KR20200041381A - 수소 풍부 c1-함유 기질을 사용하는 대사산물 생산 공정 및 시스템 - Google Patents

수소 풍부 c1-함유 기질을 사용하는 대사산물 생산 공정 및 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 접종 반응기 및 적어도 하나의 생물 반응기를 포함하는 다중-단계 공정에서 하나 이상의 발효 생성물을 생산하는 공정에 관한 것이다. 접종 반응기에는 감소된 양의 수소를 함유하는 C1-함유 가스 기질이 공급된다. 수소는 접종 반응기에 공급될 C1-함유 가스 기질 중의 CO의 비율을 증가시키기 위해 감소된다. 접종 반응기는 CO-풍부 C1-함유 가스 기질을 발효시켜 접종물을 생산하고, 이는 적어도 하나의 생물 반응기에 공급된다. 생물 반응기는 감소된 양의 수소를 함유하거나 함유하지 않을 수 있는 C1-함유 가스 기질을 수용하여 하나 이상의 발효 생성물을 생산한다. 접종 반응기에 CO-풍부 C1-함유 가스 기질을 공급함으로써, 접종 반응기 및 후속의 생물 반응기 둘 모두는 증가된 안정성 및 생성물 선택도를 가질 수 있다.

Description

수소 풍부 C1-함유 기질을 사용하는 대사산물 생산 공정 및 시스템
관련 출원에 대한 교차 참조
본원은 2017년 9월 8일자로 출원된 미국 가출원 제62/556,099호에 대한 우선권을 주장하며, 이 출원의 내용은 원용에 의해 본 명세서에 포함된다.
기술분야
본 발명은 접종 반응기 및 적어도 하나의 생물 반응기를 포함하는 다중-단계 가스 발효 공정을 통해 하나 이상의 발효 생성물을 생산하기 위한 공정에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 CO-풍부 C1-함유 가스 기질이 접종 반응기에 공급되어 접종물을 생산하는 공정에 관한 것이다.
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)). 온실 가스 배출, 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 가스는, 예컨대 탄수화물 발효, 시멘트 제조로부터의 가스, 펄프 및 종이 제조, 제강, 정유 및 관련 공정, 석유화학 생산, 코크스 생산, 혐기성 또는 호기성 소화, 합성 가스(비제한적으로 바이오매스, 액체 폐기 스트림, 고체 폐기 스트림, 시립 스트림, 천연 가스, 석탄 및 석유를 포함하는 화석 자원을 포함한 공급원으로부터 유래됨), 천연 가스 추출, 오일 추출, 야금 공정, 알루미늄, 구리, 및/또는 합금철 생산 및/또는 제련용, 지질 저장조, 및 촉매 공정(비제한적으로 증기 메탄 개질, 증기 나프타 개질, 석유 코크스 가스화, 촉매 재생 - 유체 촉매 크래킹, 촉매 재생-나프타 개질, 및 건식 메탄 개질을 포함한 증기 공급원으로부터 유래됨)으로부터의 가스를 포함한 산업 공정으로부터 유래될 수 있다.
특정 산업 공정에서, 가스의 조성은 발효에 이상적이지 않을 수 있다. 가스의 조성이 이상적이지 않을 경우, 세포 성장, 생성물 선택도, 및 안정성이 최적 미만일 수 있다.
따라서, 하류 발효 공정에서 세포 성장, 생성물 선택도, 및 안정성을 촉진하기 위해 산업 공정으로부터의 가스 조성을 최적화하는 발명이 여전히 필요하다.
본 발명은 하나 이상의 발효 생성물을 생산하는 공정을 제공하며, 여기서 CO-풍부 C1-함유 가스 기질은 하나 이상의 C1-고정 미생물의 배양물을 함유하는 액체 영양 배지를 포함하는 접종 반응기에 전달되고, 여기서 CO-풍부 C1-함유 가스 기질은 접종물을 생산하도록 발효되며, 접종물 중 적어도 일부는 생물 반응기 시스템으로 전달되고, 상기 생물 반응기 시스템은 액체 영양 배지 중의 하나 이상의 C1-고정 미생물의 배양물을 함유하는 적어도 하나의 생물 반응기를 한정하며, H2 풍부 C1-함유 가스 기질은 생물 반응기 시스템에 전달되어 H2 풍부 C1-함유 가스 기질이 적어도 하나의 발효 생성물을 생산하도록 발효된다.
특정 구현예에서, 접종 반응기에 전달될 CO-풍부 C1-함유 가스 기질은 1 : 1 미만의 H2 : CO 몰 비로 H2를 포함한다.
특정 예시에서, 접종 반응기에 전달될 CO-풍부 C1-함유 가스 기질은 0.5 : 1 미만의 H2 : CO 몰 비로 H2를 포함한다.
바람직하게는, 접종 반응기에 전달될 CO-풍부 C1-함유 가스 기질은 0.02 : 1 내지 1 : 1 사이의 H2 : CO 몰 비로 H2를 포함한다. 특정 구현예에서, H2 : CO 몰 비는 0.05 : 1 내지 1 : 1, 또는 0.15 : 1 내지 1 : 1, 또는 0.25 : 1 내지 1 : 1, 또는 0.35 : 1 내지 1 : 1, 또는 0.45 : 1 내지 1 : 1, 또는 0.55 : 1 내지 1 : 1, 또는 0.65 : 1 내지 1 : 1, 또는 0.75 : 1 내지 1 : 1, 또는 0.85 : 1 내지 1 : 1, 또는 0.95 : 1 내지 1 : 1 사이이다.
특정 구현예에서, 생물 반응기 시스템에 전달될 H2 풍부 C1-함유 가스 기질은 적어도 1.1 : 1의 H2 : CO 몰 비로 H2를 포함한다.
바람직하게는, 생물 반응기 시스템에 전달될 H2 풍부 C1-함유 가스 기질은 1.1 : 1 내지 6 : 1 사이의 H2 : CO 몰 비로 H2를 포함한다. 특정 구현예에서, H2 : CO 몰 비는 1.5 : 1 내지 6 : 1, 또는 2 : 1 내지 6 : 1, 또는 2.5 : 1 내지 6 : 1, 또는 3 : 1 내지 6 : 1, 또는 3.5 : 1 내지 6 : 1, 또는 4 : 1 내지 6 : 1, 또는 4.5 : 1 내지 6 : 1, 또는 5 : 1 내지 6 : 1 사이이다.
적어도 하나의 구현예에서, 접종 반응기 또는 생물 반응기 시스템 중 하나 또는 둘 모두 내의 C1-고정 미생물은 일산화탄소영양 박테리아이다.
C1-고정 미생물이 일산화탄소영양체인 구현예에서, 일산화탄소영양 박테리아는 무렐라(Moorella), 클로스트리듐(Clostridium), 루미노코커스(Ruminococcus), 아세토박테리움(Acetobacterium), 유박테리움(Eubacterium), 부티리박테리움(Butyribacterium), 옥소박터(Oxobacter), 메타노사르시나(Methanosarcina), 및 디설포토마컬럼(Desulfotomaculum)으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.
바람직하게는, 일산화탄소영양 박테리아는 클로스트리듐 오토에타노게눔(Clostridium autoethanogenum)이다.
적어도 하나의 구현예에서, 생물 반응기 시스템은 하나 이상의 2 차 생물 반응기에 연결된 하나 이상의 1 차 생물 반응기를 포함한다.
바람직하게는, 상기 공정은 C1-함유 가스 기질 중 적어도 일부를 접종 반응기에 전달하고 C-1함유 가스 기질 중 적어도 일부를 생물 반응기에 전달하는 단계를 제공하며, 여기서 접종 반응기 중의 C1-함유 가스 기질은 접종물을 생산하도록 발효되고, 접종물 중 적어도 일부는 적어도 하나의 생물 반응기에 전달되고 여기서 생물 반응기 중의 C1-함유 가스 기질은 적어도 하나의 발효 생성물을 생산하도록 발효되고, 여기서 접종 반응기에 전달될 C1-함유 가스 기질은 접종 반응기에 전달되기 이전에 적어도 하나의 H2 제거 공정에 적용된다.
특정 구현예에서, 접종 반응기에 전달될 C1-함유 가스 기질은 1 : 1 미만의 H2 : CO 몰 비로 H2를 포함한다.
특정 예시에서, 접종 반응기에 전달될 C1-함유 가스 기질은 0.8 : 1 미만의 H2 : CO 몰 비로 H2를 포함한다.
특정 예시에서, 접종 반응기에 전달될 C1-함유 가스 기질은 0.5 : 1 미만의 H2 : CO 몰 비로 H2를 포함한다.
바람직하게는, 접종 반응기에 전달될 C1-함유 가스 기질은 0.02 : 1 내지 1 : 1 사이의 H2 : CO 몰 비로 H2를 포함한다. 특정 구현예에서, H2 : CO 몰 비는 0.05 : 1 내지 1 : 1, 또는 0.15 : 1 내지 1 : 1, 또는 0.25 : 1 내지 1 : 1, 또는 0.35 : 1 내지 1 : 1, 또는 0.45 : 1 내지 1 : 1, 또는 0.55 : 1 내지 1 : 1, 또는 0.65 : 1 내지 1 : 1, 또는 0.75 : 1 내지 1 : 1, 또는 0.85 : 1 내지 1 : 1, 또는 0.95 : 1 내지 1 : 1 사이이다.
특정 구현예에서, H2 제거 공정은 적어도 하나의 압력 스윙 흡착 공정을 포함한다.
특정 구현예에서, H2 제거 공정은 적어도 하나의 멤브레인 분리 모듈을 포함한다.
바람직하게는, C1-함유 가스 기질 중 적어도 일부는 산업 공급원으로부터 유래된다.
특정 예시에서, C1-함유 가스 기질 중 적어도 일부는 탄수화물 발효, 가스 발효, 시멘트 제조, 펄프 및 종이 제조, 제강, 정유 및 관련 공정, 석유화학 생산, 코크스 생산, 혐기성 또는 호기성 소화, 합성 가스, 천연 가스 추출, 오일 추출, 야금 공정, 알루미늄, 구리, 및/또는 합금철 생산 및/또는 제련용, 지질 저장조, 및 촉매 공정으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 산업 공급원으로부터 유래될 수 있다.
바람직하게는, 상기 공정은 에탄올, 아세테이트, 부탄올, 부티레이트, 2,3-부탄디올, 1,3-부탄디올, 락테이트, 부텐, 부타디엔, 메틸 에틸 케톤, 에틸렌, 아세톤, 이소프로판올, 지질, 3-히드록시프로피오네이트, 이소프로펜, 지방산, 2-부탄올, 1,2-프로판디올, 1-프로판올, 모노에틸렌 글리콜, 이소부텐, 및 C6-C14 알코올로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 발효 생성물을 생성한다.
적어도 하나의 구현예에서, 하나 이상의 발효 생성물은 디젤 연료, 제트 연료, 가솔린, 프로필렌, 나일론 6-6, 고무, 및/또는 수지의 적어도 하나의 성분으로 추가로 전환된다.
특정 구현예에서, 적어도 하나의 발효 생성물은 미생물 바이오매스이다. 특정 예시에서, 이러한 미생물 바이오매스는 적어도 하나의 동물성 사료 성분을 생산하기 위해 추가로 처리될 수 있다.
도 1은 수소 제거 공정, 접종 반응기, 및 생물 반응기 시스템의 통합을 도시하는 개략적인 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 일 양태에 따른, 수소 제거 공정, 접종 반응기, 및 생물 반응기 시스템의 통합을 도시하는 개략적인 흐름도로서, 여기서 수소 제거 공정은 접종 반응기 및 생물 반응기 시스템 둘 모두의 상류에 있다.
도 3은 본 발명의 일 양태에 따른, 생물 반응기 시스템의 상류의 2 개의 물-가스-시프트 공정 및 압력 스윙 흡착 공정을 추가로 도시하는 개략적인 흐름도로서, 여기서 하나의 물-가스-시프트 공정은 우회한다.
도 4는 본 발명의 일 양태에 따른, 생물 반응기 시스템의 상류의 2 개의 물-가스-시프트 공정 및 압력 스윙 흡착 공정을 추가로 도시하는 개략적인 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 일 양태에 따른, 접종 반응기의 상류의 추가의 수소 제거 공정을 추가로 도시하는 개략적인 흐름도이다.
도 6a 및 6b는 실시예 1에 따른 제1 생물 반응기에서의 대사산물 생성 및 가스 흡수를 나타내는 그래프이다.
도 7a 및 7b는 실시예 1에 따른 제2 생물 반응기에서의 대사산물 생성 및 가스 흡수를 나타내는 그래프이다.
도 8a 및 8b는 실시예 2에 따른 제1 생물 반응기에서의 대사산물 생성 및 가스 흡수를 나타내는 그래프이다.
도 9a 및 9b는 실시예 2에 따른 제2 생물 반응기에서의 대사산물 생성 및 가스 흡수를 나타내는 그래프이다.
본 발명자들은 접종 반응기에 공급되는 가스 스트림의 조성을 최적화함으로써, 접종 반응기 및 후속의 생물 반응기 시스템 둘 모두에서 세포 성장, 생성물 선택도, 및 안정성이 최적화됨을 확인하였다. 특히, 본 발명자들은 접종 반응기에 공급되는 가스 스트림이 감소된 양의 수소를 포함하는 경우 최적의 세포 성장, 생성물 선택도, 및 안정성을 가짐을 확인하였다.
정의
달리 정의되지 않는 한, 본 명세서 전반에 걸쳐 사용된 다음의 용어는 다음과 같이 정의된다:
"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 둘 다를 포함한다. "C1-고정 미생물"은 C1-탄소 공급원으로부터 하나 이상의 생성물을 생성할 수 있는 능력을 갖는 미생물이다. 전형적으로, 본 발명의 미생물은 C1-고정 미생물이다.
"C1-함유 가스 기질"은 C1을 포함하는 산업 공정을 떠나는 임의의 가스를 포함한다. 다양한 예시에서, C1-함유 가스 기질은 CO, H2, CO2, 또는 이들의 조합을 포함한다. 상기 가스 기질은 전형적으로 상당한 비율의 CO, 바람직하게는 적어도 약 5 부피% 내지 약 100 부피%의 CO를 함유한다. 가스 기질은 상당한 분량의 수소를 함유할 수 있다. 예를 들어, 특정 구현예에서, 상기 기질은 대략 2 : 1, 또는 1 : 1, 또는 1 : 2 비율의 H2 : CO를 포함할 수 있다. 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. 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. 추가로, C1-함유 가스 기질은 산소(O2), 질소(N2), 및/또는 메탄(CH4) 중 하나 이상을 함유할 수 있다.
상기 기질은 전형적으로 가스이지만, 상기 기질은 또한 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.
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 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(바이오매스, 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.
"가스 스트림"은 예컨대 하나의 모듈에서 또 다른 모듈로, 하나의 모듈에서 생물 반응기로, 하나의 모듈에서 접종 반응기로, 하나의 공정에서 또 다른 공정으로, 및/또는 하나의 모듈에서 탄소 포획 장치로 전달될 수 있는 기질의 임의의 스트림을 지칭한다.
본원에서 사용된 용어 "탄소 포획"은 CO2 및/또는 CO를 포함하는 스트림으로부터 CO2 및/또는 CO를 포함하는 탄소 화합물을 분리하는 것 및 다음 중 하나를 지칭한다:
CO2 및/또는 CO를 생성물로 전환하는 것; 또는
CO2 및/또는 CO를 장기 보관에 적합한 물질로 전환하는 것; 또는
장기 보관에 적합한 물질 중에 CO2 및/또는 CO를 트랩핑 하는 것;
또는 이러한 공정의 조합.
본원에서 사용된 "반응물"은 화학 반응 동안 참여하고 변화하는 물질을 지칭한다. 특정 구현예에서, 반응물은 비제한적으로 CO 및/또는 H2를 포함한다.
"수소 제거 공정" 등은 C1-함유 가스 기질로부터 수소를 제거 및/또는 분리할 수 있는 기술을 포함한다. 특정 구현예에서, 압력 스윙 흡착 공정 및/또는 멤브레인 분리 공정은 수소 제거 공정으로서 사용된다.
용어 "생물 반응기", "생물 반응기 시스템" 등은, 연속 교반 탱크 반응기(Continuous Stirred Tank Reactor: CSTR), 고정 세포 반응기(Immobilized Cell Reactor: 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 생물 반응기(Hollow Fibre Membrane Bioreactor: HFMBR), 또는 가스-액체 접촉에 적합한 다른 용기 또는 다른 장치를 포함하는, 하나 이상의 용기 및/또는 탑 또는 배관 장치로 구성된 발효 장치를 포함한다. 상기 생물 반응기는 바람직하게는 CO 또는 CO2 또는 H2 또는 이들의 혼합물을 포함하는 가스 기질을 수용하도록 조정된다. 상기 생물 반응기는 복수의 반응기들(단들(stage))을 병렬 또는 직렬로 포함할 수 있다. 바람직하게는, 생물 반응기는 인보케이션(invocation) 반응기로부터의 접종물을 수용하도록 구성된다. 바람직하게는, 생물 반응기는 대부분의 발효 생성물이 생성되는 생성물 반응기로서 구성된다.
용어 "접종 반응기", "접종기", "종균 반응기" 등은 세포 성장을 확립하고 촉진하기 위한 발효 장치를 포함한다. 상기 접종 반응기는 바람직하게는 CO 또는 CO2 또는 H2 또는 이들의 혼합물을 포함하는 가스 기질을 수용하도록 조정된다. 바람직하게는, 접종 반응기는 세포 성장이 처음으로 개시되는 반응기이다. 다양한 구현예에서, 접종 반응기는 이미 성장한 세포가 재생되는 곳이다. 다양한 구현예에서, 접종기는 하나 이상의 미생물의 세포 성장을 개시하여 접종물을 생성하고, 이어서 각각의 생물 반응기가 하나 이상의 발효 생성물의 생성을 촉진하도록 구성된 생물 반응기 시스템으로 옮겨질 수 있다. 특정 예시에서, 접종기는 후속의 하나 이상의 생물 반응기에 비해 감소된 부피를 갖는다.
"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.
용어 "발효 브로스" 및 "브로스"는 영양 배지 및 배양물 또는 하나 이상의 미생물을 포함하는 성분의 혼합물을 포함하도록 의도된다. 용어 미생물과 용어 박테리아가 본 문서 전체에서 상호 교환적으로 사용된다는 점에 유의해야 한다.
용어 "접종물"은 접종 반응기에서 초기에 성장된 발효 브로스를 포함하고, 이어서 하나 이상의 후속 생물 반응기를 씨딩하기 위해 하나 이상의 후속 생물 반응기로 전달되는 것을 포함하도록 의도된다. 바람직하게는, 접종물은 하나 이상의 발효 생성물을 생성하기 위해 하나 이상의 생물 반응기에 의해 이용된다.
용어 "원하는 조성"은 예컨대 가스 스트림과 같은 물질 중의 원하는 수준 및 유형의 성분을 지칭하기 위해 사용된다. 보다 구체적으로, 가스는 특정 성분(즉, CO, H2, 및/또는 CO2)을 함유하고/하거나 특정 비율로 특정 성분을 함유하고/하거나 특정 성분(예컨대, 미생물에 해로운 오염물)을 함유하지 않고/않거나 특정 비율로 특정 성분을 함유하지 않는 경우 "원하는 조성물"을 갖는다고 간주된다. 가스 스트림이 원하는 조성을 갖는지 여부를 결정할 때 하나 이상의 성분이 고려될 수 있다. 하나 이상의 구현예에서, C1-함유 가스 기질의 "원하는 조성물"은 H2 : CO 몰 비의 관점에서 정의된다. 다양한 구현예에서, 접종 반응기에 전달될 C1-함유 가스 기질의 원하는 조성물은 생물 반응기 시스템에 전달될 C1-함유 가스 기질의 원하는 조성과 상이하다.
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 가스 기질의 성장 단계 및 생성물 생합성 단계 모두를 포함하는 것으로 의도된다.
"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.
"모체 미생물"은 본 발명의 미생물을 생성시키는데 사용되는 미생물이다. 상기 모체 미생물은 자연 발생 미생물(예를 들어, 야생형 미생물) 또는 이전에 변형된 미생물(예를 들어, 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 Braunschweig, 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.
용어 "로부터 유래된"은 핵산, 단백질, 또는 미생물이 새로운 핵산, 단백질, 또는 미생물을 생성하기 위해 다른 (예컨대, 모체 또는 야생형) 핵산, 단백질, 또는 미생물로부터 변형되거나 개작된 것을 지칭한다. 이러한 변형 또는 개작은 전형적으로 핵산 또는 유전자의 삽입, 결실, 돌연변이, 또는 치환을 포함한다. 일반적으로, 본 발명의 미생물은 모체 미생물로부터 유래된다. 일 구현예에서, 본 발명의 미생물은 클로스트리듐 오토에타노게눔, 클로스트리듐 융달리, 또는 클로스트리듐 라그스달레이로부터 유래된다. 바람직한 구현예에서, 본 발명의 미생물은 DSMZ 수탁 번호 DSM23693 하에 기탁된 클로스트리듐 오토에타노게눔 LZ1561로부터 유래된다.
"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(예를 들어, 과발현, 이종 발현, 녹아웃(knockout) 등)을 갖는 우드-융달 경로일 수 있다.
"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 부피%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.
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. 하나 이상의 표적 생성물 이외에, 본 발명의 미생물은 또한 에탄올, 아세테이트, 및/또는 2,3-부탄디올을 생산할 수 있다. 특정 구현예에서, 미생물 바이오 매스 자체는 제품으로 간주될 수 있다. 디젤, 제트 연료 및/또는 가솔린 중 적어도 하나의 성분을 생성하기 위해 이들 제품이 추가로 전환될 수 있다. 추가로, 미생물 바이오매스는 단일 세포 단백질(SCP)을 생성하도록 추가로 처리될 수 있다.
"단일 세포 단백질"(SCP)은 단백질이 풍부한 인간 및/또는 동물성 사료에 사용될 수 있는 미생물 바이오매스를 지칭하며, 종종 대두박 또는 어분과 같은 통상적인 단백질 보충원을 대체한다. 단일 세포 단백질 또는 다른 생성물을 생산하기 위해, 상기 공정은 추가의 분리, 가공, 또는 처리 단계를 포함할 수 있다. 예컨대, 상기 방법은 미생물 바이오매스를 살균하는 단계, 미생물 바이오매스를 원심분리하는 단계, 및/또는 미생물 바이오매스를 건조시키는 단계를 포함할 수 있다. 특정 구현예에서, 미생물 바이오매스는 분무 건조 또는 패들 건조를 사용하여 건조된다. 상기 방법은 또한 당업계에 공지된 임의의 방법을 사용하여 미생물 바이오매스의 핵산 함량을 감소시키는 것을 포함할 수 있는데, 이는 핵산 함량이 높은 식이를 섭취하면 핵산 분해 생성물의 축적 및/또는 위장 곤란을 초래할 수 있기 때문이다. 단일 세포 단백질은 가축 또는 애완동물과 같은 동물에 공급하기에 적합할 수 있다. 특히, 동물성 사료는 하나 이상의 소, 젖소, 돼지, 양, 염소, 말, 노새, 당나귀, 사슴, 버팔로/비손, 라마, 알파카, 순록, 낙타, 반탄, 가얄, 야크, 닭, 칠면조, 오리, 거위, 메추라기, 뿔닭, 새끼 비둘기/비둘기, 물고기, 새우, 갑각류동물, 고양이, 개, 및 설치류에게 공급하기에 적합할 수 있다. 동물성 사료의 조성은 상이한 동물의 영양 요구에 대해 맞춰질 수 있다. 또한, 상기 공정은 미생물 바이오매스를 하나 이상의 부형제와 블렌딩 또는 조합하는 단계를 포함할 수 있다.
"부형제"는 동물성 사료의 형태, 특성, 또는 영양 성분을 향상 또는 변경하기 위해 미생물 바이오매스에 첨가될 수 있는 임의의 물질을 지칭할 수 있다. 예컨대, 부형제는 탄수화물, 섬유질, 지방, 단백질, 비타민, 광물, 물, 향미제, 감미제, 항산화제, 효소, 보존제, 프로바이오틱스, 또는 항생제의 하나 이상을 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 부형제는 건초, 지푸라기, 사일리지, 곡물, 오일 또는 지방, 또는 다른 식물 재료일 수 있다. 부형제는 Chiba, Section 18: Diet Formulation and Common Feed Ingredients, Animal Nutrition Handbook, 3rd revision, pages 575-633, 2014에서 확인된 임의의 사료 성분일 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 중량%, 10 중량%, 15 중량%, 20 중량%, 30 중량%, 50 중량%, 75 중량%, 또는 90 중량%를 차지한다. 일 구현예에서, 상기 표적 생성물은, 본 발명의 미생물이 상기 표적 생성물에 대해 적어도 10 중량%의 선택성을 갖도록, 본 발명의 미생물에 의해 생성된 모든 발효 생성물의 적어도 10 중량%를 차지한다. 다른 구현예에서, 상기 표적 생성물은, 본 발명의 미생물이 상기 표적 생성물에 대해 적어도 30 중량%의 선택성을 갖도록, 본 발명의 미생물에 의해 생성된 모든 발효 생성물의 적어도 30 중량%를 차지한다. 일 구현예에서, 상기 표적 생성물은, 본 발명의 미생물이 상기 표적 생성물에 대해 적어도 90 중량%의 선택성을 갖도록, 미생물에 의해 생성된 모든 발효 생성물의 적어도 90 중량%를 차지한다.
표적 생성물은 예컨대 분별 증류, 증발, 기화, 가스 스트립핑, 상 분리, 및 예컨대 액체-액체 추출을 포함하는 추출 발효를 포함하여, 당업계에 공지된 임의의 방법 또는 방법의 조합을 사용하여 발효 브로스로부터 분리 또는 정제될 수 있다. 특정 구현예에서, 표적 생성물은 생물 반응기로부터의 브로스의 일부를 연속으로 제거하여, 브로스로부터 미생물 세포를 분리하여(편리하게 여과에 의해), 그리고 브로스로부터 하나 이상의 표적 생성물을 회수하여 발효 브로스로부터 회수된다. 알코올 및/또는 아세톤은 예를 들어 증류에 의해 회수될 수 있다. 산은 예를 들어 활성탄에 흡착시켜 회수될 수 있다. 분리된 미생물 세포는 바람직하게는 생물 반응기로 되돌아간다. 표적 생성물이 제거된 후 남아있는 무세포 투과물은 또한 바람직하게는 생물 반응기로 되돌아간다. 추가의 영양소(예컨대 비타민 B)가 무세포 투과물에 첨가되어 배지가 생물 반응기에 되돌아오기 전에 배지를 보충할 수 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
접종기 및/또는 생물 반응기에 공급될 C1-함유 가스 기질의 조성을 제어하는 것이 접종 반응기 및 후속의 생물 반응기 둘 모두에서 세포 성장, 생성물 선택도, 및 안정성을 촉진하는데 특히 유용하다는 것이 밝혀졌다. 바람직하게는, C1-함유 기질은 하나 이상의 하류 반응기에 공급하기 위한 접종물을 생성하기 위해, 접종 반응기에 공급되기 전에 제어된 조성물이다. 바람직하게는, 접종 반응기는 액체 영양 배지 중에 하나 이상의 C1-고정 미생물의 배양물을 포함하며 발효를 통해 접종물을 생산하기 위해 제어된 C1-함유 가스 기질의 조성물을 수용할 수 있다.
본 발명자들은 수소가 풍부한 C1-함유 가스 기질이 발효에 사용되는 경우, 발효 공정이 종종 장기 생성물 선택도 및 안정성이 부족하다는 것을 발견하였다. 놀랍게도, 본 발명자들은 수소-풍부 조건 하에 발효 공정을 작동시킬 때, 접종 반응기에 대안적인 일산화탄소(CO) 풍부-C1 함유 스트림을 제공하면, 바이오매스 성장 및 바이오매스 성장률의 증가뿐만 아니라, 에탄올에 대한 선택도가 증가하고 하류 생물 반응기의 안정성이 향상된다는 것을 발견하였다.
본 발명은 특히 적어도 3 : 1의 H2 : CO 몰 비로 H2를 포함하는 산업 가스 스트림을 사용하는 발효 공정에 적용가능하지만, 본 발명은 또한 2 : 1 또는 1.5 : 1, 또는 1.1 : 1의 H2 : CO 몰 비를 갖는 가스 스트림과 같이 더 적은 H2 조성을 포함하는 산업 스트림에도 또한 유리한 것으로 생각된다. 일 구현예에서, 본 발명은 하나 이상의 발효 생성물을 생성하기 위한 공정을 제공하며, 상기 공정은 다음의 단계를 포함한다: (a) C1-함유 가스 기질 중 적어도 일부를 접종 반응기에 전달하고 C1-함유 가스 기질 중 적어도 일부를 생물 반응기에 전달하는 단계; (b) 접종물을 생산하기 위해 접종 반응기 중의 C1-함유 가스 기질을 발효시키는 단계; (c) 접종물 중 적어도 일부를 적어도 하나의 생물 반응기에 전달하는 단계; 및 (d) 적어도 하나의 발효 생성물을 생산하기 위해 생물 반응기 중의 C1-함유 가스 기질을 발효시키는 단계; 여기서, 접종 반응기에 전달될C1-함유 가스 기질은 접종 반응기에 전달되기 이전에 적어도 하나의 H2 제거 공정에 적용된다.
특정 구현예에서, 생물 반응기는 하나 이상의 2 차 반응기에 연결된 하나 이상의 1 차 반응기를 포함한다. 특정 구현예에서, 1 차 반응기(들)는 바이오매스 생산을 촉진하기 위한 조건에서 작동되고, 2 차 반응기(들)는 대사산물 생산을 촉진하기 위한 조건에서 작동된다. 다양한 구현예에서, 1 차 및 2 차 반응기에 공급되는 H2 풍부 C1-함유 가스 기질은 동일한 산업 공급원으로부터 유래되며 실질적으로 동일한 조성을 갖는다.
일 구현예에서, CO-풍부 C1-함유 가스 기질, 및 H2 풍부 C1-함유 가스 기질은 동일한 산업 공급원으로부터 유래된다. 다양한 구현예에서, H2 풍부 C1-함유 가스 기질 중 적어도 일부는 접종 반응기에 공급되기 이전에 수소 제거 공정에 전달되고, 수소 제거 공정은 CO-풍부 C1-함유 가스 기질을 생산하기 위해 H2 풍부 C1-함유 가스 기질로부터 수소 중 적어도 일부를 분리하도록 구성된다. 특정 구현예에서, 처리 구역은 H2 멤브레인 분리 모듈 및/또는 압력 스윙 흡착(PSA) 공정을 포함한다. 바람직하게는, 수소 제거 공정은 멤브레인 분리 모듈을 포함한다.
하나 이상의 구현예에서, H2 풍부 C1-함유 가스 기질은 산업 공정으로부터 유래된다.
대안적인 구현예에서, CO-풍부 C1-함유 가스 기질은 병에 든 CO 가스 스트림을 포함한다. 일 구현예에서, 병에 든 CO 가스는 질소 및/또는 이산화탄소와 같은 하나 이상의 가스 성분과 블렌딩된다. 추가의 구현예에서, CO-풍부 C1-함유 가스 기질은 H2 풍부 C1-함유 가스 기질의 공급원과 상이한 것으로부터 유래된 CO-풍부 가스 기질이다. 일 구현예에서, CO-풍부 C1-함유 가스 기질은 CO2 전기분해 공정으로부터 유래된다.
수소 분리
필요한 가스의 양은 일부 경우에 비용으로 인해 병에 든 가스를 사용하는 것을 금지할 수 있다. 따라서, H2 풍부 C1-함유 가스 기질은 기질로부터 수소 중 적어도 일부를 제거하고 CO-풍부 C1-함유 가스 기질을 생산하도록 처리되는 것이 바람직하다. H2 풍부 C1-함유 가스 기질을 처리하는 적절한 방법은 비제한적으로 멤브레인 분리 기술, 및 압력 스윙 흡착 기술을 포함할 수 있다.
멤브레인 분리 모듈은 가스 기질로부터 수소 중 적어도 일부를 제거하기 위한 저비용의 비교적 간단한 방법을 제공한다. 예컨대, 입증된 멤브레인 분리 모듈을 통과하는 25 bara 압력에서 72 부피% H2, 14 부피% CO, 7 부피% CO2 및 7 부피% CH4의 조성을 갖는 개질기 합성 가스는 고압 CO-풍부 스트림 및 저압 H2 풍부 스트림을 초래한다. 고압 CO-풍부 스트림은 25 bara로 유지되고 50 부피% CO, 16 부피% H2, 25 부피% CH4, 및 9 부피% CO2를 함유한다. 저압 H2 풍부 스트림은 1 bara로 감소되고 92 부피% H2, 6 부피% CO2, 및 1 부피% 각각의 CO 및 CH4를 함유한다. 고압 CO-풍부 스트림은 CO-풍부 C1-함유 가스 기질로서 접종기에 공급될 수 있다. 고압 CO-풍부 스트림은 추가의 압축을 필요로 하지 않는 부가적인 이점을 제공하여 접종 반응기를 위한 추가 압축기 유닛과 관련된 자본 비용을 피한다.
압력 스윙 흡착 공정 기술은 가스 기질로부터 수소 중 적어도 일부를 제거하기 위한 보다 복잡하지만 효과적인 방법이다. 압력 스윙 흡착 공정을 이용하는 경우, 생성된 CO-풍부 스트림은 낮은 압력이다. 압력 스윙 흡착 공정의 사용이 가능하지만, CO-풍부 C1-함유 가스 기질은 접종 반응기 또는 임의의 생물 반응기에 공급되기 전에 압축될 필요가 있어서, 접종 반응기와 관련된 자본 비용을 증가시킬 수 있다. 그러나, 압력 스윙 흡착 공정에 의해 생성된 수소 스트림이 고압이고 제품으로서 판매될 수 있다는 사실을 고려할 때 이는 적어도 부분적으로 상쇄될 수 있다.
CO 2 전기분해
CO-풍부 C1-함유 가스 기질을 공급하는 대안적인 방법은 CO2 전기분해의 사용을 통한 것이다. CO2 전기분해 공정은 CO2 공급물을 CO 및 O2로 전환한다. 접종기에 CO-풍부 스트림을 제공하기 위한 CO2 전기분해 공정의 사용은 O2 풍부 스트림 외에 CO2 풍부 스트림을 포함하는 산업 현장에서 중요할 수 있다. 추가로, CO2가 풍부한 접종 반응기 및/또는 생물 반응기 시스템으로부터의 테일 가스가 CO2 전기분해 유닛의 공급 원료로서 사용될 수 있음이 추가로 고려된다.
도 1은 본 발명의 일 구현예의 개략적인 흐름도를 도시한다. C1-함유 가스 기질의 일부는 배관 수단(110)을 통해 접종 반응기(130)에 전달되고, 여기서 C1-함유 기질이 발효되어 접종물이 생산된다. 접종물 중 적어도 일부는 배관 수단(131)을 통해 생물 반응기 시스템(140, 150)으로 전달되고, 여기서 C1-함유 가스 기질의 일부가 또한 배관 수단(110)을 통해 전달되어 발효되어 적어도 하나의 생성물(141, 151)을 생산한다. 접종 반응기(130)에 전달될 C1-함유 가스 기질은 접종 반응기(130)에 보내지기 전에 적어도 하나의 수소 제거 공정(120)을 거친다. 수소 제거 공정(120)은 배관 수단(110)을 통해 C1-함유 가스 기질을 수용하고 C1-함유 가스 기질로부터 수소(121) 중 적어도 일부를 제거하여 CO-풍부 C1-함유 가스 기질을 생성하고, 이는 배관 수단(122)을 통해 접종 반응기(130)에 공급된다.
바람직하게는, 접종 반응기(130)에 전달될 C1-함유 가스 기질은 1 : 1 미만의 H2 : CO 몰 비로 H2를 포함한다. 특정 구현예에서, 접종 반응기(130)로 전달될 C1-함유 가스 기질은 0.8 : 1의 H2 : CO 몰 비로 H2를 포함한다. 바람직하게는, 접종 반응기(130)에 전달될 C1-함유 가스 기질은 0.02 : 1 내지 1 : 1 사이의 H2 : CO 몰 비로 H2를 포함한다. 다양한 예시에서, 수소 제거 공정(120)은 적어도 하나의 멤브레인 분리 모듈의 사용을 통해 수소 중 적어도 일부를 제거한다. 다양한 예시에서, 수소 제거 공정(120)은 적어도 하나의 압력 스윙 흡착 공정의 사용을 통해 수소 중 적어도 일부를 제거한다. 다양한 구현예에서, 수소 제거 공정(120)은 멤브레인 분리 모듈 및 압력 스윙 흡착 공정 둘 모두의 사용을 통해 수소 중 적어도 일부를 제거한다.
특정 예시에서, 접종 반응기(130) 및 생물 반응기 시스템(140, 150)에 전달될 C1-함유 가스 기질은 적어도 부분적으로 산업 공급원으로부터 유래된다. 바람직하게는, 산업 공급원은 탄수화물 발효, 가스 발효, 시멘트 제조, 펄프 및 종이 제조, 제강, 정유 및 관련 공정, 석유화학 생산, 코크스 생산, 혐기성 또는 호기성 소화, 합성 가스, 천연 가스 추출, 오일 추출, 야금 공정, 알루미늄, 구리, 및/또는 합금철 생산 및/또는 제련용, 지질 저장소, 및 촉매 공정으로 이루어진 군으로부터 선택된다.
바람직하게는, 생물 반응기 시스템(140, 150)에 의해 생산된 발효 생성물(141, 151)은 에탄올, 아세테이트, 부탄올, 부티레이트, 2,3-부탄디올, 1,3-부탄디올, 락테이트, 부텐, 부타디엔, 메틸 에틸 케톤, 에틸렌, 아세톤, 이소프로판올, 지질, 3-히드록시프로피오네이트, 이소프로펜, 지방산, 2-부탄올, 1,2-프로판디올, 1-프로판올, 모노에틸렌 글리콜, 이소부텐, 및 C6-C14 알코올로 이루어진 군으로부터 선택된다. 다양한 예시에서, 생성물(141, 151) 중 적어도 일부는 디젤 연료, 제트 연료, 가솔린, 프로필렌, 나일론 6-6, 고무, 및/또는 수지의 적어도 하나의 성분으로 추가로 전환된다. 다양한 예시에서, 적어도 하나의 발효 생성물(141, 151)은 미생물 바이오매스이다. 일부의 예시에서, 이러한 미생물 바이오매스는 적어도 하나의 동물성 사료 성분을 생산하기 위해 추가로 처리될 수 있다.
다양한 구현예에서, 하나의 생물 반응기(140)로부터의 발효 브로스는 배관 수단(142)을 통해 생물 반응기 시스템(140, 150) 내의 또 다른 생물 반응기(150)로 전달될 수 있다.
도 2는 본 발명의 하나의 구현예의 개략적인 흐름도를 도시한다. C1-함유 가스 기질의 일부는 배관 수단(210)을 통해 접종 반응기(230)로 전달되고, 여기서 C1-함유 기질은 발효되어 접종물을 생산한다. 접종물 중 적어도 일부는 배관 수단(231)을 통해 생물 반응기 시스템(240, 250)으로 전달되고, 여기서 C1-함유 가스 기질의 일부가 또한 배관 수단(210)을 통해 전달되어 발효되어 적어도 하나의 생성물(241, 251)을 생산한다. 접종 반응기(230) 및 생물 반응기 시스템(140, 150)에 전달될 C1-함유 가스 기질은 접종 반응기(230)에 보내지기 전에 적어도 하나의 수소 제거 공정(220)을 거친다. 수소 제거 공정(220)은 배관 수단(210)을 통해 C1-함유 가스 기질을 수용하고 C1-함유 가스 기질로부터 수소(221) 중 적어도 일부를 제거하여 CO-풍부 C1-함유 가스 기질을 생성하고, 이는 배관 수단(222)을 통해 접종 반응기(230)로 그리고 배관 수단(223)을 통해 생물 반응기 시스템(140, 150)으로 공급된다.
바람직하게는, 접종 반응기(230) 및 생물 반응기 시스템(240, 250)에 전달될 C1-함유 가스 기질은 1 : 1 미만의 H2 : CO 몰 비로 H2를 포함한다. 특정 구현예에서, 접종 반응기(230) 및 생물 반응기 시스템(240, 250)에 전달될 C1-함유 가스 기질은 0.8 : 1 미만의 H2 : CO 몰 비로 H2를 포함한다. 바람직하게는, 접종 반응기(230) 및 생물 반응기 시스템(240, 250)에 전달될 C1-함유 가스 기질은 0.02 : 1 내지 1 : 1 사이의 H2 : CO 몰 비로 H2를 포함한다. 다양한 예시에서, 수소 제거 공정(220)은 적어도 하나의 멤브레인 분리 모듈의 사용을 통해 수소 중 적어도 일부를 제거한다. 다양한 예시에서, 수소 제거 공정(220)은 적어도 하나의 압력 스윙 흡착 공정의 사용을 통해 수소 중 적어도 일부를 제거한다. 다양한 구현예에서, 수소 제거 공정(220)은 멤브레인 분리 모듈 및 압력 스윙 흡착 공정 둘 모두의 사용을 통해 수소 중 적어도 일부를 제거한다.
특정 예시에서, 접종 반응기(230) 및 생물 반응기 시스템(240, 250)에 전달될 C1-함유 가스 기질은 적어도 부분적으로 산업 공급원으로부터 유래된다. 바람직하게는, 산업 공급원은 탄수화물 발효, 가스 발효, 시멘트 제조, 펄프 및 종이 제조, 제강, 정유 및 관련 공정, 석유화학 생산, 코크스 생산, 혐기성 또는 호기성 소화, 합성 가스, 천연 가스 추출, 오일 추출, 야금 공정, 알루미늄, 구리, 및/또는 합금철 생산 및/또는 제련용, 지질 저장소, 및 촉매 공정으로 이루어진 군으로부터 선택된다.
바람직하게는, 생물 반응기 시스템(240, 250)에 의해 생산된 발효 생성물(241, 251)은 에탄올, 아세테이트, 부탄올, 부티레이트, 2,3-부탄디올, 1,3-부탄디올, 락테이트, 부텐, 부타디엔, 메틸 에틸 케톤, 에틸렌, 아세톤, 이소프로판올, 지질, 3-히드록시프로피오네이트, 이소프로펜, 지방산, 2-부탄올, 1,2-프로판디올, 1-프로판올, 모노에틸렌 글리콜, 이소부텐, 및 C6-C14 알코올로 이루어진 군으로부터 선택된다. 다양한 예시에서, 생성물(241, 251) 중 적어도 일부는 디젤 연료, 제트 연료, 가솔린, 프로필렌, 나일론 6-6, 고무, 및/또는 수지의 적어도 하나의 성분으로 추가로 전환된다. 다양한 예시에서, 적어도 하나의 발효 생성물(241, 251)은 미생물 바이오매스이다. 일부의 예시에서, 이러한 미생물 바이오매스는 적어도 하나의 동물성 사료 성분을 생산하기 위해 추가로 처리될 수 있다.
다양한 구현예에서, 하나의 생물 반응기(240)로부터의 발효 브로스는 배관 수단(242)을 통해 생물 반응기 시스템(240, 250) 내의 또 다른 생물 반응기(250)로 전달될 수 있다.
도 3, 4, 및 5는 H2 풍부 C1-함유 가스 기질의 산업 공급원으로서 정제 공정의 수소 생산 공정을 사용하는 본 발명의 다양한 구현예를 도시한다. 도 3, 도 4 및 도5에 도시된 바와 같이, 전형적인 수소 생산 공정은 다음의 단계를 포함한다: (i) CH4 함유 공급물이 CO 및 H2를 포함하는 합성가스 스트림으로 전환되는 개질 공정; (ii) 일부의 CO가 물과 반응하여 H2 및 CO2를 생산하는 적어도 하나의 수성 가스 이동 단계, 및 (iii) 가스 스트림으로부터 수소를 회수하도록 구성된 압력 스윙 흡착(PSA) 모듈.
도 3은 개질 공정(310)으로부터의 H2 풍부 C1-함유 가스 기질을 이용하는 본 발명의 일 구현예를 도시한다. H2 풍부 C1-함유 가스 기질 중 적어도 일부는 배관 수단(312)을 통해 멤브레인 분리 모듈(350)로 흐른다. 멤브레인 분리 모듈(350)은 C1-함유 가스 기질을 고압 CO-풍부 스트림, 및 저압 H2 풍부 스트림으로 분리한다. 저압 CO-풍부 스트림 중 적어도 일부는 배관 수단(352)을 통해 접종 반응기(370)로 전달된다. 저압 H2 풍부 스트림 중 적어도 일부는 배관 수단(351)을 통해 압력 스윙 흡착 공정(360)으로 전달된다. 적어도 하나의 구현예에서, 가스 기질은 압력 스윙 흡착 공정(360)으로 전달되기 전에 압축기로 전달된다. 일 구현예에서, CO-풍부 스트림은 적어도 40% CO, 또는 적어도 50% CO, 또는 적어도 60% CO를 포함한다. 일 구현예에서, CO-풍부 C1-함유 스트림의 압력은 적어도 15 bar, 또는 적어도 20 bar, 또는 적어도 25 bar이다.
다양한 구현예에서, 상기 공정은 다중 수성 가스 이동 공정(320, 330) 및/또는 다중 수소 제거 공정(350, 340, 360)을 포함할 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, C1-함유 가스 기질은 배관 수단(311)을 통해 개질 공정(310)에서 수성 가스 이동 공정(320)으로 우선 전달되어 CH4 중 적어도 일부가 CO 및 H2를 포함하는 합성 가스 스트림으로 전환될 수 있다. 이러한 가스 스트림은 선택적으로 배관 수단(321)을 통해 하나 이상의 추가의 수성 가스 이동 공정(330)으로 우회하여 가스 스트림으로부터 수소(341) 중 적어도 일부를 분리하기 위해 하나 이상의 수소 제거 공정(340)으로 공급될 수 있다. 이러한 스트림은 이어서 배관 수단(342)을 통해 하나 이상의 추가의 수소 제거 공정(360)으로 전달될 수 있다. 하나 이상의 추가의 수소 제거 공정(360)으로부터의 스트림은 발효를 위해 배관 수단(361)을 통해 생물 반응기(380)로 보내질 수 있다. 생물 반응기로 보내지지 않은 기질 중 적어도 일부는 선택적으로 배관 수단(362)을 통해 개질 공정(310)으로 보내질 수 있다. 다양한 예시에서, 생물 반응기(380)는 가스 기질을 수용하여 하나 이상의 발효 생성물(381)을 생성한다. 선택적으로, 접종 반응기(370) 및 생물 반응기(380) 둘 모두로부터의 테일 가스는 분리 배관 수단(372, 382) 및/또는 블렌딩된 스트림(378)을 통해 개질 공정(310)으로 되돌려질 수 있다.
다양한 구현예에서, 접종 반응기(370) 및 생물 반응기(380)는 단계적 방식으로 구성되며, 여기서 접종 반응기(370)는 CO-풍부 C1-함유 가스 기질을 발효시켜 접종물을 생산하며, 이는 이어서 배관 수단(371)을 통해 생물 반응기(380)로 공급된다. 생물 반응기(380) 중의 이러한 접종물을 이용하여, 발효 공정의 생성물 선택도 및 안정성이 개선된다.
또 다른 구현예에서, 도 4에 나타난 바와 같이, 개질 공정(410)으로부터의 H2 풍부 C1-함유 스트림은 접종 반응기(470)의 상류에 제공된 배관 수단(412)을 통해 압력 스윙 흡착 공정(450)으로 흐른다. 압력 스윙 흡착 공정(450)은 C1-함유 스트림을 고압 H2 풍부 스트림 및 저압 CO-풍부 스트림으로 분리한다. 저압 CO-풍부 스트림은 배관 수단(452)을 통해 접종 반응기(470)에 전달되기 이전에 압축기로 전달될 수 있다. 일 구현예에서, 접종 반응기(470)에 전달될 CO-풍부 스트림은 적어도 30% CO 또는 적어도 40% CO, 또는 적어도 50% CO, 또는 적어도 60% CO를 포함한다. 분리된 수소는 배관 수단(451)을 통해 압력 스윙 흡착 공정(450)에서 또 다른 압력 스윙 흡착 공정(460)으로 전달될 수 있다. 다양한 구현예에서, 상기 공정은 다중 수성 가스 이동 공정(420, 430) 및/또는 다중 수소 제거 공정(450, 440, 460)을 포함할 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, C1-함유 가스 기질은 배관 수단(411)을 통해 개질 공정(410)에서 수성 가스 이동 공정(420)으로 우선 전달되어 CH4 중 적어도 일부가 CO 및 H2를 포함하는 합성 가스 스트림으로 전환될 수 있다. 이러한 가스 스트림은 이어서 배관 수단(421)을 통해 하나 이상의 추가의 수성 가스 이동 공정(430)으로 전달되고 가스 스트림으로부터 수소(441) 중 적어도 일부를 분리하기 위해 배관 수단(431)을 통해 하나 이상의 수소 제거 공정(440)으로 공급될 수 있다. 이러한 가스 스트림은 이어서 배관 수단(442)을 통해 하나 이상의 추가의 수소 제거 공정(460)으로 전달될 수 있다. 하나 이상의 추가의 수소 제거 공정(460)으로부터의 스트림은 발효를 위해 배관 수단(461)을 통해 생물 반응기(480)로 보내질 수 있다. 생물 반응기로 보내지지 않은 기질 중 적어도 일부는 선택적으로 배관 수단(462)을 통해 개질 공정(410)으로 보내질 수 있다. 다양한 예시에서, 생물 반응기(480)는 가스 기질을 수용하여 하나 이상의 발효 생성물(481)을 생성한다. 선택적으로, 접종 반응기(470) 및 생물 반응기(480) 둘 모두로부터의 테일 가스는 분리 배관 수단(472, 482) 및/또는 블렌딩된 스트림(478)을 통해 개질 공정(410)으로 되돌려질 수 있다.
다양한 구현예에서, 접종 반응기(470) 및 생물 반응기(480)는 단계적 방식으로 구성되며, 여기서 접종 반응기(470)는 CO-풍부 C1-함유 가스 기질을 발효시켜 접종물을 생산하며, 이는 이어서 배관 수단(471)을 통해 생물 반응기(480)로 공급된다. 생물 반응기(480) 중의 이러한 접종물을 이용하여, 발효 공정의 생성물 선택도 및 안정성이 개선된다.
또 다른 구현예에서, 도 5에 나타난 바와 같이, 개질 공정(510)으로부터의 C1-함유 스트림은 접종 반응기(570) 및/또는 생물 반응기(580)에 보내지기 전에 다중 수소 제거 공정(540, 550, 560, 590)으로 보내질 수 있다. 다양한 예시에서, C1-함유 스트림은 수소 제거 공정 전 및/또는 사이에 압축기로 보내질 수 있다. C1-함유 스트림을 다중 수소 제거 공정으로 보냄으로써, C1-함유 스트림 중의 CO 조성이 추가로 풍부해질 수 있다.
다양한 구현예에서, 상기 공정은 다중 수소 제거 공정(540, 550, 560)과 조합된 다중 수성 가스 이동 공정(520, 530)을 포함할 수 있다. 도 5에 나타난 바와 같이, C1-함유 가스 기질은 배관 수단(511)을 통해 개질 공정(510)에서 수성 가스 이동 공정(520)으로 우선 전달되어 CH4 중 적어도 일부가 CO 및 H2를 포함하는 합성 가스 스트림으로 전환될 수 있다. 이러한 가스 스트림은 이어서 배관 수단(521)을 통해 하나 이상의 추가의 수성 가스 이동 공정(530)으로 전달되고 가스 스트림으로부터 수소(541) 중 적어도 일부를 분리하기 위해 배관 수단(531)을 통해 하나 이상의 수소 제거 공정(540)으로 공급될 수 있다. 이러한 가스 스트림은 이어서 배관 수단(542)을 통해 하나 이상의 추가의 수소 제거 공정(560)으로 전달될 수 있다. 하나 이상의 추가의 수소 제거 공정(560)으로부터의 스트림은 발효를 위해 배관 수단(561)을 통해 생물 반응기(580)로 보내질 수 있다. 생물 반응기로 보내지지 않은 기질 중 적어도 일부는 선택적으로 배관 수단(562)을 통해 후속의 수소 제거 공정(550)으로 보내지고 선택적으로 배관 수단(551)을 통해 추가의 수소 제거 공정(590)으로 보내져서, 여기서 궁극적으로 접종물을 생산하기 위해 배관 수단(591)을 통해 접종 반응기(570)로 보내질 수 있다.
다양한 예시에서, 생물 반응기(580)는 가스 기질을 수용하여 하나 이상의 발효 생성물(581)을 생성한다. 선택적으로, 접종 반응기(570) 및 생물 반응기(580) 둘 모두로부터의 테일 가스는 분리 배관 수단(572, 582) 및/또는 블렌딩된 스트림(578)을 통해 개질 공정(510)으로 되돌려질 수 있다.
다양한 구현예에서, 접종 반응기(570) 및 생물 반응기(580)는 단계적 방식으로 구성되며, 여기서 접종 반응기(570)는 CO-풍부 C1-함유 가스 기질을 발효시켜 접종물을 생산하며, 이는 이어서 배관 수단(571)을 통해 생물 반응기(580)로 공급된다. 생물 반응기(580) 중의 이러한 접종물을 이용하여, 발효 공정의 생성물 선택도 및 안정성이 개선된다.
도 3, 도 4 및 도 5가 수소 생산 공정과의 통합을 나타내지만, 본 출원은 수소 생산 공정과의 통합으로 제한되지 않아야 한다는 것을 이해해야 한다.
실시예
하기 실시예는 본 발명을 추가로 설명하지만, 어떠한 방식으로도 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다.
실시예 1
본 실시예는 68 부피% H2, 3.8 부피% CO, 26 부피% CO2 및 1 부피% N2, 18 : 1 몰 비의 H2 : CO를 포함하는 가스 기질이 공급된 2 개의 반응기의 비교 성능을 보여준다. 2 개의 반응기의 작동 파라미터에서 유일한 차이는 각 반응기에 대한 접종물이 생성되는 조건이었다. 도 6a 및 6b는 CO-풍부 조건 하에 생산된 접종물을 수용하는 제1 생물 반응기의 대사산물 및 가스 프로파일을 나타낸다. 도 7a 및 7b는 H2 풍부 조건 하에 생산된 접종물을 수용하는 제2 생물 반응기의 대사산물 및 가스 프로파일을 나타낸다. 두 반응기 모두는 유사한 효율로 H2, CO, 및 CO2를 소모하지만, H2 풍부 접종 반응기(도 7a)로부터 접종물을 수용하는 반응기는 에탄올에 대한 선택도가 감소하였다.
실시예 2
본 실시예는 상이한 가스 조건 하에서 작동되는 접종 반응기로부터의 접종물이 제공된 반응기의 비교 성능을 보여준다. 도 8a 및 도 8b는 다음의 가스 조성으로 생산된 접종물로부터 수용된 배양물로 접종된 발효의 대사산물 및 가스 프로파일을 나타낸다: 48 부피% H2, 40 부피% CO, 2 부피% CO2, 및 10 부피% N2. 도 9a 및 도 9b는 CO-풍부 조건 하에 생산된 접종물로부터 수용된 배양물로 접종된 발효의 대사산물 및 가스 프로파일을 나타낸다. CO-풍부 가스 접종 반응기(도 9a)에 의해 공급된 반응기에 의해 입증된 에탄올 선택도는 H2 풍부 접종 반응기(도 8a)로부터의 접종물을 수용하는 반응기의 것보다 훨씬 더 높다.
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 명세서에서 임의의 종래 기술에 대한 언급은 그 종래 기술이 임의의 국가의 노력 분야에서 일반적인 지식의 일부를 형성한다는 것을 인정하는 것으로 간주되지 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. 용어 "본질적으로 구성되는"은 조성물, 공정, 또는 방법의 범위를 특정 물질 또는 단계로, 또는 조성물, 공정, 또는 방법의 기본 및 신규 특성에 실질적으로 영향을 미치지 않는 것으로 제한한다. 대안(예컨대, "또는")의 사용은 대안의 하나, 둘 모두, 또는 이들의 임의의 조합을 의미하는 것으로 이해되어야 한다. 본원에서 사용된 바와 같이, 용어 "약"은 달리 명시되지 않는 한 범위, 값, 또는 구조의 ±20%를 의미한다.
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. 예컨대, 임의의 농도 범위, 퍼센트 범위, 비율 범위, 정수 범위, 크기 범위, 또는 두께 범위는 달리 명시되지 않는 한 언급된 범위 내의 임의의 정수의 값, 및 적절한 경우 이들의 분율(예컨대 1/10 및 정수의1/100)을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
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 (23)

  1. 하나 이상의 발효 생성물을 생산하는 공정으로서,
    a. CO-풍부 C1-함유 가스 기질을 하나 이상의 C1-고정 미생물의 배양물을 함유하는 액체 영양 배지를 포함하는 접종 반응기에 제공하는 단계;
    b. 상기 CO-풍부 C1-함유 가스 기질을 발효하여 접종물을 생산하는 단계;
    c. 상기 접종물 중 적어도 일부를 액체 영양 배지 중의 하나 이상의 C1-고정 미생물의 배양물을 함유하는 적어도 하나의 생물 반응기를 포함하는 생물 반응기 시스템에 전달하는 단계;
    d. H2 풍부 C1-함유 가스 기질을 상기 생물 반응기 시스템에 전달하는 단계; 및
    e. 상기 H2 풍부 C1-함유 가스 기질을 발효하여 적어도 하나의 발효 생성물을 생산하는 단계를 포함하는, 공정.
  2. 제1항에 있어서, 상기 CO-풍부 C1-함유 가스 기질이 1 : 1 미만의 H2 : CO 몰 비로 H2를 포함하는, 공정.
  3. 제1항에 있어서, 상기 CO-풍부 C1-함유 가스 기질이 0.5 : 1 미만의 H2 : CO 몰 비로 H2를 포함하는, 공정.
  4. 제1항에 있어서, 상기 CO-풍부 C1-함유 가스 기질이 0.02 : 1 내지 1 : 1 사이의 H2 : CO 몰 비로 H2를 포함하는, 공정.
  5. 제1항에 있어서, 상기 H2-풍부 C1-함유 가스 기질이 적어도 1.1 : 1의 H2 : CO 몰 비로 H2를 포함하는, 공정.
  6. 제1항에 있어서, 상기 H2-풍부 C1-함유 가스 기질이 1.1 : 1 내지 6 : 1 사이의 H2 : CO 몰 비로 H2를 포함하는, 공정.
  7. 제1항에 있어서, 상기 C1-고정 미생물이 일산화탄소영양 박테리아인, 공정.
  8. 제7항에 있어서, 상기 일산화탄소영양 박테리아가 무렐라, 클로스트리듐, 루미노코커스, 아세토박테리움, 유박테리움, 부티리박테리움, 옥소박터, 메타노사르시나, 및 디설포토마컬럼으로 이루어진 군으로부터 선택되는, 공정.
  9. 제7항에 있어서, 상기 일산화탄소영양 박테리아가 클로스트리듐 오토에타노게눔인, 공정.
  10. 제1항에 있어서, 상기 생물 반응기 시스템이 하나 이상의 2 차 생물 반응기에 연결된 하나 이상의 1 차 생물 반응기를 포함하는, 공정.
  11. 하나 이상의 발효 생성물을 생산하는 공정으로서,
    a. C1-함유 가스 기질 중 적어도 일부를 접종 반응기에 전달하고 C1-함유 가스 기질 중 적어도 일부를 생물 반응기에 전달하는 단계;
    b. 상기 접종 반응기에서 C1-함유 가스 기질을 발효하여 접종물을 생산하는 단계;
    c. 상기 접종물 중 적어도 일부를 적어도 하나의 생물 반응기에 전달하는 단계; 및
    d. 상기 생물 반응기에서 C1-함유 가스 기질을 발효하여 적어도 하나의 발효 생성물을 생산하는 단계를 포함하고,
    e. 상기 접종 반응기에 전달될 상기 C1-함유 가스 기질은 접종 반응기에 전달되기 전에 적어도 하나의 H2 제거 공정을 거치는, 공정.
  12. 제11항에 있어서, 상기 접종 반응기에 전달될 C1-함유 가스 기질이 1 : 1 미만의 H2 : CO 몰 비로 H2를 포함하는, 공정.
  13. 제11항에 있어서, 상기 접종 반응기에 전달될 상기 C1-함유 가스 기질이 0.8 : 1 미만의 H2 : CO 몰 비로 H2를 포함하는, 공정.
  14. 제11항에 있어서, 상기 접종 반응기에 전달될 상기 C1-함유 가스 기질이 0.5 : 1 미만의 H2 : CO 몰 비로 H2를 포함하는, 공정.
  15. 제11항에 있어서, 상기 접종 반응기에 전달될 상기 C1-함유 가스 기질이 0.02 : 1 내지 1 : 1 사이의 H2 : CO 몰 비로 H2를 포함하는, 공정.
  16. 제11항에 있어서, 상기 H2 제거 공정이 적어도 하나의 압력 스윙 흡착 공정을 포함하는, 공정.
  17. 제11항에 있어서, 상기 H2 제거 공정이 적어도 하나의 멤브레인 분리 모듈을 포함하는, 공정.
  18. 제11항에 있어서, 상기 C1-함유 가스 기질 중 적어도 일부가 산업 공급원으로부터 유래되는, 공정.
  19. 제18항에 있어서, 상기 산업 공급원이 탄수화물 발효, 가스 발효, 시멘트 제조, 펄프 및 종이 제조, 제강, 정유 및 관련 공정, 석유화학 생산, 코크스 생산, 혐기성 또는 호기성 소화, 합성 가스, 천연 가스 추출, 오일 추출, 야금 공정, 알루미늄, 구리, 및/또는 합금철 생산 및/또는 제련용, 지질 저장소, 및 촉매 공정으로 이루어진 군으로부터 선택되는, 공정.
  20. 제11항에 있어서, 적어도 하나의 발효 생성물이 에탄올, 아세테이트, 부탄올, 부티레이트, 2,3-부탄디올, 1,3-부탄디올, 락테이트, 부텐, 부타디엔, 메틸 에틸 케톤, 에틸렌, 아세톤, 이소프로판올, 지질, 3-히드록시프로피오네이트, 이소프로펜, 지방산, 2-부탄올, 1,2-프로판디올, 1-프로판올, 모노에틸렌 글리콜, 이소부텐, 및 C6-C14 알코올로 이루어진 군으로부터 선택되는, 공정.
  21. 제20항에 있어서, 상기 하나 이상의 발효 생성물이 디젤 연료, 제트 연료, 가솔린, 프로필렌, 나일론 6-6, 고무, 및/또는 수지의 적어도 하나의 성분으로 추가로 전환되는, 공정.
  22. 제11항에 있어서, 적어도 하나의 발효 생성물이 미생물 바이오매스인, 공정.
  23. 제22항에 있어서, 상기 미생물 바이오매스가 적어도 하나의 동물성 사료 성분을 생산하도록 처리되는, 공정.
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