JP2014124159A - 糖化反応設備 - Google Patents

Abstract

【課題】 原料投入装置によって糖化分解に適した状態で原料を反応器に投入し、反応器で効率良く糖化分解させることができる糖化反応設備を提供すること。
【解決手段】 原料１０を糖化反応させる反応器１４と、原料１０を所定間隔で反応器１４に投入する原料投入装置２０とを備え、反応器１４は、原料投入装置２０から投入された原料１０を糖化反応温度まで上昇させる加熱蒸気供給部５８と、投入された原料１０を高温高圧下で糖化反応させながら所定の短時間で排出口５６に順次送る送り機構５４とを有し、原料投入装置２０は、原料１０を反応器１４の糖化反応速度に適した嵩密度で反応器１４に投入するように構成されている。
【選択図】 図２

Description

本発明は、バイオマス原料などを原料投入装置で反応器に投入して糖化分解させる糖化反応設備に関する。

バイオマスエネルギー利用の一環として、バガス、稲藁などの植物の主成分であるセルロース又はヘミセルロースを糖化分解した後、その糖液からエタノールを得ようとする試みがある。そして、得られたエタノールは、燃料用として自動車燃料に一部混入させたり、ガソリンの代替燃料として利用することが計画されている。

セルロース又はヘミセルロースのようなセルロース系バイオマスを糖類に分解する方法として、高温高圧の超臨界水又は亜臨界水で糖化分解させる方法がある。

この方法として、例えば、バガス、稲藁などの粉砕物であるバイオマス原料（この明細書及び特許請求の範囲の書類中においては、単に「原料」ともいう）を反応器に投入し、反応器で糖化分解させてＣ５糖液を得て、そのＣ５糖液の脱水ケーキを更に反応器で糖化分解させてＣ６糖液を得るものがある。そして、これらの糖液を発酵させて蒸留することでエタノールを生成している。

しかし、高温高圧の超臨界水又は亜臨界水を用いると、その強力な酸化力のために数秒〜数分という短時間でセルロース及びヘミセルロースの糖化分解が完了してしまう。

そのため、バイオマス原料を短時間で糖化反応させるのに適した状態で反応器に投入し、反応器で効率良く糖化分解させることで、糖化率を高くできる糖化反応設備が切望されている。

この種のバイオマス原料などを供給する装置の先行技術として、被処理物を加圧容器内に供給する供給装置に、水抜き手段が設けられた中空体内において、加圧容器に臨む開口から被処理物をピストンで押し出すようにしたものがある（例えば、特許文献１参照）。

また、他の先行技術として、シリンダ部の内部を移動するピストンによってスラリーと固形物を含む被注入物を高温高圧反応装置に供給するようにし、固形物の詰まりを防止するためにピストンの貫通孔内を貫通するスピンドルを設けた注入装置がある（例えば、特許文献２参照）。

さらに、他の先行技術として、細かく粉砕された固体を円筒のスロットから挿入室に重力落下させ、その後、円筒のスロットを閉じ、ピストンで挿入室から高圧の反応容器内に固体を供給するようにした乾式供給機がある（例えば、特許文献３参照）。

特開２００５−１４５６９７号公報 特開２００６−７１０８号公報 特開昭６２−１０２８２６号公報

ところで、バイオマス原料を反応器に投入する方法として、原料に水分を含ませて圧密した状態で投入する方法がある。しかし、原料を圧密した状態で反応器に投入すると、その原料を糖化反応温度まで上昇させるのに時間を要する。これは、原料を圧密した状態で反応器に投入すると、塊の状態のままで砕けにくく、蒸気と迅速に混合することができずに温度上昇速度が遅くなるものと考えられる。そのため、原料を圧密して投入すると糖化率が下がる。このことは、上記特許文献１に記載された装置によって原料を供給した場合も同様である。また、上記特許文献２に記載された装置の場合も、固形物を迅速に糖化反応温度まで上昇させるのは難しい。

一方、原料を圧密しない状態で高圧の反応器に投入する方法もある。この方法として、一般的なロックホッパによる投入方法がある。しかし、ロックホッパによる投入方法は、上部に設けられたゲート弁を開放して低圧のホッパ内に原料を投入してゲート弁を閉じ、下部に設けられた調圧弁を開放してホッパ内を反応器と同じ高圧にした後に調圧弁を閉じる。そして、下部に設けられたゲート弁を開放することにより原料を反応器に投入する。その後、ゲート弁を閉じ、上部に設けられた調圧弁を開放することによりホッパ内を低圧にした後に調圧弁を閉じる。その後は、上部のゲート弁を開放し、次の原料をホッパ内に投入する。そのため、ロックホッパによる原料投入には、これらの動作を繰り返すための投入間隔を要する。この投入間隔は、例えば、２〜３分に１回となる。

しかしながら、上記したように、反応器においてバイオマス原料を糖化分解する反応時間は短い。特に、セルロースの糖化分解に要する反応時間は非常に短く、例えば１分以下の短時間で糖化分解が完了してしまう。そのため、上記ロックホッパを採用したとすると、糖化分解の時間よりも原料の投入間隔が長くなってしまう。そのため、ロックホッパのような完全混合槽の場合、順次投入する原料を混ぜてしまうことになり、結果として反応時間が長いものと短いものとが同時に排出されて、糖化率が下がることになる。このことは、上記特許文献３に記載された装置によって原料を供給した場合も同様である。

そこで、本発明は、原料投入装置によって糖化分解に適した状態で原料を反応器に投入し、反応器で効率良く糖化分解させることができる糖化反応設備を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明者は、反応器で効率良く糖化分解させることができるように種々の原料を異なる圧密状態で反応器に投入して糖化反応させる実験を行った。そして、原料を所定の圧密しない状態で投入すれば、その原料を蒸気で迅速に糖化反応温度まで上昇させることができるのではないかと考えた。

そして、種々の実験を行った結果から、ピストンポンプ方式の原料投入装置によってプラグフロー型の反応器に圧密しない状態の原料を投入する方法を考えた。この方法によれば、投入した原料を反応器で糖化反応に適した温度まで迅速に上昇させ、その後短時間で効率良く糖化分解させることができ、従来回収が困難とされていたＣ６糖液も回収することができる、という知見を得た。

本発明に係る糖化反応設備は、原料を糖化反応させる反応器と、前記原料を所定間隔で前記反応器に投入する原料投入装置と、を備え、前記原料投入装置は、前記原料を前記反応器に投入することで崩れて分散する嵩密度で反応器に投入するように構成され、前記反応器は、前記原料投入装置から投入された前記原料を糖化反応温度まで上昇させる加熱蒸気供給部と、投入された原料を高温高圧下で所定時間糖化反応させた後、排出口から排出する送り機構とを有している。

この構成により、原料投入装置によって反応器の糖化反応速度に適した嵩密度で原料を反応器に投入するので、反応器に投入された原料は分散されて比表面積を大きくとることができ、短時間で温度上昇させることができる。従って、投入後の原料を迅速に糖化反応温度まで昇温し、所定の糖化分解時間で効率良く糖化分解させて、糖化率の高い糖化反応をさせることができる。

また、前記原料投入装置は、前記原料を前記反応器に投入するピストンポンプと、前記ピストンポンプで投入する原料の原料供給口を具備した投入管を開閉するゲート弁とを有し、前記ピストンポンプのピストンは、前記投入管の原料供給口のゲート側端部からゲート弁との間でシールするシール部を備え、前記ピストンが前記原料供給口のゲート側端部からゲート弁との間の投入管と接した状態で前記シール部によって高圧の反応器側と低圧の原料供給口側とをシールするように構成されていてもよい。

このように構成すれば、ピストンポンプで高圧の反応器に原料を投入するときに、ピストンが投入管の原料供給口のゲート側端部に達するとシール部によって投入管をシールすることができるので、反応器と原料供給口との間をシールすることができる。これにより、反応器の高圧をピストンでシールした状態でゲート弁を開放し、原料を高圧の反応器内に安定して投入することができる。

また、前記ピストンポンプは、前記原料の嵩密度を調整できるように、前記原料供給口のゲート側端部に対する前記ピストンのゲート弁側停止位置及び原料供給口側停止位置のいずれかを制御できるように構成されていてもよい。

このように構成すれば、ピストンで送る原料の嵩密度を反応器における糖化分解に適した状態に調整することができる。

また、前記加熱蒸気供給部は、前記反応器の内部の上部気層圧力が、前記送り機構で送る原料の液温度の飽和蒸気圧力と内部の蒸気以外の気体の分圧との合計よりも高い圧力となる加熱蒸気を供給するように構成されていてもよい。

このように構成すれば、圧密しない所定の嵩密度で反応器に投入された原料は、原料に包含されて投入された空気の分圧により水蒸気の凝縮が邪魔されない。そのため、原料の大きい比表面積を、糖化分解温度の液温度の飽和蒸気圧力と内部の蒸気以外の気体の分圧との合計よりも高い圧力の蒸気で一気に加熱することができ、原料を短時間で糖化分解に適した温度まで一気に上昇させて短時間で糖化分解させることができる。

また、前記反応器は、前記原料投入装置から投入された原料中の空気を排出するベント部を有していてもよい。

このように構成すれば、圧密しない所定の嵩密度で投入された原料中の空気を排出し、空気分圧による水蒸気の凝縮が邪魔されないようにでき、これによっても原料の昇温時間を短くでき、糖化率を上げることができる。

また、前記原料に蒸気を混合して予熱し、該予熱された原料を前記原料投入装置に供給する混合機と、前記反応器から排出した原料を減温・減圧するフラッシュタンクとを備え、前記フラッシュタンクで減圧した蒸気を前記混合機に戻して原料に混合することで原料温度を反応温度以下で予熱するように構成されていてもよい。

このように構成すれば、反応器から排出した原料をフラッシュタンクで減温・減圧した後の蒸気を利用して反応器に投入する原料を予熱し、設備の省エネルギ化を図ることができる。

また、前記混合機は、前記原料に酸触媒を混合するように構成されていてもよい。

このように構成すれば、反応器に投入する前に原料の基準酸濃度を一定に保ち、反応器において酸触媒を供給する場合に比べて糖化率のばらつきによる糖化率低下を抑止することができる。

本発明によれば、原料投入装置によって反応器における糖化反応に適した嵩密度で原料を投入することができるので、反応器において原料を短時間で糖化分解に適した温度に上昇させて効率良く糖化分解させることが可能となる。

図１は本発明に係る糖化反応設備を含むバイオエタノール製造設備のブロック図である。 図２は本発明の一実施形態に係る糖化反応設備を示す構成図である。 図３は図２に示す糖化反応設備における原料投入装置の側面図である。 図４Ａは図３に示す原料投入装置の動作位置制御を示す側面図である。 図４Ｂは図４Ａに示す原料投入装置の次動作位置制御を示す側面図である。 図４Ｃは図４Ｂに示す原料投入装置の次動作位置制御を示す側面図である。 図５Ａは図４Ａ〜図４Ｃに示す原料投入装置の動作位置制御と異なる動作位置制御例を示す側面図である。 図５Ｂは図４Ａ〜図４Ｃ及び図５Ａに示す原料投入装置の動作位置制御とは異なる動作位置制御例を示す側面図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。以下の実施形態では、図１に示すような糖化反応設備を含むバイオエタノール製造設備を例に説明する。このバイオエタノール製造設備では、２段階の糖化分解によってＣ５糖液及びＣ６糖液を得るようにしている。

まず、図１に基づいて、バイオエタノール製造設備の概要を説明する。バガス、稲藁などのバイオマス原料１が、前処理２にて所定の大きさまで粉砕される。この原料は、混合機３において蒸気４、酸触媒５と混合される。そして、この原料が、所定の温度、圧力条件に設定された反応器６に投入される。この原料は、反応器６で所定時間糖化分解させられ、フラッシュタンク７に供給されてフラッシュ減圧される。このフラッシュタンク７におけるフラッシュ減圧は、反応器６から排出されるスラリー状原料を一気に減圧して一部を気化させて温度を下げるものである。これにより、反応を停止させる。このフラッシュタンク７で減温・減圧された固体及び液体は、固液分離装置８によってＣ５糖液９と一次脱水ケーキ１０とに分離される。

そして、一次脱水ケーキ１０は、次の混合機１１において蒸気１２、酸触媒１３と混合されて次の原料となる。この原料が、次の温度、圧力条件に設定された反応器１４に投入される。この原料は、反応器１４で所定時間糖化分解させられ、フラッシュタンク１５に供給されてフラッシュ減圧される。このフラッシュタンク１５で減温・減圧された固体及び液体は、固液分離装置１６によってＣ６糖液１７と二次脱水ケーキ１８とに分離される。

このようにして得られたＣ５糖液９及びＣ６糖液１７が、アルコール発酵させられた後、蒸留されてバイオエタノールが製造される。

次に、図２に基づいて、上記一次脱水ケーキ１０からＣ６糖液１７を得るための混合機１１及び反応器１４と、これらの間に設けられた原料投入装置２０とを備えた糖化反応設備６０について詳細に説明する。反応器１４においてＣ６糖液を得るための条件としては、反応器６においてＣ５糖液を得るための条件に比べて、反応温度及び圧力が高くて糖化反応時間が短い。

図２に示すように、混合機１１において原料（この例では、一次脱水ケーキ）１０に酸触媒１３と蒸気１２が混合されている。このように、反応器１４に投入する前の原料１０に対して酸触媒１３を混ぜておくことで、原料基準の酸濃度を一定に保ち、反応器１４において酸触媒１３を供給する場合に比べて糖化率のばらつきによる糖化率低下を抑止している。

また、この実施形態では、混合機１１で原料１０を蒸気１２によって予熱しているので、以下に説明する反応器１４において反応温度まで上昇させる温度差（Δｔ）を小さくできる。この蒸気１２による予熱は、原料１０の温度を反応器１４における反応温度以下に予熱している。例えば、原料１０を約１２０℃程度に予熱する。なお、この原料１０の蒸気１２による予熱は、必要に応じて行えばよい。

この混合機１１で酸触媒１３と蒸気１２が混合される原料１０は、例えば、水分が５０重量％以下の場合には反応器１４においてスラリー状になり難いので、水分が５０〜８０重量％程度にされる。

そして、混合機１１で酸触媒１３を混合した原料１０は、図３にも示すように、この原料１０を反応器１４に投入する原料投入装置２０のホッパ２１に供給される。原料投入装置２０は、ピストンポンプ３０によってホッパ２１から一定量の原料１０を所定間隔で投入管２２を介して反応器１４に投入するようになっている。ピストンポンプ３０は、ホッパ２１に供給された原料１０を反応器１４に向けて押し出して投入するようになっている。

ピストンポンプ３０と反応器１４との間にはゲート弁２６が設けられている。反応器１４側が高圧であるため、ピストンポンプ３０のピストン３１が所定位置に達した時点で反応器１４側との間をシールし、その後、ゲート弁２６を開いて原料１０を反応器１４に所定間隔で投入するように制御されている。この所定間隔は、反応器１４での滞留時間よりも短い時間、例えば、２０〜６０秒に１回の間隔に設定される。なお、原料投入の詳細は、後述する。

また、この原料投入装置２０で反応器１４に投入される原料１０は、上記したように混合機１１で水分が５０〜８０重量％程度にされている。しかし、水分が５０〜８０重量％程度の原料１０でも、液体ではないため反応器１４において蒸気と混ざりにくい。

そこで、この原料投入装置２０により、反応器１４に投入する原料１０を圧密しない嵩密度で投入し、反応器１４に投入したときに分散させることで短時間で糖化反応温度まで上昇させるようにしている。

つまり、原料１０を圧密しないパサパサの状態の嵩密度で反応器１４に投入することで、投入された原料１０は分散されて粉状になり、加熱蒸気と接触する表面積が大きくなるようにしている。すなわち、これにより、投入されて粉状になった原料１０は加熱蒸気と接触する比表面積が大きくなり、その比表面積で加熱蒸気によって一気に加熱された原料１０は、糖化反応に適した温度まで短時間で上昇させられるようにしている。原料１０を圧密しない嵩密度としては、例えば、０．３〜０．６程度に設定される。

一方、上記反応器１４は、高温・高圧でバイオマス原料を糖化分解して糖液を得るものである。上記ピストンポンプ３０から原料１０が投入される上部に所定の体積を有する気層部５０が設けられ、下部に原料１０を所定の反応時間で排出口５６に向けて送りながら糖化分解させる液層部５１が設けられている。

上部の気層部５０に原料投入口５２が設けられ、この原料投入口５２に上記ピストンポンプ３０の投入管２２の先端が接続されている。この原料投入口５２から投入された原料１０は、下部の液層部５１に設けられた横送り装置５３の上部に落下するようになっている。気層部５０には上部気層用圧力計４１が設けられ、液層部５１には液用温度計４２が設けられている。

反応器１４の下部に設けられた横送り装置５３は、二軸の送り機構５４が駆動モータ５５で回転させられることで、原料１０を混ぜながら糖化分解に適した時間で横送りして排出口５６から糖化分解したスラリー状原料を排出するようになっている。反応器１４は、原料投入口５２から投入された原料１０を順次排出口５６に向けて送るプラグフロー型の反応器１４となっている。原料１０は、反応器１４内の高温高圧環境下で横送り装置５３で送られる間に反応によって高濃度のスラリー状になる。

この実施形態では、上記横送り装置５３の送り機構５４を、二軸の送り機構としているが、この送り機構５４は、原料１０を所定の反応時間で排出口５６まで搬送できるものであればよい。

また、反応器１４の原料投入口５２側には、この原料投入口５２から投入されて落下する原料１０に対して加熱蒸気５７が供給されている。この加熱蒸気５７は、反応器１４の内部の上部気層圧力が、液層部温度の飽和蒸気圧と蒸気以外の気体の分圧との合計よりも高い圧力となるような高温の加熱蒸気５７が加熱蒸気供給部５８から投入されている。この加熱蒸気５７により、原料投入口５２から投入された原料１０を迅速に温度上昇させている。例えば、反応器１４における液層部温度が２４０〜２８０℃の場合、加熱蒸気５７は２５０〜３００℃程度の高温蒸気が供給される。この高温の加熱蒸気５７を供給することにより、原料１０を短時間で糖化反応温度まで上昇させるようになっている。この糖化反応温度まで上昇させる時間としては、例えば、１０秒以内に約２０〜１２０℃の原料１０を２４０〜２８０℃まで上昇させることができるようにしている。

上記加熱蒸気５７としては、液層部５１の飽和蒸気圧＋空気分圧＜内部の上部気層圧力、となるように、加熱蒸気供給部５８から圧力の高い蒸気が投入される。この例では、２５０〜３００℃の蒸気を投入している。このように、反応器１４の内部を、液層部５１の飽和蒸気圧に蒸気以外の気体の分圧を加えた圧力に比べて上部空間の気層の圧力を高くすることで、空気分圧により水蒸気の凝縮が邪魔されないようにしている。これによっても、原料１０の温度上昇時間を短くして、糖化率向上を図っている。

また、この実施形態では、原料投入口５２の上方と横送り装置５３の終端上方から、ベント管４０によってエア抜きされている。上記したように、ピストンポンプ３０によって圧密しない状態の嵩密度で原料１０を反応器１４に投入すると、その原料１０の中に空気を包含する。そこで、その空気をベント管４０から排出することで、反応器１４の内部で蒸気分圧が下がって蒸気が凝縮し難くなることによる原料１０の温度上昇が遅くなるのを防いでいる。ベント管４０によるエア抜きは、上記原料投入装置２０の投入管２２からも行うようにしてもよい。このように、反応器１４の内部に空気が溜まりすぎないように抜くことで、内部の空気分圧を下げて水蒸気の凝縮を促進させている。これによっても、原料１０の温度上昇時間を短くして、糖化率向上を図っている。

上記横送り装置５３の送り方向端部には、糖化分解させた原料１０を排出する排出口５６が設けられている。この排出口５６から排出された原料１０は、フラッシュタンク１５に供給されてフラッシュ減圧された後、固液分離装置（図１）１６に供給される。

また、この実施形態では、フラッシュタンク１５において減圧してタンク上部に発生する蒸気を、上記混合機１１に導いて原料予熱用の蒸気１２として利用している。このようにフラッシュタンク１５の蒸気１２を原料予熱用として混合機１１に供給することで、設備全体の省エネルギ化を図っている。

次に、図３に基づいて、上記原料投入装置２０を詳細に説明する。原料投入装置２０は、反応器１４の原料投入口５２から少し離れた位置に設けられたゲート弁２６と、このゲート弁２６から所定距離で離れた位置に設けられた上記ホッパ２１と、このホッパ２１に供給された原料１０を押し出すピストンポンプ３０とを有している。

ゲート弁２６は、制御装置によって投入管２２を開放又は閉鎖するように制御されている。ゲート部材２７は、投入管２２を開放又は閉鎖する。

ゲート部材２７のホッパ側端面とホッパ２１の下部に設けられた原料供給口２３のゲート側端部（原料供給口端部）２４との距離Ｌ１は、ホッパ２１の下部における原料供給口距離Ｌ２に対して少し短くなっている。

また、ピストンポンプ３０のピストン３１は、先端部分に上記原料供給口２３のゲート側端部２４からゲート弁側の投入管２２の内面との間でシール機能を発揮するシール部３２が設けられている。これにより、ピストンポンプ３０のピストン３１は、原料供給口２３に供給された原料１０を、この原料供給口２３のピストンポンプ側端部２５からゲート弁側に押し、そのピストン３１が原料供給口２３のゲート側端部２４から投入管２２に挿入されると、シール部３２によって投入管２２との間がシールされるようになっている。なお、以下の説明では、上記距離Ｌ１の原料供給口側基準位置をゲート側端部２４として説明するが、ピストン３１のシール部３２で投入管２２が完全にシールされた状態でゲート部材２７を開放するように、二点鎖線で示すように、距離Ｌ１の原料供給口側基準位置をゲート側端部２４から少しゲート弁側に入った位置２８としてもよい。

従って、ピストン３１のシール部３２で投入管２２との間がシールされた状態でゲート弁２６を開放したとしても、高圧の反応器１４側から低圧の原料供給口２３の方向に圧が抜けることはない。

そして、このピストン３１で投入管２２をシールをした状態でゲート部材２７を開放し、ピストンポンプ３０のピストン３１をゲート弁２６の位置まで伸張させれば、投入管２２の内部の原料１０が反応器１４の内部に投入される。

その後、ピストン３１を後退させて、原料供給口２３のゲート側端部２４に達する前にゲート部材２７が閉じられる。これにより、ピストン３１のシール部３２で投入管２２がシールされた状態でゲート弁２６が閉じられるので、高圧の反応器１４側から低圧の原料供給口２３の方向に圧が抜けることはない。

また、この実施形態では、上記ピストンポンプ３０のピストン３１を伸縮させる距離をセンサでストローク制御するようにしている。この例では、ピストン３１を伸縮させるシリンダ部３３に位置センサ３５〜３９が設けられており、これらの位置センサ３５〜３９でピストン３１の位置が検出され、そのピストン３１の位置に応じて上記したようにゲート弁２６のゲート部材２７が開閉制御されるようになっている。

この実施形態では、後述する図４Ａ〜図４Ｃに示すように、ピストンポンプ３０のピストン３１が、原料供給口２３のピストンポンプ側端部２５に位置したときに検知する位置センサ３５と、ピストン３１が原料供給口２３のゲート側端部２４に位置したときに検知する位置センサ３６と、ピストン３１がゲート部材２７のホッパ側端面に位置したときに検知する位置センサ３７とが設けられている。また、後述する図５Ａ、図５Ｂに示すように、距離Ｌ４，距離Ｌ５の位置に達したときに検知する位置センサ３８，３９も設けられている。これらの位置センサ３５〜３９は、リミットスイッチや他の構成を利用することができる。

次に、図４Ａ〜図４Ｃに基づいて、上記投入管２２のゲート部材２７から原料供給口２３のゲート側端部２４までの距離Ｌ１と、ホッパ２１の原料供給口距離Ｌ２と、ピストン３１がゲート部材２７のホッパ側端面に位置するまでのピストンポンプ３０のストロークＬ３との動作位置制御について説明する。

図４Ａに示す状態は、上記図３に示す状態からピストンポンプ３０のピストン３１を伸張させた状態である。ピストン３１を伸張させて、ホッパ２１の下部の原料供給口距離Ｌ２分の原料１０をゲート弁２６に向けて押圧する。そして、ピストン３１が原料供給口２３のゲート側端部２４に達すると、周囲のシール部３２が投入管２２と接して投入管２２がシールされる。これにより、原料供給口距離Ｌ２分の原料１０が、ゲート弁２６のゲート部材２７と原料供給口２３のゲート側端部２４との間の距離Ｌ１の部分に移送されて少し押圧された状態となる。

次に、図４Ｂに示すように、ゲート部材２７が開放され、ピストン３１がストロークＬ１だけ伸張され、原料１０が反応器１４の内部に投入される。この例では、投入管２２において原料１０を少し押圧して所定の嵩密度（例えば、０．３〜０．６程度）にしてから投入することで、反応器１４の内部に投入したときに崩れて粉状に分散するようにしている。原料１０を投入時に分散させることで、原料１０の比表面積が大きくなり、加熱蒸気によって迅速に糖化反応温度まで加熱されるようにしている。

また、この実施形態では、上記したように原料１０を糖化反応が進まない程度の温度（例えば、１００〜１２０℃以下の温度）に予熱しているため、投入後に加熱する温度を小さくして反応温度まで一気に昇温させるようにしている。しかも、このようにすることで、上述したようにフラッシュタンク１５の蒸気を有効利用し、反応器１４で温度上昇させる昇温幅を小さくして省エネルギ化を図っている。

次に、図４Ｃに示すように、ピストン３１が原料供給口２３のゲート側端部２４までの距離Ｌ１だけ縮められる間に、ゲート部材２７が閉じられる。その後、ピストン３１が原料供給口２３のピストンポンプ側端部２５まで縮められて、図３に示す初期状態となる。

このようなピストンポンプ３０による原料１０の投入間隔としては、例えば、２０〜６０秒に１回の頻度で投入される。反応器１４における原料１０の滞留時間（搬送時間）としては、例えば、数十秒〜１分程度と非常に短いが、更に短い間隔で原料１０が投入される。このように、原料１０を、短いサイクルで上記したように圧密しないパサパサの状態の嵩密度で反応器１４に投入することにより、反応器１４で原料１０を順次送りながら所定の短い糖化分解時間で効率良く糖化分解させて、糖化率を上げるようにしている。

次に、図５Ａ、図５Ｂに基づいて、上記ピストンポンプ３０とゲート弁２６とによる異なる動作位置制御例を説明する。なお、図５Ａ、図５Ｂにおける距離Ｌ４，Ｌ５は、説明上の誇張した位置を示している。

図５Ａに示す例は、上記図４Ａ〜図４Ｃに示す例よりも原料１０の嵩密度を少し高くしたい（圧密したい）場合の設定例である。この例では、原料投入時（ゲート部材２７の開時）のピストン３１の伸張位置をゲート部材２７のホッパ側端面に達しない距離Ｌ４で止めるようにしている。距離Ｌ４は、シリンダ部３３に設けられた位置センサ３８によって検知させている。

このように、ピストン３１の伸張長さを制限することにより、投入管２２から反応器１４の内部に投入する原料１０がゲート部材２７の手前に少し残った状態となる。そのため、次にピストン３１で原料供給口距離Ｌ２分の原料１０を投入管２２に向けて移送してピストン３１がゲート側端部２４に達した状態では、ゲート部材２７の手前に残っている原料１０に新たな原料１０が押圧されることになる。これにより、投入管２２において原料１０を少し圧密することができる。

そして、ゲート部材２７を開放させてピストン３１を距離Ｌ４分だけ伸張させることにより、嵩密度を高くした原料１０を反応器１４の内部に投入することができる。この動作位置制御例は、原料を反応器１４に投入する前に少し圧密させる必要がある場合に用いられる。

一方、原料１０を投入するためにピストン３１を伸張するときに、上記ゲート部材２７を二点鎖線で示すように閉じた状態とし、ピストン３１をゲート側端部２４から距離Ｌ４の位置まで押し込むようにしてもよい。そして、ピストン３１が距離Ｌ４の位置に達した状態でゲート部材２７を開放し、更にピストン３１を距離Ｌ１まで伸張させることで原料１０を反応器１４に投入するようにしてもよい。このようにすれば、原料供給口距離Ｌ２分の原料１０をゲート部材２７の手前の投入管２２の内部で距離Ｌ４分だけ圧密して嵩密度を高くし、その原料１０を反応器１４の内部に投入することができる。この動作位置制御例も、原料を反応器１４に投入する前に少し圧密させる必要がある場合に用いられる。

図５Ｂに示す例は、上記図４Ａ〜図４Ｃに示す例よりも原料１０の嵩密度を少し低くしたい（よりパサパサにしたい）場合又は供給量を減らしたい場合の設定例である。この例では、ピストン３１の縮小位置をホッパ２１の下部の原料供給口距離Ｌ２の途中までの距離Ｌ５で止めるようにしている。距離Ｌ５は、シリンダ部３３に設けられた位置センサ３９によって検知させている。

このように、ピストン３１の縮小長さを制限することにより、ホッパ２１の下部の原料供給口距離Ｌ２分の内の距離Ｌ５分の原料１０をピストン３１がゲート側端部２４でシールされるまでに投入管２２のゲート側端部２４とゲート部材２７との間に押し込むことになり、原料１０の押し込み量が少なくなる。これにより、投入管２２に移送される原料１０の量が少なくなり、原料１０が圧縮されないようにできる。また、供給量を減らすことができる。

そして、ゲート部材２７を開放させてピストン３１を距離Ｌ１分だけ伸張させることにより、嵩密度を低くした原料１０を反応器１４の内部に投入することができる。この動作位置制御例は、少し圧密された原料１０を、それ以上圧密することなく反応器１４に投入する場合などに用いられる。

このような原料１０の嵩密度の調整は、上記距離Ｌ１と原料供給口距離Ｌ２とが決まれば、投入管２２のゲート側端部２４の位置を基準として、ピストン３１の伸縮位置を調整することによって行うことができる。このピストン３１の伸縮位置の調整は、位置センサ３８，３９の位置を調整することにより行うことができる。

以上のように、上記糖化反応設備６０によれば、バイオエタノールの製造時等において、原料１０を短い間隔で反応器１４に投入したい場合に、原料投入装置２０のピストンポンプ３０によって高い頻度で原料１０を反応器１４に投入することができる。しかも、原料１０を反応器１４において短い時間で反応に適した温度まで昇温させることができるような嵩密度で投入することが可能となる。

その上、原料１０によって水分状態などが変化したとしても、反応器１４に投入する原料１０の圧密状態などを原料投入装置２０のピストンポンプ３０を制御することで調整することができるので、原料１０を反応器１４に適した嵩密度に調整して投入し、反応器１４で糖化率の高い反応を安定してさせることが可能となる。

また、ピストンポンプ３０によって原料１０を投入することで、投入管２２の内部に原料１０を残すことなく反応器１４に投入することができる。

なお、上記実施形態では、バイオマス原料１０を二段階で糖化分解させてＣ５糖液とＣ６糖液とを得てバイオエタノールを製造する設備を例に説明したが、他の設備であっても同様の原料を反応器に投入して短時間で反応させたい場合には適用でき、上記実施形態に限定されるものではない。

また、上記実施形態では、ピストンポンプ３０のピストン３１を移動制御する動作例として２つの例（図５Ａ，図５Ｂ）を説明したが、これらを組合わせたり、他の条件に応じて異なる動作位置制御を行うことも可能であり、ピストンポンプ３０の動作位置制御は上記実施形態に限定されるものではない。しかも、ピストン３１の動作位置制御は、リミットスイッチの他に、ピストン３１を駆動する液圧で原料１０の嵩密度が適した状態になるようにすることもでき、上記実施形態に限定されるものではない。

さらに、上記実施形態における投入管２２のゲート弁２６に近い原料供給口側に、ドレン弁、圧抜き弁、均圧弁などを設けるようにしてもよい。

また、上述した実施形態は一例を示しており、本発明の要旨を損なわない範囲での種々の変更は可能であり、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。

本発明に係る糖化反応設備は、特にバイオマス原料を効率良く糖化分解させて、糖化率を上げたい場合に利用できる。

１０ 原料（一次脱水ケーキ）
１１ 混合機
１２ 蒸気
１３ 酸触媒
１４ 反応器
１５ フラッシュタンク
１６ 固液分離装置
１７ Ｃ６糖液
１８ 二次脱水ケーキ
２０ 原料投入装置
２１ ホッパ
２２ 投入管
２３ 原料供給口
２４ ゲート側端部
２５ ピストンポンプ側端部
２６ ゲート弁
２７ ゲート部材
３０ ピストンポンプ
３１ ピストン
３２ シール部
３３ シリンダ部
３５〜３９ 位置センサ
４０ ベント管
４１ 上部気層用圧力計
４２ 液用温度計
５０ 気層部
５１ 液層部
５２ 原料投入口
５３ 横送り装置
５４ 送り機構
５５ 駆動モータ
５６ 排出口
５７ 加熱蒸気
５８ 加熱蒸気供給部
６０ 糖化反応設備
Ｌ１ 距離
Ｌ２ 原料供給口距離
Ｌ３ ストローク
Ｌ４，Ｌ５ 距離

Claims (7)

1. 原料を糖化反応させる反応器と、
   前記原料を所定間隔で前記反応器に投入する原料投入装置と、を備え、
   前記原料投入装置は、前記原料を前記反応器に投入することで崩れて分散する嵩密度で反応器に投入するように構成され、
   前記反応器は、前記原料投入装置から投入された前記原料を糖化反応温度まで上昇させる加熱蒸気供給部と、投入された原料を高温高圧下で所定時間糖化反応させた後、排出口から排出する送り機構とを有していることを特徴とする糖化反応設備。
2. 前記原料投入装置は、前記原料を前記反応器に投入するピストンポンプと、前記ピストンポンプで投入する原料の原料供給口を具備した投入管を開閉するゲート弁とを有し、
   前記ピストンポンプのピストンは、前記投入管の原料供給口のゲート側端部からゲート弁との間でシールするシール部を備え、前記ピストンが前記原料供給口のゲート側端部からゲート弁との間の投入管と接した状態で前記シール部によって高圧の反応器側と低圧の原料供給口側とをシールするように構成されている請求項１に記載の糖化反応設備。
3. 前記ピストンポンプは、前記原料の嵩密度を調整できるように、前記原料供給口のゲート側端部に対する前記ピストンのゲート弁側停止位置及び原料供給口側停止位置のいずれかを制御できるように構成されている請求項２に記載の糖化反応設備。
4. 前記加熱蒸気供給部は、前記反応器の内部の上部気層圧力が、前記送り機構で送る原料の液温度の飽和蒸気圧力と蒸気以外の気体の分圧との合計よりも高い圧力となる加熱蒸気を供給するように構成されている請求項１〜３のいずれか１項に記載の糖化反応設備。
5. 前記反応器は、前記原料投入装置から投入された原料中の空気を排出するベント部を有している請求項１〜４のいずれか１項に記載の糖化反応設備。
6. 前記原料に蒸気を混合して予熱し、該予熱された原料を前記原料投入装置に供給する混合機と、
   前記反応器から排出した原料を減温・減圧するフラッシュタンクとを備え、
   前記フラッシュタンクで減圧した蒸気を前記混合機に戻して原料に混合することで原料温度を反応温度以下で予熱するように構成されている請求項１〜５のいずれか１項に記載の糖化反応設備。
7. 前記混合機は、前記原料に酸触媒を混合するように構成されている請求項６に記載の糖化反応設備。

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