JP2006281037A - 連続供給型反応装置およびその方法 - Google Patents

Abstract

【課題】安定して高い収率を得る。
【解決手段】ウッドチップ（廃建材含む）等の木質系バイオマスを過剰量の希硫酸とともに撹拌槽１に投入して混合し、ベルトフィルター２により液分を除去した後、マテリアルシール型スクリューフィーダー４を介して反応器５に投入し、希硫酸の補給および蒸気による温度保持を行いつつ、希硫酸触媒による加水分解によって糖類を生成するにあたり、検出器４ｄによりフィーダー４の電動機４ｍの電流を検出し、演算制御装置６において検出値と含液率との相関から反応器投入原料の硫酸含液量（濃度）を算出し、この結果を加水分解反応に必要な硫酸量（濃度）から差して不足量を算出し、この不足分を硫酸供給バルブ７の開度制御により反応器５に供給するようにする。
【選択図】図１

Description

本発明は、反応器と、液分及び固形分からなる原料を脱液しつつ反応器内へ連続供給するフィーダーとを備えた、連続供給型反応装置に関するものであり、特に木質バイオマスの加水分解反応に好適な反応装置に関するものである。

固形物と水との混合物や、高濃度スラリー等、液分及び固形分からなる原料を反応器に連続的に供給する場合、一般に、一軸ネジ式ポンプやスクリューフィーダー、ピストンフィーダーなどの押し込み型フィーダーが使用される。特に、加圧下の反応器に対するフィーダーは、反応器内圧をシールしつつ原料を押し込むことが要求される。このような要求を満たすフィーダーとして、原料を供給通路内に通過させながら充填圧縮し、圧縮物によりその上流側と下流側とを遮断しつつ押し込む、いわゆるマテリアルシール型スクリューフィーダーや、ピストンフィーダーがある。以下、これらを総称してマテリアルシール型フィーダーという。

しかし、これらのフィーダーのように原料の脱液を伴う場合（後述する木質バイオマスの加水分解プロセスの他にも、パルプ蒸解の供給機がある）、供給原料における含液率は多少なりとも変動する。そして、このような反応器における供給原料の含液率変動は反応に少なからず影響を与える。すなわち、原料中に反応物質や触媒が含まれる場合、含液率に応じてこれらの物質の量が増減し、反応収率に影響を及ぼすことになる。

例えば、木質バイオマスを希硫酸触媒の存在下で加水分解することにより単糖を得るプロセスの場合、フィーダーにおける含液率の変動が目的物質の収率に多大な影響を及ぼすことが実証されている。より詳細に説明すると、木材チップ等の木質バイオマスを希硫酸触媒の存在下、水蒸気加圧中で反応させると、セルロース、ヘミセルロースなどの高分子状多糖類が加水分解し単糖が得られる。この反応を連続的に行う場合、希硫酸と木質バイオマスとの混合を確実に行うため、反応器に投入する以前に混合が行われることが一般的である。そして、この予め混合された原料を前述のスクリューフィーダー等の装置で反応器内に圧縮供給する場合に、含液率の変動が起こると、反応器中に供給される希硫酸の量が変動するため、目的物質である単糖の収率が変動してしまうのである。

この収率変動の実験結果を図１に示した。木材からヘミセルロースを回収するプロセスにおいて温度、反応時間が一定の場合、単糖の収率が反応器中の硫酸濃度に依存することが判る。図２は、フィーダーにおける含液率と反応器中の硫酸濃度との関係を示している。図１及び図２から、フィーダーにおける含液率の変動幅は概ね２０〜５０％であり、この時のヘミセルロースからの単糖の収率は５０〜９０％で変動していることが判る。現状では含液率が最も低い（反応器中硫酸濃度が最も低い）時でも、所定の収率を満たすように過剰量の硫酸を予め混合している。
特表昭５７-５０００９１号公報 特開２００４−８９０１６号公報 特開２００４−３３７０９９号公報

そこで、本発明の主たる課題は、供給原料の含液率変動による収率低下を抑制し、収率の安定を図ることにある。

上記課題を解決した本発明は次記のとおりである。
＜請求項１記載の発明＞
反応を行う反応器と、液分及び固形分からなる原料を脱液しつつ前記反応器内へ連続供給するフィーダーとを備えた、連続供給型反応装置であって、
反応器及びその上流側の範囲を含む系内に、反応物質及び触媒の少なくとも一方を含む添加液を添加する添加手段と、
前記反応器に供給される原料の含液率変動に応じて、前記添加手段による添加量を制御する制御手段と、
を備えたことを特徴とする連続供給型反応装置。

（作用効果）
反応器に供給される原料の含液率変動に応じて、反応物質や触媒を含む添加液の添加量を制御する。したがって、供給原料の含液率変動が反応に及ぼす影響を打ち消すことができ、収率の安定化を図ることができる。

＜請求項２記載の発明＞
前記添加手段は、前記フィーダー及びその上流側の範囲で一段目の添加を行い、前記反応器内で二段目の添加を行う二段階添加手段であり、このうち少なくとも一方の添加量を前記制御手段により制御するように構成した、請求項１記載の連続供給型反応装置。

（作用効果）
添加手段による添加位置は、反応器内、反応器よりも上流側、またはその両方とすることができ、このうちいずれか一方または両方の添加位置における添加量を制御することができる。反応器よりも上流側で添加液を添加するとともに上記添加制御を行う場合、フィードバック制御となる。この場合、規則的または緩やかな変動に対しては効果的である。一方、反応器内で添加液を添加するとともに上記添加制御を行う場合、フィードフォワード制御となる。この場合、変動の規則性や緩急に関係無く効果的に作用する。なお、添加位置は反応器内、反応器上流側に各１箇所以上あればよく、たとえば反応器内の複数箇所設置してもよい。

＜請求項３記載の発明＞
前記反応器は加圧下で反応を行うものであり、前記フィーダーは脱液口を有するマテリアルシール型フィーダーである、請求項１または２記載の連続供給型反応装置。

（作用効果）
反応器が加圧下で反応を行うものの場合、フィーダーは脱液口を有するマテリアルシール型フィーダーが好適に用いられるが、このようなフィーダーは脱液を不可避的に伴う。したがって、本発明はこのような場合に好適である。

＜請求項４記載の発明＞
前記フィーダーは、脱液口を有する通路と、この通路内に回動自在に設置されたスクリューと、このスクリューを回転駆動する電動機とを備えたマテリアルシール型スクリューフィーダーであり、
前記制御手段は、前記スクリュー軸のトルクまたは前記電動機の電流を検出する検出器を備えており、この検出結果に応じて前記添加手段による添加量を制御するものである、請求項１〜３のいずれか１項に記載の連続供給型反応装置。

（作用効果）
マテリアルシール型フィーダーとしては、電動機を駆動源とするスクリューフィーダーが好適である。このようなスクリューフィーダーでは、原料の圧密化による脱液率と、スクリュー軸のトルクまたは電動機の電流とは相関関係を有し、フィーダーにおける脱液率と反応器に供給される原料の含液率とは相関関係を有する。つまり、スクリュー軸のトルクまたは電動機の電流と含液率とは相関関係を有する（図８の実験結果参照）。したがって、マテリアルシール型スクリューフィーダーを用いる場合、スクリュー軸のトルクまたは電動機の電流を検出し、その結果に応じて添加量制御を行うのは一つの好ましい形態である。

＜請求項５記載の発明＞
前記原料の固形分が木質バイオマスであり、前記反応が加水分解であり、前記添加液が希硫酸である、請求項３または４記載の連続供給型反応装置。

（作用効果）
本発明の反応装置において、マテリアルシール型フィーダーを用い、木質バイオマスを含む原料を希硫酸の存在下で加水分解する場合、フィーダーの脱液の影響で収率が変動することが実証されている。したがって、本発明はこのような場合に好適であり、過剰に硫酸を使用することなく所望の収率を安定的に得ることができるようになる。

＜請求項６記載の発明＞
液分及び固形分からなる原料を脱液しつつ反応器内へ連続供給する連続供給型反応方法であって、
反応器及びその上流側の範囲を含む系内に、反応物質及び触媒の少なくとも一方を含む添加液を添加するとともに、その添加量を、前記反応器に供給される原料の含液率変動に応じて制御する、
ことを特徴とする連続供給型反応方法。

（作用効果）
請求項１記載の発明と同様の作用効果が奏せられる。

＜請求項７記載の発明＞
前記原料の固形分が木質バイオマスであり、前記反応が加水分解であり、前記添加液が希硫酸である、請求項６記載の連続供給型反応方法。

（作用効果）
請求項５記載の発明と同様の作用効果が奏せられる。

以上のとおり本発明では、給原料の含液率変動による収率低下を抑制し、収率の安定を図ることができるようになる。

以下、本発明の一実施形態について添付図面を参照しながら詳説する。
図３は、例えば、バガス、籾殻、稲藁、ウッドチップ（廃建材含む）等の木質系バイオマスからなる固形分を希硫酸触媒により加水分解し、グルコース、キシロース、アラビノース、ガラクトース、マンノース等の糖類を生成する糖化反応装置例を示している。

この装置では、固形分は反応器５への供給に先立って予め希硫酸と混合され、固形分中に希硫酸が含浸されて反応器供給原料となる。これは、木質系バイオマス固形分と硫酸とを反応器５に直接入れるだけであると、硫酸が固形分の内部まで確実に浸透せず、収率が伸びないためである。もちろん、固形分の微細化や、反応器５の大型化等により混合性を向上させることもでき、この場合、予め硫酸を混合しなくても良い。

この混合方法としては、図３に示すように、固形分と過剰量の希硫酸とを撹拌槽１に投入して混合した後、ベルトフィルター等のろ過装置２により液分を除去する方法の他、図４に示すように、固形分を混練機３に投入し、混練機３内に散布供給される適量の硫酸と混練する方法を採用することができる。

原料中の硫酸の量（濃度）は、反応器５内で必要とされる硫酸量（濃度）から逆算により決定することができる。この硫酸量は、後述するフィーダー４の脱液に起因する原料の含液率変動に対して必要最低量が確保されれば良く、例えば、予め試験等により原料の最大含液率（すなわち、反応器に供給される硫酸量が最も多くなるとき）を調べておき、この最大含液率時に反応器５中の硫酸量が加水分解に必要な量（濃度）に達するように定めることができる。

次に、液分及び固形分を含有する原料はフィーダー４に供給され、フィーダー４により脱液されつつ反応器５内に連続供給される。本発明のフィーダーとしては、脱液を伴う連続供給型のものであれば特に限定されるものではないが、本実施形態の反応では反応器５内を加圧下に保持するため、図５に示すマテリアルシール型スクリューフィーダーや、図６に示すマテリアルシール型ピストンフィーダーが好適である。

図５に示すマテリアルシール型スクリューフィーダー４は、周壁に脱液口１１６を有する管路１１１と、この管路１１１内に備えられたスクリュー（スクリュー軸１１３およびその外周面に螺旋方向に沿って設けられたスクリュー羽根１１４とからなる）とから主に構成されるものである。スクリューは管路１１１の先端口部１１７と他端側に設置された軸受（図示せず）によって支持されている。供給口１１２から管路１１１内の通路に供給された原料Ｐは、スクリュー軸１１３を中心に回転するスクリュー羽根１１４によって先端口部１１７に送られ、反応器５内に供給される。スクリュー羽根１１４のリード（スクリュー軸１１３の周りを一周したときに、軸方向に進む距離。）は、基端側から先端口部１１７に向かって、徐々に、若しくは段階的に短くされるか、又は、基端側から先端側に向かってスクリュー羽根１１４の径が徐々に若しくは段階的に小さくなっており、又は、これらの複合形態として、基端側から先端側に向かってリードが徐々に若しくは段階的に短く、かつ羽根の径が徐々に若しくは段階的に小さくなっている。したがって、原料Ｐは、先端側に向かうにしたがって、徐々に、又は段階的に高密度化され、脱液されることになる。この高密度化された原料Ｐは、封止材（シール材）として機能するため、反応器５内の方が管路１１１内より高圧であっても、原料Ｐが逆流することがなく、反応器５の内圧は保たれる。また搾り出された液は脱液口１１６から排出される。脱液口１１６は、管路１１１の壁面に孔やスリットを設ける他、壁面を網体により形成することで設けることができる。この液分は、フィーダー４よりも上流側、例えば撹拌槽１または混練機３に返送し、新規に追加される希硫酸とともに使用することができる。

一方、図６に示すマテリアルシール型ピストンフィーダー４は、周壁に脱液口１２６を有する管路１２１と、この管路１２１内を往復運動するピストン部材（ピストン１２３及びその外周面と管路１２１内面との隙間をシールする封止材１２４からなる）とから主に構成されている。供給口１２２から管路１２１内に供給された原料Ｐは、ピストン１２３によって先端側に押され、反応器５内に供給される。この際、押し出される原料Ｐは圧搾され、脱液される。よって、この場合にも、高密度化された原料Ｐによるシール作用によって反応器５の内圧は保たれる。また、搾り出された液は脱液口１２６から排出される。この液分は、フィーダー４よりも上流側、例えば撹拌槽１または混練機３に返送し、新規に追加される希硫酸とともに使用することができる。

反応器５内には、蒸気が供給され反応温度が維持されるとともに、希硫酸が供給されるようになっている。この希硫酸の供給は、図示形態のように予め希硫酸を混合する形態では補給となる。また、反応器５内には、スクリューコンベア等の搬送装置５Ｍが設けられており、原料は搬送過程において所定時間反応器５内に保持され、加水分解が進行し糖類が生成された後、反応物として排出される。

そして、このような反応装置において、反応器５に供給される原料の含液率変動に応じて硫酸の添加量を制御するための制御手段が設けられている。具体的には、フィーダー４の駆動源が発揮する力を検出する検出器、例えばスクリューフィーダーの場合は、電動機４Ｍの電流を検出する検出器４ｄ（またはスクリュー軸のトルクを検出するトルク計も同様）、油圧動作式のピストンポンプの場合には油圧を検出する検出器が設けられる。これらの検出器４ｄは、フィーダー４における脱液率と相関関係があり、したがってフィーダー４により脱液された原料の含液率と相関関係がある。よって、これを検出することにより、反応器５に供給される原料の含液率を把握することが可能である。

また別の形態として、脱液口１１６，１２６からの排出液を用いて脱液量を流量計や重量測定などで直接実測し、反応器５に供給される原料の含液率を把握することも可能である。

そして、本発明では、この検出結果に応じて反応器５における硫酸補給量が制御されるようになっている。もちろん、これに代えて或いはこれとともに、フィーダー４の上流側における硫酸供給量を制御することもできるが、本発明は反応器５内の物質量の変動を打ち消す狙いから、制御の遅れが出ないように、少なくとも反応器５への硫酸供給量を制御することが望ましい。具体的には、コンピュータ等の演算制御装置６により、検出器４ｄによる検出値と含液率との相関から反応器投入原料の硫酸含液量（濃度）を算出し、この結果を加水分解反応に必要な硫酸量（濃度）から差して不足量を算出し、この不足分を反応器５等において例えば硫酸供給バルブ７の開度制御により供給するようにする。これにより、フィーダー４の脱液率変動に伴う反応器５内の硫酸濃度変動が抑えられ、目標物質である糖の収量の変動も抑制される。

図７は、図３に示す反応装置を用い、廃建材からヘミセルロースを生成するにあたり、反応器投入原料の含液率変動に応じて反応器への希硫酸添加制御を行った場合、ならびに行わなかった場合における収率を計測した結果を示している。その他の条件は共通である。本発明制御を行った場合では、収率が約８０％以上に集中しているのに対して、本発明制御を行わなかった場合では、上は８０％を超えるものもあるが、多くは８０％未満であり、中には６０％を下回るものもあった。この結果から、本発明の添加制御によって安定して高収率を得られることが判明した。

本発明は、木質系バイオマスの糖化に好適であるが、これに限られず反応器への原料の連続供給に際して脱液を伴う場合であれば、他の反応用途にも適用できるものである。

収率変動の実験結果を示すグラフである。 含液率と反応器中の硫酸濃度との関係を示すグラフである。 本発明の装置例を示すフロー図である。 本発明の別の装置例を示すフロー図である。 マテリアルシール型スクリューフィーダー図である。 マテリアルシール型ピストンフィーダー図である。 本発明の制御の有無による収率の違いを示すグラフである。 スクリューフィーダーのトルクと反応器供給原料の含液率との関係を示すグラフである。

符号の説明

１…撹拌槽、２…ろ過装置、３…混練機、４…フィーダー、４Ｍ…電動機、５…反応器、６…演算制御装置、７…硫酸供給バルブ。

Claims (7)

1. 反応を行う反応器と、液分及び固形分からなる原料を脱液しつつ前記反応器内へ連続供給するフィーダーとを備えた、連続供給型反応装置であって、
   反応器及びその上流側の範囲を含む系内に、反応物質及び触媒の少なくとも一方を含む添加液を添加する添加手段と、
   前記反応器に供給される原料の含液率変動に応じて、前記添加手段による添加量を制御する制御手段と、
   を備えたことを特徴とする連続供給型反応装置。
2. 前記添加手段は、前記フィーダー及びその上流側の範囲で一段目の添加を行い、前記反応器内で二段目の添加を行う二段階添加手段であり、このうち少なくとも一方の添加量を前記制御手段により制御するように構成した、請求項１記載の連続供給型反応装置。
3. 前記反応器は加圧下で反応を行うものであり、前記フィーダーは脱液口を有するマテリアルシール型フィーダーである、請求項１または２記載の連続供給型反応装置。
4. 前記フィーダーは、脱液口を有する通路と、この通路内に回動自在に設置されたスクリューと、このスクリューを回転駆動する電動機とを備えたマテリアルシール型スクリューフィーダーであり、
   前記制御手段は、前記スクリュー軸のトルクまたは前記電動機の電流を検出する検出器を備えており、この検出結果に応じて前記添加手段による添加量を制御するものである、
   請求項１〜３のいずれか１項に記載の連続供給型反応装置。
5. 前記原料の固形分が木質バイオマスであり、前記反応が加水分解であり、前記添加液が希硫酸である、請求項３または４記載の連続供給型反応装置。
6. 液分及び固形分からなる原料を脱液しつつ反応器内へ連続供給する連続供給型反応方法であって、
   反応器及びその上流側の範囲を含む系内に、反応物質及び触媒の少なくとも一方を含む添加液を添加するとともに、その添加量を、前記反応器に供給される原料の含液率変動に応じて制御する、
   ことを特徴とする連続供給型反応方法。
7. 前記原料の固形分が木質バイオマスであり、前記反応が加水分解であり、前記添加液が希硫酸である、請求項６記載の連続供給型反応方法。

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