JP2009501524A

JP2009501524A - バイオマスを転換するための生産プラント及び方法

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Publication number: JP2009501524A
Application number: JP2008521658A
Authority: JP
Inventors: ホルツアップル，マーク，ティー; デイヴィソン，リチャード，アール; グランダ，セーザル，ベー; アグボグボ，フランク，カー; フー，ジホン
Original assignee: ザテキサスエイ・アンド・エムユニヴァーシティシステム
Priority date: 2005-07-12
Filing date: 2006-07-12
Publication date: 2009-01-22
Also published as: US20100152485A1; AU2006267042B2; ATE497011T1; WO2007009085A2; AU2006267042A1; CA2614188A1; WO2007009085A3; BRPI0613554A2; DE602006019865D1; EP1902139A2; EP1902139B1; MX2008000529A; KR20080033977A; US20070014895A1

Abstract

本発明の教示に従って、有用な化学物質へバイオマスを転換するための生産プラント及び方法が提供される。特定の実施形態において、その方法は、カルボン酸アンモニウム塩を含む発酵培養液を生産するための、一つ又はより多くの発酵槽におけるバイオマスを発酵させることを含み、発酵槽は、炭酸アンモニウム又は重炭酸アンモニウムの緩衝剤を含有する。その方法は、アミンのカルボン酸塩を生産するための、高分子量のアミンと発酵槽からのカルボン酸アンモニウム塩を反応させること、及び、カルボン酸を生産するための、アミンのカルボン酸塩を熱分解させること、をさらに含む。さらに別の実施形態において、発酵槽からのカルボン酸アンモニウム塩が、高分子量のエステルを生産するために、高分子量のアルコール類と反応させられることがあり、それは、アルコール類を生産するために、水素化されることがある。

Description

本発明は、一般に、バイオマスを加工することに、並びに、より具体的には、カルボン酸及びアルコール類へとバイオマスを転換するためのシステム及び方法に、関係する。

大量のバイオマス、特にリグノセルロース系のバイオマスは、農業的な及び工業的な工程の間に未使用の又は不十分に使用されたままである。このバイオマスの廃物処理は、しばしば困難な又は高価なものである。従って、有用な化学物質を生産するためのこのバイオマスを使用する方法は、かなり価値のあるものである。有機酸は、このような有用な化学物質の一つの例である。歴史的に、有機酸は、動物性脂肪若しくは植物油の源から又は実質的に非水性のシステムにおいて石油の源から生産された。より最近では、有機酸は、発酵によるバイオマスからの製造のための最も魅力的な生産物として識別されてきたものである。アルコール類は、また、バイオマスの発酵によって生産されることがある重要な工業用の化学物質である。しかしながら、全般的な発酵の生産物からの有機酸及びアルコール類の抽出は、簡単なことではないと共に、しばしば、エネルギー、水、及び反応物の化学物質の使用において非効率的なものである。

本発明の教示に従って、有用な化学物質へとバイオマスを転換するためのシステム及び方法が、提供される。

特定の実施形態において、その方法は、カルボン酸アンモニウム塩を含む発酵培養液を生産するために、一つの又はより多くの発酵槽においてバイオマスを発酵させることを含むと共に、発酵槽は、炭酸アンモニウム及び重炭酸アンモニウムからなる群より選択された緩衝剤を含有する。その方法は、アミンのカルボン酸塩を生産するために、高分子量のアミンとカルボン酸アンモニウム塩を反応させること、及び、カルボン酸を生産するために、アミンのカルボン酸塩を熱分解させること、をさらに含む。別の実施形態において、その方法は、低分子量のアミンのカルボン酸塩を生産するために、低分子量のアミンと発酵槽からのカルボン酸アンモニウム塩を反応させること、高分子量のアミンのカルボン酸塩を形成するために、高分子量のアミンと低分子量のアミンのカルボン酸塩における低分子量のアミンを切り替えること、及び、カルボン酸を生産するために、高分子量のアミンのカルボン酸塩を熱分解させること、を含む。さらなる別の実施形態において、その方法は、高分子量のエステルを生産するために、高分子量のアルコール類と発酵槽からのカルボン酸アンモニウム塩を反応させること、及び、アルコール類（alcohol）を生産するために、高分子量のエステルを水素化すること、を含む。

本発明の特定の実施形態の技術的な利点は、炭酸アンモニウム又は重炭酸アンモニウムを使用することで、発酵の反応を緩衝する能力を含む。アンモニアが、反応へ直接的に追加されたとすれば、ｐＨは、過剰に高いものになると共にバイオマスを発酵させるために使用された微生物を損傷させることがある。炭酸アンモニウム又は重炭酸アンモニウムの使用は、この問題を少なくするか又は除去する。加えて、炭酸アンモニウム又は重炭酸アンモニウムの緩衝剤の使用は、カルシウムに基づいた緩衝剤のシステムと比較して、発酵培養液の単純化された下流の加工を可能にする。このようなカルシウムに基づいた緩衝剤のシステムは、熱交換機及び他の設備の表面に集まるカルシウム塩の形成に帰着することがある。対照的に、本発明のアンモニウム塩は、設備の表面に集まらない傾向がある。

本発明の特定の実施形態の別の技術的な利点は、下流の加工の間に固体を取り扱うことを低減するか又は除去する能力を含むことがある。

本発明の様々な実施形態が、列挙された技術的な利点のいくつか若しくは全てを含むか又は列挙された技術的な利点のいずれも含まないことがあることは、理解されると思われる。加えて、本発明の他の技術的な利点は、ここに含まれた図、記載、及び特許請求の範囲から当業者に容易に明白なものであることがある。

本発明並びにそれの特徴及び利点のより完全な理解のために、今、添付する図面と併せて、後に続く記載に対する参照がなされる。

本発明の教示に従って、有用な化学物質へとバイオマスを転換するシステム及び方法が、提供される。特定の実施形態において、その方法は、カルボン酸アンモニウム塩を含む発酵培養液を生産するために、一つの又はより多くの発酵槽における発酵培養液を含むと共に、発酵槽は、炭酸アンモニウム又は重炭酸アンモニウムの緩衝剤を含有する。その方法は、アミンのカルボン酸塩を生産するために、高分子量のアミンと発酵槽からのカルボン酸アンモニウム塩を反応させること、及び、カルボン酸を生産するために、アミンのカルボン酸塩を熱分解させること、をさらに含む。別の実施形態において、発酵槽からのカルボン酸アンモニウム塩は、低分子量のアミンのカルボン酸塩を生産するために、低分子量のアミンと反応させられることがある。その次に、低分子量のアミンのカルボン酸塩における低分子量のアミンは、高分子量のアミンのカルボン酸塩を形成するために、高分子量のアミンと切り替えられることがあると共に、その次に、それは、カルボン酸を生産するために、熱分解させられる。さらなる別の実施形態において、発酵槽からのカルボン酸アンモニウム塩は、高分子量のエステルを生産するために、高分子量のアルコール類と反応させられることがあると共に、それは、アルコール類を生産するために、水素化されることがある。特定の実施形態において、発酵槽における緩衝剤としての炭酸アンモニウム又は重炭酸アンモニウムの使用は、カルボン酸、エステル、及びアルコール類を生産するための代替の下流の加工方法を可能にする。その上、本発明の特定の実施形態は、発酵培養液からのカルボン酸及び／又はアルコール類の単純化された回収を可能にすることがある。

図１は、本発明の特定の実施形態に従った発酵システム１００を図解する。発酵システム１００は、バイオマスからカルボン酸を生産するために使用されることがある発酵システムである。一般に、発酵システム１００は、一つの又はより多くの発酵槽１０２、脱水するシステム１０６、反応器１０８、蒸留塔１１０、及び充填されたカラム１１２を含む。図１に示されるように、発酵システム１００は、いずれの数の適切な発酵槽の幾何学的形状及び配置も本発明の教示に従って使用されることがあるとはいえ、四つの向流式の発酵槽１０２ａ−ｄを含む。これらの四つの発酵槽１０２ａ−ｄは、新鮮なバイオマスが発酵槽１０２ａの上部へ追加されると共に新鮮な水が発酵槽１０２ｄの下部へ追加される向流式の発酵槽のシステムを含むと共に、バイオマス及び水は、反対の方向に発酵槽１０２を通じて移動する。例えば、発酵槽１０２ａの下部から移動させられた未消化の残渣は、発酵槽１０２ｂへ送られる、且つ、発酵槽１０２ｂの下部から移動させられた未消化の残渣は、発酵槽１０２ｃへ送られる、且つ、発酵槽１０２ｃの下部からの未消化の残渣は、発酵槽１０２ｄへ送られると共に、発酵槽１０２ｄの下部からの未消化の残渣は、発酵システムから取り除かれると共に廃棄される。その間に、発酵槽１０２ｄからの液体は、発酵槽１０２ｃへ送られる、且つ、発酵槽１０２ｃからの液体は、発酵槽１０２ｂへ送られる、且つ、１０２ｂからの液体は、発酵槽１０２ａへ送られると共に、発酵培養液は、結局のところ、発酵槽１０２ａから採取される。

特定の実施形態において、（図解されない）スクリュープレス又は他の適切な脱水するデバイスが、様々な発酵槽１０２の間で移送された固体における液体の含有率を低減するために、使用されることがある。さらには、各々の発酵槽１０２には、固体の素材を通じた、ヨードホルム、ブロモホルム、及びブロモエタンスルホン酸のような、メタン阻害剤、及び／又は、重炭酸アンモニウム又は炭酸アンモニウムのような、緩衝剤の分配を容易にするために、循環ループが装備されることがある。特定の実施形態において、アンモニウムイオンが、すでに、メタン生成菌の非常に有効な阻害剤であると、メタン阻害剤の追加は、自由選択のものであることがある。

発酵槽１０２の内側には、酸を形成する微生物の混合させられた培養物が、バイオマスの発酵を容易にする。さまざまな適切な微生物が、本発明の教示に従って使用されることがあるとはいえ、特定の実施形態は、海洋環境又は塩湖からの接種物のような、高い塩（high-salt）の環境に適合させられた微生物を利用する。他の実施形態は、土壌又は家畜の第一胃を原産とする微生物を利用することがある。これらの微生物は、かなり幅広いｐＨの範囲（例．５．０から８．０まで）にわたって生存することがある；しかしながら、特定の実施形態において、ｐＨが、中性の付近にある（即ち、６．５から７．５まで）とき、発酵は、最も有効なものである。それに応じて、発酵槽１０２の内側の温度及びｐＨは、いずれの適切な様式でも、制御されることがある。例えば、特定の実施形態において、発酵槽１０２の内側の温度は、循環する液体の温度を規制することによって制御されることがある。発酵槽１０２の内側のｐＨは、緩衝剤の追加の速度によって、規制されることがある。本発明の特定の実施形態において、この緩衝剤は、炭酸アンモニウム又は重炭酸アンモニウムを含むことがある。

発酵槽１０２から採取された発酵培養液は、下流でさらに加工される。特定の実施形態において、この発酵培養液は、下流の加工するステップにおいて望ましくないものである浮渣を含むことがある。従って、特定の実施形態は、この浮渣を取り除くためのさまざまな方法を用いることがある。例えば、特定の実施形態において、発酵培養液は、カルボン酸のアンモニウム塩が通過することを許容するがしかし浮渣を保持する、分子量のカットオフを有する限外濾過膜１０４を通じて、ポンプで汲み上げられることがある。他の実施形態において、サトウキビから抽出された糖汁を浄化するために用いられたもののような、凝固剤又は凝集剤が、濾過によって取り除かれることがある沈殿が形成することを引き起こすために、発酵培養液へ追加されることがある。

発酵培養液を脱浮渣する方法（もしあれば）にかかわらず、発酵槽１０２からの発酵培養液は、脱水するシステム１０６へ通過させられると共に、それは、カルボン酸アンモニウム塩のほぼ飽和した（即ち、おおよそ５０％の）溶液を形成するために培養液から水を取り除く。さまざまな脱水するシステムが、本発明の教示に従って使用されることがあるとはいえ、図１は、蒸気圧縮システムとして脱水するシステム１０６を図解する。このシステム１０６において、濃縮された塩の溶液からの蒸気は、圧縮させられると共に、それらが、熱交換器において凝縮することを可能にする。凝縮器における凝縮の熱は、次には、ボイラーにおける蒸発の熱を提供する。この様式では、熱は、システムにおいて再循環させられる。圧縮器へ提供された少量のシャフトの仕事のみが、システムを駆動するために必要とされる。

脱水するシステム１０６からの濃縮されたカルボン酸アンモニウム塩は、加熱された、良好に混合させられた反応器１０８へ送られるが、そこでは、高分子量の（“ＨＭＷ”）アミンが、ＨＭＷアミンのカルボン酸塩を形成するために反応するように、溶液へ追加させられる。特定の実施形態において、追加されたＨＭＷアミンは、トリオクチルアミンを含む。他の実施形態において、トリエタノールアミンが、対応するエステルを作るために、ＨＭＷカルボン酸と反応させられることがある。特定の実施形態において、界面活性剤が、また、アミンの相と水の相との間の接触を容易にするために、追加されることがある。

加熱する反応器１０８は、溶液から水及びアンモニアの両方を駆逐すると共に、水及びアンモニアは、ＨＭＷアミンのカルボン酸塩を形成するために、ＨＭＷアミンに置き換えられてしまう。反応器１０８からのこのアンモニア及び水は、充填されたカラム１１２へ送られると共に、そこでは、それが、カラムで維持されたｐＨに依存するが、重炭酸アンモニウム又は炭酸アンモニウムを形成するために、発酵槽１０２からの二酸化炭素と反応する。その次に、重炭酸アンモニウム又は炭酸アンモニウムは、発酵槽１０２において緩衝剤として使用されることがある。特定の実施形態において、この重炭酸アンモニウム又は炭酸アンモニウムは、それが、発酵槽へ送られた水の装填を低減することを援助するために発酵槽１０２へ送られる前に、濃縮されることがある。

反応器１０８からのＨＭＷアミンのカルボン酸塩は、反応性の蒸留塔１１０へ送られるが、そこでは、それらが、塔１１０の上部から出るものである、カルボン酸、及び、塔１１０の下部から出ると共に反応器１０８へと再循環させられるものである、ＨＭＷアミンを生産するために、熱分解させられる。１気圧では、典型的な分解する温度は、カルボン酸の分子量に依存するが、約１５０℃から約２００℃までである。酸の分子量が、より高いほど、熱分解が起こるために要求された温度が、より高い。その次に、塔１１０を出るカルボン酸は、収集されることがある。

発酵システム１００に用いられた工程のより良好な理解は、図２への参照をなすことによって、もたれることがあるが、それは、図１に示されたのと同じ設備を利用することでバイオマスからカルボン酸を生産する方法のフローチャート２００を図解する。フローチャート２００は、ステップ２０２で始まる。ステップ２０４で、バイオマスは、二酸化炭素及びカルボン酸アンモニウム塩を含む発酵培養液を生産するために、発酵させられる。一般に、これは、炭酸アンモニウム又は重炭酸アンモニウムの緩衝剤を利用する複数の向流式の発酵槽を使用することで、行われる。その次に、複数の発酵槽によって生産された発酵培養液は、ステップ２０６で脱浮渣される。本発明の特定の実施形態において、これは、浮渣を濾過して取り除く限外濾過膜、又は、浮渣が、その次に濾過して取り除かれることがある沈殿を形成することを引き起こす凝固剤若しくは凝集剤、を使用することで、行われることがある。

その次に、ステップ２０８で、脱浮渣された発酵培養液は、蒸気圧縮システムのような、脱水するシステムを使用することで、濃縮される。この脱水するシステムは、カルボン酸アンモニウム塩のほぼ飽和した（即ち、おおよそ５０％の）溶液へと発酵培養液を濃縮する。その次に、カルボン酸アンモニウム塩のこのほぼ飽和した溶液は、ステップ２１０で、アミンのカルボン酸塩を生産するために、加熱された、良好に混合させられた反応器において、ＨＭＷアミンと反応させられる。この工程の一部として、水及びアンモニアが、また生産される。ステップ２１４で、この水及びアンモニアが、複数の向流式の発酵槽の内側で発酵の反応を緩衝するために使用されることがある炭酸アンモニウム又は重炭酸アンモニウムを生産するために、複数の発酵槽から放出して与えられた二酸化炭素と反応させられる。

その次に、ステップ２１０で生産されたアミンのカルボン酸塩は、ステップ２１２で、カルボン酸及びＨＭＷアミンを生産するために、反応性の蒸留塔において熱分解させられる。ＨＭＷアミンは、塔の下部を出ると共に、ステップ２１０でカルボン酸アンモニウム塩と反応するために使用されることがある。一方、カルボン酸は、塔の上部を出ると共に、収集されることがある。ステップ２１６で、フローチャート２００は、終わる。

図３は、本発明の別の実施形態と一致した発酵システム３００を図解する。発酵システム１００（図１）と類似して、発酵システム３００は、バイオマスからカルボン酸を生産するために使用されることがある。しかしながら、ＨＭＷアミンを利用するのみである、発酵システム１００とは違って、発酵システム３００は、カルボン酸を生産するために、トリエチルアミン、メチルジエチルアミン、ジメチルエタノールアミン、又はエタノールアミンのような、低分子量の（“ＬＭＷ”）アミンをもまた利用する。

一般に、発酵システム３００は、一つの又はより多くの発酵槽３０２、脱水するシステム３０６、蒸留塔３０８、３１０、及び３１２、並びに充填されたカラム３１４を含む。いずれの数の適切な発酵槽の幾何学的形状及び配置も本発明の教示に従って使用されることがあるとはいえ、図３は、新鮮なバイオマスが発酵槽３０２ａの上部へ追加されると共に新鮮な水が発酵槽３０２ｄの下部へ追加される、四つの向流式の発酵槽３０２ａ−ｄを含む発酵システム３００を図解する。これらの発酵槽３０２は、図１に関して上に記載された発酵槽１０２に類似して、動作可能なものである。

発酵槽３０２ａから採取された発酵培養液は、下流の加工に送られる。特定の実施形態において、この発酵培養液は、また、下流の加工するステップにおいて望ましくないものである浮渣を含むことがある。特定の実施形態において、この浮渣は、いずれの適切な方法を使用することでも、取り除かれることがある。例えば、特定の実施形態において、発酵培養液は、カルボン酸のアンモニウム塩が通過することを許容するがしかし浮渣を保持する、分子量のカットオフを有する限外濾過膜３０４を通じて、ポンプで汲み上げられることがある。他の実施形態において、サトウキビから抽出された糖汁を浄化するために用いられたもののような、凝固剤又は凝集剤が、適切な濾過によって取り除くことが可能なものである沈殿が形成することを引き起こすために、発酵培養液へ追加されることがある。

脱浮渣する方法（もしあれば）にかかわらず、発酵槽３０２からの発酵培養液は、脱水するシステム３０６へ通過させられると共に、それは、カルボン酸アンモニウム塩のほぼ飽和した溶液（即ち、約５０％）を形成するために培養液から水を取り除く。さまざまな脱水するシステムが、本発明の教示に従って使用されることがあるとはいえ、図３は、蒸気圧縮システムとして脱水するシステム３０６を図解する。この蒸気圧縮システムは、図１に関して上で議論された脱水するシステム１０６に類似して作動する。

脱水するシステム３０６からの濃縮されたカルボン酸アンモニウム塩は、蒸留塔３０８へ送られるが、そこでは、ＬＭＷアミンが、ＬＭＷアミンのカルボン酸塩を生産するために、追加されると共に、工程において水及びアンモニアを駆逐する。特定の実施形態において、追加されたＬＭＷアミンは、トリエチルアミン、メチルジエチルアミン、ジメチルエタノールアミン、エタノールアミン、又はいずれの他の適切なＬＭＷアミンを含むことがある。特定の実施形態において、ＬＭＷアミンは、アミンが、水よりも、より揮発性でないものであるように、約１００℃より上の標準状態の沸点を有する水溶性のアミンである。その上、特定の実施形態において、ＬＭＷは、可能なアミドの形成を回避することを援助する、第三級のアミンであることがある。選択されたＬＭＷアミンにかかわらず、塔３０８の上部は、ＬＭＷアミンの蒸気の喪失を予防するために、塔へ逆戻りに還流（主として水）を送る部分的な凝縮器を有する。塔３０８へ逆戻りに送られないアンモニア及び水は、充填されたカラム３１４へ送られるが、そこでは、それらが、カラムで維持されたｐＨに依存するが、重炭酸アンモニウム又は炭酸アンモニウムを形成するために、発酵槽３０２からの二酸化炭素と反応すると共に、それは、発酵槽３０２において緩衝剤として使用されることがある。特定の実施形態において、この重炭酸アンモニウム又は炭酸アンモニウムは、それが、発酵槽へ送られた水の装填を低減することを援助するために発酵槽３０２へ送られる前に、濃縮されることがある。

蒸留塔３０８の下部は、蒸留塔３１０へ送られるが、そこでは、ＬＭＷアミンのカルボン酸塩におけるＬＭＷアミンが、ＨＭＷアミンのカルボン酸塩及びＬＭＷアミンを生産するために、ＨＭＷアミンと切り替えられる。ＬＭＷアミンは、塔３１０の上部を出ると共に塔３０８へ再循環させられる。本発明の特定の実施形態において、熱分解又はアミドの形成を回避するために、塔３０８は、塔の内側の温度を低減するために真空下で動作させられることがある。ＨＭＷアミンのカルボン酸塩は、第二の塔の下部を出ると共に反応性の蒸留塔３１２に入る。

反応性の蒸留塔３１２の内側で、ＨＭＷアミンのカルボン酸塩は、塔の上部から出るものである、カルボン酸、及び、塔の下部から出ると共に蒸留塔３１０へと再循環させられるものである、ＨＭＷアミンを生産するために、熱分解させられる。１気圧では、典型的な分解する温度は、カルボン酸の分子量に依存するが、約１５０℃から約２００℃までである。酸の分子量が、より高いほど、熱分解が起こるために要求された温度が、より高い。

発酵システム３００に用いられた工程のより良好な理解は、図４への参照をなすことによって、もたれることがあるが、それは、図３に示された設備を利用することでバイオマスからカルボン酸を生産する方法のフローチャート４００を図解する。フローチャート４００は、ステップ４０２で始まる。ステップ４０４で、バイオマスは、二酸化炭素及びカルボン酸アンモニウム塩を含む発酵培養液を生産するために、発酵させられる。一般に、これは、炭酸アンモニウム又は重炭酸アンモニウムの緩衝剤を利用する複数の向流式の発酵槽を使用することで、行われる。その次に、複数の発酵槽によって生産された発酵培養液は、ステップ４０６で脱浮渣される。本発明の特定の実施形態において、これは、浮渣を濾過して取り除く限外濾過膜、又は、浮渣が、その次に濾過して取り除かれることがある沈殿を形成することを引き起こす凝固剤若しくは凝集剤、を使用することで、行われることがある。

その次に、ステップ４０８で、脱浮渣された発酵培養液は、蒸気圧縮システムのような、脱水するシステムを使用することで、濃縮される。この脱水するシステムは、カルボン酸アンモニウム塩のほぼ飽和した（即ち、おおよそ５０％の）溶液へと発酵培養液を濃縮する。その次に、カルボン酸アンモニウム塩のこのほぼ飽和した溶液は、ステップ４１０で、ＬＭＷアミンのカルボン酸塩を生産するために、ＬＭＷアミンと反応させられる。この工程の一部として、水及びアンモニアが、また放出して与えられる。この水及びアンモニアは、発酵槽の内側で発酵の反応を緩衝するために使用されることがある炭酸アンモニウム又は重炭酸アンモニウムを生産するために、ステップ４１６で発酵槽からの二酸化炭素と反応させられることがある。

その次に、ステップ４１０からのＬＭＷアミンのカルボン酸塩におけるＬＭＷアミンは、ＨＭＷアミンのカルボン酸塩及びＬＭＷアミンを生産するために、ステップ４１２でＨＭＷアミンと切り替えられる。その次に、このＬＭＷアミンは、ステップ４１０でより多くのＬＭＷアミンのカルボン酸塩を生産するために、使用されることがある。その次に、ＨＭＷアミンのカルボン酸塩は、カルボン酸及びＨＭＷアミンを生産するために、反応性の蒸留塔において熱分解させられる。ＨＭＷアミンは、塔の下部を出ると共に、ステップ４１２でＬＭＷアミンのカルボン酸塩と反応するために使用されることがある。カルボン酸は、蒸留塔の上部を出ると共に、収集されることがある。ステップ４１８で、フローチャート４００は、終わる。

カルボン酸へとバイオマスを転換するものである、システム１００（図１）及び３００（図３）と違って、本発明の他の実施形態は、アルコール類へとバイオマスを転換するために利用されることがある。図５は、一つのこのような実施形態と一致した発酵システム５００を図解する。図５に示されたように、発酵システム５００は、一つの又はより多くの発酵槽５０２、脱水するシステム、蒸留塔５０８及び５１２、水素化の反応器５１０、並びに充填されたカラム５１４を含む。

いずれの数の適切な発酵槽の幾何学的形状及び配置も本発明の教示に従って使用されることがあるとはいえ、図５は、新鮮なバイオマスが発酵槽５０２ａの上部へ追加されると共に新鮮な水が発酵槽５０２ｄの下部へ追加される、四つの向流式の発酵槽５０２ａ−ｄを含む発酵システム５００を図解する。発酵培養液は、結局のところ、発酵槽５０２ａから採取される。これらの発酵槽５０２は、それぞれ、図１及び３に関して上に議論された発酵槽１０２及び３０２に類似して、動作可能なものである。

発酵槽５０２ａから採取された発酵培養液は、下流の加工に送られる。特定の実施形態において、この発酵培養液は、また、下流の加工するステップにおいて望ましくないものである浮渣を含むことがある。特定の実施形態において、この浮渣は、いずれの適切な方法を使用することでも、取り除かれることがある。例えば、特定の実施形態において、発酵培養液は、カルボン酸のアンモニウム塩が通過することを許容するがしかし浮渣を保持する、分子量のカットオフを有する限外濾過膜５０４を通じて、ポンプで汲み上げられることがある。他の実施形態において、サトウキビから抽出された糖汁を浄化するために用いられたもののような、凝固剤又は凝集剤が、濾過によって取り除かれることがある沈殿が形成することを引き起こすために、発酵培養液へ追加されることがある。

発酵槽５０２からの脱浮渣された発酵培養液は、脱水するシステム５０６へ通過させられると共に、それは、カルボン酸アンモニウム塩のほぼ飽和した溶液（即ち、約５０％）を形成するために培養液から水を取り除く。さまざまな脱水するシステムが、本発明の教示に従って使用されることがあるとはいえ、図５は、図１及び３に関して上で議論された蒸気圧縮システムに類似して作動する、蒸気圧縮システムとして脱水するシステム５０６を図解する。

脱水するシステム５０６からの濃縮されたカルボン酸アンモニウム塩は、反応性の蒸留塔５０８へ送られるが、そこでは、それらが、四つの又はより多くの炭素を有するＨＭＷアルコール類と混合させられる。反応性の蒸留塔５０８において、カルボン酸アンモニウム塩は、ＨＭＷエステルを形成するために、アルコール類と反応すると共に、それは、塔の下部に留まる。典型的には、この反応は、アルカリ性の条件下で操作される。還流は、塔の上部からのＨＭＷアルコール類及びＨＭＷエステルの喪失を低減することを援助する。塔５０８の上部を出る水及びアンモニアは、充填されたカラム５１４へ送られるが、そこでは、それらが、カラムで維持されたｐＨに依存するが、重炭酸アンモニウム又は炭酸アンモニウムを形成するために、発酵槽５０２からの二酸化炭素と反応させられると共に、それは、発酵槽５０２における溶液を緩衝するために使用されることがある。ＨＭＷエステルは、反応性の蒸留塔５０８の下部を出ると共に水素化の反応器５１０へ送られるが、そこでは、それらが、ＬＭＷ及びＨＭＷのアルコール類へと転換される。水素化を促進するために、本発明の特定の実施形態は、ラネー（Ｒａｎｅｙ）ニッケル、白金、又はパラジウムのような、適切な触媒を用いることがある。これらのアルコール類は、蒸留塔５１２へ送られるが、そこでは、それらが、分離される。ＨＭＷのアルコール類が、塔５１２の下部を出ると共に反応性の蒸留塔５０８へ再循環させられるのに対して、ＬＭＷアルコール類は、蒸留塔５１２の上部を出るが、そこでは、それらが、収集されることがある。

発酵システム５００に用いられた工程のより良好な理解は、図６への参照をなすことによって、もたれることがあるが、それは、図５に示された設備を利用することでバイオマスからカルボン酸を生産する方法のフローチャート６００を図解する。フローチャート６００は、ステップ６０２で始まる。ステップ６０４で、バイオマスは、二酸化炭素及びカルボン酸アンモニウム塩を含む発酵培養液を生産するために、発酵させられる。一般に、これは、炭酸アンモニウム又は重炭酸アンモニウムの緩衝剤を利用する複数の向流式の発酵槽を使用することで、行われる。その次に、複数の発酵槽によって生産された発酵培養液は、ステップ６０６で脱浮渣される。本発明の特定の実施形態において、これは、浮渣を濾過して取り除く限外濾過膜、又は、浮渣が、その次に濾過して取り除かれることがある沈殿を形成することを引き起こす凝固剤若しくは凝集剤、を使用することで、行われることがある。

その次に、ステップ６０８で、脱浮渣された発酵培養液は、蒸気圧縮システムのような、脱水するシステムを使用することで、濃縮される。この脱水するシステムは、カルボン酸アンモニウム塩のほぼ飽和した（即ち、おおよそ５０％の）溶液へと発酵培養液を濃縮する。その次に、カルボン酸アンモニウム塩のこのほぼ飽和した溶液は、ステップ６１０で、ＨＭＷエステルを生産するために、ＨＭＷアルコール類と反応させられる。この工程の一部として、水及びアンモニアが、また放出して与えられる。この水及びアンモニアは、発酵槽の内側で発酵の反応を緩衝するために使用されることがある炭酸アンモニウム又は重炭酸アンモニウムを生産するために、ステップ６１６で発酵槽からの二酸化炭素と反応させられることがある。

その次に、ステップ６１０からのＨＭＷアルコール類は、ＨＭＷアルコール類及びＬＭＷアルコール類の両方を生産するために、ステップ６１２で水素化される。その次に、これらのアルコール類は、ステップ６１４で蒸留塔において分離される。ＨＭＷアルコール類は、塔の下部を出ると共に、ステップ６１０でカルボン酸アンモニウム塩と反応するために使用されることがある。ＬＭＷアルコール類は、塔の上部を出ると共に、収集されることがある。ステップ６１８で、フローチャート６００は、終わる。

炭酸アンモニウム又は重炭酸アンモニウムを使用することで発酵の反応を緩衝することによって、特定の実施形態は、他のシステムを超える顕著な利益を提示することができるものである。例えば、アンモニアが、発酵槽へ直接的に追加されたとすれば、発酵槽の内側のｐＨは、過剰に高いものになり得ると共にバイオマスを発酵させるために使用された微生物を損傷し得るであろう。加えて、炭酸アンモニウム又は重炭酸アンモニウムの緩衝剤の使用は、カルシウム塩が熱交換器及び他の設備の表面に集まることがあるところのカルシウムに基づいた緩衝剤のシステムと比較して、発酵培養液の単純化された下流の加工を可能にする。

本発明の方法及び装置の特定の実施形態が、添付する図面において図解され且つ前述の詳細な説明に記載されてきたものであるとはいえ、本発明が、開示された実施形態に限定されるのではなく、後に続く特許請求の範囲によって述べられた且つ定義されたような本発明の主旨を逸脱することなく非常に多数の再配置、変更、及び置換が可能なものであることは、理解されるものと思われる。

図１は、本発明の特定の実施形態に従ったカルボン酸へとバイオマスを転換するためのシステムを図解する。図２は、図１に示されたシステムを使用することでカルボン酸へとバイオマスを転換する方法のフローチャートを図解する。図３は、本発明の特定の実施形態に従ったカルボン酸へとバイオマスを転換するためのシステムを図解する。図４は、図３に示されたシステムを使用することでカルボン酸へとバイオマスを転換する方法のフローチャートを図解する。図５は、本発明の特定の実施形態に従ったアルコール類へとバイオマスを転換するためのシステムを図解する。図６は、図５に示されたシステムを使用することでアルコール類へとバイオマスを転換する方法のフローチャートを図解する。

Claims

カルボン酸へバイオマスを転換する方法であって、
カルボン酸アンモニウム塩を含む発酵培養液を生産するために、一つの又はより多くの発酵槽におけるバイオマスを発酵させること；
アミンのカルボン酸塩を生産するために、高分子量のアミンと該カルボン酸アンモニウム塩を反応させること；及び
カルボン酸を生産するために、該アミンのカルボン酸塩を熱分解させること；
：を含む、方法において、
該発酵槽は、炭酸アンモニウム及び重炭酸アンモニウムからなる群より選択された緩衝剤を含有する、方法。
前記一つの又はより多くの発酵槽は、複数の向流式の発酵槽を含む、請求項１に記載の方法。
前記高分子量のアミンとの前記カルボン酸アンモニウム塩の反応の間に放出された水及びアンモニアと二酸化炭素を反応させることによって前記緩衝剤を生産することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
前記高分子量のアミンと前記カルボン酸アンモニウム塩を反応させることに先立ち、前記カルボン酸アンモニウム塩を濃縮するために、前記発酵培養液を濃縮することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
前記発酵培養液を脱浮渣することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
前記発酵槽は、酸を形成する微生物の混合させられた培養物を含有する、請求項１に記載の方法。
前記微生物は、高い塩の環境に適合させられる、請求項６に記載の方法。
前記微生物は、接種物を原産とするものである、請求項６に記載の方法。
前記微生物は、土壌又は家畜の第一胃を原産とするものである、請求項６に記載の方法。
前記発酵槽は、約６．５と約７．５との間におけるｐＨに維持される、請求項１に記載の方法。
前記発酵槽は、メタン阻害剤を含有する、請求項１に記載の方法。
前記メタン阻害剤は、ヨードホルム、ブロモホルム、又はブロモエタンスルホン酸である、請求項１１に記載の方法。
前記高分子量のアミンは、トリオクチルアミン又はトリエタノールアミンを含む、請求項１に記載の方法。
カルボン酸へバイオマスを転換するシステムであって、
バイオマスからカルボン酸アンモニウム塩を含む発酵培養液を生産するように動作可能な一つの又はより多くの発酵槽；
アミンのカルボン酸塩を生産するために、高分子量のアミンと該カルボン酸アンモニウム塩を反応させるように動作可能な反応器；及び
カルボン酸を生産するために、該アミンのカルボン酸塩を熱分解させるように動作可能な反応性の蒸留塔；
：を含む、システムにおいて、
該発酵槽は、炭酸アンモニウム及び重炭酸アンモニウムからなる群より選択された緩衝剤を含有する、システム。
前記一つの又はより多くの発酵槽は、複数の向流式の発酵槽を含む、請求項１４に記載のシステム。
前記高分子量のアミンと前記カルボン酸アンモニウム塩を反応させることに先立ち、前記カルボン酸アンモニウム塩を濃縮するように動作可能な脱水するシステムをさらに含む、請求項１４に記載のシステム。
前記緩衝剤を生産するために、前記反応器において放出された水及びアンモニアと二酸化炭素を反応させるように動作可能な充填されたカラムをさらに含む、請求項１４に記載のシステム。
前記発酵槽は、酸を形成する微生物の混合させられた培養物を含有する、請求項１４に記載のシステム。
前記微生物は、高い塩の環境に適合させられたものである、請求項１４に記載のシステム。
前記微生物は、接種物を原産とするものである、請求項１４に記載のシステム。
前記微生物は、土壌又は家畜の第一胃を原産とするものである、請求項１４に記載のシステム。
前記発酵槽によって生産された前記発酵培養液を脱浮渣するように動作可能な脱浮渣するシステムをさらに含む、請求項１４に記載のシステム。
前記発酵槽は、約６．５と約７．５との間におけるｐＨに維持されたものである、請求項１４に記載のシステム。
前記発酵槽は、メタン阻害剤を含有する、請求項１４に記載のシステム。
前記メタン阻害剤は、ヨードホルム、ブロモホルム、又はブロモエタンスルホン酸である、請求項２４に記載のシステム。
前記高分子量のアミンは、トリオクチルアミン又はトリエタノールアミンを含む、請求項１４に記載のシステム。
カルボン酸へバイオマスを転換する方法であって、
カルボン酸アンモニウム塩を含む発酵培養液を生産するために、一つの又はより多くの発酵槽におけるバイオマスを発酵させること；
低分子量のアミンのカルボン酸塩を生産するために、低分子量のアミンと該カルボン酸アンモニウム塩を反応させること；
高分子量のアミンのカルボン酸塩を形成するために、高分子量のアミンと該低分子量のアミンのカルボン酸塩における該低分子量のアミンを切り替えること；及び
カルボン酸を生産するために、該高分子量のアミンのカルボン酸塩を熱分解させること；
を含む、方法において、
該発酵槽は、炭酸アンモニウム及び重炭酸アンモニウムからなる群より選択された緩衝剤を含有する、方法。
前記一つの又はより多くの発酵槽は、複数の向流式の発酵槽を含む、請求項２７に記載の方法。
前記低分子量のアミンとの前記カルボン酸アンモニウム塩の反応の間に放出された水及びアンモニアと二酸化炭素を反応させることによって前記緩衝剤を生産することをさらに含む、請求項２７に記載の方法。
前記低分子量のアミンと前記カルボン酸アンモニウム塩を反応させることに先立ち、前記カルボン酸アンモニウム塩を濃縮するために、前記発酵培養液を濃縮することをさらに含む、請求項２７に記載の方法。
前記発酵培養液を脱浮渣することをさらに含む、請求項２７に記載の方法。
前記発酵槽は、酸を形成する微生物の混合させられた培養物を含有する、請求項２７に記載の方法。
前記微生物は、高い塩の環境に適合させられる、請求項３２に記載の方法。
前記微生物は、接種物を原産とするものである、請求項３２に記載の方法。
前記微生物は、土壌又は家畜の第一胃を原産とするものである、請求項３２に記載の方法。
約６．５と約７．５との間におけるｐＨに前記発酵槽を維持することをさらに含む、請求項２７に記載の方法。
前記発酵槽は、メタン阻害剤を含有する、請求項２７に記載の方法。
前記メタン阻害剤は、ヨードホルム、ブロモホルム、又はブロモエタンスルホン酸である、請求項３７に記載の方法。
前記高分子量のアミンは、トリオクチルアミン又はトリエタノールアミンを含む、請求項２７に記載の方法。
前記低分子量のアミンは、第三級アミンである、請求項２７に記載の方法。
前記低分子量のアミンは、水に可溶なものである、請求項２７に記載の方法。
前記低分子量のアミンは、約１００℃より上の標準状態の沸点を有する、請求項２７に記載の方法。
前記低分子量のアミンは、トリエチルアミン、メチルジエチルアミン、ジメチルエタノールアミン、又はエタノールアミンである、請求項２７に記載の方法。
カルボン酸へバイオマスを転換するシステムであって、
バイオマスからカルボン酸アンモニウム塩を含む発酵培養液を生産するように動作可能な一つの又はより多くの発酵槽；
低分子量のアミンのカルボン酸塩を生産するために、低分子量のアミンと該カルボン酸アンモニウム塩を反応させるように動作可能な蒸留塔；
高分子量のアミンのカルボン酸塩を生産するために、高分子量のアミンと該低分子量のアミンのカルボン酸塩における該低分子量のアミンを切り替えるように動作可能な蒸留塔；及び
カルボン酸を生産するために、該高分子量のアミンのカルボン酸塩を熱分解させるように動作可能な反応性の蒸留塔；
：を含む、システムにおいて、
該発酵槽は、炭酸アンモニウム及び重炭酸アンモニウムからなる群より選択された緩衝剤を含有する、システム。
前記一つの又はより多くの発酵槽は、複数の向流式の発酵槽を含む、請求項４４に記載のシステム。
前記発酵槽によって生産された前記発酵培養液を脱浮渣するように動作可能な脱浮渣するシステムをさらに含む、請求項４４に記載のシステム。
前記低分子量のアミンと前記カルボン酸アンモニウム塩を反応させることに先立ち、前記カルボン酸アンモニウム塩を濃縮するように動作可能な脱水するシステムをさらに含む、請求項４４に記載のシステム。
前記緩衝剤を生産するために、前記反応器において放出された水及びアンモニアと二酸化炭素を反応させるように動作可能な充填されたカラムをさらに含む、請求項４４に記載のシステム。
前記発酵槽は、酸を形成する微生物の混合させられた培養物を含有する、請求項４４に記載のシステム。
前記微生物は、高い塩の環境に適合させられたものである、請求項４４に記載のシステム。
前記微生物は、接種物を原産とするものである、請求項４４に記載のシステム。
前記微生物は、土壌又は家畜の第一胃を原産とするものである、請求項４４に記載のシステム。
前記発酵槽は、約６．５と約７．５との間におけるｐＨに維持されたものである、請求項４４に記載のシステム。
前記発酵槽は、メタン阻害剤を含有する、請求項４４に記載のシステム。
前記メタン阻害剤は、ヨードホルム、ブロモホルム、又はブロモエタンスルホン酸である、請求項５４に記載の方法。
前記高分子量のアミンは、トリオクチルアミン又はトリエタノールアミンを含む、請求項４４に記載のシステム。
前記低分子量のアミンは、第三級アミンである、請求項４４に記載のシステム。
前記低分子量のアミンは、水に可溶なものである、請求項４４に記載のシステム。
前記低分子量のアミンは、約１００℃より上の標準状態の沸点を有する、請求項４４に記載のシステム。
前記低分子量のアミンは、トリエチルアミン、メチルジエチルアミン、ジメチルエタノールアミン、又はエタノールアミンである、請求項４４に記載のシステム。
アルコール類へバイオマスを転換する方法であって、
カルボン酸アンモニウム塩を含む発酵培養液を生産するために、一つの又はより多くの発酵槽におけるバイオマスを発酵させること；
高分子量のエステルを生産するために、高分子量のアルコール類と該カルボン酸アンモニウム塩を反応させること；及び
アルコール類を生産するために、該高分子量のエステルを水素化すること；
：を含む、方法において、
該発酵槽は、炭酸アンモニウム及び重炭酸アンモニウムからなる群より選択された緩衝剤を含有する、方法。
前記一つの又はより多くの発酵槽は、複数の向流式の発酵槽を含む、請求項６１に記載の方法。
低分子量のアルコール類及び高分子量のアルコール類へと前記アルコール類を分離することをさらに含む、請求項６１に記載の方法。
前記高分子量のアルコール類は、少なくとも四つの炭素を含む、請求項６２に記載の方法。
前記発酵槽は、酸を形成する微生物の混合させられた培養物を含有する、請求項６１に記載の方法。
前記微生物は、高い塩の環境に適合させられる、請求項６５に記載の方法。
前記微生物は、接種物を原産とするものである、請求項６５に記載の方法。
前記微生物は、土壌又は家畜の第一胃を原産とするものである、請求項６５に記載の方法。
前記高分子量のアルコール類との前記カルボン酸アンモニウム塩の反応の間に放出された水及びアンモニアと二酸化炭素を反応させることによって前記緩衝剤を生産することをさらに含む、請求項６１に記載の方法。
前記高分子量のアルコール類と前記カルボン酸アンモニウム塩を反応させることに先立ち、前記カルボン酸アンモニウム塩を濃縮するために、前記発酵培養液を濃縮することをさらに含む、請求項６１に記載の方法。
前記発酵培養液を脱浮渣することをさらに含む、請求項６１に記載の方法。
約６．５と約７．５との間におけるｐＨに前記発酵槽を維持することをさらに含む、請求項６１に記載の方法。
前記発酵槽は、メタン阻害剤を含有する、請求項６１に記載の方法。
前記メタン阻害剤は、ヨードホルム、ブロモホルム、又はブロモエタンスルホン酸である、請求項７３に記載の方法。
アルコール類を生産するために前記高分子量のエステルを水素化することは、触媒を利用することを含む、請求項６１に記載のシステム。
前記触媒は、ラネーニッケル、白金、又はパラジウムである、請求項７５に記載のシステム。
アルコール類へバイオマスを転換するシステムであって、
バイオマスからカルボン酸アンモニウム塩を含む発酵培養液を生産するように動作可能な一つの又はより多くの発酵槽；
高分子量のエステルを生産するために、高分子量のアルコール類と該カルボン酸アンモニウム塩を反応させるように動作可能な反応性の蒸留塔；及び
アルコール類を生産するために、該高分子量のエステルを水素化するように動作可能な水素化の反応器；
：を含む、システムにおいて、
該発酵槽は、炭酸アンモニウム及び重炭酸アンモニウムからなる群より選択された緩衝剤を含有する、システム。
前記一つの又はより多くの発酵槽は、複数の向流式の発酵槽を含む、請求項７７に記載のシステム。
低分子量のアルコール類及び高分子量のアルコール類へと前記アルコール類を分離するように動作可能な蒸留塔をさらに含む、請求項７７に記載のシステム。
前記高分子量のアルコール類と前記カルボン酸アンモニウム塩を反応させることに先立ち、前記カルボン酸アンモニウム塩を濃縮するように動作可能な脱水するシステムをさらに含む、請求項７７に記載のシステム。
前記緩衝剤を生産するために、前記反応性の蒸留塔において放出された水及びアンモニアと二酸化炭素を反応させるように動作可能な充填されたカラムをさらに含む、請求項７７に記載のシステム。
前記発酵槽は、酸を形成する微生物の混合させられた培養物を含有する、請求項７７に記載のシステム。
前記微生物は、高い塩の環境に適合させられたものである、請求項７７に記載のシステム。
前記微生物は、接種物を原産とするものである、請求項７７に記載のシステム。
前記微生物は、土壌又は家畜の第一胃を原産とするものである、請求項７７に記載のシステム。
前記発酵槽によって生産された前記発酵培養液を脱浮渣するように動作可能な脱浮渣するシステムをさらに含む、請求項７７に記載のシステム。
前記発酵槽は、約６．５と約７．５との間におけるｐＨに維持されたものである、請求項７７に記載のシステム。
前記発酵槽は、メタン阻害剤を含有する、請求項７７に記載のシステム。
前記メタン阻害剤は、ヨードホルム、ブロモホルム、又はブロモエタンスルホン酸である、請求項８８に記載の方法。
前記高分子量のアルコール類は、少なくとも四つの炭素を含む、請求項７７に記載のシステム。
前記水素化の反応器は、触媒を用いるものである、請求項７７に記載のシステム。
前記触媒は、ラネーニッケル、白金、又はパラジウムである、請求項９１に記載のシステム。