JP2011130745A - バイオマス材料の連続加圧熱水処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】リグニンを含有するバイオマス材料を、連続で１００℃以上の加圧熱水処理する方法において、加圧熱水処理部の圧力を、加圧熱水を維持する圧力以上に保圧する。
【解決手段】スクリュ押出機により、リグニンを含有するバイオマス材料を加圧熱水処理する加工方法において、加圧熱水処理部７の圧力を加圧熱水を維持する圧力以上に保圧するために、加圧熱水処理部７の下流に設置した下流シール部９の材料温度を、系内に含まれる水などの液体成分の沸点未満に冷却する。これによって、バイオマス材料中に含まれる水などの液体成分が液体として安定して存在するようにして、下流シール部９の保圧能力を高める。
【選択図】図１

Description

本発明は、セルロース、ヘミセルロース、リグニンを含有するバイオマス材料の糖化処理効率を向上させるためのバイオマス材料の連続加圧熱水処理方法に関するものである。

近年、有限の資源である石油に代替する植物を原料とした燃料が注目を集め、特に食糧問題を引き起こさない、木や草本類などの非可食植物を利用した燃料に注目が集まっている。該植物を燃料として利用するためには、植物中に含まれるセルロースおよびヘミセルロースを糖化処理して、糖を得た後、アルコール発酵を行い、エタノール等の燃料を得る必要がある。しかし、セルロールおよびヘミセルロースは植物中に含まれるリグニンに包埋されているため、そのまま糖化処理しても糖化されない。そこで、何らかの前処理によって糖化処理の効率を上げる必要がある。

非特許文献１には、オリゴ糖を生産する方法として使われている蒸煮・爆砕法により糖化率を上げる方法が記述されている。該方法では原料チップを圧力釜に入れ、高温高圧で短時間蒸煮した後、急激にその圧力を開放する。２００〜２４０℃のような高温の条件に短時間さらすことで、酸が形成されてｐＨが約３まで低下する。そして、その酸により加水分解を起こさせるという方法である。また、急激に減圧したことにより、細胞膜が破壊され、一部リグニンも破壊される。しかしながら、この方法はバッチ式であり、かつ圧力釜の昇温に時間を要することから生産性の点で不利であり、かつ滞留時間を短くすることが難しいため過分解が避けられないという課題がある。

また、非特許文献１には二軸スクリュ押出機を用いた爆砕と同時に化学的処理を行うセルロースの連続式糖化システムについても説明されている。すなわち、セルロース廃棄物をプラスチック加工用二軸スクリュ押出機で細分し、余分の水分を除去し、スラリーを２４３℃に熱し、５００ｐｓｉの圧力をかけ、押し出される直前に０．５％硫酸を注入して瞬間的に加水分解し、押出機先端に設けた除圧バルブを開いて２０秒後に排出急冷するプロセスである。しかしながら、この方法も連続式と称しているというものの、実質的にはバッチ式であり、生産性の点で不利であり、かつ滞留時間が一定とならないために均質な材料を得られないという課題がある。

また、特許文献１には、水分を１０質量％以上含有するリグニンを含む被処理物を高圧下で処理する高圧反応器に対して、高圧反応器からの高圧雰囲気の逆流を抑えると共に連続的に被処理物を供給するために、スクリュフィーダが配設されている。スクリュフィーダは、一端側に被処理物供給部が設けられており、他端側に排出口が設けられている。スクリュフィーダの排出口に接続され、２ＭＰａ以上の圧力に加圧される高圧雰囲気を形成する高圧反応器に対して、スクリュフィーダの他端側にて圧縮された堆積物による密閉作用により、高圧雰囲気とスクリュフィーダの一端側との間の気密が維持されるように、先端に隙間を調整できる機械式のバルブを設置して被処理物を供給する構成とする発明が開示されている。しかしながら、この方法では一台の押出機で加圧処理後に材料を粉砕したり、含水量を調整したり、温度調整を行うなどの加工ができないという課題がある。

一般的に溶融樹脂を処理する押出機のシリンダ内圧を高める方法として、シリンダ内に抵抗体を設け、その抵抗体に粘度の高い流体を通過させることで圧力を上昇させる方法が採用される。例えば、特許文献２には、熱硬化性樹脂系塗膜と熱可塑性樹脂を主要成分とする樹脂廃材をシリンダに供給し、溶融しつつ送給手段により上流側から下流側に送給すると共に、シリンダの加水分解領域において樹脂材料と水や水蒸気とを接触させて樹脂材料を加水分解する。その際に、抵抗体として機能するシールリングを通路に配置し、加水分解領域における樹脂材料の下流側への送給を抑制して高充填領域を形成し、水や水蒸気の早期抜けを防止する。これと共に、圧力９８０〜９８００ｋＰａ、樹脂温度１８０〜２８０℃の高温とし、シリンダにおける樹脂材料と加水分解剤との接触効率を向上させ、熱硬化性樹脂の加水分解による低分子量化を効果的に行い、再生処理時間の短縮化、再生樹脂組成物の高品位化に貢献できる樹脂廃材の再生方法及び装置に係る発明が開示されている。しかしながら、この方法は樹脂を有する材料にのみ有効な方法であり、バイオマス材料に適用した場合に圧力を一定に保つことが不可能であるという課題がある。

ＷＯ２００４／１０５９２７号公報 特開平７−１２４９４５号公報

東順一、越島哲夫；木材研究・資料、第１７号Ｐ１〜２０（１９８３）

本発明は、リグニン含有のバイオマス材料を、連続で１００℃以上の加圧熱水処理する方法において、スクリュ押出機の加圧熱水処理部の圧力を加圧熱水を維持する圧力以上に保圧することのできるバイオマス材料の連続加圧熱水処理方法を提供することを目的とするものである。

上記の目的を達成するために、本発明のバイオマス材料の連続加圧熱水処理方法は、加圧熱水処理部を有するスクリュ押出機により、リグニンを含有するバイオマス材料を連続で１００℃以上の加圧熱水処理をする連続加圧熱水処理方法において、前記加圧熱水処理部には上流側に上流シール部を設けるとともに下流側に下流シール部を設け、前記下流シール部における前記バイオマス材料の温度を系に含まれる液体成分の沸点未満に冷却することにより、前記下流シール部における前記バイオマス材料に含まれる液体成分を液体の状態で存在させて、前記下流シール部の保圧能力を高めることを特徴とする。

また、前記加圧熱水処理部は、圧力が０．２７ＭＰａ（１３０℃での水の飽和蒸気圧）以上、前記バイオマス材料の温度１３０℃以上で加圧熱水処理することを特徴とする。

また、前記下流シール部における前記バイオマス材料は、前記下流シール部における前記バイオマス材料へ液体状態の水を添加することによって、冷却することを特徴とする。

また、前記下流シール部における前記バイオマス材料は、前記スクリュ押出機における前記下流シール部の近傍を冷却手段により冷却することによって、冷却することを特徴とする。

リグニンを含有するバイオマス材料を加圧熱水処理する加工方法において、加圧熱水処理部の圧力を加圧熱水を維持する圧力以上に保圧するために、加圧熱水処理部の下流に設置した下流シール部のバイオマス材料の温度を系内に含まれる水分などの液体成分の沸点未満に冷却することによって、バイオマス材料中に含まれる水などの液体成分が液体として存在するようにして、シール部の保圧能力を高める。その結果、リグニンを含有するバイオマス材料を連続して、圧力および温度一定で加圧熱水処理することが可能となる。

本発明を実施するために用いられるスクリュ押出機の一例を示す説明図である。

図１に示すように、スクリュ押出機Ｅは、一端側に供給部であるロングホッパーシリンダ２が組み込まれたシリンダ１と、シリンダ１内に回転自在に配備されたスクリュ（不図示）と、前記スクリュを回転させるための回転駆動手段を構成するモータ１４および減速機１５を備えている。

ロングホッパーシリンダ２の下流側には、水分や粒径、温度などを調整する機能を有する調整部５が配備されており、その下流側にはバイオマス材料を加圧熱水処理するための上流シール部６と下流シール部９に挟まれた加圧熱水処理部７が配備されている。

本発明において、加圧熱水処理とは、水に限らず，水に薬品（例えば、硫酸や水酸化ナトリウムなど）を添加したものを含む液体成分によるものをいう。また，使用するスクリュ押出機は、単軸スクリュ押出機または二軸スクリュ押出機のいずれでもよいが、より強いせん断をバイオマス材料に加えることができる二軸スクリュ押出機が好ましい。そして、下流シール部９の近傍には、シリンダ１を冷却するための冷却部８があり、その下流には粒径、温度およびまたは水分などを調整する調整部１０がある。

ロングホッパーシリンダ２の真上には、かさ高い材料を安定的にスクリュ押出機Ｅに投入できるように、スクリュ（不図示）で原料を圧入できるコンパクタ４が設置されている。さらにその上流には、一定の割合で原料を供給するため、重量を計測しながら送り量を調整できる重量式フィーダ３が設置されている。

上流シール部６の下流側には加圧熱水を注入するため、第１の液添ノズル１１ａと水などの液体成分を供給するための第１の液体供給ポンプ１２ａが設置されている。さらに、冷却部８の付近には、バイオマス材料を直接冷却するために水などの液体成分を供給するための第２の液添ノズル１１ｂと、第二の液添ノズル１１ｂに水などの液体成分を供給するための第２の液体供給ポンプ１２ｂが設置されている。

次にこのスクリュ押出機を用いたバイオマス材料の連続加圧熱水処理方法について説明する。スクリュ押出機に投入するリグニン含有のバイオマス材料としては、木材や草本類などのバイオマス材料が好ましい。また、穀物の非可食部なども好適に用いることが可能である。

これらのバイオマス材料をスクリュ押出機に定量的に供給する装置は、スクリュを一定の回転速度で回転させることで、原料を定量的に送り出すことができるスクリュ式定容フィーダや、重量の変化を把握しながら原料を排出し、その重量減少量を原料の排出速度にフィードバックして供給量を調整する重量式フィーダなど、様々なフィーダが存在する。バイオマス材料は一般的にかさ高く、場合によっては形状やサイズも不均一であるため、それをスクリュ押出機に定量的に供給する装置は重量で排出量を制御する重量式フィーダが好ましい。また、特にかさ高かったり、形状や粒径が不安定である材料については、円板式やベルト式の切り出し装置と重量式フィーダを組み合わせて使用することが好ましい。

重量式フィーダ３から排出されたバイオマス材料は、スクリュ押出機Ｅ内へと送り込まれる。しかしながら先にも述べたように、バイオマス材料は一般的にかさ高いため、シリンダ１とスクリュとの間のような狭い空間にバイオマス材料を送り込むと、スクリュによって輸送される材料量よりも重量式フィーダ３から供給されるバイオマス材料量が少なくなるフィードネック現象を起こし、バイオマス材料を供給することができなくなる。そのため、重量式フィーダ３とスクリュ押出機Ｅの間にはスクリュやピストンを使って強制的に押出機内に原料を圧入して材料のかさ密度を高めることができるコンパクタ４を配置することが望ましい。また、供給側のシリンダとしては開口部の広いロングホッパーシリンダ２を設置することが好ましい。

スクリュ押出機Ｅに供給されたバイオマス材料は、シリンダ１内をスクリュの推進効果により調整部５に運ばれる。調整部５はバイオマス材料の温度や水分量などの液体成分量を調整したり、スクリュで剪断を作用させて原料の形状や粒径を均一化したりして、下流側の工程に適した状態に調整する。バイオマス材料の液体成分が多い場合には、脱水シリンダを設置して液体成分を系外に排出したり、逆に液体成分が少ない場合には液添ポンプを用いて水分を添加したりする。

調整部のすぐ下流には上流シール部６が配置され、ここでは加圧熱水処理部７で発生した水蒸気が上流側に抜け出さないよう、バイオマス材料が圧密されてシールを形成するようなスクリュが配置されている。スクリュ形状については材料が圧密されるものであれば特に限定はしないが、シールリングや逆フライトスクリュなどを例として挙げることができる。

上流シール部６および下流シール部９で挟まれた部分には加圧熱水処理部７が配置されている。ここではバイオマス材料を滞留させつつ表面更新を行い、加圧熱水に一定時間曝露させることにより、セルロースを包埋しているリグニン組織を部分的に破壊させる。この加圧熱水処理部７の最上流には、第１の液体ポンプ１２ａに接続された第１の液添ノズル１１ａが設置され、必要に応じてリグニン組織の破壊に必要な水などの反応助剤をスクリュ押出機Ｅ内に供給できる。加圧熱水処理部７のスクリュ形状は、水などの反応助剤を材料と均一に混練しかつ滞留させて圧力を均一化でき、さらには表面更新を行うことが可能な形状であれば特に制限はされない。

加圧熱水処理部７の温度は、使用しているバイオマス材料に応じて最適値が異なるが、ユーカリを用いた場合は２００℃以上が望ましいが、あまり高すぎると後段の発酵を阻害する物質が発生するため好ましくない。また、加圧熱水処理部７の圧力は加圧熱水処理部７の温度における水蒸気の飽和蒸気圧よりも高く維持することが望ましい。圧力が水蒸気の飽和蒸気圧を下回ると、材料中の全液体成分が気化することになり、材料の急激な体積膨張でスクリュの回転による材料輸送が制御困難になるとともに、気化熱により温度が低下して所望の温度で加圧熱水処理ができなくなるため好ましくない。そのため、加圧熱水処理部は、圧力が０．２７ＭＰａ（１３０℃での水の飽和蒸気圧）以上、前記バイオマス材料の温度１３０℃以上で加圧熱水処理する。

下流シール部９は、加圧熱水処理部７で発生した水蒸気が急激に下流側に抜け出さないように、材料が圧密されてシール部を形成するようなスクリュが配置されている。スクリュ形状については上流シール部６と同様、材料が圧密されるものであれば特に限定はしないが、シールリングや逆フライトスクリュなどを例として挙げることができる。

下流シール部９の上流部または下流シール部９を含めた付近に配置された冷却部８は、材料を冷却し、下流シール部９付近の材料温度を下げることにより、加圧熱水条件に保たれている部位で生じた多量の高温水蒸気を液体に相転移させて材料の粘度を著しく高める特性を付与する。加えて、加圧熱水処理部７から下流側に漏洩しようとする水蒸気の量（容積）を低減する機能を持たせるため、例えばシリンダを水や油などの冷却媒体で強制的に冷却したり、冷却ファンなどを用いて空冷するなど、スクリュ押出機における下流シール部９の近傍を冷却手段によって冷却する。また、下流シール部９におけるバイオマス材料へ第二の液添ノズル１１ｂを介して水を添加することによってバイオマス材料を直接冷却する。冷却するバイオマス材料の温度は、水蒸気とバイオマス材料が下流シール部９を一気に通り抜けて加圧熱水処理部７の温度と圧力が急激に低下する吹き抜け現象を生じさせないために、系内に含まれる水などの液体成分の沸点未満の温度に冷却することが好ましい。ただし、あまり温度を下げると、加圧熱水処理部７におけるバイオマス材料の材料温度が連れられて低下し、セルロースを包含している物質とセルロースとの分離が進まなくなるため好ましくない。また、水などの液体成分を添加しすぎると、下流側の工程に多量の水などの液体成分が運び込まれるため、スクリュ押出機の容量が大きくなったり、輸送時の取り扱いが困難になったりするため、好ましくない。

加圧熱水処理が終了したバイオマス材料は、下流シール部９の下流側に配置されている調整部１０に送られて、材料温度や水などの液体成分を後段の工程にて適した状態に調整される。調整部１０はその目的に応じて、液添ノズルを設置しても良いし、水などの液体成分を除去するためにベント口を設置しても良い。また、下流シール部の圧力保持力を補助するために、材料が充満するスクリュを配置しても良い。

重量式フィーダおよびコンパクタを介して含水率約４０％の広葉樹または針葉樹の木材チップ（粒径１〜２ｍｍ）をスクリュ押出機に投入し、調整部において粒径および温度を調整した後、加圧熱水処理部で処理を行った。加圧熱水処理部のシリンダ温度は２００〜２２０℃に設定した。冷却部の温度は表１に示すように、水の沸点である１００℃よりも低い温度に設定した。加圧熱水処理部の材料温度や圧力は希望する値で安定していた。スクリュ押出機の先端から排出された材料は、濃い茶色に変色し、甘い香りを放っていた。

スクリュ押出機として、Ｌ／Ｄ＝５２.５、スクリュ径４７ｍｍのかみ合い二軸スクリュ押出機（商品名：（株）日本製鋼所製TEX４４αＩＩ）を用いた。

（比較例）
重量フィーダおよびコンパクタを介して含水率約４０％の広葉樹または針葉樹の木材チップ（粒径１〜２ｍｍ）をスクリュ押出機に投入し、調整部において粒径および温度を調整した後、加圧熱水処理部で処理を行った。加圧熱水処理部のシリンダ温度は表１に示すように、１００〜２２０℃に設定した。冷却部の温度は、水の沸点あるいはそれより高い１００℃以上の温度に設定した。加圧熱水処理部の温度および圧力の上昇に伴い、スクリュ押出機の先端からは水蒸気を伴った材料が間欠的に噴出し、それに連動して加圧熱水処理部の圧力が周期的に上下し、加圧熱水処理部の温度を所望の温度に保てなかったり、加圧熱水処理の時間が不均一となった。

表１に、比較例１〜４および実施例１〜５の結果を示す。

Ｅ スクリュ押出機
１ シリンダ
２ ロングホッパーシリンダ
３ 重量式フィーダ
４ コンパクタ
５、１０ 調整部
６ 上流シール部
７ 加圧熱水処理部
８ 冷却部
９ 下流シール部
１１ａ、１１ｂ 液添ノズル
１２ａ、１２ｂ 液体供給ポンプ
１４ モータ
１５ 減速機

Claims (4)

1. 加圧熱水処理部を有するスクリュ押出機により、リグニンを含有するバイオマス材料を連続で１００℃以上の加圧熱水処理をする連続加圧熱水処理方法において、
   前記加圧熱水処理部には上流側に上流シール部を設けるとともに下流側に下流シール部を設け、
   前記下流シール部における前記バイオマス材料の温度を系内に含まれる液体成分の沸点未満に冷却することにより、
   前記下流シール部における前記バイオマス材料に含まれる液体成分を液体の状態で存在させて、前記下流シール部の保圧能力を高めることを特徴とするバイオマス材料の連続加圧熱水処理方法。
2. 前記加圧熱水処理部は、圧力が０．２７ＭＰａ（１３０℃での水の飽和蒸気圧）以上、前記バイオマス材料の温度１３０℃以上で加圧熱水処理することを特徴とする請求項１に記載のバイオマス材料の連続加圧熱水処理方法。
3. 前記下流シール部における前記バイオマス材料は、前記下流シール部における前記バイオマス材料へ液体状態の水を添加することによって、冷却することを特徴とする請求項１又は２に記載のバイオマス材料の連続加圧熱水処理方法。
4. 前記下流シール部における前記バイオマス材料は、前記スクリュ押出機における前記下流シール部の近傍を冷却手段により冷却することによって、冷却することを特徴とする請求項１又は２に記載のバイオマス材料の連続加圧熱水処理方法。

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