(57)【要約】【課題】CO含有基質の発酵中に高いエタノール生産性レベルを与えるプロセスを提供すること。【解決手段】CO含有基質の発酵プロセスであって、前記CO含有基質を発酵槽に供給して目標CO供給速度を得る工程；及びCO供給速度を前記目標CO供給速度の約7の標準偏差以内に維持する工程を含み、前記CO供給速度は、約0.25mM以下の発酵内溶解CO濃度及び10gの全アルコール/(L・日)以上のSTYを維持するのに有効である、前記プロセス。【選択図】図１Ａ
2019047829.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
CO含有基質の発酵プロセスであって、下記工程：
前記CO含有基質を発酵槽に供給して目標CO供給速度を得る工程；及び
CO供給速度を前記目標CO供給速度の約7の標準偏差以内に維持する工程
を含み、
前記CO供給速度は、約0.25mM以下の発酵内溶解CO濃度及び10gの全アルコール/(L・日)以上のSTYを維持するのに有効である、前記プロセス。
【請求項２】
前記CO供給速度を、目標CO供給速度と、前記目標CO供給速度から約7の標準偏差との間で循環させる、請求項1のプロセス。
【請求項３】
前記CO供給速度が、前記目標CO供給速度達成後の総発酵時間の少なくとも約1%〜約20%の間、前記目標CO供給速度の約4〜約7の標準偏差以内である、請求項2のプロセス。
【請求項４】
前記CO供給速度が、前記目標CO供給速度達成後の総発酵時間の少なくとも約1%〜約10%の間、前記目標CO供給速度の約3〜約5の標準偏差以内である、請求項2のプロセス。
【請求項５】
前記CO供給速度が、前記目標CO供給速度達成後の総発酵時間の少なくとも約1%〜約10%の間、前記目標CO供給速度の約1〜約3の標準偏差以内である、請求項2のプロセス。
【請求項６】
前記目標CO供給速度が、目標細胞密度を与えるのに有効なCO供給速度である、請求項1のプロセス。
【請求項７】
前記目標細胞密度が約3g/L〜約30g/Lである、請求項1のプロセス。
【請求項８】
前記発酵槽に供給される前記CO含有基質が約0.75以上のCO/CO2モル比を有する、請求項1のプロセス。
【請求項９】
前記目標CO供給速度が約4〜約8のSCFM(約0.1〜約0.2m3/分)である、請求項2のプロセス。
【請求項１０】
CO含有基質の発酵プロセスであって、下記工程：
前記CO含有基質を発酵槽に供給する工程；
前記CO含有基質を発酵させて目標細胞密度及び目標CO供給速度を得る工程；
前記目標CO供給速度を約35%以下減じて低減したCO供給速度を与える工程；
前記低減したCO供給速度を約20分間以下維持する工程；及び
前記低減したCO供給速度を前記目標CO供給速度に戻す工程
を含み、
10gの全アルコール/(L・日)以上のSTYを与えるのに有効である、前記プロセス。
【請求項１１】
前記目標CO供給速度を約35%以下減じる工程と前記低減したCO供給速度を約20分間以下維持する工程を1時間当たり少なくとも約1回繰り返す、請求項10のプロセス。
【請求項１２】
前記目標細胞密度が約3g/L〜約30g/Lである、請求項10のプロセス。
【請求項１３】
前記目標CO供給速度が、目標細胞密度を与えるのに有効なCO供給速度である、請求項10のプロセス。
【請求項１４】
前記発酵槽に供給される前記CO含有基質が約0.75以上のCO/CO2モル比を有する、請求項10のプロセス。
【請求項１５】
前記発酵が酢酸生成菌を含む、請求項10のプロセス。
【請求項１６】
前記酢酸生成菌が、アセトゲニウム・キブイ、アセトバクテリウム・ノテラエ、アセトバクテリウム・ウッディイ、アルカリバクルム・バッキCP11(ATCC BAA-1772)、ブラウティア・プロダクタ、ブチリバクテリウム・メチロトロフィカム、カルダナエロバクター・サブテラネウス、カルダナエロバクター・サブテラネウス・パシフィカム、カーボキシドサーマス・ハイドロゲノフォルマンス、クロストリジウム・アセチカム、クロストリジウム・アセトブチリカム、クロストリジウム・アセトブチリカムP262(DSMZ GermanyのDSM 19630)、クロストリジウム・オートエタノゲナム(DSMZ GermanyのDSM 19630)、クロストリジウム・オートエタノゲナム(DSMZ GermanyのDSM 10061)、クロストリジウム・オートエタノゲナム(DSMZ GermanyのDSM 23693)、クロストリジウム・オートエタノゲナム(DSMZ GermanyのDSM 24138)、クロストリジウム・カルボキシディボランスP7(ATCC PTA-7827)、クロストリジウム・コスカチイ(ATCC PTA-10522)、クロストリジウム・ドラケイ、クロストリジウム・リュングダリイPETC(ATCC 49587)、クロストリジウム・リュングダリイERI2(ATCC 55380)、クロストリジウム・リュングダリイC-01(ATCC 55988)、クロストリジウム・リュングダリイO-52(ATCC 55889)、クロストリジウム・マグナム、クロストリジウム・パストゥリアヌム(DSMZ GermanyのDSM 525)、クロストリジウム・ラグスダリP11(ATCC BAA-622)、クロストリジウム・スカトロゲネス、クロストリジウム・サーモアセチカム、クロストリジウム・ウルツネンセ、デスルホトマクルム・クズネツォビイ、ユーバクテリウム・リモスム、ゲオバクター・スルフレデュセンス、メタノサルシナ・アセチボランス、メタノサルシナ・バーケリ、モーレラ・サーモアセティカ、モーレラ・サーモオートトロフィカ、オキソバクター・フェニジイ、ペプトストレプトコッカス・プロダクツス、ルミノコッカス・プロダクツス、サーモアネロバクター・キブイ、及びその混合物から成る群より選択される、請求項15のプロセス。
【請求項１７】
CO含有基質の発酵プロセスであって、下記工程：
前記CO含有基質を発酵槽に供給する工程；
前記CO含有基質を発酵させて目標細胞密度及び目標CO供給速度を得る工程；及び
約0.25mM以下の発酵内溶解CO濃度を維持する工程
を含み、
10gのエタノール/(L・日)以上のSTYを与えるのに有効である、前記プロセス。
【請求項１８】
前記目標CO供給速度を約35%以下減じて低減したCO供給速度を与える工程；前記低減したCO供給速度を約20分間以下維持する工程；及び前記低減したCO供給速度を前記目標CO供給速度に戻す工程をさらに含む、請求項17のプロセス。
【請求項１９】
下記工程：
a)発酵への目標CO供給速度を前記目標CO供給速度の約25%〜約35%減じて第1の低減したCO供給速度を与え、この第1の低減したCO供給速度を約1〜約10分間維持する工程；
b)発酵への前記第1の低減したCO供給速度を増加して、前記目標CO供給速度の約15%〜約25%低減した第2の低減したCO供給速度を与え、この第2の低減した供給速度を約1〜約5分間維持する工程；
c)発酵への前記第2の低減したCO供給速度を増加して、前記目標CO供給速度の約5%〜約15%低減した第3の低減したCO供給速度を与え、この第3の低減した供給速度を約1〜約5分間維持する工程；及び
d)前記第3の低減したCO供給速度を前記目標供給速度以上に増加する工程
によって前記溶解CO濃度を維持する、請求項17のプロセス。
【請求項２０】
工程a)〜d)を1時間当たり少なくとも約1回繰り返す、請求項19のプロセス。
【請求項２１】
前記目標細胞密度が約3g/L〜約30g/Lである、請求項17のプロセス。
【請求項２２】
前記目標CO供給速度が、目標細胞密度を与えるのに有効なCO供給速度である、請求項17のプロセス。
【請求項２３】
前記目標CO供給速度が約0.90〜約2.0の標準立法フィート毎時毎リットル(約0.025〜約0.057の標準立法メートル毎時毎リットル)である、請求項22のプロセス。
【請求項２４】
全アルコールが約75質量パーセント以上のエタノールを含む、請求項17のプロセス。
【請求項２５】
全アルコールが約20質量パーセント以下のブタノールを含む、請求項17のプロセス。
【請求項２６】
前記発酵槽に供給される前記CO含有基質が約0.75以上のCO/CO2モル比を有する、請求項17のプロセス。
【請求項２７】
前記発酵が酢酸生成菌を含む、請求項17のプロセス。
【請求項２８】
前記酢酸生成菌が、アセトゲニウム・キブイ、アセトバクテリウム・ノテラエ、アセトバクテリウム・ウッディイ、アルカリバクルム・バッキCP11(ATCC BAA-1772)、ブラウティア・プロダクタ、ブチリバクテリウム・メチロトロフィカム、カルダナエロバクター・サブテラネウス、カルダナエロバクター・サブテラネウス・パシフィカム、カーボキシドサーマス・ハイドロゲノフォルマンス、クロストリジウム・アセチカム、クロストリジウム・アセトブチリカム、クロストリジウム・アセトブチリカムP262(DSMZ GermanyのDSM 19630)、クロストリジウム・オートエタノゲナム(DSMZ GermanyのDSM 19630)、クロストリジウム・オートエタノゲナム(DSMZ GermanyのDSM 10061)、クロストリジウム・オートエタノゲナム(DSMZ GermanyのDSM 23693)、クロストリジウム・オートエタノゲナム(DSMZ GermanyのDSM 24138)、クロストリジウム・カルボキシディボランスP7(ATCC PTA-7827)、クロストリジウム・コスカチイ(ATCC PTA-10522)、クロストリジウム・ドラケイ、クロストリジウム・リュングダリイPETC(ATCC 49587)、クロストリジウム・リュングダリイERI2(ATCC 55380)、クロストリジウム・リュングダリイC-01(ATCC 55988)、クロストリジウム・リュングダリイO-52(ATCC 55889)、クロストリジウム・マグナム、クロストリジウム・パストゥリアヌム(DSMZ GermanyのDSM 525)、クロストリジウム・ラグスダリP11(ATCC BAA-622)、クロストリジウム・スカトロゲネス、クロストリジウム・サーモアセチカム、クロストリジウム・ウルツネンセ、デスルホトマクルム・クズネツォビイ、ユーバクテリウム・リモスム、ゲオバクター・スルフレデュセンス、メタノサルシナ・アセチボランス、メタノサルシナ・バーケリ、モーレラ・サーモアセティカ、モーレラ・サーモオートトロフィカ、オキソバクター・フェニジイ、ペプトストレプトコッカス・プロダクツス、ルミノコッカス・プロダクツス、サーモアネロバクター・キブイ、及びその混合物から成る群より選択される、請求項27のプロセス。
【請求項２９】
CO含有基質の発酵中のCO阻害を回避するためのプロセスであって、下記工程：
前記CO含有基質を発酵槽に供給し、前記CO含有基質を発酵培地と接触させる工程；
前記CO含有基質を発酵させる工程；
前記発酵培地内の溶解CO濃度を決定する工程；及び
約0.25mM以下の発酵内溶解CO濃度を維持する工程
を含み、
10gの全エタノール/(L・日)以上のSTYを与えるのに有効である、前記プロセス。
【請求項３０】
下記工程：
a)発酵への目標CO供給速度を前記目標CO供給速度の約25%〜約35%減じて第1の低減したCO供給速度を与え、この第1の低減したCO供給速度を約1〜約10分間維持する工程；
b)発酵への前記第1の低減したCO供給速度を増加して、前記目標CO供給速度の約15%〜約25%低減した第2の低減したCO供給速度を与え、この第2の低減した供給速度を約1〜約5分間維持する工程；
c)発酵への前記第2の低減したCO供給速度を増加して、前記目標CO供給速度の約5%〜約15%低減した第3の低減したCO供給速度を与え、この第3の低減した供給速度を約1〜約5分間維持する工程；及び
d)前記第3の低減したCO供給速度を前記目標供給速度以上に増加する工程
によって前記溶解CO濃度を維持する、請求項29のプロセス。
【請求項３１】
工程a)〜d)を1時間当たり少なくとも約1回繰り返す、請求項30のプロセス。
【請求項３２】
前記第1のCO供給速度が、目標細胞密度を与えるのに有効なCO供給速度である、請求項29のプロセス。
【請求項３３】
前記第1のCO供給速度が約0.90〜約2.0の標準立法フィート毎時毎リットル(約0.025〜約0.057の標準立法メートル毎時毎リットル)である、請求項32のプロセス。
【請求項３４】
前記目標細胞密度が約3g/L〜約30g/Lである、請求項30のプロセス。
【請求項３５】
前記発酵槽に供給される前記CO含有基質が約0.75以上のCO/CO2モル比を有する、請求項29のプロセス。
【請求項３６】
前記プロセスが少なくとも約25%以上のH2転化率を維持するのに有効である、請求項29のプロセス。
【請求項３７】
前記発酵が酢酸生成菌を含む、請求項29のプロセス。
【請求項３８】
前記酢酸生成菌が、アセトゲニウム・キブイ、アセトバクテリウム・ノテラエ、アセトバクテリウム・ウッディイ、アルカリバクルム・バッキCP11(ATCC BAA-1772)、ブラウティア・プロダクタ、ブチリバクテリウム・メチロトロフィカム、カルダナエロバクター・サブテラネウス、カルダナエロバクター・サブテラネウス・パシフィカム、カーボキシドサーマス・ハイドロゲノフォルマンス、クロストリジウム・アセチカム、クロストリジウム・アセトブチリカム、クロストリジウム・アセトブチリカムP262(DSMZ GermanyのDSM 19630)、クロストリジウム・オートエタノゲナム(DSMZ GermanyのDSM 19630)、クロストリジウム・オートエタノゲナム(DSMZ GermanyのDSM 10061)、クロストリジウム・オートエタノゲナム(DSMZ GermanyのDSM 23693)、クロストリジウム・オートエタノゲナム(DSMZ GermanyのDSM 24138)、クロストリジウム・カルボキシディボランスP7(ATCC PTA-7827)、クロストリジウム・コスカチイ(ATCC PTA-10522)、クロストリジウム・ドラケイ、クロストリジウム・リュングダリイPETC(ATCC 49587)、クロストリジウム・リュングダリイERI2(ATCC 55380)、クロストリジウム・リュングダリイC-01(ATCC 55988)、クロストリジウム・リュングダリイO-52(ATCC 55889)、クロストリジウム・マグナム、クロストリジウム・パストゥリアヌム(DSMZ GermanyのDSM 525)、クロストリジウム・ラグスダリP11(ATCC BAA-622)、クロストリジウム・スカトロゲネス、クロストリジウム・サーモアセチカム、クロストリジウム・ウルツネンセ、デスルホトマクルム・クズネツォビイ、ユーバクテリウム・リモスム、ゲオバクター・スルフレデュセンス、メタノサルシナ・アセチボランス、メタノサルシナ・バーケリ、モーレラ・サーモアセティカ、モーレラ・サーモオートトロフィカ、オキソバクター・フェニジイ、ペプトストレプトコッカス・プロダクツス、ルミノコッカス・プロダクツス、サーモアネロバクター・キブイ、及びその混合物から成る群より選択される、請求項37のプロセス。
【請求項３９】
CO含有基質の発酵プロセスであって、下記工程：
前記CO含有基質を発酵槽に供給する工程；
前記CO含有基質を発酵させて目標細胞密度及び目標CO供給速度を得る工程；及び
少なくとも約25%以上のH2転化率を維持する工程
を含み、
10gのエタノール/(L・日)以上のSTYを与えるのに有効である、前記プロセス。
【請求項４０】
下記工程：
a)発酵への目標CO供給速度を前記目標CO供給速度の約25%〜約35%減じて第1の低減したCO供給速度を与え、この第1の低減したCO供給速度を約1〜約10分間維持する工程；
b)発酵への前記第1の低減したCO供給速度を増加して、前記目標CO供給速度の約15%〜約25%低減した第2の低減したCO供給速度を与え、この第2の低減した供給速度を約1〜約5分間維持する工程；
c)発酵への前記第2の低減したCO供給速度を増加して、前記目標CO供給速度の約5%〜約15%低減した第3の低減したCO供給速度を与え、この第3の低減した供給速度を約1〜約5分間維持する工程；及び
d)前記第3の低減したCO供給速度を前記目標供給速度以上に増加する工程
によって前記溶解CO濃度を維持する、請求項39のプロセス。
【請求項４１】
工程a)〜d)を1時間当たり少なくとも約1回繰り返す、請求項40のプロセス。
【請求項４２】
前記目標CO供給速度が、目標細胞密度を与えるのに有効なCO供給速度である、請求項39のプロセス。
【請求項４３】
前記目標細胞密度が約3g/L〜約30g/Lである、請求項39のプロセス。
【請求項４４】
前記目標CO供給速度が約0.90〜約2.0の標準立法フィート毎時毎リットル(約0.025〜約0.057の標準立法メートル毎時毎リットル)である、請求項39のプロセス。
【請求項４５】
前記発酵槽に供給される前記CO含有基質が約0.75以上のCO/CO2モル比を有する、請求項39のプロセス。
【請求項４６】
前記発酵が酢酸生成菌を含む、請求項39のプロセス。
【請求項４７】
前記酢酸生成菌が、アセトゲニウム・キブイ、アセトバクテリウム・ノテラエ、アセトバクテリウム・ウッディイ、アルカリバクルム・バッキCP11(ATCC BAA-1772)、ブラウティア・プロダクタ、ブチリバクテリウム・メチロトロフィカム、カルダナエロバクター・サブテラネウス、カルダナエロバクター・サブテラネウス・パシフィカム、カーボキシドサーマス・ハイドロゲノフォルマンス、クロストリジウム・アセチカム、クロストリジウム・アセトブチリカム、クロストリジウム・アセトブチリカムP262(DSMZ GermanyのDSM 19630)、クロストリジウム・オートエタノゲナム(DSMZ GermanyのDSM 19630)、クロストリジウム・オートエタノゲナム(DSMZ GermanyのDSM 10061)、クロストリジウム・オートエタノゲナム(DSMZ GermanyのDSM 23693)、クロストリジウム・オートエタノゲナム(DSMZ GermanyのDSM 24138)、クロストリジウム・カルボキシディボランスP7(ATCC PTA-7827)、クロストリジウム・コスカチイ(ATCC PTA-10522)、クロストリジウム・ドラケイ、クロストリジウム・リュングダリイPETC(ATCC 49587)、クロストリジウム・リュングダリイERI2(ATCC 55380)、クロストリジウム・リュングダリイC-01(ATCC 55988)、クロストリジウム・リュングダリイO-52(ATCC 55889)、クロストリジウム・マグナム、クロストリジウム・パストゥリアヌム(DSMZ GermanyのDSM 525)、クロストリジウム・ラグスダリP11(ATCC BAA-622)、クロストリジウム・スカトロゲネス、クロストリジウム・サーモアセチカム、クロストリジウム・ウルツネンセ、デスルホトマクルム・クズネツォビイ、ユーバクテリウム・リモスム、ゲオバクター・スルフレデュセンス、メタノサルシナ・アセチボランス、メタノサルシナ・バーケリ、モーレラ・サーモアセティカ、モーレラ・サーモオートトロフィカ、オキソバクター・フェニジイ、ペプトストレプトコッカス・プロダクツス、ルミノコッカス・プロダクツス、サーモアネロバクター・キブイ、及びその混合物から成る群より選択される、請求項46のプロセス。
【請求項４８】
CO含有基質の発酵プロセスであって、下記工程：
前記CO含有基質を発酵槽に供給する工程；
前記CO含有基質を発酵させて目標H2転化率及び目標CO取込みを得る工程；及び
H2転化率及びCO取込みをモニターする工程；及び
前記H2転化率を約25%〜約95%の範囲に維持し、かつ前記CO取込みを約0.001〜約10ミリモル/分/グラム(乾燥細胞)の範囲に維持する工程
を含む、前記プロセス。
【請求項４９】
下記工程：
a)発酵への目標CO供給速度を前記目標CO供給速度の約25%〜約35%減じて第1の低減したCO供給速度を与え、この第1の低減したCO供給速度を約1〜約10分間維持する工程；
b)発酵への前記第1の低減したCO供給速度を増加して、前記目標CO供給速度の約15%〜約25%低減した第2の低減したCO供給速度を与え、この第2の低減した供給速度を約1〜約5分間維持する工程；
c)発酵への前記第2の低減したCO供給速度を増加して、前記目標CO供給速度の約5%〜約15%低減した第3の低減したCO供給速度を与え、この第3の低減した供給速度を約1〜約5分間維持する工程；及び
d)前記第3の低減したCO供給速度を前記目標供給速度以上に増加する工程
によって溶解CO濃度を維持する、請求項48のプロセス。
【請求項５０】
工程a)〜d)を1時間当たり少なくとも約1回繰り返す、請求項49のプロセス。
【請求項５１】
前記発酵が酢酸生成菌を含む、請求項48のプロセス。
【請求項５２】
前記酢酸生成菌が、アセトゲニウム・キブイ、アセトバクテリウム・ノテラエ、アセトバクテリウム・ウッディイ、アルカリバクルム・バッキCP11(ATCC BAA-1772)、ブラウティア・プロダクタ、ブチリバクテリウム・メチロトロフィカム、カルダナエロバクター・サブテラネウス、カルダナエロバクター・サブテラネウス・パシフィカム、カーボキシドサーマス・ハイドロゲノフォルマンス、クロストリジウム・アセチカム、クロストリジウム・アセトブチリカム、クロストリジウム・アセトブチリカムP262(DSMZ GermanyのDSM 19630)、クロストリジウム・オートエタノゲナム(DSMZ GermanyのDSM 19630)、クロストリジウム・オートエタノゲナム(DSMZ GermanyのDSM 10061)、クロストリジウム・オートエタノゲナム(DSMZ GermanyのDSM 23693)、クロストリジウム・オートエタノゲナム(DSMZ GermanyのDSM 24138)、クロストリジウム・カルボキシディボランスP7(ATCC PTA-7827)、クロストリジウム・コスカチイ(ATCC PTA-10522)、クロストリジウム・ドラケイ、クロストリジウム・リュングダリイPETC(ATCC 49587)、クロストリジウム・リュングダリイERI2(ATCC 55380)、クロストリジウム・リュングダリイC-01(ATCC 55988)、クロストリジウム・リュングダリイO-52(ATCC 55889)、クロストリジウム・マグナム、クロストリジウム・パストゥリアヌム(DSMZ GermanyのDSM 525)、クロストリジウム・ラグスダリP11(ATCC BAA-622)、クロストリジウム・スカトロゲネス、クロストリジウム・サーモアセチカム、クロストリジウム・ウルツネンセ、デスルホトマクルム・クズネツォビイ、ユーバクテリウム・リモスム、ゲオバクター・スルフレデュセンス、メタノサルシナ・アセチボランス、メタノサルシナ・バーケリ、モーレラ・サーモアセティカ、モーレラ・サーモオートトロフィカ、オキソバクター・フェニジイ、ペプトストレプトコッカス・プロダクツス、ルミノコッカス・プロダクツス、サーモアネロバクター・キブイ、及びその混合物から成る群より選択される、請求項51のプロセス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
CO含有ガス状基質の発酵プロセスを提供する。さらに詳細には、本プロセスは、CO含有ガス状基質を発酵させて目標細胞密度及び目標CO供給速度を得てから周期的にCO供給速度を増減する工程を含む。本プロセスは、約0.25mM以下の発酵内溶解CO濃度を維持するのに有効である。
【背景技術】
【０００２】
背景
酢酸生成微生物は、ガス状基質の発酵を介して一酸化炭素(CO)からエタノールを生成することができる。クロストリジウム属由来の嫌気性微生物を用いる発酵は、エタノール及び他の有用な生成物を生成する。例えば、米国特許第5,173,429号は、合成ガスからエタノール及びアセタートを生成する嫌気性微生物であるクロストリジウム・リュングダリイ(Clostridium ljungdahlii)ATCC No. 49587について記載している。米国特許第5,807,722号は、クロストリジウム・リュングダリイATCC No. 55380を用いて廃ガスを有機酸とアルコールに変換するためのプロセス及び装置について記載している。米国特許第6,136,577号は、クロストリジウム・リュングダリイATCC No. 55988及び55989を用いて廃ガスをエタノールに変換するためのプロセス及び装置について記載している。
一酸化炭素からエタノールを生産するためのプロセスは、経時的にCOの量が増加する状態で酢酸生成菌を培養する工程を含む。発酵における高レベル又は低レベルのCOは、より低い生産性をもたらす可能性がある。発酵槽へのCO供給速度が増すにつれて、発酵培地内の溶解CO濃度が上昇し得る。発酵槽内の溶解CO濃度の上昇はCO阻害及び生産性レベル低下をもたらす可能性がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
概要
プロセスは、CO含有基質の発酵中に高いエタノール生産性レベルを与える。プロセスはCO基質供給速度及び細胞密度を制御して培養混乱及びCO阻害を回避する。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
CO含有基質の発酵プロセスは、CO含有基質を発酵槽に供給して目標CO供給速度を得る工程及びCO供給速度を目標CO供給速度の約7の標準偏差以内に維持する工程を含む。CO供給速度は、約0.25mM以下の発酵内溶解CO濃度及び10gの全アルコール/(L・日)以上のSTYを維持するのに有効である。一態様では、プロセスはCO供給速度を目標CO供給速度と目標CO供給速度から約7の標準偏差との間で循環させる工程を含む。別の態様では、目標CO供給速度達成後の総発酵時間の少なくとも約1%〜約20%の間、CO供給速度を目標CO供給速度の約4〜約7の標準偏差以内に維持する。別の態様では、目標CO供給速度達成後の総発酵時間の少なくとも約1%〜約10%の間、CO供給速度を目標CO供給速度の約3〜約5の標準偏差以内に維持する。別の態様では、目標CO供給速度達成後の総発酵時間の少なくとも約1%〜約10%の間、CO供給速度を目標CO供給速度の約1〜約3の標準偏差以内に維持する。
CO含有基質の発酵プロセスは、CO含有基質を発酵槽に供給する工程及びCO含有基質を発酵させて目標細胞密度及び目標CO供給速度を得る工程を含む。プロセスはさらに、目標CO供給速度を約35%以下減じて低減したCO供給速度を与える工程、この低減したCO供給速度を約20分間以下維持する工程、及び低減したCO供給速度を目標CO供給速度に戻す工程を含む。このプロセスは10gの全アルコール/(L・日)以上のSTYを与えるのに有効である。
【０００５】
CO含有基質の発酵プロセスは、CO含有基質を発酵槽に供給する工程、CO含有基質を発酵させて目標細胞密度及び目標CO供給速度を得る工程；及び約0.25mM以下の発酵内溶解CO濃度を維持する工程を含む。この態様では、プロセスは10gのエタノール/(L・日)以上のSTYを与えるのに有効である。別の態様では、a)発酵への目標CO供給速度を目標CO供給速度の約25%〜約35%減じて第1の低減したCO供給速度を与え、この第1の低減したCO供給速度を約1〜約10分間維持する工程；b)発酵への第1の低減したCO供給速度を増やして、目標CO供給速度の約15%〜約25%低減した第2の低減したCO供給速度を与え、この第2の低減した供給速度を約1〜約5分間維持する工程；c)発酵への第2の低減したCO供給速度を増やして、目標CO供給速度の約5%〜約15%低減した第3の低減したCO供給速度を与え、この第3の低減した供給速度を約1〜約5分間維持する工程；及びd)第3の低減したCO供給速度を目標供給速度以上に増やす工程によって溶解CO濃度を維持する。一態様では、工程a)〜d)を1時間当たり少なくとも約1回繰り返す。
【０００６】
別の態様では、CO含有基質の発酵中のCO阻害を回避するためのプロセスは、CO含有基質を発酵槽に供給し、CO含有基質を発酵培地と接触させる工程及びCO含有基質を発酵させる工程を含む。本プロセスは、発酵培地内の溶解CO濃度を決定する工程及び約0.25mM以下の発酵内溶解CO濃度を維持する工程を含む。このプロセスは、10gのエタノール/(L・日)以上のSTYを与えるのに有効である。
別の態様では、CO含有基質の発酵プロセスは、CO含有基質を発酵槽に供給する工程及びCO含有基質を発酵させて目標細胞密度及び目標CO供給速度を得る工程を含む。本プロセスは、少なくとも約25%以上のH2転化率を維持する工程を含む。このプロセスは、10gのエタノール/(L・日)以上のSTYを与えるのに有効である。
別の態様では、CO含有基質の発酵プロセスは、CO含有基質を発酵槽に供給する工程及びCO含有基質を発酵させて目標H2転化率及び目標CO取込みを得る工程を含む。本プロセスは、H2転化率及びCO取込みをモニターする工程及び約25%〜約95%のH2転化率及び約0.001〜約10ミリモル/分/グラム(乾燥細胞)のCO取込みを維持する工程を含む。
【０００７】
本プロセスのいくつかの態様の上記及び他の態様、特徴及び利点は以下の図面からさらに明白であろう。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１Ａ】発酵へのCOの循環の反復パターンを示す。
【図１Ｂ】発酵へのCOの循環の反復パターンを示す。
【図２】ガス流速の変動に伴う発酵の結果を示す。
【図３】H2転化率に及ぼすガス循環の効果を示す。
【図４】ガス流循環の再開後のH2転化率の回復を示す。
【図５】パイロットプラント発酵槽内のガス保持時間及びガス流速を示す。
【図６】10%及び20%のガス流速変動を有するパイロットプラント発酵槽内のガス転化率を示す。
【図７】パイロットプラント発酵槽内の基質取込みを示す。
【図８】パイロットプラント発酵槽内の生成物濃度を示す。
【図９】パイロットプラント発酵槽内の理論的エタノール生産性に及ぼすガス循環率の効果を示す。
【図１０】パイロットプラント発酵槽内のエタノール生産を示す。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
詳細な説明
下記説明は、限定的意味に解釈すべきでなく、単に例示実施形態の一般原理を記述するために行なうものである。本発明の範囲は特許請求の範囲を参照して決定すべきである。
バイオリアクター内で培地及び本明細書に記載の酢酸生成菌を用いて行なうシンガス発酵は、シンガス中のCOをアルコールその他の生成物に変換させるのに有効である。発酵培地内のCO供給速度及び細胞密度の制御を通じた発酵内のCO濃度の制御は、高い生産性レベルを与えるのに有効である。この態様では、生産性をSTY(全アルコール/(L・日)として表される時空収量)として表すことができる。この態様では、プロセスは、少なくとも約10gの全アルコール/(L・日)のSTY(時空収量)を与えるのに有効である。可能なSTY値としては、約10gの全アルコール/(L・日)〜約200gの全アルコール/(L・日)、別の態様では、約10gの全アルコール/(L・日)〜約160gの全アルコール/(L・日)、別の態様では、約10gの全アルコール/(L・日)〜約120gの全アルコール/(L・日)、別の態様では、約10gの全アルコール/(L・日)〜約80gの全アルコール/(L・日)、別の態様では、約20gの全アルコール/(L・日)〜約140gの全アルコール/(L・日)、別の態様では、約20gの全アルコール/(L・日)〜約100gの全アルコール/(L・日)、別の態様では、約40gの全アルコール/(L・日)〜約140gの全アルコール/(L・日)、別の態様では、約40gの全アルコール/(L・日)〜約100gの全アルコール/(L・日)が挙げられる。
【００１０】
定義
特に指定のない限り、本開示のためにこの明細書全体を通じて使用する下記用語は下記定義どおりであり、下記定義の単数形又は複数形のどちらをも含めることができる。
任意量を修飾する用語「約」は、実社会の条件内、例えば、実験室、パイロットプラント、又は生産施設内で遭遇する当該量の変動を表す。例えば、「約」で修飾するときに混合物又は含量において用いられる成分又は測定値の量には、生産プラント又は実験室内の実験条件下で測定する際に典型的に払われる注意の変動又は程度が含まれる。例えば、「約」で修飾するときの生成物の成分の量には、プラント又は実験室内の複数の実験のバッチ間の変動及び分析方法に固有の変動が含まれる。「約」で修飾するか否かにかかわらず、量は当該量と等価な量を包含する。本明細書で言及し、「約」で修飾したいずれの量も本開示では「約」で修飾しない量として利用することもできる。
用語「ガス状基質」は非限定的意味で使用され、この用語には1種以上のガスを含有するか又は1種以上のガスから誘導される基質が含まれる。
用語「シンガス」又は「合成ガス」は、各種量の一酸化炭素と水素を含有するガス混合物に与えられる名称である合成ガスを意味する。生産方法の例としては、水素を生産するための天然ガス又は炭化水素の水蒸気改質、石炭のガス化及び数タイプの廃棄物からエネルギーへのガス化施設内のガス化が挙げられる。この名称は、合成天然ガス(SNG)を作り出すとき及びアンモニア又はメタノールを生産するための中間体としてのそれらの用途に由来する。シンガスは可燃性であり、他の化学薬品の生産のための燃料源又は中間体として使用されることが多い。
【００１１】
用語「発酵槽」には、1つ以上の容器及び／若しくは塔又は配管から成る発酵装置が含まれ、連続撹拌槽型反応器(Continuous Stirred Tank Reactor)(CSTR)、固定化細胞反応器(Immobilized Cell Reactor)(ICR)、トリクルベッド反応器(Trickle Bed Reactor)(TBR)、移動床バイオフィルム反応器(Moving Bed Biofilm Reactor)(MBBR)、気泡塔、ガスリフト発酵槽、膜反応器、例えば中空繊維膜バイオリアクター(Hollow Fibre Membrane Bioreactor)(HFMBR)、静的ミキサー、又は気液接触に適した他の容器若しくは他の装置が挙げられる。
用語「発酵」、「発酵プロセス」又は「発酵反応」等はプロセスの成長期と生成物の生合成期の両方を包含する意図である。一態様では、発酵は、COのアルコールへの変換を意味する。
用語「細胞密度」は、発酵ブロスの単位体積当たりの微生物細胞の質量、例えば、グラム/リットルを意味する。
発酵プロセスに関して使用するとき、用語「効率を高める」、「向上した効率」等には、発酵における微生物の成長速度、消費された基質(例えば一酸化炭素)の体積又は質量当たりの生成された所望生成物(例えばアルコール)の体積又は質量、所望生成物の生産速度又は生産レベル、及び生成された所望生成物の、発酵の他の副生物と比較した相対的比率の1つ以上を高めることが含まれる。
本明細書で使用する場合、「全アルコール」には、エタノール、ブタノール、プロパノール及びメタノールが含まれる。一態様では、全アルコールは、少なくとも約75質量パーセント以上のエタノール、別の態様では、約80質量パーセント以上のエタノール、別の態様では、約85質量パーセント以上のエタノール、別の態様では、約90質量パーセント以上のエタノール、別の態様では、約95質量パーセント以上のエタノールを含み得る。別の態様では、全アルコールは約25質量パーセント以下のブタノールを含み得る。
用語「比CO取込み」は、分での単位時間当たりの微生物細胞の単位質量(g)によって消費されたミリモルでのCOの量、すなわちミリモル/グラム/分を意味する。
【００１２】
CO含有基質
CO含有基質には、COを含むいずれのガスも含まれ得る。この態様では、CO含有ガスには、シンガス、産業ガス、及びその混合物が含まれ得る。
いずれの既知源からシンガスを供給してもよい。一態様では、炭素質材料のガス化からシンガスを調達することができる。ガス化は、酸素の制限された供給下でのバイオマスの部分燃焼を伴う。結果として生じるガスは主にCOとH2を含む。この態様では、シンガスは少なくとも約10モル%のCO、一態様では、少なくとも約20モル%のCO、一態様では、約10〜約100モル%のCO、別の態様では、約20〜約100モル%のCO、別の態様では、約30〜約90モル%のCO、別の態様では、約40〜約80モル%のCO、及び別の態様では、約50〜約70モル%のCOを含有するであろう。適切なガス化の方法及び装置のいくつかの例は、米国特許出願第61/516,667号、第61/516,704号及び第61/516,646号(全て2011年4月6日に出願された)、並びに米国特許出願第13/427,144号、第13/427,193号及び第13/427,247号(全て2012年3月22日に出願された)に提供されており、これら全ての内容を参照によってここに援用する。
別の態様では、プロセスは、高体積CO含有産業煙道ガスのようなガス状基質からのアルコールの生産を支援する適用性を有する。いくつかの態様では、COを含むガスは、炭素含有廃棄物、例えば、産業廃ガス由来であるか又は他の廃棄物のガス化から誘導される。そのようなものとして、本プロセスは、そうでなければ環境に排出されるであろう炭素を捕獲するための有効なプロセスを提起する。産業煙道ガスの例としては、鉄金属製品製造、非鉄製品製造、石油精製プロセス、石炭のガス化、バイオマスのガス化、電力生産、カーボンブラック生産、アンモニア生産、メタノール生産及びコークス製造中に生成されるガスが挙げられる。
【００１３】
CO含有基質の組成に応じて、CO含有基質を発酵プロセスに直接供給するか又は適切なH2対COモル比を含むようにさらに改変してよい。一態様では、発酵槽に供給するCO含有基質は、約0.2以上のH2対COモル比、別の態様では、約0.25以上のH2対COモル比、及び別の態様では、約0.5以上のH2対COモル比を有する。別の態様では、発酵槽に供給するCO含有基質は約40モルパーセント以上のCOプラスH2及び約30モルパーセント以下のCO、別の態様では、約50モルパーセント以上COプラスH2及び約35モルパーセント以下のCO、別の態様では、約80モルパーセント以上のCOプラスH2及び約20モルパーセント以下のCOを含み得る。
一態様では、CO含有基質は主にCOとH2を含む。この態様では、CO含有基質は、少なくとも約10モル%のCO、一態様では、少なくとも約20モル%のCO、一態様では、約10〜約100モル%のCO、別の態様では、約20〜約100モル%のCO、別の態様では、約30〜約90モル%のCO、別の態様では、約40〜約80モル%のCO、別の態様では、約50〜約70モル%のCOを含有するであろう。CO含有基質は、少なくとも約0.75のCO/CO2比、別の態様では、少なくとも約1.0のCO/CO2比、別の態様では、少なくとも約1.5のCO/CO2比を有するであろう。
【００１４】
一態様では、ガス分離器を配置して、ガス流の少なくとも一部を実質的に分離する。この部分には1種以上の成分が含まれる。例えば、ガス分離器は、下記成分：CO、CO2、H2を含むガス流からCO2を分離し、CO2をCO2除去器に通し、ガス流の残り(CO及びH2を含む)をバイオリアクターに通すことができる。技術上周知のいずれのガス分離器をも利用し得る。この態様では、発酵槽に供給するシンガスは約10モル%以下のCO2、別の態様では、約1モル%以下のCO2、別の態様では、約0.1モル%以下のCO2を有するであろう。
ある一定のガス流は高濃度のCOと低濃度のH2を含んでよい。一態様では、より高いアルコール生産効率及び／又は全体的な炭素捕獲を達成するため、基質流の組成を最適化するのが望ましいことがある。例えば、基質流をバイオリアクターに通す前に基質流中のH2濃度を高めてよい。
本発明の特定の態様によれば、2種以上の起源からの流れを組み合わせ及び／又はブレンドして所望の及び／又は最適の基質流を生成することができる。例えば、製鋼所転炉からの排ガス等の高濃度COを含む流れを製鋼所コークス炉からのオフガス等の高濃度H2を含む流れと組み合わせることができる。
ガス状CO含有基質の組成によっては、CO含有基質を発酵に導入する前に処理して、粉塵粒子等のいずれの望ましくない不純物をも除去するのが望ましいこともある。例えば、既知の方法を用いてガス状基質をろ過又は洗浄することができる。
【００１５】
バイオリアクターの設計と操作
発酵槽の設計の詳細は米国特許出願第13/471,827号及び第13/471,858号(両方とも2012年5月15日に出願された)、並びに2012年5月16日に出願された米国特許出願第13/473,167号に記載されており、これら全ての内容を参照によってここに援用する。
一態様によれば、培地を反応器に添加して発酵プロセスを開始する。培地組成物のいくつかの例は、2012年5月22日に出願された米国特許出願第61/650,098号及び第61/650,093号、並びに2001年7月23日に出願された米国特許第7,285,402号に記載されており、これら全ての内容を参照によってここに援用する。培地を滅菌して望ましくない微生物を除去することができ、所望の微生物を反応器に接種する。滅菌は常に必要なわけではない。
一態様では、利用する微生物として酢酸生成菌がある。有用な酢酸生成菌の例としては、クロストリジウム属のもの、例えばクロストリジウム・リュングダリイの株（WO 2000/68407、EP 117309、米国特許第5,173,429号、第5,593,886号及び第6,368,819号、WO 1998/00558及びWO 2002/08438に記載されたものを含めて）、クロストリジウム・オートエタノゲナム(Clostridium autoethanogenum)の株(DSMZ, GermanyのDSM 10061及びDSM 19630)（WO 2007/117157及びWO 2009/151342に記載されたものを含めて）及びクロストリジウム・ラグスダレイ(Clostridium ragsdalei)(P11, ATCC BAA-622)及びアルカリバクルム・バッキ(Alkalibaculum bacchi)(CP11, ATCC BAA-1772)（それぞれ米国特許第7,704,723号及び2012年4月29日にOklahoma EPSCoR Annual State Conferenceで提出された“Biofuels and Bioproducts from Biomass-Generated Synthesis Gas”,Hasan Atiyehに記載されたものを含めて）及び米国特許出願第2007/0276447号に記載のクロストリジウム・カルボキシディボランス(Clostridium carboxidivorans)(ATCC PTA-7827)が挙げられる。他の適切な微生物には、ムーレラ属(Moorella)のもの（ムーレラ種HUC22-1を含めて）、及びカーボキシドサーマス(Carboxydothermus)属のものがある。これらの各参考文献を参照によってここに援用する。2種以上の微生物の混合培養を使用してよい。
【００１６】
有用な細菌のいくつかの例として、アセトゲニウム・キブイ(Acetogenium kivui)、アセトバクテリウム・ノテラエ(Acetoanaerobium noterae)、アセトバクテリウム・ウッディイ(Acetobacterium woodii)、アルカリバクルム・バッキ(Alkalibaculum bacchi)CP11(ATCC BAA-1772)、ブラウティア・プロダクタ(Blautia producta)、ブチリバクテリウム・メチロトロフィカム(Butyribacterium methylotrophicum)、カルダナエロバクター・サブテラネウス(Caldanaerobacter subterraneous)、カルダナエロバクター・サブテラネウス・パシフィカム(Caldanaerobacter subterraneous pacificus)、カーボキシドサーマス・ハイドロゲノフォルマンス(Carboxydothermus hydrogenoformans)、クロストリジウム・アセチカム(Clostridium aceticum)、クロストリジウム・アセトブチリカム(Clostridium acetobutylicum)、クロストリジウム・アセトブチリカムP262(DSMZ GermanyのDSM 19630)、クロストリジウム・オートエタノゲナム(DSMZ GermanyのDSM 19630)、クロストリジウム・オートエタノゲナム(DSMZ GermanyのDSM 10061)、クロストリジウム・オートエタノゲナム(DSMZ GermanyのDSM 23693)、クロストリジウム・オートエタノゲナム(DSMZ GermanyのDSM 24138)、クロストリジウム・カルボキシディボランスP7(ATCC PTA-7827)、クロストリジウム・コスカチイ(Clostridium coskatii)(ATCC PTA-10522)、クロストリジウム・ドラケイ(Clostridium drakei)、クロストリジウム・リュングダリイPETC(ATCC 49587)、クロストリジウム・リュングダリイERI2(ATCC 55380)、クロストリジウム・リュングダリイC-01(ATCC 55988)、クロストリジウム・リュングダリイO-52(ATCC 55889)、クロストリジウム・マグナム(Clostridium magnum)、クロストリジウム・パストゥリアヌム(Clostridium pasteurianum)(DSMZ GermanyのDSM 525)、クロストリジウム・ラグスダリ(Clostridium ragsdali)P11(ATCC BAA-622)、クロストリジウム・スカトロゲネス(Clostridium scatologenes)、クロストリジウム・サーモアセチカム(Clostridium thermoaceticum)、クロストリジウム・ウルツネンセ(Clostridium ultunense)、デスルホトマクルム・クズネツォビイ(Desulfotomaculum kuznetsovii)、ユーバクテリウム・リモスム(Eubacterium limosum)、ゲオバクター・スルフレデュセンス(Geobacter sulfurreducens)、メタノサルシナ・アセチボランス(Methanosarcina acetivorans)、メタノサルシナ・バーケリ(Methanosarcina barkeri)、モーレラ・サーモアセティカ(Morrella thermoacetica)、モーレラ・サーモオートトロフィカ(Morrella thermoautotrophica)、オキソバクター・フェニジイ(Oxobacter pfennigii)、ペプトストレプトコッカス・プロダクツス(Peptostreptococcus productus)、ルミノコッカス・プロダクツス(Ruminococcus productus)、サーモアネロバクター・キブイ(Thermoanaerobacter kivui)、及びその混合物が挙げられる。
【００１７】
望ましくは、所望の発酵(例えばCO→エタノール)が起こるのに適した条件下で発酵を行なうべきである。考慮すべき反応条件としては、圧力、温度、ガス流速、液体流速、培地のpH、培地の酸化還元電位、撹拌速度(連続撹拌槽型反応器を使用する場合)、接種レベル、液相内のCOが律速にならないことを確実にするための最大ガス基質濃度、及び生成物阻害を回避するための最大生成物濃度が挙げられる。
本発明の方法を用いて、COの溶液中への移動速度が培養の取込み速度未満であるように、微生物培養のCOが限られている、微生物培養の生存能力を持続することができる。このような状況は、COを含む基質を微生物培養に連続的に供給せず；物質移動速度が低く；又は最適温度で培養の生命力を持続するのに不十分なCOが基質流中に存在するときに起こり得る。該実施形態では、微生物培養は液体栄養培地に溶解したCOを急速に枯渇させ、さらなる基質を十分速く供給できないので基質が限られてくるであろう。
【００１８】
スタートアップ：接種したら、微生物の初期集団を供給するのに有効な初期供給ガスの供給速度を確立する。流出ガスを分析して流出ガスの内容を判定する。ガス分析の結果を用いて供給ガス速度を制御する。この態様では、プロセスは、約0.5〜約0.9、別の態様では、約0.6〜約0.8、別の態様では、約0.5〜約0.7、別の態様では、約0.5〜約0.6の計算CO濃度対初期細胞密度比を与える。
別の態様では、発酵プロセスは、約0.15mM〜約0.70mM、別の態様では、約0.15mM〜約0.50mM、別の態様では、約0.15mM〜約0.35mM、別の態様では、約0.20mM〜約0.30mM、別の態様では、約0.23mM〜約0.27mMの、発酵培地内の初期計算CO濃度を与えるのに有効な量でシンガスを発酵培地に供給する工程を含む。このプロセスは、開始細胞密度に比べて細胞密度を増やすのに有効である。
【００１９】
スタートアップ後：所望レベルに達したら、液相及び細胞物質を反応器から取り出して培地を補充する。このプロセスは、細胞密度を約2.0グラム/リットル以上、別の態様では、約2〜約30グラム/リットル、別の態様では、約2〜約25グラム/リットル、別の態様では、約2〜約20グラム/リットル、別の態様では、約2〜約10グラム/リットル、別の態様では、約2〜約8グラム/リットル、別の態様では、約3〜約30グラム/リットル、別の態様では、約3〜約6グラム/リットル、別の態様では、約4〜約5グラム/リットルに増やすのに有効である。
一態様では、CO含有基質の発酵プロセスは、CO含有基質を発酵槽に供給して目標CO供給速度を得、該目標CO供給速度の約7の標準偏差以内にCO供給速度を維持する工程を含む。
別の態様では、プロセスはCO供給速度を目標CO供給速度の約6の標準偏差以内、別の態様では、目標CO供給速度の約5の標準偏差以内、別の態様では、目標CO供給速度の約4の標準偏差以内、別の態様では、目標CO供給速度の約3の標準偏差以内、別の態様では、目標CO供給速度の約2の標準偏差以内、別の態様では、目標CO供給速度の約1の標準偏差以内に維持する工程を含む。
一態様では、プロセスは、目標CO供給速度と目標CO供給速度から約7の標準偏差との間でCO供給速度を循環させる工程を含む。別の態様では、CO供給速度は、目標CO供給速度達成後の総発酵時間の少なくとも約1%〜約20%の間、目標CO供給速度の約4〜約7の標準偏差以内である。別の態様では、CO供給速度は、目標CO供給速度達成後の総発酵時間の少なくとも約3%〜約15%の間、目標CO供給速度の約4.5〜約6.5の標準偏差以内である。別の態様では、CO供給速度は、目標CO供給速度達成後の総発酵時間の少なくとも約5%〜約12%の間、別の態様では、目標CO供給速度達成後の総発酵時間の少なくとも約6%〜約12%の間、目標CO供給速度の約6〜約6.5の標準偏差以内である。
【００２０】
別の態様では、プロセスは、目標CO供給速度達成後の総発酵時間の少なくとも約1%〜約10%の間、目標CO供給速度と、目標CO供給速度の約3〜約5の標準偏差以内との間でCO供給速度を循環させる工程を含む。別の態様では、CO供給速度は、目標CO供給速度達成後の総発酵時間の少なくとも約1%〜約10%の間、別の態様では、目標CO供給速度達成後の総発酵時間の約1%〜約7%の間、別の態様では、目標CO供給速度達成後の総発酵時間の約1%〜約5%の間、目標CO供給速度の約3〜約4の標準偏差以内である。
別の態様では、プロセスは、目標CO供給速度達成後の総発酵時間の少なくとも約1%〜約10%の間、目標CO供給速度と、目標CO供給速度の約1〜約3の標準偏差以内との間でCO供給速度を循環させる工程を含む。別の態様では、CO供給速度は、目標CO供給速度達成後の総発酵時間の少なくとも約1%〜約10%の間、別の態様では、目標CO供給速度達成後の総発酵時間の約1%〜約6%の間、別の態様では、目標CO供給速度達成後の総発酵時間の約1%〜約5%の間、目標CO供給速度の約2〜約3の標準偏差以内である。
関連態様では、一旦目標供給速度が達成されたら、実際のCO供給速度をモニターする。CO供給速度が目標CO供給速度の範囲内である間にCO供給速度を少なくとも3回測定することによって平均CO供給速度を決定する。CO供給速度の測定を3回以上行なってもよく、別の態様では、例えば約4〜約50の任意の回数の測定のような任意の回数測定を行なってよい。次に平均CO供給速度に基づいて標準偏差を計算することができる。
【００２１】
一態様では、プロセスは、所望のCO濃度、H2転化率、又はCO取込みを与えるのに有効な任意の方法でCO供給速度を増減するサイクルを含む。一態様では、プロセスは、目標CO供給速度を約35%以下だけ約20分以下減じる工程を含む。別の態様では、プロセスは、発酵への目標CO供給速度を約25%〜約35%、別の態様では、約26%〜約34%、別の態様では、約28%〜約32%減じて、第1の低減したCO供給速度を与える工程を含む。この第1の低減したCO供給速度を約1〜約10分間、別の態様では、約2〜約8分間、別の態様では、約3〜約7分間、別の態様では、約4〜約6分間維持する。
プロセスの別の態様によれば、プロセスは、第1の低減したCO供給速度を増やして、目標CO供給速度の約15%〜約25%、別の態様では、約17%〜約23%、別の態様では、約18%〜約22%低減した第2の低減したCO供給速度を与える工程を含む。このプロセスは、第2の低減したCO供給速度を約1〜約5分間、別の態様では、約1〜約4分間、別の態様では、約1〜約3分間維持する工程をさらに含む。
プロセスの別の態様によれば、プロセスは、第2の低減したCO供給速度を増やして、目標CO供給速度の約5%〜約15%、別の態様では、約7%〜約13%、別の態様では、約8%〜約12%低減した第3の低減したCO供給速度を与える工程を含む。このプロセスは、第3の低減したCO供給速度を約1〜約5分間、別の態様では、約1〜約4分間、別の態様では、約1〜約3分間維持する工程をさらに含む。このプロセスは、第3の低減したCO供給速度を目標供給速度まで又は目標CO供給速度より大きい速度まで増やす工程をさらに含んでよい。CO供給速度を増減するサイクルを1時間当たり少なくとも約1回、別の態様では、1時間当たり1〜20サイクルの範囲の任意の回数繰り返してよい。発酵の終了までCO供給速度を増減するサイクルを続けてよい。
【００２２】
図1(a)及び1(b)は、発酵へのCOを循環させる反復パターンのバリエーションの2つの例を示す。図1(a)及び1(b)に示す2つのグラフでは、x軸は時間であり、y軸は目標CO供給速度の低減%である。図1(a)は、流速を急速に調整する場合の直線ステップパターンを示す。図1(b)は、流速を漸進的に調整する場合の漸進ステップパターンを示す。反復パターンは、図1(a)及び1(b)に示すものに限定されないが、CO流速の循環を可能にするいずれのタイプのパターンも含まれ得る。
CO供給速度は、標準立方フィート毎分(standard cubic feet per minute)(SCFM)又は標準立法フィート毎時毎リットル(standard cubic feet per hour per liter)で表すことができる。この態様では、標準立法フィート毎時毎リットルは、約0.9〜約2.0SCFM(0.025〜0.057m3/分)、別の態様では、約1.25〜約1.75SCFM(0.0354〜0.0496m3/分)の範囲にあり得る。別の態様では、平均CO供給速度は、約0.016:1〜約0.04:1、別の態様では、約0.02:1〜約0.04:1、別の態様では、約0.02:1〜約0.035:1、別の態様では、約0.025:1〜約0.035:1、別の態様では、約0.025:1〜約0.03:1の発酵槽へのCO供給速度対発酵槽体積の比を維持するのに有効なCO供給速度である。
【００２３】
別の態様では、プロセスは、H2転化率をモニターする工程及び約25%以上、別の態様では、約25%〜約95%、別の態様では、約30%〜約90%、別の態様では、約35%〜約85%、別の態様では、約40%〜約80%、別の態様では、約40%〜約70%、別の態様では、約40%〜約60%、別の態様では、約40%〜約50%のH2転化率を維持する工程を含む。プロセスは、CO取込みをモニターする工程及び約0.001〜約10ミリモル/分/グラム(乾燥細胞)、別の態様では、約0.001〜約5ミリモル/分/グラム(乾燥細胞)、別の態様では、約0.001〜約4ミリモル/分/グラム(乾燥細胞)、別の態様では、約0.001〜約3ミリモル/分/グラム(乾燥細胞)、別の態様では、約0.001〜約2ミリモル/分/グラム(乾燥細胞)、別の態様では、約0.001〜約1ミリモル/分/グラム(乾燥細胞)、別の態様では、約0.05〜約9ミリモル/分/グラム(乾燥細胞)、別の態様では、約0.05〜約5ミリモル/分/グラム(乾燥細胞)、別の態様では、約0.05〜約4ミリモル/分/グラム(乾燥細胞)、別の態様では、約0.05〜約3ミリモル/分/グラム(乾燥細胞)、別の態様では、約0.05〜約2ミリモル/分/グラム(乾燥細胞)、別の態様では、約0.05〜約1ミリモル/分/グラム(乾燥細胞)、別の態様では、約1〜約8ミリモル/分/グラム(乾燥細胞)、別の態様では、約1〜約5ミリモル/分/グラム(乾燥細胞)、別の態様では、約1〜約4ミリモル/分/グラム(乾燥細胞)、別の態様では、約1〜約3ミリモル/分/グラム(乾燥細胞)、別の態様では、約1〜約2ミリモル/分/グラム(乾燥細胞)のCO取込みを維持する工程をさらに含んでよい。
別の態様では、プロセスは、約0.001〜約1.0の計算CO濃度(mM)対細胞密度(グラム/リットル)比を維持するのに有効である。別の態様では、約0.01〜約0.9、別の態様では、約0.01〜約0.8、別の態様では、約0.02〜約0.8、別の態様では、約0.02〜約0.75、別の態様では、約0.03〜約0.75、別の態様では、約0.03〜約0.5の計算CO濃度対細胞密度比を維持する。
【００２４】
CO濃度−計算値の決定
下記式によって溶解CO濃度を計算した。
【００２５】
【数１】
2019047829.tif 000003
【００２６】
ガスが減少すると、オフガス内のCO分圧の低減及びKLa(物質移動係数)の低減のため、溶解COも同様に減少するだろう。ガス循環がなかったとき、溶解COは比較的安定したままだった。
本プロセスは、約0.25mM以下、別の態様では、約0.20mM以下、別の態様では、約0.15mM以下、別の態様では、約0.10mM以下、別の態様では、約0.08mM以下、別の態様では約0.06mM以下の溶解CO濃度を維持するのに有効である。別の態様では、溶解CO濃度がCOの検出限界ほど低くてよく、また本質的にゼロであってよい。
【実施例】
【００２７】
実施例1：ガス循環
クロストリジウム・リュングダリイを用いて発酵を行なった。初期スタートアップ後、発酵は、H2転化率の低下によって示唆されたパフォーマンスの混乱を経験した。H2転化率が23.5%になった時間126でガス循環を実行した。
以下のようにガス循環を行なった：5分間ガス流速を30%減じる→さらに2分間-30%から-20%まで傾斜をつけて戻す→さらに2分間-20%から-10%まで傾斜をつけて戻す→最初の流速まで傾斜をつけて戻す；このプロセスを1時間毎に繰り返す。
発酵結果を図2に示す。ガス循環処理中、H2取込みは減少し続け、H2転化率は160時間で15.6%の底に達した。H2転化率は傾向を逆転し、上昇し、時間237でピークに達し、次の30時間維持した。a)高酸のリスクを潜在的に低減するため；及びb)H2転化率が低下することを検証し、ガス循環再試験を可能にするため、ガス循環を時間270で意図的に停止した。
ある日(時間296)後、水素転化率が下降線をたどるにつれて、エタノールと酸は両方とも下降し始めた。308〜316の時間中、H2転化率低下は加速した。H2転化率が319時間で24%に達したとき、ガス循環を再開した。ガス循環中の溶解COは3.1〜3.8psia(2.1×104〜2.6×104Pa)の範囲にあった。
水素転化率の向上は、ガス循環を再開した後、6時間後に見られ、水素転化率は20時間で32%に向上した。発酵の残りの間ガス循環を続けた。
【００２８】
実施例2：ガス循環を用いたH2転化率の回復
クロストリジウム・リュングダリイを用いて発酵を行なった。図3に示すように、発酵は、実験の間ずっと低い水素転化率を有した。水素転化率の低下傾向中にガス循環を実行し、水素転化率を回復させることができた。プロセスからガス循環を取り除くと、水素転化率は低下した。ガス循環中の溶解COは3.1〜4.1psia(2.1×104〜2.8×104Pa)の範囲にあった。
【００２９】
実施例3：ガス循環を用いたH2転化率の回復
クロストリジウム・リュングダリイを用いて発酵を行なった。図4に示すように、480時間より前に、上述したようにガス循環を実行し、次に発酵槽が低細胞密度で作動する480〜600時間はガス循環を停止した。624時間に、発酵槽を再起動するが、ガス循環は722時間のプロセスタイムまで停止したままだった。水素転化率は、一定のガス流速下で50%(以上)から40%に低下していた。ガス循環を元通りにした後40秒でH2転化率は回復して上方に戻った。ガス循環中の溶解COは2.2〜3.2psia(1.5×104〜2.2×104Pa)の範囲にあった。
【００３０】
実施例4：パイロットプラント発酵槽でのガス循環
いずれのガス循環をも開始する前に下記条件に従ってパイロットプラントの主発酵槽を操作した。
反応器容積：245リットル
ガス供給速度：6SCFM(0.17m3/分)
ガス組成：15%のH2、10%のCO2、30%のCO、及び45%のN2
撹拌は38Hz又は355rpmで維持した。
発酵槽操作圧力は、液体で50%満たして温度制御ジャケットを用いて45psig(3.1×105Pa)だった。
理論的エタノール生産性(全ての変換ガスがエタノールを生産すると仮定)は、水再利用システムを作動させて約125g/L・日だった。
CO転化率及びH2転化率は約77%及び42%だった。
エタノール濃度及びアセチル濃度は23g/L及び2.3g/Lだった。
細胞保持時間は19時間であり、液体保持時間は4.4時間だった。
ガス循環は以下のとおりだった：1時間毎に最初の10分でガス流速を10%上昇させてから50分間開始ガス供給速度に戻した。次の時間では、10分間ガス流速を10%低減させてから50分間再び開始ガス供給速度に戻した。
約1日間6SCFM(0.17m3/分)の開始ガス供給速度下で発酵槽を操作した。2時間毎にガス供給速度を0.1SCFM(0.003m3/分)低減させることによってガス速度を5.4SCFM(0.15m3/分)に下げた。次にさらに54時間ガス供給速度を5.4SCFM(0.15m3/分)で維持した。15分の持続時間ガス循環を20%の増減に変えた。さらに76時間難なく20%の循環下で発酵槽を操作した。次に持続時間を4時間に延長し、サイクル時間を8時間に延長して循環の振幅を50%に増やした。
【００３１】
10%及び20%の振幅の循環のパフォーマンスを図5〜10に示す。図5は実験中のガス供給速度とガス保持時間を示す。ガス供給速度はベースガス供給速度に基づき、ガス保持時間は1時間毎のサンプリング中に記録されたガス供給速度に基づいている。データ測定は、1時間当たり1回である。図5に示すように、循環後のガス保持時間は、循環時間中測定したときに一定の振幅と振動数を有するいくらかの周期的変動を伴うフラットライン上で安定していた。循環中に測定すると、周期的変動の振幅は、10%のガス循環より20%のガス循環中に大きかった。
図6は、H2転化率とCO転化率を示す。この図は、循環前の5日のサンプリングを含む。CO転化率は循環後に比べて循環前は不規則だった。循環前のH2転化率はかなり不安定であり、ジグザグの振幅は広く、振動数は不規則だった。ガス循環後、H2転化率は、規則的振動でほぼ44%に安定していた。
図7は、ガス供給速度からの影響をも含むことを除き、図5に示した転化率と同様である。循環前のCO取込みは、より高いガス供給速度のため循環後より高かった。H2取込みは、循環後に高かった。
図8は、循環前後の生成物濃度を示す。一般的に循環後にエタノール濃度は増加し、酢酸濃度は減少した。
図9は、ガス循環前後の理論的生産性を示す。理論的生産性は、消費された全てのシンガスがエタノール生産まで進むと仮定する。
図10は、実際の生産性を示し、これはガス取込みの計算からではなく、測定された液体生成物濃度と液体流速に基づいている。
【００３２】
ガス循環の利点を実現するための別の方法は、同一操作ゾーンの平均に基づいている。
表1は、COとH2の平均転化率及び取込み並びにガス循環対ガス循環なしの理論的生産性を収載する。表2は、同一期間中の平均生成物濃度及び細胞濃度を収載する。シンガス供給速度が約6SCFM(0.17m3/分)の10%循環は、H2転化率を39〜42%の範囲から44.5%に高めるが、CO転化率にはわずかに影響を及ぼすだけだった。これは理論的生産性をわずかに向上させる可能性がある。混乱後にH2転化率の上昇及びCO転化率の低下傾向があった。たとえガス循環前の最後の数時間カウントしただけでも、H2転化率は約42.8%であり、循環後の平均44.5%よりまだ低かった。CO転化率は非常に近く、76.45%対76.33%だった。2回の13時間の循環なしの6SCFM(0.17m3/分)の実験に基づくと、平均H2転化率は38.92%であり、CO転化率は77.98%だった。10%循環はCO転化率を1.65%減少させたが、H2転化率を約5.56%上昇させた。理論的生産性は128.06g/L・日から133.12g/L・日にわずかに増加した。循環なしの平均エタノール及び酢酸濃度は23.65g/L及び2.23g/Lだった。循環はエタノール濃度を24.31g/Lに増やし、酢酸濃度を2.83g/Lに増やした。
利点は、約5.4SCFM(0.15m3/分)を循環させるとさらに明白だった。平均H2転化率が44〜45%対33〜42%と高いのみならず、理論的生産性も124〜125g/L・日対112.5〜114g/L・日と高かった。
10%から20%への循環振幅の変化は平均転化率及び生産性にわずかに影響を及ぼすだけだった。CO転化率は約0.85%増加し、H2転化率は約0.75%低下した。平均エタノール濃度は、24.72g/Lから25.92g/Lにわずかに増加し、酢酸濃度は2.73g/Lから2.23g/Lに減少した。
【００３３】
表1.  平均ガス転化率、取込み及び理論的生産性
2019047829.tif 000004
*移動ガスの混乱。ガス供給速度は1時間以内で3.5SCFM(0.099m3/分)に下がってから、5.0SCFM(0.14m3/分)に戻った。ガス流速は次の2時間以内でゆっくり6.0SCFM(0.17m3/分)まで増加した。
#ガス循環前の最後の数時間のデータを用いるだけ。
【００３４】
表2.  平均生成物及び細胞濃度
2019047829.tif 000005
*移動ガスの混乱。ガス供給速度は1時間以内で3.5SCFM(0.099m3/分)に下がってから、5.0SCFM(0.14m3/分)に戻った。ガス流速は次の2時間以内でゆっくり6.0SCFM(0.17m3/分)まで増加した。
#ガス循環前の最後の数時間のデータを用いるだけ。
【００３５】
本明細書で開示した発明を特定の実施形態、実施例及びその応用を利用して説明したが、当業者は、それに加えて、特許請求の範囲に記載の本発明の範囲を逸脱することなく多くの変更形態及び変形形態を構成できるだろう。
【図１Ａ】
2019047829.tif 000006
【図１Ｂ】
2019047829.tif 000007
【図２】
2019047829.tif 000008
【図３】
2019047829.tif 000009
【図４】
2019047829.tif 000010
【図５】
2019047829.tif 000011
【図６】
2019047829.tif 000012
【図７】
2019047829.tif 000013
【図８】
2019047829.tif 000014
【図９】
2019047829.tif 000015
【図１０】
2019047829.tif 000016
【手続補正書】
【提出日】平成30年12月28日(2018.12.28)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＣＯ含有基質の発酵プロセスであって、下記工程：
前記ＣＯ含有基質を発酵槽に供給する工程；
前記ＣＯ含有基質をクロストリジウム属により発酵させて２ｇ／Ｌ以上の目標細胞密度及び０．０２５〜０．０５７ｍ3／分（０．９〜２．０標準立方フィート毎分）目標ＣＯ供給速度を得る工程；及び
０．２５ｍＭ以下の発酵内溶解ＣＯ濃度を維持する工程
を含み、
ａ）発酵への目標ＣＯ供給速度を前記目標ＣＯ供給速度の２５％〜３５％減じて第１の低減したＣＯ供給速度を与え、この第１の低減したＣＯ供給速度を１〜１０分間維持する工程；
ｂ）発酵への前記第１の低減したＣＯ供給速度を増加して、前記目標ＣＯ供給速度の１５％〜２５％低減した第２の低減したＣＯ供給速度を与え、この第２の低減したＣＯ供給速度を１〜５分間維持する工程；
ｃ）発酵への前記第２の低減したＣＯ供給速度を増加して、前記目標ＣＯ供給速度の５％〜１５％低減した第３の低減したＣＯ供給速度を与え、この第３の低減したＣＯ供給速度を１〜５分間維持する工程；及び
ｄ）前記第３の低減したＣＯ供給速度を前記目標供給速度以上に増加する工程
によって前記溶解ＣＯ濃度を維持し、
１０ｇのエタノール／（Ｌ・日）以上のＳＴＹを与えるのに有効である、前記プロセス。
【請求項２】
工程ａ）〜ｄ）を１時間当たり少なくとも１回繰り返す、請求項１のプロセス。
【請求項３】
前記目標細胞密度が３ｇ／Ｌ〜３０ｇ／Ｌである、請求項１のプロセス。
【請求項４】
前記目標ＣＯ供給速度が、目標細胞密度を与えるのに有効なＣＯ供給速度である、請求項１のプロセス。
【請求項５】
全アルコールが７５質量パーセント以上のエタノールを含む、請求項１のプロセス。
【請求項６】
全アルコールが２０質量パーセント以下のブタノールを含む、請求項１のプロセス。
【請求項７】
前記発酵槽に供給される前記ＣＯ含有基質が０．７５以上のＣＯ／ＣＯ2モル比を有する、請求項１のプロセス。
【請求項８】
前記発酵が酢酸生成菌を含む、請求項１のプロセス。
【請求項９】
前記酢酸生成菌が、アセトゲニウム・キブイ、アセトバクテリウム・ノテラエ、アセトバクテリウム・ウッディイ、アルカリバクルム・バッキＣＰ１１、ブラウティア・プロダクタ、ブチリバクテリウム・メチロトロフィカム、カルダナエロバクター・サブテラネウス、カルダナエロバクター・サブテラネウス・パシフィカム、カーボキシドサーマス・ハイドロゲノフォルマンス、クロストリジウム・アセチカム、クロストリジウム・アセトブチリカム、クロストリジウム・アセトブチリカムＰ２６２、クロストリジウム・オートエタノゲナム、クロストリジウム・カルボキシディボランスＰ７、クロストリジウム・コスカチイ、クロストリジウム・ドラケイ、クロストリジウム・リュングダリイＰＥＴＣ、クロストリジウム・リュングダリイＥＲＩ２、クロストリジウム・リュングダリイＣ−０１、クロストリジウム・リュングダリイＯ−５２、クロストリジウム・マグナム、クロストリジウム・パストゥリアヌム、クロストリジウム・ラグスダリＰ１１、クロストリジウム・スカトロゲネス、クロストリジウム・サーモアセチカム、クロストリジウム・ウルツネンセ、デスルホトマクルム・クズネツォビイ、ユーバクテリウム・リモスム、ゲオバクター・スルフレデュセンス、メタノサルシナ・アセチボランス、メタノサルシナ・バーケリ、モーレラ・サーモアセティカ、モーレラ・サーモオートトロフィカ、オキソバクター・フェニジイ、ペプトストレプトコッカス・プロダクツス、ルミノコッカス・プロダクツス、サーモアネロバクター・キブイ、及びその混合物から成る群より選択される、請求項８のプロセス。