JP5434290B2 - バイオマス処理システム及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、バイオマス処理システム及び方法に関する。

近年、石油等の化石資源の代替資源としてカーボンニュートラル資源であるバイオマスが注目されている。このようなバイオマスの利用の１つとして、木質系バイオマスに含まれるセルロースを糖化・加水分解することでグルコースを生成し、さらに、このグルコースをアルコール発酵させることでバイオエタノールを生成する技術が知られている。

上記のように木質系バイオマスからバイオエタノールを生成する過程において、セルロースを糖化・加水分解する際に生成される蟻酸、酢酸及びフェノール等の揮発性の発酵阻害成分によってエタノール発酵速度の低下を招くという問題が指摘されている。このような問題に対して、例えば下記特許文献１には、糖化・加水分解によって得られる加水分解処理物（グルコース及び発酵阻害成分を含む処理物）を木質系炭化物で処理することにより、加水分解処理物に含まれる発酵阻害成分を木質系炭化物に吸着させて除去するという技術が開示されている。

特開２００５−２７００５６号公報

上記特許文献１に開示されている技術のように、木質系炭化物等を発酵阻害成分を除去するための吸着剤あるいは触媒として用いる場合、発酵阻害成分の除去性能を維持するために、一定期間毎にこれら吸着剤あるいは触媒の交換作業を行う必要があり、そのためプロセスが一時中断して生産効率の低下を招くという問題がある。また、交換作業の度に新たな吸着剤あるいは触媒が必要となり、生産コストの増大を招くという問題もある。

本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであり、生産効率の低下及び生産コストの増大を招くことなく、発酵阻害成分の除去を行うことの可能なバイオマス処理システム及び方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の第１の態様に係るバイオマス処理システムは、木質系バイオマスを加水分解処理することでグルコース、発酵阻害成分及びバイオマス残渣を含む加水分解処理物を生成する加水分解装置と、前記加水分解処理物を固液分離することで前記グルコース及び発酵阻害成分を含む糖溶液と前記バイオマス残渣を含む固体物とに分離する固液分離装置と、気液接触法によって前記糖溶液から前記発酵阻害成分を除去する気液接触装置と、前記発酵阻害成分の除去後に得られる処理液を発酵させることでエタノールを生成する発酵装置とを備えることを特徴とする。
また、上記第１の態様に係るバイオマス処理システムにおいて、前記発酵装置は、前記エタノールを生成する過程で発生する二酸化炭素を前記気液接触装置に供給し、前記気液接触装置は、前記発酵装置から供給される前記二酸化炭素を利用した前記気液接触法によって前記糖溶液から前記発酵阻害成分を除去することを特徴とする。

また、本発明の第２の態様に係るバイオマス処理システムは、木質系バイオマスを加水分解処理することでグルコース、発酵阻害成分及びバイオマス残渣を含む加水分解処理物を生成すると共に気液接触法を組み合わせて前記加水分解処理物から前記発酵阻害成分を除去する加水分解装置と、前記加水分解処理物を固液分離することで前記グルコースを含む糖溶液と前記バイオマス残渣を含む固体物とに分離する固液分離装置と、前記糖溶液を発酵させることでエタノールを生成する発酵装置とを備えることを特徴とする。
また、上記第２の態様に係るバイオマス処理システムにおいて、前記発酵装置は、前記エタノールを生成する過程で発生する二酸化炭素を前記加水分解装置に供給し、前記加水分解装置は、前記発酵装置から供給される前記二酸化炭素を利用した前記気液接触法によって前記加水分解処理物から前記発酵阻害成分を除去することを特徴とする。

一方、本発明の第１の態様に係るバイオマス処理方法は、木質系バイオマスを加水分解処理することでグルコース、発酵阻害成分及びバイオマス残渣を含む加水分解処理物を生成し、前記加水分解処理物を固液分離することで前記グルコース及び発酵阻害成分を含む糖溶液と前記バイオマス残渣を含む固体物とに分離し、気液接触法によって前記糖溶液から前記発酵阻害成分を除去し、前記発酵阻害成分の除去後に得られる処理液を発酵させることでエタノールを生成することを特徴とする。
また、上記第１の態様に係るバイオマス処理方法において、前記エタノールを生成する過程で発生する二酸化炭素を利用した前記気液接触法によって前記糖溶液から前記発酵阻害成分を除去することを特徴とする。

また、本発明の第２の態様に係るバイオマス処理方法は、木質系バイオマスを加水分解処理することでグルコース、発酵阻害成分及びバイオマス残渣を含む加水分解処理物を生成すると共に気液接触法を組み合わせて前記加水分解処理物から前記発酵阻害成分を除去し、前記加水分解処理物を固液分離することで前記グルコースを含む糖溶液と前記バイオマス残渣を含む固体物とに分離し、前記糖溶液を発酵させることでエタノールを生成することを特徴とする。
また、上記第２の態様に係るバイオマス処理方法において、前記エタノールを生成する過程で発生する二酸化炭素を利用した前記気液接触法によって前記加水分解処理物から前記発酵阻害成分を除去することを特徴とする。

本発明では、従来のように、加水分解処理物に含まれる発酵阻害成分を除去するための吸着剤あるいは触媒を用いる必要がないため、これらの交換作業を行う必要がなく、プロセスを一時中断することなく連続的な処理が可能となる。従って、本発明によれば、生産効率の低下及び生産コストの増大を招くことなく、発酵阻害成分の除去を行うことが可能となる。

本発明の第１実施形態に係るバイオマス処理システム１のブロック図である。 バイオマス処理システム１における加水分解装置１２の概略図である。 本発明の第２実施形態に係るバイオマス処理システム１のブロック図である。 バイオマス処理システム２における加水分解装置２２の概略図である。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。
〔第１実施形態〕
図１は、第１実施形態に係るバイオマス処理システム１のシステム構成を示すブロック図である。この図１に示すように、第１実施形態に係るバイオマス処理システム１は、バイオマスの一種である木材チップや廃建材など、主成分としてセルロース、ヘミセルロース及びリグニンを含む木質系バイオマスを原料としてバイオエタノールを生成する化学プラントシステムであり、前処理装置１１、加水分解装置１２、固液分離装置１３、ストリッピング塔（気液接触装置）１４及びバイオリアクタ（発酵装置）１５から構成されている。

なお、木質系バイオマスに含まれるセルロースとは、周知のように化学式（Ｃ_６Ｈ_１０Ｏ_５）_ｎで表される多糖類であり、炭素原子６個を含むグルコース（単糖類）が重合した高分子化合物である。また、ヘミセルロースとは、上記グルコース以外の単糖類（主に炭素原子５個を含む単糖類）が重合した高分子化合物である。また、リグニンとは、三次元木目構造を有し、上記セルロース及びヘミセルロースを取り囲むことで木質を形成する高分子化合物である。

木質系バイオマス中のセルロースは、主に結晶化した繊維として存在している。また、セルロースは、ヘミセルロース及びリグニンによって覆われており、そのままの状態で糖化（加水分解）を行うことは困難である。そこで、前処理装置１１は、原料として供給される木質系バイオマスの前処理として木質系バイオマスに含まれるセルロース繊維の切断や非結晶化、ヘミセルロース及びリグニンの分解・溶解など、後述する加水分解装置１２における加水分解処理によるグルコースの生成反応（セルロースの糖化反応）を促進させるような処理（具体的には木質系バイオマスの粉砕または蒸解の他、蒸煮、水熱処理、アルカリ処理、酸処理など）を行う。
前処理装置１１は、以上のような前処理を行った後、その前処理後の木質系バイオマス（以下、前処理済バイオマスと称す）を加水分解装置１２に供給する。

加水分解装置１２は、上記の前処理装置１１から供給される前処理済バイオマスを、希硫酸法を用いて加水分解処理する。具体的には、図２に示すように、前処理済バイオマスと希硫酸とをタンク内で攪拌及び混合しながら加熱することで加水分解処理を行う。この加水分解処理によって前処理済バイオマスに含まれるセルロースの糖化反応が起こり、セルロースは六単糖の一種であるグルコースに分解される。また、この加水分解処理により蟻酸、酢酸及びフェノール等の揮発性の発酵阻害成分やリグニン等のバイオマス残渣も生成される。
加水分解装置１２は、上記のように生成したグルコース、発酵阻害成分及びバイオマス残渣を含む加水分解処理物を固液分離装置１３に供給する。なお、加水分解処理方法としては、希硫酸法に限らず、酵素糖化法、濃硫酸法、塩酸法、メカノケミカル法などを用いることができる。硫酸や塩酸などの酸を用いたプロセスの場合、後段で中和処理を行う必要がある。

固液分離装置１３は、上記の加水分解装置１２から供給される加水分解処理物を固液分離することでグルコース及び発酵阻害成分を含む糖溶液とバイオマス残渣を含む固体物とに分離し、上記糖溶液をストリッピング塔１４の塔頂部に供給する。このような固液分離装置１３としてはタンク・デカンタ装置を用いることができる。このタンク・デカンタ装置のタンクには水が貯められており、加水分解装置１２によって生成される加水分解処理物はその水中に供給され、加水分解処理物中のグルコース及び発酵阻害成分が水に溶解する。固体物であるバイオマス残渣はタンク下部に堆積するため、バルブの開閉によりこれら固体物を分離及び排出することができる。

また、固液分離の手法としては、加水分解処理物に水を噴霧して洗浄し、グルコース及び発酵阻害成分が水に溶解して得られる糖溶液を回収してストリッピング塔１４に供給する一方、残りの固体物はコンベアやフィーダーなどの搬送装置で分離及び排出する手法を採用しても良い。
また、フィルタープレスなどのろ過・分離装置を用いて、加水分解処理物を糖溶液と固体物に分離する方法を採用しても良い。

ストリッピング塔１４は、後述するバイオリアクタ１５から供給される二酸化炭素をストリッピングガスとして利用したストリッピング法（気液接触法の一種）によって糖溶液から発酵阻害成分を除去する気液接触装置として機能する。つまり、固液分離装置１３によって生成された糖溶液はストリッピング塔１４の塔頂部に供給され、また、バイオリアクタ１５によるエタノール発酵の過程で発生した二酸化炭素はストリッピング塔１４の塔底部に供給される。

このようにストリッピング塔１４に供給された糖溶液と二酸化炭素は、塔内で気液接触し、糖溶液中に含まれる不純物（発酵阻害成分）がガス（二酸化炭素）中に移動し、発酵阻害成分を含むガスが塔頂部から排出される。つまり、糖溶液と二酸化炭素との気液接触により糖溶液から発酵阻害成分を除去することができる。ストリッピング塔１４は、発酵阻害成分の除去後に得られるストリッピング処理液（発酵阻害成分が除去された糖溶液）をバイオリアクタ１５に供給する。
なお、ストリッピング塔１４から排出される発酵阻害成分は主に炭化水素化合物であるため、その炭化水素化合物をスタックで燃焼させて排気する工程や、吸着剤などで回収及び濃縮して燃料として再利用する工程などを設けても良い。また、気液接触法としてはストリッピング法に限らず、バブリング法等を用いても良い。

バイオリアクタ１５は、上記のストリッピング塔１４から供給されるストリッピング処理液に、酵母等のエタノール発酵微生物と、窒素、リン等の栄養源とを添加し、適切な温度、ｐＨ等の条件下で微生物を培養してストリッピング処理液（グルコースを含む糖溶液）をアルコール発酵させることでバイオエタノールを生成する。エタノール発酵微生物としては、サッカロミセス属酵母などの公知の各種微生物を用いることができる。
ここで、ストリッピング塔１４から供給されるストリッピング処理液には、グルコースが含まれているが、発酵阻害成分は含まれていないため、エタノール発酵速度の低下を招くという問題は生じない。

また、バイオリアクタ１５は、上記バイオエタノールを生成する過程、つまりグルコースの発酵過程において発生する二酸化炭素を上記ストリッピング塔１４の塔底部に供給する。なお、下記（１）式は、アルコール発酵によって二酸化炭素が生成されることを示す反応式である。
Ｃ_６Ｈ_１２Ｏ_６ → ２Ｃ_２Ｈ_５ＯＨ ＋ ２ＣＯ_２ …（１）

以上のように、第１実施形態に係るバイオマス処理システム１では、従来のように、加水分解処理物に含まれる発酵阻害成分を除去するための吸着剤あるいは触媒を用いる必要がないため、これらの交換作業を行う必要がなく、プロセスを一時中断することなく連続的な処理が可能となる。従って、本実施形態によれば、生産効率の低下及び生産コストの増大を招くことなく、発酵阻害成分の除去を行うことが可能となる。

なお、上記第１実施形態では、バイオリアクタ１５におけるアルコール発酵の過程で発生した二酸化炭素をストリッピング塔１４におけるストリッピングガスとして利用する場合を例示して説明したが、ストリッピングガスとして空気や水蒸気を外部からストリッピング塔１４に供給するような構成としても良い。
ストリッピングガスとしてアルコール発酵の過程で発生した二酸化炭素を利用するメリットとしては以下の２点が挙げられる。

（１）例えば、コンプレッサーからストリッピング塔１４に空気を供給する場合、飽和蒸気分の水が蒸発することで、ストリッピング塔１４内の糖溶液の液量及び温度が低下するという問題があるが、バイオリアクタ１５から得られる二酸化炭素には飽和蒸気が含まれているため、そのような問題は生じない。また、水蒸気を用いる場合には水蒸気の熱源が必要となりコストの増大を招くが、アルコール発酵の過程で発生した二酸化炭素を利用する場合は元々備えられていたバイオリアクタ１５を用いるため、コストの増大を招くこともない。

（２）中性の加水分解処理を行った場合、二酸化炭素をストリッピング塔１４に供給することで糖溶液を酸性に調製して有機酸類を遊離し、発酵阻害成分の揮発・除去を容易にすることができる。なお、下記（２）式は酢酸の電離式を表し、下記（３）式はフェノールの電離式を表している。
ＣＨ_３Ｃ００⁻ ＋ Ｈ^＋ ⇔ ＣＨ_３ＣＯＯＨ …（２）
Ｃ_６Ｈ_５Ｏ⁻ ＋ Ｈ^＋ ⇔ Ｃ_６Ｈ_５ＯＨ …（３）

〔第２実施形態〕
図３は、第２実施形態に係るバイオマス処理システム２のシステム構成を示すブロック図である。この図３に示すように、第２実施形態に係るバイオマス処理システム２は、前処理装置２１、加水分解装置２２、固液分離装置２３及びバイオリアクタ２４から構成されている。

前処理装置２１は、第１実施形態と同様に、原料として供給される木質系バイオマスの前処理として、後述する加水分解装置２２における加水分解処理によるグルコースの生成反応（セルロースの糖化反応）を促進させるような処理を行った後、その前処理後の木質系バイオマス（前処理済バイオマス）を加水分解装置２２に供給する。

加水分解装置２２は、上記の前処理装置２１から供給される前処理済バイオマスを、希硫酸法を用いて加水分解処理すると共に気液接触法を組み合わせて加水分解処理物から発酵阻害成分を除去する。具体的には、図４に示すように、前処理済バイオマスと希硫酸とをタンク内で攪拌及び混合しながら加熱することで加水分解処理を行うと共に、バイオリアクタ２４からエタノール発酵によって発生する二酸化炭素をタンク下部に設置されたガス配管に供給してタンク内に二酸化炭素を導入する。これにより、加水分解処理によって生成された発酵阻害成分は気液接触反応によって揮発除去されることになる。
加水分解装置２２は、このように発酵阻害成分を除去した後の加水分解処理物（グルコースとバイオマス残渣を含む）を固液分離装置２３に供給する。

固液分離装置２３は、上記の加水分解装置２２から供給される発酵阻害成分除去後の加水分解処理物を固液分離することでグルコースを含む糖溶液とバイオマス残渣を含む固体物とに分離し、上記糖溶液をバイオリアクタ２４に供給する。このような固液分離装置２３としては第１実施形態と同様にタンク・デカンタ装置などを用いることができる。

バイオリアクタ２４は、上記の固液分離装置２３から供給される糖溶液に、第１実施形態と同様に、酵母等のエタノール発酵微生物と、窒素、リン等の栄養源とを添加し、適切な温度、ｐＨ等の条件下で微生物を培養して糖溶液（グルコースを含む糖溶液）をアルコール発酵させることでバイオエタノールを生成する。また、バイオリアクタ２４は、上記バイオエタノールを生成する過程、つまりグルコースの発酵過程において発生する二酸化炭素を上記加水分解装置２２に供給する。
ここで、固液分離装置２３から供給される糖溶液には、グルコースが含まれているが、発酵阻害成分は含まれていないため、エタノール発酵速度の低下を招くという問題は生じない。

以上のように、第２実施形態に係るバイオマス処理システム２でも、第１実施形態と同様に、加水分解処理物に含まれる発酵阻害成分を除去するための吸着剤あるいは触媒を用いる必要がないため、生産効率の低下及び生産コストの増大を招くことなく、発酵阻害成分の除去を行うことが可能となる。また、第２実施形態に係るバイオマス処理システム２では、第１実施形態のようにストリッピング塔１４を設ける必要がないため、コストの面で有利である。

なお、上記第２実施形態では、バイオリアクタ２４におけるアルコール発酵の過程で発生した二酸化炭素を加水分解装置２２における発酵阻害成分除去用のガスとして利用する場合を例示して説明したが、このガスとして空気や水蒸気を外部から加水分解装置２２に供給するような構成としても良い。

１、２…バイオマス処理システム、１１、２１…前処理装置、１２、２２…加水分解装置、１３、２３…固液分離装置、１４…ストリッピング塔（気液接触装置）、１５、２４…バイオリアクタ（発酵装置）

Claims (4)

1. 木質系バイオマスを加水分解処理することでグルコース、発酵阻害成分及びバイオマス残渣を含む加水分解処理物を生成する加水分解装置と、
   前記加水分解処理物を固液分離することで前記グルコース及び発酵阻害成分を含む糖溶液と前記バイオマス残渣を含む固体物とに分離する固液分離装置と、
   気液接触法によって前記糖溶液から前記発酵阻害成分を除去する気液接触装置と、
   前記発酵阻害成分の除去後に得られる処理液を発酵させることでエタノールを生成する発酵装置と、
   を備えており、
   前記発酵装置は、前記エタノールを生成する過程で発生する飽和蒸気が含まれている二酸化炭素を前記気液接触装置に供給し、
   前記気液接触装置は、前記発酵装置から供給される前記二酸化炭素を利用した前記気液接触法によって前記糖溶液から前記発酵阻害成分を除去する
   ことを特徴とするバイオマス処理システム。
2. 木質系バイオマスを加水分解処理することでグルコース、発酵阻害成分及びバイオマス残渣を含む加水分解処理物を生成すると共に気液接触法を組み合わせて前記加水分解処理物から前記発酵阻害成分を除去する加水分解装置と、
   前記加水分解処理物を固液分離することで前記グルコースを含む糖溶液と前記バイオマス残渣を含む固体物とに分離する固液分離装置と、
   前記糖溶液を発酵させることでエタノールを生成する発酵装置と、
   を備えており、
   前記発酵装置は、前記エタノールを生成する過程で発生する飽和蒸気が含まれている二酸化炭素を前記加水分解装置に供給し、
   前記加水分解装置は、前記発酵装置から供給される前記二酸化炭素を利用した前記気液接触法によって前記加水分解処理物から前記発酵阻害成分を除去する
   ことを特徴とするバイオマス処理システム。
3. 木質系バイオマスを加水分解処理することでグルコース、発酵阻害成分及びバイオマス残渣を含む加水分解処理物を生成し、
   前記加水分解処理物を固液分離することで前記グルコース及び発酵阻害成分を含む糖溶液と前記バイオマス残渣を含む固体物とに分離し、
   気液接触法によって前記糖溶液から前記発酵阻害成分を除去し、
   前記発酵阻害成分の除去後に得られる処理液を発酵させることでエタノールを生成し、
   前記エタノールを生成する過程で発生する飽和蒸気が含まれている二酸化炭素を利用した前記気液接触法によって前記糖溶液から前記発酵阻害成分を除去する
   ことを特徴とするバイオマス処理方法。
4. 木質系バイオマスを加水分解処理することでグルコース、発酵阻害成分及びバイオマス残渣を含む加水分解処理物を生成すると共に気液接触法を組み合わせて前記加水分解処理物から前記発酵阻害成分を除去し、
   前記加水分解処理物を固液分離することで前記グルコースを含む糖溶液と前記バイオマス残渣を含む固体物とに分離し、
   前記糖溶液を発酵させることでエタノールを生成し、
   前記エタノールを生成する過程で発生する飽和蒸気が含まれている二酸化炭素を利用した前記気液接触法によって前記加水分解処理物から前記発酵阻害成分を除去する
   ことを特徴とするバイオマス処理方法。

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