KR20150091110A - 발효 공정 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 일반적으로 미생물 발효에 의해 생성물, 특히 알코올을 생산하는 방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 사용된 발효 브로쓰를 처리하여 이후 생물반응기로 다시 통과시키는 처리 투과물을 생산하는 방법을 제공함으로써, 발효의 효능을 증가시키는 방법에 관한 것이다. 본 발명은, 적어도 하나의 처리 단계를 사용하여 이후 발효 공정의 하나 이상의 단계에서 사용되는 기체성 생성물을 생산하는 투과물을 처리하는 방법을 제공한다.

Description

발효 공정{A FERMENTATION PROCESS}
본 발명은 일반적으로 미생물 발효에 의해, 생성물, 특히 알코올을 생산하는 방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 사용된 발효 브로쓰(fermentation broth)를 처리하여 이후 생물반응기(bioreactor)에 다시 통과시키는 처리된 투과물을 생산하는 방법을 제공함으로써, 발효의 효능을 증가시키는 방법에 관한 것이다.
에탄올은, 전 세계적으로 주요한 수소-풍부 액체 수송 연료가 급속하게 되어가고 있다.으로부터2002년에 에탄올의 세계적인 소비는 대략 108억 갤론(gallon)으로 추정되었다. 또한, 연료 에탄올 산업용의 세계적인 시장은 유럽, 일본, 미국 및 몇개 개발도상국에서 에탄올에 대한 관심 증가로 인하여, 미래에 급격하게 성장하는 것으로 예측되어 왔다.
예를 들어, 미국에서, 에탄올은 가솔린 중에서 10%의 에탄올 혼합물인, E10을 생산하는데 사용된다. E10 배합물(blend)에서 에탄올 성분은 산소 공급제로서 작용하여, 연소 효능을 개선시키고 공기 오염물질의 생산을 감소시킨다. 브라질에서, 에탄올은 가솔린 속에 배합된 산소 공급제, 또는 이의 자체 목적의 순수한 연료 둘 다로서, 수송된 연료 요구의 대략 30%를 만족시킨다. 또한, 유럽에서, 온실 기체(GHG) 배출의 결과를 둘러싼 환경적 관심은, 유럽 연합(EU)이 바이오매스(biomass) 유래 에탄올과 같은 지속가능한 수송 연료의 소비를 위하여 구성 국가에게 법 규정 목표를 설정하도록 하기 위한 자극이 되어 왔다.
대부분의 연료 에탄올은 주요 탄소 공급원으로서, 사탕수수로부터 추출된 슈크로즈 또는 주요작물로부터 추출된 전분과 같은, 작물 유래 탄수화물을 사용하는 전통적인 효모-계 발효 공정을 통해 생산된다. 그러나, 이들 탄수화물 공급물 원료의 비용은 사람 식량 또는 동물 식량으로서의 이들의 가치로 인해 영향을 받는 반면, 에탄올 생산용의 전분 또는 슈크로즈-생산 작물의 재배는 모든 지리에서 경제적으로 지속가능하지 않다. 따라서, 보다 낮은 비용 및/또는 보다 풍부한 탄소 자원을 연료 에탄올로 전환시키기 위한 기술을 개발하는 것에 관심이 집중되고 있다.
CO는 석탄 또는 오일 및 오일 유래 생성물과 같은 유기 물질의 불완전 연소의 주요힌 자유 에너지-풍부한 부산물이다. 예를 들어, 오스트레일리아에서 철강 산업은 매년 500,000 톤 이상의 CO를 생산하여 대기 중으로 방출하는 것으로 보고되어 있다.
촉매 공정이 CO 및/또는 CO 및 수소(H2)로 주로 이루어진 기체를 다양한 연료 및 화학물질로 전환하는데 사용될 수 있음이 오랫동안 인식되어 왔다. 그러나, 미생물을 또한 사용하여 이들 기체를 연료 및 화학물질로 전환시킬 수 있다. 이들 생물학적 공정은, 비록 화학 반응보다 일반적으로 더 느리다고 해도, 보다 높은 특이성, 보다 높은 수율, 보다 낮은 에너지 비용 및 독소에 대한 보다 높은 내성을 포함하는, 촉매 공정보다 좋은 몇 가지 장점을 갖는다.
유일한 탄소 공급원으로서 CO에서 생장하는 미생물의 능력은 1903년에 최초로 발견되었다. 이는 자가영양 생장[또한 우즈-롱달 경로(Woods-Ljungdahl pathway) 및 일산화탄소 탈수소효소/아세틸 CoA 생성효소(CODH/ACS) 경로로서 또한 공지됨]의 아세틸 코엔자임 A(아세틸 CoA) 생화학적 경로를 사용하는 유기체의 특성인 것으로 후에 결정되었다. 일산화탄소영양, 광합성, 메탄생성 및 아세트산생성 유기체를 포함하는 다수의 혐기성 유기체는 CO를 다양한 최종 생성물, 즉, CO2, H2 , 메탄올, n-부탄올, 아세테이트 및 에탄올로 대사시키는 것으로 밝혀졌다. CO를 유일한 탄소 공급원으로 사용하여 이러한 모든 유기체는 적어도 2개의 이들 최종 생성물을 생산한다.
혐기성 세균, 예컨대 클로스트리디움(Clostridium) 속으로부터의 이들은 아세틸 CoA 생화학 경로를 통해 CO, CO2 및 H2로부터 에탄올을 생산하는 것으로 입증되어 왔다. 예를 들어, 기체로부터 에탄올을 생산하는 클로스트리디움 정달리이(Clostridium ljungdahlii)의 각종 균주가 제WO 00/68407호, 제EP 117309호, 미국 특허 제5,173,429호, 제5,593,886호, 및 제6,368,819호, 제WO 98/00558호 및 제WO 02/08438호에 기술되어 있다. 세균 클로스트리디움 오토에타노게늄 아종(Clostridium autoethanogenum sp)이 또한 기체로부터 에탄올을 생산하는 것으로 공지되어 있다[참조: Abrini et al, Archives of Microbiology 161, pp 345-351 (1994)].
그러나, 기체의 발효에 의한 미생물의 에탄올 생산은 아세테이트 및/또는 아세트산의 동시-생산과 항상 관련되어 있다. 이용가능한 탄소 중의 일부는 에탄올보다는 아세테이트/아세트산으로 전환되므로, 이러한 발효 공정을 사용한 에탄올의 생산 효율은 바람직하지 않을 수 있다. 또한, 아세테이트/아세트산 부산물이 일부 다른 목적을 위해 사용될 수 없는 경우, 이는 폐기물 처분 문제가 제기될 수 있다. 아세테이트/아세트산은 미생물에 의해 메탄올로 전환되므로 온실 기체 배출에 기여할 잠재성을 갖는다.
발효에 사용된 생물반응기 속에서 세균 또는 미생물을 배양하는데 사용된 액체 영양 배지의 매개변수를 조절하는 중요성은 당해 분야에서 인식되어 왔다. 2007년 7월 18일자로 출원되고 본원에 참조로 포함된 제NZ 556615호는 특히, 이러한 액체 영양 배지의 pH 및 산화환원(redox) 잠재성의 조작을 기술하고 있다. 예를 들어, 혐기성 아세트산생성 세균의 배양물에서, 배양물의 pH를 약 5.7 초과로 상승시키면서 배양물의 산화환원 잠재성을 낮은 수준(-400 mV 이하)로 유지시킴으로써, 세균은 발효의 부산물로서 생산된 아세테이트를 에탄올 보다 낮은 pH 조건하에서보다 훨씬 더 높은 비율로 전환시킨다. 제NZ 556615호는, 상이한 pH 수준 및 산화환원 잠재성은, 세균이 수행하는 주요 역활(즉, 생장, 아세테이트 및 기체 CO-함유 기질로부터의 에탄올 생산, 또는 기체 함유 기질로부터의 에탄올 생산)에 의존하여 조건을 최적화하는데 사용될 수 있다는 것을 추가로 인식한다.
또한, 제US 7,078,201호 및 제WO 02/08438호는 발효가 수행되는 액체 영양 배지의 다양한 조건(예를 들면, pH 및 산화환원 잠재성)에 의해 에탄올을 생산하기 위한 발효 공정을 개선 시키는 것을 기술하고 있다.
액체 영양 배지의 pH는 하나 이상의 pH 조절제 또는 완충제를 배지에 가함으로써 조절할 수 있다. 예를 들어, NaOH와 같은 염기 및 황산과 같은 산을 사용하여 필요할 경우 pH를 증가시키거나 감소시킬 수 있다. 산화환원 잠재성은 하나 이상의 환원제(예를 들면, 메틸 바이올로겐) 또는 산화제를 가함으로써 조절할 수 있다. 달리는, 배지의 pH는 과량의 기체 기질을 발효에 제공함으로써 미생물이 기체로 "과공급" 되도록 조절될 수 있다.
유사한 공정을 사용하여, 당해 분야의 숙련자에게 명백한 바와 같이, 부탄올과 같은 다른 알코올을 생산될 수 있다.
발효 반응에 공급하는데 사용된 원료와는 상관없이, 공급에서 중단(break)이 존재하는 경우 문제가 발생할 수 있다. 더욱 특히, 이러한 중단(interruption)은 반응에 사용된 미생물의 효능에 유해할 수 있으며, 일부 경우에, 이에 유해할 수 있다. 예를 들어, 산업 폐기 기체 스트림 속의 CO 기체가 발효 반응에 사용되어 산/알코올을 생산하는 경우, 당해 스트림이 생산되지 않는 시간이 생길 수 있다. 이러한 시간 동안에, 반응에 사용된 미생물은 동면으로 들어갈 수 있다. 스트림이 다시 이용가능하게 되면, 이후에, 미생물이 원하는 반응을 수행하는데 충분하게 생산적인 시기가 되기 전에 지연기(lag)가 있게 될 수 있다.
에탄올은 열을 적용함으로써 발효 브로쓰의 스트림으로부터 용이하게 제거될 수 있지만, 당해 공정으로부터 생성되는 아세트산 및 2,3-부탄디올과 같은 다른 대사물질은 제거하기가 더 어려우며 공정으로 되돌아온 액체가 저 농도에서 조차도 이들을 여전을 함유하는 경우 문제가 제기될 수 있다.
본 발명의 목적은 상기 단점을 극복하는 방향으로 적어도 일부 방법으로 진행하는 시스템 및/또는 공정을 제공하거나, 유용한 선택을 일반인에게 적어도 제공하는 것이다.
본 발명의 제1의 국면은
a) 하나 이상의 미생물의 배양물을 포함하는 생물반응기 속에서, CO를 포함하는 기체 기질을 발효시켜 하나 이상의 생성물을 포함하는 발효 브로쓰를 생산하는 단계;
b) 상기 생물반응기로부터, 상기 발효 브로쓰의 적어도 일부를 블리드 스트림(bleed stream)을 통해 통과시키는 단계;
c) 상기 생물반응기로부터 투과물 스트림(permeate stream)의 적어도 일부를 통과시키는 단계;
d) 상기 블리드 스트림 및/또는 투과물 스트림으로부터 하나 이상의 생성물의 적어도 일부를 제거하여 생성물 감손 스트림(product depleted stream)을 제공하는 단계;
e) 상기 생성물 감손 스트림을 정화 모듈에 통과시켜 처리 스트림(treated stream)을 제공하는 단계(여기서, 바이오매스, 단백질들, 유기 성분들, 또는 무기 성분들로 이루어진 그룹으로부터 선택된, 상기 생성물 감손 스트림의 하나 이상의 성분 중의 적어도 일부가 상기 생성물 감손 스트림으로부터 제거됨); 및
f) 상기 처리 스트림의 적어도 일부를 상기 생물반응기에 통과시키는 단계를 포함하는, CO를 포함하는 기질의 미생물 발효를 위한 방법이 제공된다.
하나의 실시양태에서, 하나 이상의 생성물은 알코올 또는 산이다. 하나의 실시양태에서, 알코올은 에탄올, 부탄올, 프로판올, 프로피오네이트 및 2,3-부탄디올로 이루어진 그룹으로부터 선택된다. 하나의 실시양태에서 산은 아세트산, 부티르산 및 프로피온산으로 이루어진 그룹으로부터 선택된다.
하나의 실시양태에서, 하나 이상의 생성물은 에탄올, 2,3-부탄디올 및 아세테이트이다.
하나의 실시양태에서, 단계(a)의 하나 이상의 미생물은 일산화탄소영양성 아세트산생성 세균이다. 하나의 실시양태에서, 하나 이상의 미생물은 클로스트리디움 오토에타노게늄(Clostridium autoethanogenum), 클로스트리디움 정달리이(Clostridium ljungdahlii), 클로스트리디움 라그스달레이(Clostridium ragsdalei), 클로스트리디움 카복시디보란스(Clostridium carboxidivorans) 및 클로스트리디움 코스카티이(Clostridium coskatii)로 이루어진 그룹으로부터 선택된다.
하나의 실시양태에서 정화 모듈은 바이오매스 제거 모듈; 알코올 회수 모듈; 필터 모듈; 산 제거 모듈, 유기물 제거 모듈; 멸균 모듈 또는 무기물 제거 모듈 중 하나 이상을 포함한다.
하나의 실시양태에서, 알코올 회수 모듈은 증발 모듈이다.
하나의 실시양태에서, 바이오매스 제거 모듈은 혐기성 소화 모듈; 호기성 소화 모듈; 또는 여과 모듈이다.
하나의 실시양태에서, 여과 모듈은 나노-여과 모듈 또는 역 삼투압 모듈이다.
하나의 실시양태에서, 유기물 제거 모듈은 활성화된 탄소 모듈이다.
하나의 실시양태에서, 무기물 제거 모듈은 이온 교환 모듈이다.
하나의 실시양태에서, 산 제거 모듈은 전기영동 모듈 또는 활성화된 탄소 모듈이다.
하나의 실시양태에서, 멸균 모듈은 자외선 멸균 모듈, 또는 역 삼투압 모듈이다.
본 발명의 제2 국면에서, CO를 포함하는 기질의 미생물 발효 방법이 제공되며, 당해 방법은:
a. 하나 이상의 미생물의 배양물을 포함하는 생물반응기 속에서, CO를 포함하는 기체 기질을 발효시켜 하나 이상의 생성물을 포함하는 발효 브로쓰를 생산하는 단계;
b. 생물반응기로부터, 브로쓰의 적어도 일부를 블리드 스트림을 통해 통과시키는 단계;
c. 생물반응기로부터의 투과물 스트림의 적어도 일부를 통과시키는 단계;
d. 블리드 스트림 및/또는 투과물 스트림으로부터 하나 이상의 알코올 중 적어도 일부를 제거하여 생성물 감손 스트림을 제공하는 단계;
e. 상기 생성물 감손 스트림을 정화 모듈에 통과시켜 처리 스트림을 제공하는 단계(여기서, 바이오매스, 단백질들, 유기 성분들, 또는 무기 성분들로 이루어진 그룹으로부터 선택된, 상기 생성물 감손 스트림의 하나 이상의 성분 중의 적어도 일부가 상기 생성물 감손 스트림으로부터 제거됨);
f. 처리 스트림 중의 적어도 일부를 생물반응기에 통과시키는 단계; 및
g. 미생물 발효의 하나 이상의 단계를 위한 열, 에너지 또는 탄소 공급원으로서 단계 (e)의 기체 부산물의 적어도 일부를 사용하는 단계를 포함한다.
하나의 실시양태에서, 하나 이상의 생성물은 알코올 또는 산이다. 하나의 실시양태에서, 알코올은 에탄올, 부탄올, 프로판올, 프로피오네이트 및 2,3-부탄디올로 이루어진 그룹으로부터 선택된다. 하나의 실시양태에서 산은 아세트산, 부티르산 및 프로피온산으로 이루어진 그룹으로부터 선택된다. 하나의 실시양태에서 하나 이상의 생성물은 에탄올 및 아세트산이다. 하나의 실시양태에서, 하나 이상의 생성물은 에탄올, 2,3-부탄디올 및 아세트산이다.
하나의 실시양태에서 단계(a)의 하나 이상의 미생물은 일산화탄소영양성 아세트산생성 세균이다. 하나의 실시양태에서, 하나 이상의 미생물은 클로스트리디움 오토에타노게늄(Clostridium autoethanogenum), 클로스트리디움 정달리이, 클로스트리디움 라그스달레이, 클로스트리디움 카복시디보란스(Clostridium carboxidivorans) 및 클로스트리디움 코스카티이(Clostridium coskatii)로 이루어진 그룹으로부터 선택된다.
하나의 실시양태에서, 단계 (d)의 제거된 하나 이상의 생성물은 회수된다.
본 발명의 하나의 실시양태에서, 처리 스트림은 생물반응기로 통과되기 전에 하나 이상의 임의의 정화 단계를 통과한다. 하나 이상의 임의의 정화 단계는 바이오매스 제거 모듈; 알코올 회수 모듈, 여과기 모듈, 또는 산 제거 모듈, 유기물 제거 모듈, 멸균 모듈, 무기물 제거 모듈(즉, 이온 교환 모듈)을 포함한다. 하나 이상의 임의의 정화 단계는 정화 스트림을 생산하며, 여기서 처리 감소 스트림의 하나 이상의 성분 중 적어도 일부가 제거된다. 처리 스트림의 하나 이상의 성분은 생성물, 유기 성분 및 무기 성분을 포함하나, 이에 한정되지 않는다.
하나의 실시양태에서, 하나 이상의 영양물, 금속 또는 염을 정화 스트림 또는 처리 스트림에 정화 스트림 또는 처리 스트림을 생물반응기에 통과시키기 전에 가한다.
본 발명의 하나의 실시양태에서, 처리 스트림 및/또는 정화 스트림을 생물반응기에 통과시키기 전에 금속을 처리 스트림 및/또는 정화 스트림에 가한다. 임의의 실시양태에서, 하나 이상의 금속은 철, 칼륨, 칼슘, 마그네슘, 붕소, 코발트, 크롬, 망간, 몰리브덴, 나트륨, 니켈, 셀레늄, 아연, 클로라이드, 인, 황화물, 질소 및 텅스텐으로 이루어진 그룹 중에서 선택된다. 대안의 실시양태에서, 처리 스트림 및/또는 정화 스트림 둘 다를 생물반응기에 다시 통과시킨 후에 하나 이상의 금속을 발효 브로쓰에 가한다.
본 발명의 하나의 실시양태에서, 하나 이상의 B 비타민을 처리 스트림 및/또는 정화 스트림을 생물반응기에 되돌기기 전에 처리 스트림 및/또는 정화 스트림에 가한다. 하나 이상의 B 비타민은 티아민(B1), 리보플라빈(B2), 니아신(B3), 판토텐산(B5), 피리독신(B6), 엽산(B9), 시아노코발라민(B12)을 포함하는 그룹 중에서 선택된다. 본 발명의 하나의 실시양태에서, 신선한 배지는 처리 스트림 및/또는 정화 스트림과 배합된다.
하나의 실시양태에서, 처리 스트림의 하나 이상의 성분의 적어도 일부는 하나 이상의 정화 단계 동안에 제거됨으로써 하나 이상의 생성물 성분이 생물반응기에 축적되는 것을 방지한다. 하나의 실시양태에서 하나 이상의 생성물 성분은 알코올 또는 산이다.
하나의 실시양태에서, 처리 스트림 및/또는 정화 스트림은, 산 농도가 10g/L 미만, 또는 8g/L 미만, 또는 6g/L 미만, 또는 4g/L 미만, 또는 2g/L 미만이다.
하나의 실시양태에서, 처리 스트림의 하나 이상의 무기 성분 중의 적어도 일부는 하나 이상의 정화 단계 동안에 제거됨으로써, 하나 이상의 무기 성분이 생물반응기 속에 축적되는 것을 방지한다.
하나의 실시양태에서, 처리 스트림의 하나 이상의 유기 성분 중의 적어도 일부는 하나 이상의 정화 단계 동안 제거됨으로써, 하나 이상의 유기 성분이 생물반응기 속에 축적되는 것을 방지한다.
하나의 실시양태에서, 단계 (e)의 기체성 부산물은 메탄 및/또는 이산화탄소이다.
하나의 실시양태에서, 혐기성 소화에 의해 생산된 메탄은 미생물 발효의 하나 이상의 단계를 위한 열, 에너지 또는 탄소 공급원으로서 사용된다. 하나의 실시양태에서 메탄은 개질되어, 기질로서 사용하기 위한 생물반응기에 통과하는 일산화탄소를 생산한다. 하나의 실시양태에서 메탄은 동력 생성을 위한 기체 터빈에 통과된다. 하나의 실시양태에서 메탄은 증류 공정의 직접적인 또는 간접적인 가열을 위한 스팀 보일러에 통과된다.
제1 국면의 실시양태는 본 발명의 제2 국면과 유사하다.
본 발명의 제3 국면에 따라서, CO를 포함하는 기질의 미생물 발효를 개선시키는 방법이 제공되며, 당해 방법은:
a. 하나 이상의 아세트산생성 미생물의 배양물을 포함하는 제1의 생물반응기 속에서 CO를 포함하는 기질을 발효시켜 하나 이상의 알코올 및 임의로 아세테이트를 포함하는 발효 브로쓰를 생산하는 단계;
b. 브로쓰의 적어도 일부를 블리드 스트림을 통해 제1의 생물반응기로부터 제2의 생물반응기로 통과시키는 단계;
c. 투과물 스트림의 적어도 일부를 제1의 생물반응기로부터 제2의 생물반응기로 통과시키는 단계;
d. 하나 이상의 아세트산생성 미생물의 배양물을 포함하는 제2의 생물반응기 속에서 CO를 포함하는 기질을 발효시켜 하나 이상의 알코올 및 임의로 아세테이트를 포함하는 발효 브로쓰를 생산하는 단계;
e. 제2의 생물반응기로부터의 블리드 스트림을 통해 브로쓰의 적어도 일부를 제거하는 단계;
f. 제2의 생물반응기로부터 투과물 스트림의 적어도 일부를 제거하는 단계;
g. 블리드 스트림과 투과물 스트림을 합하여 합해진 스트림을 생산하는 단계;
h. 합해진 스트림을 처리하여 하나 이상의 생성물 중 적어도 일부를 제거하고 생성물 감손 스트림을 제공하는 단계;
i. 생성물 감손 스트림을 처리하여 바이오매스 및 단백질 중의 적어도 일부를 제거하는 단계;
j. 단계 (i)의 처리 스트림를 단계 (a)의 주요 생물반응기에 통과시키는 단계를 포함한다.
본 발명의 특정 실시양태에서, 제1의 생물반응기에서 배출되는 블리드 스트림 및/또는 투과물 중의 일부를 생성물 추출, 폐기 또는 재순환을 위해 수집한다.
하나의 실시양태에서, 처리된 투과물을 처리하여 하나 이상의 산 중의 적어도 일부를 제거하고, 처리 투과물 속의 산 농도를 감소시킨다. 본 발명의 하나의 실시양태에서, 하나 이상의 산은 아세트산 및/또는 락트산을 포함한다. 특정 실시양태에서, 처리 투과물 중의 아세트산의 실질적으로 모두가 제거됨으로써, 실질적으로 아세테이트가 없는 투과물이 제1의 생물반응기에 통과된다.
본 발명의 특정 실시양태에서, 제1의 생물반응기로부터 배출되는 블리드 스트림 중의 일부는 생성물 추출, 폐기 또는 재순환을 위해 수집된다.
특정 실시양태에서, 미생물 바이오매스는 제2의 생물반응기를 연속 또는 반-연속 방식으로 작동시킴으로써 제2의 생물반응기 속에 유지되며, 여기서 제2의 생물반응기는 세포 보유 수단과 함께 제공된다. 특정 실시양태에서, 세포 보유 수단은 하나 이상의 교차 흐름 막(cross-flow membrane)이다. 다른 실시양태에서, 세포 보유 수단은 하나 이상의 중공 섬유막(hollow fibre membrane)이다.
제1 및 제2의 국면의 실시양태는 본 발명의 제3의 국면과 유사하다.
본 발명의 제4의 국면에서, CO2 및 H2를 포함하는 기질의 미생물 발효 방법을 제공하며, 당해 방법은:
a. 하나 이상의 미생물의 배양물을 포함하는 생물반응기 속에서, CO2 및 H2를 포함하는 기체 기질을 발효시켜 하나 이상의 산을 포함하는 발효 브로쓰를 생산하는 단계;
b. 생물반응기로부터, 블리드 스트림을 통해 브로쓰의 적어도 일부를 통과시키는 단계;
c. 생물반응기로부터 투과물 스트림의 적어도 일부를 통과시키는 단계;
d. 블리드 스트림 및/또는 투과물 스트림으로부터 하나 이상의 산의 적어도 일부를 제거하여 산 제거 스트림을 제거하는 단계;
e. 아세테이트 감손 스트림을 정화 모듈에 통과시켜 처리 스트림을 제공하는 단계(여기서, 바이오매스, 단백질, 유기 성분 또는 무기 성분으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 산 감손 스트림의 하나 이상의 성분의 적어도 일부가 생성물 감손 스트림으로부터 제거됨); 및
f. 처리 스트림의 적어도 일부를 생물반응기에 통과시키는 단계를 포함한다.
하나의 실시양태에서, 하나 이상의 산은 아세트산, 부티르산, 프로피온산으로 이루어진 그룹으로부터 선택된다. 하나의 실시양태에서, 산은 아세트산이다.
하나의 실시양태에서, 하나 이상의 미생물은 무렐라(Moorella) 종 또는 아세토박테리움(Acetobacterium) 종으로 이루어진 그룹으로부터 선택된다. 하나의 실시양태에서, 하나 이상의 미생물은 아세토박테리움 우디이(Acetobacterium woodii)이다.
하나의 실시양태에서, 정화 모듈은 바이오매스 제거 모듈; 알코올 제거 모듈; 여과기 모듈; 산 제거 모듈; 유기물 제거 모듈; 멸균 모듈 또는 무기물 제거 모듈 중 하나 이상을 포함한다.
하나의 실시양태에서, 정화 모듈은 바이오매스 제거 모듈; 알코올 제거 모듈; 여과기 모듈; 산 제거 모듈, 유기물 제거 모듈; 멸균 모듈 또는 무기물 제거 모듈 중 하나 이상을 포함한다.
하나의 실시양태에서, 알코올 회수 모듈은 증류 모듈이다.
하나의 실시양태에서, 바이오매스 제거 모듈은 혐기성 소화 모듈; 호기성 소화 모듈; 또는 여과 모듈이다.
하나의 실시양태에서, 여과기 모듈은 나노-여과 모듈 또는 역 삼투압 모듈이다.
하나의 실시양태에서, 유기물 제거 모듈은 활성화된 탄소 모듈이다.
하나의 실시양태에서, 무기물 제거 모듈은 이온 교환 모듈이다.
하나의 실시양태에서, 산 제거 모듈은 전기 투석 모듈 또는 활성탄 모듈이다.
하나의 실시양태에서, 생물반응기는 2개의 반응기 시스템이다.
제1, 제2 및 제3의 국면의 실시양태는 본 발명의 제4의 국면과 유사하다.
상기 국면 중의 어느 것의 하나의 실시양태에서, 본 방법은 블리드 스트림 및 투과물 스트림을 1회 이상 재순환시키는 단계를 추가로 포함한다. 임의의 실시양태에서, 블리드 스트림 및 투과물 스트림은 본 시스템을 통해 연속적으로 처리되어 재순환된다. 임의의 실시양태에서, 추가의 배지가 필요에 따라 본 시스템에 가해진다.
본 발명은 위에서 정의된 바와 같이 광범위하지만, 이에 한정되지 않으며 실시예을 제공하는 다음의 기술의 실시양태를 포함한다.
이제 본 발명은 보다 상세하게 처부 도면을 참조하여 기술될 것이며, 여기서:
도 1은 본 발명의 하나의 실시양태에 따른 시스템 및 방법의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 특정 실시양태에 따른 시스템 및 방법의 개략도이다.
도 3은 본 발명의 특정 실시양태에 따른 2개의 발효기 시스템의 개략도이다.
도 4는 투과물 재순환 동안 2개의 발효기 시스템의 제1 발효기 속의 대사물 농도를 나타내는 그래프이다.
도 5는 도 3에 언급된 제1의 발효기 속에서 아세트산 및 에탄올 생산을 나타내는 그래프이다.
도 6는 도 3에 언급된 제1의 발효기 속의 기체 흡수 수준을 나타내는 그래프이다.
도 6은 도 3에 언급된 제1의 발효기 속의 세포 생존도를 나타내는 그래프이다.
도 8은 도 3에 언급된 2개의 발효기 시스템에서 제2의 발효기 속의 대사물 농도를 나타내는 그래프이다.
도 9는 도 3에 언급된 제2의 발효기 속에서 아세트산 및 에탄올 생산을 나타내는 그래프이다.
도 10은 도 3에 언급된 제2의 발효기 속의 기체 흡수 수준을 나타내는 그래프이다.
도 11은 도 3에 언급된 제2의 발효기 속의 세포 생존도를 나타내는 그래프이다.
도 12는 100% 재순환 동안 2개의 발효기 시스템의 제1의 발효기 속의 아세트산 및 에탄올 생산율을 나타내는 그래프이다.
도 13은 도 11에 언급된 제1의 발효기 속의 기체 흡수를 나타내는 그래프이다.
도 14는 도 11에 언급된 2개의 발효기 시스템의 제2의 발효기 속의 대사물 수준을 나타내는 그래프이다.
정의
달리 정의하지 않는 한, 본 명세서 전체에서 사용된 다음의 용어는 다음과 같이 정의된다:
희석 속도 - 생물반응기 속의 브로쓰의 교체 속도. 희석 속도는 1일당 영양 배지에 의해 교체되는 브로쓰의 생물반응기 부피의 수로 측정된다.
발효 브로쓰 또는 브로쓰 - 생물반응기 속에서 발견된 성분들(브로쓰 배양물 및 영양 배지를 포함함)의 혼합물.
영양 배지 - 미생물 배양물의 생장에 적절한 영양분 및 다른 성분을 함유하는 발효 브로쓰에 첨가된 용액
일산화탄소 포함 기질 - 및 유사 용어는, 일산화탄소가 예를 들면, 생장 및/또는 발효용의 세균의 하나 이상의 균주에 이용가능한 어떠한 기질도 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
블리드 스트림 (bleed stream) - 생물반응기로부터 제거되며, 분리기에 통과되지 않은 발효 브로쓰의 일부.
투과물 스트림 - 분리기를 통과하며 분리기에 의해 보유되지 않는 브로쓰의 실질적으로 가용성인 성분. 투과물은 가용성 발효 생성물, 부산물 및 영양분 용액을 전형적으로 함유할 것이다.
생성물 감손 스트림 - 하나 이상의 발효 생성물의 적어도 일부를 제거하기 위해 처리되어진 투과물 스트림 및/또는 블리드 스트림의 일부.
처리 스트림 - 하나 이상의 성분의 적어도 일부를 제거하기 위해 처리되어진 생성물 감손 스트림의 일부. 하나 이상의 성분은 바이오매스, 단백질 및 유기 성분을 포함하나, 이에 한정되지 않는다.
정화 스트림 - 하나 이상의 추가의 처리 단계를 겪어서 바이오매스, 유기물 성분, 무기물 성분 및 발효 생성물을 포함하나, 이에 한정되지 않는 하나 이상의 성분의 적어도 일부가 제거된 처리 스트림의 일부.
브로쓰 배양물 - 발효 브로쓰 속에 존재하는 미생물 배양물.
브로쓰 배양 밀도 - 발효 브로쓰 속의 미생물 세포의 밀도.
분리기 - 생물반응기로부터 발효 브로쓰를 수용하고 발효 브로쓰를 여과기에 통과시켜 잔유물 및 투과물을 수득하도록 적용된 모듈. 여과기는 막, 예를 들면, 교차 흐름 막(cross-flow membrane) 또는 중공 섬유 막일 수 있다.
일산화탄소 포함 기체 기질 - 및 유사 용어는 일산화탄소를 함유하는 임의의 기체를 포함한다. 기체 기질은 전형적으로 CO의 유의적인 비율, 바람직하게는 적어도 약 5부피% 내지 약 100부피%의 CO를 함유할 것이다.
산 - 본원에 사용된 것으로서 이 용어는 본원에 기술된 바와 같은 발효 브로쓰 속에 존재하는 유리 아세트산 및 아세테이트의 혼합물과 같은, 카복실산 및 관련된 카복실레이트 음이온 둘 다를 포함한다. 발효 브로쓰 속의 분자 산 대 카복실레이트의 비는 시스템의 pH에 달려 있다. 용어 "아세테이트"는 아세테이트 염 단독 및 본원에 기술될 수 있는 바와 같은 발효 브로쓰 속에 존재하는 아세테이트 염 및 유리 아세트산의 혼합물과 같은 분자 또는 유리 아세트산 및 아세테이트 염의 혼합물을 포함한다. 발효 브로쓰 속의 분자 아세트산 대 아세테이트 비율은 시스템의 pH에 달려 있다.
생물반응기 또는 발효기는 하나 이상의 용기 및/또는 타워 또는 파이프 배열(piping arrangement)로 이루어진 발효 장치를 포함하며, 이는 연속식 교반 탱크 반응기(Continuous Stirred Tank Reactor: CSTR), 고정된 세포 반응기(Immobilized Cell Reactor: ICR), 낙수층 반응기(Trickle Bed Reactor: TBR), 이동층 바이오필름 반응기(Moving Bed Biofilm Reactor: MBBR), 버블 컬럼(Bubble Column), 기체 부양 발효기(Gas Lift Fermenter), 중공 여과막 생물반응기(HFMBR)와 같은 막 반응기, 정적 혼합기(Static Mixer), 또는 기체-액체 접촉에 적합한 다른 용기 또는 다른 장치를 포함한다.
제2 또는 2차 생물반응기 - 본원에 사용된 것으로서 이들 용어는 제1 및/또는 제2의 생물반응기와 직렬로 또는 병렬로 연결될 수 있는 임의의 수의 추가의 생물반응기를 포함하는 것으로 의도된다. 이들 추가의 생물반응기의 어떠한 하나 이상도 또한 추가의 분리기에 연결될 수 있다.
발효, 발효 공정 또는 발효 반응 - 및 본원에 사용된 유사 용어는 공정의 생장기 및 생성물 생합성기 둘 다를 포함하는 것으로 의도된다. 본원에 추가로 기술된 바와 같이, 일부 실시양태에서 생물반응기는 제1의 생장 반응기 및 제2의 발효 반응기를 포함할 수 있다. 따라서, 발효 반응에 금속 또는 조성물을 첨가하는 것은 이 반응기들 중 어느 하나 또는 둘 다에 대한 첨가를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본원에 사용된 생성물은 미생물 발효에 의해 생산된 기질을 포함하는 것으로 의도된다. 생성물은 알코올, 산 또는 다른 화학물질을 포함할 수 있다. 생성물은 또한 미생물 발효 공정에 의해 생산된 기체를 포함할 수 있다.
유기물 성분 - 탄소 골격(back bone)과 탄소 구조 주변의 수소, 질소 및/또는 산소로 주로 이루어진 발효 브로쓰 내에 함유된 분자. 발효 브로쓰내의 유기 화합물의 예는 바이오매스, 에탄올, 2,3 부탄디올 및 아세트산을 포함할 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
무기물 성분-비-탄소 구조화된 분자는 생물학적 기원이 아닌 브로쓰 내에 함유되었다. 발효 브로쓰 내의 무기 화합물의 예는 마그네슘, 칼륨, 칼슘 및 철 화합물을 포함하는 금속 및 염을 포함할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
다음의 설명이 본 발명의 특수 실시양태, 즉 주요 기질로서 CO를 사용한 에탄올 및/또는 아세테이트의 생산에 초점을 맞추고 있지만, 본 발명은 당해 분야의 통상의 기술자에 의해 공지될 바와 같은 대안적인 알코올 및/또는 산의 생산 및 대안의 기질의 사용에 적용가능할 수 있음을 이해하여만 한다. 예를 들어, 이산화탄소 및 수소를 함유하는 기체 기질이 사용될 수 있다. 또한, 본 발명은 아세트산, 부티르산, 프로피온산, 부티레이트, 프로피오네이트, 카프로에이트, 에탄올, 프로판올, 부탄디올 및 부탄올을 생산하기 위해 발효에 적용가능할 수 있다. 그 방법들은 또한 수소를 생산하는 데에도 유용할 수 있다. 예로서, 이들 생성물은 무렐라( Moorella ), 클로스트리디아 ( Clostridia ), 루미노코쿠스 ( Ruminococcus ), 아세토박테리움( Acetobacterium ), 유박테리움 ( Eubacterium ), 부티리박테리움( Butyribacterium ), 옥소박터 ( Oxobacter ), 메탄사르키나 ( Methanosarcina ) 및 데술포토마쿨룸( Desulfotomaculum ) 속으로부터의 미생물을 사용한 발효에 의해 생산될 수 있다.
본 발명에 따라서, 생물반응기 속에서 CO를 함유하는 기질의 발효에 의해 알코올(들)을 포함하는 생성물을 생산하는 방법이 제공된다. 발효 동안 생산된 생성물은 발효 브로쓰 속에 존재하며 브로쓰 배양물에 대해 독성일 수 있거나 이의 생산 효율을 억제할 수 있다. 이들 문제점들을 해결하기 위하여, 브로쓰의 일부는 생물반응기로부터 전형적으로 정규적으로 제거됨으로써 부산물 농도를 저하시키지만 이는 또한 제거되어 처리되어지는 브로쓰 배양물의 일부분을 야기한다. 브로쓰 배양물의 이러한 감손은 생성물 수율에 영향을 미칠 수 있다.
생장(세포 분열)에 의해 브로쓰 배양물을 보충하기 위한 요건은 또한, 희석 속도가 브로쓰 배양물의 생장속도에 의해 제한됨을 의미하며, 희석 속도가 너무 높은 경우, 브로쓰 배양물 밀도는 너무 낮게 떨어지며 생성물을 거의 수득하지 못하게 한다. 브로쓰의 연속식 또는 배취식 제거는, 브로쓰 배양물의 생장이 우선시 되면서 개체군을 보충할 것을 요구 한다. 최적의 생장 조건은 최적의 생성물 형성 조건에 따라 상이할 수 있으므로, 브로쓰의 제거는 유용한 생성물을 수득하기 위한 배양물의 능력을 억제할 수 있다. 또한 브로쓰의 연속적인 제거 및 신선한 배지에 의한 보충은 배지에 요구되는 물 및 영양물의 높은 사용을 요구 한다.
본 발명에 따라서, 생물반응기에서 배출되는 사용된 브로쓰 및 투과물을 처리하는 방법이 제공되며, 브로쓰 및 투과물이 생물반응기 시스템을 통해 재-순환할 될 수 있도록 하다.
발효 시스템에서 배출되는 블리드 스트림 및 투과물은 브로쓰 배양물에 독성일 수 있거나 이의 생산 효율을 억제할 수 있는 생성물을 함유할 것이다. 생물반응기로 브로쓰 및 투과물을 직접 재-순환시키는 것과 관련된 문제들을 극복하기 위하여, 발효 시스템에서 배출되는 블리드 스트림 및 투과물 스트림은 다수의 처리 단계를 거침으로써 발효에 억제 효과를 가질 수 있는 생성물을 제거한다. 또한, 처리 투과물은 발효 공정 동안에 손실되었던 영양분, 금속 및/또는 비타민의 첨가를 요구 할 수 있다.
본 발명의 처리 시스템은 바이오매스 제거 모듈; 알코올 회수 모듈, 여과기 모듈, 또는 산 제거 모듈, 유기물 제거 모듈, 멸균 모듈, 무기물 제거 모듈(즉, 이온교환 모듈)을 포함하는 군으로부터 선택된 적어도 하나의 처리 모듈을 전형적으로 포함한다.
바이오매스 제거 모듈
바이오매스는 생물반응기로부터 배출되는 블리드 스트림으로부터 어떠한 공지된 수단에 의해서도 제거될 수 있다. 발효 브로쓰로부터 바이오매스를 제거하는 대표적인 방법은 소화 방법, 응집 및 침강을 포함하나 이에 한정되지 않는다. 본 발명의 임의의 실시양태에서, 바이오매스의 제거는 요구되지 않는다.
본 발명의 임의의 실시양태에서, 바이오매스 제거 모듈은 혐기성 소화 단계를 포함한다. 하나의 실시양태에서, 혐기성 소화 단계는 바이오매스 및 단백질을 소비하며 CO2 및 메탄을 포함하는 기체 기질을 생산한다. 임의의 실시양태에서, 혐기성 소화에 의해 생산된 메탄은 본 발명의 방법의 하나 이상의 단계에서 사용된다. 하나의 실시양태에서, 메탄은 공지된 방법을 사용하여 개질 시킴으로써 CO를 포함하는 기질을 제공한다. CO를 포함하는 기질은 이후에 하나 이상의 생성물의 발효를 위한 기질로서 이용되는 생물반응기로 통과된다. 다른 실시양태에서, 메탄은 증류 공정의 직접적이거나 간접적인 가열을 위해 스팀 보일러로 통과된다. 하나의 실시양태에서 메탄은 동력 생성을 위해 기체 터빈으로 통과된다.
알코올 제거 모듈
알코올(에탄올)은 발효 브로쓰, 블리드 스트림 또는 투과물 스트림으로부터 다양한 공정에 의해 제거될 수 있다. 비등점 및 휘발성에 있어서의 차이를 기준으로 한 알코올의 제거 기술은 패킹된 증류, 증기 스트리핑 및 부분 응축 분리를 포함하나 이에 한정되지 않는다. 알코올은 또한 압력 스윙 증류(pressure swing distrillation) 및 투과증발에 의해 제거될 수 있다. 압력 스윙 증류 및 투과증발은 분압에 있어서의 차이를 기준으로 분리를 생성하는 가압 변화 환경에서 작동한다. 알코올을 제거하는 다른 방법은 모사 이동 층(Simulated Moving Bed: SMB), 투과추출(perstraction) 및 액체-액체 추출을 포함한다. 이들 방법은 에탄올에 대해 고 분자 친화성의 특성을 나타내는 고체상 및/또는 유기 용매를 이용하고, 브로쓰 또는 블리드로부터 에탄올 성분을 스트리핑한다.
여과기 모듈
여과 모듈이 브로쓰 스트림으로부터 여과기 오염물질 또는 원치않는 생성물을 제공하고, 여과시키기 위해서, 또는 바이오매스 제거 모듈 또는 알코올 제거 모듈에 의해 포획되지 않는 어떠한 바이오매스 또는 알코올도 포획할 수 있다. 여과 모듈은 역 삼투압 단계, 또는 나노-여과 단계와 같은, 하나 이상의 여과 단계를 포함할 수 있다. 여과 모듈은 하나 이상의 유기 성분, 하나 이상의 무기 성분, 바이오매스 성분, 및 단백질 성분을 포함하는 생물반응기에 돌아오는 스트림의 하나 이상의 원치않는 성분의 제거에 대해 지시할 수 있다.
산 제거 모듈
본 발명의 임의의 실시양태에 따라서, 생물반응기를 빠져나오는 발효 브로쓰 속의 아세트산의 적어도 일부는 발효 브로쓰가 처리 투과물 스트림으로서 생물반응기로 다시 재순환되기 전에 제거된다. 아세트산은 발효 브로쓰로부터 어떠한 공지된 수단에 의해서도 제거될 수 있다. 아세트산을 제거하기 위한 하나의 이러한 방법은 호기성 소화에 의한다. 호기성 소화는, 증류 투과물 및 폐기물이 반응기 속에서 합해져서 아세트산, 에탄올 및 2,3-부탄디올 또는 다른 유기 성분을 바이오매스 및 CO2로 대사할 수 있는, 효모 및/또는 세균의 혼합물과 함께 접종한다. 당해 공정은 또한 부산물로서 열을 생산한다. 효모 및 세균은 브로쓰로부터 원심분리 또는 여과와 같은 방법에 의해 제거된다. 이후에, 생성되는 "처리 투과물"은 주요 생물반응기로 되돌려진다.
대안의 방법은 혐기성 소화를 포함하며, 여기서 메탄이 생산된 CO2 및 바이오매스 외에 유의적인 양으로 생산된다.
유기물 제거 모듈
발효 브로쓰의 유기물 성분을 생물반응기로 재순환시키기 전에 이를 감소시키는 것이 바람직할 수 있다. 이러한 유기 성분은 에탄올, 2,3 부탄디올, 부탄올, 이소프로판올, 2,3 부탄디온, 아세토인을 포함할 수 있다. 하나의 이러한 방법은 혐기성 소화이다. 다른 것은 호기성 소화이다. 다른 것은 나노여과이다. 다른 것은 역 삼투압이다. 제거는 기체-액체 질량 이동에 있어 어떠한 유해한 효과 및/또는 발효에 대한 억제를 방지하기 위해 요구된다.
본 발명에 따라서, 생물반응기 속에서 CO를 함유하는 기질의 발효에 의해 알코올(들)을 포함하는 생성물을 생산하는 방법이 제공된다.
도 1에 나타낸 본 발명의 실시양태에 따라서, 생물반응기를 포함하는 발효 시스템이 제공된다. 본 발명의 방법에 따라서, 액체 영양 배지가 생물반응기(101)에 투입구(105)를 통해 연속적으로 또는 반-연속적으로 제공될 수 있다. 분리기(108)는 생물반응기로부터 제1의 배출 도관(107)을 통해 브로쓰(103)의 적어도 일부를 제공받아 조정 되며, 이를 발효 브로쓰의 나머지(투과물)로부터 미생물 세포(잔류물)을 실질적으로 분리하도록 구성된 분리기(108)을 통해 통과하다. 잔류물의 적어도 일부는, 브로쓰 배양물 밀도가 최적 수준에서 유지되도록 하는 제1의 복귀 도관(109)을 통해 제1의 생물반응기로 되돌려진다. 분리기(108)는 생물반응기(102) 밖으로 투과물 스트림의 적어도 일부가 투과물 전달 도관(110)을 통해 통과하도록 조정된다. 실질적으로 세포가 없는 투과물이 생성물 추출을 위해 투과물 제거 도관(110)을 경유하여 제거되어 재순환되거나 처리된다. 블리드 스트림 배출구(106)는 생성물 추출을 위해 생물반응기로부터 브로쓰를 직접 제거하여 재순환되거나 처리되도록 하기 위해 제공된다.
하나의 실시양태에서, 생물반응기(101)는 미생물 생성물의 생성 및 또한 연속 접종물의 생장을 촉진하기 위해 구성된다. 당해 실시양태에서, 블리드 스트림은 블리드 배출구(106)를 통해 생물반응기를 통과한다. 생물반응기에서 배출되는 블리드 스트림 및 투과물 스트림은 합해지고 합해진 스트림은 생성물 회수 수단(112)으로 도관(111)을 통해 통과된다. 하나 이상의 발효 생성물의 적어도 일부는 투과물 및/또는 블리드 스트림으로부터 제거된다. 임의의 실시양태에서, 생성물 회수 수단은 증류 수단이다. 생성물 감손 스트림은 생성물 감손 스트림의 하나 이상의 성분을 제거하기 위해 처리 모듈(114)로 도관(113)을 통해 통과한다. 처리 모듈(114)은 혐기성 소화 수단, 호기성 소화 수단 또는 여과 수단 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 임의의 실시양태에서, 바이오매스 및/또는 단백질의 적어도 일부는 처리 모듈에 의해 제거된다. 처리 모듈(114)로부터 배출되는 처리 스트림은 생물반응기(101)로 통과한다.
임의의 실시양태에서 생성물 감손 스트림은, 생성물 감손 스트림 처리 모듈로 통과하기 전에 생성물 감손 스트림으로부터 하나 이상의 산의 제거를 위한 추가의 처리 단계를 겪는다. 임의의 실시양태에서, 생물반응기로 통과한 처리 스트림은 실질적으로 산을 함유하지 않는다.
본 발명의 임의의 실시양태에서, 처리 스트림은 임의의 정화 모듈(116)을 통과하여 정화 스트림을 제공한다. 정화 모듈은 다음 모듈 중 하나 이상을 포함할 수 있다: 유기물 제거 모듈, 무기물 제거 모듈, 알코올 회수 모듈, 바이오매스 제거 모듈, 여과기 모듈, 산 제거 모듈, 또는 멸균 모듈.
임의의 실시양태에서, 추가의 영양분, 금속 및 B-비타민은, 처리 투과물이 생물반응기(101)로 통과하기 전에 처리 스트림에 가해진다. 다른 실시양태에서, 추가의 영양분, 금속 및 B-비타민은, 처리 스트림이 생물반응기로 통과한 후 생물반응기에 가해진다. 도 2에 나타낸 본 발명의 실시양태에 따라서, 생물반응기를 포함하는 발효 시스템이 제공된다. 본 발명의 방법에 따라서, 액체 영양물 배지는 생물반응기(201)에 투입구(205)를 통해 연속적으로 또는 반-연속적으로 제공될 수 있다. 분리기(208)는 생물반응기로부터 브로쓰(203)의 적어도 일부를 제1의 배출 도관(207)을 통해 수용하여 조정되며 이를 발효 브로쓰의 나머지(투과물)로부터 미생물 세포(잔류물)을 실질적으로 분리하도록 구성된 분리기(208)를 통과한다. 잔류물의 적어도 일부는, 브로쓰 배양물 밀도가 최적 수준에서 유지되도록 보증하는 제1의 복귀 도관(209)을 통해 제1의 생물반응기로 되돌려진다. 분리기(208)는 생물반응기(202) 밖의 투과물 스트림의 적어도 일부를 투과물 전달 도관(210)을 통해 통과시키도록 조정된다. 실질적으로 세포 유리된 투과물은 생성물 추출을 위한 투과물 제거 도관(210)을 통해 제거되어, 재순환되거나 처리된다. 블리드 스트림 배출구(206)는 생성물 추출을 위해 생물반응기로부터 브로쓰를 직접 제거하여, 재순환되거나 처리되도록 제공된다.
하나의 실시양태에서, 생물반응기(201)는 미생물 생성물의 생산 및 또한 연속 접종물의 생장을 촉진하도록 구성된다. 당해 실시양태에서, 블리드 스트림은 블리드 배출구(206)는 통해 생물반응기를 통과해나온다. 생물반응기에서 배출되는 블리드 스트림 및 투과물 스트림은 합해지며 합해진 스트림은 생성물 회수 수단(212)으로 도관(211)을 통해 통과한다. 하나 이상의 발효 생성물의 적어도 일부는 투과물 및/또는 블리드 스트림으로부터 제거된다. 임의의 실시양태에서, 생성물 회수 수단은 증류 수단이다. 생성물 감손 스트림은 혐기성 소화 모듈(214)로 통과된다. 임의의 실시양태에서 바이오매스 및/또는 단백질의 적어도 일부는 혐기성 소화 모듈에 의해 제거된다. 임의의 실시양태에서 메탄 및 이산화탄소를 포함하는 기체성 스트림은 혐기성 소화 공정의 부산물로서 생산된다. 임의의 실시양태에서 기체성 스트림이 포획되어 탄소, 에너지 또는 열 공급원으로서 사용된다. 기체성 스트림 속의 메탄은 개질되어 생물반응기로 다시 통과하는 일산화탄소 기질을 제공할 수 있다. 달리는, 메탄은 동력 생성을 위해 기체 터빈으로 통과한다. 달리는, 메탄은 증류 공정의 직접적인 또는 간접적인 가열을 위해 강철 보일러로 통과된다.
처리 모듈(214)로부터 배출되는 처리 스트림은 정화 모듈(216)을 통과하여 정화 스트림을 제공한다. 정화 모듈(216)은 다음의 모듈 중 하나 이상을 포함할 수 있다: 유기물 제거 모듈, 무기물 제거 모듈, 알코올 제거 모듈, 바이오매스 제거 모듈, 여과기 모듈, 산 제거 모듈, 또는 멸균 모듈. 정화 스트림은 생물반응기(201)로 통과된다.
임의의 실시양태에서, 추가의 영양분, 금속 및 B-비타민은, 정화 스트림이 생물반응기(201)로 통과하기 전에 처리 스트림에 첨가된다. 다른 실시양태에서, 추가의 영양분, 금속 및 B-비타민은, 정화 스트림이 생물반응기로 통과한 후 생물반응기에 첨가된다.
도 3은 본 발명의 하나의 실시양태에 따른 2개의 반응기 시스템을 나타낸다. 도 2를 참조하면, 제1의 분리기(308)를 통해 제2 생물반응기(302)에 연결된 제1의 생물반응기(301)를 포함하는 발효 시스템이 제공된다. 본 발명의 방법에 따라서, 액체 영양 배지는 생물반응기(301)에 투입구(305)를 통해 연속적으로 또는 반-연속적으로 제공될 수 있다. 제1의 분리기(308)는 제1의 생물반응기로부터 브로쓰(303)의 적어도 일부를 제1의 배출구 도관(307)을 통해 수용하여 이를 발효 브로쓰의 나머지(투과물)로부터 미생물 세포(잔류물)의 일부를 분리하도록 구성된 분리기(308)를 통과하도록 조정된다. 잔류물의 적어도 일부는, 브로쓰 배양물 밀도가 최적의 수준에서 유지되도록 보증하는 제1의 복귀 도관(309)을 통해 제1의 생물반응기로 되돌려진다. 분리기(308)는 제2의 발효 브로쓰(321)에 첨가하기 위해 제2의 생물반응기(302)로 투과물 전달 도관(310)을 통해서 투과물의 적어도 일부가 통과하도록 조정한다.
당해 실시양태에서, 제1의 생물반응기(301)는 미생물 생성물의 생산 및 또한 제2의 생물반응기(302)내로 블리드 스트림 배출물(306)을 통해 직접 통과되는 연속 접종물의 생장을 촉진하도록 구성된다. 발효 동안, 브로쓰 배양물 밀도는 미생물 세포의 적어도 일부를 잔류물로서 도관(325) 및 (327) 및 제2의 분리기(326)를 통해 재순환시킴으로써 유지된다. 실질적으로 세포 유리 투과물은, 재순환되거나 처리되는, 생성물 추출을 위해 투과물 제거 도관(328)을 통하여 제거된다. 제2의 블리드 스트림 배출물(324)은, 재순환되거나 처리되는, 생성물 추출을 위해 제2의 생물반응기로부터 블리드 스트림을 직접 제거하도록 제공된다.
본 발명의 하나의 실시양태에 따라서, 제2의 생물반응기(302)에서 배출되는 투과물 및 제2의 블리드 스트림은 합해져서 합해진 스트림을 제공한다. 합해진 스트림은 이후에 도 1 및 2에 제공된 설명에 따라 진행된다. 본 발명에 따라서, 하나 이상의 제2의 생물반응기가 제공되며, 여기서 알코올 및 임의로 산을 포함하는 투과물의 적어도 일부는 제1의 생물반응기로부터 분리기를 통해 제2의 생물반응기로 통과한다. 발효 생성물을 함유하고 바람직한 부산물을 거의 함유하지 않는 투과물을 제2의 생물반응기로 통과시키고 잔류물을 제1의 생물반응기에 보유시킴으로써, 브로쓰 배양물 밀도가 유지될 수 있으며 브로쓰 배양물 생장이 필요할 경우 우선적으로 처리될 수 있다.
본 발명의 특정 실시양태에 따라서, 제2(또는 추가의) 분리기는 브로쓰의 적어도 일부를 수용하여 발효 브로쓰(투과물)의 나머지로부터 미생물 세포(잔류물)을 분리하도록 조정된다. 분리기는 브로쓰 배양물을 보충하고 유지하기 위하여 잔류물의 적어도 일부를 브로쓰로 다시 통과하도록 조정된다. 특정 실시양태에서, 투과물의 적어도 일부는 시스템으로부터 제거됨으로써 추가의 시스템으로 통과되거나 공지된 방법에 따라서 생성물이 추출될 수 있다.
임의의 실시양태에서, 제1의 생물반응기로부터의 브로쓰의 일부는 제2의 생물반응기로 직접 통과한다. 이의 일부는 본원에서 제1의 블리드 스트림(6)으로 언급된다. 제2의 생물반응기로 통과되는 투과물에 대한 블리드 스트림의 비의 조절을 사용하여 제1 및/또는 제2의 생물반응기 속에서 배양물 밀도를 조절할 수 있다. 추가의 실시양태에서, 제2의 생물반응기로부터 브로쓰의 일부를 시스템으로부터 제거하여 추가의 시스템에 통과하거나 생성물이 공지된 방법에 따라 추출되도록 할 수 있다. 제2의 생물반응기로부터 제거되는 투과물에 대한 블리드 스트림의 비를 사용하여 제2의 생물반응기 속의 배양물 밀도를 조절할 수 있다. 배양물 밀도의 조절은 미생물 생장, 생성물 수율, 또는 작동의 다른 바람직한 방식을 위한 생물반응기의 최적화를 가능하도록 한다.
특정 실시양태에서, 제2의 생물반응기의 적어도 하나에서 배출되는 투과물 및 블리드 스트림을 수집한다. 합해진 스트림은 이후에 처리하여 바이오매스 및 단백질 및 다른 오염물질을 제거한다. 합해진 스트림은 이후에 하나 이상의 알코올(들) 및 임의로 산(들)을 회수하기 위한 증류 체임버로 통과시킨다. 알코올 감손 스트림을 여과하고/하거나 소화시키고 배출되는 처리 투과물을 이후에 주요 생물반응기로 통과시킨다. 임의의 실시양태에서, 처리 투과물은 하나 이상의 스트림으로 분할될 수 있으며 1차 생물반응기 및 2차 생물반응기 중의 하나 이상으로 통과될 수 있다.
특정 실시양태에서, 처리 투과물 스트림은, 처리 투과물이 하나 이상의 생물반응기로 통과하기 전에 추가의 영양분, 금속 및/또는 비타민과 함께 제공된다. 임의의 실시양태에서, 영양분, 금속 및/또는 비타민은, 처리 투과물이 상기 생물반응기로 통과하기 전에 생물반응기에 첨가된다.
임의의 실시양태에서 하나 이상의 생물반응기로 통과되는 처리 투과물은 5g/L 미만의 아세테이트, 또는 4g/L 미만의 아세테이트, 또는 3g/L 미만, 또는 2g/l 미만의 아세테이트, 또는 1g/L 미만의 아세테이트의 농도에서 아세테이트를 함유하거나, 실질적으로 아세테이트를 함유하지 않는다.
공지된 시스템에서, 보다 높은 비율의 CO-함유 기질 배출물이 생물반응기에서 사용되는 경우, 보다 높은 상대적인 알코올 생산이 달성될 수 있으나 브로쓰 배양물의 생장 및 아세테이트의 생산은 감소되며, 이는 배양물의 건강에 부정적으로 영향을 미친다. 이는 생장의 결여로 인하여 브로쓰 배양물 속에서 미생물 세포 집단의 붕괴를 초래할 수 있다. 본 발명자들은, 증가하는 브로쓰 매양물 밀도가 사용될 CO-함유 기질의 보다 높은 배출률을 허용하고 증가된 생성물 수율을 생성함을 밝혀내었다.
본 발명에 따라서, 당해 방법은 최적의 미생물 생장을 위한 제1의 생물반응기 속에서 발효 브로쓰 속에 CO를 포함하는 기질의 발효, 이후에 발효 브로쓰의 적어도 일부를 분리기를 통해 최적의 알코올 생산을 위해 구성된 제2의 생물반응기로 통과시킴을 포함한다. 특정 실시양태에서, 제2의 생물반응기 속의 알코올 생산 속도는 제1의 생물반응기 속에서의 속도보다 실질적으로 더 크거나 동일하다.
특정 실시양태에서, 제1의 생물반응기는 연속적인 접종 생물반응기로서 작용하도록 구성되며, 여기서 발효 조건은 미생물 생장 및 임의로 알코올 생산을 실질적으로 촉진한다. 미생물 생장을 위한 최적 조건은 30g/L 미만; 또는 25g/L 미만; 또는 20g/L 미만; 또는 15g/L 미만; 또는 10g/L 미만의 발효 브로쓰의 낮은 알코올 조건에서 발생하는 것으로 고려된다. 이러한 알코올 수준을 유지하기 위하여, 발효는 전형적으로 연속적으로 작동하며, 여기서 미생물 생장을 위해 필수적인 하나 이상의 필수 영양분, 예를 들어, 질소, 인, 칼륨, 황, B-비타민 및 미량의 금속을 함유하는 영양 배지를 제1의 생물반응기에 연속적으로 또는 반-연속적으로 공급한다. 본 발명에 따라서, 브로쓰의 일부를 분리기로 제거하고 잔류물 또는 이의 일부를 제1의 생물반응기로 재순환시킨다. 달리는, 또는 추가로, 브로쓰를 생물반응기로부터 블리드 스트림으로서 제거하고 제2의 생물반응기로 통과시킬 수 있다. 경로 하나 또는 둘 다를 통한 브로쓰의 제거는 최적의 생장 속도가 유지되도록 한다. 추가의 실시양태에서, 제1의 생물반응기로 도입되는 영양 배지의 희석 속도 조절하여 최적의 미생물 생장을 촉진할 수 있다.
본 발명의 특정 실시양태에서, 제2의 생물반응기의 작동 조건은 알코올 생산을 위해 구성된다. 따라서, 하나 이상의 제2의 생물반응기에서, 알코올 생산율은 적어도 대략 70g/L/d, 적어도 대략 100g/L/d; 적어도 대략 150g/L/d; 적어도 대략 180g/L/d; 적어도 대략 200g/L/d; 적어도 대략 230g/L/d의 발효 브로쓰이다. 그러나, 특정 실시양태에서, 생물반응기(또는 모든 생물반응기) 둘 다에 걸친 전체 알코올 생산율은 제1의 생물반응기에서의 생산율과 실질적으로 동일하다.
알코올이 제2의 생물반응기(들)속에서 축적됨에 따라, 알코올 생산의 비속도(미생물 세포의 단위 질량당 알코올 생산의 부피 속도)은 미생물 세포의 물질대사가 감소함에 따라 감소한다. 미생물 배양물은 제2의 생물반응기 속에서, 보다 낮은 속도이지만, 계속 생장할 것이다. 본 발명에 따라서, 제2의 생물반응기로부터 브로쓰의 일부는 미생물 세포를 포함하는 잔류물을 제공하는 분리기로 통과된다. 잔류물은 제2의 생물반응기로 재순환되어 브로쓰 배양 밀도를 증가시키거나 유지시킴으로써 이는 제1의 생물반응기 속의 알코올 생산의 부피 속도과 실질적으로 동일하거나 이보다 높은 알코올 생산의 부피속도을 달성하기에 충분한 속도이다.
특정 실시양태에서, 정체상 발효 동안에, 발효 브로쓰는 제1의 생물반응기로부터 분리기를 통해 연속적으로 제공될 것이거나 알코올 농도가 증가된 블리드 스트림 및 브로쓰는 제2의 생물반응기(들)로부터 연속적으로 제거됨으로써, 실질적으로 일정한 부피이 제2의 생물반응기(들)로부터 유지되도록 할 것이다.
제1의 생물반응기 및 제2의 생물반응기(들)의 크기 및 양은 각각의 발효를 최적화하도록 선택될 수 있다. 그러나, 하나의 실시양태에서, 하나의 제1의 생물반응기 및 다수의 보다 작은 제2의 생물반응기가 제공된다. 다른 실시양태에서, 다수의 제1의 생물반응기 및 다수의 유사한 크기의 제2의 생물반응기가 제공된다.
특정 실시양태에서, 제2의 생물반응기(들)은 연속적, 반연속적, 공급물 배취식 또는 배취식 방식으로 작동하도록 구성된다.
추가의 실시양태에서, 당해 방법은 제1 또는 제2의 투과물 및 제2 또는 제2의 블리드 스트림의 적어도 일부를 제1 또는 제2의 생물반응기로 재순환시킴을 포함한다.
상기 국면 중의 어느 것의 특정 실시양태에서, 당해 방법은 제1 또는 제2의 분리기로부터 제1 또는 제2의 생물반응기로의 재순환 전 또는 동안에 제1 또는 제2의 투과물 및 제1 및 제2의 블리드 스트림의 적어도 일부의 처리를 추가로 포함한다. 예를 들면, 처리는 투과물 및 브로쓰 스트림으로부터 독성 및/또는 억제성 생성물을 포함하는 오염물질의 제거로 이루어질 수 있다. 투과물 및 블리드 스트림으로부터 제거된 성분은 바이오매스, 단백질, 하나 이상의 알코올, 및 하나 이상의 산, 하나 이상의 무기물 성분을 포함할 수 있다. 처리는 투과물 및/또는 블리드 스트림에 첨가되어 이것이 생물반응기로 되돌려지기 전에 영양 배지를 보충하는 추가의 성분 또는 영양분(예를 들면, B 비타민)의 보충을 추가로 포함할 수 있다. 또한, 투과물 및/또는 블리드 스트림의 pH는 생물반응기로 되돌려지기 전에 조정하여 생물반응기내 브로쓰의 pH를 변화시키거나 유지할 수 있다.
일산화탄소 발효
본 발명의 임의의 실시양태는 하나 이상의 산업 공정에 의해 생산된 기체 스트림을 사용하기 위해 조정된다. 이러한 공정은 강철 제조 공정, 특히 높은 CO 함량 또는 지배적인 수준(즉, 5%) 초과의 CO 함량을 갖는 기체 스트림을 생산하는 공정을 포함한다. 이러한 실시양태에 따라서, 아세트산생성 세균을 바람직하게 사용하여 산 및/또는 알코올, 특히 에탄올 또는 부탄올을 하나 이상의 생물반응기 속에서 생산한다. 당해 분야의 숙련자는, 본 발명이 내연 기관이 장착된 교통 수단(vehicle)의 폐가스 스트림을 포함하는, 다양한 산업 또는 폐 기체 스트림에 적용될 수 있다는 것을 본 개시 내용을 고려시 인식할 것이다. 또한, 당해 분야의 숙련자는, 본 발명이 동일하거나 상이한 미생물을 사용하는 것들을 포함하는 다른 발효 반응에 적용할 수 있다는 것을 본 개시 내용을 고려시 인식할 것이다. 따라서, 본 발명의 범위는 기술된 특정 실시양태 및/또는 적용에 한정되지 않고, 대신에 광범위한 의미에서 이해되어야 하며, 예를 들어, 기체 스트림의 공급원이 제한되지 않으며, 적어도 이의 성분 이외의 다른 것을 이용하여 발효 반응에 공급할 수 있다. 본 발명은 특히 CO를 포함하는 기체 기질로부터 에탄올 및 다른 알코올의 생산 및/또는 전체적인 탄소 포획을 개선시키기 위한 특정한 적용 가능성을 갖는다. 기체 기질로부터 에탄올 및 다른 알코올을 생산하기 위한 공정은 알려져 있다. 예시적인 공정은 예를 들면, 제WO2007/117157호, 제WO2008/115080호, 제WO2009/022925호, 제WO2009/064200호, 제US 6,340,581호, 제US 6,136,577호, 제US 5,593,886호, 제US 5,807,722호 및 제US 5,821,111호에 기술된 것들을 포함하며, 이들 각각은 본원에 참조로 포함된다.
다수의 혐기성 세균이 CO의 n-부탄올 및 에탄올을 포함하는 알코올, 및 아세트산으로의 발효를 수행할 수 있는 것으로 공지되어 있으며 본 발명의 공정에서 사용하기에 적합하다. 본 발명에서 사용하기에 적합한 이러한 세균의 예는 제 WO 00/68407호, 제EP 117309호, 미국 특허 제5,173,429호, 제5,593,886호, 및 제6,368,819호, 제WO 98/00558호 및 제WO 02/08438호에 기술된 것들을 포함하는, 클로스트리디움 정달리이의 균주, 클로스트리디움 카복시디보란스( Clostridium carboxydivorans)(참조: Liou et al., International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology 33: pp 2085-2091), 클로스트리디움 라그스달레 이( Clostridium ragsdalei )(참조: WO/2008/028055) 및 클로스트리디움 오토에타노게눔( Clostridium autoethanogenum )(참조: Abrini et al, Archives of Microbiology 161: pp 345-351)와 같은 클로스트리디움 속의 것들을 포함한다. 다른 적합한 세균은 무렐라 아종 HUC22-1(참조: Sakai et al, Biotechnology Letters 29: pp 1607-1612)을 포함하는 무렐라 속의 것들, 및 카복시도써무스(Carboxydothermus)(참조: Svetlichny, V.A., Sokolova, T.G. et al (1991), Systematic and Applied Microbiology 14: 254-260) 속의 것들을 포함한다. 추가의 예는 무렐라 써모아세티카(Moorella thermoacetica), 무렐라 써모오토트로피카(Moorella thermoautotrophica), 루미노코쿠스 프로둑투스(Ruminococcus productus), 아세토박테리움 우디이(Acetobacterium woodii), 에우박테리움 리모숨(Eubacterium limosum), 부티리박테리움 메틸로트로피쿰(Butyribacterium methylotrophicum), 옥소박터 펜니기이(Oxobacter pfennigii), 메타노사르키나 바르케리(Methanosarcina barkeri), 메타노사르키나 아세티보란스(Methanosarcina acetivorans), 데설포토마쿨룸 쿠즈네초비이(Desulfotomaculum kuznetsovii)(참조: Simpa et. al. Critical Reviews in Biotechnology, 2006 Vol. 26. Pp41-65)를 포함한다. 또한, 다른 아세트산생성 혐기성 세균도 당해 분야의 당업자가 이해할 수 있는 바와 같이 본 발명에 적용가능할 수 있다. 본 발명은 2개 이상의 세균의 혼합된 배양물에 적용될 수 있음이 또한 인식될 것이다.
본 발명에 사용하기에 적합한 하나의 예시적인 미생물은 클로스트리디움 오토에타노게늄이다. 하나의 실시양태에서, 클로스트리디움 오토에타노게늄은 확인 기탁 번호 제19630호하에 생물학적 물질에 대한 독일 자원 센터(German Resource Centre for Biological Material: DSMZ)에 기탁된 균주의 확인 특성을 갖는 클로스트리디움 오토에타노게늄이다. 다른 실시양태에서, 클로스트리디움 오토에타노게늄은 DSMZ 기탁번호 제DSMZ 10061호 또는 제DSMZ 23693호의 확인 특성을 가진다. 당해 세균의 실험실 균주는 LZ1561로 공지되어 있다.
본 발명의 방법에 사용된 세균의 배양은 혐기성 세균을 사용하여 기질을 배양 및 발효하기 위해 당해 분야에 공지된 어떠한 수의 공정도 사용하여 수행할 수 있다. 예시적인 기술은 하기 "실시예" 단락에서 제공된다. 추가의 실시예로서, 일반적으로 발효를 위한 기체 기질을 사용하는 다음의 문헌에 일반적으로 기술된 공정들이 이용될 수 있으며, 이들 문헌 모두는 본원에 참조로 포함된다: (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). Bioreactors 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.
발효는 하나 이상의 연속식 교반 탱크 반응기(CSTR), 고정된 세포 반응기(들), 기체-부양 반응기들(gas-lift reactor), 버블 컬럼 반응기들(bubble column reactor)(BCR), 막 반응기(들), 예를 들면, 중공 섬유막 생물반응기(HFMBR) 또는 낙수층 반응기들 (trickle bed reactor : TBR)과 같은 어떠한 적합한 생물반응기에서도 수행할 수 있다. 또한, 본 발명의 일부 실시양태에서, 생물반응기(들)는, 미생물이 배양되는 제1의 생장 반응기, 및 생장 반응기로부터의 발효 브로쓰가 공급되고 발효 생성물(예를 들면, 에탄올 및 아세테이트)의 대부분이 생성되는 제2의 발효 반응기를 포함할 수 있다 특정 실시양태에서, 제2의 생물반응기는 제1의 생물반응기와는 상이하다.
본 발명의 다양한 실시양태에 따라서, 발효 반응의 탄소 공급원은 CO를 함유하는 기체 기질이다. 당해 기질은 산업 공정의 부산물로서, 또는 자동자 매연으로부터와 같은 다른 공급원으로부터 수득된 CO-함유 폐 기체일 수 있다. 임의의 실시양태에서, 산업 공정은 강철 분쇄, 비-철 생성물 제조, 석유 정제 공정, 석탄의 기체화, 전기력 생산, 카본 블랙 생산, 암모니아 생산, 메탄올 생산 및 코스스 제조와 같은 철 금속 생성물 제조로 이루어진 그룹 중에서 선택된다. 이들 실시양태에서, CO-함유 기질은 어떠한 통상의 방법을 사용하여, 이것이 대기로 방출되기 전에 산업 공정으로부터 포획할 수 있다. CO-함유 기질의 조성물에 따라서, 이를 또한 발효에 도입하기 전에 이를 처리하여 분진 입자와 같은 어떠한 바람직하지 않은 불순물을 제거하는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들어, 기체 기질은 공지된 방법을 사용하여 여과하거나 문질러 세척할 수 있다.
대안적으로, CO-함유 기질은 바이오매스의 기체화로부터 공급될 수 있다. 기체화 공정은 공기 또는 산소의 제한된 공급에서 바이오매스의 부분적 연소를 포함한다. 수득되는 기체는 전형적으로 주로 CO 및 H2와, 최소 부피의 CO2, 메탄, 에틸렌 및 에탄을 포함한다. 예를 들어, 사탕수수로부터의 당, 또는 옥수수 또는 낱알로부터의 전분, 또는 산림 산업으로 생성된 비-식량 바이오매스와 같은 사료의 추출 및 가공 동안 수득된 바이오매스 부산물을 기체화하여 본 발명에서 사용하기에 적합한 CO-함유 기체를 생산할 수 있다.
CO-함유 기질은 전형적으로 적어도 약 20부피% 내지 약 100부피%의 CO, 43부피% 내지 95부피%의 CO, 60부피% 내지 90부피%의 CO, 및 70부피% 내지 90부피%의 CO와 같은 CO를 포함한다. 특정 실시양태에서, 당해 기질은 25부피%, 또는 30부피%, 또는 35부피%, 또는 40부피%, 또는 45부피%, 또는 50부피%의 CO를 포함한다. 6%와 같이, CO의 농도가 보다 낮은 기질이, 특히 H2 및 CO2가 또한 존재하는 경우에 적절할 수 있다.
기질이 어떠한 수소를 함유하는 것은 필수적이지 않지만, H2의 존재는 본 발명의 방법에 따른 생성물 형성에 유해하지 않아야 한다. 특정 실시양태에서, 수소의 존재는 알코올 생산의 개선된 전체 효능을 생성한다. 예를 들어, 특정 실시양태에서, 기질은 대략 2:1, 또는 1:1, 또는 1:2 비의 H2:CO를 포함할 수 있다. 다른 실시양태에서, 기질 스트림은 2% 내지 13%의 H2의 농도를 포함한다. 다른 실시양태에서, 기질 스트림은 저 농도의 H2, 예를 들면, 5% 미만, 또는 4% 미만, 또는 3% 미만, 또는 2% 미만, 또는 1% 미만을 포함하거나, 실질적으로 수소를 포함하지 않는다. 기질은 또한 예를 들면, 약 1부피% 내지 약 80부피%의 CO2, 또는 1부피% 내지 약 30부피%의 CO2와 같은 일부 CO2를 함유할 수 있다. 특정 실시양태에서, 기질 스트림은 CO2를 포함하고 CO를 최소로 포함하거나 포함하지 않는다.
전형적으로, 일산화탄소는 발효 반응에 기체 상태로 첨가될 것이다. 그러나, 본 발명의 방법은 이러한 상태의 기질의 첨가에 한정되지 않는다. 예를 들어, 일산화탄소는 액체로 제공될 수 있다. 예를 들어, 액체는 일산화탄소 함유 기체로 포화될 수 있고 이러한 액체는 생물반응기에 첨가된다. 이는 표준 방법을 사용하여 달성할 수 있다. 예로서, 마이크로버블 분산 생성기(참조: Hensirisak et. al. Scale-up of microbubble dispersion generator for aerobic fermentation; Applied Biochemistry and Biotechnology Volume 101, Number 3 / October, 2002)를 본 목적에 사용할 수 있다.
세균의 생장 및 CO에서 알코올 발효의 생장이 일어나도록 하기 위해, CO 함유 기질 기체 외에, 적합한 액체 영양 배지가 생물반응기에 공급 되는게 필요할 것으로 인식될 것이다. 영양 배지는 사용된 미생물의 생장을 허용하기에 충분한 비타민 및 무기물을 함유할 것이다. 유일한 탄소 공급원으로서 CO를 사용한 에탄올의 발효에 적합한 혐기성 배지는 당해 분야에 공지되어 있다. 예를 들어, 적합한 배지는 위에 언급된 미국 특허 제5,173,429호 및 제5,593,886호 및 제WO 02/08438호, 제WO2007/117157호, 제WO2008/115080호, 제WO2009/022925호, 제WO2009/058028호, 제WO2009/064200호, 제WO2009/064201호 및 제WO2009/113878호에 기술되어 있다. 본 발명은 발효 공정에서 미생물의 생장 및/또는 알코올 생산을 지지하는데 있어서 효능이 증가된 신규 배지를 제공한다. 이 배지는 이후 보다 상세히 설명될 것이다.
발효는 바람직하게는 바람직한 발효가 일어나기에 적절한 조건(예를 들면, 미생물 생장 및/또는 에탄올 생산) 하에 바람직하게 수행되어야 한다. 고려되어야 하는 반응 조건은 압력, 온도, 기체 유동 속도, 액체 유동 속도, 배지 pH, 배지 산화환원 잠재능, 교반 속도(연속식 교반 탱크 반응기를 사용하는 경우), 접종 수준, 액체 상 속의 CO가 제한되지 않도록 보증하는 최대 기체 기질 농도, 및 생성물 억제를 피하는 최대 생성물 농도를 포함한다. 적합한 조건은 제WO02/08438호, 제WO07/117157호, 제WO08/115080호 및 제WO2009/022925호에 설명되어 있다.
최적의 반응 조건은 사용된 특수 미생물에 부분적으로 의존할 것이다. 그러나, 일반적으로, 발효를 주위압보다 높은 압력에서 수행하는 것이 바람직하다. 증가된 압력에서의 작동은 기체상으로부터 이것이 미생물에 의해 에탄올 생산용 탄소 공급원으로서 취해지는 액체상으로의 CO 전달 속도에 있어서의 유의적인 증가를 허용한다. 이는 궁극적으로, 보유 시간(투입 기체 유동 속도로 나눈 반응기 속의 액체 부피로 정의됨)은, 생물반응기가 대기압보다는 승압에서 유지되는 경우 감소될 수 있다.
또한, 제공된 CO 대 에탄올 전환속도가 부분적으로 기질 보유 시간의 함수이고, 바람직한 보유 시간을 달성하는 것이 궁극적으로 생물반응기의 요구되는 부피로 해석되므로, 가압 시스템의 사용은 요구되는 생물반응기의 부피, 및 후속적으로 발효 장비의 자본 비용을 크게 감소시킬 수 있다. 미국 특허 제5,593,886호에 제공된 실시예에 따라서, 반응기 부피는 반응기 작동 압력에 있어서의 증가에 대해 선형 비율로 감소될 수 있는데, 즉, 10 대기압에서 작동하는 생물반응기는 1 대기압에서 작동하는 것의 부피의 단지 1/10만을 필요로 한다.
승압에서 기체 대 에탄올 발효를 수행하는 이점은 또한 어디에든 설명되어 있다. 예를 들면, 제WO 02/08438호는 30psig 및 75psig의 압력하에서 수행하여, 각각 150g/l/일 및 369g/l/일의 에탄올 생산성을 제공하는 기체 대 에탄올 발효를 설명하고 있다. 그러나, 유사한 배지 및 투입 기체 조성물을 대기압에서 수행한 예시적인 발효는 1일당 1리터당 10 내지 20배 사이 미만의 에탄올을 생산하는 것으로 밝혀졌다.
또한, CO-함유 기체 기질의 도입속도는, 액체 상 속의 CO의 농도가 제한되지 않도록 보증하도록 하는 것이 바람직할 수 있다. 이는, CO-제한된 조건의 결과가, 아세테이트 생산이 증가하거나 에탄올 생산이 감소하는 것일 수 있기 때문이다.
생성물 회수
발효 반응의 생성물은 공지된 방법을 사용하여 회수될 수 있다. 예시적인 방법은 제WO07/117157호, 제WO08/115080호, 제US 6,340,581호, 제US 6,136,577호, 제US 5,593,886호, 제US 5,807,722호 및 제US 5,821,111호에 설명된 것들을 포함한다. 그러나, 요약해서 예에 의하면, 에탄올은 분획 증류 또는 증발, 및 추출성 발효와 같은 방법에 의해 발효 브로쓰로부터 회수될 수 있다.
발효 브로쓰로부터 에탄올의 증류로 에탄올 및 물(즉, 95% 에탄올 및 5% 물)의 공비 혼합물을 수득한다. 무수 에탄올은 분자 체(molecular sieve) 에탄올 탈수 기술의 사용을 통해 후속적으로 수득될 수 있으며, 이는 또한 당해 분야에 잘 공지되어 있다.
추출성 발효 과정은 발효 유기체에 대한 저 독성 위험을 나타내고, 희석 발효 브로쓰로부터 에탄올을 회수하기 위한 수-혼화성 용매의 사용을 포함한다. 예를 들어, 올레일 알코올은 이러한 유형의 추출 공정에서 사용될 수 있는 용매이다. 올레일 알코올은 발효기내로 연속 도입되며, 여기서 당해 용매는 연속적으로 추출되어 원심분리를 통해 공급되는 발효기의 상단에 층을 형성한다. 이후에 물 및 세포는 올레일 알코올로부터 용이하게 분리되어 발효기로 돌아가는 동안 에탄올에 채워진 용매(ethanol-laden solvent)는 섬광 증발 장치에 공급된다. 대부분의 에탄올이 증발되어 농축되는 동안 올레일 알코올은 비-휘발성이고 발효시 재사용을 위해 회수된다.
발효 반응에서 부산물로서 생산되는 아세테이트는 또한 당해 분야에 공지된 방법을 사용하여 발효 브로쓰로부터 회수될 수 있다.
예를 들어, 활성탄 여과기를 포함하는 흡수 시스템을 사용할 수 있다. 이 경우, 미생물 세포를 우선 발효 브로쓰로부터 적합한 분리 장치를 사용하여 제거하는 것이 바람직하다. 생성물 회수를 위한 세포 유리된 발효 브로쓰를 생성하는 다수의 여과-계 방법은 당해 분야에 공지되어 있다. 이후에 세포 유리된 에탄올- 및 아세테이트-함유 투과물은 활성탄을 함유하는 컬럼을 통과시켜 아세테이트를 흡수시킨다. 염(아세테이트)보다는 산 형태(아세트산)의 아세테이트는 활성탄에 의해 보다 용이하게 흡수된다. 따라서, 발효 브로쓰의 pH를 이것이 활성탄 컬럼을 통과하기 전에 약 3 미만으로 감소시켜 대부분의 아세테이트를 아세트산 형태로 전환시키는 것이 바람직하다.
활성탄에 흡수된 아세트산은 당해 분야에 공지된 방법을 사용하여 용출로 회수할 수 있다. 예를 들어, 에탄올을 사용하여 결합된 아세테이트를 용출시킬 수 있다. 임의의 실시양태에서, 발효 공정 자체에 의해 생산된 에탄올을 사용하여 아세테이트를 용출시킬 수 있다. 에탄올의 비등점은 78.8℃이고 아세트산의 비등점은 107℃이며, 에탄올 및 아세테이트는 증류와 같은 휘발성에 기초한 방법을 사용하여 서로 용이하게 분리될 수 있다.
발효 브로쓰로부터 아세테이트를 회수하기 위한 다른 방법은 또한 당해 분야에 공지되어 있으며 본 발명의 방법에서 사용될 수 있다. 예를 들어, 미국 특허 제6,368,819호 및 제6,753,170호는 발효 브로쓰로부터 아세트산의 추출을 위해 사용될 수 있는 용매 및 공용매 시스템을 기술하고 있다. 에탄올의 추출 발효를 위해 기술된 올레일 알코올-계 시스템의 예로써, 미국 특허 제6,368,819호 및 제6,753,170호에 기술된 시스템은 아세트산 생성물을 추출하기 위하여 발효된 미생물의 존재 또는 부재하에 발효 브로쓰와 혼합될 수 있는 수 비혼화된 용매/공용매를 기술하고 있다. 이후에, 아세트산 생성물을 함유하는 용매/공-용매는 증류에 의해 브로쓰로부터 분리된다. 이후에, 제2의 증류 단계를 사용하여 용매/공-용매 시스템으로부터 아세트산을 정제할 수 있다.
발효 반응의 생성물(예를 들면, 에탄올 및 아세테이트)은 발효 생물반응기로부터 브로쓰의 일부를 연속 제거하고, 미생물 세포를 브로쓰로부터 (편리하게는 여과에 의해) 분리하고, 하나 이상의 생성물을 브로쓰로부터 동시에 또는 연속적으로 회수함으로써 발효 브로쓰로부터 회수할 수 있다. 에탄올의 경우에, 이는 증류에 의해 편리하게 회수될 수 있으며, 아세테이트는 위에서 기술된 방법을 사용하여, 활성탄에서의 흡수에 의해 회수될 수 있다. 분리된 미생물 세포는 바람직하게는 발효 생물반응기로 되돌려진다. 에탄올 및 아세테이트가 제거된 후 남아있는 세포 유리된 투과물은 또한 발효 생물반응기로 되돌려질 수 있다. 추가의 영양물(B 비타민과 같음)을 세포 유리된 투과물에 가하여 이를 생물반응기로 되돌리기 전에 영양물 배지를 보충할 수 있다. 또한, 브로쓰의 pH가 위에서 기술된 바와 같이 조절되어 활성탄에 대한 아세트산의 흡수를 향상시키는 경우, pH는 생물반응기로 되돌리기 전에, 발효 생물반응기 속의 브로쓰의 pH와 유사한 pH로 재조절되어야 한다.
이산화탄소 및 수소 기질을 이용한 발효
본 발명은 기체기질, 예컨데 CO2 및 H2를 함유하는 산업용 연료 기체로부터 아세테이트 및 에탄올의 생산을 지지하기 위한 특정 적용 가능성을 갖는다. 한가지 이러한 유형의 기체 스트림은 수소 생산 공장으로부터의 테일기체(tailgas)이며, 이는 전형적으로 50 내지 60%의 CO2, 20 내지 30%의 H2, 5 내지 15%의 CO, 및 5 내지 15%의 CH4를 함유한다. CO2 및 H2가 풍부한 테일 기체를 생성하는 다른 산업 공정은 암모니아 제조이다. 유사한 스트림은 석유, 석탄, 및 바이오매스와 같은 임의의 탄소계 공급 원료의 공정으로부터 생산된다. 본 발명은 또한 대안적인 알코올을 생산하는 반응에 적용가능하다.
기체 기질로부터 에탄올 및 다른 알코올을 생산하기 위한 공정은 공지되어 있다. 예시적인 공정은 예를 들면, 제WO2007/117157호, 제WO2008/115080호, 제US 6,340,581호, 제US 6,136,577호, 제US 5,593,886호, 제US 5,807,722호 및 제US 5,821,111호에 기술된 것들을 포함하며, 상기 문헌 각각은 참고로 본 명세서에 포함된다.
다수의 혐기성 세균이 CO2 및 H2의 에탄올을 포함하는 알코올, 및 아세트산으로의 발효를 수행할 수 있는 것으로 공지되어 있으며 본 발명의 공정에서 사용하기에 적합하다. 아세트산생성은 H2, CO2 및 CO를 우드-룽달 경로(Wood-Ljungdahl pathway)에 의해 아세트산, 에탄올 및 다른 발효 생성물을 포함하는 생성물로 전환시키는 능력을 갖는다. 본 발명에서 사용하기에 적합한 이러한 세균의 예는 아세토박테리움 우디이(Acetobacterium woodii)(참조: Demler, M., Weuster-Botz, "Reaction Engineering Analysis of Hydrogenotrophic Production of Acetic Acid by Acetobacterum Woodii ", Biotechnology and Bioengineering, Vol. 108, No. 2, February 2011)의 균주와 같은 아세토박테리움 속의 것들을 포함한다.
아세토박테리움 우디이는 CO2 및 H2를 포함하는 기체 기질의 발효에 의해 아세테이트를 생산하는 것으로 밝혀졌다. 부쉬호른(Buschhorn) 등은 인산염 제한을 사용한 글루코즈 발효시 에탄올을 생산하는 에이 우디이의 능력을 입증하였다.
다른 적합한 세균은 무렐라 아종(Moorella sp) HUC22-1(참조: Sakai et al, Biotechnology Letters 29: pp 1607-1612), 및 카복시도써무스(Carboxydothermus)(참조: Svetlichny, V.A., Sokolova, T.G. et al (1991), Systematic and Applied Microbiology 14: 254-260)의 것들을 포함하는 무렐라 속의 것들을 포함한다. 추가의 예는 무렐라 써모아세티카(Morella thermoacetica), 무렐라 써모오토트로피카(Moorella thermoautotrophica ), 무미노코쿠스 프로덕투스(Ruminococcus productus ), 아세토박테리움 우디이(Acetobacterium woodii), 유박테리움 리모숨(Eubacterium limosum), 부티리박테리움 메틸로트로피쿰(Butyribacterium methylotrophicum), 옥소박터 프펜니기이(Oxobacter pfennigii), 메타노사르키나 바르케리(Methanosarcina barkeri), 메타노사르키나 아세티보란스(Methanosarcina acetivorans), 데설포토마쿨룸 쿠츠네토마쿨룸(Desulfotomaculum kuznetsovii)(참조: Simpa et. al. Critical Reviews in Biotechnology, 2006 Vol. 26. Pp41-65)을 포함한다. 또한, 다른 아세트산생성 혐기성 박테리아가 당업자에게 이해될 수 있는 바와 같이 본 발명에 적용가능할 수 있음을 이해하여야 한다. 또한 본 발명은 2 이상의 세균의 혼합 배양에도 적용될 수 있다는 것이 이해될 것이다.
본 발명에서 사용하기에 적합한 하나의 예시적인 미생물은 확인 기탁번호 제DSM 1030호 하에 생물학적 물질에 대한 독일 자원 센터(German Resource Centre for Biological Material: DSMZ)에 기탁된 균주의 확인 특성을 갖는 아세토박테리움 우디이이다.
본 발명의 방법에 사용된 세균의 배양은 혐기성 박테리아를 사용하여 기질을 배양하고 발효시키기 위한 당해 분야에 공지된 임의 수의 공정을 사용하여서도 수행할 수 있다. 예시적인 기술은 하기 " 실시예 " 단락에서 제공된다. 추가의 예로서, 이 공정들은 일반적으로 발효가 사용될 수 있는 기체 기질을 사용하는 하기 문헌들에 기술되어 있다: M. Demler and D.Weuster-Botz (2010). Reaction Engineering Analysis of Hydrogenotropic Production of Acetic Acid by Acetobacterium woodii . Biotechnology and Bioengineering 2010; D.R. Martin, A. Misra and H. L. Drake (1985). Dissimilation of Carbon Monoxide to Acetic Acid by Glucose-Limited Cultures of Clostridium thermoaceticum. Applied and Environmental Microbiology, Vol 49, No. 6, pages 1412-1417. 전형적으로, 발효는 연속식 교반 탱크 반응기(CTSR), 버블 컬럼 반응기(BCR) 또는 낙수층 반응기(TBR)와 같은 어떠한 적합한 생물반응기 속에서도 수행된다. 또한, 본 발명의 일부 실시양태에 따라서, 생물반응기는, 미생물이 배양되는 제1의 생장 반응기, 및 생장 반응기로부터의 발효 브로쓰가 공급되고 대부분의 발효 생성물(에탄올 및 아세테이트)가 생산되는 제2의 발효 반응기를 포함할 수 있다.
CO2 및 H2 함유 기질
바람직하게는 발효용 탄소 공급원은 수소와 조합인 이산화탄소를 포함하는 기체 기질일 수 있다. 유사하게, 기체 기질은 산업 공정의 부산물로서, 또는 일부 다른 공급원으로부터 수득된 CO2 및 H2를 함유하는 폐 기체일 수 있다. 전세계적으로 CO2 배출의 최대 공급원은 전력 공장, 산업 시설 및 다른 공급원에서의 석탄, 오일 및 기체와 같은 화석 연료의 연소로부터 유래한다.
기체 기질은 자동차 매연으로부터와 같은 일부 다른 공급원으로부터, 또는 산업 공정의 부산물로서 수득된 CO2 및 H2-함유 폐 기체일 수 있다. 임의의 실시양태에서, 산업 공정은 수소 제조, 암모니아 제조, 연료의 연소, 석탄의 기체화, 및 석회석 및 시멘트의 생산으로 이루어진 그룹으로부터 선택된다. 기체 기질은 배합된 스트림을 제공하기 위한 하나 이상의 기체 기질의 배합 결과일 수 있다. H2 속에 풍부하거나 CO2 속에 풍부한 폐 기체 스트림은 H2 또는 CO2 둘 다 풍부한 폐 기체 스트림보다 더 풍부함이 당해 분야의 당업자에게 이해될 것이다. 당업자는, CO2 및 H2의 바람직한 성분 중의 하나를 포함하는 하나 이상의 기체 스트림을 배합하는 것이 본 발명의 영역내에 속할 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
수소가 풍부한 기체 스트림은 탄화수소의 수증기 개질, 특히 천연 기체의 수증기 개질을 포함하는 각종 공정으로 생산된다. 석탄 또는 탄화수소의 부분적 산화는 또한 수소가 풍부한 기체의 공급원이다. 수소가 풍부한 기체의 다른 공급원은 다양한 정유소 및 화학 스트림으로부터 염소를 생성하기 위해 사용되는 전해조로부터의 부산물, 물의 전기분해를 포함한다.
이산화탄소 속에 전형적으로 풍부한 기체 스트림은 탄화수소, 예컨대 천연 기체 또는 오일의 연소로부터의 배기 기체를 포함한다. 이산화탄소는 또한 암모니아, 석회 또는 포스페이트의 생산으로부터 및 천연 이산화탄소 웰로부터 부산물로서 생산된다.
스트림의 배합
상기 언급한 바와 같이, 산업 폐 스트림을 하나 이상의 추가의 스트림과 배합하여 발효 반응의 효율, 산 및/또는 알코올 생산 및/또는 전체적인 탄소 포획을 개선시키는 것이 바람직할 수 있다.
따라서, 산업 스트림이 고 CO2 함량을 갖지만, H2를 최소로 포함하거나 포함하지 않는 경우, 배합된 기질 스트림을 발효기에 제공하기 전에, H2를 포함하는 하나 이상의 스트림과 CO2를 포함하는 폐 스트림을 배합하는 것이 바람직할 수 있다. 발효의 전체적인 효율, 알코올 생산성 및/또는 전체적인 탄소 포획은 배합된 스트림 속에서 CO2 및 H2의 화학양론에 의존적일 것이다. 그러나, 특정한 실시양태에서 배합된 스트림은 실질적으로 CO2 및 H2를 적어도 1:2, 적어도 1:4 또는 적어도 1:6 또는 적어도 1:8 또는 적어도 1:10의 몰 비로 포함할 수 있다.
스트림의 배합은 또한, CO2 및/또는 H2가 천연에서 간헐적인 경우에 추가의 장점을 가질 수 있다. 예를 들어, CO2 및/또는 H2를 포함하는 간헐적인 폐 스트림은 CO2 및/또는 H2를 포함하는 실질적으로 연속식 스트림과 배합되어 발효기에 제공될 수 있다. 본 발명의 특수 실시양태에서, 실질적으로 연속식 스트림의 조성 및 유동 속도는 실질적으로 연속식 조성물의 기질 스트림 및 발효기로의 유동 속도의 제공을 유지하기 위하여 간혈적인 스트림에 따라 변할 수 있다.
2개 이상의 스트림을 배합하여 바람직한 조성을 달성하는 것은 모든 스트림의 다양한 유동 속도를 포함할 수 있거나, 스트림 중의 하나 이상을 일정하게 유지시키면서 다른 스트림(들)을 변화시켜 기질 스트림을 바람직한 조성물에 대해 "조절(trim)"하거나 최저적화한다. 연속적으로 가공되는 스트림의 경우, 추가의 처리(완충화와 같음)는 거의 필수적이지 않거나 불필요할 수 있으며 스트림은 발효기에 직접 제공될수 있다. 그러나, 하나 이사이 간헐적으로 이용가능하고/하거나 스트림이 연속적으로 이용가능하지만, 다양한 비율로 사용되고/되거나 생산되는 스트림에 대해 완충제 저장을 제공하는 것이 필수적일 수 있다.
당해 분야의 당업자는 배합 전에 스트림의 조성 및 유동 속도를 모니터링하는 것이 필수적일 것이다. 배합된 스트림의 조성의 조절은 성분 스트림의 비율을 변화시켜 표적 또는 바람직한 조성을 달성함으로써 달성할 수 있다. 예를 들어, 기본 부하 기체 스트림은 주로 CO2일 수 있으며, 고 농도의 H2를 포함하는 제2 기체 스트림을 배합하여 특정 H2:CO2 비를 달성할 수 있다. 배합된 스트림의 조성 및 유동 속도는 당해 분야에 공지된 어떠한 수단으로도 모니터링할 수 있다. 배합된 스트림의 유동 속도는 배합 작동과는 독립적으로 조절될 수 있으나; 개개 구성 성분 스트림이 제거될 수 있는 속도는 제한적으로 조절되어야만 한다. 예를 들어, 완충제 저장으로부터 간헐적으로 생산되고, 연속적으로 제거된 스트림은, 완충제 저장능이 감손되지 않거나 용량에 채워지지 않는 속도로 제거되어야만 한다.
배합 시점에, 개별 구성 성분 기체는 혼합 챔버(mixing chamber)로 도입될 것이며, 이는 전형적으로 작은 용기, 또는 파이프의 부분일 것이다. 이러한 경우에, 용기 또는 파이프에는, 난류 및 개별 성분의 빠른 균질화를 촉진하도록 배열된, 배플(baffle)과 같은 정적 혼합 장치와 함께 제공될 수 있다.
배합 스트림의 버퍼 저장소는 또한 필요에 따라 제공되어, 실질적으로 연속식 기질 스트림의 생물반응기로의 제공을 유지할 수 있다.
구성 성분 스트림의 조성 및 유량을 모니터링하고 스트림의 배합을 적절한 비율로 조절하여, 요구되거나 바람직한 배합물을 달성하기 위해 조정된 프로세서는 당해 시스템 내로 임의로 도입될 수 있다. 예를 들어, 특정 성분이 요구되거나 이용가능한 방식으로 제공되어 알코올 생산성 및/또는 전체적인 탄소 포획의 효율을 최적화할 수 있다.
본 발명의 임의의 실시양태에서, 당해 시스템은 적어도 2개의 스트림의 유량 및 조성을 연속적으로 모니터링하여 이를 합함으로써 최적 조성의 단일 배합 기질 스트림을 생성하도록 조정하고, 최적화된 기질 스트림을 발효기로 이동시키는 수단이다.
비 제한적 실시예로서, 본 발명의 특정 실시양태는 CO2의 공급원으로서 석회 또는 세멘트 생산으로부터 이산화탄소 기체의 활용을 포함한다. 전형적으로, 이러한 스트림은 H2를 거의 함유하지 않거나 함유하지 않으므로, CO2를 포함하는 스트림을 H2를 포함하는 스트림과 합하여 보다 바람직한 CO2:H2 비를 달성하는 것이 바람직할 수 있다. H2는 흔히 코크 오븐(coke oven) 속의 강철 밀(steel mill)에서 대량으로 생산된다. 따라서, H2를 포함하는 코크 오븐으로부터의 폐 스트림은 CO2를 포함하는 석회 가마 폐 스트림과 배합하여 바람직한 조성을 달성할 수 있다.
배합되어 CO2/H2 기질 스트림을 형성할 수 있는 CO2 및/또는 H2의 다른 공급원은 암모니아 및 요소 합성을 포함한다.
기체 기질은 또한 자동차 매연으로부터와 같은 일부 다른 공급원으로부터 수득된 CO2 및/또는 H2-함유 폐 기체일 수 있다. 이들 실시양태에서, CO2 및 H2-함유 기체는 대기 속에 방출되기 전에 어떠한 통상의 방법을 사용하여 산업 공정으로부터 포획할 수 있다. 기체성 CO2 및 H2 함유 기질의 조성에 따라, 이를 처리하여 이를 발효에 도입시키기 전에 먼지 입자와 같은 어떠한 바람직하지 않은 불순물도 제거하는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들어, 기체 기질은 공지된 방법을 사용하여 여과하거나 스크러빙(scrub)될 수 있다.
CO2 및 H2 함유 기질은 또한, 탄수화물 또는 기체가 발효되어 에탄올과 같은 생성물을 형성하는 발효 공정으로부터 공급될 수 있다. 예를 들어, 클로스트리디움 속으로부터의 미생물에 의해 CO를 포함하는 기체 기질의 혐기성 발효는 에탄올을 포함하는 생성물의 생산을 생산한다. CO2 및 임의로 수소는 발효 반응의 부산물이다.
본 발명의 일부 실시양태에서, CO2를 포함하는 기질은 탄소 함유 폐기물, 예를 들면, 산업 폐기 기체 또는 다른 폐기물의 기체화로부터 유래된다. 이와 같이, 본 발명의 방법은 또한 환경으로 배출될 수 있는 탄소를 포획하기에 효과적인 공정을 나타낸다. 임의의 실시양태에서, 당해 방법은 산 및/또는 알코올과 같은 유용한 생성물로 전환시킴으로써 CO2를 포획하기 위한 개선된 공정을 제공한다.
C02 및 H2 함유 기질은 전형적으로 대부분의 H2, 예를 들면, 적어도 약 30부피%의 H2, 또는 적어도 40 부피%의 H2, 또는 적어도 50부피%의 H2, 또는 적어도 60부피%의 H2, 또는 적어도 70부피%의 H2, 또는 적어도 80부피%의 H2, 또는 적어도 85부피%의 H2를 함유할 것이다.
기체 기질은 전형적으로 적어도 약 10부피%의 CO2, 또는 적어도 15부피%의 CO2, 또는 적어도 20부피%의 CO2, 또는 적어도 25부피%의 CO2, 또는 적어도 30부피%의 CO2, 또는 적어도 40부피%의 CO2를 함유할 것이다.
다른 기체 성분으로부터 CO2를 분리하는 방법은 잘 주지되어 있다. 분리 기술은 3개의 일반적인 범주: 연소 후, 연소 전 및 순산소(oxyfuel)로 분류될 수 있다. 연소 후 기술은 연소 후 연도 기체로부터 CO2를 흡수하는 용매를 사용한다. 한다. 연소 전 기술은 탄화수소 기체화 및 물-전환 반응과 같은 잘 공지된 공정을 사용하여 공급 연료로부터 CO2를 분리하고, 나머지 수소 기체를 연료로 사용한다. 순산소 공장은 공기를 연소 체임버 속의 순수한 산소로 교체한다. 순수한 산소로 연소하는 경우, 탄화수소는 거의 순수한 CO2 스트림 및 증기를 방출하여, CO2의 최종적인 분리를 촉진한다.
탄화수소 스트림이 다수의 공정을 통과하여 CO2 및 H2를 포함하는 기질을 생산할 수 있다는 것은, 당해 분야의 당업자에게 이해될 것이다. 예를 들면, 본 발명의 하나의 국면에 따라서 탄화수소 스트림(CH4)은 증기 메탄 개질기(Steam Methane Reformer)를 통과하여 적어도 CO 및 H2를 포함하는 기체 스트림을 생산하며; 당해 기체 스트림은 이후에 수성 기체 전환 반응(Water Gas Shift reaction)을 거쳐 CO, CO2 및 H2를 포함하는 기질을 생산한다. 기질은 압력 스윙 흡착기(Pressure Swing Adsorber: PSA)를 통과시켜 기체의 적어도 일부를 분리한다. 하나 초과의 PSA 단계를 사용하여 기체 스트림의 상이한 성분의 분리를 가능하게 할 수 있다는 것을 이해할 수 있다.
숙련된 수신자가 이해할 수 있는 바와 같이, 기질의 CO2 성분 및 기체 증기의 H2 성분은 별도의 공급원으로부터 기원할 수 있다. CO2 성분은 이산화탄소가 전형적으로 풍부한 산업 폐기 기체 스트림으로부터 기원할 수 있으며, 대안의 공급원으로부터의 수소는 CO2와 배합되어 조성이 바람직한 CO2 및 H2 기질을 생산한다. 공지된 분리 기술을 사용하여 각각의 산업 폐기 기체의 원하는 성분을 분리할 수 있으며, 원하는 성분은 함께 배합되어 CO2 및 H2를 포함하는 기질을 형성할 수 있다.
통상적으로, 이산화탄소는 기체 상태에서 발효 반응에 첨가될 것이다. 그러나, 본 발명의 방법은 이 상태의 이산화탄소의 첨가에 한정되지 않는다. 이산화탄소는 물에 용이하게 용해 가능하다. 실온에서, CO2의 용해도는 물 100ml당 약 90cm3의 CO2이다. 이산화탄소는 수용액 속에 많은 형태로 존재한다. 수용액에 첨가되는 경우, CO2는 용해된다.
CO2(g) → CO2(aq)
이후 용해된 CO2와 탄산수소염 사이의 평형이 형성된다:
CO2 + H2O (l) ↔ H+ + HCO3
이후 탄산수소염는 해리된다:
HCO3 - ↔ H+ + CO3 2 -
수용액 속에 존재하는 다양한 형태의 이산화탄소의 양은 용액의 pH, 및 또한 압력 및 온도 조건을 포함하는 인자들에 의존한다. 용액 속의 다른 이온의 존재는 또한 용액 속에 존재하는 상이한 형태의 이산화탄소의 양에 영향을 미칠 수 있다.
당업자는, 이산화탄소가 발효에 수성 형태로 제공될 수 있음을 이해할 것이다. 당업자는 또한, CO2를 발효 반응에 기체 형태 및 수성 형태로 제공할 수 있다는 것을 이해할 것이다.
반응 화학량론
혐기성 세균은 아세틸-CoA 생화학적 경로를 통해 CO, CO2 및 H2로부터 에탄올 및 아세트산을 생산하는 것이 입증되어 왔다.
아세토박테리움 우디이를 포함하는 아세트산생성 세균에 의해 H2 및 CO2를 포함하는 기질로부터 아세테이트를 형성시키기 위한 화학량론은 다음과 같다(참조: Balch et al., 1977):
4H2 + 2CO2 -> CH3COOH + 2H20.
세균의 생장 및 산 및/또는 CO2 및 H2 알코올 발효가 일어나도록 하기 위해, CO2 및 H2-함유 기질 기체 외에, 적합한 액체 영양 배지를 생물반응기에 공급하는 것이 요구될 것이다. 영양 배지는 사용된 미생물의 생장을 허용하기에 충분한 비타민 및 광물을 함유할 것이다. 유일한 탄소 공급원으로서 CO2를 사용한 아세테이트 및/또는 에탄올의 발효에 적합한 혐기성 배지는 당해 분야에 공지되어 있다. 예를 들어, 적합한 배지는 미국 특허 제5,807,722호 및 제6,340,581호에 기술되어 있다. 본 발명은 발효 공정에서 미생물의 생장 및/또는 알코올 생산을 지지하는데 있어서 증가된 효능을 갖는 신규 배지를 제공한다. 당해 배지는 이후 보다 상세히 기술될 것이다.
발효는 바람직하게는 아세테이트 및/또는 에탄올로의 CO2 및 H2 발효가 발생하기에 적절한 조건하에서 수행하는 것이 바람직할 수 있다. 고려되어야 하는 반응 조건은 압력, 온도, 기체 유동 속도, 액체 유동 속도, 배지 pH, 배지 산화환원 잠재능, 교반 속도(연속식 교반 탱크 반응기를 사용하는 경우), 접종 수치, 액체상 속의 CO2가 제한되지 않도록 보장하는 최대 기체 기질 농도, 및 생성물 억제를 피하기 위한 최대 생성물 농도를 포함한다. 적합한 조건은 WO02/08438호, WO07/117157호 및 WO08/115080호에 기술되어 있다.
최적 반응 조건은 사용된 특정 미생물에 부분적으로 의존할 것이다. 그러나, 일반적으로, 발효를 주위압보다 높은 압력에서 수행하는 것이 바람직하다. 증가된 압력에서의 작동은 기체상으로부터 액체상으로의 CO2 이동 속도에 있어서의 유의적인 증가를 허용하며, 여기서 이는 에탄올의 생산을 위한 탄소 공급원으로서 미생물에 의해 취해질 수 있다. 이는 궁극적으로, 생물반응기가 주위압보다 상승된 압력에서 유지되는 경우 보유시간(생물반응기 속의 액체 부피를 투입 기체 유동 속도로 나누어 정의됨)이 감소될 수 있음을 의미한다.
CO2 및 H2 함유 기체 기질의 도입 속도는, 액상 속의 CO2 및 H2의 농도가 제한되지 않도록 보증하는 것이 바람직하다. 이는, CO2 및 H2-제한된 조건의 결과가, 에탄올 생성물이 배양에 의해 소모되는 것일 수 있기 때문이다.
세균의 가장 빠른 생장을 위한 최적 온도, 및 아세테이트의 최대 생산 속도는 발효기를 상이한 온도점 범위에서 가동함으로써 측정하였다. 발효기는 초기에 30℃에서 가동되었으며, 당해 온도는 다수의 상이한 온도로 증가되었다. 놀랍게도, 세균의 가장 빠른 생장을 위한 최적 온도는 적어도 32℃, 또는 적어도 33℃, 또는 적어도 34℃, 또는 적어도 35℃, 또는 적어도 36℃인 것으로 발견되었다.
실시예
폐기물 재순환 특허를 위한 방법 및 물질
배지 :
Figure pct00001
세균: 란자테크 스톡(Lanzatech stock)으로부터의 클로스트리디움 오토에타노게늄( Clostridium autoethanogenum ) (LZ1561).
생물반응기 속의 발효:
2-리터 반응기에 모든 금속, 인산, 상기 표에 정의된 B-비타민 용액 및 3g/L의 아세트산암모늄을 함유하는 1.5L의 배지로 채웠다. 이후에 이 배지를 '실제 분쇄 기체'(대략 50%의 CO, 20%의 CO2, 28%의 N2 및 2%의 H2)를 사용하여 탈기시켰다. 0.5M Na2S 또는 0.12M (NH4)2SO3(pH 6.0)를 0.2 mL/h의 속도에서 가하여 접종 전에 배지 내로 황을 전달하였다. ORP(AgCl2)를 대략 2g/L의 바이오매스를 사용한 종균 연속적인 수행 종균발효기부터 200mL의 배양물로 접종하기 전에 0.2M Cr2 +을 사용하여 -200 mV로 추가로 조절하였다. 상부공간내에서 pH, ORP, 기체 흡수 및 H2S를 다음 시간에 걸쳐 면밀히 모니터링하여 성공적으로 개시하였다.
pH는 배양물로의 기체의 최적 전달을 유지함을 통해 조절하고 5M NH4OH를 통해 자동 pH 조절(5.0에서)에 의해 추가로 백업하였다. 처음 24시간 동안 배양물은 배취식 발효(batch ferment)이며 이후 2 내지 3의 희석 속도를 달성하기 위한 속도에서 전달하는 동시에 Na2S 또는 (NH4)2SO3, 나머지 금속 및 발포방지제(antiform)를 적절한 비율로 전달하여 연속식 방식으로 변환시킨다.
연속식 발효 시스템은 세포 재순환을 포함하거나 포함하지 않을 수 있다. 공극 크기가 0.1㎛인 중공 섬유 막 카트리지를 세포 재순환을 위해 사용한다. 반응기를 2- 또는 3-발효기 시스템에 연결하는 경우 세포 순환 및 폐기물로부터 생성되는 투과물은 하부스트림 발효기로 직접 이전된다. 따라서, 투과물과 폐기물 사이의 비율은 조정된 (dialled) 유동 속도를 기준으로 추정치로 남는다.
시료채취 및 분석 과정:
배양물의 시료를 하루에 4회 취하여 분광광도계를 사용하여 광학 밀도(600nm에서의 흡광도)를 측정하였다. 동일한 시료로부터 분취량을 HPLC(제조원: Agilent) 분석을 위해 할당하여 에탄올, 아세트산, 2,3-부탄디올, 락트산 및 인산을 정량화하였다. 도입 및 배출되는 기체 스트림의 기체 조성을 마이크로 GC(제조원: Varian)에서 시간 간격으로 분석하여 상이한 기체 및 모니터 기체(CO) 소비를 정량화하였다.
실시예 1 - 2-반응기 시스템에서 투과물의 재순환
투과물은 여과물을 배지 유입 속도의 대략 50%의 속도에서 제거하는 중공 여과막을 통해 연속적으로 발효 브로쓰를 순환시킴으로써 수득한다. 반응기(1)로부터의 폐기물 및 투과물 둘 다가 반응기(2)로 공급되는 발효기 둘 다에서 재순환하는 셀이 장착된 2개의 발효기 시스템 중의 반응기(2)로부터의 투과물을 수집하였다. 투과물을 증류시키고 여과기를 통해 여과하였다. 증류 공정 동안에 에탄올 및 용해된 단백질을 제거하는 반면, 아세트산 및 2,3-부탄디올은 투과물 속에 남는다. LS03 B-비타민 용액을 가하였다(20 mL/L 염 및 금속을 신선한 배지의 제조를 위해 행한 바와 같이 첨가하였다). 이러한 증류 투과물을 이후에 2개의 발효기 시스템 중 반응기(1)에 다시 공급하였다. 초기에는 반응기 수행에 있어서 명백한 변화가 관찰되지 않았다. 증류 투과물의 공급을 시작한 후, 아세트산의 생산 속도에 있어서의 저하가 관찰되었다. 실험은 240시간 동안 지속하였다. 발효기 둘 다에서 세균의 생존능은 실험의 어떠한 단계에서도 영향받지 않았다. 9일째에 기체 흡수가 발효기 둘 다에서 감소하기 시작하였다. 일반적으로, 수소 흡수는 최초에/대부분 명백하게 영향을 받았다. 10일째에, "제2 라운드 투과물"이 생물반응기로 공급되었다. 제2 라운드 투과물은, 반응기가 위에서 기술된 증류 투과물에서 수행하는 동안 수집 투과물이다.
발효기(1) 및 (2)에서 대사물 농도는 도 4 및 도 8에 각각 나타낸다. 아세트산 및 에탄올 생산율은 각각 도 5 및 도 9에 나타낸다. 발효기(1) 및 (2)에서 기체 흡수는 각각 도 6 및 도 10에 나타낸다. 도 7 및 도 11 각각은 제1 및 제2의 발효기 속에서의 세포 생존능을 나타낸다.
실시예 2 - 2 반응기 시스템에서 폐기물 및 투과물의 재순환(100% 재순환)
당해 실험에서 2 반응기 시스템의 반응기(2)로부터의 투과물 및 폐기물(1/1의 비율)은 100% 배지 재순환 실험을 위해 수집하였다. 폐기물을 75℃로 가열한 후 밤새 침전시켜서 바이오매스/단백질을 제거하였다. 침전 폐기물 및 투과물을 증류하여 에탄올을 제거하였다. 당해 실험에서 황 공급원으로서 Na2S는 Na2S를 농축된 H3PO4로 흘려서 교체하고 수득되는 H2S는 발효기내로의 기체 투입을 사용하여 수행하였다. 이는 폐기물 속의 나트륨 부하(Sodium load)를 감소시키며 가공 폐기물을 발효기로 다시 되돌리는 경우 가능한 문제로서 과량의 나트륨을 제거시킨다.
도 12에 나타낸 바와 같이, 발효기(1)에서 에탄올 생산 속도는 재순환 배지를 공급한 후 초기에 증가한 후 안정화된다. 아세트산 생산은 즉시 감소된 후, 음성 비율에서 안정적이다(7g/L의 아세트산 농도를 함유한 배지는 7g/L의 아세트산을 공급하는 동안 5g/L의 아세트산으로 떨어진다).
바이오매스는 실험 동안, 아마도 희석 속도의 증가로 인하여 손실된다. 바이오매스는 재순환 투과물을 공급한지 3일 후 초기 밀도 7.5g/L로부터 5.2g/L로 떨어진다(도 14). 희석 속도는 이들 3일 동안 증가하였다. 투과물 펌프의 속도는 상응하게 조절되지 않을 수 있다. 이는 아마도, 도 12에 나타낸 바와 같은 기체 흡수의 감소를 설명한다. 제1의 수소 흡수는 서서히 감소하며 이것이 임계값을 통과하면 CO 흡수는 또한 신속하게 감소하기 시작한다. 이 시점에서 실험을 중지하였고 정상 배지를 다시 공급하였다.
본원의 독자가 본 발명을 과도한 실험없이 실시할 수 있도록 하기 위해서, 본 발명을 본원에서 임의의 바람직한 실시양태를 참조하여 기술하였다. 당해 분야의 숙련자는, 본 발명이 구체적으로 기술된 것들과 다르게 변화 및 변형되기 쉽다는 것을 이해할 것이다. 본 발명은 모든 이러한 변화 및 변형을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 표제, 제목 등은 본 명세서의 독자의 이해를 증진시키기 위해 제공되며 본 발명의 범위를 한정하는 것으로 해석되어서는 안된다. 위에서 그리고 하기에 인용된 모든 특허출원, 특허 및 공보의 전체 개시내용은, 존재하는 경우, 본원에 참조로 포함된다.
본 명세서에서 어떠한 선행 기술에 대한 참조는, 그 선행 기술이 세계의 어느 나라에서 활동 분야에서의 통칭의 일반적인 개념의 일부를 형성한다. 인식 또는 어떠한 형태의 제안도 아니며, 이로써 고려되어서는 안된다.
본 명세서 및 다음의 어떠한 청구범위를 통해, 내용이 달리 요구하지 않는 한, 단어 "포함하다", "포함하는" 등은 배타적인 의미와 반대되는 포괄적인 의미로 구성되어야 하는데, 즉, 이는 "포함하나 제한되지 않는"의 의미로 구성되어야 한다.

Claims (15)

  1. CO를 포함하는 기질의 미생물 발효 시 탄소 포획을 개선시키는 방법으로서,
    h) 하나 이상의 미생물의 배양물을 포함하는 생물반응기 속에서, CO를 포함하는 기체 기질을 발효시켜 하나 이상의 생성물을 포함하는 발효 브로쓰를 생산하는 단계;
    i) 상기 생물반응기로부터, 상기 발효 브로쓰의 적어도 일부를 블리드 스트림(bleed stream)을 통해 통과시키는 단계;
    j) 상기 생물반응기로부터 투과물 스트림(permeate stream)의 적어도 일부를 통과시키는 단계;
    k) 상기 블리드 스트림 및/또는 투과물 스트림으로부터 하나 이상의 생성물의 적어도 일부를 제거하여 생성물 감손 스트림(product depleted stream)을 제공하는 단계;
    l) 상기 생성물 감손 스트림을 정화 모듈에 통과시켜 처리 스트림(treated stream)을 제공하는 단계로서, 바이오매스, 단백질들, 유기 성분들, 또는 무기 성분들로 이루어진 군으로부터 선택된, 상기 생성물 감손 스트림의 하나 이상의 성분 중의 적어도 일부가 상기 생성물 감손 스트림으로부터 제거되는, 상기 처리 스트림을 제공하는 단계; 및
    m) 상기 처리 스트림의 적어도 일부를 상기 생물반응기에 통과시키는 단계를 포함하는, 방법.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 하나 이상의 생성물이 알코올 또는 산인 방법.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 하나 이상의 생성물이 에탄올, 아세트산 또는 2,3-부탄디올로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 방법.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서, 단계 (d)에서 제거된 상기 하나 이상의 생성물의 적어도 일부가 증류 공정에 의해 제거되는 방법.
  5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서, 상기 정화 모듈이 혐기성 소화 모듈을 포함하는 방법.
  6. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서, 상기 정화 모듈이 바이오매스 제거 모듈, 유기 성분 제거 모듈, 무기 성분 제거 모듈, 산 제거 모듈 또는 멸균 모듈 중의 적어도 하나를 포함하는 방법.
  7. 청구항 5에 있어서, 상기 혐기성 소화 모듈이 메탄 및 이산화탄소를 포함하는 기체 기질을 생산하는 방법.
  8. 청구항 7에 있어서, 상기 혐기성 소화에 의해 생산된 상기 메탄이 메탄이 탄소 공급원, 열 공급원 또는 에너지 공급원으로서 사용되는 방법.
  9. 청구항 7 또는 청구항 8에 있어서, 상기 메탄을 개질하여 CO를 생산하는 공정; 투과물 및/또는 블리드 스트림으로부터의 하나 이상의 생성물의 상기 제거를 위한 증류 공정의 직접적인 또는 간접적인 가열 공정; 가스 터빈을 사용한 전력 생성 공정으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나의 공정에서 사용되는 방법.
  10. 청구항 1 내지 청구항 9 중 어느 한 항에 있어서, 상기 스트림을 상기 생물반응기에 되돌리기 전에, 상기 블리드 스트림 및/또는 투과물 스트림 중의 하나 이상의 성분이 감소되는 방법.
  11. 청구항 1 내지 청구항 10 중 어느 한 항에 있어서, 처리 스트림 또는 정화 스트림을 상기 생물반응기에 되돌리기 전에, 액체 영양 배지의 하나 이상의 성분이 상기 처리 또는 정화 스트림에 첨가되는 방법.
  12. 청구항 11에 있어서, 상기 생물반응기가 2 반응기 시스템인 방법.
  13. 청구항 1 내지 청구항 12 중 어느 한 항에 있어서, 상기 발효가 연속식 발효인 방법.
  14. 청구항 1 내지 청구항 13 중 어느 한 항에 있어서, 상기 블리드 스트림 및/또는 투과물의 포획 및 처리가 연속식 공정인 방법.
  15. 청구항 1 내지 청구항 14 중 어느 한 항에 있어서, 상기 미생물이 아세토박테리움 우디이(A. woodii)이고; 상기 기체 기질이 CO2 및 H2이며; 그리고 상기 하나 이상의 생성물이 아세트산인 방법.
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