JP5378306B2 - バイオマスの処理装置及び処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、バイオマスの主成分であるセルロース等の繊維質を糖類に加水分解処理する装置、若しくは酵素糖化反応の前処理としての水熱処理を行う装置、及びこれらを使用したバイオマスの処理方法に関するものである。

バガス、麦わら、稲わら、パーム残渣等のバイオマスは、家畜飼料として利用されるほか、エタノールや有機酸の原料としても使用される。バイオマスからのアルコールの製造は、バイオマスの主成分であるセルロース、へミセルロース等の繊維質を酸又はアルカリで加水分解して、若しくは酵素糖化を行って、グルコース、キシロース、アラビノース、ガラクトース、マンノース等の糖類とし、この糖を酵母等の微生物を用いる発酵法によりエタノールに変換するものである。
バイオマスの加水分解に使用される装置としては、特許文献１，２のような、スクリューコンベアを配した反応器内において、バイオマスと硫酸を加熱しながら混合させ、連続的に糖類に分解する装置が知られる。
しかし、特許文献１，２の装置は、反応器内を１５０〜１６０℃程度まで加熱して、バイオマスと硫酸とを混合反応させるが、その際に一部のバイオマスがスクリューに付着して炭化し、歩留りが低下する、という問題があった。また、スクリューに付着した炭化物が大きくなって剥離し、管路を閉塞する、という問題もあった。

特開２００６−６８６０６号公報 特開２００６−２８１０３７号公報

発明が解決しようとする主たる課題は、バイオマスの加水分解装置、若しくは酵素糖化の前処理装置において、原料の炭化や、炭化物による閉塞を低減することにある。

この課題を解決した本発明は、次のとおりである。
＜請求項１記載の発明＞
加熱処理槽の始端側の原料投入口を通してバイオマス原料を前記加熱処理槽内に投入するとともに、飽和水蒸気または過熱水蒸気を前記原料投入口内に添加し、前記原料投入口を通して投入されたバイオマス原料を、加熱処理槽内に設けられた搬送手段により、加熱処理槽の終端側の排出口に搬送する過程で、前記飽和水蒸気または過熱水蒸気による少なくともバイオマス原料の加熱により、バイオマスを水熱処理または加水分解処理するバイオマスの加熱処理装置であって、
前記搬送手段はスクリューコンベア、リボンミキサー、パドルミキサーの群から選ばれたものであり、
加熱処理槽内の温度より低い温度の水または糖液からなる冷却液を前記搬送手段に向かって間欠的に投射し、搬送手段に付着した付着物を除去する付着物除去手段を有する、
ことを特徴とするバイオマスの加熱処理装置。

（作用効果）
バイオマスの加水分解処理、または酵素糖化の前処理は、その効率を高めるために加熱条件下で行われるのが通常である。しかし、槽内の温度が高温となることで、搬送手段にバイオマスが付着し、付着した分が炭化し、歩留りが低下してしまう、という問題があった。本発明は、搬送手段に向かって投射液を投射し、搬送手段へのバイオマスの付着を低減するものである。

搬送手段に付着した炭化物は時間とともに大きくなり、ある程度の大きさとなると搬送手段より剥離する。そのため、剥離した炭化物が加水分解液の排出路を閉塞する、という問題があった。搬送手段に向かって液体を投射することによって、搬送手段へのバイオマスの付着を低減するとともに、付着したバイオマスが除去される。このように、炭化したバイオマスについては層状、塊状に大きくなるまえに搬送手段より剥離、排出することができ、また、搬送手段に付着したバイオマスについては炭化する前に早期に除去することが可能となるため、バイオマスの炭化、付着を軽減し、歩留りを向上することができる。なお、本発明における「冷却液」としては、水または糖液が使用されるものとする。
以上のように、本発明は、搬送手段へのバイオマスの付着と炭化を低減するとともに、炭化したバイオマスの早期排出を可能とするものである。
また、冷却液の温度を加熱処理槽内の温度より低くし、冷却液として槽内に供給することで、搬送手段または搬送手段に近接するバイオマスが長時間反応器内に留まり、反応が過度に進行し、バイオマスが炭化することを低減するとともに、搬送手段に付着した炭化物の表面が冷却されて内部との温度差が生じ、炭化物の破砕が起こり、炭化物が除去される。

＜請求項２記載の発明＞
前記加熱処理槽内に対して酸塩基触媒供給手段を備え、前記バイオマスと酸塩基触媒とを加熱状態で搬送することにより、バイオマスの加水分解を行う、請求項１記載のバイオマスの加熱処理装置。

（作用効果）
前記加熱処理槽内に供給されるバイオマスに、硫酸、塩酸、苛性ソーダ等の酸塩基触媒を添加、加熱し、バイオマスの加水分解による糖化を行う。

＜請求項３記載の発明＞
前記冷却液の投射がスプレーノズルにより行われる、請求項１記載のバイオマスの加熱処理装置。

（作用効果）
冷却液投射にスプレーノズルを使用し、冷却液を供給することで、少ない液量であっても効率よく搬送手段へのバイオマスの付着と付着したバイオマスの炭化を低減するとともに、炭化物の破砕を起こすことができる。

＜請求項４記載の発明＞
前記搬送手段が、二軸式スクリューコンベアである、請求項１記載のバイオマスの加熱処理装置。

（作用効果）
搬送手段を二軸スクリューとすることで、スクリュー間の相互掻きとり作用により、スクリューに付着した炭化物を早期に剥離し、機外に排出することができる。

＜請求項５記載の発明＞
前記冷却液の全部又は一部が、加水分解したバイオマスを固液分離して得られた糖液である、請求項１または３記載のバイオマスの加熱処理装置。

（作用効果）
反応処理後の糖液を固液分離し、加熱処理槽に返送して投射液として投射することで、新たに水を使用することなく搬送手段へのバイオマスの付着と付着したバイオマスの炭化を低減することができる。また、反応液の希釈を低減することができる。

＜請求項６記載の発明＞
加熱処理槽の始端側上方の原料投入口を通してバイオマス原料を前記加熱処理槽内に投入するとともに、飽和水蒸気または過熱水蒸気を前記原料投入口内に添加し、前記原料投入口を通して投入されたバイオマス原料を、加熱処理槽内に設けられた搬送手段により、加熱処理槽の終端側の排出口に搬送する過程で、前記飽和水蒸気または過熱水蒸気による少なくともバイオマス原料の加熱により、バイオマスを水熱処理または加水分解処理するバイオマスの加熱処理方法であって、
前記搬送手段はスクリューコンベア、リボンミキサー、パドルミキサーの群から選ばれたものであり、
加熱処理槽内の温度より３０℃以上低い温度の水または糖液からなる冷却液を前記搬送手段に向かって間欠的に投射し、搬送手段に付着した付着物を除去する、
ことを特徴とするバイオマスの加熱処理方法。

本発明によれば、バイオマスの加熱処理装置内において、搬送手段に対して投射液を投射する手段を設けることにより、バイオマスの炭化を低減し、かつ炭化したバイオマスを大きくなる前に破砕、剥離、排出することができる。これにより、歩留りの向上と、排出路の閉塞の防止が可能となる。

バイオマス処理工程のフロー図である。 バイオマスの糖化処理工程のフロー図である。 本発明に係るバイオマスの加熱処理装置の一例の正面図である。 本発明に係るバイオマスの加熱処理装置の一例の上面図である。 本発明に係るバイオマスの加水分解装置の一例の正面図である。

〔バイオマス処理工程の概略〕
図１に、バイオマス処理工程の概略を示す。バガス等のバイオマスは、洗浄工程により、砂、小石等の異物と分離され、脱水工程により洗浄工程で添加された水分の多くが除去される。脱水後のバイオマスは、スクリューフィーダー、ピストンフィーダー等の輸送手段で輸送され、糖化工程に供される。糖化は、酸塩基触媒によりバイオマスの主成分であるセルロース、ヘミセルロースを糖化する加水分解工程、または、前処理として水熱処理によりリグニン、ヘミセルロースの一部を分解した後、酵素による糖化を行う酵素糖化工程のいずれかにより行われる。糖化された原料は、さらに酵母発酵によりエタノール等の有機燃料や有機酸等に加工される。特に、発酵、蒸留により、バイオ燃料としてのエタノールを取得するのが一般的である。

図２に酵素糖化工程のフローの概略を示す。洗浄、脱水後のバイオマスは、水熱処理によりリグニン、ヘミセルロースの一部が分解された後、酵素糖化処理工程に供される。ここで、酵素糖化処理工程と酵母による発酵を別々に行うこともできるが、同一の槽内に酵素と酵母を添加し、酵素糖化と発酵を同時に行う方法が広く使用されている。発酵により得られたエタノール等の目的物は蒸留等により精製される。

本発明は、上記工程のうち、バイオマスの加水分解工程及び酵素糖化の前処理（水熱処理）工程に係る装置及び方法に関するものである。
本発明に係る装置及び方法は、バガス、麦わら、稲わら、パーム残渣、コーンストーバー、パーム椰子残渣、キャッサバ残渣、木片、木質廃材、ジュート、ケナフ、古紙等のバイオマスについて好適に使用できる。具体的には、表１に示す性質のバイオマスについて、特に好適に本発明を適用することができる。しかし、これらに限られず、木質系バイオマスや、下水汚泥、下水し渣から得られるバイオマスについても本発明に係る装置及び方法は適用可能である。

〔加熱処理装置〕
図３，４に本発明に係るバイオマスの加熱処理装置の一例を示す。
バイオマス加水分解装置１の加水分解加熱処理槽１０には、搬送手段として二軸のスクリューコンベア１１Ａ，１１Ｂが長手方向に平行に配される。搬送手段としては、一軸のスクリューコンベア、リボンミキサー、パドルミキサー等の公知のものをいずれも使用できるが、スクリューに付着した炭化バイオマスを相互に掻きとる効果があることから、図示例のような、かみあい型かつ異方向回転型の二軸スクリューコンベアを使用することが好ましい。スクリューコンベア１１Ａ，１１Ｂは、駆動ギア１４の回転を介して、スクリューシャフト１２Ａ，１２Ｂ、スクリューブレード１３Ａ，１３Ｂが回転することにより、加熱処理槽１０の始端側に供給された材料を攪拌しながら終端側へ搬送する。二軸のスクリューの最小間隙、すなわち、一方のスクリューコンベア１１Ａのスクリューブレード１３Ａ周縁と他方のスクリューシャフト１２Ｂとの最短距離は、５〜３０ｍｍ、特に５〜１０ｍｍとすることが好ましい。

スクリューコンベア１１の部分は、通常はハステロイ、ＳＵＳ３１６Ｌ、ＳＵＳ３０４等の鋼材で構成される。 スクリューコンベア１１に近接するバイオマスまたはその分解生成物（糖類）は、加熱状態下で長時間滞留することにより、一部が炭化してスクリューコンベア上に付着する。加熱処理槽１０には、スクリューコンベア１１に向かって水または糖液を投射する液体投射手段２１及び液体供給口２２が複数設置される。液体投射手段２１としては、スプレーノズルを好適に使用することができる。液体投射をスプレーノズルによって行うことにより、少ない液量で効率よくスクリューへのバイオマスの付着を防止し、付着した炭化物を除去することが可能となる。また、投射する水または糖液の温度は、槽内の温度より３０℃以上、より好適には５０℃以上低い温度とし、冷却液として供給することが望ましい。冷却液を投射することにより付着物に局所的な温度差が生じ、付着物の破砕が起こるため、より効率的に付着物を除去することが可能となる。投射液の投射範囲は、反応器内全体にわたっていてもよく、また、部分的であってもよい。また、投射液の供給は、連続的でも間欠的でもよく、バイオマスが一時的に付着した場合でも、炭化が進行する前に破砕、剥離することができればよい。加熱処理槽内の加熱用水蒸気を削減するためにも、投射液を間欠的に供給して供給量を抑えることが望ましい。

〔第１の実施形態：水熱処理工程〕
第１の実施形態として、図３，４に示した加熱処理装置をバイオマスの水熱処理に使用する例を開示する。
バイオマス原料は、洗浄工程、脱水工程を経た後に、スクリューフィーダー等により、加水分解装置１の原料投入口１５より加熱処理槽内に供給される。加熱処理槽１０には、投入口１５近傍より飽和水蒸気または過熱水蒸気を添加し、その加熱作用により、槽内の温度を１２０〜２５０℃まで上昇させる。

加熱処理槽１０内に添加されたバイオマスは、薬液を添加せずに水蒸気のみを供給して加熱を行ってもよく、薬液供給手段１６により、硫酸、塩酸、亜硫酸ガス、酢酸などの有機酸類、苛性ソーダ、アンモニアなどのアルカリ類、エタノールなどのアルコール類を添加してもよい。また、加熱処理槽１０に投入する前のバイオマスに、予め薬液を混合させてもよい。

水蒸気のみの加熱を行う場合、加熱処理槽１０内は１７０〜２５０℃、特に２００〜２３０℃とすることが好ましい。薬液として、バイオマス乾燥重量あたり１００重量部あたり添加されるアンモニアが１０重量部となるようにアンモニア水を薬液供給手段１６により添加した場合、加熱処理槽１０内の温度は１２０〜１６０℃、特に１３０〜１５０℃とすることが好ましい。

加熱処理槽１０内の圧力は槽内の水蒸気（外部より供給された水蒸気、若しくはバイオマスの加熱により発生した水蒸気）により上昇するが、その圧力は、１〜４０気圧に保つことが好ましい。

水熱処理されたバイオマス原料は、排出口１７より槽外に排出され、後段の酵素糖化工程に送られる。

〔第２の実施形態：加水分解処理〕
第２の実施形態として、加熱処理槽１０内で加水分解処理を行う形態を例示する。加水分解処理に使用される装置の好適な形態を図５に示す。

バイオマス原料は、加水分解装置５の原料投入口１５より加熱処理槽内に供給される。加熱処理槽１０には、投入口１５近傍より飽和水蒸気または過熱水蒸気が添加し、その加熱作用により、槽内の温度を上昇させる。加熱処理槽１０内の加熱は水蒸気以外の方法、例えば、加熱ガスの供給や間接加熱等の方法を使用することもできるが、加熱と加水の効果を得られるため、水蒸気による加熱を行うことが好ましい。

投入口近傍の薬液供給器１６によって、原料に直接薬液が供給される。供給される薬液は、硫酸、塩酸、亜硫酸ガス、苛性ソーダ等、多糖の加水分解に使用される公知の酸塩基触媒をいずれも使用できるが、安価でかつ安全（揮発性が低く、吸引による事故の危険性が低い）という利点を有することから、硫酸、特に希硫酸の使用が好ましい。図示例では、希硫酸の添加は、投入口近傍で原料に直接噴霧することにより添加する方法がとられているが、予め原料を希硫酸に浸漬しておき、その原料を加熱処理槽１０内に供給する方法としてもよく、また、これらの添加方法を組み合わせてもよい。

薬液として、バイオマス乾燥重量１００重量部あたり、硫酸が２〜３重量部となるように希硫酸を添加した場合、加熱処理槽１０内の温度は１４０〜２００℃、特に１５０〜１７０℃とすることが好ましい。槽内の温度が２００℃よりも高いと、原料及び加水分解後の糖類の炭化が進みやすく、歩留りが低くなる。また、槽内の温度を１４０℃よりも低く設定すると、反応効率が低下してしまう。

加熱処理槽１０内の圧力は槽内の水蒸気（外部より供給された水蒸気、若しくはバイオマスの加熱により発生した水蒸気）により上昇するが、その圧力は、３〜１５気圧に保つことが好ましい。

加熱処理槽１０内でのバイオマスの加水分解（糖化）により得られた糖液は、排出口１７より槽外に排出される。槽外に排出された糖液は排出管１８に案内され、交互に開閉される（つまりいずれか一方は常に閉状態） 第１ 排出バルブＶ１ 及び第２ 排出バルブＶ ２ を介して排出物受けタンク１９に排出される。そして、排出物受けタンク の含液固形物は、ポンプ等の圧送装置Ｐ により配管を介して固液分離装置２０に圧送される。固液分離装置２０としては、水平ベルトフィルター、トレイフィルター、ベルトウォッシャー、フィルタープレス、ベルトプレス等を用いることができるが、特に糖分を高い回収率が得ることが可能であることから、洗浄機能付のものが好適である。固液分離装置２０では、糖類を含む液分と残渣固形分とに分離される。得られた液分の全部または一部は、次段の発酵工程に供される。

本実施形態において、投射液供給手段より供給される投射液は、すべて機外より供給された水としてもよいが、図示例のように、固液分離装置２０で得られた液分（糖液）を返送し、投射液の一部又は全部として使用してもよい。分離後の糖液を投射液とすることで、加熱処理槽内の目的成分である糖の濃度を低下させることなく、冷却効果を奏することができる。また、新たに使用する水の量を減じることができるため、環境保全の観点からも有利である。

１，５…バイオマス加熱処理装置、１０…加熱処理槽、１１Ａ，１１Ｂ…スクリューコンベア、１２Ａ，１２Ｂ…スクリューシャフト、１３Ａ，１３Ｂ…スクリューブレード、１４…駆動ギア、１５…原料投入口、１６…薬液供給器、１７…排出口、１８…排出管、１９…排出物受けタンク、２０…固液分離装置、２１…冷却液投射手段、２２…冷却液供給口。

Claims (6)

1. 加熱処理槽の始端側の原料投入口を通してバイオマス原料を前記加熱処理槽内に投入するとともに、飽和水蒸気または過熱水蒸気を前記原料投入口内に添加し、前記原料投入口を通して投入されたバイオマス原料を、加熱処理槽内に設けられた搬送手段により、加熱処理槽の終端側の排出口に搬送する過程で、前記飽和水蒸気または過熱水蒸気による少なくともバイオマス原料の加熱により、バイオマスを水熱処理または加水分解処理するバイオマスの加熱処理装置であって、
   前記搬送手段はスクリューコンベア、リボンミキサー、パドルミキサーの群から選ばれたものであり、
   加熱処理槽内の温度より低い温度の水または糖液からなる冷却液を前記搬送手段に向かって間欠的に投射し、搬送手段に付着した付着物を除去する付着物除去手段を有する、
   ことを特徴とするバイオマスの加熱処理装置。
2. 前記加熱処理槽内に対して酸塩基触媒供給手段を備え、前記バイオマスと酸塩基触媒とを加熱状態で搬送することにより、バイオマスの加水分解を行う請求項１記載のバイオマスの加熱処理装置。
3. 前記冷却液の投射がスプレーノズルにより行われる、請求項１記載のバイオマスの加熱処理装置。
4. 前記搬送手段が、二軸式スクリューコンベアである、請求項１記載のバイオマスの加熱処理装置。
5. 前記冷却液の全部又は一部が、加水分解したバイオマスを固液分離して得られた糖液である、請求項１または３記載のバイオマスの加熱処理装置。
6. 加熱処理槽の始端側上方の原料投入口を通してバイオマス原料を前記加熱処理槽内に投入するとともに、飽和水蒸気または過熱水蒸気を前記原料投入口内に添加し、前記原料投入口を通して投入されたバイオマス原料を、加熱処理槽内に設けられた搬送手段により、加熱処理槽の終端側の排出口に搬送する過程で、前記飽和水蒸気または過熱水蒸気による少なくともバイオマス原料の加熱により、バイオマスを水熱処理または加水分解処理するバイオマスの加熱処理方法であって、
   前記搬送手段はスクリューコンベア、リボンミキサー、パドルミキサーの群から選ばれたものであり、
   加熱処理槽内の温度より３０℃以上低い温度の水または糖液からなる冷却液を前記搬送手段に向かって間欠的に投射し、搬送手段に付着した付着物を除去する、
   ことを特徴とするバイオマスの加熱処理方法。

Images