JP2015149957A - Pretreatment method for saccharifying lignocellulosic biomass - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、バイオエタノールの製造に用いられるリグノセルロース系バイオマスの糖化前処理方法に関するものである。 The present invention relates to a saccharification pretreatment method for lignocellulosic biomass used for bioethanol production.
近年、自動車用燃料として、ガソリン−エタノール混合燃料を用いることが検討されている。前記ガソリン−エタノール混合燃料に用いるために、リグノセルロース系バイオマスを用いてエタノールを製造する技術が検討されている。 In recent years, it has been studied to use a gasoline-ethanol mixed fuel as a fuel for automobiles. For use in the gasoline-ethanol mixed fuel, a technique for producing ethanol using lignocellulosic biomass has been studied.
前記リグノセルロース系バイオマスは、セルロースを含んでおり、該セルロースを糖化酵素を用いて糖化処理することによりグルコース等の糖に分解し、得られた糖を発酵させてエタノールを得ることができる。 The lignocellulosic biomass contains cellulose, and it can be decomposed into sugars such as glucose by subjecting the cellulose to a saccharification treatment using a saccharifying enzyme, and the resulting sugar can be fermented to obtain ethanol.
ところが、前記リグノセルロース系バイオマスは、セルロースの他にヘミセルロース及びリグニンを主な構成成分としており、通常該セルロース及び該ヘミセルロースは、該リグニンに強固に結合しているため、そのままでは該セルロースに対する酵素糖化反応を行うことが難しい。従って、前記セルロースを酵素糖化反応させるに際しては、予め前記リグノセルロース系バイオマスを前処理して酵素糖化反応が可能な状態としておくことが望ましい。 However, the lignocellulosic biomass mainly contains hemicellulose and lignin in addition to cellulose, and usually the cellulose and the hemicellulose are firmly bound to the lignin. It is difficult to carry out the reaction. Therefore, when enzymatically saccharifying the cellulose, it is desirable that the lignocellulosic biomass is pretreated in advance so that the enzymatic saccharification reaction is possible.
前記リグノセルロース系バイオマスを酵素糖化反応が可能な状態とするために、該リグノセルロース系バイオマスを次のようにして前処理する方法が知られている(例えば特許文献1参照)。 In order to make the lignocellulosic biomass ready for enzymatic saccharification, a method is known in which the lignocellulosic biomass is pretreated as follows (see, for example, Patent Document 1).
まず、密閉された反応容器で、基質であるリグノセルロース系バイオマスとアンモニア水とを混合して基質混合物を得る。次に、前記反応容器で前記基質混合物を所定温度に加熱すると共に該温度に所定時間保持することにより、高温高圧下で、前記基質からリグニンを解離させ又は該基質を膨潤させて、アンモニア含有糖化前処理物を得る。 First, in a sealed reaction vessel, a lignocellulosic biomass as a substrate and aqueous ammonia are mixed to obtain a substrate mixture. Next, the substrate mixture is heated to a predetermined temperature in the reaction vessel and held at the temperature for a predetermined time to dissociate lignin from the substrate or swell the substrate under high temperature and pressure, thereby saccharifying the ammonia. A pre-treatment product is obtained.
尚、本願において、解離とは、セルロース等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等に空隙が生じ、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。 In addition, in this application, dissociation means cut | disconnecting at least one part coupling | bonding among the binding sites of lignin couple | bonded with cellulose etc. Swelling means that voids are formed in cellulose or the like constituting crystalline cellulose by the ingress of liquid, or the voids are generated inside the cellulose fibers to expand.
次に、前記反応容器の密閉を解除して前記アンモニア含有糖化前処理物からアンモニアを放散させて前記反応容器外に放出することにより、アンモニア分離糖化前処理物を得る。次に、前記アンモニア分離糖化前処理物を、酵素糖化反応に用いる糖化酵素の至適温度に冷却し、該糖化酵素を含む溶液と必要に応じて酸水溶液とを添加することにより、基質・糖化酵素混合物を得る。 Next, the sealed reaction vessel is released to release ammonia from the ammonia-containing saccharification pretreatment product and release it to the outside of the reaction vessel to obtain an ammonia separation saccharification pretreatment product. Next, the ammonia-separated saccharification pretreatment product is cooled to the optimum temperature of the saccharification enzyme used for the enzyme saccharification reaction, and a solution containing the saccharification enzyme and an aqueous acid solution as necessary are added, whereby a substrate / saccharification is performed. An enzyme mixture is obtained.
そして、このような前処理方法により得られた基質・糖化酵素混合物を、密閉された前記反応容器で前記至適温度に所定時間保持して酵素糖化反応させた後、得られた糖化溶液を発酵し、蒸留することにより、バイオエタノールを得ることができる。 Then, after the substrate / saccharifying enzyme mixture obtained by such a pretreatment method is kept at the optimum temperature for a predetermined time in the sealed reaction vessel for an enzyme saccharification reaction, the resulting saccharification solution is fermented. Then, bioethanol can be obtained by distillation.
前記従来の前処理方法においては、前記アンモニア分離糖化前処理物が収容される前記反応容器内又は前記反応容器のジャケットに冷却水を投入することにより、該アンモニア分離糖化前処理物を前記至適温度に冷却することが考えられる。 In the conventional pretreatment method, the ammonia separation saccharification pretreatment product is introduced into the reaction vessel in which the ammonia separation saccharification pretreatment material is accommodated or the jacket of the reaction vessel, whereby the ammonia separation saccharification pretreatment material is treated as the optimum. It is conceivable to cool to temperature.
しかしながら、前記反応容器内に冷却水を投入すると、前記アンモニア分離糖化前処理物が希釈されて処理効率が低下するという不都合がある。また、前記反応容器のジャケットに冷却水を投入すると、投入するエネルギーが増えるだけでなく、設備が複雑となりコストが増大するという不都合がある。 However, when cooling water is introduced into the reaction vessel, the ammonia separation saccharification pretreatment product is diluted, resulting in a disadvantage that the processing efficiency is lowered. In addition, when cooling water is introduced into the jacket of the reaction vessel, not only the energy to be added is increased, but also the facilities are complicated and the cost is increased.
本発明は、かかる不都合を解消して、反応容器内及びジャケットに冷却水を投入することなく、アンモニア分離糖化前処理物を容易に冷却することができるバイオマスの前処理方法を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a biomass pretreatment method that can easily cool the ammonia separation saccharification pretreatment product without introducing cooling water into the reaction vessel and the jacket, eliminating such disadvantages. And
かかる目的を達成するために、本発明は、密閉された反応容器で、基質であるリグノセルロース系バイオマスとアンモニア水とを混合して基質混合物を得る工程と、該反応容器で該基質混合物を所定温度に加熱すると共に該温度に所定時間保持することにより、該基質からリグニンを解離させ又は該基質を膨潤させてアンモニア含有糖化前処理物を得る工程と、該アンモニア含有糖化前処理物からアンモニアを放散させて該反応容器外に放出することによりアンモニア分離糖化前処理物を得る工程と、該アンモニア分離糖化前処理物に糖化酵素を含む溶液を添加することにより基質・糖化酵素混合物を得る工程とを備えるリグノセルロース系バイオマスの糖化前処理方法において、該アンモニア分離糖化前処理物を得る工程では、該反応容器の密閉を解除して該反応容器の内部圧力が大気圧以上の第1の圧力に低下するまで該アンモニア含有糖化前処理物からアンモニアを自然に放散させた後に、該反応容器の内部圧力を、大気圧以下且つ該糖化酵素の至適温度における水の飽和蒸気圧以上の第2の圧力に減圧することにより、該アンモニア含有糖化前処理物からアンモニアを放散させると共に該アンモニア分離糖化前処理物を該第2の圧力に対応する温度に低下させることを特徴とする。 In order to achieve such an object, the present invention comprises a step of mixing a lignocellulosic biomass as a substrate and aqueous ammonia in a sealed reaction vessel to obtain a substrate mixture; Heating to a temperature and maintaining the temperature for a predetermined time to dissociate lignin from the substrate or swell the substrate to obtain an ammonia-containing saccharification pretreatment product, and ammonia from the ammonia-containing saccharification pretreatment product A step of obtaining an ammonia separation saccharification pre-treatment product by releasing and releasing it from the reaction vessel; and a step of obtaining a substrate / saccharification enzyme mixture by adding a solution containing a saccharification enzyme to the ammonia separation saccharification pre-treatment product. In the pretreatment method for saccharification of lignocellulosic biomass comprising: After releasing the sealing and allowing ammonia to spontaneously dissipate from the ammonia-containing saccharification pretreatment product until the internal pressure of the reaction vessel drops to a first pressure of atmospheric pressure or higher, the internal pressure of the reaction vessel is increased to a high level. By reducing the pressure to a second pressure that is equal to or lower than the atmospheric pressure and equal to or higher than the saturated vapor pressure of water at the optimum temperature of the saccharifying enzyme, ammonia is released from the ammonia-containing saccharification pretreatment product and the ammonia separation saccharification pretreatment product is The temperature is lowered to a temperature corresponding to the second pressure.
本発明の前処理方法は、前記アンモニア含有糖化前処理物からアンモニアを放散させて前記アンモニア分離糖化前処理物を得る工程を、次のようにして行う。 In the pretreatment method of the present invention, the step of obtaining the ammonia separated saccharification pretreatment product by releasing ammonia from the ammonia-containing saccharification pretreatment product is performed as follows.
まず、前記アンモニア含有糖化前処理物を得る工程を行うために密閉されて高温高圧となっている前記反応容器の該密閉を解除する。これにより、前記反応容器の内部圧力が大気圧以上の第1の圧力に低下するまで、前記アンモニア含有糖化前処理物からアンモニアが自然に放散され、該反応容器外に放出する。前記第1の圧力は、例えば大気圧以上であって大気圧に近い圧力である。 First, in order to perform the step of obtaining the ammonia-containing saccharification pretreatment product, the sealing of the reaction vessel which is sealed and is at a high temperature and high pressure is released. Thereby, ammonia is naturally diffused from the ammonia-containing pre-saccharification product until the internal pressure of the reaction vessel is reduced to a first pressure equal to or higher than atmospheric pressure, and is released to the outside of the reaction vessel. The first pressure is, for example, a pressure equal to or higher than atmospheric pressure and close to atmospheric pressure.
次に、前記反応容器の内部圧力を前記至適温度における水の飽和蒸気圧以上且つ大気圧以下の第2の圧力に減圧することにより、前記アンモニア含有糖化前処理物からアンモニアをさらに放散させて、アンモニア分離糖化前処理物を得ることができる。 Next, by reducing the internal pressure of the reaction vessel to a second pressure not lower than the saturated vapor pressure of water and not higher than atmospheric pressure at the optimum temperature, ammonia can be further dissipated from the ammonia-containing saccharification pretreatment product. In addition, an ammonia separation saccharification pretreatment product can be obtained.
このとき、前記アンモニア含有糖化前処理物の温度は、最初、アンモニア水の飽和蒸気圧に対応する温度まで低下する。そして前記アンモニア含有糖化前処理物の温度は、放散の後半、アンモニア濃度が低くなることによって水の飽和蒸気圧に対応する温度へ低下する。これに伴って、前記反応容器に収容されている前記アンモニア分離糖化前処理物を前記第2の圧力に対応する温度に低下させることができる。 At this time, the temperature of the ammonia-containing saccharification pretreatment product is first lowered to a temperature corresponding to the saturated vapor pressure of ammonia water. And the temperature of the said ammonia containing saccharification pre-processing thing falls to the temperature corresponding to the saturated vapor pressure of water by the ammonia concentration becoming low in the latter half of emission. Along with this, the ammonia separation saccharification pretreatment product accommodated in the reaction vessel can be lowered to a temperature corresponding to the second pressure.
したがって、本発明の前処理方法によれば、前記反応容器の内部圧力を前記第2の圧力に減圧するだけで、前記アンモニア分離糖化前処理物を該第2の圧力に対応する温度に容易に冷却することができる。 Therefore, according to the pretreatment method of the present invention, the ammonia separation saccharification pretreatment product can be easily brought to a temperature corresponding to the second pressure by simply reducing the internal pressure of the reaction vessel to the second pressure. Can be cooled.
本発明の前処理方法において、前記第2の圧力は、例えば、前記至適温度から5〜20℃高い温度における水の飽和蒸気圧とすることができる。 In the pretreatment method of the present invention, the second pressure can be, for example, the saturated vapor pressure of water at a temperature 5 to 20 ° C. higher than the optimum temperature.
この場合には、前記反応容器の内部圧力を前記第2の圧力に減圧すると、前記アンモニア分離糖化前処理物を前記糖化酵素の至適温度から5〜20℃高い温度に冷却することができるので、次に、前記糖化酵素を含む溶液を添加することにより、該至適温度に調整することができる。 In this case, when the internal pressure of the reaction vessel is reduced to the second pressure, the ammonia separation saccharification pretreatment product can be cooled to a temperature 5 to 20 ° C. higher than the optimum temperature of the saccharification enzyme. Next, the optimum temperature can be adjusted by adding a solution containing the saccharifying enzyme.
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。 Next, embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.
本実施形態では、前処理として、基質とアンモニア水とを混合した基質混合物を加熱してアンモニア含有糖化前処理物を得た後に、該アンモニア含有糖化前処理物からアンモニアを除去してアンモニア分離糖化前処理物を得る。さらに、アンモニア分離糖化前処理物に糖化酵素を含む溶液を添加して得られる基質・糖化酵素混合物を酵素糖化処理に供する。 In the present embodiment, as a pretreatment, a substrate mixture obtained by mixing a substrate and aqueous ammonia is heated to obtain an ammonia-containing saccharification pretreatment product, and then ammonia is removed from the ammonia-containing saccharification pretreatment product to separate ammonia saccharification. A pre-treatment product is obtained. Further, the substrate / saccharifying enzyme mixture obtained by adding a solution containing saccharifying enzyme to the ammonia separation saccharification pre-treated product is subjected to enzymatic saccharification treatment.
本実施形態の前処理方法は、図1に示す前処理装置1を用いて実施することができる。 The pretreatment method of this embodiment can be implemented using the pretreatment apparatus 1 shown in FIG.
前処理装置1は、反応容器2と、アンモニア水凝縮器3と、アンモニア水吸収塔4と、アンモニア水タンク5とを備えている。
The pretreatment device 1 includes a
反応容器2は、上部に、基質供給導管6と、アンモニア水供給導管7と、図示しない糖化酵素溶液供給導管、酸水溶液供給導管及びイオン交換水供給導管とが配設されていると共に、アンモニアガス及び水蒸気を排出しアンモニア水凝縮器3に案内する第1排気導管8が排気弁9とバグフィルタ10とを介して配設されている。
The
基質供給導管6は、基質としてのリグノセルロース系バイオマス、例えば稲藁を反応容器2に供給し、アンモニア水供給導管7は、図示しないアンモニア水タンクからアンモニア水を反応容器2に供給する。また、前記糖化酵素溶液供給導管は、糖化酵素を含む溶液(以下、糖化酵素溶液と略記する)を反応容器2に供給し、前記酸水溶液供給導管は、希硫酸等の酸水溶液を反応容器2に供給する。
The substrate supply conduit 6 supplies lignocellulosic biomass as a substrate, such as rice straw, to the
また、反応容器2は、上部に配設されたモータ11と、モータ11から反応容器2内部に垂下される回転軸12と、回転軸12から水平方向に延出された撹拌翼12aとを備える。
In addition, the
また、反応容器2の内部には、圧力を検知する圧力センサ13が設けられている。
Further, a
また、反応容器2の外側には、熱媒体が流通されるジャケット14が配設され、ジャケット14には温水導管15が接続されている。
A
温水導管15は、ジャケット14の上部から導出された第1の熱媒体としての温水を温水タンク16、温水ポンプ17、空冷ファン18、2元系ヒートポンプ19、逆止弁20、開閉弁21を介して、ジャケット14の底部に循環させるようになっている。
The
温水導管15は、逆止弁20と開閉弁21との間から分岐する温水バイパス導管22を備えている。温水バイパス導管22は、開閉弁23を介して温水タンク16に接続され、開閉弁23の下流に流量計24を備えている。
The
尚、温水タンク16には第1補給水導管25が設けられており、第1補給水導管25は第1給水弁25aを介して第1補給水タンク26に接続されている。
The
アンモニア水凝縮器3は、第1排気導管8から導入されたアンモニアガス及び水蒸気の少なくとも一部を冷却することにより該アンモニアガス及び水蒸気を凝縮させてアンモニア水とするものであり、凝縮したアンモニア水を排出する第1排液導管27を備えている。第1排液導管27は、凝縮したアンモニア水をさらに冷却する凝縮水タンク28、第1排液ポンプ29を介してアンモニア水タンク5に接続されている。
The ammonia water condenser 3 cools at least a part of the ammonia gas and water vapor introduced from the first exhaust pipe 8 to condense the ammonia gas and water vapor into ammonia water. Is provided with a
また、アンモニア水凝縮器3は、凝縮しなかったアンモニアガス及び水蒸気を排出し、アンモニア水タンク5に案内する第2排気導管30を備えており、第2排気導管30は開閉弁31を介してアンモニア水タンク5に接続されている。第2排気導管30は開閉弁31の上流で第3排気導管32を分岐しており、第3排気導管32は途中に真空ポンプ33を備え、開閉弁31の下流で第2排気導管30に合流している。
The ammonia water condenser 3 includes a
また、第3排気導管32の真空ポンプ33の上流には開閉弁34が設けられ、真空ポンプ33の下流には開閉弁35が設けられている。第3排気導管32は、真空ポンプ33と開閉弁35との間で第4排気導管36を分岐している。第4排気導管36には開閉弁37が設けられ、第4排気導管36の他端は大気に開放されている。
An open /
アンモニア水吸収塔4は、底部でアンモニア水タンク5の天面に連通しており、第2排気導管30によりアンモニア水タンク5に案内されたアンモニアガス及び水蒸気をアンモニア水に吸収(溶解)させる。このため、アンモニア水吸収塔4は、アンモニア水循環導管38を介してアンモニア水タンク5から供給されるアンモニア水をシャワリングするシャワリング装置39を上部に備えている。
The ammonia
アンモニア水循環導管38は、アンモニア水タンク5から循環ポンプ40、アンモニア水熱交換器41、アンモニア濃度センサ42を介してシャワリング装置39に接続されている。アンモニア水熱交換器41は、アンモニア水循環導管38に循環されるアンモニア水を冷却する機能を備えている。また、アンモニア水吸収塔4には、第2補給水導管43が設けられており、第2補給水導管43は第2給水弁44を介して第2補給水タンク45に接続されている。
The ammonia
アンモニア水タンク5は、アンモニア水を排出する第2排液導管46を備えており、第2排液導管46は、第2排液ポンプ47を介して図示しないアンモニア水タンクに接続されている。尚、前記アンモニア水タンクには、反応容器2にアンモニア水を供給するアンモニア水供給導管7が接続されている。
The ammonia water tank 5 includes a
また、アンモニア水凝縮器3には、第1排気導管8から導入されたアンモニアガス及び水蒸気を冷却する低温水導管48が接続されている。低温水導管48はアンモニア水凝縮器3から導出された第2の熱媒体としての低温水を低温水1次タンク49、低温水1次ポンプ50、2元系ヒートポンプ19、第1切替弁51、アンモニア水熱交換器41、凝縮水タンク28を介して、アンモニア水凝縮器3に循環させるようになっている。
The ammonia water condenser 3 is connected to a low
第1切替弁51には低温水バイパス導管52が接続されており、低温水バイパス導管52は第2切替弁53を介して他端部が低温水1次タンク49に接続される。また、第2切替弁53には冷水導管55が接続されており、冷水導管55は他端部が低温水2次タンク56に接続されている。第1切替弁51、第2切替弁53は、低温水の流路を切り替えることができる。
A low temperature
低温水2次タンク56には冷水供給導管57が設けられており、冷水供給導管57は低温水2次ポンプ58を介して、第1切替弁51の下流側で低温水導管48に接続されている。尚、低温水1次タンク49には第3補給水導管59が設けられており、第3補給水導管59は第3給水弁60を介して第3補給水タンク61に接続されている。
The low temperature water
次に、本実施形態の前処理装置1の作動について説明する。 Next, the operation of the pretreatment device 1 of this embodiment will be described.
前処理装置1では、まず、前回の処理で得られた糖化処理物が反応容器2底部の排出口(図示せず)から排出され、次工程に移送される。
In the pretreatment apparatus 1, first, the saccharification product obtained in the previous treatment is discharged from a discharge port (not shown) at the bottom of the
次に、基質供給導管6から新たな基質としてのリグノセルロース系バイオマス、例えば反応容器2への稲藁の供給を開始した後、2元系ヒートポンプ19の運転を開始する。また、温水導管15からジャケット14へ加熱用熱媒体としての温水が供給されて、ジャケット14と2元系ヒートポンプ19との間で循環が開始され、熱媒体としての温水自体及びジャケット14を昇温する。
Next, after starting the supply of lignocellulosic biomass as a new substrate from the substrate supply conduit 6, for example, rice straw to the
次に、アンモニア水供給導管7からアンモニア水が反応容器2に供給される。このとき、反応容器2では、モータ11により回転軸12が回転駆動され、撹拌翼12aで前記稲藁とアンモニア水とが攪拌されることにより、基質混合物が調製される。本実施形態では、前記作動が基質混合物を得る工程に相当する。
Next, ammonia water is supplied to the
前記基質混合物は、温水導管15からジャケット14に供給される温水により、反応容器2内で所定の温度、例えば80〜85℃の範囲の温度に昇温される。前記基質混合物が前記所定温度に達するまでの間、撹拌翼12aによる撹拌が継続される。
The substrate mixture is heated to a predetermined temperature, for example, in the range of 80 to 85 ° C., in the
次に前記基質混合物が前記所定の温度に昇温された後、前記撹拌及び温水ポンプ17及び2元系ヒートポンプ19が停止され、加熱が終了し、該基質混合物は該所定の温度に所定の時間、例えば1〜6時間保持される。この結果、前記基質からリグニンが解離され、又は該基質が膨潤されて、該基質としての稲藁が酵素糖化反応可能な状態とされたアンモニア含有糖化前処理物を得ることができる。本実施形態では、前記作動がアンモニア含有糖化前処理物を得る工程に相当する。
Next, after the substrate mixture is heated to the predetermined temperature, the agitation and
次に、前処理装置1では、アンモニア分離糖化前処理物を得る工程を開始するために、2元系ヒートポンプ19の運転を再開し、さらにジャケット14への温水の供給を開始させる。排気弁9を開弁することにより、前記アンモニア含有糖化前処理物に含まれるアンモニア及び水蒸気をガスとして放散させ、バグフィルタ10を介して第1排気導管8からアンモニア水凝縮器3に案内する。このとき、反応容器2内の圧力は前記加熱により大気圧より高くなっており、排気弁9を開弁することにより、前記アンモニア含有糖化前処理物からアンモニアガス及び水蒸気を容易に放散させることができる。
Next, in the pretreatment device 1, the operation of the
前記アンモニアガス及び水蒸気は、低温水導管48からアンモニア水凝縮器3に供給される低温水により冷却され、その一部が凝縮し液化してアンモニア水となり、第1排液導管27を介して凝縮水タンク28に排出される。前記アンモニア水は、凝縮水タンク28において低温水導管48から供給される低温水によりさらに冷却された後、第1排液ポンプ29を介してアンモニア水タンク5に送られる。
The ammonia gas and water vapor are cooled by the low-temperature water supplied from the low-
また、前記アンモニアガス及び水蒸気の残部は、開閉弁31を開弁することにより第2排気導管30を介してアンモニア水タンク5に導入される。前記アンモニアガス及び水蒸気の圧力は、放散されるに従って低下し、大気圧に等しくなるとそれ以上の放散が難しくなる。
The remaining ammonia gas and water vapor are introduced into the ammonia water tank 5 through the
そこで、前記アンモニアガス及び水蒸気の圧力が大気圧に等しくなったならば、開閉弁31を閉弁し開閉弁34及び開閉弁35を開弁すると共に、真空ポンプ33を作動させることにより、反応容器2内のアンモニアガス及び水蒸気を吸引し、第2排気導管30及び第3排気導管32を介してアンモニア水タンク5に導入する。
Therefore, when the pressures of the ammonia gas and the water vapor become equal to the atmospheric pressure, the on-off
アンモニア水タンク5に導入された前記アンモニアガス及び水蒸気は、次いでアンモニア水タンク5に連通するアンモニア水吸収塔4に導入される。アンモニア水吸収塔4では、循環ポンプ40によりアンモニア水循環導管38を介して循環されるアンモニア水をシャワリング装置39によりシャワリングすることにより、前記アンモニアガス及び水蒸気を該アンモニア水に吸収(溶解)及び凝縮させる。
The ammonia gas and water vapor introduced into the ammonia water tank 5 are then introduced into the ammonia
本実施形態では、前記アンモニアガス及び水蒸気のアンモニア水凝縮器3における凝縮と、アンモニア水吸収塔4における吸収とが、放散されたアンモニアガス及び水蒸気をアンモニア水として回収する工程に相当する。
In the present embodiment, the condensation of the ammonia gas and water vapor in the ammonia water condenser 3 and the absorption in the ammonia
このとき、アンモニア水循環導管38の途中に設けられたアンモニア水熱交換器41により、前記アンモニアガス及び水蒸気を前記アンモニア水に吸収(溶解)及び凝縮させる際に生成する溶解熱及び潜熱が低温水導管48を流通する低温水により回収されると共に、該アンモニア水が冷却される。
At this time, the heat and latent heat generated when the ammonia water and water vapor are absorbed (dissolved) and condensed in the ammonia water by the ammonia
アンモニア水タンク5に貯留されるアンモニア水は、アンモニア水凝縮器3及び凝縮水タンク28における凝縮及び冷却と、アンモニア水吸収塔4におけるアンモニア水への溶解との結果、例えば15〜20℃の範囲の温度に冷却されている。前記範囲の温度に冷却されたアンモニア水は、第2排液導管46を介して第2排液ポンプ47により外部へ取り出され、反応容器2における前記基質混合物の調製に再利用される。
The ammonia water stored in the ammonia water tank 5 is, for example, in the range of 15 to 20 ° C. as a result of condensation and cooling in the ammonia water condenser 3 and the
反応容器2では、前記アンモニア含有糖化前処理物から前述のようにしてアンモニア水が放散された結果、アンモニアが分離されたアンモニア分離糖化前処理物を得ることができる。
In the
次に、反応容器2に、前記酸水溶液供給導管を介して前記酸水溶液を供給し撹拌するとともに、前記糖化酵素溶液供給導管を介して前記糖化酵素溶液を供給し撹拌する。これにより、前記アンモニア分離糖化前処理物と前記糖化酵素溶液とが混合された基質・糖化酵素混合物を得ることができる。このとき、必要に応じてイオン交換水供給導管を介してイオン交換水を供給し、前記基質・糖化酵素混合物の含水率を調節してもよい。
Next, the acid aqueous solution is supplied to the
次に、反応容器2内で酵素糖化処理を行うことにより、前記基質・糖化酵素混合物は少なくとも一部が糖化された後、得られた糖化処理物は前述のように反応容器2底部の排出口(図示せず)から排出され、次工程に移送される。そして、反応容器2では次回の処理が準備される。
Next, by performing an enzymatic saccharification treatment in the
次に、反応容器2におけるアンモニア含有糖化前処理物を得るときの前記基質混合物の加熱について、さらに詳細に説明する。
Next, the heating of the substrate mixture for obtaining the ammonia-containing saccharification pretreatment product in the
まず、反応容器2での基質の加熱について説明する。基質供給導管6により反応容器2へ前記基質が供給を開始した後、温水が温水導管15を介して反応容器2のジャケット14に供給される。この結果、熱媒体(温水)自体及びジャケット14の加熱が開始される。その後、アンモニア水供給導管7によりアンモニア水が供給され、前記基質と該アンモニア水とが撹拌翼12aで撹拌されて混合されることにより基質混合物が調製される。
First, the heating of the substrate in the
本実施形態の前処理方法では、基質混合物を調製する前から前記熱媒体及びジャケット14の加熱を開始すること、そして温水タンク16内にこの前に行った前処理時にアンモニア分離前処理物を得る工程時に回収された温水を使用できるため、該基質混合物が前記所定の温度に昇温するまでに要する時間を短縮することができる。また、前記基質混合物が前記所定の温度に昇温するまでの間に撹拌翼12aにより撹拌が行われているが、撹拌時間を短縮することができ、撹拌に要するエネルギーを低減することができる。
In the pretreatment method of the present embodiment, heating of the heating medium and the
次に、低温水1次タンク49に貯留されている低温水の循環ルートを示す。アンモニア含有糖化前処理物を得るときは、第1切替弁51を作動させ、低温水導管48と低温水バイパス導管52とを接続するように切り替える。
Next, the circulation route of the low temperature water stored in the low temperature water primary tank 49 is shown. When obtaining the ammonia-containing pre-saccharification product, the first switching valve 51 is operated to switch the low-
このようにすると、低温水1次タンク49に貯留されている低温水が、低温水1次ポンプ50を経由し、低温水導管48及び低温水バイパス導管52により、低温水1次ポンプ50、2元系ヒートポンプ19、第1切替弁51、第2切替弁53を経て、低温水1次タンク49に戻る経路で循環されるようになる。
In this way, the low-temperature water stored in the low-temperature water primary tank 49 passes through the low-temperature water
このとき、低温水導管48に循環される前記低温水は、前述のように、2元系ヒートポンプ19の第1熱交換器74で前記二酸化炭素と熱交換することにより、アンモニア水凝縮器3でアンモニアガスを凝縮させることができる温度、例えば10〜15℃の範囲の温度を目標に冷却される。ただし、始動時はその温度よりも高くなっているので低温水1次タンク49に戻る経路で循環されている。
At this time, the low-temperature water circulated through the low-
次に、温度センサ54により検出される前記低温水の温度が、目標の10〜15℃の範囲の温度に冷却されたならば、第2切替弁53が低温水バイパス導管52と冷水導管55とを接続するように切り替えられる。この結果、10〜15℃の範囲の温度以下の低温水(以下、冷水という)が低温水2次タンク56に貯留され、アンモニア分離糖化前処理物を得る工程で使われることとなる。
Next, when the temperature of the low-temperature water detected by the
次に、2元系ヒートポンプ19について、詳細に説明する。2元系ヒートポンプ19は2種類の熱媒体を用いるヒートポンプであり、図2に示すように、第1の循環導管71と、第2の循環導管72との2種類の熱媒体の循環系を備えている。前記2種類の熱媒体として、例えば、第1の循環導管71には二酸化炭素が循環され、第2の循環導管72にはトリフルオロエタノールが循環される。
Next, the
第1の循環導管71は、途中に膨張弁73、低温水導管48に循環される低温水と熱交換する第1熱交換器74、圧縮機75、第2の循環導管72に循環されるトリフルオロエタノールと熱交換する第2熱交換器76を備えている。また、第2の循環導管72は、途中に膨張弁77、第1の循環導管71に循環される二酸化炭素と熱交換する第2熱交換器76、圧縮機78、温水導管15に循環される温水と熱交換する第3熱交換器79を備えている。
The
前記低温水は、2元系ヒートポンプ19の第1熱交換器74において二酸化炭素と熱交換することによりアンモニア水凝縮器3でアンモニアガスを凝縮させることができる温度、例えば10〜15℃に冷却される。また前記二酸化炭素は、2元系ヒートポンプ19の第1熱交換器74において前記低温水と熱交換することにより加熱される。
The low-temperature water is cooled to a temperature at which ammonia gas can be condensed in the ammonia water condenser 3 by exchanging heat with carbon dioxide in the
また、2元系ヒートポンプ19では、第2の循環導管72に循環されるトリフルオロエタノールが、第2熱交換器76で第1の循環導管71により供給される前記二酸化炭素と熱交換することにより加熱される。前記トリフルオロエタノールは、第3熱交換器79で温水導管15により供給される温水と熱交換して冷却される。この結果、温水導管15により第3熱交換器79に供給される前記温水は、反応容器2において前記基質混合物を加熱することができる温度に加熱される。
In the
次に、アンモニア水凝縮器3によるアンモニアガス及び水蒸気の冷却及び凝縮について、さらに詳細に説明する。 Next, cooling and condensation of ammonia gas and water vapor by the ammonia water condenser 3 will be described in more detail.
前処理装置1では、まず、アンモニア分離前処理物を得る初期段階を除く通常時は、第1切替弁51により低温水導管48の上流と下流とが接続されており、低温水1次ポンプ50が作動されている。
In the pretreatment device 1, first, in the normal time except for the initial stage of obtaining the ammonia separation pretreatment product, the first switching valve 51 connects the upstream and downstream of the low
この結果、低温水1次タンク49に貯留されている低温水が、低温水導管48により取り出され、低温水1次ポンプ50、2元系ヒートポンプ19、第1切替弁51、アンモニア水熱交換器41、凝縮水タンク28、アンモニア水凝縮器3を経て、低温水1次タンク49に戻る経路で循環される。
As a result, the low-temperature water stored in the low-temperature water primary tank 49 is taken out by the low-
このとき、前記低温水は、2元系ヒートポンプ19を介して、温水と熱交換することにより冷却される。そして、前記低温水は、アンモニア水熱交換器41及び凝縮水タンク28でアンモニア水と熱交換して該アンモニア水を冷却し、アンモニア水凝縮器3でアンモニアガス及び水蒸気と熱交換することにより該アンモニアガス及び水蒸気を冷却する。一方、前記低温水自体は、前記アンモニア水及び前記アンモニアガス及び水蒸気により加熱される。
At this time, the low-temperature water is cooled by exchanging heat with hot water via the
次に、アンモニア分離前処理物を得る工程の初期段階について説明する。排気弁9を開弁して反応容器2内のアンモニア含有糖化前処理物から放散されるアンモニアガス及び水がアンモニア水凝縮器3に導入される段階に至ったならば、第2切替弁53により低温水バイパス導管52と冷水導管55とが接続された状態で、低温水2次ポンプ58が作動される。このようにすると、低温水2次タンク56に貯留されている前記冷水が冷水供給導管57及び低温水導管48を介し、アンモニア水熱交換器41、凝縮水タンク28を経由して、アンモニア水凝縮器3に供給される。
Next, the initial stage of the process for obtaining the ammonia separation pretreatment product will be described. When the
本実施形態の前処理方法は回分(バッチ)式であるので、アンモニア水凝縮器3において、アンモニアガス及び水蒸気を凝縮させる際に、前記放散の初期段階では、アンモニア含有糖化前処理物から高濃度且つ大量のアンモニアガス及び少量の水蒸気が放散され、高濃度のアンモニアガス及び少量の水蒸気がアンモニア水凝縮器3に導入される。このため、前記初期段階では、前記高濃度のアンモニアガス及び少量の水蒸気を冷却するために大きな冷却熱エネルギーが必要となる。そこで、前述のように、低温水2次タンク56に貯留されている前記冷水をアンモニア水凝縮器3に供給することにより、前記高濃度かつ大量のアンモニアガス及び少量の水蒸気を効率よく冷却し、十分に凝縮させることができる。
Since the pretreatment method of the present embodiment is a batch (batch) type, when ammonia gas and water vapor are condensed in the ammonia water condenser 3, a high concentration is obtained from the ammonia-containing saccharification pretreatment product in the initial stage of the emission. A large amount of ammonia gas and a small amount of water vapor are diffused, and a high concentration ammonia gas and a small amount of water vapor are introduced into the ammonia water condenser 3. For this reason, in the initial stage, large cooling heat energy is required to cool the high concentration ammonia gas and a small amount of water vapor. Therefore, as described above, by supplying the cold water stored in the low temperature water
その後、低温水2次タンク56に貯留される前記冷水の水位が下限に達したことが水位センサ(図示せず)により検出されたならば、前述のように、第1切替弁51が低温水導管48の上流と下流とを接続するように切り替えられる。
Thereafter, if it is detected by a water level sensor (not shown) that the water level of the cold water stored in the low temperature water
そして、アンモニア水凝縮器3から導出された低温水が低温水導管48により、低温水1次タンク49、低温水1次ポンプ50、2元系ヒートポンプ19、第1切替弁51、アンモニア水熱交換器41、凝縮水タンク28を介して、アンモニア水凝縮器3に循環される通常の冷却状態に移行する。このときには、放散されるアンモニアガスの濃度も量も既に低減しているので、前記通常の冷却状態の低温水により十分に前記アンモニアガス及び水蒸気を冷却し、凝縮させることができる。
Then, the low-temperature water derived from the ammonia water condenser 3 is transferred to the low-temperature water primary tank 49, the low-temperature water
さらに、本実施形態の前処理方法では、前記アンモニア含有糖化前処理物からアンモニアを放散させて前記アンモニア分離糖化前処理物を得る工程において、次のようにして、該アンモニア分離糖化前処理物の温度を低下させる。 Further, in the pretreatment method of the present embodiment, in the step of obtaining ammonia separation saccharification pretreatment product by releasing ammonia from the ammonia-containing saccharification pretreatment product, the ammonia separation saccharification pretreatment product is obtained as follows. Reduce temperature.
まず、開閉弁34、開閉弁35及び開閉弁37を閉弁すると共に、開閉弁31を開弁することにより、密閉されて高温高圧となっている反応容器2の該密閉を解除する。これにより、反応容器2内の前記アンモニア含有糖化前処理物からアンモニアが自然に放散され、該アンモニアガス及び水蒸気が第1排気導管8、第2排気導管30を介してアンモニア水タンク5に導入される。これにより、前記アンモニア含有糖化前処理物の温度は、アンモニア水の飽和蒸気圧に対応する温度まで低下する。
First, the on-off
次に、反応容器2内の圧力が大気圧に等しくなった後、開閉弁31を閉弁するとともに、開閉弁34及び開閉弁35を開弁し、真空ポンプ33を作動させる。これにより、反応容器2内のアンモニアガス及び水蒸気が真空ポンプ33で吸引され、第1排気導管8、第2排気導管30、第3排気導管32を介してアンモニア水タンク5に導入される。
Next, after the pressure in the
そして、反応容器2内を、次工程の酵素糖化処理に用いられる前記糖化酵素の至適温度T1(例えば50℃)から5〜20℃高い温度T2(例えば55〜70℃)における水の飽和蒸気圧に相当する圧力Pまで減圧する。これは後述する酸水溶液や糖化酵素溶液の調整溶液の量を多く供給できる場合に有効である。また、5℃より下げると、前記調整溶液によって糖化酵素の至適温度T1より下がってしまうため、酵素糖化がしにくくなる。20℃より高いと、至適温度T1にするためにより多くの前記調整溶液が必要となり、アンモニア分離糖化前処理物が希釈されてしまう。
Then, the
より好適には、前記糖化酵素の至適温度T1(例えば50℃)から5〜10℃高い温度T2(例えば55〜60℃)であることが好ましい。この場合、前記調整溶液を最小限にすることができるため、アンモニア分離糖化前処理物の濃度をより高くできる。 More preferably, it is preferably a temperature T 2 (for example 55 to 60 ° C.) that is 5 to 10 ° C. higher than the optimum temperature T 1 (for example 50 ° C.) of the saccharifying enzyme. In this case, since the adjustment solution can be minimized, the concentration of the ammonia separation saccharification pretreatment product can be further increased.
一定体積を有する反応容器2の内部圧力が低下すると、前記アンモニア含有糖化前処理物の温度は、アンモニア濃度が低くなることによって水の飽和蒸気圧に対応する温度へ低下する。これに伴って、該反応容器に収容されている前記アンモニア分離糖化前処理物の温度を温度T2まで低下させることができる。
When the internal pressure of the
したがって、本実施形態の前処理方法によれば、反応容器2内や反応容器2のジャケット14に冷却水を投入することなく、前記アンモニア分離糖化前処理物を容易に冷却することができる。
Therefore, according to the pretreatment method of this embodiment, the ammonia separation saccharification pretreatment product can be easily cooled without introducing cooling water into the
次に、反応容器2に、前記酸水溶液供給導管を介して前記酸水溶液を供給すると共に、前記糖化酵素溶液供給導管を介して前記糖化酵素溶液を供給して撹拌する。これにより、前記アンモニア分離糖化前処理物と前記糖化酵素溶液とが混合された基質・糖化酵素混合物を得ることができる。前記基質・糖化酵素混合物は、前記酸水溶液と混合されたことにより、中和され、前記糖化酵素の至適pHに調整されている。
Next, the acid aqueous solution is supplied to the
得られた前記基質・糖化酵素混合物は、前記糖化酵素溶液及び前記酸水溶液と混合されたことにより、その温度を前記糖化酵素の至適温度T1まで低下させることができる。前記糖化酵素の至適温度T1に冷却され、該糖化酵素の至適pHに調整された前記基質・糖化酵素混合物は、該糖化酵素を用いる酵素糖化処理に供することができる。 The obtained substrate / saccharifying enzyme mixture is mixed with the saccharifying enzyme solution and the acid aqueous solution, whereby the temperature can be lowered to the optimum temperature T 1 of the saccharifying enzyme. The substrate / saccharifying enzyme mixture that has been cooled to the optimal temperature T 1 of the saccharifying enzyme and adjusted to the optimal pH of the saccharifying enzyme can be subjected to an enzymatic saccharification treatment using the saccharifying enzyme.
したがって、本実施形態の前処理方法によれば、前記アンモニア分離糖化前処理物を速やかに冷却することができ、前記糖化酵素を用いる酵素糖化処理に速やかに供することができる。 Therefore, according to the pretreatment method of the present embodiment, the ammonia-separated saccharification pretreatment product can be quickly cooled, and can be quickly subjected to an enzymatic saccharification treatment using the saccharifying enzyme.
1…前処理装置、 2…反応容器。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Pretreatment apparatus, 2 ... Reaction container.
Claims (2)
該反応容器で該基質混合物を所定温度に加熱すると共に該温度に所定時間保持することにより、該基質からリグニンを解離させ又は該基質を膨潤させてアンモニア含有糖化前処理物を得る工程と、
該アンモニア含有糖化前処理物からアンモニアを放散させて該反応容器外に放出することによりアンモニア分離糖化前処理物を得る工程と、
該アンモニア分離糖化前処理物に糖化酵素を含む溶液を添加することにより基質・糖化酵素混合物を得る工程とを備えるリグノセルロース系バイオマスの糖化前処理方法において、
該アンモニア分離糖化前処理物を得る工程では、該反応容器の密閉を解除して該反応容器の内部圧力が大気圧以上の第1の圧力に低下するまで該アンモニア含有糖化前処理物からアンモニアを自然に放散させた後に、該反応容器の内部圧力を、大気圧以下且つ該糖化酵素の至適温度における水の飽和蒸気圧以上の第2の圧力に減圧することにより、該アンモニア含有糖化前処理物からアンモニアを放散させると共に該アンモニア分離糖化前処理物を該第2の圧力に対応する温度に低下させることを特徴とするリグノセルロース系バイオマスの糖化前処理方法。 A step of mixing a lignocellulosic biomass as a substrate with ammonia water in a sealed reaction vessel to obtain a substrate mixture;
Heating the substrate mixture to a predetermined temperature in the reaction vessel and maintaining the temperature for a predetermined time to dissociate lignin from the substrate or swell the substrate to obtain an ammonia-containing saccharification pretreatment product;
A step of obtaining ammonia-separated saccharification pre-treatment product by releasing ammonia from the ammonia-containing saccharification pre-treatment product and releasing it from the reaction vessel;
In the pretreatment method for saccharification of lignocellulosic biomass comprising the step of obtaining a substrate / saccharification enzyme mixture by adding a solution containing a saccharification enzyme to the ammonia separation saccharification pretreatment product,
In the step of obtaining the ammonia separation saccharification pretreatment product, the ammonia is removed from the ammonia-containing saccharification pretreatment product until the reaction vessel is closed and the internal pressure of the reaction vessel is reduced to a first pressure of atmospheric pressure or higher. After being naturally diffused, the ammonia-containing saccharification pretreatment is performed by reducing the internal pressure of the reaction vessel to a second pressure not higher than atmospheric pressure and not lower than the saturated vapor pressure of water at the optimum temperature of the saccharifying enzyme. A method for pre-saccharification of lignocellulosic biomass, wherein ammonia is diffused from a product and the ammonia-separated saccharification pre-treatment product is lowered to a temperature corresponding to the second pressure.
前記第2の圧力は、前記至適温度から5〜20℃高い温度における水の飽和蒸気圧であることを特徴とするリグノセルロース系バイオマスの糖化前処理方法。 In the pre-saccharification pretreatment method for lignocellulosic biomass according to claim 1,
The pretreatment for saccharification of lignocellulosic biomass, wherein the second pressure is a saturated vapor pressure of water at a temperature 5 to 20 ° C higher than the optimum temperature.
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CN115053033A (en) * | 2020-02-03 | 2022-09-13 | 瑞典乙醇化工技术有限公司 | Apparatus and method for pretreatment of biomass |
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