JP6203815B2 - バイオマスの処理システム - Google Patents

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Description

本発明は、バイオマス原料を効率よく分解することができるバイオマスの処理システムに関するものである。
従来、希硫酸、濃硫酸による木材等のバイオマスの糖化処理後、固液分離し、液相を中和処理し、エタノール発酵等の原料として利用するエタノール等の製造技術が実用化されている（特許文献１、特許文献２）。
また、糖を出発原料として、化学工業原料生産（例えば乳酸発酵等）も考えられる。
ここで、バイオマスとは、地球生物圏の物質循環系に組み込まれた生物体又は生物体から派生する有機物の集積をいう（ＪＩＳ Ｋ ３６００ １２５８参照）。
ここで、現在アルコール原料として用いられているサトウキビ、トウモロコシ等は本来食用に供されるものであるが、これらの食用資源を長期的、安定的に工業用利用資源とすることは、有効食料品のライフサイクルの観点から、好ましくない。
このため、将来的に有用な資源と考えられる草本系バイオマスや木質系バイオマスのようなセルロース系資源を有効活用するのは、重要な課題である。
また、セルロース系資源では、セルロースは３８〜５０％、ヘミセルロース成分が２３〜３２％と様々で、発酵原料にならないリグニン成分も１５〜２２％とそれぞれ異なっている。多くの課題を抱えたままの工業化研究のため、原料は固定的に想定されており、原料の汎用性を考慮した生産システムの技術の開示は未だないのが現状である。
さらに、元来、澱粉原料に較べて発酵原料に不利な方法で、ごみ問題、地球温暖化防止対応などを目標に考えるのであるから、原料を固定的に考えた生産システムでは意味が薄れる。広く一般の廃棄物に適用できなければならない。酵素糖化法そのものも、効率が悪く、将来課題とされているのが現状である。酸処理による糖化率も、過剰反応による糖の過分解などで、およそ７５％（糖化可能成分基準）前後と小さい値となっている。従って、セルロース系資源に対して、エタノール生産収率はおよそ２５％に止まっている（特許文献３）。
なお、特許文献１乃至３の従来の技術では、副反応生成物が酵素糖化阻害を引起し糖収率が減少する現象が起きていたので、酵素糖化阻害物質を除去し、セルロース主体による酵素糖化性を高める水熱分解装置の提案を先にした（特許文献４乃至６）。
特表平９−５０７３８６号公報 特表平１１−５０６９３４号公報 特開２００５−１６８３３５号公報 特開２００９−１８３８０５号公報 特開２００９−１８３１５４号公報 特許第４７６４５２７号公報
ところで、前述した特許文献６における水熱分解装置の提案では、水熱分解装置でバイオマスを分解処理した後、バイオマス固形分をスラリー槽に導入して抜出したバイオマス固形分をスラリー化するものであるが、多量の水を必要とすると共に、スラリー化した水を糖化発酵のために、水分分離手段で水を分離して濃縮する必要がある。
よって、この水分分離手段の導入によりプロセスが複雑かつイニシャルコストの増加となり、さらに水分分離手段の運転のための運転コストが嵩むので、経済性低減の視点から、より簡易な方法での水分分離方法の出現が求められている。
本発明は、前記問題に鑑み、スラリー化したバイオマス固形分から水分を簡易に分離でき、水の再利用を図る固液分離装置を有するバイオマスの処理システムを提供することを課題とする。
上述した課題を解決するための本発明の第１の発明は、気液界面を有する処理槽により、セルロース、ヘミセルロース及びリグニンを有するバイオマス原料を高温・高圧条件下で分解処理してリグニン成分及びヘミセルロース成分を除去するバイオマス処理部と、前記バイオマス処理部で処理されたバイオマス固形分を抜出するバイオマス固形分抜出部と、前記バイオマス固形分抜出部と連通すると共に、内部に水を注入し、抜き出したバイオマス固形分をスラリー化するスラリー化槽と、前記スラリー化槽の後流側に設けられ、スラリー状バイオマス固形分を沈降させる沈降槽と、前記沈降槽の底部と接続されて、該沈降槽の底部側に沈降したバイオマス固形分の沈降物を下方側から上方側に掬い上げつつ、当該沈降物から水を分離して濃縮し、濃縮されたスラリー状バイオマス固形分を前記上方側の排出口から排出する掬い上げ搬送手段と、からなる固液分離装置と、を具備すると共に、前記固液分離装置には、前記沈降槽の底部に軸方向先端部が外側に向けて突出され、前記沈降物を排出するスクリュー手段が設けられ、前記掬い上げ搬送手段は、前記スクリュー手段と前記掬い上げ搬送手段との間に設けられ、前記沈降物を落とし込む連通部を介して落とし込まれた前記沈降物を下方側から上方側に掬い上げ、該上方側の排出口から前記濃縮されたスラリー状バイオマス固形分を排出することを特徴とするバイオマスの処理システムにある。
第２の発明は、第１の発明において、前記沈降槽は、前記沈降物を底部側へ集合させるテーパ状側壁を形成することを特徴とするバイオマスの処理システムにある。
第３の発明は、第１又は２の発明において、前記沈降層でオーバーフローした水を移行する水受けタンクと、前記水受けタンクからの水を前記スラリー槽側へ戻す戻しラインとを具備することを特徴とするバイオマスの処理システムにある。
第４の発明は、第１乃至３のいずれか一つの発明において、前記固液分離装置で分離されたバイオマス固形分を糖化する糖化槽を有することを特徴とするバイオマスの処理システムにある。
第５の発明は、第１乃至４のいずれか一つの発明において、前記掬い上げ搬送手段が、スクリューコンベヤ又はベルトコンベヤであることを特徴とするバイオマスの処理システムにある。
第６の発明は、第１乃至５のいずれか一つの発明において、前記バイオマス処理部が、水熱分解処理部、アルカリ分解処理部、酸分解処理部のいずれか一つであることを特徴とするバイオマスの処理システムにある。
本発明によれば、スラリー状バイオマス固形分を沈降槽において沈降させ、この沈降したバイオマス固形分を例えばスクリューコンベヤ等の掬い上げ搬送手段により固液分離することにより、水を除去して濃縮スラリー状バイオマス固形分にすることができる。また、スラリー状バイオマス固形分に反応阻害物質を含む場合には、水の除去と共に反応阻害物質の含有量の低減を図ることができる、という効果を奏する。
図１は、実施例１に係るバイオマスの処理システムの概略図である。 図２は、実施例１に係る他のバイオマスの処理システムの概略図である。 図３は、実施例１に係る固液分離装置の正面概略図である。 図４は、実施例１に係る他のバイオマスの処理システムの概略図である。 図５は、実施例２に係るバイオマスの処理システムの概略図である。 図６は、実施例２に係る他のバイオマスの処理システムの概略図である。
以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施例における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。なお、実施例では、バイオマス原料を処理するバイオマス処理部として水熱分解装置を用いて説明するが、本発明はこの装置に限定されるものではなく、酸やアルカリを添加してバイオマス原料を分解処理するシステムにおいても同様の操作を適用し得る。
本発明に係るバイオマスの処理システムについて、図面を参照して説明する。
図１は、実施例１に係るバイオマスの処理システムの概略図である。図２は、本実施例に係る他のバイオマスの処理システムを示す概略図である。
図１に示すように、本実施例に係るバイオマスの処理システム１０Ａは、気液界面１３ａを有する処理槽である装置本体１３において、バイオマス原料１１からセルロース、ヘミセルロース及びリグニンを高温・高圧条件下で分解処理してリグニン成分及びヘミセルロース成分を除去するバイオマス処理部である水熱分解処理部１７と、水熱分解処理部１７で処理されたバイオマス固形分（熱水不可溶分）２０を抜出するバイオマス固形分抜出部１８と、バイオマス固形分抜出部１８と連通すると共に、内部に水１９を注入し、抜き出したバイオマス固形分２０を投入してスラリー状バイオマス固形分２４とするスラリー化槽２１と、スラリー状バイオマス固形分２４を加圧下から常圧下へ排出する排出部２３と、スラリー化槽２１から抜き出されたスラリー状バイオマス固形分２４の抜出しラインＬ1に設けられ、スラリー状バイオマス固形分２４を沈降させる沈降槽３１と、沈降槽３１の底部３１ｂに沈降したバイオマス固形分２０を掬い上げつつ水分離する掬い上げ搬送手段３４とからなる固液分離装置３０とを具備するものである。
この固液分離装置３０においては、スラリー状バイオマス固形分２４を沈降槽３１において、沈降させ、この沈降したバイオマス固形分２０を例えばスクリューコンベヤ３５等の掬い上げ搬送手段３４により固液分離することにより、反応阻害物質を含む水１９を除去して濃縮スラリー状バイオマス固形分３６としている。この固液分離装置３０で水１９を除去することで、固形分濃度を高めることができる。すなわち、バイオマス固形分が有する保水能力までバイオマス固形分濃度を高めることとなる。これにより、後流側での糖化反応の基質濃度の調整が可能となる。
すなわち、本実施例によれば、固液分離装置３０において、反応阻害物質を含む水１９をスラリー状バイオマス固形分２４から分離することで、反応阻害物質を効率的に除去することができ、後流側での反応が良好となる。
また、分離した水１９は、スラリー化槽２１に戻して再利用することにより、スラリー化に必要な水を別途供給することが省略され、プラント全体での水の使用量を低減することができる。
ここで、水熱分解処理部１７には、セルロース、ヘミセルロース及びリグニンを有するバイオマス原料１１を常圧下から加圧下に供給するバイオマス供給部１２を有している。
そして、水熱分解処理部１７では、供給されたバイオマス原料１１は、下方から装置本体１３の内部にて、搬送手段である第１のスクリュー手段１４により上方へ搬送すると共に、前記バイオマス原料１１の供給箇所と異なる上方の側から加圧熱水（以下、「熱水」ともいう）１５を装置本体１３の内部に供給し、前記バイオマス原料１１と加圧熱水１５とを対向接触させつつ水熱分解し、排出する加圧熱水である熱水排出液１６中に熱水溶解成分（リグニン成分及びヘミセルロース成分）を移行し、前記バイオマス原料１１中からリグニン成分及びヘミセルロース成分を分離している。
ここで、搬送手段としては、本実施例ではスクリュー手段を例示しているが、バイオマス固形分を下方から上方に搬送することができるものであれば、スクリュー手段に限定されるものではない。
スラリー化槽２１に投入される水１９は、加圧用の加圧窒素２５のリークを防止する目的で液体シールをなすためには系内の圧力下において液体状であればよく、バイオマス固形分２０が含有する水分中に含まれるヘミセルロースの過分解（ヘミセルロース分解開始温度約１４０℃〜１８０℃）を抑制するためにはスラリー化槽２１の液温を１４０℃以下、さらに好ましくは１００℃以下に冷却するよう、バイオマス固形分２０の温度やスラリー化槽２１の容量に応じて注入する水１９の温度を適宜設定すればよい。好ましくは、排出部２３にて気化させずに安定化したスラリーで排出できるように、スラリー温度は１００℃以下になるよう、水１９の温度を適宜設定すればよい。
また、水１９は、例えば０℃〜６０℃の範囲内とし、後述するように系内の水を循環して再利用することもできる。
ここで、図１中、符号１８ａはバイオマス固形分抜出部１８とスラリー化槽２１とを連通する通路、２２はスラリー化槽２１内部を攪拌する撹拌手段、１３ａは装置本体１３の気液界面、２１ａはスラリー化槽２１の気液界面、Ｌ1は抜出しライン、Ｍ1は第１のスクリュー手段１４を駆動するモータ、Ｍ2は撹拌手段２２を駆動するモータを各々図示する。
バイオマス（セルロース系原料）原料１１には、セルロース以外にヘミセルロースやリグニンが含まれており、具体的にはセルロースをヘミセルロースが束ね、リグニンが接着している構造を有している。
バイオマスは水熱分解後には、熱水不溶分（固形分）と熱水可溶分とに分けられることとなる。熱水不溶分は主にセルロース（Ｃ６糖の原料）であり、熱水可溶分は主にヘミセルロース（Ｃ５糖の原料）であり、各々酵素により糖化することで糖を得ることができる。
よって、バイオマス原料１１が加圧熱水１５により高温（１８０〜２４０℃）の温度域で水熱分解され、熱水側にヘミセルロースを溶解させると共に、リグニンも分解・溶解させており、その結果熱水側にはヘミセルロース等が溶解されることとなる。
熱水に可溶化された後の熱水可溶化ヘミセルロースの状態では、高温（１８０〜２４０℃）の温度域では過分解が生じる。
このヘミセルロースの過分解は、Ｃ５糖の原料となるヘミセルロースの収率が低下するので、熱水可溶化分のヘミセルロースの過分解を抑制する必要がある。
また、熱水中への過分解物の混入は、後流側設備における酵素による糖化工程及びアルコール発酵等の発酵工程での反応阻害要因となるので、この阻害物の発生を阻止することも必要となる。
図１において、バイオマス固形分抜出部１８には、図示しない第２のスクリュー手段が設けられ、第１のスクリュー手段１４により下方から上方に搬送された熱水不溶分であるバイオマス固形分２０をスラリー化槽２１側へ抜き出している。そして、抜出されたバイオマス固形分２０は通路１８ａから液体２１ｂ中に順次落下し、スラリー化槽２１内に設けた攪拌手段２２の攪拌により、スラリー化される。
また、水１９はバイオマス固形分２０が通路１８ａでブリッジし、閉塞しないように、排出部２３のバイオマス出口上部から供給するようにしてもよい。また、バイオマス固形分抜出部１８は、傾斜型の配管のみとして、バイオマス固形分２０を重力落下、又はバイオマス固形分抜出部１８の上部から供給する水１９にて洗い流しながら、スラリー化槽２１内に抜きだすようにしてもよい。
また、スラリー化槽２１内の液体２１ｂ中に落下したバイオマス固形分２０が水１９との直接熱交換により冷却され、この結果、バイオマス固形分２０に同伴した熱水による残留ヘミセルロース、残留リグニン及び主成分セルロースの過分解が抑制される。
これは、水熱分解処理部１７の気液界面１３ａの上方側のガス雰囲気内では、第１のスクリュー手段１４によりバイオマス固形分２０が熱水液面（気液界面１３ａ）より上に露出される。しかしながら、バイオマス固形分２０に同伴する加圧熱水１５の存在により、高温・高圧状態で未だ反応が進行しているので、バイオマス固形分２０をスラリー化槽２１内の液体２１ｂ中に投入することで、反応停止させることができる。
よって、この反応停止によって、残留ヘミセルロース、残留リグニン及び主成分セルロースの過分解が抑制されることとなり、セルロース分の過分解が抑制されその回収率が向上すると共に、後流側における反応阻害成分の生成が抑制される。
また、スラリー化槽２１内に水１９を注入し、液体２１ｂが存在するため、水熱分解処理部１７の気液界面１３ａと、スラリー化槽２１の気液界面２１ａとにおいて、液封止がなされることとなり、これにより加圧用気体である加圧窒素２５のリークが防止される。これにより、ガスリークに伴うロスがなくなり、加圧用気体にかかるランニングコストの大幅な削減を図ることができる。なお、スラリー化槽２１には図示しない安全弁や加圧窒素２５の流入通路が形成されている。
また、バイオマス固形分２０をスラリー化させることにより、流動化が可能となり、スラリー化槽２１から外部へ排出する際の排出機構が簡易となる。すなわち、バイオマス固形分２０が高温状態のままであると、排出機構の材質も例えば高価な材料を使用する必要があるが、スラリー化槽２１で冷却するので、その排出側に設ける排出部２３の材質を安価なステンレスや樹脂等を使用することができる。この排出部２３としては、例えばロータリーフィーダ、流量調整弁等を用いることができる。
また、バイオマス固形分２０は、固体のままでの取扱い性が煩雑であったが、スラリー化により流動性の向上を図ることができることとなり、取り扱い性も容易となる。
また、糖化処理等においては、酵素反応であるので、所定の温度以下（例えば６０℃以下）に冷却する必要がある。この際、バイオマス固形分２０の状態での冷却はその熱交換効率は良好でないので、大がかりな熱交換手段を必要とするが、スラリー化させることにより、冷却効率が良好となり、大がかりな熱交換手段が不要となる。
また、スラリー化槽２１内を冷却するための間接冷却手段を設けるようにすることもできる。さらに、スラリー化槽２１は攪拌手段２２を設けているが、本発明はこれに限定されず、例えばポンプによる循環手段等で攪拌させるようにしてもよい。
ここで、スラリー化槽２１で得られたスラリー状バイオマス固形分２４は、排出部２３から排出され、抜出しラインＬ1を経由して、スラリー状バイオマス固形分２４を沈降させる沈降槽３１に導入される。
この沈降槽３１は、その底部３１ｂ側に沈降物を集合させる形状としており、例えば図３に示すように、中間部分より下はテーパ状側壁３１ａを形成している。この対向するテーパ状側壁３１ａにより、スラリー状バイオマス固形分２４による沈降物（バイオマス固形分２０）の集合が容易となる。
この沈降槽３１の底部側３１ｂには、スクリュー手段３２が設けられ、駆動モータＭ3により駆動される。そして、駆動モータＭ3の駆動によるスクリュー手段３２の回転により、底部側３１ｂに沈降した沈降物を系外へ排出している。
この沈降槽３１の底部側３１ｂでは、連通部３３を介して、バイオマス固形分２０を掬い上げつつ水分離するスクリューコンベヤ３５を備えた掬い上げ搬送手段３４が設置されている。
この掬い上げ搬送手段３４は、連通部３３との底部３４ａ側から上端３４ｂ側へ向かって、内部に設けたスクリューコンベヤ３５が傾斜して設けられている。そして、内部のスクリューコンベヤ３５を駆動モータＭ4により回転させることにより、バイオマス固形分２０を下方側から上方側へ掬い上げ、この掬い上げの際に、含有する水１９を分離している。
掬い上げ搬送手段３４の上端側３４ｂには、濃縮された濃縮スラリー状バイオマス固形分３６を排出する排出口３４ｃが設けられている。
また、この沈降槽３１には、水受けタンク３７が隣接しており、沈降槽３１でオーバーフローした水１９をラインＬ2により移行させている。
水受けタンク３７に、攪拌手段３７ａを設けるようにしてもよい。この場合、水１９にバイオマス固形分２０が一部混入し、水受けタンク３７内にバイオマス固形分２０が沈降する場合には、モータＭ5により攪拌手段３７ａを回転駆動させることで、バイオマス固形分２０を均一化させる。
この水受けタンク３７の水１９は、ポンプ３８により戻しラインＬ3を介して、冷却器３９で冷却しつつスラリー化槽２１に戻すようにし、水１９の再利用を図っている。
前述した実施形態では、固液分離装置３０で分離した水を冷却器３９で冷却してそのままスラリー化槽２１に戻しているが、本発明はこれに限定されるものではない。
図２に示すように、バイオマスの処理システム１０Ｂでは、実施例１のバイオマスの処理システム１０Ａにおいて、さらに戻しラインＬ3に、固液分離装置３０から分離した水１９を生物処理する生物処理装置４５を設け、生物処理した水１９を冷却器３９で冷却した後、スラリー化槽２１に戻すようにしている。
固液分離装置３０で分離した水１９は、後流側での反応阻害物質である有機酸（例えばギ酸、酢酸、クエン酸等）を含むので、生物処理装置４５で分解除去され、処理が確実になされ、水１９として再利用の際に、阻害物質が除去されることとなるので、スラリー化槽２１における反応停止の際に、阻害物質の増加がないものとなる。また、生物処理装置４５として、例えばメタン発酵生物処理装置を用いることにより、メタンを回収し、燃料等に利用が可能となる。
次に、沈降槽３１と掬い上げ搬送手段３４により、スラリー状バイオマス固形分２０から水１９を分離する手順を説明する。
ここで、沈降槽３１は、大気圧状態であり、ラインＬ1を経由して、内部にスラリー状バイオマス固形分２４が導入される。この導入されたスラリー状バイオマス固形分２４中のバイオマス固形分２０は、その自重により沈降槽３１の底部３１ｂ側に自然沈降する。
沈降槽３１の底部３１ｂ側には沈降物（バイオマス固形分２０）を排出するスクリュー手段３２が設けられており、沈降槽３１の底部３１ｂで連通する連通部３３を介して、掬い上げ搬送手段３４の底部３４ａ側に、沈降物を搬送・排出している。
搬送された沈降物は、掬い上げ搬送手段３４の底部側３４ａから上端側３４ｂへ向かって、内部に設けたスクリューコンベヤ３５により掬い上げられる。この掬い上げの際、水とバイオマス固形分２０とが分離され、バイオマス固形分２０が上方へ搬送される結果、掬い上げ搬送手段３４の上端側３４ｂからは、濃縮スラリー状バイオマス固形分３６が排出口３４ｃを介して排出される。
この結果、スラリー化槽２１では、そのスラリー化のために水の投入により、バイオマス固形分２０の固形分濃度が、例えば５重量％濃度に薄まっていたものを、固形分濃度が１０〜３０重量％以上の濃度とすることが可能となり、そのまま糖化処理するに適した固形分濃度とすることができる。
本実施例では、掬い上げ搬送手段３４の搬送手段として、スクリューコンベヤ３５を例示して説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えばベルトコンベヤ等を用いるようにしてもよい。
なお、掬い上げ搬送手段３４の底部側３４ａからは、長期に蓄積したバイオマスの排出やメンテナンス時に内容物を排出するために、ブロー用の排出ラインＬ11により導入するようにしてもよい。また、掬い上げ搬送手段３４の上端側３４ｂからは洗浄用の水４２を導入ラインＬ12により導入するようにして、詰まりが生じた場合や、一定期間ごと内部の洗浄を可能とするようにしている。
ここで、前述した実施形態では、沈降槽３１の底部側３１ｂでは、連通部３３を介して、バイオマス固形分２０を掬い上げつつ水分離するスクリューコンベヤ３５を備えた掬い上げ搬送手段３４を設けているが、本発明はこれに限定されるものではない。
図４は、本実施例に係る他のバイオマスの処理システムを示す概略図である。
図４に示すように、本実施例に係るバイオマスの処理システム１０Ｃでは、沈降槽３０の下部に掬い上げ搬送手段３４を一体的に設けるようにしている。
すなわち、沈降槽３１の底部３１ｂを傾斜にし、この傾斜に沿って掬い上げ搬送手段３４を一体的に設け、沈降したバイオマス固形分２０をそのままスクリューコンベヤ３５により掬い上げるようにしている。これにより、スクリュー手段３２及び連通部３３が不要となり、装置の簡素化を図ることができる。
ここで、前記水熱分解処理部１７に供給するバイオマスとしては、特に限定されるものではなく、地球生物圏の物質循環系に組み込まれた生物体又は生物体から派生する有機物の集積をいう（ＪＩＳ Ｋ ３６００ １２５８参照）が、本発明では特に木質系の例えば広葉樹、草本系等のセルロース系資源や農業系廃棄物、食品廃棄物等を用いるのが好ましい。
また、前記バイオマス原料１１としては、粒径は特に限定されるものではないが、５ｍｍ以下に粉砕することが好ましい。
本実施例では、バイオマスの供給前において、原料調整装置として、例えば粉砕装置を用いて前処理するようにしてもよい。また、洗浄装置により洗浄するようにしてもよい。
なお、バイオマス原料１１として、例えば籾殻等の場合には、粉砕処理することなく、そのままバイオマス供給部１２に供給することができるものとなる。
また、水熱分解処理部１７における、反応温度は１８０〜２４０℃の範囲とするのが好ましい。さらに好ましくは２００〜２３０℃とするのがよい。
これは、１８０℃未満の低温では、水熱分解速度が小さく、長い分解時間が必要となり、装置の大型化につながり、好ましくないからである。一方２４０℃を超える温度では、分解速度が過大となり、セルロース成分が固体から液体側への移行を増大すると共に、ヘミセルロース系糖類の過分解が促進され、好ましくないからである。
また、ヘミセルロース成分は約１４０℃付近から、セルロースは約２３０℃付近から、リグニン成分は１４０℃付近から溶解するが、セルロースを固形分側に残し、且つヘミセルロース成分及びリグニン成分が十分な分解速度を持つ１８０℃〜２４０℃の範囲とするのがよい。
反応圧力は、装置本体１３の反応温度（１８０〜２４０℃）の各温度の水の飽和蒸気圧に、更に０．１〜０．５ＭＰａだけ高い圧力を加えることとするのが好ましい。
また、反応時間は２０分以下、３分〜１０分とするのが好ましい。これはあまり長く反応を行うと過分解物の割合が増大し、好ましくないからである。
前記常圧下から加圧下に供給するバイオマス供給部１２としては、例えば、スクリュー、ピストンポンプ又はスラリーポンプ等の手段を挙げることができる。
また、水熱分解装置の水熱分解処理部１７は、本実施例では、垂直型の装置としているが、本発明はこれに限定されるものではなく、気液界面１３ａを有する傾斜型の水熱分解装置としてもよい。
ここで、水熱分解装置を傾斜型又は垂直型とするのは、水熱分解反応において発生したガスや原料中に持ち込まれたガス等が上方から速やかに抜けることができ好ましいからである。また、加圧熱水１５で分解生成物を抽出するので、抽出効率の点において上方から下方に向かって抽出物の濃度が高まることとなり、好ましいものとなる。
以上のように、本実施例によれば、バイオマス原料からセルロース主体の成分とヘミセルロース成分を固液接触状態で分解処理した後、その分解物であるバイオマス固形分をスラリー化槽２１の内部に注入した液体２１ｂ中に、投入することで、スラリー化させると共に、液体シールがなされ、加圧気体の流出を防止することができる。これにより加圧用気体（例えば加圧窒素等）の流出が防止され、ランニングコストの大幅な削減を図ることができる。
そして、スラリー化槽２１でスラリー化したスラリー状バイオマス固形分２４は、バイオマス固形分２０を沈降槽３１で沈降させた後、該沈降物を掬い上げつつ水分離するスクリューコンベヤ３５を備えた掬い上げ搬送手段３４により水分離がされ、濃縮スラリー状バイオマス固形分３６を得ることができる。
これにより、例えばフィルタープレス手段や遠心分離手段等の高価な脱水手段を設けることが不要となる。また、フィルタープレス手段や遠心分離手段等の脱水手段は、間欠的な運転となるため、連続的な処理に不適であるので、後流側の糖化発酵、精製プロセスの効率化を図ることができない。また、動力やスラリー状バイオマス固形分２４の沈降のために大量の水を必要とするためにランニングコストも嵩むこととなる。
これに対して、本発明の固液分離装置３０では、連続的に低ランニングコストで固液分離することができ、発酵、精製のプロセスの効率化を図ることができる。
以上より、本実施例によれば、固液分離装置３０において、反応阻害物質を含む水１９をスラリー状バイオマス固形分２４から分離することで、反応阻害物質を効率的に除去することができ、後流側での反応が良好となる。
次に、本発明に係るバイオマスの処理システムの他の実施例について、図面を参照して説明する。なお、実施例１のバイオマスの処理システムと同一部材については同一符号を付してその説明は省略する。
図５は、実施例２に係るバイオマスの処理システムを示す概略図である。図６は、実施例２に係る他のバイオマスの処理システムを示す概略図である。
図５に示すように、バイオマスの処理システム１０Ｄは、実施例１の固液分離装置（別体型）を備えたバイオマスの処理システム１０Ａにおいて、主にセルロース成分を含むバイオマス固形分を六炭糖（Ｃ６糖）等に酵素糖化し、糖を濃縮するＣ６糖化・糖濃縮装置５０を有している。図６に示すように、バイオマスの処理システム１０Ｅは、実施例１の他の固液分離装置（一体型）を備えたバイオマスの処理システム１０Ｅにおいて、主にセルロース成分を含むバイオマス固形分を六炭糖（Ｃ６糖）等に酵素糖化し、糖を濃縮するＣ６糖化・糖濃縮装置５０を有している。なお、糖化方法については、同一操作であるので、図５を用いて以下説明する。
このＣ６糖化・糖濃縮装置５０は、前記固液分離装置３０で濃縮された濃縮スラリー状バイオマス固形分３６を酵素５１により酵素糖化する糖化槽５２、糖化後の糖液５３から、固体分を分離する糖液用固液分離装置５４と、糖液用固液分離装置５４で分離した糖液５３から水５７を除去して、濃縮糖液５５を得る逆浸透（Ｒｅｖｅｒｓｅ Ｏｓｍｏｓｉｓ：ＲＯ）膜５６ａを備えた水分分離装置５６とを有するものである。
糖液用固液分離装置５４は、例えばスクリューデカンタ、砂濾過装置、ＭＦ膜等を単独又は組合せて用いることができ、これにより固形物を除去して逆浸透膜（ＲＯ）５６ａの保護を図るようにしている。さらに、ＲＯ膜５６ａの前段側において、限外濾過膜（Ｕｌｔｒａｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ Ｍｅｍｂｒａｎｅ：ＵＦ膜）を用いることで、ＲＯ膜５６ａの保護を図ると共に酵素の回収が可能となり、酵素を再利用することができる。
また、水分分離装置５６には、ルーズＲＯ膜、ナノ濾過膜（Ｎａｎｏｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ Ｍｅｍｂｒａｎｅ：ＮＦ膜）等を用いてもよい。
次に、このＣ６糖化・糖濃縮装置５０の処理工程の手順について説明する。
＜酵素糖化工程＞
先ず、前記糖化槽５２において、濃縮スラリー状バイオマス固形分３６が供給ラインＬ4を介して導入され、酵素５１が添加され、酵素糖化工程における酵素反応による糖化がなされる。
＜固液分離工程＞
次に、糖液５３は第１の糖液タンク６１に貯留され、その後、糖液用固液分離装置５４によりリグニン等の固形残液６２が分離され、その後糖液５３は第２の糖液タンク６３に貯留される。
＜糖濃縮工程＞
次に、糖液５３は、ＲＯ膜５６ａを備えた水分分離装置５６により水５７が除去され、濃縮糖液５５を得る。
この濃縮糖液５５は図示しない後工程の発酵処理において、各種有機原料となる。
本実施例では、各種膜を用いた膜処理により、糖の濃縮を効率よく行うことができる。
また、分離したリグニン等の固形残液６２は、高カロリであるので、燃料用に用いることができる。また、リグニン等の固形残液６２は、有機肥料利用や化学原料利用（リグニンの接着剤としての利用等）に用いることができる。
このように、本発明のバイオマス原料を用いた糖液生産方法は、図５に示すように、セルロース、ヘミセルロース及びリグニンを有するバイオマス原料１１を常圧下から加圧下に供給し、前記バイオマス原料１１を加圧熱水１５により水熱分解処理部１７により水熱分解し、前記加圧熱水１５中にリグニン成分及びヘミセルロース成分を溶解させ、その後、前記水熱分解処理部１７から抜出したバイオマス固形分２０を、内部に水１９が注入され、前記水熱分解処理部１７と連通するスラリー化槽２１に投入し、スラリー状バイオマス固形分２４とし、前記スラリー状バイオマス固形分２４を酵素糖化して糖液５３を得た後、固形分を分離し、次いで水を除去することによりバイオマス原料１１から糖液５３を効率よく生産することができる。
このバイオマス原料を用いた糖液生産方法により得られた糖液を用いて、特にメタノール、エタノール等のアルコール発酵を行い、アルコールを製造することができる。
さらに、バイオマス固形物をスラリー状とすることでその取り扱いを容易とし、その後の糖化工程に適したものとなり、効率的な糖液（Ｃ６糖）の製造を行うことができる。また、この糖液を基点として、各種有機原料（例えばアルコール類、石油代替品類、又はアミノ酸類等）を効率よく製造することができる。また、この糖液を基点として、例えばＬＰＧ、自動用燃料、航空機用ジェット燃料、灯油、ディーゼル油、各種重油、燃料ガス、ナフサ、ナフサ分解物であるエチレングリコール、乳酸、アルコール（エタノール等）、アミン、アルコールエトキシレート、塩ビポリマー、アルキルアルミニウム、ＰＶＡ、酢酸ビニルエマルジョン、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリカーボネート、ＭＭＡ樹脂、ナイロン、ポリエステル等の各種有機原料（例えばアルコール類、石油代替品類、又はアミノ酸類等）を効率よく製造することができる。よって、枯渇燃料である原油由来の化成品の代替品及びその代替品製造原料としてバイオマス由来の糖液を効率的に利用することができる。
さらに、液体中にバイオマス固形分を投入するので、液体による直接熱交換によりバイオマス固形分を冷却することで反応停止を効率良く行うことができ、また、酸やアルカリが希釈されるため、バイオマス固形分に同伴する残留ヘミセルロース、残留リグニン及び主成分セルロースの過分解が抑制される。この結果、反応阻害成分の生成抑制を図ると共に、セルロース分の回収率の向上を図ることができる。
このスラリー状バイオマス固形分を得る際、本発明ではスラリー状バイオマス固形分を沈降槽において沈降させ、この沈降したバイオマス固形分を例えばスクリューコンベヤ等の掬い上げ搬送手段により固液分離することにより、水を除去して濃縮スラリー状バイオマス固形分にするようにしている。また、スラリー状バイオマス固形分に反応阻害物質を含む場合には、水の除去と共に反応阻害物質の含有量の低減を図ることができることとなり、純度の高い濃縮バイオマス固形分とすることができる。
１０Ａ〜１０Ｅ バイオマスの処理システム
１１ バイオマス原料
１２ バイオマス供給部
１３ 装置本体
１４ 第１のスクリュー手段
１５ 加圧熱水
１６ 熱水排出液
１７ 水熱分解処理部
１８ バイオマス固形分抜出部
１９ 水
２０ バイオマス固形分
２１ スラリー化槽
２２ 撹拌手段
２３ 排出部
２４ スラリー状バイオマス固形分
２５ 加圧窒素
３０ 固液分離装置
３１ 沈降槽
３４ 掬い上げ搬送手段
３６ 濃縮スラリー状バイオマス固形分

Claims (6)

  1. 気液界面を有する処理槽により、セルロース、ヘミセルロース及びリグニンを有するバイオマス原料を高温・高圧条件下で分解処理してリグニン成分及びヘミセルロース成分を除去するバイオマス処理部と、
    前記バイオマス処理部で処理されたバイオマス固形分を抜出するバイオマス固形分抜出部と、
    前記バイオマス固形分抜出部と連通すると共に、内部に水を注入し、抜き出したバイオマス固形分をスラリー化するスラリー化槽と、
    前記スラリー化槽の後流側に設けられ、スラリー状バイオマス固形分を沈降させる沈降槽と、前記沈降槽の底部と接続されて、該沈降槽の底部側に沈降したバイオマス固形分の沈降物を下方側から上方側に掬い上げつつ、当該沈降物から水を分離して濃縮し、濃縮されたスラリー状バイオマス固形分を前記上方側の排出口から排出する掬い上げ搬送手段と、からなる固液分離装置と、を具備すると共に、
    前記固液分離装置には、前記沈降槽の底部に軸方向先端部が外側に向けて突出され、前記沈降物を排出するスクリュー手段が設けられ、
    前記掬い上げ搬送手段は、前記スクリュー手段と前記掬い上げ搬送手段との間に設けられ、前記沈降物を落とし込む連通部を介して落とし込まれた前記沈降物を下方側から上方側に掬い上げ、該上方側の排出口から前記濃縮されたスラリー状バイオマス固形分を排出することを特徴とするバイオマスの処理システム。
  2. 請求項１において、
    前記沈降槽は、前記沈降物を底部側へ集合させるテーパ状側壁を形成することを特徴とするバイオマスの処理システム。
  3. 請求項１又は２において、
    前記沈降層でオーバーフローした水を移行する水受けタンクと、
    前記水受けタンクからの水を前記スラリー槽側へ戻す戻しラインとを具備することを特徴とするバイオマスの処理システム。
  4. 請求項１乃至３のいずれか一つにおいて、
    前記固液分離装置で分離されたバイオマス固形分を糖化する糖化槽を有することを特徴とするバイオマスの処理システム。
  5. 請求項１乃至４のいずれか一つにおいて、
    前記掬い上げ搬送手段が、スクリューコンベヤ又はベルトコンベヤであることを特徴とするバイオマスの処理システム。
  6. 請求項１乃至５のいずれか一つにおいて、
    前記バイオマス処理部が、水熱分解処理部、アルカリ分解処理部、酸分解処理部のいずれか一つであることを特徴とするバイオマスの処理システム。
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