JP2011142894A - バイオマス処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】固体酸触媒反応において単糖化が十分に進行しない、もしくは固体酸触媒が劣化して失活することがないようにすることを目的とする。
【解決手段】バイオマス処理装置が、反応槽内のバイオマスに加圧熱水を通水させて加水分解することで多糖類を生成する加圧熱水反応装置と、固体酸触媒を用いて前記多糖類から単糖類を生成する固体酸触媒反応装置とを具備するバイオマス処理装置であって、
前記固体酸触媒反応装置は、前記加圧熱水反応装置の加水分解条件に応じた固体酸触媒分解条件を設定する制御部を具備する。
【選択図】図１

Description

本発明は、バイオマス処理装置に関する。

バイオマスからのグルコースの一般的な製造方法として、硫酸を使用する方法（希硫酸法及び濃硫酸法）、酵素を用いた方法が知られている。しかし、前者は、反応器の腐食や廃液処理に問題があり、後者は、セルロースの結晶構造が強固であるために反応速度が極めて遅いという問題があった。このため、後者の前処理として、水熱処理（２００℃以下）でセルロースの結晶構造を緩めて酵素反応を促進する方法が開発されている（下記特許文献１及び非特許文献１参照）。しかしながら、この方法は酵素が高価な上、リサイクルができないためコスト面に問題がある。そのため、新しいグルコース製造方法として、加圧熱水流通反応と固体酸触媒反応とを組み合わせた方法が提案されている。このプロセスは、前段として加水分解反応装置の反応器に充填されたバイオマス原料に熱水を通水させて加水分解により可溶化し、後段として固体酸触媒反応装置で可溶化した低分子セルロースおよびオリゴ糖などを単糖化する。

特開２００６−１３６２６３号公報

山本哲史ら；大成建設技術センター報；４０、４４−１〜４４−６（２００７）

ところで、上記従来技術では、前段の加水分解反応装置においてバイオマス原料の組成や反応器内部の温度変化及び温度分布の変化により加水分解速度が変化すると、処理液中の可溶化成分の組成が大きく変わる。そして、加水分解反応装置における加水分解が不十分のために重合度の高いセルロース成分や不純物などが固体酸触媒反応装置に供給されると、単糖化が十分に進行しない、もしくは固体酸触媒が劣化して失活する可能性がある。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、固体酸触媒反応において単糖化が十分に進行しない、もしくは固体酸触媒が劣化して失活することがないようにすることを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明では、バイオマス処理装置に係る第１の解決手段として、反応槽内のバイオマスに加圧熱水を通水させて加水分解することで多糖類を生成する加圧熱水反応装置と、固体酸触媒を用いて前記多糖類から単糖類を生成する固体酸触媒反応装置とを具備するバイオマス処理装置であって、前記固体酸触媒反応装置は、前記加圧熱水反応装置の加水分解条件に応じた固体酸触媒分解条件を設定する制御部を具備するという手段を採用する。

本発明では、バイオマス処理装置に係る第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、前記加圧熱水反応装置は、反応槽内の温度を測定する熱電対を具備し、前記固体酸触媒反応装置の制御部は、前記熱電対の測定結果を前記加水分解条件として固体酸触媒分解条件を設定するという手段を採用する。

本発明では、バイオマス処理装置に係る第３の解決手段として、上記第２の解決手段において、前記熱電対は、前記反応槽内に複数取り付けられ、前記固体酸触媒反応装置の制御部は、前記熱電対の測定結果から前記反応槽内の平均温度を算出し、当該平均温度を前記加水分解条件として固体酸触媒分解条件を設定するという手段を採用する。

本発明によれば、前記固体酸触媒反応装置が、前記加圧熱水反応装置の加水分解条件に応じた固体酸触媒分解条件を設定する制御部を具備する。このように、加水分解条件に応じて固体酸触媒分解条件を設定することで、固体酸触媒反応において単糖化が十分に進行しない、もしくは劣化により触媒が失活することがないようにすることができる。

本発明の実施形態に係るバイオマス処理装置Ａの機能ブロック図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
本実施形態に係るバイオマス処理装置Ａは、加圧熱水反応装置１、第１触媒反応装置２、第２触媒反応装置３、第１発酵装置４、第２発酵装置５、蒸留装置６及び排水処理装置７から構成されている。

バイオマス処理装置Ａは、外部から供給された原料に所定温度（例えば１５０〜３００℃程度）かつ所定圧力以上（例えば飽和蒸気圧以上）の加圧熱水を所定時間通水させることで加水分解により多糖類を生成し、次に固体酸触媒を用いて多糖類から単糖類を生成し、さらにこの単糖類をアルコール発酵することでエタノールを生成する装置である。また発酵装置や蒸留装置を他の反応装置に換えることで、エタノール以外の化学製品（例えばヒドロキシメチルフルフラールやフルフラール）を生成することも可能である。

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）として、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。

加圧熱水反応装置１は、例えば熱水流通式反応装置であり、加圧熱水を用い、ヘミセルロースの分解のための第１反応条件にて木質系バイオマスを加水分解することでキシロオリゴ糖を含む第１多糖液を生成した後に、セルロースの分解のための第２反応条件にて引き続き木質系バイオマスを加水分解することでセロオリゴ糖を含む第２多糖液を生成する。ここで、加圧熱水とは、亜臨界状態の熱水であって、液体状態を維持するために加圧された熱水を意味する。

具体的に、加圧熱水反応装置１は、ポンプ１ａ、加熱器１ｂ、水量調整弁１ｃ、反応槽１ｄ、熱電対１ｅ、分岐器１ｆ及び制御装置１ｇから構成されている。
ポンプ１ａは、外部から供給される水を加圧して加熱器１ｂに送出する。
加熱器１ｂは、制御装置１ｇから入力される温度制御信号に応じて、ポンプ１ａから流入する加圧水を所定温度まで加熱し、加圧熱水として水量調整弁１ｃに送出する。
水量調整弁１ｃは、制御装置１ｇから入力される流量制御信号に応じてその開度が調節される電子制御弁であり、流量調整した上で加熱器１ｂから流入する加圧熱水を反応槽１ｄに送出する。

反応槽１ｄは、外部から供給される木質系バイオマスが内部空間に所定量充填される槽であって、水量調整弁１ｃから流入する加圧熱水が、木質系バイオマスを通水した後に後段の分岐器１ｆに流出するように構成されている。そして、反応槽１ｄ内を加圧熱水が連続的に通水することにより、木質系バイオマスが加水分解される。加圧熱水は、木質系バイオマスの加水分解によって生じた多糖類を含む多糖液として分岐器１ｆに流出する。

熱電対１ｅは、加水分解反応時の反応槽１ｄ内部の温度を測定する温度センサであり、
所定間隔をあけて複数設けられている。そして、熱電対１ｅは、後述する第１触媒反応装置２の第１制御部２ｃと第２触媒反応装置３の第２制御部３ｃとに測定結果を出力する。

分岐器１ｆは、制御装置１ｇから入力される分岐制御信号に応じて、反応槽１ｄから流入する多糖液を、第１触媒反応装置２と第２触媒反応装置３とのいずれか一方に選択的に送出する。なお、反応槽１ｄから送出された多糖液は高温（約２５０℃）であるので、この多糖液を冷却した後に分岐器１ｆに流入させることが好ましい。

制御装置１ｇは、加熱器１ｂに温度制御信号を、水量調整弁１ｃに流量制御信号を出力して、反応槽１ｄに供給すべき加圧熱水の温度及び流量（供給量）を制御することにより、ヘミセルロースの分解のための第１反応条件と、セルロースの分解のための第２反応条件とを選択的に切り替える機能を有している。ここで、第１反応条件は、木質系バイオマスに含まれるヘミセルロースを分解し、キシロオリゴ糖を主成分とする多糖類の生成条件であり、第２反応条件は、木質系バイオマスに含まれるセルロースを分解し、セロオリゴ糖を主成分とする多糖類の生成条件である。そして、第１反応条件及び第２反応条件として、加圧熱水の供給量Ｑ（ｍｌ）と木質系バイオマスの供給量Ｖ（ｇ）との比率Ｋ（＝Ｑ／Ｖ）と、加圧熱水の温度Ｔ（°Ｃ）との組み合わせが設定される。

制御装置１ｇは、反応槽１ｄ内において、まず第１反応条件にて木質系バイオマスの加水分解が生じるように加圧熱水の温度Ｔ及び供給量Ｑを制御し、その後、第２反応条件にて木質系バイオマスの加水分解が生じるように加圧熱水の温度Ｔ及び供給量Ｑを制御する。これにより、第１反応条件時に反応槽１ｄから流出する加圧熱水は、キシロオリゴ糖を主成分とする多糖液（第１多糖液）になり、第２反応条件時に反応槽１ｄから流出する加圧熱水は、セロオリゴ糖を主成分とする多糖液（第２多糖液）になる。
さらに、制御装置１ｇは、第１反応条件の使用時に反応槽１ｄから流出する加圧熱水（第１多糖液）が第１触媒反応装置２に送出されるよう分岐器１ｆを制御し、第２反応条件の使用時に反応槽１ｄから流出する加圧熱水（第２多糖液）が第２触媒反応装置３に送出されるよう分岐器１ｆを制御する。

第１触媒反応装置２は、第１反応条件時に上記の加圧熱水反応装置１（詳細には分岐器１ｆ）から流出する第１多糖液を、固体酸触媒を用いて加水分解することでキシロースを含む第１単糖液を生成するものであり、第１混合装置２ａと第１固液分離装置２ｂとから構成されている。

第１混合装置２ａは、加圧熱水反応装置１から流入する第１多糖液と予め充填されている固体酸触媒とを撹拌・混合することで両者を接触させて分解反応（つまり糖化反応）を促進させる。このような糖化反応により、第１多糖液に含まれるキシロオリゴ糖が分解されて単糖類であるキシロースが生成される。このように生成されたキシロースを含む第１単糖液と固体酸触媒とを含む第１混合液が第１混合装置２ａから第１固液分離装置２ｂに流出する。

第１固液分離装置２ｂは、上記の第１混合装置２ａから流入する第１混合液を固液分離することでキシロースを含む第１単糖液と固体酸触媒とを分離し、固体酸触媒を回収して上記の第１混合装置２ａに供給する（再利用する）一方、キシロースを含む第１単糖液を第１発酵装置に送出する。このような第１固液分離装置２ｂとしては沈殿槽を用いることができる。つまり、沈殿槽に供給された第１混合液の内、固体である固体酸触媒は槽底部に沈殿し、上澄み液がキシロースを含む第１単糖液として得られる。なお、第１発酵装置は、第１単糖液をアルコール発酵させることでエタノールを生成するものである。

第１制御部２ｃは、第１混合装置２ａ及び第１固液分離装置２ｂに制御信号を出力して、第１触媒反応装置２の固体酸触媒分解条件を設定する。これにより、第１混合装置２ａ及び第１固液分離装置２ｂが固体酸分解条件に基づいて動作する。この固体酸分解条件とは、固体酸反応における温度及び固体酸の量である。そして、第１制御部２ｃは、加圧熱水反応装置１の加水分解条件（バイオマス原料の種類、反応槽１ｄ内の温度及び滞留時間など）に応じた第１触媒反応装置２の固体酸分解条件を第１の固体酸分解条件データとして記憶している。第１の固体酸分解条件データは、調査結果に基づいて作られている。

第２触媒反応装置３は、第２反応条件時に上記の加圧熱水反応装置１（詳細には分岐器１ｆ）から流出する第２多糖液を、固体酸触媒を用いて加水分解することでグルコースを含む第２単糖液を生成するものであり、第２混合装置３ａと第２固液分離装置３ｂとから構成されている。

第２混合装置３ａは、加圧熱水反応装置１から流入する第２多糖液と予め充填されている固体酸触媒とを撹拌・混合することで両者を接触させて加水分解反応（つまり糖化反応）を促進させるものである。このような糖化反応により、第２多糖液に含まれるセロオリゴ糖が分解されて単糖類であるグルコースが生成される。このように生成されたグルコースを含む第２単糖液と固体酸触媒とを含む第２混合液が第２混合装置３ａから第２固液分離装置３ｂに流出する。

第２固液分離装置３ｂは、上記の第２混合装置３ａから流入する第２混合液を固液分離することでグルコースを含む第２単糖液と固体酸触媒とを分離し、固体酸触媒を回収して上記の第２混合装置３ａに供給する（再利用する）一方、グルコースを含む第２単糖液を第２発酵装置に送出する。このような第２固液分離装置３ｂとしては第１固液分離装置２ｂと同様に、沈殿槽を用いることができる。つまり、沈殿槽に供給された第２混合液の内、固体である固体酸触媒は槽底部に沈殿し、上澄み液がグルコースを含む第２単糖液として得られる。なお、第２発酵装置は、第２単糖液をアルコール発酵させることでエタノールを生成するものである。

第２制御部３ｃは、第２混合装置３ａ及び第２固液分離装置３ｂに制御信号を出力して、第２触媒反応装置３の固体酸触媒分解条件を設定する。これにより、第２混合装置３ａ及び第２固液分離装置３ｂが固体酸分解条件に基づいて動作する。そして、第２制御部３ｃも、加圧熱水反応装置１の加水分解条件に応じた第２触媒反応装置３の固体酸分解条件を第２の固体酸分解条件データとして記憶している。第２の固体酸分解条件データも、調査結果に基づいて作られている。

第１発酵装置４は、上記の第１触媒反応装置２（詳細には第１固液分離装置２ｂ）から流入するキシロースを含む第１単糖液に、酵母等のエタノール発酵微生物と、窒素、リン等の栄養源とを添加し、適切な温度、ｐＨ等の条件下で微生物を培養してキシロースを含む第１単糖液をアルコール発酵させることでバイオエタノールを生成するものである。エタノール発酵微生物としては、サッカロミセス属酵母などの公知の各種微生物を用いることができる。このように生成されたバイオエタノールは第１発酵装置４から蒸留装置６に流出する。

第２発酵装置５は、上記の第２触媒反応装置３（詳細には第２固液分離装置３ｂ）から流入するグルコースを含む第２単糖液に、酵母等のエタノール発酵微生物と、窒素、リン等の栄養源とを添加し、適切な温度、ｐＨ等の条件下で微生物を培養してグルコースを含む第２単糖液をアルコール発酵させることでバイオエタノールを生成するものである。このように生成されたバイオエタノールは第２発酵装置５から蒸留装置６に流出する。

蒸留装置６は、上記の第１発酵装置４及び第２発酵装置５から流入するバイオエタノールの蒸留及び濃縮を行うことにより、純度の高いバイオエタノールを生成して外部に送出するものである。排水処理装置７は、加圧熱水反応装置１の反応槽１ｄから排出されるブロー水と、第１発酵装置４及び第２発酵装置５から排出される水（アルコール発酵の過程で生成される水）とを外部に排水するものである。

次に、上記のように構成されたバイオマス処理装置Ａの動作について詳細に説明する。
第１制御部２ｃは、第１触媒反応装置２に第１多糖液が流入すると、熱電対１ｅの測定結果から反応槽１ｄの内部の平均温度を算出する。そして、第１制御部２ｃは、第１の固体酸触媒分解条件データに基づいて加水分解条件（バイオマス原料の種類、平均温度及び滞留時間）に応じた適切な固体酸触媒分解条件を第１混合装置２ａに設定する。そして、第１混合装置２ａは、設定された固体酸触媒分解条件に基づいて固体酸反応における温度及び固体酸の量を調整する。

例えば、加圧熱水反応装置１の反応槽１ｄの温度が高いと、セルロース及びヘミセルロースの可溶化・分解が進行しやすい。そのため、重合度の低い多糖類または単糖類が増加する。そのとき、第１制御部２ｃは、第１混合装置２ａの温度を下げる、または固体酸触媒量を減らす。これは、既に加圧熱水反応装置１において分解が進んでいるので、単糖類が過分解しないようにするためである。

また、加圧熱水反応装置１の反応槽１ｄの温度が低いと、セルロース及びヘミセルロースの可溶化・分解が進行しにくい。そのため、重合度の高い多糖類が増加する。そのとき、第１制御部２ｃは、第１混合装置２ａの温度を上げる、または固体酸触媒量を増やす。これは、第１混合装置２ａにおける分解を促進するためである。また、第１制御部２ｃは、不純物（アルカリ金属、塩基成分）が増加し、固体酸触媒の劣化が予期された場合、触媒量を増加し、単糖化反応を一定に保持する。

そして、第２制御部３ｃも、加圧熱水反応装置１から第２触媒反応装置３に第２多糖液が流入すると、熱電対１ｅの測定結果から反応槽１ｄの内部の平均温度を算出する。そして、第２制御部３ｃは、加水分解条件（バイオマス原料の種類、平均温度及び滞留時間）に応じて適切な固体酸触媒分解条件を第２混合装置３ａに設定する。そして、第２混合装置３ａは、設定された固体酸触媒分解条件に基づいて固体酸反応における温度及び固体酸の量を調整する。

以上のように、本実施形態において、第１制御部２ｃが、加圧熱水反応装置１における加水分解条件（バイオマス原料の種類及び反応槽１ｄの温度及び滞留時間）に応じて第１混合装置２ａの固体酸触媒分解条件を設定する。また、第２制御部３ｃが、加圧熱水反応装置１における加水分解条件に応じて第２混合装置３ａの固体酸触媒分解条件を設定する。つまり、重合度の低い多糖類または単糖類が増加すると、第１混合装置２ａまたは第２混合装置３ａの温度を下げる、または固体酸触媒量を減らす。また、重合度の高い多糖類が増加すると、第１混合装置２ａまたは第２混合装置３ａの温度を上げる、または固体酸触媒量を増やす。これにより、固体酸触媒反応において単糖化が十分に進行しない、もしくは劣化により触媒が失活することがないようにすることができる。

Ａ…バイオマス処理装置、１…加圧熱水反応装置、２…第１触媒反応装置、３…第２触媒反応装置、４…第１発酵装置、５…第２発酵装置、６…蒸留装置、７…排水処理装置、１ａ…ポンプ、１ｂ…加熱器、１ｃ…水量調整弁、１ｄ…反応槽、１ｅ…熱電対、１ｆ…分岐器、１ｇ…制御装置、２ａ…第１混合装置、２ｂ…第１固液分離装置、３ａ…第２混合装置、３ｂ…第２固液分離装置

Claims (3)

1. 反応槽内のバイオマスに加圧熱水を通水させて加水分解することで多糖類を生成する加圧熱水反応装置と、固体酸触媒を用いて前記多糖類から単糖類を生成する固体酸触媒反応装置とを具備するバイオマス処理装置であって、
   前記固体酸触媒反応装置は、前記加圧熱水反応装置の加水分解条件に応じた固体酸触媒分解条件を設定する制御部を具備することを特徴とするバイオマス処理装置。
2. 前記加圧熱水反応装置は、反応槽内の温度を測定する熱電対を具備し、
   前記固体酸触媒反応装置の制御部は、前記熱電対の測定結果を前記加水分解条件として固体酸触媒分解条件を設定することを特徴とする請求項１に記載のバイオマス処理装置。
3. 前記熱電対は、前記反応槽内に複数取り付けられ、
   前記固体酸触媒反応装置の制御部は、前記熱電対の測定結果から前記反応槽内の平均温度を算出し、当該平均温度を前記加水分解条件として固体酸触媒分解条件を設定することを特徴とする請求項２に記載のバイオマス処理装置。

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