JP6943733B2 - Manufacturing method of organic substances - Google Patents

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本発明は有機物質の製造方法に関する。特に、特定の合成ガスの微生物変換によって得られる発酵液を用いる有機物質の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for producing an organic substance. In particular, the present invention relates to a method for producing an organic substance using a fermentation broth obtained by microbial conversion of a specific synthetic gas.

近年、石油を原料として製造された油類やアルコール等の大量消費による化石燃料資源枯渇への危惧や大気中の二酸化炭素増加という地球規模での環境問題の観点から、石油以外の原料で各種有機物質を製造する手法、例えばトウモロコシ等の可食原料から糖発酵法によってバイオエタノールを製造する方法が注目されている。しかし、このような可食原料を用いた糖発酵法は、限られた農地面積を食料以外の生産に用いることから、食料価格の高騰を招く等の問題があった。 In recent years, various organic materials other than petroleum have been used from the viewpoint of global environmental problems such as the depletion of fossil fuel resources due to the mass consumption of oils and alcohol produced from petroleum and the increase in carbon dioxide in the atmosphere. Attention is being paid to a method for producing a substance, for example, a method for producing bioethanol from an edible raw material such as corn by a sugar fermentation method. However, the sugar fermentation method using such edible raw materials has a problem that the food price rises because the limited agricultural land area is used for production other than food.

このような問題点を解決するために、従来、廃棄されていたような非可食原料を用いて、従来石油から製造されていた各種有機物質を製造する方法が各種検討されている。例えば、非特許文献1には、二酸化炭素、一酸化炭素、水素を含む合成ガスを、酢酸およびエタノールに変換する微生物の種類および代謝系が開示されている。また、特許文献1には、鉄鋼排ガス、廃棄物のガス化によって得られる合成ガス等から、微生物発酵によってエタノールを製造する方法が開示されている。 In order to solve such a problem, various methods for producing various organic substances conventionally produced from petroleum by using non-edible raw materials which have been conventionally discarded have been studied. For example, Non-Patent Document 1 discloses the types of microorganisms and metabolic systems that convert synthetic gases containing carbon dioxide, carbon monoxide, and hydrogen into acetic acid and ethanol. Further, Patent Document 1 discloses a method for producing ethanol by microbial fermentation from steel exhaust gas, synthetic gas obtained by gasification of waste, and the like.

特開2015−53866号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2015-53866

Michael Koepke et al., “Clostridium ljungdahlii represents a microbial production platform based on syngas”, Proc Natl Acad Sci USA, August 24, 2010, vol. 107, no. 34, 13087-13092Michael Koepke et al., “Clostridium ljungdahlii represents a microbial production platform based on syngas”, Proc Natl Acad Sci USA, August 24, 2010, vol. 107, no. 34, 13087-13092

本発明者等は、特許文献1に記載のような廃棄物由来の合成ガスを原料に、微生物発酵によって有機物質を製造する方法の検討を行っていたところ、一酸化炭素が同濃度の合成ガスを用いたとしても、一酸化炭素以外のガス組成によって微生物が製造する有機物質の生産量が異なることを見いだした。 The present inventors have been studying a method for producing an organic substance by microbial fermentation using a synthetic gas derived from waste as described in Patent Document 1 as a raw material, and found that a synthetic gas having the same concentration of carbon monoxide. It was found that the amount of organic substances produced by microorganisms differs depending on the gas composition other than carbon monoxide, even if the above is used.

本発明は、上記状況に鑑み、特定組成の合成ガス中の一酸化炭素を高効率で有機物質に変換できる、生産性に優れた有機物質の製造方法を提供することを課題とする。 In view of the above circumstances, it is an object of the present invention to provide a method for producing an organic substance having excellent productivity, which can convert carbon monoxide in a synthetic gas having a specific composition into an organic substance with high efficiency.

本発明者等は、上記課題を解決する方法を鋭意検討した結果、合成ガス中の多様な成分のうち、二酸化炭素の濃度が微生物による一酸化炭素及び水素の資化率、即ち有機物質の生産性に影響することを見いだし、合成ガス中の二酸化炭素を特定の濃度範囲とした上で、合成ガスを微生物発酵に用いることで、上記課題が解決できることを見いだした。 As a result of diligent studies on methods for solving the above problems, the present inventors have determined that the concentration of carbon dioxide among various components in syngas is the assimilation rate of carbon monoxide and hydrogen by microorganisms, that is, the production of organic substances. It was found that it affects the sex, and that the above problem can be solved by using the synthetic gas for microbial fermentation after setting the carbon dioxide in the synthetic gas to a specific concentration range.

即ち、本発明の要旨は、以下の通りである。 That is, the gist of the present invention is as follows.

[1]少なくとも一酸化炭素、二酸化炭素および水素を含む合成ガスを微生物発酵させることによって有機物質を製造する方法であって、
微生物を含む発酵槽内に前記合成ガスを供給する合成ガス供給工程と、
前記発酵槽内で前記合成ガスを微生物発酵させる発酵工程と、
を含み、
前記発酵層中に供給する前記合成ガス中の二酸化炭素濃度を、前記合成ガス中の一酸化炭素、二酸化炭素、水素および窒素の合計濃度に対して、0.1体積%以上9体積%以下とする、有機物質の製造方法。
[1] A method for producing an organic substance by microbial fermentation of a synthetic gas containing at least carbon monoxide, carbon dioxide and hydrogen.
A synthetic gas supply process for supplying the synthetic gas into a fermenter containing microorganisms,
A fermentation process in which the synthetic gas is microbially fermented in the fermenter,
Including
The concentration of carbon dioxide in the synthetic gas supplied into the fermentation layer is 0.1% by volume or more and 9% by volume or less with respect to the total concentration of carbon monoxide, carbon dioxide, hydrogen and nitrogen in the synthetic gas. A method for producing organic substances.

[2]炭素源をガス化し、原料ガスを生成する原料ガス生成工程と、
前記原料ガス中の二酸化炭素濃度を調整し、前記合成ガスを得る前処理工程と、
をさらに含む、[1]に記載の方法。
[2] A raw material gas generation process in which a carbon source is gasified to generate a raw material gas,
A pretreatment step of adjusting the carbon dioxide concentration in the raw material gas to obtain the synthetic gas, and
The method according to [1], further comprising.

[3]前記炭素源が廃棄物である、[2]に記載の方法。 [3] The method according to [2], wherein the carbon source is waste.

[4]前記前処理工程が、前記原料ガスを吸脱着装置で処理することを含む、[2]または[3]に記載の方法。 [4] The method according to [2] or [3], wherein the pretreatment step comprises treating the raw material gas with an absorption / desorption device.

[5]前記微生物がクロストリジウム属を含む、[1]〜[4]のいずれかに記載の方法。 [5] The method according to any one of [1] to [4], wherein the microorganism contains the genus Clostridium.

[6]前記有機物質がエタノールを含む、[1]〜[5]のいずれかに記載の方法。 [6] The method according to any one of [1] to [5], wherein the organic substance contains ethanol.

本発明によれば、一酸化炭素、二酸化炭素および水素を含む合成ガスを微生物発酵によって有機物質にする際に、合成ガス中の二酸化炭素を特定の濃度範囲とすることにより、一酸化炭素を高効率で、有機物質、特にエタノールに変換することができる。特に、産業廃棄物または都市型一般廃棄物のガス化や、製鉄所や、化学プラントの排ガスから得られる一酸化炭素、二酸化炭素および水素を含む原料ガスから、いずれかの前処理工程によって二酸化炭素濃度を制御した合成ガスを用いることで、微生物発酵により得られるエタノールの生産性を向上させることができる。 According to the present invention, when a synthetic gas containing carbon monoxide, carbon dioxide and hydrogen is converted into an organic substance by microbial fermentation, carbon monoxide is increased by setting the carbon dioxide in the synthetic gas to a specific concentration range. It can be efficiently converted to organic substances, especially ethanol. In particular, from gasification of industrial waste or municipal municipal waste, or from raw material gases containing carbon monoxide, carbon dioxide and hydrogen obtained from the exhaust gas of steel mills and chemical plants, carbon dioxide by any pretreatment process. By using a synthetic gas having a controlled concentration, the productivity of ethanol obtained by microbial fermentation can be improved.

微生物の発酵作用によるエタノールの生成経路を示した図である。It is a figure which showed the production pathway of ethanol by the fermentation action of a microorganism.

以下、本発明を実施する好ましい形態の一例について説明する。ただし、下記の実施形態は本発明を説明するための例示であり、本発明は下記の実施形態に何ら限定されるものではない。本明細書において、ガス中の各成分の存在割合は、特に断りがない限り、重量ではなく体積を基準とした割合とする。したがって、特に断りがない限り、百分率%は体積%を表し、ppmは体積ppmを表す。 Hereinafter, an example of a preferred embodiment of the present invention will be described. However, the following embodiments are examples for explaining the present invention, and the present invention is not limited to the following embodiments. In the present specification, the abundance ratio of each component in the gas is based on the volume, not the weight, unless otherwise specified. Therefore, unless otherwise specified, percentage% represents volume% and ppm represents volume ppm.

[物質]
<炭素源>
本発明において使用する合成ガスの原料となる炭素源は、特に限定されず、例えば、製鉄所のコークス炉、高炉(高炉ガス)、転炉や石炭火力発電所に用いる石炭、焼却炉(特にガス化炉)に導入される一般廃棄物および産業廃棄物、各種産業によって副生した二酸化炭素等、リサイクルを目的として種々の炭素含有材料も好適に利用することができる。
より詳しくは、炭素源には、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、布団や紙等の家庭ごみ、建築部材等の廃棄物や、石炭、石油、石油由来化合物、天然ガス、シェールガス等が挙げられ、その中でも各種廃棄物が好ましく、分別コストの観点から未分別の都市廃棄物がより好ましい。
[material]
<Carbon source>
The carbon source used as a raw material for the synthetic gas used in the present invention is not particularly limited, and for example, a coke oven, a blast furnace (blast furnace gas), coal used in a converter or a coal-fired power plant, and an incinerator (particularly gas) Various carbon-containing materials can also be preferably used for the purpose of recycling, such as general waste and industrial waste introduced into incinerator), and carbon dioxide produced by various industries.
More specifically, carbon sources include plastic waste, garbage, municipal waste (MSW), waste tires, biomass waste, household waste such as futons and paper, waste such as building materials, coal, oil, etc. Examples thereof include petroleum-derived compounds, natural gas, shale gas, etc. Among them, various types of waste are preferable, and unsorted municipal waste is more preferable from the viewpoint of separation cost.

<原料ガス>
炭素源をガス化して得られる原料ガスは、少なくとも一酸化炭素、二酸化炭素および水素を必須成分として含み、酸素、窒素をさらに含んでもよい。その他の成分として、原料ガスは、スス、タール、窒素化合物、硫黄化合物、リン系化合物、芳香族系化合物等の成分をさらに含んでもよい。
<Raw material gas>
The raw material gas obtained by gasifying the carbon source contains at least carbon monoxide, carbon dioxide and hydrogen as essential components, and may further contain oxygen and nitrogen. As other components, the raw material gas may further contain components such as sous, tar, nitrogen compounds, sulfur compounds, phosphorus compounds, and aromatic compounds.

原料ガスは、後述するように、原料ガス生成工程において、炭素源を燃焼(不完全燃焼)させる熱処理(通称:ガス化)を行うことにより、即ち、炭素源を部分酸化させることにより、一酸化炭素を20体積%以上含むガスとして生成してもよい。
上記原料ガス生成工程として、例えば、廃棄物をガス化炉で燃焼させることや、鉄鋼製造時に石炭を加え加熱することや(製鉄工程)、有機物を燃焼させて得た二酸化炭素を金属触媒による逆シフト反応によって一酸化炭素に変換する方法等が挙げられる。
As will be described later, the raw material gas is monoxide by performing a heat treatment (commonly known as gasification) that burns (incompletely burns) the carbon source in the raw material gas generation step, that is, by partially oxidizing the carbon source. It may be produced as a gas containing 20% by volume or more of carbon.
As the raw material gas generation process, for example, waste is burned in a gasification furnace, coal is added and heated during steelmaking (steelmaking process), and carbon dioxide obtained by burning organic matter is reversed by a metal catalyst. Examples thereof include a method of converting to carbon monoxide by a shift reaction.

原料ガスが廃棄物由来である場合には、通常、原料ガスは、一酸化炭素を20体積%以上80体積%以下、二酸化炭素を10体積%以上40体積%以下、水素を10体積%以上80体積%以下含み、さらに窒素化合物を1ppm以上、硫黄化合物を1ppm以上、リン化合物を0.1ppm以上、および/または芳香族系化合物を10ppm以上含む傾向にある。また、その他の環境汚染物質、ばいじん粒子、不純物等の物質が含まれる場合もある。そのため、微生物発酵層へ合成ガスを供給するにあたっては、原料ガスから、微生物の安定培養に好ましくない物質や、好ましくない量の化合物等を低減ないし除去し、原料ガスに含まれる各成分の含有量が微生物の安定培養に好適な範囲となるようにしておくことが好ましい。特に、芳香族系化合物の多くが細胞毒性を有することから、これらを原料ガスから低減および除去することが好ましい。 When the raw material gas is derived from waste, the raw material gas usually contains 20% by volume or more and 80% by volume or less of carbon monoxide, 10% by volume or more and 40% by volume or less of carbon dioxide, and 10% by volume or more and 80% or less of hydrogen. It tends to contain 1 ppm or more of a nitrogen compound, 1 ppm or more of a sulfur compound, 0.1 ppm or more of a phosphorus compound, and / or 10 ppm or more of an aromatic compound. In addition, other substances such as environmental pollutants, dust particles, and impurities may be contained. Therefore, when supplying the synthetic gas to the microbial fermentation layer, substances unfavorable for stable culture of microorganisms, unfavorable amounts of compounds, etc. are reduced or removed from the raw material gas, and the content of each component contained in the raw material gas is contained. Is preferably in a range suitable for stable culture of microorganisms. In particular, since many aromatic compounds have cytotoxicity, it is preferable to reduce and remove them from the raw material gas.

<合成ガス>
本発明において使用する合成ガスは、少なくとも一酸化炭素、二酸化炭素および水素を必須成分として含み、窒素をさらに含んでもよい。
<Syngas>
The syngas used in the present invention contains at least carbon monoxide, carbon dioxide and hydrogen as essential components, and may further contain nitrogen.

本発明において使用する合成ガスは、後述するように、炭素源をガス化させることによって原料ガスを生成し(原料ガス生成工程)、次いで、原料ガスから一酸化炭素、二酸化炭素、水素および窒素の各成分の濃度調整とともに、上記したような物質や化合物を低減ないし除去する工程を経ることで得られたガスを、合成ガスとして用いてもよい。 As will be described later, the syngas used in the present invention produces a raw material gas by gasifying a carbon source (raw material gas generation step), and then carbon monoxide, carbon dioxide, hydrogen and nitrogen from the raw material gas. A gas obtained by adjusting the concentration of each component and undergoing the steps of reducing or removing the above-mentioned substances and compounds may be used as a synthetic gas.

合成ガス中の二酸化炭素濃度は、後述するように、合成ガス中の一酸化炭素、二酸化炭素、水素および窒素の合計濃度に対して、0.1体積%以上、好ましくは0.3体積%以上、より好ましくは0.5体積%以上、さらに好ましくは0.8体積%以上、特に好ましくは1体積%以上であり、かつ、9体積%以下、好ましくは8体積%以下、より好ましくは7体積%以下、さらに好ましくは6体積%以下、特に好ましくは5体積%以下に制御される。合成ガス中の二酸化炭素濃度を制御する方法は、公知の方法であれば特に限定されないが、例えば原料ガスの前処理工程において、ゼオライト等の二酸化炭素吸着能を有する吸着剤を充填したPSA(圧力変動吸着法)装置や、アミン系吸着液を用いたTSA(熱変動吸着法)装置と接触させることにより、合成ガス中の二酸化炭素濃度を低減し、上記範囲内となるように制御することができる。
なお、本発明において、“制御する”とは、安定してエタノールを生産し始めてから、微生物の培養を止めるまでの全期間において、95%以上の期間を前記条件で運用することを意味し、発酵槽中で種菌を増殖させる初期立ち上げ工程、および培地や合成ガスの供給を停止し、菌の培養を停止する終了工程の期間は含まれない。
As will be described later, the carbon dioxide concentration in the synthetic gas is 0.1% by volume or more, preferably 0.3% by volume or more, based on the total concentration of carbon monoxide, carbon dioxide, hydrogen and nitrogen in the synthetic gas. , More preferably 0.5% by volume or more, further preferably 0.8% by volume or more, particularly preferably 1% by volume or more, and 9% by volume or less, preferably 8% by volume or less, more preferably 7% by volume. % Or less, more preferably 6% by volume or less, and particularly preferably 5% by volume or less. The method for controlling the carbon dioxide concentration in the synthetic gas is not particularly limited as long as it is a known method, but for example, in the pretreatment step of the raw material gas, PSA (pressure) filled with an adsorbent having carbon dioxide adsorbing ability such as zeolite. It is possible to reduce the carbon dioxide concentration in the synthetic gas and control it so that it is within the above range by contacting it with a variable adsorption method) device or a TSA (thermal variable adsorption method) device using an amine-based adsorption liquid. can.
In the present invention, "controlling" means operating under the above conditions for a period of 95% or more in the entire period from the start of stable ethanol production to the stop of culturing of microorganisms. It does not include the period of the initial start-up step of growing the inoculum in the fermenter and the end step of stopping the supply of the medium and synthetic gas and stopping the culture of the inoculum.

また、合成ガス中の一酸化炭素濃度は、合成ガス中の一酸化炭素、二酸化炭素、水素および窒素の合計濃度に対して、通常20体積%以上80体積%以下であり、好ましくは25体積%以上50体積%以下であり、より好ましくは35体積%以上45体積%以下である。
また、合成ガス中の水素濃度は、合成ガス中の一酸化炭素、二酸化炭素、水素および窒素の合計濃度に対して、通常10体積%以上80体積%以下であり、好ましくは30体積%以上55体積%以下であり、より好ましくは40体積%以上50体積%以下である。
さらに、合成ガス中の窒素濃度は、合成ガス中の一酸化炭素、二酸化炭素、水素および窒素の合計濃度に対して、通常40体積%以下であり、好ましくは1体積%以上20体積%以下であり、より好ましくは5体積%以上15体積%以下である。
これら一酸化炭素、水素および窒素の濃度は、原料ガス生成工程において炭素源のC−H−N元素組成を変更することや、燃焼温度や燃焼時供給ガスの酸素濃度等の燃焼条件を適宜変更することで、所定の範囲とすることができる。例えば、一酸化炭素や水素濃度を変更したい場合は、廃プラ等のC−H比率が高い炭素源に変更し、窒素濃度を低下させたい場合は原料ガス生成工程において酸素濃度の高いガスを供給する方法等がある。
The carbon monoxide concentration in the synthetic gas is usually 20% by volume or more and 80% by volume or less, preferably 25% by volume, based on the total concentration of carbon monoxide, carbon dioxide, hydrogen and nitrogen in the synthetic gas. It is 50% by volume or less, and more preferably 35% by volume or more and 45% by volume or less.
The hydrogen concentration in the synthetic gas is usually 10% by volume or more and 80% by volume or less, preferably 30% by volume or more and 55% by volume, based on the total concentration of carbon monoxide, carbon dioxide, hydrogen and nitrogen in the synthetic gas. By volume or less, more preferably 40% by volume or more and 50% by volume or less.
Further, the nitrogen concentration in the synthetic gas is usually 40% by volume or less, preferably 1% by volume or more and 20% by volume or less, based on the total concentration of carbon monoxide, carbon dioxide, hydrogen and nitrogen in the synthetic gas. Yes, more preferably 5% by volume or more and 15% by volume or less.
For the concentrations of carbon monoxide, hydrogen, and nitrogen, the CHN element composition of the carbon source is changed in the raw material gas generation process, and the combustion conditions such as the combustion temperature and the oxygen concentration of the supply gas at the time of combustion are appropriately changed. By doing so, the range can be set to a predetermined range. For example, if you want to change the carbon monoxide or hydrogen concentration, change to a carbon source with a high CH ratio such as waste plastic, and if you want to reduce the nitrogen concentration, supply a gas with a high oxygen concentration in the raw material gas generation process. There is a way to do it.

本発明において使用される合成ガスは、上記した成分以外にも、硫黄化合物、リン化合物、窒素化合物等を含んでいてもよい。これらの化合物のそれぞれの含有量は、好ましくは0.05ppm以上、より好ましくは0.1ppm以上、さらに好ましくは0.5ppm以上であり、また、好ましくは80ppm以下、より好ましくは60ppm以下、さらに好ましくは40ppm以下である。硫黄化合物、リン化合物、窒素化合物等を下限値以上の含有量とすることにより、微生物が好適に培養できるという利点があり、また上限値以下の含有量とすることにより、微生物が消費しなかった各種栄養源によって培地が汚染されないという利点がある。 The synthetic gas used in the present invention may contain a sulfur compound, a phosphorus compound, a nitrogen compound and the like in addition to the above-mentioned components. The content of each of these compounds is preferably 0.05 ppm or more, more preferably 0.1 ppm or more, still more preferably 0.5 ppm or more, and preferably 80 ppm or less, more preferably 60 ppm or less, still more preferably. Is 40 ppm or less. By setting the content of sulfur compound, phosphorus compound, nitrogen compound, etc. to the lower limit value or more, there is an advantage that the microorganism can be suitably cultured, and by setting the content to the upper limit value or less, the microorganism does not consume. It has the advantage that the medium is not contaminated by various nutrient sources.

硫黄化合物としては、通常、二酸化硫黄、CS,COS、HSが挙げられ、中でもHSと二酸化硫黄が微生物の栄養源として消費しやすい点で好ましい。そのため、合成ガス中にHSと二酸化硫黄の和が上記範囲で含まれていることがより好ましい。
リン化合物としては、リン酸が微生物の栄養源として消費しやすい点が好ましい。そのため、合成ガス中にリン酸が上記範囲で含まれていることがより好ましい。
窒素化合物としては、一酸化窒素、二酸化窒素、アクリルニトリル、アセトニトリル、HCN等が挙げられ、HCNが微生物の栄養源として消費しやすい点で好ましい。そのため合成ガス中に、HCNが上記範囲で含まれていることがより好ましい。
Examples of the sulfur compound usually include sulfur dioxide, CS 2 , COS, and H 2 S, and among them, H 2 S and sulfur dioxide are preferable because they are easily consumed as nutrient sources for microorganisms. Therefore, it is more preferable that the sum of H 2 S and sulfur dioxide are included in the above range in the synthesis gas.
As the phosphorus compound, it is preferable that phosphoric acid is easily consumed as a nutrient source for microorganisms. Therefore, it is more preferable that the synthetic gas contains phosphoric acid in the above range.
Examples of the nitrogen compound include nitric oxide, nitrogen dioxide, acrylonitrile, acetonitrile, HCN and the like, and HCN is preferable because it is easily consumed as a nutrient source for microorganisms. Therefore, it is more preferable that HCN is contained in the above range in the synthetic gas.

また、合成ガスは、芳香族化合物を0.01ppm以上90ppm以下含んでもよく、好ましくは0.03ppm以上、より好ましくは0.05ppm以上、さらに好ましくは0.1ppm以上であり、かつ、好ましくは70ppm以下、より好ましくは50ppm以下、さらに好ましくは30ppm以下である。下限値以上の含有量とすることにより、微生物が好適に培養できる傾向にあり、又、上限値以下の含有量とすることにより、微生物が消費しなかった各種栄養源によって培地が汚染されにくい傾向にある。 The synthetic gas may contain an aromatic compound of 0.01 ppm or more and 90 ppm or less, preferably 0.03 ppm or more, more preferably 0.05 ppm or more, still more preferably 0.1 ppm or more, and preferably 70 ppm. Below, it is more preferably 50 ppm or less, still more preferably 30 ppm or less. When the content is set to the lower limit or higher, the microorganisms tend to be suitably cultured, and when the content is set to the upper limit or lower, the medium is less likely to be contaminated by various nutrient sources not consumed by the microorganisms. It is in.

<微生物>
合成ガスを微生物発酵させる微生物(種)は、一酸化炭素を主たる原料として合成ガスを微生物発酵させることによって所望の有機物質を製造できるものであれば、特に限定されない。例えば、微生物(種)は、ガス資化性細菌の発酵作用によって、合成ガスから有機物質を生成するものであることが好ましい。ガス資化性細菌のなかでも、クロストリジウム(Clostridium)属がより好ましく、クロストリジウム・オートエタノゲナムが特に好ましいが、これに限定されるものではない。以下、さらに例示する。
<Microorganisms>
The microorganism (seed) for microbially fermenting the synthetic gas is not particularly limited as long as it can produce a desired organic substance by microbially fermenting the synthetic gas using carbon monoxide as a main raw material. For example, the microorganism (species) preferably produces an organic substance from syngas by the fermentation action of gas-utilizing bacteria. Among the gas-utilizing bacteria, the genus Clostridium is more preferable, and Clostridium autoethanogenum is particularly preferable, but the gas-utilizing bacteria are not limited thereto. Hereinafter, further examples will be given.

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。
Gas assimilating bacteria include both eubacteria and archaea.
Examples of eubacteria include Clostridium, Moorella, Acetobacterium, Carboxydocella, Rhodopseudomonas, and Eubacterium. Examples thereof include (Eubacterium) bacteria, Butyribacterium (Butyribacterium) bacteria, Oligotropha (Oligotropha) bacteria, Bradyrrhizobium (Bradyrhizobium) bacteria, and Ralsotonia (Ralsotonia) bacteria which are aerobic hydrogen oxidizing bacteria.

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。 On the other hand, as paleobacteria, for example, Methanobacterium spp., Methanobrevibacter spp., Methanocalculus spp., Methanococcus spp., Methanosarcina spp., Methanosphaera spp., Methanothermobacter spp., Methanothrix spp. Examples thereof include bacteria, Methanospirillium spp., Methanosaeta spp., Thermococcus spp., Thermofilum spp., Arcaheoglobus spp. Among these, as archaea, bacteria of the genus Methanosarcina, bacteria of the genus Methanococcus, bacteria of the genus Methanothermobacter, bacteria of the genus Methanothrix, bacteria of the genus Thermococcus, bacteria of the genus Thermofilum, and bacteria of the genus Archaeoglobus are preferable.

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、例えば、Methanosarcina barkeri、Methanosarcina mazei、Methanosarcina acetivorans等が挙げられる。 Further, since the archaea are excellent in assimilation of carbon monoxide and carbon dioxide, the archaea are preferably Methanosarcina genus, Methanothermobactor genus bacterium, or Methanococcus genus bacterium, and Methanosarcina genus bacterium or Methanococcus genus bacterium is particularly preferable. Specific examples of Methanosarcina genus bacteria include Methanosarcina barkeri, Methanosarcina mazei, and Methanosarcina acetivorans.

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(Clostridium aceticum)、クロストリジウム・カルボキシジボランス(Clostridium carboxidivorans)、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。 From the above gas-utilizing bacteria, a bacterium having a high ability to produce a target organic substance is selected and used. For example, as gas-utilizing bacteria with high ethanol-producing ability, Clostridium autoethanogenum, Clostridium ljungdahlii, Clostridium aceticum, Clostridium carboxidivorans , Moorella thermoacetica, Acetobacterium woodii and the like.

<培地>
上記した微生物(種)を培養する際に用いる培地は、菌に応じた適切な組成であれば特に限定されない。例えば、微生物にクロストリジウム属を用いる場合の培地は、国際公開2017−117309号パンフレットの「0091」や、米国特許出願公開2017/260552号の「0097」〜「0098」等を参考にすることができる。
<Medium>
The medium used for culturing the above-mentioned microorganisms (species) is not particularly limited as long as it has an appropriate composition according to the bacteria. For example, when the genus Clostridium is used as a microorganism, "0091" in the pamphlet of International Publication No. 2017-117309 and "0907" to "0998" in US Patent Application Publication No. 2017/260552 can be referred to. ..

[製造方法]
<原料ガス生成工程>
原料ガス生成工程は、上記した炭素源をガス化させることによって原料ガスを生成する工程である。原料ガス生成工程では、ガス化炉を用いてもよい。ガス化炉は、炭素源を燃焼(不完全燃焼)させる炉であり、例えば、シャフト炉、キルン炉、流動床炉、ガス化改質炉等が挙げられる。ガス化炉は、廃棄物を部分燃焼させることにより、高い炉床負荷、優れた運転操作性が可能となるため、流動層炉式であることが好ましい。廃棄物を低温(約450〜600℃)かつ低酸素雰囲気の流動床炉中でガス化することで、ガス(一酸化炭素、二酸化炭素、水素、メタン等)および炭素分を多く含むチャーに分解する。さらに廃棄物に含まれる不燃物が炉底から、衛生的でかつ酸化度の低い状態で分離されるため、不燃物中の鉄やアルミニウム等といった有価物を選択回収することが可能である。従って、このような廃棄物のガス化は、効率の良い資源リサイクルが可能である。
[Production method]
<Raw material gas generation process>
The raw material gas generation step is a step of generating a raw material gas by gasifying the above-mentioned carbon source. A gasification furnace may be used in the raw material gas generation step. The gasification furnace is a furnace that burns (incompletely burns) a carbon source, and examples thereof include a shaft furnace, a kiln furnace, a fluidized bed furnace, and a gasification reforming furnace. The gasification furnace is preferably a fluidized bed type because partial combustion of waste enables a high hearth load and excellent operation operability. By gasifying the waste in a fluidized bed furnace with a low temperature (about 450 to 600 ° C) and a low oxygen atmosphere, it decomposes into gas (carbon monoxide, carbon dioxide, hydrogen, methane, etc.) and carbon-rich char. do. Furthermore, since the incombustibles contained in the waste are separated from the bottom of the furnace in a hygienic and low-oxidation state, it is possible to selectively recover valuable resources such as iron and aluminum in the incombustibles. Therefore, gasification of such waste enables efficient resource recycling.

原料ガス生成工程における上記ガス化の温度は、通常、100℃以上1500℃以下、好ましくは200℃以上1200℃以下である。 The temperature of the gasification in the raw material gas generation step is usually 100 ° C. or higher and 1500 ° C. or lower, preferably 200 ° C. or higher and 1200 ° C. or lower.

原料ガス生成工程におけるガス化の反応時間は、通常、2秒以上、好ましくは5秒以上である。 The reaction time for gasification in the raw material gas generation step is usually 2 seconds or longer, preferably 5 seconds or longer.

<前処理工程>
合成ガス供給工程の前に、原料ガスから、様々な汚染物質、ばいじん粒子、不純物、好ましくない量の化合物等の特定の物質を除去ないし低減する工程である。前処理工程は、例えば、スクラバー(水溶性不純物分離装置)、ガスチラー(水分分離装置)、サイクロン、バグフィルターのような微粒子(スス)分離装置、脱硫装置(硫化物分離装置)、低温分離方式(深冷方式)の分離装置、膜分離方式の分離装置、圧力スイング吸着方式の分離装置(PSA)、温度スイング吸着方式の分離装置(TSA)、圧力温度スイング吸着方式の分離装置(PTSA)、脱酸素装置、活性炭を用いた分離装置、銅触媒またはパラジウム触媒を用いた分離装置等のうちの1種または2種以上を用いて処理することができる。本発明においては、前処理工程が、スクラバーおよび/または吸着装置によって原料ガスを処理する工程であってもよい。
<Pretreatment process>
Prior to the syngas supply step, it is a step of removing or reducing specific substances such as various pollutants, dust particles, impurities, and unfavorable amounts of compounds from the source gas. The pretreatment step includes, for example, a scrubber (water-soluble impurity separation device), a gas chiller (moisture separation device), a cyclone, a fine particle (soo) separation device such as a bag filter, a desulfurization device (sulfide separation device), and a low temperature separation method ( Deep cooling type separation device, membrane separation type separation device, pressure swing adsorption type separation device (PSA), temperature swing adsorption type separation device (TSA), pressure temperature swing adsorption type separation device (PTSA), desorption The treatment can be performed using one or more of an oxygen device, a separation device using activated carbon, a separation device using a copper catalyst or a palladium catalyst, and the like. In the present invention, the pretreatment step may be a step of treating the raw material gas with a scrubber and / or an adsorption device.

スクラバーは、ガス中の汚染物質等を除去するために用いられ、その目的に応じて、湿式洗浄法または乾式洗浄法のいずれも用いることができる。このうち、粒子状の物質が洗浄液と接触することにより行われる湿式洗浄法を好適に用いることができ、一例として、いわゆるウォーターカーテンを用いた洗浄法を用いることができる。湿式洗浄法を使用した場合、洗浄液は、例えば、水、酸性溶液、アルカリ性溶液等が挙げられ、水であることが好ましい。また、洗浄液の液温は、通常40℃以下、好ましくは30℃以下、より好ましくは25℃以下、さらに好ましくは15℃以下である。 The scrubber is used for removing pollutants and the like in the gas, and either a wet cleaning method or a dry cleaning method can be used depending on the purpose. Of these, a wet cleaning method performed by contacting a particulate substance with a cleaning liquid can be preferably used, and as an example, a cleaning method using a so-called water curtain can be used. When the wet cleaning method is used, the cleaning liquid includes, for example, water, an acidic solution, an alkaline solution and the like, and is preferably water. The temperature of the cleaning liquid is usually 40 ° C. or lower, preferably 30 ° C. or lower, more preferably 25 ° C. or lower, and even more preferably 15 ° C. or lower.

吸着装置は、原料ガス中の一酸化炭素および水素以外の成分を吸着する性能があればよく、吸着のみを目的とした設備としては、例えば、脱硫層、脱酸素層を挙げることができる。このうち、脱硫層は、硫黄分を除去することができれば特に限定されることはない。脱硫層で硫黄分を十分に除去ないし低減できず、硫黄分が多いままであると、後段で吸脱着装置が存在する際に、そこで悪影響を及ぼすおそれがある。 The adsorption device only needs to have the ability to adsorb components other than carbon monoxide and hydrogen in the raw material gas, and examples of equipment intended only for adsorption include a desulfurization layer and a deoxidizing layer. Of these, the desulfurization layer is not particularly limited as long as the sulfur content can be removed. If the sulfur content cannot be sufficiently removed or reduced in the desulfurization layer and the sulfur content remains high, there is a possibility that the desulfurization layer may have an adverse effect when the suction / desorption device is present in the subsequent stage.

脱酸素層は、酸素成分を除去することができれば特に限定されることはない。脱酸素層で酸素成分を十分に除去ないし低減できず、酸素成分が多いままであると本発明において用いられる微生物、特に嫌気性微生物が死滅してしまうおそれがある。 The deoxidizing layer is not particularly limited as long as the oxygen component can be removed. If the oxygen component cannot be sufficiently removed or reduced in the deoxidizing layer and the oxygen component remains high, the microorganisms used in the present invention, particularly anaerobic microorganisms, may die.

また、吸脱着装置を設けてもよく、その場合、PSA,TSA、PTSAのいずれも好適に用いることができる。さらに不要な不純物を除去するため、他の装置を任意に設けてもよい。吸脱着装置に用いる吸脱着材としては、活性炭、ゼオライト、モレキュラーシーブズ等の多孔質材料や、アミン溶液等の水溶液を用いることが出来る。中でも、芳香族化合物および硫黄化合物を吸着出来る活性炭またはゼオライトが好ましく用いられる。なお、上記したように、原料ガス中の硫黄分が多いままであると、吸脱着材に悪影響を及ぼすおそれがあることから、吸脱着装置は脱硫層の後に設けると良い。 Further, a suction / desorption device may be provided, in which case any of PSA, TSA and PTSA can be preferably used. Further, in order to remove unnecessary impurities, other devices may be optionally provided. As the suction / desorption material used in the suction / desorption device, a porous material such as activated carbon, zeolite, or molecular sieves, or an aqueous solution such as an amine solution can be used. Of these, activated carbon or zeolite capable of adsorbing aromatic compounds and sulfur compounds is preferably used. As described above, if the sulfur content in the raw material gas remains high, the suction / desorption material may be adversely affected. Therefore, the suction / desorption device should be provided after the desulfurization layer.

<合成ガス供給工程>
合成ガス供給工程は、上記のようにして得られた合成ガスを、微生物を含む発酵槽内に供給する工程である。供給される合成ガスは、一酸化炭素および水素を含むとともに、二酸化炭素の含有量が、合成ガス中の一酸化炭素、二酸化炭素、水素および窒素の合計濃度に対して、0.1体積%以上9体積%以下に制御されていることに特徴を有するものである。本発明においては、合成ガス中に含まれる二酸化炭素量を上記範囲とすることにより、合成ガス中の一酸化炭素を高効率で有機物質に変換できる。この理由は定かではないが以下のように推測できる。
<Syngas supply process>
The synthetic gas supply step is a step of supplying the synthetic gas obtained as described above into a fermenter containing microorganisms. The supplied synthetic gas contains carbon monoxide and hydrogen, and the carbon dioxide content is 0.1% by volume or more with respect to the total concentration of carbon monoxide, carbon dioxide, hydrogen and nitrogen in the synthetic gas. It is characterized in that it is controlled to 9% by volume or less. In the present invention, by setting the amount of carbon dioxide contained in the synthetic gas within the above range, carbon monoxide in the synthetic gas can be converted into an organic substance with high efficiency. The reason for this is not clear, but it can be inferred as follows.

一酸化炭素、二酸化炭素および水素を含む合成ガスを微生物発酵させることによって有機物質を得る場合、非特許文献1等にも開示されているように、微生物(例えばエタノール生成菌)が酢酸を経由してエタノールを生成するものと考えられている。このとき、図1に示すように、一酸化炭素のみならず二酸化炭素からも酢酸を経由してエタノールが生成する。そのため、合成ガス中の二酸化炭素には着目されていなかった。例えば、鉄鋼排ガスや炭素源をガス化した後の原料ガスは二酸化炭素が10〜30体積%程度含まれていることが知られているが、上記の理由により、原料ガスを微生物発酵に供するにあたり原料ガス中の二酸化炭素濃度をあえて制御する必要はないと考えられていた。 When an organic substance is obtained by microbial fermentation of a synthetic gas containing carbon monoxide, carbon dioxide and hydrogen, microorganisms (for example, ethanol-producing bacteria) pass through acetic acid as disclosed in Non-Patent Document 1 and the like. Is thought to produce ethanol. At this time, as shown in FIG. 1, ethanol is produced not only from carbon monoxide but also from carbon dioxide via acetic acid. Therefore, attention has not been paid to carbon dioxide in syngas. For example, it is known that the raw material gas after gasifying steel exhaust gas or carbon source contains about 10 to 30% by volume of carbon dioxide. For the above reason, the raw material gas is used for microbial fermentation. It was thought that it was not necessary to control the carbon dioxide concentration in the raw material gas.

しかしながら、一酸化炭素と二酸化炭素ではエネルギー準位が異なっており、一酸化炭素に比べて二酸化炭素のエネルギー準位が低く安定であることから、二酸化炭素から酢酸を経由してエタノールを生成する際に必要とされるエネルギーは、一酸化炭素から酢酸を経由してエタノールを生成する際と比較して大きくなると考えられる。その結果、二酸化炭素濃度が増大すると、副生成物として生成する酢酸の生成量が増加してしまい、エタノールの生成量が低下するものと考えられる。そのため、本発明においては、合成ガス中に含まれる二酸化炭素濃度の上限を9体積%、好ましくは8体積%以下、より好ましくは7体積%以下、さらに好ましくは6体積%以下、特に好ましくは5体積%以下とするものである。 However, carbon monoxide and carbon dioxide have different energy levels, and since the energy level of carbon dioxide is lower and more stable than carbon monoxide, when ethanol is produced from carbon dioxide via acetic acid. The energy required for carbon monoxide is thought to be greater than when producing ethanol from carbon monoxide via acetic acid. As a result, when the carbon dioxide concentration increases, the amount of acetic acid produced as a by-product increases, and the amount of ethanol produced is considered to decrease. Therefore, in the present invention, the upper limit of the concentration of carbon dioxide contained in the synthetic gas is 9% by volume, preferably 8% by volume or less, more preferably 7% by volume or less, still more preferably 6% by volume or less, and particularly preferably 5. The volume is not more than%.

また、微生物発酵に供する合成ガス中に全く二酸化炭素が含まれない(即ち二酸化炭素濃度が0%)と、エタノールの生成量は低下する。従来、微生物発酵により一酸化炭素から酢酸やエタノールを製造する過程では、図1に示すように、微生物が一酸化炭素を取り込むと二酸化炭素に変換されるため、あえて外部から二酸化炭素を微生物に供給する必要はないと考えられていた。本発明者らは、微量の二酸化炭素を含む合成ガスを用いた方が、エタノールの生産性が向上することを見出した。これは、合成ガス中に微量の二酸化炭素が含まれることで微生物代謝系のバランスが良好になり、その結果、エタノールの生産性が向上するものと考えられる。そのため、本発明においては、合成ガス中に含まれる二酸化炭素濃度の下限を0.1体積%、好ましくは0.3体積%以上、より好ましくは0.5体積%以上、さらに好ましくは0.8体積%以上、特に好ましくは1体積%以上とするものである。 Further, if the synthetic gas used for microbial fermentation does not contain carbon dioxide at all (that is, the carbon dioxide concentration is 0%), the amount of ethanol produced decreases. Conventionally, in the process of producing acetic acid or ethanol from carbon monoxide by microbial fermentation, as shown in FIG. 1, when the microorganism takes in carbon monoxide, it is converted into carbon dioxide, so carbon dioxide is intentionally supplied to the microorganism from the outside. It was thought that there was no need to. The present inventors have found that the productivity of ethanol is improved by using a synthetic gas containing a trace amount of carbon dioxide. It is considered that this is because the synthetic gas contains a small amount of carbon dioxide, which improves the balance of the microbial metabolism system, and as a result, the productivity of ethanol is improved. Therefore, in the present invention, the lower limit of the concentration of carbon dioxide contained in the synthetic gas is 0.1% by volume, preferably 0.3% by volume or more, more preferably 0.5% by volume or more, still more preferably 0.8. By volume% or more, particularly preferably 1% by volume or more.

合成ガスの成分条件を充足する限り、原料ガス生成工程およびその後の前処理工程を経て得られたガスをそのまま合成ガスとして用いてもよい。あるいは、原料ガス生成工程および前処理工程を経て得られたガスに、別の所定のガスを追加してから合成ガスとして用いてもよい。別の所定ガスとして、例えば二酸化硫黄等の硫黄化合物、リン化合物、および窒素化合物からなる群から選択される少なくとも1種の化合物を加えて合成ガスとしてもよい。 As long as the component conditions of the synthetic gas are satisfied, the gas obtained through the raw material gas generation step and the subsequent pretreatment step may be used as it is as the synthetic gas. Alternatively, another predetermined gas may be added to the gas obtained through the raw material gas generation step and the pretreatment step, and then used as the synthetic gas. As another predetermined gas, at least one compound selected from the group consisting of, for example, a sulfur compound such as sulfur dioxide, a phosphorus compound, and a nitrogen compound may be added to obtain a synthetic gas.

<発酵工程>
本発明による発酵工程は、上記した合成ガスを微生物発酵させて、有機物質を製造する工程である。発酵工程では、上記の微生物(種)を含む発酵槽を用いる。発酵槽は、微生物種の他に培地(培養液)を含んでもよい。ある種の嫌気性微生物は、発酵作用によって、合成ガス等の基質ガスから、エタノール等の有価物である有機物質を生成することが知られており、この種のガス資化性微生物は、液状の培地で培養される。例えば、培養液とガス資化性細菌とを供給して収容しておき、この状態で培養液を撹拌しつつ、発酵層内に合成ガスを供給してもよい。これにより、培養液中でガス資化性細菌を培養して、その発酵作用により合成ガスから有機物質を生成することができる。
<Fermentation process>
The fermentation step according to the present invention is a step of producing an organic substance by microbially fermenting the above-mentioned syngas. In the fermentation step, a fermentation tank containing the above-mentioned microorganisms (seed) is used. The fermenter may contain a medium (culture solution) in addition to the microbial species. It is known that certain anaerobic microorganisms produce organic substances that are valuable resources such as ethanol from substrate gases such as syngas by fermentation, and these gas-utilizing microorganisms are liquid. Is cultured in the medium of. For example, the culture solution and the gas-utilizing bacteria may be supplied and contained, and the synthetic gas may be supplied into the fermentation layer while stirring the culture solution in this state. As a result, gas-utilizing bacteria can be cultivated in the culture solution, and an organic substance can be produced from the synthetic gas by the fermentation action thereof.

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、ガス資化性細菌が良好に成育し得るように調製される。 The culture solution is a liquid containing water as a main component and nutrients (for example, vitamins, phosphoric acid, etc.) dissolved or dispersed in the water. The composition of such a culture solution is prepared so that gas-utilizing bacteria can grow well.

発酵槽は、連続発酵装置とすることが好ましい。一般に、微生物発酵槽は任意の形状のものを用いることができ、撹拌型、エアリフト型、気泡塔型、ループ型、オープンボンド型、フォトバイオ型が挙げられるが、本発明においては、発酵槽が、主槽部と還流部とを有する公知のループリアクターを好適に用いることができる。この場合、前記の液状の培地を、主槽部と還流部の間で循環させる循環工程をさらに備えるのが好ましい。 The fermenter is preferably a continuous fermentation apparatus. In general, a microbial fermenter having an arbitrary shape can be used, and examples thereof include a stirring type, an airlift type, a bubble tower type, a loop type, an open bond type, and a photobio type. , A known loop reactor having a main tank portion and a reflux portion can be preferably used. In this case, it is preferable to further include a circulation step of circulating the liquid medium between the main tank portion and the reflux portion.

発酵槽内の圧力は、常圧であってもよいが、好ましくは10〜300kPa(ゲージ圧)程度、より好ましくは20〜200kPa(ゲージ圧)程度とすることができる。発酵槽内の圧力を上記範囲とすることにより、過剰圧力負荷による設備コストの増大を抑制しつつ、ガス資化性細菌の反応性をより高めることができる。 The pressure in the fermenter may be normal pressure, but is preferably about 10 to 300 kPa (gauge pressure), more preferably about 20 to 200 kPa (gauge pressure). By setting the pressure in the fermenter within the above range, it is possible to further enhance the reactivity of gas-utilizing bacteria while suppressing an increase in equipment cost due to an excessive pressure load.

また、発酵槽において培地(培養液)を循環させる場合、その循環速度は、好ましくは0.1〜10m/s程度、より好ましくは0.5〜1m/s程度とすることができる。 When the medium (culture solution) is circulated in the fermenter, the circulation rate can be preferably about 0.1 to 10 m / s, more preferably about 0.5 to 1 m / s.

発酵槽において、培地(培養液)の温度(培養温度)は、任意の温度を採用してよいが、好ましくは30〜45℃程度、より好ましくは33〜42℃程度、さらに好ましくは36.5〜37.5℃程度とすることができる。また、培養時間は、好ましくは連続培養で12時間以上、より好ましくは7日以上、特に好ましくは30日以上、最も好ましくは60日以上であり、上限は特に設定されないが設備の定修等の観点から720日以下が好ましく、より好ましくは365日以下である。なお、培養期間とは、種菌を培養槽に添加してから、培養槽内の培養液を全量排出するまでの期間を意味するものとする。 In the fermenter, the temperature (culture temperature) of the medium (culture solution) may be any temperature, but is preferably about 30 to 45 ° C, more preferably about 33 to 42 ° C, and even more preferably 36.5. The temperature can be about 37.5 ° C. The culturing time is preferably 12 hours or more in continuous culturing, more preferably 7 days or more, particularly preferably 30 days or more, and most preferably 60 days or more. From the viewpoint, it is preferably 720 days or less, more preferably 365 days or less. The culture period means the period from the addition of the inoculum to the culture tank to the discharge of the entire amount of the culture solution in the culture tank.

<精製工程>
本発明による有機物質の製造方法においては、発酵工程における微生物発酵を経て得られた有機物質を、その後、精製を目的とする精製工程に供してもよい。精製工程は、発酵工程において得られた有機物質から所望の有機物質を精製する工程である。精製工程で用いられる装置は、例えば、蒸留装置、浸透気化膜を含む処理装置、ゼオライト脱水膜を含む処理装置、有機物質より沸点の低い低沸点物質を除去する処理装置、有機物質より沸点の高い高沸点物質を除去する処理装置、イオン交換膜を含む処理装置等が挙げられる。これらの装置は単独でまたは2種以上を組み合わせてもよい。単位操作としては、加熱蒸留や膜分離を好適に用いてもよい。
<Refining process>
In the method for producing an organic substance according to the present invention, the organic substance obtained through microbial fermentation in the fermentation step may be subsequently subjected to a purification step for the purpose of purification. The purification step is a step of purifying a desired organic substance from the organic substance obtained in the fermentation step. Equipment used in the purification process is, for example, a distillation apparatus, a treatment apparatus containing a permeation vaporization membrane, a treatment apparatus containing a zeolite dehydration membrane, a treatment apparatus for removing a low boiling point substance having a boiling point lower than that of an organic substance, and a treatment apparatus having a higher boiling point than an organic substance. Examples thereof include a processing device for removing a high boiling point substance, a processing device containing an ion exchange membrane, and the like. These devices may be used alone or in combination of two or more. As the unit operation, heat distillation or membrane separation may be preferably used.

加熱蒸留では、蒸留装置を用いて、所望の有機物質を高純度で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器内の温度は、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。蒸留器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、即ち、有機物質の蒸留(精製)をより確実に行うことができる。 In thermal distillation, a distillation apparatus can be used to purify the desired organic substance with high purity. The temperature inside the distiller during distillation of an organic substance (particularly ethanol) is not particularly limited, but is preferably 100 ° C. or lower, more preferably about 70 to 95 ° C. By setting the temperature in the distiller within the above range, it is possible to more reliably separate the necessary organic substance from other components, that is, to distill (purify) the organic substance.

有機物質の蒸留時における蒸留装置内の圧力は、常圧であってもよいが、好ましくは大気圧未満、より好ましくは60〜95kPa(ゲージ圧)程度である。蒸留装置内の圧力を前記範囲に設定することにより、有機物質の分離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。有機物質の収率(蒸留後に得られた有機物質の濃度)は、好ましくは90重量%以上、より好ましくは99重量%以上、特に、99.5重量%以上とすることが好ましい。 The pressure in the distillation apparatus during distillation of the organic substance may be normal pressure, but is preferably less than atmospheric pressure, more preferably about 60 to 95 kPa (gauge pressure). By setting the pressure in the distillation apparatus within the above range, the separation efficiency of the organic substance can be improved, and thus the yield of the organic substance can be improved. The yield of the organic substance (concentration of the organic substance obtained after distillation) is preferably 90% by weight or more, more preferably 99% by weight or more, and particularly preferably 99.5% by weight or more.

膜分離では、公知の分離膜を適宜用いることができ、例えばゼオライト膜を好適に用いることができる。 In the membrane separation, a known separation membrane can be appropriately used, and for example, a zeolite membrane can be preferably used.

[有機物質およびその用途]
本発明による製造方法により得られる有機物質は、例えば、メタノール、エタノール、2,3−ブタンジオール、酢酸、乳酸、イソプレン、ブタジエン等が挙げられ、好ましくは炭素数1〜4のアルコールまたはジオール類であり、より好ましくはエタノールを含むことが好ましい。本発明の製造方法により得られる有機物質の用途は、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、各種溶媒、殺菌剤、または燃料として用いることもできる。高濃度のエタノールは、ガソリン等に混合する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。
[Organic substances and their uses]
Examples of the organic substance obtained by the production method according to the present invention include methanol, ethanol, 2,3-butanediol, acetic acid, lactic acid, isoprene, butadiene, and the like, preferably alcohols or diols having 1 to 4 carbon atoms. Yes, more preferably ethanol is included. The use of the organic substance obtained by the production method of the present invention is not particularly limited. The produced organic substance can be used as a raw material for, for example, plastics and resins, and can also be used as various solvents, bactericides, or fuels. High-concentration ethanol can be used as fuel ethanol to be mixed with gasoline and the like, and can also be used as, for example, cosmetics, beverages, chemical substances, raw materials such as fuel (jet fuel), and additives for foods, etc. Very high quality.

以下、実施例により本発明をさらに詳細に説明するが、本発明の要旨を超えない限り以下の実施例に限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples, but the present invention is not limited to the following Examples as long as the gist of the present invention is not exceeded.

<分析方法>
以下の実施例において、エタノール生成量および酢酸生成量の測定は液体クロマトグラフィーによって行った。測定条件は下記のとおりとした。
・分析装置:Agilent 7890B Series GC Custom
・溶離液:0.005mol/L 硫酸溶液
・流量:0.6ml/min
<Analysis method>
In the following examples, the amount of ethanol produced and the amount of acetic acid produced were measured by liquid chromatography. The measurement conditions were as follows.
・ Analyzer: Agilent 7890B Series GC Custom
-Eluent: 0.005 mol / L sulfuric acid solution-Flow rate: 0.6 ml / min

[比較例1]
主反応器、合成ガス供給孔、培地供給孔、排出孔を備えた連続発酵装置(発酵槽)内に、クロストリジウム・オートエタノゲナム(微生物)の種菌と、硫黄化合物を含まない菌培養用の液状培地(リン化合物、窒素化合物および各種ミネラル等を適切量含む)とを充填した。
次に、上記連続発酵装置に、一酸化炭素30体積%、二酸化炭素10体積%、水素35体積%および窒素25体積%からなる合成ガス1を準備し、連続発酵装置に供給し、培養(微生物発酵)を行った。培養を継続しながら、定期的に培養液を採取し、液体クロマトグラフィーにより、エタノール生成量および酢酸生成量を測定し、各生産量が安定した時点での培養液中のエタノール生成量および酢酸生成量を100とした。
[Comparative Example 1]
In a continuous fermentation device (fermentation tank) equipped with a main reactor, synthetic gas supply hole, medium supply hole, and discharge hole, inoculum of Clostridium autoethanogenum (microorganism) and liquid for culturing bacteria containing no sulfur compound It was filled with a medium (containing an appropriate amount of phosphorus compound, nitrogen compound, various minerals, etc.).
Next, a synthetic gas 1 composed of 30% by volume of carbon monoxide, 10% by volume of carbon dioxide, 35% by volume of hydrogen and 25% by volume of nitrogen is prepared in the continuous fermentation apparatus, supplied to the continuous fermentation apparatus, and cultured (microorganisms). Fermentation) was performed. While continuing the culture, the culture solution was collected regularly, and the amount of ethanol produced and the amount of acetic acid produced were measured by liquid chromatography. The amount was 100.

[実施例1]
比較例1で用いた合成ガス1を、一酸化炭素30体積%、二酸化炭素5体積%、水素35体積%および窒素30体積%からなる合成ガス2に変更した以外は比較例1と同様にして、培養液中のエタノール生成量および酢酸生成量を測定し、比較例1でのエタノール生成量および酢酸生成量(100)に対する相対値を算出した。
[Example 1]
Syngas 1 used in Comparative Example 1 was changed to Syngas 2 composed of 30% by volume of carbon monoxide, 5% by volume of carbon dioxide, 35% by volume of hydrogen and 30% by volume of nitrogen, in the same manner as in Comparative Example 1. , The amount of ethanol produced and the amount of acetic acid produced in the culture solution were measured, and the relative values with respect to the amount of ethanol produced and the amount of acetic acid produced (100) in Comparative Example 1 were calculated.

[実施例2]
比較例1で用いた合成ガス1を、一酸化炭素30体積%、二酸化炭素1体積%、水素35体積%および窒素34体積%からなる合成ガス3に変更した以外は比較例1と同様にして、培養液中のエタノール生成量および酢酸生成量を測定し、比較例1でのエタノール生成量および酢酸生成量(100)に対する相対値を算出した。
[Example 2]
The synthetic gas 1 used in Comparative Example 1 was changed to a synthetic gas 3 composed of 30% by volume of carbon monoxide, 1% by volume of carbon dioxide, 35% by volume of hydrogen and 34% by volume of nitrogen, in the same manner as in Comparative Example 1. , The amount of ethanol produced and the amount of acetic acid produced in the culture solution were measured, and the relative values with respect to the amount of ethanol produced and the amount of acetic acid produced (100) in Comparative Example 1 were calculated.

[比較例2]
比較例1で用いた合成ガス1を、一酸化炭素30体積%、水素35体積%および窒素35体積%からなる合成ガス4に変更した以外は比較例1と同様にして、培養液中のエタノール生成量および酢酸生成量を測定し、比較例1でのエタノール生成量および酢酸生成量(100)に対する相対値を算出した。
[Comparative Example 2]
Ethanol in the culture solution was the same as that of Comparative Example 1 except that the synthetic gas 1 used in Comparative Example 1 was changed to the synthetic gas 4 composed of 30% by volume of carbon monoxide, 35% by volume of hydrogen and 35% by volume of nitrogen. The amount of production and the amount of acetic acid produced were measured, and the relative values with respect to the amount of ethanol produced and the amount of acetic acid produced (100) in Comparative Example 1 were calculated.

実施例および比較例の評価結果は表1に示されるとおりであった。

Figure 0006943733
The evaluation results of Examples and Comparative Examples are as shown in Table 1.
Figure 0006943733

一般にガス化炉や鉄鋼排ガスにおける二酸化炭素濃度は10〜30体積%であり、これらの原料ガスをそのまま連続発酵槽に導入してエタノールを生産することはできるものの、原料ガス中の二酸化炭素濃度を任意の手段によって低減した合成ガスを発酵槽に供給した方が、一酸化炭素含有量が同じであってもエタノールの生産量が増大することが、実施例1、2と比較例1との対比により明らかになった。これは、比較例1のように二酸化炭素濃度が高い場合、二酸化炭素から酢酸が生産されるパス(図1参照)が優先的に使用され、その結果、エタノール生産量が低下したものと考えられる。 Generally, the carbon dioxide concentration in a gasifier or steel exhaust gas is 10 to 30% by volume, and although these raw material gases can be directly introduced into a continuous fermenter to produce ethanol, the carbon dioxide concentration in the raw material gas can be increased. The comparison between Examples 1 and 2 and Comparative Example 1 shows that the production of ethanol increases when the synthetic gas reduced by any means is supplied to the fermenter even if the carbon monoxide content is the same. Revealed by. It is considered that this is because when the carbon dioxide concentration is high as in Comparative Example 1, the path in which acetic acid is produced from carbon dioxide (see FIG. 1) is preferentially used, and as a result, the ethanol production amount is reduced. ..

一方、合成ガス中に二酸化炭素が含まれていない場合は、エタノール生産量が低下することが、実施例1、2と比較例2との対比により明らかとなった。これは、合成ガス中の二酸化炭素濃度が低すぎる場合には、一酸化炭素からエタノールを生産する際に消費する二酸化炭素が不足し、その結果、エタノール生産量が低下したものと考えられる。 On the other hand, it was clarified by comparison between Examples 1 and 2 and Comparative Example 2 that the ethanol production amount decreased when the synthetic gas did not contain carbon dioxide. It is considered that this is because when the carbon dioxide concentration in the synthetic gas is too low, the carbon dioxide consumed when producing ethanol from carbon monoxide is insufficient, and as a result, the amount of ethanol produced is reduced.

Claims (3)

一酸化炭素、二酸化炭素、水素、および窒素からなる合成ガスを微生物発酵させることによって有機物質を製造する方法であって、
廃棄物由来の炭素源をガス化し、原料ガスを生成する原料ガス生成工程と、
前記原料ガス中の成分の濃度を調整して、一酸化炭素、二酸化炭素、水素および窒素の合計濃度に対して、一酸化炭素濃度が20体積%以上45体積%以下、二酸化炭素濃度が0.1体積%以上9体積%以下、水素濃度が10体積%以上50体積%以下、窒素濃度が1体積%以上40体積%以下である合成ガスを得る前処理工程と、
クロストリジウム属を含む微生物を含む発酵槽内に前記合成ガスを供給する合成ガス供給工程と、
前記発酵槽内で前記合成ガスを微生物発酵させる発酵工程と、
を含む、有機物質の製造方法。
A method for producing organic substances by microbial fermentation of a synthetic gas consisting of carbon monoxide, carbon dioxide, hydrogen, and nitrogen.
A raw material gas generation process that gasifies a carbon source derived from waste to generate a raw material gas,
By adjusting the concentration of the components in the raw material gas, the carbon monoxide concentration is 20% by volume or more and 45% by volume or less, and the carbon dioxide concentration is 0. A pretreatment step for obtaining a synthetic gas having a hydrogen concentration of 1% by volume or more and 9% by volume or less, a hydrogen concentration of 10% by volume or more and 50% by volume or less, and a nitrogen concentration of 1% by volume or more and 40% by volume or less.
A synthetic gas supply step of supplying the synthetic gas into a fermenter containing a microorganism containing the genus Clostridium, and
A fermentation process in which the synthetic gas is microbially fermented in the fermenter,
A method for producing an organic substance, including.
前記前処理工程が、前記原料ガスを吸脱着装置で処理することを含む、請求項に記載の方法。 The pretreatment step comprises treating the raw material gas by adsorption and desorption apparatus, a method according to claim 1. 前記有機物質がエタノールを含む、請求項1または2に記載の方法。 The method of claim 1 or 2 , wherein the organic substance comprises ethanol.
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