JP4427583B2 - バイオマスの水熱分解装置及び方法、バイオマス原料を用いた有機原料の製造システム - Google Patents
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Description
また、糖を出発原料として、化学工業原料生産(例えば乳酸発酵等)も考えられる。
ここで、バイオマスとは、地球生物圏の物質循環系に組み込まれた生物体又は生物体から派生する有機物の集積をいう(JIS K 3600 1258参照)。
図1は、実施例1に係るバイオマスの水熱分解装置を示す概念図である。
図1に示すように、本実施例に係るバイオマスの水熱分解装置41Aは、バイオマス原料11を常圧下から加圧下に供給するバイオマス供給装置31と、供給されたバイオマス原料(本実施例では、例えば麦わら等)11を、下端部側から傾斜型装置本体(以下「装置本体」という)42の内部に搬送スクリュー43により徐々に搬送すると共に、前記バイオマス原料11の供給箇所とは異なる上端部側から加圧熱水15を装置本体42内部に供給し、バイオマス原料11と加圧熱水15とを対向接触させつつ水熱分解し、加圧熱水15中にリグニン成分及びヘミセルロース成分を移行し、バイオマス原料11中からリグニン成分及びヘミセルロース成分を分離してなる水熱分解装置41Aと、装置本体42の上端部側からバイオマス固形分17を加圧下から常圧下に抜出すバイオマス抜出装置51とを具備するものである。
前記常圧下から加圧下に供給するバイオマス供給装置31としては、例えばピストンポンプ又はスラリーポンプ等のポンプ手段を挙げることができる。
本実施例では、バイオマスの供給前において、前処理装置として、例えば粉砕装置を用いて前処理するようにしてもよい。また、洗浄装置により洗浄するようにしてもよい。
なお、バイオマス原料11として、例えば籾殻等の場合には、粉砕処理することなく、そのまま水熱分解装置41Aに供給することができるものとなる。
これは、180℃未満の低温では、水熱分解速度が小さく、長い分解時間が必要となり、装置の大型化につながり、好ましくないからである。一方240℃を超える温度では、分解速度が過大となり、セルロース成分が固体から液体側へ移行を増大すると共に、ヘミセルロース系糖類の過分解が促進され、好ましくないからである。
また、ヘミセルロース成分は約140℃付近から、セルロースは約230℃付近から、リグニン成分は140℃付近から溶解するが、セルロースを固形分側に残し、且つヘミセルロース成分及びリグニン成分が十分な分解速度を持つ180℃〜240℃の範囲とするのがよい。
また、反応時間は20分以下、3分〜10分とするのが好ましい。これはあまり長く反応を行うと過分解物の割合が増大し、好ましくないからである。
ここで、供給するバイオマス原料と加圧熱水との重量比は、装置構成により適宜異なるが、例えば1:1〜1:10、より好ましくは1:1〜1:5とするのが好ましい。
すなわち、スクリューフィーダー32aと油圧シリンダー32bとからなる押出機構32とすることで、内部に供給されたバイオマス原料11が圧縮され、バイオマスプラグ33を形成し、このバイオマスプラグ33自身で水熱分解装置内圧力を遮断するマテリアルシールを行うようにしている。スクリューフィーダー32aにより徐々に押されて、油圧シリンダー32bの先端部分から徐々にバイオマスが切り出され、装置本体42内部に確実にバイオマス原料11を供給することとなる。
この脱水液54は、加圧熱水可溶分(リグニン成分及びヘミセルロース成分)を含むものであるので、熱水排出液16に送られ、熱水排出液16と共に別途処理される。
さらに、対向接触させることで、熱回収ができシステム効率から好ましいものとなる。
また、理想的なカウンターフローの実現が可能となる。
図5に示すように、本実施例に係るバイオマス原料を用いたアルコールの製造システム10−1は、バイオマス原料11を例えば粉砕処理する前処理装置12と、前処理したバイオマス粉砕物13を加圧熱水15と対向接触させつつ水熱分解し、加圧熱水15中にリグニン成分及びヘミセルロース成分を移行し、バイオマス固体中からリグニン成分及びヘミセルロース成分を分離してなる図1に示す水熱分解装置41Aと、前記水熱分解装置41Aから排出されるバイオマス固形分17中のセルロースを酵素処理して6炭糖を含む糖液に酵素(セルラーゼ)18−1で酵素分解する第1の酵素分解装置19−1と、第1の酵素分解装置19−1で得られた第1の糖液(6炭糖)20−1を用いて、発酵処理によりアルコール類(本実施の形態ではエタノール)を製造する第1のアルコール発酵装置21−1と、第1のアルコール発酵液22−1を精製して目的生成物のエタノール23と残渣24−1とに分離処理する第1の精製装置25−1とを具備するものである。
そして、6炭糖に応じた発酵(最終製品に応じた発酵:本実施例では第1のアルコール発酵装置21−1を用いてエタノール23を発酵により求める)プロセスを構築することができる。
図6は、本実施例に係るバイオマス原料を用いた有機原料のアルコール製造システムを示す概念図である。
図6に示すように、本実施例に係るバイオマス原料を用いたアルコールの製造システム10−2は、図1に示すアルコール製造システム10−1において、水熱分解装置41Aから排出される熱水排出液16中に移行されたヘミセルロース成分を酵素処理して5炭糖を含む第2の糖液20−2に酵素分解する第2の酵素分解装置19−2を設けてなるものである。
なお、酵素分解装置、アルコール発酵装置、精製装置は、それぞれ別途2機(第1の酵素分解装置19−1、第2の酵素分解装置19−2、第1のアルコール発酵装置21−1、第2のアルコール発酵装置21−2、第1の精製装置25−1、第2の精製装置25−2)設置している。そして、第1の糖液(6炭糖)20−1、第2の糖液(5炭糖)20−2に応じた酵素分解工程、アルコール発酵工程及び精製工程を行うようにして、エタノール23を得るようにしている。
そして、6炭糖、5炭糖の各々に適した酵母等を用いることでエタノールを効率的に個別に発酵により求めることができるものとなる。
12 前処理装置
13 バイオマス粉砕物
15 加圧熱水
16 熱水排出液
17 バイオマス固形分
18 酵素
19 酵素分解装置
19−1 第1の酵素分解装置
19−2 第2の酵素分解装置
20−1 第1の糖液(6炭糖)
20−2 第2の糖液(5炭糖)
23 エタノール
41A〜41D 水熱分解装置
Claims (7)
- セルロース、ヘミセルロース及びリグニンを有するバイオマス原料を常圧下から加圧下に供給するバイオマス供給装置と、
供給されたバイオマス原料を、いずれか一方から装置本体の内部にて、スクリュー手段により他方へ搬送すると共に、前記バイオマス原料の供給箇所とは他方の側から加圧熱水を本体内部に供給し、前記バイオマス原料と加圧熱水とを対向接触させつつ水熱分解し、排出する加圧熱水中にリグニン成分及びヘミセルロース成分を移行し、前記バイオマス原料中からリグニン成分及びヘミセルロース成分を分離してなる水熱分解装置と、
前記装置本体の他方からバイオマス固形分を加圧下から常圧下に抜出すバイオマス抜出装置とを具備してなり、
前記水熱分解装置の反応温度が180〜240℃であると共に、加圧熱水の状態であることを特徴とするバイオマスの水熱分解装置。 - 請求項1において、
前記搬送スクリューに熱水排出液の抜出し孔の閉塞を防止するスクレーパーを設けたことを特徴とするバイオマスの水熱分解装置。 - 請求項1又は2において、
前記反応温度の各温度の水の飽和蒸気圧に、更に0.1〜0.5MPa高い圧力であることを特徴とするバイオマスの水熱分解装置。 - 請求項1乃至3のいずれか一つにおいて、
供給するバイオマス原料と加圧熱水との重量比は、1:1〜1:10であることを特徴とするバイオマスの水熱分解装置。 - 請求項1乃至4のいずれか一つにおいて、
前記水熱分解装置が、傾斜型又は縦型の装置であることを特徴とするバイオマスの水熱分解装置。 - セルロース、ヘミセルロース及びリグニンを有するバイオマス原料を常圧下から加圧下に供給するバイオマス供給工程と、
供給されたバイオマス原料を、いずれか一方から装置本体の内部にて、スクリュー手段により他方へ搬送すると共に、前記バイオマス原料の供給箇所とは他方の側から加圧熱水を本体内部に供給し、前記バイオマス原料と加圧熱水とを対向接触させつつ水熱分解し、排出する加圧熱水中にリグニン成分及びヘミセルロース成分を移行し、前記バイオマス原料中からリグニン成分及びヘミセルロース成分を分離してなる水熱分解工程と、
前記装置本体の上端部側からバイオマス固形分を加圧下から常圧下に抜出すバイオマス抜出工程とを具備し、
前記水熱分解の反応温度が180〜240℃であると共に、加圧熱水の状態であることを特徴とするバイオマスの水熱分解方法。 - セルロース、ヘミセルロース及びリグニンを有するバイオマス原料を前処理する前処理装置と、
請求項1乃至5のいずれか一つの水熱分解装置と、
前記水熱分解装置から排出される前記バイオマス固形分中のセルロースを酵素処理して6炭糖を含む糖液に酵素分解する第1の酵素分解装置と、
該第1の酵素分解装置で得られた糖液を用いて、発酵処理によりアルコール類、石油代替品類又はアミノ酸類のいずれか一つを製造する発酵装置とを具備することを特徴とするバイオマス原料を用いた有機原料の製造システム。
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