(57)【要約】【課題】炭素質材料をガス化して、合成ガスまたは合成ガスを生成する方法を提供する。【解決手段】ガス化の改善方法には、ガス化装置に分子酸素含有ガスを添加し、更に必要により水を添加してもよい工程を含んでいる。また、少なくとも1つの微生物の存在下に発酵または消化によって前記合成ガスから1つ以上のアルコールを生成する。【選択図】図１
2013523991.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス化装置において炭素質材料をガス化して、一酸化炭素、水素、およびタールを含む生成ガスを作る方法であって;
前記方法が: 前記ガス化装置に1つ以上の炭素質材料を添加し、分子酸素含有ガスを添加し、更に必要により水を添加してもよい工程を含み;
ここで、前記ガス化装置に添加される全酸素の量が前記ガス化装置に添加される全炭素のポンド当たりのポンドで0.75より多い量を含んでいる、前記方法。
【請求項２】
前記ガス化装置に添加される全酸素の量が、前記ガス化装置に添加される全炭素のポンド当たりのポンドで約0.75〜約3.0を含んでいる、請求項1に記載の方法。
【請求項３】
前記ガス化装置に水を添加する工程を含む、請求項1に記載の方法。
【請求項４】
前記ガス化装置に直接水蒸気を添加する工程を含む、請求項1に記載の方法。
【請求項５】
前記ガス化装置に部分的に直接水蒸気を添加することにより水を添加する工程を含む、請求項1に記載の方法。
【請求項６】
前記ガス化装置に水分を含有する1つ以上の前記炭素質材料を添加する工程を含む、請求項1に記載の方法。
【請求項７】
1つ以上の前記炭素質材料は、炭素質物質、炭素質液体製品、産業炭素質液体リサイクル、炭素質都市固形廃棄物(MSW)、炭素質一般廃棄物、炭素質農業材料、炭素質森林材料、炭素質木屑、炭素質建設材料、炭素質植物材料、炭素質石油化学副産物、炭素質石炭、プラスチック、廃プラスチック、コークス炉タール、ファイバソフト、タイヤ、リグニン、黒液、ポリマー、廃棄物ポリマー、ポリエチレンテレフタレート(PETA)、ポリスチレン(PS)、下水汚泥、動物の排泄物、作物残渣、エネルギー作物、森林加工残渣、木材加工残渣、畜産廃棄物、家禽廃棄物、食料加工残渣、発酵プロセス廃棄物、炭素質産業廃棄物、アルコール生産廃棄物、エタノール副産物、使用済み穀粒、使用済み微生物またはこれらの組み合わせからの選択を含んでいる、請求項1に記載の方法。
【請求項８】
1つ以上の前記炭素質材料の炭素含量が、水を含まないベースで1つ以上の前記炭素質材料のポンド(キログラム)当たり約0.25〜約1.0ポンド(約0.11〜約0.45キログラム)を含んでいる、請求項1に記載の方法。
【請求項９】
1つ以上の前記炭素質材料の水素含量が、水を含まないベースで1つ以上の前記炭素質材料のポンド(キログラム)当たり約0.0〜約0.25ポンド(約0.0〜約0.11キログラム)を含んでいる、請求項1に記載の方法。
【請求項１０】
1つ以上の前記炭素質材料の酸素含量が、水を含まないベースで1つ以上の前記炭素質材料のポンド(キログラム)当たり約0.0〜約0.5ポンド(約0.0〜約0.23キログラム)を含んでいる、請求項1に記載の方法。
【請求項１１】
ガス化装置が灰分-炭素を含む灰分を生成し、前記灰分が約10%未満の灰分-炭素を含んでいる、請求項1に記載の方法。
【請求項１２】
ガス化装置が灰分-炭素を含む灰分を生成し、前記灰分が約5%未満の灰分-炭素を含んでいる、請求項1に記載の方法。
【請求項１３】
前記生成ガスを分子酸素の存在下に約1750oF〜約3500oF(約954℃〜約1927℃)の温度で処理して、一酸化炭素、水素、および合成ガス-炭素を含む生合成ガスを生成する工程を更に含む、請求項1に記載の方法。
【請求項１４】
前記炭素質材料の1つ以上において炭素と水素との質量比が1:20を含んでいる、請求項1に記載の方法。
【請求項１５】
前記炭素質材料の1つ以上において炭素と酸素との質量比が1:200を含んでいる、請求項1に記載の方法。
【請求項１６】
前記生合成ガスが、生成される生合成ガス1000SCF(28立方メートル)当たり約0.5ポンド(約0.23キログラム)未満の合成ガス-炭素を含んでいる、請求項13に記載の方法。
【請求項１７】
ガス化装置において炭素質材料をガス化して、合成ガスを生成する方法であって;
前記ガス化装置が第1の反応ゾーンおよび第2の反応ゾーンを含み;
前記方法が:
1つ以上の炭素質材料をガス化装置の前記第1の反応ゾーンに添加する工程;
ガス化装置の前記第1の反応ゾーンと前記第2の反応ゾーンの一方または双方に分子酸素含有ガスを添加し、更に必要により水または水蒸気を添加してもよい工程；
を含み、
ここで、前記ガス化装置に添加される全酸素の量が前記ガス化装置に添加される全炭素のポンド当たりのポンドで約1.25より多い量を含んでいる、前記方法。
【請求項１８】
前記ガス化装置の前記第1の反応ゾーンに添加される全酸素の量が前記ガス化装置に添加される全炭素のポンド当たりのポンドで約1.25〜約3.5を含んでいる、請求項17に記載の方法。
【請求項１９】
前記第1の反応ゾーン温度が、650〜1450oF(343〜788℃)を含んでいる、請求項17に記載の方法。
【請求項２０】
前記第2の反応ゾーン温度が、1750〜3500oF(954〜1927℃)を含んでいる、請求項17に記載の方法。
【請求項２１】
更に:
前記生合成ガスを冷却および洗浄に供して、清浄な合成ガスを生成する工程;
前記清浄な合成ガスと生体触媒とを発酵容器内で接触させて、アルコール生成混合物を作る工程
を含む、請求項13または17に記載の方法。
【請求項２２】
前記炭素質材料の1つ以上において炭素と水素との質量比が、1:20を含んでいる、請求項17に記載の方法。
【請求項２３】
前記炭素質材料の1つ以上において炭素と酸素との質量比が、1:200を含んでいる、請求項17に記載の方法。
【請求項２４】
ガス化装置において炭素質材料をガス化して、合成ガスを生成する方法であって;
前記ガス化装置が、第1の反応ゾーン、第2の反応ゾーンおよび第1の反応ゾーンを第2の反応ゾーンに接続するチャンバを備え;
前記方法が:
ガス化装置の前記第1の反応ゾーンに1つ以上の炭素質材料を添加する工程;
前記ガス化装置の前記第1の反応ゾーンと第2の反応ゾーンの一方または双方に分子酸素含有ガスを添加し、更に必要により水または水蒸気を添加してもよい工程；
を含み、
前記ガス化装置の前記第1の反応ゾーンと前記第2の反応ゾーンとを接続する前記チャンバに分子酸素含有ガスを添加する工程
を含む、前記方法。
【請求項２５】
合成ガスを生成するガス化装置であって;
前記ガス化装置が、第1の反応ゾーン、第2の反応ゾーンおよび第1の反応ゾーンを第2の反応ゾーンに接続するチャンバを備え;
前記方法が:
ガス化装置の前記第1の反応ゾーンに1つ以上の炭素質材料を添加する工程;
前記ガス化装置の前記第1の反応ゾーンと第2の反応ゾーンの一方または双方に分子酸素含有ガスを添加し、更に必要により水または水蒸気を添加してもよい工程
を含み;
前記ガス化装置の前記第1の反応ゾーンを前記第2の反応ゾーンと接続する前記チャンバに分子酸素含有ガスを添加する工程
を含む、前記ガス化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、一般的には、炭素質材料をガス化して、合成ガス（synthesis gas）または合成ガス(シンガス、syngas)を生成する方法に関する。本開示は、また、少なくとも1つの微生物の存在下に発酵または消化によって前記合成ガスから1つ以上のアルコールを生成する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
本開示は、炭素質材料のガス化によって一酸化炭素(CO)、二酸化炭素(CO2)および水素(H2)を含む合成ガスを生成することを企図する。合成ガスは、生物学的または化学的な経路によって1つ以上の化学製品を生成するために使用し得る。合成ガスは、また、エネルギーを生じ、電気を生成するために使用し得る。
したがって、合成ガスをある種の微生物による発酵または消化によって作用させて、アルコール(メタノール、エタノール、プロパノール、ブタノール等)、酢酸、アセテート、水素等を生成され得る。合成ガスから液体燃料の生成に用いられるアセトゲンの種々の菌株が記載されている: 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・オートエタノゲヌム(Clostridium autoethanogenum)、クロストリジウム・カルボキシジボランス(Clostridium carboxidivorans)、クロストリジウム・リュングダーリイ(Clostridium ljungdahlii)、クロストリジウム・ラグスダレイ(Clostridium ragsdalei)。
Gaddyらの米国特許第5,173,429号明細書には、クロストリジウム・リュングダーリイATCC No.49587、合成ガスからエタノールとアセテートを生成する嫌気性微生物が開示されている。Gaddyらの米国特許第5,807,722号明細書には、嫌気性菌、例えばクロストリジウム・リュングダーリイATCC No.55380を用いて廃ガスを有用な生成物、例えば有機酸とアルコールへ転換するための方法および装置が開示されている。Gaddyらの米国特許第6,136,577号明細書には、嫌気性菌、例えばクロストリジウム・リュングダーリイATCC No.55988及び55989を用いて排ガスを有用な生成物、例えば有機酸とアルコール(特にエタノール)に転換するための方法および装置が開示されている。Gaddyらの米国特許第6,136,577号明細書には、クロストリジウム・リュングダーリイの嫌気性菌を用いて排ガスを有用な生成物、例えば有機酸とアルコール(特に酢酸)に転換するための方法および装置が開示されている。Gaddyらの米国特許第6,753,170号明細書には、酢酸を生成するための嫌気性菌の発酵プロセスが開示されている。Gaddyらの米国特許第7,285,402号明細書には、アルコールを生成するための嫌気性菌の発酵プロセスが開示されている。
【０００３】
米国特許出願公開第20070275447号明細書には、生物燃料として有用な生成物を排ガスから合成することができるクロストリジウム細菌種(クロストリジウム・カルボキシジボランス、ATCC BAA-624、「P7」)が開示されている。米国特許出願公開第20080057554号明細書には、生物燃料として有用な生成物を排ガスから合成することができるクロストリジウム細菌種(クロストリジウム・ラグスダレイ、ATCC BAA-622、「P11」)が開示されている。
国際公開第2007/117157号パンフレットには、所望の生成物に加えて副生成物としてアセテートを生成し、更に発酵において水素および/または二酸化炭素を用い得る嫌気発酵プロセスの方法が開示されている。この開示において、発酵は、クロストリジウム、ムーレラ(Moorella)およびカルボキシドテルムス(Carboxydothermus)より選ばれる1つ以上の細菌種によって行われる。国際公開第2009/064200号パンフレットには、一酸化炭素を含有する基質の嫌気発酵によってエタノールの生成の効率を改善した細菌の種類が開示されている。開示されているように、例示された細菌、クロストリジウム・オートエタノゲヌムは、エタノールとアセテートを生成することができる。
合成ガスは、化学触媒経路、例えば、銅(Cu)および亜鉛(Zn)を含有する触媒を用いてメタノールまたは混合アルコールを作るプロセス、コバルト(Co)およびロジウム(Rh)を含有する触媒を用いてエタノールを作るプロセスおよびオレフィンを作るフィッシャー-トロプシュ型合成等を用いて種々の化学製品や燃料に転換され得る。国際出願第2009/035851号パンフレットには、合成ガスをアルコールに転換することができる触媒を含む反応器を用いて合成ガスをエタノールおよび/または他の高級アルコールに転換する方法であって、前記触媒が少なくとも1つのIB族元素、少なくとも1つのIIB族元素および少なくとも1つのIIIA族元素を含む、前記方法が開示されている。
【０００４】
国際出願第2010/002618号パンフレットには、水素および一酸化炭素を含むガスからアルコールを作る方法であって: ガスを元素のモリブデン、コバルトおよびアルカリまたはアルカリ土類金属、および/またはこれらの水素化物を含む担持触媒を含有する反応器に通過させる工程を含む、前記方法が開示されている。
化学製品またはエネルギーの生成は、一般に、生成された合成ガスの量、例えば、合成ガス中の一酸化炭素(CO)と水素(H2)の量または濃度だけでなく、一酸化炭素と水素(CO/H2)との比に左右される。
一酸化炭素(CO)および水素(H2)を多く含む合成ガスを生成する炭素質材料のガス化の広く用いられているプロセスは、炭素質材料中の炭素の完全転換を防止するガス化装置において酸素が不充分か酸素の不足した空気を用いる。しかしながら、酸素の不足した条件下では、炭素質材料の炭素含量の一部が生成合成ガス中の未反応の炭素粒子または煤煙としてしばしば残存する。炭素質材料の炭素含量の他の部分は、灰分中の未反応炭素として残存する。
一酸化炭素(CO)および水素(H2)への炭素質原料の不完全な転換は、エネルギーまたは化学製品(例えばアルコール)の生成に対してより利用できない一酸化炭素(CO)および水素(H2)を意味する。生合成ガスにおける未反応または未転換の炭素粒子または煤煙の増加量は、合成ガスを洗浄する問題点とコストを増加させる。灰分中の未反応炭素の増加量は、灰分処理の問題点とコストを増加させる。
【０００５】
生合成ガス中の未反応または未転換の炭素粒子の量を望ましい低値で保ちつつ、ガス化装置から生成される合成ガスからエネルギーまたは化学製品の生成を最大にするガス化装置の操作方法を有することが望ましい。
生合成ガス中の未反応または未転換炭素粒子の量および灰分中の未反応炭素の量を望ましい低値で保ちつつ、ガス化装置から生成される合成ガスからエネルギーまたは化学製品の生成を最大にするガス化装置の操作方法を有することが望ましい。
生合成ガス中の煤煙の量を望ましい低値で保ちつつ、ガス化装置から生成される合成ガスからエネルギーまたは化学製品の生成を最大にするガス化装置の操作方法を有することが望ましい。
生合成ガス中の煤煙の量および灰分中の未反応炭素の量を望ましい低値で保ちつつ、ガス化装置から生成される合成ガスからエネルギーまたは化学製品の生成を最大にするガス化装置の操作方法を有することが望ましい。
本開示は、新規かつ望ましい種々のガス化装置設計および当該技術において知られていないガス化装置を操作する方法を提供する。本開示は、上記の要求を達成する。
【発明の概要】
【０００６】
本開示は、ガス化装置において炭素質材料をガス化して、一酸化炭素、水素およびタールを含む生成ガスを作る方法であって; 前記方法が: 前記ガス化装置に1つ以上の炭素質材料を添加し、分子酸素含有ガスを添加し、更に必要により水を添加してもよい工程を含み; ここで、前記ガス化装置に添加される全酸素の量が前記ガス化装置に添加される全炭素ポンド当たりのポンドで0.75より多い量を含んでいる、前記方法を提供する。一実施態様において、前記ガス化装置に添加される全酸素の量が前記ガス化装置に添加される全炭素のポンド当たりのポンドで約0.75〜約3.0を含んでいる。実施態様において、本開示は、更に、前記生成ガスを、分子酸素の存在下に約1750oF〜約3500oF(約954〜約1927℃)の温度で処理して、一酸化炭素、水素、および合成ガス-炭素を含む生合成ガスを生成する工程を含んでいる。一実施態様において、生合成ガスは、また、二酸化炭素を含んでいる。
実施態様として、本開示は、ガス化装置において炭素質材料をガス化して、部分酸化法を用いて合成ガスを生成する方法であって; 前記ガス化装置が第1の反応ゾーンおよび第2の反応ゾーンを備え; 前記方法が: 前記ガス化装置の第1の反応ゾーンに1つ以上の炭素質材料を添加する工程; 前記ガス化装置の第1の反応ゾーンと第2の反応ゾーンの一方または双方に酸素分子含有ガスを添加し、更に必要により水または水蒸気を添加してもよい工程を含み; ここで、前記ガス化装置に添加される全酸素の量が前記ガス化装置に添加される全炭素のポンド当たりのポンドで約1.25よりも多い量で含む、前記方法を提供する。一実施態様において、前記ガス化装置の第1の反応ゾーンに添加される全酸素の量が前記ガス化装置に添加される全炭素のポンド当たりのポンドで約1.25〜約3.5を含んでいる。
【０００７】
実施態様として、本開示は、ガス化装置において炭素質材料をガス化して、合成ガスを生成する方法であって; 前記ガス化装置が第1の反応ゾーンと第2の反応ゾーンを備え; 前記方法が: 前記ガス化装置の第1の反応ゾーンに1つ以上の炭素質材料を添加する工程; 前記ガス化装置の第1の反応ゾーンと第2の反応ゾーンの一方または双方に酸素分子含有ガスを添加し、更に必要により水または水蒸気を添加してもよい工程を含み; ここで、前記ガス化装置に添加される全酸素の量が前記ガス化装置に添加される全炭素のポンド当たりのポンドで約1.25よりも多い量を含む、前記方法を提供する。一実施態様において、前記ガス化装置の第1の反応ゾーンに添加される全酸素の量が前記ガス化装置に添加される全炭素のポンド当たりのポンドで約1.25〜約3.5を含んでいる。
本開示は、更に: 前記生合成ガスを冷却および洗浄に供して、清浄な合成ガスを生成する工程; 前記清浄合成ガスと生体触媒とを発酵容器内で接触させて、アルコール生成混合物を作る工程を含む方法を提供する。
一実施態様において、前記炭素質材料の1つ以上において炭素と水素との質量比が1:20を含んでいる。一実施態様において、前記炭素質材料の1つ以上の炭素と酸素との質量比が1:200を含んでいる。
本開示は、ガス化装置において炭素質材料をガス化して、部分酸化法を用いて合成ガスを生成する方法であって; 前記ガス化装置が、第1の反応ゾーン、第2の反応ゾーンおよび第1の反応ゾーンを第2の反応ゾーンに接続するチャンバを備え; 前記方法が: 1つ以上の炭素質材料を前記ガス化装置の第1の反応ゾーンに添加する工程; 前記ガス化装置の第1の反応ゾーンおよび第2の反応ゾーンの一方または双方に分子酸素含有ガスを添加し、更に必要により水または水蒸気を添加してもよい工程を含み; 前記ガス化装置の第1の反応ゾーンと第2の反応ゾーンとを接続する前記チャンバに分子酸素含有ガスを添加する工程を含む、前記方法を提供する。
【０００８】
本開示は、部分酸化法を用いて合成ガスを生成するガス化装置であって; 前記ガス化装置が、第1の反応ゾーン、第2の反応ゾーン、第1の反応ゾーンを第2の反応ゾーンに接続するチャンバを備え; 前記方法が: 前記ガス化装置の第1の反応ゾーンに1つ以上の炭素質材料を添加する工程; 前記ガス化装置の第1の反応ゾーンと第2の反応ゾーンの一方または双方に分子酸素含有ガスを添加し、更に必要により水または水蒸気を添加してもよい工程を含み; 分子酸素含有ガスを前記ガス化装置の第1の反応ゾーンと第2の反応ゾーンとを接続する前記チャンバに添加する工程を含む、前記方法を提供する。
本開示は、ガス化装置において炭素質材料をガス化して、合成ガスを生成する方法であって; 前記ガス化装置が、第1の反応ゾーン、第2の反応ゾーン、第1の反応ゾーンを第2の反応ゾーンに接続するチャンバを備え、前記方法が、前記ガス化装置の第1の反応ゾーンに1つ以上の炭素質材料を添加する工程; 前記ガス化装置の第1の反応ゾーンおよび第2の反応ゾーンの一方または双方に分子酸素含有ガスを添加し、更に必要により水または水蒸気を添加してもよい工程を含み; 前記ガス化装置の前記第1の反応ゾーンと第2の反応ゾーンとを接続する前記チャンバに分子酸素含有ガスを添加する工程を含む、前記方法を提供する。
本開示は、合成ガスを生成するガス化装置であって; 前記ガス化装置が、第1の反応ゾーンと、第2の反応ゾーンと、第1の反応ゾーンを第2の反応ゾーンに接続するチャンバを備え、前記方法が: 前記ガス化装置の第1の反応ゾーンに1つ以上の炭素質材料を添加する工程; 前記ガス化装置の第1の反応ゾーンと第2の反応ゾーンの一方または双方に分子酸素含有ガスを添加し、更に必要により水または水蒸気を添加してもよい工程を含み; 前記ガス化装置の第1の反応ゾーンと第2の反応ゾーンとを接続する前記チャンバに分子酸素含有ガスを添加する工程を含む、前記ガス化装置を提供する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図1は、本開示のガス化プロセスの一実施態様を示す概略図である; 図1は、2段階ガス化プロセスの一実施態様を示す図である。
【図２】図2は、炭素質材料のガス化によってエタノールを生成するプロセスの一実施態様を示す概略図である。
【図３】図3は、ガス化装置に投入される種々の量の水に対して合成ガス-炭素についてのガス化装置に投入される全酸素の影響の一実施態様を示す概略図である。
【図４】図4は、ガス化装置に投入される種々の量の水に対して生成されるエタノール量についてのガス化装置に投入される全酸素の影響の一実施態様を示す概略図である。
【図５】図5は、ガス化装置に投入される種々の量の水に対して合成ガス-炭素についてのガス化装置の第一の反応ゾーンに投入される全酸素の影響の一実施態様を示す概略図である。
【図６】図6は、ガス化装置に投入される種々の量の水に対して生成されるエタノール量についてのガス化装置の第1の反応ゾーンに投入される全酸素の影響の一実施態様を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
定義
他の方法で定義されない限り、本開示の本明細書全体に用いられる以下の用語は、以下のように定義され、以下で定義される定義の単数形または複数形のどちらも含み得る。
量を修飾する用語「約」は、量が現実世界の状態で直面した変化、例えば、量が、微生物培養物を維持する現実世界の状態において、例えば、ラボ、パイロットプラントまたは生産設備において直面した変化を意味する。例えば、混合物に使われる成分または測定の量または「約」によって修飾されるときの量には、生産プラントまたはラボにおける実験条件で測定するのに典型的に使われる変動および注意度が含まれる。例えば、生成物の成分の量である「約」によって修飾されるときの生成物の成分の量には、プラントまたはラボにおける複数の実験のバッチ間の変動または分析法に固有な変動が含まれる。「約」によって修飾されてもされなくても量はそれらの量に等価であることが含まれる。本明細書において述べられかつ「約」によって修飾される量もまた、「約」によって修飾されない量として本開示に使い得る。
用語「アセトゲン」または「アセトゲンの」は、嫌気呼吸の生成物としてアセテートを生成する細菌を意味する。このプロセスはアセテート発酵と異なるが、いずれも酸素の存在しないときに起こり、アセテートを生成する。すべての既知のアセトゲンは細菌であるので、これらの生物体はアセトゲン細菌とも呼ばれる。アセトゲンは、種々の生育地、一般に嫌気性(酸素を欠乏している)であるものに見つかる。アセトゲンは、エネルギー源および炭素源として種々の化合物を使用し得る; アセトゲン代謝の最善の研究形態は、炭素源として二酸化炭素およびエネルギー源として水素の使用を含む。
【００１１】
用語「灰分-炭素（ash-carbon）」または「灰分-炭素（Ash-carbon）」または「灰分-炭素（Ash-Carbon）」は、ガス化装置から除去される灰分中の転換されてない炭素の含量を意味する。
用語「灰分融合温度」は、炭素質材料に含有される灰分または無生物の少なくとも一部が溶解する温度を意味する。典型的には、この温度は約1400oF(約760℃)を含んでいる。
用語「生体触媒」は、本開示については、天然触媒、タンパク酵素、生細胞、微生物および細菌を意味する。
用語「バイオリアクタ」、「反応器」または「発酵バイオリアクタ」には、1つ以上の容器および/または塔または配管からなる発酵デバイスが含まれ、連続撹拌槽反応器(CSTR)、固定化セルリアクタ(ICR)、トリクルベッド反応器(TBR)、気泡塔、ガスリフト醗酵槽、スタティックミキサまたは気液接触に適している他のデバイスが挙げられる。好ましくは、本開示の方法に対する発酵バイオリアクタは、発酵ブロスを第2の発酵バイオリアクタに供給する発育リアクタを備え、その中で生成物の大部分、エタノールが生成される。
本明細書で用いられる「炭素質材料」は、炭素を多く含む材料、例えば石炭、および石油化学製品を意味する。しかしながら、本明細書において、炭素質材料は、固体、液体、気体またはプラズマ状態にかかわらずいかなる炭素材料も含まれる。炭素質材料とみなされ得る多数の品目の中で、本開示は以下を企図する: 炭素質液体製品、炭素質産業液体リサイクル、炭素質都市固形廃棄物(MSWまたはmsw)、炭素質一般廃棄物、炭素質農業材料、炭素質森林材料、炭素質木屑、炭素質建設材料、炭素質植物材料、炭素質産業廃棄物、炭素質発酵廃棄物、炭素質石油化学副産物、炭素質アルコール生成副産物、炭素質石炭、タイヤ、プラスチック、廃プラスチック、コークス炉タール、ファイバソフト、リグニン、黒液、ポリマー、廃ポリマー、ポリエチレンテレフタレート(PETA)、ポリスチレン(PS)、下水汚泥、動物の排泄物、作物残渣、エネルギー作物、森林加工残渣、木材加工残渣、畜産廃棄物、家禽廃棄物、食料加工残渣、発酵プロセス廃棄物、エタノール副産物、使用済み穀粒、使用済み微生物、またはこれらの組み合わせ。本開示に対する二酸化炭素およびメタン含有ガスは、炭素質材料とみなされない。誤解を避けるために、この定義に示されている単数または複数形単語の使い方に関係なく、必要に応じて、さまざまな炭素質材料が単数または複数形で解釈され得る。
【００１２】
用語「発酵」は、一酸化炭素(CO)のアルコールおよびアセテートへの発酵を意味する。多くの嫌気性菌は、一酸化炭素(CO)のブタノールおよびエタノールが含まれるアルコール、および酢酸への発酵を行うことができることが知られ、本開示のプロセスの使用に適している。開示に用いられるのに適しているその細菌の例としては、クロストリジウム属の細菌、例えば、国際公開第2000/68407号パンフレット、欧州特許第117309号明細書、米国特許第5,173,429号明細書、同第5,593,886号明細書、同第6,368,819号明細書、国際公開第1998/00558号パンフレットおよび国際公開第2002/08438号パンフレットに記載されているものを含むクロストリジウム・リュングダーリイ、およびクロストリジウム・オートエタノゲヌムの菌株が挙げられる。他の適切な細菌としては、ムーレラ種HUC22-1を含むムーレラ属HUC22-1を含むムーレラ属のものおよびカルボキシドテルムス属のものが挙げられる。これらの文献の各々の開示は、引用により本願明細書に完全に組み込まれるものとする。更に、他のアセトゲンを産生する嫌気性菌は、当業者によって開示のプロセスに用いられるように選択され得る。2つ以上の細菌の混合培養物もまた、本開示のプロセスに用いられ得ることは認められる。本開示に用いるのに適している1つの微生物は、DSMZから市販されかつDSMZ寄託番号DSMZ 10061の識別特性を有するクロストリジウム・オートエタノゲヌムある。発酵は、適切なバイオリアクタ、例えば連続撹拌タンク反応器(CTSR)、気泡塔反応器(BCR)またはトリクルベッド反応器(TBR)において行われ得る。また、開示の一部の好ましい実施態様において、バイオリアクタは、微生物が培養される第1の発育反応器および発育反応器からの発酵ブロスを供給しかつ発酵生産物(エタノールとアセテート)の大部分が生成される第2の発酵反応器を備え得る。
用語「ファイバソフト（fibersoft）」または「ファイバソフト（Fibersoft）」または「ファイバソフト（fibrosoft）」または「ファイバソフト（fibrousoft）」は、さまざまな物質の軟化および濃縮の結果として生成される一種の炭素質材料を意味する; 一例として、炭素質材料は、さまざまな物質のスチームオートクレーブ処理によって生成される。他の例においては、ファイバソフトは、一般廃棄物、工業廃棄物、商業廃棄物、医療廃棄物のスチームオートクレーブ処理を含み、結果として軟質繊維材料になる。
「ガス化装置（Gasifier）」または「ガス化装置（gasifier）」は、向流固定層ガス化装置、並流固定層ガス化装置、移動層、流動層ガス化装置、噴流層ガス化装置、プラズマアークガス化装置、単段ガス化装置、多段階ガス化装置、2段階ガス化装置、3段階ガス化装置、4段階ガス化装置、5段階ガス化装置およびこれらの組み合わせを意味する。
【００１３】
用語「微生物」には、細菌、真菌、酵母菌、アルカエア、及び原生生物; 微細な植物(緑藻類と呼ばれる); および動物、例えば、プランクトン、プラナリア、アメーバが含まれる。一部には、ウイルスも含まれるが、他はこれらを無生物とみなす。微生物は、土壌、温泉、大洋底上、大気中の高地および地殻内の岩石内部の深部を含む、液体の水があるバイオスフェアのすべての部分に生存している。微生物は、分解剤として作用するので生態系における栄養リサイクルにきわめて重要である。微生物は、また、バイオテクノロジーにおいて、伝統的食品および飲料の調製の双方において、および遺伝子工学に基づく最新の技術において人々が開発している。さまざまな微生物の菌株を含有してもしなくてもよい混合株微生物が本開示に用いられることが想定される。また、進化分子工学が本開示に用いられ得る微生物を選択的にスクリーニングし得ることも想定される。組換えDNA技術が生存している微生物の選択菌株を用いて微生物を作成し得ることも更に想定される。一酸化炭素(CO)および水または水素を(H2)およびCO2をエタノールおよび酢酸生成物に転換することができるアセトゲン嫌気性(または通性)細菌が本開示に用いられることが想定される。この開示に有効な細菌としては、アセトゲニウム・キブイ(Acetogenium kivui)、アセトバクテリウム・ウッディ(Acetobacterium woodii)、アセトアネロビウム・ノテレ(Acetoanaerobium noterae)、ブチリバクテリウム・メチロトロフィカム(Butyribacterium methylotrophicum)、カルダナエロバクター・サブテラネウス(Caldanaerobacter subterraneus)、カルダナエロバクター・サブテラネウス・パシフィカム(Caldanaerobacter subterraneus pacificus)、カルダナエロバクター・サブテラネウス・パシフィカム(Caldanaerobacter subterraneus pacificus)、カルボキシドサーマス・ヒドロゲノホルマンス(Carboxydothermus hydrogenoformans)、クロストリジウム・アセティクム(Clostridium aceticum)、クロストリジウム・アセトブチリクム(Clostridium acetobutylicum)、クロストリジウム・オートエタノゲヌム(Clostridium autoethanogenum)、クロストリディウム・サーモアセチカム(Clostridium thermoaceticum)、ユウバクテリウム・リモサム(Eubacterium limosum)、クロストリジウム・リュングダーリイ(Clostridium ljungdahlii)PETC、クロストリジウム・リュングダーリイERI2、クロストリジウム・リュングダーリイC-01、クロストリジウム・リュングダーリイO-52、クロストリジウム・ウルツネンス(Clostridium ultunense)、クロストリジウム・ラグスダレイ(Clostridium ragsdalei)、クロストリジウム・カルボキシディボランス(Clostridium carboxidivorans)、ゲオバクター・スルフレデュセンス(Geobacter sulfurreducens)、ムーレラ(Moorella)、ムーレラ・サーモアセチカ(Moorella thermacetica)、およびペプトストレプトコッカス・プロダクツス(Peptostreptococcus productus)が挙げられるが、これらに限定されない。他のアセトゲン嫌気性菌は、当業者がこれらの方法に用いるように選択される。本発明の一部の実施態様において、C.リュングダーリイのいくつかの例示的な株としては、菌株PETC(米国特許第5,173,429号明細書); 菌株ERI2(米国特許第5,593,886号明細書)および菌株C-01およびO-52(米国特許第6,136,577号明細書)が挙げられる。これらの菌株は、アメリカンタイプカルチュアコレクション、10801 University Boulevard, Manassas, Va. 20110-2209にそれぞれ受託番号: 55383(以前はATCC No. 49587)、55380、55988、および55989として寄託されている。C.リュングダーリイの株の各々は、グアニンとシトシン(G+C)ヌクレオチド含量が約22モル%の嫌気性グラム陽性細菌である。これらの細菌は、増殖のために種々の基質を用いるがメタノールまたは乳酸ではない。これらの菌株は、そのCO許容量、比ガス取り込み速度および比生産性が異なる。天然に見いだされる「野生」株においては、ごくわずかなエタノール製造しかわかっていない。C.リュングダーリイ株は、理想的には37度Cで操作し、典型的には、「野生」状態では約1:20(1部のエタノール/20部のアセチル)のエタノールとアセチル(即ち、遊離酢酸または分子の酢酸と酢酸塩双方を表す)生成物比を生じる。エタノール濃度は、典型的にはわずか1〜2g/Lである。エタノールを生産するこの能力は興味深いが、エタノール生産性が低いことから、「野生」細菌は商業ベースでエタノールを経済的に生産するために使用することができない。少量の栄養操作については、上述のC.リュングダーリイ株は、1:1(等量部のエタノールとアセチル)の生産物比でエタノールとアセチルを生産するために用いられたが、エタノール濃度は、低生産性になるレベル、10g/L日より低い10g/L未満である。更に、培養安定性は、主にエタノールの存在と組み合わせたアセチル(2.5〜3g/Lの分子の酢酸)が比較的高(8〜10g/L)濃度のために問題である。更にまた、より多くのエタノールを生産する努力においてガス速度を増加させるので、最初に分子の酢酸によって、次に、一酸化炭素(CO)によって培養が阻止される。結果として、培養が不安定になり、ガスを取り込まなくなるとともに追加の生産物を得ることができない。更に、本発明者らによる初期の作業は、定常状態操作において2:1を超えるエタノールとアセチルとの比を得るのに困難を示した。多数の文献には、一酸化炭素(CO)、CO2および水素(H2)を消費せずに溶媒を生成する糖の発酵においてC.リュングダーリイ以外の嫌気性菌の使用が記載されている。高収量のエタノールを供給する試みにおいて、栄養タイプ、微生物、還元剤の特定の添加、pH変化、および外因性ガスの添加を含む種々のパラメーターが変えられてきた。
【００１４】
用語「都市固形廃棄物」または「MSW」または「msw」は、生活廃棄物、商業廃棄物、産業廃棄物および/または残留廃棄物を含む廃棄物を意味する。
用語「合成ガス（シンガス、syngas）」または「合成ガス（synthesis gas）」は、一酸化炭素と水素の種々の量を含有するガス混合物に示される名称である。製造法の例としては、水素を製造する天然ガスまたは炭化水素の水蒸気改質、石炭のガス化および廃棄物熱源転換ガス化設備のあるタイプが挙げられる。名称は、合成天然ガス(SNG)を生成する際の中間体およびアンモニアまたはメタノールを製造するための中間体としてのその使用に由来する。合成ガスは、また、フィッシャー-トロブシュ合成、以前はガソリンプロセスへのモービルメタノールを介して燃料または潤滑剤として用いられる合成石油を得る際の中間体として用いられる。合成ガスは、主に、水素、一酸化炭素、および非常にしばしば二酸化炭素からなり、天然ガスのエネルギー密度(即ち、BTU含量)の1/2より少ない。合成ガスは、可燃性であり、燃料源としてまたは他の化学薬品の製造のための中間体としてしばしば用いられる。
用語「合成ガス-炭素（syngas-carbon）」または「合成ガス-炭素(Syngas-carbon)」または「合成ガス-炭素（Syngas-Carbon）」は、ガス化プロセスから生成される生合成ガスにおいて転換されてない炭素粒子の含量を意味する。
用語「ガス化装置に投入される全炭素」または「ガス化装置に添加される全炭素」は、ガス化装置に供給される何にでも含有されるすべての炭素の合計、例えば、ガス化装置に添加される上で定義した1つ以上の炭素質材料に含有される炭素を意味する。
用語「ガス化装置の第1の反応ゾーンに投入される全炭素」または「ガス化装置の第1の反応ゾーンに添加される全炭素」は、ガス化装置の第1の反応ゾーンに供給される何にでも含有されるすべての炭素の合計、例えば、ガス化装置の第1の反応ゾーンに添加される上で定義した1つ以上の炭素質材料に含有される炭素を意味する。
用語「ガス化装置に投入される全酸素」または「ガス化装置に添加される全酸素」は、ガス化装置に供給される何にでも含有されるすべての酸素の合計、例えば、ガス化装置に添加される分子酸素含有ガスに含有される酸素、ガス化装置に添加される上で定義した1つ以上の炭素質材料に含有される酸素、ガス化装置に添加される水または水蒸気に含有される酸素を意味する。
用語「ガス化装置の第1の反応ゾーンに投入される全酸素」または「ガス化装置の第1の反応ゾーンに添加される全酸素」は、ガス化装置の第1の反応ゾーンに供給される何にでも含有されるすべての酸素の合計、例えば、ガス化装置の第1の反応ゾーンに添加される分子酸素含有ガスに含有される酸素、ガス化装置の第1の反応ゾーンに添加される上で定義した1つ以上の炭素質材料に含有される酸素、ガス化装置の第1の反応ゾーンに添加される水または水蒸気に含有される酸素を意味する。
【００１５】
詳細な説明
ここで、本開示は、より完全にまた本開示の種々の実施態様が示される図を参照して記載される。しかしながら、本開示内容は、多くの異なる形で具体化されてもよいが、本明細書に示される実施態様に限定されるものとして解釈されてはならない。
本開示は、一酸化炭素、水素およびタールを含む生成ガスを生成するガス化装置における炭素質材料のガス化方法であって; 前記方法が: 1つ以上の炭素質材料を添加する工程、前記ガス化装置に分子酸素含有ガスを添加し、更に必要により水を添加してもよい工程を含み; 前記ガス化装置に添加される全酸素の量が前記ガス化装置に添加される全炭素のポンド当たりのポンドで約0.75より多い量を含む、前記方法を提供する。一実施態様において、前記ガス化装置に添加される全酸素の量が前記ガス化装置に添加される全炭素のポンド当たりのポンドで約0.75〜約3.0を含んでいる。実施態様として、本開示は、前記ガス化装置に水を添加することを含み; 前記ガス化装置に直接水蒸気を添加することを含み; 前記ガス化装置に部分的直接水蒸気添加によって水を添加することを含み; 前記ガス化装置に水分を含有する1つ以上の前記炭素質材料を添加することを含む。
本開示の実施態様において、前記炭素質材料の1つ以上は、炭素質物質、炭素質液体製品、産業炭素質液体リサイクル、炭素質都市固形廃棄物(MSWまたはmsw)、炭素質一般廃棄物、炭素質農業材料、炭素質森林材料、炭素質木屑、炭素質建設材料、炭素質植物材料、炭素質産業廃棄物、炭素質発酵廃棄物、炭素質石油化学副産物、炭素質アルコール生成副産物、炭素質石炭、タイヤ、プラスチック、廃プラスチック、コークス炉タール、ファイバソフト、リグニン、黒液、ポリマー、廃ポリマー、ポリエチレンテレフタレート(PETA)、ポリスチレン(PS)、下水汚泥、動物の排泄物、作物残渣、エネルギー作物、森林加工残渣、木材加工残渣、畜産廃棄物、家禽廃棄物、食料加工残渣、発酵プロセス廃棄物、エタノール副産物、使用済み穀粒、使用済み微生物、またはこれらの組み合わせからの選択を含んでいる。一実施態様において、1つ以上の前記炭素質材料の炭素含量は、水を含まないベースで1つ以上の前記炭素質材料のポンド(キログラム)当たり約0.25〜約1.0ポンド(約0.11〜0.45キログラム)を含んでいる。一実施態様において、1つ以上の前記炭素質材料の水素含量は、水を含まないベースで1つ以上の前記炭素質材料のポンド(キログラム)当たり約0.0〜約0.25ポンド(約0.0〜約0.11キログラム)を含んでいる。一実施例態様において、1つ以上の前記炭素質材料の酸素含量は、水を含まないベースで1つ以上の前記炭素質材料のポンド(キログラム)当たり約0.0〜約0.5ポンド(約0.0〜約0.23キログラム)を含んでいる。
【００１６】
一実施態様において、前記炭素質材料は、炭素質物質、炭素質液体製品、産業炭素質液体リサイクル、炭素質都市固形廃棄物(MSWまたはmsw)、炭素質一般廃棄物、炭素質農業材料、炭素質森林材料、炭素質木屑、炭素質建設材料、炭素質植物材料、炭素質石油化学副産物、炭素質石炭、プラスチック、廃プラスチック、コークス炉タール、ファイバソフト、タイヤ、リグニン、黒液、ポリマー、廃ポリマー、ポリエチレンテレフタレート(PETA)、ポリスチレン(PS)、下水汚泥、動物の排泄物、作物残渣、エネルギー作物、森林加工残渣、木材加工残渣、畜産廃棄物、家禽廃棄物、食料加工残渣、発酵プロセス廃棄物、炭素質産業廃棄物、アルコール生成廃棄物、エタノール副産物、使用済み穀粒、使用済み微生物またはこれらのいずれかの組み合わせより選ばれる複数の炭素質材料を含んでいる。
実施態様において、ガス化装置は灰分-炭素を含有する灰分を生成し、前記灰分は約10%未満の灰分-炭素を含んでいる。実施態様において、ガス化装置は灰分-炭素を含有する灰分を生成し、前記灰分は約5%未満の灰分-炭素を含んでいる。
実施態様において、本開示は、分子酸素の存在下に約1750oF〜約3500oF(約954℃〜約1927℃)の温度で前記生成ガスを処理して、一酸化炭素、水素および合成ガス-炭素を含む生合成ガスを生成する方法を提供する。種々の実施態様において、生合成ガスはまた、二酸化炭素を含んでいる。
実施態様において、前記炭素質材料の1つ以上における炭素と水素との質量比は、1:20を含んでいる。一実施態様において、前記炭素質材料の1つ以上における炭素と酸素との質量比は、1:200を含んでいる。
実施態様として、前記生合成ガスは、生成される生合成ガスの1000SCF(28立方メートル)当たり約0.5ポンド(約0.23キログラム)未満の合成ガス-炭素を含んでいる。
【００１７】
本開示は、部分酸化法を用いて合成ガスを生成するガス化装置において炭素質材料をガス化する方法であって; 前記ガス化装置が第1の反応ゾーンと第2の反応ゾーンを備え; 前記方法が: 1つ以上の炭素質材料をガス化装置の前記第1の反応ゾーンに添加する工程; 分子酸素含有ガスを添加する工程および必要により前記ガス化装置の前記第1の反応ゾーンと第2の反応ゾーンの一方または双方に水または水蒸気を添加してもよい工程; 前記ガス化装置に添加される全酸素の量が前記ガス化装置に添加される全炭素のポンド当たりのポンドで約1.25より多い量を含んでいる、前記方法を提供する。実施態様において前記ガス化装置の前記第1の反応ゾーンに添加される全酸素の量が前記ガス化装置に添加される全炭素のポンド当たりのポンドで約1.25〜約3.5を含んでいる。一実施態様において、前記第1の反応ゾーン温度は650-1450oF(343〜788℃)を含んでいる。一実施態様において、前記第2の反応ゾーン温度は、1750-3500oF(954〜1927℃)を含んでいる。
本開示は、合成ガスを生成するガス化装置における炭素質材料をガス化する方法であって; 前記ガス化装置が第1の反応ゾーンと第2の反応ゾーンを備え; 前記方法が:ガス化装置の前記第1の反応ゾーンに1つ以上の炭素質材料を添加する工程; 分子酸素含有ガスを添加し、更に必要により前記ガス化装置の前記第1の反応ゾーンと第2の反応ゾーンの一方または双方に水または水蒸気を添加してもよい工程を含み; 前記ガス化装置に添加される全酸素の量が前記ガス化装置に添加される全炭素のポンド当たりのポンドで約1.25より多い量を含んでいる、前記方法を提供する。実施態様において、前記ガス化装置の前記第1の反応ゾーンに添加される全酸素の量が前記ガス化装置に添加される全炭素のポンド当たりのポンドで約1.25〜約3.5を含んでいる。一実施態様において、前記第1の反応ゾーン温度は650-1450oF(343〜788℃)を含んでいる。一実施態様において、前記第2の反応ゾーン温度は、1750-3500oF(954〜1927℃)を含んでいる。
【００１８】
本開示は、更に: 前記生合成ガスを冷却および洗浄に供して、清浄な合成ガスを生成する工程; 発酵容器内で前記清浄な合成ガスと生体触媒とを接触させて、アルコール製品混合物を生成する工程を含む前記方法を提供する。一実施態様において、前記炭素質材料の1つ以上における炭素と水素との質量比が1:20を含んでいる。一実施態様において、前記炭素質材料の1つ以上における炭素と酸素との質量比が1:200を含んでいる。
本開示は、部分酸化法を用いて合成ガスを生成するガス化装置において炭素質材料をガス化する方法であって; 前記ガス化装置が、第1の反応ゾーン、第2の反応ゾーンおよび第1の反応ゾーンを第2の反応ゾーンに接続するチャンバを備え; 前記方法が: 1つ以上の炭素質材料をガス化装置の前記第1の反応ゾーンに添加する工程; 前記ガス化装置の前記第1の反応ゾーンと第2の反応ゾーンの一方または双方に分子酸素含有ガスを添加し、更に必要により水または水蒸気を添加してもよい工程を含み; 前記ガス化装置の前記第1の反応ゾーンと前記第2の反応ゾーンとを接続する前記チャンバに分子酸素含有ガスを添加する工程を含む、前記方法を提供する。
本開示は、部分酸化方法を用いて合成ガスを生成するガス化装置であって; 前記ガス化装置が第1の反応ゾーン、第2の反応ゾーンおよび第1の反応ゾーンを第2の反応ゾーンに接続するチャンバを備え; 前記方法が: ガス化装置の前記第1の反応ゾーンに1つ以上の炭素質材料を添加する工程; 前記ガス化装置の前記第1の反応ゾーンと第2の反応ゾーンの一方または双方に分子酸素含有ガスを添加し、必要により水または水蒸気を添加してもよい工程を含み; 前記ガス化装置の前記第1の反応ゾーンと前記第2の反応ゾーンとを接続する前記チャンバに分子酸素含有ガスを添加する工程を含む、前記方法を提供する。
【００１９】
本開示は、合成ガスを生成するガス化装置において炭素質材料をガス化する方法であって; 前記ガス化装置が、第1の反応ゾーン、第2の反応ゾーンおよび第1の反応ゾーンを第2の反応ゾーンに接続するチャンバを備え; 前記方法が: ガス化装置の前記第1の反応ゾーンに1つ以上の炭素質材料を添加する工程; 前記第1の反応ゾーンの一方または双方および前記ガス化装置の第2の反応ゾーンに分子酸素含有ガスを添加し、必要により水または水蒸気を添加してもよい工程を含み; 前記ガス化装置の前記第1の反応ゾーンと前記第2の反応ゾーンとを接続する前記チャンバに分子酸素含有ガスを添加する工程を含む、前記方法を提供する。
本開示は、合成ガスを生成するガス化装置であって; 前記ガス化装置が、第1の反応ゾーン、第2の反応ゾーンおよび第1の反応ゾーンを第2の反応ゾーンに接続するチャンバを備え; 前記方法が: 1つ以上の炭素質材料をガス化装置の前記第1の反応ゾーンに添加する工程; 分子酸素含有ガスを添加し、必要により前記ガス化装置の前記第1の反応ゾーンと第2の反応ゾーンの一方または双方に水または水蒸気を添加してもよい工程を含み; 前記ガス化装置の前記第1の反応ゾーンと前記第2の反応ゾーンとを接続する前記チャンバに分子酸素含有ガスを添加する工程を含む、前記方法を提供する。
本開示の一実施態様において、前記ガス化装置の温度は、約650oF〜約3500oF(約343〜1927℃)を含んでいる。一実施態様において、温度は、約650oF〜約1450oF(約343℃〜788℃)を含んでいる。一実施態様において、前記ガス化装置の温度は、約950oF〜約1400oF(約510℃〜760℃)を含んでいる。一実施態様において、前記ガス化装置の温度は、約1400oF(約760℃)である。一実施態様において、前記ガス化装置の温度は、約1750oF〜約2250oF(約954〜約1232℃)を含んでいる。一実施態様において、前記ガス化装置の温度は、約2250oF(約1232℃)である。
【００２０】
本開示の種々の実施態様において、タールを含まないかまたはよりタールを含有しない生合成ガスを生成するために、前記タール含有生成ガスを公開された技術に記載されているさまざまなタール除去法を用いて処理して、前記タール含有生成ガスに含まれる少なくともタールの一部を除去または破壊し得る。本開示の一実施態様において、前記タール含有生成ガスを分子酸素の存在下に約1750oF〜約3500oF(約954℃〜1927℃)の温度で処理して、一酸化炭素、水素および合成ガス-炭素を含む生合成ガスを除去するかまたは生成する。本開示の一実施態様において、前記タール含有生成ガスを分子酸素の存在下に約1750oF〜約3500oF(約954〜約1927℃)の温度で処理して、二酸化炭素を含む生合成ガスを除去するかまたは生成する。おそらくその処理において、タールはタールの分解により破壊される。おそらくその処理において、タールはタールの部分酸化により破壊される。一実施態様において、処理温度は約1750oF〜約2250oF(約954℃〜1232℃)を含んでいる。一実施態様において、処理温度は約2250oF(約1232℃)である。
上記のガス化装置の操作は、ガス化装置に導入されるすべての炭素を完全に燃焼して二酸化炭素を生成することを達成しない。おそらくは一酸化炭素の生成を増加する炭素の部分酸化が達成される。その部分酸化は、また、生合成ガスに残存する未反応の炭素粒子または煤煙(「合成ガス-炭素」)の形成につながり得る。多量の合成ガス-炭素を含有する生合成ガスは、生合成ガスを洗浄することの難しさとコストを増大するので望ましくない。この開示の方法において、前記生合成ガスは、生成される生合成ガスの1000SCF(28立方メートル)当たり約0.5ポンド(約0.23キログラム)未満の合成ガス-炭素を含んでいる。開示の一実施態様において、前記生合成ガスは、生成される生合成ガスの1000SCF(28立方メートル)当たり約0.25ポンド(約0.11キログラム)未満の合成ガス-炭素を含んでいる。一実施態様において、前記生合成ガスは、生成される生合成ガスの1000SCF(28立方メートル)当たり約0.125(約0.06キログラム)ポンド未満の合成ガス-炭素を含んでいる。
【００２１】
上記のガス化装置の操作は、ガス化装置に導入されるすべての炭素を完全に燃焼して二酸化炭素を生成することを達成しない。おそらくは一酸化炭素の生成を増加する炭素の不完全酸化が達成される。その不完全酸化は、また、生合成ガスに残存する未反応の炭素粒子または煤煙(「合成ガス-炭素」)の形成につながり得る。多量の合成ガス-炭素を含有する生合成ガスは、生合成ガスを洗浄することの難しさとコストを増大するので望ましくない。この開示の方法において、前記生合成ガスは、生成される生合成ガスの1000SCF(28立方メートル)当たり約0.5ポンド(約0.23キログラム)未満の合成ガス-炭素を含んでいる。開示の一実施態様において、前記生合成ガスは、生成される生合成ガスの1000SCF(28立方メートル)当たり約0.25ポンド(約0.11キログラム)未満の合成ガス-炭素を含んでいる。一実施態様において、前記生合成ガスは、生成される生合成ガスの1000SCF(28立方メートル)当たり約0.125ポンド(約0.06キログラム)未満の合成ガス-炭素を含んでいる。
炭素質材料をガス化して、タール含有生成ガスを生成し、次に前記タール含有生成ガスを分子酸素含有ガスの存在下に高温で処理して(「タール分解」)、タールを含まないかまたはよりタール含まない生合成ガスを生成することは、複数のおよび個別のプロセス装置においてまたは複数の反応ゾーンまたはチャンバまたはコンパートメントを有する単一装置において達成し得る。
炭素質材料をガス化して、タール含有生成ガスを生成し、次に前記タール含有生成ガスを分子酸素含有ガスの存在下に高温で処理して(「タール部分酸化」)、タールを含まないかまたはよりタール含まない生合成ガスを生成することは、複数のおよび個別のプロセス装置においてまたは複数の反応ゾーンまたはチャンバまたはコンパートメントを有する単一装置において達成し得る。
【００２２】
本開示の一実施態様において、2つの反応ゾーンを含むガス化装置: タール含有生成ガスを生成する第1の反応ゾーンおよびタール含有生成ガスからタールを含まないかまたはよりタール含まない生合成ガスを生成する第2の反応ゾーンが用いられる。
本開示の一実施態様において、2つの反応ゾーンを含む多段階ガス化装置: タール含有生成ガスを生成する第1の反応ゾーンおよびタール含有生成ガスからタールを含まないかまたはよりタール含まない生合成ガスを生成する第2の反応ゾーンが用いられる。
本開示の一実施態様において、2つの反応ゾーンを含む2段階ガス化装置: タール含有生成ガスを生成する第1の反応ゾーンおよびタール含有生成ガスからタールを含まないかまたはよりタール含まない生合成ガスを生成する第2の反応ゾーンが用いられる。
本開示の一実施態様において、第1の反応ゾーンの温度は、灰分を形成する炭素質材料の無機成分の融点を超えてはならない。この温度は、灰分-融合温度と呼ばれ得る。一実施態様において、第1の反応ゾーンは、約650oF〜約1450oF(約343〜788℃)の温度に維持される。一実施態様において、第1の反応ゾーンは、約950oF〜約1450oF(約510〜約788)の温度に維持される。一実施態様において、第1の反応ゾーンは、約1400oF(約760℃)の温度に維持される。
第2の反応ゾーンの温度は、タール-分解が効果的に行われるのに充分高くなければならない。一実施態様において、第2の反応ゾーンは、約1750oF〜約3500oF(約954〜1927℃)の温度に維持される。一実施態様において、第2の反応ゾーンは、約1750oF〜約2250oF(約954℃〜約1232℃)の温度に維持される。一実施態様において、第2の反応ゾーンは、約2250oF(約1232℃)の温度に維持される。適切な温度を維持することに加えて、第2の反応ゾーンは、適切な接触触媒時間または滞留時間がタール-分解に与えるようにして大きさが設定されなければならない。典型的には約2〜約5秒の滞留時間が維持される。
【００２３】
第2の反応ゾーンの温度は、部分酸化が効果的に行われるのに充分高くなければならない。一実施態様において、第2の反応ゾーンは、約1750oF〜約3500oF(約954〜1927℃)の温度に維持される。一実施態様において、第2の反応ゾーンは、約1750oF〜約2250oF(約954℃〜約1232℃)の温度に維持される。一実施態様において、第2の反応ゾーンは、約2250oF(約1232℃)の温度に維持される。適切な温度を維持することに加えて、第2の反応ゾーンは、適切な接触触媒時間または滞留時間がタール-分解に与えるようにして大きさが設定されなければならない。典型的には約2〜約5秒の滞留時間が維持される。
一実施態様において、第2の反応ゾーンは、第1の反応ゾーンより上に垂直に配置される。一実施態様において、第2の反応ゾーンは、第1の反応ゾーンの下に垂直に配置される。
分子酸素含有ガスは、前記ガス化装置の第1の反応ゾーンに添加される。分子酸素含有ガスは、前記ガス化装置の第2の反応ゾーンに添加される。分子酸素含有ガスは、前記ガス化装置の両方の第1の反応ゾーンと第2の反応ゾーンに添加される。分子酸素含有ガスは、空気、酸素を多くむ空気または純粋な酸素であり得る。分子酸素含有ガスは、約21容積%から約100容積%までの分子状酸素を含有し得る。
この開示において、ガス化装置に添加される全酸素は、ガス化装置に添加される1つ以上の炭素質材料の酸素含量、必要により添加されてもよい水または水蒸気に含有する酸素、およびガス化装置の第1の反応ゾーン又は下のチャンバと第2の反応ゾーン又は上のチャンバ双方に噴射される分子酸素含有ガスに含有する酸素の合計である; ガス化装置に添加される全炭素は、ガス化装置に添加される1つ以上の炭素質材料の炭素分の合計である。
【００２４】
この開示において、ガス化装置の第一反応ゾーンに添加される全酸素は、ガス化装置の第1の反応ゾーンに添加される1つ以上の炭素質材料の酸素含量、必要により添加されてもよい水または水蒸気に含有する酸素、およびガス化装置の第1の反応ゾーンに添加される分子酸素含有ガスを含有する酸素の合計であり; ガス化装置の第1の反応ゾーンに添加される全炭素は、ガス化装置の第1の反応ゾーンに添加される1つ以上の炭素質材料の炭素分の合計である。
一実施態様において、ガス化装置の第1の反応ゾーンに添加される全炭素は、ガス化装置に添加される全炭素に等しい。
一実施態様において、ガス化装置の第1の反応ゾーンに添加される全炭素は、ガス化装置に添加される全炭素に等しくない。
実施態様として、本開示は、また、アルコールを生成する方法であって: 前記生合成ガスを冷却および洗浄に供して、清浄な合成ガスを生成する工程; 前記清浄な合成ガスと生体触媒とを発酵容器内で接触させて、アルコール生成混合物を作る工程を提供する。
一実施態様において、1つ以上の前記アルコールは、メタノールを含んでいる。一実施態様において、1つ以上の前記アルコールは、エタノールを含んでいる。一実施態様において、1つ以上の前記アルコールは、メタノール、エタノール、プロパノール、ブタノールおよびこれらの組み合わせを含んでいる。
一実施態様において、アルコールは、アルコール生成混合物から選択的に回収される。一実施態様において、選択的に回収されるアルコールは、エタノールである。一実施態様において、選択的に回収されるアルコールは、ブタノールである。
実施態様として、前記生体触媒は: 微生物; アセトゲン細菌; クロストリジウム、ムーレラ、およびカルボキシドサーマスまたはこれらの混合株より選択された1つ以上の株; クロストリジウム・リュングダーリイを含んでいる。本開示の前記クロストリジウム・リュングダーリイは、PETC、ERI-2で、O-52、およびC-01、またはこれらの組み合わせからなる菌株より選ばれる。
【００２５】
図1は、ガス化装置の実施態様を示す概略図を含んでいる。図1は、2段階ガス化装置の概略図である。実施態様として、図1は、部分酸化を用いた2段階ガス化装置の概略図である。次に図1を参照すると、1つ以上の炭素質材料(150)が、ガス化のためのガス化装置の供給ホッパー(100)から第1の反応ゾーンまたは下のチャンバ(200)に供給される。分子酸素含有ガス(220)は、ガス化を援助するために下のチャンバに導入される。一実施態様において、水または水蒸気は、ガス化を援助するために下のチャンバに添加され得る。下のチャンバに噴射される酸素の量は、炭素質材料の完全燃焼を防止するようにして調節される。言い換えれば、下のチャンバは、酸素不足である。完全燃焼の防止は、下のチャンバにおける温度を調整することによっても調節される。750〜1450度F(399〜788℃)の温度が下のチャンバにおいて維持される。一実施態様において、下のチャンバ内の温度は、ガス化の間に形成される灰分の融解を防止するようにして調整される。一実施態様において、下のチャンバ内の温度は、1400度F(760℃)である。一実施態様において、下のチャンバに導入される分子酸素の量は、乾燥または水のない基準で炭素質材料1トン当たり10〜100ポンド-モル(4.5〜45キログラム-モル)を含んでいる。
第一反応ゾーンまたは下のチャンバに生成される気体材料の流れは、第1の反応ゾーン/下のチャンバを第2の反応ゾーン/上のチャンバに接続するチャンバ(300)を介してガス化装置の第2の反応ゾーンまたは上のチャンバ(400)に移動する。灰分(250)の流れは、下のチャンバから除去される。第1の反応ゾーンに生成されるガス状材料の流れは、第1の反応ゾーンを第2の反応ゾーンに接続するガス化装置の接続チャンバ(300)を介してガス化装置の第2の反応ゾーン(400)に移動する。灰分(250)の流れは、第1の反応ゾーンから除去される。
実施態様において、水蒸気は第1の反応ゾーン/下のチャンバ(200)に添加され得る。実施態様において、水蒸気は第2の反応ゾーン/上のチャンバ(400)に添加され得る。実施態様において、水蒸気は、第1の反応ゾーン/下のチャンバ(200)および第2の反応ゾーン/上のチャンバ(400)に添加され得る。実施態様において、水蒸気は、第1の反応ゾーン/下のチャンバを第2の反応ゾーン/上のチャンバに接続するチャンバに添加され得る。実施態様において、水蒸気は、第1の反応ゾーン/下のチャンバを第2の反応ゾーン/上のチャンバに接続するチャンバに進むガス流(310)に添加され得る。
【００２６】
実施態様において、連続水蒸気は、第1の反応ゾーン/下のチャンバ(200)に添加され得る。実施態様において、連続水蒸気は、第2の反応ゾーン/上のチャンバ(400)に添加され得る。実施態様において、連続水蒸気は、第1の反応ゾーン/下のチャンバ(200)および第2の反応ゾーン/上のチャンバ(400)に添加され得る。実施態様において、連続水蒸気は、第1の反応ゾーン/下のチャンバを第2の反応ゾーン/上のチャンバに接続するチャンバに添加され得る(300)。実施態様において、連続水蒸気は、第1の反応ゾーン/下のチャンバを第2の反応ゾーン/上のチャンバに接続するチャンバに進むガス流(310)に添加され得る。
おそらくは下のチャンバに生成されるガス状材料に含有するタールの部分酸化は、上のチャンバにおいて達成される。おそらくは下のチャンバに生成されるガス状材料に含まれるタールの分解は、上のチャンバにおいて達成される。上のチャンバ内でタールの部分酸化および/または分解を援助するために分子酸素含有ガスの水蒸気がガス化装置の第1の反応ゾーン/下のチャンバを第2の反応ゾーン/上のチャンバに接続するチャンバ(300)またはのどに導入される。一実施態様において、分子酸素含有ガスは、直接上のチャンバ内側に導入される。タールの部分酸化は、ガス化装置の上のチャンバ内の温度を調整することによっても調節される。タールの分解もまた、ガス化装置の上のチャンバ内の温度を調整することによって調節される。1750〜3500度F(954〜1927℃)の温度が上のチャンバにおいて維持される。一実施態様において、上のチャンバ内の温度は、2250度F(1232℃)である。一実施態様において、上のチャンバ内に導入される分子酸素の量は、乾燥または水のない基準で炭素質材料1トン当たり10〜100ポンド-モル(4.5〜45キログラム-モル)を含んでいる。
一実施態様において、上のチャンバは、下のチャンバの最上部の上に垂直に水平に位置決めされる。一実施態様において、上のチャンバは、下のチャンバの最上部の上に垂直でなく水平に位置決めされない。一実施態様において、下のチャンバと上のチャンバは、ほぼ同じ垂直面に、すなわち並んで位置決めされる。生合成ガス(410)の流れは、ガス化装置の上のチャンバから除去される。
【００２７】
図2は、前記炭素質材料のガス化を介して炭素質材料からエタノールを生成するプロセスの実施態様を示す概略図を含んでいる。次に図2を参照すると、炭素質材料(1)は、炭素質材料が一酸化炭素(CO)および水素(H2)を含む発生炉ガスまたは合成ガスまたは合成ガスに転換されるガス化装置(10)に供給される。生合成ガス生成物(11)は、ガス化装置から除去される。生合成ガスは熱く、それは硫黄含有ガスおよび他の酸性ガス、粒子状物質等を含有する場合があり、冷却および洗浄プロセス(20)において冷却および洗浄に供する。合成ガス(21)の冷却および洗浄した流れは、エタノールを生成するバイオリアクタまたは発酵槽または発酵装置(30)に導入される冷却および清浄プロセスによって生成される。バイオリアクタにおいて合成ガスの一酸化炭素(CO)および水素(H2)を微生物に作用してエタノールを生成する。エタノール含有流れ(31)をバイオリアクタから除去する。エタノール含有流れを更に処理して、燃料グレードのエタノールを生成し得る(図示されない)。
図3は、ガス化装置に投入される水の種々の量に対して合成ガス-炭素にについてのガス化装置に投入される全酸素の影響の実施態様を示す概略図を含んでいる。実施態様として、図3は、ガス化装置に投入される全酸素が増加するのにつれて全合成ガス-炭素分の傾向が低下することを示すグラフである。図3は、投入される全炭素ポンド当たりのポンドの投入される全酸素(x軸)に対する生成される生合成ガスのKSCF当たりのポンドの合成ガス炭素(y軸)とのプロットである。図3は、投入される全炭素ポンド当たりのポンドの入力される全酸素(x軸)に対する生成される生合成ガスの1000SCF当たりのポンドの合成ガス炭素(y軸)のプロットである。図3は、投入される全炭素ポンド当たりのポンドの投入される全酸素(x軸)に対する生成される生合成ガスの1000SCF当たりのポンドの合成ガス炭素(y軸)のプロットである; ここで、投入される全酸素はガス化装置に投入される全酸素であり、投入される全炭素はガス化装置に投入される全炭素である。ガス化装置に投入される全炭素ポンド当たり約1.4ポンドより大きい(lb/lb)ガス化装置に投入される全酸素に対して、生合成ガスは、生成される生合成ガスの1,000標準立方フィート(1000SCFまたはKSCF)当たり約1ポンド(lb)未満の合成ガス-炭素を含んでいる。ガス化装置に投入される全炭素ポンド当たり約1.4ポンドより大きい(lb/lb)ガス化装置に投入される全酸素に対して、生合成ガスは、生成される生合成ガスの1,000標準立方フィート(1000SCFまたはKSCF)当たり約1ポンド(lb)未満の合成ガス-炭素を含んでいる。
【００２８】
図4は、ガス化装置に投入される水の種々の量について生成されるエタノールの量に対するガス化装置に投入される全酸素の影響の実施態様を示す概略図を含んでいる。実施態様として、図4は、投入される全酸素の増加とともにアルコール生成の傾向が初期に増加することを示すグラフである。図4は、投入される全炭素のポンド当たりのポンドの投入される全酸素(x軸)に対する投入される全炭素のポンド当たりのポンドの生成されるエタノール(y軸)のプロットである。図4は、投入される全炭素のポンド当たりのポンドの投入される全酸素(x軸)に対する投入される全炭素のポンド当たりのポンドの生成されるエタノール(y軸)のプロットである; ここで、投入される全酸素はガス化装置に投入される全酸素であり、投入される全炭素はガス化装置に投入される全炭素である。実施態様として、図4は、投入される全酸素の増加につれてアルコール生成の傾向が初期に増加し、次に投入される全酸素の増加につれて低下することを示すグラフである。実施態様として、図4は、投入される全酸素の増加とともにエタノール生成の傾向が初期に増加することを示すグラフである。実施態様として、図4は、投入される全酸素の増加につれてエタノール生成の傾向が初期に増加し、次に投入される全酸素の増加とともに低下することを示すグラフである。実施態様として、図4は、ガス化装置に投入される全炭素のポンド当たり約1と1/2(1.5)ポンド(lb/lb)の投入される全酸素までガス化装置に投入される全酸素の増加とともにエタノール生成(ガス化装置に投入される全炭素のポンド当たりの生成されるエタノールのポンド)の傾向が増加することを示すグラフである。実施態様として、図4は、ガス化装置に投入される全炭素のポンド当たり約1と1/2(1.5)ポンド(lb/lb)の投入される全酸素までガス化装置に入力される全酸素の増加とともにエタノール生成(エタノールがガス化装置に投入される全炭素のポンド当たりの生成されるエタノールのポンド)の傾向が増加し、また、ガス化装置に投入される全炭素のポンド当たり約1と1/2(1.5)ポンド(lb/lb)を超えるガス化装置に投入される全酸素に対しては、エタノール生成(ガス化装置に投入される全炭素のポンド当たり生成されるエタノールのポンド)がガス化装置に投入される全酸素の増加とともに減少することを示すグラフである。
【００２９】
図5は、ガス化装置に投入される水の種々の量について生成されるエタノールの量に対するガス化装置に投入される全酸素の影響の実施態様を示す概略図を含んでいる。実施態様として、図5は、ガス化装置の第1の反応ゾーンに投入される全酸素が増加するのにつれて生合成ガスの全合成ガス-炭素分の傾向が低下することを示すグラフである。図5は、投入される全炭素のポンド当たりのポンドで第1の反応ゾーンに投入される全酸素(x軸)に対する生成される生合成ガスのKSCF当たりのポンドの合成ガス炭素(y軸)のプロットである。図5は、投入される全炭素のポンド当たりのポンドの第1の反応ゾーンに投入される全酸素(x軸)に対する生成される生合成ガスの1000SCF当たりのポンドの合成ガス炭素(y軸)のプロットである。図5は、投入される全炭素のポンド当たりのポンドの第1の反応ゾーンに投入される全酸素(x軸)に対する生成される生合成ガスの1000SCF当たりのポンドの合成ガス炭素(y軸)のプロットである; ここで、第1の反応ゾーンに投入される全酸素は、ガス化装置の第1の反応ゾーンに投入される全酸素であり、投入される全炭素入力は、ガス化装置に投入される全炭素である。ガス化装置に投入される全炭素のポンド当たり約0.75ポンドより大きい(lb/lb)ガス化装置の第1の反応ゾーンに投入される全酸素に対して、生合成ガスは、生成される生合成ガスの1,000標準立方フィート(1000SCF)当たり約1ポンド(lb)未満の合成ガス-炭素を含んでいる。ガス化装置に投入される全炭素のポンド当たり約0.9ポンドより大きい(lb/lb)ガス化装置の第1の反応ゾーンに投入される全酸素に対して、生合成ガスは、生成される生合成ガスの1,000標準立方フィート(1000SCFまたはKSCF)当たり約0.3ポンド(lb)未満の合成ガス-炭素を含んでいる。
【００３０】
図6は、ガス化装置に投入される水の種々の量について生成されるエタノールの量に対するガス化装置の第1の反応ゾーンに投入される全酸素の影響の実施態様を示す概略図を含んでいる。実施態様として、図6は、ガス化装置の第1の反応ゾーンに投入される全酸素の増加とともにアルコール生成の傾向が初期に増加することを示すグラフである。図6は、投入される全炭素当たりのポンドで第1の反応ゾーンに投入される全酸素(x軸)に対する投入される全炭素当たりのポンドで生成されるエタノール(y軸)のプロットである。図6は、投入される全炭素のポンド当たりのポンドで第1の反応ゾーンに投入される全酸素(x軸)に対する投入される全炭素のポンド当たりのポンドで生成されるエタノール(y軸)のプロットである; ここで、第1の反応ゾーンに投入される全酸素はガス化装置の第1の反応ゾーンに投入される全酸素であり、投入される全炭素はガス化装置に投入される全炭素である。実施態様として、図6は、アルコール生成の傾向がガス化装置の第1の反応ゾーンに投入される全酸素の増加とともに初期に増加し、次に、ガス化装置の第1の反応ゾーンに投入される全酸素の増加とともに低下することを示すグラフである。実施態様として、図6は、エタノール生成の傾向がガス化装置の第1の反応ゾーンに投入される全酸素の増加とともに初期に増加することを示すグラスである。実施態様として、図6は、エタノール生成の傾向がガス化装置の第1の反応ゾーンに投入される全酸素の増加とともに初期に増加し、次に、ガス化装置の第1の反応ゾーンに投入される全酸素の増加とともに低下することを示すグラフである。実施態様として、図6は、エタノール生成(ガス化装置に投入される全炭素のポンド当たりの生成されるエタノールのポンド)のその傾向がガス化装置に投入される全炭素のポンド当たり約0.9ポンド(lb/lb)のガス化装置の第1の反応ゾーンに投入される全酸素までガス化装置の第1の反応ゾーンに投入される全酸素の増加とともに増加することを示すグラフである。実施態様として、図6は、エタノール生成(ガス化装置に投入される全炭素のポンド当たりの生成されるエタノールのポンド)のその傾向がガス化装置に投入される全炭素のポンド当たり約0.9ポンド(lb/lb)のガス化装置の第1の反応ゾーンに投入される全酸素までガス化装置の第1の反応ゾーンに投入される全酸素の増加とともに増加し、また、エタノール生成のポンド(ガス化装置に投入される全炭素のポンド当たり生成されるエタノールのポンド)当たり0.9ポンドを超える(lb/lb)ガス化装置の第一反応ゾーンに投入される全酸素に対しては、ガス化装置の第1の反応ゾーンに投入される全酸素の増加とともに低下する。
【００３１】
本開示の個々の実施態様の上記説明は、例示および説明のために示されている。これらは、網羅的であることを意図せず、本開示を開示される正確な形に限定することも意図しない。明らかに、多くの修正および変更は、上の教示を考慮して可能である。本開示の原理およびその実際の用途を最良に説明するために実施態様を選び記載してきたが、それによって当業者が本開示を最良に用いることを可能にし、具体的な使用に適している種々の修正を有する種々の実施態様も可能である。
本開示の一実施態様において、合成ガスと生体触媒とを発酵容器内で接触させて、アルコール生成混合物を作ることによってアルコールが生成される。一実施態様において、前記アルコールは、メタノール、エタノール、プロパノール、ブタノールまたはこれらの組み合わせを含んでいる。一実施態様において、アルコールはエタノールである。一実施態様において、前記生体触媒はアセトゲン細菌を含んでいる。一実施態様において、前記生体触媒は、クロストリジウム、ムーレラ、およびカルボキシドサーマスまたはこれらの混合株より選ばれる1つ以上の株を含んでいる。一実施態様において、前記生体触媒は、クロストリジウム・リュングダーリイの1つ以上の株を含んでいる。一実施態様において、前記クロストリジウム・リュングダーリイは、PETC、ERI-2で、O-52およびC-01またはこれらの組み合わせからなる株より選ばれる。一実施態様において、前記生体触媒は、クロストリジウム・カルボキシディボランスの1つ以上の株を含んでいる。一実施態様において、前記生体触媒には、クロストリジウム・ラグスダレイの1つ以上の株を含んでいる。一実施態様において、前記生体触媒は、クロストリジウム・オートエタノゲヌムの1つ以上の株を含んでいる。
【実施例】
【００３２】
多段階ガス化装置が本開示において企図される。実施態様として、部分酸化法を用いた多段階ガス化装置が本開示において企図される。以下の実施例は、図1に示される2段階ガス化装置を用いる。ガス化装置は、第1段階または第1の反応ゾーンまたは下のチャンバと第2段階または第2の反応ゾーンまたは上のチャンバを備えている。炭素質材料は、空気、酸素を多く含む空気または純粋な酸素がごとくの下に制御された速度で噴射され得る下のチャンバに供給される。以下に示される実施例に対して、純粋な酸素が下のチャンバに噴射される。下のチャンバ温度と投入される酸素は、炭素質材料の不完全な酸化のみが生じ、完全な燃焼を生じない(不足空気または不足酸素燃焼としても記載される)ように制御される。下のチャンバ温度および投入される酸素は、炭素質材料の部分酸化のみが生じ、完全な燃焼が生じない(不足空気または不足酸素燃焼としても記載される)ように制御される。下のチャンバには約750〜約1450度F(約399〜約788℃)び温度が維持される。一実施態様において、約1400度F(約760℃)の温度が第1段階に維持される。一実施態様において、約1400度F(約約760℃)の温度が第1段階または下のチャンバに維持される。下のチャンバからのガス生成物は、第2段階または上のチャンバに移動する。灰分は、下のチャンバから除去される。純粋な酸素を上のチャンバに導入して、第1段階からのガス流に含有されるタール(例えば重炭化水素)の分解を達成するために、温度を約1750〜約3500度F(約954〜1927℃)の上のチャンバ温度に上げる。純粋な酸素を上のチャンバに導入して、第1段階からのガス流に含有されるタール(例えば重炭化水素)の部分酸化を達成するために、温度を約1750〜約3500度F(約954〜1927℃)の上のチャンバ温度に上げる。以下に示される実施例に対しては、上のチャンバ温度は2250度F(1232℃)である。一酸化炭素(CO)、水素(H2) CO2、N2および他の成分{例えば、O2、粒子状物質(PM)、タール、金属}を含有する生の発生炉ガス(また、生合成ガスまたは生合成ガスと呼ばれる)を生成し、上のチャンバから除去される。一実施態様において、水蒸気が下のチャンバに噴射され得る。一実施態様において、水蒸気が上のチャンバに噴射され得る。
ガス化後、生合成ガスを冷却および洗浄に供して、生成物合成ガスを生成する。生成物合成ガスをバイオリアクタまたは発酵装置または発酵槽に導入して、アルコール; メタノール; エタノール; プロパノール; および/またはブタノールを生成する。下記の実施例において、バイオリアクタにおいてエタノールを生成する。
以下の実施例において、数学モデルを用いて、実際の実験の代わりにさまざまなプロセス条件および供給原料に対するガス化装置および発酵槽の生産を算出した。ガス化装置生産の算出に対して、CHEMKIN数学モデルベースを用いた。
モデルは、ガス化装置の下のチャンバまたは第1の反応ゾーンに5%の空気漏れを用いた。
発酵プロセスのモデルは、90%の一酸化炭素を転換するプロセスおよび40%の水素を転換するプロセスを含み、エタノールを作る各プロセスに対して95%の選択性を有する。
【００３３】
実施例1〜29:
実施例1-29は、ガス化装置に直接添加される水が全くないかまたは無視できる水を含有する、また、水も水蒸気もない炭素質材料のガス化の実施態様だけでなく、ガス化装置に直接添加される実質的な水および/または実質的な量の水または水蒸気を含有する炭素質材料のガス化の実施態様を例示する。実施例は、一つの炭素質材料、例えば、石炭、コークス炉タール(コークス)、プラスチック、タイヤ、木材、ポリスチレン(PS)、ポリエチレンテレフタレート(PETA)および複数個の炭素質材料、例えば、タイヤと木材、プラスチックと木材、プラスチックとmsw、コークス炉タールとファイバソフトのブレンドのガス化の実施態様を例示する。すべてのこれらの実施例に対して、第1の反応ゾーンの温度は1400oF(760℃)であり、第2の反応ゾーンの温度は2250oF(1232℃)である。関連した炭素質材料の性質、他のガス化条件および生成物データを、下記の表Iおよび表IIにまとめる。
【００３４】
実施態様として、以下は、実施例1〜29に示される炭素質材料のブレンドの説明である:
バイオマス-VW-15: 80wt%のバイオマスと20wt%の建築廃木材または植物性廃棄物のブレンド、ブレンドの15wt%含水量を有する
コークス-ファイバソフト-10: 水を含有しない50wt%のコークス炉タール(コークス)と20wt%の水を含有する50wt%の湿ファイバソフトのブレンド、ブレンドに対して10wt%の水を示す
コークス-ファイバソフト-20: 水を含有しない50wt%のコークス炉タール(コークス)と40wt%の水を含有する50wt%の湿ファイバソフトのブレンド、ブレンドに対して20wt%の水を示す
コークス-ファイバソフト-30: 水を含有しない50wt%のコークス炉タール(コークス)と60wt%の水を含有する50wt%湿ファイバソフトのブレンド、ブレンドに対して30wt%の水を示す
プラスチック-MSW-03: 0.2wt%の水を含有する90wt%のプラスチックと30wt%の水を含有する10wt%のMSWのブレンド、ブレンドに対して3.2wt%の水を示す
プラスチック-MSW-08: 0.2wt%の水を含有する75wt%のプラスチックと30wt%の水を含有する25wt% MSW、ブレンドに対して7.7wt%の水を示す
可塑性のMSW-15: 0.2wt%の水を含有する50wt%のプラスチックと30wt%の水を含有する50wt%のMSW、ブレンドに対して15.1重量パーセントの水を示す
プラスチック-木材-04: 0.2wt%の水を含有る90wt%のプラスチックと40wt%の水を含有する10wt%の木材のブレンド、ブレンドに対して4.2wt%の水を示す
プラスチック-木材-10: 0.2wt%の水を含有する75wt%のプラスチックと40wt%の水を含有する25wt%の木材のブレンド、ブレンドに対して10.2wt%の水を示す
プラスチック-木材-20: 0.2wt%の水を含有する50wt%のプラスチックと40wt%の水を含有する50wt%の木材のブレンド、ブレンドに対して20.1wt%の水を示す
タイヤ-木材-00: 水を含有しない85wt%のタイヤと40wt%の水を含有する15wt%の木材のブレンド、次に前乾燥してすべての水を除去する
タイヤ-木材-03:  水を含有しない85wt%のタイヤと40wt%の水を含有する15wt%の木材のブレンド、次に前乾燥して3wt%の含水量のブレンドにする
タイヤ-木材-04:  水を含有しない90wt%のタイヤと40wt%の水を含有する10wt%の木材のブレンド、ブレンドに対して4.0wt%の水を示す
タイヤ-木材-06: 水を含有しない85wt%のタイヤと40wt%の水を含有する15wt%の木材のブレンド、ブレンドに対して6.0wt%の水を示す
タイヤ-木材-09: 水を含有しない85wt%のタイヤと40wt%の水を含有する15wt%の木材のブレンド、次に、水を添加して、9%の含水量のブレンドにする
タイヤ-木材-10: 水を含有しない75wt%のタイヤと40wt%の水を含有する25wt%の木材のブレンド、ブレンドに対して10wt%の水を示す
タイヤ-木材-12: 水を含有しない85wt%のタイヤと40wt%の水を含有する15wt%の木材のブレンド、次に、水を添加して、15%の含水量のブレンドにする
タイヤ-木材-15:  水を含有しない85wt%のタイヤと40wt%の水を含有する15wt%の木材のブレンド、次に、水を添加して、15%の含水量のブレンドにする
【００３５】
表I. 実施例1〜29の炭素質材料の性質&ガス化プロセスの条件
【００３６】
【表１】
2013523991.tif 000003
2013523991.tif 000004
注: *は、乾燥または水を含まないベースを示す; DTは、乾燥または水を含まない炭素質材料のトンを意味する
【００３７】
表II.実施例1〜29に対するガス化の生成物&次の発酵プロセス
【００３８】
【表２】
2013523991.tif 000005
2013523991.tif 000006
2013523991.tif 000007
【００３９】
すべての公開された文献の記載は、本願明細書に引用として組み込まれている。本開示の多くの修正および変更は、上で確認した明細書に含まれかつ当業者に明らかであると予想される。本開示の組成物および方法に対するその修正および変更は、これに添付される特許請求の範囲の範囲に包含されると考えられる。したがって、種々の修正、適応、および代替物は、本願明細書において真意および範囲を逸脱することなく当業者に見出され得る。
【図１】
2013523991.tif 000008
【図２】
2013523991.tif 000009
【図３】
2013523991.tif 000010
【図４】
2013523991.tif 000011
【図５】
2013523991.tif 000012
【図６】
2013523991.tif 000013
【国際調査報告】
2013523991.tif 000014
2013523991.tif 000015
2013523991.tif 000016