JP2009073793A - System for separating and concentrating ethanol - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a new and useful method for efficiently separating, purifying and concentrating alcohols produced by fermentation. <P>SOLUTION: This system for separating and concentrating the ethanol in the process of separating and concentrating the ethanol from the ethanol fermentation liquid is constituted by a vessel used for both of fermentation, and evaporation and vaporization to evaporate and vaporize the ethanol from the ethanol fermentation vessel directly under reduced pressure within a prescribed temperature range, and a dehydrating and concentrating device for removing water content from the vaporized gas. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は発酵エタノールの分離、精製と濃縮の方法に関し、澱粉質、糖質を含む農産物などを原料として発酵によりできるアルコール類を精製する工程において、その分離・濃縮と脱水を行なうために新規な構造の発酵槽とガス分離膜とを併せて用いたエタノール分離を行う際の処理方法に関するものである。   The present invention relates to a method for separating, purifying, and concentrating fermented ethanol, and is a novel method for separating, concentrating, and dehydrating alcohol that can be fermented by using starch, sugar-containing agricultural products, etc. as raw materials. It is related with the processing method at the time of performing ethanol separation which used together the fermenter of a structure, and a gas separation membrane.

発酵法によるバイオエタノールの生産は、近年、再生産が可能なエネルギーの製造という面から重要な技術として注目されている。ところが、発酵液中のエタノールは低濃度であり、その分離と濃縮に対して多大な熱エネルギーをかけて、大規模な蒸留関連設備を設けることが必要である。従来からその技術は多段蒸留と共沸蒸留法が中心であり、その処理のための大きな熱エネルギーと設備コストによって、エタノールの発生・保有するエネルギーの半分以上を費やし、その生産コストを低減することを困難にしている。   In recent years, bioethanol production by fermentation has attracted attention as an important technique from the viewpoint of producing reproducible energy. However, ethanol in the fermentation broth has a low concentration, and it is necessary to provide a large-scale distillation-related facility by applying a great deal of heat energy to the separation and concentration. Traditionally, the technology has been centered on multistage distillation and azeotropic distillation, and the production cost is reduced by consuming more than half of the energy generated and retained by the large heat energy and equipment costs for the treatment. Making it difficult.

また、エタノールをエネルギーの生産という観点から見て、従来からの方法では製造にかけるエネルギーが多大であり、一般的に言われている環境に良いエネルギーや再生産型エネルギーという言葉とはかけ離れている状況である。   In addition, from the perspective of energy production of ethanol, the conventional method consumes a lot of energy, which is far from the commonly called environment-friendly energy or regenerative energy. Is the situation.

こうした状況を鑑みて、発明者らはバイオエタノールの製造工程を解析し、製造エネルギーのもっともかかる分離・濃縮と脱水を行なうプロセスに注目した。加熱を極力しないで、エタノールを効率的に分離し、かつ濃縮する。さらには、装置プロセスを簡略化することまでも目指した。   In view of these circumstances, the inventors have analyzed the production process of bioethanol and focused on the process of separating, concentrating, and dehydrating the production energy. Efficiently separate and concentrate ethanol with minimal heating. Furthermore, we aimed to simplify the equipment process.

すなわち、本発明の中心になるエタノールの蒸発気化分離をも兼ねた発酵装置と、近年実用化なった芳香族ポリイミド系合成膜による膜式脱水濃縮装置とを組み合わせ、バイオエタノール生産エネルギーの削減とコスト低減のために寄与する新規な技術を考案するに到った。   In other words, combining the fermentation apparatus that also serves to evaporate and separate ethanol and the membrane-type dehydration and concentration apparatus using an aromatic polyimide-based synthetic membrane that has recently been put into practical use reduces bioethanol production energy and costs. It came to devise the new technology which contributes to reduction.

発酵液からのエタノールの濃縮は、蒸留酒であるブランデーや焼酎などの製造において古くから行なわれてきた。そこでは蒸留後の飲用が目的であり、また香り成分などの保護も考慮されているため、90%以上もの高濃度までの濃縮は必要なく、一度だけの蒸留いわゆる単蒸留が主である。   Concentration of ethanol from a fermentation broth has been performed for a long time in the manufacture of brandy and shochu, which are distilled spirits. The purpose is to drink after distillation, and since protection of fragrance components is also taken into consideration, concentration to a concentration as high as 90% or more is not necessary, and so-called simple distillation is mainly performed once.

さらに濃縮をするためには、多段蒸留という蒸留を繰り返す方式がとられるが、エタノールと水との間に気液平衡が存在し、エタノール89モル%(約95重量%)の時点で共沸点(78.2℃)となる。この89モル%以上の濃縮は、エタノール‐水系では不可能となる。   For further concentration, a multi-stage distillation process is used. However, there is a vapor-liquid equilibrium between ethanol and water, and the azeotropic point (about 95% by weight) of ethanol is reached at the point of 89 mol% (about 95% by weight). 78.2 ° C). This concentration of 89 mol% or more is impossible in an ethanol-water system.

その後さらに濃縮を進めて、自動車のガソリンへの添加燃料にするためには99.2重量%以上にする必要がある。そこで、第3成分としてベンゼンを加えることにより、共沸点を64.9℃まで下げて、エタノールを取り出す方式によってようやく98重量%までの濃縮ができることになる。しかしながら、この方式ではエタノールの濃縮と脱水に、何度もの蒸発・気化と冷却・液化の工程を経る必要があるために、そこには大量の熱エネルギーと冷却エネルギーが費やされることになる。   After that, it is necessary to further increase the concentration to 99.2% by weight or more in order to add fuel to automobile gasoline. Therefore, by adding benzene as the third component, the azeotropic point is lowered to 64.9 ° C., and the concentration up to 98% by weight can be finally achieved by the method of taking out ethanol. However, this method requires many evaporation, vaporization, cooling, and liquefaction steps for ethanol concentration and dehydration, and therefore, a large amount of heat energy and cooling energy are consumed there.

この従来からの方式では、アルコール発酵液から98重量%のエタノールを得るまでに11.30MJ/Literもの熱量を要することが、「ナノ空間材料の事業化とその技術的・社会的背景」化学工学会第67年会、中根暁らによって試算されており、これはエタノールが保有・発生可能な発熱量21.35MJ/Literの半分量以上を占めている。   This conventional method requires 11.30 MJ / Liter of heat to obtain 98% by weight ethanol from the alcohol fermentation broth. “The commercialization of nano-space materials and its technical and social background” The 67th annual meeting, which is estimated by Satoshi Nakane et al., Accounts for more than half of the 21.35 MJ / Liter of calorific value that ethanol can hold and generate.

その上に、アルコール発酵の原料はコーン、小麦、米、芋、サトウキビや甜菜など多様であるがこの原料生産にもエネルギーが費やされており、さらには発酵プロセスや、液分離プロセスの装置運転エネルギーまでも実際の製造エネルギーには加算されることになる。   In addition, the raw materials for alcoholic fermentation are diverse, such as corn, wheat, rice, rice cake, sugarcane and sugar beet. However, energy is also consumed in the production of these raw materials. Even the energy is added to the actual manufacturing energy.

Figure 2009073793
Figure 2009073793

表1.に本発明者らが従来からの方式でのバイオエタノールの製造エネルギーの試算を行なった結果と中根暁らの試算をあわせて示した。従来法では、有効なエネルギーは僅かしか生産されていないことになる。この解析結果を見る限り、環境に良い、再生産性があるからと、バイオエタノールの使用を推進することに大きな疑問を持つことになろう。とても環境にやさしいエネルギーを生産していることにはなっていない。   Table 1. Fig. 5 shows the results of a trial calculation of the production energy of bioethanol by the present inventors using the conventional method and the trial calculation of Nakane Akira. In the conventional method, little effective energy is produced. Looking at the results of this analysis, there will be great doubts about promoting the use of bioethanol because it is environmentally friendly and reproductive. It is not meant to produce very environmentally friendly energy.

そこで、本発明者らは原料の生産や発酵にかかるエネルギーは必須であることを鑑み、
バイオエタノール製造工程における濃縮・脱水プロセスに注目し、そのプロセスの簡易化と製造での消費エネルギーの削減のために鋭意研究開発を推進した。その結果、本発明法を考案するに到った。
Therefore, in view of the fact that the energy required for production and fermentation of raw materials is essential,
Focusing on the concentration and dehydration process in the bioethanol production process, we promoted research and development to simplify the process and reduce energy consumption in production. As a result, the present invention method has been devised.

特に加熱エネルギーを多大に要する蒸発・気化のプロセスにおいて、その手法と条件を工夫し効率的なエタノールの気化を行ない、かつその分離と脱水には条件的にも最適である芳香族ポリイミド膜による膜式脱水濃縮装置を適用し、新規なバイオエタノールの分離・濃縮方法を確立することに成功した。   Especially in the process of evaporation and vaporization that requires a lot of heating energy, the method and conditions are devised to efficiently vaporize ethanol, and the film is made of an aromatic polyimide film that is optimally suited for separation and dehydration. We succeeded in establishing a new bioethanol separation / concentration method by applying a dehydrating concentration apparatus.

つまり、本発明の中心となる課題はバイオエタノールの製造工程における蒸発・気化分離・脱水のプロセスにおいて、加熱エネルギーを低減しかつ簡易な製造プロセスを考案することによって、エタノールとしての有効生産エネルギーを向上するとともに、真に環境に良い技術を提供し、しいてはエタノールの生産価格まで低減することにある。   In other words, the main issue of the present invention is to improve the effective production energy as ethanol by reducing the heating energy and devising a simple manufacturing process in the process of evaporation, vaporization separation and dehydration in the manufacturing process of bioethanol. At the same time, it is to provide technology that is truly good for the environment, and to reduce the production price of ethanol.

こうしたバイオエタノールの製造プロセスの提供により、エネルギー生産の効率性を高くし、地球環境の保護や温暖化防止に寄与することが、本発明の目標とするところである。   By providing such a bioethanol production process, it is a goal of the present invention to increase the efficiency of energy production and contribute to the protection of the global environment and the prevention of global warming.

以上の課題を達成するために、請求項1に係る本発明は、エタノールをエタノール発酵液から分離、濃縮するプロセスにおいて、エタノール発酵槽から直接にエタノールを所定温度範囲の減圧条件にて蒸発気化させる発酵槽兼蒸発気化槽とその蒸発気体より水分を除去する脱水濃縮装置から構成される手段からなる。   In order to achieve the above-mentioned problems, the present invention according to claim 1 is a process for separating and concentrating ethanol from an ethanol fermentation solution, and evaporates and evaporates ethanol directly from an ethanol fermentation tank under a reduced pressure condition in a predetermined temperature range. It consists of a means composed of a fermenter / evaporator and a dehydrating and concentrating device for removing water from the evaporated gas.

以上の課題を達成するために、請求項2に係る本発明は、請求項1に記載するところの発酵槽兼蒸発気化槽は、内部の上方に散水するノズルを有し、下方に貯留する発酵液をポンプ動力などによって前述の上方にあるノズルに送り、液を循環させる機能を持つ手段からなる。   In order to achieve the above-mentioned problems, the present invention according to claim 2 is a fermentation tank that evaporates and evaporates as described in claim 1 and has a nozzle that sprinkles water in the upper part, and is stored in the lower part. It comprises means having a function of circulating the liquid by sending the liquid to the above nozzle by pump power or the like.

以上の課題を達成するために、請求項3に係る本発明は、請求項1に記載するところの発酵槽兼蒸発気化槽は、内部にスポンジボールのような吸水性のある充填物を有し、その充填物における発酵液の発酵の継続とエタノールの気化、蒸発を進行させる手段からなる。   In order to achieve the above object, the present invention according to claim 3 is the fermenter / evaporation tank according to claim 1 having a water-absorbing filling such as sponge balls inside. , Consisting of means for continuing fermentation of the fermented liquor in the filling and vaporizing and evaporating ethanol.

以上の課題を達成するために、請求項4に係る本発明は、請求項1に記載するところの発酵槽兼蒸発気化槽は、内部の温度を30℃以上50℃以内とする手段からなる。   In order to achieve the above object, the present invention according to claim 4 comprises a means for setting the internal temperature of the fermenter / evaporation tank according to claim 1 to 30 ° C. or more and 50 ° C. or less.

以上の課題を達成するために、請求項5に係る本発明は、請求項1に記載するところの発酵槽兼蒸発気化槽は、内部の圧力を10.7KPa以上29.3KPa以下とする手段からなる。   In order to achieve the above object, the present invention according to claim 5 comprises a means for setting the internal pressure to 10.7 KPa or more and 29.3 KPa or less.

以上の課題を達成するために、請求項6に係る本発明は、請求項1に記載するところの脱水濃縮装置は、気体から主に水分を水蒸気にて透過除去する性能を有する芳香族ポリイミド系合成膜を用いた脱水濃縮装置である手段からなる。   In order to achieve the above object, the present invention according to claim 6 is the dehydration concentration apparatus according to claim 1, wherein the dehydrating and concentrating apparatus is an aromatic polyimide system having the ability to permeate and remove moisture mainly from water vapor. It consists of means which is a dehydration concentration apparatus using a synthetic membrane.

以上の記載より明らかなように、本発明の効果は、製造エネルギーの削減、ことにエタノール発酵槽から直接にエタノールを所定温度範囲の減圧条件にて蒸発気化させるプロセスにおけるプロセス運転上のエネルギーの削減効果に示される。つまり本発明法では、蒸発気化・濃縮・脱水プロセスにかかるエネルギーが、後述の〔0049〕の表2からも明らかなように、従来法に比較して、半分以上のエネルギー削減効果となったといえる。   As is clear from the above description, the effect of the present invention is to reduce the production energy, especially the process operation energy in the process of evaporating and evaporating ethanol directly from the ethanol fermenter under the depressurized condition in the predetermined temperature range. Shown in effect. In other words, in the method of the present invention, the energy required for the evaporation, concentration, and dehydration processes can be said to have reduced energy by more than half compared with the conventional method, as is apparent from Table 2 of [0049] described later. .

有効生産エネルギーの面からも、前述の〔0011〕の表1からも明らかなように、従来法では例えばわずか1.26MJ/Literの生産であったのに対し、後述の〔0049〕の表2からも明らかなように、本発明では例えば7.32MJ/Literと多くのエネルギーを有効に生産したエタノールを得ることになる。本発明のようにエタノール製造装置の構成や運転条件を工夫することによって、より環境にやさしいエネルギー生産が可能になることを示している。   From the aspect of effective production energy, as is clear from Table 1 of [0011] above, the conventional method produced only 1.26 MJ / Liter, for example. As can be seen from the above, in the present invention, for example, 7.32 MJ / Liter and ethanol capable of effectively producing a large amount of energy are obtained. It is shown that energy production more friendly to the environment is possible by devising the configuration and operating conditions of the ethanol production apparatus as in the present invention.

本発明の技術的な課題は、エタノールの濃縮と脱水に関するものであり、如何にエタノールの気化を低温、望ましくは常温において実施し、また多段蒸留装置のような複雑な構造をとらずに前記の処理を簡易に行なうための手法を開発することにある。   The technical problem of the present invention relates to the concentration and dehydration of ethanol. How to evaporate ethanol is performed at a low temperature, preferably at a normal temperature, and the above-mentioned structure is not required without taking a complicated structure as in a multistage distillation apparatus. The purpose is to develop a method for simplifying the processing.

そこでまずエタノールの性質について、その気化における温度と気圧の関係と、水との混合比率ごとでの気化アルコールモル比などについて、基礎的な調査を行なった。   Therefore, basic investigations were made on the properties of ethanol, such as the relationship between temperature and pressure during vaporization, and the molar ratio of vaporized alcohol at each mixing ratio with water.

エタノールは水に対し無制限に溶解する。沸点は78.4℃である。常圧(100KPa)において、エタノール‐水2成分系での蒸留分離では、共沸点が78.15℃となり89.4モル%(95.6重量%)で気液平衡に達する。   Ethanol dissolves in water indefinitely. The boiling point is 78.4 ° C. At atmospheric pressure (100 KPa), the distillation separation in the ethanol-water binary system has an azeotropic point of 78.15 ° C and reaches vapor-liquid equilibrium at 89.4 mol% (95.6 wt%).

エタノールを仮に30℃で気化させるには、減圧して約10.7KPaとする。35℃ならば、約13.3KPa。40℃ならば、約17.3KPa。50℃ならば、約29.3KPa。の条件である。
また水と混合して、仮に10モル%エタノール液の常圧(100KPa)における気液平衡時の気体中のエタノールは約45モル%。20モル%エタノール液では約53モル%。30モル%エタノール液では約58モル%。である。
参考;蒸留工学ハンドブック、朝倉書店(株)出版
In order to vaporize ethanol at 30 ° C., the pressure is reduced to about 10.7 KPa. If it is 35 ℃, it is about 13.3KPa. If it is 40 ℃, it is about 17.3KPa. If it is 50 ℃, it is about 29.3KPa. Is the condition.
In addition, when mixed with water, the amount of ethanol in the gas at the time of vapor-liquid equilibrium at a normal pressure (100 KPa) of 10 mol% ethanol solution is about 45 mol%. About 53 mol% with 20 mol% ethanol solution. About 58 mol% with 30 mol% ethanol solution. It is.
Reference: Handbook of Distillation Engineering, Asakura Shoten Co., Ltd. Publishing

従来の方式では、これらのエタノールの諸性質を鑑みて、多段式蒸留と共沸蒸留法によって、1Literのエタノール製造に約11.30MJのエネルギーをかけて、98重量%程度のエタノールを得てきたのである。   In the conventional method, taking into account the various properties of these ethanols, we have obtained about 98% by weight of ethanol by applying approximately 11.30 MJ of energy to ethanol production of 1 Liter by multistage distillation and azeotropic distillation. is there.

発明者らは従来法における蒸留方式の問題点として、発酵液の全量を気化することを前提にして加熱していること。発酵液を槽内に溜めたまま、あるいは撹拌状態にて主にその液表面からの気散を行なっていること。発酵液中のエタノールの全量が濃縮液側に移行しきれていないこと。などが大きなエネルギーの損失になっていることを見出し、これらの技術的な課題の解決を具体的な目標とした。   As a problem of the distillation method in the conventional method, the inventors are heating on the premise that the entire amount of the fermentation broth is vaporized. The fermentation liquid is mainly stored in the tank or agitated from the liquid surface while stirring. The total amount of ethanol in the fermentation broth has not been transferred to the concentrate side. As a result, it was found that the loss of energy was a big energy loss, and the specific goal was to solve these technical problems.

まず初めに、発酵液中のエタノールを蒸発気化させる装置における加温を、30℃以上50℃以内、好ましくは35℃以上40℃以内とした。なぜならこの30℃以上50℃以内の条件であればエタノール発酵槽におけるエタノール産生酵母の発酵温度の範囲内であり、蒸留についての加熱操作そのものが不必要になりうる。したがって、発酵槽をそのままエタノール蒸発気化槽として使えることになる。   First, the heating in the apparatus for evaporating and evaporating ethanol in the fermentation broth was 30 ° C. or more and 50 ° C. or less, preferably 35 ° C. or more and 40 ° C. or less. This is because the conditions within the range of 30 ° C. to 50 ° C. are within the range of the fermentation temperature of the ethanol-producing yeast in the ethanol fermenter, and the heating operation itself for distillation may be unnecessary. Therefore, the fermenter can be used as it is as an ethanol evaporating tank.

さらに、この発酵槽兼蒸発気化槽においては発酵でできたエタノールがすぐに除去されることによってエタノール発酵における生産物発酵阻害を防ぐことにつながり、エタノール発酵が進みやすくなるという副次的な効果があると考えられる。   Furthermore, in this fermenter and evaporative evaporation tank, the ethanol produced by fermentation is immediately removed, which leads to prevention of product fermentation inhibition in ethanol fermentation, and has the secondary effect of facilitating ethanol fermentation. It is believed that there is.

次に従来法では、発酵液の全体を加熱しその液表面から気化させる手法であったが、これでは熱伝達と拡散の効率が極めて悪く、しかも50℃程度の加温と常圧操作の条件下において蒸発・気化はほぼ不可能である。そこで、エタノール気化を起こす条件として、減圧操作を行い10.7KPa以上29.3KPa以下、好ましくは13.3KPa以上17.3KPa以下とすることとした。この減圧条件は、前記〔0028〕で述べた30℃から50℃、或いは35℃から40℃におけるエタノールの気化に必要な運転条件である。   Next, in the conventional method, the entire fermentation broth was heated and vaporized from the surface of the liquid, but with this, the efficiency of heat transfer and diffusion was extremely poor, and the conditions for heating at about 50 ° C and normal pressure operation were used. Underneath evaporation and vaporization is almost impossible. Therefore, as a condition for causing ethanol vaporization, the pressure was reduced to 10.7 KPa or more and 29.3 KPa or less, preferably 13.3 KPa or more and 17.3 KPa or less. This decompression condition is an operation condition necessary for vaporizing ethanol at 30 to 50 ° C. or 35 to 40 ° C. described in [0028].

さらに発酵液をこの発酵槽兼蒸発気化槽の下方の液貯留部からポンプによって吸引し、上方からシャワーノズルによって霧雨状に降らせて、その槽内には例えばスポンジボールなどの吸水性のある充填物を保持する機構を持たせた。   Further, the fermented liquid is sucked by a pump from the liquid storage part below the fermenter / evaporation tank, and dripped like a drizzle from above with a shower nozzle, and the tank has a water-absorbing filling such as a sponge ball. A mechanism to hold the

つまり、発酵液は発酵期間中、この発酵槽兼蒸発気化槽内を吸水性のある充填物を経て上方から下方へと常に循環しており、その間に発酵液は吸水性のある充填物に吸着する事によって、アルコール発酵の継続とともにエタノールの気化が進行する。   In other words, during the fermentation period, the fermented liquid circulates through the fermenter / evaporation tank through the water-absorbing packing from the top to the bottom, while the fermentation liquid is adsorbed on the water-absorbing packing. By doing so, the vaporization of ethanol progresses as alcohol fermentation continues.

上方のシャワーノズルから霧雨状になって槽内を降る発酵液からは、その蒸発に有効な表面積が広いおかげで効果的にエタノールが気化蒸発する。その上に、例えばスポンジボールなどの吸水性のある充填物においても、その多孔質な形状のおかげでエタノールの蒸発に対する比表面積は大きくなっており、低温、減圧の条件における最も効果的なエタノールの蒸発が促進されることになる。   From the fermented liquor that is drizzled from the upper shower nozzle and descends in the tank, ethanol is effectively vaporized and evaporated due to its large surface area effective for evaporation. In addition, even in water-absorbing packings such as sponge balls, the specific surface area for ethanol evaporation is increased due to the porous shape, and the most effective ethanol in low temperature and reduced pressure conditions. Evaporation will be promoted.

こうした発明の考案の技術的な背景は、物理化学的には充填塔における気液分離法と真空脱気法との組み合わせによる溶剤などの分離技術であり、さらに生物化学的には生産物除去による発酵阻害の低減と、微生物の生育場の提供という効果までを踏まえた実用技術に裏づけされた手法である。   The technical background of the invention is based on the physicochemical separation of solvents, etc. by a combination of gas-liquid separation and vacuum degassing in a packed tower, and biochemically by product removal. This method is supported by practical technology based on the effects of reducing fermentation inhibition and providing a place for growing microorganisms.

本発明を実施する最良の形態として、図1にプロセスフローを示した。糖質の豊富な発酵原料を煮熟し、これを発酵槽に投入する。糖質の濃度は一般的に10から20重量%が望ましく、またさらに液化・糖化酵素を糖質の量の0.05から0.1重量%添加し、かつエタノール酵母培養液を全発酵液量の2から5重量%加える。この発酵槽内を加温・保温器によって30から50℃の範囲に発酵を進行するよう、温度調整する。さらにこの発酵槽内にて、下方に貯留する発酵液をポンプ動力によって上方に送り常に循環させる。この機能に関しては、図2においてさらに詳細に説明する。その発酵液の循環とともに膜式脱水装置の運転を開始し、そこでの駆動力としての真空ポンプを稼働して発酵槽兼気化槽内部の減圧をも図り、10.7KPa以上29.3KPa以下に維持する。こうして膜式脱水濃縮装置において、非透過側には濃縮エタノールを得て、透過側には水分が排出される。この膜式脱水濃縮装置の詳細な構成については、図3においてさらに説明をする。
なお、この後処理としてさらにほぼ100%の無水エタノールを得るための脱水処理法としては、従来法でも同様であるが、一般的にゼオライト系の吸水剤であるモレキュラシーブ3Aまたはその相当品を充填剤に用いた脱水吸着装置を設置することが行なわれている。
As a best mode for carrying out the present invention, a process flow is shown in FIG. Boil and ripen fermentation raw materials rich in carbohydrates and put them into the fermenter. The concentration of saccharide is generally preferably 10 to 20% by weight, and liquefaction / saccharifying enzyme is added to 0.05 to 0.1% by weight of the amount of saccharide, and the ethanol yeast culture solution is added to 2 to 5% of the total fermentation solution. Add weight percent. The temperature of the fermenter is adjusted so that the fermentation proceeds in the range of 30 to 50 ° C. with a warmer / heater. Furthermore, in this fermenter, the fermented liquor stored below is sent upwards by pump power and is always circulated. This function will be described in more detail in FIG. Along with the circulation of the fermentation broth, the operation of the membrane dehydrator is started, and the vacuum pump as the driving force is operated to reduce the pressure inside the fermenter / vaporizer and maintain it at 10.7 KPa or more and 29.3 KPa or less. In this way, in the membrane type dehydrating concentration apparatus, concentrated ethanol is obtained on the non-permeating side, and moisture is discharged on the permeating side. The detailed configuration of this membrane-type dehydration concentration apparatus will be further described with reference to FIG.
As the post-treatment, the dehydration method for obtaining almost 100% anhydrous ethanol is the same as in the conventional method, but the molecular sieve 3A, which is generally a zeolitic water-absorbing agent, or its equivalent is used as a filler. The dehydration adsorption device used in the above is installed.

本発明における発酵槽兼蒸発気化槽の最良の形態について、図2に構成図を示した。糖質の豊富な発酵原料と糖化酵素および酵母培養液の混ざった発酵液を受けた発酵槽兼蒸発気化槽は、外部の循環ポンプを有し、また内部には散水するノズルを持ち、内部中央には例えばスポンジボールのような吸水性充填剤の層がある。槽内は加温・保温器によって、30から50℃に維持されてエタノール発酵は進行する。そこで、下層部に貯留した発酵液は循環ポンプを経て上方のノズルに行き、散水されて吸水性充填物に吸着されつつも下方へ移行し、その間にエタノールの発酵と蒸発気化が進行する。蒸発気化は、膜式脱水濃縮装置の後段に付属する真空ポンプの稼働によって、槽内が10.7KPa以上29.3KPa以下の減圧条件になることによって行なわれる。   FIG. 2 shows the configuration of the best mode of the fermenter / evaporator according to the present invention. The fermenter and evaporative vaporizer that has received fermentation material containing saccharide-rich fermentation materials, saccharifying enzymes, and yeast culture solution has an external circulation pump, and inside has a nozzle for sprinkling water. Has a layer of water-absorbing filler such as sponge balls. The inside of the tank is maintained at 30 to 50 ° C by a warmer / heater, and ethanol fermentation proceeds. Therefore, the fermentation liquor stored in the lower layer part passes through the circulation pump to the upper nozzle and is sprinkled and adsorbed to the water-absorbing filler, and then moves downward, during which ethanol fermentation and evaporation evaporate. Evaporation and vaporization are performed when the inside of the tank is depressurized to 10.7 KPa or more and 29.3 KPa or less by operating a vacuum pump attached to the latter stage of the membrane type dehydrating and concentrating apparatus.

本発明における膜式脱水濃縮装置の最良の形態について、図3にフロー図を示した。エタノール発酵を経て、発酵槽兼蒸発気化槽より得た蒸発気体中にはエタノール蒸気とともに水蒸気が含まれている。膜式脱水濃縮装置は、この水蒸気を選択的に透過する機能を持つ芳香族系ポリイミド膜を用いてエタノールを脱水濃縮する装置である。まず、入り口の加熱器によって110℃以上に維持し、エタノールと水分ともに完全に気化させる。そして膜の透過方向に真空ポンプを設け、一般的には12KPa程度に減圧するように調整する。膜の非透過液側には冷却器Aによりエタノール蒸気が常温以下に冷却されてエタノール液になり貯槽にたまる。膜の透過側には水蒸気が得られて、冷却器Bにより水蒸気が常温以下に冷却されて水(液体)になり貯槽にたまる。また真空ポンプへの流路も水受け槽からの気化を抑えるために冷却器Bを経ている。膜式脱水濃縮装置の構成として、特に技術面での先進的なものは無いが、膜ユニットにおける芳香族系ポリイミド膜の性能が本装置の機能を支配しているといえる。   FIG. 3 shows a flow chart of the best mode of the membrane type dehydrating and concentrating apparatus in the present invention. The vaporized gas obtained from the fermenter / evaporator through ethanol fermentation contains water vapor along with ethanol vapor. The membrane-type dehydration concentration apparatus is an apparatus for dehydrating and concentrating ethanol using an aromatic polyimide membrane having a function of selectively permeating water vapor. First, the temperature is maintained at 110 ° C. or higher by the heater at the entrance, and both ethanol and moisture are completely vaporized. Then, a vacuum pump is provided in the permeation direction of the membrane, and the pressure is generally adjusted to about 12 KPa. On the non-permeate side of the membrane, the ethanol vapor is cooled to below normal temperature by the cooler A, becomes an ethanol liquid, and accumulates in the storage tank. Water vapor is obtained on the permeate side of the membrane, and the water vapor is cooled to below normal temperature by the cooler B to become water (liquid) and accumulate in the storage tank. The flow path to the vacuum pump also passes through the cooler B in order to suppress vaporization from the water receiving tank. Although there is no technically advanced structure for the membrane type dehydrating and concentrating device, it can be said that the performance of the aromatic polyimide membrane in the membrane unit dominates the function of this device.

図1〜3のような装置構成において、20Literの無水エタノールを得るシステムを組み、その際に蒸発気化・濃縮・脱水のプロセスにかかるエネルギーについて算出した。基礎となるエタノールの性質としては、分子量46.08、25℃での密度重量0.785g/ml、蒸発エンタルピー38.6KJ/molを用い、また算出過程において、22.4Liter/molと1MJ=0.278Kw=239Kcalを単位系の換算に用いた。   In the apparatus configuration shown in FIGS. 1 to 3, a system for obtaining 20 Liter of absolute ethanol was assembled, and the energy required for the evaporation, concentration, and dehydration processes was calculated. As the basic properties of ethanol, molecular weight 46.08, density weight 0.785g / ml at 25 ℃, evaporation enthalpy 38.6KJ / mol, and 22.4Liter / mol and 1MJ = 0.278Kw = 239Kcal in the calculation process Used for system conversion.

そこで主に運転にエネルギーを要するプロセスは、図3における加熱器と真空ポンプの稼働についてである。20Liter、 75重量%のエタノール蒸気を膜式脱水濃縮装置にて処理する際の必要エネルギーを算出した。   Therefore, the process that requires energy for operation is mainly the operation of the heater and the vacuum pump in FIG. The energy required for processing 20 Liter, 75 wt% ethanol vapor in a membrane dehydration concentrator was calculated.

エタノール重量は、15.7Kgであり、これは0.341Kmolに相当する。水重量は、6.37Kgであり、これは0.354Kmolに相当する。水は、50℃から110℃まで加温蒸発させたとして、1.60MJの熱量がかかる。エタノールについて蒸発エンタルピーをもとに加温気化させるに必要な熱量は、13.2MJである。よってここで蒸発気化に要するエネルギーは、14.8MJであった。   The ethanol weight is 15.7 kg, which corresponds to 0.341 Kmol. The water weight is 6.37 Kg, which corresponds to 0.354 Kmol. Water takes 1.60 MJ of heat, assuming that it is warmed and evaporated from 50 ° C to 110 ° C. The amount of heat required for heating and evaporating ethanol based on the enthalpy of evaporation is 13.2 MJ. Therefore, the energy required for vaporization here was 14.8 MJ.

次に真空・減圧状態を作るために、真空ポンプを稼働するエネルギーについて、まずエタノール蒸気と水蒸気量の合計は、15.6m3である。ここでの真空ポンプの容量仕様は、2m3/h×10KPa×2.2Kwなので、10KPaまで全量排出するには7.8時間かかり、つまり真空度を上げるための真空ポンプの運転に要するエネルギーは、61.7MJである。さらに、エタノール発酵は72時間かけて連続するために、残る64.2時間は真空度10KPaの維持に使いその稼働は20%を見込み、つまり真空度を維持する真空ポンプの運転に要するエネルギーは28.2MJである。よって真空ポンプの稼働に要するエネルギーは、89.9MJであった。 Next, in order to create a vacuum / depressurized state, the total amount of ethanol vapor and water vapor is 15.6 m 3 for the energy to operate the vacuum pump. The capacity specification of the vacuum pump here is 2m 3 /h×10KPa×2.2Kw, so it takes 7.8 hours to discharge the whole amount up to 10KPa. In other words, the energy required to operate the vacuum pump to increase the vacuum is 61.7MJ It is. Furthermore, since ethanol fermentation continues for 72 hours, the remaining 64.2 hours will be used to maintain a vacuum of 10 KPa, and its operation is expected to be 20%. In other words, the energy required to operate the vacuum pump that maintains the vacuum is 28.2 MJ. is there. Therefore, the energy required to operate the vacuum pump was 89.9MJ.

よって、本発明の最良の形態において、蒸発気化・濃縮・脱水プロセスにかかるエネルギーは、20Literのエタノール生産あたりで104.7MJ、つまり5.24MJ/Literとなる。これは従来法に比較して、半分以上のエネルギー削減効果となったといえる。その結果を表2に示す。   Therefore, in the best mode of the present invention, the energy required for the evaporation, concentration and dehydration process is 104.7 MJ, that is, 5.24 MJ / Liter per 20 Liter of ethanol production. This is more than half the energy saving effect compared to the conventional method. The results are shown in Table 2.

Figure 2009073793
Figure 2009073793

本発明を実施するための最良の形態を示した概略構成図である。1 is a schematic configuration diagram illustrating a best mode for carrying out the present invention. 本発明を実施するための最良の形態を示したエタノール発酵槽兼蒸発気化槽の概略構成図である。[BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS] It is a schematic block diagram of the ethanol fermenter and evaporating tank which showed the best form for implementing this invention. 本発明を実施するための最良の形態を示した膜式脱水濃縮装置の概略構成図である。1 is a schematic configuration diagram of a membrane dehydration concentration apparatus showing the best mode for carrying out the present invention.

Claims (6)

エタノールをエタノール発酵液から分離、濃縮するプロセスにおいて、エタノール発酵槽から直接にエタノールを所定温度範囲の減圧条件にて蒸発気化させる発酵槽兼蒸発気化槽とその蒸発気体より水分を除去する脱水濃縮装置から構成されることを特徴とするエタノールの分離、濃縮システム。 In the process of separating and concentrating ethanol from the ethanol fermentation liquor, a dehydrating and concentrating device that removes water from the evaporated gas and a fermenter / evaporator that evaporates and evaporates ethanol directly from the ethanol fermenter under reduced pressure conditions within a predetermined temperature range. Ethanol separation and concentration system characterized by comprising 請求項1に記載するところの発酵槽兼蒸発気化槽は、内部の上方に散水するノズルを有し、下方に貯留する発酵液をポンプ動力などによって前述の上方にあるノズルに送り、液を循環させる機能を持つことを特徴とする請求項1記載のエタノールの分離、濃縮システム。 The fermenter / evaporation tank according to claim 1 has a nozzle that sprinkles water on the inside, and feeds the fermentation liquid stored below to the nozzle above by pump power or the like to circulate the liquid. The ethanol separation / concentration system according to claim 1, which has a function of 請求項1に記載するところの発酵槽兼蒸発気化槽は、内部に吸水性のある充填物を有し、その充填物における発酵液の発酵の継続とエタノールの気化、蒸発を進行させることを特徴とする請求項1記載のエタノールの分離、濃縮システム。 The fermenter / evaporation / vaporization tank according to claim 1 has a water-absorbing filler inside, and continues fermentation of the fermentation liquid in the filler, and vaporization and evaporation of ethanol. The ethanol separation and concentration system according to claim 1. 請求項1に記載するところの発酵槽兼蒸発気化槽は、内部の温度を30℃以上50℃以内とすることを特徴とする請求項1記載のエタノールの分離、濃縮システム。 The ethanol separation / concentration system according to claim 1, wherein the fermenter / evaporation tank according to claim 1 has an internal temperature of 30 ° C. or more and 50 ° C. or less. 請求項1に記載するところの発酵槽兼蒸発気化槽は、内部の圧力を10.7KPa以上29.3KPa以下とすることを特徴とする請求項1記載のエタノールの分離、濃縮システム。 The ethanol separation / concentration system according to claim 1, wherein the fermenter / evaporation tank according to claim 1 has an internal pressure of 10.7 KPa or more and 29.3 KPa or less. 請求項1に記載するところの脱水濃縮装置は、気体から主に水分を水蒸気にて透過除去する性能を有する芳香族ポリイミド系合成膜を用いた脱水濃縮装置であることを特徴とする請求項1記載のエタノールの分離、濃縮システム。 The dehydrating and concentrating device according to claim 1 is a dehydrating and concentrating device using an aromatic polyimide-based synthetic membrane having a performance of permeating and removing mainly moisture from gas with water vapor. Ethanol separation and concentration system as described.
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