JP2007054688A - 有機物質の抽出方法及び有機物質抽出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】バイオマスを原料として、環境に負荷を与えない効率的な有機物質の抽出方法とそのための簡易な有機物質抽出装置を提供すること。
【解決手段】有機物質抽出装置１００は、水から、飽和蒸気より低い水蒸気密度を有する乾燥水蒸気を発生させる水蒸気発生手段１０と、内部に載置したバイオマスから有機物質を抽出するための反応器２０と、前記反応器内に前記乾燥水蒸気を送気する送気手段３０とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、バイオマスを原料とした有機物質の抽出方法及び有機物質抽出装置に関する。

バイオマスとは、一般的には、エネルギーとして利用できるまとまった量の生物起源物質のことを意味する。具体的には、樹木、草、海草、微細藻類（植物プランクトン）、農産廃棄物、林産廃棄物、畜産廃棄物、生物系資源由来の都市廃棄物などがバイオマスに含まれる。
近年、バイオマスの利用研究は、効率的なエネルギー資源の開発に焦点が置かれている。木材を例に挙げると、パルプ・紙や建築材料への利用を除くと、近年、行われている研究のほとんどは、主成分のセルロース、ヘミセルロース，リグニンなどの液化・ガス化を行い、効率的なエネルギーを獲得するものである。一方木材は、副成分として精油、樹脂、油脂、色素、タンニンなどの有効な物質を含んでおり、これらは、食料、飼料、化学工業原料、繊維、燃料、ファインケミカルス、肥料等として利用価値が高い。

バイオマスからこれらの成分を採取する方法としては、蒸留法と抽出法がある。蒸留法が最も簡単で経済的な方法であり、一般的な方法として利用されている。しかし、香りに関係する分子量の小さい揮発性の高い物質は、この方法で採取できない場合がある。このほかに食物油の採取法として圧搾法などがあるが、樹木由来の精油を採取する方法として適切ではない。

蒸留法には水蒸気蒸留法と熱水蒸留法があり、水蒸気蒸留法は原料に高温の水蒸気をあて、水蒸気とともに抽出される物質を冷却して精油を採取する方法である。また、熱水蒸留法は原料を水に入れ煮沸させ、水蒸気とともに抽出される物質を冷却し精油を取る方法である。
抽出法は、熱に対して不安定な物を採取する際に用いられ、有機溶媒抽出方法、超臨界流体抽出方法がある。有機溶媒抽出法はヘキサン、エタノール、メタノールなど有機溶媒によって抽出する方法である。溶媒の種類によって抽出されるものは異なる。また、揮発しにくい成分を抽出することができる。

また、近年開発された二酸化炭素などの超臨界流体抽出方法がある（非特許文献１）。超臨界流体とは一定の圧力と温度をかけることにより得られる流体であり、気体と液体の中間的な性質を持っている。例えば炭酸ガスは３１．１℃と室温付近に臨界温度を有する無極性の物質であり、無極性あるいは弱い極性の物質を溶解する。炭酸ガスは有害な有機溶媒とは異なり、環境にも優しい方法といえる。

H.J. Kim, S.B.Lee, K.A.Park, I.K.Hong: Characterization of extraction and separation of rice bran oil rich in EFA using SFE process, Separation and Purification Technology, Vol.15, pp1-8, 1999

しかしながら、有機溶媒を用いた抽出法では、環境に与える負荷が大きい。また、飽和水蒸気を利用する方法では、抽出条件をあまり変えることができず、飽和水蒸気により抽出された成分の加水分解が起こるおそれもある。また、非特許文献１のような炭酸ガスを用いた超臨界抽出法では、極性物質に対する抽出率が低いために、利用は限定される。さらに、設備的にも大がかりなものとなる。

そこで、本発明の目的は、バイオマスを原料として、環境に負荷を与えない効率的な有機物質の抽出方法とそのための簡易な有機物質抽出装置を提供することにある。

本発明は、バイオマスを原料とする有機物質の抽出方法であって、飽和水蒸気より低い水蒸気密度を有する乾燥水蒸気を用いることを特徴とする。
ここで、図１に水の状態図を示した。水は、温度・圧力を３７４℃、２２ＭＰa以上の条件で、液体でも気体でもない均一な非凝集性高密度流体になる。この境界点が臨界点であり、臨界点以上の状態を超臨界水と呼び、温度・圧力が臨界点より若干低い熱水を亜臨界水と呼ぶ。そして、飽和蒸気圧曲線以下のいわゆる不飽和の領域にある蒸気相を本発明では、乾燥水蒸気という。

本発明によれば、乾燥水蒸気による強い抽出力により、バイオマスから有機物質を効率的に抽出できる。例えば、森林は、生理活性物質の宝庫であり、葉、花、実、樹皮などに医薬成分が多く含まれているが、本発明の有機物質の抽出方法により効率的にこれらの有用な成分を抽出することができる。しかも、用いるのが水蒸気であり、環境に与える負荷が極めて低い。

本発明では、前記乾燥水蒸気が、水から発生させた水蒸気であることが好ましい。
本発明によれば、水から発生させた乾燥水蒸気を用いて抽出を行うため、抽出速度・抽出量の制御が容易となる。例えば、大気をそのまま乾燥水蒸気として利用した場合では、水蒸気密度を制御しにくく、結果として抽出速度を制御することが困難となる。水から水蒸気を発生させることで、水蒸気の密度を制御しやすくなり、抽出速度・抽出量そのものを制御することが容易となる。従って蒸発量を制御して水蒸気密度の異なる乾燥水蒸気を発生させることで、バイオマスの種類や特性に応じた抽出を行うことができる。

本発明では、不活性ガスにより前記乾燥水蒸気の密度を制御することが好ましい。
本発明によれば、不活性ガス（例えば窒素ガス）により乾燥水蒸気の密度を制御するので、バイオマスから有機物質を抽出する際に、好ましくない反応（分解、酸化等）を抑制することができる。

本発明では、前記乾燥水蒸気の温度が１１０〜２５０℃、前記乾燥水蒸気の密度が分圧で０．１３〜３．１MPa、であることが好ましい。より好ましくは、乾燥水蒸気の温度が１３０〜２２０℃、乾燥水蒸気の密度が分圧で０．２２〜１．８MPaである。
本発明によれば、乾燥水蒸気の温度と密度が所定の範囲にあるので、有機物質の抽出効率に優れる。乾燥水蒸気の温度が１１０℃未満であると、抽出率が低くなり好ましくない。また、乾燥水蒸気の温度が２５０℃を超えると、抽出する有機物の分解が生じやすくなり好ましくない。また、乾燥水蒸気の密度が分圧で０．１３ＭＰａ未満であると、抽出率が低くなり、水蒸気の密度が分圧で３．１ＭＰａを超えると必要以上に設備費が膨大となり経済的に不利である。

本発明では、原料であるバイオマスを、有機物質の抽出を行う反応器内に載置した後、前記乾燥水蒸気を前記反応器内に送気することが好ましい。
本発明によれば、バイオマスを反応器内に載置した後、乾燥水蒸気を反応器内に送気するので、反応器内で確実に有機物質の抽出を行うことができる。

本発明は、バイオマスから有機物質を抽出する有機物質抽出装置であって、水から、飽和蒸気より低い水蒸気密度を有する乾燥水蒸気を発生させる水蒸気発生手段と、内部に載置したバイオマスから有機物質を抽出するための反応器と、前記反応器内に前記乾燥水蒸気を送気する送気手段と、を備えることを特徴とする。
本発明の有機物質抽出装置によれば、乾燥水蒸気を反応器内に送気するので、反応器内に載置されているバイオマスから効率的に有機物を抽出できる。

以下に、本発明の一実施の形態を図面に基づいて詳述する。
〔有機物質抽出装置の概要〕
図２には、本発明の有機物質の抽出方法を実施するために用いられる有機物質抽出装置１００の概略構成を示した。
有機物質抽出装置１００は、水から、飽和蒸気より低い水蒸気密度を有する乾燥水蒸気を発生させる水蒸気発生手段である水蒸気発生器１０と、バイオマスを内部に載置して有機物質の抽出を行う反応器２０と、反応器２０内に乾燥水蒸気を送気する送気手段としての導管３０とを備えて構成される。導管３０内には必要に応じて送風機を設けることができる。また、水蒸気等の流れを調節するためのバルブ１１０と逆止弁１２０が各所に設けられている。

水蒸気発生器１０は、外径６０．５mm、内径４９．５mm、長さ６００mmの円筒形状をしており、内容積は１．２Lである。この水蒸気発生器１０は長手方向が垂直になるように配設されており、内部には直径５mmの真鍮製の玉（黄銅玉）１１が多数充填されている。
水蒸気発生器１０には、予熱ヒータ１２と加熱用のバンドヒータ１３が配設され、内部の黄銅玉１１を加熱できるようになっている。水蒸気発生器１０の下部には、注水口１４が形成されており、水をポンプ４０により水蒸気発生器１０内部に導入することができる。

水蒸気発生器１０の内部に充填された黄銅玉１１は、熱伝導性に優れており、加熱された状態で水と接触するとただちに水蒸気を発生させる。
また、不活性ガス（例えば、窒素ガス）を、水蒸気発生器１０の下部の注気口１５から内部に送気可能になっており、発生した水蒸気の密度を制御することができるようになっている。

反応器２０は、外径６０．５mm、内径４９．５mm、長さ１０００mmの円筒形状をしており、長手方向が垂直になるように配設されている。この円筒の内容積は２Lであり、内部には円盤状の基台２１が所定の間隔をおいて数段設けられている。この基台２１は、金属製の網状物であり、気体が通過できるようになっている。また、基台２１の上面には、バイオマス（例えば、木の葉や木屑）を入れるための円筒型のカップ２２が載置される。このカップ２２は底が金網状になっており、有機物質を抽出した乾燥水蒸気が通り抜けやすいようになっている。

反応器２０の周囲には、加熱用のバンドヒータ２３が配設されており、反応器２０の内部を所定の温度に維持することができる。反応器２０内部の各基台２１の近傍には図示しない温度センサと圧力センサが各々設けられている。
反応器２０の下部には、有機物質を抽出した乾燥水蒸気を凝縮して液体とするためのコンデンサ５０が配設されている。コンデンサ５０の下には凝縮液を受けるカップ６０が載置されている。

〔有機物質抽出装置の動作（操作法）〕
以下に、有機物質抽出装置１００の操作法を説明する。
（ａ）所定量の試料（バイオマス）を入れたカップ２２を反応器２０内に載置する。
（ｂ）水蒸気発生器１０の温度を所定温度まで上昇させる。水源（図示せず）からポンプ４０を用いて、所定の流速で水を水蒸気発生器１０に導入する。同時に、不活性ガス（ここでは、窒素）を一定の流量で水蒸気発生器１０に導入する。

（ｃ）反応器２０内の圧力は装置出口のバルブで所定値になるように調節し、バンドヒータ２３により内部の温度を一定に保つ。
（ｄ）有機物質を抽出した乾燥水蒸気は、反応器２０から流出し、コンデンサ５０で冷却され、カップ６０に滴下する。凝縮液は、適当なメッシュ（例えば０．４５μｍ）のフィルタにより、凝結固形物を濾過する。
（ｅ）所定の時間経過後、反応圧力をゆっくり大気圧まで下げ、その後室温まで冷却する。
（ｆ）カップ２２を取り出す。

上述のような実施形態によれば、以下のような効果を奏することができる。
（１）乾燥水蒸気による強い抽出力により、反応器２０内でバイオマスから有機物質を効率的に抽出できる。
（２）乾燥水蒸気を用いているため、環境に対する負荷がほとんどない。
（３）水蒸気発生器１０を用いているため、一定の条件で水蒸気を発生させることができ、反応器２０内での抽出処理を安定して行うことができる。

（４）水蒸気発生器１０では熱伝導性に優れた黄銅玉１１を用いているため、水蒸気発生器１０内に注入された水をただちに水蒸気とすることができ、反応器２０内での抽出速度を高めることができる。
（５）水蒸気が飽和水蒸気ではなく、乾燥水蒸気（不飽和の水蒸気）であり、その水蒸気密度（不飽和度）を変えることで選択的に有機物質を抽出することができる。
（６）不活性ガス（例えば窒素ガス）を用いているので、その流量を変えることで水蒸気密度を容易に変更できるだけでなく、バイオマスから抽出される有機物質の特性に対して悪影響を与えない。すなわち、不安定な有機物質でも効率的に抽出できる。

本発明を実施するための最良の構成などは、以上の記載で開示されているが、本発明は、これに限定されるものではない。すなわち、本発明は、主に特定の実施形態に関して説明されているが、本発明の技術的思想および目的の範囲から逸脱することなく、以上述べた実施形態に対し、構造、材質、その他の詳細な構成において、当業者が様々な変形を加えることができるものである。
したがって、上記に開示した構造、材質などを限定した記載は、本発明の理解を容易にするために例示的に記載したものであり、本発明を限定するものではないから、それらの構造などの限定の一部若しくは全部の限定を外した名称での記載は、本発明に含まれるものである

例えば、反応器をバッチ式横型オートクレーブ、水蒸気発生器をボイラーとし、大量処理できる装置としてもよい。また、水蒸気発生器と反応器とを一体的に組み込んだ装置としてもよい。

本発明の実施例について説明するが、本発明はこれらの例によって何等限定されるものではない。
試料のバイオマスとして、２０年生夏の杉梢端部の葉を原料とした。新鮮な梢端部を切り落とし、すぐに葉を粉砕機により２ｃｍ以下の長さに粉砕して試料とした。
抽出処理は、図２の装置を用いて行った。試料１００ｇを、複数のカップ２２に少量ずつ分けて入れ、各々のカップ２２を反応器２０の各基台２１上に載置した。その後、実施形態に示した操作法によりこの試料から有機物質の抽出を行った。
具体的には、窒素ガスの流量を１ＮＬ／分とし、反応温度を１７０℃、反応圧力を０．８５MPa、抽出時間を２時間とした。また、水の流量はそれぞれ０．４８、１．４４、２．８、６．２、及び１１ｍＬ／分とした。水蒸気の密度を分圧で表現すれば、それぞれ約０．３４、０．５６、０．６７、及び０．８MPaである。
なお、比較用として、水の流量を０とした系についても実施した。この場合には、試料から抽出を行うのは、乾燥窒素ガスのみであり、水蒸気分圧は０である。
所定の抽出時間経過後、反応器２０の温度を１２０℃として、へキサンを高圧ポンプで注入し、へキサン蒸気で反応器２０内部を洗浄した。洗浄液と抽出液を混合し、ヘキサン相について、ロータリーエバポレーターで濃縮し、表１に示した方法で分析を行った。その結果を図３に示す。

（GC−MSによるヘキサン相の分析条件）

（結 果）
図３より、本発明の有機物質の抽出方法では、乾燥水蒸気を用いているため、乾燥窒素ガスを用いた系にくらべて、試料（杉の葉粉砕物）から種々の有用な有機物質（テルペン、アルコール等）を多く抽出できることがわかる。特に、水蒸気の分圧を上げると、elemol（エレモール）、kaurene（カウレン）など分子量の大きな成分の抽出に対して、大きな効果があることが分かる。

本発明は、バイオマスを原料として、種々の有用な有機物質を抽出する方法及びそのための抽出装置として利用できる。

水の状態図。 本発明の実施形態に係る有機物質抽出装置の概略図。 本発明の実施例における抽出物、抽出量を示す図。

符号の説明

１０ 水蒸気発生器
１１ 黄銅玉
１２ 予熱ヒータ
１３ バンドヒータ
２０ 反応器
２１ 基台
２２ カップ
２３ バンドヒータ
３０ 導管
４０ ポンプ
５０ コンデンサ

Claims (6)

1. バイオマスを原料とする有機物質の抽出方法であって、
   飽和水蒸気より低い水蒸気密度を有する乾燥水蒸気を用いることを特徴とする有機物質の抽出方法。
2. 請求項１に記載の有機物質の抽出方法において、
   前記乾燥水蒸気が、水から発生させた水蒸気であることを特徴とする有機物質の抽出方法。
3. 請求項１又は請求項２に記載の有機物質の抽出方法において、
   不活性ガスにより前記乾燥水蒸気の密度を制御することを特徴とする有機物質の抽出方法。
4. 請求項１〜請求項３のいずれかに記載の有機物質の抽出方法において、
   前記乾燥水蒸気の温度が１１０〜２５０℃、前記乾燥水蒸気の密度が分圧で０．１３〜３．１MPa、であることを特徴とする有機物質の抽出方法。
5. 請求項１〜請求項４のいずれかに記載の有機物質の抽出方法において、
   原料であるバイオマスを、有機物質の抽出を行う反応器内に載置した後、前記乾燥水蒸気を前記反応器内に送気することを特徴とする有機物質の抽出方法。
6. バイオマスから有機物質を抽出する有機物質抽出装置であって、
   水から、飽和蒸気より低い水蒸気密度を有する乾燥水蒸気を発生させる水蒸気発生手段と、
   内部に載置したバイオマスから有機物質を抽出するための反応器と、
   前記反応器内に前記乾燥水蒸気を送気する送気手段と、
   を備えることを特徴とする有機物質抽出装置。

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