KR20240056799A - 유연성 생성물 분리 및 회수 - Google Patents
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Abstract
본 개시는 발효 바이오리액터에 전달된 C1 함유 가스를 사용하여 발효 공정으로부터 적어도 하나의 발효 생성물을 생산하고 회수하기 위한 공정 및 장치에 관한 것으로서, 이는 에탄올 및 물을 함유하는 제1 생성물 스트림 또는 에탄올, 아세톤, 및 물을 포함하는 제2 생성물 스트림 또는 에탄올, 아세톤, 이소프로판올, 및 물을 포함하는 제3 생성물 스트림 중 적어도 하나를 포함하는 발효 브로스를 생산한다. 상기 생성물은 공유 생성물 회수 시스템을 사용하여 회수된다. 특히, 상기 공유 생성물 회수 시스템은 에탄올 풍부 스트림, 아세톤 풍부 스트림, 이소프로판올 풍부 스트림 또는 이들의 조합 중에서 선택된 적어도 하나의 생성물 풍부 스트림을 선택적으로 회수한다. 상기 공유 생성물 회수 시스템은 진공 증류 유닛, 정류 유닛, 아세톤 제거 유닛, 건조 유닛, 에탄올-아세톤 분리 유닛, 추출 증류 유닛 또는 이들의 조합 중 적어도 하나를 포함한다.
Description
관련 출원의 상호 참조
본 출원은 2021년 10월 13일에 출원된 미국 정규 특허 출원 제17/450,802호의 이익을 주장하며, 이의 전문은 본원에 참조로서 포함된다.
기술분야
본 개시는 발효 브로스로부터 생성물을 회수하기 위한 유연성이 있는 방법에 관한 것으로서, 여기서 발효 브로스는 에탄올, 아세톤, 및 이소프로판올 중 적어도 하나를 포함한다.
이산화탄소(CO2)는 인간 활동으로 인한 전세계 온실가스 배출물의 약 76%를 차지하고 있으며, 메탄(16%), 아산화질소(6%) 및 불화 가스(2%)가 그 나머지를 차지한다(미국 환경 보호국(United States Environmental Protection Agency)). 산업 및 임업 작업 또한 대기 중으로 CO2를 방출하기는 하지만, 대부분의 CO2는 에너지를 생산하기 위한 화석 연료의 연소로 인해 발생한다. 온실 가스 배출물, 특히 CO2의 감소는 지구 온난화의 진행 및 그에 따른 기후와 날씨의 변화를 막는 데 중요하다.
촉매 공정, 예를 들어, 피셔-트롭쉬(Fischer-Tropsch) 공정은 이산화탄소(CO2), 일산화탄소(CO) 및/또는 수소(H2)를 함유하는 가스, 예를 들어, 산업 폐가스 또는 합성 가스 또는 이들의 혼합물을 다양한 에탄올, 아세톤, 및 이소프로판올과 같은 화학 물질로 전환시키는 데 사용될 수 있는 것으로 오랫동안 인지되어 왔다. 합성 가스는 또한 몬산토(Monsanto) 공정에 의해 1단계로 전환되어 다양한 화학물질로 전환될 수 있다. 피셔-트롭쉬 및 메탄올 합성 유닛은 모두 매우 높은 용량에 최적화되어 있다. 이들은 촉매의 독성을 피하기 위해 양호하게 정의된 공급 가스 조성물 및 낮은 불순물을 갖는 합성 가스 공급을 필요로 한다. 피셔-트롭쉬 공정은 고순도 산업용 화학물질을 생산하기 위해 복잡하고 비용이 많이 드는 정제 장비를 필요로 한다. 최근에는, 가스 발효가 이러한 가스를 생물학적으로 고정하기 위한 대안적인 플랫폼으로서 등장하였다. C1 고정 미생물은, CO2, CO, 및/또는 H2, 예컨대 산업 폐기물 또는 이의 합성가스 또는 혼합물을 함유하는 가스를 에탄올 및 2,3-부탄디올과 같은 생성물로 전환시키는 것으로 입증되었다.
소정의 경우에, C1 함유 산업 가스의 발효는 에탄올, 아세톤, 또는 이소프로판올과 같은 특정 화학 생성물을 생산하도록 맞춤화된다. 그러나, 특정 생성물의 생산을 목표로 하지만, 발효 생성물은 다른 성분, 예를 들어 에탄올 및 아세톤 또는 이소프로판올 및 에탄올을 함유하게 된다. 특정 화학 생성물의 하류 분리 및 회수는 에탄올, 아세톤 및 이소프로판올과 같은 각각의 화학 생성물에 대해 개별적으로 맞춤화된 분리 시스템을 필요로 한다.
따라서, 각각의 생성물 조합에 대한 맞춤형 분리 및 회수 구성 요소를 사용하는 대신 공유 분리 및 회수 구성 요소를 사용하여 에탄올/아세톤 또는 이소프로판올/에탄올과 같은 상이한 화학 생성물 조합을 회수할 수 있는 유연성을 갖는 통합 회수 시스템이 필요하다.
일 구현예에서, 발효 공정으로부터 적어도 하나의 생성물을 생산하고 회수하기 위한 방법은, 에탄올과 물을 포함하는 제1 생성물 스트림, 또는 에탄올, 아세톤 및 물을 포함하는 제2 생성물 스트림, 또는 에탄올, 아세톤, 이소프로판올 및 물을 포함하는 제3 생성물 스트림 중 적어도 하나를 포함하는 발효 브로스를 생산하기 위해 액체 영양 배지에 적어도 하나의 C1 고정 미생물을 포함하는 발효 바이오리액터에 공급원으로부터 C1 함유 가스를 도입하는 단계, 및 에탄올 풍부 스트림, 아세톤 풍부 스트림, 이소프로판올 풍부 스트림 또는 이들의 조합 중에서 선택된 적어도 하나의 생성물 풍부 스트림을 선택적으로 회수하기 위해 발효 브로스를 발효 바이오리액터로부터 공유 생성물 회수 시스템으로 전달하는 단계를 포함한다.
다른 구현예에서, 공유 생성물 회수 시스템은 진공 증류 유닛, 정류 유닛, 아세톤 제거 유닛, 건조 유닛, 에탄올-아세톤 분리 유닛, 추출 증류 유닛 또는 이들의 조합 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
일 양태에서, 진공 증류 유닛은 에탄올 풍부 스트림 및 제1 생성물 스트림을 포함하는 발효 브로스로부터 생성물 고갈 스트림을 생산하며, 여기서 생성 고갈 스트림은 발효 바이오리액터로 복귀한다. 또 다른 양태에서, 진공 증류 유닛은 아세톤 및 에탄올이 풍부한 농축 스트림 및 생성물 고갈 스트림을 제2 생성물 스트림을 포함하는 발효 브로스로부터 생산하되, 생성물 고갈 스트림은 발효 바이오리액터로 복귀한다. 또 다른 양태에서, 진공 증류 유닛은 이소프로판올, 아세톤 및 에탄올이 풍부한 농축 스트림 및 생성물 고갈 스트림을 제3 생성물 스트림을 포함하는 발효 브로스로부터 생산하되, 생성물 고갈 스트림은 발효 바이오리액터로 복귀한다.
일 구현예에서, 적어도 하나의 C1 고정 미생물은 적어도 하나의 C1 고정 미생물에 의해 생산된 것과 동일하지 않은 제1 생성물 스트림, 제2 생성물 스트림, 또는 제3 생성물 스트림 중 하나를 생산하는 다른 C1 고정 미생물로 대체된다.
또 다른 구현예에서, C1 고정 미생물은 제1 생성물 스트림을 생산하는 C1 고정 미생물로부터 에탄올, 아세톤 및 물의 제2 생성물 스트림, 또는 에탄올, 아세톤, 이소프로판올 및 물의 제3 생성물 스트림을 생산하는 미생물로 전환되거나; 제 2 생성물 스트림을 생산하는 C1 고정 미생물에서 제 1 생성물 스트림 또는 제 3 생성물 스트림을 생산하는 미생물로 전환되거나; 제 3 생성물 스트림을 생산하는 C1 고정 미생물에서 제 1 생성물 스트림 또는 제 2 생성물 스트림을 생산하는 미생물로 전환된다.
추가 구현예에서, 가스 발효 공정으로부터 적어도 하나의 생성물을 회수하기 위한 시스템은, (a) 에탄올 및 물을 포함하는 제1 생성물 스트림으로부터 에탄올 풍부 스트림 및 생성물 고갈 스트림을 생성하도록 구성된, 진공 증류 유닛과 유체 연통하는 C1 가스 발효 바이오리액터, 및 (b) 진공 증류 유닛과 유체 연통하는 정류 유닛이되, 정류 유닛은 오버헤드 에탄올 스트림 및 하단 물 스트림을 생산하도록 구성되는, 정류 유닛을 포함한다.
다른 구현예에서, 건조 유닛은 정류 유닛과 유체 연통하며, 건조 유닛은 무수 에탄올 스트림 및 퍼지 스트림을 생산하도록 구성된다.
또 다른 구현예에서, 가스 발효 공정으로부터 적어도 하나의 생성물을 회수하기 위한 시스템은, (a) 아세톤 및 물을 포함하는 제2 생성물 스트림으로부터 아세톤 및 에탄올이 풍부한 농축 스트림 및 생성물 고갈 스트림을 생산하도록 구성된 진공 증류 유닛과 유체 연통하는 C1 가스 발효 바이오리액터, (b) 진공 증류 유닛과 유체 연통하는 정류 유닛으로서, 정류 유닛은 아세톤 및 에탄올이 풍부한 오버헤드 스트림과 하단 물 스트림을 생산하도록 구성되는, 정류 장치, (c) 정류 유닛과 유체 연통하는 건조 유닛으로서, 건조 유닛은 아세톤 및 에탄올이 풍부한 무수 농축 스트림 및 퍼지 스트림을 생산하도록 구성되는, 건조 유닛, 및 (d) 건조 유닛과 유체 연통되는 에탄올-아세톤 분리 유닛으로서, 에탄올-아세톤 분리 유닛은 무수 아세톤 스트림 및 무수 에탄올 스트림을 생산하도록 구성되는, 에탄올-아세톤 분리 유닛을 포함한다.
또 다른 구현예에서, 가스 발효 공정으로부터 적어도 하나의 생성물을 회수하기 위한 시스템은, (a) 에탄올, 아세톤, 이소프로판올 및 물을 포함하는 제3 생성물 스트림으로부터 이소프로판올, 아세톤 및 에탄올이 풍부한 농축 스트림 및 생성물 고갈 스트림을 생산하도록 구성된 진공 증류 유닛과 유체 연통하는 C1 가스 발효 바이오리액터, (b) 진공 증류 유닛과 유체 연통하는 아세톤 제거 유닛으로서, 아세톤 제거 유닛은 이소프로판올 및 에탄올이 풍부한 하단 스트림과 아세톤이 풍부한 오버헤드 스트림을 생산하도록 구성되는, 아세톤 제거 유닛, (c) 아세톤 제거 유닛과 유체 연통하는 정류 유닛으로서, 정류 유닛은 하단 스트림으로부터 이소프로판올 및 에탄올이 풍부한 오버헤드 스트림 및 하단 물 스트림을 생산하도록 구성되는, 정류 유닛, (d) 정류 유닛과 유체 연통하는 건조 유닛으로서, 건조 유닛은 이소프로판올 및 에탄올이 풍부한 무수 농축 스트림 및 퍼지 스트림을 생산하도록 구성되는, 건조 유닛, 및 (e) 건조 유닛과 유체 연통하는 추출 증류 유닛으로서, 추출 증류 유닛은 적어도 하나의 추출 증류제의 존재 하에 이소프로판올 및 에탄올이 풍부한 무수 농축 스트림의 증류로부터 오버헤드 스트림 및 증류 하단 스트림을 수득하도록 구성되는, 추출 증류 유닛을 포함한다.
추가 구현예는, (i) 오버헤드 스트림으로부터 무수 에탄올의 적어도 일부 및 증류 하단 스트림으로부터 무수 이소프로판올의 적어도 일부; 또는 (ii) 오버헤드 스트림으로부터 무수 이소프로판올의 적어도 일부 및 증류 하단 스트림으로부터 무수 에탄올의 적어도 일부를 회수하도록 구성되는, 분리 컬럼 및 다른 분리 컬럼과 유체 연통하는 추출 증류 유닛을 갖는 것을 포함한다.
또 다른 구현예에서, 아세톤 제거 유닛은 발효 바이오리액터와 추가로 유체 연통하며, 아세톤 제거 유닛은 오버헤드 스트림을 발효 바이오리액터로 재활용하도록 구성된다.
다른 구현예에서, 가스 발효 공정으로부터 적어도 하나의 생성물을 회수하기 위한 시스템으로, 생성물 에탄올 풍부 스트림 유출구 및 생성물 고갈 스트림 유출구를 갖는 진공 증류 유닛과 유체 연통하는 C1 가스 발효 바이오리액터; 생성물 풍부 스트림 유출구와 유체 연통하며, 오버헤드 생성물 스트림 유출구 및 하단 물 스트림 유출구를 갖는 정류 유닛; 및 오버헤드 생성물 스트림 유출구와 유체 연통하고, 무수 생성물 스트림 유출구 및 퍼지 스트림 유출구를 갖는 건조 유닛을 포함한다. 시스템은 진공 증류 유닛과 열역학적으로 통합된 기계식 증기 재압축 시스템을 추가로 포함할 수 있다. 시스템은 무수 생성물 스트림 유출구와 유체 연통하는 분리 유닛을 추가로 포함할 수 있으며, 분리 유닛은 분리 유닛 오버헤드 유출구 및 분리 유닛 하단 유출구를 갖는다. 분리 유닛은 분리 증류 유닛 또는 추출 증류 유닛일 수 있다. 시스템은 생성물 풍부 스트림 유출구, 정류 유닛, 및 C1 가스 발효 바이오리액터와 유체 연통하는 부산물 제거 유닛을 추가로 포함할 수 있다. 시스템은 분리 유닛 오버헤드 유출구와 유체 연통하고 제1 증류 컬럼 생성물 유출구를 갖는 제1 증류 컬럼; 및 분리 유닛 하단 유출구와 유체 연통하고 제2 증류 컬럼 생성물 유출구를 갖는 제2 증류 컬럼을 추가로 포함할 수 있다.
본 개시의 전술한 및 다른 목적, 구현예 및 특징부는 첨부된 도면을 참조하여 진행되는 다음의 상세한 설명으로부터 보다 명백해질 것이다.
도 1은 본 개시의 일 양태에 따른 발효 바이오리액터, 및 공유 생성물 회수 시스템을 포함하는 전체 가스 발효 공정을 보여주는 개략적인 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 제1 양태에 따른 진공 증류 유닛, 정류 유닛, 및 공유 생성물 회수 시스템의 건조 유닛의 세부 사항을 보여주는 흐름도이다.
도 3은 본 개시의 제2 양태에 따른 공유 생성물 회수 시스템의 진공 증류 유닛, 정류 유닛, 건조 유닛, 및 에탄올-아세톤 분리 유닛의 세부 사항을 보여주는 흐름도이다.
도 4는 본 개시의 제3 양태에 따라 진공 증류 유닛, 아세톤 제거 유닛, 정류 유닛, 건조 유닛, 및 공유 생성물 회수 시스템의 이와 연결된 분리 컬럼을 갖는 추출 증류 유닛의 세부 사항을 보여주는 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 제1 양태에 따른 진공 증류 유닛, 정류 유닛, 및 공유 생성물 회수 시스템의 건조 유닛의 세부 사항을 보여주는 흐름도이다.
도 3은 본 개시의 제2 양태에 따른 공유 생성물 회수 시스템의 진공 증류 유닛, 정류 유닛, 건조 유닛, 및 에탄올-아세톤 분리 유닛의 세부 사항을 보여주는 흐름도이다.
도 4는 본 개시의 제3 양태에 따라 진공 증류 유닛, 아세톤 제거 유닛, 정류 유닛, 건조 유닛, 및 공유 생성물 회수 시스템의 이와 연결된 분리 컬럼을 갖는 추출 증류 유닛의 세부 사항을 보여주는 흐름도이다.
본 개시에 따르면, 발효 바이오리액터의 하류에 있는 유연성이 있는 분리 및 회수 공정 및 시스템은 발효 브로스에 존재하는 에탄올/아세톤 또는 이소프로판올/에탄올과 같은 화학 생성물의 다양한 조합을 바이오리액터로부터 분리 및 회수할 수 있다. 유연성이 있는 복구/분리 시스템/프로세스는 사용되어야 하는 유닛의 수를 최소화한다.
정의
용어 "발효 브로스" 또는 "액체"는 성분의 혼합물이 미반응 공급 가스, 하나 이상의 미생물의 배양, 화학적 영양소, 및 발효 산물, 예컨대 에탄올, 아세톤, 이소프로판올, 및 이들의 조합을 함유하는 다상 가스-액체 수성 혼합물인 것을 포함하도록 의도된다. 용어 미생물 및 용어 박테리아는 본 문서 전반에 걸쳐 상호 교환적으로 사용된다.
"영양분 배지(nutrient media 또는 medium)"는 미생물 성장 배지를 기술하기 위해 사용된다. 일반적으로, 이러한 용어는 영양소 및 미생물 배양의 성장에 적절한 다른 성분들을 함유하는 배지를 지칭한다. 용어 "영양소"는 미생물의 대사 경로에서 이용될 수 있는 임의의 물질을 포함한다. 예시적인 영양소는 칼륨, 비타민 B, 미량 금속 및 아미노산을 포함한다.
용어 "생성물 풍부 스트림"은 발효 브로스를 공유 생성물 회수 시스템을 통과시킨 후 회수된 생성물 스트림에서 목표 생성물의 중량% 농도를 나타내는 데 사용된다. 예를 들어, 에탄올 풍부 스트림은 적어도 15% 또는 적어도 30% 또는 적어도 60% 또는 적어도 80% 또는 적어도 95% 또는 적어도 98%의 에탄올을 포함한다. 유사하게, 아세톤 풍부 스트림은 적어도 14%, 또는 적어도 32%, 또는 적어도 65%, 또는 적어도 85%, 또는 적어도 95%, 또는 적어도 99%의 아세톤을 포함한다. 이소프로판올 풍부 스트림은 적어도 16%, 또는 적어도 33%, 또는 적어도 66%, 또는 적어도 87%, 또는 적어도 95%, 또는 적어도 99%의 이소프로판올을 포함한다.
용어 "무수 스트림"은 5% 미만 또는 2% 미만 또는 1% 미만 또는 0.5% 미만 또는 0.2% 미만 또는 0.1% 미만의 물 중량 농도를 포함하는 "무수 에탄올 스트림" 또는 "무수 아세톤 스트림" 또는 "무수 이소프로판올 스트림"을 나타내는 데 사용된다.
일 구현예에서, 발효 브로스는 "바이오리액터" / "발효 바이오리액터"에서 생산된다. 용어 "바이오리액터"는 연속 교반 탱크 반응기(CSTR: Continuous Stirred Tank Reactor), 고정 셀 재활용기(ICR: Immobilized Cell Recycle), 살수 층 반응기(TBR: Trickle Bed Reactor), 버블 칼럼, 가스 리프트 발효기, 정체형 혼합기, 순환 루프 반응기, 막 반응기, 예컨대 중공 섬유 막 바이오리액터(HFM BR: Hollow Fibre Membrane Bioreactor) 또는 가스-액체 접촉에 적합한 다른 용기 또는 다른 장치를 포함하는, 하나 이상의 용기 및/또는 탑 또는 파이핑 배열로 이루어진 발효 장치를 포함한다. 바이오리액터는 바람직하게는 CO 또는 CO2 또는 H2 또는 이들의 혼합물을 포함하는 가스 기질을 수용한다. 바이오리액터는 병렬 또는 직렬의 다수의 반응기(단)로 구성된 시스템을 포함할 수 있다. 예를 들어, 바이오리액터는 박테리아가 배양되는 제1 성장 반응기로부터의 산출물이 공급되어 대부분의 발효 생성물을 생산할 수 있는 제2 발효 반응기를 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 바이오리액터 시스템 내의 다수의 바이오리액터가 다른 것의 상단에 배치되어 스택을 형성한다. 바이오리액터 스택은 지면 구역에 대한 수요를 크게 증가시키지 않으면서 바이오리액터 시스템의 처리량을 개선한다. 일부 구현예에서, 바이오리액터는 에너지 소비를 증가시키지 않고 가스-액체 질량 전달 속도를 실질적으로 개선하는 메커니즘을 갖는 마이크로버블 바이오리액터를 포함한다.
용어 "접종 반응기", "접종기" 등은 세포 성장을 확립하고 촉진하기 위한 발효 장치를 포함한다. 접종 반응기는 바람직하게는 CO 또는 CO2 또는 H2 또는 이들의 혼합물을 포함하는 가스상 기질을 수용한다. 바람직하게는, 접종 반응기는 세포 성장이 처음으로 개시되는 반응기이다. 다양한 구현예에서, 접종 반응기는 이미 성장한 세포가 재생되는 용기이다. 다양한 구현예에서, 접종 반응기에서의 세포 성장은 접종액을 생산하고, 이는 바이오리액터 시스템으로 옮겨져 바이오리액터가 하나 이상의 발효 생성물 생산을 촉진할 수 있다. 특정 예시에서, 접종 반응기는 후속의 하나 이상의 바이오리액터에 비해 감소된 부피를 갖는다. 일부 구현예에서, 바이오리액터 시스템 내의 성장 반응기는 접종 반응기로서 사용될 수 있다.
바이오리액터 내의 미생물은 자연 발생 미생물로부터 변형될 수 있다. "모 미생물"은 본 개시내용의 미생물을 생산하는 미생물이다. 모 미생물은 자연 발생 미생물(즉, 야생형 미생물) 또는 사전에 변형되었던 미생물(즉, 돌연변이 또는 재조합 미생물)일 수 있다. 본 개시의 미생물은 모 미생물에서 발현되지 않거나 과발현되지 않은 하나 이상의 효소를 발현하거나 과발현하도록 변형될 수 있다. 유사하게, 본 개시의 미생물은 모 미생물이 함유하지 않은 하나 이상의 유전자를 함유하도록 변형될 수 있다. 본 개시의 미생물은 또한 모 미생물에서 발현된 하나 이상의 효소를 발현하지 않거나 더 적은 양으로 발현하도록 변형될 수 있다. 일 구현예에 따르면, 모 미생물은 클로스트리디움 오토에타노게눔(Clostridium autoethanogenum), 클로스트리디움 륭달리이(Clostridium ljungdahlii), 또는 클로스트리디움 라그스달레이(Clostridium ragsdalei)이다. 일 구현예에서, 미생물은 클로스트리듐 오토에타노게눔 LZ1561이고, 이것은 부다페스트 조약의 조건에 따라 2010년 6월 7일에 독일 브라운슈바이크 D-38124 인호펜슈트라쎄 7B에 소재하는 독일생물자원센터(DSMZ: Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen GmbH)에 2010년 6월 7일에 기탁되고 수탁 번호 DSM23693가 부여되었다. 이 균주는 WO 제2012/015317호로 공개된 국제 특허 출원 제PCT/NZ2011/000144호에 설명되어 있다.
"C1 고정 미생물"은 C1 탄소 공급원으로부터 하나 이상의 생성물을 생산하는 미생물이다. 전형적으로, 본 개시내용의 미생물은 C1 고정 박테리아이다. "C1 탄소 공급원"은 미생물에 대한 부분적 또는 유일한 탄소 공급원으로서 작용하는 1 탄소-분자를 지칭한다. 예를 들어, C1 탄소 공급원은 CO, CO2, CH4, CH3OH, 또는 CH2O2 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 일 구현예에서, C1 탄소 공급원은 CO 및 CO2 중 하나 또는 둘 모두를 포함한다.
C1 탄소 공급원은 산업 공정의 부산물로서 수득된 폐기 가스, 또는 연소 엔진 배기 가스, 바이오가스, 매립 가스, 직접 공기 포획, 또는 전기분해와 같은 다른 소스로부터 수득될 수 있다. 기질 및/또는 C1 탄소 공급원은 열분해, 반탄화, 또는 가스화에 의해 생성되는 합성가스일 수 있다. 다시 말해, 폐기물 중 탄소는 열분해, 반탄화 또는 가스화에 의해 재순환되어 기질 및/또는 C1 탄소 공급원으로서 사용되는 합성가스를 생성할 수 있다. 기질 및/또는 C1 탄소 공급원은 메탄을 포함하는 가스일 수 있으며, 특정 구현예에서 기질 및/또는 C1 탄소 공급원은 비-폐기물 가스일 수 있다.
아세토겐은 (1) CO2로부터 아세틸-CoA의 환원적 합성을 위한 메커니즘, (2) 말단 전자-수용, 에너지 보존 과정, (3) 세포 탄소의 합성에서 CO2의 고정(동화)을 위한 메커니즘으로서 우드-륭달 경로를 사용하는 혐기성 박테리아이다(문헌[Drake, Acetogenic Prokaryotes, In: The Prokaryotes, 제3판, p. 354, New York, NY, 2006]). 통상적으로, 본 개시의 미생물은 아세토겐이다.
"에탄올로겐"은 에탄올을 생성할 수 있는 미생물이다. 통상적으로, 본 개시의 미생물은 에탄올로겐일 수 있다.
"독립 영양 생물"은 유기 탄소의 부재 하에 성장할 수 있는 미생물이다. 대신에, 독립 영양 생물은 무기 탄소 공급원, 예를 들어 CO 및/또는 CO2를 사용한다. 통상적으로, 본 개시의 미생물은 독립 영양 생물일 수 있다.
"일산화탄소 영양 생물"은 탄소 및 에너지의 단독 공급원으로서 CO를 이용할 수 있는 미생물이다. 통상적으로, 본 개시의 미생물은 일산화탄소 영양 생물일 수 있다.
"천연 생성물"은 유전적으로 비변형된 미생물에 의해 생성되는 생성물이다. 예를 들어, 에탄올, 아세테이트 및 2,3-부탄디올은 클로스트리디움 오토에타노게눔, 클로스트리디움 륭달리이 및 클로스트리디움 라그스달레이의 천연 생성물이다. 유전자 변형 미생물은 유전자 변형 미생물이 파생된 유전자 변형되지 않은 미생물에 의해 생산되지 않는 "비-천연 생성물"을 생산한다.
"공유 생성물 회수 시스템"은 에탄올 풍부 스트림, 아세톤 풍부 스트림, 이소프로판올 풍부 스트림 또는 이들의 조합 중에서 선택된 적어도 하나의 생성물 풍부 스트림을 선택적으로 회수하기 위해 유사한 작동 조건 하에서 작동되는 배열된 장치 조합을 포함한다. 따라서, 공유 생성물 회수 시스템은 회수되는 생성물 스트림에 따라 진공 증류 유닛, 정류 유닛, 아세톤 제거 유닛, 건조 유닛, 에탄올-아세톤 분리 유닛, 추출 증류 유닛 또는 이들의 조합 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
용어 "진공 증류 유닛"은 진공 하에서 증류를 수행하기 위한 장치로서, 증류되는 발효 생성물이 이의 비등점을 감소시키기 위한 저압에서 포함되는 장치를 포함하는 것으로 의도된다. 일 구현예에서, 진공 증류 유닛은 분리 구획을 포함한다. 발효 산물은 바이오리액터로부터 공급될 수 있다.
진공 증류 유닛은 하나 이상의 "저비등성 발효 생성물"을 회수한다. "저비등성 발효 생성물"은 물보다 더 휘발성이다. 이러한 생성물은 에탄올, 아세톤, 이소프로판올, 부탄올, 케톤, 메틸 에틸 케톤, 2-부탄올, 1-프로판올, 메틸 아세테이트, 에틸 아세테이트, 부탄온, 1,3-부타디엔, 이소프렌, 및 이소부텐을 포함할 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다.
"분리 구획"은 증기-액체 접촉을 위한 넓은 표면적을 제공하여 진공 증류 유닛의 효율을 증가시키는 임의의 적합한 매질로 구성될 수 있다. 분리 매질은 복수의 이론적 증류단을 제공하도록 설계된다. 적어도 하나의 구현예에서, 분리 매질은 일련의 증류 트레이이다. 적어도 하나의 구현예에서, 분리 매질은 적어도 하나의 충전재로 구성된다. 패킹 재료는 일반적으로 유체가 진공 증류 유닛의 원하는 경로를 통해 흐르게 하는 방식으로 배열된 얇은 주름진 금속 플레이트 또는 거즈를 포함할 수 있다.
"증류 트레이" 또는 "증류 플레이트" 등은 증기-액체 접촉을 촉진하기 위해 사용되는 플레이트 및/또는 트레이를 포함하는 것으로 의도된다. 트레이 유형에는 체 트레이, 밸브 트레이, 및 버블 캡 트레이가 포함되지만 이에 한정되지는 않는다. 증기가 통과할 수 있는 홀을 보유한 체 트레이는 고용량 상황에 사용되며 저렴한 비용으로 높은 효율성을 제공한다. 개폐 밸브와 함께 홀을 보유한 밸브 트레이는 덜 고가이기는 하지만, 물질의 축적에 기인한 파울링(fouling)이 발생하는 경향이 있다. 버블 캡 트레이는 각각의 구멍에 끼워진 라이저 또는 침니 및 라이저를 덮는 캡을 갖는다. 캡은 증기의 통과를 허용하기 위해 라이저와 캡 사이에 공간이 있도록 장착된다. 증기는 침니를 통해 상승하고 캡에 의해 하향으로 향하며, 캡은 최종적으로 침니의 구멍을 통해 배출되고 트레이 상에서 버블링된다. 버블 캡 트레이는 세 가지 트레이 중 가장 진보되고 고가의 트레이로, 액체 유량이 적은 상황에서 누출을 최소화하는데 가장 효과적이다.
"이론적 증류단"은 물질의 액상 및 증기상과 같은 2개의 상이 서로 평형을 이루는 가상적인 영역이다. 다수의 분리 공정의 성능은 일련의 이론적 증류단을 갖는 것에 의해 결정된다. 진공 증류 유닛과 같은 분리 장치의 성능은 증가된 수의 단을 제공하는 것에 의해 향상될 수 있다. 일 구현예에서, 분리 매질은 발효 브로스로부터 적어도 하나의 생성물을 효율적으로 제거하기 위한 충분한 수의 이론적 증류단을 포함한다.
용어 "생성물 고갈 스트림"은, 증류 전 발효 브로스 내의 생성물의 중량 비율과 비교하여, "진공 증류 유닛"을 통해 발효 브로스를 증류한 후, 에탄올, 아세톤, 이소프로판올, 및 이들의 조합과 같은 생성물의 중량 비율이 감소된 스트림을 지칭한다. 특정 경우에서, 생성물 고갈 스트림은 발효 브로스에 함유된 생성물의 20% 미만 또는 발효 브로스에 함유된 생성물의 10% 미만 또는 발효 브로스에 함유된 생성물의 5% 미만 또는 발효 브로스에 함유된 생성물의 2.5% 미만 또는 발효 브로스에 함유된 생성물의 2% 미만 또는 발효 브로스에 함유된 생성물의 1% 미만을 포함한다. 생성물 고갈 스트림은 오수, 바이오매스, 아세테이트, 2,3-부탄디올, 및 미사용 영양분을 포함하지만 이에 한정되지 않는 성분을 더 함유한다.
용어 기계 증기 재압축(MVR) 시스템은 열역학적 효율을 개선하기 위해 폐열을 재활용하는 데 사용될 수 있는 에너지 회수 장치를 포함하도록 의도된다. 통상적으로, 압축 증기는 기화된 액체로부터 MVR에 의해 발생되고, 그의 추가 응축은 액체의 기화에 필요한 열량의 일부를 발생시키는 데 사용된다. 진공 증류 유닛과 열역학적으로 통합된 동일한 MVR 시스템을 사용하면, 진공 증류 유닛에 의해 취급되는 모든 생성물 스트림, 즉 에탄올, 아세톤, 이소프로판올, 또는 이들의 조합에 걸쳐 오버헤드에서 동일한 질량 유량을 유지하는 것을 돕는다.
용어 "정류 유닛"은 진공 증류 유닛 출력으로부터 과량의 물 및/또는 부산물을 제거하는 것을 용이하게 하기 위해 진공 증류 유닛의 하류에 사용되는 장치를 포함하도록 의도된다. 정류 유닛은 일반적으로 진공 증류 유닛에 비해 더 많은 수의 이론적 증류 스테이지를 함유한다. 또한, 정류 유닛은 원하지 않는 생성물, 예를 들어 생성물 회수 공정 동안 축적될 수 있는 C3-C4 알코올을 제거하기 위한 다수의 흡인 지점을 포함한다.
용어 "건조 유닛"은 정류 유닛의 출력 스트림으로부터 과량의 물을 흡착하기 위한 적절한 흡착체 재료를 함유하는 용기 또는 유닛과 같은 장치를 포함하도록 의도된다. 알루미나, 실리카, 및 합성 또는 자연 발생 제올라이트와 같은 분자체를 포함하지만 이에 한정되지 않는 물을 흡착할 수 있는 물질. 대안적으로, 건조 유닛은 출력 스트림으로부터의 하나의 성분의 일부, 예를 들어 물이 투과물 스트림을 발생시키기 위해 흐를 수 있게 할 수 있고 출력 스트림의 다른 성분의 일부, 예를 들어 에탄올, 아세톤, 이소프로판올, 또는 이들의 조합이 멤브레인을 통해 흐르게 하여 잔류물 스트림을 발생시키지 못하게 할 수 있거나 그 반대일 수 있는 중합체 멤브레인을 포함할 수 있다.
용어 "에탄올-아세톤 분리 유닛"은 분리 증류를 사용하여 아세톤 및 에탄올을 분리하기 위한 장치를 포함하도록 의도된다. 아세톤의 비등점은 약 57℃이고, 에탄올의 비등점은 약 78℃이다. 에탄올-아세톤 혼합물이 끓는 경우, 아세톤의 비등점이 에탄올의 비등점보다 낮기 때문에, 아세톤은 응축 동안 혼합물로부터 분리된다. 아세톤은 에탄올-아세톤 분리 유닛 오버헤드로부터 수집될 수 있다. 분리된 아세톤 및 에탄올의 순도를 개선하기 위해 다수의 증류 단계가 수행될 수 있다.
용어 "추출 증류 유닛"는 에탄올 및 이소프로판올과 같은 낮은 상대적 휘발성을 갖는 성분들을 성분들의 상대적 휘발성을 조정하기 위한 제3 성분, 추출 증류제의 첨가 사용을 통해 증류하기 위한 장치를 포함하는 것으로 의도된다. 추출 증류제를 회수하기 위해, 분리 컬럼의 적어도 하나는 추출 증류 용기의 하류에서 사용된다.
용어 "추출 증류제"는 생성물의 상대적 휘발성을 조정할 수 있는 임의의 성분을 포함하는 것으로 의도된다. 일 실시 형태에서, 추출 증류제는 에탄올 및 이소프로판올과 같은 끓는점이 가까운 생성물의 상대 휘발성을 변형하여 이들의 분리를 가능하게 할 수 있다. 상대적 휘발성을 조정하는 것뿐만 아니라, 추출 증류제는 또한 에탄올 및/또는 이소프로판올과 같은 끓는점에 가까운 생성물의 높은 비등점 차이를 가질 수 있다.
설명
몇몇 구현예에서, 본 개시를 위한 공급 가스 스트림은 철 금속 생성물 제조, 예컨대, 철강 제조, 비철 생성물 제조, 석유 정제, 전력 생성, 카본 블랙 생성, 제지 및 펄프 제조, 암모니아 생성, 메탄올 생성, 코크 제조, 석유화학 생성, 탄수화물 발효, 시멘트 제조, 호기성 소화, 혐기성 소화, 촉매 공정, 천연 가스 추출, 셀룰로오스 발효, 오일 추출, 지질 저류층의 산업적 처리, 천연 가스 석탄 및 석유와 같은 화석 자원 처리, 또는 이들의 임의의 조합에서 선택된 산업 공정으로부터 수독될 수 있다. 산업 공정 내의 특정 처리 단계의 예는 촉매 재생, 유체 촉매 크래킹, 및 촉매 재생을 포함한다. 공기 분리 및 직접 공기 포획은 다른 적절한 산업 공정이다. 철강 및 철합금 제조에서의 몇몇 예는 용광로 가스, 제강 전로 가스, 코크스 오븐 가스, 직접환원로 노상가스, 및 철 제련으로부터의 잔류 가스를 포함한다. 이러한 구현예에서, 기질 및/또는 C1 탄소 공급원은 대기 중으로 배출되기 전에 임의의 공지된 방법을 사용하여 해당 산업 공정으로부터 포획될 수 있다.
도 1은 본 개시의 일 구현예에 따라 C1 함유 공급 가스 스트림으로부터 생성물을 생산하고 분리하기 위한 흐름도를 나타낸다. 발효 바이오리액터(430)은 라인 115로부터 공급 가스 스트림을 함유하는 C1의 제1 부분을 수용한다. 선택적으로, 라인(115) 내의 공급 가스 스트림은 압축된 공급 가스 스트림(415)을 생산하는 압축기(410)에 공급될 수 있고, 이는 처리된 공급 가스 스트림(425)을 생산하는 오염물 제거 반응기(420)에 선택적으로 전달될 수 있다. 처리된 공급 가스 스트림(425)은 발효 바이오리액터(430)를 통과한다. 오염물 제거 반응기(420)는 일반적으로 발효 바이오리액터(430)에 함유된 C1 고정 미생물에 해로울 수 있는 공급 가스 스트림(115)으로부터 오염물을 제거한다. 일부 구현예에서, 오염물 제거 반응기(420)는 산소를 제거하기 위한 탈산소화 촉매, 예를 들어 구리 촉매 베드를 포함할 수 있다.
도관(445)을 통해 전달되는 C1 함유 공급 가스 스트림의 일부는 제2 압축기(450)에 의해 선택적으로 압축되어 도관(455)을 통해 접종기 반응기(460)에 전달되는 제2 압축 가스를 생성한다. 접종자 반응기 (460)는 하나 이상의 미생물의 세포 성장을 개시하여 접종물을 생산한다. 발효 바이오리액터(430)는 도관(465)을 통해 접종물을 수용한다. 일부 구현예에서, 접종자 반응기(460)는 도관(421)을 통해 직접 오염물 제거 반응기(420)로부터 압축되고 처리된 가스를 선택적으로 수용하고, 도관(465)를 통해 발효 바이오리액터(430)로 추가로 전달된다.
발효 바이오리액터(430)는 액체 영양 배지에 적어도 하나의 C1 고정 미생물을 포함하고, 이는 공급 가스 스트림(115)을 함유하는 C1을 발효시켜 발효 생성물을 포함하는 발효 브로스(435)를 제공한다. 발효 브로스 (435)은 에탄올 및 물을 포함하는 제1 생성물 스트림, 또는 에탄올, 아세톤, 및 물을 포함하는 제2 생성물 스트림, 또는 에탄올, 아세톤, 이소프로판올, 및 물을 포함하는 제3 생성물 스트림 중 적어도 하나를 포함한다. 에탄올은 일반적으로 발효 중에 생성된 아세틸-CoA의 환원성 합성으로부터 수득된 아세트알데히드로부터 공급 가스 발효 동안 천연 생성물로서 생산된다. 그러나, 아세틸-CoA는 클로스트리듐 박테리아의 유전적으로 변형된 여러 균주로부터 수득된 복수의 효소에 의해 대사되어 아세톤을 수득한다. 이들 균주는, 예를 들어 3-하이드록시부티레이트 및 2,3-부탄디올과 같은 공동 생성물을 제거함으로써 아세톤 생산의 선택도를 추가로 개선한다. 이소프로판올은 효소 이차 알코올 탈수소효소에 의해 수행되는 효소 환원을 통해 아세톤으로부터 생산된다. 모든 아세톤이 이소프로판올로 변환되는 것은 아니다. 따라서, 이소프로판올 생산 동안, 과량의 아세톤 중 일부는 발효 바이오리액터로 다시 재활용된다. 이소프로판올을 생산하는 예시적인 유전적으로 변형된 미생물은 외인성 티올라아제, 외인성 CoA 전이효소, 및 외인성 데카르복실라아제를 포함하는 효소를 생산할 수 있는 재조합 미생물의 배양을 포함한다. 아세톤, 이소프로판올 및/또는 아세톤 및/또는 이소프로판올의 전구체를 생산하는 다른 예시적인 유전적으로 변형된 미생물은 아세틸-CoA 아세틸트랜스퍼라아제, 아세테이트 CoA-트랜스퍼라아제 A, 아세테이트 CoA-트랜스퍼라아제 B, 아세토아세테이트 데카르복실라아제, 및 α-케토이소발레르산 데카르복실라아제로부터 선택된 하나 이상의 효소를 생산할 수 있는 재조합 미생물의 배양을 포함한다. 아세톤/이소프로판올을 수득하기 위한 효소를 생산할 수 있는 유전적으로 변형된 미생물은 허여된 특허 제9,365,868호 및 공개된 특허 출원 WO 2012/115527에 개시되어 있으며, 이들 모두는 참조로서 본원에 통합된다.
C1 고정 미생물은 제1 생성물 스트림을 생산하는 C1 고정 미생물로부터 제2 생성물 스트림의 에탄올을 생산하는 미생물로 전환될 수 있고, 아세톤, 및 물 또는 에탄올의 제3 생성물 스트림을 포함하며, 아세톤, 이소프로판올, 및 물 , 또는 제2 생성물 스트림을 생산하는 C1 고정 미생물로부터 제1 생성물 스트림 또는 제3 생성물 스트림을 생산하는 미생물로, 또는 제3 생성물 스트림을 생산하는 C1 고정 미생물로부터 제1 생성물 스트림 또는 제2 생성물 스트림을 생산하는 미생물로 변환된다. 발효 바이오리액터 (430)에서 C1 고정 미생물을 전환하는 한 가지 방법은 도 1에서 접종기 반응기 (460)의 사용을 포함한다. 발효 바이오리액터 (430)이 작동하는 동안 접종기 반응기 (460)을 정지시킨다. 셧다운 동안, 접종자 반응기 용기를 배수하고, 세척하고, 새로운 액체 영양 배지로 재충진하고, 상이한 C1 고정 미생물을 도입한다. 발효 바이오리액터 (430)을 정지시키고, 배수하고, 세척한다. 발효 바이오리액터 (430)을 세척하고 접종물이 준비된 후, 바이오리액터 (430)은 도관 (465)를 통해 접종물을 수용하고 새로운 미생물은 상이한 발효 산물을 생산하기 시작한다. 발효 바이오리액터 (430)의 종료 및 재시작은 생산 중단 시간을 최소화하기 위해 접종기 반응기 (460) 재시작과 조정된다.
공유 생성물 회수 시스템(440)은 발효 바이오리액터(430)로부터 발효 브로스(435)을 수용한다. 공유 생성물 회수 시스템(440)으로부터의 출력 스트림은 에탄올 풍부 스트림(235), 아세톤 풍부 스트림(340), 이소프로판올 풍부 스트림(345) 또는 이들의 조합 및 과량의 물 스트림(124) 중 적어도 하나를 갖는 생성물을 포함할 수 있다. 생성물의 분리 및 회수 후, 생성물 고갈 스트림(436)을 발효 바이오리액터(430)으로 복귀시킨다. 공유 생성물 회수 시스템(440)으로부터의 과량의 물은 오수 처리 공정(470)으로 통과한다. 오수 처리 공정 (470)으로부터의 정제수를 도관 (437)을 통해 바이오리액터 (430)으로 재활용한다.
도 2, 도 3, 및 도 4에 도시된 바와 같이, 공유 생성물 회수 시스템(440)은 회수되고 발효 브로스로부터 분리될 생성물에 따라 진공 증류 유닛(110), 정류 유닛(120), 아세톤 제거 유닛(130), 건조 유닛(160), 에탄올-아세톤 분리 유닛(140) 및 추출 증류 유닛(150)의 배열된 장치 조합을 포함한다. 이러한 공유 생성물 회수 시스템(440)을 제공하는 것은 에탄올, 아세톤 및 이소프로판올과 같은 각각의 생성물을 회수하기 위해 개별적으로 맞춤화된 시설을 구축하는 것을 회피한다. 따라서, 공유 생성물 회수 시스템(440) 내의 배열된 장치 조합은 식물 자본 지출을 실질적으로 감소시킨다.
도 2에 도시된 본 개시의 제1 양태에서, 에탄올 및 물을 포함하는 제1 생성물 스트림을 포함하는 발효 브로스로부터 풍부한 무수 에탄올 회수가 개시된다. 본 측면에 따른 공유 생성물 회수 시스템(440)은 진공 증류 유닛(110), 정류 유닛(120), 및 건조 유닛(160)을 사용한다. 진공 증류 유닛(110)은 발효 바이오리액터(430)로부터 발효 브로스(435)을 수용한다. 도 2에 도시된 구현예에서, 리보일러(710)는 진공 증류 유닛(110)과 함께 사용된다. 리보일러(710)는 증기 스트림을 진공 증류 용기(110)에 전달하기 위해 제공된다. 증기 스트림은 도관(720)을 통해 그로부터 빠져나가는 진공 증류 유닛(110)의 하단(218)에서 액체를 기화시킴으로써 수득된다. 리보일러(710)로부터의 증기 스트림은 도관(715)을 통해 진공 증류 유닛(110)으로 유도된다. 진공 증류 유닛(110)으로 진입하는 증기 스트림은 이를 통해 상향으로 상승한다. 진공 증류 유닛(110)은 다수의 증류 트레이(미도시)를 갖는 적어도 하나의 분리 섹션을 정의한다. 진공 증류 유닛 (110)에서의 분리 공정의 성능은 이론적 증류 단계의 수에 따라 달라진다. 진공 증류 유닛(110)은 일 구현예에서는 약 3번 초과의 증류 단계, 다른 구현예에서는 약 4번 초과의 증류 단계, 또 다른 구현예에서는 약 5번 초과의 증류 단계로 작동한다.
발효 브로스로부터 화학 생성물의 효과적인 분리를 보장하기 위해, 진공 증류 유닛(110)은 일반적으로 다양한 온도 및 압력 범위에서 작동된다. 다양한 구현예에서, 온도는 30℃ 내지 35℃ 또는 35℃ 내지 40℃ 또는 40℃ 내지 45℃ 또는 45℃ 내지 50℃ 또는 30℃ 내지 50℃이다. 다양한 구현예에서, 진공 증류 유닛(110)의 하단 (218)에서의 압력은 일반적으로 6kPa(a) 내지 8kPa(a) 또는 8kPa(a) 내지 10kPa(a) 또는 6kPa(a) 내지 10kPa(a)이다. 다양한 구현예에서, 진공 증류 유닛(110)의 오버헤드 (217)에서의 압력은 일반적으로 3kPa(a) 내지 5kPa(a) 또는 5kPa(a) 내지 7kPa(a) 또는 7kPa(a) 내지 8kPa(a) 또는 3kPa(a) 내지 8kPa(a)이다.
진공 증류 유닛(110)을 통과한 후 에탄올 및 물을 포함하는 제1 생성물 스트림을 포함하는 발효 브로스(435)는 에탄올 풍부 스트림(215) 및 바이오리액터(430)으로 복귀하는 생성물 고갈 스트림(436)을 생성한다. 일 구현예에서, 폐수를 포함하는 생성물 고갈 스트림(436)의 적어도 일부는 도관(250)을 통해 폐수 처리 공정(240)을 통과하여 발효 바이오리액터(430)(미도시)으로 재활용되는 정제수 스트림을 생성한다. 일반적으로, 발효 브로스 (435)에서의 에탄올 농도는 약 2 wt%이다. 다양한 구현예에서, 에탄올 풍부 스트림(215)의 에탄올 농도는 발효 브로스(435)에서의 에탄올 농도와 비교하여 일반적으로 적어도 4 중량배 또는 적어도 6 중량배 또는 적어도 8 중량배 또는 적어도 12 중량배 개선된다. 또한, 진공 증류 유닛 (110) 오버헤드 (217)에서 풍부한 에탄올 증기와 같은 일부 풍부한 생성물 증기는 도관 (216)을 통해 기계식 증기 압축 시스템(MVR) (700)으로 전달된다. 진공 증류 유닛(110) 오버헤드(217)으로부터 풍부한 생성물 증기의 압축 및 응축은 일반적으로 적어도 50% 또는 적어도 70% 또는 적어도 80% 또는 적어도 95%인 진공 증류 유닛(110)에 의해 요구되는 열량의 실질적인 부분을 발생시키는 데 열역학적으로 유익하다. 따라서, 풍부한 생성물 증기의 이러한 압축 및 응축은 전체 증기 소비를 감소시킨다. 그 결과, 리보일러 (710) 듀티도 최적화된다.
MVR 시스템(700)을 통해 진공 증류 유닛(110) 오버헤드(217)으로부터 공급된 에탄올 풍부 스트림(215)은 정류 유닛(120)을 통과한다. 일 구현예에서, 정류 유닛(120)은 적어도 하나의 분리부(미도시)를 추가로 포함한다. 분리 구획은 에탄올 풍부 스트림(215)으로부터의 과량의 물 및/또는 부산물의 제거를 용이하게 하기 위해 일련의 증류 트레이 및/또는 충전재가 포함될 수 있다. 일부 구현예에서, 정류 유닛(120)은 약 30개 초과의 이론적 증류 단계로 작동한다. 도 2에 도시된 일 구현예에서, 리보일러(810)는 정류 유닛(120)에 의해 사용된다. 리보일러(810)는 증기 스트림을 정류 유닛(120)으로 유도한다. 증기 스트림은 도관(820)을 통해 정류 유닛(120)을 빠져나가는 정류 유닛(120)의 하단(220)에서 액체를 기화시킴으로써 수득된다. 이 증기 스트림은 리보일러(810)에서 정류 유닛(120)으로 도관(815)을 통해 전달된다.
정류 유닛(120)은 오버헤드 에탄올 스트림(225) 및 하단 물 스트림(245)을 생산하며, 이는 직접적으로 또는 폐수 처리 공정(240)에서 처리된 후 발효 바이오리액터(430)(미도시)으로 재활용된다. 일반적으로, 에탄올 풍부 스트림(215)의 에탄올 농도는 약 14wt%이다. 다양한 구현예에서, 오버헤드 에탄올 스트림(225)의 에탄올 농도는 일반적으로 에탄올 풍부 스트림(215)의 에탄올 농도와 비교하여 적어도 3 중량배 또는 적어도 5 중량배 또는 적어도 7 중량배 개선된다. 다양한 구현예에서, 정류 유닛(120) 오버헤드(219)의 온도는 일반적으로 100℃ 내지 110℃ 또는 110℃ 내지 120℃ 또는 120℃ 내지 130℃ 또는 110℃ 내지 130℃이다. 다양한 구현예에서, 정류 유닛 (120) 오버헤드 (219)에서의 압력은 일반적으로 300kPa(a) 내지 400kPa(a) 또는 400kPa(a) 내지 500kPa(a) 또는 500kPa(a) 내지 550kPa(a) 또는 550kPa(a) 내지 650kPa(a) 또는 650kPa(a) 내지 800kPa(a) 또는 800kPa(a) 내지 900kPa(a) 또는 900kPa(a) 내지 1100kPa(a)이다. 정류 유닛(120)의 오버헤드(219)에서의 온도 및 압력은 당업계에 공지된 원리를 사용하여 다른 작동 조건, 예를 들어 하단(220) 온도 및 압력을 얻기 위한 기준으로서 사용될 수 있다. 정류 유닛(120)으로부터의 오버헤드 에탄올 스트림(225)을 건조 유닛(160)으로 옮겨 무수 에탄올 스트림(235) 및 퍼지 스트림(400)을 생성한다. 건조 유닛(160)은 오버헤드 에탄올 스트림(225)이 흐르는 2개 이상의 용기에 수용된 2개 이상의 흡착체 베드를 포함한다. 흡착체 베드 중 하나가 물로 포화되면, 흡착 용량을 재생하기 위해 흡착체 베드에서 물을 탈착해야 한다. 포화 흡착체 베드는 작동을 중단하고, 오버헤드 에탄올 스트림을 새로운 또는 재생 흡착체 베드로 전환시켜 에탄올 스트림을 건조시킨다. 이제, 사용되거나 포화된 흡착체 베드는 건조 공정으로부터 생성된 무수 에탄올과 같은 탈착제를 사용하여 물을 탈착함으로써 재생된다. 흡착체 베드로부터 물을 탈착하기 위한 재생 조건은 당업계에 잘 알려져 있다. 일단 흡착체 베드가 재생되면, 현재 작동 중인 흡착체 베드가 물로 포화될 때 작동될 준비가 된다. 따라서, 에탄올과 물을 갖는 퍼지 스트림(400)이 생성되고, 건조 유닛(160)으로부터 인출되고, 추가 분리를 위해 정류 유닛(120)으로 복귀된다. 건조 유닛(160)이 중합체 멤브레인을 사용하여 오버헤드 에탄올 스트림과 같은 생성물 스트림으로부터 물을 제거하는 구현예에서, 하나의 흡착체 베드만이 사용될 필요가 있다. 언급된 바와 같이, 중합체 막은 잔류물 스트림 및 투과물 스트림을 생성한다. 멤브레인 및 분리 조건의 선택에 따라, 투과물 또는 잔류물 스트림이든 비-생성물 스트림은 건조 유닛을 사용하는 흡착체의 경우 퍼지 스트림(400)과 유사하고, 정류 유닛(120)으로 복귀된다.
도 3에 도시된 본 개시의 제2 양태에서, 아세톤, 에탄올, 및 물을 포함하는 제2 생성물 스트림을 포함하는 발효 브로스로부터 풍부한 무수 아세톤 및 에탄올 회수가 도시된다. 본 측면에 따른 공유 생성물 회수 시스템(440)은 진공 증류 유닛(110), 정류 유닛(120), 건조 유닛(160), 및 에탄올-아세톤 분리 유닛(140)을 사용한다. 진공 증류 유닛(110)은 바이오리액터(430)로부터 발효 브로스(435)을 수용한다. 진공 증류 유닛 (110)을 통과한 후 발효 브로스(435)는 아세톤 및 에탄올이 풍부한 농축 스트림(315) 및 생성물 고갈 스트림(436)을 생성한다. 일 구현예에서, 폐수를 포함하는 생성물 고갈 스트림(436)의 적어도 일부는 도관(250)을 통해 폐수 처리 공정(240)을 통과하여 발효 바이오리액터(미도시)로 재활용되는 정제수 스트림을 생성한다. 일반적으로, 발효 브로스 (435)에서의 아세톤 및 에탄올 농도는 약 2wt%이다. 다양한 구현예에서, 농축 스트림(315) 내의 아세톤 및 에탄올 농도는 일반적으로 발효 브로스(435)에서의 아세톤 및 에탄올 농도와 비교하여 적어도 4 중량배 또는 적어도 6 중량배 또는 적어도 8 중량배 또는 적어도 12 중량배 개선된다.
MVR 시스템 (700)을 통해 진공 증류 유닛 (110) 오버헤드 (217)로부터 공급된 아세톤 및 에탄올이 풍부한 농축 스트림 (315)는 정류 유닛 (120)을 통과한다. 정류 유닛(120)은 아세톤과 에탄올이 풍부한 오버헤드 스트림(325) 및 하단 물 스트림(245)을 생산하며, 이는 직접적으로 또는 폐수 처리 공정(240)에서 처리된 후에 발효 바이오리액터(430)(미도시)으로 재활용된다.
MVR 시스템 (700) 및 리보일러 (710) 및 (810)을 포함하는 진공 증류 유닛(110) 및 정류 유닛(120)의 구성 측면은 도 2의 구현예에 기술된 것과 동일하다. 또한, 본 개시의 제2 양태에서 공정 설계 파라미터, 예를 들어 진공 증류 유닛(110) 및 정류 유닛(120)의 작동 온도 및 압력은 일반적으로 본 개시의 제1 양태와 동일하다. 일반적으로, 아세톤 및 에탄올이 풍부한 농축 스트림(315)의 아세톤 및 에탄올 농도는 약 14 wt%이다. 다양한 구현예에서, 오버헤드 스트림(325) 내의 아세톤 및 에탄올의 농도는 진공 증류 유닛(110)으로부터 수득된 아세톤 및 에탄올이 풍부한 농축 스트림(315)에 비해 일반적으로 적어도 3 중량배 또는 적어도 5 중량배 또는 적어도 7 중량배 개선된다. 정류 유닛(120)으로부터 아세톤과 에탄올이 풍부한 오버헤드 스트림(325)을 건조 유닛(160)으로 통과시킨다. 건조 유닛(160)은 아세톤 및 에탄올이 풍부한 무수 농축 스트림(335) 및 아세톤, 에탄올 및 물을 갖는 퍼지 스트림(500)을 생성한다. 흡착체 베드 또는 중합체 멤브레인을 사용하여 건조 유닛(160)으로부터 퍼지 스트림(500)을 제조하기 위한 메커니즘은 본 발명의 제1 양태와 동일하다. 퍼지 스트림(500)은 건조 유닛(160)으로부터 인출되고 추가 분리를 위해 정류 유닛(120)으로 복귀한다.
아세톤 및 에탄올이 풍부한 무수 농축 스트림(335)은 분리 증류 원리를 사용하는 에탄올-아세톤 분리 유닛(140)을 통과하여 에탄올-아세톤 분리 유닛(140) 오버헤드 및 무수 에탄올 스트림(235)으로부터 무수 아세톤 스트림 (340)을 생성한다. 에탄올-아세톤 분리 유닛은 또한 당업계에 공지된 바와 같이 리보일러(미도시)와 함께 작동한다.
도 4에 도시된 본 개시의 제3 양태에서, 에탄올, 아세톤, 이소프로판올, 및 물을 포함하는 제3 생성물 스트림을 포함하는 발효 브로스로부터 풍부한 무수 이소프로판올 스트림 및 무수 에탄올 스트림 회수가 도시된다. 본 측면에 따른 공유 생성물 회수 시스템(440)은 진공 증류 유닛(110), 아세톤 제거 유닛(130), 정류 유닛(120), 건조 유닛(160), 및 추출 증류 유닛(150)을 사용한다. 에탄올 및 이소프로판올은 각각 약 78.4℃ 및 약 82.4℃의 가까운 비등점을 가져서, 분리를 어렵게 한다. 따라서, 추출 증류는 이러한 밀착 비등 생성물을 효과적으로 분리하는 것으로 밝혀졌다. 진공 증류 유닛(110)은 바이오리액터(430)로부터 발효 브로스(435)을 수용한다. 진공 증류 유닛 (110)을 통과한 후 발효 브로스(435)는 이소프로판올, 아세톤 및 에탄올이 풍부한 농축 스트림(510) 및 바이오리액터(430)로 복귀하는 생성물 고갈 스트림 (436)을 생성한다. 일 구현예에서, 폐수를 포함하는 생성물 고갈 스트림(436)의 적어도 일부는 도관(250)을 통해 폐수 처리 공정(240)을 통과하여 발효 바이오리액터(미도시)로 재활용되는 정제수 스트림을 생성한다. 일반적으로, 발효 브로스 (435)에서의 이소프로판올, 아세톤, 및 에탄올 농도는 약 2wt%이다. 일부 구현예에서, 농축 스트림 (510)의 농도는 일반적으로 발효 브로스 (435)에서의 이소프로판올, 아세톤 및 에탄올 농도와 비교하여 적어도 4 중량배 또는 적어도 6 중량배 또는 적어도 8 중량배 또는 적어도 12 중량배만큼 개선된다.
MVR 유닛(700)을 통해 진공 증류 유닛(110) 오버헤드(217)으로부터 공급된 이소프로판올, 아세톤 및 에탄올이 풍부한 스트림(510)은 아세톤 제거 유닛(130)을 통과한다. 아세톤 제거 유닛(130)은 이소프로판올과 에탄올이 풍부한 하단 스트림(515) 및 아세톤이 풍부한 오버헤드 스트림(340)을 생성한다. 아세톤이 풍부한 오버헤드 스트림 (340)을 아세톤 제거 유닛 (130)에서 발효 바이오리액터 (430)으로 재활용하여, 재활용 아세톤을 추가 이소프로판올 생산에 사용할 수 있다. 또한, 아세톤 제거 유닛(130)으로부터의 하단 스트림(515)은 정류 유닛(120)을 통과한다. 정류 유닛(120)은 에탄올 및 이소프로판올이 풍부한 오버헤드 스트림(520) 및 하단 물 스트림(245)을 생산하며, 이는 직접 또는 폐수 처리 공정(240)에서 처리된 후 발효 바이오리액터(430)(미도시)로 재활용된다. 에탄올 및 이소프로판올이 풍부한 오버헤드 스트림(520)을 건조 유닛(160)으로 통과시킨다. 건조 유닛 (160)은 이소프로판올 및 에탄올이 풍부한 무수 농축 스트림 (535) 및 이소프로판올, 에탄올 및 물을 갖는 퍼지 스트림 (600)을 생성한다. 흡착체 베드 또는 중합체 멤브레인을 사용하여 건조 유닛(160)으로부터 퍼지 스트림(600)을 제조하기 위한 메커니즘은 본 발명의 제1 양태 또는 제2 양태와 동일하다. 퍼지 스트림(600)은 건조 유닛(160)으로부터 인출되고 추가 분리를 위해 정류 유닛(120)으로 복귀한다.
추출 증류 유닛(150)은 건조 유닛(160)으로부터 이소프로판올 및 에탄올이 풍부한 무수 농축 스트림 (535)을 수신한다. 추출 증류 유닛(150)은 추출 증류제를 사용하여 에탄올 및 이소프로판올과 같이 상대적 휘발성이 낮은 성분을 증류할 수 있다. 추출 증류제는 무수 농축 스트림 (535) 내에 존재하는 에탄올 또는 이소프로판올과 혼합함으로써 용매로서 작용한다. 일 구현예에서, 추출 증류제는 에탄올 또는 이소프로판올 중 하나의 생성물에 대해 높은 친화도를 갖고 다른 생성물에 대해 낮은 친화도를 갖는다. 적절한 추출 증류제는 에탄올 및 이소프로판올이 풍부한 무수 농축 스트림 (535)의 성분을 갖는 공비혼합물을 형성해서는 안 되며, 증류 동안 후속 분리 컬럼에서 이들 생성물 각각으로부터 분리될 수 있다.
추출 증류 유닛(150)으로부터의 오버헤드 스트림(525)은 분리 컬럼(170)으로 통과하여 무수 에탄올 스트림(235)의 적어도 일부를 회수한다. 추출 증류 유닛(150)으로부터의 증류 하단 스트림(530)을 다른 분리 컬럼(180)으로 통과시켜 무수 이소프로판올 스트림(345)의 적어도 일부를 회수한다. 증류된 추출 증류제는 각각 도관 (526) 및 (531)을 통해 분리 컬럼 (170) 및 (180)으로부터 재활용되고 도관 (532)를 통해 추출 증류 유닛 (150)으로 복귀된다. 대안적으로, 다른 구현예에서(도 4에 도시되지 않음), 추출 증류 유닛(150)으로부터의 오버헤드 스트림(525)은 분리 컬럼(170)으로 전달되어 무수 이소프로판올 스트림(345)의 적어도 일부를 회수한다. 추출 증류 유닛(130)으로부터의 증류 하단 스트림(530)을 다른 분리 컬럼(180)으로 통과시켜 무수 에탄올 스트림(235)의 적어도 일부를 회수한다. 추출 증류 유닛(150) 및 분리 컬럼(170) 및 (180)은 또한 당업계에 공지된 바와 같이 리보일러(미도시)와 함께 작동한다.
무수 에탄올 스트림(235)의 적어도 일부가 오버헤드 스트림(525)으로부터 회수되고 무수 이소프로판올 스트림(345)의 적어도 일부가 증류 하단 스트림(530)으로부터 회수되는 경우, 추출 증류제는 알파-피넨, 베타-피넨, 메틸 이소부틸 케톤, 리모넨, 알파-펠란드렌, 알파-테르피넨, 미르센, 카란, p-메타-1,5-디엔, 부틸 에테르, 1-메톡시-2-프로판올, n-부틸 아세테이트, n-아밀 아세테이트, 벤질 아세테이트, 에틸렌 글리콜 에틸 에테르 아세테이트, 메틸 아세토아세테이트, 에틸렌 글리콜 디아세테이트, 2-부톡시에틸 아세테이트, 메틸 부티레이트, 에틸 프로피오네이트, 에틸 n-발레레이트, 부틸 벤조에이트, 에틸 벤조에이트, 피리딘, N,N-디메틸 아닐린, o-세크-부틸 페놀, 3-이소프로필 페놀, 2,6-디메틸 페놀, o-터트-부틸 페놀, 4-에틸 페놀, 디에틸 프탈레이트, 디이소옥틸 프탈레이트, 디메틸 아디페이트, 글리세린 트리아세테이트, 디에틸 말로네이트, 디메틸 글루타레이트, 테트라하이드로 퓨란, 에틸렌 글리콜 페닐 에테르, 디프로필렌 글리콜 메틸 에테르 아세테이트, 디에틸렌 글리콜 헥실 에테르, 프로폭시프로판올, 부톡시프로판올, p-자일렌 글리콜 디메틸 에테르, 디에틸렌 글리콜 t-부틸 에테르 메틸 에테르, 트리에틸렌 글리콜 디아세테이트, 아니솔, 페네톨, 페닐 에테르, 1,2-메틸렌디옥시벤젠, 이소포론, 에틸-3-에톡시프로피오네이트, 테트라에틸오르소실리케이트, 2-하이드록시아세토페논, 1,1,1-트리클로로에탄, 테트라클로로에틸렌, 2,2,2-트리클로로에탄올, m-디클로로벤젠, 클로로벤젠, 2,6-디클로로톨루엔, 1-클로로헥산, 디에틸렌 글리콜, 디메틸 설폭사이드, 디메틸포름아미드, 설포레인, 이소포론, 2-피롤리디온, 1-메틸-2피롤린딘온, 이소데실 알콜, 사이클로도데칸올, 벤질 알콜, 1-도데칸올, 트리데실 알콜, 페네틸 알콜, 사이클로헥산올, 사이클로펜탄올, 2-니트로프로판, 1-니트로프로판, 니트로-에탄, 니트로메탄, 3-니트로톨루엔, 2-니트로톨루엔, 트리아세틴, 3-니트로-o-자일렌, 1,4-디옥세인, 이소부틸 아세테이트, 에틸 부티레이트, 이소아밀 포름에이트, 메틸 카프로에이트, 에틸 카프로에이트, 프로필 카프로에이트, 1-메톡시-2-프로판올 아세테이트, 이소부틸 이소부티레이트, 헥실 아세테이트, 에틸 이소부티레이트, 프로필 부티레이트, 이소부틸 부티레이트, 이소보르닐 아세테이트, 1,3-디옥소레인, 니트로벤젠, 부틸 부티레이트, 4-메틸-2-펜탄온 및 폴리에틸렌 글리콜 으로 구성된 군으로부터 선택된 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있다.
무수 이소프로판올 스트림(345)의 적어도 일부가 오버헤드 스트림(525)으로부터 회수되고 무수 에탄올 스트림(235)의 적어도 일부가 증류 하단 스트림(530)으로부터 회수될 때, 추출 증류제는 에틸 벤젠, 톨루엔, p-크실렌, 헵탄, 페놀, 및 2-터트-부틸 페놀로부터 선택될 수 있다.
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본원에서 값의 범위의 언급은 달리 본원에 표시되지 않는 한 범위 내에 해당하는 각각의 별개의 값을 개별적으로 지칭하는 단순한 방법으로 제공하도록 단지 의도되고, 각각의 별개의 값은 본원에 개별적으로 인용된 것처럼 명세서로 인용된다. 예를 들어, 달리 명시되지 않는 한, 임의의 농도 범위, 백분율 범위, 비율 범위, 정수 범위, 크기 범위, 또는 두께 범위는, 인용된 범위 내의 임의의 정수의 값 및 적절한 경우 이의 분수(예를 들어, 정수의 1/10 및 정수의 1/100)를 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 달리 명시되지 않는 한, 비율은 몰비이고, 백분율은 중량 기준이다.
본원에서 기술되는 모든 방법은, 본원에서 달리 명시되거나 문맥상 명확하게 모순되지 않는 한, 임의의 적합한 순서로 수행될 수 있다. 본원에서 제공되는 임의의 및 모든 예, 또는 예시적인 언어(예를 들어, "~ 와 같은")의 사용은 본 발명을 보다 잘 예시하기 위한 것일 뿐이며, 달리 청구되지 않는 한, 본 발명의 범위를 제한하지 않는다. 명세서의 어떤 언어도 본 발명의 실행에 필수적인 것으로 청구되지 않은 임의의 요소를 나타내는 것으로 해석되어서는 안 된다.
본 개시내용의 구현예가 본원에서 기술된다. 이들 구현예의 변형은 전술한 설명을 읽을 때 당업자에게 명백해질 수 있으며, 본 발명은 본원에서 구체적으로 설명된 것과 달리 실시될 수 있기 때문에, 이러한 변형의 적절한 활용은 범위 내에 있는 것으로 의도된다. 따라서, 본 개시내용은 준거법에 의해 허용되는 한, 본 청구범위에 언급된 기술 요지의 모든 변형 및 균등물을 포함한다. 또한, 본 발명의 모든 가능한 변형에서의 전술된 요소들의 임의의 조합은, 본원에서 달리 명시되거나 문맥상 명확하게 모순되지 않는 한, 본 개시내용에 포함된다.
본 개시의 실시예
실시예 1. 발효 공정으로부터 적어도 하나의 생성물을 생산하고 회수하기 위한 방법으로서,
a) 에탄올 및 물을 포함하는 제1 생성물 스트림, 또는 에탄올, 아세톤, 및 물을 함유하는 제2 생성물 스트림, 또는 에탄올, 아세톤, 이소프로판올, 및 물을 포함하는 제3 생성물 스트림 중 적어도 하나를 포함하는 발효 브로스를 생산하기 위해 액체 영양 배지에 적어도 하나의 C1 고정 미생물을 포함하는 발효 바이오리액터에 공급원으로부터 C1 함유 가스를 도입하는 단계;
b) 에탄올 풍부 스트림, 아세톤 풍부 스트림, 이소프로판올 풍부 스트림 또는 이들의 조합 중에서 선택된 적어도 하나의 생성물 풍부 스트림을 선택적으로 회수하기 위해, 상기 발효 브로스를 상기 발효 바이오리액터로부터 공유 생성물 회수 시스템으로 전달하는 단계를 포함하는, 방법.
실시예 2. 실시예 1에 있어서, 공유 생성물 회수 시스템은 진공 증류 유닛, 정류 유닛, 아세톤 제거 유닛, 건조 유닛, 에탄올-아세톤 분리 유닛, 추출 증류 유닛 또는 이들의 조합 중 적어도 하나를 포함하는, 방법.
실시예 3. 실시예 1 또는 2에 있어서, 적어도 하나의 C1 고정 미생물을 적어도 하나의 C1 고정 미생물에 의해 생산된 것과 동일하지 않은 제1 생성물 스트림, 제2 생성물 스트림, 또는 제3 생성물 스트림 중 하나를 생산하는 다른 C1 고정 미생물로 교체하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
실시예 4. 실시예 1 내지 3 중 어느 하나에 있어서, 에탄올 풍부 스트림은, 제1 생성물 스트림을 포함하는 발효 브로스를, 에탄올 풍부 스트림 및 생성물 고갈 스트림을 생산하는 조건에서 작동되는 진공 증류 유닛에 통과시킴으로써 생성되고, 여기서 상기 생성물 고갈 스트림은 발효 바이오리액터로 복귀되는, 방법.
실시예 5. 실시예 1 내지 4 중 어느 하나에 있어서, 에탄올 풍부 스트림을 진공 증류 유닛으로부터 정류 유닛으로 통과시켜 오버헤드 에탄올 스트림 및 하단 물 스트림을 생산하는 단계를 추가로 포함하되, 하단 물 스트림은 직접 또는 폐수 처리 공정에서 처리된 후에 발효 바이오리액터로 재활용되는, 방법.
실시예 6. 실시예 5에 있어서, 오버헤드 에탄올 스트림을 정류 유닛으로부터 건조 유닛으로 통과시켜 무수 에탄올 스트림 및 퍼지 스트림을 생산하는 단계를 추가로 포함하되, 퍼지 스트림은 정류 유닛으로 복귀되는, 방법.
실시예 7. 실시예 4 내지 6 중 어느 하나에 있어서, 생성물 고갈 스트림의 적어도 일부를 폐수 처리 공정에 통과시켜 발효 바이오리액터로 재활용 되는 정제수 스트림을 생산하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
실시예 8. 실시예 2에 있어서, 아세톤 풍부 스트림은, 제2 생성물 스트림을 포함하는 발효 브로스를, 아세톤 및 에탄올이 풍부한 농축 스트림 및 생성물 고갈 스트림을 생산하기 위한 조건에서 작동되는 진공 증류 유닛에 통과시킴으로써 생성되고, 여기서 상기 생성물 고갈 스트림은 발효 바이오리액터로 복귀되는, 방법.
실시예 9. 실시예 8에 있어서, 농축 스트림을 진공 증류 유닛으로부터 정류 유닛으로 통과시켜 아세톤 및 에탄올이 풍부한 오버헤드 스트림, 및 하단 물 스트림을 생산하는 단계를 추가로 포함하되, 상기 하단 물 스트림은 직접 또는 폐수 처리 공정에서 처리된 후에 발효 바이오리액터로 재활용되는, 방법.
실시예 10. 실시예 9에 있어서, 아세톤 및 에탄올이 풍부한 오버헤드 스트림을 정류 유닛으로부터 건조 유닛으로 통과시켜 아세톤 및 에탄올이 풍부한 무수 농축 스트림 및 퍼지 스트림을 생산하는 단계를 추가로 포함하되, 퍼지 스트림은 정류 유닛으로 복귀되는, 방법.
실시예 11. 실시예 10에 있어서, 아세톤 및 에탄올이 풍부한 무수 농축 스트림을 건조 유닛으로부터 에탄올-아세톤 분리 유닛으로 통과시켜 무수 아세톤 스트림 및 무수 에탄올 스트림을 생산하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
실시예 12. 실시예 8에 있어서, 생성물 고갈 스트림의 적어도 일부를 폐수 처리 공정에 통과시켜 발효 바이오리액터로 재활용 되는 정제수 스트림을 생산하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
실시예 13. 실시예 2, 6, 8 내지 12 중 어느 하나에 있어서, 이소프로판올 풍부 스트림은, 제3 생성물 스트림을 포함하는 발효 브로스를 진공 증류 유닛에 통과시켜 이소프로판올, 아세톤, 및 에탄올이 풍부한 농축 스트림 및 생성물 고갈 스트림을 생성함으로써 생성되고, 여기서 생성물 고갈 스트림은 상기 발효 바이오리액터로 복귀되는, 방법.
실시예 14. 실시예 13에 있어서, 이소프로판올, 아세톤, 및 에탄올이 풍부한 농축 스트림을 진공 증류 유닛으로부터 아세톤 제거 유닛으로 통과시켜 이소프로판올 및 에탄올이 풍부한 하단 스트림 및 아세톤이 풍부한 오버헤드 스트림을 생산하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
실시예 15. 실시예 14에 있어서, 오버헤드 스트림을 아세톤 제거 유닛으로부터 발효 바이오리액터로 재활용하여 이소프로판올을 생산하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
실시예 16. 실시예 14 또는 15에 있어서, 이소프로판올이 풍부한 하단 스트림, 및 에탄올을 아세톤 제거 유닛으로부터 정류 유닛으로 통과시켜 이소프로판올 및 에탄올이 풍부한 오버헤드 스트림, 및 하단 물 스트림을 생산하는 단계를 추가로 포함하되, 하단 물 스트림은 직접 또는 폐수 처리 공정에서 처리된 후에 상기 발효 바이오리액터로 재활용되는, 방법.
실시예 17. 실시예 16에 있어서, 이소프로판올 및 에탄올이 풍부한 오버헤드 스트림을 정류 유닛으로부터 건조 유닛으로 통과시켜 이소프로판올 및 에탄올이 풍부한 무수 농축 스트림 및 퍼지 스트림을 생산하는 단계를 추가로 포함하되, 퍼지 스트림은 상기 정류 유닛으로 복귀되는, 방법.
실시예 18. 실시예 13 내지 16 중 어느 하나에 있어서, 생성물 고갈 스트림의 적어도 일부를 폐수 처리 공정에 통과시켜 발효 바이오리액터로 재활용 되는 정제수 스트림을 생산하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
실시예 19. 실시예 17에 있어서, 이소프로판올 및 에탄올이 풍부한 무수 농축 스트림을 건조 유닛으로부터 추출 증류 유닛으로 통과시켜 적어도 하나의 추출 증류제의 존재 하에 무수 농축 스트림을 증류 시켜 오버헤드 스트림 및 증류 하단 스트림을 수득하는 단계를 추가로 포함하되,
i) 무수 에탄올의 적어도 일부는 상기 오버헤드 스트림에서 회수되고, 무수 이소프로판올 중 적어도 일부는 상기 증류 하단 스트림에서 회수되거나;
ii) 무수 이소프로판의 적어도 일부는 상기 오버헤드 스트림에서 회수되고, 무수 에탄올 중 적어도 일부는 상기 증류 하단 스트림에서 회수되는, 방법.
실시예 20. 실시예 19에 있어서, 무수 에탄올의 적어도 일부가 오버헤드 스트림으로부터 회수되고 무수 이소프로판올의 적어도 일부가 증류 하단 스트림으로부터 회수되며, 추출 증류제는 알파-피넨, 베타-피넨, 메틸 이소부틸 케톤, 리모넨, 알파-펠란드렌, 알파-테르피넨, 미르센, 카란, p-메타-1,5-디엔, 부틸 에테르, 1-메톡시-2-프로판올, n-부틸 아세테이트, n-아밀 아세테이트, 벤질 아세테이트, 에틸렌 글리콜 에틸 에테르 아세테이트, 메틸 아세토아세테이트, 에틸렌 글리콜 디아세테이트, 2-부톡시에틸 아세테이트, 메틸 부티레이트, 에틸 프로피오네이트, 에틸 n-발레레이트, 부틸 벤조에이트, 에틸 벤조에이트, 피리딘, N,N-디메틸 아닐린, o-세크-부틸 페놀, 3-이소프로필 페놀, 2,6-디메틸 페놀, o-터트-부틸 페놀, 4-에틸 페놀, 디에틸 프탈레이트, 디이소옥틸 프탈레이트, 디메틸 아디페이트, 글리세린 트리아세테이트, 디에틸 말로네이트, 디메틸 글루타레이트, 테트라하이드로 퓨란, 에틸렌 글리콜 페닐 에테르, 디프로필렌 글리콜 메틸 에테르 아세테이트, 디에틸렌 글리콜 헥실 에테르, 프로폭시프로판올, 부톡시프로판올, p-자일렌 글리콜 디메틸 에테르, 디에틸렌 글리콜 t-부틸 에테르 메틸 에테르, 트리에틸렌 글리콜 디아세테이트, 아니솔, 페네톨, 페닐 에테르, 1,2-메틸렌디옥시벤젠, 이소포론, 에틸-3-에톡시프로피오네이트, 테트라에틸오르소실리케이트, 2-하이드록시아세토페논, 1,1,1-트리클로로에탄, 테트라클로로에틸렌, 2,2,2-트리클로로에탄올, m-디클로로벤젠, 클로로벤젠, 2,6-디클로로톨루엔, 1-클로로헥산, 디에틸렌 글리콜, 디메틸 설폭사이드, 디메틸포름아미드, 설포레인, 이소포론, 2-피롤리디온, 1-메틸-2피롤린딘온, 이소데실 알콜, 사이클로도데칸올, 벤질 알콜, 1-도데칸올, 트리데실 알콜, 페네틸 알콜, 사이클로헥산올, 사이클로펜탄올, 2-니트로프로판, 1-니트로프로판, 니트로-에탄, 니트로메탄, 3-니트로톨루엔, 2-니트로톨루엔, 트리아세틴, 3-니트로-o-자일렌, 1,4-디옥세인, 이소부틸 아세테이트, 에틸 부티레이트, 이소아밀 포름에이트, 메틸 카프로에이트, 에틸 카프로에이트, 프로필 카프로에이트, 1-메톡시-2-프로판올 아세테이트, 이소부틸 이소부티레이트, 헥실 아세테이트, 에틸 이소부티레이트, 프로필 부티레이트, 이소부틸 부티레이트, 이소보르닐 아세테이트, 1,3-디옥소레인, 니트로벤젠, 부틸 부티레이트, 4-메틸-2-펜탄온 및 폴리에틸렌 글리콜400으로부터 적어도 하나의 화합물을 포함하는, 방법.
실시예 21. 실시예 19에 있어서, 무수 이소프로판올 중 적어도 일부는 오버헤드 스트림에서 회수되고, 무수 에탄올 중 적어도 일부는 증류 하단 스트림에서 회수되며; 추출 증류제는 에틸 벤젠, 톨루엔, p-자일렌, 헵탄, 페놀, 및 2-터트-부틸 페놀 중에서 선택된 적어도 하나의 화합물을 포함하는, 방법.
실시예 22. 실시예 1 내지 21 중 어느 하나에 있어서, C1 고정 미생물은 적어도 하나의 일산화탄소영양성 박테리아인, 방법.
실시예 23. 실시예 1 내지 22 중 어느 하나에 있어서, 일산화탄소영양 박테리아는 클로스트리듐 자가에탄오젠, 클로스트리듐 엘중달리이, 클로스트리듐 라그스달레이, 및 이들의 혼합물로부터 선택되는, 방법.
실시예 24. 가스 발효 공정으로부터 적어도 하나의 생성물을 회수하기 위한 시스템으로서, 생성물 풍부 스트림 및 생성물 고갈 스트림 유출구를 갖는 진공 증류 유닛과 유체 연통하는 C1 가스 발효 바이오리액터; 및 상기 생성물 풍 스트림 유출구와 유체 연통하는 정류 유닛으로서, 오버헤드 생성물 스트림 유출구 및 하단 물 스트림 유출구를 갖는 정류 유닛; 및 상기 오버헤드 생성물 스트림 유출구와 유체 연통하는 건조 유닛을 포함하고, 상기 건조 유닛은 무수 생성물 스트림 유출구 및 퍼지 스트림 유출구를 갖는, 시스템.
실시예 25. 실시예 24에 있어서, 진공 증류 유닛과 열역학적으로 통합된 기계적 증기 재압축 시스템을 추가로 포함하는, 시스템.
실시예 26. 실시예 24 또는 25에 있어서, 무수 생성물 스트림 유출구와 유체 연통하는 분리 유닛을 추가로 포함하되, 분리 유닛은 분리 유닛 오버헤드 유출구 및 분리 유닛 하단 유출구를 갖는, 시스템.
실시예 27. 실시예 24 내지 26 중 어느 하나에 있어서, 분리 유닛은 분리 증류 유닛 또는 추출 증류 유닛인, 시스템.
실시예 28. 실시예 24 내지 27 중 어느 하나에 있어서, 생성물 풍부 스트림 유출구, 정류 유닛, 및 C1 가스 발효 바이오리액터와 유체 연통하는 부산물 제거 유닛을 추가로 포함하는, 시스템.
실시예 29. 실시예 24 내지 28 중 어느 하나에 있어서, 분리 유닛 오버헤드 유출구와 유체 연통하고 제1 증류 컬럼 생성물 유출구를 갖는 제1 증류 컬럼; 및 분리 유닛 하단 유출구와 유체 연통하고 제2 증류 컬럼 생성물 유출구를 갖는 제2 증류 컬럼을 추가로 포함하는, 시스템.
Claims (29)
- 발효 공정으로부터 적어도 하나의 생성물을 생산하고 회수하기 위한 방법으로서,
a) 에탄올 및 물을 포함하는 제1 생성물 스트림 또는 에탄올, 아세톤 및 물을 함유하는 제2 생성물 스트림 또는 에탄올, 아세톤, 이소프로판올 및 물을 포함하는 제3 생성물 스트림 중 적어도 하나를 포함하는 발효 브로스를 생산하기 위해, 액체 영양 배지에서 적어도 하나의 C1 고정 미생물을 포함하는 발효 바이오리액터에 공급원으로부터 C1 함유 가스를 도입하는 단계; 및
b) 에탄올 풍부 스트림, 아세톤 풍부 스트림, 이소프로판올 풍부 스트림 또는 이들의 조합 중에서 선택된 적어도 하나의 생성물 풍부 스트림을 선택적으로 회수하기 위해 상기 발효 브로스를 상기 발효 바이오리액터로부터 공유 생성물 회수 시스템으로 전달하는 단계를 포함하는, 방법. - 제1항에 있어서, 공유 생성물 회수 시스템은 진공 증류 유닛, 정류 유닛, 아세톤 제거 유닛, 건조 유닛, 에탄올-아세톤 분리 유닛, 추출 증류 유닛 또는 이들의 조합 중 적어도 하나를 포함하는, 방법.
- 제1항에 있어서, 적어도 하나의 C1 고정 미생물을 적어도 하나의 C1 고정 미생물에 의해 생산된 것과 동일하지 않은 제1 생성물 스트림, 제2 생성물 스트림, 또는 제3 생성물 스트림 중 하나를 생산하는 다른 C1 고정 미생물로 교체하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
- 제2항에 있어서, 에탄올 풍부 스트림은, 제1 생성물 스트림을 포함하는 발효 브로스를, 에탄올 풍부 스트림 및 생성물 고갈 스트림을 생산하는 조건에서 작동되는 진공 증류 유닛에 통과시킴으로써 생성되고, 여기서 상기 생성물 고갈 스트림은 발효 바이오리액터로 복귀되는, 방법.
- 제4항에 있어서, 에탄올 풍부 스트림을 진공 증류 유닛으로부터 정류 유닛으로 통과시켜 오버헤드 에탄올 스트림 및 하단 물 스트림을 생산하는 단계를 추가로 포함하되, 상기 하단 물 스트림은 직접 또는 폐수 처리 공정에서 처리된 후에 발효 바이오리액터로 재활용되는, 방법.
- 제5항에 있어서, 오버헤드 에탄올 스트림을 정류 유닛으로부터 건조 유닛으로 통과시켜 무수 에탄올 스트림 및 퍼지 스트림을 생산하는 단계를 추가로 포함하되, 상기 퍼지 스트림은 정류 유닛으로 복귀되는, 방법.
- 제4항에 있어서, 생성물 고갈 스트림의 적어도 일부를 폐수 처리 공정에 통과시켜, 발효 바이오리액터로 재활용 되는 정제수 스트림을 생산하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
- 제2항에 있어서, 아세톤 풍부 스트림은, 제2 생성물 스트림을 포함하는 발효 브로스를, 아세톤 및 에탄올이 풍부한 농축 스트림 및 생성물 고갈 스트림을 생산하기 위한 조건에서 작동되는 진공 증류 유닛에 통과시킴으로써 생성되고, 여기서 상기 생성물 고갈 스트림은 발효 바이오리액터로 복귀되는, 방법.
- 제8항에 있어서, 농축 스트림을 진공 증류 유닛으로부터 정류 유닛으로 통과시켜 아세톤 및 에탄올이 풍부한 오버헤드 스트림, 및 하단 물 스트림을 생산하는 단계를 추가로 포함하되, 상기 하단 물 스트림은 직접 또는 폐수 처리 공정에서 처리된 후에 발효 바이오리액터로 재활용되는, 방법.
- 제9항에 있어서, 정류 유닛으로부터 건조 유닛으로 아세톤 및 에탄올이 풍부한 오버헤드 스트림을 통과시켜 아세톤 및 에탄올이 풍부한 무수 농축 스트림 및 퍼지 스트림을 생산하는 단계를 추가로 포함하되, 상기 퍼지 스트림은 상기 정류 유닛으로 복귀되는, 방법.
- 제10항에 있어서, 아세톤 및 에탄올이 풍부한 무수 농축 스트림을 건조 유닛으로부터 에탄올-아세톤 분리 유닛으로 통과시켜 무수 아세톤 스트림 및 무수 에탄올 스트림을 생산하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
- 제8항에 있어서, 생성물 고갈 스트림의 적어도 일부를 폐수 처리 공정에 통과시켜, 발효 바이오리액터로 재활용 되는 정제수 스트림을 생산하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
- 제2항에 있어서, 이소프로판올 풍부 스트림은, 제3 생성물 스트림을 포함하는 발효 브로스를 진공 증류 유닛에 통과시켜 이소프로판올, 아세톤, 및 에탄올이 풍부한 농축 스트림 및 생성물 고갈 스트림을 생성함으로써 생성되고, 여기서 상기 생성물 고갈 스트림은 발효 바이오리액터로 복귀되는, 방법.
- 제13항에 있어서, 이소프로판올, 아세톤 및 에탄올이 풍부한 농축 스트림을 진공 증류 유닛으로부터 아세톤 제거 유닛으로 통과시켜 이소프로판올 및 에탄올이 풍부한 하단 스트림 및 아세톤이 풍부한 오버헤드 스트림을 생산하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
- 제14항에 있어서, 오버헤드 스트림을 아세톤 제거 유닛으로부터 발효 바이오리액터로 재활용하여 이소프로판올을 생산하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
- 제14항에 있어서, 이소프로판올이 풍부한 하단 스트림, 및 에탄올을 아세톤 제거 유닛으로부터 정류 유닛으로 통과시켜 이소프로판올 및 에탄올이 풍부한 오버헤드 스트림, 및 하단 물 스트림을 생산하는 단계를 추가로 포함하되, 상기 하단 물 스트림은 직접 또는 폐수 처리 공정에서 처리된 후에 발효 바이오리액터로 재활용되는, 방법.
- 제16항에 있어서, 이소프로판올 및 에탄올이 풍부한 오버헤드 스트림을 정류 유닛으로부터 건조 유닛으로 통과시켜 이소프로판올 및 에탄올이 풍부한 무수 농축 스트림 및 퍼지 스트림을 생산하는 단계를 추가로 포함하되, 상기 퍼지 스트림은 정류 유닛으로 복귀되는, 방법.
- 제13항에 있어서, 생성물 고갈 스트림의 적어도 일부를 폐수 처리 공정에 통과시켜, 발효 바이오리액터로 재활용 되는 정제수 스트림을 생산하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
- 제17항에 있어서, 이소프로판올 및 에탄올이 풍부한 무수 농축 스트림을 건조 유닛으로부터 추출 증류 유닛으로 통과시켜 적어도 하나의 추출 증류제의 존재 하에 무수 농축 스트림을 증류 시켜 오버헤드 스트림 및 증류 하단 스트림을 수득하는 단계를 추가로 포함하되,
i) 무수 에탄올 중 적어도 일부는 상기 오버헤드 스트림에서 회수되고, 무수 이소프로판올 중 적어도 일부는 상기 증류 하단 스트림에서 회수되거나;
ii) 무수 이소프로판올 중 적어도 일부는 상기 오버헤드 스트림에서 회수되고, 무수 에탄올 중 적어도 일부는 상기 증류 하단 스트림에서 회수되는, 방법. - 제19항에 있어서,
무수 에탄올 중 적어도 일부는 오버헤드 스트림에서 회수되고, 무수 이소프로판올 중 적어도 일부는 증류 하단 스트림에서 회수되며;
추출 증류제는 알파-피넨, 베타-피넨, 메틸 이소부틸 케톤, 리모넨, 알파-펠란드렌, 알파-테르피넨, 미르센, 카란, p-메타-1,5-디엔, 부틸 에테르, 1-메톡시-2-프로판올, n-부틸 아세테이트, n-아밀 아세테이트, 벤질 아세테이트, 에틸렌 글리콜 에틸 에테르 아세테이트, 메틸 아세토아세테이트, 에틸렌 글리콜 디아세테이트, 2-부톡시에틸 아세테이트, 메틸 부티레이트, 에틸 프로피오네이트, 에틸 n-발레레이트, 부틸 벤조에이트, 에틸 벤조에이트, 피리딘, N,N-디메틸 아닐린, o-세크-부틸 페놀, 3-이소프로필 페놀, 2,6-디메틸 페놀, o-터트-부틸 페놀, 4-에틸 페놀, 디에틸 프탈레이트, 디이소옥틸 프탈레이트, 디메틸 아디페이트, 글리세린 트리아세테이트, 디에틸 말로네이트, 디메틸 글루타레이트, 테트라하이드로 퓨란, 에틸렌 글리콜 페닐 에테르, 디프로필렌 글리콜 메틸 에테르 아세테이트, 디에틸렌 글리콜 헥실 에테르, 프로폭시프로판올, 부톡시프로판올, p-자일렌 글리콜 디메틸 에테르, 디에틸렌 글리콜 t-부틸 에테르 메틸 에테르, 트리에틸렌 글리콜 디아세테이트, 아니솔, 페네톨, 페닐 에테르, 1,2-메틸렌디옥시벤젠, 이소포론, 에틸-3-에톡시프로피오네이트, 테트라에틸오르소실리케이트, 2-하이드록시아세토페논, 1,1,1-트리클로로에탄, 테트라클로로에틸렌, 2,2,2-트리클로로에탄올, m-디클로로벤젠, 클로로벤젠, 2,6-디클로로톨루엔, 1-클로로헥산, 디에틸렌 글리콜, 디메틸 설폭사이드, 디메틸포름아미드, 설포레인, 이소포론, 2-피롤리디온, 1-메틸-2피롤린딘온, 이소데실 알콜, 사이클로도데칸올, 벤질 알콜, 1-도데칸올, 트리데실 알콜, 페네틸 알콜, 사이클로헥산올, 사이클로펜탄올, 2-니트로프로판, 1-니트로프로판, 니트로-에탄, 니트로메탄, 3-니트로톨루엔, 2-니트로톨루엔, 트리아세틴, 3-니트로-o-자일렌, 1,4-디옥세인, 이소부틸 아세테이트, 에틸 부티레이트, 이소아밀 포름에이트, 메틸 카프로에이트, 에틸 카프로에이트, 프로필 카프로에이트, 1-메톡시-2-프로판올 아세테이트, 이소부틸 이소부티레이트, 헥실 아세테이트, 에틸 이소부티레이트, 프로필 부티레이트, 이소부틸 부티레이트, 이소보르닐 아세테이트, 1,3-디옥소레인, 니트로벤젠, 부틸 부티레이트, 4-메틸-2-펜탄온 및 폴리에틸렌 글리콜400으로부터 선택된 적어도 하나의 화합물을 포함하는, 방법. - 제19항에 있어서,
무수 이소프로판올 중 적어도 일부는 오버헤드 스트림에서 회수되고, 무수 에탄올 중 적어도 일부는 증류 하단 스트림에서 회수되며;
추출 증류제는 에틸 벤젠, 톨루엔, p-자일렌, 헵탄, 페놀 및 2-터트-부틸 페놀 중에서 선택된 하나 이상의 화합물을 포함하는, 방법. - 제1항에 있어서, C1 고정 미생물은 적어도 하나의 일산화탄소영양 박테리아인, 방법.
- 제22항에 있어서, 일산화탄소영양 박테리아는 클로스트리듐 자가에탄오젠, 클로스트리디움 엘중달리이, 클로스트리디움 라그스달레이, 및 이들의 혼합물로부터 선택되는, 방법.
- 가스 발효 공정으로부터 적어도 하나의 생성물을 회수하기 위한 시스템으로서,
생성물 풍부 스트림 및 생성물 고갈 스트림 유출구를 갖는 진공 증류 유닛과 유체 연통하는 C1 가스 발효 바이오리액터; 및
생성물 풍부 스트림 유출구와 유체 연통하는 정류 유닛으로서, 오버헤드 생성물 스트림 유출구 및 하단 물 스트림 유출구를 갖는 정류 유닛; 및 상기 오버헤드 생성물 스트림 유출구와 유체 연통하는 건조 유닛을 포함하고, 상기 건조 유닛은 무수 생성물 스트림 유출구 및 퍼지 스트림 유출구를 갖는, 시스템. - 제24항에 있어서, 진공 증류 유닛과 열역학적으로 통합된 기계적 증기 재압축 시스템을 추가로 포함하는 시스템.
- 제24항에 있어서, 무수 생성물 스트림 유출구와 유체 연통하는 분리 유닛을 추가로 포함하되, 상기 분리 유닛은 분리 유닛 오버헤드 유출구 및 분리 유닛 하단 유출구를 갖는, 시스템.
- 제26항에 있어서, 분리 유닛은 분리 증류 유닛 또는 추출 증류 유닛인, 시스템.
- 제26항에 있어서, 생성물 풍부 스트림 유출구, 정류 유닛, 및 C1 가스 발효 바이오리액터와 유체 연통하는 부산물 제거 유닛을 추가로 포함하는, 시스템.
- 제28항에 있어서, 분리 유닛 오버헤드 유출구와 유체 연통하고 제1 증류 컬럼 생성물 유출구를 갖는 제1 증류 컬럼; 및 분리 유닛 하단 유출구와 유체 연통하고 제2 증류 컬럼 생성물 유출구를 갖는 제2 증류 컬럼을 추가로 포함하는, 시스템.
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