JP2006043504A - 蒸煮爆砕方法及び蒸煮爆砕装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 バイオマス原料の蒸煮及び爆砕において生成される複数の有価物を効果的に回収できる経済的な蒸煮爆砕装置を提供する。
【解決手段】 反応器１内部が中央部を開口した区画板３ａ〜３ｃによって多段Ａ〜Ｄに構成され、前記区画板３ａ〜３ｃの開口部２にスクリューコンベア４が貫通させられ、前記区画板３ａ〜３ｃによって形成された各段Ａ〜Ｄに加熱手段７ａ〜７ｄが設けられ、前記反応器１の上部にバイオマス原料の供給部９及び生成された有価物とパージガスの取出部１０が形成され、下部にパージガスの供給部１５及び爆砕用減圧部１６が形成されてなる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、木材チップや籾殻などのバイオマス原料から多糖類、フルフラール、微粉化繊維などの各種天然有用物質（以下単に「有価物」と言う。）を回収する蒸煮爆砕方法及び蒸煮爆砕装置に関する。

従来、木材チップや籾殻などのバイオマス原料に高温高圧の水蒸気を接触させてセルロースを加水分解し（蒸煮）、多糖類やフルフラールなどの各種有価物を生成及び回収するとともに、残留した反応物を瞬間的に断熱膨張させて植物細胞膜を破壊し（爆砕）、微粉化繊維などを得ることが行われている。

また、バイオマス原料を爆砕処理した後、メタン発酵してメタンを取り出すバイオガス資源回収方法（特開２００４−３３８２８号公報）、バイオマス原料を常圧下で飽和水蒸気により蒸煮した後、過熱水蒸気により炭化処理すること（特開２００３−２７５７３２号公報）なども提案されている。
特開２００４−３３８２８号公報 特開２００３−２７５７３２号公報 前記従来のバイオマス原料の蒸煮及び爆砕は、いずれも一つの室からなる反応器内において行うものであった。

前記蒸煮及び爆砕では、バイオマス原料の加水分解反応によりフルフラール、アラビノース、グルコース、キシロース、フラクトースなどの複数の有価物が生成される。しかしながら、前記複数の有価物の生成に最適な反応時間や温度はそれぞれの有価物によって異なる。

すなわち、反応時間が長すぎたり、温度が高すぎたりすると、生成された有価物が二次分解されて他の成分に変化してしまうという問題が残されていた。

したがって、一つの室からなる反応器で目的とする有価物を効率よく生成及び回収するためには、バイオマス原料の反応（滞留）時間と温度を制御して一つの有価物のみの回収率を最大化せざるを得ず、結果として、他に生成される有価物の回収が困難であり、経済的とは言えないものであった。

本発明は、前記事情に鑑み、反応器を多段に構成し、各段におけるバイオマス原料の反応（滞留）時間及び温度を制御して、バイオマス原料の蒸煮及び爆砕において生成される複数の有価物を効率的に、さらには連続的に回収できる経済的な蒸煮爆砕方法及び蒸煮爆砕装置を提供することを目的とする。

本発明の蒸煮爆砕方法は、バイオマス原料を多段構成の反応器により順次各段の温度を高めて蒸煮し、前記反応器の各段をガスでパージして生成された有価物を取り出し、残留する反応物を爆砕することを特徴とする（請求項１）。

前記蒸煮爆砕方法によれば、一つのバイオマス原料から複数の有価物を二次分解させることなく、効率的に回収することができる。すなわち、有価物の並列生産が可能である。

具体的には、多段構成の反応器に供給されたバイオマス原料が、当初、比較的低い温度において蒸煮され、例えば、フルフラールなどの有価物が生成されて、パージガスによって反応器外に取り出されて回収される。

その後、前記バイオマス原料が徐々に、または段階的に温度が高められた各段部に順次供給されて、それぞれ順次高い温度において蒸煮され、前記当初の有価物と異なる各種の有価物が生成されて、それぞれパージガスによって反応器外に取り出されて回収される。そして、多段に構成された反応器の下端部において残留した反応物が爆砕され、微粉化繊維、その他の有価物として回収される。

前記方法の発明の実施の一形態は、生成された有価物を取り出しつつ残留した反応物を連続的又は間欠的に爆砕することを特徴とする（請求項２）。この実施の一形態によれば、バイオマス原料の蒸煮及び爆砕が連続的又は間欠的に行われ、したがって、前記各温度によって生成される複数の有価物を連続的に回収することができる。

前記方法の発明の実施の一形態は、前記パージガスが窒素ガスであることを特徴とする（請求項３）。この実施の一形態によれば、窒素ガスが他の不活性ガスに比べて安価であり経済的である。

前記方法の発明の実施の一形態は、パージガスから生成された有価物を回収した後、前記パージガスを前記多段構成の反応器に循環させて再利用することを特徴とする（請求項４）。この実施の一形態によれば、パージガスの再利用により該パージガスの使用量を増加させることがなく経済的である。

前記方法の発明の実施の一形態は、前記残留する反応物を爆砕後、固液分離し、分離された固体分をバイオマス原料として再利用することを特徴とする（請求項５）。この実施の一形態によれば、爆砕後の繊維質の中に未だ加水分解が不十分なもの、あるいは加水分解反応はしたものの細胞外に取り出せていないものがある場合などに、再利用してさらに各種有価物の回収率を高めることができる。

本発明の蒸煮爆砕装置は、反応器の内部が中央部を開口した区画板によって多段に構成され、該多段の区画板の開口部にスクリューコンベアが貫通させられ、前記区画板によって形成された各段に加熱手段が設けられ、前記反応器の上部にバイオマス原料の供給部及び生成された有価物とパージガスの取出部が形成され、下部にパージガスの供給部及び爆砕用減圧部が形成されてなることを特徴とする（請求項６）。

前記蒸煮爆砕装置によれば、本発明の前記各蒸煮爆砕方法を効率的に実施できる。すなわち、反応器の上部に設けられたバイオマス原料の供給部から供給されたバイオマス原料が、当初、比較的低い温度の一段目において、所定時間滞留させられて蒸煮され、例えば、フルフラールなどの有価物が生成され、該有価物が反応器の下部から供給されたパージガスとともに上部の取出部から反応器外に取り出されて回収される。なお、前記一段目におけるバイオマス原料の滞留時間は、前記スクリューコンベアの回転速度により制御される。

つぎに、前記一段目のバイオマス原料が、前記一段目より温度を高くした二段目に供給され、前記一段目より高い温度で蒸煮される。したがって、前記一段目の有価物と異なる有価物が生成され、該有価物が前記と同様にパージガスとともに上部の取出部から反応器外に取り出されて回収される。なお、前記二段目におけるバイオマス原料の滞留時間も前記スクリューコンベアの回転速度により制御される。

以下、同様に三段目、四段目の段部において順次高い温度によって蒸煮が行われ、各温度において生成された有価物がパージガスとともに上部の取出部から反応器外に取り出されて回収される。なお、前記反応器内に形成する段部数は前記四段に限定されず、処理されるバイオマス原料の種類や目的とする有価物の種類により決定される。

そして、前記多段に構成された反応器の下端部において残留した反応物が、爆砕用減圧部の開放により破砕されて該破砕物が微粉化繊維、その他の有価物として取り出される。

前記装置の発明の実施の一形態は、前記区画板が逆錐形であることを特徴とする（請求項７）。この実施の一形態によれば、バイオマス原料が前記区画板の中央部の開口部に自動的に集められ、該開口部に集められたバイオマス原料が前記スクリューコンベアによってつぎの段部へ均一かつ洩れなく送り込まれる。

前記装置の発明の実施の一形態は、各段の加熱手段がスチームであることを特徴とする（請求項８）。すなわち、飽和蒸気を加熱したスチームを使用することにより、反応器の外部に加熱手段を設けることなく蒸煮を効果的に行うことができる。

前記装置の発明の実施の一形態は、有価物とパージガスの取出部に有価物の回収部が設けられ、該有価物の回収部に分離されたパージガスの循環管路が連結されてなることを特徴とする（請求項９）。この実施の一形態によれば、有価物と分離されたパージガスを前記多段構成の反応器に循環させて再利用することができ、パージガスの再利用により該パージガスの使用量を増加させることがなく経済的である。

前記装置の発明の実施の一形態は、爆砕用減圧部から排出される爆砕生成物を冷却する冷却手段と、冷却された爆砕生成物から液状の有価物を回収する固液分離部が設けられてなることを特徴とする（請求項１０）。この実施の一形態によれば、爆砕生成物を冷却して、気体状態の有価物を液状にし、固液分離することにより、爆砕によって生成した有価物を効率的に回収することができる。

前記装置の発明の実施の一形態は、前記固液分離部において分離された固体分を前記バイオマス原料の供給部に循環させるリサイクルラインが設けられてなることを特徴とする（請求項１１）。この実施の一形態によれば、爆砕後の繊維質の中に未だ加水分解が不十分のもの、あるいは加水分解反応はしたものの細胞外に有価物を取り出せていないものがある場合などに、再利用してさらに各種有価物の回収率を高めることができる。

本発明の蒸煮爆砕方法及び蒸煮爆砕装置によれば、バイオマス原料の蒸煮及び爆砕において生成される複数の有価物を効率的に、さらには連続的に回収でき経済的である。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施の一形態を説明する。図１は本発明の蒸煮爆砕装置の概念的構成図、図２は本発明の爆砕に至る反応器内部の昇温プロファイルである。

図１において、１は蒸煮爆砕反応器（以下単に「反応器」と言う。）であり、本発明では内部が多段に構成される。図面実施の一形態では、中央にそれぞれ開口部２を有する逆円錐形の三枚の区画板３ａ、３ｂ及び３ｃによって、内部が四段、すなわち、上段Ａ、中上段Ｂ、中下段Ｃ及び下段Ｄに構成されている。

さらに前記反応器１の内部には、前記区画板３ａ、３ｂ及び３ｃの開口部２を貫通して前記下段Ｄ部に至るスクリューコンベア４が設けられる。該スクリューコンベア４は、前記反応器１の外部にシャフト５の上端部が突出させられ、該シャフト５の上端にモータ６が設けられる。なお、モータ６は回転速度制御が自在に構成される。

さらに、前記区画板３ａ、３ｂ及び３ｃによって形成された前記上段Ａ、中上段Ｂ、中下段Ｃ及び下段Ｄに、それぞれ加熱手段としてのスチーム供給管７ａ、７ｂ、７ｃ及び７ｄが設けられる。

前記加熱手段としてのスチーム供給管７ａ、７ｂ、７ｃ及び７ｄには、それぞれ前記上段Ａ、中上段Ｂ、中下段Ｃ及び下段Ｄ内の温度を検出してスチームの供給量を調節するコントロールバルブ８ａ、８ｂ、８ｃ及び８ｄが設けられている。

さらに、前記反応器１の上端部にバイオマス原料の供給部９及び生成された有価物とパージガスの取出部１０が形成される。図面実施の一形態では、前記バイオマス原料の供給部９は、原料ホッパー１１と該原料ホッパー１１の底部から前記反応器１に向けて設けられたスクリューコンベア１２により構成されている。図中、１３は前記スクリューコンベア１２を駆動するモータである。

さらに、前記有価物とパージガスの取出部１０には、有価物の回収部１４が設けられる。該有価物の回収部１４は、例えば、凝縮冷却器からなり、パージガスから有価物（Ｘ）を分離して回収する。

さらに、前記反応器１の下部にパージガスの供給部１５及び爆砕用減圧部１６が形成される。前記パージガスの供給部１５は、図面実施の一形態では、パージガスの供給管路１７が二つに分岐され、一方管路１７ａが前記下段Ｄに連結され、他方管路１７ｂが前記中下段Ｃに連結されている。

さらに、図面実施の一形態では、前記下段Ｄと前記中下段Ｃ間が連通管１７ｃによって連通させられ、前記中下段Ｃと前記中上段Ｂ間が連通管１７ｄによって連通させられ、前記中上段Ｂと前記上段Ａ間が連通管１７ｅによって連通させられ、前記反応器１の下部に供給されたパージガスが順次上部の各段部へ供給されるように構成されている。

なお、前記反応器１内は下段にいくほど温度が高く蒸気圧も高いので、前記下段Ｄの圧力に合わせるためにパージガスを主に前記中下段Ｃに供給し、必ずしも前記下段Ｄにパージガスを供給しなくてもよいものである。図中、１８は前記パージガスの供給ブロアである。

前記爆砕用減圧部１６は、爆砕物が詰まることなく、急激に開放及び減圧できるボールバルブ等で構成される。図中、１９は冷却器、２０は搬送機、２１はろ過機、２２は繊維質リサイクルラインである。

さらに、図面実施の一形態では、前記有価物の回収部１４に、有価物と分離されたパージガスの循環管路２３が連結されている。該循環管路２３は、パージガス源２４から前記ブロア１８への管路２８に設けられた合流部２５に連結されている。前記パージガス源２４からのパージガスの供給は、バルブ２６を開閉することにより制御されており、前記ブロア１８への供給圧が一定に保たれるように制御される。

前記構成にあって、前記反応器１内は、図２に示すように、爆砕に至る温度を順次高めて制御される。例えば、上段Ａが１４０℃、中上段Ｂが１７０℃、中下段Ｃが２００℃、下段Ｄが２３０℃にそれぞれスチーム供給によって制御される。

なお、前記反応器１内の内部圧は、バルブ２７によりパージガスの排出量を調節して制御され、その圧力は下段Ｄの温度における飽和蒸気圧とされる。例えば、前記２３０℃に対応する２．８ＭＰａとされる。

まず、木材チップ、籾殻等のバイオマス原料が、前記バイオマス原料の供給部９を構成する前記原料ホッパー１１に投入され、前記スクリュ−コンベア１２によって前記反応器１の上段Ａに供給されて蒸煮が行われる。

前記上段Ａにおける蒸煮により生成された有価物は、前記パージガスの供給部１５から前記反応器１内に供給されたパージガスとともに取出部１０から取り出され、さらに前記有価物の回収部１４に至り、パージガスと分離されて有価物（Ｘ）として回収される。一方、分離されたパージガスは、前記循環管路２３、合流部２５を経て前記ブロア１８で加圧され管路１７を経て前記反応器１の下部に供給されて再利用される。

つぎに、前記上段Ａにおいて１４０℃で蒸煮されたバイオマス原料は、前記スクリューコンベア４がモータ６により駆動させられて中上段Ｂに送り込まれ、該中上段Ｂにおいて１７０℃で蒸煮が行われる。

そして前記中上段Ｂにおいて生成された有価物が、前記上段Ａの場合と同様にパージガスとともに前記上段Ａを経て前記取出部１０から取り出され、さらに前記有価物の回収部１４に至り、パージガスと分離されて回収される。

以下、同様にしてバイオマス原料が中下段Ｃにおいて２００℃で蒸煮が行われ、続いて下段Ｄにおいて２３０℃で蒸煮が行われ、それぞれの蒸煮温度における有価物が二次分解させられることなく前記有価物の回収部１４に運ばれ、パージガスと分離されて回収される。

前記のごとくして、下段Ｄに至った固体物は、前記爆砕用減圧部１６を開放することにより爆砕処理され、その後、爆砕生成物は前記冷却機１９によって冷却された後、前記搬送機２０によって前記ろ過機２１に送られ、繊維質が分離されて、液状の有価物（Ｙ）が回収される。

さらに、分離された繊維質のうち、加水分解が不十分なもの、あるいは加水分解反応はしたものの細胞外に取り出せていないものの一部がリサイクルライン２２によって前記原料ホッパー１３に供給されて再び蒸煮及び爆砕される。

なお、前記説明では、反応器１の上段Ａから下段Ｄに至るバイオマス原料の蒸煮及び爆砕を個々に説明したが、通常は前記蒸煮及び爆砕は連続的に行われる。

また、前記バイオマス原料の蒸煮及び爆砕において、上段Ａ、中上段Ｂ、中下段Ｃ及び下段Ｄへのスチームの供給は加熱のためであり、バイオマス原料の蒸煮に水分が不足する場合には前記原料ホッパー１１にプロセス水が供給される。

本発明の蒸煮爆砕装置の概念的構成図である。 本発明の爆砕に至る反応器内部の昇温プロファイルである。

符号の説明

１ 反応器
２ 開口部
３ａ、３ｂ、３ｃ 区画板
４ スクリューコンベア
７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ 加熱手段
９ バイオマス原料の供給部
１０ 有価物及びパージガスの取出部
１４ 有価物の回収部
１５ パージガスの供給部
１６ 爆砕用減圧部
２３ パージガスの循環管路

Claims (11)

1. バイオマス原料を多段構成の反応器により順次各段の温度を高めて蒸煮し、前記反応器の各段をガスでパージして生成された有価物を取り出し、残留する反応物を爆砕することを特徴とする蒸煮爆砕方法。
2. 生成された有価物を取り出しつつ残留する反応物を連続的又は間欠的に爆砕することを特徴とする請求項１に記載の蒸煮爆砕方法。
3. パージガスが窒素ガスであることを特徴とする請求項１又は２に記載の蒸煮爆砕方法。
4. パージガスから生成された有価物を回収した後、前記パージガスを前記多段構成の反応器に循環させて再利用することを特徴とする請求項１、２又は３に記載の蒸煮爆砕方法。
5. 前記残留する反応物を爆砕後、固液分離し、分離された固体分をバイオマス原料として再利用することを特徴とする請求項１、２、３又は４に記載の蒸煮爆砕方法。
6. 反応器の内部が中央部を開口した区画板によって多段に構成され、前記区画板の開口部にスクリューコンベアが貫通させられ、前記区画板によって形成された各段に加熱手段が設けられ、前記反応器の上部にバイオマス原料の供給部及び生成された有価物とパージガスの取出部が形成され、下部にパージガスの供給部及び爆砕用減圧部が形成されてなることを特徴とする蒸煮爆砕装置。
7. 前記区画板が逆錐形であることを特徴とする請求項６に記載の蒸煮爆砕装置。
8. 各段の加熱手段がスチームであることを特徴とする請求項６又は７に記載の蒸煮爆砕装置。
9. 生成された有価物とパージガスの取出部に有価物の回収部が設けられ、該有価物の回収部に分離されたパージガスの循環管路が連結されてなることを特徴とする請求項６、７又は８に記載の蒸煮爆砕装置。
10. 爆砕用減圧部から排出される爆砕生成物を冷却する冷却手段と、冷却された爆砕生成物から液状の有価物を回収する固液分離部が設けられてなることを特徴とする請求項６、７、８又は９に記載の蒸煮爆砕装置。
11. 前記固液分離部にて分離された固体分を前記バイオマス原料の供給部に循環させるリサイクルラインが設けられてなることを特徴とする請求項１０に記載の蒸煮爆砕装置。

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