JP2011144336A - バイオマス処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】様々な種類のバイオマス原料が混合している場合に起こるオリゴ糖の回収率の低下を抑制することを目的とする。
【解決手段】バイオマス処理方法において、反応器内に充填されたバイオマス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のバイオマス処理方法であって、反応器の加圧熱水流入口から分解物流出口にかけて加水分解速度が遅いバイオマスから順番に階層的に充填する。
【選択図】図２

Description

本発明は、バイオマス処理方法に関する。

バイオエタノールの製造技術において、バイオマス原料を加圧熱水で加水分解することでセルロース及びヘミセルロースからから多糖及びオリゴ糖（キシロオリゴ糖、セロオリゴ糖）を生成する加水分解技術がある（下記特許文献１参照）。この加水分解技術では、具体的には、熱水流通式糖化装置の反応器にバイオマス原料を充填し、このバイオマス原料を加圧熱水で加水分解する。この技術では、バイオマス原料として木材チップ及び廃建材などの木質系バイオマスのほかに、農作物などの草本系バイオマスや食品の残渣などをバイオマス原料として利用する。そして、それぞれのバイオマス原料に適した反応条件（バイオマス原料の量と加圧熱水の量との比率や反応温度など）を設定する必要がある。

熊谷聡，山田則之，坂木剛，林信行；種々のリグのセルロース系バイオマスの水熱分解・糖化特性および得られた水熱処理残渣の酵素糖化

ところで、上記従来技術では、それぞれのバイオマス原料に適した反応条件を設定しているが、単一のバイオマス原料を充填する場合には、当該バイオマス原料に適した反応条件を設定すればよい。しかし、様々な種類のバイオマス原料が混合された混合物を反応器に充填すると、原料毎に加水分解速度が異なるために、セルロース及びヘミセルロースの未分解または単糖化が発生してしまう。そのため、オリゴ糖の回収率が低下してしまう。例えば、ソフトバイオマス（麦わらなどの草本系バイオマス）とハードバイオマス（木材チップなどの木質系バイオマス）とを比較すると、ソフトバイオマスの方が加圧熱水の加水分解における可溶化率が高い（下記参考文献１参照）。これは、セルロース及びヘミセルロースの構造が異なる（ハードバイオマスの方が結晶化度、重合度が大きい）ことと、またセルロースと結合しているリグニン量がハードバイオマスの方が大きく、リグニンの構造もハードバイオマスの方が複雑であることに起因していると考えられる。

そして、両者が混合状態にある場合には、ソフトバイオマスに適したな条件ではハードバイオマスを分解することができず、また、ハードバイオマスに適した条件では、ソフトバイオマスから生成されたオリゴ糖が単糖化、または過分解されてしまう。また、グルコース（オリゴ糖の構成単位）の重合体であるデンプンでは、セルロースとは結合様式が異なるために、ソフトバイオマスよりも低温で加水分解が起こってしまう。
（参考文献１） 矢野昌之，円城寺隆志，帆秋圭司，帆秋圭司、福元豊；アルコールの連続生産に向けたバイオマスの探索に関する研究

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、様々な種類のバイオマス原料が混合している場合にオリゴ糖の回収率が低下してしまうことを抑制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、バイオマス処理方法に係る第１の解決手段として、反応器内に充填されたバイオマス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のバイオマス処理方法であって、反応器の加圧熱水流入口から分解物流出口にかけて加水分解速度が遅いバイオマスから順番に階層的に充填するという手段を採用する。

本発明では、バイオマス処理方法に係る第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、リグニンの含有量が多いバイオマスから順番に階層的に充填するという手段を採用する。

本発明では、バイオマス処理方法に係る第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、第１のバイオマスと第２のバイオマスとを隣合わせで充填する場合に、前記第１のバイオマスと前記第２のバイオマスとの間に第１のバイオマスと第２の有機物との混合物を配置するという手段を採用する。

本発明では、バイオマス処理方法に係る第４の解決手段として、上記第１〜３のいずれかの解決手段において、前記反応器内で単糖類が生成されないようにバイオマス各々の分解時間に基づいてバイオマス各々の加圧熱水流入口方向から分解物流出口方向にかけての層の厚さを調整するという手段を採用する。

本発明によれば、反応器の加圧熱水流入口から分解物流出口にかけて加水分解速度が遅いバイオマス原料から順番に階層的に充填することで、セルロース及びヘミセルロース等の未分解または単糖化を防ぎながら分解液を分解物流出口から流出することができる。このように、本発明では、セルロース及びヘミセルロース等の未分解または単糖化（更なる過分解）を防ぐことができるので、反応器における多糖、オリゴ糖の回収率の低下を抑制することができる。

本発明の実施形態に係るバイオマス処理方法における充填される対象であ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。 本発明の実施形態に係る有機物充填方法におけるバイオマスの配置関係と熱水流通式糖化装置Ａにおける分解生成物を示す模式図である。

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方法は、熱水流通式糖化装置Ａを用いてバイオマスに加圧熱水を通水させて加水分解する方法である。
まず、熱水流通式糖化装置Ａの装置構成について説明する。
熱水流通式糖化装置Ａは、図１に示すように、反応器１、仕切り弁２、原料供給管３、加圧熱水供給部４及び分解液回収部５及びガス排出部６から構成されている。

熱水流通式糖化装置Ａは、反応器１に収納されたバイオマスに所定温度（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により、連続的ではなくバッチ的（間欠的）にバイオマス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）から生成した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に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、例えば固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、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多糖糖）に分解することができる。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。

このような熱水流通式糖化装置Ａにおいて、反応器１は、断面が円形の直管状容器である。反応器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、この反応器１内にはバイオマスが充填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、バイオマスに含まれるセルロースやヘミセルロースが第１の多糖類（重合度が１０以上）に分解され、第１の多糖類が第２の多糖類（重合度が１０程度のセロオリゴ糖、キシロオリゴ糖）に分解される。なお、反応器１は、加水分解の最中に、温度が低下しないように保温される。

仕切り弁２は、弁体に形成された通路が反応器１の内径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、反応器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、内径が反応器１の内径及び仕切り弁２の通路の内径と同一かつ反応器１と同軸な直管である。すなわち、上記反応器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。そして、この原料供給管３を介して、仕切り弁２と逆側（左側）から投入されたバイオマスが反応器１に供給される。

加圧熱水供給部４は、反応器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４ａ及びヒータ４ｂ等から構成されている。加圧ポンプ４ａ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４ｂに供給するものである。ヒータ４ｂは、上記加圧ポンプ４ａ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器１に供給する。

分解液回収部５は、反応器１の他端側（右端側）から分解液を加圧熱水とともに回収するものであり、冷却器５ａ及び保圧弁５ｂ等から構成されている。冷却器５ａは、反応器１から排出された処理液を冷却して保圧弁５ｂに供給する。保圧弁５ｂは、反応器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６は、反応器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６ａ等から構成されている。このガス抜き弁６ａ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を用いたバイオマス処理方法の詳細について説明する。
本バイオマス処理方法では、反応器１に各バイオマス原料を階層的に充填する。すなわち、反応器１の加圧熱水流入口（反応器１と加圧熱水供給部４との接続部）から分解液流出口（反応器１と分解液回収部５との接続部）にかけて加水分解速度が遅いバイオマス原料から順番に階層的に充填する。加水分解速度は、リグニンの含有量が多いバイオマス原料ほど遅くなり、リグニンの含有量が少ないバイオマス原料ほど速くなる。つまり、反応器１の加圧熱水流入口から分解液流出口にかけてリグニンの含有量が多いバイオマス原料から順番に階層的に充填する。

具体的には、図２に示すように、加圧熱水流入口付近（下段）には木質系バイオマス（ハードバイオマス）、中段には草本系バイオマス（ソフトバイオマス）、分解液流出口付近（上段）にはデンプンを配置する。
そして、反応器１に加圧熱水の流入が開始されると、まず、図２に示すように加圧熱水流入口近くに充填された木質系バイオマスに含まれるセルロース及びヘミセルロースが第１の多糖類（重合度１０以上）に分解される。そして、第１の多糖類は、熱水可溶性であるので、加圧熱水とともに反応器１内を分解液流出口方向に移動する。そして、第１の多糖類は、反応器１内を移動しながら第２の多糖類（重合度が１０程度のセロオリゴ糖、キシロオリゴ糖）に分解される。そして、第１の多糖類が第２の多糖類に分解された時点で分解液流出口に到達する。このように、木質系バイオマスのセルロース及びヘミセルロースの未分解、単糖化及び過分解を防ぎながら分解液を反応器１から流出させることができる。

一方、中段に充填された草本系バイオマスのセルロース及びヘミセルロースも、木質系バイオマスを通過した加圧熱水が到達すると、第１の多糖類に分解される。そして、第１の多糖類は、加圧熱水とともに反応器１内を分解液流出口方向に移動する。そして、第１の多糖類は、反応器１内を移動しながら第２の多糖類に分解される。そして、第１の多糖類が第２の多糖類に分解された時点で分解液流出口に到達する。このように、草本系バイオマスのセルロース及びヘミセルロースの未分解及び単糖化を防ぎながら反応器１から分解液を流出させることができる。

さらに、分解液流出口付近に充填されたデンプンは、木質系バイオマス及び草本系バイオマスを通過した加圧熱水が到達すると、第２の多糖類に分解される。そして、デンプンは、加水分解速度が草本系バイオマス及び木質系バイオマスよりも速いが、これらよりも分解液流出口に近い。これにより、第２の多糖類（オリゴ糖）は生成されると同時に速やかに反応器１から流出される。このように、デンプンの未分解及び単糖化を防ぎながら反応器１から分解液を流出させることができる。
そして、本実施形態において木質系バイオマス、草本系バイオマス及びデンプンのそれぞれの厚さは、それぞれの分解時間に基づいて反応器１内で単糖類が生成されないように調整される。

以上のように、本実施形態において、反応器１の加圧熱水流入口から分解物流出口にかけて加水分解速度が遅いバイオマス原料、すなわちリグニンの含有量が多いバイオマス原料から順番に階層的に充填することで、セルロース、ヘミセルロース及びデンプンの未分解、単糖化及び過分解を防ぎながら分解液を分解物流出口から流出させることができる。このように、本実施形態では、セルロース、ヘミセルロース及びデンプンの未分解、単糖化及び過分解を防ぐことができるので、熱水流通式糖化装置Ａにおける第２の多糖類（オリゴ糖）の回収率の低下を抑制することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されることなく、例えば以下のような変形が考えられる。
（１）上記実施形態では、加圧熱水流入口から分解液流出口にかけて木質系バイオマス、草本系バイオマス、デンプンという順番で階層的に充填したが、本発明はこれに限定されない。
例えば、反応器１内における各バイオマス原料の分解時間を考慮して、木質系バイオマスと草本系バイオマスとの間に木質系バイオマスと草本系バイオマスとの混合物を配置するようにしてもよい。また、同様に、草本系バイオマスとデンプンとの間に草本系バイオマスとデンプンとの混合物を配置するようにしてもよい。

（２）上記実施形態では、木質系バイオマスを加圧熱水流入口付近に配置しているが、例えば、木質系バイオマスとして、針葉樹と広葉樹の木材チップを充填する場合には、針葉樹の方が加水分解速度が遅い、すなわちリグニンの含有量が多いので、加圧熱水流入口付近から針葉樹、広葉樹という順番で充填する。

Ａ…熱水流通式糖化装置、１…反応器、２…仕切り弁、３…原料供給管、４…加圧熱水供給部、４ａ…加圧ポンプ、４ｂ…ヒータ、５…分解液回収部、５ａ…冷却器、５ｂ…保圧弁、６…ガス排出部、６ａ…ガス抜き弁

Claims (4)

1. 反応器内に充填されたバイオマスに加圧熱水を通水させて加水分解するバイオマス処理方法であって、
   反応器の加圧熱水流入口から分解物流出口にかけて加水分解速度が遅いバイオマスから順番に階層的に充填することを特徴とするバイオマス処理方法。
2. リグニンの含有量が多いバイオマスから順番に階層的に充填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方法。
3. 第１のバイオマスと第２のバイオマスとを隣合わせで充填する場合に、前記第１のバイオマスと前記第２のバイオマスとの間に第１のバイオマスと第２の有機物との混合物を配置することを特徴とする請求項１または２に記載のバイオマス処理方法。
4. 前記反応器内で単糖類が生成されないようにバイオマス各々の分解時間に基づいてバイオマス各々の加圧熱水流入口方向から分解物流出口方向にかけての層の厚さを調整することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のバイオマス処理方法。
   

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