関連出願の相互参照 本出願は、2017年3月20日に出願された米国仮出願第62/473,850号の利益を主張し、その内容は参照により本明細書に組み込まれる。

この発明は、発酵ブロスから少なくとも1つの生成物を回収するための装置および関連方法に関する。特に、本発明は、発酵ブロスから生成物を回収するための真空蒸留槽の使用に関し、発酵ブロスは生存可能な微生物バイオマスを含有し、生成物の回収は微生物バイオマスの生存率を確保するような方法で完了する。

二酸化炭素(CO₂)は人間の活動による世界の温室効果ガス排出の約76%を占め、メタン(16%)、亜酸化窒素(6%)、およびフッ素化ガス(2%)が残りを占めている(United States Environmental Protection Agency)。工業および林業の施業も大気中にCO₂を放出するが、CO₂の大部分は化石燃料を燃焼させてエネルギーを生成することに由来する。温室効果ガス排出、特にCO₂の削減は、地球温暖化の進行ならびにそれに伴う気候および天候の変化を止めるのに重要である。

フィッシャー−トロプシュ法などの触媒法を使用して、産業廃ガスまたは合成ガスなどの二酸化炭素(CO₂)、一酸化炭素(CO)、および/または水素(H₂)を含有するガスを様々な燃料および化学物質に変換することができることが長い間認識されている。しかしながら、最近、ガス発酵がそのようなガスの生物学的固定のための代替プラットフォームとして浮上している。特に、C1固定微生物は、CO₂、CO、および/またはH₂を含有するガスをエタノールおよび2,3−ブタンジオールなどの生成物に変換することが示されている。そのような生成物の生成は、例えば、緩徐な微生物増殖、制限されたガス消費、毒素に対する感受性、または炭素基質の望ましくない副生成物への転用によって制限され得る。

生成物の蓄積は、ガス発酵プロセスの生成効率の低下をもたらし得る。蓄積を防ぐために、これらの生成物は有効な速度で除去されなければならない。有効な速度で除去されない場合、これらの生成物はC1固定微生物に対して抑制および/または毒性作用を有する可能性がある。C1固定微生物が生存できない程度まで生成物が蓄積する場合、発酵プロセスを停止して再始動させなければならない可能性がある。再始動させる前に、多くの場合発酵槽を洗浄する必要がある。これは時間のかかるプロセスである。

生成物の回収に一般的に関連する別の問題は、従来の回収プロセスによるC1固定微生物の損失である。生存可能なC1固定微生物の損失を克服するために、濾過方法が採用されてきた。しかしながら、時間が経つにつれて、従来の濾過方法では、粒状物質が濾材中に蓄積する可能性があり、これは濾液流束の低下をもたらし、最終的には濾材の洗浄および/または交換を必要とする可能性がある。

したがって、C1固定微生物の生存率を確保しながら有効な速度で生成物を回収することができる、メンテナンス要件が少ないシステムの必要性が残存する。

本発明は、装置、すなわち真空蒸留槽、および発酵ブロスから少なくとも1つの生成物を回収するための真空蒸留槽を利用する関連する方法を提供する。真空蒸留槽は、発酵ブロスから少なくとも1つの生成物を回収するために設計されており、発酵ブロスはバイオリアクタから搬送され、真空蒸留槽は、(a)発酵ブロスを受容するための入口であって、発酵ブロスが生存可能な微生物バイオマスおよび少なくとも1つの生成物を含む、入口、生成物濃縮流を移送するための出口、ならびに生成物枯渇流を移送するための出口を画定する外部ケーシングであって、生成物枯渇流が、生存可能な微生物バイオマスを含み、生成物枯渇流が、バイオリアクタに移送される、外部ケーシングと、(b)ケーシング内に位置する分離部分であって、上部トレイによって上方に、および下部トレイによって下方に結合されており、かつ複数の理論蒸留段を提供するための分離媒体を画定する、分離部分と、を備え、生成物濃縮流を移送するための出口が発酵ブロスを受容するための入口に対して上にあり、発酵ブロスを受容するための入口が上部トレイに対して上にあり、生成物枯渇流を移送するための出口が下部トレイに対して上にある。

好ましくは、真空蒸留槽は所与の供給速度で発酵ブロスを処理することができる。供給速度は、1時間当たりの発酵ブロスの体積として定義される。発酵ブロスの体積は、バイオリアクタに含有される発酵ブロスの体積である。少なくとも1つの実施形態において、真空蒸留槽は、1時間当たり0.05〜0.5のバイオリアクタ体積の供給速度で発酵ブロスを処理することができる。ある特定の実施形態では、供給速度は、1時間当たり0.05〜0.1、0.05〜0.2、0.05〜0.3、0.05〜0.4、0.1〜0.3、0.1〜0.1〜0.5、または0.3〜0.5の反応器体積である。

ある特定の場合において、発酵ブロスは真空蒸留槽内で所与の滞留時間を有する。発酵ブロスが真空蒸留槽内にある期間は、発酵ブロスが発酵ブロスを受容するための入口から入った瞬間から発酵ブロスが生成物枯渇流を移送するための出口から出たときまでの期間である。好ましくは、滞留時間は0.5〜15分である。様々な実施形態において、滞留時間は、0.5〜12分、0.5〜9分、0.5〜6分、0.5〜3分、2〜15分、2〜12分、2〜9分、または2〜6分である。少なくとも1つの実施形態において、微生物の生存率を確保にするために、滞留時間は15分未満、12分未満、9分未満、6分未満、3分未満、2分未満、または1分未満である。

本発明は、ケーシングの出口を介して生成物枯渇流をバイオリアクタに移送することを提供する。少なくとも1つの実施形態において、真空蒸留槽のケーシングは配管手段によってバイオリアクタに接続されている。生成物枯渇流は、配管手段を通って真空蒸留槽からバイオリアクタへ送られ得る。好ましくは、バイオリアクタは産業プロセスからのC1含有ガスの発酵のための条件下で操作される。

真空蒸留槽は、発酵ブロスから生成物を効果的に除去するように設計されている。真空蒸留槽は、除去プロセスの一部として分離媒体を利用する。分離媒体は、適切な気液接触を提供するための任意の適切な材料であり得る。

ある特定の場合において、分離媒体は、真空蒸留槽の高さにわたる圧力降下が32mbar未満であるように提供される。ある特定の場合において、真空蒸留槽の高さにわたる圧力降下は、30mbar未満、28mbar未満、26mbar未満、24mbar未満、22mbar未満、20mbar未満、または18mbar未満である。

ある特定の場合において、分離媒体は一連の蒸留トレイによって画定される。蒸留トレイは、適切な気液接触を提供するための任意の適切な一連の蒸留トレイであり得る。

真空蒸留槽の分離部分は、発酵ブロスが蒸留段を通過するときに増加する量の生成物が発酵ブロスから蒸発する複数の理論蒸留段を提供するように設計されている。好ましくは、分離媒体は複数の理論蒸留段を提供する。ある特定の実施形態において、分離媒体は少なくとも3の理論蒸留段、または少なくとも5の理論段、または少なくとも6の理論段を提供する。

真空蒸留槽は、微生物バイオマスの生存率を確保にするように設計されている。微生物バイオマスの生存率を確保することによって、バイオリアクタに送られる生成物枯渇流をガス発酵プロセスに利用することができる。好ましくは、微生物バイオマスの生存率は十分に高い割合に維持される。ある特定の場合において、微生物バイオマスの生存率は、80%超、または85%超、または90%超、または95%超である。

真空蒸留槽は、真空蒸留槽を通過したときに微生物バイオマスの生存率が実質的に低下しないような方法で設計され得る。ある特定の場合において、生成物枯渇流中の生存可能な微生物バイオマスは、発酵ブロス中の生存可能な微生物バイオマスと実質的に等しい。好ましくは、生成物枯渇流中の微生物バイオマスの生存率と発酵ブロス中の微生物バイオマスの生存率との間の差は10%未満である。ある特定の場合において、差は5〜10%である。ある特定の場合において、差は5%未満である。

微生物バイオマスの生存率は、任意の適切な手段を使用して測定され得る。好ましくは、生存率はフローサイトメトリーおよび生/死アッセイを使用して測定される。ある特定の場合において、発酵ブロス中の微生物バイオマスの生存率の測定は、真空蒸留槽に入る前の発酵ブロスから行われる。ある特定の場合において、生成物枯渇流中の微生物バイオマスの生存率の測定は、生成物枯渇流がバイオリアクタに送られる前の真空蒸留槽を出る生成物枯渇流から行われる。

ある特定の場合において、生存率測定の結果として、1つ以上の変数が変更され得る。好ましくは、生存率測定の結果として変更される1つ以上の変数は、圧力、温度、滞留時間、発酵ブロス中の生成物濃度、水蒸気供給速度、および分離媒体を含む群から選択される。

好ましくは、生成物枯渇流は、発酵ブロス中の生成物の蓄積を防ぐまたは少なくとも軽減するように、発酵ブロスに対する生成物の割合が減少している。発酵ブロス中の生成物の蓄積を防ぐ、または少なくとも軽減することによって、発酵プロセスを連続させることができる。好ましくは、生成物は連続発酵プロセスから回収される。ある特定の場合において、生成物枯渇流は1重量%未満の生成物、または0.8重量%未満の生成物、または0.6重量%未満の生成物、または0.4重量%未満の生成物、または0.2重量%未満の生成物、または0.1重量%未満の生成物を含む。

バイオリアクタ内の微生物は、様々な異なる生成物を生成することが可能であり得る。好ましくは、連続発酵プロセスから回収された1つ以上の生成物は低沸点発酵生成物である。ある特定の場合において、生成物は、エタノール、アセトン、イソプロパノール、ブタノール、ケトン、メチルエチルケトン、アセトン、2−ブタノール、1−プロパノール、酢酸メチル、酢酸エチル、ブタノン、1,3−ブタジエン、イソプレン、およびイソブテンからなる群から選択される。ある特定の場合において、真空蒸留槽は、生成される生成物に基づいて特定の制約を考慮して設計されている。ある特定の場合において、バイオリアクタにおいて生成される生成物は、エタノール、アセトン、イソプロパノール、またはそれらの混合物である。様々な場合において、生成物濃縮流は、発酵ブロスに対して増加した割合のエタノール、アセトン、イソプロパノール、またはそれらの混合物を含む。好ましくは、真空蒸留槽は、エタノールが発酵ブロスから効果的に除去され得るように設計されている。エタノールが微生物によって生成されるある特定の場合において、生成物濃縮流は、発酵ブロスに対して増加した割合のエタノールを含む。ある特定の実施形態において、真空蒸留槽は、アセトンが発酵ブロスから効果的に除去され得るように設計されている。アセトンが微生物によって生成されるある特定の場合において、生成物濃縮流は、発酵ブロスに対して増加した割合のアセトンを含む。他の実施形態において、真空蒸留槽は、イソプロパノールが発酵ブロスから効果的に除去され得るように設計されている。イソプロパノールが微生物によって生成されるある特定の場合において、生成物濃縮流は、発酵ブロスに対して増加した割合のイソプロパノールを含む。

これらの生成物をさらに変換して、1つ以上の生成物を生成することができる。少なくとも1つの実施形態において、少なくとも1つ以上の生成物をさらに変換して、ディーゼル、ジェット燃料、および/又はガソリンのうちの少なくとも1つの成分を生成することができる。ある特定の場合において、アセトンをさらに変換してメタクリル酸メチルを生成する。ある特定の場合において、イソプロパノールをさらに変換してプロピレンを生成する。

微生物の生存率を維持しながら、発酵ブロスから生成物を効果的に除去するために、真空蒸留槽は大気圧未満の圧力で操作する。好ましくは、真空蒸留槽は40mbar(a)〜100mbar(a)、または40mbar(a)〜80mbar(a)、または40mbar(a)〜60mbar(a)、または50mbar(a)〜100mbar(a)、または50mbar(a)〜80mbar(a)、または50mbar(a)〜70mbar(a)、または60mbar(a)〜100mbar(a)、または60mbar(a)〜100mbar(a)、または80mbar(a)〜100mbar(a)の圧力で操作される。

発酵ブロスから生成物を効果的に除去するために、真空蒸留は、微生物の生存率を確保しながら、生成物を除去することができる温度範囲で操作する。ある特定の場合において、生成物は、エタノール、アセトン、およびイソプロパノールからなる群から選択される。好ましくは、真空蒸留槽は35℃〜50℃の温度で操作される。一実施形態において、温度は40℃〜45℃、または37℃〜45℃、または45℃〜50℃である。様々な場合において、温度は37℃未満である。アセトン回収用に設計された実施形態において、真空蒸留槽は、好ましくは35℃〜50℃の温度で操作される。ある特定の実施形態において、アセトン回収のために、温度は35℃〜45℃、または40℃〜45℃、または45℃〜50℃である。

ある特定の場合において、1つ以上の副生成物が発酵によって生成される。ある特定の場合において、1つ以上の副生成物は、カルボン酸(すなわち、酢酸および乳酸)および2,3−ブタンジオールからなる群から選択される。ある特定の場合において、1つ以上の副生成物は発酵ブロスから分離されず、生成物枯渇流においてバイオリアクタに戻される。バイオリアクタに副生成物を連続的に戻すため、発酵における副生成物の量が蓄積する可能性がある。ある特定の場合において、発酵ブロス中の副生成物の濃度を所定のレベル未満に維持することが望ましい。副生成物の許容可能な濃度は、副生成物に対する微生物の耐性に基づいて決定することができる。ある特定の場合において、生成物枯渇流を二次分離手段に提供して生成物枯渇流から1つ以上の副生成物を除去することが望ましい場合がある。ある特定の実施形態において、副生成物は2,3−ブタンジオールであり、発酵ブロス中の2,3−ブタンジオールの濃度は10g/L未満に維持される。ある特定の場合において、副生成物は酢酸であり、発酵ブロス中の酢酸の濃度は10g/L未満に維持される。

ある特定の場合において、バイオリアクタに送る前に生成物枯渇流を冷却する必要があるように、生成物枯渇流の温度を上昇させる。流の温度は、微生物の生存率に直接作用し得る。例えば、より高い温度は微生物の生存率の低下をもたらし得る。温度増加の負の作用を回避するために、生成物枯渇流はバイオリアクタに送られる前に任意の適切な冷却手段によって冷却され得る。好ましくは、生成物枯渇流の温度は、バイオリアクタに戻される前に、35℃〜40℃に冷却される。好ましくは、発酵ブロスおよび生成物枯渇流は、生存率に対する有害作用を回避するために45℃未満に保たれる。一実施形態において、有害作用を回避するために、温度は37℃〜45℃である。ある特定の場合において、温度は使用される微生物に依存する。微生物の生存率に対する温度の作用は、より高い滞留時間で高められ得る。例えば、より高い滞留時間では、温度が最適値を超えると、微生物の生存率が低下する可能性がある。

ある特定の場合において、発酵ブロスはある割合のガスを含有し得る。発酵ブロス中のガスは真空蒸留槽の性能に悪影響を与えることが示されている。この性能の低下は、少なくとも部分的には、発酵ブロス中のガスと真空蒸留槽における泡の生成との間の相関によるものであり得る。発酵ブロス中のガスの割合を低減するために、脱気槽を利用することができる。脱気槽を利用する場合、発酵ブロスを受容するための入口は、配管手段によって脱気槽に接続され得る。脱気槽は、発酵ブロスが真空蒸留槽に搬送される前に、発酵ブロスからガスの少なくとも一部を除去する条件下で操作される。

ある特定の場合において、脱気槽は圧力で操作される。ある特定の場合において、脱気槽はバイオリアクタの操作圧力よりも低い任意の圧力で操作される。好ましくは、脱気槽は0.0バール(g)〜1.0バール(g)の圧力で操作される。一実施形態において、脱気槽は0.0バール(g)〜0.5バール(g)の圧力で操作される。好ましくは、脱気槽は発酵ブロスから実質的に全てのガスを除去する。特定の実施形態において、脱気槽は発酵ブロス中の0〜100%のガスを除去する。ある特定の場合において、脱気槽は、発酵ブロスから20%超、40%超、60%超、または80%超のガスを除去する。ある特定の場合において、脱気槽は発酵ブロスから二酸化炭素の少なくとも一部を除去する。ある特定の場合において、脱気槽は、発酵ブロスから少なくとも20%、または少なくとも40%、または少なくとも60%、または少なくとも80%の二酸化炭素を除去する。

真空蒸留槽はリボイラーから蒸気流を受容することができる。リボイラーから蒸気流を受容するように設計されている場合、真空蒸留槽の外部ケーシングは、蒸気流を受容するための入口をさらに画定することができる。この蒸気流は、真空蒸留槽からの液体から生成することができる。真空蒸留槽からの液体を利用する場合、液体は真空蒸留槽のケーシングの出口を介して移送され得る。蒸気流を真空蒸留槽に効果的に移送するために、蒸気流を受容するための入口は下部トレイに対して下方に位置し得、液体流を移送するための出口は蒸気流を受容するための入口に対して下部に位置し得る。

好ましくは、液体流は実質的に水および最小量の微生物バイオマスからなる。真空蒸留槽は、生存可能な微生物バイオマスをバイオリアクタに戻すように設計されている。生存可能な微生物バイオマスは生成物枯渇流に含有されている。真空蒸留槽は、生成物枯渇流を移送するための出口を介してバイオリアクタに枯渇した生成物を移送する。生成物枯渇流を移送するための出口は、下部トレイの上方に配置される。微生物バイオマスを含有する発酵ブロスは、この下部トレイを通過し得る。次いで、通過するこの発酵ブロスは、真空蒸留槽の底部で液体と混合され得る。好ましくは、最小量の微生物バイオマスのみが真空蒸留槽の底部の液体に行き着く。好ましくは、微生物バイオマスを含有する0.042未満の反応器体積の発酵ブロスが、毎時間下部トレイを通過する。ある特定の場合において、微生物バイオマスを含有する、0.002〜0.042反応器体積の発酵ブロスが、毎時間下部トレイを通過する。様々な実施形態において、微生物バイオマスを含有する0.042未満、0.037未満、0.032未満、0.027未満、0.022未満、0.017未満、0.012未満、0.007未満の反応器体積の発酵ブロスが毎時間下部トレイ通過する。次いで、微生物バイオマスを含有する発酵ブロスの成分を含むこの液体は、リボイラーに送られて蒸気流を生成する。

真空蒸留槽は、下部トレイの下方に1つ以上の追加のトレイを組み込むことができる。1つ以上の追加のトレイはさらなる生成物除去を可能にし得る。1つ以上の追加のトレイを含む場合、下部トレイを通過する発酵ブロスは、追加量の生成物を回収することができる1つ以上の追加のトレイに送られる。1つ以上の追加のトレイを通過した後、発酵ブロスは真空蒸留槽の底部で液体と混合される。次いで、微生物バイオマスを含有する発酵ブロスの成分を含むこの液体は、リボイラーに送られて蒸気流を生成する。

真空蒸留槽は複数の区画に分離されてもよい。好ましくは、真空蒸留槽が複数の区画に分離される場合、各区画内の発酵ブロスは、1つの区画からの発酵ブロスが別の区画からの発酵ブロスと混合しないように収容される。この分離は、任意の適切な手段を通して達成され得る。ある特定の場合において、発酵ブロスは複数のバイオリアクタから供給されてもよい。発酵ブロスからの生成物枯渇流は、発酵ブロスが由来したバイオリアクタに送り戻されてもよい。複数の区画間の混合を防ぐことによって、1つの真空蒸留槽を利用して複数のバイオリアクタから生成物を効果的に回収することができる。

好ましくは、発酵ブロスを提供するバイオリアクタは、C1含有基質の発酵に利用される。発酵プロセスにおいて利用されるこのC1含有基質は、1つ以上の産業プロセスから供給され得る。好ましくは、産業プロセスは、炭水化物発酵、ガス発酵、セメント製造、パルプ製紙、製鋼、石油精製および関連プロセス、石油化学製造、コークス製造、嫌気性または好気性消化、合成ガス(バイオマス、廃液流、固形廃棄流、都市流、天然ガス、石炭および石油を含む化石資源を含むがこれらに限定されない源に由来)、天然ガスの抽出、石油の抽出、アルミニウム、銅および/または合金鉄の製造および/または精製のための冶金プロセス、地質学的貯留層、ならびに触媒プロセス(水蒸気メタン改質、水蒸気ナフサ改質、石油コークスガス化、触媒再生−流動接触分解、触媒再生−ナフサ改質、および乾式メタン改質を含むがこれらに限定されない水蒸気源に由来)を含む群から選択される。

本発明は、真空蒸留槽を利用することによって発酵ブロスから少なくとも1つの生成物を除去するための方法を提供し、本方法は、(a)生存可能な微生物バイオマスおよび少なくとも1つの生成物を含む発酵ブロスをバイオリアクタから真空蒸留槽に送ることと、(b)発酵ブロスを部分的に蒸発させて生成物濃縮流および生成物枯渇流を生成することであって、生成物枯渇流が生存可能な微生物バイオマスを含む、生成することと、(c)生成物枯渇流をバイオリアクタに戻すことと、を含む。本発明は、発酵ブロス中の微生物バイオマスの生存率が、バイオリアクタに送られたときに微生物バイオマスがC1含有基質の発酵に利用されることを確実にするような方法で設計され得る。

好ましくは、発酵ブロス中のガスは監視および制御される。発酵ブロス中のガスは、真空蒸留槽の性能を低下させる可能性がある。発酵ブロス中のガスを制御するために、脱気工程が必要であり得る。発酵ブロスが許容可能な割合よりも高いガスを含有する場合、発酵ブロスは、脱気した発酵ブロスを真空蒸留槽に送る前に脱気手段に送られる。

脱気工程は、発生したガス流が発酵ブロスから分離され、脱気された発酵ブロスが生成されるように完了することができる。次いで、脱気発酵ブロスを真空蒸留槽によって部分的に蒸発させ、生成物濃縮流および生成物枯渇流を生成することができる。

発生したガス流を形成するガスの部分は、ある割合の生成物を含有し得る。ガスの除去による生成物の損失を防ぐために、発生したガス流を後続の処理に送ることができる。ある特定の場合において、発生したガス流は、少なくとも1つの生成物を回収するためにウォータースクラバーに送られる。ある特定の場合において、発生したガス流はバイオリアクタに送られてもよい。

この方法は、ケーシング内に位置する分離部分を備える真空蒸留槽を利用することができる。好ましくは、ケーシング内に位置する分離部分は、上部トレイによって上方に、および下部トレイによって下方に結合されている。分離部分は、複数の理論蒸留段を提供し得る。

処理される発酵ブロスは、任意の適切な微生物を含有し得る。例えば、微生物は、Escherichia coli、Saccharomyces cerevisiae、Clostridium acetobutylicum、Clostridium beijerinckii、Clostridium saccharbutyricum、Clostridium saccharoperbutylacetonicum、Clostridium butyricum、Clostridium diolis、Clostridium kluyveri、Clostridium pasterianium、Clostridium novyi、Clostridium difficile、Clostridium thermocellum、Clostridium cellulolyticum、Clostridium cellulovorans、Clostridium phytofermentans、Lactococcus lactis、Bacillus subtilis、Bacillus licheniformis、Zymomonas mobilis、Klebsiella oxytoca、Klebsiella pneumonia、Corynebacterium glutamicum、Trichoderma reesei、Cupriavidus necator、Pseudomonas putida、Lactobacillus plantarum、およびMethylobacterium extorquensを含む群から選択され得る。ある特定の場合において、微生物は、Acetobacterium woodii、Alkalibaculum bacchii、Blautia producta、Butyribacterium methylotrophicum、Clostridium aceticum、Clostridium autoethanogenum、Clostridium carboxidivorans、Clostridium coskatii、Clostridium drakei、Clostridium formicoaceticum、Clostridium ljungdahlii、Clostridium magnum、Clostridium ragsdalei、Clostridium scatologenes、Eubacterium limosum、Moorella thermautotrophica、Moorella thermoacetica、Oxobacter pfennigii、Sporomusa ovata、Sporomusa silvacetica、Sporomusa sphaeroides、およびThermoanaerobacter kiuviを含む群から選択されるC1固定細菌であり得る。好ましくは、微生物はClostridium属の一員である。ある特定の場合において、微生物はClostridium autoethanogenumである。

微生物は、様々な異なる生成物を生成することが可能であり得る。好ましくは、微生物によって生成される1つ以上の生成物は低沸点発酵生成物である。ある特定の場合において、生成物は、エタノール、アセトン、イソプロパノール、ブタノール、ケトン、メチルエチルケトン、アセトン、2−ブタノール、1−プロパノール、酢酸メチル、酢酸エチル、ブタノン、1,3−ブタジエン、イソプレン、およびイソブテンからなる群から選択される。ある特定の場合において、本方法は生成される生成物に基づいて最適化される。ある特定の場合において、バイオリアクタで生成される生成物はエタノールである。好ましくは、本方法は、エタノールが発酵ブロスから効果的に除去され得るように最適化される。ある特定の場合において、微生物は少なくとも1つの副生成物を生成する。一実施形態において、少なくとも1つの副生成物は、酢酸、乳酸、および2,3−ブタンジオールからなる群から選択される。

本発明の一態様による真空蒸留槽、脱気槽、およびリボイラーを示す概略流れ図である。

本発明の一態様による真空蒸留槽、脱気槽、およびリボイラーを示す概略流れ図であり、真空蒸留槽は下部トレイの下方に1つ以上の追加のトレイを含む。

本発明の一態様によるバッチ発酵実験の代謝物プロファイルを示すグラフである。

本発明の一態様による、図3に示す代謝物プロファイルに対応するバッチ発酵実験のガス取込みを示すグラフである。

本発明の一態様による、ある特定の構成を有するバイオリアクタから真空蒸留槽を通過する微生物の生存率を示すグラフである。

本発明の一態様による、図5に示すものとは異なる構成を有するバイオリアクタから真空蒸留槽を通過する微生物の生存率を示すグラフである。

本発明者らは、特別に設計された真空蒸留槽を使用することによって、微生物バイオマスの生存率を確保しながら、エタノールなどの少なくとも1つの生成物を生存可能な微生物バイオマスを含有する発酵ブロスから効果的に回収することができることを確認した。

定義 「真空蒸留槽」という用語は、真空下で蒸留を行うための装置を包含することを意図しており、蒸留される液体はその沸点を下げるために低圧で封入されている。好ましくは、真空蒸留槽は、分離媒体を封入するためのケーシングを含む。好ましくは、蒸留される液体は、生存可能な微生物バイオマスおよび少なくとも1つの生成物を含む発酵ブロスである。そのような発酵ブロスはバイオリアクタから供給されてもよい。バイオリアクタは、C1含有基質の発酵に使用することができる。

「ケーシング」は、分離媒体を保護または封入するカバーまたはシェルを指す。好ましくは、ケーシングは液体および/または気体を移送するためのいくつかの入口および出口を含む。ケーシングは、発酵ブロスを受容するための少なくとも1つの入口、生成物濃縮流を移送するための少なくとも1つの出口、および生成物枯渇流を移送するための少なくとも1つの出口を含むべきである。

「分離媒体」は、気液接触のために大きな表面積を提供することができる任意の適切な媒体を説明するために使用され、これは真空蒸留塔の有効性を高める。そのような分離媒体は、複数の理論蒸留段を提供するように設計されている。少なくとも1つの実施形態において、分離媒体は一連の蒸留トレイである。

「蒸留トレイ」または「蒸留プレート」などは、気液接触を促進するために使用されるプレートおよび/またはトレイを包含することを意図している。トレイの種類には、ふるい、バルブ、およびバブルキャップがある。蒸気が通過するための穴を含有するふるいトレイは、低コストで高効率を提供する高容量の状況に使用される。より安価ではあるが、開閉バルブを備えた穴を含有するバルブトレイは、材料の蓄積により汚損が発生する傾向がある。バブルキャップトレイはキャップを含有し、3つのトレイのうち最も先進的で高価なものであり、いくつかの液体流速状況において非常に有効である。

好ましくは、「上部トレイ」は、発酵ブロスを分離媒体下方に分配することができる任意の適切な境界である。

好ましくは、「下部トレイ」は、ケーシングの出口を通る生成物枯渇流の移送を達成するための任意の適切な境界である。

「理論蒸留段」は、物質の液相および気相などの2つの相が互いに平衡を確立する仮想区域である。多くの分離プロセスの性能は、一連の理論蒸留段を有することに依存する。真空蒸留槽」などの分離装置の性能は、段数を増やすことによって強化させることができる。好ましくは、分離媒体は、発酵ブロスから少なくとも1つの生成物を効果的に除去するのに十分な数の理論蒸留段を含む。好ましくは、分離媒体は複数の理論蒸留段を含む。

「発酵ブロス」または「ブロス」という用語は、栄養培地、1つ以上の微生物の培養物、および1つ以上の生成物を含む成分の混合物を包含することを意図している。微生物という用語と細菌という用語は、本明細書を通して互換的に使用されることに留意されたい。

「栄養培地(Nutrient media)」または「栄養培地(nutrient medium)」は、細菌増殖培地を説明するために使用される。一般に、この用語は、微生物培養物の増殖に適した栄養素および他の成分を含有する培地を指す。「栄養素」という用語は、微生物の代謝経路において利用され得る任意の物質を含む。例示的な栄養素には、カリウム、ビタミンB、微量金属、およびアミノ酸が含まれる。

好ましくは、発酵ブロスは「バイオリアクタ」から真空蒸留槽に送られる。「バイオリアクタ」という用語は、連続撹拌槽反応器(CSTR)、固定化細胞リサイクル(ICR)、トリクルベッド反応器(TBR)、気泡塔、ガスリフト発酵槽、静的ミキサ、循環ループ反応器、Hollow Fibre Membrane Bioreactor(HFM BR)などの膜反応器、または気液接触に適した他の槽もしくは他の装置を含む、1つ以上の槽および/もしくは塔、または配管配置からなる発酵装置を含む。反応器は、好ましくは、COもしくはCO₂もしくはH₂またはそれらの混合物を含むガス状基質を受容するように適合されている。反応器は、並列または直列のいずれかで、複数の反応器(段)を備えることができる。例えば、反応器は、細菌が培養される第1の増殖反応器と、増殖反応器からの発酵ブロスが供給され、発酵生成物の大部分が生成され得る第2の発酵反応器とを備えることができる。

「一酸化炭素を含むガス状基質」は、一酸化炭素を含有する任意のガスを含む。ガス状基質は、典型的には、かなりの割合のCO、好ましくは少なくとも約5体積%〜約100体積%のCOを含有する。

基質が任意の水素を含有することは必要ではないが、H₂の存在は本発明の方法による生成物形成に有害であるべきではない。特定の実施形態において、水素の存在はアルコール製造の全体的効率の改善をもたらす。例えば、特定の実施形態において、基質は、約2:1または1:1または1:2の比のH₂:COを含み得る。一実施形態において、基質は、約30体積%以下のH₂、20体積%以下のH₂、約15体積%以下のH₂、または約10体積%以下のH₂を含む。他の実施形態において、基質流は、低濃度のH_2を、例えば、例えば5%未満、もしくは4%未満、もしくは3%未満、もしくは2%未満、もしくは1%未満を含むか、または実質的に水素を含まない。基質はまた、例えば、約1体積%〜約80体積%のCO₂、または1体積%〜約30体積%のCO_2をなど、ある程度のCO₂を含有し得る。一実施形態において、基質は約20体積%以下のCO₂を含む。特定の実施形態において、基質は、約15体積%以下のCO₂、約10体積%以下のCO₂、約5体積%以下のCO₂を含むか、または実質的にCO₂を含まない。

バイオリアクタを備えた真空蒸留槽の使用は、発酵プロセスの効率を高め得る。「効率を高める」、「高められた効率」などの用語は、発酵プロセスに関して使用される場合、発酵を触媒する微生物の増殖速度、高生成物濃縮における増殖および/または生成物生成速度、消費される基質の1体積当たりに生成される所望の生成物の体積、所望の生成物の生成速度または生成レベル、ならびに発酵の他の副生成物と比較して生成される所望の生成物の相対的割合のうちの1つ以上を増加させることを含むがこれらに限定されない。

文脈上別段の要求がない限り、本明細書で使用される「発酵」、「発酵プロセス」、または「発酵反応」などの句は、微生物の増殖期および生成物生合成期の両方を包含することを意図している。

発酵プロセスは、「バッチ」または「連続」のいずれかとして説明され得る。「バッチ発酵」は、バイオリアクタが微生物と共に原料、すなわち炭素源で満たされ、発酵が完了するまで生成物がバイオリアクタ内に留まる発酵プロセスを説明するために使用される。「バッチ」プロセスでは、発酵が完了した後、生成物が抽出され、バイオリアクタは次の「バッチ」が始まる前に洗浄される。「連続発酵」は、発酵プロセスがより長期間にわたって延長され、発酵中に生成物および/または代謝物が抽出される発酵プロセスを説明するために使用される。好ましくは、真空蒸留槽は「連続発酵」プロセスから生成物を取り出す。

「微生物」は、顕微鏡生物、特に細菌、古細菌、ウイルス、または真菌である。本発明の微生物は、典型的には細菌である。本明細書で使用される場合、「微生物」の引用は、「細菌」を網羅するものと解釈されるべきである。

「生存率」または「微生物バイオマスの生存率」などは、生存している、生存することができる、発達する、または繁殖することができない微生物に対するそれらを行うことができる微生物の比率を指す。例えば、真空蒸留槽内の生存可能な微生物バイオマスは、真空蒸留槽内の生きている/死んでいる微生物の比率を指す場合がある。本発明は、微生物バイオマスの生存率が最低限の生存率に維持されるように設計することができる。少なくとも1つの実施形態において、微生物バイオマスの生存率は少なくとも約85%である。少なくとも1つの実施形態において、生存可能な微生物バイオマスは真空蒸留槽からバイオリアクタに戻される。

「有効生成物回収率」などは、生成物蓄積に関連する毒性および/または抑制作用を防ぐ、または少なくとも軽減するために、発酵ブロスから生成物を回収することができる速度を指す。本発明は、生成物回収の有効速度が微生物バイオマスの生存率が所望の閾値を超えて維持されるようなものであるように設計され得る。本発明は、ブロス中の生成物濃度のレベルが所望の閾値未満に保たれるように設計され得る。例えば、本発明は、発酵ブロス中のエタノール濃度が40g/L未満に保たれるように設計され得る。ある特定の場合において、発酵ブロス中のエタノール濃度は25〜35g/Lに保たれる。ある特定の場合において、発酵ブロス中のエタノール濃度は、30g/L未満、35g/L未満、または38g/L未満である。好ましくは、発酵ブロス中のエタノール濃度は、微生物の抑制をもたらし得る濃度よりも低い。ある特定の場合において、抑制は、使用される微生物および生成される生成物に依存し得る。

真空蒸留槽は、生成物枯渇流がバイオリアクタに送られる前に、生成物枯渇流を「冷却手段」に送ることができる。「冷却手段」という用語は、生成物枯渇流の温度を低下させることができる任意の適切な装置またはプロセスを説明し得る。

バイオリアクタ内の微生物は、天然に存在する微生物から改変することができる。「親微生物」は、本発明の微生物を生成するために使用される微生物である。親微生物は、天然に存在する微生物(即ち、野生型微生物)または以前に修飾されたことのある微生物(即ち、変異体または組換え微生物)であり得る。本発明の微生物は、親微生物において発現または過剰発現されていなかった1つ以上の酵素を発現または過剰発現させるように修飾され得る。同様に、本発明の微生物は、親微生物によって含有されなかった1つ以上の遺伝子を含有するように修飾され得る。本発明の微生物は、また、親微生物において発現された1つ以上の酵素を発現しないまたはより少ない量を発現させるように修飾され得る。一実施形態において、親微生物は、Clostridium autoethanogenum、Clostridium ljungdahlii、またはClostridium ragsdaleiである。好ましい実施形態において、親微生物は、2010年6月7日にドイツのD−38124 Braunschwieg、Inhoffenstraβ 7Bに位置するDeutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen GmbH(DSMZ)にブダペスト条約の条項下で2010年6月7日に寄託され、受託番号DSM23693を付与されたClostridium autoethanogenum LZ1561である。この菌株は、WO2012/015317として公開されている国際特許出願第PCT/NZ2011/000144号に記載されている。

「Wood−Ljungdahl」は、すなわち、Ragsdale,Biochim Biophys Acta,1784:1873−1898,2008に記載されているような炭素固定のWood−Ljungdahl経路を指す。「Wood−Ljungdahl微生物」は、予想通り、Wood−Ljungdahl経路を含む微生物を指す。一般に、本発明の微生物は天然のWood−Ljungdahl経路を含有する。本明細書では、Wood−Ljungdahl経路は天然の未修飾のWood−Ljungdahl経路であり得るか、またはCO、CO₂、および/またはH₂をアセチル−CoAに変換するように依然として機能する限り、ある程度の遺伝的修飾(すなわち、過剰発現、異種発現、ノックアウトなど)を有するWood−Ljungdahl経路であり得る。

「C1」は、1炭素分子、例えば、CO、CO₂、CH₄、またはCH₃OHを指す。「C1酸素化物」は、少なくとも1つの酸素原子も含む1炭素分子、例えば、CO、CO₂、またはCH₃OHを指す。「C1炭素源」は、本発明の微生物のための部分的または唯一の炭素源として機能する1炭素分子を指す。例えば、C1炭素源は、CO、CO₂、CH₄、CH₃OH、またはCH₂O₂のうちの1つ以上を含み得る。好ましくは、C1炭素源は、COおよびCO₂のうちの1つまたは両方を含む。「C1固定微生物」は、C1炭素源から1つ以上の生成物を生成する能力を有する微生物である。典型的には、本発明の微生物はC1固定細菌である。

「嫌気性細菌」は、増殖のために酸素を必要としない微生物である。嫌気性細菌は、酸素が特定の閾値を超えて存在する場合、負の反応を起こし得るか、もしくは死滅し得る。しかしながら、いくつかの嫌気性細菌は低レベルの酸素(すなわち、0.000001〜5%の酸素)を許容することができる。典型的には、本発明の微生物は嫌気性細菌である。

「アセトゲン」は、エネルギー節約のため、ならびにアセテートなどのアセチル−CoAおよびアセチル−CoA由来生成物の合成のためのそれらの主要機構としてWood−Ljungdahl経路を使用する、偏性嫌気性細菌である(Ragsdale,Biochim Biophys Acta,1784:1873−1898,2008)。特に、アセトゲンは、Wood−Ljungdahl経路を、(1)CO₂からのアセチル−CoAの還元合成のための機構、(2)最終電子受容エネルギー節約プロセス、(3)細胞炭素の合成におけるCO₂の固定(同化)のための機構として使用する(Drake,Acetogenic Prokaryotes,In:The Prokaryotes,3^rd edition,p.354,New York,NY,2006)。天然に存在する全てのアセトゲンは、C1固定、嫌気性、独立栄養性、および非メタン資化性である。典型的には、本発明の微生物はアセトゲンである。

「エタノロゲン」は、エタノールを生成する、または生成することが可能である微生物である。典型的には、本発明の微生物はエタノロゲン(ethanologen)である。

「独立栄養生物」は、有機炭素がなくても増殖することが可能な微生物である。代わりに、独立栄養生物は、COおよび/またはCO₂などの無機炭素源を使用する。典型的には、本発明の微生物は独立栄養生物である。

「カルボキシドトローフ(carboxydotroph)」は、炭素およびエネルギーの唯一の供給源としてCOを利用することが可能な微生物である。典型的には、本発明の微生物はカルボキシド栄養生物である。

「メタン資化性菌」は、炭素とエネルギーの唯一の供給源としてメタンを利用することが可能な微生物である。特定の実施形態では、本発明の微生物はメタン資化性菌であるか、またはメタン資化性菌から誘導される。他の実施形態では、本発明の微生物はメタン資化性菌ではないか、メタン資化性菌から誘導されない。

「基質」は、本発明の微生物のための炭素および/またはエネルギー源を指す。典型的には、基質は、ガス状であり、C1炭素源、例えば、CO、CO₂、および/またはCH₄を含む。好ましくは、基質は、COまたはCO+CO₂のC1炭素源を含む。基質は、H₂、N₂、または電子などの他の非炭素構成要素をさらに含み得る。

「共基質」という用語は、必ずしも生成物合成のための一次エネルギーおよび材料源ではないが、主要な基質などの別の基質に添加された場合に生成物合成に利用することができる物質を指す。

基質は典型的にはガス状であるが、基質はまた、代替の形態で提供されてもよい。例えば、基質は、マイクロバブル分散物発生装置を使用して、CO含有ガスで飽和した液体中に溶解されてもよい。さらなる例として、基質は、固体支持体上に吸着されてもよい。

基質および/またはC1炭素源は、自動車の排出ガスまたはバイオマスガス化からなど、産業プロセスの副生成物として得られる、または何らかの他の源からの廃ガスであってもよい。特定の実施形態において、産業プロセスは、炭水化物発酵からのガス排出、ガス発酵、セメント製造からのガス排出、パルプ製紙、製鋼、石油精製および関連プロセス、石油化学製造、コークス製造、嫌気性または好気性消化、合成ガス(バイオマス、廃液流、固形廃棄流、都市流、天然ガス、石炭および石油を含む化石資源を含むがこれらに限定されない源に由来)、天然ガスの抽出、石油の抽出、アルミニウム、銅および/または合金鉄の製造および/または精製のための冶金プロセス、地質学的貯留層、ならびに触媒プロセス(水蒸気メタン改質、水蒸気ナフサ改質、石油コークスガス化、触媒再生−流動接触分解、触媒再生−ナフサ改質、および乾式メタン改質を含むがこれらに限定されない水蒸気源に由来)からなる群から選択される。これらの実施形態では、基質および/またはC1炭素源は、任意の簡便な方法を使用して、それが大気中に放出される前に産業プロセスから捕捉されてもよい。

本発明の微生物は、1つ以上の生成物を生成するようにガス流と共に培養され得る。例えば、本発明の微生物は、エタノール(WO2007/117157)、アセテート(WO2007/117157)、ブタノール(WO2008/115080およびWO2012/053905)、ブチレート(WO2008/115080)、2,3−ブタンジオール(WO2009/151342およびWO2016/094334)、ラクテート(WO2011/112103)、ブテン(WO2012/024522)、ブタジエン(WO2012/024522)、メチルエチルケトン(2−ブタノン)(WO2012/024522およびWO2013/185123)、エチレン(WO2012/026833)、アセトン(WO2012/115527)、イソプロパノール(WO2012/115527)、脂質(WO2013/036147)、3−ヒドロキシプロピオネート(3−HP)(WO2013/180581)、イソプレンを含むテルペン(WO2013/180584)、脂肪酸(WO2013/191567)、2−ブタノール(WO2013/185123)、1,2−プロパンジオール(WO2014/036152)、1−プロパノール(WO2014/0369152)、コリスメート由来生成物(WO2016/191625)、3−ヒドロキシブチレート(WO2017/066498)、および1,3−ブタンジオール(WO2017/0066498)を生成することができるか、または生成するように操作され得る。

「天然生成物」は、遺伝子修飾されていない微生物によって生成される生成物である。例えば、エタノール、アセテート、および2,3−ブタンジオールは、Clostridium autoethanogenum、Clostridium ljungdahlii、およびClostridium ragsdaleiの天然生成物である。「非天然生成物」は、遺伝子修飾された微生物によって生成されるが、遺伝子修飾された微生物が由来する遺伝子修飾されていない微生物によって生成されない生成物である。

「選択性」は、微生物によって生成される全発酵生成物の生成に対する標的生成物の生成の比率を指す。本発明の微生物は、特定の選択性で、または最小の選択性で生成物を生成するように操作され得る。一実施形態において、標的生成物は、本発明の微生物によって生成される全発酵生成物の少なくとも約5%、10%、15%、20%、30%、50%、75%、または95%を占める。一実施形態において、標的生成物は、本発明の微生物が少なくとも10%の標的生成物に対して選択性を有するように、本発明の微生物によって生成される全発酵生成物の少なくとも10%を占める。別の実施形態において、標的生成物は、本発明の微生物が少なくとも30%の標的生成物に対して選択性を有するように、本発明の微生物によって生成される全発酵生成物の少なくとも30%を占める。

真空蒸留槽は、1つ以上の「低沸点発酵生成物」を回収することができる。「低沸点発酵生成物」は揮発性の生成物である。これらの生成物には、エタノール、アセトン、イソプロパノール、ブタノール、ケトン、メチルエチルケトン、2−ブタノール、1−プロパノール、酢酸メチル、酢酸エチル、ブタノン、1,3−ブタジエン、イソプレン、およびイソブテンが含まれ得るが、これらに限定されない。

培養物は概して、微生物の増殖を可能にするのに十分な栄養素、ビタミン、および/または無機物を含有する水性培地中で維持される。好ましくは、水性培地は、最小嫌気性微生物増殖培地などの嫌気性微生物培地である。好適な培地は、当該技術分野において既知である。

培養/発酵は、望ましくは、標的生成物の生成に適切な条件下で実施されるべきである。典型的には、培養/発酵は、嫌気性条件下で実施される。考慮すべき反応条件は、圧力(または分圧)、温度、ガス流速、液体流速、培地pH、培地酸化還元電位、撹拌速度(連続撹拌槽反応器を使用する場合)、接種レベル、液相中のガスが制限的にならないことを確実にするための最大ガス基質濃度、および生成物阻害を回避するための最大生成物濃度を含む。具体的には、基質の導入速度は、生成物がガス制限条件下での培養によって消費され得るため、液相中のガスの濃度が制限的にならないことを確実にするように制御されてもよい。

上昇した圧力でバイオリアクタを操作することは、気相から液相へのガス物質移動の増加した速度を可能にする。したがって、概して、大気圧よりも高い圧力で培養/発酵を実施することが好ましい。また、所与のガス変換速度が部分的に基質保持時間の関数であり、かつ保持時間がバイオリアクタの必要な体積を示すため、加圧システムの使用は、必要なバイオリアクタの体積、およびその結果として培養/発酵装置の資本コストを大幅に低減することができる。これはさらに、バイオリアクタ中の液体体積を入力ガス流速で除算したものと定義される保持時間が、バイオリアクタが大気圧よりも上昇した圧力に維持されるときに減少され得ることを意味する。最適反応条件は、使用される特定の微生物に部分的に依存する。しかしながら、一般的には、大気圧より高い圧力で発酵を行うことが好ましい。また、所与のガス変換速度が部分的に基質保持時間の関数であり、かつ所望の保持時間を達成することが同様にバイオリアクタの必要な体積を示すため、加圧システムの使用は、必要なバイオリアクタの体積、およびその結果として発酵機器の資本コストを大幅に低減することができる。

説明 真空蒸留は、発酵ブロスに含有される微生物の生存率を確保しながら、発酵ブロスから生成物を効果的に回収することがわかった。真空蒸留槽に供給される発酵ブロスはバイオリアクタから供給される。好ましくは、バイオリアクタは、C1含有ガス状基質の発酵に使用される。発酵プロセスが連続的に操作するためには、ブロスに含有される微生物の少なくとも一部が生存可能なままでなければならない。これらの微生物はある特定の生成物の濃度に対してかなり特異的な耐性を有する。加えて、これらの微生物は温度に対してかなり特異的な耐性を有する。例えば、少なくとも1つの実施形態において、微生物は37℃の最適増殖温度を有する。本発明者らは、真空蒸留を利用することによって、発酵プロセスの連続操作が可能であるような方法で生存率の条件を制御することができることを見出した。

真空蒸留槽は、複数の要素:(1)発酵ブロスを受容するための少なくとも1つの入口、生成物濃縮流を移送するための1つの出口、および生成物枯渇流を移送するための1つの出口を画定する外部ケーシングと、(2)ケーシング内に位置する分離部分であって、上部トレイによって上方に、および下部トレイによって下方に結合されており、かつ複数の理論蒸留段を提供するための分離媒体を画定する、分離部分と、(3)真空蒸留槽の底部に維持される液面とからなる。

真空蒸留槽は、発酵ブロスを効果的に処理するためにバイオリアクタと結合されている。本発明者らは、所与の供給速度で真空蒸留槽に供給することによってバイオリアクタ内の生成物蓄積を制御し、それによって微生物の生存率を確保にすることを見出した。供給速度は、1時間当たりのバイオリアクタの発酵ブロスの体積に関して示される。本発明者らは、微生物の生存率を確保しながら、1時間当たり0.05〜0.5反応器体積の供給速度がブロスを効果的に処理することを可能にすることを確認した。供給速度は、圧力、温度、滞留時間、発酵ブロス中の生成物濃度、水蒸気供給速度、および/または分離媒体を含むがこれらに限定されない真空蒸留槽の条件に少なくとも部分的に依存し得る。ある特定の実施形態では、供給速度は、1時間当たり0.05〜0.1、0.05〜0.2、0.05〜0.3、0.05〜0.4、0.1〜0.3、0.1〜0.1〜0.5、または0.3〜0.5の反応器体積である。好ましくは、供給速度は、生成物枯渇流が許容可能な割合の生成物を有するように制御される。

加えて、本発明者らは、発酵ブロスが真空蒸留槽内にある時間として定義される滞留時間をある特定の期間内に保つことによって、微生物の生存率が確保されることを確認した。本発明者らは、微生物の生存率を確保しながら、0.5〜15分の滞留時間がブロスを効果的に処理することを可能にすることを確認した。様々な実施形態において、滞留時間は、0.5〜12分、0.5〜9分、0.5〜6分、0.5〜3分、2〜15分、2〜12分、2〜9分、または2〜6分である。少なくとも1つの実施形態において、微生物の生存率を確保するために、滞留時間は15分未満、12分未満、9分未満、6分未満、3分未満、2分未満、または1分未満である。

真空蒸留槽は減圧を使用して発酵ブロスを処理し、真空蒸留槽内の圧力は発酵ブロス中の液体を蒸発させるのに必要な温度を下げるために大気圧未満に維持される。真空蒸留槽内の温度は圧力およびエタノール濃度に依存し得る。好ましくは、蒸発する液体は主としてエタノールなどの生成物である。好ましくは、真空蒸留槽の圧力は、微生物の生存率を確保にするために40mbar(a)〜100mbar(a)に維持される。少なくとも1つの実施形態において、真空蒸留槽は、40mbar(a)〜80mbar(a)、40mbar(a)〜90mbar(a)、または45mbar(a)〜90mbar(a)に維持される。圧力は典型的には分離媒体にわたって降下し、真空蒸留槽の頂部の圧力が真空蒸留槽の底部の圧力よりも低いことを意味する。好ましくは、真空蒸留槽の高さにわたる圧力降下は32ミリバール未満である。ある特定の場合において、真空蒸留槽の高さにわたる圧力降下は、30mbar未満、28mbar未満、26mbar未満、24mbar未満、22mbar未満、20mbar未満、または18mbar未満である。

これは、温度が槽の長さにわたって増加する真空蒸留槽内の温度勾配をもたらし、真空蒸留槽の頂部で最低であり、真空蒸留槽の底部で最高である。発酵ブロスが真空蒸留槽を流下するにつれて生成物力価が低下し、生成物力価は真空蒸留槽の頂部で最大であり、真空蒸留槽の底部で最小である。

発酵ブロスは最初にケーシングの入口を介して真空蒸留槽に入る。発酵ブロスを受容するための入口は上部トレイの上方に位置する。発酵ブロスが槽に入ると、発酵ブロス中の生成物の一部が蒸発して生成物濃縮流を形成し、これは槽の頂部に向かって上昇し、ケーシングの出口を通って出る。生成物濃縮流を移送するための出口は、発酵ブロスを受容するための入口に対して上にある。残りの発酵ブロスは上部トレイおよび分離媒体を通過する。分離媒体は複数の理論蒸留段を提供する。発酵ブロスが各理論蒸留段に達すると、さらなる生成物が蒸発する。蒸発した生成物は生成物濃縮流の一部となり、槽の頂部に向かって上昇し、ケーシングの出口を通って出る。分離媒体を通過した後、残りの発酵ブロスはケーシングの出口を介して真空蒸留槽を出る。ケーシングを出る発酵ブロスは生成物枯渇流である。生成物枯渇流は生存可能な微生物バイオマスを含有する。生成物枯渇流を移送するための出口は、下部トレイに対して上にある。下部トレイは真空蒸留槽の底部に対して上にある。真空蒸留槽の底部には一定レベルの液体が収容されている。

真空蒸留槽の有効性を高め、必要な気液接触を提供するために、ケーシングの入口を介してリボイラーから真空蒸留槽へ蒸気流を導入することができる。蒸気流を受容するための入口は、下部トレイの下方に位置する。リボイラーは、エネルギーと組み合わせて真空蒸留槽の底部からの液体の一部を利用して液体を蒸発させて蒸気流を作り出す。真空蒸留槽の底部からの液体は、真空蒸留槽のケーシングの出口を介して移送される。この出口は蒸気流を受容するための入口よりも下方に位置する。蒸気流は分離媒体を通って上方へ流れ、生成物の一部を得、生成物濃縮流の一部となる。生成物濃縮流を移送するために出口を通って出る生成物濃縮流。1つ以上の実施形態において、生成物の濃度を増加させるために生成物濃縮流をさらに処理してもよい。

真空蒸留槽に送られる発酵ブロスは、ある割合のガスを含有し得る。発酵ブロス中のガスは、真空蒸留槽の性能を低下させる可能性がある。発酵ブロス中のガスに関連する性能低下を防ぐために、脱気槽を利用することができる。好ましくは、脱気槽はサイクロン式脱気装置である。好ましくは、脱気槽は0.0バール(g)〜1.0バール(g)の圧力で操作される。一実施形態において、脱気槽は0.0バール(g)〜0.5バール(g)の圧力で操作される。好ましくは、脱気槽は発酵ブロスから実質的に全てのガスを除去する。特定の実施形態において、脱気槽は発酵ブロス中の0〜100%のガスを除去する。ある特定の場合において、脱気槽は、発酵ブロスから20%超、40%超、60%超、または80%超のガスを除去する。脱気槽は、発酵ブロスからガスの少なくとも一部を分離するように操作される。サイクロン式脱気装置を利用する場合、発酵ブロスを回転させ、回転している発酵ブロスの中心に低圧領域を作り出し、ガスを発酵ブロスから分離させる。次いで、ガスの割合を減らした発酵ブロスを真空蒸留槽に送る。分離されたガスはある割合の生成物を含有し得る。分離されたガスから生成物を回収し、生成物の損失を回避するために、分離されたガスは後続の装置および/または処理に送られてもよい。少なくとも1つの実施形態において、分離されたガスはバイオリアクタに送られてもよい。

好ましくは、真空蒸留槽を出る生成物枯渇流はバイオリアクタに戻される。生成物枯渇流は、生存可能な微生物バイオマスを含有し、これは、バイオリアクタに戻される場合、発酵プロセスの効率を高めるであろう。しかしながら、この生成物枯渇流は最適温度よりも高い温度を有する可能性がある。したがって、バイオリアクタに戻される前に、生成物枯渇流を冷却することができる。生成物枯渇流の冷却は、冷却手段によって完了することができる。生成物枯渇流の温度が最適範囲内であるように、生成物枯渇流の温度を低下させる条件下で冷却を行う。生成物枯渇流をバイオリアクタに送る前に生成物枯渇流の温度を下げることによって、バイオリアクタ内の培養物の不必要な加熱を回避することができる。例えば、生成物枯渇流をバイオリアクタ内の発酵ブロスに対して高い温度でバイオリアクタに提供しようとした場合、生成物枯渇流を再利用することによりバイオリアクタ内の発酵ブロスの温度が上昇する可能性がある。バイオリアクタ内の発酵ブロスの温度が、微生物に適した許容可能な範囲内に維持されない場合、微生物の生存率は低下する可能性がある。したがって、生成物枯渇流の温度を監視および制御することは、生成物枯渇流の再利用能に重要であり得る。

図1は、発酵ブロスから少なくとも1つの生成物を回収するための真空蒸留槽100を示し、発酵ブロスはバイオリアクタから搬送される。真空蒸留槽100は、発酵ブロスを受容するための入口114、生成物濃縮流を移送するための出口115、および生成物枯渇流を移送するための出口116を画定する外部ケーシング113を備える。真空蒸留槽100はまた、ケーシング113内に位置する分離部分109を備え、この分離部分109は、上部トレイ112によって上方に、および下部トレイ111によって下方に結合される。真空蒸留槽100は、発酵ブロスからの生成物の回収率を増加させるように設計されている。生成物濃縮流を移送するための出口115は、発酵ブロスを受容するための入口114に対して上にある。発酵ブロスを受容するための入口114は上部トレイ112に対して上にあり、生成物枯渇流を移送するための出口116は下部トレイ111に対して上にある。

真空蒸留槽100は、所与の供給速度で発酵ブロスを処理することができるように設計されている。供給速度は、バイオリアクタ内の発酵ブロスの体積に関して定義される。好ましくは、真空蒸留槽100は、供給速度が0.05〜0.5であるように設計されている。

真空蒸留槽100は、発酵ブロスが滞留時間を規定するように設計されている。滞留時間は、発酵ブロスが真空蒸留槽100内にある期間に関して定義される。発酵ブロスが入口114を通って入るとき、発酵ブロスは真空蒸留槽100内にあると見なされる。発酵ブロスが出口116を通って出るとき、発酵ブロスは真空蒸留槽100の外にあると見なされる。好ましくは、滞留時間は0.5〜15分である。様々な実施形態において、滞留時間は、0.5〜12分、0.5〜9分、0.5〜6分、0.5〜3分、2〜15分、2〜12分、2〜9分、または2〜6分である。少なくとも1つの実施形態において、微生物の生存率を確保するために、滞留時間は15分未満、12分未満、9分未満、6分未満、3分未満、2分未満、または1分未満である。

所与の滞留時間は、少なくとも部分的には、真空蒸留装置100内の分離媒体109の種類に依存し得る。少なくとも1つの実施形態において、分離媒体109は一連の蒸留トレイによって画定される。好ましくは、生成物を回収するために十分な数の理論蒸留段が提供されるように分離媒体109が提供される。好ましくは、分離媒体109は複数の理論蒸留段を提供する。他の実施形態において、分離媒体109は、最小数の理論蒸留段、例えば、3超の理論蒸留段、4超の理論蒸留段、または5超の理論蒸留段、または6超の理論上流段を提供する。

真空蒸留槽100は、発酵ブロス中の生成物を効果的に回収し、バイオリアクタにおける生成物の蓄積を防ぐように設計されている。好ましくは、生成物枯渇流は、生成物の蓄積が効果的に低減または排除されるように減少した割合の生成物を有する。少なくとも1つの実施形態において、生成物枯渇流は0.2重量%未満の生成物を含む。ある特定の実施形態において、生成物枯渇流は1.0重量%未満の生成物を含む。ある特定の場合において、生成物枯渇流は0.1〜1.0重量%の生成物を含む。少なくとも1つの実施形態において、回収される生成物はエタノールである。

生成物枯渇流の移送を達成するために、生成物枯渇流を移送するための出口116を配管手段102を介してバイオリアクタに接続することができる。生成物枯渇流は、許容可能な温度よりも高い可能性があり、したがってバイオリアクタに移送される前に冷却を必要とする場合がある。冷却を達成するために、冷却手段が提供され得る。冷却手段は、生成物枯渇流がバイオリアクタに移送される前に、生成物枯渇流を許容可能な温度にすることができる。

いくつかの場合において、発酵ブロスは許容可能な割合を超えるガスを有する可能性があり、したがってバイオリアクタに移送される前に脱気を必要とする場合がある。脱気を達成するために、脱気槽200が提供され得る。好ましくは、脱気槽200はサイクロン式脱気装置である。脱気槽200は、発酵ブロスを受容するための入口201を備え得る。バイオリアクタから発酵ブロスを移送するために、この入口201を配管手段702を介してバイオリアクタに接続することができる。好ましくは、脱気槽200は、発酵ブロスが真空蒸留槽100に搬送される前に、ガスの少なくとも一部が発酵ブロスから除去され得るように操作される。脱気槽200は、発酵ブロスが発生したガス流と脱気された発酵ブロスとに分離されるように、発酵ブロスからガスを分離することができる。発生したガス流は出口205を介して脱気槽200を出る。出口205は、発生した流から生成物を回収するために、配管手段204を介して後続のプロセスに接続されてもよい。少なくとも1つの実施形態において、発生したガス流を水で洗浄して発生したガス流中の生成物を回収する。加えて、出口205は配管手段204を介してバイオリアクタに接続することができ、発生したガスは発酵プロセスに使用することができる。脱気された発酵ブロスは配管手段202を介して出口203を通って真空蒸留槽300に送られる。少なくとも1つの実施形態において、脱気槽200は、0.0バール(g)〜0.5バール(g)の圧力で操作される。脱気槽200を利用しない実施形態において、発酵ブロスは、配管手段702を介してバイオリアクタから真空蒸留槽100の入口114に直接送られてもよい。

真空蒸留槽100は、生成物を回収しながら、微生物の生存率を確保するように設計されている。好ましくは、生成物枯渇流中の微生物の生存率は85パーセント超である。少なくとも1つの実施形態において、生成物枯渇流中の微生物の生存率は、流入する発酵ブロス中の生存可能な微生物バイオマスと実質的に等しい。

真空蒸留槽100は、リボイラー800を使用して生成物回収を提供し得る。リボイラー800は、蒸気流を真空蒸留槽100に向けるように提供される。この蒸気流は、配管手段802を通ってリボイラーの出口806から真空蒸留槽100のケーシング113の入口117に向けられる。蒸気流は真空蒸留槽100に入り、発酵ブロス中の生成物と接触する下部プレート111および分離媒体108を通って上方に上昇する。リボイラー800は、真空蒸留槽100の底部に位置する液体107を使用して蒸気流を作り出すことができる。好ましくは、この液体107は実質的に水および最小量の微生物バイオマスからなる。液体107は、真空蒸留槽100の出口118からリボイラー800の入口801まで配管手段106を通過することができる。様々な実施形態において、真空蒸留槽100の底部に位置する液体107は、冷却手段、水蒸気凝縮物、コージェネレーションユニット、および/または精留塔底部を含むがこれらに限定されない、いくつかの源に由来し得る。

真空蒸留槽100のケーシング113は、配管101、103、および105を介して液体107を真空蒸留槽100の内外に移送するための1つ以上の追加の入口121、119、および出口120を備えることができる。これにより、真空蒸留槽100内の液体107の含有量および割合を制御することが可能になり得る。ある特定の場合において、配管101、103、および105は、液体107の源のうちの1つ以上に接続され得る。

加えて、真空蒸留槽100は、複数のバイオリアクタからの発酵ブロスを混合せずに真空蒸留槽100に送ることができる方法で、真空蒸留槽100が複数の区画に分離されるように設計されてもよい。この分離は、そのような分離を確実にするのに適した任意の手段によって達成することができる。

真空蒸留槽は、下部トレイ111の下方に1つ以上の追加のトレイ122を収容することができる。図2は、下部トレイ111の下方に追加のトレイ122を有する真空蒸留槽100を図示する。これらの追加のトレイ122はさらなる生成物の除去をもたらす。真空蒸留槽100は、生存可能な微生物バイオマスを含有する発酵ブロスを、下部トレイ111の上方に配置された出口116を通してバイオリアクタに移送するように設計されている。下部トレイ111を通過する発酵ブロスは、生存可能な微生物バイオマスを含有する最小量ではあるが追加の量の発酵ブロスを含有してもよい。下部トレイ111を通過する発酵ブロスはバイオリアクタに送られない。この発酵ブロスは、代わりに、追加の生成物が発酵ブロスから回収される1つ以上の追加のトレイ122を通過する。1つ以上の追加のトレイ122を通過した後、発酵ブロスは真空蒸留槽100の底部に位置する液体107と混合される。微生物バイオマスを含有する発酵ブロスの一部を含むこの液体107は、次いでリボイラー800に送られて蒸気流を生成する。

図3および4は、発酵ブロスから生成物を除去するための真空蒸留槽の必要性を図示する。図3は、バッチ発酵実験の代謝物プロファイルを示す。図3は、発酵実験の初期段階中にバイオマスおよびエタノール濃度が指数関数的に増加することを示す。エタノールが蓄積し、約30g/Lの濃度を超えると、微生物に対するエタノールの作用によりバイオマスが低下する。これは、エタノール濃度が約30g/Lに達するのとほぼ同時にCOの取り込みおよびCO₂の生成が遅くなる、図4によってさらに示される。このデータは、生成物濃縮速度が生成物蓄積の負の作用が軽減および/または低減される点まで制御され得る本発明の真空蒸留槽の必要性を例示する。

真空蒸留槽は、生成物枯渇発酵ブロスをバイオリアクタに再利用することができる。真空蒸留槽は、微生物の生存率を確保しながら生成物を回収するように設計されているため、再利用される場合、微生物はバイオリアクタ内でC1含有ガスを発酵させて生成物を生成することができる。図5および6は、多様なバリエーションのバイオリアクタ設計からの微生物の生存率を確保する真空蒸留槽の能力を図示する。

図5は、発酵ブロスが真空蒸留槽からバイオリアクタに再利用される、ある特定の構成を有するバイオリアクタからの微生物の生存率を示す。微生物の生存率を、バイオリアクタ(バイオリアクタ1)および真空蒸留槽(VDリターン)から間隔を置いて3回測定した。グラフに示されるように、真空蒸留槽内の微生物の生存率はバイオリアクタ内の微生物の生存率に実質的に等しい。

図6は、発酵ブロスが真空蒸留槽からバイオリアクタに再利用される、異なる構成を有するバイオリアクタからの微生物の生存率を示す。微生物の生存率を、バイオリアクタ(バイオリアクタ2)および真空蒸留槽(VDリターン)から間隔を置いて3回測定した。グラフに示されるように、真空蒸留槽内の微生物の生存率はバイオリアクタ内の微生物の生存率に実質的に等しい。

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