KR20200011454A - 높은 생산성의 메탄 발효 공정 - Google Patents
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Abstract
메탄-함유 가스를 폴리하이드록시알카노에이트를 함유하는 생성물로 대사 전환하는 동안 발효기의 생산성을 향상시키기 위한 방법이 제공되는데, 상기 생성물은, 예를 들어, 동물 사료 또는 생분해성의 중합체 물품을 제조하는데 사용될 수 있다. 상기 공정은 미생물 집단을 성장시키기 위해 생성된 열을 약화시키고 이산화탄소 제거에 의해 발효 동안 열을 제거하는 것 중 하나 또는 둘 다를 포함한다.
Description
관련 출원에 대한 참조문헌 및 우선권
본 출원은 2017년 5월 19일에 출원된 미국 가출원 62/603,181을 우선권으로 주장한다.
발명의 분야
본 발명은 메타노트로프에 의한 메탄의 발효를 위한 높은 생산성 공정에 관한 것이다.
메타노트로프에 의한 메탄의 발효는 익히 공지되어 있다. 폴리하이드록시알카노에이트(PHA)를 생성하거나, 예를 들어, 동물 사료로서 또는 이의 성분으로서 사용하기 위해 조절된 PHA-함량을 갖는 단백질을 생성하기 위해 메탄-함유 가스 상의 성장 미생물에 대한 제안이 존재한다. 메탄은 생물 공급원뿐만 아니라 화석 공급원으로부터 쉽게 이용 가능하다. 메탄 공급원으로부터의 탄소 가격은 당류와 같은 다른 공급원으로부터의 탄소 가격보다 상당히 덜 고가이다. 메타노트로프에 의한 발효를 통해 메탄을 유용한 제품으로 전환시키는 능력은 경제적인 이점에 대한 잠재력을 제공한다. 또한, 메탄-함유 가스의 공급원은 바이오가스 및 매립 가스와 같은 재생 가능한 공급원일 수 있기 때문에, 빠르게 재생 가능한 공급원으로부터 제품을 제공하는 이점이 존재한다.
폴리하이드록시알카노에이트는 쉽게 생분해될 수 있으며 본질적으로 비독성이다. 따라서, PHA는 환경적으로 영구적인 플라스틱의 대체물로서 제안되어 왔다. 일부 연구는 PHA의 존재가 어류 사료에 유리한 성질을 가질 수 있다는 것을 나타냈다. 추가로, PHA는 또한, 예를 들어, 제형화되고 압출되거나 압축된 공급 펠릿의 유용한 성분일 수 있다.
폴리하이드록시알카노에이트-함유 제품은 (당류 자체 및 효소 활성을 통해 당류를 생성할 수 있는 전분 및 셀룰로오스 물질 포함하는) 설탕 공급원료를 사용하는 대사 과정을 통해 제조되었다. 당류 공급원료는 전형적으로 메탄-함유 가스보다 훨씬 더 고가이므로, 공급원료로서 메탄으로 관심이 향했다. 그러나, 수성 매질에서 메탄의 용해도가 낮고 메탄의 생물전환 동안 메타노트로프에 의해 높은 열이 발생하기 때문에 메탄-함유 가스로부터 PHA-함유 생성물을 생산하는 데 어려움이 존재한다. 따라서, 메탄으로부터 PHA를 생산하는 전통적인 생물공정(bioprocess)은 수성 브로쓰에서 낮은 메타노트로프 밀도를 유지하며, 낮은 밀도는 다시 생물반응기의 단위 부피당 낮은 PHA 생산성을 제공한다. 따라서, 시판중인 PHA는 종래의 석유계 중합체보다 상당히 더 고가여서 광범위한 상업적 수용을 충족시키지 못했다.
일반적으로, 메탄-함유 가스로부터 PHA-함유 제품을 제조하기 위한 생물공정(bioprocess)은 메타노트로프 집단을 성장시키는 단계("균형 잡힌 세포 성장") 및 그 후 메타노트로프를 미생물 집단의 성장을 지원하지 않지만 메타노트로프에 의한 PHA 생산을 촉진하는 환경 조건에 적용하는 단계("불균형 세포 성장")를 포함한다. PHA가 추구한 제품인 경우, PHA는 그 후 미생물로부터 수확된다. 메탄-함유 가스와 산소-함유 가스 둘 다는 메타노트로프 집단의 성장 및 PHA의 생산을 위해 메타노트로프를 함유하는 수성 브로쓰에 공급된다.
따라서, 생물반응기의 단위 부피당 더 높은 생산성을 갖는 메탄-함유 가스로부터 PHA-함유 제품을 제조할 필요가 있다. 유리하게는, 바람직한 공정은 경제적으로 매력적인 방식으로 더 높은 생산성을 달성할 것이다.
본 발명에 의해, 높은 생산성을 갖는 메탄-함유 가스로부터 PHA-함유 제품을 제조하기 위한 생물공정이 제공된다. 본 발명에 따르면, 메탄의 생물전환의 실질적인 발열 특성과 관련된 과도한 냉각 비용 없이 생물반응기(bioreactor) 부피 단위당 높은 밀도의 메타노트로프가 달성될 수 있다. 본 발명의 공정은 가스 상으로부터 수성 브로쓰 또는 매질로의 메탄의 바람직한 높은 물질 전달 속도를 촉진시킨다. 이러한 높은 물질 전달 속도는 높은 메타노트로프 밀도를 지원한다. 그러나, 높은 물질 전달 속도 및 높은 메타노트로프 밀도는 더 큰 열 생성 및 더 많은 이산화탄소 생성을 초래한다. 본 발명의 방법은 열 제거로 높은 메탄 전달 속도를 달성하여 수성 매질을 생물공정에 적합한 온도에서 유지하는 능력을 통합한다.
본 발명의 공정에서, 메타노트로프에 의해 생성된 이산화탄소를 함유하는 수성 매질의 일부는 반응 구역으로부터 회수되며 스트리핑 가스와 접촉하여 회수된 수성 매질로부터 용해된 이산화탄소를 제거한다("이산화탄소-희박 매질 또는 브로쓰"가 생성됨). 이산화탄소-희박 매질의 적어도 일부, 바람직하게는 본질적으로 전부는 반응 구역으로 전달되며, 이때 반응 구역에서 수성 매질의 일부가 된다. 수성 매질로부터 이산화탄소의 제거는 반응 구역에서 각각의 메탄 및 산소의 수성 매질로의 물질 전달 속도를 증가시킨다.
또한, 스트리핑 가스와의 접촉 동안, 회수된 수성 매질로부터 이산화탄소와 물의 증발은 수성 매질을 냉각시킨다. 메타노트로프 집단이 증가함에 따라, 이산화탄소의 생성도 증가한다. 따라서, 이산화탄소 증발로 인한 증발 냉각을 통해 제거된 열은 메타노트로프의 집단 성장을 다소 추적한다. 물 증발로 인한 열 제거 정도는 물론 스트리핑 가스의 상대 습도와 관련이 있을 것이다. 메탄의 이산화탄소로의 대사 산화 동안 물이 또한 형성되기 때문에, 물의 증발은 공정 동안 일정한 부피의 수성 매질을 유지한다는 관점으로부터 유리할 수 있다.
본원의 목적 상, 용어 "제한 기질"은 공정에서 임의의 주어진 시간에서 균형 잡힌 세포 성장 및/또는 불균형 세포 성장을 위한 적절한 물질 전달을 위한 보다 제한적인 파라미터인 메탄 또는 산소 중 하나를 의미한다. 작동 동안, 하나의 기질이 일정 기간 동안 제한되고 또 다른 기질이 제한되는 것이 가능한 것으로 이해되어야 한다. 대부분의 작동에서, 메탄의 물질 전달 속도는 높은 메타노트로프 밀도에서 균형 잡힌 세포 성장 및 불균형 세포 성장을 제한한다. 그러나, 본 발명은 산소 물질 전달이 제한 파라미터인 작동 모드를 고려한다. 예를 들어, 나중에 더 상세히 논의될 바와 같이, 하나 이상의 메탄올, 포름산 또는 이의 수용성 염이 수성 매질에 첨가될 수 있으며, 이 경우 산소 물질 전달이 제한 기질이 될 수 있다.
본 발명의 넓은 양상은 메탄을 폴리하이드록시알카노에이트를 함유하는 제품, 예를 들어, PHA 또는 조절된 PHA 함량을 함유하는 단백질로 생물전환시키는 높은 생산성 공정에 관한 것으로, 상기 공정은 (a) 메탄-함유 가스 및 산소-함유 가스를 발효 조건하에 그 안에 메타노트로프 집단을 갖는 수성 매질과 접촉시키기 위해 반응 구역으로 통과시키고(여기서, 상기 매질은 메타노트로프-풍부 수성 매질을 제공하기 위해 상기 메타노트로프 집단의 성장을 위한 영양소를 함유하며, 상기 메타노트로프 집단의 성장은 또한 이산화탄소, 물 및 열의 공동 생성을 초래한다), 상기 반응 구역으로부터 미반응 가스를 회수하는 단계; (b) 메탄-함유 가스 및 산소-함유 가스를 발효 조건하에 메타노트로프-풍부 수성 매질의 적어도 일부와 접촉시키기 위해 반응 구역으로 통과시키고(여기서, 상기 매질은 상기 메타노트로프에 의한 폴리하이드록시알카노에이트의 생성 및 이산화탄소, 물 및 열의 공동 생성을 유발하기 위해 상기 메타노트로프 집단의 성장에 필요한 적어도 하나의 영양소가 제한되는데, 예를 들어, 메타노트로프 집단의 성장을 억제하는 영양 제한 조건을 생성하기 위해 실질적으로 부재이다), 상기 반응 구역으로부터 미반응 가스를 회수하는 단계; 및 (c) 단계 (b)의 수성 매질로부터 상기 폴리하이드록시알카노에이트-함유 메타노트로프를 분리하는 단계를 포함하며, 여기서, 각 단계 (a) 및 (b)의 지속 기간의 적어도 일부 동안:
i. 각 단계 (a) 및 (b)에서 적어도 하나의 제한 기질 가스를 상기 반응 구역으로 통과시키는 속도는 기질-확산 조건(A)에 있으며, 임의로 그리고 바람직하게는, (B)는 미반응 가스에서 실질적으로 안정한 몰 농도의 메탄을 제공하도록 조절되며;
ii. 단계 (a) 및 (b) 중 적어도 하나에서 상기 수성 매질의 일부는 상기 반응 구역으로부터 연속적으로 회수되고, 스트리핑 가스와 접촉하여 이산화탄소를 제거하여 이산화탄소-희박 수성 매질을 제공하며;
iii. 상기 이산화탄소-희박 수성 매질의 적어도 일부를 단계 (a) 및 (b) 중 적어도 하나의 반응 구역으로 재순환시킨다.
바람직하게는, 하위단계 (ii)는 적어도 메타노트로프 집단이 리터당 적어도 약 8 그램, 바람직하게는 적어도 약 10 그램(건조 세포 질량에 의해 측정됨)인 시간 동안 그리고 종종 적어도, 메타노트로프 집단이 리터당 약 8 내지 80 그램, 바람직하게는 약 10 내지 60 그램(건조 세포 질량에 의해 측정됨) 내에 존재하는 기간 동안 수행된다.
본 발명의 또 다른 넓은 양상에서, 메탄올 및 포름산 중 하나 또는 둘 다 또는 이의 수용성 염("산소화된 CI 화합물")은 메타노트로프의 성장 또는 PHA 상의 생산 중 하나 또는 둘 다 동안 수성 브로쓰에 첨가된다. 산소화된 CI 화합물은 추가의 탄소 기질을 메타노트로프에 제공하여 메타노트로프의 집단 성장 및 PHA의 생산을 주어진 조건 세트하에 가스 상으로부터 수성 매질로의 메탄의 물질 전달 속도에 의해 지원될 수 있는 것 이상의 속도로 유지하는 역할을 한다. 또한, 산소화된 CI 화합물의 대사 전환은 탄소 원자당 메탄의 대사 전환보다 덜 발열성이다. 따라서, 이 양상은 메탄을 폴리하이드록시알카노에이트를 함유하는 생성물로 생물전환시키기 위한 높은 생산성 공정에 관한 것으로, 상기 공정은 a) 메탄-함유 가스 및 산소-함유 가스를 발효 조건하에 그 안에 메타노트로프 집단을 갖는 수성 매질과 접촉시키기 위해 반응 구역으로 통과시키고(여기서, 상기 매질은 메타노트로프-풍부 수성 매질을 제공하기 위해 상기 메타노트로프 집단의 성장을 위한 영양소를 함유하며, 상기 메타노트로프 집단의 성장은 또한 이산화탄소, 물 및 열의 공동 생성을 초래한다), 상기 반응 구역으로부터 미반응 가스를 회수하는 단계; (b) 메탄-함유 가스 및 산소-함유 가스를 발효 조건하에 메타노트로프-풍부 수성 매질의 적어도 일부와 접촉시키기 위해 반응 구역으로 통과시키고(여기서, 상기 매질은 폴리하이드록시알카노에이트의 생성 및 이산화탄소, 물 및 열의 공동 생성을 유발하기 위해 상기 메타노트로프 집단의 성장에 필요한 적어도 하나의 영양소가 부재이다), 상기 반응 구역으로부터 미반응 가스를 회수하는 단계; 및 (c) 단계 (b)의 수성 매질로부터 상기 폴리하이드록시알카노에이트-함유 메타노트로프를 분리하는 단계를 포함하며, 여기서, 메탄올 및 포름산 중 적어도 하나 또는 이의 수용성 염의 산소화된 CI 화합물은 단계 (a) 및 (b) 중 적어도 하나에서 수성 매질에 공급된다. 바람직하게는, 산소화된 CI 화합물은 적어도 메탄 확산 제한 조건하에 공급된다.
본 발명의 추가의 넓은 양상은 메탄을 폴리하이드록시알카노에이트를 함유하는 생성물로 생물전환시키기 위한 높은 생산성 공정에 관한 것으로, 상기 공정은 (a) 메탄-함유 가스 및 산소-함유 가스를 발효 조건하에 그 안에 메타노트로프 집단을 갖는 수성 매질과 접촉시키기 위해 반응 구역으로 통과시키고(여기서, 상기 매질은 메타노트로프-풍부 수성 매질을 제공하기 위해 상기 메타노트로프 집단의 성장을 위한 영양소를 함유하며, 상기 메타노트로프 집단의 성장은 또한 이산화탄소, 물 및 열의 공동 생성을 초래한다), 상기 반응 구역으로부터 미반응 가스를 회수하는 단계; (b) 메탄-함유 가스 및 산소-함유 가스를 발효 조건하에 메타노트로프-풍부 수성 매질의 적어도 일부와 접촉시키기 위해 반응 구역으로 통과시키고(여기서, 상기 매질은 폴리하이드록시알카노에이트의 생성 및 이산화탄소, 물 및 열의 공동 생성을 유발하기 위해 상기 메타노트로프 집단의 성장에 필요한 적어도 하나의 영양소가 부재이다), 상기 반응 구역으로부터 미반응 가스를 회수하는 단계; 및 (c) 단계 (b)의 수성 매질로부터 상기 폴리하이드록시알카노에이트-함유 메타노트로프를 분리하는 단계를 포함하며, 여기서, 각 단계 (a) 및 (b)의 지속 기간의 적어도 일부 동안:
i. 각 단계 (a) 및 (b)에서 적어도 하나의 제한 기질 가스를 상기 반응 구역으로 통과시키는 속도는 기질-확산 조건(A)에 있으며, 임의로 그리고 바람직하게는, (B)는 미반응 가스에서 실질적으로 안정한 몰 농도의 메탄을 제공하도록 조절되며;
ii. 단계 (a) 및 (b) 중 적어도 하나에서 상기 수성 매질의 일부는 상기 반응 구역으로부터 연속적으로 회수되고, 반투과성 막과 접촉하여 이산화탄소를 제거하여 이산화탄소-희박 수성 매질을 제공하며;
iii. 상기 이산화탄소-희박 수성 매질의 적어도 일부를 단계 (a) 및 (b) 중 적어도 하나의 반응 구역으로 재순환시킨다.
단계 (a) 및 (b) 중 적어도 하나에 대해 수성 매질로부터 이산화탄소를 제거하기 위해 사용되는 반투과성 막은 바람직하게는 이산화탄소에 투과성 탈기 또는 투석증발 막이며, 보다 바람직하게는, 막은 물에도 투과성이다. 유기 또는 무기일 수 있는 막은 액체 상과 증기 상 투과물 사이에 장벽으로서 기능한다. 이산화탄소와 물의 투과를 위한 구동력은 일반적으로 분압 차로 특징지어진다. 분압 차는 막에 걸쳐 절대 압력 차(예를 들어, 투과 측은 진공하에 있다) 및/또는 막의 투과 측면 상의 스윕 가스에 의해 적어도 부분적으로 유지될 수 있다. 스윕 가스는 스트리핑에 사용된 것과 동일한 유형일 수 있다. 이산화탄소 및 일반적으로 물인 투과물의 증발은 막의 투과 측 상에서 발생하며 증발의 잠열에 의해 냉각을 제공한다.
도 1은 본 발명의 공정에서 유용한 장치의 개략도이다.
이 상세한 설명에서 참조된 모든 특허, 공개된 특허 출원 및 논문은 그 전체가 참고로 본원에 포함된다.
본원에 사용된 바와 같이, 하기 용어들은 그 사용의 맥락으로부터 달리 언급되거나 명백하지 않는 한 아래에 제시된 의미를 갖는다.
용어 "a" 및 "an"의 사용은 기술된 하나 이상의 요소를 포함하도록 의도된다. 예시적인 요소들의 목록은 기술된 요소 중 하나 이상의 조합을 포함하도록 의도된다. 본원에 사용된 용어 "할 수 있다(may)"는 요소의 사용이 선택적이며 작동 가능성에 관한 어떠한 함축적 의미도 제공하지 않는다는 것을 의미한다.
바이오가스는 재생 가능한 탄소 공급원으로부터 생성되고 바람직하게는 적어도 약 20 몰%의 이산화탄소를 함유하는 가스를 의미한다. 혐기성 유래된 가스는 산소 부재시 유기물의 혐기성 소화 또는 발효에 의해 생성된 바이오 가스를 의미하며 주로 메탄과 이산화탄소를 함유한다. 혐기성 소화 가스는 소량의 수소, 황화수소, 암모니아 및 질소와 함께 약 25 내지 50 부피%의 이산화탄소 및 약 40 내지 70 부피%의 메탄의 전형적인 조성을 갖는다.
간헐적으로 또는 간헐적이란, 때때로를 의미하며 규칙적이거나 불규칙적 인 시간 간격으로 있을 수 있다.
매립 가스는 소량의 일산화탄소, 수소, 황화수소, 산소 및 질소와 함께 약 25 내지 60 부피%의 이산화탄소 및 약 35 내지 70 부피%의 메탄의 전형적인 조성을 갖는다.
제한적 영양 조건 또는 영양소 제한 조건은 미생물 집단의 성장에 필요한 하나 이상의 영양소 또는 미량영양소가 반응 구역에서 메타노트로프 집단의 성장을 억제하고 적어도 하나의 영양소를 성장에 필요한 적절한 양으로 수용하는 반응 구역에 대한 메타노트로프에서 폴리하이드록시알카노에이트 화합물의 수준을 증가시키는 메타노트로프 집단의 성장에 필요한 적어도 하나의 영양소가 부족할 정도로 부재라는 것을 의미한다. 제한적 영양 조건과 관련하여 실질적으로 부재란, 성장에 필요한 하나 이상의 영양소가 잔류량 또는 미량 외에, 또는 브로쓰에 도입된 또 다른 성분에서 불순물로서 존재하지 않음을 의미한다.
메타노트로프는 메탄을 탄소와 에너지의 공급원으로 대사하는 원핵 생물이며, 야생형일 수 있거나 유전자 조작할 수 있다. 메타노트로프란 용어는 유전자 변형 없이 메타노트로프가 아닐 수 있는 유전자 변형된 미생물을 포함하는 것으로 의도된다.
미세기포는 500 마이크론 이하의 직경을 갖는 기포이다.
천연 가스란, 일반적으로 소량의 C2-C4 알칸과 함께 75% 이상의 메탄을 함유하는 퇴적암으로부터 또는 메탄이 종종 질소와 함께 존재하는 석탄층으로부터 가스상 탄화수소의 가연성 혼합물을 의미한다. 천연 가스는 이산화탄소, 황화수소, 수증기 및 질소와 같은 그러나 이에 제한되지 않는 다른 성분을 함유할 수 있다.
영양소 및 미량영양소는 미생물에 의해 동화되고 성장, 회복 및 정상적인 대사에 필요한 음식 또는 임의의 영양 물질이다. 미량영양소는 예를 들어, 탄소, 질소 및 인 공급원과 비교할 때 비타민 및 미네랄과 같은 소량으로 필요한 영양소이다.
폴리하이드록시알카노에이트는 하기 화학식:
-[OC(R)H-(CH2)m-C(0)]n-
(여기서, R은 수소 또는 탄소수 1 내지 6, 바람직하게는 1 내지 4의 저급 알킬이며; m 및 n은 정수이며, m은 1 또는 2이다)의 반복 단위; 및 약 10,000 내지 약 5백만 이상 달톤의 분자량(중량 평균)을 특징으로 할 수 있다. 폴리하이드록시알카노에이트의 예는 폴리하이드록시부티레이트와 폴리하이드록시발레레이트를 포함하지만 이에 제한되지 않는다.
폴리하이드록시알카노에이트를 함유하는 제품은 메타노트로프에 의해 대사적으로 생성된 폴리하이드록시알카노에이트를 내부 및/또는 외부에 함유하는 생존 가능하거나 생존 불가능한 메타노트로프 또는 메타노트로프 세포의 잔류물을 지칭한다.
미생물 집단은 주어진 부피의 미생물의 수를 지칭하며, 실질적으로 순수한 배양물 및 혼합 배양물을 포함한다.
단백질은 하나 이상의 장쇄 아미노산 잔기를 함유하는 거대분자이며, 펩티드, 올리고펩티드 및 폴리펩티드를 포함하지만 이에 제한되지 않으며, 탄소, 질소, 산소 및 탄소 원자 이외에 황을 함유할 수 있다.
단일 세포 단백질은 식용의 단세포 미생물이다.
액체 상의 실질적인 균일성이란, 액상의 조성이 생물반응기 전체에 걸쳐 실질적으로 동일하다는 것을 의미한다. 일반적으로 성분의 농도는 균일한 액체 상에서 그 평균 농도의 약 5% 이내인데, 즉, 성분의 평균 농도가 55.3 몰%이면, 실질적인 균일성은 성분이, 예를 들어, 약 52.5 내지 58.0 몰%로 변할 수 있음을 의미할 것이다.
가스 상에서의 실질적인 비균일성이란, 가스 기질에 의해 제공되는 적어도 하나의 성분의 질량(가스 기포와 용해된 가스 둘 다에)은 가스가 생물반응기로 유입되는 지점과 가스가 브로쓰로부터 나오는 지점 사이에서 적어도 50 질량%만큼 변한다는 것을 의미한다.
기질 확산 조건이란, 균형 잡힌 세포 성장 조건(단계 (a))의 경우, 메탄과 산소 둘 다의 물질 전달 속도는 그 자체만으로는 아니며, 메타노트로프 집단의 성장 속도에 실질적으로 악영향을 미치며; 불균형 세포 성장 조건(단계 (b))의 경우, 메탄과 산소 둘 다의 물질 전달 속도는 그 자체만으로는 아니며, 메타노트로프 집단에 실질적으로 악영향을 미친다는 것을 의미한다. 용어 "실질적으로"란, (1) 균형 잡힌 세포 성장 조건의 경우 불리한 영향은 메타노트로프 집단이 계속 성장한다는 것이며 (2) 불균형 세포 성장 조건의 경우 불리한 영향은 메탄과 산소 둘 다의 물질 전달이 적어도 메타노트로프 집단을 유지하기에 충분하며, 즉 메타노트로프 집단은 20 질량% 이상, 바람직하게는 10 질량% 이하로 감소하지 않는다는 것을 의미한다. 일부 예에서, 균형 잡힌 세포 성장 조건 동안, 메타노트로프 집단은 주어진 세포 밀도에 대한 예상 지수 성장 속도(projected exponential growth rate)의 20 질량% 미만, 바람직하게는 10 질량% 미만으로 계속 성장한다.
기질 확산 제한 조건이란, 메타노트로프를 함유하는 브로쓰로의 메탄과 산소 중 적어도 하나의 확산 속도가 기질 확산 조건 이외의 것임을 의미한다. 기질 확산 조건 및 기질 확산 제한 조건은 물질 전달을 위한 구동력뿐만 아니라 브로쓰에서 기포의 크기 및 기포의 지속 기간과 같은 물리적 제약에 의해 영향을 받는다는 것을 이해해야 한다.
세포의 질량에 대한 모든 언급은 세포의 건조 질량 기준으로 계산된다. 건조 질량은, 브로쓰로부터 미생물을 여과하고, 이어서 탈이온수로 세척하고, 오븐에서 약 103 내지 105℃의 온도에서 건조시키고, 데시케이터에서 냉각시킴으로써 측정된다. 데시케이터에서의 건조 및 냉각은 샘플 질량이 일정하게 유지될 때까지 주어진 샘플에 대해 반복해야 한다.
본원에서 유기산에 대한 언급은 상응하는 염 및 에스테르를 포함하는 것으로 간주되어야 한다.
폴리하이드록시알카노에이트는 에너지 저장을 위해 메타노트로프에 의해 생성된다. 당업 기술분야에 익히 공지된 바와 같이, 메타노트로프가 스트레스를 받을 때 PHA 생산 속도가 증가한다. 제한적 영양 조건을 사용하여 스트레스가 유발될 수 있지만 메타노트로프를 유지하기 위해 일부 산소 및 메탄 또는 산소화된 CI 화합물이 여전히 필요하다. 본 발명의 방법은 PHA를 생성할 수 있는 광범위한 메타노트로프에 널리 적용 가능하다. 정의에 제시된 바와 같이, 메타노트로프는 전통적으로 메타노트로프로서 특성화되지는 않지만 메탄을 소비할 수 있는 유전자 변형된 미생물을 포함한다.
메타노트로프는 다양한 공급원으로부터 얻을 수 있다. 메타노트로프는 종종 호기성 및 혐기성 구역 사이의 경계에서 산소와 메탄 둘 다가 존재하는 환경에서 발견된다. 그들은 논, 늪 및 습지, 연못과 호수의 표면 퇴적물, 활성 슬러지, 및 담수, 기수 및 식염수 환경을 포함한 초원 및 낙엽 숲 토양, 사막, 매립지, 탄광 표면 및 대양에서 흔하다. 바람직한 공급원은 탄소, 영양소 또는 산소 제한과 같은 주기적 스트레스를 받는 환경을 포함한다. 혼합된 세균 배양물을 사용하면 특수 배양물을 유지할 필요가 없어서 순수한 배양물을 사용하는 공정에 비해 공정을 덜 고가이도록 한다. 본 설명의 맥락에서, "혼합된 배양물"이란 용어는 종이 잘 정의되어 있는지의 여부에 관계없이 다양한 개별 배양물 또는 종을 함유하는 박테리아 군집을 포함하는 것으로 정의된다. "혼합된 배양물"이라는 용어는 농화 군집도 포함한다. 이들은 PHA 생산에 긍정적으로 영향을 미치는 유기체의 성장에 유리하고 PHA 생산에 부정적인 영향을 미치는 유기체의 성장에 불리한 선택적 압력을 받는 유기체의 군집이다. 선택 기술을 사용하면 추구하는 PHA를 제공하는 것과 혼합된 배양물에서 메타노트로프 집단을 풍부하게 할 수 있다.
메타노트로프의 예는 메틸로시누스(Methylosinus), 메틸로시스티스(Methylocystis), 메틸로셀라(Methylocella), 메틸로캅사(Methylocapsa), 메틸로페룰라(Methyloferula), 메틸로모나스(Methylomonas), 메틸로박터(Methylobacter), 메틸로코커스(Methylococcus), 메틸로마이크로븀(Methylomicrobium), 메틸스파에라(Methylosphaera), 메틸로칼듐(Methylocaldum), 메틸로사르시나(Methylosarcina), 메틸로테르무스(Methylothermus), 메틸로할로비우스(Methylohalobius), 메틸로가애(Methylogaea), 메틸로소마(Methylosoma), 메틸로마리늄(Methylomarinum), 메틸로불룸(Methylovulum), 메틸로아시디필룸(Methyloacidiphilum), 크레온트릭스(Creonthrix) 및 클로노트릭스(Clonothrix)를 포함하지만 이에 제한되지 않는다. 상이한 메타노트로프는 PHA가 얼마나 빨리 축적되는지에 따라 상이할 것이며, 상이한 메타노트로프는 상이한 중합체 또는 분자량 분포를 갖는 PHA를 생성할 가능성이 있다. 따라서, 메타노트로프의 선택은 전형적으로 추구하는 특정 PHA를 목표로 한다. 예를 들어, 이의 전문이 본원에 참조로 포함된 미국 특허 8,030,021를 참조한다.
메타노트로프는 단백질을 함유하며 일반적으로 특히 변성 후 식용이 가능하여 단일 세포 단백질 공급원으로 적합하다. 메타노트로프에 포함된 단백질은 다음을 포함하지만 이에 제한되지 않는다:
단백질은 종종 약 30 내지 80 질량%의 건조 세포를 구성하며, 나머지는 지방(종종 약 2 내지 15, 즉, 3 내지 12 질량%), PHA(종종 동물 사료의 경우 약 5 내지 50 질량%이며 PHA가 추구하는 최종 제품일 때 약 10 내지 50 질량%) 및 기타 성분(약 5 내지 20 질량%)이다. 일부 경우에 세포는 단백질을 발현할 수 있지만, 실질적인 목적 상 단백질은 세포 및/또는 세포 표면에 함유된다. 따라서, 메타노트로프 집단의 성장은 단백질 성장 속도에 다소 비례한다.
본 발명의 공정은 또한 천연 가스, 석탄으로부터의 메탄 가스 및 바이오가스(혐기성 소화 가스 및 매립 가스를 포함하지만 이에 제한되지 않는다), 다른 공정으로부터의 테일 가스, 예를 들어, 또 다른 발효 공정으로부터 직접적으로 또는 간접적으로 유도된 테일 가스 및 이들의 혼합물을 포함하지만 이에 제한되지 않는 다양한 메탄-함유 가스에 적용 가능하다. 전형적으로, 반응 구역에 공급된 메탄-함유 가스 중 메탄 농도는 적어도 약 10 몰%이며, 종종 약 15 내지 99 몰% 내지 본질적으로 100 몰%의 범위이다. 메탄-함유 가스는 고급 알칸, 질소, 이산화탄소, 황화수소, 실록산 및 수증기와 같은, 그러나 이에 제한되지 않는 다른 성분들을 함유할 수 있다. 메타노트로프에 독성일 수 있거나 메타노트로프의 성능을 손상시킬 수 있는 메탄-함유 가스 내 임의의 성분은 바람직하게는 메타노트로프에 허용되는 수준으로 제거되거나 농도가 감소된다.
메탄-함유 가스 및 산소-함유 가스는 메타노트로프를 함유하는 수성 매질(브로쓰)에 공급된다. 바람직하게는, 메탄-함유 가스 및 산소-함유 가스는 미세기포 형태로 생물반응기에 도입된다. 종종 미세기포는 0.01 내지 0.5, 바람직하게는 0.02 내지 0.3 밀리미터 범위의 직경을 갖는다. 바람직하게는, 메탄-함유 가스 및 산소-함유 가스는 모티브 유체(motive fluid)를 사용하여 브로쓰에 별도로 주입된다. 모티브 액체 유량의 변화는 미세기포 크기를 조절하여 메탄 및 산소의 브로쓰로의 전달 속도를 조절하는데 사용될 수 있다. 필요한 경우, 기포 크기를 감소시키는 것을 돕기 위해 계면 활성제를 사용할 수 있다.
메탄-함유 가스 및 산소-함유 가스 각각이 브로쓰에 공급되는 속도는 광범위하게 변할 수 있지만, 전형적으로 적절한 양의 용해된 메탄 및 산소가 메타노트로프에 이용 가능한지 확인하는 것에 좌우된다. 메타노트로프 집단의 성장 동안, 반응 구역의 단위 부피당 메탄 및 산소에 대한 요구는 메타노트로프의 밀도 증가에 비례하여 변할 것이다. 따라서, 이들 가스의 공급 속도는 바람직하게는 메타노트로프의 밀도 및 원하는 집단 성장 속도 및/또는 PHA 축적에 기초하여 조절된다. 단일 세포 단백질의 제조시 본 발명 이전에는 동물 사료를 제공하기 위해 메타노트로프의 분리, 탈수 및 건조에 상당한 비용이 들었다. 유사하게는, 브로쓰에서 더 높은 밀도의 메타노트로프는 정제된 PHA가 추구하는 최종 제품인 메타노트로프로부터 PHA의 회수를 용이하게 한다. 쉽게 이해될 수 있는 바와 같이, 본 발명의 방법은 메탄 및 산소를 수성 브로쓰로 전달하는 증가된 능력 및 생물반응기로부터 열을 제거하는 능력으로 인해 브로쓰에서 더 높은 메타노트로프 밀도를 달성할 수 있도록 한다.
메탄의 공급 속도를 조정함으로써, 브로쓰를 통과하는 미반응 가스에서 메탄의 손실이 최소화될 수 있다. 적어도 공정의 일부 동안 반응 구역으로의 메탄-함유 가스의 공급 속도는 미반응 가스가 실질적으로 안정한 몰 농도의 메탄(바람직하게는, 메탄의 몰 농도는 평균 메탄 몰 농도의 20% 초과, 보다 바람직하게 10% 초과로 변하지 않음)을 함유하도록 하는 것이다. 미반응 가스를, 예를 들어, 플레어 또는 열 산화기에서 연소된 폐기물로 보내야 하는 경우, 열 산화를 유지하기 위해 천연 가스가 필요할 수 있지만, 미반응 가스에서 메탄 농도가 낮아짐에 따라 경제적인 작동이 개선된다. 혐기성 소화조와 같은 메탄-함유 가스를 생성하는 시설에는 종종 PHA 생산 작업에 사용할 수 있는 플레어 또는 기타 열 산화 장치 작동이 있다.
바람직하게는, 미반응 가스가 폐기물로 적어도 약 70, 바람직하게는 적어도 약 80, 때로는 약 85 내지 99 내지 본질적으로 전부가 보내지는 경우, 메탄-함유 가스 내의 메탄은 반응 구역에서 대사된다. 바람직하게는, 메탄-함유 가스를 반응 구역으로 통과시키는 속도는 10 몰% 미만의 메탄을 함유하는 회수된 미반응 가스를 제공하도록 조절된다.
한편, 미반응 가스가 에너지로 사용되는 경우, 메탄의 몰 농도는 원하는 열 함량을 달성하기에 충분히 높아야 한다. 따라서, 일부 구현예에서, 미반응 가스는 25 부피% 이상의 메탄을 함유할 수 있다. 미반응 가스는 또한 대사 활동으로부터 생성된 이산화탄소를 함유할 것이며, 이는 제거될 필요가 있거나 그렇지 않을 수 있다. 어느 경우든, 반응 구역으로의 메탄-함유 가스의 공급 속도는 미반응 가스 중 메탄의 실질적으로 안정한 몰 농도를 제공하도록 조정된다. 미반응 가스는 반응 구역으로부터 열을 제거하는 역할을 할 것이며, 수성 매질에 용해될 수 있는 원하지 않는 가스를 스트리핑 제거하는 역할을 할 수 있음을 이해해야 한다. 원하는 경우, 메탄-함유 가스의 공급 속도는 원하는 열 제거 또는 원하지 않는 용해된 가스의 스트리핑에 기초하여 조절될 수 있다.
또한, 수성 매질은 특히 미반응 가스 스트림이 또 다른 생물학적 또는 화학적 공정을 위한 전력 또는 공급원료의 생성과 같은 다른 목적을 위해 사용될 경우, 그 안에 함유된 다른 가스상 성분을 메탄-함유 가스로부터 제거하는데 사용될 수 있다. 불리한 성분의 제거는 미반응 가스 스트림을 이러한 추가 용도에 직접 적합하게 하거나 전처리량을 감소시킬 수 있다. 이어서, 제거된 성분은 수성 매질로부터 회수될 수 있다. 수성 매질에 의해 제거될 수 있는 성분은 황화수소 및 디메틸 실록산을 포함하지만 이에 제한되지는 않으며, 둘 다는 연소를 위한 공급원료 및 많은 촉매 화학 공정에 불리할 수 있다. 예를 들어, 메탄-함유 공급물은 황화수소를 함유하며, 수성 매질은 황화수소의 적어도 일부를 흡수하여 감소된 농도의 황화수소를 함유하는 미반응 가스 스트림을 제공한다.
가스 상으로부터 브로쓰로의 메탄 및 산소의 질량 전달 속도는 각 가스의 분압 구동력에 좌우될 것이다. 메탄 및 산소 각각은 물에 제한된 용해도를 가지며, 브로쓰 내 이산화탄소의 질량을 감소시켜 브로쓰로의 메탄 및 산소의 물질 전달을 위한 구동력을 유리하게 개선시킨다. 본 발명에 따르면, 적어도 상기 공정의 지속 기간의 세그먼트 동안, 브로쓰의 일부는 반응 구역으로부터 연속적으로 회수되며 스트리핑 가스와 접촉하여 용해된 이산화탄소를 제거하며, 반응 구역으로의 재순환을 위해 이산화탄소-희박 수성 매질 또는 브로쓰를 제공한다. 일부 구현예에서, 이러한 연속적인 회수 및 스트리핑은 상기 공정의 전체 지속 기간에 걸쳐 발생하며, 다른 경우에, 적어도, 브로쓰 내 메타노트로프의 밀도가 적어도 약 2 그램/리터, 즉 적어도 약 5 그램/리터, 및 종종 적어도 약 10 그램/리터일 때 발생한다. 메타노트로프는 회수된 브로쓰와 함께 동반되거나 스트리핑 장치 작동으로 전달되기 전에 브로쓰로부터 제거될 수 있다.
브로쓰의 회수율은 종종, 반응 구역에서 대사 활성에 의해 생성된 이산화탄소의 적어도 약 35%, 바람직하게는 적어도 약 40%, 및 일부 경우에 약 50 내지 75%에 해당하는 양의 이산화탄소를 제거하기에 충분하다. 일부 구현예에서 메탄-함유 공급물이 바이오가스인 경우와 같이 메탄-함유 공급물은 이산화탄소를 함유할 수 있다는 것을 이해해야 한다.
스트리핑 동안 제거된 이산화탄소 부분의 계산은 대사 활성에 의해 생성된 이산화탄소 및 기질 및 다른 영양소와 함께 반응 구역으로 공급된 이산화탄소를 고려하여 질량 균형에 기초한다. 계산 목적상, 대사 활동에 의해 생성된 이산화탄소의 질량은 메탄 및 산소화된 CI 화합물 둘 다가 이산화탄소의 생성을 초래할 수 있다는 가정에 기초한다. 메탄 및 산소화된 CI 화합물의 일부는 세포 형성, PHA 생산 및 다른 대사적으로-생성된 성분으로 진행될 수 있다.
본 발명의 바람직한 양상에서, 회수된 브로쓰 내 메탄은 스트리핑 전에 충분한 추가의 대사 활성을 겪어 스트리핑으로부터의 이산화탄소-함유 가스는 20 ppmv(parts per million by volume) 미만, 바람직하게는 10 ppmv 미만의 메탄을 함유한다. 본 발명의 이러한 바림직한 양상에서, 회수된 브로쓰가 대사 활동을 지원하기에 충분한 용해된 산소를 갖도록 산소 공급은 충분해야 한다.
임의의 적합한 스트리핑 가스는 본 발명의 공정에 사용될 수 있다. 공기는 스트리핑을 수행하기 위해 쉽게 이용 가능한 가스이다. 브로쓰에 함유될 때 스트리핑에 사용될 스트리핑 가스는, 메타노트로프에 악영향을 미치지 않는 임의의 적합한 온도, 예를 들어, 약 10℃ 내지 50℃, 즉 20℃ 내지 45℃일 수 있다. 많은 경우에, 물의 증발에 의한 냉각을 이용하기 위해 스트리핑 가스의 상대 습도를 50% 미만, 보다 바람직하게는 약 25% 미만으로 유지하는 것이 바람직하다.
바람직하게는, 스트리핑은 회수된 브로쓰에서 이산화탄소의 적어도 50%, 보다 바람직하게는 적어도 약 65%, 종종 적어도 약 75%가 스트리핑되는 조건하에 있다. 더 높거나 더 낮은 온도가 사용될 수 있지만, 스트리핑은 전형적으로 회수된 브로쓰의 온도에서 수행된다. 스트리핑 동안, 브로쓰의 온도는 주로 이산화탄소 증발과 물 증발 둘 다로 인해 감소된다. 종종 상기 공정의 적어도 일부 동안에, 특히 최대 냉각 요구의 시간 동안, 스트리핑으로부터의 이산화탄소-희박 브로쓰는 반응 구역에서 브로쓰의 벌크 온도보다 적어도 약 0.25℃, 때로는 적어도 약 0.75℃ 더 차갑다.
하나의 모드에서, 회수된 브로쓰의 전부 또는 일부는 용해된 이산화탄소 농도가 더 높은 반응 구역의 하부에서 나온다. 원하는 경우, 제거 지점에서 수성 매질의 헤드에 의해 적어도 부분적으로 정의된 압력인 회수된 브로쓰는 스트리핑되기 전에 이산화탄소의 일부를 제거하기 위해, 예를 들어 대기압에서 더 낮은 압력을 포함하는 플래싱 조건에 적용될 수 있다.
앞서 언급된 바와 같이, 메타노트로프 집단이 가스로부터 브로쓰로의 메탄의 물질 전달이 집단의 성장 또는 PHA의 생산을 유지하기에 충분하지 않거나 다른 냉각 장치의 작동이 반응 구역에서 축적 온도를 방지하기에 충분하지 않은 브로쓰의 밀도에 도달할 때까지, 스트리핑은, 원한다면, 사용할 필요가 없다. 대안적으로, 스트리핑을 위한 브로쓰의 회수율은 집단 성장에 따라 달라질 수 있다. 메타노트로프 집단이 추구하는 최대 밀도에 접근함에 따라, 이산화탄소 스트리핑을 위한 브로쓰 회수율은 종종 시간당 반응 구역에서 브로쓰 부피의 약 0.5 내지 10배, 즉 1 내지 5배의 범위이다.
브로쓰는 메타노트로프를 위한 영양소를 함유한다. 상기 공정은 우선, 공급원료 및 모든 영양소가 세포의 거대분자 성분을 제조하는데 필요한 비율로 존재하는 균형 잡힌 세포 성장기로도 종종 불리는 공정에서 메타노트로프의 집단을 증가시킴으로써 진행된다. 다시 말해, 공급원료 또는 영양소는 단백질, 복합 탄수화물 중합체, 지방 또는 핵산의 합성을 제한하지 않는다. 이어서, 메타노트로프는 제한적 영양 조건, 즉 성장을 위한 하나 이상의 거대 분자를 만들기 위해 필요한 산소 또는 적어도 하나의 영양소(메탄 또는 산소화된 CI 화합물 이외에)가 필요한 비율로 존재하지 않는 불균형 세포 성장기에 적용된다. 이러한 조건하에, 중합체의 축적의 가속화가 발생한다. 이들 중합체는 하나 이상의 PHA와 같은 세포내 저장 생성물 또는 세포외 폴리사카라이드와 같은 분비된 생성물을 포함한다. 일반적으로, 제한적 영양 조건은 균형 잡힌 세포 성장을 지원하기에 불충분한 양의 질소-화합물을 제공함으로써 달성된다. 불균형 세포 성장을 달성하기 위해 제한되거나 조절될 수 있는 다른 영양소는 칼슘, 인, 나트륨, 마그네슘, 철, 구리, 붕소, 아연, 알루미늄, 니켈, 황, 몰리브덴, 망간 및 칼륨을 포함하지만 이에 제한되지 않는다.
브로쓰는 균형 잡힌 세포 성장기 동안 미생물 집단의 빠른 성장과 불균형 세포 성장기 동안 PHA의 생산에 적합한 조건하에 유지된다. 이들 조건은 메타노트로프에 적합한 온도를 포함하는데, 이는 일반적으로 중온성(mesophilic)으로, 예를 들어, 약 25℃ 내지 45℃, 가장 빈번하게는 약 28℃ 내지 42℃이다.
균형 잡힌 세포 성장 조건은 브로쓰 내 원하는 밀도의 메타노트로프를 달성하기에 충분한 시간 동안 유지된다. 대부분의 경우에, 메타노트로프는 적어도 약 8 그램/리터, 바람직하게는 적어도 약 10 그램/리터(건조 세포 기준으로 계산됨)의 브로쓰 내 밀도를 달성한다. 높은 밀도가 요구되지만, 실질적인 한계가 존재한다. 예를 들어, 브로쓰 내 미생물 집단은 집단의 추가 성장을 달성하기 위해 균형 잡힌 세포 성장 조건(기질 확산 제한 조건) 동안 불충분한 메탄 및 산소가 브로쓰에 제공될 수 있는 수준까지 증가할 수 있다. 또한, 대사 과정은 발열성이며 따라서 반응 구역으로부터 열을 제거하는 능력은 한계가 될 수 있다. 따라서, 균형 잡힌 세포 성장기의 말미에서 메타노트로프의 밀도는 일반적으로 브로쓰에서 적어도 약 8 그램/리터, 즉 적어도 약 10 그램/리터이며, 브로쓰에서 60 또는 80 그램/리터 이상으로 높을 수 있다.
본 발명의 공정의 이점은 가스 상으로부터 브로쓰로의 높은 메탄 및 산소 물질 전달을 달성할 수 있고 따라서 브로쓰 내 메타노트로프의 높은 밀도에서 기질 확산 조건을 유지할 수 있기 때문에, 균형 잡힌 세포 성장 조건의 종결시에 높은 밀도의 메타노트로프를 얻도록 조작자에게 유연성이 주어진다는 점이다. 따라서, 바람직한 구현예에서, 균형 잡힌 세포 성장 조건은 적어도, 기질 확산 제한 조건이 더 이상 유지될 수 없을 때까지 유지된다. 따라서, 브로쓰 내 메타노트로프의 밀도는 때때로 약 20 내지 80 리터/그램 이상, 종종 20 내지 60 리터/그램(건조 세포 기준으로 계산됨)의 범위에 있다.
본 발명의 한 양상에서, 산소화된 CI 화합물을 브로쓰에 도입하여 메탄 공급물을 보충한다. 바람직하게는, 산소화된 CI 화합물은 재생 가능한 자원으로부터 유도된다. 산소화된 CI 화합물은 브로쓰의 수성 매질에 가용성이며 따라서 가스 상과 수성 매질 사이의 물질 전달 제한은 산소화된 CI 화합물이 브로쓰에 도입 될 수 있는 속도에 영향을 미치지 않는다. 산소화된 CI 화합물을 사용하는 경우, 미생물 집단의 추가 성장은 메탄 확산 제한 조건하에 얻어질 수 있다. 산소화된 CI 화합물은 균형 잡힌 세포 성장기와 불균형 세포 성장기 중 하나 또는 둘 다 동안 언제든지 첨가될 수 있다. 산소화된 CI 화합물은 연속적으로 또는 간헐적으로 첨가될 수 있으며, 공정이 메탄 확산 조건과 메탄 확산 제한 조건 사이의 전환에 가까워질 때에만 첨가되기 시작할 수 있다. 산소화된 CI 화합물이 전형적으로 메타노트로프에 의해 빠르게 대사적으로 소모되기 때문에, 발효 공정 전체 또는 일부 동안 산소화된 CI 화합물을 간헐적으로 또는 연속적으로 첨가하는 것뿐만 아니라 발효기 전체에 걸쳐 우수한 분산을 달성하는 것도 바람직하다. 산소화된 CI 화합물은 바람직하게는 불균형 세포 성장기 동안 사용된다.
세포 성장 및 PHA로의 메탄 전환에 대한 바람직한 향상을 여전히 얻으면서, 브로쓰에 제공되는 산소화된 CI 화합물의 양은 광범위하게 변할 수 있다. 일반적으로, 산소화된 CI 화합물은 발효로부터 추구하는 세포 질량의 킬로그램당 약 10 내지 200 그램, 즉 30 내지 150 그램, 때로는 약 50 내지 110 그램의 양으로 제공된다. 브로쓰 내 산소화된 CI 화합물의 농도는 메타노트로프에 악영향을 미치는 농도 이하로 유지되어야 한다. 결과적으로, 추구하는 양의 산소화된 CI 화합물을 제공하기 위해 적절한 속도로 브로쓰에 산소화된 CI 화합물을 연속적으로 또는 간헐적으로 첨가하지만 메타토트로프에 악영향을 미치는 농도 미만으로 농도를 유지하는 것이 바람직하다.
본 발명을 제한하는 것이 아닌 예로서, 메타노트로프의 집단 성장 및 PHA의 생산에 대한 산소화된 CI 화합물의 효과를 설명하기 위해 비교 실험을 수행한다. 2개의 발효기가 실험을 위해 사용되며 산소화된 CI 화합물(메탄올) 함량을 제외하고 발효 동안 동일한 조건을 유지하려고 동시에 작동된다. 발효기는 실험실 규모(4 리터)로 교반되며, 브로쓰로부터 이산화탄소를 스트리핑하는 것을 포함하는 본 발명의 양상을 사용하지 않는다. 오히려, 실험은 발효에서 메탄올의 효과를 설명하기 위한 것이다. 발효는 약 50시간의 지속 기간 동안 약 30℃ 및 pH 약 7(성장기 동안 염기, 수산화암모늄 및 PHA 생산기 동안 수산화칼륨의 첨가에 의해 유지됨)에서 수행된다. 메타노트로프는 M. parvus OBBP를 함유하는 혼합물이다. 영양소를 함유하는 종래의 수성 매질이 사용된다[문헌(Peija, et al., Poly-3-hydroxybutyrate metabolism in the Type II methanotroph Methylocystis parvus OBBP. Appl. Environ. Microbiol. 77 (17), 6012-6019)에 기재된 바와 같은 질산염 염 매질 W1]. 회수된 불균형 세포 성장기 영양소는 질소이다.
예는 다음에 제공한다. 메탄 공급물의 부재시에, 실질적으로 메탄올이 존재하는 경우 PHA(폴리-3-하이드록시부티레이트)는 생성되지 않는다. 메탄올의 첨가는 브로쓰 내 메탄올이 부재된 대조군과 비교하여 메타노트로프 집단의 성장 속도를 증가시킨다. 메탄올 구동은 주어진 세포 집단 및 PHA 농도를 제공하기 위해 산소를 덜 소비한다. 메탄올 농도를 증가시키면, PHA 및 세포 집단의 농도가 증가한다. 모든 구동에서, 메탄올은 완전히 소비된다. 표 1을 참조한다.
[표 1]
a. 반응기는 약 22의 OD 600에서 접종된다. 어떠한 메탄도 접종 후 첨가되지 않는다.
b. 실시예 1 및 2에서, 약 4 그램의 메탄올이 초기에 첨가된 다음, 잔류 메탄올이 구동 지속 기간에 걸쳐 실질적으로 균일하게 첨가된다. 실시예 3 내지 6에서, 모든 메탄올은 실시예의 지속 기간에 걸쳐 연속적으로 첨가된다.
c. 메탄올을 사용한 세포 성장 속도는 메탄올이 없는 세포 성장 속도보다 더 빠르지만, 구동 지속 기간에 걸쳐, 대조군은 메탄올이 존재하는 반응기의 세포 집단 및 PHA 농도에 도달한다.
균형 잡힌 세포 성장기의 지속 기간은 브로쓰 내 접종물의 농도, 균형 잡힌 세포 성장기의 종결시에 메타노트로프의 추구하는 밀도, 및 메타노트로프의 재생 속도에 의존할 것이다. 전형적으로, 불균형 세포 성장기는 적어도 약 1시간, 바람직하게는 적어도 약 5시간, 때로는 적어도 약 8시간, 즉 약 5 내지 48시간, 일부 구현예에서, 약 5 내지 24시간이다.
불균형 세포 성장기의 종결시에, 메타노트로프는 PHA의 회수를 위해 수확될 수 있다. 메타노트로프로부터 PHA를 회수하기 위한 임의의 적합한 공정이 사용될 수 있다. 단일 세포 단백질이 추구하는 최종 제품인 경우, 불균형 세포 성장기의 종결시 메타노트로프가 수확된다. 전형적으로, 세포를 함유하는 고체는 분리 및 탈수된다. 고체의 건조는 일반적으로 단일 세포 단백질 제품의 단백질 함량을 안정화시키기 위해 수행된다.
본 발명의 공정은 연속식, 반배치식 또는 배치식일 수 있다. 연속 공정에서, 유동 순서에서 적어도 2개의 생물반응기를 사용하는 것이 바람직하며, 첫 번째는 메타노트로프 집단의 성장을 위한 것이고, 유동 순서에서 두 번째는 불균형 세포 성장기가 PHA를 생성하는 것이다. 배치 공정에서, 하나 이상의 생물반응기가 사용될 수 있는데, 각각은 균형 잡힌 세포 성장 조건과 불균형 세포 성장 조건 사이에서 순환될 수 있거나, 대안적으로 하나 이상의 생물반응기가 균형 잡힌 세포 성장에 전용일 수 있고, 메타노트로프를 함유하는 브로쓰는 불균형 세포 성장에 전용인 별도의 생물 반응기에 전달된다. 후자는 일반적으로 "모(mother)" 및 "딸(daughter)" 생물반응기 시스템으로 지칭된다. 바람직한 반배치 공정에서, 하나 이상의 모 생물반응기는 메타노트로프 집단을 계속 증가시키고 있다. 브로쓰의 일부는 모 생물반응기로부터 간헐적으로 회수되며 복수의 딸 생물반응기 중 하나로 전달된다. 모 반응기로부터 회수된 브로쓰의 일부는 바람직하게는 브로쓰의 충분한 부분이 메타노트로프의 집단이 불균형 세포 성장을 시작하기 위해 추구하는 밀도를 신속하게 달성하기 위해 모 반응기 내에 남아있도록 한다. 예를 들어, 회수된 부분은 모 생물반응기에서 약 25 부피%의 브로쓰를 남길 수 있으며, 이로써 집단의 약 2배의 불균형 세포 성장에 대한 추구하는 밀도를 달성할 수 있다. 종종, 모 생물반응기에 남아있는 브로쓰의 부피는 적어도 약 10 부피%, 즉 약 20 내지 50 부피%이다. 반연속 공정에 대한 모 생물반응기당 딸 생물반응기의 수는 전형적으로 2 내지 약 10이다. 따라서, 딸 생물반응기는 조합하여 PHA를 함유하는 제품의 회수를 위해 비교적 연속적인 세포 공급을 제공할 수 있다.
각 생물반응기는 딥 탱크 생물반응기(예를 들어, 딥 탱크, 기포 컬럼 생물반응기); 제트 루프 생물반응기; 교반된 탱크 생물반응기; 세류층(trickle bed) 생물반응기; 바이오필름 생물반응기; 이동층 생물반응기; 막 생물반응기 및 파이프 생물반응기를 포함하지만 이에 제한되지 않는 정적 혼합기 생물반응기를 포함하지만 이에 제한되지 않는 임의의 적합한 구성될 수 있다. 원하는 경우, 균형 잡힌 세포 성장 및 불균형 세포 성장을 위해 2개 이상의 생물 반응기가 사용될 수 있으며, 이들 생물반응기는 유사하거나 상이한 디자인일 수 있다. 예를 들어, 교반 탱크 생물반응기 다음에 딥 탱크 생물반응기가 이어질 수 있다. 메탄 함유 가스에서 높은 전환율의 메탄이 추구되는 경우, 딥 탱크 생물반응기가 바람직하다. 딥 탱크 생물반응기는 적어도 약 5 미터, 바람직하게는 적어도 약 10 미터 깊이를 갖는 것을 특징으로 하며, 생성반응기에 함유된 브로쓰의 깊이에 걸쳐 실질적으로 불균일한 가스 조성물 및 생물반응기 전체에 걸쳐 브로쓰의 실질적으로 균일한 조성물을 제공하도록 작동될 수 있다. 딥 탱크, 기포 컬럼 생물반응기는 메탄-함유 가스 및 산소-함유 가스가 하부에 작은 기포로 도입되어 혼합을 촉진하는 딥 탱크 생물반응기이다. 바람직하게는, 메탄-함유 가스 및 산소-함유 가스 공급물 각각은 0.01 내지 0.5 밀리미터, 바람직하게는 0.02 내지 0.3 밀리미터 범위의 직경을 갖는 미세기포 형태로 도입된다. 미세기포를 형성하기 위해 모티브 유체를 사용하는 이덕터 또는 인젝터의 사용이 바람직하다. 많은 경우에서, 메타노트로프는 이덕터 또는 인젝터를 통과할 때 거의 손상되지 않으므로, 이러한 경우에, 메타노트로프는 이산화탄소-희박 브로쓰를 생물반응기에 재도입하기 전에 제거될 필요가 없다.
회수된 브로쓰로부터 이산화탄소를 스트리핑하기 위해 임의의 적합한 장비가 사용될 수 있다. 그러한 장비의 예는 스프레이 타워, 기포 컬럼 및 패킹된 또는 구조화된 컬럼 또는 탈기 막을 포함한다. 낮은 압력 강하로 인해, 패킹된 또는 구조화된 컬럼이 선호된다.
회수된 브로쓰에서 이산화탄소를 스트리핑하면 발열 대사 활성으로부터 열이 제거되지만, 균형 잡힌 세포 성장기 및 불균형 세포 성장기 동안 과도한 발열을 방지하기 위해 전형적으로 추가 냉각 용량이 필요하다. 종종, 생물반응기의 세포 밀도가 원하는 최대 농도에 접근함에 따라, 이산화탄소 스트리핑 동안 회수된 브로쓰의 냉각은 등온 조건하에 생물반응기를 유지하는데 필요한 열 제거의 약 10 내지 50%, 즉 약 15 내지 40%의 제거를 구성한다. 등온 조건을 유지하는데 필요한 보조 열 전달 장치 작동은 직접 및 간접 열 교환 중 하나 이상일 수 있다. 예를 들어, 연속 공정에서 직접 열 교환은 생물반응기로부터 연속적으로 제거된 브로쓰를 대체하기 위해 차가운 보충 수를 연속적으로 첨가함으로써 제공될 수 있다.
본 발명 및 그 적용에 대한 일반적인 이해는 도면을 참조하여 용이하게 될 수 있다. 도면은 본 발명의 넓은 양상을 제한하지 않는다. 도면은 본 발명의 방법을 실시하기에 적합한 일반적으로 100으로 지정된 장치의 개략도이다. 도면은 펌프, 컴프레서, 밸브, 기구 및 기타 장치와 같은 부수적인 장비의 배치와 작동이 화학 공학 분야의 전문가에게 잘 알려진 것은 생략한다. 도면은 또한 보조 장치 작동은 생략한다. 도면의 장치의 공정 및 작동은 폴리하이드록시부티레이트의 생성을 위한 혐기성 소화조 바이오가스 및 공기 및 이산화탄소의 스트리핑을 위한 공기의 사용과 관련하여 기술된다. 공정은 다른 메탄-함유 가스, 산소-함유 가스 및 스트리핑 가스의 사용뿐만 아니라 다른 PHA 중합체 및 단일 세포 단백질 제품의 생산에도 쉽게 적용할 수 있다.
생물반응기(102)는 딥 탱크, 기포 컬럼 반응기이며, 브로쓰(104)를 함유한다. 이 도시된 장치에서, 생물반응기(102)는 균형 잡힌 세포 성장 및 불균형 세포 성장 둘 다에 사용된다. 브로쓰(104) 위에 생물반응기로부터 미반응 가스를 제거하기 위한 헤드 스페이스(106) 및 배출 라인(108)이 존재한다. 미반응 가스는 열을 발생시키기 위해 사용될 수 있거나 폐기물로 보내질 수 있다.
생물반응기(102)에서 브로쓰의 일부는 라인(110)을 통해 스트리퍼(112)로 전달된다. 라인(110)에서, 회수된 브로쓰에 용해된 메탄은 메타노트로프에 의해 계속 대사되어 스트리퍼(112)로 전달된 회수된 브로쓰는 임의의 용해된 메탄을 거의 함유하지 않는다. 나타낸 바와 같이, 스트리퍼(112)는 구조화된 패킹(114)을 함유한다. 라인(110)은 스트리핑 가스와의 접촉을 위해 구조화된 패킹(114)의 상부에 브로쓰를 분배하며 이는 이 논의의 목적상 구조화된 패킹의 하부에서 라인(118)에 의해 공기 공급된다. 이산화탄소-함유 스트리핑 가스는 라인(116)을 통해 스트리퍼(112)를 빠져나간다. 이산화탄소-고갈된 브로쓰의 일부는 스트리퍼(112)의 하부에 수집되어 라인(120)을 통해 간접 열 교환기(122)로 전달된다. 라인(124)은 간접 열 교환기(122)로부터 브로쓰를 회수한다. 이산화탄소-고갈된 브로쓰의 또 다른 부분은 라인(126)을 통해 회수된다. 열 교환기(122)로 전달되는 이산화탄소-고갈된 브로쓰의 일부 및 라인(126)으로 전달되는 이산화탄소-고갈된 브로쓰의 일부의 상대적인 양은 그 일부의 원하는 벌크 온도에 의존할 것이다. 예를 들어, 균형 잡힌 세포 성장의 초기 단계 동안, 스트리퍼(112)에서 수행되는 냉각은 모든 이산화탄소-고갈된 브로쓰가 열교환 기(122)에서 보조 냉각되는 것을 요구하지 않을 수 있다. 이산화탄소-고갈된 브로쓰의 일부를 우회하면, 브로쓰의 조합된 벌크 온도가 생물반응기(102) 내의 브로쓰의 온도를 일정한 온도로 유지하기에 적절한 생물반응기(102)로 복귀된다. 균형 잡힌 세포 성장 후에, 실질적으로 모든 이산화탄소-고갈된 브로쓰는 열 교환기(122)로 전달되어 생물반응기(102)에서 등온 조건을 유지한다. 대안적으로, 공정의 초기 부분 동안, 라인(116)으로부터의 이산화탄소-함유 스트리핑 가스의 일부는 브로쓰에서 이산화탄소의 증발을 위한 구동력을 감소시키기 위해 라인(118)에 의해 공급된 스트리핑 가스와 혼합된다. 이산화탄소 증발이 덜 발생하기 때문에, 냉각이 감소된다.
열 교환기(122)는 임의의 적합한 설계일 수 있다. 본 발명은 열 교환기가 열 펌프와 조합되는 것을 고려하는데, 이때 열 펌프는 이 공정 또는 또 다른 공정에 사용하기 위해 더 높은 온도의 유체를 제공한다. 일부 구현예에서, 열 펌프로부터의 가열된 유체는 스트리핑 가스, 예를 들어, 공기와의 간접 열 교환을 위해 사용되어 그 습도를 감소시키고 스트리핑 동안 더 많은 물이 증발되도록 하여 보다 많은 증발 냉각을 생성할 수 있다. 대안적으로, 가열된 유체는 세포로부터 PHA의 회수에 필요한 열 에너지를 감소시키는데 사용될 수 있다.
이후에 기술되는 바와 같이, 재순환 브로쓰는 메탄-함유 가스 및 산소-함유 가스를 생물반응기(102)로 도입하기 위한 모티브 유체로서 사용된다. 라인(128)은 모티브 유체로서 요구되는 바와 같이 라인(126 및 124) 각각에서 재순환 브로쓰의 유량의 균형을 맞추는 역할을 한다.
라인(124)에서 재순환되는 브로쓰는 펌프(130)로 전달된 다음, 생물반응기(102)로 복귀하기 위해 라인(132)을 통해 전달된다. 라인(128)에서 브로쓰는 펌프(136)로 전달된 다음, 생물반응기(102)로 복귀하기 위해 라인(138)으로 전달된다. 메탄-함유 가스 및 산소-함유 가스는 임의의 편리한 방식으로 생물반응기(102)로 도입될 수 있다. 인젝터(가스-액체 이덕터)의 사용은 비교적 낮은 에너지 소비에서 매우 미세한 기포가 생성될 수 있다는 점에서 특히 매력적이다. 인젝터는 제트 믹서/에어레이터 또는 슬롯 인젝터일 수 있다. 슬롯 인젝터가 바람직한데, 이의 한 형태는 미국 특허 제4,162,970호에 개시되어 있다. 이들 인젝터는 모티브 액체를 사용하여 작동한다. 인젝터, 특히 슬롯 인젝터는 넓은 범위의 액체 및 가스 유량에 걸쳐 작동할 수 있으며 따라서 가스 전달 능력이 크게 저하될 수 있다. 인젝터는 제트 인젝터의 경우 단면 치수로서 또는 슬롯 인젝트의 경우 더 작은 단면 치수로서 적어도 약 1 센티미터, 종종 약 1.5 내지 5 센티미터, 즉 2 내지 4 센티미터의 노즐을 갖는 것을 특징으로 한다. 인젝터에 의해 생성된 기포 크기는, 다른 요인들 중에서도, 인젝터를 통한 액체 유량 및 인젝터를 통과하는 가스 상 대 액체 상의 비 및 정적 액체 깊이를 포함하지만 이에 제한되지 않는 브로쓰 자체의 특성에 의해 영향을 받을 것이다. 일부 구현예에서, 덜 조밀한 가스-액체 분산액 및 미세기포를 생성하는 데 사용되는 임의의 모티브 유체를 형성하는 미세기포는 생물반응기에서 액체 혼합물을 촉진할 수 있다. 인젝터의 큰 단면 치수는 미세기포를 생성할 수 있는 것 이외에 여러 이득을 제공한다. 첫째, 그들은 브로쓰가 미세기포를 생성하도록 설계된 스파저와 같이 모티브 액체로 사용되기 때문에 파울링을 일으키기 쉽지 않다. 둘째, 주어진 크기의 미세기포를 제공하는 데 필요한 에너지는 종종, 미세기포 스파저를 사용하여 그 크기의 미세기포를 형성하는 데 필요한 에너지보다 적다. 셋째, 높은 턴다운 비율(turn down ratio)을 달성할 수 있다. 그리고, 넷째, 미세기포 크기는 넓은 범위에 걸쳐 쉽게 변할 수 있다. 산소-함유 가스는 라인(134)을 통해 인젝터에 공급되며, 메탄은 라인(140)을 통해 인젝터에 공급된다.
영양소 및 보충수는 라인(142)을 통해 생물반응기(102) 내의 브로쓰(104)에 공급된다.
제한이 아닌 예시로, 작동시, 생물반응기(102)는 약 10 미터 깊이로 브로쓰로 채워지고 메타노트로프가 접종된 60,000 리터 발효기이다. 접종 전에 생물반응기(102)를 반드시 멸균해야 하는 것은 아니다. 분당 1850 리터의 속도로 약 23 몰%의 메탄을 함유하는 바이오가스가 생물반응기(102)로 전달된다. 메타노트로프 집단이 증가함에 따라, 아직 전체 부피가 아닌 경우, 추가의 물 및/또는 영양소 및 기타 첨가제는 메타노트로프 집단에서 증가에 상대적으로 비례하여 브로쓰의 부피를 증가시키기 위해 연속적으로 또는 간헐적으로 라인(142)을 통해 첨가될 수 있다. 메탄-함유 가스 및 산소-함유 가스의 유동은 브로쓰의 접종시에 또는 접종 직전에 시작된다. 인젝터를 사용하여 가스를 도입하는 경우, 일반적으로 생물반응기(102)로부터 브로쓰의 일부를 회수하여 모티브 유체를 공급하기 위해 펌프(130 및 136) 각각에 직접적으로 또는 간접적으로 전달하는 것이 바람직하다(도시되지 않음).
메타노트로프 집단이 액체 상으로의 메탄 및 산소의 물질 전달을 향상시키기 위해 브로쓰로부터 이산화탄소를 제거하는 것이 바람직한 지점으로 증가될 때, 약 4500 리터/분의 브로쓰가 라인(110)을 통해 스트리퍼(112)로 전달된다. 약 135,000 리터(표준 온도 및 압력)의 공기가 라인(118)을 통해 스트퍼(112)로 전달되며, 브로쓰에 용해된 이산화탄소의 약 99%가 제거된다. 앞서 언급된 바와 같이, 생물반응기의 온도에 의존하여, 이산화탄소-고갈된 브로쓰는 생물반응기(102)로 재순환되도록 라인(126)에서 라인들(120) 중 하나 또는 둘 다를 통해 제거된다. 브로쓰로부터 이산화탄소를 스트리핑하지 않고 수행된 공정과 비교할 때, 증발 냉각 요건은 최대 냉각 요구량에서 약 47%까지 감소하고 브로쓰로의 메탄 물질 전달의 구동력은 약 35%까지 증가한다.
생물반응기(102)에서 브로쓰 내 메타노트로프의 밀도가 원하는 수준에 도달하면, 생물반응기(102)의 작동은 라인(142)을 통해 생물반응기(102)에 공급되는 영양소의 조성을 변화시킴으로써 불균형 세포 성장으로 전환된다. 불균형 세포 성장기의 종결시에, 메타노트로프를 수확하고, PHB를 회수한다.
Claims (24)
- 메탄을 폴리하이드록시알카노에이트를 함유하는 생성물로 생물전환시키기 위한 높은 생산성 방법으로서, 상기 방법은 (a) 메탄-함유 가스 및 산소-함유 가스를 포함하는 기질 가스를 발효 조건하에 그 안에 메타노트로프 집단을 갖는 수성 매질과 접촉시키기 위해 반응 구역으로 통과시키고(여기서, 상기 매질은 메타노트로프-풍부 수성 매질을 제공하기 위해 상기 메타노트로프 집단의 성장을 위한 영양소를 함유하며, 상기 메타노트로프 집단의 성장은 또한 이산화탄소, 물 및 열의 공동 생성을 초래한다), 상기 반응 구역으로부터 미반응 가스를 회수하는 단계; (b) 메탄-함유 가스 및 산소-함유 가스를 발효 조건하에 메타노트로프-풍부 수성 매질의 적어도 일부와 접촉시키기 위해 반응 구역으로 통과시키고(여기서, 상기 매질은 상기 메타노트로프 집단의 성장을 저해하는 영양소 제한 조건을 발생시키고 상기 메타노트로프에 의한 폴리하이드록시알카노에이트의 생성 및 이산화탄소, 물 및 열의 공동 생성을 유발하기 위해 상기 메타노트로프 집단의 성장에 필요한 적어도 하나의 영양소가 제한된다), 상기 반응 구역으로부터 미반응 가스를 회수하는 단계; 및 (c) 단계 (b)의 수성 매질로부터 상기 폴리하이드록시알카노에이트-함유 메타노트로프를 분리하는 단계를 포함하며, 여기서, 각 단계 (a) 및 (b)의 지속 기간의 적어도 일부 동안:
i. 각 단계 (a) 및 (b)에서 적어도 하나의 기질 가스-함유 가스를 상기 반응 구역으로 통과시키는 속도는 (A) 기질-확산 조건에 있으며;
ii. 단계 (a) 및 (b) 중 적어도 하나에서 상기 수성 매질의 일부는 상기 반응 구역으로부터 연속적으로 회수되고, 스트리핑 가스와 접촉하여 이산화탄소를 제거하여 이산화탄소-희박(lean) 수성 매질을 제공하며;
iii. 상기 이산화탄소-희박 수성 매질의 적어도 일부를 단계 (a) 및 (b) 중 적어도 하나의 반응 구역으로 통과시키는, 방법. - 제1항에 있어서, 상기 기질-제한 가스는 메탄-함유 가스를 포함하는, 방법.
- 제2항에 있어서, 단계 (a) 및 (b) 중 적어도 하나에서 메탄-함유 가스를 상기 반응 구역으로 통과시키는 속도는 상기 미반응 가스에서 실질적으로 안정한 몰 농도의 메탄을 제공하도록 조절되는, 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 메탄-함유 공급물은 황화수소를 함유하며, 상기 수성 매질은 상기 황화수소의 적어도 일부를 흡수하여 감소된 농도의 황화수소를 함유하는 미반응 가스 스트림을 제공하는 것인, 방법.
- 제1항에 있어서, 단계 (a) 및 (b) 중 적어도 하나의 상기 반응 구역은 상기 반응 구역의 높이에 걸쳐 실질적으로 균일한 액체 조성물 및 실질적으로 불균일한 가스 조성물을 특징으로 하는 딥 탱크, 기포 컬럼 반응 구역이며, 상기 기질-함유 가스의 적어도 일부는 상기 반응 구역의 하부로 도입되는, 방법.
- 제1항에 있어서, 단계 (ii)에서의 브로쓰의 회수율(rate of withdrawal)은 상기 반응 구역에서 대사 활성에 의해 생성된 이산화탄소의 적어도 약 40%에 해당하는 양의 이산화탄소를 제거하기에 충분한, 방법.
- 제6항에 있어서, 단계 (ii)에서의 브로쓰의 회수율은 상기 반응 구역에서 대사 활성에 의해 생성된 이산화탄소의 50 내지 75%를 제거하기에 충분한, 방법.
- 제2항에 있어서, 메탄-함유 가스를 상기 반응 구역으로 통과시키는 속도가 더 이상 메탄-확산 조건하에 있지 않은 경우, 적어도 하나의 산소화된 CI 화합물은 단계 (a)의 상기 반응 구역에 첨가되는, 방법.
- 제1항에 있어서, 단계 (a) 및 (b) 중 적어도 하나의 상기 반응 구역으로 전달되는 상기 이산화탄소-희박 수성 매질의 일부는 냉각되는, 방법.
- 제1항에 있어서, 단계 (a) 및 (b)는 반응기 용기에서 순차적으로 수행되는, 방법.
- 제1항에 있어서, 각 단계 (a) 및 (b)는 별개의 반응기 용기에서 수행되는, 방법.
- 제11항에 있어서, 단계 (a)의 상기 반응 구역에서 상기 수성 매질의 일부는 단계 (b)의 상기 반응 구역으로 전달되는, 방법.
- 제11항에 있어서, 단계 (b)의 적어 2개의 반응 구역은 단계 (a)의 각 반응 구역에 제공되며, 단계 (a)의 상기 수성 매질의 일부는 주어진 시간에서 단계 (b) 반응 구역 중 적어도 하나로 전달되어 반-배치 공정을 제공하는, 방법.
- 제13항에 있어서, 주어진 시간에서 상기 단계 (b) 반응 구역 중 하나에 전달된 부분은, 단계 (a)의 상기 반응 구역에서 상기 수성 매질의 25 내지 95 용적%이며, 추가의 수성 매질은 단계 (a)의 상기 반응 구역에 제공되어 메타노트로프 집단을 성장시키는, 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 메탄-함유 가스는 바이오가스를 포함하는, 방법.
- 제15항에 있어서, 상기 메탄-함유 가스는 혐기성 소화 가스를 포함하는, 방법.
- 제15항에 있어서, 상기 메탄-함유 가스는 매립 가스 및 또 다른 발효 공정으로부터 직접적으로 또는 간접적으로 유도된 테일 가스 중 적어도 하나를 포함하는, 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 이산화탄소-희박 수성 매질은 상기 산화탄소-희박 수성 매질의 추가 냉각 및 냉각 유체의 가열을 위해 상기 냉각 유체와 간접 열 교환되는, 방법.
- 제18항에 있어서, 상기 간접 열 교환으로부터 가열된 냉각 유체가 열 펌프로 전달되어 과열된 유체를 제공하는, 방법.
- 제19항에 있어서, 상기 과열된 유체는 상기 스트리핑 가스를 가열하는데 사용되는, 방법.
- 제19항에 있어서, 상기 과열된 유체는 메타노트로프로부터 폴리하이드록시알카노에이트의 회수에 사용되는, 방법.
- 제1항에 있어서, 단계 (a) 및 (b) 중 적어도 하나에 대해 수성 매질을 상기 반응 구역의 하부로부터 회수하고, 플래싱 조건으로 처리하여 그 안에 이산화탄소의 일부를 제거한 다음, 스트리핑 가스와 접촉시키는, 방법.
- 메탄을 폴리하이드록시알카노에이트를 함유하는 생성물로 생물전환시키기 위한 높은 생산성 방법으로서, 상기 방법은 a) 메탄-함유 가스 및 산소-함유 가스를 발효 조건하에 그 안에 메타노트로프 집단을 갖는 수성 매질과 접촉시키기 위해 반응 구역으로 통과시키고(여기서, 상기 매질은 메타노트로프-풍부 수성 매질을 제공하기 위해 상기 메타노트로프 집단의 성장을 위한 영양소를 함유하며, 상기 메타노트로프 집단의 성장은 또한 이산화탄소, 물 및 열의 공동 생성을 초래한다), 상기 반응 구역으로부터 미반응 가스를 회수하는 단계; (b) 메탄-함유 가스 및 산소-함유 가스를 발효 조건하에 메타노트로프-풍부 수성 매질의 적어도 일부와 접촉시키기 위해 반응 구역으로 통과시키고(여기서, 상기 매질은 폴리하이드록시알카노에이트의 생성 및 이산화탄소, 물 및 열의 공동 생성을 유발하기 위해 상기 메타노트로프 집단의 성장에 필요한 적어도 하나의 영양소가 실질적으로 부재이다), 상기 반응 구역으로부터 미반응 가스를 회수하는 단계; 및 (c) 단계 (b)의 수성 매질로부터 상기 폴리하이드록시알카노에이트-함유 메타노트로프를 분리하는 단계를 포함하며, 여기서, 메탄올 및 포름산 중 적어도 하나의 산소화된 CI 화합물 또는 이의 수용성 염은 단계 (a) 및 (b) 중 적어도 하나에서 수성 매질에 공급되는, 방법.
- 메탄을 폴리하이드록시알카노에이트를 함유하는 생성물로 생물전환시키기 위한 높은 생산성 방법으로서, 상기 방법은 a) 메탄-함유 가스 및 산소-함유 가스를 포함하는 기질 가스를 발효 조건하에 그 안에 메타노트로프 집단을 갖는 수성 매질과 접촉시키기 위해 반응 구역으로 통과시키고(여기서, 상기 매질은 메타노트로프-풍부 수성 매질을 제공하기 위해 상기 메타노트로프 집단의 성장을 위한 영양소를 함유하며, 상기 메타노트로프 집단의 성장은 또한 이산화탄소, 물 및 열의 공동 생성을 초래한다), 상기 반응 구역으로부터 미반응 가스를 회수하는 단계; (b) 메탄-함유 가스 및 산소-함유 가스를 발효 조건하에 메타노트로프-풍부 수성 매질의 적어도 일부와 접촉시키기 위해 반응 구역으로 통과시키고(여기서, 상기 매질은 폴리하이드록시알카노에이트의 생성 및 이산화탄소, 물 및 열의 공동 생성을 유발하기 위해 상기 메타노트로프 집단의 성장에 필요한 적어도 하나의 영양소가 실질적으로 부재이다), 상기 반응 구역으로부터 미반응 가스를 회수하는 단계; 및 (c) 단계 (b)의 수성 매질로부터 상기 폴리하이드록시알카노에이트-함유 메타노트로프를 분리하는 단계를 포함하며, 여기서, 각 단계 (a) 및 (b)의 지속 기간의 적어도 일부 동안:
i. 각 단계 (a) 및 (b)에서 적어도 하나의 기질 가스-함유 가스를 상기 반응 구역으로 통과시키는 속도는 기질-확산 조건에 있으며;
ii. 단계 (a) 및 (b) 중 적어도 하나에서 상기 수성 매질의 일부는 상기 반응 구역으로부터 연속적으로 회수되고, 반투과성 막과 접촉하여 이산화탄소를 제거하여 이산화탄소-희박 수성 매질을 제공하며;
iii. 상기 이산화탄소-희박 수성 매질의 적어도 일부를 단계 (a) 및 (b) 중 적어도 하나의 반응 구역으로 통과시키는, 방법.
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