(57)【要約】  本明細書発明は、発酵ブロスなどの希釈水溶液からＣ３〜Ｃ６アルコール回収方法に関する。このような方法は、発酵のための改善された体積生産性を提供し、アルコールの回収を可能とする。このような方法は、同時発酵によるアルコール生成物の有効濃度の増加、及び乾燥した発酵ブロス量あたり生成及び回収されるアルコール量を増加する回収プロセスに因り、使用された発酵ブロスの生成及び乾燥において低減されたエネルギーの使用を可能とする。従って、本発明により、低い資本及び低減された操作コストでＣ３〜Ｃ６アルコールの生成及び回収が可能となる。【要約】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
微生物、ガス、及びＣ３〜Ｃ６アルコールを含む発酵培地からＣ３〜Ｃ６アルコールを回収する方法であって、
ａ．前記発酵培地から前記ガスの少なくとも一部を除去する工程；
ｂ．前記発酵培地の一部中の前記Ｃ３〜Ｃ６アルコールの活性を、少なくとも、前記一部中のＣ３〜Ｃ６アルコールの飽和の該活性に増加する工程、又は前記発酵培地の一部中の水活性を、少なくとも、前記一部中の前記Ｃ３〜Ｃ６アルコールの飽和の該活性に低減する工程；
ｃ．前記発酵培地の前記一部からＣ３〜Ｃ６アルコールリッチ液相及び水リッチ液相を形成する工程；及び
ｄ．前記Ｃ３〜Ｃ６アルコールリッチ相を前記水リッチ相から分離する工程
を含む、方法。
【請求項２】
前記発酵培地中で微生物を培養し、前記Ｃ３〜Ｃ６アルコール及びガスを生成する工程；及び
前記水リッチ相の少なくとも一部を前記発酵培地に誘導する工程
をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
多糖類及び少なくとも１つの他の化合物を含む供給原料を加水分解し、発酵可能な加水分解生成物を生成する工程；
前記発酵培地中の前記発酵可能な加水分解生成物の少なくとも一部を発酵し、前記Ｃ３〜Ｃ６アルコール及びガスを生成する工程であって、前記発酵培地が、少なくとも１つの発酵されていない化合物をさらに含む工程；
前記発酵培地、又は前記水リッチ相、又は両方から前記少なくとも１つの発酵されていない化合物を分離する工程
をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
微生物、ガス、及びＣ３〜Ｃ６アルコールを含む発酵培地中でＣ３〜Ｃ６アルコール由来の生成物を生成する方法であって、
ａ．前記ガスの少なくとも一部を前記発酵培地から除去する工程；
ｂ．水及びＣ３〜Ｃ６アルコールを含む気相を前記発酵培地から蒸留する工程；
ｃ．前記気相中のＣ３〜Ｃ６アルコールを反応させて、前記生成物を形成する工程
を含む、方法。
【請求項５】
発酵培地中で微生物を培養し、前記Ｃ３〜Ｃ６アルコール及びガスを生成する工程；及び
前記水リッチ液相の少なくとも一部を前記発酵培地に誘導する工程
をさらに含み、
前記Ｃ３〜Ｃ６アルコールの活性を増加する工程又は前記水の活性を低減する工程が、前記発酵培地の一部を蒸留して、水及びＣ３〜Ｃ６アルコールを含む気相及び液相を生成する工程をさらに含む、
請求項１に記載の方法。
【請求項６】
第１の量のＣ３〜Ｃ６アルコール及びガスを含む希釈水溶液からＣ３〜Ｃ６アルコールを回収する方法であって、
ａ．前記希釈水溶液から前記ガスの少なくとも一部を除去する工程；
ｂ．前記希釈水溶液の一部をＣ３〜Ｃ６アルコール及び水を含む気相に蒸留する工程であって、前記気相が、約１重量％〜約４５重量％の前記希釈水溶液の一部由来の前記第１の量のＣ３〜Ｃ６アルコールを含む工程；及び
ｃ．前記気相を濃縮する工程
を含む、方法。
【請求項７】
Ｃ３〜Ｃ６アルコールを生成するために予備処理ユニット、複数発酵ユニット、及びビアスティルを含む改装エタノール生成プラントを操作する方法であって、
ａ．前記予備処理ユニットで、供給原料を予備処理して、発酵可能な糖を形成する工程；
ｂ．第１の発酵ユニットで、前記発酵可能な糖を含む発酵培地中で微生物を培養して、前記Ｃ３〜Ｃ６アルコールを生成する工程；
ｃ．前記発酵培地から前記ガスの少なくとも一部を除去する工程；
ｄ．前記Ｃ３〜Ｃ６アルコールを含む前記発酵培地の一部を処理して、前記Ｃ３〜Ｃ６アルコールの一部を除去する工程；
ｅ．前記処理した発酵培地の一部を前記第１の発酵ユニットに戻す工程；
ｆ．前記発酵培地を前記第１の発酵ユニットから前記ビアスティルに移す工程
を含む、方法。
【請求項８】
前記ガスが、二酸化炭素を含む、請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
前記二酸化炭素の少なくとも約３０％が、前記除去工程中に除去される、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記二酸化炭素の少なくとも約７５％が、前記除去工程中に除去される、請求項８に記載の方法。
【請求項１１】
前記二酸化炭素の少なくとも約８５％が、前記除去工程中に除去される、請求項８に記載の方法。
【請求項１２】
前記二酸化炭素の少なくとも約９０％が、前記除去工程中に除去される、請求項８に記載の方法。
【請求項１３】
前記除去工程が、加熱、大気圧以下への減圧、吸着、及びそれらの組み合わせからなる群から選択される工程を含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１４】
前記除去工程が、約１ｐｓｉａ〜約１０ｐｓｉａの圧力に減圧する工程を含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１５】
前記除去工程が、約２ｐｓｉａ〜約５ｐｓｉａに圧力に減圧する工程を含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記除去された二酸化炭素が、ｐＨ調整のために発酵ユニットに誘導され、通気され、又はそれらの組み合わせがなされる、請求項８に記載の方法。
【請求項１７】
前記ガスを処理して前記Ｃ３〜Ｃ６アルコールを除去する工程、及び前記ガスを通気する工程をさらに含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１８】
前記発酵培地又は前記希釈水溶液から少なくとも１つの不純物を除去する工程をさらに含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１９】
前記少なくとも１つの不純物が、エタノール、酢酸、プロパノール、フェニルエチルアルコール、及びイソペンタノールからなる群から選択される、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
水溶液中のＣ３〜Ｃ６アルコール濃度を増加する方法であって、
ａ．前記Ｃ３〜Ｃ６アルコールを含む水溶液の第１ストリームを容器に導入する工程；
ｂ．前記Ｃ３〜Ｃ６アルコールを含む水溶液の前記第１ストリームを減圧し、前記Ｃ３〜Ｃ６アルコールを含む蒸気を形成する工程；
ｃ．前記Ｃ３〜Ｃ６アルコールを含む前記蒸気を前記Ｃ３〜Ｃ６アルコールを含む溶液と接触させて、前記Ｃ３〜Ｃ６アルコールの濃縮された蒸気を含む濃縮物を形成する工程であって、前記濃縮物中の前記Ｃ３〜Ｃ６アルコール濃度が、前記水溶液の第１ストリーム中の前記Ｃ３〜Ｃ６アルコール濃度より大きい工程
を含む、方法。
【請求項２１】
微生物及びＣ３〜Ｃ６アルコールを含む発酵培地からＣ３〜Ｃ６アルコールを回収する方法であって、
ａ．前記発酵培地の一部中の前記Ｃ３〜Ｃ６アルコールの活性を、少なくとも、前記一部中の前記Ｃ３〜Ｃ６アルコールの飽和の該活性に増加し、前記Ｃ３〜Ｃ６アルコールを含む蒸気を形成する工程、又は前記発酵培地の一部中の前記水の活性を、少なくとも、前記一部中の前記Ｃ３〜Ｃ６アルコールの飽和の該活性に低減し、前記Ｃ３〜Ｃ６アルコールを含む蒸気を形成する工程；
ｂ．前記Ｃ３〜Ｃ６アルコールを含む蒸気を前記Ｃ３〜Ｃ６アルコールを含む溶液と接触させることにより、前記Ｃ３〜Ｃ６アルコール蒸気を濃縮する工程；
ｃ．前記濃縮された蒸気からＣ３〜Ｃ６アルコールリッチ液相及び水リッチ液相を形成する工程；及び
ｄ．前記水リッチ相から前記Ｃ３〜Ｃ６アルコールリッチ相を分離する工程
を含む、方法。
【請求項２２】
前記発酵培地で微生物培養して、前記Ｃ３〜Ｃ６アルコールを生成する工程；
前記水リッチ相の少なくとも一部を前記発酵培地に誘導する工程
をさらに含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
多糖類及び少なくとも１つの他の化合物を含む供給原料を加水分解して、発酵可能な加水分解生成物を生成する工程；
前記発酵培地中で前記発酵可能な加水分解生成物の少なくとも一部を発酵して、前記Ｃ３〜Ｃ６アルコールを生成する工程であって、前記発酵培地が、少なくとも１つの発酵されていない化合物をさらに含む工程；
前記発酵培地、又は前記水リッチ相、又は両方から前記少なくとも１つの発酵されていない化合物を分離する工程
をさらに含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項２４】
Ｃ３〜Ｃ６アルコールを生成する方法であって、
ａ．発酵培地中で微生物を培養して、前記Ｃ３〜Ｃ６アルコールを生成する工程；
ｂ．前記発酵培地の一部中の前記Ｃ３〜Ｃ６アルコールの活性を増加する工程；
ｃ．前記発酵培地の前記一部を蒸留し、水及び前記Ｃ３〜Ｃ６アルコールを含む気相及び液相を形成する工程；
ｄ．前記気相を前記Ｃ３〜Ｃ６アルコールを含む溶液と接触させることにより、前記気相を濃縮する工程；
ｅ．前記液相を前記発酵培地に誘導する工程
を含む、方法。
【請求項２５】
第１の量のＣ３〜Ｃ６アルコールを含む希釈水溶液からＣ３〜Ｃ６アルコールを回収する方法であって、
ａ．前記希釈水溶液の一部を蒸留して、前記Ｃ３〜Ｃ６アルコール及び水を含む気相を形成する工程であって、前記気相が、前約１重量％〜約４５重量％の前記希釈水溶液の一部由来の前記第１の量のＣ３〜Ｃ６アルコールを含む工程；及び
ｂ．前記Ｃ３〜Ｃ６アルコールを含む溶液と接触させることにより、前記気相を濃縮する工程
を含む、方法。
【請求項２６】
前記Ｃ３〜Ｃ６アルコールを含む前記溶液が、前記Ｃ３〜Ｃ６アルコールを含む前記蒸気に噴霧される、請求項２０〜２５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２７】
前記Ｃ３〜Ｃ６アルコールを含む前記溶液が、前記Ｃ３〜Ｃ６アルコールの濃縮物を含む、請求項２０〜２５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２８】
前記濃縮物が、前記Ｃ３〜Ｃ６アルコール蒸気との接触前に冷却される、請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
前記蒸気又は気相を形成する工程、及び前記蒸気又は気相を濃縮する工程が、単一容器中で行われる、請求項２０〜２５のいずれか１項に記載の方法、
【請求項３０】
前記容器が、第１及び第２の流体含有部分を画定するウェアーを含み、前記第１の流体含有部分が、微生物及び前記Ｃ３〜Ｃ６アルコールを含む前記水溶液又は前記発酵培地を受容するように適合され、前記第２の流体含有部分が、前記濃縮された蒸気を受容するように適合される、請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】
前記第１の流体含有部分が、微生物及び前記Ｃ３〜Ｃ６アルコールを含む前記水溶液又は前記発酵培地を前記第１の流体含有部分に誘導するための導管、及び微生物及び前記Ｃ３〜Ｃ６アルコールを含む前記水溶液又は前記発酵培地を前記第１の流体含有部分から誘導するための導管を含み、前記第１の流体含有部分の外に誘導された前記水溶液又は前記発酵培地中の前記Ｃ３〜Ｃ６アルコールの含有量が、前記第１の流体含有部分に誘導された前記水溶液又は前記発酵培地の前記含有量よりも低い、請求項３０に記載の方法。
【請求項３２】
前記第２の流体含有部分が、前記濃縮された蒸気を前記第２の流体含有部分の外に誘導するための導管を含む、請求項３０に記載の方法。
【請求項３３】
水溶液中のＣ３〜Ｃ６アルコールの濃度を増加するためのフラッシュタンク／直接接触濃縮器システムであって、
ａ．容器；
ｂ．前記Ｃ３〜Ｃ６アルコールを含む水溶液のストリームを前記容器に導入するための手段；
ｃ．前記Ｃ３〜Ｃ６アルコールを含む前記水溶液のストリームを減圧し、前記Ｃ３〜Ｃ６アルコールを含む蒸気を形成するための手段；
ｄ．前記Ｃ３〜Ｃ６アルコールを含む前記蒸気を前記Ｃ３〜Ｃ６アルコールを含む溶液と接触させて、前記Ｃ３〜Ｃ６アルコールの濃縮された蒸気を含む濃縮物を形成するための手段であって、前記濃縮物中の前記Ｃ３〜Ｃ６アルコール濃度が、前記水溶液の第１ストリーム中の前記Ｃ３〜Ｃ６アルコール濃度より大きい手段
を含む、フラッシュタンク／直接接触濃縮器システム。
【請求項３４】
前記容器が、ウェアーによって分離された２つの液体含有区画又は部分を含み、前記ウェアーが、前記容器の底部で前記区画又は部分を分ける、請求項３３に記載のフラッシュタンク／直接接触濃縮器システム。
【請求項３５】
前記手段（ｃ）が、真空を生じさせるための手段を含む、請求項３４に記載のフラッシュタンク／直接接触濃縮器システム、
【請求項３６】
前記手段（ｄ）が、スプレーノズルを含む、請求項３４に記載のフラッシュタンク／直接接触濃縮器システム。
【請求項３７】
微生物及びＣ３〜Ｃ６アルコールを含む発酵培地からＣ３〜Ｃ６アルコールを回収する方法であって、
ａ．ガスを前記発酵培地に導入し、前記Ｃ３〜Ｃ６アルコールの一部を前記ガスに移す工程；
ｂ．前記ガスを前記発酵培地から回収ユニットに誘導する工程；及び
ｃ．前記ガスから前記Ｃ３〜Ｃ６アルコールを回収する工程
を含む、方法。
【請求項３８】
ｄ．前記発酵培地の一部中の前記Ｃ３〜Ｃ６アルコールの活性を、少なくとも、前記一部中の前記Ｃ３〜Ｃ６アルコールの飽和の該活性に増加する工程、又は前記発酵培地の一部中の前記水の活性を、少なくとも、前記一部中の前記Ｃ３〜Ｃ６アルコールの飽和の該活性に低減する工程；
ｅ．前記発酵培地の一部からＣ３〜Ｃ６アルコールリッチ液相及び水リッチ液相を形成する工程；及び
ｆ．前記水リッチ相から前記Ｃ３〜Ｃ６アルコールリッチ相を分離する工程
をさらに含む、請求項３７に記載の方法。
【請求項３９】
発酵培地中で微生物を培養し、前記Ｃ３〜Ｃ６アルコールを生成する工程；及び
前記水リッチ相を前記発酵培地に誘導する工程
をさらに含む、請求項３８に記載の方法。
【請求項４０】
多糖類及び少なくとも１つの他の化合物を含む供給原料を加水分解して、発酵可能な加水分解生成物を生成する工程；
発酵培地中で前記発酵可能な加水分解生成物の少なくとも一部を発酵して、前記Ｃ３〜Ｃ６アルコールを生成する工程であって、前記発酵培地が、少なくとも１つの発酵されていない化合物をさらに含む工程；
前記発酵培地、前記水リッチ相、又は両方から前記少なくとも１つの発酵されていない化合物を分離する工程
をさらに含む、請求項３８に記載の方法。
【請求項４１】
水及び前記Ｃ３〜Ｃ６アルコールを含む気相を蒸留する工程；
前記気相中で前記Ｃ３〜Ｃ６アルコールを反応させて、生成物を形成する工程
をさらに含む、請求項３７に記載の方法。
【請求項４２】
発酵培地中で微生物を培養し、前記Ｃ３〜Ｃ６アルコールを生成する工程；
前記発酵培地の一部中の前記Ｃ３〜Ｃ６アルコールの活性を増加する工程；
前記発酵培地の前記一部を蒸留し、水及び前記Ｃ３〜Ｃ６アルコールを含む気相及び液相を生成する工程；
前記液相を前記発酵培地に誘導する工程
をさらに含む、請求項３７に記載の方法。
【請求項４３】
前記希釈水溶液の一部をＣ３〜Ｃ６アルコール及び水を含む気相に蒸留する工程；
前記気相が、約１重量％〜約４５重量％の前記希釈水溶液の一部由来の前記第１の量Ｃ３〜Ｃ６アルコールを含む工程；及び
前記気相を濃縮する工程
を含む、請求項３７に記載の方法。
【請求項４４】
Ｃ３〜Ｃ６アルコールを生成するために予備処理ユニット、複数発酵ユニット、及びビアスティルを含む改装エタノール生成プラントを操作する方法であって、
ａ．前記予備処理ユニットで、供給原料予備処理して、発酵可能な糖を形成する工程；
ｂ．発酵ユニットで、前記発酵可能な糖を含む発酵培地中で微生物を培養し、前記Ｃ３〜Ｃ６アルコールを生成する工程；
ｃ．ガスを前記発酵培地に導入し、前記Ｃ３〜Ｃ６アルコールの一部を前記ガスに移す工程；
ｄ．前記ガスを前記発酵培地から回収ユニットに誘導する工程；
ｅ．前記ガスから前記Ｃ３〜Ｃ６アルコールを回収する工程；
ｆ．前記Ｃ３〜Ｃ６アルコールを含む前記発酵培地の一部を処理して、前記Ｃ３〜Ｃ６アルコールの一部を除去する工程；
ｇ．前記処理した発酵培地の一部を前記発酵ユニットに戻す工程；
ｈ．前記発酵培地を前記発酵ユニットから前記ビアスティルに移す工程
を含む、方法。
【請求項４５】
前記Ｃ３〜Ｃ６アルコールの少なくとも約５０％が、前記ガスから回収される、請求項３７−４４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項４６】
前記Ｃ３〜Ｃ６アルコールの少なくとも約７０％が、前記ガスから回収される、請求項３７−４４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項４７】
前記Ｃ３〜Ｃ６アルコールの少なくとも約８５％が、前記ガスから回収される、請求項３７−４４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項４８】
前記Ｃ３〜Ｃ６アルコールの少なくとも約９０％が、前記ガスから回収される、請求項３７−４４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項４９】
Ｃ３〜Ｃ６アルコールを生成する方法であって、
ａ．発酵培地中で微生物を培養し、前記微生物を成長させる工程；
ｂ．前記発酵培地中で前記微生物を培養し、前記Ｃ３〜Ｃ６アルコールを生成する工程；
ｃ．前記培養工程中に前記発酵培地から前記Ｃ３〜Ｃ６アルコールを回収する工程；及び
ｄ．（ｂ）工程中、酸素を含むガスを１時間あたり発酵培地１リットルあたり約２０モル未満の酸素の酸素移動速度（ＯＴＲ）で前記発酵培地に導入する工程
を含む、方法。
【請求項５０】
前記導入工程が、（ｂ）工程中、酸素を含むガスを１時間あたり発酵培地１リットルあたり約１０モル未満の酸素のＯＴＲで前記発酵培地中に導入する工程を含む、請求項４９に記載の方法。
【請求項５１】
前記導入工程が、（ｂ）工程中、酸素を含むガスを１時間あたり発酵培地１リットルあたり約０．１〜約５モルの酸素のＯＴＲで前記発酵培地中に導入する工程を含む、請求項４９に記載の方法。
【請求項５２】
前記発酵培地から前記Ｃ３〜Ｃ６アルコールを回収する工程が、
前記発酵培地の一部中の前記Ｃ３〜Ｃ６アルコールの活性を、少なくとも、前記一部中の前記Ｃ３〜Ｃ６アルコールの飽和の該活性に増加する工程、又は前記発酵培地の一部中の水の活性を、少なくとも、前記一部中の前記Ｃ３〜Ｃ６アルコールの飽和の該活性に低減する工程；
前記発酵培地の前記一部からＣ３〜Ｃ６アルコールリッチ液相及び水リッチ液相を形成する工程；
前記水リッチ相から前記Ｃ３〜Ｃ６アルコールリッチ相を分離する工程
を含む、請求項４９に記載の方法。
【請求項５３】
前記水リッチ相を前記発酵培地に誘導する工程をさらに含む、請求項５２に記載の方法。
【請求項５４】
前記発酵培地から水及びＣ３〜Ｃ６アルコールを含む気相を蒸留する工程；
前記気相中の前記Ｃ３〜Ｃ６アルコールを反応させて、生成物を形成する工程
をさらに含む、請求項４９又は５０に記載の方法。
【請求項５５】
Ｃ３〜Ｃ６アルコールを生成する方法であって、
ａ．発酵培地中で微生物を培養し、前記Ｃ３〜Ｃ６アルコールを生成する工程；
ｂ．（ａ）工程中、酸素を含むガスを１リットルあたり発酵培地１時間あたり約２０モル未満の酸素の酸素移動速度（ＯＴＲ）で前記発酵培地中に導入する工程；
ｃ．前記発酵培地の一部中の前記Ｃ３〜Ｃ６アルコールの活性を増加する工程；
ｄ．前記発酵培地の前記一部を蒸留し、水及びＣ３〜Ｃ６アルコールを含む気相及び液相を生成する工程；及び
ｅ．前記液相を前記発酵培地に誘導する工程
を含む、方法。
【請求項５６】
Ｃ３〜Ｃ６アルコールを生成するために予備処理ユニット、複数発酵ユニット、及びビアスティルを含む改装エタノール生成プラントを操作する方法であって、
ａ．前記予備処理ユニットで、供給原料を予備処理し、発酵可能な糖を形成する工程；
ｂ．第１の発酵ユニットで前記発酵可能な糖を含む発酵培地中で微生物を培養し、前記微生物を成長させる工程；
ｃ．第１の発酵ユニットで、前記発酵可能な糖を含む前記発酵培地中で前記微生物を培養し、前記Ｃ３〜Ｃ６アルコールを生成する工程；
ｄ．（ｃ）工程中に、酸素を含むガスを１時間あたり発酵培地１リットルあたり約２０モル未満の酸素の酸素移動速度（ＯＴＲ）で前記発酵培地中に導入する工程；
ｅ．前記Ｃ３〜Ｃ６アルコールを含む前記発酵培地の一部を処理し、前記Ｃ３〜Ｃ６アルコールの一部を除去する工程；
ｆ．前記処理した前記発酵培地の一部を前記発酵ユニットに戻す工程；及び
ｇ．前記発酵ユニットから前記ビアスティルに前記発酵培地を移す工程
を含む、方法。
【請求項５７】
前記Ｃ３〜Ｃ６アルコールを生成する前記工程が、嫌気性である、請求項４９、５５、又は５６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５８】
大気圧未満の圧力で操作される複数ユニット操作を含む、Ｃ３〜Ｃ６アルコールを生成及び回収する方法を操作する方法であって、
ａ．第１のユニット操作で、蒸気を第１の排出装置中に導入し、大気圧未満の圧力を生じさせる工程；及び
ｂ．第２のユニット操作で、蒸気を前記第１の排出装置から第２の排出装置に誘導し、大気圧未満の圧力を生じさせる工程
を含む、方法。
【請求項５９】
前記複数ユニット操作が、水再利用、第１の効用蒸発器、第２の効用蒸発器、ビアスティル、サイドストリッパー、及び精留塔からなる群から選択されるユニット操作を含む、請求項５７に記載の方法。
【請求項６０】
前記第１及び第２のユニット操作が同じである、請求項５７に記載の方法。
【請求項６１】
前記第１及び第２のユニット操作が異なる、請求項５７に記載の方法。
【請求項６２】
Ｃ３〜Ｃ６アルコールを生成する微生物を高細胞密度に培養する方法であって、発酵培地中で前記微生物を成長させる工程、及び前記成長工程中に前記発酵培地から及び前記Ｃ３〜Ｃ６アルコールを回収する工程を含み、前記微生物が、１リットルあたり約５ｇ〜１リットルあたり約１５０ｇの乾燥重量の範囲の細胞密度に達する、方法。
【請求項６３】
Ｃ３〜Ｃ６アルコールを生成する方法であって、発酵培地中で前記Ｃ３〜Ｃ６アルコールを生成する微生物を培養して前記Ｃ３〜Ｃ６アルコールを生成する工程、及び前記発酵培地から前記Ｃ３〜Ｃ６アルコールを回収する工程を含み、前記Ｃ３〜Ｃ６アルコールの生成が、１時間あたり１リットルあたり少なくとも約１ｇの速度である、方法。
【請求項６４】
前記前記Ｃ３〜Ｃ６アルコールの生成が、１時間あたり１リットルあたり少なくとも約２ｇの速度である、請求項６３に記載の方法。
【請求項６５】
前記Ｃ３〜Ｃ６アルコールが、ブタノールである、請求項６４に記載の方法。
【請求項６６】
前記Ｃ３〜Ｃ６アルコールが、イソブタノールである、請求項６４に記載の方法。
【請求項６７】
第１の温度（Ｔｌ）で希釈水溶液からＣ３〜Ｃ６アルコールを回収する方法であって、
ａ．前記希釈水溶液から水及びＣ３〜Ｃ６アルコールを含む気相を蒸留する工程；
ｂ．第２の温度（Ｔ２）で前記気相を水性冷却液とともに濃縮する工程；
ｃ． 前記気相の温度が第３の温度（Ｔ３）となるように、前記蒸留工程の圧力、Ｔｌ、及び前記Ｃ３〜Ｃ６アルコールの力価を制御する工程であって、Ｔ３及びＴ２の間の差が少なくとも約１℃である工程
を含む、方法。
【請求項６８】
前記Ｔ３及びＴ２の間の差が、少なくとも約５℃である、請求項６７に記載の方法。
【請求項６９】
記Ｔ３及びＴ２の間の差が、少なくとも約１０℃である、請求項６７に記載の方法。
【請求項７０】
Ｔ２が、約３０℃未満である、請求項６７に記載の方法。
【請求項７１】
前記第２の温度（Ｔ２）での水性冷却液が、蒸発冷却により生成される、請求項６７に記載の方法。
【請求項７２】
濃縮された気相の一部が、前記水性冷却液として用いられる、請求項６７に記載の方法。
【請求項７３】
前記濃縮された気相からＣ３〜Ｃ６アルコールリッチ液相及び水リッチ液相を形成する工程をさらに含む、請求項６７に記載の方法。
【請求項７４】
前記Ｃ３〜Ｃ６アルコールリッチ相と前記水リッチ相とを分離する工程をさらに含む、請求項７３に記載の方法。
【請求項７５】
前記気相が、約２重量％〜約４０重量％の前記希釈水溶液由来の前記Ｃ３〜Ｃ６アルコールを含む、請求項６７に記載の方法。
【請求項７６】
前記蒸留工程が、断熱性である、請求項６７に記載の方法。
【請求項７７】
前記蒸留工程が、等温性である、請求項６７に記載の方法。
【請求項７８】
前記希釈水溶液が、微生物を含む発酵培地を含み、
前記発酵培地中で前記微生物を培養し、前記Ｃ３〜Ｃ６アルコールを生成する工程；及び
前記水リッチ相を発酵培地に誘導する工程
をさらに含む、請求項６７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（発明の分野）
本発明は、一般に、発酵ブロスなどの希釈水溶液からのＣ３〜Ｃ６アルコールの回収方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
（発明の背景）
バイオ燃料は、２０世紀初めまで遡る非常に長い歴史を有する。１９００年代初期に、Ｒｕｄｏｌｆ  Ｄｉｅｓｅｌは、フランス・パリの万国博覧会において、エンジンがラッカセイ油で動くことを示した。その後間もなく、Ｈｅｎｒｙ  Ｆｏｒｄは、彼のモデルＴがトウモロコシから得られたエタノールで動くことを示した。１９３０年代及び１９４０年代に、供給増加及びより低いコストでの効率性から、石油由来の燃料がバイオ燃料に置き換わった。
【０００３】
米国での原油生産の減少に加えて、アラブ原油禁輸措置及びイラン革命に起因する１９７０年代の市場変動により、原油価格は上昇し、バイオ燃料に再び興味が移った。今日、政策立案者、産業立案者、事情に通じた市民、及び金融界を含む多くの利益団体が石油由来の燃料をバイオマス由来のバイオ燃料に置き換えることに関心を持っている。バイオ燃料開発の主な動機付けは、経済性、すなわち、「ピーク・オイル（peak oil）」の恐れであり、この時点では、原油の消費速度が供給速度を上回り、よって燃料コストが著しく増加するその結果、代替燃料に対する要求が高まる。
【０００４】
バイオ燃料は、現地農業供給源を用いて比較的小さな多数の設備で生産される傾向にあり、石油に関する地理的な問題と独立して、安定かつ安全な燃料供給として見られている。同時に、バイオ燃料は国民経済の農業部門を促進する。さらに、化石供給源の燃料は再生に数億年かかり、使用すると大気中の二酸化炭素レベルが増加し、気候の変化が懸念されるので、持続性が重要な社会的かつ倫理的な推進力であり、これは自動車からの二酸化炭素発生の抑制、二酸化炭素発生に対する税金、及びバイオ燃料使用に対する税金上の優遇措置などの政府規制及び政策をもたらすことになり始めている。
【０００５】
バイオ燃料が受け入れられるかは、主に、石油由来の燃料と比較したバイオ燃料の経済的な競争に依る。石油由来の燃料とコスト競合し得ないバイオ燃料は、特定の用途やニッチな市場に限定されるであろう。今日、バイオ燃料の使用はエタノール及びバイオディーゼルに限られる。現在、エタノールは、米国ではトウモロコシから、ブラジルではサトウキビから、さらに世界中で他の穀物から発酵によって作られている。原油が１バレルあたり５０米ドルを上回っている場合、エタノールは、助成費又は税金の利益を除いて、石油由来のガソリンと競争できる。バイオディーゼル（Biodiesel）は、石油をベースとするディーゼルと競合するために、１バレル６０米ドル超の原油の損益分岐価格を有する（Nexant Chem Systems, 2006, Final Report, Liquid Biofuels: Substituting for Petroleum, White Plains, New York）。
【０００６】
いくつかの要因が、炭水化物をベースとするバイオ燃料源のコアの運転コストに影響を与える。さらに、炭素を含有するプラント生成原料のコストに加えて、エタノール又はブタノールなどの他の可能なアルコールベースとするバイオ燃料の生産物経済コストにおける重要な要因は、水性ストリームからのバイオ燃料の回収及び精製である。水性ベースの発酵培地からアルコールを経済的に除去するための多くの技術的手法が開発されている。今日最も広く用いられている回収技術では、蒸留及びモレキュラーシーブ乾燥を用いてエタノールを生成する。たとえば、クロストリジウム属（Clostridia）に基づくアセトン−ブタノール−エタノール発酵によるブタノール生成も、生成物の回収及び精製には蒸留に頼っている。水溶液からの蒸留は、エネルギー集約的である。エタノールについては、エタノール／水共沸物を破壊するための追加の加工処理設備が必要である。この設備やモレキュラーシーブはまた著しいエネルギー量を用いる。
【０００７】
濾過、液体／液体抽出、膜分離（例えば、タンジェンシャルフロー濾過、浸透気化法、及び透過抽出（perstraction））、ガスストリッピング、溶液の「塩析」、及び吸着を含む、発酵で生成されたアルコールを回収及び精製するための多数のユニット操作が研究されている。各手法は、回収される生成物の環境及び生成物の物理的及び化学的特性、及びそれが存在するマトリックスに依存する利点及び欠点を有する。
【０００８】
バイオ燃料の生産コストを制御する変動因子は、操作コスト(operating costs)、資本コスト、又は両方に影響を与えるものと特徴づけることができる。典型的には、発酵の経済的効果を制御する重要な変動要因は、所望の生成物に対する炭水化物収率、生成物濃度、及び体積生産性を含む。３つの重要な変動要因子である収率、生成物濃度、及び体積生産性はすべて、資本コスト及び操作コストの両方に影響を及ぼす。
【０００９】
発酵した炭水化物に対する生成物収率が増大するに従い、所与のユニットの生成物の生成コストは原材料コストに対して直線的に低下する。炭水化物に対する生成物収率も、設備のサイズ、資本的支出、用役（utilities）消費、及び酵素、ミネラル、栄養分（ビタミン）、及び水などの供給原料調製の材料に影響を与える。たとえば、グルコースからブタノールへの理論値の５０％から９０％への生成物収率の増大により、直接的操作コストについて４４％の低下をもたらす。また、９０％の増大した収率は、取り扱い且つ加工処理する原料の量を低下させる。精製及び回収による炭水化物調製からのすべての設備についてサイズが小さくなるので、収率の増大は生成設備に必要な資本投資を直接的に低下させる。収率が５０％から９０％に増大した場合、設備、導管、及び用役の所要量は、３２％低下することができる。生成コストに対する生成物収率の直接的な影響は、バイオ燃料のコスト及び市場存続性に重要な影響を与える。生成物収率を増大するための手法は、遺伝子組み換え微生物（ＧＥＭ）を用いることであり、これは、生物の代謝経路を操作し、不要な生成物を低減するか無くし、又は所望の代謝物の効率を増大させ、あるいはその両方であるように構築することができる。これにより、低コストの生成物及び不要な生成物の一方又は両方を取り除くことが可能となり、所望の生成物の生成を増大させる。
【００１０】
たとえば、米国特許出願公開第２００５００８９９７９号は、クロストリジウム・ベエイジェリンキー（Clostridium beijerinckii）微生物を利用した発酵プロセスを開示し、該微生物は、５．３ｇ／Ｌアセトン、１１．８ｇ／Ｌブタノール、及び０．５ｇ／Ｌエタノールを含む生成物混合物を生成する。適切に改変された遺伝子組み換え微生物では、アセトン及びエタノールの生成が無くなる一方、炭水化物のブタノールへの変換が増大する。エタノール及びアセトンからブタノールへ炭水化物供給原料の方向を変えることにより、ブタノール生成が１１．８ｇ／Ｌから１８．９ｇ／Ｌに増大し、炭水化物消費に対するブタノール生成が６０％増大する。エタノール及びアセトンの副生成物を無くすことにより、回収及び精製の実施にはより小さな設備が必要とされるので、資本コストの低下が可能となる。
【００１１】
遺伝子工学及び古典的な株の開発を含む生物化学ツールの適用も、最終生成物濃度（ｇ／Ｌ）及び生物触媒の発酵体積生産性（ｇ／Ｌ−時）に影響を与え得る。最終生成物濃度及び体積生産性は、設備のサイズ、原材料の使用、及び用役コストを含む生成物の経済性のある態様に影響を与える。耐性（tolerable）生成物の濃度は発酵において増大するので、水溶液の回収体積が減り、これにより、資本コストが低下し、生成設備内で加工処理するための材料の体積がより小さくなる。
【００１２】
体積生産性は、同じ生成物出力を得るために必要とされる発酵槽の能力に直接に影響を与える。たとえば、慣用的なクロストリジウム・ベエイジェリンキー（Clostridium beijerinckii）によるアセトン−ブタノール−エタノール（ＡＢＥ）発酵により、ある割合のアセトン、ブタノール、及びエタノールが生成される。遺伝子組み換え微生物により、ｎ−ブタノール、イソブタノール、又は２−ブタノールなどの単一生成物の生成の設計が可能となる（Ｄｏｎａｌｄｓｏｎら、米国特許出願第１１／５８６，３１５号）。ブタノール耐性である宿主は、ブタノール耐性を同定及び促進するための技術を用いて同定することができる（Ｂｒａｍｕｃｃｉら、米国特許出願第１１／７４３，２２０号）。次いで、これらの２つの技術を合わせ、商業上関係する濃度及び体積生産性でブタノールを生成することができる。
【００１３】
生成物の体積生産性及び濃度を増大するためにＧＥＭを利用することは、生成物の経済性に強く影響を与え得る。たとえば、２倍の体積生産性で企図されるブタノール発酵は、大きな産業用バイオ燃料発酵設備に対して発酵槽コストをほぼ５０％下げる。発酵槽の資本コスト及びサイズの低減は、設備の目減り及び操作コストを低下させる。同様に、ＧＥＭがより高濃度のブタノールに対して耐性である生物となった場合、所定の生成体積に対して操作コスト及び資本コストが低下する。たとえば、野生型株が２０ｇ／Ｌブタノールに耐性であり、対応する遺伝子改良された微生物又は遺伝的に促進された微生物が４０グラム／Ｌのブタノールに耐性である場合、下流の回収及び精製装置で扱う発酵ブロス体積中の水の充填量は半分低下する。この例では、発酵ブロス中の生成物の濃度を倍にすることにより、回収ユニット操作で回収及び加工処理するための水の量がほぼ半分になる。
【００１４】
多数の小さなコスト要因も、バイオ燃料生成用の操作コスト及び資本コストに影響を与える。限定するものではないが、化学添加剤、ｐＨ調整剤、界面活性剤、及び汚染を含む、発酵に影響を与え得る例示の要因がある要因であるが、多くの追加の要因が発酵生成コストに影響を与え得る。
【発明の概要】
【００１５】
（発明の概要）
本発明は、発酵ブロスなどの希釈水溶液からＣ３〜Ｃ６アルコールを回収する方法、並びに関連するシステム及び方法を記載する。
【００１６】
一実施態様において、本発明は、微生物、ガス、及びＣ３〜Ｃ６アルコールを含む発酵培地からＣ３〜Ｃ６アルコールを回収する方法であって、発酵培地からガスの少なくとも一部を除去する工程；発酵培地の一部中のＣ３〜Ｃ６アルコールの活性を、少なくとも、該一部中のＣ３〜Ｃ６アルコールの飽和の該活性に増加する工程、又は発酵培地の一部中の水の活性を、少なくとも、該一部中のＣ３〜Ｃ６アルコールの飽和の該活性に低減する工程；発酵培地の該一部からＣ３〜Ｃ６アルコールリッチ液相及び水リッチ液相を形成する工程；及び水リッチ相からＣ３〜Ｃ６アルコールリッチ相を分離する工程を含む方法を提供する。
【００１７】
該方法は、発酵培地中で微生物を培養し、Ｃ３〜Ｃ６アルコール及びガスを生成する工程；及び水リッチ相の少なくとも一部を発酵培地に誘導する工程をさらに含むことができる。
【００１８】
該方法は、多糖類及び少なくとも１つの他の化合物を含む供給原料を加水分解し、発酵可能な加水分解生成物を生成する工程；発酵培地中で発酵可能な加水分解生成物の少なくとも一部を発酵し、Ｃ３〜Ｃ６アルコール及びガスを生成する工程であって、発酵培地は、少なくとも１つの発酵されていない化合物をさらに含む工程；及び発酵培地、又は水リッチ相、又は両方から少なくとも１つの発酵されていない化合物を分離する工程をさらに含むことができる。
【００１９】
他の実施態様において、本発明は、微生物、ガス及びＣ３〜Ｃ６アルコールを含む発酵培地中でＣ３〜Ｃ６アルコール由来の生成物を生成する方法であって、ガスの少なくとも一部を発酵培地から除去する工程；発酵培地から水及びＣ３〜Ｃ６アルコールを含む気相を蒸留する工程；気相中でＣ３〜Ｃ６アルコールを反応させて、生成物を形成する工程を含む方法を提供する。
【００２０】
請求項１に記載の方法は、発酵培地中で微生物を培養し、Ｃ３〜Ｃ６アルコール及びガスを生成する工程；水リッチ液相の少なくともの一部を発酵培地に誘導する工程をさらに含み、Ｃ３〜Ｃ６アルコールの活性を増加する工程又は水の活性を低減する工程は、発酵培地の一部を蒸留して、水及びＣ３〜Ｃ６アルコールを含む気相及び液相を生成する工程をさらに含む。
【００２１】
他の実施態様において、本発明は、第１の量のＣ３〜Ｃ６アルコール及びガスを含む希釈水溶液からＣ３〜Ｃ６アルコールを回収する方法であって、希釈水溶液からガスの少なくとも一部を除去する工程；希釈水溶液の一部をＣ３〜Ｃ６アルコール及び水を含む気相に蒸留する工程であって、気相は、約１重量％〜約４５重量％の希釈水溶液の一部由来の第１の量のＣ３〜Ｃ６アルコールを含む工程；及び気相を濃縮する工程を含む、方法を提供する
【００２２】
他の実施態様において、本発明は、Ｃ３〜Ｃ６アルコールを生成するために予備処理ユニット、複数発酵ユニット、及びビアスティルを含む改装エタノール生成プラントを操作する方法であって、予備処理ユニットで供給原料を予備処理し、発酵可能な糖を形成する工程；第１の発酵ユニットで発酵可能な糖を含む発酵培地中で微生物を培養し、Ｃ３〜Ｃ６アルコールを生成する工程；発酵培地からガスの少なくとも一部を除去する工程；Ｃ３〜Ｃ６アルコールを含む発酵培地の一部を処理して、Ｃ３〜Ｃ６アルコールの一部を除去する工程；処理した発酵培地の一部を第１の発酵ユニットに戻す工程；第１の発酵ユニットからビアスティルに発酵培地を移す工程を含む方法を提供する。
【００２３】
ある実施態様において、ガスの１つは二酸化炭素であり、様々な実施態様において、希釈水溶液又は発酵ブロスからガスの少なくとも一部を除去する工程中、少なくとも約３０％、少なくとも約３５％、少なくとも約４０％、少なくとも約４５％、少なくとも約５０％、少なくとも約５５％、少なくとも約６０％、少なくとも約６５％、少なくとも約７０％、少なくとも約７５％、少なくとも約８０％、少なくとも約８５％、少なくとも約９０％、又は少なくとも約９５％の二酸化炭素を除去する。
【００２４】
該方法は、除去工程において、加熱、大気圧以下への減圧、吸着、及びそれらの組み合わせからなる群から選択される工程をさらに含むことができる
【００２５】
該方法は、除去工程において、約１ｐｓｉａ〜約１０ｐｓｉａの圧力に減圧し、又は約２ｐｓｉａ〜約５ｐｓｉａの圧力に減圧する工程をさらに含むことができる
【００２６】
該方法は、除去された二酸化炭素をｐＨ調整のために発酵ユニットに誘導する工程、それを通気する工程（venting）、又はそれらの組み合わせをさらに含むことができる。
【００２７】
該方法は、ガスを処理してＣ３〜Ｃ６アルコールを除去する工程及びガスを通気する工程をさらに含むことができる。
【００２８】
該方法は、発酵培地又は希釈水溶液から少なくとも１つの不純物を除去する工程をさらに含むことができる。不純物は、エタノール、酢酸、プロパノール、フェニルエチルアルコール、又はイソペンタノールを含み得る。
【００２９】
他の実施態様において、本発明は、水溶液中のＣ３〜Ｃ６アルコール濃度を増加する方法であって、Ｃ３〜Ｃ６アルコールを含む水溶液の第１ストリームを容器に導入する工程；Ｃ３〜Ｃ６アルコールを含む水溶液の第１ストリームに減圧を供し、Ｃ３〜Ｃ６アルコールを含む蒸気（vapor）を形成する工程；Ｃ３〜Ｃ６アルコールを含む蒸気をＣ３〜Ｃ６アルコールを含む溶液と接触させて、Ｃ３〜Ｃ６アルコールの濃縮された蒸気を含む濃縮物を形成する工程であって、濃縮物中のＣ３〜Ｃ６アルコールの濃度は、水溶液の第１ストリーム中のＣ３〜Ｃ６アルコールの濃度より大きい工程を含む方法を提供する。
【００３０】
他の実施態様において、本発明は、微生物及びＣ３〜Ｃ６アルコールを含む発酵培地からＣ３〜Ｃ６アルコールを回収する方法であって、発酵培地の一部中のＣ３〜Ｃ６アルコールの活性を、少なくとも、一部中のＣ３〜Ｃ６アルコールの飽和の該活性に増加して、Ｃ３〜Ｃ６アルコールを含む蒸気を形成する工程、又は発酵培地の一部中の水の活性を、少なくとも、一部中のＣ３〜Ｃ６アルコールの飽和の該活性に低減し、Ｃ３〜Ｃ６アルコールを含む蒸気を形成する工程；Ｃ３〜Ｃ６アルコールを含む蒸気をＣ３〜Ｃ６アルコールを含む溶液と接触させることにより、Ｃ３〜Ｃ６アルコール蒸気を濃縮する工程；濃縮された蒸気からＣ３〜Ｃ６アルコールリッチ液相及び水リッチ液相を形成する工程；及び水リッチ相からＣ３〜Ｃ６アルコールリッチ相を分離する工程を含む方法を提供する。
【００３１】
該方法は、発酵培地中で微生物を培養し、Ｃ３〜Ｃ６アルコールを生成する工程；水リッチ相の少なくとも一部を発酵培地に誘導する工程をさらに含むことができる。
【００３２】
該方法は、多糖類及び少なくとも１つの他の化合物を含む供給原料を加水分解し、発酵可能な加水分解生成物を生成する工程；発酵培地中で発酵可能な加水分解生成物の少なくともの一部を発酵し、Ｃ３〜Ｃ６アルコールを生成する工程であって、発酵培地は、少なくとも１つの発酵されていない化合物をさらに含む工程；発酵培地、又は水リッチ相、又は両方から少なくとも１つの発酵されていない化合物を分離する工程をさらに含むことができる。Ｃ３〜Ｃ６アルコールを生成する方法は、発酵培地中で微生物を培養し、Ｃ３〜Ｃ６アルコールを生成する工程；発酵培地の一部中のＣ３〜Ｃ６アルコールの活性を増加する工程；発酵培地の一部を蒸留し、水及びＣ３〜Ｃ６アルコールを含む気相（vapor phase）及び液相を形成する工程；気相をＣ３〜Ｃ６アルコールを含む溶液と接触させることにより気相を濃縮する工程；液相を発酵培地に誘導する工程を含む。
【００３３】
他の実施態様において、本発明は、第１の量のＣ３〜Ｃ６アルコールを含む希釈水溶液からＣ３〜Ｃ６アルコールを回収する方法であって、希釈水溶液の一部を蒸留し、Ｃ３〜Ｃ６アルコール及び水を含む気相を形成する工程であって、気相は、約１重量％〜約４５重量％の希釈水溶液の一部由来の第１の量のＣ３〜Ｃ６アルコールを含む工程；及びＣ３〜Ｃ６アルコールを含む溶液と接触させることにより、気相を濃縮する工程を含む、方法を提供する。
【００３４】
該方法は、Ｃ３〜Ｃ６アルコールを含む溶液をＣ３〜Ｃ６アルコールを含む蒸気に噴霧する工程をさらに含む。
【００３５】
該方法のある実施態様において、Ｃ３〜Ｃ６アルコールを含む溶液は、Ｃ３〜Ｃ６アルコールの濃縮物を含む。
【００３６】
該方法のある実施態様において、濃縮物は、Ｃ３〜Ｃ６アルコール蒸気と接触させる前に冷却する。
【００３７】
該方法の他の実施態様において、蒸気又は気相を形成する工程及び蒸気又は気相を濃縮する工程は、単一容器で行う。
【００３８】
方法の他の実施態様において、容器は、第１及び第２の流体含有部分を画定するウェアー（weir）を含み、第１の流体含有部分は、微生物及びＣ３〜Ｃ６アルコールを含む水溶液又は発酵培地を受容するように適合され、第２の流体含有部分は、濃縮された蒸気を受容するように適合される。ある実施態様において、第１の流体含有部分は、微生物及びＣ３〜Ｃ６アルコールを含む水溶液又は発酵培地を第１の流体含有部分に誘導するための導管、及び微生物及びＣ３〜Ｃ６アルコールを含む水溶液又は発酵培地を第１の流体含有部分の外に誘導するための導管を含み、第１の流体含有部分の外に誘導される水溶液又は発酵培地中のＣ３〜Ｃ６アルコールの含有量は、第１の流体含有部分に誘導される水溶液又は発酵培地中のものより少ない。
【００３９】
さらに他の実施態様において、第２の流体含有部分は、濃縮された蒸気を第２の流体含有部分の外に誘導するための導管を含む。
【００４０】
他の実施態様において、本発明は、水溶液中のＣ３〜Ｃ６アルコールの濃度を増加するためのフラッシュタンク／直接接触濃縮器システムであって、容器；Ｃ３〜Ｃ６アルコールを含む水溶液のストリームを容器に導入するための手段；Ｃ３〜Ｃ６アルコールを含む水溶液のストリームに減圧を供し、Ｃ３〜Ｃ６アルコールを含む蒸気を形成するための手段；及びＣ３〜Ｃ６アルコールを含む蒸気をＣ３〜Ｃ６アルコールを含む溶液と接触させて、Ｃ３〜Ｃ６アルコールの濃縮された蒸気を含む濃縮物を形成する手段を含み、濃縮物中のＣ３〜Ｃ６アルコールの濃度が水溶液中の第１ストリーム中のＣ３〜Ｃ６アルコールの濃度より大きい、フラッシュタンク／直接接触濃縮器システムを提供する。
【００４１】
ある実施態様において、容器はウェアーによって分離される区画又は部分を含む２つの液体を含み、ウェアーは区画又は部分を容器底部で分ける。
【００４２】
ある実施態様において、Ｃ３〜Ｃ６アルコールを含む水溶液のストリームに減圧を供するための手段は、真空を生じさせるための手段を含む。
【００４３】
ある実施態様において、Ｃ３〜Ｃ６アルコールを含む蒸気をＣ３〜Ｃ６アルコールを含む溶液と接触させて濃縮物を形成するための手段は、スプレーノズルを含む。
【００４４】
他の実施態様において、本発明は、微生物及びＣ３〜Ｃ６アルコールを含む発酵培地からＣ３〜Ｃ６アルコールを回収する方法であって、ガスを発酵培地中に導入し、Ｃ３〜Ｃ６アルコールの一部をガスに移す工程；ガスを発酵培地から回収ユニットに誘導する工程；及びガスからＣ３〜Ｃ６アルコールを回収する工程を含む方法を提供する。
【００４５】
ある実施態様において、該方法は、発酵培地の一部中のＣ３〜Ｃ６アルコールの活性を、少なくとも、該一部中のＣ３〜Ｃ６アルコールの飽和の該活性に増加する工程、又は発酵培地の一部中の水の活性を、少なくとも、該一部中のＣ３〜Ｃ６アルコールの飽和の該活性に低減する工程；発酵培地の一部からＣ３〜Ｃ６アルコールリッチ液相及び水リッチ液相を形成する工程；水リッチ相からＣ３〜Ｃ６アルコールリッチ相を分離する工程をさらに含む。
【００４６】
ある実施態様において、該方法は、発酵培地中で微生物を培養し、Ｃ３〜Ｃ６アルコールを生成する工程；及び水リッチ相を発酵培地に誘導する工程をさらに含む。
【００４７】
他の実施態様において、該方法は、多糖類及び少なくとも１つの他の化合物を含む供給原料を加水分解し、発酵可能な加水分解生成物を生成する工程；発酵培地中で発酵可能な加水分解生成物の少なくともの一部を発酵し、Ｃ３〜Ｃ６アルコールを生成する工程であって、発酵培地は、少なくとも１つの発酵されていない化合物をさらに含む工程；及び少なくとも１つの発酵されていない化合物を発酵培地、水リッチ相、又は両方から分離する工程をさらに含む。
【００４８】
ある実施態様において、該方法は、水及びＣ３〜Ｃ６アルコールを含むを気相を蒸留する工程；及び気相中のＣ３〜Ｃ６アルコールを反応させて、生成物を形成する工程をさらに含む。
【００４９】
他の実施態様において、該方法は、発酵培地中で微生物を培養し、Ｃ３〜Ｃ６アルコールを生成する工程；発酵培地の一部中のＣ３〜Ｃ６アルコールの活性を増加する工程；発酵培地の該一部を蒸留し、水及びＣ３〜Ｃ６アルコールを含む気相及び液相を生成する工程；及び液相を発酵培地に誘導する工程をさらに含む。
【００５０】
さらに他の実施態様において、該方法は、希釈水溶液の一部をＣ３〜Ｃ６アルコール及び水を含む気相に蒸留する工程であって、気相が約１重量％〜約４５重量％の希釈水溶液の一部由来の第１の量のＣ３〜Ｃ６アルコールを含む工程；及び気相を濃縮する工程をさらに含む。
【００５１】
Ｃ３〜Ｃ６アルコールを生成するために予備処理ユニット、複数発酵ユニット、及びビアスティル（beer still)を含む改装エタノール生成プラントを操作する方法であって、予備処理ユニットで、供給原料を予備処理し、発酵可能な糖を形成する工程；発酵ユニットで、発酵可能な糖を含む発酵培地中で微生物を培養して、Ｃ３〜Ｃ６アルコールを生成する工程；発酵培地中にガスを導入し、Ｃ３〜Ｃ６アルコールの一部がガスに移る工程；ガスを発酵培地から回収ユニットに誘導する工程；ガスからＣ３〜Ｃ６アルコールを回収し；Ｃ３〜Ｃ６アルコールを含む発酵培地の一部を処理して、Ｃ３〜Ｃ６アルコールの一部を除去する工程；処理した発酵培地の一部を発酵ユニットに戻す工程；及び発酵ユニットからビアスティルに発酵培地を移す工程を含む方法を提供する。
【００５２】
ある実施態様において、少なくとも約５０％、少なくとも約６０％、少なくとも約７０％、少なくとも約８０％、少なくとも約８５％、少なくとも約９０％、又は少なくとも約９５％のＣ３〜Ｃ６アルコールをガスから回収することができる。
【００５３】
一実施態様において、本発明は、Ｃ３〜Ｃ６アルコールを生成する方法であって、発酵培地中で微生物を培養し、微生物を成長させる工程；発酵培地中で微生物を培養し、Ｃ３〜Ｃ６アルコールを生成する工程；培養工程中に発酵培地からＣ３〜Ｃ６アルコールを回収する工程；Ｃ３〜Ｃ６アルコールを生成する工程中に、酸素を含むガスを１時間あたり発酵培地１リットルあたり約２０モル未満の酸素の酸素移動速度（ＯＴＲ）で発酵培地中に導入する工程を含む方法を提供する。
【００５４】
ある実施態様において、導入工程は、生成工程中に、酸素を含むガスを１時間あたり発酵培地１リットルあたり約１０モル未満の酸素のＯＴＲで発酵培地中に導入する工程を含み、他の実施態様において、導入工程は、酸素を含むガスをＣ３〜Ｃ６アルコールの生成に必要なレベルより大きいＯＴＲ、たとえば、１時間あたり発酵培地１リットルあたり約０．５〜約５モルの酸素で、発酵培地中に導入する工程をさらに含む。
【００５５】
ある実施態様において、発酵培地からＣ３〜Ｃ６アルコールを回収する工程は、発酵培地の一部中のＣ３〜Ｃ６アルコールの活性を、少なくとも、該一部中のＣ３〜Ｃ６アルコールの飽和の該活性に増加する工程、又は発酵培地の一部中の水の活性を、少なくとも、該一部中のＣ３〜Ｃ６アルコールの飽和の該活性に低減する工程；発酵培地の一部からＣ３〜Ｃ６アルコールリッチ液相及び水リッチ液相を形成する工程；及びＣ３〜Ｃ６アルコールリッチ相を水リッチ相から分離する工程を含む。
【００５６】
ある実施態様において、該方法は、水リッチ相を発酵培地に誘導する工程をさらに含む。
【００５７】
ある実施態様において、方法は、発酵培地から水及びＣ３〜Ｃ６アルコールを含む気相を蒸留する工程；及び気相中のＣ３〜Ｃ６アルコールを反応させて、生成物を形成する工程をさらに含む。
【００５８】
他の実施態様において、本発明は、Ｃ３〜Ｃ６アルコールを生成する方法であって、発酵培地中で微生物を培養し、Ｃ３〜Ｃ６アルコールを生成する工程；生成工程中に、酸素を含むガスを１時間あたり発酵培地１リットルあたり約２０モル未満の酸素の酸素移動速度（ＯＴＲ）で発酵培地中に導入する工程；発酵培地の一部中のＣ３〜Ｃ６アルコールの活性を増加する工程；発酵培地の一部を蒸留し、水及びＣ３〜Ｃ６アルコールを含む気相及び液相を生成する工程；及び液相を発酵培地に誘導する工程を含む方法を提供する。
【００５９】
他の実施態様において、本発明は、Ｃ３〜Ｃ６アルコールを生成するために予備処理ユニット、複数発酵ユニット、及びビアスティルを含む改装エタノール生成プラントを操作する方法であって、予備処理ユニットで、供給原料を予備処理して、発酵可能な糖を形成する工程；第１の発酵ユニットで、発酵可能な糖を含む発酵培地で微生物を培養し、微生物を成長させる工程；第１の発酵ユニットで、発酵可能な糖を含む発酵培地で微生物を培養し、Ｃ３〜Ｃ６アルコールを生成する工程；生成工程中に、酸素を含むガスを１時間あたり発酵培地１リットルあたり約２０モル未満の酸素の酸素移動速度（ＯＴＲ）で発酵培地中に導入する工程；Ｃ３〜Ｃ６アルコールを含む発酵培地の一部を処理して、Ｃ３〜Ｃ６アルコールの一部を除去する工程；処理した発酵培地の一部を発酵ユニットに戻す工程；及び発酵培地を発酵ユニットからビアスティルに移す工程を含む方法を提供する。
【００６０】
方法のある実施態様において、Ｃ３〜Ｃ６アルコールを生成する工程は嫌気性である。
【００６１】
他の実施態様において、本発明は、大気圧未満の圧力で操作される複数ユニット操作を含むＣ３〜Ｃ６アルコールの生成及び回収する方法を操作する方法であって、第１のユニット操作で、第１の排出装置に蒸気（steam）を導入し、大気圧未満の圧力を生じさせる工程；第２のユニット操作で、第１の排出装置から第２の排出装置に蒸気を誘導し、大気圧未満の圧力を生じさせる工程を含む方法を提供する。
【００６２】
ある実施態様において、複数ユニット操作は、水再利用、第１の効用蒸発器（effect evaporator)、第２の効用蒸発器、ビアスティル(beer still）、サイドストリッパー（side stripper）、及び精留塔（rectifier）からなる群から選択されるユニット操作を含む。
【００６３】
ある実施態様において、第１及び第２のユニット操作は同じであり、他の実施態様において、第１及び第２のユニット操作は異なる。
【００６４】
他の実施態様において、本発明は、Ｃ３〜Ｃ６アルコールを生成する微生物を高細胞密度に培養する方法であって、発酵培地中で微生物を成長させる工程、及び成長工程中に発酵培地からＣ３〜Ｃ６アルコールを回収する工程を含み、微生物は、１リットルあたり約５ｇ〜１リットルあたり約１５０ｇの乾燥重量の範囲の細胞密度に達する方法を提供する。
【００６５】
他の実施態様において、本発明は、Ｃ３〜Ｃ６アルコールを生成する方法であって、発酵培地中でＣ３〜Ｃ６アルコールを生成する微生物を培養し、Ｃ３〜Ｃ６アルコールを生成する工程、及び発酵培地から及びＣ３〜Ｃ６アルコールを回収する工程であって、Ｃ３〜Ｃ６アルコールの生成が１時間あたり１リットルあたり少なくとも約１ｇの速度である工程を含む、方法を提供する。
【００６６】
ある実施態様において、Ｃ３〜Ｃ６アルコールの生成が１時間あたり１リットルあたり少なくとも約２ｇの速度である。
【００６７】
ある実施態様において、Ｃ３〜Ｃ６アルコールはブタノールであり、他の実施態様において、Ｃ３〜Ｃ６アルコールはイソブタノールである。
【００６８】
本発明は、さななる実施態様において、第１の温度（Ｔｌ）で希釈水溶液からＣ３〜Ｃ６アルコールを回収する方法であって、希釈水溶液から水及びＣ３〜Ｃ６アルコールを含む気相を蒸留する工程；第２の温度（Ｔ２）で水性冷却液とともに気相を濃縮する工程；及び気相の温度が第３の温度（Ｔ３）となるように、蒸留工程の圧力、Ｔｌ、及びＣ３〜Ｃ６アルコールの力価を制御する工程であって、Ｔ３及びＴ２の間の差が少なくとも約１℃である工程を含む、方法を提供する。
【００６９】
ある実施態様において、Ｔ３及びＴ２の間の差は少なくとも約５℃であり、他の実施態様において、Ｔ３及びＴ２の間の差は少なくとも約１０℃である。
【００７０】
ある実施態様において、Ｔ２は約３０℃未満である。
【００７１】
他の実施態様において、第２の温度（Ｔ２）での水性冷却液は、蒸発冷却によって生成される。
【００７２】
他の実施態様において、濃縮された気相の一部は、水性冷却液として用いられる。
【００７３】
ある実施態様において、該方法は、濃縮された気相からＣ３〜Ｃ６アルコールリッチ液相及び水リッチ液相形成する工程をさらに含む。
【００７４】
ある実施態様において、該方法は、Ｃ３〜Ｃ６アルコールリッチ相及び水リッチ相を分離する工程をさらに含む。
【００７５】
他の実施態様において、気相は、約２重量％〜約４０重量％の希釈水溶液由来のＣ３〜Ｃ６アルコールを含む。
【００７６】
ある実施態様において、蒸留工程は断熱性であり、他の実施態様において、蒸留工程は等温性である。
【００７７】
ある実施態様において、希釈水溶液は、微生物を含む発酵培地を含み、該方法は、発酵培地中で微生物を培養し、Ｃ３〜Ｃ６アルコールを生成する工程、及び水リッチ相を発酵培地に誘導する工程をさらに含む。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】イソブタノールの生成及び回収のための本発明の実施態様を表す。
【図２】予備処理したトウモロコシの同時糖化及び発酵プロセスにおいて発酵ブロスからブタノールを生成及び回収するための本発明の実施態様を表す。
【図３】ガススカルパーを用いて発酵ブロスからＣ３〜Ｃ６アルコールを生成及び回収するための本発明の実施態様を表す。
【図４】フラッシュタンク／直接接触濃縮器ユニットの実施態様を表す。
【図５】フラッシュタンク／直接接触濃縮器ユニットを用いて発酵ブロスからＣ３〜Ｃ６アルコールを生成及び回収するための本発明の実施態様を表す。
【図６】ガスストリッパーを用いて発酵ブロスからＣ３〜Ｃ６アルコールを生成及び回収するための本発明の実施態様を表す。
【図７】エアレーション（aeration）を用いて発酵ブロスからＣ３〜Ｃ６アルコールを生成及び回収するための本発明の実施態様を表す。
【図８】エフラッシュタンク／直接接触濃縮器ユニット及びガススカルパー（gas scalper)を用いて発酵ブロスからＣ３〜Ｃ６アルコールを生成及び回収するための本発明の実施態様を表す。
【図９】ブフラッシュタンク／直接接触濃縮器ユニット及びガスストリッパーを用いて発酵ブロスからＣ３〜Ｃ６アルコールを生成及び回収するための本発明の実施態様を表す。
【図１０】発酵槽中のイソブタノールブロスの力価（黒塗りマーカー）とフラッシュタンク後のブロス中の残留イソブタノールの力価（空白マーカー）の比較を提供する
【図１１】１０，０００リットル生成発酵槽中のイソブタノールの有効力価及び体積生産性（ｇ／Ｌ及びガロンで表される）を示す。イソイソブタノールは、９０％理論収率で消費されたグルコース量から計算した。
【図１２】２つのカラム系を用いた蒸発によるイソブタノール精製のプロセスの流れを表す。
【図１３】フラッシュタンク／直接接触濃縮器ユニット、ガススカルパー、及び３つのポンプループを用いて発酵ブロスからＣ３〜Ｃ６アルコールを生成及び回収するための本発明の実施態様を表す。
【発明を実施するための形態】
【００７９】
（発明の詳細な説明）
本発明は、発酵ブロスなどの希釈水溶液からＣ３〜Ｃ６アルコールの回収方法、関連するシステム、及び方法を記載する。関連する方法は、たとえば、希釈水溶液中でＣ３〜Ｃ６アルコール由来の生成物を生成する方法を含む。本明細書で用いるＣ３〜Ｃ６アルコールとの用語は、３個、４個、５個、又は６個の炭素原子を含むアルコールをいい、それらの異性体すべて及び任意の前述のものの混合物を含む。従って、Ｃ３〜Ｃ６アルコールは、プロパノール、ブタノール、ペンタノール、及びヘキサノールから選択することができる。より具体的には、Ｃ３アルコールは、１−プロパノール又は２−プロパノールであってもよく；Ｃ４アルコールは、１−ブタノール、２−ブタノール、ｔｅｒｔ−ブタノール（２−メチル−２−プロパノール）、又はイソブタノール（２−メチル−１−プロパノール）であってもよく；Ｃ５アルコールは、１−ペンタノール、２−ペンタノール、３−ペンタノール、２−メチル−１−ブタノール、３−メチル−１−ブタノール、２−メチル−２−ブタノール、３−メチル−２−ブタノール、又は２，２−ジメチル−ｌ−プロパノールであってもよく；Ｃ６アルコールは、１−ヘキサノール、２−ヘキサノール、３−ヘキサノール、２−メチル−ｌ−ペンタノール、３−メチル−１−ペンタノール、４−メチル−ｌ−ペンタノール、２−メチル−２−ペンタノール、３−メチル−２−ペンタノール、４−メチル−２−ペンタノール、２−メチル−３−ペンタノール、３−メチル−３−ペンタノール、３、３−ジメチル−ｌ−ブタノール、２，２−ジメチル−１−ブタノール、２，３−ジメチル−１−ブタノール、２，３−ジメチル−２−ブタノール、３，３−ジメチル−２−ブタノール、又は２エチル１−ブタノールであってもよい。好ましい実施態様において、Ｃ３〜Ｃ６アルコールは、イソブタノール（２−メチル−１−プロパノール）である。ある実施態様において、希釈水溶液中のＣ３〜Ｃ６アルコールと水との比は、約１０／９０（ｗ／ｗ）未満、約９／９１（ｗ／ｗ）未満、約８／９２（ｗ／ｗ）未満、約７／９３（ｗ／ｗ）未満、約６／９４（ｗ／ｗ）未満、約５／９５（ｗ／ｗ）未満、約４／９６（ｗ／ｗ）未満、約３／９４（ｗ／ｗ）未満、約２．５／９７．５（ｗ／ｗ）未満、約２／９８（ｗ／ｗ）未満、約１．５／９８．５（ｗ／ｗ）未満、約１／９９（ｗ／ｗ）、又は約０．５／９９．５（ｗ／ｗ）未満である。本明細書で用いる「希釈」水溶液は、溶液中でのＣ３〜Ｃ６アルコールの溶解限度を下回る濃度でＣ３〜Ｃ６アルコールを含む溶液を意味することができる。濃度は、重量又は体積パーセント、モル濃度、重量モル濃度、又はアルコール／水の重量分率（（ｗ／ｗ）、体積分率（ｖ／ｖ）など、様々な異なる単位で表すことができる。しかしながら、別に指定しない限り、本明細書では、濃度は重量パーセントとして一般に表わす。少なくとも１つの追加の化合物（例えば、溶質、溶媒、吸着剤など）を含むストリームの場合、本明細書で用いるアルコール重量濃度は、そのストリーム中の１００倍のアルコール重量をそのストリーム中のアルコール及び水の合計重量で除することによって計算される。
【００８０】
ある実施態様において、本発明の方法は、Ｃ３〜Ｃ６アルコールを回収する前又はＣ３〜Ｃ６アルコール由来の生成物を生成する前に、発酵ブロス又は希釈水溶液からのガススカルピング（gas scalping）（又はガス除去）の工程を含む。ガススカルピングを用いて、ＣＯ２及び他のガスを除去する。発酵ブロス又は希釈水溶液に存在するガスは、空気に存在する又は発酵中に生成される任意のガスを含み得る。そのようなガスの例は、限定するものではないが、二酸化炭素、酸素、及び窒素ガスを含む。ガス除去は、任意の既知のプロセスを用いることによって行うことができる。たとえば、ガスは、加熱する、減圧して部分真空を引く、好適な吸着剤を添加してガスを吸着する、又はこれらのプロセスの組み合わせによって除去することができる。好ましい実施態様において、ガススカルピングは、Ｃ３〜Ｃ６アルコールを含むストリーム中で行い、以下で詳述する、ストリームをフラッシュタンクに導入する工程、蒸留操作、又はアルコールの揮発を伴う任意のその後の処理前に行う。
【００８１】
そのような後処理の前に行うガススカルピングは、多くの利点を与える。フラッシュタンク、蒸留操作、又は他の同様の処理の使用によってアルコールをストリームから回収するときに、ストリームが二酸化炭素などのガスも含む場合、ストリーム中の任意のガスも同様に揮発し、蒸気の一部となるであろう。アルコールとともにガスが揮発することは、アルコールを含む蒸気の体積を増加するという深刻な欠点を有する。より大きい体積を取り扱う設備及びプロセス必要性及び関連するエネルギーコストは、そのような操作のコストを著しく増大させる。対照的に、アルコールを揮発する前にガスを選択的に除去することにより、アルコールを含む蒸気の体積はより少なく、より効率的に扱うすることができる。たとえば、以下で議論するように、一連の蒸気排出装置（steam eductor)を使用することによって高（deep）真空をフラッシュタンク上に引く実施態様において、排出装置を介して排出されるフラッシュタンク中の濃縮可能ではない種の体積は、ガススカルピング前に大幅に低下する。ガススカルピングは、以下の実施態様などの本発明で企図される様々な実施態様に用いることができる。
【００８２】
たとえば、一実施態様において、本発明は、微生物、ガス、及びＣ３〜Ｃ６アルコールを含む発酵ブロスなどのＣ３〜Ｃ６アルコールの希釈水溶液からＣ３〜Ｃ６アルコールを回収する方法を含む。該この方法は、ガスの少なくとも一部を水溶液から除去する工程、及び水溶液の一部中のＣ３〜Ｃ６アルコールの活性を、少なくとも、一部中のＣ３〜Ｃ６アルコールの飽和の該活性に増加する工程、或いは同様に、発酵培地の一部中の水の活性を少なくとも、一部中のＣ３〜Ｃ６アルコールの飽和の該活性に低減する工程を含む。該方法は、水溶液の一部からＣ３〜Ｃ６アルコールリッチ液相及び水リッチ液相を形成する工程、、及び水リッチ相からＣ３〜Ｃ６アルコールリッチ相を分離する工程をさらに含む。この実施態様は、発酵培地中で微生物を培養して、Ｃ３〜Ｃ６アルコール及びガスを生成する工程、水リッチ相の少なくとも一部を発酵培地に誘導する工程、及び任意選択により、発酵培地の一部を蒸留し、水及びＣ３〜Ｃ６アルコールを含む気相及び液相を生成する工程を含むことができる。水リッチ相の少なくとも一部を発酵培地に誘導する工程とは、水リッチ相自体を発酵培地に誘導するか、或いは、よりしばしば、水リッチ相を処理し、たとえば、そこからより多くのアルコールを回収し、次いで、水リッチ相のある残留した一部を発酵培地に誘導することを意味し得ると理解しなければならない。たとえば、発酵培地よりも水リッチ相がより高濃度のアルコールを有する場合、それを発酵培地に導入することが有益ではないと思われる。典型的にはこのような場合、水リッチ分画をビアスティルなどでさらに加工処理し、水リッチ相の一部を発酵培地に誘導する前に、より多くのアルコールを回収する。あるいは、この実施態様は、多糖類及び少なくとも１つの他の化合物を含む供給原料を加水分解し、発酵可能な加水分解生成物を生成する工程、発酵培地中で発酵可能な加水分解生成物の少なくとも一部を発酵し、Ｃ３〜Ｃ６アルコール及びガスを生成する工程であって、該発酵培地は、少なくとも１つの発酵されていない化合物をさらに含む工程、及び発酵培地、又は水リッチ相、又は両方から発酵されていない化合物を分離する工程を含むことができる。
【００８３】
他の実施態様において、本発明は、微生物、ガス、及びＣ３〜Ｃ６アルコールを含む発酵培地中でＣ３〜Ｃ６アルコール由来の生成物を生成する方法を提供する。該方法は、発酵培地からガスの少なくとも一部を除去する工程；発酵培地から水及びＣ３〜Ｃ６アルコールを含む気相を蒸留し；気相中のＣ３〜Ｃ６アルコールを反応させて、生成物を形成する工程を含む。
【００８４】
さらに他の実施態様において、本発明は、第１の量のＣ３〜Ｃ６アルコール及びガスを含む希釈水溶液からＣ３〜Ｃ６アルコールを回収する方法を提供する。該方法は、希釈水溶液からガスの少なくとも一部を除去する工程；及び希釈水溶液の一部をＣ３〜Ｃ６アルコール及び水を含む気相に蒸留する工程であって、該気相は、約１重量％〜約４５重量％の希釈水溶液の一部由来の第１の量のＣ３〜Ｃ６アルコールを含む工程；及び気相を濃縮する工程を含む。様々な代替実施態様において、気相は、約２重量％〜約４０重量％、約３重量％〜約３５重量％のＣ３〜Ｃ６アルコール、及び約４重量％〜約３０重量％Ｃ３〜Ｃ６のアルコール、約５重量％〜約２５重量％の希釈水溶液の該部分に存在するＣ３〜Ｃ６アルコールを含むことができる。国際公開第２００９／０８６３９１  Ａ２号（その全体について参照により本明細書に援用する）などで議論されるように、気相に蒸留される溶中のアルコールの量を制御又は制限することによって、多くの重要な利益が得られる。
【００８５】
ガススカルピングを用いるさらなる実施態様は、Ｃ３〜Ｃ６アルコールを生成するために予備処理ユニット、複数発酵ユニット、及びビアスティルを含む改装エタノール生成プラントを操作する方法である。該方法は、予備処理ユニットで、供給原料を予備処理し、発酵可能な糖を形成する工程、第１の発酵ユニットで、発酵可能な糖及びガスを含む発酵培地中で微生物を培養し、Ｃ３〜Ｃ６アルコールを生成する工程を含む。該方法は、発酵培地からガスの少なくとも一部を除去する工程、Ｃ３〜Ｃ６アルコールを含む発酵培地の一部を処理して、Ｃ３〜Ｃ６アルコールの一部を除去する工程、処理した発酵培地の一部を第１の発酵ユニットに戻する工程、及び発酵培地を第１の発酵ユニットからビアスティルに移す工程をさらに含む。
【００８６】
ガススカルピングを用いる本発明の実施態様において、上記の通り、他のガスが存在し得る一方、二酸化炭素がまず念頭に置くものであるが、それは、二酸化炭素が典型的には発酵ブロスに溶解したガスのうちの最も多い成分であるからである。したがって、様々な実施態様において、少なくとも約３０％、少なくとも約３５％、少なくとも約４０％、少なくとも約４５％、少なくとも約５０％、少なくとも約５５％、少なくとも約６０％、少なくとも約６５％、少なくとも約７０％、少なくとも約７５％、少なくとも約８０％、少なくとも約８５％、少なくとも約９０％、又は少なくとも約９５％の二酸化炭素を希釈水溶液又は発酵ブロスからガスの少なくとも一部を除去する工程中で除去する。
【００８７】
上記のとおり、ガス除去（又はスカルピング）は、水性ストリームを加熱してガスを揮発させる工程、ストリーム上で大気圧未満の圧力に減圧してガスを揮発させる工程、水性ストリームからガスを吸着する工程、及びそれらの組み合わせなどの任意の好適な方法によって行うことができる。除去工程が水性ストリームを加熱してガスを揮発させる工程を含む実施態様において、好適な揮発温度は、ストリーム上の圧力、除去される特定のガス、及びアルコールが揮発せずに溶液中に残留する温度に依存する。より具体的には、好適な温度は、約２０℃〜約９５℃、約２５℃〜約５５℃、又は約３０℃〜約５０℃であることができる。除去工程が減圧してガスを揮発させることを含む実施態様において、約１ｐｓｉａ〜約１０ｐｓｉａ、約１ｐｓｉａ〜及び約８ｐｓｉａ、約３ｐｓｉａ〜約１０ｐｓｉａ、又は約２ｐｓｉａ〜約５ｐｓｉａに減圧することができる。
【００８８】
除去したら、スカルピングしたガス（二酸化炭素又は他のガスを含む）を全プロセスに通気するか或いは導入することができる。たとえば、ガスが二酸化炭素である或いは二酸化炭素を含む例では、二酸化炭素をｐＨ制御のために発酵ユニットに誘導することができる。あるいは、二酸化炭を圧縮して、ドライアイスを作製することができる。さらに、Ｃ３〜Ｃ６アルコールの大部分は水性ストリーム中に残留することが企図されるが、除去されたガスは該ガスと一緒に揮発されるある量のＣ３〜Ｃ６アルコールを含んでもよい。そのような例において、除去されたガスは、該ガスからＣ３〜Ｃ６アルコールを除去するように処理することができる。たとえば、水洗浄機の使用、加圧及び濃縮、又は吸着（例えば炭素により）によって、Ｃ３〜Ｃ６アルコールを回収することができる。
【００８９】
発酵ブロス又は希釈水溶液は、Ｃ３〜Ｃ６アルコール及び１つ又は複数のガスを含むことに加えて、他の不純物も含み得る。従って、ある実施態様において、該方法は、発酵培地又は希釈水溶液から少なくとも１つの不純物を除去する工程をさらに含む。「不純物」との用語は、精製される水及びアルコール以外の任意の化合物を意味する。不純物との用語は、発酵プロセスの任意の副生成物又は副産物、すなわち、アルコール以外のアルコールに関連する生成物を任意の量又は所望でない量で含む。ある実施態様において、不純物は、エタノール、酢酸、プロパノール、フェニルエチルアルコール、イソペンタノール、又はこれらの不純物の組み合わせから選択され得る。不純物の除去は、任意の水性ストリームを加熱して不純物を揮発させること、ストリーム上で大気圧未満の圧力に減圧して不純物を揮発させること、又はそれらの組み合わせなどの好適な方法によって誘導することができる。上記除去工程が水性ストリームを加熱して不純物を揮発させることを含む実施態様において、好適な揮発温度は、ストリーム上の圧力、除去される特定の不純物、及びアルコールが揮発せずに溶液中に残留する温度に依存する。より具体的には、好適な温度は、約２０℃〜約９５℃、約２５℃〜約５５℃、又は約３０℃〜約５０℃であることができる。上記除去工程が減圧してガスを揮発させることを含む実施態様において、約１ｐｓｉａ〜約１０ｐｓｉａ、約１ｐｓｉａ〜約８ｐｓｉａ、約３ｐｓｉａ〜約１０ｐｓｉａ、又は約２ｐｓｉａ〜約５ｐｓｉａに減圧することができる。本明細書において精製又は不純物の除去とは、水以外の他の化合物に対する生成物の比を増加することを意味する。
【００９０】
不純物の除去は、アルコール活性を増加し、水の活性を低減し、又は蒸留してアルコール回収する工程の前に行うことが有利である。不純物の除去は、ガス除去と同じ操作中に行ってもよいし、又はそのような操作後に行ってもよい。高温、減圧、又は組み合わせを用いる例では、典型的には、二酸化炭素及び窒素などのガスを最初に除去する。不純物及びアルコール生成物の相対揮発性に依存して、次に、すなわち、ガスが抜け出た後であるがＣ３〜Ｃ６アルコールの任意の大幅な除去を行う前に不純物を除去する。相対揮発性は、活性係数、分子濃度、及び蒸気圧飽和の関数である。この工程では、Ｃ３〜Ｃ６アルコールの幾らかは不純物とともに損なわれる可能性がある。しかし、このストリームからＣ３〜Ｃ６アルコールを回収することができる。
【００９１】
アルコール生成物の回収の後処理を行う前に不純物を除去することは、多くの利点を有する。アルコールをフラッシュタンク、蒸留操作、又は他の同様の処理の使用によってストリームから回収する際、ストリームがアルコールとともに蒸発した酢酸などの揮発不純物も含む場合には、ストリーム中の任意のこのような不純物も揮発し、蒸気の一部となる。アルコールとともに不純物を揮発することは、アルコールを含む蒸気の体積を増加する深刻な欠点を有する。より大きい容積及び関連するエネルギーコストに対処する設備及びプロセス要件は、このような操作コストを著しく増加する。対照的に、アルコール揮発前に不純物を選択的に除去することにより、アルコールを含む蒸気の体積はより小さくなり、より効率的に対処することができる。
【００９２】
図３を参照すると、スカルピングの使用を例示した本発明の実施態様が示されている。発酵は、発酵槽６０で行う。発酵槽６０中の発酵ブロスは、Ｃ３〜Ｃ６アルコール生成物及び発酵培地の他の成分を含む。発酵過程中に、微生物を含み得る発酵ブロスのストリームを６２を介して発酵槽６０からスカルプタンク７０に誘導する。スカルパーは、約１〜約１０ｐｓｉａの圧力で操作することができる。これらの条件下、発酵ブロスから除去されるのは主に溶解ガスである一方、Ｃ３〜Ｃ６アルコールはブロス中に残留する。フラッシュ前に溶解ガスを除去するので、該溶解ガスはフラッシュ蒸気輸送の一部を形成せず、したがって、Ｃ３〜Ｃ６アルコール回収システムにより加工処理されない。スカルプタンクからのガスの除去は、真空ポンプ７２によって６８を介してベントストリーム８０に一部の真空を吸い込むことによって行う。増殖用タンク（propagation tank）７４は、初期培養物を６４を介して発酵槽６０に誘導する。スカルプタンクがガスを発酵ブロスから除去した後、ブロスを６６を介して蒸留用のフラッシュタンク７８にさらに誘導する。発酵熱は、フラッシュシステムでの蒸発に必要な熱を一部に供給することができる。フラッシュタンク７８への脱気した発酵ブロスの導入の際に発酵ブロスの一部が蒸発するように、フラッシュタンク７８は大気圧未満の圧力で維持される。蒸発した発酵ブロスの一部は、水蒸気とともに、発酵ブロス中のアルコールの一部分のみを含む。フラッシュタンク７８での蒸留後、蒸留されない発酵ブロスの残留部分を９４及びポンプ９６を介して発酵槽６０に戻す。発酵槽に戻ったこの発酵ブロスは、この時点で、アルコールを一部枯渇する。フラッシュタンク７８で蒸発された発酵ブロス部分は、蒸気として、８２を介して蒸気濃縮器８４に誘導される。アルコール及び水蒸気の混合物を濃縮した際に、濃縮された溶液は８６を介して液体−液体分離器８８に誘導される。次いで、濃縮されない残留蒸気は、９０及び９２を介して排気口にさらに誘導される。
【００９３】
ある実施態様において、本発明の方法は、水溶液中のＣ３〜Ｃ６アルコールの濃度を増加する工程、発酵培地又は希釈水溶液からＣ３〜Ｃ６アルコールを回収する工程、又はＣ３〜Ｃ６アルコールを含む気相を形成し、該蒸気をＣ３〜Ｃ６アルコールを含む溶液と接触させて気相を濃縮する工程を含む、Ｃ３〜Ｃ６アルコールの生成を指向する。このような方法の重要な利点は、蒸気を濃縮した溶液に直接接触させることにより（シェル（shell）及び管濃縮器（tube condenser）中での間接的な接触と比較して）、蒸気と濃縮溶液との間の温度差が比較的小さく、蒸気をさらに効率的に濃縮することができることである。従って、濃縮溶液の冷却に必要なエネルギーはより低く、エネルギー効率がより良好な方法となる。このような方法のさらに重要な利点は、特に濃縮溶液のＣ３〜Ｃ６アルコール含有量が濃縮されたときの蒸気のものとほぼ同じであるとき、濃縮溶液及び濃縮された蒸気を、いずれか一方のアルコール含有物を大きく希釈することなく混ぜ合わせることができることである。これらの実施態様において、水溶液を減圧及び／又は高温に曝し、アルコール揮発させて蒸気を形成してもよい。たとえば、水溶液は、フラッシュタンクに誘導する前に、たとえば熱交換器を用いることによって加熱してもよいし、又はたとえば加熱コイルを用いることによってフラッシュタンク内部で加熱してもよい。
【００９４】
たとえば、一実施態様において、本発明は、水溶液中のＣ３〜Ｃ６アルコールの濃度を増加する方法を提供する。この方法は、Ｃ３〜Ｃ６アルコールを含む水溶液の第１ストリームを容器に導入する工程；第１ストリームを減圧して、Ｃ３〜Ｃ６アルコールを含む蒸気を形成する工程；蒸気をＣ３〜Ｃ６アルコールを含む溶液と接触させて濃縮物を形成する工程であって、該濃縮物中のＣ３〜Ｃ６アルコールの濃度が水溶液の第１ストリーム中のＣ３〜Ｃ６アルコールの濃度より大きい工程を含む。
【００９５】
他の実施態様において、本発明は、微生物及びＣ３〜Ｃ６アルコールを含む発酵培地からＣ３〜Ｃ６アルコールを回収する方法を提供する。この方法は、発酵培地の一部中のＣ３〜Ｃ６アルコールの活性を少なくとも、該一部中のＣ３〜Ｃ６アルコールの飽和の該活性に増加して、Ｃ３〜Ｃ６アルコールを含む蒸気を形成する工程、又は発酵培地の一部中の水の活性を、少なくとも、該一部中のＣ３〜Ｃ６アルコールの飽和の該活性に低減して、Ｃ３〜Ｃ６アルコールを含む蒸気を形成する工程を含む。Ｃ３〜Ｃ６アルコール蒸気は、Ｃ３〜Ｃ６アルコールを含む蒸気をＣ３〜Ｃ６アルコールを含む溶液と接触させることにより濃縮される。濃縮物は、Ｃ３〜Ｃ６アルコールリッチ液相及び水リッチ液相を濃縮された蒸気から形成し、該方法は、水リッチ相からＣ３〜Ｃ６アルコールリッチ相を分離する工程をさらに含む。この方法は、発酵培地中で微生物を培養して、Ｃ３〜Ｃ６アルコールを生成する工程；及び水リッチ相の少なくとも一部を発酵培地に誘導する工程をさらに含むことができる。本明細書中で他で記載したように、多糖類を含む供給原料を加水分解する工程をさらに含む実施態様などの発酵プロセスに関する他の実施態様が企図される。
【００９６】
さらに他の実施態様において、本発明は、発酵培地中で微生物を培養してＣ３〜Ｃ６アルコールを生成することによる、Ｃ３〜Ｃ６アルコールの生成方法を提供する。この方法は、発酵培地の一部中のＣ３〜Ｃ６アルコールの活性を増加する工程、及び発酵培地の該一部を蒸留して、水及びＣ３〜Ｃ６アルコールを含む気相及び液相を形成する工程をさらに含む。気相は、それをＣ３〜Ｃ６アルコールを含む溶液と接触させ、液相を発酵培地に誘導することにより濃縮される。
【００９７】
蒸気をＣ３〜Ｃ６アルコールを含む溶液と接触させて気相を濃縮する工程を伴うさらなる実施態様は、第１の量のＣ３〜Ｃ６アルコールを含む希釈水溶液からＣ３〜Ｃ６アルコールを回収する方法であって、該希釈水溶液の一部を蒸留して、Ｃ３〜Ｃ６アルコール及び水を含む気相を形成することによって回収する方法であり、該気相は、約１重量％〜約４５重量％の希釈水溶液の一部由来の第１の量のＣ３〜Ｃ６アルコール含む。この方法は、Ｃ３〜Ｃ６アルコールを含む溶液と接触させることにより気相を濃縮することをさらに含む。
【００９８】
Ｃ３〜Ｃ６アルコールを含む気相を形成し、蒸気をＣ３〜Ｃ６アルコールを含む溶液と接触させる工程を含む本発明の実施態様において、該接触工程は、Ｃ３〜Ｃ６アルコールを含む溶液をＣ３〜Ｃ６アルコールを含む蒸気に噴霧することを含むことができる。他の実施態様において、Ｃ３〜Ｃ６アルコールを含む溶液は、気相からのＣ３〜Ｃ６アルコールの濃縮物であるか又はこれを含むことができる。すなわち、蒸気が濃縮されて溶液が形成されるので、その溶液の一部をＣ３〜Ｃ６アルコールを含む溶液として用いて、さらに蒸気を濃縮することができる。このように、溶液中及び濃縮された蒸気中のＣ３〜Ｃ６アルコールの濃度は同じでない場合は類似したものであり、約Ｃ３〜Ｃ６アルコールの濃度を希釈することの懸念事項はない。
【００９９】
気相由来のＣ３〜Ｃ６アルコール濃縮物を含む、Ｃ３〜Ｃ６アルコールを含む溶液と蒸気を接触させる実施態様において、Ｃ３〜Ｃ６アルコール蒸気と接触する前に溶液を冷却することができる。濃縮物は、任意の慣用的な冷却プロセスを用いて、たとえば熱交換器を用いて冷却してもよい。そのような熱交換器で用いる任意の冷却液体は、冷却（chilling）又は以下で論じるように蒸発冷却（evaporative coolinｇ)などのプロセスを用いて冷却することができる。
【０１００】
蒸気又は気相を形成する工程、及び蒸気又は気相を濃縮する工程は、単一容器中で行うことができる。このような容器は、容器の第１の及び第２の流体含有部分を画定するウェアー（容器の底部で区画また部分を分ける部分的な仕切り（barrier)）を含むことができる。２つの液体含有区画又は部分は、容器の頂上で開口し、互いに連通し、液体の分離を維持するが蒸気の移動を可能としている。この実施態様において、第１の流体含有部分は、微生物及びＣ３〜Ｃ６アルコールを含む水溶液又は発酵培地を受容し、第２の流体含有部分は、濃縮された蒸気を受容するであろう。
【０１０１】
ある実施態様において、第１の流体含有部分は、微生物及びＣ３〜Ｃ６アルコールを含む水溶液又は発酵培地を第１の流体含有部分に誘導するための導管、及び微生物及びＣ３〜Ｃ６アルコールを含む水溶液又は発酵培地を第１の流体含有部分の外に誘導するための導管を含む。第１の流体含有部分の外に誘導される水溶液又は発酵培地中のＣ３〜Ｃ６アルコール含有量は、第１の流体含有部分に誘導される水溶液又は発酵培地中のＣ３〜Ｃ６アルコール含有量より少ない。他の実施態様において、第２の流体含有部分は、第２の流体含有部分の外に濃縮された蒸気を誘導するための導管を含む。
【０１０２】
Ｃ３〜Ｃ６アルコールを含む気相を形成し、蒸気をＣ３〜Ｃ６アルコールを含む溶液と接触させて気相を濃縮する工程を含むさらなる本発明の実施態様は、第１の温度（Ｔｌ）で希釈水溶液からＣ３〜Ｃ６アルコールを回収する方法であって、該方法は、希釈水溶液から水及びＣ３〜Ｃ６アルコールを含む気相を蒸留する工程を含む。該方法は、第２の温度（Ｔ２）で気相を水性液体冷却とともに濃縮する工程、及び気相の温度が第３の温度（Ｔ３）となるように、蒸留工程の圧力、Ｔｌ、及びＣ３〜Ｃ６アルコール力価を制御する工程であって、Ｔ３及びＴ２の間の差は少なくとも約１℃である工程をさらに含む。この方法のある実施態様において、Ｔ３及びＴ２の間の差は、少なくとも約２℃、約３℃、約４℃、約５℃、約６℃、約７℃、約８℃、約９℃、約１０℃、約Ｈ℃、約１２℃、約１３℃、約４℃、又は約１５℃である。他の実施態様において、Ｔ２は、約３０℃、約２９℃、約２８℃、約２７℃、約２６℃、約２５℃、約２４℃、約２３℃、約２２℃、約２１℃、約２０℃未満である。
【０１０３】
この方法の他の実施態様において、第２の温度（Ｔ２）での水性冷却液は蒸発冷却によって生じる。本明細書において、蒸発冷却によって生じるとは、当該液体の温度が蒸発冷却プロセスによって変更され又は影響を受けることを意味する。たとえば、この実施態様において、水性冷却液が蒸発冷却によって生ずるとは、水性冷却液を冷却する液体がそれ自体、蒸発冷却によって冷却される熱交換器などによって液体を冷却することができることをいうことができる。蒸発冷却とは、液体の一部の蒸発潜熱を利用することにより液体の温度を下げることをいう。本方法での重要な利点は、蒸発冷却によって生じた水性冷却液の使用によって得られる。より具体的には、蒸発冷却の使用では、たとえば圧縮器を用いる冷却器により冷却することとは対照的に、蒸発冷却はエネルギー効率が顕著に良好になる。蒸留工程の圧力、Ｔｌ、及びＣ３〜Ｃ６アルコール力価を制御して、気相の温度を該気相がＴ２で水性冷却液とともに濃縮され得る温度にすることによって、当該方法では、水性冷却液がよりエネルギーが大きい方法によって生じる場合よりもエネルギー効率が良好である。
【０１０４】
この方法のさらなる他の実施態様において、濃縮された気相の一部を水性冷却液として用いることができる。さらに、この方法は、さらなる回収工程を含むことができる。特に、Ｃ３〜Ｃ６アルコールリッチ液相及び水リッチ液相は濃縮された気相から形成することができる。次いで、Ｃ３〜Ｃ６アルコールリッチ相と水リッチ相とを分離することができる。さらに、蒸留工程は、断熱性であってもよいし、又は等温性であってもよい。さらに、ある種の実施態様において、気相は、特に断熱性の蒸留の場合、約２重量％〜約４０重量％の希釈水溶液由来のＣ３〜Ｃ６アルコールを含んでもよい。さらに、他の実施態様において、気相は、特に等温蒸留の場合、約２重量％〜約９０重量％の希釈水溶液由来のＣ３〜Ｃ６アルコールを含む。希釈水溶液は微生物を含む発酵培地であることができ、該方法は、発酵培地中で微生物を培養してＣ３〜Ｃ６アルコールを生成する工程；及び水リッチ相を発酵培地に誘導することを含むことができる。
【０１０５】
本発明のさらなる実施態様は、水溶液中のＣ３〜Ｃ６アルコールの濃度を増大するように機能するフラッシュタンク及び蒸気の直接接触濃縮器としての二重機能を有するシステムを含む。該システムは、容器を含む。これらの機能の組み合わせにより、資本コスト及び操作コストを低減する一方で、Ｃ３〜Ｃ６アルコールを含むストリームをフラッシュしてアルコールを回収するのに十分な高真空の形成が可能となる。分離したフラッシュタンク及び直接接触濃縮器を用いて同様の圧力低下を確保するためには比較的に大きない結合用配管が必要となるであろうが、これは大きな出費を伴う。従って、大きな結合インフラの必要性が回避されるので、資本コストが低下する。特に、水溶液中のＣ３〜Ｃ６アルコールの濃度を増加するためのフラッシュタンク／直接接触濃縮器システムの一実施態様は、容器；Ｃ３〜Ｃ６アルコールを含むストリームの水溶液を容器に導入するための導管又は他の運搬体（conveyance）；Ｃ３〜Ｃ６アルコールを含むストリームの水溶液を減圧させてＣ３〜Ｃ６アルコールを含む蒸気を形成するための導管又は他の運搬体；Ｃ３〜Ｃ６アルコールを含む蒸気をＣ３〜Ｃ６アルコールを含む溶液と接触させて、濃縮物中のＣ３〜Ｃ６アルコールの濃度が水溶液の第１ストリーム中のＣ３〜Ｃ６アルコールの濃度より大きくなるように、Ｃ３〜Ｃ６アルコールの濃縮された蒸気を含む濃縮物を形成するための導管又は他の運搬体を含む。
【０１０６】
フラッシュタンク真空蒸発操作は真空下での圧力低下に関する工学的な懸念事項が少ないが、それは、フラッシュタンクが、システム上の圧力低下に影響を及ぼすフラッシュタンク上の液体の段階がなく一段階の分離として働くためであり、フラッシュタンク操作において差圧を非常に低いものとすることができる。フラッシュタンク中での蒸気発生についての設計計算及び配管システムのサイズは、圧力低下が低くなるように適当に選択することができる。フラッシュタンク中でのＣ３〜Ｃ６アルコールの蒸留は蒸留カラムの場合よりも低い真空が必要とされ、従って、フラッシュタンクは、設備のサイズがより小さく構成がより簡易となるので、操作及び資本コストがより低い。
【０１０７】
Ｃ３〜Ｃ６アルコールを含む溶液をフラッシュする工程を伴う本発明の任意の実施態様において、フラッシュは、断熱又は等温で行うことができる。上記のとおり、フラッシュ操作由来の気相は、特に断熱性の蒸留の場合、約２重量％〜約４０重量％の希釈水溶液由来のＣ３〜Ｃ６アルコールを含むことができる。さらに、他の実施態様において、該気相は、特に等温蒸留の場合、約２重量％〜約９０重量％の希釈水溶液由来のＣ３〜Ｃ６アルコールを含み得る。断熱フラッシュを使用すると、このようなプロセスを行うための設備が簡易であるので、資本コストが比較的に低くなるとの利点を有する。しかし、これらの条件下でを除去することができるＣ３〜Ｃ６アルコールの量は、等温プロセスを使用した場合と比較して実際には制限される。結果的に、発酵槽からのアルコールの除去の要件を満たすために、断熱的に操作されるフラッシュタンクへの／フラッシュタンクからのフロー速度（flow rate）（したがって、１／時（１／ｈｒ）として表される発酵槽の回転速度（turnover rate））は、等温で操作されるフラッシュタンクよりも顕著に大きくなり得る。従って、フラッシュタンクの等温操作は、フラッシュタンク及び発酵槽の間のフロー速度をより低くすることが可能であり、その結果、より小さくより標準的な装置を使用することができるとの重要な利点を有する。
【０１０８】
フラッシュ操作を伴う本発明の実施態様において、回転速度は、約０．０３３／ｈｒ〜約１／ｈｒ、又は約０．１２５／ｈｒ〜約０．２５／ｈｒであることができる。フラッシュ操作、特に等温のフラッシュを用いる本発明の実施態様において、回転速度は、約０．０３３／ｈｒ〜約０．３３／ｈｒ、又は約０．０４／ｈｒ〜約０．２５／ｈｒであることができる。フラッシュ操作、特に断熱性のフラッシュを用いる本発明の実施態様において、回転速度は、約０．２５／ｈｒ〜約１／ｈｒ、又は約０．２５／ｈｒ〜約０．５／ｈｒであることができる。これらの回転速度によって表されるフラッシュタンクへの／フラッシュタンクからのフロー速度は発酵槽の容積に依存すると理解されるであろう。
【０１０９】
等温フラッシュのさらなる利点は、該フラッシュが一定の温度で操作されるので、蒸気中のアルコールの量が、フラッシュ中に温度が低下する断熱性の操作よりも大きいことである。したがって、蒸気を濃縮した際、該濃縮物にはアルコールがより豊富にあり、アルコールが回収されるに従って取り扱う水がより少なくなる。
【０１１０】
フラッシュタンク／直接接触濃縮器ユニットの一実施態様を図４に示す。示すとおり、該ユニットは容器１００を含み、該容器は、２つの液体含有区画１０６、１０８又は区画１０６、１０８を分けるウェアー又は部分仕切り若しくは容器１００の底部での部分を含む。従って、２つの液体含有区画１０６、１０８又は部分は、容器１００の上面で開口し、互いに連通し、液体の分離を維持するが蒸気の移動を可能にする。フラッシュタンク／直接接触濃縮器ユニットは、Ｃ３〜Ｃ６アルコールを揮発できるように、機械式真空装置又は排出式真空装置などにより真空を生じさせるように適合される。左部分又は第１の流体含有部分１０６は、１０４及びポンプ１０２を介してＣ３〜Ｃ６アルコールを含む希釈水溶液を受容するように適合させる。このような溶液は、微生物及びＣ３〜Ｃ６アルコールを含む発酵ブロスであってもよい。したがって、この部分は、２つの導管、すなわち、一方は、希釈水溶液のストリームを１０４及びポンプ１０２を介してこの部分１０６に導入するための導管又はパイプなどの導管であり、他方は、Ｃ３〜Ｃ６アルコールをフラッシュし及び揮発した後に１１０及びポンプ１１２を介してこの部分の外に溶液（アルコーを一部枯渇する）を誘導するための導管を含むことができる。右部分又は第２の流体含有部分１０８は、Ｃ３〜Ｃ６アルコールを含む蒸気を濃縮するための溶液１１８を受容するように適合させる。この溶液は、水又は任意のＣ３〜Ｃ６アルコールを含んでもよいが、好ましい実施態様において、生成される及び／又は回収される同じＣ３〜Ｃ６アルコールを含む。第２の部分１０８も、２つの導管、すなわち、一方は、Ｃ３〜Ｃ６アルコールを含む溶液をこの部分１１６に導入するための導管であり、他方は、濃縮された蒸気をこの部分１１４の外に、たとえば液体−液体分離器１１１に誘導するための導管を含む。溶液は、スプレーノズル、スプレーボール、又はをＣ３〜Ｃ６アルコールを含む蒸気を濃縮するのに好適な他の機械装置など、噴霧機械装置１０９を用いることによって導入してもよい。
【０１１１】
フラッシュタンク／直接接触濃縮器ユニット１００の特定の一実施態様を図５に示す。この実施態様において、微生物及びＣ３〜Ｃ６アルコールを含む発酵槽からの発酵ブロスのストリームは、１０４及びポンプ１０２を介してフラッシュタンク／直接接触濃縮器ユニットの左部分又は第１の部分１０６に導入される。発酵ブロスの一部は該ブロスに低圧を適用することによってフラッシュされ、Ｃ３〜Ｃ６アルコールを含む蒸気が形成される。低い圧力は、蒸気排出装置１０９によって作り出される。排出装置１３６によって吸引されたストリーム１３３は、さらなる加工処理及びアルコール有用物の回収のためにビアスティル又は蒸発器１３８に送付することができる。残留したブロスは１１０及びポンプ１１２を介して発酵槽に戻され、戻されたブロス中のＣ３〜Ｃ６アルコール含有量はブロスの最初のストリーム中のものより小さい。Ｃ３〜Ｃ６アルコールを含む蒸気は、ユニットの右部分又は第２の部分１０８で溶液と接触させて、蒸気を濃縮し、Ｃ３〜Ｃ６アルコールを含む溶液（濃縮物）を形成する。濃縮物中のＣ３〜Ｃ６アルコールの含有量は、ブロスの最初のストリーム中のものより大きい。濃縮物は、さらなる回収及び加工処理のために、１１４を介して液体−液体分離器１１１に誘導することができる。濃縮物の一部は、１２０を介してポンプ１２２により冷却器１２８に運搬され、冷却することができる。冷却された濃縮物は、Ｃ３〜Ｃ６アルコールを含む蒸気を濃縮するために、さらに第２の流体含有部分１０８に運搬されて噴霧される。
【０１１２】
ある実施態様において、本発明の方法は、発酵ブロスなどの溶液からＣ３〜Ｃ６アルコールを回収する方法を指向し、該方法では、Ｃ３〜Ｃ６アルコールをガスに移し、その後、ガスからＣ３〜Ｃ６アルコールを回収するために、ガスを発酵ブロスに導入する。たとえば、一実施態様において、本発明は、微生物及びＣ３〜Ｃ６アルコールを含む発酵培地からＣ３〜Ｃ６アルコールを回収する方法であって、Ｃ３〜Ｃ６アルコールの一部をガスに移すために、発酵培地中にガスを導入する工程；ガスを発酵培地から回収ユニットに誘導する工程；及びガスからＣ３〜Ｃ６アルコールを回収する工程を含む方法を提供する。この実施態様において、ガスは、空気、二酸化炭素、又は窒素を含む、Ｃ３〜Ｃ６アルコールを回収するのに任意の好適なガスであることができる。
【０１１３】
図６を参照して、発酵ブロスからＣ３〜Ｃ６アルコールを回収するためにガスストリッピング（又はスカルピング）を適用するための手段を含む本発明の実施態様を例示する。ガスストリッピングは、フラッシュ回収と合わせて用いる場合、Ｃ３〜Ｃ６アルコールの回収を促進することができる。発酵は発酵槽１３０で行う。発酵槽１３０中の発酵ブロスは、Ｃ３〜Ｃ６アルコール生成物、及び発酵培地の他の成分を含む。増殖用タンク１４４は、１３４を介して発酵槽１３０に初期培養物を誘導する。ガスストリッピングは、発酵槽１３０中又はフラッシュタンク中で１４８で行うことができる。したがって、図６に示すように、ある実施態様において、ガスは、微生物及びＣ３〜Ｃ６アルコールを含む発酵ブロスを通して、１３２及び圧縮器１３９を介して発酵槽１３０に散布される。ある実施態様において、ガスは空気であってもよい。ある実施態様において、ガスは、窒素又は二酸化炭素などのＣ３〜Ｃ６アルコールと反応しない非反応性ガスであってもよい。発酵ブロス中のＣ３〜Ｃ６アルコールは散布されたガス泡沫に拡散し、１４０を介して排気ガスの一部として発酵槽から出て、１４０を介して蒸気濃縮器１５４に運搬される。
【０１１４】
発酵過程の際、微生物を含み得る発酵ブロスのストリームは、発酵槽１３０からフラッシュタンク１４８に誘導される。フラッシュタンク蒸気中に含まれるＣ３〜Ｃ６アルコールは濃縮器１５４中で散布されたガス泡沫と合わさり、フラッシュ蒸気輸送と一緒になる。次いで、Ｃ３〜Ｃ６アルコールをフラッシュ蒸気から回収することができる。蒸発した発酵ブロスの一部は、水蒸気及び散布されたガスとともに、発酵ブロス中のアルコールの一部のみを含む。フラッシュタンク１４８で蒸発した発酵ブロスの一部は、蒸気として、１５２を介して蒸気濃縮器１５４に誘導される。アルコール及び蒸気の混合物を濃縮する際、濃縮された溶液は１５６を介して液体−液体分離器１５８に誘導される。次いで、濃縮されない残留蒸気は、さらに１６０及びポンプ１６２を介して排気口に誘導される。フラッシュタンク１４８中での蒸留後、蒸留されない発酵ブロスの残留部分は１６４及びポンプ１６６を介して発酵槽１３０に戻される。発酵槽に戻されたこの発酵ブロスは、この時点でアルコールを一部枯渇している。
【０１１５】
図７は、酸素を含む無菌の空気が発酵槽発酵に導入される本発明の実施態様を例示している。発酵は発酵槽１３０中で行う。発酵槽１３０中の発酵ブロスは、Ｃ３〜Ｃ６アルコール生成物及び発酵培地の他の成分を含む。増殖用タンク１４４は、１３４を介して発酵槽１３０に最初の培養物を誘導する。無菌の空気は、微生物及びＣ３〜Ｃ６アルコールを含む発酵ブロスを通して、１３２及び圧縮器１３９を介して発酵槽１３０中で散布される。発酵ブロス中のＣ３〜Ｃ６アルコールは、散布された空気泡沫に拡散し、１４０を介して排気ガスの一部として発酵槽から出る。Ｃ３〜Ｃ６アルコールは、それをフラッシュタンク１４８由来の蒸気と濃縮器１５４中で合わせることにより、あるいは洗浄機中でＣ３〜Ｃ６アルコールを捕らえることなどによって、オフガスから回収することができる。
【０１１６】
発酵過程中に、微生物を含み得る発酵ブロスのストリームは発酵槽１３０からフラッシュタンク１４８に誘導される。次いで、Ｃ３〜Ｃ６アルコールをフラッシュ蒸気から回収することができる。蒸発させる発酵ブロスの一部は、水蒸気とともに、発酵ブロス中のアルコールの一部のみを含む。フラッシュタンク１４８で蒸発した発酵ブロスの一部は、蒸気として、１５２を介して蒸気濃縮器１５４に誘導される。アルコール及び蒸気の混合物を濃縮する際、濃縮された溶液は１５６を介して液体−液体分離器１５８に誘導される。次いで、濃縮されない残留蒸気は１６０及びポンプ１６２を介してさらに排気口に誘導される。フラッシュタンク１４８で蒸留した後、蒸留されない発酵ブロスの残留部分は、１６４及びポンプ１６６を介して発酵槽１３０に戻される。発酵槽に戻されたこの発酵ブロスは、この時点でアルコールが一部枯渇している。
【０１１７】
本明細書に記載した発酵方法の別の態様は、単独で又は組み合わせて、以下の任意のものなどの本実施態様と有利に組み合わせることができる：
発酵培地中で微生物を培養して、Ｃ３〜Ｃ６アルコールを生成する工程；及び水リッチ相を発酵培地に誘導する工程；
多糖類及び少なくとも１つの他の化合物を含む供給原料を加水分解し、発酵可能な加水分解生成物を生成する工程、及び本明細書に記載したその後の工程；
水及びＣ３〜Ｃ６アルコールを含む気相を蒸留する工程；及び気相中のＣ３〜Ｃ６アルコールを反応させて、生成物を形成する工程；
発酵培地の一部中のＣ３〜Ｃ６アルコールの活性を増加する工程；
希釈水溶液の一部をＣ３〜Ｃ６アルコール及び水を含む気相に蒸留する工程であって、該気相は、約１重量％〜約４５重量％の希釈水溶液の一部由来の第１の量のＣ３〜Ｃ６アルコールを含む工程；及び気相を濃縮する工程。
【０１１８】
他の本発明の実施態様は、Ｃ３〜Ｃ６アルコールを生成するために予備処理ユニット、複数発酵ユニット、及びビアスティルを含む改装エタノール生成プラントを操作する方法であって、ガスを発酵ブロスに導入して、ガスにＣ３〜Ｃ６アルコールを移した後、ガスからＣ３〜Ｃ６アルコールを回収する工程を含む方法である。
【０１１９】
ガスを発酵ブロスに導入して、Ｃ３〜Ｃ６アルコールをガスに移した後、ガスからＣ３〜Ｃ６アルコールを回収するための工程を含むこれらの実施態様において、少なくとも約５０％、少なくとも約６０％、少なくとも約７０％、少なくとも約８０％、少なくとも約８５％、少なくとも約９０％、少なくとも約９５％のＣ３〜Ｃ６アルコールをガスから回収することができる。
【０１２０】
ある実施態様において、本発明は、発酵ブロス中で微生物を培養し、微生物を高細胞密度に成長させる（成長相又は増殖相ともいう）工程、及びさらに微生物を培養してＣ３〜Ｃ６アルコールを生成する（生成相という）工程を含む。発酵ブロス中のＣ３〜Ｃ６アルコールの濃度が増加するに従って、微生物の成長、及びさらにＣ３〜Ｃ６アルコールの生成は、発酵ブロス中のＣ３〜Ｃ６アルコール蓄積によって阻害され得る。本発明の方法は、さらなる回収及び加工処理のために、培養工程中に発酵ブロスからＣ３〜Ｃ６アルコールを除去する工程をさらに含む。成長相又は増殖相中に発酵ブロスからＣ３〜Ｃ６アルコールを除去することにより、高濃度のＣ３〜Ｃ６アルコールに起因した微生物の成長阻害が低下し、細胞がより高細胞密度に成長することが可能となる。生成相中に発酵ブロスからＣ３〜Ｃ６アルコールを除去することにより、微生物によるＣ３〜Ｃ６アルコール生成阻害が低下し、生成されるアルコールのより高いバッチ濃度が可能となる。
【０１２１】
本発明は、発酵ブロスなどの溶液からＣ３〜Ｃ６アルコールを生成する方法であって、成長相及び生成相の２つの相で培養を行う方法も提供し、該生成相は嫌気性条件を含む低酸素条件下で行われる。したがって、一実施態様において、本発明は、発酵培地中で微生物を培養して微生物を成長させる工程、発酵培地中で微生物を培養してＣ３〜Ｃ６アルコールを生成する工程、及び培養工程中に発酵培地からＣ３〜Ｃ６アルコールを回収する工程を含む、Ｃ３〜Ｃ６アルコールを生成する方法を提供する。該方法は、微生物の成長工程中に、酸素を含むガスを１時間あたり発酵培地１リットルあたり約５〜約１５０モルの酸素の酸素移動速度（ＯＴＲ）で発酵培地に導入する特徴を有し得る。該方法は、Ｃ３〜Ｃ６アルコールの生成工程中に、酸素を含むガスを１時間あたり発酵培地１リットルあたり約２０モル未満の酸素の酸素移動速度（ＯＴＲ）で発酵培地に導入する特徴を有し得る。ＯＴＲの制限は、微生物の成長能力を制限することによりアルコールの生成を促進する。他の実施態様において、Ｃ３〜Ｃ６アルコール生成工程中に、酸素を含むガスを１時間あたり発酵培地１リットルあたり約１０モル未満の酸素又は１時間あたり発酵培地１リットルあたり約５モル未満の酸素のＯＴＲで発酵培地中に移される。
【０１２２】
この実施態様において、生成相のある時点で、生産性が低下するに従ってＯＴＲを増加することにより生産性の低下を回復することができることが意外にも見出された。理論に拘束されることはなく、この工程は細胞成長及び／又はＣ３〜Ｃ６アルコールの生成を回復又は促進すると考えられる。従って、本発明のこの実施態様は、発酵の生成相中に、すなわち、ＯＴＲが成長相中のＯＴＲから低下した後の適当な時点でＯＴＲを増加する工程を含む。より具体的には、この実施態様において、Ｃ３〜Ｃ６アルコールの生成中に、酸素を含むガスをＣ３〜Ｃ６アルコール生成に必要なＯＴＲを超えるＯＴＲで発酵培地中に導入する工程を含むことができる。Ｃ３〜Ｃ６アルコール用の様々な生成微生物は、アルコールの生成について様々なＯＴＲ要件を有するであろう。たとえば、ある微生物は、嫌気性条件下でアルコール生成するが、あるものは少量の酸素を必要とし得る。より具体的には、ＯＴＲは、１時間あたり発酵培地１リットルあたり約０．５〜約５モルの酸素、１時間あたり発酵培地１リットルあたり約０．５〜約４モルの酸素、１時間あたり発酵培地１リットルあたり約０．５〜約３モルの酸素、１時間あたり発酵培地１リットルあたり約０．５〜約２モルの酸素、又は１時間あたり発酵培地１リットルあたり約０．５〜約１モルの酸素であることができる。
【０１２３】
ＯＴＲを用いて、単位時間あたり発酵体積あたりの酸素消費を決定することができる。この情報は、正確な発酵槽システムの設計及び操作に重要である。ＯＴＲは、嫌気性、微好気性、及び完全に好気性の条件を確立するように制御することができる。ＯＴＲのこれらの様々なレジームを用いて、生物の成長又はアルコールなどの所望の代謝物の収率の間のバランス制御を確立することができる。発酵システムで得られるＯＴＲは、発酵槽の設計（バッフル、高さと幅との比、攪拌システム）、ガス注入システム、圧力、温度、溶媒の粘性、及び組成物を含むが限定するものではない、いくつかの変動要因に依存する。ＯＴＲは、ガス相由来の酸素から個々の細胞まで特徴づける基本のプロセスデータ及び計算から決定することができる。所定の発酵システムのＯＴＲの特徴が判る場合、エアレーションレジームを制御するように特定の制御を行うことができる。ＯＴＲ制御によく用いられるプロセス変動因子は、ガス供給速度、発酵槽の圧力、及びを混合強度である。さらに、使用される注入ガスは空気を含むように選択することができ、あるいは該注入ガスは１種以上の精製ガスの混合物であることができる。精製ガスの例は、酸素、窒素、及び二酸化炭素を含む。発酵システム用にＯＴＲを測定し且つ特徴付けを行うための手法がいくつか開発されている。ある測定方法は、発酵槽中に活発な（active)培養物を用いずにＯＴＲを決定する。他の手法は、活発な培養システムを用いてシステムのＯＴＲを測定する。本作業で利用したＯＴＲ手法は、活発な発酵中での酸素バランス技術（Oxgen Balance Technique)である。酸素消費は、発酵槽に供給される酸素の速度（ｍＭｏｌ  Ｏ２／ｈｒ）を測定し、発酵槽を出る酸素の速度（ｍＭｏｌ  Ｏ２／ｈｒ）を差し引くことによって決定される。この酸素移動速度を発酵体積（リットル）で割って、ＯＴＲ（ｍＭｏｌ  Ｏ２／Ｌ−ｈｒ）を得る。酸素フロー速度及び吸気口及び排気口ガスストリームの組成物は、様々な手法で測定することができる。ガスフロー速度及び組成物を測定するための確立された方法には、ガスフローメーター及び質量分析計を使用することが含まれる。システムに入りシステムから出るガスフロー速度は、典型的には単位時間あたりの体積速度で測定され、理想気体の法則を用いて単位時間あたりのモルフロー速度（ｍＭｏｌ／ｈｒ）に変換する。質量分析計は供給ガス及び排出口ガスの組成物を測定し、これを用いて全ガスフロー速度（ｍＭｏｌ／ｈｒ）から酸素モルフロー速度（ｍＭｏｌ  Ｏ２／ｈｒ）を計算することができる。発酵槽の体積は、差圧レベルト伝送器、校正体積サイトグラス（calibrated volume sightg lass）、及びレーダー式レベル計、又は他の手段を含む多くの手段の１つによって測定される。
【０１２４】
Ｃ３〜Ｃ６アルコールを生成する方法のこの実施態様において、回収工程は、発酵培地の一部中のＣ３〜Ｃ６アルコールの活性を、少なくとも、該一部中のＣ３〜Ｃ６アルコールの飽和の該活性に増加し、又は発酵培地の一部中の水の活性を、少なくとも、該一部中の飽和Ｃ３〜Ｃ６アルコールの活性に低減する工程；発酵培地の該一部からＣ３〜Ｃ６アルコールリッチ液相及び水リッチ液相を形成する工程；及び水リッチ相からＣ３〜Ｃ６アルコールリッチ相を分離する工程を含むことができる。この実施態様は、水リッチ相を発酵培地に誘導する工程を含むこともできる。これらの実施態様において、発酵培地の一部中のＣ３〜Ｃ６アルコールの活性を、少なくとも、該一部中のＣ３〜Ｃ６アルコールの飽和の該活性に増加する工程は、発酵培地から水及びＣ３〜Ｃ６アルコールを含む気相を蒸留する工程、及び気相中でＣ３〜Ｃ６アルコールを反応させて生成物を形成する工程を含むことができる。
【０１２５】
本発明は、Ｃ３〜Ｃ６アルコールの生成工程中に、酸素を含むガスを１時間あたり発酵培地１リットルあたり約２０モル未満の酸素酸素移動速度（ＯＴＲ）で発酵培地に導入する工程に特徴づけられる他の実施態様を含む。特に、本発明は、発酵培地中で微生物を培養して、Ｃ３〜Ｃ６アルコールを生成する工程、培養工程中に、酸素を含むガスを１時間あたり発酵培地１リットルあたり約２０モル未満の酸素のＯＴＲで発酵培地中に導入する工程、発酵培地の一部中のＣ３〜Ｃ６アルコールの活性を増加する工程、発酵培地の一部を蒸留して水及びＣ３〜Ｃ６アルコールを含む気相及び液相を生成する工程、及び液相を発酵培地に誘導する工程を含む、Ｃ３〜Ｃ６アルコールを生成する方法を含む。さらなるこのような方法は、Ｃ３〜Ｃ６アルコールを生成するために予備処理ユニット、複数発酵ユニット、及びビアスティルを含む改装エタノール生成プラントを操作する方法である。該方法は、予備処理ユニットで供給原料を予備処理して発酵可能な糖を形成する工程、第１の発酵ユニットで発酵可能な糖を含む発酵培地中で微生物を培養し、微生物を成長させる工程を含む。該方法は、第１の発酵ユニットで発酵可能な糖を含む発酵培地中で微生物を培養して、Ｃ３〜Ｃ６アルコールを生成する工程を含む一方、酸素を含むガスを１時間あたり発酵培地１リットルあたり約２０モル未満の酸素のＯＴＲで発酵培地中に導入する工程をさらに含む。Ｃ３〜Ｃ６アルコールは、Ｃ３〜Ｃ６アルコールを含む発酵培地の一部を処理してＣ３〜Ｃ６アルコールの一部を除去し、該処理した発酵培地の一部を発酵ユニットに戻すことによって回収される。該方法は、発酵ユニットからビアスティルに発酵培地を移す工程も含む。
【０１２６】
これらの実施態様の任意において、Ｃ３〜Ｃ６アルコールを生成する工程は嫌気性であることができる。発酵槽は、空気又は任意の他の酸素を含むガスの導入を停止することによって嫌気性にすることができ、培地中の任意の残留酸素が微生物によって用いられた後に培地は嫌気性になる。あるいは、発酵培地を窒素、二酸化炭素、又は他の不活性ガスでフラッシュして嫌気性培地を得ることができる。
【０１２７】
他の本発明の実施態様は、エネルギー効率が良い方法でＣ３〜Ｃ６アルコールを生成及び回収する方法を含む。ある実施態様において、本発明は、全プラントエネルギー消費を低下させて大幅なコスト軽減を付与する熱統合用の排出装置の使用を含む。これらのプロセスで用いられる排出装置は蒸気で動くベンチュリ装置であり、これを用いて真空を生じさせる。高圧下の蒸気を排出装置を通過させて１つの操作で真空を生じさせ、該蒸気を用いて他の操作を駆動してもよい。したがって、一実施態様において、本発明は、大気圧未満の圧力で操作される複数のユニット操作を含む、Ｃ３〜Ｃ６アルコールの生成及び回収する方法を操作する方法を含む。該方法は、第１のユニット操作において、蒸気を第１の排出装置に導入して大気圧未満の圧力を生じさせる工程；及び第２のユニット操作において、第１の排出装置から第２の排出装置に蒸気を誘導して、大気圧未満の圧力を生じさせる工程を含む。第１及び第２のユニット操作は、同じであっても又は異なってもよい。関連する実施態様において、本発明は、連続してより低い圧力で操作される複数のユニット操作を含む、Ｃ３〜Ｃ６アルコールの生成及び回収する方法を操作する方法を提供する。該方法は、第１のユニット操作において、Ｐ１圧力下で蒸気を第１の排出装置に導入し、大気圧未満の圧力を生じさせる工程；及び蒸気及び他のガス（例えば蒸発したブタノール及び二酸化炭素）を圧力Ｐ２（ここで、Ｐ２＞Ｐ１である）で第１の排出装置から第２の排出装置に誘導し、より大きい真空を生じさせる工程を含む。複数のユニット操作は、限定するものではないが、水再利用、第１の効用蒸発器、第２の効用蒸発器、ビアスティル、サイドストリッパー、及び／又は精留塔を含む、Ｃ３〜Ｃ６アルコールの生成及び回収する方法で用いる任意のユニット操作を含んでもよい。
【０１２８】
図５に示す他の実施態様において、高圧下での蒸気は１３３を介して排出装置１３６を通過し、フラッシュタンク−直接接触濃縮器ユニット１００で真空を生じさせる。フラッシュタンク−直接接触濃縮器ユニットからの過剰な蒸気に含まれる熱、蒸気濃縮物、及び濃縮されていない生成物蒸気は、排出装置を介してビアスティル又は蒸発器１３８に運ばれる。熱は、ビアスティル又は蒸発器におけるその後のプロセス工程に移すことによって生成及び回収プロセスで統合される。
【０１２９】
本発明は、高細胞密度培養方法を用いる、発酵ブロスなどの溶液からＣ３〜Ｃ６アルコールを回収する方法を提供する。たとえば、一実施態様において、本発明は、発酵培地中で微生物を成長させる工程、及び該成長工程中に発酵培地からＣ３〜Ｃ６アルコールを回収する工程を含む、Ｃ３〜Ｃ６アルコールを生成する微生物を高細胞密度に培養する方法を提供する。この方法において、微生物は、１リットルあたり約５ｇ〜１リットルあたり約１５０ｇの乾燥重量の範囲の細胞密度に達する。代替の実施態様において、微生物は、約５ｇ／ｌの乾燥重量〜約１５０ｇ／ｌの乾燥重量の範囲で変動する細胞密度に達することができる。特に、範囲の下限は、約５ｇ／ｌ、約１５ｇ／ｌ、約２５ｇ／ｌ、約５０ｇ／ｌ、約７５ｇ／ｌ、及び約１００ｇ／ｌの微生物乾燥重量から選択することができ、範囲の上限は、約１５０ｇ／ｌ、約１２５ｇ／ｌ、約１００ｇ／ｌ、約７５ｇ／ｌ、約５０ｇ／ｌ、及び約２５ｇ／ｌの微生物乾燥重量から選択することができる。これらの実施態様は、下限の任意の１つと上限の任意の１つを含んでもよい。
【０１３０】
本発明の他の実施態様は、発酵培地中でＣ３〜Ｃ６アルコールを生成する微生物を培養してＣ３〜Ｃ６アルコールを生成する工程、及び発酵培地からＣ３〜Ｃ６アルコールを回収する工程であって、Ｃ３〜Ｃ６アルコールの生成が１時間あたり１リットルあたり少なくとも約１ｇの速度である工程を含む、Ｃ３〜Ｃ６アルコールを生成する方法を提供する。代替の実施態様において、Ｃ３〜Ｃ６アルコールの生成は１リットルあたり１時間あたり少なくとも約２ｇの速度である。好ましい実施態様において、Ｃ３〜Ｃ６アルコールはブタノール又は特にイソブタノールであってもよい。
【０１３１】
上記で論じた様々な実施態様は、互いに組み合わせることができる。たとえば、図８及び９に示すように、アルコール回収において効率をより大きくするために、ガススカルピング又はガスストリッピングをフラッシュタンク−直接接触濃縮器ユニットと組み合わせて行ってもよい。図８は、フラッシュタンク／直接接触濃縮器ユニット１００及びガススカルパーを用いた、発酵ブロスからのＣ３〜Ｃ６アルコールを生成及び回収するための本発明の実施態様を表す。増殖用発酵槽１７０は、１７２を介して生成発酵槽１７４に最初の培養を誘導する。排気ガスが１７８介して発酵槽から洗浄機１８２に出る。発酵過程中に、微生物を含み得る発酵ブロスのストリームは、発酵槽１７４から熱交換器１９０に誘導され、次いで、１８８を介してスカルパー１９４に誘導される。スカルパーからのガスの除去は、１９８を介して機械式真空ポンプ２０６、次いで洗浄機２１０によって行われる。
【０１３２】
微生物を含み得る発酵ブロスのストリームは、１８８を介してシステム１００に誘導される。より具体的には、ブロスは、蒸留のためにフラッシュタンク部分１０６にさらに誘導される。システム１０６のフラッシュタンク部分で生成される蒸気はシステム１０８の直接接触濃縮器部分に運搬され、濃縮速度を増加するためにアルコール生成物を含み得る濃縮液体１０９の細かい噴霧に暴露される。システム１０８の直接接触濃縮器部分からの高圧下の蒸気を１３２を介して排出装置１３６を通過させ、フラッシュタンク−直接接触濃縮器ユニット１００中で真空を生じさせる。フラッシュタンク−直接接触濃縮器ユニット由来の過剰な蒸気中に含まれる熱、蒸気濃縮物、及び濃縮されない生成物の蒸気は、排出装置を介してビアスティル又は蒸発器１３８に運ばれる。濃縮液体１０９として用いられない濃縮物の残留物は、１１４を介して液体−液体分離器１１１に送られる。フラッシュタンク部分１０６で蒸留した後、蒸留されない発酵ブロスの残留部分（アルコールを一部枯渇している）を１１０及びポンプ１１２を介して発酵槽に戻すことができる。
【０１３３】
図９は、フラッシュタンク／直接接触濃縮器ユニット及びガスストリッパーを用いて発酵ブロスからＣ３〜Ｃ６アルコールを生成及び回収するための本発明の実施態様を表す。ガスは、微生物及びＣ３〜Ｃ６アルコールを含む発酵ブロスを通して、１３２及び圧縮器１３９を介して発酵槽１７４に散布される。ある実施態様において、ガスは空気であってもよい。ある実施態様において、ガスは、窒素などのＣ３〜Ｃ６アルコールと反応しない非反応性のガスあってもよい。発酵ブロス中のＣ３〜Ｃ６アルコールは散布されたガス泡沫に拡散する。
【０１３４】
微生物を含み得る発酵ブロスのストリームは、１０４及びポンプ１０２を介してシステム１００に誘導される。より特定的には、ブロスは、蒸留のためにフラッシュタンク部分１０６にさらに誘導される。ガスは、２１８及び圧縮器２１４を介してフラッシュタンク部分１０６に散布される。システム１０６のフラッシュタンク部分で生成される蒸気は、システム１０８の直接接触濃縮器部分に運搬され、濃縮速度を増加するためにアルコール生成物を含み得る濃縮液体１０９の細かい噴霧に暴露される。システム１０８の直接接触濃縮器部分からの高圧下での蒸気は１３３を介して排出装置１３６を通過し、フラッシュタンク−直接接触濃縮器ユニット１００で真空が生ずる。フラッシュタンク−直接接触濃縮器ユニット由来の過剰な蒸気中に含まれる熱、蒸気濃縮物、及び濃縮されない生成物の蒸気は、排出装置を通ってビアスティル又は蒸発器１３８に運ばれる。濃縮液体１０９として用いられない濃縮物の残留物は、１１４を介して液体−液体分離器１１１に送られる。フラッシュタンク１０６部分で蒸留した後、蒸留されない発酵ブロスの残留部分（アルコールを一部枯渇している）は１１０及びポンプ１１２を介して発酵槽に戻される。
【０１３５】
図１３を参照して、フラッシュタンク／直接接触濃縮器ユニット１００、ガススカルパー、及び３つのポンプループを用いて、発酵ブロスからＣ３〜Ｃ６アルコールを生成及び回収するためのさらなる本発明の実施態様を示す。増殖用発酵槽１７０は、最初の培養物を１７２を介して生成発酵槽１７４に移す。ガスは、微生物及びＣ３〜Ｃ６アルコールを含む発酵ブロスを通して、１３２及び圧縮器１３９を介して発酵槽１７４に散布される。ある実施態様において、ガスは空気であってもよい。ある実施態様において、ガスは、窒素などのＣ３〜Ｃ６アルコールと反応しない非反応性のガスあってもよい。発酵ブロス中のＣ３〜Ｃ６アルコールは散布されたガス泡沫に拡散する。排気ガスは、１７８を介して発酵槽から洗浄機１８２に出る。
【０１３６】
発酵過程中、微生物を含み得る発酵ブロスのストリームは発酵槽１７４からポンプ１８６を介して熱交換器１９０に誘導され、次いで１８８を介してスカルパー１９４に誘導される。スカルパーからのガスの除去は、機械式真空ポンプ２０６によって１９８を介して洗浄機２１０へと行われる。微生物を含み得る発酵ブロスストリームは、ポンプ２２０を介し、さらに２０２を介してシステム１００に誘導される。
【０１３７】
発酵ブロスの一部をフラッシュタンク中／直接接触濃縮器ユニット１００中で蒸発し、蒸気を２２２を介して真空下で除去し、ビアスティル又は蒸発器１３８に送る。濃縮された蒸気の幾らかは、１１４を介して液体−液体分離器１１１に送る。フラッシュタンク部分１０６で蒸留した後、蒸留されない発酵ブロスの残留部分（アルコールが一部枯渇している）を１１０及びポンプ１１２介して発酵槽に戻すことができる。
【０１３８】
前述の本発明の実施態様の技術背景及びコンテクストとして、イソブタノールの回収のための連続的な真空フラッシングプロセスの概念図を図１に示す。発酵は発酵槽１０中で行われる。発酵槽１０中の発酵ブロスは、ブタノールなどのＣ３〜Ｃ６アルコール生成物及び発酵培地の他の成分を含む。発酵過程中に、微生物を含み得る発酵ブロスのストリームは、１２を介して発酵槽１０から熱交換器２０に誘導される。熱交換器２０を用いて、発酵ブロスの温度をその後の蒸留に好適な温度に上昇させる。
発酵ブロスの温度を適当な温度に上昇させた後、ブロスは蒸留のために２２を介してさらにフラッシュタンク３０に誘導される。発酵熱は、フラッシュシステムでの蒸発に必要な熱を一部供給することができる。加熱された発酵ブロスがフラッシュタンク３０に導入された際に発酵ブロスの一部が蒸発するように、フラッシュタンク３０は大気圧未満の圧力で維持される。蒸発した発酵ブロス部分は、水蒸気とともに、発酵ブロス中のブタノール部分のみを含む。フラッシュタンク３０中で蒸留した後、蒸留されていない発酵ブロスの残留部分は１３４を介して発酵槽１０に戻される。発酵槽に戻されるこの発酵ブロスは、この時点でメタノールを一部枯渇している。フラッシュタンク３０中で蒸発させる発酵ブロスの一部は、蒸気として、３２を介して蒸気濃縮器４０に誘導され、４２を介して冷却水などによって冷却することができる。ブタノール及び水蒸気の混合物を濃縮したら、濃縮された溶液は４４を介して相分離器５０に誘導される。次いで、濃縮されない残留した蒸気はさらに４８を介して排気口に誘導される。相分離器中の濃縮された溶液は、重い液相及び軽い液相に分離することができる。重い液相は、主に、水及び水に可溶なある量のブタノールからなる。軽い液相は、主に、ブタノール及びある量の可溶な水からなる。相分離器により、ブタノールを含む軽相は重相から分離することにより回収され、さらに精製のために処理することができる。主に水からなる重相は、システムにおける他の用途又は使用のために誘導することができる。１３、３５は液体ポンプであり、４７は真空ポンプである。
【０１３９】
図２を参照して、且つ前述の本発明の実施態様の技術背景及びコンテクストとして、予備処理したトウモロコシの同時糖化及び発酵によるブタノール生方法の特定の実施態様において、ブタノールのサイドストリームの共沸蒸留を例示する。乾燥トウモロコは粉砕されて粉末にされる。粉砕したトウモロコシ１、薄い蒸留廃液（thin stillage)３、ＣＩＰ発酵槽クリーンアウト（cleanout）３１、リサイクルされた水４３、及び蒸気２がトウモロコシデンプン予備処理システム３２に添加され、ここで、混合物はスラリー化され、約９９℃に加熱される（ＣＩＰ（定置洗浄（Clean in Place））発酵槽クリーンアウトは、バッチ間で発酵槽を清浄し消毒するために用いられる苛性水溶液である。ＮａＯＨがよく用いられるが、他の強塩基及び他の消毒用化学物質も用いることができる。不要なＣＩＰ溶液は、（壁にくっ付いている）発酵槽由来の固体、栄養分、炭水化物などを含み、これはトウモロコシ予備処理の前部に再導入することができる）。α−アミラーゼ５０をトウモロコシデンプン予備処理システム３２に添加し、保持時間を約１／時間未満とすることができる。溶液を約５０℃〜約６５℃の範囲の温度に冷却した後に、グルコアミラーゼ酵素４を添加する。約５〜６時間の短い糖化時間後に、スラリーを約３２℃に冷却する。この時点で、可溶である及び可溶である固体を含むスラリー固体濃度は約３６１ｇ／ｋｇであることができる。約３２時間で糖化を完了するのに十分な酵素４をトウモロコシマッシュ混合物にも添加し、これを発酵槽５に移す。発酵を、同時糖化及び発酵（ＳＳＦ）モード下、３２℃で実施する。約４重量％のブタノールを含むサイドストリーム６を発酵槽５から継続的に除去し、フラッシュタンク熱交換器３３を用いて、フラッシュタンク供給７の温度を約３４℃で制御する。約５０ｍｍＨｇの真空をフラッシュタンク３４上で吸引し、共沸蒸気組成物１１が形成される。ブタノール水蒸気共沸物１１の組成は約５４重量％のブタノール及び約４６重量％の水であることができる。共沸物の蒸気１１は真空ポンプ３５によってポンプ吸引され、化学変換プロセス１３又は濃縮器１２のいずれかに供給される。濃縮された気相３６は液体／液体分離器３７に誘導され、ここで相分離される。濃縮された気相は、ブタノールリッチ相３７ａ及び水リッチ相３７ｂに分離される。ブタノールリッチ相３７ａは、約６８０ｇ／Ｌブタノールのブタノール濃度を有する。水リッチ相３７ｂは、約８６ｇ／Ｌのブタノール濃度を有する。上層３７ａと下層３７ｂとの生じた体積比は３対１である。
【０１４０】
細胞、水、栄養分、炭水化物、及び約２重量％の未蒸発ブタノールを含むフラッシュタンク３４中の未蒸発成分９は、発酵槽５に戻される。未蒸発成分９はブタノールを枯渇しており、発酵槽５に戻ったときにブタノールが継続して生成され、上記のようにサイドストリーム６の処理によって回収することができる。
【０１４１】
液体／液体分離器３７からの水リッチ重相３７ｂは、１５を介してビアスティル３８に誘導され蒸留される。ブタノール−水共沸組成物１８がビアスティル３８で生じ、濃縮器３９に誘導され濃縮される。
濃縮された蒸気１９は液体／液体分離器４０に誘導され、水リッチ重相４０ｂとブタノールリッチ軽相４０ａとに分離される。約８６ｇ／Ｌのブタノールを含む水リッチ重相４０ｂは２０を介してリサイクルされ、ビアスティル３８に戻される。ブタノールリッチ相４０ａは、約６８０ｇ／Ｌブタノールのブタノール濃度を有する。
【０１４２】
液体／液体分離器４０中のブタノールリッチ軽相４０ａは、２１を介して蒸留システム４１に誘導される。液体／液体分離器３７中のブタノールリッチ軽相３７も１６を介して蒸留システム４１に誘導され、ブタノールリッチ軽相４０ａと合わせることができる。蒸留システム４１は大気圧で操作され、精製ブタノールは約９９重量％ブタノールの濃度で高沸点生成物２２として生成される（他の実施態様において、蒸留システムは、大気圧未満の圧力、大気圧、又は大気圧超の圧力で操作することができる）ブタノール水共沸物蒸気２３が生成され、濃縮器４５に送られ、濃縮される。濃縮された蒸気４６は液体／液体分離器４７に誘導され、水リッチ重相４７ｂ及びブタノールリッチ軽相４７ａに分離される。水リッチ重相４７ｂは、４８を介してビアスティル３８にリサイクルされる。ブタノールリッチ軽相４７ａは５１を介して蒸留システム４１に誘導され、他の投入物１６、２１と合わせることができる。
【０１４３】
発酵槽５でのＳＳＦ発酵は５２時間で行われる。真空フラッシュタンク３４によって除去されない約２％ブタノールを含む発酵ブロスは、８を介してビアスティルに３８に誘導される。ブロス中のブタノールは、ブタノール−水共沸物１８として塔頂で蒸留される。ビアスティル３８から、水、変換されていない炭水化物、栄養分、細胞、繊維、トウモロコシ胚芽、酵素、及び他の発酵成分が底部生成物１７として取り出され、約０．０５重量％のブタノールを含む。ビアスティル底部のストリーム１７は、蒸留乾燥穀物乾燥器２７及びパージストリーム２８に分けられる。薄い蒸留廃液３はパージストリーム２８によって生成される。乾燥した蒸留穀物２９は、乾燥器２７によって生成される。乾燥器２７は水蒸気３０も生成し、これは濃縮器４２によって濃縮され、４３を介してトウモロコシデンプン予備処理システム３２にリサイクルされる。
【０１４４】
発酵槽５、濃縮器１２（フラッシュタンク３４からのフローを有する）、濃縮器３９（ビアスティル３８からのフローを有する）、及び濃縮器４５（蒸留システム４１からのフローを有する）は、ブタノール、水、ＣＯ２、及び他の不活性ガスを含むベント（vent）ストリーム１０、２５、２４、４９を有する。これらのストリームをベント収集システム４４で合わせ、下流の設備２６で加工処理し、ブタノール及びＣＯ２を回収し精製する。
【０１４５】
前述の本発明の実施態様は、トウモロコシデンプン予備処理システム、発酵槽、ビアスティル、蒸留システム、及び乾燥器を含む主な操作がエタノール生成のために従前に用いられた操作である、改装トウモロコシエタノール生成プラントで行うことができる。このようなシステムは、サイクルで操作される複数の発酵槽（典型的には５〜７個）を有し、各発酵槽はビアスティルに移す前に約５２時間の発酵を行う。発酵槽の蒸留操作（例えばトウモロコシデンプン予備処理システム）は、第１の発酵槽用に本質的に継続的な供給原料の調製を操作し、次いで第２の発酵槽用の供給原料の調製を操作するなどである。発酵槽の下流の操作（例えば、ビアスティル、蒸留システム、及び乾燥器）は、各発酵槽から発酵ブロスを本質的に継続的に取り出すことを操作することであり、それは、各発酵槽が、エタノールを回収し、ＤＤＧＳ、パージストリーム、及び薄い蒸留廃液を生成するための発酵サイクルを終了するからである。
【０１４６】
このようなエタノール生成プラントは、本明細書に記載した様々な生成及び回収方法を導入することによりブタノールを生成するように改装することができる。
【０１４７】
典型的には、エタノールを生成する微生物は、発酵ブロス中の高濃度のエタノールに耐性である。しかし、発酵ブロス中の高濃度のＣ３〜Ｃ６アルコールは微生物に毒性であり得る。したがって、エタノールの代わりにＣ３〜Ｃ６アルコールを生成するためのエタノールプラントを操作するために、生成された状態のアルコールを同時に除去するコストの低い方法が必要とされている。
【０１４８】
ブタノール生成生物が活動停止する前にエタノール濃度の高さと同程度のブタノール濃度を生ずることができないので、本明細書に記載した生成及び回収方法は、ブタノールの効率的な生成を可能にするためのエタノールプラントへの導入に有用である。ブタノール回収プロセス（ここでは、微生物を含み得る発酵ブロスの一部が、該発酵ブロス部分からブタノールの一部を回収するためのフラッシュタンクなどの回収操作に利用され、ブタノール枯渇ストリームが発酵槽に戻される）を導入することにより、有効なブタノール濃度の発酵を顕著に増大することができ、その結果、ブタノール生成プロセスをエタノール生成プラントに誘導することができる。
【０１４９】
プラントを改装する方法は、上記のように、サイドストリーム６、フラッシュタンク供給７、及び未蒸発成分のストリーム９を生成するための設備をプラントに導入する工程を含むことができる。さらに、分離器３７、４０などの液体／液体分離を行うための設備を導入して、ブタノールの効率的な回収を提供することができる。
【０１５０】
したがって、ある実施態様において、本発明は、関連する実施態様で記載した方法工程を用いる改装エタノール生成プラントを操作する方法を提供する。たとえば、一実施態様において、本発明はＣ３〜Ｃ６アルコールを生成するために改装エタノール生成プラントを操作する方法を含む。この実施態様において、改装エタノール生成プラントは、Ｃ３〜Ｃ６アルコールを生成するために予備処理ユニット、複数発酵ユニット、及びビアスティルを含む。該方法は、予備処理ユニットで、供給原料を予備処理して発酵可能な糖を形成する工程；発酵培地中で第１の発酵ユニットで、Ｃ３〜Ｃ６アルコールを生成する微生物で発酵可能な糖を発酵する工程；発酵培地の一部を処理して、Ｃ３〜Ｃ６アルコールを除去する工程；第１の発酵ユニットで処理した部分を戻す工程；任意選択で、発酵培地から第１の発酵ユニットにガスを除去する工程；及び発酵培地を第１の発酵ユニットからビアスティルに移す工程を含む。
【０１５１】
本発明のある方法は、供給原料を予備処理して、予備処理ユニットで発酵可能な糖を形成する工程を含む。予備処理ユニットは、予備処理用の供給原料を継続的に受容する。予備処理との用語は、粉砕、ミリング、タンパク質などの他の成分からの炭素供給源の分離、脱結晶化（decrystallization）、ゼラチン化（gelatinization）、液化、糖化、及び化学手段及び／又は酵素触媒によって触媒される加水分解などの処理をいう。たとえば、供給原料は、乾燥トウモロコシであってもよく、これは、予備処理ユニット中で粉砕され、水と混合され、加熱され、アミラーゼと反応されて、微生物による発酵基質として好適な発酵可能な糖を含むマッシュ又はスラリーを生成する。
【０１５２】
本発明のある方法は、第１の発酵ユニットで、発酵培地中でＣ３〜Ｃ６アルコールを生成する微生物を用いて発酵可能な糖を発酵する工程をさらに含む。発酵ユニットは、培養すると発酵可能な糖をＣ３〜Ｃ６アルコールに変換することができる微生物を含む発酵培地を含む。このような微生物は、上記で詳述している。改装プラントは、複数発酵ユニットを含む。予備処理ユニットからの発酵可能な糖を含む予備処理した供給原料のストリームは第１の発酵ユニットに導入され、ここで、微生物を含む発酵培地と合わせられる。微生物は存在する発酵可能な糖を発酵し、Ｃ３〜Ｃ６アルコールを生成する。
【０１５３】
本発明のある方法は、発酵培地の一部を処理してＣ３〜Ｃ６アルコールを除去する工程をさらに含むことができる。発酵培地は、Ｃ３〜Ｃ６アルコール、水、及び微生物を含む。第１の発酵ユニットからの発酵培地の一部（例えば、サイドストリーム）を用いて、ここに含まれるＣ３〜Ｃ６アルコールを除去する。該処理は、本明細書に記載した希釈水溶液からＣ３〜Ｃ６アルコールを精製及び回収するための任意の１つ又は複数の方法、特に、水及びＣ３〜Ｃ６アルコールを含む気相の蒸留、親水性溶質の添加、水可溶性の炭素供給源の添加、逆浸透、透析、及びそれらの組み合わせの工程（これらの工程はすべて本明細書に上記で詳述される）を含むことができる。好ましい実施態様において、この工程は、サイドストリームを、第１の発酵ユニットから、蒸留工程が大気圧未満の圧力で行われるフラッシュタンクに誘導する工程を含む。フラッシュタンクの設計は上記で詳述されている。
【０１５４】
本発明のある方法は、第１の発酵ユニットで処理した部分を戻す工程をさらに含む。該処理部分はＣ３〜Ｃ６アルコールを枯渇し、水を含み、且つ微生物を含み得、その両方が発酵培地に戻される。発酵培地からＣ３〜Ｃ６アルコールの一部を除去し、培地を発酵槽に戻すことにより、発酵ブロス中のＣ３〜Ｃ６アルコールの濃度はＣ３〜Ｃ６アルコールのさらなる生成に有害である濃度を下回って維持される。
【０１５５】
本発明のある方法は、発酵ユニットから発酵ビアスティルに培地を移す工程をさらに含む。この工程は、所望する場合、発酵が完了するように行うことができる。全ての発酵可能な炭水化物が消費されたとき、あるいは炭水化物の変換速度が低下して発酵を停止することが望ましいときに、発酵の完了が起こる。
【０１５６】
本発明の方法のある実施態様において予備処理する速度は、エタノールをそれが生成するときのプラントの場合と同じであり、及び／又は慣用的なエタノールプランと同じである。本明細書で用いる速度が「同じ」とは、全く同じである速度を含むが、（プラス又はマイナス）約２５％以内の速度、約１５％以内の速度、約１０％以内の速度、約９％以内の速度、約８％以内の速度、約７％以内の速度、約６％以内の速度、約５％以内の速度、約４％以内の速度、約３％以内の速度、約２％以内の速度、約１％以内の速度を含む。従って、改装エタノールプラントの予備処理速度が１時間あたり約１１５メートルトンである場合、その速度の約２５％以内の予備処理速度は１時間あたり約７．５トン〜１時間あたり約１２．５トンの速度を含むであろう。予備処理速度とは、予備処理した供給原料が発酵ユニットに誘導される速度をいう。
【０１５７】
これらの方法のある他の実施態様において、発酵ユニットのサイクル時間は、エタノールを生成するときのプラントのものと同じであり、及び／又は慣用的なエタノールプラントのものと同じである。サイクル時間とは、接種材料を導入した時間乃至発酵槽からビアスティルに移すまでの時間をいう。たとえば、発酵槽の典型的なサイクル時間は約５２時間である。
【０１５８】
ある実施態様において、改装プラントからのＣ３〜Ｃ６アルコール出力は、改装前のプラントのエタノール最大出力のＣ３〜Ｃ６アルコール当量（equivalent）の少なくとも約８０％である。他の実施態様において、改装プラントのＣ３〜Ｃ６アルコール出力は、改装前のプラントのエタノール最大出力のＣ３〜Ｃ６アルコール当量の少なくとも約８１％、少なくとも約８２％、少なくとも約８３％、少なくとも約８４％、少なくとも約８５％、少なくとも約８６％、少なくとも約８７％、少なくとも約８８％、少なくとも約８９％、少なくとも約９０％、少なくとも約９１％、少なくとも約９２％、少なくとも約９３％、少なくとも約９４％、少なくとも約９５％、少なくとも約９６％、少なくとも約９７％、少なくとも約９８％、少なくとも約９９％である。
【０１５９】
アルコールプラントの最大出力はそのプラントによって生成されるアルコールの量の尺度であり、年間あたりに生成されるアルコールのガロンとして表現してもよいし、又は期間あたりの体積又は重量を測る他の単位で表現してもよい。プラントの出力は、特定のプラントのサイズ及び設計に依存する。「改装前のプラントのエタノール最大出力」とは、Ｃ３〜Ｃ６アルコールを生成するために改装する前のプラントで生成された又はプラントを技術設計したエタノール最大量をいう。
【０１６０】
上記の通り、エタノールの生成に用いる微生物は発酵ブロス中の高濃度のエタノールに対して耐性であるが、Ｃ３〜Ｃ６アルコールの生成に用いる微生物は一般に高濃度のＣ３〜Ｃ６アルコールに耐性ではない。有利なことには、本発明の方法を用いて、その特定のアルコールの理論的変換効率によってのみ制限されるエタノールの出力レベルに相当する出力レベルでＣ３〜Ｃ６アルコールを生成するようにエタノールプラントを改装することができる。グルコースのエタノールへの理論的変換効率は、重量ベースで、５１％又は０．５１である（しかし、実際には、いくらかのグルコースは細胞集団及びアルコール以外の代謝生成物の生成用に微生物によって用いられるので、実際の変換効率は理論的最大値より低い）。微生物によって用いられる発酵経路に依り、グルコースからプロパノールへの理論的変換効率は０．３３〜０．４４の範囲であることができ、ブタノールの当該当該理論的変換効率は０．２７〜０．４１の範囲であることができ、ペンタノールの当該理論的変換効率は０．３３〜０．３９の範囲であることができ、ヘキサノールの当該理論的変換効率は０．２８〜０．３８．の範囲であることができる。「Ｃ３〜Ｃ６アルコール当量」とは特定のＣ３〜Ｃ６アルコールの理論的変換効率とエタノールの理論的変換効率との比をいい、用いる特定の発酵経路に特異的である。従って、本明細書で用いる「エタノールのイソブタノール当量」（グルコース１分子がイソブタノール１分子、ＡＴＰ２分子、及びＣＯ２２分子に破壊される経路について）は、０．４０１÷０．５１＝０．８０６である。たとえば、約１００百万ガロン／年である改装前のプラントのエタノール最大出力を有するエタノールプラントを考慮する。本発明の方法を用いて、プラントを改装し操作して、年間あたり約８０．６百万ガロン理論最大出力でブタノールを生成することが可能となる。しかし、エタノールの密度が０．７８９４であり、イソブタノールの密度が０．８１０６であることを考慮すると、イソブタノールの実際の理論的最大出力は年間約７８百万ガロンである。年間あたりの正確なガロン数のは、密度の情報、理論収率及び／又は達成された実際の収率を用いて計算することができる。
【０１６１】
様々な実施態様において、エタノールプラントは、密度差の原因となる任意の所定のＣ３〜Ｃ６アルコールの理論最大出力の少なくとも約８０％の出力で改装及び操作することができる。他の実施態様において、改装プラントのＣ３〜Ｃ６アルコール出力は、密度差の原因となる理論最大出力の少なくとも約８１％、少なくとも約８２％、少なくとも約８３％、少なくとも約８４％、少なくとも約８５％、少なくとも約８６％、少なくとも約８７％、少なくとも約８８％、少なくとも約８９％、少なくとも約９０％、少なくとも約９１％、少なくとも約９２％、少なくとも約９３％、少なくとも約９４％、少なくとも約９５％、少なくとも約９６％、少なくとも約９７％、少なくとも約９８％、少なくとも約９９％であり得る。
【０１６２】
様々な本発明の実施態様は、発酵培地中で微生物を培養する工程、及び発酵ブロスから回収する工程を含む。「発酵」又は「発酵プロセス」又は「微生物を培養する」とは、生物触媒が供給原料及び栄養分などの原料を含む培地中で培養され、該生物触媒が供給原料などの原料を生成物に変換するプロセスと定義される。本発明に好適な生物触媒及び関連する発酵プロセスは、２０１０年６月２２日に出願された「Yeast Organism Producing Isobutanol at a High Yield」（非公開）とのタイトルの米国特許出願第１２／８２０，５０５号；２００９年１１月２２日に出願された「Engineered Microorganisms Capable of Producing Target Compounds under Anaerobic Conditions」とのタイトルの米国特許出願第１２／６１０，７８４号（米国第２０１０／０１４３９９７号として公開）；２００９年１２月２３日に出願された「Engineered Yeast Microorganisms for the Production of One or More Target Compounds」（非公開）とのタイトルのＰＣＴ／ＵＳ０９／６９３９０号；２０１０年６月１日に出願された「Methods and Compositions for Increasing Dihydroxyacid Dehydratase Activity and Isobutanol Production」とのタイトルの米国特許出願第６１／３５０，２０９号；２０１０年２月１２日に出願された「Increased Isobutanol Yield in Yeast Biocatalysts by Elimination of the Fermentation By-Product Isobutyrate」とのタイトルの米国特許出願第６１／３０４，０６９号；２０１０年２月２６日に出願された「Decreased Production of the By-Product Isobutyrate During Isobutanol Fermentation Through Use of Improved Alcohol Dehydrogenase」とのタイトルの米国特許出願第６１／３０８，５６８号；２０１０年６月７日に出願された「Reduction of 2,3-Dihydroxy-2-Methylbutanoic Acid (DH2MB) Production in Isobutanol Producing Yeast」とのタイトルの米国特許出願第６１／３５２，１３３号；２００９年２月１３日に出願された「Engineered Microorganisms for Producing Propano」とのタイトルの米国特許出願第１２／３７１，５５７号（米国第２００９／０２４６８４２号として公開）；２０１０年１月６日に出願された「Fermentative Process for Production of Isopropanol at High Yield」とのタイトルの米国特許出願第６１／２９２，５２２号；２００７年１２月２１日に出願された「Butanol Production by Metabolically Engineered Yeast」とのタイトルの米国特許出願第１１／９６３，５４２号（米国第２０１０／００６２５０５号として公開）；２００７年１２月３日に出願された「Engineered Microorganisms for Producing N-Butanol and Related Methods」とのタイトルの米国特許出願第１１／９４９，７２４号（米国第２００９／０１５５８６９として公開）に詳細に記載され、これらはその全体について参照により本明細書に援用する。生物触媒は、選択した供給原料を所望のＣ３〜Ｃ６アルコールに変換することができる任意の微生物であってもよい。生物触媒のさらなる態様は以下に論ずる。発酵可能な炭素供給源を含む任意の供給原料が本発明に好適である。
【０１６３】
発酵ブロス及び発酵培地とは、同義語である。明示しない限り、発酵ブロスは、微生物を含む発酵ブロス及び微生物を含まない発酵ブロスの両方を含むように解釈しなければならない。同様に、発酵ブロスは、ガスを含む発酵ブロス及びガスを含まない発酵ブロスの両方を含む。発酵培地中のガスは、以下に詳細に論じるように、発酵ブロス中で微生物によって生成されてもよいし、或いは発酵培地に導入されてもよい。ある実施態様において、ガス及びガスの少なくとも一部を含む発酵ブロスを発酵ブロスから除去する。ガス除去は、上記で詳細に論じている。
【０１６４】
発酵可能な炭素供給源を含む任意の供給原料は、微生物を培養する工程を含む本発明の実施態様に好適である。具体例には、デンプン、セルロース、及びヘミセルロースなどの多糖類を含む供給原料、スクロース、サトウキビジュース、及びスクロースを含有する糖蜜などの二糖を含む供給原料、及びグルコース及びフルクトースなどの単糖が含まれる。好適な供給原料には、デンプン農作物、例えば、トウモロコシ及びコムギ、サトウキビ及び甜菜、糖蜜及びリグノセルロース材料が含まれる。好適な供給原料には、藻類及び微小藻類も含まれる。所望する場合、供給原料に、粉砕、ミリング、タンパク質などの他の成分からの炭素供給源の分離、脱結晶化、ゼラチン化、タンパク質、糖化、及び化学及び／又は酵素触媒によって触媒される加水分解などの処理を行ってもよい。このような処理は、例えば同時の糖化及び発酵において発酵前に又は発酵と同時に行うことができる。
【０１６５】
本発明の発酵ブロスは、典型的には単一の液相を有するが、発酵されない不溶性の固体を懸濁した形態などで含み得るので均質である必要はない。発酵供給原料は、水溶解性が限定された化合物、及び任意選択で発酵性が限定された化合物又は発酵性ではない化合物を含み得る。たとえば、本発明の実施態様によれば、発酵供給原料は粉砕したトウモロコシであり、炭素供給源はそれに含有されるデンプンである。
【０１６６】
可能性として、デンプンはゼラチン化、液化、及び／又は糖化されるが、不溶性成分はデンプンであっても又は他のもの（例えば発酵されないタンパク質）であっても発酵液体中に存在し得る。他の実施態様によれば、発酵供給原料はリグノセルロース材料であり、炭素供給源は加水分解されたセルロース及び／又はヘミセルロースである。ここで再び、供給原料成分の幾らかは水溶解性が限定されるものである。これらの場合及び他の場合において、発酵液は、これに懸濁された固体とともに、アルコール水溶液から構成されてもよい。さらに、本発明の重要な態様によれば、それらのすべての場合において、単一の液相のみが発酵ブロスに存在する。
【０１６７】
発酵を含む本発明の様々な実施態様において、発酵工程は、本明細書に開示された様々な回収方法などの他のプロセス工程と同時に行うことができ、該プロセス工程は、Ｃ３〜Ｃ６アルコールの活性を増加する工程、及び供給原料を加水分解して発酵基質を調製する工程を含む。
【０１６８】
この方法では、加水分解工程は高分子炭水化物を発酵可能な生成物に破壊することができる任意の方法を含むことができる。従って、加水分解工程は、化学的又は酵素的に触媒される加水分解又は自動加水分解、及び糖化であってもよい。この方法では、加水分解及び発酵工程は、該方法の少なくともの一部の時間で同時に行うことができ、該方法のすべての時間で同時に行うことができ、或いは異なる時間で行うことができる。
【０１６９】
本発明のプロセスで使用される好適な微生物は、天然の微生物、遺伝子組み換え微生物、古典的技術によって開発された微生物、又はそれらの組み合わせから選択することができる。このような微生物は、限定するものではないが、微生物及び真菌（酵母を含む）を含むことができる。たとえば、好適な微生物は、クロストリジウム（Clostridium）種の微生物など、アルコールの生成することができる微生物を含むことができる。これらの具体例は、限定するものではないが、クロストリジウム・ブチリカム（Clostridium butyricum）、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・サッカロペルブチルアセトニカム（Clostridiumsaccharoperbutylacetonicum）、クロストリジウム・サッカロブチリカム（Clostridium saccharobutylicum）、及びクロストリジウム・ベイジェリンキ（Clostridium beijerickii）を含む。
【０１７０】
好適な微生物及び真菌は、炭水化物を加水分解することができるものを含み、アルコールを生成するように遺伝子組み換えを行うことができる。好適な微生物は、天然の微生物、遺伝子組み換え微生物、及び古典的技術によって開発された微生物又はそれらの組み合わせから選択することができ、上記で論じている。
【０１７１】
具体例には、限定するものではないが、クロストリジウム目（Clostridiales）（例えば、ブチリビブリオ・フィブリソルベンス（Butyrovibrio fibrisolvens））、バシラス目（Bacilliales）（例えば、バシラス・サーキュランス目（Bacillus circulans））、放線菌目（Actinomycetales）（例えば、ストレプトマイセス・セルロリティカス（Streptomyces cellulolyticus））、フィブロバクター目（Fibrobacterales）（例えば、フィブロバクター・サクシノゲネス（Fibrobacter succinogenes））、キサントモナス目（Xanthomonadales）（キサントモナス種）、及びシュードモナス目（Pseudomonadales）（例えば、シュードモナス・メンドシナ（Pseudomonas mendocina））、並びにモノスカビ（Rhizopus）、サッカロミコプシス（Saccharomycopsis）、アスペルギルス（Aspergillus）、シュワンニオミセス（Schwanniomyces）、及びポリスポラス（Polysporus）などの真菌の微生物が含まれる。真菌は、好気性又は嫌気性で変換を行い得る。。嫌気性真菌の例は、限定するものではないが、ピロミセス（Piromyces）種（例えば、Ｅ２株）、オルピノミセス（Orpinomyces）種（例えば、オルピノミセス・ボビス（Orpinomyces bovis））、ネオカリマスティクス（Neocallimastix）種（ネオカリマスティクス・フロンテリス（Ｎ．frontalis））、Caecomyce種、アナエロミセス（Anaeromyces）種、及びルミノミセス（Ruminomyces）種が含まれる。上記のとおり、天然であろうと人工であろうとアルコールを生成することができる任意の微生物を用いることができ、本発明の方法は本明細書に列記した具体例に限定されるものではない。ある実施態様において、微生物は約２０℃〜約９５℃の温度で生存可能である。所定の温度又は温度範囲で生存可能である微生物とは、そのような温度への暴露に耐え、続いて同じ又は異なる条件で代謝生成物を成長させる及び／又は生成することができる微生物をいう。他の実施態様において、微生物は、温度耐性微生物である。「耐性耐性」とは、発酵ブロス中の高濃度の阻害剤下で低い阻害率を有する生物触媒の特性と定義する。「より耐性である」とは、同じ阻害剤に対するより高い阻害率を有する他の生物触媒より該阻害剤に対してより低い阻害率を有する生物触媒について記述する。たとえば、両方が阻害剤であるバイオ燃料前駆体に対して２％の耐性を有し、及び１時間あたりｇＣＤＷあたり１ｇの生成物の特定の生産性を有する２つの生物触媒Ａ及びＢは、Ａ及びＢについてそれぞれ、３％のバイオ燃料前駆体において１時間あたりｇＣＤＷあたり０．５ｇの生成物及び１時間あたりｇＣＤＷあたり０．７５ｇの生成物の特定の生産性を発揮する。生物触媒Ｂは、Ａより耐性である。「温度耐性である」とは、同じ温度でより高い阻害率を有する他の生物触媒よりも該所定の温度でより低い阻害率を有する生物触媒について記述する。
【０１７２】
「耐性（tolerance）」との用語は、所定の阻害剤濃度でその特定の生産性を維持する生物触媒の能力と定義する。「耐性である（tolerant）」とは、所定の阻害剤濃度でその特定の生産性維持する生物触媒について記述する。たとえば、２％の阻害剤の存在下で、生物触媒は、０〜２％で有するように生物触媒が特定の生産性を維持するならば、２％の阻害剤に対して耐性であるか、あるいは２％の阻害剤に対して耐性を有する。「温度に対する耐性」とは、所定の温度でその特定の生産性を維持する生物触媒の能力と定義する。
【０１７３】
ある実施態様において、微生物は、バッチ発酵サイクルの寿命（lifetime）にわたり、総計で、１時間あたり少なくとも約０．５ｇ／ＬのＣ３〜Ｃ６アルコールの生産性を有する。ある実施態様において、生産性は、バッチ発酵サイクルの寿命にわたり、総計で、１時間あたり少なくとも約１、少なくとも約１．５、少なくとも約２．０、少なくとも約２．５、少なくとも約３、少なくとも約３．５、少なくとも約４．０、少なくとも約４．５、及び少なくとも約５．０ｇ／ＬのＣ３〜Ｃ６アルコール生産性を有する。ある実施態様において、生産性は、バッチ発酵サイクルの寿命にわたり、１時間あたり約０．５ｇ／Ｌ〜１時間あたり約５ｇ／ＬのＣ３〜Ｃ６アルコールの範囲である。
【０１７４】
他の実施態様において、好ましい微生物は、共生成物又は副生成物を生じないか最小限として所望のアルコールを生成するものである。簡易かつ低コストの発酵培地を用いる微生物も好ましい。
【０１７５】
本発明のある方法は、水溶液の一部中のＣ３〜Ｃ６アルコールの活性を、少なくとも、該一部中のＣ３〜Ｃ６アルコールの飽和の該活性に増加する工程を含む。この工程は、あるＣ３〜Ｃ６アルコールが水溶液中で可溶ではなく、且つＣ３〜Ｃ６アルコールリッチ液相及び水リッチ液相の形成を可能とする条件を促進する。Ｃ３〜Ｃ６アルコールの活性を、少なくとも、水溶液中でのＣ３〜Ｃ６アルコールの飽和の該活性に増加する工程とは、水溶液に関するＣ３〜Ｃ６アルコールの有効濃度が出発部分中のものより大きい、Ｃ３〜Ｃ６アルコールを含む組成物を形成するように水溶液の一部を加工処理することをいう。このような加工処理は、限定されるものではないが、親水性溶質の添加、水及びＣ３〜Ｃ６アルコールを含む気相の蒸留、逆浸透、透析、選択的な吸着、及び溶媒抽出を含む、様々なプロセス工程を含むことができる。このような工程は以下に詳述される。Ｃ３〜Ｃ６アルコールの活性とは、水溶液中でのＣ３〜Ｃ６アルコールの有効濃度をいう。水溶液中のＣ３〜Ｃ６アルコールの飽和とは、その水溶液の条件（例えば温度及び圧力）下でのＣ３〜Ｃ６アルコールの最大濃度をいう。本明細書で用いる発酵ブロスなどの物の「一部（portion）」とは、物全体（例えば発酵ブロス全体）又は物全体より小さい物全体のある部分（例えば、発酵ブロスのサイドストリーム）の両方を含む。溶液又は発酵ブロスの一部は、それが気相に変換される場合、該溶液又は発酵ブロスも含む。Ｃ３〜Ｃ６アルコールの活性は、温度、圧力、及び組成物に依存するであろう。発酵培地などの非理想溶液中の分子は互いに相互作用し、且つ異なるタイプの分子と区別して相互作用するので、種の活性は変化又は変更し得る。
【０１７６】
アルコール活性を増加する具体例は、蒸留、抽出、及び吸着などにより、水と比較してアルコールが選択的に除去されて、それぞれガス相、溶媒相、及び固体吸着剤相である別の相を形成する場合である。ガス相を濃縮し、溶媒から分離し、又は吸着剤から分離すると、活性アルコールが出発溶液よりも高い第２の液相が形成される。水活性を低減する例は、選択的な吸着、抽出、及び水の均一な冷凍などにより、アルコールと比較して水が選択的に除去され、別の相が形成される場合である。出発溶液中の水の活性を低減する結果となる。あるプロセスは両方を行い、アルコールの活性を増加し、且つ水の活性を低下する。たとえば、親水性の溶質が水溶液に添加された場合、それは水活性の低減及びアルコール活性の増加の両方をもたらす。
【０１７７】
本発明の実施態様によれば、Ｃ３〜Ｃ６アルコールの活性を増加する工程は、親水性の溶質を水溶液に添加する工程を含んでもよい。ある実施態様において、親水性の溶質は、水可溶性の炭素供給源であってもよい。たとえば、親水性の溶質を水性イソブタノール溶液に導入すると、親水性の溶質はイソブタノールよりも大きい親和性で溶液中の水と相互作用することができる。それにより、溶液中のイソブタノールの活性が増加する。水溶液中の化合物の活性係数は、その化合物の濃度が溶液と平衡状態にある気相中でどれ程であるかを示す指標であり、水中の化合物濃度の関数である。溶液中の化合物の活性は、化合物濃度及びその活性係数の産物である。たとえば、イソブタノール−水混合物中では、イソブタノールの活性係数は水より高い。したがって、水溶液と平衡状態にある気相中のイソブタノール濃度は溶液中よりも高い。
【０１７８】
水溶液が発酵ブロスであある実施態様において、親水性の溶質は、ブロス中の微生物とともにあるいはその除去後に、発酵槽中の発酵ブロス全体又は発酵槽から得られるストリームの一部に添加してもよい。親水性の溶質を添加するとは、溶液の一部中にすでに存在する親水性溶質の濃度を増加するか、あるいは溶液中にそれまでなかった親水性溶質を添加することをいう。このような濃度の増加は、外部添加によって行ってもよいし、あるいは又はさらに、濃度の増加は、溶液中にすでに存在している溶質を加水分解することによるなど、例えば、タンパク質を加水分解してアミノ酸を溶液に添加することにより、デンプン又はセルロースを加水分解してグルコースを溶液に添加することにより、及び／又はヘミセルロースを加水分解してペントースを溶液に添加することにより、溶液のin situ処理で行ってもよい。他の好ましい実施態様によれば、親水性溶質は、蒸留乾燥穀物及び可溶物（ＤＤＧＳ）など、栄養価値を有し且つ任意選択で発酵共生成物ストリーム中に最終的にあるものであってもよい。さらに又はあるいは、親水性溶質は発酵可能であることができ、水リッチ液相とともに発酵槽に移すことができる。
【０１７９】
親水性溶質の添加単独又は他のプロセス工程との組み合わせにより、十分な親水性溶質を添加して、第２の液相を形成することができる。必要な量は、アルコールの化学特性に依存し、典型的にはアルコール中の炭素原子数が増加するに従って少なくなり、第２級又は第３級アルコール及び分枝状のものと比較してノルマルアルコール及び直鎖状のものに対してより少なくなる。必要な量は、発酵液体中のアルコール濃度が増加するに従ってさらに少なくなり、おそらく、そこでの他の溶質の濃度が増加するに従ってさらに少なくなる。各場合で必要な量は、本発明に照らして実験により決定することができる。
【０１８０】
好ましい親水性溶質は、水溶液の部分水蒸気圧の低下に強い効果を有するものである。添加される親水性溶質は、塩、アミノ酸、水可溶性溶媒、糖、又はそれらの組み合わせであってもよい。
【０１８１】
好ましい水可溶性の炭素供給源は、水溶液の部分水蒸気圧の低減に強い効果を有するもの及び良好に発酵されるものである。添加した水可溶性の炭素供給源は、単糖、ニ糖、又はオリゴ糖などの炭水化物及びそれらの組み合わせであってもよい。このような糖は、ヘキソース、例えばグルコース及びフルクトース及びペントース（例えばキシロース又はアラビノース）及びそれらの組み合わせを含んでもよい。デンプン、セルロース、ヘミセルロース、及びスクロース又はそれらの組み合わせなど、このような炭水化物の前駆体も好適である。
【０１８２】
関連する実施態様において、親水性溶質は回収することができる。たとえば、希釈水溶液が発酵ブロスであり、発酵ブロス中のＣ３〜Ｃ６アルコールの活性を増加するために添加される親水性の溶質がＣａＣｌ２であるとき、アルコールリッチ及び水リッチ液相形成後に、ＣａＣｌ２が水リッチ液相中に主に見出され、そこから回収することができる。他の例として、ｉｆ希釈水溶液が発酵ブロスの一部であり、発酵ブロス中のＣ３〜Ｃ６アルコールの活性を増加するために添加される水可溶性の炭素供給源がグルコースである場合、グルコースが水リッチ液相中に主に見出され、これを発酵ブロスに戻して発酵のための炭素を提供することができる。
【０１８３】
ある実施態様において、該方法は、Ｃ３〜Ｃ６アルコール及び水が蒸発されてアルコールが枯渇した液相及びアルコールリッチな気相が形成されるような蒸留工程を含む。蒸留工程は、水溶液の温度を増加し、水溶液上の大気圧を低下し、又はそれらの組み合わせにより行うことができる。ある実施態様において、水溶液の一部がブロスの発酵の一部である場合、蒸留工程は発酵容器で行うことができる。
【０１８４】
これらの実施態様において、気相中のＣ３〜Ｃ６アルコール濃度は水溶液中より大きい。好ましい実施態様によれば、気相中のＣ３〜Ｃ６アルコール濃度は水溶液中の濃度より少なくとも約５倍、好ましくは約１０倍、好ましくは約１５倍、好ましくは約２０倍、好ましくは約２５倍、及び好ましくは約３０倍大きい。気相は、不混和性のアルコールリッチ及び水リッチ（すなわちアルコールに貧しい）溶液を形成するように選択される条件などにおいて濃縮縮することができる。
【０１８５】
蒸留は、大気圧未満の圧力で、約大気圧で、又は大気圧超の圧力で行うことができる。本明細書において大気圧とは海抜ゼロでの大気圧をいい、別に明示しない限り、本明細書に示される圧力はすべて絶対圧である。好適な大気圧未満の圧力は、約．０２５ｂａｒ〜約１．０１ｂａｒ、約０．０７５ｂａｒ〜約１．０１ｂａｒ、及び約１５ｂａｒ〜約１．０１ｂａｒの圧力を含む。好適な大気圧超の圧力は、約１．０１ｂａｒ〜約１０ｂａｒ、約１．０１ｂａｒ〜約６ｂａｒ、及び約１．０１ｂａｒ〜約３ｂａｒの圧力を含む。
【０１８６】
大気圧未満の圧力で蒸留する実施態様において、温度は約２０℃〜約９５℃、約２５℃〜約９５℃、約３０℃〜約９５℃、又は約３５℃〜約９５℃であることができる。
【０１８７】
水溶液が発酵ブロスの一部であり、微生物を含む実施態様及び蒸留工程が蒸留容器で行われるさらなる実施態様において、発酵ブロスの一部は、蒸留容器への導入前では、約２０℃〜約９５℃、約２５℃〜約９５℃、約３０℃Ｃ〜約９５℃、又は約３５℃〜約９５℃の温度である。
【０１８８】
他の実施態様において、発酵ブロスの一部の温度を蒸留容器への導入後に所望の値にする。生存可能である微生物を用いることが好ましく、生存可能であり且つこれらの温度で生産力のある微生物を用いることがさらにより好ましい。
【０１８９】
任意選択により、蒸留工程後に、アルコールが枯渇した発酵ブロスの残留部分を蒸留容器から発酵容器に誘導することができる。任意選択により、アルコールが枯渇した発酵ブロスの残留部分を水、供給原料、及び／又は可能性として他の栄養分と混合して、さらなる発酵のための培地を形成することができる
【０１９０】
Ｃ３〜Ｃ６アルコールの活性を増加する工程が水及びＣ３〜Ｃ６アルコールを含む気相を蒸留し、且つ気相を濃縮することを含む場合、該方法は、希釈水溶液の一部を処理して水活性を低減する工程も含むことができる。様々な実施態様において、水活性を低減する工程は、蒸留工程前に又は蒸留工程と同時に水除去することを含む。処理工程は、水の選択的な除去、水の選択的な結合（binding）、又は水の選択的な注入を含むことができる。様々な実施態様によれば、処理工程は、親水性溶質の添加、炭素供給源の添加、逆浸透、透析、選択的吸着剤でのアルコール吸着、選択的な抽出溶媒（extractant）へのアルコール抽出、選択的な吸着剤での水の吸着、又は選択的な抽出溶媒への水の抽出を含むことができる。
【０１９１】
好ましい実施態様において、蒸留工程は、発酵容器に操作可能に連結することができるフラッシュタンク中で行われ、該プロセスは、培地を発酵容器からフラッシュタンクに循環させる工程及びフラッシュタンクから発酵容器に培地を循環する工程をさらに含むことができる。フラッシュは一段式蒸留であり、該蒸留では、フラッシュシステムから出る蒸気及び液体が互いに平衡状態にあり、各相の温度及び及び圧力はほぼ同一である。一方、蒸留は、順次一緒に並べられた一連のフラッシュ段階を含む。蒸留中に、すなわち蒸留カラムなどの多段階フラッシュシステムにおいて、上部から出る蒸気及び底部から出る液体はフラッシュ中よりも異なる温度で出る。
【０１９２】
他の実施態様によれば、該プロセスは、発酵容器中の圧力と比較して蒸留容器中で圧力を低下する工程を含む。断熱蒸発と組み合わせるこのような減圧により、蒸留容器内の発酵容器で生じた水溶液の発酵ブロス部分からの熱の除去が可能となる。あるいは又はさらに、該プロセスは、発酵容器中の蒸留容器からの水溶液上の圧力を増加する工程を含むことができる。このような圧力の増加は熱を生み出し、これは様々な時点でシステムを予備加熱するのに用いることができる。たとえば、熱は、フラッシュタンク、ビアスティル及び／又は蒸留カラム中で供給物を予備加熱するのに用いることができ、薄い蒸留廃液を濃縮してシロップにするために用いられる蒸発器中で用いることもできる。
これらの成分は、以下に詳細に論じる。
【０１９３】
好ましい実施態様において、Ｃ３〜Ｃ６アルコールの活性を増加する工程が水及びＣ３〜Ｃ６アルコールを含む気相を蒸留する工程を含む場合、混合蒸気は共沸組成物を含む。分子力が２つ以上の分子種を新しい蒸気又は／液体種として挙動させるときに、共沸物が形成される。共沸組成物の「ピンチポイント（pinch point）」は混合物の純粋な成分への蒸留を妨げるので、共沸物は一般に化学加工処理産業による制限とみられる。蒸留プロセスから純粋な成分を生成することに代えて、共沸物はそれ自体、蒸留カラム上部の共沸組成物として、最小沸点の共沸物として、又は蒸留カラムの底部から最大沸点の共沸物として現れる。
【０１９４】
発酵生成物が水とともに最大沸点の共沸物を形成する場合、非共沸物結合水のすべてが塔頂で蒸発され、蒸留されなければならない。発酵ブロス内の生成物は、典型的には希釈物である。結果として、最大沸点の共沸物が形成される場合、過剰の非結合水を沸騰して除去するのに必要なエネルギー量は大きな熱充填量となり、蒸発及び蒸留濃縮プロセスをしばしば非経済的にする。さらに、最大沸点の共沸物は純粋な種の沸点を上回る温度で発生し、蒸留システムの底部の温度を上昇させる。結果として、最大沸点での底部生成物は純粋な種よりも高い熱履歴を有する。この高い温度熱履歴は、発酵の主生成物及び共生成物の価値を下げ得る。典型的には供給成分として用いられる蒸発乾燥穀物及び可溶物（ＤＤＧＳ）は、高熱へ暴露により価値が低下し、且つ栄養価値を損い得るそのような共生成物の一例である。
【０１９５】
最小沸点共沸物は、該共沸物の活性係数が１超であるのでポシティブな共沸物として既知である。最大の沸点共沸物は、活性係数が１未満であるのでネガティブな共沸物ともいう。活性係数の大きさは、共沸部分の非理想の活性の程度を示す。この非理想及び共沸物の分離の困難性を研究した。活性係数は一定ではないが、水中の化合物濃度の関数である。結果として、共沸物組成物の溶液沸点は、成分濃度が変化するに従って変化する。結果として、多段式蒸留カラムで圧力の低下が増すことは、同じ塔頂真空レベルにおいてより高温のプロフィールとなる。
【０１９６】
好ましい実施態様によれば、Ｃ３〜Ｃ６アルコールの水溶液は最小沸点共沸物を形成する。関連する好ましい実施態様によれば、混合蒸気中のＣ３〜Ｃ６アルコール濃度は、蒸留用に選択された圧力において最小沸点共沸物中のアルコール濃度に実質的に等しい。特に好ましいある実施態様では、水溶液が部分水蒸気圧に影響を及ぼすアルコールに加えて他の溶質を含むような場合において、混合蒸気中のＣ３〜Ｃ６アルコールの濃度は、最小沸点共沸物中のアルコール濃度より大きい。
【０１９７】
ある共沸物は広範な操作圧力下で安定的であることが知られている一方、他の共沸物系は低圧及び高圧によって「破壊され（broken）」得る。たとえば、エタノール−水共沸物は７０ｔｏｒｒ未満の圧力で破壊される。真空下で破壊され得る共沸物について、真空源で吸引するためにより高い真空が必要となるほどに蒸留カラム中での圧力低下が十分に大きいことを真空蒸留カラムが必要とすることに起因して、蒸留カラムの使用が限定されることがある。
【０１９８】
たとえば真空蒸留カラム供給圧力を１５０ｍｍＨｇに維持しようとするには、真空ポンプが適切な真空レベルを維持することを確保するようにカラム中の圧力低下が非常に小さいことが必要となる。複数トレイ内の真空カラム中の圧力低下を低くするために、蒸留トレイ上において小さな液体高さが必要となる。カラム中の低い圧力低下及び低い液体高さは、カラム直径を増加することによりカラムの資本コストを一般に増大させる。
【０１９９】
ある実施態様において、Ｃ３〜Ｃ６アルコールの活性を増加する工程は透析を含む。透析は、溶質の拡散及び半透過性膜を介する液体の限外濾過の原理で機能する。水溶液から水を選択的に除去する任意の膜分離系が本発明の方法に好適である。好ましい実施態様によれば、透析は２つ以上の区画を含む系で行う。アルコール水溶液を一方に導入し、この溶液由来の水を膜を介して選択的に他方に移す。好ましい実施態様によれば、水移送は浸透圧によって生じる。水受容区画は、ＣａＣｌ２又は炭水化物などの親水性の化合物又はこのような化合物の濃縮溶液を含む。濃縮溶液は水受容区画で形成される。その溶液は、溶質又はその濃縮溶液を再生するように又は他の用途のために様々な実施態様により処理される。再生は、水蒸留などの既知の手段によって行うことができる。溶質が炭水化物又は発酵可能な炭素の他の供給源である場合、該溶液を用いて、発酵可能物を発酵工程に提供することができる。
【０２００】
ある実施態様において、Ｃ３〜Ｃ６アルコールの活性を増加する工程は逆浸透を含む。
逆浸透では、水溶液を第１の区画で圧力下で逆浸透膜と接触させることにより、水は膜を介して第２の区画に選択的に移送する一方、アルコールは第１の区画に残留する。
第２の区画への選択的な水移送の結果として、第１の区画中の液体中のアルコール濃度（及び活性）は増加し、好ましくは飽和に達し、これにより第２の相が第１の区画中で形成される。この実施態様によれば、該区画は、一方はアルコールが飽和した水性相であり、他方は水が飽和したアルコール溶液である、２つの液相を含む。
【０２０１】
ある実施態様において、Ｃ３〜Ｃ６アルコールの活性を増加する工程は、溶媒抽出を含む。溶媒抽出において、水溶液を他の液相（溶媒又は抽出溶媒）と接触させ、ここで、水及びアルコールの少なくとも１つは完全に混和性ではない。２つの相を混合し、次いで沈降分離する（settle）ことを可能にする。一実施態様によれば、Ｃ３〜Ｃ６アルコールの活性を増加する工程は、アルコール選択的な抽出溶媒へのＣ３〜Ｃ６アルコールの抽出を含む。「アルコール選択的な抽出溶媒」とは、水よりもアルコールを好み、抽出溶媒中のアルコール／水の比が残留水溶液中よりも大きくなる抽出溶媒を意味する。従って、アルコール選択的な抽出溶媒又は溶媒は、アルコールに対して選択的であり（同様に又はアルコールよりも疎水性であり）、アルコールは優先的に抽出溶媒又は溶媒に移送され、アルコールを含む抽出溶媒又は溶媒（抽出剤ともいう）を形成する。ある好ましい実施態様において、アルコール選択的な溶媒は、酢酸ブチル、リン酸トリブチル、デカノール、２−ヘパノン、又はオクタンであってもよい。他の実施態様において、Ｃ３〜Ｃ６アルコールの活性を増加する工程は、水選択的な抽出溶媒への水の抽出を含む。「水選択的な抽出溶媒」とは、アルコールより水を好み、抽出溶媒中のアルコール／水の比が残留水溶液中よりも低くなる抽出溶媒を意味する。従って、水選択的な抽出溶媒又は溶媒は水に選択的であり（アルコールより親水性である）、その結果、水は水選択的な抽出溶媒又は溶媒に優先的に移送される。
【０２０２】
好ましい実施態様において、アルコール選択的な溶媒は、酸性のアミンをベースとする抽出溶媒であることができる。このよう抽出溶媒は、アミンを希釈剤と混合し混合物を酸と接触させることによって調製することができる。抽出溶媒を形成するのに好適なアミンは、第１級、第２級、第３級、及び第４級アミンを含み、好ましくは、第１級、第２級、第３級アミンを含む。好適なアミンはまた、遊離形態及び塩形態の両方において（すなわち酸がそれらに結合したときに）水可溶性である。好ましくはアミン上の炭素原子の総計／合計数は、少なくとも２０個である。脂肪族及び芳香族アミンの両方が好適であり、脂肪族アミンが好ましい。希釈剤は、少なくとも約６０℃、好ましくは少なくとも約８０℃の沸点を有する炭化水素又は他の非反応性の有機溶媒であることができる。酸は、３以下のｐＫａ（−ｌｏｇ解離定数）を有するもの等の強酸であってもよく、鉱酸又は有機酸であり得る。一例では、アミンはトリオクチルアミンであってもよく、酸は硫酸であってもよく、希釈剤はデカンであってもよい。酸は抽出されて（アミンに結合して）、抽出溶媒を形成する。
【０２０３】
ある実施態様において、Ｃ３〜Ｃ６アルコールの活性を増加する工程は、選択的な吸着剤上でのＣ３〜Ｃ６アルコール又は水の吸着を含む。吸着では、水溶液をアルコール又は水のいずれかに対してより大きい選択性を有する選択的な吸着剤と接触させる。一実施態様において、Ｃ３〜Ｃ６アルコールの活性を増加する工程は、アルコール選択的な吸着剤上でのＣ３〜Ｃ６アルコールの吸着を含む。「アルコール選択的な吸着剤」とは、水よりもアルコールを好み、吸着剤上のアルコール／水の比が残留水溶液よりも大きくなる吸着剤を意味する。他の実施態様において、Ｃ３〜Ｃ６アルコールの活性を増加する工程は、Ｃ３〜Ｃ６アルコールの活性を増加する工程は水選択的な吸着剤上での水の吸着を含む。「水選択的な吸着剤」とは、アルコールよりも水を好み、吸着剤上のアルコール／水の比が残留水溶液より低くなる吸着剤を意味する。従って、水性相を水選択的な吸着剤と接触させて、水を保持する吸着剤を形成され、水溶液はＣ３〜Ｃ６アルコールリッチに富む。様々な実施態様によれば、水吸着剤は、親水性であり、水素結合を形成することができる表面機能を有し、及び／又は水分子のサイズに好適な孔を有する。ある実施態様において、吸着剤は固体であってもよい。好ましい実施態様によれば、粉砕したトウモロコシなどの発酵供給原料が吸着剤であってもよい。たとえば、供給原料を水溶液に接触させて、そこから選択的に水を吸着してもよい。ある実施態様において、吸着剤はモレキュラーシーブであってもよい。
【０２０４】
ある方法は、Ｃ３〜Ｃ６アルコールの活性を増加するために処理した水溶液部分からＣ３〜Ｃ６アルコールリッチ液相及び水リッチ液相を形成する工程をさらに含む。本明細書で用いる「アルコールリッチ液相」とは、水に対するアルコールの比が水溶液部分中での比より大きい液相を意味する。「水リッチ液相」とは、水アルコールに対する水の比がアルコールリッチ液相中での比より大きい液相を意味する。水リッチ相は、以下でアルコールに乏しい層ともいう。２つの相を形成する工程は活性（active）であってもよい。たとえば、ある実施態様において、形成工程は、濃縮後に２つの相を形成する蒸留された気相を濃縮する工程を含んでもよい。あるいは又はさらに、水溶液の処理部分を冷やす又は冷却することにより、２つの相を形成することができる。２つの相を活発に形成する他の工程は、相分離を促進するための形状とされた設備を用いる工程を含むことができる。相分離は、液体−液体分離器を含む様々なユニット操作で行うことができ、液体／液体分離器が相及び水ブーツの間の特定の重力差、遠心分離器でのＧ力分離、又は液体−液体遠心分離器を利用することを含む。溶媒抽出プロセスに用いられるミキサー−セトラーユニットなどのセトラー（settler）も好適である。ある実施態様において、形成工程は受動的（passive）であってもよく、単にＣ３〜Ｃ６アルコールの活性を少なくとも飽和の該活性に増加する前工程の自然な結果であってもよい。
【０２０５】
アルコールリッチ液では、水に対するＣ３〜Ｃ６アルコールの濃度の比が出発部分でのものより効果的に大きい。水リッチ相では、水に対するＣ３〜Ｃ６アルコールの濃度の比がアルコールリッチ液相でのものより効果的に小さい。水リッチ相は、アルコールが貧しい相といってもよい。
【０２０６】
ある実施態様において、Ｃ３〜Ｃ６アルコールはプロパノールであり、アルコールリッチ相中の水に対するプロパノールの重量比は約０．２より大きく、約０．５より大きく、又は約１より大きい。ある実施態様においてＣ３〜Ｃ６アルコールはブタノールであり、アルコールリッチ相中の水に対するプロパノールの重量比は約１より大きく、約２より大きく、又は約８より大きい。ある実施態様において、Ｃ３〜Ｃ６アルコールはペンタノールであり、アルコールリッチ相中の水に対するプロパノールの重量比は約４より大きく、約６より大きく、又は約１０より大きい。
【０２０７】
所定の相に対する濃度因子（concentration factor）又は富化因子（enrichment factor）は、その相中での水に対するアルコールの比を希釈水溶液中の水に対するアルコールの比で割ったものとして表することができる。従って、たとえば、アルコールリッチ相の濃度又は富化因子は、アルコールリッチ相中のアルコールの／水の比を水性希釈溶液中の比で割ったものとして表わすことができる。
【０２０８】
ある実施態様において、Ｃ３〜Ｃ６アルコールリッチ相中の水に対するＣ３〜Ｃ６アルコールの比は、発酵ブロス中の水に対するＣ３〜Ｃ６アルコールの比より、少なくとも約５倍、少なくとも約２５倍、少なくとも約５０倍、少なくとも約１００倍、又は少なくとも約３００倍大きい。
【０２０９】
該方法は、Ｃ３〜Ｃ６アルコールリッチ相を水リッチ相から分離する工程をさらに含む。２つの相を分離するとは、２つの相の物理的分離をいい、除去、スキミング（skimming）、ポアアウト（pouring out）、デキャンティング（decanting）、又は一方の相を他方から移すの他の手段を含むことができ、液相分離について当業界で知られている任意の手段によって行ってもよい。
【０２１０】
ある実施態様において、該方法は、Ｃ３〜Ｃ６アルコールリッチ相を冷却して、アルコールリッチ相中の水に対するＣ３〜Ｃ６アルコールの比を増加する工程をさらに含む。
【０２１１】
ある実施態様において、該方法は、アルコールリッチ相からＣ３〜Ｃ６アルコールを回収することをさらに含む。回収とは、アルコールリッチ相からＣ３〜Ｃ６アルコールを単離することをいう。回収は、アルコールリッチ相中のＣ３〜Ｃ６アルコールの濃度を富化又は増加することを含む。様々な実施態様において、この工程は、Ｃ３〜Ｃ６アルコール及び水を含む第１相及びＣ３〜Ｃ６アルコールを含む第２相（該第２相中のＣ３〜Ｃ６アルコールに対する水の比は第１相中のものより小さい）を生成するため、蒸留、透析、水吸着（例えばモレキュラーシーブの使用など）、溶媒抽出、水に不混和性の炭化水素液体との接触、及び親水性化合物との接触からなる群から選択されるプロセスを含んでもよい。好ましい実施態様において、第２の相は少なくとも約８０％、約８５％、約９０％、約９５％、又は約９９重量％のＣ３〜Ｃ６アルコールを含む。本明細書で用いる水に不混和性の液体とは、約１重量％未満の水に混和性を有することをいう。
【０２１２】
蒸留及び透析の方法はＣ３〜Ｃ６アルコールの活性を増加する工程に関して上記で論じ、同様のプロセスを用いてＣ３〜Ｃ６アルコールリッチ相からＣ３〜Ｃ６アルコールを回収することができる。Ｃ３〜Ｃ６アルコールリッチ相からＣ３〜Ｃ６アルコールを回収するために水吸着の使用に関して、アルコールリッチ相から選択的に水を吸着する吸着剤とアルコールリッチ相とを接触させる。水保持吸着剤が形成され、アルコールリッチ相はさらにＣ３〜Ｃ６アルコールに富む。様々な実施態様によれば、水吸着剤は親水性であり、水素結合を形成することができる表面機能を有し、及び／又は水分子のサイズに対して好適な孔を有する。ある実施態様において、吸着剤は固体あってもよい。好ましい実施態様によれば、粉砕したトウモロコシなどの発酵供給原料が吸着剤であってもよい。たとえば、供給原料をＣ３〜Ｃ６アルコールリッチ相と接触させ、そこから水を選択的に吸着してもよい。ある実施態様において、吸着剤はモレキュラーシーブシーブであってもよい。
【０２１３】
溶媒抽出を用いて、Ｃ３〜Ｃ６アルコールリッチ相からＣ３〜Ｃ６アルコールを回収することもできる。溶媒抽出では、アルコールリッチ相を他の液相（溶媒）と接触させるが、水及びアルコールの少なくとも１つは完全に混和性ではなない。２つの相を混合し、次いで沈降分離することができる。一実施態様によれば、溶媒は水に選択的であり（アルコールより親水性であり）、水は優先的に溶媒相に移り、他方の相中の水に対するアルコールの比は増加する。他の実施態様によれば、溶媒はアルコールに選択的である（同様に又はアルコールより疎水性である）。ある好ましい実施態様において、アルコール選択的な溶媒は、酢酸ブチル、リン酸トリブチル、デカノール、２−ヘパノン、又はオクタンであってもよい。アルコールは、優先的に溶媒に移る。以下の工程では、アルコールはアルコールリッチ相のものと比較して水に対するアルコールの比がより高い形態で溶媒から分離される。
【０２１４】
水に不混和性の炭化水素液体との接触を用いて、Ｃ３〜Ｃ６アルコールリッチ相からＣ３〜Ｃ６アルコールを回収することもできる。このような液体は疎水性溶媒であり、疎水性溶媒に関して上述したように作用し、すなわちアルコールリッチ相からアルコールを抽出する。このような炭化水素の例は、ガソリン、原油、フィッシャー・トロプシュ（Fischer Tropsch）材料、及びバイオ燃料を含む液体である。
【０２１５】
親水性の化合物との接触を用いて、Ｃ３〜Ｃ６アルコールリッチ相からＣ３〜Ｃ６アルコールを回収することもできる。この回収方法は、水活性を増加又は低下するために親水性の化合物の使用について上述したものと同様である。
【０２１６】
さらに本発明の実施態様において、該方法は、活性を増加する工程後に、発酵ブロスなどの希釈水溶液の残留部分を発酵容器に誘導する工程（又は輸送する工程）を含むことができる。この実施態様において、希釈水溶液の残留部分は不純物を含むことができ、残留部分を発酵容器に誘導する前にプロセスは残留部分の少なくともの一部から不純物の少なくとも一部を除去する工程をさらに含む。このような不純物は、たとえば、エタノール、酢酸塩、アルデヒドなどのブチルアルデヒド、及び短鎖脂肪酸であることができる。ある実施態様において、希釈水溶液は不純物を含むことができ、Ｃ３〜Ｃ６アルコールリッチ液相中のＣ３〜Ｃ６アルコールに対する不純物の比は水リッチ相中の比より大きい。ある実施態様において、Ｃ３〜Ｃ６水リッチ液相中のＣ３〜Ｃ６アルコールに対する不純物の比はアルコールリッチ相中の比より大きい。
【０２１７】
さらに本発明の実施態様において、Ｃ３〜Ｃ６アルコールリッチ相をさらに加工処理して相の価値又は有用性を増大させる。さらなる加工処理の他の実施態様は、米国特許出願公開第２００９０２９９１０９号に開示され、その全体について参照により援用する。
たとえば、Ｃ３〜Ｃ６アルコールリッチ相は、（ｉ）Ｃ３〜Ｃ６アルコールリッチ相から実質的に純粋なＣ３〜Ｃ６アルコールを蒸留することによって、（ｉｉ）Ｃ３〜Ｃ６アルコールリッチ相からＣ３〜Ｃ６アルコールの共沸物を蒸留することによって、（ｉｉｉ）Ｃ３〜Ｃ６アルコールリッチ相をＣ３〜Ｃ６アルコール選択的な吸着剤と接触させることによって；又は（ｖ）Ｃ３〜Ｃ６アルコールリッチ相を水に不混和性の炭化水素液体と合わせることによって、さらに加工処理することができる。Ｃ３〜Ｃ６アルコールリッチ相から実質的に純粋なＣ３〜Ｃ６アルコールを蒸留する場合、実質的に純粋なＣ３〜Ｃ６アルコールは低い割合の不純物を有する（Ｃ３〜Ｃ６アルコールに対する不純物の比が低いことによって反映される）。たとえば、実質的に純粋なＣ３〜Ｃ６アルコール中のＣ３〜Ｃ６アルコールに対する不純物の比は、約５／９５未満、約２／９８未満、又は約１／９９未満であることができる。あるいは、実質的に純粋なＣ３〜Ｃ６アルコールの水含有量は、約５重量％未満、約１重量％未満、又は約０．５重量％未満であることができる。
【０２１８】
Ｃ３〜Ｃ６アルコールリッチ相を水に不混和性の炭化水素液体と合わせる場合、合わせた結果、単一の均一な相を形成することができる。あるいは、Ｃ３〜Ｃ６アルコールリッチ相を水に不混和性の炭化水素液体と合わせる場合、合わせた結果、軽相及び重相を形成することができ、軽相中の水に対するＣ３〜Ｃ６アルコールの比は重相中のものより大きい。該方法の一実施態様によれば、炭化水素液体はガソリンなどの燃料である。関連する実施態様によれば、Ｃ３〜Ｃ６アルコールに富む燃料は、燃料をＣ３〜Ｃ６アルコールリッチ相と合わせることによって形成され、水をさらに含む。Ｃ３〜Ｃ６アルコールを合わせた結果として、選択的に燃料相に移り、蒸気燃料が形成されるが、アルコールリッチ相分離に最初に含まれる水の大部分は水リッチ重相として分離し、これは燃料から分離される。
【０２１９】
Ｃ３〜Ｃ６アルコールを生成するこれらの方法の代替の実施態様において、発酵培地中で微生物を培養し、Ｃ３〜Ｃ６アルコールを生成する工程を含む。培養工程は、上記で詳細に記載している。該方法は、発酵培地の一部中のＣ３〜Ｃ６アルコールの活性を増加する工程、及び発酵培地の一部を蒸留して水及びＣ３〜Ｃ６アルコールを含むを気相及び液相を生成する工程をさらに含む。活性を増加し蒸留する工程は、他の本発明の実施態様に関して上記で論じている
【０２２０】
該方法は、蒸留工程から得られる液相（枯渇した液相）を発酵培地に誘導する工程をさらに含む。好ましい実施態様において、Ｃ３〜Ｃ６アルコールの活性が増加した発酵培地の一部は、枯渇した液相中に残留する微生物を含み、微生物によるＣ３〜Ｃ６アルコールのさらなる生成のために発酵培地に戻される。ある実施態様において、液相は不純物を含み、該方法は、液相を発酵培地に誘導する前に液相の少なくともの一部から不純物の少なくとも一部を除去することををさらに含む。この方法の実施態様において、発酵培地の一部中の水に対するＣ３〜Ｃ６アルコールの比は、約１０／９０（ｗ／ｗ）未満、約７．５／９２．５（ｗ／ｗ）未満、約５．０／９５（ｗ／ｗ）未満、約２．５／９７．５（ｗ／ｗ）未満、約２／９８（ｗ／ｗ）未満、約１．５／９８．５（ｗ／ｗ）未満、約１／９９（ｗ／ｗ）未満、又は約０．５／９９．５（ｗ／ｗ）未満である。
【０２２１】
蒸留工程は、断熱性又は等温性であってもよい。断熱蒸留では、大きくない熱移送が蒸留システム及び周囲の間で起こり、システムの圧力が一定に保持される。等温蒸留では、熱移送が蒸留システム及び周囲の間で可能となり、システムの温度が一定に保持される。
【０２２２】
この方法の様々な実施態様において、希釈水溶液からの蒸気へのアルコールの富化は、少なくとも約５倍、約６倍、約７倍、約８倍、約９倍、約１０倍、約１１倍、約１２倍、約１３倍、約１４倍、又は約１５倍である。「富化」との用語は、濃縮された蒸気中のアルコールの／水の比を水性希釈溶液中のアルコールの／水の比で割ったものをいう。
【０２２３】
他の本発明の実施態様は、水溶液を酸性のアミンをベースとする抽出溶媒と接触させる工程を含む、水溶液からのＣ３〜Ｃ６アルコールの抽出方法である。酸性のアミンをベースとする抽出溶媒は、上記のとおり、有機アミン溶液を酸性化することによって形成することができる。水溶液を抽出溶媒と接触させる際、酸性のアミンをベースとする抽出溶媒を水溶液と混合することによって抽出を行う。Ｃ３〜Ｃ６アルコールは、接触後に形成する抽出溶媒相から回収することができる。
【０２２４】
本発明の様々な態様は、以下に示す実施例に詳細に記載される。しかし、これらの実施例は例示のために提供され、本発明の範囲を限定することを意図するものではない。本明細書に引用した各公開公報及び参照文献は、その全体について本明細書に援用する。本発明の様々な実施態様は詳細に記載する一方で。それらの実施態様の変更及び適合は当業者が行うであろうことは明らかである。しかし、このような変更及び適合は、以下の特許請求の範囲に記載される本発明の範囲内にあると理解する。
【実施例】
【０２２５】
実施例１
この実施例は、実験スケール乃至１ＭＭ  ＧＰＹ（年間あたりのガロン）実証スケールまでの本発明によるイソブタノール生成プロセスのスケールアップを例示している。イソブタノールを生成するために国際公開第２００８／０９８２２７号（Ｇｅｖｏ２５２５）の教示に従って代謝的に工学操作された大腸菌（E．coli）を１０，００ＯＬの生成発酵槽を接種するための３つの発酵槽のシードトレイン（seed train）により増殖させた。イソブタノールを真空蒸発により培地から除去し、直接接触濃縮及び液体−液体分離により回収した。
【０２２６】
Ｇｅｖｏ２５２５を３段階のシードトレインを介して増殖させ、各段階は３℃及びｐＨ＝７で制御した。第１段階では、３つの３Ｌ振盪フラスコ中で培養物を６．５の平均最適密度（ＯＤ６ｏｏｎｍ）に成長させた。第２の段階では、１つの５０Ｌ発酵装中で、培養物をＯＤ６００ｎｍ＝７．１に成長させた。最終段階では、１つの５００Ｌ発酵槽中で、ＯＤ６００ｎｍは２８（１リットルあたり約８．１ｇの細胞乾燥重量）に達した。全体積５００Ｌの発酵槽を用いて、１０，０００Ｌの生成発酵槽に接種した。Ｇｅｖｏ２５２５では、１ＯＤ６００ｎｍは１リットルあたり約０．４５ｇの細胞乾燥重量に相当する。
【０２２７】
生成発酵槽での培養は、最初は気性条件で成長させた。接種後１時間して、ＯＤ６００ｎｍ＝２でＩＰＴＧを添加して０．１ｍＭの濃度とし、微生物に工学操作して導入した酵素の生成を化学的に誘導した。約８時間後、ＯＤ６００ｎｍ＝１２（１リットルあたり約５．４ｇの細胞乾燥重量の細胞密度）の細胞濃度及び６．２ｇ／Ｌのイソブタノール濃度で、発酵槽にアルゴンを散布し、嫌気性条件を確保した。ガス散布により、アルコール生成物を含む発酵ブロス由来の揮発化合物もストリッピングされた。オフガス中のアルコール生成物は、それをオフガスから濃縮することにより回収することができる。
【０２２８】
生成相中に発酵槽のイソブタノール濃度を阻害レベル以下に維持するために、発酵ブロス又は培地を加熱し、少なくとも幾らかのガスを除去するためのスカルパーを介して発酵ブロスからフラッシュタンクに送り、アルコール生成物の少なくとも一部を回収した後、発酵槽に戻した。スカルパーへの吸気口ストリームを３０℃〜３６℃で加熱し、スカルパーを４ｐｓｉａで操作する一方、フラッシュタンクを０．５ｐｓｉａで操作した。連続して配列した２つの蒸気排出装置によって、０．５ｐｓｉａ圧力を生じさせた。スカルパーは溶解したＣＯ２の大部分を発酵槽ブロスから除去し、フラッシュタンク中の濃縮可能でない充填物を低減した。Ａｓｐｅｎ  Ｐｌｕｓ（登録商標）２００６．５（Aspen  Technology，Inc．、Burlington、MA）モデリングにより、スカルパーに入ったＣＯ２の７５％が３６℃及び４ｐｓｉａで除去されたと評価した。フラッシュタンク中での残留時間は、平衡に達し、且つ一通過あたり（per pass）１４％のブロスイソブタノールを除去するのに十分なものとした。０．５ｐｓｉａでは、ブロスでの０．５重量％と比較して、蒸気は１１重量％イソブタノールであった。揮発化合物の阻害レベルが相成長中に起こる場合、発酵ブロスは、フラッシュタンクを介して、それを除去するためのプロセスのその段階中に再循環することができるであろう。
【０２２９】
フラッシュタンク後、残留した発酵培地を生成発酵槽に再循環した。再循環ループ（発酵槽−予備加熱−スカルパー−フラッシュタンク−発酵槽）を５０ｇｐｍで実施した。
【０２３０】
フラッシュタンクは、図４に例示し及び本明細書に記載する通り、フラッシュタンク／直接接触濃縮器システムの一部とした。システムのフラッシュタンク部分で生成された蒸気はシステムの直接接触濃縮器部分に運搬され、濃縮速度を増加するためにアルコール生成物を含む再循環される濃縮物の細かいスプレーに暴露した。蒸気を濃縮するために用いた再循環される濃縮物を熱交換器により最初に冷却した。細かいスプレーとして用いなかった濃縮物の残りを液体−液体分離器に送った。
【０２３１】
発酵槽での生成を完了した後、使用済みブロスをビアスティルに送った。使用済みブロス中のｉＢｕＯＨをビアスティルで回収し、生成微生物を不活性化した。
【０２３２】
図１０を参照して、発酵槽ブロス中及びフラッシュ後ブロス中のイソブタノール濃度を例示する。フラッシュタンクは、ブロスが発酵槽に戻される前に、ブロスｉＢｕＯＨの約１５％〜２０％を除去したことが分かる。
【０２３３】
イソブタノール生成を、グルコース消費に基づく嫌気性相について計算し、グルコース１ｇあたり０．４１ｇイソブタノールの理論収率の９０％であるとみなされ、グルコースが汚染微生物によって消費された主な副生成である乳酸塩を生成したことが原因であった。図１１は有効力価を示しており、生産性は従前のベンチスケール実験に相当する。この発酵の実施及び回収の結果を以下の表１に示す
【表１】
2012531209.tif 000003
【０２３４】
実施例２
この実施例は、本発明による高生産性（２．８ｇ／Ｌ−ｈｒ）の発酵操作をシミュレートするために、溶液からのイソブタノールの除去、回収、及び精製を例示している。２重量％のイソブタノール溶液から、３７．４ｋｇ／ｈｒの除去速度を達成された。２つのカラムシステムを用いた蒸留による回収イソブタノールを精製すると、ブタノール生成物中の水分含有量が１％未満であった。この実施例の方法フローを図１２に示す。
【０２３５】
４５，０００Ｌの運転体積発酵槽２３０に１３，４００Ｌの水を充填した。イソブタノールを２３８を介して添加し、２重量％の最終濃度とした。溶液を加熱し、発酵ブロス中の少なくとも幾らかのガスを除去するためにスカルパーを介して送り、２３２を介してフラッシュタンク／直接接触濃縮器システム２３４のフラッシュタンク部分に送り、アルコール生成物の少なくとも一部を回収した後に、２３６を介して発酵槽を戻した。スカルパー（示していない）への吸気口ストリームは３℃〜３６Ｃで加熱した。スカルパーを４ｐｓｉａで操作し、フラッシュタンクを０．５ｐｓｉａで操作した一方、連続した２つの蒸気排出装置によって０．５ｐｓｉａの圧力を発生させた。スカルパーは、発酵槽ブロスから溶解ＣＯ２の大部分を除去し、フラッシュタンク中の濃縮可能でない充填物を低減した。Ａｓｐｅｎ  Ｐｌｕｓ（登録商標）２００６．５モデリングにより、スカルパーに入ったＣＯ２の７５％が３６℃及び４ｐｓｉａで除去されたと評価された。フラッシュタンク中の残留時間は、平衡に達し、一通過あたり１５％のイソブタノールを除去するのに十分なものとした。０．５ｐｓｉａにおいて、溶液での２重量％と比較して、蒸気は４１重量％であった（モデリングシステムに基づく）。フラッシュタンクを介した再循環ループを５５ｇｐｍで実施し、１．１体積／時間の発酵槽回転速度が得られた。追加のイソブタノールを３４ｋｇ／ｈｒで発酵槽に供給し、活発な発酵によるイソブタノール生成をシミュレートした。
【０２３６】
４１重量％イソブタノール蒸気を、フラッシュタンクフラッシュタンク／直接接触濃縮器システム２３４の濃縮物側で噴霧される液体と直接接触させることによって濃縮した。濃縮物を２４０を介して液体−液体分離器２４２に供給し、イソブタノールリッチ軽相及び水リッチ重相を分離した。重相は、２５０を介して液体−液体分離器２４２に送られるイソブタノールを含む濃縮された塔頂蒸気（overhead vapor）とともに、２４６を介して１０ｐｓｉａで操作したストリッパーカラム２４８に供給した。液体−液体分離器からの軽相生成物を、２５４を介して４〜５ｐｓｉａで操作した精留塔カラム２５２に送った。水及びアルコールを含む精留塔カラムからの塔頂蒸気を２５８を介して液体−液体分離器２４２に送った。精留塔カラムの底部で生成された精製イソブタノールを２５６を介して回収し、分析した。このシミュレーションの結果を以下の表２に示す。
【表２】
2012531209.tif 000004
【０２３７】
実施例３
この実施例は、本発明に従って真空除去と合わせた場合における生成相中に発酵ブロス中のエアレーションを増加させた生成の利点を例示する。２ＬのＤａｓＧｉｐ発酵槽を４００ｍｌフラッシュ容器とともに用いた。発酵槽を酵母の生成微生物を用いて、３０℃、ｐＨ＝６．０、１．１Ｌの初期体積で操作した。フラッシュ容器を０．７〜０．９ｐｓｉａの真空レベルで３６Ｃ℃で操作し、ブロスのイソブタノール力価が約３ｇ／Ｌになったときに発酵ブロスをフラッシュ容器に再循環した。酢酸塩のレベルが増加したとき、約２４〜４８時間毎に、発酵培地をフレッシュな培地に換えた。
【０２３８】
発酵槽を、接種後の最初の１４時間、微生物の密度を増加するためにｌ５〜１６ｍＭ／Ｌ−ｈに達する酸素移動速度（「ＯＴＲ」）で好気性条件下で実施し、アルコールの生成物の生成はほとんどなかった。生成を増加するために、エアレーションを低下させて５ｍＭ／ｌ−ｈの標的ＯＴＲとし、０．２４ｇ／Ｌ−ｈの体積生産性に達した。全体積生産性は、２１７時間において０．２４ｇ／Ｌ−ｈの最大速度から３４９時間において０．２１ｇ／Ｌ−ｈに安定して低下した。次いで、発酵期間中にエアレーションを増加させて約８ｍｍ／ｌ−ｈのＯＴＲとし、生産性は再び０．２４ｇ／ｌ−ｈに達した。
【０２３９】
この実施例は、生成相中での発酵中にＯＴＲを増加させることによって生産性を増加させることができることを例示している
【０２４０】
実施例４
この実施例は、断熱フラッシュを用いた発酵ブロスからのイソブタノールの除去及び回収を例示している。Ａｓｐｅｎ  Ｐｌｕｓ（登録商標）２００６．５を用いて、フラッシュ容器からポンプ吸引される発酵ブロス及びフラッシュ容器にポンプ吸引され、且つ３５．０℃及び３７．０℃において様々なフラッシュ圧力でフラッシュされる、発酵ブロスの平衡データを作成した。Ａｓｐｅｎ  Ｐｌｕｓ（登録商標）内の非ランダムな２つの液体（ＮＲＴＬ）を用いた。システムを図１４に図示する。
【０２４１】
発酵槽からのストリームを１ａｔｍの操作絶対圧で固定し、０．９７８９の水、０．００１１の二酸化炭素、及び０．０２００のイソブタノールの組成物（質量分画）を４ｐｓｉａで断熱的に操作されるスカルパー中に１０００ｋｍｏｌ／ｈｒ基準でフローするとみなした。以下の表３に示すこれらの条件の結果は、フラッシュシステムを介する一通過あたり除去されるイソブタノールの割合によって示されるように、高い割合のイソブタノールがブロスから除去されること、及び断熱フラッシュシステムを用いた濃度因子により示されるように、蒸気の富化が起こることを示している。
【表３】
2012531209.tif 000005
【０２４２】
この実施例は、断熱フラッシュが発酵ブロスからイソブタノールを除去するための効率的な方法であることを実証している。
【０２４３】
実施例５
この実施例は、等温フラッシュを用いた発酵ブロスからのイソブタノールを除去及び回収を例示している。Ａｓｐｅｎ  Ｐｌｕｓ（登録商標）２００６．５を用いて、フラッシュ容器からポンプ吸引される発酵ブロス及びフラッシュ容器にポンプ吸引され、且つ３５．０℃及び３７．０℃において様々なフラッシュ圧力でフラッシュされる、発酵ブロスの平衡データを作成した。Ａｓｐｅｎ  Ｐｌｕｓ（登録商標）内の非ランダムな２つの液体（ＮＲＴＬ）を用いた。
【０２４４】
発酵槽からのストリームを１ａｔｍの操作絶対圧で固定し、０．９７８９の水、０．００１１の二酸化炭素、及び０．０２００のイソブタノールの組成物（質量分画）を４ｐｓｉａで断熱的に操作されるスカルパー中に１０００ｋｍｏｌ／ｈｒ基準でフローするとみなした。以下の表４に示すこれらの条件の結果は、フラッシュシステムを介する一通過あたり除去されるイソブタノールの割合によって示されるように、高い割合のイソブタノールがブロスから除去されること、及び等温フラッシュシステムを用いた濃度因子により示されるように、蒸気の富化が起こることを示している。
【表４】
2012531209.tif 000006
【０２４５】
この実施例は、等温フラッシュが発酵ブロスからイソブタノールを除去するための効率的な方法であることを実証している。
【０２４６】
実施例６
この実施例は、第４段で等温フラッシュを用いる４段式カラムを用いて発酵ブロスからイソブタノールの除去及び回収を例示している。Ａｓｐｅｎ  Ｐｌｕｓ（登録商標）２００６．５を用いて、フラッシュ容器からポンプ吸引される発酵ブロス及びフラッシュ容器にポンプ吸引され、且つ３５．０℃及び３７．０℃において示したカラム圧力でフラッシュされる、発酵ブロスの平衡データを作成した。Ａｓｐｅｎ  Ｐｌｕｓ（登録商標）内の非ランダムな２つの液体（ＮＲＴＬ）を用いた。
【０２４７】
発酵槽からのストリームを１ａｔｍの操作絶対圧で固定し、０．９７８９の水、０．００１１の二酸化炭素、及び０．０２００のイソブタノールの組成物（質量分画）を４ｐｓｉａで断熱的に操作されるスカルパー中に１０００ｋｍｏｌ／ｈｒ基準でフローするとみなした。以下の表５に示すこれらの条件の結果は、カラムのより低い第４段を介して一通過あたり除去されるイソブタノールの割合によって示されるように、高い割合のイソブタノールがブロスから除去されること、及びこの構成を用いた濃度因子により示されるように、蒸気の富化が起こることを示している。
【表５】
2012531209.tif 000007
【０２４８】
この実施例は、多段式の等温フラッシュが発酵ブロスからイソブタノールを除去するための効率的な方法であることを実証している。
【０２４９】
実施例７
この実施例は、様々なイソブタノール生産性での断熱及び等温フラッシュ条件について平衡でイソブタノール力価を維持するのに必要な発酵槽回転速度を例示している。発酵槽回転速度に所与の発酵槽体積を掛けることによって、一定の発酵槽力価を維持するのに必要なリサイクルポンプ吸引速度が得られる。断熱及び及び等温フラッシュ条件について前述の例４及び５（図３及び４の最終行）で説明されるように、フラッシュへのブロス及びブロス戻りについてブロスの力価が生じた。
【０２５０】
以下の表６に示す結果は、より低い発酵槽回転速度、したがって、より低いリサイクルポンプ吸引速度が所定の生産性での等温フラッシュ対（vs）断熱フラッシュに必要であることを示している。
【表６】
2012531209.tif 000008
【０２５１】
この実施例は、等温フラッシュは、断熱フラッシュと比較して、より低い発酵槽回転速度が必要であることを実証している。
【０２５２】
本発明の原理、好ましい実施態様、及び操作形態が前述の本明細書で記述されている。しかし、ここで保護されることが意図される本発明は、開示された特定の形態に限定されるものと理解すべきではなく、これらは限定するものではなく、例示とみなすものである。
本発明の真意から逸脱することなく、当業者によって変更及び変化が行われ得る。したがって、本発明を実施するための前述の最良の実施形態は、本質的に例示であるとみなすべきであり、特許請求の範囲に記載される本発明の範囲及び真意を限定するものとみなすべきではない。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【国際調査報告】
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