JP7575547B2 - ethanol - Google Patents
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Description
本発明は、エタノールに関し、より詳細には、従来の石油資源由来やバイオマス資源由来によらない、一酸化炭素および水素を含むガスを基質とする循環型資源由来の新規なエタノールに関する。 The present invention relates to ethanol, and more specifically, to a new ethanol derived from a circulatory resource that uses gas containing carbon monoxide and hydrogen as a substrate, rather than being derived from conventional petroleum resources or biomass resources.
我々の生活のさまざまなところに、石油化学製品が使われている。一方で、身近な製品であるが故、大量生産と大量消費により様々な環境問題を引き起こしていることが地球規模で大きな問題となっている。例えば、石油化学工業製品の代表であるポリエチレン、ポリ塩化ビニルは大量消費にて、使い捨てとされており、それら廃棄物が環境汚染の大きな一因となっている。加えて、石油化学工業製品を大量生産する上で、化石燃料資源の枯渇への危惧や、大気中の二酸化炭素増加という地球規模での環境問題も議論されている。 Petrochemical products are used in many aspects of our lives. However, because they are such familiar products, mass production and mass consumption have caused various environmental problems, which has become a major issue on a global scale. For example, polyethylene and polyvinyl chloride, which are representative petrochemical industry products, are mass-consumed and used as disposable products, and these waste products are a major cause of environmental pollution. In addition, concerns about the depletion of fossil fuel resources and the increase in carbon dioxide in the atmosphere are also being discussed as global environmental problems in the mass production of petrochemical industry products.
そのような環境問題への地球規模での意識の高まりから、近年、石油化学工業製品の原料であるナフサ以外の原料で各種有機物質を製造する手法が検討されている。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指摘されている。 Due to the growing global awareness of such environmental issues, methods of producing various organic substances from raw materials other than naphtha, which is the raw material for petrochemical industrial products, have been considered in recent years. For example, a method of producing bioethanol from edible raw materials such as corn by sugar fermentation has attracted attention. However, such sugar fermentation methods using edible raw materials have been criticized for causing problems such as rising food prices, as they use limited agricultural land area for production other than food.
この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ることも検討されている。具体的には、非可食原料として廃材や古紙由来のセルロース等を使用して発酵法によりアルコール類を製造する方法や、上記のようなバイオマス原料をガス化し、合成ガスから触媒を用いてアルコール類を製造する方法等が提案されているが未だ実用化されていないのが現状である。また、これらの脱石化原料から種々の石油化学製品を製造できたとしても、最終的には自然には分解しない廃プラスチックとなるため、環境問題の抜本的な解決策としては有効ではないといえる。 To solve this problem, the use of non-edible raw materials that would have been discarded in the past has also been considered. Specifically, methods have been proposed in which non-edible raw materials such as cellulose derived from waste wood or used paper are used to produce alcohol by fermentation, and methods have been proposed in which the above-mentioned biomass raw materials are gasified and the synthetic gas is used to produce alcohol using a catalyst, but these methods have not yet been put to practical use. Furthermore, even if various petrochemical products can be produced from these non-petroleum raw materials, they will ultimately become waste plastics that do not decompose naturally, so they are not effective as a fundamental solution to environmental problems.
ところで、現在、日本国内で廃棄されている可燃性ごみは約6,000万トン/年にも及ぶ。そのエネルギー量は約200兆キロカロリーに相当し、日本国内のプラスチック原料用ナフサを大きく上回っており、これらのゴミも重量な資源であるといえる。これらごみ資源を石油化学製品に転換できれば、石油資源に依らない究極の資源循環社会を実現することが可能となる。上記観点から、特許文献1および2等には、廃棄物から合成ガス(CO及びH2を主成分とするガス)を製造し、その合成ガスから発酵法によりエタノールを製造する技術が開示されている。 Incidentally, the amount of combustible waste currently disposed of in Japan is approximately 60 million tons per year. The amount of energy is equivalent to approximately 200 trillion kilocalories, which is far more than the amount of naphtha used as a raw material for plastics in Japan, and these wastes can be said to be important resources. If these waste resources can be converted into petrochemical products, it will be possible to realize an ultimate resource-circulating society that does not depend on petroleum resources. From the above perspective, Patent Documents 1 and 2 disclose a technology for producing synthetic gas (a gas mainly composed of CO and H2 ) from waste and producing ethanol from the synthetic gas by a fermentation method.
しかしながら、特許文献3においても指摘されているように、廃棄物から製造した合成ガス中には、解明されていない多種多様な不純物が含まれており、そのなかには微生物にとって毒性をもつものも存在するため、合成ガスから微生物発酵によりアルコールを生産する上でその生産性が大きな課題となっていた。また、合成ガスを微生物発酵して得られたアルコールにも、合成ガス中の不純物に起因した種々の成分が含まれており、これらの成分は蒸留等の精製処理によっても完全には除去できない。そのため、合成ガスの微生物発酵により得られたアルコールからの誘導品開発が大きな技術課題であった。 However, as pointed out in Patent Document 3, synthetic gas produced from waste contains a wide variety of impurities that have not been elucidated, some of which are toxic to microorganisms, and therefore productivity has been a major challenge in producing alcohol from synthetic gas by microbial fermentation. Furthermore, alcohol obtained by microbial fermentation of synthetic gas also contains various components resulting from the impurities in the synthetic gas, and these components cannot be completely removed even by purification processes such as distillation. For this reason, the development of derivatives from the alcohol obtained by microbial fermentation of synthetic gas has been a major technical challenge.
本発明者らの検討によれば、例えば、従来のエタノールに代表されるC2原料は、種々の化学製品の出発原料と知られているが、上述したように、石油資源やバイオマス資源によらない資源(循環型資源)から製造されるアルコールは、ナフサ由来の化学原料とは異なり、様々な微量の未知の物質が含有されていることが分かった。しかしながら、従来技術では物質の特性も不明であり、全ての物質を取り除けばよいのか、特定の物質のみを除去すればよいのか、従来は十分な検討がなされてこなかった。そのため、上記特許文献において循環型資源から製造されたアルコールが提案されていても、当該アルコールを実用化するにはまだまだ技術改良の余地が残されているのが現状であった。 According to the study by the present inventors, for example, conventional C2 raw materials such as ethanol are known to be starting materials for various chemical products, but as described above, it has been found that alcohol produced from resources (recyclable resources) that are not based on petroleum resources or biomass resources contains various trace amounts of unknown substances, unlike chemical raw materials derived from naphtha. However, in the conventional technology, the properties of the substances are unknown, and there has been no sufficient consideration in the past as to whether it is necessary to remove all substances or only specific substances. Therefore, even though the above patent documents propose alcohol produced from recyclable resources, the current situation is that there is still room for technological improvement before the alcohol can be put to practical use.
一方、上記文献によれば一般的な発酵・蒸留方法や最適な合成ガスの組成等が開示されているものの、その工程等の詳細は記載されておらず、また得られたアルコール物質の特定すらもされていない。 On the other hand, although the above-mentioned documents disclose general fermentation and distillation methods and the optimal composition of synthetic gas, they do not describe the details of the process, nor do they specify the alcoholic substance obtained.
そこで、本発明は、かかる背景技術に鑑みなされたものであり、その課題は、既存の石化原料よりも産業的価値のある実用的な新規なアルコール及びその誘導品を提供することにある。 The present invention has been made in consideration of this background technology, and its objective is to provide a practical new alcohol and its derivatives that are more industrially valuable than existing petrochemical raw materials.
本発明者らは、上記の課題を解決すべく鋭意検討を行った結果、循環型資源から製造されるアルコールに含まれる多種多様な微量な物質を特定し、更に含有量を新規な製造方法により特定範囲に制御することが可能となり、加えてその種々の誘導品が、既存の石化由来アルコールに比べて優れた効果を発揮することがわかった。例えば、エタノールからブタジエンを合成する工程において、従来の石化由来エタノールを用いた場合よりもエタノール転化率が向上し、石化由来のアルコールと同等ないしそれ以上に実用的なレベルのアルコールが得られることを見出し、本発明に至った。 The inventors conducted intensive research to solve the above problems, and as a result, they identified the wide variety of trace substances contained in alcohol produced from recycled resources, and further found that it is possible to control the content within a specific range using a new production method, and further found that various derivatives thereof exhibit superior effects compared to existing petroleum-derived alcohol. For example, they discovered that in the process of synthesizing butadiene from ethanol, the ethanol conversion rate is improved compared to when conventional petroleum-derived ethanol is used, and that alcohol of a practical level equal to or higher than that of petroleum-derived alcohol can be obtained, leading to the present invention.
より具体的には、廃棄物を炭素原とする一酸化炭素および水素を含むガス基質からエタノールを製造した場合、当該エタノールからブタジエンを合成するとエタノールの転化率が向上する事実を見出し、この理由を詳細に調べたところ、一酸化炭素および水素を含むガスを基質とする循環型資源由来のエタノールには、ガスクロマトグラフ質量分析法によって測定されたガスクロマトグラフにおいて、化石燃料由来のエタノールには見られない特有のピークが存在することが判明した。本発明はかかる知見に基づくものである。 More specifically, it was found that when ethanol is produced from a gas substrate containing carbon monoxide and hydrogen using waste as the carbon source, the conversion rate of ethanol is improved when butadiene is synthesized from the ethanol. Upon detailed investigation of the reason for this, it was found that ethanol derived from recycled resources using a gas substrate containing carbon monoxide and hydrogen has a unique peak in gas chromatographs measured by gas chromatography mass spectrometry that is not seen in ethanol derived from fossil fuels. The present invention is based on this finding.
即ち、本発明は以下の要旨を含む。
[1] 一酸化炭素および水素を含むガスを基質とする微生物発酵由来のエタノールであって、
ガスクロマトグラフ質量分析法(GC/MS法)により、下記条件において測定したガスクロマトグラフにおいて、
リテンションタイムが5分25秒~5分35秒のピーク、および
リテンションタイムが2分55秒~3分5秒のピーク
を有する、エタノール。
<GC/MS法の分析条件>
カラム:キャピラリーカラム(長さ60m、内径0.25mm、膜厚0.25μm)
オーブン温度:40℃、1分間→5℃/分→100℃、10分間→10℃/分→250℃、4分間
サンプリング時間:5分
キャリアガス:He(3.0mL/分)
[2] 前記ガスクロマトグラフにおいて、更にリテンションタイムが5分30秒~5分35秒のピークを有する、[1]のエタノール。
[3] 前記一酸化炭素および水素を含むガスが廃棄物由来である、[1]または[2]のエタノール。
[4] 炭素源を一酸化炭素および水素を含む合成ガスに変換する工程と、
前記一酸化炭素および水素を含む合成ガスを微生物発酵槽に供給し、微生物発酵によりエタノール含有液を得る微生物発酵工程と、
前記エタノール含有液を、微生物を含む液体ないし固体成分とエタノールを含む気体成分とに分離する分離工程と、
前記気体成分を凝縮させて液化する液化工程と、
前記液化工程で得られた液体物からエタノールを精製する精製工程と、
を含み、
前記精製されたエタノールは、
ガスクロマトグラフ質量分析法(GC/MS法)により、下記条件において測定したガスクロマトグラフにおいて、
リテンションタイムが5分25秒~5分35秒のピーク、および
リテンションタイムが2分55秒~3分5秒のピーク
を有する、エタノールの製造方法。
<GC/MS法の分析条件>
カラム:キャピラリーカラム(長さ60m、内径0.25mm、膜厚0.25μm)
オーブン温度:40℃、1分間→5℃/分→100℃、10分間→10℃/分→250℃、4分間
サンプリング時間:5分
キャリアガス:He(3.0mL/分)
トランスファーライン温度:240℃
[5] 前記合成ガスを精製する工程を更に含む、[4]に記載の方法。
[6] 前記炭素源が廃棄物由来である、[4]または[5]に記載の方法。
[7] [1]~[3]のいずれかに記載のエタノールを原料とする化成品。
[8] [1]~[3]のいずれかに記載のエタノールを原料とするポリマー。
[9] [8]に記載のポリマーからなる成形品。
That is, the present invention includes the following.
[1] Ethanol derived from microbial fermentation using a gas containing carbon monoxide and hydrogen as a substrate,
The gas chromatograph was measured by gas chromatography/mass spectrometry (GC/MS) under the following conditions:
A peak with a retention time of 5 minutes 25 seconds to 5 minutes 35 seconds, and a peak with a retention time of 2 minutes 55 seconds to 3 minutes 5 seconds.
<GC/MS analysis conditions>
Column: Capillary column (length 60 m, inner diameter 0.25 mm, film thickness 0.25 μm)
Oven temperature: 40°C, 1 min → 5°C/min → 100°C, 10 min → 10°C/min → 250°C, 4 min Sampling time: 5 min Carrier gas: He (3.0 mL/min)
[2] The ethanol according to [1], further having a peak at a retention time of 5 minutes 30 seconds to 5 minutes 35 seconds in the gas chromatograph.
[3] The ethanol according to [1] or [2], wherein the gas containing carbon monoxide and hydrogen is derived from waste.
[4] A process for converting a carbon source into a synthesis gas comprising carbon monoxide and hydrogen;
a microbial fermentation step of supplying the synthesis gas containing carbon monoxide and hydrogen to a microbial fermenter and obtaining an ethanol-containing liquid by microbial fermentation;
a separation step of separating the ethanol-containing liquid into a liquid or solid component containing microorganisms and a gas component containing ethanol;
a liquefaction step of condensing and liquefying the gas components;
a purification step of purifying ethanol from the liquid obtained in the liquefaction step;
Including,
The purified ethanol is
The gas chromatograph was measured by gas chromatography/mass spectrometry (GC/MS) under the following conditions:
A method for producing ethanol, comprising: a peak having a retention time of 5 minutes 25 seconds to 5 minutes 35 seconds; and a peak having a retention time of 2 minutes 55 seconds to 3 minutes 5 seconds.
<GC/MS analysis conditions>
Column: Capillary column (length 60 m, inner diameter 0.25 mm, film thickness 0.25 μm)
Oven temperature: 40°C, 1 min → 5°C/min → 100°C, 10 min → 10°C/min → 250°C, 4 min Sampling time: 5 min Carrier gas: He (3.0 mL/min)
Transfer line temperature: 240°C
[5] The method according to [4], further comprising a step of purifying the synthesis gas.
[6] The method according to [4] or [5], wherein the carbon source is derived from a waste material.
[7] A chemical product using the ethanol according to any one of [1] to [3] as a raw material.
[8] A polymer made from ethanol according to any one of [1] to [3].
[9] A molded article made of the polymer according to [8].
本発明によれば、ガスクロマトグラフ質量分析法(GC/MS法)により測定したガスクロマトグラフにおいて、リテンションタイムが5分25秒~5分35秒であるエタノール由来のピークに加えて、リテンションタイムが2分55秒~3分5秒のピークを有するようなエタノールとすることにより、市販の工業用エタノールに比べて種々の異質な効果を得ることができる。例えば、本発明によれば、エタノールを原料としてブタジエンを合成する際のエタノール転化率を向上させたり、カルボン酸にエタノールを加えてカルボン酸エステルを合成する際の反応率を向上させることができる。加えて、既存のアルコールであっても、特有のピークに由来する物質を特定量含有させることでも同様の効果が得られることが期待される。 According to the present invention, by producing ethanol that has a peak with a retention time of 2 minutes 55 seconds to 3 minutes 5 seconds in addition to the ethanol-derived peak with a retention time of 5 minutes 25 seconds to 5 minutes 35 seconds in a gas chromatograph measured by gas chromatography/mass spectrometry (GC/MS), various different effects can be obtained compared to commercially available industrial ethanol. For example, according to the present invention, it is possible to improve the ethanol conversion rate when synthesizing butadiene using ethanol as a raw material, and to improve the reaction rate when synthesizing a carboxylic acid ester by adding ethanol to a carboxylic acid. In addition, it is expected that similar effects can be obtained even with existing alcohols by adding a specific amount of a substance derived from a unique peak.
また、本発明によるエタノールは、例えば、ブタンジエン、エチレン、ポリエチレン、エチレングリコール、ポリエステル等の製造の原料として用いることで収率を向上させることができる。また、本発明によるエタノールは、化粧品、香水、燃料、不凍液、殺菌剤、消毒剤、清掃剤、カビ取り剤、洗剤、洗髪剤、石鹸、制汗剤、洗顔シート、溶剤、塗料、接着剤、希釈剤、食品添加物等の化成品の様々な用途に用いることができる。 The ethanol of the present invention can be used as a raw material for the production of, for example, butadiene, ethylene, polyethylene, ethylene glycol, polyester, etc., to improve the yield. The ethanol of the present invention can also be used for various applications in chemical products, such as cosmetics, perfumes, fuels, antifreeze, bactericides, disinfectants, cleaning agents, mold removers, detergents, hair washes, soaps, antiperspirants, face wash sheets, solvents, paints, adhesives, diluents, and food additives.
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。 The following describes an example of a preferred embodiment of the present invention. However, the following embodiment is merely an example for explaining the present invention, and the present invention is not limited to the following embodiment.
<定義>
本発明において「エタノール」とは、化合物として純粋なエタノール(化学式:CH3CH2OHで表されるエタノール)を意味するものではなく、合成ないし精製を経て製造されたエタノールに不可避的に含まれる不純物(夾雑物成分)を含む組成物を意味するものとする。
<Definition>
In the present invention, "ethanol" does not mean pure ethanol as a compound (ethanol represented by the chemical formula: CH3CH2OH ), but means a composition containing impurities (contaminant components) that are inevitably contained in ethanol produced through synthesis or purification .
<エタノール>
本発明によるエタノールは、一酸化炭素および水素を含むガスを基質とする微生物発酵由来のエタノールを含み、ガスクロマトグラフ質量分析法(GC/MS法)により、下記条件において測定したガスクロマトグラフにおいて、
リテンションタイムが5分25秒~5分35秒のピーク、および
リテンションタイムが2分55秒~3分5秒のピーク
を有するものである。
<GC/MS法の分析条件>
カラム:キャピラリーカラム(長さ60m、内径0.25mm、膜厚0.25μm)
オーブン温度:40℃、1分間→5℃/分→100℃、10分間→10℃/分→250℃、4分間
サンプリング時間:5分
キャリアガス:He(3.0mL/分)
<Ethanol>
The ethanol according to the present invention includes ethanol derived from microbial fermentation using a gas containing carbon monoxide and hydrogen as a substrate, and is measured by gas chromatography/mass spectrometry (GC/MS) under the following conditions, and the ethanol content is:
A peak with a retention time of 5 minutes 25 seconds to 5 minutes 35 seconds, and a peak with a retention time of 2 minutes 55 seconds to 3 minutes 5 seconds.
<GC/MS analysis conditions>
Column: Capillary column (length 60 m, inner diameter 0.25 mm, film thickness 0.25 μm)
Oven temperature: 40°C, 1 min → 5°C/min → 100°C, 10 min → 10°C/min → 250°C, 4 min Sampling time: 5 min Carrier gas: He (3.0 mL/min)
純度が100%、即ち不純物を全く含まないエタノールは、GC/MS法により上記条件において測定したガスクロマトグラフにおいて、エタノール由来のリテンションタイムが6分5秒~6分15秒のピークを有するが、リテンションタイムが2分55秒~3分5秒のピークは有なさい。また、市販されている化石燃料由来の工業用エタノールも、GC/MS法により上記条件において測定したガスクロマトグラフにおいて、リテンションタイムが2分55秒~3分5秒のピークは有なさい。更に、セルロース等のバイオマス原料を用いて発酵法により製造したエタノールも、リテンションタイムが2分55秒~3分5秒のピークは有なさい。このように、リテンションタイムが2分55秒~3分5秒のピークは、一酸化炭素および水素を含むガスを基質とする微生物発酵由来のエタノールに特有のものであると考えられる。 Ethanol that is 100% pure, i.e., does not contain any impurities, has a peak in the retention time derived from ethanol at 6 minutes 5 seconds to 6 minutes 15 seconds in a gas chromatograph measured under the above conditions using the GC/MS method, but also has a peak in the retention time at 2 minutes 55 seconds to 3 minutes 5 seconds. In addition, commercially available industrial ethanol derived from fossil fuels also has a peak in the retention time at 2 minutes 55 seconds to 3 minutes 5 seconds in a gas chromatograph measured under the above conditions using the GC/MS method. Furthermore, ethanol produced by fermentation using biomass raw materials such as cellulose also has a peak in the retention time at 2 minutes 55 seconds to 3 minutes 5 seconds. Thus, the peak in the retention time at 2 minutes 55 seconds to 3 minutes 5 seconds is thought to be unique to ethanol derived from microbial fermentation using gas containing carbon monoxide and hydrogen as a substrate.
理論に拘束されるわけではないが、一酸化炭素および水素を含むガスを基質とする微生物発酵由来のエタノールは、その製造工程において、使用される合成ガスが、一酸化炭素および水素以外にも種々の微量成分を含んでいると考えられ、蒸留等の精製工程を経て得られたアルコールであってもアルデヒド化合物等のエタノールと沸点が極めて近い物質が含まれているものと考えられる。本発明においては、これらの不可避的物質がエタノール中に含まれることにより、エタノールを原料としてブタジエンを合成する際のエタノール転化率を向上させたり、カルボン酸にエタノールを加えてカルボン酸エステルを合成する際の反応率を向上させることができるものと考えられる。 Without being bound by theory, it is believed that the synthesis gas used in the production process of ethanol derived from microbial fermentation using gas containing carbon monoxide and hydrogen as a substrate contains various trace components in addition to carbon monoxide and hydrogen, and that even alcohol obtained through a purification process such as distillation contains substances such as aldehyde compounds that have boiling points very close to those of ethanol. In the present invention, it is believed that the inclusion of these unavoidable substances in ethanol can improve the ethanol conversion rate when synthesizing butadiene using ethanol as a raw material, and can improve the reaction rate when synthesizing a carboxylic acid ester by adding ethanol to a carboxylic acid.
一酸化炭素および水素を含むガスを基質とする微生物発酵由来のエタノールは、リテンションタイムが2分55秒~3分5秒のピーク以外にも、リテンションタイムが5分30秒~5分35秒のピークを有するものであることが好ましい。上記と同様の理由により、蒸留等の精製工程を経て得られたエタノールであってもアルデヒド化合物等のエタノールと沸点が極めて近い物質が含まれているものと考えられ、これら複数の不可避的物質が、エタノールを原料とした反応工程において何らかの作用を及ぼして、エタノール転化率や反応率を向上させているものと考えられる。 Ethanol derived from microbial fermentation using gas containing carbon monoxide and hydrogen as a substrate preferably has a peak retention time of 5 minutes 30 seconds to 5 minutes 35 seconds in addition to the peak retention time of 2 minutes 55 seconds to 3 minutes 5 seconds. For the same reasons as above, even ethanol obtained through a purification process such as distillation is thought to contain substances such as aldehyde compounds that have boiling points very close to that of ethanol, and these multiple unavoidable substances are thought to have some effect in the reaction process using ethanol as a raw material, improving the ethanol conversion rate and reaction rate.
本発明のエタノールは、後記するように微生物発酵槽から得られたエタノール含有液を抽出し、更に精製して得られるものであるが、上記した不可避的物質以外に他の成分が含まれていてもよい。例えば、微量の芳香族化合物が含まれていてもよい。芳香族化合物としては、トルエン、エチルベンゼン、o-キシレン、m-キシレン、およびp-キシレンが挙げられ、これらの1種のみが含まれても良いし、2種以上が含まれても良い。芳香族化合物としては、エチルベンゼンが含まれることが好ましい。 The ethanol of the present invention is obtained by extracting and further purifying the ethanol-containing liquid obtained from the microbial fermenter as described below, and may contain other components in addition to the unavoidable substances mentioned above. For example, it may contain trace amounts of aromatic compounds. Examples of aromatic compounds include toluene, ethylbenzene, o-xylene, m-xylene, and p-xylene, and only one of these may be contained, or two or more of these may be contained. It is preferable that the aromatic compound contains ethylbenzene.
エタノール中に含まれる芳香族化合物の含有量(総和)は、エタノール全体に対して、0.001質量ppm以上であり、好ましくは0.005質量ppm以上、より好ましくは0.01質量ppm以上、さらに好ましくは0.1質量ppm以上であり、また、100質量ppm以下であり、好ましくは50質量ppm以下、より好ましくは10質量ppm以下、さらに好ましくは5質量ppm以下である。 The content (sum) of aromatic compounds contained in ethanol is 0.001 ppm by mass or more, preferably 0.005 ppm by mass or more, more preferably 0.01 ppm by mass or more, even more preferably 0.1 ppm by mass or more, and is 100 ppm by mass or less, preferably 50 ppm by mass or less, more preferably 10 ppm by mass or less, even more preferably 5 ppm by mass or less, based on the total amount of ethanol.
エタノール中にエチルベンゼンが含まれる場合、エチルベンゼンの含有量は、エタノール全体に対して、好ましくは0.1質量ppm以上であり、より好ましくは0.2質量ppm以上であり、さらに好ましくは0.3質量ppm以上であり、さらにより好ましくは0.5質量ppm以上であり、また、好ましくは5質量ppm以下であり、より好ましくは3質量ppm以下であり、さらに好ましくは2質量ppm以下であり、さらにより好ましくは1質量ppm以下である。 When ethylbenzene is contained in ethanol, the content of ethylbenzene is preferably 0.1 ppm by mass or more, more preferably 0.2 ppm by mass or more, even more preferably 0.3 ppm by mass or more, even more preferably 0.5 ppm by mass or more, and preferably 5 ppm by mass or less, more preferably 3 ppm by mass or less, even more preferably 2 ppm by mass or less, and even more preferably 1 ppm by mass or less, based on the total amount of ethanol.
エタノール中にトルエンが含まれる場合、トルエンの含有量は、エタノール全体に対して、好ましくは0.01質量ppm以上であり、より好ましくは0.02質量ppm以上であり、さらに好ましくは0.03質量ppm以上であり、さらにより好ましくは0.05質量ppm以上であり、また、好ましくは1質量ppm以下であり、より好ましくは0.5質量ppm以下であり、さらに好ましくは0.2質量ppm以下であり、さらにより好ましくは0.1質量ppm以下である。 When toluene is contained in ethanol, the toluene content is preferably 0.01 ppm by mass or more, more preferably 0.02 ppm by mass or more, even more preferably 0.03 ppm by mass or more, even more preferably 0.05 ppm by mass or more, and preferably 1 ppm by mass or less, more preferably 0.5 ppm by mass or less, even more preferably 0.2 ppm by mass or less, and even more preferably 0.1 ppm by mass or less, based on the total ethanol.
エタノール中にo-キシレンが含まれる場合、o-キシレンの含有量は、エタノール全体に対して、好ましくは0.1質量ppm以上であり、より好ましくは0.2質量ppm以上であり、さらに好ましくは0.3質量ppm以上であり、さらにより好ましくは0.5質量ppm以上であり、また、好ましくは5質量ppm以下であり、より好ましくは3質量ppm以下であり、さらに好ましくは2質量ppm以下であり、さらにより好ましくは1質量ppm以下である。 When o-xylene is contained in ethanol, the content of o-xylene is preferably 0.1 ppm by mass or more, more preferably 0.2 ppm by mass or more, even more preferably 0.3 ppm by mass or more, even more preferably 0.5 ppm by mass or more, and preferably 5 ppm by mass or less, more preferably 3 ppm by mass or less, even more preferably 2 ppm by mass or less, and even more preferably 1 ppm by mass or less, based on the total amount of ethanol.
エタノール中にm-キシレンおよび/またはp-キシレンが含まれる場合、m-キシレンおよび/またはp-キシレンの含有量(総和)は、エタノール全体に対して、好ましくは0.2質量ppm以上であり、より好ましくは0.3質量ppm以上であり、さらに好ましくは0.4質量ppm以上であり、さらにより好ましくは0.5質量ppm以上であり、また、好ましくは5質量ppm以下であり、より好ましくは3質量ppm以下であり、さらに好ましくは2質量ppm以下であり、さらにより好ましくは1質量ppm以下である。 When m-xylene and/or p-xylene are contained in ethanol, the content (total) of m-xylene and/or p-xylene relative to the total ethanol is preferably 0.2 ppm by mass or more, more preferably 0.3 ppm by mass or more, even more preferably 0.4 ppm by mass or more, even more preferably 0.5 ppm by mass or more, and preferably 5 ppm by mass or less, more preferably 3 ppm by mass or less, even more preferably 2 ppm by mass or less, and even more preferably 1 ppm by mass or less.
また、本発明によるエタノールは、微量の脂肪族炭化水素がさらに含まれていてもよい。脂肪族炭化水素としては、n-ヘキサン、n-ヘプタン、n-オクタン、n-デカン、n-ドデカン、およびn-テトラデカン、ヘキサデカン等が挙げられ、これらの1種のみが含まれても良いし、2種以上が含まれても良い。芳香族化合物としては、n-ヘキサン、n-デカン、およびn-ドデカンの1種以上が含まれることが好ましい。 The ethanol according to the present invention may further contain a trace amount of aliphatic hydrocarbons. Examples of aliphatic hydrocarbons include n-hexane, n-heptane, n-octane, n-decane, n-dodecane, n-tetradecane, hexadecane, etc., and only one of these may be contained, or two or more of these may be contained. As aromatic compounds, it is preferable that one or more of n-hexane, n-decane, and n-dodecane are contained.
エタノール中に含まれる脂肪族炭化水素の含有量(総和)は、エタノール全体に対して、好ましくは0.001質量ppm以上であり、好ましくは0.005質量ppm以上、より好ましくは0.01質量ppm以上、さらに好ましくは0.1質量ppm以上であり、また、100質量ppm以下であり、好ましくは50質量ppm以下、より好ましくは10質量ppm以下、さらに好ましくは5質量ppm以下である。 The content (total) of aliphatic hydrocarbons contained in ethanol is preferably 0.001 ppm by mass or more, preferably 0.005 ppm by mass or more, more preferably 0.01 ppm by mass or more, even more preferably 0.1 ppm by mass or more, and is 100 ppm by mass or less, preferably 50 ppm by mass or less, more preferably 10 ppm by mass or less, even more preferably 5 ppm by mass or less, based on the total amount of ethanol.
エタノール中にn-ヘキサンが含まれる場合、n-ヘキサンの含有量は、エタノール全体に対して、好ましくは0.1質量ppm以上であり、より好ましくは0.2質量ppm以上であり、さらに好ましくは0.3質量ppm以上であり、さらにより好ましくは0.5質量ppm以上であり、また、好ましくは5質量ppm以下であり、より好ましくは3質量ppm以下であり、さらに好ましくは2質量ppm以下であり、さらにより好ましくは1質量ppm以下である。 When n-hexane is contained in ethanol, the content of n-hexane is preferably 0.1 ppm by mass or more, more preferably 0.2 ppm by mass or more, even more preferably 0.3 ppm by mass or more, even more preferably 0.5 ppm by mass or more, and preferably 5 ppm by mass or less, more preferably 3 ppm by mass or less, even more preferably 2 ppm by mass or less, and even more preferably 1 ppm by mass or less, based on the total ethanol.
エタノール中にn-ヘプタンが含まれる場合、n-ヘプタンの含有量は、エタノール全体に対して、好ましくは0.01質量ppm以上であり、より好ましくは0.02質量ppm以上であり、さらに好ましくは0.03質量ppm以上であり、さらにより好ましくは0.05質量ppm以上であり、また、好ましくは1質量ppm以下であり、より好ましくは0.5質量ppm以下であり、さらに好ましくは0.2質量ppm以下であり、さらにより好ましくは0.1質量ppm以下である。 When n-heptane is contained in ethanol, the content of n-heptane is preferably 0.01 ppm by mass or more, more preferably 0.02 ppm by mass or more, even more preferably 0.03 ppm by mass or more, even more preferably 0.05 ppm by mass or more, and preferably 1 ppm by mass or less, more preferably 0.5 ppm by mass or less, even more preferably 0.2 ppm by mass or less, and even more preferably 0.1 ppm by mass or less, based on the total ethanol.
エタノール中にn-オクタンが含まれる場合、n-オクタンの含有量は、エタノール全体に対して、好ましくは0.01質量ppm以上であり、より好ましくは0.02質量ppm以上であり、さらに好ましくは0.03質量ppm以上であり、さらにより好ましくは0.05質量ppm以上であり、また、好ましくは1質量ppm以下であり、より好ましくは0.5質量ppm以下であり、さらに好ましくは0.2質量ppm以下であり、さらにより好ましくは0.1質量ppm以下である。 When n-octane is contained in ethanol, the content of n-octane is preferably 0.01 ppm by mass or more, more preferably 0.02 ppm by mass or more, even more preferably 0.03 ppm by mass or more, even more preferably 0.05 ppm by mass or more, and preferably 1 ppm by mass or less, more preferably 0.5 ppm by mass or less, even more preferably 0.2 ppm by mass or less, and even more preferably 0.1 ppm by mass or less, based on the total ethanol.
エタノール中にn-デカンが含まれる場合、n-デカンの含有量は、エタノール全体に対して、好ましくは0.01質量ppm以上であり、より好ましくは0.02質量ppm以上であり、さらに好ましくは0.03質量ppm以上であり、さらにより好ましくは0.05質量ppm以上であり、また、好ましくは1質量ppm以下であり、より好ましくは0.5質量ppm以下であり、さらに好ましくは0.2質量ppm以下であり、さらにより好ましくは0.1質量ppm以下である。 When n-decane is contained in ethanol, the content of n-decane is preferably 0.01 ppm by mass or more, more preferably 0.02 ppm by mass or more, even more preferably 0.03 ppm by mass or more, even more preferably 0.05 ppm by mass or more, and preferably 1 ppm by mass or less, more preferably 0.5 ppm by mass or less, even more preferably 0.2 ppm by mass or less, and even more preferably 0.1 ppm by mass or less, based on the total ethanol.
エタノール中にn-ドデカンが含まれる場合、n-ドデカンの含有量は、エタノール全体に対して、好ましくは0.01質量ppm以上であり、より好ましくは0.02質量ppm以上であり、さらに好ましくは0.03質量ppm以上であり、さらにより好ましくは0.05質量ppm以上であり、また、好ましくは1質量ppm以下であり、より好ましくは0.5質量ppm以下であり、さらに好ましくは0.2質量ppm以下であり、さらにより好ましくは0.1質量ppm以下である。 When n-dodecane is contained in ethanol, the content of n-dodecane is preferably 0.01 ppm by mass or more, more preferably 0.02 ppm by mass or more, even more preferably 0.03 ppm by mass or more, even more preferably 0.05 ppm by mass or more, and preferably 1 ppm by mass or less, more preferably 0.5 ppm by mass or less, even more preferably 0.2 ppm by mass or less, and even more preferably 0.1 ppm by mass or less, based on the total ethanol.
エタノール中にn-テトラデカンが含まれる場合、n-テトラデカンの含有量は、エタノール全体に対して、好ましくは0.01質量ppm以上であり、より好ましくは0.02質量ppm以上であり、さらに好ましくは0.03質量ppm以上であり、さらにより好ましくは0.05質量ppm以上であり、また、好ましくは1質量ppm以下であり、より好ましくは0.5質量ppm以下であり、さらに好ましくは0.2質量ppm以下であり、さらにより好ましくは0.1質量ppm以下である。 When n-tetradecane is contained in ethanol, the content of n-tetradecane is preferably 0.01 ppm by mass or more, more preferably 0.02 ppm by mass or more, even more preferably 0.03 ppm by mass or more, even more preferably 0.05 ppm by mass or more, and preferably 1 ppm by mass or less, more preferably 0.5 ppm by mass or less, even more preferably 0.2 ppm by mass or less, and even more preferably 0.1 ppm by mass or less, based on the total ethanol.
エタノール中にヘキサデカンが含まれる場合、ヘキサデカンの含有量は、エタノール全体に対して、好ましくは0.01質量ppm以上であり、より好ましくは0.02質量ppm以上であり、さらに好ましくは0.03質量ppm以上であり、さらにより好ましくは0.05質量ppm以上であり、また、好ましくは1質量ppm以下であり、より好ましくは0.5質量ppm以下であり、さらに好ましくは0.2質量ppm以下であり、さらにより好ましくは0.1質量ppm以下である。 When hexadecane is contained in ethanol, the content of hexadecane relative to the total ethanol is preferably 0.01 ppm by mass or more, more preferably 0.02 ppm by mass or more, even more preferably 0.03 ppm by mass or more, even more preferably 0.05 ppm by mass or more, and preferably 1 ppm by mass or less, more preferably 0.5 ppm by mass or less, even more preferably 0.2 ppm by mass or less, and even more preferably 0.1 ppm by mass or less.
本発明によるエタノールは、GC/MS法により上記条件において測定したガスクロマトグラフにおいて、リテンションタイムが6分36秒~6分45秒のピークを有していてもよい。リテンションタイムが6分36秒~6分45秒のピークは、デカン由来と考えられる。また、GC/MS法により上記条件において測定したガスクロマトグラフにおいて、リテンションタイムが12分30秒~12分40秒のピークを有していてもよい。リテンションタイムが12分30秒~12分40秒のピークは、テトラデカン由来と考えられる。また、GC/MS法により上記条件において測定したガスクロマトグラフにおいて、リテンションタイムが15分00秒~15分15秒のピークを有していてもよい。リテンションタイムが15分00秒~15分15秒のピークは、ヘキサデカン由来と考えられる。 The ethanol according to the present invention may have a peak with a retention time of 6 minutes 36 seconds to 6 minutes 45 seconds in a gas chromatograph measured under the above conditions by the GC/MS method. The peak with a retention time of 6 minutes 36 seconds to 6 minutes 45 seconds is considered to be derived from decane. Also, the ethanol may have a peak with a retention time of 12 minutes 30 seconds to 12 minutes 40 seconds in a gas chromatograph measured under the above conditions by the GC/MS method. The peak with a retention time of 12 minutes 30 seconds to 12 minutes 40 seconds is considered to be derived from tetradecane. Also, the ethanol may have a peak with a retention time of 15 minutes 00 seconds to 15 minutes 15 seconds in a gas chromatograph measured under the above conditions by the GC/MS method. The peak with a retention time of 15 minutes 00 seconds to 15 minutes 15 seconds is considered to be derived from hexadecane.
また、本発明によるエタノールは、微量のジアルキルエーテルがさらに含まれていてもよい。ジアルキルエーテルとしては、ジメチルエーテル、ジエチルエーテル、ジプロピルエーテル、ジブチルエーテル、およびジペンチルエーテルが挙げられ、これらの1種のみが含まれても良いし、2種以上が含まれても良い。芳香族化合物としては、ジブチルエーテルが含まれることが好ましい。 The ethanol according to the present invention may further contain a trace amount of dialkyl ether. Examples of dialkyl ethers include dimethyl ether, diethyl ether, dipropyl ether, dibutyl ether, and dipentyl ether, and only one of these may be contained, or two or more of these may be contained. As the aromatic compound, it is preferable that dibutyl ether is contained.
エタノール中に含まれるジアルキルエーテルの含有量(総和)は、エタノール全体に対して、好ましくは0.001質量ppm以上であり、好ましくは0.01質量ppm以上、より好ましくは0.1質量ppm以上、さらに好ましくは1.0質量ppm以上であり、また、100質量ppm以下であり、好ましくは80質量ppm以下、より好ましくは50質量ppm以下、さらに好ましくは30質量ppm以下である。 The content (total) of dialkyl ethers contained in ethanol is preferably 0.001 ppm by mass or more, preferably 0.01 ppm by mass or more, more preferably 0.1 ppm by mass or more, even more preferably 1.0 ppm by mass or more, and is 100 ppm by mass or less, preferably 80 ppm by mass or less, more preferably 50 ppm by mass or less, even more preferably 30 ppm by mass or less, based on the total amount of ethanol.
エタノール中にジブチルエーテルが含まれる場合、ジブチルエーテルの含有量は、エタノールに対して、好ましくは1質量ppm以上であり、より好ましくは2質量ppm以上であり、さらに好ましくは5質量ppm以上であり、さらにより好ましくは10質量ppm以上であり、また、好ましくは50質量ppm以下であり、より好ましくは40質量ppm以下であり、さらに好ましくは30質量ppm以下であり、さらにより好ましくは25質量ppm以下である。 When dibutyl ether is contained in ethanol, the content of dibutyl ether is preferably 1 ppm by mass or more, more preferably 2 ppm by mass or more, even more preferably 5 ppm by mass or more, even more preferably 10 ppm by mass or more, and preferably 50 ppm by mass or less, more preferably 40 ppm by mass or less, even more preferably 30 ppm by mass or less, and even more preferably 25 ppm by mass or less, relative to the ethanol.
本発明のエタノールは、上記のような有機化合物を極微量含むものであるが、Si、K、Na、Fe、Cr等の元素を含む化合物を含んでいてもよい。これらの元素を含む化合物は、無機化合物の場合もあるが有機金属化合物の場合もある。例えば、Siを含む場合において、シリカやオルガノシロキサンが含まれていてもよい。 The ethanol of the present invention contains trace amounts of the organic compounds described above, but may also contain compounds containing elements such as Si, K, Na, Fe, and Cr. Compounds containing these elements may be inorganic compounds or organometallic compounds. For example, when they contain Si, they may contain silica or organosiloxane.
エタノール中にシリカが含まれる場合、シリカの含有量は、エタノールに対して、好ましくは10質量ppm以上であり、より好ましくは20質量ppm以上であり、さらに好ましくは30質量ppm以上であり、また、好ましくは100質量ppm以下であり、より好ましくは90質量ppm以下であり、さらに好ましくは80質量ppm以下である。 When silica is contained in ethanol, the content of silica relative to the ethanol is preferably 10 ppm by mass or more, more preferably 20 ppm by mass or more, even more preferably 30 ppm by mass or more, and preferably 100 ppm by mass or less, more preferably 90 ppm by mass or less, even more preferably 80 ppm by mass or less.
エタノール中にカリウムが含まれる場合、カリウムの含有量は、エタノールに対して、好ましくは0.5質量ppm以上であり、より好ましくは1質量ppm以上であり、また、好ましくは10質量ppm以下であり、より好ましくは5質量ppm以下である。カリウムの含有量とは、カリウム化合物のカリウム元素換算量である。 When potassium is contained in ethanol, the potassium content is preferably 0.5 ppm by mass or more, more preferably 1 ppm by mass or more, and preferably 10 ppm by mass or less, more preferably 5 ppm by mass or less, relative to the ethanol. The potassium content is the amount of potassium compound converted into elemental potassium.
エタノール中にナトリウムが含まれる場合、ナトリウムの含有量は、エタノールに対して、好ましくは100質量ppm以上であり、より好ましくは150質量ppm以上であり、また、好ましくは300質量ppm以下であり、より好ましくは200質量ppm以下である。ナトリウムの含有量とは、ナトリウム化合物のナトリウム元素換算量である。 When sodium is contained in ethanol, the sodium content is preferably 100 ppm by mass or more, more preferably 150 ppm by mass or more, and preferably 300 ppm by mass or less, more preferably 200 ppm by mass or less, relative to the ethanol. The sodium content is the amount of sodium compound converted into elemental sodium.
エタノール中にFeが含まれる場合、Feの含有量は、エタノールに対して、好ましくは0.01質量ppm以上であり、より好ましくは0.1質量ppm以上であり、また、好ましくは2質量ppm以下であり、より好ましくは1質量ppm以下である。Feの含有量とは、Fe化合物のFe元素換算量である。 When ethanol contains Fe, the Fe content is preferably 0.01 ppm by mass or more, more preferably 0.1 ppm by mass or more, and preferably 2 ppm by mass or less, more preferably 1 ppm by mass or less, relative to the ethanol. The Fe content is the amount of Fe compound converted into elemental Fe.
エタノール中にCrが含まれる場合、Crの含有量は、エタノールに対して、好ましくは0.01質量ppm以上であり、より好ましくは0.1質量ppm以上であり、また、好ましくは1質量ppm以下であり、より好ましくは0.5質量ppm以下である。Crの含有量とは、Cr化合物のCr元素換算量である。 When ethanol contains Cr, the Cr content is preferably 0.01 ppm by mass or more, more preferably 0.1 ppm by mass or more, and preferably 1 ppm by mass or less, more preferably 0.5 ppm by mass or less, relative to the ethanol. The Cr content is the amount of Cr in the Cr compound converted into Cr element.
本発明のエタノールは、上記したような成分、即ちGC/MS法により測定されたガスクロマトグラフから特定される特有の不可避的物質、および所望により微量の芳香族炭化水素や脂肪族炭化水素等が含まれるものであるが、エタノール中の主成分であるエタノール(化合物として純粋なメタノール)の濃度は、エタノール全体に対して、75質量%以上、好ましくは80質量%以上、より好ましくは90質量%以上、さらに好ましくは95質量%以上であり、さらにより好ましくは98質量%以上であり、また、好ましくは99.999質量%以下、より好ましくは99.99質量%以下、さらに好ましくは99.9質量%以下、さらにより好ましくは99.5質量%以下である。 The ethanol of the present invention contains the above-mentioned components, i.e., specific unavoidable substances identified from a gas chromatograph measured by the GC/MS method, and, if desired, trace amounts of aromatic hydrocarbons and aliphatic hydrocarbons, etc., but the concentration of ethanol (pure methanol as a compound), which is the main component in ethanol, is 75 mass% or more, preferably 80 mass% or more, more preferably 90 mass% or more, even more preferably 95 mass% or more, even more preferably 98 mass% or more, and preferably 99.999 mass% or less, more preferably 99.99 mass% or less, even more preferably 99.9 mass% or less, and even more preferably 99.5 mass% or less, based on the total ethanol.
本発明のエタノール中のエタノール濃度は目的とする用途に応じて設定すればよく、例えば、化粧品等であれば90質量%以上のものを、消毒剤用エタノールであれば75質量%以上のものが好ましく用いられ、上限も同様に用途に応じて便宜設定することができる。輸送コスト等から製品としてはエタノールの濃度が高い程好ましい。 The ethanol concentration in the ethanol of the present invention may be set according to the intended use. For example, 90% by mass or more is preferably used for cosmetics, and 75% by mass or more is preferably used for disinfectant ethanol. The upper limit can also be conveniently set according to the use. In terms of transportation costs, etc., the higher the ethanol concentration, the more preferable the product.
<エタノールの製造方法>
上記したような特有のガスクロマトグラフピークを有するエタノールを製造する方法としては、例えば、廃棄物や排ガス由来の一酸化炭素を含む合成ガスを微生物発酵によってエタノールを製造することができる。このような方法においては、廃棄物や排ガス由来の原料ガス中の芳香族化合物等の含有量および精製条件を制御し、最終製品に含まれる芳香族化合物量等を制御してもよい。以下、一例として、廃棄物や排ガス由来の一酸化炭素を含む合成ガスを微生物発酵によってエタノールを製造する方法について説明する。
<Ethanol production method>
As a method for producing ethanol having a unique gas chromatographic peak as described above, for example, ethanol can be produced by microbial fermentation of a synthetic gas containing carbon monoxide derived from waste or exhaust gas. In such a method, the content of aromatic compounds and the like in the raw gas derived from waste or exhaust gas and the purification conditions can be controlled to control the amount of aromatic compounds and the like contained in the final product. Hereinafter, as an example, a method for producing ethanol by microbial fermentation of a synthetic gas containing carbon monoxide derived from waste or exhaust gas will be described.
エタノールの製造方法は、炭素源を一酸化炭素および水素を含む合成ガスに変換する工程と、前記一酸化炭素および水素を含む合成ガスを微生物発酵槽に供給し微生物発酵によりエタノール含有液を得る微生物発酵工程と、前記エタノール含有液を、微生物を含む液体ないし固体成分とエタノールを含む気体成分とに分離する分離工程と、前記気体成分を凝縮させて液化する液化工程と、液化工程で得られた液体物からエタノールを精製する精製工程と、を工程として含むが、必要に応じて、原料ガス生成工程、合成ガス調製工程、排水処理工程等を含んでもよい。以下、各工程について説明する。 The ethanol production method includes the steps of converting a carbon source into a synthetic gas containing carbon monoxide and hydrogen, a microbial fermentation step of supplying the synthetic gas containing carbon monoxide and hydrogen to a microbial fermenter to obtain an ethanol-containing liquid by microbial fermentation, a separation step of separating the ethanol-containing liquid into a liquid or solid component containing microorganisms and a gas component containing ethanol, a liquefaction step of condensing and liquefying the gas component, and a purification step of purifying ethanol from the liquid obtained in the liquefaction step. However, the method may also include a raw material gas generation step, a synthetic gas preparation step, a wastewater treatment step, etc., as necessary. Each step will be described below.
<原料ガス生成工程>
原料ガス生成工程は、ガス化部において、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、流動床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。
<Material gas generation process>
The raw gas generation process is a process of generating raw gas by gasifying a carbon source in a gasification section. A gasification furnace may be used in the raw gas generation process. The gasification furnace is a furnace that burns (incompletely combusts) a carbon source, and examples of such furnaces include shaft furnaces, kiln furnaces, fluidized bed furnaces, and gasification reforming furnaces. The gasification furnace is preferably a fluidized bed furnace type, since partial combustion of waste allows for high hearth load and excellent operability. By gasifying the waste in a fluidized bed furnace at low temperature (about 450 to 600°C) and in a low-oxygen atmosphere, the waste is decomposed into gas (carbon monoxide, carbon dioxide, hydrogen, methane, etc.) and char containing a large amount of carbon. Furthermore, since the non-combustible materials contained in the waste are separated from the bottom of the furnace in a hygienic and low-oxidization state, it is possible to selectively recover valuable materials such as iron and aluminum from the non-combustible materials. Therefore, such gasification of waste allows for efficient resource recycling.
原料ガス生成工程における上記ガス化の温度は、特に制限されるものではないが、通常100~2500℃であり、好ましくは200~2100℃である。 The gasification temperature in the raw gas production process is not particularly limited, but is usually 100 to 2500°C, and preferably 200 to 2100°C.
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 gasification reaction time in the raw gas generation process is usually 2 seconds or more, preferably 5 seconds or more.
原料ガス生成工程において使用される炭素源は、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。 The carbon source used in the raw gas generation process is not particularly limited, and various carbon-containing materials can be suitably used for the purpose of recycling, such as coke ovens in steelworks, blast furnaces (blast furnace gas), coal used in converters and coal-fired power plants, general waste and industrial waste introduced into incinerators (particularly gasifiers), and carbon dioxide by-produced by various industries.
より詳しくは、炭素源には、廃棄物であることが好ましく、具体的には、プラスチック廃棄物、生ゴミ、都市固形廃棄物(MSW)、産業固形廃棄物、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、未分別の都市固形廃棄物がより好ましい。 More specifically, the carbon source is preferably waste material, and specific examples include plastic waste, food waste, municipal solid waste (MSW), industrial solid waste, discarded tires, biomass waste, household waste such as bedding and paper, waste from construction materials, coal, petroleum, petroleum-derived compounds, natural gas, shale gas, etc., among which various types of waste are preferred, and from the viewpoint of sorting costs, unsorted municipal solid waste is more preferred.
炭素源をガス化して得られる原料ガスは、一酸化炭素および水素を必須成分として含むが、二酸化炭素、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。 The raw material gas obtained by gasifying the carbon source contains carbon monoxide and hydrogen as essential components, but may also contain carbon dioxide, oxygen, and nitrogen. As other components, the raw material gas may further contain components such as soot, tar, nitrogen compounds, sulfur compounds, phosphorus compounds, and aromatic compounds.
原料ガスは、上記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、特に制限はないが、0.1体積%以上、好ましくは10体積%以上、より好ましくは20体積%以上含むガスとして生成してもよい。 In the above-mentioned raw gas generation process, the raw gas may be generated by performing a heat treatment (commonly known as gasification) to combust (incompletely combust) the carbon source, i.e., by partially oxidizing the carbon source, as a gas containing carbon monoxide, although there is no particular limit, 0.1 vol. % or more, preferably 10 vol. % or more, and more preferably 20 vol. % or more.
<合成ガス精製工程>
合成ガス精製工程は、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。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0.1体積%以上80体積%以下、二酸化炭素を0.1体積%以上40体積%以下、水素を0.1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、微生物発酵槽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。
<Synthetic gas refining process>
The synthesis gas purification process is a process for removing or reducing specific substances such as various pollutants, dust particles, impurities, and undesirable amounts of compounds from the raw gas. When the raw gas is derived from waste, the raw gas usually contains 0.1% by volume to 80% by volume of carbon monoxide, 0.1% by volume to 40% by volume of carbon dioxide, and 0.1% by volume to 80% by volume of hydrogen, and further tends to contain 1 ppm or more of nitrogen compounds, 1 ppm or more of sulfur compounds, 0.1 ppm or more of phosphorus compounds, and/or 10 ppm or more of aromatic compounds. In addition, other environmental pollutants, dust particles, impurities, and other substances may be contained. Therefore, when supplying synthesis gas to a microbial fermenter, it is preferable to reduce or remove substances and undesirable amounts of compounds that are undesirable for stable cultivation of microorganisms from the raw gas, so that the content of each component contained in the raw gas is within a range suitable for stable cultivation of microorganisms.
特に、合成ガス精製工程では、上記の再生吸着材を充填した圧力スイング吸着装置を用いて、合成ガス中の二酸化炭素ガスを再生吸着材(ゼオライト)に吸着させ、合成ガス中の二酸化炭素ガス濃度を低減する。さらに、合成ガスには、従来公知の他の処理工程を行って、不純物の除去やガス組成の調整を行ってもよい。他の処理工程としては、例えば、ガスチラー(水分分離装置)、低温分離方式(深冷方式)の分離装置、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、スクラバー(水溶性不純物分離装置)、脱硫装置(硫化物分離装置)、膜分離方式の分離装置、脱酸素装置、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)、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。 In particular, in the synthesis gas purification process, a pressure swing adsorption apparatus filled with the above-mentioned regenerated adsorbent is used to adsorb the carbon dioxide gas in the synthesis gas onto the regenerated adsorbent (zeolite), thereby reducing the carbon dioxide gas concentration in the synthesis gas. Furthermore, the synthesis gas may be subjected to other conventionally known treatment processes to remove impurities and adjust the gas composition. As other treatment processes, for example, one or more of a gas chiller (moisture separator), a low-temperature separation type (cryogenic type) separator, a particulate (soot) separator such as a cyclone or a bag filter, a scrubber (water-soluble impurity separator), a desulfurizer (sulfide separator), a membrane separation type separator, a deoxygenator, a pressure swing adsorption type separator (PSA), a temperature swing adsorption type separator (TSA), a pressure temperature swing adsorption type separator (PTSA), a separator using activated carbon, a separator using a copper catalyst or a palladium catalyst, etc. may be used for treatment.
本発明のエタノールの製造方法において使用する合成ガスは、少なくとも一酸化炭素を必須成分として含み、水素、二酸化炭素、窒素をさらに含んでもよい。 The synthesis gas used in the ethanol production method of the present invention contains at least carbon monoxide as an essential component, and may further contain hydrogen, carbon dioxide, and nitrogen.
本発明において使用する合成ガスは、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。 The synthesis gas used in the present invention may be a gas obtained by generating a raw material gas by gasifying a carbon source (raw material gas generation process), and then adjusting the concentrations of the components carbon monoxide, carbon dioxide, hydrogen, and nitrogen from the raw material gas, as well as reducing or removing the substances and compounds described above.
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。 The carbon monoxide concentration in the synthesis gas is usually 20% by volume or more and 80% by volume or less, preferably 25% by volume or more and 50% by volume or less, and more preferably 35% by volume or more and 45% by volume or less, based on the total concentration of carbon monoxide, carbon dioxide, hydrogen, and nitrogen in the synthesis gas.
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。 The hydrogen concentration in the synthesis gas is usually 10% by volume or more and 80% by volume or less, preferably 30% by volume or more and 55% by volume or less, and more preferably 40% by volume or more and 50% by volume or less, based on the total concentration of carbon monoxide, carbon dioxide, hydrogen, and nitrogen in the synthesis gas.
合成ガス中の二酸化炭素濃度は、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0.1体積%以上40体積%以下、好ましくは0.3体積%以上30体積%以下であり、より好ましくは0.5体積%以上10体積%以下、特に好ましくは1体積%以上6体積%以下である。 The carbon dioxide concentration in the synthesis gas is usually 0.1 vol.% or more and 40 vol.% or less, preferably 0.3 vol.% or more and 30 vol.% or less, more preferably 0.5 vol.% or more and 10 vol.% or less, and particularly preferably 1 vol.% or more and 6 vol.% or less, based on the total concentration of carbon monoxide, carbon dioxide, hydrogen, and nitrogen in the synthesis gas.
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。 The nitrogen concentration in the synthesis gas is usually 40% by volume or less, preferably 1% by volume or more and 20% by volume or less, and more preferably 5% by volume or more and 15% by volume or less, based on the total concentration of carbon monoxide, carbon dioxide, hydrogen, and nitrogen in the synthesis gas.
一酸化炭素、二酸化炭素、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 concentrations of carbon monoxide, carbon dioxide, hydrogen, and nitrogen can be set within a specified range by changing the C-H-N element composition of the carbon source in the raw gas generation process, or by appropriately changing the combustion conditions such as the combustion temperature and the oxygen concentration of the gas supplied during combustion. For example, if you want to change the carbon monoxide or hydrogen concentration, you can change to a carbon source with a high C-H ratio, such as waste plastic, or if you want to lower the nitrogen concentration, you can supply a gas with a high oxygen concentration in the raw gas generation process.
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、特に制限はないが、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2000ppm以下、より好ましくは1000ppm以下、さらに好ましくは80ppm以下、さらにより好ましくは60ppm以下、特に好ましくは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。 In addition to the above-mentioned components, the synthetic gas used in the present invention may contain, without particular limitation, sulfur compounds, phosphorus compounds, nitrogen compounds, etc. The content of each of these compounds is preferably 0.05 ppm or more, more preferably 0.1 ppm or more, even more preferably 0.5 ppm or more, and preferably 2000 ppm or less, more preferably 1000 ppm or less, even more preferably 80 ppm or less, even more preferably 60 ppm or less, and particularly preferably 40 ppm or less. By setting the content of sulfur compounds, phosphorus compounds, nitrogen compounds, etc. to the lower limit value or more, there is an advantage that microorganisms can be cultured suitably, and by setting the content to the upper limit value or less, there is an advantage that the medium is not contaminated by various nutrient sources that are not consumed by the microorganisms.
硫黄化合物としては、通常、二酸化硫黄、CS2,COS、H2Sが挙げられ、中でもH2S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H2S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 sulfur compounds include sulfur dioxide, CS2 , COS, and H2S , and among them, H2S and sulfur dioxide are preferred because they are easily consumed as a nutrient source for microorganisms. Therefore, it is more preferred that the sum of H2S and sulfur dioxide is contained in the synthesis gas within the above range.
As the phosphorus compound, phosphoric acid is preferred because it is easily consumed as a nutrient source for microorganisms, and therefore it is more preferred that the synthesis gas contains phosphoric acid in the above range.
Examples of the nitrogen compounds include nitric oxide, nitrogen dioxide, acrylonitrile, acetonitrile, HCN, etc., and HCN is preferred because it is easily consumed as a nutrient source for microorganisms. Therefore, it is more preferred that HCN is contained in the synthesis gas in the above range.
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 aromatic compounds at 0.01 ppm or more and 90 ppm or less, preferably 0.03 ppm or more, more preferably 0.05 ppm or more, even more preferably 0.1 ppm or more, and preferably 70 ppm or less, more preferably 50 ppm or less, even more preferably 30 ppm or less. By setting the content at or above the lower limit, microorganisms tend to be cultured favorably, and by setting the content at or below the upper limit, the medium tends to be less likely to be contaminated by various nutrient sources not consumed by the microorganisms.
<微生物発酵工程>
微生物発酵工程は、微生物発酵槽において、上記した合成ガスを微生物発酵させて、エタノールを製造する工程である。微生物発酵槽は、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、微生物発酵槽が、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。
<Microbial fermentation process>
The microbial fermentation step is a step of producing ethanol by microbial fermentation of the synthesis gas in a microbial fermenter. The microbial fermenter is preferably a continuous fermentation apparatus. In general, any shape of microbial fermenter can be used, including stirring type, airlift type, bubble column type, loop type, open bond type, and photobio type. In the present invention, the microbial fermenter can be suitably a known loop reactor having a main tank section and a reflux section. In this case, it is preferable to further include a circulation step of circulating the liquid medium between the main tank section and the reflux section.
微生物発酵槽に供給する合成ガスは、上記した合成ガスの成分条件を充足する限り、原料ガス生成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し、原料ガスから不純物等を低減ないし除去したガスに、別の所定のガスを追加してから合成ガスを用いてもよい。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 synthesis gas supplied to the microbial fermentation tank satisfies the above-mentioned compositional conditions of the synthesis gas, the gas obtained through the raw gas generation process may be used as the synthesis gas as is, or another specified gas may be added to the gas obtained by reducing or removing impurities from the raw gas, and then the synthesis gas may be used. As the other specified gas, at least one compound selected from the group consisting of sulfur compounds such as sulfur dioxide, phosphorus compounds, and nitrogen compounds may be added to produce the synthesis gas.
微生物発酵槽には、合成ガスと微生物培養液とが連続的に供給されてもよいが、合成ガスと微生物培養液とを同時に供給する必要はなく、予め微生物培養液を供給した微生物発酵槽に合成ガスを供給してもよい。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、液状の培地とガス資化性細菌とを供給して収容しておき、この状態で液状の培地を撹拌しつつ、微生物発酵槽内に合成ガスを供給してもよい。これにより、液状の培地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エタノールを生成することができる。 The microbial fermenter may be continuously supplied with synthetic gas and microbial culture liquid, but it is not necessary to supply synthetic gas and microbial culture liquid simultaneously, and synthetic gas may be supplied to a microbial fermenter to which microbial culture liquid has already been supplied. It is known that certain anaerobic microorganisms produce ethanol and the like from substrate gases such as synthetic gas through fermentation, and this type of gas-utilizing microorganism is cultured in a liquid medium. For example, a liquid medium and gas-utilizing bacteria may be supplied and contained, and synthetic gas may be supplied into the microbial fermenter while stirring the liquid medium in this state. In this way, gas-utilizing bacteria can be cultured in the liquid medium, and ethanol can be produced from synthetic gas through the fermentation action of the bacteria.
微生物発酵槽において、培地等の温度(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、培養時間とは、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時間を意味するものとする。 In the microbial fermenter, the temperature of the medium (culture temperature) may be any temperature, but is preferably about 30 to 45°C, more preferably about 33 to 42°C, and even more preferably about 36.5 to 37.5°C. The culture time is preferably 12 hours or more in continuous culture, more preferably 7 days or more, particularly preferably 30 days or more, and most preferably 60 days or more. There is no upper limit, but from the viewpoint of regular maintenance of the equipment, it is preferably 720 days or less, and more preferably 365 days or less. The culture time means the time from adding the seed bacteria to the culture tank to discharging the entire amount of the culture liquid in the culture tank.
微生物培養液に含まれる微生物(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エタノール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、合成ガスからエタノールを生成するものであること、特にアセチルCOAの代謝経路を有する微生物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。 The microorganisms (species) contained in the microbial culture solution are not particularly limited as long as they can produce ethanol by microbial fermentation of synthetic gas using carbon monoxide as the main raw material. For example, the microorganisms (species) are preferably ones that produce ethanol from synthetic gas through the fermentation action of gas-utilizing bacteria, and are particularly preferably microorganisms that have a metabolic pathway for acetyl-COA. Among gas-utilizing bacteria, the genus Clostridium is more preferable, and Clostridium autoethanogenum is particularly preferable, but is not limited thereto. Further examples are given below.
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-utilizing bacteria include both eubacteria and archaea. Examples of eubacteria include bacteria of the genus Clostridium, Moorella, Acetobacterium, Carboxydocella, Rhodopseudomonas, Eubacterium, Butyribacterium, Oligotropha, Bradyrhizobium, and the aerobic hydrogen-oxidizing bacteria Ralsotonia.
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, examples of archaea include Methanobacterium, Methanobrevibacter, Methanocalculus, Methanococcus, Methanosarcina, Methanosphaera, Methanothermobacter, Methanothrix, Methanoculleus, Methanofollis, and Methanogenium. Bacteria include bacteria of the genus Methanospirillium, bacteria of the genus Methanosaeta, bacteria of the genus Thermococcus, bacteria of the genus Thermofilum, bacteria of the genus Arcaheoglobus, and the like. 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 preferred.
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。 Furthermore, because of their excellent ability to assimilate carbon monoxide and carbon dioxide, archaea are preferably bacteria of the genus Methanosarcina, Methanothermobactor, or Methanococcus, with Methanosarcina or Methanococcus being particularly preferred. Specific examples of Methanosarcina 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、目的とするエタノール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、これらのなかでもクロストリジウム・オートエタノゲナムが特に好ましい。 Among the gas-utilizing bacteria described above, bacteria with a high ability to produce the target ethanol are selected and used. For example, gas-utilizing bacteria with a high ability to produce ethanol include Clostridium autoethanogenum, Clostridium ljungdahlii, Clostridium aceticum, Clostridium carboxidivorans, Moorella thermoacetica, and Acetobacterium woodii, and among these, Clostridium autoethanogenum is particularly preferred.
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が、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。このような培地の組成は、ガス資化性細菌が良好に成育し得るように調製される。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、米国特許出願公開2017/260552号の「0097」~「0099」等を参考にすることができる。 The medium used to culture the above-mentioned microorganisms (species) is not particularly limited as long as it has an appropriate composition according to the bacteria, but is a liquid containing water as the main component and nutrients (e.g., vitamins, phosphoric acid, etc.) dissolved or dispersed in the water. The composition of such a medium is prepared so that gas-utilizing bacteria can grow well. For example, when using the genus Clostridium as the microorganism, the medium can be found in U.S. Patent Application Publication No. 2017/260552, paragraphs "0097" to "0099", etc.
微生物発酵工程により得られたエタノール含有液は、微生物やその死骸、微生物由来のタンパク質等を含む懸濁液として得ることができる。懸濁液中のタンパク質濃度は、微生物の種類により異なるが、通常は30~1000mg/Lである。なお、エタノール含有液中のタンパク質濃度は、ケルダール法により測定することができる。 The ethanol-containing liquid obtained by the microbial fermentation process can be obtained as a suspension containing microorganisms and their carcasses, proteins derived from the microorganisms, etc. The protein concentration in the suspension varies depending on the type of microorganism, but is usually 30 to 1000 mg/L. The protein concentration in the ethanol-containing liquid can be measured by the Kjeldahl method.
<分離工程>
微生物発酵工程により得られたエタノール含有液は、次いで分離工程に付される。本発明においては、エタノール含有液を、0.01~1000kPa(絶対圧)の条件下、室温~500℃に加熱して、微生物を含む液体ないし固体成分と、エタノールを含む気体成分とに分離する。従来の方法では、微生物発酵工程により得られたエタノール含有液を蒸留し、所望とするエタノールを分離精製していたが、エタノール含有液には微生物や微生物由来のタンパク質等が含まれるため、エタノール含有液をそのまま蒸留すると蒸留装置内で発泡が生じ連続的な運転が妨げられる場合があった。また、発泡性液体の精製方法として膜式エバポレーターを使用することが知られているが、膜式エバポレーターは濃縮効率が低く、固体成分を含む液体の精製には適していない。本発明においては、微生物発酵工程により得られたエタノール含有液から蒸留操作等により所望のエタノールを分離精製する前に、エタノール含有液を加熱し、微生物を含む液体ないし固体成分と、エタノールを含む気体成分とに分離し、分離されたエタノールを含む気体成分のみから、所望とするエタノールを分離精製するものである。分離工程を実施することにより、エタノールの分離精製時の蒸留操作において、蒸留装置内で発泡が生じなくなるため、連続的に蒸留操作を行うことができる。また、エタノール含有液中のエタノール濃度よりも、エタノールを含む気体成分中に含まれるエタノール濃度の方が高くなるため、後述する精製工程において、効率的にエタノールの分離精製を行うことができる。
<Separation step>
The ethanol-containing liquid obtained by the microbial fermentation process is then subjected to a separation process. In the present invention, the ethanol-containing liquid is heated to room temperature to 500° C. under conditions of 0.01 to 1000 kPa (absolute pressure) to separate into a liquid or solid component containing microorganisms and a gas component containing ethanol. In the conventional method, the ethanol-containing liquid obtained by the microbial fermentation process is distilled to separate and purify the desired ethanol, but since the ethanol-containing liquid contains microorganisms and proteins derived from microorganisms, if the ethanol-containing liquid is distilled as it is, foaming may occur in the distillation apparatus, hindering continuous operation. In addition, it is known to use a membrane evaporator as a method for purifying a foamable liquid, but the membrane evaporator has low concentration efficiency and is not suitable for purifying a liquid containing a solid component. In the present invention, before separating and purifying the desired ethanol from the ethanol-containing liquid obtained by the microbial fermentation process by a distillation operation or the like, the ethanol-containing liquid is heated to separate into a liquid or solid component containing microorganisms and a gas component containing ethanol, and the desired ethanol is separated and purified only from the separated gas component containing ethanol. By carrying out the separation step, foaming does not occur in the distillation apparatus during the distillation operation for separating and purifying ethanol, so that the distillation operation can be carried out continuously. Also, since the ethanol concentration in the gaseous component containing ethanol becomes higher than the ethanol concentration in the ethanol-containing liquid, the separation and purification of ethanol can be efficiently carried out in the purification step described later.
本発明においては、微生物やその死骸、微生物由来のタンパク質等が含まれる液体ないし固体成分と、エタノールを含む気体成分とに効率的に分離する観点から、好ましくは10~200kPaの条件下、より好ましくは50~150kPaの条件下、さらに好ましくは常圧下で、好ましくは50~200℃の温度、より好ましくは80℃~180℃の温度、さらに好ましくは100~150℃の温度でエタノール含有液の加熱を行う。 In the present invention, from the viewpoint of efficiently separating the liquid or solid component containing microorganisms, their carcasses, proteins derived from microorganisms, etc., from the gas component containing ethanol, the ethanol-containing liquid is heated preferably under conditions of 10 to 200 kPa, more preferably under conditions of 50 to 150 kPa, and even more preferably under normal pressure, at a temperature of preferably 50 to 200°C, more preferably at a temperature of 80°C to 180°C, and even more preferably at a temperature of 100 to 150°C.
分離工程における加熱時間は、気体成分を得ることができる時間であれば特に制限はないが、効率性または経済性の観点から、通常は5秒~2時間、好ましくは5秒~1時間、より好ましくは5秒~30分である。 There are no particular limitations on the heating time in the separation step, so long as it is a time that allows gas components to be obtained, but from the standpoint of efficiency or economy, it is usually 5 seconds to 2 hours, preferably 5 seconds to 1 hour, and more preferably 5 seconds to 30 minutes.
上記した分離工程は、熱エネルギーにより、エタノール含有液を液体ないし固体成分(微生物やその死骸、微生物由来のタンパク質等)と気体成分(エタノール)とに効率的に分離できる装置であれば特に制限なく使用することができ、例えば、回転乾燥機、流動層乾燥機、真空型乾燥機、伝導加熱型乾燥機等の乾燥装置を用いることができるが、特に固体成分濃度が低いエタノール含有液から液体ないし固体成分と気体成分とに分離する際の効率の観点からは伝導加熱型乾燥機を用いることが好ましい。伝導加熱型乾燥機の例としては、ドラム型乾燥機やディスク型乾燥機等が挙げられる。 In the above-mentioned separation process, any device can be used without particular restrictions as long as it can efficiently separate the ethanol-containing liquid into liquid or solid components (microorganisms or their carcasses, proteins derived from microorganisms, etc.) and gaseous components (ethanol) using thermal energy. For example, drying devices such as rotary dryers, fluidized bed dryers, vacuum dryers, and conduction heating dryers can be used. However, from the viewpoint of efficiency in separating an ethanol-containing liquid with a particularly low concentration of solid components into liquid or solid components and gaseous components, it is preferable to use a conduction heating dryer. Examples of conduction heating dryers include drum dryers and disk dryers.
<液化工程>
液化工程は、上記分離工程で得られたエタノールを含む気体成分を、凝縮により液化する工程である。液化工程で用いられる装置は、特に限定されないが、熱交換器、特にコンデンサー(凝縮器)を用いることが好ましい。凝縮器の例としては、水冷式、空冷式、蒸発式等が挙げられ、それらのなかでも水冷式が好ましい。凝縮器は一段でもよいし、複数段からなるものでもよい。
<Liquefaction process>
The liquefaction step is a step of liquefying the gaseous components containing ethanol obtained in the separation step by condensation. The device used in the liquefaction step is not particularly limited, but it is preferable to use a heat exchanger, particularly a condenser. Examples of the condenser include a water-cooled type, an air-cooled type, and an evaporative type, and among them, a water-cooled type is preferable. The condenser may be a single-stage condenser or a multi-stage condenser.
液化工程により得られた液化物には、微生物やその死骸、微生物由来のタンパク質等のエタノール含有液に含まれていた成分が含まれていないことが好ましいといえるが、本発明においては、液化物中にタンパク質が含まれていることを排除するものではない。液化物中にタンパク質が含まれる場合であっても、その濃度は、40mg/L以下であることが好ましく、より好ましくは20mg/L以下、さらに好ましくは15mg/L以下である。 It is preferable that the liquefied product obtained by the liquefaction process does not contain components contained in the ethanol-containing liquid, such as microorganisms or their remains, or proteins derived from microorganisms, but the present invention does not exclude the inclusion of proteins in the liquefied product. Even if the liquefied product contains proteins, the concentration is preferably 40 mg/L or less, more preferably 20 mg/L or less, and even more preferably 15 mg/L or less.
凝縮器によって得られた気体成分の凝縮熱は、後述する精製工程において熱源として再利用してもよい。凝縮熱を再利用することで、効率的かつ経済的にエタノールを製造することができる。 The heat of condensation of the gaseous components obtained by the condenser may be reused as a heat source in the purification process described below. By reusing the heat of condensation, ethanol can be produced efficiently and economically.
<精製工程>
次に、液化工程で得られた液化物から、エタノールを精製する。微生物発酵工程で得られたエタノール含有液は、微生物等の成分が既に除去されている場合に、上記した分離工程を経ないで精製工程に供給することができる。精製工程は、液化工程において得られたエタノール含有液を、目的のエタノールの濃度を高めた留出液と、目的のエタノールの濃度を低下させた缶出液とに分離する工程である。精製工程に用いられる装置は、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、エタノールより沸点の低い低沸点物質を除去する処理装置、エタノール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>
Next, ethanol is purified from the liquefied product obtained in the liquefaction step. When components such as microorganisms have already been removed from the ethanol-containing liquid obtained in the microbial fermentation step, the ethanol-containing liquid can be supplied to the purification step without going through the above-mentioned separation step. The purification step is a step of separating the ethanol-containing liquid obtained in the liquefaction step into a distillate having an increased concentration of the target ethanol and a bottoms liquid having a decreased concentration of the target ethanol. Examples of the apparatus used in the purification step include a distillation apparatus, a treatment apparatus including a pervaporation membrane, a treatment apparatus including a zeolite dehydration membrane, a treatment apparatus for removing low-boiling substances having a boiling point lower than that of ethanol, a treatment apparatus for removing high-boiling substances having a boiling point higher than that of ethanol, and a treatment apparatus including an ion exchange membrane. These apparatuses may be used alone or in combination of two or more. Heat distillation or membrane separation may be suitably used as a unit operation.
加熱蒸留では、蒸留装置を用いて、所望のエタノールを留出液として、高純度で得ることができる。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、エタノールとその他の成分との分離、即ち、エタノールの蒸留をより確実に行うことができる。特に、液化工程において得られたエタノール含有液を、100℃以上のスチームを用いた加熱器を備えた蒸留装置に導入し、蒸留塔底部の温度を30分以内に90℃以上まで上昇させた後、上記エタノール含有液を蒸留塔中部から導入し、塔底部、塔中部、頭頂部の各部の温度差が、±15℃以内にて蒸留工程を行うことにより、高純度のエタノールを得ることができる。 In the heat distillation, a distillation apparatus is used to obtain the desired ethanol as a distillate with high purity. The temperature inside the distillation apparatus during the distillation of ethanol is not particularly limited, but is preferably 100°C or less, and more preferably about 70 to 95°C. By setting the temperature inside the distillation apparatus within the above range, separation of ethanol from other components, i.e., distillation of ethanol, can be performed more reliably. In particular, the ethanol-containing liquid obtained in the liquefaction process is introduced into a distillation apparatus equipped with a heater using steam at 100°C or more, and the temperature of the bottom of the distillation column is raised to 90°C or more within 30 minutes, and then the ethanol-containing liquid is introduced from the middle of the distillation column, and the distillation process is performed with the temperature difference between the bottom, middle, and top of the column being within ±15°C, thereby obtaining high-purity ethanol.
エタノール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(絶対圧)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、エタノールの分離効率を向上させること、ひいてはエタノールの収率を向上させることができる。エタノールの収率(蒸留後に留出液に含まれるエタノールの濃度)は、好ましくは90質量%以上であり、より好ましくは95質量%以上である。 The pressure inside the distillation apparatus during the distillation of ethanol may be normal pressure, but is preferably less than atmospheric pressure, and more preferably about 60 to 95 kPa (absolute pressure). By setting the pressure inside the distillation apparatus within the above range, it is possible to improve the efficiency of ethanol separation, and thus the ethanol yield. The ethanol yield (the concentration of ethanol contained in the distillate after distillation) is preferably 90% by mass or more, and more preferably 95% by mass 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。 For membrane separation, a known separation membrane can be used as appropriate, for example, a zeolite membrane can be preferably used.
精製工程において分離された留出液に含まれるエタノールの濃度は、20質量%~99.99質量%であることが好ましく、より好ましくは60質量%~99.9質量%である。
一方、缶出液に含まれるエタノールの濃度は、0.001質量%~10質量%であることが好ましく、より好ましくは0.01質量%~5質量%である。
The concentration of ethanol contained in the distillate separated in the purification step is preferably 20% by mass to 99.99% by mass, and more preferably 60% by mass to 99.9% by mass.
On the other hand, the concentration of ethanol contained in the bottoms is preferably 0.001% by mass to 10% by mass, and more preferably 0.01% by mass to 5% by mass.
精製工程において分離された缶出液は、窒素化合物を実質的に含まない。なお、本発明において「実質的に含まない」とは、窒素化合物の濃度が0ppmであることを意味するものではなく、精製工程で得られる缶出液が排水処理工程を必要としない程度の窒素化合物濃度であることを意味する。分離工程においては、微生物発酵工程で得られたエタノール含有液から所望とするエタノールを精製するのではなく、上記のようにエタノール含有液を微生物を含む液体ないし固体成分と、エタノールを含む気体成分とに分離する。その際に、窒素化合物は、微生物を含む液体ないし固体成分側に残るため、エタノールを含む気体成分中には窒素化合物がほとんど含まれていない。そのため、気体成分を液化した液化物からエタノールを精製する際に得られる缶出液には窒素化合物が実質的に含まれていないと考えられる。缶出液が窒素化合物に含まれる場合であっても、窒素化合物の濃度は、0.1~200ppm、好ましくは0.1~100ppm、より好ましくは0.1~50ppmである。 The bottoms separated in the purification step are substantially free of nitrogen compounds. In the present invention, "substantially free" does not mean that the concentration of nitrogen compounds is 0 ppm, but means that the bottoms obtained in the purification step have a nitrogen compound concentration at a level that does not require a wastewater treatment step. In the separation step, the desired ethanol is not purified from the ethanol-containing liquid obtained in the microbial fermentation step, but the ethanol-containing liquid is separated into a liquid or solid component containing microorganisms and a gaseous component containing ethanol as described above. At that time, the nitrogen compounds remain in the liquid or solid component containing microorganisms, so that the gaseous component containing ethanol contains almost no nitrogen compounds. Therefore, it is considered that the bottoms obtained when ethanol is purified from a liquefied product obtained by liquefying the gaseous component does not substantially contain nitrogen compounds. Even if the bottoms contain nitrogen compounds, the concentration of the nitrogen compounds is 0.1 to 200 ppm, preferably 0.1 to 100 ppm, and more preferably 0.1 to 50 ppm.
また、上記と同様の理由により、精製工程において分離された缶出液はリン化合物を実質的に含まない。なお、「実質的に含まない」とは、リン化合物の濃度が0ppmであることを意味するものではなく、精製工程で得られる缶出液が排水処理工程を必要としない程度のリン化合物濃度であることを意味する。缶出液がリン化合物に含まれる場合であっても、リン化合物の濃度は、0.1~100ppm、好ましくは0.1~50ppm、より好ましくは0.1~25ppmである。このように、本発明の方法によれば、エタノールの精製工程において排出される缶出液には、窒素化合物やリン化合物が実質的に含まれておらず、他の有機物も殆ど含まれていないと考えられるため、従来必要とされていた排水処理工程を簡素化することができる。 For the same reasons as above, the bottoms separated in the refining process are substantially free of phosphorus compounds. Note that "substantially free" does not mean that the concentration of phosphorus compounds is 0 ppm, but rather that the bottoms obtained in the refining process have a phosphorus compound concentration at a level that does not require a wastewater treatment process. Even if the bottoms contain phosphorus compounds, the concentration of phosphorus compounds is 0.1 to 100 ppm, preferably 0.1 to 50 ppm, and more preferably 0.1 to 25 ppm. Thus, according to the method of the present invention, the bottoms discharged in the ethanol refining process are substantially free of nitrogen compounds and phosphorus compounds, and are considered to contain almost no other organic matter, so that the wastewater treatment process that was previously required can be simplified.
<排水処理工程>
精製工程において分離された缶出液は、排水処理工程に供給されてもよい。排水処理工程において、缶出液からさらに窒素化合物やリン化合物等の有機物を除去することができる。本工程では、缶出液を嫌気処理または好気処理することで有機物を除去してもよい。除去された有機物は、精製工程における燃料(熱源)として利用してもよい。
<Wastewater treatment process>
The bottoms separated in the refining step may be supplied to a wastewater treatment step. In the wastewater treatment step, organic matter such as nitrogen compounds and phosphorus compounds can be further removed from the bottoms. In this step, the bottoms may be subjected to anaerobic or aerobic treatment to remove the organic matter. The removed organic matter may be used as fuel (heat source) in the refining step.
排水処理工程における処理温度は、通常は0~90℃、好ましくは20~40℃、より好ましくは30~40℃である。 The treatment temperature in the wastewater treatment process is usually 0 to 90°C, preferably 20 to 40°C, and more preferably 30 to 40°C.
分離工程を経て得られた缶出液は、微生物等を含む液体ないし固体成分が除去されているため、微生物発酵工程から直接精製工程に供給されて得られた缶出液よりも、排水処理などの負荷が軽減される。 The bottoms obtained through the separation process have had liquid and solid components, including microorganisms, removed, so the burden of wastewater treatment and other processes is reduced compared to bottoms obtained by directly supplying the bottoms from the microbial fermentation process to the purification process.
排水処理工程において、缶出液を処理して得られる処理液中の窒素化合物濃度は、好ましくは0.1~30ppm、より好ましくは0.1~20ppm、さらに好ましくは0.1~10ppmであり、窒素化合物が含まれないことが特に好ましい。また、処理液中のリン化合物濃度は、好ましくは0.1~10ppm、より好ましくは0.1~5ppm、さらに好ましくは0.1~1ppmであり、缶出液中にリン化合物が含まれないことが特に好ましい。 In the wastewater treatment process, the nitrogen compound concentration in the treated liquid obtained by treating the bottoms is preferably 0.1 to 30 ppm, more preferably 0.1 to 20 ppm, and even more preferably 0.1 to 10 ppm, and it is particularly preferable that no nitrogen compounds are contained. In addition, the phosphorus compound concentration in the treated liquid is preferably 0.1 to 10 ppm, more preferably 0.1 to 5 ppm, and even more preferably 0.1 to 1 ppm, and it is particularly preferable that no phosphorus compounds are contained in the bottoms.
<エタノールの用途>
本発明によるエタノールは、様々な有機化合物の製造原料として用いることができる。例えば、本発明によるエタノールは、ブタンジエン、エチレン、ポリエチレン、エチレングリコール、ポリエステル等の製造の原料として用いることができる。以下、本発明のエタノールを原料としてブタジエンを合成する方法、ならびにポリエチレンおよびポリエステルを製造する方法を一例として説明するが、他の化成品やポリマー原料にも使用できることはいうまでもない。
<Uses of ethanol>
The ethanol according to the present invention can be used as a raw material for producing various organic compounds. For example, the ethanol according to the present invention can be used as a raw material for producing butadiene, ethylene, polyethylene, ethylene glycol, polyester, etc. Below, a method for synthesizing butadiene using the ethanol according to the present invention as a raw material and a method for producing polyethylene and polyester will be described as examples, but it goes without saying that the ethanol according to the present invention can also be used as a raw material for other chemical products and polymers.
<ブタジエンの合成方法>
ブタジエンは、主に石油からエチレンを合成(即ち、ナフサクラッキング)する際に副生するC4留分を精製することにより製造されており、合成ゴムの原料である。しかし、近年、石油から得られる化学工業原料に代えて、化石燃料由来ではないエタノール(微生物発酵由来のエタノール)を1,3-ブタジエンに変換する技術が切望されている。このような微生物発酵由来のエタノールを原料としてブタジエンを合成する方法としては、触媒としてMgOを使用する方法、Al2O3とZnOの混合物を使用する方法、マグネシウムシリケート構造を有する触媒等が知られている。触媒としては、上記した以外にも、バナジウム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、ガリウム、ニオブ、銀、インジウム、セリウム等が使用される。
<Method of synthesizing butadiene>
Butadiene is produced by refining the C4 fraction that is a by-product when ethylene is synthesized from petroleum (i.e., naphtha cracking), and is a raw material for synthetic rubber. However, in recent years, there has been a strong demand for a technology that converts ethanol (ethanol derived from microbial fermentation) that is not derived from fossil fuels into 1,3-butadiene instead of chemical industrial raw materials obtained from petroleum. As a method for synthesizing butadiene using such ethanol derived from microbial fermentation as a raw material, a method using MgO as a catalyst, a method using a mixture of Al 2 O 3 and ZnO, a catalyst having a magnesium silicate structure, and the like are known. In addition to the above, vanadium, manganese, iron, cobalt, nickel, copper, zinc, gallium, niobium, silver, indium, cerium, and the like are used as catalysts.
本発明のエタノールと上記した触媒とを接触させ加熱することによりエタノール転化反応が生じて、1,3-ブタジエンを合成することができる。本発明のエタノールを原料としてブタジエンを合成することで、石油資源に依らない究極の資源循環社会を実現することが可能となる。 By contacting the ethanol of the present invention with the above-mentioned catalyst and heating it, an ethanol conversion reaction occurs, and 1,3-butadiene can be synthesized. By synthesizing butadiene using the ethanol of the present invention as a raw material, it is possible to realize the ultimate resource-recycling society that is not dependent on petroleum resources.
当該転化反応を進行させるための加熱温度としては、反応系内の温度が、例えば300~450℃、好ましくは350~400℃となる程度である。反応系内の温度が上記範囲を下回ると、触媒活性が十分に得られなくなって反応速度が低下し製造効率が低下する傾向がある。一方、反応系内の温度が上記範囲を上回ると、触媒が劣化し易くなる恐れがある。 The heating temperature for promoting the conversion reaction is, for example, about 300 to 450°C, preferably about 350 to 400°C, in the reaction system. If the temperature in the reaction system falls below the above range, the catalytic activity is insufficient, and the reaction rate and production efficiency tend to decrease. On the other hand, if the temperature in the reaction system exceeds the above range, the catalyst may be easily deteriorated.
反応は、回分式、半回分式、連続式等の慣用の方法により行うことができる。回分式または半回分式を採用した場合は、エタノールの転化率を高くすることができるが、本発明に係るエタノールであれば、連続式を採用しても、従来に比べて効率よくエタノールを転化することができる。この理由は明らかではないが、本発明のような一酸化炭素および水素を含むガスを基質とする循環型資源由来のエタノールには、ガスクロマトグラフ質量分析法によって測定されたガスクロマトグラフにおいて、化石燃料由来のエタノールには見られない特有のピークが存在することによるものと考えられる。 The reaction can be carried out by conventional methods such as batch, semi-batch, or continuous. When a batch or semi-batch system is used, the conversion rate of ethanol can be increased, but when the ethanol of the present invention is used, ethanol can be converted more efficiently than before, even when a continuous system is used. The reason for this is unclear, but it is thought to be due to the presence of a unique peak in the gas chromatograph measured by gas chromatography mass spectrometry in the ethanol derived from a recyclable resource such as that of the present invention, which uses a gas containing carbon monoxide and hydrogen as a substrate, that is not seen in ethanol derived from fossil fuels.
原料を上記触媒に接触させる方法としては、例えば、懸濁床方式、流動床方式、固定床方式等を挙げることができる。また、気相法、液相法のいずれであってもよい。触媒の回収や再生処理が簡便な点で、上記触媒を反応管に充填して触媒層を形成し、原料をガスとして流通させて気相にて反応させる固定床式気相連続流通反応装置を用いることが好ましい。 気相で反応を行う場合、本発明のエタノールをガス化して希釈することなく反応器に供給してもよく、窒素、ヘリウム、アルゴン、炭酸ガスなどの不活性ガスにより適宜希釈して反応器に供給してもよい。 Methods for contacting the raw material with the catalyst include, for example, a suspension bed method, a fluidized bed method, a fixed bed method, and the like. Either a gas phase method or a liquid phase method may be used. In terms of ease of catalyst recovery and regeneration treatment, it is preferable to use a fixed bed type gas phase continuous flow reactor in which the catalyst is packed into a reaction tube to form a catalyst layer and the raw material is circulated as a gas to react in the gas phase. When the reaction is carried out in the gas phase, the ethanol of the present invention may be gasified and supplied to the reactor without dilution, or it may be appropriately diluted with an inert gas such as nitrogen, helium, argon, or carbon dioxide gas and supplied to the reactor.
エタノールの転化反応が終了した後、反応生成物(1,3-ブタジエン)は、例えば、濾過、濃縮、蒸留、抽出等の分離手段や、これらを組み合わせた分離手段により分離精製することができる。 After the ethanol conversion reaction is completed, the reaction product (1,3-butadiene) can be separated and purified by, for example, a separation method such as filtration, concentration, distillation, extraction, or a combination of these.
<ポリエチレン>
本発明によるエタノールは、汎用プラスチックとして多岐に使用されているポリエチレンの原料としても好適に使用することができる。従来のポリエチレンは、石油からエチレンを合成し、エチレンモノマーを重合することにより製造されていた。本発明のエタノールを使用してポリエチレンを製造することにより、石油資源に依らない究極の資源循環社会を実現することが可能となる。
<Polyethylene>
The ethanol according to the present invention can be suitably used as a raw material for polyethylene, which is widely used as a general-purpose plastic. Conventional polyethylene is produced by synthesizing ethylene from petroleum and polymerizing the ethylene monomer. By producing polyethylene using the ethanol according to the present invention, it is possible to realize an ultimate resource-recycling society that is not dependent on petroleum resources.
先ず、本発明によるエタノールを原料として、ポリエチレンの原料であるエチレンを合成する。エチレンの製造方法は、特に限定されず、従来公知の方法により得ることができ、一例として、エタノールの脱水反応によりエチレンを得ることができる。エタノールの脱水反応によりエチレンを得る際には通常触媒が用いられるが、この触媒は、特に限定されず、従来公知の触媒を用いることができる。プロセス上有利なのは、触媒と生成物の分離が容易な固定床流通反応であり、例えば、γ―アルミナ等が好ましい。 First, ethylene, which is a raw material for polyethylene, is synthesized using the ethanol according to the present invention as a raw material. The method for producing ethylene is not particularly limited, and it can be obtained by a conventionally known method. As an example, ethylene can be obtained by a dehydration reaction of ethanol. A catalyst is usually used when obtaining ethylene by a dehydration reaction of ethanol, but this catalyst is not particularly limited, and a conventionally known catalyst can be used. A fixed bed flow reaction, which allows easy separation of the catalyst and the product, is advantageous from the viewpoint of the process, and for example, γ-alumina is preferable.
脱水反応は吸熱反応であるため、通常加熱条件で行う。商業的に有用な反応速度で反応が進行すれば、加熱温度は限定されないが、好ましくは100℃以上、より好ましくは250℃以上、さらに好ましくは300℃以上の温度が適当である。上限も特に限定されないが、エネルギー収支および設備の観点から、好ましくは500℃以下、より好ましくは400℃以下である。 Since the dehydration reaction is an endothermic reaction, it is usually carried out under heating conditions. There are no limitations on the heating temperature as long as the reaction proceeds at a commercially useful reaction rate, but a temperature of 100°C or higher is preferable, more preferably 250°C or higher, and even more preferably 300°C or higher is appropriate. There is no particular upper limit, but from the viewpoint of energy balance and equipment, it is preferably 500°C or lower, more preferably 400°C or lower.
反応圧力も特に限定されないが、後続の気液分離を容易にするため常圧以上の圧力が好ましい。工業的には触媒の分離の容易な固定床流通反応が好適であるが、液相懸濁床、流動床等でもよい。 The reaction pressure is not particularly limited, but a pressure equal to or higher than atmospheric pressure is preferred to facilitate the subsequent gas-liquid separation. From an industrial perspective, a fixed-bed flow reaction is preferred because it is easy to separate the catalyst, but a liquid-phase suspension bed, fluidized bed, etc. may also be used.
エタノールの脱水反応においては、原料として供給するエタノール中に含まれる水分量によって反応の収率が左右される。一般的に、脱水反応を行う場合には、水の除去効率を考えると水が無いほうが好ましい。しかしながら、固体触媒を用いたエタノールの脱水反応の場合、水が存在しないと他のオレフィン、特にブテンの生成量が増加する傾向にある。許容される水の含有量の下限は、0.1%以上、好ましくは0.5%以上必要である。上限は特に限定されないが、物質収支上および熱収支の観点から、好ましくは50重量%以下、より好ましくは30%以下、さらに好ましくは20%以下である。 In the dehydration reaction of ethanol, the yield of the reaction depends on the amount of water contained in the ethanol supplied as a raw material. In general, when performing a dehydration reaction, it is preferable to have no water, considering the efficiency of removing water. However, in the case of the dehydration reaction of ethanol using a solid catalyst, the absence of water tends to increase the amount of other olefins, especially butene, produced. The lower limit of the allowable water content is 0.1% or more, preferably 0.5% or more. There is no particular upper limit, but from the viewpoint of material balance and heat balance, it is preferably 50% by weight or less, more preferably 30% or less, and even more preferably 20% or less.
上記のようにしてエタノールの脱水反応を行うことにより、エチレン、水および少量の未反応エタノールの混合部が得られるが、常温において約5MPa以下ではエチレンは気体であるため、これら混合部から気液分離により水やエタノールを除きエチレンを得ることができる。この方法は公知の方法で行えばよい。続いて気液分離により得られたエチレンはさらに蒸留され、このときの操作圧力が常圧以上であること以外は、蒸留方法、操作温度、および滞留時間等は特に制約されない。 By carrying out the dehydration reaction of ethanol as described above, a mixture of ethylene, water, and a small amount of unreacted ethanol is obtained. At room temperature and below about 5 MPa, ethylene is in a gaseous state, so water and ethanol can be removed from this mixture by gas-liquid separation to obtain ethylene. This method can be carried out by any known method. The ethylene obtained by gas-liquid separation is then further distilled. There are no particular restrictions on the distillation method, operating temperature, residence time, etc., except that the operating pressure at this time must be above normal pressure.
本発明のような一酸化炭素および水素を含むガスを基質とする循環型資源由来のエタノールには、ガスクロマトグラフ質量分析法によって測定されたガスクロマトグラフにおいて、化石燃料由来のエタノールには見られない特有のピークが存在する。そのため、エタノールから得られたエチレンには、極微量の不純物が含まれていると考えられる。エチレンの用途によっては、これら極微量の不純物が問題となるおそれがあるので、精製により除去しても良い。精製方法は、特に限定されず、従来公知の方法により行うことができる。好適な精製操作としては、例えば、吸着精製法をあげることができる。用いる吸着剤は特に限定されず、従来公知の吸着剤を用いることができる。例えば、エチレン中の不純物の精製方法として苛性水処理を併用してもよい。苛性水処理をする場合は、吸着精製前に行うことが望ましい。その場合、苛性処理後、吸着精製前に水分除去処理を施す必要がある。 In the present invention, ethanol derived from a recyclable resource using a gas containing carbon monoxide and hydrogen as a substrate has a unique peak in a gas chromatograph measured by gas chromatography mass spectrometry that is not seen in ethanol derived from fossil fuels. Therefore, it is believed that ethylene obtained from ethanol contains a very small amount of impurities. Depending on the use of ethylene, these very small amounts of impurities may be problematic, so they may be removed by purification. The purification method is not particularly limited, and can be performed by a conventionally known method. For example, an adsorption purification method can be mentioned as a suitable purification operation. The adsorbent used is not particularly limited, and a conventionally known adsorbent can be used. For example, caustic water treatment may be used in combination as a method for purifying impurities in ethylene. If caustic water treatment is performed, it is preferable to perform it before adsorption purification. In that case, it is necessary to perform a moisture removal treatment after caustic treatment and before adsorption purification.
エチレンを含むモノマーの重合方法は、特に限定されず、従来公知の方法により行うことができる。重合温度や重合圧力は、重合方法や重合装置に応じて、適宜調節するのがよい。重合装置についても特に限定されず、従来公知の装置を用いることができる。以下、エチレンを含むモノマーの重合方法の一例を説明する。 The polymerization method of the monomer containing ethylene is not particularly limited, and can be carried out by a conventionally known method. The polymerization temperature and polymerization pressure should be appropriately adjusted depending on the polymerization method and polymerization apparatus. The polymerization apparatus is also not particularly limited, and a conventionally known apparatus can be used. An example of the polymerization method of the monomer containing ethylene is described below.
ポリオレフィン、特に、エチレン重合体やエチレンとα-オレフィンの共重合体の重合方法は、目的とするポリエチレンの種類、例えば、高密度ポリエチレン(HDPE)、中密度ポリエチレン(MDPE)、低密度ポリエチレン(LDPE)、および直鎖状低密度ポリエチレン(LLDPE)等の密度や分岐の違いにより、適宜選択することができる。例えば、重合触媒として、チーグラー・ナッタ触媒等のマルチサイト触媒や、メタロセン系触媒等のシングルサイト触媒を用いて、気相重合、スラリー重合、溶液重合、および高圧イオン重合のいずれかの方法により、1段または2段以上の多段で行うことが好ましい。 The polymerization method for polyolefins, particularly ethylene polymers and copolymers of ethylene and α-olefins, can be appropriately selected depending on the type of polyethylene desired, for example, differences in density and branching such as high density polyethylene (HDPE), medium density polyethylene (MDPE), low density polyethylene (LDPE), and linear low density polyethylene (LLDPE). For example, it is preferable to use a multi-site catalyst such as a Ziegler-Natta catalyst or a single-site catalyst such as a metallocene catalyst as the polymerization catalyst, and carry out the polymerization in one stage or in multiple stages of two or more stages by any of the methods of gas phase polymerization, slurry polymerization, solution polymerization, and high pressure ionic polymerization.
上記のシングルサイト触媒とは、均一な活性種を形成しうる触媒であり、通常、メタロセン系遷移金属化合物や非メタロセン系遷移金属化合物と活性化用助触媒とを接触させることにより、調整される。シングルサイト触媒は、マルチサイト触媒に比べて、活性点構造が均一であるため、高分子量かつ均一度の高い構造の重合体を重合することができるため好ましい。シングルサイト触媒としては、特に、メタロセン系触媒を用いることが好ましい。メタロセン系触媒は、シクロペンタジエニル骨格を有する配位子を含む周期律表第IV族の遷移金属化合物と、助触媒と、必要により有機金属化合物と、担体の各触媒成分とを含む触媒である。 The single-site catalyst is a catalyst capable of forming a uniform active species, and is usually prepared by contacting a metallocene transition metal compound or a nonmetallocene transition metal compound with an activating cocatalyst. Compared to multi-site catalysts, single-site catalysts have a uniform active site structure, and are therefore preferred because they can polymerize polymers with high molecular weights and highly uniform structures. As a single-site catalyst, it is particularly preferred to use a metallocene catalyst. A metallocene catalyst is a catalyst that contains each of the catalytic components of a transition metal compound of Group IV of the periodic table that contains a ligand having a cyclopentadienyl skeleton, a cocatalyst, and if necessary, an organometallic compound and a carrier.
シクロペンタジエニル骨格を有する配位子を含む周期律表第IV族の遷移金属化合物において、そのシクロペンタジエニル骨格とは、シクロペンタジエニル基、置換シクロペンタジエニル基等である。置換シクロペンタジエニル基としては、炭素数1~30の炭化水素基等の置換基を有するものである。遷移金属としては、ジルコニウム、チタン、ハフニウム等が挙げられ、特にジルコニウム、ハフニウムが好ましい。該遷移金属化合物は、シクロペンタジエニル骨格を有する配位子としては通常2個を有し、各々のシクロペンタジエニル骨格を有する配位子は架橋基により互いに結合しているものが好ましい。上記した遷移金属化合物は、一種または二種以上の混合物を触媒成分とすることができる。 In the transition metal compound of Group IV of the periodic table containing a ligand having a cyclopentadienyl skeleton, the cyclopentadienyl skeleton is a cyclopentadienyl group, a substituted cyclopentadienyl group, etc. The substituted cyclopentadienyl group has a substituent such as a hydrocarbon group having 1 to 30 carbon atoms. Examples of the transition metal include zirconium, titanium, hafnium, etc., and zirconium and hafnium are particularly preferred. The transition metal compound usually has two ligands having a cyclopentadienyl skeleton, and it is preferable that the ligands having each cyclopentadienyl skeleton are bonded to each other by a bridging group. The above transition metal compounds can be used as a catalyst component, either alone or in a mixture of two or more kinds.
助触媒としては、上記した遷移金属化合物を重合触媒として有効になしうる、または触媒的に活性化された状態のイオン性電荷を均衝させうるものをいう。助触媒としては、有機アルミニウムオキシ化合物のベンゼン可溶のアルミノキサンやベンゼン不溶の有機アルミニウムオキシ化合物、イオン交換性層状珪酸塩、ホウ素化合物、活性水素基含有あるいは非含有のカチオンと非配位性アニオンからなるイオン性化合物、酸化ランタン等のランタノイド塩、酸化スズ、フルオロ基を含有するフェノキシ化合物等が挙げられる。 The co-catalyst refers to a catalyst that can effectively use the transition metal compounds described above as a polymerization catalyst, or that can balance the ionic charge in a catalytically activated state. Examples of the co-catalyst include benzene-soluble aluminoxanes of organoaluminum oxy compounds and benzene-insoluble organoaluminum oxy compounds, ion-exchangeable layered silicates, boron compounds, ionic compounds consisting of cations with or without active hydrogen groups and non-coordinating anions, lanthanoid salts such as lanthanum oxide, tin oxide, and phenoxy compounds containing fluoro groups.
上記した遷移金属化合物は、無機または有機化合物の担体に担持して使用されてもよい。該担体としては無機または有機化合物の多孔質酸化物が好ましく、具体的には、モンモリロナイト等のイオン交換性層状珪酸塩、SiO2、Al2O3、MgO、ZrO2、TiO2、B2O3、CaO、ZnO、BaO、ThO2等またはこれらの混合物が挙げられる。 The above-mentioned transition metal compounds may be used by being supported on an inorganic or organic carrier. The carrier is preferably an inorganic or organic porous oxide, specifically, ion -exchange layered silicate such as montmorillonite, SiO2, Al2O3, MgO, ZrO2, TiO2, B2O3 , CaO , ZnO , BaO, ThO2 , etc., or a mixture thereof.
更に必要により使用される有機金属化合物としては、有機アルミニウム化合物、有機マグネシウム化合物、有機亜鉛化合物等が例示される。このうち有機アルミニウムが好適に使用される。 Examples of organometallic compounds that may be used as needed include organoaluminum compounds, organomagnesium compounds, and organozinc compounds. Of these, organoaluminum compounds are preferably used.
また、ポリオレフィンとして、エチレンの重合体やエチレンとα-オレフィンの共重合体を、単独で用いてもよいし、二種以上混合して用いてもよい。 As the polyolefin, a polymer of ethylene or a copolymer of ethylene and an α-olefin may be used alone or in combination of two or more kinds.
<エステル>
エタノールを種々のカルボン酸と反応させることにより多種多様なエステルを合成することができる。例えば、エタノールと安息香酸とから安息香酸エチルが得られ、またエタノールからエチレンを経てポリエステルの原料であるジエチレングリコール等を得ることもできる。本発明のエタノールを使用してポリエチレンを製造することにより、石油資源に依らない究極の資源循環社会を実現することが可能となる。
<Ester>
A wide variety of esters can be synthesized by reacting ethanol with various carboxylic acids. For example, ethyl benzoate can be obtained from ethanol and benzoic acid, and diethylene glycol, a raw material for polyester, can be obtained from ethanol via ethylene. By producing polyethylene using the ethanol of the present invention, it is possible to realize an ultimate resource-recycling society that is not dependent on petroleum resources.
ポリエステルは、ジオール単位とジカルボン酸単位とからなり、ジオール単位としてエチレングリコールを用い、ジカルボン酸単位としてテレフタル酸およびイソフタル酸等を用いて重縮合反応により得られるものである。エチレングリコールは、本発明のエタノールを原料としたものであり、例えば、エタノールを、従来公知の方法により、エチレンオキサイドを経由してエチレングリコールを生成する方法等によりエチレングリコールを得ることができる。 The polyester is composed of diol units and dicarboxylic acid units, and is obtained by a polycondensation reaction using ethylene glycol as the diol units and terephthalic acid, isophthalic acid, or the like as the dicarboxylic acid units. Ethylene glycol is obtained from the ethanol of the present invention as a raw material, and can be obtained, for example, by a method of producing ethylene glycol from ethanol via ethylene oxide using a conventionally known method.
ジカルボン酸としては、芳香族ジカルボン酸、脂肪族ジカルボン酸、およびそれらの誘導体を制限なく使用することができる。芳香族ジカルボン酸としては、テレフタル酸およびイソフタル酸等が挙げられ、芳香族ジカルボン酸の誘導体としては、芳香族ジカルボン酸の低級アルキルエステル、具体的には、メチルエステル、エチルエステル、プロピルエステルおよびブチルエステル等が挙げられる。これらの中でも、テレフタル酸が好ましく、芳香族ジカルボン酸の誘導体としては、ジメチルテレフタレートが好ましい。また、脂肪族ジカルボン酸としては、具体的には、シュウ酸、コハク酸、グルタル酸、アジピン酸、セバシン酸、ドデカン二酸、ダイマー酸ならびにシクロヘキサンジカルボン酸等の通常炭素数が2以上40以下の鎖状或いは脂環式ジカルボン酸が挙げられる。また、脂肪族ジカルボン酸の誘導体として、上記脂肪族ジカルボン酸のメチルエステル、エチルエステル、プロピルエステルおよびブチルエステル等の低級アルキルエステルや、例えば無水コハク酸等の上記脂肪族ジカルボン酸の環状酸無水物が挙げられる。これらのなかでも、アジピン酸、コハク酸、ダイマー酸またはこれらの混合物が好ましく、コハク酸を主成分とするものが特に好ましい。脂肪族ジカルボン酸の誘導体としては、アジピン酸およびコハク酸のメチルエステル、またはこれらの混合物がより好ましい。 As the dicarboxylic acid, aromatic dicarboxylic acids, aliphatic dicarboxylic acids, and derivatives thereof can be used without limitation. Examples of aromatic dicarboxylic acids include terephthalic acid and isophthalic acid, and examples of derivatives of aromatic dicarboxylic acids include lower alkyl esters of aromatic dicarboxylic acids, specifically methyl esters, ethyl esters, propyl esters, and butyl esters. Among these, terephthalic acid is preferred, and examples of derivatives of aromatic dicarboxylic acids include dimethyl terephthalate. Examples of aliphatic dicarboxylic acids include chain or alicyclic dicarboxylic acids having a carbon number of 2 to 40, such as oxalic acid, succinic acid, glutaric acid, adipic acid, sebacic acid, dodecanedioic acid, dimer acid, and cyclohexanedicarboxylic acid. Examples of derivatives of aliphatic dicarboxylic acids include lower alkyl esters such as methyl esters, ethyl esters, propyl esters, and butyl esters of the above aliphatic dicarboxylic acids, and cyclic acid anhydrides of the above aliphatic dicarboxylic acids, such as succinic anhydride. Among these, adipic acid, succinic acid, dimer acid, or a mixture thereof is preferred, and those containing succinic acid as the main component are particularly preferred. As derivatives of aliphatic dicarboxylic acids, methyl esters of adipic acid and succinic acid, or a mixture thereof, are more preferred.
ポリエステルは、上記したジオール単位とジカルボン酸単位とを重縮合させる従来公知の方法により得ることができる。具体的には、上記のジカルボン酸成分とジオール成分とのエステル化反応及び/又はエステル交換反応を行った後、減圧下での重縮合反応を行うといった溶融重合の一般的な方法や、有機溶媒を用いた公知の溶液加熱脱水縮合方法によって製造することができる。 The polyester can be obtained by a conventional method of polycondensing the above-mentioned diol unit and dicarboxylic acid unit. Specifically, the polyester can be produced by a general melt polymerization method in which an esterification reaction and/or an ester exchange reaction between the above-mentioned dicarboxylic acid component and diol component is carried out, followed by a polycondensation reaction under reduced pressure, or by a known solution heating dehydration condensation method using an organic solvent.
重縮合反応は、重合触媒の存在下に行うのが好ましく、重合触媒としては、チタン化合物、ジルコニウム化合物及びゲルマニウム化合物等が挙げられる。 The polycondensation reaction is preferably carried out in the presence of a polymerization catalyst, and examples of the polymerization catalyst include titanium compounds, zirconium compounds, and germanium compounds.
ジカルボン酸成分とジオール成分とのエステル化反応及び/又はエステル交換反応の反応温度は、通常、150~260℃の範囲であり、反応雰囲気は、通常窒素、アルゴン等の不活性ガス雰囲気下である。 The reaction temperature for the esterification reaction and/or transesterification reaction between the dicarboxylic acid component and the diol component is usually in the range of 150 to 260°C, and the reaction atmosphere is usually an inert gas atmosphere such as nitrogen or argon.
重縮合反応工程において、鎖延長剤(カップリング剤)を反応系に添加してもよい。鎖延長剤は、重縮合終了後、均一な溶融状態で、無溶媒で反応系に添加し、重縮合により得られたポリエステルと反応させる。 In the polycondensation reaction step, a chain extender (coupling agent) may be added to the reaction system. After the polycondensation is completed, the chain extender is added to the reaction system in a homogeneous molten state without a solvent, and reacted with the polyester obtained by polycondensation.
得られたポリエステルは、固化させた後、さらに重合度を高めたり、環状三量体などのオリゴマーを除去するために、必要に応じて固相重合を行ってもよい。 After solidification, the resulting polyester may be subjected to solid-phase polymerization as necessary to further increase the degree of polymerization or to remove oligomers such as cyclic trimers.
ポリエステルの製造工程において、その特性が損なわれない範囲において各種の添加剤を添加してもよく、例えば、可塑剤、紫外線安定化剤、着色防止剤、艶消し剤、消臭剤、難燃剤、耐候剤、帯電防止剤、摩擦低減剤、離型剤、抗酸化剤、イオン交換剤、着色顔料等を添加することができる。 In the polyester manufacturing process, various additives may be added as long as the properties of the polyester are not impaired. For example, plasticizers, UV stabilizers, color inhibitors, matting agents, deodorants, flame retardants, weather resistance agents, antistatic agents, friction reducers, release agents, antioxidants, ion exchange agents, color pigments, etc. may be added.
本発明によるエタノールは、上記したポリマーに限られず、他の種々のポリマーの原料として使用することができ、得られたポリマーの成形品はカーボンニュートラルな材料であるため、石油資源に依らない究極の資源循環社会を実現することが可能となる。 The ethanol produced by the present invention can be used as a raw material for a variety of other polymers, not just the polymers mentioned above, and the molded products made from the resulting polymers are carbon-neutral materials, making it possible to realize an ultimate resource-recycling society that is not dependent on petroleum resources.
<エタノールを含む製品>
本発明によるエタノールは、上記したようなポリマー原料としてのみならず、様々な製品にも使用することができる。製品としては、例えば、化粧品、香水、燃料、不凍液、殺菌剤、消毒剤、清掃剤、カビ取り剤、洗剤、洗髪剤、石鹸、制汗剤、洗顔シート、溶剤、塗料、接着剤、希釈剤、食品添加物等の化成品が挙げられる。これらの用途に用いることで、用途に応じた適切な効果を発揮することができる。
<Products containing ethanol>
The ethanol according to the present invention can be used not only as a polymer raw material as described above, but also in various products. Examples of such products include chemical products such as cosmetics, perfumes, fuels, antifreeze, bactericides, disinfectants, cleaning agents, mold removers, detergents, hair washes, soaps, antiperspirants, face wash sheets, solvents, paints, adhesives, diluents, and food additives. By using it for these purposes, it can exert an appropriate effect according to the purpose.
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。 The present invention will be described in more detail below with reference to examples, but the present invention is not limited to the following examples as long as they do not depart from the gist of the present invention.
<エタノール成分評価方法>
以下の実施例、比較例において、エタノールの成分評価を、におい嗅ぎガスクロマトグラフ質量分析装置(JMS-Q1050GC Ultra Quad GC/MS日本電子社製)を用いた解析により行った。測定条件は以下のとおりとした。
<GC/MS法の分析条件>
カラム:DB-WAX(長さ60m、内径0.25mm、膜厚0.25μm)
オーブン温度:40℃、1分間→5℃/分→100℃、10分間→10℃/分→250℃、4分間
サンプリング時間:5分
キャリアガス:He(3.0mL/分)
<Method for evaluating ethanol content>
In the following Examples and Comparative Examples, the components of ethanol were evaluated by analysis using a sniffing gas chromatograph mass spectrometer (JMS-Q1050GC Ultra Quad GC/MS manufactured by JEOL Ltd.). The measurement conditions were as follows.
<GC/MS analysis conditions>
Column: DB-WAX (length 60 m, inner diameter 0.25 mm, film thickness 0.25 μm)
Oven temperature: 40°C, 1 min → 5°C/min → 100°C, 10 min → 10°C/min → 250°C, 4 min Sampling time: 5 min Carrier gas: He (3.0 mL/min)
<ブタジエン定量方法>
ブタジエンの定量評価を、ガスクロマトグラフィー装置(GC-2014、SHIMADZU社製)を用いた解析により行った。測定条件は以下のとおりとした。
<GC/MS法の分析条件>
カラム:Rt-Q-BOND(長さ30m、内径0.32mm、膜厚10μm)
オーブン温度:60℃、11.5分間→10℃/分→100℃、14.5分間→10℃/分→250℃
サンプリング時間:5分
キャリアガス:He(30cm/s)
スプリット比率:75
<Butadiene Quantitative Method>
The quantitative evaluation of butadiene was carried out by analysis using a gas chromatography device (GC-2014, manufactured by Shimadzu Corporation). The measurement conditions were as follows.
<GC/MS analysis conditions>
Column: Rt-Q-BOND (length 30 m, inner diameter 0.32 mm, film thickness 10 μm)
Oven temperature: 60° C., 11.5 min → 10° C./min → 100° C., 14.5 min → 10° C./min → 250° C.
Sampling time: 5 min Carrier gas: He (30 cm / s)
Split ratio: 75
<安息香酸エチル定量方法>
安息香酸エチルの定量評価を、ガスクロマトグラフィー装置を用いた解析により行った。測定条件は以下のとおりとした。
<GC/MS法の分析条件>
カラム:DB-1(長さ30.0m、内径0.254mm、膜厚0.25m)
昇温条件:30℃-300℃ 15℃/min
キャリアガス:He 100kPa
スプリット比:50
<Quantitative method for ethyl benzoate>
The quantitative evaluation of ethyl benzoate was carried out by analysis using a gas chromatography device under the following measurement conditions.
<GC/MS analysis conditions>
Column: DB-1 (length 30.0 m, inner diameter 0.254 mm, film thickness 0.25 m)
Temperature rise conditions: 30°C-300°C 15°C/min
Carrier gas: He 100 kPa
Split ratio: 50
<燃焼効率定量方法>
エタノールの燃焼効率の定量評価をFTT社製のコーンカロリーメータを用いた総発熱量解析により行った。
<Method for quantifying combustion efficiency>
The ethanol combustion efficiency was quantitatively evaluated by total calorific value analysis using a cone calorimeter manufactured by FTT.
[実施例1]
<エタノールの調製>
以下のようにして、エタノールを製造した。
(原料ガス生成工程)
ごみ焼却設備で一般廃棄物を燃焼した後に排出されるガスを用いた。原料ガスの成分は、一酸化炭素約30%、二酸化炭素約30%、水素約30%および窒素は約10%であった。
[Example 1]
<Preparation of ethanol>
Ethanol was produced as follows.
(Raw material gas generation process)
The gas discharged after incineration of general waste in a waste incineration facility was used. The raw gas consisted of approximately 30% carbon monoxide, approximately 30% carbon dioxide, approximately 30% hydrogen, and approximately 10% nitrogen.
(合成ガス精製工程)
上記にて製造された原料ガスを不純物除去装置であるPSA装置を用いて、ガス温度を80℃まで加温した条件にて、合成ガス中に含まれている二酸化炭素を、もとの含有量(約30%)の60~80%となるように除去した後、150℃のスチームを用いた二重管式熱交換器にて、ガスの昇温と25℃の冷却水を用いた二重管式熱交換器を用いて再冷却を行い、不純物を析出させ析出した不純物をフィルターで除去することにより、合成ガスを製造した。
(Synthetic gas refining process)
The raw material gas produced as described above was heated to 80°C using a PSA apparatus, which is an impurity removal apparatus, and carbon dioxide contained in the synthesis gas was removed to 60 to 80% of the original content (approximately 30%) under conditions of the gas temperature being raised. The gas was then heated in a double-pipe heat exchanger using steam at 150°C and re-cooled using a double-pipe heat exchanger using cooling water at 25°C to precipitate impurities, which were then removed using a filter, thereby producing a synthesis gas.
(微生物発酵工程)
主反応器、合成ガス供給孔、および排出孔を備えた、クロストリジウム・オートエタノゲナム(微生物)の種菌と、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)を充填した連続発酵装置(微生物発酵槽)に、上記のようにして得られた合成ガスを連続的に供給し、培養(微生物発酵)を連続300時間行った。その後、排出孔からエタノールを含有する培養液を約8000L抜き出した。
(Microbial fermentation process)
The synthesis gas obtained as described above was continuously supplied to a continuous fermentation apparatus (microbial fermentation tank) equipped with a main reactor, a synthesis gas supply hole, and a discharge hole, and filled with a seed culture of Clostridium autoethanogenum (a microorganism) and a liquid medium for bacterial culture (containing appropriate amounts of phosphorus compounds, nitrogen compounds, various minerals, etc.), and culture (microbial fermentation) was performed continuously for 300 hours. After that, about 8000 L of the culture liquid containing ethanol was extracted from the discharge hole.
(分離工程)
上記発酵工程で得られた培養液を、固液分離フィルター装置を用いて培養液導入圧200kPa以上の条件にて、エタノール含有液を得た。
(Separation process)
The culture liquid obtained in the above fermentation step was subjected to a solid-liquid separation filter device under conditions of a culture liquid introduction pressure of 200 kPa or more to obtain an ethanol-containing liquid.
(蒸留工程)
続いて、エタノール含有液を、170℃のスチームを用いた加熱器を備えた蒸留装置に導入した。蒸留塔底部の温度を8~15分以内に101℃まで上昇させた後、上記エタノール含有液を蒸留塔中部から導入し、連続運転時においては、塔底部を101℃、塔中部を99℃、頭頂部を91℃にて、15秒/Lの条件にて連続運転し、精製されたエタノールを得た。
(Distillation process)
The ethanol-containing liquid was then introduced into a distillation apparatus equipped with a heater using steam at 170° C. After the temperature of the bottom of the distillation column was raised to 101° C. within 8 to 15 minutes, the ethanol-containing liquid was introduced from the middle of the distillation column, and during continuous operation, the column bottom was kept at 101° C., the middle at 99° C., and the top at 91° C., and the operation was continued at 15 sec/L to obtain purified ethanol.
(エタノール成分評価)
上記のようにして得られたエタノールについて、ガスクロマトグラフ分析結果は図1に示すとおりであった。
(Ethanol component evaluation)
The results of gas chromatographic analysis of the ethanol obtained as described above are shown in FIG.
(ブタジエンの製造方法)
上記のようにして得られたエタノールを用いてブタジエンを製造した。先ず、得られたエタノールは、反応に供するガスとするため、90℃に熱した単管にエタノールを通して気化させ、気化したエタノールガスを窒素と合流させた。この際のエタノールガスの流量をSV360L/hr/L、窒素をSV840L/hr/Lとなるようにマスフローでコントロールすることでエタノール30体積%(気体換算)と窒素70体積%(気体換算)との混合ガスとした。続いて、Hf、ZnおよびCeを主成分とするブタジエン合成用触媒0.85gが充填された直径1/2インチ(1.27cm)、長さ15.7インチ(40cm)のステンレス製の円筒型の反応管を、温度350℃、圧力(反応床の圧力)0.1MPaに保持しながら上記混合ガスを連続的に供給することにより、ブタジエン含有ガスを得た。得られたブタジエン含有ガスをGC-2014(SHIMADZU社製)のガスクロマトグラフィー装置を用いてブタジエンの含有量を定量した。結果は表1に示されるとおりであった。
(Method of producing butadiene)
Butadiene was produced using the ethanol obtained as described above. First, the obtained ethanol was vaporized through a single tube heated to 90° C. to prepare a gas to be used in the reaction, and the vaporized ethanol gas was merged with nitrogen. The flow rate of the ethanol gas was controlled by mass flow so that the SV of the ethanol gas was 360 L/hr/L and the SV of the nitrogen was 840 L/hr/L, thereby obtaining a mixed gas of 30% by volume (gas equivalent) of ethanol and 70% by volume (gas equivalent) of nitrogen. Next, a cylindrical reaction tube made of stainless steel with a diameter of 1/2 inch (1.27 cm) and a length of 15.7 inches (40 cm) filled with 0.85 g of a butadiene synthesis catalyst mainly composed of Hf, Zn, and Ce was kept at a temperature of 350° C. and a pressure (pressure of the reaction bed) of 0.1 MPa, and the mixed gas was continuously supplied to the reaction tube to obtain a butadiene-containing gas. The butadiene content of the obtained butadiene-containing gas was quantified using a gas chromatography apparatus GC-2014 (manufactured by Shimadzu Corporation). The results are shown in Table 1.
[比較例1]
化石燃料由来エタノールである99度エタノール(甘糟化学産業株式会社製)を用いて、実施例1と同様の方法によりブタジエンを製造し、実施例1と同様にしてブタジエンの含有量を定量した。結果は表1に示されるとおりであった。なお、使用したエタノールの成分評価を実施例1と同様にして行った。ガスクロマトグラフ分析結果は図2に示すとおりであった。
[Comparative Example 1]
Butadiene was produced in the same manner as in Example 1 using 99% ethanol (manufactured by Amakasu Chemical Industry Co., Ltd.), which is fossil fuel-derived ethanol, and the butadiene content was quantified in the same manner as in Example 1. The results were as shown in Table 1. The components of the ethanol used were evaluated in the same manner as in Example 1. The results of the gas chromatographic analysis were as shown in FIG. 2.
[比較例2]
植物の糖化発酵由来である99度エタノール(甘糟化学産業株式会社製)を用いて、実施例1と同様の方法によりブタジエンを製造し、実施例1と同様にしてブタジエンの含有量を定量した。結果は表1に示されるとおりであった。なお、使用したエタノールの成分評価を実施例1と同様にして行った。ガスクロマトグラフ分析結果は図3に示すとおりであった。
[Comparative Example 2]
Butadiene was produced in the same manner as in Example 1 using 99% ethanol (manufactured by Amakasu Chemical Industry Co., Ltd.) derived from the saccharification and fermentation of plants, and the butadiene content was quantified in the same manner as in Example 1. The results were as shown in Table 1. The components of the ethanol used were evaluated in the same manner as in Example 1. The results of the gas chromatographic analysis were as shown in FIG. 3.
表1に示されるとおり、ごみ焼却設備で一般廃棄物を燃焼した後に排出されるガスを用いて製造されたエタノールは、従来の化石燃料由来のエタノールや植物からの糖化発酵由来のエタノールに比べて、ブタジエンへの変換効率が高いことが分かった。 As shown in Table 1, ethanol produced from the gas emitted after incinerating general waste in a waste incineration facility has a higher conversion efficiency to butadiene than ethanol derived from conventional fossil fuels or ethanol derived from saccharification and fermentation of plants.
[実施例2]
(安息香酸エチルの製造)
実施例1で使用したエタノールと同じエタノールを用い、以下のようにして安息香酸エチルを製造した。先ず、アルゴン気流下において、安息香酸36.8gとエタノール200mlを混合させ、濃硫酸9mlを加えて還流させながら5時間攪拌した。その後、室温まで放冷し、減圧下で未反応エタノールを除去し、ジエチルエーテル100mlで合成した安息香酸エチルを回収した。回収した液を蒸留水で洗浄し、硫化マグネシウムを用いて乾燥させた後、ろ過濃縮した。
得られたろ液を、ガスクロマトグラフィー装置を用いて成分分析を行い、安息香酸エチル合成量を定量した。その際の分析条件を以下に示す。分析結果は表2に示されるとおりであった。
カラム:DB-1(長さ30.0m、内径0.254mm、膜厚0.25m)
昇温条件:30-300℃ 15℃/min
キャリアガス:He 100kPa
スプリット比:50
[Example 2]
(Production of Ethyl Benzoate)
Ethyl benzoate was produced as follows using the same ethanol as used in Example 1. First, 36.8 g of benzoic acid and 200 ml of ethanol were mixed under an argon stream, and 9 ml of concentrated sulfuric acid was added and stirred for 5 hours under reflux. After that, the mixture was allowed to cool to room temperature, and unreacted ethanol was removed under reduced pressure, and ethyl benzoate synthesized with 100 ml of diethyl ether was recovered. The recovered liquid was washed with distilled water, dried using magnesium sulfide, and then filtered and concentrated.
The obtained filtrate was subjected to component analysis using a gas chromatograph to quantitatively determine the amount of ethyl benzoate synthesized. The analysis conditions are shown below. The analysis results are shown in Table 2.
Column: DB-1 (length 30.0 m, inner diameter 0.254 mm, film thickness 0.25 m)
Temperature rise conditions: 30-300°C 15°C/min
Carrier gas: He 100 kPa
Split ratio: 50
[比較例3]
比較例1で使用した石油化学由来のエタノールを用いた以外は実施例2と同様にして安息香酸エチルを製造し、定量した。分析結果は表2に示されるとおりであった。
[Comparative Example 3]
Ethyl benzoate was produced and quantified in the same manner as in Example 2, except that the petrochemically derived ethanol used in Comparative Example 1 was used. The analytical results are shown in Table 2.
[比較例4]
比較例2で使用した石油化学由来のエタノールを用いた以外は実施例2と同様にして安息香酸エチルを製造し、定量した。分析結果は表2に示されるとおりであった。
[Comparative Example 4]
Ethyl benzoate was produced and quantified in the same manner as in Example 2, except that the petrochemically derived ethanol used in Comparative Example 2 was used. The analytical results are shown in Table 2.
表1に示されるとおり、ごみ焼却設備で一般廃棄物を燃焼した後に排出されるガスを用いて製造されたエタノールは、従来の化石燃料由来のエタノールや植物からの糖化発酵由来のエタノールに比べて、安息香酸エチルへの変換効率が高いことが分かった。 As shown in Table 1, ethanol produced using the gas emitted after incinerating general waste in a waste incineration facility was found to have a higher conversion efficiency to ethyl benzoate than ethanol derived from conventional fossil fuels or ethanol derived from saccharification and fermentation of plants.
[実施例3]
実施例1で使用したエタノールと同じエタノールを用いエタノールの燃焼効率を定量した。燃料効率は、無加熱条件下にて、長さ60mm×幅60mm×高さ30mmの耐熱容器にエタノール30gを加えたのち着火し、コーンカロリーメータ(FTT社製)内で完全に燃焼しきるまでの酸素減少量を測定し、酸素減少量に基づいて総発熱量を算出することにより定量した。定量結果は表3に示されるとおりであった。
[Example 3]
The combustion efficiency of ethanol was quantified using the same ethanol as used in Example 1. The fuel efficiency was quantified by adding 30 g of ethanol to a heat-resistant container of 60 mm length x 60 mm width x 30 mm height under non-heating conditions, igniting it, measuring the amount of oxygen reduction until complete combustion in a cone calorimeter (manufactured by FTT), and calculating the total calorific value based on the amount of oxygen reduction. The quantitative results are shown in Table 3.
[比較例5]
比較例1で使用したエタノールを使用した以外は、実施例3と同様にしてエタノールの燃焼効率を定量した。定量結果は表3に示されるとおりであった。
[Comparative Example 5]
The combustion efficiency of ethanol was quantified in the same manner as in Example 3, except that the ethanol used in Comparative Example 1 was used. The quantitative results are shown in Table 3.
[比較例6]
比較例2で使用したエタノールを使用した以外は、実施例3と同様にしてエタノールの燃焼効率を定量した。定量結果は表3に示されるとおりであった。
[Comparative Example 6]
The combustion efficiency of ethanol was quantified in the same manner as in Example 3, except that the ethanol used in Comparative Example 2 was used. The quantitative results are shown in Table 3.
表1に示されるとおり、ごみ焼却設備で一般廃棄物を燃焼した後に排出されるガスを用いて製造されたエタノールは、従来の化石燃料由来のエタノールや植物からの糖化発酵由来のエタノールに比べて、燃焼効率が高いことが分かった。 As shown in Table 1, ethanol produced using the gas emitted after incinerating general waste in a waste incineration facility has higher combustion efficiency than ethanol derived from conventional fossil fuels or ethanol derived from saccharification and fermentation of plants.
Claims (15)
ガスクロマトグラフ質量分析法(GC/MS法)により、下記条件において測定したガスクロマトグラフにおいて、
リテンションタイムが5分25秒~5分35秒のピーク、および
リテンションタイムが2分55秒~3分5秒のピーク
を有する、廃棄物由来のエタノール組成物。
<GC/MS法の分析条件>
カラム:キャピラリーカラム(長さ60m、内径0.25mm、膜厚0.25μm)
オーブン温度:40℃、1分間→5℃/分→100℃、10分間→10℃/分→250℃、4分間
サンプリング時間:5分
キャリアガス:He(3.0mL/分) A waste-derived ethanol composition obtained by a method including the steps of: generating a raw gas containing carbon monoxide and hydrogen by gasifying waste as a carbon source; purifying the raw gas using a pressure swing adsorption type separation device to obtain a synthesis gas containing carbon monoxide and hydrogen; supplying the synthesis gas to a fermenter containing Clostridium genus as a microorganism to obtain an ethanol-containing liquid by microbial fermentation; and purifying the ethanol-containing liquid after removing the microorganism ,
The gas chromatograph was measured by gas chromatography/mass spectrometry (GC/MS) under the following conditions:
A waste-derived ethanol composition having a peak with a retention time of 5 minutes 25 seconds to 5 minutes 35 seconds, and a peak with a retention time of 2 minutes 55 seconds to 3 minutes 5 seconds.
<GC/MS analysis conditions>
Column: Capillary column (length 60 m, inner diameter 0.25 mm, film thickness 0.25 μm)
Oven temperature: 40°C, 1 min → 5°C/min → 100°C, 10 min → 10°C/min → 250°C, 4 min Sampling time: 5 min Carrier gas: He (3.0 mL/min)
前記原料ガスを、圧力スイング吸着方式の分離装置を用いて精製して、一酸化炭素および水素を含む合成ガスを得る工程と、
前記合成ガスを微生物としてクロストリジウム属を含む発酵槽に供給し、微生物発酵によりエタノール含有液を得る微生物発酵工程と、
前記エタノール含有液を、前記微生物を除去した後に精製する精製工程と、
を含み、
前記精製されたエタノール組成物は、
ガスクロマトグラフ質量分析法(GC/MS法)により、下記条件において測定したガスクロマトグラフにおいて、
リテンションタイムが5分25秒~5分35秒のピーク、および
リテンションタイムが2分55秒~3分5秒のピーク
を有する、廃棄物由来のエタノール組成物の製造方法。
<GC/MS法の分析条件>
カラム:キャピラリーカラム(長さ60m、内径0.25mm、膜厚0.25μm)
オーブン温度:40℃、1分間→5℃/分→100℃、10分間→10℃/分→250℃、4分間
サンプリング時間:5分
キャリアガス:He(3.0mL/分) generating a feed gas comprising carbon monoxide and hydrogen by gasifying waste as a carbon source ;
purifying the feed gas using a pressure swing adsorption separation device to obtain a synthesis gas containing carbon monoxide and hydrogen;
a microbial fermentation step of supplying the synthesis gas to a fermenter containing the genus Clostridium as a microorganism and obtaining an ethanol-containing liquid by microbial fermentation;
a purification step of purifying the ethanol-containing liquid after removing the microorganisms ;
Including,
The purified ethanol composition comprises:
The gas chromatograph was measured by gas chromatography/mass spectrometry (GC/MS) under the following conditions:
A method for producing a waste-derived ethanol composition having a peak with a retention time of 5 minutes 25 seconds to 5 minutes 35 seconds, and a peak with a retention time of 2 minutes 55 seconds to 3 minutes 5 seconds.
<GC/MS analysis conditions>
Column: Capillary column (length 60 m, inner diameter 0.25 mm, film thickness 0.25 μm)
Oven temperature: 40°C, 1 min → 5°C/min → 100°C, 10 min → 10°C/min → 250°C, 4 min Sampling time: 5 min Carrier gas: He (3.0 mL/min)
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