JP2011212560A

JP2011212560A - 糖化用反応装置

Info

Publication number: JP2011212560A
Application number: JP2010082094A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiro Tamura; 義宏田村; Koichi Shiraishi; 剛一白石; Toru Joboji; 亨上坊寺
Original assignee: Equos Research Co Ltd
Current assignee: Equos Research Co Ltd
Priority date: 2010-03-31
Filing date: 2010-03-31
Publication date: 2011-10-27

Abstract

【課題】糖化原料混合液から水分の蒸発が少なく、反応容器の内壁に付着する水滴の量が少なく、糖化原料混合液の水分量を一定の条件に維持することが容易な糖化用反応装置を提供する。
【解決手段】糖化原料混合液を収容する有底円筒状の反応容器１と、反応容器１の開口１ａを塞ぐ内蓋５と、糖化原料混合液を撹拌するための撹拌手段３とを備えている。内蓋５の軸心には回転軸３ｂに設けられたネジ山と螺合する雌ネジが形成されており、内蓋５の下端を糖化原料混合液の液面に接近させることが可能となっている。
【選択図】図１

Description

本発明は、セルロース等の多糖類を水及び固体酸の存在下で加水分解して糖化するための糖化用反応装置に関する。

近年、バイオマスからエタノールを生産し、これをガソリンの代替品とするバイオマス燃料の技術が注目されている。バイオマス燃料を得るには、まずセルロース等の多糖類を加水分解して糖を製造する必要がある。固体酸触媒は、使用した後にろ過等によって分離・回収することが容易であり、リサイクル使用も可能であって、廃酸処理の問題も少ないことから、多糖類の加水分解触媒として適している。

特に最近では、安価な原料から容易に製造することができる固体酸触媒として、スルホン化処理したカーボンが注目を集めている（非特許文献１）。このスルホン化処理したカーボンは、セルロースやデンプン等の安価な原料を300℃以上に加熱して炭化させ、微小なカーボンシートとした後、これをスルホン化処理することにより簡単に製造できる。しかも、こうして得られたスルホン化カーボンはスルホン酸基が高い密度で結合しており、大量の親水性分子をそのバルク内に取り込むことができる。このため、バルク内を反応場とすることができ、親水性分子を反応基質とした酸触媒反応、あるいは親水性分子を溶媒とした酸触媒反応に高い触媒活性を示す。

こうしたカーボン系固体酸触媒を用いてセルロースの加水分解を行う場合、重量基準でカーボン系固体酸触媒：水＝３：７よりも水が少ない条件で、効率的に加水分解反応が起こることが知られている。このため、このように水が少なく、固体酸触媒が多い反応条件下で効率的撹拌ができ、容器壁への混合物の付着の少ない糖化用反応装置の提案がなされている（特許文献１）。

ＷＯ２００９／０９９２１８

M.Hara,et.al Nature,438,(2005)

しかし、上記特許文献１に記載の糖化用反応装置では、反応容器内に収容された糖化原料混合液の液面と反応容器の開口部を覆う蓋部との間に空間が存在するため、糖化原料混合液から蒸発した水分がその空間に水蒸気として溜まったり、壁に水滴として付着したりして、糖化原料混合液中の水分量が変動しやすかった。このため、加水分解反応にとって常に最適な条件を維持することが困難となっていた。この問題は、特に水分が蒸発しやすい高温において、その傾向が顕著となっていた。

本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであり、糖化原料混合液から水分の蒸発が少なく、反応容器の内壁に付着する水滴の量が少なく、糖化原料混合液の水分量を一定の条件に維持することが容易な糖化用反応装置を提供することを解決すべき課題としている。

本発明の糖化用反応装置は、糖化原料混合液を収容する有底筒状の反応容器と、該反応容器の開口を塞ぐ蓋部と、該糖化原料混合液を撹拌するための撹拌手段とを備えた糖化用反応装置であって、前記蓋部の下端を前記糖化原料混合液の液面に接近させ、又は離間させる昇降機構が設けられていることを特徴とする。

本発明の糖化用反応装置では、糖化原料混合液が有底筒状の反応容器に収容され、反応容器の開口が蓋部によって塞がれる構造とされている。さらに、蓋部の下端を前記糖化原料混合液の液面に接近させ、又は離間させる昇降機構が設けられている。このため、昇降機構によって蓋部の下端を糖化原料混合液の液面に接近させ、蓋部と糖化原料混合液の液面との間の空間体積を可及的に小さくすることができる。このため、蓋部と糖化原料混合液の液面との間の空間に、糖化原料混合液から蒸発した水分が水蒸気として溜まる量が少なくなり、壁に水滴として付着する量も少なくなる。その結果、糖化原料混合液の水分量が変動し難くなり、加水分解反応にとって常に最適な条件を維持することが容易となる。こうした効果は、特に水分が蒸発しやすい高温において発揮されやすい。

また、本発明の糖化用反応装置は、原料混合液の液面を検知することが可能な水位検知手段が設けられていることとした。こうであれば、水位検知手段によって蓋部の下端を原料混合液の液面の位置に確実に設定することができ、ひいては本発明の上記効果を確実に発揮させることができる。

また、本発明の第１の局面の糖化用反応装置を具現化するものとして、本発明の糖化用反応装置の第２の局面では、撹拌手段は前記蓋部に挿通された回転軸と、該回転軸を回転させるための回転手段と、該回転軸に固定され該反応容器内で回転する回転翼とからなることとした。こうであれば、回転手段によって回転軸を回転させることにより、回転翼が反応容器内で回転し、反応容器内に収容されている糖化原料混合液を効率よく撹拌することができる。このため、糖化原料の加水分解反応を迅速に進行させることができる。

さらに、前記反応容器は前記回転軸と同軸の有底円筒状とされており、前記蓋部は該反応容器の内壁に整合する円板形状とされており、該蓋部の側面には該反応容器の内壁に形成された雌ねじと螺合する雄ねじが形成されており、これにより該蓋部は上下移動可能とされていることとした。

本発明の第１の局面の糖化用反応装置を具現化するものとして、本発明の糖化用反応装置の第３の局面では、前記反応容器は前記回転軸と同軸の有底円筒状とされており、前記蓋部は該反応容器の内壁に整合する円板形状であって回転軸に同軸で固定され該回転軸とともに回転し、固定位置が上下に移動可能とされていることとした。こうであっても、本発明の第１の局面に記載の水位検知手段によって蓋部の下端を原料混合液の液面の位置に確実に設定することができる。

さらに、本発明の糖化用反応装置では、蓋部の周縁には反応容器と蓋部との隙間をなくすための弾性部材が設けられていることとした。こうであれば、反応容器内の水蒸気が反応容器と蓋部との隙間から外部へ散逸することを防止できるため、反応容器内の糖化原料混合液の水分量の変動をさらに少なくすることができる。

外蓋２及び内蓋５を閉じた状態の実施例１の糖化用反応装置の部分断面図である。外蓋２及び内蓋５を開けた状態の実施例１の糖化用反応装置の部分断面図である。糖化原料混合物を入れた状態の実施例１の糖化用反応装置の部分断面図である。外蓋１２及び内蓋１６を閉じた状態の実施例２の糖化用反応装置の部分断面図である。実施例２のロック機構周辺の拡大部分断面図である。外蓋１２及び内蓋１６を開けた状態の実施例２の糖化用反応装置の部分断面図である。糖化原料混合物を入れた状態の実施例２の糖化用反応装置の部分断面図である。

本発明の糖化用反応装置において原料となる多糖類としては、特に限定はないが、例えばサトウキビや藁から得たセルロースや、とうもろこし等から得たでんぷん等が挙げられる。これらの原料に固体酸と水とを混合した糖化原料混合液が反応容器に収容される。このため、反応容器は固体酸と直接接触することとなりなるため、耐食性に優れた材料（例えばＳＵＳ３０４、３１６、３１６Ｌ、フッ素樹脂等）であることが好ましい。また、反応容器内表面に耐食性皮膜を被覆してもよい。一方、固体酸としても特に限定はなく、例えばスルホン化処理したカーボンからなるカーボン系固体酸や、シリカアルミナ系の無機固体酸触媒等が挙げられる。これらのなかでも特に好ましいのは、カーボン系固体酸である。さらに好ましいのは、レゾルシノールとホルマリンの重合物を炭化させた多孔性のカーボンをスルホン化したスルホン化多孔性カーボンである。

本発明の糖化用反応装置では、蓋部の下端を前記糖化原料混合液の液面に接近させ、又は離間させる昇降機構が設けられている。昇降機構の具体的な形態としては、例えば蓋部を撹拌装置の回転軸にスライド可能に取付るとともに、ストッパー機構によって蓋部を回転軸に固定できるようにしたり、蓋部が反応容器内壁と螺合する構造とし、蓋部を回転させることによって蓋部を昇降可能にしたりすること等が挙げられる。

また、本発明の糖化用反応装置では、蓋部を糖化原料混合液の液面に接近させ、蓋部と界面との間の空間の体積を可及的に小さくさせることによって、糖化原料混合液の水分量が変動し難くし、加水分解反応にとって常に最適な条件の維持を容易にするものである。このため、糖化原料混合液の液面の位置を把握しなければならない。この把握には、糖化原料混合液の投入量から計算によって位置を求めたり、反応容器側面に窓を設け目視によって位置を確認したり、フロー式水位計や、容量式水位計や、導電率式水位計や、静電容量式水位計等を用いて、糖化原料混合液の液面の位置を把握したりすることができる。フロー式水位計とは、反応容器内にフローを投入しておき、反応容器内の液体の増減によるフローの上昇、下降を検出する水位計である。また、重量式水位計とは、反応容器内の液体の重量を計測して水位を求めるものである。さらに、導電率式水位計とは、タンク内に導電率計を配置し、その導電率の変化から水位を検出するものである。そのほか、静電容量型水位計や赤外線反射型水位計を用いることも可能である。

以下、本発明を具体化した実施例を図面を参照しつつ説明する。
（実施例１）
実施例１の糖化用反応装置は、図１に示すように、糖化原料混合液を収容する有底円筒状の反応容器１と、反応容器１の開口１ａを塞ぐ外蓋２と、反応容器１内に収容された糖化原料混合液を混合するための撹拌装置３とを備えている。

撹拌装置３は、外蓋２の上方に設けられた固定枠４に固定されたモータ３ａと、モータ３ａの軸心に接続され、下方に延在する回転軸３ｂと、回転軸３ｂに固定され反応容器１の内壁に向かって延在する４枚の撹拌翼３ｃ〜３ｆからなる。モータ３ａは、図示しないモータ制御装置によって制御可能とされている。撹拌翼３ｃ〜３ｆは下端から上方に向かって９０度ずれながら螺旋状に回転軸３ｂに取付けられている。

また、外蓋２の上面側には、昇降支持棒１００の下部が取り付けられ、昇降支持棒１００の上部は水平方向に設けられた梁１０１に連結され、更に梁１０１の一端側にスクリュー軸１０３と係合する係合体１０２が設けられている。スクリュー軸１０３は、垂直方向に立設され、モータ１０４によって駆動される。モータ１０４は図示しない支持枠に固定されており、スクリュー軸１０３も図示しない軸受を介して支持枠に取り付けられている。これにより、モータ１０４によってスクリュー軸１０３が駆動されると、スクリュー軸１０３の回転に伴って係合体１０２が上下動すると共に、梁１０１及び昇降支持棒１００も同方向に移動することにより、外蓋２が反応容器１の開口１ａを開閉可能とされている。なお、梁１０１には回転軸３ｂを回転自在に挿通できるようにするための挿通穴１０１ａが設けられている。

外蓋２と回転翼３ｃとの間には、内蓋５が回転軸３ｂに回転自在に挿通された状態で設けられている。回転軸３ｂ及び内蓋５には互いに螺合するネジ山が形成されており、内蓋５を回転させることにより上下移動が可能とされている。さらに、内蓋５と外蓋２の間には内蓋５を固定するための固定ナット６が回転軸３ｂに螺合するように設けられている。また、内蓋５の周縁にはフッ素ゴムからなるパッキン７が取りつけられている。さらに、反応容器１の側面には垂直方向に延在する覗き窓８が設けられている。また、反応容器１の外側には近接してヒータ９が設けられており、図示しないヒータ制御装置によって温度制御可能とされている。反応容器１の下部側面には開閉バルブ１０が取りつけられている。

次に実施例１の糖化用反応装置の使用方法について説明する。
まず、図示しない制御装置によってモータ１０４を駆動させる。これにより、スクリュー軸１０３が回転し、係合体１０２が上方に移動し、それに伴って係合体１０２、梁１０１及び昇降支持棒１００が上方に移動し、図２に示すように、外蓋２が開いた状態となる。そして固定ナット６をスパナ等により回転して上方に移動させ、さらに、内蓋５も同様にして上方に移動させる。こうして反応容器１の開口１ａを開放する。そして、図３に示すように、さとうきびや、わら等の植物から採取されたセルロースと、カーボンをスルホン化したカーボン系固体酸触媒と、水とを所定の割合で反応容器１へ入れ、内蓋５を回転させて覗き窓８を覗きながら内蓋５の下端を液面近傍まで移動させる。さらに、固定ナット６も同様にして下方に移動させて内蓋５を固定する。そして、制御装置によってモータ１０４を上記と逆方向に駆動させる。これにより、スクリュー軸１０３が上記と逆回転し、係合体１０２が下方に移動し、それに伴って梁１０１及び昇降支持棒１００も下方に移動し、外蓋２が下がって反応容器１の開口１ａが閉鎖される。

そして、モータ制御装置によってモータ３ａを駆動させるとともに、ヒータ制御装置によってヒータ９を加熱する。これにより回転軸３ｂとともに回転翼３ｃ〜３ｆ及び内蓋５が回転し、反応容器１内が撹拌されて糖化原料混合液が９０℃〜１４０℃に加温される。これにより、糖化原料混合液中のセルロースは、固体酸触媒によって加水分解され、グルコースとなる。

加水分解反応が終了した後、ヒータ９による加熱及びモータ３ａによる撹拌を停止する。温度が５０℃以下となってから開閉バルブ１０を開け、図示しない回収容器に回収する。

上記実施例１の糖化用反応装置によれば、内蓋５が上下に移動可能とされているため、糖化原料混合液の液面近傍まで近づいた状態で、撹拌翼３ｃ〜３ｆによって撹拌することができる。このため、内蓋５と糖化原料混合液の液面との間にできる空間の体積が小さくなることから、その空間に溜まる水蒸気の量も少なくなり、さらには、反応容器１の内壁に水滴として付着する量も少なくなる。その結果、糖化原料混合液の水分量が変動し難くなり、加水分解反応にとって常に最適な条件を維持することが容易となる。

また、内蓋５を糖化原料混合液の液面近傍まで近づける際、液面の位置を覗き窓８によって確認できるため、内蓋５の下端の位置を糖化原料混合液の液面近傍に確実に設定することができる。

さらに、内蓋５の周縁にはフッ素ゴムからなるパッキン７が取りつけられているため、反応容器１内の水蒸気が反応容器１と内蓋５との隙間から外部へ散逸することを防止できる。このため、反応容器１内の糖化原料混合液の水分量の変動をさらに少なくすることができ、加水分解反応を最適な状態で進行させることができる。

（実施例２）
実施例２の糖化用反応装置は、図４に示すように、糖化原料混合液を収容する有底円筒状の反応容器１１と、反応容器１１の開口１１ａを塞ぐ外蓋１２と、反応容器１１内に収容された糖化原料混合液を混合するための撹拌装置１３とを備えている。

撹拌装置１３は、外蓋１２の上方設けられた固定枠１４に固定されたモータ１３ａと、モータ１３ａの軸に接続され下方に延在する回転軸１３ｂと、回転軸１３ｂに固定され反応容器１１の内壁に向かって延在する４枚の撹拌翼１３ｃ〜１３ｆからなる。モータ１３ａは、図示しないモータ制御装置によって、制御可能とされている。撹拌翼１３ｃ〜１３ｆは下端から上方に向かって９０度ずれながら螺旋状に回転軸１３ｂに取付けられている。

外蓋１２の軸心にはフッ素ゴムからなる軸受１５が取付けられており、軸受１５には回転軸１３ｂが回転可能に挿通されている。

また、外蓋１２の上面側には、昇降支持棒１１０の下部が取り付けられ、昇降支持棒１１０の上部は水平方向に設けられた梁１１１に連結され、更に梁１１１の一端側にスクリュー軸１１３と係合する係合体１１２が設けられている。スクリュー軸１１３は、垂直方向に立設され、モータ１１４によって駆動される。
モータ１１４及びスクリュー軸１１３は、実施例１と同様にして、支持枠に取り付けられている。これにより、モータ１１４によってスクリュー軸１１３が駆動されると、スクリュー軸１１３の回転に伴って係合体１１２が上下動すると共に、梁１１１及び昇降支持棒１１０も同方向に移動することにより、外蓋１２が反応容器１１の開口１１ａを開閉可能とされている。なお、梁１１１には回転軸１３ｂを回転自在に挿通できるようにするための挿通穴１１１ａが設けられている。

また、外蓋１２と撹拌翼１３ｃとの間には内蓋１６が設けられており、内蓋１６の軸心にはフッ素ゴムからなる軸受１７が取付けられており、軸受１７には回転軸１３ｂが回転可能に挿通されている。また、図５に示すように、内蓋１６の周縁はフッ素ゴムからなるリング部材１８が取付けられており、リング部材１８の周縁は雄ネジが形成されている。また、反応容器１１の内壁にはリング部材１８と螺合する雌ネジが形成されており、これにより内蓋１６は上下移動可能とされている。なお、図示してはいないが、内蓋１６をロックするためのロック機構を設けてもよい。また、図４に示すように、内蓋１６の上面には取手１９ａ、１９ｂが設けられている。反応容器１１の側面には垂直方向に延在する覗き窓２０が設けられている。さらに、反応容器１１の外側には近接してヒータ２１が設けられており、図示しないヒータ制御装置によって温度制御可能とされている。また、反応容器１１の下部側面には開閉バルブ２２が取りつけられている。

次に実施例２の糖化用反応装置の使用方法について説明する。
そして、内蓋１６の取手１９ａ、１９ｂを掴んで内蓋１６を回転させて上方に移動させ、図６に示すように、反応容器１１の開口１１ａを解放する。そして、図７に示すように、さとうきびや、わら等の植物から採取されたセルロースと、カーボンをスルホン化したカーボン系固体酸触媒と、水とを反応容器１１へ入れ、覗き窓２０を覗きながら内蓋１６の下端を液面近傍まで移動させ、外蓋１２を下方へ移動させ、開口１１ａを閉じる。そして、制御装置によってモータ１１４を上記と逆方向に駆動させる。これにより、スクリュー軸１１３が上記と逆回転し、係合体１１２が下方に移動し、それに伴って梁１１１及び昇降支持棒１１０も下方に移動し、外蓋１２が下がって反応容器１１の開口１１ａが閉鎖される。

そして、モータ制御装置によってモータ１３ａを駆動させるとともに、ヒータ制御装置によってヒータ２１を加熱する。これにより回転軸１３ｂとともに回転翼１３ｃ〜１３ｆも回転し、反応容器１内が撹拌されて糖化原料混合液が１４０℃に加温される。これにより、糖化原料混合液中のセルロースは、固体酸触媒によって加水分解され、グルコースとなる。

加水分解反応が終了した後、ヒータ２１による加熱及びモータ１３ａによる撹拌を停止する。温度が５０℃以下となってから開閉バルブ２２を開け、図示しない回収容器に回収する。

上記実施例２の糖化用反応装置によれば、実施例１と同様に、内蓋１６が上下に移動可能とされているため、糖化原料混合液の液面近傍まで近づいた状態で、撹拌翼１３ｃ〜１３ｆによって撹拌することができる。このため、内蓋１６と糖化原料混合液の液面との間にできる空間の体積が小さくなることから、その空間に溜まる水蒸気の量も少なくなり、さらには、反応容器１１の内壁に水滴として付着する量も少なくなる。その結果、糖化原料混合液の水分量が変動し難くなり、加水分解反応にとって常に最適な条件を維持することが容易となる。
また、内蓋１６を糖化原料混合液の液面近傍まで近づける際、液面の位置を覗き窓２０によって確認できるため、内蓋１６の下端の位置を糖化原料混合液の液面近傍に確実に設定することができる。

さらに、内蓋１６と回転軸１３ｂとの間にはフッ素ゴムからなる軸受１７が取りつけられ、また内蓋１６の周縁にはフッ素ゴムからなるリング部材１８が取りつけられているため、反応容器１１内の水蒸気が反応容器１１と内蓋１６との隙間から外部へ散逸することを防止できる。このため、反応容器１１内の糖化原料混合液の水分量の変動をさらに少なくすることができ、加水分解反応を最適な状態で進行させることができる。

上記実施例１及び実施例２では、液面検出手段として覗き窓を設けたが、それの代替品として、あるいは覗き窓とともに、フロー式水位計や、容量式水位計や、導電率式水位計や、静電容量式水位計等を用いることも可能である。

また、実施例１及び実施例２において、回転翼３ｃ〜３ｅを着脱可能としておいてもよい。こうであれば、糖化原料混合液の水位に合わせて回転翼３ｃ〜３ｅを着脱することができる。

この発明は、上記発明の実施形態の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲の記載を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様もこの発明に含まれる。

１，１１…反応容器
１ａ、１１ａ…開口
２，１２…外蓋（蓋部）
３，１３…撹拌手段（３ａ，１３ａ…モータ（回転手段），３ｂ，１３ｂ…回転軸，３ｃ〜３ｆ，１３ｃ〜１３ｆ…撹拌翼）
８，２０…覗き窓（水位検知手段）
７…パッキン（弾性部材）

Claims

糖化原料混合液を収容する有底筒状の反応容器と、該反応容器の開口を塞ぐ蓋部と、該糖化原料混合液を撹拌するための撹拌手段とを備えた糖化用反応装置であって、
前記蓋部の下端を前記糖化原料混合液の液面に接近させ、又は離間させる昇降機構と、前記原料混合液の液面を検知することが可能な水位検知手段とが設けられていることを特徴とする糖化用反応装置。
前記撹拌手段は前記蓋部に挿通された回転軸と、該回転軸を回転させるための回転手段と、該回転軸に固定され該反応容器内で回転する回転翼とからなり、
前記反応容器は前記回転軸と同軸の有底円筒状とされており、前記蓋部は該反応容器の内壁に整合する円板形状とされており、該蓋部の側面には該反応容器の内壁に形成された雌ねじと螺合する雄ねじが形成されており、これにより該蓋部は上下移動可能とされていることを特徴とする請求項１に記載の糖化用反応装置。
前記撹拌手段は前記蓋部に挿通された回転軸と、該回転軸を回転させるための回転手段と、該回転軸に固定され該反応容器内で回転する回転翼とからなり、
前記反応容器は前記回転軸と同軸の有底円筒状とされており、前記蓋部は該反応容器の内壁に整合する円板形状であって該回転軸に同軸で固定されており該回転軸とともに回転し、固定位置が上下に移動可能とされていることを特徴とする請求項１に記載の糖化用反応装置。