JP5762226B2

JP5762226B2 - バイオマスの糖化前処理におけるアンモニア処理方法

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Publication number: JP5762226B2
Application number: JP2011198904A
Authority: JP
Inventors: 剛志馬場
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2011-09-12
Filing date: 2011-09-12
Publication date: 2015-08-12
Anticipated expiration: 2031-09-12
Also published as: JP2013059274A

Description

本発明は、バイオマスの糖化前処理におけるアンモニア処理方法に関する。

近年、リグノセルロース系バイオマスに含まれるセルロースを糖化酵素を用いて糖化処理し、得られたグルコースを発酵させてエタノールを得ることが知られている。

ところが、前記リグノセルロース系バイオマスは、通常セルロース及びヘミセルロースが、リグニンに強固に結合しているため、そのままでは該セルロースに対する酵素糖化反応を行うことが難しい。従って、前記セルロースを酵素糖化反応させるに際して、予め前記リグノセルロース系バイオマスを糖化前処理して酵素糖化反応可能な状態とすることが行われている。

前記糖化前処理として、基質としてのリグノセルロース系バイオマスとアンモニア水とを混合して基質混合物とし、該基質混合物からアンモニア含有糖化前処理物を得る方法が知られている。前記アンモニア含有糖化前処理物は、前記基質としてのリグノセルロース系バイオマスが酵素糖化反応可能な状態に前処理されているが、アンモニアを含有しているためにｐＨが高く、そのままでは酵素糖化反応に供することができない。

そこで、次に、前記アンモニア含有糖化前処理物からアンモニアを放散させて分離する。この結果、アンモニアが分離されたアンモニア分離糖化前処理物を得ることができ、該アンモニア分離糖化前処理物を酵素糖化反応に供することができる。

一方、放散されたアンモニアは水に溶解させてアンモニア水として回収し、前記基質と混合するアンモニア水の原料として再利用することができる。

従来、アンモニア処理方法として、前記アンモニア含有糖化前処理物から分離されたアンモニアをアンモニア吸収塔に収容されている水に吸収させて回収する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１０−１４２６８０号公報

しかしながら、前記アンモニア含有糖化前処理物からアンモニアの放散が開始されるときには、一時的に高濃度かつ多量のアンモニアが放散される。このようなときには、前記従来のアンモニア処理方法では、前記アンモニア吸収塔で水がアンモニアを吸収したアンモニア水の濃度が一時的に高くなり、アンモニアの吸収を妨げる値となってしまうことがあるという不都合がある。

本発明は、かかる不都合を解消して、高濃度かつ多量のアンモニアが放散されても、該アンモニアを確実に吸収して回収することができるアンモニア処理方法を提供することを目的とする。

かかる目的を達成するため、本発明は、反応容器に基質としてのリグノセルロース系バイオマスと、アンモニア水とを供給して混合することにより基質混合物を得る工程と、
該反応容器中で該基質と該アンモニア水とを反応させることにより該基質混合物からアンモニア含有糖化前処理物を得る工程と、該反応容器中の該アンモニア含有糖化前処理物からアンモニアを放散させると共に、該放散されたアンモニアを、アンモニア水を収容するアンモニア吸収塔に案内し、該アンモニア吸収塔に収容されているアンモニア水に吸収させて回収する工程とを備えるアンモニア処理方法において、該アンモニア吸収塔に収容されているアンモニア水の濃度が、アンモニアを吸収することを妨げる値となったときに該アンモニア水を水で希釈する工程と、該アンモニア水の濃度が前記基質混合物を得る工程に供給されるアンモニア水の濃度になるまで希釈した後、該アンモニア吸収塔に収容されているアンモニア水の収容限度量を超えたときに、該アンモニア水を該アンモニア吸収塔の外部の貯留槽に移送して貯留する工程と、該貯留槽は反応容器に接続されるアンモニア水供給導管と、該アンモニア水供給導管から分岐して該アンモニア吸収塔に接続される還流導管とを備え、該アンモニア水供給導管と該還流導管とは切替自在に構成され、該貯留槽に貯留されているアンモニア水を該アンモニア水供給導管を介して該反応容器に供給する一方、該アンモニア含有糖化前処理物からアンモニアの放散が開始されるときに、該貯留槽に貯留されているアンモニア水を該還流導管を介して該アンモニア吸収塔に還流し、該アンモニア吸収塔に収容されているアンモニア水が、該放散されるアンモニアを吸収する能力を維持するようにする工程とを備えることを特徴とする。

本発明のアンモニア処理方法は、まず、反応容器に基質としてのリグノセルロース系バイオマスと、アンモニア水とを供給して混合することにより基質混合物を得る。

次に、前記反応容器中で前記基質と前記アンモニア水とを反応させることにより前記基質混合物からアンモニア含有糖化前処理物を得る。前記アンモニア含有糖化前処理物は、前記基質としてのリグノセルロース系バイオマスが前記アンモニア水との反応により酵素糖化反応可能な状態にされているが、アンモニアを含有しているためにｐＨが高く、そのままでは酵素糖化反応に供することができない。

そこで、前記アンモニア含有糖化前処理物からアンモニアを放散させて分離することにより、アンモニアが分離されたアンモニア分離糖化前処理物を得ることができ、該アンモニア分離糖化前処理物を酵素糖化反応に供することができる。一方、前記アンモニア含有糖化前処理物から放散されたアンモニアは、アンモニア吸収塔に収容されているアンモニア水に吸収させて回収する。

次に、アンモニア吸収塔に収容されているアンモニア水の濃度が、アンモニアを吸収することを妨げる値となったならば、該アンモニア水を水で希釈する。前記アンモニア吸収塔に収容されているアンモニア水を希釈することにより、該アンモニア水は再び多くのアンモニアを吸収することができるようになるので、放散されるアンモニアが高濃度かつ多量であっても確実に吸収することができる。

前記アンモニア吸収塔に収容されているアンモニア水は、その濃度が前記基質混合物を得る工程に供給されるアンモニア水の濃度になるまで希釈された後、該アンモニア吸収塔における収容限度量を超えたときには、該アンモニア吸収塔の外部の貯留槽に移送されて貯留される。
ここで、前記貯留槽は前記反応容器に接続されるアンモニア水供給導管と、該アンモニア水供給導管から分岐して該アンモニア吸収塔に接続される還流導管とを備え、該アンモニア水供給導管と該還流導管とは切替自在に構成されている。
前記貯留槽に貯留されている前記アンモニア水は、その濃度が前記基質混合物を得る工程に供給されるアンモニア水の濃度になるまで希釈されているので、前記基質混合物を得る工程では、追加の濃度調整をすることなく、前記アンモニア水供給導管を介して前記反応容器に供給することができる。
また、前記貯留槽に貯留されている前記アンモニア水は、前記アンモニア含有糖化前処理物からアンモニアの放散が開始されるときには、前記アンモニア水供給導管を前記還流導管に切替え、該還流導管を介して該アンモニア吸収塔に還流することができる。この結果、前記アンモニア吸収塔に収容されているアンモニア水が、前記アンモニア含有糖化前処理物から放散されるアンモニアを吸収する能力を維持することができるようにすることができる。

また、本発明のアンモニア処理方法では、前記アンモニア吸収塔に収容されているアンモニア水を冷却することが好ましい。このようにすることにより、前記アンモニア吸収塔に収容されているアンモニア水の溶解度を上げることで、該アンモニア水はさらにより多くのアンモニアを吸収することができる。

本実施形態のアンモニア処理方法を実施する装置構成を示すシステム構成図。

次に、添付の図面を参照しながら本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。

本実施形態のアンモニア処理方法は、図１に示す前処理装置１を用いて糖化前処理を行うときに適用することができる。

前処理装置１は、反応容器２と、アンモニア吸収塔３と、貯留タンク４とを備えている。

反応容器２は、上部に、基質供給導管５と、アンモニア水供給導管６とが配設されていると共に、アンモニアガスを排出しアンモニア吸収塔３に案内する第１排気導管７が排気弁８とバグフィルタ９とを介して配設されている。基質供給導管５は、基質としてのリグノセルロース系バイオマス、例えば稲藁を反応容器２に供給し、アンモニア水供給導管６は、貯留タンク４からアンモニア水を反応容器２に供給する。

また、反応容器２は、上部に配設されたモータ１０と、モータ１０から反応容器２内部に垂下される回転軸１１と、回転軸１１から水平方向に延出された攪拌翼１２とを備えると共に、外側に熱媒体としての高温水が流通されるジャケット１３を備えている。ジャケット１３には高温水導管１４が接続されており、高温水導管１４を介して例えば９０〜９５℃の範囲の温度の高温水が供給される。

アンモニア吸収塔３は、塔本体１５と、塔本体１５の下部に連通して設けられたアンモニア水タンク１６とからなり、第１排気導管７によりアンモニア水タンク１６に案内されたアンモニアガスをアンモニア水に吸収（溶解）させる。このため、塔本体１５は、アンモニア水循環導管１７を介してアンモニア水タンク１６から供給されるアンモニア水をシャワリングするシャワリング装置１８を上部に備えている。

第１排気導管７は開閉弁１９を介してアンモニア水タンク１６に接続されている。第１排気導管７は開閉弁１９の上流で第２排気導管２０を分岐しており、第２排気導管２０は途中に真空ポンプ２１を備え、開閉弁１９の下流で第１排気導管７に合流している。

アンモニア水循環導管１７は、アンモニア水タンク１６から循環ポンプ２２、アンモニア水熱交換器２３、アンモニア濃度センサ２４を介してシャワリング装置１８に接続されている。また、塔本体１５には、希釈水導管２５が設けられており、希釈水導管２５は給水弁２６を介して希釈水タンク２７に接続されている。

アンモニア水タンク１６は、収容するアンモニア水の液面を測定する液面センサ２８と、アンモニア水を排出する排液導管２９を備えており、排液導管２９は、排液ポンプ３０を介して貯留タンク４に接続されている。

また、アンモニア水熱交換器２３には、アンモニア水循環導管１７を介して循環されるアンモニア水を冷却する低温水導管３１が接続されている。低温水導管３１は熱媒体として、例えば１０〜１５℃の範囲の温度の低温水を、冷却チラー３２から、低温水ポンプ３３を介してアンモニア水熱交換器２３に循環させるようになっている。

貯留タンク４に接続されているアンモニア水供給導管６は、還流ポンプ３４を介して反応容器２に接続されている。また、アンモニア水供給導管６は、還流ポンプ３４の下流側で切替弁３５を介して還流導管３６を分岐しており、還流導管３６は、アンモニア水タンク１６に接続されている。

次に、本実施形態の前処理装置１の作動について説明する。

前処理装置１では、まず、前回の処理で得られたアンモニア分離糖化前処理物が反応容器２底部の排出口（図示せず）から排出され、次工程に移送される。その後、基質供給導管５から新たな基質としてのリグノセルロース系バイオマス、例えば稲藁が反応容器２に供給されると共に、アンモニア水供給導管６からアンモニア水が反応容器２に供給される。

このとき、反応容器２では、モータ１０により回転軸１１が回転駆動され、攪拌翼１２で前記稲藁とアンモニア水とが攪拌されることにより、基質混合液が調製される。

前記基質混合液は、高温水導管１４からジャケット１３に供給される前記高温水により、反応容器２内で所定の温度、例えば８０〜８５℃の範囲の温度に加熱され、該範囲の温度に所定の時間保持される。この結果、前記基質からリグニンが解離され、又は該基質が膨潤されて、該基質としての稲藁が酵素糖化反応可能な状態とされたアンモニア含有糖化前処理物を得ることができる。

尚、本実施形態において、解離とは、セルロース等に結合しているリグニンの結合部位のうち、少なくとも一部の結合を切断することをいう。また、膨潤とは、液体の浸入により結晶性セルロースを構成するセルロース等に空隙が生じ、又は、セルロース繊維の内部に空隙が生じて膨張することをいう。

前処理装置１では、次に、排気弁８を開弁することにより、前記アンモニア含有糖化前処理物に含まれるアンモニアをガスとして放散させ、バグフィルタ９を介して第１排気導管７からアンモニア水タンク１６に案内する。このとき、反応容器２内の圧力は、大気圧より高くなっており、排気弁８を開弁することにより、前記アンモニア含有糖化前処理物からアンモニアガスを容易に放散させることができる。

また、前記アンモニアガスは、開閉弁１９を開弁することにより第１排気導管７を介してアンモニア水タンク１６に導入される。前記アンモニアガスの圧力は、放散されるに従って低下し、大気圧に等しくなるとそれ以上の放散が難しくなる。そこで、前処理装置１では、前記アンモニアガスの圧力が大気圧に等しくなったならば、開閉弁１９を閉弁すると共に真空ポンプ２１を作動させて、反応容器２内のアンモニアを吸引し、第１排気導管７、第２排気導管２０を介してアンモニア水タンク１６に導入する。

反応容器２では、前記アンモニア含有糖化前処理物から前述のようにしてアンモニアが放散された結果、アンモニアが分離されたアンモニア分離糖化前処理物を得ることができる。

前記アンモニア分離糖化前処理物は、反応容器２底部の排出口（図示せず）から排出され、次工程に移送される。そして、反応容器２では次回の処理が準備される。

このようなリグノセルロース系バイオマスの糖化前処理を行うときにおける本実施形態のアンモニア処理方法を、以下に詳細に説明する。

先ず、アンモニア吸収塔３のアンモニア水タンク１６に導入された前記アンモニアガスは、次いでアンモニア水タンク１６に連通する塔本体１５に導入される。塔本体１５では、循環ポンプ２２によりアンモニア水循環導管１７を介して循環されるアンモニア水をシャワリング装置１８によりシャワリングすることにより、前記アンモニアガスを該アンモニア水に吸収（溶解）させる。

このとき、アンモニア水循環導管１７の途中にはアンモニア水熱交換器２３が設けられており、冷却チラー３２から、低温水ポンプ３３を介して供給される低温水により、アンモニア水循環導管１７に循環されるアンモニア水を、例えば１５〜２０℃の範囲の温度に冷却する。

また、アンモニア水循環導管１７にはアンモニア濃度センサ２４が設けられており、アンモニア水循環導管１７を介して循環されるアンモニア水のアンモニア濃度を検出する。そして、検出されるアンモニア濃度がアンモニアの吸収を妨げる濃度以上になったときには、給水弁２６を開弁し、希釈水タンク２７から希釈水導管２５を介して、アンモニア吸収塔３への純水の供給を開始する。

このようにすることにより、アンモニア水タンク１６内のアンモニア水は希釈され、再び多くのアンモニアを吸収することができるようになるので、反応容器２から高濃度かつ多量のアンモニアが放散されても、確実に吸収することができる。

次に、前記アンモニア濃度センサ２４で検出されるアンモニア濃度が、前記基質混合液の調製に用いる濃度の範囲にまで低下したら、給水弁２６を閉弁し、アンモニア吸収塔３への純水の供給を停止する。

次に、液面センサ２８によりアンモニア水の液量を検出する。前記検出されたアンモニア水の液量が、アンモニア水タンク１６の収容上限量以上になった場合には、排液ポンプ３０により、排液導管２９を介して、アンモニア水を収容下限量となるまで該アンモニア水を移送し、貯留タンク４に貯留する。

このとき、上述のように、貯留タンク４に貯留されているアンモニア水のアンモニア濃度は、反応容器２における前記基質混合液の調製に用いる濃度の範囲、例えば、２０〜２５％の範囲となっている。そこで、貯留タンク４に貯留されているアンモニア水は、還流ポンプ３４により、アンモニア水供給導管６を介して反応容器２に前記アンモニア水を還流することにより、前記基質混合液の調製に再利用することができる。

また、反応容器２からのアンモニアの放散が開始されるときには、一時的に高濃度かつ多量のアンモニアがアンモニア水タンク１６に導入される。そこで、液面センサ２８で検出されるアンモニア水の液量が、前記収容上限量未満かつ前記収容下限量以上となるように設定された所定量より少ない場合には、該所定量となるまで貯留タンク４に貯留されているアンモニア水をアンモニア水タンク１６に還流する。

貯留タンク４に貯留されているアンモニア水のアンモニア水タンク１６への還流は、切替弁３５を切り替え、貯留タンク４に貯留されているアンモニア水を、還流ポンプ３４により還流導管３６を介して行われる。

ここで、アンモニア水タンク１６に収容されているアンモニア水は、前記純水で希釈された後のアンモニア水がアンモニア水タンク１６に移送されたものであるので、アンモニアを吸収する能力を十分に有している。従って、貯留タンク４に貯留されているアンモニア水を、アンモニア水タンク１６に還流することにより、アンモニア吸収塔３は、より多くのアンモニアを吸収することができるようになる。

このようにすることにより、必要に応じてアンモニア吸収塔３のアンモニアの吸収能力を維持することができるので、高濃度かつ多量のアンモニアを吸収する必要があっても、アンモニア吸収塔を大型化することなく対応することができる。

１…前処理装置、２…反応容器、３…アンモニア吸収塔、４…貯留タンク、１５…塔本体、１６…アンモニア水タンク。

Claims

反応容器に基質としてのリグノセルロース系バイオマスと、アンモニア水とを供給して混合することにより基質混合物を得る工程と、
該反応容器中で該基質と該アンモニア水とを反応させることにより該基質混合物からアンモニア含有糖化前処理物を得る工程と、
該反応容器中の該アンモニア含有糖化前処理物からアンモニアを放散させると共に、該放散されたアンモニアを、アンモニア水を収容するアンモニア吸収塔に案内し、該アンモニア吸収塔に収容されているアンモニア水に吸収させて回収する工程とを備えるアンモニア処理方法において、
該アンモニア吸収塔に収容されているアンモニア水の濃度が、アンモニアを吸収することを妨げる値となったときに該アンモニア水を水で希釈する工程と、
該アンモニア水の濃度が前記基質混合物を得る工程に供給されるアンモニア水の濃度になるまで希釈した後、該アンモニア吸収塔に収容されているアンモニア水の収容限度量を超えたときに、該アンモニア水を該アンモニア吸収塔の外部の貯留槽に移送して貯留する工程と、
該貯留槽は反応容器に接続されるアンモニア水供給導管と、該アンモニア水供給導管から分岐して該アンモニア吸収塔に接続される還流導管とを備え、該アンモニア水供給導管と該還流導管とは切替自在に構成され、
該貯留槽に貯留されているアンモニア水を該アンモニア水供給導管を介して該反応容器に供給する一方、該アンモニア含有糖化前処理物からアンモニアの放散が開始されるときに、該貯留槽に貯留されているアンモニア水を該還流導管を介して該アンモニア吸収塔に還流し、該アンモニア吸収塔に収容されているアンモニア水が、該放散されるアンモニアを吸収する能力を維持するようにする工程とを備えることを特徴とするアンモニア処理方法。
請求項１記載のアンモニア処理方法において、前記アンモニア吸収塔に収容されているアンモニア水を冷却することを特徴とするアンモニア処理方法。