JP2013202019A - 反応槽及びその洗浄方法 - Google Patents

Abstract

【課題】１回の処理と次の処理との間に相当の期間がある場合、次の処理の開始前に槽内の洗浄と殺菌処理とを容易に行うことができる反応槽及びその洗浄方法を提供する。
【解決手段】反応槽３は、液体供給部４１に供給された液体をノズル４２から三次元的に全方向に噴射して、内壁に固着している固形物に液流を吹き付けて、固形物を剥落させる液流噴射手段２６と、剥落された固形物を反応槽３内から排出する排出手段２２と、反応槽３内に薬液を噴霧する薬液噴霧手段２７とを備える。
【選択図】 図２

Description

本発明は、反応槽及びその洗浄方法に関する。

従来、リグノセルロース系バイオマスを基質として、バイオエタノールを製造するエタノール製造装置が知られている。

前記エタノール製造装置は、例えば、前処理槽と、糖化反応槽と、発酵槽と、蒸留塔とを備えている。前記エタノール製造装置では、まず前記前処理槽で、前記基質であるリグノセルロース系バイオマスからリグニンを解離し、又は該基質を膨潤させ、セルロース又はヘミセルロースを糖化可能にした糖化前処理物を得る。次に、前記糖化反応槽で、前記糖化前処理物を微生物が産生する糖化酵素により糖化し糖化溶液を得る（例えば、特許文献１参照）。

次に、前記発酵槽で、前記糖化溶液を発酵菌又は酵母により発酵させて発酵溶液を得る。そして、前記蒸留塔で、前記発酵溶液を蒸留して濃縮し、さらに脱水することにより、９９．９質量％程度の濃度のエタノールを得ることができる。

尚、本願において、解離とは、リグノセルロース系バイオマスのセルロース又はヘミセルロースに結合しているリグニンの結合部位のうち、少なくとも一部の結合を切断することをいう。また、膨潤とは、液体の浸入により結晶性セルロースを構成するセルロース又はヘミセルロースに空隙が生じ、又は、セルロース繊維の内部に空隙が生じて膨張することをいう。

特開２０１２−０１０６３８号公報

前記エタノール製造装置はリグノセルロース系バイオマスをバッチ式に処理する装置であり、定常的に運転されている場合、前記糖化反応槽で１回の処理が完了し得られた糖化溶液が排出されれば、直ちに新たな糖化前処理物が供給され次回の処理が開始される。従って、前記糖化反応槽の内部が乾燥することがない。

ところが、糖化溶液を後工程に排出しても直ちに新たな糖化前処理物が供給されない場合、糖化溶液が入っていた部分の内壁が露呈するため、糖化溶液を吸収したバイオマス残渣が乾固して固形物を生成してしまう。即ち、運転上の都合により１回の処理で糖化溶液を全て排出してから次の処理が開始されるまでの間に相当の期間がある場合には、前記糖化反応槽の内部が乾燥する。このとき、前記糖化反応槽の内部には、前記リグノセルロース系バイオマスが糖化された後のバイオマス残渣が残っている。前記バイオマス残渣は前記糖化溶液を吸収しているので、前記糖化反応槽の内部の乾燥により乾固して固形物を生成したり、糖化溶液中の糖を栄養源として雑菌が繁殖したりするという問題が生じる。

そこで、本発明者らは、前記糖化反応槽において、１回の処理と次の処理との間に相当の期間がある場合、次回の処理の開始前に該糖化反応槽内の洗浄と殺菌処理とを行うことが必要とされるという課題を見い出した。

ところが、前記糖化溶液を吸収している前記バイオマス残渣が乾固することにより生成された前記固形物は、前記糖化反応槽の内壁に強固に固着している。従って、前記洗浄に当っては、閉所作業の資格を有する作業員が該糖化反応槽の内部で人力により作業しなければ前記固形物を剥落させることができない。また、前記固形物を剥落させた後でなければ前記殺菌処理を行うことができない。

そこで、本発明は、かかる事情に鑑み、１回の処理と次の処理との間に相当の期間がある場合、次の処理の開始前に槽内の洗浄と殺菌処理とを容易に行うことができる反応槽及びその洗浄方法を提供することを目的とする。

かかる目的を達成するために、前記反応槽の内部に、三次元的に全方向に高圧の液流を噴射することができる液流噴射手段を備え、前記殺菌処理のための薬液を該液流噴射手段から前記固形物に噴射し、該液流の圧力により該固形物を剥落させることが考えられる。前記液流噴射手段としては、例えば、軸周りに回転自在とされた液体供給部と該液体供給部の回転軸に対し直交する軸周りに回転自在とされたノズルとを備え、該液体供給部と該ノズルとを相互に回転駆動するようにしたものがある。このような液流噴射手段によれば、前記液体供給部及び前記ノズルを相互に回転駆動しながら、該ノズルから薬液を噴射することにより、三次元的に全方向に前記薬液を吹き付けることができる。

ここで、前記薬液は一般に使い捨てにするには高価であり、前記反応槽内に一旦噴霧された後、前記液流噴射手段に循環させて繰り返し使用することが望まれる。ところが、前記薬液により前記反応槽の内壁から前記固形物を剥落させた後、該薬液を前記液流噴射手段に循環させると、循環される該薬液に含まれる該固形物が該液流噴射手段の回転機構に付着して、前記液体供給部及び前記ノズルの回転を妨げることがある。

そこで、本発明の反応槽は、軸周りに回転自在とされた液体供給部と該液体供給部の回転軸に対し直交する軸周りに回転自在とされたノズルとを備える液流噴射手段を備え、１回の処理の終了後、次回の処理の開始前に内部が乾燥したときに、反応残渣及び反応生成物が乾固して固形物を生成し内壁に固着すると共に、該固形物を栄養源として雑菌が繁殖する反応槽において、該液流噴射手段は、１回の処理の終了後、次回の処理の開始前に内部が乾燥したときに、該液体供給部と該ノズルとを回転駆動することにより、該液体供給部に供給された液体を該ノズルから三次元的に全方向に噴射して、該内壁に固着している該固形物に対し該噴射により形成される液流を吹き付けて、該固形物を剥落させると共に、剥落された該固形物を該液体と共に該反応槽内から排出する排出手段と、該固形物を剥落された該反応槽内に前記雑菌を殺菌処理する薬液を噴霧する薬液噴霧手段とを備えることを特徴とする。

本発明の反応槽では、１回の処理の終了後、次回の処理の開始前に内部が乾燥したときには、前記液流噴射手段により、前記液体供給部に供給される液体を前記ノズルから噴射することにより形成される液流を前記内壁に固着している前記固形物に吹き付け、該固形物を剥落させる。このとき、前記液流噴射手段は、前記液体供給部と前記ノズルとを回転駆動させることにより、前記液体を該ノズルから三次元的に全方向に噴射することができるので、前記固形物が前記内壁のどこに固着していても、確実に該固形物を剥落させることができる。

従って、本発明の反応槽によれば、閉所作業の資格を有する作業員が該反応槽の内部で人力により作業することなく、容易に前記固形物を剥落させることができる。

前記液流により剥落された前記固形物は、前記液体と共に前記反応槽内に貯留され、前記排出手段により該液体と共に該反応槽外に排出される。そして、前記固形物が前記内壁から剥落され、前記反応槽外に排出されたならば、前記薬液噴霧手段により該反応槽内に前記薬液を噴霧する。

また、前記液体供給部に供給される液体は、前記排出手段により前記固形物と共に前記反応槽外に排出されるので、前記液流噴射手段に循環されず、剥落された前記固形物により前記液体供給部及び前記ノズルの回転を妨げることがない。

従って、本発明の反応槽によれば、槽内の洗浄と殺菌処理とを容易に行うことができる。

また、本発明の反応槽は、該反応槽内に噴霧された前記薬液を前記薬液噴霧手段に循環させる循環手段を備えることが好ましい。本発明の反応槽によれば、前記循環手段を備えるにより、前記反応槽内に噴霧された前記薬液を前記薬液噴霧手段に循環させることができる。従って、一般に使い捨てするには高価である該薬液を繰り返し使用することができ、少量の薬液で前記反応槽内を確実に殺菌処理することができる。

本発明の反応槽は、例えば、リグノセルロース系バイオマスを酵素により糖化するために用いられる糖化反応槽に適用することができる。

また、本発明の反応槽の洗浄方法は、軸周りに回転自在とされた液体供給部と該液体供給部の回転軸に対し直交する軸周りに回転自在とされたノズルとを備える液流噴射手段を備え、１回の処理の終了後、次回の処理の開始前に内部が乾燥したときに、反応残渣及び反応生成物が乾固して固形物を生成し内壁に固着すると共に、該固形物を栄養源として雑菌が繁殖する反応槽の洗浄方法において、１回の処理の終了後、該反応槽の内部が乾燥したときに、該液流噴射手段により該内壁に固着している該固形物に液流を噴射して剥落させる工程と、剥落された該固形物を該反応槽内から排出する工程と、該固形物を該反応槽内から排出した後、該固形物が剥落された該反応槽内に薬液を噴霧する工程とを備えることを特徴とする。

本実施形態のエタノール製造装置の構成を示すシステム構成図。 本実施形態の糖化反応槽の構成を示す説明的断面図。 本実施形態の糖化反応槽に備えられる液流噴射装置の構成を示す斜視図。 本実施形態の糖化反応槽に備えられる薬液噴霧装置の構成を示す斜視図。 本実施形態の糖化反応槽の洗浄方法を示す説明的断面図。

次に、添付の図面を参照しながら本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。

本実施形態の反応槽は、リグノセルロース系バイオマスを基質としてバイオエタノールを製造するエタノール製造装置において、該基質を微生物が産生する糖化酵素により糖化する糖化反応槽である。図１に示すように、エタノール製造装置１は、前処理槽２と、糖化反応槽３と、発酵槽４と、蒸留塔システム５とを備えている。

前処理槽２では、図示しない供給装置から供給される基質としてのリグノセルロース系バイオマスとアンモニア水とを攪拌、混合し、所定時間貯留することにより前処理が行なわれる。前記基質となるリグノセルロース系バイオマスとしては、例えば稲藁を用いることができる。前記リグノセルロース系バイオマスは、前処理槽２に貯留される間に、加熱によることなくリグニンが解離され、又は膨潤される。

この結果、前記リグノセルロース系バイオマスに含まれるセルロース又はヘミセルロースが糖化可能な状態とされた糖化前処理物が得られる。前記糖化前処理物は、前処理槽２の底部に接続された移送導管６により取出され、途中でアンモニアが分離された後、アンモニア分離糖化前処理物として、糖化反応槽３に送られる。

糖化反応槽３では、前記アンモニア分離糖化前処理物に酵素を添加して酵素糖化処理を行うことにより、前記基質が糖化され、糖化溶液が得られる。前記糖化溶液は、糖化反応槽３の底部に接続された移送導管７により取出され、発酵槽４に送られる。前記糖化溶液には、前記リグノセルロース系バイオマスが糖化された後のバイオマス残渣や前記酵素が含まれているが、該バイオマス残渣及び該酵素は移送導管７の途中に設けられた固液分離装置（図示せず）により分離、除去される。

発酵槽４では、前記糖化溶液に発酵菌又は酵母を添加して発酵させることにより、低濃度のエタノールを含む発酵溶液が得られる。前記発酵溶液は、発酵槽４の底部に接続された移送導管８により取出され、蒸留塔システム５に送られる。前記発酵溶液には、前記発酵菌又は酵母の菌体等が含まれているが、該菌体等は移送導管８の途中に設けられた膜分離装置（図示せず）等により分離、除去される。

蒸留塔システム５は、図示しないもろみ塔、精留塔、脱水装置等を備え、前記発酵溶液を蒸留、脱水することにより、例えば、９９．９質量％程度の濃度のエタノールを得ることができる。

次に、図２を参照して糖化反応槽３の構成について説明する。

糖化反応槽３は、上部に開口する移送導管６を介して前処理槽２に接続されていると共に、底部に設けられた移送導管７を介して発酵槽４に接続されている。糖化反応槽３の底部には開閉弁２１が設けられており、開閉弁２１を開弁することにより糖化反応槽３の内部が移送導管７に連通される。移送導管７の途中からは排水管２２が分岐しており、排水管２２は切替弁２３を切り替えることにより移送導管７に連通される。

また、糖化反応槽３の内部には、頂部中央から垂下される回転軸２４が設けられており、回転軸２４からは攪拌羽根２４ａが水平方向に延出されている。回転軸２４は、頂部の外部に設けられたモータ２５により回転駆動される。

また、回転軸２４の基部の側方には、液流噴射手段としての回転ノズル２６と、薬液噴霧手段としての固定ノズル２７とが設けられている。回転ノズル２６には洗浄水導管２８が取着されており、洗浄水導管２８は洗浄水貯留槽２９に接続されている。洗浄水導管２８の途中には供給ポンプ３０が配設されている。

一方、固定ノズル２７には循環導管３１が取着されており、循環導管３１は糖化反応槽３の底部に接続されている。循環導管３１の途中には循環ポンプ３２が配設されている。また、循環導管３１の循環ポンプ３２と糖化反応槽３との間からは薬液導管３３が分岐しており、薬液導管３３は薬液貯留槽３４に接続されている。薬液導管３３は切替弁３５を切り替えることにより循環導管３１に連通される。

薬液貯留槽３４に貯留される薬液としては、例えば、０．１〜０．２質量％の濃度の次亜塩素酸ナトリウム水溶液を用いることができる。前記次亜塩素酸ナトリウム水溶液は、水酸化ナトリウムによりｐＨが調整されている。

回転ノズル２６は、図３に示すように、筒状の液体供給部４１と、液体供給部４１の側壁に備えられ、両端から洗浄水を噴射するために内径が先端側ほど細くなっているノズル４２とを備えている。回転ノズル２６は、液体供給部４１が軸周りに回転自在とされていると共に、ノズル４２が液体供給部４１の回転軸に直交する軸周りに回転自在とされている。液体供給部４１は開放端部に雌ネジ部４３を備えており、雌ネジ部４３に洗浄水導管２８が取着される。

回転ノズル２６は、筒状の液体供給部４１が軸周りに回転すると共に、ノズル４２が液体供給部４１の回転軸に直交する軸周りに回転しつつ、洗浄水導管２８から液体供給部４１に供給される洗浄水をノズル４２の両端から噴射する。この結果、回転ノズル２６は、糖化反応槽３内で三次元的に全方向に洗浄水を噴射することができる。

固定ノズル２７は、図４に示すように、球形の本体５１と、本体５１から放射状に突出した１３本の噴霧ノズル５２とを備えている。噴霧ノズル５２は、６本が水平面に対し５０°の角度で斜め上向きに、周方向に６０°間隔で備えられ、他の６本が水平面に対し２５°の角度で斜め下向きに、周方向に６０°間隔で備えられ、１本が直下方に向いて備えられている。また、本体５１の上部には、雌ネジ部５３を備える接続部５４が設けられており、雌ネジ部５３に循環導管３１が取着される。

固定ノズル２７は、循環導管３１から供給される薬液を各噴霧ノズル５２から円錐状に噴霧することにより、固定された状態のまま、糖化反応槽３内で三次元的に全方向にくまなく該薬液を噴霧することができる。

エタノール製造装置１は、前記基質としてのリグノセルロース系バイオマスをバッチ式で処理する装置であり、定常的に運転されている場合には、１回の処理が完了すれば、直ちに次の処理が開始される。例えば、糖化反応槽３では、前処理槽２から供給された前記アンモニア分離糖化前処理物の酵素糖化処理が完了し、得られた糖化溶液が移送導管７により排出されると、直ちに次の前記アンモニア分離糖化前処理物が前処理槽２から供給される。従って、糖化反応槽３内部が乾燥したり、雑菌が繁殖することはない。

ところが、エタノール製造装置１のメンテナンスを行う際には、１回の処理が完了し前記糖化溶液が排出された後、次の処理が開始されるまでに数日から数週間の期間がある。また、エタノール製造装置１そのものがパイロットプラントであるような場合には、１回の処理が完了し前記糖化溶液が排出された後、次の処理が開始されるまでに数週間から数ヶ月の期間を有することがある。この結果、１回の処理が完了し前記糖化溶液が排出された後、次の処理が開始されるまでに、糖化反応槽３内部が乾燥することがある。

前記糖化溶液が排出された後の糖化反応槽３内には、前記バイオマス残渣が残されており、該バイオマス残渣には前記糖化溶液が吸収されている。そこで、前記のように、１回の処理が完了した後、次の処理が開始されるまでに相当の期間があり、糖化反応槽３内部が乾燥すると、前記糖化溶液を吸収している前記バイオマス残渣が糖化反応槽３内で乾固して固形物を生成し、該固形物が内壁に強固に固着する。又、糖化反応槽３内では、前記固形物を栄養源として雑菌が繁殖する。

この場合、エタノール製造装置１では、次回の処理を行う前に、糖化反応槽３内を洗浄して内壁に固着している前記固形物を剥落させて除去すると共に、殺菌処理する必要がある。

次に、図５を参照して、本実施形態の洗浄方法について説明する。尚、図５では、糖化反応槽３の構成を簡略化して示している。

糖化反応槽３では、前述のように、前記アンモニア分離糖化前処理物に酵素を添加して酵素糖化処理を行うことにより、前記基質が糖化されて糖化溶液が得られる。前記糖化溶液は、開閉弁２１を開弁することにより移送導管７から取出され、発酵槽４に供給される。このとき、糖化反応槽３内には、前記糖化溶液を吸収した前記バイオマス残渣の一部が内壁に付着して残されている。

そこで、前記糖化溶液が移送導管７により取出された後、次の前記アンモニア分離糖化前処理物が供給されるまでの間に相当の期間があり、糖化反応槽３内が乾燥すると、前記バイオマス残渣及び前記糖化溶液が乾固して、図５（ａ）に示す固形物６１を形成する。固形物６１は前記のように乾固することにより、糖化反応槽３の内壁に強固に固着している。また、このとき、糖化反応槽３内では、固形物６１を栄養源として雑菌が繁殖している。

このような状況下、本実施形態の洗浄方法では、まず、開閉弁２１を閉弁して、洗浄水貯留槽２９に貯留されている洗浄水６２を供給ポンプ３０により洗浄水導管２８を介して回転ノズル２６に供給すると共に、回転ノズル２６を回転駆動する。このようにすると、図５（ａ）に示すように、回転ノズル２６のノズル４２の両端から洗浄水６２が糖化反応槽３内で三次元的に全方向に噴射される。洗浄水６２は供給ポンプ３０により加圧されており、さらにノズル４２の内径が先端側ほど細くなっていることにより高圧の液流となって、固形物６１に吹き付けられる。

この結果、固形物６１を糖化反応槽３の内壁から剥落させることができ、図５（ｂ）に示すように、糖化反応槽３の底部には固形物６１を含む洗浄水６２が貯留される。そこで、次に、糖化反応槽３の底部に設けられた開閉弁２１を開弁すると共に、移送導管７に設けられた切替弁２３を切り替えて移送導管７と排水管２２とを接続することにより、固形物６１を含む洗浄水６２を排水管２２から排出する。

次に、開閉弁２１を閉弁すると共に、循環導管３１に設けられた切替弁３５を切り替えて薬液導管３３と循環導管３１とを接続する。そして、薬液貯留槽３４に貯留されている薬液を、循環ポンプ３２により循環導管３１を介して固定ノズル２７に供給する。

このようにすると、図５（ｃ）に示すように、固定ノズル２７の各噴霧ノズル５２から薬液６３が円錐状に噴霧され、糖化反応槽３内で三次元的に全方向にくまなく薬液６３が噴霧され殺菌処理が行われる。

前記殺菌処理では、糖化反応槽３の底部に薬液６３が貯留されるが、薬液６３は使い捨てするには高価である。そこで、糖化反応槽３の底部に所定量の薬液６３が貯留されたならば、切替弁３５を切り替えて循環導管３１の上流と下流とを接続し、糖化反応槽３の底部に貯留されている薬液６３を、循環ポンプ３２により循環導管３１を介して固定ノズル２７に循環させる。このようにすることにより、高価な薬液６３を無駄にすることなく繰り返し使用することができ、しかも少量の薬液６３で十分な殺菌効果を得ることができる。

前記殺菌処理が終了したならば、開閉弁２１を開弁すると共に、移送導管７に設けられた切替弁２３を切り替えて移送導管７と排水管２２とを接続することにより、薬液６３を排水管２２から排出する。

次に、図５（ｄ）に示すように、開閉弁２１を開弁したまま、洗浄水貯留槽２９に貯留されている洗浄水６２を供給ポンプ３０により洗浄水導管２８を介して回転ノズル２６に供給すると共に、回転ノズル２６を回転駆動する。そして、糖化反応槽３内に残存している薬液６３を洗い流した後、開閉弁２１を閉弁することにより、糖化反応槽３の洗浄を完了する。

１…エタノール製造装置、 ３…糖化反応槽、 ２２…排水管、 ２６…回転ノズル（液流噴射手段）、 ２７…固定ノズル（薬液噴霧手段）。

Claims (4)

1. 軸周りに回転自在とされた液体供給部と該液体供給部の回転軸に対し直交する軸周りに回転自在とされたノズルとを備える液流噴射手段を備え、１回の処理の終了後、次回の処理の開始前に内部が乾燥したときに、反応残渣及び反応生成物が乾固して固形物を生成し内壁に固着すると共に、該固形物を栄養源として雑菌が繁殖する反応槽において、
   該液流噴射手段は、１回の処理の終了後、次回の処理の開始前に内部が乾燥したときに、該液体供給部と該ノズルとを回転駆動することにより、該液体供給部に供給された液体を該ノズルから三次元的に全方向に噴射して、該内壁に固着している該固形物に対し該噴射により形成される液流を吹き付けて、該固形物を剥落させると共に、
   剥落された該固形物を該液体と共に該反応槽内から排出する排出手段と、
   該固形物を剥落された該反応槽内に前記雑菌を殺菌処理する薬液を噴霧する薬液噴霧手段とを備えることを特徴とする反応槽。
2. 請求項１記載の反応槽において、該反応槽内に噴霧された前記薬液を前記薬液噴霧手段に循環させる循環手段を備えることを特徴とする反応槽。
3. 請求項１又は請求項２記載の反応槽において、リグノセルロース系バイオマスを酵素により糖化するために用いられる糖化反応槽であることを特徴とする反応槽。
4. 軸周りに回転自在とされた液体供給部と該液体供給部の回転軸に対し直交する軸周りに回転自在とされたノズルとを備える液流噴射手段を備え、１回の処理の終了後、次回の処理の開始前に内部が乾燥したときに、反応残渣及び反応生成物が乾固して固形物を生成し内壁に固着すると共に、該固形物を栄養源として雑菌が繁殖する反応槽の洗浄方法において、
   １回の処理の終了後、該反応槽の内部が乾燥したときに、該液流噴射手段により該内壁に固着している該固形物に液流を噴射して剥落させる工程と、
   剥落された該固形物を該反応槽内から排出する工程と、
   該固形物を該反応槽内から排出した後、該固形物が剥落された該反応槽内に薬液を噴霧する工程とを備えることを特徴とする反応槽の洗浄方法。

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