JP5232976B2 - バイオマス粉砕方法及びバイオマス粉砕装置並びに糖類製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、バイオマスを粉砕するバイオマス粉砕方法及びバイオマス粉砕装置並びに糖類製造方法に関する発明である。
脱石油化学社会の構築には、バイオマスと称される生物由来の資源を活用したエネルギーやマテリアルの生産は不可欠である。中でも、太陽エネルギーと二酸化炭素を光合成により有効活用できる植物系バイオマスは、大気中の二酸化炭素量増加を招くことのない、いわゆるカーボンニュートラルな資源として有効活用が強く望まれている。
バイオマスは様々な成分からなる混合物であり、目的成分を活用するためには、微粉化して表面積を大きくして不純物の分離を容易にする必要がある。例えば、木材中からセルロースを回収し活用するためには、振動ミル（特許文献１、２参照）、カッターミル等の粉砕装置を用いてバイオマスの粉砕が行われる。
さらに、バイオマス中の目的成分を加水分解などの化学反応に供するために、加熱高圧処理（水熱処理）を行う。例えば、セルロースを加水分解してグルコース等の有用成分を得る場合、オートクレーブ等の装置により加熱高圧処理を行うことがある（特許文献３、４、５参照）。
また、食品や化粧品用途にバイオマスを用いる場合、乳化した材料を加熱殺菌して製品加工することがある（特許文献６参照）。さらに、玄米等の材料を微粉砕後加熱殺菌して製品加工することがある（特許文献７参照）。
しかし、これらの方法でバイオマスを処理する場合、バイオマスを粉砕や乳化する工程と加熱高圧処理する工程とを各々別に設ける、いわゆるバッチ式の処理が用いられており、連続処理ができないためにエネルギー効率が悪く、装置が大型であるという欠点があった。さらに、原料となるバイオマスが加熱条件下に長時間おかれるため、バイオマス中の成分が加熱劣化する欠点があった。
なお、加熱高圧水下で粉砕する方法として、ボールミルの様なバッチ式粉砕装置内で加圧熱水を発生させる方法（特許文献８参照）が提案されているが、この場合、バッチ式粉砕装置の入り口と出口のバルブを閉めて行うため連続処理ができず、エネルギー効率が悪く、大きな粉砕装置を加熱するために熱エネルギーの損失が多大となる欠点及び成分が加熱劣化する欠点は残ったままであった。
さらに、食品や化粧品など不純物の存在が製品の品質の低下を招く用途にバイオマスを用いる場合、また、酵素や微生物処理を目的に無菌衛生的なバイオマスの処理が求められる場合、これら従来の方法ではバイオマスと他の粉砕用のボールやロッド等と接触させる原理を用いるため、ボール等の粉砕機の素材が不純物として混入するいわゆるコンタミネーションが生じる欠点があった。その上、バッチ処理であるために加熱処理後のバイオマスを連続で無菌衛生的に次工程に供給することは困難である欠点があった。
別に、連続処理ができる方法として、微細繊維状のセルロース系物質及びその製造方法（特許文献９参照）において、連続エクストルーダを用いる方法が提案されている。しかし、連続エクストルーダは１軸以上の非常に重量の大きなスクリューを回転させるために粉砕装置や加熱加圧部が大型であるため、熱エネルギーロスが大きくなる問題は解決されていない。さらには、機械的なコンタミネーションが生じる欠点には対処していない。
また、超臨界水等の非常に温度の高い加熱高圧水を用いるバイオマス処理方法（特許文献１０参照）があるが、加熱高圧処理以外の他の処理には対応しておらず、さらには超臨界状態に耐えうる特殊な材料を用いた装置が必要となる問題がある。
本発明が解決しようとする課題は、バイオマスの粉砕処理と水熱処理及び殺菌処理とを、不純物の混入無くかつエネルギー消費を少なくして高効率で行うことができるバイオマス粉砕方法及びバイオマス粉砕装置並びに糖類製造方法を提供することである。
上記課題を解決するために、本発明は、高圧高温液環境下でバイオマスを粉砕することで、粉砕処理と水熱処理とを同時に行うものであって、前記バイオマスに液体を混合して作ったスラリーを高圧ポンプで５０〜２５０ＭＰａに加圧して吐出し、且つ前記高圧ポンプから吐出した前記スラリーを加熱装置で１５０〜２５０℃に加熱しつつノズル内に圧送して超高速ジェット流に変換して、その高速ジェット流の運動エネルギーを微粒化エネルギーとして利用して前記スラリー中のバイオマスを粉砕することで、粉砕処理と水熱処理と殺菌処理を同時に行うようにしたものである。このようにすれば、バイオマスの粉砕処理と水熱処理とを、不純物の混入無くかつエネルギー消費を少なくして高効率で行うことができる。また、高温液環境下でバイオマスを粉砕することで、殺菌処理も同時に行うことができる。
具体的には、バイオマスと液体とを混合したスラリーを高圧ポンプによりノズル内に圧送して超高速ジェット流に変換して、その高速ジェット流の運動エネルギーを微粒化エネルギーとして利用してスラリー中のバイオマスを粉砕するようにすると良い。
この際、高圧ポンプとノズルとの間に、高圧ポンプから吐出されたバイオマスのスラリーを加熱する加熱装置を設けるようにすると良い。このようにすれば、ノズルの直前でバイオマスのスラリーを効率良く加熱することができる。
更に、ノズルから排出されるバイオマスのスラリーを冷却する冷却装置を設けると良い。このようにすれば、粉砕したバイオマスを速やかに冷却して、バイオマスに含まれる目的成分の加熱劣化を抑えることができる。
バイオマスと混合する液体は、水、酸性液、アルカリ性液、有機溶剤のうちのいずれか１種の液体又は２種以上の混合液を用いれば良い。
本発明のバイオマス粉砕方法を用いれば、バイオマスを平均粒子径１μｍ以下に粉砕することが可能となる。
本発明で粉砕対象となるバイオマスとしては、例えば、植物系バイオマスを用いても良く、さらには、木質系、草本系、セルロース系のいずれのバイオマスも粉砕可能である。
本発明のバイオマス粉砕方法を用いれば、バイオマスを平均粒子径１μｍ以下に粉砕することが可能となる。
本発明で粉砕対象となるバイオマスとしては、例えば、植物系バイオマスを用いても良く、さらには、木質系、草本系、セルロース系のいずれのバイオマスも粉砕可能である。
本発明のバイオマス粉砕方法で粉砕したバイオマスは、例えば、食品や化粧品を製造する原料として用いても良いし、或は、粉砕したバイオマスを糖化させて糖類を回収した後、発酵させてエタノールやブタノールなどの液体燃料を製造したり、乳酸やコハク酸などのプラスチック原料を製造したりしても良い。このようによれば、木質系、草本系、セルロース系のバイオマスから糖類やエタノール等を効率良く製造することができる。
以下、本発明を実施するための形態を具体化した実施例を説明する。本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。
まず、図１に基づいてバイオマス粉砕装置の構成を説明する。
バイオマス粉砕装置は、原料となるバイオマスに液体を混合して作ったスラリーが投入されるホッパ１を備えている。このホッパ１内に投入されるスラリー中のバイオマスは、予め適宜の粉砕機を使用して、例えば最大粒子径１ｍｍ以下（より好ましくは最大粒子径５００μｍ以下）に粗粉砕されている。
まず、図１に基づいてバイオマス粉砕装置の構成を説明する。
バイオマス粉砕装置は、原料となるバイオマスに液体を混合して作ったスラリーが投入されるホッパ１を備えている。このホッパ１内に投入されるスラリー中のバイオマスは、予め適宜の粉砕機を使用して、例えば最大粒子径１ｍｍ以下（より好ましくは最大粒子径５００μｍ以下）に粗粉砕されている。
粉砕対象となるバイオマスとしては、例えば、植物系バイオマスを用いても良く、例えば、木質系、草本系、セルロース系のいずれかのバイオマスを用いれば良い。バイオマスに混合する液体は、水、酸性液、アルカリ性液、有機溶剤のうちのいずれか１種の液体又は２種以上の混合液を用いれば良い。
ホッパ１内のバイオマスのスラリーは、プランジャーポンプ等の高圧ポンプ２に供給され、この高圧ポンプ２でスラリーを所定圧力例えば５０〜２５０ＭＰａに加圧してノズル５側に吐出する。この高圧ポンプ２の入口ポートと出口ポートには、それぞれ逆止弁３，４が設けられている。この高圧ポンプ２によりバイオマスのスラリーをノズル５内に圧送して超高速ジェット流に変換して、その高速ジェット流の運動エネルギーを微粒化エネルギーとして利用してスラリー中のバイオマスを例えば平均粒子径１μｍ以下に粉砕する。
高圧ポンプ２とノズル５との間には、高圧ポンプ２から吐出されたバイオマスのスラリーを加熱する加熱装置６（熱交換器）が設けられ、この加熱装置６で、高圧ポンプ２から吐出されたバイオマスのスラリーを、１５０〜２５０℃に加熱しつつノズル５に圧送する。このようにして、高圧高温液環境下でバイオマスを粉砕することで、粉砕処理と水熱処理と殺菌処理とを同時に行うことが可能となる。
ノズル５の形状は、例えば、特許第２７８８０１０号公報、特開平９−２０１５２１号公報、特開平９−２０１５２２号公報等に記載された衝突型（クロス溝型）、貫通型（オリフィス型）、その他（長管型、発熱抑制型等）のいずれかを用いれば良い。
例えば、衝突型ノズル５ａは、図２に示すように、２枚の硬質のプレート材１１，１２にそれぞれ２つの貫通孔１３を形成すると共に、２枚の硬質のプレート材１１，１２の対向面に、２つの貫通孔１３に連通する溝１４を形成して、２枚の硬質のプレート材１１，１２を２つの溝１４がクロスするように重ね合わせた構成であり、高圧ポンプ２から吐出された高圧のバイオマスのスラリーが２つの溝１４を超高速で中央側に向かって流れて衝突してスラリー中のバイオマスを微粒化する。
一方、貫通型ノズル５ｂは、図３に示すように、筒状のノズル本体１５内に複数のオリフィス１６を設けた構成であり、高圧ポンプ２から吐出された高圧のバイオマスのスラリーが筒状のノズル本体１５内を超高速で流れて各オリフィス１６を通過する際に乱流が発生し、その乱流のエネルギーによってスラリー中のバイオマスを微粒化する。
本発明で使用可能なノズル５は、図２、図３の構成に限定されず、要は、バイオマスのスラリーの超高速ジェット流を生じさせてその剪断エネルギーや衝突エネルギーによってスラリー中のバイオマスを微粉砕するものであれば良い。さらに、平均粒子径１μｍ以下に微粉砕するものであればより好ましい。
図１に示すように、ノズル５の出口側には、ノズル５から排出されるバイオマスのスラリーを所定温度以下例えば１００℃以下（より好ましくは５０℃以下）に冷却する冷却装置７（熱交換器）が設けられている。これにより、粉砕したバイオマスを速やかに冷却して、バイオマスに含まれる目的成分の加熱劣化を抑えることができる。
この冷却装置７の出口側には、バイオマスのスラリーの圧力を調整する圧力調整弁８が設けられ、この圧力調整弁８を通過した粉砕後のバイオマスのスラリーが回収部９内に回収される。圧力調整弁８の入口ポート側には、バイオマスのスラリーの圧力を計測する圧力センサ１０が設けられている。高圧ポンプ２の吐出ポート側にも、バイオマスのスラリーの圧力を計測する圧力センサ２４が設けられている。
加熱装置６とノズル５との間、ノズル５と冷却装置７との間、冷却装置７と回収部９との間には、それぞれバイオマスのスラリーの温度を計測する温度センサ２１、２２、２３が設けられている。
以上説明した構成のバイオマス粉砕装置を用いて粉砕したバイオマスは、例えば、食品や化粧品を製造する原料として用いても良いし、或は、粉砕したバイオマスを糖化させて糖類を回収した後、発酵させてエタノールやブタノールなどの液体燃料を製造したり、乳酸やコハク酸などのプラスチック原料を製造したりしても良い。このようにすれば、木質系、草本系、セルロース系のバイオマスから糖類やエタノール等を効率良く製造することができる。
本発明者らは、上記構成のバイオマス粉砕装置を使用してバイオマスの粉砕試験を行ったので、以下、その試験結果について説明する。
ホッパ１内に投入した試料の混合液（スラリー）は、高圧ポンプ２により毎秒約２．４ｍＬの流量で連続的にノズル５に圧送した。加熱装置６で加熱する部分の容積は、高圧ポンプ２とノズル５とを繋ぐ配管部とノズル５を含めて合計１０ｍＬ以下と非常に小さく、試料が加熱高圧下で粉砕や乳化等の処理を行うのに要する時間は４秒以下であった。
処理圧力１５０ＭＰａ、加熱温度が室温から１８０℃までの様々な加熱条件で連続処理の試験を行った。重量比で水：結晶性セルロース＝９９：１となるように混合させ、セルロース混合液を調整して試験に供した。ホッパ１内に投入した試料の平均粒子径は、７４．４μｍであり、排出された試料の平均粒子径は１３．１から１４．１μｍと粉砕され小さくなった（表１参照）。
また、粉砕前の試料混合液中のセルロースは水に即時に沈殿したが、粉砕処理後のセルロースは水への親和性が向上したことにより乳化され沈殿しにくくなった。これら粉砕処理後の試料を酵素加水分解試験に供したところ、１５０℃以上の加熱試験区において、α−セルロース分解率（グルコース(g)/α−セルロース(g) ×１００）は大きくなり、１８０℃加熱試験区では８２時間後に未加熱試験区の約２倍の値を示した（図４参照）。
なお、液中のグルコース量はグルコースオキシダーゼ法を用いて測定した。未処理のセルロース、室温処理のセルロース及び１８０℃処理のセルロースの電子顕微鏡写真による観察を行ったところ、１８０℃処理によりセルロースの形状がブロック状から繊維状へと変化し、表面積が大きくなることが確認された（図５Ａ〜Ｃ参照）。
処理圧力１５０ＭＰａ、加熱温度が室温と１８０℃の２条件で、連続処理の試験を最大３０回繰り返し行った。重量比で水：結晶性セルロース＝９９：１となるように混合させ、セルロース混合液を調整して試験に供した。
試料の平均粒子径は、室温１回処理後は１４．１μｍと小さくなったが、その後、５回処理後では２９．６μｍと大きくなった。
電子顕微鏡写真の観察結果では１回処理と５回処理の大きさには違いが認められないことから、凝集により見かけ上大きい値を示したものと考えられた。
一方、１８０℃加熱条件下の試験では、処理回数が増加する毎に平均粒子径が減少し、３０回処理で０．１２７μｍまで小さくなることが確認された。
電子顕微鏡写真の観察結果では１回処理と５回処理の大きさには違いが認められないことから、凝集により見かけ上大きい値を示したものと考えられた。
一方、１８０℃加熱条件下の試験では、処理回数が増加する毎に平均粒子径が減少し、３０回処理で０．１２７μｍまで小さくなることが確認された。
水：スギ＝９９：１となるように混合させた試料を、実施例２と同様の連続処理の試験に試験に供した。１８０℃処理のスギ試料の最大粒子径は２２．０μｍ、室温連続処理のスギ試料の最大粒子径は２１．３μｍであった。これら処理後の試料を酵素加水分解試験に供し、液中のα−セルロース分解率（グルコース(g)/α−セルロース(g) ×１００）及びホロセルロース分解率（％）（全糖(g) ／ホロセルロース(g) ）を測定した。
なお、液中のグルコース量はグルコースオキシダーゼ法を、また、全糖量はフェノール硫酸法を用いた。
なお、液中のグルコース量はグルコースオキシダーゼ法を、また、全糖量はフェノール硫酸法を用いた。
図６には、酵素処理１１１時間後の分解率の値を示した。α−セルロース分解率及びホロセルロース分解率は、共に室温処理したスギに対し、１８０℃で処理したスギの方が２倍以上大きい値を示した。室温処理のスギ及び１８０℃処理のスギについて、電子顕微鏡写真による観察を行ったところ、１８０℃連続処理によりスギの形状がより細い繊維状へと変化し、表面積が大きくなることが確認された（図７Ａ，Ｂ参照）。
処理圧力１５０Ｍｐａ、加熱温度が室温と１８０℃の２条件で、連続処理の試験を最大５回行った。重量比で水：トマトの茎＝９９：１となるように混合させ、トマトの茎の混合液を調整して生菌数測定試験に供した。なお、生菌数測定は、標準寒天培地を用いた平板法で行い、培養温度は３０℃とした。
未処理トマト混合液の生菌数は２．０×１０7 ／ｇであった。また、室温条件で連続処理を１回及び５回実施したトマト混合液の生菌数は、それぞれ、４．７×１０7 ／ｇ、 ３．８×１０7 ／ｇであり、殺菌効果は認められなかった。一方、１８０℃で連続処理を１回及び５回実施したトマト混合液の生菌数は、それぞれ５．２×１０2 ／ｇ、３００以下／ｇであり加熱連続処理による殺菌効果が確認された。
本発明により植物系バイオマスの加熱高圧状況下で連続処理するシステムを提供できる。さらに、加熱高圧下で粉砕された植物系バイオマス中に含まれる成分を従来技術よりエネルギーの消費が少なく抽出することができる。抽出する成分は、加熱による劣化が少なく、殺菌や機械的な不純物の混入ない高品質なものとして提供できる。そのうえ、植物系バイオマス中に含まれる糖類を省エネルギーで製造することが可能となり、糖類を用いたバイオ燃料やバイオマテリアルが少ないエネルギー消費で提供できる。
１…ホッパ、２…高圧ポンプ、３，４…逆止弁、５，５ａ，５ｂ…ノズル、６…加熱装置、７…冷却装置、８…圧力調整弁、９…回収部、１０…圧力センサ、１１，１２…硬質のプレート材、１３…貫通孔、１４…溝、１５…ノズル本体、１６…オリフィス、２１，２２，２３…温度センサ、２４…圧力センサ
Claims (9)
- 高圧高温液環境下でバイオマスを粉砕することで、粉砕処理と水熱処理と殺菌処理を同時に行うバイオマス粉砕方法であって、
前記バイオマスに液体を混合して作ったスラリーを高圧ポンプで５０〜２５０ＭＰａに加圧して吐出し、且つ前記高圧ポンプから吐出した前記スラリーを加熱装置で１５０〜２５０℃に加熱しつつノズル内に圧送して超高速ジェット流に変換して、その高速ジェット流の運動エネルギーを微粒化エネルギーとして利用して前記スラリー中のバイオマスを粉砕することで、粉砕処理と水熱処理と殺菌処理を同時に行うことを特徴とするバイオマス粉砕方法。 - 前記ノズルから排出されるバイオマスのスラリーを冷却する冷却装置を設けることを特徴とする請求項１に記載のバイオマス粉砕方法。
- 前記バイオマスに混合する液体は、水、酸性液、アルカリ性液、有機溶剤のうちのいずれか１種の液体又は２種以上の混合液であることを特徴とする請求項１又は２に記載のバイオマス粉砕方法。
- 前記バイオマスを平均粒子径１μｍ以下に粉砕することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のバイオマス粉砕方法。
- 前記バイオマスとして植物系バイオマスを用いることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のバイオマス粉砕方法。
- 前記バイオマスとして、木質系、草本系、セルロース系のいずれかのバイオマスを用いることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のバイオマス粉砕方法。
- 請求項１乃至６のいずれかに記載のバイオマス粉砕方法で粉砕したバイオマスを糖化させて糖類を製造することを特徴とする糖類製造方法。
- 高圧高温液環境下でバイオマスを粉砕することで、粉砕処理と水熱処理と殺菌処理を同時に行うバイオマス粉砕装置であって、
前記バイオマスに液体を混合して作ったスラリーを５０〜２５０ＭＰａに加圧して吐出する高圧ポンプと、
前記高圧ポンプから吐出した前記スラリーを１５０〜２５０℃に加熱する加熱装置とを備え、
前記高圧ポンプで５０〜２５０ＭＰａに加圧して吐出した前記スラリーを前記加熱装置で１５０〜２５０℃に加熱しつつノズル内に圧送して超高速ジェット流に変換して、その高速ジェット流の運動エネルギーを微粒化エネルギーとして利用して前記スラリー中のバイオマスを粉砕することで、粉砕処理と水熱処理と殺菌処理を同時に行うことを特徴とするバイオマス粉砕装置。 - 前記ノズルから排出されるバイオマスのスラリーを冷却する冷却装置が設けられていることを特徴とする請求項８に記載のバイオマス粉砕装置。
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