JP2021502088A - 発酵からケトン及びグリコールを回収する方法 - Google Patents

発酵からケトン及びグリコールを回収する方法 Download PDF

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Abstract

方法は、発酵プロセスからケトン及びグリコールを得る工程を含むことができ、方法は、発酵槽から排ガス及び/又は発酵ブロスを収集する工程であって、排ガスがケトンを含み、発酵ブロスが、グリコール又はケトンのうちの1種又は複数を含む、工程と、排ガスを発酵槽からケトン回復モジュールへ移す工程、又は発酵ブロスを流体分離モジュールへ移す工程の少なくとも一方を実施する工程と、排ガスからのケトン、及び発酵ブロスからのグリコールのうちの1種又は複数を単離する工程とを含む。

Description

微生物発酵により、ポリマー製造用途の、多様な範囲で原料として使用することができる、幾つかの、工業的に関連した化合物がもたらされる。対象となる化合物は、生成物ストリームとして発酵容器を出る、ブロス及び排ガスの成分として生成される。発酵ブロス及び排ガスは、極めて異なる特性を有する、広範囲の成分、例えば、細胞バイオマス、不溶性固体、水、有機物、無機及び有機イオン、並びに不凝縮ガスを含む、複雑な混合物である。加工に関係する時間及びエネルギーコストを最小限にしながら、様々な不純物から生成物化合物を単離する試みが行われている。
WO2012/130316
この要約は、詳細な説明において、以下に更に説明される概念の事例を紹介するために与えられる。この要約は、特許請求の範囲に記載の内容の要所又は本質的な特徴を特定しようというものではなく、特許請求の範囲に記載の内容の範囲を制限する一助として用いようというものでもない。
一態様において、本明細書で開示された実施形態は、発酵プロセスからケトン及びグリコールを得る方法であって、発酵槽から排ガス及び/又は発酵ブロスを収集する工程であり、排ガスがケトンを含み、発酵ブロスが、グリコール又はケトンのうちの1種又は複数を含む、工程と、排ガスを発酵槽からケトン回復モジュールへ移す工程、又は発酵ブロスを流体分離モジュールへ移す工程の少なくとも一方を実施する工程と、排ガスからのケトン、及び発酵ブロスからのグリコールのうちの1種又は複数を単離する工程とを含む、方法に関連する。
特許請求の範囲に記載の内容の、他の態様及び利点は、以下の説明及び添付の特許請求の範囲から明らかになる。
本開示の実施形態の発酵プロセスのフロー図である。 本開示の実施形態の発酵槽排ガスの塔吸収ベース精製(column absorption-based purification)のフロー図である。 本開示の実施形態の蒸留法のフロー図である。 本開示の実施形態の、発酵ブロスの前処理法のフロー図である。 本開示の実施形態の蒸留法のフロー図である。 本開示の実施形態の反応蒸留法のフロー図である。 本開示の実施形態の反応抽出法のフロー図である。 本開示の実施形態の薄膜蒸発法のフロー図である。 本開示の実施形態の発酵ブロスの塩除去法のフロー図である。 本開示の実施形態の、反応蒸留法を用いた発酵精製法のフロー図である。 本開示の実施形態の、反応抽出法を用いた発酵精製法のフロー図である。 本開示の実施形態の、薄膜蒸発法を用いた発酵精製法のフロー図である。 本開示の実施形態の、蒸留モジュールと併用した前処理モジュールを用いた発酵精製法のフロー図である。 本開示の実施形態の、様々なモジュール配置の概要を示すフロー図である。 本開示の実施形態の反応蒸留法のフロー図である。 本開示の実施形態の反応抽出法のフロー図である。 本開示の実施形態の薄膜蒸発法のフロー図である。
一態様において、本明細書で開示された実施形態は、微生物発酵によって製造されるケトン及びグリコールを分離し、精製する方法に関連する。1つ又は複数の実施形態において、本開示の方法を用いて、塩の様々な濃度を有する水性溶液から、ケトン及びグリコール等の有機発酵生成物を回収することができる。
生物精製所における発酵プロセスの使用は、プラスチック及び他の精製化学製品の工業生産のための、回収可能な原料を開発するのに用いられる。これらの方法を商業的に妥当な規模まで拡大するには、最適な微生物増殖条件を確立することから、更に、純粋な生物学的に誘導された生成物を、発酵槽から得られる塩及び有機材料の複雑な混合物から単離するまでの、幾つかの試みが存在する。
本開示の方法は、発酵によって、発酵槽を出る排ガス及び/又はブロスから単離され、幾つかの商業的に関連した生成物に変換される、回収可能な原料を使用することができる。本開示の生成物には、例えば、ケトン、アルコール、及びグリコールを挙げることができ、それらは、生物工学的方法で利用される代謝経路を用いて製造される。1つ又は複数の実施形態において、発酵プロセスにより、発酵ブロス及び/又は排ガスストリームにおいてグリコール及びケトンを製造することができる。これらの化学品を製造するための、従来の方法と比較して、ストリームの組成は、特に、発酵ブロスにおける、標的生成物の存在、高濃度の水、及び塩の存在のために、特異な性質を有する。結果として、発酵生成物ストリームは、工業的化学品製造に典型的に関連したものとは区別される、不純物及び副生成物を含む。本開示の方法は、精製法における、これらの違いに対処するものである。
特に、図1について、単純な発酵セットアップが示される。培養される、特定の微生物に合わせて選択された媒体を含む原料ストリーム102を、発酵槽104に導入する。例えば、原料ストリーム102は、水、糖、塩、並びに様々な、有機及び無機栄養混合物を含むことができる。有酸素発酵について、空気供給106を発酵槽に導入して、酸素源を提供することができる。発酵が進むにつれて、発酵槽を出る、不凝縮ガス、水、様々なケトン、アルデヒド、及びアルコール、並びに幾つかの微量混入物を含んだ排ガスストリーム108を生じることができる。様々な濃度の、水、グリコール、ケトン、アルコール、塩、カルボン酸、有機物、及び無機物を含む発酵ブロス110を獲得することもできる。
本開示の方法は、発酵容器から得られる排ガス及び発酵ブロスの混合物において回収することができる、工業的に関連した化合物、例えば、発酵中に製造されるケトン及びグリコールを分離し、精製する方法を対象とする。回収に続いて、産出ストリームを分離して処理することができる。一部の実施形態において、方法は、幾つかのガス分離技術によって、不凝縮ガス及び他の不純物から揮発性化合物を単離する工程を含む。次いで、揮発性化合物を更に加工して、ケトン等の有機物を、回収し、単離することができる。
1つ又は複数の実施形態において、発酵ブロスを発酵槽から流体分離モジュールへ移すことができ、そこで、様々な精製技術により、グリコール、アルコール、及び他の成分等の有益な生成物を単離することができる。一部の実施形態において、発酵ブロスは、流体分離モジュールへ送る前に、殺菌、濾過、塩除去、及び濃縮を含む、幾つかの技術を用いて前処理することができる。発酵ブロスストリームにおける揮発物は、ガス分離モジュールに移され、他の実施形態において、排ガス生成物と組み合わせることができる。
本開示の方法は、塩を含む発酵ブロスから成分を分離するように調整された流体分離モジュールの使用を含むことができる。ブロス中の塩の存在は、蒸留及び他の分離技術の使用を複雑にすることがある。というのは、こうした技術が、固体及び他の薄片を生じ得る、並びに/又は腐食及び他の悪影響をもたらし得る、水の除去を使用し得るためである。
排ガス分離及びケトン回収
1つ又は複数の実施形態において、本開示の方法及びシステムは、発酵槽から受けた排ガスストリームをその構成成分に分けるための、モジュール又は一連のモジュールを含むことができる。発酵槽から生じた排ガスは、大部分の不凝縮ガス、例えば、O2、N2、及びCO2を含むことができる。CO2は、微生物代謝の副生成物として生じることがあるが、ガスO2及びN2は、しばしば、発酵槽に注入される空気供給からの戻りである。排ガス生成物ストリームが加工されるとき、不凝縮ガスの除去は、生成物ストリームから、他の有益な成分を回収するのに必要とされ得る。一部の実施形態において、排ガスストリームは、その構成要素へ加工され、例えば、不凝縮ガス等の他の成分からケトンを分離し、精製することができる。
排ガス分離モジュール
1つ又は複数の実施形態において、本開示の方法及びシステムは、発酵槽排ガス(図1の108)を加工するために、吸収ベースの、又は凝縮ベースの精製技術を使用することができる。特に、図2について、本開示の排ガス分離技術は、吸収モジュール200を含むことができる。吸収分離は、発酵槽からの排ガスストリーム202(図1のストリーム108)を吸収塔204の下部へ移すことによって進めることができ、次いで、排ガスストリーム202を塔の上部に導入された吸収剤206(例えば、水)と接触させる。生成物混合物の分離は、不凝縮ガス208(例えば、CO2、N2、及びO2)として生じるが、それらは、吸収剤に対する親和性が限定的であり、塔を通り抜け、出る。塔204を出る、残留生成物ストリーム210は、水、ケトン、他の対象の化学種、及び少量の不凝縮ガスを含み得る、ガス状原料202からの、可溶性成分を含む。ケトンが低分子量である場合、吸収剤206の多くの好適な候補、例えば、水がある。
ケトン回復モジュール
吸収塔から得られた可溶性成分210は、含酸素添加剤、ケトン、アルコール、及び他の含酸素添加剤、微量のグリコール、及び酸を含むことができ、それらは、吸収剤及び微量の不凝縮ガスと共に液体混合物中にあると考えられる。例えば、蒸留、蒸発、液体-液体抽出、浸透気化等を含む、可溶性成分210の希釈溶液からケトンを回収することができる、様々な方法がある。1つ又は複数の実施形態において、可溶性成分210は、図3について、以下に説明するように蒸留塔に送ることができる。
特に、図3について、ケトン回復モジュール300の一実施形態を示す。この例において、溶媒、ケトン、アルコール、水、酸、並びに微量のグリコール及び不凝縮ガスの混合物を含むことができる、排ガス分離モジュールからくる液体ストリーム302(例えば、図2のストリーム210)は、蒸留塔304に供給され、非揮発性(多くの場合、水性)成分が下部ストリーム312として出る。下部ストリーム312は、様々な濃度の、水、アルコール、ケトン、及び他の含酸素添加剤、酸、並びに/又はグリコールの混合物を含むことができる。蒸留塔304からの塔頂ストリーム305は、例えば、熱交換器306を用いて、塔を出た後すぐに冷却することができる。一部の実施形態において、凝縮器306の後、還流槽308が続いて、ストリーム316のケトン及び他の揮発性成分から、不凝縮ガス314(例えば、二酸化炭素、窒素、及び酸素)を分離することができる。流れ316の非揮発性成分の一部は、追加的な還流のために、蒸留塔304の塔頂に戻すことができる。一部の実施形態において、1つ又は複数の実施形態において、ケトン316はまた、低温殺菌領域の下で、塔304からの側流において回収することもできる。
溶媒(例えば、水)、酸、及びグリコールを含むことができる、ケトン回収塔304の下部312は、廃水処理に送ることができ、又は溶媒から混入物を除去するよう処理することができ、一部の実施形態において、吸収塔304に再循環させることができる。処理は、蒸留、蒸発、吸収、液体-液体抽出、又は当分野の技術水準で既知の、他の単位操作によって行うことができる。塔頂ストリーム305からの不凝縮ガス314は、場合により、図2について説明されたように、一部の実施形態において、ケトンの残留損失を回収するために、吸収モジュールに循環させることができる。したがって、1つ又は複数の実施形態において、排ガス成分を加工するのに用いられる技術は、図3の306で説明されたように、部分凝縮と連結した蒸留を含むことができる。
流体分離及びグリコール回収
1つ又は複数の実施形態において、本開示の方法及びシステムは、発酵槽から得られる流体ストリームをその様々な構成成分に分ける、1種又は複数の流体分離モジュールを含むことができる。一部の実施形態において、流体分離モジュールを用いて、発酵プロセスから、ケトン、グリコール、及び他の工業的に関連した化合物を単離することができる。
流体分離モジュール
本開示の方法及びシステムは、発酵槽から得られる発酵ブロスストリームをその様々な構成成分に分離する、1種又は複数の流体分離モジュールを含むことができる。発酵ブロスは、原料を生成するのに用いる、他の工業プロセスと対比させるとき、特異な、幾つかの特徴及び成分を有する。水及び対象の化合物に加えて、発酵ブロスストリームは、固体、塩、鉱物、カルボン酸、フェノール化合物、タンパク質、及び未変換糖(unconverted sugar)を含むことができる。固体の例には、沈殿糖、例えば、アラビノース、マンノース、グルコース及びそのオリゴマー、キシロース及びそのオリゴマー、並びに他のもの;様々な有機物、例えば、コハク酸及び沈殿リグニン;並びに生きている、及び死んでいる、バクテリア、酵母菌、及び他の微生物を含むバイオマスが挙げられる。
発酵ブロスにおいて、塩は、しばしば、微生物の好ましい条件をつくるのに用いられ、著しく濃縮されて、下流プロセスに存在することが多い。塩沈殿は、特に、不溶性塩の形成によって、又は水の蒸発によって問題となり得る。沈殿した塩は、伝熱表面汚損の他に、流れの問題を生じることがあり、対処する時間及び経済的な出費をもたらし得る。しかし、1つ又は複数の、他の実施形態において、こうした塩除去を必要とせず、グリコールが、塩含有発酵ブロスから回収されることが想定される。こうした場合において、塩沈殿を避けるために、ブロスの水濃度が、塩の溶解限度を超えて維持されるように注意するべきである。更に、発酵ストリームに接触する材料は、産生ストリームにおける塩の種類を考慮して選択されるべきである。例えば、塩化物等の、一部の塩は、その高い腐食可能性が知られており、これらの塩を含んだ生成物ストリームを扱う機器は耐腐食性であるべきである。
蒸留、反応蒸留(RD)、反応抽出(RE)、薄膜蒸発(TFE)、短経路蒸発(SPE)、連続クロマトグラフィー、及びバッチクロマトグラフィーを含むことができる、幾つかの技術によって操作することができる、1種又は複数の流体分離モジュールを用いた、本開示の方法を使用して、様々な塩濃度を含む生成物ストリームから、対象の生成物を取り出すことができる。更に、1つ又は複数の実施形態において、高濃度の塩を含む発酵ブロスから成分を分離する方法は、発酵ブロスからの、対象の生成物、例えば、ケトン及びグリコールの分離を促進する分離剤の使用を含むことができる。幾つかの可能な技術が、以下に順に説明される。
蒸留系
水性溶液からグリコールを回収する方法は、1種又は複数の蒸留塔による蒸留を含むことができる。塩がブロス中に存在する場合、プロセス機器における、化学的な、又は水蒸発の結果としての、塩の沈殿は、方法における、流れの問題、表面汚損を引き起こすことがあり、しばしば、これらの問題に対処するための休止時間に至る。塩は、微生物の好ましい発酵条件をつくるのに必要とされ、しばしば、無視できない濃度で、下流プロセスに存在する。
1つ又は複数の実施形態において、蒸留系を用いて、グリコール及び他の標的化合物を精製することができ、続いて、以下に説明される、塩除去モジュール又は他の前処理モジュールを用いて、塩濃度が取り除かれ、又は低減される。一部の実施形態において、塩除去モジュールを出る生成物ストリームは、2個以上の蒸留塔を含む蒸留系を用いて分離されて、有機物、例えば、グリコールを回収することができる。特に、図5について、蒸留モジュール500における蒸留塔の試料配置が示される。生成物ストリーム502(例えば、水、より軽質な有機物、グリコール、及びより重質な有機物を含むことができる)が、第1蒸留塔504に入るとき、水及びより軽質な有機物が、塔頂ストリーム506として取り除くことができる。下部ストリーム508は、化合物、例えば、グリコール及び他の重質物を含み、連続した第2蒸留塔510に移される。グリコール及び他の化合物は、塔頂ストリーム512として第2塔510を出るが、重質物は、下部ストリーム514として出る。
反応蒸留
反応蒸留は、化学反応及び蒸留が単一の機器で行われる、プロセス強化技術である。1つ又は複数の実施形態において、流体分離モジュールは、ポリオールと反応して対応するアセタールを生成する、カルボニル種(例えば、アルデヒド又はケトン)を含む分散剤と、ポリオールを反応させることによって、発酵ブロスからポリオール、例えば、グリコールを分離する、反応蒸留の使用を含むことができる。本開示のアセタールは、ケトン又はアルデヒドそれぞれを含むカルボニル種とアルコールとの反応から調製された、ケタール又はアセタールを含み、歴史的にケタール及びアセタールと称される化合物を含む。更に、本開示のアセタールは、環状アセタール、例えば、ジオキソラン及びジオキサンを含む。アセタール種、例えば、ジオキソランは、しばしば、対応するポリオールよりもより揮発性であり、水素結合能が低減されて、反応蒸留塔において、アセタールが溶液から分離することを可能にする。本明細書における「アセタール」は、生成物ストリームに存在する、複数のカルボニル種から生じる、アセタールの不均一混合物を示し、ケトンとアルデヒドとの両方から生じるアセタールを含むことも想定される。
特に、図6について、反応蒸留塔を組み込んだ流体分離モジュール600の一実施形態が示される。実施形態において、ブロスストリーム602(清澄化され、場合により濃縮された)は、反応蒸留塔604に移されるが、分離剤606(例えば、カルボニル種)は、他の位置で、塔604に供給される。1つ又は複数の実施形態において、ブロスストリーム602に存在するグリコールは、塔604において、分散剤606と反応し、触媒の存在下で分離剤と反応することによって、グリコールを対応するアセタール形態に変態させる。グリコールとカルボニル種との反応の場合、環状アセタールが生成される。例えば、モノエチレングリコールは、ホルムアルデヒドと反応して、1,3-ジオキソラン及び水を生成するが、モノエチレングリコールは、アセトンと反応して、2,2-ジメチル-1,3-ジオキソランをもたらす。グリコールのアセタール形態は、水よりもより揮発性であり、しばしば、ある程度の濃度の残留カルボニル種と共に、塔頂ストリーム608として蒸留することができる。一部の実施形態において、アセタールへの変換は、触媒の存在下で生じることができる。触媒は、鉱物酸、例えば、塩酸、又はイオン交換樹脂を含むことができる。アセタール生成反応は、平衡反応であり、一部の実施形態において、化学量論的過剰のカルボニル種を用いて、より高い変換率の反応を誘導することができる。
1つ又は複数の実施形態において、水の一部は、アセタールと水との、最低沸点共沸混合物を生成するために、塔頂608として得られたアセタールと共に反応蒸留塔604を出ることができる。しかし、水の大部分は、塔604の下部に残り、残留ブロスにおいて、塩の溶解度を最大にし、下部ストリーム610として塔を出ることができる。反応蒸留塔の塔頂608は、第2蒸留塔612へ通され、そこで、未反応の分離剤(すなわち、カルボニル種、例えば、アルデヒド又はケトン)は、塔頂ストリーム614として回収され、第1塔604へ再利用される。
第2塔612からの下部616は、第3蒸留塔618(加水分解塔)へ送られ、そこで、水620を添加してアセタールを加水分解し、対応するグリコールを得る。加水分解塔618の下部ストリーム624は、水/グリコール混合物であり、これは、最終的に、最終蒸留塔626へ送られて、塔頂ストリーム628として水を取り出す一方で、グリコールが630で得られる。1つ又は複数の実施形態において、発酵ブロスから、発酵の副生成物として得られるケトン又はアルデヒドは、反応蒸留に用いる分離剤606として用いることができる。
一部の実施形態において、流れストリーム630は、最終蒸留塔に送ることができ、そこで、重質化合物が、下部ストリームで取り出される一方で、精製グリコールが塔頂ストリームとして得られる。一部の実施形態において、精製グリコールを収集し、熱交換器で冷却した後、保管することができる。この例において、グリコールは、代表的なポリオールとして示されるが、方法は、2個以上の、有効なアルコール基及び/又は2個以上の炭素原子を含む、他のポリオール種、例えば、1,3プロピレングリコールを獲得するように適応できることが想定される。
反応抽出
1つ又は複数の実施形態において、化学反応及び溶媒抽出を、単一の、組み合わせた方法で行い、グリコール及び他の有機物を分離する、反応抽出は、プロセス強化技術として使用することができる。前述された反応蒸留と同様に、反応抽出は、グリコールを分離剤と反応させて、対応するアセタール又は環状アセタールを生成することにより、グリコールの溶解度及び揮発度を改質することによって行われる。更に、前処理モジュールが用いられる場合、溶媒は、水性発酵清澄化ブロスストリームから疎水性及び無極性種を抽出する、反応蒸留塔へ導入される。反応抽出は、有機溶媒相の変換グリコール(例えば、ジオキソラン)の親和性の変化を利用し、分離を促進する。次いで、変換グリコールの加水分解により、グリコール生成物下流を再び生じる。
特に、図7について、反応抽出モジュール700が示される。発酵ブロスストリーム702(一部の実施形態において、清澄化され、及び/又は濃縮された)は、反応抽出塔704へ移される。次いで、反応抽出は、分離剤706、例えば、アルデヒド又はケトンを用いてアセタールに変換することによって開始し、反応抽出塔704においてブロス702と合わせる。その後、図6について説明したように、水性混合物からアセタールを蒸留する代わりに、ジオキソランは、溶媒708を用いて抽出され、反応物、アセタール、溶媒、及びごく少量の水を含んだストリーム710として、塔704から移される。
次いで、アセタールを含んだ、溶媒に富んだ相710は、取り出され、蒸留塔712に送られて、ストリーム714として溶媒を回収する。塔712において、アセタールは、塔頂ストリーム716として回収され、下部714で取り出された溶媒は、反応抽出塔704にリサイクルされる。アセタール流は、加水分解塔と称される反応蒸留塔720に送られ、そこで、水718を添加してアセタールをグリコールに戻し、グリコールは、水との混合物である下部ストリーム722として出る。塔頂ストリーム724は、戻された(reverted)分離剤、例えば、アルデヒド又はケトンを主に含み、反応抽出塔704にリサイクルすることができる。この加水分解塔の下部722は、再び、水及びグリコールの混合物であり、これは、最終的に、最終蒸留塔726に送られ、水を含んだ塔頂ストリーム728及びグリコールを含んだ下部ストリーム730を生じる。1つ又は複数の実施形態において、流れストリーム730は、最終蒸留塔に送ることができ、そこで重質化合物が下部ストリームにおいて取り出される一方で、グリコールは、塔頂ストリームにおいて得られる。一部の実施形態において、精製グリコールを収集し、熱交換器で冷却した後、保管することができる。説明された構成の、一つの利点は、方法において、発酵の副生成物として既に存在するケトンを、反応抽出のための分離剤706として使用できることである。
有機相におけるアセタールの回収を促進するために、溶媒を選択することができる。1つ又は複数の実施形態において、有機溶媒は、トルエン、エチルベンゼン、o-キシレン等を含むことができる。一部の実施形態において、反応抽出塔704からの水性相731は、水、塩、糖、分離剤、アセタール、及び溶媒を含むことができる。反応抽出塔704を出た後、水性相731は、デカンター736を備えた蒸留塔732へ移すことができる。分離剤、アセタール、及び溶媒は、デカンター736の有機相において、ストリーム738として回収され、一部の実施形態において、溶媒回収塔712へ再利用され得る。この構成の、一つの利点は、方法において、発酵の副生成物として既に存在するケトンを、反応抽出のための分離剤706として使用できることである。例えば、反応抽出塔704からの下部731は、溶媒、反応物を回収し、残留水を取り除くために、蒸留塔732へ送ることができる。例えば、下部731は、塔頂ストリーム733に分けることができ、塔頂ストリーム733は、熱交換器734を用いて冷却され、デカンター736へ通して、塔頂ストリーム733を、有機物、例えば、アルデヒド、ケトン、アセタール、及び溶媒を含む分画738、並びに水分画740に分離することができる。下部として、塔732を出る、水及び他の重質物は、ストリーム742として回収することができる。
蒸発モジュール
1つ又は複数の実施形態において、流体分離モジュールは、1種又は複数の、薄膜蒸発器及び/又は短経路蒸発器を組み込んで、塩及びより重質な成分、例えば、糖を分離しながら、有機物及び水を回収することができる。一部の実施形態において、発酵清澄化ブロスストリームは、濃縮モジュールで濃縮され、第1段階蒸発器へ移されて、グリコール及び水に富んだストリームを回収することができる。より低い圧力で作動している、第2段階蒸発器も、系に加えられ、第1蒸発器の液体からグリコールを回収するのに役立つことができる。この場合、第2蒸発器からの蒸発させた流れは、凝縮され、第1蒸発器にポンプで送り込まれ、ここで、より高い塩濃度を有する液体が、系から一掃される。
薄膜蒸発器は、発酵ブロスからの塩が、加熱した表面に粘着することを防ぐ。この技術は、幾つかの利点、例えば、短い滞留時間、乱流による高い伝熱係数、高い固体濃度及び粘性材料を扱う能力、並びにより少ない生成物分解も有し、より高い収率をもたらす。構成的に、薄膜蒸発器は、加熱ジャケットを備えた密閉容器から形成される。供給は、機械的ワイパーの補助の有無に関わらず、重力により蒸発器壁を下へ流れ、蒸発している表面を覆う薄膜を形成し、下部の出口へ重質物を誘導する。加熱及び適用された真空のために、揮発性成分は、蒸発し、次いで、外部の凝縮器で液化する。蒸発しない成分は、ポンプで出されるか、又は廃棄される。
一部の実施形態において、短経路蒸発器を、グリコール回収に用いることができる。分子蒸留器としても既知である、短経路蒸発器(SPE)は、装置内に同軸に固定された凝縮器を備えることを除いて、薄膜蒸発器と極めて類似している。SPEは、一般に、2個の同心円筒体で構成され、一方は、蒸発表面として作用し、他方は、凝縮表面として作用する。濃縮された/蒸留された液体材料の供給は、加熱された壁を通って落ち、部分的に蒸発する。蒸気が生じるとき、低温の壁に直面し、凝縮する。
一部の実施形態において、分離剤、例えば、塩添加溶剤は、ブロス媒体に導入されて、例えば、薄膜蒸発及び短経路蒸発の間、液相の塩を維持する一方で、より軽質な有機物、例えば、ケトン及びグリコールは、薄膜蒸発器によって蒸発し、収集される。本開示の添加溶剤は、通常、標的のケトン又はグリコールの化合物よりもより高い分子量の粘性生成物である。化学品の粘性特性のために、原料糖又はグリセロールは、液相において、塩を維持する塩添加溶剤として使用することができる一方で、揮発性成分及び水は溶液から蒸発する。1つ又は複数の実施形態において、塩添加溶剤(この例において、例えば、グリセロール)は、塩が、液相で保たれ、蒸発器の下部に混入されるように、過剰の濃度で発酵清澄化ブロスに添加することができる。
特に、図8について、薄膜蒸発器の仕組みを使用する流体分離モジュールの一実施形態が示される。発酵ブロス802(一部の実施形態において、清澄化され、場合により濃縮された)を、ストリーム810からの塩添加溶剤と合わせ、薄膜蒸発器812へ移して、グリコール、軽質成分、及び水を蒸発させることができる一方で、塩は、分離剤によって混入され、他の成分、例えば、塩及び糖を伴って、836の蒸発器の下部出口へ運ばれる。分離剤/添加溶剤はまた、塩が蒸発器の壁に粘着することを防ぎ、蒸発させたストリームにおけるグリコール回復を促進する。
分離剤/添加溶剤が、依然として相当な量のグリコールを含む場合、より低い圧力で作動する第2蒸発器838を加えて、第1蒸発器からストリーム836としてくる液体からグリコールを回収することができる。この場合、塩添加溶剤に富んでいるが、グリコールも含む、第2蒸発器838からの蒸発させた流れ842は、凝縮器840を通り、第1蒸発器812へポンプで戻される。任意の、非再利用の分離剤は、ストリーム844である、第2薄膜蒸発器の下部として出る。一部の実施形態において、ストリーム844は、しばしば、塩添加溶剤及び塩に富んでおり、廃棄物ストリームと考えられる。高濃度の糖及び/又はグリセロールを含んだ発酵ブロスにおいて、ストリーム842へ添加溶剤をリサイクルするのに必要とされる、組成810の量は、ごく僅かであり得る。
上記の実施形態のいずれかにおける、第1蒸発器812からの蒸留生成物814は、グリコール、軽質有機物、塩添加溶剤、及び水を多く含むことができ、部分凝縮器816へ送られ、そこで、グリコールが、ストリーム820として凝縮される一方で、水、軽質有機物、及び一部のグリコールは、塔頂ストリーム818として出る。次いで、グリコール、塩添加溶剤、軽質有機物、及び水を含んだストリーム820は、塔822及び830を含む蒸留系へ移されて、精製グリコールを生成することができる。例えば、ストリーム820は、水及び軽質有機物を含んだ塔頂824、及びグリコール、重質有機物、及び塩添加溶剤を含んだ下部ストリーム826に分離される塔822へ移される。次いで、ストリーム826は、塔830でポリッシュされて、グリコール生成物ストリーム832を生じ、重質物及び添加溶剤の分画834を分離する。代替的な構成において、第1蒸発器812からくる蒸留物は、凝縮器816で完全に凝縮され、その後、蒸留系、例えば、塔822及び830へ直接送られる。ここで、第1蒸留塔822は、頂上生成物824で水を取り出し、その下部生成物826は、第2塔830に送られ、そこで、グリコールが、塔頂832で回収され、重質物を含む下部834は、プロセスから一掃される。
示された例は、添加溶剤を含むが、薄膜蒸発を組み込んだ流体分離モジュールは、分離剤なしで、すなわち、加える糖、及び発酵槽を出る糖の濃度を変えることによって、内在性の分離剤、例えば、糖を使用することによって、実施することができることも想定される。
クロマトグラフィーモジュール
本開示の流体分離モジュールは、1種又は複数のクロマトグラフィーモジュールを含むことができる。本開示のクロマトグラフィー方法は、2相システムを通る移動速度の違いに基づいた、混合物の溶質の分離を含むことができる。クロマトグラフィーは、混合物の成分を特定する分析技術として使用され得るが、連続した大きな規模で、様々な合成の生成物を分離し、且つ精製するのに使用することができる。
バッチクロマトグラフィーにおいて、供給混合物のパルスは、吸収剤を充填したカラムに注入され、溶媒の連続的な流れが、連続してカラムを通る。様々な溶質に対する、吸収剤の親和性の違いのために、流れは、異なる速度で、カラムを通って移動し、したがって分離される。しかし、バッチ操作は、しばしば非効率であり、大量の溶媒を必要とし、分離全体を通して、カラムを非効率に使用するゆえに、連続クロマトグラフィーシステムが、より効率的な操作をもたらして、より高い生産性を得るために、開発されてきた。
1つ又は複数の実施形態において、クロマトグラフィーモジュールは、連続クロマトグラフィーを実施するように構成することができる。クロマトグラフィー生成物の大規模生産は、バッチユニットよりも、より高い効率性及びより少ない溶媒消費量をもたらす、連続的、且つ自律型のシステムを必要とすることがある。疑似移動床は、幾つかの分野で使用される、確立された連続クロマトグラフィー技術である。幾つかの他の連続システム、例えば、真の移動床(True Moving Bed)(TMB)、疑似移動床(SMB)、疑似SMB、断続的SMB、超臨界SMB、勾配SMB、POWERFEED(商標)、MODICON(商標)、可変外部ストリームシステム(variable external streams system)、VARICOL(商標)、マルチフィード(Multi-Feed)等も開発されてきた。
1つ又は複数の実施形態において、発酵ブロスは、塩除去モジュールによって加工され、クロマトグラフィーモジュールに通して、精製グリコールを含んだ、少なくとも1つの分画及び他の発酵副生成物を含んだ、少なくとも1つの分画を生じることができる。一部の実施形態において、クロマトグラフィーモジュールの操作は、バッチ式で、又は連続法によって実施することができる。
塩除去モジュール
本開示の流体分離モジュールは、塩及び他のイオン種を除去するための塩除去モジュールによる逐次的処理によって、グリコール及び他の対象の化学種を得て、続いて、標的化合物を濃厚にするために蒸留系で処理する、発酵ブロスを加工する工程を含むことができる。
本開示の塩除去モジュールは、幾つかの技術、例えば、濾過、沈殿、イオン交換、及び電気透析を含むことができる。塩除去前処理モジュールは、ブロスの特徴に応じて、分離して、又は組み合わせて利用することができる。本明細書において、「塩除去」は、液体ストリームから塩濃度を完全に除去すること、又は塩濃度の一部を除去することを含むことができる。
1つ又は複数の実施形態において、グリコール及び他の対象の化学種は、塩除去モジュールを用いて塩を除去し、続いて、流体分離モジュールを用いてグリコールを分離することによって、発酵清澄化ブロスから精製することができる。一部の実施形態において、方法は、前処理モジュールを用いて、塩の少なくとも一部を除去することによって、グリコール及び他の対象の化学種を精製する工程を含むことができる。
濾過
濾過技術、例えば、ナノ濾過を用いて、溶解した塩を除去することができる。ナノ濾過は、相当な効率で、液体ストリームから多価イオンを分離することができる。
1つ又は複数の実施形態において、塩除去方法を用いて、発酵ブロスから塩を除去することができる。特に、図9について、一連の技術を組み込んだ塩除去モジュールが示される。発酵清澄化ブロスストリーム902は、ナノ濾過(NF)904を通り、NF保持物906を生じる。NF保持物が取り出されると、ストリームは、荷電種をとらえ、低減された塩のストリーム910を生じる、イオン交換部分908へ移される。
沈殿モジュール
塩濃度を減らすのに用いることができる、他の技術は、沈殿、続いて固体分離工程を含む。沈殿は、化学沈殿又は蒸発沈殿(例えば、結晶化)を示すことができる。化学沈殿において、プロセスに対して異質な化合物が導入されると、溶解度を変え、塩を沈殿させる。蒸発沈殿又は結晶化において、溶媒は、塩の溶解度限度を超えて除去され、塩の一部を結晶化させ、沈殿させる。次いで、沈殿した塩は、デカンテーション、遠心分離、濾過、又は固体分離の、他の既知の形態を含む、幾つかの技術によって除去することができる。
イオン交換
1つ又は複数の実施形態において、塩除去方法は、流体が流体分離モジュールを通る前に、イオン交換を用いて、発酵清澄化ブロスストリームから塩の一部を除去する工程を含む。イオン交換技術において、発酵清澄化ブロスは、1種又は複数のイオン交換ユニットを通り、そこで、反対の電荷のイオンが引き寄せられ、イオン交換樹脂に保持される。除去されたイオンは、他のイオンで置き換わる。樹脂は、カチオン性、アニオン性、又は混合荷電のいずれかであってもよい。イオン交換器は、連続して使用することができ、カチオン及びアニオン交換器部分を含むことができる。場合により、系の間の清澄化溶液を濃縮するための蒸発工程と共に、発酵ブロスの特性に応じて、複数のイオン交換ユニットを使用することができる。ストリームからイオンを引き寄せた後、樹脂は、段階的に飽和し、イオン交換ユニットは、ユニットの電荷に適切な、酸及び塩基を含む化学品を用いて再生される必要があり、廃液を生じる。特定の一実施形態において、イオン交換モジュールは、ナノ濾過ユニットによって先行されてもよい。この技術は、非一価イオンを部分的に除去するのに有効であり、イオン交換モジュールに課されるイオン電荷を軽減することができる。
電気透析
1つ又は複数の実施形態において、塩除去は、1種又は複数の電気透析セルを含むことができる。電気透析は、イオンが、電気的に誘導されたイオン交換膜を介して輸送される、技術である。電気透析膜は、カチオン又はアニオン選択性のいずれであってもよく、同じ荷電種のみを通過させ、反対の電荷は拒絶することができる。電気透析セルスタックにおいて、選択性を変える、複数の膜を配置して、イオンの保持を最大にする。電気透析はまた、再生工程を必要としない点で有用である。特定の一実施形態において、電気透析モジュールは、ナノ濾過ユニットによって先行されてもよい。この技術は、非一価イオンを部分的に除去するのに有効であり、電気透析モジュールに課されるイオン電荷を軽減することができる。
塩処理モジュールによる塩の除去に続いて、グリコール及び他の対象の化学種は、例えば、図5及び添付の文について説明されたように、蒸留塔又は蒸留系を用いて単離することができる。
本開示の塩除去は、一部の実施形態において、ナノ濾過、続いてイオン交換、又は他の実施形態において、沈殿及び/若しくはナノ濾過、続いてイオン交換を含むこともできる。更に他の実施形態において、沈殿及び/又はナノ濾過、続いて電気透析を実施することができる。他の実施形態において、塩除去は、沈殿及び/又はナノ濾過、続いてイオン交換及び/又は電気透析によって行うことができる。更に、前述された、全ての非限定的な実施形態において、水除去工程は、蒸発又は膜分離(逆浸透)等のモジュール間で実施することができる。幾つかの例が明確に示されているが、前述した技術のモジュール特性により、本開示の範囲を逸脱することなく、流体分離モジュールの、使用前に、及び/又は使用後に実施される、前処理モジュール及び塩除去の任意の組み合わせが可能になることが想定される。
発酵ブロスの前処理加工
1つ又は複数の実施形態において、発酵ブロスは、流体分離モジュールで加工する前に、幾つかの前処理を受けねばならない。本開示の前処理方法は、発酵ブロスの、固体及び塩の含有量を減らす工程を含むことができる。
前処理モジュール
1つ又は複数の実施形態において、発酵槽からの下部ストリームからの発酵ブロス(すなわち、図1の発酵槽104からのブロス110)は、流体分離モジュールの下流加工でグリコール及び他の成分を精製する前に、前処理される。一部の実施形態において、前処理モジュールは、流体分離モジュールの前に並べて配置することができる。前処理モジュール及び流体分離モジュールで加工した後、生じた生成物ストリームを、1種又は複数の蒸留塔又は同様の分離技術に送って、精製グリコール及び他の対象の化学種を単離することができる。
一部の実施形態において、発酵ブロスの前処理は、固体、バイオマス、及び有機物を除去するための殺菌及び/又は清澄化を含むことができる。例えば、発酵ブロスは、固体、塩、鉱物、カルボン酸、アルデヒド、フェノール化合物、フラン、ケトン、グリコール、アルコール、タンパク質、及び未変換糖を含むことがある。固体の例には、沈殿糖(アラビノース、マンノース、グルコース及びそのオリゴマー、キシロース及びそのオリゴマー等)、コハク酸、沈殿リグニン、並びにバイオマス(バクテリア又は酵母菌細胞)が挙げられる。したがって、発酵ブロスの前処理は、細胞及び他の沈殿固体だけを除去する遠心分離、又は引き続いて、未変換糖、大分子、及び細胞残屑を除去するための、精密濾過、限外濾過、及びナノ濾過を含む、1種又は複数の濾過技術を含むことができる。1つ又は複数の実施形態において、清澄化は、遠心分離なしで、1種又は複数の濾過技術を用いて行うことができる。
1つ又は複数の実施形態において、清澄化技術、例えば、遠心分離から得られた細胞及び他の固体は、洗浄されて、細胞水分に含まれたグリコールを回収することができる。他の実施形態において、遠心分離に続いて、未変換糖、細胞残屑、及び他の可溶化大分子を除去するための、精密濾過及び/又は限外濾過及び/又はナノ濾過が行われる。一部の実施形態において、清澄化は、精密濾過によって、続いて限外濾過及び/又はナノ濾過によって行われる。
以下で用いられる、用語「発酵清澄化ブロス」は、その細胞及び他の固体が、部分的に、又は完全に除去された発酵生成物を意味する。
特に、図4について、一連の前処理技術を組み込んだ前処理モジュールが示される。発酵ブロス402が発酵槽を出るとき、ブロスは、404で遠心分離されて、固体及びバイオマス406を除去する。液体分画は、さらなる清澄化のために、精密濾過408に続き、限外濾過(UF)410を通る前に、追加の固体及びバイオマス407を除去し、ナノ濾過(NF)414を通る前にUF保持物412を生じ、NF保持物(416)及び発酵清澄化ブロス415を生じる。
軽質有機物分離モジュール
1つ又は複数の実施形態において、本開示の方法及びシステムは、発酵清澄化ブロスに存在し得る、残留したケトン及び軽質有機物を回収するための、ケトン及び軽質有機物分離モジュールを含むことができる。発酵清澄化ブロスからケトン及び軽質有機物を分離する方法は、1種又は複数の蒸留塔による蒸留、及び/又は蒸発器系における蒸発を含むことができる。
1つ又は複数の実施形態において、1種又は複数の蒸留塔を用いて、発酵清澄化ブロスから、ケトン及び他のより軽質な化合物を分離し、続いて、上記の前処理モジュールを用いて固体及び細胞を除去することができる。一部の実施形態において、前処理モジュールを出る生成物ストリームは、1種又は複数の蒸留塔を含む蒸留系を用いて分離されて、ケトン及び軽質有機物、例えば、アルデヒド及びアルコールを回収することができる。一例として、特に、図10について、発酵ブロスは、ストリーム1005として発酵槽1002を出、次いで、前処理モジュール400を用いて前処理することができ、ストリーム1005から細胞、固体、並びに固体及び塩の一部を除去することができ、次いで、蒸留塔1018へ移される。蒸留塔1018は、揮発物、例えば、溶解不凝縮ガス、水、ケトン、及び他の有機物を取り出すことができ、揮発物は、ストリーム1016として経由し、ストリーム1010と合流し、蒸留モジュール300に入り、適切に加工することができる。
濃縮モジュール
1つ又は複数の実施形態において、濃縮モジュールは、発酵清澄化ブロスの有機物及び他の化合物を濃縮する第1蒸留塔を備え得る、蒸留系を含むことができる。濃縮ブロスから除去された水の分画は、塔からの塔頂ストリームとして出ることができる一方で、残留濃縮ストリームの塩の濃度は、依然として飽和点よりも低く、可能性のある塩沈殿を最小限にし、又は取り除く。
濃縮工程は、蒸留塔に限定されず、熱蒸気再圧縮、機械式蒸気再圧縮蒸発器、又は多重効用と熱蒸気再圧縮との組み合わせ、又は機械式蒸気再圧縮を含む、多重効用塔又は多重効用蒸発器等の、他の種の技術を使用することができる。
発酵ブロスからの生成物の追加の処理加工
本開示の方法は、流体分離モジュールから、更に流体分離モジュール内で説明された工程の間から得られる生成物含有ストリームをポリッシュするために、色素及び臭気除去モジュールの使用を含むことができる。一部の実施形態において、色素及び臭気除去モジュールは、流体分離モジュール内で、グリコール及び他の生成物の最終段階の分離の前に、例えば、生成物含有ストリームが蒸留塔又は蒸留系を通る前に、並べて配置することができる。
色素及び臭気除去モジュール
1つ又は複数の実施形態において、本開示の方法は、対象の生成物を含んだストリームをポリッシュするために、色素及び臭気除去モジュールを組み込むことができる。例えば、生成物ストリームが、下流分離プロセスで加熱されるとき、化合物、例えば、残留糖、アルデヒド、ケトン、フェノール化合物、フラン誘導体等は、生成物の品質に悪影響を及ぼし得る着色をもたらすことがある。
1つ又は複数の実施形態において、1種又は複数の、色素及び臭気除去モジュールを、本開示のプロセスに加えることができる。本開示の色素及びUV吸収不純物の除去は、遠心分離及び/又は濾過による発酵ブロスの前処理の後、流体分離プロセスの単位操作の前、後、若しくは間、又はその組み合わせを含む、標的化合物、例えば、ケトン及びグリコールを得るための精製法の任意の時点で行うことができる。例えば、活性炭床及び/又は水素化反応器及び/又は紫外線(UV)処理等の、色素及び臭気除去モジュールの使用を、蒸留、反応蒸留(RD)、反応抽出(RE)、薄膜蒸発(TFE)、短経路蒸発(SPE)、連続クロマトグラフィー、及びバッチクロマトグラフィーを含む、流体分離モジュールの前、又は後に配置することができる。
一部の実施形態において、色素及び臭気除去モジュールは、1種又は複数の技術、例えば、ストリームを活性炭床、水素化触媒反応器に接触させること、又はストリームをUV放射に暴露させることを用いて、発酵清澄化ブロスストリームを処理する工程を含むことができる。一部の実施形態において、活性炭床は、色素の原因となる、有機物及び他の化合物を吸着することができる一方で、水素化触媒反応器において、水素のストリームを用いて、色素前駆体、例えば、不飽和有機物及び他の色素前駆体を水素化する。一部の実施形態において、水素化触媒反応器及びUV放射による処理は、最終蒸留の前に配置されて、生成され得る化合物を分離する。
適用:集積ガス及び流体分離
この部分において、発酵プロセスから得られるガス及び流体を分離する、方法及びシステムの実施形態が提供される。
反応蒸留
第1の実施例において、反応蒸留を用いた、本開示の方法を用いて、微生物発酵からケトン及びグリコールを単離する。特に、図10について、発酵槽1002は、図2及び添付の文で説明された、吸収モジュール200へ移される排ガスストリーム1004を生じ、吸収モジュール200は、注入水1006を用いて、ストリーム1010としてモジュールを出る、ケトン及び対象の化合物を吸収する一方で、不凝縮ガス1008(CO2、N2、及びO2を含む)が塔を出るのを可能にする。次いで、ストリーム1010を、図3及び添付の文で説明されたケトン回復モジュール300に移し、ケトン回復モジュール300は、残留不凝縮ガスを含んだストリーム1012(一部の実施形態において、モジュール200にリサイクルすることができる)、及びケトンに富んだストリーム1014を生じる。
発酵ブロスは、ストリーム1005として発酵槽1002を出、次いで、図4及び添付の文で説明された前処理モジュール400を用いて前処理することができ、細胞並びに固体及び塩の一部をストリーム1005から除去することができ、次いで、軽質有機物分離モジュールである蒸留塔1018に移される。蒸留塔1018は、揮発物、例えば、溶解不凝縮ガス、水、ケトン及び他の有機物を除去することができ、揮発物は、ストリーム1016として経由し、ストリーム1010と合流し、ケトン回復モジュール300に入り、適切に加工することができる。
塔1018からの、グリコール及び他の対象の生成物を含んだ下部1020を、別の蒸留塔1022、例えば、多重効用蒸留塔に移し、蒸留塔1022は、塔頂である水分画1024を除去することによってストリーム1020を濃縮し、下部1025を、図6及び添付の文で説明された反応蒸留モジュール600へ移す。モジュール600の後に、グリコールに富んだストリーム1028に加えて、水ストリーム1026を生じる。
代替的な構成において、脱水塔1022の下部からのグリコールに富んだストリーム1028を水素化反応器に送り、そこで、触媒が、少流量の酸素を用いて色素混入物を水素化する。水素化の後、グリコールを、蒸留塔、例えば、モジュール600に示された塔604(図6)に送る。
活性炭を用いて、色素又は臭気を低減することもできる。1つ又は複数の実施形態において、脱水塔1022の下部からのグリコールに富んだストリーム1025を、活性炭床に送り、そこで、色素及びUV吸収体混入物が吸着される。一部の実施形態において、モジュール600からのグリコールに富んだストリーム1028を、活性炭床に送ることができ、そこで、色素及びUV吸収混入物が吸着される。次いで、精製グリコールを冷却し、保管に送ることができる。
本実施例において、グリコールが、代表的なポリオールとして示されるが、方法は、2個以上の有効なアルコール基、及び2個以上の炭素原子を含む、他のポリオール種、例えば、モノエチレングリコール又はプロピレングリコールを獲得するように適応できることが想定される。
反応抽出
別の例において、反応抽出を用いた、本開示の方法を用いて、微生物発酵からケトン及びグリコールを単離する。反応抽出法は、反応蒸留法と同様であるが、アセタールがブロスから分離される方法が異なる。特に、反応物を、反応抽出塔に加え、反応抽出塔は、グリコールをアセタールへ変換する。溶媒もまた、反応抽出塔へ加え、アセタール及び未反応反応物の一部を、抽出によってこの塔から除去する。用いられる溶媒は、水と部分混和性であり得るが、アセタールが溶媒とより高い親和性を有して、水性相からの分離を促進するように選択することができる。可能な溶媒は、トルエン、エチルベンゼン、及びo-キシレンである。溶媒は、塔において発酵清澄化ブロスに逆流で接触し、反応を生じながら、ジオキソランを同時に抽出する。一部の実施形態において、有機相(溶媒、アセタール、反応物、及び他の混入物)が、頂上ストリームとして塔を出る一方で、水性相(水、可溶化塩、及び糖、並びに有機物の一部)は、塔の下部に残る。
特に、図11について、発酵槽1102は、図2及び添付の文に説明された吸収モジュール200へ移される排ガスストリーム1104を生じ、吸収モジュール200は、注入水1106を用いて、ストリーム1110としてモジュールを出る、ケトン及び対象の化合物を吸収する一方で、不凝縮ガス1108が塔から出るのを可能にする。次いで、ストリーム1110を、図3及び添付の文で説明されたケトン回復モジュール300に移し、ケトン回復モジュール300は、残留不凝縮ガスを含んだストリーム1112(一部の実施形態において、モジュール200にリサイクルすることができる)、及びケトンに富んだストリーム1114を生じる。
発酵ブロスは、ストリーム1105として発酵槽1102を出、次いで、図4及び添付の文で説明された前処理モジュール400を用いて前処理することができ、ストリーム1105から、細胞、固体、及び塩の一部を除去することができ、次いで、ストリーム1105は、軽質有機物分離モジュールである蒸留塔1118に移される。蒸留塔1118は、揮発物、例えば、水、ケトン、他の軽質有機物、及び残留不凝縮ガスを除去することができ、揮発物は、ストリーム1116として経由し、ストリーム1110と合流し、ケトン回復モジュール300に入り、適切に加工することができる。
グリコール及び他の対象の生成物を含む塔1118からの下部は、蒸留塔1122に移され、蒸留塔1122は、塔頂である水分画1124を除去し、下部1125を、図7及び添付の文に説明された反応抽出モジュール700へ移すことによって、ストリーム1120を濃縮する。1つ又は複数の実施形態において、蒸留塔1122は、ストリーム1120を濃縮するための、多重効用蒸留塔又は蒸発器系であってもよい。モジュール700の後、グリコールに富んだストリーム1128に加えて、水ストリーム1126が生じる。
代替的な構成において、脱水塔1122の下部からのグリコールに富んだストリーム1125を水素化反応器に送り、そこで、触媒が、少流量の水素を用いて、色素及びUV吸収体混入物を水素化する。水素化の後、グリコールを、モジュール700へ送ることができる。活性炭を用いて、色素及び臭気を低減することもできる。別の実施形態において、脱水塔1122の下部からのグリコールに富んだストリーム1125を活性炭床に送り、そこで、色素及びUV吸収体混入物が吸着される。他の実施形態において、モジュール700からのグリコールに富んだストリーム1128を活性炭床に送ることができ、そこで、色素及びUV吸収混入物が吸着される。次いで、精製グリコールは冷却され、保管に送られる。
本実施例において、グリコールが、代表的なポリオールとして示されるが、方法は、2個以上の有効なアルコール基、及び2個以上の炭素原子を含む、他のポリオール種、例えば、モノエチレン、モノエチレングリコール又はプロピレングリコールを獲得するように適応できることが想定される。
薄膜蒸発
次の例において、薄膜蒸発を用いた、本開示の方法を用いて、微生物発酵からケトン及びグリコールを単離する。特に、図12について、発酵槽1202は、図2及び添付の文で説明された、吸収モジュール200へ移される排ガスストリーム1204を生じ、吸収モジュール200は、注入水1206を用いて、ストリーム1210としてモジュールを出る、ケトン及び対象の化合物を吸収する一方で、不凝縮ガス1208がモジュールを出るのを可能にする。次いで、ストリーム1210を、図3及び添付の文で説明されたケトン回収モジュール300に移し、残留不凝縮ガスを含んだストリーム1212、及びケトンに富んだストリーム1214を生じる。
発酵ブロス1205は、図4及び添付の文に記載された前処理モジュール400を用いて前処理することができ、前処理モジュール400は、ストリーム1205から、細胞、固体、タンパク質、未変換糖、及び塩の一部を除去することができ、次いで、ストリーム1205は、軽質有機物分離モジュールである蒸留塔1218に移される。蒸留塔1218は、揮発物、例えば、溶解不凝縮ガス、水、ケトン、及び他の有機物を除去することができ、揮発物は、ストリーム1210と合流し、ケトン回収モジュール300に入り、適切に加工され得る、塔頂ストリームとして出る。
次いで、蒸留塔1218からの、グリコール及び他の対象の化合物を含んだ下部ストリーム1220を、ここでのみ塔1222と示される多重効用塔系で濃縮することができ、多重効用塔系は、下部で、塔頂である水分画1224及び下部でグリコール濃縮ストリーム1225を取り出す。ストリーム1225を、図8及び添付の文に説明された薄膜蒸発モジュール800に通すことができ、薄膜蒸発モジュール800は、水を含んだストリーム1226、グリコールに富んだストリーム1228、並びに該当する場合、添加溶剤及び任意の残留塩を含んだストリーム1230を生じる。
色素及びUV吸収不純物を除去する処理を、図12の方法に加えることもできる。活性炭床又は水素化反応器をこの目的で使用することができる。一実施形態において、蒸留塔1222の下部からくるグリコールストリームを、水素化反応器へ供給することができ、そこで、触媒が、少流量の酸素を用いて色素及びUV吸収体混入物を水素化する。水素化の後、流れをモジュール800へ供給するように送る。別の実施形態において、凝縮器816からの液体グリコールストリーム(特に、図8について)を、水素化反応器に供給することができ、そこで、触媒が、少流量の水素を用いて色素及びUV吸収体混入物を水素化する。水素化の後、グリコールは、軽質成分を塔頂824として取り出す蒸留塔822に戻すことができ、下部826は、精製グリコールを832として取り出す第2蒸留塔830に移され、冷却交換器及び、保管に送られる。下部からの重質物は、燃焼に送ることができる。
別の実施形態において、凝縮器816からの液体グリコールストリームは、色素及びUV吸収体前駆体を吸着する活性炭床に送られる。炭素による処理の後、特に、図8について、グリコールは、軽質成分を塔頂824として取り出す蒸留塔822に戻すことができ、下部826は、精製グリコールを832として取り出す第2蒸留塔830に移され、冷却交換器及び、保管に送られる。下部からの重質物は、燃焼に送ることができる。他の実施形態において、モジュール800からのグリコールに富んだストリーム1228は、色素及びUV吸収混入物を吸着する活性炭床に送ることができる。次いで、精製グリコールを冷却し、保管に送る。
本実施例において、グリコールが、代表的なポリオールとして示されるが、方法は、2個以上の有効なアルコール基、及び2個以上の炭素原子を含む、他のポリオール種、例えば、モノエチレングリコール又はプロピレングリコールを獲得するように適応できることが想定される。
塩除去及び蒸留
次の例において、前処理/塩除去、続いて蒸留系を用いた、本開示の方法を用いて、微生物発酵からケトン及びグリコールを単離する。
特に、図13について、発酵槽1302は、図2及び添付の文で説明された、吸収モジュール200へ移される排ガスストリーム1304を生じ、吸収モジュール200は、注入水1306を用いて、ストリーム1310としてモジュールを出る、ケトン及び対象の化合物を吸収する一方で、不凝縮ガス1308がモジュールを出るのを可能にする。次いで、ストリーム1310を、図3及び添付の文で説明されたケトン回復モジュール300に移し、ケトン回復モジュール300は、残留不凝縮ガスを含んだストリーム1312(一部の実施形態において、吸収モジュール200にリサイクルして、残留ケトンを回収することができる)、及びケトンに富んだストリーム1314を生じる。
発酵ブロス1316は、前処理モジュール400を用いて前処理することができ、前処理モジュール400は、ストリーム1316から細胞、並びに固体及び塩の一部を取り出すことができ、細胞、固体、及び塩を取り出した後、ストリーム1318を生じる。
前処理モジュール400において、発酵槽からくる発酵ブロスは、上記の、固体、バイオマス、及び有機物を除去する方法によって初めに清澄化される。使用され得る技術は、遠心分離及び濾過(精密濾過、限外濾過、及びナノ濾過)である。凝集剤を添加して、固体-液体分離の効率を高めることができる。一実施形態において、清澄化は、遠心分離を介して行われて、細胞及び他の沈殿固体の大部分を取り出す。固体を洗浄して、細胞水分からグリコールを回収し、続いて透析濾過手順を行うことができる。精密濾過モジュールを用いて、残留細胞残屑及び細かい固体粒子を除去することができる。透析濾過を用いて、保持物からグリコールを回収することもできる。別の実施形態において、精密濾過のみを用いて、細胞及び沈殿固体を除去し、水源、例えば、透析濾過水を用いて、保持物からグリコールを回収することができる。他の実施形態において、限外濾過モジュールを用いて、多糖類、タンパク質、及び細胞残屑、及び他の高分子量化合物を除去することができる。
次いで、清澄化流1318を、図9及び添付の文で説明された、残留糖、多価イオン、及び他の高分子量化合物を保持するナノ濾過部分、並びにイオン交換部分を含む、塩除去モジュール900へ送り、一連のカチオン性及びアニオン性の交換モジュールに通し、ストリームから溶解塩を取り除く。別の実施形態において、電気透析セルスタックを用いて、カチオン及びアニオンを除去することもできる。
ここで、極めて低い塩濃度を有するストリーム1319は、蒸留塔1320、軽質有機物分離モジュールへ移され、そこで、揮発物、例えば、ケトン及び他の有機物は、ストリーム1310と合流し、ケトン回収モジュール300に入り、適切に加工され得る、塔頂ストリーム1321として分離される。
蒸留塔1320からの、グリコール及び他の対象の生成物を含んだ下部ストリーム1322は、多重効用蒸留塔1324(一部の実施形態において、濃縮モジュールであってもよい)を通って、水及び他の軽質有機物を含む、合わせたストリーム1325を取り出し、濃縮ストリーム1326を生じることができる。当分野で既知の、幾つかの濃縮技術、例えば、多重効用蒸発器若しくは塔、熱蒸気再圧縮蒸発器、又は機械式蒸気再圧縮(MVR)蒸発器を、1324に加えて、又は1324の代わりに用いてもよい。
系1324によって濃縮した後、場合により、塩除去の追加の工程が、ポリッシュに必要とされる。次いで、濃縮ストリーム1326を、イオン交換モジュール1328に送り、一連のカチオン性及びアニオン性の交換モジュールに通し、ストリームから溶解塩を実質的に取り除くことができる。一部の実施形態において、1328に加えて、又は代わりに、電気透析膜モジュールを用いてカチオン及びアニオンを除去することができる。イオン交換モジュール1328の後、ストリーム1330を、図5及び添付の文について説明された蒸留モジュール500に運ぶことができ、そこで、一連の蒸留塔により、グリコールに富んだストリーム1334並びに重質物及び他の残留成分を含んだストリーム1332を生じる。
色素及びUV吸収不純物を除去する処理を、図13の方法に加えることもできる。活性炭床又は水素化反応器を、この目的で使用することができる。1つ又は複数の実施形態において、イオン交換モジュール1328からくるグリコールに富んだストリーム1330を、水素化反応器に供給することができ、そこで、触媒が、少流量の水素を用いて色素及びUV吸収体混入物を水素化する。水素化の後、ストリーム1330を、蒸留モジュール500に向けることができ、そこで、軽質成分が取り出され、精製グリコールが1334として回収される。一部の実施形態において、重質物1332を、燃焼に送ることができる。一部の実施形態において、グリコールストリーム1334を、ポリッシュのために活性炭床に送り、臭気及び色素不純物を除去することができる。次いで、精製グリコールを交換器で冷却し、保管に送ることができる。下部からの重質物を燃焼に送ることができる。
別の実施形態において、ストリーム1330を活性炭床に送り、そこで、色素及びUV吸収体前駆体が吸着される。次いで、ストリームを、蒸留モジュール500に向けて、グリコールストリーム1334及び重質物ストリーム1332を得る。
本実施例において、グリコールが、代表的なポリオールとして示されるが、方法は、2個以上の有効なアルコール基、及び2個以上の炭素原子を含む、他のポリオール種、例えば、モノエチレングリコール又はプロピレングリコールを獲得するように適応できることが想定される。
方法の概要
本開示の方法は、発酵槽排ガス及び発酵ブロスからの選択生成物を精製するための、モジュール的手法を対象とする。特に、図14について、一般化された方法の流れの概要が示される。初めの発酵チャンバー104で始まり、排ガス1402は、ガス分離モジュール200へ向かうことができ、ガス分離モジュール200は、不凝縮ガスの一部を除去し、ケトン及び他の対象の化学種、並びに潜在的な可能性として、ガス分離モジュール200からの残留吸収剤を含んだストリーム1404を生じる。次いで、ストリーム1404をケトン回復モジュール300に移して、ケトン及び/又は標的生成物を含んだ生成物ストリーム1406を単離する。
発酵槽104から得られた発酵ブロスは、ストリーム1408として前処理モジュール400に向けられ、そこで、固体及び細胞を除去し、発酵清澄化ブロスストリーム1410を生じ、次いで流体分離モジュール1416へ移す。一部の実施形態において、発酵清澄化ブロスストリーム1410は、発酵清澄化ブロスからケトン及び他の軽質有機物を分離することができる、軽質有機物分離モジュール1412(場合により破線で示される)によって加工することができる。一部の実施形態において、分離されたケトンは、ストリーム1405としてケトン回復モジュールに向けられ、追加のケトンを単離することができる。一部の実施形態において、発酵清澄化ブロスストリーム1410を、濃縮モジュール1414(場合により破線で示される)(軽質有機物分離モジュール1412による加工がある場合、又はない場合)に移して、水を除去し、ストリーム1410のケトン及び標的生成物の濃度を増加させることができる。
発酵清澄化ブロスストリーム1410を流体分離モジュール1416へ移し、そこで、グリコール及び標的生成物を、上記の技術、例えば、反応蒸留、反応抽出、蒸発(例えば、薄膜蒸発及び/又は短経路蒸発)、及び塩除去、続いて蒸留系によって、発酵清澄化ブロスの他の成分からストリーム1418として分離する。次いで、一部の実施形態において、生成物ストリーム1418を、色素及び臭気除去モジュール1420(場合により破線で示される)で後処理することができ、精製された生成物ストリーム1422を生じる。一部の実施形態において、色素及び臭気除去モジュール1420は、流体分離モジュール1416の最終蒸留塔の上流、例えば、反応蒸留モジュール又は反応抽出モジュールが存在する前に配置することができる。
モデリングシミュレーション
以下の例において、本開示の、選択された幾つかのプロセスを、Aspen Plus(登録商標)(Aspen Technology,Inc.社、Burlington、Mass.)を用いてシミュレートする。
反応蒸留シミュレーション
本実施例において、反応蒸留を用いた、本開示の方法を用いて、微生物発酵ブロスからケトン及びグリコールを単離する。特に、図15について、発酵槽からの排ガスストリーム1504は、図2により詳細に説明された、塔204を含むモジュール200(破線の枠)に移される。塔204において、注入水1506を用いて、ケトン及び対象の化合物を吸収し、ストリーム1510として出る。CO2、N2、及びO2を含む不凝縮ガスは1508として出る。
ストリーム1510は、図3及び添付の文により詳細に説明された、塔304を含むケトン回収モジュール300(破線の枠)に続く。モジュール300において、生成されたケトンの大部分は、ストリーム1514において回収されるが、残留不凝縮ガスは、1512として出る。一部の実施形態において、ストリーム1512を、塔204にリサイクルすることができる。溶媒(例えば、水)、酸、及びグリコールを含むことができる、ケトン回収塔304の下部1515を、廃水処理に送ることができ、又は処理して、溶媒から混入物を除去することができ、一部の実施形態において、それを、吸収塔204に再循環させることができる。
一部の実施形態において、発酵槽はまた、揮発物の除去のために、蒸留塔1518に向けられる発酵ブロスストリーム415も生じる。不凝縮ガス、水、ケトン、及び他の有機物を含む揮発物は、ストリーム1516として経由し、1510と合流して、ケトン回収モジュール304に入る。一部の実施形態において、ストリーム415は、移す前に、前処理モジュール(図示されないが、例えば、図4に記載されたもの)を用いて、細胞、不溶性固体、及び塩を除去することができる。
塔1518からの、グリコール及び他の対象の生成物を含んだ下部1520は、水の部分除去用の塔1522を含む、別の蒸留工程に移される。これは、生成物を著しく失うことなく、水の除去の実現可能性に応じて、単一の若しくは多重効用蒸留塔によって、又は一連の蒸発器によって成し遂げることができる。本実施例では、1個の塔で十分であった。
場合により、前述したように、濃縮工程の後、1522の下部からのグリコールに富んだストリーム1525を、水素化反応器(図示せず)に送ることができ、そこで、触媒が、少流量の酸素を用いて色素混入物及びUV吸収体を水素化する。引き続いて、任意の水素化の後、グリコールに富んだストリーム606を、図6及び添付の文により詳細に説明した、反応蒸留モジュール600(破線の枠)に送ることができる。1つ又は複数の実施形態において、ストリーム1525を、色素及び臭気を低減することも可能である、活性炭床に送る。グリコールに富んだストリーム1525からの色素及びUV吸収体混入物の除去は、活性炭床、続いてモジュール600において実施することもできる。
しかし、本実施例において、水素化する工程は実施されず、下部1525は、モジュール600の反応蒸留塔604に直接続く。ストリーム606は、塔604に導入されるカルボニル種を含み、グリコールと反応してアセタールを生成する。未反応カルボニル、並びにアセタール及び他の軽質成分は、塔604の塔頂で得られ、ストリーム608として出る。一部の実施形態において、廃棄物ストリームと考えられる下部610は、少量の未反応グリコール及び他の重質物を含む。
カルボニル種が、塔の頂上ストリーム614として分離される塔612によって実施される、中間の蒸留工程に、ストリーム608が送られる一方で、混合物の残りは、ストリーム616の下部で出、水分解塔618に続く。ストリーム614を、塔604にリサイクルし、新しいカルボニル補給ストリームと混合し、ストリーム606を生じる。
ストリーム616に加えて、やはり水を、ストリーム620として塔618に供給し、アセタールと反応してグリコールを回収する。この工程で生成された、元のカルボニル種もまた、未変換アセタール及び軽質物と共に、ストリーム622として塔618を出る。624として出る下部は、水及びグリコールを主に含む。ストリーム622を、塔604にリサイクルすることができるが、本実施例では、考慮されなかった。
ストリーム624からのグリコールを、塔626で濃縮し、そこで、水が、ストリーム1526の軽質混入物として出る。下部1528は、濃縮されたグリコールに対応し、追加の蒸留工程で更に精製することができる。本実施例において、グリコールが、代表的なポリオールとして示されるが、方法は、2個以上の有効なアルコール基、及び2個以上の炭素原子を含む、ポリオール種、例えば、モノエチレングリコール及びプロピレングリコールを獲得するように適応できることが想定される。
本実施例において、数値は、分離シーケンスがどのように起こるのか、より良く説明するために、そのプロセスに帰属するものであり、対応する物質収支をTable1(表1)から3(表3)にまとめた。ケトン及びグリコールの回収に焦点を当てて、ストリーム415がモジュール(図4の400)を出る清澄化発酵ブロスに対応するように、モジュール200、300、及び600のみが示され、ストリーム1504は発酵槽で生じた排ガスに関連した。
反応抽出
次の例において、微生物発酵ブロスからのグリコール及びケトンの分離は、反応抽出によって実施される。反応抽出は、概念上、反応蒸留と同様であるが、アセタールを混合物から単離する方法が異なる。両方の場合において、カルボニル種を導入して、グリコールをアセタールに変換する。しかし、反応抽出は、溶媒添加を用いて、有機相でアセタールを抽出する。
この操作で用いられた溶媒は、生成されるアセタールと溶媒との親和性を考慮して選択されるべきであり、水性相からの分離を容易にする。溶媒は、水との部分混和性を有する相互溶媒を含むことができる。可能な選択肢には、トルエン、エチルベンゼン、及びo-キシレンが挙げられる。一部の実施形態において、有機相 - 溶媒、アセタール、カルボニル、及び他の混入物 - は、頂上ストリームとして塔を出るが、水性相 - 水、可溶化塩、及び糖、有機物の一部 - は、下部に残る。
特に、図16について、発酵中に生じた排ガスストリーム1604は、図2及び添付の文により詳細に説明された吸収モジュール200(破線の枠)に移される。モジュール200内の塔204は、注入水1606を用いてケトン及び他の化合物を吸収し、ストリーム1610として出る。不凝縮ガス1608もまた、吸収塔204からの生成物として得られる。
次いで、ストリーム1610は、図3及び添付の文に記載された、ケトンが回収されるモジュール300(破線の枠)へ向かう(本実施例では塔304として示される)。ケトン生成物の大部分は、ストリーム1614において得られるが、残留不凝縮ガスは、1612において出る(一部の実施形態において、このストリームは、モジュール200にリサイクルすることができる)。溶媒(例えば、水)、酸、及びグリコールを含むことができる、ケトン回収塔304の下部1615は、廃水処理に送ることができ、又は処理して、溶媒から混入物を除去することができ、一部の実施形態において、吸収塔204に再循環させることができる。
ブロスストリーム415を、発酵槽から得ることができ、塔1618に送り、そこで、液体混合物中に存在する揮発物が、揮散され、1616として得られる。ケトン生成物を更に濃縮するために、このストリームを塔304に送ることができる。一部の実施形態において、ストリーム415を、移す前に、前処理モジュール(図示されないが、図4の400)を用いて前処理して、細胞、並びに固体及び塩の一部を除去することができる。
グリコール及び他の対象の生成物を含む下部1620を、蒸留塔1622に移し、そこで、存在する水の一部を1624として除去する。この濃縮工程は、生成物を著しく失うことなく、水の除去の実現可能性に応じて、単一の若しくは多重効用蒸留塔によって、又は一連の蒸発器によって成し遂げることができる。本実施例では、1個の塔で十分であった。下部生成物1625として、グリコールに富んだストリームが得られる。
説明されないが、幾つかの構成において、濃縮工程の後、グリコールに富んだストリーム1625を、水素化反応器に送ることができ、そこで、触媒が、少流量の酸素を用いて色素混入物及びUV吸収体を水素化する。その後、グリコールに富んだストリーム1625を、図7及び添付の文により詳細に説明された、モジュール700に示された蒸留塔、例えば、704に送ることができる。やはり説明されないが、ストリーム1625を、蒸留塔704の前に、やはり色素及び臭気を低減することが可能な活性炭床へ送ることが想定される。グリコールに富んだストリーム1625からの色素及びUV吸収混入物の除去は、モジュール700の後、活性炭床において実施することもできる。
しかし、この特定の例において、任意の水素化する工程は実施されず、下部1625を、図7及び添付の文に説明された、モジュール700の反応抽出塔704に直接移す。カルボニル種を含んだストリーム706を、塔に導入し、そこで、グリコールと反応させてアセタールを生成した。溶媒708を機器に加えて、液体混合物から、基本的に有機相において、アセタールを同時に抽出した。
アセタール、未反応カルボニル、溶媒、及び他の有機物は、710として塔を出る一方で、水、未反応グリコール、可溶化塩、及び糖を下部731として得る。水性相731を、凝縮器及びデカンター736を備え、溶媒を部分的に回収する、蒸留塔732へ移した。例えば、下部731を、塔頂ストリーム733に分離することができ、塔頂ストリーム733は、熱交換器734を用いて冷却され、デカンター736を通って、塔頂ストリーム733を、有機物、例えば、アルデヒド、ケトン、アセタール、及び溶媒を含む分画738、並びに水分画740に分離することができる。下部として塔732を出る、水及び他の重質物を、ストリーム742として回収することができる。
塔704からの有機物ストリーム710は、蒸留塔712に続き、そこで、溶媒及び未反応グリコール等の重質成分がストリーム714として出る。軽質成分、例えば、カルボニル種及びアセタールは、反応蒸留塔720に送られる716として取り出される。一部の実施形態において、ストリーム714を、塔704にリサイクルする。
塔720において、水を718として導入し、アセタールと反応させてグリコール及び元のカルボニル種を回収する。カルボニル及び未反応アセタールが、塔頂ストリーム724として出る一方で、グリコールに富んだストリーム722を下部で得る。一部の実施形態において、ストリーム724は、塔704にリサイクルされる。
最後に、ストリーム722を、グリコールのさらなる濃縮のために、塔726に送る。水及び他の軽質成分を、1626において取り出す一方で、グリコールは、1628として出る。このストリームは、より純粋な生成物を得るために、その後の蒸留塔で加工され得る。本実施例において、グリコールが、代表的なポリオールとして示されるが、方法は、2個以上の有効なアルコール基、及び2個以上の炭素原子を含む、ポリオール種、例えば、モノエチレングリコール及びプロピレングリコールを獲得するように適応できることが想定される。
本実施例において、数値は、分離シーケンスがどのように起こるのか、より良く説明するために、Aspen Plus(登録商標)を用いて、帰属され、シミュレートされた。対応する物質収支をTable4(表4)から8(表8)にまとめる。ケトン及びグリコールの回収に焦点を当てて、ストリーム415が、モジュール(図4の400)を出る清澄化発酵ブロスに対応するように、モジュール200、300、及び700のみが示され、ストリーム1604は発酵槽で生じた排ガスに関連した。
薄膜蒸発
次の例において、薄膜蒸発を用いた、本開示の方法を用いて、微生物発酵ブロスからケトン及びグリコールを単離する。特に、図17について、発酵ブロスを、ストリーム415として蒸留塔1718に移す。一部の実施形態において、ストリーム415は、例えば、図4及び添付の文に説明された、前処理モジュール(図示せず)によって加工して、細胞及び不溶性固体を除去することができる。しかし、一部の実施形態において、発酵からのブロスを、塔1718に直接供給することができる。蒸留塔1718は、ケトンを含む軽質成分を、頂上生成物1716として分離する一方で、重質物、例えば、グリコールは、1720として出る。
次いで、ストリーム1716を、モジュール300(破線の枠で示され、図3及び添付の文について前述された)に送り、そこで、塔304は、1714としてケトンを分離する一方で、重質有機物及び水は、1715として出、少量の不凝縮ガスは、1712として出る。一部の実施形態において、このストリームを、モジュール200にリサイクルすることができる。ケトン回収塔304の下部1715は、廃水処理に送ることができ、又は処理して、溶媒から混入物を除去することができ、一部の実施形態において、吸収塔204に再循環させることができる。
更に、発酵中に生じた排ガスストリーム1704を、図2及び添付の文に説明された吸収モジュール200へ移す。モジュール200内の塔204は、注入水1706を用いて、ケトン及び他の化合物を吸収し、ストリーム1710として出る。不凝縮ガス1708もまた、吸収塔204からの生成物として得られる。塔304において、吸収塔204で回収された液体生成物を含んだストリーム1710もまた加工され、吸収塔204は、発酵排ガスに含まれた不凝縮ガスから液体生成物を分離する。
ストリーム1720に含まれるグリコールは、予備濃縮工程である塔1722へ向かう。これは、生成物を著しく失うことなく、水の除去の実現可能性に応じて、単一の若しくは多重効用蒸留塔によって、又は一連の蒸発器によって成し遂げることができる。本実施例では、1個の塔で十分であった。下部生成物1725として、グリコールに富んだストリームが得られる一方で、水は、1724として出る。
説明されないが、幾つかの構成において、濃縮工程の後、場合により、グリコールに富んだストリーム1725を、水素化反応器に送ることができ、そこで、触媒が、少流量の酸素を用いて色素混入物及びUV吸収体を水素化する。その後、グリコールに富んだストリーム1725を、図8及び添付の文により詳細に説明された、モジュール800に示された薄膜蒸発器、例えば、812に送ることができる。説明されないが、ストリーム1725を、薄膜蒸発器812の前に、やはり色素及び臭気を低減することが可能な活性炭床へ送ることが想定される。色素及びUV吸収体混入物の除去は、モジュール800、すなわち、グリコールに富んだストリーム1725を加工した後、活性炭床において実施することもできる。
しかし、この特定の例において、水素化する工程は実施されず、下部1725は、図8及び添付の文に説明された、モジュール800の薄膜蒸発器812に直接続く。塩添加溶剤もまた、補給ストリーム810として812に添加される。塔頂として得られた、グリコールに富んだストリーム814を、部分凝縮器816に送り、そこで、軽質有機物及び水が818として出る。ストリーム820は、部分凝縮器816からのより重質な生成物である。ストリーム820は、グリコールを含み、蒸留塔822に供給され、そこで、軽質混入物が、ストリーム824として更に除去される。
蒸留塔822からの下部826を、塔830に送って、1728として出る、より重質な有機物を除去し、精製グリコールを1726として得る。本実施例において、グリコールが、代表的なポリオールとして示されるが、方法は、2個以上の有効なアルコール基、及び2個以上の炭素原子を含む、ポリオール種、例えば、モノエチレングリコール及びプロピレングリコールを獲得するように適応できることが想定される。
やはり薄膜蒸発器812において生じるストリーム836は、添加溶剤、残留グリコール、糖、及び塩の混合物を構成する。添加溶剤を回収するために、このストリームを、低い圧力で操作される第2薄膜蒸発器838に送る。糖及び塩は、844として液相中に出、一部の実施形態において、廃棄物ストリームと考えられる。残留グリコール及び添加溶剤を842-1として取り出し、その後、熱交換器840で冷却し、842-2として薄膜蒸発器812にサイクルする。
本実施例において、数値は、分離シーケンスがどのように起こるのか、より良く説明するために、Aspen Plus(登録商標)を用いて、帰属され、シミュレートされた。対応する物質収支をTable9(表9)から12(表12)にまとめる。ケトン及びグリコールの回収に焦点を当てて、ストリーム415が、モジュール(図4の400)を出る清澄化発酵ブロスに対応するように、モジュール200、300、及び800のみが示され、ストリーム1704は、発酵槽で生じた排ガスに関連した。
前述の記述は、特定の、手段、材料、及び実施形態に関して本明細書において説明されるが、それは、本明細書で開示された特定のものに限定しようというものではなく、むしろ、全ての機能的に等価な構造、方法、及び使用法、例えば、添付の特許請求の範囲に記載の範囲内にあるものに拡張される。
102 原料ストリーム
104 発酵槽
106 空気供給
108 排ガスストリーム
110 発酵ブロス
200 吸収モジュール
202 排ガスストリーム
204 吸収塔
206 吸収剤
208 不凝縮ガス
210 残留生成物ストリーム
300 ケトン回復モジュール
302 液体ストリーム
304 蒸留塔
305 塔頂ストリーム
306 熱交換器
308 還流槽
312 下部ストリーム
314 不凝縮ガス
316 ストリーム
400 前処理モジュール
402 発酵ブロス
404 遠心分離
406 固体及びバイオマス
407 固体及びバイオマス
408 精密濾過
410 限外濾過
412 UF保持物
414 ナノ濾過
415 発酵清澄化ブロス
416 NF保持物
500 蒸留モジュール
502 生成物ストリーム
504 第1蒸留塔
506 塔頂ストリーム
508 下部ストリーム
510 第2蒸留塔
512 塔頂ストリーム
514 下部ストリーム
600 流体分離モジュール
602 ブロスストリーム
604 反応蒸留塔
606 分離剤
608 塔頂ストリーム
610 下部ストリーム
612 第2蒸留塔
614 頂上ストリーム
616 下部
618 第3蒸留塔
620 水
622 ストリーム
624 下部ストリーム
626 最終蒸留塔
628 塔頂ストリーム
630 流れストリーム
700 反応抽出モジュール
702 発酵ブロスストリーム
704 反応抽出塔
706 分離剤
708 溶媒
710 反応物、アセタール、溶媒、及びごく少量の水を含んだストリーム
712 蒸留塔、溶媒回収塔
714 下部
716 塔頂ストリーム
718 水
720 反応蒸留塔
722 下部ストリーム
724 塔頂ストリーム
726 最終蒸留塔
728 水を含んだ塔頂ストリーム
730 グリコールを含んだ下部ストリーム
731 水性相
732 蒸留塔
733 塔頂ストリーム
734 熱交換器
736 デカンター
738 有機物、例えば、アルデヒド、ケトン、アセタール、及び溶媒を含む分画
740 水分画
742 ストリーム
800 薄膜蒸発モジュール
802 発酵ブロス
810 ストリーム
812 薄膜蒸発器
814 蒸留生成物
816 部分凝縮器
818 塔頂ストリーム
820 グリコール、塩添加溶剤、軽質有機物、及び水を含んだストリーム
822 蒸留塔
824 頂上生成物
826 下部生成物
830 第2蒸留塔
832 グリコール生成物ストリーム
834 重質物及び添加溶剤の分画
836 第1蒸発器からのストリーム
838 第2蒸発器
840 凝縮器
842 第2蒸発器838からの蒸発させたストリーム
842-1 残留グリコール及び添加溶剤
842-2 残留グリコール及び添加溶剤
844 ストリーム
900 塩除去モジュール
902 発酵清澄化ブロスストリーム
904 ナノ濾過(NF)
906 NF保持物
908 イオン交換部分
910 低減された塩のストリーム
1002 発酵槽
1004 排ガスストリーム
1005 ストリーム
1006 注入水
1008 不凝縮ガス
1010 ストリーム
1012 残留不凝縮ガスを含んだストリーム
1014 ケトンに富んだストリーム
1016 ストリーム
1018 蒸留塔、軽質有機物分離モジュール
1020 ストリーム
1022 蒸留塔、脱水塔
1024 水分画
1025 グリコールに富んだストリーム
1026 水ストリーム
1028 グリコールに富んだストリーム
1102 発酵槽
1104 排ガスストリーム
1105 ストリーム
1106 注入水
1108 不凝縮ガス
1110 ストリーム
1112 残留不凝縮ガスを含んだストリーム
1114 ケトンに富んだストリーム
1116 ストリーム
1118 蒸留塔、軽質有機物分離モジュール
1120 ストリーム
1122 蒸留塔、脱水塔
1124 水分画
1125 グリコールに富んだストリーム
1126 水ストリーム
1128 グリコールに富んだストリーム
1202 発酵槽
1204 排ガスストリーム
1205 発酵ブロス
1206 注入水
1208 不凝縮ガス
1210 ストリーム
1212 残留不凝縮ガスを含んだストリーム
1214 ケトンに富んだストリーム
1218 蒸留塔、軽質有機物分離モジュール
1220 グリコール及び他の対象の化合物を含んだ下部ストリーム
1222 蒸留塔
1224 水分画
1225 グリコール濃縮ストリーム
1226 水を含んだストリーム
1228 グリコールに富んだストリーム
1230 添加溶剤及び任意の残留塩を含んだストリーム
1302 発酵槽
1304 排ガスストリーム
1306 注入水
1308 不凝縮ガス
1310 ストリーム
1312 残留不凝縮ガスを含んだストリーム
1314 ケトンに富んだストリーム
1316 発酵ブロス
1318 清澄化ストリーム
1319 極めて低い塩濃度を有するストリーム
1320 蒸留塔
1321 塔頂ストリーム
1322 下部ストリーム
1324 多重効用蒸留塔
1325 合わせたストリーム
1326 濃縮ストリーム
1328 イオン交換モジュール
1330 グリコールに富んだストリーム
1332 重質物及び他の残留成分を含んだストリーム
1334 グリコールに富んだストリーム
1402 排ガス
1404 残留吸収剤を含んだストリーム
1405 ストリーム
1406 ケトン及び/又は標的生成物を含んだ生成物ストリーム
1408 ストリーム
1410 発酵清澄化ブロスストリーム
1412 軽質有機物分離モジュール
1414 濃縮モジュール
1416 流体分離モジュール
1418 生成物ストリーム
1420 色素除去モジュール及び臭気除去モジュール
1422 精製された生成物ストリーム
1504 排ガスストリーム
1506 注入水
1508 不凝縮ガス
1510 ストリーム
1512 残留不凝縮ガス
1514 ストリーム
1515 下部
1516 ストリーム
1518 蒸留塔
1520 グリコール及び他の対象の生成物を含んだ下部
1522 水の部分除去用の塔
1525 グリコールに富んだストリーム
1526 水
1528 濃縮されたグリコール
1604 排ガスストリーム
1606 注入水
1608 不凝縮ガス
1610 ストリーム
1612 残留不凝縮ガス
1614 ストリーム
1615 下部
1616 揮発物
1618 塔
1620 下部
1622 蒸留塔
1624 水
1625 グリコールに富んだストリーム
1626 水及び他の軽質成分
1628 グリコール
1704 排ガスストリーム
1706 注入水
1708 不凝縮ガス
1710 ストリーム
1712 不凝縮ガス
1714 ケトン
1715 下部
1716 頂上生成物
1718 蒸留塔
1720 ストリーム
1722 予備濃縮工程である塔
1724 水
1725 下部生成物
1726 精製グリコール
1728 下部

Claims (28)

  1. 発酵プロセスからケトン及びグリコールを得る方法であって、
    発酵槽から排ガス及び/又は発酵ブロスを収集する工程であり、排ガスがケトンを含み、発酵ブロスが、グリコール又はケトンのうちの1種又は複数を含む、工程と、
    排ガスを発酵槽からケトン回復モジュールへ移す工程、又は発酵ブロスを流体分離モジュールへ移す工程の少なくとも一方を実施する工程と、
    排ガスからのケトン、及び発酵ブロスからのグリコールからなる群から選択される1種又は複数を単離する工程と
    を含む、方法。
  2. 発酵ブロスを流体分離モジュールへ移す工程であり、流体分離モジュールが、反応蒸留塔を含む、工程を含み、
    反応蒸留塔における発酵ブロス中のグリコールを分離剤と反応させてアセタールを生成する工程、
    反応蒸留塔からの、アセタールを含んだストリームを収集する工程、
    アセタールを含んだストリームを加水分解塔へ移す工程、
    アセタールを加水分解して、戻されたグリコールを生じる工程、
    加水分解塔からの、戻されたグリコールを含んだストリームを収集する工程
    を更に含む、請求項1に記載の方法。
  3. 加水分解塔からの、戻されたグリコールを含んだストリームを蒸留塔へ移す工程、
    蒸留塔からの、戻されたグリコールを含んだストリームを収集する工程
    を更に含む、請求項2に記載の方法。
  4. 反応蒸留塔からの、アセタールを含んだストリームが、アセタールを含んだストリームを加水分解塔へ移す前に、蒸留塔へ移され、
    蒸留塔からの、アセタールを含んだストリームを収集する工程、
    アセタールを含んだストリームを加水分解塔へ移す工程、及び
    場合により、蒸留塔からの、分離剤を含んだ第2ストリームを、反応蒸留塔にリサイクルする工程
    を更に含む、請求項2又は3に記載の方法。
  5. 加水分解塔からの、分離剤を含んだ第2ストリームを収集する工程、及び分離剤を含んだ第2ストリームの少なくとも一部を、反応蒸留塔にリサイクルする工程
    を更に含む、請求項2から4のいずれか一項に記載の方法。
  6. 発酵ブロスを流体分離モジュールへ移す工程であり、流体分離モジュールが、反応抽出塔を含む、工程を含み、
    グリコールを分離剤及び溶媒と接触させる工程であり、グリコール及び分離剤を接触させることがアセタールを生成する、工程、
    反応抽出塔からの、アセタールを含んだストリームを収集する工程、
    反応抽出塔からの、アセタールを含んだストリームを加水分解塔へ移す工程、
    アセタールを加水分解して、戻されたグリコールを生じる工程、並びに
    加水分解塔からの、戻されたグリコールを含んだストリームを収集する工程
    を更に含む、請求項1に記載の方法。
  7. 加水分解塔からの、戻されたグリコールを含んだストリームを蒸留塔へ移す工程、及び
    蒸留塔からの、戻されたグリコールを含んだストリームを収集する工程
    を更に含む、請求項6に記載の方法。
  8. 反応抽出塔からの、アセタールを含んだストリームが、アセタールを含んだストリームを加水分解塔へ移す前に、蒸留塔へ移され、
    蒸留塔からの、アセタールを含んだストリームを収集する工程、
    蒸留塔からの、アセタールを含んだストリームを加水分解塔へ移す工程、及び
    場合により、蒸留塔からの、溶媒を含んだ第2ストリームを、反応抽出塔にリサイクルする工程
    を更に含む、請求項6又は7に記載の方法。
  9. 加水分解塔からの、分離剤を含んだストリームを収集する工程、及び分離剤を含んだストリームの少なくとも一部を、反応抽出塔へリサイクルする工程を更に含む、請求項6から8のいずれか一項に記載の方法。
  10. 反応抽出塔からの、分離剤、アセタール、溶媒、水、塩、及び糖からなる群から選択される1種又は複数を含んだ第2ストリームを収集する工程、
    精製モジュールにおいて第2ストリームを加工して、水、塩、及び糖からなる群から選択される1種又は複数を除去する工程、並びに
    精製モジュールからの、分離剤、アセタール、又は溶媒の少なくとも1種を含んだストリームを収集する工程
    を更に含む、請求項6から9のいずれか一項に記載の方法。
  11. 発酵ブロスを流体分離モジュールへ移す工程であり、流体分離モジュールが、第1蒸発器を備え、発酵ブロスが、塩添加溶剤を含む、工程を含み、
    第1蒸発器からの、グリコールを含んだストリームを収集する工程
    を更に含む、請求項1に記載の方法。
  12. 塩添加溶剤がグリセロール又は糖である、請求項11に記載の方法。
  13. 第1蒸発器からのストリームを第2蒸発器へ移す工程、
    第2蒸発器からの、グリコールを含んだストリームを収集する工程
    を更に含む、請求項11又は12に記載の方法。
  14. 第1蒸発器からのストリームを加工して、水、塩添加溶剤、重質有機物、及び軽質有機物からなる群から選択される1種又は複数を除去する工程を含む、請求項11から13のいずれか一項に記載の方法。
  15. 蒸発器が、薄膜蒸発器又は短経路蒸発器である、請求項11から14のいずれか一項に記載の方法。
  16. 発酵ブロスを流体分離モジュールへ移す工程であり、流体分離モジュールが、塩除去モジュール及び1種又は複数の蒸留塔を含む、工程を含む、請求項1に記載の方法。
  17. 塩除去モジュールが、イオン交換モジュール、沈殿モジュール、電気透析モジュール、及びナノ濾過モジュールからなる群から選択される1種又は複数を含む、請求項16に記載の方法。
  18. 流体分離モジュールの前、又は後に、発酵ブロスを色素及び臭気モジュールへ移す工程を含む、請求項1から17のいずれか一項に記載の方法。
  19. 活性炭床、水素化、UV処理、及びイオン交換カラムからなる群から選択される1種又は複数を用いて、発酵ブロスを加工する工程を含む、請求項1から18のいずれか一項に記載の方法。
  20. 排ガスをケトン回復モジュールへ移す前に、発酵槽からの排ガスを、ガス分離モジュールへ移す工程であり、ガス分離モジュールが、排ガスからのケトンの、少なくとも一部を取り出す、工程を含む、請求項1から19のいずれか一項に記載の方法。
  21. 発酵ブロスを流体分離モジュールへ移す工程であり、発酵ブロスが、発酵ブロスを流体分離モジュールへ移す前に、前処理モジュールへ移され、前処理モジュールが、発酵ブロスから細胞及び固体の少なくとも一部を除去する、工程を含む、請求項1から20のいずれか一項に記載の方法。
  22. 前処理モジュールが、遠心分離、精密濾過、限外濾過、及びナノ濾過からなる群から選択される1種又は複数を含む、請求項21に記載の方法。
  23. 発酵ブロスを流体分離モジュールへ移す工程であり、発酵ブロスが、発酵ブロスを流体分離モジュールへ移す前に、軽質有機物分離モジュールへ移される、工程を含む、請求項1から22のいずれか一項に記載の方法。
  24. 軽質有機物分離モジュールが、ケトンを含んだストリームを生じ、ケトンを含んだストリームが、ケトン回復モジュールへ向かう、請求項23に記載の方法。
  25. 発酵ブロスを流体分離モジュールへ移す工程であり、発酵ブロスが、発酵ブロスを流体分離モジュールへ移す前に、濃縮モジュールへ移される、工程を含む、請求項1から24のいずれか一項に記載の方法。
  26. 濃縮モジュールが、蒸留塔及び蒸発器からなる群から選択される1種又は複数を含む、請求項25に記載の方法。
  27. ケトンがアセトンである、請求項1から26のいずれか一項に記載の方法。
  28. グリコールがモノエチレングリコールである、請求項1から27のいずれか一項に記載の方法。
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