 pH의 조절은 반응 속도 및 형성된 생성물과 같은 다수의 변수들에 영향을 미칠 수 있는 중요한 인자이다. 발효와 관련된 미생물들이 흔히 광범위한 pH에 걸쳐 생성물들을 생성할 것이라 하더라도, 특수 반응 조건들을 위한 최적 pH를 유지하는 것은 성장 및/또는 생성 효율을 극대화할 수 있다. 아세트산 및 락트산과 같은 산들의 구축(build-up)은 발효를 억제할 수 있으며, 확인되지 않을 경우 미생물 배양의 붕괴를 초래할 수 있다.
광범위한 용어로서, 본 발명은 또한 바람직하게는 산을 포함하는 브로스의 일 부분을 제거하기 위한 흡착제를 포함하는 모사 이동층(SMB) 모듈을 사용하여 생물 반응기에서 발효 브로스의 pH를 조절하는 방법을 제공한다.
상기 방법은, 발효 브로스의 pH가 산화제 또는 알칼리화제의 부가를 필요로 하지 않거나, 적어도 이에 대한 요구를 감소시키면서 연속적으로 조절되도록 할 수 있다. 이는 제제를 제거하는데 요구될 수 있는 폐기물 처리를 감소시키면서 소비가능한 비용을 감소시킨다.
추가 구현예에서, 본 발명은 pH를 조절하는 방법을 제공하며 이에 의해 브로스의 pH의 조절 정도는 브로스의 제거된 부위로부터 추출된 하나 이상의 산의 양에 의해 결정된다.
산을 생성하는 발효에서, 생물 반응기내 산 축적은 미생물 배양물의 억제 또는 붕괴를 초래할 수 있다. 본 발명의 일 양태에 따라서, SMB 모듈은 연장된 셀 재순환 시스템으로서 사용되어 필수적인 바이오매스 및 용해성 단백질의 회수를 가능하도록 하면서, 배양물로부터 과량의 산을 스트리핑할 수 있다. 특정 구현예들에서, 발효 브로스 속에 생성된 실질적으로 모든 아세트산은 상기 공정을 통해 제거된다. 특정 구현예들에서, 생물 반응기내 pH가 원하는 범위 이상으로 상승하는 경우, 아세트산은 아세테이트의 형태로 반응기에 되돌아갈 수 있다. 특정 구현예들에서, 브로스 스트림이 SMB 모듈을 통해 전달되면서 이로부터 스트리핑된 산의 양을 조절함으로써 생물 반응기내 pH를 조절하는 것이 가능하다. 반응기내 pH가 원하는 수준 미만으로 떨어지는 경우, 보다 많은 산을 발효 브로스로부터 스트리핑하여, pH를 원하는 범위로 회귀시킨다. 생물 반응기의 pH는 발효의 유형에 의존한다. 아세트산 발효에서, 아세트산이 주요 발효 생성물인 경우, pH 범위는 약 pH 6 내지 약 pH 7.5 사이에서 유지되어야 한다. 알코올 발효에서, 하나 이상의 알코올이 주요 발효 생성물(본 발명의 제1 및 제2 양태들)인 경우, pH는 약 pH 4.5 내지 약 pH 5.5 사이에서 유지된다. 특정 구현예들에서, 상기 공정은 연속 공정이다.
본 발명은 또한 도 1에 개략적으로 나타난 예시적인 구현예의 발효 시스템을 제공한다. 상기 시스템은 적절한 투입구를 통해 생물 반응기(1)에 공급될 수 있는 기체 기재(3)로부터 하나 이상의 발효 생성물을 생성할 수 있는 미생물을 함유하는 발효 브로스(2)를 함유하는 생물 반응기(1)를 포함한다.
브로스(2)의 일 부분은 발효 브로스로부터 현탁되고/되거나 용해성인 바이오매스를 제거하기 위해 조정된 여과 모듈(4)을 통해 생물 반응기(1)에서 브로스(2)에 공급된다. 제거된 농축 바이오매스는 생물 반응기로 5 재순환될 수 있다. 바이오매스가 고갈된 브로스는, 상기 바이오매스가 고갈된 브로스로부터 하나 이상의 발효 생성물을 흡착하도록 조정된 흡착제를 포함하는 모사 이동층 모듈(6)에 전달되어, 결과로 라피네이트 스트림(흡착제에 흡착되지 않은, 여과된 바이오매스-고갈된 브로스)을 초래한다. 라피네이트는 생물 반응기(1)로 7 재순환된다. 탈착제(8)는 흡착제 상에서 전달되어 추가의 분리 단계에 적용될 수 있는 농축된 물질대사 스트림(9) 속에서 제거되는 발효 생성물을 탈착시킨다. 흡착제(6)는 이후의 흡착 전에 스팀 스트리핑(10)에 의해, 또는 라피네이트를 지닌 시스템을 수행하는 흡착 단계와 함께, 모든 잔여 탈착제(또는 "재생된")를 없앤다. 일 구현예에서, 상기 기술되고 도 1에 나타난 시스템을 사용하여 브로스로부터 발효 생성물(예를 들면, 산)을 제거함으로써 pH를 조절할 수 있다.
본 발명의 다른 구현예는 도 2에 개략적으로 나타나 있다. 참조의 용이성을 위해, 참조 번호들을 유사한 내용들을 위해 유사 사용하였다. 상기 시스템은 기체 기재(3)로부터 하나 이상의 발효 생성물을 생성할 수 있는 미생물을 함유하는 발효 브로스(2)를 함유하는 생물 반응기(1)를 포함한다. 브로스의 일 부분은 a) 발효 브로스로부터 현탁되고/되거나 용해성인 바이오매스의 적어도 일부를 제거하도록 조정된 여과 모듈(4)에 직접 전달되거나 할 수 있다. 임의로, 에탄올과 같은 휘발성 생성물은 여과 모듈(4)로 전달되기 전에 15 증류된다. 고체 바이오매스는 여과 모듈(4)로부터 15 제거되며 발효 브로스로 처리되거나 재순환될 수 있다. 증발된 생성물은 SMB 모듈(6)에 17 전달되어 탈착제로 사용될 수 있다.
바이오매스가 고갈된 브로스는 상기 브로스의 하나 이상의 발효 생성물을 흡착하도록 조정된 흡착제를 포함하는 SMB 모듈(6)에 전달된다. 라피네이트는 배지 제조 모듈(20)을 통해 생물 반응기로 7회 재순환되며, 여기서 배지 공급물을 최적화하기 위한 처리가 일어날 수 있다. 이러한 모듈(20)은 도 1 구현예에 부가할 수 있음이 인식될 것이다.
탈착제(8)는 SMB 모듈(6)로 도입되어 흡착제 상에서 전달되어 발효 생성물들을 탈착시킨다. 탈착제는 에탄올과 같은 발효 생성물(17) 또는 (22)이거나 메탄올 또는 물과 같은 소비재(23)일 수 있다. 탈착 이후, 발효 생성물들은 분리 모듈(25) 에서 추가의 분리를 위해 농축된 대사물질 스트림(9) 내에서 제거되어, 단지 예로서 각각 제공된, 에탄올 및 2,3-부탄디올 같은 정제된 생성물(26) 및 (27)을 산출한다. 탈착제는 폐기물 배출 기체(29)와 함께 28 제거되며 탈착제는 30 수집되어 재순환될 수 있다.
스팀(10) 및 가열된 배출 기체(32)를 사용하여 흡착제를 재생시킨다. 가열된 배출 기체는 배출 기체(33)를 생물 반응기로부터 열 교환기(34)를 통하여 전달함으로써 수득할 수 있다. 농축된 증기 및 탈착제를 추가의 가공을 위해 바이오매스 스트리핑된 브로스로 35 전달할 수 있다.
특수한 구현예에서, 기체 기재는 적어도 약 15 용적% CO 내지 100 용적% CO, 예를 들면, 20 용적% CO 내지 100 용적% CO, 예를 들면, 43 용적% CO 내지 95 용적% CO, 예를 들면, 75 용적% CO 내지 95 용적% CO, 또는 예를 들면, 80 용적% 내지 90 용적% CO를 함유한다. 일 특수 구현예에서, 기체 기재는 약 95%의 CO를 포함하한다. 기재가 또한 CO2 및 H2를 함유하는 경우에, 6%와 같은 보다 낮은 CO 수준이 고려될 수 있다. 다른 구현예들에서, 기재 스트림은 2% 내지 13%의 H2의 농도를 포함한다.
본원의 설명이 본 발명의 특수한 구현예들, 즉, 주요 기재로서 CO를 사용한 에탄올, 2,3-부탄디올 및/또는 아세트산의 생성에 중점을 두고 있지만, 이는 대체 알코올들 또는 산들 또는 대체 화합물들의 생성에 적용가능함이 인식되어야 한다. 또한, 본 발명과 관련된 당해 분야의 통상의 기술자가 알고 있을 기재들을 포함하는 대체 기재들의 사용이 고려된다. 예를 들어, 이산화탄소 및 수소를 함유하는 기체 기재들이 사용될 수 있다. 또한, 본 발명은 부티레이트, 프로피오네이트, 카프로에이트, 에탄올, 프로판올, 및 부탄올을 생성하기 위한 발효에 적용가능할 수 있다. 상기 방법은 또한 수소를 생성하는데 사용될 수 있다. 예로서, 이들 생성물은 무렐라, 클로스트리디아, 루미노코쿠스, 아세토박테리움, 유박테리움, 부티리박테리움, 옥소박터, 메타노사르키나(Methanosarcina), 및 데설포토마쿨룸(Desulfotomaculum)의 속(genus)으로부터의 미생물들을 사용한 발효에 의해 생성될 수 있다.
모사 이동층 분리
모사 이동층(SMB)은 용액으로부터 표적 유기 용질의 흡착 및 탈착을 기본으로 하는 분리 기술이다. 상기 기술은 1950년대에 산업 화학물질을 정제하기 위해 개발되었다. SMB는, 고정층 흡착과 비교하여, 에너지 요구도에 있어서 10배 감소되고, 생성물 처리량에 있어서 이의 5배 증가함으로 인해 채택되었다. SMB 개발은 유사한 비등점 및/또는 공비 특성(예를 들면, SorbexTM및 MXTM방법들)을 지닌 유기 성분의 분리를 위해 UOP에 의해 가속화되었다. 흡착제 특성의 최적화는, SMB가 수성 발효 브로스 용액들로부터 유기 발효 생성물을 추출하는데 사용되는 것을 가능하게 하며, 이때 상기 유기 성분은 물에 대해 높은 친화성을 갖는다는 것이 발견되었다.
SMB는 브로스의 연속 스트림을 다중-포트 밸브 또는 회전 밸브 유체 조절의 사용에 의해 층을 통해 브로스의 연속 스트림을 순환 및 재순환시키면서, 흡착제 층을 함유하는 2개 이상의 칼럼들을 고정시킴으로써 연속적으로 운행한다. 용출이 연속적인 칼럼들의 총합에 걸쳐, 목적한 순도에서 목적한 생성물(들)을 추출하는데 충분하지 않는 경우, 스트림은, 원하는 추출이 달성될 때까지 추가의 횟수로 칼럼을 통하여 전달되도록 지시될 수 있다. 따라서, 브로스 스트림을 재-지시하기 위한 밸브의 충분히 고려된 시간조절 스위칭(switching)은 흡착층의 이동을 시뮬레이팅한다. 브로스의 잔여 부분(주로 물 및 염을 포함)은 라피네이트로 명명되며, 폐기를 위하여 제거되거나 재순환될 수 있다.
SMB의 다중-전달 접근은, 예컨대 키랄 약제들의 분리에서 화합물들 사이의 친화성이 높은 경우, 유용성을 갖는다.
SMB 공정은 3개의 주요 단계들로 구성되는데, 이는:
흡착 단계 - 공급 용액을 흡착제 상에서 전달하여 유기 생성물을 표면 상에 흡착시킨다. 산출되는 라피네이트는 시스템으로부터 제거한다.
탈착 단계 - 탈착제 용매를 흡착제 상에서 전달하여, 표면으로부터 유기 생성물을 추출하고, 수득된 용액은 분리를 위해 전형적으로 증류를 통해 제거한다.
재생 단계 - 흡착제는 모든 잔여 탈착제를, 흡착 전에 스팀 스트리핑을 통해, 또는 라피네이트를 지닌 시스템으로 수행하는 경우 흡착 단계와 함께 제거한다. 농축된 스트리핑 용액 또는 탈착제를 함유하는 라피네이트를 증류시켜 추출된 탈착제를 회수하며, 이를 상기 공정으로 되돌린다.
정류 단계(rectification stage)는 흡착 단계와 탈착 단계 사이에서 제공될 수 있다. 정류 단계 동안에, 흡착제 상의 생성물의 적어도 일부는 흡착 칼럼의 표면 아래로 이동하여 칼럼의 하단에 수집될 것이다. 이는 탈착 단계에서 보다 낮은 탈착제 사용을 가능하게 한다.
상기 분야의 숙련가에게 인지될 것과 같이, 본원에 언급된 모사 이동층 모듈은 다수의 상이한 SMB 설계를 포함할 수 있다. 본 발명의 방법 및 시스템 내로 통합하기에 적합할 수 있는 예시적인 SMB 모듈 설계는 예를 들면, 이의 전문이 본원에 참조로 포함된 US 3268605, US3706812, US5705061 및 US6004518에 기술되어 있다. 당해 분야의 숙련가가 알수 있을 것인 추가적인 장치는 또한 SMB 모듈내로 통합되어 유동 분포(flow distribution)(예를 들면, US6979402에 기술된 장치)를 보조하거나 다른 이점을 제공할 수 있다.
모사 이동층 시스템이 여기에 언급되어 있지만, 본 발명은 또한 동일한 이동층 개념에 의존하는 US6979402 B1에 기술된 것과 같은 실제 이동층 시스템과 커플링된 발효의 사용을 포괄하는 것으로 의도된다.
발효
본 발명의 특정 구현예들을 채택하여 하나 이상의 산업적 공정에 의해 생성된 기체 스트림을 사용한다. 이러한 공정들은 철강 제조 공정, 특히 CO 함량이 높거나 CO 함량이 소정의 수준(예를 들면, 5%) 이상인 기체 스트림을 생성하는 공정을 포함한다. 이러한 구현예들에 따라서, 초산생성 박테리아가 바람직하게 사용되어 산 및/또는 알코올, 특히 에탄올 또는 부탄올을 하나 이상의 생물 반응기에서 생성한다. 당해 분야의 숙련가는, 본 발명이 다양한 산업 또는 폐기물 기체 스트림들에 적용될 수 있으며, 상기가 포함된 내부 연소 장치가 장착된 차량들에도 적용될 수 있음을 인식할 것이다. 또한, 당해 분야의 숙련가는 본 기재 내용을 즉각 고려하여, 본 발명이 동일하거나 상이한 미생물들을 사용하는 것들을 포함하는 다른 발효 반응들에 적용될 수 있음을 인지할 것이다. 따라서, 본 발명의 범위는 기술된 특수 구현예들 및/또는 적용에 제한되지 않고, 그러나 대신 더 넓은 의미에서 이해되며; 예를 들면, 기체 스트림의 공급원 또한, 적어도 그의 성분이 발효 반응을 공급하는데 이용가능 하다는 것 외에는, 제한적이지 않음이 의도된다. 본 발명은 CO를 포함하는 기체 기재들로부터 에탄올 및 다른 알코올의 생성 및/또는 전체 탄소 포획을 개선시키는데 있어 특수한 적용을 갖는다. 기체 기재들로부터 에탄올 및 다른 알코올을 생성하는 공정들은 알려져 있다. 예시적인 공정은 예컨대, WO2007/117157, WO2008/115080, WO2009/022925, WO2009/064200, US 6,340,581, US 6,136,577, US 5,593,886, US 5,807,722 및 US 5,822,111에 기술된 것들을 포함하며, 이들 문헌 각각은 본원에 참조로 포함된다.
다수의 혐기성 박테리아는 CO의 알코올, 디올 및 산으로의 발효를 수행할 수 있으며 본 발명에서 사용하기에 적합한 것으로 알려져 있다. 본 발명에 사용하기에 적합한 이러한 박테리아의 예시들은 클로스트리디움 속, 예를 들면, 클로스트리디움 륭달리이(Clostridium ljungdahlii), 예를 들면, WO 00/68407, EP 117309, 미국 특허 번호 5,173,429, 5,593,886, 및 6,368,819, WO 98/00558 및 WO 02/08438에 기술된 것들, 클로스트리디움 카복시디보란스(Clostridium carboxydivorans)(Liou et al., International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology 33: pp 2085-2091), 클로스트리디움 라그스달레이(Clostridium ragsdalei)(WO/2008/028055) 및 클로스트리디움 오토에타노게눔(Clostridium autoethanogenum)(Abrini et al, Archives of Microbiology 161: pp 345-351)를 포함한다. 다른 적합한 박테리아는 무렐라 속(genus)의 것들, 예를 들면, 무렐라 아종(Moorella sp) HUC22-1(Sakai et al, Biotechnology Letters 29: pp 1607-1612), 및 카복시도테르무스(Carboxydothermus) 속의 것들(Svetlichny, V.A., Sokolova, T.G. et al (1991), Systematic and Applied Microbiology 14: 254-260)을 포함한다. 추가의 예는 무렐라 서모아케티카(Moorella thermoacetica), 무렐라 써모오토트로피카(Moorella thermoautotrophica), 루미노코쿠스 프로둑투스(Ruminococcus productus), 아세토박테리움 우디이(Acetobacterium woodii), 유박테리움 리모숨(Eubacterium limosum), 부티리박테리움 메틸로트로피쿰(Butyribacterium methylotrophicum), 옥소박터 프페니기이(Oxobacter pfennigii), 메타노사르키나 바케리(Methanosarcina barkeri), 메타노사르키나 아세티보란스(Methanosarcina acetivorans), 데설포토마쿨룸 쿠츠네트소비이(Desulfotomaculum kuznetsovii)(Simpa et. al. Critical Reviews in Biotechnology, 2006 Vol. 26. Pp41-65)를 포함한다. 또한, 다른 초산생성 혐기성 박테리아도 상기 분야의 숙련가에 의해 이해되는 바와 같이 본 발명에 적용될 수 있음이 이해될 수 있다. 본 발명은 2개 이상의 박테리아의 혼합된 배양물에 적용될 수 있음이 또한 인식될 것이다.
본 발명에 사용하기에 적합한 하나의 예시적인 미생물은 클로스트리디움 오토에타노게눔이다. 일 양태에서, 클로스트리디움 오토에타노게눔은 독일 기탁기관(German Resource Centre for Biological Material: DSMZ)에 확인 기탁 번호 제19630호로 기탁된 균주의 식별 특성을 갖는 클로스트리디움 오토에타노게눔이다. 다른 구현예에서, 클로스트리디움 오토에타노게눔은 DSMZ 기탁 번호 DSMZ 제10061호 또는 DSMZ 제23693호의 식별 특성을 갖는다. 상기 박테리아의 실험실 균주는 LZ1561로 알려져 있다.
일 구현예에서, 미생물은 일산화탄소영양 초산생성 박테리아의 그룹 중에서 선택된다. 특정 구현예들에서, 미생물은 클로스트리디움 오토에타노게눔, 클로스트리디움 륭달리이, 클로스트리디움 라그스달레이(Clostridium ragsdalei), 클로스트리디움 카복시디보란스, 클로스트리디움 드라케이(Clostridium drakei), 클로스트리디움 스칼톨로게네스(Clostridium scatologenes), 클로스트리디움 코스카티이(Clostridium coskatii), 부티리박테리움 리모숨(Butyribacterium limosum), 부티리박테리움 메틸로트로피쿰(Butyribacterium methylotrophicum), 아세토박테리움 우디이(Acetobacterium woodii), 알칼리박쿨룸 박키이(Alkalibaculum bacchii), 블라우티아 브로둑타(Blautia producta), 유박테리움 리모숨(Eubacterium limosum), 무렐라 서모아세티카(Moorella thermoacetica), 무렐라 서마우토트로피카(Moorella thermautotrophica), 옥소박터 프펜니기이(Oxobacter pfennigii), 및 서모안에어로박터 키우비(Thermoanaerobacter kiuvi)를 포함하는 그룹 중에서 선택된다.
일 특수 구현예에서, 미생물은 씨. 오토에타노게눔(C. autoethanogenum), 씨. 륭달리이(C. ljungdahlii) 및 씨. 라그스달레이(C. ragsdalei) 및 관련 분리체를 포함하는 에탄올생성물성, 아세톤생성 클로스트리디아의 집단으로부터 선택된다. 이들은 하기 균주들을 포함하나, 이에 한정되지 않는다:
씨. 오토에타노게눔 JAI-1T(DSM10061)[Abrini J, Naveau H, Nyns E-J: Clostridium autoethanogenum, sp. nov., an anaerobic bacterium that produces ethanol from carbon monoxide. Arch Microbiol 1994, 4: 345-351], 씨. 오토에타노게눔 LBS1560(DSM19630)[Simpson SD, Forster RL, Tran PT, Rowe MJ, Warner IL: Novel bacteria and methods thereof. 국제 특허 2009, WO/2009/064200], 씨. 오토에타노게눔 LBS1561(DSM23693), 씨. 륭달리이 PETCT(DSM13528 = ATCC 55383)[Tanner RS, Miller LM, Yang D: Clostridium ljungdahlii sp. nov., an Acetogenic Species in Clostridial rRNA Homology Group I. Int J Syst Bacteriol 1993, 43: 232-236], 씨. 륭달리이 ERI-2(ATCC 55380)[Gaddy JL: Clostridium stain which produces acetic acid from waste gases. 미국 특허 1997, 5,593,886], 씨. 륭달리이 C-01(ATCC 55988)[Gaddy JL, Clausen EC, Ko C-W: Microbial process for the preparation of acetic acid as well as solvent for its extraction from the fermentation broth. 미국 특허, 2002, 6,368,819], 씨. 륭달리이 O-52(ATCC 55989)[Gaddy JL, Clausen EC, Ko C-W: Microbial process for the preparation of acetic acid as well as solvent for its extraction from the fermentation broth. 미국 특허, 2002, 6,368,819], 씨. 라그달레이(C. ragsdalei) P11T(ATCC BAA-622)[Huhnke RL, Lewis RS, Tanner RS: Isolation and Characterization of novel Clostridial Species. 국제 특허 2008, WO 2008/028055], "씨. 코스카티이(C. coskatii)"와 같은 관련 분리체[Zahn et al - Novel ethanologenic species Clostridium coskatii (US 특허 출원 번호 US20110229947)], 또는 씨. 륜가들리이 OTA-1(Tirado-Acevedo O. Production of Bioethanol from Synthesis Gas Using Clostridium ljungdahlii. PhD thesis, North Carolina State University, 2010)와 같은 돌연변이된 균주. 이러한 균주들은 클로스트리디움 rRNA 클러스터 I 내의 하부-클러스터를 형성하며, 이들의 16S rRNA 유전자는, 유사하게 약 30%의 낮은 GC 함량으로 99% 이상의 상동성을 가진다. 그러나, DNA-DNA 재연합 및 DNA 핑거프린팅 실험(fingerprinting experiment)은, 이러한 균주들이 개별 종들에 속함을 보여준다[Huhnke RL, Lewis RS, Tanner RS: Isolation and Characterization of novel Clostridial Species. International patent 2008, WO 2008/028055].
상기 집단의 모든 종은 유사한 형태 및 크기를 가지며(대수 성장 세포(logarithmic growing cell)들은 0.5 내지 0.7 x 3 내지 5 im 이다), 중온성(mesophilic)(최적 성장 온도는 30 내지 37℃)이고 엄격하게 혐기성이다[Tanner RS, Miller LM, Yang D: Clostridium ljungdahlii sp. nov., an Acetogenic Species in Clostridial rRNA Homology Group I. Int J Syst Bacteriol 1993, 43: 232-236; Abrini J, Naveau H, Nyns E-J: Clostridium autoethanogenum, sp. nov., an anaerobic bacterium that produces ethanol from carbon monoxide. Arch Microbiol 1994, 4: 345-351; Huhnke RL, Lewis RS, Tanner RS: Isolation and Characterization of novel Clostridial Species. 국제 특허 2008, WO 2008/028055]. 더욱이, 이들은 모두 동일한 pH 범위(pH 4 내지 7.5, 최적의 초기 pH는 5.5 내지 6이다), CO를 함유하는 기체 상에서 유사한 성장률로 강력한 자가영양적 성장, 및 주요 발효 최종 생성물로서 에탄올 및 아세트산, 및 특정 조건하에서 형성된 소량의 2,3-부탄디올 및 락트산과 유사한 대사 프로파일과 같은 동일한 주요 계통발생론적 특성을 공유한다[Tanner RS, Miller LM, Yang D: Clostridium ljungdahlii sp. nov., an Acetogenic Species in Clostridial rRNA Homology Group I. Int J Syst Bacteriol 1993, 43: 232-236; Abrini J, Naveau H, Nyns E-J: Clostridium autoethanogenum, sp. nov., an anaerobic bacterium that produces ethanol from carbon monoxide. Arch Microbiol 1994, 4: 345-351; Huhnke RL, Lewis RS, Tanner RS: Isolation and Characterization of novel Clostridial Species. 국제 특허 2008, WO 2008/028055]. 인돌(indole) 생성 또한 모든 3개의 종들에서 관찰되었다. 그러나, 상기 종들은 각종 당(예를 들면, 람노즈, 아라비노즈), 산(예를 들면, 글루코네이트, 시트레이트), 아미노산(예를 들면, 아르기닌, 히스티딘), 또는 다른 기재(예를 들면, 베타인, 부탄올)의 기재 용도에 있어서 차별화된다. 더욱이, 상기 종들 중 일부는, 다른 것들은 그렇지 않았지만, 특정의 비타민(예를 들면, 티아민, 바이오틴)에 대해 영양요구체인 것으로 밝혀졌다.
본 발명의 방법들에 사용된 박테리아의 배양은 혐기성 박테리아을 사용하여 기재를 배양하고 발효시키기 위해 상기 분야에 알려진 특정한 수의 공정들을 사용하여 수행할 수 있다. 예로서, 발효를 위한 기체 기재를 사용하여 다음의 문헌에 일반적으로 기술된 이들 공정을 이용할 수 있다: (i) K. T. Klasson, et al. (1991). Bioreactors for synthesis gas fermentations resources. Conservation and Recycling, 5; 145-165; (ii) K. T. Klasson, et al. (1991). Bioreactor design for synthesis gas fermentations. Fuel. 70. 605-614; (iii) K. T. Klasson, et al. (1992). Bioconversion of synthesis gas into liquid or gaseous fuels. Enzyme and Microbial Technology. 14; 602-608; (iv) J. L. Vega, et al. (1989). Study of Gaseous Substrate Fermentation: Carbon Monoxide Conversion to Acetate. 2. Continuous Culture. Biotech. Bioeng. 34. 6. 785-793; (v) J. L. Vega, et al. (1989). Study of gaseous substrate fermentations: Carbon monoxide conversion to acetate. 1. Batch culture. Biotechnology and Bioengineering. 34. 6. 774-784; (vi) J. L. Vega, et al. (1990). Design of Bioreactors for Coal Synthesis Gas Fermentations. Resources, Conservation and Recycling. 3. 149-160; 이들 문헌 모두는 본원에 참조로 포함되어 있다.
발효는 하나 이상의 연속 교반된 탱크 반응기(CSTR), 고정된 세포 반응기(들), 기체-리프트 반응기(gas-lift reactor)(들), 버블 칼럼 반응기(들)(BCR), 막 반응기, 예를 들면, 중공 섬유 막 생물 반응기(Hollow Fibre Membrane Bioreactor: HFMBR) 또는 트리클 층 반응기(들)(trickle bed reactor(s): TBR)와 같은 어떠한 적합한 생물 반응기에서 수행될 수 있다. 또한, 본 발명의 일부 구현예에서, 생물 반응기(들)은 미생물들이 배양되는 제1 성장 반응기를 포함할 수 있으며, 상기 성장 반응기로부터의 발효 브로스가 공급되고 대부분의 발효 생성물이 생성되는 제2의 발효 반응기를 포함할 수 있다. 특수한 구현예들에서, 상기 제2 생물 반응기는 제1의 생물 반응기와는 상이하다.
본 발명의 각종 구현예에 따라서, 발효 반응을 위한 탄소원은 CO를 함유하는 기체 기재이다. 기재는 산업 공정의 부산물로서, 또는 자동차 매연으로부터와 같은 다른 공급원으로부터 산출된 CO를 함유하는 폐기물 기체일 수 있다. 특정 구현예들에서, 산업 공정은 제강소와 같은 철 금속 생성물 제조, 비-철 생성물 제조, 석유 정제 공정, 석탄의 기체화, 전기력 생성, 카본 블랙 생성, 암모니아 생성, 메탄올 생성 및 코크스 제조와 같은 철 금속 생성물 제조로 이루어진 그룹 중에서 선택된다. 이들 구현예에서, CO를 함유하는 기재는, 이것이 임의의 편리한 방법을 사용하여 대기로 방사되기 전에 산업 공정으로부터 포획될 수 있다. CO를 함유하는 기재의 조성에 따라서, 이를 발효로 도입시키기 전에 이를 처리하여 먼지 입자들과 같은 임의의 원하지 않은 불순물을 제거하는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들어, 기체 기재는 알려진 방법들을 사용하여 여과되거나 세정될 수 있다.
대안적으로, CO를 함유하는 기재는 바이오매스의 기체화로부터 공급될 수 있다. 기체화 공정은 공기 또는 산소의 제한된 공급에서, 바이오매스의 부분 연소를 포함한다. 산출되는 기체는 전형적으로 주로 CO 및 H2와, 최소 용적의 CO2, 메탄, 에틸렌 및 에탄을 포함한다. 예를 들어, 사탕수수로부터의 당, 또는 옥수수 또는 곡물로부터의 전분, 식품의 추출 및 가공 동안 산출된 바이오매스 부산물, 또는 임업으로 생성된 비-식품 바이오매스 폐기물을 기체화하여 본 발명에서 사용하기에 적합한 CO를 함유하는 기체를 생성할 수 있다.
CO를 함유하는 기재는 대부분의 비율의 CO, 예를 들면, 적어도 약 15 용적% CO 내지 100 용적% CO, 예를 들면, 20 용적% CO 내지 100 용적% CO, 예를 들면, 43 용적% CO 내지 95 용적% CO, 예를 들면, 75 용적% CO 내지 95 용적% CO, 또는 80 용적% 내지 90 용적% CO를 전형적으로 함유할 것이다. 하나의 특수한 구현예에서, 기체 기재는 약 95% CO를 포함한다. 기재가 또한 CO2 및 H2를 함유하는 경우에, 6%와 같은 보다 낮은 CO 수준이 고려될 수 있다. 다른 구현예들에서, 기재 스트림은 2% 내지 13%의 H2 농도를 포함한다.
기재가 임의의 수소를 함유하는 것이 필수적이지는 않더라도, H2의 존재는 본 발명의 방법들에 따른 생성물 형성에 유해하지 않아야 한다. 특수한 구현예들에서, 수소의 존재는 결과적으로, 개선된 전체 알코올 생성 효율을 초래한다. 예를 들어, 특수한 구현예들에서, 기재는 약 2:1, 또는 1:1, 또는 1:2 비율의 H2:CO를 포함할 수 있다. 다른 구현예에서, 기재 스트림은 2% 내지 13%의 H2 농도를 포함한다. 다른 구현예에서, 기재 스트림은 저(low) 농도의 H2, 예를 들면, 5% 미만, 또는 4% 미만, 또는 3% 미만, 또는 2% 미만, 또는 1% 미만을 포함하거나, 실질적으로 수소를 포함하지 않는다. 기재는 또한 예를 들면, 약 1 용적% 내지 약 80 용적%의 CO2, 또는 1 용적% 내지 약 30 용적%의 CO2와 같은, 일부 CO2를 함유할 수 있다. 특수한 구현예에서, 기재 스트림은 CO2를 포함하며 CO는 최소한으로 포함하거나 포함하지 않는다.
전형적으로, 일산화탄소는 발효 반응에 기체 상태로 부가될 것이다. 그러나, 본 발명의 방법은 상기 상태의 물질 부가에 한정되지 않는다. 예를 들어, 일산화탄소는 액체로 제공될 수 있다. 예를 들어, 액체는 일산화탄소 함유 기체로 포화될 수 있거나 이러한 액체가 생물 반응기에 부가될 수 있다. 이는 표준 방법을 사용하여 달성할 수 있다. 예로서, 미세버블 분산 생성기(microbubble dispersion generator)(Hensirisak et. al. Scale-up of microbubble dispersion generator for aerobic fermentation; Applied Biochemistry and Biotechnology Volume 101, Number 3 / October, 2002)를 상기 목적을 위해 사용할 수 있다.
박테리아의 성장 및 CO-대-생성물 발효가 일어나도록 하기 위해, CO를 함유하는 기재 기체 외에, 적합한 액체 영양 배지를 생물 반응기에 공급할 필요가 있을 것임이 인지될 것이다. 영양 배지는 사용된 미생물의 성장을 허용하기에 충분한 비타민들 및 무기질을 함유할 것이다. 단독 탄소원으로서 CO를 사용한 에탄올의 발효에 적절한 혐기성 배지는 당해 분야에 알려져 있다. 예를 들어, 적절한 배지는 상기 언급된 미국 특허 번호 5,173,429 및 5,593,886 및 WO 02/08438, WO2007/117157, WO2008/115080, WO2009/022925, WO2009/058028, WO2009/064200, WO2009/064201 및 WO2009/113878에 기술되어 있다.
발효는 바람직한 발효를 발생시키기에 적절한 조건하에서 수행하는 것이 바람직할 수 있다(예를 들면, 미생물 성장 및/또는 에탄올 생성). 고려될 수 있는 반응 조건은 압력, 온도, 기체 유동 속도, 액체 유동 속도, 배지 pH, 배지 산화환원 전위(media redox potential), 응집 속도(연속식 교반 탱크 반응기를 사용하는 경우), 접종물 수준, 액체 상 속의 CO가 제한되지 않도록 보장하는 최대 기체 기재 농도, 및 생성물 억제를 피하기 위한 최대 생성물 농도를 포함한다. 적합한 조건은 WO02/08438, WO07/117157, WO08/115080 및 WO2009/022925에 기술되어 있다.
본 발명은 추가의 조절 수단 및 처리 수단을 사용한 시스템 또는 방법을 포함함으로써 배지 공급 속도, 액체 보유 시간 및 기재 공급 속도를 포함하는 파라미터들이 본 기재내용 및 상기 분야에 알려진 방법, 예를 들면, 본원에 완전히 참조로 포함된 WO2010/093262에 기술된 방법에 따라 조절될 수 있음이 고려된다.
최적 반응 조건은 사용된 특수 미생물에 부분적으로 의존할 것이다. 그러나, 일반적으로, 발효를 주위압보다 높은 압력에서 수행하는 것이 바람직하다. 상승된 압력에서의 운행(operation)은 기체상으로부터 액체상으로의 CO 전달 속도를 증가시키며, 여기서 이는 에탄올 생성을 위한 탄소원으로서 미생물에 의해 수행될 수 있다. 이는 궁극적으로, 보유 시간(투입 기체 유동 속도로 나눈 생물 반응기내 액체 용적으로 정의됨)이, 생물 반응기를 주위압보다 다소 상승된 압력에서 유지하는 경우, 감소될 수 있음을 의미한다.
또한, 제공된 CO-대-에탄올 전환 속도는 부분적으로 기재 보유 시간(substrate retention time)의 함수이며, 최종적으로 원하는 보유 시간을 차례로 달성하는 것은 생물 반응기의 요구된 용적을 나타내므로, 가압된 시스템의 사용은 요구되는 생물 반응기의 용적을 크게 감소시킬 수 있으며, 결과적으로 발효 장치의 자본 비용을 크게 감소시킬 수 있다. 미국 특허 번호 5,593,886에 제공된 실시예에 따라서, 반응기 용적은 반응기 운행압에 있어서 증가에 대해 선형 비례로 감소될 수 있는데, 즉, 10 대기압에서 운행한 생물 반응기는 1 대기압에서 운행된 것의 용적의 단지 1/10만 필요로 한다.
승압에서 기체-대-에탄올 발효를 수행하는 이점이 또한 기술되어 왔다. 예를 들어, WO 02/08438은 30 psig 및 75 psig의 압력 하에 수행된 기체-대-에탄올 발효로, 각각 150 g/l/일 및 369 g/l/일의 에탄올 생산성을 산출함을 기술하고 있다. 그러나, 대기압에서 유사한 배지 및 투입 기체 조성을 사용하여 수행된 예시적인 발효는 10 내지 20배 적은 에탄올/리터/일을 생성하는 것으로 밝혀졌다.
CO를 함유하는 기체 기재의 도입 속도는, 액체 상(phase) 속의 CO의 농도가 제한되지 않도록 하는 것이 또한 바람직하다. 이는, CO-제한된 조건의 결과가, 이러한 아세트산 생성을 증가시키고 에탄올 생성을 감소시킬 수 있기 때문이다.
실시예
표 1. 배지 조성
Figure pct00002
표 2. 미량 금속 용액
Figure pct00003
표 3. 비타민 용액
Figure pct00004
실시예 1 - 발효 생성물의 회수를 위한 발효
배지를 표 1 내지 3에 기술된 조성에 따라 부가된 레사주린 1.5 L 및 1.5 ml의 용적으로 제조하였다. 용액을 가열하고 N2로 탈기시키면서 교반하였다. ANa2S 드립(drip)을 0.1 ml/hr의 속도에서 시작하고 생물 반응기의 온도를 37℃로 설정하였다. pH를 NH4OH를 사용하여 5.0으로 조절하고 크롬을 가하여 ORP를 -200 mV로 조절하였다. 생물 반응기에 이후에 RMG(43% CO, 20% CO2, 2.5% H2 및 33% N2)를 50 ml/분의 유동 속도로 공급하였다. 용액에 150ml의 활성적으로 성장하는 클로스트리디움 오토에타노게눔 배양물을 접종하였다. 일단 반응기가 연속적이 되면, 세포 재순환을 또한 개시하여 1.38 일-1의 박테리아 희석 속도 및 2.3일-1의 배지 유동 속도를 산출하였다. 운행 동안 교반(rpm) 및 기체 유동(ml/분)을 증가시켜 생성물 농도를 극대화하였다. 발효를 8일 동안 운행시켰다. 표 4는 생물 반응기의 액체 유출시 대사물질 농도을 보여준다.
표 4. 유출된 대사물질 농도
Figure pct00005
실시예 2 - 발효 브로스로부터 발효 생성물의 회수
브로스 스트림의 전-처리
0.1μm의 세라믹 막 교차 유동 여과기(GE Healthcare Life Sciences Xampler Microfiltration Cartridge type)를 사용하여 용액으로부터 고체 바이오매스/박테리아을 제거하였다. 여과 후, 용해성 바이오매스가 용액 속에 잔존하였으며 이는 SMB가 명확하게 기능하도록 하기 위해 최소화하여야만 한다.
활성탄을 함유하는 19ml의 가드 칼럼(guard column)을 SMB 장치 속에서 테스트하기 전에 공급물로부터 나머지 바이오매스 및 용해성 단백질을 제거하는 이의 능력에 대해 테스트하였다. 용액의 단백질 농도는 BCA 분석을 사용하여 칼럼 전 및 칼럼 후에 측정하고 가드 칼럼 전 및 후에 단백질의 크기 분포를 SDS-PAGE 분석을 사용하여 평가하였다. 가아드 칼럼을 전달시키기 전에, 단백질 농도는 약 1000㎍/ml이었으며 단백질 크기는 200kDa, 70kDa, 40kDa, 30kDa, 및 2kDa 미만인 것으로 밝혀졌다. 가드 칼럼은 용액으로부터 용해성 단백질의 80%가 제거된 것으로 관찰되었으며 나머지 단백질은, 크기가 2kDa 미만인 것으로 밝혀졌다.
가드 층은 흡착된 4g의 단백질 및, DNA 및 효소와 같은 다른 용해성 바이오매스를 갖는 것으로 측정되었다. 5개 칼럼 용적의 메탄올을 사용하여 흡착제 층으로부터 단백질을 탈착시키고 약 3.7g의 단백질을 층으로부터 제거하였다. 물 역세척(backwash)을 사용하여 DNA가 더 이상 용출물 속에서 관찰되지 않을 때까지 층으로부터 DNA를 탈착시켰다.
생성물 회수
불소처리된 활성탄 고체 상(phase)을 함유하는 8-칼럼 SMB 장치를 용매로서 메탄올과 함께 테스트하여 에탄올, 2,3-부탄디올 및 아세트산을 발효 생성물로부터 분리하고, 앞서 기술된 바와 같이 처리하였다. 상기 공급물은 5% 에탄올, 1% 2,3-부탄디올, 0.8% 아세트산/아세테이트를 함유하였으며 나머지는 발효 공정에 사용된 물, 매질 염 및 금속이었다. HPLC 기술을 사용하여 SMB 장치를 빠져나오는 각각의 스트림의 조성을 측정하였다.
공급물 용액의 유동 속도는 11 ml/분이었으며 탈착제의 유동 속도는 11 ml/분이었다. 단계 시간은 12분이었고 상기 시스템은 75℃의 온도에서 운행시켰다. 추출물 스트림의 유동 속도를 최적화하여 가장 우수한 품질의 추출물, 즉, 최소 수분 함량을 산출하였다. 공급물로부터 95.7%의 에탄올 및 94.7%의 2,3-부탄디올은 추출물 스트림을 통해 SMB에서 빠져나갔다. 41.7%의 아세트산/아세테이트는 아세트산으로서 상기 추출물을 통해 빠져나갔으며, 이때 상기 공급물로부터의 상기 물의 0.3%는 상기 추출물의 일부였다. 3개의 라피네이트 스트림들(최초 라피네이트, 2차 라피네이트 I 및 2차 라피네이트 II)을 생성하여 최소의 처리로 재순환에 적합한 스트림을 달성하였다. 이들 라피네이트 스트림의 유동 속도를 최적화하여 최소의 대사물질을 함유하는 스트림을 생성하였으며; 상기 최초 라피네이트, 2차 라피네이트 I 및 2차 라피네이트 II 스트림의 최적화된 유동 속도는 각각 5.8ml/분, 7.5ml/분 및 3.3ml/분이었다. 최초 라피네이트 스트림은 4.3%의 공급물 에탄올, 5.3%의 공급물 2,3-부탄디올 및 57.9%의 공급물 물을 함유하였다. 33.3%의 공급물 아세트산/아세테이트가 아세테이트 형태로서 최초 라피에니트 스트림 내에서 발견되었다. 2차 라피네이트 I은 40.7%의 공급물 물을 함유하였고 공급물로부터 아세테이트 형태의 잔여 25%의 아세트산/아세테이트를 함유하였다. 2차 라피네이트 II는 0.1%의 공급물 물을 함유하였다. 41.7%의 탈착제 메탄올은 추출물 스트림 내에서, 30.7%는 2차 라피네이트 I 속에서, 그리고 28.5%는 제2 라피네이트 II 내에서 발견되었다.
pH 조절
아세트산/아세테이트는 이의 형태에 따라 추출 또는 라피네이트 스트림을 통해 SMB를 빠져나갈 수 있으므로, 용액을 SMB로 공급하기 전에 용액의 pH 조절을 통해 이의 방향에 영향을 미치는 것이 가능하다. 약 5의 pH에서, 아세트산보다 아세테이트가 약간 더 존재할 것이다(아세트산의 경우 pKa는 4.74이다). 아세트산이 아세테이트 형태로서 SMB을 빠져나가는 것을 보장하기 위해, 용액의 중화가 요구되며; 용액의 pH를 pH 7 또는 pH 8로 증가시키는 것은 용액 속의 아세트산의 양을 유의적으로 감소시킬 것이다. 중화는 나트륨 히드록시드의 부가를 통해 달성되며, 나트륨 아세테이트를 생성한다. 아세트산이 산 형태로 배출되도록 하기 위하여, pH 2에 근접한 pH로의 산성화가 요구되며, 이는 산의 부가를 통하여 달성할 수 있다.
독자가 본 발명을 과도한 실험없이 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명은 특정한 바람직한 구현예를 참조로 여기에 기술하였다. 당해 분야의 숙련가는, 본 발명이 구체적으로 기술된 것들 외에 변화 및 변형된 것들에 대한 해석 또한 가능함을 인식할 것이다. 본 발명이 모든 이러한 변화 및 변형들을 포함함이 이해되어야 한다. 또한, 표제들, 제목들, 기타 등등은 독자의 상기 서류에 대한 이해를 향상시키기 위해 제공되며 본 발명의 영역을 제한하는 것으로 판독되어서는 안된다. 상기 및 하기 인용된 모든 특허 출원들, 특허들 및 공보들의 임의의 전체 내용은, 본원에서 참조로 포함된다.
보다 특히, 당해 분야의 숙련가에 의해 인식될 바와 같이, 본 발명의 구현예의 실행은 하나 이상의 추가적인 요소들을 포함할 수 있다. 다양한 양태에서, 본 발명을 이해하기 위해 필수적인 성분들만 특수 실시예 또는 기재 내용에서 보여질 수 있다. 그러나, 본 발명의 범위는 기술된 구현예들로 한정되지 않으며, 하나 이상의 추가의 단계, 및/또는 하나 이상의 치환된 단계, 및/또는 시스템들, 및/또는 하나 이상의 단계를 누락한 방법들을 포함하는 시스템 및/또는 방법을 포함한다.
본 명세서에서 임의의 선행 기술에 대한 참조는, 선행 기술이 전세계의 임의의 국가의 연구 분야에서 일반적인 지식의 일부를 형성한다는 임의의 제안 형태 또는 인정으로서 의도되어서는 안된다.
본 명세서 및 하기 임의의 청구범위에 걸쳐서, 내용이 달리 요구하지 않는 경우, 단어 "포함하다", "포함하는" 등은 배타적 의미와 대치되는 포괄적인 의미로, 즉, "포함하나 이에 한정되지 않는"의 의미로 해석되어야 한다.

Claims (24)

  1. 발효 브로스(broth)로부터 하나 이상의 발효 생성물을 분리하기 위한 방법으로서, 상기 방법은,
    a) 하나 이상의 미생물의 배양물(culture)을 함유하는 생물 반응기에 기체 기재를 발효하여 상기 하나 이상의 발효 생성물을 포함하는 발효 브로스를 생성하는 단계;
    b) 상기 발효 브로스를 처리된 브로스 스트림을 생성하는 조건들에서 운행되는 처리 영역으로 전달하는 단계로서, 상기 처리된 브로스 스트림은 실질적으로 바이오매스를 포함하지 않는 단계;
    c) 상기 처리된 브로스 스트림의 적어도 일 부분을, 적어도 하나의 흡착제를 포함한 모사 이동층(simulated moving bed, SMB) 모듈에 전달하는 단계;
    d) 상기 하나 이상의 발효 생성물의 적어도 하나를 상기 흡착제 상에서 흡착하고, 상기 처리된 브로스 스트림의 상기 비흡착된 성분들을 포함하는 라피네이트를 산출하는 단계; 및
    e) 상기 하나 이상의 생성물을, 상기 흡착제로부터 탈착하여 생성물 스트림을 산출하는 단계를 포함하는, 방법.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 처리 영역은 열(heat) 처리 영역을 포함하는, 방법.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 처리 영역은 여과 영역을 추가로 포함하는, 방법.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 하나 이상의 발효 생성물은 에탄올, 아세트산, 2,3-부탄디올, 부탄올, 이소-프로판올, 및 아세톤으로 구성된 그룹에서 선택된, 방법.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 흡착제는 불소화된 탄소, 활성 탄소, 및 변형된 C18 실리카 겔로 구성된 그룹에서 선택된, 방법.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 탈착제는 에탄올, 메탄올, 프로판올, 및 메틸 t-부틸 에테르로 구성된 그룹에서 선택된, 방법.
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 생성물 스트림은 5 용적% 미만의 농도로 물을 함유하는, 방법.
  8. 청구항 1에 있어서, 상기 라피네이트는 5 용적% 미만의 농도로 에탄올을 함유하는, 방법.
  9. 청구항 1에 있어서, 단계 (e)의 상기 라피네이트의 적어도 일 부분은 단계 (a)의 상기 생물 반응기로 재순환(recycle)되는, 방법.
  10. 청구항 9에 있어서, 상기 라피네이트를 상기 생물 반응기로 재순환하기 전에, 하나 이상의 영양소, 및/또는 미량 원소가 상기 라피네이트로 부가되는, 방법.
  11. 하나 이상의 산의 생성 및 회수를 위한 방법으로서, 상기 방법은,
    a. 액체 영양 브로스에서, 하나 이상의 미생물의 배양물을 함유하는 생물 반응기로, 기체 기재를 유동시키는 단계;
    b. 상기 기체 기재를 발효하여 하나 이상의 산(들)을 포함하는 발효 브로스를 생성하는 단계;
    c. 상기 발효 브로스를 처리 영역으로 전달하는 단계로서, 여기서 적어도 일 부분의 바이오매스 및/또는 용해성 단백질들은 상기 발효 브로스로부터 제거되어 처리된 스트림을 제공하는 단계;
    d. 상기 처리된 스트림을 흡착제를 포함한 모사 이동층 모듈로 유동시키는 단계;
    e. 상기 처리된 스트림으로부터, 상기 하나 이상의 산의 적어도 일부분을 상기 흡착제로 흡착하여 라피네이트 스트림을 산출하는 단계;
    f. 용매를 상기 흡착기(adsorber)를 통해 전달하여 상기 하나 이상의 산을 탈착하는 단계; 및
    g. 상기 라피네이트 스트림의 적어도 일부분을 다시 상기 생물 반응기로 전달하는 단계를 포함하는, 방법.
  12. 청구항 11에 있어서, 상기 흡착된 산은 락트산, 아세트산, 및 그의 혼합물들로 구성된 그룹으로부터 선택된, 방법.
  13. 청구항 11 또는 12에 있어서, 상기 생물 반응기로부터 상기 산의 제거는 상기 하나 이상의 미생물의 상기 배양물의 억제를 예방하는, 방법.
  14. 청구항 11에 있어서, 상기 배양물의 pH는, 상기 하나 이상의 산의 제거에 의하여, 소정의 범위 내에서 유지되는, 방법.
  15. 청구항 11에 있어서, 상기 SMB 모듈로 전달되기 전에, 상기 처리된 브로스 스트림 중 상기 하나 이상의 산의 적어도 일 부분은 그의 상응하는 염으로 전환되는, 방법.
  16. 청구항 15에 있어서, 상기 상응하는 염은 상기 흡착기(adsorber)를 통해 전달되며, 상기 라피네이트와 함께 상기 SMB 모듈을 나가는, 방법.
  17. 청구항 1에 있어서, 상기 미생물은 무렐라(Moorella), 클로스트리디아(Clostridia), 루미노코쿠스(Ruminococcus), 아세토박테리움(Acetobacterium), 유박테리움(Eubacterium), 부티리박테리움(Butyribacterium), 옥소박터(Oxobacter), 메타노사르키나(Methanosarcina), 데설포토마쿨룸(Desulfotomaculum), 및 그의 혼합물들로 구성된 속(genus)에서 선택된, 방법.
  18. 청구항 11에 있어서, 상기 미생물은 무렐라, 클로스트리디아, 루미노코쿠스, 아세토박테리움, 유박테리움, 부티리박테리움, 옥소박터, 메타노사르키나, 데설포토마쿨룸, 및 그의 혼합물들로 구성된 속(genus)에서 선택된, 방법.
  19. 에탄올 및 2,3-부탄디올의 생성 및 회수를 위한 방법으로서, 상기 방법은,
    a. 액체 영양 브로스에서, 하나 이상의 미생물의 배양물을 함유한 바이오 반응기에, 기체 기재를 유동시키는 단계;
    b. 상기 기체 기재를 발효하여 에탄올 및 2,3-부탄디올을 포함하는 발효 브로스를 생성하는 단계;
    c. 상기 발효 브로스를 처리 영역에 전달하는 단계로서, 여기서 적어도 일부분의 바이오매스 및/또는 용해성 단백질은 상기 발효 브로스로부터 제거되어 처리된 스트림을 제공하는 단계;
    d. 상기 처리된 스트림을 흡착제를 포함하는 모사 이동층 모듈로 유동시키는 단계;
    e. 상기 처리된 스트림으로부터, 상기 에탄올 및 2,3-부탄디올의 적어도 일부분을 상기 흡착제로 흡착하여 라피네이트 스트림을 산출하는 단계;
    f. 용매를 상기 흡착기(adsorber)를 통해 전달하여, 상기 에탄올 및 2,3-부탄디올을 탈착하고 추출(extract) 스트림을 제공하는 단계;
    g. 상기 추출 스트림을 에탄올 스트림 및 2,3-부탄디올 스트림을 제공하기 위한 조건들에서 운행되는 회수 영역에 전달하는 단계; 및
    h. 상기 라피네이트 스트림의 적어도 일부분을 다시 상기 생물 반응기로 전달하는 단계를 포함하는, 방법.
  20. 청구항 19에 있어서, 상기 처리 영역은 열(heat) 처리 영역을 포함하는, 방법.
  21. 청구항 1에 있어서, 상기 흡착제는 불소화된 탄소, 활성 탄소, 및 변형된 C18 실리카 겔로 구성된 그룹에서 선택된, 방법.
  22. 청구항 1에 있어서, 상기 탈착제는 에탄올, 메탄올, 프로판올, 및 메틸 t-부틸 에테르로 구성된 그룹에서 선택된, 방법.
  23. 발효 브로스로부터 하나 이상의 발효 생성물의 분리를 위한 발효 시스템으로서, 상기 시스템은,
    a) 기체 기재로부터 하나 이상의 발효 생성물을 생성할 수 있는, 하나 이상의 미생물의 배양물을 포함하는 발효 브로스를 포함하는 생물 반응기;
    b) 상기 발효 브로스의 일 부분과 함께 제공되도록 조정된, SMB 모듈; 및
    c) 상기 발효 브로스의 상기 일 부분으로부터 상기 하나 이상의 발효 생성물을 흡수(absorb)하도록 조정된 상기 SMB 모듈 내에 흡수제(absorbent)를 포함하는, 시스템.
  24. 청구항 23에 있어서, 상기 브로스가 상기 SMB 모듈에 의해 수용되기 전에, 상기 발효 브로스의 상기 일 부분으로부터 현탁되고/되거나 용해성의 바이오매스를 제거하도록 조정된 처리 모듈을 추가로 포함하는, 시스템.
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