KR102642284B1 - 생성물 회수 및 세포 재순환을 위한 방법 및 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 발효 브로스로부터 적어도 하나의 생성물을 회수하기 위한 장치 및 관련 방법에 관한 것이다. 본 발명은 발효 브로스로부터 생성물, 예를 들어, 에탄올을 회수하기 위한 진공 증류 용기의 사용에 관한 것이며, 여기서 상기 발효 브로스는 독자 생존 가능한 미생물 바이오매스를 포함하고, 상기 생성물의 회수는 상기 미생물 바이오매스의 생존능을 보장하는 방식으로 완료된다. 본 발명은 발효 브로스 내에서의 생성물의 누적을 방지하도록 유효 속도로 생성물 회수를 제공한다. 상기 미생물 바이오매스의 생존능을 보장하기 위해, 본 발명은 상기 미생물 바이오매스에 대한 스트레스의 양을 감소시키도록 설계된다. 상기 미생물 바이오매스의 생존능을 보장함으로써, 상기 미생물 바이오매스가 발효 공정에서 재순환 및 재사용될 수 있으며, 이는 발효 공정의 효율을 증가시킬 수 있다.
Description
관련 출원에 대한 상호 참조
본원은 2017년 3월 20일자로 출원된 미국 가출원 제62/473,850호에 대한 우선권을 주장하며, 이 출원의 내용은 원용에 의해 본 명세서에 포함된다.
기술분야
본 발명은 발효 브로스(fermentation broth)로부터 적어도 하나의 생성물을 회수하기 위한 장치 및 관련 방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 발효 브로스로부터 생성물을 회수하기 위한 진공 증류 용기의 사용에 관한 것이며, 여기서 상기 발효 브로스는 독자 생존 가능한 미생물 바이오매스를 함유하고, 생성물의 회수는 상기 미생물 바이오매스의 생존능이 보장되는 방식으로 완료된다.
이산화탄소(CO2)는 인간의 활동으로 인한 세계 온실 가스 배출량의 약 76%를 차지하며, 메탄(16%), 아산화질소(6%) 및 불소화 가스(2%)가 나머지를 차지한다(미국 환경보호청(United States Environmental Protection Agency)). 산업 및 임업 업무도 대기 중으로 CO2를 방출하기는 하지만, 대부분의 CO2는 에너지 생산을 위한 화석 연료 연소로부터 발생한다. 온실 가스, 특히 CO2의 감소는 지구 온난화의 진행 및 이에 수반되는 기후 및 날씨 변화를 중단시키는 데 있어 대단히 중요하다.
촉매 공정, 예컨대 피셔-트롭쉬 공정(Fischer-Tropsch process)을 사용하여 이산화탄소(CO2), 일산화탄소(CO) 및/또는 수소(H2)를 함유하는 가스, 예를 들어, 산업 폐가스 또는 합성 가스를 다양한 연료 및 화학 물질로 전환할 수 있다는 것이 오랫동안 인식되어 왔다. 그러나 최근에는, 가스 발효가 이러한 가스들의 생물학적 고정을 위한 대안적인 플랫폼으로 등장하였다. 특히, C1-고정 미생물이 CO2, CO 및/또는 H2를 함유하는 가스를 에탄올 및 2,3-부탄디올과 같은 생성물로 전환시키는 것이 입증되었다. 이러한 생성물의 생성은 예를 들어, 미생물 성장의 지연, 제한된 가스 소비, 독소에 대한 민감성, 또는 탄소 기질이 원치 않는 부산물로의 전환에 의해 제한될 수 있다.
생성물의 누적은 상기 가스 발효 공정의 생성 효율을 감소시킬 수 있다. 누적을 방지하기 위해, 이러한 생성물을 유효 속도로 제거해야 한다. 유효 속도로 제거하지 않으면 이들 생성물은 C1-고정 미생물에 대해 억제 및/또는 독성 영향을 미칠 수 있다. 생성물이 C1-고정 미생물이 생존할 수 없을 정도로 누적되면 상기 발효 공정을 중지하고 재시작해야 한다. 재시작하기 전에, 종종 발효기를 세척해야 한다. 이는 시간이 많이 소요되는 공정일 수 있다.
일반적으로 생성물 회수와 관련된 또 다른 곤란은 종래의 회수 공정을 통한 C1-고정 미생물의 손실이다. 독자 생존 가능한 C1-고정 미생물의 손실을 극복하기 위해, 여과 방법이 사용되어 왔다. 그러나, 종래의 여과 방법에서는, 시간이 지남에 따라 미립자 물질이 필터 매질에 누적되어, 여과액 흐름이 감소하고 결국 필터 매질의 세척 및/또는 교체가 필요할 수 있다.
따라서, C1-고정 미생물의 생존능을 보장하면서 유효 속도로 생성물을 회수할 수 있으면서 감소된 유지보수 요건을 갖는 시스템이 여전히 필요한 실정이다.
본 발명은 발효 브로스로부터 적어도 하나의 생성물을 회수하기 위한 장치, 즉, 진공 증류 용기, 및 진공 증류 용기를 사용하는 관련 방법을 제공한다. 상기 진공 증류 용기는 발효 브로스로부터 적어도 하나의 생성물을 회수하도록 설계되고, 상기 발효 브로스는 생물 반응기로부터 전달되며, 상기 진공 증류 용기는 (a) 독자 생존 가능한 미생물 바이오매스 및 적어도 하나의 생성물을 포함하는 상기 발효 브로스를 수용하기 위한 주입구, 생성물 농후 스트림을 이송하기 위한 배출구, 및 독자 생존 가능한 미생물 바이오매스를 포함하며 상기 생물 반응기로 이송되는, 생성물 고갈 스트림을 이송하기 위한 배출구를 정의하는 외부 케이싱; 및 (b) 상기 케이싱 내에 위치되고, 위로는 상부 트레이에 의해 그리고 아래로는 하부 트레이에 의해 구속되며, 복수의 이론적 증류 단계를 제공하기 위한 분리 매질을 한정하는, 분리 섹션을 포함하며; 상기 생성물 농후 스트림을 이송하기 위한 상기 배출구는 상기 발효 브로스를 수용하기 위한 상기 주입구에 비해 높고, 상기 발효 브로스를 수용하기 위한 상기 주입구는 상기 상부 트레이에 비해 높고, 상기 생성물 고갈 스트림을 이송하기 위한 상기 배출구는 상기 하부 트레이에 비해 높다.
바람직하게는, 상기 진공 증류 용기는 특정 공급 속도로 상기 발효 브로스를 처리할 수 있다. 상기 공급 속도는 시간당 발효 브로스의 부피로 정의된다. 발효 브로스의 부피는 생물 반응기 내에 포함된 발효 브로스의 부피이다. 적어도 하나의 구현예에서, 상기 진공 증류 용기는 시간당 0.05 내지 0.5 생물 반응기 부피의 공급 속도로 상기 발효 브로스를 처리할 수 있다. 특정 구현예에서, 상기 공급 속도는 시간당 0.05 내지 0.1, 0.05 내지 0.2, 0.05 내지 0.3, 0.05 내지 0.4, 0.1 내지 0.3, 0.1 내지 0.1 내지 0.5, 또는 0.3 내지 0.5 반응기 부피이다.
특정 예에서, 상기 발효 브로스는 상기 진공 증류 용기 내에서의 특정 체류 시간을 갖는다. 상기 발효 브로스가 상기 진공 증류 용기 내에 존재하는 시간은 상기 발효 브로스가 상기 발효 브로스를 수용하기 위한 상기 주입구를 통해 유입되는 순간과 상기 발효 브로스가 상기 생성물 고갈 스트림을 이송하기 위한 상기 배출구를 통해 배출되는 순간 사이의 시간이다. 바람직하게는, 상기 체류 시간은 0.5 내지 15분이다. 다양한 구현예에서, 상기 체류 시간은 0.5 내지 12분, 0.5 내지 9분, 0.5 내지 6분, 0.5 내지 3분, 2 내지 15분, 2 내지 12분, 2 내지 9분, 또는 2 내지 6분이다. 적어도 하나의 구현예에서, 상기 미생물의 생존능을 보장하기 위해, 상기 체류 시간은 15분 미만, 12분 미만, 9분 미만, 6분 미만, 3분 미만, 2분 미만 또는 1분 미만이다.
본 발명은 상기 생성물 고갈 스트림을 상기 케이싱 내의 배출구를 통해 상기 생물 반응기에 전달하는 것을 제공한다. 적어도 하나의 구현예에서, 상기 진공 증류 용기의 케이싱은 배관 수단에 의해 상기 생물 반응기에 연결된다. 상기 생성물 고갈 스트림은 상기 배관 수단을 통해 상기 진공 증류 용기로부터 상기 생물 반응기로 보내질 수 있다. 바람직하게는, 상기 생물 반응기는 산업 공정으로부터의 C1-함유 가스의 발효를 위한 조건 하에서 작동된다.
상기 진공 증류 용기는 상기 발효 브로스로부터 생성물을 효과적으로 제거하도록 설계된다. 상기 진공 증류 용기는 상기 제거 공정의 일부로서 분리 매질을 사용한다. 상기 분리 매질은 적절한 증기-액체 접촉을 제공하기에 적합한 임의의 물질일 수 있다.
특정 예에서, 상기 분리 매질은 상기 진공 증류 용기의 높이에 걸친 압력 강하가 32 mbar 미만이 되도록 제공된다. 특정 예에서, 상기 진공 증류 용기의 높이에 걸친 압력 강하는 30 mbar 미만, 28 mbar 미만, 26 mbar 미만, 24 mbar 미만, 22 mbar 미만, 20 mbar 미만, 또는 18 미만이다.
특정 예에서, 상기 분리 매질은 일련의 증류 트레이들에 의해 정의된다. 상기 증류 트레이들은 적절한 증기-액체 접촉을 제공하기 위한 일련의 적합한 임의의 증류 트레이들일 수 있다.
상기 진공 증류 용기의 분리 섹션은, 상기 발효 브로스가 증류 단계들을 통과함에 따라 증가된 양의 생성물이 상기 발효 브로스로부터 증발되는 복수의 이론적 증류 단계들을 제공하도록 설계된다. 바람직하게는, 상기 분리 매질은 복수의 이론적 증류 단계들을 제공한다. 특정 구현예에서, 상기 분리 매질은 적어도 3개의 이론적 증류 단계, 또는 적어도 5개의 이론적 증류 단계, 또는 적어도 6개의 이론적 증류 단계를 제공한다.
상기 진공 증류 용기는 상기 미생물 바이오매스의 생존능을 보장하도록 설계된다. 상기 미생물 바이오매스의 생존능을 보장함으로써, 상기 생물 반응기로 보내지는 생성물 고갈 스트림이 상기 가스 발효 공정에 이용될 수 있다. 바람직하게는, 상기 미생물 바이오매스의 생존능은 충분히 높은 비율로 유지된다. 특정 예에서, 상기 미생물 바이오매스의 생존능은 80% 초과, 또는 85% 초과, 또는 90% 초과, 또는 95% 초과이다.
상기 진공 증류 용기는, 상기 진공 증류 용기를 통과할 때 상기 미생물 바이오매스의 생존능이 실질적으로 감소되지 않도록 설계될 수 있다. 특정 예에서, 상기 생성물 고갈 스트림 내의 독자 생존 가능한 미생물 바이오매스는 상기 발효 브로스 내의 독자 생존 가능한 미생물 바이오매스와 실질적으로 동일하다. 바람직하게는, 상기 생성물 고갈 스트림 내의 미생물 바이오매스의 생존능과 상기 발효 브로스 내의 미생물 바이오매스의 생존능 사이의 차이는 10% 미만이다. 특정 예에서, 상기 차이는 5 내지 10%이다. 특정 예에서, 상기 차이는 5% 미만이다.
상기 미생물 바이오매스의 생존능은 임의의 적합한 수단을 사용하여 측정될 수 있다. 바람직하게는, 상기 생존능은 유세포 분석 및 생존/사멸 어세이(live/dead assay)를 사용하여 측정된다. 특정 예에서, 상기 발효 브로스 내의 미생물 바이오매스의 생존능은, 상기 발효 브로스가 상기 진공 증류 용기에 유입되기 전에 상기 발효 브로스로부터 측정된다. 특정 예에서, 상기 생성물 고갈 스트림 내의 미생물 바이오매스의 생존능은, 상기 생성물 고갈 스트림이 상기 생물 반응기로 보내지기 전에, 상기 진공 증류 용기를 빠져나가는 생성물 고갈 스트림으로부터 측정된다.
특정 예에서, 상기 생존능 측정의 결과로 하나 이상의 변수가 변경될 수 있다. 바람직하게는, 상기 생존능 측정의 결과로서 변화되는 하나 이상의 변수는 압력, 온도, 체류 시간, 발효 브로스 내의 생성물 농도, 증기 공급 속도 및 분리 매질을 포함하는 군으로부터 선택된다.
바람직하게는, 상기 생성물 고갈 스트림은, 상기 발효 브로스 내의 생성물의 누적을 방지하거나 또는 적어도 완화시키기 위해, 상기 발효 브로스에 비해 감소된 생성물 비율을 갖는다. 상기 발효 브로스 내의 생성물의 누적을 방지하거나 또는 적어도 완화함으로써 상기 발효 공정이 연속될 수 있다. 바람직하게는, 생성물은 연속 발효 공정으로부터 회수된다. 특정 예에서, 상기 생성물 고갈 스트림은 1 중량% 미만의 생성물, 또는 0.8 중량% 미만의 생성물, 또는 0.6 중량% 미만의 생성물, 또는 0.4 중량% 미만의 생성물, 또는 0.2 중량% 미만의 생성물, 또는 0.1 중량% 미만의 생성물을 포함한다.
상기 생물 반응기 내의 미생물은 다양한 상이한 생성물을 생성할 수 있다. 바람직하게는, 상기 연속 발효 공정으로부터 회수된 하나 이상의 생성물은 저비점 발효 생성물이다. 특정 예에서, 생성물은 에탄올, 아세톤, 이소프로판올, 부탄올, 케톤, 메틸 에틸 케톤, 아세톤, 2-부탄올, 1-프로판올, 메틸 아세테이트, 에틸 아세테이트, 부탄온, 1,3-부타디엔, 이소프렌 및 이소부텐으로 구성된 군으로부터 선택된다. 특정 예에서, 상기 진공 증류 용기는 생성되는 생성물에 기초한 특정 제약 조건 하에 설계된다. 특정 예에서, 상기 생물 반응기에서 생성된 생성물은 에탄올, 아세톤, 이소프로판올 또는 이들의 혼합물이다. 다양한 예에서, 상기 생성물 농후 스트림은 상기 발효 브로스에 비해 증가된 비율의 에탄올, 아세톤, 이소프로판올 또는 이들의 혼합물을 포함한다. 바람직하게는, 상기 진공 증류 용기는 에탄올이 상기 발효 브로스로부터 효과적으로 제거될 수 있도록 설계된다. 상기 미생물에 의해 에탄올이 생성되는 특정 예에서, 상기 생성물 농후 스트림은 상기 발효 브로스에 비해 증가된 비율의 에탄올을 포함한다. 특정 구현예에서, 상기 진공 증류 용기는 아세톤이 상기 발효 브로스로부터 효과적으로 제거될 수 있도록 설계된다. 상기 미생물에 의해 아세톤이 생성되는 특정 예에서, 상기 생성물 농후 스트림은 상기 발효 브로스에 비해 증가된 비율의 아세톤을 포함한다. 다른 구현예에서, 상기 진공 증류 용기는 이소프로판올이 상기 발효 브로스로부터 효과적으로 제거될 수 있도록 설계된다. 상기 미생물에 의해 이소프로판올이 생성되는 특정 예에서, 상기 생성물 농후 스트림은 상기 발효 브로스에 비해 증가된 비율의 이소프로판올을 포함한다.
이들 생성물은 하나 이상의 생성물을 생산하기 위해 추가로 전환될 수 있다. 적어도 하나의 구현예에서, 디젤, 제트 연료 및/또는 가솔린 중 적어도 하나의 성분을 생성하기 위해 적어도 하나 이상의 생성물이 추가로 전환될 수 있다. 특정 예에서, 메틸 메타크릴레이트를 생성하기 위해 아세톤이 추가로 전환될 수 있다. 특정 예에서, 프로필렌을 생성하기 위해 이소프로판올이 추가로 전환될 수 있다.
미생물 생존능을 유지하면서 상기 발효 브로스로부터 생성물을 효과적으로 제거하기 위해, 상기 진공 증류 용기는 대기압 미만의 압력에서 작동한다. 바람직하게는, 상기 진공 증류 용기는 40 mbar(a) 내지 100 mbar(a), 또는 40 mbar(a) 내지 80 mbar(a) 또는 40 mbar(a) 내지 60 mbar(a), 또는 50 mbar(a) 내지 100 mbar(a), 또는 50 mbar(a) 내지 80 mbar(a), 또는 50 mbar(a) 내지 70 mbar(a), 또는 60 mbar(a) 내지 100 mbar(a), 또는 60 mbar(a) 내지 100 mbar(a), 또는 80 mbar(a) 내지 100 mbar(a)의 압력에서 작동된다.
상기 발효 브로스로부터 상기 생성물을 효과적으로 제거하기 위해, 상기 진공 증류는, 상기 미생물의 생존능을 보장하면서 생성물을 제거할 수 있는 온도 범위에서 작동한다. 특정 예에서, 상기 생성물은 에탄올, 아세톤 및 이소프로판올로 구성된 군으로부터 선택된다. 바람직하게는, 상기 진공 증류 용기는 35℃ 내지 50℃의 온도에서 작동된다. 일 구현예에서, 상기 온도는 40℃ 내지 45℃, 또는 37℃ 내지 45℃, 또는 45℃ 내지 50℃이다. 다양한 예에서, 상기 온도는 37℃ 미만이다. 아세톤 회수를 위해 설계된 구현예에서, 상기 진공 증류 용기는 바람직하게는 35℃ 내지 50℃의 온도에서 작동된다. 특정 구현예에서, 아세톤 회수의 경우, 상기 온도는 35℃ 내지 45℃, 또는 40℃ 내지 45℃, 또는 45℃ 내지 50℃이다.
특정 예에서, 하나 이상의 부산물이 상기 발효에 의해 생성된다. 특정 예에서, 상기 하나 이상의 부산물은 카르복실산(즉, 아세트산 및 락트산) 및 2,3-부탄디올로 구성된 군으로부터 선택된다. 특정 예에서, 상기 하나 이상의 부산물은 상기 발효 브로스로부터 분리되지 않고, 상기 생성물 고갈 스트림 내에서 상기 생물 반응기로 복귀된다. 상기 생물 반응기로의 부산물의 연속적인 복귀로 인해, 상기 발효 중 부산물의 양이 누적될 수 있다. 특정 예에서, 상기 발효 브로스 내의 부산물의 농도를 소정 수준 미만으로 유지하는 것이 바람직하다. 부산물의 허용 가능한 농도는 상기 부산물에 대한 상기 미생물의 내성에 기초하여 결정될 수 있다. 특정 예에서, 상기 생성물 고갈 스트림으로부터 하나 이상의 부산물을 제거하기 위한 제2 분리 수단에 상기 생성물 고갈 스트림을 제공하는 것이 바람직할 수 있다. 특정 구현예에서, 상기 부산물은 2,3-부탄디올이고, 상기 발효 브로스 내의 2,3-부탄디올의 농도는 10g/L 미만으로 유지된다. 특정 예에서, 상기 부산물은 아세트산이고, 상기 발효 브로스 내의 아세트산의 농도는 10g/L 미만으로 유지된다.
특정 예에서, 상기 생성물 고갈 스트림의 온도는 상기 생성물 고갈 스트림이 상기 생물 반응기로 보내지기 전에 냉각될 필요가 있도록 상승된다. 상기 스트림의 온도는 상기 미생물의 생존능에 직접적인 영향을 미칠 수 있다. 예를 들어, 온도가 높으면 미생물 생존능이 감소할 수 있다. 온도 상승의 부정적 영향을 피하기 위해, 상기 생성물 고갈 스트림은 상기 생물 반응기로 보내지기 전에 임의의 적합한 냉각 수단으로 냉각될 수 있다. 바람직하게는, 상기 생성물 고갈 스트림의 온도는 상기 생물 반응기로 복귀되기 전에 35℃ 내지 40℃로 냉각된다. 바람직하게는, 상기 발효 브로스 및 상기 생성물 고갈 스트림은 생존능에 악영향을 미치지 않도록 45℃ 미만으로 유지된다. 일 구현예에서, 악영향을 미치지 않기 위해, 상기 온도는 37℃ 내지 45℃이다. 특정 예에서, 상기 온도는 사용되는 미생물에 의해 결정된다. 미생물 생존능에 대한 온도의 영향은 체류 시간이 길수록 증가할 수 있다. 예를 들어, 온도가 최적을 초과하는 경우, 체류 시간이 길수록 상기 미생물의 생존능이 감소할 수 있다.
특정 예에서, 상기 발효 브로스는 가스의 부분을 함유할 수 있다. 상기 발효 브로스 내의 가스가 상기 진공 증류 용기의 성능에 부정적인 영향을 미치는 것이 입증되었다. 이러한 성능 저하는, 적어도 부분적으로, 상기 발효 브로스 내의 가스와 상기 진공 증류 용기 내의 거품 생성 간의 상관 관계에 기인할 수 있다. 상기 발효 브로스 내의 가스의 비율을 감소시키기 위해 탈기 용기가 사용될 수 있다. 탈기 용기를 사용하는 경우, 상기 발효 브로스를 수용하기 위한 상기 주입구는 배관 수단에 의해 상기 탈기 용기에 연결될 수 있다. 상기 탈기 용기는, 상기 발효 브로스가 상기 진공 증류 용기로 전달되기 전에 상기 발효 브로스로부터의 가스의 적어도 일부를 제거하는 조건 하에, 작동된다.
특정 예에서, 상기 탈기 용기는 압력 하에 작동된다. 특정 예에서, 상기 탈기 용기는 상기 생물 반응기의 작동 압력보다 낮은 임의의 압력에서 작동된다. 바람직하게는, 상기 탈기 용기는 0.0 bar(g) 내지 1.0 bar(g)의 압력에서 작동된다. 일 구현예에서, 상기 탈기 용기는 0.0 bar(g) 내지 0.5 bar(g)의 압력에서 작동된다. 바람직하게는, 상기 탈기 용기는 상기 발효 브로스로부터 실질적으로 모든 가스를 제거한다. 특정 구현예에서, 상기 탈기 용기는 발효 브로스 내의 가스의 0 내지 100%를 제거한다. 특정 예에서, 상기 탈기 용기는 상기 발효 브로스로부터 가스의 20% 초과, 40% 초과, 60% 초과, 또는 80% 초과를 제거한다. 특정 예에서, 상기 탈기 용기는 상기 발효 브로스로부터 적어도 일부의 이산화탄소를 제거한다. 특정 예에서, 상기 탈기 용기는 상기 발효 브로스로부터 이산화탄소의 적어도 20%, 또는 적어도 40%, 또는 적어도 60%, 또는 적어도 80%를 제거한다.
상기 진공 증류 용기는 리보일러(reboiler)로부터 증기 스트림을 수용할 수 있다. 리보일러로부터 증기 스트림을 수용하도록 설계되는 경우, 상기 진공 증류 용기의 외부 케이싱은 상기 증기 스트림을 수용하기 위한 주입구를 추가로 정의할 수 있다. 상기 증기 스트림은 상기 진공 증류 용기의 액체로부터 생성될 수 있다. 상기 진공 증류 용기의 액체를 이용하는 경우, 상기 액체는 상기 진공 증류 용기의 케이싱 내의 배출구를 통해 이송될 수 있다. 상기 증기 스트림을 상기 진공 증류 용기로 효과적으로 전달하기 위해, 상기 증기 스트림을 수용하기 위한 상기 주입구는 상기 하부 트레이에 비해 아래에 위치될 수 있고, 상기 액체 스트림을 이송하기 위한 상기 배출구는 상기 증기 스트림을 수용하기 위한 상기 주입구에 비해 아래에 위치될 수 있다.
바람직하게는, 상기 액체 스트림은 실질적으로 물과 미량의 미생물 바이오매스로 구성된다. 상기 진공 증류 용기는 독자 생존 가능한 미생물 바이오매스를 상기 생물 반응기로 다시 이송하도록 설계된다. 상기 독자 생존 가능한 미생물 바이오매스는 상기 생성물 고갈 스트림에 함유되어 있다. 상기 진공 증류 용기는 상기 생성물 고갈 스트림을 이송하기 위한 상기 배출구를 통해 상기 생물 반응기로 상기 생성물 고갈 스트림을 이송한다. 상기 생성물 고갈 스트림을 이송하기 위한 상기 배출구는 상기 하부 트레이 위에 위치된다. 미생물 바이오매스를 함유하는 발효 브로스가 이러한 하부 트레이를 통과할 수 있다. 이어서, 통과하는 이러한 발효 브로스는 상기 진공 증류 용기 바닥의 액체와 혼합될 수 있다. 바람직하게는, 최소량의 미생물 바이오매스만이 상기 진공 증류 용기의 바닥의 액체로 도달한다. 바람직하게는, 상기 미생물 바이오매스를 함유하는 상기 발효 브로스는, 시간당 0.042 반응기 부피 미만으로 상기 하부 트레이를 통과한다. 특정 예에서, 상기 미생물 바이오매스를 함유하는 상기 발효 브로스는, 시간당 0.002 내지 0.042 반응기 부피로 상기 하부 트레이를 통과한다. 다양한 구현예에서, 상기 미생물 바이오매스를 함유하는 상기 발효 브로스는, 시간당 0.042 미만, 0.037 미만, 0.032 미만, 0.027 미만, 0.022 미만, 0.017 미만, 0.012 미만, 0.007 미만의 반응기 부피로 상기 하부 트레이를 통과한다. 미생물 바이오매스를 함유하는 발효 브로스의 성분들을 포함한, 이러한 액체는 상기 리보일러로 보내져 상기 증기 스트림을 생성한다.
상기 진공 증류 용기는 하나 이상의 추가 트레이를 상기 하부 트레이 아래에 포함할 수 있다. 상기 하나 이상의 추가 트레이는 추가적인 생성물 제거를 제공할 수 있다. 하나 이상의 추가 트레이를 포함하는 경우, 상기 하부 트레이를 통과하는 발효 브로스는 상기 하나 이상의 추가 트레이로 보내지고, 이 곳에서 추가적인 양의 생성물이 회수될 수 있다. 상기 하나 이상의 추가 트레이를 통과한 후, 상기 발효 브로스는 상기 진공 증류 용기의 바닥의 액체와 혼합된다. 미생물 바이오매스를 함유하는 발효 브로스의 성분들을 포함한, 이러한 액체는 상기 리보일러로 보내져 상기 증기 스트림을 생성한다.
상기 진공 증류 용기는 복수의 격실로 분리될 수 있다. 바람직하게는, 상기 진공 증류 용기가 복수의 격실로 분리되는 경우, 각 격실 내의 발효 브로스는 하나의 격실로부터의 발효 브로스가 다른 격실로부터의 발효 브로스와 혼합되지 않도록 함유된다. 이러한 분리는 임의의 적합한 수단을 통해 달성될 수 있다. 특정 예에서, 상기 발효 브로스는 복수의 생물 반응기로부터 공급될 수 있다. 상기 발효 브로스로부터의 생성물 고갈 스트림은 상기 발효 브로스가 유래된 생물 반응기로 다시 보내질 수 있다. 상기 복수의 격실 사이의 혼합을 방지함으로써, 단일 진공 증류 용기를 사용하여 복수의 생물 반응기로부터의 생성물을 효과적으로 회수할 수 있다.
바람직하게는, 상기 발효 브로스를 제공하는 생물 반응기는 C1-함유 기질의 발효에 사용된다. 상기 발효 공정에 사용되는 이러한 C1-함유 기질은 하나 이상의 산업 공정으로부터 공급될 수 있다. 바람직하게는, 상기 산업 공정은 탄수화물 발효, 가스 발효, 시멘트 제조, 펄프 및 종이 제조, 제강, 정유 및 관련 공정, 석유 화학 생산, 코크스 생산, 혐기성 또는 호기성 소화, 합성 가스(액체 폐기물 스트림, 고형 폐기물 스트림, 시립 스트림, 및 천연 가스, 석탄 및 석유를 포함한 화석 자원을 포함하지만 이에 제한되지 않는 공급원에서 유래함), 천연 가스 추출, 석유 추출, 알루미늄, 구리 및/또는 합금철의 생산 및/또는 제련용 야금 공정, 지질 저장조 및 촉매 공정(증기 메탄 개질, 증기 나프타 개질, 석유 코크스 기화, 촉매 재생 - 유체 촉매 크래킹, 촉매 재생-나프타 개질 및 건조 메탄 개질을 포함하지만 이에 제한되지 않는 증기 공급원에서 유래함)을 포함하는 군으로부터 선택된다.
본 발명은 진공 증류 용기를 이용하여 상기 발효 브로스로부터 적어도 하나의 생성물을 제거하는 방법을 제공하며, 상기 방법은 (a) 독자 생존 가능한 미생물 바이오매스 및 적어도 하나의 생성물을 포함하는 발효 브로스를 생물 반응기로부터 진공 증류 용기로 통과시키는 단계; (b) 상기 발효 브로스를 부분적으로 증발시켜 생성물 농후 스트림, 및 독자 생존 가능한 미생물 바이오매스를 포함하는 생성물 고갈 스트림을 생성하는 단계; 및 (c) 상기 생성물 고갈 스트림을 상기 생물 반응기로 되돌려 보내는 단계를 포함한다. 본 발명은, 상기 미생물 바이오매스가 상기 생물 반응기로 보내질 때 C1-함유 기질의 발효에 이용되도록, 상기 발효 브로스 내의 미생물 바이오매스의 생존능이 보장되는 방식으로 설계될 수 있다.
바람직하게는, 상기 발효 브로스 내의 가스가 모니터되고 제어된다. 상기 발효 브로스 내의 가스는 상기 진공 증류 용기의 성능을 저하시킬 수 있다. 상기 발효 브로스 내의 가스를 제어하기 위해 탈기 단계가 필요할 수 있다. 상기 발효 브로스가 허용가능한 비율 초과의 가스를 함유하는 경우, 발효 브로스는 탈기 수단에 보내지고, 이후 탈기된 발효 브로스는 상기 진공 증류 용기로 보내진다.
상기 탈기 단계는 발생 가스 스트림이 상기 발효 브로스로부터 분리되어 탈기된 발효 브로스를 생성하도록 완료될 수 있다. 이어서, 상기 탈기된 발효 브로스는 상기 진공 증류 용기에 의해 부분적으로 증발되어 상기 생성물 농후 스트림 및 상기 생성물 고갈 스트림을 생성할 수 있다.
상기 발생 가스 스트림을 형성하는 가스의 부분은 생성물의 부분을 함유할 수 있다. 가스 제거를 통한 생성물 손실을 방지하기 위해, 상기 발생 가스 스트림은 후속 처리로 보내질 수 있다. 특정 예에서, 상기 발생 가스 스트림은 적어도 하나의 생성물을 회수하기 위해 워터 스크러버(water scrubber)로 보내진다. 특정 예에서, 상기 발생 가스 스트림은 상기 생물 반응기로 보내질 수 있다.
상기 방법은 케이싱 내에 위치된 분리 섹션을 포함하는 진공 증류 용기를 이용할 수 있다. 바람직하게는, 상기 케이싱 내에 위치된 분리 섹션은 위로는 상부 트레이에 의해 그리고 아래로는 하부 트레이에 의해 구속된다. 상기 분리 섹션은 복수의 이론적 증류 단계를 제공할 수 있다.
처리되는 발효 브로스는 임의의 적합한 미생물을 함유할 수 있다. 예를 들어, 상기 미생물은 대장균(Escherichia coli), 사카로마이세스 세레비지애(Saccharomyces cerevisiae), 클로스트리듐 아세토부틸리쿰(Clostridium acetobutylicum), 클로스트리듐 베이예린키이(Clostridium beijerinckii), 클로스트리듐 사카르부티리쿰(Clostridium saccharbutyricum), 클로스트리듐 사카로퍼부틸아세토니쿰(Clostridium saccharoperbutylacetonicum), 클로스트리듐 부티리쿰(Clostridium butyricum), 클로스트리듐 디올리스(Clostridium diolis), 클로스트리듐 클루이베리(Clostridium kluyveri), 클로스트리듐 파스테우리아눔(Clostridium pasterianium), 클로스트리듐 노비(Clostridium novyi), 클로스트리듐 디피실(Clostridium difficile), 클로스트리듐 써모셀럼(Clostridium thermocellum), 클로스트리듐 셀룰로라이티쿰(Clostridium cellulolyticum), 클로스트리듐 셀룰로보란스(Clostridium cellulovorans), 클로스트리듐 파이토퍼멘탄스(Clostridium phytofermentans), 락토코코스 락티스(Lactococcus lactis), 바실러스 서브틸리스(Bacillus subtilis), 바실러스 리체니포르미스(Bacillus licheniformis), 자이모나스 모빌리스(Zymomonas mobilis), 클렙시엘라 옥시토카(Klebsiella oxytoca), 클렙시엘라 뉴모니아(Klebsiella pneumonia), 코리네박테리움 글루타미쿰(Corynebacterium glutamicum), 트리코더마 레세이(Trichoderma reesei), 쿠프리아비두스 네카토르(Cupriavidus necator), 슈도모나스 푸티다(Pseudomonas putida), 락토바실러스 플란타륨(Lactobacillus plantarum), 및 메틸로박테리움 엑스토쿠엔스(Methylobacterium extorquens)를 포함하는 군으로부터 선택될 수 있다. 특정 예에서, 상기 미생물은 아세토박테리움 우디(Acetobacterium woodii), 알칼리바쿨룸 박키(Alkalibaculum bacchii), 블라우티아 프로덕타(Blautia producta), 뷰티리박테리움 메틸로트로피쿰(Butyribacterium methylotrophicum), 클로스트리듐 아세티쿰(Clostridium aceticum), 클로스트리듐 오토에타노게눔(Clostridium autoethanogenum), 클로스트리듐 카복시디보란스(Clostridium carboxidivorans), 클로스트리듐 코스카티(Clostridium coskatii), 클로스트리듐 드라케이(Clostridium drakei), 클로스트리듐 포르미코아세티쿰(Clostridium formicoaceticum), 클로스트리듐 융달리(Clostridium ljungdahlii), 클로스트리듐 마그눔(Clostridium magnum), 클로스트리듐 라그스달레이(Clostridium ragsdalei), 클로스트리듐 스카톨로게네스(Clostridium scatologenes), 유박테리움 리모숨(Eubacterium limosum), 무렐라 써마우토트로피카(Moorella thermautrophica), 무렐라 써모아세티카(Moorella thermoacetica), 옥소박터 프펜니기(Oxobacter pfennigii), 스포로무사 오바타(Sporomusa ovata), 스포로무사 실바세티카(Sporomusa silvacetica), 스포로무사 스파에로이데스(Sporomusa sphaeroides), 및 써모아나에로박터 키우비(Thermoanaerobacter kiuvi)를 포함하는 군에서 선택된 C1-고정 박테리아일 수 있다. 바람직하게는 상기 미생물은 클로스트리듐(Clostridium) 속에 속한다. 특정 예에서, 상기 미생물은 클로스트리듐 오토에타노게눔(Clostridium autoethanogenum)이다.
상기 미생물은 다양한 상이한 생성물을 생성할 수 있다. 바람직하게는, 상기 미생물에 의해 생성된 하나 이상의 생성물은 저비점 발효 생성물이다. 특정 예에서, 생성물은 에탄올, 아세톤, 이소프로판올, 부탄올, 케톤, 메틸 에틸 케톤, 아세톤, 2-부탄올, 1-프로판올, 메틸 아세테이트, 에틸 아세테이트, 부탄온, 1,3-부타디엔, 이소프렌 및 이소부텐으로 구성된 군으로부터 선택된다. 특정 예에서, 상기 방법은 생산되는 생성물에 기초하여 최적화된다. 특정 예에서, 상기 생물 반응기에서 생성된 생성물은 에탄올이다. 바람직하게는, 상기 방법은 에탄올이 상기 발효 브로스로부터 효과적으로 제거될 수 있도록 최적화된다. 특정 예에서, 상기 미생물은 적어도 하나의 부산물을 생성한다. 일 구현예에서, 상기 적어도 하나의 부산물은 아세트산, 락트산 및 2,3-부탄디올로 구성된 군으로부터 선택된다.
도 1은 본 발명의 일 양태에 따른 진공 증류 용기, 탈기 용기 및 리보일러를 도시하는 개략적인 흐름도이다.
도 2은 본 발명의 일 양태에 따른 진공 증류 용기, 탈기 용기 및 리보일러를 도시하는 개략적인 흐름도이며, 여기서 상기 진공 증류 용기는 상기 하부 트레이 아래에 하나 이상의 추가 트레이를 포함한다.
도 3은 본 발명의 일 양태에 따른 배치(batch) 발효 운전의 대사 산물 프로파일을 도시하는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 양태에 따른, 도 3에 도시된 대사 산물 프로파일에 상응하는 배치 발효 운전의 가스 흡수를 도시하는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 양태에 따라, 특정 구성의 생물 반응기로부터 상기 진공 증류 용기를 통과하는 미생물의 생존능을 도시하는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 양태에 따라, 도 5에 도시된 바와 상이한 구성의 생물 반응기로부터 상기 진공 증류 용기를 통과하는 미생물의 생존능을 도시하는 그래프이다.
도 2은 본 발명의 일 양태에 따른 진공 증류 용기, 탈기 용기 및 리보일러를 도시하는 개략적인 흐름도이며, 여기서 상기 진공 증류 용기는 상기 하부 트레이 아래에 하나 이상의 추가 트레이를 포함한다.
도 3은 본 발명의 일 양태에 따른 배치(batch) 발효 운전의 대사 산물 프로파일을 도시하는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 양태에 따른, 도 3에 도시된 대사 산물 프로파일에 상응하는 배치 발효 운전의 가스 흡수를 도시하는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 양태에 따라, 특정 구성의 생물 반응기로부터 상기 진공 증류 용기를 통과하는 미생물의 생존능을 도시하는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 양태에 따라, 도 5에 도시된 바와 상이한 구성의 생물 반응기로부터 상기 진공 증류 용기를 통과하는 미생물의 생존능을 도시하는 그래프이다.
본 발명자들은, 특별히 설계된 진공 증류 용기를 사용함으로써, 미생물 바이오매스의 생존능을 보장하면서, 에탄올과 같은 적어도 하나의 생성물이 독자 생존 가능한 미생물 바이오매스를 함유하는 발효 브로스로부터 효과적으로 회수될 수 있음을 확인하였다.
정의
용어 "진공 증류 용기"는 진공 하에 증류를 수행하기 위한 장치를 포함하며, 여기서 증류되는 액체는 그의 비점을 감소시키기 위해 저압으로 밀폐된다. 바람직하게는, 상기 진공 증류 용기는 분리 매질을 둘러싸는 케이싱을 포함한다. 바람직하게, 상기 증류되는 액체는 독자 생존 가능한 미생물 바이오매스 및 적어도 하나의 생성물을 포함하는 발효 브로스이다. 이러한 발효 브로스는 생물 반응기로부터 공급될 수 있다. 상기 생물 반응기는 C1-함유 기질의 발효에 사용될 수 있다.
"케이싱(casing)"은 상기 분리 매질을 보호하거나 둘러싸는 커버 또는 쉘을 의미한다. 바람직하게는, 상기 케이싱은 액체 및/또는 가스를 이송하기 위한 다수의 주입구 및 배출구를 포함한다. 상기 케이싱은 발효 브로스를 수용하기 위한 적어도 하나의 주입구, 생성물 농후 스트림을 이송하기 위한 적어도 하나의 배출구 및 생성물 고갈 스트림을 이송하기 위한 적어도 하나의 배출구를 포함해야 한다.
"분리 매질"은 진공 증류탑의 효율을 증가시키는, 증기-액체 접촉을 위한 넓은 표면적을 제공할 수 있는 임의의 적합한 매질을 기재하기 위해 사용된다. 이러한 분리 매질은 복수의 이론적 증류 단계를 제공하도록 설계된다. 적어도 하나의 구현예에서, 상기 분리 매질은 일련의 증류 트레이들이다.
"증류 트레이들"또는 "증류 플레이트들" 등은 증기-액체 접촉을 촉진시키는 데 사용되는 플레이트들 및/또는 트레이들을 포함하는 것으로 의도된다. 트레이 유형에는 시브(sieve), 밸브 및 기포 캡(bubble cap)이 포함된다. 증기가 통과하는 홀들(holes)을 포함하는 시브 트레이는 낮은 비용으로 높은 효율을 제공하는 고용량 환경에서 사용된다. 개폐 밸브들과 홀들을 포함하는 밸브 트레이는 덜 비싸기는 하지만 물질의 누적으로 인한 파울링이 발생하는 경향이 있다. 버블 캡 트레이는 캡들을 포함하며, 상기 3가지의 트레이 중 가장 진보되고 고가이며, 일부 액체 유속 환경에서 매우 효과적이다.
바람직하게는, "상부 트레이"는 상기 발효 브로스가 상기 분리 매질로 하방으로 분배될 수 있게 하는 임의의 적합한 경계이다.
바람직하게는, "하부 트레이"는 상기 케이싱 내의 배출구를 통해 상기 생성물 고갈 스트림의 이송을 수행하기 위한 임의의 적합한 경계이다.
"이론적 증류 단계"는 물질의 액상 및 기상과 같은 2개의 상이 서로 평형을 이루는 가상적인 영역이다. 많은 분리 공정의 성능은 일련의 이론적 증류 단계를 갖는 것에 의해 결정된다. 진공 증류 용기와 같은 분리 장치의 성능은 증가된 수의 단계를 제공함으로써 향상될 수 있다. 바람직하게는, 상기 분리 매질은 적어도 하나의 생성물을 상기 발효 브로스로부터 효과적으로 제거하기에 충분한 개수의 이론적 증류 단계를 포함한다. 바람직하게는, 상기 분리 매질은 복수의 이론적 증류 단계를 포함한다.
용어 "발효 브로스(fermentation broth)" 또는 "브로스(broth)"은 영양 배지, 하나 이상의 미생물의 배양물 및 하나 이상의 생성물을 포함한 성분들의 혼합물을 포함하는 것으로 의도된다. 용어 미생물과 용어 박테리아가 본 문서 전체에서 상호 교환적으로 사용된다는 점에 유의해야 한다.
"영양 배지"는 박테리아 성장 배지를 기재하기 위해 사용된다. 일반적으로, 이 용어는 미생물 배양물의 성장에 적합한 영양소 및 기타 성분을 함유하는 배지를 의미한다. 용어 "영양"은 미생물의 대사 경로에 사용될 수 있는 임의의 물질을 포함한다. 예시적인 영양소에는 칼륨, 비타민 B, 미량 금속 및 아미노산이 포함된다.
바람직하게는, 상기 발효 브로스는 "생물 반응기"로부터 상기 진공 증류 용기로 보내진다. 용어 "생물 반응기"는 하나 이상의 용기 및/또는 탑 또는 배관 장치로 구성된 발효 장치를 포함하며, 연속 교반 탱크 반응기(Continuous Stirred Tank Reactor)(CSTR), 고정 세포 재순환 반응기(Immobilized Cell Recycles)(ICR), 살수층 반응기(Trickle Bed Reactor)(TBR), 버블 컬럼(Bubble Column), 가스 리프트 발효조(Gas Lift Fermenter), 정적 혼합기(Static Mixer), 순환 루프 반응기, 막 반응기, 예를 들어, 중공 섬유 막 반응기(Hollow Fibre Membrane Bioreactor)(HFM BR), 또는 가스-액체 접촉에 적합한 다른 용기 또는 다른 장치를 포함한다. 상기 반응기는 바람직하게는 CO 또는 CO2 또는 H2 또는 이들의 혼합물을 포함하는 가스 기질을 수용하도록 조정된다. 상기 반응기는 복수의 반응기들(단들(stage))을 병렬 또는 직렬로 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 반응기는 상기 박테리아가 배양되는 제1 성장 반응기, 및 상기 성장 반응기로부터의 발효 브로스가 공급될 수 있고 발효 생성물의 대부분이 생성될 수 있는 제2 발효 반응기를 포함할 수 있다.
"일산화탄소를 포함하는 가스 기질"은 일산화탄소를 함유하는 임의의 가스를 포함한다. 상기 가스 기질은 전형적으로 상당한 비율의 CO, 바람직하게는 적어도 약 5 부피% 내지 약 100 부피%의 CO를 함유한다.
상기 기재가 임의의 수소를 포함할 필요는 없는 반면, H2의 존재가 본 발명의 방법에 따른 생성물의 형성에 유해하지 않아야 한다. 특정 구현예에서, 수소의 존재는 알코올 생성 효율을 전반적으로 개선한다. 예를 들어, 특정 구현예에서, 상기 기질은 약 2:1, 또는 1:1, 또는 1:2 비율의 H2:CO를 포함한다. 일 구현예에서, 상기 기질은 약 30 부피% 이하의 H2, 약 20 부피% 이하의 H2, 약 15 부피% 이하의 H2, 약 10 부피% 이하의 H2를 포함한다. 다른 구현예에서, 상기 기질 스트림은 낮은 농도, 예를 들어, 5% 미만, 또는 4% 미만, 또는 3% 미만, 또는 2% 미만, 또는 1% 미만의 H2를 포함하거나 실질적으로 수소를 포함하지 않는다. 상기 기질은 또한 약간의 CO2, 예를 들어, 약 1부피% 내지 약 80 부피%의 CO2, 또는 약 1부피% 내지 약 30 부피%의 CO2를 포함할 수 있다. 일 구현예에서, 상기 기질은 약 20 부피% 이하의 CO2를 포함한다. 특정 구현예에서, 상기 기질은 약 15 부피% 이하의 CO2, 약 10 부피% 이하의 CO2, 또는 약 5 부피% 이하의 CO2를 포함하거나, 또는 실질적으로 CO2를 포함하지 않는다.
생물 반응기와 함께 진공 증류 용기를 사용하면 상기 발효 공정의 효율을 높일 수 있다. 발효 과정과 관련하여 사용되는 경우, 용어 "효율의 증가", "증가된 효율" 등은 발효를 촉매하는 미생물의 성장 속도, 증가된 생성물 농도에서의 성장 및/또는 생성물 생성 속도, 소비된 기질의 부피당 생성된 목적 생성물의 부피, 목적 생성물의 생성 속도 또는 생성 수준, 및 발효의 다른 부산물에 대비한 생성된 목적 생성물의 상대적인 비율 중 하나 이상을 증가시키는 것을 포함하나, 이에 제한되는 것은 아니다.
문맥상 달리 요구하지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 문구 "발효", "발효 공정" 또는 "발효 반응" 등은 상기 미생물의 성장 단계 및 생성물 생합성 단계 모두를 포함하는 것으로 의도된다.
발효 공정은 "배치(batch)" 또는 "연속"으로 기술될 수 있다. "배치 발효"는 생물 반응기가 미생물과 함께 원료, 즉, 탄소 공급원으로 채워지며 발효가 완료될 때까지 생성물이 상기 생물 반응기에 남아있는 발효 공정을 기재하기 위해 사용된다. "배치" 공정에서는, 발효가 완료된 후 생성물이 추출되고, 다음 "배치"가 시작되기 전에 생물 반응기가 세척된다. "연속 발효"는 발효 공정이 더 오랜 시간 동안 연장되고 발효 중에 생성물 및/또는 대사 산물이 추출되는 발효 공정을 기재하기 위해 사용된다. 바람직하게는, 상기 진공 증류 용기는 "연속 발효"공정으로부터 생성물을 제거한다.
"미생물"은 미생물, 특히 박테리아, 고세균, 바이러스 또는 곰팡이이다. 본 발명의 미생물은 전형적으로 박테리아이다. 본 명세서에 사용된 용어 "미생물"은 "박테리아"를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
"생존능" 또는 "상기 미생물 바이오매스의 생존능" 등은 살아 있으며, 생존할 수 있고, 성장할 수 있고, 번식할 수 있는 미생물 대 그렇지 않은 미생물의 비를 의미한다. 예를 들어, 진공 증류 용기 내의 독자 생존 가능한 미생물 바이오매스는 상기 진공 증류 용기 내의 생존/사멸 미생물의 비를 의미할 수 있다. 본 발명은 상기 미생물 바이오매스의 생존능이 최소 생존능에서 유지되도록 설계될 수 있다. 적어도 하나의 구현예에서, 상기 미생물 바이오매스의 생존능은 적어도 약 85%이다. 적어도 하나의 구현예에서, 상기 독자 생존 가능한 미생물 바이오매스는 상기 진공 증류 용기로부터 상기 생물 반응기로 복귀된다.
"생성물의 유효 회수 속도" 등은 생성물 누적과 관련된 독성 및/또는 억제 효과를 방지하거나 또는 적어도 완화시키기 위해 상기 발효 브로스로부터 생성물이 회수될 수 있는 속도를 의미한다. 본 발명은 생성물의 유효 회수 속도가, 상기 미생물 바이오매스의 생존능이 원하는 임계치 초과로 유지되게 하도록 설계될 수 있다. 본 발명은 상기 브로스 내의 생성물 농도의 수준이 원하는 임계치 미만으로 유지되도록 설계될 수 있다. 예를 들어, 본 발명은 상기 발효 브로스 내의 에탄올 농도가 40g/L 미만으로 유지되도록 설계될 수 있다. 특정 예에서, 상기 발효 브로스 내의 에탄올 농도는 25 내지 35g/L로 유지된다. 특정 예에서, 상기 발효 브로스 내의 에탄올 농도는 30g/L 미만, 35g/L 미만 또는 38g/L 미만이다. 바람직하게는, 상기 발효 브로스 내의 에탄올 농도는 상기 미생물의 억제를 초래할 수 있는 농도보다 낮다. 특정 예에서, 상기 억제는 사용되는 미생물 및 생성되는 생성물에 의해 결정될 수 있다.
상기 진공 증류 용기는 상기 생성물 고갈 스트림이 상기 생물 반응기로 보내지기 전에 상기 생성물 고갈 스트림을 "냉각 수단"으로 보낼 수 있다. 용어 "냉각 수단"은 상기 생성물 고갈 스트림의 온도를 감소시킬 수 있는 임의의 적합한 장치 또는 공정을 의미할 수 있다.
생물 반응기 내의 미생물은 자연 발생 미생물로부터 변형될 수 있다. "모체 미생물"은 본 발명의 미생물을 생성시키는데 사용되는 미생물이다. 상기 모체 미생물은 자연 발생 미생물(즉, 야생형 미생물) 또는 이전에 변형된 미생물(즉, 돌연변이 또는 재조합 미생물)일 수 있다. 본 발명의 미생물은 모체 미생물에서 발현되지 않거나 과발현되지 않은 하나 이상의 효소를 발현 또는 과발현하도록 변형될 수 있다. 유사하게, 본 발명의 미생물은 모체 미생물에 포함되지 않은 하나 이상의 유전자를 포함하도록 변형될 수 있다. 본 발명의 미생물은 또한 모체 미생물에서 발현된 하나 이상의 효소를 발현하지 않거나 보다 적은 양으로 발현하도록 변형될 수 있다. 일 구현예에서, 상기 모체 미생물은 클로스트리듐 오토에타노게눔, 클로스트리듐 융달리, 또는 클로스트리듐 라그스달레이이다. 바람직한 구현예에서, 상기 모체 미생물은 클로스트리듐 오토에타노게눔 LZ1561이며, 이는 부다페스트 조약의 조건에 따라 2010년 6월 7일자로 Inhoffenstraβ 7B, D-38124 Braunschwieg, Germany에 위치한 Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen GmbH(DSMZ)에 기탁되었고 수탁 번호 DSM23693을 부여받았다. 이러한 균주는 WO 2012/015317로 공개된 국제 특허 출원 제PCT/NZ2011/000144호에 기재되어 있다.
"우드-융달(Wood-Ljungdahl)"은 문헌 [Ragsdale, Biochim Biophys Acta, 1784: 1873-1898, 2008]에 기술된 바와 같은 탄소 고정의 우드-융달 경로를 의미한다. "우드-융달 미생물"은, 예상대로, 우드-융달 경로를 포함하는 미생물을 의미한다. 일반적으로, 본 발명의 미생물은 천연 우드-융달 경로를 포함한다. 본 명세서에서, 우드-융달 경로는 천연의 변형되지 않은 우드-융달 경로일 수 있거나, 또는, CO, CO2, 및/또는 H2를 아세틸-CoA로 전환하는 작용을 하는 한, 어느 정도의 유전적 변형(즉, 과발현, 이종 발현, 녹아웃(knockout) 등)을 갖는 우드-융달 경로일 수 있다.
"C1"은 단일-탄소 분자, 예를 들어, CO, CO2, CH4, 또는 CH3OH를 의미한다. "C1-옥시게네이트(C1-oxygenate)"는 적어도 하나의 산소 원자를 또한 포함하는 단일-탄소 분자, 예를 들어, CO, CO2, 또는 CH3OH를 의미한다. "C1-탄소 공급원"은 본 발명의 미생물에 대한 부분적 또는 유일한 탄소 공급원으로서 작용하는 단일-탄소 분자를 의미한다. 예를 들어, C1-탄소 공급원은 하나 이상의CO, CO2, CH4, CH3OH, 또는 CH2O2를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 상기 C1-탄소 공급원은 CO 및 CO2 중 하나 또는 모두를 포함한다. "C1-고정 미생물"은 C1-탄소 공급원으로부터 하나 이상의 생성물을 생성할 수 있는 능력을 갖는 미생물이다. 전형적으로, 본 발명의 미생물은 C1-고정 박테리아이다.
"혐기성 생물"은 성장을 위해 산소를 필요로 하지 않는 미생물이다. 혐기성 생물은 산소가 특정 임계치 초과로 존재하면 부정적으로 반응하거나 심지어 사멸할 수도 있다. 그러나 일부 혐기성 생물은 낮은 수준의 산소(즉, 0.000001 내지 5%의 산소)를 견딜 수 있다. 전형적으로, 본 발명의 미생물은 혐기성 생물이다.
"아세토젠(Acetogen)"은 에너지 보존과 아세틸-CoA 및 아세틸-CoA-유래 생성물, 예를 들어, 아세테이트의 합성을 위한 주요 기작으로 우드-융달 경로를 사용하는 혐기성 박테리아이다(Ragsdale, Biochim Biophys Acta, 1784: 1873-1898, 2008). 특히, 아세토젠은, (1) CO2로부터 아세틸-CoA의 환원 합성을 위한 기작, (2) 말단 전자-수용, 에너지 보존 과정, (3) 세포 탄소의 합성에서의 CO2 고정(동화)을 위한 기작으로서 우드-융달 경로를 사용한다(Drake, Acetogenic Prokaryotes, In: The Prokaryotes, 3rd edition, p. 354, New York, NY, 2006). 모든 자연 발생 아세토젠은 C1-고정, 혐기성, 독립 영양성 및 비-메탄영양요구성이다. 전형적으로, 본 발명의 미생물은 아세토젠이다.
"에탄올로젠(ethanologen)"은 에탄올을 생성하거나 생성할 수 있는 미생물이다. 전형적으로, 본 발명의 미생물은 에탄올로젠이다.
"독립 영양체(autotroph)"는 유기 탄소의 부재 하에 성장할 수 있는 미생물이다. 대신, 독립 영양체는 무기 탄소 공급원, 예를 들어, CO 및/또는 CO2를 사용한다. 전형적으로, 본 발명의 미생물은 독립 영양체이다.
"일산화탄소 영양체(carboxydotroph)"는 CO를 탄소 및 에너지의 유일한 공급원으로서 사용할 수 있는 미생물이다. 전형적으로, 본 발명의 미생물은 일산화탄소 영양체이다.
"메탄자화균(methanotroph)"은 메탄을 탄소 및 에너지의 유일한 공급원으로서 사용할 수 있는 미생물이다. 특정 구현예에서, 본 발명의 미생물은 메탄자화균이거나 또는 메탄자화균에서 유래된다. 다른 구현예에서, 본 발명의 미생물은 메탄자화균이 아니거나 또는 메탄자화균에서 유래되지 않는다.
"기질"은 본 발명의 미생물에 대한 탄소 및/또는 에너지 공급원을 의미한다. 전형적으로, 상기 기질은 가스이며, C1-탄소 공급원, 예를 들어, CO, CO2, 및/또는 CH4를 포함한다. 바람직하게는, 상기 기질은 CO 또는 CO+CO2의 C1-탄소 공급원을 포함한다. 상기 기질은 H2, N2 또는 전자와 같은 다른 비탄소 성분을 추가로 포함할 수 있다.
용어 "공동 기질(co-substrate)"은, 반드시 생성물 합성을 위한 주요 에너지 및 물질 공급원은 아니지만 주요 기재와 같은 다른 기재에 첨가되는 경우 생성물 합성에 이용될 수 있는 물질을 의미한다.
상기 기질은 전형적으로 가스이지만, 상기 기질은 대안적인 형태로 제공될 수도 있다. 예를 들면, 상기 기질은 마이크로버블 분산 발생기(microbubble dispersion generator)를 사용하여 CO-함유 가스로 포화된 액체에 용해될 수 있다. 추가적인 예로서, 상기 기질은 고체 지지체 상에 흡착될 수 있다.
상기 기질 및/또는 C1-탄소 공급원은 산업 공정의 부산물로서, 또는 자동차 배기 가스 또는 바이오매스 기화와 같은 일부 다른 공급원으로부터, 수득된 폐가스일 수 있다. 특정 구현예에서, 상기 산업 공정은 탄수화물 발효로 인한 가스 배출, 가스 발효, 시멘트 제조로 인한 가스 배출, 펄프 및 종이 제조, 제강, 정유 및 관련 공정, 석유 화학 생산, 코크스 생산, 혐기성 또는 호기성 소화, 합성 가스(액체 폐기물 스트림, 고형 폐기물 스트림, 시립 스트림, 및 천연 가스, 석탄 및 석유를 포함한 화석 자원을 포함하지만 이에 제한되지 않는 공급원에서 유래함), 천연 가스 추출, 석유 추출, 알루미늄, 구리 및/또는 합금철의 생산 및/또는 제련용 야금 공정, 지질 저장조 및 촉매 공정(증기 메탄 개질, 증기 나프타 개질, 석유 코크스 기화, 촉매 재생 - 유체 촉매 크래킹, 촉매 재생-나프타 개질 및 건조 메탄 개질을 포함하지만 이에 제한되지 않는 증기 공급원에서 유래함)으로 구성된 군으로부터 선택된다. 이들 구현예에서, 상기 기질 및/또는 C1-탄소 공급원은 대기로 방출되기 전에 임의의 편리한 방법을 사용하여 상기 산업 공정으로부터 포획될 수 있다.
본 발명의 미생물은 하나 이상의 생성물을 생성하기 위해 상기 가스 스트림을 사용하여 배양될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 미생물은 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 및 WO 2016/094334), 락테이트(WO 2011/112103), 부텐(WO 2012/024522), 부타디엔(WO 2012/024522), 메틸 에틸 케톤(2-부탄온)(WO 2012/024522 및 WO 2013/185123), 에틸렌(WO 2012/026833), 아세톤(WO 2012/115527), 이소프로판올(WO 2012/115527), 지질(WO 2013/036147), 3-히드록시프로피오네이트(3-HP)(WO 2013/180581), 이소프렌을 포함한 테르펜(WO 2013/180584), 지방산(WO 2013/191567), 2-부탄올(WO 2013/185123), 1,2-프로판디올(WO 2014/036152), 1-프로판올(WO 2014/0369152), 코리스메이트-유도된 생성물(WO 2016/191625), 3-히드록시부티레이트(WO 2017/066498) 및 1,3-부탄디올(WO 2017/0066498)을 생성하거나, 이를 생성하도록 조작될 수 있다.
"천연 생성물"은 유전적으로 변형되지 않은 미생물에 의해 생산된 생성물이다. 예를 들어, 에탄올, 아세테이트, 및 2,3-부탄디올은 클로스트리듐 오토에타노게눔, 클로스트리듐 융달리 및 클로스트리듐 라그스달레이의 천연 생성물이다. "비천연 생성물"은 유전적으로 변형된 미생물에 의해 생성되며, 상기 유전적으로 변형된 미생물이 유래하는 유전적으로 변형되지 않은 미생물에 의해서는 생성되지 않는 생성물이다.
"선택성"은, 표적 생성물의 생산량 대 미생물에 의해 생산된 모든 발효 생성물의 생산량의 비를 의미한다. 본 발명의 미생물은 특정 선택성 또는 최소 선택성으로 생성물을 생성하도록 조작될 수 있다. 일 구현예에서, 표적 생성물은 본 발명의 미생물에 의해 생산된 모든 발효 생성물의 적어도 약 5%, 10%, 15%, 20%, 30%, 50%, 75%, 또는 95%를 차지한다. 일 구현예에서, 상기 표적 생성물은, 본 발명의 미생물이 상기 표적 생성물에 대해 적어도 10%의 선택성을 갖도록, 본 발명의 미생물에 의해 생성된 모든 발효 생성물의 적어도 10%를 차지한다. 다른 구현예에서, 상기 표적 생성물은, 본 발명의 미생물이 상기 표적 생성물에 대해 적어도 30%의 선택성을 갖도록, 본 발명의 미생물에 의해 생성된 모든 발효 생성물의 적어도 30%를 차지한다.
상기 진공 증류 용기는 하나 이상의 "저비점 발효 생성물"을 회수할 수 있다. "저비점 발효 생성물"은 휘발성 생성물이다. 이들 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.
상기 배양물은 일반적으로, 상기 미생물의 성장을 허용하기에 충분한 영양, 비타민 및/또는 미네랄을 함유하는 수성 배양 배지에서 유지된다. 바람직하게는, 상기 수성 배양 배지는 혐기성 미생물 성장 배지, 예를 들어, 최소 혐기성 미생물 성장 배지이다. 적합한 배지는 당업계에 널리 공지되어 있다.
상기 배양/발효는 표적 생성물의 생성을 위한 적절한 조건 하에서 실시하는 것이 바람직하다. 전형적으로, 상기 배양/발효는 혐기성 조건하에 수행된다. 고려해야 할 반응 조건은 압력(또는 분압), 온도, 가스 유속, 액체 유속, 배지 pH, 배지 산화 환원 전위, 교반 속도(연속 교반 탱크 반응기를 이용하는 경우), 접종 수준, 액상 내의 가스가 제한적이 되지 않도록 보장하기 위한 최대 가스 기질 농도, 및 생성물 억제를 회피하기 위한 최대 생성물 농도를 포함한다. 특히, 가스-제한된 조건 하에서 배양물에 의해 생성물이 소비될 수 있기 때문에, 상기 기질의 도입 속도는 액상 내의 가스 농도가 제한적이 되지 않도록 제어될 수 있다.
고압에서 생물 반응기를 작동시키면 기상으로부터 액상으로의 가스 질량 이동 속도가 증가한다. 따라서, 일반적으로, 대기압보다 높은 압력에서 배양/발효를 수행하는 것이 바람직하다. 또한, 특정 가스 전환율은 부분적으로 기질 체류 시간의 함수이고 체류 시간은 생물 반응기의 필요한 부피를 좌우하기 때문에, 가압 시스템의 사용은 생물 반응기의 필요한 부피 및 결국에는 배양/발효 장비의 자본 비용을 크게 감소시킬 수 있다. 이는, 결과적으로, 생물 반응기가 대기압 대신 고압으로 유지될 때, 생물 반응기 내의 액체 부피를 유입 가스 유량으로 나눈 값으로 정의된 체류 시간이 감소될 수 있다는 것을 의미한다. 최적 반응 조건은 사용된 특정 미생물에 의해 부분적으로 결정된다. 그러나, 일반적으로, 대기압보다 높은 압력에서 발효를 수행하는 것이 바람직하다. 또한, 특정 기체 전환율은 부분적으로 기질 체류 시간의 함수이고 원하는 체류 시간의 달성이 결국 생물 반응기의 필요한 부피를 좌우하기 때문에, 가압 시스템의 사용은 생물 반응기의 필요한 부피 및 결국에는 발효 장비의 자본 비용을 크게 감소시킬 수 있다.
설명
진공 증류는 발효 브로스에 함유된 미생물의 생존능을 보장하면서 상기 발효 브로스로부터 생성물을 효과적으로 회수하는 것으로 밝혀졌다. 상기 진공 증류 용기에 공급되는 발효 브로스는 생물 반응기로부터 공급된다. 바람직하게는, 상기 생물 반응기는 C1-함유 가스 기질의 발효에 사용된다. 상기 발효 공정이 연속적으로 작동하기 위해서는, 상기 브로스에 함유된 미생물의 적어도 일부가 독자 생존 가능해야 한다. 이들 미생물은 특정 생성물의 농도에 대해 상당히 특정한 내성을 갖는다. 또한, 이들 미생물은 온도에 대해 상당히 특정한 내성을 갖는다. 예를 들어, 적어도 하나의 구현예에서, 상기 미생물은 37℃의 최적 성장 온도를 갖는다. 본 발명자들은, 진공 증류를 사용함으로써, 상기 발효 공정의 연속 작동이 가능한 방식으로 생존능을 위한 조건이 제어될 수 있음을 발견하였다.
상기 진공 증류 용기는 복수의 구성 요소, 즉, (1) 발효 브로스를 수용하기 위한 적어도 하나의 주입구, 생성물 농후 스트림을 이송하기 위한 하나의 배출구, 및 생성물 고갈 스트림을 이송하기 위한 하나의 배출구를 정의하는 외부 케이싱; (2) 상기 케이싱 내에 위치되고, 위로는 상부 트레이에 의해 그리고 아래로는 하부 트레이에 의해 구속되며, 복수의 이론적 증류 단계를 제공하기 위한 분리 매질을 정의하는, 분리 섹션; 및 (3) 상기 진공 증류 용기 바닥에 유지되는 액체 수준으로 구성된다.
상기 진공 증류 용기는 상기 발효 브로스를 효과적으로 처리하기 위해 상기 생물 반응기와 연결된다. 본 발명자들은, 특정 공급 속도로 상기 진공 증류 용기에 공급함으로써, 상기 생물 반응기 내에서의 생성물 누적이 제어되어 상기 미생물의 생존능을 보장한다는 점을 발견하였다. 공급 속도는 상기 생물 반응기의 발효 브로스의 시간당 부피를 기준으로 정의된다. 본 발명자들은 시간당 0.05 내지 0.5 반응기 부피의 공급 속도가 상기 미생물의 생존능을 보장하면서 상기 브로스를 효과적으로 처리할 수 있음을 확인하였다. 상기 공급 속도는, 압력, 온도, 체류 시간, 발효 브로스 내의 생성물 농도, 증기 공급 속도 및/또는 분리 매질을 포함하지만 이에 제한되지 않는 진공 증류 용기 조건에 의해 적어도 부분적으로 결정될 수 있다. 특정 구현예에서, 상기 공급 속도는 시간당 0.05 내지 0.1, 0.05 내지 0.2, 0.05 내지 0.3, 0.05 내지 0.4, 0.1 내지 0.3, 0.1 내지 0.1 내지 0.5, 또는 0.3 내지 0.5 반응기 부피이다. 바람직하게는, 상기 생성물 고갈 스트림이 허용 가능한 비율의 생성물을 갖도록 상기 공급 속도가 제어된다.
또한, 본 발명자들은, 상기 발효 브로스가 상기 진공 증류 용기 내에 존재하는 시간으로 정의되는 체류 시간을 특정 기간 이내로 유지함으로써 상기 미생물의 생존 가능성이 보장된다는 것을 확인하였다. 본 발명자들은 0.5 내지 15분의 체류 시간이 상기 미생물의 생존능을 보장하면서 상기 브로스를 효과적으로 처리할 수 있음을 확인하였다. 다양한 구현예에서, 상기 체류 시간은 0.5 내지 12분, 0.5 내지 9분, 0.5 내지 6분, 0.5 내지 3분, 2 내지 15분, 2 내지 12분, 2 내지 9분, 또는 2 내지 6분이다. 적어도 하나의 구현예에서, 상기 미생물의 생존능을 보장하기 위해, 상기 체류 시간은 15분 미만, 12분 미만, 9분 미만, 6분 미만, 3분 미만, 2분 미만 또는 1분 미만이다.
상기 진공 증류 용기는 감압을 사용하여 상기 발효 브로스를 처리하며, 여기서 상기 진공 증류 용기 내의 압력은 상기 발효 브로스 내의 액체를 증발시키는 데 필요한 온도를 감소시키기 위해 대기압 미만으로 유지된다. 상기 진공 증류 용기 내의 온도는 압력 및 에탄올 농도에 의해 결정될 수 있다. 바람직하게는, 증발되는 액체는 주로 생성물, 예를 들어, 에탄올이다. 바람직하게는, 상기 진공 증류 용기의 압력은 상기 미생물의 생존능을 보장하기 위해 40 mbar(a) 내지 100 mbar(a)로 유지된다. 적어도 하나의 구현예에서, 상기 진공 증류 용기는 40 mbar(a) 내지 80 mbar(a), 40 mbar(a) 내지 90 mbar(a) 또는 45 mbar(a) 내지 90 mbar(a)로 유지된다. 상기 압력은 전형적으로 상기 분리 매질에 걸쳐 강하하며, 이는 상기 진공 증류 용기의 상부에서의 압력이 상기 진공 증류 용기의 바닥에서의 압력에 비해 낮다는 것을 의미한다. 바람직하게는, 상기 진공 증류 용기의 높이에 걸친 압력 강하는 32 mbar 미만이다. 특정 예에서, 상기 진공 증류 용기의 높이에 걸친 압력 강하는 30 mbar 미만, 28 mbar 미만, 26 mbar 미만, 24 mbar 미만, 22 mbar 미만, 20 mbar 미만, 또는 18 미만이다.
이는 상기 진공 증류 용기 내의 온도 구배를 초래하며, 여기서 상기 온도는 상기 용기의 길이에 걸쳐 증가하고, 상기 진공 증류 용기의 상부에서 가장 낮고, 상기 진공 증류 용기의 바닥에서 가장 높다. 상기 발효 브로스가 상기 진공 증류 용기를 따라 흘러 내려감에 따라 생성물 역가가 감소하며, 여기서 상기 생성물 역가는 상기 진공 증류 용기의 상부에서 가장 높고, 상기 진공 증류 용기의 바닥에서 가장 낮다.
상기 발효 브로스는 처음에는 상기 케이싱 내의 주입구를 통해 상기 진공 증류 용기에 유입된다. 상기 발효 브로스를 수용하기 위한 상기 주입구는 상기 상부 트레이 위에 위치된다. 상기 발효 브로스가 상기 용기에 유입됨에 따라, 상기 발효 브로스 내의 생성물의 일부가 증발되어 생성물 농축 스트림을 형성하고, 이는 상기 용기의 상부를 향해 상승하여 상기 케이싱의 배출구를 통해 배출된다. 상기 생성물 농후 스트림을 이송하기 위한 상기 배출구는 상기 발효 브로스를 수용하기 위한 상기 주입구에 비해 높다. 나머지 발효 브로스는 상기 상부 트레이 및 상기 분리 매질을 통과한다. 상기 분리 매질은 복수의 이론적 증류 단계들을 제공한다. 상기 발효 브로스가 각각의 이론적 증류 단계에 도달함에 따라, 추가 생성물이 증발된다. 증발된 생성물은 상기 생성물 농축 스트림의 일부가 되어 상기 용기의 상부를 향해 상승하고 상기 케이싱 내의 배출구를 통해 배출된다. 상기 분리 매질을 통과한 후에, 나머지 발효 브로스는 상기 케이싱 내의 배출구를 통해 상기 진공 증류 용기에서 배출된다. 상기 케이싱에서 배출되는 발효 브로스는 상기 생성물 고갈 스트림이다. 상기 생성물 고갈 스트림은 독자 생존 가능한 미생물 바이오매스를 함유한다. 상기 생성물 고갈 스트림을 이송하기 위한 상기 배출구는 상기 하부 트레이에 비해 높다. 상기 하부 트레이는 상기 진공 증류 용기의 바닥에 비해 높다. 상기 진공 증류 용기의 바닥은 일정 수준의 액체를 함유한다.
상기 진공 증류 용기의 효율을 높이고 필요한 증기-액체 접촉을 제공하기 위해, 증기 스트림이 리보일러로부터 상기 케이싱 내의 주입구를 통해 상기 진공 증류 용기로 도입될 수 있다. 상기 증기 스트림을 수용하기 위한 상기 주입구는 상기 하부 트레이에 비해 아래에 위치된다. 상기 리보일러는 상기 진공 증류 용기의 바닥의 액체의 일부를 에너지와 함께 이용하여 상기 액체를 증발시키고 상기 증기 스트림을 생성한다. 상기 진공 증류 용기의 바닥의 액체는 상기 진공 증류 용기 케이싱 내의 배출구를 통해 이송된다. 이러한 배출구는 상기 증기 스트림을 수용하기 위한 상기 주입구보다 아래에 위치된다. 상기 증기 스트림은 상기 분리 매질을 통과하여 상방으로 흐르고, 생성물의 일부분을 획득하고, 상기 생성물 농축 스트림의 일부가 된다. 상기 생성물 농후 스트림은 상기 생성물 농후 스트림을 이송하기 위한 상기 배출구를 통해 배출된다. 하나 이상의 구현예에서, 상기 생성물 농후 스트림은 생성물의 농도를 증가시키기 위해 추가로 처리될 수 있다.
상기 진공 증류 용기로 보내지는 발효 브로스는 가스의 부분을 함유할 수 있다. 상기 발효 브로스 내의 가스는 상기 진공 증류 용기의 성능을 저하시킬 수 있다. 상기 발효 브로스 내의 가스와 관련된 성능 감소를 방지하기 위해, 탈기 용기가 사용될 수 있다. 바람직하게는, 상기 탈기 용기는 사이클론형 탈기 장치이다. 바람직하게는, 상기 탈기 용기는 0.0 bar(g) 내지 1.0 bar(g)의 압력에서 작동된다. 일 구현예에서, 상기 탈기 용기는 0.0 bar(g) 내지 0.5 bar(g)의 압력에서 작동된다. 바람직하게는, 상기 탈기 용기는 상기 발효 브로스로부터 실질적으로 모든 가스를 제거한다. 특정 구현예에서, 상기 탈기 용기는 발효 브로스 내의 가스의 0 내지 100%를 제거한다. 특정 예에서, 상기 탈기 용기는 상기 발효 브로스로부터 가스의 20% 초과, 40% 초과, 60% 초과, 또는 80% 초과를 제거한다. 상기 탈기 용기는 발효 브로스로부터 가스의 적어도 일부를 분리하도록 작동된다. 사이클론형 탈기 장치를 사용하면, 상기 발효 브로스가 회전되어, 상기 회전하는 발효 브로스의 중심에 저압 영역을 생성하여, 상기 발효 브로스에서 가스가 분리된다. 이어서, 감소된 비율의 가스를 갖는 발효 브로스가 상기 진공 증류 용기로 보내진다. 상기 분리된 가스는 생성물의 부분을 함유할 수 있다. 상기 분리된 가스로부터 생성물을 회수하고 생성물의 손실을 방지하기 위해, 상기 분리된 가스는 후속 장치 및/또는 처리로 보내질 수 있다. 적어도 하나의 구현예에서, 상기 분리된 가스는 상기 생물 반응기로 보내질 수 있다.
바람직하게는, 상기 진공 증류 용기를 빠져나가는 생성물 고갈 스트림은 상기 생물 반응기로 되돌려 보내진다. 상기 생성물 고갈 스트림은 독자 생존 가능한 미생물 바이오매스를 포함하며, 이는, 상기 생물 반응기로 되돌려 보내지면, 상기 발효 공정의 효율을 증가시킨다. 그러나, 이러한 생성물 고갈 스트림은 최적 온도보다 높은 온도를 가질 수 있다. 따라서, 상기 생물 반응기로 되돌려 보내지기 전에, 상기 생성물 고갈 스트림은 냉각될 수 있다. 상기 생성물 고갈 스트림의 냉각은 냉각 수단을 통해 완료될 수 있다. 상기 냉각은 상기 생성물 고갈 스트림의 온도가 최적 범위 내에 있도록 상기 생성물 고갈 스트림의 온도를 감소시키는 조건 하에서 수행된다. 상기 생성물 고갈 스트림을 상기 생물 반응기로 보내기 전에 상기 생성물 고갈 스트림의 온도를 감소시킴으로써, 상기 생물 반응기 내의 배양물의 불필요한 가열을 피할 수 있다. 예를 들어, 상기 생성물 고갈 스트림이 상기 생물 반응기 내의 발효 브로스에 비해 높은 온도에서 상기 생물 반응기에 제공되는 경우, 상기 생성물 고갈 스트림의 재순환은 상기 생물 반응기 내의 발효 브로스의 온도 증가를 초래할 수 있다. 상기 생물 반응기 내의 발효 브로스의 온도가 상기 미생물에 적합한 허용 가능한 범위 내에서 유지되지 않으면, 상기 미생물의 생존능이 감소될 수 있다. 따라서, 상기 생성물 고갈 스트림의 온도를 모니터링하고 제어하는 것은 상기 생성물 고갈 스트림을 재순환시키는 능력에 매우 중요할 수 있다.
도 1은 생물 반응기로부터 전달되는 발효 브로스로부터 적어도 하나의 생성물을 회수하기 위한 진공 증류 용기(100)를 도시한다. 상기 진공 증류 용기(100)는 발효 브로스를 수용하기 위한 주입구(114), 생성물 농후 스트림을 이송하기 위한 배출구(115) 및 생성물 고갈 스트림을 이송하기 위한 배출구(116)를 정의하는 외부 케이싱(113)을 포함한다. 상기 진공 증류 용기(100)는 또한 상기 케이싱(113) 내에 위치된 분리 섹션(109)을 포함하며, 상기 분리 섹션(109)은 위로는 상부 트레이(112)에 의해 그리고 아래로는 하부 트레이(111)에 의해 구속된다. 상기 진공 증류 용기(100)는 상기 발효 브로스로부터의 생성물의 회수를 증가시키는 방식으로 설계된다. 상기 생성물 농후 스트림을 이송하기 위한 상기 배출구(115)는 상기 발효 브로스를 수용하기 위한 상기 주입구(114)에 비해 높다. 상기 발효 브로스를 수용하기 위한 상기 주입구(114)는 상기 상부 트레이(112)에 비해 높고, 상기 생성물 고갈 스트림을 이송하기 위한 상기 배출구(116)는 상기 하부 트레이(111)에 비해 높다.
상기 진공 증류 용기(100)는 상기 진공 증류 용기(100)가 특정 공급 속도로 발효 브로스를 처리할 수 있도록 설계된다. 상기 공급 속도는 상기 생물 반응기 내의 발효 브로스의 부피를 기준으로 정의된다. 바람직하게는, 상기 진공 증류 용기(100)는 상기 공급 속도가 0.05 내지 0.5가 되도록 설계된다.
상기 진공 증류 용기(100)는 상기 발효 브로스가 체류 시간을 정의하도록 설계된다. 상기 체류 시간은 상기 발효 브로스가 상기 진공 증류 용기(100) 내에 존재하는 시간의 양을 기준으로 정의된다. 상기 발효 브로스가 상기 주입구(114)에 유입될 때 상기 발효 브로스는 상기 진공 증류 용기(100) 내에 존재하는 것으로 간주된다. 상기 발효 브로스가 상기 배출구(116)를 통해 배출될 때, 상기 발효 브로스는 상기 진공 증류 용기(100)의 밖에 존재하는 것으로 간주된다. 바람직하게는, 상기 체류 시간은 0.5 내지 15분이다. 다양한 구현예에서, 상기 체류 시간은 0.5 내지 12분, 0.5 내지 9분, 0.5 내지 6분, 0.5 내지 3분, 2 내지 15분, 2 내지 12분, 2 내지 9분, 또는 2 내지 6분이다. 적어도 하나의 구현예에서, 상기 미생물의 생존능을 보장하기 위해, 상기 체류 시간은 15분 미만, 12분 미만, 9분 미만, 6분 미만, 3분 미만, 2분 미만 또는 1분 미만이다.
상기 특정 체류 시간은 상기 진공 증류 용기(100) 내의 분리 매질(109)의 유형에 의해 적어도 부분적으로 결정될 수 있다. 적어도 하나의 구현예에서, 상기 분리 매질(109)은 일련의 증류 트레이들에 의해 정의된다. 바람직하게는, 생성물을 회수하기에 충분한 개수의 이론적 증류 단계가 제공되도록 분리 매질(109)이 제공된다. 바람직하게는, 상기 분리 매질(109)은 복수의 이론적 증류 단계들을 제공한다. 다른 구현예에서, 상기 분리 매질(109)은 최소 개수의 이론적 증류 단계, 예를 들어, 3개 초과의 이론적 증류 단계, 4개 초과의 이론적 증류 단계, 5개 초과의 이론적 증류 단계, 또는 6개 초과의 이론적 증류 단계를 제공한다.
상기 진공 증류 용기(100)는 상기 발효 브로스 내의 생성물을 효과적으로 회수하고 상기 생물 반응기 내의 생성물 누적을 방지하도록 설계된다. 바람직하게는, 상기 생성물 고갈 스트림은 생성물 누적이 효과적으로 감소되거나 제거되도록 감소된 비율의 생성물을 갖는다. 적어도 하나의 구현예에서, 상기 생성물 고갈 스트림은 0.2 중량% 미만의 생성물을 포함한다. 특정 구현예에서, 상기 생성물 고갈 스트림은 1.0 중량% 미만의 생성물을 포함한다. 특정 예에서, 상기 생성물 고갈 스트림은 0.1 내지 1.0 중량%의 생성물을 포함한다. 적어도 하나의 구현예에서, 회수되는 생성물은 에탄올이다.
상기 생성물 고갈 스트림의 이송을 수행하기 위해, 상기 생성물 고갈 스트림을 이송하기 위한 상기 배출구(116)는 배관 수단(102)을 통해 상기 생물 반응기에 연결될 수 있다. 상기 생성물 고갈 스트림은 허용 가능한 온도보다 높을 수 있으며, 따라서 상기 생물 반응기로 이송되기 전에 냉각이 필요할 수 있다. 냉각을 수행하기 위해, 냉각 수단이 제공될 수 있다. 상기 냉각 수단은, 상기 생성물 고갈 스트림이 상기 생물 반응기로 이송되기 전에 상기 생성물 고갈 스트림이 허용 가능한 온도가 되도록 할 수 있다.
일부 예에서, 상기 발효 브로스는 허용 가능한 비율 초과의 가스를 함유할 수 있으며, 따라서 상기 생물 반응기로 이송되기 전에 탈기될 필요가 있을 수 있다. 탈기를 수행하기 위해, 탈기 용기(200)가 제공될 수 있다. 바람직하게는, 상기 탈기 용기(200)는 사이클론형 탈기 장치이다. 상기 탈기 용기(200)는 상기 발효 브로스를 수용하기 위한 주입구(201)를 포함할 수 있다. 이러한 주입구(201)는 상기 생물 반응기로부터 상기 발효 브로스를 이송하기 위해 배관 수단(702)을 통해 상기 생물 반응기에 연결될 수 있다. 바람직하게는, 상기 탈기 용기(200)는, 상기 발효 브로스가 상기 진공 증류 용기(100)로 전달되기 전에 상기 발효 브로스로부터 가스의 적어도 일부를 제거할 수 있도록 작동된다. 상기 탈기 용기(200)는 상기 발효 브로스가 발생 가스 스트림 및 탈기된 발효 브로스로 분리되도록 상기 발효 브로스로부터 가스를 분리할 수 있다. 상기 발생 가스 스트림은 상기 배출구(205)를 통해 상기 탈기 용기(200)에서 배출된다. 상기 배출구(205)는 상기 발생 스트림으로부터 생성물을 회수하기 위해 배관 수단(204)을 통해 후속 공정으로 연결될 수 있다. 적어도 하나의 구현예에서, 상기 발생 가스 스트림은 상기 발생 가스 스트림 내의 생성물을 회수하기 위해 물로 스크러빙된다(water scrubbed). 또한, 상기 배출구(205)는 상기 발생 가스가 상기 발효 공정에서 사용될 수 있는 배관 수단(204)을 통해 상기 생물 반응기에 연결될 수 있다. 탈기된 발효 브로스는 배출구(203)을 통과하여 배관 수단(202)을 통해 상기 진공 증류 용기(300)로 보내진다. 적어도 하나의 구현예에서, 상기 탈기 용기(200)는 0.0 bar(g) 내지 0.5 bar(g)의 압력에서 작동된다. 탈기 용기(200)를 사용하지 않는 구현예에서, 상기 발효 브로스는 배관 수단(702)을 통해 상기 진공 증류 용기(100) 내의 상기 주입구(114)로 직접 보내질 수 있다.
상기 진공 증류 용기(100)는 생성물 회수를 제공하면서 상기 미생물의 생존능을 보장하도록 설계된다. 바람직하게는, 상기 생성물 고갈 스트림 내의 상기 미생물의 생존능은 85% 초과이다. 적어도 하나의 구현예에서, 상기 생성물 고갈 스트림 내의 미생물의 생존능은 유입되는 발효 브로스 내의 독자 생존 가능한 미생물 바이오매스와 실질적으로 동일하다.
상기 진공 증류 용기(100)는 리보일러(800)의 사용을 통해 생성물 회수를 제공할 수 있다. 상기 리보일러(800)는 증기 스트림을 상기 진공 증류 용기(100)로 안내하도록 제공된다. 이러한 증기 스트림은 배관 수단(802)을 통해 상기 리보일러 내의 배출구(806)로부터 상기 진공 증류 용기(100)의 케이싱(113) 내의 주입구(117)로 안내된다. 상기 증기 스트림은 상기 진공 증류 용기(100)에 유입되며, 하부 플레이트(111), 및 상기 발효 브로스 내의 생성물과 접촉하는 분리 매질(108)을 통과하여 상방으로 상승한다. 상기 리보일러(800)는 상기 진공 증류 용기(100)의 바닥에 위치된 액체(107)의 사용을 통해 상기 증기 스트림을 생성할 수 있다. 바람직하게는, 이러한 액체(107)는 실질적으로 물과 미량의 미생물 바이오매스로 구성된다. 상기 액체(107)는 배관 수단(106)을 통해 상기 진공 증류 용기(100)의 배출구(118)로부터 상기 리보일러(800)의 주입구(801)로 보내질 수 있다. 다양한 구현예에서, 상기 진공 증류 용기(100)의 바닥에 위치된 액체(107)는 상기 냉각 수단, 증기 응축물, 열병합 발전 유닛 및/또는 정류탑 바닥을 포함하지만 이에 제한되지 않는 다수의 공급원으로부터 유래할 수 있다.
상기 진공 증류 용기(100)의 케이싱(113)은 배관(101, 103 및 105)을 통해 상기 진공 증류 용기(100) 내로 및 상기 진공 증류 용기(100) 밖으로 액체(107)를 이송하기 위한 하나 이상의 추가 주입구(121, 119) 및 배출구(120)를 포함할 수 있다. 이는 상기 진공 증류 용기(100) 내의 액체(107)의 함량 및 비율을 제어할 수 있다. 특정 예에서, 상기 배관(101, 103 및 105)은 상기 액체(107)의 공급원 중 하나 이상에 연결될 수 있다.
또한, 상기 진공 증류 용기(100)는, 복수의 생물 반응기로부터의 발효 브로스가 혼합되지 않은 채 상기 진공 증류 용기(100)로 보내질 수 있는 방식으로 상기 진공 증류 용기(100)가 다수의 격실로 분리되도록 설계될 수 있다. 이러한 분리는 이러한 분리를 보장하기에 적합한 임의의 수단을 통해 달성될 수 있다.
상기 진공 증류 용기는 하나 이상의 추가 트레이(122)를 상기 하부 트레이(111) 아래에 포함할 수 있다. 도 2는 상기 하부 트레이(111) 아래에 추가 트레이들(122)을 갖는 진공 증류 용기(100)를 도시한다. 이들 추가 트레이들(122)은 추가적인 생성물 제거를 제공할 수 있다. 상기 진공 증류 용기(100)는, 상기 하부 트레이(111) 위에 배치된 상기 배출구(116)를 통해, 상기 독자 생존 가능한 미생물 바이오매스를 함유하는 발효 브로스를 상기 생물 반응기로 이송하도록 설계된다. 상기 하부 트레이(111)를 통과하는 발효 브로스는, 상기 독자 생존 가능한 미생물 바이오매스를 함유하는 발효 브로스를 아주 적기는 하지만 추가적인 양으로 함유할 수 있다. 상기 하부 트레이(111)를 통과하는 발효 브로스는 상기 생물 반응기로 보내지지 않는다. 대신, 이러한 발효 브로스는 상기 하나 이상의 추가 트레이(122)를 통과하며, 이 곳에서 추가 생성물이 상기 발효 브로스로부터 회수된다. 상기 하나 이상의 추가 트레이(122)를 통과한 후, 상기 발효 브로스는 상기 진공 증류 용기(100)의 바닥에 위치된 액체(107)와 혼합된다. 미생물 바이오매스를 함유하는 발효 브로스의 부분을 포함하는 이러한 액체(107)는 이어서 상기 리보일러(800)로 보내져 상기 증기 스트림을 생성한다.
도 3 및 도 4는 상기 발효 브로스로부터 생성물을 제거하기 위한 진공 증류 용기의 필요성을 도시한다. 도 3은 배치 발효 운전의 대사 산물 프로파일을 도시한다. 도 3은 발효 운전의 초기 단계 동안 바이오매스와 에탄올 농도가 기하급수적으로 증가함을 나타낸다. 에탄올이 누적되어 약 30g/L의 농도를 초과함에 따라, 미생물에 대한 에탄올의 영향으로 인해 바이오매스가 감속한다. 이는, CO 흡수 및 CO2 생성이 에탄올 농도가 약 30 g/L에 도달하는 시간과 대략 동일한 시간에서 감속함을 나타내는 도 4에 추가적으로 나타난다. 이러한 데이터는, 생성물 누적의 부정적인 효과가 완화 및/또는 감소될 정도로 생성물 농축 배율이 제어될 수 있는 본 발명의 진공 증류 용기에 대한 필요를 입증한다.
상기 진공 증류 용기는 생성물 고갈 발효 브로스를 상기 생물 반응기로 재순환시킬 수 있다. 상기 진공 증류 용기는, 재순환되는 경우 상기 미생물이 상기 생물 반응기 내의 C1-함유 가스를 발효시켜 생성물을 생산할 수 있도록 상기 미생물의 생존능을 보장하면서 생성물을 회수하도록 설계된다. 도 5 및 도 6은 생물 반응기 설계의 다양한 변형 물로부터의 상기 미생물의 생존능을 보장하는 상기 진공 증류 용기의 능력을 도시한다.
도 5는 상기 발효 브로스가 상기 진공 증류 용기로부터 상기 생물 반응기로 재순환되는 특정 구성을 갖는 생물 반응기로부터의 미생물의 생존능을 나타낸다. 상기 미생물의 생존능은 상기 생물 반응기(생물 반응기 1) 및 상기 진공 증류 용기(VD 복귀)로부터 3회 간격으로 측정되었다. 그래프에 나타난 바와 같이, 상기 진공 증류 용기 내에서의 상기 미생물의 생존능은 상기 생물 반응기에서의 상기 미생물의 생존능과 실질적으로 동일하다.
도 6은 상기 발효 브로스가 상기 진공 증류 용기로부터 상기 생물 반응기로 재순환되는 상이한 구성을 갖는 생물 반응기로부터의 상기 미생물의 생존능을 도시한다. 상기 미생물의 생존능은 상기 생물 반응기(생물 반응기 2) 및 상기 진공 증류 용기(VD 복귀)로부터 3회 간격으로 측정되었다. 그래프에 나타난 바와 같이, 상기 진공 증류 용기 내에서의 상기 미생물의 생존능은 상기 생물 반응기에서의 상기 미생물의 생존능과 실질적으로 동일하다.
본 명세서에 인용된, 공개문헌들, 특허 출원들 및 특허들을 포함한 모든 참고 문헌들은, 마치 각각의 참고 문헌이 원용에 의해 편입되도록 구체적으로 그리고 개별적으로 표기되고 전체로서 본 명세서에 기술된 것처럼, 원용에 의해 본 명세서에 편입된다. 본 명세서 내에서의 임의의 선행 기술에 대한 인용은, 그 선행 기술이 임의의 국가에서의 관련 분야의 일반적인 지식의 일부를 형성함을 인정하는 것이 아니며, 이와 같이 이해되지도 않아야 한다.
본 발명의 기재의 맥락에서(특히 하기 청구범위의 맥락에서) 단수 용어들 및 유사한 지시 대상의 사용은 본 명세서에 달리 명시되거나 맥락상 명확히 모순되지 않는 한, 단수 및 복수를 모두 포함하는 것으로 해석되어야 한다. 용어 "포함하는(comprising, including)", "갖는", 및 "함유하는(containing)"은 달리 지시되지 않는 한, 개방형 용어(즉, "포함하나 이에 제한되지 않는"의 의미)로 해석되어야 한다. 본 명세서에서의 값 범위의 언급은, 본 명세서에 달리 명시되지 않는 한, 단지, 그 범위 내에 속하는 각각의 개별 값을 개별적으로 나타내는 약식 방법으로서 작용하려는 것이며, 각각의 개별 값은 그것이 본 명세서에서 개별적으로 언급된 것과 마찬가지로 본 명세서 내에 편입된다. 본 명세서에 기재된 방법은 본 명세서에 달리 명시되지 않거나 맥락상 명확히 모순되지 않는 한, 임의의 적합한 순서로 수행될 수 있다. 본 명세서에서 제공된 임의의 및 모든 예 또는 예시 언어(예를 들어, "예를 들어")의 사용은 단지 본 발명을 더 잘 예시하기 위한 것이며, 달리 청구되지 않는 한, 본 발명의 범위에 제한을 부과하지 않는다. 본 명세서의 어떤 언어도 임의의 청구되지 않은 구성 요소를 본 발명의 실시에 필수적인 것으로 명시하는 것으로 해석되지 않아야 한다.
본 발명의 바람직한 구현예가 본 명세서에 기재된다. 이들 바람직한 구현예의 변형은 상기 기재의 판독 시 당업자에게 자명해질 수 있다. 본 발명자들은 당업자들이 적합한 바에 따라 이와 같은 변형을 사용할 것으로 예상하며, 본 발명자들은 본 발명이 본 명세서에 구체적으로 기재된 바와 다르게 실시되도록 의도한다. 따라서, 본 발명은, 준거법에 의해 허용되는, 본 명세서에 첨부된 청구범위에 언급된 기술 요지의 모든 변형 및 균등물을 포함한다. 또한, 본 명세서에서 달리 명시하지 않거나 맥락상 명확히 모순되지 않는 한, 본 발명은 그의 모든 가능한 변형에서의 전술된 구성 요소의 임의의 조합을 포함한다.
Claims (26)
- 생물 반응기로부터 전달되는 발효 브로스로부터 적어도 하나의 생성물을 회수하기 위한 진공 증류 용기로서,
a. 독자 생존 가능한 미생물 바이오매스 및 적어도 하나의 생성물을 포함하는 상기 발효 브로스를 수용하기 위한 주입구, 생성물 농후 스트림을 이송하기 위한 배출구, 및 독자 생존 가능한 미생물 바이오매스를 포함하며 상기 생물 반응기로 이송되는, 생성물 고갈 스트림을 이송하기 위한 배출구를 정의하는 외부 케이싱; 및
b. 상기 외부 케이싱 내에 위치되고, 위로는 상부 트레이에 의해 그리고 아래로는 하부 트레이에 의해 구속되며, 복수의 이론적 증류 단계를 제공하기 위한 분리 매질을 정의하는, 분리 섹션을 포함하며;
상기 생성물 농후 스트림을 이송하기 위한 상기 배출구는 상기 발효 브로스를 수용하기 위한 상기 주입구에 비해 높고, 상기 발효 브로스를 수용하기 위한 상기 주입구는 상기 상부 트레이에 비해 높고, 상기 생성물 고갈 스트림을 이송하기 위한 상기 배출구는 상기 하부 트레이에 비해 높은, 진공 증류 용기. - 제1항에 있어서, 상기 발효 브로스가, 시간 당 0.05 내지 0.5 반응기 부피의 공급 속도로 상기 진공 증류 용기에 공급되는, 진공 증류 용기.
- 제1항에 있어서, 상기 발효 브로스는 상기 진공 증류 용기 내에 0.5 내지 15분의 체류 시간을 갖는, 진공 증류 용기.
- 제1항에 있어서, 상기 생성물 고갈 스트림을 이송하기 위한 상기 배출구는 상기 생성물 고갈 스트림을 상기 생물 반응기로 이송하기 위해 배관 수단에 의해 상기 생물 반응기에 연결되고, 상기 생물 반응기가 산업 공정으로부터의 C1-함유 가스의 발효를 위한 조건 하에서 작동되는, 진공 증류 용기.
- 제1항에 있어서, 상기 분리 매질이 일련의 증류 트레이들에 의해 정의되는, 진공 증류 용기.
- 제1항에 있어서, 상기 분리 매질이 3개 초과의 이론적 증류 단계를 제공하는, 진공 증류 용기.
- 제1항에 있어서, 상기 생성물 고갈 스트림 내의 독자 생존 가능한 미생물 바이오매스가 85% 초과의 생존능을 갖는, 진공 증류 용기.
- 제1항에 있어서, 상기 생성물 고갈 스트림 내의 상기 미생물 바이오매스의 생존능이 상기 발효 브로스 내의 상기 미생물 바이오매스의 생존능과 실질적으로 동일한, 진공 증류 용기.
- 제1항에 있어서, 상기 생성물 고갈 스트림이 0.2 중량% 미만의 생성물을 포함하는, 진공 증류 용기.
- 제1항에 있어서, 상기 생성물 농후 스트림이 에탄올, 아세톤, 이소프로판올 또는 이들의 혼합물을 포함하는, 진공 증류 용기.
- 제1항에 있어서, 상기 진공 증류 용기가 상기 진공 증류 용기의 높이에 걸친 압력 강하를 정의하도록 구성되며, 상기 압력 강하가 32 mbar 미만인, 진공 증류 용기.
- 제1항에 있어서, 상기 진공 증류 용기가 40 mbar(a) 내지 100 mbar(a)의 압력에서 작동하도록 구성되는, 진공 증류 용기.
- 제1항에 있어서, 상기 진공 증류 용기가 35℃ 내지 50℃의 온도에서 작동하도록 구성되는, 진공 증류 용기.
- 제1항에 있어서, 상기 생성물 고갈 스트림이 상기 생물 반응기로 보내지기 전에, 상기 생성물 고갈 스트림의 온도를 감소시키도록 구성된 냉각 수단을 추가로 포함하는, 진공 증류 용기.
- 제14항에 있어서, 상기 생성물 고갈 스트림의 온도는 35℃ 내지 40℃인, 진공 증류 용기.
- 제1항에 있어서, 상기 발효 브로스를 수용하기 위한 상기 주입구는 배관 수단에 의해 탈기 용기에 연결되고, 상기 탈기 용기는, 상기 발효 브로스가 상기 진공 증류 용기로 전달되기 전에 상기 발효 브로스로부터의 가스의 적어도 일부를 제거하는 조건 하에 작동하도록 구성되는, 진공 증류 용기.
- 제16항에 있어서, 상기 탈기 용기가 0.0 bar(g) 내지 0.5 bar(g)의 압력에서 작동하도록 구성되는, 진공 증류 용기.
- 제1항에 있어서, 상기 외부 케이싱이 리보일러로부터의 증기 스트림을 수용하기 위한 주입구 및 액체 스트림을 상기 리보일러로 이송하기 위한 배출구를 추가로 정의하고, 상기 증기 스트림을 수용하기 위한 상기 주입구는 상기 하부 트레이에 비해 아래에 위치되고, 상기 액체 스트림을 이송하기 위한 상기 배출구는 상기 증기 스트림을 수용하기 위한 상기 주입구에 비해 아래에 위치된, 진공 증류 용기.
- 제18항에 있어서, 상기 액체 스트림이 실질적으로 물과 미량의 미생물 바이오매스로 구성되는, 진공 증류 용기.
- 제1항에 있어서, 상기 진공 증류 용기는, 복수의 생물 반응기로부터의 발효 브로스가 혼합되지 않은 채 상기 진공 증류 용기로 보내질 수 있는 방식으로, 다수의 격실로 분리된, 진공 증류 용기.
- 제4항에 있어서, 상기 산업 공정이 탄수화물 발효, 가스 발효, 시멘트 제조, 펄프 및 종이 제조, 제강, 정유 및 관련 공정, 석유 화학 생산, 코크스 생산, 혐기성 또는 호기성 소화, 합성 가스, 천연 가스 추출, 석유 추출, 알루미늄, 구리 및/또는 합금철의 생산 및/또는 제련용 야금 공정, 지질 저장조 및 촉매 공정을 포함하는 군으로부터 선택되는, 진공 증류 용기.
- 제1항에 기재된 진공 증류 용기를 이용하여 발효 브로스로부터 적어도 하나의 생성물을 제거하는 방법으로서,
a. 독자 생존 가능한 미생물 바이오매스 및 적어도 하나의 생성물을 포함하는 발효 브로스를 생물 반응기로부터 진공 증류 용기로 통과시키는 단계;
b. 상기 발효 브로스를 부분적으로 증발시켜 생성물 농후 스트림, 및 독자 생존 가능한 미생물 바이오매스를 포함하는 생성물 고갈 스트림을 생성하는 단계; 및
c. 상기 생성물 고갈 스트림을 상기 생물 반응기로 되돌려 보내는 단계를 포함하는, 방법. - 제22항에 있어서, 상기 발효 브로스를 상기 진공 증류 용기로 보내기 전에, 탈기 용기를 사용하여 상기 발효 브로스를 탈기시켜 탈기된 발효 브로스 및 발생 가스 스트림을 생성시키고, 상기 탈기된 발효 브로스가 부분적으로 증발되는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
- 제23항에 있어서, 상기 발생 가스 스트림은 적어도 하나의 생성물을 회수하기 위해 물로 스크러빙되는, 방법.
- 삭제
- 제22항에 있어서, 상기 생물 반응기는 산업 공정으로부터의 C1-함유 가스의 발효를 위한 조건 하에서 작동되는, 방법.
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