KR20230038615A - 가스 시험 유닛 및 방법 - Google Patents

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비요른 다니엘 헤이제이에스트라
신 데니스 심슨
니콜라스 보울다코스
제이슨 칼 브롬리
카이-밍 얍
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란자테크 엔지, 인크.
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Abstract

장치 및 관련 방법은 C1-함유 기질의 효율적인 평가를 위해, 그리고 특히 C1 탄소원을 사용하는 목적하는 최종 생성물에 대한 생물학적 전환 공정의 수행을 위한 전망있는 시설에서, 국지적으로, 또는 현장에서 수행되는 상기 평가를 위해 기재된다. 조성 변동에서의 범위 뿐만 아니라 소정의 산업적 C1-함유 기질의 정확한 조성은 일반적으로 상업적 스케일-업을 위한 대형 자본적 지출을 정당화하는 상업적 수행능의 정확한 예측/모델링을 위해 요구되는 바와 같이 원거리 시설(예를 들어, 연구소 또는 파일럿-스케일 또는 입증-스케일 공정)에서 재현하기가 어렵다.

Description

가스 시험 유닛 및 방법{GAS TESTING UNIT AND METHOD}
본 발명의 양상은 시험 CO-함유 기질과 참조 CO-함유 기질 간의 비교 수행능을 평가하기 위한 별도의 생물반응기 단계를 포함하는 장치에 관한 것이다. 유리하게, 상기 장치는 수송을 위해 적합한 컨테이너 내에(예를 들어, 여기로 산업 CO-함유 폐가스가 생성되는) 수용될 수 있다.
화석 연료 온실 가스(GHG) 배출에 대한 환경적 문제는 재생 에너지원에 대한 관심을 증가시켰다. 결과로서, 에탄올은 전세계적으로 주요 수소-풍부 액체 수송 연료로 급속히 부상하고 있다. 연료 에탄올 산업을 위한 글로벌 시장의 계속적인 성장은 여러 개발 도상국가 뿐만 아니라 유럽, 일본 및 미국에서 에탄올 생산에 대한 관심 증가를 토대로 향후 미래에 예측된다. 예를 들어, 미국에서, 에탄올은 가솔린 중 에탄올의 10 % 혼합물인 E10을 생성하기 위해 사용된다. E10 블렌드에서, 에탄올 성분은 산화제로서 작용하고 연소 효율을 개선시키고 공기 오염 생성을 감소시킨다. 브라질에서, 에탄올은 가솔린 중에 블렌딩된 산화제로서 그리고 그 자체가 수송 연료 둘 모두로서 수송 연료 요구의 대략 30 %를 만족시킨다. 추가로, 유럽 연합(EU)은 이의 각각의 회원국이 바이오매쓰-유래된 에탄올와 같은 지속가능한 수송 연료를 소비하도록 강제 규정을 갖는다.
막대한 대다수의 연료 에탄올은 주요 탄소원으로서, 사탕수수로부터 추출된 슈크로스 또는 곡물로부터 추출된 전분과 같은 농작물 유래 탄수화물을 사용하는 통상적인 효모-기반 발효 공정을 통해 제조된다. 그러나, 이들 탄수화물 공급 스톡의 비용은 즉 인간 및 동물 둘 모두에 대한 식품 공급원으로서 경쟁 사용을 위한 시장에서 이들의 가치에 의해 영향을 받는다. 추가로, 에탄올 생산을 위한 전분 또는 슈크로스-생산 농작물의 경작은 이것이 지역 대지의 가치 및 기후 둘 모두의 함수이기 때문에 모든 지형에서 경제적으로 지속가능하지 않다. 이들 이유 때문에, 저렴한 비용 및/또는 보다 풍부한 탄소 재원을 연료 에탄올로 전환시키는 기술을 개발하는 것이 특정 관심 대상이다. 이와 관련하여, 일산화탄소(CO)는 석탄, 오일 및 오일-유래 생성물과 같은 유기 물질의 불완전 연소의 주요 에너지-풍부 부산물이다. CO-풍부 폐가스는 다양한 산업적 공정으로부터 유래된다. 예를 들어, 호주에서 강철 산업은 연간 500,000 메트릭 톤 이상의 CO가 생성되어 대기로 방출시키는 것으로 보고된다.
보다 최근에, 산업적 규모로 CO로부터 에탄올을 생산하기 위한 미생물(세균)기반의 공정 대안법이 상업적 이익 및 투자의 과제가 되었다. 미생물 배양물이 CO를 유일한 탄소원으로 하여 성장하는 능력은 1903년 처음으로 발견되었다. 이러한 특성은 이후, 자가영양 성장의 아세틸 조효소 A(아세닐 CoA) 생화학적 경로(또한 우즈-리운그다흘(Woods-Ljungdahl) 경로 및 일산화탄소 데하이드로게나제/아세틸 CoA 신타제(CODH/ACS) 경로로서 공지됨)의 유기체의 사용에 있는 것으로 밝혀졌다. 이후 일산화탄소영양, 광합성, 메탄생성 및 아세토젠 유기체를 포함하는 다수의 혐기성 유기체가 CO를 대사하는 것으로 나타났다. 클로스트리디움(Clostridium) 속 기원의 세균들과 같은 혐기성 세균은 아세틸 CoA 생화학적 경로를 통해 CO, CO2 및 H2로 부터 에탄올을 생산하는 것으로 공지되어 있다. 예를 들어, 가스로부터 에탄올을 생산하는 클로스트리디움 리운그다흘리(Clostridium ljungdahlii)의 다양한 균주는 문헌[참조: WO 00/68407; EP 1117309 A1; US 5,173,429; US 5,593,886; US 6,368,819; WO 98/00558; 및 WO 02/08438]에 기재되어 있다. 세균 클로스트리디움 오토에나노게눔 종(Clostridium autoethanogenum sp)은 또한 가스로부터 에탄올을 생산하는 것으로 공지되어 있다(문헌참조: Abrini et al., Archives of Microbiology 161: 345-351 (1994)).
유기체의 각각의 효소는 필수적으로 완전한 선택성과 함께 이의 지정된 생물학적 전환을 촉진시키기 때문에, 미생물 합성 경로는 통상적인 촉매 경로에 비해 보다 낮은 에너지 비용으로 보다 높은 수율을 성취할 수 있다. 예를 들어, 비-선택적 부반응으로부터 비롯되는 부산물을 목적하는 생성물로부터 분리시키기 위한 에너지 요구량은 감소될 수 있다. 추가로, 반응 매질에서의 불순물로 인한 촉매의 독성에 대한 문제는 감소된다. 그러나, 이들 명백한 이점에도 불구하고, 당업계에서는 현재 CO로부터 에탄올의 미생물 합성과 관련된, 특히 생성율이 다른 기술과 경쟁하도록 보장하는 측면에서, 특정 과제를 해결해야만 한다. CO를 이들의 탄소원으로서 사용하는 경우, 상기된 혐기성 세균은 발효에 의해 에탄올을 생성하지만 이들은 또한 적어도 하나의 대사물, 예를 들어, CO2, 메탄, n-부탄올 및/또는 아세트산을 생성한다. 임의의 이들 대사물의 형성은 가용한 탄소가 대사물(들)로 소실되고 목적하는 최종 생성물의 생산 효율이 손상되기 때문에 소정의 공정의 생산성 및 전체 경제적 실행 가능성에 상당한 영향을 줄 잠재력을 갖는다. 추가로, 대사물(예를 들어, 아세트산) 자체가 미생물 발효 공정의 시점 및 장소에서 가치를 갖지 않는 경우, 폐기물 처리 문제를 제기할 수 있다. 에탄올을 제조하기 위한 CO-함유 가스의 혐기적 발효에서 목적하는 최종 생성물 이외의 다른 생성물의 형성을 해결하기 위한 다양한 제안이 문헌[참조: WO2007/117157, WO2008/115080 및 WO2009/022925]에서 논의되었다.
소정의 발효 공정이 경제적으로 매력적인지에 관한 주요 결정인자인 에탄올 생산율은 세균 성장을 위한 적당한 조건을 관리하는데 크게 의존한다. 예를 들어, WO2010/093262에서 CO-함유 기질은 최적의 미생물 성장 및/또는 목적하는 대사물 생산을 유도하는 비율로 미생물 배양물에 제공되어야만 하는 것으로 공지되어 있다. 불충분한 기질이 제공되는 경우, 미생물 성장은 느리고 발효 생성물 수율은 에탄올을 소비하면서 아세트산 쪽으로 전환된다. 과도한 기질이 제공되는 경우, 불량한 미생물 성장 및/또는 세포사가 유발될 수 있다. 추가로, 이들 공정에서 작동 파라미터 간의 관계에 관한 정보는 WO2011/002318에서 발견된다.
CO, 및 특히 강철 생산 및 화학 산업에서 방출되는 가스성 유출물과 같은 CO-함유 폐기류로부터 에탄올을 생산하기 위한 생물학적 공정에 속하는 기술 분야는 일반적으로, 전체 공정 절약 (및 따라서 산업 경쟁성)을 개선시키고/시키거나 산업적 규모로 비교적 새로운 기술을 채택하는데 보다 큰 확실성을 유도하는 해결책을 계속해서 찾고 있다. 이와 관련하여, 소정의 세균 배양물의 상업적 수행능은 CO-함유 기질의 특정 공급원, 및 보다 특히 특정 산업적 작동기(예를 들어, 강철 제조기)의 가스성 폐기류에 체류할 수 있는 불순물의 유형 및 양, 및 가스 조성의 변화에 민감할 수 있다. 상업적 생물학적 전환 공정을 위한 막대한 투자는 비시험된 지역적 CO-함유 기질 및 유틸리티(예를 들어, 물 공급원)와 관련된 인지된 위험이 과도한 것으로 고려되는 경우 재정 투입에 착수하기가 곤란하다. 따라서, 소정의 기술에서 고객/투자자의 신뢰를 구축하는 효율적인 수단은 에탄올을 상업적 실현 가능하게 생산하기 위한 생물학적 전환 공정을 진전시키는데 매우 중요하다.
발명의 요약
본 발명은 C1-함유 기질의 효율적 평가를 위해 그리고 특히 C1 탄소원으로부터 에탄올 생산을 위한 생물학적 전환 공정의 수행을 위해 유망한 시설에서 지역적으로 또는 현장에서 수행되는 이러한 평가를 위한 장치 및 관련된 방법의 발견과 관련된다. 전형적으로 C1-함유 기질은 CO, CO2 및 CH4로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나의 C1 탄소원을 포함한다. 중요하게, 소정의 산업적 C1-함유 기질의 정확한 조성은 흔히 원거리 설비(예를 들어, 실험실 또는 중간 시험 규모 또는 입증-규모 공정)에서 상업적 수행능의 정확한 예측을 위해 요구되는 정도를 재현하기가 어려운 것으로 결정되었다. 중요하게, 소정의 공정이 이의 수행능 목적을 성취할 수 있는지의 충분한 신뢰 없이는 스케일-업(예를 들어, 공정 디자인 및 공학 기술)을 위해 요구되는 큰 자본 지출이 정당화될 수 없다. 이와 관련하여, 심지 어 미량의 특정 오염물(예를 들어, 탄화수소 또는 헤테로원자-함유 탄화수소)은 C1-함유 기질로부터 상기 무거운 분자들을 추출하는 경향이 있어 상기 분자가 생물반응기의 내부 및 외부 액체 재활용 루프에 축적되도록 하는 액체-기반 시스템인 세균 배양물에 역효과를 나타낼 수 있다. 더욱이, 지역적 가스 조성의 변동은 유사하게 현장 외부 시험 설비에서 재현하기가 어렵고 많은 경우에, 상기 변동 정도는 C1-함유 기질에 직접적인 지역적 접근 없이 공지되거나 인지될 수 없다. 추가로, 유망한 상업적 생물학적 전환 설비 지역(예를 들어, 세균 배양 배지에서 사용될 지역적 물 공급원)에 충분할 수 있는 다른 양상의 적합성은 상당한 투자 결정 전에 추가로 평가되고 확인되어야 한다.
유리하게, 본원에 기재된 장치 및 방법은 준-최적 수행능(예를 들어, 대사물 생산성 및/또는 기질 활용화)의 원인을 동정하고 개선하기 위해 사용될 수 있다. 공정에 대한 C1-함유 기질 및/또는 다른 지역적 공급원의 첨가제의 전처리가 수행되거나 증진되어야만 하는 정도는 상업적 규모의 작동 보다 먼저 결정되는 것이 유리할 수 있고 상업적 디자인의 정확도 및 관련된 비용 평가를 개선시킨다. 추가로, 효능의 현장 입증은 C1-함유 기질 및 능히 다른 지역적 첨가물의 지역적(즉, 실제 또는 산업적) 공급과 함께 작동하는 유망한 생물학적 전환 공정의 제공자 및 사용자 둘 모두에 유사하게 재확신의 중요한 정도를 제공한다.
본 발명의 특정 구현예는 2개의 생물반응기 스테이지를 포함하는 가스 시험 유닛에 관한 것이고 많은 경우에 단지 2개의 생물반응기 스테이지를 사용하고, 시험 C1-함유 기질을 비교 평가하기 위해 충분한 기기 장치, 공정 장비 및 분석학적 능력을 갖고 중요하게는 수송능을 가능하게 위해 충분한 크기 제한을 갖는다.
하나의 양상에서, 본원의 개시내용은 가스 시험 유닛을 제공하고, 이는 (a) 참조 C1-함유 기질의 수행능을 평가하기 위한 제1 생물반응기 스테이지; (b) 시험 C1-함유 기질의 수행능을 평가하기 위한 제2 생물반응기 스테이지; 및 (c) 제1 및 제2 생물반응기의 가스성 및 액체 생성물 둘 모두의 분석을 위해 구성된 분석학적 섹션을 포함하고; 여기서, 가스 시험 유닛은 약 6 m3 미만의 용적을 갖는 컨테이너 내에 수용될 수 있고 다수의 지역으로 수송 가능하다.
가스 시험 유닛은 각각 약 1.8 미터 미만, 또는 각각 약 1.6 미터 미만, 또는 각각 1.3 미터 미만의 길이, 너비 및 높이를 갖는 박스 내에 수용될 수 있다. 특정 구현예에서, 박스는 약 1.6 미터 미만의 길이, 너비 및 높이 중 하나 및 약 1.3 미터 미만의 길이, 너비 및 높이 치수 중 다른 2개를 갖는다.
가스 시험 시스템의 분석학적 섹션은 각각 가스성 및 액체 생성물의 분석을 위해 구성된 제1 및 제2 크로마토그래피 칼럼을 갖는 가스 크로마토그래피(GC) 분석기를 포함한다.
제1 및 제2 생물반응기 스테이지의 생물반응기 각각은 순환 루프 생물반응기를 포함한다. 제1 및 제2 생물반응기 스테이지 각각은 생물반응기의 인접 바닥 말단으로부터 인출된 액체를 생물반응기의 인접한 반대편 상부 말단으로 재순환하기 위한 외부 재활용 루프 및 재순환 펌프를 추가로 포함한다.
가스 시험 유닛은 새로운 배양 배지 첨가율, 가스성 C1-함유 기질 공급율, 반응기 온도 및 반응기 pH로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 하나 이상의 작동 파라미터를 조절하기 위한 작동 조절 시스템을 추가로 포함할 수 있다. 특정 구현예에서, 하나 이상의 작동 파라미터는 반응기 pH를 포함하고, 조절 시스템은 측정된 반응기 pH를 기준으로 기본 중화제의 생물반응기로의 유입을 조절하기 위한 기기 장치를 포함한다.
특정 구현예에서, 가스 시험 유닛은 역치 이상의 농도에서 주위 C1 농도의 측정에 응답하여, 적어도 시험 C1-함유 기질 또는 참조 C1-함유 기질의 현탁 유입을 위한 안전성 조절 시스템을 포함한다.
제2 양상에서, 본원의 개시내용은 생물학적 전환 공정에 사용하기 위한 시험 C1-함유 기질의 적합성을 평가하기 위한 방법을 제공하고, 상기 방법은 (a) 참조 C1-함유 기질을, C1-고정 미생물의 제1 배양물을 함유하는 제1 생물반응기로 공급하는 단계; (b) 시험 C1-함유 기질을 C1-고정 미생물의 제2 배양물을 함유하는 제2 생물반응기로 공급하는 단계; 및 (c) 제1 및 제2 생물반응기의 가스성 및 액체 생성물 둘 모두를 분석하여 제1 및 제2 생물반응기의 수행능을 결정하는 단계를 포함하고; 여기서, 시험 C1-함유 기질의 적합성은 제2 생물반응기의 수행능에 상대적으로 제1 생물반응기의 수행능의 비교로부터 확립된다. 특정 구현예에서, 단계 (a) 및 단계 (b)의 적어도 일부는 동시에 수행된다.
특정 구현예에서, C1-고정 미생물은 클로스트리디움(Clostridium) 속으로부터 기원하는 일산화탄소영양 미생물이다. 바람직하게, C1-고정 미생물은 클로스트리디움 오토에타노게눔(Clostridium autoethanogenum), 클로스트리디움 리운그다흘리(Clostridium ljungdahlii), 및 클로스트리디움 라그스달레이(Clostridium ragsdalei)로 이루어진 그룹으로부터 선택된다.
특정 구현예에서, 상기 방법은 단계 (b)에서 시험 C1-함유 기질을 제2 생물반응기로 공급하기 전에, 참조 C1-함유 기질을 제2 생물반응기로 공급함을 포함한다.
시험 C1-함유 기질은 오염물을 제거하기 위해 전처리된 산업적 C1-함유 폐기가스 스트림이다. 특정 구현예에서, 시험 C1-함유 기질은 원료 산업적 가스 스트림이다. 특정 구현예에서, 상기 방법은 원료 C1-함유 기질을 시험하여 생물학적 공정이 비처리된 폐가스 스트림 상에서 실행가능한지를 결정함을 포함한다.
하나의 구현예에서, 분석 단계 (c)는 제1 및 제2 생물반응기의 가스성 생성물에서 C1의 농도를 측정하고 제1 및 제2 생물반응기의 액체 생성물에서 적어도 하나의 추가의 대사물의 농도를 측정함을 포함한다. 추가로, 본 발명에 따라, C1-고정 미생물의 제1 및 제2 배양물 중 적어도 하나는 지역 물 공급원과 함께 제조되거나 이것이 보충된 배양 배지를 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 제1 및 제2 배양물의 수행능은 적어도 약 7일의 시험 기간 동안 동시에 평가된다.
추가의 양상에서, 본원의 개시내용은 시험 C1-함유 기질이 생물학적 전환 공정을 지지하는지를 결정하기 위한 방법을 제공한다. 상기 방법은 (a) C1-고정 미생물의 별도의 제1 및 제2 배양물을 유지하고 에탄올 및 적어도 하나의 추가의 대사물을 생산하기 위한 영양물로서 참조 C1-함유 기질을 사용하는 단계; (b) 제2 배양물에 대한 영양물로서 참조 C1-함유 기질로부터 시험 C1-함유 기질로 변화시키는 단계; (c) 표적 작동 조건의 동일한 세트이지만 상이한 참조 및 시험 C1-함유 기질을 사용하는 제2 배양물의 수행능과 상대적으로 제1 배양물의 수행능을 평가하는 단계; (d) 단계 (c)에서 제2 배양물의 최소 수행능 결손을 수득하지 못하는 경우에, 시험 C1-함유 기질이 생물학적 전환 공정을 지지함을 확인하는 단계; (e) 단계 (c)에서 최소 수행능 결손을 수득하는 경우에, 시험 C1-함유 기질을 전처리하거나 이의 전처리를 증진시켜 단계 (c)에서 수행능을 평가하기 위해 사용되는 시험 C1-함유 기질에 상대적으로 보다 높은 품질의 시험 C1-함유 기질을 제공하는 단계를 추가로 포함한다.
하나의 구현예에서, 상기 방법은 (f) 표적 작동 조건의 동일한 세트이지만 상이한 참조 및 보다 높은 품질의 시험 C1-함유 기질을 사용하는 제3 배양물의 수행능과 상대적으로 제1 배양물의 수행능을 평가하는 단계 및 (g) 단계 (f)에서 제3 배양물의 최소 수행능 결손을 수득하지 못하는 경우에, 보다 높은 품질의 시험 C1-함유 기질이 생물학적 전환 공정을 지지하는지를 확인하는 단계를 포함한다.
특정 구현예에서, 상이한 물 공급원을 사용하여 제1 및 제2 배양물을 제조하거나 제1 및 제2 배양물을 보충한다.
본 발명에 관한 이들 및 다른 구현예, 양상 및 이점은 하기의 발명의 상세한 설명으로부터 명백하다.
본 발명의 예시적 구현예의 보다 완전한 이해 및 이의 이점은 첨부된 도면을고려하여 하기의 기재를 언급함에 의해 획득될 수 있고, 여기서, 유사한 특징은 유사한 참조 번호에 의해 확인된다(예를 들어, 도 1a의 생물반응기 100 및 도 2의 생물반응기 100a, 100b).
도 1a 및 1b는 각각 본원에 기재된 바와 같은 대표적인 수송가능한 가스 시험 유닛의 단측면 및 배면을 도시한다.
도 2는 본원에 기재된 바와 같은 가스 시험 유닛에서 사용하기 위한 대표적인 생물반응기의 클로즈-업 단면을 도시하고 이들의 작동과 관련된 추가의 세부 사항을 제공한다.
도 3은 임의로 본원에 기재된 바와 같은 하나 이상의 처리 측정 후(예를 들어, 이의 순도를 증가시키는) 시험 C1-함유 기질이 생물학적 전환 공정을 위해 적합한지를 결정하기 위해, 본원에 기재된 바와 같은 가스 시험 유닛으로 수행될 수 있는 대표적 방법을 설명하는 흐름 차트이다.
도 1 내지 3은 관련된 기재내용 및/또는 원리의 설명을 제공하기 위한 것으로 이해될 수 있다. 설명 및 이해를 촉진시키기 위해, 단순화된 장비 및 공정 흐름은 도 1 및 2에 도시되고 상이한 장비의 상대적 치수은 필연적으로 스케일로 하지 않는다. 일부 밸브, 기기 장치 및 개시된 내용의 이해에 필수적이지 않은 다른 장비 및 시스템을 포함하는 세부 사항은 나타내지 않는다. 본원의 개시내용의 지식을 갖는 당업자에게 용이하게 자명한 바와 같이, 소정의 C1-함유 기질 및/또는 지역적 첨가물이 생물학적 전환 공정을 지지하는지를 시험하기 위한 장치 및 방법은 이들의 특정 용도에 의해 부분적으로 결정되는 구성 및 성분을 갖는다.
본 발명은 시험 (또는 지역) C1-함유 기질이 상기된 목적을 위해 최대 생산성 및 목적하는 생성물의 수율과 함께 생물학적 C1 전환 공정을 수행하기 위해 사용되는 또 다른 선택된 장치 일부만을 사용하여 효과적으로 평가될 수 있다는 중요한 인지와 관련된다. C1 함유 기질은 전형적으로 CO, CO2, 및 CH4로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나의 C1 탄소원을 포함한다. 예를 들어, C1 함유 기질은 CO 함유 가스성 기질일 수 있다. C1 함유 기질은 또한 H2 및/또는 N2를 포함할 수 있다. 예를 들어, 시험 가스 및 참조 가스의 비교 시험을 위해 별도의 제1 및 제2 생물반응기를 갖는 병행 생물반응기 스테이지 시스템은 지역적으로 가용한 가스 공급 및/또는 첨가제가 상업적 수준의 수행능(예를 들어, 액체 제품 에탄올 역가의 측면에서)에 도달하는 것 없이도 상업적 공정을 지지함을 확인하는데 필요한 정보를 제공할 수 있다. 실제 생물반응기 성분들, 공정 용기, 기기 장치 및 분석의 서브세트만이 요구되어 대표적 가스 시험 유닛이 수용되고 전망있는 설비(예를 들어, 747 제트여객기의 화물실)로 수송되도록 할 수 있다. 예를 들어, 특정 효율은 액체를 외부 재활용 루프로부터 생물반응기의 상부로 공급하기 위한 임의의 액체 분배 장치(예를 들어, 샤워 헤드)를 제외하고는 반응기 내부 분배 장치 없이 시험 가스 및 참조 가스를 각각 평가하기 위해 2개의 생물반응기만을 가짐에 의해 수득될 수 있다. 다른 효율은 가스성 및 액체 생성물 둘 모두의 분석을 위해 가스 크로마토그래피(GC)를 사용하여 수득될 수 있다. 그러나, 추가의 효율은 각각의 생물반응기 스테이지에서 C1-고정 미생물의 분리 및 재활용을 회피함에 의해 수득될 수 있다. 이들 및 다른 효율을 사용함에 의해, 가스 시험 유닛은 C1-함유 기질로부터 에탄올을 생산하기 위한 생물학적 전환 공정의 전망있는 상업적 스케일의 원거리의 시설 현지로 수송가능하게(예를 들어, 공로, 항로 또는 육로에 의해) 될 수 있다. 가스 시험 유닛은 지역적으로 가용한 C1-함유 기질 및 물과 같은 공정 첨가제의 현장 평가를 위해 충분한 장치를 포함하지만 (i) 생산성 최대화를 위해 요구되는 반응기 시스템, 및/또는 (ii) 포괄적 모니터링 및 모든 공정 변수의 제어를 위한 분석학적 시스템 및 기구 모두를 요구하지 않는다. 상기 요구는 일반적으로 수송의 대상과 정렬되지 않는다. 유리하게, 정량적 결과와 반대로 정성적 결과(예를 들어, 참조 시험과 비교하여)는 가스 품질 확인 목적을 위해 의미있는 평가를 제공할 수 있고/있거나 처치 대안이 수행능 결핍을 해결하는데 필요한 영역을 동정할 수 있다.
본 발명은 가스성 C1-함유 기질에서 C1 탄소원의 생물학적 전환으로부터 에탄올과 같은 목적하는 최종 생성물의 생성을 포함하는 방법 및 관련 방법에 의해 작동하는 가스 시험 유닛에 관한 것이다. 가스 시험 유닛의 제1 및 제2 생물반응기 스테이지에는 예를 들어, 특정 시험 C1-함유 기질이 소정의 공정에 적합한지를 확립한다는 측면에서 유용한 정보를 제공하는 비교를 확립하기 위해, 병행 또는 동시 수행능 평가를 위한 참조 (또는 대조군) C1-함유 기질 및 시험 (또는 산업적으로 이용가능한) C1-함유 기질이 공급될 수 있다. 생물반응기 스테이지 각각은 작동적으로 C1 고정 미생물을 함유하는 액체 배양 배지(세균 배양)를 포함하는 생물반응기를 포함한다. 목적하는 최종 생성물 뿐만 아니라, 생물반응기 스테이지 각각에 존재하는 생물학적 전환 공정은 목적하는 생성물(예를 들어, 에탄올) 처럼 이들 스테이지로부터 인출된 액체 생성물에서 검출될 수 있는 목적하지 않거나 덜 목적하는 대사물을 추가로 생성한다. 상기 대사물의 예는 아세테이트(예를 들어, 아세트산 형태로) 및 2,3-부탄디올이다. 용어 "아세테이트" 또는 "아세트산"은 배양 배지에 존재하는 총 아세테이트를 언급하고, 이는 이의 음이온(해리된) 형태(즉, 아세테이트 이온 또는 CH3COO-으로서) 또는 유리된 분자 아세트산(CH3COOH) 형태이고, 이들 형태의 비율은 시스템의 pH에 의존한다. 하기된 바와 같이, 수성 수산화암모늄(NH4OH) 또는 수성 수산화나트륨(NaOH)과 같은 염기성 중화제를 사용하여 소정의 생물반응기에서 배양 배지의 pH를 형성된 아세트산을 중화시킴에 의해(예를 들어, pH=4.5 및 pH=8.0 사이의 임의의 특이적 pH 값일 수 있는 pH 설정 포인트로) 제어할 수 있다. 생물반응기가 본원에 기재된 공정을 수행하기 위해 유지되거나 (제어되는) 대표적인 pH 범위는 일반적으로 약 4.0 내지 약 8.0, 예를 들어, 약 5.0 내지 약 6.5(예를 들어, pH=5.0, 5.5, 또는 6.0)의 범위 내 임의의 pH 값(설정 포인트)이다.
대표적인 C1-고정 세균은 무렐라(Moorella), 클로스트리디아(Clostridia), 루미노코커스(Ruminococcus), 아세토박테리움(Acetobacterium), 유박테리움(Eubacterium), 부티리박테리움(Butyribacterium), 옥소박터(Oxobacter), 메타노사르시나(Methanosarcina), 메타노사르시나(Methanosarcina), 및 데설포토마쿨룸(Desulfotomaculum) 속으로부터 기원하는 것들이다.
"미생물"은 미시적 유기체, 특히, 세균, 아키아(archea), 바이러스, 또는 진균류이다. 본 발명의 미생물은 전형적으로 세균이다. 본원에 사용된 바와 같은 "미생물"의 인용은 "세균"을 포괄하는 것으로 취해져야만 한다.
본 발명의 미생물은 기능적 특성을 기준으로 추가로 분류될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 미생물은 C1-고정 세균, 혐기성미생물, 아세토젠, 에탄올로젠, 카복시도트로프 및/또는 메타노트로프로부터 유래할 수 있다. 표 1은 대표적인 미생물 목록을 제공하고 이들의 기능적 특성을 동정한다.
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"C1"은 1개-탄소 분자, 예를 들어, CO, CO2, CH4, 또는 CH3OH를 언급한다. "C1-옥시게네이트"는 적어도 하나의 산소 원자, 예를 들어, CO, CO2, 또는 CH3OH를 또한 포함하는 1개-탄소 분자를 언급한다. "C1-탄소원"은 본 발명의 미생물에 대한 부분적 또는 유일한 탄소원으로서 작용하는 1개 탄소-분자를 언급한다. 예를 들어, C1-탄소원은 하나 이상의 CO, CO2, CH4를 포함할 수 있다. 바람직하게, C1-탄소원은 CO 및 CO2 중 1개 또는 둘 모두를 포함한다. "C1-고정 미생물"은 C1-탄소원으로부터 하나 이상의 생성물을 생산하는 능력을 갖는 미생물이다. 전형적으로, 본 발명의 미생물은 C1-고정 세균이다. 바람직한 구현예에서, 본 발명의 미생물은 표 1에서 확인된 C1-고정 미생물로부터 유래한다.
"혐기성생물"은 성장을 위해 산소를 요구하지 않는 미생물이다. 혐기성생물은 산소가 특정 역치 초과로 존재하는 경우에 음성으로 반응하거나 심지어 죽을 수 있다. 전형적으로, 본 발명의 미생물은 혐기성생물이다. 바람직한 구현예에서, 본 발명의 미생물은 표 1에서 확인된 혐기성생물로부터 유래한다.
"아세토젠"은 혐기적 호흡의 생성물로서 아세테이트 (또는 아세트산)을 생산하거나 생산할 수 있는 미생물이다. 전형적으로, 아세토젠은 에너지 보존을 위한 그리고 아세테이트와 같은 아세틸-CoA 및 아세틸-CoA-유래된 생성물의 합성을 위한 이들의 주요 기작으로서 우드-리운그다흘(Wood-Ljungdahl) 경로를 사용하는 편성 혐기성 세균이다(문헌참조: Ragsdale, Biochim Biophys Acta, 1784: 1873-1898, 2008). 아세토젠은 (1) CO2로부터 아세틸-CoA의 환원적 합성을 위한 기작, (2) 말단 전자-수용, 에너지 보존 공정, (3) 세포 탄소의 합성에서 CO2의 고정화(동화)를 위한 기작으로서 아세틸-CoA 경로를 사용한다(문헌참조: Drake, Acetogenic Prokaryotes, In: The Prokaryotes, 3rd edition, p. 354, New York, NY, 2006). 모든 천연의 아세토젠은 C1-고정, 혐기성생물, 독립영양체, 및 비-메탄영양세균이다. 전형적으로, 본 발명의 미생물은 아세토젠이다. 바람직한 구현예에서, 본 발명의 미생물은 표 1에 확인된 아세토젠으로부터 유래된다.
"에탄올로젠"은 에탄올을 생산하거나 생산할 수 있는 미생물이다. 전형적으로, 본 발명의 미생물은 에탄올로젠이다. 바람직한 구현예에서, 본 발명의 미생물은 표 1에 확인된 에탄올로젠으로부터 유래된다.
"독립영양체"는 유기 탄소의 부재하여 성장할 수 있는 미생물이다. 대신, 독립영양체는 CO 및/또는 CO2와 같은 무기 탄소원을 사용한다. 전형적으로, 본 발명의 미생물은 독립영양체이다. 바람직한 구현예에서, 본 발명의 미생물은 표 1에 확인된 독립영양체로부터 유래된다.
"카복시도트로프(carboxydotroph)"는 유일한 탄소원으로서 CO를 사용할 수 있는 미생물이다. 전형적으로, 본 발명의 미생물은 카복시도트로프이다. 바람직한 구현예에서, 본 발명의 미생물은 표 1에서 확인된 카복시도트로프로부터 유래된다.
"메타노트로프"는 유일 탄소 및 에너지원으로서 메탄을 사용할 수 있는 미생물이다. 특정 구현예에서, 본 발명의 미생물은 메타노트로프로부터 유래한다.
보다 광범위하게, 본 발명의 미생물은 표 1에서 확인된 임의의 속 또는 종으로부터 유래할 수 있다.
바람직한 구현예에서, 본 발명의 미생물은 클로스트리디움 오토에타노게눔(Clostridium autoethanogenum), 클로스트리디움 리운그다흘리(Clostridium ljungdahlii), 및 클로스트리디움 라그스달레이(Clostridium ragsdalei) 종을 포함하는 클로스트리디아의 클러스터로부터 유래된다. 이들 종은 문헌[참조: Abrini, Arch Microbiol, 161: 345-351, 1994 (Clostridium autoethanogenum), Tanner, Int J System Bacteriol, 43: 232-236, 1993 (Clostridium ljungdahlii), and Huhnke, WO　2008/028055 (Clostridium ragsdalei)]에 의해 처음 보고되었고 특성 분석되었다.
이들 3개의 종은 많은 유사성을 갖는다. 특히, 이들 종은 클로스트리디움 속의 모든 C1-고정, 혐기성, 아세토제닉, 에탄올로제닉 및 일산화탄소영양 구성원이다. 이들 종은 유사한 유전자형 및 표현형 및 에너지 보존 및 발효 대사 방식을 갖는다. 더욱이, 이들 종은 클로스트리디아성 rRNA 상동성 그룹 I에 클러스터되고 이들의 16S rRNA DNA는 99 % 초과로 동일하고, 약 22-30 몰%의 DNA의 G + C 함량을 갖고, 그람-양성이며, 유사한 형태 및 크기(대수적 성장 세포는 0.5-0.7 x 3-5 ㎛이다)를 갖고, 중온성이고(30 내지 37 ℃에서 최적으로 성장하는), 약 4 내지 7.5(약 5.5 내지 6의 최적 pH)의 유사한 pH 범위를 갖고, 시토크롬이 부재이고 보존성 에너지는 Rnf 복합체를 통해서이다. 또한, 카복실산의 이들의 상응하는 알콜로의 환원은 이들 종에서 나타났다(문헌참조: Perez, Biotechnol Bioeng, 110:1066-1077, 2012). 중요하게, 이들 종은 또한 모두 CO-함유 가스 상에서 강한 독립영양 성장을 보여주고, 주요 발효 생성물로서 에탄올 및 아세테이트 (또는 아세트산)를 생산하고 특정 조건하에서 소량의 2,3-부탄디올 및 락트산을 생성한다.
그러나, 이들 3개의 종은 또한 다수의 차이를 갖는다. 이들 종은 상이한 공급원으로부터 분리되었다: 토끼 장관으로부터의 클로스트리디움 오토에타노게눔(Clostridium autoethanogenum), 닭 야드 폐기물로부터의 클로스트리디움 리운글다흘리(Clostridium ljungdahlii), 및 담수성 침전물로부터의 클로스트리디움 라그스달레이(Clostridium ragsdalei). 이들 종은 다양한 당(예를 들어, 람노스, 아라비노스), 산(예를 들어, 글루코네이트, 시트레이트), 아미노산(예를 들어, 아르기닌, 히스티딘), 및 다른 기질(예를 들어, 베타인, 부탄올)의 활용에서 상이하다. 더욱이, 이들 종은 특정 비타민(예를 들어, 티아민, 비오틴)에 대한 영양 요구성에서 상이하다. 이들 종은 우드-리운그다흘 경로 유전자 및 단백질의 핵산 및 아미노산 서열에서 차이가 있지만 이들 유전자 및 단백질의 일반적인 구성 및 수는 모든 종에서 동일한 것으로 밝혀졌다(문헌참조: Kopke, Curr Opin Biotechnol, 22: 320-325, 2011).
따라서, 요약하면, 클로스트리디움 오토에타노게눔(Clostridium autoethanogenum), 클로스트리디움 리운그다흘리(Clostridium ljungdahlii), 또는 클로스트리디움 라그스달레이(Clostridium ragsdalei)는 상기 종에 특이적이지 않고 차라리 클로스트리디움 속의 C1-고정, 혐기성생물, 아세토제닉, 에탄올로제닉, 및 일산화탄소영양 구성원의 상기 클러스터에 대한 일반 특성이다. 그러나, 이들 종은 사실 독특하기 때문에, 이들 종 중 하나의 유전학적 변형 또는 조작은 이들 다른 종과 동일한 효과를 갖지 않을 수 있다. 예를 들어, 성장, 수행능 또는 생성물 생산의 차이가 관찰될 수 있다.
본 발명의 미생물은 또한 클로스트리디움 오토에타노게눔(Clostridium autoethanogenum), 클로스트리디움 리운그다흘리(Clostridium ljungdahlii), 또는 클로스트리디움 라그스달레이(Clostridium ragsdalei)의 분리체 또는 돌연변이체로부터 유래될 수 있다. 클로스트리디움 오토에타노게눔(Clostridium autoethanogenum)의 분리체 및 돌연변이체는 JA1-1(DSM10061)(Abrini, Arch Microbiol, 161: 345-351, 1994), LBS1560(DSM19630)(WO　2009/064200), 및 LZ1561 (DSM23693)을 포함한다. 클로스트리디움 리운그다흘리(Clostridium ljungdahlii)의 분리체 및 돌연변이체는 ATCC 49587(Tanner, Int J Syst Bacteriol, 43: 232-236, 1993), PETCT(DSM13528, ATCC 55383), ERI-2(ATCC 55380)(US　5,593,886), C-01(ATCC 55988)(US　6,368,819), O-52(ATCC 55989)(US　6,368,819), 및 OTA-1(Tirado-Acevedo, Production of bioethanol from synthesis gas using Clostridium ljungdahlii, PhD thesis, North Carolina State University, 2010)을 포함한다. 클로스트리디움 라그스달레이(Clostridium ragsdalei)의 분리체 및 돌연변이체는 PI 1(ATCC BAA-622, ATCC PTA-7826)(WO　2008/028055)을 포함한다.
본 발명의 미생물은 하나 이상의 생성물을 생산하기 위해 배양될 수 있다. 예를 들어, 클로스트리디움 오토에타노게눔(Clostridium autoethanogenum)은 에탄올(WO　2007/117157), 아세테이트(WO　2007/117157), 부탄올(WO　2008/115080 및 WO 2012/053905), 부티레이트(WO　2008/115080), 2,3-부탄디올(WO　2009/151342), 락테이트(WO　2011/112103), 부텐(WO　2012/024522), 부타디엔(WO　2012/024522), 메틸 에틸 케톤(2-부타논)(WO　2012/024522 및 WO　2013/185123), 에틸렌(WO　2012/026833), 아세톤(WO　2012/115527), 이소프로판올(WO　2012/115527), 지질(WO　2013/036147), 3-하이드록시프로피오네이트(3-HP)(WO　2013/180581), 이소프렌(WO　2013/180584), 지방산(WO　2013/191567), 2-부탄올(WO　2013/185123), 1,2-프로판디올(WO　2014/0369152), 및 1-프로판올(WO　2014/0369152)을 생산하거나 생산하도록 가공될 수 있다. 하나 이상의 표적 생성물 뿐만 아니라, 본 발명의 미생물은 또한 에탄올, 아세테이트 및/또는 2,3-부탄디올을 생산할 수 있다. 특정 구현예에서, 미생물 바이오매쓰 자체가 생성물로 고려될 수 있다.
일반적으로, 동일한 미생물은 제1 및 제2 생물반응기에 사용되지만 또한 일부 구현예에서 상이한 생물반응기에서 상이한 C1-고정 미생물을 사용할 수 있다.
본원에 기재된 바와 같은 대표적인 C1 함유 기질 및 특히 시험 C1 함유 기질은 광범위하게 임의의 C1-탄소원을 포함한다. C1-탄소원은 본 발명의 미생물을 위해 부분적 또는 유일한 탄소원으로서 작용하는 하나의 탄소-분자를 언급한다. 예를 들어, C1-탄소원은 CO, CO2, 또는 CH4 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 바람직하게, C1-탄소원은 CO 및 CO2 중 하나 또는 둘 모두를 포함한다. 상기 기질은 H2, N2, 또는 전자와 같은, 다른 비-탄소 성분들을 추가로 포함할 수 있다.
C1 함유 기질은 상당한 비율의 CO, 바람직하게는 적어도 약 5용적% 내지 약 99.5용적% CO를 함유할 수 있다. 상기 기질은 흔히 강철 제조 공정 또는 비-철 생성물 제조 공정과 같은 산업적 공정의 폐기물로서 제조된다. 가스성 CO-함유 기질이 생성되는 다른 공정은 석유 정제 공정, 생물연료 생성 공정(예를 들어, 열분해 공정 및 지방산/트리글리세라이드 수소전환 공정), 석탄 및 생물량 가스화 공정, 전력 생성 공정, 카본 블랙 생성 공정, 암모니아 생성 공정, 메탄올 생성 공정 및 코크 제조 공정을 포함한다. 다수의 화학적 산업 유출물, 및 다양한 기질로부터 생성된 합성 가스(CO 및 H2 둘 모두를 함유하는)는 또한 잠재적인 CO-함유 기질로서 작용할 수 있다. 특정 실시예는 포스페이트 및 크로메이트의 생성으로부터의 유출물을 포함한다. 유리하게, 이들 공정으로부터의 폐기물(예를 들어, 폐가스)은 에탄올과 같은 유용한 최종 생성물의 이로운 생산을 위해 본원에 기재된 바와 같이 사용될 수 있다. 기질 및/또는 C1-탄소원은 산업 공정의 부산물로서 수득되거나 자동차 배기 매연 또는 생물량 가스화로부터와 같은 일부 다른 공급원으로부터 수득된 폐기물 또는 배기 가스일 수 있거나 이로부터 유래된 것일 수 있다. 특정 구현예에서, 산업적 공정은 강철 밀(mill) 제조, 비-철 생성물 제조, 석유 정제 공정, 석탄 가스화, 전력 생산, 카본 블랙 생성, 암모니아 생성, 메탄올 생성 및 코크 제조와 같은 철 금속 생성물 생성으로 이루어진 그룹으로부터 선택된다. 이들 구현예에서, 기질 및/또는 C1-탄소원은 이것이 대기로 배출되기 전에 임의의 통상의 방법을 사용하여 산업적 공정으로부터 포획될 수 있다.
기질 및/또는 C1-탄소원은 석탄 또는 정제 잔사의 가스화, 생물량 또는 리그노셀룰로스 물질의 가스화 또는 천연 가스의 재형성에 의해 수득된 합성가스와 같은 합성가스일 수 있거나 이로부터 유래될 수 있다. 또 다른 구현예에서, 합성 가스는 도시 고형 폐기물 또는 산업적 고형 폐기물의 가스화로부터 수득될 수 있다.
기질 및/또는 C1-탄소원과 연계하여, 용어 "로부터 유래된"은 약간 변형되거나 블렌딩된 기질 및/또는 C1-탄소원을 언급한다. 예를 들어, 기질 및/또는 C1-탄소원은 특정 성분을 첨가하거나 제거하기 위해 처리될 수 있거나 다른 기질 및/또는 C1-탄소원의 스트림과 블렌딩될 수 있다.
기질의 조성은 반응의 효율 및/또는 비용에 상당한 영향을 미칠 수 있다. 예를 들어, 산소(O2)의 존재는 혐기적 발효 공정의 효율을 감소시킬 수 있다. 기질의 조성에 의존하여, 임의의 목적하지 않은 불순물, 예를 들어, 독소, 목적하지 않은 성분 또는 먼지 입자를 제거하고/하거나 목적하는 성분들의 농도를 증가시키기 위해 기질을 처리하거나 세정하거나 여과시키는 것이 바람직할 수 있다.
기질은 일반적으로 적어도 일부 양의 CO, 예를 들어, 약 1, 2, 5, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 또는 100 몰% CO를 포함한다. 기질은 일정 범위의 CO, 예를 들어, 약 20-80, 30-70, 또는 40-60 몰% CO를 포함할 수 있다. 바람직하게, 기질은 약 40-70 몰% CO(예를 들어, 강철 밀 또는 용광로 가스), 약 20-30 몰% CO(예를 들어, 기본 산소 노 가스), 또는 약 15-45 몰% CO(예를 들어, 합성 가스)를 포함한다. 일부 구현예에서, 기질은 비교적 낮은 양은 CO, 예를 들어, 약 1-10 또는 1-20 몰% CO를 포함할 수 있다. 본 발명의 미생물은 전형적으로 기질 내 CO의 적어도 일부를 생성물로 전환시킨다. 일부 구현예에서, 기질은 CO를 포함하지 않거나 실질적으로 포함하지 않는다.
기질은 H2의 일부 양을 포함할 수 있다. 예를 들어, 기질은 약 1, 2, 5, 10, 15, 20, 또는 30 몰%의 H2를 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 기질은 비교적 고량의 H2, 예를 들어, 약 60, 70, 80, 또는 90 몰%의 H2를 포함할 수 있다. 추가의 구현예에서, 기질은 H2를 포함하지 않거나 실질적으로 포함하지 않는다.
기질은 CO2의 일부 양을 포함할 수 있다. 예를 들어, 기질은 약 1-80 또는 1-30 몰%의 CO2를 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 기질은 약 20, 15, 10, 또는 5 몰% 미만의 CO2를 포함할 수 있다. 또 다른 구현예에서, 기질은 CO2를 포함하지 않거나 실질적으로 포함하지 않는다.
기질은 전형적으로 가스성이지만, 기질은 또한 또 다른 형태로 제공될 수 있다. 예를 들어, 기질은 미세기포 분산 발생기를 사용하여 CO-함유 가스로 포화된 액체 중에서 용해시킬 수 있다. 추가의 예로서, 기질은 고형 지지체 상으로 흡착될 수 있다.
소정의 산업적 C1-함유 기질의 정확한 조성은 흔히 원거리 시설(예를 들어, 연구실 또는 파일럿-스케일 또는 입증-스케일 공정)에서 적어도 상업적 수행능의 정확한 예측을 위해 요구되는 정도로 재현하기 어려운 것으로 밝혀졌다. 중요하게, 소정의 공정이 이의 수행 목적을 성취할 수 있다는 충분한 확신 없이, 스케일-업(예를 들어, 공정 디자인 및 가공)을 위해 요구되는 많은 자본적 지출이 정당화될 수 없다. 이와 관련하여, 심지어 미량의 특정 오염물(예를 들어, 탄화수소 또는 헤테로원자-함유 탄화수소)은 세균 배양에 안좋은 영향을 미칠 수 있고, 상기 배양은 C1-함유 기질로부터 보다 무거운 분자를 추출하는 경향이 있는 액체 기반 시스템이고 이는 상기 분자들이 생물반응기의 내부 및 외부 액체 재활용 루프에 축적되도록 한다. 더욱이, 지역 가스 조성의 변동은 떨어져 있는 시험 시설에서 재현하기가 여전히 어렵고 많은 경우에 각 변동의 정도는 C1-함유 기질로의 직접적인 지역 접근 없이는 공지될 수 없거나 평가될 수 없다. 추가로, 전망있는 상업적 생물학적 전환 설비의 지역에 중요할 수 있는 다른 양상의 적합성(예를 들어, 세균 배양 배지에 사용될 지역 물 공급원)은 상당한 투자 결정 전에 추가로 평가되고 확인되어야 한다.
생물학적 전환 공정에서 산업적 C1 함유 기질의 용도는 많은 문제점을 제공하는 것으로 나타났다. 주요 가스 성분(예를 들어, CO, H2, N2, CO2) 이외의 기질의 존재는 발효 공정에 치명적인 영향을 미칠 수 있다. 추가로, 산업적 공정으로부터 가스의 흐름 속도는 상기 공정의 작동 파라미터에 의존하고 일정한 용량의 가스 공급율(예를 들어, Nm3/hr)을 다운스트림 발효 공정에 제공하도록 조정되지 않는다. 성분 각각(주요 성분 및 오염물 둘 모두)의 상대적 양과 관련된 가스의 화학 조성은 흔히 업스트림 산업 공정에 대한 작동 파라미터 및 투입에 따른 시간과 함께 신속하게 변화한다.
아마도, 생성물 합성을 위한 가스 발효 공정에 대한 유일한 탄소 및 에너지 공급원료서의 산업적 배출 가스(off gas)의 사용에 있어서 가장 중대한 문제점은 광범위한 살미생물 또는 독성 오염물이 존재한다는 것이다. 가스화된 생물량의 산업적으로 제조된 합성가스 생성물로부터 발생된 오염물의 미생물 발효에 대한 음성 효과는 널리 보고되어 왔다. 이들 가스는 타르 및 질소 화합물 둘 모두를 함유하고 이들은 특히 유일한 탄소 및 에너지원으로서 CO 및 H2를 사용하는 일산화탄소영양 미생물 중에서 미생물 성장 및 생산성을 억제하는 것으로 지속적으로 입증되어 왔다(문헌참조: Ahmed et al. 2006). 합성가스에서 발견되는 산화질소는 여러 연구에서 40ppm 정도의 낮은 농도에서도 씨. 카복시디보란스(C. carboxydivorans) 및 씨. 라그스달레이(C. ragsdalei)와 같은 일산화탄소영양 미생물에 억제성인 것으로 나타났다(문헌참조: Datar et. al. 2004; Lewis et. al. 2006; Ahmed and Lewis,2007; Kundiyana et. al. 2010). 다른 연구는 벤젠, 톨루엔 에틸벤젠 및 p-크실렌(표 2에 기재된 강철 제조로부터의 배출 가스에서 발견되는 모든 화합물)으로 구성된 타르가 또한 일산화탄소영양 유기체의 생산성 및 생존성에 억제성인 것으로 밝혀졌음을 입증하였다(문헌참조: Ahmed et. al 2006; Lewis et. al. 2006).
예를 들어, 강철 제조 공정의 불가피한 결과로서 생성되는 배출 가스는 CO를 함유하고 일부 경우에는 H2를 함유하고 상기된 바와 같은 산업적 배출 가스를 사용하는 것과 관련된 문제점을 보여준다. 전형적으로 강철 제조 공정으로부터 폐가스는 거의 또는 완전히 수소를 함유하지 않는다. 추가로, 이들 배출 가스에서 발견되는 다수의 오염 화합물은 널리 공지되어 있고 보고되어 왔다(표 2 참조). 강철 배출 가스 스트림에서 발견되는 오염물의 수 및 다양성은 확실히 생물량 유래된 합성 가스와 같은 다른 산업적 가스에 존재하는 것으로 보고된 것 보다 훨씬 높다. 이러한 오염물의 수 및 다양성 둘 모두에서의 증가는 발효 시스템에 대해 보다 상당한 문제점을 제공한다. 생물학적 공정에 대한 오염물의 "부가적" 효과를 정확하게 예측하기 어렵지만, 유해한 효과가 보다 더 격심한 것으로 예상된다. 강철 제조 공정으로부터 배출 가스의 일부로서 통풍구 또는 스택으로 통과하는 15개의 가장 풍부한 오염물 중에는 질소의 산화물과 같은 화합물, 이산화황, 벤젠, 톨루엔, 시안화 및 불소화 화합물이 있고 이의 각각은 세균에 독성인 것으로 이해된다.
상기 언급된 바와 같이, 벤젠, 톨루엔, 에틸벤젠 및 p-크실렌으로 구성된 타르는 씨. 카복시디보란스(C. carboxydivorans)의 생존성 및 생산성에 대한 고도의 치명적 효과를 갖는 것으로 밝혀졌다(문헌참조: Lewis et. al. 2006). 벤젠 및 톨루엔 및 크실렌의 혐기적 세균에 대한 상대적 독성은 문헌[참조: Payne and Smith (1983)]에 기재되어 있다. 그러나, 상기된 바와 같이, 상기 화합물 및 다른 화합물들은 다양한 다른 잠재적 독성 화합물과 함께 강철 밀 가스에 존재한다. 카드뮴, 니켈 및 아연과 같은 중금속의 톨루엔이 독성에 대한 부가적 영향은 문헌[참조: Amor et. al. 2001]에 기재되어 있다. 이들 데이터는 톨루엔의 존재하에 미생물 수행능이 개별적 이들 중금속의 첨가에 의해 상당히 그리고 치명적으로 영향을 받음을 입증한다. 강철 밀 배출 가스에서 이들 금속은 함께 존재하고 이들 중 하나는 미생물 수행능 및 생산성에 대해 보다 큰 문제점을 제공할 것으로 예상된다.
유의적으로, 산업적 가스 스트림을 적절히 대표하는 연구 세팅에서 시험 스트림을 제공하기 어렵다. 중요하게, 유사한 산업으로부터의 가스 스트림에서도, 개별 가스 스트림 내에 존재하는 오염물의 유형 및 양은 상당히 다양하다. 단일 공장 또는 시설 내에서도, 배기 가스의 조성은 산업적 공정에 제공된 업스트림 조건 및 공급된 원료에 따라 다양할 수 있다. 추가로, 압축 가스는 전형적으로 가스 조성을 변화시킨다. 특히, 고압에서, 오염물은 가스 상으로부터 하강하는 경향이 있다. 이것은 현장에서 출구 가스와 연구소에 제공된 시험 샘플 간의 모순/변화를 유발한다.
표 2는 목록[National Pollution Inventory (NPI)(http://www.npi.gov.au)]에서 보고된 바와 같이 기관[BlueScope Steel Port Kembla Steelworks - Port Kembla, NSW, Australia]으로부터 킬로그램의 모든 공기 방출(포인트 공급원 + 비산(Fugitive)1)을 보여준다. 이것은 기관[BlueScope Steel Port Kembla Steelworks - Port Kembla, NSW, Australia]으로부터 배출 가스의 성분을 유발하는 전형적 오염을 상세하게 설명한다.
표 2
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1 포인트 공급원 방출은 통풍구 또는 스택으로 흐르고 단일 포인트 공급원을 통해 대기로 방출된다. 이의 예는 보일러 또는 정체 연소 엔진 구동되는 장비의 배기 시스템이다.
비산 방출은 통풍구 또는 스택을 통해 방출되지 않는 방출이다. 비산 방출의 예는 차량으로부터의 배기 방출, 차량 연료 탱크로부터의 증발 방출, 배트(vat) 또는 연료로부터의 증기의 기화 및 다른 휘발성 유기 액체 저장 탱크, 개방 용기, 유출 및 물질 취급을 포함한다. 빌딩의 분수선 상부 통풍구(ridgeline roof vent), 루버 및 개방문, 장비 누출, 밸브 누출 및 플랜지는 다른 유형의 비산 방출이다.
하기된 바와 같이, 본원에 기재된 가스 시험 유닛 및 방법에 특히 유용한 특정 유형의 생물반응기는 순환된 루프 반응기이고, 여기서, 가스성 C1-함유 기질은 전형적으로 연속 액체 상에서 세균 배양 배지를 함유하는 반응기의 하루 말단부에서 또는 이의 부근에서 수직면 섹션의 바닥으로 분포되어 있다(예를 들어, 살포된다). 상승 가스 기포는 연속 액체 상을 통한 이들의 상향 이동 동안에 임의의 비소비되고 비용해된 가스가 액체 수준 이상으로 연속 가스 상(즉, 증기 공간 또는 헤드스페이스)으로 방출되고 반응기의 상부 말단으로 연장될때까지 수직면 섹션으로 국한된다. 수직면 섹션에서 연속 액체 상의 순환은 비교적 낮은 밀도, 비교적 높은 밀도와 조합된, 대다수의 상승 가스 기포가 통과하는 중앙부, 거의 또는 전혀 가스 홀드업을 갖지 않는 주변(외곽)부에 의해 유도될 수 있다. 따라서, 내부 액체 순환은 중앙부에서 액체의 총 상향 이동 및 주변부에서 총 하향 이동을 통해 확립될 수 있다. 하기에 보다 상세하게 기재된 바와 같이, 순환된 루프 반응기를 포함하는 생물반응기 스테이지는 또한, 바람직하게 반응기의 바닥 말단으로부터 액체의 인출 및 상기 인출된 액체의 반응기의 상부 말단으로의 도입을 통해, 반응기 외부의 강압된 액체 순환을 포함하여 이로써 반응기 헤드스페이스에서 역류 가스-액체 흐름을 제공한다.
가스 시험 유닛의 "생물반응기 스테이지"의 일부로서 포함될 수 있는 임의의 생물반응기 뿐만 아니라 용어 "생물반응기"는 순환된 루프 반응기로 제한되지 않지만, 보다 광범위하게는 본원에 기재된 생물학적 공정을 수행하기 위해 사용될 수 있는 C1-고정 미생물과 함께 배양 배지의 액체 용적을 유지하기 위해 임의의 적합한 용기, 또는 용기 내 섹션을 포함하고, 이것은 또한 이들이 일반적으로 혐기적으로 수행되는 정도로의 발효 공정으로 언급될 수 있다. 특정 유형의 생물반응기는 예를 들어, 역류 흐흠 반응기(예를 들어, 상향 흐름 증기상 및 하향 흐름 액체상을 갖는) 또는 동방향 흐름 반응기(예를 들어, 상향 흐름 가스 및 액체상을 갖는)를 접촉시키는 2개-상(가스-액체)를 위해 적합한 임의의 용기를 포함할 수 있다. 상기 2개-상 접촉 용기에서, 액체의 이동 칼럼을 통해 흐르는 가스 기포의 경우에서와 같이 액체상은 연속상일 수 있다. 또한, 증기상은 증기 공간을 통해 흐르는 분산된 액체(소적 형태)의 경우에서와 같이 연속상일 수 있다. 순환된 루프 반응기의 경우에서와 같이, 상이한 생물반응기 영역은 연속 액체상 및 연속 가스상을 함유하기 위해 사용될 수 있다.
생물반응기의 특정 예는 연속 교반 탱크 반응기(CSTR), 고정화된 세포 반응기(ICR), 트릭클 베드 반응기(TBR), 이동 베드 바이오필름 반응기(MBBR), 기포 칼럼, 가스 리프트 발효기, 및 막 반응기, 예를 들어, 중공 섬유 막 생물반응기(HFMBR)를 포함한다. 적합한 생물반응기는 가스성 CO-함유 기질을 액체 세균 배양 배지(예를 들어, 생물학적 전환을 수행하기 위해 바람직한 용해 및 매쓰 수송 역학과 함께)와 접촉시키기 위해 구성된 스태틱 믹서, 또는 다른 용기 및/또는 장치를 포함할 수 있다. "다수의 생물반응기 스테이지"에 포함될 수 있는 용어 "다수의 생물반응기" 또는 생물반응기는 단일 유형 이상의 생물반응기를 포함하는 것으로 의미되지만, 일부 경우에, 다수의 생물반응기가 하나의 유형(예를 들어, 순환된 루프 반응기)일 수 있다.
일부 적합한 공정 스트림, 작동 파라미터, 및 본원에 기재된 생물학적 공정에 사용하기 위한 장비는 이의 전문이 본원에 참조로 인용된 미국 특허원 공개 번호 US2011/0212433에 기재되어 있다.
특정 구현예는 시험 C1-함유 기질의 수행능을 평가하기 위한 제1 생물반응기 스테이지 및 참조 C1-함유 기질의 수행능을 평가하기 위한 제2 생물반응기 스테이지를 포함하는 가스 시험 유닛에 관한 것이다. 분석학적 섹션은 제1 및 제2 생물반응기의 가스상 및 액체 생성물 둘 모두의 분석을 위해 구성된다. 가스 시험 유닛은 일반적으로 약 6 m3 미만의 용량(예를 들어, 약 0.5 m3 내지 약 6 m3), 전형적으로 약 3 m3 미만(예를 들어, 약 1 m3 내지 약 3 m3), 및 흔히 약 2.5 m3 미만(예를 들어, 약 1.5 m3 내지 약 2.5 m3)의 용량을 갖는 컨테이너 내 수행되거나 적어도 수용될 수 있다. 상기 크기 제한 관점에서, 가스 시험 유닛은 예를 들어, 시험 (또는 지역) C1-함유 기질 및 지역 물 공급원과 같은 임의로 다른 지역 첨가제를 평가하기 위한 다수의 위치로 수송될 수 있다. 추가의 대표적인 구현예에 따라, 가스 시험 유닛은 각각 약 1.8 미터 미만(예를 들어, 이들 치수 각각은 약 1.0 미터 내지 약 1.8 미터 범위 내에 있음), 또는 각각 약 1.6 미터 미만(예를 들어, 이들 치수 각각은 약 1.0미터 내지 약 1.6 미터 범위내에 있음)의 길이, 너비 및 높이 치수들을 갖는 박스 또는 다른 컨테이너 내에 수용되거나 적어도 수용될 수 있다. 상기 박스 또는 다른 컨테이너는 약 1.6 미터 미만(예를 들어, 약 1.0 미터 내지 약 1.6 미터의 범위 내)의 길이, 너비 및 높이 치수 중 하나 및 약 1.3 미터 미만(예를 들어, 약 0.8 미터 내지 약 1.6 미터 범위 내)의 이들 치수 중 다른 2개를 가질 수 있다.
다른 구현예는 생물전환 공정에 사용하기 위한 시험 C1-함유 기질의 적합성을 평가하기 위한 방법에 관한 것이다. 상기 방법은 (a) C1-고정 미생물의 제1 배양물을 함유하는 제1 (참조) 생물반응기에 참조 C1-함유 기질을 공급하고 (b) C1-고정 미생물의 제2 배양물을 함유하는 제2 (시험) 생물반응기로 시험 C1-함유 기질을 공급함을 포함한다. 방법은 추가로 (c) 제1 및 제2 생물반응기의 가스성 및 액체 생성물 둘 모두를 분석하여 제1 및 제2 생물반응기의 수행능을 결정함을 포함한다. 시험 C1-함유 기질의 적합성은 제2 생물반응기의 수행능에 상대적으로 제1 생물반응기의 수행능의 비교로부터 확립된다. 바람직하게, 상기 단계 (a) 및 (b)의 적어도 일부는 동시에 수행한다(즉, 이들 단계들의 적어도 일부는 시간적으로 중첩된다). 전형적으로, 단계 (a) 및 (b)는 수일(예를 들어, 적어도 약 3일, 예를 들어, 약 3 내지 약 21일; 적어도 약 5일, 예를 들어, 약 5일 내지 약 21일; 또는 적어도 약 7일, 예를 들어, 약 7일 내지 약 14일)의 동시 작동 기간 또는 시험 기간 동안 동시에 (또는 적어도 실질적으로 동시에) 수행되어 생물학적 전환 공정을 수행하는데 있어서 미생물 배양물의 수행능을 평가한다. 하나의 구현예에 따라, 예를 들어, 시험 C1-함유 기질이 제2 생물반응기로 공급되는 단계 (b)의 전체 지속기간은 참조 C1-함유 기질이 제1 생물반응기로 공급되는 단계 (a)의 지속 기간에 의해 포괄될 수 있다. 이것은 예를 들어, 참조 C1-함유 기질을 사용하는 제1 및 제2 생물반응기 둘 모두의 작동을 개시하고, 이어서 제2 생물반응기에 대한 공급물을 참조 C1-함유 기질로부터 시험 C1-함유 기질로 변화시키는 경우에 일어난다. 따라서, 대표적인 구현예에서, 상기 방법은 단계 (b) 전에 참조 C1-함유 기질을 제2 생물반응기로 공급함을 추가로 포함할 수 있다.
시험 C1-함유 기질을 평가하는 것 뿐만 아니라, 대표적인 방법은 대안적으로 또는 조합하여 본원에 기재된 장치 및 방법을 사용하여 비교 수행능을 결정하거나 평가함에 의해 지역 물 공급원과 같은 지역 첨가제를 평가할 수 있다. 수질을 평가하는 경우에, 예를 들어, 상이한 물 공급원을 사용하여 제1 및 제2 세균 배양물을 제조하고/하거나 보충(예를 들어, 새로운 배양 배지를 사용하여)할 수 있다. 하나의 구현예에 따라, 지역 조건은 제2 생물반응기의 세균 배양물을 제조하고 보충(예를 들어, 첨가된 새로운 배양 배지에서)하기 위해 지역 물 공급원(예를 들어, 지역 공정 물 또는 지역 휴대용 물)을 사용함에 의해 평가될 수 있고, 이는 시험 C1-함유 기질을 상기 배양물에 공급하는 것과 조합된다. 또 다른 구현예에서, 동일한 지역 물 공급원을 사용하여 생물반응기 둘 모두의 세균 배양물을 제조하고 보충하여 시험 C1-함유 기질 자체는 동일한 물 공급원을 사용하여 기준선에 대해 평가될 수 있다. 또 다른 구현예에서, 동일한 C1-함유 기질(예를 들어, 참조 또는 시험 C1-함유 기질)은 생물반응기 둘 모두에 공급하여 단독의 상이한 물 공급원(예를 들어, 증류수와 같은 정제된 물 공급원과 비교하여 지역 공정 물 공급원 또는 지역 휴대용 물 공급원)의 효과를 평가할 수 있다.
또 다른 구현예는 시험 C1-함유 기질이 생물학적 전환 공정을 지지하는지를 결정하기 위한 방법에 관한 것이다. 대표적인 방법은 (a) 에탄올 및 적어도 하나의 추가의 대사물을 생산하기 위한 영양물로서 각각 참조 C1-함유 기질을 사용하여 C1-고정 미생물의 별도의 제1 및 제2 배양물을 유지하고 (b) 제2 배양물에 대한 영양물로서 참조 C1-함유 기질로부터 시험 C1-함유 기질로 변화시킴을 포함한다. 상기 방법은 (c) 동일한 표적 작동 조건(예를 들어, 자동적으로 및/또는 수동으로 조절된 작동 파라미터, 예를 들어, 일부 경우에 생물반응기 pH의 작동 세트 포인트)하에 제2 배양물의 수행능과 상대적으로 제1 배양물의 수행능을 평가하지만 상이한 참조 및 시험 CO-함유 기질을 사용함을 추가로 포함한다. 상기 방법은 (d) 단계 (c)에서 제2 배양물의 최소 수행능 결핍 (또는 오프셋)을 수득하지 못하는 경우에, 시험 C1-함유 기질이 생물학적 전환 공정을 지지함을 확인함을 추가로 포함한다. 상기 방법은 (e) 단계 (c)에서 최소 수행능 결핍 또는 보다 큰 수행능 결핍을 수득하는 경우에, 시험 C1-함유 기질을 전처리하거나 기존의 전처리를 증진시켜 단계 (c)에서 수행능을 평가하기 위해 사용되는 시험 C1-함유 기질에 상대적으로 보다 큰 품질의 시험 C1-함유 기질을 제공함을 포함할 수 있다.
또 다른 구현예에 따라, 상기 방법에서 단계 (e)는 전처리하거나 기존의 전처리를 증진시킴에 의해 시험 C1-함유 기질의 품질을 개선시키는 것 이외의 처리 대책을 포함할 수 있다. 상기 처리 대책은 예를 들어, 지역 물 공급원과 같은 지역 첨가제의 품질을 개선시키거나, 지역 공정 물을 보다 높은 품질의 첨가제, 예를 들어, 지역 휴대용 물로 대체함을 포함할 수 있다. 다른 처리 대책은 생물반응기 온도, 압력 및/또는 pH와 같은 작동 조건의 조정을 포함할 수 있다. 임의의 유형의 처리 대책은 세균 배양물(예를 들어, 제3 배양물)을 사용한 제2 생물반응기의 재접종에 이어서 처리 대책(예를 들어, 표적 작동 조건의 동일한 세트 하에 수행하지만 상이한 참조 및 보다 높은 품질의 시험 C1-함유 기질을 사용하고/하거나 상이한 참조 및 높은 품질의 첨가제를 사용하고/하거나 조정된 작동 조건을 사용하여)을 시험하기 위한 재접종된 배양물의 수행능과 비교하여 제1 배양물(또는 영양물로서 참조 C1-함유 기질 또는 다른 참조 조건을 사용하는 다른 배양물)의 수행능을 평가함을 수반할 수 있다. 재접종된 배양물(예를 들어, 제3 배양물)의 최소 수행능 결핍을 수득하지 못하는 경우에, 상기 방법은 처리 대책(예를 들어, 보다 높은 품질의 시험 C1-함유 기질 및/또는 보다 높은 품질의 첨가제 및/또는 조정된 작동 조건)이 생물학적 전환 공정을 지지하는지 확인함을 추가로 포함할 수 있다. 이러한 방식으로, 다수의 처리 대책(예를 들어, 진행적으로 보다 높게 정제된 C1-함유 기질)은 본원에 기재된 가스 시험 유닛을 사용하여, 예를 들어, 연속적 방식으로 평가될 수 있다. 일부 구현예에 따라, 시험/평가 방법은 적어도 하나의 시험 C1-함유 기질 품질, 첨가제 품질 및/또는 작동 조건 세트가 생물학적 전환 공정을 지지하는가가 확립되고/확인되는 경우 완전할 수 있다.
도 1a는 후면 "습윤" 또는 생물반응기 스테이지-함유 섹션 200 및 전면 "무수" 또는 분석학적 섹션 300 둘 모두를 갖는 대표적인 가스 시험 유닛 1의 측면 단면도를 도시한다. 바람직하게, 이들 섹션 200, 300은 상호 혼합으로부터 이들 섹션에 수용된 장비를 둘러싸는 주위 환경을 차단하거나 적어도 방해하는 수직 칸막이 250과 같은 장벽에 의해 분리되어 있다. 섹션 200에서 생물반응기 스테이지의 대표적인 생물반응기 100은 일반적으로 약 0.25 내지 약 5 리터의 범위 및 흔히 약 1 내지 약 3 리터 범위의 반응기 용적을 갖는다. 상기 반응기 용적(즉, 반응기 가스 및 액체상 내용물을 함유하는)을 유지하는 생물반응기의 전형적 길이는 약 0.5 내지 약 1.5 미터이다. 정상적으로, 생물반응기-함유 섹션 200은 도 1b에서 자명한 바와 같이 2개의 별도의 생물반응기 스테이지를 포함하고 이는 참조 및 시험 CO-함유 기질 둘 모두의 수행능의 동시 평가를 위한 것이다.
섹션 200에서 생물반응기 스테이지는 소정의 생물반응기 100 내에 혼합/균일성을 개선시키고/시키거나 증기-액체 질량 전달율을 개선시키기 위해 외부 액체 재활용 루프 25 및 연합된 외부 재활용 (또는 재순환) 펌프 30을 추가로 포함할 수 있다. 외부 액체 재활용 루프 25를 사용하여, 배양 배지 및 C1-고정 미생물을 포함하는 액체 생성물은 생물반응기 100의 바닥 섹션(즉, 바닥 말단에 인접한)으로부터(예를 들어, 스파저(sparger)와 같은 가스 분배 장치 아래로부터 및/또는 액체 주입구 또는 액체 출구 아래로부터) 인출될 수 있고 생물반응기 100의 상부 섹션(즉, 반대, 상부 말단에 인접한)으로 (예를 들어, 연속 가스상 영역과 연속 액체 상 영역 사이의 경계선을 표시하는 가스/액체 계면 상부로) 외부적으로 재활용된다. 상기된 바와 같이, 외부 액체 재활용 루프 25는 바람직하게 막 여과 시스템 및 연합된 세정 과정을 포함하는, C1-고정 미생물의 분리 및 재활용을 위해 요구되는 부가된 복잡성 없이 작동한다. 외부 액체 재활용 펌프 30은 예를 들어, 에너지 활용과 질량 전달 속도 개선 간의 최적 트레이드오프(tradeoff)에서 목적하는 속도로 외부 액체 순환을 제공한다. 생물반응기 100의 탑재 및 조절과 연합된 다른 성분들은 생물반응기 스테이지-함유 섹션 200, 예를 들어, 선반 201 및 반응기 온도 조절을 위해 요구되는 것과 같이(예를 들어, 요구되는 만큼 생물반응기 100의 온도를 상승시키거나 저하시키기 위한 열 추적 및/또는 팬) 생물반응기 100에 외부적인 추가의 장비 내에 포함될 수 있다.
분석적 섹션 300은 각각 생물반응기 스테이지 10으로부터 수득된 가스성 및 액체 생성물 둘 모두의 분석을 위해 구성된 제1 및 제2 크로마토그래피 칼럼 302a, 302b를 포함하는, 가스 크로마토그래피(GC) 분석기 301을 포함한다. 상기 구성은 액체 생성물에서 대사물 농도의 분석을 위한 고압 액체 크로마토그래피(HPLC)의 통상적인 용도와는 상이하다. 본 발명의 구현예는 액체 생성물 분석을 위한 HPLC의 용도를 포함하지만, 가스 시험 유닛의 총 분석학적 요구가 단일 GC 분석기로 결속되는 경우 공간이 유리하게 보존되는 것으로 결정되었다. 일반적으로, 가스성 및 액체 생성물의 분석을 위해 사용되는 칼럼은 목적하는 크로마토그래피 분리를 수행하기 위해 상이한 유형의 정지상(예를 들어, 수지)을 함유한다. 분석학적 섹션 300 내 다른 장비는 GC 분석기 301을 위한 기준선 가스 공급원으로서 사용하기 위한 고순도 공기 발생기("제로 공기" 발생기, 나타내지 않음), 내포된 전기 부품 303 및 필요한 디스플레이 인터페이스 304(예를 들어, 컴퓨터)와 함께 작동 소프트웨어 및 유틸리티 박스 305를 포함할 수 있다. 위성 교신 시스템 315는 또한 불량하거나 신뢰할 수 없는 교신 서비스를 갖는 전망있는 시설 현장에서의 활용에 있는 경우 가스 시험 유닛 1로부터 현장으로부터의 데이터를 원거리(예를 들어, 현장으로부터 적어도 100 마일, 적어도 1,000 마일, 또는 심지어 적어도 5,000 마일 떨어져 있는)에 있을 수 있는 제2 시설로 전달하기 위해 포함될 수 있다. 예를 들어, 제2 시설은 실시간으로 가스 시험 유닛의 작동에 관심을 가진, 생물학적 전환 공정의 개발자 또는 검열관일 수 있다. 위성 교신 시스템 315는 따라서 특정 공정 단계(예를 들어, 가스 전처리)에서 또는 이의 부가에서 추천되는 작동 파라미터 조정 또는 변화와 같은 가스 시험 유닛 1에 속하는 작동 지침을 제공하는데 사용하기 위한 정보를 제2 시설로 전송할 수 있다. 다른 구현예에 따라, 위성 교신 시스템 315는 본원에 기재된 다양한 작동 파라미터를 포함하는, 가스 시험 유닛 1의 작동의 직접적인 조절을 가능하게 할 수 있다. 바닥 서랍 306, 벤치(나타내지 않음) 및/또는 그릴 팬(나타내지 않음)과 같은 추가의 보조 부품들은 또한 분석학적 섹션 300에 포함될 수 있다.
도 1a에 나타낸 바와 같이, 가스 시험 유닛 1의 부품들은 컨테이너 500 내에 수용되고 이것이 특이적 C1-함유 기질의 현장 평가를 위한 원거리 위치로 용이하게 전송가능하게 한다. 이러한 전송은 고정된 연구소, 파일롯 공장 또는 입증 유닛 장소에서 조성물 내 조성 및 변동 둘 모두의 측면에서 상업적 가스 스트림을 재생할 시도에서 고유한 잘못된 (그리고 고비용) 부정확성을 유리하게 회피한다. 평균 크기 인간 600의 도시는 대표적인 컨테이너 500의 전형적 치수를 제공한다. 상부 커버링 분석적 섹션 300에서, 컨테이너 500은 분석학적 섹션 300을 갖는 장비에 우수한 접근을 가능하게 하기 위해 컨테이너를 개방시키기 위한 힌지 연결체 550과 같은 연결체를 가질 수 있다. 컨테이너 500은 완전히 가스 시험 유닛 1을 내포할 필요는 없고 배기 팬의 작동을 위해 요구되는 것들과 같은 개구부는 컨테이너 500에 제공될 수 있는 것으로 인지되어야 한다. 컨테이너 500이 개방 또는 노출된 영역 (또는 개방될 수 있는 영역)을 포함하는 정도로, 가스 시험 유닛 1은 또한 적어도 상기된 바와 같은 치수를 갖는 완전히 밀폐된 컨테이너 내에 수용될 수 있다. 도 1a 및 1b에 나타낸 바와 같이, 컨테이너 500은 펠렛 575로 수송될 수 있고 지게차 트럭을 통해 비교적 짧은 거리를 이동하고 지게차 수용 개구부 590과 함께 포함된다.
도 1b의 후면 단면도는 각각 참조 및 시험 C1-함유 기질의 수행능을 평가하기 위한 각각의 생물반응기 스테이지 10a, 10b의 2개의 생물반응기 100a, 100b를 설명한다. 이들 생물반응기 각각은 도 1a에 관하여 상기된 바와 같은 외부 액체 재활용 루프 25가 장착될 수 있다. 도 1b는 따라서 "습윤" 또는 생물반응기 스테이지-함유 섹션 200의 보다 완전한 단면을 제공한다. 반응기 온도(상기된 바와 같이)를 조절하기 위해 사용되는 작동 조절 시스템에 추가로 또는 이에 대안적으로, 다른 작동 조절 시스템은 적어도 부분적으로 섹션 200 내에 있을 수 있지만 피드백 조절 루프와 연합된 기기 장치 소프트웨어는 바람직하게 분석적 섹션 300 내에 포함될 수 있다. 상기 추가의 작동 조절 시스템은 새로운 배양 배지 첨가율, 가스성 C1-함유 기질 공급 속도 및 반응 pH와 같은 작동 파라미터를 조절하기 위해 사용될 수 있다. 계면활성제 첨가 속도를 조절하는 경우에, 가변 속도 펌프 202a, 202b(예를 들어, 시린지 펌프)는 계면활성제를 생물반응기 100a, 100b에 독립적으로 공급하기 위해 사용될 수 있다. 가스성 C1-함유 기질 공급 속도를 조절하는 경우에, 적당한 흐름 조절 밸브가 사용될 수 있고 목적하는 가스 흐름 속도 및 밸브의 고려되는 압력 업스트림(공급 압력) 및 밸브의 다운스트림(작동 압력)에 따른 크기를 갖는다. 반응기 pH를 조절하는 경우에, 생물반응기 스테이지로(예를 들어, 도 1a에 보여지는 재활용 루프 25로) 도입되는 염기성 중화제의 양은 가변 속도 펌프로 조절될 수 있다. 대표적인 pH 조절 시스템은 도 2와 관련하여 매우 상세하게 기재된다.
도 1b에 나타낸 바와 같이, 총 6개의 펌프가 포함되고 이들 펌프 206a 중 3개는 염기성 중화제 및 다른 공정 액체(Na2S, 매질, 등)를 제1 생물반응기 100a로 전달하기 위해 사용되고 3개의 다른 펌프 206b는 상기 액체를 제2 생물반응기 100b로 전달하기 위해 사용된다. 또한 생물반응기-함유 섹션 200 내에 수용되는 것은 각각의 생물반응기 스테이지와 연합된 작동 파라미터에 관한 디스플레이 및 조절기이고 이는 CO-함유 기질 흐름 속도 디스플레이/조절기 207a, 207b, 새로운 배지 흐름 속도 디스플레이/조절기 208a, 208b, 및 반응기 온도 디스플레이/조절기 209a, 209b를 포함한다. 이들 디스플레이/조절기는 작동기 접근/조망의 용이함을 위해 접이식 패널(나타내지 않음) 상에 포함될 수 있다. 분석적 섹션에서 위성 교신 시스템의 사용과 관련하여 상기된 바와 같이, 또 다른 구현예에서, 위성 교신 시스템 315는 또한 생물반응기-함유 섹션 200 내에 존재할 수 있고 상기된 바와 동일한 기능을 갖는다.
도 1b에서 추가로 도시된 바와 같이, 생물반응기-함유 섹션 200 내의 장비는 이로 주입되는 공급물 및 이로부터 인출된 생성물의 직접적인 취급과 관련된 생물반응기 100a, 100b를 포함한다. 상기 장비의 예는 새로운 배지 컨테이너 203a, 203b 및 액체 생성물 폐기 컨테이너 204a, 204b 및 생물반응기 100a, 100b로의 이들의 연합된 연결체이다. 상기 섹션에서 장비의 추가의 예는 다양한 목적에 사용도리 수 있는 버블러 205a, 205b이다. 예를 들어, 특정 구현예에서, 각각의 생물반응기 100a, 100b는 이들 반응기로부터의 가스성 생성물과 유체 통류하는 일련의 2개 이상의 버블러를 가질 수 있다. 생물반응기의 액체 오버플로우에 대한 보호 대책으로서 각각의 생물반응기 바로 다운스트림에 하나 이상의 속빈 버블러를 사용할 수 있다. 하나 이상의 유체-충전된 버블러는 가스 샘플이 분석되어야만 하는 경우 하나 이상의 속빈 버블러의 다운스트림에서 사용되어 가스성 생성물을 GC로 우회시키기 위해 역압 공급원을 제공할 수 있다. 생물반응기-함유 섹션 200은 추가로 신선한 공기의 상기 섹션으로의 순환을 가능하게 하기 위해 배기 팬 및 통풍구(나타내지 않음)를 포함할 수 있다. 이것은 누출 경우에 상기 섹션에 있는 C1 탄소원(예를 들어, CO, CO2, CH4)이 건강 위험 또는 노출 위험의 견지로부터의 불안전한 수준으로 축적되는 것을 방해하거나 차단시킬 수 있다. 이와 관련하여, C1 가스 검출기 210(예를 들어, CO 검출기)을 포함하는 안전성 조절 시스템은 또한 생물반응기-함유 섹션 200에 포함될 수 있다. 안전성 조절 시스템은 상기된 하나 이상, 예를 들어, 모든 작동 조절 시스템에 우선하도록(예를 들어, 가스성 C1-함유 기질 공급 속도를 조절하기 위해) 구성될 수 있다. 예를 들어, 안전성 조절 시스템은 역치 농도 이상(예를 들어, 경고 역치 농도)에서 주위 C1 농도의 측정에 응답하여 시험 C1-함유 기질 및/또는 참조 C1-함유 기질, 및 바람직하게 둘 모두의 흐름을 중지시킬 수 있다.
도 2는 참조 및 시험 C1-함유 기질 각각의 비교 수행능 평가를 위해 사용되는 생물반응기 100a, 100b의 작동에 관한 추가의 세부 사항을 제공한다. 대표적인 공정에 따라, 이들 C1-함유 기질은 각각의 생물반응기 스테이지의 수직으로 연장하는 생물반응기 100a, 100b의 바닥 말단에 인접하여 위치된 가스 주입구 12a, 12b를 통한 생물반응기 스테이지에 공급된다. 예를 들어, 가스 주입구는 바닥 25 % 이내 및 바람직하게 이들 각각의 생물반응기 길이의 바닥 10 % 이내에 이들 각각의 생물반응기로 연장될 수 있다. 가스 주입구는 정상적으로 이들 각각의 생물반응기, 반응기 길이의 이들 % 이내에 일반적으로 상응하는 높이에서 생물반응기 내에 동심원으로 배치될 수 있는 가스 분배 장치로 연장한다. 특정 가스 분배 장치는 스파저 14a, 14b를 포함하고 이와 함께 가스 주입구는 이들의 각각의 제1 말단부에 인접하여 유체 통류할 수 있다. 생물전환 반응에 활용되지 않은 C1-함유 기질(예를 들어, H2)의 비전환된 C1 탄소원 및 임의의 가스성 불순물을 포함하는 가스성 생성물은 각각의 생물반응기로부터 인출되고 바닥 말단에 반대편의 생물반응기 상부 말단에 인접하게 위치된 가스 출구 16a, 16b를 통해 배출된다. 가스 출구는 이들 각각의 생물반응기 길이의 상부 25 % 이내, 및 바람직하게 상부 10 % 이내로 이들 각각의 생물반응기로 연장할 수 있거나, 다르게는 가스성 생성물은 가스 출구가 이들 각각의 생물반응기로 전혀 연장하는 것 없이 이들 각각의 생물반응기의 상부로부터 인출될 수 있다.
액체 생성물(또는 "브로쓰")는 예를 들어, 이로부터 액체 생성물이 인출되는 생물반응기 100a, 100b의 하부 섹션으로부터 생물반응기의 상부 섹션으로(예를 들어, 생물반응기 100a, 100b의 길이의 상부 10 % 이내로 및 이를 통해 액체 생성물이 연속 가스 상 지대로 도입되는 샤워 헤드 110a, 110b와 같은 상기 액체 분배 장치(들)로) 액체 재활용 펌프 30a, 30b를 사용한 펌핑에 의해 외부 액체 재활용 루프 25a, 25b로 재활용될 수 있다. 이어서, 상기 액체는 가스/액체 계면 22a, 22b에서 회수되는 가스와 접촉하고 연속 가스상 지대를 통해 상향으로(벌크로) 계속 흐른다. 상기 방식으로, 생물반응기 100a, 100b는 상기된 바와 같이 내부 액체 순환과 함께 작동하는, 상기 연속 액체 상 지대에 배치된 상기 지대내 역류 가스 및 액체 흐름(상향으로 흐르는 가스 및 하향으로 흐르는 액체)과 함께 작동한다.
"반응기 길이"와 관련하여 다양한 특징의 위치를 한정하는데 있어서. 상기 길이는 통상적으로 "반응기 용적" 또는 "반응기 작용 용적"으로 고려되는 반응기 내용물(반응물 및 반응 생성물의 혼합물)을 함유하는 섹션의 길이를 언급하고 상기 길이는 반응기를 수용하지만 임의의 반응기 내용물을 함유하지 않는 칼럼 또는 다른 용기의 반응기 용적 또는 섹션 위 또는 아래로 연장할 수 있는 공정 라인(예를 들어, 공급 주입 라인 또는 생성물 출구 라인)을 포함하지 않는다. 예를 들어, 실린더형 반응기의 경우에, 반응기 길이는 실린더 축의 길이를 언급한다. 반응기 길이의 "바닥 10 %"는 반응기의 바닥으로부터 시작하여 반응기 길이의 10 %에 대해 상향으로 연장하는 높이의 범위를 언급한다. 반응기 길이의 "상부 10 %"는 반응기의 상부로부터 시작하여 반응기 길이의 10 %에 대해 하향으로 연장하는 높이의 범위를 언급한다.
생물반응기 100a, 100b 각각은 새로운 배양 배지의 도입을 위한 주입구 18a, 18b, 및 요구되는 경우 C1-고정 미생물의 농도 뿐만 아니라 에탄올 및 다른 대사물의 농도를 결정하기 위해 샘플 채취될 수 있는 반응기의 액체 생성물을 인출하기 위한 액체 출구 20a, 20b를 포함한다. 주입구 및 출구 18a, 18b, 20a, 20b를 통한 생물반응기 100a, 100b 각각으로부터 새로운 배양 배지의 전달 및 이로부터 액체 생성물(또는 "브로쓰")의 전달은 이들 주입구 및 출구와 유체 통류하는 소형 보어 개방 파이프(예를 들어, 약 1 mm 내지 약 6 mm의 내부 직경을 갖는)를 통해 일어난다. 생물반응기 100a, 100b로부터 인출된 액체 생성물은 여기로 통과될 수 있고 임의로 작용, 가스화되지 않은 액체 수준(즉, 가스 홀드 없이 존재하는 액체 수준)에 상응하는 상기 높이 H로 연장한다. 즉, 최종 스테이지 액체 생성물이 연장되는 최고 상승 E는 높이 H이거나 그 초과일 수 있다. 높이 H는 조정가능하고 실질적으로 시폰 브레이커 75a, 75b 또는 다른 유형의 액체 테이크-오프 포인트의 높이 H에 상응할 수 있다. 도 2의 구현예에서, 따라서, 액체 생성물 출구 20a, 20b는 생물반응기 100a, 100b에 상대적으로 높이에서 조정가능한 시폰 브레이커 75a, 75b와 유체 통류한다. 상승부 E 및 높이 H는 독립적으로 이들의 각각의 생물반응기 100a, 100b에서 액체 수준 또는 수역학 헤드, 즉, 가스/액체 계면 22a, 22b의 수준을 관리하기 위해 조절될 수 있다.
도 2에 도시된 특정 구현예에서, 액체 주입구 18a, 18b 및 액체 출구 20a, 20b는 바람직하게 각각의 가스 주입구 12a, 12b 및 스파저 14a, 14b 아래의 정지 섹션에 위치하여 액체가 공급되도록 하고 소정의 생물반응기 스테이지의 상기 섹션 또는 반응기 위치로부터 인출되도록 한다. 또한, 그러나 주입구 및 출구는 액체 생성물의 공급 및 인출을 위한 목적하는 위치에 의존하여, 이들 각각의 생물반응기의 길이를 따라 다른 곳에 위치될 수 있다. 대안적 구현예에서, 예를 들어, 액체 출구는 예를 들어, 액체 인출의 높이에서 오버플로우를 기준으로 액체 수준 조절을 제공하기 위해 가스/액체 계면 22a, 22b의 수준에서 또는 이의 근처에 위치될 수 있다.
간편하게, 외부 액체 재활용 루프 25a, 25b는 생물반응기 액체 샘플링/분석 위치를 제공할 수 있고 또한 생물반응기 조절을 위해 구성될 수 있다. 예를 들어, 염기성 중화제(예를 들어, 수성 염기, 예를 들어, NH4OH 용액 또는 NaOH 용액)는 반응기 pH를 조절하기 위한 작동 조절 시스템의 일부로서 염기성 중화제 주입구 35a, 35b를 통해 이들 재활용 루프로 첨가될 수 있다. 작동 시스템은 추가로 측정된 반응기 pH를 기준으로 염기성 중화제의 흐름을 조절하기 위한 기기 장치를 추가로 포함할 수 있고 보다 특이적으로 생물반응기 100a, 100b 각각과 연합된 적합한 피드백 조절 루프를 포함한다. 상기 조절 루프는 예를 들어, 외부 액체 재활용 루프 25a, 25b 내에 생물반응기 액체의 pH 값을 측정하는(예를 들어, 연속적으로 또는 간헐적으로) pH 분석기 40a, 40b를 포함한다. 상기 조절 루프는 또한 측정된 pH 값을 소정의 생물반응기에 대한 설정 포인트 값과 비교하고 이어서 염기성 중화제의 흐름을 조절하여 설정 포인트를 성취하고 유지하기 위한 필수 하드웨어(예를 들어, 조절 밸브 또는 가변 속도 공급 펌프, 나타내지 않음) 및 기기 장치 소프트웨어(예를 들어, 컴퓨터 프로그램)를 포함한다.
따라서, 생물반응기 100a, 100b의 외부 재활용 루프는 각각의 염기성 중화 주입구 35a, 35b와 유체 통류할 수 있고 이들 생물반응기 내 pH를 독립적으로 조절하기 위한 기기 장치를 포함한다. 외부 액체 재활용 루프 25a, 25b는 반응 온도와 같은 다른 작동 파라미터의 조절과 연합된 기기 장치를 포함할 수 있다. 예를 들어, 생물반응기의 작동 온도를 대표하는 외부 액체 재활용 루프 내 액체의 온도를 측정하는(예를 들어, 연속으로 또는 간헐적으로) 온도 전달 장치를 사용하여 반응기 온도 조절을 위한 상기된 열 추적 및/또는 팬의 작동을 조절할 수 있다. 추가로, 외부 액체 재활용 루프 25a, 25b는 다른 액체 희석물, 시약(예를 들어, 계면활성제) 및/또는 영양물을 독립적으로 동일한 속도로 또는 다양한 속도로 생물반응기 100a, 100b로 도입하기 위한 액체 주입구 45a, 45b를 추가로 포함할 수 있다.
생물반응기 스테이지 10a, 10b는 따라서 독립적으로 조절가능한 공정 작동 변수를 가질 수 있고, 이의 조절은 상기된 바와 같은 외부 액체 재활용 루프 25a, 25b에 대한 생물반응기 액체 생성물의 샘플링/분석 및/또는 임의의 주입구 18a, 18b, 35a, 35b, 45a, 45b를 통한 새로운 배양 배지, 염기성 중화제 및/또는 다른 공정 액체의 도입을 포함할 수 있다. 대표적인 공정 작동 변수는 새로운 배양 배지 첨가 속도, 가스성 C1-함유 기질 공급 속도, 반응기 온도, 반응기 pH 및 이의 조합을 포함한다. 다양한 다른 예시적 조절 방법에 따라, (1) C1-함유 기질의 흐름(예를 들어, 참조 C1-함유 기질의 생물반응기 스테이지 10a로의 흐름 및/또는 시험 C1-함유 기질의 생물반응기 스테이지 10b의 흐름)은 측정된 반응기 pH를 기준으로 조절될 수 있고, (2) 생물반응기 스테이지 10a, 10b 중 하나 또는 둘 모두로의 염기성 중화제의 흐름은 상응하는 생물반응기 액체 생성물에서 측정된 산성 대사물 농도(예를 들어, 아세테이트 농도)를 기준으로 조절될 수 있고/있거나 (3) 새로운 배양 배지의 생물반응기 스테이지 10a, 10b의 하나 또는 둘 모두로의 흐름은 상응하는 생물반응기 액체 생성물에서 C1-고정 미생물의 측정된 농도를 기준으로 조절될 수 있다.
상기된 가스 시험 유닛은 예를 들어, 상업적 규모의 생물학적 전환 공정을 위한 전망있는 시설 장소에서 가용한 시험 C1-함유 기질을 평가하기 위한 방법에 사용될 수 있다. 제1 및 제2 생물반응기는 각각 참조 C1-함유 기질(예를 들어, 평가 방법의 지속 기간에 걸쳐 고정될 수 있는 공지된 조성의 C1 탄소원-함유 가스) 및 임의로 하나 이상의 오염물을 제거하기 위해 전처리된 강철 제조 설비와 같은 산업적 설비로부터 가용한 C1-함유 폐가스일 수 있는 시험 C1-함유 기질을 프로세싱하기 위해 사용될 수 있다. 일반적으로, 전처리는 생물학적 전환 공정에 치명적인(예를 들어, C1-고정 미생물의 성장에 해로운) 시험 C1 함유 기질의 하나 이상의 오염물 또는 하나 이상의 오염물의 적어도 일부(예를 들어, 하나 이상의 오염물의 적어도 75%, 적어도 90 %, 또는 적어도 99 %)를 제거하기 위해 수행된다. 전형적으로, 전처리에 의해 제거되는 시험 C1-함유 기질에서의 오염물(들)은 동일한 조건하에서 수행되는 동일한 공정과 비교하는 경우, 전처리 부재하에 생물학적 전환 공정에서 관찰된 수행능 결핍에 기여하는 것들이다. 오염물은 탄화수소(예를 들어, 벤젠) 및 헤테로원자-함유 탄화수소(예를 들어, 할로겐화된 탄화수소 또는 Cl, O, N, 및/또는 S 중 적어도 하나를 함유하는 탄화수소, 예를 들어, 디클로로프로판, 에피클로로하이드린 및 디옥신)를 포함한다. 임의의 상기 오염물은 일반적으로 비처리된 시험 C1-함유 기질에서 최소량(예를 들어, 1% 미만, 1000 ppm 미만, 100 ppm 미만, 또는 심지어 10 ppm 미만의 양, 용적을 기준으로)으로 존재한다. 예시적 전처리는 예를 들어, 흡착 또는 용해에 의해 하나 이상의 요염물을 선택적으로 제거하는, 고체 물질 또는 액체 세정 배지와 시험 C1-함유 기질을 접촉시킴을 포함한다. 대표적인 고체 물질은 탄소(예를 들어, 활성 차콜), 수지 및 제올라이트를 포함한다. 다른 오염물은 여과 및/또는 액체 세정 배지에 의해 제거될 수 있는 먼지 입자 및 다른 고체(예를 들어, 촉매 분말)를 포함한다.
대표적인 참조 C1-함유 기질은 순수한 CO 또는 CO 및 하나 이상의 다른 가스의 합성 블렌드(예를 들어, CO/H2 블렌드, 또는 CO, CO2 및 H2 블렌드)일 수 있다. 하나 이상의 다른 가스는 대략 동일한 농도에서 시험 C1-함유 기질에 존재하는 것으로 공지된 가스일 수 있다. 합성 블렌드는 이에 대한 수행능 데이터가 이전에 수득되고 임의로 대규모 작동 수행능과 서로 관련된 조성물을 대표할 수 있다. 상기 방식으로, 참조 C1-함유 기질과 시험 C1-함유 기질의 비교 수행능을 사용하여 대규모 작동에서, 예를 들어, 파일롯 공장 규모, 입증 스케일, 또는 상업적 규모의 작동에서 후자의 예측된 수행능을 계산할 수 있다. 많은 경우에, 순수 CO 또는 CO의 합성 블렌드를 포함하는 참조 C1-함유 기질이 압력화된 실린더로부터 생물반응기 중 하나 또는 둘 모두에 제공되고 공급될 수 있다. 적합한 압력 조절 밸브 (또는 일련의 밸브)를 사용하여, 실린더의 압력 다운스트림은 생물반응기의 작동 압력으로 감소될 수 있다(예를 들어, 0 내지 5 bar 절대 압력).
각각 참조 및 시험 C1-함유 기질을 프로세싱하는 제1 및 제2 생물반응기의 수행능은 시험 C1-함유 기질의 적합성을 확립하기 위한 기초로서 결정될 수 있고 비교될 수 있다. 상기 목적을 위해, 본원에 기재된 바와 같은 가스 시험 유닛은 제1 및 제2 생물반응기의 가스성 및 액체 생성물 둘 모두를 분석하기 위해 구성될 수 있다. 예를 들어, 가스 생성물을 분석하여 참조 및 시험 C1-함유 기질에서 C1 가스의 세균 배양물에 의한 소비 후 잔류하는 C1 가스의 양을 결정할 수 있다. 생물반응기의 전체 기질 활용은 생물반응기로 주입되고 목적하는 생성물(들)(예를 들어, 에탄올) 및 미생물의 다른 대사물로의 전환에 사용되는 기질의 %를 언급한다. 예로서 CO 함유 가스를 사용하여, 생물반응기로부터 배출되는 가스성 생성물의 조성이 결정되는 경우, 이어서 전체 CO 활용도(분획으로서 표현되는)는 다음과 같이 계산될 수 있다:
1 - (생물반응기에서 배출되는 CO 비율)/(생물반응기의 CO 주입 비율).
가스 시험 유닛은 이들 반응기 간의 비교를 위해 하나의 수행능 파라미터로서 생물반응기 각각에서 C1 탄소 활용도의 측정을 위한 충분한 정보(예를 들어, 공급물 및 생성물 가스 흐름 속도 및 조성물)를 제공할 수 있거나 적어도 제공할 수 있다. 이러한 C1 탄소원 활용은 보다 높은 총 활용도 값을 제공할 수 있는 가스성 생성물 재활용 (및 추가되는 비용)의 용도를 고려하는 것으로 없이 "통과 당" 또는 "1회-통과" 기준으로 결정된다. 그러나, 통과 당 C1 탄소 활용도는 상기 재활용을 사용하는 공정의 총 C1 탄소 활용도를 예측하기 위한 리모델링에서 사용될 수 있다.
가스 시험 유닛으로부터의 다른 분석적 결과는 참조 및 시험 C1-함유 기질과 작동하는 생물반응기 간의 수행능 비교에 사용될 수 있다. 예를 들어, 이들 생물반응기로부터 수득된 액체 생성물은 전형적으로 아세테이트 및 2,3-부탄디올을 포함하는, 에탄올 및 다른 대사물의 농도(역가)를 결정하기 위해 C1-고정 미생물(예를 들어, 여과에 의해)의 분리 후 분석될 수 있다. GC 분석기를 사용하여, 예를 들어, 모든 이들 농도는 리터당 그람, g/l로 수득될 수 있다. 일부 경우에, 적합한 분석적 장치는 가스 시험 유닛과 함께 포함될 수 있거나, 또한 별도로 액체 생성물 중 C1-고정 미생물 농도의 측정을 위해 사용될 수 있다. 대표적인 장치는 샘플을 통과하는 전기자기 에너지의 흡수 또는 전달을 측정하는 것들(예를 들어, 분광측정기), 샘플의 특정 생물학적 활성을 측정하는 것들(예를 들어, 플레이트 판독기) 또는 처리될 수 있거나 재사용 가능한 프로브(예를 들어, 온-라인 바이오매쓰 프로브)에서 샘플의 또 다른 성질(임피던스/전기용량)을 측정하는 것들을 포함한다. 가스성 및 액체 생성물의 분석은 연속으로(예를 들어, 온라인 분석기를 사용하여) 또는 간헐적으로 수행될 수 있다. 분석은 또한 자동적으로 또는 GC와 같은 분석기로 수동 주사와 수동으로 수행될 수 있고 이는 흔히 샘플 제조에서의 유연성 및 장비 요건의 감소 때문에 바람직하다. 예를 들어, 생물반응기의 액체 생성물의 자동화 분석을 위한 샘플 채취 시스템은 적합한 도관(예를 들어, 튜빙 또는 파이핑), 밸브, 펌프 및 목적하는 시간에 목적하는 생물반응기의 샘플링을 가능하게 하는 작동기 및 정확한 결과를 수득하기 위한 세정(퍼징) 샘플 라인을 세정하기 위해 적합한 장치를 포함할 수 있다. 이들을 고려한 관점에서 및 특정 구현예에 따라, 가스성 생성물의 분석은 자동으로 수행될 수 있고 액체 생성물의 분석은 수동으로 수행될 수 있다.
시간 경과에 따른 생물반응기의 가스성 및 액체 생성물의 분석은, 임의로 상기된 바와 같이 침투하게 되는 소정의 시험 C1-함유 기질의 적합성을 확립하기 위한 기초로서 사용되는 하나 이상의 수행능 파라미터의 모니터링을 가능하게 한다. 제2 생물반응기(프로세싱 시험 C1-함유 기질)의 수행능에 상대적으로 제1 생물반응기(프로세싱 참조 C1-함유 기질)의 수행능의 비교는 일반적으로 하나 이상의 측정된 수행능 파라미터가 제1 생물반응기 (또는 생물반응기 배양물)에 상대적으로 제2 생물반응기(또는 생물반응기 배양물)와 관련하여 실질적으로 이탈(즉, 수행능 결핍 또는 오프셋)하는지를 평가함을 포함할 수 있다. 생물반응기의 수행능은 예를 들어, 본원에 기재된 바와 같은 동시 작동 기간 동안 또는 시험 기간 동안 비교될 수 있다. 제1 및 제2 생물반응기의 작동 기간(즉, 이들 생물반응기에 참조 및 시험 C1-함유 기질이 각각 공급되는 시기) 수행능에 관한 충분한 데이터를 수득하기 위해, 생물반응기의 가스성 및 액체 생성물은 연속적이 아닌 경우, 이어서 충분한 샘플링 간격으로 각각의 생물반응기 작동 기간 동안 간혈적으로 분석될 수 있다. 대표적인 샘플링 간격은 약 15분 내지 약 10시간 범위이고 정상적으로 약 30분 내지 약 8시간이다. 특정 구현예에 따라, 가스성 생성물을 샘플 채취하고 약 30분 내지 약 2시간 범위의 간격으로 분석하고 액체 생성물을 샘플 채취하고 약 4시간 내지 약 8시간 범위의 간격으로 분석하였다. 바람직하게, 가스성 및 액체 생성물 샘플을 취하고 생물반응기 시험 기간 동안에 실질적으로 일정한 간격으로 분석하였다.
상기된 바와 같이, 생물반응기 간에 비교될 수 있는 하나의 수행능 파라미터는 C1 탄소원 활용도이다. 다른 수행능 파라미터는 생물반응기의 액체 생성물에서 에탄올 농도(역가) 및/또는 이들 액체 생성물 중에 하나 이상의 대사물(예를 들어, 아세테이트)의 농도를 포함한다. 추가의 수행능 파라미터는 액체 생성물 중에 소정의 대사물에 대한 에탄올의 비율(예를 들어, 에탄올/아세테이트 중량 비율)이다. 소정의 시험 C1-함유 기질의 적합성은 이들 수행능 파라미터 중 하나 이상이 제1 생물반응기(또는 생물반응기 배양물)에 상대적으로 제2 생물반응기(또는 생물반응기 배양물)와 관련하여 실질적으로 상이하지 않은 경우 확립될 수 있다. 일부 구현예에 따라 허용될 수 있는 차이의 역치 수준은 제1 생물반응기에 상대적으로 제2 생물반응기의 최소 수행능 결핍(또는 오프셋) 측면에서 정량될 수 있다.
예를 들어, 상기된 수행능 파라미터의 경우에, 수행능 결핍은 시험 기간 동안 수행능 파라미터의 평균 값(예를 들어, 제2 생물반응기의 활용도와 비교하여 제1 생물반응기에서 측정된 C1 탄소원 활용도의 평균값)을 기준으로 할 수 있다. 최소 수행능 결핍은 예를 들어, 측정된 수행능 파라미터의 평균 값에서 적어도 5 % 결핍, 적어도 10 % 결핍, 적어도 15 % 결핍 또는 적어도 20 % 결핍일 수 있다. 본 명세서에 관하여 당업자에게 자명한 바와 같이, 다른 특정 최소 수행능 결핍(예를 들어, 적어도 1 % 결핍 내지 적어도 75 % 결핍 범위의 임의의 값)을 사용하여 적합성을 확립하기 위해 허용될 수 있는 역치 차이를 정량할 수 있고 이는 특정 수행능 파라미터 및 다른 인자에 의존한다. 또한 본 명세서에 관하여 당업자에게 자명한 바와 같이, "결핍"은 제1 생물반응기에 상대적으로 제2 생물반응기의 수행능의 감소를 언급하고, 예를 들어, (1) 제1 생물반응기에 상대적으로 제2 생물반응기의 평균 C1 탄소원 활용도의 % 감소, (2) 제1 생물반응기의 것들에 상대적으로 제2 생물반응기의 액체 생성물 중 평균 에탄올 농도에서의 % 감소, (3) 제1 생물반응기의 것들에 상대적으로 제2 생물반응기의 액체 생성물 중 아세테이트 또는 다른 대사물의 평균 농도에서의 % 증가, 또는 (4) 제1 생물반응기의 것들에 상대적으로 제2 생물반응기의 액체 생성물 중 소정의 대사물(예를 들어, 아세테이트)에 대한 에탄올의 평균 비율에서의 % 감소.
다른 구현예에 따라, 수행능 결핍은 시험 기간 동안 수행능 파라미터의 변화율(예를 들어, 제2 생물반응기의 것과 비교하여 제1 생물반응기에서 측정된 C1 탄소원 활용도의 변화율)을 기준으로 할 수 있고, 따라서, 최소 수행능 결핍은 시험 C1-함유 기질을 사용하여 성취될 목적하는 정도의 안정성을 반영할 수 있다. 변화율은 유닛 시간 당 측정된 수행능 파라미터에서 평균 차이(예를 들어, 평균 % C1 탄소원 활용도 상실/일)로서 표현되거나 다르게는 수행능 파라미터의 측정된 값을 대수 속도 방정식(예를 들어, 대수 쇠퇴 방정식 또는 1차 또는 고치수 반응 속도 방정식 또는 역학적 표현)에 피팅하여 수득된 속도 상수 측면에서 표현될 수 있다. 변화율이 소정의 수행능 결핍에 대한 기준으로서 사용되는 경우에, 상기된 바와 같은 대표적인 최소 수행능 결핍이 여전히 적용될 수 있다. 또한, 상기 경우에, "결핍"은 다시 제1 생물반응기에 상대적으로 제2 생물반응기의 수행능의 감소를 언급하고, 예를 들어, (1) 제1 생물반응기에 상대적으로 제2 생물반응기의 C1 활용도 상실 또는 관련 쇠퇴 속도 상수의 평균 속도의 평균 증가, (2) 제1 생물반응기의 것들에 상대적으로 제2 생물반응기의 액체 생성물 중 에탄올 농도 상실의 평균 속도 또는 관련된 쇠퇴 속도 상수에서의 % 증가, (3) 제1 생물반응기의 것들에 상대적으로 제2 생물반응기의 액체 생성물 중 아세테이트 또는 다른 대사물의 농도 증가의 평균 속도, 또는 연합된 속도 상수의 평균 증가, 또는 (4) 제1 생물반응기의 것들에 상대적으로 제2 생물반응기의 액체 생성물 중 소정의 대사물(예를 들어, 아세테이트) 또는 연합된 속도 상수에 대한 에탄올의 비율 감소의 평균 속도에서의 % 증가.
다른 수행능 파라미터 또는 수행능 파라미터에서의 다른 변화는 본 명세서에 관하여 당업자에 의해 인지되는 바와 같이 소정의 시험 C1-함유 기질의 적합성을 확립하기 위한 기준으로서 사용될 수 있다. 정상적으로, 시험 C1-함유 기질의 적합성을 확립하기 위한 기준으로서 사용되는 생물반응기의 수행능 간의 비교는 제1 및 제2 생물반응기의 가스성 생성물에서 적어도 하나의 C1 탄소원의 적어도 농도를 측정하고 이들 반응기의 액체 생성물 중 에탄올 및 적어도 하나의 추가의 대사물(예를 들어, 아세테이트)의 농도를 측정함을 포함한다. 많은 경우에, 제1 생물반응기를 공급하기 위해 사용되는 참조 C1-함유 기질의 조성물은 공지되어 있고 따라서 시험 기간 동안에 연속 또는 심지어 주기적 기준으로 분석되지 않는다. 이것은 또한 시험 기간에 상응할 수 있는 적어도 일부 제한된 작동 기간 동안(예를 들어, 약 1 내지 약 5일 범위)의 시험 C1-함유 기질의 경우에 사실일 수 있다. 다른 구현예에 따라, 시험 C1-함유 기질의 조성물은 시험 기간 동안에 상당히 변동할 수 있고 실제로 그러한 변동은 상업적 수행에서 접하게 될 실제 조성물 범위 하에 수행능을 평가하기 위해 가치가 있을 수 있다. 특정 구현예에서, 시험 C1-함유 기질에서 C1 탄소원 또는 다른 가스의 농도는 100 % x (최고 농도/최저 농도-1)을 기준으로 적어도 약 20 %(예를 들어, 약 20 % 내지 약 500 %)까지 변동할 수 있고, 여기서, 상기 최고 및 최저 농도는 시험 기간 동안에 측정된 농도이다. 다른 구현예에서, 상기 이탈은 적어도 약 40 %(예를 들어 약 40 % 내지 약 250 %)일 수 있거나 적어도 약 50 %(예를 들어, 약 50 % 내지 약 100 %)일 수 있다.
도 3에 도시된 특정 방법에 따라, 생물학적 전환 공정, 예를 들어, C1-고정 미생물을 사용한 C1-탄소원으로부터의 에탄올 생산을 위한 미생물 발효는 참조 C1-함유 기질(예를 들어, 상기된 바와 같이 가스의 블렌드일 수 있는 합성 가스)을 사용하는 제1 및 제2 생물반응기 둘 모두에서 확립된다. 상기 단계에서, C1-고정 미생물의 별도의 제1 및 제2 배양물은 2개의 배양물에 대한 영양물로서 참조 C1-함유 기질을 사용하여 유지된다. 공정을 개시하기 위한 하나의 가능한 과정에 따라, 제1 및 제2 생물반응기는 초기에 C1-고정 미생물로 접종되거나 충전될 수 있고(예를 들어, 동결 건조된 형태로), 배양물에서 배치 성장 기간 후, 미생물은 상당히 높은 농도를 성취하여 새로운 배양 배지의 연속 첨가가 개시될 수 있다.
대표적인 구현예에서, 배양물은 총 4일 기간 동안 또는 보다 일반적으로 약 1일 내지 약 10일, 예를 들어, 약 2일 내지 약 7일 동안 예를 들어, 배치 및 이어서 연속 작동에 의해 확립된다. 상기 기간 후, 제2 생물반응기로 공급되는 참조 C1-함유 기질은 시험 C1-함유 기질(공정 가스)로 변화되는 반면, 상기 참조 C1-함유 기질은 제1 생물반응기로 연속적으로 공급된다. 제1 생물반응기의 작동은 상기 생물반응기의 불량한/불안정한 작동의 경우에 필요한 경우 제2 생물반응기에 씨딩하거나 재접종하기 위해 사용될 수 있는 안정한 세균 배양물("대조군/씨드 배양물")과 함께 유지된다. "대조군/씨드 배양물"을 갖는 제1 생물반응기는 예를 들어, 생물반응기의 가스성 및 액체 생성물로부터 수득된 분적석 결과를 토대로, 상기된 수행능 파라미터 하나 이상을 비교함에 의해 제1 배양물에 상대적으로 제2 배양물의 수행능을 평가하는 기간 동안에 작동된다.
도 3에 나타낸 바와 같이, 참조으로부터 시험 C1-함유 기질로의 스위치 후 제2 생물반응기에서 일정 상태의 작동은 3일 또는 보다 일반적으로 약 1일 내지 약 7일을 요구할 수 있다. 시험 C1-함유 기질은 대표적인 시험 기간의 추가 3일 동안 또는 보다 일반저으로 추가 1일 내지 7일 동안 일정 상태 시험(평가) 조건하에 상기 "실험 배양물"에 공급될 수 있다. 시험 C1-함유 기질의 적합성을 확인하기 위해, "안정성 시험"의 추가 기간이 수행될 수 있고 가스성 및 액체 생성물의 분석 횟수는 "실험 배양물"의 이전 수행능 평가 기간과 동일하거나 아마도 이에 비해 감소될 수 있다. 확증 안정성 시험 기간은 대표적인 구현예에서 약 3일 내지 약 28일, 및 전형적으로 약 7일 내지 약 21일 지속할 수 있다. 따라서, 제2 생물반응기는 일정-상태의 조건이 상기 배양을 위해 확립된 시간 동안에 및/또는 안정성 시험의 후속적 기간 동안에 실험 배양물과의 수행능에 대해 모니터링될 수 있다. 이들 기간 중 어느 하나 또는 둘 모두 동안에 불안정성이 접하게되는 경우, 또는 상기된 바와 같이 최소 수행능 결합이 수득되는 경우(즉, 상기된 바와 같이 수행능 파라미터의 최소 허용가능한 수준의 결핍은 초과된다), 제2 생물반응기는 씨딩되거나 재접종될 수 있다. 어떠한 불안정성(최소 또는 허용가능한 수준의 불안정성)이 나타나지 않은 경우 또는 상기된 바와 같이 최소 수행능 결핍이 수득되지 않는 경우(즉, 상기된 바와 같이 수행능 파라미터의 최소 허용가능한 수준의 결핍이 초과되지 않는다), 이어서 시험 C1-함유 기질이 생물학적 전환 공정을 위해 적합한 것으로 확립될 수 있거나 확인될 수 있다.
제2 생물반응기가 씨딩되거나 재접종될 필요가 있는 경우(예를 들어, 제3 세균 배양물과 함께), 상기된 바와 같은 처리 대책이 시험될 수 있고 이어서 제2 생물반응기와 관련하여 일정 상태 작동을 성취하는 단계를 반복하고, 제1 생물반응기에 상대적인 수행능 평가를 수행하고/하거나 안정성 시험을 수행한다. 대표적인 처리 대책이 제2 생물반응기로의 도입 전에 증진된 가스 처리(정제) 후 수득된 보다 높은 품질(예를 들어, 보다 순수한) 시험 C1-함유 기질이다. 처리 대책의 시험은 본래의 시험에서와 같이 동일하거나 상이한 최소 수행능 결핍을 수득하는 것을 토대로 수행능 평가를 포함할 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, "추가의 안정성 시험"의 기간은 처리 대책이 생물학적 전환 공정을 위해 적합한지를 확립하거나 확인하기 위해 수행될 수 있다. 추가의 안정성 시험의 조건 및 지속기간은 본래의 안정성 시험의 것들과 상대적으로 동일하거나 상이할 수 있다. 본 명세서에 관하여 당업자에 의해 인지된 바와 같이, 추가의 연속적 처리 대책의 시험(예를 들어, 제4, 제5, 제6 등의 세균 배양)은 특히 이전 처리 대책이 성공하지 못한 경우에 수행될 수 있다.
하기의 실시예는 본 발명을 대표하는 것으로서 제시되어 있다. 이들 실시예는 본 발명의 범위를 제한하는 것으로서 해석되지 말아야 하고, 이는 이들 및 다른 균등한 구현예가 본원 개시내용 및 첨부된 청구항의 관점에서 자명하기 때문이다.
실시예 1
유닛 구성
2개의 순환 로프 반응기(각각 반응기 용적 2리터)를 포함하는 생물반응기 섹션을 갖는 가스 시험 유닛을 작제하였다. C1-함유 기질(참조 및 시험)의 조절은 가스 흐름 측정기/조절기 세팅을 기준으로 하고, 자동 pH 보상(조절) 시스템은 NH4OH 또는 다른 염기성 중화제 흐름의 조정을 기초로 하는 각각의 반응기를 위해 포함되었다. 반응기 스테이지는 세균 배양물의 분리 및 재활용을 위해 막 분리 시스템을 포함하지 않았다. 열 추적 및 팬은 반응기 온도 조절을 위해 생물반응기 섹션에 설치하였다. 수직 칸막이를 사용한 생물반응기 섹션으로부터 분리되어 유지된 분석적 섹션에서의 장치는 이원 칼럼 가스 크로마토그래피(가스 및 액체 샘플을 위한 별도의 GC 칼럼) 및 가스 분석을 위해 자동화된 샘플링을 가능하게 하는 밸브/작동기를 포함하였다. 분석적 섹션은 에탄올, 아세트산(아세테이트) 및 2,3-부탄디올의 농도 결정을 위한 반응기로부터 액체 생성물의 GC로의 수동 주사를 위해 구성되었다. 랩탑 컴퓨터는 분석적 및 공정 작동 파라미터의 조절을 위해 상기 섹션에 포함되었다.
보다 구체적으로, 가스 크로마토그래피는 외부 오븐, 밸브, 작동기 및 6-포트 선택적 밸브를 갖는 ??춤형이고 이는 가스성 생성물의 자동화 및 연속 분석을 가능하게 한다. 상기 밸브는 또한 GC를 조절하고 랩탑 컴퓨터로부터 수행되는 소프트웨어에 의해 조절하였다. 밸브 및 샘플 홀딩 루프만이 주요 GC 오븐 외부에 구성되고; 다른 칼럼 성분은 오븐에 위치하였다.　 오븐으로부터 작동기 및 밸브의 분리는 열 확장 및 수축을 차단하고 이로써 작동 수명을 연장하고 유지를 감소시키는 방법으로서 선택하였다. GC 및 이의 지지 부품들의 너비는 대략 80 cm였다. GC와 함께 사용하기 위한 다른 장비는 제로 공기 발생기, 열 전도(TCD) 검출기(고순도 순수 아르곤과 함께 수행될), 및 화염 이온화 검출기(FID)(압착 공기 및 수소와 함께 수행될)를 포함하였다.
생물반응기 및 분석적 섹션(GC 및 이의 지지 부품을 포함하고, 이의 주변은 대략 10 cm이고 냉각을 가능하게 한다)은 수송을 위해 자가-함유된 박스에 피팅하였다. 예를 들어, 활성화된 탄소를 사용한 C1-함유 기질의 전처리는 고객의 가스 품질에 의존하여 "박스 외부" 옵션으로 고려되었다. 온도 변동의 추가의 조절/최소화를 위해 가스 시험 유닛은 내부(예를 들어, 일시적 빌딩 내)에 수용될 수 있다.
실시예 2
실시예 1의 가스 시험 유닛은 고객 C1-함유 기질(시험 C1-함유 기질)의 시험을 촉진시키기 위해 고객 현장으로 보내졌다. 시험된 C1-함유 가스는 인 생산 공정의 주요 부산물로서 생성된 산업 가스였다. 전형적으로 C1-함유 가스는 고객에 의해 의해 연소시켰다. 가스 시험 유닛은 시험 C1-함유 기질이 생물학적 전환 공정에 의한 생성물로의 전환을 위해 적합한지를 결정하기 위해 현장으로 보내졌다.
시험 C1-함유 기질의 조성은 표 3에 나타낸다.
표 3
Figure pat00007
시험 C1-함유 기질의 가스 세정은 전기 집진기 및 물 세정탑을 통해 시험 C1-함유 기질을 통과시킴을 포함했다. 시험 C1-함유 기질은 공지된 오염물을 제거하기 위해 추가로 처리하였다. 추가의 처리는 2개의 기포 세정탑(foam scrubber) 및 활성화된 탄소 베드의 사용을 포함했다. 제1 기포 세정탑은 탄산나트륨 용액(5%)을 포함했고, 제2 기포 세정탑은 황산구리 용액을 포함했고 탄소 베드는 제조원(Calgon)으로부터 대략 10kg의 "sulfisorb 8 GAC"를 포함했다.
압착 공기 가스 부스터를 사용하여 처리된 시험 C1-함유 기질의 압력을 증가시켜 가스 시험 유닛의 주입구에 최소 2.0 barg를 제공하였다.
3개의 시험 실행은 시험 C1-함유 기질의 적합성을 평가하기 위해 고객 시설에서 수행하였다. 시험 실행 1 및 2는 처리된 시험 C1-함유 기질을 사용하여 수행하였고 시험 3은 원료/비처리된 시험 C1-함유 가스를 사용하여 수행하였다.
시험 실행 1은 하기의 조성을 갖는 처리된 시험 C1-함유 기질을 사용하여 수행하였다:
Figure pat00008
액체 영양 배지를 GST 반응기 용기에 첨가하였다. 액체 영양 배지는 리터 당 MgCl, CaCl2(0.5　mM), KCl(2　mM), H3PO4(5　mM), Fe(100　μM), Ni, Zn(5　μM), Mn, B, W, Mo, 및 Se(2　μM)을 함유하였다. 상기 배지는 오토클레이빙하고 오토클레이빙한 후, 배지에 티아민, 판토테네이트(0.05　mg) 및 비오틴(0.02　mg)을 보충하고 3　mM 시스테인-HCl로 환원시켰다.
질소 가스는 반응기 용기로 살포하고 pH 및 ORP를 조정한다. GTS 반응기 용기는 이어서 시린지를 통해 동결 건조된 세포로 접종한다. 동결 건조된 세포는 기탁기관[DSMZ (The German Collection of Microorganisms and Cell Cultures, Inhoffenstrasse 7 B, 38124 Braunschweig, Germany)]에 기탁된 클로스트리디움 오토에타노게눔(Clostridium. autoethanogenum) 균주 DSM23693이었다. 주입 가스는 이어서 질소 가스로부터 처리된 C1-함유 가스로 스위칭하였다.
시험 실행은 5일의 기간 동안 수행하였다. 4.2일에, 클로스트리디움 오토에타노게눔 배양물의 성장은 가시적으로 확인하였다. 5일째에, 발효 브로쓰의 GC 분석은 1.6g/L의 에탄올 농도 및 5.4g/L의 아세테이트 농도를 확인시켜주었다.
시험 실행 1은 동결건조된 접종물의 성공적인 회복을 확인시켜주었고, 배양물의 연속 성장을 입증하였고 배양에 의한 에탄올 생산을 입증하였다. 시험 실행 1 은 처리된 시험 C1-함유 기질이 생물학적 공정을 위해 적합한지를 확인시켜주었고 성장에 음성적 영향을 미치는 어떠한 공지되지 않은 오염물이 시험 C1-함유 기질에 존재함을 입증하였다.
시험 실행 2는 13% CO 조성을 갖는 처리된 C1-함유 기질을 사용하여 수행하였다. 성장의 가시적 확인은 3.75일째에 확인하였다. 4.75일에, 5 내지 6g/L의 비교적 안정한 아세트산 농도를 나타내었고 어떠한 동시 에탄올 생산이 없었다. 이러한 결과는 공급불충분 배양 조건과 일관된다. 수입 시험 C1-함유의 CO 조성은 9.73일째에 72 %의 농도로 증가하였다. 다음 3일째에 에탄올 생산이 관찰되었고 8 g/L초과의 에탄올의 측정이 관찰되었다.
시험 실행 2는 시험 실행 1의 발견을 확인시켜주었다.
시험 실행 3은 72 %의 CO 조성을 갖는 처리된 시험 C1-함유 가스를 사용하여 개시하였다. 배양물의 성장이 결정되면, 가스는 비처리된 시험 C1-함유 기질로 스위치되었다. 상기 배양물은 비처리된 시험 C1-함유 기질이 가스 시험 유닛으로 공급되는 하루 이내에 붕괴하였다. 시험 실행 3은 원료/비처리된 시험 C1-함유 가스가 생물학적 공정을 위해 적합하지 않음을 확인시켜 주었다.
유닛 작동/보조 장치
생물반응기 둘 모두에 동결 건조된 미생물을 충전하고(접종하고) 배양은 지역 공급업자로부터의 실린더 가스와 같은 합성 가스를 사용하여 확립하였다. 합성 가스를 사용한 개시 후, 하나의 반응기는 수일 내지 수주의 시험 기간 동안 스트림에 대한 수행능을 입증하기 위해 현장 가스로 스위치하였다. 현장 가스가 충분한 압력, 예를 들어, 명목적으로 적어도 약 2 bar 절대 압력, 예를 들어, 약 3 내지 약 10 bar 절대 압력 범위로 가용하지 않은 경우, 현장 가스의 가용한 압력을 상기 압력으로 증가시킴으로써 생물반응기로의 안정한 주입을 보장하기 위해 요구되는 바와 같이 부스터 압축기가 사용될 수 있다. 가스의 공급원을 생물반응기로 스위치하기 위해 사용되는 밸브, 합성 가스(예를 들어, 병든 또는 실린더 가스)로부터 현장 가스로 스위치하기 위해 사용되는 밸브는 일부 경우에 또 다른 공급원으로부터 가스 흐름을 허용하기 위해 추가의 포트를 가질 수 있다. 예를 들어, 3-방식 밸브는 작동자가 질소와 같은 불활성 가스일 수 있는 합성 가스, 현장 가스 및 세정 가스 중에서 공급원을 변형시킬 수 있도록 한다. 임의의 배치 수행은 액체 생성물의 에탄올 역가를 증가시킴을 조사하기 위해 수행될 수 있다. 시험을 위해 요구되는 배출된 낮은 가스 흐름 속도(2 리터/분의 정도로)로 인해, 가스 시험 유닛으로 배출되는 가스성 생성물은 이들의 공급원(예를 들어, 고객 폐가스 스트림)으로 복귀할 수 있거나 다르게는 대기로 배출된다.
전망있는 시설(고객)의 장비/요건 및 가스 시험 유닛의 수행/운행을 위해 요구되는 바와 같은 국내 국내 판매 회사로부터의 추가의 요건 뿐만 아니라, 장비, 보조 물질 및 가스 시험 유닛과 함께 포함될 지지체는 다음과 같다:
Figure pat00009
능력/목적/상품
가스 시험 유닛의 작동과 관련된 일부 주요 능력은 (1) 시설에 의해 공급되는 변화하는 가스 조성의 범위 전반에 걸쳐 안정하고 달리 허용되는 작동, (2) 비처리된 가스상에서 양성 미생물 성장, (3) 가스 및 액체 샘플의 오염 프로필, (4) 합성 블렌드를 사용하여 다른 곳(현장 외부 시험에서)에서 수득된 수행능 표적, (5) 현장 가스 대 합성 가스의 사용 및/또는 프로세스(지역, 현장 상에서) 물 대 수돗물(지역, 휴대용) 및 또한 구입된 증류수의 사용에 의해 유발되는 임의의 작동 모순의 입증을 포함한다.
전망있는 시설로부터 가스의 현장 시험의 추가의 목적은 (1) 생물반응기 수행능과 현장 가스(전처리 존재 또는 부재) 및 공정 물, 대 합성 가스의 비교를 수득하는 것, (2) 응집물에서 오염물 없이 합성 가스에 상대적으로 가스 흡수, 미생물 성장 및 대사물 선택성에 대한 미량 화합물을 포함하는 가스 혼합물의 영향을 평가하는 것, (3) 유사하게 현장 공정 물의 영향을 평가하는 것, (4) 추가의 가스 세정/전처리가 요구되는지를 평가하는 것, (5) 지역 공정 물이 희석물(새로운 배지) 도입의 다양한 속도에서 세균 성장을 지지하는지를 평가하는 것, (6) 수득된 데이터와 함께 반응기 모델을 입증하거나 업데이트하여 보장을 제공하기 위한 기준으로서 수행능 평가를 개선시키는 것, (7) 예를 들어, 공지된 오염물과의 비교에 의해 가스 전처리 베드(흡착체 베드)로부터 탈착된 가스 오염물의 "사후" 분석을 수득하는 것이다.
가스 시험 유닛으로부터 수득된 정보의 결과로서 제공될 주요 상품은 프로젝트 및 전망있는 시설의 필요양을 다양화하고 이에 의존하는 것으로 예상된다. 상품의 일부 대표적인 예는 (1) 시설이 생물학적 전환 공정을 지지하는 가스 스트림을 제공하고, (2) 생성물(에탄올) 및 대사물 선택성이 경제적 견지로부터 허용되고, (3) 제안된 가스 정제 전략(사용되는 경우)이 효과적이고, (4) 공정 물 또는 또 다른 지역 물공급원이 허용가능하고, (5) 가스 조성 변동의 범위가 허용될 수 있고 이들의 영향이 예측되고, (6) 가스 시험 유닛의 GC 분석 및 다른 정보가 정확하고, (7) 가스 오염 수준(검출되는 경우)이 미생물 배양에 의해 허용될 수 있다는 입증이다.
총체적으로, 본 발명의 양상은 생물학적 전환 공정에 사용하고 특히 에탄올 생산을 위한 CO-함유 기질의 미생물 발효를 위해, 전망있는 시설에서 발생되는 실제 가스의 현장 시험을 위한 수송가능한 유닛에 관한 것이다. 가스 시험 유닛, 및 시험 CO-함유 기질의 적합성을 확립하기 위한 연합된 방법 및 방법론은 특히 현장 외부 상업적 가스 조성을 모방하는 시도로부터 달리 수득될 수 없는 실제 및 정확한 수행능 기대 및 목적을 수득하는 것과 관련하여 본원에 기재된 다수의 이점을 제공한다. 본원의 개시내용으로부터 획득한 지식을 가진 당업자는 본 발명의 범위로부터 벗어나는 것 없이 다양한 변화가 본원에 기재된 장치 및 방법으로 만들어질 수 있음을 인지할 것이다.

Claims (12)

  1. 하기를 포함하는 수직으로 연장하는 생물반응기 용기를 포함하는, 가스 시험 유닛에서 사용하기 위한 발효 유닛:
    (i) 가스 주입구 포트 및 가스 출구 포트로서, 가스 주입구 포트는 수직으로 연장하는 생물반응기의 바닥 말단에 인접하여 위치되고, 가스성 C1-함유 기질을 생물반응기 용기로 공급하도록 구성되며, 가스 주입구 포트는 생물반응기 용기로 연장되고 생물반응기 내에 위치된 가스 분배 장치와 유체 통류하며, 가스 출구 포트는 생물반응기와 유체 통류하는 수직으로 연장하는 생물반응기 용기의 상부 말단에 인접하여 위치되고, 생물반응기 용기로부터 미반응된 C1-함유 기질을 포함하는 가스성 생성물을 인출하도록 구성되는, 가스 주입구 포트 및 가스 출구 포트;
    (ii) 액체 주입구 포트 및 액체 출구 포트로서, 액체 주입구 포트는 가스 주입구 포트 아래에 위치되고 생물반응기 용기로 하나 이상의 C1-고정 미생물을 포함하는 배양 배지를 도입하도록 구성되며, 액체 출구 포트는 가스 주입구 포트 아래에 위치되고 생물반응기 용기로부터 액체 생성물을 인출하도록 구성되는, 액체 주입구 포트 및 액체 출구 포트; 및
    (iii) 외부 액체 재활용 루프 및 액체 재활용 펌프로서, 액체 재활용 루프는 생물반응기 용기의 바닥 말단에 인접하여 위치된 출구 재활용 포트로부터 발효 브로쓰를 인출하고, 생물반응기 용기의 상부 말단에 인접하여 위치된 주입구 재활용 포트로 발효 브로쓰를 펌핑하도록 구성되고, 주입구 재활용 포트는 생물반응기 용기의 상부 말단 내부에 위치된 액체 분배 장치로 발효 브로쓰를 제공하도록 구성되는, 외부 액체 재활용 루프 및 액체 재활용 펌프.
  2. 제1항에 있어서, 약 6 m3 미만의 용적을 갖는 컨테이너 내에 수용되는 것인 발효 유닛.
  3. 제2항에 있어서, 컨테이너가 각각 약 1.8 미터 미만의 길이, 너비 및 높이 치수를 갖는 것인 발효 유닛.
  4. 제2항에 있어서, 컨테이너가 길이, 너비 및 높이 치수 중 하나가 약 1.6 미터 미만이고, 그리고 길이, 너비 및 높이 치수 중 다른 2개는 약 1.3 미터 미만인 발효 유닛.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 액체 분배 장치가 샤워 헤드인 발효 유닛.
  6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 재활용 루프가 염기성 중화제 공급원과 유체 통류하는 염기성 중화제 주입구 포트를 더 포함하는 것인 발효 유닛.
  7. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 염기성 중화제 공급원과 유체 통류하는 염기성 중화제 주입구 포트를 더 포함하고, 상기 포트는 생물반응기 용기로 염기성 중화제를 공급하도록 구성되는 것인 발효 유닛.
  8. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 가스 분배 장치가 스파저인 발효 유닛.
  9. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 가스 분배 장치가 생물반응기 용기의 바닥 25% 내에 위치되는 것인 발효 유닛.
  10. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 가스 분배 장치가 생물반응기 용기의 바닥 10% 내에 위치되는 것인 발효 유닛.
  11. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 가스 출구 포트가 생물반응기 용기의 상부 25%까지 연장되는 것인 발효 유닛.
  12. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 가스 출구 포트가 생물반응기 용기로 전혀 연장되지 않는 것인 발효 유닛.
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