JP2011142893A - 熱水流通式糖化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】産業用の処理装置として効率的な運転が可能な熱水流通式糖化装置を提供する。
【解決手段】反応管１に収納された原料有機物Ｘに加圧熱水を通水させて加水分解する熱水流通式糖化装置Ａであって、原料有機物Ｘを収納する原料ホッパ４と、該原料ホッパ４から落下した原料有機物Ｘを収容すると共に反応槽１に連通する原料供給管３と、該原料供給管３の一端から反応管１に向けて原料有機物Ｘを押し出して反応管１に移送する原料移送部５と、原料供給管３と反応管１との間に設けられた仕切り弁２と、反応管１において原料供給管３の反対側に設けられ、残渣Ｘａを外部に排出するための残渣排出部６と、反応管１の一端に加圧熱水を供給する加圧熱水供給部７と、反応管１の他端から加圧熱水を分解液とともに回収する液回収部８とを具備する。
【選択図】図１

Description

本発明は、熱水流通式糖化装置に関する。

下記特許文献１には、セルロース粉末の充填固定床に、２７０〜３１０℃の範囲内の温度に保持した加圧熱水を滞留時間が３０秒以下になるような速度で通水して加水分解することによりグルコース単位６〜２５個からなる非水溶性多糖類を製造する技術が開示されている。この技術は、セルロース粉末を原料として非水溶性多糖類を製造することを目的とするものである。

特許第３１２８５７５号公報

ところで、上記特許文献１の技術は、特許文献１の図1に示された反応装置を用いるが、この反応装置（熱水流通式糖化装置）は、セルロース粉末を原料とする実験装置として構成されたものであり、バイオマスを原料とする産業用の処理装置として実用できるものではない。すなわち、従来の熱水流通式糖化装置をバイオマスを原料とする産業用の処理装置に適用するためには、例えばバイオマス（原料）の取り込み機構や処理後の残渣等の取出機構等について、より効率的な運転が可能なように装置構成を最適化する必要がある。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、産業用の処理装置として効率的な運転が可能な熱水流通式糖化装置を提供することを目的とするものである。

上記目的を達成するために、本発明では、熱水流通式糖化装置に係る第１の解決手段として、反応管に収納された原料有機物に加圧熱水を通水させて加水分解する熱水流通式糖化装置であって、原料有機物を収納する原料ホッパと、該原料ホッパから落下した原料有機物を収容すると共に管状反応槽に連通する原料供給管と、該原料供給管の一端から反応管に向けて原料有機物を移送する原料移送部と、原料供給管と反応管との間に設けられた仕切り弁と、反応管の一端に加圧熱水を供給する加圧熱水供給部と、反応管の他端から加圧熱水を分解液とともに回収する液回収部とを具備する、という手段を採用する。

熱水流通式糖化装置に係る第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、反応管において原料供給管の反対側に設けられ、残渣を外部に排出するための残渣排出部をさらに備え、原料供給管及び原料移送部は、原料有機物を反応管に圧送するように構成される、という手段を採用する。

熱水流通式糖化装置に係る第３の解決手段として、上記第１または第２の解決手段において、液回収部は、反応管内の圧力を一定に保持するための保圧弁を備える、という手段を採用する。

熱水流通式糖化装置に係る第４の解決手段として、上記第１〜第３のいずれかの解決手段において、仕切り弁は、弁体に形成された通路が反応管の内形と同一なボール弁である、という手段を採用する。

本発明によれば、仕切り弁、原料供給管、原料ホッパ及び原料移送部の協働によって原料有機物が反応管に自動的に収容されるので、産業用の処理装置として効率的な運転が可能な熱水流通式糖化装置を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る熱水流通式糖化装置Ａの装置構成を示す正面図である。 本発明の一実施形態に係る熱水流通式糖化装置Ａの動作を示す第１の説明図である。 本発明の一実施形態に係る熱水流通式糖化装置Ａの動作を示す第２の説明図である。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。
本実施形態に係る熱水流通式糖化装置Ａは、図１に示すように、反応管１、仕切り弁２、原料供給管３、原料ホッパ４、原料移送部５、残渣排出部６、加圧熱水供給部７及び液回収部８、ガス排出部９から構成されている。なお、この図では、都合により各部の相対的な大きさを実物に対して変更している。

熱水流通式糖化装置Ａは、反応管１に収納された原料有機物Ｘに所定温度（例えば１５０〜３００℃程度）かつ所定圧力以上（例えば所定圧力における飽和蒸気圧以上）の加圧熱水を所定時間通水させることにより、連続的ではなくバッチ的（間欠的）に原料有機物Ｘを加水分解する装置である。このような熱水流通式糖化装置Ａは、例えばバイオマス（化石資源を除く生物由来の資源）を比較的重合度が低い多糖類とし、当該多糖類をさらに分解して得られる単糖類からバイオエタノールを製造するプラントにおいて、バイオマスを重合度が比較的低い多糖類とする前段糖化装置として機能するものである。また、このようなバイオエタノール製造プラントにおいて、多糖類から単糖類を得る後段糖化装置として、例えば個体酸触媒を多糖類に作用させて単糖化する固体酸触媒糖化装置が考えられる。

本出願人は、特願２００９−２１９３６２（平成２１年９月２４日出願、発明の名称：バイオマス処理装置及び方法）において、において、加圧熱水反応装置（前段糖化装置）における熱水温度を調節することによりバイオマス（木質系バイオマス）に含まれる多糖類（炭水化物）からキシロオリゴ糖とセロオリゴ糖とを個別に取得し、キシロオリゴ糖を第１触媒反応装置（後段糖化装置）で処理することによりキシロース（Ｃ_５Ｈ_１０Ｏ_５：五炭糖）に単糖化すると共に、セロオリゴ糖を第２触媒反応装置（後段糖化装置）で処理することによりとグルコース（Ｃ_６Ｈ_１２Ｏ_６：六炭糖）に単糖化し、さらにキシロースを第１発酵装置で発酵処理すると共に、グルコースを第２発酵装置で発酵処理することによりバイオエタノール（Ｃ_２Ｈ_６Ｏ）を製造するバイオマス処理装置及び方法を提案している。

周知のように、木質系バイオマスは、セルロース（多糖類）、ヘミセルロース（多糖類）及びリグニンを主成分とするが、このような成分の木質系バイオマスに加圧熱水を作用させることにより、セルロースやヘミセルロースをさらに重合度の低い多糖類（キシロオリゴ糖、セロオリゴ糖及びこれらより多少重合度が高い各種オリゴ糖）に分解することができる。本熱水流通式糖化装置Ａは、上述した加圧熱水反応装置（前段糖化装置）と同等の基本機能を奏するものであり、外部から粒状のバイオマスを原料として受け入れ、当該原料を例えばキシロオリゴ糖やセロオリゴ糖に分解する。

このような本熱水流通式糖化装置Ａにおいて、反応管１は、図示するように断面が円形の直管状容器である。反応管１の一端（左端）には仕切り弁２が連接され、他端（右端）は閉塞している。後述するように、この反応管１内には原料有機物Ｘが収容されると共に加圧熱水が一端側（左側）から他端側（右側）に向けて流通することにより、原料有機物Ｘに含まれるセルロースやヘミセルロースがさらに重合度の低い多糖類（キシロオリゴ糖、セロオリゴ糖及びこれらより多少重合度が高い各種オリゴ糖）に分解される。

仕切り弁２は、弁体に形成された通路が反応管１の内形と同一かつ同軸なボール弁である。この仕切り弁２において、反応管１の反対側には原料供給管３が連接されている。原料供給管３は、内形が反応管１の内形及び仕切り弁２の通路の内形と同一かつ反応管１と同軸な直管である。すなわち、上記反応管１、仕切り弁２及び原料供給管３は、図示するように直線状かつ軸線が水平となるように設けられている。

原料ホッパ４は、原料供給管３の側部に当該原料供給管３に連通するように設けられており、原料有機物Ｘを収納する。すなわち、原料ホッパ４の下部開口は原料供給管３の側部に形成された開口と連通しており、原料供給管３は、原料ホッパ４から落下した原料有機物Ｘを収容する。原料移送部５は、原料供給管３の一端（左端）に連接されており、原料供給管３内に収容された原料有機物Ｘを原料供給管３の一端（左端）から反応管１に向けて押し出して反応管１に移送する。この原料移送部５は、原料有機物Ｘを押圧するプッシャーポンプ５ａと当該プッシャーポンプ５ａを油圧駆動する油圧ユニット５ｂとから構成されている。

残渣排出部６は、図示するように、上記反応管１において原料供給管３の反対側の側部に設けられ、残渣を外部に排出するための開閉扉である。加圧熱水供給部７は、反応管１の一端側（左端側）に加圧熱水を供給するものであり、加圧ポンプ７ａ及びヒータ７ｂ等から構成されている。加圧ポンプ７ａは、外部から供給された水を所定圧力まで加圧してヒータ７ｂに供給するものである。ヒータ７ｂは、上記加圧ポンプ７ａから供給された加圧水を所定温度まで加熱し、加圧熱水として反応管１に供給する。

液回収部８は、反応管１の他端側（右端側）から加圧熱水を分解液とともに回収するものであり、冷却器８ａ及び保圧弁８ｂ等から構成されている。冷却器８ａは、反応管１から排出された処理液を冷却して保圧弁８ｂに供給する。保圧弁８ｂは、反応管１内の圧力を所定圧力に保持するための調節弁である。ガス排出部９は、反応管１内に溜まったガスを外部に排出するためのものであり、ガス抜き弁９ａ等から構成されている。このガス抜き弁９ａは開閉弁である。

次に、このように構成された熱水流通式糖化装置Ａの動作について、図２及び図３をも参照して詳しく説明する。

図２（ａ）は、反応管１で原料有機物Ｘ（例えば木質系バイオマス）を所定時間に亘って加圧熱水処理した後の状態を示している。この状態は、加圧熱水供給部７及び液回収部８は作動を停止した状態であり、また仕切り弁２、ガス抜き弁９ａ及び残渣排出部６は全て閉じられた状態である。

反応管１における加圧熱水処理によって、原料有機物Ｘを構成する各種成分のうち、セルロースやヘミセルロースは、さらに重合度の低い多糖類（キシロオリゴ糖、セロオリゴ糖及びこれらより多少重合度が高い各種オリゴ糖）に分解されると共に加圧熱水とともに液回収部８に回収される。一方、原料有機物Ｘを構成する各種成分のうち、リグニン等の非分解成分は、加圧熱水によって分解されることなく残渣Ｘａ（固形物）として反応管１の内壁面に付着する。

このような状態で次の原料有機物Ｘの処理を行う場合、図２（ｂ）に示すように仕切り弁２が解放され、さらに原料移送部５が作動することによりプッシャーポンプ５ａが原料供給管３内の原料有機物Ｘを反応管１に向けて圧送し、原料有機物Ｘは、仕切り弁２を無理なく通過する。そして、プッシャーポンプ５ａが原料有機物Ｘを反応管１に向けてさらに押し出すことにより、原料有機物Ｘは、図２（ｃ）に示すように原料供給管３から仕切り弁２を通過して反応管１に侵入する。

このような原料有機物Ｘの反応管１への侵入に際して、原料供給管３の内形は反応管１の内形と同一に形成されているので、図２（ｃ）に示すように、反応管１の内壁面に付着した残渣Ｘａが原料有機物Ｘによって反応管１の他端側（右側）に押し出される。すなわち、原料有機物Ｘの反応管１への収納と同時に反応管１の残渣Ｘａが反応管１の内壁面から除去されて反応管１の他端側（右側）に徐々に集められる。

そして、プッシャーポンプ５ａによる原料有機物Ｘの圧送が完了した時点で、残渣Ｘａは、図２（ｄ）に示すように、反応管１の他端側（右側）に設けられた残渣排出部６に対向するところに位置する。このようにして原料有機物Ｘの反応管１への収納が完了すると、図２（ｅ）に示すように、残渣排出部６が解放されて、残渣Ｘａが反応管１の外部に排出される。

そして、図３（ａ）に示すように、仕切り弁２、残渣排出部６及びガス抜き弁９ａの全てが閉じられて、処理の事前準備がすべて完了する。そして、図３（ｂ）に示すように、加圧熱水供給部７及び液回収部８が作動を開始して反応管１の一端側（左側）に加圧熱水（高温高圧水）が順次供給されると共に、反応管１の他端側（右側）から処理液が順次回収されることにより、反応管１内の原料有機物Ｘが分解処理される。このような原料有機物Ｘの分解処理では、反応管１内の反応圧力が所定値を維持するように保圧弁８ｂの開口度が調節される。そして、このような原料有機物Ｘに対する加圧熱水（高温高圧水）の流通状態、つまり分解処理が所定時間（処理時間）継続されると、図３（ｃ）に示すように、加圧熱水供給部７及び液回収部８が作動を停止して原料有機物Ｘの分解処理が完了する。

このような本実施形態によれば、仕切り弁２、原料供給管３、原料ホッパ４及び原料移送部５の協働によって原料有機物Ｘが反応管１に自動的に収容され、また原料有機物Ｘの反応管１への収容時に反応管１の内壁面に付着した残渣Ｘａが自動的に内壁面から除去され残渣排出部６を介して外部に排出されるので、産業用の処理装置として効率的な運転が可能な熱水流通式糖化装置を提供することができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような変形例が考えられる。
（１）上記実施形態では、プッシャーポンプ５ａを用いて原料有機物Ｘを反応管１内に圧送するようにしたが、原料移送部５の構成はこれに限定されない。例えば、残渣Ｘａの除去を考慮しなくても良い場合には、原料有機物Ｘを圧送するものでなくても良い。原料有機物Ｘを圧送するためには比較的大きな動力を必要とするので、原料有機物Ｘを圧送しない構成を採用する場合には原料有機物Ｘの移送に要する動力を節約することができる。

（２）上記実施形態では、反応管１の側部に残渣排出部６を設けたが、本発明はこれに限定されない。例えば、反応管１の他端（右端）に残渣排出部６を設けるようにしても良い。残渣排出部６の構成としては、残渣Ｘａのより多くをより確実に外部に排出できるものが好ましい。

（３）上記実施形態では、反応管１が１本の場合について説明したが、本発明はこれに限定されない。より多くの原料有機物Ｘを処理するために反応管１を複数本設け、また各反応管１に上記実施形態と同様の各構成要素を設けるようにしても良い。

Ａ…熱水流通式糖化装置、１…反応管、２…仕切り弁、３…原料供給管、４…原料ホッパ、５…原料移送部、６…残渣排出部、７…加圧熱水供給部、８…液回収部、９…ガス排出部

Claims (4)

1. 反応管に収納された原料有機物に加圧熱水を通水させて加水分解する熱水流通式糖化装置であって、
   原料有機物を収納する原料ホッパと、
   該原料ホッパから落下した原料有機物を収容すると共に管状反応槽に連通する原料供給管と、
   該原料供給管の一端から反応管に向けて原料有機物を移送する原料移送部と、
   原料供給管と反応管との間に設けられた仕切り弁と、
   反応管の一端に加圧熱水を供給する加圧熱水供給部と、
   反応管の他端から加圧熱水を分解液とともに回収する液回収部と
   を具備することを特徴とする熱水流通式糖化装置。
2. 反応管において原料供給管の反対側に設けられ、残渣を外部に排出するための残渣排出部をさらに備え、
   原料供給管及び原料移送部は、原料有機物を反応管に圧送するように構成されることを特徴とする請求項１記載の熱水流通式糖化装置。
3. 液回収部は、反応管内の圧力を一定に保持するための保圧弁を備えることを特徴とする請求項１または２記載の熱水流通式糖化装置。
4. 仕切り弁は、弁体に形成された通路が反応管の内形と同一なボール弁であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の熱水流通式糖化装置。
   
   

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