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技術 一酸化炭素含有基質の発酵の制御方法

出願人 イネオスバイオソシエテアノニム
発明者 ベルピーターシンプソンリウソン
出願日 2015年7月24日 (6年4ヶ月経過) 出願番号 2017-507408
公開日 2017年9月21日 (4年2ヶ月経過) 公開番号 2017-527278
状態 特許登録済
技術分野 微生物による化合物の製造
主要キーワード 初期供給量 非鉄金属製品 残留廃棄物 イオン化原子 気泡質 時空収量 排出気体 ガス化施設
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課題・解決手段

CO含有基質の安定した発酵と良好なエタノール生産性のための方法で、発酵で微生物が必要とする量の培地成分を提供することを含む。この方法は、発酵培地カリウム濃度を求め、発酵系に第1培地及び第2培地を提供することを含み、第1培地が、目標セル密度に達するまで発酵培地のカリウム濃度を約20〜約200mg/Lの範囲に保つのに有効な流量で供給される。

概要

背景

背景
規定した液体培地発酵は起こる。この液体培地には、通常、発酵特性の向上に重要な様々な主要養分源及び微量養分源が含まれる。ガス状基質等のあまり一般的ではない基質一緒に使用する培地としては、特性を最適化するために明確に定義された培地が必要である。嫌気性発酵も明確に定義された培地が必要である。

嫌気性微生物は、ガス状基質の発酵により一酸化炭素(CO)からエタノールを生成することができる。クロストリジウム属の嫌気性微生物を用いた発酵はエタノール及び他の有用な生成物を産生する。例えば、米国特許第5,173,429号には、クロストリジウム・リュングダリイ(Clostridium ljungdahlii、ATCCNo.49587)が記載されているが、これは、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である。米国特許第5,807,722号には、クロストリジウム・リュングダリイ(Clostridium ljungdahlii、ATCCNo.55380)を用いて排ガス有機酸アルコールに変換する方法及び装置が記載されている。米国特許第6,136,577号には、クロストリジウム・リュングダリイ(Clostridium ljungdahlii、ATCCNo.55988及び55989)を使って排ガスをエタノールに変換する方法及び装置が示されている。

米国特許第7,285,402号には、エタノール生成を目的としたガス状基質の嫌気性発酵での使用が公知である培地が記載されている。この培地における様々な成分及び成分濃度は、高いエタノール生産性をもたらすうえで効果的である。発酵中に、微生物の必要に応じて特定の培地成分を何回か供給することで、エタノール生産性が向上し、より安定した発酵プロセスを提供することができる。

概要

CO含有基質の安定した発酵と良好なエタノール生産性のための方法で、発酵で微生物が必要とする量の培地成分を提供することを含む。この方法は、発酵培地カリウム濃度を求め、発酵系に第1培地及び第2培地を提供することを含み、第1培地が、目標セル密度に達するまで発酵培地のカリウム濃度を約20〜約200mg/Lの範囲に保つのに有効な流量で供給される。

目的

米国特許第7,285,402号には、エタノール生成を目的とした

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
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請求項1

一酸化炭素(CO)含有基質発酵制御方法であって、前記CO含有基質を発酵系に提供し、前記CO含有基質を発酵する工程と、イオンクロマトグラフィー誘導結合プラズマ分光測定法イオン選択性電極炎光光度法フレームイオン化原子吸光法及びこれらの組み合わせからなる群から選択される方法を用いて、発酵培地中養分濃度監視する工程とを含む、前記方法。

請求項2

前記監視する養分がK、Mg、PO4-3、Fe、Zn、Ni、Co及びこれらの混合物からなる群から選択される、請求項1記載の方法。

請求項3

前記監視する養分がK、PO4-3、Mg又はこれらの混合物である、請求項2記載の方法。

請求項4

養分濃度の監視に使用する前記方法がイオンクロマトグラフィーである、請求項1記載の方法。

請求項5

前記方法により約2〜約30g/Lの目標セル密度が提供される、請求項1記載の方法。

請求項6

前記発酵培地が、第1及び第2の養分含有培地を含む、請求項5記載の方法。

請求項7

前記第1培地が、目標のセル密度に達するまで前記培地のカリウム濃度を約20〜約200mg/Lに保つのに有効な流量で発酵系に供給される、請求項6記載の方法。

請求項8

前記第1培地が、目標のセル密度に達するまで前記培地のカリウム濃度を約20〜約160mg/Lに保つのに有効な流量で発酵系に供給される、請求項7記載の方法。

請求項9

前記第1培地が、目標のセル密度に達するまで前記培地のPO4-3濃度を約10〜約120mg/Lに保つのに有効な流量で発酵系に供給される、請求項6記載の方法。

請求項10

前記第1培地が、目標のセル密度に達するまで前記培地のPO4-3濃度を約10〜約100mg/Lに保つのに有効な流量で発酵系に供給される、請求項9記載の方法。

請求項11

前記第1培地が、目標のセル密度に達するまで前記培地のMg濃度を約1〜約6mg/Lに保つのに有効な流量で発酵系に供給される、請求項6記載の方法。

請求項12

前記第1培地が、目標のセル密度に達するまで前記培地のMg濃度を約1〜約4mg/Lに保つのに有効な流量で発酵系に供給される、請求項11記載の方法。

請求項13

前記第2培地が、第1培地:第2培地の容積流量比を約15:1〜約2:1に保持するのに有効な流量で発酵系に供給される、請求項6記載の方法。

請求項14

前記第1培地がK、Mg、Fe、PO4-3、Zn、Co、Ni及びこれらの混合物からなる群から選択される元素を含む、請求項6記載の方法。

請求項15

前記第2培地がW、Se及びこれらの混合物からなる群から選択される元素を含む、請求項6記載の方法。

請求項16

前記CO含有基質のCO/CO2モル比が少なくとも約0.75である、請求項1記載の方法。

請求項17

前記CO含有基質が約20〜約100mol%のCOを有する、請求項1記載の方法。

請求項18

前記発酵媒体のpHが約3.5〜約5.0に保たれている、請求項1記載の方法。

請求項19

水酸化アンモニウムの添加で前記pHが保たれている、請求項18記載の方法。

請求項20

発酵排出気体中のH2S濃度を約20〜約500ppmの範囲に保つことを更に含む、請求項1記載の方法。

請求項21

前記発酵培地にNaHSを添加することにより、前記発酵排出気体中のH2S濃度を約20〜約500ppmに保つ、請求項20記載の方法。

請求項22

前記発酵系がアセテート生成性の細菌を含む、請求項1記載の方法。

請求項23

前記アセテート生成性の細菌が、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・バッキCP11(ATCCBAA-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・パシフィカス(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・アセトブチリカムP262(DSMZ社(ドイツ)のDSM 19630)、クロストリジウム・オートエタノゲナム(DSMZ社(ドイツ)のDSM 19630)、クロストリジウム・オートエタノゲナム(DSMZ社(ドイツ)のDSM 10061)、クロストリジウム・オートエタノゲナム(DSMZ社(ドイツ)のDSM 23693)、クロストリジウム・オートエタノゲナム(DSMZ社(ドイツ)のDSM 24138)、クロストリジウム・カルボキシジボランスP7(ATCCPTA-7827)、クロストリジウム・コスカティイ(Clostridium coskatii)(ATCC PTA-10522)、クロストリジウム・ドラケイ(Clostridium drakei)、クロストリジウム・リュングダリイPETC(ATCC 49587)、クロストリジウム・リュングダリイERI2(ATCC 55380)、クロストリジウム・リュングダリイC-01(ATCC 55988)、クロストリジウム・リュングダリイO-52(ATCC 55889)、クロストリジウム・マグナム(Clostridium magnum)、クロストリジウム・パストゥリアナム(Clostridium pasteurianum)(DSMZ社(ドイツ)のDSM 525)、クロストリジウム・ラグスダリ(Clostridium ragsdali)P11(ATCC BAA-622)、クロストリジウム・スカトロゲネス(Clostridium scatologenes)、クロストリジウム・サーモアセチカム(Clostridium thermoaceticum)、クロストリジウム・ウルツネンセ(Clostridium ultunense)、デスルホトマクルム・クズネツォビイ(Desulfotomaculum kuznetsovii)、ユーバクテリウムリモサム(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)、モーレラ・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からなる群から選択される、請求項22記載の方法。

請求項24

一酸化炭素(CO)含有基質の発酵方法であって、前記CO含有基質を発酵系に提供し、前記CO含有基質を発酵する工程と、前記発酵培地のカリウム濃度を求める工程と、第1培地及び第2培地を前記発酵系に提供する工程とを含み、前記第1培地は、目標のセル密度に達するまで前記発酵培地のカリウムを約20〜約200mg/Lに保つのに有効な流量で供給される、前記発酵方法。

請求項25

前記第1培地が、目標のセル密度に達するまで前記培地のカリウム濃度を約20〜約160mg/Lに保つのに有効な流量で発酵系に供給される、請求項24記載の方法。

請求項26

前記CO含有基質のCO/CO2モル比が少なくとも約0.75である、請求項24記載の方法。

請求項27

前記CO含有基質が約20〜約100mol%のCOを有する、請求項24記載の方法。

請求項28

前記培地の前記カリウム濃度を、イオンクロマトグラフィー、誘導結合プラズマ分光測定法、イオン選択性電極、炎光光度法、フレームイオン化原子吸光法及びこれらの組み合わせからなる群から選択される方法で求める、請求項24記載の方法。

請求項29

前記目標のセル密度が約2〜約30g/Lである、請求項24記載の方法。

請求項30

前記第2培地は、第1培地:第2培地の容積流量比を約15:1〜約2:1に保持するのに有効な流量で前記発酵系に供給される、請求項24記載の方法。

請求項31

前記第1培地がK、Mg、Fe、PO4-3、Zn、Co、Ni及びこれらの混合物からなる群から選択される元素を含む、請求項24記載の方法。

請求項32

前記第2培地がW、Se及びこれらの混合物からなる群から選択される元素を含む、請求項24記載の方法。

請求項33

前記発酵媒体のpHが約3.5〜約5.0に保たれている、請求項24記載の方法。

請求項34

水酸化アンモニウムの添加で前記pHが保たれている、請求項24記載の方法。

請求項35

発酵排出気体中のH2S濃度を約20〜約500ppmの範囲に保つことを更に含む、請求項24記載の方法。

請求項36

前記発酵培地にNaHSを添加することにより、前記発酵排出気体中のH2S濃度を約20〜約500ppmに保つ、請求項35記載の方法。

請求項37

前記発酵系がアセテート生成性の細菌を含む、請求項24記載の方法。

請求項38

前記アセテート生成性の細菌が、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・バッキCP11(ATCCBAA-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・パシフィカス(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・アセトブチリカムP262(DSMZ社(ドイツ)のDSM 19630)、クロストリジウム・オートエタノゲナム(DSMZ社(ドイツ)のDSM 19630)、クロストリジウム・オートエタノゲナム(DSMZ社(ドイツ)のDSM 10061)、クロストリジウム・オートエタノゲナム(DSMZ社(ドイツ)のDSM 23693)、クロストリジウム・オートエタノゲナム(DSMZ社(ドイツ)のDSM 24138)、クロストリジウム・カルボキシジボランスP7(ATCCPTA-7827)、クロストリジウム・コスカティイ(Clostridium coskatii)(ATCC PTA-10522)、クロストリジウム・ドラケイ(Clostridium drakei)、クロストリジウム・リュングダリイPETC(ATCC 49587)、クロストリジウム・リュングダリイERI2(ATCC 55380)、クロストリジウム・リュングダリイC-01(ATCC 55988)、クロストリジウム・リュングダリイO-52(ATCC 55889)、クロストリジウム・マグナム(Clostridium magnum)、クロストリジウム・パストゥリアナム(Clostridium pasteurianum)(DSMZ社(ドイツ)のDSM 525)、クロストリジウム・ラグスダリ(Clostridium ragsdali)P11(ATCC BAA-622)、クロストリジウム・スカトロゲネス(Clostridium scatologenes)、クロストリジウム・サーモアセチカム(Clostridium thermoaceticum)、クロストリジウム・ウルツネンセ(Clostridium ultunense)、デスルホトマクルム・クズネツォビイ(Desulfotomaculum kuznetsovii)、ユーバクテリウム・リモーサム(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)、モーレラ・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からなる群から選択される、請求項37記載の方法。

請求項39

前記方法が、10gの総アルコール分/(L・日)以上のSTYを提供するのに有効である、請求項24記載の方法。

請求項40

目標のセル密度に達するまで前記培地のPO4-3濃度を約10〜約120mg/Lに保つのに有効な流量で前記第1培地を発酵系に供給することを更に含む、請求項24記載の方法。

請求項41

目標のセル密度に達するまで前記培地のMg濃度を約1〜約6mg/Lに保つのに有効な流量で前記第1培地を発酵系に供給することを更に含む、請求項24記載の方法。

技術分野

0001

本出願は、2014年8月12日に出願された米国仮特許出願第62/036,239号の利益を主張するもので、引用により本願明細書の記載に含まれるものとする。

0002

一酸化炭素含有基質発酵方法を提供する。より詳細には、該方法は発酵培地における養分(nutrient)の濃度を求め、該濃度をある濃度範囲内に保つことを含む。該方法は、10gの総アルコール分/(L・日)以上のSTYを提供するのに有効な特定の養分濃度を保つことを更に含む。

背景技術

0003

背景
規定した液体培地発酵は起こる。この液体培地には、通常、発酵特性の向上に重要な様々な主要養分源及び微量養分源が含まれる。ガス状基質等のあまり一般的ではない基質と一緒に使用する培地としては、特性を最適化するために明確に定義された培地が必要である。嫌気性発酵も明確に定義された培地が必要である。

0004

嫌気性微生物は、ガス状基質の発酵により一酸化炭素(CO)からエタノールを生成することができる。クロストリジウム属の嫌気性微生物を用いた発酵はエタノール及び他の有用な生成物を産生する。例えば、米国特許第5,173,429号には、クロストリジウム・リュングダリイ(Clostridium ljungdahlii、ATCCNo.49587)が記載されているが、これは、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である。米国特許第5,807,722号には、クロストリジウム・リュングダリイ(Clostridium ljungdahlii、ATCCNo.55380)を用いて排ガス有機酸アルコールに変換する方法及び装置が記載されている。米国特許第6,136,577号には、クロストリジウム・リュングダリイ(Clostridium ljungdahlii、ATCCNo.55988及び55989)を使って排ガスをエタノールに変換する方法及び装置が示されている。

0005

米国特許第7,285,402号には、エタノール生成を目的としたガス状基質の嫌気性発酵での使用が公知である培地が記載されている。この培地における様々な成分及び成分濃度は、高いエタノール生産性をもたらすうえで効果的である。発酵中に、微生物の必要に応じて特定の培地成分を何回か供給することで、エタノール生産性が向上し、より安定した発酵プロセスを提供することができる。

課題を解決するための手段

0006

概要
CO含有基質の安定した発酵と、エタノールの生産性向上のためのプロセスには、発酵において微生物が必要とする量の培地成分を提供することが含まれる。より具体的には、CO含有基質の発酵方法は、CO含有基質を発酵作用に提供し、該CO含有基質を発酵させることを含む。前記方法は、イオンクロマトグラフィー誘導結合プラズマ分光測定法イオン選択性電極炎光光度法フレームイオン化原子吸光法及びこれらを組み合わせた方法からなる群から選択される方法を用いて、発酵培地中の養分濃度を監視することを更に含む。

0007

別の態様では、CO含有基質の発酵方法が、CO含有基質を発酵作用に提供して前記CO含有基質を発酵させる方法であって、発酵培地中のカリウム濃度を求め、第1培地及び第2培地を前記発酵作用に供することを含み、目標とするセル密度(cell density)に達するまで発酵培地のカリウム濃度を約20〜約200mg/Lの範囲に保つのに有効な流量で前記第1培地を供給する。

実施例

0008

(詳細な説明)
以下の説明は限定的な意味に解されるべきではなく、単に例示的な実施形態の一般的原理を説明する目的で記載するものである。本発明の範囲は請求項を参照して決められる。

0009

<定義>
特に定義がなければ、本開示のためのこの明細書を通して使用されている下記の用語は以下のように定義され、下記に定義した単数形又は複数形も包含する。

0010

量を修飾する「約」という用語は、現実的な条件、例えば、実験室パイロットプラント又は生産工場等で遭遇する量の変動を指す。例えば、「約」を修飾した場合、ある混合物又はある量に用いられている成分量又は測定値は、生産工場又は実験室における実験的条件で測定する際の変動と通常の注意度合いが包含される。例えば、生成物の成分の量に「約」がついているのは、工場又は実験室での多数回実験によるバッチ間の変化量、及び、分析方法固有の変化量が含まれている。量に「約」がついていてもいなくても、その量と同等の量が包含される。本願明細書で記載の量で「約」がついている量は、「約」がついていない量としても本開示では採用される。

0011

本願明細書で使用の「炭素系材料」とは、石炭石油化学製品等の炭素を多く含む材料を指すが、本願明細書の炭素系材料は、固体液体気体又はプラズマ状態のいかなる炭素系材料も含む。炭素系材料とみなすことができる多数のもののなかで、本開示は、炭素系材料、炭素系液体生成物炭素含有液状工業再生品自治体の炭素含有固体廃棄物(MSW又はmsw)、都市部の炭素含有廃棄物、炭素含有農業資材、炭素含有林業系資材、炭素含有森林廃棄物、炭素含有建築資材、炭素含有植物材料、炭素含有工業廃棄物、炭素含有発酵廃棄物、炭素含有石油化学副産物、炭素含有アルコール生成副産物、炭素含有の石炭、タイヤ合成樹脂製品合成樹脂廃棄物コークス炉タールファイバーソフト、リグニン黒液ポリマー類ポリマー廃棄物、ポリエチレンテレフタレート(PETA)、ポリスチレン(PS)、下水汚泥動物排泄物農作物残渣エネルギー作物、森林処理残渣、木材加工残渣家畜排泄物家禽類排泄物、食品加工残渣発酵処理廃棄物、エタノール副産物、麦芽かす、微生物廃棄物、又はこれらの組合せを想定している。

0012

「ファイバーソフト」「フィブロソフト」「フィブラソフト」という言葉は、様々な物質を柔らかくして濃縮した結果生成される炭素系材料の一種を意味する。一例として、様々な物質を高圧蒸気滅菌により作製された炭素系材料である。別の例として、自治体廃棄物、工業廃棄物、商業廃棄物及び医療廃棄物を高圧蒸気滅菌して繊維パルプ状にしたものがファイバーソフトに含まれる。

0013

「自治体の固体廃棄物」「MSW」又は「msw」という用語は、家庭用、商業用、工業用及び/又は残留廃棄物を含む廃棄物を意味する。

0014

「合成ガス」「シンガス」という用語は、一酸化炭素と水素とを様々な量で含む気体混合物に付された名称の合成ガスを意味する。製造方法の例として、水素を製造するための天然ガス又は炭化水素水蒸気改質石炭ガス化、及び廃棄物エネルギー回収ガス化施設での石炭ガス化が挙げられる。この名称は、合成天然ガス(SNG)を製造する際の中間体としての使用、及び、アンモニア又はメタノール生成での使用に由来している。合成ガスは燃焼しやすく、他の化学物質生成の燃料源又は中間物質として使用されることが多い。

0015

トン」は米国の小トンで、約907.2kg(2000ポンド)である。

0016

本願明細書で使用しているように、生産性はSTYで表される。この態様において、アルコール生産性をSTY(エタノールのg数/(L・日)として表した空時収量)で表すことができる。

0017

<CO含有基質>
CO含有基質は、一酸化炭素を含むいずれの気体を含んでいてもよい。この態様において、CO含有気体は、合成ガス、工業用ガス及びこれらの混合物を含んでいてもよい。

0018

合成ガスは、公知のいずれの供給源からも提供される。態様の1つとして、合成ガスは炭素系材料のガス化由来であってもよい。ガス化は、酸素の供給を限定したバイオマス部分燃焼が含まれる。得られたガスは主にCOとH2とを含む。この態様では、合成ガスは少なくとも約10mol%のCOを含み、少なくとも約20mol%、約10〜約100mol%、別の態様では約20〜約100mol%のCO、別の態様では約30〜約90mol%のCO、別の態様では約40〜約80mol%のCO、別の態様では約50〜約70mol%のCOを含む。好適なガス化方法及びガス化装置の例は、米国特許出願第61/516,667号、第61/516,704号及び第61/516,646号(これらすべては2011年4月6日出願)、並びに、米国特許出願第13/427,144号、第13/427,193号及び第13/427,247号(これらすべては2012年3月22日出願)に記載されており、これらはすべて引用により本願明細書の記載に含まれるものとする。

0019

別の態様において、本方法は、多量の一酸化炭素を含む工業系煙道ガス等のガス状基質からアルコールを生成することをサポートするのに適している。態様によっては、COを含む気体が、工業排ガス等の炭素含有廃棄物、又は他の廃棄物のガス化に由来する。このように、本方法は、環境に排出されてしまうかもしれない炭素を捕捉するのに効果的な方法であることがわかる。工業煙道ガスの例としては、鉄及び非鉄金属製品の製造、石油精製の工程、石炭のガス化、バイオマスのガス化、電力の生成、カーボンブラックの製造、アンモニアの生成、メタノールの生成及びコークスの製造の行程中に排出されるガスが挙げられる。

0020

CO含有基質の組成次第であるが、CO含有基質は発酵工程に直接供してもよいし、適切なH2:COモル比となるように更に改質してもよい。態様の一つにおいては、発酵槽に供されるCO含有基質のH2:COモル比は約0.2以上である。別の態様では、約0.25以上であり、別の態様では約0.5以上である。発酵槽に供されるCO含有基質は、約40mol%以上のCO+H2を含み、約30mol%以下のCOを含んでいるとよく、更には、約50mol%以上のCO+H2を含み、約35mol%以下のCOを含んでいてもよい。別の態様では、約80mol%以上のCO+H2と約20mol%以下のCOでもよい。

0021

態様の一つによると、CO含有基質は主としてCOとH2とを含む。この態様では、CO含有基質は少なくとも約10mol%のCOを含み、少なくとも約20mol%でもよく、約10〜約100mol%でもよい。別の態様では、約20〜約100mol%のCO、別の態様では約30〜約90mol%のCO、別の態様では約40〜約80mol%のCO、別の態様では約50〜約70mol%のCOである。CO含有基質のCO/CO2比は、少なくとも約0.75、別の態様では少なくとも約1.0、別の態様では少なくとも約1.5でもよい。

0022

態様の一つによると、ガスセパレータガス流の少なくとも一部を実質的に分離するように構成され、前記ガス流の一部は1種以上の成分を含む。例えば、ガスセパレータは、以下の成分CO、CO2、H2を含むガス流からCO2 を分離し、CO2はCO2除去部に送り込まれ、ガス流の残り(CO及びH2を含む)がバイオリアクターに送り込まれる。当該分野で公知のいずれのガスセパレータも利用できる。この態様では、発酵槽に供される合成ガスのCO2含有量は約10mol%以下、別の態様では約1mol%以下、別の態様では約0.1mol%以下である。

0023

特定のガス流では、高濃度のCOと低濃度のH2を含んでいてもよい。態様の一つによると、アルコールの生成及び/又は全炭素の捕捉をより高効率に行うために、基質流の組成を最適化することが望ましい。例えば、バイオリアクターに送り込まれる前に、基質流のH2濃度を上げてもよい。

0024

本発明の特定の態様によると、2つ以上の源からの流れを一体化及び/又は混合して、所望の、及び/又は、最適化された基質流にすることができる。例えば、製鋼工場転炉からの排気等、COを高濃度に含む基質流を、製鋼工場のコークス炉からの排出気体等のH2を高濃度に含む基質流と一体化することができる。

0025

ガス状CO含有基質の組成に応じて、基質を処理して塵埃粒子等の望ましくない不純物を取り除いた後に、発酵系に導入することも好ましい。例えば、公知方法を用いてガス状基質を濾過又はスクラビングに供してもよい。

0026

<バイオリアクターの設計及び操作>
発酵槽の設計については、米国特許出願第13/471,827号及び第13/471,858号(いずれも2012年5月15日出願)並びに米国特許出願第13/473,167号(2012年5月16日出願)に説明が記載されているが、これらはすべて引用により本願明細書の記載に含まれるものとする。

0027

態様の一つによると、培地を反応容器に添加して発酵プロセスを開始する。培地組成物の例は、米国特許出願第61/650,098号及び第61/650,093号(2012年5月22日出願)並びに米国特許第7,285,402号(2001年7月23日出願)に記載があり、これらはすべて引用により本願明細書の記載に含まれるものとする。培地は殺菌により望ましくない微生物を除去し、所望の微生物を反応容器に接種する。殺菌が必ずしも必要でない場合もある。

0028

態様の一つでは、使用する微生物としてアセテート生成性の細菌が挙げられる。有用なアセテート生成性の細菌の例としてはクロストリジウム属の細菌が挙げられ、WO2000/68407、EP117309、米国特許第5,173,429号、第5,593,886号及び第6,368,819号、WO1998/00558並びにWO2002/08438に記載のものをはじめとするクロストリジウム・リュングダリイ(Clostridium ljungdahlii)株、WO2007/117157及びWO2009/151342に記載のものをはじめとするクロストリジウム・オートエタノゲナム(Clostridium autoethanogenum)株(DSMZ社(ドイツ)のDSM10061及びDSM19630)、並びに、それぞれ米国特許第7,704,723号と”Biofuels and Bioproducts from Biomass-Generated Synthesis Gas” Hasan Atiyeh(2010年4月29日にオクラホマのEPSCoR(競争的研究促進のための実験的プログラム)Annual State Conferenceにて提示)に記載されたものをはじめとするクロストリジウム・レガスダレイ(Clostridium ragsdalei)(P11、ATCCBAA-622)とアルカリバクルムバッキ(Alkalibaculum bacchi)(CP11、ATCC BAA-1772)、更に、米国特許出願第2007/0276447号に記載のクロストリジウム・カルボキシジボランス(ATCCPTA-7827)が挙げられる。他の好適な微生物としては、ムーレラ種(Moorella sp.)HUC22-1をはじめとするムーレラ属(genus Moorella)の微生物、カルボキシドサーマス(Carboxydothermus)属の微生物が挙げられる。これらの各参考文献は、参照によって本明細書に援用される。2種以上の微生物の混合培養物を使用してもよい。

0029

有用な細菌のいくつかの例としては、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・バッキCP11(ATCCBAA-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・パシフィカス(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・アセトブチリカムP262(DSMZ社(ドイツ)のDSM 19630)、クロストリジウム・オートエタノゲナム(DSMZ社(ドイツ)のDSM 19630)、クロストリジウム・オートエタノゲナム(DSMZ社(ドイツ)のDSM 10061)、クロストリジウム・オートエタノゲナム(DSMZ社(ドイツ)のDSM 23693)、クロストリジウム・オートエタノゲナム(DSMZ社(ドイツ)のDSM 24138)、クロストリジウム・カルボキシジボランスP7(ATCCPTA-7827)、クロストリジウム・コスカティイ(Clostridium coskatii)(ATCC PTA-10522)、クロストリジウム・ドラケイ(Clostridium drakei)、クロストリジウム・リュングダリイPETC(ATCC 49587)、クロストリジウム・リュングダリイERI2(ATCC 55380)、クロストリジウム・リュングダリイC-01(ATCC 55988)、クロストリジウム・リュングダリイO-52(ATCC 55889)、クロストリジウム・マグナム(Clostridium magnum)、クロストリジウム・パストゥリアナム(Clostridium pasteurianum)(DSMZ社(ドイツ)のDSM 525)、クロストリジウム・ラグスダリ(Clostridium ragsdali)P11(ATCC BAA-622)、クロストリジウム・スカトロゲネス(Clostridium scatologenes)、クロストリジウム・サーモアセチカム(Clostridium thermoaceticum)、クロストリジウム・ウルツネンセ(Clostridium ultunense)、デスルホトマクルム・クズネツォビイ(Desulfotomaculum kuznetsovii)、ユーバクテリウムリモサム(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)、モーレラ・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。

0030

所望の発酵(例えばCOからエタノールへ)が起きるのに適切な条件下で発酵を行うことが好ましい。考慮すべき反応条件としては、圧力、温度、ガス流量液体流量、培地のpH、培地の酸化還元電位撹拌速度(撹拌式反応タンクを使用の場合)、接種材料の量、液相中のCOが制限されないガス基質の最大濃度、及び、生成物の阻害(product inhibition)を避けることができる生成物の最大濃度が挙げられる。

0031

本発明の方法を用いると、微生物培養組織活力持続することができる。COが溶液へ移動する速度が培養組織取り込み速度よりも小さい等、微生物培養組織はCOに制限がある。上記のような状況は、COを含む基質が連続して微生物培養組織に供されない場合に起きることがある。物質移動速度が低い、或は、最適温度で培養組織の活力を持続させるには基質流中のCOが不十分である、等である。このような実施形態では、液状の養分培地に溶解したCOは微生物の培養組織にすぐに使い果たされ、基質には限界がある。更なる基質の提供が十分に素早く行われないからである。

0032

操作開始:菌の接種後、初期微生物個体群に供給するのに有効な供給ガス初期供給量を設定する。留出するガスを分析し、留出ガスの内容(content)を求める。ガスの分析結果を使って、供給ガス流量を制御する。この態様では、CO濃度計算値の初期セル密度に対する比として約0.5〜約0.9、別の態様では約0.6〜約0.8、別の態様では約0.5〜約0.7、別の態様では約0.5〜約0.6が本方法により提供される。

0033

別の態様の発酵方法では、発酵培地における初期のCO濃度計算値が約0.15mM〜約0.70mM、別の態様では約0.15mM〜約0.50mM、別の態様では約0.15mM〜約0.35mM、別の態様では約0.20mM〜約0.3mM、更に別の態様では約0.23mM〜約0.27mMとなるのに有効な量の合成ガスを発酵培地に提供することを含む。この方法は、操作開始時に比べてセル密度を増やすのに有効である。

0034

本願明細書で使用のごとく、目標とするセル密度とは、約〜約2.0g/リットル以上、別の態様では約2〜約30g/リットル、別の態様では約2〜約25g/リットル、別の態様では約2〜約20g/リットル、別の態様では約2〜約10g/リットル、別の態様では約2〜約8g/リットル、別の態様では約3〜約30g/リットル、別の態様では約3〜約6g/リットル、別の態様では約4〜約5g/リットルを意味する。

0035

操作開始後:所望のレベルに達したら、液相及び気泡質の物質(cellular material)は反応器から回収し、培地を補給する。本方法は、セル密度を約2.0g/リットル以上に、別の態様では約2〜約30g/リットル、別の態様では約2〜約25g/リットル、別の態様では約2〜約20g/リットル、別の態様では約2〜約10g/リットル、別の態様では約2〜約8g/リットル、別の態様では約3〜約30g/リットル、別の態様では約3〜約6g/リットル、別の態様では約4〜約5g/リットルに上昇させるのに効果的である。

0036

<養分濃度の測定>
態様の一つでは、本方法は、発酵培地中の養分濃度を求めることを含む。濃度を監視する養分は、K、Mg、P及びこれらの混合物を含むとよい。この態様においては、養分濃度、とりわけカリウム濃度は、イオンクロマトグラフィー(IC)、誘導結合プラズマ分光測定法(ICP)、イオン選択性電極、炎光光度法、フレームイオン化原子吸光法及びこれらを合わせた方法を用いて、求めることができる。利用可能な方法のいくつかの例として以下が挙げられる。Small, Hamish (1989). Ion chromatography. New York: Plenum Press. ISBN 0-306-43290-0; Tatjana Weiss; Weiss, Joachim (2005). Handbook of Ion Chromatography. Weinheim: Wiley-VCH. ISBN 3-527-28701-9 ;Gjerde, Douglas T.; Fritz, James S. (2000). Ion Chromatography. Weinheim: Wiley-VCH. ISBN 3-527-29914-9;Joachim Weiss, Tatjana Weiss (翻訳)(2005)Handbook of Ion Chromatography, 3版、完全改訂増補版、John Wiley and Sons, Inc. 931頁、ISBN:3-527-28701-9及びJackson, Peter; Haddad, Paul R. (1990). Ion chromatography: principles and applications. Amsterdam: Elsevier. ISBN 0-444-88232-4であって、これらはすべて引用により本願明細書の記載に含まれるものとする。使用可能な装置の例としては、Thermo Scientific Dionex社(www.thermoscientific.com/dionex)及びOFITE社(テキサスヒュストン、www.ofite.com)から購入できるICが挙げられる。

0037

別の態様では、本方法は、発酵培地中のカリウムマグネシウム及び/又はPO4-3の濃度を求めることを更に含む。この態様において、本方法は、カリウム、マグネシウム及びPO4-3のいずれか1つ又はいずれかの組合せを監視及び制御することを含んでもよい。下記の表は、利用する元素及び組成物の一例を示すものである。
元素添加組成物
Zn+2 ZnSO4.7H2O
Co+2 CoCl2.6H2O
Ni+2 NiCl2.6H2O
Fe+2 FeCl2.4H2O
K+ KCl
Mg+2 MgCl2.6H2O
P+5/ PO4-3 H3PO4(85%)

0038

培地組成及び培地の供給量の制御>
米国特許出願第13/889,700号(2013年5月8日出願)並びに米国特許出願第13/890,324号及び13/890,777号(両者とも2013年5月9日出願)には、効果的な培地組成物が記載されており、これらはすべて引用により本願明細書の記載に含まれるものとする。

0039

発酵培地には、約0.01g/L未満の酵母抽出物と約0.01g/L未満の炭水化物が含まれる。

0040

NaHSの形態で硫黄を発酵系に供給する。この態様では、有効量のNaHSを発酵培地に添加することで、発酵排出気体中のH2S濃度が約20〜約500ppmに保たれる。別の態様では, 発酵排出気体中のH2S濃度が約200〜約500ppmに保たれ、別の態様では発酵排出気体中のH2S濃度は約250〜約450ppmに保たれ、別の態様では発酵排出気体中のH2S濃度は約300〜約400ppmに保たれる。

0041

プロセスの操作により、pHは約3.5〜約5.0の範囲に保ち、別の態様では約4〜約5に保つ。窒素源(N)は水酸化アンモニウムを介して提供され、水酸化アンモニウムはpH制御のもとで分離供給流として添加される。その結果、NH4+は、何百ppmの範囲でわずかに過剰になる。

0042

本方法の一態様によると、第1培地及び第2培地を発酵系に供する。この態様において、前記第1培地は、目標のセル密度に達するまで発酵培地のカリウム濃度を約20〜約200mg/Lの範囲に保つのに有効な流量で供給される。別の態様では、発酵培地中のカリウムの範囲は約20〜約160mg/Lに保ち、別の態様では約20〜約100mg/L、別の態様では約110〜約190mg/L、別の態様では約120〜約180mg/L、別の態様では約130〜約170mg/L、別の態様では約140〜約160mg/Lに保つ。目標のセル密度に達したら、発酵培地のカリウム濃度を約20〜約160mg/L、別の態様では約20〜約50mg/L、別の態様では約30〜約40mg/Lの範囲に保つのに有効な流量で第1培地及び第2培地を供給する。

0043

別の態様では、PO4-3濃度を約10〜約120mg/L、別の態様では約10〜約100mg/L、別の態様では約10〜約80mg/L、別の態様では約10〜約50mg/L、別の態様では約10〜約25mg/Lの範囲に保つのに有効な流量で培地を供給する。目標のセル密度に達したら、発酵培地のPO4-3濃度を約10〜約120mg/L、別の態様では約10〜約80mg/L、別の態様では約10〜約40mg/L、別の態様では約10〜約25mg/Lの範囲に保つのに有効な流量で第1培地及び第2培地を供給する。

0044

別の態様では、目標のセル密度に達するまで、マグネシウム濃度を約1〜約6mg/L、別の態様では約1〜約4mg/L、別の態様では約1〜約3mg/Lの範囲に保つのに有効な流量で培地を供給する。目標のセル密度に達したら、発酵培地のマグネシウム濃度を約1〜約6mg/L、別の態様では約1〜約4mg/L、別の態様では約1〜約3mg/Lの範囲に保つのに有効な流量で第1培地及び第2培地を供給する。

0045

別の態様では、培地は、第1培地:第2培地の容積流量比が約15:1〜約2:1、別の態様では約10:1〜約2:1、別の態様では約4:1〜約2:1に保持するのに有効な流量で発酵系に供給する。

0046

別の態様によると、本方法は、養分の供給量を制御し所望の養分濃度とすることを含む。この態様において、カリウム濃度が約50mg/Lより多いことが判明した場合、目標とするカリウム濃度に達するまで第1培地の量を4時間ごとに約10%減らす。別の態様では、ホスフェート濃度が約10ppm未満であることが判明した場合、目標とするホスフェート濃度に達するまで第1培地の量を毎時約10%増やす。別の態様では、マグネシウム濃度が約1mg/L未満であることが判明した場合、目標とするマグネシウム濃度に達するまで第1培地の量を毎時約10%増やす。

0047

本願明細書に記載のように、培地とアセテート生成性の細菌を使ってバイオリアクターで行う合成ガスの発酵は、合成ガス中のCOをアルコール及び他の生成物に変換するのに有効である。この態様において、アルコール生産性はSTY(エタノールのg数/(L・日) で表される空時収量)で表すことができる。この態様において、本方法は、少なくとも約10gのエタノール/(L・日)の時空収量(STY)を得るのに有効である。STYの可能な値としては、約10〜約200gのエタノール/(L・日)、別の態様では約10〜約160gのエタノール/(L・日)、別の態様では約10〜約120gのエタノール/(L・日)、別の態様では約10〜約80gのエタノール/(L・日)、別の態様では約10〜約15gのエタノール/(L・日)、別の態様では約15〜約20gのエタノール/(L・日)、別の態様では約20〜約140gのエタノール/(L・日)、別の態様では約20〜約100gのエタノール/(L・日)、別の態様では約40〜約140gのエタノール/(L・日)、別の態様では約40〜約100gのエタノール/(L・日)、別の態様では約10gのエタノール/(L・日)、別の態様では約15gのエタノール/(L・日)、別の態様では約16gのエタノール/(L・日)が挙げられる。

0048

本願明細書に開示した本発明は、具体的な実施形態、実施例及びその応用によって説明してきたが、当該分野の当業者であれば、請求項に記載の本発明の範囲から逸脱することなく数多くの改造及び変形が可能である。

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