CN105518147A - 有机物质的制造装置及有机物质的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种可以适于由合成气体制造有机物质的新型的装置。有机物质的制造装置1具备：合成气体生成炉11、有机物质合成部16、含水率上升部12和含水率降低部13。合成气体生成炉11通过使碳源部分氧化而生成含有一氧化碳的合成气体。有机物质合成部16由合成气体生成有机物质。含水率上升部12配置于合成气体生成炉11和有机物质合成部16之间。含水率上升部12使合成气体的含水率上升。含水率降低部13配置于含水率上升部12和有机物质合成部16之间。含水率降低部13使合成气体的含水率降低。

Description

有机物质的制造装置及有机物质的制造方法
技术领域
本发明涉及一种有机物质的制造装置及有机物质的制造方法。
背景技术
近年来，一直在研究例如通过使含有由来自炼铁厂的废气等合成的一氧化碳的合成气体进行微生物发酵而制造乙醇等化学物质的方法的实用化(例如参照专利文献1)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:国际公开第2011/087380号公报
发明内容
发明所要解决的问题
但是，现实情况是由合成气体制造有机物质的装置迄今为止没有达到实用化，没有充分地进行研究。
本发明的主要目的在于，提供一种能够优选地由合成气体制造有机物质的新型的装置。
用于解决问题的技术方案
本发明的有机物质的制造装置具备：合成气体生成炉、有机物质合成部、含水率上升部、含水率降低部。合成气体生成炉通过使碳源发生部分氧化而生成含有一氧化碳的合成气体。有机物质合成部由合成气体生成有机物质。含水率上升部配置于合成气体生成炉和有机物质合成部之间。含水率上升部使合成气体的含水率上升。含水率降低部配置于使含水率上升部和有机物质合成部之间。含水率降低部使合成气体的含水率降低。
在本发明的有机物质的制造装置中，优选含水率上升部使合成气体在水中通过。
在本发明的有机物质的制造装置中，优选含水率上升部使合成气体的含水率上升，直至合成气体的含水量达到饱和水蒸气量。
在本发明的有机物质的制造装置中，优选合成气体生成炉通过使含有碳源的废弃物发生部分氧化而生成含有一氧化碳的合成气体。
在本发明的有机物质的制造装置中，优选还具备除去合成气体中的固体成分的过滤器，所述过滤器配置于所述含水率降低部和所述有机物质合成部之间。
在本发明的有机物质的制造装置中，优选含水率降低部使用制冷剂冷却所述合成气体、或者通过使用膜式干燥器降低露点而使合成气体的含水率降低。此外，可以使用吸附材料或吸水剂构成含水率降低部。
在本发明的有机物质的制造装置中，优选有机物质合成部含有通过发酵而由合成气体生成有机物质的微生物。
本发明的有机物质的制造装置还可以具备连接合成气体生成炉和有机物质合成部的配管。优选含水率降低部配置于配管中比温度最低的部分更靠上游侧，从而除去合成气体中的水分，使合成气体的含水量比配管的温度最低的部分在最低温度下的饱和水蒸气量低。
在本发明的有机物质的制造装置中，更优选含水率降低部将合成气体冷却至比配管的最低温度低的温度。或者，利用膜式干燥器使含水率降低，从而使露点成为比配管的最低温度低的露点。
在本发明的有机物质的制造方法中，进行通过使碳源发生部分氧化而生成含有一氧化碳的合成气体的合成气体生成工序。进行使合成气体的含水率上升的含水率上升工序。使含水率上升了的合成气体的含水率降低。由含水率降低了的合成气体生成有机物质。
在本发明的有机物质的制造方法中，优选在含水率上升工序中，使合成气体在水中通过。
在本发明的有机物质的制造方法中，优选在含水率上升工序中，使合成气体的含水量成为饱和水蒸气量。
在本发明的有机物质的制造方法中，可以进一步进行在连接合成气体生成炉和有机物质合成部的配管中比温度最低的部分更靠上游侧，除去合成气体中的水分，使合成气体的含水量比配管的温度最低的部分在最低温度下的饱和水蒸气量低的含水率降低工序。
在本发明的有机物质的制造方法中，优选在含水率降低工序中，将合成气体冷却至比配管的最低温度低的温度。
发明的效果
根据本发明，可以提供一种可以优选地由合成气体制造有机物质的新型的装置。
附图说明
图1是本发明的一个实施方式的来自废弃物的有机物质的制造装置的示意图。
标记说明
1：制造装置
11：合成气体生成炉
12：含水率上升部
13：含水率降低部
14：过滤器
15：合成气体提纯机
16：发酵器(有机物质合成部)
17：提纯机
18：配管
具体实施方式
以下，对实施了本发明的优选的实施方式的一个例子进行说明。但是，下述的实施方式仅为例示。本发明不受下述的实施方式的任何限定。
图1是本实施方式的来自废弃物的有机物质的制造装置的示意图。图1所示的制造装置1为用于由含有废弃塑料、家庭垃圾、生物质等碳源的废弃物制造有机物质的装置。所制造的有机物质可以为含氧有机物。所制造的有机物质例如可以为醇、有机酸、脂肪酸、油脂、酮、生物质、糖等。作为醇、有机酸、脂肪酸、油脂、酮、生物质、糖的具体例，可列举例如：乙醇、乙酸、丁二醇、丙酮、丁醇等。
所制造的有机物质的用途没有特别限定。所制造的有机物质例如既可以用作塑料或树脂等的原料，也可以用作燃料。
制造装置1具备：合成气体生成炉11、含水率上升部12、含水率降低部13、过滤器14、合成气体提纯机15、发酵器16和提纯机17。向合成气体生成炉11中供给包含有机物的废弃物，所述有机物含有塑料或树脂等碳源。在合成气体生成炉11中，废弃物部分被氧化而生成含有一氧化碳的合成气体。通常，合成气体除一氧化碳之外，还含有氢气或氮气、二氧化碳。
通常，废弃物包括厨余垃圾等。因此，废弃物具有高含水率。因此，通过废弃物的部分氧化而生成的合成气体与例如从炼铁厂排出的合成气体相比具有高的含水率。
尤其是在本发明中，合成气体生成炉未必一定需要通过对废弃物进行部分氧化来生成合成气体。合成气体生成炉可以为例如以煤或焦炭或油页岩为原料的气体发生炉、以天然气体等为原料的水蒸气甲烷改性炉等。
在合成气体生成炉11中生成的合成气体被供给至作为有机物质合成炉的发酵器16。发酵器16包含微生物和培养基。在培养基中含有微生物增殖所需要的盐类、维生素、必需氨基酸、必需金属离子。微生物通过发酵由合成气体生成有机物质。因此，在发酵器16中，通过微生物发酵由合成气体制造有机物质。作为由合成气体生成有机物质的微生物，可列举羰基化物营养性细菌等。例如，作为在生成乙醇等醇的情况下优选使用的微生物的具体例，可列举例如：梭菌属、穆尔氏菌属、韦荣球菌属等。
需要说明的是，本实施方式中，对有机物质合成部由发酵器构成的例子进行说明。但是，本发明并不限定于此。有机物质合成部例如可以通过金属催化剂等催化剂反应由合成气体生成有机物质。
发酵器16与提纯机17连接。发酵器16中的生成物被转移至提纯机17。通常，在发酵器16中，除要制造的有机物质之外，也生成其它有机物质。提纯机17对发酵器16中的生成物进行提纯。由此，可以得到目标有机物质。
合成气体生成炉11和发酵器16之间，从合成气体生成炉11侧开始依次配置有含水率上升部12、含水率降低部13和过滤器14。含水率上升部12、含水率降低部13和过滤器14具有减少合成气体中的杂质浓度的功能。并且，通过设置合成气体提纯机15，可以除去抑制发酵的杂质。
需要说明的是，合成气体中的杂质为对微生物代谢反应或金属催化剂的催化剂活性产生不良影响的物质，因微生物或金属催化剂的种类等而不同，可列举芳香族化合物、饱和及不饱和烃。例如，就芳香族化合物而言，为苯、甲苯、二甲苯等。就饱和/不饱和烃而言，可列举C1以上的烃。就不饱和烃而言，可列举C2以上的烃。此外，可列举硫化物或氮化合物。例如为硫化羰、硫化氢、SОx或NОx等。另外，也可列举氰化合物或酸或碱。
作为用于过滤器的材质，可列举：HEPA过滤器、活性炭过滤器、沸石过滤器、无纺布过滤器等。另外，作为过滤器的结构，可以为将各种过滤器组合加工而成的过滤器。另外，可以对氧化钛等光催化剂进行加工。
含水率上升部12使合成气体的含水率上升。使合成气体的含水率上升的方法没有特别限定。例如，可以对合成气体供给水蒸气，或对合成气体喷雾水。本实施方式中，在含水率上升部12中通过使合成气体在水中通过而使合成气体的含水率上升。利用含水率上升部12，合成气体中的水分实质上达到饱和水蒸气量。
含水率上升部12与含水率降低部13连接。含水率降低部13通过从合成气体除去水分，利用含水率上升部12使提高了含水率的合成气体的含水率降低。含水率降低部13优选通过冷却合成气体而使水分凝结，从而使合成气体的含水率降低。合成气体的冷却方法没有特别限定。例如，可以使用制冷剂冷却合成气体。另外，可以使用分子筛等水分吸附剂除去合成气体中的水分。可以通过使合成气体与制冷剂接触并捕集凝缩水而使水分减少。既可以降低合成气体的分压而使水分凝缩来进行除去，也可以通过设置使用有透过水分的膜的膜式干燥器等膜分离装置，使合成气体通气于该膜分离装置而除去水分。作为用于与冷却溶剂接触的方法，可列举例如：将热传导良好的金属配管暴露于外气而冷却的方法、使制冷剂循环装置与气体接触并使其冷却的方法等。含水率降低部13可以进行膜式脱水。
含水率降低部13未必一定需要使合成气体的含水率为零。含水率降低部13只要可以减少合成气体的含水率，就没有特别限定。
在含水率降低部13和发酵器16之间配置有过滤器14。过滤器14除去合成气体中的固体成分。过滤器14可以除去合成气体中的全部固体成分，但也可以除去固体成分的一部分。即，过滤器14并不受到完全除去合成气体中的固体成分的限定。没有被除去的物质在合成气体提纯机15中被进一步除去。合成气体中的固体成分是指焦油或飞灰或煤等成分。另外，在过滤器14中，如果使用组合活性炭过滤器而成的过滤器，则除除去固体成分以外，可以对在含水率上升部12、含水率降低部13中不能除去的物质进行进一步提纯。
如以上说明的那样，在有机物质的制造装置1中，首先，在含水率上升部12中合成气体的含水率得到提高。其后，在含水率降低部13中合成气体中的水被除去，合成气体的含水率降低。这样，在提高了合成气体的含水率的基础上，在除去合成气体中的水分的工序中，合成气体中所含的水溶性的杂质、或焦油、煤烟等固体成分与水一起从合成气体中除去。因此，可以将杂质浓度小的合成气体供给至发酵器16。因此，可有效地抑制由于杂质而对微生物产生不良影响。例如，在不使用微生物而使用催化剂的情况下，可有效地抑制由于杂质而给催化剂带来的不良影响。因此，如果利用有机物质的制造装置1，则可以高效率地制造有机物质。
另外，在过滤器14之前，杂质的至少一部分被除去，因此，可以抑制过滤器14的堵塞。因此，过滤器的交换频率变少。其结果，有机物质的制造效率提高，制造成本减少。
从更有效地除去合成气体中的杂质的观点出发，优选提高合成气体的含水率直到合成气体的水蒸气量成为饱和水蒸气量，然后，减少合成气体的含水率。由此，随着含水率的降低工序中从合成气体中除去的水的量变多，可以除去更多的杂质。
另外，从更有效地除去合成气体中的杂质的观点出发，优选通过使合成气体在水中通过从而提高合成气体的含水率。这是因为：在合成气体通过水中时，通过水溶性的杂质溶解于水而从合成气体中除去，另外，合成气体中的固体成分的一部分移动至水中，从而从合成气体中除去。
有效地除去本实施方式的合成气体中所含的杂质的技术在使用任何合成气体的情况下都适合。其中，由废弃物合成的合成气体可以含有许多杂质，因此，有效地除去本实施方式的合成气体中所含的杂质的技术在使用由废弃物合成的合成气体的情况下特别优选。
需要说明的是，减少合成气体的含水率的方法没有特别限定，更优选使用以下方法：通过使用制冷剂冷却合成气体而使合成气体的含水率减少。这是因为，可以优选冷却含有固体成分的合成气体。
但是，本发明人等尝试了使用由废弃物合成的合成气体实际地制造有机物质。在该实验中，意外地遇到向合成气体的发酵器的供给停止的问题。本发明人等进行了深入研究的结果判明：由废弃物合成的合成气体与由炼铁厂等合成的合成气体不同，具有高的含水率，在配管中，合成气体中的水分凝结、冻结、闭塞，因此，向合成气体的发酵器的供给停止。
因此，在制造装置1中，在连接合成气体生成炉11和作为有机物质合成部的发酵器16的配管18中配置有含水率降低部13。含水率降低部13配置于配管18中的比温度最低的部分更靠上游侧。含水率降低部13除去合成气体中的水分，使合成气体的含水量比配管18中温度最低的部分在最低温度下的饱和水蒸气量还低。具体而言，在本实施方式中，含水率降低部13通过对合成气体进行冷却直到比配管18中最低温度低的温度，从而除去合成气体中的水分。例如，配管18中设置于户外的部分可以进行冷却直到设有制造装置1的场所在冬季的最低温度。因此，配管18的温度最低的部分的最低温度为设有制造装置1的场所在冬季的最低温度，更优选为过去10年所记录的冬季的最低温度。在制造装置1中，配置有含水率降低部13，因此，即使在配管18在冬季被冷却的情况下，也不产生凝结，配管18不会由于冻结而闭塞。因此，向发酵器16稳定地供给合成气体。因此，通过使用制造装置1，可以稳定地制造有机物质。
从可以更稳定地制造有机物质的观点出发，优选含水率降低部13除去合成气体中的水分，使合成气体的含水量比配管18中温度最低的部分在最低温度下的饱和水蒸气量的相对湿度70％更低，更优选除去合成气体中的水分使得比相对湿度50％更低。例如，含水率降低部13优选通过对合成气体进行冷却直到20℃以下，从而从合成气体中除去水分，更优选通过对合成气体进行冷却直到10℃以下，从而从合成气体中除去水分。但是，使冷却温度过于降低时，有时合成气体的冷却需要的能量过多，有机物质的制造中的能量效率降低。因此，含水率降低部13中的合成气体的冷却温度优选为比配管18的最低温度低5℃左右的温度以上。具体而言，例如，含水率降低部13中的合成气体的冷却温度优选为15℃以上。
发酵器16中的微生物的发酵为发热反应。因此，不冷却发酵器16时，有可能发酵器16内的温度过高，微生物的发酵效率变低。
例如，考虑通过在发酵器16的周围配置冷却剂流动的配管从而冷却发酵器16。但是，该情况下，难以使发酵器16的中央部充分地冷却。例如，将发酵器16的中央部冷却至适于发酵的温度时，有可能发酵器16的外侧部分的温度变得比适于发酵的温度低，难以将发酵器16整体的温度保持在适于发酵的温度。
另外，由于废弃物含有大量水分，因此，合成气体的含水率高。将该含水率高的合成气体供给至发酵器16，在发酵器16中合成气体的温度降低时，有时在合成气体中产生凝结。由于凝结为放热反应，因此，在发酵器16内产生凝结时，有可能发酵器16的温度进一步上升。
在本实施方式中，使在合成气体生成工序中生成的合成气体的含水率降低之后，将其含水率降低了的合成气体供给至发酵器16。因此，发酵器16内的水发生蒸发而容易进入合成气体中。该水的蒸发为吸热反应。因此，在发酵器16内容易产生水的蒸发的本实施方式中，伴随水的蒸发发酵器16从内部适当地冷却。因此，未必一定需要另外设置发酵器16的冷却装置。另外，由于可以将发酵器16从内部冷却，因此，可以提高发酵器16内的温度的均匀性。因此，可以将发酵器16的整体保持在适于发酵的温度。因此，可以实现高的发酵效率。其结果，可以提高有机物质的制造效率。
从进一步提高发酵器16内的温度的均匀性的观点出发，优选通过对含水率降低了的合成气体进行鼓泡而供给至发酵器16的水中的微生物。更优选使含水率降低了的合成气体从发酵器16的底面鼓泡。由此，可以促进发酵器16的更广域的水的蒸发。
另外，从更有效地冷却发酵器16的观点出发，优选供给比发酵器16温度低的合成气体，更优选供给比发酵器16的发酵温度设定值低10℃温度的合成气体。
但是，例如，在高温下将含水量高的合成气体供给至发酵器16时，有可能合成气体中的水分在发酵器16内凝结，发酵器16中的水量增大。发酵器16中的水量增大时，发酵器16中的微生物的浓度降低，因此，有可能发酵效率降低。
与此相对，在本实施方式中，将含水率降低了的合成气体供给至发酵器16。因此，可以抑制发酵器16中的微生物浓度的降低及与随之产生的发酵效率的降低。
(实施例)
将从废弃物焚烧炉中排出的合成气体设为原料气体，使该原料气体通过湿式洗涤器(株式会社协立制作所制造)。在洗涤器中，使用纯水或碳酸钠。需要说明的是，通过洗涤器后的合成气体湿度利用湿度计(株式会社Techne计测)进行测定。
使通过洗涤器后的合成气体通过喷雾分离器(MIURA化学装置株式会社制造)，使其一部分以8NL/min的流量流入样品气体除湿装置(IAC株式会社制造)。进行除湿操作，将流入除湿装置之前的湿度设为100％，使除湿设定值为湿度5％、15％、50％、80％。
使除湿后的合成气体通过装备有集尘过滤器(ViledonAirFilterPH-400：日本Vilene株式会社制造)的过滤器架(内径20cm，厚度5cm)。测定连续操作了这些一系列的实验约2周之后的各工序中的各种数据。将测定的数据项目示于表1及表2。表2表示运转开始2周后的过滤器的物性。需要说明的是，表中，“N.T.”为NotTest(没有分析)的简称。
[表1]
[表2]
测定项目 过滤器寿命
对照(新品) 无闭塞
图1中的d中的除湿后的气体湿度(5％) 无闭塞
图1中的d中的除湿后的气体湿度(15％) 无闭塞
图1中的d中的除湿后的气体湿度(50％) 10天
图1中的d中的除湿后的气体湿度(80％) 2天
没有含水率降低部(气体湿度100％) 1天
；

Claims (14)

1.一种有机物质的制造装置，其包括：
合成气体生成炉，通过使碳源发生部分氧化，生成含有一氧化碳的合成气体；
有机物质合成部，由所述合成气体生成有机物质；
含水率上升部，配置于所述合成气体生成炉和所述有机物质合成部之间，使所述合成气体的含水率上升；
含水率降低部，配置于所述含水率上升部和所述有机物质合成部之间，使所述合成气体的含水率降低。
2.如权利要求1所述的有机物质的制造装置，其中，
所述含水率上升部使所述合成气体在水中通过。
3.如权利要求1或2所述的有机物质的制造装置，其中，
所述含水率上升部使所述合成气体的含水率上升，直至所述合成气体的含水量达到饱和水蒸气量。
4.如权利要求1～3中任一项所述的有机物质的制造装置，其中，
所述合成气体生成炉通过使含有碳源的废弃物发生部分氧化而生成含有一氧化碳的合成气体。
5.如权利要求1～4中任一项所述的有机物质的制造装置，其还具备除去合成气体中的固体成分的过滤器，所述过滤器配置于所述含水率降低部和所述有机物质合成部之间。
6.如权利要求1～5中任一项所述的有机物质的制造装置，其中，
所述含水率降低部使用制冷剂冷却所述合成气体，或者通过膜式脱水使所述合成气体的含水率降低。
7.如权利要求1～6中任一项所述的有机物质的制造装置，其中，
所述有机物质合成部含有通过发酵而由合成气体生成有机物质的微生物。
8.如权利要求1～7中任一项所述的有机物质的制造装置，其还具备连接所述合成气体生成炉和所述有机物质合成部的配管，
所述含水率降低部配置于所述配管中比温度最低的部分更靠上游侧，从而除去所述合成气体中的水分，使所述合成气体的含水量比所述配管中温度最低的部分在最低温度下的饱和水蒸气量低。
9.如权利要求8所述的有机物质的制造装置，其中，
所述含水率降低部将所述合成气体冷却至比所述配管的最低温度低的温度。
10.一种有机物质的制造方法，其包括：
合成气体生成工序，通过使碳源发生部分氧化而生成含有一氧化碳的合成气体；
含水率上升工序，使所述合成气体的含水率上升；
使所述含水率上升后的合成气体的含水率降低的工序；
由所述含水率降低后的合成气体生成有机物质的工序。
11.如权利要求10所述的有机物质的制造方法，其中，
在所述含水率上升工序中，使所述合成气体在水中通过。
12.如权利要求10或11所述的有机物质的制造方法，其中，
在所述含水率上升工序中，使所述合成气体的含水量成为饱和水蒸气量。
13.如权利要求10～12中任一项所述的有机物质的制造装置，其还具备含水率降低工序，其在连接所述合成气体生成炉和所述有机物质合成部的配管中比温度最低的部分更靠上游侧，除去所述合成气体中的水分，使所述合成气体的含水量比所述配管中温度最低的部分在最低温度下的饱和水蒸气量低。
14.如权利要求13所述的有机物质的制造方法，其中，
在所述含水率降低工序中，将所述合成气体冷却至比所述配管的最低温度低的温度。
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