KR20190102249A - 수직 유동 구역을 이용하는 가스 공급 발효 반응기, 시스템 및 프로세스 - Google Patents

수직 유동 구역을 이용하는 가스 공급 발효 반응기, 시스템 및 프로세스 Download PDF

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KR20190102249A
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루안 탄 누엔
조슈아 에이. 실버맨
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칼리스타, 인코포레이티드
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Abstract

실질적으로 수직 유동 구역을 이용하는 루프 반응기에서 순환하는 수성의 액체 배양 배지에서 미생물을 배양함으로써 바이오매스를 생산하는 반응기, 시스템 및 방법이 기재되어 있다. 단백질 또는 탄화수소와 같은 생성물을 얻기 위한 배양 미생물의 회수 및 처리가 기재되어 있다.

Description

수직 유동 구역을 이용하는 가스 공급 발효 반응기, 시스템 및 프로세스
본 발명은 발효에 유용한 반응기, 시스템 및 프로세스에 관한 것으로, 특히 가스 기질을 이용하는 발효 반응기, 시스템 및 프로세스에 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, 바이오디젤)로 대체하는 것은 산업적인 관심사가 되고 있다. 그러나 지금까지 생성된 바이오 연료는 자체적인 어려움과 우려를 가지고 있다. 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 동물의 소비를 위해 재배된 작물과 경쟁한다. 전 세계적으로 이용 가능한 농지의 양은 식량과 연료에 대해 증가하는 요구를 충족시키기에 부족하다. 바이오 연료 호환성 곡물에 대한 식량 생산자의 수요를 줄이기 위해, 셀룰로오스(cellulose) 또는 조류(algae)와 같은 대체 생물학적 물질을 사용하는 2세대 바이오 연료가 개발 중이다. 그러나, 높은 생산 비용과 함께, 생산의 기술적인 어려움은 2 세대 바이오 연료를 더 비용-효율적이거나 이용 가능하게 하지 못한다.
3세대 또는 차세대 바이오 연료는 식품 원료가 아닌 대체 탄소 공급 원료를 이용하여 만들어진다. 이러한 노력의 일환으로, 연료, 윤활유 및 플라스틱을 포함한 더 높은 탄화수소(higher hydrocarbon) 화합물의 생산에 있어 비생물학적 기반의 대안적인 공급 원료의 사용이 지속적으로 증가하고 있다. 이러한 공급 원료는 하나 이상의 탄소-함유 화합물 또는 그 중에서도, 메탄 및 합성가스(syngas)를 포함하는 탄소-함유 및 비탄소-화합물의 혼합물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 메탄은 상대적으로 풍부하고 자연적으로 발생하며, 전 세계 여러 곳에서 발견된다. 또한, 메탄은 많은 생물학적 부패 과정에서 생성되고, 그러므로 폐기물 처리 및 쓰레기 매립 시설에서 포획될 수 있다. 이것의 상대적인 풍부성에 의해, 메탄은 상대적 온실 가스 기여도가 CO2의 23배인 강력한 온실 가스이다. 역사적으로, 메탄은, 더 높은 가치의 제품으로 전환되기 어렵거나, 원격 가스 발생지 또는 연안 생산 플랫폼과 같은 원격 또는 좌초 장소(stranded location)로부터 시장(marketplace)으로 운송하기 어려운 다소 가치 있는 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 또는 C2 이상의 높은 수 또는 더 높은 탄화수소로 전환시키는 능력은 생산자가 상대적으로 풍부하고, 비생물학적으로 생산된 공급 원료를 이용할 수 있게 하며, 동시에 상당한 환경적 이익을 제공한다.
국내 메탄 생산량의 증가는 메탄을 국내에서 보다 쉽게 이용할 수 있게 한다. 국내 천연 가스는 수압 프래킹(hydraulic fracking)("프래킹(fracking)”)에 의해 주로 생산되지만, 메탄은 또한 쓰레기 매립과 하수와 같은 다른 공급원으로부터 얻을 수 있다. 그러나 메탄의 휘발성은 연료로서 메탄의 운송 및/또는 직접 사용이 문제가 되게 한다.
이러한 이유로, 메탄을 하나 이상의 액상 제품 (예를 들어 자동차 연료)으로 전환하여 사용 지점 또는 판매 지점으로 보다 쉽게 운송할 수 있도록 하는 강력한 인센티브(incentive)가 있다. 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))의 두 가지 주요 접근법이 현재 추진 중에 있다. 피셔 트롭쉬(Fischer Tropsch, F-T) 프로세스(process)는 현재 다량의 메탄을 고차 탄화수소로 전환시키는 가장 보편적인 접근법이다(2005, 파텔). 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, 낮은 생산량, 낮은 선택성(다운 스트림(downstream) 이용 복합(complex)화)을 포함하는 많은 단점이 있고, 경제적인 생산을 이루기 위해 상당한 자본 지출과 규모가 필요하다. (NRELlTP-510-34929, 2003, 12월, 스파트 및 데이턴(Spath and Dayton)). F-T 설비에 요구되는 거대한 규모(일반적으로 자본 비용 20억 달러를 초과함 [파텔, 2005])는 F-T 프로세스의 막대한 자본 비용을 상쇄하기 위해 필요한 대량의 메탄 공급 원료로 인해 상당한 한계를 보여준다. 대부분의 경우 메탄 운송이 상당히 비싸기 때문에, 그러한 설비는 안정되고, 신뢰성 있고, 비용 효율적인 메탄 공급원과 함께 있어야 하며, 대개 아주 큰(significant) 메탄 저장소 또는 메탄 파이프라인(pipeline)의 형태로 있어야한다. 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 경제력이다.
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 요건은 “좌초된(stranded)” 가스 침전물로 남아 있는 더 작은 메탄 공급원이 된다. 그러한 좌초된 가스(stranded gas)는 연안 유정(oil well)에서 생성된 천연 가스 또는 쓰레기 매립지로부터의 메탄 배출-가스(off-gas)를 포함할 수 있지만, 이에 한정되지 않는다. 현재 효율적인 소규모 전환 기술이 없기 때문에, 메탄 누적이 상당한 안전 위험을 초래하므로, 그러한 좌초된 가스 공급원은 일반적으로 대기중으로 배출되거나 연소된다. 피셔-트롭쉬(Fischer-Tropsch) 프로세스를 사용하는 가스에서 액체로의 시설은 1938년 이후 반연속적으로 운영되고 있다. 현재 몇몇 회사는 전술한 메탄의 현재 사용 가능성과 가격을 고려하여 새로운 설비의 도입을 조사하고 있다. 그러나, 지난 70년 이상의 상당한 연구 및 개발에도 불구하고, 피셔-트롭쉬 기술의 한계는 상업적인 가스에서 액체로의 프로세스의 광범위한 채택을 방해한다.
동물성 사료 이용 효율의 향상은 사료 첨가제의 사용을 통해 지난 수십년 동안 달성되었다. 이러한 첨가물은 동물성 사료 구성요소들의 영양 성분, 에너지 함량 및/또는 질병 저항(disease fighting) 특성을 증가시킨다. 상업적 동물 생산자에게 증가하는 과제(growing challenge)는 곡물 가격 상승이다. 가격 상승은 부분적으로 바이오 연료와 인간의 식량 사용을 위한 곡물에 대한 경쟁적인 수요 때문이다. 사료 생산에 이용 가능한 제한된 토지와 함께, 곡물과 단백질 보충물들의 가격 상승과 더불어, 유익한 영양분 및 질병 저항 특성을 가진 대체 저비용 동물 사료 제품들이 바람직하다.
사람의 음식과 동물성 사료에서, 많은 다른 단백질-함유(protein-containing)물질이 어분(fish meal), 콩 제품(soya product) 및 혈장(blood plasma)과 같은 전통적인 단백질 공급원의 대체물로 제안되었다. 이러한 단백질-함유 물질은 높은 비율의 단백질을 포함하는 곰팡이(fungi), 효모(yeast), 박테리아와 같은 단세포 미생물을 포함한다. 이들 미생물은 탄화수소 또는 다른 기질(substrate) 상에 증식할 수 있다.
이러한 점에서, 탄소 공급원으로 C1 기질을 이용한 생물학적 발효는 식량 공급원과 화학 물질/연료 생산을 위한 발효간의 현재의 경쟁과, 대안적인 저비용 동물성 사료 제품의 필요성, 천연 가스의 이용을 위한 좋은 선택의 결여에 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 요건으로 인해 상당한 문제를 제기한다. 동시에, O2 또는 H2와 같은 다른 기체는 세포 대사가 진행되는 것을 허용하기 위해 기체상으로부터 이동되도록 요구될 수 있다(각각 호기성(aerobic) 또는 혐기성(anaerobic) 대사(metabolism)). 폐기물(호기성 대사의 경우 CO2와 같은)은 효율적인 미생물 증식을 위해 미생물과 분리되어야 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 전달은 물질 전달 계수(mass transfer coefficient)로 설명될 수 있다. 유동(flux)은 물질 전달 계수, 표면적 및 농도 차이(Flux = k A
Figure pct00001
C)의 곱과 동일하다.
물질 전달 계수는 이동될 분자의 크기, 수상에서의 용해도 및 상들 사이의 경계층의 크기(전형적으로 혼합 속도와 난류(turbulence)에 의해 발효 시스템에서 제어됨)를 포함하는 다양한 요인에 의해 영향을 받는다. 대부분의 발효 시스템에서 기체 및 액체상 사이의 표면적은 주로 입력 기체의 기포(bubble) 크기에 의해 제한된다. 기포 크기는 작은 기공을 통해 기체를 도입하고, 기포를 분해하고 유착(coalescence)을 방지하기 위해 전단력(shear force)을 증가시킴으로써 제어될 수 있다. 농도 차이는 기체상 경계 층에 걸친 농도 차이, 액체상 경계층에 걸친 농도 차이, 대량(bulk) 증기와 대량(bulk) 액체와 평형을 이루는 증기 사이의 농도 차이, 또는 대량(bulk) 액체와 대량(bulk) 증기와 평형을 이루는 액체 사이의 농도 차이 일 수 있다. 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 fermenter)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 발생시키고, 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 가스 기포 분산이 가능하다는 것이다. 그러나, 이러한 유형의 발효기는 용량이 증가함에 따라 동일한 비율의 혼합 및 물질 전달을 얻기 위한 에너지 요건들이 엄청나게 클 수 있기 때문에, 스케일-업(scale-up)하기가 어려울 수 있다. 또한, 강력한 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 fermenter)라고도 함) 또는 동심원(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 대체하고, 반응기는 바닥에서 액체를 대체하기 위해 하강류 섹션을 따라 이동하며, 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 압력이 높이에 따라 감소하기 때문에, 기포 크기는 발효기 전반에 걸쳐 현저하게 증가한다. 증가하는 기포 직경은 물질 전달이 발생할 수 있는 기체 기포 체적(기체 기포 반경의 세제곱(cube)에 비례함)에 대한 기체 기포 영역(기체 기포 반경의 제곱(square)에 비례함)의 비율을 감소시킴으로써, 기체 기포와 액체상 사이의 물질 전달 속도를 비례적으로(proportionately) 감소시킨다. 에어리프트 발효기의 유속 및 전단력은 기포 유착을 증가시키고 발효기의 냉각 효율을 감소시키는 경향이 있는 교반 탱크 발효기보다 현저히 낮다. 최종적으로, 하강류 섹션으로의 액체의 순환 이전에, 발효기의 상승류 부분을 나가는 혼합물로부터 미사용(unused) 가스 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 양분 가스(nutrient gas) 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 상류는 루프 반응기로부터 물질을 제거하기 위한 출구 포트(exit port)(12)가 있다. 프로펠러(10)의 하류는 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 양분 가스 유입구(13)를 포함한다. 최종 정적 혼합기(14)의 하류에, 루프 반응기는 수직 상승류 섹션(5)을 포함한다. 수직 상승류 섹션(5)의 상단부는 수평 유출 구역(6)과 유동적으로 연통한다. 수직 상승류 섹션(5)은 양분 가스 유입구(16)가 제공된다. 양분 가스 유입구(16)의 하류는 구동 가스(drive gas) 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 표면(22)과 적어도 10m인 수평 섹션에서 루프의 중심선 사이에 수직 방향 강하를 갖는다고 기술하고 있다.
'163 특허에 기재된 유형의 루프반응기는 비교적 큰 공간(footprint)을 필요로 할 수 있고, 그러한 반응기들의 전부 또는 일부를 수용하기에 충분한 체적을 가지는 건물(building)을 필요로 할 수 있다. 루프 반응기에 의해 필요한 공간 및 건물 체적은 다른 방법으로는 사용될 수 없다. 루프 반응기 이외의 다른 생물 반응기(bioreactor)는 또한 비교적 큰 공간을 차지할 수 있고, 그러한 반응기들의 전부 또는 일부를 수용하기에 충분한 체적을 가지는 건물을 필요로 할 수 있다. 부동산 가치가 증가함에 따라, 생물반응기에 의해 차지되는 공간의 비용은 더 부담이 된다. 생물반응기의 성능을 저하시키는 것 없이 생물반응기에 의해 차지되는 공간 및 체적을 줄이는 것은 토지 비용 및 건물 비용의 증가의 부담을 줄일 수 있다.
일 측면에서, 본 발명은 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 원료를 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 기체상에서 액체상으로 물질 전달의 높은 유동(flux)을 허용하기 위한 측정할 수 있는(scalable) 발효기 설계를 기술한다. 당 업계에 공지된 단점을 극복하고 다양한 제품의 최적의 생산을 위한 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), 또는 슈도모나스(Pseudomonas)와 같은 원핵 생물(prokaryotes) 또는 박테리아를 포함한다. 일 예에서, C1 대사성 미생물은 메탄영양체(methanotroph), 메틸영양체(methylotroph) 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 바람직한 메탄영양체(methanotrophs)는 메틸로모나스(Methylomonas), 메틸로박터(Methylobacter), 메틸로코쿠스(Methylococcus). 메틸로시너스(Methylosinus), 메틸로시스티스(Methylocystis), 메틸로마이크로비움(Methylomicrobium), 메타노모나스(Methanomonas), 또는 이들의 조합을 포함한다. 예시적인 메탄영양체(methanotrophs)는 메틸로모나스(Methylomonas) sp . 16a (ATCC PTA 2402), 메틸로시너스 트리코스포리움(Methylosinustrichosporium)(NRRL B-ll, 196), 메틸로시너스 스포리움( Methylosinus sporium )(NRRL B-ll, 197), 메틸로시스티스 파르부스(Methylocystis parvus)(NRRL B-ll, 198), 메틸로모나스 메타니카(Methylomonas methanica)(NRRL B-5 11,199), 메틸로모나스 알부스(Methylomonas albus)(NRRL B-ll, 200), 메틸로박터 캡슐라터스(Methylobacter capsulatus)(NRRL B-11,201), 메틸로박테리움 오르가노필룸(Methylomicrobium alcaliphilum)(ATCC 27,886), 메틸로모나스(Methylomonas) sp . AJ-3670(FERM P-2400), 메틸로마이크로비움 알칼리필룸(Methylomicrobium alcaliphilum), 메틸로셀라 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 고(high) 성장 변이체(highgrowth variant)를 포함한다. 바람직한 메틸영양체(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) 또는 이들의 조합을 포함하지만, 이에 한정되지 않는다. 예시적인 메틸영양체(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. 일 예에서, 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 진정 메탄영양체(obligate methanotroph), 진정 메틸영양체(obligate methylotroph) 또는 이들의 조합과 같은 진정 C1 대사성 비-광합성 미생물이다. 일 예에서, C1 대사성 비-광합성 미생물은 지방산 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.
제1실시예는 루프 반응기를 포함하는 바이오매스의 생산을 촉진하는 시스템에 관한 것이다. 상기 루프 반응기는 기체 및 액체 배양 배지의 다상 혼합물(multi-phase mixture)을 기체상 및 액체상으로 분리하기 위한 출구 및 입구를 포함하는 기체/액체 분리 용기; 상기 기체/액체 분리 용기의 출구와 유체 연통하는 입구 및 상기 기체/액체 분리 용기의 입구와 유체 연통하는 출구를 포함하는 루프 섹션; 상기 루프 섹션 입구와 상기 루프 섹션 출구 사이에 적어도 하나의 실질적 수평 구역; 상기 루프 섹션의 입구와 상기 루프 섹션의 출구 사이에 위치한 제1 실질적 수직 유동 구역; 및 상기 제1 실질적 수직 유동 구역 및 상기 루프 섹션의 출구 사이에 위치한 제2 실질적 수직 유동 구역;을 포함하고, 작동시, 다상 혼합물은 상기 제2 실질적 수직 유동 구역을 통하여 흐르고, 상기 다상 혼합물은 동일 방향으로 상기 제1 실질적 수직 유동 구역을 통하여 흐른다.
본원에 개시된 제2 실시예는 제3 실질적 수직 유동 구역을 포함하는 제1 실시예에 관한 것이며, 제3 실질적 수직 유동 구역은 제2 실질적 수직 유동 구역과 루프 섹션의 출구 사이에 위치하고, 작동시, 다상 혼합물이 제1 실질적 수직 유동 구역 및 제2 실질적 수직 유동 구역을 통해 흐르는 것과 동일한 방향으로 다상 혼합물이 제3 실질적 수직 유동 구역을 통해 흐른다.
본원에 개시된 제3 실시예는 제1 실시예 및 제2 실시예의 시스템에 관한 것이고, 루프 반응기가 작동할 때, 적어도 하나의 실질적 수평 구역에서 다상 혼합물의 기체와 액체 배양 배지 사이에 물질 전달은 실질적 수평 구역 부피 물질 전달 속도(kLa)에 의해 특징지어지고, 루프 반응기가 작동할 때, 제1 실질적 수직 유동 구역에서 다상 혼합물의 기체와 액체 배양 배지 사이에 물질 전달은 제1 실질적 수직 유동 구역 부피 물질 전달 속도(kLa)에 의하여 특징지어지며, 루프 반응기가 작동할 때, 제2 실질적 수직 유동 구역에서, 다상 혼합물의 기체와 액체 배양 배지 사이에 물질 전달은 제2 실질적 수직 유동 구역 부피 물질 전달 속도(kLa)에 의해 특징지어지고, 제1 실질적 수직 유동 구역 부피 물질 전달 속도(kLa) 및 제2 실질적 수직 유동 구역 부피 물질 전달 속도(kLa) 중 적어도 하나는 실질적 수평 구역 부피 물질 전달 속도(kLa)보다 2 내지 5배 더 크다.
본원에 개시된 제4 실시예는 루프 반응기를 포함하는 바이오매스의 생산을 촉진하기 위한 시스템에 관한 것으로, 루프 반응기는 기체 및 액체 배양 배지의 다상 혼합물을 기체상 및 액체상으로 분리하기 위한, 출구 및 입구를 포함하는 기체/액체 분리 용기; 상기 기체/액체 분리 용기의 출구와 유체 연통하는 입구 및 상기 기체/액체 분리 용기의 입구와 유체 연통하는 출구를 포함하는 루프 섹션; 상기 루프 섹션 입구와 상기 루프 섹션 출구 사이에 제1 실질적 수평 구역 - 상기 제1 실질적 수평 구역은, 루프 반응기가 작동할 때, 다상 혼합물이 제1 방향으로 흐르는 제1 유동 섹션 및 루프 반응기가 작동할 때, 다상 혼합물이 제1 방향과 상이한 제2 방향으로 흐르는 제2 유동 섹션을 포함함-; 상기 루프 섹션 입구와 상기 루프 섹션 출구 사이에 제2 실질적 수평 구역 - 상기 제2 실질적 수평 구역은, 루프 반응기가 작동할 때, 다상 혼합물이 제3 방향으로 흐르는 제3 유동 섹션 및 루프 반응기가 작동할 때, 다상 혼합물이 제3 방향과 상이한 제4 방향으로 흐르는 제4 유동 섹션을 포함함-; 상기 제1 실질적 수평 구역과 상기 제2 실질적 수평 구역 사이에 적어도 하나의 실질적 수직 유동 구역을 포함한다.
본원에 개시된 제5 실시예는 제 4 실시예에 관한 것으로, 루프 섹션의 제1 실질적 수평 구역은 제5 유동 섹션을 더 포함하고, 루프 반응기가 작동할 때, 다상 액체는 제1 유동 섹션에서의 제1 유동 방향과 상이하고, 제2 유동 섹션에서의 제2 유동 방향과 상이한 제5 방향으로 흐른다.
본원에 개시된 제6 실시예는 제5 실시예를 통한 제4 실시예에 관한 것으로, 루프 섹션의 제2 실질적 수평 구역은 제6 유동 섹션을 더 포함하고, 루프 반응기가 작동할 때, 다상 액체는 제3 유동 섹션에서의 제3 유동 방향과 상이하고, 제4 유동 섹션에서의 제4 유동 방향과 상이한 제6 방향으로 흐른다.
본원에 개시된 제7 실시예는 제6 실시예를 통한 제4 실시예에 관한 것으로, 루프 반응기가 작동할 때, 제1 실질적 수평 구역에서 다상 혼합물의 기체와 액체 배양 배지 사이에 물질 전달은 제1 실질적 수평 구역 부피 물질 전달 속도(kLa)에 의해 특징지어지고, 루프 반응기가 작동할 때, 제2 실질적 수평 구역에서 다상 혼합물의 기체와 액체 배양 배지 사이에 물질 전달은 제2 실질적 수평 구역 부피 물질 전달 속도(kLa)에 의하여 특징지어지며, 루프 반응기가 작동할 때, 적어도 하나의 실질적 수직 유동 구역에서 다상 혼합물의 기체와 액체 배양 배지 사이에 물질 전달은 실질적 수직 유동 구역 부피 물질 전달 속도(kLa)에 의하여 특징지어지고, 실질적 수직 유동 구역 부피 물질 전달 속도(kLa)는 제1 실질적 수평 구역 부피 물질 전달 속도(kLa) 및 제2 실질적 수평 구역 부피 물질 전달 속도(kLa) 중 적어도 어느 하나 보다 2 내지 5배 더 크다.
본원에 개시된 제8 실시예는 루프 반응기에서 바이오매스의 생산을 촉진하기 위한 프로세스에 관한 것으로, 루프 반응기의 제1 실질적 수직 유동 구역을 통해 기체 및 액체 배양 배지의 다상 혼합물을 통과시키는 단계; 제1 실질적 수직 유동 구역에서, 다상 혼합물의 기체를 다상 혼합물의 액체 배양 배지로 이동시키는 단계; 루프 반응기의 실질적 수평 구역을 통해 기체 및 액체 배양 배지의 다상 혼합물을 통과시키는 단계; 실질적 수평 구역에서, 다상 혼합물의 기체를 다상 혼합물의 액체 배양 배지로 이동시키는 단계; 루프 반응기의 제2 실질적 수직 유동 구역을 통해 기체 및 액체 배양 배지의 다상 혼합물을 통과시키는 단계로서, 제2 실질적 수직 유동 구역을 통해 다상 혼합물을 통과시키고, 동일 방향으로 제1 실질적 수직 유동 구역을 통해 다상 혼합물을 통과시키는 단계; 제2 실질적 수직 유동 구역에서, 다상 혼합물의 기체를 다상 혼합물의 액체 배양 배지로 이동시키는 단계; 기체 및 액체 배양 배지의 다상 혼합물을 제2 실질적 수직 유동 구역의 기체상 및 액체상 하류로 분리하는 단계; 기체 및 액체 배양 배지의 다상 혼합물로부터 분리된 기체상 및 액체상을 기체/액체 분리 용기로의 입구를 통해 기체/액체 분리 용기내로 통과시키는 단계; 및 기체/액체 분리 용기의 출구로부터 액체상을 제거하고, 제거된 액체상을 루프 반응기의 루프 섹션의 입구로 전달하는 단계;를 포함한다.
본원에 개시된 제9 실시예는 제8 실시예에 관한 것으로, 루프 반응기의 제3 실질적 수직 유동 구역을 통해 기체 및 액체 배양 배지의 다상 혼합물을 통과시키는 단계로서, 제1 실질적 수직 유동 구역 및 제2 실질적 수직 유동 구역을 통해 다상 혼합물을 통과시키는 것과 동일한 방향으로 제3 실질적 수직 유동 구역을 통해 다상 혼합물을 통과시키는 단계; 제3 실질적 수직 유동 구역에서, 상기 다상 혼합물의 상기 기체를 상기 다상 혼합물의 상기 액체 배양 배지로 이동시키는 단계;를 더 포함한다.
본원에 개시된 제10 실시예는 제8 및 제9 실시예에 관한 것으로, 제1 실질적 수직 유동 구역에서 다상 혼합물의 기체를 다상 혼합물의 액체 배양 배지로 이동시키는 단계는 제1 실질적 수직 유동 구역 부피 물질 전달 속도(kLa)에서 발생하고, 실질적 수평 구역에서 다상 혼합물의 기체를 다상 혼합물의 액체 배양 배지로 이동시키는 단계는 실질적 수평 구역 부피 물질 전달 속도(kLa)에서 발생하며, 제2 실질적 수직 유동 구역에서 다상 혼합물의 기체를 다상 혼합물의 액체 배양 배지로 이동시키는 단계는 제2 실질적 수직 유동 구역 부피 물질 전달 속도(kLa)에서 발생하고, 제1 실질적 수직 유동 구역 부피 물질 전달 속도(kLa) 및 제2 실질적 수직 유동 구역 부피 물질 전달 속도(kLa) 중 적어도 하나는 실질적 수평 구역 부피 물질 전달 속도(kLa) 보다 2 내지 5배 더 크다.
본원에 개시된 제11 실시예는 제10 실시예를 통한 제8 실시예에 관한 것으로, 제3 실질적 수직 유동 구역에서 다상 혼합물의 기체를 다상 혼합물의 액체 배양 배지로 이동시키는 단계는 제3 실질적 수직 유동 구역 부피 물질 전달 속도(kLa)에서 발생하고, 실질적 제3 수직 유동 구역 부피 물질 전달 속도(kLa)는 실질적 수평 구역 부피 물질 전달 속도(kLa)보다 2 내지 5배 더 크다.
본원에 개시된 제12 실시예는 루프 반응기에서 바이오매스의 생산을 촉진하기 위한 프로세스에 관한 것으로, 루프 반응기의 제1 실질적 수평 구역을 통해 기체 및 액체 배양 배지의 다상 혼합물을 통과시키는 단계; 제1 실질적 수평 구역에서, 다상 혼합물의 기체를 다상 혼합물의 액체 배양 배지로 이동시키고, 제1 실질적 수평 구역의 제1 유동 섹션을 통해 제1 방향 - 상기 제1 방향은 상기 제2 방향과는 다름 - 으로 다상 혼합물을 흐르게 하고, 제1 실질적 수평 구역의 제2 유동 섹션을 통해 제2 방향으로 다상 혼합물을 흐르게 하는 단계; 루프 반응기의 실질적 수직 유동 구역을 통해 기체 및 액체 배양 배지의 다상 혼합물을 통과시키고, 실질적 수직 유동 구역에서 다상 혼합물의 기체를 다상 혼합물의 액체 배양 배지로 이동시키는 단계; 루프 반응기의 제2 실질적 수평 구역을 통해 기체 및 액체 배양 배지의 다상 혼합물을 통과시키는 단계; 제2 실질적 수평 구역에서, 다상 혼합물의 기체를 다상 혼합물의 액체 배양 배지로 이동시키고, 제2 실질적 수평 구역의 제3 유동 섹션을 통해 제3 방향 - 상기 제3 방향은 제4 방향과는 다름 - 으로 다상 혼합물을 흐르게 하고, 상기 제2 실질적 수평 구역의 제4 유동 섹션을 통해 제4 방향으로 다상 혼합물을 흐르게 하는 단계; 기체 및 액체 배양 배지의 다상 혼합물을 제2 실질적 수평 구역의 기체상 및 액체상 하류로 분리하는 단계; 기체 및 액체 배양 배지의 다상 혼합물로부터 분리된 기체상 및 액체상을 기체/액체 분리 용기로의 입구를 통해 기체/액체 분리 용기내로 통과시키는 단계; 및 기체/액체 분리 용기의 출구로부터 액체상을 제거하고, 제거된 액체상을 루프 반응기의 루프 섹션의 입구로 전달하는 단계;를 포함한다.
본원에 개시된 제13 실시예는 제12 실시예에 관한 것으로, 제1 실질적 수평 구역을 통해 기체 및 액체 배양 배지의 다상 혼합물을 통과시키는 단계는, 제1 실질적 수평 구역의 제5 유동 섹션을 통해 제1 유동 섹션에서 제1 유동 방향과는 상이하고, 제2 유동 섹션에서 제2 유동 방향과는 상이한 제5 방향에서 다상 혼합물을 흐르게 하는 단계를 더 포함한다.
본원에 개시된 제14 실시예는 제12 및 제13 실시예에 관한 것으로, 제2 실질적 수평 구역을 통해 기체 및 액체 배양 배지의 다상 혼합물을 통과시키는 단계는, 제2 실질적 수평 구역의 제6 유동 섹션을 통해 제2 유동 섹션에서 제3 유동 방향과는 상이하고, 상기 제4 유동 섹션에서 상기 제4 유동 방향과는 상이한 제6 방향에서 다상 혼합물을 흐르게 하는 단계를 더 포함한다.
본원에 개시된 제15 실시예는 제14 실시예를 통한 제12 실시예에 관한 것으로, 제1 실질적 수평 구역에서 다상 혼합물의 기체를 다상 혼합물의 액체 배양 배지로 이동시키는 단계는 제1 실질적 수평 구역 부피 물질 전달 속도(kLa)에서 발생하고, 실질적 수직 유동 구역에서 다상 혼합물의 기체를 다상 혼합물의 액체 배양 배지로 이동시키는 단계는 실질적 수직 유동 구역 부피 물질 전달 속도(kLa)에서 발생하며, 제2 실질적 수평 구역에서 다상 혼합물의 기체를 다상 혼합물의 액체 배양 배지로 이동시키는 단계는 제2 실질적 수평 구역 부피 물질 전달 속도(kLa)에서 발생하고, 실질적 수직 유동 구역 부피 물질 전달 속도(kLa)는 제1 실질적 수평 구역 부피 물질 전달 속도(kLa) 및 제2 실질적 수평 구역 부피 물질 전달 속도(kLa) 중 어느 하나 보다 2 내지 5배 더 크다.
본원에 개시된 제16 실시예는 제7 실시예를 통한 제4 실시예에 관한 것으로, 제2 수평 유동 구역은 제1 수평 유동 구역을 가로지른다.
본원에 개시된 제17 실시예는 제15 실시예를 통한 제12 실시예에 관한 것으로, 제2 수평 유동 구역을 통해 다상 혼합물을 통과시키는 단계는, 제1 수평 유동 구역 위에 제2 수평 유동 구역에서 다상 혼합물을 통과시키는 단계를 포함한다.
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 전달하기 위한 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 도면을 도시한다.
도 2는 하나 이상의 예시되고 설명된 실시예에 따라 바이오 매스 및 임의의 서브시스템의 생산을 촉진하기 위한 루프 반응기의 일 예의 개략적인 블록도를 도시한다.
도 3은 하나 이상의 예시 및/또는 설명된 실시예에 따라 제1 유동 구역 및 제2 유동 구역을 포함하는 기체의 기질을 발효시키는 데 유용한 바이오 매스의 생산을 촉진하기 위한 예시적인 시스템의 개략적인 도면을 도시한다.
도 4a는 하나 이상의 예시 및/또는 설명된 실시예에 따라 제1 실질적 수직 유동 구역 및 제2 실질적 유동 구역을 포함하는 기체의 기질을 발효시키는 데 유용한 바이오 매스의 생산을 촉진하기 위한 예시적인 시스템의 개략적인 도면을 도시한다.
도 4b는 하나 이상의 예시 및/또는 설명된 실시예에 따라 제1 실질적 수직 유동 구역 및 제2 실질적 수직 유동 구역을 포함하는 기체의 기질을 발효시키는 데 유용한 바이오 매스의 생산을 촉진하기 위한 예시적인 시스템의 개략적인 도면을 도시한다.
도 4c는 하나 이상의 예시 및/또는 설명된 실시예에 따라 제1 실질적 수직 유동 구역, 제2 실질적 수직 유동 구역 및 제3 실질적 수직 유동 구역을 포함하는 기체의 기질을 발효시키는 데 유용한 바이오 매스의 생산을 촉진하기 위한 예시적인 시스템의 개략적인 도면을 도시한다.
도 4d는 하나 이상의 예시 및/또는 설명된 실시예에 따라 제1 실질적 수직 유동 구역, 제2 실질적 수직 유동 구역 및 제3 실질적 수직 유동 구역을 포함하는 기체의 기질을 발효시키는 데 유용한 바이오 매스의 생산을 촉진하기 위한 예시적인 시스템의 개략적인 도면을 도시한다.
도 5는 하나 이상의 예시 및/또는 설명된 실시예에 따라 제1 실질적 수평 감압 구역, 제2 실질적 수평 감압 구역 및 실질적 수직 유동 구역을 포함하는 기체의 기질을 발효시키는 데 유용한 바이오 매스의 생산을 촉진하기 위한 예시적인 시스템의 개략적인 도면을 도시한다.
도 6은 하나 이상의 예시 및/또는 설명된 실시예에 따라, 루프 반응기의 복수의 실질적 수직 유동 구역을 통해 다상 혼합물을 흐르게 하는 단계를 포함하는 발효 프로세스의 높은 레벨의 흐름도를 도시한다.
도 7은 하나 이상의 예시 및/또는 설명된 실시예에 따라, 실질적 수직 유동 구역 및 복수의 실질적 수평 구역을 통해 다상 혼합물을 흐르게 하는 단계를 포함하는 발효 프로세스의 높은 레벨의 흐름도를 도시한다.
다음의 설명에서, 다양한 실시예들의 철저한 이해를 제공하기 위해 특정 세부 사항이 제시된다. 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. 문맥상 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 명칭은 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.
발효는 그대로 사용되거나 유용한 생산물로 처리될 수 있는 특정 화학 생산물을 생산하는 것을 목표로 성장 배지에 미생물의 대량 성장을 의미한다. 발효는 호기성(aerobic) 또는 혐기성(anaerobic) 조건 하에서 수행될 수 있다. 발효의 예로는 메탄 및 합성가스(syngas)와 같은 탄소-함유 기체를 바이오 플라스틱, 탄화수소 연료 및 단백질의 생산에서 회수되거나 사용될 수 있는 긴 사슬 기체 및 액체 탄화수소로 전환시키는 발효를 포함한다.
발효기는 일반적으로 발효 프로세스가 수행되는 모든 용기로 정의된다. 발효 프로세스의 막대한 수 및 다양한 발효성의 기질을 고려할 때, 발효기는 알코올 음료 산업에서 발견되는 간단한 연속 교반 탱크 반응기에서부터 특정 기질 및/또는 특정 생물학적 종들에 맞춘 기체 분포 및 내부 구조를 가진 고도로 복잡하고 전문화된 용기까지 다양하다. 메탄 및 합성가스 (CO와 H2의 혼합물)과 같은 탄소-함유 기체를 긴 사슬 기체 및 액체 탄화수소로 전환하는 데 유용한 발효기는 일반적으로 다상 혼합물을 제공하기 위해, 일반적으로 하나 이상의 영양소를 포함하는 액체 매질 내에 C1 탄소 화합물을 포함하는 기체 기질을 분산시킨다. 상기 다상 혼합물은 기체 기질에서 C1 탄소 화합물의 일부를 더 바람직하고 보다 더 긴 사슬인 C2 또는 그 이상의 화합물로 전환되는 하나 이상의 미생물학적 콜로니에 공급된다. 콜로니(즉, 발효기 내의 바이오매스)를 포함하는 기질 구성 요소, 영양소 및 미생물학적 유기체는 액체, 기체, 또는 세포 내의 물질로서 존재할 수 있는 C2 또는 그 이상의 화합물의 원하는 최종 매트릭스를 제공하도록 다양하게 조정되거나 만들어질 수 있다.
곰팡이, 효모 및 박테리아와 같은 높은 비율의 단백질을 포함하는 단세포 미생물을 배양하기 위한 기질로서 메탄 및 합성가스 (CO와 H2의 혼합물)와 같은 탄소-함유 기체를 이용하는 데 유용한 발효기는 일반적으로 다상 혼합물을 제공하기 위해 하나 이상의 영양소를 포함하는 액체 매질 내에 C1 탄소 화합물을 포함하는 기체 기질을 분산시킨다. 이 다상 혼합물은 기체 기질에서 C1 탄소 화합물의 일부를 단백질로 전환시키는 하나 이상의 미생물학적 콜로니와 접촉된다. 콜로니(즉, 발효기 내의 바이오매스)를 포함하는 기질 구성 요소, 영양소 및 미생물학적 유기체는 단백질-함유 바이오매스의 원하는 최종 매트릭스를 제공하도록 다양하게 조정되거나 만들어질 수 있다.
물질 전달 관점에서, 기질이 기포 내에 갇히게 되고, 기질의 미생물학적 흡수가 일어나기 위해 기체 기질은 먼저 액체 매질에서의 용해를 통해 기포로부터 미생물학적 유기체로 직접 또는 간접적으로 통과해야 한다는 점에서 기체 기질 발효기는 독특한 과제를 제시한다. 따라서, 이러한 발효 프로세스는 기포로부터 발효기 내의 미생물학적 유기체로 바람직하게 높은 수준의 기질의 물질 전달을 촉진시키고 및/또는 유지시키는 시스템의 능력에 의해 종종 제한된다. 적어도, 기포로부터 주변 액체 매질 또는 미생물학적 유기체로의 물질 전달 속도는 기포 내의 기체 압력, 기포의 부피 대 표면적 비율 및 주변 액체 또는 미생물학적 유기체와의 기포의 접촉 시간의 함수이다. 기포 내의 압력을 증가시키거나 주변 액체 또는 미생물학적 유기체와의 기포의 접촉 시간을 증가시키는 것은 기질과 미생물학적 유기체 사이에 보다 효과적인 물질 전달 속도(mass transfer rate)를 초래한다. 기포의 부피 대 표면적 비율을 감소시키는 것(즉, 기포의 직경 감소)은 기포와 주변 액체 사이에 보다 효과적인 물질 전달 속도를 초래한다. 그러므로, 물질 전달 관점에서 바람직한 발효기는 비교적 고압에서 장기간 동안 주변 액체 또는 미생물학적 유기체와 긴밀하게 또는 밀접하게 접촉된 상태로 유지되는 다수의 비교적 작은 직경의 기포를 발생시킬 것이다.
비교적 작은 직경, 비교적 고압의 기포를 제공할 수 있는 다수의 발효 시스템, 방법 및 장치가 본 명세서에 개시되어 있다. 주변 액체 및/또는 생물학적 유기체(들)와의 긴 접촉 시간을 제공할 수 있는 다수의 발효 시스템, 방법 및 장치가 본 명세서에 개시되어 있다. 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 포함하는 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, 메탄올, 포름알데히드, 포름산 또는 이의 염, 일산화탄소, 이산화탄소, 합성 가스, 메틸아민 (예를 들어, 모노메틸아민, 디메틸아민, 트리메틸아민), 메틸티올 또는 메틸할로겐을 포함한다.
본원에 사용된 바와 같이, 용어 "미생물(microorganism)"은 에너지원 또는 에너지 및 바이오매스의 유일한 공급원으로서, 기체 기질을 사용하는 능력을 가진 임의의 미생물을 지칭하고, 에너지 및 바이오매스에 다른 탄소 기질(당류(sugar) 및 복합 탄수화물(complex carbohydrate)과 같은)을 사용하거나 사용하지 않을 수 있다. 본원에서 사용되는 미생물의 예들은 약 45℃의 온도에서 각각 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(Ralstonia) sp. DB3은 성장을 위해 에탄올, 아세테이트, 프로피오네이트 및 부티레이트를 사용할 수 있는 슈도모나다과(Pseudomonadaceae) 계통에 속하는 그램-음성(gram-negative), 호기성(aerobic), 운동성(motile) 막대균 (rod)이다. 아네우린바실루스(Aneurinibacillus) sp. DB4는 아세테이트, D-프룩토스, D-만노오스, 리보오스 및 D-타가토스를 사용할 수 있는 바실루스(Bacillus) 속(genus)에 속하는 그램-음성, 내생 포자 형성(endospore-forming), 호기성(aerobic) 막대균(rod)이다. 브레비바실루스(Brevibacillus agri) DB5는 아세테이트, N-아세틸-글루코사민, 구연산염, 글루코네이트, D-글루코오스, 글리세롤 및 마니톨을 사용할 수 있는 바실루스 속의 그램-음성, 내생 포자 형성, 운동성, 호기성 막대균이다. 본 발명의 프로세스에 사용하기에 적합한 효모는 사카로마이세스(Saccharomyces) 및 칸디다(Candida)로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.
필요하다면, 본원에 기술된 프로세스는 세포 내 유체 또는 반응기로부터 수거된 바이오매스로부터 추출될 수 있는 원하는 화학적 화합물을 생성하기 위해 유전적으로 변형된 박테리아(또는 효모)를 사용하여 수행될 수 있다. 과학 및 특허 문헌은 그 중에서도 메타노트로픽 박테리아(methanotrophic bacteria)를 포함하는 유전적으로 변형된 미생물의 수많은 예를 포함한다.
본원에 기술된 실시예들에 따른 적어도 몇몇 경우들에서, 기체의 탄소-함유 공급 원료를 발효시키는 데 사용되는 미생물학적 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), 또는 슈도모나스(Pseudomonas)와 같은 원핵 생물 또는 박테리아인 하나 이상의 C1 대사성 미생물의 종(species)을 사용할 수 있다. 경우에 따라, C1 대사성 박테리아는 메탄영양체(methanotroph) 또는 메틸영양체(methylotroph)를 포함할 수 있다. 바람직한 메탄영양체(methanotroph)는 메틸로모나스(Methylomonas), 메틸로박터(Methylobacter), 메틸로코쿠스(Methylococcus), 메틸로시너스(Methylosinus), 메틸로시스티스(Methylocystis), 메틸로마이크로비움(Methylomicrobium), 메타노모나스(Methanomonas) 또는 이들의 조합물을 포함한다. 예시적인 메탄영양체는 메틸로모나스(Methylomonas) sp . 16a(ATCC PTA 2402), 메틸로시너스 트리코스포리움(Methylosinus trichosporium )(NRRL B-11, 196), 메틸로시너스 스포리움(Methylosinus sporium )(NRRL B-11, 197), 메틸로시스티스 파르부스(Methylocystis parvus)(NRRL B-ll, 198), 메틸로모나스 메타니카 (Methylomonas methanica)(NRRL B-5 11, 199), 메틸로모나스 알부스(Methylomonas albus)(NRRL B-ll, 200), 메틸로박터 캡슐라터스(Methylobacter capsulatus)(NRRL B-11, 201), 메틸로박테리움 오르가노필룸(Methylobacterium organophilum)(ATCC 27, 886), 메틸로모나스 sp . AJ-3670(FERM P-2400), 메틸로마이크로비움 알칼리필룸(Methylomicrobium alcaliphilum), 메틸로셀라 실베스트리스( Methylocella silvestris), 메틸엑시디필룸 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 메틸영양체(methylotroph)는 메틸로박테리움 익스토르켄스(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 포함하거나 또는 이들의 조합이 사용될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 예시적인 메틸영양체(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), 토룰롭시스(Torulopsis), 또는 로도토룰라(Rhodotorula)를 포함하는 효모와 같은 진핵생물(eukaryotes)이다.
다른 예에서, C1 대사성 비-광합성 미생물은 진정(obligate) 메탄영양체(methanotroph) 또는 메틸영양체(methylotroph)와 같은 진정 C1 대사성 비-광합성 미생물이다. 일부예에서, C1 대사성 비-광합성 미생물은 지방산 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 에너지원 또는 에너지 및 바이오매스의 유일한 공급원으로서 단일 탄소(C1) 기질을 사용하는 능력을 가진 임의의 미생물을 지칭하고, 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 또는 메탄올과 같은 C1 기질을 산화시킬 수 있다. C1 대사성 미생물은 박테리아(메탄영양체(Methanotroph) 및 메틸영양체(Methylotroph)와 같은) 및 효모를 포함한다. 적어도 일부 경우에서, C1 대사성 미생물은 조류(algae)와 같은 광합성 미생물을 포함하지 않는다. 특정 실시예에서, C1 대사성 미생물은 "진정 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 결합을 포함하지 않는 유기 화합물을 산화시킬 수 있는 임의의 박테리아를 지칭한다. 특정 실시예에서, 메틸로트로픽 박테리아는 메탄영양체(methanotroph)일 수 있다. 예를 들어, "메타노트로픽 박테리아(methanotrophic bacteria)"는 탄소 및 에너지의 주요 공급원으로서 메탄을 산화시키는 능력을 가진 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 "진정 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 02/18617의 페이지 39 및 40에 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 경우에서, 합성 가스는 CO2, 메탄 및 CO와 H2와 관련하여 소량의 다른 기체를 포함할 수 있다. 합성 가스는 수성 가스 전환(water gas shift) 또는 석탄 가스화 프로세스(coal gasification process)를 포함하되, 이에 국한되지 않는 모든 사용 가능한 프로세스를 이용하여 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 간 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 생물중합체(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 여전히 달성할 수 있지만, 그 성장은 불균형하며, 제한 공급 원료(limiting feedstock) 또는 영양소의 부족에서 합성될 수 있는 화학물질이 축적될 것이다. 이러한 화학물질은 예를 들어, 폴리하이드록시부티레이트(polyhydroxybutyrate,PHB), 폴리하이드록시발레레이트(polyhydroxyvalerate, PHV) 및 폴리하이드록시헥사노에이트(polyhydroxyhexanoate, PHHx)-글리코겐(glycogen)을 포함하는 폴리하이드록시알카노에이트(polyhydroxyalkanoate, PHA) 또는 세포 외 다당류(polysaccharide)와 같은 분비된 물질인 지질 또는 세포 내 저장 생성물과 같은 중합체를 포함한다. 이러한 화학물질은 바이오플라스틱(bioplastic)의 제조에 유용하다.
샘플 균형 및 불균형 성장 조건은 매질에서 질소 함량이 다를 수 있다. 예를 들어, 질소는 건조 세포 중량의 약 12%를 이루는데, 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. 건조 세포 중량의 100mg/L을 생산하는 데 필요한 양으로 다른 공급 원료 및 영양소가 이용가능 하지만, 12mg/L 미만의 질소가 공급될 경우, 불균형한 세포 성장은 질소를 포함하지 않는 화학물질의 축적과 함께 일어날 수 있다. 질소가 연속적으로 공급될 경우, 저장된 화학물질은 세포에 대한 공급 원료로서 작용하여, 새로운 세포의 복제 및 생산과 함께 균형 잡힌 성장을 가능하게 할 수 있다.
본원에서 사용된, 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 단계(stage)를 포함할 수 있다.
본원에서 사용된, 용어 "지수함수적 성장(exponential growth)", "지수기 성장(exponential phase growth)", "로그기(log phase)" 또는 "로그기 성장(log phase growth)"은 미생물이 성장하고 분열하는 속도를 의미한다. 예를 들어, 로그기 동안, 미생물은 그들의 유전적 잠재력(genetic potential), 배지의 성질 및 그들이 자라는 조건에 따라 최대 속도로 성장한다. 미생물의 성장 속도는 지수기 동안 일정하고, 미생물은 일정한 간격으로 나누어지고 두 배가된다. "활발히 성장하고 있는(actively growing)"세포는 로그기에 성장하는 세포이다. 반면에, "정체기(stationary phase)"는 배지의 세포 성장이 느려지거나 중단되는 동안 성장 주기의 지점을 의미한다.
본원에서 사용된, 용어 "고성장 변이체(high growth variant)"는 단일 탄소 및 에너지원으로서 메탄 또는 메탄올과 같은 C1 기질로 성장할 수 있는 유기체, 미생물, 박테리아, 효모 또는 세포를 지칭하고, 모체(parent), 참조(reference), 또는 야생형(wild-type) 유기체, 미생물, 박테리아, 효모 또는 세포보다 빠른 지수기 성장 속도를 갖는 것이며, 즉, 고성장 변이체는 빠른 배가 시간(doubling time)을 가지며, 결과적으로 모체 세포(예를 들어, 미국 특허 제6,689,601호 참조)와 비교하여 대사된 C1 기질의 그램당 세포 질량의 높은 성장 속도 및 수율을 갖는다.
본원에서 사용된, 용어 "바이오연료(biofuel)"는 "바이오매스(biomass)"로부터 적어도 부분적으로 유도된 연료를 의미한다.
본원에서 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 본 발명의 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 소비된 배양 상청액(media supernatant) 또는 C1 기질 상의 C1 대사성 미생물 배양균의 배양균으로부터 배설되거나 또는 분비된 가스를 포함한다. 이러한 배양균은 재생 가능한 자원으로 간주될 수 있다.
본원에서 사용된, 용어 “바이오리파이너리(biorefinery)”는 바이오매스로부터 연료 및/또는 기타 화학물질을 생산하기 위한 바이오매스 전환 프로세스 및 장비를 통합하는 시설을 의미한다.
본원에서 사용된, "오일 조성물(oil composition)"은 지방산(fatty acid), 지방산 에스테르(fatty acid ester), 트리글리세리드(triglyceride), 인지질(phospholipid), 폴리 히드록시알카노에이트(poly hydroxyalkanoate), 이소프렌(isoprene), 테르펜(terpene) 등을 포함하는 바이오매스(예를 들어, 박테리아 배양균(bacterial culture))의 지질 함량을 지칭한다. 바이오매스의 오일 조성물은 헥산(hexane) 또는 클로로포름(chloroform) 추출과 같은 나머지 바이오매스 물질로부터 추출될 수 있다. 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, 바이오연료 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(endogenous) 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.
본원에서 사용된, 용어 "이종(heterologous)" 핵산 분자, 구조물 또는 배열(sequence)은 핵산 분자 또는 발현되는 세포에 고유하지 않은 핵산 분자 배열의 부분을 지칭하거나, 또는 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.
본원에서 사용된, 용어 “수직(vertical)”은 문제(question)의 위치에서 중력 벡터와 정렬되는 방향을 나타낸다.
본원에서 사용된, 용어 “수평(horizontal)”은 문제의 위치에서 중력 벡터에 수직인 방향을 나타낸다.
본원에서 사용된, 용어 "비-수직(non-vertical)"은 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° 또는 그 이상을 의미한다.
본원에서 사용된, 어구 “실질적 수직(substantially vertical)”은 수직으로부터 20° 또는 그 이하 내인 방향을 의미한다.
본원에서 사용된, 어구 “실질적 수평(substantially horizontal)”은 수평으로부터 10° 또는 그 이하 내인 방향을 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. 본 명세서의 시스템은 하나 이상의 C1 화합물, 산소 및/또는 수소를 포함하는 적어도 하나 이상의 기체상 공급 원료를 사용할 수 있다. 특정 실시예에서, 발효 시스템은 발효 배양균에서 1차 미생물로서 C1 대사성 미생물(예를 들어, 메틸로시너스 트리코스포리움( Methylosinus trichosporium ) OB3b, 메틸로코쿠스 캡슐라터스베스(Methylococcus capsulatus Bath), 메틸로모나스(Methylomonas) sp . 16a, 메틸로마이크로비움 알칼리필룸(Methylomicrobium alcaliphilum) 20Z 또는 이들의 고성장 변이체 또는 이들의 조합물과 같은 메탄영양체(methanotroph))을 사용한다.
본원에 기술된 미생물, 박테리아 및 효모에 대해 다양한 배양 방법론이 사용될 수 있다. 예를 들어, 메탄영양체 또는 메틸영양체 박테리아와 같은 C1 대사성 미생물은 비연속 배양(batch culture) 및 연속 배양(continuous culture) 방법에 의해 증식될 수 있다. 일반적으로 로그기의 세포는 일부 시스템에서 관심 있는 제품 또는 중간 물질의 대량 생산을 담당하는 반면, 정체기 또는 지수기 후 단계(post-exponential phase)는 다른 시스템에서 얻어질 수 있다.
전형적인 비연속 배양 방법은 배양이 시작될 때, 배지 조성물이 설정되고, 배양 과정 중에 변경되지 않는 폐쇄(closed) 시스템이다. 즉, 매질은 배양 프로세스의 초기에 하나 이상의 미생물 선택하여 심어지고, 이후 시스템에 추가 미생물을 추가하지 않고도 성장시킬 수 있다. 본원에서 사용된, "비연속(batch)" 배양은 초기에 첨가된 특정 탄소 공급원의 양을 변화시키지 않는 것과 관련되는 반면, pH 및 산소 및/또는 수소 농도와 같은 요소의 조절은 배양 중에 관찰되고 변경될 수 있다. 비연속 시스템(batch system)에서, 시스템의 대사 산물(metabolite) 및 바이오매스 조성물은 배양이 종결될 때까지 지속적으로 변한다. 비연속 배양 내에서, 세포(예를 들어, 메틸영양체와 같은 박테리아)는 일반적으로 정적인 유도기에서부터 높은 성장기의 로그기(logarithmic phase)로 이동하고, 성장속도는 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 비연속 시스템(batch system)의 변형이다. 유가식 시스템은 세포 대사(cell metabolism)가 분해대사물질(catabolite) 억제(repression)에 의해 억제될 수 있는 경우 및 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. 비연속(batch) 및 유가식 배양 방법은 당 업계에 일반적으로 알려져 있다 (예를 들어, 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 처리를 위해 동일한 양의 사용된("컨디셔닝된 (conditioned)") 배지가 동시에 제거된다는 의미에서 "개방형(open)" 시스템이다. 연속 배양은 일반적으로 일정하게 높은 액체상 밀도에서 세포를 유지하는데, 여기서 세포는 주로 로그 성장기(logarithmic growth phase)에 있다. 대안적으로, 연속 배양은 탄소 및 영양소가 연속적으로 첨가되고 가치가 있는 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 조합으로 이루어진 광범위한 고체 지지체로 달성될 수 있다.
연속 또는 반-연속(semi-continuous) 배양은 세포 성장 또는 최종 생성물 농도에 영향을 미치는 하나 이상의 요소의 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 요소는 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 요소를 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, 메탄올, 포름알데히드, 포름산(포름산염), 일산화탄소, 이산화탄소, 메틸화된 아민(메틸아민, 디메틸아민, 트리메틸아민 등), 메틸화된 티올 또는 메틸 할로겐(브로모메탄, 클로로메탄, 아이오딘메탄, 디클로로메탄 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 또는 그 이상의 C1 기질(혼합 C1 기질 조성물)의 혼합물을 포함할 수 있다
게다가, 일부 C1 대사성 유기체(C1 metabolizing organism)는 당류(sugar), 글루코사민(glucosamine) 또는 대사활동을 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). 메틸로박테리움 익스토르켄스(Methylobacterium extorquens) AM1은 제한된 수의 C2, C3 및 C4 기질에서 성장할 수 있다(Van Dien et al., Microbiol. 149:601-609, 2003). 대안으로, C1 대사성 미생물은 대안적인 탄소 기질을 이용하는 능력을 가진 재조합 변이체(recombinant variant)일 수 있다. 따라서, 배양 배지 중의 탄소원은 선택된 C1 대사성 미생물에 따라 단일 및 다중 탄소 화합물과 함께 탄소 기질의 혼합물을 포함할 수 있다.
특정 실시예에서, 본 명세서는 C1 대사성 비-광합성 미생물을 주로 포함하는 배양균으로부터 바이오매스를 오일 조성물로 전환시키는 단계 및 오일 조성물을 연료로 정제하는 단계를 포함하는 연료 제조 방법을 제공한다. 특정 실시예에서, C1 대사성 비-광합성 미생물은 진정(obligate) 메탄영양체(methanotroph) 또는 메틸영양체(methotroph)와 같은 진정 C1 대사성 비-광합성 미생물이다. 추가의 실시예에서, C1 대사성 비-광합성 미생물은 지방산 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 메틸영양체(methylotroph) 또는 메탄영양체(methanotroph)와 같은 C1 대사성 비-광합성 미생물의 세포막으로부터 유도되거나 추출된다.
특정 실시예에서, 본 명세서는 연료를 생산하는 정제 유닛 내의 오일 조성물을 정제함으로써 연료를 제조하는 방법을 제공하며, 오일 조성물은 메틸영양체 (methylotroph) 또는 메탄영양체(methanotroph)와 같은 C1 대사성 비-광합성 미생물로부터 유래된다. 추가의 실시예에서, 방법은 C1 대사성 비-광합성 미생물로부터 오일 조성물을 추출하기 위한 프로세싱 유닛의 사용을 더 포함한다. 또 다른 실시예에서, 방법은 (a)제어된 배양 유닛에서 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 생산하기 위해 추출된 오일 조성물을 정제 유닛에서 정제하는 단계를 포함한다. 특정 실시예에서, 공급 원료 C1 기질은 메탄, 메탄올, 포름알데히드, 포름산, 일산화탄소, 이산화탄소, 메틸아민, 메틸티올 또는 메틸할로겐이다.
특정 실시예에서, 본 명세서는 에탄올, 아세테이트, 부탄올, 단일-세포 단백질(single-cell protein), 당류(sugar) 또는 기타 대사 산물(metabolite)과 같은 천연 생성물(natural product) 또는 세포 생성물을 제조하는 방법을 제공하며, 여기서 천연 생성물은 메틸영양체(methylotroph) 또는 메탄영양체(methanotroph)와 같은 C1 대사성 비-광합성 미생물로부터 유래된다.
다른 실시예에서, 방법은 C1 대사성 비-광합성 미생물로부터 천연 생성물을 추출하기 위한 프로세싱 유닛의 사용을 더 포함한다.
또 다른 실시예에서, 방법은 (a)제어된 배양 유닛에서 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 생성물을 제조하기 위해 천연 생성물을 정제하는 단계를 포함한다. 특정 실시예에서 공급 원료 C1 기질은 메탄, 메탄올, 포름알데히드, 포름산, 일산화탄소, 이산화탄소, 메틸아민, 메틸티올 또는 메틸할로겐이다.
특정 실시예에서, 본 명세서는 에탄올, 아세테이트, 부탄올, 이소프렌, 프로필렌, 파르네센, 효소 또는 기타 대사 산물과 같은 천연 또는 비-천연 생성물 또는 세포 생성물을 제조하는 방법을 제공하며, 여기서 생성물은 이종 뉴클레오티드 배열로 형질 전환된(transformed) 메틸영양체(methylotroph) 또는 메탄영양체(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 유닛에서 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 생성물을 제조하기 위해 천연 생성물을 정제하는 단계를 포함한다. 특정 실시예에서, 공급 원료 C1 기질은 메탄, 메탄올, 포름알데히드, 포름산, 일산화탄소, 이산화탄소, 메틸아민, 메틸티올 또는 메틸할로겐이다.
특정 실시예에서, 본 명세서는 에탄올, 아세테이트, 부탄올, 이소프렌, 프로필렌, 파르네센, 효소 또는 기타 대사 산물과 같은 천연 또는 비-천연 생성물 또는 세포 생성물을 제조하는 방법을 제공하며, 여기서 생성물은 대장균(Escherichia coli), 사카로마이세스 세레비지에 (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 실질적 수직 하강류 구역(3)의 바닥에서 시작하고 실질적 수직 상승류 구역(5)의 시작부에서 끝나는 실질적 수평 구역(4)에 의해 분리된 실질적 수직 상승류 구역(5) 및 실질적 수직 하강류 구역(3)을 포함하는 것으로 설명된다. 실질적 수직 하강류 구역(3) 및 실질적 수직 상승류 구역(5)의 존재는 유출 구역(6)의 단부에 있는 기체 액체 표면(22)과 수평 구역(4)에서 루프 반응기의 중심선 사이의 수직 거리를 초래한다. 상술한 '163 특허는 이 수직 거리가 적어도 10 미터 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 유동하고, 상기 수평 배출 기체/액체 반응 매질 분리 섹션(6)은 루프의 실질적 수평 섹션(4)에서의 상승 및 실질적 수평 배출 기체/액체 반응 매질 분리 섹션(6)에서의 상승에 의존한다. 유출 구역(6)의 단부에 있는 기체 액체 표면(22)과 수평 구역(4)에서 루프 반응기의 중심선 사이의 10 미터 정도의 수직 거리를 수용하기에 충분한 길이의 실질적 수직 상승류 구역 및 실질적 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 표면(22)과 수평 구역(4)에서 루프 반응기의 중심선 사이의 10 미터 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 10 미터 정도인 상승류 및 하강류 수직 구역을 갖는 루프 반응기는 그러한 반응기가 이러한 높이의 수직 상승류 및 하강류 구역을 수용하기에 충분한 수직 간격을 갖도록 설치된 건물이 필요하다.
도 2는 분리 서브 시스템(250), 임의의 열적 서브 시스템(270) 및 임의의 제어 서브 시스템(290)과 함께 루프 반응기(101)를 포함하는 바이오매스의 생산을 촉진하기 위한 예시적인 시스템(200)을 도시한다. 통합된 시스템(200)으로 도시되어 있지만, 임의의 서브 시스템은 개별적으로 또는 임의의 조합으로 루프 반응기(101)와 함께 설치되거나 결합될 수 있다. 하나 이상의 액체 및 하나 이상의 기체 기질은 루프 반응기(101)를 통해 이동하는 액체 배양 배지와 다상 혼합물을 형성하는 루프 반응기(101)로 도입된다. 루프 반응기(101)를 통과한 후, 다상 혼합물은 루프 반응기(101) 내의 생물학적 유기체에 의해 생성된 하나 이상의 화합물, 다상 혼합물 내의 액체에서 소비되지 않은 영양소 및 다른 화합물, 다상 혼합물 내의 기포에서 소비되지 않은 기체, 및 바이오고형물(biosolids)의 형태에서 미생물학적 유기체를 포함할 수 있다. 과량의 미생물학적 유기체는 간헐적으로 또는 연속적으로 바이오매스로서 루프 반응기(101)로부터 제거될 수 있다. 루프 반응기(101) 내의 바이오매스 축적은 루프 반응기(101) 내의 전체 바이오매스를 정의된 범위 또는 정의된 임계치 이상 또는 이하로 유지하기 위해 제거될 수 있다. 적어도 일 예에서, 루프 반응기(101)로부터 제거된 바이오매스는 하나 이상의 유용한 화합물들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 과량의 바이오매스 내의 생물학적 유기체는 상당한 양의 하나 이상의 세포내 지질 또는 바이오디젤 또는 단백질-함유 생성물과 같은 바이오연료의 생산에 유용한 유사 화합물을 포함할 수 있다.
하나 이상의 액체는 루프 반응기(101) 내의 미생물학적 유기체에 하나 이상의 영양소를 유지 또는 전달하기에 적합한 임의의 액체를 포함할 수 있다. 이러한 액체는 물, 하나 이상의 알코올, 미네랄, 하나 이상의 질소-함유(nitrogen-containing) 화합물, 하나 이상의 인-함유(phosphorus-containing) 화합물 등을 포함하는 용액을 포함할 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 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), 이중 다이아프램 펌프(double diaphragm pump), 임펠러 펌프(impeller pump), 축류 펌프(axial pump), 혼류 펌프(mixed flow 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(200) 내의 하나 이상의 지점으로부터 수집된 압력, 온도, 흐름, 레벨, 유속, 공탑 속도(superficial velocity) 또는 조성 분석 프로세스 변수 데이터의 조합을 사용하여 제어되거나, 유동 제어되거나 또는 압력 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 측정된 농도에 기초하여 제어 될 수 있다; 예를 들어, 유체 이동기에 의해 전달된 액체의 유동은 루프 반응기(101) 내의 영양소 농도에서 측정된 감소에 대응하여 증가될 수 있다.
하나 이상의 기체 기질은 루프 반응기(101) 내의 생물학적 유기체에 하나 이상의 영양소를 유지 또는 전달하기에 적합한 임의의 기체, 기체들 또는 기체의 조합을 포함할 수 있다. 이러한 기체는 탄소 화합물을 함유하는 하나 이상의 가스를 포함할 수 있지만, 이에 한정되지 않는다. 그러한 기체는 메탄 또는 일산화탄소와 같은 C1 탄소 화합물을 함유하는 하나 이상의 가스를 포함할 수 있지만, 이에 한정되지 않는다. 하나 이상의 기체 기질은 또한 루프 반응기(101) 내의 생물학적 유기체의 대사 프로세스에 사용되는 하나 이상의 기체를 포함할 수 있다. 이러한 기체는 산소, 산소-함유(oxygen-containing) 화합물 및 수소를 포함할 수 있지만, 이에 한정되지 않는다. 하나 이상의 기체 기질은 순수한 기체 또는 기체 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 및 공기와 같은 산소-함유 기체는 개별적으로 전달되어 루프 반응기(101) 외부의 폭발성 가스 혼합물의 형성 가능성을 최소화할 수 있다).
하나 이상의 기체 기질은 임의로 기체 이동기(gas mover)를 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 송출 압력(delivery pressure)은 루프 반응기(101)의 작동 압력 및 루프 반응기(101) 내에서 하나 이상의 기체 기질을 분배하는데 사용되는 기체 분배기(gas distribution)와 관련된 압력 강하를 포함하는 다양한 요소에 의존한다. 유사하게, 하나 이상의 기체 기질의 송출 유량은 루프 반응기(101) 내의 용해된 가스의 농도 또는 레벨을 루프 반응기(101)에 존재하는 생물학적 유기체의 요구에 적어도 부분적으로 기초하여 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 5psig 내지 약 600psig; 약 25psig 내지 약 400psig, 또는 약 50psig 내지 약 300psig의 압력에서 루프 반응기 (101)로 전달될 수 있다.
임의의 수의 기체는 공통 기체 분배 헤더(header) 또는 임의의 수의 개별 기체 분배 헤더를 통해 도입될 수 있다. 이러한 기체 분배 헤더는 루프 반응기(101) 내의 단일 지점에서 모든 기체 기질을 도입하거나 또는 루프 반응기(101) 도처에 다양한 위치에서 기체 기질의 일부를 도입할 수 있다. 적어도 일부의 예에서, 기체 기질은 메탄, 일산화탄소, 수소 또는 산소를 포함할 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 매질의 리터(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/액체 매질의 리터(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 매질의 리터(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 매질의 리터(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, 미생물학적 유기체는 다상 혼합물에 존재하는 탄소-함유 화합물의 적어도 일부를 대사할 것이다. 이 프로세스의 적어도 일부는 루프 반응기(101)에 존재하는 바이오매스의 전체 양을 증가시키는 추가적인 미생물학적 유기체의 생산을 포함할 수 있다. 제어되지 않은 상태로 유지되면, 루프 반응기(101)의 하나 이상의 작동 양상(예를 들어, 유량, 압력 강하, 원하는 생성물의 생산 등)이 과량의 바이오매스의 존재에 의해 손상되거나 불리한 영향을 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 3의 128)를 통해 루프 반응기(101)로부터 바이오고형물(biosolid) 제거를 용이하게 하는 기체/액체 분리 용기(도 3의 102) 내의 위치에 우선적으로 축적된다. 제거된 바이오매스는 분리 서브 시스템(250)으로 전달될 수 있고, 여기서 바이오매스는 추가 처리될 수 있고, 바이오매스로부터 원하는 생성물이 회수될 수 있다. 이러한 회복된 생성물은 회수된 것으로서 유용할 수 있거나, 또는 상이한 생성물을 생성하는 부가적인 공정을 위한 공급 원료로서 작용할 수 있다.
적어도 일부의 경우, 바이오매스 생산 프로세스의 전부 또는 일부는 제어 서브 시스템(290)을 사용하여 적어도 부분적으로 자동 제어될 수 있다. 제어 서브 시스템(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 흐름 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 산소요구량 또는 “BOD”(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 서브 시스템(290)은 프로세스 요소로부터 수신된 프로세스 가변 신호에 적어도 부분적으로 기초하여 발효 프로세스의 하나 이상의 양상을 제어, 변경 또는 조정하는 명령의 하나 이상의 세트를 실행할 수 있다. 이러한 명령은 제어 서브 시스템(290)에 의한 하나 이상의 제어 출력 신호의 생성을 초래할 수 있다. 제어 출력 신호는 제어 서브 시스템(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 서브 시스템(290)은 열 전달 유닛 작동에 대한 열 전달 매체의 흐름을 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 2개의 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 서브 시스템(290)에 의해 유사하게 제어될 수 있다.
도 3은 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 수 있는 다른 장비), 유체 유동 유닛 작동(104)(예를 들어, 펌프 또는 유체를 움직일 수 있는 다른 장치), 루프 섹션(106) 및 제1 비-수직 감압 구역(108)을 포함하는 루프 반응기(101)를 포함한다. 본원에서 사용된, 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. 아래에서 보다 상세히 설명되고 도시되는 바와 같이, 루프 섹션(106)은 2개 또는 그 이상의 수직 유동 구역을 포함한다. 예시적인 시스템(100)의 추가적인 실시예에서, 도 4a 내지 4d 및 도 5를 참조하여 아래에 기재되고 도시된 수직 유동 구역에 더하여, 루프 반응기(101)는 제1 비-수직 감압 구역(108) 및/또는 제1 비-수직 감압 구역(108)의 하류인 제2 비-수직 감압 구역(113)을 포함할 수 있다. 추가적인 실시예에서 예시적인 시스템(100)은 영양소 및/또는 미네랄 공급 서브 시스템(114) 및 열 전달 유닛 작동(들)(116)을 포함하는 다른 서브 시스템을 포함한다. 예시적인 시스템(100)은 액체 배양 배지의 다상 혼합물, 공급된 기체 기질(들) 및 영양소(들)를 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 미생물로부터 또는 기체/액체 분리 유닛 작동(102)에서 형성되는 기체상 및/또는 액체상으로부터 회수될 수 있는 바람직한 생성물로 전환시킬 수 있는 미생물을 포함한다. 기체 기질(들) 및 영양소(들)는 영양 공급 서브 시스템(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 서브 시스템(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 수용하고, 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 3에서 도시된 예시적인 시스템(100)은 2개 또는 그 이상의 수직 유동 구역(도 4a 내지 4d 및 도 5를 참조하여 도시되고 설명됨)을 포함하는 루프 섹션(106)을 포함한다. 기체/액체 분리 유닛 작동(102)(예를 들어, 기체/액체 분리 용기 또는 액체, 기체 및 미생물의 다상 혼합물로부터 액체 및 기체를 분리할 수 있는 다른 장비), 유체 유동 유닛 작동(104)(예를 들어, 펌프 또는 유체를 움직일 수 있는 다른 장치), 루프 섹션(106), 제1 비-수직 감압 구역(108) 및 제2 비-수직 감압 구역(113)을 포함하는 루프 반응기(101)의 요소는 금속성, 비금속성 또는 복합 구조일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 요소들은 304, 304L, 316 또는 316L 스테인리스 스틸과 같은 하나 이상의 금속성 재료를 포함할 수 있다. 일부 경우에서, 하나 이상의 코팅(coartings), 레이어(layers), 오버레이(overlays), 인서트(inserts) 또는 다른 재료가 금속성, 비금속성 또는 복합 구조의 전부 또는 일부에 증착되거나(deposited on), 적용되거나(applied to), 결합되거나 또는 일체로 형성되어 미생물학적 유기체가 그것에 부착되거나 또는 거기서 성장하는 능력에 유리하게 또는 불리하게 영향을 미칠 수 있다. 예를 들어, 미생물학적 유기체의 성장 및 부착을 억제하는 코팅은 열적으로 전도적으로 열 전달 유닛 작동(116)과 결합되는 루프 반응기(101)의 표면 상에 증착되거나 일체로 형성될 수 있다. 또 다른 예에서, 생물학적 유기체의 성장 또는 부착을 억제하는 코팅은 누적된 바이오매스의 제거를 보다 쉽게 달성하고자하는 루프 반응기(101)의 부분 상에 증착되거나 일체로 형성될 수 있다.
적어도 일부의 경우, 루프 반응기(101)의 구성 요소는 프로세스 접촉 표면의 전부 또는 일부의 살균(sterilization)을 촉진시키는 특징을 포함할 수 있다. 이러한 살균은 예를 들어, 증기 살균(steam sterilization), 자외선 살균(ultraviolet sterilization), 화학적 살균(chemical sterilization), 또는 이들의 조합을 사용하여 달성될 수 있다. 적어도 일부 예에서, 하나 이상의 비금속 재료 또는 하나 이상의 비금속 코팅은 루프 반응기(101)의 일부 또는 모든 요소의 내부 또는 외부의 전부 또는 부분 내에서 사용될 수 있다. 이러한 비금속 재료의 사용은 유리하게, 예를 들어, 생물학적 성장을 지지하거나 촉진할 수 있는 살균 가능한 표면을 제공할 수 있다.
기체/액체 분리 용기(102)는 다상 혼합물(121)을 형식적인 바이오리액터와 함께 사용되는 기체/액체 분리기로서 동일한 원리로 작동하는 적어도 기체 유출물(effluent)(123) 및 액체 유출물(125)로 분리하기 위한 임의의 수의 장치, 시스템 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 적어도 몇몇의 경우, 다상 혼합물(121)에 존재하는 바이오고형물은 고형물-함유 유출물로 분리될 수 있다. 적어도 몇몇의 경우, 기체/액체 분리 용기(102)로부터 고형물-함유 유출물의 적어도 일부는 하나 이상의 액체 및 기체/액체 분리 용기 또는 루프 섹션(106)으로 되돌아가는 혼합물과 결합될 수 있다. 적어도 일부의 경우, 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 기체 유출물(123) 및 액체 유출물(125)을 분리할 수 있는 하나 이상의 수동 분리기(예를 들어, 하나 이상의 습식 사이클론(wet cyclone) 등)을 포함할 수 있다. 적어도 일부예에서, 수동 분리기는 또한 다상 혼합물(121)에 존재하는 바이오고형물의 적어도 일부를 분리하기 위한 고형물 분리 섹션을 포함할 수 있다. 다른 경우에, 기체/액체 분리 용기(102)는 다상 혼합물(121)로부터 기체 유출물(123), 액체 유출물(125) 및 고형물-함유 유출물을 분리할 수 있는 하나 이상의 활성 분리 장치(예를 들어, 3-상 회전 분리기)를 포함할 수 있다.
적어도 일부의 경우, 기체 유출물(123)은 하나 이상의 기체 기질(예를 들어, 메탄 또는 일산화탄소) 및 루프 반응기(101)에서 생물학적 유기체에 의한 부산물로서 형성되는 하나 이상의 기체 부산물(예를 들어, 이산화탄소)의 혼합물을 포함할 수 있다. 적어도 일부 예에서, 기체 유출물(123)은 분리될 수 있고, 하나 이상의 기체 기질의 적어도 일부는 루프 반응기(101), 예를 들어 기체 기질로 재순환된다(도시되지 않음). 적어도 일부의 경우, 기체 유출물(123)은 하나 이상의 유용한 화합물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 기체 유출물(123)은 상당한 양의 하나 이상의 기체의 C2+ 탄화수소 화합물 및 최종 생성물 또는 후속 프로세스의 원료로서의 가치를 갖는 화합물을 함유할 수 있다. 이러한 유용한 화합물은 기체 유출물(123)의 적어도 일부를 루프 반응기(101)로 재순환시키기 전에 기체 유출물(123)로부터 분리될 수 있다.
적어도 일부 경우, 액체 유출물(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 유출물(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 되돌아 갈 수 있다. 거품 방지제(Anti-foam agent)는 기체/액체 분리 용기(102) 내로 분무된 액체 유출물(125)에 첨가되거나, 액체 유출물(125) 없이 기체/액체 분리 용기(102) 내로 분무될 수 있다. 적어도 일부의 경우, 액체 유출물(125)은 하나 이상의 유용한 화합물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 액체 유출물(125)은 알코올, 케톤, 글리콜 및 후속 프로세스에서의 완제품 또는 원료로서의 가치를 갖는 화합물을 포함하지만 이에 한정되지 않고, 상당한 양의 하나 이상의 액체 C2+ 탄화수소 화합물을 포함할 수 있다. 이러한 유용한 탄화수소 화합물은 액체 유출물(125)로부터 분리될 수 있다.
몇몇 예에서, 반응기는 에탄올, 아세테이트, 부탄올, 이소프렌, 프로필렌, 효소 또는 기타 대사 산물과 같은 천연 또는 비-천연 생성물 또는 세포 생성물을 생산하는데 사용되며, 여기서 생성물은 미생물로부터 유래된다. 이러한 경우, 생성물은 생성물의 물리적 특성에 따라 기체 유출물(123) 또는 액체 유출물(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, "바이오고형물" 또는 "바이오매스")의 축적을 촉진시키도록 성형, 형성 또는 구성될 수 있다. 예를 들어, 기체/액체 분리 용기(102)의 바닥은 용기(102)의 바닥에 가라앉는 바이오고형물(127)이 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 유출물(125) 및 바이오고형물(127)은 기체/액체 분리 용기(102)의 바닥으로부터 제거되어, 유체 유동 유닛 작동(104), 예를 들어 펌프로 전달될 수 있다. 기체/액체 분리 용기(102)로부터 제거된 액체 유출물(125) 및 바이오고형물(127)은 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 유출물(125) 및 바이오고형물(127)을 이동시키기에 적절한 펌프는 기계적 작용에 의해 유체(액체 또는 기체) 및 슬러리(slurry)를 이동시킬 수 있고, 바이오매스 및/또는 공동현상(cavitation)에 불리한 전단력의 실질적 부재에서 바람직한 유속을 생성할 수 있는 펌프를 포함한다. 공동현상이 다상 혼합물 내의 영양소와 기체 기질을 용액 밖으로 나오게하여 바이오매스에 쉽게 접근할 수 없게 하기 때문에 공동현상을 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), 이중 다이아프램 펌프(double diaphragm pump) 등도 사용될 수 있다. 펌프 이외의 장치는 또한 다상 혼합물을 이동시키는 데 사용될 수 있고, 예를 들어, 미국 특허 제7,579,163호에 기술된 프로펠러 및 모터와 같은, 모터에 의해 구동되는 프로펠러가 펌프 대신에 또는 펌프와 함께 사용될 수 있다.
도 3에서, 유체 유동 유닛 작동(104)의 출구(131)는 루프 섹션(106)의 입구(133)와 유체 연통한다. 루프 섹션(106)은 루프섹션(106)의 입구(133)로부터 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 불리한 영향을 미치지 않는 물질로 제조된 파이프로 형성될 수 있다. 예를 들어, 루프 섹션(106)은 루프 반응기(101)의 요소에 대해 상기 전술한 물질로 제조된 파이프로 형성될 수 있다. 루프 섹션(106)의 단면적은 일정하거나 루프 섹션(106)은 상이한 단면적을 가지는 하나 이상의 섹션을 포함할 수 있다. 본 발명의 루프 섹션(106)의 단면적에 대한 언급은 기체/액체 분리 용기 (102)의 단면적을 포함하지 않는다. 루프 섹션(106)의 내부 직경은 넓은 범위에 걸쳐 다양할 수 있다. 예시적인 직경은 약 20 센티미터 내지 3 미터의 범위이다. 다른 예시적인 직경은 25 센티미터 내지 2.5 미터의 범위이다. 루프 섹션(106)이 다른 단면적의 섹션을 포함할 때, 보다 큰 단면적을 갖는 루프 섹션(106)의 섹션은 보다 작은 단면적을 갖는 루프 섹션(106)의 섹션의 단면적의 3배 이하인 단면적을 갖는다. 다른 예시적인 실시 예에서, 보다 큰 단면적을 갖는 루프 섹션(106)의 섹션은 보다 작은 단면적을 갖는 루프 섹션(106)의 섹션의 단면적의 2배 이하인 단면적을 갖는다. 또 다른 예시적인 실시 예에서, 보다 큰 단면적을 갖는 루프 섹션(106)의 섹션은 보다 작은 단면적을 갖는 루프 섹션(106)의 섹션의 단면적의 0.5배 이하인 단면적을 갖는다. 루프 섹션(106)의 길이는 루프 섹션(106)에 있는 다상 혼합물(121)이 루프 섹션 (106)에 있는 시간의 바람직한 길이를 포함하여 다수의 요소에 따라 변할 수 있다. 루프 섹션(106)의 길이는 또한 전체 반응기/액체 부피, 바람직한 루프를 통한 전체 압력 강하, 바람직한 기질 이용 및 수율과 같은 다른 요소들에 기초하여 결정될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 루프 섹션(106)은 그 중심선에서 길이가 약 30 미터 내지 약 250 미터, 40 미터 내지 약 200 미터, 50 미터 내지 약 150 미터 및 60 미터 내지 약 100 미터로 다양할 수 있다.
도 3에 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 2개의 90°엘보(137) 이상을 포함할 수 있거나, 또는 90°보다 작은 하나의 엘보 이상을 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 대해 상승된다. 루프 섹션(106)은 입구(133)에서부터 출구(135)까지 경사지는 조합 및 수직 유동 구역의 존재에 의해 입구(133)와 출구(135) 사이의 높이 차이를 수용할 수 있다(도 4 및 도 5를 참조하여 설명됨). 루프 섹션(106) 또는 루프 섹션(106)의 부분의 특정 기울기(slope)는 루프 섹션(106)의 길이, 입구(133)에서 루프 섹션(106)의 중심선과 출구(135)에서 루프 섹션(106)의 중심선 사이의 수직 거리 및 루프 섹션(106)이 수직 감압 구역을 포함하는지 여부에 따라 달라진다. 그 대신에, 루프 섹션(106)의 일부는 아래쪽으로 경사질 수 있고, 루프 섹션(106)의 일부는 위쪽으로 경사질 수 있다. 이러한 대안적인 실시예에서, 위쪽으로 경사진 루프 섹션(106)의 일부는 루프 섹션(106)의 아래쪽으로 경사진 부분의 존재 및 루프 섹션(106)의 입구(133)와 루프 섹션(106)의 출구(135)사이의 높이 차이에 기인한 높이의 손실을 설명한다. 예를 들어, 도 3에서 입구(133)로부터 제1 90°엘보(137)까지 연장되는 루프 섹션(106)의 부분은 아래쪽으로 경사질 수 있고, 제1 또는 제2 엘부(137)로부터 연장되는 루프 섹션(106)의 부분은 루프 섹션(106)의 출구(135)까지 위쪽으로 경사질 수 있다.
유체 유동 유닛 작동(104)의 출구(131)로부터 루프 섹션(106)의 출구(135)까지 높이 변화의 일부를 설명하는 수직 감압 구역을 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 변화의 양이 감소된다.
도 3에 도시된 예시적인 실시예는 루프 섹션(106)의 길이를 따라 배치된 복수의 정적 혼합기(static mixer)(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. 본원에서 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, 다른 유형의 정적 혼합기는 뉴욕 주, 브루클린의 StaMixCo LLC 및 스위스, 빈터투어의 Sulzer Management Ltd.와 같은 회사에서 이용할 수 있다. 도 3 및 도 4에 도시된 예시적인 실시예에서, 50개의 정적 혼합기(139)는 23개의 블록으로 개략적으로 표현된다. 도 3의 예시적인 실시예의 정적 혼합기(139)는 정적 혼합기가 약 1 미터의 길이를 가질 때, 루프 섹션(106)의 3 미터 당 약 1개의 혼합기의 밀도로 제공될 수 있다. 다시 말해서, 어떤 경우에서, 정적 혼합기는 정적 혼합기 중 하나의 길이의 약 3배의 거리만큼 이격되어 있다. 정적 혼합기의 수는 50개로 제한되지 않으며, 그 밀도는 루프 섹션(106)의 3 미터 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 3을 계속 참조하면, 예시적인 실시예에서, 시스템(100)은 하나 이상의 위치에서 루프 섹션(105)안으로 영앙소 및 미네랄을 도입시키기 위한 영양소 및/또는 미네랄 공급 서브시스템(114)을 포함한다. 이러한 영양소는 루프 반응기(101) 내의 다상 혼합물에서 미생물학적 유기체를 형성하는 바이오매스에 용해되거나 부유된(suspended) 자양물(sustenance)을 지지 또는 수송할 수 있는 영양분을 포함한다. 도 3에 도시된 실시예에서, 영양소 및 미네랄은 루프 섹션(106)을 따라 2개 위치에 도입된다; 그러나, 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 생물학적 유기체를 생성하는 바이오매스에 자양물 또는 영양소를 지지하거나 제공할 수 있는 단일 기체 또는 기체의 조합을 포함할 수 있다. 도 3에 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 (예를 들어, 인산), 질산염, 요소, 마그네슘, 칼슘, 칼륨, 철, 구리, 아연, 망간, 니켈, 코발트 및 몰리브데넘, 통상적으로 황산염, 염화물 또는 질산염으로서 사용되는 물질과 같은 기타 영양소/미네랄은 또한 영양소 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 혼합물로부터 열 에너지를 도입하거나 열 에너지를 제거할 수 있다. 도 3에 도시된 실시예에서, 열 전달 유닛 작동(116)은 루프 섹션(106)을 따라 한 위치에서 열 에너지를 제거하거나 도입한다; 그러나, 열 에너지는 루프 섹션(106)을 따라 하나 이상의 위치에서 제거되거나 도입될 수 있다. 적어도 일부의 경우, 루프 반응기(101) 내에서 발생하는 미생물학적 활동은 부산물로서 열을 발생시킨다. 제어되지 않은 상태로 유지되면, 이러한 열은 루프 반응기(101) 내의 미생물학적 유기체의 대사 또는 건강에 악영향을 미칠 수 있다. 그렇지 않으면, 미생물학적 유기체는 또한 유기체의 대사 또는 건강에 악영향을 미치는 온도 이하를 가질 수 있다. 이와 같이, 루프 반응기(101) 내의 생물학적 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; 약 120°F 이하; 약 110°F 이하; 약 100°F 이하; 약 95°F 이하; 약 90°F 이하; 약 85°F 이하; 또는 약 80°F 이하의 온도로 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 상부의 빈 공간(headspace)(143) 내의 기체 압력은 약 0.2 내지 약 0.6 바(bar) 범위이다; 그러나, 상부의 빈 공간(143) 내의 기체 압력은 약 0.2 내지 약 0.6 바의 범위로 한정되지 않는다. 예를 들어, 본 명세서에 설명된 예시적인 실시예에서, 상부의 빈 공간(143) 내의 기체 압력은 0.2 바(bar) 미만이거나 약 0.6 바 이상일 수 있다. 펌프(104)의 출구(131)에서의 압력은 약 3.5 바 내지 약 4.0 바의 범위이다; 그러나, 펌프(104)의 출구(131)에서의 압력은 약 3.5 바 내지 약 4.0 바의 범위로 한정되지 않는다. 예를 들어, 여기에 설명된 예시적인 실시예에서, 펌프(104)의 출구(131)에서의 압력은 약 3.5 바 보다 낮거나 약 4.0 바 보다 클 수 있다. 정적 혼합기(139)를 포함하는 예시적인 실시예에서, 정적 혼합기에 걸친 압력 강하는 약 0.01 내지 약 0.1 바 범위이다; 하지만, 정적 혼합기에 걸친 압력 강하는 약 0.01 내지 약 0.1 바의 범위로 한정되지 않는다. 예를 들어, 본 명세서에 설명된 예시적인 실시예에서, 정적 혼합기에 걸친 압력 강하는 0.01 바 이하 또는 0.1 바 이상일 수 있다. 본원에 기술된 예시적인 실시예에 따라, 비-수직 감압 구역(108)의 시작부에서 루프 섹션(106) 내의 압력은 약 2.0 내지 약 2.5 바 범위이다; 그러나, 비-수직 감압 구역(108)의 시작부에서 루프 섹션(106) 내의 압력은 약 2.0 내지 약 2.5 바의 범위로 한정되지 않는다. 예를 들어, 비-수직 감압 구역(108)의 시작부에서 루프 섹션(106) 내의 압력은 약 2.0 바 미만이거나 약 2.5 바 이상일 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 범위이다; 그러나, 비-수직 감압 구역(108)의 단부에서의 루프 섹션(106) 내의 압력은 약 0.2 바 내지 약 0.6 바 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 보다 클 수 있다. 본원에 기술된 실시예에서, 비-수직 감압 구역(108)을 걸친 압력 강하는 약 1.8 바 내지 약 2.3 바 범위 일 수 있다; 그러나, 비-수직 감압 구역(108)을 걸친 압력 강하는 약 1.8 바 내지 약 2.3 바 범위로 한정되지 않는다. 예를 들어, 비-수직 감압 구역(108)을 걸친 압력 강하는 1.8 바 미만이거나 2.3 바 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 상부의 빈 공간(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 상부의 빈 공간(143) 사이의 압력 강하에 대한 비율은 감압 구역(108)에 위치된 갑압 장치(145)에 걸친 압력 강하에 동일하게 적용된다.
도 3에 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 3에 도시된 실시예에 따르면, 감압 장치(145)의 바로 하류(immediately downstream)에 루프 섹션(106) 내의 압력은 감압 장치(145)의 바로 상류(immediately upstream)에 루프 섹션(106) 내의 압력보다 낮다. 감압 장치(145)는 감압 장치(145)의 바로 하류에 루프 섹션(106) 내의 압력이 감압 장치(145)의 바로 상류에 루프 섹션(106) 내의 압력보다 낮게 만든다. 감압 장치(145)로서 사용하기에 바람직한 장치는 정수압(hydrostatic pressure)의 변화 이외의 수단에 의해 원하는 압력 감소를 제공하는 장치를 포함한다. 예를 들어, 감압 장치(145)는 제어 밸브(control valve)(체크 밸브(check valve)와 반대), 팽창 조인트(expansion joint)(예를 들어, 그의 하류 직경보다 작은 상류 직경을 가짐), 정적 혼합기, 파이프 엘보(pipe elbow) 및 이들의 조합일 수 있다. 예시적인 제어 밸브는 솔레노이드 또는 모터에 의해 유압식(hydraulically), 공압식(pneumatically), 수동식(manually)으로 작동되는 제어 밸브를 포함한다; 그러나, 여기에 기술된 실시예들에서 유용한 제어 밸브들은 전술한 유형의 제어 밸브들로 제한되지 않는다. 마찬가지로, 감압 장치(145)는 제어 밸브, 팽창 조인트, 정적 혼합기, 파이프 엘보 및 이들의 조합에 한정되지 않는다. 예를 들어, 장치의 바로 하류에 루프 섹션(106) 내의 압력이 장치의 바로 상류에 루프 섹션(106) 내의 압력보다 낮아지게 되는 제어 밸브, 확장 조인트, 정적 혼합기 또는 파이프 엘보가 아닌 감압 장치(145)는 장치일 수 있다.
본 명세서에 설명된 실시예에 따르면, 감압 장치(145)는 제어 밸브와 같은 가변 감압 장치일 수 있다. 가변 감압 장치를 사용하는 것은 장치의 바로 상류에 루프 섹션(106) 내의 압력과 장치가 개방되는 정도를 변화시킴으로써 조정되는 장치의 바로 하류에 루프 섹션(106) 내의 압력의 차이를 허용한다. 예를 들어, 압력의 차이는 장치를 개방함으로써 감소시킬 수 있고, 압력의 차이는 장치를 닫음으로써 증가시킬 수 있다.
도 3의 실시예를 참조하면, 임의의 제2 감압 구역(113)은 감압 장치(145)와 관련하여 전술한 유형의 감압 장치를 포함할 수 있다. 도 3의 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 3에 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 3에 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 상부의 빈 공간(143)과 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 있다; 그러나, 제2 감압 구역(113)을 걸친 압력 강하는 약 0.1 바 내지 약 0.5 바의 범위에 한정되지 않는다. 예를 들어, 제2 감압 구역(113)을 걸친 압력 강하는 0.1 바 보다 작거나 0.5 바보다 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 상부의 빈 공간(143)까지의 압력 강하의 10% 미만, 5% 미만, 3% 미만 또는 2%을 차지한다.
제1 비-수직 감압 구역(108)의 루프 섹션(106)의 상류는 탈착 기체 입구(149)를 포함한다. 도시된 실시예에서, 탈착 기체 입구(149)는 탈착 기체의 공급원, 예를 들어, 질소와 유체 연통하고, 루프 섹션(106)의 비-수직 섹션과 유체 연통한다. 따라서, 도 3에 도시된 실시예에 따르면, 탈착 기체는 루프 섹션(106)의 비-수직 섹션으로 도입될 수 있다. 탈착 기체 입구(149)에서 탈착 기체를 다상 혼합물로 도입하는 것은 다상 혼합물(예를 들어, 이산화탄소 및 메탄)에 존재하는 다른 기체의 분압의 감소를 야기한다. 다상 혼합물에 존재하는 다른 기체의 분압을 감소시키는 것은 미생물 내로의 영양 가스의 물질 전달을 감소시키고 및/또는 용액으로부터 다른 기체를 배출시키는 효과를 가질 수 있다.
도 3의 다른 실시예에 따르면, 제2 감압 구역(113)은 수직으로 배향된 섹션을 포함하도록 루프 섹션(106)을 변경함으로써 제공될 수 있다. 루프 섹션(106)의 섹션의 수직 배향은 제2 감압 구역(112)의 하단에서 루프 섹션(106) 내의 압력 보다 낮은 제2 감압 구역(112)의 상단에서 루프 섹션(106) 내의 압력을 초래하는 제2 감압 구역(112)을 제공한다. 제2 감압 구역(112)에 의해 제공되는 감압은 적어도 부분적으로, 제2 감압 구역(112)의 상부로부터 하부로의 정수압의 차이에 기인한다. 제2 감압 구역(112)의 수직 부분의 길이는 제2 감압 구역(112)에 의해 제공되는 압력의 원하는 감소에 적어도 부분적으로 기초하여 결정된다.
도 4a 내지 도 4d는 실질적으로 동일한 방향, 예를 들어, 실질적으로 상향 방향으로 다상 혼합물의 유동이 발생하는 2 또는 그 이상의 실질적 수직 유동 구역을 포함하는 루프 섹션(106)을 포함하는 본 명세서의 상이한 실시예를 도시한다. 실질적으로 상향 방향으로의 유동은 실질적으로 중력에 대항하는 유동, 예를 들어, 중력 벡터와 반대 방향으로의 유동을 지칭한다. 도 3을 참조하여 기체/액체 분리 유닛 작동(102), 루프 섹션(106)의 입구(133) 및 루프 섹션(106)의 출구(135)의 기술은 도 4a 내지 도 4d 뿐만 아니라 도 5에서 기체/액체 분리 유닛 작동(102), 루프 섹션(106)의 입구(133) 및 루프 섹션(106)의 출구(135)에 동일하게 적용된다. 도 4a에 따른 실시예를 참조하면, 루프 섹션(106)은 기체/액체 분리 용기(102)의 출구(402)와 유체 연통하는 일 단부를 갖는 실질적 수평 유동 구역(404A)을 포함한다. 실질적 수평 유동 구역(404A)의 타 단부는 차례로 실질적 수평 유동 구역(404C)의 일단과 유체 연통하는 타 단부를 갖는 실질적 수평 유동 구역(404B)의 일 단부와 유체 연통한다. 실질적 수평 유동 구역(404C)의 타 단부는 실질적 수직 유동 구역(408A)의 입구 단부와 유체 연통하는 타 단부를 갖는 비-수직 유동 구역(406A)의 일 단부와 유체 연통한다. 입구의 단부와 반대, 즉 출구 단부인 실질적 수직 유동 구역(408A)의 단부는 실질적 수직 유동 구역(408B)의 일 단부와 유체 연통하는 타 단부를 갖는 실질적 수평 유동 구역(404D)의 단부와 유체 연통한다. 다상 혼합물은 실질적 수직 유동 구역(408B)에서 하향으로 흐른다. 아래쪽 방향으로의 유동은 실질적으로 중력이 있는 방향, 예를 들어, 중력 벡터의 방향으로 흐르는 방향을 말한다. 실질적 수직 유동 구역(408B)의 타 단부는 실질적 수직 유동 구역(408C)의 입구 단부와 유체 연통하는 타 단부를 갖는 비-수직 유동 구역(406B)의 일 단부와 유체 연통한다. 실질적 수직 유동 구역(408C)의 입구 단부와 반대인 실질적 수직 유동 구역(408C)의 출구 단부는 실질적 수직 유동 구역(408D)과 유체 연통하는 반대 단부를 갖는 실질적 수평 유동 구역(404E)과 유체 연통한다. 다상 혼합물의 유동은 실질적 수직 유동 구역(408C)에서 상향 방향인 반면, 다상 혼합물의 유동은 실질적 수직 유동 구역(408D)에서 하향 방향이다. 실질적 수직 유동 구역(408D)은 비-수직 유동 구역(406C)의 일 단부와 유체 연통하고, 비-수직 유동 구역(406C)의 반대 단부는 기체/액체 분리 유닛 작동(102)과 유체 연통한다. 도 4a에 도시된 실시예에 따르면, 실질적 상향 방향으로의 다상 혼합물의 유동은 실질적 수직 유동 구역 (408A 및 408C)에서 발생하고, 실질적 하향 방향으로의 다상 혼합물의 유동은 실질적 수직 유동 구역 (408B 및 408D)에서 발생한다.
도 4a에 따른 바이오매스의 생산을 촉진하기 위한 시스템의 실시예에서, 기체 및 액체 배양 배지의 다상 혼합물은 화살표(409)로 표시된 방향으로 루프 섹션(106)을 통해 유동한다. 다상 혼합물이 실질적 상향 방향으로 흐르는 실질적 수직 유동 구역에서 기체 기질에 대한 부피 물질 전달 계수를 모델링 하는 것은 기체 기질과 이러한 실질적 수직 유동 구역에서 유동하는 다상 혼합물의 액체 배양 배지사이의 부피 물질 전달 계수(kLa)는 기체 기질과 이러한 실질적 수평 유동 구역에서 유동하는 다상 혼합물의 액체 배양 배지사이의 물질 전달 계수(kLa)보다 상당히 더 크다(예를 들어, 2 내지 5배 더 큼)는 것을 말한다. 본 명세서에서 기술된 실시예들은 바이오매스의 생산을 촉진하기 위한 시스템에 의해 차지되는 공간(즉, 표면적 또는 바닥 공간)을 감소시키기 위해 이러한 관찰을 이용하고 활용할 수 있다. 예를 들어, 도 4a에서 도시된 시스템을 참조하면, 하나 이상의 실질적 수평 유동 구역(들)에서, 도 4a의 2개의 실질적 수직 유동 구역(408A 및 408B)에서 달성된 물질 전달량과 동등한 물질 전달량을 달성하는 것은 이러한 실질적 수평 유동 구역(들)에 대한 표면적 또는 바닥 공간의 헌신(dedication)을 요구할 것이다. 이러한 실질적 수평 유동 구역(들)을 수용하는 데 필요한 표면적 또는 바닥 공간은 실질적 수직 유동 구역(408A 및 408B)에 의해 차지되는 표면적 또는 바닥 공간보다 더 클 것이다. 실질적 상향 방향으로 다상 혼합물이 흐르는 적어도 2개의 실질적 수직 유동 구역을 포함하는 바이오매스의 생산을 촉진하기 위한 시스템을 이용함으로써, 동일한 양 또는 보다 많은 양의 물질 전달은 다상 혼합물의 상향 유동을 지지하는 2개 이하의 수직 유동 구역을 포함하고, 실질적으로 동일한 양의 물질 전달을 달성하는 바이오매스의 생산을 촉진하기 위한 시스템에 의해 차지되는 표면적 또는 바닥 공간과 비교하여 더 작은 표면적 또는 바닥 공간을 차지하는 시스템에서 달성될 수 있다. 달리 말하면, 실질적 상향 방향으로 다상 혼합물이 흐르는 적어도 2개의 실질적 수직 유동 구역을 포함하는 바이오매스의 생산을 촉진하기 위한 시스템을 이용함으로써, 실질적으로 동일한 양의 물질 전달을 달성하고, 상향 방향으로 다상 혼합물이 흐르는 것을 통하여 2개 미만의 수직 유동 구역을 포함하는 바이오매스의 생선을 촉진하기 위한 시스템에서 필요로 되는 실질적 수평 유동 구역의 누적되는 길이보다 적은 실질적 수평 유동 구역의 누적되는 길이와 함께 동일한 양 또는 보다 많은 양의 물질 전달은 달성될 수 있다.
도 4b 내지 4d는 실질적 상향 방향으로 다상 혼합물이 흐르는 것을 통해 적어도 2개의 실질적 수직 유동 구역을 포함하는 바이오매스의 생산을 촉진하기 위한 시스템의 다른 실시예를 나타낸다. 도 4b는 도 4a에서 도시된 시스템과 유사성을 갖는 바이오매스의 생산을 촉진하기 위한 시스템의 실시예를 나타낸다. 도 4a에서 기체/액체 분리 유닛 작동(102)의 출구(402)의 설명은 도 4b에서 기체/액체 분리 유닛 작동(102)의 출구(402)에 적용된다. 도 4a에서 도시된 시스템의 실질적 비-수직 유동 구역(406A, 406B 및 406C)의 위치에서 도 4b의 시스템이 실질적 수평 유동 구역(404D, 404F 및 404H)을 포함한다는 점에서 도 4b의 시스템은 도 4a에서 도시된 시스템과 다르다. 도 4b에 도시된 실시예에 따르면, 실질적 수평 유동 구역(404A, 404B 및 404C)은 도 4a를 참조하여 기술된 실질적 수평 유동 구역(404A, 404B 및 404C)과 동일하다. 도 4b에서, 실질적 수평 유동 구역(404C)의 하류 단부는 실질적 수평 유동 구역(404D)의 하류 일 단부와 유체 연통한다. 실질적 수평 유동 구역(404D)의 타 단부는 실질적 수직 유동 구역(408A)의 일 단부(예를 들어, 입구 단부)와 유체 연통하고, 실질적 수직 유동 구역(408A)(예를 들어, 출구 단부)의 타 단부는 실질적 수평 유동 구역(404E)의 일 단부와 유체 연통한다. 실질적 수평 유동 구역(404E)의 타 단부는 실질적 수직 유동 구역(408B)의 일 단부와 유체 연통하고, 실질적 수직 유동 구역(408B)의 타 단부는 실질적 수평 유동 구역(404F)의 일 단부와 유체 연통한다. 실질적 수평 유동 구역(404F)의 타 단부는 실질적 수직 유동 구역(408C)의 일 단부(예를 들어, 입구 단부)와 유체 연통하고, 실질적 수직 유동 구역(408C)의 타 단부(예를 들어, 출구 단부)는 실질적 수평 유동 구역(404G)의 일 단부와 유체 연통한다. 실질적 수평 유동 구역(404G)의 타 단부는 실질적 수직 유동 구역(408D)의 일 단부와 유체 연통한다. 실질적 수직 유동 구역(408D)의 타 단부는 실질적 수평 유동 구역(404H)의 일 단부와 유체 연통하고, 실질적 수평 유동 구역(404H)의 타 단부는 루프 섹션(106)의 출구(135)에서 종결된다. 루프 반응기(106)의 출구(135)는 기체/액체 분리 용기(102)와 유체 연통한다. 도 4b에 도시된 시스템에서, 실질적 상향 방향으로 다상 혼합물의 유동은 실질적 수직 유동 구역(408A 및 408C)의 입구 단부와 출구 단부 사이에 발생하고, 실질적 하향 방향으로 다상 혼합물의 유동은 실질적 수직 유동 구역(408B 및 408D)에서 발생한다.
도 4c는 도 4a에서 도시된 시스템과 유사성을 갖는 바이오매스의 생산을 촉진하기 위한 시스템의 실시예를 나타낸다. 도 4a에서 기체/액체 분리 유닛 작동(102)의 출구(402)의 설명은 도 4c에서 기체/액체 분리 유닛 작동(102)의 출구 (402)에 적용된다. 도 4c에 도시된 시스템은 실질적으로 동일한 방향, 예를 들어, 실질적 상향 방향으로 다상 혼합물이 흐르는 2개의 추가적인 실질적 수직 유동 구역(414A 및 414C)(총 4개)를 포함한다는 점에서 도 4c의 시스템은 도 4a에서 도시된 시스템과 다르다. 도 4c에 도시된 시스템은 또한 상응하는 실질적 수직 유동 구역(414B 및 414D)을 포함하고, 여기서 다상 혼합물은 실질적 하향 방향, 즉, 실질적으로 중력의 방향으로 흐른다. 도 4c에서, 루프 섹션(106)의 입구(133)는 기체/액체 유닛 작동(102)의 출구(402)와 유체 연통한다. 루프 섹션(106)의 입구(133)는 실질적 수평 유동 구역(412A)의 일 단부와 유체 연통한다. 실질적 수평 유동 구역(412A)의 타 단부는 실질적 수평 유동 구역(412B)의 일 단부와 유체 연통하고, 실질적 수평 유동 구역(412B)의 타 단부는 실질적 수직 유동 구역(414A)의 일 단부(예를 들어, 입구 단부)와 유체 연통한다. 실질적 수직 유동 구역(414A)의 타 단부(예를 들어, 출구 단부)는 실질적 수직 유동 구역(414B)의 단부와 유체 연통하는 타 단부를 갖는 실질적 수평 유동 구역(412C)과 유체 연통한다. 실질적 수직 유동 구역(414B)의 반대 단부는 실질적 수평 유동 구역(412D)의 일 단부와 유체 연통하고, 실질적 수평 유동 구역(412D)의 반대 단부는 실질적 수직 유동 구역(414C)의 일 단부(예를 들어, 입구 단부)와 유체 연통한다. 실질적 수직 유동 구역(414C)의 타 단부(예를 들어, 출구 단부)는 실질적 수평 유출 구역(412E)의 일 단부와 유체 연통한다. 실질적 수평 유동 구역(412E)의 반대 단부는 실질적 수직 유동 구역(414D)의 일 단부와 유체 연통하고, 실질적 수직 유동 구역(414D)의 반대 단부는 실질적 수평 유동 구역(412F)의 일 단부와 유체 연통한다. 실질적 수평 유동 구역(412F)의 하류에 도 4c에 도시된 바이오매스의 생산을 촉진하기 위한 시스템의 균형은 실질적 수평 유동 구역(404C)의 하류에 있는 도 4a에 도시된 바이오매스의 생산을 촉진하기 위한 시스템의 부분과 동일하다. 실질적 수평 유동 구역(412F)의 하류에 도 4c에 도시된 시스템의 균형을 참조하면, 비수직 유동 구역(416A)은 실질적 수직 유동 구역(414E)과 유체 연통하고, 실질적 수직 유동 구역(414E)은 실질적 수평 유동 구역(412G)과 유체 연통하고, 실질적 수평 유동 구역(412G)은 실질적 수직 유동 구역(414F)과 유체 연통하고, 실질적 수직 유동 구역(414F)은 비수직 유동 구역(416B)와 유체 연통하고, 비수직 유동 구역(416B)은 실질적 수직 유동 구역(414G)과 유체 연통하고, 실질적 수직 유동 구역(414G)은 실질적 수평 유동 구역(412H)과 유체 연통하고, 실질적 수평 유동 구역(412H)은 실질적 수직 유동 구역(414H)과 유체 연통하고, 실질적 수직 유동 구역(414H)은 비수직 유동 구역(416C)과 유체 연통한다. 도 4c에 도시된 시스템에서, 다상 혼합물의 유동은 화살표(409)로 표시된 방향으로 발생한다. 도 4c의 시스템에서, 실질적 상향 방향으로 다상 혼합물의 유동은 실질적 수직 유동 구역(414A, 414C, 414E 및 414G)에서 발생하고, 실질적 하향 방향으로 다상 혼합물의 유동은 실질적 수직 유동 구역(414B, 414D, 414F 및 414H)에서 발생한다.
도 4d는 도 4c에 도시된 시스템과 유사성을 갖는 바이오매스의 생산을 촉진하기 위한 시스템의 또다른 실시예를 도시한다. 도 4a에서 기체/액체 분리 유닛 작동(102)의 출구(402)의 설명은 도 4d에서 기체/액체 분리 유닛 작동(102)의 출구(402)에 적용된다. 도 4d의 시스템은 도 4c에 도시된 시스템의 실질적 비수직 유동 구역(416A, 416B 및 416C)의 위치에서 실질적 수평 유동 구역(412G, 412I 및 412K)를 포함한다는 점에서 도 4d에 도시된 시스템은 도 4c에 도시된 시스템과 다르다. 도 4d에서, 실질적 수평 유동 구역(412A, 412B, 412C, 412D, 412E 및 412F)은 도 4c에 따른 실시예를 참조하여 설명된 실질적 수평 유동 구역(412A, 412B, 412C, 412D, 412E 및 412F)과 동일하다. 도 4c에서 실질적 수평 유동 구역(412G 및 412H)의 설명은 도 4d에서 실질적 수평 유동 구역(412H 및 412J)에 적용된다. 도 4c의 실질적 수직 유동 구역(414A-414H)의 설명은 도 4d에서 실질적 수직 유동 구역(414A-414H)에 동일하게 적용된다. 도 4d에 도시된 시스템에서, 다상 혼합물의 유동은 화살표(409)로 표시된 방향으로 발생한다. 도 4d의 시스템에서, 실질적 상향 방향으로 다상 혼합물의 유동은 실질적 수직 유동 구역(414A, 414C, 414E 및 414G)에서 발생하고, 실질적 하향 방향으로 다상 혼합물의 유동은 실질적 수직 유동 구역(414B, 414D, 414F 및 414H)에서 발생한다.
본원에 기술된 실시예에 따라 바이오매스의 생산을 촉진하기 위한 시스템은 도 4a 내지 도 4d에 도시된 시스템에 제한되지 않는다. 예를 들어, 본원에 기술된 실시예에 따라 바이오매스의 생산을 촉진하기 위한 시스템은 적어도 2개의 실질적 수직 유동 구역을 통해 동일한 방향으로, 예를 들어, 상향 방향으로 유동하는 기체 및 액체 배양 배지의 다상 혼합물과 함께 실질적 수평, 비수직, 및 적어도 2개의 실질적 수직 유동 구역의 다른 조합 및/또는 배열을 포함할 수 있다.
도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 바이오매스의 생산을 촉진하기 위한 시스템의 또 다른 실시예는 실질적 수평 제1 평면에 놓이는 제1 실질적 수평 구역과 실질적 수평 제1 평면과는 다른 실질적 수평 제2 평면에 놓여있는 제2 실질적 수평 구역을 포함한다. 예를 들어, 도 5에 도시된 실시예에서, 제1 실질적 수평 구역(502)은 제2 실질적 수평 평면(504)이 놓여있는 실질적 수평 평면 아래에 있는 실질적 수평 평면에 놓여있다. 제1 실질적 수평 구역(502) 및 제2 실질적 수평 구역(504)은 제1 실질적 수평 구역(502)과 유체 연통하는 입구 및 제2 실질적 수평 구역(504)과 유체 연통하는 출구를 가지는 실질적 수직 유동 구역(506)에 의해 분리된다. 도 5에 의해 도시된 실시예에 따른 바이오매스의 생산을 촉진하기 위한 시스템은 상이한 실질적 수평 평면에 놓여있는 상이한 실질적 수평 구역의 유동 섹션을 가로 지르거나 포개지는 유동 섹션을 포함하는 하나의 실질적 수평 구역에 의해 특징지어질 수 있다. 본원에 기술된 실시예에 따른 제1 및 제2 실질적 수평 구역 및 적어도 하나의 실질적 수직 유동 구역의 그러한 배열로, 그러한 배열을 포함하지 않는 시스템과 실질적으로 동일한 물질 전달을 달성하면서, 그러한 배열을 포함하지 않는 바이오매스의 생산을 촉진하기 위한 시스템과 비교하여 시스템의 차지하는 공간(즉, 표면적 또는 바닥 공간)은 감소될 수 있다.
도 5에 따른 바이오매스의 생산을 촉진하기 위한 시스템의 실시예에 따르면, 루프 섹션(106)은 제1 수평 평면에 놓여있고 제1 유동 섹션(502A), 제2 유동 섹션(502C) 및 제1 유동 섹션(502A)과 제2 유동 섹션(502C) 사이의 제5 유동 섹션(502B)을 포함하는 제1 실질적 수평 유동 구역(502)을 포함한다. 루프 섹션(106)은 또한 제3 유동 섹션(504A), 제4 유동 섹션(504C) 및 제3 유동 섹션(504A)과 제4 유동 섹션(504C) 사이의 제6 유동 섹션(504B)을 포함하는 제2 수평 평면(제1 수평 평면과는 다른)에 놓여 있는 제2 실질적 수평 유동 구역(504)을 포함한다. 제1 실질적 수평 유동 구역(502)은 루프 섹션(106)의 출구(135)와 유체 연통하는 기체/액체 분리 용기(102)의 입구와 기체/액체 분리 용기(102)의 출구(402) 사이에 위치한다. 제2 실질적 수평 유동 구역(504)은 루프 섹션(106)의 출구(135)와 유체 연통하는 기체/액체 분리 용기(102)의 입구와 제1 실질적 수평 유동 구역(502) 사이에 위치한다. 실질적 수직 유동 구역(506)은 제1 실질적 수평 유동 구역(502)과 제2 실질적 수평 유동 구역(504) 사이에 위치하고, 제1 실질적 수평 유동 구역(502)과 제2 실질적 수평 유동 구역(504) 사이에 유체 연통을 제공한다.
도 5에 도시된 실시예에 따르면, 루프 섹션(106)의 입구(133)(즉, 제1 실질적 수평 구역(502)의 입구 및 제1 유동 섹션(502A))는 기체/액체 분리 용기(102)의 출구(402)와 유체 연통한다. 기체/액체 분리 용기(102)의 출구(402)와 유체 연통하는 제1 유동 섹션(502A)의 단부에 반대인 제1 유동 섹션(502A)의 단부는 제5 유동 섹션(502B)의 일 단부와 유체 연통한다. 도 5의 도시된 실시예에서, 제1 유동 섹션(502A)과 제5 유동 섹션(502B) 사이의 유체 연통은 커넥터, 예를 들어, 90°엘보에 의해 제공된다. 제5 유동 섹션(502B)의 타 단부는 제2 유동 섹션(502C)의 일 단부와 유체 연통한다. 도 5의 도시된 실시예에서, 제5 유동 섹션(502B)과 제2 유동 섹션(502C) 사이의 유체 연통은 커넥터, 예를 들어, 90°엘보에 의해 제공된다. 제2 유동 섹션(502C)의 타 단부는 실질적 수직 유동 구역(506)의 일 단부와 유체 연통한다. 실질적 수직 유동 구역(506)의 타 단부는 제2 실질적 수평 유동 구역(504)(및 제3 유동 섹션(504A))의 입구와 유체 연통한다. 실질적 수직 유동 구역(506)과 제2 유동 섹션(502C) 및 제3 유동 섹션(504A) 사이의 유체 연통은 커넥터, 예를 들어, 90°엘보에 의해 제공된다. 수직 유동 구역(506)에 반대인 제3 유동 섹션(504A)의 단부는 제4 유동 섹션(504C)과 유체 연통하는 타 단부를 갖는 제6 유동 섹션(504B)과 유체 연통한다. 제6 유동 섹션(504B)과 제3 유동 섹션(504A) 및 제4 유동 섹션(504C) 사이의 유체 연통은 커넥터, 예를 들어, 90°엘보에 의해 제공된다. 제6 유동 섹션(504B)에 반대인 제4 유동 섹션(504C)의 단부는 기체/액체 분리 용기(102)와 유체 연통한다.
작동시, 화살표(502A-C, 510A-C 및 512)로 표시된 방향으로 루프 섹션(106)을 통해 다상 혼합물은 유동한다. 보다 상세하게는, 도시된 실시예에서, 다상 혼합물은 화살표(509A)의 방향으로 제1 유동 섹션(502A)을 통하여 유동하고, 화살표(509B)의 방향으로 제5 유동 섹션(502B)을 통하여 유동하고, 화살표(509C)의 방향으로 제2 유동 섹션(502C)을 통하여 유동하고, 화살표(512)의 방향으로 실질적 수직 유동 구역(506)을 통하여 유동하고, 화살표(510A)의 방향으로 제3 유동 섹션(504A)을 통하여 유동하고, 화살표(510B)의 방향으로 제6 유동 섹션(504B)을 통하여 유동하고, 화살표(510C)의 방향으로 제4 유동 섹션(504C)을 통하여 유동한다. 따라서, 본원에서 기술된 실시예에 따르면, 다상 혼합물은 제2 유동 섹션(502C), 제4 유동 섹션(504C), 제5 유동 섹션(502B) 및 제6 유동 섹션(504B)에서 다상 혼합물이 흐르는 방향과 다른 방향으로 제1 유동 섹션(502A)으로 흐른다. 예를 들어, 제1 유동 섹션(502A)을 통해 흐르는 다상 혼합물의 방향은 제2 유동 섹션(502C) 및 제4 유동 섹션(504C)에서 다상 혼합물이 흐르는 방향과 반대이고, 제3 유동 섹션(504A)에서 다상 혼합물이 흐르는 방향과 같다. 제1 유동 섹션(502A)에서 다상 혼합물 유동 방향은 제6 유동 섹션(504B) 및 제5 유동 섹션(502B)에서 다상 혼합물이 흐르는 방향에 수직인 것을 특징지어질 수 있다.
제2 유동 섹션(502C)에 유동하는 다상 혼합물은 제1 유동 섹션(502A), 제3 유동 섹션(504A), 제5 유동 섹션(502B) 및 제6 유동 섹션(504B)을 통해 다상 혼합물이 흐르는 방향과는 다른 방향으로 진행하고, 제4 유동 섹션(504C)의 유동 방향과는 동일한 방향으로 진행한다. 예를 들어, 다상 혼합물은 제1 유동 섹션(502A) 및 제3 유동 섹션(504A)에서 다상 혼합물이 흐르는 방향의 반대인 방향으로 제2 유동 섹션(502C)으로 흐른다. 도 5의 도시된 실시예에서, 다상 혼합물은 제5 유동 섹션(502B) 및 제6 유동 섹션(504B)에서 다상 혼합물이 흐르는 방향에 수직인 방향으로 제2 유동 섹션(502C)을 통해 유동한다.
제3 유동 섹션(504A)에 유동하는 다상 혼합물은 제5 유동 섹션(502B), 제2 유동 섹션(502C), 제6 유동 섹션(504B) 및 제4 유동 섹션(504C)에서 다상 혼합물이 흐르는 방향과는 다른 방향으로 유동하고, 제1 유동 섹션(502A)에서 다상 혼합물이 흐르는 방향과는 동일한 방향으로 유동한다. 예를 들어, 다상 혼합물은 제2 유동 섹션(502C) 및 제4 유동 섹션(504C)에서 다상 혼합물이 흐르는 방향의 반대인 방향으로 제3 유동 섹션(504A)으로 흐른다. 도 5의 도시된 실시예에서, 제3 유동 섹션(504C)에서 다상 혼합물의 유동은 제6 유동 섹션(504B) 및 제5 유동 섹션(502B)에서 다상 혼합물 유동의 방향에 수직인 방향으로 발생한다.
제4 유동 섹션(504C)에 유동하는 다상 혼합물은 제1 유동 섹션(502A), 제5 유동 섹션(502B), 제3 유동 섹션(504A) 및 제6 유동 섹션(504B)을 통해 다상 혼합물이 흐르는 방향과는 다른 방향으로 진행하고, 제2 유동 섹션(502C)에서 다상 혼합물 흐름과 동일한 방향으로 진행한다. 예를 들어, 다상 혼합물은 제1 유동 섹션(502A) 및 제3 유동 섹션(504A)을 통해 다상 혼합물이 흐르는 방향의 반대인 방향으로 제4 유동 섹션(504C)으로 흐른다. 도 5의 도시된 실시예에서, 제4 유동 섹션(504C)에서 다상 혼합물의 유동은 제5 유동 섹션(502B) 및 제6 유동 섹션(504B)에서 다상 혼합물 유동의 방향에 수직인 방향으로 발생한다.
제1 유동 섹션(502A), 제2 유동 섹션(502C), 제3 유동 섹션(504A) 및 제4 유동 섹션(504C)에 대한 제6 유동 섹션(504B) 및 제5 유동 섹션(502B)을 통한 다상 혼합물의 유동 방향은 전술되었다. 제4 유동 섹션(504C)을 통한 다상 혼합물의 유동 방향은 제6 유동 섹션(504B)을 통한 다상 혼합물의 유동 방향과는 상이하다. 예를 들어 제4 유동 섹션(504C)을 통한 다상 혼합물의 유동은 제6 유동 섹션(504B)을 통한 다상 혼합물의 유동 방향에 수직인 방향이다.
제1 유동 섹션(502A), 제2 유동 섹션(502C), 제3 유동 섹션(504A), 제4 유동 섹션(504B), 제5 유동 섹션(502B) 및 제6 유동 섹션(504B)에서 유동 방향에 대한 언급은 유체가 루프 섹션(106)을 통해 유동할 때, 대량(bulk) 유체에서 발생할 수 있는 임의의 전류(currents), 미세-전류(micro-currents), 소용돌이(eddies) 등의 방향이 아닌 루프 섹션(106)을 통해 다상 혼합물의 대량(bulk) 유동의 방향을 나타낸다. 도 5에서 도시된 실시예에 따르면, 제1 유동 섹션(502A), 제2 유동 섹션(502C), 제3 유동 섹션(504A), 제4 유동 섹션(504B), 제5 유동 섹션(502B) 및 제6 유동 섹션(504B)에서 유동 방향에 대한 기준은 도 5에 도시된 좌표계에 기초하여 실질적으로 x축 또는 z축 중 어느 하나를 따라 발생하는 유동이다.
도 5를 계속 참조하면, 제1 유동 섹션(502A), 제2 유동 섹션(502C), 제3 유동 섹션(504A), 제4 유동 섹션(504B), 제5 유동 섹션(502B) 및 제6 유동 섹션(504B)에서 실질적으로 x축 또는 z축 중 어느 하나를 따라 발생하는 유동과는 대조적으로, 실질적 수직 유동 구역(506)에서 유동은 도 5에 도시된 좌표계에서 실질적으로 y축을 따라 있는 화살표(512)로 표시된 방향으로 발생한다.
분리 서브 시스템(250), 열적 서브 시스템(270) 및 제어 서브 시스템(290)의 설명을 포함하여 도 2를 참조한 예시적인 시스템(200)의 설명은 도 4 및 도 5를 참조하여 도시되고 설명된 시스템에 동일하게 적용된다. 유사하게, 기체/액체 유닛 작동(102), 유체 유동 유닛 작동(104), 영양소 및/또는 미네랄 공급 서브 시스템(114), 열 전달 유닛 작동(들)(116), 정적 혼합기(139)의 설명을 포함하나 이에 한정되지 않는, 도 3을 참조하여 바이오매스의 생산을 촉진하기 위한 예시적인 시스템(100)의 다양한 구성 요소 및 서브 시스템의 설명은 도 4 및 도 5를 참조하여 도시되고 설명된 시스템에 적용 가능하다.
도 6은 도 2 내지 도 5와 관련하여 전술한 하나 이상의 루프 반응기(101)를 사용하는 바이오매스의 생산을 촉진하기 위한 시스템(100)의 작동(500)의 높은 수준의 방법을 도시한다. 이러한 시스템은 성장을 위한 기체 기질 및 액체 영양소를 이용할 수 있는 적어도 하나의 미생물을 포함하는 액체 배양 배지에 하나 이상의 영양소를 함유하는 하나 이상의 기체 기질 및 액체 배지를 유리하게 도입한다. 하나 이상의 기체 기질, 하나 이상의 영양소 및 적어도 하나의 미생물을 포함하는 액체 배양 배지를 포함하는 액체 배지의 조합은 루프 반응기(101)를 통해 순환되는 다상 혼합물을 생성시킨다. 루프 반응기(101) 내의 조건은 기체 기질의 액체 배양 배지로의 물질 전달, 기체 기질 및 액체 영양소의 다음의 미생물학적 흡수, 루프 반응기 내의 압력 감소 및 다상 혼합물로부터 기체의 탈착을 촉진한다. 루프 반응기(101)의 루프 섹션(106)을 통해 통과한 후의 다상 혼합물은 다상 혼합물이 기체 및 액체상으로 분리되는 기체/액체 분리 유닛 작동(102)에 의해 수용된다. 상기 방법은 502에서 시작한다.
504에서, 기체 기질은 다상 혼합물을 형성하기 위해 액체 배지 내에 분산된다. 추가적인 양의 기체 기질이 루프 섹션(106)의 다른 위치에서 액체 배양 배지로 도입될 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 수 있다. 루프 섹션(106)을 따라 상이한 위치에서의 기체 기질의 물리적 또는 조성적 특성을 변화시키는 능력은 다상 혼합물에 존재하는 특정 미생물학적 종 뿐만 아니라 기체 기질의 분산 지점에 기초한 루프 섹션(106) 내의 미생물학적 종의 특정 위치에까지 기체 기질의 조정(tailoring)을 유리하게 허용한다.
506에서, 다상 혼합물은 루프 반응기(101)의 루프 섹션(106)을 통해 유동된다. 다상 혼합물이 루프 섹션(106)을 통해 유동함에 따라, 그것은 기체 기질 및/또는 영양소가 액체 배양 배지로의 혼합을 촉진하는 다수의 임의의 정적 혼합기(139)와 접촉한다. 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 미생물(들)과 접촉하는 시간의 길이를 증가시키는 것은 미생물로의 기체 물질의 물질 전달의 양 및 미생물에 의한 기체 물질의 미생물학적 흡수를 증가시킬 수 있다. 반대로, 기체 기질 및 영양소의 기포가 미생물(들)과 접촉하는 시간의 길이를 감소시키는 것은 미생물로의 기체 물질의 물질 전달의 양 및 미생물에 의한 기체 물질의 미생물학적 흡수를 감소시킬 수 있다. 몇몇의 예에서, 기체 기질 및 영양소의 기포가 미생물과 접촉하는 시간의 길이는 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, 제어 서브시스템(290)을 통해 기체 기질의 온도, 압력, 또는 조성이 변경, 조정 또는 제어될 수 있다. 미생물로의 기체 기질의 부피 물질 전달 속도(kLa) 및 미생물에 의한 기체 물질의 미생물학적 흡수는 도 4a 내지 4d 및 도 5에서 506을 참조하여 설명되고 도시된 다수의 실질적 수직 유동 구역(408A, 408C, 414A, 414C, 414E 및 414G)을 통해 다상 혼합물을 유동시킴으로써 촉진될 수 있고, 여기서 다상 혼합물은 실질적 상향, 예를 들어, 중력에 반하는 쪽으로 유동한다.
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 미생물학적 종에 적어도 부분적으로 기초하여 선택되거나 택해질 수 있다. 과량의 열은 시스템(100) 내의 활동의 적어도 일부를 담당하는 미생물학적 유기체에 의해 부산물로서 생성될 수 있다. 이러한 과량의 열은, 제어되지 않은 채로 남아 있으면, 시스템(100) 내의 미생물학적 유기체의 일부 또는 전부의 성장 또는 대사를 저해하거나 악영향을 미칠 수 있다. 적어도 몇몇의 경우, 루프 반응기(101)에서 다상 혼합물의 냉각은 루프 반응기(101)에서 다상 혼합물의 온도를 규정된 범위 내로 유지하도록 제공될 수 있다. 이러한 냉각은 루프 반응기(101)와 열적으로 전도적으로 결합된 코일(coil) 또는 저장소(reservoir)를 통한 냉각 매체(cooling media) 또는 루프 반응기(101)로부터 열 전달 유닛 작동(116)으로 다상 혼합물의 일부를 전환시킨 도관(conduit)의 통로를 포함할 수 있다. 적어도 일부예에서, 제어 서브 시스템(290)은 루프 반응기(101)와 열적으로 전도적으로 결합된 코일 또는 저장소를 통해 통과되는 냉각 매체 또는 다상 혼합물의 일부를 루프 반응기(101)로부터 열 전달 유닛 작동(116)으로 전환시킨 도관의 유속 및 온도를 제어할 수 있다. 다른 예에서, 미생물학적 종에 의해 생성된 열은 원하는 온도 범위 내에서 루프 반응기(101)에서 다상 혼합물을 유지하기에 충분하지 않을 수 있다. 이는 예를 들어, 루프 반응기(101)가 노출된 또는 부분적으로 노출된 외부 위치에 위치하는 매우 추운 환경에서 발생할 수 있다. 일부예에서, 루프 반응기(101)와 열적으로 전도적으로 결합된 코일(coil) 또는 저장소(reservoir) 또는 루프 반응기(101)로부터 열 전달 유닛 작동(116)으로 다상 혼합물의 일부를 전환시킨 도관(conduit)은 다상 혼합물을 데우는 데 사용될 수 있다. 적어도 일부예에서, 제어 서브 시스템(290)은 루프 반응기(101)와 열적으로 전도적으로 결합된 코일(coil) 또는 저장소(reservoir)를 통해 통과되는 가온(warming) 매체 또는 다상 혼합물의 일부를 루프 반응기(101)로부터 열 전달 유닛 작동(116)으로 전환시킨 도관(conduit)의 유속 및 온도를 제어할 수 있다.
510에서, 다상 혼합물이 실질적으로 상향, 예를 들어, 중력에 반하는 쪽으로 유동하는 도 4a 내지 4d 또는 도 5의 506의 다수의 실질적 수직 유동 구역(408A, 408C, 414A, 414C, 414E 및 414G)의 하류에 루프 반응기 (101)를 통해 다상 혼합물과 함께 이동하는 기체 기질 기포에 대한 압력은 제1 감압 장치를 통해 다상 혼합물을 유동함으로써 감소될 수 있다. 경우에 따라, 압력의 감소를 일으키기 위해 정수압의 차이에 의존하지 않는 제1 감압 장치를 통해 다상 혼합물을 유동시킴으로써 기체 기포의 압력은 감소된다. 바꾸어 말하면, 어떤 경우에는, 도 4a 내지 4d 또는 도 5의 다수의 실질적 수직 감압 구역(408A, 408C, 414A, 414C, 414E 및 414G)의 하류에 루프 반응기(101)를 통해 다상 혼합물과 함께 이동하는 기체 기질 기포에 대한 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 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 빠져나와 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 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 상부의 빈 공간으로부터 수집될 수 있는 반면, 액체는 기체/액체 분리 용기(102)의 바닥으로부터 제거될 수 있다. 액체 이외에, 미생물은 또한 기체/액체 분리 용기(102)에서 수집되고, 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 기체의 적어도 일부가 후속적으로 처리되거나 분리될 수 있다. 수집된 기체의 적어도 일부는 기체 기질로서 루프 반응기로 재순환될 수 있다. 경우에 따라, 수집된 기체의 적어도 일부가 판매되거나 처분될 수 있다. 적어도 일부의 경우, 수집된 기체의 적어도 일부는 대체 가능한 상품으로서 판매 또는 거래될 수 있다. 적어도 일부의 경우에서, 수집된 기체는 하나 이상의 C2+ 탄화수소 기체 및 완제품 또는 후속 프로세스의 원료 중 어느 하나로서 가치를 갖는 그로부터 제조된 화합물을 포함할 수 있다. 일부 경우에, 반응기는 에탄올, 아세테이트, 부탄올, 이소프렌, 프로필렌, 파르네센, 효소 또는 기타 대사 산물과 같은 천연 또는 비-천연 생성물 또는 생성물이 미생물로부터 유리된 세포 생성물을 생산하는 데 사용된다. 이러한 경우, 생성물은 생성물의 물리적 특성에 따라 기체 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, 바이오고형물을 포함하거나 포함하지 않을 수 있는 다상 혼합물로부터 분리된 액체의 적어도 일부는 루프 반응기(101)를 통해 재순환될 수 있다. 예를 들어, 바이오고형물을 함유하는 분리된 액체의 적어도 일부는 추가적인 액체와 결합될 수 있고, 루프 반응기(101)를 통해 유동될 수 있다. 이러한 재순환은 확립된 생물학적 종으로 루프 반응기(101)의 진행, 연속 또는 반-연속 주입(inoculation)을 유리하게 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, 글리콜 또는 케톤을 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. 수집된 미생물은 원하는 생성물을 회수하도록 추가로 가공될 수 있다. 일부예에서, 바이오매스 제거 포트(128)를 통해 수집된 미생물은 원하는 생성물의 처리 및 회수를 위해 분리 서브시스템(250)에 도입될 수 있다.
도 7은 도 2 내지 도 5와 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 6을 참조하여 상세하게 논의된 바이오매스의 생산을 촉진하기 위한 방법(500)과 관련하여, 바이오매스의 생산을 촉진하기 위한 방법(600)은 다상 혼합물을 제2 감압 구역을 통해 통과시킴으로써 루프 반응기에서 다상 혼합물 내의 기체 기포에 대한 압력을 감소시키는 단계를 포함한다는 것을 제외하고는, 상세히 기술된 것들과 동일하거나 거의 동일한 단계들을 사용한다. 도 6의 단계 502, 504 및 508의 설명은 각각 도 7의 단계 602, 604 및 608에 적용된다. 도 6의 단계 514의 설명은 도 7의 단계 616에 적용된다.
606에서, 다상 혼합물은 루프 반응기(101)의 루프 섹션(106)을 통해 유동된다. 루프 섹션(106)을 통해 다상 혼합물이 유동함에따라, 그것은 액체 배양 배지 내에 기체 기질 및/또는 영양소의 혼합을 촉진하는 임의의 다수의 정적 혼합기(139)와 접촉한다. 루프 반응기(101)를 통해 다상 혼합물의 유속을 조정하거나 달리 제어함으로써, 기체 기질 및 영양소의 기포가 미생물(들)과 접촉하는 시간의 길이가 변경될 수 있다. 기체 기질 및 영양소의 기포가 미생물(들)과 접촉하는 시간의 길이를 증가시키는 것은 미생물로의 기체 물질의 물질 전달의 양 및 미생물에 의한 기체 물질의 미생물학적 흡수를 증가시킬 수 있다. 반대로, 기체 기질 및 영양소의 기포가 미생물(들)과 접촉하는 시간의 길이를 감소시키는 것은 미생물로의 기체 물질의 물질 전달의 양 및 미생물에 의한 기체 물질의 미생물학적 흡수를 감소시킬 수 있다. 몇몇의 예에서, 기체 기질 및 영양소의 기포가 미생물과 접촉하는 시간의 길이는 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, 제어 서브시스템(290)을 통해 기체 기질의 온도, 압력, 또는 조성이 변경, 조정 또는 제어될 수 있다. 미생물로의 기체 기질의 부피 물질 전달 속도(kLa) 및 미생물에 의한 기체 물질의 미생물학적 흡수는 도 4a 내지 4d 또는 도 5에 506의 실질적 수직 유동 구역(408A, 408C, 414A, 414C, 414E 및 414G)을 통해 다상 혼합물을 유동시킴으로써 촉진될 수 있다.
610에서, 도 4a 내지 4d 또는 도 5의 506의 실질적 수직 유동 구역(408A, 408C, 414A, 414C, 414E 및 414G)의 하류에 루프 반응기 (101)를 통해 다상 혼합물과 함께 이동하는 기체 기질 기포에 대한 압력은 제1 감압 장치를 통해 다상 혼합물을 유동함으로써 감소될 수 있다. 경우에 따라, 압력의 감소를 일으키기 위해 정수압의 차이에 의존하지 않는 제1 감압 장치를 통해 다상 혼합물을 유동시킴으로써 기체 기포(및 그 물질(matter)에 대한 액체)의 압력은 감소된다. 바꾸어 말하면, 어떤 경우에는, 도 4a 내지 4d 또는 도 5에 506의 실질적 수직 유동 구역(408A, 408C, 414A, 414C, 414E 및 414G)의 하류에 루프 반응기(101)를 통해 다상 혼합물과 함께 이동하는 기체 기질 기포에 대한 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 변화없이 감소된다. 510에서의 압력 강하는 몇몇 경우에, 기체 기질 기포 및 다른 기체가 다상 혼합물로부터 탈착되는 비율을 유리하게 증가시킬 수 있다.
도 7의 612에서, 도 4a 내지 4d 또는 도 5의 506의 실질적 수직 유동 구역(408A, 408C, 414A, 414C, 414E 및 414G)의 하류에 루프 반응기(101)를 통해 다상 혼합물과 함께 이동하는 기체 기질 기포에 대한 압력은 제1 감압 장치(108)에서 제2 감압 장치(112)까지 다상 혼합물을 유동함으로써 감소될 수 있다. 경우에 따라, 612에서, 압력의 감소를 일으키기 위해 정수압의 차이에 의존하지 않는 제2 감압 장치를 통해 다상 혼합물을 유동시킴으로써 기체 기포의 압력은 감소된다. 바꾸어 말하면, 일부예에서, 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 높이의 변화없이 감소된다. 일부예들에서, 단계 610 및 612 모두에서 기체 기질 기포에 대한 압력이 감소될 때, 612에서의 압력 강하의 규모는 610에서의 압력 강하의 규모에 비해 작을 수 있다. 경우에 따라, 이러한 압력 강하는 기체 기질 기포 및 다른 기체가 다상 혼합물로부터 탈착되는 비율을 유리하게 증가시킨다.
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 중간체 생산(chemical intermediate production) 이외의 목적을 위한 루프 반응기 또는 발효기를 포함할 수 있으며, 사람 또는 동물 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, 영양소 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 가온 매체(즉, 열 전달 유닛 작동)의 제어된 생산 및 분배를 용이하게 하고, 다상 혼합물의 적어도 일부를 재순환 또는 회수 및 후속 프로세스 또는 판매(즉, 기체/액체 분리 유닛 작동)를 위해 기체, 액체 및 반-고체(semi-solid)로 분리하는 것을 용이하게 하는 방식으로 물리적, 유동적 및 교류가능하게(communicably) 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 방법을 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 미생물학적 종은 본원에 기재된 바와 같이 바이오매스 및 루프 반응기의 생산을 촉진시키는 시스템에서 지지될 수 있는 잠재적인 미생물학적 종의 샘플을 제공하기 위한 것이다.
전술한 다양한 실시예는 결합되어 다른 실시예를 제공할 수 있다. 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, 청구항은 그 개시에 의해 제한되지 않는다.

Claims (17)

  1. 바이오매스의 생산을 촉진하기 위한 시스템으로서,
    루프 반응기를 포함하고,
    상기 루프 반응기는,
    기체 및 액체 배양 배지의 다상 혼합물을 기체상 및 액체상으로 분리하기 위한, 출구 및 입구를 포함하는 기체/액체 분리 용기;
    상기 기체/액체 분리 용기의 출구와 유체 연통하는 입구 및 상기 기체/액체 분리 용기의 입구와 유체 연통하는 출구를 포함하는 루프 섹션;
    상기 루프 섹션 입구와 상기 루프 섹션 출구 사이에 적어도 하나의 실질적 수평 구역;
    상기 루프 섹션의 입구와 상기 루프 섹션의 출구 사이에 위치한 제1 실질적 수직 유동 구역; 및
    상기 제1 실질적 수직 유동 구역과 상기 루프 섹션의 출구 사이에 위치한 제2 실질적 수직 유동 구역;을 포함하고,
    작동시, 다상 혼합물은 상기 제2 실질적 수직 유동 구역을 통하여 흐르고, 다상 혼합물은 동일 방향으로 상기 제1 실질적 수직 유동 구역을 통하여 흐르는 시스템.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 실질적 수직 유동 구역과 상기 루프 섹션의 출구 사이에 위치한 제3 실질적 수직 유동 구역;을 더 포함하고,
    작동시, 다상 혼합물이 상기 제1 실질적 수직 유동 구역 및 상기 제2 실질적 수직 유동 구역을 통해 흐르는 것과 동일한 방향으로 다상 혼합물이 상기 제3 실질적 수직 유동 구역을 통해 흐르는 시스템.
  3. 제1 항에 있어서,
    루프 반응기가 작동할 때, 적어도 하나의 실질적 수평 구역에서 다상 혼합물의 기체와 액체 배양 배지 사이에 물질 전달은 실질적 수평 구역 부피 물질 전달 속도(kLa)에 의해 특징지어지고,
    루프 반응기가 작동할 때, 제1 실질적 수직 유동 구역에서 다상 혼합물의 기체와 액체 배양 배지 사이에 물질 전달은 제1 실질적 수직 유동 구역 부피 물질 전달 속도(kLa)에 의하여 특징지어지며,
    루프 반응기가 작동할 때, 제2 실질적 수직 유동 구역에서, 다상 혼합물의 기체와 액체 배양 배지 사이에 물질 전달은 제2 실질적 수직 유동 구역 부피 물질 전달 속도(kLa)에 의해 특징지어지고,
    제1 실질적 수직 유동 구역 부피 물질 전달 속도(kLa) 및 제2 실질적 수직 유동 구역 부피 물질 전달 속도(kLa) 중 적어도 하나는 실질적 수평 구역 부피 물질 전달 속도(kLa)보다 2 내지 5배 더 큰 시스템.
  4. 바이오매스의 생산을 촉진하기 위한 시스템으로서,
    루프 반응기를 포함하고,
    상기 루프 반응기는,
    기체 및 액체 배양 배지의 다상 혼합물을 기체상 및 액체상으로 분리하기 위한, 출구 및 입구를 포함하는 기체/액체 분리 용기;
    상기 기체/액체 분리 용기의 출구와 유체 연통하는 입구 및 상기 기체/액체 분리 용기의 입구와 유체 연통하는 출구를 포함하는 루프 섹션;
    상기 루프 섹션 입구와 상기 루프 섹션 출구 사이에 제1 실질적 수평 구역 - 상기 제1 실질적 수평 구역은, 루프 반응기가 작동할 때, 다상 혼합물이 제1 방향으로 흐르는 제1 유동 섹션 및 루프 반응기가 작동할 때, 다상 혼합물이 제1 방향과 상이한 제2 방향으로 흐르는 제2 유동 섹션을 포함함-;
    상기 루프 섹션 입구와 상기 루프 섹션 출구 사이에 제2 실질적 수평 구역 - 상기 제2 실질적 수평 구역은, 루프 반응기가 작동할 때, 다상 혼합물이 제3 방향으로 흐르는 제3 유동 섹션 및 루프 반응기가 작동할 때, 다상 혼합물이 제3 방향과 상이한 제4 방향으로 흐르는 제4 유동 섹션을 포함함-; 및
    상기 제1 실질적 수평 구역과 상기 제2 실질적 수평 구역 사이에 적어도 하나의 실질적 수직 유동 구역을 포함하는 시스템.
  5. 제4 항에 있어서,
    루프 섹션의 제1 실질적 수평 구역은 제5 유동 섹션을 더 포함하고, 여기서
    루프 반응기가 작동할 때, 다상 액체는 제1 유동 섹션에서의 제1 유동 방향과 상이하고 제2 유동 섹션에서의 제2 유동 방향과 상이한 제5 방향으로 흐르는 시스템.
  6. 제4 항에 있어서,
    루프 섹션의 제2 실질적 수평 구역은 제6 유동 섹션을 더 포함하고, 여기서
    루프 반응기가 작동할 때, 다상 액체는 제3 유동 섹션에서의 제3 유동 방향과 상이하고, 제4 유동 섹션에서의 제4 유동 방향과 상이한 제6 방향으로 흐르는 시스템.
  7. 제4 항에 있어서,
    루프 반응기가 작동할 때, 제1 실질적 수평 구역에서 다상 혼합물의 기체와 액체 배양 배지 사이에 물질 전달은 제1 실질적 수평 구역 부피 물질 전달 속도(kLa)에 의해 특징지어지고,
    루프 반응기가 작동할 때, 제2 실질적 수평 구역에서 다상 혼합물의 기체와 액체 배양 배지 사이에 물질 전달은 제2 실질적 수평 구역 부피 물질 전달 속도(kLa)에 의하여 특징지어지며,
    루프 반응기가 작동할 때, 적어도 하나의 실질적 수직 유동 구역에서 다상 혼합물의 기체와 액체 배양 배지 사이에 물질 전달은 실질적 수직 유동 구역 부피 물질 전달 속도(kLa)에 의하여 특징지어지고,
    상기 실질적 수직 유동 구역 부피 물질 전달 속도(kLa)는 제1 실질적 수평 구역 부피 물질 전달 속도(kLa) 및 제2 실질적 수평 구역 부피 물질 전달 속도(kLa) 중 적어도 하나 보다 2 내지 5배 더 큰 시스템.
  8. 루프 반응기에서 바이오매스의 생산을 촉진하기 위한 프로세스로서,
    루프 반응기의 제1 실질적 수직 유동 구역을 통해 기체 및 액체 배양 배지의 다상 혼합물을 통과시키는 단계;
    제1 실질적 수직 유동 구역에서, 다상 혼합물의 기체를 다상 혼합물의 액체 배양 배지로 이동시키는 단계;
    루프 반응기의 실질적 수평 구역을 통해 기체 및 액체 배양 배지의 다상 혼합물을 통과시키는 단계;
    실질적 수평 구역에서, 다상 혼합물의 기체를 다상 혼합물의 액체 배양 배지로 이동시키는 단계;
    루프 반응기의 제2 실질적 수직 유동 구역을 통해 기체 및 액체 배양 배지의 다상 혼합물을 통과시키는 단계로서, 제2 실질적 수직 유동 구역을 통해 다상 혼합물을 통과시키고, 동일 방향으로 제1 실질적 수직 유동 구역을 통해 다상 혼합물을 통과시키는 단계;
    제2 실질적 수직 유동 구역에서, 다상 혼합물의 기체를 다상 혼합물의 액체 배양 배지로 이동시키는 단계;
    기체 및 액체 배양 배지의 다상 혼합물을 제2 실질적 수직 유동 구역의 기체상 및 액체상 하류로 분리하는 단계;
    기체 및 액체 배양 배지의 다상 혼합물로부터 분리된 기체상 및 액체상을 기체/액체 분리 용기로의 입구를 통해 기체/액체 분리 용기내로 통과시키는 단계; 및
    기체/액체 분리 용기의 출구로부터 액체상을 제거하고, 제거된 액체상을 루프 반응기의 루프 섹션의 입구로 전달하는 단계;
    를 포함하는 프로세스.
  9. 제8 항에 있어서,
    루프 반응기의 제3 실질적 수직 유동 구역을 통해 기체 및 액체 배양 배지의 다상 혼합물을 통과시키는 단계로서, 제1 실질적 수직 유동 구역 및 제2 실질적 수직 유동 구역을 통해 다상 혼합물을 통과시키는 것과 동일한 방향으로 제3 실질적 수직 유동 구역을 통해 다상 혼합물을 통과시키는 단계;
    제3 실질적 수직 유동 구역에서, 상기 다상 혼합물의 기체를 상기 다상 혼합물의 액체 배양 배지로 이동시키는 단계;
    를 더 포함하는 프로세스.
  10. 제8 항에 있어서,
    제1 실질적 수직 유동 구역에서 다상 혼합물의 기체를 다상 혼합물의 액체 배양 배지로 이동시키는 단계는 제1 실질적 수직 유동 구역 부피 물질 전달 속도(kLa)에서 발생하고,
    실질적 수평 구역에서 다상 혼합물의 기체를 다상 혼합물의 액체 배양 배지로 이동시키는 단계는 실질적 수평 구역 부피 물질 전달 속도(kLa)에서 발생하며,
    제2 실질적 수직 유동 구역에서 다상 혼합물의 기체를 다상 혼합물의 액체 배양 배지로 이동시키는 단계는 제2 실질적 수직 유동 구역 부피 물질 전달 속도(kLa)에서 발생하고,
    상기 제1 실질적 수직 유동 구역 부피 물질 전달 속도(kLa) 및 제2 실질적 수직 유동 구역 부피 물질 전달 속도(kLa) 중 적어도 하나는 실질적 수평 구역 부피 물질 전달 속도(kLa) 보다 2 내지 5배 더 큰 프로세스.
  11. 제9 항에 있어서,
    제3 실질적 수직 유동 구역에서 다상 혼합물의 기체를 다상 혼합물의 액체 배양 배지로 이동시키는 단계는 제3 실질적 수직 유동 구역 부피 물질 전달 속도(kLa)에서 발생하고,
    실질적 제3 수직 유동 구역 부피 물질 전달 속도(kLa)는 실질적 수평 구역 부피 물질 전달 속도(kLa)보다 2 내지 5배 더 큰 프로세스.
  12. 루프 반응기에서 바이오매스의 생산을 촉진하기 위한 프로세스로서,
    루프 반응기의 제1 실질적 수평 구역을 통해 기체 및 액체 배양 배지의 다상 혼합물을 통과시키는 단계;
    제1 실질적 수평 구역에서, 다상 혼합물의 기체를 다상 혼합물의 액체 배양 배지로 이동시키고, 제1 실질적 수평 구역의 제1 유동 섹션을 통해 제1 방향으로 다상 혼합물을 흐르게 하고, 제1 실질적 수평 구역의 제2 유동 섹션을 통해 상기 제1 방향과 상이한 제2 방향으로 다상 혼합물을 흐르게 하는 단계;
    루프 반응기의 실질적 수직 유동 구역을 통해 기체 및 액체 배양 배지의 다상 혼합물을 통과시키고, 실질적 수직 유동 구역에서 다상 혼합물의 기체를 다상 혼합물의 액체 배양 배지로 이동시키는 단계;
    루프 반응기의 제2 실질적 수평 구역을 통해 기체 및 액체 배양 배지의 다상 혼합물을 통과시키는 단계;
    제2 실질적 수평 구역에서, 다상 혼합물의 기체를 다상 혼합물의 액체 배양 배지로 이동시키고, 제2 실질적 수평 구역의 제3 유동 섹션을 통해 제3 방향으로 다상 혼합물을 흐르게 하고, 상기 제2 실질적 수평 구역의 제4 유동 섹션을 통해 상기 제3 방향과 상이한 제4 방향으로 다상 혼합물을 흐르게 하는 단계;
    기체 및 액체 배양 배지의 다상 혼합물을 제2 실질적 수평 구역의 기체상 및 액체상 하류로 분리하는 단계;
    기체 및 액체 배양 배지의 다상 혼합물로부터 분리된 기체상 및 액체상을 기체/액체 분리 용기로의 입구를 통해 기체/액체 분리 용기내로 통과시키는 단계; 및
    기체/액체 분리 용기의 출구로부터 액체상을 제거하고, 제거된 액체상을 루프 반응기의 루프 섹션의 입구로 전달하는 단계;
    를 포함하는 프로세스.
  13. 제12 항에 있어서,
    제1 실질적 수평 구역을 통해 기체 및 액체 배양 배지의 다상 혼합물을 통과시키는 단계는,
    제1 실질적 수평 구역의 제5 유동 섹션을 통해 제1 유동 섹션에서의 제1 유동 방향과 상이하고 제2 유동 섹션에서의 제2 유동 방향과 상이한 제5 방향으로 다상 혼합물을 흐르게 하는 단계를 더 포함하는 프로세스.
  14. 제12 항에 있어서,
    제2 실질적 수평 구역을 통해 기체 및 액체 배양 배지의 다상 혼합물을 통과시키는 단계는,
    제2 실질적 수평 구역의 제6 유동 섹션을 통해 제2 유동 섹션에서의 제3 유동 방향과 상이하고 제4 유동 섹션에서의 제4 유동 방향과 상이한 제6 방향으로 다상 혼합물을 흐르게 하는 단계를 더 포함하는 프로세스.
  15. 제12 항에 있어서,
    제1 실질적 수평 구역에서 다상 혼합물의 기체를 다상 혼합물의 액체 배양 배지로 이동시키는 단계는 제1 실질적 수평 구역 부피 물질 전달 속도(kLa)에서 발생하고,
    실질적 수직 유동 구역에서 다상 혼합물의 기체를 다상 혼합물의 액체 배양 배지로 이동시키는 단계는 실질적 수직 유동 구역 부피 물질 전달 속도(kLa)에서 발생하며,
    제2 실질적 수평 구역에서 다상 혼합물의 기체를 다상 혼합물의 액체 배양 배지로 이동시키는 단계는 제2 실질적 수평 구역 부피 물질 전달 속도(kLa)에서 발생하고,
    상기 실질적 수직 유동 구역 부피 물질 전달 속도(kLa)는 제1 실질적 수평 구역 부피 물질 전달 속도(kLa) 및 제2 실질적 수평 구역 부피 물질 전달 속도(kLa) 중 적어도 하나 보다 2 내지 5배 더 큰 프로세스.
  16. 제4 항에 있어서,
    제2 수평 유동 구역은 제1 수평 유동 구역을 가로지르는 시스템.
  17. 제12 항에 있어서,
    제2 수평 유동 구역을 통해 다상 혼합물을 통과시키는 단계는,
    제1 수평 유동 구역 위의 제2 수평 유동 구역에서 다상 혼합물을 통과시키는 단계를 포함하는 프로세스.
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