JP5314917B2 - Method and apparatus for saccharification and decomposition of cellulosic biomass - Google Patents
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Description
本発明は、バイオマス、特にセルロース系バイオマスを原料として効率よく糖類を製造するための分解方法及び装置に関する。 The present invention relates to a decomposition method and apparatus for efficiently producing saccharides using biomass, particularly cellulosic biomass, as a raw material.
バイオマスエネルギー利用の一環として、植物の主成分であるセルロース又はヘミセルロースを分解し、エタノール（バイオエタノール）を得ようとする試みがある。そこでは、得られたエタノールは、燃料用として主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されることが計画されている。 As part of biomass energy utilization, there is an attempt to obtain cellulose (bioethanol) by decomposing cellulose or hemicellulose which is a main component of a plant. There, it is planned that the obtained ethanol is partially mixed into automobile fuel mainly for fuel use or used as an alternative fuel for gasoline.
植物の主な成分は、セルロース（炭素6個から構成されるC6単糖であるグルコースの重合物）、ヘミセルロース（炭素5個から構成されるC5単糖とC6単糖の重合物）、リグニン、デンプン等であるが、エタノールはC5単糖、C6単糖、それらの複合体であるオリゴ糖等の糖類を原料として、酵母菌等の醗酵作用によって生成される。 The main components of the plant are cellulose (polymer of glucose, which is a C6 monosaccharide composed of 6 carbons), hemicellulose (polymer of C5 and C6 monosaccharides composed of 5 carbons), lignin, Although it is starch and the like, ethanol is produced by fermentation of yeast or the like using saccharides such as C5 monosaccharides, C6 monosaccharides, and oligosaccharides that are complexes thereof as raw materials.
セルロースやヘミセルロース等のセルロース系バイオマスを糖類に分解するには、１）硫酸など強酸の酸化力により加水分解する方法、２）酵素により分解する方法、３）超臨界水又は亜臨界水等の酸化力を利用する方法、の３種類が工業的に利用されようとしている。しかし、１）の酸分解法は、添加した酸が酵母菌等の醗酵に対して阻害物質となることから、セルロースやヘミセルロースを糖類に分解した後、糖類をエタノール発酵させる前に添加した酸の中和処理が必須であり、その処理費用で経済的に実用化困難な面がある。 Cellulosic biomass such as cellulose and hemicellulose is decomposed into saccharides by 1) hydrolysis using strong acid oxidizing power such as sulfuric acid, 2) enzymatic decomposition, 3) oxidation of supercritical water or subcritical water, etc. Three types of methods using power are going to be used industrially. However, in the acid decomposition method of 1), since the added acid becomes an inhibitor for fermentation of yeast or the like, after the cellulose or hemicellulose is decomposed into saccharides, the acid added before ethanol fermentation of the saccharides Neutralization treatment is essential, and there are aspects that are difficult to put to practical use economically due to the treatment cost.
また、２）の酵素分解法は、常温定圧処理が可能ではあるが、有効な酵素が見出されておらず、発見されたとしても酵素の生産コストが高くなることが予想されており、経済性の面で未だ工業規模で実現の目処が立っていない。 In addition, although the enzymatic decomposition method of 2) can be processed at room temperature and constant pressure, an effective enzyme has not been found, and even if it is found, the production cost of the enzyme is expected to increase. There is still no prospect of realization on an industrial scale.
ここで、３）の超臨界水又は亜臨界水によってセルロース等を加水分解して糖類とする方法として、セルロース粉末を240〜340℃の加圧熱水と接触させて加水分解することを特徴とする非水溶性多糖類の製造方法が、特許文献１に開示されている。また、細片されたバイオマスを140〜230℃で飽和水蒸気圧以上に加圧した熱水で所定時間加水分解してヘミセルロースを分解抽出し、その後セミセルロースの分解温度以上に加熱した加圧熱水で加水分解してセルロースを分解抽出する方法が、特許文献２に開示されている。また、平均重合度100以上のセルロースを、温度250℃以上450℃以下、圧力15MPa以上450MPa以下の超臨界水又は亜臨界水と0.01秒以上5秒以下接触反応させ、その後冷却して温度250℃以上350℃以下、圧力15MPa以上450MPa以下の亜臨界水と1秒以上10分以下接触させて加水分解することを特徴とするグルコース及び／又は水溶性セロオリゴ糖の製造方法が、特許文献３に開示されている。
Here, as a method of hydrolyzing cellulose or the like with supercritical water or subcritical water in 3) to obtain saccharides, the cellulose powder is hydrolyzed by contacting it with hot hot water at 240 to 340 ° C. A method for producing a water-insoluble polysaccharide is disclosed in Patent Document 1. In addition, hydrothermally pressurized the stripped biomass with hot water pressurized at 140-230 ° C to a saturated steam pressure or higher for a predetermined time to decompose and extract hemicellulose, and then heated to a temperature higher than the decomposition temperature of semicellulose.
一方、低分子量アルコールを主成分とする溶媒と、バイオマス系廃棄物とを含有する被処理物を密閉容器に収容し、密閉容器内を低分子量アルコールの超臨界状態に加圧加熱処理するバイオマス系廃棄物処理方法が、特許文献４に開示されている。また、セルロース系バイオマス等をC1〜C8の脂肪族アルコールに5〜20体積％の水を加えた混合溶媒を用いて、アルコールの超臨界条件又は亜臨界条件にて処理するバイオマスの分解・液化方法が、特許文献５に開示されている。
バイオマスの主な構成成分のセルロース及びヘミセルロースを、高温高圧の超臨界水又は亜臨界水で糖化分解する方法は、強酸を用いる加水分解法に比べ、酸の中和処理が不要なため処理コストも安く、環境にも優しい処理方法である。しかし、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数秒〜数分でセルロース及びヘミセルロースの分解が完了してしまうため、分解終了後直ちに冷却しなければ、せっかく生成した糖類が有機酸等にまで過分解してしまう欠点がある。 The method of saccharifying and decomposing cellulose and hemicellulose, which are the main components of biomass, with high-temperature and high-pressure supercritical water or subcritical water does not require acid neutralization compared to hydrolysis using a strong acid, so the processing cost is also high. It is a cheap and environmentally friendly treatment method. However, when supercritical water or subcritical water is used, decomposition of cellulose and hemicellulose is completed within seconds to minutes due to its strong oxidizing power. However, there is a drawback that it is excessively decomposed into an organic acid or the like.
実験室レベルの小規模分解装置では、加熱容器内の超臨界水又は亜臨界水を急冷し、過分解を防止することも可能と思われるが、工業的規模の分解装置においては、短時間で大量の超臨界水又は亜臨界水を急冷することは非常に困難である。このため、高温高圧の超臨界水又は亜臨界水を用いるセルロース系バイオマスの分解方法は、プラント規模においては糖類の収率が低く、そのことが実用化を妨げる要因の一つとなっている。 In laboratory-scale small-scale decomposition equipment, supercritical water or subcritical water in a heating vessel may be rapidly cooled to prevent over-decomposition, but in industrial-scale decomposition equipment, in a short time, It is very difficult to quench a large amount of supercritical water or subcritical water. For this reason, the method for decomposing cellulosic biomass using high-temperature and high-pressure supercritical water or subcritical water has a low saccharide yield on the plant scale, which is one of the factors hindering practical use.
また、大量の超臨界水又は亜臨界水を使用するためには、スラリーの加熱に大きなエネルギーが必要であり、処理コストが上昇する要因ともなっている。アルコール等を溶媒とするスラリーを超臨界又は亜臨界状態で行なうセルロース系バイオマスの分解方法では、蒸気圧が非常に高くなるため、さらに大きなエネルギーが必要となり、使用する装置に要求される耐圧強度も増大する。 In addition, in order to use a large amount of supercritical water or subcritical water, a large amount of energy is required for heating the slurry, which increases the processing cost. In the cellulosic biomass decomposition method in which a slurry using alcohol or the like as a solvent is in a supercritical or subcritical state, the vapor pressure becomes very high, and thus more energy is required, and the pressure strength required for the apparatus to be used is also high. Increase.
亜臨界状態の高温高圧水によって、セルロース系バイオマス中のセルロース及び／又はヘミセルロースを、単糖類やオリゴ糖（以下、糖類と呼ぶ）まで分解するための方法及び装置であって、熱効率と糖類の収率に優れた方法及び装置について、本発明者等は、既に特願２００６−２９１１９４及び特願２００８−５１２６４１を出願している。 A method and apparatus for decomposing cellulose and / or hemicellulose in cellulosic biomass into monosaccharides and oligosaccharides (hereinafter referred to as saccharides) by subcritical high-temperature high-pressure water. The inventors have already filed Japanese Patent Application No. 2006-291194 and Japanese Patent Application No. 2008-512441 for a method and apparatus with excellent rates.
上記特許出願に記載されているセルロース系バイオマスの糖化分解方法及び糖化分解装置では、同一種類の圧力容器を複数基使用し、一連の工程を同じ圧力容器内で行っていた。そのため、圧力容器の耐圧強度は、最も高温高圧となる分解工程を基準としなければならず、コスト高になる傾向があった。 In the saccharification / decomposition method and saccharification / decomposition apparatus for cellulosic biomass described in the above patent application, a plurality of the same type of pressure vessels are used, and a series of steps are performed in the same pressure vessel. For this reason, the pressure strength of the pressure vessel has to be based on the decomposition process at the highest temperature and pressure, which tends to increase the cost.
また、セルロース系バイオマスのスラリーを圧力容器に充填する充填工程では、圧力容器内温度が25℃〜120℃程度であるのに対し、セルロース系バイオマスを糖類に加水分解する分解工程では、圧力容器内温度が210℃〜280℃となる。このため、一連の工程（20分〜40分）毎に大きな温度履歴と繰り返すこととなり、疲労強度を考慮して強固な部材設計が必要となり、製造コストの上昇を招きやすい。 In addition, in the filling step of filling the cellulosic biomass slurry into the pressure vessel, the temperature inside the pressure vessel is about 25 ° C to 120 ° C, whereas in the decomposition step of hydrolyzing the cellulosic biomass into sugars, The temperature is 210 ° C to 280 ° C. For this reason, it repeats with a big temperature history for every series of processes (20 to 40 minutes), and it is necessary to design a strong member in consideration of fatigue strength, which tends to increase the manufacturing cost.
本発明は、上記特許出願に記載されたセルロース系バイオマスの糖化分解方法及び糖化分解装置を、さらに改良した糖化分解方法及び糖化分解装置の提供を目的とする。 An object of the present invention is to provide a saccharification / decomposition method and a saccharification / decomposition device which are further improved from the saccharification / decomposition method and saccharification / decomposition device for cellulosic biomass described in the above patent application.
本発明者は、亜臨界状態の高温高圧水を用いてセルロース又はヘミセルロースを糖類に分解する際、高温高圧状態にある圧力容器内のスラリーを、セルロース系バイオマスのスラリーを充填した加熱途上の圧力容器内へフラッシュ蒸発させれば、大量のスラリーをセルロース分解温度以下にまで急冷し、糖類が有機酸等にまで過分解することを防止し、かつ、熱エネルギーの回収により省エネ化が図れることを見出した。さらに亜臨界状態の高温高圧水を用いてセルロース又はヘミセルロースを糖類に分解する工程（分解工程）以降と、分解工程よりも先の工程とを別個の圧力容器内で行うようにすれば、内部が亜臨界状態のような高温高圧とならない工程を行う圧力容器の耐圧強度の要求基準を下げ、圧力容器の製造コストを抑制し、かつ、温度履歴も小さくできる点に着目し、本発明を完成させるに至った。 The present inventor, when decomposing cellulose or hemicellulose into saccharides using subcritical high-temperature high-pressure water, the slurry in the pressure vessel in the high-temperature high-pressure state is a pressure vessel in the middle of heating filled with a slurry of cellulosic biomass. It has been found that if it is flash-evaporated, a large amount of slurry can be rapidly cooled to below the cellulose decomposition temperature, sugar can be prevented from being excessively decomposed into organic acids, etc., and energy can be saved by recovering thermal energy. It was. Furthermore, if the process after decomposing cellulose or hemicellulose into saccharides (decomposition process) using subcritical high-temperature high-pressure water and the process prior to the decomposition process are performed in separate pressure vessels, Focusing on the fact that pressure vessel strength requirements for pressure vessels that perform processes that do not become high-temperature and high-pressure such as subcritical conditions are lowered, manufacturing costs of pressure vessels are reduced, and temperature history can be reduced, and the present invention is completed. It came to.
具体的に、本発明は、
複数の低圧圧力容器及び高圧圧力容器を使用するセルロース系バイオマスの糖化分解方法であって、
充填工程、昇温工程、移送工程、分解工程、降温工程及び排出工程が順次実行され、
充填工程が、セルロース系バイオマスを粉砕し水と混合したスラリーを低圧圧力容器に充填する工程であり、
昇温工程が、低圧圧力容器を密閉して昇温する工程であり、
移送工程が、昇温工程後のスラリーを低圧圧力容器から高圧圧力容器へと接続経路によって移送する工程であり、
分解工程が、セルロース系バイオマス中のセルロース及び／又はヘミセルロースを高温高圧水の酸化力によって、高圧圧力容器内で糖類に分解する工程であり、
降温工程が、高圧圧力容器内の高温高圧スラリーをフラッシュ蒸発させることにより降温する工程であり、
排出工程が、高圧圧力容器内のスラリーを取り出す工程であり、
ある低圧圧力容器において充填工程が実行されているとき、ある高圧圧力容器において排出工程が実行されており、充填工程実行中の低圧圧力容器に充填されるスラリーと排出工程実行中の高圧圧力容器から排出されるスラリーとの間で熱交換し、
別の低圧圧力容器において昇温工程が実行されているとき、別の高圧圧力容器において降温工程が実行されており、降温工程実行中の別の高圧圧力容器から排出されるフラッシュ蒸気を昇温工程実行中の別の低圧圧力容器に供給することにより熱回収し、
前記６工程がすべて同じ所要時間である場合に、低圧圧力容器の基数が３ｍ（ｍは自然数）であり、高圧圧力容器の基数が４ｍである、
ことを特徴とするセルロース系バイオマスの糖化分解方法に関する。
Specifically, the present invention
A method for saccharification and decomposition of cellulosic biomass using a plurality of low pressure vessels and high pressure vessels,
A filling process, a temperature raising process, a transfer process, a decomposition process, a temperature lowering process, and a discharging process are sequentially performed,
The filling step is a step of filling a low-pressure pressure vessel with a slurry obtained by pulverizing cellulosic biomass and mixing with water,
The temperature raising step is a step of raising the temperature by sealing the low pressure container,
The transfer step is a step of transferring the slurry after the temperature raising step from the low pressure vessel to the high pressure vessel through a connection path,
The decomposition step is a step of decomposing cellulose and / or hemicellulose in cellulosic biomass into saccharides in a high-pressure vessel by oxidizing power of high-temperature high-pressure water,
The temperature lowering step is a step of lowering the temperature by flash evaporation of the high temperature and high pressure slurry in the high pressure vessel,
The discharging step is a step of taking out the slurry in the high pressure container,
When a filling process is executed in a certain low-pressure pressure vessel, a discharging process is executed in a certain high-pressure pressure vessel. From the slurry filled in the low-pressure pressure vessel during the filling process and the high-pressure pressure vessel during the discharging process. Heat exchange with the discharged slurry,
When the temperature raising process is being performed in another low-pressure pressure vessel, the temperature lowering process is being performed in another high-pressure pressure vessel, and the flash steam discharged from the other high-pressure pressure vessel during the temperature lowering process is being raised. Heat recovery by feeding to another low pressure vessel in operation ,
When all the six steps have the same required time, the base of the low pressure container is 3 m (m is a natural number), and the base of the high pressure container is 4 m .
The present invention relates to a saccharification / decomposition method for cellulosic biomass.
また、本発明は、The present invention also provides:
複数の低圧圧力容器及び高圧圧力容器を使用するセルロース系バイオマスの糖化分解方法であって、A method for saccharification and decomposition of cellulosic biomass using a plurality of low pressure vessels and high pressure vessels,
充填工程、昇温工程、移送工程、分解工程、降温工程及び排出工程が順次実行され、A filling process, a temperature raising process, a transfer process, a decomposition process, a temperature lowering process, and a discharging process are sequentially performed,
充填工程が、セルロース系バイオマスを粉砕し水と混合したスラリーを低圧圧力容器に充填する工程であり、The filling step is a step of filling a low-pressure pressure vessel with a slurry obtained by pulverizing cellulosic biomass and mixing with water,
昇温工程が、低圧圧力容器を密閉して昇温する工程であり、The temperature raising step is a step of raising the temperature by sealing the low pressure container,
移送工程が、昇温工程後のスラリーを低圧圧力容器から高圧圧力容器へと接続経路によって移送する工程であり、The transfer step is a step of transferring the slurry after the temperature raising step from the low pressure vessel to the high pressure vessel through a connection path,
分解工程が、セルロース系バイオマス中のセルロース及び／又はヘミセルロースを高温高圧水の酸化力によって、高圧圧力容器内で糖類に分解する工程であり、The decomposition step is a step of decomposing cellulose and / or hemicellulose in cellulosic biomass into saccharides in a high-pressure vessel by oxidizing power of high-temperature high-pressure water,
降温工程が、高圧圧力容器内の高温高圧スラリーをフラッシュ蒸発させることにより降温する工程であり、The temperature lowering step is a step of lowering the temperature by flash evaporation of the high temperature and high pressure slurry in the high pressure vessel,
排出工程が、高圧圧力容器内のスラリーを取り出す工程であり、The discharging step is a step of taking out the slurry in the high pressure container,
ある低圧圧力容器において充填工程が実行されているとき、ある高圧圧力容器において排出工程が実行されており、充填工程実行中の低圧圧力容器に充填されるスラリーと排出工程実行中の高圧圧力容器から排出されるスラリーとの間で熱交換し、When a filling process is executed in a certain low-pressure pressure vessel, a discharging process is executed in a certain high-pressure pressure vessel. From the slurry filled in the low-pressure pressure vessel during the filling process and the high-pressure pressure vessel during the discharging process. Heat exchange with the discharged slurry,
別の低圧圧力容器において昇温工程が実行されているとき、別の高圧圧力容器において降温工程が実行されており、降温工程実行中の別の高圧圧力容器から排出されるフラッシュ蒸気を昇温工程実行中の別の低圧圧力容器に供給することにより熱回収し、When the temperature raising process is being performed in another low-pressure pressure vessel, the temperature lowering process is being performed in another high-pressure pressure vessel, and the flash steam discharged from the other high-pressure pressure vessel during the temperature lowering process is being raised. Heat recovery by feeding to another low pressure vessel in operation,
前記分解工程以外の５工程がすべて同じ所要時間で、かつ、前記分解工程の所要時間がそれ以外の５工程の所要時間のｎ倍（ｎは自然数）である場合に、When all the five steps other than the decomposition step have the same required time, and the required time for the decomposition step is n times (n is a natural number) the required time for the other five steps,
低圧圧力容器の基数が３ｍ（ｍは自然数）であり、The base of the low pressure vessel is 3m (m is a natural number)
高圧圧力容器の基数がｍ（ｎ＋３）である、The base of the high-pressure vessel is m (n + 3),
ことを特徴とするセルロース系バイオマスの糖化分解方法Saccharification and decomposition method of cellulosic biomass
また、本発明は、
複数の低圧圧力容器及び高圧圧力容器を備えるセルロース系バイオマスの糖化分解装置であって、
低圧圧力容器と高圧圧力容器とは接続経路及びフラッシュ経路によって接続されており、
低圧圧力容器内では、セルロース系バイオマスを粉砕し水と混合したスラリーを充填する充填工程と、低圧圧力容器を密閉して昇温する昇温工程とが実行され、
昇温工程後のスラリーは、移送工程として低圧圧力容器から高圧圧力容器へと接続経路によって移送され、
高圧圧力容器内では、セルロース系バイオマス中のセルロース及び／又はヘミセルロースを高温高圧水の酸化力によって糖類に分解する分解工程と、高温高圧のスラリーをフラッシュ蒸発させることにより降温する降温工程と、高圧圧力容器内のスラリーを取り出す排出工程とが実行され、
ある低圧圧力容器において充填工程が実行されているとき、ある高圧圧力容器において排出工程が実行されており、充填工程実行中の低圧圧力容器に充填されるスラリーと排出工程実行中の高圧低圧圧力容器から排出されるスラリーとの間で熱交換し、
別の低圧圧力容器において昇温工程が実行されているとき、別の高圧圧力容器において降温工程が実行されており、降温工程実行中の高圧圧力容器から排出されるフラッシュ蒸気を昇温工程実行中の低圧圧力容器にフラッシュ経路によって供給することにより熱回収し、
前記６工程がすべて同じ所要時間である場合に、低圧圧力容器の基数が３ｍ（ｍは自然数）であり、高圧圧力容器の基数が４ｍである、
ことを特徴とするセルロース系バイオマスの糖化分解装置に関する。
The present invention also provides:
A saccharification / decomposition apparatus for cellulosic biomass comprising a plurality of low pressure vessels and high pressure vessels,
The low pressure vessel and the high pressure vessel are connected by a connection path and a flush path,
In the low-pressure pressure vessel, a filling step of filling a slurry obtained by crushing cellulosic biomass and mixing with water, and a temperature raising step of sealing and raising the temperature of the low-pressure pressure vessel are performed,
The slurry after the temperature raising step is transferred from the low pressure vessel to the high pressure vessel by a connection path as a transfer step,
In the high-pressure vessel, a decomposition step of decomposing cellulose and / or hemicellulose in cellulosic biomass into saccharides by oxidizing power of high-temperature high-pressure water, a temperature-falling step of lowering the temperature by flash evaporation of a high-temperature and high-pressure slurry, and a high-pressure pressure A discharge step of taking out the slurry in the container,
When a filling process is executed in a certain low-pressure pressure vessel, a discharging process is executed in a certain high-pressure pressure vessel, and the slurry to be filled in the low-pressure pressure vessel being executed and the high-pressure low-pressure vessel being executed in the discharging process Heat exchange with the slurry discharged from the
When the temperature raising process is being executed in another low-pressure pressure vessel, the temperature lowering process is being executed in another high-pressure pressure vessel, and the flash steam discharged from the high-pressure pressure vessel during the temperature lowering process is being executed. Heat recovery by supplying to the low pressure pressure vessel by flash path ,
When all the six steps have the same required time, the base of the low pressure container is 3 m (m is a natural number), and the base of the high pressure container is 4 m.
The present invention relates to a saccharification and decomposition apparatus for cellulosic biomass.
また、本発明は、The present invention also provides:
複数の低圧圧力容器及び高圧圧力容器を備えるセルロース系バイオマスの糖化分解装置であって、A saccharification / decomposition apparatus for cellulosic biomass comprising a plurality of low pressure vessels and high pressure vessels,
低圧圧力容器と高圧圧力容器とは接続経路及びフラッシュ経路によって接続されており、The low pressure vessel and the high pressure vessel are connected by a connection path and a flush path,
低圧圧力容器内では、セルロース系バイオマスを粉砕し水と混合したスラリーを充填する充填工程と、低圧圧力容器を密閉して昇温する昇温工程とが実行され、In the low-pressure pressure vessel, a filling step of filling a slurry obtained by crushing cellulosic biomass and mixing with water, and a temperature raising step of sealing and raising the temperature of the low-pressure pressure vessel are performed,
昇温工程後のスラリーは、移送工程として低圧圧力容器から高圧圧力容器へと接続経路によって移送され、The slurry after the temperature raising step is transferred from the low pressure vessel to the high pressure vessel by a connection path as a transfer step,
高圧圧力容器内では、セルロース系バイオマス中のセルロース及び／又はヘミセルロースを高温高圧水の酸化力によって糖類に分解する分解工程と、高温高圧のスラリーをフラッシュ蒸発させることにより降温する降温工程と、高圧圧力容器内のスラリーを取り出す排出工程とが実行され、In the high-pressure vessel, a decomposition step of decomposing cellulose and / or hemicellulose in cellulosic biomass into saccharides by oxidizing power of high-temperature high-pressure water, a temperature-falling step of lowering the temperature by flash evaporation of a high-temperature and high-pressure slurry, and a high-pressure pressure A discharge step of taking out the slurry in the container,
ある低圧圧力容器において充填工程が実行されているとき、ある高圧圧力容器において排出工程が実行されており、充填工程実行中の低圧圧力容器に充填されるスラリーと排出工程実行中の高圧低圧圧力容器から排出されるスラリーとの間で熱交換し、When a filling process is executed in a certain low-pressure pressure vessel, a discharging process is executed in a certain high-pressure pressure vessel, and the slurry to be filled in the low-pressure pressure vessel being executed and the high-pressure low-pressure vessel being executed in the discharging process Heat exchange with the slurry discharged from the
別の低圧圧力容器において昇温工程が実行されているとき、別の高圧圧力容器において降温工程が実行されており、降温工程実行中の高圧圧力容器から排出されるフラッシュ蒸気を昇温工程実行中の低圧圧力容器にフラッシュ経路によって供給することにより熱回収し、When the temperature raising process is being executed in another low-pressure pressure vessel, the temperature lowering process is being executed in another high-pressure pressure vessel, and the flash steam discharged from the high-pressure pressure vessel during the temperature lowering process is being executed. Heat recovery by supplying to the low pressure pressure vessel by flash path,
前記分解工程以外の５工程がすべて同じ所要時間で、かつ、前記分解工程の所要時間がそれ以外の５工程の所要時間のｎ倍（ｎは自然数）である場合に、When all the five steps other than the decomposition step have the same required time, and the required time for the decomposition step is n times (n is a natural number) the required time for the other five steps,
低圧圧力容器の基数が３ｍ（ｍは自然数）であり、The base of the low pressure vessel is 3m (m is a natural number)
高圧圧力容器の基数がｍ（ｎ＋３）である、The base of the high-pressure vessel is m (n + 3),
ことを特徴とするセルロース系バイオマスの糖化分解装置に関する。The present invention relates to a saccharification and decomposition apparatus for cellulosic biomass.
本発明のセルロース系バイオマスの糖化分解方法及び糖化分解装置では、複数の低圧圧力容器及び高圧圧力容器内で、充填工程、昇温工程、分解工程、降温工程及び排出工程の５つの工程を順次行う。また、昇温工程と分解工程との間で移送工程が行われる。 In the saccharification / decomposition method and saccharification / decomposition apparatus for cellulosic biomass according to the present invention, a filling process, a heating process, a decomposition process, a cooling process, and a discharging process are sequentially performed in a plurality of low pressure containers and high pressure containers. . Moreover, a transfer process is performed between the temperature raising process and the decomposition process.
ここで、高圧圧力容器とは、内部が亜臨界状態の高温高圧となる分解工程を行う圧力容器を意味し、低圧圧力容器とは、内部で分解工程を行わない圧力容器を意味する。低圧圧力容器と高圧圧力容器とは、移送工程を行う接続経路で接続されている。従って、本発明のセルロース系バイオマスの糖化分解方法及び糖化分解装置では、充填工程、昇温工程、移送工程、分解工程、降温工程及び排出工程の６つの工程が順次実行される。 Here, the high-pressure vessel means a pressure vessel that performs a decomposition step in which the inside becomes a high temperature and high pressure in a subcritical state, and the low-pressure vessel means a pressure vessel that does not perform a decomposition step inside. The low-pressure vessel and the high-pressure vessel are connected by a connection path that performs a transfer process. Therefore, in the saccharification / decomposition method and saccharification / decomposition apparatus for cellulosic biomass of the present invention, the six steps of the filling step, the temperature raising step, the transfer step, the decomposition step, the temperature lowering step, and the discharging step are sequentially executed.
なお、ここでいう「低圧」とは、「亜臨界状態よりも低圧」ということ意味しており、大気圧付近の低圧力であることを意味するものではない。 Here, “low pressure” means “low pressure than the subcritical state” and does not mean a low pressure near atmospheric pressure.
降温工程にある低圧圧力容器と昇温工程にある高圧圧力容器とをフラッシュ経路によって接続することにより、降温工程にある高圧圧力容器内のスラリーをフラッシュ蒸発により急冷することができるため、生成した糖類の過分解を抑制することができる。同時に、高温のフラッシュ蒸気によって、昇温工程を行う低圧圧力容器内のスラリーを加熱することができるため、スラリーの加熱に要するエネルギーを節約することが可能である。 Since the slurry in the high pressure vessel in the temperature lowering process can be rapidly cooled by flash evaporation by connecting the low pressure container in the temperature lowering step and the high pressure vessel in the temperature raising process through a flush path, the generated saccharide Can be prevented from overdecomposing. At the same time, since the slurry in the low-pressure vessel for performing the temperature raising process can be heated by the high-temperature flash steam, energy required for heating the slurry can be saved.
また、高圧容器の気相部分より減圧することで、スラリー中の溶解成分又は固形物が移動することもなく、フラッシュ蒸気を導通させるためのノズルや配管の閉塞の危険がない。さらに、特別な温度制御装置等も必要ない。なお、予熱される側（昇温工程にある低圧圧力容器）へのフラッシュ蒸気の供給は、スラリー液中に供給するようにすると、さらに効果的である。 Further, by reducing the pressure from the gas phase portion of the high-pressure vessel, the dissolved components or solids in the slurry do not move, and there is no risk of clogging of nozzles and piping for conducting flash vapor. Further, no special temperature control device or the like is required. Note that the supply of the flash vapor to the preheated side (the low pressure vessel in the temperature raising step) is more effective if it is supplied into the slurry liquid.
また、本発明のセルロース系バイオマスの糖化分解方法及び糖化分解装置では、排出工程にある高圧圧力容器から排出される排出（排水）スラリーと、充填工程にある低圧圧力容器に充填するスラリーとを熱交換するため、スラリーの加熱に要するエネルギーをさらに節約することが可能である。 Further, in the saccharification / decomposition method and saccharification / decomposition apparatus for cellulosic biomass of the present invention, the discharged (drainage) slurry discharged from the high-pressure vessel in the discharge step and the slurry charged in the low-pressure vessel in the filling step are heated. Because it is exchanged, it is possible to further save the energy required to heat the slurry.
セルロース系バイオマスのスラリーを亜臨界状態で加水分解する分解工程以降を高圧圧力容器内で行うことにより、分解工程よりも先の工程（充填工程及び昇温工程）を行う圧力容器（低圧圧力容器）の耐圧強度の要求基準を低下させることができるため、圧力容器全体の製造コストを抑制することが可能となる。また、各圧力容器の温度変化（温度履歴）も小さくなる。さらに、耐圧強度の要求基準が低下する結果、圧力容器の構造が簡略化し、メンテナンス性も向上する。 A pressure vessel (low pressure vessel) that performs the steps prior to the decomposition step (filling step and temperature raising step) by performing the decomposition step after hydrolyzing the cellulosic biomass slurry in a subcritical state in a high pressure vessel. Therefore, the manufacturing cost of the entire pressure vessel can be reduced. Moreover, the temperature change (temperature history) of each pressure vessel is also reduced. Furthermore, as a result of a decrease in the required standard of pressure strength, the structure of the pressure vessel is simplified and the maintainability is improved.
前記６工程がすべて同じ所要時間である場合、低圧圧力容器の基数が３ｍ（ｍは自然数）の倍数であり、高圧圧力容器の基数が４ｍである。２つの熱回収を行いつつ、一連の処理工程をスムースに行うためである。 If the six steps are all the same duration, radix 3m low pressure the pressure vessel (m is a natural number) is a multiple of the radix of the high pressure vessel Ru 4m der. This is to smoothly perform a series of processing steps while performing two heat recoveries.
前記分解工程以外の５工程がすべて同じ所要時間であり、かつ、前記分解工程の所要時間がそれ以外の５工程の所要時間のｎ倍（ｎは自然数）である場合には、低圧圧力容器の基数が３ｍ（ｍは自然数）であり、高圧圧力容器の基数がｍ（ｎ＋３）である。分解工程が他の工程よりもｎ倍長い場合、分解工程以降を行う高圧圧力容器の基数をｍ（ｎ＋３）、分解工程より先の工程他工程を行う低圧圧力容器の基数を３ｍとすれば、２つの熱回収を行いつつ、一連の処理工程をスムースに行うことができる。なお、ｍ＝ｎであってもよい。 When all the five steps other than the decomposition step have the same required time, and the time required for the decomposition step is n times as long as the other five steps (n is a natural number), radix is 3m (m is a natural number), the cardinality of the high pressure vessel m (n + 3) Ru der. If the decomposition step is n times longer than the other steps, if the number of high-pressure pressure vessels performing the decomposition step and subsequent steps is m (n + 3), and the number of low-pressure pressure vessels performing the other steps after the decomposition step is 3 m, A series of processing steps can be smoothly performed while performing two heat recoveries. Note that m = n.
前記分解工程の温度が140℃以上200℃以下であれば、ヘミセルロースを糖類（主にC5単糖）に分解することができる。ヘミセルロース含量の多いバイオマスの場合には、高温で処理するとC5単糖等が有機酸等にまで過分解してしまうため、比較的温和な条件で分解処理を行うことが好ましい。なお、ヘミセルロースを分解する場合の分解工程の温度は、160℃以上200℃以下とすることがより好ましい。 If the temperature in the decomposition step is 140 ° C. or higher and 200 ° C. or lower, hemicellulose can be decomposed into saccharides (mainly C5 monosaccharide). In the case of biomass having a high hemicellulose content, when treated at a high temperature, C5 monosaccharides and the like are excessively decomposed into organic acids and the like, and therefore, it is preferable to perform the decomposition treatment under relatively mild conditions. Note that the temperature in the decomposition step when decomposing hemicellulose is more preferably 160 ° C. or higher and 200 ° C. or lower.
その後、前記排出工程で生じたスラリーを固液分離し、ヘミセルロースが分解され
溶媒側に溶出した後の固体分を分離して、新たに原料スラリーとし、前記充填工程に再び供すると共に、前記分解工程の温度を240℃以上280℃以下とすれば、セルロースを糖類（主にC6単糖）に分解することができる。
Thereafter, the slurry generated in the discharge step is subjected to solid-liquid separation, and the solid content after the hemicellulose is decomposed and eluted to the solvent side is separated to form a new raw material slurry, which is again supplied to the filling step, and the decomposition step If the temperature is 240 ° C. or higher and 280 ° C. or lower, cellulose can be decomposed into saccharides (mainly C6 monosaccharide).
まず、バイオマス中のヘミセルロースを140℃以上180℃以下の温度範囲で糖類に分解した後、固液分離すればセルロースを固体として分離することができる。このセルロースをスラリーとして充填工程に供し、分解工程を240℃以上280℃以下の温度範囲で行えば、セルロースを糖類に分解することができる。セルロース及びヘミセルロースの含量が同程度のバイオマスに効果的である。 First, hemicellulose in biomass is decomposed into sugars in a temperature range of 140 ° C. or more and 180 ° C. or less, and then solid-liquid separation can separate the cellulose as a solid. If this cellulose is used as a slurry in the filling step and the decomposition step is performed in a temperature range of 240 ° C. or higher and 280 ° C. or lower, the cellulose can be decomposed into sugars. It is effective for biomass having the same cellulose and hemicellulose content.
前記分解工程の温度が240℃以上280℃以下であれば、セルロースを糖類（主にC6単糖）に分解することができる。セルロースの含量が多いバイオマスの場合には、ヘミセルロースの過分解を考慮する必要性が低いため、比較的高温でセルロースのみを糖類に分解する方が効果的である。 If the temperature in the decomposition step is 240 ° C. or higher and 280 ° C. or lower, cellulose can be decomposed into saccharides (mainly C6 monosaccharide). In the case of biomass with a high cellulose content, it is less necessary to consider hemicellulose overdegradation, so it is more effective to decompose only cellulose into saccharides at a relatively high temperature.
このように、本発明によれば、同じ分解装置で分解工程の温度を制御することにより、バイオマスに含まれるヘミセルロース及びセルロースを、どちらか一方又は両方とも選択して加水分解することも可能である。ただし、通常はヘミセルロース分解用とセルロース分解用、それぞれの耐圧仕様に合わせた別個の分解装置を用いた方が経済的である。 As described above, according to the present invention, it is possible to hydrolyze hemicellulose and cellulose contained in biomass by selecting either one or both of them by controlling the temperature of the decomposition step using the same decomposition apparatus. . However, it is usually more economical to use separate decomposing apparatuses in accordance with the pressure resistance specifications for hemicellulose decomposition and cellulose decomposition.
前記充填工程において、原料スラリーにエタノールを2mol％以上10mol％以下添加することが好ましい。少量のエタノールを原料スラリーに添加することにより、亜臨界水によるセルロース及び／又はヘミセルロースの糖類への分解反応速度が遅くなる。これにより、分解工程におけるセルロース及び／又はヘミセルロースの分解時間を調整し、有機酸等に過分解することを防止しやすくなることで、収率を上げることができる。 In the filling step, it is preferable to add 2 mol% or more and 10 mol% or less of ethanol to the raw slurry. By adding a small amount of ethanol to the raw material slurry, the decomposition reaction rate of cellulose and / or hemicellulose into saccharides by subcritical water becomes slow. Thereby, the yield can be increased by adjusting the decomposition time of cellulose and / or hemicellulose in the decomposition step and easily preventing excessive decomposition to an organic acid or the like.
ここで、原料スラリーに添加されたエタノールは、降温工程においてフラッシュ蒸気に大部分移行し、昇温工程にある別の圧力容器内のスラリーへと回収される。排出工程で取り出された糖類を含む水溶液は、エタノール発酵に供されてバイオエタノールへと変換されるが、エタノール発酵の当初にエタノールが残存していると、酵母による発酵が阻害される。請求項７に係る発明では、分解工程におけるエタノール濃度を維持しつつ、排出工程後のセルロース及び／又はヘミセルロースを含むスラリーにはエタノールが減少するため、エタノール発酵が阻害されにくいという特徴がある。
Here, most of the ethanol added to the raw material slurry is transferred to flash steam in the temperature lowering process, and is recovered into a slurry in another pressure vessel in the temperature increasing process. The aqueous solution containing the saccharide taken out in the discharging step is subjected to ethanol fermentation and converted into bioethanol. However, if ethanol remains at the beginning of ethanol fermentation, fermentation by yeast is inhibited. The invention according to
なお、特許文献４又は特許文献５に開示されているように、アルコール等を主成分とする媒体を亜臨界状態とすると、例えば280℃で圧力容器内が12MPa以上の高圧となる。しかし、請求項７に係る発明では、同じ280℃で7.5〜9.7MPa程度の圧力にしかならず、加圧エネルギーを節約できると共に、高圧圧力容器の要求耐圧強度を軽減でき経済的である。
As disclosed in
本発明によれば、複数基の低圧圧力容器及び高圧圧力容器を用いて、低コスト、かつ、高い収率でセルロース系バイオマス中のセルロース及び／又はヘミセルロースを糖類に分解することができる。また、本発明によれば、糖化分解反応に適した温度まで予熱するのに、他工程にある圧力容器の廃熱を容易に回収できるため、必要熱量の約60％を節約でき、経済的に非常に優れている。 According to the present invention, cellulose and / or hemicellulose in cellulosic biomass can be decomposed into saccharides at a low cost and in a high yield using a plurality of low-pressure pressure vessels and high-pressure pressure vessels. In addition, according to the present invention, the waste heat of the pressure vessel in another process can be easily recovered to preheat to a temperature suitable for the saccharification / decomposition reaction, so that it is possible to save about 60% of the required heat amount and economically. Very good.
さらに、特願２００６−２９１１９４及び特願２００８−５１２６４１に記載されているセルロース系バイオマスの糖化分解方法及び糖化分解装置よりも、圧力容器のコストダウンが可能であり、メンテナンス性も向上する。 Further, the cost of the pressure vessel can be reduced and the maintainability is improved as compared with the saccharification / decomposition method and the saccharification / decomposition apparatus for cellulosic biomass described in Japanese Patent Application Nos. 2006-291194 and 2008-512461.
以下に、本発明の実施の形態について、適宜図面を参照しながら説明する。なお、本発明は、以下に限定されない。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings as appropriate. The present invention is not limited to the following.
（実施の形態１）
本発明の実施の形態１として、全６工程数の所要時間が等しく、３基の低圧圧力容器及び４基の高圧圧力容器を用いる糖化分解装置について説明する。
(Embodiment 1)
As Embodiment 1 of the present invention, a saccharification / decomposition apparatus using three low-pressure pressure vessels and four high-pressure pressure vessels will be described.
図１は、本実施の形態の糖化分解装置の概略構成図である。この糖化分解装置は、低圧圧力容器５ａ〜５ｃ、接続経路（経路６ａ，６ｂ，６ｃ→経路７→経路８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄ→経路９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄ）、高圧圧力容器１０ａ〜１０ｄ、フラッシュ経路（経路１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ→経路１３→経路１４ａ，１４ｂ，１４ｃ）、及び付属機器から構成されている。
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a saccharification / decomposition apparatus according to the present embodiment. This saccharification / decomposition apparatus includes low-
セルロース系バイオマス（例えば、バガスや甜菜かす、わら等の草木系バイオマス）を数mm以下（好ましくは100μm以下）の大きさに粉砕し、水又は希エタノール水溶液（2〜10mol％）を用いて固形物濃度30％以下（好ましくは20％程度）の原料スラリーとする。原料タンク１内の原料スラリー２は、ポンプＰ１によって、熱交換器３、充填経路４ａ〜４ｃを経て低圧圧力容器５ａ〜５ｃへと充填される（充填工程）。
Cellulosic biomass (eg, plant biomass such as bagasse, sugar beet lees, straw, etc.) is pulverized to a size of several mm or less (preferably 100 μm or less), and solid using water or dilute ethanol aqueous solution (2 to 10 mol%) A raw material slurry having an object concentration of 30% or less (preferably about 20%) is used.
原料スラリー充填後、低圧圧力容器５ａ〜５ｃは密閉される。糖化分解装置を始動させたときには、高圧圧力容器１０ａ〜１０ｄから排出される熱エネルギーがないので、スラリーは熱交換によって予熱されない。運転開始後は高圧圧力容器１０ａ〜１０ｄから供給されるフラッシュ蒸気によって昇温する（昇温工程）。
After filling the raw material slurry, the
昇温工程後、70℃〜120℃に昇温されたスラリーは、ポンプＰ２〜Ｐ４によって、接続経路を経て高温圧力容器１０ａ〜１０ｄへと供給される（移送工程）。
After the temperature raising step, the slurry heated to 70 ° C. to 120 ° C. is supplied to the high
経路９ａ〜９ｄには、それぞれ熱交換器１９ａ〜１９ｄが設置されており、外部熱源（例えば、高温スチーム等）から供給される熱エネルギーによって、スラリーを亜臨界状態となるまで加熱する。このとき、スラリーは、亜臨界状態となるまで、ポンプＰ５〜Ｐ８によって、高圧圧力容器１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ→経路１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ→経路９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄ→高圧圧力容器１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄを循環している。そして、所定温度になれば、高温高圧水の酸化力によって、高圧圧力容器内でスラリーに含まれるセルロース系バイオマスが糖類に分解される（分解工程）。
このとき、原料スラリーにエタノールを2mol％以上10mol％以下の濃度範囲で添加しておけば、分解反応速度を低下させることができるので、セルロース又はヘミセルロースの分解反応を制御しやすくなる。 At this time, if ethanol is added to the raw material slurry in a concentration range of 2 mol% or more and 10 mol% or less, the decomposition reaction rate can be reduced, so that the decomposition reaction of cellulose or hemicellulose can be easily controlled.
ここで、本発明でいう分解工程とは、スラリーが亜臨界状態となっている時間だけではなく、昇温工程で温度上昇したスラリーを、亜臨界状態にまで加熱するための時間も含んでいる。 Here, the decomposition step referred to in the present invention includes not only the time during which the slurry is in the subcritical state but also the time for heating the slurry whose temperature has been raised in the temperature raising step to the subcritical state. .
なお、原料スラリーに対して10mol％を越える濃度までエタノールを添加すると、必要以上に分解時間が長引くと共に、圧力容器に要求される耐圧強度も上がる。また、排出工程で排出（排水）スラリーにもエタノールが高濃度で残存することになるため、実用的価値が損なわれる。 When ethanol is added to a concentration exceeding 10 mol% with respect to the raw slurry, the decomposition time is prolonged more than necessary and the pressure resistance required for the pressure vessel is increased. Moreover, since ethanol remains at a high concentration in the discharge (drainage) slurry in the discharge process, the practical value is impaired.
ここで、分解工程においてバイオマス中のヘミセルロースを糖化分解する場合には、セルロースが糖化分解する温度範囲（240℃〜280℃）までは昇温せず、ヘミセルロースのみが糖化分解する140℃〜180℃の温度範囲に調整する。一方、バイオマス中のセルロースを糖化分解する場合には、セルロースが糖化分解する温度範囲（240℃〜280℃）まで昇温する。 Here, when saccharifying and decomposing hemicellulose in biomass in the decomposition step, the temperature is not raised to a temperature range (240 ° C to 280 ° C) where the cellulose is saccharified and decomposed, but only hemicellulose is saccharified and decomposed to 140 ° C to 180 ° C. Adjust to the temperature range. On the other hand, when saccharifying and decomposing cellulose in biomass, the temperature is raised to a temperature range (240 ° C. to 280 ° C.) at which cellulose saccharifies and decomposes.
適切な分解時間が経過した後、分解工程を行っていた高圧圧力容器（１０ａ〜１０ｄのいずれか）と、昇温工程にある低圧圧力容器（５ａ〜５ｃのいずれか）とを接続し、高圧圧力容器内の高温スラリーから発生するフラッシュ蒸気を、フラッシュ経路によって低圧圧力容器へと供給し、高圧圧力容器内のスラリー温度を下げる（降温工程）。これにより、高圧圧力容器内部が糖化分解温度以下まで急冷され、糖類の有機酸等への過分解反応を停止することができる。昇温工程にある低圧圧力容器内のスラリーの温度は上昇する。 After an appropriate decomposition time has elapsed, the high-pressure vessel (any one of 10a to 10d) that has been undergoing the decomposition step is connected to the low-pressure vessel (any one of 5a to 5c) in the temperature raising step, The flash vapor generated from the high temperature slurry in the pressure vessel is supplied to the low pressure vessel through the flush path to lower the slurry temperature in the high pressure vessel (temperature lowering step). As a result, the inside of the high-pressure vessel is rapidly cooled to the saccharification decomposition temperature or lower, and the overdecomposition reaction of the saccharide to an organic acid or the like can be stopped. The temperature of the slurry in the low pressure vessel in the temperature raising process rises.
このとき、低圧圧力容器内の原料スラリーを加熱することにより、フラッシュ蒸気の熱回収がなされ、分解工程においてスラリーを亜臨界状態とするためのエネルギーが節約される。なお、フラッシュ蒸気は低圧圧力容器内の原料スラリーへと供給することが好ましい。 At this time, by heating the raw slurry in the low-pressure pressure vessel, heat recovery of flash vapor is performed, and energy for making the slurry in a subcritical state in the decomposition step is saved. Note that the flash vapor is preferably supplied to the raw slurry in the low pressure container.
降温工程後、高圧圧力容器１０ａ〜１０ｄ内のスラリーは、経路１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄを経由し、ポンプＰ９によって、経路１６→熱交換器３→経路１７を経て糖液タンク１８内に貯蔵される（排出工程）。
After cooling step, the slurry in the
このとき、経路１６を流れるスラリーは、分解過程の温度が240〜280℃の場合、110〜150℃程度であるため、熱交換器３によって、原料タンク１から低圧圧力容器５ａ〜５ｃへと充填されるスラリーとの間で熱交換する。これにより、低圧圧力容器５ａ〜５ｃに充填される原料スラリーが予熱されると共に、経路１７を経て糖液タンク１８へと貯蔵されるスラリーを冷却することができる。
At this time, since the slurry flowing through the
ここで、排出工程の際に、高圧圧力容器から高温高圧の蒸気（気相部分）が逃げないようにスラリーのみ排出すれば、高圧圧力容器の圧力及び温度の降下を少なくすることができる。ただし、圧力及び温度の降下が小さければ、高圧圧力容器内に残った高温高圧の蒸気を原料スラリーが充填された低圧容器に供給し、廃蒸気の熱エネルギーを有効に回収することも可能である。この廃蒸気の熱エネルギー回収は、排出工程後半にある高圧圧力容器から、充填工程後半にある低圧圧力容器に蒸気を供給することによって行ってもよく、専用の熱交換工程を設けて行ってもよい。 Here, when only the slurry is discharged from the high pressure vessel so that the high-temperature and high-pressure steam (gas phase portion) does not escape from the high-pressure vessel, the pressure and temperature drop of the high-pressure vessel can be reduced. However, if the pressure and temperature drop are small, the high-temperature and high-pressure steam remaining in the high-pressure pressure vessel can be supplied to the low-pressure vessel filled with the raw slurry, and the thermal energy of the waste steam can be effectively recovered. . The thermal energy recovery of the waste steam may be performed by supplying steam from a high pressure vessel in the latter half of the discharge process to a low pressure container in the latter half of the filling process, or by providing a dedicated heat exchange process. Good.
３基の低圧圧力容器及び４基の高圧圧力容器は、充填工程→昇温工程→分解工程→降温工程→排出工程を順次繰り返しており、装置全体としては充填工程→昇温工程→移送工程→分解工程→降温工程→排出工程という６工程を順次繰り返している。そして、３基の低圧圧力容器と、４基の高圧圧力容器とは、同じ工程を同時に行うのではなく、時間差をおいて運転している。 The three low-pressure vessels and the four high-pressure vessels repeat the filling process-> heating process-> decomposition process-> cooling process-> discharging process in order, and the entire apparatus is filled-> heating process-> transfer process-> Six processes, a decomposition process, a temperature lowering process, and a discharge process, are sequentially repeated. The three low-pressure pressure vessels and the four high-pressure pressure vessels are not operated at the same time, but are operated with a time difference.
すなわち、図１においては、低圧圧力容器は５ａが充填工程、５ｂが移送工程、５ｃが昇温工程となっており；高圧圧力容器は１０ａが移送工程、１０ｂが排出、１０ｃが降温工程、１０ｄが分解工程となっている。なお、図１において太線で示されている箇所は、スラリー又はフラッシュ蒸気が移動している状態を表している。 That is, in FIG. 1, 5a is a filling step, 5b is a transfer step, and 5c is a temperature raising step; 10a is a transfer step, 10b is discharged, 10c is a temperature drop step, and 10d is a low pressure vessel. Is a decomposition process. In addition, the location shown with the thick line in FIG. 1 represents the state which the slurry or flash vapor | steam is moving.
既に糖化分解装置を作動させており、低圧圧力容器で２回目以降の充填工程を行う場合には、排出工程にある高圧圧力容器から排出（排水）されるスラリー（糖類を含む）と、低圧圧力容器に充填する原料スラリーとの間で熱交換を行い、原料スラリーを予熱する。 When the saccharification / decomposition device is already in operation and the second and subsequent filling steps are performed in the low pressure vessel, the slurry (including saccharides) discharged (drained) from the high pressure vessel in the discharge step, and the low pressure Heat exchange is performed with the raw material slurry filled in the container, and the raw material slurry is preheated.
排出工程で排出され（排水され）、さらに熱交換によって冷却されたスラリーには、糖類と残存固形分が共存する。分解工程が140℃〜180℃の温度範囲である場合には、残存固形分は主にセルロースとリグニンであり、分解工程が240℃〜280℃の温度範囲である場合には、残存固形分は主にリグニンである。 Sugar and residual solids coexist in the slurry discharged (drained) in the discharging step and further cooled by heat exchange. When the decomposition step is in the temperature range of 140 ° C. to 180 ° C., the residual solid content is mainly cellulose and lignin, and when the decomposition step is in the temperature range of 240 ° C. to 280 ° C., the residual solid content is Mainly lignin.
このスラリーは、固液分離によって残存固形分を除去した後、エタノール発酵に供され、酵母の発酵作用等によりバイオエタノールが製造される。このようなエタノール発酵技術は周知技術であるため、ここではその説明を省略するが、本発明によって得られた糖類は、酵母発酵以外の公知の発酵処理によってもバイオエタノールに変換することもできる。 The slurry is subjected to ethanol fermentation after removing the remaining solid content by solid-liquid separation, and bioethanol is produced by the fermentation action of yeast and the like. Since such ethanol fermentation technology is a well-known technology, the description thereof is omitted here, but the saccharide obtained by the present invention can be converted into bioethanol by a known fermentation treatment other than yeast fermentation.
次に、図１に示した糖化分解装置を、連続バッチシステムとして運転する場合のタイムスケジュールについて、図２を参照しながら説明する。なお、図２では、各工程の所要時間は、５分間としている。 Next, a time schedule when the saccharification / decomposition apparatus shown in FIG. 1 is operated as a continuous batch system will be described with reference to FIG. In FIG. 2, the time required for each step is 5 minutes.
まず、低圧圧力容器では、No.1から充填工程を行い、５分ずつ時間差をとってNo.2及びNo.3で順次充填工程を行う。各低圧圧力容器は、「C」→「PH」→「X」という３工程を順次繰り返す。低圧圧力容器No.1内の原料スラリーは、移送工程「X」で高圧圧力容器No.1へと移送される。同様に、低圧圧力容器No.2及びNo.3内の原料スラリーは、高圧圧力容器No.2及びNo.3へとそれぞれ移送される。 First, in the low pressure vessel, the filling process is performed from No. 1, and the filling process is sequentially performed in No. 2 and No. 3 with a time difference of 5 minutes. Each low-pressure pressure vessel sequentially repeats the three steps “C” → “PH” → “X”. The raw slurry in the low pressure container No. 1 is transferred to the high pressure container No. 1 in the transfer process “X”. Similarly, the raw slurry in the low-pressure pressure vessels No. 2 and No. 3 is transferred to the high-pressure pressure vessels No. 2 and No. 3, respectively.
なお、低圧圧力容器No.1では１回目及び２回目の「PH」、低圧圧力容器No.2及びNo.3では最初の「PH」は、高圧圧力容器からのフラッシュ蒸気供給がないため、外部熱源からの熱エネルギーによって原料スラリーを予備加熱してもよい。 Note that the first and second “PH” in the low-pressure pressure vessel No. 1 and the first “PH” in the low-pressure pressure vessel No. 2 and No. 3 have no flash steam supply from the high-pressure pressure vessel. The raw slurry may be preheated by heat energy from a heat source.
高圧圧力容器では、No.1から移送工程「X」を行い、５分ずつ時間差をとってNo.2〜No.4で順次移送工程「X」を行う。各高圧圧力容器は、「X」→「GL」→「F」→「DC」という４工程を順次繰り返す。 In the high-pressure vessel, the transfer process “X” is performed from No. 1, and the transfer process “X” is sequentially performed from No. 2 to No. 4 with a time difference of 5 minutes. Each high-pressure vessel repeats the four steps “X” → “GL” → “F” → “DC” sequentially.
降温工程「F」にある高圧圧力容器No.1のフラッシュ蒸気は、昇温工程「PH」にある低圧圧力容器No.1（２回目の「PH」）に供給され、熱回収が図れる。同様に、降温工程「F」にある高圧圧力容器No.2、No.3及びNo.4のフラッシュ蒸気は、昇温工程「PH」にあるNo.2、No.3及びNo.1（No.1は３回目の「PH」）の低圧圧力容器にそれぞれ供給され、熱回収が図られる。 The flash steam of the high pressure vessel No. 1 in the temperature lowering process “F” is supplied to the low pressure vessel No. 1 (second “PH”) in the temperature raising process “PH”, and heat recovery can be achieved. Similarly, the high-pressure pressure vessels No. 2, No. 3 and No. 4 flash steam in the temperature lowering process “F” are No. 2, No. 3 and No. 1 (No. .1 is supplied to the third low-pressure vessel ("PH") for heat recovery.
また、排出工程「DC」にある高圧圧力容器No.1から排出（排水）されるスラリーは、充填工程「C」（２回目の「C」）にある低圧圧力容器No.3に充填される原料スラリーと熱交換される。同様に、排出工程「DC」にある高圧圧力容器No.2、No.3及びNo.4から排出されるスラリーは、充填工程「C」（それぞれ３回目の「C」）にある低圧圧力容器No.1、No.2及びNo.3に充填される原料スラリーとそれぞれ熱交換される。 Also, the slurry discharged (drained) from the high pressure vessel No. 1 in the discharge step “DC” is filled into the low pressure vessel No. 3 in the filling step “C” (second “C”). Heat exchange with raw slurry. Similarly, the slurry discharged from the high pressure vessels No.2, No.3 and No.4 in the discharge step “DC” is the low pressure vessel in the filling step “C” (each time “C”). Heat exchange is performed with the raw slurry filled in No.1, No.2, and No.3.
こうした連続バッチシステムによれば、セルロース系バイオマスを短時間、かつ、省エネルギーで連続糖化分解することができる。なお、本実施の形態においては、低圧圧力容器No.1が充填工程「C」を開始し、高圧圧力容器No.1が排出工程「DC」を完了するまでの１サイクルは、30分となっている。 According to such a continuous batch system, cellulosic biomass can be continuously saccharified and decomposed in a short time and with energy saving. In this embodiment, one cycle from the start of the filling process “C” to the low pressure container No. 1 and the completion of the discharging process “DC” by the high pressure container No. 1 is 30 minutes. ing.
［分解工程におけるエタノール添加の影響］
ここで、セルロース系バイオマスとして、試薬セルロースを亜臨界状態で糖化分解させる場合におけるエタノール添加の影響について検討した。上記セルロースに、純水と5重量％（2mol％）のエタノール水溶液をそれぞれ同じ280℃で通水した実験結果を図３に示す
[Effect of ethanol addition in the decomposition process]
Here, the influence of ethanol addition in the case of saccharifying and decomposing reagent cellulose in a subcritical state as a cellulosic biomass was examined. FIG. 3 shows the experimental results of passing pure water and 5 wt% (2 mol%) ethanol aqueous solution through the cellulose at 280 ° C.
図３は反応時間と糖類の収率（％）との関係を示したものである。糖類の最高収率そのものにはエタノールの添加による影響は、ほとんど認められなかった。しかし、糖類の生成速度及び分解速度は、エタノールを添加した場合の方が明らかに低く、例えば、最高収率に到達する時間は、エタノール添加によって約3倍（0.7分→2.0分）に拡大した。 FIG. 3 shows the relationship between reaction time and saccharide yield (%). The maximum yield of saccharide itself was hardly affected by the addition of ethanol. However, the production rate and decomposition rate of saccharides are clearly lower when ethanol is added. For example, the time to reach the maximum yield is increased by about 3 times (0.7 minutes → 2.0 minutes) by adding ethanol. .
亜臨界状態である反応時間を工業規模において秒単位で制御することは困難であるため、原料スラリーへのエタノール添加は、糖類の収率を上げる点で、有効であることが確認された。 Since it is difficult to control the reaction time in the subcritical state in seconds on an industrial scale, it was confirmed that the addition of ethanol to the raw slurry was effective in increasing the yield of saccharides.
（実施の形態２）
本発明の実施の形態２として、分解工程以外の５工程の所要時間がすべて2.5分であり、分解工程の所要時間が５分（分解工程以外の５工程の所要時間の２倍）である場合に、３基の低圧圧力容器及び５基の高圧圧力容器を使用する糖化分解装置を、連続バッチシステムとして運転する場合のタイムスケジュールを、図４を参照しながら説明する。
(Embodiment 2)
As
なお、分解工程以外の５工程の所要時間が短くなっているのは、分解工程はセルロース系バイオマス中のセルロース及び／又はヘミセルロースを糖類へと加水分解する工程であるため、最低５分程度の所要時間が必要であるのに対し、それ以外の工程はスラリーの加熱、冷却、移送又はフラッシュ蒸気の移動を行うに過ぎないため、所要時間を短縮することが可能だからである。 The time required for the five steps other than the decomposition step is shortened because the decomposition step is a step of hydrolyzing cellulose and / or hemicellulose in cellulosic biomass into saccharides, and therefore requires a minimum of about 5 minutes. This is because time is required, while the other steps are merely heating, cooling, transferring, or moving the flash vapor of the slurry, so that the required time can be shortened.
まず、低圧圧力容器では、No.1から充填工程を行い、2.5分ずつ時間差をとって低圧圧力容器No.2及びNo.3で順次充填工程を行う。各低圧圧力容器は「C」→「PH」→「X」という３工程を順次繰り返す。低圧圧力容器No.1内の原料スラリーは、移送工程「X」で高圧圧力容器No.1へと移送される。同様に、低圧圧力容器No.2及びNo.3内の原料スラリーは、高圧圧力容器No.2及びNo.3へとそれぞれ移送される。 First, in the low pressure container, the filling process is performed from No. 1, and the filling process is sequentially performed in the low pressure container No. 2 and No. 3 with a time difference of 2.5 minutes. Each low-pressure pressure vessel sequentially repeats the three steps “C” → “PH” → “X”. The raw slurry in the low pressure container No. 1 is transferred to the high pressure container No. 1 in the transfer process “X”. Similarly, the raw slurry in the low-pressure pressure vessels No. 2 and No. 3 is transferred to the high-pressure pressure vessels No. 2 and No. 3, respectively.
高圧圧力容器では、No.1から移送工程「X」を行い、2.5分ずつ時間差をとってNo.2〜No.5で移送工程「X」を行う。各高圧圧力容器は、「X」→「GL」→「F」→「DC」という４工程を順次繰り返す。 In the high-pressure vessel, the transfer process “X” is performed from No. 1, and the transfer process “X” is performed from No. 2 to No. 5 with a time difference of 2.5 minutes. Each high-pressure vessel repeats the four steps “X” → “GL” → “F” → “DC” sequentially.
ここで、低圧圧力容器では「C」→「PH」→「X」という３工程が、2.5分×３＝7.5分で一巡する。一方、高圧圧力容器では、「X」→「GL」→「F」→「DC」という４工程が、2.5分＋5分＋2.5分＋2.5分=12.5分で一巡する。このため、低圧圧力容器No.1及びNo.2の２回目の移送工程「X」では、高圧圧力容器No.4及びNo.5へとそれぞれスラリーが移送される。以下、同様にして、低圧圧力容器No.1〜No.3から高圧圧力容器No.1〜No.5へとスラリーが順次移送される。 Here, in the low pressure vessel, the three steps “C” → “PH” → “X” make a round in 2.5 minutes × 3 = 7.5 minutes. On the other hand, in the high-pressure vessel, four steps of “X” → “GL” → “F” → “DC” are completed in 2.5 minutes + 5 minutes + 2.5 minutes + 2.5 minutes = 12.5 minutes. For this reason, in the second transfer step “X” of the low-pressure pressure vessels No. 1 and No. 2, the slurry is transferred to the high-pressure pressure vessels No. 4 and No. 5, respectively. In the same manner, the slurry is sequentially transferred from the low pressure container No. 1 to No. 3 to the high pressure container No. 1 to No. 5.
降温工程「F」にある高圧圧力容器No.1のフラッシュ蒸気は、昇温工程「PH」にある低圧圧力容器No.2（２回目の「PH」）に供給され、熱回収が図れる。同様に、降温工程「F」にある高圧圧力容器No.2のフラッシュ蒸気は、昇温工程「PH」にある低圧圧力容器No.3（２回目の「PH」）、に供給され、高圧圧力容器No.3、No.4及びNo.5のフラッシュ蒸気は、昇温工程「PH」（３回目の「PH」）にある低圧圧力容器No.1、No.2及びNo.3にそれぞれ供給され、熱回収が図られる。 The flash steam of the high pressure vessel No. 1 in the temperature lowering step “F” is supplied to the low pressure vessel No. 2 (second “PH”) in the temperature raising step “PH” to recover heat. Similarly, the flash steam of the high pressure vessel No. 2 in the temperature lowering process “F” is supplied to the low pressure vessel No. 3 (second “PH”) in the temperature raising process “PH”, and the high pressure pressure is supplied. Vessels No.3, No.4, and No.5 flash steams are supplied to low-pressure pressure vessels No.1, No.2, and No.3, respectively, in the heating process “PH” (third “PH”). Heat recovery.
また、排出工程「DC」にある高圧圧力容器No.1から排出（排水）されるスラリーは、充填工程「C」（３回目の「C」）にある低圧圧力容器No.1に充填される原料スラリーと熱交換される。同様に、排出工程「DC」にある高圧圧力容器No.2及びNo.3から排出されるスラリーは、充填工程「C」（３回目の「C」）にある低圧圧力容器No.2及びNo.3に充填される原料スラリーとそれぞれ熱交換される。また、高圧圧力容器No.4及びNo.5から排出されるスラリーは、充填工程（４回目の「C」）にある低圧圧力容器No.1及びNo.2に充填されるスラリーとそれぞれ熱交換される。 Also, the slurry discharged (drained) from the high pressure vessel No. 1 in the discharge process “DC” is filled into the low pressure vessel No. 1 in the filling process “C” (third “C”). Heat exchange with raw slurry. Similarly, the slurry discharged from the high-pressure pressure vessels No. 2 and No. 3 in the discharge process “DC” is the same as the low-pressure pressure vessels No. 2 and No. in the filling step “C” (the third “C”). Heat exchange with raw material slurry filled in .3. In addition, the slurry discharged from the high-pressure pressure vessels No. 4 and No. 5 is heat exchanged with the slurry filled in the low-pressure pressure vessels No. 1 and No. 2 in the filling process (fourth “C”), respectively. Is done.
なお、本実施の形態においては、低圧圧力容器No.1が充填工程「C」を開始し、高圧圧力容器No.1が排出工程「DC」を完了するまでの１サイクルは、17.5分となっている。 In the present embodiment, one cycle from the start of the filling process “C” to the low pressure container No. 1 and the completion of the discharging process “DC” of the high pressure container No. 1 is 17.5 minutes. ing.
（実施の形態３）
本発明の実施の形態３として、分解工程以外の５工程の所要時間がすべて１分であり、分解工程の所要時間が５分（分解工程以外の５工程の所要時間の５倍）である場合に、３基の低圧圧力容器及び８基の高圧圧力容器を使用する糖化分解装置を、連続バッチシステムとして運転する場合のタイムスケジュールを、図５を参照しながら説明する。
(Embodiment 3)
As
なお、分解工程以外の５工程の所要時間が短くなっているのは、実施の形態２で述べた理由と同じである。 The time required for the five steps other than the decomposition step is shortened for the same reason as described in the second embodiment.
まず、低圧圧力容器では、No.1から充填工程を行い、1分ずつ時間差をとって低圧圧力容器No.2及びNo.3で順次充填工程を行う。各低圧圧力容器は「C」→「PH」→「X」という３工程を順次繰り返す。低圧圧力容器No.1内の原料スラリーは、移送工程「X」で高圧圧力容器No.1へと移送される。同様に、低圧圧力容器No.2及びNo.3内の原料スラリーは、高圧圧力容器No.2及びNo.3へとそれぞれ移送される。 First, in the low pressure container, the filling process is performed from No. 1, and the filling process is sequentially performed in the low pressure container No. 2 and No. 3 with a time difference of 1 minute. Each low-pressure pressure vessel sequentially repeats the three steps “C” → “PH” → “X”. The raw slurry in the low pressure container No. 1 is transferred to the high pressure container No. 1 in the transfer process “X”. Similarly, the raw slurry in the low-pressure pressure vessels No. 2 and No. 3 is transferred to the high-pressure pressure vessels No. 2 and No. 3, respectively.
高圧圧力容器では、No.1から移送工程「X」を行い、1分ずつ時間差をとってNo.2〜No.5で順次移送工程「X」を行う。各高圧圧力容器は、「X」→「GL」→「F」→「DC」という４工程を順次繰り返す。 In the high-pressure vessel, the transfer process “X” is performed from No. 1, and the transfer process “X” is sequentially performed from No. 2 to No. 5 with a time difference of 1 minute. Each high-pressure vessel repeats the four steps “X” → “GL” → “F” → “DC” sequentially.
ここで、低圧圧力容器では「C」→「PH」→「X」という３工程が、１分×３＝３分で一巡する。一方、高圧圧力容器では、「X」→「GL」→「F」→「DC」という４工程が、１分＋５分＋１分＋１分=８分で一巡する。このため、低圧圧力容器No.1の２回目の移送工程「X」では、高圧圧力容器No.4へとスラリーが順次移送される。また、低圧圧力容器No.1の３回目の移送工程「X」では、高圧圧力容器No.7へとスラリーが移送される。以下、同様にして、低圧圧力容器No.1〜No.3から高圧圧力容器No.1〜No.8へとスラリーが順次移送される。 Here, in the low-pressure pressure vessel, the three steps “C” → “PH” → “X” are completed in 1 minute × 3 = 3 minutes. On the other hand, in the high-pressure vessel, four steps of “X” → “GL” → “F” → “DC” make a round in 1 minute + 5 minutes + 1 minute + 1 minute = 8 minutes. Therefore, in the second transfer process “X” of the low pressure vessel No. 1, the slurry is sequentially transferred to the high pressure vessel No. 4. Further, in the third transfer step “X” of the low pressure container No. 1, the slurry is transferred to the high pressure container No. 7. Hereinafter, similarly, the slurry is sequentially transferred from the low pressure container No. 1 to No. 3 to the high pressure container No. 1 to No. 8.
降温工程「F」にある高圧圧力容器No.1のフラッシュ蒸気は、昇温工程「PH」にある低圧圧力容器No.2（３回目の「PH」）に供給され、熱回収が図れる。同様に、降温工程「F」にある高圧圧力容器No.2のフラッシュ蒸気は、昇温工程「PH」（３回目の「PH」）にある低圧圧力容器No.3に供給され、高圧圧力容器No.3、No.4及びNo.5のフラッシュ蒸気は、昇温工程「PH」（４回目の「PH」）にある低圧圧力容器No.1、No.2及びNo.3にそれぞれ供給される。また、高圧圧力容器No.6、No.7及びNo.8のフラッシュ蒸気は、昇温工程「PH」（５回目の「PH」）にある低圧圧力容器No.1、No.2及びNo.3にそれぞれ供給され、熱回収が図られる。 The flash steam of the high pressure vessel No. 1 in the temperature lowering step “F” is supplied to the low pressure vessel No. 2 (third “PH”) in the temperature raising step “PH” to recover heat. Similarly, the flash steam of the high pressure vessel No. 2 in the temperature lowering step “F” is supplied to the low pressure vessel No. 3 in the temperature raising step “PH” (the third “PH”), and the high pressure vessel The No.3, No.4 and No.5 flash steams are supplied to the low-pressure pressure vessels No.1, No.2 and No.3 in the heating process “PH” (fourth “PH”), respectively. The In addition, the flash steams of No.6, No.7, and No.8 of high-pressure pressure vessels are used for No.1, No.2, and No. 2 of low-pressure pressure vessels in the temperature raising process “PH” (the fifth “PH”). Each is supplied to 3, and heat recovery is achieved.
また、排出工程「DC」にある高圧圧力容器No.1から排出（排水）されるスラリーは、充填工程「C」（４回目の「C」）にある低圧圧力容器No.1に充填される原料スラリーと熱交換される。同様に、排出工程「DC」にある高圧圧力容器No.2及びNo.3から排出されるスラリーは、充填工程「C」（４回目の「C」）にある低圧圧力容器No.2及びNo.3に充填される原料スラリーと熱交換され、排出工程「DC」にある高圧圧力容器No.4、No.5及びNo.6から排出されるスラリーは、充填工程「C」（５回目の「C」）にある低圧圧力容器No.1、No.2及びNo.3に充填される原料スラリーとそれぞれ熱交換される。また、排出工程「DC」にある高圧圧力容器No.7及びNo.8から排出されるスラリーは、充填工程「C」（６回目の「C」）にある低圧圧力容器No.1及びNo.2に充填される原料スラリーとそれぞれ熱交換される。 Moreover, the slurry discharged (drained) from the high pressure vessel No. 1 in the discharge step “DC” is filled into the low pressure vessel No. 1 in the filling step “C” (fourth “C”). Heat exchange with raw slurry. Similarly, the slurry discharged from the high-pressure pressure vessels No. 2 and No. 3 in the discharge process “DC” is the same as the low-pressure pressure vessels No. 2 and No. in the filling step “C” (fourth “C”). The slurry discharged from the high pressure vessels No.4, No.5 and No.6 in the discharge process “DC” after being heat-exchanged with the raw material slurry charged in .3 is charged in the filling process “C” (the fifth time Heat exchange is performed with the raw slurry filled in the low-pressure pressure vessels No. 1, No. 2, and No. 3 in “C”). Moreover, the slurry discharged from the high-pressure pressure vessels No. 7 and No. 8 in the discharge step “DC” is the low-pressure pressure vessels No. 1 and No. 1 in the filling step “C” (the sixth “C”). Heat exchange with the raw material slurry filled in 2 is performed.
なお、本実施の形態においては、低圧圧力容器No.1が充填工程「C」を開始し、高圧圧力容器No.1が排出工程「DC」を完了するまでの１サイクルは、10分となっている。 In this embodiment, one cycle from the start of the filling process “C” to the low pressure container No. 1 and the completion of the discharge process “DC” by the high pressure container No. 1 is 10 minutes. ing.
本発明は、セルロース系バイオマスを分解し、糖類を製造する方法及び装置として、バイオ、エネルギー等の分野において有用である。また、酵素・酵母によるバイオマスの糖化反応での前処理としても、熱効率のよい方法及び装置として適用可能である。 The present invention is useful in fields such as biotechnology and energy as a method and apparatus for decomposing cellulosic biomass and producing saccharides. In addition, it can be applied as a heat-efficient method and apparatus as a pretreatment in the saccharification reaction of biomass by enzyme / yeast.
１：原料タンク
２：原料スラリー
３：熱交換器
４ａ，４ｂ，４ｃ：充填経路
５ａ，５ｂ，５ｃ：低圧圧力容器
６ａ，６ｂ，６ｃ：経路
７：経路
８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄ：経路
９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄ：経路
１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ：高圧圧力容器
１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ：経路
１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ：経路
１３：経路
１４ａ，１４ｂ，１４ｃ：経路
１５ａ，１５ｂ，１５ｃ：経路
１６：経路
１７：経路
１８：糖液タンク
１９ａ，１９ｂ，１９ｃ：熱交換器
1: Raw material tank 2: Raw material slurry 3:
Claims (8)
充填工程、昇温工程、移送工程、分解工程、降温工程及び排出工程が順次実行され、
充填工程が、セルロース系バイオマスを粉砕し水と混合したスラリーを低圧圧力容器に充填する工程であり、
昇温工程が、低圧圧力容器を密閉して昇温する工程であり、
移送工程が、昇温工程後のスラリーを低圧圧力容器から高圧圧力容器へと接続経路によって移送する工程であり、
分解工程が、セルロース系バイオマス中のセルロース及び／又はヘミセルロースを高温高圧水の酸化力によって、高圧圧力容器内で糖類に分解する工程であり、
降温工程が、高圧圧力容器内の高温高圧スラリーをフラッシュ蒸発させることにより降温する工程であり、
排出工程が、高圧圧力容器内のスラリーを取り出す工程であり、
ある低圧圧力容器において充填工程が実行されているとき、ある高圧圧力容器において排出工程が実行されており、充填工程実行中の低圧圧力容器に充填されるスラリーと排出工程実行中の高圧圧力容器から排出されるスラリーとの間で熱交換し、
別の低圧圧力容器において昇温工程が実行されているとき、別の高圧圧力容器において降温工程が実行されており、降温工程実行中の別の高圧圧力容器から排出されるフラッシュ蒸気を昇温工程実行中の別の低圧圧力容器に供給することにより熱回収し、
前記６工程がすべて同じ所要時間である場合に、低圧圧力容器の基数が３ｍ（ｍは自然数）であり、高圧圧力容器の基数が４ｍである、
ことを特徴とするセルロース系バイオマスの糖化分解方法。 A method for saccharification and decomposition of cellulosic biomass using a plurality of low pressure vessels and high pressure vessels,
A filling process, a temperature raising process, a transfer process, a decomposition process, a temperature lowering process, and a discharging process are sequentially performed,
The filling step is a step of filling a low-pressure pressure vessel with a slurry obtained by pulverizing cellulosic biomass and mixing with water,
The temperature raising step is a step of raising the temperature by sealing the low pressure container,
The transfer step is a step of transferring the slurry after the temperature raising step from the low pressure vessel to the high pressure vessel through a connection path,
The decomposition step is a step of decomposing cellulose and / or hemicellulose in cellulosic biomass into saccharides in a high-pressure vessel by oxidizing power of high-temperature high-pressure water,
The temperature lowering step is a step of lowering the temperature by flash evaporation of the high temperature and high pressure slurry in the high pressure vessel,
The discharging step is a step of taking out the slurry in the high pressure container,
When a filling process is executed in a certain low-pressure pressure vessel, a discharging process is executed in a certain high-pressure pressure vessel. From the slurry filled in the low-pressure pressure vessel during the filling process and the high-pressure pressure vessel during the discharging process. Heat exchange with the discharged slurry,
When the temperature raising process is being performed in another low-pressure pressure vessel, the temperature lowering process is being performed in another high-pressure pressure vessel, and the flash steam discharged from the other high-pressure pressure vessel during the temperature lowering process is being raised. Heat recovery by feeding to another low pressure vessel in operation ,
When all the six steps have the same required time, the base of the low pressure container is 3 m (m is a natural number), and the base of the high pressure container is 4 m .
A method for saccharifying and decomposing cellulosic biomass.
充填工程、昇温工程、移送工程、分解工程、降温工程及び排出工程が順次実行され、
充填工程が、セルロース系バイオマスを粉砕し水と混合したスラリーを低圧圧力容器に充填する工程であり、
昇温工程が、低圧圧力容器を密閉して昇温する工程であり、
移送工程が、昇温工程後のスラリーを低圧圧力容器から高圧圧力容器へと接続経路によって移送する工程であり、
分解工程が、セルロース系バイオマス中のセルロース及び／又はヘミセルロースを高温高圧水の酸化力によって、高圧圧力容器内で糖類に分解する工程であり、
降温工程が、高圧圧力容器内の高温高圧スラリーをフラッシュ蒸発させることにより降温する工程であり、
排出工程が、高圧圧力容器内のスラリーを取り出す工程であり、
ある低圧圧力容器において充填工程が実行されているとき、ある高圧圧力容器において排出工程が実行されており、充填工程実行中の低圧圧力容器に充填されるスラリーと排出工程実行中の高圧圧力容器から排出されるスラリーとの間で熱交換し、
別の低圧圧力容器において昇温工程が実行されているとき、別の高圧圧力容器において降温工程が実行されており、降温工程実行中の別の高圧圧力容器から排出されるフラッシュ蒸気を昇温工程実行中の別の低圧圧力容器に供給することにより熱回収し、
前記分解工程以外の５工程がすべて同じ所要時間で、かつ、前記分解工程の所要時間がそれ以外の５工程の所要時間のｎ倍（ｎは自然数）である場合に、
低圧圧力容器の基数が３ｍ（ｍは自然数）であり、
高圧圧力容器の基数がｍ（ｎ＋３）である、
ことを特徴とするセルロース系バイオマスの糖化分解方法。 A method for saccharification and decomposition of cellulosic biomass using a plurality of low pressure vessels and high pressure vessels,
A filling process, a temperature raising process, a transfer process, a decomposition process, a temperature lowering process, and a discharging process are sequentially performed,
The filling step is a step of filling a low-pressure pressure vessel with a slurry obtained by pulverizing cellulosic biomass and mixing with water,
The temperature raising step is a step of raising the temperature by sealing the low pressure container,
The transfer step is a step of transferring the slurry after the temperature raising step from the low pressure vessel to the high pressure vessel through a connection path,
The decomposition step is a step of decomposing cellulose and / or hemicellulose in cellulosic biomass into saccharides in a high-pressure vessel by oxidizing power of high-temperature high-pressure water,
The temperature lowering step is a step of lowering the temperature by flash evaporation of the high temperature and high pressure slurry in the high pressure vessel,
The discharging step is a step of taking out the slurry in the high pressure container,
When a filling process is executed in a certain low-pressure pressure vessel, a discharging process is executed in a certain high-pressure pressure vessel. From the slurry filled in the low-pressure pressure vessel during the filling process and the high-pressure pressure vessel during the discharging process. Heat exchange with the discharged slurry,
When the temperature raising process is being performed in another low-pressure pressure vessel, the temperature lowering process is being performed in another high-pressure pressure vessel, and the flash steam discharged from the other high-pressure pressure vessel during the temperature lowering process is being raised. Heat recovery by feeding to another low pressure vessel in operation,
When all the five steps other than the decomposition step have the same required time, and the required time for the decomposition step is n times (n is a natural number) the required time for the other five steps,
The base of the low pressure vessel is 3m (m is a natural number)
The base of the high-pressure vessel is m (n + 3),
A method for saccharifying and decomposing cellulosic biomass .
低圧圧力容器と高圧圧力容器とは接続経路及びフラッシュ経路によって接続されており、
低圧圧力容器内では、セルロース系バイオマスを粉砕し水と混合したスラリーを充填する充填工程と、低圧圧力容器を密閉して昇温する昇温工程とが実行され、
昇温工程後のスラリーは、移送工程として低圧圧力容器から高圧圧力容器へと接続経路によって移送され、
高圧圧力容器内では、セルロース系バイオマス中のセルロース及び／又はヘミセルロースを高温高圧水の酸化力によって糖類に分解する分解工程と、高温高圧のスラリーをフラッシュ蒸発させることにより降温する降温工程と、高圧圧力容器内のスラリーを取り出す排出工程とが実行され、
ある低圧圧力容器において充填工程が実行されているとき、ある高圧圧力容器において排出工程が実行されており、充填工程実行中の低圧圧力容器に充填されるスラリーと排出工程実行中の高圧低圧圧力容器から排出されるスラリーとの間で熱交換し、
別の低圧圧力容器において昇温工程が実行されているとき、別の高圧圧力容器において降温工程が実行されており、降温工程実行中の高圧圧力容器から排出されるフラッシュ蒸気を昇温工程実行中の低圧圧力容器にフラッシュ経路によって供給することにより熱回収し、
前記６工程がすべて同じ所要時間である場合に、低圧圧力容器の基数が３ｍ（ｍは自然数）であり、高圧圧力容器の基数が４ｍである、
ことを特徴とするセルロース系バイオマスの糖化分解装置。 A saccharification / decomposition apparatus for cellulosic biomass comprising a plurality of low pressure vessels and high pressure vessels,
The low pressure vessel and the high pressure vessel are connected by a connection path and a flush path,
In the low-pressure pressure vessel, a filling step of filling a slurry obtained by crushing cellulosic biomass and mixing with water, and a temperature raising step of sealing and raising the temperature of the low-pressure pressure vessel are performed,
The slurry after the temperature raising step is transferred from the low pressure vessel to the high pressure vessel by a connection path as a transfer step,
In the high-pressure vessel, a decomposition step of decomposing cellulose and / or hemicellulose in cellulosic biomass into saccharides by oxidizing power of high-temperature high-pressure water, a temperature-falling step of lowering the temperature by flash evaporation of a high-temperature and high-pressure slurry, and a high-pressure pressure A discharge step of taking out the slurry in the container,
When a filling process is executed in a certain low-pressure pressure vessel, a discharging process is executed in a certain high-pressure pressure vessel, and the slurry to be filled in the low-pressure pressure vessel being executed and the high-pressure low-pressure vessel being executed in the discharging process Heat exchange with the slurry discharged from the
When the temperature raising process is being executed in another low-pressure pressure vessel, the temperature lowering process is being executed in another high-pressure pressure vessel, and the flash steam discharged from the high-pressure pressure vessel during the temperature lowering process is being executed. Heat recovery by supplying to the low pressure pressure vessel by flash path ,
When all the six steps have the same required time, the base of the low pressure container is 3 m (m is a natural number), and the base of the high pressure container is 4 m.
An apparatus for saccharifying and decomposing cellulosic biomass.
低圧圧力容器と高圧圧力容器とは接続経路及びフラッシュ経路によって接続されており、
低圧圧力容器内では、セルロース系バイオマスを粉砕し水と混合したスラリーを充填する充填工程と、低圧圧力容器を密閉して昇温する昇温工程とが実行され、
昇温工程後のスラリーは、移送工程として低圧圧力容器から高圧圧力容器へと接続経路によって移送され、
高圧圧力容器内では、セルロース系バイオマス中のセルロース及び／又はヘミセルロースを高温高圧水の酸化力によって糖類に分解する分解工程と、高温高圧のスラリーをフラッシュ蒸発させることにより降温する降温工程と、高圧圧力容器内のスラリーを取り出す排出工程とが実行され、
ある低圧圧力容器において充填工程が実行されているとき、ある高圧圧力容器において排出工程が実行されており、充填工程実行中の低圧圧力容器に充填されるスラリーと排出工程実行中の高圧低圧圧力容器から排出されるスラリーとの間で熱交換し、
別の低圧圧力容器において昇温工程が実行されているとき、別の高圧圧力容器において降温工程が実行されており、降温工程実行中の高圧圧力容器から排出されるフラッシュ蒸気を昇温工程実行中の低圧圧力容器にフラッシュ経路によって供給することにより熱回収し、
前記分解工程以外の５工程がすべて同じ所要時間で、かつ、前記分解工程の所要時間がそれ以外の５工程の所要時間のｎ倍（ｎは自然数）である場合に、
低圧圧力容器の基数が３ｍ（ｍは自然数）であり、
高圧圧力容器の基数がｍ（ｎ＋３）である、
ことを特徴とするセルロース系バイオマスの糖化分解装置。 A saccharification / decomposition apparatus for cellulosic biomass comprising a plurality of low pressure vessels and high pressure vessels,
The low pressure vessel and the high pressure vessel are connected by a connection path and a flush path,
In the low-pressure pressure vessel, a filling step of filling a slurry obtained by crushing cellulosic biomass and mixing with water, and a temperature raising step of sealing and raising the temperature of the low-pressure pressure vessel are performed,
The slurry after the temperature raising step is transferred from the low pressure vessel to the high pressure vessel by a connection path as a transfer step,
In the high-pressure vessel, a decomposition step of decomposing cellulose and / or hemicellulose in cellulosic biomass into saccharides by oxidizing power of high-temperature high-pressure water, a temperature-falling step of lowering the temperature by flash evaporation of a high-temperature and high-pressure slurry, and a high-pressure pressure A discharge step of taking out the slurry in the container,
When a filling process is executed in a certain low-pressure pressure vessel, a discharging process is executed in a certain high-pressure pressure vessel, and the slurry to be filled in the low-pressure pressure vessel being executed and the high-pressure low-pressure vessel being executed in the discharging process Heat exchange with the slurry discharged from the
When the temperature raising process is being executed in another low-pressure pressure vessel, the temperature lowering process is being executed in another high-pressure pressure vessel, and the flash steam discharged from the high-pressure pressure vessel during the temperature lowering process is being executed. Heat recovery by supplying to the low pressure pressure vessel by flash path,
When all the five steps other than the decomposition step have the same required time, and the required time for the decomposition step is n times (n is a natural number) the required time for the other five steps,
The base of the low pressure vessel is 3m (m is a natural number)
The base of the high-pressure vessel is m (n + 3),
An apparatus for saccharifying and decomposing cellulosic biomass .
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