JP2010246421A - ごみ焼却施設におけるセルロース系エタノールの製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】ごみ焼却施設において生じる熱を有効活用しながらエタノールを製造することができる方法を提供する。
【解決手段】本発明のセルロース系エタノールの製造方法は、ごみ焼却施設に搬入されるごみの中からセルロース系廃棄物を分離・回収する選別工程と、該セルロース系廃棄物に水を加えてセルローススラリーにする離解工程と、該セルローススラリーに糖化処理を施して構成糖である単糖まで加水分解する糖化工程と、該糖化処理後の液中に含まれる単糖を微生物発酵させてエタノール含有溶液を得る発酵工程と、前記ごみ焼却施設に設けられた発電用蒸気タービンからの抽気蒸気の熱および／または焼却廃熱から得られたボイラ蒸気の熱および／または直に焼却廃熱を用いて前記エタノール含有溶液を蒸留してエタノールを得る蒸留工程とからなる。
【選択図】図１
【解決手段】本発明のセルロース系エタノールの製造方法は、ごみ焼却施設に搬入されるごみの中からセルロース系廃棄物を分離・回収する選別工程と、該セルロース系廃棄物に水を加えてセルローススラリーにする離解工程と、該セルローススラリーに糖化処理を施して構成糖である単糖まで加水分解する糖化工程と、該糖化処理後の液中に含まれる単糖を微生物発酵させてエタノール含有溶液を得る発酵工程と、前記ごみ焼却施設に設けられた発電用蒸気タービンからの抽気蒸気の熱および／または焼却廃熱から得られたボイラ蒸気の熱および／または直に焼却廃熱を用いて前記エタノール含有溶液を蒸留してエタノールを得る蒸留工程とからなる。
【選択図】図１
Description
都市部を中心とした人間生活、例えば家庭、商業施設、軽工業施設などの活動の中で発生する大量のごみは、そのまま無計画に放置することはできないため、公費を投じて安全かつ衛生的に処理されている。衛生的な処理手段には主に焼却とメタン発酵があり（埋め立ては衛生的ではない）、これらのごみ処理工程からエネルギーを得る手段として、焼却における蒸気タービン発電が、そしてメタン発酵におけるガスタービン発電が考案された。本発明は、従来のごみ焼却施設にエタノール製造プロセスを付帯、具体的には紙類を中心としたセルロース系原料からのエタノール製造プロセスを付帯させることによってもたらされる新規ごみ処理システムや、それによりＣＯ２削減効果等を提案するものである。
枯渇が危惧される石油由来の燃料やプラスチック等の素材に代わり、持続的再生産が可能なバイオマス由来の燃料や素材の開発、普及が望まれており、ブラジルとアメリカによるバイオマス原料からの燃料エタノールの大量生産はその最たる事例である。しかしながら前者はサトウキビ由来の糖蜜、後者はトウモロコシ由来のデンプンと、いずれも人間の食料、あるいは家畜等の飼料となり得るものであり、食料と競合しないバイオマス、つまり植物の茎や葉等のセルロース系原料から燃料や素材を生産できる技術の開発が世界的に急務となっている。
しかし、ショ糖を多く含むサトウキビの搾汁やそれによる精糖工程で発生する廃糖蜜、あるいは熱で糊化した濃厚なトウモロコシデンプンスラリーを安価な酵素（アミラーゼ）で糖化処理して得られるグルコースシロップは、そのまま、あるいは希釈して酵母等の微生物によるエタノール発酵に適用できるのに対し、セルロース系原料の場合は、硫酸、超〜亜臨界水、酵素（セルラーゼ）等によって構成糖であるグルコースまで糖化処理できる技術はあるものの、現状では前述のトウモロコシデンプンを糖化する場合よりも高コストである。また、茎や葉などの植物組織を構成するセルロースは、リグニンやヘミセルロースと複雑に絡まった状態で存在しているため、特に酵素による糖化処理の場合はこのリグニンを予め前処理で除去しておかないと酵素がセルロースに接触できず、糖化が促進されない。
上記のようなセルロース系原料からエタノールを製造する場合に生ずる課題をまとめると以下のようになる。
（１）セルロース系原料には、例えば稲藁などの農業残渣、あるいは間伐材や建築廃材などの木材があるが、いずれも強固なリグニンで覆われており、糖化のためにはそれを除去する前処理が必要である。
（２）上記のセルロース系原料は農地や林地に分散しており、まとまった量を低コストで収集することが難しい。
（３）無償、有償に拘わらず、新たに原料収集システムを構築することは容易ではない。
（４）エタノール製造エネルギーに占める蒸留のそれは非常に大きい。
特許文献１および２には、ごみ焼却施設にセルロース系エタノール製造プロセスを付帯させることが開示されている。
しかしながら、特許文献１および２には、セルロース系エタノール製造方法において、ごみ焼却施設で生じる熱の有効利用を図ることは開示されていない。
本発明は、ごみ焼却施設において生じる熱を有効活用しながらエタノールを製造することができる方法を提供することを目的とする。
上記課題を解決するため、本発明のセルロース系エタノールの製造方法は、ごみ焼却施設に搬入されるごみの中からセルロース系廃棄物を分離・回収する選別工程と、該セルロース系廃棄物に水を加えてセルローススラリーにする離解工程と、該セルローススラリーに糖化処理を施して構成糖である単糖まで加水分解する糖化工程と、該糖化処理後の液中に含まれる単糖を微生物発酵させてエタノール含有溶液を得る発酵工程と、前記ごみ焼却施設に設けられた発電用蒸気タービンからの抽気蒸気の熱および／または焼却廃熱から得られたボイラ蒸気の熱および／または直に焼却廃熱を用いて前記エタノール含有溶液を蒸留してエタノールを得る蒸留工程とからなるものである。
前記セルロース系廃棄物は、例えば、紙類、剪定枝および芝草からなる群から選択される少なくとも１種である。
好ましくは、前記セルロース系廃棄物は紙類であり、ごみから分離・回収する該紙類の量が、ごみ中の全紙類の１０〜３０ｗｔ％である。
好ましくは、前記蒸気タービンの排気蒸気を前記糖化工程および前記発酵工程の熱源に用いる。
本発明は、ごみ焼却施設に搬入されるごみの中からセルロース系廃棄物を分離・回収し、該セルロース系廃棄物の離解、糖化、発酵の各工程を経てエタノール含有液を得、前記ごみ焼却施設に設けられた発電用蒸気タービンからの抽気蒸気の熱等を熱源として、エタノール含有溶液を蒸留してエタノールを得るので、ごみ焼却施設において生じる熱を有効活用しながらエタノールを製造することができる。
以下、本発明のセルロース系エタノールの製造方法について具体的に説明する。
（選別工程）
まず、ごみ焼却処分のためにごみ焼却施設に搬入されるごみ、例えば都市ごみの中から、紙類を中心としたセルロース系廃棄物を選択的に分離・回収する。この分離・回収のための手段としては、例えば、ごみ中から各分類の比重差を活用した風力選別により、紙類を厨芥類と分離する手段などがある。ただし、何らこの方法に限定するものではなく、紙類が多く廃棄される事業系廃棄物、いわゆるオフィスごみを、あるいはこれらの中から紙類だけを別ルートを構築して分別収集することができれば、他のごみとの分離工程はさらに容易に、あるいは不要となり、より効率的な原料となり得る。
まず、ごみ焼却処分のためにごみ焼却施設に搬入されるごみ、例えば都市ごみの中から、紙類を中心としたセルロース系廃棄物を選択的に分離・回収する。この分離・回収のための手段としては、例えば、ごみ中から各分類の比重差を活用した風力選別により、紙類を厨芥類と分離する手段などがある。ただし、何らこの方法に限定するものではなく、紙類が多く廃棄される事業系廃棄物、いわゆるオフィスごみを、あるいはこれらの中から紙類だけを別ルートを構築して分別収集することができれば、他のごみとの分離工程はさらに容易に、あるいは不要となり、より効率的な原料となり得る。
文字などの情報を印字した記録媒体、食品や飲料等の容器、包装や梱包材等としての本来の役割を果たし、古紙として回収されることなく焼却処分されている紙類は、一般廃棄物中に占める重量割合も高い（平均で３０〜５０％、乾燥重量基準）。また、製紙工程において脱リグニン処理された有望なセルロース原料でもある。従来通り他のごみと共に焼却した場合、蒸気タービン発電によって得られる電力は、発電端効率で２０％程度であるのに対し、エタノールに変換した場合は紙の発熱量の５５％を化石原料の代替エネルギーに変換することが可能である。前述の通り、廃棄物中の紙類のセルロース系原料としての最大の長所は、脱リグニン処理されているものが多く糖化が容易な点であり、かつ、その処理に費やされたエネルギーコストは、既に紙としての価値で回収されている点である。この長所を最大限に活かし、焼却による発電、あるいは再生紙化でもない新たな再資源化経路を提案する。なお、原料は紙類に限定するものではなく、それ以外のセルロース、例えば燃えるごみとして回収、搬入される街路樹や果樹園由来の剪定枝、河川敷の芝草等でもよいが、酵素糖化する場合はこれらを脱リグニン処理することが必要となる。
（離解工程）
前工程において選別した紙類を中心としたセルロース系廃棄物に水を加え、パルパーで離解（パルピング）し、セルローススラリーとする。選別工程で除去できずにセルローススラリーに混入したプラスチック類はスクリーンを用いて除去し、焼却処分する。こうして得られたセルローススラリーを糖化工程の原料とする。
前工程において選別した紙類を中心としたセルロース系廃棄物に水を加え、パルパーで離解（パルピング）し、セルローススラリーとする。選別工程で除去できずにセルローススラリーに混入したプラスチック類はスクリーンを用いて除去し、焼却処分する。こうして得られたセルローススラリーを糖化工程の原料とする。
（糖化工程）
既に脱リグニンされた紙類を構成糖であるグルコースまで加水分解、つまり糖化する手段としては、酵素（セルラーゼ）による酵素糖化法が適している。ただし、これに限定するものではなく、硫酸や固体酸などの加水分解触媒による酸糖化法、あるいは亜〜超臨界水による水熱糖化法でも構わない。
既に脱リグニンされた紙類を構成糖であるグルコースまで加水分解、つまり糖化する手段としては、酵素（セルラーゼ）による酵素糖化法が適している。ただし、これに限定するものではなく、硫酸や固体酸などの加水分解触媒による酸糖化法、あるいは亜〜超臨界水による水熱糖化法でも構わない。
（発酵工程）
上記工程で得られたグルコースをエタノールに変換する手段としては、酵母やザイモモナス等の発酵微生物を用いるが、これらに限定されるものではなく、例えば、これらの遺伝子組換体を用いても構わない。特にグルコースと共に得られ、酵母やザイモモナスが代謝できないヘミセルロース由来の５炭糖の発酵にはこの糖を利用できるように改変された遺伝子組換体が有効である。また、糖化と発酵工程を分離せず、例えばセルロース原料に糖化酵素と酵母を同時に添加して一つの槽で反応させる同時糖化発酵（Simultaneous Saccharification and Fermentation）によるエタノール製造であっても構わない。
上記工程で得られたグルコースをエタノールに変換する手段としては、酵母やザイモモナス等の発酵微生物を用いるが、これらに限定されるものではなく、例えば、これらの遺伝子組換体を用いても構わない。特にグルコースと共に得られ、酵母やザイモモナスが代謝できないヘミセルロース由来の５炭糖の発酵にはこの糖を利用できるように改変された遺伝子組換体が有効である。また、糖化と発酵工程を分離せず、例えばセルロース原料に糖化酵素と酵母を同時に添加して一つの槽で反応させる同時糖化発酵（Simultaneous Saccharification and Fermentation）によるエタノール製造であっても構わない。
以上に説明した本発明のエタノールの製造方法の概略を図１のフローシートに示す。
ごみ焼却施設に上記のこのセルロース系原料の糖化・発酵プロセスを付帯させる第１の効果として、ごみ焼却時の排熱は、糖化や発酵工程の熱源に有効利用できるだけではなく、蒸気を発生させることでエタノール蒸留工程にも活用できることが挙げられる。ただし、紙類を中心とした全てのセルロース系廃棄物をエタノールに変換するのではなく、廃棄物が保有する熱による焼却が成立する範囲のセルロース系廃棄物を原料として使用することが重要であり、そうでなければ焼却排熱を利用するというコンセプト自体が成り立たない。例えば２００ｔ／ｄ規模のごみ処理施設で紙類が４０〜５０ｗｔ％の場合、紙類の１０〜３０ｗｔ％、さらに限定すると、１５〜２５ｗｔ％の範囲がエタノール変換に使用されることが望ましい。なお、特許文献１および２にも、「ごみ焼却場に搬入されるごみの中からセルロース系原料等を抜き出してエタノールを製造すれば焼却排熱を利用できる」との趣旨の内容が記述されているが、具体的な原料抜き出し割合や量については何ら言及されていない。エタノール製造を付帯させることで焼却排熱を利用できるのは誰でも考案し得るが、燃えやすい紙を全て除いてごみ焼却が成立しなくなれば、その排熱を利用すること自体が不可能である点において、「燃やすごみの中からどれだけ原料を抜き取るのか」の絞り込みは極めて重要な事項である。本発明は、その範囲を限定している点で特許文献１および２よりもはるかに進歩性がある。
一方、本発明は、エタノール蒸留等に利用する焼却排熱を発電用の蒸気タービンから排気される排気蒸気のみならず、必要に応じて抽気蒸気も適用することを特徴とする。具体的には、比較的低温の熱源が必要な糖化プロセスおよび発酵プロセスは蒸気タービンの排気蒸気を熱源とし、高温の熱源が必要な蒸留プロセスには蒸気タービンの抽気蒸気を一部抜出して利用、より高圧の熱源が必要な場合には、焼却排熱からのボイラ蒸気、または直接的に焼却排熱を利用することで、廃棄物の焼却熱を有効活用することができる。例えば５vol％濃度蒸留に必要な熱量は、蒸留設備の構成により生成エタノールあたり２０〜４０％の熱量が必要である。これに対し、特許文献１の段落［００３０］には、「このように、セルロース回収プロセスＡのための設備と焼却プロセスＣのための設備とを近接して設けることによって、廃熱利用を効果的に行うことができる。すなわち、焼却プロセスＣの蒸気タービンから排出される低圧蒸気４０４は、従来は復水器で冷却されて排気される熱であったが、本例によれば、これをセルロース回収プロセスＡの濃縮工程１４に有効に利用することが出来る。一方、この低圧蒸気４０４を得るための熱エネルギー源として、糖化プロセスＢで生じた脱水ケーキ２０３や、セルロース回収プロセスＡで分離された可燃物Ａ１を利用することが出来るので、系全体で熱エネルギーを効率良く循環させることが出来る」との記述に留まっている。本発明は、エタノール製造で最もエネルギーを要す蒸留工程において、より具体的、かつ有効な排熱利用法を示している点において、特許文献１と比較してはるかに進歩性がある。
ごみ焼却施設にセルロース系エタノール製造プロセスを付帯させる第２の効果として、全てのごみを焼却処理するよりも、その一部を使用することでＣＯ２削減効果が高くなることが挙げられる。具体的には表１に示すとおり、２００ｔ／ｄ規模のごみ処理施設において、全てを焼却する場合のＣＯ２削減量が約８，７００ｔであるのに対し、通常運転時の燃焼温度を高温に保つため、化石燃料等の外部熱を与えることなく廃棄物焼却が成立するよう、２００ｔのごみのうち約１５ｔの紙類をエタノール原料にした場合のそれは約９，６００ｔと、ＣＯ２排出削減量は１．１倍となる。一方、特許文献１の段落［００２３］にも「したがって、このようにして廃棄物１０１中のセルロースを糖化して有効に利用すると、理論的には、同量の廃棄物１０１を焼却処理した場合に比べ、大気中に排出されるＣＯ２量が約２０％程度削減されることになる」との記述があるが、前述した通り、「燃やすごみの中からどれだけ原料を抜き取るのか」を限定したうえでのＣＯ２削減効果という点で、本発明は進歩性がある。
ごみ焼却施設にセルロース系エタノール製造プロセスを付帯させる第３の効果として、エタノール製造工程で発生する廃液や含水残渣をその他のごみとともに焼却処理できることが挙げられる。例えば、ブラジルのサトウキビ原料によるエタノール製造の場合、蒸留廃液や酵母菌体を含んだ残渣等は、窒素やリンが豊富な肥料として農地に還元できるが、日本の場合はこのような廃液や残渣を農地に還元することは、環境基準等の観点から難しい（紙ごみ等の廃棄物由来であれば、稲藁等の農業廃棄物の場合よりも更に肥料利用は難しい）。その点でも、残渣（含水固形分）や少量の廃液を他のごみと共に焼却する方法は確実、かつ有効である。
ごみ焼却施設にセルロース系エタノール製造プロセスを付帯させる第４の効果として、既に整備されているごみ収集システムをそのまま利用して容易にセルロース系原料を収集できることが挙げられる。原料の無償、有償に拘わらず、新たに原料収集システムを構築することは容易ではないため、既存の収集システムをそのまま流用できる点は非常に有効である。
最後に、ごみ焼却施設に搬入されて来る各種ごみには、デンプンやタンパク質が豊富な厨芥等のいわゆる生ごみもある。これを選別・回収し、熱処理と酵素処理（アミラーゼおよびプロテアーゼ）を施して加水分解すれば、グルコースのみならず、酵母の栄養成分として必須なアミノ酸や、その他のミネラル等を含んだ培養液に変換することができる。そして、これを酵母の前培養、あるいは本培養時（エタノール発酵時）の培地成分として活用できる。なお、厨芥等の生ごみは搬入後に選別・回収ではなく、別ルートを構築して分別収集することができれば、より効率的である。また、デンプンを多く含む厨芥が得られる場合には、セルロース系エタノール製造工程とは別にデンプン系エタノール製造工程を設けても良い。
Claims (4)
- ごみ焼却施設に搬入されるごみの中からセルロース系廃棄物を分離・回収する選別工程と、
該セルロース系廃棄物に水を加えてセルローススラリーにする離解工程と、
該セルローススラリーに糖化処理を施して構成糖である単糖まで加水分解する糖化工程と、
該糖化処理後の液中に含まれる単糖を微生物発酵させてエタノール含有溶液を得る発酵工程と、
前記ごみ焼却施設に設けられた発電用蒸気タービンからの抽気蒸気の熱および／または焼却廃熱から得られたボイラ蒸気の熱および／または直に焼却廃熱を用いて前記エタノール含有溶液を蒸留してエタノールを得る蒸留工程と
からなる、セルロース系エタノールの製造方法。 - 前記セルロース系廃棄物は、紙類、剪定枝および芝草からなる群から選択される少なくとも１種である、請求項１に記載のセルロース系エタノールの製造方法。
- 前記セルロース系廃棄物は紙類であり、ごみから分離・回収する該紙類の量が、ごみ中の全紙類の１０〜３０ｗｔ％である、請求項２に記載のセルロース系エタノールの製造方法。
- 前記蒸気タービンの排気蒸気を前記糖化工程および前記発酵工程の熱源に用いる、請求項１〜３のいずれか１つに記載のセルロース系エタノールの製造方法。
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