JP5996345B2 - バイオマスの前処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、バイオマスの前処理方法に関する。

近年、自動車用燃料として、ガソリン−エタノール混合燃料を用いることが検討されている。前記エタノールとして、植物性物質の発酵、蒸留により得たバイオエタノールを用いると、土壌管理を厳密に行うことにより所謂カーボンニュートラル効果を得ることができ、二酸化炭素の排出量を低減して地球温暖化の防止に寄与できるものと考えられている。

しかし、前記植物性物質として、例えばサトウキビ、トウモロコシ等の農作物を用いると、該農作物がエタノールの原料として大量に消費されることにより、食料又は飼料としての供給量が減少するという問題がある。そこで、前記植物性物質として、食用又は飼料用とならないリグノセルロース系バイオマスを用いてエタノールを製造する技術が検討されている。

前記リグノセルロース系バイオマスはセルロースを含んでおり、糖化酵素を用いて該セルロースを糖化処理することによりグルコース等の糖に分解し、得られたグルコース等を発酵させることによりエタノールを得ることができる。

ところが、前記リグノセルロース系バイオマスは、セルロースの他にヘミセルロース及びリグニンを主な構成成分としており、通常該セルロース及び該ヘミセルロースは、該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は、予め前記リグノセルロース系バイオマスを前処理して酵素糖化反応が可能な状態としておくことが望ましい。

前記リグノセルロース系バイオマスを酵素糖化反応が可能な状態とするために、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混合して基質混合物とし、該基質混合物を所定温度に所定時間保持する前処理方法が知られている。前記前処理方法によれば、前記基質からリグニンを解離させ又は該基質を膨潤させることにより、該基質としてのリグノセルロース系バイオマスを酵素糖化反応可能な状態とすることができる。

尚、本願において、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。

また、前記アンモニア水は、前記前処理後、前記基質混合物から分離された気体のアンモニアを冷却して凝縮させると共に水に溶解させることにより回収することができる。

そこで、前記前処理方法において、前記アンモニアを凝縮させる際の凝縮熱と水に溶解させる際の溶解熱とを熱源として、ヒートポンプを用いて熱媒体を加熱し、該熱媒体を用いて該基質混合物を加熱する方法が提案されている（例えば特許文献１参照）。

特開２０１０−１４２６８０号公報

一方、前記基質混合物を加熱する熱媒体を第１の熱媒体とすると共に、前記アンモニアを凝縮させる際の凝縮熱と水に溶解させる際の溶解熱とを回収する熱媒体を第２の熱媒体として、該第１の熱媒体を加熱するヒートポンプに第２の熱媒体を供給することが考えられる。このようにするときには、第１の熱媒体と第２の熱媒体との熱交換により、加熱された第１の熱媒体を用いて前記基質混合物を加熱することができると共に、冷却された第２の熱媒体を用いて前記アンモニアを冷却することができる。

しかしながら、前記従来の前処理方法は、回分（バッチ）式で行うときには、前記基質混合物を所定の温度に加熱するまでに大きな熱エネルギーを要し、ヒートポンプ始動時の低温かつ少量の第１の熱媒体では該所定の温度まで速やかに加熱することが難しいという不都合がある。

また、前記回分式では、前記基質混合物の前処理終了直後に、前記アンモニア含有糖化前処理物から放散されて分離されるアンモニアは高濃度かつ大量になる。この結果、前記高濃度かつ大量のアンモニアの冷却に大きな冷却エネルギーを要し、ヒートポンプ始動時の高温かつ少量の第２の熱媒体では速やかに冷却することが難しいという不都合がある。

前記不都合を解決するために、ヒートポンプ自体を大型化したり、他の熱源又は冷却手段を設けたりすることが考えられるが、このようにするときには設備コストの増大が避けられない。

また、前記基質混合物は一旦所定の温度に加熱されれば、その後、該温度に維持する熱エネルギーは該所定の温度に加熱するまでに要する熱エネルギーより小さくなる。同様に、前記アンモニアは前記前処理終了直後の時期を過ぎれば、その後は、濃度及び発生量が低下し、冷却に要する冷却熱エネルギーが低減する。従って、前記基質混合物の前処理終了直後の状態に対応するために設備を大型化すると、運転コストが増大するという不都合もある。

本発明は、かかる不都合を解消して、前記基質混合物が前記所定の温度に到達するまでの加熱を速やかにかつ低コストで効率よく行うことができると共に、該基質混合物の前処理終了直後に前記アンモニア含有糖化前処理物から放散される高濃度かつ大量のアンモニアの冷却を速やかにかつ低コストで効率よく行うことができるバイオマスの前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に、本発明は、回分式で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を得る工程と、該基質混合物を所定の温度に加熱すると共に該温度に所定の時間保持することにより該基質からリグニンを解離させ又は該基質を膨潤させてアンモニア含有糖化前処理物を得る工程と、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て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工程と、該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を冷却して凝縮させると共に水に溶解させてアンモニア水とし該アンモニア水を回収する工程とを備え、該基質混合物を加熱する第１の熱媒体と、該アンモニアを凝縮させる際の凝縮熱と水に溶解させる際の溶解熱とを回収する第２の熱媒体とをヒートポンプに供給し、該ヒートポンプにおける第１の熱媒体と第２の熱媒体との熱交換により、加熱された第１の熱媒体を用いて該基質混合物を加熱すると共に、冷却された第２の熱媒体を用いて該アンモニアを冷却するバイオマスの前処理方法において、第１の熱媒体を該ヒートポンプと該基質混合物を加熱する部分とに循環させる第１の循環経路に、該基質混合物を加熱する部分を迂回して該ヒートポンプに循環させる第１のバイパス循環経路を設け、第１の熱媒体を第１のバイパス循環経路に循環させることにより、該所定の温度より高温に加熱し、該所定の温度より高温に加熱された第１の熱媒体を予め所定量貯留しておくと共に、該基質混合物が該所定の温度に到達するまでの間、該所定の温度より高温に加熱された第１の熱媒体により該基質混合物を加熱し、第２の熱媒体を該ヒートポンプと該アンモニアを冷却する部分とに循環させる第２の循環経路に、該アンモニアを冷却する部分を迂回して該ヒートポンプに循環させる第２のバイパス循環経路を設け、第２の熱媒体を第２のバイパス循環経路に循環させることにより、第２の熱媒体を第２の循環経路に循環させるときの温度よりも低温に冷却し、第２の循環経路に循環させるときの温度よりも低温に冷却された第２の熱媒体を予め所定量貯留しておくと共に、該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の濃度が所定の濃度に低下し、該アンモニアの量が所定の量に低下するまでの間、第２の循環経路に循環させるときの温度よりも低温に冷却された第２の熱媒体により該アンモニアを冷却することを特徴とする。

本発明の前処理方法は、回分（バッチ）式であり、まず、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を得る。

次に、前記基質混合物を所定の温度に所定の時間保持することにより、該基質からリグニンを解離させ又は該基質を膨潤させて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一方、放散されたアンモニアを冷却して凝縮させると共に水に溶解させてアンモニア水とし、該アンモニア水を回収する。この結果、アンモニアが分離されたアンモニア分離前処理物を得ることができ、該アンモニア分離前処理物を酵素糖化反応に供することができる。

ここで、本発明では、第１の熱媒体により前記基質混合物を加熱する一方、第２の熱媒体により前記アンモニアを凝縮させる際の凝縮熱と水に溶解させる際の溶解熱とを回収する。第１の熱媒体と第２の熱媒体とは、ヒートポンプに供給され、該ヒートポンプで第１の熱媒体と第２の熱媒体との間で熱交換を行うことにより、第１の熱媒体が加熱される一方、第２の熱媒体が冷却される。

ところで、本発明の前処理方法は回分式であるので、前記基質混合物の加熱の初期には該基質混合物はもちろん、装置自体も加熱されていないため、該基質混合物を所定の温度に加熱するために大きな熱エネルギーが必要となる。

そこで、本発明の前処理方法では、前記第１の熱媒体を前記ヒートポンプと前記基質混合物を加熱する部分とに循環させる第１の循環経路に、該基質混合物を加熱する部分を迂回して該ヒートポンプに循環させる第１のバイパス循環経路を設け、該第１の熱媒体を該第１のバイパス循環経路に循環させる。このようにすると、前記第１の熱媒体は、熱エネルギーが前記基質混合物の加熱により失われることがないので、次第に高温に昇温される。

そして、前記のようにして、前記第１の熱媒体を前記所定の温度より高温に加熱すると共に、加熱された第１の熱媒体を予め所定量貯留しておき、前記基質混合物が前記所定の温度に到達するまでの間、加熱された第１の熱媒体により該基質混合物を加熱する。

本発明の前処理方法によれば、このようにすることにより、前記基質混合物が前記所定の温度に到達するまでの加熱を速やかに、しかも該加熱を別途他の熱源を設けたり、ヒートポンプ自体を大型化することなく、低コストで効率よく行うことができる。

また、本発明の前処理方法は回分式であるので、前記基質混合物の前処理直後には、前記アンモニア含有糖化前処理物から高濃度かつ大量のアンモニアが放散されることとなり、該アンモニアを冷却するために大きな冷却エネルギーが必要となる。

そこで、本発明の前処理方法では、前記第２の熱媒体を前記ヒートポンプと前記アンモニアを冷却する部分とに循環させる第２の循環経路に、該アンモニアを冷却する部分を迂回して該ヒートポンプに循環させる第２のバイパス循環経路を設け、第２の熱媒体を該第２のバイパス循環経路に循環させる。このようにすると、前記第２の熱媒体は、冷却エネルギーが前記アンモニアの冷却により失われることがないので、次第により低温に冷却される。

そこで、前記のようにして、前記第２の熱媒体を前記第２の循環経路に循環させるときの温度よりも低温に冷却すると共に、冷却された第２の熱媒体を予め所定量貯留しておき、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の濃度が所定の濃度に低下し、該アンモニアの量が所定の量に低下するまでの間、冷却された第２の熱媒体により該アンモニアを冷却する。

本発明の前処理方法によれば、このようにすることにより、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の濃度が所定の濃度に低下し、該アンモニアの量が所定の量に低下するまでの冷却を速やかに、しかも該冷却を別途他の冷却手段を設けたり、ヒートポンプ自体を大型化したりすることなく、低コストで効率よく行うことができる。

本発明の前処理方法において、前記ヒートポンプは、単一の熱媒体を用いるものであってもよいが、２種類の熱媒体を備える２元系ヒートポンプを用いることにより、前記アンモニアの冷却をさらに効率よく行うことができる。

また、本発明の前処理方法において、前記所定の温度より高温に加熱された第１の熱媒体の貯留は、例えば、前記基質混合物を得る工程の間に行うことができる。また、第２の循環経路に循環させるときの温度よりも低温に冷却された第２の熱媒体の貯留は、例えば、前記基質混合物を得る工程及び前記アンモニア含有糖化前処理物を得る工程の間に行うことができる。

また、本発明の前処理方法は回分式であるので、１つの反応容器においてアンモニア分離糖化前処理物を得る工程が終了した後、次回の基質混合物を得る工程が開始されるまでには、該反応容器の洗浄等の作業が必要となるので、相当の時間がかかる。この間、前記反応容器では前記前処理方法を実施することができないので、十分な処理効率を得ることができない。

そこで、本発明の前処理方法では、前記基質混合物を得る工程と、前記アンモニア含有糖化前処理物を得る工程と、前記アンモニア分離糖化前処理物を得る工程とを行う反応容器を複数設け、１つの反応容器でアンモニア分離糖化前処理物を得る工程が終了し、次回の基質混合物を得る工程が開始されるまでの間に、他の少なくとも１つの反応容器で該基質混合物を得る工程と、該アンモニア含有糖化前処理物を得る工程と、該アンモニア分離糖化前処理物を得る工程とを行い、各反応容器毎に前記第１の循環経路を設けると共に、各反応容器に共通の第１バイパス循環経路を設けることが好ましい。

このようにすることにより、１つの反応容器においてアンモニア分離糖化前処理物を得る工程が終了した後、次回の基質混合物を得る工程が開始されるまでの間に、他の反応容器で前記前処理を行うことができ、処理効率を向上させることができる。

また、このとき、各反応容器毎に前記第１の循環経路を設けると共に、各反応容器に共通の第１バイパス循環経路を設け、該第１のバイパス循環径路により前記所定の温度より高温に加熱された第１の熱媒体を予め所定量貯留しておく。そして、前記所定の温度より高温に加熱された第１の熱媒体を各第１の循環経路により各反応容器に供給することにより、装置構成を簡略化することができるので、さらに処理効率を向上させることができる。

前記のようにするときには、例えば、１つの反応容器で得られた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る間に他の１つの反応容器で前記基質混合物を得る工程を行い、同時に前記所定の温度より高温に加熱された第１の熱媒体の貯留を行うことができる。

以上の工程では、ヒートポンプを連続して運転できるため、ヒートポンプをより効率よく稼動させて消費エネルギーを減らすことができる。

本実施形態の前処理方法を実施する装置の一構成例を示すシステム構成図。 図１に示す２元系ヒートポンプのラインの一例を概略的に示す説明図。 本実施形態の前処理方法を実施する装置の他の構成例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。

本実施形態の前処理方法は、例えば、図１に示す前処理装置１を用いて実施することができる。前処理装置１は、反応容器２と、アンモニア凝縮器３と、アンモニア吸収塔４と、アンモニアタンク５とを備えている。

反応容器２は、上部に、基質供給導管６と、アンモニア水供給導管７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凝縮器３に案内する第１排気導管８が排気弁９とバグフィルタ１０とを介して配設されている。基質供給導管６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７は、図示しないアンモニア水タンク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１１と、モータ１１から反応容器２内部に垂下される回転軸１２と、回転軸１２から水平方向に延出された攪拌翼１３とを備えると共に、外側に熱媒体が流通されるジャケット１４を備えている。ジャケット１４には温水導管１５が接続されている。

温水導管１５は、ジャケット１４の上部から導出された第１の熱媒体としての温水を温水１次タンク１６、温水１次ポンプ１７、空冷ファン１８、２元系ヒートポンプ１９、第１切替弁２０を介して、ジャケット１４の底部に循環させるようになっている。この結果、温水導管１５により、第１の循環径路が形成されている。

第１切替弁２０には温水バイパス導管２１が接続されており、温水バイパス導管２１は第２切替弁２２を介して他端部が温水１次タンク１６に接続されている。この結果、第１切替弁２０、温水バイパス導管２１、第２切替弁２２、温水１次タンク１６と、温水１次タンク１６から第１切替弁２０までの温水導管１５とにより、第１のバイパス循環径路が形成されている。

また、第２切替弁２２には高温水導管２３が接続されており、高温水導管２３は他端部が温水２次タンク２４に接続されている。第１切替弁２０、第２切替弁２２は、それぞれ２元系ヒートポンプ１９に設けられた第１温度センサ２５で検知される温度により温水の流路を切り替える。

温水２次タンク２４には高温水供給導管２６が設けられており、高温水供給導管２６は温水２次ポンプ２７を介して、第１切替弁２０の下流側で温水導管１５に接続されている。尚、温水１次タンク１６には第１補給水導管２８が設けられており、第１補給水導管２８は第１給水弁２９を介して第１補給水タンク３０に接続されている。

アンモニア凝縮器３は、第１排気導管８から導入されたアンモニアガスの少なくとも一部を冷却することにより凝縮させて液体アンモニアとするものであり、凝縮したアンモニアを排出する第１排液導管３１を備えている。第１排液導管３１は、凝縮したアンモニアをさらに冷却する凝縮タンク３２、第１排液ポンプ３３を介してアンモニアタンク５に接続されている。

また、アンモニア凝縮器３は、凝縮しなかったアンモニアガスを排出し、アンモニアタンク５に案内する第２排気導管３４を備えており、第２排気導管３４は開閉弁３５を介してアンモニアタンク５に接続されている。第２排気導管３４は開閉弁３５の上流で第３排気導管３６を分岐しており、第３排気導管３６は途中に真空ポンプ３７を備え、開閉弁３５の下流で第２排気導管３４に合流している。

アンモニア吸収塔４は、底部でアンモニアタンク５の天面に連通しており、第２排気導管３４によりアンモニアタンク５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、アンモニア吸収塔４は、アンモニア水循環導管３８を介してアンモニアタンク５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３９を上部に備えている。

アンモニア水循環導管３８は、アンモニアタンク５から循環ポンプ４０、アンモニア水熱交換器４１、アンモニア濃度センサ４２を介してシャワリング装置３９に接続されている。アンモニア水熱交換器４１は、アンモニア水循環導管３８に循環されるアンモニア水を冷却する機能を備えている。また、アンモニア吸収塔４には、第２補給水導管４３が設けられており、第２補給水導管４３は第２給水弁４４を介して第２補給水タンク４５に接続されている。

アンモニアタンク５は、アンモニア水を排出する第２排液導管４６を備えており、第２排液導管４６は、第２排液ポンプ４７を介して図示しないアンモニア水タンクに接続されている。

また、アンモニア凝縮器３には、第１排気導管８から導入されたアンモニアガスを冷却する低温水導管４８が接続されている。低温水導管４８はアンモニア凝縮器３から導出された第２の熱媒体としての低温水を低温水１次タンク４９、低温水１次ポンプ５０、２元系ヒートポンプ１９、第３切替弁５１、アンモニア水熱交換器４１、凝縮タンク３２を介して、アンモニア凝縮器３に循環させるようになっている。この結果、低温水導管４８により、第２の循環径路が形成されている。

第３切替弁５１には低温水バイパス導管５２が接続されており、低温水バイパス導管５２は第４切替弁５３を介して他端部が低温水１次タンク４９に接続される。この結果、第３切替弁５１、低温水バイパス導管５２、第４切替弁５３、低温水１次タンク４９と、低温水１次タンク４９から第３切替弁５１までの低温水導管４８とにより、第２のバイパス循環径路が形成されている。

また、第４切替弁５３には冷水導管５４が接続されており、冷水導管５４は他端部が低温水２次タンク５５に接続されている。第３切替弁５１、第４切替弁５３は、それぞれ２元系ヒートポンプ１９に設けられた第２温度センサ５６で検知される温度により低温水の流路を切り替える。

低温水２次タンク５５には冷水供給導管５７が設けられており、冷水供給導管５７は低温水２次ポンプ５８を介して、第３切替弁５１の下流側で低温水導管４８に接続されている。尚、低温水１次タンク４９には第３補給水導管５９が設けられており、第３補給水導管５９は第３給水弁６０を介して第３補給水タンク６１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、反応容器２の内部を洗浄し、基質供給導管６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７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１１により回転軸１２が回転駆動され、攪拌翼１３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。本実施形態では、新たな基質とアンモニア水とが反応容器２に供給され、混合されて基質混合物が得られるまでの間が、基質混合物を得る工程に相当する。

前記基質混合液は、第１の熱媒体として温水導管１５からジャケット１４に供給される温水により、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。本実施形態では、前記作動がアンモニア含有糖化前処理物を得る工程に相当する。

前処理装置１では、次に、排気弁９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１０を介して第１排気導管８からアンモニア凝縮器３に案内する。このとき、反応容器２内の圧力は前記加熱により大気圧より高くなっており、排気弁９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。

前記アンモニアガスは、第２の熱媒体として低温水導管４８からアンモニア凝縮器３に供給される低温水により冷却され、その一部が凝縮し液化して液体アンモニアとなり、第１排液導管３１を介して凝縮タンク３２に排出される。前記液体アンモニアは、凝縮タンク３２において低温水導管４８から供給される低温水によりさらに冷却された上、第１排液ポンプ３３を介してアンモニアタンク５に送られる。このとき同時に、アンモニア凝縮器３及び凝縮タンク３２で前記アンモニアガスを凝縮させる際に生成する凝縮熱が、低温水導管４８を流通する低温水により回収される。

また、前記アンモニアガスの残部は、開閉弁３５を開弁することにより第２排気導管３４を介してアンモニアタンク５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３５を閉弁すると共に真空ポンプ３７を作動させて、反応容器２内のアンモニアを吸引し、第２排気導管３４、第３排気導管３６を介してアンモニアタンク５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。本実施形態では、前記作動がアンモニア分離糖化前処理物を得る工程に相当する。

前記アンモニア分離糖化前処理物は、前述のように反応容器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。

一方、アンモニアタンク５に導入された前記アンモニアガスは、次いでアンモニアタンク５に連通するアンモニア吸収塔４に導入される。アンモニア吸収塔４では、循環ポンプ４０によりアンモニア水循環導管３８を介して循環されるアンモニア水をシャワリング装置３９から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。

本実施形態では、前記アンモニアガスのアンモニア凝縮器３における凝縮と、アンモニア吸収塔４における吸収（溶解）とが、放散されたアンモニアをアンモニア水として回収する工程に相当する。

このとき、アンモニア水循環導管３８の途中にはアンモニア水熱交換器４１が設けられており、アンモニア水循環導管３８を流通するアンモニア水が、低温水導管４８を流通する低温水と熱交換することにより冷却される。同時に、前記アンモニアガスを前記アンモニア水に吸収（溶解）させる際に生成する溶解熱が、低温水導管４８を流通する低温水により回収される。

また、アンモニア水循環導管３８にはアンモニア濃度センサ４２が設けられており、アンモニア水循環導管３８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、アンモニア濃度センサ４２により検出されるアンモニア濃度が所定の値、例えば反応容器２に供給されるアンモニア水の濃度以上になったときには、第２給水弁４４が開弁され、第２補給水タンク４５から第２補給水導管４３を介して、アンモニア吸収塔４に純水が補給される。この結果、アンモニアタンク５に貯留されるアンモニア水の濃度を所定の値、例えば反応容器２に供給されるアンモニア水の濃度に保持することができる。

アンモニアタンク５に貯留されるアンモニア水は、アンモニア凝縮器３及び凝縮タンク３２における凝縮及び冷却と、アンモニア吸収塔４におけるアンモニア水への溶解との結果、例えば１５〜２０℃の範囲の温度に冷却されている。前記範囲の温度に冷却されたアンモニア水は、第２排液導管４６を介して第２排液ポンプ４７により取出され図示しないアンモニア水タンクに送られ、反応容器２における前記基質混合液の調製に再利用される。

次に、反応容器２における前記基質混合物の加熱と、アンモニア凝縮器３及びアンモニア吸収塔４における前記アンモニアガスの冷却とについて、さらに詳細に説明する。

前処理装置１では、前記基質混合物を得る工程の間に、第１切替弁２０が温水導管１５と温水バイパス導管２１とを接続するように切り替えられると共に、温水１次ポンプ１７、空冷ファン１８及び２元系ヒートポンプ１９が作動される。温水バイパス導管２１は、第２切替弁２２により上流と下流とが接続されている。

このようにすると、温水１次タンク１６に貯留されている温水が、温水導管１５により、温水１次ポンプ１７、空冷ファン１８、２元系ヒートポンプ１９、第１切替弁２０、温水バイパス導管２１を経て、温水１次タンク１６に戻る第１のバイパス循環経路で循環される。ここで、前記温水は、空冷ファン１８で冷却された後、２元系ヒートポンプ１９において２元系ヒートポンプ１９の熱媒体と熱交換することにより加熱される。

また、第３切替弁５１が低温水導管４８と低温水バイパス導管５２とを接続するように切り替えられると共に、低温水１次ポンプ５０が作動される。低温水バイパス導管５２は、第４切替弁５３により上流と下流とが接続されている。

このようにすると、低温水１次タンク４９に貯留されている低温水が、低温水導管４８により、低温水１次ポンプ５０、２元系ヒートポンプ１９、第３切替弁５１、低温水バイパス導管５２を経て、低温水１次タンク４９に戻る第２のバイパス循環経路で循環される。ここで、前記低温水は、２元系ヒートポンプ１９において熱媒体と熱交換することにより冷却される。

２元系ヒートポンプ１９は２種類の熱媒体を用いるヒートポンプであり、図２に示すように、第１の循環導管７１と、第２の循環導管７２との２種類の熱媒体の循環系を備えている。前記２種類の熱媒体として、例えば、第１の循環導管７１にはテトラフルオロエタン（Ｒ１３４ａ）が循環され、第２の循環導管７２にはペンタフルオロプロパン（Ｒ２４５ｆａ）が循環される。

第１の循環導管７１は、途中に膨張弁７３、低温水導管４８に循環される低温水と熱交換する第１熱交換器７４、圧縮機７５、第２の循環導管７２に循環されるペンタフルオロプロパン（Ｒ２４５ｆａ）と熱交換する第２熱交換器７６を備えている。また、第２の循環導管７２は、途中に膨張弁７７、第１の循環導管７１に循環されるテトラフルオロエタン（Ｒ１３４ａ）と熱交換する第２熱交換器７６、圧縮機７８、温水導管１５に循環される温水と熱交換する第３熱交換器７９を備えている。

ここで、前記低温水は、２元系ヒートポンプ１９の第１熱交換器７４においてテトラフルオロエタン（Ｒ１３４ａ）と熱交換することにより冷却される。前記テトラフルオロエタン（Ｒ１３４ａ）は、第１熱交換器７４において前記低温水と熱交換することにより加熱され、圧縮機７５で圧縮されてさらに高温にされた後、第２熱交換器７６に供給され、第２の循環導管７２に循環されるペンタフルオロプロパン（Ｒ２４５ｆａ）と熱交換する。前記テトラフルオロエタン（Ｒ１３４ａ）は、前記熱交換により冷却された後、膨張弁７３で断熱膨張されてさらに冷却された後、第１熱交換器７４に戻される。

前記ペンタフルオロプロパン（Ｒ２４５ｆａ）は、第２熱交換器７６において前記テトラフルオロエタン（Ｒ１３４ａ）と熱交換することにより加熱され、圧縮機７５で圧縮されてさらに高温にされた後、第３熱交換器７９に供給され、温水導管１５に循環される温水と熱交換する。前記ペンタフルオロプロパン（Ｒ２４５ｆａ）は、前記熱交換により冷却された後、膨張弁７７で断熱膨張されてさらに冷却された後、第２熱交換器７６に戻される。前記温水は、第３熱交換器７９において前記ペンタフルオロプロパン（Ｒ２４５ｆａ）と熱交換することにより加熱される。

２元系ヒートポンプ１９における作用は、換言すれば、前記アンモニアの凝縮熱と溶解熱とを回収する第２の熱媒体として前記低温水を、前記基質混合物を加熱する第１の熱媒体としての前記温水を加熱する２元系ヒートポンプ１９に供給し、２元系ヒートポンプ１９を介して第１の熱媒体と第２の熱媒体との熱交換を行い、第１の熱媒体を加熱すると共に第２の熱媒体を冷却することに相当する。

２元系ヒートポンプ１９によれば、前記テトラフルオロエタン（Ｒ１３４ａ）と前記ペンタフルオロプロパン（Ｒ２４５ｆａ）との２種類の熱媒体のそれぞれの圧縮比を小さくすることができる。従って、単一の熱媒体を用いる場合に比較して、温水導管１５に循環される第１の熱媒体としての前記温水の加熱と、低温水導管４８に循環される第２の熱媒体としての前記低温水の冷却とを、共に効率よく行うことができる。

温水導管１５に循環される第１の熱媒体としての前記温水は、２元系ヒートポンプ１９の始動直後には十分に加熱されることがないが、第１のバイパス循環経路により反応容器２を迂回して循環されているので、時間の経過と共に次第に昇温される。そこで、前処理装置１では、２元系ヒートポンプ１９の二次側の温水導管１５に第１温度センサ２５を設け、前記温水の温度を検出する。

そして、第１温度センサ２５により検出される前記温水の温度が反応容器２において前記基質混合物が加熱される所定の温度（例えば８０〜８５℃の範囲の温度）より高温の例えば９０〜９５℃の範囲の温度に加熱されたならば、第２切替弁２２が温水バイパス導管２１と高温水導管２３とを接続するように切り替えられる。この結果、前記範囲の温度の温水（以下、高温水という）が温水２次タンク２４に貯留される。

前記高温水の貯留は、前記基質混合物を得る工程の間を通じて行われる。この間に温水２次タンク２４に貯留される前記高温水の水位が上限に達したことが水位センサ（図示せず）により検出されたときは、第２切替弁２２が温水バイパス導管２１の上流と下流とを接続するように切り替えられ、該高温水は温水１次タンク１６に循環される。

また、温水２次タンク２４に貯留される前記高温水が不足する場合には、第１給水弁２９が開弁され、第１補給水タンク３０から第１補給水導管２８を介して、温水１次タンク１６に純水が補給される。

次に、前記基質混合物の調製が完了し、該基質混合物を所定の温度に加熱する段階に至ったならば、第２切替弁２２により温水バイパス導管２１と高温水導管２３とが接続された状態で、温水２次ポンプ２７を作動させる。このようにすると、温水２次タンク２４に貯留されている前記高温水が高温水供給導管２６及び温水導管１５を介して、反応容器２のジャケット１４に供給され、前記基質混合物が前記所定の温度に到達するまでの加熱を速やかに行うことができる。

次に、温水２次タンク２４に貯留される前記高温水の水位が下限に達したことが水位センサ（図示せず）により検出されたならば、第１切替弁２０が温水導管１５の上流と下流とを接続するように切り替えられる。そして、ジャケット１４の上部から導出された温水が、第１の循環径路である温水導管１５により、温水１次タンク１６、温水１次ポンプ１７、空冷ファン１８、２元系ヒートポンプ１９、第１切替弁２０を介して、ジャケット１４の底部に循環される通常の加熱状態に移行する。

この結果、前記通常の加熱状態の温水により供給される熱エネルギーだけで、前記基質混合物が前記所定の温度に維持され、加熱が継続される。

一方、低温水導管４８に循環される第２の熱媒体としての前記低温水は、２元系ヒートポンプ１９の始動直後には十分に冷却されることがないが、第２のバイパス循環経路によりアンモニア凝縮器３とアンモニア吸収塔４とを迂回して循環されているので、時間の経過と共に、次第に降温される。そこで、前処理装置１では、２元系ヒートポンプ１９の二次側の低温水導管４８に第２温度センサ５６を設け、前記低温水の温度を検出する。

そして、第２温度センサ５６により検出される前記低温水の温度が、アンモニア凝縮器３でアンモニアガスを凝縮させることができる温度より低温に冷却されたならば、第４切替弁５３が低温水バイパス導管５２と冷水導管５４とを接続するように切り替えられる。この結果、アンモニア凝縮器３でアンモニアガスを凝縮させることができる温度、例えば１０〜１５℃の範囲の温度より低温に冷却された低温水（以下、冷水という）が低温水２次タンク５５に貯留される。

前記冷水の貯留は、前記基質混合物を得る工程と、前記アンモニア含有糖化前処理物を得る工程との間を通じて行われる。この間に低温水２次タンク５５に貯留される前記冷水の水位が上限に達したことが水位センサ（図示せず）により検出されたときは、第４切替弁５３が低温水バイパス導管５２の上流と下流とを接続するように切り替えられ、該冷水は低温水１次タンク４９に循環される。

また、低温水２次タンク５５に貯留される前記冷水が不足する場合には、第３給水弁６０が開弁され、第３補給水タンク６１から第３補給水導管５９を介して、低温水１次タンク４９に純水が補給される。

次に、反応容器２において前記アンモニア含有糖化前処理物が得られ、排気弁９を開弁して該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ガスがアンモニア凝縮器３に導入される段階に至ったならば、第４切替弁５３により低温水バイパス導管５２と冷水導管５４とが接続された状態で、低温水２次ポンプ５８を作動させる。このようにすると、低温水２次タンク５５に貯留されている前記冷水が冷水供給導管５７及び低温水導管４８を介して、アンモニア水熱交換器４１、凝縮タンク３２を経由して、アンモア凝縮器３に供給される。この結果、アンモニア含有糖化前処理物から放散される高濃度かつ大量のアンモニアガスの冷却を速やかに行うことができる。

このとき、低温水２次ポンプ５８の流量を低温水１次ポンプ５０の流量より大としておくことにより、通常の低温水導管４８のみを用いて低温水を循環させる場合よりも、アンモニア凝縮器３に供給される冷水の量を大きくすることができるので好ましい。

アンモニア凝縮器３に供給された前記冷水は、前記アンモニアガスの冷却に用いられた後、低温水導管４８を介して排出される。そして、低温水１次ポンプ５０から２元系ヒートポンプ１９に供給されて再冷却された後、低温水バイパス導管５２及び冷水導管５４を経て低温水２次タンク５５に戻される。

しかし、低温水２次ポンプ５８の流量は低温水１次ポンプ５０の流量より大であるので、低温水２次タンク５５における前記冷水の貯留量は漸減する。そこで、低温水２次タンク５５に貯留される前記冷水の水位が下限に達したことが水位センサ（図示せず）により検出されたならば、第３切替弁５１が低温水導管４８の上流と下流とを接続するように切り替えられる。

そして、アンモニア凝縮器３から導出された低温水が、第２の循環径路である低温水導管４８により、低温水１次タンク４９、低温水１次ポンプ５０、２元系ヒートポンプ１９、第３切替弁５１、アンモニア水熱交換器４１、凝縮タンク３２を介して、アンモニア凝縮器３に循環される通常の冷却状態に移行する。このときには、放散されるアンモニアガスの濃度も量も既に低減しているので、前記通常の冷却状態の低温水により十分に前記アンモニアガスを冷却し、凝縮させることができる。

図１に示す前処理装置１は、上述のように反応容器２を１基のみ備えている。しかし、本実施形態の前処理方法は回分式であるので、反応容器２において前記アンモニア分離糖化前処理物を得る工程が終了した後、反応容器２に付着した基質等を除去したり、反応容器２自体を洗浄したりする作業が必要となる。従って、反応容器２を１基しか備えていない場合には、次回の基質混合物を得る工程が開始されるまでに相当の時間を必要とし、この間、反応容器２では前記前処理を実施することができないので、十分な処理効率を得ることができない。

そこで、前処理装置１は、複数の反応容器２、例えば図３に示すように２基の反応容器２ａ，２ｂを備えていてもよい。反応容器２ａ，２ｂは、それぞれジャケット１４に温水導管１５ａ，１５ｂが接続されると共に、アンモニアガスを排出してアンモニア凝縮器３に案内する第１排気導管８ａ，８ｂを備えることを除いて反応容器２と全く同一の構成を備えている。そこで、図３では、反応容器２ａ，２ｂについて、温水導管１５ａ，１５ｂ及び第１排気導管８ａ，８ｂ以外の構成は省略して示している。

図３に示す前処理装置１において、温水導管１５ａ，１５ｂは、温水導管１５の高温水供給導管２６との合流点の下流に設けられた第５切替弁６２により温水導管１５から分岐し、それぞれ反応容器２ａ，２ｂのジャケット１４の底部に接続されている。また、それぞれ反応容器２ａ，２ｂのジャケット１４の上部から導出された温水導管１５ａ，１５ｂは、第６切替弁６３で合流して温水導管１５となり、温水１次タンク１６に接続されている。

この結果、反応容器２ａでは温水導管１５，１５ａにより第１の循環径路が形成されており、反応容器２ｂでは温水導管１５，１５ｂにより第１の循環径路が形成されている。一方、第１のバイパス循環径路は、反応容器２ａ，２ｂに共通となっている。

また、第１排気導管８ａ，８ｂは第７切替弁６４で合流して第１排気導管８となり、アンモニア凝縮器３に接続されている。

次に、図３に示す前処理装置１の作動について説明する。

図３に示す前処理装置１では、まず、第５切替弁６２及び第６切替弁６３が温水導管１５と温水導管１５ａとを接続し、第７切替弁６４が第１排気導管８と第１排気導管８ａとを接続した状態で、反応容器２ａに基質とアンモニア水とを供給する。そして、反応容器２に代えて反応容器２ａを用いること以外は、図１に示す前処理装置１と全く同一にして前記基質の前処理を行う。この間、反応容器２ｂでは、前回の前処理における基質の残渣の除去や反応容器２ｂ自体の洗浄が行われる。

次に、反応容器２ａにおいて、前記アンモニア含有糖化前処理物を得る工程が終了し、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前記アンモニア分離糖化前処理物を得る工程が開始されたならば、第５切替弁６２及び第６切替弁６３により温水導管１５と温水導管１５ｂとを接続する。そして、反応容器２ａにおいて前記アンモニア分離糖化前処理物を得る工程が行われている間に反応容器２ｂに基質とアンモニア水とを供給し、基質混合物を得る工程を開始する。

このとき、反応容器２ａ，２ｂはいずれも前記温水による加熱を必要としない。そこで、この間に前記温水を前記第１のバイパス循環径路に循環させ、前記基質混合物が加熱される所定の温度より高温に加熱された前記高温水を温水２次タンク２４に貯留することができる。

また、アンモニア含有糖化前処理物を得る工程で所定の時間保持するときに、余分な高温水や冷温水を生成しないためにヒートポンプ１９を停止することがある。この場合、ヒートポンプ１９を再起動するために余分なエネルギーが必要となる。これに対し図３に示す前処理装置１は、所定の時間保持している間もヒートポンプ１９を稼働して停止しないため、効率よく稼動でき消費エネルギーをより少なくできる。

反応容器２ａでは、前記アンモニア分離糖化前処理物を得る工程が終了したならば、該アンモニア分離糖化前処理物が排出されて次工程に移送され、基質の残渣の除去や反応容器２ａ自体の洗浄が行われる。また、第７切替弁６４が第１排気導管８ａと第１排気導管８ｂとを接続することにより、反応容器２ｂでは、反応容器２ａと全く同一にして前記前処理を行うことができる。

図３に示す前処理装置１では、前述のようにして、反応容器２ａ，２ｂを交互に用いて前記前処理を行うことにより、処理効率を向上させることができる。

尚、図３に示す前処理装置１では、反応容器２を反応容器２ａ，２ｂの２基とする例を示しているが、反応容器２を３基以上とし各反応容器２ａ，２ｂ，２ｃ，…を順次用いて前記前処理を行うようにしてもよい。

１…前処理装置、 ２…反応容器、 ３…アンモニア凝縮器、 ４…アンモニア吸収塔、 ５…アンモニアタンク、 １５…温水導管、 １６…温水１次タンク、 １９…２元系ヒートポンプ、 ２１…温水バイパス導管、 ２３…高温水導管、 ２４…温水２次タンク、 ２６…高温水供給導管、 ４８…低温水導管、 ４９…低温水１次タンク、 ５２…低温水バイパス導管、 ５４…冷水導管、 ５５…低温水２次タンク、 ５７…冷水供給導管。

Claims (5)

1. 回分式で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を得る工程と、該基質混合物を所定の温度に加熱すると共に該温度に所定の時間保持することにより該基質からリグニンを解離させ又は該基質を膨潤させてアンモニア含有糖化前処理物を得る工程と、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て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工程と、該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を冷却して凝縮させると共に水に溶解させてアンモニア水とし該アンモニア水を回収する工程とを備え、
   該基質混合物を加熱する第１の熱媒体と、該アンモニアを凝縮させる際の凝縮熱と水に溶解させる際の溶解熱とを回収する第２の熱媒体とをヒートポンプに供給し、該ヒートポンプにおける第１の熱媒体と第２の熱媒体との熱交換により、加熱された第１の熱媒体を用いて該基質混合物を加熱すると共に、冷却された第２の熱媒体を用いて該アンモニアを冷却するバイオマスの前処理方法において、
   第１の熱媒体を該ヒートポンプと該基質混合物を加熱する部分とに循環させる第１の循環経路に、該基質混合物を加熱する部分を迂回して該ヒートポンプに循環させる第１のバイパス循環経路を設け、第１の熱媒体を第１のバイパス循環経路に循環させることにより、該所定の温度より高温に加熱し、該所定の温度より高温に加熱された第１の熱媒体を予め所定量貯留しておくと共に、該基質混合物が該所定の温度に到達するまでの間、該所定の温度より高温に加熱された第１の熱媒体により該基質混合物を加熱し、
   第２の熱媒体を該ヒートポンプと該アンモニアを冷却する部分とに循環させる第２の循環経路に、該アンモニアを冷却する部分を迂回して該ヒートポンプに循環させる第２のバイパス循環経路を設け、第２の熱媒体を第２のバイパス循環経路に循環させることにより、第２の熱媒体を第２の循環経路に循環させるときの温度よりも低温に冷却し、第２の循環経路に循環させるときの温度よりも低温に冷却された第２の熱媒体を予め所定量貯留しておくと共に、該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の濃度が所定の濃度に低下し、該アンモニアの量が所定の量に低下するまでの間、第２の循環経路に循環させるときの温度よりも低温に冷却された第２の熱媒体により該アンモニアを冷却することを特徴とするバイオマスの前処理方法。
2. 請求項１記載のバイオマスの前処理方法において、前記ヒートポンプは２元系ヒートポンプであることを特徴とするバイオマスの前処理方法。
3. 請求項１又は請求項２記載のバイオマスの前処理方法において、前記所定の温度より高温に加熱された第１の熱媒体の貯留は、前記基質混合物を得る工程の間に行われ、第２の循環経路に循環させるときの温度よりも低温に冷却された第２の熱媒体の貯留は、該基質混合物を得る工程及び前記アンモニア含有糖化前処理物を得る工程の間に行われることを特徴とするバイオマスの前処理方法。
4. 請求項１〜請求項３のいずれか１項記載のバイオマスの前処理方法において、
   前記基質混合物を得る工程と、前記アンモニア含有糖化前処理物を得る工程と、前記アンモニア分離糖化前処理物を得る工程とを行う反応容器を複数設け、１つの反応容器でアンモニア分離糖化前処理物を得る工程が終了し、次回の基質混合物を得る工程が開始されるまでの間に、他の少なくとも１つの反応容器で該基質混合物を得る工程と、該アンモニア含有糖化前処理物を得る工程と、該アンモニア分離糖化前処理物を得る工程とを行い、
   各反応容器毎に前記第１の循環経路を設けると共に、各反応容器に共通の第１バイパス循環経路を設けることを特徴とするバイオマスの前処理方法。
5. 請求項４記載のバイオマスの前処理方法において、１つの反応容器で得られた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る間に他の１つの反応容器で前記基質混合物を得る工程を行い、同時に前記所定の温度より高温に加熱された第１の熱媒体の貯留を行うことを特徴とするバイオマスの前処理方法。

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