(57)【要約】  シンガス発酵の間のエタノール濃度を管理するプロセスが提供される。シンガスを発酵させるプロセスは、植え付けられた培地を得るように培地に植え付ける工程を含む。植え付けられた培地をシンガスと接触させ、細胞及び培地を取り出し、分離して、濃縮細胞及び透過物を得る。エタノールを透過物から分離して、エタノール及び低エタノール水性流を得る。低エタノール水性流は発酵に戻される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シンガスを発酵させるプロセスであって、
シンガスと1リットルにつき少なくとも約0.1グラムの細胞密度を有する植え付けられた培地とを接触させる工程;
発酵から細胞及び培地を取り出し、取り出した細胞及び培地を分離して、濃縮細胞及び透過物を得る工程;
透過物からエタノールを分離して、エタノール及び低エタノール水性流を得る工程; 及び
低エタノール水性流を発酵に供給する工程
を含み;
発酵から細胞及び培地を取り出す速度に対する低エタノール水性流を発酵に供給する速度の比率が約0.5〜約25である、前記プロセス。
【請求項２】
発酵中約10g/Lを超えるエタノール濃度に達したときに細胞及び培地が取り出される、請求項1に記載のプロセス。
【請求項３】
1リットルにつき約0.5グラム以上の細胞密度に達したときに細胞及び培地が取り出される、請求項1に記載のプロセス。
【請求項４】
発酵中約10g/Lを超えるエタノール濃度が維持される、請求項1に記載のプロセス。
【請求項５】
透過物が透過物貯蔵タンクへ移される、請求項1に記載のプロセス。
【請求項６】
透過物が蒸留塔へ移される、請求項5に記載のプロセス。
【請求項７】
蒸留前に、低エタノール水性流との熱交換によって透過物が予熱される、請求項6に記載のプロセス。
【請求項８】
低エタノール水性流を発酵に供給する前に、低エタノール水性流を用いて、発酵槽排ガスをスクラブする、請求項6に記載のプロセス。
【請求項９】
低エタノール水性流が酢酸を含んでいる、請求項1に記載のプロセス。
【請求項１０】
蒸留前に透過物からCO2が取り出される、請求項6に記載のプロセス。
【請求項１１】
フーゼル油が、サイドドローがある蒸留塔から取り出される、請求項1に記載のプロセス。
【請求項１２】
シンガスを発酵させるプロセスであって、
シンガスと1リットルにつき少なくとも約0.1グラムの細胞密度を有する植え付けられた培地とを接触させる工程;
発酵中約10g/Lを超えるエタノール濃度に達したときに、細胞及び培地を取り出し、細胞及び培地を分離して、濃縮細胞及び透過物を得る工程;
透過物を透過物貯蔵タンクに移す工程;
透過物貯蔵タンクからエタノールを透過物から分離するのに効果的な蒸留塔へ透過物を移して、エタノール及び低エタノール水性流を得る工程; 及び
低エタノール水性流を発酵に供給する工程
を含み;
発酵から細胞及び培地を取り出す速度に対する低エタノール水性流を発酵に供給する速度の比率が約0.5〜約25である、前記プロセス。
【請求項１３】
1リットルにつき約0.5グラム以上の細胞密度に達したときに細胞及び培地が取り出される、請求項12に記載のプロセス。
【請求項１４】
蒸留前に、低エタノール水性流との熱交換によって透過物が予熱される、請求項12に記載のプロセス。
【請求項１５】
低エタノール水性流を発酵に供給する前に、低エタノール水性流を用いて、発酵槽排ガスをスクラブする、請求項12に記載のプロセス。
【請求項１６】
低エタノール水性流が酢酸を含んでいる、請求項12に記載のプロセス。
【請求項１７】
蒸留前にCO2が透過物から取り出される、請求項12に記載のプロセス。
【請求項１８】
フーゼル油が、サイドドローがある蒸留塔から取り出される、請求項12に記載のプロセス。
【請求項１９】
シンガスを発酵させるプロセスであって、
1リットルにつき少なくとも約0.1グラムの細胞密度を有する植え付けられた培地を得るように培地に植え付ける工程;
シンガスと植え付けられた培地とを接触させる工程;
発酵から細胞及び培地を取り出し、細胞及び培地を分離して、濃縮細胞及び透過物を得る工程;
透過物からエタノールを分離して、エタノール及び低エタノール水性流を得る工程; 及び
低エタノール水性流を発酵に供給する工程
を含み;
低エタノール水性流を発酵に供給する速度及び発酵から細胞及び培地を取り出す速度が少なくとも約0.01グラム/グラム/時間の増殖因子を得るのに効果的である、前記プロセス。
【請求項２０】
発酵中約10g/Lを超えるエタノール濃度に達したときに細胞及び培地が取り出される、請求項19に記載のプロセス。
【請求項２１】
1リットルにつき約0.5グラム以上の細胞密度に達したときに細胞及び培地が取り出される、請求項19に記載のプロセス。
【請求項２２】
透過物が透過物貯蔵タンクに移される、請求項19に記載のプロセス。
【請求項２３】
透過物が蒸留塔へ移される、請求項22に記載のプロセス。
【請求項２４】
蒸留前に、低エタノール水性流との熱交換によって透過物が予熱される、請求項23に記載のプロセス。
【請求項２５】
低エタノール水性流を発酵に供給する前に、低エタノール水性流を用いて、発酵槽排ガスをスクラブする、請求項19に記載のプロセス。
【請求項２６】
低エタノール水性流が酢酸を含んでいる、請求項19に記載のプロセス。
【請求項２７】
蒸留前にCO2が透過物から取り出される、請求項19に記載のプロセス。
【請求項２８】
フーゼル油が、サイドドローがある蒸留塔から取り出される、請求項19に記載のプロセス。
【請求項２９】
シンガスを発酵させるプロセスであって:
1リットルにつき少なくとも約0.1グラムの細胞密度を有する植え付けられた培地を得るように培地に植え付ける工程;
シンガスと植え付けられた培地とを接触させる工程;
増殖因子を測定し、増殖因子が臨界増殖因子未満であるときに水性流を発酵に供給する工程
を含む、前記プロセス。
【請求項３０】
水性流が低エタノール水性流を含み、
前記低エタノール水性流が:
発酵から細胞及び培地を取り出し、細胞及び培地を分離して、濃縮細胞及び透過物を得る工程;
透過物からエタノールを分離して、エタノール及び低エタノール水性流を得る工程
によって得られる、請求項29に記載のプロセス。
【請求項３１】
シンガスを発酵させるプロセスであって:
1リットルにつき少なくとも約0.1グラムの細胞密度を有する植え付けられた培地を得るように培地に植え付ける工程;
シンガスと植え付けられた培地とを接触させる工程;
増殖因子を測定し、臨界増殖因子を超える増殖因子を維持するのに効果的な量で水性流を発酵に供給する工程
を含む、前記プロセス。
【請求項３２】
水性流が低エタノール水性流を含み、
前記低エタノール水性流が:
発酵から細胞及び培地を取り出し、細胞及び培地を分離して、濃縮細胞及び透過物を得る工程;
エタノールを透過物から分離して、エタノール及び低エタノール水性流を得る工程
によって得られる、請求項31に記載のプロセス。
【請求項３３】
シンガスを発酵させる高生産性プロセスであって:
シンガスと1リットルにつき少なくとも約0.1グラムの細胞密度を有する植え付けられた培地とを接触させる工程;
細胞及び培地を発酵から取り出し、取り出した細胞及び培地を分離して、濃縮細胞及び透過物を得る工程;
エタノールを透過物から分離して、エタノール及び低エタノール水性流を得る工程; 及び
低エタノール水性流を発酵に供給する工程
を含み;
細胞及び培地を取り出す速度に対する低エタノール水性流を供給する速度の比率が約0.5〜約25であり;
プロセスが少なくとも約60g/(L・日)のSTYを維持するのに効果的なものである、前記プロセス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、2011年12月12日に出願された米国仮特許出願第61/569,355号の恩典を主張するものであり、こ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。
シンガス発酵の間のエタノール濃度を管理するプロセスが提供される。より詳しくは、細胞及び培地を発酵槽から取り出し、低エタノール水性流を望ましいエタノール濃度を維持するのに効果的な速度で発酵槽に戻すものである。
【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化学量論量未満の量の酸素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】
発酵の間にエタノール濃度が増加する。ある濃度のエタノールは抑制的になり、結果として反応器の故障又は生産性の低下が生じる。エタノール取り出しと望ましい細胞密度レベル及びエタノール生産性を維持することとのバランスをとるのに効果的であるプロセスが求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
シンガスを発酵させるプロセスは、1リットルにつき少なくとも約0.1グラムの細胞密度を有する植え付けられた培地を得るように培地に植え付ける工程を含む。細胞及び培地を取り出し、分離して、濃縮細胞及び透過物を得る。透過物からエタノールを分離して、エタノール及び低エタノール水性流を得る。低エタノール水性流は発酵に戻される。重要な態様において、発酵から細胞及び培地を取り出す速度に対する低エタノール水性流を発酵に供給する速度の比率は、約0.5〜約25である。
他の態様において、シンガスを発酵させるプロセスは、1リットルにつき少なくとも約0.1グラムの細胞密度を有する植え付けられた培地を得るように培地に植え付ける工程を含む。植え付けられた培地とシンガスとを接触させ、発酵中に約10g/Lを超えるエタノール濃度に達したときに、細胞及び培地を取り出し、分離して、濃縮細胞及び透過物を得る。透過物貯蔵タンクに透過物を入れる。蒸留塔に透過物貯蔵タンクからの透過物を入れる。蒸留塔は、透過物からエタノールを分離して、エタノール及び低エタノール水性流を得るのに効果的であるものである。低エタノール水性流は発酵に戻される。重要な態様において、発酵から細胞及び培地を取り出す速度に対する低エタノール水性流を発酵に供給する速度の比率は、約0.5〜約25である。
【０００５】
他の態様において、シンガスを発酵させるプロセスは、1リットルにつき少なくとも約0.1グラムの細胞密度を有する植え付けられた培地を得るように培地に植え付ける工程を含む。細胞及び培地を取り出し、分離して、濃縮細胞及び透過物を得る。エタノールを透過物から分離して、エタノール及び低エタノール水性流を得る。低エタノール水性流は発酵に戻される。重要な態様において、低エタノール水性流を供給する速度並びに細胞及び培地を取り出す速度は、0.01グラム/グラム/時間の増殖因子(細胞の乾燥質量グラム/親細胞の乾燥質量グラム/時間の量の増大)を得るのに効果的な速度である。
他の態様において、シンガスを発酵させるプロセスは、1リットルにつき少なくとも約0.1グラムの細胞密度を有する植え付けられた培地を得るように培地に植え付ける工程を含む。植え付けられた培地とシンガスとを接触させる。増殖因子を測定し、増殖因子が臨界増殖因子未満である場合に水性流が発酵に戻される。
他の態様において、シンガスを高生産性発酵させるプロセスは、1リットルにつき少なくとも約0.1グラムの細胞密度を有する植え付けられた培地を得るように培地に植え付ける工程を含む。細胞及び培地を取り出し、分離して、濃縮細胞及び透過物を得る。透過物からエタノールを分離して、エタノール及び低エタノール水性流を得る。低エタノール水性流は発酵に戻される。重要な態様において、発酵から細胞及び培地を取り出す速度に対する低エタノール水性流を発酵に供給する速度の比率は、約0.5〜約25である。プロセスは、少なくとも約60g/(L・日)のSTYを維持するのに効果的なプロセスである。
上記及び他の態様、特徴並びにプロセス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。
上記及び他の態様、特徴並びにプロセス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。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】図1は、シンガスを発酵させるプロセス及びシステムを示す図である。
【図２】図2は、透過物貯蔵タンクを含むシンガスを発酵させるプロセス及びシステムを示す図である。
【図３】図3は、熱交換器を含むシンガスを発酵させるプロセス及びシステムを示す図である。
【図４】図4は、熱交換器及びCO2ストリッパを含むシンガスを発酵させるプロセス及びシステムを示す図である。
【図５】図5は、ベントガススクラバーを含むシンガスを発酵させるプロセス及びシステムを示す図である。
【図６】図6は、酢酸生成菌を培養させる増殖因子とエタノール濃度とを示すグラフである。
【図７】図7は、酢酸生成菌を培養させる増殖因子とエタノール濃度とを示すグラフである。
【図８】図8は、エタノール濃度並びにCO及びH2の全取り込みに対する水性再循環の影響を示すグラフである。  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、本プロセス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でよく理解されている要素は、しばしば示されていない。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
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。
開始及びその後の発酵に対して、発酵槽から細胞及び培地を取り出すことと透過物から細胞を取り出し、透過物からエタノールを取り出すのに必要とされる時間、及び低エタノール透過物を発酵槽へ戻すのに必要とされる時間とのバランスをとる必要がある。本プロセスは、安定な開始及びその後の発酵を与えるこれらのプロセスのバランスをとるものである。
本明細書に記載されている培地及び酢酸生成菌によるバイオリアクタ内で行われるシンガス発酵は、シンガス中のCOをアルコール及び他の生成物に変換させるのに効果的である。この態様において、生産性は、STYとして表され得る(空時収量は、エタノールg/(L・日)として表される)。この態様において、プロセスは、少なくとも約10g/(L・日)、他の態様においては、少なくとも約30g/(L・日)、他の態様においては、少なくとも約60g/(L・日)、及び他の態様においては、少なくとも約90g/(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/(L・日)〜約200g/(L・日)、他の態様においては、約10g/(L・日)〜約160g/(L・日)、他の態様においては、約10g/(L・日)〜約120g/(L・日)、他の態様においては、約10g/(L・日)〜約80g/(L・日)、他の態様においては、約20g/(L・日)〜約140g/(L・日)、他の態様においては、約20g/(L・日)〜約100g/(L・日)、他の態様においては、約40g/(L・日)〜約140g/(L・日)、他の態様においては、約40g/(L・日)〜約100g/(L・日)が含まれる。
【０００８】
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まれ得る:
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。
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、石炭のガス化及びいくつかのタイプの廃棄物発電ガス化設備内が挙げられる。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、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ている。
【０００９】
用語「発酵槽」には、1つ以上の容器及び/又は塔又は配管からなる発酵デバイスが含まれ、連続撹拌タンク反応器(CSTR)、固定化酵素反応器(ICR)、トリクルベッド反応器(TBR)、移動層生物膜反応器(MBBR)、バブルカラム、ガスリフト発酵槽、膜バイオリアクタ、例えばホローファイバー膜バイオリアクタ(HFMBR)、スタティックミキサ、又はガス-液体接触に適している他の容器又は他のデバイスが挙げられる。
用語「発酵」、「発酵プロセス」又は「発酵反応」等は、プロセスの発育相と産物生合成相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。
用語「細胞密度」は、発酵ブイヨンの単位容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。
用語「細胞再循環」は、発酵ブイヨンから微生物細胞を分離し且つそれらの分離した微生物細胞の全部又は一部を発酵槽へ戻すことを意味する。一般に、ろ過デバイスを用いて分離が達成される。
用語「効率の向上」、「高効率」等は、発酵プロセスに関して用いられる場合の発酵中の微生物の発育速度、消費される基質(例えば一酸化炭素)の体積又は質量当たり生じる望ましい生成物(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製造レベル、及び発酵の他の副産物と比較して生じる望ましい生成物の相対的割合の1つ以上の向上を含める。
【００１０】
シンガス発酵システム
図1は、シンガスを発酵させるプロセス及びシステムを示す図である。シンガスは、シンガス入口110を通って反応容器100に入る。培地及び細胞が培地出口120を通って取り出され、培地再循環ポンプ150を用いてフィルタ供給部160を通って細胞分離フィルタ200に供給される。細胞分離フィルタ200から、濃縮細胞及び透過物が得られる。細胞再循環ライン210を通って濃縮細胞が反応容器100に入り、透過物が透過物供給部250を通って蒸留塔400に入る。蒸留塔400から、エタノール/水共沸混合物440及び低エタノール水性流410が得られる。エタノール/水共沸混合物440が分子篩/乾燥機700に入り、エタノール生成物720が得られる。低エタノール水性流410の一部がリボイラ供給ライン430を通ってリボイラ500に入る。リボイラ500から、予熱された低エタノール水性流510が得られる。低エタノール水性流が水性供給ライン420を通って水性流再循環ポンプ550に入る。水性流再循環ポンプ550によって、低エタノール水性流が低エタノール水性流供給ライン560を通って反応容器100に戻される。
他の態様においては、サイドドロー450がある蒸留塔400からフーゼル油が取り出されてもよい。本明細書に用いられる「フーゼル油」は、アミルアルコール、プロパノール、ブタノール、脂肪酸、エステル、及びこれらの混合物を含めてもよい。
【００１１】
図2は、シンガスを発酵させるプロセス及びシステムの他の態様を示す図である。図2に記載されているプロセス及びシステムは、図1と同様であるが、図2のシステム及びプロセスには透過物貯蔵タンク300が含まれている。この態様において、透過物供給ライン220を通ってフィルタ200からの透過物が透過物貯蔵タンク300に入る。透過物供給ライン250を通って透過物が蒸留塔400に入る。本明細書に記載されている態様のいずれもが透過物貯蔵タンクを含めてもよい。
図3は、シンガスを発酵させるプロセス及びシステムの他の態様を示す図である。図3に記載されているプロセス及びシステムは図1と同様であるが、図3のシステム及びプロセスには熱交換器555が含まれている。この態様においては、低エタノール水性流及び透過物がフィルタ200から供給ライン230を通って熱交換器に入る。熱交換器555は、予熱された透過物を得るのに効果的である。予熱された透過物供給ライン252を通って予熱された透過物が蒸留塔400に入る。この態様においては、低エタノール水性流に残っている熱を用いて、蒸留前の透過物を予熱することができる。本明細書に記載されている態様のいずれもが熱交換器を含めてもよい。
【００１２】
図4は、シンガスを発酵させるプロセス及びシステムの他の態様を示す図である。図4に記載されているプロセス及びシステムは図1と同様であるが、図4のシステム及びプロセスにはCO2ストリッパ600が含まれている。この態様においては、透過物がCO2ストリッパ600に入り、これは低CO2透過物を得るのに効果的なものである。低CO2透過物は、ストリッピング前よりCO2レベルが低い。この態様においては、低CO2透過物は、CO2除去前の透過物と比較して、CO2が約10%以上、他の態様においては、約25%以上、他の態様においては、50%以上、他の態様においては、75%以上、他の態様においては、90%以上低下する。CO2透過物供給ライン254を通って低CO2透過物が蒸留塔400に入る。この態様には、図示したように熱交換器555が含まれてもよく、透過物貯蔵タンクが含まれてもよい。
図5は、シンガスを発酵させるプロセス及びシステムの他の態様を示す図である。図5に記載されているプロセス及びシステムは図1と同様であるが、図5のシステム及びプロセスにはベントガススクラバー620が含まれている。この態様においては、低エタノール供給ライン560を通って低エタノール水性流、ベントガス供給ライン640を通ってベントガス、及び蒸留塔排気ガス750がベントガススクラバー620に入る。ベントガススクラバー620から水性供給ライン563を通って低エタノール水性流が反応容器100に戻り、ベントガス出口650を通ってベントガスが排出する。本明細書において記載されている態様のいずれもがベントガススクラバーを含めてもよい。一態様においては、ベントガススクラバーは、発酵槽排ガスからエタノールを取り出すのに効果的なものである。
【００１３】
シンガス発酵プロセス
培地: 一態様によれば、適切な培地を反応容器に添加することによって発酵プロセスが開始する。反応容器に含有する液体には、任意のタイプの適切な栄養培地又は発酵ブイヨンが含まれてもよい。栄養培地には、用いられてい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。培地組成のいくつかの例が、2012年5月22日に出願の米国特許出願第61/650,098号明細書及び同第61/650,093号明細書及び2001年7月23日に出願の米国特許第7,285,402号明細書に記載されており、全て本願明細書に援用されているものとする。培地を滅菌して、望ましくない微生物を除去してもよく、反応器に望ましい微生物を植え付ける。滅菌は必ずしも必要とされなくてもよい。
【００１４】
種菌: プロセスによれば、酢酸生成菌の培養物を反応器に植え付けて、最小細胞密度を有する植え付けられた培地を得る。本明細書に用いられる「最小細胞密度」は、1リットルにつき少なくとも約0.1グラム、他の態様においては、1リットルにつき少なくとも約0.2グラム、他の態様においては、1リットルにつき少なくとも約0.3グラム、他の態様においては、1リットルにつき少なくとも約0.4グラム、及び他の態様においては、1リットルにつき少なくとも約0.5グラムの生細胞密度を意味する。最小細胞密度は、1リットルにつき約1.2グラムを超えない。他の態様においては、プレリアクタ又はシードリアクタに植え付けるために用いられる第1の培養物は、pH 6.5以下、他の態様においては4.5以下、及び他の態様においては約4.0〜約4.5を有する。反応器に植え付けるために用いられる第1の培養物は、1リットルにつき約10グラム以下、他の態様においては、1リットルにつき約1〜約10グラム、他の態様においては、1リットルにつき約1〜約5グラム、他の態様においては、1リットルにつき約1〜約3グラム、他の態様においては、1リットルにつき約2グラムの酢酸濃度を有する。
【００１５】
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種以上の微生物の混合培養物を用いてもよい。
【００１６】
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。
【００１７】
シンガス: ガス化は、酸素の供給が制限されたバイオマスの部分燃焼を必要とする。結果として生じるガスには、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比率を有する。適切なガス化法と装置のいくつかの例は、米国特許出願第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（いずれも2011年4月6日に出願された）に、及び米国特許出願第13/427,144号明細書、同第13/427,193号明細書及び同第13/427,247号明細書（いずれも2012年3月22日に出願された）に示されており、全て本願明細書に援用されているものとする。
シンガスは、少なくとも約0psig、他の態様においては、約0.25psig(約1.72kpa)、他の態様においては、約0.5psig(約3.4kpa)、他の態様においては、1psig(約7kpa)、他の態様においては、約10〜約250psig(約69〜約1724kpa)のバイオリアクタ内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110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。
【００１８】
撹拌: 起動時の撹拌は、植え付けの間、約10〜約30Hz、他の態様においては、約25Hzに設定されている。撹拌は、10分毎に約2〜約10Hz、他の態様においては、10分毎に約5Hzのランピング速度で、約35〜約50Hz、他の態様においては、45Hzまで加速する。
細胞再循環: 発酵中に約10g/リットルを超えるエタノール濃度に達したときに、プロセスは、発酵槽100から細胞及び培地を取り出す工程を含む。他の態様においては、プロセスは、発酵が約20g/リットルを超える、他の態様においては、約30g/リットルを超えるエタノール濃度に達したときに細胞及び培地を取り出す工程を含む。細胞を培地から分離することによって濃縮細胞及び培地が得られる。細胞の培地からの分離は、既知の方法、例えば細胞分離フィルタ200を用いて行われてもよい。本明細書に用いられる「濃縮細胞」は、細胞から培地を分離する前より高い細胞密度を有する細胞の流れを意味する。「浸透物」は、細胞の分離後の培地を意味する。この態様において、浸透物は、エタノールを含有してもよい。濃縮細胞の全部又は一部を発酵槽100に戻してもよい。一態様においては、細胞再循環は、植え付け前に又は植え付け時に開始してもよい。
他の態様においては、1リットルにつき約0.5グラム以上、他の態様においては、1リットルにつき約0.6グラム以上、他の態様においては、1リットルにつき約0.7グラム以上、他の態様においては、1リットルにつき約0.8グラム以上、他の態様においては、1リットルにつき0.9グラム以上、他の態様においては、1リットルにつき1.0グラム以上、他の態様においては、1リットルにつき1.5グラム以上、他の態様においては、1リットルにつき2.0グラム以上、他の態様においては、1リットルにつき2.5グラム以上、他の態様においては、1リットルにつき0.5〜約5.0グラム以上、他の態様においては、1リットルにつき1.0〜約4.0グラム以上、他の態様においては、1リットルにつき2.0〜約3.0グラム以上の細胞密度に達したときに細胞及び培地が取り出されてもよい。
【００１９】
透過物からエタノールを分離して、エタノール及び低エタノール水性流を供給するプロセスが提供される。一態様においては、浸透物を浸透物貯蔵タンク300へ移し、引き続き蒸留塔400へ移してもよい。一態様においては、浸透物貯蔵タンクの全容積の少なくとも約1%〜約100%の容積に達したときに、貯蔵タンクから浸透物が蒸留塔400へ連続して移される。他の態様においては、浸透物貯蔵タンク300がその全容積の約10%の容積、他の態様においては、その容積の少なくとも約25%、他の態様においては、その容積の少なくとも約50%、他の態様においては、その容積の少なくとも約75%、他の態様においては、その容積の少なくとも約90%に達すると、浸透物の蒸留塔への移動が生じる場合がある。蒸留塔400は、エタノール450及び低エタノール水性流410を備えている。蒸留塔は、当該技術において既知の任意の蒸留塔、例えばトレーカラム、充填カラムであり得る。蒸留塔は、一般的には、エタノール-水共沸混合物を生成させ、さらに、例えば分子篩を用いて処理して、無水エタノールを生成させる。
本明細書に用いられる「低エタノール水性流」は、エタノールの少なくとも一部を取り出した後の水性流を意味する。低エタノール水性流は、蒸留塔からの低エタノール水性流のみを含んでいてもよく、他の添加培地及び/又は水に加えて蒸留塔からの低エタノール水性流を含んでいてもよい。低エタノール水性流は、反応容器100に連続して戻される。他の態様においては、細胞及び培地を取り出す速度に対する低エタノール水性流を供給する速度の比率は、約0.5〜約25、他の態様においては、約0.5〜約10、他の態様においては、約0.5〜約5、他の態様においては、約0.5〜約1、他の態様においては、約1〜約20、他の態様においては、約5〜約15、他の態様においては、約5〜約10、他の態様においては、約4〜約8、他の態様においては、約5〜約7、他の態様においては、約5、他の態様においては、約6、他の態様においては、約7である。この態様においては、低エタノール水性流には、約10質量%未満のアルコール、他の態様においては、約5質量%未満のアルコール、他の態様においては、約2.5質量%未満のアルコール、他の態様においては、約1.0質量%未満のアルコール、他の態様においては、約0.5質量%未満のアルコール、他の態様においては、約0.1質量%未満のアルコール、他の態様においては、約0.01質量%未満のアルコールが含まれる。
【００２０】
低エタノール水性流には、酢酸が含まれてもよい。この態様において、低エタノール水性流は、1リットルにつき約5.0グラムの酢酸、他の態様においては、1リットルにつき約2.5グラムの酢酸、他の態様においては、1リットルにつき約1.0グラムの酢酸、他の態様においては、1リットルにつき約0.01〜約5.0グラムの酢酸、他の態様においては、1リットルにつき約0.01〜約0.02グラムの酢酸を有してもよい。正味の酢酸が生じないように、酢酸を含有する低エタノール水性流が反応器に戻されてもよい。反応器内のエタノールと水の間で平衡が確立している。結果として、培養維持のために用いられるものを除いて、反応器に供給されるすべてのCO、CO2及びH2がエタノールに変換され得る。
他の態様においては、低エタノール水性流を供給する速度及び発酵槽から細胞及び培地を取り出す速度が、増殖因子測定を用いることによって制御され得る。本明細書に用いられる「増殖因子」は、毎時1グラムの(親)細胞(乾燥重量)当たりの細胞(グラム、乾燥質量)の量の増加である。この態様において、低エタノール水性流を供給する速度並びに細胞及び培地を取り出す速度は、少なくとも約0.01グラム/グラム/時間の増殖因子、他の態様においては、約0.01〜約1の増殖因子、他の態様においては、約0.01〜約0.5の増殖因子、他の態様においては、約0.01〜約0.25の増殖因子、他の態様においては、約0.01〜約0.1の増殖因子を得るのに効果的な速度である。本明細書に用いられる「臨界増殖因子」は、最小限の望ましい増殖因子を意味する。一態様においては、最小限の望ましい増殖因子の例は、約0.01、他の態様においては、約0.02、他の態様においては、約0.03である。増殖因子は、以下の通り定量され得る:
【００２１】
【数１】
2015506676.tif 000003
【００２２】
（ここで、T2は、T1の60分後に測定した細胞の乾燥質量グラムであり、
T1は、選ばれた開始時間における細胞の乾燥質量グラムである)。
この態様において、増殖因子が臨界増殖因子に達するか又は下回る場合に、水性流を発酵槽に供給する。クロストリジウム・リュングダリイに対する増殖因子とエタノール濃度とのグラフを図6及び図7に示す。この態様において、より低いエタノール濃度は、他の細菌株に有害であるか又は抑制的であることになる。
一態様において、発酵中約10g/L以上、他の態様においては、約20g/L以上、他の態様においては、約30g/L以上のエタノール濃度に達したときに、細胞及び培地が発酵から取り出される。細胞及び培地がエタノール及び低エタノール水性流に分離され、低エタノール水性流が発酵に戻される。さらに記載されているように、記載されているエタノール濃度レベルのいずれもが記載されている再循環比、細胞密度、増殖因子及びSTY値のいずれにも関連して用いられてもよい。
【００２３】
他の態様において、約10g/L以上のエタノール濃度に達したときに、発酵から細胞及び培地を除去する速度に対する発酵に低エタノール流を供給する速度の比率は、約0.5〜約25、他の態様においては、約0.5〜約10、他の態様においては、約0.5〜約5、他の態様においては、約0.5〜約1、他の態様においては、約1〜約20、他の態様においては、約5〜約15、他の態様においては、約5〜約10、他の態様においては、約4〜約8、他の態様においては、約5〜約7、他の態様においては、約5、他の態様においては、約6、他の態様においては、約7である。同様の態様において、約10g/L以上のエタノール濃度及び約0.5g/L以上、他の態様においては、約0.6g/L以上、他の態様においては、約0.7g/L以上、他の態様においては、約0.8g/L以上、他の態様においては、約0.9g/L以上、他の態様においては、約1.0g/L以上、他の態様においては、約1.5g/L以上、他の態様においては、約2.0g/L以上、他の態様においては、約2.5g/L以上、他の態様においては、約0.5〜約5.0g/L、他の態様においては、約1.0〜約4.0g/L、他の態様においては、約2.0〜約3.0g/Lの細胞密度に達したときに、発酵から細胞及び培地を取り出す速度に対する発酵に低エタノール流を供給する速度の比率は、約0.5〜約25、他の態様においては、約0.5〜約10、他の態様においては、約0.5〜約5、他の態様においては、約0.5〜約1、他の態様においては、約1〜約20、他の態様においては、約5〜約15、他の態様においては、約5〜約10、他の態様においては、約4〜約8、他の態様においては、約5〜約7、他の態様においては、約5、他の態様においては、約6、他の態様においては、約7である。プロセスは、約0.01〜約1、他の態様においては、約0.01〜約0.5、他の態様においては、約0.01〜約0.25、他の態様においては、約0.01〜約0.1の増殖因子を得るのに効果的なものである。プロセスは、さらに、約10g/(L・日)〜約200g/(L・日)、他の態様においては、約10g/(L・日)〜約160g/(L・日)、他の態様においては、約10g/(L・日)〜約120g/(L・日)、他の態様においては、約10g/(L・日)〜約80g/(L・日)、他の態様においては、約20g/(L・日)〜約140g/(L・日)、他の態様においては、約20g/(L・日)〜約100g/(L・日)、他の態様においては、約40g/(L・日)〜約140g/(L・日)、他の態様においては、約40g/(L・日)〜約100g/(L・日)のSTYを得るのに効果的なものである。
【００２４】
他の態様において、約20g/L以上のエタノール濃度に達したときに、発酵から細胞及び培地を取り出す速度に対する発酵に低エタノール流を供給する速度の比率は、約0.5〜約25、他の態様においては、約0.5〜約10、他の態様においては、約0.5〜約5、他の態様においては、約0.5〜約1、他の態様においては、約1〜約20、他の態様においては、約5〜約15、他の態様においては、約5〜約10、他の態様においては、約4〜約8、他の態様においては、約5〜約7、他の態様においては、約5、他の態様においては、約6、他の態様においては、約7である。同様の態様において、約10g/L以上のエタノール濃度及び約0.5g/L以上、他の態様においては、約0.6g/L以上、他の態様においては、約0.7g/L以上、他の態様においては、約0.8g/L以上、他の態様においては、約0.9g/L以上、他の態様においては、約1.0g/L以上、他の態様においては、約1.5g/L以上、他の態様においては、約2.0g/L以上、他の態様においては、約2.5g/L以上、他の態様においては、約0.5〜約5.0g/L、他の態様においては、約1.0〜約4.0g/L、他の態様においては、約2.0〜約3.0g/Lの細胞密度に達したときに、発酵から細胞及び培地を取り出す速度に対する発酵に低エタノール流を供給する速度の比率は、約0.5〜約25、他の態様においては、約0.5〜約10、他の態様においては、約0.5〜約5、他の態様においては、約0.5〜約1、他の態様においては、約1〜約20、他の態様においては、約5〜約15、他の態様においては、約5〜約10、他の態様においては、約4〜約8、他の態様においては、約5〜約7、他の態様においては、約5、他の態様においては、約6、他の態様においては、約7である。プロセスは、約0.01〜約1、他の態様においては、約0.01〜約0.5、他の態様においては、約0.01〜約0.25、他の態様においては、約0.01〜約0.1の増殖因子を得るのに効果的なものである。プロセスは、さらに、約10g/(L・日)〜約200g/(L・日)、他の態様においては、約10g/(L・日)〜約160g/(L・日)、他の態様においては、約10g/(L・日)〜約120g/(L・日間)、他の態様においては、約10g/(L・日)〜約80g/(L・日)、他の態様においては、約20g/(L・日)〜約140g/(L・日)、他の態様においては、約20g/(L・日)〜約100g/(L・日)、他の態様においては、約40g/(L・日)〜約140g/(L・日)、他の態様においては、約40g/(L・日)〜約100g/(L・日)のSTYを得るのに効果的なものである。
【００２５】
他の態様において、約30g/L以上のエタノール濃度に達したときに、発酵から細胞及び培地を取り出す速度に対する発酵に低エタノール流を供給する速度の比率は、約0.5〜約25、他の態様においては、約0.5〜約25、他の態様においては、約0.5〜約10、他の態様においては、約0.5〜約5、他の態様においては、約0.5〜約1、他の態様においては、約1〜約20、他の態様においては、約5〜約15、他の態様においては、約5〜約15、他の態様においては、約5〜約10、他の態様においては、約4〜8、他の態様においては、約5〜7、他の態様においては、約5、他の態様においては、約6、他の態様においては、約7である。同様の態様において、約10g/L以上のエタノール濃度及び約0.5g/L以上、他の態様においては、約0.6g/L以上、他の態様においては、約0.7g/L以上、他の態様においては、約0.8g/L以上、他の態様においては、約0.9g/L以上、他の態様においては、約1.0g/L以上、他の態様においては、約1.5g/L以上、他の態様においては、約2.0g/L以上、他の態様においては、約2.5g/L以上、他の態様においては、約0.5〜約5.0g/L、他の態様においては、約1.0〜約4.0g/L、他の態様においては、約2.0〜約3.0g/Lの細胞密度に達したときに、発酵から細胞及び培地を除去する速度に対する発酵に低エタノール流を供給する速度の比率は、約0.5〜約25、他の態様においては、約0.5〜約10、他の態様においては、約0.5〜約5、他の態様においては、約0.5〜約1、他の態様においては、約1〜約20、他の態様においては、約5〜約15、他の態様においては、約5〜約10、他の態様においては、約4〜約8、他の態様においては、約5〜約7、他の態様においては、約5、他の態様においては、約6、他の態様においては、約7である。プロセスは、約0.01〜約1、他の態様においては、約0.01〜約0.5、他の態様においては、約0.01〜約0.5、他の態様においては、約0.01〜約0.25、他の態様においては、約0.01〜約0.1の増殖因子を得るのに効果的なものである。プロセスは、さらに、約10g/(L・日)〜約200g/(L・日)、他の態様においては、約10g/(L・日)〜約160g/(L・日)、他の態様においては、約10g/(L・日)〜約120g/(L・日間)、他の態様においては、約10g/(L・日)〜約80g/(L・日)、他の態様においては、約20g/(L・日)〜約140g/(L・日)、他の態様においては、約20g/(L・日)〜約100g/(L・日)、他の態様においては、約40g/(L・日)〜約140g/(L・日)、他の態様においては、約40g/(L・日)〜約100g/(L・日)のSTYを得るのに効果的なものである。
【実施例】
【００２６】
実施例1: H2及びCOの取り込みに対する水性再循環の影響
発酵をクロストリジウム・リュングダリイによって60g/L STYレベルで行った。エタノール濃度とH2及びCO全取り込みとのグラフを図8に示す。この発酵において、エタノール濃度が36.8g/Lを超えると水再循環を開始した。水再循環を開始した後、エタノール濃度が約28g/Lまで低下した。H2及びCOの全取り込みが約33.7g/Lのエタノール濃度で最大に達し、次にエタノール濃度が36g/Lを超えたときに、約2.02モル/分から約1.85モル/分に減少した。水再循環が開始すると(約537時間目)、エタノール濃度が低下し、H2及びCO全取り込みが増加した。水再循環のない発酵を続けることにより、結果として全H2及びCOの全取り込みの減少並びに培養不良が生じる。
本明細書に開示し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、それに対して多数の修正及び変更が、特許請求の範囲に示される本発明の範囲から逸脱することなく当業者によってなされてもよい。
【図１】
2015506676.tif 000004
【図２】
2015506676.tif 000005
【図３】
2015506676.tif 000006
【図４】
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【図５】
2015506676.tif 000008
【図６】
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【図７】
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【図８】
2015506676.tif 000011
【国際調査報告】
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