JP2007202518A - 木質系バイオマスチップの前処理方法及び前処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】木チップの組織に含まれる脂質、デンプンを硬化させることなく、組成変成を抑制して、水蒸気による膨潤を効率的に行い、酸処理を効率的に行える木質系バイオマスチップの前処理装置を提供する。
【解決手段】木質系バイオマスチップを投入するホッパー１を一側に設けた横型筒状のエクスクルーダ２を有し、該エクスクルーダ２は、木質系バイオマスチップを攪拌混合しながら前記一側から他側に搬送するスクリュー２０を備え、該搬送過程で木質系バイオマスチップを１００℃〜１５０℃の間で徐々に水蒸気加温するための水蒸気を供給する水蒸気供給手段を有し、前記酸処理装置４は、竪型筒状構造をなし、前記膨潤処理装置の他側から排出された木質系バイオマスチップを導入して酸と向流接触させて処理する構造を有していることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、木材などの生物資源（バイオマス）のチップを原料にして新エネルギーとして注目されているエタノールを製造する前処理方法及び前処理装置に関する。

近年、地球温暖化防止策の一環として、エタノールへの関心が高まっており、２００３年８月に二酸化炭素の排出量の少ないＥ３ガソリン（エタノールを３％含有したガソリン）の使用が許可され、２００６年４月にはアルコールの製造販売が自由化されようとしている。

一方、従来、アルコールの製造原料は石油などの化石資源に依存していたが、化石資源は有限資源であり、代替資源の開発が望まれている。

このような背景で、アルコール製造の原料として、生物資源（バイオマス）、特に木材チップのような木質系バイオマスが注目されている。樹木は炭酸同化作用によって二酸化炭素を消費し、酸素を発生させる生態系で貴重な存在であるが、樹木需要が少ないと計画的に植樹することも減少する。しかし、木質系バイオマスの需要が増大すれば計画的な植樹も可能になり、生態系の維持のみならず、地球温暖化防止に多いに寄与するものと思われる。

従来、木質系バイオマス原料を糖化する手法として、特許文献１に記載の方法が知られている。特許文献１に記載の方法は、木材チップを水蒸気で加熱処理して、竪型反応器で０．５％希硫酸と向流接触反応させて糖化する方法である。
特開昭６０−９８９９９号公報

しかしながら、水蒸気による加熱処理をおこなう場合、最初から高温にすると、膨潤がうまくいかず、膨潤阻害が生じ、木チップの組織に含まれる脂質、デンプンが硬化する問題がある。そのため希硫酸による酸処理をおこなっても糖化が十分出ない欠点があった。特許文献１には、上記のような重大な問題点についての認識がなく、また解決手段について開示がない。

本発明の課題は、木チップの組織に含まれる脂質、デンプンを硬化させることなく、組成変成を抑制して、水蒸気による膨潤を効率的に行い、酸処理を効率的に行える木質系バイオマスチップの前処理方法及び前処理装置を提供することにある。

また本発明の他の課題は、以下の記載によって明らかになる。

上記課題は以下の各発明によって解決される。

（請求項１）
木質系バイオマスチップを糖化と発酵によりエタノールを製造する前処理方法において、
前記木質系バイオマスチップを膨潤処理する工程と、希硫酸で酸処理する工程を有し、前記膨潤処理する工程で、１００℃〜１５０℃の間で徐々に水蒸気加温することを特徴とする木質系バイオマスチップの前処理方法。

（請求項２）
前記膨潤処理する工程における温度上昇速度が、５〜３０℃／分の範囲であることを特徴とする請求項１記載の木質系バイオマスチップの前処理方法。

（請求項３）
木質系バイオマスチップの径が、３ｃｍ以下であることを特徴とする請求項１又は２記載の木質系バイオマスチップの前処理方法。

（請求項４）
木質系バイオマスチップを水蒸気により膨潤する膨潤処理装置と膨潤処理された前記木質系バイオマスチップを酸処理する酸処理装置からなる木質系バイオマスチップの前処理装置において、
前記膨潤処理装置は、前記木質系バイオマスチップを投入するホッパーを一側に設けた横型筒状のエクスクルーダを有し、該エクスクルーダは、木質系バイオマスチップを攪拌混合しながら前記一側から他側に搬送するスクリューを備え、該搬送過程で木質系バイオマスチップを１００℃〜１５０℃の間で徐々に水蒸気加温するための水蒸気を供給する水蒸気供給手段を有し、
前記酸処理装置は、竪型筒状構造をなし、前記膨潤処理装置の他側から排出された木質系バイオマスチップを導入して酸と向流接触させて処理する構造を有していることを特徴とする木質系バイオマスチップの前処理装置。

（請求項５）
前記スクリューは、回転軸を有し、該回転軸は中空円筒部材により構成されており、表面に所定間隔に蒸気孔が複数設けられていることを特徴とする請求項４記載の木質系バイオマスチップの前処理装置。

（請求項６）
前記膨潤処理装置の他側に、水蒸気室が設けられ、該水蒸気室内で前記回転軸の中空部端が開放され、該中空部に水蒸気が供給可能な構造であることを特徴とする請求項５記載の木質系バイオマスチップの前処理装置。

（請求項７）
木質系バイオマスチップの径が、３ｃｍ以下であることを特徴とする請求項４、５又は６記載の木質系バイオマスチップの前処理装置。

（請求項８）
前記木質系バイオマスチップを１００℃〜１５０℃の間で徐々に水蒸気加温する手段が、蒸気孔から吐出する水蒸気の吐出量を制御する手段又は蒸気温度を変化させる手段から選ばれることを特徴とする請求項４、５、６又は７記載の木質系バイオマスチップの前処理装置。

本発明によると、木チップの組織に含まれる脂質、デンプンを硬化させることなく、組成変成を抑制して、水蒸気による膨潤を効率的に行い、酸処理を効率的に行える木質系バイオマスチップの前処理方法及び前処理装置を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

図１は本発明の木質系バイオマスチップの前処理方法を実施するための装置の一例を示す概略断面図である。

同図において、１は木材チップＴを投入するためのホッパーである。木材チップは樹木や廃材木質材などを３ｃｍ以下、好ましくは２ｃｍ以下、より好ましくは１ｃｍ以下に破砕して得られた木片であり、本発明ではこれを木質系バイオマスチップと称する。

２は横型円筒状のエクスクルーダであり、前記ホッパー１が一端（図面上左端）に固定されている。内部にはスクリュー２０が設けられ、スクリュー２０は回転用モータ２１に軸止されており、所定回転数に設定された回転用モータ２１の回転駆動力に応じて、エクスクルーダ２内のチップＴを前方（図面上右方向）に搬送する。２２は軸受けである。

スクリュー２０は軸２００と搬送羽根２０１からなり、軸２００は中空円筒部材により形成され、表面には水蒸気を排出するための蒸気孔２０２が複数形成されている。蒸気孔２０２は図２に示すように列状に所定間隔で複数形成することができる。

３は水蒸気室であり、水蒸気室３は例えば図示のようにスクリュー２０の軸２００の端部（図面上右端の部位）を包持しつつエクスクルーダ２の端部（図面上右端）に固定される。軸２００の中空筒内部の端部（図面上右端）は蒸気室３内に開放しており、中空内部に水蒸気が供給されるように構成されている。

ホッパー１から投入されたチップＴは、スクリュー２０の回動によって、図面上左側から右側に向かって搬送される。

本発明では、チップＴの搬送過程で、チップＴを膨潤処理する。膨潤処理する工程では、１００℃〜１５０℃の間で徐々に水蒸気加温する。

上記のような複数の蒸気孔２０２から供給される蒸気が搬送過程のチップＴに均一に接触し、チップＴを加熱処理して膨潤する。かかる膨潤によってチップＴの分解対象となるヘミセルロースなどが表面に露出するようになるので、後段の酸処理による酸化（ヘミセルロースからキシロースへの酸化など）が容易になる効果がある。

本発明において、「徐々に水蒸気加温する」というのは、エクスクルーダ２のチップＴの投入口付近で１００℃の加温から開始し、徐々に温度を上昇し、エクスクルーダ２の最後の部位で１５０℃まで加温するようにすることを意味している。

徐々に加温することにより、木チップの組織に含まれる脂質、デンプンが硬化したり、あるいは粘性を増加させることなく、組成変成を抑制して、水蒸気による膨潤を効率的に行うことができる。

温度上昇速度は、５〜３０℃／分の範囲で上昇させていくことが好ましく、この範囲で比例的に上昇させてもよいし、階段状に上昇させてもよい。

徐々に温度を上昇させる手段は、蒸気孔から吐出する水蒸気の吐出量を制御する手段又は蒸気温度を蒸気孔毎に変化させる手段から選ばれる。

蒸気孔から吐出する水蒸気の吐出量を制御する手段としては、図示しないが、蒸気孔の径をエクスクルーダ２の一側（図面上左側）より他側(図面上右側)の方に向かって大きくするような手法が挙げられる。蒸気温度を変化させる手段としては、供給する蒸気温度を時間の経過に応じて変化させる手法である。

次に、膨潤処理されたチップＴは、酸処理装置４に送られる。酸処理装置４は竪型の処理装置本体４００を備えている。処理装置本体４００はチップＴを受け入れるための入口部４０１がエクスクルーダ２のチップＴの出口部２０３と連結管２０４で連結されている。

４０２はスクリューフィーダであり、モータ４０３に連結されており、モータ４０３の回動によってスクリューフィーダ４０２が回動しながら、受け入れられたチップＴを下方に移送する。

処理装置本体４００内には、０．１〜２０％の希硫酸が装填されており、膨潤されたチップＴを酸化分解して糖化処理する。希硫酸は処理装置本体４００の下部に設けられた入口４０４から入り、上部の出口４０５から糖化液と共に排出される。

酸処理装置４での酸処理はバッチ式の運転で行われ、チップＴは処理装置本体４００に投入され、所定時間の酸処理が終了したら、使用済みチップＴはチップ受槽５に送る。

本発明では、酸処理の前に膨潤処理が施されているので、チップＴの分解対象となるヘミセルロースなどが表面に露出し、例えばヘミセルロースからキシロースへの酸化などが容易になる効果がある。

使用済みチップＴが排出されたら、再度処理装置本体４００内にエクスクルーダ２で膨潤処理されたチップＴを受け入れて酸処理する。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上記の形態に限定されず、例えば、図３に示すような形態を採用することもできる。図３の形態は水蒸気をエクスクルーダ２内に供給する際に、エクスクルーダ２の外周に複数の水蒸気供給口２０５を設け、供給口２０５の各々に水蒸気管２０６が接続されている。なお、図３において、図１と同一符号の部位は同一の構成であるので、その説明を省略する。

このような態様によっても図１の態様よりも、効率的には若干劣るものの本発明の目的は達成しえる。

上記のようにして糖化されて得られた糖化液は、通常の処理に従って発酵することにより、エタノールを製造できる。

本発明の木質系バイオマスチップの前処理方法を実施するための装置の一例を示す概略断面図 エクスクルーダの軸の一態様を示す要部斜視図 本発明の木質系バイオマスチップの前処理方法を実施するための装置の他の例を示す概略図（酸処理装置を除く）

符号の説明

１：ホッパー
２：エクスクルーダ
２０：スクリュー
２１：回転用モータ
２２：軸受け
２００：軸
２０１：搬送羽根
２０２：蒸気孔
２０３：出口部
２０４：連結管
２０５：水蒸気供給口
２０６：水蒸気管
３：水蒸気室
４：酸処理装置
４００：処理装置本体
４０１：入口部
４０２：スクリューフィーダ
４０３：モータ
４０４：入口
４０５：出口
５：チップ受槽

Claims (8)

1. 木質系バイオマスチップを糖化と発酵によりエタノールを製造する前処理方法において、
   前記木質系バイオマスチップを膨潤処理する工程と、希硫酸で酸処理する工程を有し、前記膨潤処理する工程で、１００℃〜１５０℃の間で徐々に水蒸気加温することを特徴とする木質系バイオマスチップの前処理方法。
2. 前記膨潤処理する工程における温度上昇速度が、５〜３０℃／分の範囲であることを特徴とする請求項１記載の木質系バイオマスチップの前処理方法。
3. 木質系バイオマスチップの径が、３ｃｍ以下であることを特徴とする請求項１又は２記載の木質系バイオマスチップの前処理方法。
4. 木質系バイオマスチップを水蒸気により膨潤する膨潤処理装置と膨潤処理された前記木質系バイオマスチップを酸処理する酸処理装置からなる木質系バイオマスチップの前処理装置において、
   前記膨潤処理装置は、前記木質系バイオマスチップを投入するホッパーを一側に設けた横型筒状のエクスクルーダを有し、該エクスクルーダは、木質系バイオマスチップを攪拌混合しながら前記一側から他側に搬送するスクリューを備え、該搬送過程で木質系バイオマスチップを１００℃〜１５０℃の間で徐々に水蒸気加温するための水蒸気を供給する水蒸気供給手段を有し、
   前記酸処理装置は、竪型筒状構造をなし、前記膨潤処理装置の他側から排出された木質系バイオマスチップを導入して酸と向流接触させて処理する構造を有していることを特徴とする木質系バイオマスチップの前処理装置。
5. 前記スクリューは、回転軸を有し、該回転軸は中空円筒部材により構成されており、表面に所定間隔に蒸気孔が複数設けられていることを特徴とする請求項４記載の木質系バイオマスチップの前処理装置。
6. 前記膨潤処理装置の他側に、水蒸気室が設けられ、該水蒸気室内で前記回転軸の中空部端が開放され、該中空部に水蒸気が供給可能な構造であることを特徴とする請求項５記載の木質系バイオマスチップの前処理装置。
7. 木質系バイオマスチップの径が、３ｃｍ以下であることを特徴とする請求項４、５又は６記載の木質系バイオマスチップの前処理装置。
8. 前記木質系バイオマスチップを１００℃〜１５０℃の間で徐々に水蒸気加温する手段が、蒸気孔から吐出する水蒸気の吐出量を制御する手段又は蒸気温度を変化させる手段から選ばれることを特徴とする請求項４、５、６又は７記載の木質系バイオマスチップの前処理装置。
   
   

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