JP6423366B2 - 気体溶解を向上させるためのシステム及び方法 - Google Patents
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Description
(a)カラムと、
(b)カラムに液体を注入しやくするのに適した穿孔プレートと
(c)カラム内に気体を分散させるのに適したガススパージャと
を含み、穿孔プレートはガススパージャよりも上に配置される。使用中は、液流の一部分は穿孔プレートから流れ、カラム内に含まれる液体中に気体を分散させることにより生成される泡沫層と接触する。
a.気泡を形成するためにガススパージャを介して液体を含むカラム内に気体を分散させることと、
b.液体噴流が気泡と接触して微小泡を生成するような液体噴流を生成するために、ガススパージャよりも上に配置される穿孔プレートを介してカラムに液体を注入することと
を含む。
注入される液体は、カラム内に既に存在するのと同じ液体であっても、異なる液体であってもよい。液体噴流は、カラム内に含まれる液体中に気体を分散させることから形成される気泡を破砕する。
「スパージャ」は、気体を液体内に注入し攪拌するための、または気体を液体に溶解させるためのデバイスを含む。特定の実施形態では、スパージャは、穿孔プレート、焼結ガラス、焼結鋼、多孔ゴム管、多項金属管、多孔セラミックまたはステンレス鋼であり得る。スパージャは、特定寸法の「気泡」を与えるためのさまざまな等級(多孔度)のものであり得る。
特定の実施形態では、微小泡生成システムは、溶液から(蛋白質、ペプチド、イオン性または非イオン性界面活性剤またはバイオ界面活性剤のような)表面活性種を濃縮し、抽出するための微小泡泡沫分画プロセス及び装置の一部である。表面活性種は、微小泡生成物内に存在し、泡沫分画物は、より高い濃度の物質を含み、抽出及び/または純化、輸送、保存を含むさらなる処理に望ましい。
特定の実施形態では、微小泡生成システムはガス発酵システムの一部である。本発明による特定のガス発酵システムは、微生物と発酵ブロスとを含むバイオ反応器を備えている。微生物は、エタノールまたは2,3−ブタネジオールのような少なくとも1つの生成物を生成するために、ブロス中に溶解された気体を用いる。システムのバイオ反応器は、微小泡生成システムの一部として前に記載されたカラムであってもよく、分離容器であってもよい。
特定の実施形態では、本方法は、微小泡気体吸収システムを備えており、1つ以上の気体を含む第1の気体成分は、1つ以上の気体を含む第2の気体成分から分離され、第1の気体成分は、液体中に実質的に可溶であり、第2の気体成分は、液体中にあまり可溶ではない、または不可溶である。
本発明の実施形態では、微生物により発酵された気体基質は、COを含む気体基質である。気体基質は、工業プロセスの副産物として、または自動車排気ガスからのようなある他の本源から得られるCO含有廃気であり得る。ある実施形態では、工業プロセスは、製鋼工場のような鉄合金製品製造、非鉄製品製造、石油精製プロセス、石炭気化、電力生産、カーボンブラック製造、アンモニア製造、エタノール製造及びコークス製造から成る群から選択される。これらの実施形態では、CO含有気体は、大気中に発散される前に、いずれかの従来の方法を用いて工業プロセスから捕獲され得る。COは、合成ガス(一酸化炭素と水素とを含むガス)の成分であり得る。工業プロセスから生成されるCOは通常、CO2を生成するように燃焼し尽くされ、したがって本発明は、CO2温暖化ガス排出を削減し、バイオ燃料を生成するのに特に役立つ。気体状のCOが含まれる基質の成分に応じて、浮遊粒子のようないずれの望まれない不純物を、その不純物を発酵に導入する前に取り除くために、基質を処理するのが望ましいことがある。例えば、気体基質は、濾過されてもよく、周知の方法を用いて洗浄されてもよい。
実施例
材料及び方法
主要なカラムは、90mmの内径と600mmの高さとを有する。カラムの底での粗いガススパージャは、穴付き管型のスパージャである。このスパージャの孔径は、約0.5mmである。この粗いガススパージャから生成される気泡寸法は、約3mmである。
(1)
式中、Nは多孔プレート上の孔の総数であり、dは孔径である。
主要カラム内の液体空塔速度νLは次式により算出される。
(2)
式中、Acはカラムの断面積である。この例では、Ac=6362mm2、したがってνL=2.9mm/sである。
同じ液体流量に対して、気体流量は実際の用途に応じて変化し得る。一例では、気体体積流量は、吐出口で測定された27mL/sであった(カラムは大気圧で操作され、カラムの高さは低く、したがってカラム内の気体の圧縮は無視することができる)。
体積の保存により、生成物流は、気体対液体の比率が27:18.45でなければならない、すなわち、液体の分率は
である。したがって、定常のカラムに対する液体実速度は
である。これは、下流に流れる液体により、7.25mm/sよりも小さい終端速度νtを有するそれらの気泡のみを搬出することができることを意味する。ストークス式(Wallis G.B.,One−dimensional Two−phase Flow,1969)、すなわち次式を用いて、
(3)
生成物流内の最大気泡径dbを定めることができる。数式(3)は、生成物流内の最大気泡径が0.115mmである、すなわち115ミクロンまたはμmであることを与える。これは、この実施形態に対する最大気泡径であることに留意すること。それは、生成物流内の全ての気泡がこの直径のものであることを意味しない。写真測定(図5)は、平均気泡径が、累積気泡寸法分布を示す図6のグラフに示されるように、最大気泡径の半分である約0.06mm、すなわち60ミクロンであることを示す。そのうえ、さらに小さく、図5の画像からは見ることができない気泡が高い割合である。
流れ16、液体供給、6mL/s、界面活性剤濃度=0.1g/L
流れ17、再循環液体、12mL/s、界面活性濃度0.01g/L
流れ18、気体・液体混合物、27mL/sの気体+18mL/sの液体=45mL/sの混合物
流れ19、不活性ガス吸入=27mL/s
流れ23、発泡物(液体)、0.54mL/s、界面活性剤濃度=0.5g/L
流れ20、27mL/sの気体+0.54mLの液体=27.54mL/の泡沫
流れ24、気体吐出、27mL/s
流れ25、滓(液体)、5.46mL/s、界面活性剤濃度=0.01g/L
このプロセスでは、供給溶液(6mL/s、0.1g/Lの界面活性剤)が、0.5g/Lの界面活性剤(すなわち、濃縮係数が5)を含む濃縮流に変換され、91%の収率である。
第1の実施例に記載されるのと同じ原理を用いて、バイオ反応器として用いられ得る大型の気体・液体接触器を設計することができる。この例では、バイオ反応器は、240Lの試験規模の反応器中で95%の酸素ガス変換を得るように設計されている。微小泡混合物中の設計された体積気体分率は24%である。
(4)
式中、εGは、大きな気泡または微小泡のどちらかによる対応する気体滞留量である。dbは平均気泡径である。数式4は、上で設計された反応器が、少なくとも
の比表面積を有することになることを示す。他の全てのものが等しい場合、この反応器は、体積物質移動係数kLaを有することなり、20%の気体滞留量で操作される従来の気泡カラムと同程度の高さで少なくとも10倍であり、平均気泡径は1mmであり、比表面積は、1,200m−1である。
第2の実施例で実証されたように、微小泡反応器は、従来の気泡カラム反応器よりも寸法の点で極めて小さいことがある。特に、微小泡反応器は、従来の気泡カラム反応器よりも高さの点で極めて短いことがありえる。土地面積をより良く利用するために、一方の微小泡反応器を他方の頂上に積み重ねて、従来の気泡カラム反応器に匹敵する高さ対直径の総合比を与えるのが適切である。
なお、本発明には以下の態様が含まれることを付記する。
[1]
(a)気泡を形成するためにガススパージャを介して液体を含むカラム内に気体を分散させることと、
(b)液体噴流が前記気泡と接触し、液体内に取り込まれる微小泡を生成するような前記液体噴流を生成するために、前記ガススパージャよりも上に配置される穿孔プレートを介して前記カラムに前記液体を注入することと
を含む、微小泡を生成する方法。
[2]
工程(b)の前記液体噴流が、前記穿孔プレートの高さよりも下に保たれる気泡塊から形成される泡沫層と接触する、[1]に記載の方法。
[3]
工程(b)の前記穿孔プレートが約0.1〜約0.5mmの直径の孔を備えている、[1]に記載の方法。
[4]
前記カラム内に含まれる前記液体または前記カラムに注入される前記液流が、蛋白質、ペプチド、イオン性界面活性剤、非イオン性界面活性剤、バイオ界面活性剤、疎水性粒子及び両親媒性粒子から成る群から選択される少なくとも1つの表面活性種を含む、[1]に記載の方法。
[5]
生成される前記微小泡が、直径で約200〜約10μmの直径を有する、[1]に記載の方法。
[6]
分離液流と分離泡沫流とを生成するために、前記微小泡取込液体の少なくとも一部分を泡沫/液体分離器に通すことをさらに含む、[1]に記載の方法。
[7]
前記分離液流の少なくとも一部分を前記穿孔プレートに通し戻すことをさらに含む、[6]に記載の方法。
[8]
前記分離泡沫流の少なくとも一部分を脱泡タンクに通すことをさらに含む、[6]に記載の方法。
[9]
実質的に不可溶な気体を含む分離気流と実質的に溶解性の可溶気体を含む分離液流とを生成するために、前記微小泡取込液体の少なくとも一部分を気体/液体分離器に通すことをさらに含む、[1]に記載の方法。
[10]
前記微小泡の寸法を制御するために前記スパージャの孔径、気体分散流量及び液体噴流速度から成る群から選択される少なくとも1つのパラメータを調節することをさらに含む、[1]に記載の方法。
[11]
前記カラムからガス逃がし弁を介してガス圧を逃がすことをさらに含む、[1]に記載の方法。
[12]
前記微小泡取込液体の少なくとも一部分を発酵ブロス内の少なくとも1つの微生物の培養液に与え、少なくとも1つの生成物を製造するために前記培養液を嫌気的に発酵させることをさらに含む、[1]に記載の方法。
[13]
前記微小泡がCOを含む、[12]に記載の方法。
[14]
前記少なくとも1つ生成物が、エタノール、ブタノール、2,3−ブタネジオール、アセトン、イソプロパノール、酢酸、酪酸、及びバイオマスから成る群から選択される、[12]に記載の方法。
[15]
前記培養液が前記カラム内に配置される、[12]に記載の方法。
[16]
前記培養液がバイオ反応容器内に配置される、[12]に記載の方法。
[17]
分離気流と分離発酵ブロス流とを形成するために、ガス取込発酵ブロスの少なくとも一部分を前記バイオ反応容器から第1の気体/液体分離器に通すことをさらに含む、[16]に記載の方法。
[18]
前記ガススパージャを介して前記分離気流の少なくとも一部分を前記カラムに通し戻すことをさらに含む、[17]に記載の方法。
[19]
前記穿孔プレートを介して前記分離発酵ブロス流の少なくとも一部分を前記カラムに通し戻すことをさらに含む、[17]に記載の方法。
[20]
前記穿孔プレートを介して前記カラムに通す前に、前記分離発酵ブロス流から少なくとも一部分の生成物を分離することをさらに含む、[17]に記載の方法。
[21]
微小泡生成システムであって、前記システムは、
(a)カラムと、
(b)前記カラム内に液体を注入しやくするのに適した穿孔プレートと、
(c)前記カラム内に気体を分散させるのに適したガススパージャと
を含み、前記穿孔プレートが、前記ガススパージャよりも上に配置される、システム。
[22]
前記穿孔プレートが前記カラムの断面を実質的に満たす、[21]に記載のシステム。
[23]
前記カラムが、液体を受容し、前記液体を前記穿孔プレートに通すのに適した液体吸入口をさらに備えている、[21]に記載のシステム。
[24]
前記カラムが、気流を受容し、前記気流を前記ガススパージャに通すのに適したガス吸入口をさらに備えている、[21]に記載のシステム。
[25]
前記カラムがガス逃がし弁をさらに備えている、[21]に記載のシステム。
[26]
前記カラムの底の幅が前記カラムの頂上の幅よりも大きい、[21]に記載のシステム。
[27]
前記カラムから微小泡の少なくとも一部分を受容するのに適した泡沫/液体分離器をさらに含み、前記泡沫/液体分離器が、微小泡を分離液流と分離泡沫流とに分離するのに適している、[21]に記載のシステム。
[28]
前記泡沫/液体分離器が、前記分離泡沫流の少なくとも一部分を脱泡タンクに通す手段を備えている、[27]に記載のシステム。
[29]
前記カラムから微小泡の少なくとも一部分を受容するのに適した気体/液体分離器をさらに備えており、前記気体/液体分離器は、微小泡を分離気流と分離液流とに分離するのに適している、[21]に記載のシステム。
[30]
発酵ブロスを含むバイオ反応容器をさらに備えている、[21]に記載のシステム。
[31]
前記バイオ反応容器から発酵ブロスの少なくとも一部分を受容するの適した気体/液体分離器をさらに備えており、前記気体/液体分離器は、発酵ブロスを分離気流と分離液流とに分離するのに適している、[30]に記載のシステム。
[32]
前記気体/液体分離器が、前記分離気流の少なくとも一部分を前記カラムのガススパージャに通す手段を備えている、[31]に記載のシステム。
[33]
前記気体/液体分離器が、前記分離気流の少なくとも一部分を前記カラムの前記穿孔プレートに通す手段を備えている、[31]に記載のシステム。
Claims (14)
- 微小泡を生成する方法であって、
(a)気泡を形成するためにガススパージャを介して液体を含むカラム内に気体を分散させるステップであって、該気泡は、前記液体の頂上へ移動し、泡沫層を形成する、ステップと、
(b)前記ガススパージャよりも上に配置される穿孔プレートよりも上に配置される吸入口を介して前記カラムに追加の液体を注入するステップであって、前記泡沫層が前記穿孔プレートよりも下に保たれ、前記追加の液体が前記穿孔プレートを通じて下流に通することで、前記泡沫層中の気泡と接触し、該液体内に取り込まれる微小泡を生成するような液体噴流を形成し、前記微少泡は前記液体噴流により前記カラムの下方に流し込まれる、ステップと
を含み、
ステップ(b)の前記穿孔プレートが、0.1〜0.5mmの直径の孔を備え、生成される前記微小泡が、直径で10〜200μmの直径を有する、前記方法。 - 前記カラム内に含まれる前記液体または前記カラムに注入される前記液流が、蛋白質、ペプチド、イオン性界面活性剤、非イオン性界面活性剤、バイオ界面活性剤、疎水性粒子及び両親媒性粒子から成る群から選択される少なくとも1つの表面活性種を含む、請求項1に記載の方法。
- 微小泡を生成する方法であって、
(a)気泡を形成するためにガススパージャを介して液体を含むカラム内に気体を分散させるステップであって、該気泡は、前記液体の頂上へ移動し、泡沫層を形成する、ステップと、
(b)前記ガススパージャよりも上に配置される穿孔プレートよりも上に配置される吸入口を介して前記カラムに追加の液体を注入するステップであって、前記泡沫層が前記穿孔プレートよりも下に保たれ、前記追加の液体が前記穿孔プレートを通じて下流に通することで、前記泡沫層中の気泡と接触し、該液体内に取り込まれる微小泡を生成するような液体噴流を形成し、前記微少泡は前記液体噴流により前記カラムの下方に流し込まれる、ステップと
を含み、
a.分離液流と分離泡沫流とを生成するために、前記微小泡取込液体の少なくとも一部分を泡沫/液体分離器に通すステップ、
b.前記分離液流の少なくとも一部分を前記穿孔プレートに通し戻すステップ、および
c.前記分離泡沫流の少なくとも一部分を脱泡タンクに通すステップ
をさらに含む前記方法。 - 微小泡を生成する方法であって、
(a)気泡を形成するためにガススパージャを介して液体を含むカラム内に気体を分散させるステップであって、該気泡は、前記液体の頂上へ移動し、泡沫層を形成する、ステップと、
(b)前記ガススパージャよりも上に配置される穿孔プレートよりも上に配置される吸入口を介して前記カラムに追加の液体を注入するステップであって、前記泡沫層が前記穿孔プレートよりも下に保たれ、前記追加の液体が前記穿孔プレートを通じて下流に通することで、前記泡沫層中の気泡と接触し、該液体内に取り込まれる微小泡を生成するような液体噴流を形成し、前記微少泡は前記液体噴流により前記カラムの下方に流し込まれる、ステップと
を含み、
実質的に不可溶な気体を含む分離気流と実質的に溶解性の可溶気体を含む分離液流とを生成するために、前記微小泡取込液体の少なくとも一部分を気体/液体分離器に通すステップをさらに含む前記方法。 - 前記微小泡の寸法を制御するために前記スパージャの孔径、気体分散流量及び液体噴流速度から成る群から選択される少なくとも1つのパラメータを調節するステップをさらに含む請求項1〜4のいずれか1項に記載の方法。
- 前記カラムからガス逃がし弁を介してガス圧を逃がすステップをさらに含む請求項1〜5のいずれか1項に記載の方法。
- 前記微小泡取込液体の少なくとも一部分を発酵ブロス内の少なくとも1つの微生物の培養液に与え、少なくとも1つの生成物を製造するために前記培養液を嫌気的に発酵させるステップをさらに含み、
前記微小泡がCOを含み、前記少なくとも1つ生成物が、エタノール、ブタノール、2,3−ブタネジオール、アセトン、イソプロパノール、酢酸、酪酸、及びバイオマスから成る群から選択される、請求項1〜6のいずれか1項に記載の方法。 - 前記培養液が前記カラム内に配置される、請求項7に記載の方法。
- 前記培養液がバイオ反応容器内に配置される、請求項7に記載の方法。
- 分離気流と分離発酵ブロス流とを形成するために、ガス取込発酵ブロスの少なくとも一部分を前記バイオ反応容器から第1の気体/液体分離器に通すステップをさらに含む、請求項9に記載の方法。
- a.前記ガススパージャを介して前記分離気流の少なくとも一部分を前記カラムに通し戻すステップ、
b.前記穿孔プレートを介して前記分離発酵ブロス流の少なくとも一部分を前記カラムに通し戻すステップ、および
c.前記穿孔プレートを介して前記カラムに通す前に、前記分離発酵ブロス流から少なくとも一部分の生成物を分離するステップをさらに含む、請求項10に記載の方法。 - 微小泡生成システムであって、前記システムは、
(a)液体を含むカラムと、
(b)前記カラム内に追加の液体を注入しやくするのに適した穿孔プレートと、
(c)前記カラム内に気体を分散させて気泡を形成するのに適したガススパージャと
を含み、
前記穿孔プレートが、前記ガススパージャよりも上に配置され、
使用時に、前記追加の液体の一部が、前記穿孔プレートから流れ、前記気泡により形成される泡沫層に接触し、微少泡を生成し、
前記微少泡は、前記追加の液体により前記カラムの下方に流し込まれ、
前記システムは、
発酵ブロスを含むバイオ反応容器と、
前記バイオ反応容器から発酵ブロスの少なくとも一部分を受容するの適した気体/液体分離器とをさらに含み、
前記気体/液体分離器は、発酵ブロスを分離気流と分離液流とに分離するのに適しており、
前記気体/液体分離器は、
a.前記分離気流の少なくとも一部分を前記カラムの前記ガススパージャに通す手段、および
b.前記分離液流の少なくとも一部分を前記カラムの前記穿孔プレートに通す手段をさらに備えている、前記システム。 - 前記穿孔プレートが前記カラムの断面を実質的に満たす、請求項12に記載のシステム。
- 前記カラムが、
a.液体を受容し、前記液体を前記穿孔プレートに通すのに適した液体吸入口、
b.気流を受容し、前記気流を前記ガススパージャに通すのに適したガス吸入口、および
c.ガス逃がし弁
のうちの少なくとも1つをさらに備えている、請求項12または13に記載のシステム。
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