JP2013163796A5 - - Google Patents

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リグノセルロース系バイオマスからの樹脂原料の製造方法及びその装置Method and apparatus for producing resin raw material from lignocellulosic biomass

本発明は、リグノセルロース系バイオマスを原料とした樹脂原料の製造方法及びその装置に関するものであり、更に詳しくは、リグノセルロース系バイオマスを原料として、低分子リグニン誘導体を主成分とする樹脂原料をグリース状で分離することを可能とする樹脂原料の連続的な製造方法及びその装置に関するものである。   The present invention relates to a resin raw material production method using lignocellulosic biomass as a raw material and an apparatus therefor, and more specifically, a resin raw material mainly composed of a low molecular weight lignin derivative using a lignocellulosic biomass as a grease. The present invention relates to a continuous process for producing a resin raw material that can be separated in a state and an apparatus therefor.

従来から、リグノセルロース系バイオマス、特に木質バイオマスからパルプ原料(セルロース)を製造することを目的に、多くの技術開発が行われてきた。ここで、パルプ原料(セルロース)を製造する際のパルプ化とは、リグノセルロース系バイオマスの主要成分であるヘミセルロース、セルロース及びリグニンから、ヘミセルロース及びリグニンを分解・可溶化して、セルロースを単離する方法のことであり、蒸解薬品として、Na2SとNaOHを用い、140〜170℃で数時間を加熱するのがクラフトパルプ、蒸解薬品として、亜硫酸塩水溶液を用い、150℃で数時間を加熱するのが亜硫酸パルプである。   Conventionally, many technological developments have been performed for the purpose of producing pulp raw materials (cellulose) from lignocellulosic biomass, particularly woody biomass. Here, pulping when producing a pulp raw material (cellulose) means that hemicellulose and lignin are decomposed and solubilized from hemicellulose, cellulose and lignin, which are the main components of lignocellulosic biomass, and cellulose is isolated. It is a method, using Na2S and NaOH as cooking chemicals, heating for several hours at 140-170 ° C is using kraft pulp, and using sulfite aqueous solution as cooking chemicals, heating for several hours at 150 ° C. Is sulfite pulp.

両方とも、リグニン、ヘミセルロースは、黒液として分離され、ボイラー燃料などに利用されている。一方、蒸解液として、有機溶媒、すなわち酢酸、酢酸エチル、水の混合液を用い、170〜180で1〜3時間加熱して、リグニン及びヘミセルロースを可溶化して、セルロースを単離するのが、オルガノソルブパルプ化法と呼ばれ、リグニンは、有機溶媒相に、ヘミセルロース(分解物)は、水相に分離される。   In both cases, lignin and hemicellulose are separated as black liquor and used as boiler fuel. On the other hand, as a cooking liquid, an organic solvent, that is, a mixed liquid of acetic acid, ethyl acetate and water, is heated at 170 to 180 for 1 to 3 hours to solubilize lignin and hemicellulose, and to isolate cellulose. This is called an organosolv pulping method, in which lignin is separated into an organic solvent phase and hemicellulose (decomposed product) is separated into an aqueous phase.

近年でも、パルプ化や生分解性プラスチック原料の製造を目的に、セルロースを効率よく分離する研究が数多く行われている。特表平4−506544(特許文献1)では、パルプ化法として、超臨界条件下で約12%までの水分を含むアンモニア系溶媒中で硫化ナトリウムを含む水酸化ナトリウムからなる活性脱リグニン化剤により、温度5〜250℃、圧力400〜3500psで脱リグニンを行う方法が示されている。   In recent years, many studies for efficiently separating cellulose have been conducted for the purpose of pulping and producing biodegradable plastic raw materials. In JP-A-4-506544 (Patent Document 1), as a pulping method, an active delignification agent comprising sodium hydroxide containing sodium sulfide in an ammonia-based solvent containing water up to about 12% under supercritical conditions. Shows a method for delignification at a temperature of 5 to 250 ° C. and a pressure of 400 to 3500 ps.

特開2004−306021(特許文献2)では、生分解性プラスチック原料としてのセルロースを得ることを目的に、原料を180〜300℃かつ15〜28MPaで圧縮し、これに180〜200℃の熱水を混合して、リグニン、ヘミセルロースを可溶化し、セルロースを固形物として分離する方法が提案されている。   In JP 2004-306021 (Patent Document 2), for the purpose of obtaining cellulose as a biodegradable plastic raw material, the raw material is compressed at 180 to 300 ° C. and 15 to 28 MPa, and hot water at 180 to 200 ° C. is used. Has been proposed to solubilize lignin and hemicellulose and separate cellulose as a solid.

この方法は、特別な蒸解薬品を使用せず、極めて興味深いものであるが、原料は、コーンコブ(トウモロコシの芯)やバガス、稲わらと草本系バイオマスであり、木質バイオマスの場合、リグニン成分が180〜200℃の熱水で可溶化されることはほとんどないことを考慮すると、リグニン成分(分子量)が、木質バイオマスとは異なっている可能性が高い。   This method is extremely interesting without using any special cooking chemicals, but the raw materials are corn cob (corn core), bagasse, rice straw and herbaceous biomass. In the case of woody biomass, the lignin component is 180. Considering that it is hardly solubilized with hot water at ˜200 ° C., it is highly possible that the lignin component (molecular weight) is different from the woody biomass.

また、特開2008−248202(特許文献3)では、リグノセルロース系植物原料から高純度(100%近い)のセルロースを取りだすための方法及び装置が開示されている。処理プロセスは、3段階で構成されており、始めに、ヘミセルロースとリグニンの一部を180〜250℃、10〜20MPaの加圧熱水により分解し、可溶分として分離する。この処理で、リグニンの一部は、親水基を多く持つ可溶性リグニンと親水基の少ない不溶性の疎水性リグニンに分別され、セルロースの多くは固形状態で残存する。   Japanese Patent Application Laid-Open No. 2008-248202 (Patent Document 3) discloses a method and apparatus for extracting high-purity (nearly 100%) cellulose from lignocellulosic plant materials. The treatment process is composed of three stages. First, a part of hemicellulose and lignin is decomposed with pressurized hot water at 180 to 250 ° C. and 10 to 20 MPa, and separated as a soluble component. By this treatment, a part of the lignin is separated into a soluble lignin having many hydrophilic groups and an insoluble hydrophobic lignin having few hydrophilic groups, and most of the cellulose remains in a solid state.

次に、ここでの残存固形物を、350〜390℃、25〜35MPa、0.5秒で処理し、セルロースを高温高圧水に可溶化し、次いで、この液状物(セルロース可溶)を冷却するが、直後のセルロースは可溶状態のため、高圧ろ過した後、減圧して貯留槽へ送り、該貯留槽では常温のまま2時間〜2日間静置しておき、固形物を析出させると、ほぼ100%のセルロースが得られる。   Next, the residual solids here are treated at 350 to 390 ° C., 25 to 35 MPa, for 0.5 seconds to solubilize the cellulose in high-temperature and high-pressure water, and then the liquid (cellulose-soluble) is cooled. However, since the cellulose immediately after it is soluble, after high-pressure filtration, it is depressurized and sent to a storage tank, where it is left at room temperature for 2 hours to 2 days to precipitate solids. Almost 100% of cellulose is obtained.

該特許文案には記載はないものの、疎水性リグニンは、最終処理の高圧ろ過で分離されると推測されるが、第二工程で、セルロースが加水分解を受けるのは避けられず、実施例に記載がないが、100%セルロースの収率は極めて低いものと想定される。該特許では、実施例はバガス(サトウキビの搾りかす)のみであり、この方法が木質バイオマスに適用できるかは不明である。   Although there is no description in the patent document, hydrophobic lignin is presumed to be separated by high-pressure filtration in the final treatment, but in the second step, it is inevitable that cellulose undergoes hydrolysis, and in the examples. Although not described, the yield of 100% cellulose is assumed to be very low. In this patent, the example is only bagasse (squeezed sugar cane), and it is unclear whether this method can be applied to woody biomass.

上述したように、リグノセルロース系バイオマス成分の利用は、主にセルロースに限定されてきたが、近年、リグニンに着目した研究が精力的に行われており、リグノセルロース系木質バイオマスの熱化学変換により、木質バイオマスの構成成分であるセルロース、ヘミセルロースや、リグニン溶液を抽出する技術が種々開発されている。   As mentioned above, the use of lignocellulosic biomass components has been mainly limited to cellulose, but in recent years, research focused on lignin has been vigorously conducted by thermochemical conversion of lignocellulosic woody biomass. Various technologies for extracting cellulose, hemicellulose, and lignin solutions, which are constituents of woody biomass, have been developed.

先行技術として、例えば、木質バイオマスを180℃で水熱処理して、可溶性ヘミセルロースを分離し、次に、不溶性リグニン、セルロースをアセトン/水の混合物で230℃で処理することにより、不溶セルロースと、可溶性リグニンを分離する、二段階プロセスによるリグニン溶液の製造プロセスが知られている(非特許文献1)。   As prior art, for example, woody biomass is hydrothermally treated at 180 ° C. to separate soluble hemicellulose, and then insoluble lignin, cellulose is treated with an acetone / water mixture at 230 ° C. to dissolve insoluble cellulose and soluble A process for producing a lignin solution by a two-stage process for separating lignin is known (Non-Patent Document 1).

また、他の先行技術として、木質バイオマスを300℃で水熱処理して、可溶性ヘミセルロース、セルロースを分離し、次に、不溶リグニンを常温でアセトン抽出処理して、高分子リグニンと、低分子リグニンに分離する、一段プロセスによる低分子リグニンの製造プロセスが知られている(特許文献4、5)。   As another prior art, woody biomass is hydrothermally treated at 300 ° C. to separate soluble hemicellulose and cellulose, and then insoluble lignin is extracted with acetone at room temperature to obtain high molecular lignin and low molecular weight lignin. A process for producing a low-molecular-weight lignin by a single-stage process is known (Patent Documents 4 and 5).

ここでは、アセトン可溶分から溶媒を留去したものが、フェノール性水酸基とアルコール性水酸基とをモル比で9:1〜8:2の比率で含むリグニン誘導体であり、これにヘキサメチレンテトラミンなどの架橋剤を混合することにより、リグニン樹脂組成物となることが示されている。   Here, the solvent is distilled off from the acetone-soluble component is a lignin derivative containing a phenolic hydroxyl group and an alcoholic hydroxyl group in a molar ratio of 9: 1 to 8: 2, which includes hexamethylenetetramine and the like. It has been shown that a lignin resin composition can be obtained by mixing a crosslinking agent.

その他の先行技術を含めて、従来、一段階又は二段階プロセスにより、可溶リグニン又は低分子リグニンを分離することを目的とした処理プロセスは報告されているが、それらは、回分式、或いは半流通式プロセスによるものである。これまで、リグノセルロース系バイオマスから樹脂原料となり得るリグニン誘導体の分離が可能な連続製造プロセスは確立されていないのが実情である。   Traditionally, including other prior art, treatment processes aimed at separating soluble lignin or low molecular weight lignin by a one-step or two-step process have been reported. This is due to a distribution process. Until now, the continuous manufacturing process which can isolate | separate the lignin derivative which can become a resin raw material from lignocellulosic biomass is not established.

また、先行技術でのリグニン誘導体の分離には、アセトンなどの有機溶媒の使用が必須であり、再使用を考慮したとしても、アセトン補給にかかる原料費や、アセトン分離のためのエネルギー費は多大であり、経済的にも問題を残していた。従って、当技術分野においては、木粉、樹皮などの木質バイオマス、稲わら、とうもろこしなどの草本系バイオマスから、リグニン樹脂を経済的に高効率で製造するためのリグニン樹脂の連続製造プロセスを開発することが強く要請されていた。   In addition, the use of organic solvents such as acetone is essential for the separation of lignin derivatives in the prior art, and even if reuse is taken into consideration, the cost of raw materials for acetone replenishment and the energy cost for acetone separation are large. And it left a problem economically. Therefore, in this technical field, a continuous production process of lignin resin is developed to produce lignin resin economically and efficiently from woody biomass such as wood flour and bark, and herbaceous biomass such as rice straw and corn. There was a strong demand.

特表平4−506544号公報Japanese National Patent Publication No. 4-506544 特開2004−306021号公報JP 2004-306021 A 特開2008−248202号公報JP 2008-248202 A 特開2009−84320号公報JP 2009-84320 A 特開2009−227890号公報JP 2009-227890 A

Isao Hasegawa et al.Energy & Iuels,2004,18,755−760Isao Hasegawa et al. Energy & Iuels, 2004, 18, 755-760

このような状況の中で、本発明者らは、上記従来技術に鑑みて、リグノセルロース系バイオマスからのリグニン誘導体を主成分とした樹脂原料の高効率製造プロセスを開発することを目標として鋭意研究を積み重ねた結果、亜臨界水処理を利用した連続プロセスにより、有機溶媒を使用しないで、樹脂原料を経済的に、高効率で分離、回収する技術を確立することに成功し、本発明を完成するに至った。   Under such circumstances, the present inventors have conducted intensive research with the goal of developing a high-efficiency manufacturing process for resin raw materials mainly composed of lignin derivatives from lignocellulosic biomass in view of the above-described conventional technology. As a result, we succeeded in establishing a technology for separating and recovering resin raw materials economically and efficiently without using an organic solvent by a continuous process using subcritical water treatment, and completed the present invention. It came to do.

本発明は、亜臨界水による木粉、樹皮などの木質バイオマス、稲わら、とうもろこしなどの草本系バイオマスからのリグニン誘導体を主成分とした樹脂原料の経済的な高効率製造方法及びその装置を提供することを目的とするものである。また、本発明は、反応器出口ラインにおける配管閉塞や析出物の問題のない、リグニン誘導体を主成分とした樹脂原料の高効率製造方法及びその装置を提供することを目的とするものである。   The present invention provides an economical high-efficiency production method and apparatus for resin raw materials mainly composed of lignin derivatives from woody biomass such as wood powder and bark using subcritical water, and herbaceous biomass such as rice straw and corn. It is intended to do. Another object of the present invention is to provide a high-efficiency production method and apparatus for a resin raw material mainly composed of a lignin derivative, which is free from problems of piping blockage and precipitates in the reactor outlet line.

上記課題を解決するための本発明は、以下の技術的手段から構成される。
(1)ヘミセルロース、セルロース及びリグニンを主成分とするリグノセルロース系バイオマスから樹脂原料を製造する方法において、
該バイオマスを粉砕し、水と混合することで水スラリーとし、該水スラリーを250℃以上374℃以下の温度で、その温度における飽和水蒸気圧以上の圧力のもと、30分以上連続処理を行い、反応終了後、200〜250℃で固液分離を行うことにより、固体と高温熱水可溶成分を分離し、該高温熱水可溶成分を100℃以下に温度を低下させることで、低温熱水可溶成分とグリース状の樹脂原料とに分離することを特徴とするリグノセルロース系バイオマスからの樹脂原料の連続的な製造方法。
(2)水スラリーを300℃以下の温度で処理する、前記(1)に記載の樹脂原料の連続的な製造方法。
(3)200〜250℃での固液分離操作が、ろ過、或いは比重差分離による操作である前記(1)又は(2)に記載の樹脂原料の連続的な製造方法。
(4)200〜250℃で分離された高温熱水可溶成分を100℃以下に温度を低下させる方法が、200〜250℃を保持したまま高温高圧回収受器に受け、受器の中で100℃以下に冷却するか、或いは200〜250℃の状態から直接大気圧下へフラッシュして100℃以下とする、前記(1)−(3)のいずれかに記載の樹脂原料の連続的な製造方法。
(5)水スラリー中の固形物濃度が、最大15%(含水率85%以上)である、前記(1)−(4)のいずれかに記載の樹脂原料の連続的な製造方法。
(6)前記(1)に記載の樹脂原料の連続的な製造方法で使用する装置であって、水スラリーを高圧供給するポンプシステム、亜臨界水反応を行う反応器、該反応器で処理した反応物を排出する反応器出口ライン、該反応器出口ラインからの反応物を回収する受器、上記反応器出口ラインの途中に設置された固液分離器を構成要素として含み、上記反応器で処理された200〜250℃の高温熱水可溶成分と固体物を上記固液分離器で分離し、高温熱水可溶成分を200〜250℃を保持したまま上記受器に受け、受器の中で100℃以下に温度を低下させることにより、樹脂原料をグリース状の固形物として析出させ、低温熱水可溶成分と分離することにより、樹脂原料を回収するようにしたことを特徴とするリグノセルロース系バイオマスからの樹脂原料の連続的な製造装置。
(7)上記固液分離器が、ろ過器、或いは比重差分離器である、前記(6)に記載の装置。
(8)反応器出口ライン(反応器出口から受器)を200〜250℃に保つ保温加熱手段を有する、前記(6)又は(7)に記載の装置。
(9)保温加熱手段が、熱媒加熱である、前記(8)に記載の装置。
(10)受器内に収容した高温熱水可溶成分を100℃以下に冷却する手段を有する、前記(6)−(9)のいずれかに記載の装置。
(11)受器が内部にピストンを有し、ピストンの片側に高温熱水可溶性成分を受入れ、ピストンの反対側に充填されている高圧水を所定の圧力で排出することにより、装置全体の圧力調整を行うとともに、高温熱水可溶性成分を回収する、前記(6)−(10)のいずれかに記載の装置。
(12)100℃以下に冷却する手段が、受器の外側に設置された冷却ジャケットである、前記(10)に記載の装置。
(13)受器にあらかじめ不活性ガスを所定の圧力で充填しておき、高温熱水可溶性成分を受入れることによるガス圧力上昇分を所定の圧力で排出することにより、装置全体の圧力調整を行うとともに、高温熱水可溶性成分を回収する、前記(6)−(10)のいずれかに記載の装置。
(14)100℃以下に冷却する手段が、受器内に挿入された冷却コイルである、前記(10)に記載の装置。
(15)前記(1)に記載の樹脂原料の連続的な製造方法で使用する装置であって、水スラリーを高圧供給するポンプシステム、亜臨界水反応を行う反応器、該反応器で処理した反応物を排出する反応器出口ライン、該反応器出口ラインの途中に設置された固液分離器、該固液分離器からの液状物(高温熱水可溶成分)を直接大気圧下にフラッシュする減圧弁、フラッシュ後の反応物を回収する受器を構成要素として含み、上記反応器で処理された200〜250℃の高温熱水可溶成分と固体物を上記固液分離器で分離し、高温熱水可溶成分を200〜250℃の状態から直接大気圧まで減圧し、100℃以下に温度を低下させることにより、受器の中で樹脂原料をグリース状の固形物として析出させ、低温熱水可溶成分と分離することにより、樹脂原料を回収するようにしたことを特徴とするリグノセルロース系バイオマスからの樹脂原料の連続的な製造装置。
(16)上記固液分離器が、ろ過器、或いは比重差分離器である、前記(15)に記載の装置。
(17)反応器出口ライン(反応器出口から受器)を200〜250℃に保つ保温加熱手段を有する、前記(15)又は(16)に記載の装置。
(18)保温加熱手段が、熱媒加熱である、前記(17)に記載の装置。
(19)フラッシュ後の反応物を蒸気と固液混合物に分離するセパレータを有し、蒸気は凝縮器により蒸発凝縮水とし、固液混合物を受器に受け入れる、前記(15)−(18)のいずれかに記載の装置。
The present invention for solving the above-described problems comprises the following technical means.
(1) In a method for producing a resin raw material from lignocellulosic biomass mainly composed of hemicellulose, cellulose and lignin,
The biomass is pulverized and mixed with water to form a water slurry, and the water slurry is subjected to continuous treatment at a temperature of 250 ° C. or higher and 374 ° C. or lower under a pressure equal to or higher than the saturated water vapor pressure at that temperature for 30 minutes or longer. After completion of the reaction, solid-liquid separation is performed at 200 to 250 ° C. to separate the solid and the high-temperature hot water soluble component, and the temperature is lowered to 100 ° C. or lower to lower the temperature. A continuous process for producing a resin raw material from lignocellulosic biomass, characterized in that it is separated into a hot water soluble component and a grease-like resin raw material.
(2) The continuous manufacturing method of the resin raw material as described in said (1) which processes a water slurry at the temperature of 300 degrees C or less.
(3) The continuous manufacturing method of the resin raw material as described in said (1) or (2) whose solid-liquid separation operation at 200-250 degreeC is operation by filtration or specific gravity difference separation.
(4) A method of lowering the temperature of a high-temperature hot water-soluble component separated at 200 to 250 ° C. to 100 ° C. or less is received by a high-temperature and high-pressure recovery receiver while maintaining 200 to 250 ° C. The resin raw material according to any one of the above (1) to (3), which is cooled to 100 ° C. or lower, or directly flushed from 200 to 250 ° C. to atmospheric pressure to 100 ° C. or lower. Production method.
(5) The continuous manufacturing method of the resin raw material in any one of said (1)-(4) whose solid substance density | concentration in water slurry is 15% at maximum (water content 85% or more).
(6) An apparatus used in the continuous production method of the resin raw material according to (1), wherein a pump system for supplying water slurry at a high pressure, a reactor for performing a subcritical water reaction, and the reactor are used. A reactor outlet line for discharging the reactant, a receiver for recovering the reactant from the reactor outlet line, and a solid-liquid separator installed in the middle of the reactor outlet line as constituent elements. The treated high temperature hot water soluble component at 200 to 250 ° C. and the solid are separated by the solid-liquid separator, and the high temperature hot water soluble component is received at the receiver while maintaining 200 to 250 ° C. The resin raw material is recovered by lowering the temperature to 100 ° C. or lower in order to precipitate the resin raw material as a grease-like solid and separate it from the low-temperature hot water soluble component. Lignocellulosic biomas Continuous production apparatus for resin material from.
(7) The apparatus according to (6), wherein the solid-liquid separator is a filter or a specific gravity difference separator.
(8) The apparatus according to (6) or (7), further including a heat-retaining and heating unit that keeps the reactor outlet line (from the reactor outlet to the receiver) at 200 to 250 ° C.
(9) The apparatus according to (8), wherein the heat retaining heating means is heating medium heating.
(10) The apparatus according to any one of (6) to (9), further including means for cooling the high temperature hot water soluble component accommodated in the receiver to 100 ° C. or lower.
(11) The receiver has a piston inside, accepts a high temperature hot water soluble component on one side of the piston, and discharges the high pressure water filled on the opposite side of the piston at a predetermined pressure, whereby the pressure of the entire apparatus The apparatus according to any one of (6) to (10), wherein adjustment is performed and a high-temperature hot water-soluble component is recovered.
(12) The device according to (10), wherein the means for cooling to 100 ° C. or lower is a cooling jacket installed outside the receiver.
(13) The pressure of the entire apparatus is adjusted by filling the receiver with an inert gas at a predetermined pressure in advance and discharging the gas pressure increase due to receiving the high-temperature hot water soluble component at the predetermined pressure. And the apparatus in any one of said (6)-(10) which collect | recovers high temperature hot water soluble components.
(14) The apparatus according to (10), wherein the means for cooling to 100 ° C. or lower is a cooling coil inserted into the receiver.
(15) An apparatus used in the continuous production method of the resin raw material according to (1), wherein a pump system for supplying water slurry at a high pressure, a reactor for performing a subcritical water reaction, and the reactor are used. Reactor outlet line for discharging the reactants, solid-liquid separator installed in the middle of the reactor outlet line, and liquid (high temperature hot water soluble component) from the solid-liquid separator is flushed directly under atmospheric pressure And a receiver for recovering the reaction product after flushing as components, and the 200-250 ° C. high-temperature hot water soluble component and solid material treated in the reactor are separated by the solid-liquid separator. The resin raw material is precipitated as a grease-like solid in the receiver by reducing the temperature of the high-temperature hot water soluble component directly from 200 to 250 ° C. to atmospheric pressure and lowering the temperature to 100 ° C. or lower. By separating from low temperature hot water soluble components , Continuous production apparatus for resin material from the lignocellulosic biomass characterized in that so as to recover the resin material.
(16) The apparatus according to (15), wherein the solid-liquid separator is a filter or a specific gravity difference separator.
(17) The apparatus according to (15) or (16), further including a heat-retaining and heating unit that maintains the reactor outlet line (from the reactor outlet to the receiver) at 200 to 250 ° C.
(18) The apparatus according to (17), wherein the heat retaining heating means is heating medium heating.
(19) The separator according to (15)-(18), having a separator that separates the reaction product after flashing into a vapor and a solid-liquid mixture, wherein the vapor is evaporated into condensed water by a condenser, and the solid-liquid mixture is received in a receiver. The device according to any one of the above.

次に、本発明について更に詳細に説明する。
本発明は、ヘミセルロース、セルロース及びリグニンを主成分とするリグノセルロース系バイオマスから樹脂原料を製造する方法において、該バイオマスを粉砕し、水と混合することで水スラリーとし、該水スラリーを250℃以上374℃以下の温度で、その温度における飽和水蒸気圧以上の圧力のもと、30分以上連続処理を行い、反応終了後、200〜250℃で固液分離を行うことにより、固体と高温熱水可溶成分を分離し、該高温熱水可溶成分を100℃以下に温度を低下させることで、低温熱水可溶成分とグリース状の樹脂原料とに分離することを特徴とするものである。
Next, the present invention will be described in more detail.
The present invention relates to a method for producing a resin raw material from lignocellulosic biomass mainly composed of hemicellulose, cellulose and lignin. The biomass is pulverized and mixed with water to form a water slurry, and the water slurry is 250 ° C or higher. At a temperature of 374 ° C. or lower, under a pressure equal to or higher than the saturated water vapor pressure at that temperature, continuous treatment is performed for 30 minutes or longer. After the reaction is completed, solid-liquid separation is performed at 200 to 250 ° C. A soluble component is separated, and the high temperature hot water soluble component is separated into a low temperature hot water soluble component and a grease-like resin raw material by lowering the temperature to 100 ° C. or lower. .

また、本発明は、上記の樹脂原料の連続的な製造方法で使用する装置であって、水スラリーを高圧供給するポンプシステム、亜臨界水反応を行う反応器、該反応器で処理した反応物を排出する反応器出口ライン、該反応器出口ラインからの反応物を回収する受器、上記反応器出口ラインの途中に設置された固液分離器を構成要素として含み、上記反応器で処理された200〜250℃の高温熱水可溶成分と固体物を上記固液分離器で分離し、高温熱水可溶成分を200〜250℃を保持したまま上記受器に受け、受器の中で100℃以下に温度を低下させることにより、樹脂原料をグリース状の固形物として析出させ、低温熱水可溶成分と分離することにより、樹脂原料を回収するようにしたことを特徴とするものである。 Further, the present invention is an apparatus used in the continuous production method of the resin raw material, which is a pump system for supplying water slurry at a high pressure, a reactor for performing subcritical water reaction, and a reaction product treated in the reactor. A reactor outlet line for discharging the reactor, a receiver for recovering the reactants from the reactor outlet line, and a solid-liquid separator installed in the middle of the reactor outlet line as components, and processed in the reactor. The high temperature hot water soluble component at 200 to 250 ° C. and the solid matter are separated by the solid-liquid separator, and the high temperature hot water soluble component is received at the receiver while maintaining the temperature of 200 to 250 ° C. The resin raw material is recovered by lowering the temperature to 100 ° C. or less by precipitating the resin raw material as a grease-like solid and separating it from the low-temperature hot water soluble component. It is.

本発明では、リグノセルロース系バイオマスからのリグニン誘導体を主成分とした樹脂原料の高効率製造プロセスを開発するに際して、リグノセルロース系バイオマスの亜臨界水による水熱処理の基礎的条件を確立するために、バッチ試験を行った。試験装置は、内容積200ccの高温高圧オートクレーブ(設計条件:500℃・45MPa)を用いた。   In the present invention, in developing a high-efficiency production process of a resin raw material mainly composed of a lignin derivative from lignocellulosic biomass, in order to establish basic conditions for hydrothermal treatment of lignocellulosic biomass with subcritical water, A batch test was conducted. A high-temperature and high-pressure autoclave (design condition: 500 ° C./45 MPa) having an internal volume of 200 cc was used as a test apparatus.

試験に供したバイオマス原料は、建築材料加工時に排出される杉木粉(0.5mm以下)とした。反応温度を180〜360℃、反応時間を30分、圧力を反応温度における飽和蒸気圧とし、杉木粉に水を添加し、固形物を10重量%に調整したものを使用して試験を行なった。   The biomass raw material used for the test was cedar wood powder (0.5 mm or less) discharged during building material processing. The test was performed using a reaction temperature of 180 to 360 ° C., a reaction time of 30 minutes, a pressure of saturated vapor pressure at the reaction temperature, water added to cedar powder, and a solid adjusted to 10% by weight. .

反応時間経過直後に冷却を開始し、内温が100℃以下となった後に残圧を開放し、処理物を回収した。回収物は、図1に示す方法で分別及び分析を行い、評価の指標として、固形物残存率、クラーソンリグニン率、アセトン可溶成分率を算出した。   Cooling was started immediately after the reaction time elapsed, and after the internal temperature became 100 ° C. or lower, the residual pressure was released and the treated product was recovered. The recovered material was fractionated and analyzed by the method shown in FIG. 1, and the solid matter residual rate, the Klarson lignin rate, and the acetone soluble component rate were calculated as evaluation indexes.

ここで、クラーソンリグニンとは、固形物を強酸(72%硫酸)で処理し、ヘミセルロース、セルロースを可溶化し、残った不溶分を酸不溶リグニンとして評価するものであり、アセトン可溶成分は、リグニンが低分子化された誘導体と考えられ、樹脂原料となることが文献(特開2009−84320、227890号公報)に示されている。各収率の定義は、以下の通りである。   Here, Klason lignin is a solid that is treated with a strong acid (72% sulfuric acid) to solubilize hemicellulose and cellulose, and the remaining insoluble matter is evaluated as acid-insoluble lignin. It is considered in the literature (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2009-84320, 227890) that lignin is considered to be a low molecular weight derivative and becomes a resin raw material. The definition of each yield is as follows.

固形物残存率=処理後固形物(乾燥重量:B)/バイオマス投入量(乾燥重量A)
クラーソンリグニン率=酸不溶成分(C)/処理後固形物(B)
アセトン可溶成分率=アセトン可溶成分量(D)/処理後固形物(B)
Residual rate of solids = solids after treatment (dry weight: B) / biomass input (dry weight A)
Klarson lignin ratio = Amount of acid insoluble component (C) / Solid matter after treatment (B)
Acetone soluble component ratio = Acetone soluble component amount (D) / Solid matter after treatment (B)

図2に、上記バッチ試験の結果を示した。図より、亜臨界水処理(180〜360℃)において、高温になるほど固形物残存率(図2−1)は減少し、クラーソンリグニン率(図2−2)は増加するが、固形物残存率・クラーソンリグニン率とも、ほぼ300℃で飽和傾向を示すことが明らかとなった。   FIG. 2 shows the results of the batch test. From the figure, in the subcritical water treatment (180 to 360 ° C.), the solids remaining rate (FIG. 2-1) decreases and the Klarson lignin rate (FIG. 2-2) increases but the solids remaining as the temperature increases. It was revealed that both the ratio and the Klarson lignin ratio showed a saturation tendency at about 300 ° C.

300℃以上の処理では、固形物残存率は約50%に減少し、そのほとんどがクラーソンリグニンとして評価されることが分かった。しかしながら、原料(杉木粉)中のクラーソンリグニンは35%であることより、残渣固形物には、リグニンに加え、セルロース由来の炭化物や油化物も含まれていると考えられる。一方、リグニン誘導体(樹脂原料)と考えられるアセトン可溶成分率(図2−2)は、300℃までは上昇するものの、それ以上の温度では逆に減少した。   It was found that in the treatment at 300 ° C. or higher, the solid residue ratio was reduced to about 50%, most of which was evaluated as Klarson lignin. However, since the Klarson lignin in the raw material (cedar wood flour) is 35%, it is considered that the residual solid contains not only lignin but also cellulose-derived carbides and oils. On the other hand, the acetone soluble component ratio (FIG. 2-2) considered to be a lignin derivative (resin raw material) increased up to 300 ° C., but decreased at higher temperatures.

具体的には、180℃処理では数%の結果が、300℃処理では約40%となり、リグニンの低分子化(リグニン誘導体)が温度の増加とともに進行したが、それ以上の温度では炭化の進行などにより逆にアセトン可溶成分率は低下した。また、アセトン可溶成分には、リグニン誘導体以外にもセルロース由来の油化物が少量含まれていると推測される。   Specifically, the result of several percent in the treatment at 180 ° C. is about 40% in the treatment at 300 ° C., and the lignin depolymerization (lignin derivative) progressed with the increase in temperature. Conversely, the acetone soluble component ratio decreased. Further, it is presumed that the acetone-soluble component contains a small amount of cellulose-derived oil in addition to the lignin derivative.

更に、樹脂原料収率(図2−3)を対バイオマス比(=アセトン可溶成分量(D)/バイオマス投入量(A))と、対バイオマス投入中全リグニン比(=アセトン可溶成分量(D)/バイオマス投入量(A)×0.35)の2種類で計算した結果、300℃〜330℃で最大となり、360℃では逆に減少した。   Furthermore, the resin raw material yield (FIGS. 2-3) is compared with the biomass ratio (= acetone soluble component amount (D) / biomass input amount (A)) and the total lignin ratio during biomass input (= acetone soluble component amount). As a result of calculation using two types of (D) / biomass input amount (A) × 0.35), the maximum was 300 ° C. to 330 ° C., and the decrease was 360 ° C.

300℃処理における樹脂原料収率(対バイオマス比)はほぼ20%となり、これを対バイオマス投入中全リグニン比に換算すると、55%を達成できることが分かった。この結果により、別途行った経済性試算に基づく目標値(50%)を、300℃・9MPa〜330℃・13MPa処理で達成できることが明らかとなった。従って、エネルギー的な観点や要求される装置の耐圧性などから考えて、300℃処理が最適であると判断した。   The resin raw material yield (to biomass ratio) in the treatment at 300 ° C. was about 20%, which was found to be 55% when converted to the total lignin ratio during biomass input. From this result, it became clear that the target value (50%) based on the separately estimated economic efficiency can be achieved by the treatment at 300 ° C. · 9 MPa to 330 ° C. · 13 MPa. Therefore, the 300 ° C. treatment was determined to be optimal from the viewpoint of energy and the required pressure resistance of the apparatus.

次に、リグノセルロース系バイオマスの種類(木質系/草本系、針葉樹/広葉樹など)、すなわちリグニン含有量やリグニン構造が本処理にどのように影響するかを評価するため、杉(針葉樹)に加え、楓(広葉樹)、竹、稲わら(草本系)を対象に、上述と同様のバッチ試験を行った。ただし、反応条件は、300℃・9MPa・30分とした。   Next, in order to evaluate how the lignocellulosic biomass (woody / herbaceous, conifer / broadwood, etc.), that is, lignin content and lignin structure, affects the treatment, in addition to cedar (conifer) A batch test similar to that described above was conducted on bamboo shoots (broadwood), bamboo, and rice straw (herbaceous). However, the reaction conditions were set to 300 ° C. · 9 MPa · 30 minutes.

表1に、実験結果[亜臨界水処理バッチ試験(リグノセルロース系バイオマスの違い)の結果]を整理して示す。その結果、バイオマスの種類により、リグニン含有量や構造は異なっていると思われるが、固形物残存率は、40〜50%の範囲で大きな違いは見られず、そのクラーソンリグニン率は、いずれも90%以上となった。   Table 1 summarizes the experimental results [results of subcritical water treatment batch test (difference in lignocellulosic biomass)]. As a result, the lignin content and structure seem to be different depending on the type of biomass, but the solids remaining rate does not show a significant difference in the range of 40 to 50%, and the Klarson lignin rate is Was over 90%.

一方、アセトン可溶成分率は、楓が32%と杉より低い結果であったが、稲わらや竹は逆に48%と、杉より10%程度大きな値を示した。これらの結果を樹脂原料収率に換算すると、楓が14.5%と低いものの、他の3種類(杉、稲わら、竹)は20%程度であり、本処理原理は、多くのバイオマスに適用が可能であると結論した。   On the other hand, the acetone-soluble component ratio was 32%, which was lower than that of cedar, but rice straw and bamboo, on the contrary, showed 48%, which was about 10% larger than cedar. When these results are converted into resin raw material yield, the other three types (cedar, rice straw, bamboo) are about 20% although the cocoon is as low as 14.5%. It was concluded that it could be applied.

Figure 2013163796
Figure 2013163796

上記バッチ試験の結果から、連続処理装置を構築した。図3に、連続処理装置のブロックフローシートを示す。1はスラリー化装置、2は高圧ポンプシステム、3は反応器、4は熱媒加熱器、5は冷却器、6は冷却塔、7は減圧装置、そして、8はプロダクト貯槽を各々示す。   A continuous processing apparatus was constructed from the results of the batch test. FIG. 3 shows a block flow sheet of the continuous processing apparatus. 1 is a slurrying device, 2 is a high-pressure pump system, 3 is a reactor, 4 is a heating medium heater, 5 is a cooler, 6 is a cooling tower, 7 is a decompression device, and 8 is a product storage tank.

主要装置である反応器の設計条件は、320℃・12MPaとし、最大処理能力20g/分で各機器の容量・能力を決定した。ここでの試験では、既に粉砕された杉原料(0.5mm以下)を入手して用いたため、粉砕装置は設置していないが、この粉砕には、ボールミルなど、一般的な機械粉砕装置を用いることが可能である。ここでは、粉砕された原料に所定量の水を加え、均一なスラリーとするために、スラリー化装置1を設置している。   The design conditions of the reactor as the main apparatus were 320 ° C. and 12 MPa, and the capacity and capacity of each device were determined at a maximum processing capacity of 20 g / min. In this test, a pulverized cedar raw material (0.5 mm or less) was obtained and used, so a pulverizer was not installed. For this pulverization, a general mechanical pulverizer such as a ball mill was used. It is possible. Here, the slurrying apparatus 1 is installed in order to add a predetermined amount of water to the pulverized raw material to obtain a uniform slurry.

スラリー化装置は、対象物に如何に大きな剪断力を与えるかで、ミル方式、回転式、高圧式、超音波式、石臼式など種々の方式が採用されるが、ここでは、ローターとスクリーンによって構成され、スクリーンと微少なクリアランスを保ちローターが高速回転することにより、処理物がスクリーンスリット部を通過して速度増大され大きな剪断力を得る方式を採用した。   Depending on how much shearing force is applied to the object, various methods such as a mill method, a rotary method, a high-pressure method, an ultrasonic method, and a stone mortar device are adopted for the slurrying device. A system is adopted in which the processed material passes through the screen slit portion to increase the speed and obtain a large shearing force by rotating the rotor at a high speed while maintaining a small clearance with the screen.

高圧ポンプシステム2は、流動性の乏しいスラリーを反応器へ高圧・定量供給する必要があり、特殊なピストンポンプの使用が考えられるが、本連続処理装置は、処理量が最大20g/分と極めて小さいため、市販のポンプシステムは採用できず、専用の高圧ポンプシステムを構築した。   The high-pressure pump system 2 needs to supply a high-pressure / quantitative slurry with poor fluidity to the reactor, and a special piston pump can be used, but this continuous processing apparatus has a maximum throughput of 20 g / min. Due to its small size, a commercially available pump system could not be used, and a dedicated high-pressure pump system was constructed.

具体的には、内部にピストンを有するインジェクションタンク、低圧スラリーポンプ(モーノポンプ)及び高圧水ポンプ(プランジャポンプ)から構成され、低圧スラリーポンプによりインジェクションタンク内にスラリーを充填し、ピストンを介して高圧水ポンプでスラリーを高圧下で定量供給する方式を採用した。   Specifically, it is composed of an injection tank having a piston inside, a low-pressure slurry pump (Mono pump) and a high-pressure water pump (plunger pump). The low-pressure slurry pump fills the injection tank with slurry, and the high-pressure water passes through the piston. A system was adopted in which slurry was supplied in a fixed amount under high pressure by a pump.

反応器3は、縦型上昇流式の高圧容器であり、内部下部にスクリュスクレーパ、上部に2枚羽のJタイプスクレーパを装填している。これは、反応器下部では流動性のほとんどないスラリーが入ってくるため、積極的に上へ押し上げていくスクリュスクレーパを採用し、ある程度温度が高くなり流動性が良くなったスラリーには、熱交換能力と混合効果のあるJタイプスクレーパを用いたものである。   The reactor 3 is a vertical upflow type high-pressure vessel, and is loaded with a screw scraper at the bottom inside and two J-type scrapers at the top. This is because a slurry with almost no fluidity enters in the lower part of the reactor, so a screw scraper that actively pushes it up is used. It uses a J-type scraper that has the ability and mixing effect.

スラリーの加熱は、電気式の熱媒加熱器4で行った。通常、実験装置規模の加熱にはニクロム加熱など、電気式加熱の採用が一般的であるが、反応器内部の局部的加熱による焦げ付き(→閉塞)などを避けるために、熱媒加熱方式を採用した。反応終了後の高温高圧プロダクトはコイル(スラリー)/シェル(冷却水)方式の冷却器5で、冷却水は冷却塔6から供給した。冷却後の高圧プロダクトは、通常圧力コントロール弁により所定圧に制御されるが、ここでは、対象物が固形物を大量に含むことと、処理量が極めて少ないことなどを勘案して、内部にピストンを有した減圧装置7を製作して用いた。   The slurry was heated with an electric heating medium heater 4. Usually, electric heating such as nichrome heating is generally used for laboratory scale heating, but a heating medium heating method is used to avoid scorching (→ clogging) due to local heating inside the reactor. did. The high-temperature and high-pressure product after the reaction was a coil (slurry) / shell (cooling water) type cooler 5, and the cooling water was supplied from the cooling tower 6. The high-pressure product after cooling is normally controlled to a predetermined pressure by a pressure control valve, but here the piston is placed inside, taking into consideration that the object contains a large amount of solids and the amount of processing is extremely small. A pressure reducing device 7 having the above was manufactured and used.

具体的には、ピストンの上部にプロダクトを受入れ、ピストンの反対側に充満されている高圧水を、ばね式保圧弁(1次圧調整弁)で所定圧に制御した。この方式では、高圧下でプロダクトを受入れ、ピストンが最下部に到達したら、反応器(冷却器)と通ずる弁を閉め、高圧水を上記保圧弁を調整して減圧し、スラリー排出ポンプを稼働してピストンを押し上げながらプロダクトをプロダクト貯槽8へと排出した。本連続処理装置の詳細フローを図4に示した。   Specifically, the product was received in the upper part of the piston, and the high-pressure water filled on the opposite side of the piston was controlled to a predetermined pressure by a spring-type holding valve (primary pressure regulating valve). In this method, the product is received under high pressure, and when the piston reaches the bottom, the valve connected to the reactor (cooler) is closed, the high pressure water is reduced by adjusting the holding valve, and the slurry discharge pump is operated. The product was discharged into the product storage tank 8 while pushing up the piston. The detailed flow of this continuous processing apparatus is shown in FIG.

この連続処理装置を用いて、始めに、清水により本装置の圧入性能、加熱性能、冷却性能及び減圧性能が計画通りに作動することを確認した後、杉木粉(0.5mm以下)を用いた連続試験に移行した。あらかじめ杉木粉に水を加え、固形物濃度5重量%のスラリーを上記のスラリー化装置で調製した。   Using this continuous processing apparatus, first, after confirming that the press-fitting performance, heating performance, cooling performance, and decompression performance of this equipment operate as planned with fresh water, cedar powder (0.5 mm or less) was used. Transitioned to continuous testing. Water was previously added to the cedar wood powder, and a slurry with a solid concentration of 5% by weight was prepared with the above slurrying apparatus.

このスラリーを用いて、反応温度250℃、圧力5MPa、流量20g/分の条件で、連続運転を実施したところ、運転途中で圧力が徐々に上昇し、反応器出口ラインで閉塞が発生した。運転終了後、閉塞部位を特定するために、反応器出口ライン、冷却器、冷却器から減圧装置までのラインを解体したところ、閉塞は冷却器内で発生し、反応器から冷却器までのラインでは閉塞が生じないことが分かった。   Using this slurry, continuous operation was carried out under the conditions of a reaction temperature of 250 ° C., a pressure of 5 MPa, and a flow rate of 20 g / min. As a result, the pressure gradually increased during the operation, and clogging occurred in the reactor outlet line. After the operation was completed, the reactor outlet line, the cooler, and the line from the cooler to the decompression device were disassembled to identify the blockage site. The blockage occurred in the cooler, and the line from the reactor to the cooler. Then it was found that no obstruction occurred.

析出物は、黒色、表面は滑らかで、配管を完全に閉塞したことが分かった。この閉塞物は、バッチ試験で得られる残存固形物とは明らかに異なっており、単に残存固形物が閉塞したのではなく、ある特定の成分のみが析出した可能性を示唆した。   The deposit was black, the surface was smooth, and it was found that the piping was completely blocked. This occlusion was clearly different from the residual solids obtained in the batch test, suggesting the possibility that only certain components were deposited, not just the residual solids were occluded.

反応器出口ラインにおける閉塞を回避するために、温度と固形物析出の関係を検証とするべく、反応器出口から減圧装置受器までの排出ラインの制御温度を変化させ、温度と閉塞、すなわち固形物析出の関係を調べた。その結果、図5に示されるように、冷却過程における温度を制御して、反応器排出ラインの温度を210℃以上に保った時のみ、配管閉塞・固形物析出が無いことが分かった。   In order to avoid clogging in the reactor outlet line, in order to verify the relationship between temperature and solids precipitation, the control temperature of the discharge line from the reactor outlet to the pressure reducing device receiver is changed to change the temperature and clogging, ie solids The relationship of product precipitation was investigated. As a result, as shown in FIG. 5, it was found that only when the temperature in the cooling process was controlled and the temperature of the reactor discharge line was maintained at 210 ° C. or higher, there was no clogging of pipes and solid matter precipitation.

次に、図5のRun−06の処理後固形物を評価するために、反応器から排出ラインを経て減圧装置受器に回収された固形物、すなわち処理後固形物を調べた。その結果、反応器内の被処理物は、未処理スラリーを含み、クラーソンリグニン78%、アセトン可溶成分3%であったのに対し、受器内の処理後固形物は、クラーソンリグニン100%で、アセトン可溶成分は95%であり、処理後固形物は、リグニン誘導体を主成分とした樹脂原料であることが分かった。   Next, in order to evaluate the processed solids of Run-06 in FIG. 5, the solids recovered from the reactor through the discharge line to the pressure reducing device receiver, that is, the processed solids were examined. As a result, the material to be treated in the reactor contained untreated slurry and was 78% Klarson lignin and 3% acetone-soluble component, whereas the solid after treatment in the reactor was Klarson lignin. 100%, acetone-soluble component was 95%, and the solid after treatment was found to be a resin raw material mainly composed of a lignin derivative.

この結果は、アセトンなどの有機溶媒を使用せずに、樹脂原料を分離できる可能性を示しており、極めて重要である。図6に、Run−06(図5)の処理後固形物の評価結果を示した。上述したように、同じ杉木粉を用いたバッチ試験結果では、クラーソンリグニンは97%と高いものの、アセトン可溶成分は38%であったことから、連続処理によるリグニン誘導体の選択的な分離が確認された。これは、アセトン可溶な低分子リグニンであるリグニン誘導体が、210℃以上の亜臨界水に溶解し、選択的に分離回収されていることを示唆するものである。   This result shows the possibility of separating the resin raw material without using an organic solvent such as acetone, and is extremely important. In FIG. 6, the evaluation result of the solid substance after a process of Run-06 (FIG. 5) was shown. As described above, in the batch test results using the same cedar powder, although Klason lignin was as high as 97%, the acetone-soluble component was 38%. confirmed. This suggests that the lignin derivative, which is an acetone-soluble low molecular weight lignin, is dissolved in subcritical water at 210 ° C. or higher and selectively separated and recovered.

本発明では、リグノセルロース系バイオマスを粉砕し、水と混合することで水スラリーとするが、この場合、水スラリー化方法及び装置は、適宜の手段を使用することができ、その手段は、特に限定されるものではない。本発明は、亜臨界水によるリグノセルロース系バイオマスからリグニン誘導体を主成分とする樹脂原料を高効率に製造する方法及びその装置を提供するものである。   In the present invention, lignocellulosic biomass is pulverized and mixed with water to form a water slurry. In this case, the water slurrying method and apparatus can use appropriate means, and the means is particularly It is not limited. The present invention provides a method and an apparatus for producing a resin raw material mainly composed of a lignin derivative from lignocellulosic biomass using subcritical water with high efficiency.

本発明は、リグノセルロース系バイオマスからリグニン樹脂原料を製造する方法において、リグノセルロース系バイオマスを粉砕し、水と混合することで水スラリーとし、該水スラリーを250℃以上374℃以下の温度で、その温度における飽和水蒸気圧以上の圧力のもと、30分以上処理を行い、反応終了後、200〜250℃で固液分離を行うことを特徴とするものである。 The present invention is a method for producing a lignin resin raw material from lignocellulosic biomass, pulverizing lignocellulosic biomass and mixing with water to form a water slurry, the water slurry at a temperature of 250 ° C or more and 374 ° C or less, The treatment is performed for 30 minutes or more under a pressure equal to or higher than the saturated water vapor pressure at that temperature, and solid-liquid separation is performed at 200 to 250 ° C. after completion of the reaction.

本発明では、固体としての高分子リグニン成分を分離し、高温熱水可溶成分としてのヘミセルロース加水分解物、セルロース加水分解物と、樹脂原料となる低分子リグニン誘導体を分けとり、200〜250℃を保持したまま高温高圧回収受器に受け、受器の中で100℃以下に冷却するか、或いは200〜250℃の状態から直接大気圧下へフラッシュして100℃以下とする。 In the present invention, the polymeric lignin components as a solid separated, which divides hemicellulose hydrolyzate as high temperature water soluble component, cellulose hydrolyzate, low molecular lignin derivative as a resin material, 200 to 250 ° C. Is held in a high-temperature and high-pressure recovery receiver, and cooled to 100 ° C. or lower in the receiver, or flushed from 200 to 250 ° C. directly to atmospheric pressure to 100 ° C. or lower.

そして、本発明では、それにより、ヘミセルロース加水分解物とセルロース加水分解物を低温熱水可溶成分のまま分離し、リグニン誘導体を主成分とした樹脂原料をグリース状で分離することにより、反応器出口ラインにおける閉塞を回避して、リグニン誘導体を主成分とした樹脂原料を高効率で製造する方法及びその装置を提供することが可能となり、また、低温熱水可溶成分として回収されたヘミセルロースとセルロースの加水分解物である糖や有機酸を、発酵原料やその他の原料として用いることにより、経済的なリグニン誘導体を主成分とした樹脂原料の連続製造方法を提供することが可能となる。   In the present invention, the hemicellulose hydrolyzate and the cellulose hydrolyzate are separated as they are in a low-temperature hot water soluble component, and the resin raw material mainly composed of a lignin derivative is separated in the form of grease, thereby providing a reactor. It is possible to provide a method and apparatus for efficiently producing a resin raw material mainly composed of a lignin derivative by avoiding clogging in the outlet line, and the hemicellulose recovered as a low temperature hot water soluble component and By using sugar or organic acid, which is a hydrolyzate of cellulose, as a fermentation raw material or other raw material, it is possible to provide an economical method for continuously producing a resin raw material mainly composed of a lignin derivative.

本発明により、次のような効果が奏される。
(1)亜臨界水処理により、リグノセルロース系バイオマスからリグニン誘導体を主成分とした樹脂原料をグリース状固形物として、分離、回収できる樹脂原料の連続製造方法及びその装置を提供することができる。
(2)200〜250℃の温度制御と高温高圧固液分離操作を組み合わせることにより、高分子リグニンと低分子リグニン誘導体の選択的な抽出、分離が可能であり、長時間運転においても、低分子リグニン誘導体を選択的に分離することが可能である。
(3)反応器出口ラインの温度を200〜250℃に保温することで、固形物による閉塞を回避することができる。
(4)杉原料の300℃処理において、樹脂原料収率は20%近い数値となり、これを対バイオマス投入中全リグニン比に換算すると、55%を達成できる。
(5)本処理は、杉(木質・針葉樹)、楓(木質・広葉樹)、竹(木質)、稲わら(草本系)などと、多くのリグノセルロース系バイオマスに適用が可能である。
(6)アセトンなどの有機溶媒を用いずに、リグニン誘導体を主成分とした樹脂原料を、選択的に分離することができる。
(7)有機溶媒を使用せず、リグニン誘導体を主成分とした樹脂原料の連続製造方法を提供できる。
(8)本発明により、バイオマス固形物濃度が15重量%の高濃度スラリーの運転が可能であり、リグニン誘導体を主成分とした樹脂原料の連続製造方法を提供できる。
(9)本発明は、ヘミセルロースとセルロースの加水分解物である糖や有機酸を水可溶成分として分離でき、リグニン誘導体を主成分とした樹脂原料の連続製造方法を提供するものとして有用である。
The present invention has the following effects.
(1) By the subcritical water treatment, it is possible to provide a resin raw material continuous production method and apparatus capable of separating and recovering a resin raw material mainly composed of a lignin derivative from lignocellulosic biomass as a grease-like solid.
(2) By combining temperature control at 200 to 250 ° C. and high-temperature and high-pressure solid-liquid separation operation, it is possible to selectively extract and separate high molecular weight lignin and low molecular weight lignin derivatives. It is possible to selectively separate lignin derivatives.
(3) By keeping the temperature of the reactor outlet line at 200 to 250 ° C. , it is possible to avoid clogging with solid matter.
(4) In the treatment of cedar raw materials at 300 ° C., the resin raw material yield is a value close to 20%, and when converted to the total lignin ratio during biomass input, 55% can be achieved.
(5) This treatment can be applied to many lignocellulosic biomass such as cedar (woody / coniferous), firewood (woody / hardwood), bamboo (woody), rice straw (herbaceous) and the like.
(6) Without using an organic solvent such as acetone, it is possible to selectively separate a resin raw material mainly composed of a lignin derivative.
(7) It is possible to provide a continuous production method of a resin raw material mainly containing a lignin derivative without using an organic solvent.
(8) According to the present invention, a high-concentration slurry having a biomass solids concentration of 15% by weight can be operated, and a continuous process for producing a resin raw material mainly composed of a lignin derivative can be provided.
(9) The present invention is useful as a method for providing a continuous process for producing a resin raw material mainly composed of a lignin derivative, which can separate sugars and organic acids, which are hydrolysates of hemicellulose and cellulose, as water-soluble components. .

亜臨界水処理により得られる処理後固形物の分別・分析方法を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the classification and analysis method of the solid substance after a process obtained by subcritical water treatment. 亜臨界水処理バッチ試験(杉木粉)の結果を示す。The result of a subcritical water treatment batch test (Sugigi powder) is shown. 連続処理装置のブロックフローシートを示す。The block flow sheet of a continuous processing device is shown. 連続処理装置の詳細フローシートを示す。The detailed flow sheet of a continuous processing apparatus is shown. 反応器出口ライン−固形物閉塞の検討結果を示す。The examination result of reactor outlet line-solid matter blockage is shown. 図5のRun−06の処理後固形物の評価についての説明図である。It is explanatory drawing about evaluation of the solid substance after the process of Run-06 of FIG. リグニン誘導体を主成分とした樹脂原料の連続製造装置の実施形態の一例を示す。An example of embodiment of the continuous manufacturing apparatus of the resin raw material which has a lignin derivative as a main component is shown. 亜臨界水抽出装置のフローダイアグラムの説明図である。It is explanatory drawing of the flow diagram of a subcritical water extraction apparatus. 亜臨界水抽出実験の結果を示す。The result of subcritical water extraction experiment is shown.

次に、添付図面を参照して、本発明の実施の形態を具体的に説明する。以下に、リグニン誘導体を主成分とした樹脂原料の連続製造装置の実施形態の一例を示す。図7は、200〜250℃での固液分離操作をろ過で行い、200〜250℃から100℃以下の冷却操作を大気圧下へのフラッシュ(急減圧)で実施した場合のブロックフローを示す。 Next, embodiments of the present invention will be specifically described with reference to the accompanying drawings. Below, an example of embodiment of the continuous manufacturing apparatus of the resin raw material which has a lignin derivative as a main component is shown. Figure 7 is performed by filtering the solid-liquid separation at 200 to 250 ° C., illustrates a block flow when carrying out the cooling operation of 100 ° C. or less from 200 to 250 ° C. by flash to atmospheric pressure (rapid decompression) .

図において、1はスラリー化装置、2は高圧ポンプシステム、3は反応器、4は熱媒加熱器、6は冷却塔、8はプロダクト貯槽、9は高温高圧ろ過器、10はフラッシュ装置、11は固液分離装置、12は凝縮器を各々示す。本図には図示していないが、リグノセルロース系バイオマスが未粉砕の状態であれば、スラリー化装置の前段に、0.5mm以下のバイオマス粉にする粉砕装置の設置が必要である。この粉砕には、ボールミルなどの一般的な機械粉砕装置を用いることが可能である。   In the figure, 1 is a slurrying device, 2 is a high-pressure pump system, 3 is a reactor, 4 is a heating medium heater, 6 is a cooling tower, 8 is a product storage tank, 9 is a high-temperature high-pressure filter, 10 is a flash device, 11 Indicates a solid-liquid separator, and 12 indicates a condenser. Although not shown in the figure, if the lignocellulosic biomass is in an unground state, it is necessary to install a pulverizing device for converting the biomass powder to 0.5 mm or less before the slurrying device. For this pulverization, a general mechanical pulverizer such as a ball mill can be used.

粉砕された原料に、所定量の水を加え、スラリー化装置1により均一な水スラリーを調製した。スラリー化装置には、ミル方式、回転式、高圧式、超音波式、石臼式など、種々の方式の装置が採用される。水スラリーは、高圧ポンプシステム2により反応器3へ高圧・定量供給されるが、前述したように、ほとんど流動性を有していないため、通常のスラリーポンプでは供給が困難であり、特殊なピストンポンプの使用に限定される。   A predetermined amount of water was added to the pulverized raw material, and a uniform water slurry was prepared by the slurrying apparatus 1. Various apparatuses such as a mill system, a rotary system, a high pressure system, an ultrasonic system, and a stone mill system are employed as the slurrying apparatus. The water slurry is supplied to the reactor 3 at a high pressure and a fixed amount by the high pressure pump system 2, but as described above, since it has almost no fluidity, it is difficult to supply with a normal slurry pump, and a special piston is used. Limited to the use of pumps.

例えば、Putzmeister社や、Weil Minerals社のダブルピストンポンプなどが挙げられるが、対象とするリグノセルロース系バイオマスの種類は多く、その性状によっては圧入できない場合もある。その場合、図3で説明した、専用の高圧ポンプシステム(低圧スラリーポンプ、ピストン付きインジェクションタンク、高圧水ポンプより構成)を採用することも可能である。   For example, there are double piston pumps of Putzmeister and Weil Minerals, but there are many types of lignocellulosic biomass, which may not be press-fit depending on the properties. In that case, it is also possible to employ a dedicated high-pressure pump system (consisting of a low-pressure slurry pump, an injection tank with a piston, and a high-pressure water pump) described in FIG.

昇圧された水スラリーは、反応器3の下部より導入され、縦型上昇流式の高圧容器内を通過する間に加熱され、反応が行われる。反応器内には、前述したような特殊なスクレーパが装着されている。スラリーの加熱は、熱媒加熱器4で行うが、熱源は、小型であれば、電気式が選択され、容量が大きくなれば、都市ガス、LPG、灯油、重油などが選択される。熱媒は、操作圧力を低くするために、専用の熱媒体油、例えば、Dowtherm Aや、NeoSK−OILなどが選定される。   The pressurized water slurry is introduced from the lower part of the reactor 3 and heated while passing through the vertical upflow type high-pressure vessel to cause the reaction. A special scraper as described above is installed in the reactor. The slurry is heated by the heat medium heater 4. If the heat source is small, an electric type is selected, and if the capacity is large, city gas, LPG, kerosene, heavy oil, or the like is selected. As the heat medium, a dedicated heat medium oil such as Dowtherm A or NeoSK-OIL is selected in order to reduce the operating pressure.

加熱時の熱媒状態は、気相、液相どちらでも良いが、伝熱能力とシステム構成を検討して適宜選択される。反応器では、250〜300℃で30分以上処理が行われ、リグノセルロース系バイオマスの構成成分であるヘミセルロース、セルロースは大半が加水分解を受けて、糖類や有機酸などの水可溶の状態となる。ただし、一部は炭化物や油状物質になる。   The state of the heat medium during heating may be either a gas phase or a liquid phase, but is appropriately selected in consideration of the heat transfer capability and the system configuration. In the reactor, the treatment is carried out at 250 to 300 ° C. for 30 minutes or more, and hemicellulose and cellulose, which are components of lignocellulosic biomass, are mostly hydrolyzed and are in a water-soluble state such as sugars and organic acids. Become. However, some become carbide and oily substances.

一方、リグニンは、加水分解を受けて親水基を有した低分子のリグニン誘導体と疎水性の高分子リグニンとになる。反応器出口では、これらが混合状態の高温高圧プロダクトとして排出され、高温高圧ろ過器9に導入される。ろ過器は、高圧容器と容器内部に設置されたフィルターから構成されており、フィルターには、金属性の網メッシュや焼結金属などが用いられる。   On the other hand, lignin is hydrolyzed into a low molecular weight lignin derivative having a hydrophilic group and a hydrophobic polymer lignin. At the outlet of the reactor, these are discharged as a mixed high-temperature and high-pressure product and introduced into the high-temperature and high-pressure filter 9. The filter is composed of a high-pressure vessel and a filter installed inside the vessel, and a metallic mesh or sintered metal is used for the filter.

200〜250℃に保たれたろ過器9で補足される固形物は、高分子の疎水性リグニンを主成分とするが、セルロースなどが炭化した固形物も含まれる。一方、ろ過器を通過した液体(高温熱水可溶成分)には、ヘミセルロース加水分解物、セルロース加水分解物に加え、低分子となったリグニン誘導体、更にはセルロース由来の油状物質も少量含まれる。 The solid matter supplemented by the filter 9 maintained at 200 to 250 ° C. is mainly composed of a high-molecular hydrophobic lignin, but also includes a solid matter obtained by carbonizing cellulose or the like. On the other hand, the liquid (high temperature hot water soluble component) that has passed through the filter contains a small amount of hemicellulose hydrolyzate, cellulose hydrolyzate, low molecular weight lignin derivative, and cellulose-derived oily substance. .

なお、ろ過は、バッチ操作であるので、完全な連続操作を行うためには、複数のろ過器を設置し、ろ過器前後の差圧などを指標にして切り替えを行えば連続操作も可能となる。ろ過器を通過した液体(高温熱水可溶成分)は、温度を200〜250℃に保持されたままフラッシュ装置10に導入される。フラッシュ装置は、高温高圧用の圧力コントロール弁と、大気圧下に噴出された混合物を蒸気と液体・固体物とに分離するセパレータから構成されている。 Since filtration is a batch operation, in order to perform a complete continuous operation, it is possible to perform a continuous operation by installing a plurality of filters and switching using the differential pressure before and after the filter as an index. . The liquid (high-temperature hot water soluble component) that has passed through the filter is introduced into the flash device 10 while maintaining the temperature at 200 to 250 ° C. The flash device is composed of a pressure control valve for high temperature and high pressure, and a separator that separates a mixture ejected under atmospheric pressure into vapor and liquid / solid matter.

圧力コントロール弁は、石炭液化装置や汚泥油化装置などで使用された弁、例えば、アングル弁((株)山武製)などが採用可能であるが、ニードルと弁座を摩耗性の高い材質、例えば、タングステンカーバイト、セラミクス、ダイヤモンドライクカーボン(DLC)などとすれば、一般的なコントロール弁でも特に問題ない。セパレータは、円筒形の縦型容器とし、噴出された混合物を接線方向から流入させ、遠心力を利用して蒸気を上部に、液体・固体物を下部に分離する方式などが用いられる。   The pressure control valve can be a valve used in a coal liquefaction device or a sludge oiling device, such as an angle valve (manufactured by Yamatake Corporation). For example, if tungsten carbide, ceramics, diamond-like carbon (DLC) or the like is used, there is no particular problem even with a general control valve. The separator is a cylindrical vertical container, in which a jetted mixture is allowed to flow in from a tangential direction, and a method of separating a vapor into an upper part and a liquid / solid substance into a lower part using a centrifugal force is used.

ここで分離された蒸気は、凝縮器12に流入され、冷却されて蒸発凝縮水と不凝縮性のガスとに分けられる。蒸発凝縮水には、揮発性の低い有機酸が含まれ、ガスは二酸化炭素が主成分である。一方、セパレータ下部から排出される液体/固体混合物は、プロダクト貯槽8に貯められ、随時、固液分離装置11で処理される。   The vapor | steam isolate | separated here flows in into the condenser 12, is cooled, and is divided into evaporative condensed water and non-condensable gas. The evaporated condensed water contains an organic acid having low volatility, and the gas is mainly composed of carbon dioxide. On the other hand, the liquid / solid mixture discharged from the lower part of the separator is stored in the product storage tank 8 and processed by the solid-liquid separator 11 as needed.

固液分離装置としては、比重差分離方式や遠心分離方式が採用可能であり、ヘミセルロース加水分解物、セルロース加水分解物などの低温熱水可溶成分を含む液体と、リグニン誘導体を主成分とするグリース状固体とに分離される。以上のように、本装置を用いることで、リグノセルロース系バイオマスを亜臨界水状態で連続的に処理でき、特定の温度域で分離を適切に行えば、リグニン誘導体を主成分とする樹脂原料が、有機溶媒を使用することなく、連続的に製造できる。   As the solid-liquid separation device, a specific gravity difference separation method or a centrifugal separation method can be adopted, and a liquid containing a low-temperature hot water-soluble component such as a hemicellulose hydrolyzate or a cellulose hydrolyzate and a lignin derivative as main components. Separated into a greasy solid. As described above, by using this apparatus, lignocellulosic biomass can be continuously processed in a subcritical water state, and if separation is appropriately performed in a specific temperature range, a resin raw material mainly composed of a lignin derivative can be obtained. It can be continuously produced without using an organic solvent.

次に、実施例に基づいて本発明を具体的に説明するが、本発明は、以下の実施例によって何ら限定されるものではない。   EXAMPLES Next, although this invention is demonstrated concretely based on an Example, this invention is not limited at all by the following Examples.

本実施例では、リグニン誘導体が高温熱水に可溶であるかを実験的に検証した。始めに、上述のバッチ式装置により、杉木粉と水の混合物(固形物濃度10重量%)を300℃・9MPa・30分で処理し、得られた残渣固形物(クラーソンリグニン率90%、アセトン可溶成分率40%)を約3g程度、専用に構築した亜臨界水抽出装置に仕込み、温度を種々変えて、亜臨界水による抽出を試みた。亜臨界水抽出装置の概要を図8に示す。   In this example, it was experimentally verified whether the lignin derivative is soluble in high-temperature hot water. First, by using the batch-type apparatus described above, a mixture of cedar wood powder and water (solids concentration 10% by weight) was treated at 300 ° C., 9 MPa, 30 minutes, and the resulting solid residue (Klason lignin ratio 90%, About 3 g of acetone-soluble component ratio) was charged in a specially constructed subcritical water extraction apparatus, and extraction with subcritical water was attempted at various temperatures. An outline of the subcritical water extraction apparatus is shown in FIG.

抽出容器は、1/2インチチューブで構成し、L:150mm、容積:13.5mlとし、前後にフィルター(目開き7μm)を設置し、容器内の固形物の流出を防止した。この抽出容器に所定の温度・圧力の亜臨界水(150〜300℃・圧力は9MPaで一定)を電気式の加熱器で製造し、2.5g/分の流量で約3時間流通させた。抽出容器を出た亜臨界水は、二重管式の冷却器で室温付近まで冷却し、フィルターを通した後に、ばね式保圧弁でシステムの圧力を9MPaに保ちながら減圧した。   The extraction container was composed of a 1/2 inch tube, L: 150 mm, volume: 13.5 ml, and a filter (opening 7 μm) was installed in front and back to prevent the solid matter from flowing out. Subcritical water (150 to 300 ° C., pressure is constant at 9 MPa) having a predetermined temperature and pressure was produced in this extraction vessel with an electric heater and allowed to flow for about 3 hours at a flow rate of 2.5 g / min. The subcritical water exiting the extraction vessel was cooled to near room temperature with a double tube type cooler, passed through a filter, and then reduced in pressure while maintaining the system pressure at 9 MPa with a spring pressure holding valve.

ここで用いた二重管式冷却器の内管は、抽出容器と同じ1/2インチチューブを用い、外管を3/4インチチューブとして、内管と外管の環状部を水で冷却した。冷却器の内管を1/2インチチューブとしたのは、抽出容器を熱水とともに流出した高温熱水可溶成分が冷却器内で析出しても閉塞して圧力上昇を起こすのを防ぐためである。   The inner tube of the double tube cooler used here is the same 1/2 inch tube as the extraction container, the outer tube is a 3/4 inch tube, and the annular portion of the inner tube and the outer tube is cooled with water. . The reason why the inner tube of the cooler is a 1/2 inch tube is to prevent the high temperature hot water soluble components that flowed out of the extraction vessel together with hot water from clogging even if it precipitates in the cooler and causing pressure rise. It is.

亜臨界水抽出における温度と、固形物流出率(%)、及びアセトン可溶成分抽出率(%)の関係を調べた。その結果を、図9に示す。なお、固形物流出率は、仕込んだ残存固形物重量に対する流出した固形物重量の比と定義したが、実際には、抽出容器内に残存した量を測定し、その差分として求めた。   The relationship between the temperature in subcritical water extraction, the solids outflow rate (%), and the acetone soluble component extraction rate (%) was investigated. The result is shown in FIG. The solids outflow rate was defined as the ratio of the solids outflowed to the weight of the remaining solids charged, but actually the amount remaining in the extraction container was measured and obtained as the difference.

また、亜臨界水によるアセトン可溶成分抽出率は、仕込んだ残存固形物中のアセトン可溶成分量に対する流出した固形物中のアセトン可溶成分量の比として定義したが、流出した固形物が100%アセトン可溶として求めた。ただし、回収できた流出物をアセトンで抽出した結果、100%アセトン可溶であることは実験的に確認した。図に示されるように、250℃の実験では、仕込んだ残存固形物中のアセトン可溶成分ほぼ全量が抽出されたことが分かる。これに対し、200℃では60%弱の結果となった。   The extraction ratio of acetone-soluble components with subcritical water was defined as the ratio of the amount of acetone-soluble components in the spilled solids to the amount of acetone-soluble components in the charged residual solids. It was determined as 100% acetone soluble. However, as a result of extracting the recovered effluent with acetone, it was experimentally confirmed that it was 100% acetone soluble. As shown in the figure, it can be seen that in the experiment at 250 ° C., almost all of the acetone-soluble component in the charged residual solid was extracted. In contrast, at 200 ° C., the result was a little less than 60%.

しかしながら、前述した図5の連続実験の結果では、210℃以上とすることにより、閉塞がなくなり、ラインでの固形物析出が防止でき、その時、受器内で回収された固形物は、ほぼ全量がアセトン可溶成分であったこと考え合わせると、亜臨界水実験は、純粋な高温熱水への溶解性を評価しているのに対し、連続実験系では、ヘミセルロース、セルロースの加水分解物である有機酸などとの共存状態での溶解性であり、より低い温度域で全量が溶解できていた可能性が高いと考えられる。   However, in the result of the continuous experiment shown in FIG. 5 described above, by setting the temperature to 210 ° C. or higher, clogging is eliminated and solid matter precipitation in the line can be prevented. At that time, almost all of the solid matter recovered in the receiver is obtained. Subcritical water experiments have evaluated the solubility in pure high-temperature hot water, while the continuous experimental system uses hemicellulose and cellulose hydrolyzate. It is soluble in the coexistence state with a certain organic acid, and it is considered highly possible that the entire amount was dissolved in a lower temperature range.

また、300℃の実験では、アセトン可溶成分率が120%と評価され、仕込んだ量以上となるが、これは、300℃の亜臨界抽出の過程で、リグニンが更に低分子化されたことを示唆している。いずれにしても、本実施例は、アセトンなどの有機溶媒を使用せずに、温度制御により、樹脂原料を分離できる可能性を明確に示した。   In addition, in the experiment at 300 ° C., the acetone soluble component ratio was evaluated as 120%, which is more than the charged amount. This is because lignin was further reduced in the molecular weight in the process of subcritical extraction at 300 ° C. It suggests. In any case, this example clearly showed the possibility of separating the resin raw material by controlling the temperature without using an organic solvent such as acetone.

本実施例では、連続運転におけるフィルター付着固形物とともに、クラーソンリグニン率とアセトン可溶成分率を調べた。図4に示した連続処理装置の反応器出口ラインに、高温高圧ろ過器を設置し、反応器出口から減圧装置受器までを210℃以上に熱媒で保持して、連続運転を行った。対象物は、杉木粉とし、水を加えて固形物濃度を10重量%の水スラリーに調整したものを用いた。反応条件は、300℃・9MPaとして、流量を20g/分とした。   In this example, the Klarson lignin ratio and the acetone-soluble component ratio were examined together with the solid matter adhering to the filter in the continuous operation. A high-temperature and high-pressure filter was installed in the reactor outlet line of the continuous processing apparatus shown in FIG. 4, and the operation from the reactor outlet to the pressure reducing device receiver was held at 210 ° C. or higher with a heat medium to perform continuous operation. The object was cedar powder, and water was added to adjust the solid concentration to a 10% by weight water slurry. The reaction conditions were 300 ° C. and 9 MPa, and the flow rate was 20 g / min.

連続運転は、温度、圧力ともほぼ変動が見られず、閉塞などの問題を生じることなく終了した。運転翌日に、高温高圧ろ過器を外し、フィルターに付着した固形物を採取した。並行して、減圧装置受器内でグリース状固形物を採取して、フィルター付着固形物とともに、クラーソンリグニン率とアセトン可溶成分率を測定した。   The continuous operation was completed without causing problems such as blockage, with almost no fluctuations in temperature and pressure. On the next day of operation, the high-temperature and high-pressure filter was removed, and the solid matter attached to the filter was collected. In parallel, a grease-like solid was collected in the vacuum apparatus receiver, and the Klarson lignin ratio and the acetone-soluble component ratio were measured together with the filter-attached solid.

その結果、クラーソンリグニン率は、両サンプルともほぼ100%であったが、アセトン可溶成分率は、フィルター付着固形物が2%であるのに対し、グリース状固形物はほぼ100%と大きく異なる結果であった。この結果は、高温高圧ろ過器で阻止された固形物は、高分子リグニンを主体とした成分であり、減圧装置受器で得られたグリース状固形物は、低分子リグニン誘導体を主成分とする樹脂原料であることを示した。   As a result, the Klarson lignin rate was almost 100% in both samples, but the acetone soluble component rate was 2% for the filter-attached solids, while the grease-like solids were almost 100%. The results were different. As a result, the solid matter blocked by the high-temperature high-pressure filter is a component mainly composed of polymer lignin, and the grease-like solid obtained by the pressure reducing device receiver is mainly composed of a low-molecular lignin derivative. It was shown to be a resin raw material.

本実施例では、連続圧入が可能な固形物濃度を検討した。バイオマス/水スラリーにおけるバイオマス固形物濃度は、処理装置の規模やエネルギーバランスに直接的に大きな影響を及ぼし、固形物濃度が高いほど、経済性は良好となる。しかしながら、固形物濃度が高くなるにつれて流動性は悪くなり、ある濃度以上では連続圧入が実質上不可能となる。   In this example, the solid concentration capable of continuous press-fitting was examined. The biomass solids concentration in the biomass / water slurry directly affects the scale and energy balance of the processing apparatus, and the higher the solids concentration, the better the economy. However, as the solid concentration increases, the fluidity deteriorates, and continuous press-fitting becomes virtually impossible above a certain concentration.

対象物は、杉木粉とし、固形物濃度が5,10,15,20重量%となるように水を加えた後、スラリー化装置(高速せん断型ホモジナイザー)で均質化処理を行った。均質化処理後の各種濃度のスラリーを、図4に示した連続処理装置の低圧スラリーポンプ(モーノポンプ)ホッパーに充填し、反応器へ挿入できるかどうかを検討した。   The object was cedar wood powder, water was added so that the solids concentration would be 5, 10, 15, and 20% by weight, and homogenization was performed with a slurrying device (high-speed shearing homogenizer). The slurry of various concentrations after the homogenization treatment was filled in the low-pressure slurry pump (Mono pump) hopper of the continuous treatment apparatus shown in FIG. 4 and examined whether it could be inserted into the reactor.

その結果、固形物濃度が15%までのスラリーは、ほぼ問題なく送液が可能であったが、20%スラリーでは、固形物が配管内で留まり水だけが送られる結果(すなわち、圧搾)となり、最終的に圧力上昇が起こり、自動停止となった。その後、この高濃度スラリーを再度スラリー化装置により長時間の処理を施して同様の実験を行ったが、結果は同様であった。以上の結果より、安定した連続圧入が可能な固形物濃度は、15重量%と結論した。   As a result, a slurry with a solids concentration of up to 15% could be sent with almost no problem. However, with a 20% slurry, the solids remained in the pipe and only water was sent (ie, pressing). Eventually, a pressure increase occurred and the automatic stop occurred. Thereafter, this high-concentration slurry was treated again for a long time using a slurrying apparatus, and the same experiment was conducted. The result was the same. From the above results, it was concluded that the solid concentration capable of stable continuous injection was 15% by weight.

以上詳述した通り、本発明は、リグノセルロース系バイオマスを原料としたリグニン誘導体を主成分とした樹脂原料の製造方法及びその装置に係るものであり、本発明により、亜臨界水によるリグノセルロース系バイオマスから低分子リグニン誘導体を固形物として、分離、回収できる樹脂原料の連続製造方法及びその装置を提供することができる。本発明では、温度制御と高温高圧固液分離を組み合わせることにより、高分子リグニンと低分子リグニン誘導体の選択的な抽出、分離が可能であり、長時間運転においても、低分子リグニン誘導体を選択的に分離することが可能である。本発明は、反応器出口ラインの温度を200〜250℃に保持することで、固形物による閉塞を回避することができ、樹脂原料収率(バイオマス投入量に対する低分子リグニン誘導体の比)は、多くのリグノセロース系バイオマスに対してほぼ20%を達成することが可能である。本発明は、アセトンなどの有機溶媒を用いずに低分子リグニン誘導体を選択的に分離することができ、経済的かつ高効率なリグニン誘導体を主成分とした樹脂原料の連続製造方法とその装置を提供するものとして有用である。 As described above in detail, the present invention relates to a method and apparatus for producing a resin raw material mainly composed of a lignin derivative using lignocellulosic biomass as a raw material, and according to the present invention, lignocellulosic based on subcritical water is provided. It is possible to provide a continuous process for producing a resin raw material and a device thereof that can separate and recover a low molecular weight lignin derivative from biomass as a solid. In the present invention, by combining temperature control and high-temperature and high-pressure solid-liquid separation, it is possible to selectively extract and separate high molecular weight lignin and low molecular weight lignin derivative. Can be separated. In the present invention, by keeping the temperature of the reactor outlet line at 200 to 250 ° C. , it is possible to avoid clogging by solids, and the resin raw material yield (ratio of low molecular weight lignin derivative to biomass input) is Nearly 20% can be achieved for many lignocellose biomass. The present invention provides an economical and highly efficient method for continuously producing a resin raw material comprising a lignin derivative as a main component and its apparatus, which can selectively separate a low molecular weight lignin derivative without using an organic solvent such as acetone. Useful for providing.

Claims (19)

ヘミセルロース、セルロース及びリグニンを主成分とするリグノセルロース系バイオマスから樹脂原料を製造する方法において、
該バイオマスを粉砕し、水と混合することで水スラリーとし、該水スラリーを250℃以上374℃以下の温度で、その温度における飽和水蒸気圧以上の圧力のもと、30分以上連続処理を行い、反応終了後、200〜250℃で固液分離を行うことにより、固体と高温熱水可溶成分を分離し、該高温熱水可溶成分を100℃以下に温度を低下させることで、低温熱水可溶成分とグリース状の樹脂原料とに分離することを特徴とするリグノセルロース系バイオマスからの樹脂原料の連続的な製造方法。
In a method for producing a resin raw material from lignocellulosic biomass mainly composed of hemicellulose, cellulose and lignin,
The biomass is pulverized and mixed with water to form a water slurry, and the water slurry is subjected to continuous treatment at a temperature of 250 ° C. or higher and 374 ° C. or lower under a pressure equal to or higher than the saturated water vapor pressure at that temperature for 30 minutes or longer. After completion of the reaction, solid-liquid separation is performed at 200 to 250 ° C. to separate the solid and the high-temperature hot water soluble component, and the temperature is lowered to 100 ° C. or lower to lower the temperature. A continuous process for producing a resin raw material from lignocellulosic biomass, characterized in that it is separated into a hot water soluble component and a grease-like resin raw material.
水スラリーを300℃以下の温度で処理する、請求項1に記載の樹脂原料の連続的な製造方法。   The continuous manufacturing method of the resin raw material of Claim 1 which processes a water slurry at the temperature of 300 degrees C or less. 200〜250℃での固液分離操作が、ろ過、或いは比重差分離による操作である請求項1又は2に記載の樹脂原料の連続的な製造方法。 The method for continuously producing a resin raw material according to claim 1 or 2, wherein the solid-liquid separation operation at 200 to 250 ° C is an operation by filtration or specific gravity difference separation. 200〜250℃で分離された高温熱水可溶成分を100℃以下に温度を低下させる方法が、200〜250℃を保持したまま高温高圧回収受器に受け、受器の中で100℃以下に冷却するか、或いは200〜250℃の状態から直接大気圧下へフラッシュして100℃以下とする、請求項1−3のいずれかに記載の樹脂原料の連続的な製造方法。 A method of lowering the temperature of a high-temperature hot water-soluble component separated at 200 to 250 ° C. to 100 ° C. or lower is received by a high-temperature and high-pressure recovery receiver while maintaining 200 to 250 ° C. The method for continuous production of a resin raw material according to any one of claims 1 to 3, wherein the resin raw material is cooled to 100 ° C or lower by being directly cooled to 200 ° C or 250 ° C under atmospheric pressure. 水スラリー中の固形物濃度が、最大15%(含水率85%以上)である、請求項1−4のいずれかに記載の樹脂原料の連続的な製造方法。   The continuous manufacturing method of the resin raw material in any one of Claims 1-4 whose solid substance concentration in a water slurry is 15% at the maximum (water content 85% or more). 請求項1に記載の樹脂原料の連続的な製造方法で使用する装置であって、水スラリーを高圧供給するポンプシステム、亜臨界水反応を行う反応器、該反応器で処理した反応物を排出する反応器出口ライン、該反応器出口ラインからの反応物を回収する受器、上記反応器出口ラインの途中に設置された固液分離器を構成要素として含み、上記反応器で処理された200〜250℃の高温熱水可溶成分と固体物を上記固液分離器で分離し、高温熱水可溶成分を200〜250℃を保持したまま上記受器に受け、受器の中で100℃以下に温度を低下させることにより、樹脂原料をグリース状の固形物として析出させ、低温熱水可溶成分と分離することにより、樹脂原料を回収するようにしたことを特徴とするリグノセルロース系バイオマスからの樹脂原料の連続的な製造装置。 It is an apparatus used with the continuous manufacturing method of the resin raw material of Claim 1, Comprising: The pump system which supplies a water slurry at high pressure, the reactor which performs subcritical water reaction, The reaction material processed by this reactor is discharged | emitted A reactor outlet line, a receiver for recovering the reactant from the reactor outlet line, and a solid-liquid separator installed in the middle of the reactor outlet line as components, and processed in the reactor 200 The high-temperature hot water-soluble component at ˜250 ° C. and the solid are separated by the solid-liquid separator, and the high-temperature hot water-soluble component is received at the receiver while maintaining the temperature of 200-250 ° C. Lignocellulosic system characterized in that the resin raw material is recovered by lowering the temperature to below ℃ to precipitate the resin raw material as a grease-like solid and separating it from the low-temperature hot water soluble component From biomass Continuous production apparatus fat feedstock. 上記固液分離器が、ろ過器、或いは比重差分離器である、請求項6に記載の装置。   The apparatus according to claim 6, wherein the solid-liquid separator is a filter or a specific gravity difference separator. 反応器出口ライン(反応器出口から受器)を200〜250℃に保つ保温加熱手段を有する、請求項6又は7に記載の装置。 The apparatus of Claim 6 or 7 which has a heat insulation heating means which maintains a reactor exit line (reactor exit to a receiver) at 200-250 degreeC . 保温加熱手段が、熱媒加熱である、請求項8に記載の装置。   The apparatus according to claim 8, wherein the heat retaining heating means is heating medium heating. 受器内に収容した高温熱水可溶成分を100℃以下に冷却する手段を有する、請求項6−9のいずれかに記載の装置。   The apparatus in any one of Claims 6-9 which has a means to cool the high temperature hot water soluble component accommodated in the receiver to 100 degrees C or less. 受器が内部にピストンを有し、ピストンの片側に高温熱水可溶性成分を受入れ、ピストンの反対側に充填されている高圧水を所定の圧力で排出することにより、装置全体の圧力調整を行うとともに、高温熱水可溶性成分を回収する、請求項6−10のいずれかに記載の装置。   The receiver has a piston inside, receives high-temperature hot water soluble components on one side of the piston, and discharges high-pressure water filled on the opposite side of the piston at a predetermined pressure, thereby adjusting the pressure of the entire device And the apparatus in any one of Claims 6-10 which collect | recovers high temperature hot water soluble components. 100℃以下に冷却する手段が、受器の外側に設置された冷却ジャケットである、請求項10に記載の装置。   The apparatus according to claim 10, wherein the means for cooling to 100 ° C. or lower is a cooling jacket installed outside the receiver. 受器にあらかじめ不活性ガスを所定の圧力で充填しておき、高温熱水可溶性成分を受入れることによるガス圧力上昇分を所定の圧力で排出することにより、装置全体の圧力調整を行うとともに、高温熱水可溶性成分を回収する、請求項6−10のいずれかに記載の装置。   The receiver is filled with an inert gas at a predetermined pressure in advance, and the gas pressure increase caused by receiving the high-temperature hot water soluble component is discharged at a predetermined pressure, thereby adjusting the pressure of the entire apparatus and The apparatus in any one of Claims 6-10 which collect | recovers a hot water soluble component. 100℃以下に冷却する手段が、受器内に挿入された冷却コイルである、請求項10に記載の装置。   The apparatus according to claim 10, wherein the means for cooling to 100 ° C. or less is a cooling coil inserted into the receiver. 請求項1に記載の樹脂原料の連続的な製造方法で使用する装置であって、水スラリーを高圧供給するポンプシステム、亜臨界水反応を行う反応器、該反応器で処理した反応物を排出する反応器出口ライン、該反応器出口ラインの途中に設置された固液分離器、該固液分離器からの液状物(高温熱水可溶成分)を直接大気圧下にフラッシュする減圧弁、フラッシュ後の反応物を回収する受器を構成要素として含み、上記反応器で処理された200〜250℃の高温熱水可溶成分と固体物を上記固液分離器で分離し、高温熱水可溶成分を200〜250℃の状態から直接大気圧まで減圧し、100℃以下に温度を低下させることにより、受器の中で樹脂原料をグリース状の固形物として析出させ、低温熱水可溶成分と分離することにより、樹脂原料を回収するようにしたことを特徴とするリグノセルロース系バイオマスからの樹脂原料の連続的な製造装置。 It is an apparatus used with the continuous manufacturing method of the resin raw material of Claim 1, Comprising: The pump system which supplies a water slurry at high pressure, the reactor which performs subcritical water reaction, The reaction material processed by this reactor is discharged | emitted A reactor outlet line, a solid-liquid separator installed in the middle of the reactor outlet line, a pressure reducing valve that flushes liquid (high temperature hot water soluble component) directly from the solid-liquid separator under atmospheric pressure, A receiver for recovering the reaction product after flushing is included as a component, and the high-temperature hot water soluble component at 200 to 250 ° C. and the solid material treated in the reactor are separated by the solid-liquid separator. By reducing the soluble component directly from 200 to 250 ° C. to atmospheric pressure and lowering the temperature to 100 ° C. or less, the resin raw material is precipitated as a grease-like solid in the receiver, and low temperature hot water is allowed. By separating it from the dissolved components, Continuous production apparatus for resin material from the lignocellulosic biomass characterized in that so as to recover. 上記固液分離器が、ろ過器、或いは比重差分離器である、請求項15に記載の装置。   The apparatus according to claim 15, wherein the solid-liquid separator is a filter or a specific gravity difference separator. 反応器出口ライン(反応器出口から受器)を200〜250℃に保つ保温加熱手段を有する、請求項15又は16に記載の装置。 The apparatus of Claim 15 or 16 which has a heat insulation heating means which maintains a reactor outlet line (reactor outlet to a receiver) at 200-250 degreeC . 保温加熱手段が、熱媒加熱である、請求項17に記載の装置。   The apparatus according to claim 17, wherein the heat retaining heating means is heating medium heating. フラッシュ後の反応物を蒸気と固液混合物に分離するセパレータを有し、蒸気は凝縮器により蒸発凝縮水とし、固液混合物を受器に受け入れる、請求項15−18のいずれかに記載の装置。   The apparatus according to any one of claims 15 to 18, further comprising a separator for separating the reaction product after flashing into a vapor and a solid-liquid mixture, wherein the vapor is evaporated into condensed water by a condenser and the solid-liquid mixture is received in a receiver. .
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