JP6757536B2 - 有機物質の製造装置およびガス処理システム - Google Patents

有機物質の製造装置およびガス処理システム Download PDF

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Description

本発明は、有機物質の製造装置およびガス処理システムに関する。
現在、ガスを微生物（細菌）発酵させることにより有機物質を製造することが検討されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載の方法では、発酵器から排出された微生物発酵後の培養液をそのまま精製機に供給し、有機物質の精製が行われる。
しかしながら、かかる方法では、精製機として蒸留塔を用いると、微生物の種類によっては、蒸留塔内で発泡が生じ、連続的な蒸留が困難である。
特開２０１５−０７７１２０号公報
本発明の目的は、有機物質を精製する精製部内での発泡を防止して、高収率で有機物質を得ることが可能な有機物質の製造装置、およびかかる有機物質の製造装置を有するガス処理システムを提供することにある。
このような目的は、下記の（１）〜（１３）の本発明により達成される。
（１） 微生物の発酵作用により、ガスから有機物質を生成する発酵槽と、
前記発酵槽から排出された排液を、前記微生物を含む固形物および前記有機物質を含有する第１の液体と、前記有機物質を含有し、前記第１の液体より前記固形物の含有量が少ない第２の液体とに分離する分離部と、
前記第１の液体から前記有機物質を含む液性成分を蒸発させる蒸発部と、
前記第２の液体および前記蒸発部にて気化した前記液性成分から前記有機物質を精製する精製部とを有することを特徴とする有機物質の製造装置。
（２） 前記蒸発部から液体、固体またはそれらの混合物として排出される残渣中の水分含有量は、前記蒸発部に供給される前記第１の液体中の水分含水量の９０％以下（好ましくは７５％以下）である上記（１）に記載の有機物質の製造装置。
（３） 前記蒸発部において、前記第１の液体から前記液性成分を蒸発させる際の温度は、１０〜１８０℃である上記（１）または（２）に記載の有機物質の製造装置。
（４） 前記精製部は、前記第２の液体を供給する液体供給口と、該液体供給口より下側に設けられ、前記蒸発部にて気化した前記液性成分である蒸気を供給する蒸気供給口とを備える蒸留塔で構成されている上記（１）〜（３）のいずれかに記載の有機物質の製造装置。
（５） 前記蒸留塔の段数は、５段以上である上記（４）に記載の有機物質の製造装置。
（６） 前記微生物は、ガス資化性細菌を含む上記（１）〜（５）のいずれかに記載の有機物質の製造装置。
（７） 前記ガス資化性細菌は、クロストリジウム属細菌を含む上記（６）に記載の有機物質の製造装置。
（８） 前記有機物質は、エタノールを含む上記（１）〜（７）のいずれかに記載の有機物質の製造装置。
（９） 前記ガスは、廃棄物を燃焼させることにより生成される上記（１）〜（８）のいずれかに記載の有機物質の製造装置。
（１０） 前記分離部は、フィルターを備える上記（１）〜（９）のいずれかに記載の有機物質の製造装置。
（１１） 前記フィルターは、その孔径が０．１〜１００μｍである上記（１０）に記載の有機物質の製造装置。
（１２） ガス原料を燃焼、加熱または部分酸化させることによりガスを生成するガス生成部と、
該ガス生成部で生成された前記ガスを用いて有機物質を得る上記（１）〜（１１）のいずれかに記載の有機物質の製造装置とを有することを特徴とするガス処理システム。
（１３） 前記蒸発部から液体、固体またはそれらの混合物として排出される残渣の少なくとも一部を前記ガス生成部に供給する上記（１２）に記載のガス処理システム。
本発明によれば、精製部内での発泡を防止することができるため、有機物質の収率を高めることができる。
本発明のガス処理システムの実施形態を示すブロック図である。 実施例１でシミュレーションするガス処理システムを示す図である。 実施例２でシミュレーションするガス処理システムを示す図である。
以下、本発明の有機物質の製造装置およびガス処理システムについて、添付図面に示す好適実施形態に基づいて詳細に説明する。
図１は、本発明のガス処理システムの実施形態を示すブロック図である。
図１に示すガス処理システム１は、ガス生成装置と、このガス生成装置に接続された有機物質の製造装置（本発明の有機物質の製造装置）とを有している。本実施形態では、ガス生成装置は、ガス化炉２を備えている。また、ガス処理装置は、ガス精製部３と、発酵槽４と、分離部５と、蒸発部６と、有機物質精製部７とを備えている。
ガス化炉（ガス生成部）２は、ガス原料（炭素源）を燃焼させる炉である。このガス化炉２においてガス原料を燃焼（不完全燃焼）させる熱処理を行うことにより、一酸化炭素を主成分として含有するガス（合成ガス）が生成する。すなわち、ガス原料を部分酸化させることにより、一酸化炭素を主成分とするガスが生成する。なお、ガス化炉２では、ガス原料を加熱することにより、ガスを生成するようにしてもよい。
なお、生成されるガスは、一酸化炭素の他、例えば、水素、二酸化炭素、窒素、酸素のような他のガス成分を含有してもよく、特に、一酸化炭素および水素を含むことが好ましい。かかるガスを用いることにより、微生物が目的の有機物質を効率よく生成（製造）することができる。
ここで、ガス原料は、炭素を含む原料であれば特に限定されないが、例えば、石炭、バイオマス原料（木材チップ等）、石油、天然ガス、シェールガス、各種廃棄物等が挙げられる。中でも、環境問題への視点から、ガス原料には、市町村や各種産廃業者が回収する廃棄物（ゴミ）を用いることが好ましい。
なお、廃棄物としては、例えば、プラスチック廃棄物、生ゴミ、都市廃棄物（ＭＳＷ）、廃棄タイヤ、バイオマス廃棄物、布団や紙などの家庭ごみ、建築部材等が挙げられ、これらのうちの１種を単独でまたは２種以上を組み合わせて用いることができる。このような廃棄物を用いることにより、資源循環型社会の実現に貢献することができる。
また、ガス化炉２におけるガス原料の燃焼は、空気を供給しつつ行われてもよいが、空気よりも酸素濃度が高いガス（高酸素濃度ガス）を供給しつつ行われることが好ましい。
高酸素濃度ガスを用いることにより、空気中に大量に含まれる窒素を余分に加熱する必要がなくなり、ガス原料の燃焼効率が高まる。
ガス化炉２のガス排出口は、ガスライン１０１を介して、ガス精製部３のガス供給口に接続されている。ガス化炉２で生成されたガスは、図示しないポンプにより、ガス精製部３に供給される。
このガス精製部３は、例えば、水、酸性溶液またはアルカリ性溶液を用いたスクラバー（水溶性不純物分離器）、ガスチラー（水分分離器）、サイクロン、バグフィルターのような微粒子（スス）分離器、脱硫器（硫化物分離器）、低温分離方式（深冷方式）の分離器、圧力スイング吸着（ＰＳＡ）方式の分離器、膜分離方式の分離器、温度スイング吸着（ＴＳＡ）方式の分離器、活性炭を用いた分離器、銅触媒またはパラジウム触媒を用いた分離器等のうちの１種または２種以上を用いて構成することができる。
ガス精製部３のガス排出口は、ガスライン１０２を介して、発酵槽４のガス供給口に接続されている。ガス精製部３から排出されたガスは、図示しないポンプにより、発酵槽４に供給される。
発酵槽４は、微生物の発酵作用により、ガスから有機物質（有価物）を生成する装置である。具体的には、まず、培養槽４内に、培養液タンク（図示せず）から培養液と予備培養槽（図示せず）から微生物とを供給して収容（貯留）する。この状態で、培養液を撹拌しつつ、培養槽４内にガスを供給する。これにより、培養液中で微生物を培養して、その発酵作用によりガスから有機物質を生成する。
培養液は、主成分の水と、この水に溶解または分散された栄養分（例えば、ビタミン、リン酸等）とを含有する液体である。このような培養液の組成は、微生物が良好に成育し得るように調製される。
有機物質としては、例えば、エタノール、２，３−ブタンジオールのようなアルコール、酢酸、乳酸、イソプレン等が挙げられる。中でも、アルコール（特に、エタノール）を含む有機物質が好ましい。エタノールは、燃料エタノールとして用いることができる他、例えば、化粧品、飲料、化学物質、燃料（ジェット燃料）等の原材料、食品等の添加物として用いることができ、汎用性が極めて高い。
本発明における微生物は、一酸化炭素、水素のようなガスから有機物質を生成する能力を有していれば特に限定されない。特にガスからの有機物質の生成能が高いことから、微生物は、ガス資化性細菌を含むことが好ましい。
また、このようなガス資化性細菌は、真性細菌および古細菌の双方を含む。
真性細菌としては、例えば、クロストリジウム（Clostridium）属細菌、ムーレラ（Moorella）属細菌、アセトバクテリウム（Acetobacterium）属細菌、カルボキシドセラ（Carboxydocella）属細菌、ロドシュードモナス（Rhodopseudomonas）属細菌、ユーバクテリウム（Eubacterium）属細菌、ブチリバクテリウム（Butyribacterium）属細菌、オリゴトロファ（Oligotropha）属細菌、ブラディリゾビウム（Bradyrhizobium）属細菌、好気性水素酸化細菌であるラルソトニア（Ralsotonia）属細菌等が挙げられる。
一方、古細菌としては、例えば、Methanobacterium属細菌、Methanobrevibacter属細菌、Methanocalculus属、Methanococcus属細菌、Methanosarcina属細菌、Methanosphaera属細菌、Methanothermobacter属細菌、Methanothrix属細菌、Methanoculleus属細菌、Methanofollis属細菌、Methanogenium属細菌、Methanospirillium属細菌、Methanosaeta属細菌、Thermococcus属細菌、Thermofilum属細菌、Arcaheoglobus属細菌等が挙げられる。
これらの中でも、古細菌としては、Methanosarcina属細菌、Methanococcus属細菌、Methanothermobacter属細菌、Methanothrix属細菌、Thermococcus属細菌、Thermofilum属細菌、Archaeoglobus属細菌が好ましい。
さらに、一酸化炭素および二酸化炭素の資化性に優れることから、古細菌としては、Methanosarcina属細菌、Methanothermobactor属細菌、またはMethanococcus属細菌が好ましく、Methanosarcina属細菌、またはMethanococcus属細菌が特に好ましい。
なお、Methanosarcina属細菌の具体例としては、例えば、Methanosarcinabarkeri、Methanosarcina mazei、Methanosarcinaacetivorans等が挙げられる。
以上のようなガス資化性細菌の中から、目的とする有機物質の生成能の高い細菌が選択されて用いられる。
例えば、エタノール生成能の高いガス資化性細菌としては、クロストリジウム・オートエタノゲナム（Clostridium autoethanogenum）、クロストリジウム・ユングダリイ（Clostridium ljungdahlii）、クロストリジウム・アセチクム（Clostridiumaceticum）、クロストリジウム・カルボキシジボランス（Clostridiumcarboxidivorans）、ムーレラ・サーモアセチカ（Moorella thermoacetica）、アセトバクテリウム・ウッディイ（Acetobacterium woodii）等が挙げられる。中でも、ガス資化率や培養の安定性の観点から、ガス資化性細菌は、クロストリジウム属細菌を含むことが好ましく、クロストリジウム・オートエタノゲナムを含むことがより好ましい。
発酵槽４には、例えば、撹拌板で培養液を撹拌するタイプの発酵槽、培養液自体を循環させることにより培養液を撹拌するタイプの発酵槽、供給されるガスの通気で生じる気泡流に伴う水流により培養液を撹拌するタイプの発酵槽等を用いることができる。
なお、ガス精製部３は、必要に応じて設けるようにすればよく、省略してもよい。すなわち、ガス化炉２のガス排出口をガスライン１０１を介して、直接発酵槽４のガス供給口に接続するようにしてもよい。
発酵槽４の液体排出口は、液体ライン２０１を介して、分離部５の液体供給口に接続されている。発酵槽４では、ガスから有機物質が培養液中に生成されるが、この有機物質および微生物を含有する培養液が、図示しないポンプにより、排液として分離部５に供給される。
なお、発酵槽４には、濃度センサー（図示せず）が設けられており、培養液（排液）中の有機物質（例えば、エタノール）の濃度を検出可能となっている。有機物質が例えばエタノールである場合、培養液中の有機物質の濃度は、通常、１〜１０％程度である。
分離部５は、発酵槽４から排出された排液（培養液）を、微生物を含む固形分および有機物質を含有する第１の液体（菌を濃縮した培養液）と、有機物質を含有し、第１の液体より固形物の含有量が少ない第２の液体とに分離する機能を有する。なお、第２の液体中には、固形物が実質的に含まれないか、固形物が含まれても極めて微量である。
このような分離部５は、例えば、フィルターを備える装置、遠心分離法を利用した装置、溶液沈殿法を利用した装置、砂を用いた濾過装置等で構成することができる。中でも、分離部５は、フィルターを備える装置で構成することが好ましい。フィルターを備える分離部５によれば、容易かつ比較的低コストで、発酵槽４から排出された排液を、第１の液体と第２の液体とに分離することができる。
かかるフィルターには、クロスフロー方式のフィルター（いわゆる「クロスフィルター」）および全量濾過方式のフィルターのいずれも使用可能であるが、クロスフィルターを使用することが好ましい。クロスフィルターを使用することにより、フィルターの固形分による目詰まりを好適に防止することができる。
なお、フィルターの孔径は、微生物のサイズに応じて適宜設定されるため、特に限定されないが、サブミクロン〜１００ミクロンのものを適用することが好ましい。孔径がかかる大きさであれば、フィルターは、第２の液体（濾過液）の通過効率を低減させることなく、微生物の通過をより確実に阻止することができる。
フィルター（多孔質膜）は、例えば、アルミやケイ素原子を含むセラミックス材料、フッ素系樹脂のような樹脂材料、ステンレス鋼のような金属材料等で構成することができる。中でも、フィルターは、フッ素系樹脂またはセラミックス材料で構成することが好ましい。かかるフィルターには、微生物が付着（吸着）し難いため、目詰まりが防止され、第１の液体（濃縮ブロス）と第２の液体（濾過液）との分離効率が高い。
分離部５は、２つの液体排出口を備え、一方の液体排出口は、液体ライン２０２を介して、蒸発部６の液体供給口に接続され、他方の液体排出口は、液体ライン２０３を介して、有機物質精製部７の液体供給口に接続されている。分離部５から排出された第１の液体は、図示しないポンプにより、蒸発部６に供給され、分離部５から排出された第２の液体は、図示しないポンプにより、有機物質精製部７に供給される。
蒸発部６では、第１の液体から有機物質を含む液性成分を蒸発させる。第１の液体から液性成分を蒸発させる際の温度は、１０〜１８０℃程度であることが好ましく、７０〜１１０℃程度であることがより好ましい。液性成分を蒸発させる際の温度が１０〜４０℃の場合は、減圧環境または後段の蒸留に致命的な悪影響を及ぼさない範囲でキャリアガスを第１の液体中にバブリングする方法が好ましく、前記温度が４０℃を超える場合は、加熱によって蒸留する方法が好ましい。
このような蒸発部６は、例えば、蒸発釜、蒸留塔等で構成することができる。
この際、有機物質を含む液性成分の全てを蒸発させてもよいし、目的とする有機物質を優先的に蒸発させるようにしてもよい。前者の場合、有機物質の収率をより高めることができ、後者の場合、蒸発部６内には、液性成分の一部を含むペースト状の残渣が残存するため、残渣を除去する作業がし易い。
また、蒸発部６から液体、固体またはそれらの混合物として排出される残渣中の水分含有量は、蒸発部６に供給される第１の液体中の水分含水量の９０％以下であることが好ましく、７５％以下であることがより好ましく、５０％以下であることがさらに好ましく、２５％以下であることが特に好ましく、０％であってもよい。かかる水分含有量の残渣であれば、ガス化炉２に戻しても追加の助燃剤なしでガスを生成するのに用いることや、助燃剤なしで空気または酸素で燃焼させることができる。
本実施形態では、蒸発部６から排出される残渣の一部または全部をガス化炉２に供給するようにしてもよい。これにより、残渣をガス原料の一部として再利用することができる。残渣が液体または液体と固体との混合物である場合には、蒸発部６とガス化炉２とを接続するラインを設け、このラインを介して蒸発部６からガス化炉２に残渣を供給するように構成することができる。また、残渣が固体である場合には、蒸発部６からガス化炉２に残渣を人手（機械）によって回収して供給するようにすればよい。
蒸発部６のガス排出口は、ガスライン１０３を介して、有機物質精製部７のガス供給口に接続されている。蒸発部６から排出されたガス（蒸発部６にて気化した液性成分である蒸気）は、図示しないポンプにより、有機物質精製部７に供給される。
有機物質精製部７では、分離部５から供給された第２の液体および蒸発部６から供給されたガス状の液性成分から有機物質を精製する。なお、ガス状の液性成分の一部は、液化していてもよい。
有機物質精製部７には、例えば、蒸留塔、浸透気化膜を含む処理器、ゼオライト脱水膜を含む処理器、有機物質より沸点の低い低沸点物質を除去する処理器、有機物質より沸点の高い高沸点物質を除去する処理器、イオン交換膜を含む処理器等が挙げられる。中でも、有機物質精製部７は、蒸留塔（蒸留器）で構成することが好ましい。蒸留塔によれば、所望の有機物質を高純度で精製して回収することができる。また、本発明によれば、蒸留塔に供給される第２の液体および液性成分からは、微生物は除去されているため、蒸留塔内での発泡が防止され、有機物質を円滑に精製することができる。
有機物質（特に、エタノール）の蒸留時における蒸留塔内の温度は、特に限定されないが、１００℃以下であることが好ましく、７０〜９５℃程度であることがより好ましい。蒸留塔内の温度を前記範囲に設定することにより、必要な有機物質とその他の成分との分離、すなわち有機物質の精製をより確実に行うことができる。
また、有機物質の蒸留時における蒸留塔内の圧力は、常圧であってもよいが、大気圧未満であることが好ましく、６０〜９５ｋＰａ（ゲージ圧）程度であることがより好ましい。蒸留塔内の圧力を前記範囲に設定することにより、有機物質の精製効率を向上させること、ひいては有機物質の収率を向上させることができる。
ここで、有機物質の蒸留時には、濾過液（培養液）中に溶存する水素や一酸化炭素を含むガスが生成される。かかるガスを排ガスとしてガス化炉２に供給することにより、蒸留塔で生成される排ガスを、ガス原料の燃焼に有効利用することもできる。この時、このガス中に含まれるエタノールなどの有機成分は加圧や、冷却、吸着により除去し、燃焼させないで回収することが好ましい。
なお、蒸留塔には、分離部５からの第２の液体と蒸発部６からのガスとを同一の供給口から供給するようにしてもよく、別個の上下で異なる供給口から供給するようにしてもよい。また、分離部５からの第２の液体と蒸発部６からのガスとを異なる供給口から供給する場合、第２の液体を上側の供給口（液体供給口）から供給し、かつガスを下側の供給口（蒸気供給口）から供給するようにしてもよく、ガスを上側の供給口（蒸気供給口）から供給し、かつ第２の液体を下側の供給口（液体供給口）から供給するようにしてもよいが、前者の方が好ましい。
蒸留塔に、第２の液体を上側の供給口から供給し、かつガスを下側の供給口から供給するようにすれば、有機物質の精製の際に使用する熱エネルギーの量（使用蒸気量）を抑制することができる。
この場合、蒸留塔の段数は、特に限定されないが、５段以上であることが好ましく、１０段以上であることがより好ましく、１０〜２０段程度であることがさらに好ましい。かかる構成により、蒸留塔の大型化を招くことなく、有機物質の精製の際に使用する熱エネルギーの量をより少なくすることができる。本段数は不規則充填物を充填したような連続段の蒸留器の場合は対象段数相当の充てん量とする。
なお、本構成をとることにより蒸留塔の缶出液にはエタノールが多く含まれ、エタノール回収率が低下する傾向にあるが、この液の全部または一部を培養液として使用する（培養槽へ戻す）ことにより、全体でのエタノール回収率低下を抑えることができる傾向にある。
以上、本発明の有機物質の製造装置およびガス処理システムについて説明したが、本発明は、これらに限定されるものではない。例えば、本発明の有機物質の製造装置およびガス処理システムは、それぞれ他の任意の構成を有していてもよいし、同様の機能を発揮する任意の構成と置換されていてよい。
次に、本発明の具体的実施例について説明する。なお、本発明は、以下の具体的実施例に限定されるものではない。
（比較例１）
図１に示すガス処理システム１において、分離部５および蒸発部６を省略し、培養槽４から排出された培養液（ブロス）を、直接、蒸留塔（有機物質精製部７）に供給した。
なお、培養槽４では、微生物（ガス資化性細菌）として、クロストリジウム・オートエタノゲナムを用いて、ＭＳＷ由来のガスからエタノールを生成した。
その結果、蒸留塔内で発泡が生じ、ガス処理システム１の運転を停止した。
（比較例２）
図１に示すガス処理システム１において、蒸発部６を省略し、培養槽４から排出された培養液（ブロス）を、孔径が０．２μｍのセラミックスフィルターを備える分離部５で分離した濾過液（第２の液体）のみを蒸留塔（有機物質精製部７）に供給した。
なお、培養槽４では、微生物（ガス資化性細菌）として、クロストリジウム・オートエタノゲナムを用いて、ＭＳＷ由来のガスからエタノールを生成した。
その結果、蒸留塔における蒸留自体に問題は生じなかったが、濾過液は、培養槽４から排出された培養液の７５％の量しか得られず、十分な量のエタノールを回収することができなかった。
［分離部５からの第２の液体および蒸発部６からの蒸気の蒸留塔への注入（供給）位置の検討］
図２（実施例１）および図３（実施例２）に示すガス処理システムにおいて、蒸留塔でエタノールを精製する際に使用する熱エネルギーの量（使用蒸気量）のシミュレーション値（マッケーブシール線図より算出）を示す。
ここで、液体ライン２０３を介して供給される分離部５からの第２の液体（以下、「液体状Feed」と記載する。）およびガスライン１０３を介して供給される蒸発部６からの蒸気（以下、「蒸気状Feed」と記載する。）中には、水（Ｈ２Ｏ）およびエタノール（Ｃ２Ｈ６Ｏ）のみが含まれるものとし、各Feed中のエタノールモル分率（エタノール分子数／（エタノール分子数＋水分子数））を0.018519（エタノール質量濃度で４６ｇ／ｋｇ）とした。
また、蒸留塔における蒸留により、エタノールモル分率が0.000926（エタノール質量濃度で2.3g/kg）の缶出液と、エタノールモル分率が0.5（エタノール質量濃度で719g/kg）の留出液とを回収するものとした。
なお、各Feedは、実施例１および２のいずれにおいても、蒸留塔内の気液濃度とFeedの気液濃度とがほぼ一致する段数へ注入するものとした。例えば、蒸留塔の段数が１０段の場合、実施例１では、液体状Feedと蒸気状Feedとの混合物を８段目と９段目との間に注入するものとし、実施例２では、液体状Feedを８段目と９段目との間に、蒸気状Feedを２段目に注入するものとした。
シミュレーションでは、液体状Feedの単位時間当たりの総モル数を「１」とし、蒸気状Feedの単位時間当たりの総モル数を5％/95％≒0.053とした。
なお、いずれの実施例においても、濃度７０％台までしかエタノールを精製しないものとした。また、使用蒸気量（スチーム量）は、蒸発に使用される量（潜熱）だけを考慮し、モルあたりの蒸発潜熱は、水とエタノールとで等しいものと近似した。
また、使用蒸気は、リボイラーおよび蒸発部６において、対象物質の蒸気とモル比において１：１で変換されるものとした。これは、エタノール（３８．６ｋＪ／ｍｏｌ（７８℃））と水のモルあたりの蒸発潜熱（４１．６ｋＪ／ｍｏｌ（７８℃））とが近いので、正当な仮定である。
また、図２および図３において、「液０％」とは、水分が０％という意味であり、ブタンジオールや酢酸などの液成分は残る場合がある。
＜実施例１の計算方法＞
各変数は、以下の意味を表す。
L：凝縮器から落下する水およびエタノールの液成分流量（mol/hr）
V：リボイラーの炊き上げで発生する水およびエタノールの蒸気成分流量（mol/hr）
FL：Feedにおける水およびエタノールの液成分流量
FV：Feedにおける水およびエタノールの蒸気成分流量
xfeed：培養槽４から排出される培養液（固体成分を除く）のエタノールモル分率
xf：注入点での液成分のエタノールモル分率
yf：注入点での蒸気成分のエタノールモル分率
xtop：凝縮器での液成分のエタノールモル分率
ytop：凝縮器での蒸気成分のエタノールモル分率
xbtm：リボイラーでの液成分のエタノールモル分率
ytop：リボイラーでの蒸気成分のエタノールモル分率
m1：下部（注入点からリボイラーまで）の操作線の傾き
m2：上部（注入点から凝縮器まで）の操作線の傾き
a：Feedにおける蒸気成分と液成分との比
７つの変数（L、V、a、FV、xf、yfおよびm1）を従属変数とし、これらの間で成り立つ方程式は、以下の７つの式になる。
なお、FL＝１とし、規格化している。
式１：m2 * (xf - xtop) - (yf -ytop) ＝ ０
式２：m1 * (xf - xbtm) - (yf -ybtm) ＝ ０
式３：-a + (xfeed - xf) / (xfeed - yf) ＝ ０
式４：m2 - L / (FV+ V) ＝ ０
式５：m1 - (FL + L)/ V ＝ ０
式６：-a + FV / FL ＝ ０
式７：FL - 1 ＝０
ここで、m2は独立変数であるが、この値を適当にとると、マッケーブシール線図上で下部から蒸発段の階段作図を行ったとき、階段は、xtop, ytopを通らない。ここでは、m2を0.0002間隔で変化させ、階段線がxtop, ytopを超えない範囲で最も近くを通る場合を各段数でのm2とした。
以上の式を解くことにより、使用蒸気量（スチーム量）は、蒸留塔の底部でのリボイラーによる炊き上げ量と蒸発部６での炊き上げ量との合計（FV + V）となり、液体状feedあたりの使用蒸気量は、(FV + V) / FLとなる。この値を使用蒸気のモル数として縦軸にプロットした。
＜実施例２の計算方法＞
各変数は、以下の意味を表す。
L：凝縮器から落下する水およびエタノールの液成分流量（mol/hr）
V：リボイラーの炊き上げで発生する水およびエタノールの蒸気成分流量（mol/hr）
FL：Feedにおける水およびエタノールの液成分流量
FV：Feedにおける水およびエタノールの蒸気成分流量
xfeed：培養槽４から排出される培養液（固体成分を除く）のエタノールモル分率
xlf：上部注入点での液成分のエタノールモル分率 = xfeed
ylf：上部注入点での蒸気成分のエタノールモル分率
xvf：下部注入点での液成分のエタノールモル分率
yvf：下部注入点での蒸気成分のエタノールモル分率 = xfeed
xtop：凝縮器での液成分のエタノールモル分率
ytop：凝縮器での蒸気成分のエタノールモル分率
xbtm：リボイラーでの液成分のエタノールモル分率
ytop：リボイラーでの蒸気成分のエタノールモル分率
m1：下部（下部注入点からリボイラーまで）の操作線の傾き
m2：中間部（下部注入点から上部注入点まで）の操作線の傾き
m3：上部（上部注入点から凝縮器まで）の操作線の傾き
a：Feedにおける蒸気成分と液成分との比
８つの変数（L、V、ａ、FV、ylf、xvf、m1およびm3）を従属変数とし、これらの間で成り立つ方程式は、以下の８つの式になる。
なお、FL＝１とし、規格化している。
式１：m3 * (xlf - xtop) - (ylf - ytop) ＝ ０
式２：m2 * (xfeed - xvf) - (ylf - xfeed) ＝ ０
式３：m1 * (xvf - xbtm) - (xfeed - ybtm) ＝ ０
式４：m1 - (FL + L) / V ＝ ０
式５：m2 - (FL + L) / (FV + V) ＝ ０
式６：m3 - L / (FV + V) ＝ ０
式７：a - FV / FL ＝ ０
式８：FL - 1 ＝ ０
ここで、m2は独立変数であるが、この値を適当にとると、マッケーブシール線図上で下部から蒸発段の階段作図を行ったとき、階段は、xtop, ytopを通らない。ここでは、m2を0.0002間隔で変化させ、階段線がxtop, ytopを超えない範囲で最も近くを通る場合を各段数でのm2とした。
以上の式を解くことにより、使用蒸気量（スチーム量）は、蒸留塔の底部でのリボイラーによる炊き上げ量と蒸発部６での炊き上げ量との合計（FV + V）となり、液体状feedあたりの使用蒸気量は、(FV + V) / FLとなる。この値を使用蒸気のモル数として縦軸にプロットした。
以上のシミュレーションの結果を、以下の表１に示す。
なお、同一条件の比較とするために、蒸留器の缶出液のエタノール濃度を両者で一致させている。これは、実施例２による缶出側へのエタノール流出増加が問題となる範囲ではないことを示している。
Figure 0006757536
シミュレーションの結果、蒸留器段数が５段以上では、実施例２の使用蒸気量が実施例１の使用蒸気量を下回ることがわかった。
１ ガス処理システム
２ ガス化炉
３ ガス精製部
４ 培養槽
５ 分離部
６ 蒸発部
７ 有機物質精製部
１０１ ガスライン
１０２ ガスライン
１０３ ガスライン
２０１ 液体ライン
２０２ 液体ライン
２０３ 液体ライン

Claims (12)

  1. 微生物の発酵作用により、ガスから有機物質を生成する発酵槽と、
    前記発酵槽から排出された排液を、前記微生物を含む固形物および前記有機物質を含有する第１の液体と、前記有機物質を含有し、前記第１の液体より前記固形物の含有量が少ない第２の液体とに分離する分離部と、
    前記第１の液体から前記有機物質を含む液性成分を蒸発させる蒸発部と、
    前記第２の液体および前記蒸発部にて気化した前記液性成分から前記有機物質を精製する精製部とを有し、
    前記精製部は、前記第２の液体を供給する上側の供給口と、該上側の供給口より下側に設けられ、前記蒸発部にて気化したガス状の前記液性成分またはその一部が液化した状態の前記液性成分を供給する下側の供給口とを備える蒸留塔で構成されていることを特徴とする有機物質の製造装置。
  2. 前記蒸発部から液体、固体またはそれらの混合物として排出される残渣中の水分含有量は、前記蒸発部に供給される前記第１の液体中の水分含水量の９０％以下である請求項１に記載の有機物質の製造装置。
  3. 前記蒸発部において、前記第１の液体から前記液性成分を蒸発させる際の温度は、１０〜１８０℃である請求項１または２に記載の有機物質の製造装置。
  4. 前記蒸留塔の段数は、５段以上である請求項１〜３のいずれかに記載の有機物質の製造装置。
  5. 前記微生物は、ガス資化性細菌を含む請求項１〜４のいずれかに記載の有機物質の製造装置。
  6. 前記ガス資化性細菌は、クロストリジウム属細菌を含む請求項５に記載の有機物質の製造装置。
  7. 前記有機物質は、エタノールを含む請求項１〜６のいずれかに記載の有機物質の製造装置。
  8. 前記ガスは、廃棄物を燃焼させることにより生成される請求項１〜７のいずれかに記載の有機物質の製造装置。
  9. 前記分離部は、フィルターを備える請求項１〜８のいずれかに記載の有機物質の製造装置。
  10. 前記フィルターは、その孔径が０．１〜１００μｍである請求項９に記載の有機物質の製造装置。
  11. ガス原料を燃焼、加熱または部分酸化させることによりガスを生成するガス生成部と、
    該ガス生成部で生成された前記ガスを用いて有機物質を得る請求項１〜１０のいずれかに記載の有機物質の製造装置とを有することを特徴とするガス処理システム。
  12. 前記蒸発部から液体、固体またはそれらの混合物として排出される残渣の少なくとも一部を前記ガス生成部に供給する請求項１１に記載のガス処理システム。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8211679B2 (en) * 2008-02-25 2012-07-03 Coskata, Inc. Process for producing ethanol
US20090239288A1 (en) * 2008-03-19 2009-09-24 Gas Technology Institute Integrated membrane separation - bioreactor for selective removal of organic products and by-products
WO2011003962A2 (en) * 2009-07-08 2011-01-13 Metabolic Explorer Improved gas stripping process for the recovery of solvents from fermentation broths
FI121566B (fi) * 2009-11-24 2011-01-14 St1 Biofuels Oy Laite orgaanisten yhdisteiden talteenottoon ja orgaanisen massan kuivatukseen
JP5606756B2 (ja) * 2010-03-08 2014-10-15 三菱化学エンジニアリング株式会社 エタノール製造装置及びエタノールの製造方法
MY180565A (en) * 2011-04-14 2020-12-02 Gs Caltex Corp Apparatus and method for separating and refining product manufactured by microbial fermentation by using adsorbent
US9181565B2 (en) * 2013-03-15 2015-11-10 Coskata, Inc. Sulfur management for processes and control systems for the efficient anaerobic conversion of hydrogen and carbon oxides to alcohols
JP6491413B2 (ja) 2013-09-13 2019-03-27 積水化学工業株式会社 有機物質の製造方法及び有機物質の製造装置
JP6377927B2 (ja) * 2014-03-25 2018-08-22 積水化学工業株式会社 有機物質の製造方法及び有機物質の製造装置
JP6316119B2 (ja) * 2014-06-30 2018-04-25 積水化学工業株式会社 嫌気性処理方法及び装置
JP6470520B2 (ja) * 2014-07-29 2019-02-13 積水化学工業株式会社 有機物質を製造する装置及び有機物質を製造する方法
WO2016043163A1 (ja) * 2014-09-19 2016-03-24 積水化学工業株式会社 微生物の培養方法及び培養装置
JP6518070B2 (ja) * 2015-01-22 2019-05-22 積水化学工業株式会社 エタノール合成方法及び装置
CN107058402B (zh) * 2015-06-29 2020-08-18 杨秀莲 一种一体化餐厨垃圾发酵制取乙醇的设备
JP6696776B2 (ja) * 2016-01-12 2020-05-20 積水化学工業株式会社 発酵装置及び方法

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