KR20210145206A - 온실가스 개선된 발효 - Google Patents

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KR20210145206A
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헨드리크 얀 누르만
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디에스엠 아이피 어셋츠 비.브이.
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Abstract

본 발명은 유기 공급원료를 이용할 수 있는 미생물의 배양 방법에 관한 것으로서, (i) 하나 이상의 생물반응기(1)에서 미생물을 배양하는 단계; (ii) 상기 하나 이상의 생물반응기(1)로부터 CO2를 포집하고, 상기 CO2를 환원 유닛(3)에서 유기 공급원료로 환원시키는 단계; 및 (iii) 상기 환원 유닛(3)으로부터 상기 유기 공급원료의 적어도 일부를 하나 이상의 생물반응기(1)로 공급하는 단계를 포함한다.

Description

온실가스 개선된 발효
본 발명은 유기 공급원료를 이용할 수 있는 미생물의 배양 방법에 관한 것이다. 또 다른 태양에 따라, 본 발명은 유기 공급원료를 이용할 수 있는 미생물의 배양 시스템에 관한 것이다.
미생물은 미생물 자체 또는 미생물이 생산하는 대사산물의 산업적 생산을 위해 대규모로 사용된다. 이러한 산업적 발효 공정과 공장 또는 바이오리파이너리(biorefinery)에 포함된 우회 작업은 에너지 집약적이며 미생물 자체의 대사뿐만 아니라 에너지 사용으로 인해 CO2가 배출된다. 기후 변화의 관점에서, CO2 배출이 감소되거나 CO2 배출이 없거나, 심지어 음의 CO2 배출을 갖는 산업적 발효 공정에 대한 긴급한 필요가 존재한다.
첫 번째 태양에 따라, 본 발명은
(i) 하나 이상의 생물반응기(1)에서 미생물을 배양하는 단계;
(ii) 상기 하나 이상의 생물반응기(1)로부터, 바람직하게는 포집 유닛(2)에서 CO2를 포집하고, 바람직하게는 환원 유닛(3)에서 상기 CO2를 유기 공급원료로 환원시키는 단계; 및
(iii) 바람직하게는 상기 환원 유닛(3)으로부터 상기 유기 공급원료의 적어도 일부를 하나 이상의 생물반응기(1)로 공급하고, 바람직하게는 상기 하나 이상의 생물반응기에서 상기 환원 유닛(3)으로부터 상기 유기 공급원료의 적어도 일부를 공급하는 단계
를 포함하는, 유기 공급원료를 이용할 수 있는 미생물의 배양 방법에 관한 것이다.
본 발명자는 본 발명이 CO2 배출이 감소된, 또는 심지어 CO2 배출이 없는 미생물 배양을 제공함을 발견하였다. 또한, 유기 공급원료를 하나 이상의 생물반응기에 공급함으로써, 미생물 생육에 사용되는 탄소 기질, 즉 당, 에탄올, 글리세롤, 올리고사카라이드, 폴리사카라이드, 오일 또는 당 알콜을 줄일 수 있다. 이는 사용되는 당에 따른 바이오매스 수율이 증가됨을 의미하고, 이는 개선된 생산 공정을 제공한다.
도 1의 실시태양에서, 기질 당이 도관(13)을 통해 생물반응기(1)에 도입된다. 생물반응기(1)는 유기 공급원료를 이용할 수 있는 미생물의 발효를 허용하는 도관을 제공한다. 미생물 또는 상기 미생물에 의해 생성된 관심 화합물과 같은 생성된 생성물은 도관(14)을 통해 생물반응기(1)를 떠난다. 생물반응기에서 형성된 CO2는 도관(15)을 통해 CO2 포집 유닛(2)에 도입된다. 환원 유닛(3)에서 CO2는 H2를 이용하여 유기 공급원료를 향해 환원된다. 유기 공급원료는 도관(10)을 통해 생물반응기(1)에 도입되어, 상기 유기 공급원료를 이용할 수 있는 미생물의 발효를 가능하게 한다. 바람직하게는, 생물반응기에 도입된 유기 공급원료의 양은 기질 당의 양보다 적다. 이점은 CO2가 환경으로 방출되지 않고, 발효 공정에 필요한 당의 양을 줄일 수 있다는 것이다. CO2의 유기 공급원료로의 환원에 필요한 H2는 환원(3)에 도입될 수 있으며 이를 공급기로부터 얻을 수 있다. 바람직하게, 전기분해 유닛(4)은 수를 H2 및 O2로 전기분해한다. H2는 도관(11)을 통해 환원 유닛(3)에 도입될 수 있다. O2는 생물반응기(1)내로 도입될 수 있다. 대안으로, 공기가 호기성 공정을 위해 생물반응기(1)에 도입될 수 있다.
도 2의 실시태양에서, 도 1의 실시태양 외에, 제2 생물반응기(1')가 존재한다. 전기분해 유닛(4)은 수를 H2 및 O2로 전기분해한다. H2는 도관(11)을 통해 환원 유닛(3)에 도입될 수 있다. 유리하게, H2는 H2를 이용할 수 있는 미생물의 발효를 위해 생물반응기(1')에 도입될 수 있다. 이는 H2를 함께 공급하는 것이, 필요한 당의 양을 감소시키고, 생물반응기(1')에서 미생물에 의해 형성된 CO2의 양을 감소시킬 수 있다는 점에서 유리하다.
도 3은 통상적인 시스템에서, 필요한 기질 및 O2, 생성된 에탄올 및 효모, 및 배출된 CO2의 계산을 도시한다.
도 4의 실시태양에서, 호기성 생물반응기(1)는 유입구(13)를 통해 당 및 유입구(12)를 통해 O2를 사용하여, 유출구(14)를 통해 효모를 생성시킨다. O2는 전기분해 유닛(4)에 의해 생성된다. 전기분해 유닛(4)은 H2를 생성시키고 이는 도관(11)을 통해 환원 유닛(3)에 도입된다. 호기성 생물반응기(1)로부터의 CO2는 도관(15)을 통해 유닛(2)에서 포집된다. CO2는 환원 유닛(3)에서 포름산으로 환원되고 도관(10)을 통해 효모 생물반응기(1)에 도입된다.
작동시, 도 4의 실시태양은 도 3에서와 동일한 양의 효모를 생성시킨다. 그러나, CO2가 환경으로 방출되지 않으며, 효모 발효에 필요한 당 및 O2의 양이 현저하게 감소된다.
도 5의 실시태양에서, 생물반응기(1)에서 효모의 생성을 위한 호기성 발효가 생물반응기(1')에서 에탄올의 생성을 위한 혐기성 에탄올 발효와 병행된다. 전기분해 유닛(4)에 의해 생성된 O2는 도관(12)을 통해 호기성 효모 생물반응기(1)에 도입된다. 전기분해 유닛(4)에 의해 생성된 H2는 도관(12')을 통해 혐기성 에탄올 생물반응기(1)에, 및 도관(11)을 통해 환원 유닛(3)에 도입된다. CO2는 오직 도관(15)을 통해 호기성 효모 생물반응기(1)로부터 포집된다. 포름산은 오직 도관(10)을 통해서만 호기성 효모 생물반응기(1)에 도입되고, 임의의 잉여 포름산은 외부 사용을 위해 수집된다.
작동시, 도 5의 실시태양은 CO2의 생성 없이 에탄올의 생성을 허용한다. 더욱이, 에탄올의 생성에 필요한 당의 양은 H2의 공급으로 인해 감소된다. 호기성 효모 발효는 감소된 양의 당을 사용하여 동일한 양의 효모를 생성시킨다. CO2가 환경으로 방출되지 않는다. 발효에 필요한 O2는 전기분해 유닛으로부터 전적으로 유래된다. 따라서, 도 5는 CO2 중립 발효 공정을 허용하는 시스템을 도시한다.
도 6의 실시태양에서, 생물반응기(1)에서의 호기성 효모 생성이 생물반응기(1')에서의 혐기성 에탄올 생성과 병행된다. 전기분해 유닛(4)에 의해 생성된 O2는 도관(12)을 통해 호기성 효모 생물반응기(1)에 도입된다. 전기분해 유닛(4)에 의해 생성된 H2는 도관(11)을 통해 환원 유닛(3)에 도입된다. CO2는 오직 도관(15)을 통해 혐기성 에탄올 생물반응기(1')로부터 포집된다. 포름산은 오직 도관(10)을 통해 호기성 효모 생물반응기(1)에 도입된다.
작동시, 도 6의 실시태양은 오직 생물반응기(1)에서 호기성 효모 발효에 필요한 양의 포름산만을 생성시킨다. 포름산 생성에 필요하지 않은 2개의 생물반응기(1) 모두로부터의 임의의 잉여 CO2는 방출된다. 이 실시태양은 효모의 발효에 필요한 당의 감소를 허용하는 반면, 전기분해 유닛(4)에서 수의 가수분해에 필요한 에너지는 최소화한다.
도 7의 실시태양에서, 호기성 생물반응기(1)는 유입구(13)를 통한 당 및 유입구(12)를 통한 O2를 사용하여, 유출구(14)를 통해 효모를 생성시킨다. 혐기성 생물반응기(1')는 유입구(13')를 통한 당을 사용하여, 유출구(14')를 통해 에탄올을 생성시킨다. 호기성 효모 생물반응기(1) 및 혐기성 에탄올 발효 생물반응기(1') 모두로부터의 CO2는 도관(15)을 통해 유닛(2)에서 포집된다. CO2는 환원 유닛(3)에서 포름산으로 환원되고 호기성 효모 생물반응기(1) 및 혐기성 에탄올 발효 생물반응기(1') 모두에 도관(10)을 사용하여 도입된다. 임의의 잉여 포름산이 도관(10) 상의 유출구를 통해 수집된다. 전기분해 유닛(4)은 수를 H2 및 O2로 전기분해한다. H2는 도관(11)을 통해 환원 유닛(3)에 도입된다. O2는 호기성 효모 발효 생물반응기(1)에 도입된다. 임의의 잉여 O2는 도관(16)을 통해 시스템을 떠난다.
작동시, 도 7의 실시태양은 최소량의 당을 사용하여 에탄올 및 효모 생성에 도달한다. 모든 CO2가 포집되고 포름산으로 환원된다. 생물반응기에서 생육된 미생물은 포름산을 이용할 수 있다.
도 8의 실시태양에서, 호기성 효모 생물반응기(1) 및 혐기성 생물반응기(1') 모두로부터의 CO2는 도관(15)을 통해 유닛(2)에서 포집된다. CO2는 환원 유닛(3)에서 포름산으로 환원되고 도관(10)을 사용하여 호기성 효모 생물반응기(1) 및 혐기성 생물반응기(1') 모두에 도입된다. 전기분해 유닛(4)은 수를 H2 및 O2로 전기분해한다. H2는 도관(11)을 통해 환원 유닛(3)에 도입된다. O2는 호기성 효모 발효 생물반응기(1)에 도입된다. 임의의 잉여 O2는 도관(16)을 통해 시스템을 떠난다.
작동시, 도 8의 실시태양은 최소량의 당을 사용하여 에탄올 및 효모 생성에 도달한다. 포집되고 포름산으로 환원된 CO2의 양은 포름산의 생성에 필요한 양에 맞게 조정된다. 임의의 CO2 잉여물은 배출된다. 생물반응기에서 생육된 미생물은 단지 포름산을 이용할 수 있을 필요가 있을 뿐이다. 이 실시태양에서, 전기는 포름산 형성을 위한 수의 최소 전기분해에 필요한 것으로 감소된다.
도 9는 통상적인 시스템에서, 필요한 기질 및 O2, 생성된 페니실린 및 효모, 및 배출된 CO2의 계산을 도시한다.
도 10은 호기성 효모 생물반응기(1) 및 호기성 페니실린 생물반응기(1') 모두로부터의 CO2가 도관(15)을 통해 유닛(2)에서 포집되는 본 발명의 실시태양을 도시한다. CO2는 환원 유닛(3)에서 포름산으로 환원되고 도관(10)을 사용하여 호기성 효모 생물반응기(1) 및 호기성 페니실린 생물반응기(1') 모두에 도입된다. 전기분해 유닛(4)은 수를 H2 및 O2로 전기분해한다. H2는 도관(11)을 통해 환원 유닛(3)에 도입된다. O2는 호기성 효모 발효 생물반응기(1) 및 호기성 페니실린 생물반응기(1')에 도입된다. 생물반응기(1) 중의 효모는 포름산을 이용할 수 있다. 생물반응기(1') 중의 페니실리움은 포름산을 이용할 수 있다.
작동시, 도 10의 실시태양은 비교 도 9에서와 동일한 양의 페니실리움 및 효모를 생성시키는 반면, 동일한 수율을 생성시키는데 필요한 당의 양이 63.3 kt에서 48.6 kt로 감소하고, 외부에서 공급되는 O2의 양이 31.8 kt에서 16.1 kt로 감소된다.
본 발명의 문맥상 사용되는 바와 같은 '생물반응기'란 용어는 산소의 존재 또는 부재하에서 미생물의 조절된 배양에 적합한 발효 용기이다.
'CO2 포집 유닛'은 CO2를 하나 이상의 생물반응기(1)의 오프-가스(off-gas)로부터 포집하기에 적합한 물리적 수단이다.
'CO2 환원 유닛'은 CO2의 유기 공급원료로의 환원에 적합한, 장치 또는 장비와 같은 물리적 수단이다.
본 발명의 문맥상 사용되는 바와 같은 '유기 공급원료를 이용할 수 있는 미생물'은 상기 유기 공급원료를 동화시킬 수 있는 미생물을 의미한다.
본 발명의 문맥상 사용되는 바와 같은 '유기 공급원료'는 CO2의 환원으로부터 생성되는 탄소 함유 원료 물질이다. 바람직하게, 본 발명의 유기 공급원료는 CO2로부터 유래할 수 있다. 보다 바람직하게, 본 발명의 유기 공급원료는 CO2의 전기화학적 환원, CO2의 미생물적 환원, CO2를 전환시키는 효소 공정, 또는 유기 합성 공정을 사용하여 CO2로부터 유래될 수 있다. 다르게는, 본 발명의 문맥상 사용되는 바와 같은 유기 공급원료는 CO2 유래된 에너지 운반체로서 정의될 수 있다. 바람직하게, 하나 이상의 생물반응기내로 도입되는 유기 공급원료의 양은 상기 하나 이상의 생물반응기내로의 기질의 양보다 적다.
바람직한 실시태양에서, 본 발명의 유기 공급원료, 또는 CO2 유래된 에너지 운반체는 포름산(HCOOH), 메탄올(CH3OH), 에틸렌(C2H4), 에탄올(C2H5OH), 1-프로판올(CH3CH2CH2OH), 메탄(CH4), 아세트산(CH3COOH) 및 일산화탄소(CO)로 이루어진 군으로부터 선택된다. 보다 바람직하게, 본 발명의 유기 공급원료는 포름산이다. 포름산을 사용하는 이점은 상기 산이 CO2로부터 효율적으로 생성될 수 있고, 미생물이 포름산을 이용할 수 있다는 것이다. 미생물은 포름산을 본래적으로 이용할 수 있거나 또는 미생물을 포름산을 이용할 수 있도록 조작할 수 있다. 따라서, 본 발명의 미생물은 바람직하게는 포름산을 이용할 수 있다.
바람직한 실시태양에서, 본 발명의 유기 공급원료는 포메이트가 아니다. 포메이트의 단점은 포메이트가 양이온과 균형을 이룰 것이 요구되고, 적정을 통해 공급되어야 할 필요가 있는 음이온이라는 것이다. 후속적으로 발효에서, 포름산의 흡수는 양이온과 균형을 이루기 위해 역-적정의 필요성을 초래한다. 결과적으로, 공-생성물로서 염이 생성될 것이며, 이는 경제적 및 환경적 이유로 대단히 바람직하지 않다.
본 발명의 문맥상 사용되는 바와 같은 '미생물 배양'은 바이오매스의 생성, 및/또는 효소, 지질, 폴리사카라이드, 비타민 및 항생제와 같은 복합 화합물을 포함하여, 세포외 대사산물 및/또는 세포내 대사산물과 같은 관심 화합물의 생성을 포함한다.
바람직하게, 상기 발효는 산업적인 규모이다. 보다 바람직하게, 상기 하나 이상의 생물반응기(1)는 각각 10 L 초과, 보다 바람직하게는 100 L 초과, 훨씬 더 바람직하게는 1000 L 초과, 가장 바람직하게는 10000 L 초과의 부피를 갖는다.
하나 이상의 생물반응기(1)에서 미생물의 배양 단계 (i)는 혐기성 발효 및/또는 호기성 발효일 수 있다.
하나 이상의 생물반응기(1)로부터 CO2 포집 및 환원 유닛(3)에서 상기 CO2의 유기 공급원료로의 환원 단계 (ii)는 상기 하나 이상의 생물반응기(1)의 오프-가스로부터 CO2를 포집하고 상기 포집된 CO2를 유기 공급원료로 환원시킴을 의미한다. 환원 유닛(3)에서 상기 CO2의 포집 및 유기 공급원료로의 환원을 공지된 방법 및 장비에 의해 수행할 수 있다. 바람직하게, 상기 CO2의 환원은 CO2의 전기화학적 환원이다. 대안으로, 환원 유닛(3)에서 상기 CO2를 유기 공급원료로 환원시키는 것은 CO2의 광전기화학적 환원, CO2의 효소적 환원, 또는 CO2의 미생물적 환원이다. CO2의 포름산으로의 환원을 위한 전기화학적 공정의 일례는 US 2012/0228147에 개시되어 있다.
바람직한 실시태양에서, 상기 하나 이상의 생물반응기의 오프-가스는 50% 초과, 바람직하게는 55% 초과, 바람직하게는 60% 초과, 바람직하게는 65% 초과, 바람직하게는 70% 초과, 바람직하게는 75% 초과, 바람직하게는 80% 초과, 바람직하게는 85% 초과, 바람직하게는 90% 초과, 바람직하게는 95% 초과인 CO2의 농도를 포함한다. 대안으로, 상기 오프-가스는 50% 미만, 바람직하게는 40% 미만, 바람직하게는 30% 미만, 바람직하게는 20% 미만, 바람직하게는 10% 미만, 바람직하게는 5% 미만인 CO2 농도를 포함한다. 바람직하게, 상기 하나 이상의 생물반응기의 오프-가스는 90% 초과의 CO2 농도를 포함하고 하나 이상의 다른 생물반응기로부터의 오프-가스는 10% 미만의 CO2 농도를 포함한다. 예를 들어 혐기성 공정은 매우 높은 CO2 농도를 갖는 오프-가스를 제공하는 반면 호기성 공정은 CO2 농도가 낮은 오프-가스를 제공한다.
환원 유닛으로부터 하나 이상의 생물반응기(1)로 유기 공급원료의 적어도 일부를 공급하는 단계 (iii)은 상기 환원 유닛(3)으로부터 상기 유기 공급원료의 10%(w/w) 이상을 공급함을 포함한다. 보다 바람직하게, 상기 환원 유닛(3)으로부터 상기 생물반응기(1)로 상기 유기 공급원료의 20%(w/w) 이상, 30%(w/w) 이상, 40%(w/w) 이상, 50%(w/w) 이상, 60%(w/w) 이상, 70%(w/w) 이상, 80%(w/w) 이상, 90%(w/w) 이상, 95%(w/w) 이상 또는 99%(w/w) 이상을 공급한다. 보다 바람직하게, 형성된 유기 공급원료의 100%를 상기 하나 이상의 생물반응기(1)내로 공급한다. 유리하게, 본 발명의 방법은 CO2로부터 환원되는 유기 공급원료의 양이 생물반응기내로 함께 공급하기 위해 사용될 수 있는 유기 공급원료의 양과 합치한다는 점에서 최적화될 수 있다. 이는 CO2 배출을 감소시키며, CO2 감소에 필요한 장비가 보다 작을 수 있으므로 보다 저렴한 비용으로 실행될 수 있는 개선된 방법을 제공한다. 다른 한편으로, 탄소 가격의 관점에서, 유기 공급원료로 형성되는 모든 CO2를 줄이는 것이 유리할 수 있다. 임의의 잉여 유기 공급원료, 즉 생물반응기(1)에 함께 공급될 수 없는 공급원료는 다른 상업적 목적으로 사용될 수 있다. 따라서, 본 발명의 방법은 형성된 유기 공급원료를 수집하고 이를 포장 및/또는 운송하는 단계를 포함할 수 있다.
바람직한 실시태양에서, 본 발명의 방법은 2개, 또는 2개 이상의 생물반응기, 보다 바람직하게는 3개, 또는 3개 이상의 생물반응기, 가장 바람직하게는 4개, 또는 4개 이상의 생물반응기를 사용한다. 상기 생물반응기는 동일한 미생물을 발효시키거나, 또는 각각의 생물반응기가 상이한 유형의 미생물을 발효시킬 수 있다. 예를 들어 2개의 생물반응기가 사용되는 경우에, 동일한 미생물이 발효될 수 있지만, 또한 2개의 상이한 유형의 미생물이 발효될 수도 있다. 상이한 유형의 미생물을 조합하는 장점은 서로의 폐기물 스트림을 효율적으로 사용하는 조합을 선택할 수 있다는 것이다. 또한, CO2로부터 환원된 상이한 유형의 유기 공급원료는, 하나의 미생물이 또 다른 미생물보다 하나의 유형의 유기 공급원료를 이용하는데 있어서 더 우수할 수 있기 때문에 상이한 미생물들에 의해 사용될 수 있다. 이러한 융통성은 본 발명의 적용 가능성을 증가시킨다.
바람직한 실시태양에서, 본 발명의 미생물은 효모, 사상균, 세균 및 조류로 이루어진 군으로부터 선택된다. 추가의 바람직한 실시태양에서, 상기 미생물은 효모, 사상균, 세균 및 조류로 이루어진 군으로부터의 2개의 상이한 미생물을 포함한다. 보다 바람직하게, 상기 미생물은 효모, 사상균, 세균 및 조류로 이루어진 군으로부터의 심지어 4개의 상이한 미생물 중 3개를 포함한다. 예를 들어, 본 발명의 미생물은 효모 및 사상균을 포함한다. 보다 바람직하게, 본 발명의 방법은 하나의 생물반응기에서 효모를 배양하고, 두 번째 생물반응기에서 사상균을 배양하는 것을 포함한다.
효모 세포는 바람직하게는 칸디다(Candida), 한세눌라(Hansenula), 칼루이베로마이세스(Kluyveromyces), 피키아(Pichia), 사카로마이세스(Saccharomyces), 스키조사카로마이세스(Schizosaccharomyces), 또는 야로위아(Yarrowia)의 속에 속하는 효모이다. 보다 바람직하게, 본 발명의 효소는 클루이베로마이세스 락티스(Kluyveromyces lactis), 사카로마이세스 세레비지아에(Saccharomyces cerevisiae), 한세눌라 폴리모르파(Hansenula polymorpha), 야로위아 리폴리티카(Yarrowia lipolytica), 또는 피키아 파스토리스(Pichia pastoris)이다.
사상균은 모든 실 형태의 하위부분 유마이코타(Eumycota) 및 오오마이코타(Oomycota)(문헌[Hawksworth et al., In, Ainsworth and Bisby's Dictionary of The Fungi, 8th edition, 1995, CAB International, University Press, Cambridge, UK]에 정의됨)를 포함한다. 상기 사상균은 키틴, 셀룰로스, 글루칸, 키토산, 만난, 및 다른 복합 폴리사카라이드로 구성된 균사상 벽을 특징으로 한다. 영양 생장은 균사 연장에 의하며 탄소 이화작용은 절대적으로 호기성이다. 사상균 균주는 비제한적으로 아크레모니움(Acremonium), 아가리쿠스(Agaricus), 아스퍼질러스(Aspergillus), 아우레오바시디움(Aureobasidium), 크리소스포리움(Chrysosporium), 코프리누스(Coprinus), 크립토코커스(Cryptococcus), 필리바시디움(Filibasidium), 푸사리움(Fusarium), 휴미콜라(Humicola), 마그나포르테(Magnaporthe), 뮤코르(Mucor), 마이셀리오프토라(Myceliophthora), 네오칼리마스틱스(Neocallimastix), 뉴로스포라(Neurospora), 파에실로마이세스(Paecilomyces), 페니실리움(Penicillium), 피로마이세스(Piromyces), 파네로카에테(Panerochaete), 플레우로투스(Pleurotus), 스키조필룸(Schizophyllum), 탈라로마이세스(Talaromyces), 라삼소니아(Rasamsonia), 써모아스쿠스(Thermoascus), 티엘라비아(Thielavia), 톨리포클라디움(Tolypocladium), 및 트리코더마(Trichoderma)의 균주를 포함한다.
바람직한 사상균은 아크레모니움, 아스퍼질러스, 크리소스포리움, 마이셀리오프토라, 페니실리움, 탈라로마이세스, 라삼소니아, 티엘라비아, 푸사리움 또는 트리코더마 속의 종, 가장 바람직하게는 아스퍼질러스 니거(Aspergillus niger), 아크레모니움 알라바멘세(Acremonium alabamense), 아스퍼질러스 아와모리(Aspergillus awamori), 아스퍼질러스 포에티두스(Aspergillus foetidus), 아스퍼질러스 소자에(Aspergillus sojae), 아스퍼질러스 푸미가투스(Aspergillus fumigatus), 탈라로마이세스 에메르소니이(Talaromyces emersonii), 라삼소니아 에메르소니이(Rasamsonia emersonii), 아스퍼질러스 오리자에(Aspergillus oryzae), 크리소스포리움 루크노웬세(Chrysosporium lucknowense), 푸사리움 옥시스포룸(Fusarium oxysporum), 마이셀리오프토라 써모필라(Myceliophthora thermophila), 트리코더마 레에세이(Trichoderma reesei), 티엘라비아 테레스트리스(Thielavia terrestris) 또는 페니실리움 크리소게눔(Penicillium chrysogenum)의 종에 속한다. 보다 바람직한 사상균은 아스퍼질러스 속에 속하며, 보다 바람직하게, 상기 사상균은 아스퍼질러스 니거 종에 속하거나 또는 아스퍼질러스 니거이다.
"세균"이란 용어는 그람-음성 및 그람-양성 미생물을 모두 포함한다. 적합한 세균은 예를 들어 에스케리키아(Escherichia), 아나바에나(Anabaena), 카울로박테르트(Caulobactert), 글루코노박터(Gluconobacter), 로도박터(Rhodobacter), 슈도모나스(Pseudomonas), 파라코커스(Paracoccus), 바실러스(Bacillus), 브레비박테리움(Brevibacterium), 코리네박테리움(Corynebacterium), 리조븀(Rhizobium)(시노리조븀(Sinorhizobium)), 플라보박테리움(Flavobacterium), 클렙시엘라(Klebsiella), 엔테로박터(Enterobacter), 락토바실러스(Lactobacillus), 락토코커스(Lactococcus), 메틸로박테리움(Methylobacterium), 스타필로코커스(Staphylococcus), 스트렙토마이세스(Streptomyces), 액티노마이세테스(Actinomycetes), 잔토모나스(Xanthomonas) 또는 스핑고모나스(Sphingomonas) 중에서 선택될 수 있다. 바람직하게, 세균 세포는 바실러스 서브틸리스(B. subtilis), 바실러스 아밀로리쿠에파시엔스(B. amyloliquefaciens), 바실러스 리케니포르미스(B. licheniformis), 바실러스 푼티스(B. puntis), 바실러스 메가테리움(B. megaterium), 바실러스 할로듀란스(B. halodurans), 바실러스 푸밀루스(B. pumilus), 글루코노박터 옥시단스(G. oxydans), 카울로박테르트 크레센투스(Caulobactert crescentus) CB 15, 메틸로박테리움 엑스토르쿠엔스(Methylobacterium extorquens), 로도박터 스파에로이데스(Rhodobacter sphaeroides), 슈도모나스 제아잔티니파시엔스(Pseudomonas zeaxanthinifaciens), 파라코커스 데니트리피칸스(Paracoccus denitrificans), 에스케리키아 콜라이(E. coli), 코리네박테리움 글루타미쿰(C. glutamicum), 스타필로코커스 카르노수스(Staphylococcus carnosus), 스트렙토마이세스 리비단스(Streptomyces lividans), 시노리조비움 멜리오티(Sinorhizobium melioti) 및 리조비움 라디오박터(Rhizobium radiobacter)로 이루어진 군으로부터 선택된다.
본 발명의 조류는 바람직하게는 회조류, 홍색체 및 엽록체로 이루어진 군으로부터 선택된다. 보다 바람직하게, 본 발명의 조류는 종속영양 조류, 보다 바람직하게는 클로렐라(Chlorella), 난노클로로프시스(Nannochloropsys), 니츠스키아(Nitzschia), 트라우스토키트리움(Thraustochytrium) 또는 스키조키트리움(Schizochyttrium)과 같은 종속영양 조류이다.
바람직한 실시태양에서, 본 발명에 따른 미생물은 관심 화합물을 암호화하는 하나 이상의 폴리뉴클레오타이드 또는 상기 세포에 의한 관심 화합물의 생성에 관련된 화합물을 암호화하는 하나 이상의 폴리뉴클레오타이드를 포함한다.
상기 관심 화합물은 임의의 생물학적 화합물일 수 있다. 상기 생물학적 화합물은 바이오매스 또는 생물중합체 또는 대사산물일 수 있다. 상기 생물학적 화합물은 생합성 또는 대사 경로를 구성하는 단일 폴리뉴클레오타이드 또는 일련의 폴리뉴클레오타이드에 의해 암호화되거나 또는 단일 폴리뉴클레오타이드의 생성물 또는 일련의 폴리뉴클레오타이드의 생성물의 직접적인 결과일 수 있다. 상기 생물학적 화합물은 숙주 세포에 고유하거나 또는 이종일 수 있다.
"이종 생물학적 화합물"이란 용어는 본원에서 세포에 고유하지 않은 생물학적 화합물, 또는 고유의 생물학적 화합물을 변경시키기 위해 구조 변형이 이루어진 상기 고유의 생물학적 화합물로서 정의된다.
"생물중합체"란 용어는 본원에서 동일하거나, 유사하거나 또는 다른 서브유닛(단량체)의 쇄(또는 중합체)로서 정의된다. 상기 생물중합체는 임의의 생물중합체일 수 있다. 상기 생물중합체는 예를 들어, 비제한적으로 핵산, 폴리아민, 폴리올, 폴리펩타이드(또는 폴리아미드), 또는 폴리사카라이드일 수 있다.
상기 생물중합체는 폴리펩타이드일 수 있다. 상기 폴리펩타이드는 관심 생물 활성을 갖는 임의의 폴리펩타이드일 수 있다. "폴리펩타이드"란 용어는 본원에서 특정 길이의 암호화된 생성물을 지칭하고자 하지 않으며, 따라서 펩타이드, 올리고펩타이드 및 단백질을 포함한다. 폴리펩타이드는 상기 언급한 폴리펩타이드의 천연 대립유전자 및 조작된 변이체 및 하이브리드 폴리펩타이드를 추가로 포함한다. 상기 폴리펩타이드는 숙주 세포에 고유하거나 또는 이종일 수 있다. 상기 폴리펩타이드는 콜라겐 또는 젤라틴, 또는 그의 변이체 또는 하이브리드일 수 있다. 상기 폴리펩타이드는 항체 또는 그의 일부, 항원, 응고 인자, 효소, 호르몬 또는 호르몬 변이체, 수용체 또는 그의 일부, 조절 단백질, 구조 단백질, 리포터, 또는 수송 단백질, 분비 과정에 관여하는 단백질, 폴딩 과정에 관여하는 단백질, 샤페론, 펩타이드 아미노산 수송체, 글리코실화 인자, 전사 인자, 합성 펩타이드 또는 올리고펩타이드, 세포내 단백질일 수 있다. 상기 세포내 단백질은 프로테아제, 세라미다제, 에폭사이드 가수분해효소, 아미노펩티다제, 아실라제, 알돌라제, 하이드록실라제, 아미노펩티다제, 리파제와 같은 효소일 수 있다. 상기 폴리펩타이드는 또한 세포외에서 분비되는 효소일 수 있다. 이러한 효소는 옥시도리덕타제, 트랜스퍼라제, 하이드롤라제, 라이아제, 아이소머라제, 리가제, 카탈라제, 셀룰라제, 키티나제, 큐티나제, 데옥시리보뉴클레아제, 덱스트라나제, 에스테라제의 군에 속할 수 있다. 상기 효소는 탄수화물, 예를 들어, 셀룰라제, 예를 들어 엔도글루카나제, β-글루카나제, 셀로바이오하이드롤라제 또는 β-글루코시다제, 헤미셀룰라제 또는 펙틴분해 효소, 예를 들어 자일라나제, 자일로시다제, 만난나제, 갈락타나제, 갈락토시다제, 펙틴 메틸 에스테라제, 펙틴 라이아제, 펙테이트 라이아제, 엔도폴리갈락튜로나제, 엑소폴리갈락튜로나제, 람노갈락튜로나제, 아라바나제, 아라비노퓨라노시다제, 아라빈옥실란 하이드롤라제, 갈락튜로나제, 라이아제, 또는 녹말분해효소; 하이드롤라제, 아이소머라제, 또는 리가제, 포스파타제, 예를 들어 피타제, 에스테라제, 예를 들어 리파제, 단백질분해 효소, 옥시도리덕타제, 예를 들어 옥시다제, 트랜스퍼라제, 또는 아이소머라제일 수 있다. 상기 효소는 피타제일 수 있다. 상기 효소는 아미노펩티다제, 아스파라기나제, 아밀라제, 말토제닉 아밀라제, 카보하이드라제, 카복시펩티다제, 엔도-프로테아제, 메탈로-프로테아제, 세린-프로테아제 카탈라제, 키티나제, 큐티나제, 사이클로덱스트린 글리코실트랜스퍼라제, 데옥시리보뉴클레아제, 에스테라제, 알파-갈락토시다제, 베타-갈락토시다제, 글루코아밀라제, 알파-글루코시다제, 베타-글루코시다제, 할로페록시다제, 단백질 데아미나제, 인베르타제, 락카제, 리파제, 만노시다제, 뮤타나제, 옥시다제, 펙틴분해효소, 페록시다제, 포스포리파제, 갈락토리파제, 클로로필라제, 폴리페놀옥시다제, 리보뉴클레아제, 트랜스글루타미나제, 또는 글루코스 옥시다제, 헥소스 옥시다제 또는 모노옥시게나제일 수 있다.
바람직하게, 상기 관심 화합물은 이종 생성물이다. 바람직하게, 상기 관심 화합물은 글루코스 옥시다제이다. 보다 바람직하게, 상기 관심 화합물은 이종 글루코스 옥시다제이다. 또 다른 바람직한 실시태양에서, 상기 관심 화합물은 지방분해 효소, 예를 들어 리파제(트리아실 글리세롤 리파제), 포스포리파제(예를 들어 포스포리파제 A1 및/또는 포스포리파제 A2 및/또는 포스포리파제 B 및/또는 포스포리파제 C), 갈락토리파제로 이루어진 군으로부터 선택된 활성제 중 하나 이상을 갖는 지방분해 효소이다.
본 발명에 따라, 폴리펩타이드 또는 효소는 또한 WO2010/102982에 기재된 바와 같은 생성물일 수 있다. 본 발명에 따라, 폴리펩타이드는 또한 또 다른 폴리펩타이드가 상기 폴리펩타이드 또는 그의 단편의 N-말단 또는 C-말단에 융합된, 융합된 또는 하이브리드 폴리펩타이드일 수 있다. 융합된 폴리펩타이드는 하나의 폴리펩타이드를 암호화하는 핵산 서열(또는 그의 일부)을 또 다른 폴리펩타이드를 암호화하는 핵산 서열(또는 그의 일부)에 융합시킴으로써 생성된다.
융합 폴리펩타이드의 생성 기법은 당해 분야에 공지되어 있으며, 폴리펩타이드들이 프레임 안에 있고 융합된 폴리펩타이드의 발현이 동일한 프로모터 및 종결자의 조절하에 있도록 상기 폴리펩타이드들을 암호화하는 암호화 서열들을 결찰시킴을 포함한다. 상기 하이브리드 폴리펩타이드는 2개 이상의 상이한 폴리펩타이드(여기에서 하나 이상은 숙주 세포에 이종일 수 있다)로부터 수득된 부분적인 또는 완전한 폴리펩타이드 서열의 조합을 포함할 수 있다. 융합 폴리펩타이드 및 신호 서열 융합의 예는 예를 들어 WO2010/121933에 기재된 바와 같다.
상기 생물중합체는 폴리사카라이드일 수 있다. 상기 폴리사카라이드는 임의의 폴리사카라이드, 예를 들어 비제한적으로 뮤코폴리사카라이드(예를 들어 헤파린 및 히알루론산) 및 질소-함유 폴리사카라이드(예를 들어 키틴)일 수 있다. 보다 바람직한 옵션에서, 상기 폴리사카라이드는 히알루론산이다. 또 다른 바람직한 옵션에서, 상기 폴리사카라이드는 하이드로콜로이드, 예를 들어 잔탄, 젤란, 펙틴, 웰란 또는 또 다른 폴리사카라이드이다.
관심 화합물을 암호화하거나 또는 본 발명에 따른 관심 화합물의 생성에 관련된 화합물을 암호화하는 폴리뉴클레오타이드는 1차 또는 2차 대사산물, 예를 들어 유기산, 알콜, 지질, 카로티노이드, 베타-락탐, 항생제, 및 비타민의 합성에 관련된 효소를 암호화할 수 있다. 상기와 같은 대사산물은 본 발명에 따른 생물학적 화합물로서 간주될 수 있다. 바람직하게, 본 발명의 관심 화합물은 베타-락탐이다. 바람직하게, 본 발명의 관심 화합물은 에탄올이다.
"대사산물"이란 용어는 1차 및 2차 대사산물을 모두 포함하되, 대사산물은 임의의 대사산물일 수 있다. 바람직한 대사산물은 시트르산, 글루콘산, 아디프산, 퓨마르산, 이타콘산 및 숙신산이다.
상기 대사산물은 예를 들어 생합성 또는 대사 경로에서 하나 이상의 유전자에 의해 암호화될 수 있다. 1차 대사산물은 에너지 대사, 성장 및 구조와 관련된 세포의 1차 또는 일반적인 대사의 생성물이다. 2차 대사산물은 2차 대사의 생성물이다(예를 들어 문헌[R. B. Herbert, The Biosynthesis of Secondary Metabolites, Chapman and Hall, New York, 1981] 참고).
상기 1차 대사산물은 비제한적으로 아미노산, 지방산, 뉴클레오사이드, 뉴클레오타이드, 당, 트라이글리세라이드, 또는 비타민, 예를 들어 비타민 A, B2, C, D 또는 E일 수 있다.
상기 2차 대사산물은 비제한적으로 알칼로이드, 쿠마린, 플라보노이드, 폴리케타이드, 퀴닌, 스테로이드, 펩타이드 또는 터펜일 수 있다. 상기 2차 대사산물은 항생제, 영양억제제, 유인제, 살균제, 살진균제, 호르몬, 살충제 또는 살서제일 수 있다. 바람직한 항생제는 세팔로스포린 및 베타-락탐이다. 다른 바람직한 대사산물은 엑소-대사산물이다. 엑소-대사산물의 예는 아우라스페론 B, 퓨날레논, 코타닌, 니그라질린, 오를란딘, 다른 나포토-γ-파이론, 피라노니그린 A, 텐시돌 B, 퓨모니신 B2 및 오크라톡신 A이다.
상기 생물학적 화합물은 또한 선택성 마커의 생성물일 수 있다. 선택성 마커는 생성물이 살생물 또는 바이러스 내성, 중금속에 대한 내성, 영양요구성에 대한 독립영양성 등을 제공하는 관심 폴리뉴클레오타이드의 생성물이다. 선택성 마커는 비제한적으로 amdS(아세트아미다제), argB(오르니틴카바모일트랜스퍼라제), bar(포스피노트리신아세틸트랜스퍼라제), hygB(하이그로마이신 포스포트랜스퍼라제), niaD(니트레이트 리덕타제), pyrG(오로티딘-5'-포스페이트 데카복실라제), sC(설페이트 아데닐트랜스퍼라제), trpC(안트라닐레이트 신타제), ble(플레오마이신 내성 단백질), hyg(하이그로마이신), NAT 또는 NTC(눌세오트리신)뿐만 아니라 이들의 균등물을 포함한다.
본 발명에 따라, 상기 관심 화합물은 바람직하게는 관심 화합물 목록에 기재된 바와 같은 폴리펩타이드이다.
바람직하게, 상기 폴리펩타이드는 관심 화합물 목록에 기재된 바와 같은 효소, 바람직하게는 글루코스 옥시다제이다. 또 다른 실시태양에서, 상기 효소는 지방분해 효소이다.
본 발명의 또 다른 실시태양에 따라, 상기 관심 화합물은 바람직하게는 대사산물이다.
더욱 또 다른 실시태양에 따라, 상기 관심 화합물은 바이오가스이다.
본 발명의 미생물은 이미 상기 관심 화합물을 생성시킬 수 있다. 상기 미생물은 또한 폴리펩타이드를 암호화하는 동종 또는 이종 핵산 구조물을 제공할 수 있으며, 여기에서 상기 폴리펩타이드는 상기 관심 화합물 또는 상기 관심 화합물의 생성에 관련된 폴리펩타이드일 수 있다. 당업자는 미생물이 관심 화합물을 생성시킬 수 있게 상기 미생물을 변형시키는 방법을 알고 있다.
추가의 바람직한 실시태양에서, 본 발명의 방법은
(iv) 전기분해 유닛(4)에서 물을 H2 및 O2로 전기분해시키고, CO2를 유기 공급원료로 환원시키기 위해서 환원 유닛(3)에 상기 H2의 적어도 일부를 공급하는 단계를 추가로 포함한다.
물을 H2 및 O2로 전기분해시키는 이점은 외부 소스에서 H2를 공급받을 필요가 없다는 것이다. 전기분해 유닛(4)에 필요한 전기는 필요한 전기에 대한 지속가능한 해법을 제공하기 위해 현장의 다른 장비의 잉여 전기로부터 유리하게 얻을 수 있다. 대안으로, 전기는 태양열, 풍력 또는 수력 에너지와 같은 재생 에너지로부터 생성된다.
추가의 바람직한 실시태양에서, 상기 전기분해 유닛(4)을 환원 유닛(3)과 결합시킨다. 바람직하게, 수 전기분해 단계 (iv)를 CO2 환원 단계와 동시에, 상기 단계의 존재하에서 수행한다. 바람직하게는, 하기의 반응이 CO2 환원 및 수 전기분해 동안 수행된다:
CO2 + H2O → CHOOH + ½O2.
즉, 수 전기분해 단계를 CO2의 존재하에서 수행하는 것이 바람직하다. 이점은 개선된 공정 또는 개선된 시스템이 제공된다는 것이다. 따라서, 바람직하게는 포집 유닛(2)에서, 하나 이상의 생물반응기(1)로부터 CO2를 포집하고, 바람직하게는 환원 유닛(3)에서 상기 CO2를 유기 공급원료로 환원시키는 본 발명의 단계 (ii)가 CO2 존재하의 수 전기분해를 추가로 포함하는 것이 바람직하다. 추가의 바람직한 실시태양에서, 본 발명의 방법은 (v) O2의 적어도 일부를 하나 이상의 생물반응기(1)에 공급하는 단계를 추가로 포함한다. 상기 O2는 수 전기분해의 부산물이다. 이를 예를 들어 호기성 발효를 위해 하나 이상의 생물반응기에서 사용하는 것이 유리할 수 있다. 또한, 상기 하나 이상의 생물반응기의 모든 에어레이션(aeration)은 전기분해 유닛(4)으로부터의 O2를 사용하여 실현될 수 있는 것으로 밝혀졌다. 따라서, 상이한 소스로부터의 O2는 더 이상 필요하지 않으며, 이는 추가의 지속가능성 개선을 제공한다. 예를 들어, 전기분해 유닛(4)이 통상적인 압축기에 의한 압력에 필적하는 압력하에서 O2를 전달할 수 있기 때문에, 공기용 압축기가 더 이상 필요하지 않거나 더 작은 압축기를 사용할 수 있다. 바람직하게, 전기분해 유닛(4)에서 물을 H2 및 O2로 전기분해하는 단계 (iv)를 0.5 내지 10 bar, 바람직하게는 1 내지 8 bar, 보다 바람직하게는 1.5 내지 6 bar, 가장 바람직하게는 2 내지 4 bar, 바람직하게는 bar 절대압 범위내의 압력에서 수행한다.
추가의 바람직한 실시태양에서, 본 발명의 방법은 (v) 하나 이상의 생물반응기(1)에 H2의 적어도 일부를 공급하는 단계를 추가로 포함한다. 임의의 잉여 H2, 즉 CO2의 환원에 필요하지 않은 H2는 유리하게는 하나 이상의 생물반응기에 함께 공급될 수 있다. H2를 이용할 수 있는 미생물을 H2와 함께 공급하여 발효시킬 수 있다. 이렇게 함으로써 미생물의 대사로 인한 CO2의 양을 줄일 수 있다. 이것은 추가적인 지속가능성 이점을 제공한다. 더욱이, H2를 함께 공급함으로써, 발효에 필요한 당 또는 기타 탄소 함유 공급원료의 양이 감소될 수 있으며, 이는 상당한 비용 개선을 제공한다. 따라서, 본 발명의 미생물 또는 본 발명의 미생물 중 하나는 바람직하게는 H2를 이용할 수 있다. 보다 바람직하게는, 본 발명의 미생물은 본 발명의 유기 공급원료 및 H2를 이용할 수 있다. 대안으로, 하나의 미생물은 본 발명의 유기 공급원료를 이용할 수 있고 또 다른 유형의 미생물은 H2를 이용할 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 방법은 하나의 생물반응기에서 포름산을 이용할 수 있는 효모를 발효시키고, 또 다른 생물반응기에서는 H2를 이용할 수 있는 사상균을 발효시키는 단계를 포함한다. 보다 구체적으로, 본 발명의 방법은 하나의 생물반응기에서 포름산을 이용할 수 있는 사카로마이세스 세레비지아에를 배양하고 H2를 이용할 수 있는 페니실리움 크리소게눔을 배양하거나, 또는 하나의 생물반응기에서 H2를 이용할 수 있는 사카로마이세스 세레비지아에를 배양하고 또 다른 배양기에서 포름산을 이용할 수 있는 페니실리움 크리소게눔을 배양하는 단계를 포함한다.
추가의 바람직한 실시태양에서, 효모의 배양은 효모 바이오매스를 생성시키는 반면, 사상균의 배양은 관심 화합물을 생성시킨다. 따라서, 본 발명의 방법은 바람직하게는 바이오매스 또는 효모 바이오매스의 수확 단계를 포함하고/하거나, 관심 화합물의 수확 단계를 포함한다.
본 발명의 방법은 발효 공정을 모니터링함으로써 추가로 개선될 수 있다. 바람직한 실시태양에서, 본 발명의 방법은
(vi) 발효 공정의 과정 동안 현재 측정값을 결정하는, 상기 발효 공정의 하나 이상의 공정 매개변수를 선택하는 단계;
(vii) 선택된 하나 이상의 공정 매개변수의 각각의 현재 측정값을, 상기 선택된 하나 이상의 공정 매개변수에 대해 공정 모델에 의해 추정된 모델 매개변수의 상응하는 추정값과 비교하는 단계;
(viii) 각각의 현재 측정값과 상기 선택된 하나 이상의 공정 매개변수에 대한 상응하는 추정값 사이의 변량을 미리 결정된 임계값과 비교하는 단계; 및
(ix) 상기 미리 결정된 임계값이 상기 변량에 의해 초과될 때 상기 공정 모델에 사용된 하나 이상의 정의된 모델 매개변수를 변화시키는 단계
를 추가로 포함하되, 각각의 변화된 모델 매개변수에 의한 단계 (vii) 내지 (ix)를, 상기 변량이 미리 결정된 임계값 미만이 될 때까지 실행하고, 임의로 단계 (vii) 내지 (ix)의 미리 결정된 횟수의 반복 후에 상기 임계값이 상기 변량에 의해 충족되는 경우에, 상기 방법을 중단하고 경고가 출력으로서 생성된다.
하나 이상의 생물반응기(1), CO2 포집 유닛(2), CO2 환원 유닛(3) 및/또는 전기분해 유닛(4)에서, 다양한 환경 및/또는 공정 매개변수, 예를 들어 pH 값, 온도, CO2 공급, H2 공급, 산소 공급, 질소 공급, 당 함량, 유기 공급원료 함량 및/또는 믹서 설정을 각각의 발효 공정을 위해 조절 및 제어할 수 있다. 그러나, 발효 공정은 생물학적으로 복잡하며 매우 민감하다. 따라서, 공정의 일관되고 최적인 과정을 위해 하나 이상의 생물반응기에서 상응하는 환경 조건을 유지하고 영양 용액에 사용되는 바이오매스 또는 생물활성 세포가 생육하고 목적하는 바이오매스 및/또는 관심 화합물을 생성할 수 있기 위해 상기 발효 공정의 지속적이고 면밀한 모니터링이 필요하다.
발효 공정의 과정 동안 측정값이 대략 실시간으로 측정될 수 있는 발효 공정의 공정 매개변수를, 측정하고자 하는 공정 매개변수로서 선택하는 것이 유리하다. 이러한 이유로, 특히 공정 모델이 진행중인 발효 공정과 병행하여 계산되는 경우 상기 공정 모델과 상기 발효 공정 과정 간의 변량이 거의 실시간으로 측정될 수 있다. 따라서, 상기 선택된 공정 매개변수의 측정값과, 상기 공정 모델에 의해 계산되거나 예측된 추정값 사이의 직접적인 비교가 공정 매개변수에 대해 수행될 수 있다. 따라서, 발효 공정에 오류가 있는 경우에도 거의 즉각적인 개입이 또한 가능하다.
편의상 본 발명의 방법의 단계 (vii) 내지 (ix)의 반복, 즉 선택된 공정 매개변수의 측정값과 추정값 간의 비교를 수행한다. 여기에서, 미리 결정된 임계값과의 변량의 비교 및 임계값 초과 시 공정 모델의 모델 매개변수 수정은 각각의 수정된 모델 매개변수로 짧은 시간 간격으로, 예를 들어 10초마다 수행된다. 따라서, 상기 공정 모델은 상기 발효 공정의 상응하는 검증된 예측이 상기 공정의 추가의 과정에 대해 수행될 수 있도록 생물학적 가변성 또는 공정 제어의 가변성(예를 들어 원료물질의 차이 또는 기질 조성의 변동)의 존재와 함께 신속하게 조정될 수 있다. 상기 생물공정에 오류가 있는 경우, 거의 즉각적인 대응이 발생할 수 있다. 거의 즉각적인 개입을 통해 예를 들어 생물 공정 및/또는 장비에 대한 손상을 피하거나 방지할 수 있다.
본 발명의 추가의 실시태양에서, RQ라고도 하는 호흡 지수로 알려진 것을 발효 공정의 과정 중에 측정되는 공정 매개변수로서 선택한다. 호흡 지수는 생물활성 세포 내 공정의 지표를 나타내는 발효 공정의 공정 매개변수이다. 호흡 지수는 주어진 시간에 생성된 CO2와 동시에 소비된 O2의 비를 기술한다. 발효 공정의 과정 동안 상기 호흡 지수는 예를 들어 오프-가스 분석으로서 공지된 것을 사용하여 실시간으로 매우 쉽게 측정될 수 있다.
대안으로서 또는 추가로, 바이오매스의 농도 및/또는 기질의 농도를 공정 매개변수로서 선택할 수 있으며, 이는 발효 공정의 과정 동안 측정된다. 상기 발효 공정의 과정 동안 상기 바이오매스의 농도에 대한 현재 측정값의 측정은 예를 들어 상기 바이오매스의 전기적 성질에 기반하여 수행된다. 기질(예를 들어 당 등)의 농도에 대한 현재 측정값을 마찬가지로, 발효 공정의 과정에서, 예를 들어 분광학을 사용하는 분광학적 성질에 기반하여, 특히 반사 분광학을 사용하여 측정할 수 있다.
또한, 결정론적 공정 모델로서 공지된 것을 발효 공정의 공정 매개변수 추정에 사용하는 것이 유리하다. 발효 공정을 모델로서 예시하기 위해 결정론적 접근법을 사용하면, 사용된 바이오매스 또는 세포 안팍의 각각의 공정-특이적인 생화학적 공정의 지식이 상기 발효 공정의 과정 동안 수리학적 방정식으로 변환된다.
추가의 바람직한 실시태양에서, 단계 (vi) 내지 (ix)를 컴퓨터 실행 방법에 의해, 보다 바림직하게는 알고리즘을 사용하는 컴퓨터 실행 방법에 의해 수행한다. 컴퓨터와 알고리즘의 도움은 공정 매개변수의 변량을 과거 발효 공정의 데이터와 쉽게 비교할 수 있고 이러한 과거 데이터를, 공정 매개변수의 변량을 올바르게 해석하는 데 사용할 수 있다는 점에서 이롭다.
본 발명의 이로운 지속가능성 달성을 감안할 때, 본 발명은 또 다른 태양에 따라, 유기 공급원료를 이용할 수 있는 미생물 배양 시스템에 관한 것으로서, 상기 시스템은 상기 미생물을 배양하기 위한 하나 이상의 생물반응기(1), 상기 하나 이상의 생물반응기(1)로부터 CO2를 포집하기 위한 CO2 포집 유닛(2), 상기 CO2를 포름산으로 환원시키기 위한 CO2 환원 유닛(3), 및/또는 상기 유기 공급원료를 상기 하나 이상의 생물반응기(1)에 도입시키기 위한 하나 이상의 도관(10)을 포함한다.
바람직한 실시태양에서, 본 발명의 시스템은 수의 전기분해를 위한 전기분해 유닛(4) 및/또는 상기 전기분해 유닛(4)으로부터의 H2를 CO2 환원 유닛(3)에 도입시키기 위한 도관(11)을 추가로 포함한다. 바람직하게, 본 발명의 전기분해 유닛(4)은 O2의 가압 수단 및 또는 전기분해 반응을 위한 수단을 포함한다. 이는 가압된 O2를 하나 이상의 생물반응기(1)에 도입시킬 수 있다는 점에서 유리하다.
더욱 또 다른 바람직한 실시태양에서, 본 발명의 시스템은 H2 및/또는 O2를 하나 이상의 생물반응기(1)에 도입시키기 위한 하나 이상의 도관(12)을 추가로 포함한다. 이는 상기 CO2 환원 유닛(3)과 상기 하나 이상의 생물반응기(1) 사이에서 두 생성물을 모두 최적으로 사용할 수 있다는 점에서 유리하다. 발효 공정의 과정에 따라, 상기 CO2 환원 유닛(3)으로 공급되는 H2의 양 및/또는 상기 하나 이상의 생물반응기(1)로 공급되는 H2 및/또는 O2의 양이 최적의 CO2 감소, 최적의 유출구, 및/또는 감소된 기질 흡수를 성취하도록 조정될 수 있다.
바람직한 실시태양에서, 본 발명의 시스템은 기질을 하나 이상의 생물반응기(1)에 도입시키기 위한 하나 이상의 유입구(13) 및 상기 하나 이상의 생물반응기(1)에서 형성된 생성물에 대한 하나 이상의 유출구(14)를 추가로 포함한다.
더욱 또 다른 바람직한 실시태양에서, 본 발명의 시스템은 청구범위 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 발효 방법을 시뮬레이션 및/또는 모니터링하기 위한 발효 모니터링 도구를 위한 컴퓨터 실행 시스템을 추가로 포함하되, 상기 컴퓨터 실행 시스템은 하나 이상의 프로세서, 사용자 인터페이스, 발효 방법의 하나 이상의 공정 매개변수를 조정하도록 구성된 제어 시스템 인터페이스, 및 발효 방법을 시뮬레이션 및/또는 모니터링하기 위한 명령을 저장하는 컴퓨터 판독가능 매체를 포함하는 메모리를 포함하고, 상기 발효 방법을 시뮬레이션 및/또는 모니터링하기 위한 명령은 상기 프로세서를
(vi) 상기 발효 방법의 과정 동안 현재 측정값을 결정하는, 상기 발효 방법의 하나 이상의 공정 매개변수를 선택하고;
(vii) 상기 발효 방법의 선택된 하나 이상의 공정 매개변수의 각각의 현재 측정값을, 상기 선택된 하나 이상의 공정 매개변수에 대해 공정 모델에 의해 추정된 모델 매개변수의 상응하는 추정값과 비교하고;
(viii) 각각의 현재 측정값과 상기 선택된 하나 이상의 공정 매개변수에 대한 상응하는 추정값 사이의 변량을 미리 결정된 임계값과 비교하고;
(ix) 상기 미리 결정된 임계값이 상기 변량에 의해 초과될 때 상기 공정 모델에 사용된 하나 이상의 정의된 모델 매개변수를 변화시키도록
구성하되, 각각의 변화된 모델 매개변수에 의한 단계 (vii) 내지 (ix)는, 상기 변량이 미리 결정된 임계값 미만이 될 때까지 실행되고, 임의로 단계 (vii) 내지 (ix)의 미리 결정된 횟수의 반복 후에 상기 임계값이 상기 변량에 의해 충족되는 경우에, 상기 방법을 중단하고 경고가 사용자 인터페이스상에 출력으로서 생성된다.

Claims (14)

  1. 유기 공급원료를 이용할 수 있는 미생물의 배양 방법으로서,
    (i) 하나 이상의 생물반응기(1)에서 미생물을 배양하는 단계;
    (ii) 상기 하나 이상의 생물반응기(1)로부터 CO2를 포집하고, 상기 CO2를 환원 유닛(3)에서 유기 공급원료로 환원시키는 단계; 및
    (iii) 상기 환원 유닛(3)으로부터 상기 유기 공급원료의 적어도 일부를 하나 이상의 생물반응기(1)로 공급하는 단계
    를 포함하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    유기 공급원료가 포름산, 메탄올, 에틸렌, 에탄올, 1-프로판올, 메탄, 아세트산 및 일산화탄소로 이루어진 군으로부터 선택되는 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    유기 공급원료가 포름산인 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    미생물이 효모, 사상균, 세균 및 종속영양 조류로 이루어진 군으로부터 선택되는 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    (iv) 전기분해 유닛(4)에서 물을 H2 및 O2로 전기분해시키고, CO2를 유기 공급원료로 환원시키기 위해서 환원 유닛(3)에 상기 H2의 적어도 일부를 공급하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    (v) O2의 적어도 일부를 하나 이상의 생물반응기(1)에 공급하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서,
    (v) H2의 적어도 일부를 하나 이상의 생물반응기(1)에 공급하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    유기 공급원료를 이용할 수 있는 미생물이 관심 화합물을 암호화하는 하나 이상의 폴리뉴클레오타이드 또는 세포에 의한 관심 화합물의 생성에 관련된 화합물을 암호화하는 하나 이상의 폴리뉴클레오타이드를 포함하는 방법.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    (vi) 발효 공정의 과정 동안 현재 측정값을 결정하는, 상기 발효 공정의 하나 이상의 공정 매개변수를 선택하는 단계;
    (vii) 선택된 하나 이상의 공정 매개변수의 각각의 현재 측정값을, 상기 선택된 하나 이상의 공정 매개변수에 대해 공정 모델에 의해 추정된 모델 매개변수의 상응하는 추정값과 비교하는 단계;
    (viii) 각각의 현재 측정값과 상기 선택된 하나 이상의 공정 매개변수에 대한 상응하는 추정값 사이의 변량을 미리 결정된 임계값과 비교하는 단계; 및
    (ix) 상기 미리 결정된 임계값이 상기 변량에 의해 초과될 때 상기 공정 모델에 사용된 하나 이상의 정의된 모델 매개변수를 변화시키는 단계
    를 포함하는 발효 공정의 모니터링을 포함하고, 각각의 변화된 모델 매개변수에 의한 단계 (vii) 내지 (ix)를, 상기 변량이 미리 결정된 임계값 미만이 될 때까지 실행하고; 임의로 단계 (vii) 내지 (ix)의 미리 결정된 횟수의 반복 후에 상기 임계값이 상기 변량에 의해 충족되는 경우에, 상기 방법을 중단하고 경고가 출력으로서 생성되는, 방법.
  10. 유기 공급원료를 이용할 수 있는 미생물 배양 시스템으로서, 상기 미생물을 배양하기 위한 하나 이상의 생물반응기(1), 상기 하나 이상의 생물반응기(1)로부터 CO2를 포집하기 위한 CO2 포집 유닛(2), 상기 CO2를 유기 공급원료로 환원시키기 위한 CO2 환원 유닛(3), 및 상기 유기 공급원료를 상기 하나 이상의 생물반응기(1)에 도입시키기 위한 하나 이상의 도관(10)을 포함하는 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    수의 전기분해를 위한 전기분해 유닛(4) 및 상기 전기분해 유닛(4)으로부터의 H2를 CO2 환원 유닛(3)에 도입시키기 위한 도관(11)을 추가로 포함하는 시스템.
  12. 제10항 또는 제11항에 있어서,
    H2 및/또는 O2를 하나 이상의 생물반응기(1)에 도입시키기 위한 하나 이상의 도관(12)을 추가로 포함하는 시스템.
  13. 제10항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    기질을 하나 이상의 생물반응기(1)에 도입시키기 위한 하나 이상의 유입구(13) 및 상기 하나 이상의 생물반응기(1)에서 형성된 생성물에 대한 하나 이상의 유출구(14)를 추가로 포함하는 시스템.
  14. 제10항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 발효 방법을 시뮬레이션하기 위한 발효 시뮬레이션 도구를 위한 컴퓨터 실행 시스템을 추가로 포함하는 시스템으로서,
    상기 컴퓨터 실행 시스템이 하나 이상의 프로세서, 사용자 인터페이스, 발효 방법의 하나 이상의 공정 매개변수를 조정하도록 구성된 제어 시스템 인터페이스, 및 발효 방법을 시뮬레이션하기 위한 명령을 저장하는 컴퓨터 판독가능 매체를 포함하는 메모리를 포함하고,
    상기 발효 방법을 시뮬레이션하기 위한 명령이 상기 프로세서를
    (vi) 상기 발효 방법의 과정 동안 현재 측정값을 결정하는, 상기 발효 방법의 하나 이상의 공정 매개변수를 선택하고;
    (vii) 상기 발효 방법의 선택된 하나 이상의 공정 매개변수의 각각의 현재 측정값을, 상기 선택된 하나 이상의 공정 매개변수에 대해 공정 모델에 의해 추정된 모델 매개변수의 상응하는 추정값과 비교하고;
    (viii) 각각의 현재 측정값과 상기 선택된 하나 이상의 공정 매개변수에 대한 상응하는 추정값 사이의 변량을 미리 결정된 임계값과 비교하고;
    (ix) 상기 미리 결정된 임계값이 상기 변량에 의해 초과될 때 상기 공정 모델에 사용된 하나 이상의 정의된 모델 매개변수를 변화시키도록
    구성하고, 각각의 변화된 모델 매개변수에 의한 단계 (vii) 내지 (ix)가, 상기 변량이 미리 결정된 임계값 미만이 될 때까지 실행되고; 임의로 단계 (vii) 내지 (ix)의 미리 결정된 횟수의 반복 후에 상기 임계값이 상기 변량에 의해 충족되는 경우에, 상기 방법을 중단하고 경고가 사용자 인터페이스상에 출력으로서 생성되는 시스템.
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