JP5691375B2 - 油分分離装置及び方法 - Google Patents

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Description

本発明は、油分分離装置及び方法に関する。
バイオ燃料の製造技術の一つとして、微細藻類(植物プランクトン)から油分を抽出する技術が検討されている。下記非特許文献1には、液化ジメチルエーテル(DME)を用いて微細藻類の一種であるアオコから緑の原油(油分)を抽出する技術が開示されている。この技術は、液化DMEを用いることによりアオコの脱水とアオコからの油分分離とを同時に行えるため、従来法に比べて脱水・乾燥に必要なエネルギーを大幅に低減することができるため低コストである。
http://criepi.denken.or.jp/press/pressrelease/2010/03_17.pdf
ところで、上記従来技術では、油分抽出用の抽出剤である液化DMEが細胞壁を透過して微細藻類の体内に侵入し、さらに油分を伴った液化DMEが細胞壁を透過して微細藻類の体外に排出されることにより油分の抽出が行われるが、微細藻類は、液化DMEの侵入によって死滅する。すなわち、上記従来技術では油分を抽出した後の微細藻類の繰り返し利用ができないので、実用的なバイオ燃料の製造技術として適用するためには微細藻類の増殖に関するコストが大きな障害となる。
本発明は、以下の点を目的とするものである。
(1)微細藻類を死滅させることなく油分の抽出に繰り返し利用できる油分分離装置及び方法を提供する。
(2)バイオ燃料の製造における微細藻類の死滅量を低減して微細藻類の増殖コストを低減する。
本発明では、油分分離装置に係る第1の解決手段として、微細藻類を収容する処理容器と、該処理容器の微細藻類に油分の体外分泌を促す刺激を与える刺激手段と、微細藻類から分泌された油分を抽出する抽出液を処理容器に供給する抽出液供給手段と、処理容器から油分を含む抽出液を選択的に分離する第1の分離手段と、該第1の分離手段で分離された油分を含む抽出液から油分を選択的に分離する第2の分離手段とを備える、という手段を採用する。
油分分離装置に係る第2の解決手段として、上記第1の解決手段において、刺激手段は、油分の体外分泌を促す刺激として微細藻類を加圧する、という手段を採用する。
油分分離装置に係る第3の解決手段として、上記第1または第2の解決手段において、抽出液供給手段によって抽出液が供給された処理容器内の内容物を攪拌する攪拌装置をさらに備える、という手段を採用する。
油分分離装置に係る第4の解決手段として、上記第1〜第3のいずれかの解決手段において、第2の分離手段は蒸留装置である、という手段を採用する。
油分分離装置に係る第5の解決手段として、上記第1〜第4のいずれかの解決手段において、処理容器は、微細藻類の一種であるボトリオコッカス・ブラウニーを収容する、という手段を採用する。
また、本発明では、油分分離方法に係る第1の解決手段として、微細藻類に油分の体外分泌を促す刺激を与える刺激工程と、微細藻類から分泌された油分を抽出液で抽出する抽出工程と、油分を含む抽出液を選択的に分離する第1分離工程と、該第1分離工程で分離された油分を含む抽出液から油分を選択的に分離する第2分離工程とを有する、という手段を採用する。
油分分離方法に係る第2の解決手段として、上記第1の解決手段において、刺激工程において油分の体外分泌を促す刺激として微細藻類を加圧する、という手段を採用する。
油分分離方法に係る第3の解決手段として、上記第1または第2の解決手段において、抽出工程において抽出液が供給された微細藻類を攪拌する、という手段を採用する。
油分分離方法に係る第4の解決手段として、上記第1〜第3のいずれかの解決手段において、第2回分離収工程は蒸留工程である、という手段を採用する。
油分分離方法に係る第5の解決手段として、上記第1〜第4のいずれかの解決手段において、微細藻類は、ボトリオコッカス・ブラウニーである、という手段を採用する。
本発明によれば、刺激によって微細藻類から体外分泌された油分(つまり、微細藻類の体外に排出された油分)を抽出処理によって分離するので、すなわち従来技術のように液化DMEを微細藻類の体内に侵入させないので、油分分離の過程で微細藻類を死滅させることがない。すなわち、本発明によれば、油分分離後の微細藻類を再利用することによって油分分離を繰り返すことが可能なので、バイオ燃料の製造における微細藻類の死滅量を低減することが可能である。したがって、本発明によれば、微細藻類の増殖コストを低減することが可能であり、バイオ燃料の製造コストを従来よりも低減することが可能である。
本発明の第1実施形態に係るバイオ燃料製造システムAのシステム構成図である。 本発明の第1実施形態に係るバイオ燃料製造方法を示す工程図である。 本発明の第2実施形態に係るバイオ燃料製造システムBのシステム構成図である。 本発明の第2実施形態に係るバイオ燃料製造方法を示す工程図である。
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
〔第1実施形態〕
最初に第1実施形態について説明する。
本第1実施形態に係るバイオ燃料製造システムAは、図1に示すように、微細藻類培養装置A1と油分分離装置A2とから構成されている。本バイオ燃料製造システムAは、微細藻類培養装置A1で培養・増殖させた微細藻類X1を油分分離装置A2に供給し、該油分分離装置A2において微細藻類X1から油分X2を抽出することにより、当該油分X2をバイオ燃料として製造するものである。
ここで、微細藻類培養装置A1が培養対象とする微細藻類X1は、光合成によって体内で油分X2を合成する植物性プランクトンであり、また体内で合成した油分X2を体外に分泌する性質をも兼ね備えたものがより好ましい。このような性質を備えた微細藻類X1としては、淡水域から汽水域(淡水と海水がまじり合った水域)に生息し、外敵から身を守る等のために重油に似た炭化水素(油分)を合成して体外に分泌するボトリオコッカス・ブラウニー(学名:Botryococcus braunii)が例示できる。ただし、体内で油分X2を合成する植物性プランクトンとしては種々のものが知られているので、微細藻類X1は、ボトリオコッカス・ブラウニーに限定されるものではない。
微細藻類培養装置A1は、所定の栄養塩を含む培養液X3とともに微細藻類X1を所定容量収容する培養槽を備え、微細藻類X1に光合成を促す光の照射量をも含めた培養槽内の環境条件を微細藻類X1の増殖に適した状態とすることにより微細藻類X1を培養する。微細藻類培養装置A1は、所定期間に亘って十分な培養と油分X2の生成とが完了した微細藻類X1を培養液X3とともに油分分離装置A2に供給する。
微細藻類培養装置A1は、例えばボトリオコッカス・ブラウニーを培養対象とする場合、ボトリオコッカス・ブラウニーの増殖を促進させる窒素やリン等を栄養塩として水に一定量添加したものを培養液X3とし、ボトリオコッカス・ブラウニーの増殖に適した環境条件の下でボトリオコッカス・ブラウニーを培養する。
油分分離装置A2は、図示するように、処理容器1、抽出液タンク2、抽出液供給ポンプ3、大気開放弁4、三方弁5、蒸留装置6及びオイルタンク7によって構成されている。この油分分離装置A2は、微細藻類培養装置A1から供給される微細藻類X1をバッチ処理して油分X2を抽出するものである。
処理容器1は、微細藻類X1及び培養液X3を微細藻類培養装置A1から受け入れて収容する槽である。また、この処理容器1は、抽出液供給ポンプ3を介して抽出液タンク2から供給される加圧状態の抽出液X4を別途受け入れることにより微細藻類X1を加圧するための加圧容器としての機能を持つ。微細藻類X1の体内で生成された油分X2は、上記抽出液X4による加圧によって微細藻類X1の体内から体外に分泌される。
すなわち、上記抽出液X2による微細藻類X1の加圧は、微細藻類X1に油分X2の体外分泌を促す刺激に相当するものであり、処理容器1と抽出液タンク2と抽出液供給ポンプ3とは本実施形態における刺激手段を構成している。なお、微細藻類X1に油分X2の体外分泌を促す刺激は、必ずしも加圧に限定されず、微細藻類X1に油分X2の体外分泌を促い得るものであれば他の物理的あるいは化学的な刺激であっても良い。
また、この処理容器1は、図示するように、内容物を攪拌する攪拌装置1aを備えている。この攪拌装置1aは、例えば所定形状の攪拌翼を一定回転数で回転させることによりより処理容器1の内容物を攪拌するものであり、内容物を良好に混合させるために備えられている。
抽出液タンク2は、所定の抽出液X4を貯留する貯留槽であり、抽出液X4を抽出液供給ポンプ3に供給する。抽出液X4は、微細藻類X1にダメージを与えないという観点から微細藻類X1の内部に侵入しない程度の分子量の溶媒(例えば炭素原子5個以上からなる炭化水素油)、また後述する相分離の観点から常圧における粘度が極力低く、さらに蒸留装置6による蒸留処理の観点から蒸気圧が油分X2の蒸気圧と異なる溶媒が好ましい。このような特徴を備えた抽出液X4として、例えばペンタン(C12)、ヘキサン(C14)が例示できる。
抽出液供給ポンプ3は、抽出液タンク2から供給された抽出液X4を所望の吐出圧力となるように圧縮して処理容器1に供給する圧縮ポンプである。このような抽出液タンク2及び抽出液供給ポンプ3は、油分分離装置A2における抽出液供給手段を構成している。大気開放弁4は、処理容器1の内部と外部(大気中)とを連通させるように処理容器1に設けられた配管に備えられた開閉弁である。
三方弁5は、一端が処理容器1の底部に接続された配管の途中部位に設けられており、処理容器1の底部から排出された処理液を微細藻類培養装置A1あるいは蒸留装置6に択一的に供給する。上記処理液は、微細藻類X1を固形分として、また微細藻類X1から抽出された油分X2を含有する抽出液(油分含有抽出液X5)を液体分として含むものである。この三方弁5は、このような処理液から油分含有抽出液X5を選択的に分離する一種の分離手段(第1の分離手段)である。
蒸留装置6は、油分含有抽出液X5を蒸留処理することにより、当該油分含有抽出液X5から油分X2を選択的に分離する第2の分離手段であり、油分X2をオイルタンク7に供給する。オイルタンク7は、所定容量の貯留槽であり、上記油分X2をバイオ燃料として貯留する。
次に、このように構成されたバイオ燃料製造システムAの動作、特に油分分離装置A2における油分分離処理の各工程について、図2の工程図に沿って説明する。
本バイオ燃料製造システムAでは、最初に微細藻類培養装置A1で微細藻類X1が培養され(ステップS1)、所定時間に亘る培養が完了した所定量の微細藻類X1が培養液X3とともに微細藻類培養装置A1から微細藻類培養装置A1に収容される(ステップS2)。続いて、抽出液X4が抽出液タンク2から抽出液供給ポンプ3を介して処理容器1に供給されることにより、処理容器1内が所定圧の加圧環境となり、以て微細藻類X1が所定圧に加圧される(ステップS3)。この段階において、処理容器1内の状態は、微細藻類X1と培養液X3と抽出液X4とが所定圧の加圧環境に曝された密閉状態となる。
このような密閉状態において、処理容器1に備えられた攪拌装置1aが作動を開始することにより処理容器1の内容物である微細藻類X1と油分X2と培養液X3と抽出液X4とが一定時間T1(処理時間)に亘って加圧・攪拌される(ステップS4)。すなわち、この一定時間T1に亘る加圧環境下に微細藻類X1が曝されることにより微細藻類X1内の油分X2が体外に積極的に分泌され、また一定時間T1に亘る微細藻類X1と抽出液X4との接触によって分泌によって微細藻類X1の表面に付着あるいは漂っている油分X2の殆どは、抽出液X4内に抽出される。
このような処理容器1による油分X2の分泌及び抽出処理が終了すると、所定時間に亘って処理容器1内の処理液を静置状態とすることにより処理液の相分離が促進する(ステップS5)。すなわち、処理液は、微細藻類X1と培養液X3とからなる水相(下層)と油分X2と抽出液X4とからなる油相(上層)とに分離する。このように処理液が十分に相分離したタイミングで、大気開放弁4が閉状態から開状態に状態変化することにより、処理容器1内が大気開放される(ステップS6)。そして、三方弁5が閉状態から処理容器1の底部と微細藻類培養装置A1とを連通させる状態に最初に切り替えられることにより、処理容器1の底部から先に排出される水相(下層)つまり微細藻類X1と培養液X3が微細藻類培養装置A1に返送される(ステップS7)。
そして、水相(下層)と油相(上層)との境界において三方弁5が処理容器1の底部と蒸留装置6とを連通させる状態に切り替えられることにより、処理容器1の底部から油相(上層)つまり油分X2と抽出液X4とからなる油分含有抽出液X5が蒸留装置6に選択的に分離供給される(ステップS8)。三方弁5は、例えば画像センサ等の所定のセンサで上記境界を検出することにより、処理容器1の底部から順次排出される処理液が水相(下層)から油相(上層)に切り替わるタイミングで自動切り替えされる。そして、油分含有抽出液X5は、蒸留装置6において蒸留処理されることにより油分X2と抽出液X4とに分離される(ステップS9)。そして、油分X2はオイルタンク7に回収される一方、抽出液X4は、抽出液タンク2に供給されて再利用される。
このような本バイオ燃料製造システムAによれば、微細藻類培養装置A1で培養した微細藻類X1が油分分離装置A2における油分X2の抽出処理の過程で死滅することがないので、油分X2の抽出処理後の微細藻類X1を微細藻類培養装置A1に戻して油分X2を再生成させることが可能である。すなわち、本バイオ燃料製造システムAによれば、微細藻類を死滅させてしまう従来技術に比べて、バイオ燃料の製造における微細藻類X1の死滅量を低減することが可能であり、よって微細藻類X1の増殖コストを低減することが可能なので、バイオ燃料の製造コストを従来よりも低減することが可能である。
〔第2実施形態〕
次に第2実施形態について説明する。
本第2実施形態に係るバイオ燃料製造システムBは、図3に示すように、微細藻類培養装置A1と油分分離装置B2とから構成されている。すなわち、本バイオ燃料製造システムBは、第1実施形態のバイオ燃料製造システムAにおいて、油分分離装置A2を油分分離装置B2に置き換えたものである。なお、この図3では、図1に示す第1実施形態のバイオ燃料製造システムAと同一の構成要素には同一符合を付している。以下では、同一の構成要素については、重複するので説明を省略する。
油分分離装置B2は、管状処理容器1A、抽出液タンク2、三方弁5、蒸留装置6、オイルタンク7、原料供給ポンプ8、減圧弁9及び静置容器10によって構成されている。この油分分離装置B2は、微細藻類培養装置A1から供給される微細藻類X1を連続処理して油分X2を抽出するものである。
管状処理容器1Aは、所定長さの管状容器(例えば円管状容器)であり、原料供給ポンプ8から一端(入口)に連続的に供給された微細藻類X1(培養液X3を伴うもの)を他端(出口)から排出するまでの間に処理するものである。この管状処理容器1Aには、同じく一端(入口)に抽出液X4が抽出液タンク2から連続的に供給されて微細藻類X1及び培養液X3に混合される。このような管状処理容器1Aにおける処理時間T2は、管状処理容器1Aの長さを微細藻類X1及び培養液X3の流速で除した値となる。
また、管状処理容器1Aの内部には、邪魔板1bが長さ方向に一定間隔で設けられている。この邪魔板1bは、例えば管状処理容器1Aの内壁から中心に向けて交互に異なる方向から突出する平板であり、管状処理容器1A内を一端(入口)から他端(出口)に向けて流通する微細藻類X1、培養液X3及び抽出液X4の流れを積極的に乱流化して均一に混合させるためのものである。
なお、本第2実施形態の油分分離装置B2では、微細藻類培養装置A1から供給される微細藻類X1を連続処理するためにこのような管状処理容器1Aを採用するが、内部に攪拌装置が設けられると共に微細藻類X1を連続的に受け入れて処理する連続槽型の処理槽を採用しても良い。
原料供給ポンプ8は、微細藻類培養装置A1から供給される微細藻類X1及び培養液X3を所定の吐出圧に加圧して管状処理容器1Aに供給する加圧ポンプである。減圧弁9は、管状処理容器1Aの他端(出口側)に備えられた弁であり、管状処理容器1Aに接続される入口ポート(高圧側)と静置容器10に接続される出口ポート(低圧側)との圧力差を形成するために設けられている。静置容器10は、上記減圧弁9の出口ポートと三方弁5との間に備えられており、減圧弁9を介して管状処理容器1Aから供給された処理液を一定時間に亘って静置するための貯留槽である。この静置容器10は、底部が三方弁5と接続されており、当該底部から処理液を三方弁5に排出する。
次に、このように構成された本第2実施形態に係るバイオ燃料製造システムBの動作、特に油分分離装置B2における油分分離処理の各工程について、図4の工程図に沿って説明する。なお、この工程図では、第1実施形態の工程図(図2)と同一の工程には同一符号を付している。
本バイオ燃料製造システムBでは、最初に微細藻類培養装置A1で微細藻類X1が培養され(ステップS1)、所定時間に亘る培養が完了した微細藻類X1が培養液X3とともに微細藻類培養装置A1から原料供給ポンプ8に連続的に供給される。そして、微細藻類X1及び培養液X3は、原料供給ポンプ8によって加圧された状態で管状処理容器1Aの一端(入口)に連続的に供給される(ステップS2a)。このような微細藻類X1及び培養液X3の加圧供給と管状処理容器1Aの他端(出口)に減圧弁9が設けられているので、微細藻類X1及び培養液X3は、所定圧に加圧された状態で管状処理容器1A内を一端(入口)から他端(出口)に向けて流通する。
また、上述した微細藻類X1及び培養液X3の連続供給と同時に、管状処理容器1Aの一端(入口)には抽出液X4が抽出液タンク2から連続的に供給される(ステップS3a)。この抽出液X4は、管状処理容器1Aの一端(入口)で微細藻類X1及び培養液X3で混合されるが、管状処理容器1A内を流通する際に邪魔板1bによって微細藻類X1及び培養液X3とともに乱流化されるので、加圧状態で微細藻類X1及び培養液X3と均一かつ確実に攪拌される(ステップS4a)。
微細藻類X1は、このような加圧状態で管状処理容器1A内を攪拌流通する間に体内で生成した油分X2を体外に分泌する。そして、このように微細藻類X1の体外に分泌され、微細藻類X1の表面に付着あるいは漂っている油分X2は、一定時間T2(処理時間)に亘る攪拌混合によって抽出液X4内に抽出される。
このような管状処理容器1Aによる油分X2の分泌及び抽出処理が終了して得られる処理液は、減圧弁9を介して静置容器10に供給されることにより減圧される(ステップS5a)。そして、処理液は、静置容器10において減圧雰囲気下で一定時間に亘って静置されることにより、微細藻類X1と培養液X3とからなる水相(下層)と油分X2と抽出液X4とからなる油相(上層)とに相分離する(ステップS6a)。
そして、処理液が十分に相分離したタイミングで、三方弁5が閉状態から静置容器10の底部と微細藻類培養装置A1とを連通させる状態に切り替えられることにより、静置容器10の底部から先に排出される水相(下層)つまり微細藻類X1と培養液X3が微細藻類培養装置A1に返送される(ステップS7)。
そして、水相(下層)と油相(上層)との境界において三方弁5が静置容器10の底部と蒸留装置6とを連通させる状態に切り替えられることにより、静置容器10の底部から油相(上層)つまり油分X2と抽出液X4とからなる油分含有抽出液X5が蒸留装置6に選択的に分離供給される(ステップS8)。そして、油分含有抽出液X5は、蒸留装置6において蒸留処理されることにより油分X2と抽出液X4とに分離される(ステップS9)。そして、油分X2はオイルタンク7に回収される一方、抽出液X4は、抽出液タンク2に供給されて再利用される。
このような本バイオ燃料製造システムBによれば、微細藻類培養装置A1で培養した微細藻類X1が油分分離装置B2における油分X2の抽出処理の過程で死滅することがないので、油分X2の抽出処理後の微細藻類X1を微細藻類培養装置A1に戻して油分X2を再生成させることが可能である。すなわち、本バイオ燃料製造システムBによれば、微細藻類を死滅させてしまう従来技術に比べて、バイオ燃料の製造における微細藻類X1の死滅量を低減することが可能であり、よって微細藻類X1の増殖コストを低減することが可能なので、バイオ燃料の製造コストを従来よりも低減することが可能である。
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような変形例が考えられる。
(1)第1実施形態に係るバイオ燃料製造システムAでは、攪拌翼を備えた攪拌装置1aによって処理容器1の内容物を攪拌するようにしたが、このような攪拌装置1aによる攪拌は、微細藻類X1にせん断力を作用させることになるので、微細藻類X1にダメージを与える虞がある。このような懸念を解消するためには、空気や二酸化炭素等、微細藻類X1に無害な気体で処理容器1の内容物を曝気することにより攪拌することが考えられる。
(2)第1実施形態では、抽出液供給ポンプ3によって抽出液X4を処理容器1に加圧供給することにより微細藻類X1を加圧し、また第2実施形態では、原料供給ポンプ8によって微細藻類X1及び培養液X3を管状処理容器1Aに加圧供給することによって微細藻類X1を加圧したが、微細藻類X1の加圧方法はこのような手段に限定されず種々の方法が考えられる。例えば、処理容器1あるいは管状処理容器1A内を加圧雰囲気とする手段を別途設けることにより微細藻類X1を加圧してもよい。
A,B…バイオ燃料製造システム、A1…微細藻類培養装置、A2,B2…油分分離装置、1…処理容器、1a…攪拌装置、1A…管状処理容器、2…抽出液タンク、3…抽出液供給ポンプ、4…大気開放弁、5…三方弁、6…蒸留装置、7…オイルタンク、8…原料供給ポンプ、9…減圧弁、10…静置容器、X1…微細藻類、X2…油分、X3…培養液、X4…抽出液、X5…油分含有抽出液

Claims (8)

  1. 微細藻類を収容する処理容器と、
    該処理容器の微細藻類に油分の体外分泌を促す刺激を与える刺激手段と、
    微細藻類から分泌された油分を抽出する抽出液を処理容器に供給する抽出液供給手段と、
    処理容器から油分を含む抽出液を選択的に分離する第1の分離手段と、
    該第1の分離手段で分離された油分を含む抽出液から油分を選択的に分離する第2の分離手段と、を備え、
    刺激手段は、油分の体外分泌を促す刺激として微細藻類を加圧する油分分離装置。
  2. 抽出液供給手段によって抽出液が供給された処理容器内の内容物を攪拌する攪拌装置をさらに備える請求項1記載の油分分離装置。
  3. 第2の分離手段は蒸留装置である請求項1または2記載の油分分離装置。
  4. 処理容器は、微細藻類の一種であるボトリオコッカス・ブラウニーを収容する請求項1〜3のいずれか一項に記載の油分分離装置。
  5. 微細藻類に油分の体外分泌を促す刺激を与える刺激工程と、
    微細藻類から分泌された油分を抽出液で抽出する抽出工程と、
    油分を含む抽出液を選択的に分離する第1分離工程と、
    該第1分離工程で分離された油分を含む抽出液から油分を選択的に分離する第2分離工程と、を有し、
    刺激工程において油分の体外分泌を促す刺激として微細藻類を加圧する油分分離方法。
  6. 抽出工程において抽出液が供給された微細藻類を攪拌する請求項5記載の油分分離方法。
  7. 第2回分離収工程は蒸留工程である請求項5または6記載の油分分離方法。
  8. 微細藻類は、ボトリオコッカス・ブラウニーである請求項5〜7のいずれか一項に記載の油分分離方法。
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