KR20150102857A - 합성가스 발효 동안의 에탄올 농도 관리 - Google Patents

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Abstract

합성가스 발효 동안 에탄올 농도를 관리하기 위한 방법이 제공된다. 합성가스 발효를 위한 방법은 배지를 접종하여 접종 배지를 제공하는 것을 포함한다. 접종 배지는 합성가스와 접촉되고, 세포 및 배지가 제거되고 분리되어, 농축된 세포 및 투과물이 제공된다. 에탄올이 투과물로부터 분리되어 에탄올 및 에탄올 감소 수성 스트림이 제공된다. 에탄올 감소 수성 스트림은 발효물에 되돌아간다.

Description

합성가스 발효 동안의 에탄올 농도 관리 {MANAGEMENT OF ETHANOL CONCENTRATION DURING SYNGAS FERMENTATION}
본 출원은 그 전체가 본원에 참조로 포함되는 2011 년 12 월 12 일에 출원한 미국 가출원 번호 61/569,355 에 대해 우선권을 주장한다.
합성가스를 합성하는 동안 에탄올 농도를 관리하기 위한 방법이 제공된다. 보다 구체적으로, 발효기로부터 세포 및 배지가 제거되며 원하는 에탄올 농도를 유지하기에 효과적인 속도로, 에탄올 감소 수성 스트림이 발효기에 되돌아간다.
혐기성 미생물은 가스 기질의 발효를 통해 일산화탄소 (CO) 로부터 에탄올을 생성시킬 수 있다. 클로스트리디움 (Clostridium) 속으로부터의 혐기성 미생물을 사용하는 발효로, 에탄올 및 기타 유용한 생성물이 만들어진다. 예를 들어, 미국 특허 제 5,173,429 호는 합성 가스로부터 에탄올 및 아세테이트를 생성시키는 혐기성 미생물인 클로스트리디움 융달리 (Clostridium ljungdahlii) ATCC 번호 49587 을 기재하고 있다. 미국 특허 제 5,807,722 호는 클로스트리디움 융달리 ATCC 번호 55380 을 사용하여 폐가스를 유기산 및 알코올로 전환시키기 위한 방법 및 장치를 기재하고 있다. 미국 특허 제 6,136,577 호는 클로스트리디움 융달리 ATCC 번호 55988 및 55989 를 사용하여 폐가스를 에탄올로 전환시키기 위한 방법 및 장치를 기재하고 있다.
CO 는 종종 합성가스의 형태로 가스 기질의 일부로서 발효에 제공된다. 일산화탄소 및 수소를 포함하는 발생로 가스 또는 합성 가스 (synthesis gas) 또는 합성가스 (syngas) 가 생성되도록 하는 탄소질 물질의 가스화가 당업계에 널리 알려져 있다. 통상 이러한 가스화 과정은, WO 2009/154788 에서 기재된 바와 같이 반-화학량론적 양의 산소가 가스화 과정에 공급되어 일산화탄소의 생성을 촉진시키는 탄소질 물질의 부분 산화 또는 공기 부족 (starved-air) 산화를 포함한다.
에탄올 농도는 발효 동안 증가한다. 특정 수준의 에탄올은 억제성이 되며 반응기 고장 또는 생산성 감소를 초래한다. 에탄올 제거와 원하는 세포 밀도 수준 및 에탄올 생산성 유지의 균형을 잡기에 효과적인 방법이 필요하다.
발명의 개요
합성가스 발효 방법은, 배지를 접종하여 1 리터당 약 0.1 g 이상의 세포 밀도를 갖는 접종 배지를 제공하는 것을 포함한다. 세포 및 배지를 제거하고 분리하여 농축된 세포 및 투과물을 제공한다. 에탄올을 투과물로부터 분리하여 에탄올 및 에탄올 감소 수성 스트림을 제공한다. 에탄올 감소 수성 스트림은 발효물로 되돌아간다. 중요한 양태에서, 세포 및 배지를 발효물로부터 제거하는 속도에 대한 에탄올 감소 수성 스트림을 발효물에 제공하는 속도의 비는 약 0.5 내지 약 25 이다.
또 다른 양태에서, 합성가스 발효 방법은 배지를 접종하여 1 리터당 약 0.1 g 이상의 세포 밀도를 갖는 접종 배지를 제공하는 것을 포함한다. 접종 배지는 합성가스와 접촉되고, 발효물 중에서 에탄올 농도가 약 10 g/L 초과에 도달시, 세포 및 배지가 제거되고 분리되어 농축된 세포 및 투과물이 제공된다. 투과물 홀딩 탱크에 투과물이 전달된다. 증류 컬럼은 투과물 홀딩 탱크로부터 투과물을 전달받는다. 증류 컬럼은 투과물로부터 에탄올을 분리하여 에탄올 및 에탄올 감소 수성 스트림을 제공하기에 효과적이다. 에탄올 감소 수성 스트림은 발효물로 되돌아간다. 중요한 양태에서, 세포 및 배지를 발효물로부터 제거하는 속도에 대한 에탄올 감소 수성 스트림을 발효물에 제공하는 속도의 비는 약 0.5 내지 약 25 이다.
또 다른 양태에서, 합성가스 발효 방법은 배지를 접종하여 1 리터당 약 0.1 g 이상의 세포 밀도를 갖는 접종 배지를 제공하는 것을 포함한다. 세포 및 배지가 제거되고 분리되어 농축된 세포 및 투과물이 제공된다. 에탄올이 투과물로부터 분리되어 에탄올 및 에탄올 감소 수성 스트림이 제공된다. 에탄올 감소 수성 스트림은 발효물로 되돌아간다. 중요한 양태에서, 에탄올 감소 수성 스트림을 제공하는 속도 및 세포 및 배지를 제거하는 속도는 0.01 g/g/시간 (세포의 건조 중량의 양에 있어서의 증가 (g)/모세포의 건조 중량의 g/시간) 의 성장 배율을 제공하기에 효과적이다.
또 다른 양태에서, 합성가스 발효 방법은 배지를 접종하여 1 리터당 약 0.1 g 이상의 세포 밀도를 갖는 접종 배지를 제공하는 것을 포함한다. 접종 배지는 합성가스와 접촉된다. 성장 배율이 측정되며, 성장 배율이 결정적 (critical) 성장 배율 미만인 경우 수성 스트림이 발효물로 되돌아간다.
또 다른 양태에서, 합성가스의 고생산성 발효를 위한 방법은 배지를 접종하여 1 리터당 약 0.1 g 이상의 세포 밀도를 갖는 접종 배지를 제공하는 것을 포함한다. 세포 및 배지가 제거되고 분리되어 농축된 세포 및 투과물이 제공된다. 에탄올이 투과물로부터 분리되어 에탄올 및 에탄올 감소 수성 스트림이 제공된다. 에탄올 감소 수성 스트림은 발효물로 되돌아간다. 중요한 양태에서, 세포 및 배지를 발효물로부터 제거하는 속도에 대한 에탄올 감소 수성 스트림을 발효물에 제공하는 속도의 비는 약 0.5 내지 약 25 이다. 상기 방법은 약 60 g/(Lㆍ일) 이상의 STY 를 유지하기에 효과적이다.
상기 및 기타 양태, 상기 방법의 여러 양태의 특징 및 이점이 하기 도면에서 더 명백할 것이다.
도 1 은 합성가스 발효를 위한 방법 및 시스템을 설명한다.
도 2 는 투과물 홀딩 탱크를 포함하는 합성가스 발효를 위한 방법 및 시스템을 나타낸다.
도 3 은 열 교환기를 포함하는 합성가스 발효를 위한 방법 및 시스템을 설명한다.
도 4 는 열 교환기 및 CO2 스트리퍼를 포함하는 합성가스 발효를 위한 방법 및 시스템을 나타낸다.
도 5 는 벤트 가스 스크러버를 포함하는 합성가스 발효를 위한 방법 및 시스템을 설명한다.
도 6 은 초산생성 (acetogenic) 박테리아의 배양물에 대한 성장 배율 대 에탄올 농도의 그래프를 나타낸다.
도 7 은 초산생성 박테리아의 배양물에 대한 성장 배율 대 에탄올 농도의 그래프를 나타낸다.
도 8 은 CO 및 H2 의 총 흡수 및 에탄올 농도에 대한 수성 재순환물의 영향을 설명한다.
상응하는 참조 표시 문자는 도면의 여러 조망을 통해 상응하는 성분을 나타낸다. 숙련된 기술자는 도면에서의 구성성분이 단순성 및 명백성을 위해 설명된 것이며 반드시 일정한 비율로 그려진 것은 아니라는 것을 이해할 것이다. 예를 들어, 도면에서의 일부 구성성분의 치수는 다른 구성성분에 관해 과장되어, 본 방법 및 장치의 다양한 양태의 이해 향상을 도울 수 있다. 또한 상업적으로 실현가능한 양태에서 유용하거나 필요한, 통상적이나 널리 이해된 구성성분은 이들 다양한 양태의 조망이 덜 차단되도록 하기 위해 종종 표시되지 않는다.
본 발명의 상세한 설명
하기의 설명은 제한하는 의미로 기재되는 것이 아니라 단지 예시적 구현예의 일반적 원칙을 설명하기 위해 이루어진다. 본 발명의 범주는 특허청구범위를 참조로 하여 결정되어야 한다.
가동 (startup) 및 후속 발효시, 발효기로부터의 세포 및 배지 제거와, 투과물로부터 세포를 제거하는데 필요한 시간, 투과물로부터 에탄올을 제거하는데 필요한 시간, 및 에탄올 감소 투과물을 발효기로 다시 되돌려보내는데 필요한 시간을 균형 잡을 필요가 있다. 본 방법은 이들 방법을 균형 잡아 안정한 가동 및 후속 발효를 제공한다.
본원에서 기재한 바와 같이 배지 및 초산생성 박테리아를 사용하여 생물반응기에서 수행한 합성가스 발효는 합성가스 중 CO 의 알코올 및 기타 생성물로의 전환을 제공하기에 효과적이다. 이러한 양태에서, 생산성은 STY (space time yield) (에탄올 g/(Lㆍ일) 로 표시하는 공시 수율) 로서 표시될 수 있다. 이러한 양태에서, 상기 방법은 약 10 g/(Lㆍ일) 이상, 또 다른 양태에서는 약 30 g/(Lㆍ일) 이상, 또 다른 양태에서는 약 60 g/(Lㆍ일) 이상, 또 다른 양태에서는 약 90 g/(Lㆍ일) 이상의 STY (공시 수율) 를 제공하기에 효과적이다. 가능한 STY 값은 약 10 g/(Lㆍ일) 내지 약 200 g/(Lㆍ일), 또 다른 양태에서는 약 10 g/(Lㆍ일) 내지 약 160 g/(Lㆍ일), 또 다른 양태에서는 약 10 g/(Lㆍ일) 내지 약 120 g/(Lㆍ일), 또 다른 양태에서는 약 10 g/(Lㆍ일) 내지 약 80 g/(Lㆍ일), 또 다른 양태에서는 약 20 g/(Lㆍ일) 내지 약 140 g/(Lㆍ일), 또 다른 양태에서는 약 20 g/(Lㆍ일) 내지 약 100 g/(Lㆍ일), 또 다른 양태에서는 약 40 g/(Lㆍ일) 내지 약 140 g/(Lㆍ일), 또 다른 양태에서는 약 40 g/(Lㆍ일) 내지 약 100 g/(Lㆍ일) 을 포함한다.
정의
다르게 정의하지 않는 한, 본 개시물에 대한 명세서 전체에 걸쳐 사용한 바와 같은 다음의 용어를 하기와 같이 정의하며, 이는 하기 규정한 정의의 단수형 또는 복수형을 포함할 수 있다:
임의의 양을 수식하는 용어 "약" 은 실제 조건, 예를 들어 실험실, 파일럿 플랜트 또는 생산 시설에서 접한 양에 있어서의 편차를 의미한다. 예를 들어, "약" 에 의해 수식되는 경우 수량 또는 혼합물 중 사용한 측정 또는 성분의 양은 생산 플랜트 또는 실험실에서의 실험 조건 하 측정하는데 있어서 통상 이용된 케어의 정도 및 편차를 포함한다. 예를 들어, "약" 에 의해 수식되는 경우 생성물 성분의 양은 분석법에 내재하는 편차 및 플랜트 또는 실험실에서의 여러 실험 중의 배치 사이의 편차를 포함한다. "약" 에 의해 수식되는 여부에 따라, 양은 이들 양에 대한 등가량을 포함한다. 본원에서 언급되고 "약" 에 의해 수식된 임의의 수량은 또한 "약" 에 의해 수식되지 않은 양으로서 본 개시물에서 사용될 수 있다.
용어 "합성가스 (syngas)" 또는 "합성 가스 (synthesis gas)" 는 가변량의 일산화탄소 및 수소를 함유하는 가스 혼합물에 부여되는 명칭인 합성 가스를 의미한다. 제조 방법의 예는 수소가 제조되도록 하는 천연 가스 또는 탄화수소의 스팀 변성, 석탄의 가스화 및 일부 유형의 폐기물 에너지화 (waste-to-energy) 가스화 시설을 포함한다. 상기 명칭은 합성 천연 가스 (SNG) 생성에 있어서의, 그리고 암모니아 또는 메탄올 제조를 위한 중간체로서의 그의 용도로 인한 것이다. 합성가스는 가연성이며 종종 연료원으로서 또는 다른 화학물질의 제조를 위한 중간체로서 사용된다.
용어 "발효기" 는 하나 이상의 용기 및/또는 타워 또는 배관 배열로 이루어지는 발효 장치를 포함하는데, 이는 연속 교반 탱크 반응기 (CSTR), 고정화 세포 반응기 (ICR), 트리클 배드 반응기 (TBR), 유동상 생물막 반응기 (MBBR), 버블 컬럼, 가스 리프트 발효기, 멤브레인 반응기 예컨대 중공 섬유 멤브레인 생물반응기 (HFMBR), 고정식 혼합기, 또는 가스-액체 접촉에 적합한 기타 용기 또는 기타 장치를 포함한다.
용어 "발효", "발효 방법" 또는 "발효 반응" 등은 방법의 생성물 생합성 단계 및 성장 단계 모두를 포함하는 것으로 의도된다. 한 양태에서, 발효는 CO 가 알코올로 전환되는 것을 의미한다.
용어 "세포 밀도" 는 발효 브로쓰 단위 부피 당 미생물 세포의 질량, 예를 들어 리터 당 그램 수를 의미한다.
용어 "세포 재순환" 은 발효 브로쓰로부터의 미생물 세포 분리 및 이들 분리된 미생물 세포 모두 또는 일부가 발효기로 되돌아가는 것을 의미한다. 일반적으로, 여과 장치를 사용하여 분리를 수행한다.
발효 방법에 관련하여 사용되는 경우 용어 "효율 증가", "증가한 효율" 등은 발효물 중 미생물의 성장 속도, 소모된 기질 (예컨대 일산화탄소) 의 부피 또는 질량 당 제조된 원하는 생성물 (예컨대 알코올) 의 부피 또는 질량, 원하는 생ㄴ성물의 제조 속도 또는 제조 수준, 및 발효의 기타 부산물과 비교하여 제조된 원하는 생성물의 상대적 비율 중 하나 이상을 증가시키는 것을 포함한다.
합성가스 발효 시스템
도 1 은 합성가스 발효를 위한 방법 및 시스템을 설명한다. 합성가스는 합성가스 유입구 110 을 통해 반응 용기 100 에 유입된다. 배지 및 세포는 배지 배출구 120 을 통해 배출되고, 배지 재순환 펌프 150 을 사용하여 필터 공급 160 을 통해 세포 분리 필터 200 에 공급된다. 세포 분리 필터 200 은 농축된 세포 및 투과물을 제공한다. 반응 용기 100 은 세포 재순환 라인 210 을 통해 농축된 세포를 전달받으며, 증류 컬럼 400 은 투과물 공급 250 을 통해 투과물을 전달받는다. 증류 컬럼 400 은 에탄올/물 공비혼합물 440 및 에탄올 감소 수성 스트림 410 을 제공한다. 분자 체/건조기 700 은 에탄올/물 공비혼합물 440 을 전달받을 수 있으며 에탄올 생성물 720 을 제공한다. 재가열기 500 은 재가열기 공급 라인 430 을 통해 에탄올 감소 수성 스트림 410 일부를 전달받는다. 재가열기 500 은 사전가열된 에탄올 감소 수성 스트림 510 을 제공한다. 수성 스트림 재순환 펌프 550 은 수성 공급 라인 420 을 통해 에탄올 감소 수성 스트림을 전달받는다. 수성 스트림 재순환 펌프 550 은 에탄올 감소 수성 스트림 공급 라인 560 을 통해 반응 용기 100 으로 되돌아가는 에탄올 감소 수성 스트림을 제공한다.
또 다른 양태에서, 퓨젤 오일은 측면 배출부 450 에서 증류 컬럼 400 으로부터 제거될 수 있다. 본원에서 사용하는 바와 같이, "퓨젤 오일" 은 아밀 알코올, 프로판올, 부탄올, 지방산, 에스테르, 및 이의 혼합물을 포함할 수 있다.
도 2 는 합성가스 발효를 위한 방법 및 시스템의 또 다른 양태를 설명한다. 도 2 에서 기재한 방법 및 시스템은 도 1 과 유사하며, 도 2 에서의 시스템 및 방법은 투과물 홀딩 탱크 300 을 포함한다. 이 양태에서, 투과물 홀딩 탱크 300 은 투과물 공급 라인 220 을 통해 필터 200 으로부터 투과물을 전달받는다. 증류 컬럼 400 은 투과물 공급 라인 250 을 통해 투과물을 전달받는다. 본원에서 기재한 임의의 양태는 투과물 홀딩 탱크를 포함할 수 있다.
도 3 은 합성가스 발효를 위한 방법 및 시스템의 또 다른 양태를 설명한다. 도 3 에서 기재한 방법 및 시스템은 도 1 과 유사하며, 도 3 에서의 시스템 및 방법은 열 교환기 555 를 포함한다. 이 양태에서, 열 교환기는 공급 라인 230 을 통해 필터 200 으로부터 에탄올 감소 수성 스트림 및 투과물을 전달받는다. 열 교환기 555 는 사전가열된 투과물을 제공하기에 효과적이다. 증류 컬럼 400 은 사전가열된 투과물 공급 라인 252 를 통해 사전가열된 투과물을 전달받는다. 이 양태에서, 에탄올 감소 수성 스트림에 남아 있는 열을 이용하여 증류 전 투과물을 사전가열할 수 있다. 본원에 기재된 임의의 양태는 열 교환기를 포함할 수 있다.
도 4 는 합성가스 발효를 위한 방법 및 시스템의 또 다른 양태를 설명한다. 도 4 에서 기재한 방법 및 시스템은 도 1 과 유사하며, 도 4 에서의 시스템 및 방법은 CO2 스트리퍼 600 을 포함한다. 이 양태에서, CO2 스트리퍼 600 은 투과물을 전달받으며, CO2 감소 투과물을 제공하기에 효과적이다. CO2 감소 투과물은 스트리핑 전보다 더 낮은 수준의 CO2 를 가질 것이다. 이 양태에서, CO2 감소 투과물은 CO2 제거 전 투과물에 비해 약 10% 이상, 또 다른 양태에서는 약 25% 이상, 또 다른 양태에서는 약 50% 이상, 또 다른 양태에서는 약 75% 이상, 또 다른 양태에서는 약 90% 이상의 CO2 감소를 가질 것이다. 증류 컬럼 400 은 CO2 투과물 공급 라인 254 를 통해 CO2 감소 투과물을 전달받는다. 상기 양태는 나타낸 바와 같이 열 교환기 555 를 포함할 수 있으며 또한 투과물 홀딩 탱크를 포함할 수 있다.
도 5 는 합성가스 발효를 위한 방법 및 시스템의 또 다른 양태를 설명한다. 도 5 에서 기재한 방법 및 시스템은 도 1 과 유사하며, 도 5 에서의 시스템 및 방법은 벤트 가스 스크러버 620 을 포함한다. 이 양태에서, 벤트 가스 스크러버 620 은 감소 에탄올 공급 라인 560 을 통해 에탄올 감소 수성 스트림을, 벤트 가스 공급 라인 640 을 통해 벤트 가스를, 그리고 증류 컬럼 배출 가스 750 을 전달받는다. 벤트 가스 스크러버 620 은 수성 공급 라인 563 을 통해 반응 용기 100 으로 되돌아가는 에탄올 감소 수성 스트림을 제공하며, 벤트 가스 배출구 650 을 통해 벤트 가스가 통기되도록 한다. 벤트 가스 스크러버는 본원에 기재된 임의의 양태에 포함될 수 있다. 한 양태에서, 벤트 가스 스크러버는 발효기 오프-가스로부터 에탄올을 제거하기에 효과적일 수 있다.
합성가스 발효 방법
배지: 한 양태에 따라서, 발효 방법은 적합한 배지를 반응 용기에 첨가함으로써 시작된다. 반응 용기에 함유된 액체는 임의 유형의 적합한 영양 배지 또는 발효 브로쓰를 포함할 수 있다. 영양 배지는 사용하는 미생물을 성장시키는데 효과적인 비타민 및 미네랄을 포함할 것이다. 배지 조성물의 일부 예는 미국 특허 일련 번호 61/650,098 및 61/650,093 (2012 년 5 월 22 일 출원), 및 미국 특허 제 7,285,402 호 (2001 년 7 월 23 일 출원) 에 기재되어 있으며, 이들 모두는 본원에 참조로 포함된다. 배지를 멸균하여 원치 않는 미생물을 제거할 수 있으며, 반응기에 원하는 미생물을 접종한다. 멸균은 항상 필요하지 않을 수 있다.
접종물: 방법에 따라서, 초산생성 박테리아의 배양물을 반응기에 접종하여 최소 세포 밀도를 갖는 접종 배지가 제공된다. 본원에서 사용하는 바와 같이, "최소 세포 밀도" 는 1 리터당 약 0.1 g 이상, 또 다른 양태에서는 1 리터당 약 0.2 g 이상, 또 다른 양태에서는 1 리터당 약 0.3 g 이상, 또 다른 양태에서는 1 리터당 약 0.4 g 이상, 또 다른 양태에서는 1 리터당 약 0.5 g 이상의 생존 세포 밀도를 의미한다. 최소 세포 밀도는 1 리터당 약 1.2 g 을 초과하지 않을 것이다. 또 다른 양태에서, 예비반응기 또는 시드 반응기에 접종하는데 사용한 제 1 배양물은 6.5 이하, 또 다른 양태에서는 4.5 이하, 또 다른 양태에서는 약 4.0 내지 약 4.5 의 pH 를 갖는다. 반응기에 접종하는데 사용한 제 1 배양물은 1 리터당 약 10 g 이하, 또 다른 양태에서는 1 리터당 약 1 내지 약 10 g, 또 다른 양태에서는 1 리터당 약 1 내지 약 5 g, 또 다른 양태에서는 1 리터당 약 1 내지 약 3 g, 또 다른 양태에서는 1 리터당 약 2 g 의 아세트산 농도를 갖는다.
한 양태에서, 이용한 미생물은 초산생성 박테리아를 포함한다. 유용한 초산생성 박테리아의 예는 클로스트리디움 (Clostridium) 속의 것들, 예컨대 WO 2000/68407, EP 117309, 미국 특허 제 5,173,429, 5,593,886 및 6,368,819 호, WO 1998/00558 및 WO 2002/08438 에서 기재된 것들을 포함하는 클로스트리디움 융달리 (Clostridium ljungdahlii) 의 균주, WO 2007/117157 및 WO 2009/151342 에서 기재된 것들을 포함하는 클로스트리디움 오토에타노게눔 (Clostridium autoethanogenum) (DSMZ, Germany 의 DSM 10061 및 DSM 19630) 및 각각 미국 특허 제 7,704,723 호 및 ["Biofuels and Bioproducts from Biomass-Generated Synthesis Gas", Hasan Atiyeh, presented in Oklahoma EPSCoR Annual State Conference, April 29, 2010] 에서 기재된 것들을 포함하는 클로스트리디움 라그스달레이 (Clostridium ragsdalei) (P11, ATCC BAA-622) 및 알칼리바쿨룸 바치 (Alkalibaculum bacchi) (CP11, ATCC BAA-1772) 및 미국 특허 출원 번호 2007/0276447 에서 기재된 클로스트리디움 카르복시디보란스 (Clostridium carboxidivorans) (ATCC PTA-7827) 을 포함한다. 기타 적합한 미생물은 무렐라 (Moorella) 종 HUC22-1 을 포함하는 무렐라 속의 것들, 및 카르복시도테르무스 (Carboxydothermus) 속의 것들을 포함한다. 이들 각 참고문헌은 본원에 참조로 포함된다. 둘 이상의 미생물의 혼합 배양물을 사용할 수 있다.
유용한 박테리아의 일부 예는 아세토게늄 키부이 (Acetogenium kivui), 아세토아나에로비움 노테라에 (Acetoanaerobium noterae), 아세토박테리움 우디 (Acetobacterium woodii), 알칼리바쿨룸 바치 (Alkalibaculum bacchi) CP11 (ATCC BAA-1772), 블라우티아 프로둑타 (Blautia producta), 부티리박테리움 메틸로트로피쿰 (Butyribacterium methylotrophicum), 칼다나에로박테르 서브테라네우스 (Caldanaerobacter subterraneous), 칼다나에로박테르 서브테라네우스 파시피쿠스 (Caldanaerobacter subterraneous pacificus), 카르복시도테르무스 히드로게노포르만스 (Carboxydothermus hydrogenoformans), 클로스트리디움 아세티쿰 (Clostridium aceticum), 클로스트리디움 아세토부틸리쿰 (Clostridium acetobutylicum), 클로스트리디움 아세토부틸리쿰 P262 (DSMZ Germany 의 DSM 19630), 클로스트리디움 오토에타노게눔 (Clostridium autoethanogenum) (DSMZ Germany 의 DSM 19630), 클로스트리디움 오토에타노게눔 (DSMZ Germany 의 DSM 10061), 클로스트리디움 오토에타노게눔 (DSMZ Germany 의 DSM 23693), 클로스트리디움 오토에타노게눔 (DSMZ Germany 의 DSM 24138), 클로스트리디움 카르복시디보란스 (Clostridium carboxidivorans) P7 (ATCC PTA-7827), 클로스트리디움 코스카티 (Clostridium coskatii) (ATCC PTA-10522), 클로스트리디움 드라케이 (Clostridium drakei), 클로스트리디움 융달리 PETC (ATCC 49587), 클로스트리디움 융달리 ERI2 (ATCC 55380), 클로스트리디움 융달리 C-01 (ATCC 55988), 클로스트리디움 융달리 O-52 (ATCC 55889), 클로스트리디움 마그눔 (Clostridium magnum), 클로스트리디움 파스튜리아눔 (Clostridium pasteurianum) (DSMZ Germany 의 DSM 525), 클로스트리디움 라그스달리 (Clostridium ragsdali) P11 (ATCC BAA-622), 클로스트리디움 스카톨로게네스 (Clostridium scatologenes), 클로스트리디움 테르모아세티쿰 (Clostridium thermoaceticum), 클로스트리디움 울투넨세 (Clostridium ultunense), 데술포토마쿨룸 쿠즈네초비 (Desulfotomaculum kuznetsovii), 유박테리움 리모숨 (Eubacterium limosum), 제오박테르 술푸레두센스 (Geobacter sulfurreducens), 메타노사르시나 아세티보란스 (Methanosarcina acetivorans), 메타노사르시나 바르케리 (Methanosarcina barkeri), 무렐라 테르모아세티카 (Moorella thermoacetica), 무렐라 테르모오토트로피카 (Moorella thermoautotrophica), 옥소박테르 프펜니지 (Oxobacter pfennigii), 펩토스트렙토코쿠스 프로둑투스 (Peptostreptococcus productus), 루미노코쿠스 프로둑투스 (Ruminococcus productus), 테르모아나에로박테르 키부이 (Thermoanaerobacter kivui), 및 이의 혼합물을 포함한다.
합성가스: 가스화는 제한된 산소 공급 하의 바이오매스의 부분 연소를 포함한다. 생성된 가스는 주로 CO 및 H2 를 포함한다. 상기 양태에서, 합성가스는 약 20 몰% 이상의 CO, 한 양태에서는 약 20 내지 약 100 몰% CO, 또 다른 양태에서는 약 30 내지 약 90 몰% CO, 또 다른 양태에서는 약 40 내지 약 80 몰% CO, 또 다른 양태에서는 약 50 내지 약 70 몰% CO 를 함유할 것이다. 합성가스는 CO/CO2 비가 약 0.75 이상일 것이다. 적합한 가스화 방법 및 장치의 일부 예가 미국 출원 일련 번호 61/516,667, 61/516,704 및 61/516,646 (모두 2011 년 4 월 6 일에 출원), 및 미국 출원 일련 번호 13/427,144, 13/427,193 및 13/427,247 (모두 2012 년 3 월 22 일에 출원) 에서 제공되며, 이들 모두는 본원에 참조로 포함된다.
합성가스는 약 0 psig 이상, 또 다른 양태에서는 약 0.25 psig, 또 다른 양태에서는 약 0.5 psig, 또 다른 양태에서는 약 1 psig, 또 다른 양태에서는 약 10 내지 약 250 psig 의 생물반응기 내 압력을 유지하기에 효과적인 속도로 상기 생물반응기에 도입된다. 다양한 다른 양태에서, 압력은 약 10 내지 약 200 psig, 약 10 내지 약 100 psig, 약 10 내지 약 75 psig, 약 10 내지 약 50 psig, 약 10 내지 약 25 psig, 약 20 내지 약 250 psig, 약 20 내지 약 200 psig, 약 20 내지 약 100 psig, 약 20 내지 약 75 psig, 약 20 내지 약 50 psig, 약 20 내지 약 25 psig, 약 30 내지 약 250 psig, 약 30 내지 약 200 psig, 약 30 내지 약 100 psig, 약 30 내지 약 75 psig, 약 30 내지 약 50 psig, 약 40 내지 약 250 psig, 약 40 내지 약 200 psig, 약 40 내지 약 100 psig, 약 40 내지 약 75 psig, 약 40 내지 약 50 psig, 약 50 내지 약 250 psig, 약 50 내지 약 200 psig, 약 50 내지 약 100 psig, 및 약 50 내지 약 75 psig 일 수 있다.
한 양태에서, 특정 크기 발효기에서, 합성가스는 약 10 내지 약 50 ft3/초의 속도, 또 다른 양태에서는 약 25 내지 약 35 ft3/초의 속도로 가스 유입구/스파저 110 내로 도입된다. 압력은, 반응 용기로부터 가스가 배출되는 속도를 제어하면서 합성가스가 도입되는 속도를 제어함으로써 제어된다. 압력은 반응기 용기의 하부에서 또는 반응기 헤드스페이스 (headspace) 에서 측정될 수 있다.
교반: 접종 동안, 가동 교반을 약 10 내지 약 30 Hz, 또 다른 양태에서는 약 25 Hz 로 설정한다. 교반을 약 35 내지 약 50 Hz 까지, 또 다른 양태에서는 약 45 Hz 까지, 10 분 마다 약 2 내지 약 10 Hz 의 승온 속도로, 또 다른 양태에서는 10 분 마다 약 5 Hz 의 승온 속도로 증가시킨다.
세포 재순환: 발효물 중 에탄올 농도가 약 10 g/L 초과에 도달시, 방법은 발효기 100 으로부터 세포 및 배지를 제거하는 것을 포함한다. 또 다른 양태에서, 방법은 발효물에서 에탄올 농도가 약 20 g/L 초과, 또 다른 양태에서는 약 30 g/L 초과에 도달하는 경우 세포 및 배지를 제거하는 것을 포함한다. 세포를 배지로부터 분리하여, 농축된 세포 및 배지를 제공한다. 공지된 방법, 예를 들어 세포 분리 필터 200 을 사용하여 배지로부터 세포를 분리시킬 수 있다. 본원에서 사용하는 바와 같이, "농축된 세포" 는 세포로부터 배지를 분리하기 전보다 더 높은 밀도의 세포를 갖는 세포의 스트림을 의미한다. "투과물" 은 세포 분리 후 배지를 의미한다. 이러한 양태에서, 투과물은 에탄올을 함유할 수 있다. 모든 또는 일부의 농축된 세포는 발효기 100 으로 되돌아갈 수 있다. 한 양태에서, 세포 재순환은 접종 전 또는 접종 즉시 시작될 수 있다.
또 다른 양태에서, 세포 및 배지는 세포 밀도가 1 리터당 약 0.5 g 이상, 또 다른 양태에서는 1 리터당 약 0.6 g 이상, 또 다른 양태에서는 1 리터당 약 0.7 g 이상, 또 다른 양태에서는 1 리터당 약 0.8 g 이상, 또 다른 양태에서는 1 리터당 약 0.9 g 이상, 또 다른 양태에서는 1 리터당 약 1.0 g 이상, 또 다른 양태에서는 1 리터당 약 1.5 g 이상, 또 다른 양태에서는 1 리터당 약 2.0 g 이상, 또 다른 양태에서는 1 리터당 약 2.5 g 이상, 또 다른 양태에서는 1 리터당 약 0.5 내지 약 5.0 g 이상, 또 다른 양태에서는 1 리터당 약 1.0 내지 약 4.0 g 이상, 또 다른 양태에서는 1 리터당 약 2.0 내지 약 3.0 g 이상에 도달시 제거될 수 있다.
상기 방법은 투과물로부터 에탄올을 분리하여 에탄올 및 에탄올 감소 수성 스트림을 공급한다. 한 양태에서, 투과물은 투과물 홀딩 탱크 300 에 옮겨지고 이후 증류 컬럼 400 에 옮겨질 수 있다. 한 양태에서, 투과물 홀딩 탱크 총 부피의 적어도 약 1% 내지 약 100% 부피에 도달시, 홀딩 탱크로부터의 투과물은 증류 컬럼 400 에 연속하여 옮겨진다. 또 다른 양태에서, 투과물의 증류 컬럼으로의 이동은 투과물 홀딩 탱크 300 이 이의 총 부피의 약 10%, 또 다른 양태에서는 이의 부피의 약 25% 이상, 또 다른 양태에서는 이의 부피의 약 50% 이상, 또 다른 양태에서는 이의 부피의 약 75% 이상, 또 다른 양태에서는 이의 부피의 약 90% 이상의 부피에 일단 도달하면 발생할 수 있다. 증류 컬럼 400 은 에탄올 450 및 에탄올 감소 수성 스트림 410 을 제공한다. 증류 컬럼은 당업계에 공지된 임의의 증류 컬럼, 예를 들어 트레이 컬럼, 충진 컬럼일 수 있다. 증류 컬럼은 일반적으로, 예를 들어 무수 에탄올이 제조되도록 분자 체를 사용하여 추가 처리되는 에탄올-물 공비혼합물을 생성시킨다.
본원에서 사용하는 바와 같이, "에탄올 감소 수성 스트림" 은 일부 이상의 에탄올이 제거된 후의 수성 스트림을 의미한다. 에탄올 감소 수성 스트림은 증류 컬럼으로부터의 에탄올 감소 수성 스트림만을 포함할 수 있거나, 다른 첨가된 배지 및/또는 물에 추가로 증류 컬럼으로부터의 에탄올 감소 수성 스트림을 포함할 수 있다. 에탄올 감소 수성 스트림은 반응 용기 100 으로 연속하여 되돌아간다. 상기 양태에서, 세포 및 배지를 제거하는 속도에 대한 에탄올 감소 수성 스트림을 제공하는 속도의 비는 약 0.5 내지 약 25, 또 다른 양태에서는 약 0.5 내지 약 10, 또 다른 양태에서는 약 0.5 내지 약 5, 또 다른 양태에서는 약 0.5 내지 약 1, 또 다른 양태에서는 약 1 내지 약 20, 또 다른 양태에서는 약 5 내지 약 15, 또 다른 양태에서는 약 5 내지 약 10, 또 다른 양태에서는 약 4 내지 약 8, 또 다른 양태에서는 약 5 내지 약 7, 또 다른 양태에서는 약 5, 또 다른 양태에서는 약 6, 또 다른 양태에서는 약 7 이다. 상기 양태에서, 에탄올 감소 수성 스트림은 약 10 중량% 미만의 알코올, 또 다른 양태에서는 약 5 중량% 미만의 알코올, 또 다른 양태에서는 약 2.5 중량% 미만의 알코올, 또 다른 양태에서는 약 1.0 중량% 미만의 알코올, 또 다른 양태에서는 약 0.5 중량% 미만의 알코올, 또 다른 양태에서는 약 0.1 중량% 미만의 알코올, 또 다른 양태에서는 약 0.01 중량% 미만의 알코올을 포함할 것이다.
에탄올 감소 수성 스트림은 아세트산을 포함할 수 있다. 상기 양태에서, 에탄올 감소 수성 스트림은 1 리터당 약 5.0 g 이하의 아세트산, 또 다른 양태에서는 1 리터당 약 2.5 g 이하의 아세트산, 또 다른 양태에서는 1 리터당 약 1.0 g 이하의 아세트산, 또 다른 양태에서는 1 리터당 약 0.01 내지 약 5.0 g 의 아세트산, 또 다른 양태에서는 1 리터당 약 0.01 내지 약 0.02 g 의 아세트산을 가질 수 있다. 아세트산을 함유하는 에탄올 감소 수성 스트림은 순 (net) 아세트산이 제조되지 않도록 반응기로 되돌려보내질 수 있다. 반응기 내 에탄올과 물 사이에 평형이 구축된다. 그 결과로서, 배양물 유지에 사용된 것을 제외하고는, 반응기에 공급된 모든 CO, CO2 및 H2 는 에탄올로 전환될 수 있다.
또 다른 양태에서, 에탄올 감소 수성 스트림을 제공하는 속도 및 발효기로부터 세포 및 배지를 제거하는 속도는 성장 배율 측정을 이용함으로써 제어될 수 있다. 본원에서 사용하는 바와 같이, "성장 배율" 은 시간당 (모) 세포의 g (건조 중량) 당 세포의 양 (g, 건조 중량) 에 있어서의 증가이다. 이러한 양태에서, 에탄올 감소 수성 스트림을 제공하는 속도 및 세포 및 배지를 제거하는 속도는 약 0.01 g/g/시간 이상의 성장 배율, 또 다른 양태에서는 약 0.01 내지 약 1 의 성장 배율, 또 다른 양태에서는 약 0.01 내지 약 0.5 의 성장 배율, 또 다른 양태에서는 약 0.01 내지 약 0.25 의 성장 배율, 또 다른 양태에서는 약 0.01 내지 약 0.1 의 성장 배율을 제공하기에 효과적이다. 본원에서 사용되는 바와 같이 "결정적 성장 배율" 은 최소의 필요 성장 배율을 의미한다. 한 양태에서, 최소의 필요 성장 배율의 예는 약 0.01, 또 다른 양태에서는 약 0.02, 또 다른 양태에서는 약 0.03 이다. 성장 배율은 하기와 같이 측정될 수 있다:
Figure pct00001
.
상기 식 중에서,
T2 는 T1 후 60 분에서 측정한 세포의 건조 중량 (g) 이고,
T1 은 선택된 시작 시간에서의 세포의 건조 중량 (g) 이다.
상기 양태에서, 성장 배율이 결정적 성장 배율에 도달하거나 그 아래로 내려가는 경우, 수성 스트림이 발효기에 제공된다. 클로스트리디움 융달리에 대한 성장 배율 대 에탄올 농도의 그래프를 도 6 및 7 에서 나타낸다. 이러한 양태에서, 더 낮은 에탄올 농도는 기타 박테리아 균주에 대해 유해하거나 억제성일 수 있다.
한 양태에서, 발효물 중 에탄올 농도가 약 10 g/L 이상, 또 다른 양태에서는 약 20 g/L 이상, 또 다른 양태에서는 약 30 g/L 이상에 도달시, 세포 및 배지를 발효물로부터 제거한다. 세포 및 배지는 에탄올 및 에탄올 감소 수성 스트림으로 분리되고, 상기 에탄올 감소 수성 스트림은 발효물로 되돌아간다. 추가 기재한 바와 같이, 임의의 기재한 에탄올 농도 수준을 임의의 기재한 재순환 비, 세포 밀도, 성장 배율 및 STY 값과 관련하여 이용할 수 있다.
또 다른 양태에서, 에탄올 농도가 약 10 g/L 이상에 도달시, 세포 및 배지를 발효물로부터 제거하는 속도에 대한 에탄올 감소 스트림을 발효물에 제공하는 속도의 비는 약 0.5 내지 약 25, 또 다른 양태에서는 약 0.5 내지 약 10, 또 다른 양태에서는 약 0.5 내지 약 5, 또 다른 양태에서는 약 0.5 내지 약 1, 또 다른 양태에서는 약 1 내지 약 20, 또 다른 양태에서는 약 5 내지 약 15, 또 다른 양태에서는 약 5 내지 약 10, 또 다른 양태에서는 약 4 내지 약 8, 또 다른 양태에서는 약 5 내지 약 7, 또 다른 양태에서는 약 5, 또 다른 양태에서는 약 6, 또 다른 양태에서는 약 7 이다. 유사한 양태에서, 에탄올 농도가 약 10 g/L 이상이고 세포 밀도가 약 0.5 g/L 이상, 또 다른 양태에서는 약 0.6 g/L 이상, 또 다른 양태에서는 약 0.7 g/L 이상, 또 다른 양태에서는 약 0.8 g/L 이상, 또 다른 양태에서는 약 0.9 g/L 이상, 또 다른 양태에서는 약 1.0 g/L 이상, 또 다른 양태에서는 약 1.5 g/L 이상, 또 다른 양태에서는 약 2.0 g/L 이상, 또 다른 양태에서는 약 2.5 g/L 이상, 또 다른 양태에서는 약 0.5 내지 약 5.0 g/L, 또 다른 양태에서는 약 1.0 내지 약 4.0 g/L, 또 다른 양태에서는 약 2.0 내지 약 3.0 g/L 에 도달시, 세포 및 배지를 발효물로부터 제거하는 속도에 대한 에탄올 감소 스트림을 발효물에 제공하는 속도의 비는 약 0.5 내지 약 25, 또 다른 양태에서는 약 0.5 내지 약 10, 또 다른 양태에서는 약 0.5 내지 약 5, 또 다른 양태에서는 약 0.5 내지 약 1, 또 다른 양태에서는 약 1 내지 약 20, 또 다른 양태에서는 약 5 내지 약 15, 또 다른 양태에서는 약 5 내지 약 10, 또 다른 양태에서는 약 4 내지 약 8, 또 다른 양태에서는 약 5 내지 약 7, 또 다른 양태에서는 약 5, 또 다른 양태에서는 약 6, 또 다른 양태에서는 약 7 이다. 상기 방법은 약 0.01 내지 약 1, 또 다른 양태에서는 약 0.01 내지 약 0.5, 또 다른 양태에서는 약 0.01 내지 약 0.25, 또 다른 양태에서는 약 0.01 내지 약 0.1 의 성장 배율을 제공하기에 효과적이다. 상기 방법은 또한 약 10 g/(Lㆍ일) 내지 약 200 g/(Lㆍ일), 또 다른 양태에서는 약 10 g/(Lㆍ일) 내지 약 160 g/(Lㆍ일), 또 다른 양태에서는 약 10 g/(Lㆍ일) 내지 약 120 g/(Lㆍ일), 또 다른 양태에서는 약 10 g/(Lㆍ일) 내지 약 80 g/(Lㆍ일), 또 다른 양태에서는 약 20 g/(Lㆍ일) 내지 약 140 g/(Lㆍ일), 또 다른 양태에서는 약 20 g/(Lㆍ일) 내지 약 100 g/(Lㆍ일), 또 다른 양태에서는 약 40 g/(Lㆍ일) 내지 약 140 g/(Lㆍ일), 또 다른 양태에서는 약 40 g/(Lㆍ일) 내지 약 100 g/(Lㆍ일) 의 STY 를 제공하기에 효과적이다.
또 다른 양태에서, 에탄올 농도가 약 20 g/L 이상에 도달시, 세포 및 배지를 발효물로부터 제거하는 속도에 대한 에탄올 감소 스트림을 발효물에 제공하는 속도의 비는 약 0.5 내지 약 25, 또 다른 양태에서는 약 0.5 내지 약 10, 또 다른 양태에서는 약 0.5 내지 약 5, 또 다른 양태에서는 약 0.5 내지 약 1, 또 다른 양태에서는 약 1 내지 약 20, 또 다른 양태에서는 약 5 내지 약 15, 또 다른 양태에서는 약 5 내지 약 10, 또 다른 양태에서는 약 4 내지 약 8, 또 다른 양태에서는 약 5 내지 약 7, 또 다른 양태에서는 약 5, 또 다른 양태에서는 약 6, 또 다른 양태에서는 약 7 이다. 유사한 양태에서, 에탄올 농도가 약 10 g/L 이상이고 세포 밀도가 약 0.5 g/L 이상, 또 다른 양태에서는 약 0.6 g/L 이상, 또 다른 양태에서는 약 0.7 g/L 이상, 또 다른 양태에서는 약 0.8 g/L 이상, 또 다른 양태에서는 약 0.9 g/L 이상, 또 다른 양태에서는 약 1.0 g/L 이상, 또 다른 양태에서는 약 1.5 g/L 이상, 또 다른 양태 약 2.0 g/L 이상, 또 다른 양태에서는 약 2.5 g/L 이상, 또 다른 양태에서는 약 0.5 내지 약 5.0 g/L, 또 다른 양태에서는 약 1.0 내지 약 4.0 g/L, 또 다른 양태에서는 약 2.0 내지 약 3.0 g/L 에 도달시, 세포 및 배지를 발효물로부터 제거하는 속도에 대한 에탄올 감소 스트림을 발효물에 제공하는 속도의 비는 약 0.5 내지 약 25, 또 다른 양태에서는 약 0.5 내지 약 10, 또 다른 양태에서는 약 0.5 내지 약 5, 또 다른 양태에서는 약 0.5 내지 약 1, 또 다른 양태에서는 약 1 내지 약 20, 또 다른 양태에서는 약 5 내지 약 15, 또 다른 양태에서는 약 5 내지 약 10, 또 다른 양태에서는 약 4 내지 약 8, 또 다른 양태에서는 약 5 내지 약 7, 또 다른 양태에서는 약 5, 또 다른 양태에서는 약 6, 또 다른 양태에서는 약 7 이다. 상기 방법은 약 0.01 내지 약 1, 또 다른 양태에서는 약 0.01 내지 약 0.5, 또 다른 양태에서는 약 0.01 내지 약 0.25, 또 다른 양태에서는 약 0.01 내지 약 0.1 의 성장 배율을 제공하기에 효과적이다. 상기 방법은 또한 약 10 g/(Lㆍ일) 내지 약 200 g/(Lㆍ일), 또 다른 양태에서는 약 10 g/(Lㆍ일) 내지 약 160 g/(Lㆍ일), 또 다른 양태에서는 약 10 g/(Lㆍ일) 내지 약 120 g/(Lㆍ일), 또 다른 양태에서는 약 10 g/(Lㆍ일) 내지 약 80 g/(Lㆍ일), 또 다른 양태에서는 약 20 g/(Lㆍ일) 내지 약 140 g/(Lㆍ일), 또 다른 양태에서는 약 20 g/(Lㆍ일) 내지 약 100 g/(Lㆍ일), 또 다른 양태에서는 약 40 g/(Lㆍ일) 내지 약 140 g/(Lㆍ일), 또 다른 양태에서는 약 40 g/(Lㆍ일) 내지 약 100 g/(Lㆍ일) 의 STY 를 제공하기에 효과적이다.
또 다른 양태에서, 에탄올 농도가 약 30 g/L 이상에 도달시, 세포 및 배지를 발효물로부터 제거하는 속도에 대한 에탄올 감소 스트림을 발효물에 제공하는 속도의 비는 약 0.5 내지 약 25, 또 다른 양태에서는 약 0.5 내지 약 10, 또 다른 양태에서는 약 0.5 내지 약 5, 또 다른 양태에서는 약 0.5 내지 약 1, 또 다른 양태에서는 약 1 내지 약 20, 또 다른 양태에서는 약 5 내지 약 15, 또 다른 양태에서는 약 5 내지 약 10, 또 다른 양태에서는 약 4 내지 약 8, 또 다른 양태에서는 약 5 내지 약 7, 또 다른 양태에서는 약 5, 또 다른 양태에서는 약 6, 또 다른 양태에서는 약 7 이다. 유사한 양태에서, 에탄올 농도가 약 10 g/L 이상이고 세포 밀도가 약 0.5 g/L 이상, 또 다른 양태에서는 약 0.6 g/L 이상, 또 다른 양태에서는 약 0.7 g/L 이상, 또 다른 양태에서는 약 0.8 g/L 이상, 또 다른 양태에서는 약 0.9 g/L 이상, 또 다른 양태에서는 약 1.0 g/L 이상, 또 다른 양태에서는 약 1.5 g/L 이상, 또 다른 양태에서는 약 2.0 g/L 이상, 또 다른 양태에서는 약 2.5 g/L, 또 다른 양태에서는 약 0.5 내지 약 5.0 g/L, 또 다른 양태에서는 약 1.0 내지 약 4.0 g/L, 또 다른 양태에서는 약 2.0 내지 약 3.0 g/L 에 도달시, 세포 및 배지를 발효물로부터 제거하는 속도에 대한 에탄올 감소 스트림을 발효물에 제공하는 속도의 비는 약 0.5 내지 약 25, 또 다른 양태에서는 약 0.5 내지 약 10, 또 다른 양태에서는 약 0.5 내지 약 5, 또 다른 양태에서는 약 0.5 내지 약 1, 또 다른 양태에서는 약 1 내지 약 20, 또 다른 양태에서는 약 5 내지 약 15, 또 다른 양태에서는 약 5 내지 약 10, 또 다른 양태에서는 약 4 내지 약 8, 또 다른 양태에서는 약 5 내지 약 7, 또 다른 양태에서는 약 5, 또 다른 양태에서는 약 6, 또 다른 양태에서는 약 7 이다. 상기 방법은 약 0.01 내지 약 1, 또 다른 양태에서는 약 0.01 내지 약 0.5, 또 다른 양태에서는 약 0.01 내지 약 0.25, 또 다른 양태에서는 약 0.01 내지 약 0.1 의 성장 배율을 제공하기에 효과적이다. 상기 방법은 또한 약 10 g/(Lㆍ일) 내지 약 200 g/(Lㆍ일), 또 다른 양태에서는 약 10 g/(Lㆍ일) 내지 약 160 g/(Lㆍ일), 또 다른 양태에서는 약 10 g/(Lㆍ일) 내지 약 120 g/(Lㆍ일), 또 다른 양태에서는 약 10 g/(Lㆍ일) 내지 약 80 g/(Lㆍ일), 또 다른 양태에서는 약 20 g/(Lㆍ일) 내지 약 140 g/(Lㆍ일), 또 다른 양태에서는 약 20 g/(Lㆍ일) 내지 약 100 g/(Lㆍ일), 또 다른 양태에서는 약 40 g/(Lㆍ일) 내지 약 140 g/(Lㆍ일), 또 다른 양태에서는 약 40 g/(Lㆍ일) 내지 약 100 g/(Lㆍ일) 의 STY 를 제공하기에 효과적이다.
실시예
실시예 1: H2 및 CO 흡수에 대한 수성 재순환물의 영향
클로스트리디움 융달리를 사용하여 60 g/L STY 수준에서 발효를 수행하였다. 에탄올 농도 및 총 H2 및 CO 흡수의 그래프를 도 8 에 나타낸다. 이러한 발효에서, 에탄올 농도가 일단 36.8 g/L 을 초과하면 물 재순환을 시작하였다. 물 재순환을 시작한 후, 에탄올 농도는 약 28 g/L 로 감소하였다. H2 및 CO 의 총 흡수는 약 33.7 g/L 의 에탄올 농도에서 최대치에 도달한 후, 에탄올 농도가 36 g/L 를 초과하는 경우 약 2.02 몰/분에서 약 1.85 몰/분으로 감소하였다. 물 재순환이 시작되고나면 (약 537 번째 때), 에탄올 농도는 감소하였고 총 H2 및 CO 흡수가 증가하였다. 물 재순환 없이 발효를 지속하는 것은 총 H2 및 CO 의 총 흡수의 감소 및 배양 실패를 초래하였다.
개시한 본 발명을 특정 구현예, 실시예 및 이의 적용에 의해 설명하였으나, 특허청구범위에서 나타낸 본 발명의 범주에서 벗어나지 않고, 수많은 변형 및 변화가 당업자에 의해 이루어질 수 있다.

Claims (33)

  1. 하기를 포함하는 합성가스 발효 방법으로서:
    합성가스와 1 리터당 약 0.1 g 이상의 세포 밀도를 갖는 접종 배지를 접촉시키고;
    세포 및 배지를 발효물로부터 제거하고 상기 제거된 세포 및 배지를 분리하여 농축된 세포 및 투과물을 제공하고;
    에탄올을 투과물로부터 분리하여 에탄올 및 에탄올 감소 수성 스트림을 제공하고;
    에탄올 감소 수성 스트림을 발효물에 제공함;
    이때 세포 및 배지를 발효물로부터 제거하는 속도에 대한 에탄올 감소 수성 스트림을 발효물에 제공하는 속도의 비가 약 0.5 내지 약 25 인 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 발효물 중에서 에탄올 농도가 약 10 g/L 초과에 도달시 세포 및 배지가 제거되는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 세포 밀도가 1 리터당 약 0.5 g 이상에 도달시 세포 및 배지가 제거되는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 약 10 g/L 초과의 에탄올 농도가 발효물 중에서 유지되는 방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 투과물이 투과물 홀딩 탱크로 옮겨지는 방법.
  6. 제 5 항에 있어서, 투과물이 증류 컬럼으로 옮겨지는 방법.
  7. 제 6 항에 있어서, 증류 전에, 투과물이 에탄올 감소 수성 스트림으로 열 교환에 의해 사전가열되는 방법.
  8. 제 6 항에 있어서, 에탄올 감소 수성 스트림을 발효물에 제공하기 전에, 에탄올 감소 수성 스트림을 사용하여 발효기 오프-가스를 스크럽하는 방법.
  9. 제 1 항에 있어서, 에탄올 감소 수성 스트림이 아세트산을 포함하는 방법.
  10. 제 6 항에 있어서, CO2 가 증류 전에 투과물로부터 제거되는 방법.
  11. 제 1 항에 있어서, 퓨젤 오일이 측면 배출부에서 증류 컬럼으로부터 제거되는 방법.
  12. 하기를 포함하는 합성가스 발효 방법으로서:
    합성가스를 1 리터당 약 0.1 g 이상의 세포 밀도를 갖는 접종 배지와 접촉시키고;
    발효물 중에서 에탄올 농도가 약 10 g/L 초과에 도달시, 세포 및 배지를 제거하고 상기 세포 및 배지를 분리하여 농축된 세포 및 투과물을 제공하고;
    투과물을 투과물 홀딩 탱크로 옮기고;
    투과물을, 투과물 홀딩 탱크로부터, 에탄올을 투과물에서 분리하기에 효과적인 증류 컬럼으로 옮겨 에탄올 및 에탄올 감소 수성 스트림을 제공하고;
    에탄올 감소 수성 스트림을 발효물에 제공함;
    이때 세포 및 배지를 발효물로부터 제거하는 속도에 대한 에탄올 감소 수성 스트림을 발효물에 제공하는 속도의 비가 약 0.5 내지 약 25 인 방법.
  13. 제 12 항에 있어서, 세포 밀도가 1 리터당 약 0.5 g 이상에 도달시 세포 및 배지가 제거되는 방법.
  14. 제 12 항에 있어서, 증류 전에, 투과물이 에탄올 감소 수성 스트림으로 열 교환에 의해 사전가열되는 방법.
  15. 제 12 항에 있어서, 에탄올 감소 수성 스트림을 발효물에 제공하기 전에, 에탄올 감소 수성 스트림을 사용하여 발효기 오프-가스를 스크럽하는 방법.
  16. 제 12 항에 있어서, 에탄올 감소 수성 스트림이 아세트산을 포함하는 방법.
  17. 제 12 항에 있어서, CO2 가 증류 전에 투과물로부터 제거되는 방법.
  18. 제 12 항에 있어서, 퓨젤 오일이 측면 배출부에서 증류 컬럼으로부터 제거되는 방법.
  19. 하기를 포함하는 합성가스 발효 방법으로서:
    배지를 접종하여 1 리터당 약 0.1 g 이상의 세포 밀도를 갖는 접종 배지를 제공하고;
    합성가스를 접종 배지와 접촉시키고;
    세포 및 배지를 발효물로부터 제거하고 상기 세포 및 배지를 분리하여 농축된 세포 및 투과물을 제공하고;
    에탄올을 투과물로부터 분리하여 에탄올 및 에탄올 감소 수성 스트림을 제공하고;
    에탄올 감소 수성 스트림을 발효물에 제공함;
    이때 에탄올 감소 수성 스트림을 발효물에 제공하는 속도 및 세포 및 배지를 발효물로부터 제거하는 속도가 약 0.01 g/g/시간 이상의 성장 배율을 제공하기에 효과적인 방법.
  20. 제 19 항에 있어서, 발효물 중에서 에탄올 농도가 약 10 g/L 초과에 도달시 세포 및 배지가 제거되는 방법.
  21. 제 19 항에 있어서, 세포 밀도가 1 리터당 약 0.5 g 이상에 도달시 세포 및 배지가 제거되는 방법.
  22. 제 19 항에 있어서, 투과물이 투과물 홀딩 탱크로 옮겨지는 방법.
  23. 제 22 항에 있어서, 투과물이 증류 컬럼으로 옮겨지는 방법.
  24. 제 23 항에 있어서, 증류 전에, 투과물이 에탄올 감소 수성 스트림으로 열 교환에 의해 사전가열되는 방법.
  25. 제 19 항에 있어서, 에탄올 감소 수성 스트림을 발효물에 제공하기 전에, 에탄올 감소 수성 스트림을 사용하여 발효기 오프-가스를 스크럽하는 방법.
  26. 제 19 항에 있어서, 에탄올 감소 수성 스트림이 아세트산을 포함하는 방법.
  27. 제 19 항에 있어서, CO2 가 증류 전에 투과물로부터 제거되는 방법.
  28. 제 19 항에 있어서, 퓨젤 오일이 측면 배출부에서 증류 컬럼으로부터 제거되는 방법.
  29. 하기를 포함하는 합성가스 발효 방법:
    배지를 접종하여 1 리터당 약 0.1 g 이상의 세포 밀도를 갖는 접종 배지를 제공하고;
    합성가스를 접종 배지와 접촉시키고;
    성장 배율을 측정하고 상기 성장 배율이 결정적 (critical) 성장 배율 미만인 경우 수성 스트림을 발효물에 제공함.
  30. 제 29 항에 있어서, 수성 스트림이 에탄올 감소 수성 스트림을 포함하는 방법으로서, 이때 상기 에탄올 감소 수성 스트림이:
    세포 및 배지를 발효물로부터 제거하고 상기 세포 및 배지를 분리하여 농축된 세포 및 투과물을 제공하고;
    에탄올을 투과물로부터 분리하여 에탄올 및 에탄올 감소 수성 스트림을 제공함으로써 수득되는 방법.
  31. 하기를 포함하는 합성가스 발효 방법:
    배지를 접종하여 1 리터당 약 0.1 g 이상의 세포 밀도를 갖는 접종 배지를 제공하고;
    합성가스를 접종 배지와 접촉시키고;
    성장 배율을 측정하고, 결정적 성장 배율보다 높게 성장 배율을 유지하기에 효과적인 양으로 수성 스트림을 발효물에 제공함.
  32. 제 31 항에 있어서, 수성 스트림이 에탄올 감소 수성 스트림을 포함하는 방법으로서, 이때 상기 에탄올 감소 수성 스트림이:
    세포 및 배지를 발효물로부터 제거하고 상기 세포 및 배지를 분리하여 농축된 세포 및 투과물을 제공하고;
    에탄올을 투과물로부터 분리하여 에탄올 및 에탄올 감소 수성 스트림을 제공함으로써 수득되는 방법.
  33. 하기를 포함하는 합성가스 발효를 위한 고생산성 방법으로서:
    합성가스를 1 리터당 약 0.1 g 이상의 세포 밀도를 갖는 접종 배지와 접촉시키고;
    세포 및 배지를 발효물로부터 제거하고 상기 제거된 세포 및 배지를 분리하여 농축된 세포 및 투과물을 제공하고;
    에탄올을 투과물로부터 분리하여 에탄올 및 에탄올 감소 수성 스트림을 제공하고;
    에탄올 감소 수성 스트림을 발효물에 제공함;
    이때 세포 및 배지를 제거하는 속도에 대한 에탄올 감소 수성 스트림을 제공하는 속도의 비가 약 0.5 내지 약 25 이고;
    약 60 g/(Lㆍ일) 이상의 STY 를 유지하기에 효과적인 방법.
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