JP2013542710A5

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Publication number: JP2013542710A5
Application number: JP2013508232A
Authority: JP
Filing date: 2011-04-27
Publication date: 2017-01-26

Description

本発明の特定の実施形態では、電子供与体として分子状水素を使用する。水素電子供与体は、次のもの、すなわち、プロトン交換膜（ＰＥＭ）、ＫＯＨなどの液体電解質、高圧電解、および水蒸気の高温電解（ＨＴＥＳ）を用いる手法（ただし、これらに限定されるものではない）による水の電解；酸化鉄サイクル、酸化セリウム（ＩＶ）−酸化セリウム（ＩＩＩ）サイクル、亜鉛−酸化亜鉛サイクル、硫黄−ヨウ素サイクル、銅−塩素サイクル、カルシウム−臭素−鉄サイクル、ハイブリッド硫黄サイクル（ただし、これらに限定されるものではない）をはじめとする方法を介する水の熱化学分解；硫化水素の電解；硫化水素の熱化学分解および／または電気化学分解；炭素の回収隔離を可能にしたメタン改質、炭素の回収隔離を可能にした石炭ガス化、カーボンブラック生成物を生成するＫｖａｅｒｎｅｒプロセスおよび他のプロセス、炭素の回収隔離を可能にしたバイオマスのガス化または熱分解、ならびに第一鉄（Ｆｅ２＋）から第二鉄（Ｆｅ３＋）への酸化または硫黄化合物の酸化（この際、酸化型の鉄または硫黄は、金属硫化物、硫化水素、または炭化水素（ただし、これらに限定されるものではない）をはじめとする鉱物質との追加の化学反応を介して、再循環させて還元状態に戻すことが可能である）（ただし、これらに限定されるものではない）をはじめとする、電子源の半電池酸化を伴うＨ＋からＨ２への半電池還元（ただし、これらに限定されるものではない）をはじめとする、低二酸化炭素排出または無二酸化炭素排出で水素を生成することが公知の他の電気化学プロセスまたは熱化学プロセスのうちの１または２以上（ただし、これらに限定されるものではない）をはじめとする化学プロセス工業の技術分野で公知の方法により生成される。

Claims

無機炭素化合物および／または１個のみの炭素原子を含有する有機化合物から有機化学品への回収および変換のための生物化学法であって、
無機炭素化合物および／または１個のみの炭素原子を含有する有機化合物を、酸水素微生物の保持に好適なおよび／または酸水素微生物の抽出物の保持が可能な環境中に導入することと、
前記環境内で、前記酸水素微生物および／または前記酸水素微生物由来の酵素を含有する細胞抽出物を利用した少なくとも１種の化学合成炭素固定反応を介して、前記無機炭素化合物および／または１個のみの炭素原子を含有する前記有機化合物を前記有機化学品および／またはその前駆体に変換することと、
を含み、
前記化学合成固定反応が、少なくとも部分的には、化学的および／もしくは電気化学的に生成されたならびに／または前記環境外の少なくとも１つの外部源から前記環境内に導入された電子供与体および電子受容体により提供された化学的および／または電気化学的エネルギーにより駆動される、上記方法。
酸水素微生物が、ラルストニア属（Ｒａｌｓｔｏｎｉａ）の種；アルカリゲネス属（Ａｌｃａｌｉｇｅｎｅｓ）の種；および／またはロドコッカス属（Ｒｈｏｄｏｃｏｃｃｕｓ）の種から選択される酸水素微生物を含む、請求項１に記載の方法。
有機化学品がＣ５〜Ｃ３０の炭素鎖長の化合物を含む、請求項１または２に記載の方法。
無機炭素化合物が二酸化炭素を含む、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
二酸化炭素が、二酸化炭素ガスを単独で、ならびに／または炭酸イオンおよび／もしくは重炭酸イオンをさらに含む混合物もしくは溶液に溶解させて、含む、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
無機炭素が、固相に含有された無機炭素を含む、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
１個のみの炭素原子を含有する有機化合物が、一酸化炭素、メタン、メタノール、ギ酸塩、および／またはギ酸を含む、請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
電子供与体および／または１個のみの炭素原子を含有する有機化合物が、有機物のガス化および／または熱分解を介して生成され、かつシンガスとして酸水素微生物に提供される、請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。
電子供与体および／または１個のみの炭素原子を含有する有機化合物が、メタン水蒸気改質を介して生成され、かつシンガスとして酸水素微生物に提供される、請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法。
シンガス中の水素対一酸化炭素の比が、前記シンガスを酸水素微生物に送達する前に水性ガスシフト反応を介して調整される、請求項８または９に記載の方法。
酸水素微生物が、次のカテゴリー、すなわち、紅色非硫黄光合成細菌、シアノバクテリア、および／または緑藻のうちの１または２以上から選択される酸水素微生物を含む、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の方法。
酸水素微生物が、シアノバクテリアおよび／または緑藻から選択される酸水素微生物を含む、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の方法。
酸水素微生物が、次の属、すなわち、ロドシュードモナス属（Ｒｈｏｄｏｐｓｅｕｄｏｍｏｎａｓ）の種、ロドスピリラム属（Ｒｈｏｄｏｓｐｉｒｉｌｌｕｍ）の種、ロドコッカス属（Ｒｈｏｄｏｃｏｃｃｕｓ）の種、リゾビウム属（Ｒｈｉｚｏｂｉｕｍ）の種、チオカプサ属（Ｔｈｉｏｃａｐｓａ）の種、シュードモナス属（Ｐｓｅｕｄｏｍｏｎａｓ）の種、ヒドロゲノモナス属（Ｈｙｄｒｏｇｅｎｏｍｏｎａｓ）の種、ヒドロゲノバクター属（Ｈｙｄｒｏｇｅｎｏｂａｃｔｅｒ）の種、ヒドロゲノビブリオ属（Ｈｙｄｒｏｇｅｎｏｖｉｂｒｉｏ）の種、ヘリコバクター属（Ｈｅｌｉｃｏｂａｃｔｅｒ）の種、キサントバクター属（Ｘａｎｔｈｏｂａｃｔｅｒ）の種、ヒドロゲノファガ属（Ｈｙｄｒｏｇｅｎｏｐｈａｇａ）の種、ブラディリゾビウム属（Ｂｒａｄｙｒｈｉｚｏｂｉｕｍ）の種、ラルストニア属（Ｒａｌｓｔｏｎｉａ）の種、アルカリゲネス属（Ａｌｃａｌｉｇｅｎｅｓ）の種、バリオボラックス属（Ｖａｒｉｏｖｏｒａｘ）の種、アシドボラックス属（Ａｃｉｄｏｖｏｒａｘ）の種、アナベナ属（Ａｎａｂａｅｎａ）の種、セネデスムス属（Ｓｃｅｎｅｄｅｓｍｕｓ）の種、クラミドモナス属（Ｃｈｌａｍｙｄｏｍｏｎａｓ）の種、アンキストロデスムス属（Ａｎｋｉｓｔｒｏｄｅｓｍｕｓ）の種、およびラフィジウム属（Ｒｈａｐｈｉｄｉｕｍ）の種のうちの１または２以上から選択される酸水素微生物を含む、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の方法。
酸水素微生物が、次の属、すなわち、ロドスピリラム属（Ｒｈｏｄｏｓｐｉｒｉｌｌｕｍ）の種、リゾビウム属（Ｒｈｉｚｏｂｉｕｍ）の種、チオカプサ属（Ｔｈｉｏｃａｐｓａ）の種、ヒドロゲノビブリオ属（Ｈｙｄｒｏｇｅｎｏｖｉｂｒｉｏ）の種、ヘリコバクター属（Ｈｅｌｉｃｏｂａｃｔｅｒ）の種、キサントバクター属（Ｘａｎｔｈｏｂａｃｔｅｒ）の種、ヒドロゲノファガ属（Ｈｙｄｒｏｇｅｎｏｐｈａｇａ）の種、ブラディリゾビウム属（Ｂｒａｄｙｒｈｉｚｏｂｉｕｍ）の種、バリオボラックス属（Ｖａｒｉｏｖｏｒａｘ）の種、アシドボラックス属（Ａｃｉｄｏｖｏｒａｘ）の種、アナベナ属（Ａｎａｂａｅｎａ）の種、セネデスムス属（Ｓｃｅｎｅｄｅｓｍｕｓ）の種、クラミドモナス属（Ｃｈｌａｍｙｄｏｍｏｎａｓ）の種、アンキストロデスムス属（Ａｎｋｉｓｔｒｏｄｅｓｍｕｓ）の種、およびラフィジウム属（Ｒｈａｐｈｉｄｉｕｍ）の種のうちの１または２以上から選択される酸水素微生物を含む、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の方法。
電子供与体が、次の還元剤、すなわち、アンモニア、アンモニウム、一酸化炭素、亜ジチオン酸塩、単体硫黄、炭化水素、水素、メタ重亜硫酸塩、酸化窒素、亜硝酸塩、たとえば、チオ硫酸ナトリウム（Ｎａ_２Ｓ_２Ｏ_３）またはチオ硫酸カルシウム（ＣａＳ_２Ｏ_３）が挙げられるが、これらに限定されるものではないチオ硫酸塩などの硫酸塩、硫化水素などの硫化物、亜硫酸塩、チオン酸塩、亜チオン酸、溶解相中または固相中の遷移金属またはその硫化物、酸化物、カルコゲン化物、ハロゲン化物、水酸化物、オキシ水酸化物、リン酸塩、硫酸塩、または炭酸塩、ならび固体電極材料中の伝導帯電子または価電子帯電子のうちの１または２以上を含むが、これらに限定されるものではない、請求項１〜１４のいずれか一項に記載の方法。
電子受容体が、次のもの、すなわち、二酸化炭素、酸素、亜硝酸塩、硝酸塩、第二鉄イオンもしくは他の遷移金属イオン、硫酸塩、または固体電極材料中の価電子帯正孔もしくは伝導帯正孔のうちの１または２以上を含む、請求項１〜１５のいずれか一項に記載の方法。
変換工程の前に、電子供与体および／または電子受容体を、少なくとも１種の投入化学品から生成および／もしくは精製し、ならびに／または固定工程時に生成された化学品および／もしくは他の工業プロセス、鉱業プロセス、農業プロセス、下水プロセス、もしくは廃棄物発生プロセスからの廃棄物ストリームに由来する化学品から再循環させる、１まはた２以上の化学的前処理工程が行われる、請求項１〜１６のいずれか一項に記載の方法。
変換工程の後に、化学合成の有機および／または無機の化学生成物を、変換工程時に生成されたプロセスストリームから分離して、貯蔵、輸送、および販売に好適な形態で生成物を生成するように処理する、１または２以上のプロセス工程、さらには細胞塊を、前記プロセスストリームから分離して環境に再循環し、および／または捕集して、貯蔵、輸送、および販売に好適な形態でバイオマスを生成するように処理する、１または２以上のプロセス工程が行われる、請求項１〜１７のいずれか一項に記載の方法。
変換工程の後に、廃棄生成物および／または不純物および／または汚染物質を、固定工程時に生成されたプロセスストリームから除去して廃棄処分する、１または２以上のプロセス工程が行われる、請求項１〜１８のいずれか一項に記載の方法。
廃棄生成物が、酸水素反応を維持するために使用される栄養培地からの廃棄生成物を含む、請求項１９に記載の方法。
変換工程の後に、化学合成の酸水素細胞塊および／もしくは化学併産物ならびに／または固定工程時に生成されたプロセスストリームの廃棄生成物もしくは汚染物質を除去した後に残存する任意の未使用栄養素および／またはプロセス水を再循環させて、さらなる化学合成を支援すべく、環境中に戻す、１または２以上プロセス工程が行われる、請求項１〜２０のいずれか一項に記載の方法。
電子供与体および／または電子受容体が、再生可能パワー源、代替パワー源、または温室効果ガス排出の少ない従来パワー源を用いて、生成または再循環され、かつパワー源が、光起電力、太陽熱、風力、水力電力、原子力、地熱、強化地熱、海洋熱、波浪力、および潮力の少なくとも１つから選択される、請求項１〜２１のいずれか一項に記載の方法。
電子供与体が、次のもの、すなわち、単体Ｆｅ^０、菱鉄鉱（ＦｅＣＯ_３）、磁鉄鉱（Ｆｅ_３Ｏ_４）、黄鉄鉱もしくは白鉄鉱（ＦｅＳ_２）、磁硫鉄鉱（Ｆｅ_{（１−ｘ）}Ｓ（ｘ＝０〜０．２））、硫鉄ニッケル鉱（Ｆｅ，Ｎｉ）_９Ｓ_８、紫ニッケル鉱（Ｎｉ_２ＦｅＳ_４）、黄鉄ニッケル鉱（Ｎｉ，Ｆｅ）Ｓ_２、硫砒鉄鉱（ＦｅＡｓＳ）、または他の硫化鉄、鶏冠石（ＡｓＳ、雄黄（Ａｓ_２Ｓ_３）、輝コバルト鉱（ＣｏＡｓＳ）、菱マンガン鉱（ＭｎＣＯ_３）、黄銅鉱（ＣｕＦｅＳ_２）、斑銅鉱（Ｃｕ_５ＦｅＳ_４）、銅藍（ＣｕＳ）、四面銅鉱（Ｃｕ_８Ｓｂ_２Ｓ_７）、硫砒銅鉱（Ｃｕ_３ＡｓＳ_４）、砒四面銅鉱（Ｃｕ_１２Ａｓ_４．Ｓ_１３）、輝銅鉱（Ｃｕ_２Ｓ）、または他の硫化銅、閃亜鉛鉱（ＺｎＳ）、鉄閃亜鉛鉱（ＺｎＳ）、または他の硫化亜鉛、方鉛鉱（ＰｂＳ）、硫安鉛鉱（Ｐｂ_５（Ｓｂ，Ａｓ_２）Ｓ_８）、または他の硫化鉛、輝銀鉱または針銀鉱（Ａｇ_２Ｓ）、輝水鉛鉱（ＭｏＳ_２）、針ニッケル鉱（ＮｉＳ）、ポリジム鉱（Ｎｉ_３Ｓ_４）、または他の硫化ニッケル、輝安鉱（Ｓｂ_２Ｓ_３）、Ｇａ_２Ｓ_３、ＣｕＳｅ、クーパー鉱（ＰｔＳ）、ラウラ鉱（ＲｕＳ_２）、ブラッグ鉱（Ｐｔ，Ｐｄ，Ｎｉ）Ｓ、ＦｅＣｌ_２のうちの１または２以上から選択される天然起源の鉱物から生成される、請求項１〜２２のいずれか一項に記載の方法。
電子供与体が、次のもの、すなわち、プロセスガス、テールガス、強化石油回収ベントガス、バイオガス、酸性鉱山排水、埋立て地浸出液、埋立て地ガス、地熱ガス、地熱スラッジまたはブライン、金属汚染物質、脈石、尾鉱、硫化物、二硫化物、メチルメルカプタンおよびジメチルメルカプタンおよびエチルメルカプタンの１または２以上から選択されるメルカプタン、硫化カルボニル、二硫化炭素、アルカンスルホネート、硫化ジアルキル、チオスルフェート、チオフラン、チオシアネート、イソチオシアネート、チオ尿素、チオール、チオフェノール、チオエーテル、チオフェン、ジベンゾチオフェン、テトラチオネート、亜ジチオン酸塩、チオン酸塩、二硫化ジアルキル、スルホン、スルホキシド、スルホラン、スルホン酸、ジメチルスルホニオプロピオネート、スルホン酸エステル、硫化水素、スルフェートエステル、有機硫黄、二酸化硫黄、およびすべての他のサワーガスのうちの１または２以上から選択される汚染物質または廃棄生成物から生成される、請求項１〜２３のいずれか一項に記載の方法。
固定工程時の１つまたは複数の化学合成反応のための電子供与体から酸水素微生物への還元等価体の送達が、吸収または吸着された水素電子供与体を化学独立栄養生物のごく近傍に置くのを容易にする微生物増殖用の固体担体培地の形態で水素貯蔵材料を環境中に導入すること、Ｈ_２ガスまたは固体電極材料中の電子を含む貧溶性電子供与体から化学独立栄養培養培地に還元力を移動するのを支援する電子伝達体を導入すること、および固体電子を化学独立栄養生物のごく近傍に置くのを容易にする固体増殖担体培地の形態の電極材料を環境に直接導入すること、の１または２以上により、速度論的および／または熱力学的に増強される、請求項１〜２４のいずれか一項に記載の方法。
少なくとも１つの化学合成反応が、次のもの、すなわち、加速突然変異誘発、遺伝子工学もしくは遺伝子改変、ハイブリダイゼーション、合成生物学、および伝統的な選抜育種のうちの１または２以上を含む方法を介して、無機炭素化合物および／または１個のみの炭素原子を含有する有機化合物の固定ならびに有機化合物の生成が、改良、最適化、または工学操作された酸水素微生物により行われる、請求項１〜２５のいずれか一項に記載の方法。
上側部分と下側部分とを含む第１の塔と、
上側部分と下側部分とを含む第２の塔と、
を含み、前記第２の塔の上側部分が、前記第１の塔の上側部分に流体接続され、かつ前記第２の塔の下側部分が、前記第１の塔の下側部分に流体接続される、バイオリアクターであって、
前記第１および前記第２の塔間で液体を循環させる時、ガスの容積が、前記第１の塔および／または前記第２の塔の頂部で実質的に定常的になるように、構築および配置され、かつ
ガスの容積が、その容積が位置する塔の全容積の少なくとも約２％を占める、バイオリアクター。
バイオリアクターが液体培地を含有する、請求項２７に記載のバイオリアクター。
バイオリアクターが酸水素微生物を含有する、請求項２７に記載のバイオリアクター。
増殖培地を含む液体を第１の塔および第２の塔間で循環させることを含み、操作時、ガスの容積が、前記第１の塔および／または前記第２の塔の頂部で実質的に定常的に維持され、かつガスの容積が、その容積が位置する塔の全容積の少なくとも約２％を占める、バイオリアクターの操作方法。
ガスの容積が水素および／または酸素を含む、請求項３０に記載の方法。
ガスの容積が水素を含む、請求項３０に記載の方法。
ガスの容積が、その容積が位置する塔の全容積の約２％〜約１０％を占める、請求項３０に記載の方法。
第１および／または第２の塔が入口部を含み、かつ塔の頂部に位置するガスの少なくとも一部が、前記第１および／または前記第２の塔の入口部を介して容積から再循環されて、前記第１および／または前記第２の塔に戻される、請求項３０に記載の方法。
バイオリアクターが酸水素微生物を含有する、請求項３０に記載の方法。
水を電解して酸素および水素を生成するように構築および配置されたチャンバーと、
ストリーム内の酸素の少なくとも一部をストリーム内の水素の少なくとも一部から分離して、セパレーターを出る流体の水素含有率が、酸水素微生物の培養物を含有するリアクターへの供給ストリームとして使用するのに好適なものとなるようにすべく、構築および配置されたセパレーターを含む出口部と、
を含む、電解装置。
電解装置の出口部がバイオリアクターと流体連通状態で結合されている、請求項３６に記載の電解装置。
バイオリアクターが、酸水素微生物による無機炭素化合物および／または１個のみの炭素原子を含有する有機化合物から有機化学品への回収および変換用として構築および配置される、請求項３７に記載の電解装置。
電解装置の操作方法であって、水を電解して酸素と水素とを含有する第１のストリームを生成すること；および
前記酸素の少なくとも一部を前記水素の少なくとも一部から分離して、第１のストリームに比べて比較的水素に富んだ第２のストリームを生成することを含み、
前記第２のストリームが、酸水素微生物の培養物を含有するリアクターへの供給ストリームとして好適なものである、前記方法。
第２のストリームをバイオリアクターに供給することを含む、請求項３９に記載の方法。
バイオリアクターが酸水素微生物を含有する、請求項４０に記載の方法。