(57)【要約】【課題】CO物質移動を改善するのに効果的な方法及び装置を提供する。【解決手段】方法には、反応器内の液体レベルより下に位置するガススパージャを通して反応器にシンガスを導入することが含まれる。シンガスは少なくとも約1psig(約7Kpa)の反応器内部の圧力を維持するのに効果的な流量で導入される。約0.01〜約12キロワット/m3媒体の撹拌エネルギーが供給される。方法は、毎時約100〜約1500のCO物質移動容量係数を得るのに効果的である。【選択図】図１
2014518089.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シンガスの発酵方法であって: 
ガススパージャを通してシンガスを反応器に導入する工程であって、ガススパージャが反応器内の液体レベルより下に位置しており、シンガスが少なくとも約1psig(7Kpa)の反応器内部の圧力を維持するのに効果的な流量で導入され、シンガスが少なくとも約0.75のCO/CO2モル比を有する、前記工程; 及び
約0.01〜約12キロワット/m3媒体の撹拌エネルギーを反応器に供給する工程
を含み、
毎時約100〜約1500のCO物質移動容量係数を得るのに効果的である、前記方法。
【請求項２】
反応器内の撹拌が、機械アジテータ、気体噴射、液体噴射、及び液体再循環(ポンプ周辺で)の1つ以上によって与えられる、請求項1に記載の方法。
【請求項３】
ガススパージャが、10mm以下の直径を有する孔を含む、請求項1に記載の方法。
【請求項４】
ガススパージャが、2.5mm以下の直径を有する孔を含む、請求項1に記載の方法。
【請求項５】
シンガスが、孔の出口において25m/秒以上のガス速度で反応器に導入される、請求項3に記載の方法。
【請求項６】
スパージャ前後のシンガスの圧力低下が、約0.5〜約2.5psi(約3.4〜約17.2Kpa)である、請求項1に記載の方法。
【請求項７】
撹拌エネルギーが、約0.9〜約12キロワット/m3である、請求項1に記載の方法。
【請求項８】
シンガスが、少なくとも約10psig(約70Kpa)の反応器内部の圧力を維持するのに効果的な流量で導入される、請求項1に記載の方法。
【請求項９】
毎時約200〜約1100のCO物質移動容量係数を得るのに効果的である、請求項1に記載の方法。
【請求項１０】
反応器が、CO濃度勾配を含み、ガススパージャの近くのCO濃度が反応器のより高いレベルのCO濃度よりも高い、請求項1に記載の方法。
【請求項１１】
反応器の底部のCO濃度と反応器の上部のCO濃度との比が約100:1〜約10:1である、請求項1に記載の方法。
【請求項１２】
シンガスの発酵方法であって:
ガススパージャを通してシンガスを反応器に導入する工程であって、ガススパージャが反応器内の液体レベルより下に位置しており、シンガスが少なくとも約1psig(7Kpa)の反応器内部の圧力を維持するのに効果的な流量で導入され、シンガスが少なくとも約0.75のCO/CO2モル比を有する、前記工程; 及び
約0.01〜約12キロワット/m3媒体の撹拌エネルギーを反応器に供給する工程
を含み、
少なくとも約10gのエタノール/(L・日)のSTYを与えるのに効果的である、前記方法。
【請求項１３】
ガススパージャが、10mm以下の直径を有する孔を含む、請求項12に記載の方法。
【請求項１４】
ガススパージャが、2.5mm以下の直径を有する孔を含む、請求項13に記載の方法。
【請求項１５】
シンガスが、孔の出口において25m/秒以上のガス速度で反応器に導入される、請求項13に記載の方法。
【請求項１６】
スパージャ前後のシンガスの圧力低下が、約0.5〜約2.5psi(約3.4〜約17.2Kpa)である、請求項12に記載の方法。
【請求項１７】
撹拌エネルギーが、約0.9〜約12キロワット/m3である、請求項12に記載の方法。
【請求項１８】
シンガスが、少なくとも約10psig(約70Kpa)の反応器内部の圧力を維持するのに効果的な流量で導入される、請求項12に記載の方法。
【請求項１９】
シンガスの発酵方法であって:
ガススパージャを通してシンガスを反応器に導入する工程であって、ガススパージャが反応器内の液体レベルより下に位置しており、シンガスが少なくとも約1psig(7Kpa)の反応器内部の圧力を維持するのに効果的な流量で導入され、シンガスが少なくとも約0.75のCO/CO2モル比を有する、前記工程; 及び
シンガスとガススパージャより上に位置する少なくとも1つのガス分散インペラとを接触させる工程; 及び
シンガスと酢酸生成菌とをガス分散インペラより上に位置する少なくとも1つの混合インペラによって混合する工程であって、
ガス分散インペラと混合インペラが駆動軸によってアジテータに操作可能に接続されており、アジテータが約0.3〜約12キロワット/m3媒体の撹拌エネルギーを供給する、前記工程
を含み、
毎時約100〜約1500のCO物質移動容量係数を得るのに効果的である、前記方法。
【請求項２０】
ガススパージャが、10mm以下の直径を有する孔を含む、請求項19に記載の方法。
【請求項２１】
ガススパージャが、2.5mm以下の直径を有する孔を含む、請求項20に記載の方法。
【請求項２２】
シンガスが、孔の出口において25m/秒以上のガス速度で反応器に導入される、請求項19に記載の方法。
【請求項２３】
スパージャ前後のシンガスの圧力低下が、約0.5〜約2.5psi(約3.4〜約17.2Kpa)である、請求項19に記載の方法。
【請求項２４】
撹拌エネルギーが、約0.9〜約12キロワット/m3である、請求項19に記載の方法。
【請求項２５】
シンガスが、少なくとも約10psig(約70Kpa)の反応器内部の圧力を維持するのに効果的な流量で導入される、請求項19に記載の方法。
【請求項２６】
毎時約200〜約1100のCO物質移動容量係数を得るのに効果的である、請求項19に記載の方法。
【請求項２７】
1リットルにつき少なくとも約2グラムの細胞密度を与えるのに効果的である、請求項19に記載の方法。
【請求項２８】
約10〜約400時間の液体保持時間を与えるのに効果的である、請求項19に記載の方法。
【請求項２９】
約2〜約15分間のガス保持時間を与えるのに効果的である、請求項19に記載の方法。
【請求項３０】
シンガスが、少なくとも約20モル%のCO含量を有する、請求項19に記載の方法。
【請求項３１】
シンガスが、約10ppm未満の酸素を含んだ又は酸素を含んでいない芳香族化合物を含む、請求項19に記載の方法。
【請求項３２】
酢酸生成菌が、アセトゲニウム・キブイ、アセトアナエロビウム・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・バッチ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、カルボキシドテルムス・ヒドロゲノホルマンス、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・アセトブチリクムP262(DSMZのDSM 19630、ドイツ)、クロストリジウム・オートエタノゲナム(DSMZのDSM 19630、ドイツ)、クロストリジウム・オートエタノゲナム(DSMZのDSM 10061、ドイツ)、クロストリジウム・オートエタノゲナム(DSMZのDSM 23693、ドイツ)、クロストリジウム・オートエタノゲナム(DSMZのDSM 24138、ドイツ)、クロストリジウム・カルボキシジボランスP7(ATCC PTA-7827)、クロストリジウム・コスカティ(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・パストゥリアナム(DSMZのDSM 525、ドイツ)、クロストリジウム・ラグスダレイP11(ATCC BAA-622)、クロストリジウム・スカトロゲネス、クロストリディウム・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・リモーサム、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、ムーレラ・サーモアセチカ、モーレラ・サーモオートトロフィカ、オキソバクター・フェニギイ、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、サーモアナエロバクター・キブイ、及びこれらの混合物からなる群より選ばれる、請求項19に記載の方法。
【請求項３３】
CO物質移動容量係数を改善する方法であって:
シンガスを、液体を含有する反応器に少なくとも約1psig(7Kpa)の反応器内部の圧力を維持するのに効果的な流量で導入する工程であって、シンガスがガススパージャを通して導入され、ガススパージャが反応器内の液体レベルより下に位置しており、シンガスが少なくとも約0.75のCO/CO2モル比を有する、前記工程; 及び
シンガスと少なくとも1つのガス分散インペラ及び少なくとも1つの混合インペラとを接触させる工程であって、ガス分散インペラと混合インペラがアジテータに操作可能に接続されており、アジテータが約0.3〜約12キロワット/m3媒体の撹拌エネルギーを供給する、前記工程;
を含み、
毎時約100〜約1500のCO物質移動容量係数を得るのに効果的である、前記方法。
【請求項３４】
ガススパージャが、10mm以下の直径を有する孔を含む、請求項33に記載の方法。
【請求項３５】
ガススパージャが、2.5mm以下の直径を有する孔を含む、請求項33に記載の方法。
【請求項３６】
シンガスが、25m/秒以上のガス速度で反応器に導入される、請求項33に記載の方法。
【請求項３７】
スパージャ前後のシンガスの圧力低下が、約0.5〜約2.5psi(約3.4〜約17.2Kpa)である、請求項34に記載の方法。
【請求項３８】
アジテータが、約0.9〜約12キロワット/m3の撹拌エネルギーを供給する、請求項33に記載の方法。
【請求項３９】
シンガスが、少なくとも約10psig(約70Kpa)の反応器内部の圧力を維持するのに効果的な流量で導入される、請求項33に記載の方法。
【請求項４０】
毎時約200〜約1100のCO物質移動容量係数を得るのに効果的である、請求項33に記載の方法。
【請求項４１】
約10〜約400時間の液体保持時間を与えるのに効果的である、請求項33に記載の方法。
【請求項４２】
約2〜約15分間のガス保持時間を与えるのに効果的である、請求項33に記載の方法。
【請求項４３】
シンガスが、少なくとも約20モル%のCO含量を有する、請求項33に記載の方法。
【請求項４４】
シンガスが、約10ppm未満の酸素を含んだ又は酸素を含んでいない芳香族化合物を含む、請求項33に記載の方法。
【請求項４５】
反応器を画成するハウジングであって、反応器が少なくとも約1psig(7Kpa)の圧力を維持するのに効果的である、前記ハウジング;
少なくとも部分的に反応器内に配置され且つ少なくとも部分的に反応器内の液体レベルより下に配置されたアジテータであって、アジテータが駆動軸に操作可能に接続されており、アジテータが約0.3〜約12キロワット/m3のエネルギーを供給するのに効果的である、前記アジテータ;
駆動軸に操作可能に接続され且つ媒体の液体レベルより下に配置された少なくとも1つの混合インペラ;
駆動軸に操作可能に接続され且つ混合インペラより下に配置された少なくとも1つのガス分散インペラ; 及び
ガス分散インペラの下に配置されたガススパージャであって、ガススパージャが孔の出口で約25m/秒以上のガス速度を与えるのに効果的である約10mm以下の直径を有する孔を含む、前記ガススパージャ
を備えているバイオリアクタ。
【請求項４６】
反応器が、少なくとも約10psig(約70Kpa)の圧力を維持するのに効果的な反応器である、請求項45に記載のバイオリアクタ。
【請求項４７】
ガススパージャが、環状形である、請求項45に記載のバイオリアクタ。
【請求項４８】
ガススパージャが、約2.5mm以下の直径を有する孔を含む、請求項45に記載のバイオリアクタ。
【請求項４９】
孔が、ガススパージャの下部に位置する、請求項45に記載のバイオリアクタ。
【請求項５０】
反応器内に配置された媒体を更に備え、媒体が、反応器の全容積の約1〜約75%のヘッドスペースを与えるのに効果的である反応器内の液体レベルで配置されている、請求項45に記載のバイオリアクタ。
【請求項５１】
反応器の下端に配置されたブートを更に備えている、請求項45に記載のバイオリアクタ。
【請求項５２】
少なくとも約4つの等間隔に隔置された媒体添加ポートを更に備えている、請求項45に記載のバイオリアクタ。
【請求項５３】
ガス分散インペラが、ラッシュトンインペラ、凹面インペラ及びこれらの組み合わせからなる群より選ばれる、請求項45に記載のバイオリアクタ。
【請求項５４】
混合インペラの少なくとも1つが、船用インペラである、請求項45に記載のバイオリアクタ。
【請求項５５】
反応器を画成するハウジング;
駆動軸に操作可能に接続されたアジテータ;
駆動軸に操作可能に接続された少なくとも1つの混合インペラ;
駆動軸に操作可能に接続され且つ混合インペラより下に配置された少なくとも1つのガス分散インペラ;
ガス分散インペラより下に配置されたガススパージャであって、ガススパージャが約10mm以下の直径を有する孔を含む、前記ガススパージャ; 及び
反応器の下端に配置されたブートであって、ブートがブートスパージャ及びブートミキサを含む、前記ブート
を備えているバイオリアクタ。
【請求項５６】
シンガスの発酵方法であって:
反応器のブート部分に含有する媒体に酢酸生成菌を植え付ける工程であって、媒体がブートの全容積の少なくとも約75%を充填するのに効果的な媒体である、前記工程;
酢酸生成菌とシンガスとを1リットルにつき少なくとも約5グラムの細胞密度を与えるのに効果的な時間接触させる工程;
媒体を反応器に添加して、反応容器内の液体レベルを得る工程;
ガススパージャを通して反応器にシンガスを導入する工程であって、ガススパージャが反応器内の液体レベルより下に位置しており、シンガスが少なくとも約1psig(約7Kpa)の反応器内部の圧力を維持するのに効果的な流量で導入され、シンガスが少なくとも約0.75のCO/CO2モル比を有する、前記工程;
シンガスとガススパージャより上に位置する少なくとも1つのガス分散インペラとを接触させる工程; 及び
シンガスと酢酸生成菌をガス分散インペラより上に位置する少なくとも1つの混合インペラで混合する工程を含み、
ガス分散インペラと混合インペラが駆動軸によってアジテータに操作可能に接続されており、アジテータが約0.3〜約12キロワット/m3のエネルギーを供給し、
方法が、毎時約100〜約1500のCO物質移動容量係数を得るのに効果的である、前記方法。
【請求項５７】
媒体を反応器に添加して、反応器内の液体レベルを得た後、2%未満のガスがブート部分の底部の媒体出口を通して取り出される、請求項56に記載の方法。
【請求項５８】
シンガスの発酵方法であって:
反応器のブート部分に含有する媒体に酢酸生成菌を植え付ける工程であって、媒体がブートの全容積の少なくとも約75%を充填するのに効果的な媒体である、前記工程;
酢酸生成菌とシンガスとを1リットルにつき少なくとも約3グラムの細胞密度を与えるのに効果的な時間接触させる工程;
媒体を反応器に添加し且つ反応容器内の液体レベルに達するまで1リットルにつき少なくとも約3グラムの細胞密度を維持する工程;
ガススパージャを通して反応器にシンガスを導入する工程であって、ガススパージャが反応器内の液体レベルより下に位置しており、シンガスが少なくとも約1psig(約7Kpa)の反応器内部の圧力を維持するのに効果的な流量で導入され、シンガスが少なくとも約0.75のCO/CO2モル比を有する、前記工程;
シンガスとガススパージャより上に位置する少なくとも1つのガス分散インペラとを接触させる工程; 及び
シンガスと酢酸生成菌をガス分散インペラより上に位置する少なくとも1つの混合インペラで混合する工程を含み、
ガス分散インペラと混合インペラが駆動軸によってアジテータに操作可能に接続されており、アジテータが約0.3〜約12キロワット/m3のエネルギーを供給し、
方法が、毎時約100〜約1500のCO物質移動容量係数を得るのに効果的である、前記方法。
【請求項５９】
媒体を反応器に添加して、反応器内の液体レベルを得た後、2%未満のガスがブート部分の底部の媒体出口を通って取り出される、請求項58に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、いずれも2011年6月30日に出願された米国仮特許出願第61/571,564号及び同第61/571,565号並びに2011年9月13日に出願の同第61/573,845号の恩典を主張するものであり、これらの明細書の記載はすべて本願明細書に全体として援用されている。
一酸化炭素(CO)物質移動を改善するのに効果的である方法及び装置が提供される。より詳細には、シンガス品質、シンガススパージング、反応器圧及び混合が含まれる要因のバランスをとって、シンガス発酵中のCO物質移動容量係数を改善する。
【背景技術】
【０００２】
嫌気性微生物は、ガス状基質の発酵によって一酸化炭素(CO)からエタノールを生産し得る。クロストリジウム属由来の嫌気性微生物を用いて発酵させると、エタノール及び他の有用な生成物が生じる。例えば、米国特許第5,173,429号明細書には、合成ガスからエタノール及びアセテートを生成する嫌気性微生物、クロストリジウム・リュングダリイ(Clostridium ljungdahlii)ATCC No.49587が記載されている。米国特許第5,807,722号明細書には、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方法及び装置が記載されている。米国特許第6,136,577号明細書には、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方法及び装置が記載されている。
COは、シンガスの形でガス状基質の一部として発酵にしばしば供給される。一酸化炭素及び水素が含まれる発生炉ガス又は合成ガス又はシンガスを生成する炭素質材料のガス化は、当該技術においてよく知られている。典型的には、このようなガス化プロセスには炭素質材料の部分酸化又は飢餓空気酸化が必要とされ、国際公開第2009/154788号パンフレットに記載されているように酸素の化学量論的量未満の量がガス化プロセスに供給されて、一酸化炭素の生成が促進される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
基質が微生物培養によって代謝され得る前にガス状基質の少なくとも一部が水性発酵ブロスに溶解しなければならないことからガス状基質の発酵には課題があり得る。ガス状基質が微生物のための炭素とエネルギー源を供給する発酵は、代謝が行われ得る前に発酵ブロスに可溶化されるのに必要な基質が大量のために特に難題である。水性発酵ブロスに難溶解性であるCOのような基質には、COが嫌気性発酵のための炭素源を供給するように水性発酵ブロスへの非常に効率的な物質移動が必要である。CO物質移動を改善する試みは、米国特許第5,972,661号明細書及び同第7,201,884号明細書及び国際公開第2011/028137号パンフレットに記載されている。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
シンガス発酵中にCO物質移動容量係数を改善するのに効果的である方法及び装置が提供される。一態様において、ガススパージャ又はガス分配器を通してシンガスを反応器に導入することが含まれるシンガスの発酵方法が提供される。ガススパージャは反応器内の液体レベルより下に位置し、シンガスは少なくとも約1psig(約7Kpa)、他の態様においては、少なくとも約10psig(約70Kpa)の反応器内部の圧力を維持するのに効果的な流量で導入される。シンガスは、少なくとも約0.75のCO/CO2モル比を有する。撹拌エネルギーは、約0.01〜約12キロワット/m3媒体の量で反応器に供給される。方法は、少なくとも約10gのエタノール/(L・日)のSTY及び毎時約100〜約1500のCO物質移動容量係数を得るのに効果的である。
他の態様において、ガススパージャを通してシンガスを反応器に導入することが含まれるシンガスの発酵方法が提供される。ガススパージャは反応器内の液体レベルより下に位置し、シンガスは少なくとも約1psig(約7Kpa)、他の態様においては、少なくとも約10psig(約70Kpa)の反応器内部の圧力を維持するのに効果的な流量で導入される。シンガスはCO/CO2モル比が少なくとも約0.75であり、他の態様においては、シンガスはCO含量が少なくとも約20モル%である。シンガスはガススパージャより上に位置する少なくとも1つのガス分散インペラと接触し、シンガスはガス分散インペラより上に位置する少なくとも1つの混合インペラによって酢酸生成菌と混合される。ガス分散インペラと混合インペラは、駆動軸によってアジテータに操作可能に接続されている。アジテータは、約0.3〜約12キロワット/m3、他の態様においては、約0.7〜約12キロワット/m3、他の態様においては、約0.9〜約12キロワット/m3媒体の撹拌エネルギーを供給する。方法は、毎時約100〜約1500のCO物質移動容量係数を得るのに効果的である。
【０００５】
一態様において、ガススパージャには直径が10mm以下の孔、他の態様においては、直径が2.5mm以下の孔が含まれる。シンガスは、また、孔の出口で25m/秒以上のガス速度又は約0.5〜約2.5psi(3.4〜17.2Kpa)のスパージャ孔前後の圧力低下を与えるのに効果的な流量で導入されてもよい。
他の態様において、CO物質移動容量係数を改善する方法が提供される。方法には、ガススパージャを通してシンガスを反応器に導入する工程が含まれる。ガススパージャは反応器内の液体レベルより下に位置し、シンガスは少なくとも約1psig(約7Kpa)、他の態様においては、少なくとも約10psig(約70Kpa)の反応器内部の圧力を維持するのに効果的な流量で導入される。シンガスはCO/CO2モル比が少なくとも約0.75であり、他の態様においては、シンガスはCO含量が少なくとも約20モル%である。シンガスは少なくとも1つのガス分散インペラと少なくとも1つの混合インペラと接触する。ガス分散インペラと混合インペラは、駆動軸によってアジテータに操作可能に接続されている。アジテータは、約0.3〜約12キロワット/m3、他の態様においては、約0.7〜約12キロワット/m3、他の態様においては、約0.9〜約12キロワット/m3媒体の撹拌エネルギーを供給する。方法は、毎時約100〜約1500のCO物質移動容量係数を得るのに効果的である。
反応器を画成するハウジングが含まれるバイオリアクタ（生物反応器）であって、反応器が少なくとも約1psig(約7Kpa)、他の態様においては、少なくとも約10psig(約70Kpa)の圧力を維持するのに効果的な反応器である、前記バイオリアクタが提供される。アジテータは、少なくとも一部分が反応器内に配置され且つ少なくとも一部分が反応器内の液体レベルより下に配置されている。アジテータは、駆動軸に操作可能に接続されており、アジテータは約0.3〜約12キロワット/m3、他の態様においては、約0.7〜約12キロワット/m3、他の態様においては、約0.9〜約12キロワット/m3媒体の撹拌エネルギーを供給するのに効果的なアジテータである。少なくとも1つの混合インペラは、駆動軸に操作可能に接続され且つ媒体の液体レベルより下に配置されており、少なくとも1つのガス分散インペラは、駆動軸に操作可能に接続され且つ混合インペラより下に配置されている。ガススパージャは、ガス分散インペラより下に配置されており、ガススパージャには孔の出口で約25m/秒以上のガス速度を与えるのに効果的である約10mm以下の直径を有する孔が含まれている。バイオリアクタには、更に、反応器の下端に配置されたブートが含まれていてもよい。
【０００６】
他の態様において、反応器を画成するハウジングが含まれるバイオリアクタであって、反応器が少なくとも約1psig(約7Kpa)、他の態様においては、少なくとも約10psig(約70Kpa)の圧力を維持するのに効果的な反応器である、前記バイオリアクタが提供される。アジテータは、少なくとも一部分が反応器内に配置され且つ少なくとも一部分が反応器内の液体レベルより下に配置されている。アジテータは、駆動軸に操作可能に接続されており、アジテータは約0.3〜約12キロワット/m3、他の態様においては、約0.7〜約12キロワット/m3、他の態様においては、約0.9〜約12キロワット/m3媒体の撹拌エネルギーを供給するのに効果的なアジテータである。少なくとも1つの混合インペラが駆動軸に操作可能に接続され且つ媒体の液体レベルより下に配置されており、少なくとも1つのガス分散インペラが駆動軸に操作可能に接続され且つ混合インペラより下に配置されている。ガススパージャはガス分散インペラより下に配置されており、ガススパージャには孔の出口に約25m/秒以上のガス速度を与えるのに効果的である約10mm以下の直径を有する孔が含まれている。バイオリアクタには、更に、反応器の下端に配置されたブートが含まれ、ブートにはブートスパージャとブートミキサが含まれている。
他の態様において、反応器のブート部分に含有する媒体に酢酸生成菌を植え付ける工程が含まれるシンガスの発酵方法であって、媒体がブートの全容積の少なくとも約75%を充填している、前記方法が提供される。酢酸生成菌は、1リットルにつき少なくとも約5グラムの細胞密度を与えるのに効果的な時間シンガスと接触させる。媒体を反応器に添加して、反応器内の液体レベルが得られる。シンガスは、ガススパージャを通して反応器に導入される。ガススパージャは、反応器内の液体レベルより下に位置する。シンガスは、少なくとも約1psig(約7Kpa)、他の態様においては、少なくとも約10psig(約70Kpa)の反応器内部の圧力を維持するのに効果的な流量で導入される。シンガスは、少なくとも約0.75のCO/CO2モル比を有し、ガススパージャより上に位置する少なくとも1つのガス分散インペラと接触する。シンガスと酢酸生成菌は、ガス分散インペラより上に位置する少なくとも1つの混合インペラで混合される。ガス分散インペラと混合インペラは、典型的には駆動軸によってアジテータに操作可能に接続している。撹拌エネルギー供給は、約0.3〜約12キロワット/m3媒体である。方法は、毎時約100〜約1500のCO物質移動容量係数を得るのに効果的である。
【０００７】
他の態様において、反応器のブート部分に含有する媒体に酢酸生成菌を植え付けることが含まれるシンガスの発酵方法であって、媒体がブートの全容積の少なくとも約75%を充填するのに効果的な媒体である、前記方法が提供される。酢酸生成菌は、1リットルにつき少なくとも約3グラムの細胞密度を与えるのに効果的な時間シンガスと接触する。媒体が反応器に添加され、細胞密度が1リットルにつき約3グラムに維持される。反応器内の液体レベルが得られるまで媒体が添加される。シンガスは、ガススパージャを通して反応器に導入される。ガススパージャは、反応器内の液体レベルより下に位置する。シンガスは、少なくとも約1psig(約7Kpa)、他の態様においては、少なくとも約10psig(約70Kpa)の反応器内部の圧力を維持するのに効果的な流量で導入される。シンガスは、少なくとも約0.75のCO/CO2モル比を有し、ガススパージャより上に位置する少なくとも1つのガス分散インペラと接触する。シンガスと酢酸生成菌は、ガス分散インペラより上に位置する少なくとも1つの混合インペラで混合される。ガス分散インペラと混合インペラは、駆動軸によってアジテータに操作可能に接続され、アジテータが約0.3〜約12キロワット/m3媒体のエネルギーを供給する。方法は、毎時約100〜約1500のCO物質移動容量係数を得るのに効果的である。
上記の態様と他の態様、特徴及び方法のいくつかの態様の利点は、下記の図面からより明らかになるであろう。
対応する符号は、図面のいくつかの図全体にわたって対応する構成成分を示している。当業者は、図の要素が簡単且つ明瞭に示されるとともに必ずしも一定の比率で示されていないことを認めるであろう。例えば、図における要素の一部の寸法は、本方法及び装置の種々の態様の理解を高めるのを援助するために他の要素と比較して誇張される場合がある。また、これらの種々の態様の遮断されていない図を容易にするために商業的に実行可能な態様に有効であるか又は必要である共通の又はよく理解されている要素は、しばしば示されていない。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図1は、バイオリアクタの透視図である。
【図２Ａ】図2Aは、ガス入口/スパージャを示す下面図である。
【図２Ａ】図2Bは、ガス入口/スパージャを示す下面図である。
【図３】図3は、ガススパージャを示す断面図である。
【図４Ａ】図4Aは、異なるインペラアセンブリを示す反応器の水平断面図である。
【図４Ｂ】図4Bは、異なるインペラアセンブリを示す反応器の水平断面図である。
【図５】図5は、別の構成のバイオリアクタブートを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
下記の説明は、限定的にみなされるべきでなく、単に例示的実施態様の一般的原理のためにだけ記載されている。本発明の範囲は、特許請求の範囲に関して決定されなければならない。
シンガス発酵効率は、CO物質移動容量係数を増加させる条件を強化することによって改善される。毎時約100〜約1500、他の態様においては、毎時約200〜約1100、他の態様においては、毎時約200〜約900、他の態様においては、毎時約300〜約800、他の態様においては、毎時約400〜約700、他の態様においては、毎時約500〜約600のCO物質移動容量係数を得るのに効果的な方法及び装置が提供される。CO物質移動係数に影響する変数には、シンガススパージング、反応器圧、シンガス品質、及びガスの分散と混合が含まれる。
本明細書に記載されている方法は、高レベルの生産性を得るのに効果的である。この態様において、方法は少なくとも約10gのエタノール/(L・日)のSTY(空時収量)を得るのに効果的である。可能なSTY値には、約10gのエタノール/(L・日)〜約200gのエタノール/(L・日)、他の態様においては、約10gのエタノール/(L・日)〜約160gのエタノール/(L・日)、他の態様においては、約10gのエタノール/(L・日)〜約120gのエタノール/(L・日)、他の態様においては、約10gのエタノール/(L・日)〜約80gのエタノール/(L・日)、他の態様においては、約20gのエタノール/(L・日)〜約140gのエタノール/(L・日)、他の態様においては、約20gのエタノール/(L・日)〜約100gのエタノール/(L・日)、他の態様においては、約40gのエタノール/(L・日)〜約140gのエタノール/(L・日)、他の態様においては、約40gのエタノール/(L・日)〜約100gのエタノール/(L・日)が含まれる。
【００１０】
定義
特に定義されない限り、本開示のためにこの明細書全体に用いられる下記の用語は以下の通り定義され、下記の定義の単数形も複数形も含み得る:
任意の量を修飾する用語「約」は、現実の社会状況で、例えば、ラボ、パイロットプラント、又は生産設備で直面するその量の変動を意味する。例えば、混合物に使われる成分又は測定の量又は「約」によって修飾される場合の量には、生産プラント又はラボにおける実験条件で測定するのに典型的に使われる変動及び注意の程度が含まれる。例えば、「約」によって修飾される場合の生成物の成分の量には、プラント又はラボにおける複数の実験でのバッチ間の変動及び分析法に固有な変動が含まれる。「約」によって修飾されてもされなくても、量にはそれの量に対して同等の量が含まれる。本明細書に述べられ且つ「約」によって修飾されている任意の量もまた、「約」によって修飾されていない量として本開示に使われ得る。
本明細書に用いられる「炭素質材料」は、石炭や石油化学製品のような炭素を多く含んだ材料を意味する。しかしながら、この明細書において、炭素質材料には固体、液体、ガス、又はプラズマ状態であるとしても任意の炭素材料が含まれる。炭素質材料とみなされ得る多数の品目の中で、本開示は、以下を企図する: 炭素質材料、炭素質液体製品、炭素質工業液体再循環物、炭素質都市ごみ(MSW又はmsw)、炭素質一般廃棄物、炭素質農業資材、炭素質森林材料、炭素質木材廃棄物、炭素質土木材料、炭素質植物材料、炭素質産業廃棄物、炭素質発酵廃液、炭素質石油化学副産物、炭素質アルコール製造副産物、炭素質石炭、タイヤ、プラスチック、廃プラスチック、コークス炉タール、ファイバソフト、リグニン、黒液、ポリマー、廃ポリマー、ポリエチレンテレフタレート(PETA)、ポリスチレン(PS)、下水汚泥、動物排泄物、作物残渣、エネルギー作物、森林加工残渣、木材加工残渣、畜産廃棄物、家禽廃棄物、食品加工残渣、発酵方法廃棄物、エタノール副産物、使用済穀類、廃微生物、又はこれらの組み合わせ。
【００１１】
用語「ファイバソフト(fibersoft)」又は「ファイバソフト(Fibersoft)」又は「軟質繊維(fibrosoft)」又は「軟質繊維(fibrousoft)」は、種々の物質の軟化及び濃縮の結果として生成される一種の炭素質材料を意味する; 一例として、炭素質材料は、種々の物質のスチームオートクレーブ処理によって生成される。他の例において、ファイバソフトには、結果として軟質繊維材料になる一般廃棄物、産業廃棄物、商業廃棄物、及び医療廃棄物のスチームオートクレーブ処理が含まれ得る。
用語「都市ごみ」又は「MSW」又は「msw」は、家庭廃棄物、商業廃棄物、産業廃棄物及び/又は残留廃棄物が含まれてもよい廃棄物を意味する。
用語「シンガス」又は「合成ガス」は、一酸化炭素と水素の種々の量を含有するガス混合物に示される名称である合成ガスを意味する。製造法の例としては、水素を製造する天然ガス又は炭化水素の水蒸気改質、石炭のガス化及び廃棄物発電ガス化設備のいくつかのタイプが挙げられる。名称は、合成天然ガス(SNG)を生成する際の中間体及びアンモニア又はメタノールを製造するための中間体としての使用に由来する。シンガスは、フィッシャー-トロプシュ合成、以前はガソリン方法へのMobilメタノールを介して燃料又は潤滑剤として用いられる合成石油を得る際の中間体として用いられる。シンガスは、主に水素、一酸化炭素、及びいくらかの二酸化炭素からなり、天然ガスのエネルギー密度(すなわち、BTU含量)の1/2より少ない。シンガスは、可燃性であり、燃料源として又は他の化学薬品の製造のための中間体としてしばしば用いられる。
【００１２】
用語「発酵」、「発酵方法」又は「醗酵反応」等は、方法の成長期と産物生合成期の双方を包含することを意図する。一態様において、発酵は、COのアルコールへの変換を意味する。
本明細書に用いられる用語「物質移動」は、気相から水溶液へ原子又は分子、特に基質原子又は分子の移動に関する。物質移動係数は、Younesiら(Iranian Journal of Biotechnology, Vol. 4, No. 1, January 2006)に記載されている式に従って算出することができ、この文献は本願明細書に援用されている。下記の式は、CO生物変換(XCO)及び物質移動容量係数を表している:
XCO   =   RTVL(kLa)
1-XCO       πHvg
kLa: 物質移動容量係数
XCO: CO生物変換 % 
R: 定数
T: 温度
VL: 液体容積
H: ヘンリー定数(CO = 1.226リットル・気圧・mmol-1)
vg: ガス量
発酵方法に関して用いられる場合の用語「効率を増加させる」、「増加した効率」等には、発酵における微生物の増殖速度、消費した基質(例えば一酸化炭素)の容積又は質量当たり得られた望ましい生成物(例えばアルコール)の容積又は質量、望ましい生成物の製造速度又は生産レベル、及び得られた望ましい生成物の他の発酵副産物と比較した相対割合の1つ以上を増加させることが含まれる。
【００１３】
バイオリアクタ設計
図1は、バイオリアクタ装置の透視図である。バイオリアクタ装置には、反応器100を画成するハウジング105が含まれる。反応器100はほぼ円筒状であってもよく、反応器の断面図は円形、ほぼ円形、又は混合及び物質移動を改善するのに効果的である他の形状の形であってもよい。ハウジング105は、少なくとも約1psig(7Kpa)の動作圧及び少なくとも約250psig(1724Kpa)の圧力までに耐えることが既知の任意の材料で形成されていてもよく且つ媒体と適合したものである。種々の態様において、下記の圧力を用いることができる、約5〜約200psig(約345〜約1379Kpa)、約5〜約100psig(約345〜約690Kpa)、約5〜約50psig(約345〜約345Kpa)、約5〜約25psig(約345〜約172Kpa)、約10〜約200psig(約70〜約1379Kpa)、約10〜約100psig(約70〜約690Kpa)、約10〜約50psig(約70〜約345Kpa)、約10〜約25psig(約70〜約172Kpa)、約15〜約200psig(約103〜約1379Kpa)、約15〜約100psig(約103〜約690Kpa)、約15〜約50psig(約103〜約345Kpa)、約15〜約25psig(約103〜約172Kpa)、約20〜約200psig(約138〜約1379Kpa)、約20〜約100psig(約138〜約690Kpa)、約20〜約50psig(約138〜約345Kpa)及び約20〜約25psig(約138〜約172Kpa)。適切な材料の一部の例としては、ステンレス鋼、適切なインナーライナーを有する鋼及びガラスが挙げられる。
図1に更に示されるように、シンガスは、ガス入口/ディストリビュータ/スパージャ120を通して反応器100に入る。シンガスの分散及び更に混合は、駆動軸200に結合されている少なくとも1つのガス分散インペラ225と少なくとも1つの混合インペラ220によって達成される。駆動軸200は、アジテータ支持プレート210によって支持されている。ガスは、反応器100から排気弁170を通って排出される。反応器100には、また、混合を更に強化するバッフル300が含まれてもよい。この態様において、系の発泡が少ないことが見られる場合には、バッフル300を非ガス液体レベル115より上に約25%伸ばして、より高い操作液体レベルを可能にし得る。
【００１４】
他の態様において、反応器100には、添加ポート230が含まれてもよい。添加ポート230には、例えば、1つ以上の酸添加ポート、1つ以上のアルカリ添加ポート、及び1つ以上の栄養源添加ポートが含まれてもよい。この態様において、添加ポートは、反応器の周囲に等間隔に隔置されてもよい。ポートは、同じか又は異なる水平面にあってもよい。一態様において、反応器100には、混合インペラ220に隣接して少なくとも4つの等間隔に隔置された媒体添加ポートが含まれる。ポートは、45°の角度で反応器100の周囲に隔置されてもよい。
ガス液体レベル110及び非ガス液体レベル115は、反応器100内に維持される。反応器100内の非ガス液体レベル115を維持することにより、より効率的な物質移動が可能であり、発泡制御を維持することが援助される。この態様において、非ガス液体レベル115は、反応器100の全容積の少なくとも約1%のヘッドスペースを設けるのに効果的である反応器100内に維持される。他の態様において、非ガス液体レベル115によって、反応器100の全容積の約1〜約75%のヘッドスペースが設けられる。種々の態様において、ヘッドスペースには、反応器の全容積の下記のパーセントが含まれてもよい: 約5〜約50%、約10〜約50%、約15〜約50%、約20〜約50%、約25〜約50%、約30〜約50%、約30〜約40%及び約30〜約35%。反応器100には、また、発泡を制御するのを助け且つ反応器液体容積の調整を可能にする少なくとも1つの液体入口130が含まれていてもよい。液体入口130は、噴霧ノズルの形であってもよい。反応器100は、また、追加ポート190が含まれていてもよい。
【００１５】
図1に更に示されるように、反応器100には、また、ブート400及びブート内に媒体出口420の上に配置された渦防止装置410が含まれてもよい。ブート400及び渦防止装置410は、ガスが媒体出口420を通って引き出されるのを防止するのに効果的なものである。媒体出口420を通って引き出される媒体は、媒体リサイクルループ450に又は媒体フィルタループ460に送られてもよい。媒体リサイクルループ450からの媒体は冷却器/熱交換器500に送られてもよく、冷却された媒体510は反応器100に逆循環されてもよい。
ブート400は、気泡をブート400から反応器100に逆に上げることができるのに効果的である。この態様において、ブート400内の液体はできるだけかき混ぜられないままでなければならず、気泡は液体がブートの下に引き出されるより速くブート400から上げなければならない。この態様において、約2%未満のガスが媒体出口420を通ってポンプに引き出される。
媒体フィルタループ460からの媒体は、リサイクルフィルタ600に送られてもよい。濃縮した細胞610を反応器100に戻し、透過物620が更なる処理のために送られる。更なる処理には、望ましい生成物、例えばエタノール、酢酸、ブタノールの分離が含まれてもよい。
他の態様において、バイオリアクタは、インペラを含まずに構成されてもよい。例えば、バイオリアクタは、ガスリフト型リアクタ又は気泡塔型リアクタとして構成されてもよい。これらのリアクタ構成において、約0.01〜約12キロワット/m3媒体の撹拌エネルギーが供給される。
【００１６】
シンガス及びシンガススパージング
シンガスは、ガス入口/スパージャ120を通してバイオリアクタ100に導入される。シンガスは、既知の任意の供給源から供給されてもよい。一態様において、シンガスは、炭素質材料のガス化から供給されてもよい。ガス化は、酸素の制限された供給においてバイオマスの部分燃焼を必要とする。得られたガスには、主にCO及びH2が含まれる。この態様において、シンガスは、少なくとも約20モル%のCO、一態様においては、約20〜約100モル%のCO、他の態様においては、約30〜約90モル%のCO、他の態様においては、約40〜約80モル%のCO、他の態様においては、約50〜約70モル%のCOを含有する。シンガスは、少なくとも約0.75のCO/CO2モル比を有する。適切なガス化方法と装置のいくつかの例は、米国特許出願公開第61/516,667号明細書、同第61/516,704号明細書及び同第61/516,646号明細書に示されており、これらの明細書は、全て2011年4月6日に出願されたものであり、全て本願明細書に援用されているものとする。
バイオリアクタには、CO濃度勾配が含まれてもよく、スパージャの近くのCO濃度がバイオリアクタの高レベルのCO濃度よりも高い。この態様において、バイオリアクタには、バイオリアクタの底部レベル(スパージャレベル)のCO濃度とバイオリアクタの上部レベルのCO濃度との比約100:1〜約10:1が含まれる。
COの水性媒体への物質移動速度に影響し得る1つの要因は、COが含まれるガス状基質の分圧である。この態様において、望ましくない成分の濃縮又は除去によってガス流におけるCOの割合を増加させることにより物質移動速度が増加し得る。この態様において、ガス流は、約10ppm未満の酸素を含んだ又は酸素を含んでいない芳香族化合物を有する。
【００１７】
図2A及び2Bは、ガス入口/スパージャ120を示す下面図である。この態様において、ガス入口/スパージャ120には、スパージャアセンブリ540と連続するインレットコンジット530が含まれてもよい。スパージャアセンブリ540は、示されるように一般的には環状又は円形であってもよく、他の任意の形状、例えば、直鎖状、矩形又は自由形状でもあってもよい。スパージャアセンブリ540の形状においてが環状である態様において、スパージャアセンブリ540の直径は、ガス分散インペラ225によって形成される直径の約30〜約100%、種々の他の態様においては、40〜約90%、約40〜約80%、及び約50〜約70%である。
ガススパージャアセンブリ540の下部には、複数の孔550が含まれてもよい。孔550は、孔の出口で約25m/秒以上のガス速度、他の態様においては、孔の出口で約25m/秒〜約75m/秒のガス速度を与えるのに効果的な直径を有する。種々の態様において、ガス速度には、下記の範囲が含まれてもよい: 約25〜約75m/秒、約25〜約50m/秒、約25〜約40m/秒、約25〜約30m/秒、約30〜約75m/秒、約30〜約50m/秒、約30〜約40m/秒、約35〜約75m/秒、約35〜約50m/秒、約35〜約40m/秒、約40〜約75m/sec、約40〜約50m/秒、及び約50〜約75m/秒。この態様において、孔は、約10mm以下の直径、他の態様において、約2.5mm〜約1.0mmの直径を有する。
図3は、スパージャアセンブリ540を示す断面図である。この態様において、破線矢印は、孔550を通るガスの流れを示す図である。線がスパージャアセンブリの中点に引かれた120°の角度が示されている(αとして示されている)。孔は、スパージャアセンブリに沿って任意の角度に位置してもよい。一態様において、スパージャアセンブリ540には、約1〜約5列の平行した孔550が含まれる。孔550は、隔置され、下方向を指し示している。図3に示されるように、スパージャアセンブリ540には、5列の平行した孔550及び30°隔置された孔の総数790が含まれている。孔の下方向は、孔の汚れ又は目詰まりを防止するのに効果的であり且つスパージャアセンブリ540への逆流を最少にするのを援助する。
【００１８】
ガス分散及び混合
図1を再び参照すると、反応器100には、更に、駆動軸200、少なくとも1つの混合インペラ220、及び少なくとも1つのガス分散インペラ225が含まれる混合アセンブリが含まれる。混合インペラ220は、一般的には、液体レベル110より下に位置する。一態様において、反応器100は、2つ以上の混合インペラ220が含まれる。ガス分散インペラ225は、混合インペラ220より下に位置する。反応器100には、1つ又は2つ以上のガス分散インペラ225が含まれてもよい。
ここで図4Aを参照すると、各混合及びガス分散インペラアセンブリには、駆動軸200周辺に配置されるハブ500及び一群のインペラが含まれる。各インペラには、ハブ500に取り付けられ且つ1枚以上のブレード520を保持しているアーム510が含まれる。ブレードは、混合インペラ又はガス分散インペラであってもよい。混合インペラアセンブリには、少なくとも2枚のブレードが含まれ、6枚のブレードが含まれてもよい。混合インペラの例としては、船用インペラ又は船用プロペラのような低エネルギーインペラが挙げられる。他の態様においては、ガス分散インペラアセンブリには、少なくとも2枚のブレードが含まれ、6枚までのブレードが含まれてもよい。ガス分散インペラの例としては、ラッシュトンインペラ又は凹面インペラのような高エネルギーインペラが挙げられる。図4Bは、ブレード520が直接ハブ500に取り付けられている以外は図4Aと同様である。
駆動軸200の回転時に、ガス入口/スパージャを通して導入されたシンガスは、媒体中の小気泡に移動し、反応器100の一般的には円形断面の周辺に移動する。駆動軸は、適切な任意のアジテータ、例えば、電動モータ、モータとギアボックス、又は油圧モータに操作可能に接続されており、それにより回転することになる。この態様において、アジテータは、約0.3〜約12キロワット/m3、他の態様においては、0.7キロワット/m3〜約12キロワット/m3、重要な態様においては、0.9キロワット/m3〜約12キロワット/m3媒体のエネルギーを供給する。
【００１９】
バイオリアクタ操作
一態様によれば、発酵方法は、反応器に適切な媒体を添加によって開始される。反応器内に含有する液体には、任意のタイプの適切な培養液又は発酵ブロスが含まれてもよい。培養液には、用いられる微生物の発育を可能にするのに効果的なビタミン及び無機質が含まれる。炭素源としてCOを用いてエタノールの発酵に適した嫌気性媒体が知られている。適切な発酵媒体の一例が米国特許第7,285,402号明細書に記載されており、この明細書は本願明細書に援用されている。
媒体は望ましくない微生物を取り除くために滅菌され、望ましい微生物によってリアクタが植え付けられる。一態様において、用いられる微生物には、酢酸生成菌が含まれる。有用な酢酸生成菌の例としては、国際公開第2000/68407号パンフレット、欧州特許第117309号明細書、米国特許第5,173,429号明細書、同第5,593,886号明細書、同第6,368,819号明細書、国際公開第1998/00558号パンフレット及び同第2002/08438号パンフレットに記載されているものが含まれる、クロストリジウム属のもの、例えばクロストリジウム・リュングダリイ株、国際公開第2007/117157号パンフレット及び同第2009/151342号パンフレットに記載されているものが含まれるクロストリジウム・オートエタノゲナム(Clostridium autoethanogenum)株(DSMZのDSM 10061及びDSM 19630、ドイツ)及び米国特許第7,704,723号明細書及び「Biofuels and Bioproducts from Biomass-Generated Synthesis Gas」, Hasan Atiyeh, presented in Oklahoma EPSCoR Annual State Conference, April 29, 2010にそれぞれ記載されているものが含まれるクロストリジウム・ラグスダレイ(Clostridium ragsdalei)(P11、ATCC BAA-622)及びアルカリバクルム・バッチ(Alkalibaculum bacchi)(CP11、ATCC BAA-1772)及び米国特許出願公開第2007/0276447号明細書に記載されているクロストリジウム・カルボキシジボランス(Clostridium carboxidivorans)(ATCC PTA-7827)が挙げられる。他の適切な微生物には、ムーレラ種(Moorella sp.) HUC22-1が含まれるムーレラ属のもの及びカルボキシドサーマス(Carboxydothermus)属のものが含まれる。これらの文献の各々は、本願明細書に援用されているものとする。2つ以上の微生物の混合培養物を用いてもよい。
【００２０】
有用な細菌の一部の例としては、アセトゲニウム・キブイ(Acetogenium kivui)、アセトアナエロビウム・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・バッチ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)、カルボキシドテルムス・ヒドロゲノホルマンス(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・アセトブチリクムP262(DSMZのDSM 19630、ドイツ)、クロストリジウム・オートエタノゲナム(DSMZのDSM 19630、ドイツ)、クロストリジウム・オートエタノゲナム(DSMZのDSM 10061、ドイツ)、クロストリジウム・オートエタノゲナム(DSMZのDSM 23693、ドイツ)、クロストリジウム・オートエタノゲナム(DSMZのDSM 24138、ドイツ)、クロストリジウム・カルボキシジボランスP7(ATCC PTA-7827)、クロストリジウム・コスカティ(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・パストゥリアナム(Clostridium pasteurianum)(DSMZのDSM 525、ドイツ)、クロストリジウム・ラグスダレイ(Clostridium ragsdali)P11(ATCC BAA-622)、クロストリジウム・スカトロゲネス(Clostridium scatologenes)、クロストリディウム・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・リモーサム(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)、ムーレラ・サーモアセチカ(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・フェニギイ(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)、サーモアナエロバクター・キブイ(Thermoanaerobacter kivui)、及びこれらの混合物が挙げられる。
【００２１】
植え付け時に、微生物の最初の集団を供給するのに効果的な最初の供給ガスの供給速度は確立されている。流出ガスを分析して、流出ガスの含量が定量される。ガス分析の結果を用いて、供給ガス速度が制御される。望ましいレベルに達したときに、液相と細胞物質をリアクタから取り出し、媒体に補充する。この態様において、バイオリアクタは、少なくとも約2グラム/リットル、他の態様においては、約2〜約50グラム/リットル、他の種々の態様においては、約5〜約40グラム/リットル、約5〜約30グラム/リットル、約5〜約20グラム/リットル、約5〜約15グラム/リットル、約10〜約40グラム/リットル、約10〜約30グラム/リットル、約10〜約20グラム/リットル、及び約10〜約15グラム/リットルの細胞密度を維持するように操作される。細胞密度は、再循環フィルタ600によって制御されてもよい。関連した態様において、バイオリアクタは、約10〜約400時間、種々の態様においては、約10〜約300時間、約10〜約200時間、約10〜約100時間、約10〜約75時間、約10〜約60時間、約10〜約50時間、約10〜約40時間、約10〜約30時間、及び約10〜約20時間の液体保持時間を与えるように操作される。この態様において、液体保持時間(LRT)は、下記の通り算出され得る:
LRT =         液体容積        
正味の液体容積流量(出入)
【００２２】
シンガスは、少なくとも約1psig(約7Kpa)のバイオリアクタ内の圧力、他の態様においては、約10〜約250psig(約69〜約1724Kpa)の圧力を維持するのに効果的な速度でバイオリアクタに導入される。他の種々の態様において、圧力は、約10〜約200psig(約69〜約1379Kpa)、約10〜約100psig(約69〜約690Kpa)、約10〜約75psig(約69〜約517Kpa)、約10〜約50psig(約69〜約345Kpa)、約10〜約25psig(約69〜約172Kpa)、約20〜約250psig(約138〜約1724Kpa)、約20〜約200psig(約138〜約1379Kpa)、約20〜約100psig(約138〜約690Kpa)、約20〜約75psig(約138〜約517Kpa)、約20〜50psig(約138〜約345Kpa)、約20〜約25psig(約138〜約172Kpa)、約30〜約250psig(約207〜約1724Kpa)、約30〜約200psig(約207〜約1379Kpa)、約30〜約100psig(約207〜約690Kpa)、約30〜約75psig(約207〜約517Kpa)、約30〜約50psig(約207〜約345Kpa)、約40〜約250psig(約276〜約1724Kpa)、約40〜約200psig(約276〜約1379Kpa)、約40〜約100psig(約276〜約690Kpa)、約40〜約75psig(約276〜約517Kpa)、約40〜約50psig(約276〜約345Kpa)、約50〜約250psig(約345〜約1724Kpa)、約50〜約200psig(約345〜約1379Kpa)、約50〜約100psig(約345〜約690Kpa)及び約50〜約75psig(約345〜約517Kpa)であってもよい。
一態様において、あるサイズの発酵槽で、シンガスを約10〜約50ft3(約283〜1416リットル)/秒の速度、他の態様においては、約25〜約35ft3(約708〜991リットル)/秒の速度でガス入口/スパージャ120に導入する。圧力は、シンガスを導入する速度を制御することにより、ガスが反応器から排出される速度を制御することと組み合わせて制御される。圧力は、リアクタヘッドスペースにおいて又は反応器の底で測定され得る。
【００２３】
一態様において、スパージャは孔550があいており、孔前後の圧力低下は、CO物質移動容量を改善するのに重要である。スパージャ孔550前後での圧力低下は、スパージャアセンブリ540周辺に気泡の分配を確実にするのに充分高いことを必要とする。この態様において、スパージングは、約0.5psi〜約2.5psi(約3.4Kpa〜約17.2Kpa)、他の態様においては、約1psi〜約2psi(約7Kpa〜約13.8Kpa)のスパージャ孔550前後の圧力低下を与えるのに効果的である。スパージャ孔550は、他の形のスパージングより有利である。例えば、スパージャ孔550は、焼結金属スパージャによって起こり得るように、汚れを回避するのに効果的である。更に、スパージャ孔550は、物質移動の改善に対して貢献する一貫した気泡サイズを与えるのに効果的である。
物質移動速度に影響し得る他の要因は、ガス保持時間である。この態様において、バイオリアクタは、少なくとも約2分間のガス保持時間、他の態様においては、約2分〜約15分間、他の態様においては、約5〜約10分間のガス保持時間を与えるのに効果的である。ガス保持時間(GRT)は、下式に従って決定され得る:
GRT =   液体容積    
ガス流量(出入)
温度及びイオン強度もまた、物質移動速度に影響を有し得る。この態様において、バイオリアクタの温度は、約30〜約50℃である。
【００２４】
ブート400の別の構成は、図5に示されている。この態様において、ブート400は、起動の間、発育リアクタとして用いられる。ブートは、ブートスパージャ600を含むように構成されている。ブートには、ブートミキサも含まれている。ブートミキサは、既知の任意の混合装置によって構成されてもよい。例えば、ガス混合は、インペラ(図示せず)によって又はドラフトチューブ620を備えたガスリフト型発酵槽によって達成されてもよい。図5に示されるように、ガスリフト発酵槽は、ブート400周辺で気泡610及び細胞を循環するのに効果的である。気泡塔型リアクタ及び外部ガスループ又はジェット型リアクタが含まれる他のリアクタ設計が用いられてもよい。
別のブート構成は、反応器のブート部分に含有される媒体に酢酸生成菌を植え付けることによって用いられる。ブート内の媒体は、ブートの全容積の少なくとも約75%、他の態様においては、少なくとも約80%、他の態様においては、少なくとも約85%、他の態様においては、少なくとも約90%、他の態様においては、少なくとも約95%を充填する。ブートは、シンガスによってスパージされ、標的細胞密度を与えるのに効果的な時間混合される。この態様において、標的細胞密度は、約5〜約40グラム/リットル、他の種々の態様においては、約5〜約30グラム/リットル、約5〜約20グラム/リットル、約5〜約15グラム/リットル、約10〜約40グラム/リットル、約10〜約30グラム/リットル、約10〜約20グラム/リットル、及び約10〜約15グラム/リットルである。標的細胞密度に達すると、媒体レベルは、ブートから出て、反応器の中に前に指示されたレベルまで上がることができる。ブート内のスパージングと混合を停止させ、前述したように発酵が進行する。
他の態様において、ブート内の細胞密度は、1リットルにつき少なくとも約3グラムのレベルに又は本明細書に記載されている細胞密度のいずれにもなり得る。1リットルにつき少なくとも約3グラムの細胞密度に達すると、細胞密度レベルを1リットルにつき少なくとも約3グラムのレベルに保たせるのに効果的な速度で媒体が添加される。望ましい媒体レベルに達すると、ブート内のスパージングと混合を停止させ、前述したように発酵が進行する。
【実施例】
【００２５】
パイロットプラント規模の発酵を行って、kLaを決定した。kLaは、約60gのエタノール/(L・日) STY(空時収量)であった。kLaの定量を、物質移動限定条件下、又は溶解CO濃度ゼロで反応を進めることによって行った。これはガス流量又は撹拌速度の一時的な減少を行うことによって達成されたので、利用可能なガスに対して細胞が過剰であった。これらの条件下で、COが溶解されるとすぐに反応するので反応は物質移動が制限される。溶液に溶解したCOは、供給ガス中のCOと生成物中のCOとの間の差と同一である。物質移動が制限された系において、この差は、所定の条件での物質移動速度である。
基本的な式は、kLa = Ckla(Pg/Vl)avbsgを用いた
式中
kLa = 物質移動容量係数(m3ガス/s/m3液体)
Ckla = 所定の系に対する定数
Pg = ガス撹拌消費電力(W)
Vl = 液体容積(m3)
vsg =ガス空塔速度(m/s)
a = スケールアップ定数
b = スケールアップ定数
実験を6psig(41Kpa)(頭部圧力)で行い、60gのエタノール/(L・日) STYにおいて測定した。結果は、以下の通りであった:
【００２６】
2014518089.tif 000003
【００２７】
本明細書に開示された本発明をその個々の実施態様、実施例及び適用によって記載してきたが、特許請求の範囲に示された本発明の範囲から逸脱することなくこれらに多数の修正及び変更が当業者によってなされ得る。
【図１】
2014518089.tif 000004
【図２Ａ】
2014518089.tif 000005
【図２Ｂ】
2014518089.tif 000006
【図３】
2014518089.tif 000007
【図４Ａ】
2014518089.tif 000008
【図４Ｂ】
2014518089.tif 000009
【図５】
2014518089.tif 000010
【国際調査報告】
2014518089.tif 000011
2014518089.tif 000012
2014518089.tif 000013
2014518089.tif 000014
2014518089.tif 000015
2014518089.tif 000016
2014518089.tif 000017