KR20230028507A - 아세톤 업그레이드를 위한 최적화된 ibe 발효 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 할로알칸 화합물의 생산 공정에 관한 것이다.
a. 발효 가스 및 발효 생성물을 함유하는 발효 브로스를 생산하기 위해, 적어도 C5 및/또는 C6 당 수용액 (1) 및 재순환되는 아세톤 스트림 (3) 이 공급되는 천연 균주 미생물의 존재 하에 적어도 하나의 생물반응기 (R1) 에서 IBE-유형 발효 단계;
b. 발효 생성물의 스트림 (2) 을 얻기 위해 발효 생성물을 회수하는 단계;
c. 적어도 아세톤 유출물 (3) 및 수성 알코올 유출물 (4) 을 생성하기 위해 아세톤 분리 구역을 포함하는 발효 생성물의 스트림을 처리하는 단계;
d. 단계 c) 로부터의 아세톤 유출물 (3) 의 적어도 하나의 분획을 단계 a) 로 재순환시키는 단계.
a. 발효 가스 및 발효 생성물을 함유하는 발효 브로스를 생산하기 위해, 적어도 C5 및/또는 C6 당 수용액 (1) 및 재순환되는 아세톤 스트림 (3) 이 공급되는 천연 균주 미생물의 존재 하에 적어도 하나의 생물반응기 (R1) 에서 IBE-유형 발효 단계;
b. 발효 생성물의 스트림 (2) 을 얻기 위해 발효 생성물을 회수하는 단계;
c. 적어도 아세톤 유출물 (3) 및 수성 알코올 유출물 (4) 을 생성하기 위해 아세톤 분리 구역을 포함하는 발효 생성물의 스트림을 처리하는 단계;
d. 단계 c) 로부터의 아세톤 유출물 (3) 의 적어도 하나의 분획을 단계 a) 로 재순환시키는 단계.
Description
본 발명은 천연 미생물의 존재 하에서 C5 및/또는 C6 당을 포함하는 수용액의 IBE 발효를 포함하는 알코올의 생산 공정에 관한 것으로서, 알코올, 특히 이소프로판올의 수율을 최대화할 수 있다.
에너지 전이 과제를 충족시키기 위해, 석유 정제 및/또는 석유화학에 대한 대안적인 방식으로 화학적 중간체에 대한 접근을 제공하는 "녹색" 공정을 개발하기 위한 상당한 연구가 수행되고 있다.
발효로부터 유도된 알코올 (에탄올, n-부탄올, 이하 부탄올로 표시됨, 이소프로판올) 은 석유화학 유도체에 대한 가장 유망한 대체물이다. ABE (아세톤 - 부탄올 - 에탄올) 발효는 산업화된 (20세기 초에) 가장 오래된 발효 중 하나이며 그 후 광범위하게 연구되었다 (Moon et al. "One hundred years of clostridial butanol fermentation." FEMS Microbiol Lett. 2016 Feb, 363, 3 참조). 또한, 이소프로판올, 부탄올 및 에탄올의 혼합물을 생성하는 IBE (이소프로판올 - 부탄올 - 에탄올) 발효가 있다 (Dos Santos Vieira et al. "Acetone-free biobutanol production: Past and recent advances in the Isopropanol-Butanol-Ethanol (IBE) fermentation." Bioresour Technol. 2019 Sep, 287:121425 참조). 이들 두 가지 유형의 발효는 일반적으로 클로스트리디움 (Clostridium) 속의 발효 미생물에 의해 엄격한 혐기성생활 하에서 수행된다.
생명공학에서 사용되는 이러한 클로스트리디움의 "용매생성" 비병원성 균주는 자연적으로 ABE 발효 동안 관심 화학종, 보다 특히 아세톤, 부탄올 및 에탄올의 혼합물을 생산하기 위해 매우 다양한 당을 전환시키는 능력을 갖는다 (Jones et al. "Acetone-butanol fermentation revisited." Microbiol Rev 1986, 50: 484-524). 일부는 IBE 발효 동안 이소프로판올, 부탄올 및 에탄올의 혼합물을 스스로 생산할 수 있다 (Chen et al., "Acetone-butanol-isopropanol production by Clostridium beijerinckii (synonym, Clostridium butylicum)." Biotechnol Lett 1986, 8: 371-376; George et al., "Acetone, Isopropanol and Butanol Production by Clostridium beijerinckii (syn. Clostridium butylicum) and Clostridium aurantibutyricum." Appl Environ Microbiol 1983, 45: 1160-1163).
클로스트리디움의 단지 몇몇 특정 용매생성 균주, 특히 균주 DSM6423 과 같은 클로스트리디움 베이저린키이 (Clostridium beijerinckii) (또는 C. beijerinckii) 의 특정 균주만이 자연적으로 발효 과정 동안 아세톤에 대한 거의 완전한 대체물로서 이소프로판올을 생산할 수 있다. 다른 균주는 아세톤 / 부탄올 / 에탄올 (A/B/E) 혼합물을 생산한다.
그러므로, 이소프로판올 / 부탄올 / 에탄올 (I/B/E) 알코올 혼합물을 초래하는 IBE 발효 공정 동안, 아세톤은 이소프로판올의 발효 생산 경로의 중간 산물이다 (Mate de Gerando et al., "Genome and transcriptome of the natural isopropanol producer Clostridium beijerinckii DSM6423" BMC Genomics, 2018 19:242; Collas, 2012, "Production of isopropanol, butanol and ethanol by metabolic engineered Clostridia", Doctoral thesis in Microbiology and Molecular Biology, AgroParisTech, France). 그러나, 예를 들어, DSM6423 균주에 의해 수행되는 IBE 발효의 마지막에, 체계적으로 수득된 발효 브로스는 아세톤을 종종 낮은 농도 (일반적으로 생산된 용매의 질량의 약 2%) 로 포함한다. 그러나, IBE 발효 공정의 산물에서 아세톤의 이러한 존재는 불완전할 수 있는 알코올, 특히 이소프로판올의 수율의 특징이다.
이어서, I/B/E 알코올의 대규모 발효 생산을 경제적으로 유리하게 하기 위해, 동시 생성된 아세톤을 알코올, 특히 이소프로판올로 전환시켜 공정에서 이 아세톤 부산물의 축적을 제한할 수 있게 함으로써 종래의 IBE 발효 공정을 최적화하는 것이 유용한 것으로 보인다. 아세톤을 회수하고 전환시키는 것은 또한 아세톤을 업그레이드하는 것, 특히 당에서 알코올로의 전환 수율을 개선하는 것을 가능하게 한다.
화학적 수단에 의해 아세톤을 이소프로판올로 전환시키기 위한 산업 공정이 존재한다. 이들은 압력 하에서의 통상적인 촉매적 수소화 공정이다. 예를 들어, 문헌 EP 0379323 및 US 2011/0218367 에 기재된 공정은 20℃ 내지 200℃ 의 온도 및 1 내지 80 bar 의 압력에서 수소화 금속에 기초한, 특히 레이니 니켈에 기초한 촉매의 존재 하에 아세톤을 수소와 반응시켜 이소프로판올을 생성하는 공정이다 (EP 0379323 참조). 출원 US 2011/0218367 은 이소프로판올 선택성이 물의 존재 하에 개선됨을 명시한다. 특허 US 6930213 자체는 아세톤을 이소프로판올로 여러 반응 단계에서 수소화시켜 개선된 선택성으로 고순도 이소프로판올을 생산하는 공정을 기재하고 있다.
동시에, 아세톤을 전환시키기 위한 효소적 경로가 탐구된다. 문헌은, 예를 들어, 질소 N2, 수소 H2, 이산화탄소 CO2 및 일산화탄소 CO 의 가스 혼합물을 포함하는 합성가스로도 호칭되는 가스화로부터 초래되는 가스 기질의 발효로 이루어지므로 IBE 또는 ABE 발효와는 매우 상이한 발효 시스템에서 클로스트리디움의 특정 균주, 특히 클로스트리디움 라갈레이 (Clostridium ragsdalei) 균주를 사용하는 아세톤의 이소프로판올로의 환원을 기술하고 있다 (Ramachandriya KD et al., "Reduction of acetone to isopropanol using producer gas fermentation microbes", Biotechnol Bioeng., 2011 Oct, 108(10), 2330-8). 이 공정에서, 아세톤은 미생물의 성장에 영향을 주지 않고 최대 2 g/l 범위의 농도로 발효 배지에 첨가된다.
또 다른 연구는 부탄올 또는 부탄올-이소프로판올의 생산을 개선하기 위해, 특히 글루코스를 함유하는 배양 배지 내로 외인성 산 (아세트산 또는 부티르산) 또는 특정 효소의 전구체를 도입함으로써, 클로스트리디움, NJP7 의 천연 균주의 존재 하에 아세톤 - 이소프로판올 - 부탄올 발효를 최적화하는 것을 제안한다 (Xin et al., "Strategies for improved isopropanol-butanol production by a Clostridium strain from glucose and hemicellulose through consolidated bioprocessing", Biotechnololy for Biofuels, 2017, 10:118). 이 동일한 연구는 클로스트리디움 NJP7 균주의 부탄올 및 이소프로판올 역가 및 생산성이 바이오디젤을 이용한 인 시추 (in situ) 추출에 의한 유가식 발효 동안 추가로 개선될 수 있음을 보여준다.
또 다른 연구는 아세톤 - 부탄올 - 에탄올 혼합물을 자연적으로 생산하는 클로스트리디움 아세토부틸리쿰 (Clostridum acetobutylicum) ATCC 824 균주에 유전적 변형을 가하여, 아세톤 대체물로서 이소프로판올을 생산하게 만드는 것을 제안한다. 그러나, 아세톤을 효과적으로 전환시킬 수 있는 유전자 변형 미생물에 의해 생성된 알코올 탈수소효소의 존재에도 불구하고, 잔류 아세톤의 생성은 여전히 관찰된다 (Joungmin Lee et al., "Metabolic Engineering of Clostridium acetobutylicum ATCC 824 for Isopropanol-Butanol-Ethanol Fermentation", George et al., Applied and Environmental Microbiology, March 2012, Vol.78 N.5, p. 1416-1423).
이들 문헌 중 어느 것도 아세톤, 특히 알코올과 동시 생성된 아세톤의 직접 업그레이드를 허용하는 C5 및/또는 C6 당의 효소적 전환에 의한 알코올 생산 공정을 제안하지 않는다. 이들 문헌 중 어느 것도 상당한 경제적 절약에 해당하는, 당에서 알코올로의 전환율 및 이에 따른 알코올, 특히 이소프로판올의 생산 수율을 실질적으로 개선하는 것을 가능하게 하는 비교적 간단한 공정 계획을 제안하지 않는다.
발명의 요약
따라서, 본 발명은 하기 단계를 포함하는 알코올의 제조 공정에 관한 것이다:
a. 발효 가스 및 부탄올, 에탄올, 이소프로판올 및 아세톤을 포함하는 발효 생성물을 함유하는 발효 브로스를 생성하기 위해 적어도 하나의 생물반응기를 포함하는 반응 구역을 사용하는 발효 단계로서, IBE-유형 발효가, 특히 산업적 관심 대상의, 클로스트리디움 균주의 존재하에서 수행되고, 상기 반응 구역에는 적어도 C5 및/또는 C6 당 수용액 및 재순환되는 아세톤 스트림이 공급되는 단계;
b. 발효 생성물의 스트림을 얻기 위해 발효 생성물을 회수하는 단계;
c. 적어도 아세톤 유출물 및 수성 알코올 유출물을 생성하기 위해 아세톤 분리 구역을 사용하여 단계 b) 로부터의 발효 생성물의 스트림을 처리하는 단계;
d. 단계 c) 로부터의 아세톤 유출물의 적어도 하나의 분획을 단계 a) 로 재순환시키기 위해 적어도 하나의 수송 구역을 사용하는 아세톤을 재순환시키는 단계로서, 상기 수송되는 아세톤 유출물의 적어도 하나의 분획은 단계 a) 의 반응 구역에 공급되는 상기 재순환되는 아세톤 스트림을 구성하는 것인 단계.
놀랍게도, 본 출원인은 천연 미생물에 의해 알코올과 함께 동시 생성되는 아세톤을, 특별한 정제 없이, 단순한 공정 계획에 따라, 발효 배지에 재도입하여, 이들 동일한 천연 미생물을 사용하여 아세톤을 이소프로판올로 전환시킬 수 있다는 것을 발견하였다. 동시생성물의 알코올, 특히 이소프로판올로의 이러한 재동화 및 전환은 상당한 경제적 절약에 해당하는 당에서 알코올로의 수율을 실질적으로 개선할 수 있게 한다. 본 출원인은 천연 미생물에 의한 IBE 발효 동안 동시 생성되는 아세톤이 이소프로판올로 전환되기 위해 쉽게 재순환되고 동일한 미생물에 의해 거의 완전히 재동화될 수 있다는 것을 실제로 발견했다.
본 발명에 따른 공정은 동일한 균주와 동일한 양의 천연 미생물을 사용하고, 특히 동시 생성되는 아세톤을 재순환시키는 단순한 시스템을 사용함으로써, 선행 기술의 공정에 비해 이소프로판올의 수율을 4 중량% 내지 6 중량% 증가시킬 수 있다. 본 발명에 따른 공정에 의해 획득되는 개선된 성능은 제한된 투자 및 운영 비용으로 가능한 것으로 보인다.
본 발명의 또 다른 이점은 동시 생산되는 아세톤의 업그레이드 가능성, 뿐만 아니라 본 발명의 공정 외부의 발효 또는 화학적 공정으로부터 유래된 생체적합성 아세톤으로서 본 발명에 따라 정의될 수 있는 외인성 아세톤의 전환 가능성에 있다. 실제로 발효 배지 중 아세톤의 높은 농도에서도 이소프로판올, 부탄올 및 에탄올 혼합물을 자연적으로 생산하는 미생물에 의해, 아세톤이 이소프로판올로 최대 90% 의 전환율로 매우 잘 전환되는 것으로 보인다.
구현예의 설명
본 발명에 따르면, IBE-유형 발효 또는 IBE 발효는 수용액에 용해된 5개의 탄소 원자 (C5) 및/또는 6개의 탄소 원자 (C6) 를 포함하는 당을 이소프로판올 - 부탄올 - 에탄올 알코올 혼합물로 주로 구성되는 용매를 포함하는 발효 생성물로 전환시킬 수 있는 미생물을 사용하는 발효이다. 이러한 IBE 발효 동안, 아세톤이 동시 생성되며; 이 용매는 생성되는 용매의 중량의 대략 2 중량% 에 해당한다. 일반적으로, 발효는 또한 발효 가스, 특히 이산화탄소 (CO2) 및 수소를 생성한다.
본 발명에 따르면, 발효 시스템에 사용되는 박테리아로도 호칭되는 미생물은 5 개의 탄소 (C5) 또는 6 개의 탄소 (C6) 를 함유하는 당으로부터 자연적으로, 즉, 야생 상태에서, 알코올 이소프로판올, n-부탄올 (이후 부탄올로 표시됨) 및 에탄올을 우세하게 생성할 수 있는, 특히 산업상 관심 대상의, 클로스트리디움 종으로부터 유래된 균주이다. 용어 "우세하게" 는 여기서, 바람직하게는 발효에 의해 수득된 용매의 적어도 60 중량%, 우선적으로는 적어도 80 중량%, 바람직하게는 적어도 90 중량% 를 의미한다. 이들 균주는 "IBE 균주" 또는 "야생형 IBE 균주" 로도 호칭된다.
야생 상태에서 이소프로판올을 생산할 수 있는, 특히 야생 상태에서 IBE 발효를 수행할 수 있는 박테리아는 예를 들어 클로스트리디움 베이에린키이 (Clostridium beijerinckii) 박테리아, 클로스트리디움 디올리스 (Clostridium diolis) 박테리아, 클로스트리디움 푸니세움 (Clostridium puniceum) 박테리아, 클로스트리디움 아우란티부티리쿰 (Clostridium aurantibutyricum) 박테리아, 클로스트리디움 부티리쿰 (Clostridium butyricum) 박테리아, 클로스트리디움 사카로퍼부틸아세토니쿰 (Clostridium saccharoperbutylacetonicum) 박테리아, 클로스트리디움 보툴리눔 (Clostridium botulinum) 박테리아, 클로스트리디움 드라케이 (Clostridium drakei) 박테리아, 클로스트리디움 스카토로게네스 (Clostridium scatologenes) 박테리아, 클로스트리디움 페르프린겐스 (Clostridium perfringens) 박테리아, 및 클로스트리디움 투니시엔세 (Clostridium tunisiense) 박테리아로부터 선택되는 박테리아, 바람직하게는 클로스트리디움 베이에린키이 박테리아, 클로스트리디움 디올리스 박테리아, 클로스트리디움 푸니세움 박테리아, 클로스트리디움 아우란티부티리쿰 박테리아 및 클로스트리디움 사카로퍼부틸아세토니쿰 박테리아로부터 선택되는 박테리아일 수 있다. 바람직하게는, 자연적으로 이소프로판올을 생산할 수 있는, 특히 야생 상태에서 IBE 발효를 수행할 수 있는 박테리아는 클로스트리디움 베이에린키이 (Clostridium beijerinckii) 박테리아, 바람직하게는 DSM 6423, LMG 7814, LMG 7815, NRRL B-593, NCCB 27006 으로부터 선택되는 클로스트리디움 베이에린키이의 서브클레이드, 클로스트리디움 아우란티부티리쿰 (Clostridium aurantibutyricum) DSZM 793 또는 ATCC 17777 박테리아, 또는 DSM 6423 균주와 적어도 90%, 95%, 96%, 97%, 98% 또는 99% 동일성을 갖는 이러한 클로스트리디움 베이에린키이 또는 클로스트리디움 아우란티부티리쿰 박테리아의 서브클레이드이다 (https://www.ebi.ac.uk/ena/data/view/GCA_900010805.1 참조). DSM 6423 서브클레이드의 클로스트리디움 베이에린키이 (Clostridium beijerinckii) 박테리아가 특히 바람직하다.
유리하게는, 사용되는 미생물은 발효 동안 자연적으로 2차 알코올 디하이드로게나아제 (sadh) 로 호칭되는 특정 효소를 합성하며, 이 효소는 보조인자의 존재 하에, 보다 특히 NADPH (니코틴아미드 아데닌 디뉴클레오티드 포스페이트) 의 존재 하에 아세톤을 이소프로판올로 전환시킬 수 있으며, 이 보조인자는 동일한 미생물에 의해 특히 글루코스의 존재 하에 생산된다. 본 발명에 따르면, 이들 미생물은 "미생물", "천연 균주 미생물", "클로스트리디움 종으로부터 유래된 균주" 또는 "천연 균주" 또는 심지어 "야생 균주" 로서 상호교환적으로 지칭된다.
그러나, 야생 균주는 그들의 발효 성능에 영향을 미치지 않고 그들의 유전 물질 내에서 (즉, 그들의 DNA 내에서) 점 돌연변이를 자연적으로 겪을 수 있다.
본 발명에 따르면, "발효조" 로도 지칭되는 "생물반응기" 는 관심 대상의 분자 (용매 또는 다른 유기 화합물) 를 생성할 수 있는 발효성 미생물의 증식을 위한 한 가지 장비이다. 따라서, 생물반응기에서의 발효는, C5 및/또는 C6 당의 존재 하에, 반응 매질로도 지칭되는 발효 (또는 발효성) 배지의 pH, 교반 및 온도와 같은 주요 파라미터, 및 표적화된 용매의 생성의 제어로 사용되는 미생물의 성장을 가능하게 한다.
따라서, 본 발명에 따른 발효 단계는 미생물을 성장시키고 이소프로판올, n-부탄올 및 에탄올의 혼합물을 포함하는 수용액을 함유하는 발효 브로스를 포함하는 반응 유출물을 회수하는 것으로 이루어진다.
본 발명에 따르면, 생물반응기의 부피는 상기 생물반응기의 작업 부피에 해당한다.
본 발명에 따르면, 용어 "용매" 는 발효에 의해 생성되는 모든 알코올 및 케톤 화합물을 의미한다. 보다 특히, 용어 "용매" 는 본 발명에 따른 공정에서 수행되는 IBE 발효 동안 생성된 이소프로판올, 부탄올, 에탄올 및 아세톤 혼합물을 지칭한다.
본 발명에 따르면, 표현 "... 내지 ..." 는 구간의 한계값이 기재된 값의 범위에 포함되는 것을 의미한다. 만약 그러한 경우가 아니었다면 그리고 한계 값이 기재된 범위 내에 포함되지 않았다면, 그러한 설명이 본 발명에 의해 도입될 것이다.
본 발명의 목적을 위해, 압력 및 온도 범위와 같은 주어진 단계에 대한 파라미터의 다양한 범위는 단독으로 또는 조합으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 의미 내에서, 바람직한 압력 값의 범위는 보다 바람직한 온도 값의 범위와 조합될 수 있다.
이하, 본 발명의 구체적인 및/또는 바람직한 구현예가 기술될 수 있다. 이들은 별개로 구현되거나 함께 조합될 수 있으며, 조합이 기술적으로 실현 가능한 경우 조합에 제한이 없다.
따라서, 본 발명은 하기 단계를 포함하는, 바람직하게는 하기 단계로 이루어지는 알코올의 생산 공정에 관한 것이다:
a. 발효 가스 및 부탄올, 에탄올, 이소프로판올 및 아세톤을 포함하는 발효 생성물을 함유하는 발효 브로스를 생성하기 위해 천연 균주 미생물을 함유하는 적어도 하나의 생물반응기를 포함하는 반응 구역을 사용하는 IBE-유형 발효 단계로서, 상기 반응 구역에는 적어도 C5 및/또는 C6 당 수용액 및 재순환되는 아세톤 스트림이 공급되는 단계;
b. 발효 생성물의 스트림을 얻기 위해 발효 생성물을 회수하는 단계
c. 적어도 아세톤 유출물 및 수성 알코올 유출물을 생성하기 위해 아세톤 분리 구역을 사용하여 단계 b) 로부터의 발효 생성물의 스트림을 처리하는 단계;
d. 단계 c) 로부터의 아세톤 유출물의 적어도 하나의 분획을 단계 a) 로 재순환시키기 위해 적어도 하나의 수송 구역을 사용하는 아세톤을 재순환시키는 단계로서, 상기 수송되는 아세톤 유출물의 적어도 하나의 분획은 반응 구역에 공급되는 상기 재순환되는 아세톤 스트림을 구성하는 것인 단계.
공급원료
본 발명에 따르면, 공정에는 C5 및/또는 C6 당 수용액이 공급된다.
상기 C5 및/또는 C6 당 수용액은 다양한 기원을 가질 수 있다. 이는 유리하게는 재생가능한 공급원의 처리로부터 기원한다. 이러한 재생가능한 공급원은 목질 기질 (낙엽 식물 및 침엽 식물), 농업 부산물 (짚) 또는 리그노셀룰로스계 폐기물을 생성하는 산업 (농식품 또는 제지 산업) 으로부터의 부산물을 현저히 포함하는 리그노셀룰로스계 바이오매스 유형일 수 있다. 당의 수용액은 또한 당-생산 식물, 예를 들어 사탕무 및 사탕수수로부터, 또는 전분성 식물 예컨대 옥수수 또는 밀로부터 수득될 수 있다.
생물학적 바이오연료 생산에 사용되는 다양한 리그노셀룰로오스계 바이오매스 (단자엽 식물 또는 쌍자엽 식물) 에 자연적으로 존재하는 임의의 C5 당이 본 발명에 따른 공정에 의해 발효될 수 있다. 바람직하게는, C5 당은 자일로스 및 아라비노스로부터 선택된다.
임의의 C6 당이 또한 본 발명에 따른 공정에 의해 발효될 수 있다. 바람직하게는, C6 당은 글루코스, 만노스, 갈락토스로부터 선택된다. 보다 바람직하게는, C6 당은 글루코스이다.
유리하게는, C5 및/또는 C6 당은 상기 당의 수용액에 가용화된다. 상기 당 수용액 중 C5 및/또는 C6 당의 농도는 1 내지 900 g/l, 바람직하게는 10 내지 600 g/l, 우선적으로는 20 내지 500 g/l, 매우 바람직하게는 25 내지 150 g/l 이다. 바람직하게는, C5 및/또는 C6 당 수용액은 액체 용액이다.
단계 a)
본 발명에 따르면, 알코올 생산 공정은 IBE 발효가 천연 미생물의 존재 하에 수행되는 적어도 하나의 생물반응기를 자체적으로 포함하는 반응 구역을 사용하는 발효 단계 a) 를 포함한다.
상기 천연 미생물은 C5 및/또는 C6 당으로부터 알코올 이소프로판올, n-부탄올 (본 발명에 따른 부탄올로도 지칭됨) 및 에탄올을 자연적으로 생산할 수 있는 클로스트리디움 균주이다.
하나 이상의 구현예에 따르면, 박테리아 바이오매스로도 지칭되는 발효 시스템은 적어도 클로스트리디움 속에 속하고, 야생 상태에서 이소프로판올을 생산할 수 있고, 특히 야생 상태에서 IBE 발효를 수행할 수 있고, 유리하게는 클로스트리디움 베이에린키이 (Clostridium beijerinckii) 박테리아, 클로스트리디움 디올리스 (Clostridium diolis) 박테리아, 클로스트리디움 푸니세움 (Clostridium puniceum) 박테리아, 클로스트리디움 아우란티부티리쿰 (Clostridium aurantibutyricum) 박테리아, 클로스트리디움 부티리쿰 (Clostridium butyricum) 박테리아, 클로스트리디움 사카로퍼부틸아세토니쿰 (Clostridium saccharoperbutylacetonicum) 박테리아, 클로스트리디움 보툴리눔 (Clostridium botulinum) 박테리아, 클로스트리디움 드라케이 (Clostridium drakei) 박테리아, 클로스트리디움 스카토로게네스 (Clostridium scatologenes) 박테리아, 클로스트리디움 페르프린겐스 (Clostridium perfringens) 박테리아, 및 클로스트리디움 투니시엔세 (Clostridium tunisiense) 박테리아로부터 선택되는 박테리아, 바람직하게는 클로스트리디움 베이에린키이 박테리아, 클로스트리디움 디올리스 박테리아, 클로스트리디움 푸니세움 박테리아, 클로스트리디움 아우란티부티리쿰 박테리아 및 클로스트리디움 사카로퍼부틸아세토니쿰 박테리아로부터 선택되는 미생물, 또는 박테리아에 의해 생산된다 (및/또는 포함한다). 바람직하게는, 사용되는 미생물은 클로스트리디움 베이에린키이 (Clostridium beijerinckii) 박테리아, 바람직하게는 DSM 6423, LMG 7814, LMG 7815, NRRL B-593, NCCB 27006 으로부터 선택되는 클로스트리디움 베이에린키이의 서브클레이드, 클로스트리디움 아우란티부티리쿰 (Clostridium aurantibutyricum) DSZM 793 또는 ATCC 17777 박테리아, 또는 DSM 6423 균주와 적어도 90%, 95%, 96%, 97%, 98% 또는 99% 동일성을 갖는 이러한 클로스트리디움 베이에린키이 또는 클로스트리디움 아우란티부티리쿰 박테리아의 서브클레이드이다 (https://www.ebi.ac.uk/ena/data/view/GCA_900010805.1 참조).
상기 반응 구역은 하나 이상의 생물반응기, 바람직하게는 적어도 2개의 생물반응기, 우선적으로 적어도 5개의 생물반응기를 포함할 수 있다. 유리하게는, 상기 반응 구역은 최대 30개의 생물반응기, 바람직하게는 최대 20개의 생물반응기, 우선적으로는 최대 10개의 생물반응기를 포함한다. 각각의 생물반응기는 상기 천연 미생물을 포함한다. 반응 구역이 여러 생물반응기를 포함할 때, 생물반응기는 병렬로 작동한다.
상기 반응 구역에는 C5 및/또는 C6 당 수용액이 공급된다. 유리하게는, 상기 수용액은 액체 형태이다. 상기 반응 구역이 여러 생물반응기를 포함하는 경우, 상기 C5 및/또는 C6 당 수용액은 상기 반응 구역에 존재하는 생물반응기만큼 많은 당 수용액 공급 스트림으로 분할될 수 있다.
상기 반응 구역에는 또한, 유리하게는 본 발명에 따른 공정의 단계 d) 로부터, 재순환되는 아세톤 스트림이 공급된다. 유리하게는, 상기 재순환되는 아세톤 스트림은 액체 형태이다. 상기 재순환되는 아세톤 스트림은 직접 상기 바이오리액터(들) 내로 또는 상기 바이오리액터의 상류에 위치하는 혼합기 내로 도입될 수 있으며, 그것은 상기 바이오리액터(들) 내로 도입되기 전에 상기 C5 및/또는 C6 당 수용액과 혼합된다. 상기 반응 구역이 여러 생물반응기를 포함하는 경우, 상기 재순환되는 아세톤 스트림은 상기 반응 구역에 존재하는 생물반응기만큼 많은 재순환되는 아세톤 공급 스트림으로 분할될 수 있다.
상기 반응 구역에는 또한 선택적으로 외인성 아세톤 스트림이 공급될 수 있다. 유리하게는, 반응 구역에 선택적으로 공급되는 상기 외인성 아세톤 스트림은 액체 형태이다. 상기 외인성 아세톤 스트림은 상기 생물반응기(들) 내로 도입되기 전에 재순환되는 아세톤 스트림 C6 과 혼합될 수 있거나 또는 상기 생물반응기(들)에 직접 공급될 수 있다.
선택적으로 반응 구역에 공급되는 상기 외인성 아세톤 스트림은, 본 발명에 따른 공정 이외의 하나 이상의 공정으로부터 생성되는 생체적합성 아세톤 스트림이다. 상기 외인성 아세톤 스트림은, 적어도 부분적으로, 다른 발효 공정으로부터, 예를 들어 ABE 발효를 수행하는 다른 발효 공정으로부터, 또는 "화학적" 공정, 즉 어떠한 발효도 수행하지 않는 공정으로부터 기원할 수 있다. 후자의 경우, 화학적 공정에 의해 생성된 아세톤은 직접 생체적합성이며, 즉 본 발명에 따른 공정의 단계 a) 에서 사용되는 미생물에 대한 독을 함유하지 않거나, 단계 a) 의 반응 구역에 도입되기 전에 처리되어 생체적합성으로 만들어진다.
유리하게는, 단계 a) 의 반응 구역에, 단계 a) 의 반응 구역에 공급되는 아세톤의 농도가 단계 a) 의 반응 구역에 공급되는 모든 액체 스트림, 즉 C5 및/또는 C6 당 수용액, 재순환되는 아세톤 스트림 및 선택적으로 외인성 아세톤 스트림에 대해 10 g/l 이하, 바람직하게는 5 g/l 이하, 우선적으로는 2 g/l 이하 및 바람직하게는 엄격하게는 0 초과, 우선적으로는 0.01 g/l 이상, 바람직하게는 0.1 g/l 이상이 되도록 조절되는 유량으로 단계 a) 의 반응 구역에 상기 재순환되는 아세톤 스트림 및 선택적으로 외인성 아세톤 스트림이 공급된다. 단계 a) 의 반응 구역에 공급되는 아세톤의 농도는 단계 a) 의 반응 구역에 공급되는 스트림의 총 부피에 대한, 즉 부피로 표현되는 당 수용액 스트림, 재순환되는 아세톤 스트림 및 선택적으로 외인성 아세톤 스트림으로 구성되는 액체 스트림의 합계에 대한, 단계 a) 의 반응 구역에 진입하는, 즉 재순환되는 아세톤 스트림 및 선택적으로 외인성 아세톤 스트림에 의해 제공되는 전체 아세톤의 중량인 것으로 정의된다.
유리하게는, 반응 구역에서 수행되는 발효는 25℃ 내지 40℃, 바람직하게는 30℃ 내지 37℃, 바람직하게는 34℃ 의 온도에서 수행된다. 바람직하게는, 발효는 4.0 내지 7.0, 바람직하게는 4.5 내지 6.0 의 pH 에서 수행된다. 유리하게는, 단계 a) 의 반응 구역은 대기압에서 작동된다.
본 발명의 하나의 특정 구현예에 따르면, 발효는 회분식으로, 즉, 특히 당 수용액, 선택적으로 선행하는 배치 또는 배치들로부터의, 상기 재순환되는 아세톤 스트림 및 선택적으로 외인성 아세톤 스트림을 초기 공급하고, 중간 공급하지 않고 및/또는 연속 공급하지 않고 수행될 수 있다. 다시 말하면, 이 구현예에서, 발효는 유리하게는 배치의 지속시간에 상응하는 30 내지 150 시간의 기간 동안, 유리하게는 액체상에 대해 폐쇄되는 (그러나 유출 기체상에 대해 개방되는) 생물반응기(들)에서 수행된다. 바람직하게는, 생물반응기(들)의 작업 부피는 10 내지 500 m3 이다. 상기 (또는 각각의) 생물반응기 내로, 바람직하게는 1 내지 900 g/l, 바람직하게는 10 내지 600 g/l, 바람직하게는 20 내지 500 g/l, 더욱 더 바람직하게는 30 g/l 내지 90 g/l, 특히 40 g/l 내지 60 g/l 의 농도로 초기에 도입되는 C5 및/또는 C6 당 수용액의 양은 고려되는 생물반응기의 작업 부피의 절반에 상응하고, 유리하게는 상기 생물반응기의 발효 배지에 상응한다. 배치 당 및 생물반응기 당 도입되는 미생물의 양은 최대 성장 속도에서의 세포 (또는 박테리아) 배양 배지의 부피에 상응하고, 배양 배지의 상기 부피는 발효 배지의 부피 (또는 반응 부피) 의 2% 내지 10% 이다. 반응 매질을 균질화하기 위해 연속 교반이 유지된다.
본 발명의 제 2 특정 구현예에 따르면, 발효는 "반연속식" 또는 "유가식" 모드로 수행될 수 있다. 이 구현예에서, 당 수용액 및 유리하게는 아세톤 스트림은 유리하게는 생물 반응기(들) 내로, 배치의 시작 시에 한 부분에 대해, 그리고 생물 반응기(들)에서 배치의 과정에서 첨가되는 다른 부분에 대해 도입된다. 배치는, 당업자의 지식에 따라, 유리하게는 생물 반응기(들)의 2회의 비움 (emptying) 사이의 발효를 수행하기 위한 시간 및 이 시간 동안 일어나는 작업을 나타낸다. 배치는 바람직하게는 20 내지 200 시간, 바람직하게는 30 내지 150 시간 지속된다. 바람직하게는, 생물반응기(들)의 작업 부피는 10 내지 500 m3 이다. 바람직하게는, 상기 (또는 각각의) 생물반응기에 바람직하게는 (각각의) 생물반응기의 작업 부피의 절반과 동일한 부피에 해당하는 양의 C5 및/또는 C6 당 수용액이, 바람직하게는 30 g/l 내지 90 g/l, 바람직하게는 40 g/l 내지 60 g/l 의 당 농도로 초기에 공급된다. 발효 동안, 각각의 생물반응기에 C5 및/또는 C6 당 수용액이, 유리하게는 연속적으로 또는 펄스식으로, 바람직하게는 500 내지 800 g/l 의 당 농도로, 유리하게는 10 내지 5000 l/h, 바람직하게는 20 내지 2500 l/h 의 유량으로 공급된다. 배치 당 및 생물반응기 당 도입되는 미생물의 양은 최대 성장 속도에서의 세포 (또는 박테리아) 배양 배지의 부피에 상응하고, 배양 배지의 상기 부피는 발효 배지의 부피 (또는 반응 부피) 의 2% 내지 10% 이다. 각 생물반응기에서 반응 매질을 균질화하기 위해 연속 교반이 유지된다. 각 생물반응기에서 액체 또는 기체 형태로 생성된 부탄올의 회수가 연속적으로 또는 펄스식으로 수행될 수 있으며, 이 기술의 목적은 균주에 의해 생성될 때 미생물에 독성인 부탄올을 제거하는 것이다. 이 기술은 인 시추 생성물 회수 (In Situ Product Recovery) 의 ISPR 로 지칭되며, 당업자에게 잘 알려져 있다 (Outram V. et al. "A comparison of the energy use of in situ product recovery techniques for the Acetone Butanol Ethanol fermentation", Bioresource Technology, 2016, 220, 590-600 참조).
발효가 회분식 또는 반연속식 (또는 유가식) 으로 수행되는 경우, 용어 "스트림" 은 배치 당 생물 반응기(들)에 도입되거나 이로부터 배출되는 양을 나타낸다.
본 발명의 세번째 특정 구현예에 따르면, 발효는 자유 세포를 이용하는 연속식으로도 지칭되는 "단순 연속식" 으로 수행될 수 있다. 이어서, 생물반응기(들)에 당 수용액 및 재순환되는 아세톤 스트림, 및 선택적으로 외인성 아세톤 스트림을 연속적으로 공급된다. 유리하게는 1 내지 900 g/l, 우선적으로는 10 내지 600 g/l, 바람직하게는 20 내지 500 g/l, 매우 바람직하게는 25 내지 150 g/l 의 농도의 상기 C5 및/또는 C6 당 수용액의 공급 유속은, h-1 로 표현되고 체류 시간의 역 (즉, 상기 C5 및/또는 C6 당 수용액의 유속을 생물반응기의 부피, 즉, 작업 부피로 나눈 것) 에 상응하는 생물반응기(들)에서의 희석률이, 당업자에게 잘 알려진 바와 같이, 0.01 내지 0.05 h-1, 바람직하게는 0.0125 내지 0.033 h-1 이 되도록 조정된다. 상기 재순환되는 아세톤 스트림, 및 선택적으로 상기 외인성 아세톤 스트림의 공급 유속은, 생물반응기에 공급하는 액체 스트림의 합 (즉, 당 수용액, 재순환되는 아세톤 스트림 및 선택적으로 외인성 아세톤 스트림) 에 대한 생물반응기에 공급하는 아세톤의 농도가 10 g/l 이하, 바람직하게는 5 g/l 이하, 우선적으로는 2 g/l 이하, 및 바람직하게는 엄격하게 0 초과, 우선적으로는 0.01 g/l 이상, 바람직하게는 0.1 g/l 이상이 되도록, 상기 지시된 바와 같이 조정된다. 유리하게는, 단순 연속식으로 수행되는 발효의 경우, 발효 배지로도 지칭되는 반응 매질 중의 미생물 농도는 108 내지 1011 세포/반응 매질의 ㎖, 바람직하게는 109 내지 1010 세포/반응 매질의 ㎖ 이다. 생물반응기(들)에서 반응 매질을 균질화하기 위해 유리하게는 반응 매질의 연속적인 교반이 유지된다. 이 구현예에서, 미생물 및 형성된 생성물은 생물 반응기(들)로부터 연속적으로 또는 펄스식으로 회수된다. 전술한 바와 같은 ISPR 기술이 또한 박테리아에 독성인 부탄올을 제거하기 위해 적용될 수 있다.
본 발명의 또다른 특정 구현예에 따르면, 발효는 고정된 세포를 이용하는 연속식 또는 한정된 연속식으로도 지칭되는 "지지되는 연속식" 으로 수행될 수 있다. 이어서, 미생물은 예를 들어 다공성 무기 물질, 예컨대 점토, 금속 발포체, 중합체 발포체, 특히 폴리우레탄 발포체 (폴리우레탄 발포체가 바람직하다) 로 구성되는 고체 지지체 상에 필름 또는 바이오필름을 형성한다 (FR 3 086 670 참조). 유리하게는, 지지되는 연속식으로 수행되는 발효의 경우, 미생물 농도는 107 내지 1010 세포/고체 지지체의 ㎤, 바람직하게는 108 내지 109 세포/고체 지지체의 ㎤ 이다. 접종된 고체 지지체, 즉 미생물 바이오필름을 함유하는 고체 지지체, 바람직하게는 접종된 폴리우레탄 발포체는 그 후 접종된 고체 지지체의 부피가 바람직하게는 생물반응기의 작업 부피의 1% 내지 50%, 바람직하게는 생물반응기의 작업 부피의 5% 내지 30% 에 해당하도록 상기 또는 각각의 생물반응기에 배치된다. 이어서, 생물반응기(들)에 유리하게는 1 내지 900 g/l, 우선적으로는 10 내지 600 g/l, 바람직하게는 20 내지 500 g/l, 매우 바람직하게는 25 내지 150 g/l 의 농도의 C5 및/또는 C6 당 수용액, 및 재순환되는 아세톤 스트림, 및 선택적으로 외인성 아세톤 스트림이 연속적으로 공급된다. 생물반응기(들)에 공급되는 상기 C5 및/또는 C6 당 수용액의 공급 유속은, h-1 로 표현되고 체류 시간의 역 (즉, 상기 C5 및/또는 C6 당 수용액의 유속을 생물반응기의 부피, 즉, 작업 부피로 나눈 것) 에 상응하는 희석률이, 당업자에게 잘 알려진 바와 같이, 0.01 내지 0.40 h-1, 바람직하게는 0.015 내지 0.30 h-1, 바람직하게는 0.02 내지 0.20 h-1 이 되도록 조정된다. 상기 재순환되는 아세톤 스트림, 및 선택적으로 상기 외인성 아세톤 스트림의 공급 유속은, 생물반응기에 공급하는 모든 액체 스트림 (즉, 당 수용액, 재순환되는 아세톤 스트림 및 선택적으로 외인성 아세톤 스트림) 에 대한 생물반응기에 공급하는 아세톤의 농도가 10 g/l 이하, 바람직하게는 5 g/l 이하, 우선적으로는 2 g/l 이하, 및 바람직하게는 엄격하게 0 초과, 우선적으로는 0.01 g/l 이상, 바람직하게는 0.1 g/l 이상이 되도록, 상기 지시된 바와 같이 조정된다. 생물반응기(들)에서 반응 매질을 균질화하기 위해 유리하게는 반응 매질의 연속적인 교반이 유지된다. 이 구현예에서, 미생물 및 형성된 생성물은 생물 반응기(들) 로부터 연속적으로 또는 펄스 방식으로 회수된다. 전술한 바와 같은 ISPR 기술이 또한 박테리아에 독성인 부탄올을 제거하기 위해 적용될 수 있다.
바람직하게는, 발효는 단순 연속식 또는 세포 고정화를 이용하는 연속식으로 수행되며, 우선적으로는 세포 고정화를 이용하는 연속식으로 수행된다.
상기 단계 a) 는, 특히 이산화탄소 (CO2) 및 수소를 포함하는, 발효 가스, 및 부탄올, 에탄올, 이소프로판올 및 아세톤을 포함하는 발효 생성물을 포함하는 발효 브로스의 생산을 가능하게 한다.
단계 b)
본 발명에 따르면, 알코올 생산 공정은 발효 생성물의 스트림을 얻기 위해, 단계 a) 에서 생성된 발효 생성물을 회수하는 단계 b) 를 포함한다.
이 단계는 유리하게는 적어도 발효 브로스 및 발효 가스로부터, 특히 물과의 혼합물로서 부탄올, 에탄올, 이소프로판올 및 아세톤을 포함하는, 발효 생성물을 분리하는 것으로 이루어진다.
이러한 균질화는 당업자에게 알려진 임의의 방법에 의해 수행될 수 있다. 예를 들어, WO 2018/001628 에 기재된 발효조에서 알코올을 회수하기 위한 공정이 매우 특히 이 단계 b) 에서 사용될 수 있다.
단계 b) 의 마지막에 수득된 발효 생성물의 상기 스트림은 특히 이소프로판올, n-부탄올, 에탄올 및 아세톤을 물과의 혼합물로서 포함한다.
단계 c)
본 발명에 따르면, 알코올 생산 공정은 단계 b) 로부터 생성된 발효 생성물의 스트림을 처리하는 단계 c) 를 포함한다. 상기 단계 c) 는 적어도 아세톤 유출물 및 수성 알코올 유출물을 생성하기 위해 적어도 하나의 아세톤 분리 구역을 사용한다. 상기 수성 알코올 유출물은 특히 부탄올, 에탄올 및 이소프로판올을 포함한다.
발효 생성물의 스트림으로부터 아세톤의 분리는 예를 들어 증류(들), 분별(들) 등과 같은 당업자에게 공지된 임의의 방법에 따라 수행될 수 있다. 이는 특히 일련의 증류를 수행할 수 있다. 따라서, 본 발명의 특정 구현예에서, 단계 c) 는 상기 아세톤 분리 구역에서 하기를 수행한다:
c-1) 맥주 컬럼의 하부에서 물 스트림 및 맥주 컬럼의 상부에서 용매의 수성 혼합물을 얻기 위해, 맥주 컬럼에서 단계 b) 로부터의 발효 생성물 스트림의 증류,
c-2) 컬럼의 상부에서 상기 아세톤 유출물 및 컬럼의 하부에서 상기 수성 알코올 유출물을 얻기 위해, 증류 컬럼에서 용매의 수성 혼합물의 증류.
본 특정 구현예의 단계 c-1) 의 맥주 컬럼의 상부에서 추출된 용매의 수성 혼합물은 물, 부탄올, 특히 n-부탄올, 에탄올, 이소프로판올 및 아세톤을 포함한다. 단계 c-1) 의 상기 맥주 컬럼은 유리하게는, 바람직하게는 오버헤드 증기의 재압축에 의하는, 리보일링 시스템 (reboiling system) 을 구비할 수 있다. 이는 또한 환류 재순환 시스템을 포함할 수 있다.
특정 구현예의 단계 c-1) 의 맥주 컬럼의 상부에서 추출되는, 용매의 수성 혼합물이 그 후 "아세톤 컬럼" 으로도 지칭되는 증류 컬럼으로 보내진다. 단계 c-2) 의 아세톤 컬럼의 역할은 알코올 스트림으로부터 아세톤을 분리하는 것 (아세톤은 컬럼의 상부에서 추출된다), 및 유리하게는 이소프로판올-부탄올-에탄올이 농축된 상기 수성 알코올 유출물을 생성하는 것이다 (이는 상기 아세톤 컬럼의 하부에서 회수된다).
유리하게는, 단계 c) 의 마지막에 수득된 아세톤 유출물은 상기 아세톤 유출물의 중량에 대해 95 중량% 이상, 바람직하게는 98 중량% 이상, 바람직하게는 99.5 중량% 이상의 아세톤 농도를 갖는다. 수성 알코올 유출물 자체는 물 및 알코올의 혼합물을 포함하며, 상기 알코올은 유리하게는 IBE 발효 동안 생성되는 것, 특히 n-부탄올 (부탄올로 지칭됨), 에탄올 및 이소프로판올이다.
단계 c) 는 선택적으로 알코올 분리 구역을 더 포함할 수 있다. 상기 선택적인 알코올 분리 구역은 아세톤 분리 구역으로부터 생성된 수성 알코올 유출물이 공급되는 증류 컬럼을 포함한다. 그것은 하나 이상의 부탄올 유출물 및 에탄올 및 이소프로판올을 포함하는 하나의 수성-알콜성 유출물을 분리할 수 있게 한다.
단계 d)
본 발명에 따르면, 알코올 생산 공정은 아세톤을 재순환시키는 단계 d) 를 포함한다. 이 아세톤 재순환 단계는 단계 c) 로부터의 아세톤 유출물의 적어도 하나의 분획을 단계 a) 로 재순환시키기 위해 적어도 하나의 전달 구역을 사용한다. 단계 a) 로 재순환되는 상기 아세톤 유출물의 분획은 본 발명에 따른 공정의 상기 단계 a) 의 반응 구역에 공급되는 재순환되는 아세톤 스트림을 구성한다.
본 발명에 따른 공정은 전술한 바와 같이 연속식, 회분식 또는 반연속식으로 작업될 수 있다. 바람직하게는, 공정은 연속식, 바람직하게는 한정된 연속식으로 작업된다.
따라서, 본 발명에 따른 공정은 발효 배지에서 동시 생성된 아세톤을, 그것을 미생물에 의해 재동화시키고 이소프로판올로 전환시키기 위해, 생물반응기 내로 재통합할 수 있게 한다. 아세톤의 재동화가 거의 완벽하므로, 동일한 균주 및 동일한 수의 천연 미생물을 사용하지만 동시 생성된 아세톤의 재순환 및 재동화 시스템을 사용하지 않는 공정과 비교하여, 사용된 클로스트리디움 균주에 따라 4 내지 6 중량% 증가로 이소프로판올 수율이 개선된다. 따라서, 본 발명에 따른 공정은 아세톤 동시생성물의 업그레이드가 없는 IBE 발효 공정에 비해 당에서 알코올로의 전체 전환 수율의 증가를 가능하게 한다.
본 발명에 따른 공정은 또한 아세톤을 이소프로판올로 전환시킴으로써 상기 공정에 외인성인 아세톤을 업그레이드할 수 있으며, 특히 화학적인 수단을 사용한는 종래의 공정에 비해 낮은 압력에서 아세톤을 업그레이드할 수 있는 효과를 가진다.
본 명세서에 포함된 도면 및 다음의 실시예는 본 발명에 따른 공정의 비제한적인 예시로서 제시된다.
본 발명, 특히 실시예에 따르면, 중량 단위 "톤" 은 "t" 로 표기되고, 중량 단위 "그램" 은 "g" 로 표기되며, 시간 단위 "시간" 은 "시" 로 표기된다.
도 1
도 1 은 본 발명에 따른 공정의 특정 배열을 개략적으로 나타낸다. C5 및/또는 C6 당 수용액 (1) 이 적어도 하나의 생물반응기를 포함하는 반응 구역 (R1) 에 공급된다. 상기 생물반응기는 당을 이소프로판올, 부탄올 및 에탄올 알코올로 자연적으로 전환하는 미생물을 포함한다. 당의 IBE 발효 후에 수득된 발효 생성물 (2) 은 회수되고 아세톤 분리 구역 (C) 내에 도입되며, 아세톤 분리 구역 (C) 은 반응 구역 (R1) 으로 완전히 재순환되는 아세톤 유출물 (3) 및 이소프로판올, 부탄올 및 에탄올을 포함하는 수성 알콜 유출물 (4) 을 분리한다.
도 2
도 2 는 본 발명에 따른 공정의 다른 특정 배열을 나타낸다. 도 2 에 도시된 공정은, 도 1 에 도시된 공정과 비교하여, 구역 (R1) 에 공급되는 아세톤의 총 농도가 상기 구역 (R1) 에 공급되는 모든 스트림에 비해 10 g/l 이하, 바람직하게는 5 g/l 이하, 바람직하게는 2 g/l 이하, 및 바람직하게는 엄격하게 0 초과, 우선적으로는 0.01 g/l 이상, 바람직하게는 0.1 g/l 이상이 되도록 외인성 아세톤 공급물 (5) 을 추가로 포함한다.
도 1 은 본 발명에 따른 공정의 특정 배열을 개략적으로 나타낸다. C5 및/또는 C6 당 수용액 (1) 이 적어도 하나의 생물반응기를 포함하는 반응 구역 (R1) 에 공급된다. 상기 생물반응기는 당을 이소프로판올, 부탄올 및 에탄올 알코올로 자연적으로 전환하는 미생물을 포함한다. 당의 IBE 발효 후에 수득된 발효 생성물 (2) 은 회수되고 아세톤 분리 구역 (C) 내에 도입되며, 아세톤 분리 구역 (C) 은 반응 구역 (R1) 으로 완전히 재순환되는 아세톤 유출물 (3) 및 이소프로판올, 부탄올 및 에탄올을 포함하는 수성 알콜 유출물 (4) 을 분리한다.
도 2
도 2 는 본 발명에 따른 공정의 다른 특정 배열을 나타낸다. 도 2 에 도시된 공정은, 도 1 에 도시된 공정과 비교하여, 구역 (R1) 에 공급되는 아세톤의 총 농도가 상기 구역 (R1) 에 공급되는 모든 스트림에 비해 10 g/l 이하, 바람직하게는 5 g/l 이하, 바람직하게는 2 g/l 이하, 및 바람직하게는 엄격하게 0 초과, 우선적으로는 0.01 g/l 이상, 바람직하게는 0.1 g/l 이상이 되도록 외인성 아세톤 공급물 (5) 을 추가로 포함한다.
실시예
하기 실시예는 클로스트리디움 (Clostridium) 속 미생물의 존재 하에 특히 C5 및/또는 C6 당으로부터, 이소프로판올/부탄올/에탄올/아세톤의 분포가 36%/60%/2%/2% (중량 백분율로서 표현됨) 인 용매를 자연적으로 생산하는 DSM6423 균주를 사용하여 수행된 실험실 시험의 결과로부터 구성된다.
실시예 1 (본 발명에 따르지 않음)
실시예 1 은 동시 생성된 아세톤을 재순환시키기 위한 시스템이 없는, 클로스트리디움 베이저린키 (Clostridium beijerinckii) DSM6423 균주의 존재 하에서의 IBE 발효 공정을 예시한다. 이는 종래 기술에 따른 공정이다.
발효 생산 유닛은 글루코스 (C6 당) 의 62.5 g/l 수용액을 처리하는 4개의 발효조를 포함하는 발효 유닛을 사용한다. 발효 유닛의 발효조의 총 작업 부피는 14,000 m3 이다. 식물의 당 소비는 약 125 000 t/년의 글루코스로, 250 000 l/h 의 글루코스 수용액의 유속, 즉, 0.022 h-1 의 희석률에 상응한다. 발효조는 37℃, 대기압 및 pH 4.5 내지 6 에서 작동한다. 유닛은 단순 연속식으로 작동한다. 미생물의 수는 109 내지 1010 세포/반응 매질의 ㎖ 이다.
생산 유닛은 또한 알코올로부터 생산된 아세톤을 분리하기 위해, 생산된 용매를 처리하기 위한 유닛, 특히 맥주 컬럼 및 이어서 아세톤 컬럼을 포함하는 아세톤 분리 유닛을 포함한다.
생산 유닛은 연간 40 000 톤의 용매를 생산한다.
표 1 은 다양한 용매의 생산량을 요약한 것이다.
표 1
용매 (아세톤 + 에탄올 + 이소프로판올 + 부탄올) 에 대한 글루코스의 총 수율은 0.320 ㎏/㎏ (즉, 소비된 글루코스의 ㎏ 당 생성된 용매의 ㎏) 이고, 글루코스의 알콜로 (에탄올 + 이소프로판올 + 부탄올) 의 전환율은 0.314 ㎏/㎏ 이다.
실시예 2 (본 발명에 따름)
실시예 2 는 본 발명에 따른 공정을 예시한다. 실시예 2 는 동시 생성된 아세톤을 재순환시키기 위한 시스템이 있는, 클로스트리디움 베이저린키 (Clostridium beijerinckii) DSM6423 균주의 존재 하에서의 IBE 발효 공정을 구체적으로 예시한다.
실시예 1 에 기재된 공정의 파라미터 및 작동 조건이 사용된다. 생산 유닛은 동시 생산되고 전용 분리 유닛에서 분리되는 아세톤을 재순환시키기 위한 시스템을 더 포함한다. 따라서, 약 100,000 g/h 의 아세톤의 스트림이 생성되고 발효조로 연속적으로 재순환된다. 분리된 모든 아세톤 유출물은 발효 유닛으로 재순환된다.
생물반응기에 공급되는 모든 스트림의 아세톤 농도는 생산 전체에 걸쳐 0.4 g/l 이다.
표 2 는 실시예 2 에 기재된 공정에 의해 생성된 다양한 용매의 양을 나타낸다.
표 2
용매 (아세톤 + 에탄올 + 이소프로판올 + 부탄올) 에 대한 글루코스의 총 수율은 여전히 글루코스의 ㎏ 당 0.320 ㎏ 의 용매이지만, 실시예 2 의 공정에 따른, 글루코스의 알코올 (에탄올 + 이소프로판올 + 부탄올) 로의 전환율은 본 발명에 따르지 않는 실시예 1 의 공정에 의해 수득된 0.314 ㎏/㎏ 대신에 0.319 ㎏/㎏ 이다.
발효 유닛의 발효조에 존재하는 클로스트리디움 베이저린키 (Clostridium beijerinckii) DSM6423 균주는 재도입된 아세톤을 동화시키고 그것을 이소프로판올로 전환시켰으며, 아세톤에서 이소프로판올로의 수율은 90 중량% (90% = 100x(15 120-14 400)/800) 이다.
이소프로판올 생성의 증가는 아세톤을 업그레이드하기 위한 시스템을 포함하지 않는 실시예 1 (본 발명에 따르지 않음) 에 기재된 공정과 비교하여 약 5.0 중량% (5.0% = (15120-14400)/14400) 이다.
Claims (12)
- 하기 단계를 포함하는 알코올의 생산 공정:
a. 발효 가스 및 부탄올, 에탄올, 이소프로판올 및 아세톤을 포함하는 발효 생성물을 함유하는 발효 브로스를 생성하기 위해 적어도 하나의 생물반응기를 포함하는 반응 구역을 사용하는 발효 단계로서, IBE-유형 발효가 클로스트리디움 (Clostridium) 균주의 존재하에서 수행되고, 상기 반응 구역에 적어도 C5 및/또는 C6 당 수용액 및 재순환되는 아세톤 스트림이 공급되는 단계;
b. 발효 생성물의 스트림을 얻기 위해 발효 생성물을 회수하는 단계;
c. 적어도 아세톤 유출물 및 수성 알코올 유출물을 생성하기 위해 아세톤 분리 구역을 사용하여 단계 b) 로부터의 발효 생성물의 스트림을 처리하는 단계;
d. 단계 c) 로부터의 아세톤 유출물의 적어도 하나의 분획을 단계 a) 로 재순환시키기 위해 적어도 하나의 수송 구역을 사용하는 아세톤을 재순환시키는 단계로서, 상기 수송되는 아세톤 유출물의 적어도 하나의 분획은 단계 a) 의 반응 구역에 공급되는 상기 재순환되는 아세톤 스트림을 구성하는 것인 단계. - 제 1 항에 있어서, 단계 a) 의 반응 구역에 외인성 아세톤 스트림이 추가로 공급되는 공정.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 단계 a) 의 반응 구역에 공급되는 C5 및/또는 C6 당 수용액, 재순환되는 아세톤 스트림 및 선택적으로 외인성 아세톤 스트림으로 구성되는 모든 액체 스트림 중의 아세톤의 농도가 10 g/l 이하, 바람직하게는 5 g/l 이하, 우선적으로는 2 g/l 이하가 되도록 조정되는 유량으로 단계 a) 의 반응 구역에 상기 재순환되는 아세톤 스트림 및 선택적으로 상기 외인성 아세톤 스트림이 공급되는 공정.
- 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 단계 a) 의 반응 구역에서 수행되는 발효가 25℃ 내지 40℃, 바람직하게는 30℃ 내지 37℃, 바람직하게는 34℃ 의 온도에서 수행되는 공정.
- 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 단계 a) 의 반응 구역에서 수행되는 발효가 4 내지 7, 바람직하게는 4.5 내지 6 의 pH 에서 수행되는 공정.
- 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 단계 a) 의 반응 구역이 대기압에서 작동하는 것인 공정.
- 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 반응 구역이 적어도 2개의 생물반응기, 우선적으로는 적어도 5개의 생물반응기, 및 유리하게는 최대 30개의 생물반응기, 바람직하게는 최대 20개의 생물반응기, 우선적으로는 최대 10개의 생물반응기인 공정.
- 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 발효가 30 내지 150 시간의 기간 동안 회분식으로 수행되는 공정.
- 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 발효가 20 내지 200 시간, 우선적으로는 30 내지 150 시간 동안 반연속식으로 수행되는 공정.
- 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 발효가 단순 연속식으로 수행되고, 반응 매질 중의 클로스트리디움 균주의 농도가 108 내지 1011 세포/반응 매질의 ㎖, 바람직하게는 109 내지 1010 세포/반응 매질의 ㎖ 인 공정.
- 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 발효가 지지되는 연속식으로 수행되고, 클로스트리디움 균주가 고체 지지체 상의 바이오필름의 형태이고, 반응 매질 중의 클로스트리디움 균주의 농도가 107 내지 1010 세포/고체 지지체의 ㎤, 바람직하게는 108 내지 109 세포/고체 지지체의 ㎤ 인 공정.
- 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서, 단계 c) 가 상기 아세톤 분리 구역에서 하기를 수행하는 공정:
c-1) 맥주 컬럼의 하부에서 물 스트림 및 맥주 컬럼의 상부에서 용매의 수성 혼합물을 얻기 위해, 맥주 컬럼에서 단계 b) 로부터의 발효 생성물 스트림의 증류,
c-2) 컬럼의 상부에서 상기 아세톤 유출물 및 컬럼의 하부에서 상기 수성 알코올 유출물을 얻기 위해, 증류 컬럼에서 용매의 수성 혼합물의 증류.
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