JP6491413B2

JP6491413B2 - 有機物質の製造方法及び有機物質の製造装置

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Publication number: JP6491413B2
Application number: JP2014022746A
Authority: JP
Inventors: 石井　徹哉; 徹哉石井
Original assignee: Sekisui Chemical Co Ltd
Current assignee: Sekisui Chemical Co Ltd
Priority date: 2013-09-13
Filing date: 2014-02-07
Publication date: 2019-03-27
Anticipated expiration: 2034-02-07
Also published as: JP2015077120A

Description

本発明は、有機物質の製造方法及び有機物質の製造装置に関する。

近年、例えば鉄工所からの排気ガス等から合成された、一酸化炭素を含む合成ガスを微生物発酵させることによりエタノールなどの有機物質を製造する方法の実用化が検討されている（例えば特許文献１を参照）。

国際公開第２０１１／０８７３８０号公報

合成ガスを微生物発酵させることにより有機物質を製造する方法において、有機物質の製造効率を向上したいという要望がある。

本発明の主な目的は、合成ガスを微生物発酵させることにより有機物質を製造する方法において、有機物質の製造効率を向上することにある。

本発明に係る第１の有機物質の製造方法では、一酸化炭素、水素及び二酸化炭素を含むガスを生成させるガス生成工程を行う。逆シフト反応によりガス中の二酸化炭素及び水素の少なくとも一部を一酸化炭素と水蒸気とにする改質工程を行う。改質されたガスを微生物発酵させることにより有機物質を生成させる発酵工程を行う。

本発明に係る第１の有機物質の製造方法では、ガス生成工程において、空気よりも酸素の相対濃度が高い雰囲気において炭素源の部分酸化を行うことが好ましい。

本発明に係る第１の有機物質の製造方法では、改質されたガスにおける水蒸気の含有率を低減させる工程をさら行い、水蒸気の含有率が低減された改質ガスを微生物発酵させることにより有機物質を生成させることが好ましい。

本発明に係る第１の有機物質の製造方法では、ガス生成工程において得られたガスの一部を燃焼させることにより得られた熱を、逆シフト反応に用いてもよい。

本発明に係る第１の有機物質の製造方法では、微生物発酵の際に生じたガスを燃焼させることにより得られた熱を、逆シフト反応に用いてもよい。

本発明に係る第２の有機物質の製造方法では、炭素源を部分酸化させて一酸化炭素を含む合成ガスを生成させる。合成ガスを微生物発酵させることにより有機物質を生成させる。炭素源の部分酸化に際し、空気よりも二酸化炭素の組成比が高い気体を供給する。

本発明に係る第２の有機物質の製造方法では、微生物発酵の際に生じた二酸化炭素を含むガスの少なくとも一部をガスの合成炉に供給してもよい。

本発明に係る第１及び第２の有機物質の製造方法のそれぞれにおいて、ガスの合成炉に水素を供給することが好ましい。

ガスの合成炉は、炭素源を部分酸化させることにより合成ガスを生成させるものであってもよいし、例えば、二酸化炭素を含むガスを改質することにより合成ガスを生成させるものであってもよい。

本発明に係る第１及び第２の有機物質の製造方法のそれぞれにおいて、酸素を用いて炭素源を部分酸化させてもよい。

本発明に係る第１及び第２の有機物質の製造方法のそれぞれにおいて、微生物発酵の際に生じた二酸化炭素を含むガスにおける窒素濃度を低下させた後に、当該ガスをガスの合成炉に供給することが好ましい。

本発明に係る第１及び第２の有機物質の製造方法のそれぞれにおいて、微生物発酵の際に生じた二酸化炭素を含むガスにおける窒素濃度の低減を、真空脱気により行ってもよい。

本発明に係る第１及び第２の有機物質の製造方法のそれぞれにおいて、微生物発酵の際に生じた二酸化炭素を含むガスをガスの合成炉に供給してもよい。
本発明に係る第１及び第２の有機物質の製造方法のそれぞれにおいて、微生物発酵の際に生じた二酸化炭素を含むガスの少なくとも一部中の二酸化炭素及び水素の少なくとも一部を一酸化炭素と水蒸気とにする改質を行った後に、当該ガスを発酵器供給してもよい。

本発明に係る第２の有機物質の製造方法では、合成ガスから二酸化炭素を分離し、分離した二酸化炭素をガスの合成炉に供給してもよい。

本発明に係る有機物質の製造装置は、合成炉と、改質器と、発酵器とを備える。合成炉は、一酸化炭素、水素及び二酸化炭素を含むガスを生成させる。改質器は、逆シフト反応によりガス中の二酸化炭素及び水素の少なくとも一部を一酸化炭素と水蒸気とにする。発酵器は、改質されたガスを微生物発酵させることにより有機物質を生成させる。

本発明によれば、合成ガスを微生物発酵させることにより有機物質を製造する方法において、有機物質の製造効率を向上することができる。

第１の実施形態に係る有機物質の製造装置の模式図である。第２の実施形態に係る有機物質の製造装置の模式図である。第３の実施形態に係る有機物質の製造装置の模式図である。第４の実施形態に係る有機物質の製造装置の模式図である。第５の実施形態に係る有機物質の製造装置の模式図である。第６の実施形態に係る有機物質の製造装置の模式図である。

以下、本発明を実施した好ましい形態の一例について説明する。但し、下記の実施形態は、単なる例示である。本発明は、下記の実施形態に何ら限定されない。

（第１の実施形態）
図１に示される製造装置１は、炭素源を部分酸化させて得られるガスから有機物質を製造するための装置である。

炭素源は、例えば、プラスチックや樹脂を含む廃棄物や、生ゴミであってもよいし、コークス等であってもよい。

製造される有機物質は、含酸素有機物であってもよい。製造される有機物質は、例えば、アルコール、有機酸、脂肪酸、油脂、ケトン、バイオマス、糖等であってもよい。アルコール、有機酸、脂肪酸、油脂、ケトン、バイオマス、糖の具体例としては、例えば、エタノール、酢酸等が挙げられる。

製造された有機物質の用途は、特に限定されない。製造された有機物質は、例えば、プラスチックや樹脂等の原料として用いることもできるし、燃料として用いることもできる。

製造装置１は、燃焼炉（ガスの合成炉）１１を有する。燃焼炉１１では、炭素源の部分酸化が行われる。燃焼炉１１において炭素源の部分酸化が行われることにより、一酸化炭素、水素及び水蒸気を含む合成ガスが生成する（ガス生成工程）。なお、炭素源が廃棄物である場合は、燃焼炉１１は、例えば廃棄物の焼却炉であってもよい。炭素源がコークスである場合は、燃焼炉１１は、例えば製鉄炉であってもよい。

燃焼炉１１に、空気よりも酸素濃度が高いガスが供給され、炭素源の部分酸化が、空気よりも酸素濃度が高い雰囲気で行われることが好ましい。空気を用いて炭素源の部分酸化を行うと、大量の窒素が合成ガスに含まれるためである。大量の窒素は、例えば微生物発酵槽からのオフガスとしてそのまま排出される。このため、このオフガス中の二酸化炭素を水素などで還元する必要が生じる。窒素を多量に含む空気を用いた場合、微生物発酵槽に再び送るループ回路を組んだときに窒素が巡回し、ガス中の一酸化炭素や水素濃度を薄めることとなる。また、ガスの加熱に使用するエネルギーも大きくなり、ひいては改質手段（改質炉）を大型化させる必要も生じる。これを避けるためにガスの一部を廃棄しなければならないが、この量は窒素ガスが少なければ少ないほど少量であるために効率がよい。

燃焼炉１１に水素をさらに供給してもよい。燃焼炉１１に水素を供給し、燃焼炉１１内における水素濃度を高めることにより、燃焼炉１１に供給されるガスに塩素分が含まれている場合であっても、塩化水素が生じやすくなり、塩化炭素化合物が生じにくくなるためである。

なお、炭素源の部分酸化に用いる酸化剤は、特に限定されないが、燃焼炉１１における炭素源の部分酸化を、酸素を用いて行うことが好ましい。

本実施形態では、ガスの合成炉として、炭素源を部分酸化させる燃焼炉（部分酸化炉）を用いる例について説明する。但し、本発明は、この構成に限定されない。例えば、二酸化炭素を含むガス中の二酸化炭素の少なくとも一部を一酸化炭素に改質する改質炉によりガスの合成炉を構成してもよい。

燃焼炉１１は、改質器１２に接続されている。合成ガスは、改質器１２に供給される。改質器１２では、逆シフト反応により合成ガス中の二酸化炭素及び水素の少なくとも一部を一酸化炭素と水蒸気とに改質する。これにより、合成ガス中の二酸化炭素濃度及び水素濃度が低減され、一酸化炭素濃度が高められる。

なお、逆シフト反応は、例えば、遷移金属触媒等の触媒を用いて行うことができる。好ましく用いられる遷移金属触媒の具体例としては、酸化鉄（Ｆｅ_３Ｏ_４）等が挙げられる。

改質器１２は、発酵器１３に接続されている。改質器１２により改質された改質ガスは、発酵器１３に供給される。発酵器１３は、微生物と水とを含む。すなわち、発酵器１３には、微生物を含む水が配されている。微生物は、改質ガスを微生物発酵させる。これにより、製造しようとする有機物質が生成する。

なお、発酵器１３は、加圧されていることが好ましい。発酵器１３における改質ガスの圧力は、１．１７ｂａｒ−ａｂｓ〜１０００ｂａｒ−ａｂｓであることが好ましく、２．２７ｂａｒ−ａｂｓ〜９．９ｂａｒ−ａｂｓであることがより好ましい。

発酵器１３は、精製機１４に接続されている。発酵器１３における生成物は、精製機１４に移送される。通常、発酵器１３においては、製造しようとする有機物質に加え、他の有機物質も生成する。精製機１４は、発酵器１３における生成物を精製する。これにより、目的とする有機物質を得ることができる。

以上説明したように、本実施形態では、逆シフト反応により一酸化炭素濃度が高められた改質ガスを微生物発酵に用いる。このため、発酵器１３における一酸化炭素の分圧を高めることができる。よって、発酵効率を高めることができる。従って、有機物質の製造効率を高めることができる。

なお、微生物は、通常、一酸化炭素のみならず水素も発酵に使用する。しかしながら、中性領域においては、水素の酸化還元電位は、一酸化炭素の酸化還元電位よりも高い。具体的には、一酸化炭素の酸化還元電位は、フェレドキシンの酸化還元電位よりも低い一方、水素の酸化還元電位は、フェレドキシンの酸化還元電位より低くない。また、水素ガスを供給しなくとも、発酵器１３内の水が水素源となるため、微生物発酵は好適に行われる。このため、水素の含有率が低下したとしても、一酸化炭素の含有率が高まると、発酵効率が高まり、有機物質の製造効率も高まる。

なお、逆シフト反応は吸熱反応である。このため、改質器１２を加熱する必要がある。例えば、ガス生成工程において得られた合成ガスの一部を再度燃焼させることにより得られた熱を逆シフト反応に用いてもよい。また、例えば、微生物発酵の際に生じたガスを燃焼させることにより得られた熱を逆シフト反応に用いてもよい。そうすることにより、有機物質の製造に要するエネルギーを低減することができる。

以下、本発明の好ましい実施形態の他の例について説明する。以下の説明において、上記第１の実施形態と実質的に共通の機能を有する部材を共通の符号で参照し、説明を省略する。

（第２の実施形態）
図２は、第２の実施形態に係る有機物質の製造装置の模式図である。

本実施形態に係る製造装置１ａは、改質器１２と発酵器１３との間に分離器１５が設けられている点で、第１の実施形態に係る製造装置１と異なる。分離器１５では、改質ガスにおける水の含有率を低減する。この水の含有率が低減された改質ガスが発酵器１３に供給される。このため、微生物発酵に必要な一酸化炭素の改質ガスにおける濃度をさらに高めることができる。従って、発酵効率及び有機物質の製造効率をさらに高めることができる。

なお、改質ガスにおける水蒸気の含有率の低減は、例えば、深冷分離法等により行うことができるし、冷却により水蒸気を結露させることにより行うこともできる。

（第３の実施形態）
図３は、第３の実施形態に係る有機物質の製造装置の模式図である。

本実施形態に係る製造装置２では、燃焼炉１１と発酵器１３との間に改質器が設けられていない。その代わりに、本実施形態では、燃焼炉１１における炭素源の部分酸化に際し、空気よりも二酸化炭素の組成比が高い気体を供給する。このため、燃焼炉１１において炭素源の部分酸化と共に、逆シフト反応も進行し、一酸化炭素濃度が高い合成ガスを得ることができる。よって、発酵効率を高めることができる。従って、有機物質の製造効率を高めることができる。

燃焼炉１１に供給する、空気よりも二酸化炭素の組成比が高い気体は、例えば、別途に用意した二酸化炭素と空気とを混合することにより得ることができる。

また、例えば、図４に示される製造装置２ａのように、発酵器１３と燃焼炉１１とを接続し、微生物発酵の際に生じた二酸化炭素を含むガス、又はそのガスから分離した二酸化炭素を燃焼炉１１に供給することにより、燃焼炉１１に供給されるガスの二酸化炭素の組成比を高めてもよい。

微生物発酵の際に生じた二酸化炭素を含むガスにおける窒素濃度を低減した後に、そのガスを燃焼炉１１に供給することが好ましい。燃焼炉１１に供給されるガスに窒素が含まれていると、燃焼炉１１中における窒素濃度が高まっていき、有機物質の製造効率が低下するためである。燃焼炉１１に供給されるガスの窒素濃度を低減することにより、二酸化炭素の排出量も抑制することができる。

微生物発酵の際に生じた二酸化炭素を含むガスにおける窒素濃度を低減する方法は、特に限定されない。例えば、真空脱気により微生物発酵の際に生じた二酸化炭素を含むガスにおける窒素濃度を低減することができる。

また、微生物発酵の際に生じた二酸化炭素を含むガス、又はそのガスから分離した二酸化炭素を燃焼炉１１に供給することにより、燃焼炉１１を加圧することが好ましい。

製造装置２ａを用いることにより、一酸化炭素や二酸化炭素として排出される炭素を低減でき、合成ガス中に含まれていた炭素原子の利用効率をより高めることができる。

なお、微生物発酵の際に生じた二酸化炭素を含むガスの少なくとも一部中の二酸化炭素及び水素の少なくとも一部を一酸化炭素と水蒸気とにする改質を行った後に、当該ガスを発酵器１３に供給してもよい。そうすることにより、炭素源の利用効率をさらに高めることができる。

また、例えば、図５に示される製造装置２ｂのように、燃焼炉１１と発酵器１３との間に分離器１６を設け、分離器１６において、合成ガスから二酸化炭素を分離し、分離した二酸化炭素を燃焼炉１１に供給することにより、燃焼炉１１に供給されるガスの二酸化炭素の組成比を高めてもよい。

製造装置２ａ、２ｂにおいては、炭素源の部分酸化に際し、空気よりも酸素濃度が高い気体を供給することが好ましく、酸素ガスを供給することがより好ましい。

図６は、第６の実施形態に係る有機物質の製造装置の模式図である。第６の実施形態に係る有機物質の製造装置では、発酵器１３から排出される二酸化炭素を含むガスの一部は、排出され、残りの一部が、改質器１２に供給される。改質器１２には、水素ガスや酸素ガスが供給される。この改質器１２に供給されたガスに含まれる二酸化炭素の少なくとも一部は、改質器１２において再び一酸化炭素に改質される。このため、炭素源の利用効率を向上することができる。

１，１ａ、２，２ａ、２ｂ：製造装置
１１：燃焼炉
１２：改質器
１３：発酵器
１４：精製機
１５：水の分離器
１６：二酸化炭素の分離器

Claims

合成炉において、炭素源の部分酸化又は二酸化炭素を含むガスの改質を行うことにより一酸化炭素、水素及び二酸化炭素を含む合成ガスを生成させるガス生成工程と、
生成した前記合成ガスを、逆シフト反応用触媒を含む改質器に導入し、逆シフト反応により前記合成ガス中の二酸化炭素及び水素の少なくとも一部を一酸化炭素と水蒸気とにする改質を行って改質ガスを得る改質工程と、
前記改質ガスを、フェレドキシンを保有する微生物を含む発酵器に導入し、前記改質ガスを前記微生物によって微生物発酵させることにより有機物質を生成させる発酵工程と、
を備え、
発酵工程の際に生じたガスに含まれる水素、及び前記ガスから分離した二酸化炭素を前記合成炉に供給する、有機物質の製造方法。
前記ガス生成工程において、空気よりも酸素濃度が高い雰囲気において前記炭素源の部分酸化を行う、請求項１に記載の有機物質の製造方法。
前記改質ガスにおける水蒸気の含有率を低減させる工程をさらに備え、
前記水蒸気の含有率が低減された改質ガスを微生物発酵させることにより有機物質を生成させる、請求項１又は２に記載の有機物質の製造方法。
前記ガス生成工程において得られた合成ガスの一部を燃焼させることにより得られた熱を、前記逆シフト反応に用いる、請求項１〜３のいずれか一項に記載の有機物質の製造方法。
前記微生物発酵の際に生じたガスを燃焼させることにより得られた熱を、前記逆シフト反応に用いる、請求項１〜４のいずれか一項に記載の有機物質の製造方法。
合成炉において炭素源を部分酸化させて一酸化炭素を含む合成ガスを生成させる工程と、
前記合成ガスを、フェレドキシンを保有する微生物を含む発酵器に導入し、前記合成ガスを前記微生物によって微生物発酵させることにより有機物質を生成させる工程と、
を備え、
前記炭素源の部分酸化に際し、空気よりも二酸化炭素の組成比が高い気体を前記合成炉に供給することにより、前記合成炉において逆シフト反応により前記合成ガス中の二酸化炭素及び水素の少なくとも一部を一酸化炭素と水蒸気とにする改質を行い、
発酵工程の際に生じたガスに含まれる水素、及び前記ガスから分離した二酸化炭素を前記合成炉に供給する、
有機物質の製造方法。
酸素を用いて前記炭素源を部分酸化させる、請求項１〜６のいずれか一項に記載の有機物質の製造方法。
前記微生物発酵の際に生じた二酸化炭素を含むガスにおける窒素濃度を低下させた後に、当該ガスを前記ガスの合成炉に供給する、請求項１〜７のいずれか一項に記載の有機物質の製造方法。
前記微生物発酵の際に生じた二酸化炭素を含むガスにおける窒素濃度の低減を、真空脱気により行う、請求項８に記載の有機物質の製造方法。
前記微生物発酵の際に生じた二酸化炭素を含むガスを前記ガスの合成炉に供給する、請求項６に記載の有機物質の製造方法。
前記微生物発酵の際に生じた二酸化炭素を含むガスの少なくとも一部中の二酸化炭素及び水素の少なくとも一部を一酸化炭素と水蒸気とにする改質を行った後に、当該ガスを前記発酵器に供給する、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の有機物質の製造方法。
前記合成ガスから二酸化炭素を分離し、前記分離した二酸化炭素を前記ガスの合成炉に供給する、請求項６に記載の有機物質の製造方法。
一酸化炭素、水素及び二酸化炭素を含む合成ガスを生成させる合成炉と、
逆シフト反応用触媒を含む改質器であって、逆シフト反応により前記合成ガス中の二酸化炭素及び水素の少なくとも一部を一酸化炭素と水蒸気とにする改質を行って改質ガスを得る改質器と、
フェレドキシンを保有する微生物を含む発酵器であって、前記改質ガスを前記微生物によって微生物発酵させることにより有機物質を生成させる発酵器と、
発酵工程の際に生じたガスに含まれる水素を前記合成炉に供給する手段と、
発酵工程の際に生じたガスから分離した二酸化炭素を前記合成炉に供給する手段と、を
備える、有機物質の製造装置。