KR20190017871A - 가스 공급 발효 반응기, 시스템 및 프로세스 - Google Patents

가스 공급 발효 반응기, 시스템 및 프로세스 Download PDF

Info

Publication number
KR20190017871A
KR20190017871A KR1020197000117A KR20197000117A KR20190017871A KR 20190017871 A KR20190017871 A KR 20190017871A KR 1020197000117 A KR1020197000117 A KR 1020197000117A KR 20197000117 A KR20197000117 A KR 20197000117A KR 20190017871 A KR20190017871 A KR 20190017871A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
gas
loop section
inlet
liquid
loop
Prior art date
Application number
KR1020197000117A
Other languages
English (en)
Inventor
루안 탄 누엔
아릴드 조해니센
그레이엄 이안 에일렌
조슈아 에이 실버맨
Original Assignee
칼리스타, 인코포레이티드
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 칼리스타, 인코포레이티드 filed Critical 칼리스타, 인코포레이티드
Publication of KR20190017871A publication Critical patent/KR20190017871A/ko

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M45/00—Means for pre-treatment of biological substances
    • C12M45/04—Phase separators; Separation of non fermentable material; Fractionation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M21/00—Bioreactors or fermenters specially adapted for specific uses
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M29/00—Means for introduction, extraction or recirculation of materials, e.g. pumps
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M29/00—Means for introduction, extraction or recirculation of materials, e.g. pumps
    • C12M29/18—External loop; Means for reintroduction of fermented biomass or liquid percolate
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M29/00—Means for introduction, extraction or recirculation of materials, e.g. pumps
    • C12M29/20—Degassing; Venting; Bubble traps
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M35/00—Means for application of stress for stimulating the growth of microorganisms or the generation of fermentation or metabolic products; Means for electroporation or cell fusion
    • C12M35/08—Chemical, biochemical or biological means, e.g. plasma jet, co-culture
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M41/00—Means for regulation, monitoring, measurement or control, e.g. flow regulation
    • C12M41/40—Means for regulation, monitoring, measurement or control, e.g. flow regulation of pressure
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12N—MICROORGANISMS OR ENZYMES; COMPOSITIONS THEREOF; PROPAGATING, PRESERVING, OR MAINTAINING MICROORGANISMS; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING; CULTURE MEDIA
    • C12N1/00—Microorganisms, e.g. protozoa; Compositions thereof; Processes of propagating, maintaining or preserving microorganisms or compositions thereof; Processes of preparing or isolating a composition containing a microorganism; Culture media therefor
    • C12N1/26—Processes using, or culture media containing, hydrocarbons
    • C12N1/28—Processes using, or culture media containing, hydrocarbons aliphatic
    • C12N1/30—Processes using, or culture media containing, hydrocarbons aliphatic having five or less carbon atoms
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M21/00—Bioreactors or fermenters specially adapted for specific uses
    • C12M21/02—Photobioreactors

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Zoology (AREA)
  • Wood Science & Technology (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
  • Genetics & Genomics (AREA)
  • Biotechnology (AREA)
  • Microbiology (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Cell Biology (AREA)
  • Physiology (AREA)
  • Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Tropical Medicine & Parasitology (AREA)
  • Virology (AREA)
  • Apparatus Associated With Microorganisms And Enzymes (AREA)
  • Preparation Of Compounds By Using Micro-Organisms (AREA)
  • Micro-Organisms Or Cultivation Processes Thereof (AREA)
  • Processing Of Solid Wastes (AREA)

Abstract

비수직 감압 구역을 이용하는 수성 액체 배양 배지 순환 내부 루프 반응기에서 미생물을 배양시킴으로서 바이오매스를 생산하기 위한 반응기, 시스템 및 공정이 기술된다. 단백질 또는 탄화수소와 같은 생성물을 얻기 위한 배양 미생물의 회수 및 처리가 기술된다.

Description

가스 공급 발효 반응기, 시스템 및 프로세스
본 발명은 발효에 유용한 반응기, 시스템 및 공정, 특히 기체 기질을 사용하는 발효 시스템에 관한 것이다.
화석 연료 매장량의 고갈이 계속되고, 증가하는 온실 가스의 생산량 및 기후 변화에 대한 최근의 우려에 따라, 화석 연료를 바이오 연료(예를 들어, 에탄올, 바이오 디젤)로 대체하는 것이 산업적인 관심사가 되었다. 그러나, 지금까지 생성된 바이오 연료는 자체적인 어려움과 우려를 가지고 있었다. 1세대 바이오 연료는 식물(예를 들어, 녹말(starch); 사탕수수 설탕(cane sugar); 및 옥수수(corn), 유채씨(rapeseed), 콩(soybean), 야자과 나무(palm) 및 기타 식물성 기름)에서 추출되지만, 이러한 연료 작물은 사람과 동물이 소비하는 작물과 경쟁한다. 세계적으로 이용 가능한 농지의 양은 식량과 연료에 대한 증가하는 요구를 충족시키기에 부족하다. 바이오 연료 호환성 곡물에 대한 식품 생산자의 수요를 줄이기 위해, 셀룰로오스(cellulose) 또는 조류와 같은 대체 생물학적 물질을 사용하는 2세대 바이오 연료가 개발 중이다. 그러나, 높은 생산 비용과 함께, 생산의 기술적인 어려움으로 인해 2 세대 바이오 연료는 더이상 비용 효율적이지 않게 되거나, 이용 가능하지 않게 되었다.
3세대 또는 차세대 바이오 연료는 식품 원료가 아닌 대체 탄소 공급 원료를 이용하여 만들어진다. 이러한 노력의 일환으로, 연료, 윤활유 및 플라스틱을 포함한 고급 탄화수소 화합물의 생산에 있어 비생물학적 기반의 대안적인 공급 원료의 사용이 지속적으로 증가하고 있다. 이러한 공급 원료는, 그 중에서도 메탄(methane) 및 합성 가스(syngas)를 포함하는 하나 이상의 탄소-함유 화합물 또는 탄소 함유 및 비-탄소-함유 화합물의 혼합물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 메탄은 상대적으로 풍부하고 자연적으로 발생하며, 전 세계 여러 곳에서 발견된다. 또한, 메탄은 많은 생물학적 붕괴 과정에서 생성되기 때문에 폐기물 처리 및 쓰레기 매립 시설에서 포획 될 수 있다. 이것의 상대적인 풍부성에 의해, 메탄은 CO2에 기여하는 상대적인 온실 가스의 23배에 달하는 강력한 온실 가스이다. 역사적으로, 메탄은, 더 높은 가치의 제품으로 전환되기 어렵거나, 원격 가스 지역 또는 해안가 제조 플랫폼과 같은 원격 또는 좌초 장소(stranded location)로부터 시장으로 운송하기 어려운 다소 가치있는 부산물로 여겨져 왔다. 이러한 공급원으로부터의 메탄뿐만 아니라, 하수 처리 시설 및 쓰레기 매립지에서 발생하는 생물학적 분해 과정에 의해 생성된 메탄은 주로 새어 나가거나(vented) 연소된다(flared). 경제적이고 효율적으로 메탄 및 유사한 탄소 함유 기체를 하나 이상의 고 가치 C2 또는 그 이상의 탄화수소로 전환시키는 능력은, 생산자가 상대적으로 풍부하고 생물학적으로 생산되지 않은 공급 원료를 이용할 수 있게 하며, 동시에 중요한 환경적 이점을 제공한다.
국내 메탄 생산 능력의 증가는, 메탄을 국내에서보다 쉽게 이용할 수 있게한다. 국내 천연 가스는 수압 프래킹(hydraulic fracking)("프래킹(fracking")에 의해 주로 생산되지만, 메탄은 쓰레기 매립과 하수와 같은 다른 공급원으로부터도 얻을 수 있다. 그러나 메탄의 휘발성은, 연료로서 메탄의 직접 사용 및/또는 수송에서 문제가 되게 한다.
이러한 이유로, 메탄을, 예를 들어, 자동차 연료와 같은, 하나 이상의 액상 제품으로 전환시키고, 사용 지점 또는 판매 지점으로 보다 쉽게 운송할 수 있도록 하는 강력한 인센티브(incentive)가 있다. 현재, 액화 천연 가스 (liquefied natural gas, LNG)로의 액화 및 가스에서 액체로의(gas-to-liquid, GTL) 전환을 위한 화학적 전환(영국, 스코틀랜드, 글래스고, 화학 공학의 제7 차 세계 협의회, 2005, 파텔(Patel)), 두 가지 주요 접근법이 추진 중에 있다. 피셔 트롭쉬(Fischer Tropsch, F-T) 프로세스(process)는 현재 다량의 메탄을 고차 탄화수소로 전환시키는 가장 보편적인 접근법이다(파텔, 2005). F-T 프로세스는 합성 가스를 인풋(input)으로 사용하며, 합성 가스는 수증기 변성(steam reforming)에 의해 천연 가스로부터 생성될 수 있다(또한 합성 가스는 물과 산소와의 고온 반응에 의해 석탄 가스화(coal gasification)로부터 얻어질 수 있다). F-T 프로세스는 오늘날의 연료 공급과 일치하는 석유 제품을 생산하지만, 경제적인 생산을 이루기 위해, 낮은 생산량, 낮은 선택성(다운 스트림(downstream) 활용 단지(complex) 만들기) 및 상당한 자본 지출과 규모가 필요하다는 여러 가지 단점이 있다(스파트 및 데이턴(Spath and Dayton), 2003, 12월, NRELlTP-510-34929). F-T 설비에 요구되는 거대한 규모(일반적으로 자본 비용 20억 달러를 초과 함 [파텔, 2005])는 F-T 프로세스의 막대한 자본 비용을 상쇄하기 위해 필요한 대량의 메탄 공급 원료로 인해 큰 한계를 보여준다. 대부분의 경우 메탄 운송이 상당히 비싸기 때문에, 그러한 설비는 견고하고, 안정적이며, 신뢰성 있고, 비용면에서 효율적인 메탄 공급원과 함께 위치 해야하며, 일반적으로 중요한 메탄 저장소 또는 메탄 파이프라인(pipeline)의 형태로 존재해야 한다. F-T 촉매는 합성 가스 전환 프로세스를 거치지 않고 통과하는 천연 가스에서 발견되는 일반적인 오염 물질에 매우 민감하기 때문에, 추가 비용 및 스케일링 계수(scaling factor)는 가스 세정 기술(스파트 및 데이턴, 2003)의 경제성이다.
막대한 자본 투자와 결합되는, 다량의 상대적으로 깨끗한 메탄-함유 기체에 쉽게 접근할 수 있는 요건은 현재 천연 가스 기반의 F-T 설비를 전 세계 몇 곳에서만 성공적이고 경제적으로 실행 가능한 운영으로 제한한다(스파트 및 데이턴, 2003). 높은 운송 비용과 결합되는, 가스에서 액체로의(gas-to-liquids) 프로세스 또는 액화 천연 가스 설비에 대한 높은 최소 처리 요구 사항은, 더 작은 메탄 공급원을 "좌초된(stranded)" 가스 좌초된광상으로 남게 한다. 그러한 좌초된 가스(stranded gas)는 해안가 유정(oil well)에서 생성된 천연 가스 또는 쓰레기 매립지로부터의 메탄 배출-가스(off-gas)를 포함할 수 있지만, 이에 한정되지 않는다. 효율적인 소규모 전환 기술이 없기 때문에, 그러한 좌초된 가스 공급원은, 메탄 누적이 심각한 안전 위험을 초래하기 때문에, 일반적으로 대기 중으로 배출되거나 연소된다. 피셔-트롭쉬(Fischer-Tropsch) 프로세스를 사용하는 가스에서 액체로의 시설은 1938년 이후 반연속적으로 운영되고 있다. 현재 몇몇 회사는 전술한 메탄의 현재 가용성과 가격을 고려하여 새로운 설비의 도입을 조사하고 있다. 그러나, 지난 70년 이상의 중요한 연구 및 개발에도 불구하고, 피셔-트롭쉬 기술의 한계는 상업적인 가스에서 액체로의 프로세스가 광범위하게 채택되는 것을 막을 수 있다.
동물성 사료 이용 효율의 향상은 사료 첨가제의 사용을 통해 지난 수십년 동안 달성되었다. 이러한 첨가물은 동물성 사료 구성물의 영양 성분, 에너지 함량 및/또는 질병 저항(disease fighting) 특성을 증가시킨다. 상업적 동물 생산자에게 직면하고 있는 과제(growing challenge)는 증가하는 곡물 비용이다. 증가하는 비용은 부분적으로 바이오 연료와 인간의 식품 사용을 위한 곡물에 대한 경쟁 수요 때문이다. 사료 생산을 위해 이용 가능한 제한된 토지와 결합되어, 곡물과 단백질 보충물의 증가하는 비용과 더불어, 유익한 영양 및 질병 저항 특성을 가진 대안적인 저비용의 동물성 사료 제품이 바람직하다.
어분(fish meal), 콩 제품(soya product) 및 혈장(blood plasma)과 같은, 많은 다양한 단백질-함유(protein-containing) 물질이, 사람 음식과 동물성 사료로서 전통적인 단백질 공급원의 대체물로 제시되어 왔다. 이러한 단백질-함유 물질은 높은 비율의 단백질을 포함하는 박테리아, 곰팡이(fungi), 효모(yeast)와 같은 단세포 미생물을 포함한다. 이들 미생물은 탄화수소 또는 다른 기질(substrate) 상에 증식할 수 있다.
이러한 점에서, 탄소원으로 C1 기질을 이용한 생물학적 발효는, 식품 공급원과 화학 물질/연료 생산을 위한 발효 간의 경쟁과, 대안적인 저비용 동물성 사료 제품의 필요성, 천연 가스의 이용을 위한 좋은 선택의 부족에 대한 매력적인 해결책을 제시한다. 그러나 메탄, CO 또는 CO2와 같은 기체 기질의 발효는, 배양균(in culture)에 있는 C1 대사성(metabolizing) 비-광합성(non-photosynthetic) 미생물에 의한 흡수 및 대사를 허용하기 위해, 탄소 기질이 기체상(gas phase)에서 수상(aqueous phase)으로 이동되어 한다는 요구 때문에, 심각한 문제를 제기한다. 동시에, O2 또는 H2와 같은 다른 기체는, 세포 대사가 진행되는 것을 허용하기 위해, 기체상으로부터 전달되도록 요구될 수 있다(각각 호기성(aerobic) 또는 혐기성(anaerobic) 대사(metabolism)). 효율적인 미생물 증식을 위해 폐기물(호기성 대사의 경우 CO2와 같은)을 미생물과 분리해야 한다. 또한, C1 기질의 대사로 인한 발열은 중요하며, 시스템은 미생물 증식을 위한 최적의 조건을 유지하기 위한 냉각을 필요로 한다.
액체상(liquid phase)에서 증기상(vapor phase)으로의 대류 물질 이동은 물질 전달 계수(mass transfer coefficient)로 설명될 수 있다. 플럭스(flux)는 물질 전달 계수, 표면적 및 농도 차이(Flux = kA
Figure pct00001
C)의 곱과 동일하다.
물질 전달 계수는 전달될 분자의 크기, 수상에서의 용해도 및 상 사이의 경계층의 크기(전형적으로 혼합 속도와 난류(turbulence)에 의해 발효 시스템에서 제어됨)를 포함하는 다양한 요인에 의해 영향을 받는다. 대부분의 발효 시스템에서 기체상과 액체상 사이의 표면적은 주로 투입 기체의 기포(bubble) 크기에 의해 제한된다. 기포 크기는, 작은 기공을 통해 기체를 도입하고, 기포를 분해하고 유착(coalescence)을 방지하기 위해 전단력을 증가시킴으로써 제어될 수 있다. 농도 차이는 기체상 경계 층에 걸친 농도 차이, 액체상 경계층에 걸친 농도 차이, 벌크 액체와 평형을 이루는 증기와 벌크 증기 사이의 농도 차이, 또는 벌크 증기와 평형을 이루는 액체와 벌크 액체 사이의 농도 차이를 포함한다. 대부분의 발효 시스템에서, 농도 차이는 기체상의 압력에 의해 제어된다.
통상적인 발효 시스템(바이오리액터(bioreactor))은 교반(stirring) 또는 에어리프트(airlift)의 두 가지 방법 중 하나에 의해 기체 혼합을 달성한다. 교반 발효기(Stirred fermentor)는 일반적으로 하나의 대형 발효기에서 중앙에 배치된 교반 블레이드(stirring blade)에 의해 혼합을 달성한다. 교반기 블레이드(stirrer blade)는 기체 기포가 발효기의 바닥에 도입되는 동안 액체 내에서 난류 및 전단을 발생시켜, 발효기 위로 이동하면서 기포의 진행을 방해하고, 기포가 발효기 내에서 합쳐지는 경향을 감소시키기 위해 기체 기포를 전단한다. 이러한 유형의 발효기의 장점은 혼합 블레이드의 고속으로 인해, 빠르고, 비교적 균질 혼합되고 그리고 가스 기포 분산이 가능하다는 것이다. 그러나, 이러한 유형의 발효기는 용량이 증가함에 따라 동일한 비율의 혼합 및 물질 전달을 얻는데 요구되는 에너지가 터무니없이 커질 수 있기 때문에, 스케일-업(scale-up)하기가 어려울 수 있다. 또한, 활발한 혼합은 발효액의 현저한 가열을 의미하며, 단일 대형 발효기의 사용은 열교환 냉각에 이용 가능한 표면적을 제한한다.
에어리프트 발효기는 액체용 유로를 통합함으로써 기계식 교반기를 피한다. 에어리프트 발효기는 양단에서 상호 연결된 하강류(downflow) 및 상승류(upflow) 섹션(section)을 가지며; 이 섹션은 별도의 단위(루프 발효기(loop fermentor)라고도 함) 또는 동심(에어리프트 발효기)일 수 있다. 에어리프트 발효기에서, 기체는 기포-생성(bubble-generating) 장치를 통해 상승류 섹션의 바닥에 공급된다. 기포는 액체와 혼합되어, 액체의 밀도를 감소시키고, 기체-액체 혼합물이 상승류 섹션을 통해 상승하게 한다. 상승하는 혼합물은 반응기의 상부에서 액체를 이동시키며, 반응기는 하강류 섹션을 따라 이동하여 바닥에서 액체를 대체하여, 발효기에서 원형 흐름을 확립한다. 액체 내의 기체 기포에 대해 긴 체류 시간(residence time)을 얻기 위해, 에어리프트 발효기는 일반적으로 높이가 높으며, 제한된 횡단면 영역을 갖는다. 이는 발효기에 존재하는 액체 칼럼(column)에 의해 형성된 정수압(hydrostatic pressure)을 극복하기 위해 기체가 비교적 높은 압력에서 공급되어야 함을 의미한다. 또한 기포 크기는, 높이에 따라 압력이 감소함에 따라, 발효기 전반에 걸쳐 현저하게 증가한다. 증가하는 기포 직경은, 물질 이동이 발생할 수 있는 기체 기포 체적(기체 기포 반경의 큐브(cube)에 비례함)에 대한 기체 기포 영역(기체 기포 반경의 제곱에 비례함)의 비율을 감소시킴으로써, 기체 기포와 액체상 사이의 물질 전달 비율을 비례적으로(proportionately) 감소시킨다. 에어리프트 발효기의 유속 및 전단력은, 버플 유착을 증가시키고 발효기의 냉각 효율을 감소시키는 경향이 있는 교반 탱크 발효기보다 현저히 낮다. 최종적으로, 하강류 섹션으로의 액체의 복귀 이전에, 발효기의 상승류 부분을 나가는 혼합물로부터 미사용 및 폐가스(waste gas)를 분리하는 것은 어려울 수 있다.
루프 반응기는 미국 특허 제7,575,163호에 기재되어 있으며, 예를 들어 바이오매스(biomass)의 생성 또는 미생물에 의해 생성된 물질의 제조를 위한 미생물의 발효를 위해 제안되어 왔다. 도 1은 수직 하강류 구역(3)으로 흐르는 배출 가스 제거 구역(effluent gas removal zone, 2)을 포함하는 하나의 루프 반응기(1)를 도시한다. 배출 가스 제거 구역(2)은 배출 포트(outlet port,7) 및 비상 배출구(emergency vent,8)를 포함한다. 수직 하강류 구역(3)은 영양 가스 유입구(15)를 포함한다. 모터 (11)에 의해 구동되는 프로펠러(10)는 루프 반응기를 통한 액체 배양 배지(liquid culture medium)의 순환을 돕는다. 프로펠러 (10)의 상류에는 루프 반응기로부터 물질을 제거하기 위한 출구 포트(exit port)(12)가있다. 프로펠러(10)의 하류에는 암모니아 및 광물 유입구(17,18)가 있다. 액체 배양 배지(9)는 루프 반응기의 수평 섹션(4)에서 복수의 정적 혼합기(static mixer,14)를 통과한다. 루프 반응기의 수평 섹션은 또한 복수의 영양 가스 유입구(13)를 포함한다. 최종 정적 혼합기(14)의 하류에, 루프 반응기는 수직 상승류 섹션(5)을 포함한다. 수직 상승 류 섹션(5)의 상단부는 수평 유출 구역(6)과 유동적으로 연통한다. 수직 상승류 섹션(5)에는 영양 가스 유입구(16)가 제공된다. 영양 가스 유입구(16)의 하류에는 구동 가스 유입구(19)가 있으며, 이를 통해 구동 가스가 액체 배양 배지로 전달된다. 상술한 '163 특허는 도 1에 도시된 루프 반응기가 유출 구역(6)의 말단에 있는 기체-액체 표면과 적어도 10m인 수평 섹션의 루프의 중심선 사이에 수직 강하를 갖는다고 기술한다.
일 측면에서, 본 개시는 미생물 발효를 위한 기체 기질의 효율적인 물질 전달을 위한 시스템, 공정 및 장치를 기술한다. 또한, 본 개시는 주로 C1 대사성 비-광합성 미생물을 포함하는 배양균을 사용하여 기체의 탄소-함유 공급 재료를 발효시키는 시스템, 공정 및 장치를 기술한다. 다른 측면에서, 본 개시는 C1 이외의 대사성 비-광합성 미생물(들)을 사용하여 기체 기질을 포함하는 가스 공급 원료를 발효시키는 시스템, 공정 및 장치를 기술한다. 또 다른 측면에서, 본 개시는 효율적인 열교환 및 폐기 가스 제거에 더하여 높은 기체상에서 액체상으로 물질 전달하는 높은 플럭스를 허용하는 저울로 달 수 있는(scalable) 발효기 설계를 기술한다. 당 업계에 공지된 단점을 극복하고 다양한 제품의 최적의 생산을위한 새로운 공정 및 장치를 대중에게 제공하는 발효 시스템 및 프로세스가 기술된다.
이러한 발효 시스템은, 예를 들어 C1 화합물과 같은 기체 화합물을 대사할 수 있는 하나 이상의 미생물 종을 사용할 수 있다. 이러한 미생물은 메틸로모나스(Methylomonas), 메틸로박터(Methylobacter), 메틸로코쿠스(Methylococcus), 메틸로시너스(Methylosinus), 메틸로시스티스(Methylocystis), 메틸로마이크로비움(Methylomicrobium), 메타노모나스(Methanomonas), 메틸로필러스(Methylophilus), 메틸로바실러스(Methylobacillus), 메틸로박테리움(, Methylobacterium), 히포마이크로비움(Hyphomicrobium), 크산토박터(Xanthobacter), 바실루스(Bacillus), 파라코쿠스(Paracoccus), 노르카디아(Nocardia), 아스로박터(Arthrobacter), 로도슈도모나스(Rhodopseudomonas), 슈드모나스(Pseudomonas)와 같은 박테리아 또는 원핵 생물(prokaryotes)을 포함한다. 일부예에서, C1 대사성 미생물은 메타노트로프(methanotroph), 메틸로트로프(methylotroph) 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 바람직한 메타노트로프는 메틸로모나스, 메틸로박터, 메틸로코쿠스. 메틸로시너스, 메틸로시스티스, 메틸로마이크로비움, 메타노모나스, 또는 이들의 조합을 포함한다. 예시적인 메타노트로프는 메틸로모나스 sp. 16a (ATCC PTA 2402), 메틸로시너스 트리코스포리움(Methylosinus trichosporium) (NRRL B-ll, 196), 메틸로시너스 스포리움(Methylosinus sporium) (NRRL B-ll, 197), 메틸로모나스 알브 우스(Methylomonas alb us) (NRRL B-ll, 200), 메틸로박터 캡슐라터스(Methylobacter capsulatus) (NRRL B-11,201), 메틸로박테리움 오르가노필룸(Methylomicrobium alcaliphilum) (ATCC 27,886), 메틸로모나스 sp. AJ-3670 (FERM P-2400), 메틸로마이크로비움 알칼리필룸(Methylomicrobium alcaliphilum), 마이크로셀라 실베스트리스(Methylocella silvestris), 메틸엑시드필룸 인퍼노룸(Methylacidiphilum infernorum), 메틸리비움 페트로레이필룸(Methylibium petroleiphilum), 메틸로시너스 트리코스포리움 OB3b(Methylosinus trichosporium OB3b), 메틸로코쿠스 캡슐라터스 베스(Methylococcus capsulatus Bath), 메틸로모나스 sp. 16a, 메틸로마이크로비움 알칼리필룸 20Z(Methylomicrobium alcaliphilum 20Z) 또는 이들의 높은 성장 변이체(high growth variant)를 포함한다. 바람직한 메틸로트로프는 메틸로박테리움 익스트로켄스(Methylobacterium extorquens), 메틸로박테리움 라디오톨러란스(Methylobacterium radiotolerans), 메틸로박테리움 포퓰리(Methylobacterium populi), 메틸로박테리움 클로로메타니쿰(Methylobacterium chloromethanicum), 메틸로박테리움 노듈란스(Methylobacterium nodulans) 또는 이들의 조합을 포함한다.
합성 가스에서 발견되는 C1 화합물을 대사할 수 있는 미생물은 클로스트리듐(Clostridium), 무렐라(Moorella), 피로코쿠스(Pyrococcus), 유박테리움(Eubacterium), 디술포박테리움(Desulfobacterium), 카복시도테르무스(Carboxydothermus), 아세토제니움(Acetogenium), 아세토박테리움(Acetobacterium), 아세토아나에로비움(Acetoanaerobium), 부타이리박테리움(Butyribacterium), 펩토스트렙토코쿠스(Peptostreptococcus) 또는 이들의 조합을 포함하지만, 이에 한정되지 않는다. 예시적인 메틸로트로프는 클로스트리듐 오토에타노제늄(Clostridium autoethanogenum), 클로스트리듐 중달리(Clostridium ljungdahli), 클로스트리듐 라그달레이(Clostridium ragsdalei), 클로스트리듐 카복시디보란스(Clostridium carboxydivorans), 부타이리박테리움 메틸로트로피쿰(Butyribacterium methylotrophicum), 클로스트리듐 우디(Clostridium woodii), 클로스트리듐 네오프로판올로젠(Clostridium neopropanologen) 또는 이들의 조합을 포함한다. 일부예에서, C1 대사성 미생물은, 칸디다(Candida), 야로이야(Yarrowia), 한세뉼라(Hansenula), 피치아(Pichia), 트롤롭시스(Torulopsis), 로도토룰라(Rhodotorula)를 포함하는 효모와 같은 진핵생물(eukaryotes)이다.
다른 예에서, C1 대사성 비-광합성 미생물은, 절대 메타노트로프(obligate methanotroph), 절대 메틸로트로프(obligate methylotroph) 또는 이들의 조합과 같은 절대 C1 대사성 비-광합성 미생물이다. 일부예에서, C1 대사성 비-광합성 미생물은 지방 산 생성 효소(fatty acid producing enzyme), 포름알데히드 흡수 효소(formaldehyde assimilation enzyme) 또는 이들의 조합을 암호화하는(encoding) 이종 폴리뉴클레오티드(heterologous polynucleotide)를 포함하는 재조합 미생물이다.
전술한 것 이외에 또는 대안으로서, 본 발명은 다음의 실시예를 설명한다. 기체 및 액체 배양 배지의 다상(multi-phase) 혼합물을 기체상 및 액체상으로 분리하기위한 기체/액체 분리 용기를 포함하는 루프 반응기를 포함하는 바이오매스의 생산을 촉진하는 시스템에 관한 제1 실시예로서, 출구 및 입구를 포함하는 기체/액체 분리 용기; 기체/액체 분리 용기의 출구와 유체 연통하는 입구, 기체/액체 분리 용기의 입구와 유체 소통하는 출구 및 루프 섹션 중심선을 포함하는 루프 섹션; 제1 감압 장치, 루프 섹션의 입구와 루프 섹션의 출구 사이에 위치된 제1 비-수직 감압 구역을 포함하는 제1 비-수직 감압 구역을 포함하고, 기체/액체 분리 용기의 입구에서 루프 섹션 중심선과 루프 섹션의 입구에서 루프 섹션 중심선 사이의 수직 거리는 8 m 이하이다.
본 명세서에 개시된 제2 실시예는 감압 장치가 밸브(valve) 또는 팽창 조인트(expansion joint)인 제1 실시예에 관한 것이다.
본 명세서에 개시된 제3 실시예는 제1 비-수직 감압 구역의 하류에 제2 감압 구역을 포함하는 제1 실시예 및 제2 실시예의 시스템에 관한 것이다.
본 명세서에 개시된 제4 실시예는 제2 감압 구역이 제2 비-수직 감압 구역인 제1 실시예 내지 제3 실시예에 관한 것이다.
본 명세서에 개시된 제5 실시예는 기체/액체 분리 용기의 입구에서 루프 섹션 중심선과 루프 섹션의 입구에서 루프 섹션 중심선 사이의 수직 거리가 6m 미만인 제1 실시예 내지 제4 실시예에 관한 것이다.
본 명세서에 개시된 제6 실시예는 기체/액체 분리 용기의 입구에서 루프 섹션 중심선과 루프 섹션의 입구에서 루프 섹션 중심선 사이의 수직 거리가 5m 미만인 제1 실시예 내지 제5 실시예에 관한 것이다.
본 명세서에 개시된 제7 실시예는 루프 반응기가 탈착 가스(desorption gas) 입구를 더 포함하고, 탈착 가스 입구가 루프 반응기의 루프 섹션의 비-수직 부분에 위치되는 것을 특징으로 하는 제1 실시예 내지 제6 실시예에 관한 것이다.
본 명세서에 개시된 제8 실시예는 제1 수직 감압 장치가 정수압(hydrostatic pressure)의 변화와 상관없이 압력을 감소시키는 장치인 제1 실시예 내지 제7 실시예에 관한 것이다.
본 명세서에 개시된 제 9 실시예는 루프 반응기의 루프 섹션, 기체 및 액체 배양 배지의 다상 혼합물을 통해 흐르는 것을 포함하는 바이오매스의 생산을 촉진하는 과정에 관한 것이며, 루프 섹션은 루프 섹션 중심선; 다상 혼합물에 영양소를 도입하는 단계; 다상 혼합물에 메탄 및 산소를 도입하는 단계; 루프 반응기의 제1 비-수직 감압 구역을 통해 기체 및 액체 배양 배지의 다상 혼합물을 통과시키고, 루프 반응기의 제1 비-수직 감압 구역은 제1 감압 장치를 포함하는 단계; 기체 및 액체 배양 배지의 다상 혼합물로부터 분리된 기체상 및 액체상을 기체/액체 분리 용기의 입구에서 기체/액체 분리 용기 내로 흘려 보내는 단계; 기체/액체 분리 용기의 입구는 중심선을 포함함; 및 기체/액체 분리 용기의 출구로부터 액체상을 제거하고 제거된 엑체상을 루프 섹션의 입구로 전달하는 단계; 루프 섹션의 입구에서의 루프 섹션 중심선과 기체/액체 분리 용기의 입구의 중심선 사이의 수직 거리가 8m 미만이다.
본 명세서에 개시된 제10 실시예는 기체 및 액체 배양 배지의 다상 혼합물을 제1 비-수직 감압 구역으로 통과시키는 단계는 기체 및 액체 배양 배지의 다상 혼합물을 밸브, 팽창 조인트, 정적 혼합기 또는 파이핑 엘보(piping elbow)를 통해 통과시키는 단계를 포함하는 제9 실시예에 관한 것이다.
본 명세서에 개시된 제11 실시예는 기체 및 액체 배양 배지의 다상 혼합물을 제1 비-수직 감압 구역의 하류 측의 제2 감압 구역을 통해 통과시키는 단계를 더 포함하는 제9 실시예 및 제10 실시예에 관한 것이다.
본 명세서에 개시된 제12 실시예는 루프 섹션 입구에서의 루프 섹션 중심선과 기체/액체 분리 용기 입구의 중심선 사이의 수직 거리가 6m 미만인 제9 실시예 내지 제11 실시예에 관한 것이다.
본 명세서에 개시된 제13 실시예는 루프 섹션의 입구에서의 루프 섹션 중심선과 기체/액체 분리 용기 입구의 중심선 사이의 수직 거리가 5m 미만인 제9 실시예 내지 제12 실시예에 관한 것이다.
본 명세서에 개시된 제 14 실시예는 루프 반응기의 루프 섹션의 비-수직 부분에 탈착 가스를 도입하는 단계를 더 포함하는 제9 실시예 내지 제13 실시예에 관한 것이다.
본 명세서에 개시된 제15 실시예는 기체 및 액체 배양 배지의 다상 혼합물을 제1 비-수직 감압 구역을 통해 통과시키는 단계 및 정수압의 변화에 상관 없이 압력을 감소시기는 장치를 통해 기체 및 액체 배양 배지의 다상 혼합물을 통과시키는 단계를 더 포함하는 제9 실시예 내지 제14 실시예에 관한 것이다.
본원에 기술된 제 16 실시예는 기체 및 액체 배양 배지의 다상 혼합물을 루프 반응기의 제 1 비 수직 감압 존을 통과시키는 단계, 제 1 감압 장치를 포함하는 루프 반응기의 제 1 비 수직 감압 영역; 기체 및 액체 배양 배지의 다상 혼합물을 제 1 압력 감소 장치의 하류의 기체 상 및 액체상으로 분리하는 단계; 기체 상 및 액체 배양 배지의 다상 혼합물로부터 분리 된 기체 상 및 액체 상을 기체 / 액체 분리 용기의 입구에서 기체 / 액체 분리 용기로 통과시키고, 기체 / 액체 분리 용기의 입구 중심선을 포함하여; 상기 기체 / 액체 분리 용기의 출구로부터 액상을 제거하고 상기 제거된 액상을 상기 루프 반응기의 루프 섹션의 입구로 전달하는 단계, 상기 루프 섹션의 입구에서 상기 루프 섹션 중심선과 기체 / 액체 분리 용기의 입구의 중심선은 8 미터 미만이다.
본 명세서에 개시된 제17 실시예는 루프 섹션의 입구에서의 루프 섹션 중심선과 기체/액체 분리 용기의 입구의 중심선 사이의 수직 거리가 6m 미만인 제16 실시예에 관한 것이다.
본 명세서에 개시된 제18 실시예는 루프 섹션의 입구에서의 루프 섹션 중심선과 기체/액체 분리 용기의 입구의 중심선 사이의 수직 거리가 5m 미만인 제16 실시예 내지 제17 실시예에 관한 것이다.
본 명세서에 개시된 제19 실시예는 제1 감압 장치는 정수압의 변화에 상관 없이 압력을 감소시키는 장치인 제16 실시예 내지 제18 실시예에 관한 것이다.
도면에서, 도면에서의 요소의 크기 및 상대 위치는 반드시 일정한 비율로 그려지는 것은 아니다. 예를 들어, 다양한 요소 및 각도는 축척에 따라 그려지지 않으며, 이들 요소 중 일부는 도면의 가독성을 향상시키기 위해 임의로 확대되고 배치된다. 또한, 그려진 요소의 특정 형상은 특정 요소의 실제 형상에 관한 어떠한 정보도 전달하려는 것이 아니며, 단지 도면에서의 용이한 인식을 위해 선택된 것이다.
도 1은 가스 제거(degassing)가 일어나는 유출 구역으로부터 수직 상승류 섹션의 상류(upstream)를 포함하는 종래의 루프 반응기의 개략적인 도면이다.
도 2는 하나 이상의 예시되고 설명된 실시예에 따라 바이오매스 및 선택적인 서브시스템(subsystem)의 생산을 촉진하기 위한 루프 반응기의 실시예의 개략적인 블록도를 도시한다.
도 3은 하나 이상의 예시되고 및/또는 설명된 실시예에 따른 제1 갑압 구역 및 제2 감압 구역을 포함하는 기체 기질을 발효시키는데 유용한 바이오매스의 생산을 촉진하기 위한 예시적인 시스템의 개략적인 도면이다.
도 4는 하나 이상의 예시되고 및/또는 설명된 실시예들에 따른 제1 감압 구역을 포함하는 기체 기질을 발효시키는데 유용한 바이오매스의 생산을 촉진하기 위한 예시적인 시스템의 개략적인 도면이다.
도 5는 하나 이상의 예시되고 및/또는 설명된 실시예에 따른, 루프 반응기의 제1 감압 구역을 통해 다상 혼합물을 유동시키는 단계를 포함하는 발효 프로세스의 높은 레벨의 흐름도를 도시한다.
도 6은 하나 이상의 예시되고 및/또는 설명된 실시예에 따른, 루프 반응기의 제1 감압 구역 및 제2 감압 구역을 통해 다상 혼합물을 유동시키는 단계를 포함하는 발효 프로세스의 높은 레벨의 흐름도를 도시한다.
도 7a는 하나 이상의 예되고 및/또는 설명된 실시예에 따른 비-수직 감압 장치의 일부분의 정면도(elevational view)이다.
도 7b는 하나 이상의 예시되고 및/또는 설명된 실시예에 따른 비-수직 감압 장치의 일부분의 정면도이다.
도 7c는 하나 이상의 예시되고 및/또는 설명된 실시예에 따른 비-수직 감압 장치의 일부분의 정면도이다.
도 7d는 도 7a, 도 7b 및도 7c에 도시된 비-수직 감압 장치의 부분들을 조립함으로써 형성된 비-수직 감압 장치의 정면도이다.
다음의 설명에서, 특정 실시예에 대한 상세한 설명은 다양한 실시예들의 완전한 이해를 돕기 위해 기술된다. 그러나, 통상의 기술자는 본 발명이 이러한 세부 사항들 없이 실시될 수 있음을 이해할 것이다. 다른 경우에는, 구조, 표준 용기 설계 세부 사항, 액체 또는 기체 분배기, 펌프, 터빈 및 이와 유사한 것과 같은 사용 가능한 구성 요소의 세부 설계 매개 변수, 미국 기계 학회(American Society of Mechanical Engineers, ASME) 압력 용기의 설계 및 구조에 관한 세부 사항, 제어 시스템 이론, 하나 이상의 발효 프로세스의 특정 단계 등은 설명된 실시예의 설명을 불필요하게 모호하게 하는 것을 피하기 위해 상세히 나타내지 않았고 설명되지도 않았다. 문맥 상 달리 요구되지 않는 한, 명세서 및 청구항 전체에 걸쳐, "포함한다(comprise)"이라는 단어 및 "포함한다(comprises)"와 "포함하는(comprising)"와 같은 그 변형은 개방적이고 포괄적인 의미로, 즉 "포함하지만, 이에 한정되지 않는" 것으로 해석되어야 한다. 또한, 본 명세서에 제공된 명칭는 단지 편의를 위한 것이며, 청구된 발명의 범위 또는 의미를 해석하지 않는다.
본 명세서 전반에 걸쳐 "일 실시예(one embodiment)"또는 "실시예(an embodiment)"는 실시예와 관련하여 설명된 특정 특징, 구조 또는 특성이 적어도 하나의 실시예에 포함됨을 의미한다. 따라서, 본 명세서 전반에 걸쳐 다양한 곳에서 "일 실시예에서(in one embodiment)"또는 "실시예에서(in an embodiment)"라는 문구가 반드시 동일한 실시예를 지칭하는 것은 아니다. 또한, 특정 특징, 구조 또는 특성은 하나 이상의 실시예에서 임의의 적합한 방식으로 결합될 수 있다. 또한, 본 명세서 및 첨부된 청구의 범위에서 사용된 바와 같이, 단수 형태 "하나의(a)", "하나의(an)" 및 "그(the)"는 그 내용이 다르게 지시하지 않는 한 복수 대상을 포함한다. 또한, 용어 "또는(or)"은 내용을 명확하게 달리 지시하지 않는 한 일반적으로 "및/또는(and/or)"을 포함하여 그 의미로 사용된다는 것을 유의해야한다.
발효기는 일반적으로 발효 프로세스가 수행되는 모든 용기로 정의된다. 엄청난 수의 발효 프로세스 및 다양한 발효성 기질을 감안할 때, 발효기는, 알코올 음료 산업에서 발견되는 단순 연속 교반 탱크 반응기에서부터, 특정 기질 및/또는 특정 생물 종에 맞는 기체 분배 및 내부 구조를 갖는 고도로 복잡한 특수 용기에 이르기까지 다양하다. 메탄 및 합성 가스 (CO와 H2의 혼합물)와 같은 탄소-함유 가스를 보다 긴 사슬의 기체 및 액체 탄화수소로 전환시키는데 유용한 발효기는, 다상 혼합물을 제공하기 위해, 일반적으로 C1 탄소 화합물을 함유하는 기체 기질을 하나 이상의 영양소를 포함하는 액체 매질 내에 확산시킨다. 이 다상 혼합물은, 기체 기재의 C1 탄소 화합물의 일부를 보다 바람직하고, 보다 긴 사슬의 C2 또는 그 이상의 화합물로 전환시키는, 하나 이상의 미생물성 콜로니(colony)에 공급된다. 콜로니(즉, 발효기 내의 바이오매스)를 포함하는 기질 구성 요소, 영양소 및 미생물 유기체는, 액체, 기체 또는 세포 내의 물질로 존재할 수 있는 원하는 C2 또는 그 이상의 화합물의 최종 매트릭스(matrix)를 제공하도록 다양하게 조정(adjusted)되거나 조정(tailored)될 수 있다.
곰팡이, 효모 및 박테리아와 같은 단세포 미생물을 배양하기 위한 기질로서 메탄 및 합성 가스(CO와 H2의 혼합물)와 같은 탄소-함유 가스를 이용하는데 유용한 발효기는, 다상 혼합물을 제공하기 위해, 일반적으로 하나 이상의 영양소를 포함하는 액체 매질 내에 C1 탄소 화합물을 포함하는 기체 기질을 분산시킨다. 이 다상 혼합물은 기체 기질의 C1 탄소 화합물(들)의 일부를 단백질로 전환시키는 하나 이상의 미생물학적 콜로니와 접촉된다. 콜로니(즉, 발효기 내의 바이오매스)를 포함하는 기질 구성 요소, 영양소 및 미생물 유기체는 단백질-함유 바이오매스의 원하는 최종 매트릭스를 제공하도록 다양하게 조정되거나 조절될 수 있다.
물질 전달 관점에서, 기체 기질 발효기는, 기질이 기체 기포 내에 갇히게 되고 기질의 미생물학적 흡수가 일어나기 위해서, 기체 기질은 먼저 기체 기포로부터 미생물 유기체로 액체 매질에서의 용해를 통해 직접 또는 간접적으로 통과해야 한다. 따라서, 이러한 발효 프로세스는 기체 기포로부터 발효기 내의 미생물 유기체로 물질의 바람직하게 높은 수준의 기질의 물질 전달을 촉진시키고 및/또는 유지시키는 시스템의 능력에 의해 종종 제한된다. 적어도, 기체 기포로부터 주변 액체 매질 또는 미생물 유기체로의 물질 전달률은, 기체 기포 내의 가스 압력, 기체 기포의 표면적 비에 대한 부피 및 주변 액체 또는 미생물 유기체와의 기체 기포의 접촉 시간의 함수이다. 기체 기포 내의 압력을 증가시키거나 주변 액체 또는 미생물 유기체와의 기체 기포의 접촉 시간을 증가시키면, 기질과 미생물 유기체 사이에서 보다 효과적인 물질 전달률(mass transfer rate)이 발생한다. 기체 기포의 부피 대 표면적 비율의 감소(즉, 기체 기포의 직경 감소)는 기체 기포와 주변 액체 사이의 보다 효과적인 물질 전달률을 초래한다. 그러므로, 물질 전달 관점으로부터 바람직한 발효기는, 주변 액체 또는 미생물 유기체와 긴밀하게 또는 밀접하게 접촉하는 비교적 고압의 다수의 비교적 작은 직경의 기체 기포를 생성할 것이다.
상대적으로 작은 직경의 비교적 고압의 기체 기포를 제공할 수 있는 다수의 발효 시스템, 방법 및 장치가 본 명세서에 개시되어 있다. 본원은 주변 액체 및/또는 생물 유기체(들)와의 연장된 접촉 시간을 제공할 수 있는 다수의 발효 시스템, 방법 및 장치를 개시한다. 이러한 발효 시스템, 방법 및 장치는, C1 화합물을 보다 바람직한 기체, 액체 및 세포 내의 C2 및 그 이상의 화합물로 전환시키거나, 또는 높은 비율의 단백질을 함유하는 미생물의 성장을 촉진하는데 특히 유용할 수 있는 고효율의 기체 기질 발효 시스템을 유리하게 제공할 수 있다.
본원에서 사용된 용어 "C1 기질"또는 "C1 화합물"은 탄소-탄소 결합이 없는 임의의 탄소-함유 분자 또는 조성물을 지칭한다. 샘플 C1 분자 또는 조성물은 메탄(methane), 메탄올(methanol), 포름알데히드(formaldehyde), 포름산(formic acid) 또는 이의 염(salt), 일산화탄소(carbon monoxide), 이산화탄소(carbon dioxide), 합성 가스, 메틸아민(methylamine)(예를 들어, 모노메틸아민(monomethylamine), 디메틸아민(dimethylamine), 트리메틸아민(trimethylamine)), 메틸티올(methylthiol) 또는 메틸할로겐(methylhalogen)을 포함한다.
본원에 사용된 바와 같이, 용어 "미생물(microorganism)"은, 에너지원 또는 에너지 및 바이오매스의 유일한 공급원으로서, 기체 기질을 사용할 수 있는 능력을 가진 임의의 미생물을 지칭하며, 에너지 및 바이오매스에 다른 탄소 기질(당류(sugar) 및 복합 탄수화물(complex carbohydrate)과 같은)을 사용하거나 사용하지 않을 수 있다. 본원에서 사용되는 미생물의 예는, 각각 약 45℃의 온도에서 최적의 성장을 하는, 종속 영양 세균 랄스토니아 sp.(heterotrophic bacteria Ralstonia sp.) (이전의 알칼리게네스 아시도보란(Alcaligenes acidovorans)) DB3 (NCIMB 13287 균주), 브레비바실루스(Brevibacillus agri) (이전의 바실루스 피르무스(Bacillus firmus)) DB5 (NCIMB 13289 균주) 및 아네우린바실루스(Aneurinibacillus) sp. (이전의 바실루스 브레비스(Bacillus brevis)) DB4(NCIMB 13288 균주)를 포함한다. 랄스토니아(Ralstoni) sp. DB3은 에탄올(ethanol), 아세테이트(acetate), 프로피오네이트(propionate) 및 부티레이트(butyrate)를 성장에 사용할 수있는 슈도모나다과(Pseudomonadaceae) 계통에 속하는 그램-음성(gram-negative), 호기성(aerobic), 운동성(motile) 로드(rod)이다. 아네우린바실루스(Aneurinibacillus) sp. DB4는 아세테이트(acetate), D-프룩토스(D-fructose), D-만노오스(D-mannose), 리보오스(ribose) 및 D-타가토스(D-tagatose)를 사용할 수 있는 바실루스(Bacillus) 속(genus)에 속하는 그램-음성, 내생 포자 형성(endospore-forming), 호기성(aerobic) 로드이다. 브레비바실루스(Brevibacillus agri) DB5는 아세테이트(acetate), N-아세틸-글루코사민(N-acetyl-glucosamine), 구연산염(citrate), 글루코네이트(gluconate), D-글루코오스(D-glucose), 글리세롤(glycerol) 및 마니톨(mannitol )을 활용할 수 있는 바실루스 속의 그램-음성, 내생 포자 형성, 운동성, 호기성 로드이다. 본 발명의 프로세스에 사용하기에 적합한 효모는 사카로마이세스(Saccharomyces) 및 칸디다 (Candida)로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.
필요하다면, 본원에 기술된 프로세스는 반응기로부터 수거된 바이오매스 또는 세포 내 유체로부터 추출될 수 있는 원하는 화학적 화합물을 생성하도록 유전적으로 변형된 박테리아(또는 효모)를 사용하여 수행될 수 있다. 과학 및 특허 문헌은, 그 중에서도 메타노트로픽 박테리아(methanotrophic bacteria)를 포함하는 유전자 변형된 미생물의 수많은 예를 포함한다.
본원에 기술된 실시예들에 따른 적어도 몇몇 경우들에서, 기체의 탄소-함유 공급 원료의 발효에 사용되는 미생물 유기체는 주로 C1 대사성 비-광학적 미생물을 포함하는 배양균을 사용한다. 이러한 발효 시스템은 메틸로모나스(Methylomonas), 메틸로박터(Methylobacter), 메틸로코쿠스(Methylococcus), 메틸로시너스(Methylosinus), 메틸로시스티스(Methylocystis), 메틸로마이크로비움(Methylomicrobium), 메타노모나스(Methanomonas), 메틸로필러스(Methylophilus), 메틸로바실러스(Methylobacillus), 메틸로박테리움(, Methylobacterium), 히포마이크로비움(Hyphomicrobium), 크산토박터(Xanthobacter), 바실루스(Bacillus), 파라코쿠스(Paracoccus), 노르카디아(Nocardia), 아스로박터(Arthrobacter), 로도슈도모나스(Rhodopseudomonas), 슈드모나스(Pseudomonas)와 같은 박테리아 또는 원핵 생물인 하나 이상의 C1 대사성 미생물을 사용할 수 있다. 경우에 따라, C1 대사성 박테리아는 메타노트로프(methanotroph) 또는 메틸로트로프(methylotroph)를 포함할 수 있다. 바람직한 메타노트로프(methanotroph)는 메틸로모나스(Methylomonas), 메틸로박터(Methylobacter), 메틸로코쿠스(Methylococcus), 메틸로시너스(Methylosinus), 메틸로시스티스(Methylocystis), 메틸로마이크로비움(Methylomicrobium), 메타노모나스(Methanomonas) 또는 이들의 조합물을 포함한다. 예시적인 메타노트로프는 메틸로모나스 sp. 16a (ATCC PTA 2402), 메틸로시너스 트리코스포리움(Methylosinus trichosporium) (NRRL B-ll, 196), 메틸로시너스 스포리움(Methylosinus sporium) (NRRL B-ll, 197), 메틸로모나스 알브 우스(Methylomonas alb us) (NRRL B-ll ,200), 메틸로박터 캡슐라터스(Methylobacter capsulatus) (NRRL B-11,201), 메틸로박테리움 오르가노필룸(Methylomicrobium alcaliphilum) (ATCC 27,886), 메틸로모나스 sp. AJ-3670 (FERM P-2400), 메틸로마이크로비움 알칼리필룸(Methylomicrobium alcaliphilum), 마이크로셀라 실베스트리스(Methylocella silvestris), 메틸엑시드필룸 인퍼노룸(Methylacidiphilum infernorum), 메틸리비움 페트로레이필룸(Methylibium petroleiphilum), 메틸로시너스 트리코스포리움 OB3b(Methylosinus trichosporium OB3b), 메틸로코쿠스 캡슐라터스 베스(Methylococcus capsulatus Bath), 메틸로모나스 sp. 16a, 메틸로마이크로비움 알칼리필룸 20Z(Methylomicrobium alcaliphilum 20Z) 또는 이들의 높은 성장 변이체(high growth variant)를 포함한다. 바람직한 메틸로트로프(methylotroph)는 메틸로박테리움 익스트로켄스(Methylobacterium extorquens), 메틸로박테리움 라디오톨러란스(Methylobacterium radiotolerans), 메틸로박테리움 포퓰리(Methylobacterium populi), 메틸로박테리움 클로로메타니쿰(Methylobacterium chloromethanicum), 메틸로박테리움 노듈란스(Methylobacterium nodulans) 또는 이들의 조합을 포함한다.
합성 가스에서 발견되는 C1 화합물을 대사할 수 있는 미생물은 클로스트리듐(Clostridium), 무렐라(Moorella), 피로코쿠스(Pyrococcus), 유박테리움(Eubacterium), 디술포박테리움(Desulfobacterium), 카복시도테르무스(Carboxydothermus), 아세토제니움(Acetogenium), 아세토박테리움(Acetobacterium), 아세토아나에로비움(Acetoanaerobium), 부타이리박테리움(Butyribacterium), 펩토스트렙토코쿠스(Peptostreptococcus)을 포함하지만, 이에 한정되지 않으며, 또는 이들의 조합이 사용될 수 있다. 예시적인 메틸로트로프(methylotroph)는 클로스트리듐 오토에타노제늄(Clostridium autoethanogenum), 클로스트리듐 중달리(Clostridium ljungdahli), 클로스트리듐 라그달레이(Clostridium ragsdalei), 클로스트리듐 카복시디보란스(Clostridium carboxydivorans), 부타이리박테리움 메틸로트로피쿰(Butyribacterium methylotrophicum), 클로스트리듐 우디(Clostridium woodii), 클로스트리듐 네오프로판올로젠(Clostridium neopropanologen) 또는 이들의 조합을 포함한다. 일부예에서, C1 대사성 미생물은, 칸디다(Candida), 야로이야(Yarrowia), 한세뉼라(Hansenula), 피치아(Pichia), 트롤롭시스(Torulopsis), 로도토룰라(Rhodotorula)를 포함하는 효모와 같은 진핵생물(eukaryotes)이다.
다른 예에서, C1 대사성 비-광합성 미생물은, 절대 메타노트로프(obligate methanotroph) 또는 메틸로트로프(methylotroph)와 같은 절대 C1 대사성 비-광합성 미생물이다. 일부예에서, C1 대사성 비-광합성 미생물은 지방 산 생성 효소(fatty acid producing enzyme), 포름알데히드 흡수 효소(formaldehyde assimilation enzyme) 또는 이들의 조합을 암호화하는(encoding) 이종 폴리뉴클레오티드(heterologous polynucleotide)를 포함하는 재조합 미생물이다.
본원에서 사용된 용어 "C1 대사성 미생물(C1 metabolizing microorganism)" 또는 "C1 대사성 비-광합성 미생물(C1 metabolizing non-photosynthetic microorganism)"은 단일 탄소 (C1) 기질을 에너지 원으로서 또는 단독 에너지원 및 바이오매스로서 사용하는 능력을 갖는 임의의 미생물을 지칭한하며, 에너지 및 바이오매스에 다른 탄소 기질(당류(sugar) 및 복합 탄수화물(complex carbohydrate)과 같은)을 사용하거나 사용하지 않을 수 있다. 예를 들어, C1 대사성 미생물은 메탄(methane) 또는 메탄올(methanol)과 같은 C1 기질을 산화시킬 수 있다. C1 대사성 미생물은 박테리아(메타노트로프(Methanotroph) 및 메틸로트로프(Methylotroph)와 같은) 및 효모를 포함한다. 적어도 일부 경우에서, C1 대사성 미생물은 조류와 같은 광합성 미생물을 포함하지 않는다. 특정 실시예에서, C1 대사성 미생물은 "절대 C1 대사성 미생물"일 것이며, 이는 그 유일한 에너지원이 C1 기질을 포함하고 다른 것을 포함하지 않는다는 것을 의미한다.
본원에 사용된 용어 "메틸로트로픽 박테리아(methylotrophic bacteria)"는 탄소-탄소 결합 없는 유기 화합물을 산화시킬 수 있는 임의의 박테리아를 지칭한다. 특정 실시예에서, 메틸로트로픽 박테리아는 메타노트로프(methanotrop)일 수 있다. 예를 들어, "메타노트로픽 박테리아(methanotrophic bacteria)"는 메탄을 탄소와 에너지의 주요 공급원으로 산화시킬 수 있는 메틸로트로픽 박테리아(methylotrophic bacteria)를 의미한다. 예시적인 메타노트로픽 박테리아는, 메틸로모나스(Methylomonas), 메틸로박터(Methylobacter), 메틸로코쿠스(Methylococcus), 메틸로시너스(Methylosinus), 메틸로시스티스(Methylocystis), 메틸로마이크로비움(Methylomicrobium) 또는 메타노모나스(Methanomonas)를 포함한다. 특정 다른 실시예에서, 메틸로트로픽 박테리아는, 에너지 생성을 위해 C1 기질의 사용으로 제한되는 박테리아를 지칭하는 "절대 메틸로트로픽 박테리아(obligate methylotrophic bacteria)"이다.
본 발명의 일 실시예에서, 예를 들어, 안테라크산틴(antheraxanthin), 아도니크산틴(adonixanthin), 아스타산틴(astaxanthin), 칸타크산틴(canthaxanthin), 제아산틴(zeaxanthin)과 같은 카로티노이드(carotenoid) 및 WO 02/18617에 언급된 다른 카로티노이드(carotenoid)를 생산하기 위해, 프로세스는 WO 02/18617에 기술된 유형의 메타노트로픽 박테리아(methanotrophic bacteria)를 사용하여 수행된다. 이를 위해 메타노트로픽 박테리아 메틸로모나스 16a (ATCC PTA 2402)가 특히 적합하게 사용될 수 있다. 이러한 방식으로 생성된 카로티노이드는 WO 02/18617, WO 02/20728 및 WO 02/20733에 기술된 바와 같이 액체 배양 배지로부터 분리될 수 있다.
본원에 사용된 용어 "합성 가스(syngas)"는 적어도 일산화탄소(CO) 및 수소(H2)를 포함하는 혼합물을 의미한다. 적어도 몇몇 예에서, 합성 가스는 CO2, 메탄 및 CO와 H2에 비해 소량의 기타 가스를 포함할 수 있다. 합성 가스는, 수성 가스 전환(water gas shift) 또는 석탄 가스화 프로세스(coal gasification process)를 포함하되, 이에 국한되지 않는 모든 프로세스를 사용하여 준비될 수 있다.
본원에 사용된 용어 "성장(growth)"은 세포 질량의 임의의 증가로 정의된다. 이는, 특정 지질(lipid)과 같은 하나 이상의 세포 내(intracellular) 또는 세포 내 중합체(intercellular polymer)의 축적으로 인해 세포 질량이 증가할 때, "균형 잡힌 성장(balanced growth)"동안, 또는 "불균형한 성장(unbalanced growth)"동안, 세포 분열(복제) 및 새로운 세포의 형성을 통해 발생할 수 있다. 후자의 경우, 성장은, 세포 내에서 생물고분자(biopolymer)의 축적으로 인해 세포 크기의 증가로 나타날 수 있다. "균형 잡힌 세포 성장(balanced cell growth)"동안, 모든 공급 원료(전자 공여체 및 전자 수용체) 및 모든 영양소는, 세포의 모든 고분자 구성 요소를 만들기 위해 필요한 비율로 존재한다. 즉, 공급 원료 또는 영양소는 단백질, 복합 탄수화물 중합체(complex carbohydrate polymer), 지방 또는 핵산(nucleic acid)의 합성을 제한하지 않는다. 대조적으로, "불균형한 세포 성장(unbalanced cell growth)"동안 하나 이상의 세포 고분자를 만드는데 필요한 공급 원료 또는 영양소는 균형 잡힌 성장에 필요한 양 또는 비율로 존재하지 않는다. 따라서, 이 공급 원료 또는 영양소가 제한적이 되어 "제한 영양소(limiting nutrient)"라고 한다.
일부 세포는 불균형한 조건 하에서 순 성장(net growth)을 달성할 수 있지만, 성장이 불균형하며, 제한 공급 원료(limiting feedstock) 또는 영양소의 부재 하에서 합성될 수 있는 중합체가 축적 될 것이다. 이러한 중합체는 폴리 하이드록시부티레이트(polyhydroxybutyrate, PHB), 폴리하이드록시발레레이트(polyhydroxyvalerate, PHV) 및 폴리하이드록시헥사노에이트(polyhydroxyhexanoate, PHHx) -글리코겐(glycogen)을 포함하는 폴리하이드록시알카노에이트(polyhydroxyalkanoate, PHA) 또는 세포 외 다당류(polysaccharide)와 같은 분비된 물질과 같은, 지질 또는 세포 내 저장 제품을 포함한다. 이러한 오일 조성물은 바이오플라스틱(bioplastic)의 제조에 유용하다.
샘플 균형 및 불균형 성장 조건은 매질의 질소 함량이 다를 수 있다. 예를 들어, 질소는 건조한 세포 중량의 약 12%를 차지하는데, 이는 이는 100mg/L 건조 세포 중량을 성장시키기 위해 (요구되는 화학량적인 비(stoichiometric ratios)의 공급 원료 및 기타 영양소와 함께) 12mg/L 질소가 공급되어야 함을 의미한다. 100mg/L의 건조 세포 중량을 생산하지만 12mg/L 미만의 질소를 생산하는 데 필요한 양으로 다른 공급 원료와 영양소를 사용할 수 있다면, 불균형한 세포 성장은 질소를 포함하지 않는 중합체의 축적과 함께 일어날 수 있다. 질소가 연속적으로 제공되면, 저장된 중합체는, 세포에 대한 공급 원료로서 작용하여, 새로운 세포의 복제 및 생산과 함께 균형 잡힌 성장을 가능하게 할 수 있다.
본 명세서에서 세포 또는 미생물에 적용되는 용어 "성장 주기(growth cycle)"는 세포 또는 미생물이 배양 조건에서 이동하는 대사 주기(metabolic cycle)를 의미한다. 예를 들어, 주기(cycle)는 유도기(lag phase), 지수기(exponential phase), 지수기의 종료 및 정체기(stationary phase)와 같은 다양한 스테이지(stage)를 포함할 수 있다.
본 명세서에서 사용된 용어 "지수함수적 증식(exponential growth)", "지수기 증식(exponential phase growth)", "로그기(log phase)"또는 "로그기 증식(log phase growth)"은 미생물이 성장하고 분열하는 속도를 의미한다. 예를 들어, 로그기 동안, 미생물은 유전 잠재력(genetic potential), 배양물의 성질 및 그들이 자라는 조건에 따라 최대 속도로 증식한다. 미생물의 성장률은 지수기 동안 일정하며, 미생물은 일정한 간격으로 나누어지고 두 배가된다. "활발히 증식하고있는(actively growing)"세포는 로그기에 증식하는 세포이다. 반면에, "정체기(stationary phase)"는 배양물의 세포 성장이 느려지거나 중단되는 성장 주기의 지점을 가리킨다.
본원에 사용된 바와 같이, 용어 "높은 성장 변이체(high growth variant)"는 단일 탄소 및 에너지 원으로서 메탄 또는 메탄올과 같은 C1 기질로 성장할 수 있는 유기체, 미생물, 박테리아, 효모 또는 세포를 지칭하고, 모체(parent), 참조, 또는 유기체, 미생물, 박테리아, 효모 또는 세포보다 빠른 지수기 성장률을 갖는 것이며, 즉, 높은 성장 변이체는 빠른 배가 시간을 가지며, 결과적으로 모체 세포(예를 들어, 미국 특허 제6,689,601호 참조)와 비교하여 대사된 C1 기질의 1g 당 높은 세포 성장률 및 높은 수확량을 갖는다.
본 명세서에 사용된 용어 "바이오 연료(biofuel)"는 "바이오매스(biomass)"로부터 적어도 부분적으로 유도된 연료를 의미한다.
본원에 사용된 용어 "바이오매스(biomass)"또는 "생물학적 물질(biological material)"은 하나 이상의 전체 세포, 분리된 세포(lysed cell), 세포 외 물질(extracellular material) 등을 포함할 수 있는 생물학적 기원을 갖는 유기 물질을 의미한다. 예를 들어, 배양된 미생물(예를 들어, 박테리아 또는 효모 배양균)로부터 수확된 물질은 세포, 세포막(cell membrane), 세포질(cell cytoplasm), 봉입체(inclusion bodies), 배양 배지로 분비되거나 배설된 생성물, 또는 이들의 임의의 조합물을 포함할 수 있는 바이오매스로 간주된다. 특정 실시예에서, 바이오매스는, 본원의 C1 대사성 미생물이 증식된 배양 배지와 함께 본 발명의 C1 대사성 미생물을 포함한다. 다른 실시예에서, 바이오매스는 C1(예를 들어, 천연 가스, 메탄) 상에 증식된 배양균으로부터 회수된 본 발명의 C1 대사성 미생물(전체 또는 분리된 또는 둘다)을 포함한다. 또 다른 실시예에서, 바이오매스는, C1 기질 상의 C1 대사성 미생물 배양균의 배양균으로부터 배설되거나, 또는 분비된 가스 또는 소비된 배양 상청액(media supernatant)을 포함한다. 이러한 배양균은 재생 가능한 자원으로 간주될 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 용어 "바이오리파이너리(biorefinery)"는 바이오매스로부터 연료를 생산하기 위한 바이오매스 전환 프로세스 및 장비를 통합하는 설비를 의미한다.
본원에 사용된 "오일 조성물(oil composition)"은 지방산(fatty acid), 지방산 에스테르(fatty acid ester), 트리글리세리드(triglyceride), 인지질(phospholipid), 폴리히드록시알카노에이트(poly hydroxyalkanoate), 이소프렌(isoprene), 테르펜(terpene) 등을 포함하는 바이오매스(예를 들어, 박테리아 배양(bacterial culture))의 지질 함량을 지칭한다. 바이오매스의 오일 조성물에서, 헥산(hexane) 또는 클로로포름(chloroform) 추출과 같은 나머지 바이오매스 물질로부터 추출될 수있다. 또한, "오일 조성물(oil composition)"은 세포막(cell membrane), 세포질(cell cytoplasm), 봉입체(inclusion bodies), 배양 배지로 처리되거나 배설된 생성물, 또는 이들의 조합을 포함하는 배양균의 임의의 하나 이상의 영역에서 발견될 수 있다. 오일 조성물은 천연 가스도 아니고, 원유(crude petroleum)도 아니다.
본원에서 사용되는 용어 "리파이너리(refinery)"는 오일 조성물(예를 들어, 바이오매스, 바이오 연료 또는 원유, 석탄 또는 천연 가스와 같은 화석 연료)이 처리될 수 있는 정유 공장(oil refinery) 또는 그 양태를 의미한다. 그러한 리파이너리에서 수행되는 샘플 프로세스는 크래킹(cracking), 에스테르 교환(transesterification), 개질(reforming), 증류(distilling), 하이드로프로세싱(hydroprocessing), 이성질화(isomerization) 또는 이들의 임의의 조합을 포함한다.
본원에서 사용된 용어 "재조합체(recombinant)"또는 "비-자연적(non-natural)"은 적어도 하나의 유전자 변형을 가지거나 이종 핵산 분자의 도입에 의해 변형된 벡터, 유기체 미생물, 세포, 또는 핵산 분자를 지칭하거나, 또는 내생의 핵산 분자 또는 유전자의 발현이 제어될 수 있도록 변형된 세포를 지칭한다. 재조합체는 또한 하나 이상의 그러한 변형을 갖는 세포로부터 파생된 세포를 지칭한다. 예를 들어, 재조합 세포(recombinant cell)는 천연 세포(즉, 변형되지 않은 또는 야생형 세포) 내에서 동일한 형태로 발견되지 않는 다른 핵산 분자 또는 유전자를 발현(express) 할 수 있거나, 또는 과다-발현되거나(over-expressed), 과소 -발현되거나(under-expressed), 최소 발현되거나(minimally expressed) 또는 전혀 발현되지 않을 수 있는 유전자와 같은 내생(endogenous)의 유전자의 발현 패턴을 변화시킬 수 있다. 또 다른 예에서, 효소 또는 이의 기능적 단편(fragment)을 암호화하는(encoding) 핵산 분자에 대한 유전적 변형은 새로 만들어지거나 자연 발생 상태로부터 변경된 세포 또는 재조합 미생물에 생화학적 반응(들) 또는 대사 경로(metabolic pathway) 능력을 제공할 수 있다.
본원에 사용된 용어 "이종(heterologous)" 핵산 분자, 구조물 또는 배열(sequence)은 핵산 분자 또는 발현되는 세포에 고유하지 않은 핵산 분자 배열의 부분을 지칭하며, 유사한 조건에서 본래의 발현 수준과 비교하여 변화된 발현을 갖는 핵산 분자이다. 예를 들어, 유전자 또는 핵산 분자가 본질 또는 배양균에서 정상적으로 발현되는 것과 상이한 방식으로 유전자 또는 핵산 분자의 발현을 조절하기 위해 이종 제어 배열(heterologous control sequence)(예를 들어, 촉진자(promoter), 증폭자(enhancer))을 사용할 수 있다. 일반적으로, 이종 핵산 분자는 그들이 존재하는 세포 또는 게놈(genome)의 일부에 내생이 아니며, 접합(conjugation), 형질전환(transformation), 형질주입(transfection), 전기천공(electroporation) 등에 의해 세포에 첨가되었다.
본원에 사용된 바와 같이, 용어 "수직(vertical)"은 문제의 위치에서 중력 벡터와 정렬되는 방향을 나타낸다.
본원에 사용된 용어 "수평(horizontal)"은 문제의 위치에서 중력 벡터에 수직인 방향을 나타낸다.
본원에 사용된 바와 같이, "비-수직(non-vertical)"이라는 용어는 수평(즉, 수직에 수직인) 또는 예를 들어 수직으로부터 20°, 25°, 30°, 35°, 40°, 45°, 50°, 55°, 60°, 65°, 70°, 75°, 80° 또는 85°이상인, 수직으로부터 20°이상을 의미한다.
본 명세서의 발효 시스템은 개별 유닛(예를 들어, 프로세싱 유닛(processing unit) 또는 서로 근접하게 또는 인접하게 배치된 시스템 또는 그렇지 않은 시스템), 통합 유닛을 포함할 수 있거나, 또는 시스템 자체가 상호 접속되고 통합될 수 있다. 본원의 시스템은 하나 이상의 C1 화합물, 산소 및/또는 수소를 포함하는 하나 이상의 기체 상 공급 원료를 사용할 수 있다. 특정 실시예에서, 발효 시스템은 발효 배양균에서 1차 미생물로서 C1 대사성 미생물(예를 들어, 메틸로시너스 트리코스포리움(Methylosinus trichosporium) OB3b, 메틸로코쿠스 캡슐라터스 베스(Methylococcus capsulatus Bath), 메틸로모나스(Methylomonas) sp. 16a, 메틸로마이크로비움 알칼리필룸(Methylomicrobium alcaliphilum) 20Z 또는 이들의 높은 성장 변이체 또는 이들의 조합물)을 사용한다.
본원에 기술된 미생물, 박테리아 및 효모에 대해 다양한 배양 방법론이 사용될 수 있다. 예를 들어, 메타노트로프 또는 메틸로트로프 박테리아와 같은 C1 대사성 미생물은 배치 배양(batch culture) 및 연속 배양(continuous culture) 방법에 의해 증식될 수 있다. 일반적으로 로그기의 세포는 일부 시스템에서 관심 있는 제품 또는 중간물질의 대량 생산을 담당하는 반면, 정체기 또는 다음의-지수기(post-exponential phase)는 다른 시스템에서 얻어질 수 있다.
고전적인 배치 배양 방법은, 배양이 시작될 때, 배지 조성물이 설정되고, 배양 과정 중에 변경되지 않는 폐쇄(closed) 시스템이다. 즉, 배양 프로세스의 초기에 하나 이상의 미생물 선택하여 매질이 접종된 다음 시스템에 추가 미생물을 추가하지 않고도 성장시킬 수 있다. 본원에서 사용된 바와 같이, "배치(batch)" 배양은 초기에 첨가된 특정 탄소원의 양을 변화시키지 않는 것과 관련되는 반면, pH 및 산소 및/또는 수소 농도와 같은 인자의 조절은 배양 중에 모니터되고 변경될 수 있다. 배치 시스템에서, 시스템의 대사 산물(metabolite) 및 바이오매스 조성물은 배양이 종결될 때까지 지속적으로 변한다. 배치 배양 내에서, 세포(예를 들어, 메틸로트로프와 같은 박테리아)는 일반적으로 정적인 유도기에서부터 높은 성장기의 대수기(logarithmic phase)로 이동하고, 성장률이 감소되거나 중단되는 정체기(stationary phase)로 이동한다(조건이 충족되지 않으면 결국 세포사(cell death)로 이어진다).
유가식(fed-batch) 시스템은, 배양이 진행됨에 따라, 관심 대상인 탄소 기질이 증대되는 표준 배치 시스템의 변형이다. 유가식 시스템은, 세포 대사(cell metabolism)가 분해대사물질(catabolite) 억제(repression)에 의해 억제될 수 있을 때와, 매질 중에 제한된 양의 기질을 갖는 것이 바람직한 경우에 유용하다. 유가식 시스템에서 실제 기질 농도를 측정하기가 어렵기 때문에, pH, 용존 산소량 및 폐가스의 분압과 같은 측정 가능한 요인의 변화를 기반으로 추정이 이루어진다. 배치 및 유가식 배양 방법은 당 업계에 일반적으로 공지되어 있다(Thomas D. Brock, Biotechnology: A Textbook of Industrial Microbiology, 2nd Ed. (1989) Sinauer Associates, Inc., Sunderland, MA, Deshpande, 1992, Appl. Biochem. Biotechnol., 36 : 227 참조).
연속 배양은 정의된 배양 배지가 연속적으로 바이오리액터에 추가되는 동시에 동일한 양의 사용된("컨디셔닝된(conditioned)") 배지가 동시에 처리를 위해 제거된다는 의미에서 "개방형(open)" 시스템이다. 연속 배양은 일반적으로 일정하게 높은 액체상 밀도에서 세포를 유지하는데, 여기서 세포는 주로 대수 성장 기(logarithmic growth phase)에 있다. 대안적으로, 연속 배양은 탄소 및 영양소가 연속적으로 첨가되고 가치있는 생성물, 부산물(by-product) 및 폐기물이 세포 덩어리로부터 연속적으로 제거되는 고정화 세포(immobilized cell)(예를 들어, 생물막(biofilm))로 실시될 수 있다. 세포 고정화(Cell immobilization)는 천연 물질, 합성 물질 또는 이들의 조합물로 이루어진 광범위한 고체 지지체로 달성될 수 있다.
연속 또는 반-연속(semi-continuous) 배양은 세포 성장 또는 최종 생성물 농도에 영향을 미치는 하나 이상의 인자의 조절을 가능하게 한다. 예를 들어, 한 방법은 고정된 비율(예를 들어, 탄소원, 질소)에서 제한된 영양소를 유지할 수 있고, 모든 다른 매개 변수가 시간에 따라 변화하도록 허용할 수 있다. 다른 실시예에서, 성장에 영향을 미치는 몇몇 인자는 연속적으로 변화될 수 있는 반면, 배지 혼탁도(media turbidity)에 의해 측정된 세포 농도는 일정하게 유지될 수 있다. 연속 배양 시스템의 목표는 배지가 세포 성장률에 대비하여 제거됨으로 인해 세포 손실이 균형을 이루면서 일정한 상태의 성장 조건을 유지하는 것이다. 연속 배양 프로세스를 위한 영양소 및 성장 인자를 조절하는 방법 및 생성물 형성률을 최대화하기 위한 기술은, 당 업계에 잘 알려져있다(Brock, 1992 참조).
특정 실시예에서, 배양 배지는 C1 대사성 미생물에 대한 에너지원으로서 탄소 기질을 포함한다. 적합한 기질은, 메탄(methane), 메탄올(methanol), 포름알데히드(formaldehyde), 포름산(formic acid)(포름산염(formate)), 일산화탄소(carbon monoxide), 이산화탄소(carbon dioxide), 메틸레이티드 아민(methylated amines) (메틸아민(methylamine), 디메틸아민(dimethylamine), 트리메틸아민(trimethylamine) 등), 메틸레이티드 티올(methylated thiol) 또는 메틸 할로겐(methyl halogen)(브로모메탄(bromomethane), 클로로메탄(chloromethane), 아이오딘메탄(iodomethane), 디클로로메탄(dichloromethane) 등)과 같은 C1 기질을 포함한다. 특정 실시예에서, 배양 배지는 C1 대사성 미생물에 대한 유일한 탄소원으로서 단일 C1 기질을 포함할 수 있거나, C1 대사성 미생물에 대한 다중 탄소원으로서 둘 이상의 C1 기질(혼합 C1 기질 조성물)의 혼합물을 포함할 수 있다
또한, 일부 C1 대사상 유기체(C1 metabolizing organism)는 당류(sugar), 글루코사민(glucosamine) 또는 대사 활동을 위한 다양한 아미노산(amino acid)과 같은 비-C1 기질을 이용하는 것으로 알려져있다. 예를 들어, 일부 칸디다(Candida) 종은 알라닌(alanine) 또는 올레산(oleic acid)을 대사할 수 있다(Sulter et al., Arch. Microbiol. 153 : 485-489, 1990 참조). 메틸로박테리움 익스트로켄스(Methylobacterium extorquens) AM1은 한정된 수의 C2, C3 및 C4 기질에서 성장할 수 있다(Van Dien et al., Microbiol. 149 : 601-609, 2003 참조).
대안으로, C1 대사성 미생물은 대안적인 탄소 기질을 이용할 수 있는 재조합 변이체(recombinant variant)일 수 있다. 따라서, 배양 배지 중의 탄소원은 선택된 C1 대사성 미생물에 따라 단일 및 다중 탄소 화합물과 탄소 기질의 혼합물을 포함할 수 있다.
특정 실시예에서, 본 명세서는 바이오매스를 C1 대사성 비-광합성 미생물을 주로 포함하는 배양균으로부터 오일 조성물로 전환시키는 단계와, 오일 조성물을 연료로 정제하는 단계를 포함하는 연료 제조 방법을 제공한다. 특정 실시예에서, C1 대사성 비-광합성 미생물은 절대 메타노트로프(obligate methanotroph) 또는 메틸로트로프(methotroph)와 같은 절대 C1 대사성 비-광합성 미생물이다. 추가의 실시예에서, C1 대사성 비-광합성 미생물은 지방 산 생성 효소(fatty acid producing enzyme), 포름알데히드 흡수 효소(formaldehyde assimilation enzyme) 또는 이들의 조합을 암호화하는(encoding) 이종 폴리뉴클레오티드(heterologous polynucleotide)를 포함하는 재조합 미생물이다. 추가의 실시예에서, 오일 조성물은 메틸로트로프(methylotroph) 또는 메타노트로프(methanotroph)와 같은 C1 대사성 비-광합성 미생물의 세포막으로부터 유도되거나 추출된다.
특정 실시예에서, 본 발명은 정제 유닛 내의 오일 조성물을 정제함으로써 연료를 제조하는 방법을 제공하며, 오일 조성물은 메틸로트로프(methylotroph) 또는 메타노트로프(methanotroph)와 같은 C1 대사성 비-광합성 미생물로부터 유래된다. 추가의 실시예에서, 상기 방법은 C1 대사성 비-광합성 미생물로부터 오일 조성물을 추출하기 위한 프로세싱 유닛의 사용을 더 포함한다. 또 다른 실시예에서, 방법은 (a)제어된 배양 단위에서 C1 기질을 포함하는 공급 원료의 존재 하에 C1 대사성 박테리아를 배양하고, 배양된 박테리아가 오일 조성물을 생산하는 단계; (b) 프로세싱 유닛에서 배양된 박테리아로부터 오일 조성물을 추출하는 단계; 및 (c) 연료를 제조하기 위해 추출된 오일 조성물을 정제 유닛에서 정제하는 단계를 포함한다. 특정 실시예에서, 공급 원료 C1 기질은 메탄(methane), 메탄올(methanol), 포름알데히드(formaldehyde), 포름산(formic acid), 일산화탄소(carbon monoxide), 이산화탄소(carbon dioxide), 메틸아민(methylamine), 메틸티올(methylthiol) 또는 메틸할로겐(methylhalogen)이다.
특정 실시예에서, 본 발명은 에탄올(ethanol), 아세테이트(acetate), 부탄올(butanol), 단일-세포 단백질(single-cell protein), 당류(sugar) 또는 기타 대사 산물(metabolite) 또는 세포 생성물을 제조하는 방법을 제공하며, 여기서 천연 생성물은 메틸로트로프(methylotroph) 또는 메타노트로프(methanotroph)와 같은 C1 대사성 비-광합성 미생물로부터 유래된다.
또 다른 실시예에서, 방법은 C1 대사성 비-광합성 미생물로부터 천연 생성물을 추출하기 위한 프로세싱 유닛의 사용을 더 포함한다.
또 다른 실시예에서, 본 방법은 (a)제어된 배양 단위에서 C1 기질을 포함하는 공급 원료의 존재 하에 C1 대사성 박테리아를 배양하고, 배양된 박테리아가 천연 생성물을 생성하는 단계; (b)프로세싱 유닛에서 배양된 박테리아로부터 천연 생성물을 추출하는 단계; 및 (c)상업적 제품을 제조하기 위해 천연 생성물을 정제하는 단계를 포함한다. 특정 실시예에서 공급 원료 C1 기질은 메탄(methane), 메탄올(methanol), 포름알데히드(formaldehyde), 포름산(formic acid), 일산화탄소(carbon monoxide), 이산화탄소(carbon dioxide), 메틸아민(methylamine), 메틸티올(methylthiol) 또는 메틸 할로겐(methylhalogen)이다.
특정 실시예에서, 본 발명은 에탄올(ethanol), 아세테이트(acetate), 부탄올(butanol), 이소프렌(isoprene), 프로필렌(propylene), 파르네센(farnesene), 효소 또는 기타 대사 산물 또는 세포 생성물과 같은 천연 또는 비-천연 생성물을 제조하는 방법을 제공하며, 여기서 생성물은 이종 뉴클레오티드 배열로 형질전환된(transformed) 메틸로트로프(methylotroph) 또는 메타노트로프(methanotroph)와 같은 유전적으로 조작된(engineered) C1 대사성 비-광합성 미생물로부터 유래된다. 또 다른 실시예에서, 방법은 유전적으로 조작된 C1 대사성 비-광합성 미생물로부터 생성물을 추출하기 위한 프로세싱 유닛의 사용을 더 포함한다. 또 다른 실시예에서, 방법은 (a)제어된 배양 단위에서 C1 기질을 포함하는 공급 원료의 존재 하에 유전적으로 조작된 C1 대사성 박테리아를 배양하고, 배양된 박테리아가 천연 생성물을 생산하는 단계; (b)프로세싱 유닛에서 배양된 박테리아로부터 천연 생성물을 추출하는 단계; (c)상업적 제품을 제조하기 위해 천연 생성물을 정제하는 단계를 포함한다. 특정 실시예에서, 공급 원료 C1 기질은 메탄(methane), 메탄올(methanol), 포름알데히드(formaldehyde), 포름산(formic acid), 일산화탄소(carbon monoxide), 이산화탄소(carbon dioxide), 메틸아민(methylamine), 메틸티올(methylthiol) 또는 메틸 할로겐(methylhalogen)이다.
특정 실시예에서, 본 발명은 에탄올(ethanol), 아세테이트(acetate), 부탄올(butanol), 이소프렌(isoprene), 프로필렌(propylene), 파르네센(farnesene), 효소 또는 기타 대사 산물 또는 세포 생성물과 같은 천연 또는 비-천연 생성물을 제조하는 방법을 제공하며, 여기서 생성물은 Escherichia coli, Saccaromyces cerevisiae 또는 다른 일반적인 생산 미생물과 같은 비-C1 대사성 미생물로부터 유래된다. 특정 실시예에서, 공급 원료 기질은 글루코오스(glucose), 수크로오스(sucrose), 글리세롤(glycerol), 셀룰로오스(cellulose) 또는 다른 멀티카본(multicarbon) 공급 원료이다.
미국 특허 제 7,579,163호의 도 1에 도시된 루프 반응기는, 실질적으로 수직 하강류 구역(3) 및 실질적으로 수직 하강류 구역(3)의 바닥에서 시작하고 실질적으로 수직 상승류 구역(5)의 시작부에서 끝나는 실질적으로 수평 구역(4)에 의해 분리된 실질적으로 수직 상승류 구역(5)을 포함한다. 실질적으로 수직 하강류 구역(3) 및 실질적으로 수직 상승류 구역(5)의 존재는, 유출 구역(6)의 단부에 있는 기체 액체 표면(22)과 수평 구역(4)의 루프 반응기의 중심선 사이의 수직 거리를 초래한다. 상술한 '163 특허는 이 수직 거리가 적어도 10m 또는 약 32.8피트(feet)라고 설명한다. 거리 액체 매질은 수직 상승류 섹션(5)을 통해 수평 배출 기체/액체 반응 매질 분리 섹션(6)으로 들어가는 위치로 상향 유동하며, 실질적으로 루프의 수평 섹션(4)에서의 상승 및 실질적으로 수평 배출 기체/액체 반응 매질 분리 섹션(6)에서의 상승에 의존한다. 유출 구역(6)의 단부에 있는 기체 액체 표면과 수평 구역(4) 내의 루프 반응기의 중심선 사이의 10m 정도의 수직 거리를 수용하기에 충분한 길이의 실질적으로 수직 상승류 구역과 실질적으로 수직 하강류 구역의 존재는, 이들 구역을 갖는 루프 반응기를 설계하고 제조하는 전체 비용에 크게 기여한다. 예를 들어, 유출 구역(6)의 단부에 있는 기체 액체 표면과 수평 구역(4) 내의 루프 반응기의 중심선 사이의 10m 정도의 수직 거리를 수용하기에 충분한 높이를 갖는 하강류 및 상승류 수직 구역을 물리적으로 지지하는데 필요한 설계 및 제조와 관련된 비용은 그러한 구역을 포함하는 루프 반응기의 설계, 제작 및 유지보수의 전체 비용에 크게 기여한다. 높이가 10m에 달하는 상승류 및 하강류 수직 구역을 갖는 루프 반응기는 그러한 반응기가 이러한 높이의 수직 상승류 및 하강류 구역을 수용하기에 충분한 수직 간극을 갖도록 설치된 건물이 필요하다. 유출 구역(6)의 단부에 있는 기체 액체 표면과 수평 구역(4) 내의 루프 반응기의 중심선 사이의 10m 정도의 수직 거리를 포함하는 상술한 '163 특허에 기술된 유형의 루프 반응기는, 공식 P=ρgh로 표현되는 실질적으로 수직 하강류 구역에서 정수두(static head) 또는 정수압을 나타내며, 여기서 P는 파스칼 단위의 정수압, ρ는 kg/m3 단위의 유체 밀도, g는 m/s2 단위의 중력 가속도, h는 유출 구역(6)의 단부에 있는 기체 액체 표면과 수평 구역(4) 내의 루프 반응기의 중심선 사이의 수직 거리의 m 단위의 길이이다. 유출 구역(6)의 단부에 있는 기체 액체 표면과 수평 구역(4) 내의 루프 반응기의 중심선 사이의 적어도10m 정도의 수직 거리를 포함하는 '163 특허에 기술된 유형의 루프 반응기에 있어서, 실질적으로 수직 하강류 구역(6)의 바닥에서의 정수압 P는 적어도 10ρg인 것을 특징으로 할 수 있다. 프로펠러(10)의 입구 측 압력은 이 정수압 P와 배출 가스 제거 구역/상부 유닛(2)의 압력의 합이다.
도 2는 분리 서브시스템(250), 선택적 열 서브시스템(270) 및 선택적 제어 서브시스템(290)과 함께 루프 반응기(101)를 포함하는 바이오매스의 생산을 촉진하기 위한 예시적인 시스템(200)을 도시한다. 통합 시스템(200)으로 도시되어 있지만, 선택적 서브시스템은 개별적으로 또는 임의의 조합으로 루프 반응기(101)와 함께 설치되거나 결합될 수 있다. 하나 이상의 액체 및 하나 이상의 기체 기질이 루프 반응기(101)로 도입되어 루프 반응기(101)를 통해 이동하는 액체 배양 배지와 다상 혼합물을 형성한다. 루프 반응기(101)를 통과한 후, 다상 혼합물은 루프 반응기(101) 내의 생물 유기체에 의해 생성된 하나 이상의 화합물, 소비되지 않은 영양소 및 다상 혼합물 내의 액체 내의 다른 화합물, 다상 혼합물 내의 기체 기포 내의 소비되지 않은 가스, 바이오솔리드(biosolid) 형태의 미생물 유기체를 포함한다. 과량의 미생물 유기체는 간헐적으로 또는 연속적으로 바이오매스로서 루프 반응기(101)로부터 제거될 수 있다. 루프 반응기(101) 내의 바이오매스 축적물은 루프 반응기(101) 내의 전체 바이오매스를 정의된 범위 내 또는 정의된 임계치 위 또는 아래로 유지하기 위해 제거될 수 있다. 적어도 일부예에서, 루프 반응기(101)로부터 제거된 바이오매스는 하나 이상의 유용한 화합물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 과량의 바이오매스 내의 생물 유기체는 바이오디젤(biodiesel) 또는 단백질-함유 생성물과 같은 바이오 연료의 생산에 유용한 유사한 화합물 또는 하나 이상의 세포 내 지질의 양을 포함할 수 있다.
하나 이상의 액체는 루프 반응기(101) 내의 미생물 유기체에 하나 이상의 영양소를 유지 또는 전달하기에 적합한 임의의 액체를 포함할 수 있다. 이러한 액체는 물, 하나 이상의 알코올(alcohol), 미네랄(mineral), 하나 이상의 질소-함유(nitrogen-containing) 화합물, 하나 이상의 인-함유(phosphorus-containing) 화합물 등을 함유하는 용액을 포함할 수 있지만, 이에 한정되지 않는다. 적어도 일부의 경우, 제어된 방식 및 압력으로 하나 이상의 액체를 루프 반응기(101)로 전달하기 위해 하나 이상의 유체 이동기(fluid mover)가 사용된다. 하나 이상의 유체 이동기는 두 지점 사이에서 액체를 이송할 수 있는 임의의 유형의 펌프 또는 유사한 장치를 포함할 수 있다. 유체 이동기의 예로는, 원심 펌프(centrifugal pump), 용적식 펌프(positive displacement pump), 프로그레싱 캐비티 펌프(progressing cavity pump), 더블 다이어프램 펌프(double diaphragm pump) 등이 있으나, 이에 한정되지 않는다. 다른 예시적인 유체 이동기는 이덕터(eductor), 이젝터(ejector) 및 유사한 장치를 포함하지만, 이에 한정되지 않는다. 루프 반응기 (101)로의 액체의 전달은 루프 반응기(101) 내의 하나 이상의 지점 또는 시스템 내의 하나 이상의 지점으로부터 수집된 압력, 온도, 흐름, 레벨, 유속, 공탑 속도(superficial velocity) 또는 조성 분석 프로세스 변수 데이터의 조합을 사용하여 유동 제어되거나, 압력 제어되거나, 또는 제어될 수 있다. 적어도 일부의 경우에, 유체 이동기에 의한 액체의 이동은 루프 반응기(101) 내의 하나 이상의 요소 또는 화합물(예를 들어, 하나 이상의 탄소-함유 또는 질소-함유 영양소)의 측정 된 농도에 기초하여 제어될 수 있고; 예를 들어, 유체 이동기에 의해 전달된 액체의 유동은 루프 반응기(101) 내의 영양소 농도의 측정된 감소에 응답하여 증가될 수 있다.
하나 이상의 기체 기질은 루프 반응기(101) 내의 생물 유기체에 하나 이상의 영양소를 유지 또는 전달하기에 적합한 임의의 가스, 가스들 또는 가스의 조합을 포함할 수 있다. 이러한 가스는 탄소 화합물을 함유하는 하나 이상의 가스를 포함할 수 있지만, 이에 한정되지 않는다. 그러한 가스는 메탄(methane) 또는 일산화탄소(carbon monoxide)와 같은 C1 탄소 화합물을 함유하는 하나 이상의 가스를 포함할 수 있지만, 이에 한정되지 않는다. 하나 이상의 기체 기질은 또한 루프 반응기(101) 내의 생물 유기체의 대사 프로세스에 사용되는 하나 이상의 기체를 포함할 수 있다. 이러한 가스는 산소, 산소-함유(oxygen-containing) 화합물 및 수소를 포함할 수 있지만, 이에 한정되지 않는다. 하나 이상의 기체 기질은 순수한 가스 또는 가스 혼합물(예를 들어, 합성 가스, 일산화탄소와 수소의 혼합물)로서 루프 반응기(101)로 전달될 수 있다. 하나 이상의 기체 기질은 개별적으로 루프 반응기(101)로 전달될 수 있다(예를 들어, 메탄(methane) 및 공기와 같은 산소-함유 가스는 개별적으로 전달되어 루프 반응기(101) 외부의 폭발성 가스 혼합물의 형성 가능성을 최소화할 수 있다).
하나 이상의 기체 기질은 선택적으로 가스 이동기를 사용하여 루프 반응기(101)로 전달될 수 있다. 예시적인 가스 이동기는 회전 로브 압축기(rotary lobe compressor), 원심 압축기(centrifugal compressor), 스크류 압축기(screw compressor) 등을 포함하지만 이에 한정되지 않는다. 하나 이상의 기체 기질의 배출 압력은 루프 반응기(101)의 작동 압력 및 루프 반응기(101) 내에서 하나 이상의 기체 기질을 분배하는데 사용되는 가스 분배기와 관련된 압력 강하를 포함하는 다양한 인자에 의존한다. 유사하게, 하나 이상의 기체 기질의 전달 유량은, 루프 반응기(101) 내의 용해된 가스의 농도 또는 레벨을, 루프 반응기(101)에 존재하는 생물 유기체의 요구에 적어도 부분적으로 기초하여 결정되는 규정된 범위(예를 들어, 적어도 4ppm 이상의 용해된 산소) 내로 유지하도록 수동 또는 자동으로 제어될 수 있다. 적어도 일부 실시예에서, 하나 이상의 기체 기질은 약 1.5psig 내지 약 600psig, 약 5psig 내지 약 600psig, 약 25psig 내지 약 400psig; 또는 약 50psig 내지 약 300 psig의 압력에서 루프 반응기 (101)로 전달 될 수 있다.
임의의 수의 가스가 공통 가스 분배 헤더(header) 또는 임의의 수의 개별 가스 분배 헤더를 통해 도입될 수 있다. 이러한 가스 분배 헤더는 루프 반응기(101) 내의 단일 지점에서 모든 기체 기질을 도입하거나 또는 루프 반응기(101)의 다양한 위치에서 기체 기질의 일부를 도입할 수 있다. 적어도 일부의 예에서, 기체 기질은 메탄, 일산화탄소, 수소 또는 산소를 포함 할 수 있지만, 이에 한정되지 않는다. 적어도 일부의 예에서, 기체 기질의 공급률은 액체 매질의 공급률을 기준으로 할 수 있다. 예를 들어, 메탄은, 약 0.1g의 메탄/액체 매질(g/l) 내지 약 100g/l; 약 0.5g/l 내지 약 50g/l; 또는 약 1g/l 내지 약 25g/l의 비율로 기체 기질로서 도입될 수 있다. 일산화탄소("CO")는, 약 0.1g의 CO /liter 액체 매질(g/l) 내지 약 100g/l; 약 0.5g/l 내지 약 50g/l; 또는 약 1g/l 내지 약 25g/l의 비율로 기체 기질(204)로서 도입될 수 있다. 산소는, 약 1g의 산소/액체 매질(g/l) 내지 약 100g/l; 약 2g/l 내지 약 50g/l; 또는 약 5g/l 내지 약 25g/l의 비율로 기체 기질(204)로서 도입될 수 있다. 수소는, 약 0.01g의 수소/액체 기질(g/l) 내지 약 50g/l; 약 0.1 g/l 내지 약 25g/l; 또는 약 1g/l 내지 약 10g/l의 비율로 기체 기질 (204)로서 도입될 수 있다.
루프 반응기(101) 내에서, 미생물 유기체는 다상 혼합물 중에 존재하는 탄소-함유 화합물의 적어도 일부를 대사할 것이다. 이 프로세스의 적어도 일부는 루프 반응기(101)에 존재하는 바이오매스의 전체 양을 증가시키는 추가적인 미생물 유기체의 생산을 포함할 수 있다. 제어되지 않고 방치되면, 루프 반응기(101) 내의 하나 이상의 작동 양상(예를 들어, 유량, 압력 강하, 원하는 생성물의 생산 등)이 과량의 바이오매스의 존재에 의해 손상되거나 악영항을 받는 것과 같은 지점까지 루프 반응기(101) 내의 바이오매스가 축적될 수 있다. 이러한 경우, 루프 반응기(101)에 존재하는 바이오매스의 적어도 일부를 제거하는 능력이 바람직하다. 적어도 일부의 예에서, 바이오매스는 적어도 하나의 바이오매스 제거 포트(도 3 및 도 4의 128)를 통해 루프 반응기(101)로부터 바이오솔리드(biosolid) 제거를 용이하게 하는 기체/액체 분리 용기(도 3 및 도 4의 102) 내의 위치에 우선적으로 축적된다. 제거된 바이오매스는 분리 서브 시스템(250)으로 전달되어, 바이오매스가 추가 처리될 수 있고, 바이오매스로부터 바람직한 생성물이 회수될 수 있다.
적어도 일부의 경우, 바이오매스 생산 프로세스의 전부 또는 일부는 제어 서브시스템(290)을 사용하여 적어도 부분적으로 자동 제어될 수 있다. 제어 서브시스템(290)은 하나 이상의 프로세스 변수를 나타내는 아날로그 또는 디지털 데이터를 포함하는 신호의 형태로 하나 이상의 프로세스 요소에 의해 제공된 프로세스 관련 정보를 수집할 수 있다. 예를 들어, 제어 서브 시스템은 질량 흐름 센서(mass flow sensor), 체적 유량 센서(volumetric flow sensor), 온도 센서(temperature sensor), 압력 센서(pressure sensor), 레벨 센서(level sensor), 분석 센서(analytical sensor)(예를 들어, 용존 산소 센서(dissolved oxygen sensor), 생물학적 산소 요구량(biological oxygen demand, BOD) 센서, pH 센서, 전도도 센서(conductivity sensor) 등) 또는 루프 반응기(101) 내의 하나 이상의 프로세스-관련 조건을 나타내는 데이터를 포함하는 신호를 제공할 수 있는 임의의 다른 장치를 포함하지만, 이에 한정되지 않는다.
제어 서브시스템(290)은 프로세스 요소로부터 수신된 프로세스 변수 신호에 적어도 부분적으로 기초하여 발효 프로세스의 하나 이상의 양상을 제어, 변경 또는 조정하는 명령의 하나 이상의 세트를 실행할 수 있다. 이러한 명령은 제어 서브시스템(290)에 의한 하나 이상의 제어 출력 신호의 생성을 초래할 수 있다. 제어 출력 신호는 제어 서브시스템(290)으로부터 블록 밸브(block valve), 제어 밸브(control valve), 모터(motor), 변속 드라이브(variable speed drive) 등과 같은 하나 이상의 최종 제어 요소로 전달될 수 있다. 최종 제어 요소와 발효 프로세스 사이의 상호 작용은, 차례로, 바이오매스 생산 프로세스에 대한 높은 정도의 비교적 정확한 제어를 제어 서브시스템(290)에 제공할 수 있다.
예를 들어, 루프 반응기(101)에서 다상 혼합물의 온도를 나타내는 데이터를 포함하는 하나 이상의 신호의 수신에 응답하여, 제어 서브시스템(290)은 열 전달 유닛 작동에 대한 열 전달 매체의 열을 개시, 변경 또는 중단시킬 수 있다. 유사하게, 루프 반응기(101)에서 다상 혼합물의 용존 산소 레벨을 나타내는 데이터를 포함하는 하나 이상의 신호의 수신에 응답하여, 제어 서브시스템(290)은 루프 반응기(101)로의 산소-함유 기체 기질의 유동을 증가, 감소 또는 유지할 수 있다. 단지 2 개의 예시적인 예가 여기에 제공되지만, 발효 프로세스에 적절한 임의의 흐름, 레벨, 압력, 분석 값 등은 하나 이상의 적절한 프로세스 센서 및 하나 이상의 적절한 최종 제어 요소를 사용하여 제어 서브시스템(290)에 의해 유사하게 제어될 수 있다.
도 3 및 도 4는 바이오매스의 생산을 촉진하기 위한 예시적인 시스템(100)을 도시한다. 예시적인 시스템(100)은 기체/액체 분리 유닛 작동(102)(예를 들어, 기체/액체 분리 용기 또는 미생물을 포함하는 액체 배양 배지의 다상 혼합물로부터 액체 및 기체를 분리할 수있는 다른 장비 및 유체 유동 유닛 작동(104)(예를 들어, 펌프 또는 유체를 유동시킬 수 있는 다른 장치), 루프 섹션(106) 및 제1 비-수직 감압 구역(108)을 포함한다. 본 명세서에서 루프 섹션(106)은 유체 유동 유닛 작동(104)의 출구로부터 기체/액체 분리 유닛 작동(102)까지 연장되는 루프 반응기(101)의 일부를 지칭한다. 루프 섹션(106)은 수직 부분을 포함할 수도 있고 포함하지 않을 수도 있다. 루프 섹션(106)이 수직 부분을 포함하지 않을 때, 이는 비-수직 루프 섹션(106)이라 칭할 수 있다. 예시적인 시스템(100)의 추가 실시예에서, 루프 반응기(101)는 제1 비-수직 감압 구역(108)의 하류의 제2 감압 구역(112)(도 3에 도시됨)을 포함한다. 추가적인 예시적인 실시예에서, 제2 감압 구역(112)은 제2 비-수직 감압 구역일 수 있거나 수직 감압 구역일 수 있다. 수직 감압 구역(147)은 도 3에 도시되어 있다. 추가적인 실시예에서 예시적인 시스템(100)은 영양소 및/또는 미네랄 공급 서브시스템(114) 및 열 전달 유닛 작동(들)(116)을 포함하는 다른 서브시스템을 포함한다. 예시적인 시스템(100)은, 액체 배양 배지, 공급된 기체 기질(들) 및 영양소(들)의 다상 혼합물을 형성하기 위해, 액체 배양 배지에 기체 기질(들) 및 영양소(들)를 도입함으로써, 바이오매스의 생산을 촉진한다. 이 다상 혼합물은 유체 유동 유닛 작동(104)의 작용에 의해 루프 반응기(101)를 통해 유동한다. 액체 배양 배지는, 기체 기질을 기체/액체 분리 유닛 작동(102)에서 형성되는 기체상 및/또는 액체상으로부터 미생물로부터 회수될 수 있는 바람직한 생성물로 전환시킬 수 있는 미생물을 포함한다. 기체 기질(들) 및 영양소(들)는 영양 공급 서브시스템(114)으로부터 루프 반응기(101)로 전달될 수 있고, 루프 반응기(101)는 기체 기질(들) 및 영양소(들)를 액체 배양 배지 및 미생물로 물질 전달을 촉진하는 조건 하에서 작동된다. 영양소 및 미네랄은 영양소/미네랄 공급 서브시스템(114)에 표시된 것과 다른 위치에 도입될 수 있다. 예를 들어, 미네랄 및/또는 영양소는 열 전달 유닛 작동(들)(116)에서 공급될 수 있다. 기체/액체 분리 용기(102)는 액체 배양 배지에 남아있는 임의의 기체 및 액체 배양 배지로부터 분리된 기체를 포함하는 액체 배양 배지를 수용하여, 그것들을 액체상과 기체상으로 분리한다. 기체/액체 분리 용기(102)에서 기체상으로부터 분리된 액체상은, 기체/액체 분리 용기(102)로부터 제거되고, 유체 유동 유닛 작동(104)에 의해 수용된다.
도 4에 도시된 예시적인 시스템(100)은 임의의 수직 섹션을 포함하지 않는 루프 섹션(106)을 포함한다. 도 3에 도시된 예시적인 시스템(100)은 종래의 루프 반응기의 루프 섹션에 포함된 수직 섹션보다 짧은 수직 섹션을 포함하는 루프 섹션(106)을 포함한다. 예를 들어, 도 3의 예시적인 시스템(100)의 루프 섹션(106)은 그것의 출구(135)에서(즉, 기체/액체 분리 유닛 작동(102)의 입구에서) 루프 섹션(106)의 중심선과 유체 유동 유닛 작동(104)의 출구(131)에서 루프 섹션의 중심선 사이의 수직 거리의 50% 이하, 40% 이하, 30% 이하, 20% 이하 또는 10% 이하의 수직 섹션을 포함할 수 있다. 도 3 및 도 4를 참조하면, 기체/액체 분리 유닛 작동(102) 내의 기체/액체 인터페이스(interface)(118)와 유체 유동 유닛 작동(104)의 출구(131)에서 루프 섹션(106)의 중심선 사이의 루프 반응기의 일부는 실질적으로 수직 하강류 구역이다. 기체/액체 분리 유닛 작동(102)에서 기체/액체 인터페이스(118)와 유체 유동 유닛 작동(104)의 출구(131)에서 루프 섹션(106)의 중심선 사이의 수직 거리는, 기체/액체 분리 유닛 작동(102)에서 기체/액체 인터페이스(118)가 그것의 출구(135)에서 루프 섹션(106)의 루프 섹션 중심선과 일치할 때(즐, 동일한 높이에 있을 때), 그것의 출구(135)에서 루프 섹션(106)의 루프 섹션 중심선과 유체 유동 유닛 작동(104)의 출구(131)에서 루프 섹션(106)의 중심선 사이의 수직 거리와 동일하다. 다른 실시예에서, 기체/액체 분리 유닛 작동(102)의 기체/액체 인터페이스(118)는, 그것의 출구(135)에서 루프 섹션(106)의 루프 섹션 중심선 아래에 있고, 그것의 출구(135)에서 루프 섹션(106)의 루프 섹션 중심선과 일치하지 않는다. 이들 실시예에서, 기체/액체 분리 유닛 작동(102)에서 기체/액체 인터페이스(118)와 유체 유동 유닛 작동(104)의 출구(131)에서 루프 섹션(106)의 중심선 사이의 수직 거리는, 루프 섹션(106)의 루프 섹션 중심선과 유체 유동 유닛 작동(104)의 출구 (131)에서의 루프 섹션(106)의 중심선 사이의 수직 거리보다 작다. 예시적인 시스템(100)은, 그것의 출구(135)에서(즉, 기체/액체 분리 유닛 작동(102)의 입구에서)루프 섹션(106)의 중심선과 유체 유동 유닛 작동(104)의 출구(131)에서 루프 섹션(106)의 중심선(유체 유동 유닛 작동(104)의 중심선이 유체 유동 유닛 작동(104)의 출구(131)에서 루프 섹션(106)의 중심선과 동일한 높이에 있을 때, 유체 유동 유닛 작동(104)의 중심선)사이의 수직 거리가10m 미만, 9m 미만, 8m 미만, 7m 미만, 6m 미만, 5m 미만, 4m 미만, 3m 미만, 2m 미만, 또는 1m 미만인 것을 특징으로 한다. 전술 한 실시예에 따르면, 이러한 루프 반응기는, 공식 P=ρgh로 표현되는 유체 유동 유닛 작동의 입구에서 유체 유동 유닛 작동(104)의 정수두(static head) 또는 정수압 상류를 나타내며, 여기서 P는 파스칼 단위의 정수압, ρ는 kg/m3 단위의 유체 밀도, g는 m/s2 단위의 중력 가속도, h는 기체/액체 분리 유닛 작동(102)에서의 기체/약체 인터페이스(118)와 유체 유동 유닛 작동(104)의 출구(131)에서의 루프 섹션(131)의 중심선 사이의 수직 거리의 m 단위의 길이이다. 기체/액체 분리 유닛 작동(102)에서 기체/액체 인터페이스(118)와 유체 유동 유닛 작동(104)의 출구(131)에서 루프 섹션(106)의 중심선 사이의 10m 이하의 수직 거리를 포함하는 위의 실시예에 따른 루프 반응기에 있어서, 유체 유동 유닛 작동(104)의 출구 (131)에서 루프 섹션(106)의 중심선과 실질적으로 동일한 높이에있는 유체 유동 유닛 작동(104)의 입구에서의 정수압 P는 10ρg 미만인 것을 특징으로 할 수 있다. 기체/액체 분리 유닛 작동(102)에서 기체/액체 인터페이스(118) 유체 유동 유닛 작동(104)의 출구(131)에서 루프 섹션(106)의 중심선 사이의 수직 거리가 9m 미만, 8m 미만, 7m 미만, 6m 미만, 5m 미만, 4m 미만, 3m 미만, 2m 미만, 또는 1m 미만인, 유체 유동 유닛 작동(104)의 입구에서 정수합 P는 각각 9ρg, 8ρg, 7ρg, 6ρg, 5ρg, 4ρg, 3ρg, 2ρg 또는 ρg 미만인 것을 특징으로 할 수 있다. 유체 유동 유닛 작동(104)의 입구 측의 압력은 이 정수압 P와 기체/액체 분리 유닛 작동(102)의 헤드스페이스(headspace)의 압력의 합이다.
기체/액체 인터페이스(118)가 그것의 출구에서 루프 섹션(106)의 루프 섹션 중심선 아래에 있고, 그것의 출구 (135)에서 루프 섹션(106)의 루프 섹션 중심선과 일치하지 않고, 기체/액체 분리 유닛 작동(102)에서 기체/액체 인터페이스(118)와 유체 유동 유닛 작동(104)의 출구(131)에서 루프 섹션(106)의 중심선 사이의 수직 거리가 10m 미만인 예시적인 시스템(100)의 실시예에서, 유체 유동 유닛 작동(104)에 대한 입구에서의 정수압P는 10ρg 미만인 것으로 특징지어 질 수 있다. 기체/액체 분리 유닛 작동(102)에서 기체/액체 인터페이스(118)와 유체 유동 유닛 작동(104)의 출구(131)에서 루프 섹션(106)의 중심선 사이의 수직 거리가 9m 미만, 8m 미만, 7m 미만, 6m 미만, 5m 미만, 4m 미만, 3m 미만, 2m 미만, 또는 1m 미만안 유체 유동 유닛 작동(104)의 입구에서 정수압 P는 각각 9ρg, 8ρg, 7ρg, 6ρg, 5ρg, 4ρg, 3ρg, 2ρg 또는 ρg 미만인 것을 특징으로 할 수 있다.
전술한 바와 같이, 유체 유동 유닛 작동(104)의 입구 측의 압력은 정수압 P와 기체/액체 분리 유닛 작동(102)의 헤드스페이스 내의 압력의 합이다. 본 명세서에 설명된 예시적인 실시예에서, 출구(131)에서 루프 섹션(106)의 중심선과 실질적으로 동일한 높이에있는 유체 유동 유닛 작동(104)의 입구에서의 압력은, 시스템(100)에 대해, 9ρg + 기체/액체 분리 유닛 작동(102)의 헤드 스페이스에서의 압력, 8ρg + 기체/액체 분리 유닛 작동(102)의 헤드 스페이스에서의 압력, 7ρg + 기체/액체 분리 유닛 작동(102)의 헤드 스페이스에서의 압력, 6ρg + 기체/액체 분리 유닛 작동(102)의 헤드 스페이스에서의 압력, 5ρg + 기체/액체 분리 유닛 작동(102)의 헤드 스페이스에서의 압력, 4ρg + 기체/액체 분리 유닛 작동(102)의 헤드 스페이스에서의 압력, 3ρg + 기체/액체 분리 유닛 작동(102)의 헤드 스페이스에서의 압력, 2ρg + 기체/액체 분리 유닛 작동(102)의 헤드 스페이스에서의 압력, 또는 ρg + 기체/액체 분리 유닛 작동(102)의 헤드 스페이스에서의 압력 미만이며, 기체/액체 분리 유닛 작동(102)에서 기체/액체 인터페이스(118)와 유체 유동 유닛 작동(104)의 출구 (131)에서 루프 섹션 (106)의 중심선 사이의 수직 거리가 각각 9m 미만, 8m 미만, 7m 미만, 6m 미만, 5m 미만, 4m 미만, 3m 미만, 2m 미만, 또는 1m 미만이다. 유체 유동 유닛 작동(104)의 입구에서 예시적인 압력은 0.9바 게이지(bar gauge) 미만, 0.8바 게이지 미만, 0.7바 게이지 미만, 0.6바 게이지 미만, 0.5바 게이지 미만, 0.4바 게이지 미만, 0.3바 게이지 미만, 0.2바 게이지 미만 또는 0.1바 게이지 미만이다. 예를 들어, 유체 유동 유닛 작동(104)에 대한 입구에서의 압력은 0.55바 게이지 내지 1.0바 게이지, 0.55바 게이지 내지 0.8바 게이지 또는 0.55바 게이지 내지 0.7바 게이지의 범위이다.
본원에 기술된 실시예에 따른 루프 반응기(101)는, 기체/액체 분리 유닛 작동(102)에서 기체/액체 인터페이스(118)와 유체 유동 유닛 작동(104)의 출구(131)에서 루프 섹션(106)의 중심선 사이의 수직 거리에 대한 루프 섹션(106)의 길이의 비율이 20:1 내지 60:1 또는 30:1 내지 50:1일 수 있다. 본원에 기술된 실시예에 따른 루프 반응기는, 기체/액체 분리 유닛 작동(102)에서 기체/액체 인터페이스(118)와 유체 유동 유닛 작동(104)의 출구(131)에서 루프 섹션(106)의 중심선 사이의 수직 거리에 대한 루프 섹션(106)의 길이의 비율이 20:1 내지 60:1 또는 30:1 내지 50:1인 루프 반응기에 한정되지 않는다. 본원에 기술된 실시예에 따른 루프 반응기는, 20:1 내지 60:1 또는 30:1 내지 50:1의 범위를 벗어나는, 기체/액체 분리 유닛 작동(102)에서 기체/액체 인터페이스(118)와 유체 유동 유닛 작동(104)의 출구(131)에서 루프 섹션(106)의 중심선 사이의 수직 거리에 대한 루프 섹션(106)의 길이의 비율을 포함할 수 있다. 예를 들어, 본원에 기술된 실시예에 따른 루프 반응기는, 20:1보다 작거나 60:1보다 큰, 기체/액체 분리 유닛 작동(102)에서 기체/액체 인터페이스(118)와 유체 유동 유닛 작동(104)의 출구(131)에서 루프 섹션(106)의 중심선 사이의 수직 거리에 대한 루프 섹션(106)의 길이의 비율을 갖는다. 예를 들어, 본 명세서에 기재된 실시예에 따른 루프 반응기(101)는 60:1보다 큰 비율, 예를 들어 100:1 또는 그 이상까지의 비율을 가질 수 있다.
기체/액체 분리 유닛 작동(102)(예를 들어, 기체/액체 분리 용기 또는 액체, 기체 및 미생물의 다상 혼합물로부터 액체 및 기체를 분리할 수있는 다른 장비), 유체 유동 유닛 작동(104)(예를 들어, 펌프 또는 액체를 이동시킬 수 있는 다른 장비), 루프 섹션(106) 및 제1 비-수직 감압 구역(108)을 포함하지만 이에 한정되지 않는 루프 반응기(101)의 구성 요소는 금속, 비-금속, 또는 복합 구조물일 수 있다. 예를 들어, 이 요소는 304, 304L, 316 또는 316L 스테인리스 강(stainless steel)과 같은 하나 이상의 금속 재료를 포함할 수 있다. 몇몇 경우에, 미생물이 부착되거나 성장하기 위한 능력에 유익하게 또는 불리하게 영향을 주기 위해, 하나 이상의 코팅(coating), 층(layer), 오버레이(overlay), 인서트(insert) 또는 다른 재료가 금속성, 비-금속성 또는 복합체 구조물의 전부 또는 일부에 증착되거나, 적용되거나, 결합되거나, 일체형으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 미생물 유기체의 성장 또는 부착을 억제하는 코팅은, 열 전달 유닛 작동(116)에 열적으로 전도적으로 결합되는 루프 반응기(101)의 표면 상에 증착되거나 일체로 형성될 수 있다. 또 다른 예에서, 생물 유기체의 성장 또는 부착을 억제하는 코팅은, 누적된 바이오매스의 제거를 보다 쉽게 달성하고자 하는 루프 반응기(101)의 부분 상에 증착되거나 일체로 형성될 수 있다.
적어도 일부예에서, 루프 반응기(101)의 구성 요소는 프로세스 접촉 표면의 전부 또는 일부의 멸균(sterilization)을 용이하게 하는 피처(feature)를 포함할 수 있다. 이러한 멸균은, 예를 들어 증기 멸균(steam sterilization), 자외선 멸균(ultraviolet sterilization), 화학 멸균(chemical sterilization) 또는 이들의 조합을 사용하여 달성될 수 있다. 적어도 일부예에서, 하나 이상의 비-금속 재료 또는 하나 이상의 비금속 코팅이, 루프 반응기(101)의 일부 또는 진체 요소의 내부 또는 외부의 전부 또는 일부 내에서 사용될 수 있다. 이러한 비-금속 재료의 사용은 예를 들어, 생물학적 성장을 지지하거나 촉진할 수 있는 멸균 가능한 표면을 유리하게 제공할 수 있다.
기체/액체 분리 용기(102)는, 기존의 바이오리액터와 함께 사용된 기체/액체 분리기와 동일한 원리로 작동하는 적어도 하나의 가스 배출물(123) 및 액체 배출물(125)로 다상 혼합물(121)을 분리하기 위해 임의의 수의 장치, 시스템, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 적어도 몇몇의 경우에, 다상 혼합물(121)에 존재하는 바이오솔리드는 고체-함유 배출물로 분리될 수 있다. 적어도 일부의 경우에서, 기체/액체 분리 용기(102)로부터의 고체-함유 배출물의 적어도 일부는, 하나 이상의 액체 및 기체/액체 분리 용기 또는 루프 섹션(106)으로부터 복귀된 혼합물과 결합될 수 있다. 적어도 일부예에서, 기체/액체 분리 용기(102)는 병렬 또는 직렬로 작동하는 하나 이상의 기체/액체 분리기를 포함할 수 있다.
기체/액체 분리 용기(102)는, 다상 혼합물(121)로부터 가스 배출물(123) 및 액체 배출물(125)을 분리할 수 있는 하나 이상의 수동 분리기(예를 들어, 하나 이상의 습식 사이클론(wet cyclone) 등)를 포함할 수 있다. 적어도 일부예에서, 수동 분리기는 또한 다상 혼합물(121)에 존재하는 바이오솔리드의 적어도 일부를 분리하기 위한 고형물 분리 섹션을 포함할 수 있다. 다른 경우에, 기체/액체 분리 용기(102)는 다상 혼합물(121)로부터 기체 배출물(123), 액체 배출물(125) 및 고체-함유 배출물을 분리할 수 있는 하나 이상의 활성 분리 장치(예를 들어, 3-상 회전 분리기)를 포함할 수 있다.
적어도 일부 경우에, 가스 배출물(123)은, 하나 이상의 기체 기질(예를 들어, 메탄 또는 일산화탄소) 및 루프 반응기(101)에서 생물 유기체로부터 부산물로서 형성되는 하나 이상의 가스 부산물(예를 들어, 이산화탄소)의 혼합물을 포함할 수 있다. 적어도 일부예에서, 가스 배출물(123)은 분리될 수 있고, 하나 이상의 기체 기질의 적어도 일부는 루프 반응기(101), 예를 들어 기체 기질로 재순환된다(도시되지 않음). 적어도 일부의 경우, 가스 배출물(123)은 하나 이상의 유용한 화합물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 가스 배출물 (123)은 하나 이상의 가스 성 C2+ 탄화수소 화합물 및 최종 생성물 또는 후속 프로세스의 원료로서의 가치를 갖는 화합물의 양을 함유할 수 있다. 이러한 유용한 화합물은 가스 배출물(123)의 적어도 일부를 루프 반응기(101)로 재순환시키기 전에 가스 배출물(123)로부터 분리될 수 있다.
적어도 일부 경우, 액체 배출물(125)은 영양소 및/또는 미네랄 공급 서브시스템 (114)에 의해 루프 반응기(101)로 도입된 하나 이상의 액체, 영양소 등을 함유하는 혼합물을 포함할 것이다. 적어도 일부의 경우에, 액체 배출물(125)은 루프 반응기로부터 제거되고, 기체/액체 분리 용기(102) 내에서의 거품 (foaming)을 감소시키기 위해 기체/액체 분리 용기(102) 내의 다상 혼합물의 표면 상에 분무함으로써 기체/액체 분리 용기(102)로 복귀될 수 있다. 거품 방지제(Anti-foam agent)는 기체/액체 분리 용기(102) 내로 분무된 액체 배출물(125)에 첨가되거나, 액체 배출물(125) 없이 기체/액체 분리 용기(102) 내로 분무될 수 있다. 적어도 일부의 경우, 액체 배출물(125)은 하나 이상의 유용한 화합물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 액체 배출물(125)은 알코올(alcohol), 케톤(ketone), 글리콜(glycol) 및 후속 프로세스에서의 완제품 또는 원료로서의 가치를 갖는 화합물을 포함하지만 이에 한정되지 않는 하나 이상의 액체 C2+ 탄화수소 화합물의 양을 포함할 수 있다. 이러한 유용한 탄화수소 화합물은 액체 배출물(125)로부터 분리될 수 있다.
몇몇 예에서, 반응기는 발명은 에탄올(ethanol), 아세테이트(acetate), 부탄올(butanol), 이소프렌(isoprene), 프로필렌(propylene), 효소 또는 기타 대사 산물 또는 세포 생성물과 같은 천연 또는 비-천연 생성물을 생산하는데 사용되며, 여기서 생성물은 미생물로부터 유래된다. 이러한 경우, 생성물은 제품의 물리적 특성에 따라 가스 배출물(123) 또는 액체 배출물(125) 중 어느 하나에 존재할 수 있다.
적어도 일부 경우, 기체/액체 분리 용기(102)의 바닥은 용기(102) 내의 원하는 위치에서 생물학적 물질(127)(즉, "바이오솔리드" 또는 "바이오매스")의 축적을 촉진시키도록 성형, 형성 또는 구성될 수 있다. 예를 들어, 기체/액체 분리 용기(102)의 바닥은 용기(102)의 바닥에 침강하는 바이오솔리드(127)가 하나 이상의 미리 결정된 위치에 우선적으로 수집되도록 원뿔형(conically shaped), 접시형(dished) 또는 경사진 형태(sloped)로 형성될 수 있다. 도 3에 도시된 실시예에서, 액체 배출물(125) 및 바이오솔리드(127)는 기체/액체 분리 용기(102)의 바닥에서 제거되어, 유체 유동 유닛 작동(104), 예를 들어 펌프로 전달될 수 있다. 기체/액체 분리 용기(102)로부터 제거된 액체 배출물(125) 및 바이오솔리드(127)는 펌프(104)의 입구(129)에서 수용되어 펌프(104)의 출구 (131)로부터 배출될 수 있다. 펌프(104)의 출구(131)는 루프 반응기(101)의 루프 섹션(106)의 입구(133)와 유체 연통한다. 액체 배출물(125) 및 바이오솔리드(127)를 이동시키기에 적절한 펌프는, 기계적 작용에 의해 유체(액체 또는 기체) 및 슬러리(slurry)를 이동시킬 수있고, 바이오매스 및/또는 캐비테이션(cavitation)에 해로운 전단력이 실질적으로 존재하지 않는 경우 바람직한 유속을 생성할 수 있는 펌프를 포함한다. 캐비테이션이 다상 혼합물 내의 영양소와 기체 기질을 용액 밖으로 나오게하여 바이오매스에 쉽게 접근할 수 없게 하기 때문에 캐비테이션을 피하는 것은 바람직하다. 이러한 유형의 펌프의 예로는, 원심 펌프(centrifugal pump)가 있지만 원심 펌프가 아닌 펌프도 사용될 수 있다. 예를 들어, 용적식 펌프(positive displacement pump), 프로그레싱 캐비티 펌프(progressing cavity pump), 더블 다이어프램 펌프(double diaphragm pump) 등도 사용될 수 있다. 미국 특허 제7,579,163호에 기술된 프로펠러 및 모터와 같은, 모터에 의해 구동되는 프로펠러가, 펌프 대신에 또는 펌프와 함께 사용될 수있는 것과 같이, 펌프 이외의 장치가 또한 다상 혼합물을 이동시키는데 사용될 수 있다.
도 3 및 도 4에서, 유체 유동 유닛 작동(104)의 출구(131)는 루프 섹션(106)의 입구(133)와 유체 연통한다. 루프 섹션(106)은 그 입구(133)로부터 루프 섹션(106)의 출구 (135)까지 연장된다. 루프 섹션(106)의 출구(135)는 기체/액체 분리 용기(102)와 유체 연통한다. 루프 섹션(106)은 루프 반응기(101)를 사용하여 수행되는 반응/발효 프로세스에 악영향을 미치지 않는 재료로 제조된 관(piping)으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 루프 섹션(106)은 루프 반응기(101)의 요소에 대해 전술한 재료로 제조된 관으로 형성될 수 있다. 루프 섹션(106)의 단면적은 일정하거나, 루프 섹션(106)은 상이한 단면적을 갖는 하나 이상의 섹션을 포함할 수 있다. 본 발명의 루프 섹션(106)의 단면적에 대한 참고(reference)는 기체/액체 분리 용기(102)의 단면적을 포함하지 않는다. 루프 섹션(106)의 내경은 넓은 범위에 걸쳐 변할 수 있다. 예시적인 직경은 약 20cm 내지 3m의 범위이다. 다른 예시적인 직경은 25cm 내지 2.5m의 범위이다. 루프 섹션(106)이 다른 단면적의 섹션을 포함할 때, 더 큰 단면적을 갖는 루프 섹션(106)의 섹션은, 더 작은 단면적을 갖는 루프 섹션(106)의 섹션의 단면적의 3 배 이하인 단면적의 단면적을 갖는다. 다른 예시적인 실시예에서, 더 큰 단면적을 갖는 루프 섹션(106)의 섹션은, 더 작은 단면적을 갖는 루프 섹션(106)의 섹션의 단면적의 2배 이하인 단면적을 갖는다. 또 다른 예시적인 실시예에서, 더 큰 단면적을 갖는 루프 섹션(106)의 섹션은, 더 작은 단면적을 갖는 루프 섹션(106)의 섹션의 단면적의 0.5배 이하인 단면적을 갖는다. 루프 섹션(106)의 길이는 다상 혼합물(121)이 루프 섹션(106)에 상주하는 원하는 길이의 시간을 포함하는 다수의 인자에 따라 변할 수 있다. 루프 섹션(106)의 길이는, 또한 요구되는 전체 반응기/액체 부피, 루프를 통한 총 압력 강하, 원하는 기질 활용 및 생산량과 같은, 다른 인자에 기초하여 결정될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 루프 섹션(106)은, 그 중심선에서의 길이가 약 30m 내지 약 250m, 40m 내지 약 200m, 50m 내지 약 150m, 및 60 내지 약 100m일 수 있다.
도 3 및 도 4에 도시된 루프 섹션(106)의 실시예는, 위에서 볼 때 90° 각도로 구부러지는 2개의 엘보(elbow)(137)를 포함하는 U자형이다. 루프 섹션(106)은 다른 형상을 취할 수 있다. 예를 들어, 루프 섹션(106)은 두개의 90° 엘보(137)보다 많은 것을 포함할 수 있거나, 또는 90°보다 작은 하나 이상의 엘보를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 루프 섹션(106)은 90°보다 크거나 90°보다 작은 다수의 엘보를 포함할 수 있다.
루프 섹션(106)의 출구(135)는 루프 섹션(106)의 입구(133)에 비해 상승된다. 경사지게 형성됨으로써, 루프 섹션(106)은 입구(133)와 출구(135) 사이의 높이 차이를 수용한다. 루프 섹션(106)의 특정 슬로프(slope) 또는 루프 섹션(106) 의 일부는 루프 섹션(106)의 길이, 입구(133)에서의 루프 섹션(106)의 중심선과 출구(135)에서의 루프 섹션(106)의 중심선 사이의 수직 거리, 및 루프 섹션(106)이 수평이 아닌 제2 감압 구역(112)을 포함하는지 여부에 따라 달라진다. 루프 섹션(106)은 입구(133)와 출구(135) 사이의 높이의 변화를 수용하도록, 그 입구(133)로부터 출구(135)로 상향 경사지게 형성될 수 있다. 선택적으로, 루프 섹션(106)의 일부는 아래쪽으로 경사질 수 있고, 루프 섹션(106)의 일부는 상향 경사질 수 있다. 이러한 대안적인 실시예에서, 상향 경사지는 루프 섹션(106)의 부분은, 루프 섹션 (106)의 하향으로 경사진 부분의 존재 및 루프 섹션(106)의 입구(133)와 루프 섹션 (106)의 출구(135) 사이의 높이 차이로 인한 높이 손실을 설명한다. 예를 들어, 도 3 및 도 4에서 그것의 입구(133)로부터 제1 90° 엘보(137)로 연장하는 루프 섹션(106)의 부분은, 아래쪽으로 경사질 수 있고, 제1 또는 제2 엘보 (137)로부터 연장하는 루프 섹션(106)의 부분은 루프 섹션(106)의 출구(135)로 상향으로 경사질 수 있다.
수평이 아니며 유체 유동 유닛 작동(104)의 출구(131)에서 루프 섹션(106)의 출구(135)까지의 높이 차이의 일부분을 설명하는 제2 감압 구역(112)을 포함하는 루프 반응기(101)의 실시예에서, 비-수직 루프 섹션(106)(즉, 수직이 아닌 루프 섹션(106)의 부분)의 균형에 의해 제공되어야 하는 높이 차이의 양은 감소된다. 유체 유동 유닛 작동(104)의 출구(131)에서 루프 섹션(106)의 출구(135)까지의 높이 차이의 일부를 설명하는 제2 감압 구역(112)이 존재하지 않을 때, 비-수직 루프 섹션(106)의 균형에 의해 제공되는 높이 차이의 양은 그러한 제2 감압 구역(112)이 존재할 때보다 더 크다. 유체 유동 유닛 작동(104)의 출구(131)로부터 루프 섹션(106)의 출구(135)까지의 높이 차이의 일부분을 설명하는 제2 갑압 구역(112)을 포함하는 본원에 기술된 루프 반응기(101)의 예시적인 실시예에서, 그러한 제2 갑압 구역(112)은 루프 섹션(106)의 입구(133)에서의 중심선으로부터 루프 섹션(106)의 루프 섹션(106)의 출구(135)까지의 높이 차이의 90% 이하, 루프 섹션(106)의 입구(133)에서의 중심선으로부터 루프 섹션(106)의 출구(135)까지의 높이 차이의 80% 이하, 루프 섹션(106)의 입구(133)에서의 중심선으로부터 루프 섹션(106)의 출구(135)까지의 높이 차이의 70% 이하, 루프 섹션(106)의 입구(133)에서의 중심선으로부터 루프 섹션(106)의 출구(135)까지의 높이 차이의 60% 이하, 루프 섹션(106)의 입구(133)에서의 중심선으로부터 루프 섹션(106)의 출구(135)까지의 높이 차이의 50% 이하, 루프 섹션(106)의 입구(133)에서의 중심선으로부터 루프 섹션(106)의 출구(135)까지의 높이 차이의 40% 이하, 루프 섹션(106)의 입구(133)에서의 중심선으로부터 루프 섹션(106)의 출구(135)까지의 높이 차이의 30% 이하, 루프 섹션(106)의 입구(133)에서의 중심선으로부터 루프 섹션(106)의 출구(135)까지의 높이 차이의 20% 이하, 루프 섹션(106)의 입구(133)에서의 중심선으로부터 루프 섹션(106)의 출구(135)까지의 높이 차이의 10% 이하, 또는 루프 섹션(106)의 입구(133)에서의 중심선으로부터 루프 섹션(106)의 출구(135)까지의 높이 차이의 5% 이하를 차지한다.
도 3 및 도 4에 도시된 예시적인 실시예는 루프 섹션(106)의 길이를 따라 배치된 복수의 정적 혼합기(139)를 포함한다. 정적 혼합기 사용의 이점은 미국 특허 제7,579,163호에 기술되어 있으며, 영양소 기체를 다상 혼합물로 혼합하는 것을 포함한다. 예시적인 유형의 정적 혼합기는 '163 특허에 기재되어 있다. 기술된 실시예들에서 사용될 수 있는 정적 혼합기는 '163 특허에 기재된 것에 한정되지 않는다. '163 특허에 기술된 것 이외의 정적 혼합기가 본원에 기술된 실시예에서 사용될 수 있다. 예를 들어, 뉴욕 주 브루클린의 StaMixCo LLC 및 스위스 빈터투어의 Sulzer Management Ltd.와 같은 회사에서 다른 유형의 정적 혼합기를 구할 수 있다. 도 3 및 도 4에 도시된 예시적인 실시예에서, 50개의 정적 혼합기(139)는 23개의 블록으로 개략적으로 표현된다. 도 3 및 도 4의 예시적인 실시예의 정적 혼합기(139)는, 정적 혼합기가 약 1m의 길이를 가질 때, 루프 섹션(106)의 3m 당 약 1개의 혼합기의 밀도로 제공 될 수 있다. 다른 말로, 어떤 경우에는, 정적 혼합기는 정적 혼합기 중 하나의 길이의 약 3배의 거리만큼 이격되어 있다. 정적 혼합기의 수는 50개로 제한되지 않으며, 그 밀도는 루프 섹션 (106)의 3m 당 1개의 혼합기로 제한되지 않는다. 본 명세서에 설명된 실시예들에 따르면, 소수의 또는 더 많은 수의 정적 혼합기가 제공될 수 있고, 정적 혼합기는 보다 적거나 큰 밀도로 제공될 수 있다. 사용되는 특정한 정적 혼합기의 수와 그것들이 배치되는 밀도는, 부분적으로, 액체 및 미생물로의 기체의 물질 전달 및/또는 정적 혼합기에 의해 생성된 압력 강하에 대한 기여에 기초하여 결정될 것이다.
도 3 및 도 4를 계속 참조하면, 예시적인 실시예에서, 시스템(100)은 유체 유동 유닛 작동(104)의 출구(131)와 제1 비-수직 감압 구역(108) 사이의 하나 이상의 위치에서 루프 섹션(106)으로 영양소 및 미네랄을 도입시키기 위한 영양소 및/또는 미네랄 공급 서브시스템(114)을 포함한다. 제1 비-수직 감압 구역(104)의 상류에 있는 영양소 및/또는 미네랄을 도입하면, 도입된 영양소 및/또는 미네랄이, 미생물이 보다 활성화되고 영양소 및/또는 미네랄의 수요가 증가하는 루프 섹션(106)의 일부에 존재하게 된다. 루프 섹션의 제1 비-수직 감압 구역의 상류 부분에 비해, 제1 비-수직 감압 구역(104)의 하류의 미생물 활동은 더 낮아서, 제1 비-수직 감압 구역(104)과 기체/액체 분리 용기(102) 사이의 영양소 및/또는 미네랄의 도입이 덜 효과적이다. 이러한 영양소는 루프 반응기(101) 내의 다상 혼합물에서 미생물 유기체를 형성하는 바이오매스에 용해되거나 부유된(suspended) 자양물(sustenance)을 지지 또는 수송할 수 있는 영양분을 포함한다. 도 3 및 도 4에 도시된 실시예에서, 영양소 및 미네랄은, 유체 유동 유닛 작동 (104)의 출구(131)와 제1 비-수직 감압 구역(108) 사이의 루프 섹션(106)을 따라 2개 위치에 도입되지만; 그러나, 다른 실시예에 따르면, 영양소 및/또는 미네랄 공급 서브시스템(114)은, 루프 섹션(106)을 따라 상이한 위치에 영양소 및 미네랄을 도입할 수 있고, 루프 섹션(106)을 따라 2개 미만의 위치 또는 2개 이상의 위치에서 영양소/미네랄을 도입할 수 있다. 서브시스템(114)는 액체 배양 배지와 공급된 기체 기질/영양소의 다상 혼합물을 형성하기 위해 액체 배양 배지로 도입하기 위한 기체 기질/영양소를 제공한다. 이러한 기체 기질/영양소는, 루프 반응기(101) 내의 생물 유기체를 생성하는 바이오매스에 자양물 또는 영양소를 공급하거나 제공할 수 있는 단일 가스 또는 가스의 조합을 포함할 수 있다. 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 예시적인 영양소는 천연 가스, 질소, 산소 및 암모니아수를 포함한다. 증기의 공급원은 열에너지 및 클리닝 목적으로 제공될 수 있다. 영양소 서브시스템(114)에 의해 공급될 수 있는 영양소는, 천연 가스, 질소, 산소 및 암모니아수로 제한되지 않는다. 메탄, 합성 가스, 물, 인산염(phosphate)(예를 들어, 인산(phosphoric acid)), 질산염(nitrate), 요소(urea), 마그네슘(magnesium), 칼슘(calcium), 칼륨(potassium), 철(iron), 구리(copper), 아연(zinc), 망간(manganese), 니켈(nickel), 코발트(cobalt) 및 몰리브데넘(molybdenum), 통상적으로 황산염(sulfate), 염화물(chloride) 또는 질산염(nitrate)으로서 사용되는 물질과 같은 기타 영양소/미네랄은, 또한 영양소 공급 서브시스템(114)에 의해 제공될 수 있다.
예시적인 실시예에서, 시스템(100)은 루프 섹션(106)에서 다상 혼합물로부터 열 에너지를 도입 또는 제거하기 위한 열 전달 유닛 작동(116)을 포함한다. 열 전달 유닛 작동(116)은 루프 섹션(106)을 따라 하나 이상의 위치에서 루프 섹션(106)의 다상 혼합물에 열 에너지를 도입하거나 열 에너지를 제거할 수 있다. 도 3 및 도 4에 도시된 실시예에서, 열 전달 유닛 작동(116)은 루프 섹션(106)을 따라 한 위치에서 열 에너지를 제거하거나 도입하지만; 그러나, 열 에너지는 루프 섹션(106)을 따라 하나 이상의 위치에서 제거되거나 도입될 수 있다. 적어도 일부의 경우, 루프 반응기(101) 내에서 발생하는 미생물 활동은 부산물로서 열을 발생시킨다. 제어되지 않고 방치되면, 이러한 열은 루프 반응기(101) 내의 미생물 유기체의 대사 또는 건강에 악영향을 미칠 수 있다. 그렇지 않으면, 미생물 유기체 또한 유기체의 대사 또는 건강에 악영향을 미치는 온도 이하일 수 있다. 이와 같이, 루프 반응기(101) 내의 생물 유기체는 최적의 성장 및 대사 조건을 제공하는 정의된 온도 범위를 갖는다. 적어도 일부의 경우, 루프 반응기(101) 내의 다상 혼합물은, 열 전달 유닛 작동(116)을 사용하여, 약 130°F 이하; 120°F 이하; 110°F 이하; 100°F 이하; 95°F 이하; 90°F 이하; 85°F 이하; 또는 80°F 이하로 유지될 수 있다. 적어도 일부 경우에서, 루프 반응기(101) 내의 다상 혼합물은, 열 전달 유닛 작동(116)을 사용하여, 약 55°F 내지 약 120°F, 약 60°F 내지 110°F, 약 110°F 내지 120°F, 약 100°F 내지 120°F, 약 65°F 내지 100°F, 약 65°F 내지 95°F, 또는 약 70°F 내지 90°F의 온도로 유지될 수 있다.
본 명세서에 설명된 예시적인 실시예에서, 기체/액체 분리 유닛 작동(102)의 헤드스페이스(143) 내의 가스 압력은, 약 0.2 내지 약 0.6 바 게이지(bars gauge) 범위이다; 다만, 헤드스페이스(143) 내의 가스 압력은 약 0.2 내지 약 0.6 바 게이지의 범위로 한정되지 않는다. 예를 들어, 본 명세서에 설명된 예시적인 실시예에서, 헤드스페이스(143) 내의 가스 압력은 0.2 바(bar) 미만이거나 약 0.6바 게이지 이상일 수있다. 펌프(104)의 출구(131)에서의 압력은 약 2.5 바 내지 약 4.0 바 게이지의 범위이다; 그러나, 펌프(104)의 출구(131)에서의 압력은 약 2.5 바 내지 약 4.0 바 게이지의 범위로 한정되지 않는다. 예를 들어, 여기에 설명된 예시적인 실시예에서, 펌프(104)의 출구(131)에서의 압력은 약 2.5 바보다 낮거나 약 4.0 바 게이지보다 클 수 있다. 정적 혼합기(139)를 포함하는 예시적인 실시예에서, 정적 혼합기에 걸친 압력 강하는 약 0.03 내지 약 0.05 바 게이지 범위이다; 다만, 정적 혼합기에 걸친 압력 강하는 약 0.03 내지 약 0.05 바 게이지의 범위로 한정되지 않는다. 예를 들어, 본 명세서에 설명된 예시적인 실시예에서, 정적 혼합기에 걸친 압력 강하는 0.03 바 이하 또는 0.05 바 게이지 이상일 수 있다. 본원에 기술된 예시적인 실시예에 따라, 비-수직 감압 구역(108)의 시작부에서 루프 섹션(106) 내의 압력은, 약 1.5 내지 약 2.5 바 게이지 범위이다; 다만, 비-수직 감압 구역(108)의 시작부에서 루프 섹션(106) 내의 압력은 약 1.5 내지 약 2.5 바 게이지의 범위로 한정되지 않는다. 예를 들어, 비-수직 감압 구역(108)의 시작부에서 루프 섹션(106) 내의 압력은 약 1.5 바 미만이거나 약 2.5 바 초과일 수 있다. 본원에 설명된 예시적인 실시예에 따라, 비-수직 감압 구역(108)의 단부에서의 루프 섹션(106) 내의 압력은 약 0.2 바 내지 약 0.6 바 게이지 범위이지만; 그러나, 비-수직 감압 구역(108)의 단부에서의 루프 섹션(106) 내의 압력은 약 0.2 바 내지 약 0.6 바 게이지 범위로 한정되지 않는다. 예를 들어, 여기에 설명된 실시예에 따라, 비-수직 감압 구역(108)의 단부에서의 루프 섹션(106) 내의 압력은 약 0.2 바보다 낮거나 약 0.6 바 게이지보다 클 수 있다. 본원에 기술된 실시예에서, 비-수직 감압 구역(108)을 걸친 압력 강하는 약 1.2 바 내지 약 2.3 바 게이지 범위 일 수 있지만; 그러나, 비-수직 감압 구역(108)을 걸친 압력 강하는 약 1.2 바 내지 약 2.3 바 게이지의 범위로 한정되지 않는다. 예를 들어, 비-수직 감압 구역(108)을 걸친 압력 강하는 1.2 바 미만이거나 2.3 바 게이지 이상일 수 있다. 일부예에서, 비-수직 감압 구역(108)을 걸친 압력 강하는, 유체 유동 유닛 작동(104)의 출구와 기체/액체 분리 용기(102)의 헤드스페이스 (143) 사이의 압력 강하의 적어도 20%, 적어도 30%, 적어도 40%, 적어도 50%, 적어도 60%, 적어도 70% 또는 적어도 80%를 차지한다. 비-수직 감압 구역(108)에 걸친 압력 강하에 대한 전술한 설명 및 비-수직 갑압 구역(108)에 기인한 유체 유동 유닛 작동(104)의 출구와 기체/액체 분리 용기(102)의 헤드스페이스(143) 사이의 압력 강하에 대한 비율은 감압 구역(108)에 의치된 갑압 장치(145)에 걸친 압력 강하에 동일하게 적용된다.
도 3 및 도 4에 도시된 실시예에서, 제1 비-수직 감압 구역(108)은 기체/액체 분리 유닛 작동(102)과 유체 연통하는 루프 섹션(106)의 출구(135)의 상류 및 정적 혼합기(139)의 하류에 위치된다. 제1 비-수직 감압 구역(108)은 감압 장치(145)를 포함한다. 도 3 및 도 4에 도시된 실시예에 따르면, 감압 장치(145)의 바로 하류(immediately downstream)의 루프 섹션(106) 내의 압력은 감압 장치(145)의 바로 상류(immediately upstream)의 루프 섹션(106) 내의 압력보다 낮다. 감압 장치(145)는 감압 장치(145)의 바로 하류의 루프 섹션(106) 내의 압력이 감압 장치(145)의 바로 상류의 루프 섹션(106) 내의 압력보다 낮게 만든다. 감압 장치(145)로서 사용하기에 바람직한 장치는, 미생물에 손상을 주는 전단력 또는 캐비테이션으로 인한 그 안에 함유된 액체 배양 배지 또는 미생물을 노출시키지 않고, 정수압의 변화 이외의 수단에 의해, 원하는 압력 감소를 제공하는 장치를 포함한다. 예를 들어, 감압 장치(145)는 제어 밸브(control valve) 또는 배압 제어 밸브(back pressure control valve)(체크 밸브(check valve)와 반대) 또는 팽창 조인트(expansion joint)(예를 들어, 보다 작은 상류 직경을 갖는 파이프 조인트(a pipe joint)) 또는 다중 확장 조인트(multiple expansion joint)의 조합 또는 제어 밸브와 하나 이상의 확장 조인트(expansion joint)의 조합과 같은 유동 제어 장치일 수 있다. 예시적인 제어 밸브는 유압식, 공압식, 수동식, 솔레노이드 또는 모터에 의해 작동되는 제어 밸브를 포함하지만, 여기에 기술된 실시예들에서 유용한 제어 밸브들은 전술한 유형의 제어 밸브들로 제한되지 않는다. 마찬가지로, 감압 장치(145)는 제어 밸브와 팽창 조인트 및 이들의 조합에 한정되지 않는다. 예를 들어, 감압 장치(145)는 장치의 바로 하류의 루프 섹션(106) 내의 압력이 장치의 바로 상류의 루프 섹션(106) 내의 압력보다 작게 만드는 확장 조인트 또는 제어 밸브가 아닌 장치일 수 있다.
본 명세서에 기술된 실시예에 따르면, 감압 장치(145)는, 예를 들어 수동으로 또는 압력, 온도, 가스 농도(예를 들어, 산소, 이산화탄소, 메탄) pH, 액체 매체 밀도 순환 속도(circulation rate), 바이오매스 농도, 또는 루프 섹션(106)을 따르는 두 지점 사이의 흐름 시간과 같은 프로세스 매개 변수를 감지하는 센서의 입력을 기반으로 한 피드백 제어 루프를 구현하는 제어 장치로부터의 신호에 기초하여 유동 통로의 크기를 변화시킴으로써, 매체 흐름을 제어할 수 있는 제어 밸브와 같은, 가변(variable) 감압 장치일 수 있다. 가변 감압 장치를 사용함으로써, 장치가 열리는 정도를 변경하여 조절될 수 있도록, 장치의 바로 상류의 루프 섹션(106) 내의 압력 및 장치의 바로 하류의 루프 섹션(106) 내의 압력의 차이가 생길 수 있다. 예를 들어, 장치의 열림으로 압력의 차이를 줄일 수 있으며 장치를 닫음으로써 압력의 차이를 높일 수 있다. 가변 감압 장치의 상류의 루프 섹션(106) 내의 압력을 변화시키는 기능은, 운영자에게 루프 섹션(106) 내에서 발생하는 프로세스를 보다 잘 제어하는 능력을 제공한다. 예를 들어, 가변 감압 장치는 가변 감압 장치를 개방(유속을 증가 시킴)함으로써 가변 감압 장치의 상류의 루프 섹션 (106)내의 압력을 감소시키는데 사용될 수 있다. 루프 섹션(106) 내의 압력을 감소시킴으로써, 운영자는 물질 전달을 늦추고, 생산율을 감소시키며, 영양소 수요를 감소시키고, 다상 혼합물로부터 가스 탈착의 비율을 증가시킬 수 있다. 가변 감압 장치는, 가변 감압 장치를 닫음(유속을 줄임으로써)으로써, 가변 감압 장치의 루프 섹션(106)의 상류의 압력을 증가시키는데 사용될 수 있다. 루프 섹션(106)의 압력을 증가시키면, 운영자는 물질 전달률을 증가시키고, 생산율을 증가시키며, 영양소 수요를 증가시키고, 다상 혼합물로부터 가스 탈착의 비율을 감소시킬 수 있다.
또한, 가변 감압 장치를 사용함으로써, 운영자는 가변 감압 장치의 하류의 루프 섹션(106) 내의 압력을 더 잘 제어할 수 있다. 예를 들어, 가변 감압 장치의 하류의 루프 섹션(106) 내의 압력을 감소시키기 위해 가변 감압 장치를 이용함으로써, 운영자는 루프 섹션에서 발생하는 생물학적 프로세스를 억제할 수 있는 가스(예를 들어, 이산화탄소)의 탈착을 촉진할 수 있다. 가변 감압 장치의 하류의 루프 섹션(106) 내의 압력을 증가시키기 위해, 가변 감압 장치를 이용함으로써, 운영자는 루프 섹션(106)에서 발생하는 생물학적 프로세스를 연료화하는데 필요한 가스(예를 들어, 산소 및 메탄과 같은 영양 가스)의 탈착을 억제할 수 있다. 산소 및 메탄 가스와 같은 가스의 탈착을 억제하는 것은 산소 및 메탄 가스에 의해 연료가 공급되는 연소 위험을 관리하는 데 바람직할 수 있다.
도 7d를 참조하면, 여기에 기술된 실시예에 따른 루프 반응기(100)의 비-수직 감압 구역(108)에서 유용한 예시적인 가변 감압 장치(145)가 도시되어 있다. 가변 감압 장치(145)의 한 단부는 가변 감압 장치(145)의 상류에 있는 루프 섹션(106)의 부분에 부착된다. 가변 감압 장치(145)의 다른 단부는 가변 감압 장치(145)의 하류에 있는 루프 섹션(106)의 부분에 부착된다. 도 7a를 참조하면, 가변 감압 장치(145)는 편심 감소기(eccentric reducer)(701)를 포함한다. 편심 감소기(701)는 실질적으로 일정한 내경을 갖는 파이프 섹션(703) 및 편심 감소 섹션(705)을 포함한다. 파이프 섹션(703)의 내경은 일정하고 파이프 섹션(703)이 부착되는 루프 섹션(106)의 부분의 내경과 실질적으로 동일하다. 편심 감소 섹션(705)은 파이프 섹션(703)의 내경과 동일한 내경을 갖는 단부 인접 파이프 섹션(703)를 포함한다. 파이프 섹션(703)에 인접한 단부에 대향하는 편심 감소기(705)의 작은 단부는 더 작은 직경을 갖는다. 편심 파이프 감소기(705)의 작은 단부의 직경은 편심 파이프 감소기(705)의 하류에 있는 후술하는 제어 밸브(711)의 직경과 동일하다. 편심 감소기(705)의 두 단부 사이에서, 내경은 더 큰 직경 단부에서 더 작은 직경 단부로 변이되고, 연결되는 루프 섹션(106)의 부분 및 루프 섹션(106)이 연결되는 제어 밸브(711)의 부분에 부분에 평행한 엣지를 갖는다.
도 7a, 도 7b 및 도 7d를 참조하면, 가변 감압 장치(145)는 편심 감소기(701)의 작은 단부에 부착된 제어 밸브(711)를 포함한다. 제어 밸브 (711)는 편심 파이프 감소기(705)의 작은 단부의 내경과 실질적으로 동일한 내경을 갖는다. 제어 밸브(711)를 통한 매체 유동은 제어 밸브(711)의 핸들(713)의 조작에 의해 제어 밸브(711) 내의 유동 통로의 크기를 변화시킴으로써 조절될 수 있다. 전술한 바와 같이, 핸들(713)은 전자 제어기에 의해 조작될 수 있다.
도 7a, 도 7c 및 도 7d를 참조하면, 편심 감소기(701)에 대향하는 가변 감압 장치(145)의 단부는 편심 팽창기(719)를 포함한다. 편심 팽창기(719)는 실질적으로 일정한 내경을 갖는 파이프 섹션(721) 및 편심 팽창기 섹션(723)을 포함한다. 파이프 섹션(721)의 내경은 일정하고 파이프 섹션(721)이 부착되는 제어 밸브(711)의 내경과 실질적으로 동일하다. 편심 팽창기 섹션(723)은 파이프 섹션(721)의 내경과 동일한 내경을 갖는 파이프 섹션(721)에 인접한 단부를 포함한다. 파이프 섹션(721)에 부착된 단부에 대향하는 편심 팽창기(723)의 더 큰 단부는 편심 팽창기(723)의 큰 단부에 부착되는 루프 섹션(106)의 부분의 내경과 실질적으로 동일한 내경을 갖는다. 일부 실시예에서, 가변 감압 장치(145)의 하류의 루프 섹션(106)의 내부 직경 및 편심 팽창기(723)의 하류의 루프 섹션(106)의 부분에 부착된 편심 팽창기(723)의 단부의 내부 직경은, 감압 장치(145)의 상류의 루프 섹션(106)의 직경보다 크다. 편심 팽창기(719)의 2개의 단부 사이에서, 내부 직경은 더 작은 직경 단부에서 더 큰 직경 단부로 변이되고, 루프 섹션(106)이 연결되는 루프 섹션(106)의 부분 및 제어 밸브(711)가 연결되는 제어 밸브(711)의 엣지에 평행한 엣지를 갖는다.
가변 감압 장치(145)의 다른 실시예에 따르면, 편심 감소기(701) 및 편심 팽창기(723) 중 하나 또는 모두가 생략된다. 이러한 실시예에서, 제어 밸브(711)의 한 단부는 제어 밸브(711)의 상류에 있는 루프 섹션(106)의 단부에 부착되고, 제어 밸브(711)의 다른 단부는 제어 밸브(711)의 하류에 있는 루프 섹션 (106)의 단부에 부착된다. 편심 감소기(701) 및 편심 팽창기(723)의 사용은, 편심 감소기(701) 및 편심 팽창기(723)가 사용되지 않는 경우에 필요한 제어 밸브의 내경보다 작은 내경을 갖는 제어 밸브의 사용을 용이하게 한다. 더 작은 내경을 갖는(더 큰 내경을 갖는 유사한 제어 밸브와 비교하여) 제어 밸브는 더 정밀하고 더 큰 감도로 밸브에 걸친 압력 강하를 제어할 수 있다. 일부 실시예에서는 이러한 정밀도 및 감도가 더 바람직할 수 있다.
감압 장치(145)에 사용하기 위한 제어 밸브(713)의 대안은, 팽창 조인트/동심 팽창기의 하류의 루프 섹션(106) 내의 압력이 조인트/동심 팽창기의 상류의 루프 섹션(106) 내의 압력에 비해 감소되게 하는 하나 이상의 팽창 조인트 또는 동심 팽창기를 포함한다.
본 명세서에 설명되며 도 3에 도시된 실시예에 따르면, 제1 갑압 구역(108)의 하류 측에서, 루프 섹션(106)은 제2 감압 구역(112)을 포함할 수 있다. 도 3에 도시된 실시예에서, 제2 감압 구역(112)은 기체/액체 분리 유닛 작동(102)과 유체 연통하는 루프 섹션(106)의 출구(135)의 상류 및 제1 감압 구역(108)의 하류에 위치한다.
도 3에 도시된 실시예에서, 제2 감압 구역(112)은, 수직으로 향한(oriented) 섹션을 포함하도록, 루프 섹션(106)을 수정함으로써 제공된다. 루프 섹션(106)의 섹션의 수직 방향(orientation)은 제2 감압 구역(112)을 제공하며, 그 결과 제2 감압 구역(112)의 상단부의 루프 섹션(106) 내의 압력은 제2 감압 구역(112)의 하단부의 루프 섹션(106) 내의 압력보다 낮아진다. 제2 감압 구역(112)에 의해 제공되는 압력 강하는, 적어도 부분적으로 제 2감압 구역(112)의 상부로부터 하부로의 정수압의 차이에 기인한다. 제2 감압 구역(112)의 수직 부분의 길이는, 제 2 감압 구역(112)에 의해 제공되는 원하는 압력 강하에 적어도 부분적으로 기초하여 결정될 수 있다. 예를 들어, 예시적인 실시예에서, 제2 감압 구역(112)의 수직 부분의 길이는 약 1m 내지 약 10m의 범위이다. 다만, 제2 감압 구역(112)의 수직 부분의 길이는 약 1m 내지 약 10m의 범위에 한정되지 않는다. 예를 들어, 제2 감압 장치의 수직 부분의 길이는 약 1m보다 작거나 약 10m보다 클 수 있다. 제2 감압 구역(112)은, 또한 제1 감압 장치(145)에 관해 전술한 유형의 감압 장치(147)를 포함할 수 있다. 제2 감압 영역(112)을 이용하면, 개선된 프로세스 생산성 및 안정성을 유도할 수 있는 압력 제어의 정밀도를 높일 수 있는 루프 섹션(106) 내의 압력을 제어하는 데 있어 부가적인 유연성을 제공한다. 특정 실시예에서, 기체/액체 분리 유닛 작동(102)에서의 기체/액체 인터페이스(118)와 유체 유동 유닛 작동(104)의 출구(131)에서의 루프 섹션(106)의 중심선 사이의 수직 거리의 길이의 60% 이하, 50% 이하, 40% 이하, 30% 이하, 20% 이하, 또는 10% 이하를 차지한다.
도 4의 실시예를 참조하면, 선택적인 제2 감압 구역(113)은 감압 장치(145)와 관련하여 전술한 유형의 감압 장치를 포함할 수 있다. 도 4의 실시예에 따르면, 제2 감압 구역(113)은 비-수직 감압 구역이고, 감압 장치를 포함한다. 예시적인 실시예에서, 제1 감압 구역(108)의 제1 감압 장치(145)는 루프 섹션(106)의 비-수직 부분에 의해 제2 감압 구역(113)의 감압 장치로부터 분리된다. 도 4에 도시된 실시예에 따르면, 루프 섹션(106) 내의 다상 혼합물은, 수직 방향으로 흐르지 않고, 제1 비-수직 감압 구역(108)에서 기체/액체 분리 유닛 작동(102)으로 흐른다. 도 4에 따른 실시예에 따르면, 제2 감압 구역(113)이 존재할 때, 제1 감압 구역(108)을 걸친 압력 강하와 비교하여 더 적은 압력 강하를 설명한다. 예를 들어, 제2 감압 구역(113)을 걸친 압력 강하는, 기체/액체 분리 용기(102)의 헤드스페이스(143)와 제1 감압 구역(108) 및/또는 감압 장치(145)의 출구에서의 압력 사이의 압력 차이와 거의 동일하다. 제2 감압 구역(113)을 걸친 이러한 압력 강하는 약 0.1 바 내지 약 0.5 바의 범위일 수 있지만; 그러나, 제2 감압 구역(113)을 걸친 압력 강하는 약 0.1바 내지 약 0.5바의 범위에 한정되지 않는다. 예를 들어, 제2 감압 구역(113)을 걸친 압력 강하는 0.1바보다 작거나 0.5바보다 클 수 있다. 일부예에서, 제2 감압 구역(113)을 걸친 압력 강하는, 유체 유동 유닛 작동(104)의 출구로부터 기체/유체 분리 용기(102)의 헤드스페이스(143)까지의 압력 강하의 10% 미만, 5% 미만, 3% 미만 또는 2%을 차지한다. 제2 감압 구역(113)을 걸친 압력 강하 및유체 유동 유닛 작동(104)의 출구로부터 감압 구역(113)에 기인하는 기체/액체 분리 용기(102)의 헤드스페이스(143)로의 압력 강하의 비율에 대해 전술한 설명은 도 3의 감압 구역(112) 내의 제2 감압 장치(147)을 걸친 압력 강하에 동일하게 적용된다. 제2 감압 구역(113)을 이용하면 프로세스 생산성 및 안정성을 향상시킬 수 있는 압력 제어의 정밀도를 높일 수 있는 루프 섹션(106) 내의 압력을 제어하는 데 있어 부가적인 유연성을 제공한다.
제1 비-수직 감압 구역(108)의 루프 섹션(106) 상류는 탈착 가스 입구(149)를 포함한다. 도시된 실시예에서, 탈착 가스 입구(149)는, 탈착 가스의 공급원, 예를 들어, 질소와 유체 연통하고, 루프 섹션(106)의 비-수직 섹션과 유체 연통한다. 따라서, 도 3 및 도 4에 도시된 실시예에 따르면, 탈착 가스는 루프 섹션(106)의 비-수직 섹션으로 도입될 수 있다. 탈착 가스 입구(149)에서 탈착 가스를 다상 혼합물로 도입하면, 다상 혼합물(예를 들어, 이산화탄소 및 메탄)에 존재하는 다른 기체의 분압이 감소하게 된다. 다상 혼합물에 존재하는 다른 기체의 분압을 감소시키는 것은, 미생물 내로의 영양 가스의 물질 전달을 감소시키고 및/또는 다른 기체를 용액으로부터 배출시키는 효과를 가질 수 있다.
대안적인 실시예에서, 탈착 가스 입구(149)는 제1 감압 구역(108)과 루프 섹션(106)의 출구(135) 사이의 루프 섹션(106)의 비-수직 섹션에 위치한다. 이 위치에 탈취 가스 입구(149)를 제공함으로써, 다단식 혼합물을 제1 감압 구역(108) 및/또는 도 3의 제2 감압 구역(112) 또는 도 4의 113에 통과시킴으로써 압력을 감소시키는 제1 감압 구역의 루프 섹션의 하류의 섹션에 탈착 가스 도입을 허용한다. 전 단락에서 설명한 바와 같이, 다상 혼합물로의 탈착 가스의 도입은, 다상 혼합물(예를 들어, 이산화탄소 및 메탄)에 존재하는 다른 기체의 분압을 감소시킨다. 다상 혼합물에 존재하는 다른 기체의 분압을 감소시키는 것은 미생물 내로의 영양 기체의 물질 전달을 감소시키고 및/또는 다른 기체를 용액으로부터 배출시키는 효과를 가질 수 있다. 제1 감압 구역(108)의 하류 측의 탈취 가스 입구(149)의 위치는, 탈착 가스가 제1 감압 구역(108) 및/또는 제2 감압 구역(112, 113)의 성능에 영향을 줄 수 있는 위치에서 다상 혼합물로의 탈착 가스의 도입을 방지한다. 예를 들어, 다상 혼합물로부터 분리되는 가스는 압력을 감소시킬 때 제1 감압 구역(108)의 성능에 영향을 줄 수있다. 예를 들어, 제1 감압 구역(108)이 제어 밸브의 형태로 감압 장치를 포함하면, 다상 혼합물로부터 탈착된 기체의 양의 증가는 밸브가 유동 및 감압을 제어하는 것을 더욱 어렵게 할 수 있다. 제1 감압 구역(108)의 하류에 탈착 가스를 도입하면 이러한 문제점을 피할 수 있다.
도 5는, 도 2 내지 도 4와 관련하여 전술한 하나 이상의 루프 반응기(101)를 사용하여 바이오매스의 생산을 촉진하기 위한 시스템(100)의 높은 수준의 작동 방법(500)을 도시한다. 이러한 시스템은 유리하게는, 하나 이상의 기체 기질과 하나 이상의 영양소를 포함하는 액체 배지(liquid media)를, 생장을 위해 기체 기질 및 액체 영양소를 활용할 수 있는, 적어도 하나의 미생물을 포함하는 액체 배양 배지 내로 도입한다. 하나 이상의 기체 기질, 하나 이상의 영양소 및 적어도 하나의 미생물을 포함하는 액체 배양 배지의 조합은 루프 반응기(101)를 통해 순환되는 다상 혼합물을 생성시킨다. 루프 반응기(101) 내의 조건은, 기체 기질 및 액체 영양소의 물질 전달 및 미생물학적 흡수, 루프 반응기 내의 압력 감소 및 다상 혼합물로부터 기체의 탈착을 촉진시키도록 제어된다. 루프 반응기(101)의 루프 섹션(106)을 통과한 후의 다상 혼합물은, 다상 혼합물이 액체 및 기체상으로 분리되는 기체/액체 분리 유닛 작동(102)에 의해 수용된다. 이 방법은 502에서 시작한다.
504에서, 기체 기질은 다상 혼합물을 형성하기 위해 액체 배지 내에 분산된다. 추가의 양의 기체 기질이, 루프 섹션(106)의 다른 위치에서 또는 루프 섹션(106)의 입구(133)에서 또는 그 근처에서 액체 배양 배지로 도입되고, 용해된 기체 기질을 이미 포함할 수 있지만, 이러한 분산은 루프 섹션(106)의 입구(133)에서 또는 그 근처에서 발생할 수 있다. 일부예에서, 기체 기질은 루프 섹션(106)을 따라 여러 지점에 분산될 수 있고, 각각의 분산 지점에서의 기체 기질은 동일하거나 상이한 온도, 압력, 조성 또는 이들의 조합을 가질 수있다. 루프 섹션(106)을 따라 상이한 위치에서의 기체 기질의 물리적 또는 조성적 특성을 변화시키는 능력은, 유리하게는, 다상 혼합물에 존재하는 특정 미생물 종 뿐만 아니라 기체 기질의 분산 지점에 기초한 루프 섹션(106) 내의 미생물 종의 특정 위치에까지 기체 기질의 조정(tailoring)을 허용한다.
506에서, 다상 혼합물은 루프 반응기(101)의 루프 섹션(106)을 통해 유동한다. 다상 혼합물이 루프 섹션(106)을 통해 유동함에 따라, 다수의 정적 혼합기(139)와 접촉하여, 기체 기질 및/또는 영양소가 액체 배양 배지로 혼합되는 것을 촉진한다. 루프 반응기(101)를 통해 다상 혼합물의 유속을 조절하거나 제어함으로써, 기체 기질 및 영양소의 기포가 미생물(들)과 접촉하는 시간의 길이가 변경될 수 있다. 기체 기질 및 영양소의 기포가 미생물과 접촉하는 시간의 길이를 증가 시키면, 미생물로의 기체 물질의 물질 전달량 및 미생물에 의한 기체 물질의 미생물 학적 흡수량를 증가시킬 수 있다. 반대로, 기체 기질 및 영양소의 기포가 미생물과 접촉하는 시간의 길이를 줄이면, 미생물로의 기체 물질의 물질 전달량 및 미생물에 의한 기체 물질의 미생물 학적 흡수를 감소시킬 수 있다. 몇몇의 예에서, 기체 기질 및 영양소의 기포가 미생물과 접촉하는 시간이 측정되고 조절될 수 있다. 예를 들어, 제어 서브시스템(290)은 루프 반응기를 통해 다상 혼합물의 유체 속도를 변경, 조정 또는 제어할 수 있다. 몇몇 경우에, 기체 기질의 온도, 압력 또는 조성은, 루프 반응기(106) 내의 원하는 기체 기질 기포 사이즈를 유지하기 위해, 제어 서브시스템(290)을 통해 변경, 조정 또는 제어될 수 있다. 다른 경우에, 다상 혼합물의 액체상 내의 하나 이상의 기체 기질 요소(예를 들어, 메탄, 이산화탄소, 수소, 산소, 질소 등)의 농도를 유지하기 위해, 기체 서브시스템(290)을 통해 가체 기질의 온도, 압력, 또는 조성이 변경, 조정 또는 제어될 수 있다.
508에서, 루프 반응기(101) 내의 다상 혼합물의 온도는, 규정된 온도 범위 내에서 온도를 유지하도록 변경, 조정 또는 제어될 수 있다. 적어도 일부의 경우, 규정된 온도 범위는 시스템(100) 내에 사용되는 미생물 종에 적어도 부분적으로 기초하여 선택되거나 택해질 수 있다. 과도한 열은 시스템(100) 내의 활동의 적어도 일부를 담당하는 미생물 유기체에 의해 부산물로서 생성될 수 있다. 이러한 과도한 열은, 제어되지 않은 채로 남아 있으면, 시스템(100) 내의 미생물 유기체의 일부 또는 전부의 성장 또는 대사를 저해하거나 악영향을 미칠 수 있다. 적어도 몇몇의 경우, 루프 반응기(101)에서의 다상 혼합물의 냉각은, 루프 반응기(101)에서 다상 혼합물의 온도를 규정된 범위 내로 유지하도록 제공될 수 있다. 이러한 냉각은 루프 반응기(101) 또는 다상 혼합물의 일부를 루프 반응기(101)로부터 열 전달 유닛 작동(116)으로 전환시킨 도관(conduit)에 열적으로 결합된 코일(coil) 또는 저장기(reservoir)를 통한 냉각 매체의 통과를 포함할 수 있다. 적어도 일부예에서, 제어 서브 시스템(290)은, 루프 반응기(101) 또는 다상 혼합물의 일부를 루프 반응기(101)로부터 열 전달 유닛 작동(116)으로 전환시킨 도관(conduit)에 열적으로 결합된 코일(coil) 또는 저장소(reservoir)를 통한 냉각 매체의 유속 및 온도를 제어할 수 있다. 다른 예에서, 미생물 종에 의해 생성된 열은 원하는 온도 범위 내에서 루프 반응기(101)에서 다상 혼합물을 유지하기에 충분하지 않을 수있다. 이는 예를 들어, 루프 반응기(101)가 노출된 또는 부분적으로 노출된 외부 위치에 위치하는 매우 추운 환경에서 발생할 수 있다. 일부예에서, 루프 반응기(101) 또는 다상 혼합물의 일부를 루프 반응기(101)로부터 열 전달 유닛 작동(116)으로 전환시킨 도관에 열전도적으로 결합된 저장기 또는 코일은 다상 혼합물을 데우는 데 사용될 수 있다. 적어도 일부예에서, 제어 서브시스템(290)은 루프 반응기(101) 또는 다상 혼합물의 일부를 루프 반응기(101)로부터 열 전달 유닛 작동(116)으로 전환시킨 도관(conduit)에 열전도적으로 결합되는 코일(140) 또는 저장기를 통한 워밍(warming) 매체의 유속 및 온도를 제어할 수 있다.
510에서, 루프 반응기 (101)를 통해 다상 혼합물과 함께 이동하는 기체 기질 기포에 대한 압력은, 제1 감압 장치를 통해 다상 혼합물을 유동시킴으로써 감소된다. 경우에 따라, 기체 기포의 압력은, 압력의 감소를 일으키기 위해, 정수압의 차이에 의존하지 않는 제1 감압 장치를 통해 다상 혼합물을 유동시킴으로써 감소된다. 다른 말로, 어떤 경우에는, 루프 반응기(101)를 통해 다상 혼합물과 함께 이동하는 기체 기포의 압력은, 제1 감압 구역(108)의 입구에서 루프 반응기(101)의 중심선의 높이에 대한 제1 감압 구역(108)의 출구에서 루프 반응기(101)의 중심선의 높이의 실질적인 변화없이 감소된다. 510에서의 압력 강하는, 몇몇 경우에, 기체 기질 기포 및 다른 기체가 다상 혼합물로부터 탈착되는 비율을 유리하게 증가시킬 수 있다.
512에서, 다상 혼합물은 제1 감압 구역(108)을 빠져 나와 기체/액체 분리 용기(102)로 흐른다. 다상 혼합물로부터 탈착된 기체 물질은, 또한 다상 혼합물과 함께 기체/액체 분리 용기(102)로 흐를 수 있다. 기체/액체 분리 용기(102)로 유입되는 다상 혼합물은 흡수되지 않은 양양소, 미생물 및 용해되지 않고 흡수되지 않은 기체 기질을 함유하는 기체 기질 기포를 포함하는 액체를 포함할 수 있지만, 이에 한정되지 않는다. 기체/액체 분리 용기(102)로 유입되는 기체 및 액체는, 기체/액체 분리 용기(102) 내의 기체 상과 액체 상으로 분리된다. 기체는 기체/액체 분리 용기(102)의 헤드스페이스로부터 수집될 수 있는 반면, 액체는 기체/액체 분리 용기(102)의 바닥으로부터 제거될 수 있다. 액체 이외에, 미생물도 기체/액체 분리 용기(102)에서 수집되어 그 바닥으로부터 제거될 수 있다. 기체/액체 분리 용기(102)의 바닥으로부터 제거된 액체 및 미생물은, 루프 반응기(101)를 통한 재순환을 위해 유체 유동 유닛 작동(104)의 입구(129)로 전달될 수 있다. 적어도 일부의 경우에서, 수집된 가스의 적어도 일부가 후속적으로 처리되거나 분리될 수 있다. 수집된 가스의 적어도 일부는 기체 기질로서 루프 반응기로 재순환될 수 있다. 경우에 따라, 수집된 가스의 적어도 일부가 판매되거나 처분될 수 있다. 적어도 일부의 경우, 수집된 가스의 적어도 일부는 대체 가능한 상품으로서 판매 또는 거래될 수 있다. 적어도 일부의 경우에서, 수집된 가스는 하나 이상의 C2+ 탄화수소 가스 및 완제품 또는 후속 프로세스의 원료로서 가치를 갖는 그로부터 제조된 화합물을 포함할 수 있다. 일부 경우에, 반응기는 에탄올(ethanol), 아세테이트(acetate), 부탄올(butanol), 이소프렌(isoprene), 프로필렌(propylene), 파르네센(farnesene), 효소 또는 기타 대사 산물 또는 생성물이 미생물로부터 유리된 세포 제품과 같은 천연 또는 비-천연 제품을 생산하는 데 사용된다. 이러한 경우, 생성물은 제품의 물리적 특성에 따라 가스 배출물(123) 또는 액체 배출물(125) 중 어느 하나에 존재할 수 있다.
적어도 일부의 경우에서, 수집된 액체의 적어도 일부가 후속적으로 처리되거나 분리될 수 있다. 예를 들어, 바이오솔리드를 포함하거나 포함하지 않을 수 있는 다상 혼합물로부터 분리된 액체의 적어도 일부는 루프 반응기(101)를 통해 재순환될 수 있다. 예를 들어, 바이오솔리드를 함유하는 분리된 액체의 적어도 일부는, 추가적인 액체와 결합될 수 있고, 루프 반응기(101)를 통해 유동될 수 있다. 이러한 재순환은, 유익하게는, 확립된 생물학적 종으로 루프 반응기(101)의 진행, 연속 또는 반-연속 주입(inoculation)을 제공할 수 있다. 경우에 따라, 분리된 액체의 적어도 일부가 수집되어 판매되거나 또는 다르게 처분될 수 있다. 적어도 일부의 경우, 분리된 액체의 적어도 일부는 대체 가능한 상품으로서 판매되거나 거래될 수 있다. 적어도 일부의 경우에서, 분리된 액체는 하나 이상의 알코올(alcohol), 글리콜(glycol) 또는 케톤(ketone)을 포함하지만 이에 한정되지 않는 하나 이상의 C2+ 탄화수소 액체를 포함할 수 있다.
514에서, 기체/액체 분리 용기(102)로부터의 미생물은 유체 유동 유닛 작동(104)의 상류 또는 유체 유동 유닛 작동(104)의 하류, 예를 들어 바이오매스 제거 포트(128)에서 제거될 수 있다. 수집 된 미생물은 원하는 제품을 회수할 수 있다록 추가로 가공될 수 있다. 일부예에서, 바이오매스 제거 포트(128)를 통해 수집된 미생물은 원하는 제품의 처리 및 회수를 위해 분리 서브시스템(250)에 도입될 수 있다.
도 6은 도 2 내지 도 4와 관련하여 전술한 하나 이상의 루프 반응기(101)를 포함하는 시스템(100)을 이용하는 바이오매스(600)의 생산을 촉진하기 위한 높은 수준의 방법을 도시한다. 예시적인 바이오매스 생성 방법(600)은 도 5를 참조하여 상세하게 논의된 바이오매스 의 생산을 촉진하는 방법(500)과 관련하여 상세히 기술된 것들과 동일하거나 거의 동일한 단계들을 사용하며, 바이오매스의 생산을 촉진시키는 방법(600)은 다상 혼합물을 제2 감압 구역을 통과시킴으로써 루프 반응기에서 다상 혼합물 내의 기체 기포에 대한 압력을 감소시키는 단계를 포함한다. 도 5의 단계 502, 504, 506, 508 및 510의 설명은 각각 도 6의 단계 602, 604, 606, 608 및 610에 적용된다. 도 5의 단계 514의 설명은 도 6의 단계 616에 적용된다.
도 6의 612에서, 루프 반응기(101)를 통해 다상 혼합물과 함께 이동하는 기체 기질 기포의 압력은, 다상 혼합물을 제1 감압 구역(108)으로부터 제2 감압 구역(112)으로 유동시킴으로써, 감소된다. 일부예에서, 612에서, 기체 기질 기포의 압력은, 압력 강하를 일으키기 위해, 다상 혼합물을 정수압의 차이에 의존하지 않는 제2 갑압 장치를 통해 유동시킴으로써 감소된다. 다른 말로, 일부예에서, 단계 612에서, 루프 반응기(101)를 통해 다상 혼합물과 함께 이동하는 기체 기질 기포에 대한 압력은, 제2 감압 구역(112)의 입구에서의 루프 반응기(101)의 중심선의 높이에 대한 제2 감압 구역(112)의 출구에서 루프 반응기 (101)의 중심선의 높이 차이의 실질적인 변화없이 감소된다. 다른 예에서, 단계 612에서, 기체 기질 기포의 압력은, 다상 혼합물을 압력 강하를 일으키기 위해 정수압의 변화 의존하는 제2 감압 구역(108)을 통해 유동 시킴으로써, 감소된다. 다른 말로, 일부예에서, 612에서, 루프 반응기(101)를 통해 다상 혼합물과 함께 이동하는 기체 기질 기포 상의 압력은, 제2 감압 구역(112)의 입구에서 루프 반응기(101)의 중심선의 높이에 대한 제2 감압 구역(112)의 출구에서 루프 반응기(101)의 중신선의 변화를 일으킴으로써 감소된다. 일부예들에서, 610 및 612 모두에서 기체 기질 기포 상의 압력이 감소될 때, 612에서의 압력 강하의 규모는 610에서의 압력 강하의 규모에 비해 작을 수 있다. 경우에 따라, 이러한 압력 강하는, 유리하게는 기체 기질 기포 및 다른 기체가 다상 혼합물로부터 탈착되는 비율을 증가시킨다.
614에서, 제2 감압 구역(112 또는 113)으로 들어간 제 1 감압 구역(108)으로부터의 다상 혼합물은, 제2 감압 구역(112 또는 113)을 나가고 기체/액체 분리 용기(102)로 흐른다. 다상 혼합물로부터 탈착된 기체 물질은, 또한 다상 혼합물과 함께 기체/액체 분리 용기(102)로 흐를 수 있다. 기체/액체 분리 용기(102)로 유입되는 다상 혼합물은, 흡수되지 않은 영양소, 미생물 및 용해되지 않고 흡수되지 않은 기체 기질을 함유하는 기체 기질 기포를 함유하는 액체를 포함할 수 있지만, 이에 한정되지 않는다. 기체/액체 분리 용기(102)로 유입되는 기체 및 액체는 기체/액체 분리 용기(102) 내의 기체상과 액체상으로 분리된다. 기체는 기체/액체 분리 용기(102)의 헤드스페이스로부터 수집될 수 있는 반면, 액체는 기체/액체 분리 용기(102)의 바닥으로부터 제거될 수 있다. 액체 이외에, 미생물도 기체/액체 분리 용기(102)에서 수집되어 그 바닥으로부터 제거될 수 있다. 기체/액체 분리 용기(102)의 바닥으로부터 제거된 액체 및 미생물은, 루프 반응기(101)를 통한 재순환을 위해 유체 유동 유닛 작동(104)의 입구(129)로 전달될 수 있다. 적어도 일부의 경우에서, 수집된 가스의 적어도 일부가 후속적으로 처리되거나 분리될 수 있다. 수집된 가스의 적어도 일부는 기체 기질로서 루프 반응기로 재순환될 수 있다. 경우에 따라, 수집된 가스의 적어도 일부가 판매되거나 처분될 수 있다. 적어도 일부의 경우, 수집된 가스의 적어도 일부는 대체 가능한 상품으로서 판매 또는 거래될 수있다. 적어도 일부의 경우에서, 수집된 가스는 하나 이상의 C2+ 탄화수소 가스 및 완제품 또는 후속 프로세스의 원료로서 가치를 갖는 그로부터 제조된 화합물을 포함할 수 있다. 일부 경우에, 반응기는 에탄올(ethanol), 아세테이트(acetate), 부탄올(butanol), 이소프렌(isoprene), 프로필렌(propylene), 파르네센(farnesene), 효소 또는 기타 대사 산물 또는 생성물이 미생물로부터 유리된 세포 제품과 같은 천연 또는 비-천연 제품을 생산하는 데 사용된다. 이러한 경우, 생성물은 제품의 물리적 특성에 따라 가스 배출물(123) 또는 액체 배출물(125) 중 어느 하나에 존재할 수 있다.
적어도 일부의 경우에서, 수집된 액체의 적어도 일부가 후속적으로 처리되거나 분리될 수 있다. 예를 들어, 바이오솔리드를 포함하거나 포함하지 않을 수 있는 다상 혼합물로부터 분리된 액체의 적어도 일부는 루프 반응기(101)를 통해 재순환될 수 있다. 예를 들어, 바이오솔리드를 함유하는 분리된 액체의 적어도 일부는, 추가적인 액체와 결합될 수 있고, 루프 반응기(101)를 통해 유동될 수 있다. 이러한 재순환은, 유익하게는, 확립된 생물학적 종으로 루프 반응기(101)의 진행, 연속 또는 반-연속 주입(inoculation)을 제공할 수 있다. 경우에 따라, 분리된 액체의 적어도 일부가 수집되어 판매되거나 또는 다르게 처분될 수 있다. 적어도 일부의 경우, 분리된 액체의 적어도 일부는 대체 가능한 상품으로서 판매되거나 거래될 수 있다. 적어도 일부의 경우에서, 분리된 액체는 하나 이상의 알코올(alcohol), 글리콜(glycol) 또는 케톤(ketone)을 포함하지만 이에 한정되지 않는 하나 이상의 C2+ 탄화수소 액체를 포함할 수 있다.
[예]
소량의 C2 및 C3+ 대사성 미생물과 동시에-배양된(co-cultured) 메틸로코쿠스 캡슐라터스 베스(Methylococcus capsulatus Bath)를 포함하는 미생물 배양물이 본원에 기술된 실시예에 따라 루프 반응기를 포함하는 바이오매스 생성을 촉진하는 시스템에서 처리되었다. 루프 반응기는 배압 제어 밸브의 형태로 조절 가능한 유량 제어 장치를 포함하는 비-수직 감압 구역을 포함한다. 반응기의 루프 섹션 내의 유속 및/또는 압력은, 밸브를 개방 또는 폐쇄함으로써 제어 가능하다. 루프 반응기는 또한 기체/액체 분리 용기와 조절 가능한 유량 제어 장치 사이에 탈착 가스 입구를 포함한다. 루프 반응기의 루프 섹션은, 산소 가스 및 메탄 가스를 루프 섹션에 도입하기 위한 5개의 입구를 포함한다. 질소 가스를 위한 2개의 입구와 수산화 암모늄(ammonium hydroxide)을 위한 3개의 입구가 유체 유동 유닛 작동의 하류 루프 섹션과 조절 가능한 유량 제어 장치의 상류에 존재했다. 황산(sulphuric acid), 인산(phosphoric acid), 수산화 나트륨(sodium hydroxide), 수산화 칼륨(potassium hydroxide), 황산 제일철(ferrous sulphate), 염화칼슘(calcium chloride), 마그네슘(magnesium), 칼륨(potassium) 및 미량 원소(trace element)와 같은 산(acid), 산 염(acid salt) 및 알칼리(alkali)를 위한 입구는 기체/액체 분리 용기와 펌프 사이에 존재했다. 필요에 따라 루프 섹션에서 다상 혼합물로 및 다상 혼합물로부터 열전달을 제공하기 위해 2개의 열교환기가 사용되었다. 루프 반응기는, 조정 가능한 유동 제어 장치를 통해, 상이한 유속에 대해 설정된 조절 가능한 유동 제어 장치로 작동되었다. 체적 펌프(volumetric pump) 출력, 다상 혼합물의 온도, 펌프 출구와 조절 가능한 유량 제어 장치 사이의 루프 섹션 내의 압력, 다상 혼합물의 용존 산소량, 루프 섹션 내로의 산소 체적 유량(volumetric flow rate), 루프 섹션 내로의 메탄의 체적 유량, 루프 섹션 내로의 질소의 체적 유량 및/또는 루프 반응기 내의 다상 혼합물의 pH와 같은 정상 상태 조건(steady state condition)은 제어 밸브가 열린 정도에 따라 달라진다. 제어 밸브를 통한 유속이 특정 레벨로 설정되고, 루프 반응기가 정상 상태로 작동하면, 다음 조건이 관찰된다. 루프 반응기 내의 온도는 약 45℃로 측정되었다. 펌프 입구에서 다상 혼합물의 pH는 약 6.2이었다. 조절 가능한 유동 제어 장치에 대한 입구에서 다상 혼합물의 pH는 펌프와 조절 가능한 유동 제어 장치 사이에서 약 5.3과 약 7.9였다. 다상 혼합물의 밀도는 펌프 출구에서 약 1.7kg/m3이었다. 용존 산소량은 루프 섹션 내의 다른 위치에서 0.07에서 0.36ppm까지 다양하다. 펌프 상류의 압력은 약 0.6 내지 0.7바 게이지였다. 펌프 하류의 압력은 약 3.0바 게이지였다. 조절 가능한 유동 제어 장치의 입구에서의 압력은 약 1.9바 게이지이고, 기체/액체 분리 용기의 헤드스페이스 내의 압력은 약 0.4바 게이지이다.
제어 밸브를 통해 유속을 증가시키거나 감소시키는 루프 반응기의 바이오매스 생산율 및 반응기의 루프 섹션 내의 압력에 대한 영향이 평가되었다. 루프 반응기의 정상 상태 작동 동안, 제어 밸브의 열림(opening)은 제어 밸브를 통한 유속 및 루프 반응기의 루프 섹션 내의 압력이 증가되거나 감소되도록 변화되었다. 제어 밸브를 통해 유속이 변경된 후, 루프 반응기는 안정 상태 작동으로 안정화되었다. 루프 반응기가 정상 상태 작동으로 안정화된 후, 제어 밸브를 통한 유속 및 루프 섹션 내의 압력이 변경된 후, 루프 반응기의 생산율을 결정하기 위해 데이터가 수집되었다. 다음은 그 평가 결과에 대한 요약이다.
제어 밸브를 통해 유속을 감소시킴으로써 루프 섹션 내의 압력을 증가시키는 것은, 제어 밸브를 통해 유속이 감소하기 전에, 생산율에 비해 루프 반응기에서 증가된 바이오매스 생산율을 초래하였다. 제어 밸브를 통해 유속을 감소시킴으로써 루프 섹션 내의 압력을 증가시키는 것은, 또한 제어 밸브와 펌프 출구 사이의 루프 섹션에서 더 높은 압력을 생성시키고, 제어 밸브의 출구와 기체/액체 분리 용기 사이의 루프 섹션에서 더 낮은 압력을 생성시킨다. 제어 밸브를 통해 유속을 증가시킴으로써 루프 섹션 내의 압력을 감소시키는 것은, 제어 밸브를 통해 유속이 증가하기 전에, 루프 반응기에서 생산율에 비해 루프 반응기에서 바이오매스 생산율 감소를 초래하였다. 제어 밸브를 통해 유속을 증가시킴으로써 루프 섹션 내의 압력을 감소시키는 것은, 또한 제어 밸브와 펌프 출구 사이의 루프 섹션에서 더 낮은 압력을 생성시키고, 제어 밸브의 출구와 기체/액체 분리 용기 사이의 루프 섹션에서 더 높은 압력을 생성시킨다. 본 실시예는 본원에 기술된 실시예에 따른 루프 반응기를 포함하는 바이오매스의 생산을 촉진하는 시스템이 바이오매스가 루프 반응기에서 생성되는 비율을 조절할 수 있는 방법을 보여준다.
요약에 기술된 것을 포함하여 설명된 실시예들에 대한 전술한 설명은 포괄적인 것으로서 실시예들을 개시된 정확한 형태로 제한하려는 것은 아니다. 특정 실시예 및 예가 설명의 목적으로 본원에 설명되었지만, 관련 기술 분야의 통상의 기술자에 의해 인식되는 바와 같이, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양한 균등 변형이 이루어질 수 있다. 다양한 실시예의 본원에 제공된 교시는, 바이오매스, 발효기 및 발효 시스템의 생산을 촉진하기 위한 다른 시스템에 적용될 수 있다. 바이오매스, 발효기 및 발효 시스템의 생산을 촉진하기 위한 이러한 시스템은, 화학적 중간 생산(chemical intermediate production) 이외의 목적을 위한 루프 반응기 또는 발효기를 포함할 수 있으며, 식품 또는 음료 생산에 유용한 루프 반응기, 발효기 및 발효 시스템을 포함할 수 있다. 유사하게, 냉각 기체/액체 분리 유닛 작동, 유체 유동 유닛 작동, 영양 공급 서브시스템, 열 전달 유닛 작동 및 제어 서브시스템을 포함하는 본원에 기술된 보조적인 시스템은, 예를 들어 패키지 열교환기 또는 패키지 제어 시스템과 같은 단일 시스템을 포함 할 수 있고, 또는 냉각 또는 워밍 매체(즉, 열 전달 유닛 작동)의 제어된 생산 및 분배를 용이하게 하고, 다상 혼합물의 적어도 일부를 재순환 및 후속 프로레스 또는 판매를 위해 기체, 액체 및 반-고체(semi-solid)로 분리하는 것을 용이하게 하는 방식으로 물리적, 유동적으로 결합된 임의의 수의 하위 구성 요소를 포함하는 맞춤 설계된(custom designed) 시스템을 포함할 수 있다. 제어 서브시스템은 바이오매스 생산 시스템 또는 임의의 보조적인 서브시스템의 전체 또는 일부에 대한 모니터링, 경보, 제어 및 제어 출력을 제공하는 통합되거나 분산된 제어 시스템을 포함할 수 있다. 제어 서브시스템은, 또한 바이오매스 생산 시스템 또는 임의의 보조 서브시스템 중 하나 이상의 양상의 제어를 위한 임의의 수의 개별 루프 제어기 등을 포함할 수 있다.
전술한 상세한 설명은 프로세스 흐름도 및 예시적인 방법의 사용을 통해 장치 및/또는 프로세스의 다양한 실시예를 설명한다. 그러한 블록도, 개략도 및 예가 하나 이상의 기능 및/또는 동작을 포함하는 한, 화학 공학 분야의 기술자에게 잘 알려진 광범위한 기성품 또는 맞춤형 부품을 사용하여 개별적으로 및/또는 집합적으로 이러한 블록도, 플로우차트(flowchart) 또는 예들 내의 각각의 기능 및/또는 동작이 구현되는 분야의 통상의 기술자에 의해 이해될 것이다. 본원에 열거된 미생물 종은 본원에 기재된 바와 같이 바이오매스 및 루프 반응기의 생산을 촉진시키는 시스템에서 지지될 수 있는 잠재적인 미생물 종의 샘플을 제공하기 위한 것이다.
전술한 다양한 실시예는 결합되어 다른 실시예를 제공할 수있다. 2016년 6월 17일자로 출원된 미국 가출원 제62/351,668호는 그 전체가 본 명세서에 참고로 포함된다. 전술한 상세한 설명에 비추어 본 실시예에 대한 이러한 변경 및 다른 변경이 이루어질 수 있다. 일반적으로, 다음의 청구항에서, 사용된 용어는 청구항을 명세서 및 청구항에 개시된 특정 실시예로 제한하는 것으로 해석되어서는 안되며, 그러한 청구항이 부여되는 균등물의 전체 범위와 함께 모든 가능한 실시예를 포함하는 것으로 해석되어야 한다. 따라서, 청구항는 그 개시에 의해 제한되지 않는다.
1: 루프 반응기
2: 배출 가스 제거 구역
3: 수직 하강류 구역
4: 수평 구역
5: 수직 상승류 구역
6: 유출 구역
7: 배출 포트
8: 배출구
9: 액체 배양 배지

Claims (25)

  1. 바이오매스의 생산을 촉진하기 위한 시스템으로서,
    루프 반응기를 포함하되,
    상기 루프 반응기는,
    기체 및 액체 배양 배지의 다상 혼합물을 기체상 및 액체상으로 분리하기 위한 기체/액체 분리 용기로서, 출구 및 입구를 포함하는 기체/액체 분리 용기;
    기체/액체 분리 용기의 상기 출구와 유체 연통하는 입구 및 기체/액체 분리 용기의 상기 입구와 유체 연통하는 출구를 포함하고, 루프 섹션 중심선을 포함하는 루프 섹션; 및
    제1 감압 장치를 포함하는 제1 비-수직 감압 구역을 포함하고, 상기 제1 비-수직 감압 구역은 상기 루프 섹션의 상기 입구와 상기 루프 섹션의 상기 출구 사이에 위치되며, 상기 기체/액체 분리 용기의 상기 입구에서의 상기 루프 섹션 중심선과 상기 루프 섹션의 상기 입구에서의 상기 루프 섹션 중심선 사이의 수직 거리가 약 8m 미만인 시스템.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 감압 장치는 유동 제어 장치 및 팽창 조인트(expansion joint)로부터 선택되는 시스템.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 비-수직 감압 구역의 하류에 제2 감압 구역을 더 포함하는 시스템.
  4. 제2 항에 있어서,
    상기 제2 감압 구역은 제2 비-수직 감압 구역인 시스템.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 기체/액체 분리 용기의 상기 입구에서 상기 루프 섹션 중심선과 상기 루프 섹션의 상기 입구에서 상기 루프 섹션 중심선 사이의 상기 수직 거리가 6m 미만인 시스템.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 기체/액체 분리 용기의 상기 입구에서 상기 루프 섹션 중심선과 상기 루프 섹션의 상기 입구에서 상기 루프 섹션 중심선 사이의 상기 수직 거리가 5m 미만인 시스템.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 루프 반응기는 탈착 가스 입구를 더 포함하고, 상기 탈착 가스 입구는 상기 루프 반응기의 상기 루프 섹션의 비-수직 부분에 위치하는 시스템.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 감압 장치는 정수압의 변화에 의존하지 않고 압력을 감소시키는 장치인 시스템.
  9. 바이오매스의 생산을 촉진하기 위한 프로세스로서,
    루프 반응기의 루프 섹션, 기체 및 액체 배양 배지의 다상 혼합물을 통해 유동하는 단계; 상기 루프 섹션은 루프 섹션 중심선을 포함하고,
    상기 다상 혼합물에 영양소를 도입하는 단계;
    상기 다상 혼합물에 메탄 및 산소를 도입하는 단계;
    상기 루프 반응기의 제1 비-수직 감압 구역을 통해 기체 및 액체 배양 배지의 상기 다상 혼합물을 통과시키는 단계; 상기 루프 반응기의 상기 제1 비-수직 감압 구역은 제1 감압 장치를 포함하고,
    기체 및 액체 배양 배지의 상기 다상 혼합물을 상기 제1 감압 장치의 하류의 기체상 및 액체상으로 분리하는 단계;
    기체 및 액체 배양 배지의 상기 다상 혼합물로부터 분리된 상기 기체상 및 상기 액체상을, 상기 기체/액체 분리 용기의 입구를 통해, 기체/액체 분리 용액으로 유동 시키는 단계; 상기 기체/액체 분리 용기의 상기 입구는 중심선을 포함하고, 그리고
    상기 기체/액체 분리 용기의 출구로부터 상기 액체상을 제거하고, 상기 제거된 액체상을 상기 루프 섹션의 입구로 전달하는 단계를 포함하고, 상기 루프 섹션의 상기 입구에서 상기 루프 섹션의 중심선과 상기 기체/액체 분리 용기의 상기 입구의 상기 중심선 사이의 수직 거리는 8m 미만인 프로세스.
  10. 제9 항에 있어서,
    제1 비-수직 감압 구역을 통해 기체 및 액체 배양 배지의 상기 다상 혼합물을 통과시키는 단계는, 기체 및 액체 배양 배지의 상기 다상 혼합물을 밸브, 팽창 조인트, 정적 혼합기 또는 파이핑 엘보를 통해 통과시키는 단계를 포함하는 프로세스.
  11. 제9 항에 있어서,
    기체 및 액체 배양 배지의 상기 다상 혼합물을 상기 제1 비-수직 감압 구역의 하류의 제2 감압 구역을 통과시키는 단계를 더 포함하는 프로세스.
  12. 제9 항에 있어서,
    상기 루프 섹션의 상기 입구에서 상기 루프 섹션의 상기 중심선과 상기 기체/액체 분리 용기의 상기 입구의 상기 중심선 사이의 상기 수직 거리가 6m 미만인 프로세스.
  13. 제9 항에 있어서,
    상기 루프 섹션의 상기 입구에서 상기 루프 섹션의 상기 중심선과 상기 기체/액체 분리 용기의 상기 입구의 상기 중심선 사이의 상기 수직 거리가 5m 미만인 프로세스.
  14. 제9 항에 있어서,
    상기 루프 반응기의 상기 루프 섹션의 비-수직 부분에 탈착 가스를 도입하는 단계를 더 포함하는 프로세스.
  15. 제9 항에 있어서,
    제1 비-수직 감압 구역을 통해 기체 및 액체 배양 배지의 상기 다상 혼합물을 통과시키는 단계는, 기체 및 액체 배양 배지의 상기 다상 혼합물을 정수압의 변화와 상관 없이 압력을 감소시키는 장치를 통해 통과시키는 단계를 포함하는 프로세스.
  16. 루프 반응기에서 바이오매스의 생산을 촉진하는 프로세스로서,
    기체 및 액체 배양 배지의 다상 혼합물을 상기 루프 반응기의 제1 비-수직 감압 구역을 통해 통과시키는 단계; 상기 루프 반응기의 상기 제1 비-수직 감압 구역은 제1 감압 장치를 포함하고,
    기체 및 액체 배양 배지의 상기 다상 혼합물을 상기 제1 감압 장치의 하류의 기체상 및 액체상으로 분리하는 단계;
    기체 및 액체 배양 배지의 상기 다상 혼합물로부터 분리된 상기 기체상 및 액체상을, 상기 기체/액체 분리 용기의 입구를 통해, 기체/액체 분리 용기 로 통과시키는 단계; 상기 기체/액체 분리 용기의 입구는 중심선을 포함하고, 그리고
    상기 기체/액체 분리 용기의 출구로부터 액체상을 제거하고, 상기 제거된 액체상을 상기 루프 반응기의 루프 섹션의 입구로 전달하는 단계를 포함하고, 상기 루프 섹션의 상기 입구에서 상기 루프 섹션의 중심선과 상기 기체/액체 분리 용기의 상기 입구의 상기 중심선 사이의 수직 거리는 8m 미만인 프로세스.
  17. 제16 항에 있어서,
    상기 루프 섹션의 상기 입구에서 상기 루프 섹션의 상기 중심선과 상기 기체/액체 분리 용기의 상기 입구의 상기 중심선 사이의 상기 수직 거리가 6m 미만인 프로세스.
  18. 제16 항에 있어서,
    상기 루프 섹션의 상기 입구에서 상기 루프 섹션의 상기 중심선과 상기 기체/액체 분리 용기의 상기 입구의 상기 중심선 사이의 상기 수직 거리가 5m 미만인 프로세스.
  19. 제16 항에 있어서,
    상기 제1 감압 장치는 정수압의 변화에 의존하지 않고 압력을 감소시키는 장치인 프로세스.
  20. 제1 항에 있어서,
    상기 루프 반응기는 탈착 가스 입구를 더 포함하되, 상기 탈착 가스 입구는 상기 기체/액체 분리 용기와 상기 제1 비-수직 감압 구역 사이에 위치되는 시스템.
  21. 제9 항에 있어서,
    상기 다상 혼합물이 상기 제1 감압 장치의 하류의 기체상 및 액체상으로 분리되기 전에, 그리고 상기 다상 혼합물이 상기 제1 비-수직 감압 구역을 통과한 후에, 상기 다상 혼합물에 탈착 가스를 도입하는 단계를 더 포함하는 프로세스.
  22. 제16 항에 있어서,
    상기 다상 혼합물이 상기 제1 감압 장치의 하류의 기체상 및 액체상으로 분리되기 전에, 그리고 상기 다상 혼합물이 상기 제1 비-수직 감압 구역을 통과한 후에, 상기 다상 혼합물에 탈착 가스를 도입하는 단계를 더 포함하는 프로세스.
  23. 제2 항에 있어서,
    상기 유동 제어 장치는 제어 밸브인 시스템.
  24. 제9 항에 있어서,
    제1 비-수직 감압 구역을 통해 기체 및 액체 배양 배지의 상기 다상 혼합물을 통과시키는 단계는, 유동 제어 장치를 통해 상기 다상 혼합물을 통과시키는 단계를 포함하는 프로세스.
  25. 제16 항에 있어서,
    제1 비-수직 감압 구역을 통해 기체 및 액체 배양 배지의 상기 다상 혼합물을 통과시키는 단계는, 유동 제어 장치를 통해 상기 다상 혼합물을 통과시키는 단계를 포함하는 프로세스.
KR1020197000117A 2016-06-17 2017-06-16 가스 공급 발효 반응기, 시스템 및 프로세스 KR20190017871A (ko)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201662351668P 2016-06-17 2016-06-17
US62/351,668 2016-06-17
PCT/US2017/038008 WO2017218978A1 (en) 2016-06-17 2017-06-16 Gas-fed fermentation reactors, systems and processes

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20190017871A true KR20190017871A (ko) 2019-02-20

Family

ID=59254039

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020197000117A KR20190017871A (ko) 2016-06-17 2017-06-16 가스 공급 발효 반응기, 시스템 및 프로세스

Country Status (10)

Country Link
US (4) US10570364B2 (ko)
EP (1) EP3472300A1 (ko)
JP (1) JP2019517806A (ko)
KR (1) KR20190017871A (ko)
CN (1) CN109312281A (ko)
AU (1) AU2017286677A1 (ko)
BR (1) BR112018076053A2 (ko)
CA (1) CA3025256A1 (ko)
RU (1) RU2747305C2 (ko)
WO (1) WO2017218978A1 (ko)

Families Citing this family (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2008143889A1 (en) 2007-05-14 2008-11-27 Research Foundation Of State University Of New York Induction of a physiological dispersion response in bacterial cells in a biofilm
KR20190017871A (ko) 2016-06-17 2019-02-20 칼리스타, 인코포레이티드 가스 공급 발효 반응기, 시스템 및 프로세스
BR112019013989A2 (pt) 2017-01-10 2020-04-28 Calysta Inc reatores, sistemas e processos de fermentação alimentados com gás que utilizam uma zona de fluxo vertical
ES2914725T3 (es) * 2017-03-10 2022-06-15 Dow Global Technologies Llc Sistemas y métodos de fermentación aeróbica
RU2022107652A (ru) 2017-08-14 2022-04-26 Калиста, Инк. Процессы и система стимуляции производства биомассы, емкость разделения газа/жидкости
EP3732282A4 (en) * 2017-12-28 2021-10-13 Locus IP Company, LLC REACTORS AND UNDERWATER FERMENTATION PROCESSES FOR THE MANUFACTURE OF MICROBASED PRODUCTS
EP4041862A1 (en) 2019-10-07 2022-08-17 Calysta, Inc. Methods for culturing methanotrophic bacteria and isolating proteins from bacterial biomass
WO2021071895A1 (en) 2019-10-07 2021-04-15 Calysta, Inc. Food compositions comprising methylococcus capsulatus protein isolate
US11480581B2 (en) 2019-12-17 2022-10-25 Calysta, Inc. Compositions and methods for tracing the diet of an animal
US20220119851A1 (en) 2020-10-20 2022-04-21 Calysta, Inc. Heme-containing cell culture media and uses thereof
WO2023107901A2 (en) 2021-12-06 2023-06-15 Calysta, Inc. Integrated systems and methods for combining methanotrophic bacterial biomass production and methanation process

Family Cites Families (41)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2608480A1 (de) 1976-03-02 1977-09-08 Hoechst Ag Verfahren zur verbesserung des stofftransportes in fluessigen medien
FI63613C (fi) 1981-06-05 1983-07-11 Enso Gutzeit Oy Anordning foer avlaegsnande av gas fraon pappersmassasuspension
JPS58119387A (ja) 1982-01-11 1983-07-15 Masuo Shimura 水面浮遊物吸引装置
US4530762A (en) 1984-03-28 1985-07-23 Love Leonard S Anaerobic reactor
IE58568B1 (en) * 1984-11-15 1993-10-06 Suiker Unie Method and device for the carrying out of a microbiological or enzymatic process
CH667879A5 (de) * 1985-10-28 1988-11-15 Sulzer Ag Fermentationsanlage.
GB8527335D0 (en) 1985-11-06 1985-12-11 Ici Plc Fermentation process
HU199557B (en) 1987-06-12 1990-02-28 Biogal Gyogyszergyar Equipment of fermentation for breeding of aerobic microorganisms
DK163066C (da) * 1989-08-07 1992-06-15 Dansk Bioprotein Fremgangsmaade og apparat til udfoerelse af en fermentering
CN2279200Y (zh) 1996-09-19 1998-04-22 中国人民解放军工程兵工程学院 液体气泡去除器
US6120008A (en) 1998-04-28 2000-09-19 Life International Products, Inc. Oxygenating apparatus, method for oxygenating a liquid therewith, and applications thereof
US6492135B1 (en) 1999-05-18 2002-12-10 Ebbe Busch Larsen U-shape and/or nozzle u-loop fermentor and method of carrying out a fermentation process
GB0003620D0 (en) 2000-02-16 2000-04-05 Norferm Da Method
US6660507B2 (en) 2000-09-01 2003-12-09 E. I. Du Pont De Nemours And Company Genes involved in isoprenoid compound production
US6689601B2 (en) 2000-09-01 2004-02-10 E. I. Du Pont De Nemours And Company High growth methanotropic bacterial strain
US6818424B2 (en) 2000-09-01 2004-11-16 E. I. Du Pont De Nemours And Company Production of cyclic terpenoids
DK1419234T3 (da) 2001-08-16 2011-05-16 Statoil Asa Fremgangsmåde til fermentering
AU2003272448A1 (en) 2002-09-17 2004-04-08 Chevron Phillips Chemical Company Lp Improved pumping apparatus and process for slurry polymerization in loop reactors
US20050272891A1 (en) * 2004-02-13 2005-12-08 Atofina Research S.A. Double loop technology
US8492489B2 (en) * 2004-02-13 2013-07-23 Total Petrochemicals Research Feluy Double loop technology
US8648209B1 (en) 2005-12-31 2014-02-11 Joseph P. Lastella Loop reactor for making biodiesel fuel
US7575163B2 (en) 2006-07-18 2009-08-18 At&T Intellectual Property I, L.P. Interactive management of storefront purchases
CN101396628A (zh) 2007-09-30 2009-04-01 陆飞浩 卧式气液分离器
CN101683576B (zh) 2008-09-24 2011-12-28 北京名辉宝狮油田设备有限公司 分离器和具有该分离器的流量计总成系统
WO2010056461A2 (en) 2008-11-12 2010-05-20 Uni-Control, Llc Vertical shaft reactor systems
MX2011006447A (es) 2008-12-15 2011-09-27 Ebbe Busch Larsen Fermentador en forma de u y/o de circuito en forma de u con boquillas y metodo de fermentacion.
DE102009026366A1 (de) 2009-08-12 2011-02-17 Technische Universität München Fermentationsbehälter sowie Verfahren und Vorrichtung zur Fermentation
US20110174159A1 (en) 2010-01-15 2011-07-21 Westinghouse Electric Company Llc Pump suction gas separator
CN102198984A (zh) 2010-03-26 2011-09-28 北京石油化工学院 含油废水处理用多相分离方法与系统
CN103657158B (zh) 2012-09-18 2015-05-27 中国石油天然气股份有限公司 仰角式油气水三相分离器
JP6051730B2 (ja) 2012-09-24 2016-12-27 東洋製罐グループホールディングス株式会社 気泡除去方法、及び気泡除去装置
JP6487325B2 (ja) 2012-10-08 2019-03-20 キャリスタ， インコーポレイテッド Ｇａｓ−ｆｅｄ発酵システム
GB2507109A (en) 2012-10-19 2014-04-23 Advanced Technology And Engineering Ltd Atel Fermenter comprising gas and liquid re-circulation loops
US9084946B2 (en) 2013-04-08 2015-07-21 Hamilton Sundstrand Space Systems International Inc. Vortex separator and separation method
MX2016003337A (es) 2013-09-13 2016-09-16 Peroxychem Llc Tratamiento de oxidos de nitrogeno en corrientes de gas de humero.
RU2580646C1 (ru) * 2015-08-03 2016-04-10 Общество с ограниченной ответственностью "ГИПРОБИОСИНТЕЗ" Ферментационная установка для метанассимилирующих микроорганизмов
KR20190017871A (ko) 2016-06-17 2019-02-20 칼리스타, 인코포레이티드 가스 공급 발효 반응기, 시스템 및 프로세스
BR112019013989A2 (pt) 2017-01-10 2020-04-28 Calysta Inc reatores, sistemas e processos de fermentação alimentados com gás que utilizam uma zona de fluxo vertical
CN106861243A (zh) 2017-03-21 2017-06-20 苏州市海崴生物科技有限公司 一种气液分离及平稳流体流速的气泡陷阱
RU2022107652A (ru) 2017-08-14 2022-04-26 Калиста, Инк. Процессы и система стимуляции производства биомассы, емкость разделения газа/жидкости
WO2019036017A1 (en) 2017-08-16 2019-02-21 Calysta, Inc. METHOD FOR ENHANCING ACCUMULATION OF POLYUNSATURATED FATTY ACID IN AN ANIMAL

Also Published As

Publication number Publication date
US10570364B2 (en) 2020-02-25
US20220259548A1 (en) 2022-08-18
AU2017286677A1 (en) 2018-12-06
CA3025256A1 (en) 2017-12-21
US20200172853A1 (en) 2020-06-04
JP2019517806A (ja) 2019-06-27
US11332706B2 (en) 2022-05-17
CN109312281A (zh) 2019-02-05
RU2747305C2 (ru) 2021-05-04
US10538730B2 (en) 2020-01-21
US20170362562A1 (en) 2017-12-21
RU2019100506A (ru) 2020-07-17
EP3472300A1 (en) 2019-04-24
US20190264164A1 (en) 2019-08-29
WO2017218978A1 (en) 2017-12-21
RU2019100506A3 (ko) 2020-10-19
BR112018076053A2 (pt) 2019-03-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11795428B2 (en) Gas-fed fermentation reactors, systems and processes utilizing a vertical flow zone
US11332706B2 (en) Gas-fed fermentation reactors, systems and processes
US11939567B2 (en) Gas-fed fermentation reactors, systems and processes utilizing gas/liquid separation vessels
EP2904088B1 (en) Gas-fed fermentation systems

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E601 Decision to refuse application