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KR102669528B1 - 간헐적 전기분해 스트림 - Google Patents

간헐적 전기분해 스트림 Download PDF

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KR102669528B1
KR102669528B1 KR1020207032811A KR20207032811A KR102669528B1 KR 102669528 B1 KR102669528 B1 KR 102669528B1 KR 1020207032811 A KR1020207032811 A KR 1020207032811A KR 20207032811 A KR20207032811 A KR 20207032811A KR 102669528 B1 KR102669528 B1 KR 102669528B1
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로버트 콘라도
션 심슨
크리스토프 미할세아
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란자테크, 인크.
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Abstract

본 발명은 가스 발효 공정의 경제학이 개선되는 방법을 제공한다. 본 발명은 발효 공정과 산업 공정 및 전해조 공정의 통합을 제공한다. 본 발명은 전해조 공정으로부터의 전해조 공급원료를 발효를 위한 생물반응기로 간헐적으로 공급하는 것을 제공한다. 전해조 공급원료는 산업 공정으로부터의 C1 공급원료의 적어도 일부를 대체할 수 있다. 전해조 공급원료는 산업 공정으로부터 C1 공급원료를 보충할 수 있다. 전해조 공급원료가 전해조 공급원료에 의해 C1 공급원료를 보충하거나 대체하는지는 C1 공급원료의 유닛당 비용, 전해조 공급원료의 유닛당 비용 및 발효 생성물의 유닛당 가치의 함수에 기초할 수 있다.

Description

간헐적 전기분해 스트림
관련 출원의 교차 참조
본원은 2018년 4월 20일자로 출원된 미국 임시 출원 제62/660298호의 이익을 주장하고, 이의 내용은 그 전체 내용이 본원에 인용되어 포함된다.
기술분야
본 발명은 가스 발효 공정의 경제성을 개선하기 위한 공정 및 방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 발효 공정과 산업 공정 및 전해조 공정의 조합에 관한 것이고, 여기서 전해조 공정으로부터의 전해조 공급원료는 발효를 위한 생물반응기로 간헐적으로 통과한다.
이산화탄소(CO2)는 인간 활동으로부터의 전세계 온실 가스 방출의 약 76%를 차지하고, 메탄(16%), 아산화질소(6%) 및 불화 가스(2%)는 그 잔량을 차지한다(미국 환경보호국(United States Environmental Protection Agency)). 온실 가스 방출, 특히 CO2의 감소는 전세계 온난화의 진행 및 이에 따른 기후와 날씨의 변화를 중단시키는 데 중요하다.
피셔-트로프슈(Fischer-Tropsch) 공정과 같은 촉매 공정이 이산화탄소(CO2), 일산화탄소(CO) 및/또는 수소(H2)를 함유하는 가스를 다양한 연료 및 화학물질로 전환시키는 데 사용될 수 있다고 오랫동안 인식되었다. 그러나, 최근에 이러한 가스의 생물학적 고정에 대한 대안적인 플랫폼으로서 가스 발효가 생겼다. 특히, C1-고정 미생물은 CO2, CO, CH4 및/또는 H2를 함유하는 가스를 에탄올 및 2,3-부탄디올과 같은 생성물로 전환시키는 것으로 나타났다.
이러한 가스는, 예를 들어 탄수화물 발효로부터의 가스, 시멘트 제조로부터의 가스, 펄프 및 종이 제조, 스틸 제조, 오일 정제 및 연관 공정, 석유화학물질 제조, 코크스 제조, 혐기성 또는 호기성 분해, 합성 가스(비제한적인 예로서 바이오매스, 액체 폐스트림, 고체 폐스트림, 도시 하천, 천연 가스, 석탄 및 오일을 포함하는 화석 자원을 포함하는 공급원으로부터 유래됨), 천연 가스 추출, 오일 추출, 알루미늄, 구리, 및/또는 합금철의 제조 및/또는 정제를 위한 야금 공정, 지리학적 저장소 및 촉매 공정(비제한적인 예로서 스팀 메탄 개질, 스팀 나프타 개질, 석유 코크스 기화, 촉매 재생-유체 촉매 분해, 촉매 재생-나프타 개질 및 건조 메탄 개질을 포함하는 스팀 공급원으로부터 유래됨)을 포함하는 산업 공정으로부터 유래될 수 있다.
특정 산업 공정에서 가스의 공급이 발효 공정에 불충분할 수 있다. 가스의 공급이 발효 공정에 불충분한 경우, 발효 공정의 제조 속도는 최적에 못 미쳐, 그렇지 않았으면 발효 공정이 생성할 수 있는 것보다 더 적은 생성물이 생성되게 한다.
추가적으로, 끊임없이 시장 조정에 의해, 가스 발효 공정에 의해 생성된 생성물의 가치는 변한다. 가스 발효에 의해 생성된 생성물의 가치가 이러한 생성물의 제조 비용과 비교하여 높을 때, 발효 공정의 제조 속도를 증가시키는 것이 유리하다.
이러한 생성물의 시장 가치가 이러한 생성물의 제조 비용에 비해 높을 때 발효 공정의 제조 속도를 증가시킴으로써, 발효 공정의 경제학이 최적화될 수 있다.
따라서, 공급원료의 공급과 연관된 문제가 축소되고 발효 공정은 이러한 제조가 경제적으로 최적일 때 최대 수준에서 생성할 수 있는, 발효 공정과 산업 공정의 개선된 통합에 대한 필요성이 있다.
본 발명은 발효 공정의 성능 및/또는 경제학을 개선하는 방법을 제공하고, 발효 공정은 액체 영양소 배지에서 박테리아 배양물을 함유하는 생물반응기를 한정하고, 여기서 상기 방법은 산업 공정으로부터의 CO 및 CO2 중 하나 또는 둘 다를 포함하는 C1 공급원료를 생물반응기로 통과시키는 단계(여기서, C1 공급원료는 유닛당 비용을 가짐), 전해조 공정으로부터의 CO 및 H2 중 하나 또는 둘 다를 포함하는 전해조 공급원료를 생물반응기로 간헐적으로 통과시키는 단계(여기서, 전해조 공급원료는 유닛당 비용을 가짐) 및 하나 이상의 발효 생성물을 생성하도록 배양물을 발효시키는 단계(여기서, 하나 이상의 발효 생성물의 각각은 유닛당 가치를 가짐)를 포함한다. 소정의 경우에, 생물반응기로 CO 및 H2 중 하나 또는 둘 다를 제공하기 위해 다수의 전해조 공정이 사용된다.
소정의 경우에, C1 공급원료는 탄수화물 발효로부터의 가스, 시멘트 제조로부터의 가스, 펄프 및 종이 제조, 스틸 제조, 오일 정제 및 연관 공정, 석유화학물질 제조, 코크스 제조, 혐기성 또는 호기성 분해, 합성 가스(비제한적인 예로서 바이오매스, 액체 폐스트림, 고체 폐스트림, 도시 하천, 천연 가스, 석탄 및 오일을 포함하는 화석 자원을 포함하는 공급원으로부터 유래됨), 천연 가스 추출, 오일 추출, 알루미늄, 구리, 및/또는 합금철의 제조 및/또는 정제를 위한 야금 공정, 지리학적 저장소 및 촉매 공정(비제한적인 예로서 스팀 메탄 개질, 스팀 나프타 개질, 석유 코크스 기화, 촉매 재생-유체 촉매 분해, 촉매 재생-나프타 개질 및 건조 메탄 개질을 포함하는 스팀 공급원으로부터 유래됨)을 포함하는 군으로부터 선택된 산업 공정으로부터 유래된다. 소정의 경우에, C1 공급원료는 2개 이상의 공급원의 조합으로부터 유래된다. 소정의 경우에, C1 공급원료는 H2를 추가로 포함할 수 있다.
소정의 경우에, 전해조 공급원료는 CO를 포함한다. CO를 포함하는 전해조 공급원료는 CO2 함유 가스 기질의 전기분해로부터 유래된다. CO2 함유 가스 기질은 CO2를 함유하는 임의의 가스 스트림으로부터 유래될 수 있다. 특정 경우에, 이 CO2 함유 가스 스트림은 적어도 부분적으로 탄수화물 발효로부터의 가스, 시멘트 제조로부터의 가스, 펄프 및 종이 제조, 스틸 제조, 오일 정제 및 연관 공정, 석유화학물질 제조, 코크스 제조, 혐기성 또는 호기성 분해, 합성 가스(비제한적인 예로서 바이오매스, 액체 폐스트림, 고체 폐스트림, 도시 하천, 천연 가스, 석탄 및 오일을 포함하는 화석 자원을 포함하는 공급원으로부터 유래됨), 천연 가스 추출, 오일 추출, 알루미늄, 구리, 및/또는 합금철의 제조 및/또는 정제를 위한 야금 공정, 지리학적 저장소 및 촉매 공정(비제한적인 예로서 스팀 메탄 개질, 스팀 나프타 개질, 석유 코크스 기화, 촉매 재생-유체 촉매 분해, 촉매 재생-나프타 개질 및 건조 메탄 개질을 포함하는 스팀 공급원으로부터 유래됨)을 포함하는 군으로부터 유래된다. 특정 경우에, CO2 함유 가스 기질은 2개 이상의 공급원의 조합으로부터 유래된다.
소정의 경우에, 전해조 공급원료는 H2를 포함한다. H2를 포함하는 전해조 공급원료는 물(H2O)의 전기분해로부터 유래된다. 이 물은 많은 공급원으로부터 얻어질 수 있다. 다양한 경우에, 물은 산업 공정 및/또는 발효 공정으로부터 얻어질 수 있다. 다양한 경우에, 물은 폐수 처리 공정으로부터 얻어질 수 있다. 특정 경우에, 물은 2개 이상의 공급원의 조합으로부터 얻어질 수 있다.
특정 경우에, 본 발명은 산업 공정으로부터의 C1 공급원료의 적어도 일부를 전해조 공정으로부터의 전해조 공급원료로 대체함으로써 발효 공정의 경제학을 개선한다. 다양한 경우에, 전해조 공급원료가 H2를 포함할 때, 전해조 공급원료는 발효 공정으로 통과하는 공급원료의 H2:CO:CO2의 몰 비를 조정하기 위한 수단으로서 산업 공정으로부터의 C1 공급원료의 적어도 일부를 대체한다. 소정의 경우에, H2를 포함하는 전해조 공급원료는 발효 공정으로 통과하는 공급원료에서의 H2의 몰 비를 증가시킨다.
산업 공정으로부터의 C1 공급원료를 전해조 공정으로부터의 전해조 공급원료로 대체하는 것은, 적어도 부분적으로, C1 공급원료의 유닛당 비용 및 전해조 공급원료의 유닛당 비용의 함수로서 완료될 수 있다. 소정의 경우에, 전해조 공급원료는 전해조 공급원료의 유닛당 비용이 C1 공급원료의 유닛당 비용보다 낮을 때 C1 공급원료의 적어도 일부를 대체한다.
특정 경우에, 본 발명은 산업 공정으로부터의 C1 공급원료의 적어도 일부를 전해조 공정으로부터의 전해조 공급원료로 보충함으로써 발효 공정의 경제학을 개선한다. 전해조 공급원료에 의한 C1 공급원료의 보충은, 적어도 부분적으로, C1 공급원료의 공급이 발효 공정에 불충분할 때 완료될 수 있다.
소정의 경우에, 전해조 공급원료는 전해조 공급원료의 유닛당 비용 및 발효 생성물의 유닛당 값의 함수로서 C1 공급원료의 적어도 일부를 보충한다.
소정의 경우에, 전해조 공급원료는 C1 공급원료의 유닛당 비용, 전해조 공급원료의 유닛당 비용 및 발효 생성물의 유닛당 가치의 함수로서 C1 공급원료의 적어도 일부를 보충한다.
소정의 경우에, 전해조 공급원료는 전해조 공급원료의 유닛당 비용이 발효 생성물의 유닛당 가치보다 낮을 때 C1 공급원료를 보충한다. 전해조 공급원료의 유닛당 비용은 전기의 비용이 감소할 때 발효 생성물의 유닛당 가치보다 낮을 수 있다. 소정의 경우에, 전기의 비용은 재생 에너지원으로부터 생긴 전기로 인해 감소한다. 소정의 경우에, 재생 에너지원은 태양, 수력, 풍력, 지열, 바이오매스 및 핵으로 이루어진 군으로부터 선택된다.
H2를 포함하는 전해조 공급원료에 의한 CO2를 포함하는 C1 공급원료의 보충은, 비제한적인 예로서 하나 이상의 발효 생성물에 고정된 CO2의 양의 증가를 포함하는, 다수의 이익을 발생시킬 수 있다. 따라서, 다양한 경우에, H2를 포함하는 전해조 공급원료는 하나 이상의 발효 생성물에 고정된 CO2의 양을 증가시키기 위해 CO2를 포함하는 C1 공급원료를 보충한다.
특정 경우에, C1 공급원료는 제거를 필요로 하는 다양한 성분을 함유한다. 이 경우에, C1 공급원료는 하나 이상의 성분을 C1 공급원료를 생물반응기로 통과시키기 전에 제거하도록 처리된다. C1 공급원료로부터 제거된 성분은 황 화합물, 방향족 화합물, 알킨, 알켄, 알칸, 올레핀, 질소 화합물, 인 함유 화합물, 미립자 물질, 고체, 산소, 산소화물(oxygenate), 할로겐화 화합물, 규소 함유 화합물, 카보닐, 금속, 알콜, 에스테르, 케톤, 퍼옥사이드, 알데하이드, 에테르 및 타르로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.
특정 경우에, 전해조 공급원료는 제거를 필요로 하는 다양한 성분을 함유한다. 이 경우에, 전해조 공급원료는 하나 이상의 성분을 전해조 공급원료를 생물반응기로 통과시키기 전에 제거하도록 처리된다. 전해조 공급원료로부터 제거된 성분은 황 화합물, 방향족 화합물, 알킨, 알켄, 알칸, 올레핀, 질소 화합물, 인 함유 화합물, 미립자 물질, 고체, 산소, 산소화물, 할로겐화 화합물, 규소 함유 화합물, 카보닐, 금속, 알콜, 에스테르, 케톤, 퍼옥사이드, 알데하이드, 에테르 및 타르로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다. 특정 경우에, 전해조 공급원료로부터 제거된 적어도 하나의 성분은 산소를 포함한다. 제거된 성분 중 적어도 하나는 전해조 공정에 의해 생성, 도입, 및/또는 농축될 수 있다. 예를 들어, 산소는 이산화탄소의 전기분해에 의해 생성, 도입, 및/또는 농축될 수 있다. 다양한 경우에, 산소는 전해조 공정의 부산물이다. 특정 실시형태에서, 산소는 전해조 공정에서 생성 및/또는 농축될 수 있다.
산소는 많은 박테리아 배양에 대한 미생물 저해제이다. 그러므로, 산소는 하류 발효 공정을 저해할 수 있다. 비저해성 가스 스트림을 이것이 발효될 수 있는 생물반응기로 통과시키기 위해, 산소의 적어도 일부 또는 다른 성분이 하나 이상의 제거 모듈에 의해 전해조 공급원료로부터 제거될 필요가 있을 수 있다.
소정의 경우에, C1 공급원료는 압력에서 발효 공정으로 통과한다. 이 경우에, 산업 공정으로부터의 C1 공급원료는 발효를 위한 생물반응기로 통과하기 전에 하나 이상의 압력 모듈로 통과한다.
소정의 경우에, 전해조 공급원료는 압력에서 발효 공정으로 통과한다. 이 경우에, 전해조 공정으로부터의 전해조 공급원료는 발효를 위한 생물반응기로 통과하기 전에 하나 이상의 압력 모듈로 통과한다.
추가적으로, 전해조 공정은 압력에서 완료될 수 있다. 압력에서 완료될 경우, 전기분해되는 물질은 전해조 공정으로 공급되기 전에 가압된다. 소정의 경우에, 전기분해되는 물질은 CO2 함유 가스 스트림이다. CO2 함유 가스 스트림이 전기분해되기 전에 가압되는 경우, CO2 함유 가스 스트림은 전기분해 모듈로 통과하기 전에 압력 모듈로 통과할 수 있다.
적어도 하나의 실시형태에서, 상기 방법은 다양한 발효 생성물의 연관된 제조 비용을 감소시킨다. 하나 이상의 발효 생성물 중 적어도 하나는 에탄올, 아세테이트, 부티레이트, 2,3-부탄디올, 락테이트, 부텐, 부타디엔, 케톤, 메틸 에틸 케톤, 에틸렌, 아세톤, 이소프로판올, 지질, 3-하이드록시프로피오네이트, 이소프렌, 지방산, 2-부탄올, 1,2-프로판디올, 1-프로판올 및 C6-C12 알콜로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다. 발효 생성물 중 적어도 하나는 디젤, 제트 연료 및/또는 가솔린 중 적어도 하나의 성분으로 추가로 전환될 수 있다.
하나 이상의 발효 생성물 중 적어도 하나는 배양에 의해 생성된 바이오매스일 수 있다. 적어도 일부의 미생물 바이오매스는 단세포 단백질(single cell protein, SCP)로 전환될 수 있다. 적어도 일부의 단세포 단백질은 동물 사료의 성분으로서 사용될 수 있다.
적어도 하나의 실시형태에서, 전해조 공정은, 적어도 부분적으로, 재생 에너지원에 의해 동력공급된다. 소정의 경우에, 재생 에너지원은 태양, 수력, 풍력, 지열, 바이오매스 및 핵으로 이루어진 군으로부터 선택된다.
소정의 실시형태에, 산업 공정은 발효 후 가스 기질을 추가로 생성할 수 있다. 다양한 경우에, 이 발효 후 가스 기질은 적어도 일부의 CO2를 포함한다. 특정 실시형태에서, 발효 후 가스 기질은 전해조 공정으로 통과한다.
특정 경우에, 발효 후 가스 기질은 제거를 필요로 하는 다양한 성분을 함유한다. 이 경우에, 발효 후 가스 기질은 발효 후 가스 기질을 전해조 공정으로 통과시키기 전에 하나 이상의 성분을 제거하도록 처리된다. 발효 후 가스 기질로부터 제거된 성분은 황 화합물, 방향족 화합물, 알킨, 알켄, 알칸, 올레핀, 질소 화합물, 인 함유 화합물, 미립자 물질, 고체, 산소, 산소화물, 할로겐화 화합물, 규소 함유 화합물, 카보닐, 금속, 알콜, 에스테르, 케톤, 퍼옥사이드, 알데하이드, 에테르 및 타르를 포함하는 군으로부터 선택될 수 있다.
특정 경우에, 발효 후 가스 기질로부터 제거된 적어도 하나의 성분은 황을 포함한다. 제거된 이들 성분 중 적어도 하나는 발효 공정에 의해 생성, 도입, 및/또는 농축될 수 있다. 예를 들어, 황화수소(H2S)의 형태의 황은 발효 공정에 의해 생성, 도입, 및/또는 농축될 수 있다. 특정 실시형태에서, 황화수소는 발효 공정에서 도입된다. 다양한 실시형태에서, 발효 후 가스 기질은 적어도 일부의 황화수소를 포함한다. 황화수소는 촉매 저해제일 수 있다. 그러므로, 황화수소는 특정 전해조를 저해할 수 있다. 비저해성 발효 후 가스 기질을 전해조로 통과시키기 위해, 황화수소의 적어도 일부, 또는 발효 후 가스 기질에 존재하는 다른 성분이 하나 이상의 제거 모듈에 의해 제거될 필요가 있을 수 있다.
다양한 실시형태에서, 발효 후 가스 기질로부터 제거된 성분, 산업 공급원료 및/또는 전해조 공급원료는 미생물 저해제 및/또는 촉매 저해제이다.
적어도 하나의 제거 모듈은 가수분해 모듈, 산 가스 제거 모듈, 탈산소 모듈, 촉매 수소화 모듈, 미립자 제거 모듈, 클로라이드 제거 모듈, 타르 제거 모듈 및 시안화수소 제거 모듈을 포함하는 군으로부터 선택될 수 있다.
소정의 경우에, 전해조 공정은 일산화탄소 농후 스트림 및 산소 농후 스트림을 생성할 수 있다. 다양한 경우에, 분리된 일산화탄소 농후 스트림의 적어도 일부는 발효를 위한 생물반응기로 통과할 수 있다. 일부 경우에, 산소 농후 스트림은 산업 공정의 성능 및/또는 경제학을 추가로 개선하기 위해 산업 공정으로 통과할 수 있다.
전해조 공급원료가 H2를 포함하는 다양한 실시형태에서, H2는 발효 기질 조성을 개선할 수 있다. 수소는 탄소 함유 가스를 유용한 생성물로 전환시키기 위해 미생물이 요구하는 에너지를 제공한다. 최적 농도의 수소가 제공될 때, 미생물 배양은 이산화탄소의 동시제조 없이 에탄올과 같은 원하는 발효 생성물을 생성할 수 있다.
바람직하게는, 생물반응기에서의 박테리아 배양은 일산화탄소영양 박테리아를 포함한다. 일산화탄소영양 박테리아는 모렐라(Moorella), 클로스트리듐(Clostridium), 루미노코커스(Ruminococcus), 아세토박테륨(Acetobacterium), 유박테륨(Eubacterium), 부티리박테륨(Butyribacterium), 옥소박터(Oxobacter), 메타노사르시나(Methanosarcina) 및 데술포토마쿨룸(Desulfotomaculum)을 포함하는 군으로부터 선택될 수 있다. 바람직하게는, 일산화탄소영양 박테리아는 클로스트리듐 아우토에타노게눔(Clostridium autoethanogenum)이다.
하나 이상의 실시형태에서, 본 발명은 전해조 공정이 없는 공정과 비교하여 (i) 하나 이상의 발효 생성물의 제조와 연관된 비용을 감소시키고/시키거나, (ii) 전생성물로 전환된 탄소의 총 양을 증가시킨다.
도 1은 산업 공정 및 전해조 공정과 발효 공정의 통합을 도시하는 도식적 흐름 다이어그램이다.
도 2는 본 발명의 하나의 양태에 따른, C1 공급원료를 가공하기 위한 제거 모듈을 추가로 포함하는, 산업 공정 및 전해조 공정과 발효 공정의 통합을 도시하는 도식적 흐름 다이어그램이다.
도 3은 본 발명의 하나의 양태에 따른, 전해조 공급원료를 가공하기 위한 제거 모듈을 추가로 포함하는, 산업 공정 및 전해조 공정과 발효 공정의 통합을 도시하는 도식적 흐름 다이어그램이다.
도 4는 본 발명의 하나의 양태에 따른 전해조 공급원료를 가압하기 위한 선택적 압력 모듈 및 C1 공급원료를 가압하기 위한 선택적 압력 모듈의 통합을 도시하는 도식적 흐름 다이어그램이다.
도 5는 본 발명의 하나의 양태에 따른, 발효 후 가스 기질이 발효 공정으로부터 전해조 공정으로 통과하는, 전해조 공정 및 발효 공정의 통합을 도시하는 도식적 흐름 다이어그램이다.
도 6은 본 발명의 하나의 양태에 따른 발효 후 가스 기질을 가공하기 위한 제거 모듈의 통합을 도시하는 도식적 흐름 다이어그램이다.
도 7은 본 발명의 하나의 양태에 따른 하나 이상의 전해조 공정 및/또는 산업 공정으로부터의 하나 이상의 스트림을 블렌딩하는 것을 도시하는 도식적 흐름 다이어그램이다.
도 8은, 4분마다 하나의 데이터 점의 평균으로, 19일의 기간에 걸친 벨기에의 전기 가격을 보여주는 그래프이다.
본 발명자들은 가스 발효 공정과 산업 공정 및 전해조 공정의 통합이 발효 공정의 성능 및/또는 경제학을 실질적으로 개선할 수 있다는 것을 확인하였으며, 여기서 전해조 공정은 전해조 공급원료를 간헐적으로 공급한다.
정의
달리 정의되지 않는 한, 본 명세서에 걸쳐 사용된 바와 같은 하기 용어는 하기와 같이 정의된다:
용어 "전해조 공급원료"는 전해조를 떠나는 임의의 기질을 포함할 수 있다. 다양한 경우에, 전해조 공급원료는 CO, H2, 또는 이들의 조합으로 이루어진다. 소정의 경우에, 전해조 공급원료는 비전환된 CO2의 부분을 함유할 수 있다. 바람직하게는, 전해조 공급원료는 전해조 공정으로부터 발효 공정으로 공급된다.
용어 "C1 공급원료"는 산업 공정을 떠나는 임의의 기질을 포함할 수 있다. 다양한 경우에, C1 공급원료는 CO, H2, CO2, 또는 이들의 조합으로 이루어진다. 바람직하게는, C1 공급원료는 산업 공정으로부터 발효 공정으로 공급된다.
용어 "경제학을 개선하는", "경제학을 최적화하는" 등은, 발효 공정과 관련하여 사용될 때, 생성된 생성물의 가치가 이러한 생성물의 제조 비용에 비해 높은 기간 동안 발효 공정에 의해 생성된 하나 이상의 생성물의 양의 증가를 포함하지만, 이들로 제한되지는 않는다. 발효 공정의 경제학은 생물반응기로의 공급원료의 공급을 증가시키는 방식에 의해 개선될 수 있는데, 이것은 예를 들어 산업 공정으로부터의 C1 공급원료를 전해조 공정으로부터의 전해조 공급원료로 보충함으로써 달성될 수 있다. 공급원료의 추가 공급은 발효 공정의 효율을 증가시킬 수 있다. 발효 공정의 경제학을 개선하는 다른 방식은 이용 가능한 공급원료의 상대 비용에 기초하여 공급원료를 선택하는 것이다. 예를 들어, 산업 공정으로부터의 C1 공급원료의 비용이 전해조 공정으로부터의 전해조 공급원료의 비용보다 높을 때, 전해조 공급원료는 C1 공급원료의 적어도 일부를 대체하도록 사용될 수 있다. 이러한 공급원료의 비용에 기초하여 공급원료를 선택하여 생성된 발효 생성물의 제조 비용은 감소한다.
전해조 공정은 H2 및 CO 중 하나 또는 둘 다를 포함하는 공급원료를 공급할 수 있다. "전해조 공급원료의 유닛당 비용"은 발효 공정 및 임의의 전해조 공급원료에 의해 생성된 임의의 주어진 생성물의 항으로 표현될 수 있으며, 예를 들어 전해조 공급원료가 H2로 정의되는 에탄올 제조의 경우, 전해조 공급원료의 유닛당 비용은 하기 식에 의해 정의된다:
상기 식에서, z는 전력의 비용을 나타내고, x는 전기분해 효율을 나타내고, y는 에탄올의 수율을 나타낸다.
전해조 공급원료가 CO로 정의되는 에탄올 제조의 경우, 전해조 공급원료의 유닛당 비용은 하기 식에 의해 정의된다:
상기 식에서, z는 전력의 비용을 나타내고, x는 전기분해 효율을 나타내고, y는 에탄올의 수율을 나타낸다.
발효 공정은 공급원료의 비용 이외에 "제조 비용"을 포함한다. "제조 비용"은 공급원료의 비용을 배제한다. "제조 비용", "한계 제조 비용" 등은 발효 공정의 운영과 연관된 가변적인 작동 비용을 포함한다. 이 값은 제조된 생성물에 따라 달라질 수 있다. 한계 제조 비용은 생성물의 유닛당 고정된 비용으로 표현될 수 있고, 이는 생성물의 연소 발열량의 항으로 표현될 수 있다. 예를 들어, 에탄올에 대한 한계 제조 비용의 계산은 하기 식에 의해 정의된다:
상기 식에서, c는 생물반응기의 가동과 연관된 가변적인 작동 비용을 나타내고, 26.8 GJ는 에탄올의 연소의 더 낮은 발열량을 나타낸다. 소정의 경우에, 생물반응기의 가동과 연관된 가변적인 작동 비용인 c는 H2/CO/CO2의 가격을 배제하여 에탄올에 대해 200 달러이다.
발효 공정은 다수의 생성물을 생성할 수 있다. 각각의 생성물은 상이한 값을 정의한다. "생성물의 가치"는 생성물의 현재의 시장 가격과 생성물의 연소 발열량에 기초하여 결정될 수 있다. 예를 들어, 에탄올의 가치에 대한 계산은 하기 식에 의해 정의된다:
상기 식에서, z는 메트릭톤당 에탄올의 현재의 가치이고, 26.8 GJ는 에탄올의 더 낮은 연소 발열량을 나타낸다.
발효 공정의 경제학을 최적화하기 위해, 제조된 생성물의 가치는 이러한 생성물의 "제조 비용"을 초과해야 한다. 생성물의 제조 비용은 "공급원료의 비용"과 "한계 제조 비용"의 합으로 정의된다. 발효 공정의 경제학은 이러한 생성물의 제조 비용과 비교한 제조된 생성물의 가치에 의해 정의된 비율의 항으로 표현될 수 있다. 발효 공정의 경제학은 이러한 생성물의 제조 비용과 비교한 생성물의 가치의 비율이 증가하면서 개선된다. 발효 공정의 경제학은 제조된 생성물의 가치에 따라 달라질 수 있는데, 이는, 적어도 부분적으로, 비제한적인 예로서 박테리아 배양 및/또는 발효 공정에 사용된 가스의 조성을 포함하는 실행된 발효 공정에 의존하여 변할 수 있다. 에탄올이 발효 공정에 의해 제조된 생성물일 때, 경제학은 하기 식에 의해 결정될 수 있다:
상기 식에서, z는 에탄올의 가치를 나타내고, x는 공급원료의 비용을 나타내고, y는 한계 제조 비용(공급원료 배제)을 나타낸다.
용어 "효율을 증가시키는", "증가된 효율" 등은, 발효 공정과 관련하여 사용될 때, 상승된 생성물 농도에서 발효, 성장 및/또는 생성물 제조 속도를 촉매하는 미생물의 성장 속도, 소비된 기질의 부피당 제조된 원하는 생성물의 부피, 원하는 생성물의 제조 속도 또는 제조 수준, 및 다른 발효 부산물과 비교하여 제조된 원하는 생성물의 상대 비율 중 하나 이상의 증가를 포함하지만, 이들로 제한되지는 않는다. 소정의 경우에, 전해조 공급원료는 발효 공정의 효율을 증가시킨다.
용어 "불충분한" 등은, 발효 공정에 대한 공급원료의 공급과 관련하여 사용될 때, 최적 양보다 적다는 것, 즉 발효 공정이 달리 더 많은 양의 공급원료가 공급된 경우 생성한 것보다 적은 분량의 발효 생성물을 생성함을 포함하지만, 이들로 제한되지는 않는다. 예를 들어, 산업 공정이 발효 공정을 적절히 공급하기에 충분한 C1 공급원료를 제공하지 못할 때 공급원료의 공급은 불충분해질 수 있다. 바람직하게는, 발효 생성물의 분량이 공급원료 공급에 의해 제한되지 않도록 발효 공정은 최적 양의 공급원료가 공급된다.
"C1 함유 가스 기질"은 이산화탄소 및 일산화탄소 중 하나 또는 둘 다를 함유하는 임의의 가스를 포함할 수 있다. 가스 기질은 전형적으로 상당한 비율의 CO2, 바람직하게는 적어도 약 5 부피% 내지 약 100 부피%의 CO2를 함유할 것이다. 추가적으로, 가스 기질은 수소(H2), 산소(O2), 질소(N2) 및/또는 메탄(CH4) 중 하나 이상을 함유할 수 있다.
기질이 수소를 함유할 필요는 없지만, H2의 존재는 본 발명의 방법에 따라 생성물 형성에 해롭지 않아야 한다. 특정 실시형태에서, 수소의 존재는 알콜 생성의 전체 효율을 개선한다. 일 실시형태에서, 기질은 약 30 부피% 이하의 H2, 20 부피% 이하의 H2, 약 15 부피% 이하의 H2 또는 약 10 부피% 이하의 H2를 포함한다. 다른 실시형태에서, 기질 스트림은 5% 미만, 또는 4% 미만, 또는 3% 미만, 또는 2% 미만, 또는 1% 미만과 같은 낮은 농도의 H2를 포함하거나, 실질적으로 수소가 없다.
기질은 또한, 예를 들어 약 1 부피% 내지 약 80 부피%의 CO, 또는 1 부피% 내지 약 30 부피%의 CO와 같은 약간의 CO를 함유할 수 있다. 일 실시형태에서, 기질은 약 20 부피% 이하의 CO를 포함한다. 특정 실시형태에서, 기질은 약 15 부피% 이하의 CO, 약 10 부피% 이하의 CO, 약 5 부피% 이하의 CO를 포함하거나, 실질적으로 CO가 없다.
기질 조성은 원하는 또는 최적의 H2:CO:CO2 몰 비를 제공하도록 개선될 수 있다. 원하는 H2:CO:CO2 몰 비는 발효 공정의 원하는 발효 생성물에 따라 달라진다. 에탄올의 경우, 에탄올 제조에 대한 몰 화학량론을 만족시키기 위해 최적의 H2:CO:CO2 몰 비는 (상기 식에서 x>2y)이다:
수소의 존재 하에 발효 공정을 작동하는 것은 발효 공정에 의해 제조된 CO2의 양을 감소시키는 추가적인 이익을 가진다. 예를 들어, 최소한의 H2를 포함하는 가스 기질은 전형적으로 몰 화학량론[6 CO + 3 H2O → C2H5OH + 4 CO2]에 의해 에탄올 및 CO2를 생성할 것이다. C1 고정 박테리아에 의해 사용된 수소의 양이 증가하면서, 제조된 CO2의 양은 감소한다[즉, 2 CO + 4 H2 → C2H5OH + H2O].
CO가 에탄올 제조에 대한 유일한 탄소원 및 에너지원일 때, 탄소의 부분은 하기와 같이 CO2로 소실된다:
기질에 이용 가능한 H2의 양이 증가하면, 생성된 CO2의 양은 감소한다. 1:2(CO/H2)의 몰 화학량론적 비에서, CO2 생성은 완전히 회피된다.
"가스 스트림"은 예를 들어 하나의 모듈로부터 다른 모듈로, 하나의 모듈로부터 생물반응기로, 하나의 공정으로부터 다른 공정으로, 및/또는 하나의 모듈로부터 탄소 포획 수단으로 통과할 수 있는 임의의 기질 스트림을 지칭한다.
본원에 사용된 바와 같은 "반응물"은 화학 반응에 참여하거나 이 동안 변화를 겪는 물질을 지칭한다. 특정 실시형태에서, 반응물은 CO 및/또는 H2를 포함하지만, 이들로 제한되지는 않는다.
본원에 사용된 바와 같은 "미생물 저해제"는 특정 화학 반응 또는 미생물을 포함하는 다른 공정을 느리게 하거나 방지하는 하나 이상의 성분을 지칭한다. 특정 실시형태에서, 미생물 저해제는 산소(O2), 시안화수소(HCN), 아세틸렌(C2H2) 및 BTEX(벤젠( b enzene), 톨루엔( t oluene), 에틸 벤젠( e thyl benzene), 자일렌( x ylene))를 포함하지만, 이들로 제한되지는 않는다.
본원에 사용된 바와 같은 "촉매 저해제", "흡착제 저해제" 등은 화학 반응의 속도를 감소시키거나 이를 방지하는 하나 이상의 물질을 지칭한다. 특정 실시형태에서, 촉매 및/또는 흡착제 저해제는 황화수소(H2S) 및 황화카보닐(COS)을 포함하지만, 이들로 제한되지는 않는다.
"제거 모듈", "클린업 모듈", "가공 모듈" 등은 가스 스트림으로부터 미생물 저해제 및/또는 촉매 저해제를 전환하 및/또는 제거할 수 있는 기술을 포함한다.
본원에 사용된 바와 같은 용어 "성분", "오염물질" 등은 가스 스트림에서 발견될 수 있는 미생물 저해제 및/또는 촉매 저해제를 지칭한다. 특정 실시형태에서, 성분은 황 화합물, 방향족 화합물, 알킨, 알켄, 알칸, 올레핀, 질소 화합물, 인 함유 화합물, 미립자 물질, 고체, 산소, 산소화물, 할로겐화 화합물, 규소 함유 화합물, 카보닐, 금속, 알콜, 에스테르, 케톤, 퍼옥사이드, 알데하이드, 에테르 및 타르를 포함하지만, 이들로 제한되지는 않는다. 바람직하게는, 제거 모듈에 의해 제거된 성분은 이산화탄소(CO2)를 포함하지 않는다.
용어 "처리된 가스"는 적어도 하나의 제거 모듈을 통해 통과하고, 하나 이상의 성분이 제거 및/또는 전환된 가스 스트림을 지칭한다.
본원에 사용된 바와 같은 용어 "탄소 포획"은 CO2 및/또는 CO를 포함하는 스트림으로부터 CO2 및/또는 CO를 포함하는 탄소 화합물을 봉쇄하는 것 및 하기 중 어느 하나를 지칭한다:
CO2 및/또는 CO를 생성물로 전환시키는 것; 또는
CO2 및/또는 CO를 장기간 저장에 적합한 물질로 전환시키는 것; 또는
CO2 및/또는 CO를 장기간 저장에 적합한 물질로 포획하는 것; 또는
이들 공정의 조합.
용어 "생물반응기"는 연속 교반 탱크 반응기(CSTR: Continuous Stirred Tank Reactor), 고정 셀 반응기(ICR: Immobilized Cell Reactor), 살수 층 반응기(TBR: Trickle Bed Reactor), 버블 칼럼, 가스 리프트 발효기, 정체형 혼합기, 순환 루프 반응기, 막 반응기, 예컨대 중공 섬유 막 생물반응기(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. 반응기는 바람직하게는 CO 또는 CO2 또는 H2 또는 이들의 혼합물을 포함하는 가스 기질을 수용하도록 적응된다. 반응기는 병렬 또는 직렬의 다수의 반응기(단차)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 반응기는 박테리아가 배양되는 제1 성장 반응기 및 성장 반응기로부터의 발효 브로스가 공급될 수 있고 대부분의 발효 생성물이 생성될 수 있는 제2 발효 반응기를 포함할 수 있다.
"영양소 배지들" 또는 "영양소 배지"는 박테리아 성장 배지를 기술하도록 사용된다. 일반적으로, 이 용어는 영양소 및 미생물 배양의 성장에 적절한 다른 성분을 함유하는 배지를 지칭한다. 용어 "영양소"는 미생물의 대사 경로에 사용될 수 있는 임의의 물질을 포함한다. 예시적인 영양소는 칼륨, 비타민 B, 미량 금속 및 아미노산을 포함한다.
용어 "발효 브로스" 또는 "브로스"는 영양소 배지를 포함하는 성분과 배양물 또는 하나 이상의 미생물의 혼합물을 포괄하도록 의도된다. 용어 미생물 및 용어 박테리아가 본 문헌에 걸쳐 상호 교환되어 사용됨에 유의해야 한다.
본원에 사용된 바와 같은 용어 "산"은, 본원에 기재된 바와 같은 발효 브로스에 존재하는 유리 아세트산과 아세테이트의 혼합물과 같은, 카복실산과 관련된 카복실레이트 음이온 둘 다를 포함한다. 발효 브로스에서의 분자 산 대 카복실레이트의 비율은 시스템의 pH에 따라 달라진다. 또한, 용어 "아세테이트"는 아세테이트 염 단독 및 본원에 기재된 바와 같은 발효 브로스에 존재하는 아세테이트 염과 유리 아세트산의 혼합물과 같은 분자 또는 유리 아세트산과 아세테이트 염의 혼합물 둘 다를 포함한다.
용어 "원하는 조성"은 예를 들어 가스 스트림의 물질에서의 원하는 수준 및 유형의 성분을 지칭하도록 사용된다. 보다 구체적으로는, 가스는 특정 성분(즉, CO, H2 및/또는 CO2)을 함유하고/하거나, 특정 비율의 특정 성분을 함유하고/하거나, 특정 성분(즉, 미생물에 해로운 성분)을 함유하지 않고/않거나, 특정 비율의 특정 성분을 함유하지 않는 경우 "원하는 조성"을 갖는다고 생각된다. 하나 초과의 성분이 가스 스트림이 원하는 조성을 갖는지를 결정할 때 고려될 수 있다.
문맥이 달리 요구하지 않는 한, 본원에 사용된 바와 같은 구절 "발효하는", "발효 공정" 또는 "발효 반응" 등은 가스 기질의 성장 단계 및 생성물 생합성 단계 둘 다를 포괄하도록 의도된다.
"미생물"은 미시적 유기체, 특히 박테리아, 고세균, 바이러스 또는 진균이다. 본 발명의 미생물은 전형적으로 박테리아이다. 본원에 사용된 바대로, "미생물"의 언급은 "박테리아"를 포괄하도록 취해져야 한다.
"모 미생물"은 본 발명의 미생물을 생성시키도록 사용된 미생물이다. 모 미생물은 자연 발생 미생물(즉, 야생형 미생물) 또는 이전에 변형된 미생물(즉, 돌연변이체 또는 재조합 미생물)일 수 있다. 본 발명의 미생물은 모 미생물에서 발현되지 않거나 과발현되지 않는 하나 이상의 효소를 발현시키거나 과발현시키도록 변형될 수 있다. 유사하게, 본 발명의 미생물은 모 미생물이 함유하지 않는 하나 이상의 유전자를 함유하도록 변형될 수 있다. 본 발명의 미생물은 또한 모 미생물에서 발현된 하나 이상의 효소를 발현하지 않거나 이 효소의 더 적은 양을 발현하도록 변형될 수 있다. 일 실시형태에서, 모 미생물은 클로스트리듐 아우토에타노게눔, 클로스트리듐 리융달리(Clostridium ljungdahlii) 또는 클로스트리듐 라그스달레이(Clostridium ragsdalei)이다. 바람직한 실시형태에서, 미생물은 클로스트리듐 아우토에타노게눔 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 국제공개 WO 2012/015317호로 공개된 국제 특허 출원 PCT/NZ2011/000144호에 기재되어 있다.
용어 "유래된"은 새로운 핵산, 단백질 또는 미생물을 제조하도록 핵산, 단백질, 또는 미생물이 상이한(즉, 모 또는 야생형) 핵산, 단백질 또는 미생물로부터 변형되거나 적응된다는 것을 나타낸다. 이러한 변형 또는 적응은 전형적으로 핵산 또는 유전자의 삽입, 결실, 돌연변이 또는 치환을 포함한다. 일반적으로, 본 발명의 미생물은 모 미생물로부터 유래된다. 일 실시형태에서, 본 발명의 미생물은 클로스트리듐 아우토에타노게눔, 클로스트리듐 리융달리 또는 클로스트리듐 라그스달레이로부터 유래된다. 바람직한 실시형태에서, 본 발명의 미생물은 DSMZ 수탁 번호 DSM23693에 따라 기탁된 클로스트리듐 아우토에타노게눔 LZ1561이다.
"우드-리융달리"는 기재된 바와 같은, 즉 문헌[Ragsdale, Biochim Biophys Acta, 1784: 1873-1898, 2008]에 의해 기재된 바와 같은 탄소 고정의 우드-리융달리 경로(Wood-Ljungdahl pathway)를 지칭한다. "우드-리융달리 미생물"은 예상대로 우드-리융달리 경로를 함유하는 미생물을 지칭한다. 일반적으로, 본 발명의 미생물은 천연 우드-리융달리 경로를 함유한다. 본원에서, 우드-리융달리 경로는 천연 비변형된 우드-리융달리 경로일 수 있거나, CO, CO2 및/또는 H2를 아세틸-CoA로 전환시키도록 여전히 작용하는 일정 정도의 유전자 변형(즉, 과발현, 이종성 발현, 넉아웃 등)을 갖는 우드-리융달리 경로일 수 있다.
"C1"은 하나의 탄소 분자, 예를 들어, CO, CO2, CH4 또는 CH3OH를 지칭한다. "C1-산소화물"은 적어도 하나의 산소 원자를 또한 포함하는 하나의 탄소 분자, 예를 들어 CO, CO2 또는 CH3OH를 지칭한다. "C1-탄소원"은 본 발명의 미생물에 대한 부분적 탄소원 또는 유일한 탄소원으로 작용하는 하나의 탄소 분자를 지칭한다. 예를 들어, C1-탄소원은 CO, CO2, CH4, CH3OH 또는 CH2O2 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 바람직하게는, C1-탄소원은 CO 및 CO2의 하나 또는 둘 다를 포함한다. "C1 고정 미생물"은 C1-탄소원으로부터 하나 이상의 생성물을 생성하는 능력을 갖는 미생물이다. 전형적으로, 본 발명의 미생물은 C1 고정 박테리아이다.
"혐기균"은 성장을 위해 산소를 필요로 하지 않는 미생물이다. 혐기균은 산소가 소정의 한계점을 초과하여 존재하면 부정적으로 반응하거나 심지어 죽을 수 있다. 그러나, 일부 혐기균은 낮은 수준의 산소(즉, 0.000001 내지 5 부피% 산소)를 견딜 수 있다. 전형적으로, 본 발명의 미생물은 혐기균이다.
"아세토젠"은 에너지 보존 및 아세틸-CoA 및 아세틸-CoA 유래 생성물, 예컨대 아세테이트의 합성을 위한 이의 주요 기전으로서 우드-리융달리 경로를 사용하는 절대적 혐기성 박테리아이다(문헌[Ragsdale, Biochim Biophys Acta, 1784: 1873-1898, 2008]). 특히, 아세토젠은 (1) CO2로부터 아세틸-CoA의 환원 합성을 위한 기전, (2) 말단 전자 구인성 에너지 보존 공정, (3) 세포 탄소의 합성에서 CO2의 고정을 위한 기전(동화)으로서 우드-리융달리 경로를 사용한다(문헌[Drake, Acetogenic Prokaryotes, In: The Prokaryotes, 3rd edition, p. 354, New York, NY, 2006]). 모든 자연 발생 아세토젠은 C1 고정, 혐기성, 독립영양성 및 비메탄친화성이다. 전형적으로, 본 발명의 미생물은 아세토젠이다.
"에타놀로겐"은 에탄올을 생성하거나 생성할 수 있는 미생물이다. 전형적으로, 본 발명의 미생물은 에타놀로겐이다.
"독립영양체"는 유기 탄소의 부재 하에 성장할 수 있는 미생물이다. 대신에, 독립영양체는 무기 탄소 공급원, 예컨대 CO 및/또는 CO2를 사용한다. 전형적으로, 본 발명의 미생물은 독립영양체이다.
"일산화탄소영양체"는 유일한 탄소원 및 에너지원으로서 CO를 사용할 수 있는 미생물이다. 전형적으로, 본 발명의 미생물은 일산화탄소영양체이다.
"메탄영양체"는 유일한 탄소원 및 에너지원으로서 메탄을 사용할 수 있는 미생물이다. 전형적으로, 본 발명의 미생물은 메탄영양체이거나 메탄영양체로부터 유래된다. 다른 실시형태에서, 본 발명의 미생물은 메탄영양체가 아니거나 메탄영양체로부터 유래되지 않는다.
"기질"은 본 발명의 미생물에 대한 탄소원 및 에너지원을 지칭한다. 전형적으로, 기질은 가스이고, C1 탄소원, 예를 들어 CO, CO2 및/또는 CH4를 포함한다. 바람직하게는, 기질은 CO 또는 CO + CO2의 C1 탄소원을 포함한다. 기질은 다른 비탄소 성분, 예컨대 H2, N2 또는 전자를 추가로 포함할 수 있다.
용어 "공기질"은, 생성물 합성에 대한 1차 에너지 및 물질 공급원일 필요 없이, 1차 기질과 같은 다른 기질에 첨가될 때 생성물 합성에 사용될 수 있는 물질을 지칭한다.
기질 및/또는 C1 탄소원은 산업 공정의 부산물로서 또는 일부 다른 소스로부터, 예컨대 자동차 배기 가스 또는 바이오매스 기화로부터 얻어진 폐가스일 수 있다. 소정의 실시형태에서, 산업 공정은 탄수화물 발효로부터의 가스, 시멘트 제조로부터의 가스, 펄프 및 종이 제조, 스틸 제조, 오일 정제 및 연관 공정, 석유화학물질 제조, 코크스 제조, 혐기성 또는 호기성 분해, 합성 가스(비제한적인 예로서 바이오매스, 액체 폐스트림, 고체 폐스트림, 도시 하천, 천연 가스, 석탄 및 오일을 포함하는 화석 자원을 포함하는 공급원으로부터 유래됨), 천연 가스 추출, 오일 추출, 알루미늄, 구리, 및/또는 합금철의 제조 및/또는 정제를 위한 야금 공정, 지리학적 저장소 및 촉매 공정(비제한적인 예로서 스팀 메탄 개질, 스팀 나프타 개질, 석유 코크스 기화, 촉매 재생-유체 촉매 분해, 촉매 재생-나프타 개질 및 건조 메탄 개질을 포함하는 스팀 공급원으로부터 유래됨)으로 이루어진 군으로부터 선택된다. 다양한 경우에, 기질 및/또는 C1 탄소원은, 임의의 편리한 방법을 사용하여, 대기로 방출되기 전에 산업 공정으로부터 포획될 수 있다.
기질의 조성은 반응의 효율 및/또는 비용에 상당한 영향을 미칠 수 있다. 예를 들어, 산소(O2)의 존재는 혐기성 발효 공정의 효율을 감소시킬 수 있다. 기질의 조성에 따라, 임의의 원치 않는 불순물, 예컨대 독소, 원치 않는 성분, 또는 먼지 입자를 제거하고/하거나 바람직한 성분의 농도를 증가시키기 위해 기질을 처리하거나 스크럽하거나 여과시키는 것이 바람직할 수 있다.
소정의 실시형태에서, 발효는 당, 전분, 리그닌 셀룰로스 또는 헤미셀룰로스와 같은 탄수화물 기질의 부재 하에 수행된다.
본 발명의 미생물은 하나 이상의 생성물을 제조하도록 가스 스트림과 배양될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 미생물은 에탄올(국제공개 WO 2007/117157호), 아세테이트(국제공개 WO 2007/117157호), 부탄올(국제공개 WO 2008/115080호 및 국제공개 WO 2012/053905호), 부티레이트(국제공개 WO 2008/115080호), 2,3-부탄디올(국제공개 WO 2009/151342호 및 국제공개 WO 2016/094334호), 락테이트(국제공개 WO 2011/112103호), 부텐(국제공개 WO 2012/024522호), 부타디엔(국제공개 WO 2012/024522호), 메틸 에틸 케톤(2-부타논)(국제공개 WO 2012/024522호 및 국제공개 WO 2013/185123호), 에틸렌(국제공개 WO 2012/026833호), 아세톤(국제공개 WO 2012/115527호), 이소프로판올(국제공개 WO 2012/115527호), 지질(국제공개 WO 2013/036147호), 3-하이드록시프로피오네이트(3-HP)(국제공개 WO 2013/180581호), 테르펜, 예를 들어 이소프렌(국제공개 WO 2013/180584호), 지방산(국제공개 WO 2013/191567호), 2-부탄올(국제공개 WO 2013/185123호), 1,2-프로판디올(국제공개 WO 2014/036152호), 1-프로판올(국제공개 WO 2014/0369152호), 코리스메이트 유래 생성물(국제공개 WO 2016/191625호), 3-하이드록시부티레이트(국제공개 WO 2017/066498호) 및 1,3-부탄디올(국제공개 WO 2017/0066498호)을 제조하거나 제조하도록 조작될 수 있다. 본 발명의 미생물은 하나 이상의 표적 생성물 이외에 또한 에탄올, 아세테이트 및/또는 2,3-부탄디올을 생성할 수 있다. 소정의 실시형태에서, 미생물 바이오매스 자체는 생성물로 생각될 수 있다. 이 생성물은 디젤, 제트 연료 및/또는 가솔린 중 적어도 하나의 성분을 제조하도록 추가로 전환될 수 있다. 추가적으로, 미생물 바이오매스는 단세포 단백질(SCP)을 제조하도록 추가로 가공될 수 있다.
"단세포 단백질"(SCP)은 단백질 농후 인간 및/또는 동물 공급물에서 사용될 수 있는 미생물 바이오매스를 지칭하며, 이는 종종 대두박 또는 어분과 같은 단백질 보충의 종래의 공급원을 대체한다. 상기 공정은 단세포 단백질 또는 다른 생성물을 제조하기 위해 추가적인 분리, 가공 또는 처리 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 방법은 미생물 바이오매스를 살균하는 단계, 미생물 바이오매스를 원심분리하는 단계 및/또는 미생물 바이오매스를 건조시키는 단계를 포함할 수 있다. 소정의 실시형태에서, 미생물 바이오매스는 분무 건조 또는 패들 건조를 사용하여 건조된다. 핵산 함량이 높은 식이의 섭취가 핵산 분해 생성물을 축적하고/하거나 위장 고통을 야기할 수 있으므로, 상기 방법은 또한 당해 분야에 알려진 임의의 방법을 사용하여 미생물 바이오매스의 핵산 함량을 감소시키는 단계를 포함할 수 있다. 단세포 단백질은 가축 또는 애완동물과 같은 동물을 먹이는 데 적합할 수 있다. 특히, 동물 사료는 하나 이상의 육우, 젖소, 돼지, 양, 염소, 말, 노새, 당나귀, 사슴, 물소/들소, 라마, 알파카, 순록, 낙타, 들소, 가얄, 야크, 닭, 칠면조, 오리, 거위, 메추라기, 뿔닭, 새끼비둘기/비둘기, 어류, 새우, 갑각류, 고양이, 개 및 설치류를 먹이는 데 적합할 수 있다. 동물 사료의 조성은 상이한 동물의 영양 요건에 맞춰질 수 있다. 게다가, 상기 공정은 미생물 바이오매스를 하나 이상의 부형제와 블렌딩하거나 배합하는 단계를 포함할 수 있다.
"부형제"는 동물 사료의 형태, 특성 또는 영양 함량을 향상시키거나 변경하도록 미생물 바이오매스에 첨가될 수 있는 임의의 물질을 지칭할 수 있다. 예를 들어, 부형제는 탄수화물, 섬유, 지방, 단백질, 비타민, 미네랄, 물, 향료, 감미료, 항산화제, 효소, 보존제, 프로바이오틱 또는 항생제 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 일부 실시형태에서, 부형제는 건초, 짚, 사일리지, 곡식, 오일 또는 지방, 또는 다른 식물 재료일 수 있다. 부형제는 문헌[Chiba, Section 18: Diet Formulation and Common Feed Ingredients, Animal Nutrition Handbook, 3rd revision, pages 575-633, 2014]에서 확인된 임의의 사료 성분일 수 있다.
"자연적 생성물"은 유전자 비변형된 미생물에 의해 생성된 생성물이다. 예를 들어, 에탄올, 아세테이트 및 2,3-부탄디올은 클로스트리듐 아우토에타노게눔, 클로스트리듐 리융달리 및 클로스트리듐 라그스달레이의 자연적 생성물이다. "비자연적 생성물"은 유전자 변형된 미생물에 의해 생성되지만, 유전자 변형된 미생물이 유래된 유전자 비변형된 미생물에 의해 생성되지 않는 생성물이다.
"선택도"는 미생물에 의해 생성된 모든 발효 생성물의 제조에 대한 표적 생성물의 제조의 비율을 지칭한다. 본 발명의 미생물은 소정의 선택도에서 또는 최소 선택도에서 생성물을 생성하도록 조작될 수 있다. 일 실시형태에서, 표적 생성물은 본 발명의 미생물에 의해 생성된 모든 발효 생성물의 적어도 약 5 중량%, 10 중량%, 15 중량%, 20 중량%, 30 중량%, 50 중량%, 75 중량%, 또는 90 중량%를 차지한다. 일 실시형태에서, 본 발명의 미생물이 적어도 10 중량%의 표적 생성물에 대한 선택도를 갖도록, 표적 생성물은 본 발명의 미생물에 의해 생성된 모든 발효 생성물의 적어도 10 중량%를 차지한다. 다른 실시형태에서, 본 발명의 미생물이 적어도 30 중량%의 표적 생성물에 대한 선택도를 갖도록, 표적 생성물은 본 발명의 미생물에 의해 생성된 모든 발효 생성물의 적어도 30 중량%를 차지한다. 일 실시형태에서, 본 발명의 미생물이 적어도 90 중량%의 표적 생성물에 대한 선택도를 갖도록, 표적 생성물은 이 미생물에 의해 생성된 모든 발효 생성물의 적어도 90 중량%를 차지한다.
전형적으로, 배양은 생물반응기에서 수행된다. 용어 "생물반응기"는 연속 교반 탱크 반응기(CSTR), 고정 셀 반응기(ICR), 살수 층 반응기(TBR), 버블 칼럼, 가스 리프트 발효기, 정체형 혼합기, 또는 가스-액체 접촉에 적합한 다른 용기 또는 다른 장치와 같은 하나 이상의 용기, 탑 또는 파이핑 배열로 이루어진 배양/발효 장치를 포함한다. 일부 실시형태에서, 생물반응기는 제1 성장 반응기 및 제2 배양/발효 반응기를 포함할 수 있다. 이들 반응기 중 하나 또는 둘 다에 기질이 제공될 수 있다. 본원에 사용된 바대로, 용어 "배양" 및 "발효"는 상호교환적으로 사용된다. 이 용어는 배양/발효 공정의 성장 단계 및 생성물 생합성 단계 둘 다를 포함한다.
배양은 일반적으로 미생물의 성장을 허용하기에 충분한 영양소, 비타민 및/또는 미네랄을 함유하는 수성 배양 배지에서 유지된다. 바람직하게는, 수성 배양 배지는 혐기성 미생물 성장 배지, 예컨대 최소 혐기성 미생물 성장 배지이다. 적합한 배지는 당해 분야에 잘 알려져 있다.
배양/발효는 바람직하게는 표적 생성물의 제조를 위한 적절한 조건 하에 수행되어야 한다. 전형적으로, 배양/발효는 혐기성 조건 하에 수행된다. 고려되는 반응 조건은 압력(또는 분압), 온도, 가스 유속, 액체 유속, 배지 pH, 배지 산화환원 전위, 교반 속도(연속 교반 탱크 반응기를 사용하는 경우), 접종원 수준, 액상에서의 그 가스가 제한이 되지 않게 보장하는 최대 가스 기질 농도, 및 생성물 저해를 피하기 위한 최대 생성물 농도를 포함한다. 특히, 생성물이 가스 제한 조건 하에 배양에 의해 소모될 수 있으므로, 기질 도입 속도는 액상에서의 가스의 농도가 제한이 되지 않게 보장하도록 제어될 수 있다.
승온에서 생물반응기를 작동시키는 것은 기상으로부터 액상으로의 가스 질량 이동의 속도가 증가되게 한다. 따라서, 대기압보다 높은 압력에서 배양/발효를 수행하는 것이 일반적으로 바람직하다. 또한, 주어진 가스 전환 속도가 부분적으로 기질 보유 시간의 함수이고, 보유 시간이 생물반응기의 필요한 부피를 기술하므로, 가압 시스템의 사용은 필요한 생물반응기의 부피를 크게 감소시키고, 결과적으로 배양/발효 설비의 자본 비용을 크게 감소시킬 수 있다. 이는 결국 생물반응기가 대기압보다 상승된 압력에서 유지될 때, 유입 가스 유속으로 나눈 생물반응기에서의 액체 부피로 정의된 보유 시간이 감소할 수 있다는 것을 의미한다. 최적 반응 조건은 부분적으로 사용된 특정 미생물에 따라 달라질 것이다. 그러나, 일반적으로, 대기압보다 높은 압력에서 발효를 작동시키는 것이 바람직하다. 또한, 주어진 가스 전환 속도가 부분적으로 기질 보유 시간의 함수이고, 원하는 보유 시간의 달성이 결국 생물반응기의 필요한 부피를 기술하므로, 가압 시스템의 사용은 필요한 생물반응기의 부피를 크게 감소시키고, 결과적으로 발효 설비의 자본 비용을 크게 감소시킬 수 있다.
표적 생성물은, 예를 들어 분별 증류, 증발, 투석증발, 가스 스트리핑, 상 분리 및 예를 들어 액체-액체 추출을 포함하는 추출 발효를 포함하는 당해 분야에 알려진 임의의 방법 또는 방법의 조합을 사용하여 발효 브로스로부터 분리되거나 정제될 수 있다. 소정의 실시형태에서, 표적 생성물은 생물반응기로부터 브로스의 일부를 연속 제거하는 것, (편리하게는 여과에 의해) 브로스로부터 미생물 세포를 분리시키는 것 및 브로스로부터 하나 이상의 표적 생성물을 회수하는 것에 의해 발효 브로스로부터 회수된다. 알콜 및/또는 아세톤은 예를 들어 증류에 의해 회수될 수 있다. 산은 예를 들어 활성탄의 흡착에 의해 회수될 수 있다. 분리된 미생물 세포는 바람직하게는 생물반응기로 돌아간다. 표적 생성물이 제거된 후 남은 무세포 투과액은 또한 바람직하게는 생물반응기로 돌아간다. 추가 영양소(예컨대, 비타민 B)가 생물반응기로 돌아가기 전에 배지를 보충하기 위해 무세포 투과액에 첨가될 수 있다.
설명
일산화탄소 및 산소는 하기 몰 화학량론적 반응에 의해 정의된 바대로 전해조 공정에 의해 제조될 수 있다: 2CO2 + 전기 → 2CO + O2. 전기분해에 의해 제조된 일산화탄소는 가스 발효에 대한 공급원료로서 사용될 수 있다. 추가적으로, 제조된 CO가 추가 공급원료를 제공하고/하거나 발효 기질 조성물을 개선하기 위한 수단으로서 산업 공정으로부터의 공급원료와 함께 사용될 수 있다고 생각된다.
전해조 공정은 하기 몰 화학량론적 반응에 의해 정의된 바대로 물로부터 수소를 제조할 수 있다: 2H2O + 전기 → 2H2 + O2. 전기분해에 의해 제조된 수소는 가스 발효에 대한 공급원료로서 사용될 수 있다. 이 수소는 추가 공급원료를 제공하고/하거나 발효 기질 조성물을 개선하기 위한 수단으로서 산업 공정으로부터의 공급원료와 함께 사용될 수 있다.
전해조 공급원료의 사용은 경제적으로 실행 가능할 때 사용될 수 잇다. 소정의 경우에, 전해조 공정으로부터의 공급원료는 제조와 연관된 비용을 감소시켜 발효 공정의 효율을 증가시킬 수 있다.
일산화탄소를 제조하기 위해 전해조 공정에 의해 사용된 CO2 함유 기질은 다수의 공급원으로부터 유래될 수 있다. CO2 함유 가스 기질은 적어도 부분적으로 탄수화물 발효로부터의 가스, 시멘트 제조로부터의 가스, 펄프 및 종이 제조, 스틸 제조, 오일 정제 및 연관 공정, 석유화학물질 제조, 코크스 제조, 혐기성 또는 호기성 분해, 합성 가스(비제한적인 예로서 바이오매스, 액체 폐스트림, 고체 폐스트림, 도시 하천, 천연 가스, 석탄 및 오일을 포함하는 화석 자원을 포함하는 공급원으로부터 유래됨), 천연 가스 추출, 오일 추출, 알루미늄, 구리, 및/또는 합금철의 제조 및/또는 정제를 위한 야금 공정, 지리학적 저장소 및 촉매 공정(비제한적인 예로서 스팀 메탄 개질, 스팀 나프타 개질, 석유 코크스 기화, 촉매 재생-유체 촉매 분해, 촉매 재생-나프타 개질 및 건조 메탄 개질을 포함하는 스팀 공급원으로부터 유래됨)을 포함하는 군으로부터 선택된 CO2를 함유하는 임의의 가스로부터 유래될 수 있다. 추가적으로, 기질은, 임의의 종래의 방법을 사용하여, 대기로 방출되기 전에 산업 공정으로부터 포획될 수 있다. 게다가, CO2 함유 기질은 상기 언급된 공급원의 2개 이상의 조합으로부터 유래될 수 있다.
가스 스트림은 전형적으로 순수한 CO2 스트림이 아닐 것이고, 적어도 하나의 다른 성분을 함유할 것이다. 예를 들어, 각각의 공급원은 CO2, CO, H2 및 다양한 성분을 다른 비율로 가질 수 있다. 다양한 비율로 인해, 가스 스트림은 생물반응기 및/또는 전기분해 모듈로 도입되기 전에 가공될 수 있다. 가스 스트림의 가공은 미생물 저해제 및/또는 촉매 저해제일 수 있는 다양한 성분의 제거 및/또는 전환을 포함한다. 바람직하게는, 촉매 저해제는 전기분해 모듈로 통과하기 전에 제거 및/또는 전환되고, 미생물 저해제는 생물반응기를 통과하기 전에 제거 및/또는 전환된다.
제거 및/또는 전환될 필요가 있을 수 있는 가스 스트림에서 발견된 전형적인 성분은 황 화합물, 방향족 화합물, 알킨, 알켄, 알칸, 올레핀, 질소 화합물, 인 함유 화합물, 미립자 물질, 고체, 산소, 산소화물, 할로겐화 화합물, 규소 함유 화합물, 카보닐, 금속, 알콜, 에스테르, 케톤, 퍼옥사이드, 알데하이드, 에테르 및 타르를 포함하지만, 이들로 제한되지는 않는다.
이들 성분은 당해 분야에 알려진 종래의 제거 모듈에 의해 제거될 수 있다. 이 제거 모듈은 가수분해 모듈, 산 가스 제거 모듈, 탈산소 모듈, 촉매 수소화 모듈, 미립자 제거 모듈, 클로라이드 제거 모듈, 타르 제거 모듈 및 시안화수소 제거 모듈로부터 선택될 수 있다.
도 1은 산업 공정(110) 및 전해조 공정(120)과 발효 공정(130)의 통합을 보여준다. 발효 공정(130)은 산업 공정(110)으로부터의 C1 공급원료 및 전해조 공정(120)으로부터의 전해조 공급원료를 수용할 수 있다. 전해조 공정(120)으로부터의 전해조 공급원료는 발효 공정(130)으로 간헐적으로 공급될 수 있다. 바람직하게는, 산업 공정(110)으로부터의 C1 공급원료는 발효 공정(130)으로 도관(112)을 통해 공급되고, 전해조 공정(120)으로부터의 전해조 공급원료는 발효 공정(130)으로 도관(122)을 통해 공급된다. 발효 공정(130)은 하나 이상의 발효 생성물(136)을 제조하도록 전해조 공정(110)으로부터의 전해조 공급원료 및 산업 공정(110)으로부터의 C1 공급원료를 사용한다.
소정의 경우에, 전해조 공급원료는 CO를 포함한다. 소정의 경우에, 전해조 공급원료는 H2를 포함한다. 소정의 경우에, 전해조 공정(120)으로부터의 전해조 공급원료는 산업 공정(110)으로부터의 C1 공급원료의 적어도 일부를 대체한다. 바람직하게는, 전해조 공급원료는 C1 공급원료의 유닛당 비용 및 전해조 공급원료의 유닛당 비용의 함수로서 C1 공급원료의 적어도 일부를 대체한다. 다양한 경우에, 전해조 공급원료의 유닛당 비용이 C1 공급원료의 유닛당 비용보다 낮을 때 전해조 공급원료는 C1 공급원료의 적어도 일부를 대체한다.
전기의 비용이 감소할 때 전해조 공급원료의 유닛당 비용은 C1 공급원료의 유닛당 비용보다 낮을 수 있다. 소정의 경우에, 전기의 비용은 재생 에너지원으로부터 생긴 전기로 인해 감소한다. 소정의 경우에, 재생 에너지원은 태양, 수력, 풍력, 지열, 바이오매스 및 핵으로 이루어진 군으로부터 선택된다.
전해조 공정(120)으로부터의 전해조 공급원료는 산업 공정(110)으로부터의 C1 공급원료를 보충할 수 있다. 바람직하게는, C1 공급원료의 공급이 발효 공정에 불충분할 때 전해조 공급원료는 C1 공급원료를 보충한다. 소정의 경우에, 전해조 공급원료는 전해조 공급원료의 유닛당 비용 및 발효 생성물(136)의 유닛당 가치의 함수로서 C1 공급원료를 보충한다. 소정의 경우에, 전해조 공급원료는 C1 공급원료의 유닛당 비용, 전해조 공급원료의 유닛당 비용 및 발효 생성물(136)의 유닛당 가치의 함수로서 C1 공급원료를 보충한다. 바람직하게는, 전해조 공급원료의 유닛당 비용이 발효 생성물(136)의 유닛당 가치보다 낮을 때 전해조 공정(120)으로부터의 전해조 공급원료는 C1 공급원료를 보충한다. 다양한 경우에, H2를 포함하는 전해조 공급원료에 의한 CO2를 포함하는 C1 공급원료의 보충은 하나 이상의 발효 생성물(136)에서 고정된 CO2의 양을 증가시킨다.
특정 경우에, C1 공급원료는 하나 이상의 성분을 함유하고, 발효 공정으로 이송되기 전에 처리를 필요로 할 수 있다. 도 2는 산업 공정(210)으로부터의 C1 공급원료를 처리하기 위한 제거 모듈(240)을 보여준다. 제거 모듈(240)을 사용할 경우, 산업 공정(210)으로부터의 C1 공급원료는 산업 공정(210)으로부터 도관(212)을 통해 제거 모듈(240)로 이송된다. 바람직하게는, 제거 모듈(240)은 C1 공급원료에서 하나 이상의 성분(248)을 제거 및/또는 전환시킨다. 처리된 C1 공급원료는 제거 모듈(240)로부터 도관(242)을 통해 발효 공정(230)으로 이송된다.
소정의 경우에, C1 공급원료는 발효 공정으로 이송되기 전에 처리되고, 여기서 전해조 공정(220)으로부터의 전해조 공급원료는 발효 공정(230)으로 이송되기 전에 처리되지 않는다. 처리되지 않을 경우, 전해조 공급원료는 전해조 공정(220)으로부터 도관(222)을 통해 발효 공정(230)으로 이송될 수 있다. 바람직하게는, 산업 공정(210)으로부터의 C1 공급원료 및 전해조 공정(220)으로부터의 전해조 공급원료는 하나 이상의 발효 생성물(236)을 제조하도록 발효 공정(230)에서 사용된다.
특정 경우에, 전해조 공급원료는 하나 이상의 성분을 함유하고, 발효 공정으로 이송되기 전에 처리를 필요로 할 수 있다. 도 3은 전해조 공정(320)으로부터의 전해조 공급원료를 처리하기 위한 제거 모듈(350)을 보여준다. 제거 모듈(350)을 사용할 경우, 전해조 공정(320)으로부터의 전해조 공급원료는 전해조 공정(320)으로부터 도관(322)을 통해 제거 모듈(350)로 이송된다. 바람직하게는, 제거 모듈(350)은 전해조 공급원료에서 하나 이상의 성분(358)을 제거 및/또는 전환시킨다. 소정의 경우에, 제거 모듈(350)에 의해 제거된 성분은 전기분해 공정의 부산물로서 생성된 산소이다. 처리된 전해조 공급원료는 제거 모듈(350)로부터 도관(352)을 통해 발효 공정(330)으로 이송된다.
소정의 경우에, C1 공급원료 및 전해조 공급원료 둘 다는 발효 공정으로 이송되기 전에 처리된다. C1 공급원료를 처리할 때, C1 공급원료는 C1 공급원료에서 하나 이상의 성분(348)을 제거 및/또는 전환시키기 위해 산업 공정(310)으로부터 도관(312)을 통해 제거 모듈(340)로 이송된다. 처리된 C1 공급원료는 제거 모듈(340)로부터 도관(342)을 통해 발효 공정(330)으로 이송된다. 바람직하게는, 산업 공정(310)부터의 C1 공급원료 및 전해조 공정(320)으부터의 전해조 공급원료는 하나 이상의 발효 생성물(336)을 제조하도록 발효 공정(330)에서 사용된다.
공급원료는 발효 공정으로 통과하기 전에 가압될 수 있다. 도 4는 C1 공급원료를 가압하기 위한 압력 모듈(460) 및 전해조 공급원료를 가압하기 위한 압력 모듈(470)을 보여준다. 소정의 경우에, 전해조 공급원료는 가압되지 않는 한편, C1 공급원료는 가압될 수 있다. 소정의 경우에, C1 공급원료는 가압되지 않는 한편, 전해조 공급원료는 가압될 수 있다. 다양한 경우에, 공급원료는 처리 없이 가압된다. 다양한 경우에, 공급원료는 처리 후에 가압된다. 처리 후에 C1 공급원료를 가압할 때, C1 공급원료는 하나 이상의 성분(448)을 제거 및/또는 전환시키도록 산업 공정(410)으로부터 도관(412)을 통해 제거 모듈(440)로 이송된다. 처리된 C1 공급원료는 제거 모듈(440)로부터 도관(444)을 통해 압력 모듈(460)로 이송된다. 가압된 C1 공급원료는 압력 모듈(460)로부터 도관(462)을 통해 발효 공정(430)으로 이송된다. C1 공급원료가 가압되지 않는 경우에, C1 공급원료는 제거 모듈(440)로부터 도관(442)을 통해 발효 공정(430)으로 이송될 수 있다. C1 공급원료가 처리 없이 가압되는 다양한 경우에, C1 공급원료는 산업 공정(410)으로부터 도관(414)을 통해 압력 모듈(460)로 이송된다. 처리 후에 전해조 공급원료를 가압할 때, 전해조 공급원료는 하나 이상의 성분(458)을 제거 및/또는 전환시키도록 전해조 공정(420)으로부터 도관(422)을 통해 제거 모듈(450)로 이송된다. 처리된 전해조 공급원료는 제거 모듈(450)로부터 도관(454)을 통해 압력 모듈(470)로 이송된다. 가압된 전해조 공급원료는 압력 모듈(470)로부터 도관(472)을 통해 발효 공정(430)으로 이송된다. 전해조 공급원료가 가압되지 않는 경우에, 전해조 공급원료는 제거 모듈(450)로부터 도관(452)을 통해 발효 공정(430)으로 이송될 수 있다. 전해조 공급원료가 처리 없이 가압되는 다양한 경우에, 전해조 공급원료는 전해조 공정(420)으로부터 도관(424)을 통해 압력 모듈(470)로 이송된다. 바람직하게는, 산업 공정(410)으로부터의 C1 공급원료 및 전해조 공정(420)으로부터의 전해조 공급원료는 하나 이상의 발효 생성물(436)을 제조하도록 발효 공정(430)에서 사용된다.
발효 공정은 하나 이상의 발효 생성물 이외에 발효 후 가스 기질을 제조할 수 있다. 이 발효 후 가스 기질은 비교적 높은 비율의 CO2를 함유할 수 있다. 다양한 경우에, 발효 후 가스 기질은 전해조 공정으로 이송될 수 있다. 도 5는 발효 후 가스 기질을 발효 공정(530)으로부터 전기분해 공정(520)으로 도관(532)을 통해 통과시키는 것을 보여준다. 바람직하게는, 발효 공정(530)은 산업 공정(510) 및/또는 전해조 공정(520) 중 하나 또는 둘 다로부터의 공급원료를 사용하여 하나 이상의 발효 생성물(536) 및 발효 후 가스 기질을 제조한다. 산업 공정(510)으로부터의 C1 공급원료는 압력 모듈(560)에 의해 가압될 수 있다. 가압은 처리와 함께 완료되거나 처리 없이 완료될 수 있다. 처리 후에 C1 공급원료를 가압할 때, C1 공급원료는 하나 이상의 성분(548)을 제거 및/또는 전환시키도록 산업 공정(510)으로부터 도관(512)을 통해 제거 모듈(540)로 이송된다. 처리된 C1 공급원료는 제거 모듈(540)로부터 도관(544)을 통해 압력 모듈(560)로 이송된다. 가압된 C1 공급원료는 압력 모듈(560)로부터 도관(562)을 통해 발효 공정(530)으로 이송된다. C1 공급원료가 가압되지 않는 경우에, C1 공급원료는 제거 모듈(540)로부터 도관(542)을 통해 발효 공정(530)으로 이송될 수 있다. C1 공급원료가 처리 없이 가압되는 다양한 경우에, C1 공급원료는 산업 공정(510)으로부터 도관(514)을 통해 압력 모듈(560)로 이송된다. 처리 후에 전해조 공급원료를 가압할 때, 전해조 공급원료는 하나 이상의 성분(558)을 제거 및/또는 전환시키도록 전해조 공정(520)으로부터 도관(522)을 통해 제거 모듈(550)로 이송된다. 처리된 전해조 공급원료는 제거 모듈(550)로부터 도관(554)을 통해 압력 모듈(570)로 이송된다. 가압된 전해조 공급원료는 압력 모듈(570)로부터 도관(572)을 통해 발효 공정(530)으로 이송된다. 전해조 공급원료가 가압되지 않는 경우에, 전해조 공급원료는 제거 모듈(550)로부터 도관(552)을 통해 발효 공정(530)으로 이송될 수 있다. 전해조 공급원료가 처리 없이 가압되는 다양한 경우에, 전해조 공급원료는 전해조 공정(520)으로부터 도관(524)을 통해 압력 모듈(570)로 이송된다.
발효 후 가스 기질은 전해조 공정으로 통과하기 전에 제거 및/또는 전환될 필요가 있을 수 있는 하나 이상의 성분을 함유할 수 있다. 도 6은 하나 이상의 성분(688)을 제거 및/또는 전환시키기 위해 발효 후 가스 기질을 도관(632)을 통해 제거 모듈(680)로 통과시키는 것을 보여준다. 이후, 처리된 발효 후 가스 기질은 제거 모듈(680)로부터 도관(682)을 통해 전해조 공정(620)으로 통과한다.
발효 후 가스 기질에서의 하나 이상의 성분은 발효 공정에 의해 생성, 도입, 및/또는 농축될 수 있다. 다양한 실시형태에서, 발효 단계에 의해 생성, 도입, 및/또는 농축된 하나 이상의 성분은 황을 포함한다. 황을 포함하는 이 성분은 제거 및/또는 전환되지 않는 경우 전해조 공정(620)의 효율을 감소시킬 수 있다. 바람직하게는, 발효 후 가스 기질은 전기분해에 적합하도록 처리된다. 전기분해 모듈(620)에서 발효 후 가스 기질을 사용하여, 증가된 탄소 부분이 상기 공정에 의해 포획될 수 있다.
바람직하게는, 발효 공정(630)은 하나 이상의 발효 생성물(636)을 제조하도록 산업 공정(610) 및/또는 전해조 공정(620) 중 하나 또는 둘 다로부터의 공급원료를 사용하고, 여기서 전해조 공급원료의 적어도 일부는 적어도 부분적으로 발효 후 가스 기질로부터 유래될 수 있다. 산업 공정(610)으로부터의 C1 공급원료는 압력 모듈(660)에 의해 가압될 수 있다. 가압은 처리와 함께 완료되거나 처리 없이 완료될 수 있다. 처리 후에 C1 공급원료를 가압할 때, C1 공급원료는 하나 이상의 성분(648)을 제거 및/또는 전환시키도록 산업 공정(610)으로부터 도관(612)을 통해 제거 모듈(640)로 이송된다. 처리된 C1 공급원료는 제거 모듈(640)로부터 도관(644)을 통해 압력 모듈(660)로 이송된다. 가압된 C1 공급원료는 압력 모듈(660)로부터 도관(662)을 통해 발효 공정(630)으로 이송된다. C1 공급원료가 가압되지 않는 경우에, C1 공급원료는 제거 모듈(640)로부터 도관(642)을 통해 발효 공정(630)으로 이송될 수 있다. C1 공급원료가 처리 없이 가압되는 다양한 경우에, C1 공급원료는 산업 공정(610)으로부터 도관(614)을 통해 압력 모듈(660)로 이송된다. 처리 후에 전해조 공급원료를 가압할 때, 전해조 공급원료는 하나 이상의 성분(658)을 제거 및/또는 전환시키도록 전해조 공정(620)으로부터 도관(622)을 통해 제거 모듈(650)로 이송된다. 처리된 전해조 공급원료는 제거 모듈(650)로부터 도관(654)을 통해 압력 모듈(670)로 이송된다. 가압된 전해조 공급원료는 압력 모듈(670)로부터 도관(672)을 통해 발효 공정(630)으로 이송된다. 전해조 공급원료가 가압되지 않는 경우에, 전해조 공급원료는 제거 모듈(650)로부터 도관(652)을 통해 발효 공정(630)으로 이송될 수 있다. 전해조 공급원료가 처리 없이 가압되는 다양한 경우에, 전해조 공급원료는 전해조 공정(620)으로부터 도관(624)을 통해 압력 모듈(670)로 이송될 수 있다.
다양한 실시형태에서, 하나 이상의 전해조 공정 및 산업 공정으로부터의 공급원료는 블렌딩될 수 있다. 도 7은 산업 공정(710) 및 다수의 전해조 공정(720, 780)으로부터의 공급원료의 블렌딩을 보여준다. 산업 공정(710)으로부터의 C1 공급원료는 블렌딩되기 위해 도관(712)을 통해 이송된다. 제1 전해조 공정(720)으로부터의 제1 전해조 공급원료는 블렌딩되기 위해 도관(722)을 통해 이송된다. 제2 전해조 공정(780)으로부터의 제2 전해조 공급원료는 블렌딩되기 위해 도관(782)을 통해 이송된다. 소정의 경우에, 오직 제1 전해조 공정(720)으로부터의 전해조 공급원료 및 산업 공정(710)으로부터의 C1 공급원료가 블렌딩된다. 소정의 경우에, 오직 제2 전해조 공정(780)으로부터의 전해조 공급원료 및 산업 공정(710)으로부터의 C1 공급원료가 블렌딩된다. 소정의 경우에, 오직 제1 전해조 공정(720)으로부터의 전해조 공급원료 및 제2 전해조 공정(780)으로부터의 전해조 공급원료가 블렌딩된다. 블렌딩된 공급원료는 하나 이상의 성분(748)을 제거 및/또는 전환시키도록 도관(746)을 통해 하나 이상의 제거 모듈(740)로 이송될 수 있다.
블렌딩된 공급원료는 압력 모듈(760)에 의해 가압될 수 있다. 가압은 처리와 함께 완료되거나 처리 없이 완료될 수 있다. 처리 후에 블렌딩된 공급원료를 가압할 때, 블렌딩된 공급원료는 하나 이상의 성분(748)을 제거하고/하거나 전환시키도록 도관(746)을 통해 제거 모듈(740)로 이송된다. 처리된 블렌딩된 공급원료는 제거 모듈(740)로부터 도관(744)을 통해 압력 모듈(760)로 이송된다. 가압된 블렌딩된 공급원료는 하나 이상의 발효 생성물(736)을 제조하도록 압력 모듈(760)로부터 도관(762)을 통해 발효 공정(730)으로 이송된다. 블렌딩된 공급원료가 가압되지 않는 경우에, 블렌딩된 공급원료는 제거 모듈(740)로부터 도관(742)을 통해 발효 공정(730)으로 이송될 수 있다. 블렌딩된 공급원료가 처리 없이 가압되는 다양한 경우에, 블렌딩된 공급원료는 도관(760)을 통해 제거 모듈(766)로 이송된다.
다양한 경우에, 하나 이상의 공정으로부터의 다른 공급원료는 연속적인 한편, 하나 이상의 공정으로부터의 공급원료가 간헐적일 수 있다. 소정의 경우에, 산업 공정(710)으로부터의 C1 공급원료는 연속적인 한편, 하나 이상의 전해조 공정(720, 780)으로부터의 전해조 공급원료가 간헐적일 수 있다. 소정의 경우에, 하나 이상의 전해조 공정(720, 780)으로부터의 전해조 공급원료는 연속적인 한편, 산업 공정(710)으로부터의 C1 공급원료가 간헐적일 수 있다. 소정의 경우에, 제2 전해조 공정(780)으로부터의 전해조 공급원료는 연속적인 한편, 제1 전해조 공정(720)으로부터의 전해조 공급원료가 간헐적일 수 있다. 소정의 경우에, 제1 전해조 공정(720)으로부터의 전해조 공급원료는 연속적인 한편, 제2 전해조 공정(780)으로부터의 전해조 공급원료가 간헐적일 수 있다.
다양한 실시형태에서, 전해조 공급원료의 적어도 일부는 저장소로 이송될 수 있다. 소정의 산업 공정은 가스 기질 및/또는 액체 기질의 장기간 저장 또는 단기간 저장을 위한 저장 수단을 포함할 수 있다. 전해조 공급원료의 적어도 일부가 저장소로 이송되는 경우에, 전해조 공급원료는 산업 공정에 의해 사용된 동일한 저장 수단, 예를 들어 스틸 밀에서의 기존의 가스 홀더로 이송될 수 있다. 전해조 공급원료의 적어도 일부가 독립적인 저장 수단으로 이송될 수 있고, 여기서 전해조 공급원료는 산업 공정으로부터의 C1 공급원료와 별개로 저장된다. 소정의 경우에, 산업 공정 및/또는 하나 이상의 전해조 공정 중 하나 또는 둘 다로부터의 이 저장된 공급원료는 나중에 발효 공정에 의해 사용될 수 있다.
다양한 실시형태에서, 본 발명은 전기분해를 포함하는 통합된 공정을 제공하며, 여기서 전해조 공정에 대해 공급된 전력은 적어도 부분적으로 재생 에너지원으로부터 유래된다. 소정의 경우에, 재생 에너지원은 태양, 수력, 풍력, 지열, 바이오매스 및 핵으로 이루어진 군으로부터 선택된다.
기질이 전형적으로 가스이지만, 기질은 또한 대안적인 형태로 제공될 수 있다. 예를 들어, 기질은 마이크로버블 분산액 생성기를 사용하여 CO 함유 가스로 포화된 액체에 용해될 수 있다. 추가의 예로서, 기질은 고체 지지체에 흡착될 수 있다.
전해조 공정은 발효 공정의 효율의 증가 이외에 산업 공정의 효율을 증가시킬 수 있다. 산업 공정의 효율의 증가는 전해조 부산물, 즉 산소의 사용을 통해 달성될 수 있다. 구체적으로, 전해조 공정의 O2 부산물은 C1 생성 산업 공정에 의해 사용될 수 있다. 많은 C1 생성 산업 공정은 이의 공정에서 사용하기 위해 O2를 생성하도록 강제된다. 그러나, 전해조 공정으로부터의 O2 부산물을 사용하여, O2의 제조 비용은 감소 및/또는 제거될 수 있다. 전해조 공정으로부터의 O2 부산물의 통과는 도 1 내지 도 6에 예시되고, 여기서 O2 부산물은 전해조 공정으로부터 산업 공정으로 각각 도관(126, 226, 326, 426, 526 및 626)을 통과한다.
부분 산화 반응을 포함하는 몇몇 C1 생성 산업 공정은 O2 유입을 필요로 한다. 예시적인 산업 공정은 순산소로(BOF: Basic Oxygen Furnace) 반응; COREX 또는 FINEX 스틸 제조 공정, 용광로(BF: Blast Furnace) 공정, 합금철 제조 공정, 이산화티탄 제조 공정 및 기화 공정을 포함한다. 기화 공정은 도시 고체 폐기물 기화, 바이오매스 기화, 펫코크 기화 및 석탄 기화를 포함하지만, 이들로 제한되지는 않는다. 이들 산업 공정 중 하나 이상에서, 이산화탄소 전해조 공정으로부터의 O2는 공기 분리를 통해 전형적으로 공급된 O2를 오프셋하거나 완전히 대체하도록 사용될 수 있다.
본 발명의 필요성은 도 8에 의해 예시되고, 이 도면은 19일 기간에 걸친 벨기에에서의 전기 가격을 도시한다. 도 8은 일정 기간에 걸친 평균 전기 가격(대략 0.05 EUR/kWh)과 전기의 최소/최대 가격 사이의 차이를 강조한다. 주어진 장소에서의 큰 전기 가격 차이 및 발효에 대한 가스원으로서 전기분해의 효율에 대한 전기 가격의 효과로 인해, 전기분해의 사용에 대한 유연한 접근법을 갖는 것이 크게 유리하다. 예를 들어, 전기가 비교적 저렴할 때 발효에 대한 가스원으로서의 전기분해의 사용 및 가격이 높은 기간 동안 사용 중단. 전기분해의 이 수요에 반응한 이용은 가스 발효 시설에 막대한 가치를 부가할 수 있다.
본원에 인용된 공보, 특허 출원 및 특허를 포함하는 모든 참고문헌은, 각각의 참고문헌이 개별적으로 및 구체적으로 인용되어 포함된 것으로 표시되고 본원에 전문이 기재된 것과 동일한 정도로 본원에 인용되어 포함된다. 본 명세서에서의 임의의 선행 기술에 대한 참고문헌은 선행 기술이 임의의 나라에서 시도가 이루어진 분야에서 일반 상식의 일부를 형성한다는 인정이 아니고 인정으로 이해되어서는 안 된다.
본 발명의 설명의 맥락에서(특히 하기 청구항의 맥락에서) 용어 "a" 및 "an" 및 "the" 및 유사한 지시어의 사용은 본원에 달리 표시되지 않는 한 또는 문맥에 의해 명확히 상충되지 않는 한 단수 및 복수 둘 다를 포괄하는 것으로 해석되어야 한다. 용어 "포함하는", "갖는", "수반하는" 및 "함유하는"는 달리 표시되지 않는 한 개방 말단 용어(즉, "포함하지만, 이들로 제한되지는 않음"을 의미)로 해석되어야 한다. 용어 "본질적으로 이루어진"은 조성물, 공정 또는 방법의 범위를 기술된 재료 또는 단계, 또는 그 조성물, 공정 또는 방법의 기본적인 특징 및 신규의 특징에 중요하게 영향을 미치지 않는 것으로 제한한다. 대안(즉, "또는")의 사용은 대안 중 하나, 둘 다, 또는 이들의 임의의 조합을 의미하는 것으로 이해되어야 한다. 본원에 사용된 바대로, 용어 "약"은 달리 표시되지 않는 한 표시된 범위, 값 또는 구조의 ±20%를 의미한다.
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, 임의의 농도 범위, 백분율 범위, 비율 범위, 정수 범위, 크기 범위, 또는 두께 범위는 달리 표시되지 않는 한 인용된 범위 내의 임의의 정수의 값 및 적절한 경우 이의 분수(예컨대, 정수의 1/10 및 정수의 1/100)를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본원에 기재된 모든 방법은 본원에 달리 표시되지 않는 한 또는 문맥에 의해 달리 명확히 상충되지 않는 한 임의의 적합한 순서로 수행될 수 있다. 본원에 제공된 임의의 및 모든 예, 또는 예시적인 언어(즉, "예컨대")의 사용은 단지 본 발명을 더 잘 예시하도록 의도되고, 달리 청구되지 않는 한 본 발명의 범위에 제한을 부여하지 않는다. 본 명세서에서의 언어는 본 발명의 실행에 필수적인 것으로서 임의의 청구되지 않은 요소를 나타내는 것으로 해석되지 않아야 한다.
본 발명의 바람직한 실시형태는 본원에 기재된다. 이 바람직한 실시형태의 변형이 상기 설명을 읽을 때 당업자에게 명확해질 수 있다. 본 발명자들은 당업자가 이 변형을 적절한 것으로 사용할 것을 예상하고, 본 발명자들은 본 발명이 본원에 구체적으로 기재된 것과 달리 실행되도록 의도한다. 따라서, 본 발명은 준거법에 의해 허용되는 본원에 첨부된 청구항에 인용된 대상의 모든 변형 및 균등물을 포함한다. 더구나, 모든 가능한 변형의 상기 기재된 요소의 임의의 조합은 본원에 달리 표시되지 않는 한 또는 문맥에 의해 달리 명확히 상충되지 않는 한 본 발명에 의해 포함된다.

Claims (25)

  1. 액체 영양소 배지에서 박테리아 배양물을 함유하는 생물반응기로 발효 공정을 작동시키는 방법으로서,
    a. 산업 공정으로부터의 CO 및 CO2 중 하나 또는 둘 다를 포함하는 C1 공급원료를 생물반응기로 통과시키는 단계로서, C1 공급원료는 유닛당 비용을 갖는 것인 단계;
    b. CO2 함유 가스 기질 및/또는 물 스트림을 전해조 공정으로 통과시켜 CO 및/또는 H2를 포함하는 전해조 공급원료를 생성하는 단계;
    c. 전해조 공급원료의 유닛당 비용이 C1 공급원료의 유닛당 비용보다 낮은지 또는 높은지를 결정하고, 전해조 공급원료의 유닛당 비용이 C1 공급원료의 유닛당 비용보다 낮은 경우, 전해조 공급원료의 적어도 일부를 전해조 공정으로부터 생물반응기로 통과시켜 C1 공급원료의 적어도 일부를 대체하는 단계로서, 전해조 공급원료는 하기 식으로 주어진 H2에 대한 유닛당 비용을 갖고:

    상기 식에서, z는 전력의 비용을 나타내고, x는 전기분해 효율을 나타내고, y는 에탄올의 수율을 나타내며,
    전해조 공급원료는 하기 식으로 주어진 CO에 대한 유닛당 비용을 가지며:

    상기 식에서, z는 전력의 비용을 나타내고, x는 전기분해 효율을 나타내고, y는 에탄올의 수율을 나타내는 것인 단계; 및
    d. 배양물을 발효시켜 에탄올을 포함하는 적어도 하나의 발효 생성물을 생성하는 단계로서, 에탄올은 유닛당 가치를 갖는 것인 단계
    를 포함하는, 액체 영양소 배지에서 박테리아 배양물을 함유하는 생물반응기로 발효 공정을 작동시키는 방법.
  2. 제1항에 있어서, C1 공급원료는 H2를 추가로 포함하는, 방법.
  3. 제1항에 있어서, C1 공급원료는 C1 공급원료를 생물반응기로 통과시키기 전에 하나 이상의 성분을 제거하도록 처리되는, 방법.
  4. 제3항에 있어서, C1 공급원료로부터 제거되는 적어도 하나 이상의 성분은 황 화합물, 방향족 화합물, 알킨, 알켄, 알칸, 올레핀, 질소 화합물, 인 함유 화합물, 미립자 물질, 고체, 산소, 산소화물(oxygenate), 할로겐화 화합물, 규소 함유 화합물, 카보닐, 금속, 알콜, 에스테르, 케톤, 퍼옥사이드, 알데하이드, 에테르 및 타르를 포함하는 군으로부터 선택되는, 방법.
  5. 제1항에 있어서, 전해조 공급원료는 전해조 공급원료를 생물반응기로 통과시키기 전에 적어도 하나의 성분을 제거하도록 처리되는, 방법.
  6. 제5항에 있어서, 전해조 공급원료로부터 제거되는 적어도 하나의 성분은 산소를 포함하는, 방법.
  7. 제1항에 있어서, C1 공급원료는 C1 공급원료를 생물반응기로 통과시키기 전에 가압되는, 방법.
  8. 제1항에 있어서, 전해조 공급원료는 전해조 공급원료를 생물반응기로 통과시키기 전에 가압되는, 방법.
  9. 제1항에 있어서, 발효 생성물은 아세테이트, 부티레이트, 2,3-부탄디올, 락테이트, 부텐, 부타디엔, 케톤, 메틸 에틸 케톤, 에틸렌, 아세톤, 이소프로판올, 지질, 3-하이드록시프로피오네이트, 이소프렌, 지방산, 2-부탄올, 1,2-프로판디올 및 1-프로판올로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 생성물을 추가로 포함하는, 방법.
  10. 제1항에 있어서, 발효 생성물은 미생물 바이오매스를 추가로 포함하는, 방법.
  11. 제1항에 있어서, 전해조 공정은 적어도 부분적으로 재생 에너지원에 의해 동력공급되는, 방법.
  12. 제11항에 있어서, 재생 에너지원은 태양, 수력, 풍력, 지열 및 바이오매스로 이루어진 군으로부터 선택되는, 방법.
  13. 제1항에 있어서, 배양물은 발효 후 가스 기질을 추가로 생성하는, 방법.
  14. 제13항에 있어서, 발효 후 가스 기질을 전해조 공정으로 통과시키는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  15. 제14항에 있어서, 발효 후 가스 기질은 전해조 공정으로 통과하기 전에 하나 이상의 성분을 제거하도록 처리되는, 방법.
  16. 제15항에 있어서, 발효 후 가스 기질로부터 제거되는 하나 이상의 성분은 황 화합물, 방향족 화합물, 알킨, 알켄, 알칸, 올레핀, 질소 화합물, 인 함유 화합물, 미립자 물질, 고체, 산소, 산소화물, 할로겐화 화합물, 규소 함유 화합물, 카보닐, 금속, 알콜, 에스테르, 케톤, 퍼옥사이드, 알데하이드, 에테르 및 타르를 포함하는 군으로부터 선택되는, 방법.
  17. 제16항에 있어서, 발효 후 가스 기질로부터 제거되는 하나 이상의 성분은 황 화합물인, 방법.
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