(57)【要約】  【解決手段】  界面活性剤として役立つ液体生成物に合成ガスを変換するための方法は、圧縮機の使用を除去するため比較的低圧でガス・ストリームを使用する。本方法は、液体生成物の存在が、静圧頭をつくるため下流へ流れるにつれてガス−液体分散を保持するとともに、減少した圧縮コストでガスおよび液体を強度に混合するガス注入器に主要なエネルギー入力として液体ストリームを使用する。本方法は、導管が注入器の出口からガス−液体分散を受け、液体のカラムの底に入るために移動するにつれて密閉するように、ガス注入器の高さを調節することによって必要なガス圧を低下させる。液体生成物は、ガス−液体分散における微小気泡の生成および持続を延長する界面活性剤を提供する。  【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＣＯ、またはＣＯ２およびＨ２の混合物の少なくとも１つを有する供給ガス・ストリームを、発酵液に接触させることで液体生成物に変換する方法であって、前記液体生成物は前記発酵液の表面張力を減少させるものであり、この方法は、
前記発酵液が１００ｋＰａ以上の静水圧をつくるような高さに垂直に延びる容器内に液体生成物および微生物を有する水性発酵液を保持する工程と、
取水ポイントで前記容器から前記液体生成物を含む発酵液を抜き取る工程、および前記発酵液を作動流体としてガス注入器にポンプ輸送する工程と、
１００ｋＰａ（ゲージ圧）以下の圧力で前記ガス注入器内に前記供給ガス・ストリームの少なくとも一部を通過させる工程と、
前記ガス注入器内の作動流体と前記供給ガス・ストリームとを混合する工程、および前記供給ガス・ストリームおよび前記作動流体からのガス−液体分散をつくるための主要なエネルギー入力として前記作動流体のポンプ輸送を使用する工程と、
少なくとも１０メートルの距離にわたる分散導管における前記ガス注入器から前記ガス−液体分散を下方に輸送する工程と、
前記ガス注入器の下の少なくとも１０メートルに位置する放出ポイントで前記分散導管から前記容器内に前記ガス−液体分散を放出する工程と、
前記ガス−液体分散から溶解された供給ガスを含む発酵液と微生物とを接触させることにより、前記容器において、ＣＯ、またはＣＯ２およびＨ２の混合物の少なくとも１つを前記液体生成物に変換する工程と、
前記発酵液の一部を前記容器から生成物回収ゾーンに通過させる工程、および前記液体生成物を有する生成物ストリームを前記生成物回収ゾーンから回収する工程と
を有する、方法。
【請求項２】
請求項１記載の方法において、前記垂直な注入器の位置は、前記容器内の発酵液の最高位より高いものであり、且つ前記放出ポイントでの前記静水圧は少なくとも１５０ｋＰａ（ゲージ圧）である、方法。
【請求項３】
請求項１記載の方法において、前記分散導管の横断面の流量範囲は、前記ガス−液体分散の下方への流路に沿って増加するものではない、方法。
【請求項４】
請求項１記載の方法において、前記液体生成物はアルコールを有し、且つ前記発酵液は少なくとも０．０５重量％の総濃度でアルコールを含み、さらに具体的には、前記発酵液は少なくとも０．０５重量％の総濃度でエタノールを有するものである、方法。
【請求項５】
請求項１記載の方法において、前記液体生成物は、エタノール、プロパノール、ｎ−ブタノール、酢酸、プロピオン酸および酪酸の少なくとも１つを有するものである、方法。
【請求項６】
請求項１記載の方法において、前記ガス注入器は、前記ガス注入器の下流および前記放出ポイントの上流の前記ガス−液体分散と混合された発酵液の第一のストリームおよび第二のストリームを受けるものである、方法。
【請求項７】
請求項１記載の方法において、前記ガス注入装置はベンチュリー−タイプ排出装置、ジェット注入器またはスロット注入器である、方法。
【請求項８】
請求項１記載の方法において、前記供給ガスは合成ガス・ストリームおよび分離ガス再利用ストリームを有し、前記合成ガス・ストリームは前記発酵液の第一の部分を受ける第一のガス注入器に流れ、前記再利用ストリームは前記発酵液の第二の部分を受ける第二のガス注入器に流れるものである、方法。
【請求項９】
請求項１記載の方法において、前記供給ガスの少なくとも一部は前記容器からのオフガス・ストリームを有するものである、方法。
【請求項１０】
請求項１記載の方法において、前記発酵液は少なくとも１０メートルの高さまで前記容器を部分的に満たすものであり、前記垂直な注入器の位置は前記取水ポイントの隣接した位置以上であり、且つ前記分散導管は統一された流量範囲を有するものである、方法。
【請求項１１】
請求項１０記載の方法において、前記垂直な注入器の位置は前記取水ポイントよりも少なくとも１５メートル上である、方法。
【請求項１２】
請求項１０記載の方法において、前記容器は前記発酵液の表面上にオフガスを保持し、前記オフガスの一部は前記供給ガスを有する前記ガス注入装置に移動し、且つ前記作動流体に対する前記供給ガスおよびオフガスの割合は、実際のｍ３／ｍ３で１／１〜３／１である、方法。
【請求項１３】
請求項１２記載の方法において、前記供給ガス・ストリームおよび前記オフガス・ストリームは、大気圧より大きな圧力で前記ガス注入器に入るものである、方法。
【請求項１４】
ＣＯ、ＣＯ２およびＨ２を含む供給ガス・ストリームをエタノールに変換する方法であって、この方法は、
少なくとも０．０５重量％の濃度のエタノールおよび微生物を有する水性発酵液で容器を部分的に満たす工程であって、前記発酵液が１００ｋＰａ（ゲージ圧）以上の静水圧をつくり、且つオフガスが前記容器における前記発酵液の表面より上で収集できるようにするものである、前記満たす工程と、
前記発酵液の表面より下に位置する取水ポイントで前記容器から発酵液を抜き取る工程、および前記発酵液を作動流体としてガス注入器にポンプ輸送する工程と、
前記供給ガス・ストリームおよびオフガスの少なくとも一部を４０ｋＰａ（ゲージ圧）以下の圧力で前記容器から前記ガス注入器に通過させる工程と、
前記供給ガス・ストリームおよびオフガス・ストリームを前記ガス注入器内で前記作動流体と混合する工程、および前記供給ガス・ストリーム、前記オフガス・ストリームおよび前記作動流体からガス−液体分散をつくるための主要なエネルギー入力として前記作動流体のポンプ輸送を使用する工程と、
統一された流量範囲を有する分散導管に前記ガス注入器から前記ガス−液体分散を下方に輸送する工程と、
前記発酵液の表面から少なくとも１５メートル下に位置する放出ポイントで前記容器内に前記分散導管から前記ガス−液体分散を放出する工程と、
前記ガス−液体分散から溶解された供給ガスを含む発酵液と前記微生物とを接触させることにより、前記容器において、ＣＯおよびＣＯ２およびＨ２をエタノールに変換する工程と、
前記発酵液の一部を前記容器からエタノール回収ゾーンに通過させる工程、および前記生成物回収ゾーンからエタノールを有する生成物ストリームを回収する工程と
を有する、方法。
【請求項１５】
請求項１４記載の方法において、前記微生物は、クロストリジウム・ラグスダレイ（Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ  ｒａｇｓｄａｌｅｉ）、ブチリバクテリウム・メチロトロフィカム（Ｂｕｔｙｒｉｂａｃｔｅｒｉｕｍ  ｍｅｔｈｙｌｏｔｒｏｐｈｉｃｕｍ）、クロストリジウム・リュングダーリイ（Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ  Ｌｊｕｎｇｄａｈｌｉ）、クロストリジウム・コスカティ（Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ  Ｃｏｓｋａｔｉｉ）およびクロストリジウム・オートエタノゲヌム（Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ  Ａｕｔｏｅｔｈａｎｏｇｅｎｕｍ）の任意の単独培養または共培養を有するものである、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連した米国出願データ
この出願は、２０１０年６月３０日に非仮実用新案出願として提出された米国特許出願公開番号第１２／８２６，９９１号に対して優先権の利益を主張するものである。その出願の全ては本明細書に引用によって組み込まれる。
【０００２】
発明の分野
本発明は、深い発酵容器を有する変換ゾーンで液相中に微細分散をつくるための、ＣＯ、ＣＯ２およびＨ２を有する供給ガスと水性アルコール・ストリームを有する液体培地の混合物に関するものである。
【背景技術】
【０００３】
液相での変換培地との接触によるガス・ストリーム成分の変換は多くの分野においてよく行われている。ガス・ストリームの溶解度に限界がある場合、ガス・ストリームの接触および変換は、ガス相および液相における変換培地間の質量移動を増加させる微細分散として液体培地内によく分配されることがひつようとなる。液ストリーム内へのガスのこの分配は、エネルギー集約的であり、典型的には、培地に接触する液相におけるガスの高分散を生み出すために必要なエネルギーを提供するためにガス・ストリームの圧縮を必要とする。
【０００４】
液体培地内のガスの分散のための装置の幅広い種類は既知である。このような装置は、ベンチュリー注入器、スロット注入器またはジェット注入器、および高圧ミキサーを含む。このようなガス移動装置は、廃水処理および発酵の分野を含む様々な分野における広範囲な使用が見受けられる。
【０００５】
変換中の化学的または生物学的材料の高い反応率を得ることが、これらのガス液体接触器の目的である。高い反応率を得ることは、質量移動限界を克服することをしばしば必要とする。この目的で、液体およびガスの混合物は、ガス成分が溶解され、続いて液相中で変換されるにつれて、ガス吸収／移動を最大にするために二相間の高い界面面積をつくるように設計されている。液体中でガス気泡のサイズを減らすことは界面面積を増加し、反応または生物学的変換における質量移動限界を克服することの助けとなる。
【０００６】
最も望ましい液体は、微小な気泡の微細分散としてガスを取り込む。微小な気泡の分散をつくることは、高いエネルギーの入力を必要とする。一度作られると、微小な気泡はより大きな気泡およびガス・スラグ内に合体し始める。したがって、典型的な実行は、その生成の位置から変換培地と接触する位置までのガス分散の輸送を最小化する。
【０００７】
ＵＳ−Ａ−４，６８３，１２２は反応容器の下部にガス−液体混合物を放出するため、ガス−液体反応器のヘッドスペースに配置された複数のジェットノズルの使用を示している。‘１２２参照文献中で反応ガスのための主要な入力は、ガス供給の圧縮を必要とする。
【０００８】
液体培地内にガスを分散させることは、液体生成物内の再生可能エネルギー源の変換における増強により発酵分野において特に関心がもたれている。例えば、液体モーター燃料としての使用、または、従来のガソリンまたはディーゼル式機関燃料との混合のための生物燃料生産におけるバイオマスの変換は世界的に増加している。このような生物燃料は、例えば、エタノールおよびｎ−ブタノールを含む。生物燃料における主な派生物の一つは、発酵およびバイオプロセス技術による再生可能な資源からの派生物である。
【０００９】
このような生物燃料の製造における一技術経路は、リグノセルロース系バイオマスを合成ガス（ｓｙｎｇａｓ）（合成ガス（ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ  ｇａｓ）として既知であり、主として、ＣＯ、Ｈ２およびＣＯ２とＣＨ４、Ｎ２、ＮＨ３、Ｈ２Ｓおよび他の微量ガスのような他の成分との混合物）に変換することであり、その後、エタノール、プロパノール、ｎ−ブタノールまたは酢酸、プロピオン酸、酪酸などのような化学薬品を製造するために、嫌気性微生物によってこれらのガスを発酵させる。ガス化の方法は全ての成分を良好な効率（例えば、エネルギーの７５％以上は発酵性合成物として使用可能である）で合成ガスに変換することができ、および、嫌気性微生物のいくつかの種は合成ガスを高い効率（例えば、理論の９０％以上）でエタノール、プロパノール、ｎ−ブタノールまたは他の化学薬品に変換することができるため、この経路は非常に効果的であることができる。
【００１０】
しかしながら、この技術経路は、合成ガス成分ＣＯおよびＨ２が水性培地に効果的、および経済的に分散または溶解され、それらのガスを所望の生成物に変換する嫌気性微生物に移動されることを必要とする。およびこれらのガスをかなり大量に必要とする。例えば、ＣＯまたはＨ２およびＣＯ２をエタノールにするための理論方程式は以下である：
６ＣＯ＋３Ｈ２Ｏ→Ｃ２Ｈ５ＯＨ＋４ＣＯ２
６Ｈ２＋２ＣＯ２→Ｃ２Ｈ５ＯＨ＋３Ｈ２Ｏ
したがって、生成されたエタノールの各モルにおいて、ＣＯまたはＨ２のような比較的溶けにくいガス６モルを水性培地に移動させなければならない。酢酸およびｎ−ブタノールのような他の生成物も同様にこれらのガスのために大きな化学量論的必要条件を有する。
【００１１】
多くの装置および設備が、発酵および廃棄物処理適用における微生物へのガス移動のために使用される。これらの反応器またはシステムの大部分は、使用において、プランクトン様または浮遊した状態、つまり、それらは液体培地において個別細胞として存在する微生物と構成される。このような反応器または生物反応器は大量の液体を含み、および、典型的には、ガスとの接触のため、および、所望の変換を達成するため、浮遊した微生物を十分に保つため、１０メートル以上の液体の高さを有する。
【００１２】
これらの多くの反応器または生物反応器は全て、最適な効率および生産性のために所望の質量（単位あたり体積−時間で製造されたエタノールの質量）移動の度合いの達成において様々な欠点を有する。これらの変換生物反応器およびシステムにおいて、特殊なブレードまたは注入ノズル構成を有するアジテーターがしばしば使用される。ガス・リフトや流動床のようないくつかの構成において、液体またはガスは接触装置を介して循環される。
【００１３】
従来の発酵反応器のいくつかにおいて、ガス溶解は、ガスを散布するシステムまたはインペラータイプのミキサーと連携して作動する散布システムを使用して達成される。これらのシステムは、高いガス移動率および高いガス移動効率の二重の目的を兼ね備えるために（供給合成ガスにおける発酵性成分Ｈ２およびＣＯの利用）、深いタンクまたは加圧型容器を有する発酵システムにおける合成ガスの経済的な使用を必要とする。いずれの場合においても少なくともいくつかの空気ゲージに合成ガスを圧縮する（加圧する）必要がある。大きな圧縮機の使用は、このような作動の資金および操業費用を次々と増すこのようなシステムの作動を複雑にする。
【００１４】
発酵の分野において、ガス注入装置の使用は、ガス・ストリームを液体内に分散させることは既知である。ＵＳ−Ａ−４，４２６，４５０は、発酵容器が、発酵容器の底で空気と発酵培養液を混合するため多くのジェット注入器を使用することを開示している。液体培地におけるガスの気泡の持続を最大にするため、分散は発酵容器の底付近に放出される。したがって、‘４５０参照文献は当該容器の底付近の液体の水圧を超える十分な圧力でのガス・ストリームを必要とする。
【００１５】
アルコールの生物学的生成物または商業化に適した合成ガスからの他の液体生成物を製造することは、大量の発酵液の保存が必要である。例えば、単一の商業用発酵容器は発酵液の４０００立方メーター以上を保持することが必要なことがある。これらの容器は典型的には１５〜２０メートル以上の液体深さを有する。このような深さでの静水圧は１５０〜２００ｋＰａを上回り、深い発酵容器の下部に対する供給として注入するために合成ガス・ストリームの圧縮を必要とする。
【００１６】
合成ガス・ストリームの圧縮は特殊な問題を引き起こす。生物源からの合成ガスの派生は、圧縮機の作動に曝露される合成ガスにおける残留材料を残す。例えば、合成ガスは残留微細粒子材料を含むことがある。ガス化作動によって、合成ガスはタールのような高分子量炭化水素を含むことがある。これらの材料のどちらも高いガス分散をつくるのに必要なガス圧をつくるために必要となる圧縮機を損傷することがある。
【００１７】
結果として合成ガスからの液体生成物の製造における商業規模での実施は、大きな圧縮機を必要とせずに供給ガスを深い容器の底部に送達することができる方法の配置によって利益を受ける。したがって、深い発酵タンクの底に供給ガスを送達するために大きな圧縮機の必要性を除去できる方法が求められる。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１８】
この発明は、圧縮機を必要としない容器の下部に供給ガス・ストリームの注入による、深い発酵容器内での液体生成物の商業規模での製造のための方法である。発酵液は、それが液体生成物としてアルコールまたは他の表面張力を減少させる化学製品を含むときに、高い位置でのガス−液体分散として発酵液内における供給ガスの高い分散のための主要なエネルギー入力を提供するための原動力となる液体として役に立つこと、および、分散が、発酵容器の低い位置への輸送全体にわたって安定を維持することが現在発見された。輸送導管における適当な下方への速度は、安定な分散を維持するために必要である。このように、供給ガス・ストリームは、発酵液の循環ストリームとの接触において低圧で通過する。ガスと液体の混合は、必要な供給ガス圧が圧縮機を必要とするレベル以下を維持するように、容器内の液位に関して比較的高い高度で行われる。
【００１９】
この発明は、通常の送風機が液体培地内に供給ガスを分散させるのに十分な圧力を供給できる位置へのガス・ストリームの任意の必要とされた圧縮を減らすという商業的な効果を評価する。混合装置内に低圧でガス・ストリームを注入することによって、および、ガス注入器に主要なエネルギー入力として液体ストリームを使用することによって、この発明は、強度な混合を達成し、良好な混合および液体内に微細気泡の分散ストリームをつくるため、液体内でのガス・ストリーム分散に必要な剪断力を供給する。このように、この発明は、発酵液の拡張したカラム内の分散ストリームの放出ポイントに関して、分散ストリームをつくるガス混合装置の高度を調製することによって、圧縮機の除去を達成する。本発明の一部として、発酵液は液体内のガスの分散を安定させるための特製を有する液体生成物を含む。
【００２０】
特にガス注入器の使用と併せて発酵液内のアルコールの存在は、ガス気泡が有意に合体することなく、有意な垂直距離にわたっての分散ストリームの輸送を可能にする。このように、本発明は、ガスおよび液体の分散をつくるガス注入器を、分散ストリームが液体体積内に放出される放出ポイントの高度に関して、比較的高い高度に配置する。分散ストリームのための放出ポイントよりも比較的高い位置でガス注入器を保持することは、ガス注入器に入っているガスのための入口圧力の低下を可能にする。
【００２１】
ガス注入器よりも低い高度で容器内への分散ストリームの注入によってつくられた液体の液頭は、ガス注入器の出口側への付加的な圧力の必要を除去する。密閉導管内の分散ストリームの下方への輸送は、それが容器に入る前に分散ストリームを圧縮する静圧頭をつくる。発酵液内への供給ガスの注入は、ガス−液体分散の密度を発酵液と比較して低下させる。ガス注入器の出口圧力を上げることは、分散ストリームが発酵容器に入る放出ポイントで静圧における任意の減少を相殺することができる。放出ポイントでの分散ストリームの圧力は、発酵器内の液位に対してガス注入器を上昇させることによって上げることができる。ガス注入器を上昇させることは、それによる放出ポイントでの分散ストリームの圧力を増加させる水カラムの増加した高さにより、ネット静圧を分散ストリームに加える。
【００２２】
ガス注入器の高度のこの上昇は、ガス注入器に必要な液体側圧力を有意に上昇させない。結果としてガス相は比較的低圧でガス注入器に入る。本発明はそれにより、圧縮機を必要としない程度にガス・ストリームの圧縮の必要を除去または減らす。その代わりに、原動力となる液体および分散ストリームの下方への輸送としての発酵液のポンプ輸送は、比較的低い放出ポイントに発酵容器にガス−液体分散を噴射するために、必要な圧力の全てを提供する。このように、本方法は、分散ストリームの圧力を上昇させるためにガス注入器の位置と放出ポイントの間の高さの差を効果的に使用し、供給ガスを方法に提供するための圧縮機の必要を除去する。
【００２３】
したがって、幅広い形態において、本発明は、ＣＯまたはＣＯ２およびＨ２の混合物の少なくとも１つを有する供給ガスを発酵液に接触させることによって、発酵液の表面張力を減少させる液体生成物に変換するための方法である。ここにおいて、液体生成物は発酵液の表面張力を減少する。本方法は、発酵液が１００ｋＰａ以上の静水圧をつくるような高さまで垂直に拡張する容器内に液体生成物および微生物を含む水性発酵液を保持する工程を有する。本方法は、取水ポイントで容器から発酵液を抜き取り、ガス注入器への作動流体として発酵液をポンプ輸送する。少なくとも一部の供給ガスは、大きくて１００ｋＰａ（ゲージ圧）の圧力でガス注入器に移行する。ガス注入器は、供給ガス・ストリームおよび作動流体からのガス−液体分散をつくるための主要なエネルギー入力として作動流体のポンプ輸送を使用して、供給ガスおよび作動流体を混合する。本方法は、ガス注入器より下に少なくとも１０メートルの距離において分散導管内のガス注入器からガス−液体分散を下方に輸送し、ガス注入器より下に少なくとも１０メートルに位置する放出ポイントで、容器内の分散導管からガス−液体分散を放出する。ガス−液体分散から溶解された供給ガスを含む発酵液と微生物との接触は、ＣＯまたはＣＯ２およびＨ２の混合物の少なくとも１つを容器内において液体生成物に変換する。本方法は、容器から生成物を回収するゾーンまで発酵液の一部を通過させ、生成物を回収するゾーンから液体生成物を有する生成物ストリームを回収する。
【００２４】
他の幅広い形態において、この発明は、ＣＯまたはＣＯ２およびＨ２の混合物の少なくとも１つを有する供給ガス・ストリームを発酵液に接触させることによって液体生成物に変換するための方法である。この方法は、容器内に液体生成物および微生物を有する水性発酵液を保持し、少なくとも１０メートルの高さに容器内を部分的に満たす。発酵液は取水ポイントで容器から抜き取られ、取水ポイントに隣接した位置以上の垂直方向に位置する注入器を有するガス注入器に作動流体としてポンプ輸送される。供給ガス・ストリームの少なくとも一部は、１００ｋＰａ（ゲージ圧）以下の圧力でガス注入器内を通過する。供給ガス・ストリームはガス注入器内で供給ガス・ストリームおよび作動流体からガス−液体分散をつくるための主要なエネルギー入力として作動流体のポンプ輸送を使用して作動流体と混合する。本方法は、統一された流量範囲を有する分散導管内のガス注入器からガス−液体分散を下方に輸送し、ガス注入器より下に少なくとも１５メートルに位置する放出ポイントで、容器内の分散導管からガス−液体分散を放出する。ＣＯまたはＣＯ２およびＨ２の混合物の少なくとも１つは、ガス−液体分散から溶解された供給ガスを含む発酵液と微生物との接触によって容器内で液体生成物に変換される。発酵液の一部は、容器から液体生成物を有する生成物ストリームを回収する生成物回収ゾーンまで通過する。
【００２５】
本方法は、気泡の合体する傾向を克服し、それによって、放出ポイントの低い高度に移動するにつれて分散したガスの気泡／液体界面面積の減少を回避するために表面張力を減少させる界面活性剤として役立つ発酵培養液内の液体生成物の存在によって強化される。特に、エタノールのような還元剤および／または水性培地中で０．０５重量％の濃度の酢酸のような有機酸の存在がガス移動効率に重大な影響を及ぼすことがわかっている。清浄水における界面活性剤の付加の結果は、清浄水において観察されたものより３倍のガス移動率を提供できる。０．０５重量％でさえ、ガス移動率において５０％以上の増加が観察された。上昇したガス注入器の位置での強度の混合と、界面活性剤としてのアルコールの組合せは、放出ポイントへ２０メートル以上の距離にわたって移動するにあたって良好な液体におけるガスの分散を持続する驚くべき結果を与える。好適にはアルコールおよび／または有機酸は少なくとも０．５重量％の総濃度であり、より好適には０．５重量％以上の総濃度である。
【００２６】
表面張力における減少の効果は、より小さな気泡の生成である。気泡のより微細な分割分散は２つの利益を提供する。より小さな気泡は、液体に曝露されたより有意に大きな表面積を提供する。加えて、ガスのより良好な分散は、液体−ガス分散が分散導管を経由して放出ポイントへと下方に移動するにつれて生じる気泡の任意の合体を相殺する。
【００２７】
本発明は、拡張された垂直な距離にわたる変換培地の懸濁のための液体培地の体積を保持する生物反応器の任意の配置で使用される。この発明は、気泡カラム配置または撹拌タンク反応器のような垂直に拡張された容器内で微生物を懸濁する配置への特定の適用を見出す。生物反応器の他の形態は、米国特許出願公開第２００９００３５８４８号に示された液体体積内で懸濁培地を使用する。
【００２８】
この発明は発酵液中に合成ガスの成分を有するガス・ストリームの変換において特に有用である。通常、発酵液は、水、その中で懸濁した微生物、栄養素化学製品、微生物の残骸細胞、および、微生物の代謝工程によってつくられた生成物を有する。主要な水性発酵液におけるＣＯおよびＨ２の低い溶解性は、高転化が効率的に得られるような良好な質量移動を達成するために液体内におけるガスの良好な分散を必要とする。主にエタノールからの生物学的変換による様々な有機化合物の固有の存在が、本発明の方法の配置による良好なガス分散を達成する際の非常に有益な組合せを提供することがわかった。
【００２９】
より特定の形態において、この発明は、ＣＯ、ＣＯ２およびＨ２を含む供給ガス・ストリームをエタノールに変換するための方法である。本方法は、発酵液が１００ｋＰａ（ゲージ圧）以上の静水圧をつくり、およびオフガスが容器内の発酵液の表面上に集まるような高さで、容器をエタノールおよび微生物を有する水性発酵液で部分的に満たす工程を有する。本方法は、発酵液表面の下に位置する取水ポイントで前記容器から発酵液を抜き取り、取水ポイントよりも上の垂直注入器の位置を有するガス注入器に作動流体として発酵液を輸送する。供給ガスの少なくとも一部および容器からのオフガスは、多くて１００ｋＰａ、好適には、取水ポイントでの発酵液の圧力より大きい４０ｋＰａ以下でガス注入器内を通過する。本方法は、供給ガス・ストリームおよびオフガス・ストリームをガス注入器内で作動流体と混合し、供給ガス・ストリーム、オフガス・ストリームおよび作動流体からのガス−液体分散をつくるための主要なエネルギー入力として作動流体の輸送を使用する。分散導管は、ガス−液体分散を下方に輸送する。本方法は、ガス−液体分散を分散導管から発酵液の表面の下少なくとも１５メートルに位置する放出ポイントで容器内に放出する。ガス−液体分散から溶解した供給ガスを含む発酵液と微生物の接触は、前記容器内でＣＯおよびＣＯ２およびＨ２をエタノールに変換する。本方法は、発酵液の一部を容器からアルコール回収ゾーンまで通過させ、アルコールを有する生成物ストリームを生成物回収ゾーンから回収する。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】図１はこの発明のガス注入方法を実行するための装置を有する気泡カラムタイプの反応器を示す計画図である。
【図２】図２は複数のガス注入ポイントを有する生物反応器の横断面図を示す計画図である。
【図３】図３は典型的なガス注入装置の配置を示す。
【図４】図４は図１のガス注入器における別の配置を示す。
【図５】図５はガス−液体分散をつくり、移動するための実験用の配置を概略的に示す。
【図６】図６は図５に描かれた実験用の配置で使用されたガス注入器における筐体を概略的に示す。
【図７】図７は図５の実験装置によって製造された粗いガス−液体分散を示す写真である。
【図８】図８は図５の実験装置によって製造された微細ガス−液体分散を示す写真である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
この発明は、ガス・ストリームが低圧を有し、および、液体生成物が発酵液の表面張力を減らす場合において、ＣＯまたはＣＯ２およびＨ２の混合物の少なくとも１つを含むガス・ストリームからの液体生成物の製造のための発酵方法において使用されることができる。本発明は、低分子量アルコールおよび発酵液における液体生成物としてのエタノール、プロパノール、ｎ−ブタノール、酢酸、プロピオン酸および酪酸のような対応する酸を生成するこれらの工程に特に適用できる。本発明の適用において特に有用な方法は、少なくとも０．５重量％でエタノールまたはアセテートを生成する方法である。
【００３２】
ＣＯ、およびＣＯ２およびＨ２の源は多く存在する。例えば、このようなガスの源は、製油所排ガス、酵母発酵によってできた（若干のＨ２を含む）ガス、ガス化セルロース性材料、石炭ガス化、改質天然ガスなどの「廃」ガスである。あるいは、このようなガスは、他の方法の副産物として不必要に生成されるが、発酵容器内で発酵反応において使用するために特に生成される。好適には、ＣＯ、ＣＯ２およびＨ２の好適な源は合成ガスであり、さらに好適には、直ちに利用できる低コスト農業原料のガス化によって生成される合成ガスである。他の源は、再生可能な原料および廃棄物（例えば都市固形廃棄物の有機成分、高力産業廃棄物など）の嫌気性微生物処理を介して生成されることができるような生物ガスの改質である。この発明の方法のためのＣＯ、ＣＯ２およびＨ２の他の源は、供給ガス・ストリームとしても役に立つことができる容器から回収されたオフガスである。
【００３３】
発酵液は、酢酸生成微生物の水性懸濁および発酵容器内で保持される様々な補完培地を有する。適当な微生物は嫌気性条件下で生存および繁殖し、このことは溶存酸素が発酵液中に基本的にないことを意味する。様々な補完培地はバッファリング剤、微量金属、ビタミン、塩などを有することがある。培地への適合は、微生物の生産性に影響する生育条件および非生育条件のような異なる時間における異なる条件を含む。米国２００８／００５７５５４  Ａ１は、その内容を参照によって本明細書に組み込まれるものであり、嫌気性微生物を使用するＣＯおよびＨ２／ＣＯ２を生物変換するための適当な発酵液の条件および内容を開示している。
【００３４】
ＣＯおよびＨ２／ＣＯ２の酢酸、ｎ−ブタノール、酪酸、エタノールおよび他の生成物への生物学的変換はよく知られている。例えば、最近の本におけるこのような生物学的変換の生化学的経路およびエネルギー論の簡潔な記載は、Ｄａｓ，Ａ．およびＬ．Ｇ．ＬｊｕｎｇｄａｈｌによってＥｌｅｃｔｒｏｎ  Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ  Ｓｙｓｔｅｍ  ｉｎ  Ａｃｅｔｏｇｅｎｓに要約され、Ｄｒａｋｅ、Ｈ．Ｌ．およびＫ．ＫｕｓｅｌによってＤｉｖｅｒｓｅ  Ｐｈｙｓｉｏｌｏｇｉｃ  Ｐｏｔｅｎｔｉａｌ  ｏｆ  Ａｃｅｔｏｇｅｎｓに要約され、それぞれ、Ｂｉｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ  ａｎｄ  Ｐｈｙｓｉｏｌｏｇｙ  ｏｆ  Ａｎａｅｒｏｂｉｃ  Ｂａｃｔｅｒｉａ、Ｌ．Ｇ．Ｌｊｕｎｇｄａｈｌ  ｅｄｓ，．Ｓｐｒｉｎｇｅｒ（２００３）の１４章および１３章に挙げられている。合成ガス成分を変換する能力を有する任意の適当な微生物が利用されることができる。合成ガス成分は、ＣＯ、Ｈ２、ＣＯ２がそれぞれ独立して、またはそれぞれの組合せ、または合成ガス中に典型的に存在する他の成分との組合せである。適当な微生物および／または生育条件は、ＡＴＣＣ  ｎｏ．ＢＡＡ−６２４の特定的な特徴の全てを有する微生物クロストリジウム・カルボキシディボランス（Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ  ｃａｒｂｏｘｉｄｉｖｏｒａｎｓ）の生物学的純粋培養を開示する２００６年５月２５日に提出された表題"Ｉｎｄｉｒｅｃｔ  Ｏｒ  Ｄｉｒｅｃｔ  Ｆｅｒｍｅｎｔａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｂｉｏｍａｓｓ  ｔｏ  Ｆｕｅｌ  Ａｌｃｏｈｏｌ"の米国特許出願第１１／４４１，３９２号、および、ＡＴＣＣ  Ｎｏ．  ＢＡＡ−６２２の特定的な特徴の全てを有する微生物クロストリジウム・ラグスダレイ（Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ  ｒａｇｓｄａｌｅｉ）の生物学的純粋培養を開示する２００６年８月３１日に提出された表題"Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｎｏｖｅｌ  Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉａｌ  Ｓｐｅｃｉｅｓ，"の米国特許出願第１１／５１４，３８５号に開示された微生物および／または生育条件を含むことができる。両文献は、その全体において参照によって本明細書に組み込まれる。クロストリジウム・カルボキシディボランスは、例えば、合成ガスをエタノールおよび／またはｎ−ブタノールに発酵させるために使用されることができる。クロストリジウム・ラグスダレイは、例えば、合成ガスをエタノールに発酵させるために使用されることができる。
【００３５】
適当な微生物および生育条件は、嫌気性バクテリアであるブチリバクテリウム・メチロトロフィカム（Ｂｕｔｙｒｉｂａｃｔｅｒｉｕｍ  ｍｅｔｈｙｌｏｔｒｏｐｈｉｃｕｍ）を含む。ブチリバクテリウム・メチロトロフィカム（Ｂｕｔｙｒｉｂａｃｔｅｒｉｕｍ  ｍｅｔｈｙｌｏｔｒｏｐｈｉｃｕｍ）は、ＣＯに適応でき、使用されることのできるＡＴＣＣ  ３３２６６の特定的な特徴を有し、以下の参照文献"Ｅｖｉｄｅｎｃｅ  ｆｏｒ  Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ  ｏｆ  ｎ−Ｂｕｔａｎｏｌ  ｆｒｏｍ  Ｃａｒｂｏｎ  Ｍｏｎｏｘｉｄｅ  ｂｙ  Ｂｕｔｙｒｉｂａｃｔｅｒｉｕｍ  ｍｅｔｈｙｌｏｔｒｏｐｈｉｃｕｍ，"  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｆｅｒｍｅｎｔａｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ｂｉｏｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ｖｏｌ．７２，１９９１，ｐ．５８−６０；"Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ  ｏｆ  ｂｕｔａｎｏｌ  ａｎｄ  ｅｔｈａｎｏｌ  ｆｒｏｍ  ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ  ｇａｓ  ｖｉａ  ｆｅｒｍｅｎｔａｔｉｏｎ，"ＦＵＥＬ，ｖｏｌ．７０，Ｍａｙ  １９９１，ｐ．６１５−６１９で教示されているように、酪酸と同様にｎ−ブタノールの生成を可能にする。他の適当な微生物は、酢酸と同様にエタノールの生成を可能にするＡＴＣＣ  ４９５８７（ＵＳ−Ａ−５，１７３，４２９）およびＡＴＣＣ  ５５９８８および５５９８９（ＵＳ−Ａ−６，１３６，５７７）の特定的な性質を有する株を有するクロストリジウム・リュングダーリイ（Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ  Ｌｊｕｎｇｄａｈｌｉ）、Ｊａｍａｌ  Ａｂｒｉｎｉ，Ｈｅｎｒｙ  Ｎａｖｅａｕ，Ｅｄｍｏｎｄ−Ｊａｃｑｕｅｓ  Ｎｙｎｓ，Ａｒｃｈ  Ｍｉｃｒｏｂｉｏｌ．，１９９４，３４５−３５１；Ａｒｃｈｉｖｅｓ  ｏｆ  Ｍｉｃｒｏｂｉｏｌｏｇｙ  １９９４，１６１：３４５−３５１に教示された、一酸化炭素からエタノールを生成する嫌気性バクテリアのクロストリジウム・オートエタノゲヌム（Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ  Ａｕｔｏｅｔｈａｎｏｇｅｎｕｍ）ｓｐ．ｎｏｖ．、および、２０１０年３月１９日に米国シリアル番号１２／２７２３２０として提出されたＡＴＣＣ  Ｎｏ．ＰＴＡ−１０５２２の特定的な特徴を有するクロストリジウム・コスカティ（Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ  Ｃｏｓｋａｔｉｉ）を含む。これらの全ての参照は、その全体において参照により本明細書に組み込まれている。
【００３６】
これらの微生物は全て、発酵容器中の発酵液の表面張力を減少させる液体生成物を生成する能力を有する。ＣＯまたはＣＯ２およびＨ２の混合物を変換するためのこの発明の適用において、発酵容器は典型的には発酵液内に浮遊する微生物を保持する生物反応器を有する。生物反応器の特定のタイプは気泡カラム生物反応器および攪拌槽を含む。
【００３７】
発酵容器は、発酵液のかなりの深さを提供する任意の形態をとることができる。発酵容器は典型的には少なくとも１０メートル、より典型的には１５メートル、およびしばしば２０メートル以上の高さとなる。発酵液の深さは、発酵容器の全高またはほぼ全高を占める。この容器の高さは、容器に沿った静水圧傾斜を決める。分散ストリームにおけるガスおよび液体の分散は、容器に入るポイントでの静水圧を超えなければならない。このように、分散ストリームが液体表面より１０メートル下の放出ポイントから入る場合、容器内部の静圧頭はほぼ１００ｋＰａ（ゲージ圧）と等しく、および、１５メートルの液体高さにおいては、静圧頭はほぼ１５０ｋＰａ（ゲージ圧）と等しい。
【００３８】
本発明の使用は、液体の下流への流れおよび分散ストリームを入れる分散導管内のガス注入器の出口からの同伴ガスを提供する方法の配置を必要とする。分散導管は、ガス注入器出口と密閉導管の出口間の高さの差における分散ストリームの重量と等しい静圧頭を供給する。分散導管は液体のカラムを保持するための容器の完全に外側の位置を有する、または、部分的にまたは完全に容器内に位置するように、容器内に拡張されることがある。分散導管は典型的には、気泡の合体を防止するために十分な速度でガス−液体分散を保つため、その長さ以上の統一された流量範囲を有する。分散導管が完全に容器内部に位置する他の配置において、この場合には、ガス注入器は完全に容器内に位置することもできる。
【００３９】
分散導管は、容器内の出口端で分散ストリームを満たされる。分散導管の出口端は、容器内に保持された液体の体積内に導管を出す放出ポイントを構成する。分配器、ノズルおよび他の放出装置は分散ストリームの放出ポイントに位置することができ、分散導管の一部を有する。
【００４０】
本発明およびその適用の一般的な理解は、容器１２内の発酵液１０の垂直に拡張されたカラムを示す図１に直ちにみられる。容器１２は液体表面１６上のガスの体積１４を閉じ込める。図１は、本発明の理解において本質的な特徴ではない装置を除いた本発明の方法の配置を概略的に示す。コレクター１８は液体１０の表面１６付近の位置から液体を除去するための取水ポイント１９への液体の提供のための位置を提供する。コレクターは、容器から抜き取られた液体内の微生物および有機片の量を減らすため発酵液から細胞材料を最初にろ過するための手段を提供できる。導管２０は液体を取水ポイントからポンプ２２まで運搬する。
【００４１】
導管２４、２５および２７は抜き取られた流体を表面１６よりもわずかに上部の高度に位置するガス注入器２６に分配する。任意の混合チャンバー２８は配線２５から液体に添加物を供給することができる。提供された場合、導管３０は添加物を混合チャンバー２８に送達する。導管３２によって運搬されたガス・ストリームは、導管３３を介して、ガス注入器２６に流れる。任意に、ガス体積１４からのオフガスは、導管３４および導管３３を介して注入器２６内に流れることもある。ガス気泡の分散を含む液体のストリームは、導管３６を介して分散ストリームとして注入器２６を離れ、放出ポイント３８で容器１２に入る。制御弁４２は、導管４４を介して圧力容器１０からオフガスを放出することによって、密閉されたガス体積１４における圧力を制御する。導管５２は、容器１２に補給液体を提供することができる。
【００４２】
導管４７を介して生成物回収ゾーン５０へと送達するために制御弁４８によって制御された率で、導管４６は、導管２４を介して容器１０から液体を抜き取る。生成物回収ゾーン５０は、残留細胞材料、発酵液からの液体生成物の分離物および回収物、回収された発酵液の戻し、および、廃棄物ストリームおよび材料のパージの除去のための既知の器具配置から成る。適当な器具配置はフィルター、蒸留カラム、膜システムおよび他の分離器具を含むことができる。米国２００９／０２１５１３９  Ａ１は、生物反応器からエタノール生成物を回収する生成物回収ゾーンのための配置を示す。当業者は、導管５４から回収された液体生成物ストリーム内の導管４７から発酵液、導管５６によって回収されたパージ・ストリーム、および、ストリーム４７に対して液体生成物の減少した濃度を有する発酵液の回収ストリーム５８を分離するために適当な装置を提供することができる。
【００４３】
この発明による利点を最大に達成するために、分散ストリームは容器内の液体全体にわたって分散したガスの良好な分配を提供する必要がある。したがって、分散ストリームが単一のポイントで容器１０に入ることができるとともに、回収ストリームが容器横断面の上のガスの良好な分配を達成するのに十分なポイントで容器に入るときに、本発明は最も機能する。
【００４４】
図２は、容器周辺にほぼ均一な感覚で配置される分散ストリームのための複数の放出ポイント３９を有する容器１２の横断面を示す。図２は容器１２への外部の注入ポイントを示す。この発明は、容器内の多種多様な配置の使用を含む分散ストリームのための複数の放出ポイントを提供する任意の方法を使用することができる。複数の放出ポイントの併用において、本発明の実施は、複数の取水ポイント、ポンプおよび様々な放出ポイントに分散ストリームを供給するための注入器の使用を含む。
【００４５】
本発明は、分散ストリームをつくり、液相内にガスを泡として分散させるためにガスおよび液体の良好な混合を促進するガス注入装置の使用を必要とする。典型的な装置はベンチュリー排出装置、ジェット注入器またはスロット注入器を含む。これらの装置は、原動力となる液体として、および、本発明と関連して、高い剪断および放出ストリームにおけるガスの良好な分散をつくるのに必要なエネルギーの送達の検出部としてそれらの中を流れる液体を使用する。この発明における適当な装置は、注入装置を介した主要な原動力として液体ストリームを使用する。
【００４６】
適当な混合のために必要な圧力損失を提供することは、この方法の作動において主要なエネルギー入力の１つを有する。これらの装置にわたる圧力損失は、一般的に１００〜２００ｋＰａの範囲である。この圧力損失は、微小気泡内にガスを分散するための主要なエネルギー入力を提供し、場合によっては、注入装置内にガス流を誘導するのに役立つ。
【００４７】
好適なガス注入器は、入力ガス圧の低い要件によって作動する。ほとんどの場合において、入力ガス圧力は１００ｋＰａを上回らず、４０ｋＰａ以下の入力圧で使用されることができる。本明細書に示されるように、および、当業者において直ちに理解されるように、本発明の配置は、大気圧または大気圧よりわずかに高い圧力のガス圧力によって操作することができる。ガス注入器内のいくつかのポジティブ・ガス・ストリーム圧によって作動することは、ガス注入器にガスを送達するために必要な圧縮機の圧力以下で良好に作動するとともに、そこにおいて、ガス注入装置に供給されるガスの量の有意な増加および達成される混合を提供することができる。
【００４８】
発酵液の表面張力を減らす液体生成物の性質は、ガス注入器内に液体とともに入れられることのできるガスの体積を有意に増加させる。これはガス注入器が供給ガスのより高い体積を受ける、または容器からのガスを再利用できるようにする。このように、ガス注入器に入るガスは、新鮮な供給ガス、容器から再利用されたオフガス、または供給ガスとオフガスの組み合わせを有することがある。典型的には、ガス注入器に入れられた液体にわたる供給ガスまたは供給ガスおよびオフガスの割合は、実際のｍ３／ｍ３で１／１から３／１である。
【００４９】
ガス注入器の他の重要な作動パラメーターは、出口でのガス−液体分散の放出速度である。この発明は、装置の出口において必要な放出圧力を減らすために、ガス注入器の出口と、容器によって保持される液体のカラム内における分散ストリームの放出ポイントとの高さの差を使用する。ガス注入器および分散導管の出口での高い放出速度は、分散ストリームが流体放出ポイントに到達する前の気泡合体のための時間を最小限にする。ガス注入器の下流への分散ストリームの速度は、通常、０．５〜２メートル／秒の範囲である。好適には、分散ストリームは、ガス注入器出口およびガス放出ポイント間で少なくとも１メートル／秒の平均速度を有する。この発明の特定の構成は、液体カラム内の液位よりわずかに上の高さに位置するガス注入器内にガスを導入し、それから、結果として生じるガス／液体の微細分散を、下方への液体流率がガスおよび液体をミクロンサイズのガス気泡がより大きなサイズの気泡内に合体することなく運搬するのに十分に高い導管を介して液体のカラムの底へと送達する。
【００５０】
分散ストリームにおけるガス・エントレインメントはその密度を低下させ、分散導管における流体の静圧頭を減少させる。容器内の液体の上部表面に対してガス注入器の高い高度は分散ストリームをつくる低密度流体の静圧頭を上昇させる。容器の液位と比較してガス注入器の高い位置は、そのガス入口で低圧で作動できるようにするために、比較的低くガス注入器の出口圧力を保つ。したがって、ガス注入器の高さを変化させることによって、ガスの必要な入口圧力は、様々なガス注入装置に適応し、必要なガス圧力を最小にするために調整されることができる。
【００５１】
ベンチュリー装置は低圧ガス・ストリームの使用を可能にし、または、ベンチュリー装置の高さによって、ガス・ストリームは大気圧で装置に入ることができる。容器内の液位の高さまたは液位より上に位置するベンチュリー装置を使用するこの発明の典型的な配置は、大気圧でのガス・ストリームを受けることができ、および、容器内の１０メートルまたはそれ以上の液体深さに位置する放出ポイントを介して結果的に生じたガス−液体分散を射出することができる。このように、図１で示す方法の配置は、いずれのガス・ストリームの加圧を必要とすることなく、導管３２から入るガス・ストリームを有するガス体積１４からガスを再利用することもできる。
【００５２】
ジェット・エアレーターまたはスロット注入器は、ガス注入装置の他の適当な形態である。スロット注入器はジェット・エアレーターの一種である。これらの装置はポジティブ・ガス圧を供給せずに混合するための装置内にガスを吸い込むベンチュリー装置として作動することができる。高剪断条件下で液体の接触および強度の混合のための高い速度の液体ストリームによってガスが混合チャンバーに入るように、これらの装置は、ガス・ストリームのいくつかのポジティブ圧力によって作動することもできる。これは、結果的に、容器内の注入器において、ミクロンサイズの気泡または微小気泡を分散ストリームとして形成する。微小気泡は比較的微細であり（直径０．０１〜１．０ｍｍ、さらに好適には、直径０．０１〜０．３ｍｍ）、および、それらの存在は液体培地を有する溶液内でガスの一部を溶解することを助ける。
【００５３】
図３はガス注入器１００の典型的な内部配置をより詳しく示している。注入器は、ガス・ストリーム１０２のための注入口、液体ストリーム１０４のための注入口、および混合ゾーン１０６を有し、そこでは液体ストリーム１０４が開口部１０８によって放出される。ガス・ストリーム１０２は、出口開口部１１０を介して分散１１２を放出する混合チャンバー１０６において液体ストリーム１０４と接触する。ガス注入器の多くのタイプは既知であり、一般的に工業的に使用されている。ガス注入器の好適なタイプの１つもモデルは米国特許第４，１６２，９７０号に示されている。したがって、ガス注入器の主な機能は、ガス注入器の出口で分散ストリームを提供することである。液体全体に高度に分散した状態のガスを有する分散ストリームを提供し、比較的低い圧力で使用できる任意の注入器はこの発明において効果的に働く。
【００５４】
分散ストリームは、任意の方向から液体カラム内でチャージされることがある。分散ストリームが実質的に水平方向に入る場合、容器全体にわたって分散ストリームの内部移動を増加させるためにわずかに下方への角度で入ることは有利であることがある。
【００５５】
この発明の使用は、容器内の液体よりも上にガス相の分離を維持するために容器が液体カラムを保持することまたはガス注入器が容器から回収された任意のガスを受けることを必要としない。液体を含む容器が液体体積上にガス相体積を保持する場合、ガス注入装置は、液体の表面より上または下の相対的な高度を有することができる。ガス相は、存在するときに、大気圧であることがあり、または、ガス注入器にわずかに高い圧力でガスを供給するために大気圧より大きな圧力を有することができる。図１に関して、制御弁４２は、ガス体積１３において保持される圧力および注入器２６の入口に流れるガスの結果として生じる圧力を制御するために使用されることができる。
【００５６】
ガス注入器の出口から液体カラム内の注入ポイントへの分散ストリームの下方への流体をつくるため、ガス注入器と比較して、ガス放出ポイントは低い高度を有しなければならない。分散の下方への流れのために配置することは、放出ポイント３８およびガス注入器２６間で静圧頭をつくるために必要な高度における差を供給する。静圧頭はガス注入器の出口で圧力全体を低下させ、および、結果として、ガス注入器にガス・ストリームを入れるために必要な絶対圧力を低下させる。
【００５７】
ガス注入器の出口から容器内の分散ストリームの放出ポイントへの高度における必要な差は、ガス注入装置、注入におけるガスの量、液体の性質および液体のカラムにおいて必要な接触のタイプに特定の他の要因によって変化する。本発明は、通常、注入器出口から注入ポイントへの高度の差が増加するにつれて、大きな利点を提供する。典型的には、高度における差は少なくとも１０メートル、さらに好適には少なくとも１５メートルと等しい。好適な配置において、注入器は、発酵液における最高液位より高い位置を有し、放出ポイントにおける容器内の静圧は、少なくとも１５０ｋＰａ（ゲージ圧）である。
【００５８】
ガスと混合するための液体は、容器内のいかなるポイントからも抜き取られることができる。ほとんどの場合、ポンプは抜き取られた液体に圧力を供給し、注入器の入口側に必要な静圧のための原動力となる流体に必要なエネルギーを与える。この発明の実施は、容器からの液体の取水ポイントに関してポンプの特定の位置を必要としない。本発明のポンプの好適な配置における吸引ヘッドを減らすことは、液体の取水ポイント以下にポンプの位置を決める。このように、ポンプは、液体の取水ポイント以下の若干の距離に位置することができ、または、ポンプの吸引ヘッドを減らし、および、ポンプの全体の放出圧力を増加させるために、液体のカラムが所望の静水圧の任意の量を提供できる任意の高さに位置することができる。
【００５９】
発酵工程は容器１０内の液体に化学的付加または栄養素の付加を必要とする。混合チャンバー２８は配線２４および３６を通過する液体の再循環を介して、容器内にこのような添加物の導入及び混合のために都合のよい位置を提供できる。
【００６０】
この発明の方法は、液体カラムにおける接触に必要なガスの全てを供給することができる、または、付加的なガスが気泡通気システムのような他のガス注入方法によって付加されることができる。分散ストリームが液体カラムまたは容器に入る場合、通常、長い時間において高い静水圧で気泡を保つ高速噴煙として挙動し、結果として良好なガス移動が生じる。噴煙におけるエネルギーの消散は、拡大するにつれて、液体のカラムに含まれる任意の他の材料を混合するのを助ける微細な渦電流をつくる。
【００６１】
この発明の目的は、非常に分散したガス相を有する分散ストリームを供給する間、ガス注入器の入口でのガス圧を減少することにある。分散ストリームのための高輸送速度を保つことに加えて、発酵液の表面張力を減らす液体生成物の存在は、微小気泡へのガスの分散を非常に強化し、および、分散ストリームおよび液体のカラムの両方において分散を維持する。結果として生じるガス移動率の増加は、主に気泡サイズの減少と液体における気泡の分散の増加によって生じるものである。例えば、アルコールは、水溶液内の微小気泡におけるガスの分散において、効果的な表面張力変更剤として役立つことが知られている。特に、結果として生じる発酵培養液中のアルコールの存在から生じる低い表面張力およびより小さな気泡サイズは、ガス注入器の下流での急速な気泡合体の任意の問題をほとんど解決することができる。表面張力を減らすための液体生成物の能力は、表面張力を制御するために他の適切な薬品を加える必要を回避し、それによって、生成物の変換または汚染を阻害する液体カラム中の他の物質との任意な有害な相互作用も回避する。このように、この発明は、特にＣＯまたはＣＯ２およびＨ２の混合物が供給されたガス相の発酵のための方法によって、および、液体のカラム中の微生物が、これらのガス成分を、アルコール、特にエタノールに変換する場合によく作用する。
【００６２】
他の形態において、この発明の方法は、発酵液内に供給ガスおよび循環ガスを分散するのに異なるガス注入器を使用する。図４は、導管２７からポンプ輸送された発酵液が、制御弁２９および４１によって決定された導管２７’および３１のどちらかまたは両方に発酵液を移動できる配置を示す。（図４につけられた全ての番号は特に明記しない限り、図１と同様である。）任意の液体が入る導管２７’’は、導管３２’によって供給された供給ガスと混合するためにガス注入器２６に供給され、分散ストリームの生成物は容器１２に運搬され、上述した方法で放出される。液体が入る導管３１’は、導管３４’によって供給された再利用ガスと混合するためガス注入器３５に発酵液を供給し、分散ストリームの生成物は、導管３７によって容器１２に運搬され、１以上の放出ポイント４１によって放出される。このように、実際には、この発明は、１セットのガス注入器によって供給ガスを注入することができるだけであるか、ガス注入器の異なるセットによって再利用ガスを注入することができるだけであるか、または、ガス注入器の異なるセットによって供給ガスおおよび再利用ガスの両方を注入できることができるだけである。多くの方法の配置は、再利用ガスのガス入口圧力または再利用ガスを受けるガス注入器全体の圧力効果と比較してより高いガス入口圧力および／またはガス注入器圧力で供給ガスのためのガス注入器は有利に作動することができる。このように、ＣＯおよびＨ２のようなより吸収されにくいガスを高い濃度で含む供給ガスは、高い供給ガス圧力または良好な液体圧力低下を介してより強度な混合を受けることができる。反対に、より直ちに吸収されるＣＯ２をより高濃度で含む場合、再利用ガスにおけるガス注入器は強度でない混合によって作動できる。
【実施例１】
【００６３】
この実施例は、低圧ガス入力ストリームを受け、容器の底に放出するための密閉導管において約２０メートル下流に進行するガス−液体分散を生成する発酵容器の上部付近に位置するガス注入器によって水を使用して得られたガス分散の度合いを示す。この実施例は、健康上および安全理由のための低圧ガス注入として空気を使用し、ガス移動を監視するために、容器内の液体における溶存酸素を測定する。
【００６４】
図５および６は、この実施例における実験装置の配列を概略的に描く。２１メートルの高さ、１．５メートルの直径を有する容器６０は、約１９メートルの液体の高さを保持した。ガス注入器６２は、１５ｃｍ×１５ｃｍ×１５ｃｍ×１０ｃｍのパイプ呼び分岐サイズを有するプラスチックで強化されたファイバーガラス断面６４における容器のほぼ上部に位置した。直径１５ｃｍを有する横断面の一番上のパイプ分岐６６はガス注入器６２を保持した。ガス注入器は、ＫＬａ  Ｓｙｓｔｅｍｓ  Ｉｎｃ．  ｏｆ  Ａｓｓｏｎｅｔ，  ＭＡによって供給されたスロット注入器モデル番号ＫＳＩＢＪＡであった。一番上のパイプ分岐の５ｃｍのポート６８は、空気をガス注入器に送達した。第１にポンプ輸送された流体は一番上のポート６６に入った。第２にポンプ輸送された流体は、結果として生じたガス−液体分散を降下管７８に送達する下方に配置された１０ｃｍのパイプ分岐７２において液体速度を上げるために、１５ｃｍの側方分岐７０の１つに入った。第一および第２ポンプ輸送された流体のための液体を供給するライザー７４および７６は１０ｃｍＰＶＣからなり、および、降下管は密閉導管内のガス−液体分散の物理的な観察のため、透明な１０ｃｍＰＶＣを使用して構成された。１５ｃｍ導管７５は、容器から発酵液を供給し、気泡トラップ７７を含んだ。
【００６５】
テストは、容器内のガスとして空気を、液体として水を使用する大気にさらされた容器で行われた。圧縮された空気はガス注入器６２に供給された。空気ストリームは、空気率を定量化するＢｒｏｏｋｓ  Ｍｏｄｅｌ  ＭＴ  ３８０９流量計８２およびガス流率を制御した玉形弁を介してガス注入器を通過する前に、２つの合体した油フィルター８０を通過した。一連のゲージ圧（Ｐ１〜Ｐ８）は、図５に示す位置で圧力を定量化した。１０ｃｍ降下管７８はガス−液体分散を、容器６０の底に位置する１０ｃｍポート８４に送達した。配線９２は実験的な実行間での脱気のための窒素を供給した。
【００６６】
ガス転送効率溶存酸素の評価は、４つのＹＳＩ  ｍｏｄｅｌ  Ｐｒｏ  ＯＤＯ発光光学溶存酸素プローブ（ＤＯプローブ）８６を使用する配線で測定された。プローブは、容器の底から３メートル、７．６メートル、１２．２メートル、および１６．８メートルの高さに設置された。容器の中心を介して糸を張ったガイド・ワイヤーは、プローブを保持して、容器の中心にそれらを保持するために使用した。ＤＯプローブからのデータは２秒ごとの頻度でデータ収集端末８８によって記録された。
【００６７】
この試験は清浄水を用いて実行された。試験期間中の条件は容器における６３フィートの全液体の深さ、２１．１℃の温度および７４２ｍｍＨｇの気圧を含んだ。試料は配線７４から位置９０で採取された。毎分３７０リットルの第一液体流率および毎分４５０リットルの第二液体流率を使用すると、達成されることのできるノズルの出口での液体比率に対する最大のガスは、０．６９Ｎｍ３／ｍ３であることがわかった。この値を上回って有意なガス気泡合体は、使用された第二流の量に関係なく降下管に生じたスラグ流に結果としてなった。ガス注入器内の空気の入口圧力は、３９０ｋＰａであった。図７は、清浄水を使用して達成された最高の混合の写真を示す。溶存酸素が異なるサンプリング位置で定常状態濃度に達成するように見えるまで、空気流は毎分２６０リットルの値で一定に保持された。異なるサンプリング高さにおける最終的な定常溶存酸素濃度は表１に示される。結果は、容器の全ての深さの側面にわたってこの溶存酸素がその深さの飽和より低い溶存酸素濃度を有する低い深さのものとほとんど同じであり、より高い深さが計算された飽和濃度以上の溶存酸素濃度を有することから、混合率はガス移動率より急速であることを示した。
【００６８】
【表１】
2013533744.tif 000003
【実施例２】
【００６９】
この実施例は、低圧ガス入力ストリームを受け、容器の底に放出するための密閉導管において約２０メートル下方に進行するガス−液体分散を生成する発酵容器の一番上付近に位置するガス注入器を使用して、高いガス移動および良好なガス分散を達成する実現可能性を示す。図５および６に描かれ、実施例１に記載されたものと同じ試験装置が、この実施例２において用いられた。容器内およびこの実施例におけるシステムによって循環する液体は、エタノール約５００ｍｇ／Ｌおよび酢酸（湿潤剤）の５００ｍｇ／Ｌによって改変された水を有した。湿潤剤は、発酵液体における表面張力を減少させる液体生成物を有する効果を示す。試験期間中の条件は容器における１９メートルの全液体の深さ、２５．３℃の温度および７３８ｍｍＨｇの気圧を含んだ。毎分３２０リットルの第１の液流量および毎分６９０リットルの第２の液流量を使用することによって、達成できるノズルの出口での液体比率に対する最大のガスが４．０２Ｎｍ３／ｍ３であるとわかった。液体比率に対してより高いガスは、大きいガス気泡の形成に結果としてなった。このように、実施例１と比較して、液比率に対する４．０２のガスは、５．８倍より高い。ガス注入器内の空気の入口圧力は、９０ｋＰａであった。図８は、改良された水によって達成された典型的なガス混合の写真を示す。図８は、ガス気泡分散が個々の気泡が目で見えないくらい小さかったことを示し、降下管の透明なプラスチックのパイプは不透明に見える。このように、この実施例は、生成物を減らす表面張力の付加が、降下管の２０メートルの長さにわたる分散において保持された微小気泡の形成において非常に分散したガス相を促進したことを示す。
【００７０】
溶存酸素が異なるサンプリング位置で定常状態の濃度に到達したと見えるまで、気流は１分あたり１２００リットルの値で一定に保たれた。異なるサンプリング高さでの溶存酸素濃度は表２に示されている。結果は、ガス移動率が液体混合率よりも速いことを示す。全ての深さで測定された溶存酸素は、より多くの溶存酸素を有するより深い部分での溶存酸素の計算より少なかった。
【００７１】
【表２】
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【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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