KR20210042083A - 일산화탄소 및 이산화탄소 생물 전환 방법 - Google Patents

일산화탄소 및 이산화탄소 생물 전환 방법 Download PDF

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Abstract

일산화탄소 및 이산화탄소의 생물 전환 방법이 제공된다. 보다 구체적으로, 상기 방법은 일산화탄소 및 이산화탄소 함유 기질을 아세트산 생성 박테리아로 발효시키는 것을 포함한다. 상기 방법은 높은 수준의 일산화탄소 및 이산화탄소 전환 및 수소의 활용을 제공한다.

Description

일산화탄소 및 이산화탄소 생물 전환 방법
본 출원은 미국 가출원 제 62/716,083 호 (2018 년 8 월 8 일 출원), 제 62/716,071 호 (2018 년 8 월 8 일 출원), 제 62/716,053 호 (2018 년 8 월 8 일 출원), 제 62/741,871 호 (2018 년 10 월 5 일 출원) 및 제 62/741,797 호 (2018 년 10 월 5 일 출원) 를 우선권 주장하며, 이들 모두는 그 전체가 본원에 참고로 포함된다.
일산화탄소 및 이산화탄소의 생물 전환 방법이 제공된다. 보다 구체적으로, 상기 방법은 일산화탄소 및 이산화탄소 함유 기체 스트림을 아세트산 생성 박테리아에 제공하는 것을 포함한다. 상기 방법은 높은 수준의 일산화탄소 및 이산화탄소 전환 및 수소의 활용을 제공한다.
이산화탄소 및 일산화탄소 생성은 석탄, 석유 및 천연 기체와 같은 화석 연료의 연소를 포함하는 산업 공정 뿐만 아니라, 천연 공정으로부터 발생한다. 부분적으로는 산업 공정으로 인해, 대기 중의 이산화탄소 및 일산화탄소 농도는 계속해서 증가한다. 이산화탄소 및 일산화탄소 농도의 이러한 증가는 기후 변화 및 지구 온난화를 초래하는 대기 변화에 기여할 수 있다. 이산화탄소는 이의 고도로 산화된 상태로 인해, 생물학적 공정에서 활용하기가 어렵다.
이산화탄소 및 일산화탄소 외에도, 많은 산업 공정은 또한 수소의 생성을 초래한다. 수소는 높은 수준의 환원력을 가진다. 그러나, 수소는 이의 매우 높은 가연성 특성으로 인해, 저장 및 활용하기가 어렵다.
대량의 이산화탄소 및 일산화탄소가 생성되는 것을 고려하면, 일산화탄소 및 이산화탄소를 모두 활용할 수 있는 박테리아 발효 시스템이 필요하다.
방법은 기체 기질 Gx 를 생물 반응기 Bx 에 제공하는 것을 포함하고, 상기 기체 기질 Gx 는 CO2 를 포함하며, 약 5 mole % 내지 약 90 mole % 의 CO2 를 함유한다. 아세트산 생성 박테리아 Mx 는 생물 반응기 Bx 에 제공된다. 아세트산 생성 박테리아 Mx 는 생물 반응기 Bx 에서의 발효 동안에 활성인 나트륨 전위 ATPase 를 포함한다. 상기 방법은 하나 이상의 나트륨 이온 공급원을 통해 나트륨 이온을 생물 반응기 Bx 에 제공하고, 아세트산 생성 박테리아 Mx 및 하나 이상의 나트륨 이온 공급원을 포함하는 발효 브로스에서 기체 기질 Gx 를 아세트산 생성 박테리아 Mx 로 발효시켜 하나 이상의 유기 산을 생성하는 것을 포함한다. 발효 브로스는 약 0.01 그램/리터 미만의 효모 추출물, 약 0.01 그램/리터 미만의 탄수화물을 포함하며, 나트륨 이온은 약 290 내지 약 8750 ㎍/세포 그램/분의 나트륨 공급 속도로 제공된다. 상기 방법은 발효 브로스를 약 4 내지 약 6.9 의 범위의 pH 에서 유지시키는 것을 포함한다. 하나 이상의 유기 산의 적어도 일부는 생물 반응기 Bi 에 제공된다. 상기 방법은 기체 기질 Gi 를 생물 반응기 Bi 에 제공하는 것을 추가로 포함하며, 기체 기질 Gi 는 CO 를 포함하고, 약 5 mole % 내지 약 90 mole % 의 CO 를 함유한다. 아세트산 생성 박테리아 Mi 는 생물 반응기 Bi 에 제공된다. 아세트산 생성 박테리아 Mi 는 생물 반응기 Bi 에서의 발효 동안에 활성인 프로톤 전위 ATPase 를 포함한다. 상기 방법은 생물 반응기 Bi 에서의 기체 기질 Gi 를 아세트산 생성 박테리아 Mi 를 포함하는 발효 브로스에서 아세트산 생성 박테리아 Mi 로 발효시켜, 하나 이상의 알코올을 포함하는 액체 스트림 및 CO2 를 포함하는 기체 스트림 Gp 를 생성하는 단계를 추가로 포함한다.
방법은 기체 기질 Gx 를 생물 반응기 Bx 에 제공하는 것을 포함하며, 상기 기체 기질 Gx 는 CO2 및 H2 를 포함하고, 약 5 mole % 내지 약 90 mole % 의 CO2 를 함유한다. 아세트산 생성 박테리아 Mx 는 생물 반응기 Bx 에 제공된다. 아세트산 생성 박테리아 Mx 는 생물 반응기 Bx 에서의 발효 동안에 활성인 나트륨 전위 ATPase 를 포함한다. 상기 방법은 하나 이상의 나트륨 이온 공급원을 통해 나트륨 이온을 생물 반응기 Bx 에 제공하고, 아세트산 생성 박테리아 Mx 및 하나 이상의 나트륨 이온 공급원을 포함하는 발효 브로스에서 기체 기질 Gx 를 아세트산 생성 박테리아 Mx 로 발효시켜 하나 이상의 유기 산을 생성하는 것을 포함한다. 발효 브로스는 약 0.01 그램/리터 미만의 효모 추출물, 약 0.01 그램/리터 미만의 탄수화물을 포함하며, 나트륨 이온은 약 290 내지 약 8750 ㎍/세포 그램/분의 나트륨 공급 속도로 제공된다. 상기 방법은 발효 브로스를 약 4 내지 약 6.9 의 범위의 pH 에서 유지시키는 것을 포함한다. 하나 이상의 유기 산의 적어도 일부는 생물 반응기 Bi 에 제공된다. 상기 방법은 기체 기질 Gi 를 생물 반응기 Bi 에 제공하는 것을 추가로 포함하며, 기체 기질 Gi 는 CO 를 포함하고, 약 5 mole % 내지 약 90 mole % 의 CO 를 함유한다. 아세트산 생성 박테리아 Mi 는 생물 반응기 Bi 에 제공된다. 아세트산 생성 박테리아 Mi 는 생물 반응기 Bi 에서의 발효 동안에 활성인 프로톤 전위 ATPase 를 포함한다. 상기 방법은 생물 반응기 Bi 에서의 기체 기질 Gi 를 아세트산 생성 박테리아 Mi 를 포함하는 발효 브로스에서 아세트산 생성 박테리아 Mi 로 발효시켜, 하나 이상의 알코올을 포함하는 액체 스트림 및 CO2 를 포함하는 기체 스트림 Gp 를 생성하는 단계를 추가로 포함한다.
방법은 기체 기질 Gx 를 생물 반응기 Bx 에 제공하는 것을 포함하며, 기체 기질 Gx 는 CO2 를 포함하고, 약 5 mole % 내지 약 90 mole % 의 CO2 를 함유한다. 아세트산 생성 박테리아 Mx 는 생물 반응기 Bx 에 제공되며, 아세트산 생성 박테리아 Mx 는 생물 반응기 Bx 에서의 발효 동안에 활성인 나트륨 전위 ATPase 를 포함한다. 상기 방법은 하나 이상의 나트륨 이온 공급원을 통해 나트륨 이온을 생물 반응기 Bx 에 제공하고, 아세트산 생성 박테리아 Mx 및 하나 이상의 나트륨 이온 공급원을 포함하는 발효 브로스에서 기체 기질 Gx 를 아세트산 생성 박테리아 Mx 로 발효시켜 하나 이상의 유기 산을 생성하는 것을 포함한다. 발효 브로스는 약 0.01 그램/리터 미만의 효모 추출물, 약 0.01 그램/리터 미만의 탄수화물을 포함하며, 나트륨 이온은 약 290 내지 약 8750 ㎍/세포 그램/분의 나트륨 공급 속도로 제공된다. 상기 방법은 발효 브로스를 약 4 내지 약 6.9 의 범위의 pH 에서 유지시키는 것을 포함한다. 하나 이상의 유기 산의 적어도 일부는 생물 반응기 시스템 Bi-s 에 제공된다. 상기 방법은 기체 기질 Gi 를 생물 반응기 시스템 Bi-s 에 제공하는 것을 추가로 포함하며, 상기 기체 기질 Gi 는 CO 를 포함하고, 약 5 mole % 내지 약 90 mole % 의 CO 를 함유한다. 아세트산 생성 박테리아 Mi 는 생물 반응기 시스템 Bi-s 에 제공되며, 상기 아세트산 생성 박테리아 Mi 는 생물 반응기 시스템 Bi-s 에서의 발효 동안에 활성인 프로톤 전위 ATPase 를 포함한다. 상기 방법은 생물 반응기 시스템 Bi-s 에서의 기체 기질 Gi 를 아세트산 생성 박테리아 Mi 를 포함하는 발효 브로스에서 아세트산 생성 박테리아 Mi 로 발효시켜, 하나 이상의 알코올을 포함하는 액체 스트림 및 CO2 를 포함하는 기체 스트림 Gp 를 생성하는 것을 추가로 포함한다.
본 발명의 상기 언급한 특징을 상세하게 이해할 수 있도록, 상기에서 간략히 요약한 본 발명의 보다 구체적인 설명은 구현예를 참조하여 수득할 수 있으며, 이들 중 일부는 첨부된 도면에서 예시된다. 그러나, 첨부된 도면은 본 발명의 전형적인 구현예만을 예시하고, 따라서 이의 범위를 제한하는 것으로 간주되어서는 안된다는 점에 유의해야 하며, 그 이유는 본 발명이 다른 동등하게 효과적인 구현예를 인정할 수 있기 때문이다.
도 1 은 2 개의 생물 반응기를 사용하는 발효 공정으로부터 하나 이상의 산소화된 탄화수소계 화합물을 제조하기 위한 시스템의 개략도를 예시한다.
도 2 는 물 재순환 시스템의 개략도를 예시한다.
도 3 은 다수의 생물 반응기를 사용하는 발효 공정으로부터 하나 이상의 산소화된 탄화수소계 화합물을 제조하기 위한 시스템의 개략도를 예시한다.
도 4 는 생물 반응기에서 아세토박테리움 우디이 (Acetobacterium woodii) 에 의한 CO2 전환 및 H2 전환의 그래프를 보여준다.
도 5 는 아세토박테리움 우디이 (Acetobacterium woodii) 에 의한 아세트산 생성을 예시한다.
도 6 은 특정한 아세트산 생산성을 보여준다.
도 7 은 아세토박테리움 우디이 (Acetobacterium woodii) 에 의한 CO, CO2 및 H2 의 활용을 보여준다.
도 8 은 성장 배지에서 킬레이트화제 없이 pH 5.2 에서 아세토박테리움 우디이 (Acetobacterium woodii) 의 CO2 전환, H2 전환 및 세포 밀도를 예시한다.
도 9 는 성장 배지에서 킬레이트화 (착물화) 제로서 에틸렌디아민 디아세트산 (EDDA) 을 사용하는 아세토박테리움 우디이 (Acetobacterium woodii) 의 성장을 설명한다.
도 10 은 아세토박테리움 우디이 (Acetobacterium woodii) 에 의한 아세트산 생성에 대한 몰리브덴의 효과를 예시한다.
도 11 은 아세토박테리움 우디이 (Acetobacterium woodii) 의 원하는 기체 흐름 속도 및 세포 밀도에 대한 몰리브덴의 효과를 예시한다.
도 12 는 다양한 농도의 아세트산과 함께 클로스트리디움 륭달리이 (Clostridium ljungdahlii) 에 의한 특정한 기체 흡수를 예시한다.
도 13 은 클로스트리디움 륭달리이 (Clostridium ljungdahlii) 및 아세토박테리움 우디이 (Acetobacterium woodii) 를 갖는 2-단계 생물 반응기 시스템에서 CO 및 CO2 활용을 보여준다.
하기의 설명은 제한적인 의미로 해석되는 것이 아니라, 단지 예시적인 구현예의 일반적인 원리를 설명하기 위한 목적으로 이루어진 것이다. 본 발명의 범위는 청구범위를 참조하여 결정되어야 한다.
용어
달리 정의하지 않는 한, 본 발명에 대한 명세서 전반에 걸쳐 사용되는 바와 같은 하기의 용어는 다음과 같이 정의되며, 하기에서 정의되는 정의의 단수 또는 복수 형태를 포함할 수 있다:
임의의 양을 가감하는 용어 "약" 은 실제 조건, 예를 들어, 실험실, 파일럿 플랜트 또는 생산 시설에서 발생하는 양의 변화를 지칭한다. 예를 들어, "약" 에 의해 가감되는 경우의 혼합물 또는 양에서 사용되는 성분 또는 측정의 양은 생산 플랜트 또는 실험실에서의 실험 조건에서의 측정에서 전형적으로 사용되는 변동 및 주의의 정도를 포함한다. 예를 들어, "약" 에 의해 가감되는 경우의 생성물의 성분의 양은 플랜트 또는 실험실에서의 다수의 실험에서 배치 사이의 변동 및 분석 방법에서의 고유의 변동을 포함한다. "약" 에 의해 가감되는 지의 여부에 관계없이, 양은 이들 양에 상응하는 양을 포함한다. 본원에서 언급되며, "약" 에 의해 가감되는 임의의 양은 또한 "약" 에 의해 가감되지 않는 양으로서 본 발명에서 사용될 수 있다.
용어 "발효기" 는 하나 이상의 용기 및/또는 타워 또는 배관 배열로 이루어진 발효 장치/생물 반응기를 포함하며, 이것은 배치 반응기, 반-배치 반응기, 연속 반응기, 연속 교반 탱크 반응기 (CSTR), 버블 컬럼 반응기, 외부 순환 루프 반응기, 내부 순환 루프 반응기, 고정화된 세포 반응기 (ICR), 세류 층 반응기 (TBR), 이동 층 생물막 반응기 (MBBR), 기체 부양 반응기, 막 반응기, 예컨대 중공 섬유 막 생물 반응기 (HFMBR), 정적 믹서, 기체 부양 발효기, 또는 기체-액체 접촉에 적합한 다른 용기 또는 다른 장치를 포함한다.
용어 "발효", 발효 공정" 또는 "발효 반응" 등은 공정의 성장 단계 및 생성물 생합성 단계를 모두 포함하는 것으로 의도된다. 하나의 양태에 있어서, 발효는 CO2 에서 아세트산으로의 전환을 지칭한다. 또다른 양태에 있어서, 발효는 CO 에서 알코올로의 전환을 지칭한다.
용어 "세포 밀도" 는 발효 브로스의 단위 부피 당 미생물 세포의 질량, 예를 들어, 그램/리터를 의미한다.
용어 "특정한 CO2 흡수" 는 단위 시간 (분) 당 미생물 세포의 단위 질량 (g) 에 의해 소비된 CO2 의 양 (mmole), 즉, mmole/그램/분을 의미한다. 용어 "특정한 CO 흡수" 는 단위 시간 (분) 당 미생물 세포의 단위 질량 (g) 에 의해 소비된 CO 의 양 (mmole), 즉, mmole/그램/분을 의미한다.
본원에서 사용되는 바와 같은, 생산성은 STY 로서 표현된다. 이러한 양태에 있어서, 알코올 생산성은 STY (g 에탄올/(L·일) 또는 g 아세트산/(L·일) 로서 표시되는 시공간 수율) 로서 표현될 수 있다.
본원에서 사용되는 바와 같은, "산소화된 탄화수소계 화합물" 은, 예를 들어 에탄올 및 부탄올과 같은, 탄소, 수소 및 산소 함유 화합물을 포함할 수 있다.
CO/CO 2 전환 시스템
본 발명의 구현예는 혐기성 박테리아 발효 공정 후에 미생물 세포 바이오매스에서 유래하는 알코올 생성물 및 박테리아 단백질을 제조 및 수득하기 위한 방법, 시스템 및 조성물을 제공한다. 하나의 구현예에 있어서, 탄소 포집 효율의 증가, 이산화탄소 배출량의 감소, 및 알코올 생성물 생산성의 증가를 위한 시스템 및 방법이 제공된다.
도 1 에 나타낸 바와 같이, 시스템은 기체 기질 Gi (186) 을 아세트산 생성 박테리아 Mi 로 발효시키도록 조정된 생물 반응기 Bi (120) 을 포함할 수 있다. 기체 기질 Gi (186) 은 일산화탄소 (CO) 및 수소 기체 (H2) 를 포함할 수 있다.
하나의 양태에 있어서, 생물 반응기 Bi (120) 에서의 기체 기질 Gi (186) 의 발효는 기체 스트림 Gp (184) 를 생성한다. 기체 스트림 Gp (184) 는 이산화탄소 (CO2) 를 포함하며, 일산화탄소 (CO), 수소 기체 (H2), 메탄 (CH4), 질소 (N2) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 기체를 포함할 수 있다. 이러한 양태에 있어서, 생물 반응기 Bi 로부터의 기체 스트림 Gp (120) 은 약 0.5 mole % 내지 약 50 mole % 의 CO, 또다른 양태에 있어서, 약 0.5 mole % 내지 약 40 mole % 의 CO, 또다른 양태에 있어서, 약 0.5 mole % 내지 약 30 mole % 의 CO, 또다른 양태에 있어서, 약 0.5 mole % 내지 약 20 mole % 의 CO, 및 또다른 양태에 있어서, 약 0.5 mole % 내지 약 10 mole % 의 CO 를 포함할 수 있다. 또한, 또다른 양태에 있어서, 생물 반응기 Bi 로부터의 기체 스트림 Gp (120) 은 약 5 mole % 내지 100 mole % 의 CO2, 또다른 양태에 있어서, 약 5 mole % 내지 90 mole % 의 CO2, 또다른 양태에 있어서, 5 mole % 내지 80 mole % 의 CO2, 또다른 양태에 있어서, 5 mole % 내지 70 mole % 의 CO2, 또다른 양태에 있어서, 5 mole % 내지 60 mole % 의 CO2, 또다른 양태에 있어서, 5 mole % 내지 50 mole % 의 CO2, 또다른 양태에 있어서, 5 mole % 내지 40 mole % 의 CO2, 또다른 양태에 있어서, 5 mole % 내지 30 mole % 의 CO2, 또다른 양태에 있어서, 5 mole % 내지 20 mole % 의 CO2, 및 또다른 양태에 있어서, 5 mole % 내지 10 mole % 의 CO2 를 포함할 수 있다.
도 1 에 나타낸 바와 같이, 시스템은 기체 기질을 아세트산 생성 박테리아 Mx 로 발효시키도록 조정된 생물 반응기 Bx (110) 을 포함할 수 있다. 기체 기질 Gx 는 기체 라인 (187) 에서 생물 반응기 Bx (110) 에 제공된다. 이러한 양태에 있어서, 생물 반응기 Bi (120) 으로부터의 기체 스트림 Gp (184) 는 생물 반응기 Bx (110) 에 직접 제공될 수 있다. 또다른 양태에 있어서, 시스템은 생물 반응기 Bx (110) 으로 전달되는 기체 스트림 Gx (187) 을 제공하기 위해서 기체 스트림 Gp (184) 와 배합되는 추가의 기체 기질을 제공하기 위한 기체 보충 라인 (112) 를 포함할 수 있다. 생물 반응기 Bx (110) 으로부터의 배출 기체는 통풍 라인 (207) 을 통해 통풍될 수 있다. 두 생물 반응기는 모두 영양소 공급 탱크 (196) 으로부터 영양소를 공급받는다. 영양소 공급 탱크 (196) 은 각각의 생물 반응기에 동일한 또는 상이한 영양소를 공급하기 위해서 다수의 하위 장치를 포함할 수 있다.
또한, 시스템은 하나 이상의 산 화합물을 생물 반응기 Bx (110) 으로부터 생물 반응기 Bi (120) 으로 전달하기 위해서, 생물 반응기 Bx (110) 을 생물 반응기 Bi (120) 에 연결하는 유체 라인 (182) 를 또한 포함할 수 있다. 생물 반응기 Bx (110) 으로부터 생성된 하나 이상의 산 화합물은 C1 내지 C10 유기 산을 포함한다. C1 내지 C10 유기 산의 예는 아세트산, 포름산, 프로피온산, 부티르산, 펜탄산 (발레르산), 헥산산, 헵탄산, 데칸산 및 이들의 조합을 포함한다. 하나의 양태에 있어서, 생물 반응기 Bi (120) 으로 전달되는 생물 반응기 Bx (110) 으로부터의 산 화합물은 생물 반응기 Bi (120) 에서 알코올 생성을 증가시키는데 효과적이다. 유기 산이 아세트산인 양태에 있어서, 기체 기질 Gi (186) 은 생물 반응기 Bi (120) 에서 약 5 g/L 이하의 아세트산 농도를 유지하기 위해서 생물 반응기 Bi (120) 에 제공된다. 기체 기질 Gi 가 아세트산의 농도를 낮추기 위해서 제공되는 경우, 부티르산의 농도도 낮아진다. 그러므로, 아세트산은 생물 반응기 Bi 에서 적절한 양의 유기 산을 유지하기 위한 마커로서 사용된다. 또다른 양태에 있어서, 유기 산 공급 속도는 생물 반응기 Bi (120) 에서 약 5 g/L 이하의 아세트산 농도를 유지하기 위해서 사용된다.
도 1 에 추가로 예시한 바와 같이, 세포 투과 라인 (192) 는 투과물로부터 생성물 (190) 의 분리를 위해 증류탑 (188) 에 투과물을 전달하도록 구성된다. 생성물은 에탄올, 부탄올, 및 이들의 조합을 포함하는 알코올-함유 생성물을 포함할 수 있다. 물 (증류 바닥) 은 물 복귀 라인 (202) 를 통해 생물 반응기 Bx (110) 에, 및/또는 물 복귀 라인 (203) 을 통해 생물 반응기 Bi (120) 에 복귀할 수 있다.
도 2 는 물 재순환 시스템의 보다 상세한 양태를 예시한다. 이러한 양태에 있어서, 생물 반응기 Bx (110) 에서 생성된 유기 산은 정밀 여과 (314) 를 통해 전달되고, 유체 라인 (182) 를 통해 생물 반응기 Bi (120) 에 추가로 제공된다. 세포의 적어도 일부는 세포 재순환 라인 (318) 에 의해 정밀 여과 (314) 로부터 생물 반응기 Bx (110) 에 복귀할 수 있다. 생물 반응기 Bi (120) 으로부터의 브로스는 라인 (194) 를 통해 정밀 여과 (301) 로 전달된다. 세포의 적어도 일부는 세포 재순환 라인 (317) 에 의해 정밀 여과 (301) 로부터 생물 반응기 Bi (120) 에 복귀할 수 있다. 일부 임의적인 양태에 있어서, 라인 (194) 로부터의 액체는 한외여과 (307) 로 이동할 수 있으며, 세포의 적어도 일부는 한외여과 (307) 로부터 생물 반응기 Bi (120) 에 복귀할 수 있다. 한외여과 (307) 로부터의 액체는 증류 공급 탱크 (311) 로 보내진 후, 증류탑 (188) 로 보내진다. 물 (증류 바닥) 은 물 복귀 라인 (202) 를 통해 생물 반응기 Bx (110) 에, 및/또는 물 복귀 라인 (203) 을 통해 생물 반응기 Bi (120) 에 복귀할 수 있다.
또다른 양태에 있어서, 도 3 에 나타낸 바와 같이, 방법은 기체 기질 Gx (187) 을 아세트산 생성 박테리아 Mx 로 발효시키도록 조정된 생물 반응기 Bx (110) 을 포함할 수 있다. 기체 기질 Gx (187) 은 CO2 외에도, 일산화탄소 (CO) 및 수소 기체 (H2) 를 포함할 수 있다. 도 3 에 나타낸 바와 같이, 기체 기질 Gx 는 2 개 이상의 생물 반응기 Bi-n 을 포함하는 생물 반응기 시스템 Bi-s 로부터 생물 반응기 Bx 에 공급될 수 있다. 도 3 에 나타낸 바와 같이, Bi-n 은 2 개의 생물 반응기 Bi (120) 을 포함한다.
기체 기질 Gx (187) 은 하나 이상의 기체 라인에서 생물 반응기 Bx (110) 에 제공된다. 이러한 양태에 있어서, 생물 반응기 시스템 Bi-s 의 2 개 이상의 생물 반응기 Bi (120) 으로부터의 기체 스트림 Gp (184) 는 생물 반응기 Bx (110) 에 직접 제공될 수 있다. 또다른 양태에 있어서, 시스템은 생물 반응기 Bx (110) 으로 전달되는 기체 스트림 Gx (187) 을 제공하기 위해서 기체 스트림 Gp (184) 와 배합되는 추가의 기체 기질을 제공하기 위한 기체 보충 라인 (112) 를 포함할 수 있다. 생물 반응기 Bx (110) 으로부터의 배출 기체는 통풍 라인 (207) 을 통해 통풍될 수 있다. 각각의 생물 반응기는 하나 이상의 공급 탱크 (196) 으로부터 영양소를 공급받을 수 있다. 영양소 공급 탱크 (196) 은 각각의 생물 반응기에 동일한 또는 상이한 영양소를 공급하기 위해서 다수의 하위 장치를 포함할 수 있다.
생물 반응기 시스템 Bi-s 는 기체 기질 Gi (186) 을 아세트산 생성 박테리아 Mi 로 발효시키도록 조정된 2 개 이상의 생물 반응기 Bi (120) 을 포함할 수 있다. 기체 기질 Gi (186) 은 일산화탄소 (CO) 및 수소 기체 (H2) 를 포함할 수 있다. 생물 반응기 시스템 Bi-s 의 생물 반응기 Bi (120) 에서의 기체 기질 Gi (186) 의 발효는 하나 이상의 기체 스트림 Gp (184) 를 생성한다. 기체 스트림 Gp (184) 는 이산화탄소 (CO2) 를 포함하며, 일산화탄소 (CO), 수소 기체 (H2), 메탄 (CH4), 질소 (N2) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 기체를 포함할 수 있다. 이러한 양태에 있어서, 생물 반응기 Bi 로부터의 기체 스트림 Gp (120) 은 약 0.5 mole % 내지 약 50 mole % 의 CO, 또다른 양태에 있어서, 약 0.5 mole % 내지 약 40 mole % 의 CO, 또다른 양태에 있어서, 약 0.5 mole % 내지 약 30 mole % 의 CO, 또다른 양태에 있어서, 약 0.5 mole % 내지 약 20 mole % 의 CO, 및 또다른 양태에 있어서, 약 0.5 mole % 내지 약 10 mole % 의 CO 를 포함할 수 있다. 또한, 또다른 양태에 있어서, 생물 반응기 Bi 로부터의 기체 스트림 Gp (120) 은 약 5 mole % 내지 100 mole % 의 CO2, 또다른 양태에 있어서, 약 5 mole % 내지 90 mole % 의 CO2, 또다른 양태에 있어서, 5 mole % 내지 80 mole % 의 CO2, 또다른 양태에 있어서, 5 mole % 내지 70 mole % 의 CO2, 또다른 양태에 있어서, 5 mole % 내지 60 mole % 의 CO2, 또다른 양태에 있어서, 5 mole % 내지 50 mole % 의 CO2, 또다른 양태에 있어서, 5 mole % 내지 40 mole % 의 CO2, 또다른 양태에 있어서, 5 mole % 내지 30 mole % 의 CO2, 또다른 양태에 있어서, 5 mole % 내지 20 mole % 의 CO2, 및 또다른 양태에 있어서, 5 mole % 내지 10 mole % 의 CO2 를 포함할 수 있다. 하나의 양태에 있어서, 기체 기질 Gi (186) 은 시간 당 발포하는 배양 부피의 약 10 % 이하를 생성하는데 효과적인 표면 기체 속도를 달성하기 위해서 2 개 이상의 생물 반응기 Bi (120) (총칭해서 Bi-n 이라고 함) 에 제공된다.
또한, 시스템은 하나 이상의 산 화합물을 생물 반응기 Bx (110) 으로부터 생물 반응기 시스템 Bi-s 로 전달하기 위해서, 생물 반응기 Bx (110) 을 생물 반응기 시스템 Bi-s 에 연결하는 2 개 이상의 유체 라인 (182) 를 또한 포함할 수 있다. 이러한 양태에 있어서, 생물 반응기 시스템 Bi-s 는 2 개 이상의 생물 반응기 Bi (120) (2 개의 생물 반응기 Bi (120) 이 도시되어 있다) 을 포함할 수 있다. 생물 반응기 Bx (110) 으로부터 생성된 하나 이상의 산 화합물은 C1 내지 C10 유기 산을 포함한다. C1 내지 C10 유기 산의 예는 아세트산, 포름산, 프로피온산, 부티르산, 펜탄산 (발레르산), 헥산산, 헵탄산, 데칸산 및 이들의 조합을 포함한다. 하나의 양태에 있어서, 생물 반응기 시스템 Bi-s 로 전달되는 생물 반응기 Bx (110) 으로부터의 산 화합물은 생물 반응기 시스템 Bi-s 에서 알코올 생성을 증가시키는데 효과적이다.
도 3 에 추가로 예시한 바와 같이, 세포 투과 라인 (192) 는 생성물 (190) 의 분리를 위해 증류탑 (188) 에 투과물을 전달하도록 구성된다. 생성물은 에탄올, 부탄올, 및 이들의 조합을 포함하는 알코올-함유 생성물을 포함할 수 있다. 물 (증류 바닥) 은 물 복귀 라인 (202) 를 통해 생물 반응기 Bx (110) 에, 및/또는 물 복귀 라인 (203) 을 통해 생물 반응기 Bi (120) 에 복귀할 수 있다.
CO 전환을 위한 생물 반응기 Bi
CO-함유 기질: CO-함유 기질 (기체 기질 Gi (186) 으로서 기재함) 은 CO 를 포함하는 임의의 기체를 포함할 수 있다. 이러한 양태에 있어서, CO-함유 기체는 합성 기체, 산업용 기체, 및 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 관련 양태에 있어서, 생물 반응기 Bi (120) 에 제공되는 기체 기질은 CO 외에도, 질소 기체 (N2), 이산화탄소 (CO2), 메탄 기체 (CH4), 합성 기체, 및 이들의 조합을 포함할 수 있다.
합성 기체는 임의의 공지된 공급원으로부터 제공될 수 있다. 하나의 양태에 있어서, 합성 기체는 탄소질 물질의 기체화로부터 공급될 수 있다. 기체화는 산소의 제한된 공급에서 바이오매스의 부분적인 연소를 포함한다. 생성된 기체는 CO 및 H2 를 포함할 수 있다. 이러한 양태에 있어서, 합성 기체는 약 10 mole % 이상의 CO, 하나의 양태에 있어서, 약 20 mole % 이상의 CO, 하나의 양태에 있어서, 약 10 mole % 내지 약 100 mole % 의 CO, 또다른 양태에 있어서, 약 20 mole % 내지 약 100 mole % 의 CO, 또다른 양태에 있어서, 약 30 mole % 내지 약 90 mole % 의 CO, 또다른 양태에 있어서, 약 40 mole % 내지 약 80 mole % 의 CO, 및 또다른 양태에 있어서, 약 50 mole % 내지 약 70 mole % 의 CO 를 함유할 것이다. 적합한 기체화 방법 및 장치의 일부 예는 미국 일련 번호 61/516,667, 61/516,704 및 61/516,646 (모두 2011 년 4 월 6 일 출원), 및 미국 일련 번호 13/427,144, 13/427,193 및 13/427,247 (모두 2012 년 3 월 22 일 출원) 에서 제공되며, 이들 모두는 본원에 참고로 포함된다.
또다른 양태에 있어서, 상기 방법은 높은 부피의 CO-함유 산업용 기체와 같은 기체 기질로부터 알코올의 제조를 지원하기 위한 적용성을 가진다. 일부 양태에 있어서, CO 를 포함하는 기체는 탄소 함유 폐기물, 예를 들어, 산업 폐기물 기체로부터, 또는 다른 폐기물의 기체화로부터 유래한다. 따라서, 상기 방법은 달리 환경에 배출될 탄소를 포집하기 위한 효과적인 방법을 나타낸다. 산업용 기체의 예는 철 금속 제품 제조, 비-철 제품 제조, 석유 정제 공정, 석탄의 기체화, 바이오매스의 기체화, 전력 생성, 카본 블랙 생성, 암모니아 생성, 메탄올 생성, 코크 제조 및 기체 개질 동안에 생성되는 기체를 포함한다.
또다른 양태에 있어서, H2 는 산업 폐기물 기체로부터, 또는 다른 폐기물의 기체화로부터 유래할 수 있다. 따라서, 상기 방법은 달리 환경에 배출될 수소를 포집하기 위한 효과적인 방법을 나타낸다. 산업용 기체의 예는 철 금속 제품 제조, 비-철 제품 제조, 석유 정제 공정, 석탄의 기체화, 바이오매스의 기체화, 전력 생성, 카본 블랙 생성, 암모니아 생성, 메탄올 생성 및 코크 제조 동안에 생성되는 기체를 포함한다. 수소의 다른 공급원은, 예를 들어, H2O 전기 분해 및 생물-생성된 H2 를 포함할 수 있다.
CO-함유 기질의 조성에 따라, CO-함유 기질은 발효 공정에 직접 제공될 수 있거나, 또는 적절한 H2 대 CO 몰비를 포함하도록 추가로 변형될 수 있다. 하나의 양태에 있어서, 발효기에 제공되는 CO-함유 기질은 약 0.2 이상, 또다른 양태에 있어서, 약 0.25 이상, 및 또다른 양태에 있어서, 약 0.5 이상의 H2 대 CO 몰비를 가진다. 또다른 양태에 있어서, 발효기에 제공되는 CO-함유 기질은 약 40 mole % 이상의 CO + H2 및 약 30 mole % 이하의 CO, 또다른 양태에 있어서, 약 50 mole % 이상의 CO + H2 및 약 35 mole % 이하의 CO, 및 또다른 양태에 있어서, 약 80 mole % 이상의 CO + H2 및 약 20 mole % 이하의 CO 를 포함할 수 있다.
하나의 양태에 있어서, CO-함유 기질은 CO 및 H2 를 포함한다. 이러한 양태에 있어서, CO-함유 기질은 약 10 mole % 이상의 CO, 하나의 양태에 있어서, 약 20 mole % 이상의 CO, 하나의 양태에 있어서, 약 10 mole % 내지 약 100 mole % 의 CO, 또다른 양태에 있어서, 약 20 mole % 내지 약 100 mole % 의 CO, 또다른 양태에 있어서, 약 30 mole % 내지 약 90 mole % 의 CO, 또다른 양태에 있어서, 약 40 mole % 내지 약 80 mole % 의 CO, 및 또다른 양태에 있어서, 약 50 mole % 내지 약 70 mole % 의 CO 를 함유할 것이다.
하나의 양태에 있어서, 기체 분리기는 기체 스트림의 적어도 일부를 실질적으로 분리하도록 구성되며, 상기 일부는 하나 이상의 성분을 포함한다. 예를 들어, 기체 분리기는 CO, CO2, H2 성분을 포함하는 기체 스트림으로부터 CO2 를 분리할 수 있으며, 상기 CO2 는 CO2 저장소로 보내질 수 있고, 기체 스트림 (CO 및 H2 를 포함) 의 나머지는 생물 반응기로 보내질 수 있다. 당업계에 공지된 임의의 기체 분리기가 활용될 수 있다. 이러한 양태에 있어서, 발효기에 제공되는 합성 기체는 약 10 mole % 이하의 CO2, 또다른 양태에 있어서, 약 1 mole % 이하의 CO2, 및 또다른 양태에 있어서, 약 0.1 mole % 이하의 CO2 를 가질 것이다.
특정한 기체 스트림은 고농도의 CO 및 저농도의 H2 를 포함할 수 있다. 하나의 양태에 있어서, 알코올 생성 및/또는 전체 탄소 포집의 보다 높은 효율을 달성하기 위해서, 기질 스트림의 조성을 최적화하는 것이 바람직할 수 있다. 또다른 양태에 있어서, 기질 스트림에서의 H2 의 농도는, 스트림이 생물 반응기로 보내지기 전에 증가할 수 있다.
본 발명의 특정한 양태에 따르면, 2 개 이상의 공급원으로부터의 스트림은 바람직한 및/또는 최적화된 기질 스트림을 생성하기 위해서 조합 및/또는 배합될 수 있다. 예를 들어, 제철소 변환기로부터의 배기 기체와 같은 고농도의 CO 를 포함하는 스트림은, 제철소 코크 오븐으로부터의 배출 기체와 같은 고농도의 H2 를 포함하는 스트림과 조합될 수 있다.
기체상 CO-함유 기질의 조성에 따라, 이것을 발효에 도입하기 전에, 먼지 입자와 같은 임의의 원하지 않는 불순물을 제거하도록 처리하는 것이 또한 바람직할 수 있다. 예를 들어, 기체 기질은 공지된 방법을 사용하여 여과 또는 스크러빙될 수 있다.
생물 반응기 설계 및 작동: 발효기 설계에 대한 설명은 미국 일련 번호 13/471,827 및 13/471,858 (모두 2012 년 5 월 15 일 출원), 및 미국 일련 번호 13/473,167 (2012 년 5 월 16 일 출원) 에 기재되어 있으며, 이들 모두는 본원에 참고로 포함된다.
하나의 양태에 따르면, 발효 공정은 배지를 반응기 용기에 첨가함으로써 시작된다. 배지 조성물의 일부 예는 미국 일련 번호 61/650,098 및 61/650,093 (2012 년 5 월 22 일 출원), 및 미국 특허 제 7,285,402 호 (2001 년 7 월 23 일 출원) 에 기재되어 있으며, 이들 모두는 본원에 참고로 포함된다. 배지는 바람직하지 않은 미생물을 제거하기 위해서 멸균될 수 있으며, 반응기는 원하는 미생물로 접종된다. 멸균은 항상 필요한 것은 아닐 수 있다.
아세트산 생성 박테리아 Mi 와 함께 생물 반응기 Bi (120) 에서 사용하기 위한 다양한 배지 성분의 농도는 다음과 같다:
Figure pct00001
CO 를 활용하는 특정한 아세토겐의 능력은 프로톤 또는 수소 펌프 (프로톤 전위 ATPase 라고도 함) 의 존재에 부분적으로 기인한다. 프로톤 전위 ATPase 및 나트륨 전위 ATPase 는 모두 문헌 [Muller, "Energy Conservation in Acetogenic Bacteria", Appl. Environ. Microbiol. November 2003, vol. 69, no. 11, pp. 6345-6353] 에 기재되어 있으며, 이것은 본원에 참고로 포함된다. 용어 프로톤 전위 ATPase 는 용어 프로톤 의존성 ATPase 와 상호 교환적으로 사용될 수 있으며, 용어 나트륨 전위 ATPase 는 용어 나트륨 의존성 ATPase 와 상호 교환적으로 사용될 수 있다. 그러므로, 하나의 양태에 있어서, 상기 방법은 프로톤 전위 ATPase 를 포함하는 아세트산 생성 박테리아 Mi 를 사용하여, 발효 생물 반응기에서 발효를 수행하는 것을 포함한다. 유용한 아세트산 생성 박테리아 Mi 의 예는 클로스트리디움 (Clostridium) 속의 것, 예컨대 WO 2000/68407, EP 117309, 미국 특허 제 5,173,429 호, 제 5,593,886 호 및 제 6,368,819 호, WO 1998/00558 및 WO 2002/08438 에 기재된 것을 포함하는 클로스트리디움 륭달리이 (Clostridium ljungdahlii) 의 균주, WO 2007/117157 및 WO 2009/151342 에 기재된 것을 포함하는 클로스트리디움 아우토에타노게눔 (Clostridium autoethanogenum) (DSMZ, Germany 의 DSM 10061 및 DSM 19630) 의 균주, 및 미국 특허 제 7,704,723 호 및 문헌 ["Biofuels and Bioproducts from Biomass-Generated Synthesis Gas", Hasan Atiyeh, presented in Oklahoma EPSCoR Annual State Conference, April 29, 2010] 에 각각 기재된 것을 포함하는 클로스트리디움 라그스달레이 (Clostridium ragsdalei) (P11, ATCC BAA-622) 및 알칼리바쿨룸 박치 (Alkalibaculum bacchi) (CP11, ATCC BAA-1772), 및 미국 특허 출원 제 2007/0276447 호에 기재된 클로스트리디움 카르복시디보란스 (Clostridium carboxidivorans) (ATCC PTA-7827) 를 포함한다. 다른 적합한 미생물은 무렐라 종 (Moorella sp.) HUC22-1 을 포함하는 무렐라 (Moorella) 속의 것, 및 카르복시도테르무스 (Carboxydothermus) 속의 것을 포함한다. 이들 각각의 문헌은 본원에 참고로 포함된다. 2 개 이상의 미생물의 혼합 배양이 사용될 수 있다.
유용한 아세트산 생성 박테리아 Mi 의 추가의 예는 아세토게니움 키부이 (Acetogenium kivui), 아세토아나에로비움 노테라에 (Acetoanaerobium noterae), 아세토박테리움 우디이 (Acetobacterium woodii), 알칼리바쿨룸 박치 (Alkalibaculum bacchi) CP11 (ATCC BAA-1772), 블라우티아 프로둑타 (Blautia producta), 부티리박테리움 메틸로트로피쿰 (Butyribacterium methylotrophicum), 칼다나에로박테르 섭테라네우스 (Caldanaerobacter subterraneous), 칼다나에로박테르 섭테라네우스 파시피쿠스 (Caldanaerobacter subterraneous pacificus), 카르복시도테르무스 히드로게노포르만스 (Carboxydothermus hydrogenoformans), 클로스트리디움 아세티쿰 (Clostridium aceticum), 클로스트리디움 아세토부틸리쿰 (Clostridium acetobutylicum), 클로스트리디움 아세토부틸리쿰 (Clostridium acetobutylicum) P262 (DSMZ Germany 의 DSM 19630), 클로스트리디움 아우토에타노게눔 (Clostridium autoethanogenum) (DSMZ Germany 의 DSM 19630), 클로스트리디움 아우토에타노게눔 (Clostridium autoethanogenum) (DSMZ Germany 의 DSM 10061), 클로스트리디움 아우토에타노게눔 (Clostridium autoethanogenum) (DSMZ Germany 의 DSM 23693), 클로스트리디움 아우토에타노게눔 (Clostridium autoethanogenum) (DSMZ Germany 의 DSM 24138), 클로스트리디움 카르복시디보란스 (Clostridium carboxidivorans) P7 (ATCC PTA-7827), 클로스트리디움 코스카티이 (Clostridium coskatii) (ATCC PTA-10522), 클로스트리디움 드라케이 (Clostridium drakei), 클로스트리디움 륭달리이 (Clostridium ljungdahlii) PETC (ATCC 49587), 클로스트리디움 륭달리이 (Clostridium ljungdahlii) ERI2 (ATCC 55380), 클로스트리디움 륭달리이 (Clostridium ljungdahlii) C-01 (ATCC 55988), 클로스트리디움 륭달리이 (Clostridium ljungdahlii) O-52 (ATCC 55889), 클로스트리디움 마그눔 (Clostridium magnum), 클로스트리디움 파스튜리아눔 (Clostridium pasteurianum) (DSMZ Germany 의 DSM 525), 클로스트리디움 라그스달레이 (Clostridium ragsdalei) P11 (ATCC BAA-622), 클로스트리디움 스카톨로게네스 (Clostridium scatologenes), 클로스트리디움 테르모아세티쿰 (Clostridium thermoaceticum), 클로스트리디움 울투넨스 (Clostridium ultunense), 데술포토마쿨룸 쿠즈네트소비이 (Desulfotomaculum kuznetsovii), 유박테리움 리모숨 (Eubacterium limosum), 게오박테르 술푸레두센스 (Geobacter sulfurreducens), 메타노사르시나 아세티보란스 (Methanosarcina acetivorans), 메타노사르시나 바르케리 (Methanosarcina barkeri), 무렐라 테르모아세티카 (Moorella thermoacetica), 무렐라 테르모아우토트로피카 (Moorella thermoautotrophica), 옥소박테르 펜니기이 (Oxobacter pfennigii), 펩토스트렙토코쿠스 프로둑투스 (Peptostreptococcus productus), 루미노코쿠스 프로둑투스 (Ruminococcus productus), 테르모아나에로박테르 키부이 (Thermoanaerobacter kivui), 클로스트리디움 스틱-란디이 (Clostridium Stick-landii), 및 이들의 혼합물을 포함한다.
발효는 바람직하게는 원하는 발효 (예를 들어, CO 에서 에탄올) 가 발생하는데 적절한 조건하에서 수행되어야 한다. 고려해야 하는 반응 조건은 압력, 온도, 기체 흐름 속도, 액체 흐름 속도, 배지 pH, 배지 산화 환원 전위, 교반 속도 (교반 탱크 반응기를 사용하는 경우), 접종 수준, 액체 상에서의 CO 가 제한되지 않도록 하기 위한 최대 기체 기질 농도, 및 생성물 저해를 회피하기 위한 최대 생성물 농도를 포함한다.
개시: 접종시, 미생물의 초기 집단을 공급하는데 효과적인 초기 공급 기체의 공급 속도를 확립한다. 유출 기체를 분석하여 유출 기체의 함량을 결정한다. 기체 분석의 결과를 사용하여 공급 기체 속도를 제어한다. 이러한 양태에 있어서, 상기 방법은 약 0.2 내지 약 0.9, 또다른 양태에 있어서, 약 0.5 내지 약 0.9, 또다른 양태에 있어서, 약 0.6 내지 약 0.8, 또다른 양태에 있어서, 약 0.5 내지 약 0.7, 또다른 양태에 있어서, 약 0.2 내지 약 0.5, 및 또다른 양태에 있어서, 약 0.5 내지 약 0.6 의 초기 세포 밀도 (그램/리터) 비에 대한 계산된 CO 양 (mmole) 을 제공한다.
또다른 양태에 있어서, 발효 공정은 약 0.05 mM 내지 약 0.10 mM, 또다른 양태에 있어서, 약 0.15 mM 내지 약 0.50 mM, 또다른 양태에 있어서, 약 0.15 mM 내지 약 0.35 mM, 또다른 양태에 있어서, 약 0.20 mM 내지 약 0.30 mM, 및 또다른 양태에 있어서, 약 0.23 mM 내지 약 0.27 mM 의 발효 브로스에서 초기 계산된 CO 농도를 제공하는데 효과적인 양으로 합성 기체를 발효 배지에 제공하는 것을 포함한다. 용해된 CO 는 Henry 법칙 및 반응기의 kLa 를 사용하여 계산하였다. 상기 방법은 출발 세포 밀도와 비교해서 세포 밀도를 증가시키는데 효과적이다.
본원에서 사용되는 바와 같은, 표적 세포 밀도는 약 2.0 그램/리터 이상, 또다른 양태에 있어서, 약 2 그램/리터 내지 약 30 그램/리터, 또다른 양태에 있어서, 약 2 그램/리터 내지 약 25 그램/리터, 또다른 양태에 있어서, 약 2 그램/리터 내지 약 20 그램/리터, 또다른 양태에 있어서, 약 2 그램/리터 내지 약 10 그램/리터, 또다른 양태에 있어서, 약 2 그램/리터 내지 약 8 그램/리터, 또다른 양태에 있어서, 약 3 그램/리터 내지 약 30 그램/리터, 또다른 양태에 있어서, 약 3 그램/리터 내지 약 6 그램/리터, 및 또다른 양태에 있어서, 약 4 그램/리터 내지 약 5 그램/리터의 세포 밀도를 의미한다.
후-개시: 원하는 수준에 도달하면, 액체 상 및 세포 물질을 반응기로부터 회수하고, 배지를 보충한다. 후-개시에 있어서, 세포 밀도는 일정한 수준에서 유지될 것이다.
CO 2 전환을 위한 생물 반응기 Bx
CO 2 -함유 기질: 하나의 양태에 있어서, 상기 방법은 CO2-함유 기체 기질 (기체 기질 Gx (187) 로서 기재함) 을 생물 반응기에 제공하는 것을 포함한다. CO2-함유 기질은 CO2 를 포함하는 임의의 기체를 포함할 수 있다. 이러한 양태에 있어서, CO2-함유 기체는 산업용 기체, 예를 들어 발효기 배출 기체를 포함하는 발효기 기체 스트림, 및 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 관련 양태에 있어서, CO2-함유 기질은 수소를 포함할 수 있거나, 또는 이것은 H2 대 CO2 의 원하는 수준 및 비를 제공하기 위해서 수소 공급원과 배합될 수 있다.
산업용 기체: 하나의 양태에 있어서, 상기 방법은 CO2-함유 기질을 생물 반응기에 제공하는 것을 포함하며, 상기 CO2-함유 기질은 산업용 기체로부터 생성된다. 산업용 기체의 일부 예는 제철소 기체, 산업용 기체 및 소각로 배기 기체를 포함한다. 산업용 기체의 예는 철 금속 제품 제조, 비-철 제품 제조, 석유 정제 공정, 석탄의 기체화, 바이오매스의 기체화, 전력 생성, 카본 블랙 생성, 암모니아 생성, 메탄올 생성 및 코크 제조 동안에 생성되는 기체를 포함한다. 수소의 공급원은 화석 연료, 증기 개질, 메탄 산화, 석탄 기체화 및 물 전기 분해를 포함할 수 있다.
기체상 CO2-함유 기질의 조성에 따라, 이것을 발효에 도입하기 전에, 먼지 입자와 같은 임의의 원하지 않는 불순물을 제거하도록 처리하는 것이 또한 바람직할 수 있다. 예를 들어, 기체 기질은 공지된 방법을 사용하여 여과 또는 스크러빙될 수 있다. 또한, 기체상 CO2-함유 기질의 조성에 따라, 상기 방법은 CO2 및/또는 H2 의 농도를 원하는 범위 내에 있도록 증가시키거나 또는 감소시키기 위해서, CO2-함유 기질을 조정하는 것을 포함할 수 있다.
발효기 기체 스트림: 하나의 양태에 있어서, 상기 방법은 CO2-함유 기질을 생물 반응기에 제공하는 것을 포함하며, 상기 CO2-함유 기질은 발효기 기체 스트림이다. 발효기 기체 스트림의 일부 예는 합성 기체의 발효에서 생성되는 발효기 배출 기체를 포함한다. 합성 기체 발효의 일부 예는 미국 특허 제 7,285,402 호 (2001 년 7 월 23 일 출원) 에 기재되어 있으며, 이것은 본원에 참고로 포함된다.
하나의 양태에 있어서, 상기 방법은 높은 부피의 CO-함유 산업용 기체와 같은 기체 기질로부터 알코올의 제조를 지원하기 위한 적용성을 가진다. 일부 양태에 있어서, CO 를 포함하는 기체는 탄소 함유 폐기물, 예를 들어, 산업 폐기물 기체로부터, 또는 다른 폐기물의 기체화로부터 유래한다. CO-함유 기체의 발효는 발효기 배출 기체에서 CO2 를 생성할 수 있다. 따라서, 상기 방법은 달리 환경에 배출될 탄소를 포집하기 위한 효과적인 방법을 나타낸다. 이러한 양태에 있어서, CO-함유 기체의 발효로부터의 배출 기체는 약 0.5 mole % 내지 약 50 mole % 의 CO 를 포함할 수 있다.
기체 스트림의 배합: 특정한 양태에 따르면, 2 개 이상의 공급원으로부터의 스트림은 바람직한 및/또는 최적화된 기질 스트림을 생성하기 위해서 조합 및/또는 배합될 수 있다. 예를 들어, 제철소로부터의 배기 기체와 같은 고농도의 CO2 를 포함하는 스트림은, 제철소 코크 오븐으로부터의 배출 기체와 같은 고농도의 H2 를 포함하는 스트림과 조합될 수 있다.
CO2-함유 기질의 조성에 따라, CO2-함유 기질은 발효 공정에 직접 제공될 수 있거나, 또는 적절한 H2 대 CO2 몰비를 포함하도록 추가로 변형될 수 있다. CO2-함유 기질은 약 5 mole % 내지 약 90 mole % 의 CO2 및 약 5 mole % 내지 약 90 mole % 의 H2 를 포함할 수 있다. 하나의 양태에 있어서, CO2 함유 기체 스트림은 약 5 mole % 내지 약 66.6 mole % 의 CO2 를 포함한다.
또다른 양태에 있어서, 생물 반응기 Bx (110) 에 제공되는 CO2-함유 기질은 약 0 mole % 내지 약 50 mole % 의 CO, 또다른 양태에 있어서, 약 0.5 mole % 내지 약 50 mole % 의 CO, 또다른 양태에 있어서, 약 0.5 mole % 내지 약 5 mole % 의 CO, 및 또다른 양태에 있어서, 약 2 mole % 내지 약 5 mole % 의 CO 를 포함할 수 있다.
하나의 양태에 있어서, 아세트산 생성 박테리아는 약 4:1 내지 약 1:2 의 비에서의 H2 대 CO2 의 소비 몰비를 가질 것이다. 그러므로, H2 및 CO2 를 포함하는 생물 반응기에 제공되는 임의의 기질 기체가 사용될 수 있다. 그러나, 생물 반응기에 제공되는 최적 수준의 기질 기체는 약 4:1 내지 약 1:1, 또다른 양태에 있어서, 약 2:1, 및 또다른 양태에 있어서, 약 3.5:1 내지 약 1.5:1 의 H2 대 CO2 의 비를 가질 것이다.
생물 반응기 설계 및 작동: 발효기 설계에 대한 설명은 미국 일련 번호 13/471,827 및 13/471,858 (모두 2012 년 5 월 15 일 출원), 및 미국 일련 번호 13/473,167 (2012 년 5 월 16 일 출원) 에 기재되어 있으며, 이들 모두는 본원에 참고로 포함된다.
발효는 바람직하게는 원하는 발효 (예를 들어, CO2 에서 아세트산) 가 발생하는데 적절한 조건하에서 수행되어야 한다. 고려해야 하는 반응 조건은 압력, 온도, 기체 흐름 속도, 액체 흐름 속도, 배지 pH, 교반 속도 (교반 탱크 반응기를 사용하는 경우), 접종 수준, 및 생성물 저해를 회피하기 위한 최대 아세트산 농도를 포함한다. 이러한 양태에 있어서, 상기 방법은 하기 범위의 반응 조건을 포함한다:
압력: 약 0 내지 약 500 psi, 또다른 양태에 있어서, 약 0 내지 약 200 psi;
온도: 약 30 ℃ 내지 약 42 ℃;
배지 pH: 약 4 내지 약 6.9;
교반 속도: 약 100 내지 약 2000 rpm;
본원에서 기술한 바와 같은 영양소 공급.
아세트산 생성 박테리아: 하나의 양태에 있어서, 사용되는 미생물은 나트륨-전위 ATPase (막 생물 에너지학을 위함) 로서도 기술될 수 있는 나트륨 펌프를 포함하는 혐기성 아세트산 생성 박테리아 Mx 를 포함한다. 나트륨 전위 ATPase 는 문헌 [Muller, "Energy Conservation in Acetogenic Bacteria", Appl. Environ. Microbiol. November 2003, vol. 69, no. 11, pp. 6345-6353] 에 기재되어 있으며, 이것은 본원에 참고로 포함된다. 나트륨-전위 ATPase 를 포함하는 아세토겐은 성장을 위해 이들의 성장 배지에서 약 500 ppm 의 NaCl 을 필요로 한다. 아세토겐이 나트륨-전위 ATPase 를 포함하는지를 결정하기 위해서, 약 0 ppm 내지 약 2000 ppm 의 NaCl 을 갖는 약 30 내지 약 50 ml 의 성장 배지를 함유하는 혈청 보틀에 아세토겐을 접종한다. 약 500 ppm 이상의 NaCl 농도에서의 정상적인 성장은 아세토겐이 나트륨-전위 ATPase 를 포함한다는 것을 의미한다.
이러한 양태에 있어서, 적합한 아세트산 생성 박테리아 Mx 는 아세토박테리움 박테리아 (Acetobacterium bacteria), 아세토게니움 키부이 (Acetogenium kivui), 아세토아나에로비움 노테라에 (Acetoanaerobium noterae), 아세토박테리움 우디이 (Acetobacterium woodii), 알칼리바쿨룸 박치 (Alkalibaculum bacchi) CP11 (ATCC BAA-1772), 무렐라 테르모아세티카 (Moorella thermoacetica), 무렐라 테르모아우토트로피카 (Moorella thermoautotrophica), 루미노코쿠스 프로둑투스 (Ruminococcus productus), 아세토게니움 키부이 (Acetogenium kivui), 및 이들의 조합을 포함한다. 또다른 양태에 있어서, 미생물은 아세토박테리움 우디이 (Acetobacterium woodii) 이다.
배지 조성물 및 배지 공급 속도의 제어: 하나의 양태에 따르면, 발효 공정은 적합한 배지를 반응기 용기에 첨가함으로써 시작된다. 반응기 용기에 함유되는 액체는 임의의 유형의 적합한 영양소 배지 또는 발효 배지를 포함할 수 있다. 영양소 배지는 사용되는 미생물의 성장을 허용하는데 효과적인 비타민 및 미네랄을 포함할 것이다. 멸균은 항상 필요한 것은 아닐 수 있다.
아세트산 생성 박테리아 Mx 를 갖는 생물 반응기 Bx (110) 에서 사용하기 위한 다양한 배지 성분의 농도는 다음과 같다:
Figure pct00002
공정 작업은 pH 를 약 4 내지 약 6.9, 또다른 양태에 있어서, 약 5 내지 약 6.5, 또다른 양태에 있어서, 약 5.1 내지 약 6, 및 또다른 양태에 있어서, 약 5.2 내지 약 6 의 범위로 유지시킨다. 배지는 약 0.01 g/L 미만의 효모 추출물 및 약 0.01 g/L 미만의 탄수화물을 포함한다.
조성물은 또한 약 40 mmol/리터 내지 약 500 mmol/리터, 또다른 양태에 있어서, 약 40 mmol/리터 내지 약 250 mmol/리터의 나트륨 이온 농도, 및 또다른 양태에 있어서, 약 50 mmol/리터 내지 약 200 mmol/리터의 나트륨 이온 농도를 포함한다. 하나의 양태에 있어서, 나트륨 이온 농도는 약 500 ppm 내지 약 8000 ppm 의 Na, 또다른 양태에 있어서, 약 1000 ppm 내지 약 7000 ppm 의 Na, 또다른 양태에 있어서, 약 3000 ppm 내지 약 6000 ppm 의 Na, 또다른 양태에 있어서, 약 2000 ppm 내지 약 5000 ppm 의 Na, 및 또다른 양태에 있어서, 약 3000 ppm 내지 약 4000 ppm 의 Na 이다. 나트륨 이온 공급원은 염화 나트륨, 수산화 나트륨, 인산 나트륨, 황산 나트륨, 질산 나트륨, 중탄산 나트륨, 중황산 나트륨 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 화합물에 의해 제공된다.
조성물은 몰리브덴의 공급원을 포함한다. 이러한 양태에 있어서, 몰리브덴 농도는 약 3.97 ㎍/L 내지 약 396.5 ㎍/L, 및 또다른 양태에 있어서, 약 7.93 ㎍/L 내지 약 198.25 ㎍/L 이다. 몰리브덴의 공급원은 Na2MoO4, CaMoO4, FeMoO4 및 이들의 혼합물을 포함한다.
조성물은 또한 착물화제를 포함할 수 있다. 이러한 양태에 있어서, 착물화제는 조성물이 약 5.2 이상의 pH 를 갖는 경우에, 조성물에 포함될 수 있다. 착물화제는 에틸렌디아민테트라아세트산 (EDTA), 에틸렌디아민 디아세트산 (EDDA), 에틸렌디아민 디숙신산 (EDDS) 및 이들의 혼합물을 포함할 수 있다.
조성물은 NH4 +, P, K, Fe, Ni, Co, Se, Zn, 또는 Mg 의 공급원 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 이들 각각의 원소의 공급원은 다음과 같을 수 있다.
NH 4 +: 질소는 수산화 암모늄, 염화 암모늄, 인산 암모늄, 황산 암모늄, 질산 암모늄, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 질소 공급원으로부터 제공될 수 있다.
P: 인은 인산, 인산 암모늄, 인산 칼륨, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 인 공급원으로부터 제공될 수 있다.
K: 칼륨은 염화 칼륨, 인산 칼륨, 질산 칼륨, 황산 칼륨, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 칼륨 공급원으로부터 제공될 수 있다.
Fe: 철은 염화 제1철, 황산 제1철, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 철 공급원으로부터 제공될 수 있다.
Ni: 니켈은 염화 니켈, 황산 니켈, 질산 니켈, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 니켈 공급원으로부터 제공될 수 있다.
Co: 코발트는 염화 코발트, 불화 코발트, 브롬화 코발트, 요오드화 코발트, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 코발트 공급원으로부터 제공될 수 있다.
Se: 셀레늄은 Na2SeO3, C3H6NO2Se, 및 이들의 혼합물로부터 제공될 수 있다.
Zn: 아연은 ZnSO4 로부터 제공될 수 있다.
W: 텅스텐은 텅스텐산 나트륨, 텅스텐산 칼슘, 텅스텐산 칼륨, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 텅스텐 공급원으로부터 제공될 수 있다.
Mg: 마그네슘은 염화 마그네슘, 황산 마그네슘, 인산 마그네슘, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 마그네슘 공급원으로부터 제공될 수 있다.
S: 조성물은 또한 황을 포함할 수 있다. 황은 시스테인, 황화 나트륨, NaHS, NaH2S 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 황 공급원으로부터 제공될 수 있다.
개시: 접종시, 미생물의 초기 집단을 공급하는데 효과적인 초기 공급 기체의 공급 속도를 확립한다. 유출 기체를 분석하여 유출 기체의 함량을 결정한다. 기체 분석의 결과를 사용하여 공급 기체 속도를 제어한다. 이러한 양태에 있어서, 상기 방법은 약 0.1 그램/리터의 최소 세포 밀도를 제공한다. 또다른 양태에 있어서, 상기 방법은 약 0.05 내지 약 1, 및 또다른 양태에 있어서, 약 0.01 내지 약 4 의 초기 세포 밀도 (그램/리터) 비에 대한 단위 시간 당 계산된 CO2 양 (mmol/min) 을 제공한다.
하나의 양태에 있어서, 세포 성장 속도를 증가시키기 위해서 영양소를 배양물에 첨가할 수 있다. 적합한 영양소는 효모 추출물의 비-탄수화물 분획을 포함할 수 있다.
후-개시: 원하는 수준에 도달하면, 액체 상 및 세포 물질을 반응기로부터 회수하고, 배지를 보충한다. 발효 공정은 출발 세포 밀도와 비교해서 세포 밀도를 증가시키는데 효과적이다. 이러한 양태에 있어서, 상기 방법은 약 2 그램/리터 내지 약 50 그램/리터, 또다른 양태에 있어서, 약 2 그램/리터 내지 약 30 그램/리터, 또다른 양태에 있어서, 약 2 그램/리터 내지 약 20 그램/리터, 또다른 양태에 있어서, 약 2 그램/리터 내지 약 10 그램/리터, 또다른 양태에 있어서, 약 5 그램/리터 내지 약 10 그램/리터, 및 또다른 양태에 있어서, 약 2 그램/리터 내지 약 6 그램/리터의 평균 세포 밀도를 제공한다.
유기 산의 생성: 또다른 양태에 있어서, 상기 방법은 C1 내지 C10 유기 산의 공급원을 제공한다. 이러한 양태에 있어서, 상기 방법은 발효 액체 브로스로부터 산 생성물을 수득하는 것을 포함할 수 있다. 이러한 양태에 있어서, 약 0.2 내지 약 50 그램 유기 산/리터/일/g 세포, 또다른 양태에 있어서, 약 0.2 내지 약 20 그램 유기 산/리터/일/g 세포, 또다른 양태에 있어서, 약 10 내지 약 50 그램 유기 산/리터/일/g 세포, 또다른 양태에 있어서, 약 14 내지 약 30 그램 유기 산/리터/일/g 세포, 또다른 양태에 있어서, 약 2 내지 약 20 그램 유기 산/리터/일/g 세포, 및 또다른 양태에 있어서, 약 15 내지 약 25 그램 유기 산/리터/일/g 세포의 특정한 유기 산 생산성이 제공된다. 하나의 양태에 있어서, 유기 산은 아세트산 또는 부티르산, 또는 이들의 혼합물이다.
CO 2 및 H 2 의 전환: 상기 방법은 약 0.05 내지 약 1.5 mmol CO2/분/그램 건조 세포의 CO2 흡수, 및 약 0.08 내지 약 1.5 mmol H2/분/그램 건조 세포의 H2 흡수를 제공하는데 효과적이다. 상기 방법은 CO2 의 약 25 내지 약 100 % 전환, 또다른 양태에 있어서, CO2 의 약 50 내지 약 100 % 전환, 및 또다른 양태에 있어서, CO2 의 약 75 내지 약 100 % 전환을 제공하는데 효과적이다. 또다른 양태에 있어서, 상기 방법은 H2 의 약 25 내지 약 100 % 전환, 또다른 양태에 있어서, H2 의 약 50 내지 약 100 % 전환, 및 또다른 양태에 있어서, H2 의 약 75 내지 약 100 % 전환을 제공하는데 효과적이다.
도 4 는 아세토박테리움 우디이 (Acetobacterium woodii) 에 의한 CO2 전환 (404) 및 H2 전환 (402) 의 그래프를 보여준다. 아세트산 생성 (504) 및 이의 이동 평균 (502), 및 세포 밀도 (506) 대 시간의 그래프 예시가 도 5 에서 보여진다.
실시예
실시예 1: 아세토박테리움 우디이 (Acetobacterium woodii) 의 제조
아세토박테리움 우디이 (Acetobacterium woodii) 의 초기 동결 건조된 펠렛은 독일 배양물 수집 DSMZ, 균주 ID DSM-1030 으로부터 수득하였다. 배양물은 풍부한 배지 (프룩토오스 및 효모 추출물) 를 사용하여, 동결 건조된 펠렛으로부터 초기에 부활시켰다. 조정 방법을 사용하여, 성장 배지에서의 프룩토오스의 농도가 75 %, 50 %, 10 % 감소한 혈청 보틀 배지로부터 프룩토오스를 제거하였다. 성장 속도 및 기체 사용량은 조정의 지표로서 사용하였다 (대략 5 주). 혈청 보틀에서의 예비적인 pH 조정 작업은 필요한 pH 를 7.4 에서 6.0 으로 감소시켰다 (3 주). 이 시점에서, 배양물을 증폭시키고, 반응기에 접종하였다. 반응기에서, 배양물은 5.2 내지 5.7 의 보다 낮은 pH 에서 성장하도록 추가로 조정하였다.
실시예 2: 아세토박테리움 우디이 (Acetobacterium woodii) 에 대한 CSTR 반응기 개시 방법
CO2 및 H2 를 함유하는 합성 기체를, 본원에서 기술한 바와 같은 비타민, 미량 금속, 시스테인 (황 공급원으로서) 및 염을 함유하는 액체 배지와 함께, 아세토박테리움 우디이 (Acetobacterium woodii) 를 함유하는 교반 탱크 생물 반응기에 연속적으로 도입하였다.
발효 배지를 함유하는 신규의 Brunswick Bioflow 310 반응기는 활발하게 성장하는 아세토박테리움 우디이 (Acetobacterium woodii) 를 사용하여 개시하였다. 반응기의 교반 속도는 200 rpm 으로 설정하였다. 이 교반 속도는 실험 내내 200 rpm 에서 600 rpm 으로 증가하였다. 반응기로의 공급 기체 흐름은 초기의 49 mL/min 에서 137 mL/min 로 증가하였다. 생물 반응기에서의 온도는 실험 내내 33.5 ℃ 에서 유지하였다. 생물 반응기로의 공급 기체 샘플 및 생물 반응기로부터의 배출 기체 및 생물 반응기에서의 발효 브로스를 간격을 두고 채취하였으며, 예를 들어, 공급 기체, 배출 기체 및 발효 브로스를 각각 거의 매일, 2 시간에 1 회 및 4 시간에 1 회 샘플링하였다. 상기 샘플을 다양한 기체 성분의 소비 또는 생성, 브로스 아세트산 농도, 및 배양물의 광학 밀도 (세포 밀도) 에 대해 분석하였다. 반응기의 무취 부피는 실험 내내 1600 내지 1750 ml 에서 유지하였다. 또한, 반응기로의 기체 흐름은 질량 흐름 제어기를 사용하여, 필요한 기체 흐름 속도에서 유지하였다. 공급 합성 기체 조성은 70 % H2, 25 % CO2 및 5 % N2 였다. 이 실험은 안정한 작동에 도달하였을 때 종료하였다.
실험의 개시 전에, 세포 재순환 시스템 (CRS) 을 반응기에 부착하였다. 실험 동안에, 반응기로의 영양소 (성장 배지) 의 흐름 속도는 표에 나타낸 바와 같았다. 실험 내내 배지 공급 속도를 유지하였다. pH 조절을 위한 염기 (0.5 M NaOH) 공급 속도는 0.14-0.44 ml/min 였으며, CRS 를 통해, 5.1-5.4 ml/min 의 투과물을 반응기로부터 채취하였다.
공급 기체에서의 H2 및 CO2 를 세포 물질 및 아세트산에 고정시켰다. H2 및 CO2 의 제거는 주입 기체 조성과 유출 기체 조성을 비교하여 계산하였다. 성분 기체 흡수는 박테리아에 의해 전환된 기체 분자의 % 로 표시된다. 이 실험에 있어서, 하기의 전환을 달성하였다: H2: 40 % - 54 %, CO2: 28 % - 70 %. 이 실험에 있어서, 아세트산 생성 속도는 5-23 g/l/일 이었다.
결과는 다음과 같이 요약할 수 있다:
Figure pct00003
실시예 3: 아세토박테리움 우디이 (Acetobacterium woodii) 에 의한 CO 2 , CO 및 H 2 의 발효
CO2 및 H2 를 함유하는 기체를, 비타민, 미량 금속 및 염을 함유하는 통상적인 액체 배지와 함께, 아세토박테리움 우디이 (Acetobacterium woodii) 를 함유하는 교반 탱크 생물 반응기에 연속적으로 도입하였다. 실시예 2 에서 기술한 바와 같이 발효를 개시한 후, 안정한 작동을 계속하였다. 이 실시예에 있어서, 공급 기체는 5 mole % 의 CO 를 포함하였다.
도 6 및 도 7 은 5 % CO 의 존재하에서 아세토박테리움 우디이 (Acetobacterium woodii) 의 성장을 설명한다. 도 6 은 시간에 대한 세포 밀도 (602) 및 특정한 아세트산 생산성 (604) 을 예시한다. 도 7 은 H2 전환 (702), CO 전환 (704), CO2 전환 (706) 및 세포 밀도 (708) 를 예시한다.
실시예 4: 성장 배지에서 킬레이트화제 (EDTA) 없이 pH 5.2 에서 아세토박테리움 우디이 (Acetobacterium woodii) 배양물의 성장 및 유지
CO2 및 H2 를 함유하는 기체 스트림을, 본원에서 기술한 바와 같은 성장 배지와 함께, 아세토박테리움 우디이 (Acetobacterium woodii) 를 함유하는 교반 탱크 생물 반응기에 연속적으로 도입하였다.
발효 배지를 함유하는 신규의 Brunswick Bioflow 115 반응기는 활발하게 성장하는 아세토박테리움 우디이 (Acetobacterium woodii) (AW) 를 사용하여 개시하였다. 반응기의 교반 속도는 600 rpm 으로 설정하였다. 이 교반 속도를 실험 내내 일정하게 유지하였다. 반응기로의 공급 기체 흐름은 36.6 mL/min 내지 44.4 mL/min 에서 유지하였다. 생물 반응기에서의 온도는 실험 내내 33 ℃ 에서 유지하였다. Na+ 수준은 3500 ppm 내지 4000 ppm 에서 유지하였다. 생물 반응기로의 공급 기체 샘플 및 생물 반응기로부터의 배출 기체 및 생물 반응기에서의 발효 브로스를 간격을 두고 채취하였으며, 예를 들어 공급 기체, 배출 기체 및 발효 브로스를 각각 거의 매일, 2 시간에 1 회 및 4 시간에 1 회 샘플링하였다. 상기 샘플을 다양한 기체 성분의 소비 또는 생성, 브로스 아세트산 농도, 및 배양물의 광학 밀도 (세포 밀도) 에 대해 분석하였다. 반응기의 무취 부피는 실험 내내 1900 내지 2275 ml 에서 유지하였다. 또한, 반응기로의 기체 흐름은 질량 흐름 제어기를 사용하여, 필요한 기체 흐름 속도에서 유지하였다. 이 실험의 공급 합성 기체 조성은 70 % H2, 25 % CO2 및 5 % N2 였다.
실험의 개시 전에, 세포 재순환 시스템 (CRS) 을 반응기에 부착하였다. 실험 동안에, 반응기로의 영양소 (성장 배지) 의 흐름 속도는 2.8 ml/min 에서 유지하였다. 실험 내내 배지 공급 속도를 유지하였다. pH 를 5.2 에서 유지하기 위한 염기 (NaOH) 의 평균 속도 요건은 0.075 ml/min 였으며, CRS 를 통해, 2.9 ml/min 의 투과물을 반응기로부터 채취하였다.
공급 기체에서의 H2 및 CO2 를 세포 물질 및 아세트산에 고정시켰다. H2 및 CO2 의 제거는 주입 기체 조성과 유출 기체 조성을 비교하여 계산하였다. 성분 기체 흡수는 박테리아에 의해 전환된 기체 분자의 % 로 표시될 수 있다.
하기의 전환을 달성하였다:
H2: 28 % 내지 54 %
CO2: 40 % 내지 59 %
아세트산 생성 속도는 0.7949 (g/L/일) 이었다.
배양물의 평균 세포 밀도는 1.9 g/L 였다.
CO2 전환 (802), H2 전환 (804) 및 세포 밀도 (806) 은 도 8 에서 보여진다.
실시예 5: 성장 배지에서 EDDA 의 사용
발효는 실시예 2 에서 기술한 바와 같이 개시하였으며, 킬레이트화 (착물화) 제로서 에틸렌디아민 디아세트산 (EDDA) 의 사용을 포함하였다. pH 가 증가함에 따라 AW 배지에서 사용된 금속의 일부의 용해도가 감소하기 때문에, 킬레이트화제를 사용하여 금속을 용액 중에서 유지시켰다. 반응기 브로스의 pH 가 pH 5.2 를 초과하는 경우, 킬레이트화제를 사용하여 충분한 양의 영양소를 AW 에 제공한다. 도 9 는 증가하는 농도의 아세트산 (904) 를 생성하면서, 세포 밀도 (902) 를 유지하는 능력을 예시하는 실험의 대표적인 96 시간의 기간을 보여준다.
실시예 6: 세포 대사에 대한 몰리브덴 제거 및 재첨가의 효과
실시예 2 에서 기술한 바와 같이 발효를 개시한 후, 안정한 작동을 계속하였다. 몰리브덴을 배양 배지로부터 제거한 후, 아세트산 생산성이 이의 출발 농도의 75 % 로 감소한 후에, 성장 배지에 재첨가하였다.
도 10 은 배지 흐름 속도 (905) 에 대해 플롯한 아세트산 생산성 (903) 을 예시하며, 여기에서 적색 선은 성장 배지에 대한 몰리브덴의 제거 및 재첨가를 나타낸다. 약 810 누적 시간에서 시작하여, HAc 의 하락 경향이 관찰되었으며, 몰리브덴의 제거는 약 795 누적 시간에서 발생하였다. 이러한 하락 경향은 감소하였고, 정체 상태가 되었으며, 그 후 약 900 시간에서 몰리브덴의 배지로의 재첨가에 상응하여 상승 경향으로 역전되었다.
도 11 은 시간에 대해 플롯한 세포 밀도 (906) 및 기체 흐름 속도 (GFR) (901) 을 예시하며, 여기에서 적색 선은 성장 배지에 대한 몰리브덴의 제거 및 재첨가를 나타낸다. 약 840 누적 시간에서 시작하여, 필요한 GFR 은 약 795 누적 시간에서 발생하는 몰리브덴 제거 이전과 비교해서 보다 적었다. 이러한 하락 경향은, 약 900 시간에서 몰리브덴의 배지로의 복귀에 상응하여 상승 경향으로 역전되었다. 필요한 기체 흐름 속도는 배양물의 CO2 및 H2 전환에 의해 결정하였다.
실시예 7: 클로스트리디움 륭달리이 (Clostridium ljungdahlii) 에 의한 CO 의 전환을 위한 연속 공정
CO 및/또는 CO2/H2 를 함유하는 합성 또는 폐기물 기체를, 본원에서 기술한 바와 같은 비타민, 미량 금속 및 염을 함유하는 발효 배지와 함께, 클로스트리디움 륭달리이 (Clostridium ljungdahlii) 의 균주를 함유하는 교반 탱크 생물 반응기에 연속적으로 도입하였다.
적합한 배지를 함유하는 신규의 Brunswick BioFlow 310 반응기는 0.38 g/l 의 활발하게 성장하는 클로스트리디움 륭달리이 (Clostridium ljungdahlii) 를 사용하여 접종하였다. 접종 전에, 반응기의 교반 속도는 800 rpm 으로 설정하였고, 반응기로의 기체 흐름은 20 ml/min 로 조정하였으며, 세포 재순환 시스템을 반응기에 부착하였다. 1 내지 4 시간 마다의 간격으로 반응기로부터 채취한 기체 및 액체 샘플을 다양한 기체 성분의 소비 또는 생성, 브로스 아세트산 농도, 브로스 에탄올 농도, 및 배양물의 광학 밀도에 대해 분석하였다. 또한, 공급 기체의 조성을 매일 측정하였으며, 반응기로의 흐름은 질량 흐름 제어기를 사용하여, 필요한 기체 흐름 속도에서 유지하였다. H2 전환이 32 % 에 도달하면, 반응기로의 배지 흐름은 1 ml/min 로 개시하고, 0.95 ml/min 의 투과물을 흡인하였다. 반응기로의 합성 기체 흐름은 배양물의 H2 전환을 기준으로 증가하였다: H2 전환이 32 % 이상인 경우, 기체 흐름은 10 % 증가하였다. 세포 질량은 시간이 지남에 따라 증가하였으며, 반응기의 접종 후 72 시간 이내에 3 g/l 의 세포 질량에 도달하였다. 이 시점에서, 배양물은 18 g/l 초과의 에탄올을 생성하였다. 액체 크로마토그래피를 사용하여 브로스 에탄올 및 아세트산 농도를 측정하였다. 기체 크로마토그래피를 사용하여 합성 기체의 성분을 측정하였다. NH4OH 와 같은 중화제를 사용하여 배양물의 pH 를 약 4.5 로 유지하였다. 반응기의 세포 밀도는 투과물 흡인 속도를 조정하여 약 3 g/L 로 조정하였다. 반응기는 투과물 흡인 속도가 반응기로부터의 세포 퍼지 속도를 역으로 제어하도록 설정하였다. 작동 압력은 대기압이었다.
접종 후 수 시간의 기간에 걸쳐 박테리아 발효가 진행됨에 따라, CO 의 전환으로부터 CO2 가 생성되고, CO 와 함께 H2 가 소비된다. 이어서, 생성 방법 및 박테리아 발효 반응기 시스템을 정상 상태에서 유지하여, 15 내지 35 g/L 에탄올 및 0 내지 5 g/L 아세테이트를 생성물로서 생성하며, 이는 아세트산 농도를 상기 범위에서, 그리고 세포 밀도를 약 3 g/L 에서 유지하기 위해 가끔 약간만 조정된다.
이러한 연속 발효 방법은 안정한 작업 조건하에서 부산물인 아세테이트 농도를 낮게 하여 높은 에탄올 농도의 연속 생성 및 유지를 가능하게 함으로써, 에탄올 생성을 위한 공업적 규모로의 대상 박테리아의 사용을 강화시킨다.
실시예 8: 클로스트리디움 륭달리이 (Clostridium ljungdahlii) 에 대한 아세트산 첨가의 효과
클로스트리디움 륭달리이 (Clostridium ljungdahlii) 에 의한 발효는 실시예 7 에서 기술한 바와 같이 수행하였다.
각각의 시험은 반응기 브로스에서 5 g/L NaCl 및 하기 양의 아세트산의 존재하에 72 시간 동안 수행하였다.
대조군 - 첨가없음
시험 1 - 2 g/L 아세트산
시험 2 - 4 g/L 아세트산
시험 3 - 6 g/L 아세트산
배지에 대한 아세트산의 첨가는 에탄올의 특정한 생산성에 영향을 미쳤다. 아세트산의 농도가 증가함에 따라, 에탄올 생성도 그에 따라 증가하였다. 배지에서의 농도에 관계없이, 아세트산 생산성의 눈에 띄는 변화는 없었다. 모든 외생적으로 첨가된 산은 배양에 의해 에탄올로 전환되는 것으로 나타났다. 대조군과 비교했을 때, 배지에 산을 외생적으로 첨가한 배양물에서 특정한 CO 흡수가 유의하게 증가하였으며, 최고 농도는 약 0.750 mmol/min/g 세포에서 최고 흡수 수준에 도달하였다. 대조군은 이 시간 동안에 평균 약 0.500 mmol/min/g 세포였다. 아세트산 농도는 또한 수소 흡수를 증가시켰다. 정상 상태에서의 특정한 생산성 (g/L/일/g 세포) 은 다음과 같았다.
Figure pct00004
도 12 는 다양한 농도의 아세트산과 함께 클로스트리디움 륭달리이 (Clostridium ljungdahlii) 에 의한 특정한 기체 흡수를 예시한다.
실시예 9: 클로스트리디움 륭달리이 (Clostridium ljungdahlii) 및 아세토박테리움 우디이 (Acetobacterium woodii) 를 사용하는 2-단계 반응기
2-단계 반응기는 도 1 에 나타낸 바와 같이 구성되었다. 2-단계 반응기는 교반 탱크 생물 반응기 Bi (120) 및 교반 탱크 생물 반응기 Bx (110) 을 포함하였다. 각각의 반응기는 본원에서 기술한 바와 같은 비타민, 미량 금속, 시스테인 (황 공급원으로서) 및 염을 함유하는 액체 배지를 함유하였다. 생물 반응기 Bi (120) 은 활발하게 성장하는 클로스트리디움 륭달리이 (Clostridium ljungdahlii) 로 개시하였으며, 생물 반응기 Bx (110) 은 활발하게 성장하는 아세토박테리움 우디이 (Acetobacterium woodii) 로 개시하였다.
생물 반응기 Bx (110) 에 있어서, 0.5 M NaOH 는 pH 를 약 6.0 으로 유지하기 위한 작용제로서 사용된다. 시간 당 세포 그램 당 NaOH 의 대략적인 사용량은 0.21 이다.
55 % H2, 12 % N2, 33 % CO 를 함유하는 기체 기질 Gi (186) 을 생물 반응기 Bi (120) 에 도입하였다. 생물 반응기 Bi (120) 으로부터의 기체 배출 스트림 (Gp) 는 기체 스트림 연결 (184) 를 통해 생물 반응기 Bx (110) 에 제공하였다.
시스템에서의 물은 "폐쇄된" 구성에 있었으며, 투과물/에탄올 도관 (192) 를 통해 생물 반응기 (120) 으로부터 증류 (188) 에 전달되었다. 물 (증류 바닥) 은 물 재순환 라인 (202) 를 통해 생물 반응기 Bx (110) 에 복귀하였다. 생물 반응기 Bx (110) 으로부터의 아세트산은 투과물 아세트산 라인 (182) 를 통해 생물 반응기 Bi (120) 에 보내졌다.
발효는 물 루프 폐쇄로부터 시작하여 대략 120 시간 동안 수행하였다. 시스템은 처음 58 시간 동안 평형을 이루었으며, 데이터는 마지막 62 시간 동안 수집하였다. 두 반응기의 유입 기체 스트림 (186) (Gi) 및 (187) (Gx), 및 유출 기체 스트림 (184) (Gp) 및 (207) (생물 반응기 Bx (110) 배출 기체 스트림) 을 대략 4 시간 마다 분석하였다. 분석은 기체 크로마토그래피를 수행하였다. 데이터는 % 조성으로서 표시하였다. 에탄올, 아세트산 및 부탄올의 생성물 분석은 대략 4 시간 마다 액체 크로마토그래피 (LC) 를 사용하여 수행하였다. 두 반응기의 세포 농도를 대략 4 시간 마다 모니터하였다.
평균 % 조성 및 기체 흐름 속도는 다음과 같았다:
Figure pct00005
생물 반응기 Bi (120) 및 Bx (110) 으로의 기체 유입 공급 속도는 질량 흐름 제어기 (MFC) 를 사용하여 유지하였다. 생물 반응기 Bx (110) 및 Bi (120) 의 유출 기체 흐름 속도는 뷰렛을 사용하여 측정하였다. 생물 반응기 Bx (110) 으로의 기체 흐름 속도는 생물 반응기 Bx (110) 의 유입 및 유출 기체 스트림의 N2 조성의 비를 사용하여 계산하였다.
이 실험에 있어서, 생물 반응기 Bi (120) 을 나오는 기체의 일부만을 생물 반응기 Bx (110) 에 공급하였다. 하나의 경우에 있어서, 생물 반응기 Bi (120) 으로부터의 유출 기체의 51 % 를 생물 반응기 Bx (110) 에 공급하였다. 또다른 경우에 있어서, 생물 반응기 Bi (120) 으로부터의 유출 기체의 60 % 를 생물 반응기 Bx (110) 에 공급하였다. 에탄올 생산성은 다음과 같았다.
Figure pct00006
2 개의 반응기 시스템에 대한 특정한 에탄올 생산성 값은 생물 반응기 Bi (120) 의 생산성을 사용하여 계산하였다. 아세토박테리움 우디이 (Acetobacterium woodii) 는 이들 실험에서 0 내지 무시할 수 있는 양의 에탄올을 생성하였다. 이 표에서 사용된 클로스트리디움 륭달리이 (Clostridium ljungdahlii) 특이적 에탄올 생산성 (생물 반응기 (110) 과 조합되지 않은 경우) 은 2 개의 반응기를 연결하기 전에 측정하였다. 생물 반응기 Bi (120) 으로부터의 배출 기체의 100 % 를 생물 반응기 Bx (110) 에 공급하는 경우, 특정한 에탄올 생산성은 24.4 g/L/g 클로스트리디움 세포/일인 것으로 예상된다.
시스템의 평균 탄소 포집은 다음과 같았다.
Figure pct00007
CO2 는 생물 반응기 (120) 에서 물-기체 이동 반응을 통해 생성된다.
도 13 은 생물 반응기 (120) 과 결합될 때, 생물 반응기 (110) 에서의 CO (1207) 및 CO2 (1206) 사용량을 보여준다. 전환은 몰 % 의 유출 기체/유입 기체를 사용하여 계산한다.
실시예 10: 클로스트리디움 륭달리이 (Clostridium ljungdahlii) 및 아세토박테리움 (Acetobacterium) 을 사용하는 2-단계 반응기
2-단계 반응기는 도 1 에 나타낸 바와 같이 구성되었다. 2-단계 반응기는 교반 탱크 생물 반응기 (120) (Bi) 및 교반 탱크 생물 반응기 (110) (Bx) 를 포함하였다. 각각의 반응기는 본원에서 기술한 바와 같은 비타민, 미량 금속, 시스테인 (황 공급원으로서) 및 염을 함유하는 액체 배지를 함유하였다. 생물 반응기 (120) (Bi) 는 활발하게 성장하는 클로스트리디움 륭달리이 (Clostridium ljungdahlii) 로 개시하였으며, 생물 반응기 (110) (Bx) 는 활발하게 성장하는 아세토박테리움 우디이 (Acetobacterium woodii) 로 개시하였다.
생물 반응기 Bx (110) 에 있어서, 0.5 M NaOH 는 pH 를 약 5.55 로 유지하기 위한 작용제로서 사용된다. 시간 당 세포 그램 당 NaOH 의 대략적인 사용량은 0.13 ml/min 였다.
56 % H2, 11 % CH4, 33 % CO 를 함유하는 기체 기질 (186) (Gi) 를 생물 반응기 Bi (120) 에 도입하였다. 생물 반응기 (120) 으로부터의 기체 배출 스트림 (Gp) 는 기체 스트림 연결 (184) 를 통해 생물 반응기 Bx (110) 에 제공하였다.
시스템에서의 물은 "폐쇄된" 구성에 있었으며, 투과물/에탄올 도관 (192) 를 통해 생물 반응기 Bi (120) 으로부터 증류 (188) 에 전달되었다. 물 (증류 바닥) 은 물 재순환 라인 (202) 를 통해 생물 반응기 Bx (110) 에 복귀하였다. 생물 반응기 Bx (110) 으로부터의 아세트산은 투과물 아세트산 라인 (182) 를 통해 생물 반응기 Bi (120) 에 보내졌다.
발효는 물 루프 폐쇄로부터 시작하여 대략 96 시간 동안 수행하였다. 시스템은 처음 48 시간 동안 평형을 이루었으며, 데이터는 마지막 48 시간 동안 수집하였다. 두 반응기의 유입 기체 스트림 (186) (Gi) 및 (187) (Gx), 및 유출 기체 스트림 (184) (Gp) 및 (207) (통풍 스트림) 을 대략 4 시간 마다 분석하였다. 분석은 기체 크로마토그래피를 수행하였다. 데이터는 % 조성으로서 표시하였다. 에탄올, 아세트산 및 부탄올의 생성물 분석은 대략 4 시간 마다 GC 를 사용하여 수행하였다. 두 반응기의 세포 농도를 대략 4 시간 마다 모니터하였다.
평균 % 조성 및 기체 흐름 속도는 다음과 같았다:
Figure pct00008
생물 반응기 Bi (120) 및 Bx (110) 으로의 기체 유입 공급 속도는 질량 흐름 제어기 (MFC) 를 사용하여 유지하였다. 생물 반응기 Bx (110) 및 Bi (120) 의 유출 기체 흐름 속도는 뷰렛을 사용하여 측정하였다. 생물 반응기 Bx (110) 으로의 기체 흐름 속도는 생물 반응기 Bx (110) 의 유입 및 유출 기체 스트림의 CH4 조성의 비를 사용하여 계산하였다.
이 실험에 있어서, 생물 반응기 Bi (120) 을 나오는 기체의 일부만을 생물 반응기 Bx (110) 에 공급하였다. 생물 반응기 Bx (110) 으로의 기체 공급은 생물 반응기 Bi (120) 으로부터의 총 배출 기체의 22.5 % 였다.
에탄올 생산성은 다음과 같았다.
Figure pct00009
2 개의 반응기 시스템에 대한 특정한 에탄올 생산성 값은 생물 반응기 Bi (120) 의 생산성을 사용하여 계산하였다. 아세토박테리움 우디이 (Acetobacterium woodii) 는 이들 실험에서 0 내지 무시할 수 있는 양의 에탄올을 생성하였다. 이 표에서 나타낸 클로스트리디움 륭달리이 (Clostridium ljungdahlii) 특이적 생산성 (생물 반응기 Bx (110) 과 조합되지 않은 경우) 은 2 개의 반응기를 연결하기 전에 측정하였다. 생물 반응기 Bi (120) 으로부터의 배출 기체의 100 % 를 생물 반응기 Bx (110) 에 공급하는 경우, 시스템의 특정한 에탄올 생산성은 36.4 g/L/g 클로스트리디움 세포/일인 것으로 예상된다.
부탄올 생산성은 다음과 같았다.
Figure pct00010
부티르산은 아세토박테리움 우디이 (Acetobacterium woodii) 에 의해 생성된다. 이 실험은 클로스트리디움 륭달리이 (Clostridium ljungdahlii) 가 부티르산을 부탄올로 전환시키는 능력을 가진다는 것을 보여준다. 생물 반응기 Bi (120) 으로부터의 배출 기체의 100 % 를 생물 반응기 Bx (110) 에 공급하는 경우, 특정한 부탄올 생산성은 8.2 g/L/g 클로스트리디움 세포/일인 것으로 예상된다.
시스템의 평균 탄소 포집은 다음과 같았다.
Figure pct00011
CO2 는 생물 반응기 Bi (120) 에서 물-기체 이동 반응을 통해 생성된다.
본원에 개시된 내용을 이의 특정한 구현예, 실시예 및 응용에 의해 설명하였지만, 청구범위에 기재된 내용의 범위를 벗어나지 않고서, 이것에 대해 당업자에 의한 다수의 수정 및 변형이 이루어질 수 있다.

Claims (36)

  1. 하기의 단계를 포함하는 방법:
    기체 기질 Gx 를 생물 반응기 Bx 에 제공하는 단계, 기체 기질 Gx 는 CO2 를 포함하고, 약 5 mole % 내지 약 90 mole % 의 CO2 를 함유함;
    아세트산 생성 박테리아 Mx 를 생물 반응기 Bx 에 제공하는 단계, 아세트산 생성 박테리아 Mx 는 생물 반응기 Bx 에서의 발효 동안에 활성인 나트륨 전위 ATPase 를 포함함;
    하나 이상의 나트륨 이온 공급원을 통해 나트륨 이온을 생물 반응기 Bx 에 제공하는 단계;
    아세트산 생성 박테리아 Mx 및 하나 이상의 나트륨 이온 공급원을 포함하는 발효 브로스에서 기체 기질 Gx 를 아세트산 생성 박테리아 Mx 로 발효시켜 하나 이상의 유기 산을 생성하는 단계, 발효 브로스는 약 0.01 그램/리터 미만의 효모 추출물, 약 0.01 그램/리터 미만의 탄수화물을 포함하고, 나트륨 이온은 약 290 내지 약 8750 ㎍/세포 그램/분의 나트륨 공급 속도로 제공되며, 발효 브로스는 약 4 내지 약 6.9 의 범위의 pH 에서 유지됨;
    하나 이상의 유기 산의 적어도 일부를 생물 반응기 Bi 에 제공하는 단계;
    기체 기질 Gi 를 생물 반응기 Bi 에 제공하는 단계, 기체 기질 Gi 는 CO 를 포함하고, 약 5 mole % 내지 약 90 mole % 의 CO 를 함유함;
    아세트산 생성 박테리아 Mi 를 생물 반응기 Bi 에 제공하는 단계, 아세트산 생성 박테리아 Mi 는 생물 반응기 Bi 에서의 발효 동안에 활성인 프로톤 전위 ATPase 를 포함함; 및
    생물 반응기 Bi 에서의 기체 기질 Gi 를 아세트산 생성 박테리아 Mi 를 포함하는 발효 브로스에서 아세트산 생성 박테리아 Mi 로 발효시켜, 하나 이상의 알코올을 포함하는 액체 스트림 및 CO2 를 포함하는 기체 스트림 Gp 를 생성하는 단계.
  2. 제 1 항에 있어서, 기체 기질 Gx 가 기체 스트림 Gp 의 적어도 일부를 포함하는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 하나 이상의 유기 산을 포함하는 추가의 스트림이 생물 반응기 Bi 에 제공되는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 기체 기질 Gx 가 H2 를 포함하는 방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 기체 기질 Gx 및 기체 기질 Gi 가 산업용 기체, 발효기 기체 스트림 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 아세트산 생성 박테리아 Mx 가 아세토박테리움 박테리아 (Acetobacterium bacteria), 아세토게니움 키부이 (Acetogenium kivui), 아세토아나에로비움 노테라에 (Acetoanaerobium noterae), 아세토박테리움 우디이 (Acetobacterium woodii), 알칼리바쿨룸 박치 (Alkalibaculum bacchi) CP11 (ATCC BAA-1772), 무렐라 테르모아세티카 (Moorella thermoacetica), 무렐라 테르모아우토트로피카 (Moorella thermoautotrophica), 루미노코쿠스 프로둑투스 (Ruminococcus productus), 아세토게니움 키부이 (Acetogenium kivui), 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 방법.
  7. 제 6 항에 있어서, 아세트산 생성 박테리아 Mx 가 아세토박테리움 우디이 (Acetobacterium woodii) 인 방법.
  8. 제 1 항에 있어서, 나트륨 이온 공급원이 염화 나트륨, 수산화 나트륨, 인산 나트륨, 황산 나트륨, 질산 나트륨, 중탄산 나트륨, 중황산 나트륨 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 화합물에 의해 제공되는 방법.
  9. 제 1 항에 있어서, 유기 산이 하나 이상의 C1 내지 C10 유기 산인 방법.
  10. 제 9 항에 있어서, 유기 산이 아세트산인 방법.
  11. 제 1 항에 있어서, 아세트산 생성 박테리아 Mi 가 클로스트리디움 박테리아 (Clostridium bacteria), 클로스트리디움 아세티쿰 (Clostridium aceticum), 클로스트리디움 아세토부틸리쿰 (Clostridium acetobutylicum), 클로스트리디움 아세토부틸리쿰 (Clostridium acetobutylicum) P262 (DSMZ Germany 의 DSM 19630), 클로스트리디움 아우토에타노게눔 (Clostridium autoethanogenum) (DSMZ Germany 의 DSM 19630), 클로스트리디움 아우토에타노게눔 (Clostridium autoethanogenum) (DSMZ Germany 의 DSM 10061), 클로스트리디움 아우토에타노게눔 (Clostridium autoethanogenum) (DSMZ Germany 의 DSM 23693), 클로스트리디움 아우토에타노게눔 (Clostridium autoethanogenum) (DSMZ Germany 의 DSM 24138), 클로스트리디움 카르복시디보란스 (Clostridium carboxidivorans) P7 (ATCC PTA-7827), 클로스트리디움 코스카티이 (Clostridium coskatii) (ATCC PTA-10522), 클로스트리디움 드라케이 (Clostridium drakei), 클로스트리디움 륭달리이 (Clostridium ljungdahlii) PETC (ATCC 49587), 클로스트리디움 륭달리이 (Clostridium ljungdahlii) ER12 (ATCC 55380), 클로스트리디움 륭달리이 (Clostridium ljungdahlii) C-01 (ATCC 55988), 클로스트리디움 륭달리이 (Clostridium ljungdahlii) O-52 (ATCC 55889), 클로스트리디움 마그눔 (Clostridium magnum), 클로스트리디움 파스튜리아눔 (Clostridium pasteurianum) (DSMZ Germany 의 DSM 525), 클로스트리디움 라그스달레이 (Clostridium ragsdalei) P11 (ATCC BAA-622), 클로스트리디움 스카톨로게네스 (Clostridium scatologenes), 클로스트리디움 테르모아세티쿰 (Clostridium thermoaceticum), 클로스트리디움 울투넨스 (Clostridium ultunense), 아세트산 생성 박테리아 (acetogenic bacteria), 아세토박테리움 박테리아 (Acetobacterium bacteria), 아세토게니움 키부이 (Acetogenium kivui), 아세토아나에로비움 노테라에 (Acetoanaerobium noterae), 아세토박테리움 우디이 (Acetobacterium woodii), 알칼리바쿨룸 박치 (Alkalibaculum bacchi) CP11 (ATCC BAA-1772), 블라우티아 프로둑타 (Blautia producta), 부티리박테리움 메틸로트로피쿰 (Butyribacterium methylotrophicum), 칼다나에로박테르 섭테라네우스 (Caldanaerobacter subterraneous), 칼다나에로박테르 섭테라네우스 파시피쿠스 (Caldanaerobacter subterraneous pacificus), 카르복시도테르무스 히드로게노포르만스 (Carboxydothermus hydrogenoformans), 데술포토마쿨룸 쿠즈네트소비이 (Desulfotomaculum kuznetsovii), 유박테리움 리모숨 (Eubacterium limosum), 게오박테르 술푸레두센스 (Geobacter sulfurreducens), 메타노사르시나 아세티보란스 (Methanosarcina acetivorans), 메타노사르시나 바르케리 (Methanosarcina barkeri), 무렐라 테르모아세티카 (Moorella thermoacetica), 무렐라 테르모아우토트로피카 (Moorella thermoautotrophica), 옥소박테르 펜니기이 (Oxobacter pfennigii), 펩토스트렙토코쿠스 프로둑투스 (Peptostreptococcus productus), 루미노코쿠스 프로둑투스 (Ruminococcus productus), 테르모아나에로박테르 키부이 (Thermoanaerobacter kivui), 클로스트리디움 스틱-란디이 (Clostridium Stick-landii), 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 방법.
  12. 제 11 항에 있어서, 아세트산 생성 박테리아 Mi 가 클로스트리디움 륭달리이 (Clostridium ljungdahlii) C-01 (ATCC 55988) 인 방법.
  13. 하기의 단계를 포함하는 방법:
    기체 기질 Gx 를 생물 반응기 Bx 에 제공하는 단계, 기체 기질 Gx 는 CO2 및 H2 를 포함하고, 약 5 mole % 내지 약 90 mole % 의 CO2 를 함유함;
    아세트산 생성 박테리아 Mx 를 생물 반응기 Bx 에 제공하는 단계, 아세트산 생성 박테리아 Mx 는 생물 반응기 Bx 에서의 발효 동안에 활성인 나트륨 전위 ATPase 를 포함함;
    하나 이상의 나트륨 이온 공급원을 통해 나트륨 이온을 생물 반응기 Bx 에 제공하는 단계;
    아세트산 생성 박테리아 Mx 및 하나 이상의 나트륨 이온 공급원을 포함하는 발효 브로스에서 기체 기질 Gx 를 아세트산 생성 박테리아 Mx 로 발효시켜 하나 이상의 유기 산을 생성하는 단계, 발효 브로스는 약 0.01 그램/리터 미만의 효모 추출물, 약 0.01 그램/리터 미만의 탄수화물을 포함하고, 나트륨 이온은 약 290 내지 약 8750 ㎍/세포 그램/분의 나트륨 공급 속도로 제공되며, 발효 브로스는 약 4 내지 약 6.9 의 범위의 pH 에서 유지됨;
    하나 이상의 유기 산의 적어도 일부를 생물 반응기 Bi 에 제공하는 단계;
    기체 기질 Gi 를 생물 반응기 Bi 에 제공하는 단계, 기체 기질 Gi 는 CO 를 포함하고, 약 5 mole % 내지 약 90 mole % 의 CO 를 함유함;
    아세트산 생성 박테리아 Mi 를 생물 반응기 Bi 에 제공하는 단계, 아세트산 생성 박테리아 Mi 는 생물 반응기 Bi 에서의 발효 동안에 활성인 프로톤 전위 ATPase 를 포함함; 및
    생물 반응기 Bi 에서의 기체 기질 Gi 를 아세트산 생성 박테리아 Mi 를 포함하는 발효 브로스에서 아세트산 생성 박테리아 Mi 로 발효시켜, 하나 이상의 알코올을 포함하는 액체 스트림 및 CO2 를 포함하는 기체 스트림 Gp 를 생성하는 단계.
  14. 제 13 항에 있어서, 기체 기질 Gx 가 기체 스트림 Gp 의 적어도 일부를 포함하는 방법.
  15. 제 13 항에 있어서, 하나 이상의 유기 산을 포함하는 추가의 스트림이 생물 반응기 Bi 에 제공되는 방법.
  16. 제 13 항에 있어서, 기체 기질 Gx 및 기체 기질 Gi 가 산업용 기체, 발효기 기체 스트림 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 방법.
  17. 제 13 항에 있어서, 아세트산 생성 박테리아 Mx 가 아세토박테리움 박테리아 (Acetobacterium bacteria), 아세토게니움 키부이 (Acetogenium kivui), 아세토아나에로비움 노테라에 (Acetoanaerobium noterae), 아세토박테리움 우디이 (Acetobacterium woodii), 알칼리바쿨룸 박치 (Alkalibaculum bacchi) CP11 (ATCC BAA-1772), 무렐라 테르모아세티카 (Moorella thermoacetica), 무렐라 테르모아우토트로피카 (Moorella thermoautotrophica), 루미노코쿠스 프로둑투스 (Ruminococcus productus), 아세토게니움 키부이 (Acetogenium kivui), 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 방법.
  18. 제 17 항에 있어서, 아세트산 생성 박테리아 Mx 가 아세토박테리움 우디이 (Acetobacterium woodii) 인 방법.
  19. 제 13 항에 있어서, 나트륨 이온 공급원이 염화 나트륨, 수산화 나트륨, 인산 나트륨, 황산 나트륨, 질산 나트륨, 중탄산 나트륨, 중황산 나트륨 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 화합물에 의해 제공되는 방법.
  20. 제 13 항에 있어서, 유기 산이 하나 이상의 C1 내지 C10 유기 산인 방법.
  21. 제 20 항에 있어서, 유기 산이 아세트산인 방법.
  22. 제 13 항에 있어서, 아세트산 생성 박테리아 Mi 가 클로스트리디움 박테리아 (Clostridium bacteria), 클로스트리디움 아세티쿰 (Clostridium aceticum), 클로스트리디움 아세토부틸리쿰 (Clostridium acetobutylicum), 클로스트리디움 아세토부틸리쿰 (Clostridium acetobutylicum) P262 (DSMZ Germany 의 DSM 19630), 클로스트리디움 아우토에타노게눔 (Clostridium autoethanogenum) (DSMZ Germany 의 DSM 19630), 클로스트리디움 아우토에타노게눔 (Clostridium autoethanogenum) (DSMZ Germany 의 DSM 10061), 클로스트리디움 아우토에타노게눔 (Clostridium autoethanogenum) (DSMZ Germany 의 DSM 23693), 클로스트리디움 아우토에타노게눔 (Clostridium autoethanogenum) (DSMZ Germany 의 DSM 24138), 클로스트리디움 카르복시디보란스 (Clostridium carboxidivorans) P7 (ATCC PTA-7827), 클로스트리디움 코스카티이 (Clostridium coskatii) (ATCC PTA-10522), 클로스트리디움 드라케이 (Clostridium drakei), 클로스트리디움 륭달리이 (Clostridium ljungdahlii) PETC (ATCC 49587), 클로스트리디움 륭달리이 (Clostridium ljungdahlii) ER12 (ATCC 55380), 클로스트리디움 륭달리이 (Clostridium ljungdahlii) C-01 (ATCC 55988), 클로스트리디움 륭달리이 (Clostridium ljungdahlii) O-52 (ATCC 55889), 클로스트리디움 마그눔 (Clostridium magnum), 클로스트리디움 파스튜리아눔 (Clostridium pasteurianum) (DSMZ Germany 의 DSM 525), 클로스트리디움 라그스달리 (Clostridium ragsdali) P11 (ATCC BAA-622), 클로스트리디움 스카톨로게네스 (Clostridium scatologenes), 클로스트리디움 테르모아세티쿰 (Clostridium thermoaceticum), 클로스트리디움 울투넨스 (Clostridium ultunense), 아세트산 생성 박테리아 (acetogenic bacteria), 아세토박테리움 박테리아 (Acetobacterium bacteria), 아세토게니움 키부이 (Acetogenium kivui), 아세토아나에로비움 노테라에 (Acetoanaerobium noterae), 아세토박테리움 우디이 (Acetobacterium woodii), 알칼리바쿨룸 박치 (Alkalibaculum bacchi) CP11 (ATCC BAA-1772), 블라우티아 프로둑타 (Blautia producta), 부티리박테리움 메틸로트로피쿰 (Butyribacterium methylotrophicum), 칼다나에로박테르 섭테라네우스 (Caldanaerobacter subterraneous), 칼다나에로박테르 섭테라네우스 파시피쿠스 (Caldanaerobacter subterraneous pacificus), 카르복시도테르무스 히드로게노포르만스 (Carboxydothermus hydrogenoformans), 데술포토마쿨룸 쿠즈네트소비이 (Desulfotomaculum kuznetsovii), 유박테리움 리모숨 (Eubacterium limosum), 게오박테르 술푸레두센스 (Geobacter sulfurreducens), 메타노사르시나 아세티보란스 (Methanosarcina acetivorans), 메타노사르시나 바르케리 (Methanosarcina barkeri), 무렐라 테르모아세티카 (Moorella thermoacetica), 무렐라 테르모아우토트로피카 (Moorella thermoautotrophica), 옥소박테르 펜니기이 (Oxobacter pfennigii), 펩토스트렙토코쿠스 프로둑투스 (Peptostreptococcus productus), 루미노코쿠스 프로둑투스 (Ruminococcus productus), 테르모아나에로박테르 키부이 (Thermoanaerobacter kivui), 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 방법.
  23. 제 22 항에 있어서, 아세트산 생성 박테리아 Mi 가 클로스트리디움 륭달리이 (Clostridium ljungdahlii) C-01 (ATCC 55988) 인 방법.
  24. 하기의 단계를 포함하는 방법:
    기체 기질 Gx 를 생물 반응기 Bx 에 제공하는 단계, 기체 기질 Gx 는 CO2 를 포함하고, 약 5 mole % 내지 약 90 mole % 의 CO2 를 함유함;
    아세트산 생성 박테리아 Mx 를 생물 반응기 Bx 에 제공하는 단계, 아세트산 생성 박테리아 Mx 는 생물 반응기 Bx 에서의 발효 동안에 활성인 나트륨 전위 ATPase 를 포함함;
    하나 이상의 나트륨 이온 공급원을 통해 나트륨 이온을 생물 반응기 Bx 에 제공하는 단계;
    아세트산 생성 박테리아 Mx 및 하나 이상의 나트륨 이온 공급원을 포함하는 발효 브로스에서 기체 기질 Gx 를 아세트산 생성 박테리아 Mx 로 발효시켜 하나 이상의 유기 산을 생성하는 단계, 발효 브로스는 약 0.01 그램/리터 미만의 효모 추출물, 약 0.01 그램/리터 미만의 탄수화물을 포함하고, 나트륨 이온은 약 290 내지 약 8750 ㎍/세포 그램/분의 나트륨 공급 속도로 제공되며, 발효 브로스는 약 4 내지 약 6.9 의 범위의 pH 에서 유지됨;
    하나 이상의 유기 산의 적어도 일부를 생물 반응기 시스템 Bi-s 에 제공하는 단계;
    기체 기질 Gi 를 생물 반응기 시스템 Bi-s 에 제공하는 단계, 기체 기질 Gi 는 CO 를 포함하고, 약 5 mole % 내지 약 90 mole % 의 CO 를 함유함;
    아세트산 생성 박테리아 Mi 를 생물 반응기 시스템 Bi-s 에 제공하는 단계, 아세트산 생성 박테리아 Mi 는 생물 반응기 시스템 Bi-s 에서의 발효 동안에 활성인 프로톤 전위 ATPase 를 포함함; 및
    생물 반응기 시스템 Bi-s 에서의 기체 기질 Gi 를 아세트산 생성 박테리아 Mi 를 포함하는 발효 브로스에서 아세트산 생성 박테리아 Mi 로 발효시켜, 하나 이상의 알코올을 포함하는 액체 스트림 및 CO2 를 포함하는 기체 스트림 Gp 를 생성하는 단계.
  25. 제 24 항에 있어서, 생물 반응기 시스템 Bi-s 가 2 개 이상의 생물 반응기 Bi-n 을 포함하는 방법.
  26. 제 24 항에 있어서, 기체 기질 Gi 가 시간 당 발포하는 배양 부피의 약 10 % 이하를 생성하는데 효과적인 표면 기체 속도를 달성하기 위해서 2 개 이상의 생물 반응기 Bi-n 에 제공되는 방법.
  27. 제 24 항에 있어서, 기체 기질 Gx 가 기체 스트림 Gp 의 적어도 일부를 포함하는 방법.
  28. 제 24 항에 있어서, 기체 기질 Gx 가 H2 를 포함하는 방법.
  29. 제 24 항에 있어서, 기체 기질 Gx 및 기체 기질 Gi 가 산업용 기체, 발효기 기체 스트림 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 방법.
  30. 제 24 항에 있어서, 아세트산 생성 박테리아 Mx 가 아세토박테리움 박테리아 (Acetobacterium bacteria), 아세토게니움 키부이 (Acetogenium kivui), 아세토아나에로비움 노테라에 (Acetoanaerobium noterae), 아세토박테리움 우디이 (Acetobacterium woodii), 알칼리바쿨룸 박치 (Alkalibaculum bacchi) CP11 (ATCC BAA-1772), 무렐라 테르모아세티카 (Moorella thermoacetica), 무렐라 테르모아우토트로피카 (Moorella thermoautotrophica), 루미노코쿠스 프로둑투스 (Ruminococcus productus), 아세토게니움 키부이 (Acetogenium kivui), 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 방법.
  31. 제 30 항에 있어서, 아세트산 생성 박테리아 Mx 가 아세토박테리움 우디이 (Acetobacterium woodii) 인 방법.
  32. 제 24 항에 있어서, 나트륨 이온 공급원이 염화 나트륨, 수산화 나트륨, 인산 나트륨, 황산 나트륨, 질산 나트륨, 중탄산 나트륨, 중황산 나트륨 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 화합물에 의해 제공되는 방법.
  33. 제 22 항에 있어서, 유기 산이 하나 이상의 C1 내지 C10 유기 산인 방법.
  34. 제 33 항에 있어서, 유기 산이 아세트산인 방법.
  35. 제 24 항에 있어서, 아세트산 생성 박테리아 Mi 가 클로스트리디움 박테리아 (Clostridium bacteria), 클로스트리디움 아세티쿰 (Clostridium aceticum), 클로스트리디움 아세토부틸리쿰 (Clostridium acetobutylicum), 클로스트리디움 아세토부틸리쿰 (Clostridium acetobutylicum) P262 (DSMZ Germany 의 DSM 19630), 클로스트리디움 아우토에타노게눔 (Clostridium autoethanogenum) (DSMZ Germany 의 DSM 19630), 클로스트리디움 아우토에타노게눔 (Clostridium autoethanogenum) (DSMZ Germany 의 DSM 10061), 클로스트리디움 아우토에타노게눔 (Clostridium autoethanogenum) (DSMZ Germany 의 DSM 23693), 클로스트리디움 아우토에타노게눔 (Clostridium autoethanogenum) (DSMZ Germany 의 DSM 24138), 클로스트리디움 카르복시디보란스 (Clostridium carboxidivorans) P7 (ATCC PTA-7827), 클로스트리디움 코스카티이 (Clostridium coskatii) (ATCC PTA-10522), 클로스트리디움 드라케이 (Clostridium drakei), 클로스트리디움 륭달리이 (Clostridium ljungdahlii) PETC (ATCC 49587), 클로스트리디움 륭달리이 (Clostridium ljungdahlii) ER12 (ATCC 55380), 클로스트리디움 륭달리이 (Clostridium ljungdahlii) C-01 (ATCC 55988), 클로스트리디움 륭달리이 (Clostridium ljungdahlii) O-52 (ATCC 55889), 클로스트리디움 마그눔 (Clostridium magnum), 클로스트리디움 파스튜리아눔 (Clostridium pasteurianum) (DSMZ Germany 의 DSM 525), 클로스트리디움 라그스달리 (Clostridium ragsdali) P11 (ATCC BAA-622), 클로스트리디움 스카톨로게네스 (Clostridium scatologenes), 클로스트리디움 테르모아세티쿰 (Clostridium thermoaceticum), 클로스트리디움 울투넨스 (Clostridium ultunense), 아세트산 생성 박테리아 (acetogenic bacteria), 아세토박테리움 박테리아 (Acetobacterium bacteria), 아세토게니움 키부이 (Acetogenium kivui), 아세토아나에로비움 노테라에 (Acetoanaerobium noterae), 아세토박테리움 우디이 (Acetobacterium woodii), 알칼리바쿨룸 박치 (Alkalibaculum bacchi) CP11 (ATCC BAA-1772), 블라우티아 프로둑타 (Blautia producta), 부티리박테리움 메틸로트로피쿰 (Butyribacterium methylotrophicum), 칼다나에로박테르 섭테라네우스 (Caldanaerobacter subterraneous), 칼다나에로박테르 섭테라네우스 파시피쿠스 (Caldanaerobacter subterraneous pacificus), 카르복시도테르무스 히드로게노포르만스 (Carboxydothermus hydrogenoformans), 데술포토마쿨룸 쿠즈네트소비이 (Desulfotomaculum kuznetsovii), 유박테리움 리모숨 (Eubacterium limosum), 게오박테르 술푸레두센스 (Geobacter sulfurreducens), 메타노사르시나 아세티보란스 (Methanosarcina acetivorans), 메타노사르시나 바르케리 (Methanosarcina barkeri), 무렐라 테르모아세티카 (Moorella thermoacetica), 무렐라 테르모아우토트로피카 (Moorella thermoautotrophica), 옥소박테르 펜니기이 (Oxobacter pfennigii), 펩토스트렙토코쿠스 프로둑투스 (Peptostreptococcus productus), 루미노코쿠스 프로둑투스 (Ruminococcus productus), 테르모아나에로박테르 키부이 (Thermoanaerobacter kivui), 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 방법.
  36. 제 35 항에 있어서, 아세트산 생성 박테리아 Mi 가 클로스트리디움 륭달리이 (Clostridium ljungdahlii) C-01 (ATCC 55988) 인 방법.
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