JP5211429B2 - マイクロ波を用いた精油抽出装置 - Google Patents

Description

本発明は、マイクロ波を用いて植物バイオマスから精油を抽出する精油抽出装置に関する。

地球温暖化対策の一環として、バイオマスを燃料に用いた発電技術が知られている。バイオマスには、都市ごみ、食品残渣、下水汚泥等の産業系バイオマス、家畜糞尿等の動物系バイオマス、栽培植物、伐採木や農作物残渣等の植物系バイオマスがある。植物系バイオマスは、粉砕物もしくは加工物（炭化物、液化物、ガス化物など）を燃料として発電する。

しかし、固体バイオマスは嵩高く、収集・運搬エネルギーが多く必要なため、大量に調達しなければならない場合や、遠方にて発電を実施する場合には、不向きである。これを解消するために、バイオマスの液化やガス化（エタノール化、ＤＭＥ化、水素化）の技術があるが、現状ではいずれも大規模な装置を必要としたり（エタノール化では培養装置など）、高コスト（ＤＭＥ化、水素化など）である。

また、各種バイオマスは様々な成分を含んでおり、それらの中には付加価値の高い精油成分も含まれているが、現状のバイオマスの利用方法では、それらの付加価値の高い成分も燃料として消費してしまっている。

植物バイオマスから精油を抽出する方法としては、従来より、圧搾、水蒸気、熱水、有機溶媒やラード等による方法が実施されているが、圧搾では抽出効率が低くなり、水蒸気蒸留では抽出時間が長くかつエネルギー消費量が多くなり、熱水や有機溶媒による抽出では抽出時間が長い、或いは繁雑でかつエネルギー消費量も多いと言った課題がある。そこで、近年、マイクロ波を用いた抽出方法が提案されて来ている。

特許文献１には、植物バイオマスを含む装置を加圧し、装置内に加圧蒸気を注入し、電磁波によって植物バイオマスのコアまで加熱し、植物バイオマスから天然液を抽出した後、抽出液を装置外に排出させる方法が開示されている。しかし、この方法では、装置内を加圧状態にして抽出するため、エアコンプレッサーと飽和水蒸気発生装置が不可欠で、省エネルギーの抽出方法とは言い難い。

特許文献２には、粉砕した原料植物と抽出溶媒（水、多価アルコール）の混合物を、マイクロ波発生装置に囲まれたエンドレススクリューを備えたガラスチューブからなる装置の中でマイクロ波（１５００Ｗ、２４５０ＭＨｚ）を３０秒間照射し、原料植物から植物抽出物を抽出する方法が開示されている。しかし、この方法では、安定で着色の少ない植物抽出物を得るためにマイクロ波照射、或いはマイクロ波照射と超音波照射とを併用しているに過ぎない。
特表２００２−５４２９４１号公報 特開２００４−０８９７８６号公報

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、マイクロ波を用いて植物バイオマスから精油を抽出する抽出装置であって、省エネルギー化及び大量の植物バイオマスの処理が可能で、マイクロ波の局部的な照射或いは溶媒不足による植物バイオマスの過加熱を解消することができ、しかもマイクロ波照射効率に優れる、精油抽出装置を提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明者らは鋭意検討した結果、マイクロ波照射部を広くするか或いはマイクロ波を拡散可能な装置とすることで、大量のバイオマス処理が可能となり、さらに、溶媒のみを抽出容器へ戻す機能を付加することで、過加熱を避け適度な溶媒蒸気を保つことができ、精油の抽出及び回収をより迅速に行うことができるとの知見を得て、本発明に到達した。

すなわち、本発明は以下のとおりである。
（１）マイクロ波を照射して植物バイオマスから精油を抽出する抽出装置であって、
植物バイオマス及び溶媒を収容する抽出容器、マイクロ波照射部、及び抽出容器外に備えられた溶媒凝縮部と精油回収部とから構成され、
前記抽出容器内に多数の孔の開いた植物バイオマス収容体を設置し、加熱前の抽出容器内において、植物バイオマスと溶媒とを非接触状態で、前記植物バイオマス収容体内に収容すると共に、
前記抽出容器がマイクロ波拡散手段又はマイクロ波伝達手段のうちの少なくとも一方を備えており、マイクロ波拡散手段が、前記抽出容器を回転させる手段であり、マイクロ波伝達手段が、植物バイオマス内にマイクロ波透過材を配置する手段である
ことを特徴とする精油抽出装置。
（２）前記マイクロ波拡散手段が、前記抽出容器内に照射されたマイクロ波を拡散反射させる手段である前記（１）に記載の精油抽出装置。
（３）前記植物バイオマスが、栽培系植物バイオマス又は廃棄物系植物バイオマスである前記（１）または（２）に記載の精油抽出装置。
（４）前記植物バイオマスと溶媒の割合が、植物バイオマス：溶媒＝１／０．１〜１／５（質量／質量）である前記（１）〜（３）のいずれかに記載の抽出装置。
（５）前記溶媒が、水である前記（１）〜（４）のいずれかに記載の精油抽出装置。
（６）マイクロ波周波数が、０．５ＧＨｚ〜１０ＧＨｚの範囲内である前記（１）〜（５）のいずれかに記載の精油抽出装置。
（７）前記精油回収部が、凝縮溶媒を前記抽出容器内に戻す機能を備えている前記（１）〜（６）のいずれかに記載の精油抽出装置。

本発明によれば、マイクロ波を用いて植物バイオマスから精油を抽出する際に、マイクロ波拡散手段及び／又はマイクロ波伝達手段を備えた抽出装置を用いることにより、抽出操作の省エネルギー化及び大量の植物バイオマスの処理が可能となり、マイクロ波の局部的な照射或いは溶媒不足による植物バイオマスの過加熱を解消することができ、しかも精油の抽出処理を迅速に実施可能な抽出装置を提供できる。

また、加熱前の抽出容器内に、植物バイオマスと溶媒とを、非接触状態で収容することにより、熱水分解や抽出反応後の過湿状態を防止することができる。

また、精油回収部が凝縮溶媒を抽出容器内に戻す機能を備えることにより、過加熱を避け適度な溶媒蒸気を保つことができ、精油の抽出及び回収をより迅速に行うことができる。

抽出後の植物バイオマス残渣は、従来の水蒸気蒸留法と違ってほぼ乾燥状態にできるため、新たに乾燥処理を施すことなく、バイオマス燃料や、チップ、土壌改良材等として利用できる。

以下、本発明に係る精油抽出装置の好ましい実施形態を挙げ、図面を参照しながら詳細に説明する。

（実施形態１）
図１は本発明の実施形態１に係る精油抽出装置の概略構成図である。本精油抽出装置は、植物バイオマス１と溶媒２を収容する金属等、耐熱性かつマイクロ波非透過性の抽出容器３、該抽出容器３の上面に設置したマイクロ波照射部５、該抽出容器３の外に設けられた溶媒凝縮部６及び精油回収部７から構成されている。

抽出に際し先ず、抽出容器３の中に、植物バイオマス収容体である耐熱性樹脂製の多数の孔の開いた脚付バスケット４を設置し、該バスケット内に葉、実、枝等の植物バイオマス１を収容する。これにより、抽出前及び抽出後の植物バイオマスの運搬作業が容易になり、また、抽出溶媒２が植物バイオマス１に接触することにより生じる熱水分解や抽出反応後の過湿を防止することができる。抽出溶媒２は、脚付バスケットの脚部部分に植物バイオマス１と接触しない高さまで入れることが好ましい。なお、前記の植物バイオマス収容体は、かご、メッシュ状のシートや袋状のもの等を利用することができ、その材質はテフロン(登録商標)等の耐熱性樹脂が好適である。

抽出時は、マイクロ波照射部５から抽出容器２内にマイクロ波を照射する。抽出時の抽出容器２内の温度は、３５℃〜１６０℃に保持されていることが好ましく、より好ましくは７５℃〜１２０℃である。反応温度をこの範囲に保持することにより、抽出される精油成分の分解を防止し、抽出効率を高めることができる。抽出時間は、通常３０秒〜１時間、好ましくは１分〜３０分である。

下表１は、各種植物バイオマスの水分含有量を示すデータであり、植物バイオマスは種類や部分によって異なるが、約３０〜６０質量％の水分を含有する。そのため、マイクロ波照射によって溶媒及び植物バイオマス表面の水分が加熱されると共に、植物バイオマス中に含まれる水分によって内部から加熱されることで、加熱溶媒によって植物バイオマス中の精油成分が効率よく抽出される。

マイクロ波照射時間の経過につれて、精油成分及び溶媒が蒸発し、蒸発管１１を通して抽出容器３の外に出た後、溶媒凝縮部６で凝縮され、精油回収部７に回収される。精油回収部には戻り管１２が備えられているので、図１に拡大図を示すように、精油回収部に回収された精油Ａ及び溶媒２の量が、戻り管１２の頂点とほぼ同じ高さになった時点で、精油回収部７から溶媒２が抽出容器３内に戻り、回収部水位と戻り管の出口位置高さが同じになると、大気圧が等しくなるので、水流が停止する。この操作は１回ないし複数回繰り返し行われる。精油成分の抽出量が平衡状態に達した段階でマイクロ波の照射を停止し、抽出された精油成分をコック１３の開閉操作により回収する。溶媒蒸気凝縮部６における冷媒の温度は、通常−２０〜１０℃とし、溶媒が水の場合は−１０〜５℃の範囲とするのが好ましい。

植物バイオマスとしては、栽培系植物バイオマス及び廃棄物系植物バイオマスが、主に使用される。栽培系植物バイオマスとしては、木や草の葉、実、枝、根などが挙げられる。廃棄物系植物バイオマスとしては、木材、間伐材、伐採木、剪定枝、おがくず、樹皮、チップ、端材、流木、竹、笹、木質建築廃材等の木質系バイオマス；モミ殻、稲藁、麦藁、バガス、アブラヤシ（パーム油の原料）のヤシ殻等の農作物系バイオマス；食品工場や外食産業から出る食品残渣等の食物系バイオマスなどが挙げられる。これらの植物バイオマスの中でも、精油含有量が多いという観点では、栽培系植物バイオマスや前記食物系バイオマスが好適で、成分の安定性では栽培系植物バイオマスが好適である。また、栽培系植物バイオマスの中でも、実や葉が好ましく、一般的には広葉樹より針葉樹が好ましい。これらの植物バイオマスは、抽出容器に入る程度にカットした大きさ、或いは、粉砕した状態で使用する。

抽出溶媒としては、水、エーテル類、メタノールやエタノールなどのアルコール類、酢酸エチル、ピリジン、テトラヒドロフラン、クロロホルム、アセトン等を挙げることができる。中でも、水は安価で、入手容易であり、スパーク時の引火性など安全性の面からも好ましい溶媒である。抽出溶媒の植物バイオマスに対する割合は特に限定されないが、植物バイオマス：溶媒＝１：０．１〜１：５（質量／質量）とするのが好ましい。前記割合より抽出溶媒が少ない場合は精油の抽出効率が低下し、一方、多い場合は加熱に要するエネルギーが大きくなるため好ましくない。

マイクロ波発生装置から照射するマイクロ波の出力や周波数、照射方法は、特に限定されるものではなく、反応温度が所定の範囲に保持できるよう電気的に制御すればよい。出力が低すぎる場合は溶媒蒸気発生量が少なくなり、出力が高すぎる場合はバイオマスの発火、溶媒の突沸や急激な蒸発が起こるため、電気的に制御しながら１０Ｗ〜２０ｋＷの範囲とするのが好ましい。マイクロ波の周波数は０．５〜１０ＧＨｚが好ましい。０．５ＧＨｚ未満の周波数では溶媒分子が電界の向きに追従可能で加熱効率が悪く、又、１０ＧＨｚを超える周波数では、ガラス等の容器まで加熱されてしまい効率的でない。マイクロ波の照射は連続照射、間欠照射のいずれの方法であってもよいが、電気的に制御しながら連続照射するのが好ましい。マイクロ波発振器としては、マグネトロン等のマイクロ波発振器や、固体素子を用いたマイクロ波発振器等を適宜用いることができる。

本実施形態では、図１に拡大図を示した形状のテフロン（登録商標）樹脂製のマイクロ波伝達部材１０を、抽出容器２内に設置している。なお、図１はマイクロ波伝達部材の一例であり、溶媒蒸気を透過可能で、マイクロ波を照射部から容器底部にまで伝達可能な形状に構成されていれば、その形状は特に限定されない。

上記のマイクロ波伝達部材１０は、マイクロ波透過性で耐熱性を有する材料で構成されているので、このマイクロ波伝達部材への入射、部材内での反射、部材外への出射を繰り返しながら、マイクロ波が抽出容器底部の植物バイオマスまで伝達される。マイクロ波伝達部材の材質は、特に限定されるものではなく、マイクロ波を透過する材質であれば、セラミック；テフロン（登録商標）樹脂、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）樹脂、ポリフェニレンサルフォン（ＰＰＳＵ）樹脂、ポリアリレート（ＰＡＲ）樹脂、ポリサルフォン（ＰＳＦ）樹脂、ポリエーテルサルフォン（ＰＥＳ）樹脂、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）樹脂、ポリアミドイミド（ＰＡＩ）樹脂、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）樹脂、液晶ポリエステル（ＬＣＰ）樹脂、液晶ポリマー（ＬＣＰ）樹脂、ポリアセタール（ＰＯＭ）樹脂、ポリアミド（ＰＡ）樹脂、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）樹脂、ポリカーボネート（ＰＣ）樹脂、変性ポリフェニレンエーテル樹脂等の耐熱性樹脂；ガラス等の双極子を持たない材料或いは双極子モーメントが小さい材料；等を用いることができる。

マイクロ波照射部５から照射されたマイクロ波は、照射部５に近い植物バイオマス１には照射されるものの、一般に抽出容器底部にある植物バイオマス１には届き難い。本実施形態に例示するように、マイクロ波伝達部材１０を抽出容器３内に設置し、植物バイオマス１の中に該伝達部材１０を配置することで、容器底部の植物バイオマスにもマイクロ波が届くようになり、精油の抽出効率が向上する。なお、本実施形態にマイクロ波拡散装置（拡散プロペラ）を取付けてもよく、これによりマイクロ波の照射効率がさらに向上する。

（実施形態２）
図２は本発明の実施形態２に係る精油抽出装置の概略構成図である。本精油抽出装置の主な構成は実施形態１と同様であるが、本実施形態では、抽出容器２底部にマイクロ波照射部５を備えている。マイクロ波照射部５から照射されたマイクロ波は、テフロン（登録商標）樹脂製等のマイクロ波透過材で形成された窓９から、植物バイオマス１に照射される。

本実施形態によれば、マイクロ波は水等の溶媒への照射エネルギーがバイオマスのそれより大きくなるため溶媒蒸気が発生しやすく、特にマイクロ波上部照射式でのバイオマス上部の過加熱のおそれを防止できるという利点がある。

（実施形態３）
図３は本発明の実施形態３に係る精油抽出装置の概略構成図である。本精油抽出装置の主な構成は実施形態１と同様であるが、本実施形態では、抽出容器２の側面にマイクロ波照射部５、抽出容器２内に図３に拡大図を示した形状のテフロン（登録商標）樹脂製等のマイクロ波伝達部材１０を備えている。なお、図３はマイクロ波伝達部材の一例であり、溶媒蒸気を透過可能で、マイクロ波を照射部から容器対面にまで伝達可能な形状に構成されていれば、その形状は特に限定されない。

マイクロ波照射部５から照射されたマイクロ波は、マイクロ波伝達部材１０を介して、抽出容器３内に収容された植物バイオマス１に万遍なく照射されるので、精油の抽出効率が向上する。また、マイクロ波上部照射式でのバイオマス上部の過加熱のおそれを防止することができる。

（実施形態４）
図４は本発明の実施形態４に係る精油抽出装置の概略構成図である。本精油抽出装置は、筐体３１の中に設置された植物バイオマス１と溶媒２を収容する金属等、耐熱性かつマイクロ波非透過性の抽出容器３２、マイクロ波照射部５、溶媒凝縮部６及び精油回収部７から構成され、抽出容器３２は回転軸Ｂを中心に回転するように構成されている。この回転ドラム型の抽出容器３２内には、植物バイオマスの運搬の容易性、及び植物バイオマスと溶媒との混合を避けるために、植物バイオマス収容体であるテフロン（登録商標）樹脂製の多孔容器３３が設置されている。

筐体３１の側面に備えられたマイクロ波照射部５から照射されたマイクロ波は、抽出容器３２の回転作用によって拡散されると共に、収容されている植物バイオマス１も同時に攪拌されるので、マイクロ波が植物バイオマス１に万遍なく照射されて精油の抽出効率が向上する。

（実施形態５）
図５は本発明の実施形態５に係る精油抽出装置の概略構成図である。本精油抽出装置の主な構成は実施形態４と同様であるが、本実施形態では、筐体３１の斜め上方にマイクロ波照射部５が設置され、このマイクロ波照射部の角度は、筐体内に配置された回転ドラム型抽出容器３２の角度と同じに設計されている。このため、照射されたマイクロ波が抽出容器３２内に進入しやすい構成になっている。

本実施形態によれば、筐体３１の斜面に備えられたマイクロ波照射部５から照射されたマイクロ波は、直接、抽出容器３２内に照射されるので、マイクロ波の減衰が少ない。しかも、抽出容器３２の回転作用によってマイクロ波が拡散されるので、精油の抽出効率が高くなり、短時間で抽出することが可能になる。

本発明の精油抽出装置により、植物バイオマスから様々な精油を抽出し、それを製薬、化粧品、食品、芳香剤、染色剤などの様々な産業分野で利用することが可能となる。また、抽出後の植物バイオマスは、燃料として利用することができる。さらに、本発明の精油抽出装置は、小規模の抽出試験に応用することもできる。

本発明の実施形態１に係る精油抽出装置の概略を示す構成図、及びマイクロ波伝達部材の拡大図である。 本発明の実施形態２に係る精油抽出装置の概略を示す構成図である。 本発明の実施形態３に係る精油抽出装置の概略を示す構成図、及びマイクロ波伝達部材の拡大図である。 本発明の実施形態４に係る精油抽出装置の概略を示す構成図である。 本発明の実施形態５に係る精油抽出装置の概略を示す構成図である。

１ 植物バイオマス
２ 溶媒
３ 抽出容器
４ 植物バイオマス収容体
５ マイクロ波照射部
６ 溶媒凝縮部
７ 精油回収部
９ マイクロ波透過材
１０ マイクロ波伝達部材
１１ 蒸発管
１２ 戻り管
１３ コック
３１ 筐体
３２ 抽出容器
３３ 多孔容器
Ａ 精油

Claims (7)

1. マイクロ波を照射して植物バイオマスから精油を抽出する抽出装置であって、
   植物バイオマス及び溶媒を収容する抽出容器、マイクロ波照射部、及び抽出容器外に備えられた溶媒凝縮部と精油回収部とから構成され、
   前記抽出容器内に多数の孔の開いた植物バイオマス収容体を設置し、加熱前の抽出容器内において、植物バイオマスと溶媒とを非接触状態で、前記植物バイオマス収容体内に収容すると共に、
   前記抽出容器がマイクロ波拡散手段又はマイクロ波伝達手段のうちの少なくとも一方を備えており、マイクロ波拡散手段が、前記抽出容器を回転させる手段であり、マイクロ波伝達手段が、植物バイオマス内にマイクロ波透過材を配置する手段である
   ことを特徴とする精油抽出装置。
2. 前記マイクロ波拡散手段が、前記抽出容器内に照射されたマイクロ波を拡散反射させる手段である請求項１に記載の精油抽出装置。
3. 前記植物バイオマスが、栽培系植物バイオマス又は廃棄物系植物バイオマスである請求項１または２に記載の精油抽出装置。
4. 前記植物バイオマスと溶媒の割合が、植物バイオマス：溶媒＝１／０．１〜１／５（質量／質量）である請求項１〜３のいずれかに記載の抽出装置。
5. 前記溶媒が、水である請求項１〜４のいずれかに記載の精油抽出装置。
6. マイクロ波周波数が、０．５ＧＨｚ〜１０ＧＨｚの範囲内である請求項１〜５のいずれかに記載の精油抽出装置。
7. 前記精油回収部が、凝縮溶媒を前記抽出容器内に戻す機能を備えている請求項１〜６のいずれかに記載の精油抽出装置。
   

Images