JP2009273420A

JP2009273420A - バイオマス生成物の製造装置及びバイオマス生成物の製造方法

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Publication number: JP2009273420A
Application number: JP2008128376A
Authority: JP
Inventors: Yoichi Kamagata; 洋一鎌形; Kazuo Okamura; 和夫岡村; Masaharu Tazaki; 雅晴田崎
Original assignee: Shimizu Construction Co Ltd; National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST; Shimizu Corp
Current assignee: Shimizu Construction Co Ltd; National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST; Shimizu Corp
Priority date: 2008-05-15
Filing date: 2008-05-15
Publication date: 2009-11-26

Abstract

【課題】バイオマス生成物を効率的に製造することが可能なバイオマス生成物の製造装置及びバイオマス生成物の製造方法を提供する。
【解決手段】生分解性有機材料の原料Ｃを発酵菌Ｍで発酵させることによりバイオマス生成物Ｅを製造する。このとき、原料Ｃと発酵菌Ｍを発酵槽１に供給して原料Ｃを高温で乾式発酵させ、発酵槽１に繋げて設けられた分離濃縮装置２に発酵槽１内の気体Ｐを導出させるとともにこの分離濃縮装置２によって気体Ｐに含まれるバイオマス生成物Ｅを分離及び／又は濃縮してバイオマス生成物Ｅを製造する。
【選択図】図１

Description

本発明は、生分解性有機材料の原料を発酵菌で乾式発酵させることによりバイオマス燃料などのバイオマス生成物を製造するバイオマス生成物の製造装置及びバイオマス生成物の製造方法に関する。

石油の代替エネルギーとして、再生可能なバイオマス（生分解性有機材料、原料）からエタノール、アセトン、ブタノールなどのバイオマス燃料（バイオマス生成物）を製造して用いることが注目されている。そして、このバイオマス燃料、特にエタノールは、サトウキビやトウモロコシなどの植物由来の原料を糖化させた後に、発酵菌で発酵させることによって製造されている（例えば、特許文献１参照）。

また、バイオマス燃料を製造する方法には、加水して液状にした原料（原料溶液）を発酵槽に貯留し、この液状の原料に発酵菌を加えて発酵させる湿式発酵と、非浸水状態で原料を発酵槽に貯留し、この原料に発酵菌を加えて発酵させる乾式発酵とがある。

一方、バイオマス燃料は、エネルギー源として再生可能性やカーボンニュートラル性などの多くの利点を有する反面、サトウキビやトウモロコシなどの農産物を原料とした場合には、農産物の生産過程全体を通じた二酸化炭素削減効果が低くなったり、食料との競合が生じ原料の確保が困難になるなどの問題が懸念されている。このため、建設廃材の木材、古紙、生ゴミなどの有機性廃棄物を原料に用いてバイオマス燃料を製造することが提案、実施されている（例えば、特許文献２参照）。
特開２００７−３２５５６４号公報特開２００５−１６８３３５号公報

しかしながら、上記従来のバイオマス燃料の製造方法においては、特に湿式発酵でエタノールを製造する場合には、発酵によりエタノールが原料溶液に混合した状態で生成される。そして、発酵が進み原料溶液のエタノールが高濃度になると、エタノールによって発酵菌が死滅してしまうため、例えば１５％程度を限度としてエタノール濃度を低く抑えざるを得ず、このエタノール濃度の制限によってエタノールを効率よく製造することができないという問題があった。

また、原料溶液に混合した状態でエタノールが生成されるため、この原料溶液からエタノールを蒸留して精製する必要があり、エタノールの燃料化に多大な労力を要していた。

本発明は、上記事情に鑑み、バイオマス生成物を効率的に製造することが可能なバイオマス生成物の製造装置及びバイオマス生成物の製造方法を提供することを目的とする。

上記の目的を達するために、この発明は以下の手段を提供している。

本発明のバイオマス生成物の製造装置は、生分解性有機材料の原料を発酵菌で発酵させることによりバイオマス生成物を製造する装置であって、前記原料と前記発酵菌が供給され、前記原料を乾式発酵させるとともに高温で発酵させる発酵槽と、該発酵槽に繋げて設けられ、前記発酵槽内の気体を導出し該気体に含まれるバイオマス生成物を分離及び／又は濃縮する分離濃縮装置とを備えて構成されていることを特徴とする。

また、本発明のバイオマス生成物の製造方法は、生分解性有機材料の原料を発酵菌で発酵させることによりバイオマス生成物を製造する方法であって、前記原料と前記発酵菌を発酵槽に供給して前記原料を高温で乾式発酵させ、前記発酵槽に繋げて設けられた分離濃縮装置に前記発酵槽内の気体を導出させるとともに該分離濃縮装置によって前記気体に含まれるバイオマス生成物を分離及び／又は濃縮することを特徴とする。

ここで、本発明において、「高温」は温度が５０〜８０℃であることを示し、「乾式発酵」は含水率が１０〜４０％の原料を発酵菌によって発酵させることを示している。

上記の発明においては、例えばClostridium thermocellum（クロストリジウム・サーモセラム）などの高温耐性を有する発酵菌を用い、生分解性有機材料の原料を５０℃〜８０℃の高温で発酵させることで、雑菌の繁殖を抑制することが可能になるとともに、生成したバイオマス生成物を揮発させ、発酵槽の気相中に拡散させることが可能になる。また、このとき、乾式発酵によってバイオマス生成物を生成することで、確実に生成したバイオマス生成物を揮発させることが可能になる。そして、発酵槽内の気体を分離濃縮装置に順次導出させ、この気体を処理する（気体に含まれるバイオマス生成物を分離及び／又は濃縮する）ことでバイオマス生成物を製造することが可能になる。これにより、効率的にバイオマス生成物を製造することが可能になる。

また、本発明のバイオマス生成物の製造装置においては、前記発酵槽内の前記原料と前記発酵菌を撹拌する撹拌手段を備えていることが望ましい。

この発明においては、撹拌手段によって発酵槽内に貯留した原料を撹拌しながら発酵させることが可能になり、発酵によって生成され、揮発したバイオマス生成物を効率的に発酵槽の気相中に拡散させることが可能になる。

さらに、本発明のバイオマス生成物の製造装置においては、前記発酵槽内の前記原料の間を流通させるように前記発酵槽の外部から気体を供給する気体供給手段を備えていることがより望ましい。

この発明においては、気体供給手段によって発酵槽内に貯留した原料の間に発酵槽の外部から供給した気体を流通させることにより、発酵によって生成され、揮発したバイオマス生成物を効率的に発酵槽の気相中に拡散させることが可能になる。

また、本発明のバイオマス生成物の製造装置においては、前記分離濃縮装置によってバイオマス生成物を分離及び／又は濃縮した後の前記バイオマス生成物が含まれていない気体を前記気体供給手段で前記発酵槽内に返送して供給するように構成されていることがさらに望ましい。

この発明においては、発酵槽内から導出したバイオマス生成物を含む高温の気体を分離濃縮装置で処理し、処理した後のバイオマス生成物が含まれていない温度の高い気体を気体供給手段で発酵槽内に返送して供給することが可能になる。これにより、高温に維持した発酵槽内の熱エネルギーが気体供給手段から供給した気体で消費されることを抑制でき、省エネルギー化を図ることが可能になる。

また、本発明のバイオマス生成物の製造方法においては、前記原料がセルロースであることが望ましい。

この発明においては、例えば建設廃材の木材、古紙、生ゴミなどの有機性廃棄物などからセルロースを抽出して原料とし、例えばクロストリジウム・サーモセラムを発酵菌として用いた場合に、発酵菌によってセルロースの糖化、発酵が行われるため、発酵槽に原料と発酵菌を供給することで原料から直接バイオマス生成物を生成することが可能になる。これにより、より効率的にバイオマス生成物を製造することが可能になる。

さらに、本発明のバイオマス生成物の製造方法においては、前記発酵槽内の前記原料を撹拌手段で撹拌して発酵させることがより望ましい。

また、本発明のバイオマス生成物の製造方法においては、前記発酵槽内の前記原料の間に、気体供給手段で前記発酵槽の外部から気体を供給して流通させることがさらに望ましい。

さらに、本発明のバイオマス生成物の製造方法においては、前記分離濃縮装置によってバイオマス生成物を分離及び／又は濃縮した後の前記バイオマス生成物が含まれていない気体を前記気体供給手段で前記発酵槽内に返送して供給することがさらに望ましい。

本発明のバイオマス生成物の製造装置及びバイオマス生成物の製造方法によれば、発酵槽で原料を乾式発酵させるとともに高温で発酵させることによって、生成したバイオマス生成物を揮発させて発酵槽の気相に拡散させることができ、発酵槽内の気体を分離濃縮装置に導出して処理することでバイオマス生成物を製造することができる。これにより、従来の原料溶液からバイオマス生成物を蒸留して精製する場合と比較し、効率的にバイオマス生成物を製造することが可能になる。

また、このとき、発酵槽内の気体（発酵によって生成され、揮発したバイオマス生成物）を分離濃縮装置に導出させることで、順次生成されるバイオマス生成物の揮発により発酵槽内の圧力が高圧になることを防止できるとともに、発酵槽内の気相を負圧にしてバイオマス生成物の揮発を促進させることも可能になる。さらに、発酵槽内の気体を分離濃縮装置に導出させることで、発酵槽内のバイオマス生成物の濃度が高濃度になることを防止でき、発酵菌が死滅することを防止できる。また、原料を高温で発酵させることで、雑菌の繁殖を抑制でき、この点からも発酵菌が死滅することを防止できる。

以下、図１を参照し、本発明の一実施形態に係るバイオマス生成物の製造装置及びバイオマス生成物の製造方法について説明する。本実施形態は、例えば建設廃材の木材、古紙、生ゴミなどの有機性廃棄物（生分解性有機材料）からセルロースを抽出して原料とし、発酵菌で乾式発酵させることによってセルロースから直接バイオマス生成物を製造するバイオマス生成物の製造装置及びバイオマス生成物の製造方法に関するものである。なお、本実施形態においては、バイオマス生成物がバイオマス燃料となるエタノールであるものとして説明する。

本実施形態のバイオマス生成物の製造装置Ａは、図１に示すように、原料Ｃと例えばクロストリジウム・サーモセラムなどの高温耐性を有する発酵菌Ｍが供給され、原料Ｃを乾式発酵させるとともに高温で発酵させる発酵槽１と、この発酵槽１の上部側に配管を介して繋げられ、発酵槽１内の気体Ｐを導出して処理する燃料化装置（分離濃縮装置）２とを備えて構成されている。

発酵槽１は、例えばヒータなどの図示せぬ加熱装置が取り付けられて、その内部の温度（原料Ｃの温度）を５０℃〜８０℃の高温で保持できるように構成されている。また、燃料化装置２は、例えば膜、脱水装置、蒸留装置、冷却装置などを適宜選択して備えており、発酵槽１から導出した気体Ｐに含まれるエタノール（バイオマス燃料成分、バイオマス生成物）Ｅを分離及び／又は濃縮して燃料化するように構成されている。

そして、このバイオマス生成物の製造装置ＡでエタノールＥを製造する際には、原料Ｃの含水率を１０〜４０％程度に調整し、この原料Ｃと発酵菌Ｍを発酵槽１内に供給する。このとき、発酵槽１の上部側に空間を残して原料Ｃ（及び発酵菌Ｍ）を供給する。なお、発酵槽１の上部側に空間を残した場合においても、原料Ｃを乾式発酵させるため、湿式発酵と比較し大量の原料Ｃを発酵槽１内に貯留することが可能である。

発酵槽１内に原料Ｃと発酵菌Ｍを貯留した段階で、加熱装置によって発酵槽１を加熱し、その内部の温度を５０℃〜８０℃の高温にする。このように発酵槽１内を高温にすることで、雑菌が死滅し、あるいはその繁殖が抑制される。そして、高温耐性を有する発酵菌Ｍによって原料Ｃが発酵してエタノールＥが生成される。このとき、多糖類のセルロースを原料Ｃとし、クロストリジウム・サーモセラムなどを発酵菌Ｍとして用いることで、発酵菌Ｍによって原料Ｃの糖化、発酵が行われ、発酵槽１に原料Ｃと発酵菌Ｍを供給することで原料Ｃ（セルロース）から直接エタノールＥが生成される。

また、このように発酵によって生成されたエタノールＥは、発酵槽１内が高温に保持されているため、生成とともに揮発して発酵槽１の気相（発酵槽１の上部の空間）に拡散する。さらに、このとき、エタノールＥが原料Ｃの含水率を１０〜４０％程度に調整して乾式発酵によって生成されるため、湿式発酵のように原料溶液中に混合して留まることがなく、確実に揮発して発酵槽１の気相に拡散することになる。

ここで、発酵槽１が密閉状態で保持されている場合には、発酵菌Ｍによる原料Ｃの発酵が進み、順次エタノールＥが生成されて揮発することにより、発酵槽１内の圧力が上昇するとともに発酵槽１内のエタノール濃度が上昇する。このため、エタノールＥによって発酵菌Ｍが死滅するおそれが生じるが、本実施形態においては、発酵槽１の上部側に配管を介して燃料化装置２が繋げられ、発酵槽１内の気体Ｐが順次燃料化装置２に導出されるため、発酵槽１内の圧力が低い状態で維持され、且つ発酵槽１内のエタノール濃度が発酵菌Ｍを死滅させたり、不活性にするほど上昇することがない。また、燃料化装置２に発酵槽１内の気体Ｐを順次導出させ、発酵槽１内の気相を負圧にすることで、生成したエタノールＥの揮発が促進され、この点からもエタノールＥが確実に揮発して発酵槽１の気相に拡散することになる。

そして、このように順次導出された気体Ｐは、燃料化装置２によってこの気体Ｐに含まれるエタノール（バイオマス燃料成分）Ｅが分離及び／又は濃縮されて燃料化される。これにより、燃料に適したエタノールＥが製造される。

したがって、本実施形態のバイオマス生成物の製造装置Ａ及びバイオマス生成物の製造方法においては、高温耐性を有する発酵菌Ｍを用い、生分解性有機材料の原料Ｃを５０℃〜８０℃の高温で発酵させることで、生成したエタノール（バイオマス燃料、バイオマス生成物）Ｅを揮発させ、発酵槽１の気相中に拡散させることが可能になる。また、このとき、乾式発酵によってエタノールＥを生成することで、確実に生成したエタノールＥを揮発させることが可能になる。そして、発酵槽１内の気体Ｐを燃料化装置（分離濃縮装置）２に順次導出させ、この気体Ｐを処理する（気体Ｐに含まれるエタノールＥを分離及び／又は濃縮する）ことでエタノールＥを製造することが可能になる。これにより、従来の原料溶液からエタノールＥを蒸留して精製する場合と比較し、効率的にエタノールＥを製造することが可能になる。

また、例えば建設廃材の木材、古紙、生ゴミなどの有機性廃棄物などからセルロースを抽出して原料Ｃとし、クロストリジウム・サーモセラムなどを発酵菌Ｍとして用いることで、発酵菌ＭによってセルロースＣの糖化、発酵が行われるため、発酵槽１に原料Ｃと発酵菌Ｍを供給することで原料Ｃから直接エタノールＥを生成することが可能になる。これにより、より効率的にエタノールＥを製造することが可能になる。

また、このとき、発酵槽１内の気体Ｐ（発酵によって生成され、揮発したエタノールＥ）を燃料化装置２に導出させることで、順次生成されるエタノールＥの揮発により発酵槽１内の圧力が高圧になることを防止できるとともに、発酵槽１内のエタノールＥの濃度が高濃度になることを防止できる。これにより、発酵菌Ｍが死滅することを防止できる。さらに、原料Ｃを高温で発酵させることで、雑菌の繁殖を抑制でき、この点からも発酵菌Ｍが死滅することを防止できる。また、このように発酵槽１内の気体Ｐを燃料化装置２に順次導出させることで、発酵槽１内の気相を負圧にしてエタノールＥの揮発を促進させることも可能になるため、さらに効率的にエタノールＥを製造することが可能になる。

以上、本発明に係るバイオマス生成物の製造装置及びバイオマス生成物の製造方法の一実施形態について説明したが、本発明は上記の一実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。例えば、本実施形態では、製造するバイオマス生成物Ｅがバイオマス燃料となるエタノールであるものとして説明を行ったが、本発明は、アセトン、ブタノールなどの他のバイオマス燃料Ｅを製造することも可能である。さらに、本発明は、バイオマス燃料Ｅの製造に限定されるものではなく、例えば化成品や化粧品などに用いるバイオマス生成物Ｅの製造に適用してもよい。

また、本実施形態では、原料Ｃが例えば建設廃材の木材、古紙、生ゴミなどの有機性廃棄物（生分解性有機材料）から抽出したセルロースであるものとしたが、本発明は、生分解性有機材料であれば、特に原料Ｃを限定する必要はない。

さらに、本実施形態では、発酵槽１内の気体Ｐを連続的に分離濃縮装置（燃料化装置）２に導出させるように説明を行ったが、生成したバイオマス生成物Ｅが揮発することによる発酵槽１内の圧力や発酵槽１内のバイオマス生成物Ｅの濃度が発酵菌Ｍなどに悪影響を及ぼさない範囲で、発酵槽１内の気体Ｐを間欠的に分離濃縮装置２へ導出させるようにしてもよい。

また、図２に示すように、発酵槽１内に貯留した原料Ｃ（及び発酵菌Ｍ）を機械的に撹拌する撹拌手段３を備えてバイオマス生成物の製造装置Ａを構成してもよい。そして、この撹拌手段３によって発酵槽１内に貯留した原料Ｃを撹拌しながら発酵させることにより、発酵によって生成され、揮発したバイオマス生成物Ｅを効率的に発酵槽１の気相中に拡散させることが可能になる。これにより、本実施形態よりもさらに効率的にバイオマス生成物Ｅを製造することが可能になる。

さらに、図２に示すように、発酵槽１内に外部から気体Ｐ’を供給する気体供給手段４備えてバイオマス生成物の製造装置Ａを構成してもよい。そして、この気体供給手段４によって発酵槽１内に気体Ｐ’を供給するとともに発酵槽１内の原料Ｃの間に流通させることにより、発酵によって生成され、揮発したバイオマス生成物Ｅを効率的に発酵槽１の気相中に拡散させることが可能になる。これにより、本実施形態よりもさらに効率的にバイオマス生成物Ｅを製造することが可能になる。

また、このとき、図２に示すように、分離濃縮装置２によってバイオマス生成物Ｅを分離及び／又は濃縮した後のバイオマス生成物Ｅが含まれていない気体Ｐ’を気体供給手段４で発酵槽１内に返送して供給するように構成してもよい。この場合には、発酵槽１内から導出したバイオマス生成物Ｅを含む高温の気体Ｐを分離濃縮装置２で処理し、処理した後のバイオマス生成物Ｅが含まれていない温度の高い気体Ｐ’を気体供給手段４で発酵槽１内に供給することが可能になる。これにより、高温に維持した発酵槽１内の熱エネルギーが気体供給手段４から供給した気体Ｐ’で消費されることを抑制でき、省エネルギー化を図ることが可能になり、効率的に且つ経済的にバイオマス生成物Ｅを製造することが可能になる。なお、分離濃縮装置２が気体供給手段４を兼ねるように構成してもよい。

本発明の一実施形態に係るバイオマス生成物の製造装置を示す図である。本発明の一実施形態に係るバイオマス生成物の製造装置の変形例を示す図である。

符号の説明

１発酵槽
２燃料化装置（分離濃縮装置）
３撹拌手段
４エア供給手段
Ａバイオマス生成物の製造装置
Ｃ原料（セルロース、生分解性有機材料）
Ｅエタノール（バイオマス燃料、バイオマス生成物）
Ｍ発酵菌
Ｐ気体
Ｐ’ 気体

Claims

生分解性有機材料の原料を発酵菌で発酵させることによりバイオマス生成物を製造する装置であって、
前記原料と前記発酵菌が供給され、前記原料を乾式発酵させるとともに高温で発酵させる発酵槽と、該発酵槽に繋げて設けられ、前記発酵槽内の気体を導出し該気体に含まれるバイオマス生成物を分離及び／又は濃縮する分離濃縮装置とを備えて構成されていることを特徴とするバイオマス生成物の製造装置。
請求項１記載のバイオマス生成物の製造装置において、
前記発酵槽内の前記原料と前記発酵菌を撹拌する撹拌手段を備えていることを特徴とするバイオマス生成物の製造装置。
請求項１または請求項２に記載のバイオマス生成物の製造装置において、
前記発酵槽内の前記原料の間を流通させるように前記発酵槽の外部から気体を供給する気体供給手段を備えていることを特徴とするバイオマス生成物の製造装置。
請求項３記載のバイオマス生成物の製造装置において、
前記分離濃縮装置によってバイオマス生成物を分離及び／又は濃縮した後の前記バイオマス生成物が含まれていない気体を前記気体供給手段で前記発酵槽内に返送して供給するように構成されていることを特徴とするバイオマス生成物の製造装置。
生分解性有機材料の原料を発酵菌で発酵させることによりバイオマス生成物を製造する方法であって、
前記原料と前記発酵菌を発酵槽に供給して前記原料を高温で乾式発酵させ、前記発酵槽に繋げて設けられた分離濃縮装置に前記発酵槽内の気体を導出させるとともに該分離濃縮装置によって前記気体に含まれるバイオマス生成物を分離及び／又は濃縮することを特徴とするバイオマス生成物の製造方法。
請求項５記載のバイオマス生成物の製造方法において、
前記原料がセルロースであることを特徴とするバイオマス生成物の製造方法。
請求項５または請求項６に記載のバイオマス生成物の製造方法において、
前記発酵槽内の前記原料を撹拌手段で撹拌して発酵させることを特徴とするバイオマス生成物の製造方法。
請求項５から請求項７のいずれかに記載のバイオマス生成物の製造方法において、
前記発酵槽内の前記原料の間に、気体供給手段で前記発酵槽の外部から気体を供給して流通させることを特徴とするバイオマス生成物の製造方法。
請求項８記載のバイオマス生成物の製造方法において、
前記分離濃縮装置によってバイオマス生成物を分離及び／又は濃縮した後の前記バイオマス生成物が含まれていない気体を前記気体供給手段で前記発酵槽内に返送して供給することを特徴とするバイオマス生成物の製造方法。