JP6632978B2 - 有機物質を製造する装置及び有機物質を製造する方法 - Google Patents

有機物質を製造する装置及び有機物質を製造する方法 Download PDF

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Description

本発明は、有機物質を製造する装置及び有機物質を製造する方法に関する。
近年、例えば、製鉄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化学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
しかしながら、廃棄物から有機物質を製造する装置は、現在のところ、実用化に至っておらず、十分に検討されていないのが実情である。
廃棄物から有機物質を製造する際に排出される二酸化炭素量を低減したいという要望がある。
本発明の主な目的は、有機物質を製造する際に排出される二酸化炭素量を低減することにある。
本発明に係る第１の有機物質の製造装置は、合成ガス生成炉と、発酵器と、を備える。合成ガス生成炉は、廃棄物を部分酸化させることにより合成ガスを生成させる。発酵器は、合成ガスから有機物質を生成させる微生物を含む。発酵器は、第１の発酵器と、第２の発酵器と、を有する。第１の発酵器は、合成ガス生成炉に接続されている。第１の発酵器は、微生物としてクロストリジウム・オートエタノゲナム（Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ ａｕｔｏｅｔｈａｎｏｇｅｎｕｍ）を含む。第２の発酵器は、第１の発酵器に接続されている。第２の発酵器は、微生物としてクロストリジウム・リュングダリイ（Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ ｌｊｕｎｇｄａｈｌｉｉ）を含む。
本発明に係る第１の有機物質の製造装置は、発酵器において生じた二酸化炭素をメタン発酵させることによりメタンを得るメタン発酵器をさらに備えていることが好ましい。その場合、本発明に係る第１の有機物質の製造装置は、メタン発酵器からのメタンから合成ガスを生成させる合成ガス生成炉をさらに備えていてもよい。
本発明に係る第２の有機物質の製造装置は、合成ガスを微生物発酵させることにより二酸化炭素と、有機物質とを得る発酵器と、発酵器において生じた二酸化炭素をメタン発酵させることによりメタンを得るメタン発酵器とを備える。
本発明に係る第２の有機物質の製造装置は、メタン発酵器からのメタンから合成ガスを生成させる合成ガス生成炉をさらに備えていてもよい。
本発明に係る第１の有機物質の製造方法では、合成ガス生成炉において廃棄物を部分酸化させることにより合成ガスを生成させる。クロストリジウム・オートエタノゲナム（Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ ａｕｔｏｅｔｈａｎｏｇｅｎｕｍ）を含む第１の発酵器に、合成ガスを供給し、発酵させる第１の発酵工程を行う。クロストリジウム・リュングダリイ（Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ ｌｊｕｎｇｄａｈｌｉｉ）を含む第２の発酵器に、第１の発酵器からの排出ガスを供給し、発酵させる第２の発酵工程を行う。
本発明に係る第１の有機物質の製造方法では、排出ガスが、水素を含むように第１の発酵工程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は、発酵工程において生じた二酸化炭素をメタン発酵させることによりメタンを得る工程をさらに備えていることが好ましい。その場合、本発明に係る第１の有機物質の製造方法では、メタンから合成ガスを得る工程をさらに行ってもよい。
本発明に係る第２の有機物質の製造方法では、発酵器において合成ガスを微生物発酵させることにより二酸化炭素と、有機物質をと得る発酵工程を行う。発酵工程において生じた二酸化炭素をメタン発酵させることによりメタンを得る。
本発明に係る第２の有機物質の製造方法では、メタンから合成ガスを得る工程をさらに行ってもよい。
本発明によれば、有機物質を製造する際に排出される二酸化炭素量を低減することができる。
図１は、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。 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。 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。
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は、本実施形態に係る廃棄物からの有機物質の製造装置の模式図である。図１に示される製造装置１は、廃棄プラスチック等を含む廃棄物から、有機物質を製造するための装置である。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、糖等の具体例としては、例えば、エタノールや酢酸、ブタンジオール等が挙げられる。
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、合成ガス生成炉１１と、発酵器１３と、精製機１４とを備えている。合成ガス生成炉１１には、プラスチックや樹脂などの有機物を含む廃棄物が供給される。廃棄物は、合成ガス生成炉１１において部分酸化され、合成ガスが生成する。通常、合成ガスは、一酸化炭素に加え、二酸化炭素や水素ガス、窒素ガスを含んでいる。
合成ガス生成炉１１は、発酵器１３に接続されている。合成ガス生成炉１１において生成した合成ガスは、発酵器１３に供給される。発酵器１３は、微生物を含む。微生物は、合成ガスから、製造しようとする有機物質を生成させる。
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。
発酵器１３は、第１の発酵器１３ａと、第２の発酵器１３ｂとを有する。第１の発酵器１３ａは、合成ガス生成炉１１に接続されている。第１の発酵器１３ａは、微生物としてクロストリジウム・オートエタノゲナム（Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ ａｕｔｏｅｔｈａｎｏｇｅｎｕｍ）を含む。
第２の発酵器１３ｂは、第１の発酵器１３ａに接続されている。第２の発酵器１３ｂは、微生物としてクロストリジウム・リュングダリイ（Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ ｌｊｕｎｇｄａｈｌｉｉ）を含む。
第１の発酵器１３ａに含まれるクロストリジウム・オートエタノゲナム（Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ ａｕｔｏｅｔｈａｎｏｇｅｎｕｍ）は、一酸化炭素と水素を消費して、有機物質を生成させると共に、二酸化炭素を排出する。このため、第１の発酵器１３ａのみでは、二酸化炭素の排出量が増加する。
製造装置１では、合成ガス生成炉１１において廃棄物を部分酸化させるため、合成ガスにおける一酸化炭素と水素の比は、おおよそ１：１となる。クロストリジウム・オートエタノゲナム（Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ ａｕｔｏｅｔｈａｎｏｇｅｎｕｍ）は、水素より一酸化炭素を多く消費する。このため、第１の発酵器１３ａからの排出ガスには、二酸化炭素と共に水素が含まれる。この排出ガスは、第２の発酵器１３ｂに供給される。第２の発酵器１３ｂは、クロストリジウム・リュングダリイ（Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ ｌｊｕｎｇｄａｈｌｉｉ）を含む。クロストリジウム・リュングダリイ（Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ ｌｊｕｎｇｄａｈｌｉｉ）は、水素存在下において、二酸化炭素を消費し、有機物質を生成させる。従って、製造装置１では、二酸化炭素の排出量が少ない。また、有機物質の生成量が多い。
なお、本実施形態では、製造装置１が合成ガス生成炉１１を有している例について説明した。但し、本発明は、この構成に限定されない。合成ガス生成炉が製造装置とは別個に設けられていてもよい。
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に示される製造装置１ａは、炭素源を部分酸化させて得られる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、ブタンジオール等が挙げられる。
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１ａは、合成ガス生成炉１１を有する。合成ガス生成炉１１では、炭素源の部分酸化が行われる。合成ガス生成炉１１において炭素源の部分酸化が行われることにより、一酸化炭素を含む合成ガスが生成する（ガス生成工程）。合成ガスは、通常、一酸化炭素に加え、二酸化炭素や水素を含んでいる。合成ガスは、例えば、炭化水素等をさらに含んでいてもよい。
なお、炭素源が廃棄物である場合は、合成ガス生成炉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、合成ガス生成炉１１は、例えば製鉄炉であってもよい。
合成ガス生成炉１１は、発酵器１３に接続されている。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。発酵器１３において、微生物が合成ガス発酵を行う。その結果、製造しようとする有機物質が生成する。微生物は、嫌気性菌であってもよい。例えば、エタノール等のアルコールを生成させる場合に好適に用いられる微生物の具体例としては、例えば、クロストリジウム属等が挙げられる。発酵器１３においては、所望する有機物質に加えて、二酸化炭素が生成する。
発酵器１３は、精製機１４に接続されている。発酵器１３における生成物の一部は、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（精製工程）。これにより、目的とする有機物質を得ることができる。精製機１４では、目的とする有機物質と共に、微生物発酵の残渣が生じる。通常、残渣には、製造目的としていない有機物質、微生物の死骸、水等が含まれている。
また、発酵器１３は、メタン発酵器１５に接続されている。発酵器１３からは、二酸化炭素と水素とがメタン発酵器１５に供給される。発酵器１５に供給される二酸化炭素は、合成ガスに含まれていた二酸化炭素と、発酵器１３における発酵により生じた二酸化炭素とを含む。メタン発酵器１５は、これらの二酸化炭素と水素とをメタン発酵させることにより、メタンを生成させる。このため、製造装置１ａから排出される二酸化炭素量が低減されている。また、所望するアルコール等の有機物質に加えてメタンを得ることができる。製造装置１ａでは、このメタンは、合成ガス生成炉１１に原料として供給される。従って、投入する炭素源の量に対する、製造される有機物質の量の比（（製造される有機物質の量）／（投入する炭素源の量））を高くすることができる。また、得られたメタンを回収し、他の用途に使用してもよい。
なお、本実施形態では、メタン発酵器１５において生成したメタンは、合成ガス生成炉１１において部分酸化され合成ガスとされる。但し、本発明は、これに限定されない。例えば、メタンを水蒸気改質したり二酸化炭素改質したりすることにより合成ガス化してもよい。また、メタンを燃料として用いてもよい。
本実施形態において、第１の発酵器１３ａからの合成ガスは、第２の発酵器１３ｂに送入される。第１の発酵器１３ａからの水は、第２の発酵器１３ｂに送入される必要は必ずしもない。例えば、第１の発酵器１３ａからの水の少なくとも一部が第２の発酵器１３ｂに送入されなくてもよい。
（第３の実施形態）
図３は、本実施形態に係る有機物質の製造装置１ｂの模式図である。
製造装置１ｂは、発酵器１３が第１の発酵器１３ａと第２の発酵器１３ｂとを有している点で第２の実施形態に係る製造装置１ｂと異なる。第１の発酵器１３ａは、第１の実施形態の第１の発酵器１３ａと実質的に同様の構成を有する。第２の発酵器１３ｂは、第１の実施形態の第２の発酵器１３ｂと実質的に同様の構成を有する。
本実施形態では、メタン発酵器１５は、第１及び第２の発酵器１３ａ、１３ｂのそれぞれに接続されている。メタン発酵器１５には、第１及び第２の発酵器１３ａ、１３ｂの少なくとも一方において生じた二酸化炭素が供給される。メタン発酵器１５には、合成ガスに含まれていた二酸化炭素がさらに供給されてもよい。供給された二酸化炭素は、メタン発酵器１５においてメタン発酵し、メタンが発生する。メタン発酵器１５において発生したメタンの少なくとも一部は、合成ガス生成炉１１に供給され、部分酸化されることにより合成ガスとなる。
本実施形態においては、第１の実施形態と同様に、クロストリジウム・オートエタノゲナム（Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ ａｕｔｏｅｔｈａｎｏｇｅｎｕｍ）を含む第１の発酵器１３ａの後段に、クロストリジウム・リュングダリイ（Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ ｌｊｕｎｇｄａｈｌｉｉ）を含む第２の発酵器１３ｂが接続されている。このため、第１の実施形態と同様に、第３の実施形態においても、発酵器１３から排出される二酸化炭素の量を低減できるという効果が奏される。
また、発酵器１３において生成した二酸化炭素の少なくとも一部は、メタン発酵器１５においてメタン発酵し、メタンとなる。このため、二酸化炭素の排出量をさらに低減することができる。
また、生成したメタンの少なくとも一部は、合成ガス生成炉１１において部分酸化され合成ガスとなる。従って、投入する炭素源の量に対する、製造される有機物質の量の比（（製造される有機物質の量）／（投入する炭素源の量））を高くすることができる。
なお、第１及び第３の実施形態では、第１の発酵器１３ａで培養されている微生物と第２の発酵器１３ｂで培養されている微生物とが相互に異なる。このため、第１及び第２の発酵器１３ａ、１３ｂのそれぞれに対して、それぞれの発酵に好適な培養液成分、好適なｐＨを実現するための調整器を接続しておくことが好ましい。
（第４の実施形態）
第２及び第３の実施形態では、発酵器１３において生じた二酸化炭素をメタン発酵させることによりメタンを得る例について説明した。本発明においては、メタン発酵の原料として、発酵器１３において生じた二酸化炭素に加えて、精製機１４において生じた残渣をメタン発酵の原料としてもよい。すなわち、精製機１４の残渣をメタン発酵器１５に供給し、メタン発酵器１５において残渣をメタン発酵させてもよい。そうすることにより、メタンの生成量を増大させることができる。このため、例えば、メタンから合成ガスを得る場合、投入する炭素源の量に対する、製造される有機物質の量の比（（製造される有機物質の量）／（投入する炭素源の量））をより高くすることができる。
１，１ａ，１ｂ 製造装置
１１ 合成ガス生成炉
１３ 発酵器
１３ａ 第１の発酵器
１３ｂ 第２の発酵器
１４ 精製機
１５ メタン発酵器

Claims (7)

  1. 廃棄物を部分酸化させることにより合成ガスを生成させる合成ガス生成炉と、
    前記合成ガスから有機物質を生成させる微生物を含む発酵器と、
    を備え、
    前記発酵器は、
    前記合成ガス生成炉に接続されており、前記微生物としてクロストリジウム・オートエタノゲナム（Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ ａｕｔｏｅｔｈａｎｏｇｅｎｕｍ）を含む第１の発酵器と、
    前記第１の発酵器に接続されており、前記微生物としてクロストリジウム・リュングダリイ（Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ ｌｊｕｎｇｄａｈｌｉｉ）を含む第２の発酵器と、
    を有する、有機物質の製造装置。
  2. 前記発酵器において生じた二酸化炭素をメタン発酵させることによりメタンを得るメタン発酵器をさらに備える、請求項１に記載の有機物質の製造装置。
  3. 前記メタン発酵器からのメタンから前記合成ガスを生成させる合成ガス生成炉をさらに備える、請求項２に記載の有機物質の製造装置。
  4. 合成ガス生成炉において廃棄物を部分酸化させることにより合成ガスを生成させる工程と、
    クロストリジウム・オートエタノゲナム（Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ ａｕｔｏｅｔｈａｎｏｇｅｎｕｍ）を含む第１の発酵器に、前記合成ガスを供給し、発酵させる第１の発酵工程と、
    クロストリジウム・リュングダリイ（Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ ｌｊｕｎｇｄａｈｌｉｉ）を含む第２の発酵器に、前記第１の発酵器からの排出ガスを供給し、発酵させる第２の発酵工程と、
    を備える、有機物質の製造方法。
  5. 前記排出ガスが、水素を含むように前記第１の発酵工程を行う、請求項４に記載の有機物質の製造方法。
  6. 前記第１及び第２の発酵工程の少なくとも一方において生じた二酸化炭素をメタン発酵させることによりメタンを得る工程をさらに備える、請求項４又は５に記載の有機物質の製造方法。
  7. 前記メタンから前記合成ガスを得る工程をさらに備える、請求項６に記載の有機物質の製造方法。
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