JP2012533555A - ブタノール、水および有機抽出剤の混合物からのブタノール回収 - Google Patents

Abstract

水不混和性有機抽出剤、水、ブタノール、および場合によっては非凝縮性ガスを含んでなる混合物からブタノールを回収する方法を提供する。ブタノールは、１−ブタノール、イソブタノール、およびそれらの混合物から選択される。第一の蒸留塔からのオーバーヘッド流を、２液相にデカントする。湿性ブタノール相を、還流しながら第一の蒸留塔に戻す。第一の蒸留塔からの底部流を第二の蒸留塔内で精製して、ブタノールを含んでなる第二のオーバーヘッド流および抽出剤を含んでなる第二の底部流を得る。抽出剤は、Ｃ_７〜Ｃ_２２の脂肪族アルコール類、Ｃ_７〜Ｃ_２２の脂肪酸類、Ｃ_７〜Ｃ_２２の脂肪酸エステル類、Ｃ_７〜Ｃ_２２の脂肪族アルデヒド類、およびそれらの混合物よりなる群から選択される少なくとも１つの溶媒を含んでなる。

Description

関連出願の相互参照
本出願は、全体が参照により本明細書に援用されている２００９年７月１５日出願の米国仮特許出願第６１／２２５，６５９号に対する優先権を請求する。

抽出発酵法から得られたブタノール含有有機相からブタノールを回収する方法、特に、ブタノール、水、水不溶性有機抽出剤、任意に、非凝縮性気体を含んでなる混合物からブタノールを分離する方法が提供される。

ブタノールは、燃料添加物として、ジーゼル燃料に対する混合成分として、プラスチック工業における原料化学物質として、また、食品および調味料工業における食品用抽出剤としてなど、様々に応用される重要な工業用化学物質である。毎年、１００〜１２０億ポンドのブタノールが石油化学的手段によって生産されている。ブタノール需要の増加が予想されるため、トウモロコシ、サトウキビ、またはセルロース飼料などの再生資源から、発酵により、ブタノールを生産することに対する関心が高まっている。

ブタノールを生産する発酵法において、インサイチュ産物除去は、発酵ブロス中のブタノール濃度を制御することにより、微生物のブタノール阻害を有利に減少させ、発酵速度を向上させる。インサイチュ産物除去に関する技術には、ストリッピング、吸着、浸透気化法、膜溶媒抽出、および液−液抽出が含まれる。液−液抽出においては、抽出剤を発酵ブロスと接触させて、発酵ブロスと抽出剤相との間でブタノールを分離する。ブタノールと抽出剤は、分離法により、例えば、蒸留により回収される。回収工程において、ブタノールはまた、抽出剤の使用によって発酵ブロスから除去されたと考えられる任意の水、非凝縮性気体、および／または発酵副産物から分離することもできる。

発酵ブロスからインサイチュ産物除去によって得られたブタノール含有抽出剤相からブタノールを回収する方法が求められている。実質的に水および抽出剤を含まないブタノールを回収する経済的な方法が求められている。また、エネルギー効率が高く、ほとんど着色のない高純度のブタノール産物を提供する分離方法が望まれている。装置の汚損や操作停止を繰り返すことなく、長期間操作できるブタノール回収法も求められている。

本発明は、水不溶性有機抽出剤、水、ブタノール、および場合によっては、非凝縮性気体を含んでなるフィードから、１−ブタノール、イソブタノール、およびそれらの混合物よりなる群から選択されるブタノールを分離する方法を提供する。

一態様において、本発明は以下のステップを含んでなる方法である：
ａ）
（ｉ）水不溶性有機抽出剤、
（ｉｉ）水、
（ｉｉｉ）少なくとも１つのブタノール異性体、および
（ｉｖ）場合によっては非凝縮性気体
を含んでなる供給物を、第一の蒸留塔内へ導入するステップであって、第一の蒸留塔は、ストリッピング区画、および任意にストリッピング区画上方の導入箇所における精留区画を含んでなり、第一の蒸留塔は、ストリッピング区画における所定の箇所で操作温度Ｔ_１および操作圧力Ｐ_１を有し、Ｔ_１およびＰ_１は、第一の底部流と第一のオーバーヘッド蒸気流とを生じさせるように選択され、第一の底部流は、水不溶性有機抽出剤と水を含んでなり、実質的にブタノールを含まず、第一の塔頂蒸気流は、水、ブタノールおよび場合によっては、非凝縮性気体を含んでなるステップ；
ｂ）第一のオーバーヘッド蒸気流を凝縮して、気相を生じさせ、第一の混合凝縮物を回収するステップであって、第一の混合凝縮物が、
（ｉ）ブタノール、約３０質量％未満の水を含んでなるブタノール相；および
（ｉｉ）水および約１０質量％未満のブタノールを含んでなる水相
を含んでなるステップ；
ｃ）水相の少なくとも一部を、第一の蒸留塔に導入するステップ；
ｄ）ブタノール相の一部を、少なくとも一つのストリッピング区画を有する第二の蒸留塔内に導入するステップ；
ｅ）第一の底部流の第一の部分を、少なくとも一つのストリッピング区画および任意に一つの精留区画を有する第二の蒸留塔内に導入し、抽出剤を含んでなり、実質的にブタノールを含まない第二の底部流、およびブタノールを含んでなる第２のオーバーヘッド蒸気流を生じさせるために、第二の蒸留塔を操作するステップ。
ここでの抽出剤は、水よりもブタノールを優先的に溶解し、蒸留によってブタノールから分離できる。

本発明の方法を実施するために有用なシステムの一実施形態を示している。 本発明の方法のモデリングに用いられた工程の略図を示している。

出願者は、本開示において、引用された全ての参考文献の内容全体を具体的に援用している。また、量、濃度、または他の値またはパラメーターが範囲、好ましい範囲、または好ましい上値および好ましい下値として挙げられている場合、それらの範囲が別個に開示されているかどうかに関わらず、任意の上限値または好ましい値と任意の下限値または好ましい値との対から形成される全ての範囲を具体的に開示しているものとして理解すべきである。本明細書で数値の範囲が挙げられている場合、別に記述しない限り、その範囲は、その端点、ならびにその範囲内の全ての整数および小数を含むものとする。範囲を定義している場合、本発明の範囲を挙げられた特定の値に限定することは意図されていない。

定義
本開示には、以下の定義を用いる。
本明細書に用いられる「ブタノール」は、特に、ブタノール異性体である１−ブタノール（１−ＢｕＯＨ）および／またはイソブタノール（ｉＢｕＯＨまたはＩ−ＢＵＯＨ）の個々を、または混合物を言う。２−ブタノールおよびｔｅｒｔ−ブタノール（１，１−ジメチルエタノール）は、本発明における用語の使用から特に除外される。

本明細書に用いられる「インサイチュ産物除去」とは、生物学的工程における産物濃度を制御するために、発酵などの生物学的工程から特定の発酵産物を選択的に除去することを意味する。

本明細書に用いられる「発酵ブロス」とは、存在する微生物によってブタノール、水、および二酸化炭素（ＣＯ_２）への糖類の反応により産物ブタノールが作られている発酵器に保持されている水、糖類、溶解固体、懸濁固体、微生物生産ブタノール、産物ブタノール、および材料の他の全ての成分の混合物を意味する。発酵ブロスは、二相発酵抽出における水相である。時々、本明細書に用いられる用語「発行培地」を「発酵ブロス」と同義に用いることができる

本明細書に用いられる「発酵器」は、糖類から産物ブタノールが作られる発酵反応が実施される容器を意味する。用語「発酵槽」は、本明細書において「発酵器」と同義に用いることができる。

本明細書に用いられる用語「有効力価」とは、発酵培地１リットル当り、発酵によって生じるブタノールの総量のことである。ブタノールの総量には以下のものが含まれる：（ｉ）発酵培地中のブタノール量；（ｉｉ）有機抽出剤から回収されたブタノール量；および（ｉｉｉ）気体ストリッピングが用いられる場合は、気相から回収されたブタノール量。

本明細書に用いられる用語「水相力価」とは、発酵ブロス中のブタノール濃度のことである。

本明細書に用いられる「ストリッピング」とは、液流からの揮発性成分の全部または一部を気体流内へ移す処置のことである。

本明細書に用いられる「ストリッピング区画」とは、ストリッピング操作が行われる接触装置の部分を意味する。

本明細書に用いられる「精留」とは、高沸点成分から低沸点成分を分離し精製するために、気体流から凝縮可能成分の全部または一部を、液流へ移す処置のことである。

本明細書に用いられる「精留区画」とは、精留操作が行われる供給箇所上方の蒸留塔の区画、すなわち、塔に供給流が流入する箇所の上方に位置するトレイまたはパッキング物を意味する。

本明細書に用いられる用語「分離」は、「回収」と同義であり、当初の混合物から化学化合物を除去して、当初の混合物におけるその化合物の純度または濃度よりも高い純度または濃度の化合物を得ることである。

用語「水不溶性」とは、１つの液相を形成するような様式で発酵ブロスなどの水相と混合することができない抽出剤または溶媒などの化学的成分のことである。

本明細書に用いられる用語「抽出剤」とは、発酵ブロスからブタノールを抽出するために用いられる１種または複数種の有機溶媒のことである。

本明細書に用いられる用語「有機相」とは、発酵ブロスを水不溶性有機抽出剤と接触させることによって得られる二相混合物の非水相のことである。

本明細書に用いられる用語「脂肪酸」とは、飽和または不飽和のＣ_７〜Ｃ_２２炭素原子の長い脂肪族鎖を有するカルボン酸のことである。

本明細書に用いられる用語「脂肪族アルコール」とは、飽和または不飽和のＣ_７〜Ｃ_２２炭素原子の長い脂肪族鎖を有するアルコールのことである。

本明細書に用いられる用語「脂肪族アルデヒド」とは、飽和または不飽和のＣ_７〜Ｃ_２２炭素原子の長い脂肪族鎖を有するアルデヒドのことである。

非凝縮性気体とは、本明細書に記載されている方法の操作温度で凝縮されない気体のことである。

本発明の方法における供給物として有用なブタノール含有抽出剤流には、発酵産物としてブタノールが生じる抽出発酵から得られた任意の有機相が含まれる。典型的なブタノール含有抽出剤流には、有機抽出剤による発酵ブロスの液−液抽出を用いてインサイチュ産物除去が実施される「乾式粉砕」または「湿式ミル」発酵法において生じるものが含まれる。抽出後の抽出剤流は一般に、ブタノール、水および抽出剤を含んでなる。抽出剤流は、本法の操作条件下で不活性であるか、または他の供給物成分と非反応性である気体であり得る非凝縮性気体を、場合によっては含む。このような気体は、例えば、二酸化炭素、窒素、水素、アルゴンなどの希ガス、またはこれらのいずれかの混合物よりなる群における気体から選択できる。抽出剤流はさらに、抽出相へと分画するのに十分な溶解度を有する発酵副産物を任意にさらに含み得る。本法における供給物として有用なブタノール含有抽出剤流は、供給物中、供給物の重量に基づいて、約０．１重量パーセント〜約４０重量パーセント、例えば、約２重量パーセント〜約４０重量パーセント、例えば、約５重量パーセント〜約３５重量パーセントのブタノール濃度であることを特徴とする流れを含む。抽出の効率に依り、発酵ブロス中のブタノール水相力価は、例えば、約５ｇ／Ｌ〜約８５ｇ／Ｌ、または約１０ｇ／Ｌ〜約４０ｇ／Ｌであり得る。

抽出剤は、発酵ブロスからのブタノールの抽出を有用にする特性を有する水不溶性有機溶媒または溶媒混合物である。ブタノール水溶液の室温抽出で評価した場合、抽出剤相中のブタノール濃度が、水相中のブタノール濃度の少なくとも１．１倍であるように、抽出剤は、水相からブタノールを、例えば、少なくとも１．１：１の濃度比で優先的に分離する。好ましくは、ブタノール水溶液の室温抽出で評価した場合、抽出剤相中のブタノール濃度が、水相中のブタノール濃度の少なくとも２倍であるように、抽出剤は、水相からブタノールを、少なくとも２：１の濃度比で優先的に分離する。

ブタノール回収工程において実際に用いる抽出剤は、大気圧下で、回収されるブタノールの沸点より少なくとも約３０℃高い沸点、または例えば少なくとも約４０℃高い沸点、または例えば少なくとも５０℃高い沸点を有し、蒸留によってブタノールから分離できる。

抽出剤は、Ｃ_７〜Ｃ_２２脂肪族アルコール類、Ｃ_７〜Ｃ_２２脂肪酸類、Ｃ_７〜Ｃ_２２脂肪酸エステル類、Ｃ_７〜Ｃ_２２脂肪族アルデヒド類、Ｃ_７〜Ｃ_２２脂肪族アミド類およびそれらの混合物よりなる群から選択される少なくとも１種の溶媒を含んでなる。好適な抽出剤は、オレイルアルコール（ＣＡＳ番号１４３−２８−２）、ベヘニルアルコール（ＣＡＳ番号６６１−１９−８）、セチルアルコール（ＣＡＳ番号３６６５３−８２−４）、ラウリルアルコール、１−ドデカノールとも呼ばれる（ＣＡＳ番号１１２−５３−８）、ミリスチルアルコール（１１２−７２−１）、ステアリルアルコール（ＣＡＳ番号１１２−９２−５）、１−ウンデカノール（ＣＡＳ番号１１２−４２−５）、オレイン酸（ＣＡＳ番号１１２−８０−１）、ラウリン酸（ＣＡＳ番号１４３−０７−７）、ミリスチン酸（ＣＡＳ 番号５４４−６３−８）、ステアリン酸（ＣＡＳ番号５７−１１−４）、ミリスチン酸メチル（ＣＡＳ番号１２４−１０−７）、オレイン酸メチル（ＣＡＳ 番号１１２−６２−９）、ウンデカナール（ＣＡＳ番号１１２−４４−７）、ラウリンアルデヒド（ＣＡＳ番号１１２−５４−９）、２−メチルウンデカナール（ＣＡＳ 番号１１０−４１−８）、オレアミド（ＣＡＳ番号３０１−０２−０）、リノールアミド（ＣＡＳ番号３９９９−０１−７）、パルミチンアミド（ＣＡＳ番号６２９−５４−９）ならびにステアリルアミド（ＣＡＳ番号１２４−２６−５）およびそれらの混合物よりなる群からさらに選択される。いくつかの態様において、抽出剤はオレイルアルコールを含んでなる。好適な溶媒は、米国特許出願公開第２００９０３０５３７号明細書ならびに米国特許出願第１２／７５９，２８３号明細書および第１２／７５８，８７０号明細書（双方とも２０１０年４月１３日出願）に記載されており、これらは全て、本明細書に参照として援用される。

これらの有機抽出剤は、種々の銘柄で、Ｓｉｇｍａ−Ａｌｄｒｉｃｈ（ミズーリ州セントルイス市）などの様々な供給元から市販品として入手でき、それらの多くは、ブタノールを生産または除去するために、抽出発酵における使用に好適であり得る。工業用銘柄は、所望の成分および高級ならびに低級の脂肪族成分を含む化合物の混合物を含有する。例えば、市販品として入手できるある工業用銘柄のオレイルアルコールは約６５重量％のオレイルアルコールおよび高級ならびに低級の脂肪族アルコールの混合物を含有する。

本発明は、水不溶性有機抽出剤、水、ブタノール、および場合によっては非凝縮性気体を含んでなる供給物からブタノールを分離または回収するための方法を提供する。

供給物からのブタノールの分離は、蒸留とデカント法の組み合わせによって達成される。蒸留は、少なくとも２つの蒸留塔の使用を含む。デカント法と組み合わせて、第一の塔は、ブタノールと抽出剤から水の分離を実施する。第一の塔からの冷却された塔頂流は２つの液相にデカントされる。有機相は第一の塔に戻される。第二の塔は、減圧条件下で抽出剤からブタノールの分離を実施し、実質的に抽出剤を含まないブタノール流を生じさせる。第二の塔はまた、実質的に水を含まずブタノール含量の低い抽出剤流を提供する。

本発明の方法は、本発明の方法を実施するのに有用なシステムの一実施形態を例示している図１を参照することにより理解することができる。発酵抽出に関する工程における発酵器（示していない）および抽出器（示していない）から得られた供給流１００は、第一の蒸留塔５００内に導入され、第一の蒸留塔は、ストリッピング区画、および場合によっては、ストリッピング区画上方に供給箇所における精留区画を有する。供給流１００を蒸留して、水、ブタノール、および供給物中に存在する場合の任意の非凝固縮性気体を含んでなる第一の底部流１１０および第一の塔頂蒸気流３００を提供する。塔５００のストリッピング区画内の所定の箇所における操作温度Ｔ_１および操作圧力Ｐ_１は、抽出剤とブタノールを含んでなり実質的に水を含まない第一の底部流１１０を提供するように選択される。蒸留塔５００は、少なくとも一つの供給物入口、塔頂蒸気出口、底部流出口、加熱手段、および抽出剤からの水の分離を実施するのに十分な段数を有する任意の従来の塔でよい。抽出剤がオレイルアルコールを含んでなる場合、蒸留塔５００は、再沸器を含む少なくとも５つの段数を有する必要がある。

第一の底部流１１０は、約０．１重量パーセント〜約４０重量パーセントのブタノールを含み得、実質的に水を含まない状態であり得る。「実質的に含まない」とは、底部流が約０．１重量パーセント未満の水を含み得ることを意味する。例えば、底部流１１０は約０．０１重量パーセント未満の水を含み得る。底部流１１０に実質的に水が含まれないことを確実にするために、有機相還流の量および再沸器の沸騰速度を変えることができる。

流れ３００は凝縮器５５０で凝縮されて、１種類の液体を含んでなる第一の混合凝縮流３１０が生じる。供給物中に非凝縮性気体が存在する場合、混合凝縮流３１０は非凝縮性気体成分をさらに含み得る。凝縮器５５０は任意の従来の設計のものでもよい。

混合凝縮流３１０をデカンター７００に導入し、場合によっては非凝縮性気体を含んでなる気体相、液体ブタノール相、液体水相へと分離させる。非凝縮性気体によって取り除かれるブタノールと水の量を減少させるために、デカンターの温度は約４０℃以下に維持することが好ましい。より軽い液相（上部液相）である液体ブタノール相は、約１６重量パーセント〜約３０重量パーセントの水を含み得、塔５００の塔頂に流入する任意の抽出剤をさらに含み得る。ブタノール相における抽出剤の画分は、塔５００における任意の精留区画の使用によって最少化することができる。液体水相は、約３重量パーセント〜約１０重量パーセントのブタノールを含む。デカンターは任意の従来の設計のものでもよい。

供給物中に二酸化炭素などの非凝縮性気体が存在する場合、その非凝縮性気体は、流れ３００および流れ３１０に存在する。非凝縮性気体を含んでなる気相の少なくとも一部は、図１に示すようにこの工程から除去することができる。図１には非凝縮性気体を含んでなる除去流４６０がデカンター７００を出ていくのが示されている。

図１に示されるように、デカンター７００から、水相４８０をこの工程から除去することができる。図１には、水相４８０を含んでなる除去流がデカンター７００を出ていくのが示されている。あるいは、水相の少なくとも一部を発酵器に導入することができる（示していない）。これにより、ブタノール回収工程からの水の一部を抽出発酵工程へリサイクルする手段を提供することができる。一実施形態において、図２に示されるように、水相の少なくとも一部と第２の蒸留塔からの底部流の少なくとも一部とを合わせた後発酵器に導入することができ、デカンター７０からの水相４８は、混合器７５内で第２の蒸留塔からの底部流４４と合わされて、混合流４５が提供される。

デカンターからのブタノール相４７０は第一の蒸留塔５００に戻される。流れ４７０は通常、液体還流として塔へ導入される。液体還流として流れ４７０を導入することにより、塔５００の蒸気流３００における抽出剤の損失が抑えられることになる。ブタノール相４７０はアセトアルデヒドなどの揮発性発酵副産物をさらに含んでもよい。任意に、流れ４７０の少なくとも一部をこの過程から除去して（示していない）、ブタノール回収工程から揮発性発酵副産物を除去してもよい。

第一の底部流１１０を塔５００から取り出し、第二の蒸留塔８００内へ導入する。第二の蒸留塔は、一つのストリッピング区画、および任意に、ストリッピング区画上方の供給箇所に精留区画を有する。流れ１１０を蒸留し、抽出剤を含んでなる第二の底部流４２０およびブタノールを含んでなる第二の塔頂蒸気流４００を提供する。実質的にブタノールを含まない底部流４２０を提供するように、第二の蒸留塔を操作する。「実質的にブタノールを含まない」とは、底部４２０が約１重量パーセント未満のブタノールを含んでなることを意味する。第二の塔頂蒸気流４００には実質的に抽出剤が含まれない。「実質的に抽出剤を含まない」とは、塔頂蒸気流４００が約０．０１重量パーセント未満の抽出剤を含んでなることを意味する。蒸留塔８００は、少なくとも一つの供給物入口、一つの塔頂蒸気出口、一つの加熱手段、一つのストリッピング区画、および所望の分離を実施するのに十分な段数を有する任意の従来の塔でよい。塔８００は再沸器を含めて少なくとも６つの段数を有する必要がある。塔の基部における抽出剤の温度を最小化する一方、塔頂部のブタノールの経済的で簡便な凝縮を可能にするために、塔８００は大気圧未満の圧力で操作することが好ましい。

本法はさらに、第二の蒸留塔から底部流４２０を発酵器内へ導入すること（示していない）を含んでなる。一実施形態において、図２に示すように、底部流４２０は、発酵器内へ導入する前に、デカンターからの水相４８０の少なくとも一部と合わせられてもよく、類似流４４と４８は、混合器７５内で合わされて混合流４５が提供される。

混合物の沸点または混合物の最低沸点溶媒の沸点が、水およびブタノールの沸点よりも有意に高い、例えば、少なくとも約３０℃高いという条件で、高沸点抽出剤の混合物は、基本的には単一抽出剤と同様に挙動することが予想される。

ブタノールの分離または回収に関する本法は、ガソリンと同様のエネルギー含量を有し、任意の化石燃料とブレンドできることが知られているブタノールを提供する。ブタノールは、標準的な内燃機関エンジンで燃焼させた際、ＣＯ_２のみを生じ、ＳＯ_ｘまたはＮＯ_ｘがほとんど生じないか、または全く生じないため燃料または燃料添加物として好ましい。また、ブタノールは、エタノールよりも腐食性が低く、今日、最も好ましい燃料添加物である。

生物燃料または燃料添加物としての有用性に加えて、本法により回収されるブタノールは、新興燃料電池産業における水素流通問題に影響を与える可能性がある。今日燃料電池は、水素の輸送と流通に関連した安全性問題に悩まされている。ブタノールは、その水素含量に関して容易に改質することができ、また、燃料電池または車両に必要な純度で既存のガスステーションを通して流通させることができる。さらに、本法は、植物由来の炭素源から得られたブタノールを回収し、ブタノール生産のための標準的石油化学方法と関連した負の環境影響を回避する。

ブタノールの分離または回収に関する本法の利点の一つは、エネルギー効率性を提供する蒸留塔のエネルギー統合化である。ブタノールと抽出剤の分離がブタノールと水の最終分離の前に行われる蒸留スキームに比べて、本法は得られるブタノールの単位重量当りの必要エネルギーがより少ない。

別の利点は、本法が、ほとんど色がないか、無色の高純度のブタノールを提供することである。

さらなる利点は、抽出剤を含んでなる第二の底部流には実質的にブタノール産物が含まれておらず、このことが、回収工程の高収率に寄与することである。また、実質的にブタノールを含まないことにより、抽出剤を含んでなる第二の底部流を発酵工程へ任意にリサイクルすることが可能になる。また、実質的にブタノールを含まないことにより、リサイクルする必要がないとしても、流れの処理が簡便化される。

さらに別の利点は、本法が、装置を汚損せず操作停止を繰り返さずに、長期間の操作を可能にすることである。

本発明の具体的な実施形態を、前記に説明したが、本発明の本質的な性質の趣旨から逸脱することなく、本発明に、多くの改変、置き換え、および再編成が可能であることは当業者に理解されるであろう。本発明の範囲を示すものとしては、先の明細書ではなく、添付の請求項を参照すべきである。

本発明の方法は、この方法の計算モデルを用いて示すことができる。方法のモデリングは、複雑な化学方法をシミュレートするために技術者により使用される確立した方法論である。方法のモデリング用ソフトウェアは、多くの基本的な工業技術計算、例えば、質量とエネルギーバランス，蒸気／液体平衡および反応速度計算を実施する。特に蒸留塔のモデリングは十分に確立されている。実験的に測定された２成分の蒸気／液体平衡データおよび液体／液体平衡データに基づく計算は、多成分混合物の挙動を高い信頼性で予測することができる。この能力は拡張されて、マサセーチュッツ州バーリントン市のＡｓｐｅｎｔｅｃｈのＪｏｓｅｐｈ Ｂｏｓｔｏｎにより開発された「インサイド−アウト」アルゴリズムのような厳密なアルゴリズムを用いて複雑な多段、多成分蒸留塔のモデリングを可能にしている。ＡｓｐｅｎｔｅｃｈからのＡｓｐｅｎ Ｐｌｕｓ（登録商標）などの市販のモデリングソフトウェアを、ニューヨーク州ニューヨーク市のＡｍｅｒｉｃａｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓから入手できるＤＩＰＰＲなどの物性データベースと連結して使用し、方法の正確なモデルおよび評価を開発することができる。

本実施例は、ブタノール異性体としてイソブタノール、および抽出剤としてオレイルアルコールを用いた方法のモデリングにより得られた。イソブタノールと１−ブタノールに関する物性の類似性、および水とこれらのブタノール異性体との間の共沸混合物の異質性が類似しているため、１−ブタノールまたは１−ブタノールとイソブタノールとの混合物がブタノール異性体として選択される類似の場合にも同様の結果が予想されるであろう。

表１は、抽出発酵から得られ、イソブタノール産物回収領域に流入してくる高濃度溶媒流の典型的な供給物組成を挙げている。これらの組成が、本発明の方法のモデリングに用いられた。実施例において、用語の「高濃度溶媒流」とは、上記で用いた用語「供給流」と同義である。

高濃度溶媒流に関するこれらの組成値は、５０ＭＭ ｇａｌ／年のイソブタノールを生産する抽出インサイチュ産物除去技術、およびそれぞれ２０ｇ／Ｌと４０ｇ／Ｌの発酵槽ブロスの水相力価を用いた乾式粉砕設備のシミュレーションにより確立された。高濃度溶媒流は発酵ブロスと平衡にあり、溶媒流量は指定された年産能力に十分合致することが推測された。

本発明の方法の実施形態のシミュレーション用に入力されたパラメータを表２に記載し、続いて図２に工程の略図を示す。図２において、「ＱＥＤ０６」とは、熱交換器６５および８５を介した熱流表示の工程対工程の熱交換のことである。ブロック６０は、任意の混合機を表す。ブロック７５は、流れ４８と流れ４４とを合わせて流れ４５を提供する混合機を表す。方法モデルから算出された一定の寸法および能率の結果もまた、表２に記載してある。これらのパラメータは、物性パラメータ、ならびに収束および他の計算オプションまたは計算診断のパラメータを含まない。

本発明の方法の操作要件を示すために２つのケースを実施した。各ケースに関して、高濃度溶媒供給流および２つの異なる水相力価が維持された抽出発酵法からの組成に対し特定の改変が成された。独立した各々のシミュレーションにおいて、供給物組成が変わるため、塔の輸送能率および熱交換器の能率が変わる。異なるケース間で生じる設備投資および操作コストを比較することによって、産物回収領域の性能に対する高濃度溶媒供給流および組成の影響を定量化した。しかしながら、これら２つの例は、本発明の方法の操作限界として見なすべきではない。

表中、用語の「溶媒塔」とは、上記で用いた用語「第一の蒸留塔」と同義である。用語の「ＢＵＯＨＣＯＬ」とは、上記で用いた用語「第二の蒸留塔」と同義である。略語「ＯＬＥＹＬＯＨ」とは、オレイルアルコールのことである。

実施例１に関する流れの結果は、表３に記載してある。ＢＵＯＨＣＯＬ塔輸送量および液体質量組成の概要は、表４に記載してある。溶媒塔輸送量および液体質量組成の概要は、表５に記載してある。

実施例２に関する流れの結果は、表６に記載してある。ＢＵＯＨＣＯＬ塔輸送量および液体質量組成の概要は、表７に記載してある。溶媒塔輸送量および液体質量組成の概要は、表８に記載してある。

他の重要な方法パラメータには、以下のことが含まれる：１）溶媒塔における全理論段数および底流の水含量；２）ＢＵＯＨＣＯＬ塔の底部温度；および（３）溶媒塔へ供給する前の高濃度溶媒流の予熱の程度。これらのパラメータを操作することにより、最適な分離性能を達成することができる。

実施例１
本実施例において、１１．４４重量パーセントのイソブタノールを含有する１７７，６７１ｋｇ／ｈｒの高濃度溶媒供給物（９）を、工程対工程の熱交換器により３２．２℃から９１．７℃に加熱し、生じた流れ（１０）を１段での溶媒塔（５０）に供給する。この高濃度溶媒供給物条件は、抽出発酵工程中に維持される発酵槽内の２０ｇ／リットルの水相力価に相当する。この分離は、より大径の溶媒塔、溶媒塔の底部のより高い温度、溶媒塔再沸器と凝縮器のより高い能率により実現する。流れ（４０）は、実質的に１００重量パーセントのイソブタノールである。流れ（４２）は、０．９重量パーセントのイソブタノールと９９．１重量パーセントのオレイルアルコールとを含有する。

実施例２
本実施例において、７５，１７１ｋｇ／ｈｒの高濃度溶媒供給物（９）を、工程対工程の熱交換器により３２．２℃から８４．９℃に加熱し、生じた流れ（１０）を１段での溶媒塔（５０）に供給する。この高濃度溶媒供給物の条件は、抽出発酵工程中に維持される発酵槽内の４０ｇ／リットルの水相力価に相当する。この分離は、より小径の溶媒塔、溶媒塔の底部のより低い温度、溶媒塔再沸器および凝縮器のより低い能率により実現する。流れ（４０）は、実質的に１００重量パーセントのイソブタノールである。流れ（４２）は、０．９重量パーセントのイソブタノールと９９．１重量パーセントのオレイルアルコールとを含有する。

Claims (15)

1. ａ）
   （ｉ）水不溶性有機抽出剤、
   （ｉｉ）水、
   （ｉｉｉ）少なくとも１つのブタノールの異性体、および
   （ｉｖ）場合によっては非凝縮性気体
   を含んでなるフィードを第一の蒸留塔に導入するステップであって、第一の蒸留塔は、ストリッピング区画および任意にストリッピング区画上の導入箇所に精留区画を含んでなり、第一の蒸留塔は、ストリッピング区画内の所定の箇所で操作温度Ｔ_１および操作圧Ｐ_１を有し、Ｔ_１およびＰ_１は、第一の底部流および第一のオーバーヘッド蒸気流を生じさせるために選択され、第一の底部流は、水不溶性有機抽出剤と水とを含んでなり、実質的にブタノールを含まず、第一のオーバーヘッド蒸気流は、水、ブタノール、および場合によっては非凝縮性気体を含んでなる、該ステップと；
   ｂ）第一のオーバーヘッド蒸気流を凝縮して、気相を生じさせ、第一の混合凝縮物を回収するステップであって、第一の混合凝縮物が、
   （ｉ）ブタノールと約３０質量％未満の水とを含んでなるブタノール相；および
   （ｉｉ）水と約１０質量％未満のブタノールとを含んでなる水相、
   を含んでなる、該ステップと；
   ｃ）水相の少なくとも一部を第一の蒸留塔に導入するステップと；
   ｄ）ブタノール相の第一の部分を、少なくとも一つのストリッピング区画を有する第二の蒸留塔内に導入するステップと；
   ｅ）第一の底部流の第一の部分を、少なくとも一つのストリッピング区画および任意に精留区画を有する第二の蒸留塔内に導入し、第二の蒸留塔を操作して、実質的にブタノールを含まない抽出剤を含んでなる第二の底部流、およびブタノールを含んでなる第二のオーバーヘッド蒸気流を生じさせるステップと、
   を含んでなり、
   抽出剤が、水よりもブタノールを優先的に溶解し、蒸留によりブタノールから分離可能である、方法。
2. 水相の少なくとも一部を発酵容器内に導入することをさらに含んでなる請求項１に記載の方法。
3. 第二の蒸留塔から底部流を引き出し、引き出された底部流の少なくとも一部を発酵容器内に導入することをさらに含んでなる請求項１に記載の方法。
4. 水相の少なくとも一部を発酵容器に導入することをさらに含んでなる請求項３に記載の方法。
5. 引き出された底部流の少なくとも一部と水相の少なくとも一部とを合わせてから、発酵容器に導入する請求項４に記載の方法。
6. 請求項１記載の方法であって、非凝縮性気体がフィード中に存在し、その方法からの非凝縮性気体を含んでなる気相の少なくとも一部をパージするステップをさらに含んでなる、上記方法。
7. 非凝縮性気体が二酸化炭素を含んでなる請求項１に記載の方法。
8. フィードが抽出発酵から得られた有機相を含んでなる請求項１に記載の方法。
9. フィード中のブタノール濃度が、フィードの質量に基づいて約０．１質量パーセント〜約４０質量パーセントである請求項１に記載の方法。
10. ブタノールが、１−ブタノールを含んでなる請求項１に記載の方法。
11. ブタノールが、イソブタノールを含んでなる請求項１に記載の方法。
12. 抽出剤が、Ｃ_７〜Ｃ_２２の脂肪族アルコール類、Ｃ_７〜Ｃ_２２の脂肪酸類、Ｃ_７〜Ｃ_２２の脂肪酸エステル類、Ｃ_７〜Ｃ_２２の脂肪族アルデヒド類、およびそれらの混合物よりなる群から選択される少なくとも１つの溶媒を含んでなる請求項１に記載の方法。
13. 抽出剤が、オレイルアルコールを含んでなる請求項１２に記載の方法。
14. ブタノールが、本質的に１−ブタノールからなる請求項１３に記載の方法。
15. ブタノールが、本質的にイソブタノールからなる請求項１３に記載の方法。

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