JP2011524932A

JP2011524932A - 藻類からバイオディーゼルを抽出する方法及び装置

Info

Publication number: JP2011524932A
Application number: JP2011514509A
Authority: JP
Inventors: パレス，アントニオホセデヘススデサンフアンボスコエチェバリア
Original assignee: パレス，アントニオホセデヘススデサンフアンボスコエチェバリア
Priority date: 2008-06-18
Filing date: 2008-09-08
Publication date: 2011-09-08
Also published as: MX2008007914A; AP2011005891A0; CR11853A; EP2302019A1; EG26617A; ECSP10010715A; MY179908A; US8859270B2; CN102119206A; US20110189741A1; WO2009154437A1; MA32469B1; EP2302019A4; CO6280547A2; CL2010001440A1; CA2727989A1; AU2008358121A1; JP2014040611A; BRPI0822459A2; EP2302019B1

Abstract

本発明は、バイオディーゼルを得るための、藻類の培養、脂質の抽出及び脂質のエステル交換のシステムに関する。本システムは、３つのセクション、すなわち培養、抽出及び貯蔵、並びに反応を含む。脂質抽出エリアには、藻の外壁が油嚢の外壁と共に破裂して脂質の抽出が可能になる超音波リアクターがあり、エステル交換エリアにもまた、リアクターを通過する流体の分子を破裂させて、反応を加速させほぼ即時の反応にする超音波リアクターがある。
【選択図】図１

Description

本発明は、藻類の培養の段階からプロセスが始まり、続いて藻脂質の抽出、及び最終産物の抽出プロセスにおいて脂質の変換が行われる、藻類からのディーゼル抽出に関する。

ポスト石油経済に近づいていくにつれ、混在する未来の新たなエネルギーは近い将来ますます多くなる。

これらのエネルギーに更に加えられる一要素は藻類から生成される油であるが、これは他の資源とは異なり最大で６０重量％の油を含有する。

藻は、増殖するのに、水、栄養素及び太陽等のほんのわずかな要素しか必要とせず、池又は閉回路で生成され、莫大な量の油を生成する能力がある。

米国特許出願第２００８０８６９３９号は、光で効率が改善された、藻類の増殖のためのシステム及び方法について言及している。このシステムは、培地で藻類の細胞を増殖させるためのダクトで形成されたリアクターを含んでいる。次にシステムは、藻細胞が太陽エネルギーを化学エネルギーに効率的に変換するように、デフォルト速度まで、管路を通じて培地を移動させる方法を提供しており、複数のバリアが流体流中に配置されていた。これらのバリアは、中央にカルマン渦を作り出すデフォルト距離で隔てられている。その結果、藻類は流体表面に流れ、一定の時間間隔で太陽エネルギーを受ける。このシステムはオープンであり、培地を移動させるために翼板の輪を企図する。

米国特許出願第２００８０８６９３９号は、光で効率が改善された、藻類の増殖のためのシステム及び方法について言及している。このシステムは、培地で藻類の細胞を増殖させるためのダクトで形成されたリアクターを含んでいる。次にこのシステムは、藻細胞が太陽エネルギーを化学エネルギーに効率的に変換するように、デフォルト速度まで、管路を通じて培地を移動させる方法を提供しており、複数のバリアが流体流中に配置されていた。これらのバリアは、中央にカルマン渦を作り出すデフォルト距離で隔てられている。その結果、藻類は流体表面に流れ、一定の時間間隔で太陽エネルギーを受ける。このシステムはオープンであり、培地を移動させるために翼板の輪を企図する。

米国特許出願第２００８０８６９３８号は、藻類の増殖のための汚染物質の流れからバイオ燃料を生成するシステム及び方法について言及しているが、これはここに出願されている本発明とは全く異なっている。

米国特許出願第２００８０９０２８４号は、藻類を加工してバイオ燃料を得るシステムについて言及している。この文献は、本発明に記載の方法とは全く異なる方法を言及したものである。

国際公開第２００８０４８８６１号パンフレットの文献は、油含有量の高い藻類を生成するシステム及び方法について言及している。先のシステム同様このシステムも、オープンシステムであるという主な違いがある。

国際公開第２００８０６０５７１号パンフレットの文献は、微細藻類及び植物からバイオ燃料を生産及び精製するための方法並びに組成物について言及している。この方法は、油含有量の高いいくつかの品種の藻類を含んでいる。この文献は、大きさが５００ナノメートルより小さいナノ炭素材料粒子を用いる本発明とは異なる。

米国特許第３９５５３１７号は、透明なプラスチックの管状構造体の中で植物を生育するためのシステムであり、その構造体では藻類は栄養素を含んでおり二酸化炭素流がその中を通る。この発明は食物の生産を焦点としており、水平構造体である。

仏国特許出願公開第２０９０７３１１号は、藻類が浮遊式管状システム内に存在し、水又は海のシステム上に浮遊する手段を有する、藻類の培養のシステムについて言及している。このシステムは、暗領域及び明領域を提供する。この発明もまた本発明に近いものではない。

米国特許第７１３５３０８号は、藻類からのエタノール取得プロセスの方法に関するが、これは本発明とは全く異なる。

米国特許出願第２００７００４８８４８号は、藻類を増殖させるクローズドシステムに関するが、このシステムは、藻類の温度を調節するための熱バリアを含む多層を有するバッグを含む。その上このシステムは、システム内で流体を移動させるいくつかの機構を含んでおり、温度を調節するための手段を提供している。

増殖及び抽出セクションのプロセスフローの簡略図である。増殖リアクター（２）の透視図であり、下部水平セクション（７）のジャケットの場所を示している。増殖リアクター上面図であり、上部セクション（３）に対する、下部水平セクション（４）の傾き又は位置ずれが理解される。ジャケットで覆った底部又は下部セクション（７）もまた理解される。バイオディーゼル生産プロセスセクションのプロセスフローの簡略図である。グリセリン精製セクションのプロセスフローの簡略図である。

本発明は、バイオディーゼルを得るための、藻類の増殖、脂質抽出及び脂質のエステル交換のシステムに関する。このシステムは、増殖、抽出及び保存、並びに反応の３つのセクションを含む。

増殖セクションは、混合タンク（１）、３次元の連続管状構造体からなる増殖リアクター（２）（クローズドシステム）からなり、（２）は、水平の上部（３）及び下部（４）セクション並びに垂直のセクション（５）からなる透明な管状フレームを含み、フレームは、各セクションで、９０度のエルボ（６）で結合しており、各フレームの底部において、エルボの１つは、次のフレームに続くことが可能となるように垂直面に対してずれており、垂直セクションのみと平行であり、水平セクションとは平行ではない。水平下部セクションは、藻類の増殖に好適な間隔に培地の温度を保つために、水が供給される不透明なジャケット（７）で覆われている。エルボ及びフレーム下部は不透明であるため、藻類が影になる期間が生じ、増殖が促進される。用いる材料は、プラスチック、ガラス、又はいずれかの透明且つ耐久性のある材料であってもよい。システムは、培地を移動させるためのポンプダイアフラム（８）、及び増殖リアクター（２）の底部に置かれた、培地密度及び培地を通過する光を測定する２つのセンサー（１０）を用いて藻の採取時期を決定するバイオマス検出システム（９）を有する。

生産を制御するため、システムにはプロセス制御システム又は分散制御システム（ＤＣＳ）によって操作されるいくつかのセンサーがあり、これらのシステムでは、一連のセンサーがポンプ又はバルブに作用し、栄養素が供給されるか、又はクローズドシステムからの気体又は藻類の排出が可能になる。

管の長さ及び直径は、増殖リアクターの生産能力に直接依存している。

システムは、藻類を増殖させる手段を有しているが、この手段は藻類と過剰な栄養素を分離する遠心機（１１）を備える。藻類は、一連の超音波エミッター（１３）によりオンラインで作動するリアクター（１２）である、脂質抽出システムに送られる。エミッターの数及びリアクターの長さは、処理する藻類の量及び種類によって決まる。リアクター内で藻類が超音波にさらされる領域（１４）は、処理にかけられる際の藻類の温度を下げるため、ジャケットで覆ってもよい。続いて、抽出された脂質は、圧縮による抽出設備又はアルコールとの混合を介した取得設備でありうる二次抽出設備（１５）、及び１つの蒸発器（１６）に送られ、次に、過剰な水を除去する遠心機（１７）に送られ、更に貯蔵タンク（１８）に送られるが、そこからバイオディーゼル生産のためのデイリータンクへと送られる。

処理システムでは、油を、オンライン加熱器（２０）、その次にプロセスリアクター（２３）に運ぶためのポンプ設備（１９）が用いられている。処理システムは静的ミキサー（２１）も有し、ミキサーの最初の部分には流入ポート（２２）があって、乱流を発生させて油と触媒タンク（２５）からの触媒とをよりよく混合させる。

反応設備は、２つのデイリータンク（２４）及び２つの触媒タンク（２５）からなる。不定量であるタンクの数は工場の容量によって決まる。反応設備（２３）はいくつかのオンライン超音波エミッター（２６）を有する。リアクターの形状は管状が好ましい。２つの貯蔵タンク（待機期間）（２７）、及びグリセロール（２８）からバイオディーゼルを分離するための遠心機（２８）がある。

得られたバイオディーゼルは精製のため陽イオン交換高分子を含むフィルターバッテリー（２９）に送られ、グリセロールは二次処理用システムに送られる。

遠心機から得たグリセロールを処理するため、グリセロールを熱交換器（３０）に通し、蒸留によって余分なメタノールを除去する。二次システムは、プロセスタンク（３１）、及びグリセロールから汚染物質を捕捉するための加圧濾過機（３２）を有する。システムは、電極、並びにグリセロールの塩を除去するために交互に配置された一連のアニオン性膜及びカチオン性膜を備える電気透析設備（３３）も有する。

技術水準の教示により、植物及びその他の生物（バイオディーゼル）からディーゼルを得る機会が数多くあることが立証されており、プロセスは、油の抽出、水酸化ナトリウム又は水酸化カリウムと混合したメタノールとの反応（エステル交換）、石けん及び他の不純物を除去するための水による洗浄、に要約することができる。バイオディーゼル生産の問題の１つは、結果が得られる速度、つまり、エネルギー消費がより多く生産時間が長い、ということである。この問題を解決するため、本明細書にて提案するシステムは、数ある革新的な考えの中でも、超音波エミッターを用いて藻類の中の油を含有する嚢を破壊する抽出システムを有しており、抽出速度を上げ、エネルギーの使用を低減させている。このプロセスの別の貢献には、超音波を用いてエステル交換反応を加速させ、反応時間を８時間から１時間未満に低減させ、そうして９８パーセント超の最大反応効率に達することが含まれる。生産プロセスは、バイオリアクターを水、栄養素及びＣＯ２で充填することから始まり、続いて藻類を混合物（１）中にまき（５００リットルのバイオマス）、培地に必要な栄養素を調節する。ポンピングは混合タンク（１）から始まり、バイオリアクター（２）内での再循環が始まる。必要に応じ、分散制御システムは、バイオリアクター冷却ジャケット（７）に向けての温水又は冷水のポンピングを開始し、培地の温度を２０〜４０℃の範囲に調節する。藻類は、ネオクロリス・オレオアブンダンス、クロレラ・ブルガリス、ドナリエラ・ビオクラータ、ボツリオコッカス・バウニー（ＢｏｔｒｙｏｃｏｃｃｕｓＢａｕｎｉｉ）等であってもよいが、記載されたプロセス用の藻類を制限するものではない。

再循環速度、滞留時間及び増殖速度は、採取の時期を決める特性である密度や光吸収度だけでなく、藻類の種類によっても変わる。

藻類を混合タンク内に再流入又は投入するために、光吸収度及び培地密度で調節された三方弁（図示せず）がある。変数が既定のパラメーター（全ての藻個々によって変わる）に達すると、三方弁によって、余分な水をバイオマスから分離する遠心機（１１）に流れが向けられる。大量の栄養素を含むことを考慮して、余分な水は混合タンク（１）に戻され、バイオマスは脂質抽出セクションに送られる。

生産を制御するため、本発明は、本発明のプロセス制御システムによって操作されるいくつかのセンサーを有しているが、これらのセンサーはポンプ又はバルブに作用し、栄養素が供給されるか、又はクローズドシステムからの気体又は藻類の排出が可能になる。

これらのセンサーには以下のものがある。
溶存酸素センサー
漏出酸素センサー
ＣＯ_２センサー
温度センサー
ｐＨセンサー
光センサー
伝導度センサー
密度計

システムに供給されるＣＯ_２の量は、常に、生産される藻類の重量の少なくとも２倍となるが、これは、藻類の５０％が石炭であり二酸化炭素が２５％石炭であるためである。

供給される栄養素は、全ての藻に関して３０％未満の範囲で変動するが、金属及びビタミンは変動することはない。

指標となる、栄養素の最初の範囲は以下の通りである。
Ｎａ１５．５％
ＣＡ８．１％
Ｍｇ１．３％
Ｐ１９．１％
Ｎ５６％
Ｆｅ０．６５ｍｇｌ^−１
Ｍｎ０．０５ｍｇｌ^−１
Ｃｕ２．５μｇ
Ｚｎ５μｇ
Ｃｏ２．５μｇ
Ｍｏ２．５μｇ
チアミン０．１ｍｇｌ^−１
ビオチン０．５μｇ／ｌ
Ｂ１２０．５μｇ／ｌ

温度範囲は、２０〜４０℃、好ましくは２５〜２８℃に維持される。

ｐＨは、炭酸ナトリウム、水酸化ナトリウム等のいくつかの塩基の注入により、８．２〜８．７の範囲に保たれる。

藻類の種類に応じて、密度計及び露出計が、生産された藻類の採取時期を示す。

抽出プロセスは、音波エミッター（１３）を含む抽出設備（１２）を通してバイオマスをポンピングすることから始まり、バイオマスは、２０ＫＨｚで１６０００Ｗのエネルギーで作動する音波エミッション設備をオンラインで次から次へと流れていく。エミッター（１３）の数、容量、及びリアクターの直径はバイオマス供給によって変わり、抽出設備での滞留時間が１〜２分の時間に維持されている。音波エネルギーは藻の外壁及び藻油嚢の内壁に作用して微細な内破及び外破を生じさせ、最終的には藻及び嚢の壁を破壊する。加えて、藻の内側に残った油を抽出するために別のプロセスを用いてもよい。この追加のプロセスは、すでに周知である、圧縮（１５）又は後で蒸発させるためのアルコールによる捕捉（１６）のいずれかであってもよい。生成物は最終的に遠心機（１７）に送られて分離され、管路でプロセス貯蔵タンク（２４）に送られる。

抽出された油は以下の表に従って特徴付けられる。

藻類が超音波にさらされる領域は、処理にかけられる藻類の温度を下げるためにジャケット（１４）で覆われていてもよい。

エステル交換プロセスは、貯蔵タンク（１８）からデイリータンク（２４）へと油をポンピングすることから始まり（藻油の特徴付けはすでに添付してあるが、実際はいずれの種類の野菜油も本プロセスで用いることができる）、転換での処理に必要な量の油でデイリータンクを充填し、オンライン加熱器（２０）へのメタノールのポンピングを開始する。

触媒タンク（２５）に、油タンク（２４）に対して最大で２０体積％の油を処理するために必要な量のメタノールを充填し、粒状水酸化カリウム５％を加える。水酸化カリウムが９９％濃度である場合、完全な水酸化カリウムのメタノール溶液が得られるまで混合する。

１分あたり１２０ガロンの速度でオンライン加熱器（２０）に油が送り込まれると、油の温度が上昇し５０℃にて処理される。この速度は工場の容量に応じて変わる。

同時に、ポンピングされた油の２０％の割合で、静的ミキサー（２１）への触媒のポンピングが始まり、触媒と油が静的ミキサー混合ポート（２２）内で混合を始める。

生成物は超音波処理設備（２６）のバッテリーの中に送り込まれるが、エミッター（２６）の数、容量、及びプロセスリアクター（２３）の直径は生成物の供給速度によって決まり、この設備で油分子が分解されて、静的ミキサーポート（２２）で始まった反応が加速し、生産ラインを通過中に反応が達成されることになる。必要とされる超音波設備（２６）の数は、望まれる生産量に直接依存する。

１００％の反応を確保するため、４時間の生産を維持するために必要な容量を有する２つの反応タンク（２７）が設置され、第１のタンクの充填が終了すると第２のタンクの充填が始まり、第１のタンクの生成物は、グリセロールからバイオディーゼルを分離する遠心機（２８）に速やかに送られる。

バイオディーゼルは、水素イオンの形態の酸性陽イオン交換高分子を有するフィルターバッテリー（２９）に送られ、これにより含有不純物が取り除かれて最終生成物が得られ、次いでそれを保存する。

グリセロールは熱交換器（３０）に送られ、蒸発によってメタノールが抽出される。続いてグリセロールは活性炭存在下のプロセスタンク（３１）に送られ、油、色素、匂い等が吸収又は除去される。生じた生成物はフィルタープレス（３２）に送られ、全ての汚染物質が捕捉される。

次の工程として、グリセロールは、電極並びに交互に配置された一連のアニオン性膜及びカチオン性膜を備える電気透析プロセス（３３）に送られ、続いてこのプロセスが、塩化物、硫酸塩等の塩をアノードに送ることによって電流とグリセロールの通路で作用し、ナトリウムとして正に荷電した種がカソードに向かって移動し、こうしてグリセロールの塩の除去が可能になる。

全プロセスから生じる唯一の副産物は、フィルタープレスから生じるデブリ塊、及び電気透析プロセスから生じるブラインである。この塊は燃料特性を有するため、乾燥させて人工薪の形に成形し調味エキスと混ぜることで別の種類の生成物を作り出すことができる。

本発明のバイオディーゼルＢ１００生成物に適合するＡＳＴＭ法規格は以下の通りである：ＡＳＴＭＤ６７５１−０２要件

同様に、欧州規格ＥＮ１４２１４も満たす

Claims

藻類からディーゼルを得るためのシステムであって、一次混合設備、クローズド管状バイオリアクター、遠心機、抽出設備、二次抽出設備、第２の遠心設備、貯蔵タンク、触媒反応タンク、一時滞留タンク、第３の遠心機及び濾過を備え、前記抽出設備が、超音波を発生させて藻の壁を破壊する種々のエネルギーエミッターが配置された連続管である、システム。
前記二次抽出プロセスが、油を抽出するための圧縮設備を備える、請求項１に記載のシステム。
前記二次抽出プロセスが、アルコールによる抽出設備を備える、請求項１に記載のシステム。
前記反応設備が、油加熱用設備、油と触媒を混合するための静的ミキサー、超音波を発生させて油成分分子を分解する種々のエネルギーエミッターが配置された連続管路を備える、請求項１〜３のいずれか一項に記載のバイオディーゼルを得るためのシステム。
前記バイオリアクターが、下部セクションにおいて相互接続しダイアフラムポンプにより供給される透明な管状フレームのシステムを備える、請求項１〜４のいずれか一項に記載のバイオディーゼルを得るためのシステム。
管状フレームが下部セクションにおいてジャケットで覆われている、請求項６に記載のディーゼルを得るためのシステム。
超音波抽出設備がジャケットで覆われている、請求項１〜６のいずれか一項に記載のディーゼルを得るためのシステム。
藻類からバイオディーゼルを得るための方法であって、藻類が一次混合タンク内にまかれ、藻類の増殖のための栄養素が加えられ、エネルギー流が管状フレームを備えるバイオリアクターを通過し、フレームの下部セクションがジャケットで覆われて不透明であり、前記エネルギー流は、光吸収度及び密度によって決まる稠度が得られるまで、貯蔵タンクに向かって再循環し、エネルギー流が吸収度及び密度の特定の条件に達すると、三方弁を通って遠心機に向けられて余分な水が除去され、続いて一時貯蔵タンクに送られ、そこから、エネルギーが１６０００Ｗ〜２０ｋＨｚの出力領域で超音波エミッターを通過する連続管路を含む脂質抽出システムに供給されることになり、超音波を当てると藻の内壁及び外壁並びに油嚢が破壊され、圧縮プロセスを用いるその後の抽出が可能となり、得られた油は、遠心機に送られ、その後、バイオディーゼル貯蔵プロセスタンクに送られ、更に油が、加熱器、続いて静的ミキサーに送られ、そこで触媒と混合され、混合物がリアクターに送られ、そこで１６０００Ｗ〜２０ｋＨｚのエネルギーが加えられて反応速度が加速し、得られた生成物が遠心機、続いて濾過タンク及び生成物貯蔵タンクに送られる、方法。
脂質抽出が、アルコールとの混合及びそれに続く蒸発により行われる、請求項８に記載の藻類からバイオディーゼルを得るための方法。
バイオリアクター内の温度が２０〜４０℃の範囲に維持される、請求項８に記載の藻類からバイオディーゼルを得るための方法。
脂質抽出が、８．２〜８．７の範囲にｐＨを制御して行われる、請求項８に記載の藻類からバイオディーゼルを得るための方法。