KR20180114080A - 생물학적 전환 공정에서 생성물 관리 - Google Patents
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Abstract
영양물질로서, C1-함유 기질 예컨대 산업 폐가스의 C1-탄소 공급원을 활용하는 C1-고정 박테리아의 대사 경로를 통해 유용한 최종 생성물 예컨대 에탄올 발생을 위한 개선된 생물학적 전환 공정 및 연관 장치가 개시된다. 개시의 특정 양태들은 방출 스트림 및 투과물 스트림에서 에탄올 및/또는 이소프로판올의 하류 회수에 관한 것이고 더욱 상세하게는 바람직하게는 자본 (예를들면, 설비) 및/또는 운전 (예를들면, 유틸리티) 비용을 절감할 수 있는 개선된 효율로 이러한 회수를 수행하는 것에 관한 것이다.
Description
본 발명의 양태들은 여과된 투과물 스트림 및 박테리아-함유 방출 (bleed) 스트림을 생성하는 생물반응기 시스템을 활용한, 에탄올을 위한 C1-함유 기질의 미생물 발효에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 양태들은 이들 스트림으로부터 효과적으로, 특히 열 통합 관점에서 에탄올을 획득하는 공정에 관한 것이다.
화석 연료 온실 가스(GHG) 배출에 대한 환경적 문제는 재생 에너지원에 대한 관심을 증가시켰다. 결과로서, 에탄올은 전세계적으로 주요 수소-풍부 액체 수송 연료로 급속히 부상하고 있다. 연료 에탄올 산업을 위한 글로벌 시장의 계속적인 성장은 여러 개발 도상국가뿐만 아니라 유럽, 일본 및 미국에서 에탄올 생산에 대한 관심 증가를 토대로 향후 미래에 예측된다. 예를들면, 미국에서, 에탄올은 가솔린 중 에탄올의 10 % 혼합물인 E10을 생성하기 위해 사용된다. E10 블렌드에서, 에탄올 성분은 산화제로서 작용하고 연소 효율을 개선시키고 공기 오염 생성을 감소시킨다. 브라질에서, 에탄올은 가솔린 중에 블렌딩된 산화제로서 그리고 그 자체가 수송 연료 둘 모두로서 수송 연료 요구의 대략 30 %를 만족시킨다. 추가로, 유럽 연합(EU)은 이의 각각의 회원국이 바이오매스-유래된 에탄올과 같은 지속가능한 수송 연료를 소비하도록 강제 규정을 갖는다.
막대한 대다수의 연료 에탄올은 주요 탄소원으로서, 사탕수수로부터 추출된 슈크로스 또는 곡물로부터 추출된 전분과 같은 농작물 유래 탄수화물을 사용하는 통상적인 효모-기반 발효 공정을 통해 제조된다. 그러나, 이들 탄수화물 공급 스톡의 비용은 즉 인간 및 동물 둘 모두에 대한 식품 공급원으로서 경쟁 사용을 위한 시장에서 이들의 가치에 의해 영향을 받는다. 추가로, 에탄올 생산을 위한 전분 또는 슈크로스-생산 농작물의 경작은 이것이 지역 대지의 가치 및 기후 둘 모두의 함수이기 때문에 모든 지형에서 경제적으로 지속 가능하지 않다. 이들 이유 때문에, 저렴한 비용 및/또는 보다 풍부한 탄소 재원을 연료 에탄올로 전환시키는 기술을 개발하는 것이 특정 관심 대상이다. 이와 관련하여, 일산화탄소(CO)는 석탄, 오일 및 오일-유래 생성물과 같은 유기 물질의 불완전 연소의 주요 에너지-풍부 부산물이다. CO-풍부 폐가스는 다양한 산업적 공정으로부터 유래된다. 예를들면, 호주에서 강철 산업은 연간 500,000 메트릭 톤 이상의 CO가 생성되어 대기로 방출시키는 것으로 보고된다.
보다 최근에, 산업적 규모로 CO로부터 에탄올을 생산하기 위한 미생물(박테리아)기반의 공정 대안이 상업적 이익 및 투자의 과제가 되었다. 미생물 배양물이 CO를 유일한 탄소원으로 하여 성장하는 능력은 1903년 처음으로 발견되었다. 이러한 특성은 이후, 자가영양 성장의 아세틸 조효소 A(아세틸 CoA) 생화학적 경로(또한 우즈-륭달(Woods-Ljungdahl) 경로 및 일산화탄소 데하이드로게나제/아세틸 CoA 신타제(CODH/ACS) 경로로서 공지됨)의 유기체의 사용에 있는 것으로 밝혀졌다. 이후 일산화탄소영양, 광합성, 메탄생성 및 아세토겐 유기체를 포함하는 다수의 혐기성 유기체가 CO를 대사하는 것으로 나타났다. 클로스트리디움(Clostridium) 속 기원의 박테리아들과 같은 혐기성 박테리아는 아세틸 CoA 생화학적 경로를 통해 CO, CO2 및 H2로부터 에탄올을 생산하는 것으로 공지되어 있다. 예를들면, 가스로부터 에탄올을 생산하는 클로스트리듐 륭달리(Clostridium ljungdahlii)의 다양한 균주는 문헌[참조: WO 00/68407; EP 1117309 A1; US 5,173,429; US 5,593,886; US 6,368,819; WO 98/00558; 및 WO 02/08438]에 기재되어 있다. 박테리아 클로스트리듐 오토에타노게눔 종(Clostridium autoethanogenum sp)은 또한 가스로부터 에탄올을 생산하는 것으로 공지되어 있다(문헌참조: Abrini et al., Archives of Microbiology 161: 345-351 (1994)).
유기체의 각각의 효소는 필수적으로 완전한 선택성과 함께 이의 지정된 생물학적 전환을 촉진시키기 때문에, 미생물 합성 경로는 통상적인 촉매 경로에 비해 보다 낮은 에너지 비용으로 보다 높은 수율을 성취할 수 있다. 추가로, 반응 매질에서의 불순물로 인한 촉매의 독성에 대한 문제는 감소된다. 그러나, CO로부터 에탄올의 미생물 합성과 관련된 이들 명백한 이점에도 불구하고, 이러한 공정은 생성율이 다른 기술과 경쟁되어야 한다. CO를 이들의 탄소원으로서 사용하는 경우, 상기된 혐기성 박테리아는 발효에 의해 에탄올을 생성하지만 이들은 또한 적어도 하나의 대사물, 예를들면, CO2, 메탄, n-부탄올 및/또는 아세트산을 생성한다. 임의의 이들 대사물의 형성은 가용한 탄소가 대사물(들)로 소실되고 목적하는 최종 생성물의 생산 효율이 손상되기 때문에 소정의 공정의 생산성 및 전체 경제적 실행 가능성에 상당한 영향을 줄 잠재력을 갖는다. 추가로, 대사물(예를들면, 아세트산) 자체가 미생물 발효 공정의 시점 및 장소에서 가치를 갖지 않는 경우, 폐기물 처리 문제를 제기할 수 있다. 에탄올을 제조하기 위한 CO-함유 가스의 혐기적 발효에서 목적하는 최종 생성물 이외의 다른 생성물의 형성을 해결하기 위한 다양한 제안이 문헌[참조: WO2007/117157, WO2008/115080 및 WO2009/022925]에서 논의되었다.
소정의 발효 공정이 경제적으로 매력적인지에 관한 주요 결정인자인 에탄올 생산율은 박테리아 성장을 위한 적당한 조건을 관리하는데 크게 의존한다. 예를들면, WO2010/093262에서 CO-함유 기질은 최적의 미생물 성장 및/또는 목적하는 대사물 생산을 유도하는 비율로 미생물 배양체에 제공되어야만 하는 것으로 공지되어 있다. 불충분한 기질이 제공되는 경우, 미생물 성장은 느리고 발효 생성물 수율은 에탄올을 소비하면서 아세트산 쪽으로 전환된다. 과도한 기질이 제공되는 경우, 불량한 미생물 성장 및/또는 세포사가 유발될 수 있다. 추가로, 이들 공정에서 작동 파라미터 간의 관계에 관한 정보는 WO2011/002318에서 발견된다.
CO, 및 특히 제강에서 방출되는 가스성 유출물과 같은 CO-함유 폐 스트림으로부터 에탄올을 생산하기 위한 생물학적 공정에 속하는 기술 분야는 공정 절약 및 따라서 산업 경쟁력을 개선시키는 해결책을 계속해서 찾고 있다. 하나의 관심 분야는 부산물, 즉 비-선택적 부반응의 결과인 상기 대사물, 및 박테리아 배양 배지 성분 (특히 물)을, 원하는 에탄올 생성물로부터 분리하기 위한 에너지 요건과 관련된다. 예를들면, 생물반응기(들) 하류 분리 요건과 연관된 열 통합에서 일반적인 진전을 달성하는 것은, 특히 자본 및 작업 비용에 상당한 충격이 없다면, 산업 작업 규모에 상당한 영향을 준다.
본 발명의 양태들은 영양물질로서, 탄소 함유 기질의 탄소를 활용하는 박테리아의 대사 경로를 통한 유용한 최종 생성물 생산을 위한 생물학적 전환 공정 및 연관 장치의 개선에 관한 것이다. 대표적인 공정은, 기질을 생물반응기 시스템에 공급하는 단계로서, 시스템은 기질의 탄소 공급원을 대사하고 적어도 하나의 발효 생성물을 생산하도록 배양 배지 및 박테리아를 포함하는 적어도 제1 생물반응기를 포함하는 단계; 생물반응기 시스템의 액상 생성물 여과로 획득되는 투과물 스트림을 생물반응기 시스템으로부터 인출하는 단계; 박테리아를 포함하는 방출 스트림을 생물반응기 시스템으로부터 인출하는 단계; 투과물 스트림의 적어도 일부를 고압 분리기로 공급하는 단계; 및 방출 스트림의 적어도 일부를 저압 분리기로 공급하는 단계를 포함한다. 특정 실시태양들에서, 본 공정은 투과물 스트림의 제2 부분을 방출 스트림과 조합하여 조합 스트림을 제공하는 단계, 및 조합 스트림을 저압 분리기로 공급하는 단계를 더욱 포함한다. 다른 실시태양들에서, 본 공정은 투과물 스트림을 적어도 제1 투과물 부분 및 제2 투과물 부분으로 분할하는 단계 및 제1 투과물 부분을 고압 분리기로 공급하는 단계 및 제2 투과물 부분을 저압 분리기로 공급하는 단계를 포함한다.
추가 양태들에 의하면, 본 발명은, 영양물질로서, C1 함유 기질 예컨대 산업 폐가스의 C1 가스를 활용하는 C1-고정 박테리아의 대사 경로를 통한 유용한 최종 생성물 예컨대 에탄올 및/또는 이소프로판올 생산을 위한 생물학적 전환 공정 및 연관 장치의 개선에 관한 것이다. 대표적인 공정 및 장치는 특히 높은 에탄올 또는 이소프로판올 생산성과 관련하여 바람직한 대안적 작동 유형이 관여된다. 연관되고, 실질적인 생성물 유량은 고순도 최종 생성물 (예를들면, 무수 에탄올 또는 이소프로판올) 달성에 필요한 분리 유닛 작동을 통해 효과적으로 처리되어야 한다. 바람직한 에탄올 또는 이소프로판올 생산성 (예를들면, 생물반응기 부피 리터 당 1일의 그램으로 표현) 달성에 사용되는 예시적 생물반응기 시스템은 액체 투입 및 배출 흐름에 대하여 직렬로 (in series) 작동하는2 이상의 생물반응기를 포함한다.
즉, 이러한 시스템에 의하면, 액체 배양 배지의 공급물 스트림은 제1 생물반응기에 전달되고, 상기 생물반응기의 내용물 (고부피, 제1 생물반응기 액체와 동일하거나 상이한 조성을 가짐)을 포함하는 하나 이상의 액체는 제2 생물반응기에 전달되고, 제2 생물반응기의 내용물 (고부피, 제2 생물반응기 액체와 동일하거나 상이한 조성을 가짐)을 포함하는 하나 이상의 액체는 상기 액체에 함유되는 에탄올 또는 이소프로판올을 정화하기 위하여 분리 유닛 작동을 통해 처리된다. 이로서 바람직하게는 다른 목적들 (예를들면, 박테리아 성장 vs. 생성물 수율)을 위하여 분리된 생물반응기에서 별도로 조건 조절이 가능하여, 전체 부피가 비슷한 단일 반응기를 사용하는 경우와 비교하여, 에탄올 생산성 향상 및/또는 부산물 생산성 저하로 이어진다. 생물반응기 시스템이 2개를 초과하는 생물반응기들을 포함하면, 중간 액체 생성물은, 중간 생물반응기에 직렬로 공급되고 이로부터 인출된다 (즉, 연속하여 하류 생물반응기에 전달된다). 생물반응기를 언급할 때 용어 “연이어” 또는 “하류”란 하나의 생물반응기에서 다른 것으로 반응기 액체 (예를들면, 배양 배지)의 통과와 관련하여 생물반응기 시스템의 다른 생물반응기에 대한 위치를 칭하는 것이다. 2 이상의 생물반응기를 포함하는 대표적인 생물반응기 시스템은 또한 가스성 공급물 및 생성물 흐름에 대하여 병렬로 작동될 수 있어, 가스성 C1-함유 기질은 (예를들면, 하부 영역의 가스 분배기에 기질을 도입함으로써) 동일하거나 상이한 유량으로 생물반응기들에 동시에 나누어지고 공급될 수 있다. 기질에 비하여 C1 가스 조성이 감손된 가스성 생성물은, 각각의 생물반응기로부터 동시에 인출되고 또한, 예를들면 별도 스트림 또는 조합 스트림으로서 동반된 액상 생성물을 회수하기 위하여 처리된다.
이하 설명은 에탄올 발효에 관한 것이지만, 교시는 균등하게 이소프로판올 발효 공정 및 이소프로판올 정화 공정에 적용될 수 있다. 또한, 제공되는 실시태양들은 가스 발효 공정에 관한 것이나, 본 발명은 배출 액체 생성물 및 바이오매스를 함유하는 발효액을 발생시키는 임의의 발효 공정에 적용될 수 있다.
정상적인 생물반응기 시스템 작동 동안, 액체 생성물의 실제 발생을 위하여 각각의 생물반응기에서 축적을 방지하고 따라서 정상-상태 조건을 유지하도록 바람직하게는 연속적으로 이들 생성물이 인출될 필요가 있다. 모든 인출 액체가 생물반응기에 존재하는 것과 동일한, 고부피 조성을 가지면 (박테리아 및 배양 배지 성분의 동일 농도 포함), 생물반응기는, 에탄올 및 아세트산 농도에 대하여 정상-상태로 작동되어도, 박테리아 농도는 꾸준히 감손된다. 이러한 분위기에서, 박테리아의 생산성 (성장)과 비교하여 더 큰 에탄올 생산성은 주어진 생물반응기에서 일방적으로 더욱 신속한 박테리아 감손으로 이어진다. 추가 작동 자유도를 제공하여 박테리아 농도를 유지하기 위하여, 주어진 생물반응기에서 인출되는 액체의 제1 부분, 즉, 방출 스트림은, 미여과 부분이고, 인출되는 액체의 제2 부분은 여과될 수 있다. 이러한 경우, 제1 부분은 생물반응기에 현존하는 것과 실질적으로 동일한, 고부피 조성, 또는 적어도 실질적으로 동일 박테리아 농도를 가질 수 있고, 액체의 제2 부분은, 여과에 의해, 박테리아가 농후하고 박테리아 농도를 유지하기 위하여 생물반응기로 복귀되는 여과 잔류물, 및 실제 인출분을 나타내는 여과 투과물로 나누고, 제2 부분은 생물반응기에서 실제로 제거된다 (또는 생물반응기로 재순환되지 않는다). 실질적으로 박테리아가 결여된 이러한 여과 투과물은, 하류 생물반응기로 전달되거나, 최종 생물반응기에서 제거되는 경우, 분리 유닛 동작을 통해 처리되어 함유된 에탄올을 정제한다.
이러한 방식으로, 방출 스트림 및 투과물 스트림 양자의 인출에 의해 여러 생산성 수준으로 특히 박테리아 농도를 관리하는 측면에서 전체 공정 조절이 상당히 개선된다. 에탄올 발생 속도가 증가하면, 방출 스트림 흐름에 비교하여 투과물 스트림 흐름이 증가되어, 더욱 여과된 반응기 액체를 인출하고 더 많은 박테리아를 잔류시킨다. 에탄올은 이들 인출 스트림들 양자에 존재하므로, 생물반응기 시스템, 예를들면 궁극적으로 최종 스테이지 생물반응기에서 (예컨대 액체 흐름에 대하여 직렬로 작동하는 제1 및 제2 생물반응기들을 포함하는 생물반응기 시스템의 제2 생물반응기로부터) 인출되는 방출 스트림 및 투과물 스트림은, 통상 모두 에탄올 정화 처리된다. 방출 스트림 및 투과물 스트림은 개별 저장 탱크로 보내지고, 이어 이들 탱크로부터의 유출물은 하류 회수 유닛으로 전달된다.
이러한 관점에서, 본 발명의 양태들은 방출 스트림 및 투과물 스트림으로부터 에탄올 또는 이소프로판올의 하류 회수에 관한 것이고 더욱 상세하게는 바람직하게는 자본 (예를들면, 설비) 및/또는 작동 (예를들면, 유틸리티) 비용을 줄이는 효율 개선으로 이러한 회수 작업을 수행하는 것이다. 더욱 상세한 양태들은 생물반응기 공정에서 인출되는 방출 스트림 및 투과물 스트림 모두에 함유된 에탄올 또는 이소프로판올의 정화를 위한 공정 및 연관 장치에 관한 것이고, 에탄올 (정상 비점 = 78°C) 및 이들 스트림에서 다른 성분, 예컨대 물 (정상 비점 = 100°C), 및 대사물 예컨대 아세트산 (정상 비점 = 118°C), 2,3-부탄디올 (정상 비점 = 177°C), 및 다양한 기타 간단한 유기 알코올 및 산과의 상대 휘발도 차이에 기초한다. 예시적 공정 및 장치는 분리기의 증기 또는 오버헤드 유분 (fraction)에서 에탄올 또는 이소프로판올의 원하는 농축을 달성하기 위하여 증기-액체 평형의 적어도 단일 스테이지를 활용하고, 분리기는 이러한 유분을 액체 또는 하부 유분과 분리한다. 용어 “분리기”는 따라서 단일-스테이지 플래쉬 드럼 (flash drum)을 포괄한다. 바람직하게는, 그러나, 대표적인 분리기는 증류탑의 경우와 같이 오버헤드에서 더욱 높은 순도의 에탄올 또는 이소프로판올 생성물을 달성하기 위하여 증기-액체 평형의 다중 스테이지를 활용한다. 용어 “분리기”는 또한 원하는 성분 분리를 향상시키기 위하여 보조 가스 흐름 (예를들면, 스트리퍼) 및/또는 보조 액체 흐름 (예를들면, 스크러버)을 가지는 이러한 단일-스테이지 또는 다중-스테이지 용기를 포괄한다.
그러나, 분리기 유형과 무관하게, 이러한 분리 공정을 수행하기 위하여 통상 열 투입이 필요하고, 더욱 상세하게는, 적어도 하나의 스테이지, 예컨대 리보일러 스테이지에서 상대적으로 고온에서의 열 소모는, 또 다른 스테이지, 예컨대 응축기 스테이지에서 상대적으로 저온에서의 열 회수와 동반된다. 이러한 측면에서, 본 발명의 추가 양태들은 더욱 상세하게는 생물반응기 시스템에서 인출되는 방출 스트림 및 투과물 스트림으로부터의 에탄올 또는 이소프로판올 회수에서 열 통합이 개선되는 공정 및 장치에 관한 것이다. 이러한 회수는 전자 (former) 스트림은 생물학적 전환 공정에서 사용되는 박테리아의 일부를 함유하고, 후자 (latter) 스트림은 보통 이러한 박테리아가 없거나 적어도 실질적으로 결여된다는 사실로부터 복잡해진다. 방출 스트림에서 박테리아의 존재는, 예를들면, 이러한 스트림을 정제하기 위하여 사용하는 증류탑 또는 기타 분리기에서 적용되는 작동 온도에 제한을 가하고, 한편 동일한 제한은 투과물 스트림에서의 공정에는 적용되지 않는다.
이러한 이해를 바탕으로 투과물 스트림 처리용 분리기에 비하여 방출 스트림을 더 낮은 온도, 및 결과적으로 더 낮은 압력에서 작동하는 분리기에서 처리하는 해결책에 이르게 된다. 상기된 바와 같이, 그러나, 더 높은 생산성은 방출 스트림 유량에 비하여 일방적으로 더 많은 투과물 스트림 유량에 이른다. 상당한 유량 편차 (offset)는, 다시, 방출 스트림 및 투과물 스트림 처리 (예를들면, 증류)에 요구되는 분리기로의 열 투입 (부하)에서 비례적 편차를 유발한다. 또한, (i) 투과물 스트림, 또는 적어도 이의 제1 부분으로부터 생성물 예컨대 에탄올 또는 이소프로판올을 분리하기 위하여 사용되는 고압 분리기, 및 (ii) 선택적으로 본원에 기술되는 바와 같이 투과물 스트림의 제2 부분으로부터 에탄올 또는 이소프로판올의 분리와 연관되어, 방출 스트림으로부터 에탄올 또는 이소프로판올의 분리에 사용되는 저압 분리기 간의 작동 온도 편차로, 고압 분리기 및 저압 분리기 간의 열 통합, 또는 더욱 상세하게는, 고압 분리기에서 저압 분리기로 열 전달이 가능하다. 열 통합은 상대적으로 고온에서, 고압 분리기와 연관된 임의의 물질 스트림으로부터 소모되는 열을, 상대적으로 저온에서, 저압 분리기와 연관되는 임의의 물질 스트림에 의해 회수하는 것에 의해 달성된다. 증류탑 또는 다른 유형의 분리기의 경우, 열은 하부 액상 생성물, 예를들면 저압 분리기 방출 액체 또는 저압 분리기 투과물 액체의 환류 (reflux) 부분을 가열 및 선택적으로 적어도 부분적으로 증기화하기 위하여 사용되는 리보일러에서 소모되거나 투입된다. 열은, 오버헤드 증기 생성물, 예를들면 고압 분리기 오버헤드의 환류 부분을 냉각 및 선택적으로 적어도 부분적으로 응축하기 위하여 사용되는 응축기로부터 회수 또는 인출된다. 하나의 실시태양에 의하면, 따라서, 열은 (예를들면, 고압 분리기 예컨대 고압 증류탑에서 실질적으로 최저 온도지만 상대적으로 고온으로 통과하는 고압 분리기 증기 배출구 (outlet) 스트림으로) 고압 분리기의 응축기에서 (예를들면, 저압 분리기, 예컨대 저압 증류탑에서 실질적으로 최고 온도지만 상대적으로 저온으로 통과하는 저압 분리기 방출 액체 배출구 스트림 및/또는 저압 분리기 투과물 액체 배출구 스트림으로) 저압 분리기의 리보일러로 전달된다.
본 발명의 추가 양태들에 의하면, 상이한 방출 스트림 및 투과물 스트림 유량에도 불구하고 단일 분리기에서 방출 스트림과 함께 투과물 스트림의 적어도 일부 및 선택적으로 모두를 처리할 수 있는 열 통합 개선 기회에 있다. 이러한 측면에서, 본 발명의 양태들은 에탄올 또는 이소프로판올의 회수에서 방출 스트림 및 투과물 스트림의 특정 특성들, 즉 비-휘발성 성분 (및 특히 박테리아 농도) 관점에서 이들의 상이한 조성 그러나 휘발성 성분 (및 특히 무-박테리아 기준으로 에탄올 또는 이소프로판올, 물, 및 아세트산 농도) 비율 관점에서 유사하거나 동일한 조성을 개발하는 것이다. 본원에 기술되는 공정 및 연관 장치에 의하면 이러한 특성들은 효율적 열 통합 및 설비 용량 및/또는 비용 절감을 포함하여 기타 이점들을 달성하는 기준으로 사용된다.
본 발명과 관련된 이들 및 기타 실시태양들, 양태들, 및 이점들은 다음 상세한 설명에서 명백하게 될 것이다.
본 발명의 예시적 실시태양의 보다 완전한 이해 및 이의 이점은 첨부된 도면을 고려하여 하기의 기재를 언급함에 의해 획득될 수 있고, 여기서, 동일 또는 유사한 특징부는 유사한 참조 번호에 의해 식별된다.
도 1은 본원에 기술되는 바와 같이 방출 스트림 및 투과물 스트림을 제공하는2개의 생물반응기들을 활용하는 대표적인 생물반응기 시스템을 도시한 것이다.
도 2는 도 1에 도시되는 생물반응기 시스템, 특히 상기 시스템에서 인출되는 방출 스트림 및 투과물 스트림으로부터 에탄올을 회수하기 위한 설명되고, 대표적인 개략적 흐름도에 따른 공정 및 연관 설비를 도시한 것이다.
도 1 및 2는 관련된 기재내용 및/또는 원리의 설명을 제공하기 위한 것으로 이해될 수 있다. 설명 및 이해를 촉진시키기 위해, 단순화된 장비 및 공정 흐름은 도시되고 도면들은 반드시 스케일로 도시되지 않는다. 밸브, 기기 장치 및 개시된 내용의 이해에 필수적이지 않은 기타 설비의 세부 사항은 나타내지 않는다. 도면은 에탄올 생성 및 회수에 관한 공정에 대한 것이나, 관련된 개시내용 및 원리는 이소프로판올 생성에 균등하게 설명될 수 있다. 본원의 개시내용의 지식을 갖는 당업자에게 용이하게 자명한 바와 같이, 설비 비용-효율적 방식 및/또는 유틸리티 비용-효율적 방식으로 생물반응기 시스템에서 생성되는 스트림에서 에탄올을 회수하는 공정은, 본 발명의 다른 실시태양들에 의하면, 이들 특정 용도에 의해 부분적으로 결정되는 구성을 갖는다.
도 1은 본원에 기술되는 바와 같이 방출 스트림 및 투과물 스트림을 제공하는2개의 생물반응기들을 활용하는 대표적인 생물반응기 시스템을 도시한 것이다.
도 2는 도 1에 도시되는 생물반응기 시스템, 특히 상기 시스템에서 인출되는 방출 스트림 및 투과물 스트림으로부터 에탄올을 회수하기 위한 설명되고, 대표적인 개략적 흐름도에 따른 공정 및 연관 설비를 도시한 것이다.
도 1 및 2는 관련된 기재내용 및/또는 원리의 설명을 제공하기 위한 것으로 이해될 수 있다. 설명 및 이해를 촉진시키기 위해, 단순화된 장비 및 공정 흐름은 도시되고 도면들은 반드시 스케일로 도시되지 않는다. 밸브, 기기 장치 및 개시된 내용의 이해에 필수적이지 않은 기타 설비의 세부 사항은 나타내지 않는다. 도면은 에탄올 생성 및 회수에 관한 공정에 대한 것이나, 관련된 개시내용 및 원리는 이소프로판올 생성에 균등하게 설명될 수 있다. 본원의 개시내용의 지식을 갖는 당업자에게 용이하게 자명한 바와 같이, 설비 비용-효율적 방식 및/또는 유틸리티 비용-효율적 방식으로 생물반응기 시스템에서 생성되는 스트림에서 에탄올을 회수하는 공정은, 본 발명의 다른 실시태양들에 의하면, 이들 특정 용도에 의해 부분적으로 결정되는 구성을 갖는다.
본 발명의 예시적 실시태양들은 생물학적 전환 공정에 관한 것으로 기질의 탄소 공급원을 대사하고 적어도 하나의 발효 생성물을 생산하기 위하여 배양 배지 및 박테리아를 포함하는 적어도 제1 생물반응기를 포함하는 생물반응기 시스템에 기질을 공급하는 단계를 포함한다. 본 공정은 생물반응기 시스템의 액상 생성물 여과에 의해 획득되는 투과물 스트림을 생물반응기 시스템에서 인출하는 단계, 및 투과물 스트림을 적어도 제1 투과물 부분 및 제2 투과물 부분으로 분할하는 단계 및 제1 투과물 부분을 고압 분리기 (예를들면 고압 증류탑)에 공급하는 단계 및 제2 투과물 부분을 저압 분리기 (예를들면 저압 증류탑)에 공급하는 단계를 더욱 포함한다.
본 발명의 특정 실시태양들은 생물학적 전환 공정에 관한 것으로 적어도 (i) 배양 배지 및 C1-고정 박테리아 (세포 또는 바이오매스)가 포함되고, 내부에 담긴 제1 생물반응기, 및 선택적으로 (ii) C1-함유 기질의 C1 성분을 대사하여 에탄올을 생산하는 제2 또는 추가 하류 생물반응기를 포함하는 생물반응기 시스템에 가스성 C1-함유 기질을 공급하는 단계를 포함한다. 본 공정은 생물반응기 시스템으로부터 C1-고정 박테리아를 포함하는 방출 스트림을 인출하는 단계, 및 또한 생물반응기 시스템으로부터 생물반응기 시스템의 액상 생성물 여과로 획득되는 투과물 스트림을 인출하는 단계를 더욱 포함한다. 특정 실시태양들에서 본 공정은 투과물 스트림을 적어도 제1 투과물 부분 및 제2 투과물 부분으로 분할하는 단계 및 제1 투과물 부분을 고압 분리기 (예를들면, 스트리퍼 또는 증류탑)로 공급하는 단계 및 제2 투과물 부분을 저압 분리기 (예를들면, 스트리퍼 또는 증류탑)로 공급하는 단계를 더욱 포함한다. 방출 스트림은 생물반응기 시스템의 제1 생물반응기에 본래 있고 연이은 또는 하류 생물반응기로 전달되는 C1-고정 박테리아의 적어도 일부를 포함한다. 방출 스트림은 더욱 일반적으로 시스템의 생물반응기에서 제거되는 임의의 액상 생성물을 포함할 수 있지만, 이는 여과되지 않거나 또는 적어도 완전히 여과되지 않은 것이다. 소정의 실시태양들에서 방출 스트림의 적어도 일부는 저압 분리기에 공급된다. 소정의 실시태양들에서, 방출 스트림의 적어도 일부 및 제2 투과물 부분의 적어도 일부는 혼합되어 조합 스트림을 제공하고, 조합 스트림은 저압 분리기에 공급된다. 대표적인 공정은 방출 스트림의 적어도 일부를 저압 분리기에 공급하는 단계 및 저압 분리기에 대한 하나 이상의 공급물 스트림예를들면, 제2 투과물 부분 및 방출 스트림에 비하여 에탄올이 농후한 저압 분리기 오버헤드를 인출하는 단계를 더욱 포함한다. 저압 분리기 오버헤드는 이들 스트림에 비하여, 이들 스트림에 존재하는 에탄올보다 덜 휘발성인, 예컨대 물, 아세트산, 및 2,3-부탄디올인 하나 이상의 성분이 추가로 감손된다.
방출 스트림의 적어도 일부로부터 에탄올을 정제하는 것과 연관되어, 제1 투과물 부분으로부터 에탄올을 정화하는 고압 분리기 (예를들면, 고압 증류탑) 및 제2 투과물 부분으로부터 에탄올을 정화하는 저압 분리기 (예를들면, 저압 증류탑) 모두를 사용하는 실시태양들에서, 열 통합은 다른 분리기에서 소모되도록 분리기 중 하나에서 발생되는 열을 활용하는 단계를 포함한다. 바람직하게는, 고압 분리기의 응축기 온도는 저압 분리기의 리보일러 온도를 초과하여, 고압 분리기의 응축기 열의 적어도 일부는 저압 분리기의 리보일러 (예를들면, 저압 분리기 액체 배출구 스트림의 적어도 일부를 기화시키는데 사용되는 저압 분리기의 리보일러)에서 리보일러 열로서 소모된다.
본 발명의 또 다른 실시태양들은 생물학적 전환 장치에 관한 것이고, 생물반응기 시스템을 포함하고, 이는 (i) 기질을 생물반응기 시스템에 도입하기 위하여 (예를들면, 생물반응기 시스템의 적어도 하나의, 적어도 2개의, 및/또는 모든 생물반응기와 유체 연통하는) 주입구, (ii) 기질의 탄소 성분을 대사하여 원하는 최종 생성물을 생성하기 위하여 배양 배지 및 박테리아를 함유하는 적어도 제1 생물반응기, (iii) 생물반응기 시스템의 액상 생성물을 여과하기 위한 여과 시스템, (iv) 박테리아를 포함하는 방출 스트림을 인출하기 위하여 (예를들면, 생물반응기 시스템의 적어도 하나의 생물반응기와 유체 연통하는) 방출 스트림 배출구, 및 (v) 생물반응기 시스템으로부터 투과물 스트림을 인출하기 위하여 여과 시스템의 투과물 측과 유체 연통하는 투과물 스트림 배출구를 포함한다. 본 장치는 생물반응기 시스템에서 박테리아의 재순환 부분을 유지하기 위하여 선택적으로 여과 시스템의 잔류물 측과 유체 연통하는 재순환 도관을 포함한다. 특정 양태들에서, 생물학적 전환 장치는 생물반응기 시스템을 포함하고, 이는 (i) C1-함유 기질을, 생물반응기 시스템에 도입하기 위한 주입구, (ii) C1-함유 기질의 C1 성분을 대사하여 에탄올, 이소프로판올 및 이들 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나의 생성물을 생성하기 위하여 배양 배지 및 C1-고정 박테리아를 함유하는 적어도 제1 생물반응기를 포함한다.
대표적인 장치는 저압 분리기를 더욱 포함하고, 이는 (i) 저압 분리기 스트림 주입구 및 (ii) 저압 스트림 주입구 아래에 위치하는 저압 분리기 액체 배출구를 가진다. 소정의 실시태양들에 의하면, 저압 분리기는 저압 분리기 증기 배출구 및 (i) 저압 분리기 오버헤드 환류 도관 및 (ii) 저압 분리기 오버헤드 도관 양쪽과 유체 연통하는 저압 분리기 응축기와 함께 구성된다. 저압 분리기는 또한 저압 분리기 액체 배출구 및 (i) 저압 분리기 액체 환류 도관 및 (ii) 저압 분리기 하부 도관 양쪽과 유체 연통하는 저압 분리기 리보일러와 함께 구성된다.
대표적인 장치는 선택적으로 고압 분리기를 더욱 포함하고, 이는 (i) 투과물 스트림의 제1 투과물 부분을 수용하고 투과물 스트림의 제2 투과물 부분을 저압 분리기 투과물 스트림 주입구로 전달하기 위하여 투과물 스트림 배출구와 유체 연통하는 제1 투과물 부분 주입구, (ii) (예를들면, 상부 영역에, 예컨대 고압 분리기 최상부에 또는 근처에) 고압 분리기 증기 배출구, 및 (iii) (예를들면, 하부 영역에, 예컨대 바닥에 또는 근처에) 고압 분리기 액체 배출구를 가진다. 제1 투과물 부분 주입구는 통상 고압 분리기 오버헤드 배출구 아래에 그리고 고압 분리기 하부 배출구 상부에 위치한다. 고압 분리기는 고압 분리기 증기 배출구 및 (i) 고압 분리기 오버헤드 환류 도관 및 (ii) 고압 분리기 오버헤드 도관 양쪽과 유체 연통하는 고압 분리기 응축기와 함께 구성된다. 고압 분리기는 또한 고압 분리기 액체 배출구 및 (i) 고압 분리기 액체 환류 도관 및 (ii) 고압 분리기 하부 도관 양쪽과 유체 연통하는 고압 분리기 리보일러와 함께 구성된다. 상기와 같이, 임의의, 또는 임의 조합의, 저압 분리기 응축기 및 저압 분리기 리보일러가, 상기와 같이 고압 분리기 응축기 및/또는 고압 분리기 리보일러와의 열 통합을 제공하기 위하여 구성될 수 있다. 예시적 실시태양들에 의하면, 고압 분리기 응축기는 응축기에서 발생되는 열이, 상기와 같이 저압 분리기 리보일러에서 소모되도록 전달하도록 구성된다.
대표적인 장치는 선택적으로 탈수탑을 더욱 포함하고, 이는 (i) 저압 분리기 오버헤드 배출구 및 고압 분리기 오버헤드 배출구와 유체 연통하는 탈수탑 주입구, (ii) (예를들면, 상부 영역에, 예컨대 최상부 또는 근처에) 탈수탑 오버헤드 배출구, 및 (iii) (예를들면, 하부 영역에, 예컨대 바닥에 또는 근처에) 탈수탑 하부 배출구를 가진다. 탈수탑 주입구는 통상 탈수탑 오버헤드 배출구 아래 그리고 탈수탑 하부 배출구 위에 위치한다. 대표적인 장치는 선택적으로 저압 분리기 방출 하부 배출구와 유체 연통하고, 예를들면 스트림에 함유되는 C1-고정 박테리아를 분리하기 위하여 저압 분리기 방출 하부 스트림을 여과할 수 있는 제2 여과 시스템을 추가로 포함한다.
상기 측면에서, 본 발명의 특정 양태들은 생물학적 전환 공정 및 연관 장치에 관한 것이고, C1-함유 기질이 발효 생성물 생산을 위한 적어도 하나의 생물반응기를 포함하는 생물반응기 시스템에 공급되고 생성물은 생물반응기 시스템으로부터 액체 투과물 및 방출 스트림에서 회수된다. 특정 양태들에서, 발효 생성물은 에탄올 (C2H5OH) 및 이소프로판올 (C3H7OH)로 이루어진 군에서 선택된다. 다중 (예를들면, 2 이상의, 예컨대 2개, 3개, 또는 4개) 생물반응기를 포함하는 생물반응기 시스템은 바람직하게는 상이한 처리 목적을 달성하기 위하여 각각의 생물반응기 조건을 별도로 조절할 수 있다. 예를들면, 2개의 생물반응기를 포함하는 생물반응기 시스템의 경우, 제1 생물반응기는 제2 생물반응기에 연속 또는 간헐적으로 공급되는 박테리아 배양체가 성장되도록 주로 작동될 수 있다. 제2 생물반응기는, 다시, 주로 에탄올 발생을 위하여, 즉, 에탄올 또는 이소프로판올 생성 수율 최대화를 위하여 작동될 수 있다.
상기와 같이 생물반응기로 C1-함유 기질의 병렬 흐름 및 제1 생물반응기에서 연이은 생물반응기(들)로의 액체 생성물의 직렬 흐름을 가지는 이러한 생물반응기 시스템을 이용하면, 본원에 기술되는 바와 같이 생물반응기 시스템에서 인출되는 액체 방출 스트림(들) 및 액체 투과물 스트림(들)에서 높은 발효 생성물 농도로 구현된다. 때로, 생물학적 전환 공정에서 생산되는 모든 또는 실질적으로 모든 에탄올은 최종 생물반응기, 즉 생물반응기 시스템의 최하류 생물반응기 (예를들면, 2개 및 단지 2개의 생물반응기를 가지는 생물반응기 시스템에서, 제1 생물반응기의 하류에 있는 제2 생물반응기가 최종 생물반응기인 경우)에서 인출되는 방출 스트림 및 투과물 스트림에서 회수된다., 그러나, 적어도 일부 생산 에탄올은 제1 생물반응기 및/또는 생물반응기 시스템의 임의의 중간 생물반응기 (최종 생물반응기의 상류)에서 인출되는 방출 스트림 및/또는 투과물 스트림에서도 회수될 수 있다. 대표적인 실시태양들에서, C1 함유 기질은 CO를 포함하는 가스성 기질이다. 대표적인 실시태양들에서, 예를들면 최종 생물반응기에서 인출되는 임의의 이러한 방출 및/또는 투과물 스트림(들)은, 에탄올 농도가 대략 적어도 리터 당 약 40 그램 (그램/리터 또는 g/L) (예를들면, 약 40 내지 약 95 g/L), 전형적으로 적어도 약 50 g/L (예를들면, 약 50 내지 약 80 g/L), 및 때로 적어도 약 60 g/L (예를들면, 약 60 내지 약 75 g/L)이다. 예를들면 최종 생물반응기에서 인출되는 임의의 이러한 방출 및/또는 투과물 스트림(들)은, 에탄올 대 아세트산의 중량비가 대략 적어도 약 5:1 (예를들면, 약 5:1 내지 약 100:1), 전형적으로 적어도 약 7.5:1 (예를들면, 약 7.5:1 내지 약 50:1), 및 때로 적어도 약 10:1 (예를들면, 약 10:1 내지 약 50:1)이다. 일반적으로, 에탄올 및 기타 대사물의 농도 결정에 사용되는 분석 방법 (예를들면, 가스 크로마토그래피 (GC) 또는 고압 액체 크로마토그래피, HPLC)은 무-세포 샘플이 요구되고, 따라서 C1-고정 박테리아 (세포 또는 바이오매스)를 제거하기 위하여 방출 스트림에 대하여 초기 분리 (예를들면, 막 여과)가 수행될 필요가 있다. 따라서, 에탄올 및 기타 대사물의 농도, 및 본원에 기술되는 바와 같이 방출 스트림의 다른 특성 (예를들면, 에탄올: 아세트산 중량비)는 무-바이오매스 기준으로 표현된다.
본 발명은 따라서 일반적으로 하나 이상의 생물반응기를 포함하는 생물반응기 시스템에 가스성 C1-함유 기질의 C1-탄소 공급원을 공급함으로써 원하는 최종 생성물, 예컨대 에탄올 또는 이소프로판올을 생성하는 공정에 관한 것이다. 작동에 있어서, 하나 이상의 생물반응기는 C1-고정 박테리아 함유 액체 배양 배지를 포함한다. 원하는 최종 생성물 외에도, 본원에 기술되는 바와 같이 공정은 추가로 바람직하지 않은 또는 덜 원하는 대사물을 발생시킨다. 원하는 발효 생성물 외에도 발생되는 대사물의 예시로는, 아세테이트 (예를들면, 아세트산 형태), 2,3-부탄디올, 및 락테이트 (예를들면, 락트산 형태)이다. CO2 가스 또한 발생된다.
본 발명 대표적인 박테리아 또는 미생물은 C1-고정 미생물, 혐기성생물, 아세토겐, 에탄올로겐, 카복시도영양생물, 및/또는 메타노영양생물이거나 이로부터 유래할 수 있다. 표 1은 미생물의 대표적인 목록을 제공하고 그들의 기능성 특징을 확인한다.
| 표 1 | C1-고정 | 혐기성생물 | 아세토겐 | 에탄올로겐 | 독립영양생물 | 카복시도영양생물 | 메타노영양생물 |
| 아세토박테리움 우디이 | + | + | + | +/- 1 | - | - | - |
| 알칼리바쿨룸 바치이 | + | + | + | + | + | + | - |
| 블라우티아 프로덕타 | + | + | + | - | + | + | - |
| 부티리박테리움 메틸로트로피쿰 | + | + | + | + | + | + | - |
| 클로스트리듐 아세티쿰 | + | + | + | - | + | + | - |
| 클로스트리듐 오토에타노게눔 | + | + | + | + | + | + | - |
| 클로스트리듐 바르복시디보란스 | + | + | + | + | + | + | - |
| 클로스트리듐 코스카티이 | + | + | + | + | + | + | - |
| 클로스트리듐 드라케이 | + | + | + | - | + | + | - |
| 클로스트리듐 포르미코아세티쿰 | + | + | + | - | + | + | - |
| 클로스트리듐 륭달리 | + | + | + | + | + | + | - |
| 클로스트리듐 마그눔 | + | + | + | - | + | +/- 2 | - |
| 클로스트리듐 라그스달레이 | + | + | + | + | + | + | - |
| 클로스트리듐 스카톨로게네스 | + | + | + | - | + | + | - |
| 유박테리움 리모숨 | + | + | + | - | + | + | - |
| 모오엘라 테르마우토트로피카 | + | + | + | + | + | + | - |
| 모오엘라 테르모아세티카 (이전에클로스트리듐 테르모아세티쿰) | + | + | + | - 3 | + | + | - |
| 옥소박터 펜니기이 | + | + | + | - | + | + | - |
| 스포로무사 오바타 | + | + | + | - | + | +/- 4 | - |
| 스포로무사 실바세티카 | + | + | + | - | + | +/- 5 | - |
| 스포로무사 스파에로이데스 | + | + | + | - | + | +/- 6 | - |
| 테르모아나에로박터 키우비 | + | + | + | - | + | - | - |
"C1"은 1-탄소 분자, 예를들면, CO, CO2, CH4, 또는 CH3OH를 지칭한다. "C1-옥시게네이트"는 적어도 1종의 산소 원자를 또한 포함하는 1-탄소 분자, 예를들면, CO, CO2 또는 CH3OH를 지칭한다. "C1-탄소 공급원"은 본 발명의 미생물에 대하여 부분적 또는 단독 탄소 공급원으로서 작용하는 1 탄소-분자를 지칭한다. 예를들면, C1-탄소 공급원은 1종 이상의 CO, CO2, CH4, CH3OH, 또는 CH2O2를 포함할 수 있다. 바람직하게는, C1-탄소 공급원은 CO 또는 CO2의 한쪽 또는 양쪽을 포함한다. "C1-고정 미생물"은 C1-탄소 공급원으로부터 1종 이상의 생성물을 생산하기 위한 능력을 갖는 미생물이다. 전형적으로, 본 발명의 미생물은 C1-고정 박테리아이다. 바람직한 구현예에서, 본 발명의 미생물은 표 1에서 확인된 C1-고정 미생물로부터 유래된다.
"에탄올로겐"은 에탄올을 생산하는 또는 생산할 수 있는 미생물이다. 전형적으로, 본 발명의 미생물은 에탄올로겐이다. 바람직한 구현예에서, 본 발명의 미생물은 표 1에서 확인된 에탄올로겐으로부터 유래된다.
"독립영양생물"은 유기 탄소의 부재 하에 성장할 수 있는 미생물이다. 대신에, 독립영양생물은 무기 탄소 공급원, 예컨대 CO 및/또는 CO2를 이용한다. 전형적으로, 본 발명의 미생물은 독립영양생물이다. 바람직한 구현예에서, 본 발명의 미생물은 표 1에서 확인된 독립영양생물로부터 유래된다.
"카복시도영양생물"은 탄소의 단독 공급원으로서 CO를 사용할 수 있는 미생물이다. 전형적으로, 본 발명의 미생물은 카복시도영양생물이다. 바람직한 구현예에서, 본 발명의 미생물은 표 1에서 확인된 카복시도영양생물으로부터 유래된다.
"메타노영양생물"은 탄소의 단독 공급원으로서 메탄 및 에너지를 사용할 수 있는 미생물이다. 소정의 실시태양들에서, 본 발명의 미생물은 메타노영양생물로부터 유래된다.
더욱 광범위하게, 본 발명의 미생물은 표 1에서 확인된 임의의 속 또는 종으로부터 유래될 수 있다.
바람직한 구현예에서, 본 발명의 미생물은 종 클로스트리듐 오토에타노게눔, 클로스트리듐 륭달리, 및 클로스트리듐 라그스달레이를 포함하는 클로스트리듐의 클러스터로부터 유래된다. 이들 종은 하기에 의해 최초 보고되었고 특성 규명되었다: Abrini, Arch Microbiol, 161: 345-351, 1994 (클로스트리듐 오토에타노게눔), Tanner, Int J System Bacteriol, 43: 232-236, 1993 (클로스트리듐 륭달리), 및 Huhnke, WO 2008/028055 (클로스트리듐 라그스달레이).
이들 3 종은 많은 유사성을 갖는다. 특히, 이들 종 모두는 속 클로스트리듐의 C1-고정, 혐기성, 초산생성, 에탄올로겐성, 및 일산화탄소영양 구성원을 갖는다. 이들 종은 유사한 유전자형 및 표현형 그리고 에너지 보존 및 발효성 대사의 방식을 갖는다. 또한, 이들 종은 99% 초과 동일한 16S rRNA DNA를 가진 클로스트리듐성 rRNA 상동성 그룹 I에서 클러스터링되고, 약 22-30 mol%의 DNA G + C 함량을 갖고, 그램-양성이고, 유사한 형태학 및 크기 (0.5-0.7 x 3-5 ㎛ 사이 로그 성장 세포)를 갖고, 중온성이고 (30-37 ℃에서 최적으로 성장하고), 약 4-7.5의 유사한 pH 범위 (최적의 pH 약 5.5-6)을 갖고, 사이토크롬이 부족하고, Rnf 복합체를 통해 에너지를 보존한다. 또한, 카복실산의 그들의 대응하는 알코올로의 환원은 이들 종에서 나타났다 (Perez, Biotechnol Bioeng, 110:1066-1077, 2012). 중요하게는, 이들 종은 또한 모두 CO-함유 기체에서 강한 자가영양 성장을 보여주고, 에탄올 및 아세테이트 (또는 아세트산)을 주요 발효 생성물로서 생산하고, 특정 조건 하에서 2,3-부탄디올 및 락트산의 소량을 생산한다.
하지만, 이들 3 종은 또한 수많은 차이를 갖는다. 이들 종은 상이한 공급원으로부터 단리되었다: 토끼 소화관으로부터 클로스트리듐 오토에타노게눔, 양계장 폐기물로부터 클로스트리듐 륭달리, 및 담수 침전물로부터 클로스트리듐 라그스달레이. 이들 종은 다양한 당류 (예를 들면, 람노오스, 아라비노오스), 산 (예를 들면, 글루코네이트, 시트레이트), 아미노산 (예를 들면, 아르기닌, 히스티딘), 및 다른 기질 (예를 들면, 베타인, 부탄올)의 이용에서 상이하다. 또한, 이들 종은 특정 비타민 (예를 들면, 티아민, 바이오틴)에 대한 영양요구에서 상이하다. 이들 유전자 및 단백질의 일반 조직화 및 수가 모든 종에서 동일한 것으로 밝혀졌어도, 이들 종은 우드-리융다흘 경로 유전자 및 단백질의 핵산 및 아미노산 서열에서 차이를 갖는다 (Kopke, Curr Opin Biotechnol, 22: 320-325, 2011).
따라서, 요약하면, 클로스트리듐 오토에타노게눔, 클로스트리듐 륭달리, 또는 클로스트리듐 라그스달레이의 많은 특징은 그 종에 특이적이지 않지만, 속 클로스트리듐의 C1-고정, 혐기성, 초산생성, 에탄올로겐성, 및 일산화탄소영양 구성원의 상기 클러스터에 다소 일반적인 특징이다. 하지만, 이들 종이, 사실상, 구별되기 때문에, 이들 종 중 하나의 유전자 변형 또는 조작은 이들 종의 또 다른 것에서 동일한 효과를 가질 수 없다. 예를 들면, 성장, 성능, 또는 생성물 생산에서 차이는 관측될 수 있다.
본 발명의 미생물은 또한 클로스트리듐 오토에타노게눔, 클로스트리듐 륭달리, 또는 클로스트리듐 라그스달레이의 단리물 또는 돌연변이체로부터 유래될 수 있다. 클로스트리듐 오토에타노게눔의 단리물 및 돌연변이체는 JA1-1 (DSM10061) (Abrini, Arch Microbiol, 161: 345-351, 1994), LBS1560 (DSM19630) (WO 2009/064200), 및 LZ1561 (DSM23693)을 포함한다. 클로스트리듐 륭달리의 단리물 및 돌연변이체는 하기를 포함한다: ATCC 49587 (Tanner, Int J Syst Bacteriol, 43: 232-236, 1993), PETCT (DSM13528, ATCC 55383), ERI-2 (ATCC 55380) (US 5,593,886), C-01 (ATCC 55988) (US 6,368,819), O-52 (ATCC 55989) (US 6,368,819), 및 OTA-1 (Tirado-Acevedo, Production of bioethanol from synthesis gas using Clostridiumljungdahlii, PhD thesis, North Carolina State University, 2010). 클로스트리듐 라그스달레이의 단리물 및 돌연변이체는 PI 1 (ATCC BAA-622, ATCC PTA-7826)을 포함한다 (WO 2008/028055).
"기질"은 본 발명의 미생물용 탄소 및/또는 에너지 공급원을 지칭한다. 전형적으로, 기질은 가스성이고 C1-탄소 공급원, 예를들면, CO, CO2, 및/또는 CH4를 포함한다. 바람직하게는, 기질은 CO 또는 CO + CO2의 C1-탄소 공급원을 포함한다. 기질은 추가로 다른 비-탄소 성분, 예컨대 H2, N2, 또는 전자를 포함할 수 있다.
기질은 일반적으로 CO의 적어도 일부 양, 예컨대 약 1, 2, 5, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 또는 100 mol% CO를 포함한다. 기질은 다양한 CO, 예컨대 약 5-70, 20-80, 30-70, 또는 40-60 mol% CO를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 기질은 약 40-70 mol% CO (예를 들면, 제강소 또는 고로 가스), 약 20-30 mol% CO (예를 들면, 염기성 산소 로 가스), 또는 약 15-45 mol% CO (예를 들면, 합성가스)를 포함한다. 일부 구현예에서, 기질은 CO의 비교적 적은 양, 예컨대 약 1-10 또는 1-20 mol% CO를 포함할 수 있다. 본 발명의 미생물은 전형적으로 기질에서 CO의 적어도 일 부분을 생성물로 전환시킨다. 일부 구현예에서, 기질은 CO를 포함하지 않거나 또는 실질적으로 포함하지 않는다(< 1 mol%).
기질은 H2의 일부 양을 포함할 수 있다. 예를들면, 기질은 약 1, 2, 5, 10, 15, 20, 또는 30 mol% H2를 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 기질은 H2의 비교적 많은 양, 예컨대 약 60, 70, 80, 또는 90 mol% H2를 포함할 수 있다. 추가 구현예에서, 기질은 H2를 포함하지 않거나 또는 실질적으로 포함하지 않는다(< 1 mol%).
기질은 CO2의 일부 양을 포함할 수 있다. 예를들면, 기질은 약 1-80 또는 1-30 mol% CO2를 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 기질은 약 20, 15, 10, 또는 5 mol% CO2 미만을 포함할 수 있다. 또 다른 구현예에서, 기질은 CO2를 포함하지 않거나 또는 실질적으로 포함하지 않는다(< 1 mol%).
기질이 전형적으로 가스성이어도, 기질은 또한 대안적 형태로 제공될 수 있다. 예를들면, 기질은 마이크로 버블 분산 발생기를 이용하여 CO-함유 기체로 포화된 액체에 용해될 수 있다. 추가 예로써, 기질은 고형 지지체상에 흡착될 수 있다.
기질 및/또는 C1-탄소 공급원은 산업 공정의 부산물로서 또는 일부 다른 공급원 예컨대 자동차 배기 가스, 바이오매스 가스화로부터 수득된 폐가스일 수 있다. 특정 구현예에서, 산업 공정은 하기로 구성되는 군으로부터 선택된다: 철 금속 제품 제조, 예컨대 제강 제조, 비-철 제품 제조, 석유 정제 공정, 석탄 기화, 전력 생산, 탄소 흑색 생산, 암모니아 생산, 메탄올 생산, 및 코크스 제조. 이들 구현예에서, 기질 및/또는 C1-탄소 공급원은, 임의의 편리한 방법을 이용하여, 분위기 속에 방출되기 전에 산업 공정으로부터 포착될 수 있다.
기질 및/또는 C1-탄소 공급원은 합성가스, 예컨대 석탄 또는 정제시설 잔류물의 기화, 바이오매스 또는 리그노셀룰로오스 물질의 기화, 또는 천연 가스의 개질에 의해 수득된 합성가스일 수 있다. 또 다른 구현예에서, 합성가스는 도시 고형 폐기물 또는 산업 고형 폐기물의 기화로부터 수득될 수 있다.
기질의 조성물은 반응의 효율 및/또는 비용에서 상당한 영향을 가질 수 있다. 예를들면, 산소 (O2)의 존재는 혐기성 발효 공정의 효율을 감소시킬 수 있다. 기질의 조성물에 의존하여, 임의의 바람직하지 않은 오염물들, 예컨대 독성 (예를들면, HCN, 아세틸렌), 바람직하지 않은 성분, 또는 분진 입자를 제거 및/또는 바람직한 성분의 농도를 증가시키기 위하여 처리, 여과, 스크러빙 또는 여과하는 것이 바람직할 수 있다. 예를들면, 가스성 C1-함유 기질은 공지 방법을 이용한 여과 (고체 매질, 예컨대 활성탄과 접촉) 또는 스크러빙 (액체 매질, 예컨대 산, 염기, 산화제 또는 환원제 수용액과 접촉)되거나, 또는 달리 바람직하게 흡착된 오염물들을 제거하기 위하여 흡착될 수 있다. 압력 변동 흡착 (PSA) 및/또는 온도 변동 흡착 (TSA)이, 특히, 카복시도영양생물성 박테리아의 기능에 유해할 수 있는 오염물들, 예컨대 시안화수소 (HCN) 및 방향족 화합물 예컨대 벤젠, 톨루엔, 및/또는 자일렌 (BTX)을 제거하는데 사용될 수 있다. 기질은 바람직하게는, 오염물들이 카복시도영양생물성 박테리아의 성장에 부작용을 일으키는 정도로는 오염물들을 포함하지 않는다 (예를들면, 오염물(들)이 없는 동일 조건에서 성장 속도와 비교할 때, 하나 이상의 오염물(들)은 주어진 조건에서 성장 속도가 10% 이상 저하되는 농도 또는 함량으로 존재하지 않는다)
본 발명의 대표적인 실시태양들은 C1-탄소 공급원 및 C1-고정 박테리아의 이용을 개시하지만, 본 발명의 양태들은 투과물 스트림 및 방출 스트림 양쪽 모두가 생물반응기에서 인출되는 임의의 생물학적 전환 공정에 적용될 수 있다.
본 발명의 더 광범위한 양태들은 비-가스성 발효 생성물, 및 발효 공정에 적용되는 미생물 및 공급원료를 포집하는 것이다.
특정 양태들에서, 비-가스성 기질은 탄수화물 기질이고, 박테리아는 탄수화물 기질에서 탄소 기질을 고정할 수 있는 박테리아이다. 탄수화물 기질을 생성물, 예컨대 에탄올로 전환하기 위한 공정은 알려져 있다. 탄수화물 공급원료는 당 (예를들면 글루코스, 수크로스, 프룩토스, 자이로스, 아라비노스 및 글리세롤) 셀룰로스, 및 바이오매스 (예를들면, 옥수수 전분, 사탕수수, 작물 잔류물 예컨대 옥수수 대 및 사탕수수 버개스, 의도적으로 재배된 목초 작물, 및 목재 바이오매스를 포함한다.
특정 양태들에서, 발효 공정에 적용 가능한 미생물은 효모, 균류, 조류, 남세균 또는 박테리아로 이루어진 군에서 선택된다. 발효 공정에 적용 가능한 예시적 박테리아는, 대장균 (Escherichia coli), 클레브시엘리 옥시토카 (Klebsiella oxytoca), 바실러스 서브티루스 (Bacillus subtilus), 자이모모나스 모빌리스 (Zymomonas mobilis), 라코토코쿠스 락티스 (Lacotococcus lactis), 및 클로스트리듐 아세토부틸리쿰 (acetobutylicum)을 포함한다. 균류의 예시적 효모는 사카로로미세스 (Saccharomyces), 칸디다 (Candida), 리포미세스 (Lipomyces), 로도스포리듐 (Rhodosporidium), 로도토루라 (Rhodotorula), 및 야로이야 (Yarrowia) 속들의 종들을 포함한다.
아세트산인 산성 대사산물 문맥에 있어서, 용어 “아세트산” 또는 “아세테이트”란 음이온 (분해) 형태 (즉, 아세테이트 이온 또는 CH3COO-) 또는 유리 형태, 분자 아세트산 (CH3COOH)로 배양 배지에 존재하는 총 아세테이트를 의미하고, 이들 형태의 비율은 시스템의 pH에 따라 달라진다. 용어 “락트산” 및 “락테이트”는 유사하게 사용되고, 배양 배지에 존재하는 총 락테이트를 의미한다. 하기와 같이, 염기성 중화제 예컨대 수용성 수산화나트륨 (NaOH)은 예를들면 아세트산 및 선택적으로 다른 소량의 산성 성분을 중화함으로써 주어진 생물반응기에서 (예를들면, pH=4.0 내지 pH=8.0 사이의 pH 값으로) 배양 배지의 pH를 조절하기 위하여 사용될 수 있다. 본원에 기술되는 공정을 수행하기 위하여 생물반응기에서 유지되는 대표적인 pH 범위는 약 4.5 내지 약 7.0, 예컨대 약 4.5 내지 약 6.5이다.
본 발명 실현에 있어서 특히 유용한 특정 유형의 생물반응기는 상승관 내의 상대적 저밀도 영역 및 하나 이상의, 내부 또는 외부 하강관 내의 상대적 고밀도 영역 간의 밀도 구배에 의존하는 순환 루프 반응기이다. 상승관 및 하강관 영역들 모두는 연속 액상 구역에 있는 액체 배양 배지를 포함하지만, 가스성 C1-함유 기질은 통상 상승관 영역 바닥으로만 분배된다 (예를들면, 살포된다). 임의의 미소모 및 미용해 가스가 액체 수준 상부의 연속 기상 구역 (즉, 증기 공간 또는 헤드 스페이스)으로 방출될 때까지 상승 가스 방울들은 연속 액상 구역을 통해 상향되는 동안 이러한 영역에 한정된다. 내부 또는 외부 액체 하강관을 통한 하향 액체 순환은, 선택적인 루프 펌프에 의해 유도되거나 조력된다.
용어 “생물반응기” 및 “생물반응기 시스템”의 일부로서 포함되는 임의의 생물반응기는 순환 루프 반응기로 한정되지 않고, 더욱 광범위하게는, 본원에서 기술되는 생물학적 공정, 또한 일반적으로 혐기성으로 수행될 때 칭하는 발효 공정에 사용될 수 있는 C1-고정 박테리아와 함께 배양 배지의 액체 부피를 유지하기 위한 임의의 적합한 용기, 또는 용기 내의 영역을 포함한다. 특정 유형의 생물반응기는 2-상 (기체-액체) 접촉에 적합한 임의의 용기, 예를들면 역류 반응기 (예를들면, 상향-유동 기상 및 하향-유동 액상) 또는 병류 반응기 (예를들면, 상향-유동 기상 및 액상)을 포함할 수 있다. 이러한 2-상 접촉 용기에서, 가스 방울이 액체 이동 칼럼을 통해 유동하는 경우와 같이 액상은 연속 상일 수 있다. 달리, 분산 액체 (예를들면, 액적 형태)가 증기 공간을 통해 유동하는 경우와 같이 기상이 연속 상일 수 있다. 일부 실시태양들에서, 생물반응기의 상이한 구역들이 연속 액상 및 연속 기상을 가지도록 사용될 수 있다.
생물반응기의 특정 예시는 연속식 교반 탱크 반응기 (CSTRs), 고정화 세포 반응기 (ICRs), 트리클 베드 반응기 (TBRs), 유동상 생물막 반응기 (MBBRs), 기포탑, 가스 부양 발효기, 및 막 반응기 예컨대 중공사 막 생물반응기 (HFMBRs)를 포함한다. 적합한 생물반응기는, 가스성 C1-함유 기질과 배양 배지 및 특히 함유된 C-고정 박테리아와의 적합한 접촉을 위한 정적 혼합기, 또는 기타 용기 및/또는 기구 (예를들면, 타워 또는 배관 설비)를 포함한다 (예를들면, 생물학적 전환 공정 수행에 호의적인 용해 및 물질 수동 운동). 일반적으로 생물반응기 시스템의 모든 생물반응기는 하나의 유형 (예를들면, 순환 루프 반응기)이자만 생물반응기 시스템은 2 이상의 상이한 유형의 생물반응기를 포함할 수 있다.
본원에 기술되는 생물학적 공정에서 사용되는 일부 적합한 공정 스트림, 작동 파라미터, 및 설비는 미국특허출원공개번호 US2011/0212433에 기술되고, 이는 전체가 본원에 참고로 통합된다. 본원에 기술되는 생물반응기 시스템에서 하나 이상의 생물반응기, 예를들면 모든 생물반응기는 대기압 초과 압력, 예를들면 대략 약 50 kPag (“kPag” kPa 게이지 압력의 단위이다) 내지 약 1,000 kPag 및 때로 약 200 kPa 내지 약 800 kPag을 가질 수 있다. 본원에 기술되는 생물반응기 시스템의 하나 이상의 생물반응기, 및 바람직하게는 모든 생물반응기는 C1-고정 박테리아의 활성 및 성장에 적합한 발효액 온도를 가진다. 대표적인 온도 범위는 약 25°C 내지 약 45°C, 및 더욱 전형적으로는 약 30°C 내지 약 40°C이다.
액체 투입 및 배출 흐름에 대하여 직렬로 작동하고 또한 가스 공급물 및 생성물 흐름에 대하여 병렬로 작동하는 다중 생물반응기들을 가지는 생물반응기 시스템은, 본원에 기술되는 바와 같이, 양호한 전체 C1 활용을 제공한다. 전체 C1 활용이란 생물반응기 시스템에 투입되고 (예를들면, 생물반응기에 공급되는 C1-함유 기질의 총 C1-탄소 공급원) 박테리아의 발효 생성물(들) (예를들면, 에탄올 또는 이소프로판올) 및 기타 대사물로 전환되는데 사용되는 C1의 비율을 의미한다. 생물반응기 시스템에서 인출되는 가스 생성물의 조합된 조성 (즉, 생물반응기(들)에서 인출되는 조합된 가스 배출구 스트림(들))이 알려지거나 또는 계산될 수 있다면 (예를들면, 가스 배출구 스트림(들)의 유량 및 조성에 기초하여), 전체 CO 활용은 다음과 같이 계산될 수 있다:
1 - (시스템에서 인출되는 CO 속도)/(시스템에 공급되는 CO 속도).
전체 CO 활용은 “패스 당” 또는 “통과 당” 기준으로 결정되고, 더 높은 총 활용 값을 제공할 수 있는 가스 생성물 재순환 (및 부가 비용) 이용을 고려하지 않는다. 대표적인 실시태양들에 의하면, C1-고정 박테리아에 의한 CO 활용은 대략 적어도 약 35% (예를들면, 약 35% 내지 약 85%), 전형적으로 적어도 약 50% (예를들면, 약 50% 내지 약 80%), 및 때로 적어도 약 60% (예를들면, 약 60% 내지 약 75%)이다. 일부 경우들에서, CO 활용은 적어도 약 70%이다.
도 1은 제1 생물반응기 (10) 및 제2 생물반응기 (20)을 포함하는 대표적인 생물반응기 시스템 (100)을 도시한 것이다. 도시된 바와 같이, 생물반응기 시스템 (100)으로 유입되는 CO-함유 기질 (12)이 별도의, 제1 생물반응기 가스 주입구 스트림 (14) 및 제2 생물반응기 가스 주입구 스트림 (14′)으로 분할되고, 생물반응기 (10, 20) 하부 근처에 위치하는 각자의 가스 주입구 (16, 16′)를 통해 각자 제1 및 제2 생물반응기 (10, 20)로 공급된다. 가스 주입구 스트림 (14, 14′)은, 가스 주입구 (16, 16′)에 위치하고 각자의 생물반응기 (10, 20)의 연속 액상 구역 (18, 18′)에서 CO-함유 기질의 미세 거품들을 생산하고 따라서 기체-액체 물질 전달이 개선되도록 구성되는 각자의 가스 분배기, 예컨대 스파저 (미도시)를 통해 공급된다.
상기된 바와 같이, 생물반응기 (10, 20)의 연속 액상 구역 (18, 18′)에서 박테리아 농도는 액체의 여과 및 미여과 부분을 인출할 수 있는 수단을 제공함으로써 여러 수준의 에탄올 생산성 (가변 액상 생성물 인출 속도에 상응)으로 유지될 수 있다. 도 1에 도시된 실시태양에서, 연속 액상 구역 (18)과 연통되는, 제1 생물반응기 여과 시스템 (25)으로 인하여 중간 투과물 스트림 (28) 인출이 가능하고, 이는 여과된 것으로 실질적으로 C1-고정 박테리아가 없다. 제1 생물반응기 잔류물 스트림 (36)으로 인하여 여과된 박테리아는 제1 생물반응기 (10)로 복귀된다. 제1 생물반응기 (10)로부터 인출되는 액체 생성물은 따라서 중간 투과물 스트림 (28), 및 여과되지 않고 제1 생물반응기 (10)의 연속 액상 구역 (18)에 있는 발효액에서와 실질적으로 동일 농도의 C1-고정 박테리아 (바이오매스)를 함유하는 중간 방출 스트림 (26) 양쪽을 포함한다. 제1 생물반응기 (10)에서 중간 방출 스트림 (26) 및 중간 투과물 스트림 (28)로서 인출되는 중간 액상 생성물 (32)의 상대량은 원하는 바이오매스 농도 및 원하는 생성물 (예를들면, 에탄올 또는 이소프로판올) 제거속도를 유지하려는 목적에 맞도록 조절될 수 있다. 동일 방식으로, 연속 액상 구역 (18′)과 연통되는 제2 생물반응기 여과 시스템 (25′)으로 인하여, 생물반응기 시스템 (100)의 최종 생물반응기로부터 방출 스트림 (40) 및 투과물 스트림 (50)을 인출할 수 있고, 제2 생물반응기 잔류물 스트림 (36′)은 제2 생물반응기 (20)의 연속 액상 구역 (18′)으로 복귀된다.
액체 배양 배지는, 배양 배지 주입구 (34)을 통해 생물반응기 시스템 (100), 특히 제1 생물반응기 (10)로 공급되어, 박테리아 성장을 유지하기 위한 영양물질을 공급하고 제1 생물반응기 (10)로부터 인출되어 모두 또는 일부가 제2 생물반응기 (20)로 전달되는 중간 액상 생성물 (32)로 손실되는 액체 부피를 대체한다. 선택적으로, 제2 생물반응기 (20)로의 별도 배양 배지 주입구 (34′)을 통해 액체 배양 배지는 유사하게 생물반응기 시스템 (100)으로 공급될 수 있다. 선택적으로, 중간 방출 스트림 (26) 및/또는 중간 투과물 스트림 (28)의 일부는 제2 생물반응기 (20)로 전달되지 않고 생물반응기 시스템 (100)에서 제거된다 (예를들면, 공정 점검 및 분석을 위함).
가스 배출구 스트림 (38, 38′)은, 배양 배지 및 C1-고정 박테리아를 포함하고 (즉, 발효액을 포함하는) C1-함유 기질이 분산 기상으로 통과하는 연속 액상 구역 (18, 18′)의 상부인 생물반응기 헤드 스페이스 부피를 구성하는 각자의 연속 기상 구역 (22, 22′)과 유체 연통하는 도관에서 인출된다. 가스 배출구 스트림 (38, 38′)은 생물반응기 시스템 (100)으로부터 별개로 인출되거나, 도 1 실시태양에 도시된 바와 같이, 조합된 후 가스성 생성물 배출구 (24)로서 인출된다. 가스 배출구 스트림, 또는 달리 가스성 생성물 배출구 (24)는, (i) 발효액을 통해 전달되고 대사되지 않은 (즉, 생물학적 전환 공정에서 소모되지 않은) 미반응 C1-성분, (ii) 생물학적 전환 공정에 실질적으로 관여되지 않은 (즉, 실질적으로 불활성인) C1-함유 기질의 성분 (예를들면, N2), (iii) 생물학적 전환 공정의 대사산물로서 생성되는 CO2, (iv) 수성 배양 배지로부터의 수증기, 및 (v) 소량 또는 미량 존재하는 C1-함유 기질의 다양한 성분 (예를들면, H2, H2S, NH3, HCN) 중 하나 이상, 예를들면 모두를 포함한다.
따라서, 도 1은 생물반응기 시스템 (100)을 도시한 것이고, 가스성 C1-함유 기질 (12)이 병렬로 제1 및 제2 생물반응기 (10, 20)에 공급되되, C1-고정 박테리아 (바이오매스)를 포함하는 액체 생성물은, 연속하여 제1 생물반응기 (10)에서 제2 생물반응기 (20)로 공급된다. 도 1 실시태양에서, 생물반응기 시스템 (100)으로부터 방출 스트림 (40) 및 투과물 스트림 (50)이 인출되는 최종 생물반응기는, 즉 제2 생물반응기 (20)이다. 추가 생물반응기 (예를들면, 3개 또는 4개의 생물반응기들) 및 특히 제1 생물반응기 하류 및 최종 생물반응기 상류의 하나 이상의 중간 생물반응기를 가지는 생물반응기 시스템의 대안 실시태양들에서, 가스성 및 액체 공급물은 이러한 중간 생물반응기에 유사한 방식으로 도입될 수 있고, 가스성 및 액체 생성물은 이러한 중간 생물반응기로부터 유사한 방식으로 인출될 수 있다. 중간 방출 스트림 및 투과물 스트림을 포함하는 중간 액체 생성물은, 연이어 계속되는 중간 생물반응기로 유사한 방식으로 전달되고 이로부터 인출된다. 일반적으로, 생물반응기 시스템 (100)의 하나 이상의 대사 생성물 (예를들면, 에탄올)은 최종 생물반응기로부터 인출되는 방출 스트림 및 투과물 스트림, 또는 이의 일부, 예컨대 도 1 실시태양에서 제2 생물반응기 (20)에서 인출되는 방출 스트림 (40) 및 투과물 스트림 (50)에서 회수된다. 선택적으로, 이러한 대사 생성물은 또한 최종 생물반응기가 아닌 하나 이상의 생물반응기로부터 인출되는 방출 및/또는 투과물 스트림, 또는 이의 일부에서 회수될 수 있다.
도 1은 따라서 대표적인 생물반응기 시스템에 투입되는 다양한 공급물 스트림, 및 이로부터 인출되는 생성물 스트림을 개략적으로 도시한 것이다. 본 발명의 실시태양들은 도 1에 도시되지 않은 다른 특징부들, 예컨대 (i) 첨가제, 예컨대 염기성 중화제 (예를들면, NH4OH 또는 NaOH) 및/또는 소포제; (ii) 작동 파라미터 (예를들면, pH, 온도, 및/또는 발효액 액체 수준) 조절을 위한 조절 시스템 (예를들면, 피드백 제어 루프) 및 연관 설비, 장비, 및 소프트웨어; (iii) 상들 간의 물질전달을 개선하기 위한 외부 생물반응기 재순환 루프; (iv) 연속 액상 구역에서 (예를들면, 수평판 및/또는 충전물질) 및/또는 연속 기상 구역에서 (예를들면, 액체 분배기 예컨대 샤워 헤드) 상들 간의 물질전달을 개선하기 위한 내부 생물반응기 구조; (v) 연속 공정 점검 및/또는 자동화 조절을 위한 온라인 샘플링 시스템; 및/또는 (vi), 생물반응기에서 상류 생물반응기로 인출되는 액상 생성물(들)의 재순환의 적용을 포함한다.
본 발명의 실시태양들에 의하면, 대사 생성물 예컨대 에탄올의 회수는 도 2를 참고하여 더욱 상세하게 설명된다. 도시된 바와 같이, 생물반응기 시스템 (100)에서 인출되고 (도 1) 이러한 시스템의 액상 생성물의 여과로 획득되는 투과물 스트림 (50) 모두 또는 일부는, 적어도 제1 투과물 부분 (50′) 및 제2 투과물 부분 (50")으로 분할되고 각자 고압 분리기 (60) 및 저압 분리기 (70)로 공급된다. 투과물 스트림의 분할은 따라서 상기 스트림을 적어도 두 부분, 및 때로 단지 두 부분으로 나누는 것을 의미한다. “분할”이란 투과물 스트림을 나누기 전 및/또는 후에, 투과물 스트림 및/또는 이의 분리된 일부의 조성에 영향을 주거나 그렇지 않은 선택적인 단계들의 적용을 배제하지 않는다. 이러한 선택적인 단계는 예를들면 (i) 투과물 스트림 및/또는 이의 분리된 일부로부터 하나 이상의 추가 부분 (예를들면, 제3 부분) (예를들면, 샘플링 목적)을 분리, 및/또는 (ii) 투과물 스트림 및/또는 이의 분리된 일부와 다른 스트림 및/또는 분별된 첨가제 (예를들면, 계면활성제 또는 중화제, 예컨대 NH4OH 또는 NaOH)의 혼합을 포함한다. 일부 실시태양들에서, 그러나, 생물반응기 시스템에서 인출되는 투과물 스트림은 상기 (i) 및/또는 (ii)를 구현하는 임의의 투과물 스트림 또는 이의 일부 없이 이의 분리된 일부로 분할되어 고압 및 저압 분리기들로 공급될 수 있다.
바람직하게는, 상기된 바와 같이 전체 공정 열 통합을 개선하기 위하여 제2 투과물 부분 (50")은 생물반응기 시스템 (100) (도 1)에서 또한 인출되는 방출 스트림 (40)의 적어도 일부와 공동 처리된다. 특정 실시태양에 의하면, 열 통합은 저압 분리기 (70)로 들어가는 제2 투과물 부분 (50")의 유량을 적어도 부분적으로 상기 분리기에 들어가는 방출 스트림 (40)의 유량에 기초하여 관련 또는 조정하는 것에 기반한다. 예를들면, 방출 스트림 (40) 유량 증가는 제2 투과물 부분 (50") 유량 증가와 동반되고, 선택적으로 제2 투과물 부분 (50") 유량 조절은 방출 스트림 (40) 유량 측정에 기초한다. 대안으로, 열 통합은 대사 생성물 (예를들면, 에탄올)의 더 높은 생산성에서 조합된 방출 스트림 및 투과물 스트림 유량에 투과물 스트림 유량의 상대적으로 더 높은 기여의 이유가 된다. 예를들면, 고압 분리기 (60)로 들어가는 제1 투과물 부분 (50′) 및 저압 분리기 (70)로 들어가는 제2 투과물 부분 (50")의 상대 유량은 방출 스트림 (40) 및 투과물 스트림 (50)의 조합 유량과 관계되는 투과물 스트림 (50)의 총 유량에 기초하거나 또는 이에 따라 조정된다. 예를들면, 방출 스트림 (40) 및 투과물 스트림 (50)의 조합 유량과 관련하여 투과물 스트림 (50)의 총 유량 증가는 제2 투과물 부분 (50")에 들어가는 제1 투과물 부분 (50′)의 유량 증가와 동반되고, 선택적으로 제1 투과물 부분 (50′) 및 제2 투과물 부분 (50")의 조절은 방출 스트림 (40) 및 투과물 스트림 (50)의 조합 유량과 관련하여 투과물 스트림 (50)의 총 유량 측정에 기초한다. 상기 임의의 조절 구조에 있어서, 조절은, 예를들면 유량을 조절하는, 즉, 하나 이상의 측정된 유량에 기반하여 제1 투과물 부분 (50′) 및/또는 제2 투과물 부분 (50")을 분할하는 피드백 조절 루프를 이용하여 수동 또는 자동으로 수행된다.
투과물 스트림 (50)과 달리, 방출 스트림 (40)은 C1-고정 박테리아 (바이오매스)를 포함하고, 상류에서 하류 생물반응기로 연속하여 액체 생성물을 전달함으로써, 방출 스트림 (40)의 바이오매스 적어도 일부, 또는 전부는 제1 생물반응기 (예를들면, 도 1의 생물반응기 (10))에 본래 함유된 바이오매스일 수 있다. 일반적으로, 방출 스트림 (40)은 생물반응기 시스템 (100)에서 인출되는 임의의 액상 생성물이고 바이오매스가 함유되는 (예를들면, 미여과 액상 생성물로서) 발효액을 포함하지만, 투과물 스트림 (50)은 생물반응기 시스템 (100)에서 인출되는 임의의 액상 생성물이고 실질적으로 바이오매스가 없는 여과된 액상 생성물을 포함한다. 바람직하게는, 방출 스트림 (40) 및 투과물 스트림 (50)은 모두 액체 생성물로서 예를들면 하나의 생물반응기에서 다른 것으로의 액상 생성물 흐름에 대하여 제1 생물반응기의 하류에 배치되는 연이은 생물반응기 (예를들면, 생물반응기 시스템 (100)의 제2 생물반응기 (20))에서 획득된다. 방출 스트림 (40) 및 투과물 스트림 (50)은 각자 생물반응기 시스템 (100)에서 직접 획득되는 미여과 및 여과된 액체 생성물이거나, 또는 달리 (i) 예를들면 동일하거나 상이한 조성 스트림으로 (예를들면, 바이오매스 제거를 위한 여과가 아닌) 분리, 및/또는 (ii) (예를들면, 다른 공정 스트림 또는 분별되는 첨가제)과의 혼합 이후 미여과 및 여과된 생성물일 수 있다.
바이오매스가 존재하므로, 방출 스트림 (40)에 수행되는 분리 공정은, 투과물 스트림 (50)에 수행되는 것과는 달리, 바람직하게는 상대적으로 더 낮은 온도에서 구현되어 분리 설비의 파울링을 감소시킨다. 결과적으로, 방출 스트림 (40)이 공급되는 저압 분리기 (70)의 최대 온도는 투과물 스트림 (50)이 공급되는 고압 분리기 (60)의 최대 온도보다 낮다. 실시태양에 의하면, 방출 스트림 (40)이 공급되는 저압 분리기의 최대 온도는 약 55°C 내지 약 95°C, 예를들면 약 60°C 내지 약 80°C이다. 동일하거나 다른 실시태양에 의하면, 고압 분리기 (60)의 최대 온도는 약 95°C 내지 약 125°C 또는 약 100°C 내지 약 120°C이다. 일반적으로, 고압 분리기 (60)와 연관된 적어도 하나의 물질 스트림의 온도는 저압 분리기 (70)와 연관된 적어도 하나의 물질 스트림의 온도를 초과하여, 열은 전자에서 후자로 전달될 수 있다. 특정 실시태양에 의하면, 고압 분리기 (60)의 최소 온도, 예를들면 고압 분리기 응축기 (75)의 온도는, 저압 분리기 (70)의 최대 온도 예를들면 저압 분리기 리보일러 (45)의 온도를 초과한다. 방출 스트림 및 투과물 스트림 (40, 50)은 달리 물 및 회수되는 동일 대사 생성물(들)을 포함하므로, 고압 및 저압 분리기 (60, 70)의 작동 온도와 관련하여 상기 차이를 고려하면, 상대 휘발도 차이에 기초한 분리 적용에는 방출 스트림에서 이러한 분리를 수행하기 위하여는 투과물 스트림에 대하여 사용되는 압력과 비교하면 상대적으로 더 낮은 절대 압력이 필요하다. 실시태양에 의하면, 저압 분리기 (70)의 절대 압력은 거의 대기압, 예를들면 약 50 kPa 내지 약 150 kPa 절대 압력 또는 약 50 kPa 내지 약 100kPa 절대 압력이다. 동일하거나 다른 실시태양에 의하면, 고압 분리기 (60)의 절대 압력은 저압 분리기의 것보다 크지만, 최종 생물반응기가 작동되는 압력보다는 더 낮다. 예를들면, 고압 분리기의 압력은 약 150 kPa 내지 약 650 kPa 절대 압력 또는 약 150 kPa 내지 약 500 kPa 절대 압력이다. 대안으로, 저압 분리기 (70)는 진공 압력, 즉, 대기압 이하의 절대 압력, 예를들면 약 20 kPa 내지 약 90 kPa 절대 압력 또는 약 30 kPa 내지 약 90 kPa 절대 압력을 가진다.
고압 및 저압 분리기 (60, 70)는 상대 휘발도 차이에 기초하여 방출 스트림 및 투과물 스트림 (40, 50)으로부터 대사 생성물 (예를들면, 에탄올)을 정화하는데 사용된다. 에탄올 정화의 경우, 본 대사산물은 상기된 바와 같이 물 및 기타 대사물 예컨대 아세트산 및 2,3-부탄디올보다 상대적으로 더욱 휘발성이다. 결과적으로, 고압 분리기 (60)로 공급되는 투과물 스트림 (50) 및/또는 저압 분리기 (70)로 공급되는 방출 스트림 (40)에서의 에탄올 농도에 비하여 고압 및/또는 저압 분리기 (60, 70)에서 인출되는 오버헤드 증기에서 에탄올은 농후하다 (즉, 더 높은 농도로 존재). 유사하게, 고압 분리기 (60)로 공급되는 투과물 스트림 (50) 및/또는 저압 분리기 (70)로 공급되는 방출 스트림 (40)에서의 에탄올 농도에 비하여 고압 및/또는 저압 분리기 (60, 70)에서 인출되는 하부 액체에서 에탄올은 감손된다 (즉, 더 낮은 농도로 존재). 고압 및 저압 분리기 (60, 70)는 플래쉬 드럼을 포함하고 실질적으로 단일 이론 기체-액체 평형 스테이지에 기반하여 분리를 수행한다. 바람직하게는, 그러나, 고압 및 저압 분리기 (60, 70)는 증류탑이고, 선택적으로 열 투입 및 방출 (예를들면, 리보일러 열 투입 및 응축기 열 방출), 오버헤드 증기 및 하부 액체 환류, 및 내부 구조 예컨대 다공판 및/또는 충전물질을 이용하는 다중 이론 기체-액체 평형 스테이지에 기반하여 분리를 수행한다. 고압 및 저압 분리기 (60, 70)는, 다중 기체-액체 평형 스테이지에 기반한 분리 수행 외에도, 일부 실시태양들에 의하면, 상향 유동 보조 가스 스트림 입력으로 작동하고 (방열탑의 경우) 또는 달리 하향 유동 보조 액체 스트림 입력으로 작동한다 (흡열탑의 경우).
도 2 실시태양에 의하면, 방출 스트림 (40), 또는 적어도 이의 일부는, 제2 투과물 부분 (50")과 함께 저압 분리기 (70) (예를들면, 저압, 조합 투과물 및 방출 증류탑)로 공급된다. 저압 분리기 오버헤드 (62)가 (예를들면, 증기 유분으로서) 인출되고, 상기된 바와 같이, 방출 스트림 (40) 및 제2 투과물 부분 (50") 모두에 비하여 에탄올이 농후하다. 저압 분리기 (70)는, 액체 유분 (82) (즉 조합된 방출 스트림 (40) 및 제2 투과물 부분 (50"))이 더 낮은 영역에 유지되는 방식으로 작동되고, 액체 유분 (즉, 액체 수준은 방출 스트림 및 제2 투과물 부분의 액체 유분, 각자의 가스성 유분 휘발 후 잔류)으로부터 휘발되는 가스성 유분 (86)은 상부 영역에 조합될 수 있다. 이러한 방식으로, 저압 분리기 오버헤드 (62)는 방출 스트림 (40) 및 투과물 스트림 (50”) 모두에서 분리되는 에탄올을 포함한다.
도 2의 실시태양에 의하면, 저압 분리기 하부 (64)는 저압 분리기 (70)에서 인출된다. 상기에 의하면, 저압 분리기 하부 (64)는 방출 스트림 (40) 및, 제2 투과물 부분 (50")의 액체 유분 (82)을 포함하거나 실질적으로 이로 이루어진다.
바람직하게는, 투과물 스트림 (50)과 또한 생물반응기 시스템 (100) (도 1)에서 인출되는 방출 스트림 (40)의 적어도 일부를 공동 처리하면, 전체 공정 열 통합을 개선할 수 있다. 특정 실시태양에 의하면, 열 통합은 저압 분리기 (70)로 들어가는 제2 투과물 부분 (50")의 유량을 적어도 부분적으로 상기 분리기에 들어가는 방출 스트림 (40)의 유량에 기초하여 관련 또는 조정하는 것에 기반한다. 예를들면, 방출 스트림 (40) 유량 증가는 제2 투과물 부분 (50") 유량 증가와 동반되고, 선택적으로 제2 투과물 부분 (50") 유량 조절은 방출 스트림 (40) 유량 측정에 기초한다. 대안으로, 열 통합은 대사 생성물 (예를들면, 에탄올)의 더 높은 생산성에서 조합된 방출 스트림 및 투과물 스트림 유량에 투과물 스트림 유량의 상대적으로 더 높은 기여의 이유가 된다.
제1 투과물 부분 (50′)은 고압 분리기 (60) (예를들면, 고압 투과물 증류탑)에서 처리되어, 제1 투과물 부분 (50′)을 적어도 고압 분리기 오버헤드 (68) 및 고압 분리기 하부 (52)로 분리 또는 분별시킴으로써, 투과물 스트림 (50)에 비하여 고압 분리기 오버헤드 (68)는 에탄올이 농후하고 고압 분리기 하부 (52)는 에탄올이 감손된다. 고압 분리기 오버헤드 (68) 및 고압 분리기 하부 (52) 양쪽은 따라서 고압 분리기 (60)에서 인출된다. 고압 분리기 하부 (52)는 저압 분리기 하부 (64)와 조합되고, 도 2의 실시태양에 의하면, 이들 양쪽 스트림은 투과물 스트림 (50)에 비하여 물이 농후하다. 실제 (Net) 하부 (54)는 생물반응기 시스템 (100)으로 재순환되거나 (예를들면, 배양 배지 제조에 사용) 또는 폐수 처리 공정으로 보낸다. 유사하게, 고압 및/또는 저압 분리기 (60, 70)에서 인출되는 하부 액체에서 에탄올은 고압 분리기 (60)로 들어가는 투과물 스트림 (50) 및/또는 저압 분리기 (70)로 들어가는 방출 스트림 (40)의 에탄올 농도와 비교하여 감손된다 (즉, 더 낮은 농도로 존재).
도 2의 실시태양에 도시된 바와 같이, 고압 분리기 (60) (예를들면, 고압 증류탑) 및 저압 분리기 (70) (예를들면, 저압 증류탑) 양쪽은 일반적으로 오버헤드 응축기 및 하부 리보일러를 포함한다. 저압 분리기 응축기 (65), 고압 분리기 응축기 (75), 및 고압 분리기 리보일러 (85)와 함께 저압 분리기 리보일러 (45)는, 이러한 리보일러에서 열 소모 지점 및 이러한 응축기에서 열 발생 지점을 제공한다. 고압 분리기 (60) 및 저압 분리기 (70) 간의 작동 온도 차이를 고려하면, 예를들면 적합한 열 전달 매질 예컨대 냉각수 또는 스팀을 이용하여 열은 이들 분리기 사이에서 전달되어, 응축기 및 리보일러 각자의 필요한 냉각 또는 가열 부하를 제공함으로써, 작동 비용을 줄일 수 있는 유익한 열 통합에 이를 수 있다.
도 2의 실시태양에 도시된 바와 같이, 오버헤드 응축기 및 하부 리보일러 사용을 고려하면 하나 이상의 다음과 같은 구성이 가능하다 (i) 저압 분리기 오버헤드 (62)는, 저압 분리기 오버헤드 환류 부분 (63)과 함께, 저압 분리기 (70)에서 인출되는 저압 분리기 증기 배출구 스트림 (67)에서 분리되고, (ii) 저압 분리기 하부 (64)는, 저압 분리기 액체 환류 부분 (69)과 함께, 저압 분리기 (70)에서 인출되는 저압 분리기 액체 배출구 스트림 (71)에서 분리되고, (iii) 고압 분리기 오버헤드 (68)는, 고압 분리기 오버헤드 환류 부분 (79)과 함께, 고압 분리기 (60)에서 인출되는 고압 분리기 증기 배출구 스트림 (81)에서 분리되고, (iv) 고압 분리기 하부 (52)는, 고압 분리기 액체 환류 부분 (83)과 함께, 고압 분리기 (60)에서 인출되는 고압 분리기 액체 배출구 스트림 (87)에서 분리된다. 또한 오버헤드 응축기 및 하부 리보일러의 사용으로부터, 하나 이상의 다음, 특정 흐름 구조가 또한 가능하다 : (i) 저압 분리기 증기 배출구 스트림 (67)은 저압 분리기 응축기 (65)로 공급되어 적어도 이의 일부를 응축하여, 저압 분리기 오버헤드 환류 부분 (63)을 저압 분리기 (70)로 복귀하고, 저압 분리기 응축기 열 (89)을 회수하고, (ii) 저압 분리기 액체 배출구 스트림 (71)은 저압 분리기 방출 리보일러 (45)로 공급되어 적어도 이의 일부를 기화하고, 저압 분리기 방출 액체 환류 부분 (69)을 저압 분리기 (70)로 복귀하고, 저압 분리기 리보일러 열 (96)을 소모하고, (iii) 고압 분리기 증기 배출구 스트림 (81)은 고압 분리기 응축기 (75)로 공급되어 적어도 이의 일부가 응축되고, 고압 분리기 오버헤드 환류 부분 (79)을 고압 분리기 (60)로 복귀하고, 고압 분리기 응축기 열 (98)을 회수하고, (iv) 고압 분리기 액체 배출구 스트림 (87)은 고압 분리기 리보일러 (85)로 공급되어 적어도 이의 일부가 기화되어, 고압 분리기 액체 환류 부분 (83)을 고압 분리기 (70)로 복귀하고, 고압 분리기 리보일러 열 (99)을 소모한다.
특히 유익한 열 통합 전략은 고압 분리기에서 저압 분리기로, 특히 고압 분리기 응축기 (75)에서 저압 분리기 (70) 리보일러로의 열 전달을 포함하되, 전자의 온도가 후자의 온도를 초과하는 경우 그러하다. 따라서, 고압 분리기 응축기 열 (98)의 적어도 일부는 저압 분리기 리보일러 열 (96)로 소모된다. 도 2의 실시태양에 의하면, 저압 분리기 오버헤드 (62) 및 고압 분리기 오버헤드 (68) 양쪽에 함유되는 에탄올은 생물반응기 시스템 (100)에서 회수되는 실제 에탄올 양, 결과적으로 본 시스템의 실제 에탄올 생산성을 나타낸다. 상기된 바와 같이, 본 발명에 의하면 생물반응기 시스템은 공정 열 통합 관점에서, 특히 방출 스트림 유량에 비하여 상대적으로 높은 투과물 스트림 유량에도 불구하고 이점들을 제공하고, 높은 에탄올 생산성을 동반한다. 예시적 에탄올 생산성은 일반적으로 생물반응기 부피 리터 당 1일 적어도 약 35 그램 (g/day/L), 예를들면 약 35 g/day/L 내지 약 80 g/day/L, 전형적으로 적어도 약 45 g/day/L, 예를들면 약 45 g/day/L 내지 약 75 g/day/L, 및 때로 적어도 약 55 g/day/L, 예를들면 약 55 g/day/L 내지 약 70 g/day/L이다. 생물반응기 부피에 기초한 생산성 효율 결정에 있어서, 이러한 부피는 생물반응기 시스템에 사용되는 생물반응기(들)의 연속 액상 구역 (18, 18′) 및 연속 기상 구역 (22, 22′)을 포함한다.
에탄올이 농후한 저압 분리기 오버헤드 (62) 및 고압 분리기 오버헤드 (68) 양쪽은, 탈수탑 공급물 스트림 (72)으로 조합된다. 탈수탑은 상기 스트림을 실질적으로 순수 에탄올 (예를들면, 순도가 적어도 약 99중량%)을 포함하는 무수 에탄올 생성물 스트림 (76) 및 잔류수 스트림 (74)으로 분별한다.
추가 실시태양들에 의하면, 저압 분리기 하부 (64)는 저압 분리기 (70)에서 인출된다. 저압 분리기 하부 (64)는 생성물 막 여과 시스템인 생성물 분리 시스템 (90)으로 전달되어, (예를들면, 생성물 분리 시스템 (90)에서 획득되는 투과물 유분으로서) 액체 유분 (88)으로부터 (예를들면, 생성물 분리 시스템 (90)에서 획득되는 잔류물 유분으로서) 바이오매스 유분 (78)이 분리 및 제거된다. 액체 유분은 생물반응기 시스템 (100)에서 다시 사용되거나 (예를들면, 시스템에서 사용에 적합한 물을 획득하기 위하여 하나 이상의 처리 단계 이후), 또는 달리 폐수 처리 설비로 보낸다. 고압 분리기 하부 (52)의 적어도 일부 및/또는 저압 분리기 하부 (64)의 적어도 일부는, 선택적으로 하나 이상의 처리 단계 이후 실질적으로 순수한 물 스트림으로서 선택적으로 더 높은-비등 대사물 예컨대 아세트산 및 2,3-부탄디올을 포함하고, 생물반응기 공정 (100)에서 재순환된다. 도 2의 실시태양에 의하면, 이들 스트림 (52, 64)는 이러한 재순환 및/또는 처리 전에 실제 하부 (54)로 조합된다. 예를들면, 신선한 배양 배지 제조를 위하여 스트림 (52, 64) 중 물은 재순환된다.
도 1 및 2에 도시되는 실시태양들에 해당되는 생물학적 전환 장치에 있어서, 상기에 의하면 이러한 장치는 생물반응기 시스템 (100)을 포함하고, 이는 (i) CO-함유 기질을 생물반응기 시스템 (100)으로 도입하는 주입구 (12), (ii) CO-함유 기질의 CO를 대사하고 에탄올을 생산하기 위하여 배양 배지 및 C1-고정 박테리아를 함유하는 적어도 제1 생물반응기 (10), (iii) 생물반응기 시스템의 액상 생성물을 여과하기 위한 여과 시스템 (25′), (iv) C1-고정 박테리아를 포함하는 방출 스트림을 인출하기 위한 방출 스트림 배출구 (40), 및 (v) 생물반응기 시스템 (100)으로부터 투과물 스트림을 인출하기 위하여 여과 시스템 (25′)의 투과물 측과 유체 연통하는 투과물 스트림 배출구 (50), 및 선택적으로 생물반응기 시스템 (100)에서 C1-고정 박테리아의 재순환 부분을 유지하기 위하여 여과 시스템 (25′)의 잔류물 측과 유체 연통하는 재순환 도관 (36′)를 포함하고; 저압 분리기 (70)는 (i) 하부 영역 A에 위치한 저압 분리기 방출 스트림 주입구 (91) 및 저압 분리기 투과물 스트림 주입구 (92)에서 (I) 스트림 배출구 (40), 및 (II) 투과물 스트림 배출구 (50) 양쪽과 유체 연통하는 액체 용적 (82), 및 (ii) 하부 영역 A에 놓인 저압 방출 스트림 주입구 (91) 및 저압 투과물 스트림 주입구 (92) 아래에 위치하는 저압 분리기 하부 배출구 (64)를 가진다는 것은 명백하다. 장치는 선택적으로 고압 분리기 (60)를 더욱 포함하고, 이는 (i) 투과물 스트림 배출구 (50)와 유체 연통하고, 투과물 스트림의 제1 투과물 부분을 수용하고 투과물 스트림의 제2 투과물 부분을 저압 분리기 투과물 스트림 주입구 (92)로 전달하는 제1 투과물 부분 주입구 (93), (ii) 고압 분리기 오버헤드 배출구 (68), 및 (iii) 고압 분리기 하부 배출구 (52)를 가지고, 제1 투과물 부분 주입구 (93)는 고압 분리기 오버헤드 배출구 (68) 보다 아래에 고압 분리기 하부 배출구 (52)보다 위에 위치한다.
저압 분리기 (70)는 저압 분리기 증기 배출구 (67) 및 (i) 저압 분리기 오버헤드 환류 도관 (63) 및 (ii) 저압 분리기 오버헤드 도관 (62) 양쪽과 유체 연통하는 저압 분리기 응축기 (65)와 함께 구성된다. 저압 분리기는 또한 저압 분리기 액체 배출구 (71) 및 (i) 저압 분리기 액체 환류 도관 (69) 및 (ii) 저압 분리기 하부 도관 (64) 양쪽과 유체 연통하는 저압 분리기 리보일러 (45)와 함께 구성된다. 고압 분리기 (60)는 고압 분리기 증기 배출구 (81) 및 (i) 고압 분리기 오버헤드 환류 도관 (79) 및 (ii) 고압 분리기 오버헤드 도관 (68) 양쪽과 유체 연통하는 고압 분리기 응축기 (75)와 함께 구성된다. 고압 분리기 (60)는 또한 고압 분리기 액체 배출구 (87) 및 (i) 고압 분리기 액체 환류 도관 (83) 및 (ii) 고압 분리기 하부 도관 (52) 양쪽과 유체 연통하는 고압 분리기 리보일러 (85)와 함께 구성된다. 상기된 바와 같이, 임의의, 또는 임의 조합의, 저압 분리기 응축기 (65) 및 저압 분리기 리보일러 (45)가, 상기된 바와 같이 고압 분리기 응축기 (75) 및/또는 고압 분리기 리보일러 (85)와의 열 통합을 제공하기 위하여 구성될 수 있다. 예시적 실시태양들에 의하면, 고압 분리기 응축기 (75)는 (예를들면, 열 전달 매질 예컨대 냉각수 또는 스팀을 이용하여) 응축기에서 발생되는 열이, 상기된 바와 같이 저압 분리기 리보일러 (45)에서 소모되도록 전달하도록 구성된다.
장치는 선택적으로 (i) 저압 분리기 오버헤드 배출구 (62) 및 고압 분리기 오버헤드 배출구 (68) 양쪽과 유체 연통하는 탈수탑 주입구 (72), (ii) 탈수탑 오버헤드 배출구 (76), 및 (iii) 탈수탑 하부 배출구 (74)를 가지는 탈수탑 (95)을 더욱 포함하고, 탈수탑 주입구 (72)는 탈수탑 오버헤드 배출구 (76) 아래에 그리고 탈수탑 하부 배출구 (74) 상부에 위치한다.
장치는 저압 분리기 하부 스트림을 여과하기 위하여 선택적으로 저압 분리기 하부 배출구 (64)와 유체 연통하는 생성물 여과 시스템 (90)을 더욱 포함한다.
전체적으로, 본 개시의 양태들은 방출 스트림 및 투과물 스트림으로부터 에탄올의 하류 회수가 포함되는 생물학적 전환 공정과 관련되고, 더욱 상세하게는, 바람직하게는 자본 (예를들면, 설비) 및/또는 작동 (예를들면, 유틸리티) 비용을 절감할 수 있는 개선된 효율으로 이러한 회수를 수행하는 것에 관한 것이다. 본 발명의 지식을 가지는 당업자는, 이들 및 기타 이점들을 달성하기 위하여, 본 발명의 범위를 일탈하지 않고 이러한 공정에 다양한 변경들이 가능하다는 것을 인식할 것이다. 따라서, 본 발명의 특징들은 본 개시물의 범위에서 벗어나지 않고 변형, 변경, 변화 또는 대체될 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 본원에 개시되고 기술되는 특성 실시태양들은 단지 예시를 위한 것이고 청구범위에 제시된 본 발명을 한정하는 것은 아니다.
Claims (24)
- 생물학적 전환 방법으로서:
기질의 탄소 공급원을 대사하고 적어도 하나의 발효 생성물을 생성하기 위하여 배양 배지 및 박테리아를 포함하는 적어도 제1 생물반응기를 포함하는 생물반응기 시스템에 상기 기질을 공급하는 단계;
상기 생물반응기 시스템의 액체 스트림의 여과로 획득되는 투과물 스트림을 상기 생물반응기 시스템에서 인출하는 단계;
박테리아를 포함하는 방출 스트림을 상기 생물반응기 시스템에서 인출하는 단계;
상기 투과물 스트림의 적어도 일부를 고압 분리기로 공급하는 단계;
상기 방출 스트림의 적어도 일부를 저압 분리기로 공급하는 단계를 포함하는, 방법. - 제1항에 있어서, 상기 투과물 스트림의 적어도 제2 부분을 상기 방출 스트림과 혼합하여 조합 스트림을 제공하는 단계, 및 상기 조합 스트림의 적어도 일부를 상기 저압 분리기에 공급하는 단계를 더 포함하는, 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 고압 분리기 및 상기 저압 분리기는 각각 고압 증류탑 및 저압 증류탑인, 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 고압 분리기의 절대 압력은 약 150 kPa 내지 약 650 kPa인, 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 저압 분리기는 진공 압력을 가지는, 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 방출 스트림 및 투과물 스트림은 모두 상기 제1 생물반응기의 하류에 배치되는 연이어 생물반응기에서 획득되는 액체 생성물인, 방법.
- 제1항에 있어서, (i) 상기 저압 분리기에서, 상기 방출 스트림에 비하여 원하는 발효 생성물이 농후한 저압 분리기 오버헤드를 인출하는 단계; 및 (ii) 상기 고압 분리기에서, 원하는 발효 생성물이 농후한 고압 분리기 오버헤드 및 고압 분리기 하부를 인출하는 단계를 더 포함하는, 방법.
- 제7항에 있어서, 상기 저압 분리기 오버헤드는 상기 방출 스트림에서 분리되는 원하는 발효 생성물을 포함하는, 방법.
- 제8항에 있어서, 상기 저압 분리기 오버헤드 및 고압 분리기 오버헤드 양쪽에 함유되는 원하는 발효 생성물은 상기 생물반응기 시스템에서 원하는 발효 생성물의 실제 (net) 생산성을 나타내는, 방법.
- 제9항에 있어서, 상기 원하는 발효 생성물은 에탄올이고, 및 상기 에탄올의 실제 생산성은 생물반응기 부피 리터 당 적어도 55 그램/일인, 방법.
- 제7항에 있어서, 상기 저압 분리기에서, 저압 분리기 하부를 인출하는 단계를 더 포함하는, 방법.
- 제7항에 있어서, (i) 상기 저압 분리기 오버헤드는, 저압 분리기 오버헤드 환류 부분과는 별도로, 상기 저압 분리기에서 인출되는 저압 분리기 증기 배출구 스트림에서 분리되고, (ii) 상기 저압 분리기 하부는, 저압 분리기 보일러 부분과는 별도로, 상기 저압 분리기에서 인출되는 저압 분리기 액체 배출구 스트림에서 분리되고, (iii) 상기 고압 분리기 오버헤드는, 고압 분리기 오버헤드 환류 부분과는 별도로, 상기 고압 분리기에서 인출되는 고압 분리기 증기 배출구 스트림에서 분리되고, 및 (iv) 상기 고압 분리기 하부는, 고압 분리기 비등 (boilup) 부분과는 별도로, 상기 고압 분리기에서 인출되는 고압 분리기 액체 배출구 스트림에서 분리되는, 것 중 하나 이상인, 방법.
- 제12항에 있어서, (i) 상기 저압 분리기 증기 배출구 스트림은 저압 분리기 응축기로 공급되어 적어도 이의 일부를 응축하고, 상기 저압 분리기 오버헤드 환류 부분을 상기 저압 분리기로 복귀시키고, 저압 분리기 응축기 열을 회수하고, (ii) 상기 저압 분리기 액체 배출구 스트림은 저압 분리기 리보일러로 공급되어 적어도 이의 일부를 기화하고, 상기 저압 분리기 액체 환류 부분을 상기 저압 분리기로 복귀시키고, 저압 분리기 리보일러 열을 소모하고, (iii) 상기 고압 분리기 증기 배출구 스트림은 고압 분리기 응축기로 공급되어 적어도 이의 일부를 응축하고, 상기 고압 분리기 오버헤드 환류 부분을 상기 고압 분리기로 복귀시키고, 고압 분리기 응축기 열을 회수하고, 및 (iv) 상기 고압 분리기 액체 배출구 스트림은 고압 분리기 리보일러로 공급되어 적어도 이의 일부를 기화하고, 상기 고압 높은 액체 환류 부분을 상기 고압 분리기로 복귀시키고, 고압 분리기 리보일러 열을 소모하는, 것 중 하나 이상인, 방법.
- 제13항에 있어서, 상기 고압 분리기 응축기 열의 적어도 일부는 저압 분리기 리보일러 열로서 소모되는, 방법.
- 제12항에 있어서, 상기 저압 분리기 액체 배출구 스트림은 저압 분리기 리보일러로 공급되어 이의 일부를 기화하고, 상기 저압 분리기 액체 환류 부분을 상기 저압 분리기로 복귀시키고, 저압 분리기 리보일러 열을 소모하는, 방법.
- 제15항에 있어서, 상기 고압 분리기 응축기 열의 적어도 일부는 저압 분리기 리보일러 열로서 소모되는, 방법.
- 제11항에 있어서, 상기 고압 분리기 하부의 적어도 일부 및/또는 상기 저압 분리기 하부의 적어도 일부를 상기 생물반응기 시스템으로 재순환하는 단계를 더 포함하는, 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 기질은 C1-함유 기질이고, 상기 박테리아는 C1-고정 박테리아이고, 상기 적어도 하나의 발효 생성물은 에탄올, 이소프로판올 및 이들 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는, 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 투과물 스트림을 적어도 제1 투과물 부분 및 제2 투과물 부분으로 분할하는 단계 및 상기 제1 투과물 스트림 부분의 적어도 일부를 고압 분리기로 공급하는 단계 및 상기 제2 투과물 부분을 저압 분리기에 공급하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
- 제19항에 있어서, 상기 분할 단계에서, 상기 제2 투과물 부분의 유량은 적어도 부분적으로 상기 방출 스트림의 유량에 기초하여 조정되는, 방법.
- 제2항에 있어서, (i) 상기 저압 분리기에서, 상기 방출 스트림에 비하여 원하는 발효 생성물이 농후한 저압 분리기 오버헤드를 인출하는 단계; 및 (ii) 상기 고압 분리기에서, 원하는 발효 생성물이 농후한 고압 분리기 오버헤드 및 고압 분리기 하부를 인출하는 단계를 더 포함하는, 방법.
- 제21항에 있어서, 상기 저압 분리기 오버헤드는 상기 투과물 스트림의 상기 제2 부분 및 상기 방출 스트림 양쪽에서 분리되는 원하는 발효 생성물을 포함하는, 방법.
- 제22항에 있어서, 상기 저압 분리기 오버헤드 및 고압 분리기 오버헤드 양쪽에 함유되는 원하는 발효 생성물은 상기 생물반응기 시스템의 원하는 발효 생성물의 실제 생산성인, 방법.
- 제23항에 있어서, 상기 원하는 발효 생성물은 에탄올이고, 및 상기 에탄올의 실제 생산성은 생물반응기 부피 리터 당 적어도 55 그램/일인, 방법.
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20220100091A (ko) * | 2020-03-11 | 2022-07-14 | 란자테크, 인크. | 생성물을 정제하는 방법 |
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