JP6226286B2 - バイオマスの処理装置および処理方法 - Google Patents
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Description
<請求項1記載の発明>
バイオマスを熱処理、水熱処理、酸処理、アルカリ法、微粉砕法、木材腐朽菌のいずれかによって前処理する前処理装置と、
前処理したバイオマスをスラリー化するスラリー化装置と、
スラリー化したバイオマスを糖化酵素によって糖化する糖化装置と、を有するバイオマスの処理装置であって、
前記糖化装置内の内部液の一部を前記スラリー化装置へ返送する返送ラインを設け、
前処理装置で前処理したバイオマスと返送ラインを通じて返送した内部液をスラリー化装置内で混合してバイオマスをスラリー化する構成とし、
前記スラリー化装置と前記糖化装置が輸送管で連結され、この輸送管をスラリー化したバイオマスの供給ラインとし、
前記返送ラインの内部液および前記供給ラインのスラリー化バイオマスの少なくともいずれか一方を冷却する冷却手段を設け、
前記スラリー化装置へ返送する内部液は、糖を含む液体及び糖化されなかったバイオマスの滓を含むことを特徴とするバイオマスの処理装置。
本発明は、返送ラインを通じて糖化装置内の内部液の一部をスラリー化装置へ返送し、この返送した内部液と前処理装置で前処理したバイオマスをスラリー化装置内で混合してスラリー化することにより、スラリー化するための水などを新たに投入しなくても良くなり、糖化装置内の液体量を極力増やさずに、糖化装置に投入するバイオマスの積算量を増やすことができる。
また、前処理バイオマスのスラリー化によって輸送管を用いた輸送できるため、コンタミネーションの発生を抑えることができるとともに、建設コストを抑えることができる。
前記糖化装置は、スラリー化したバイオマスを糖化酵素によって糖化する工程と、糖化物を発酵微生物によって発酵する工程を同時に行う同時糖化発酵装置であり、
前記同時発酵装置内の内部液の一部を前記スラリー化装置へ返送するようにした請求項1記載のバイオマスの処理装置。
同時糖化発酵装置を用いて、生成された糖化物を速やかに発酵生成物に変換するため、中間生成物たる糖化物が蓄積して糖化酵素の活性を阻害することを防ぐことができる。
前記冷却手段は、前記返送ラインに設けられ、返送する内部液を冷却する冷却器である請求項1または2記載のバイオマスの処理装置。
返送ラインを通過する内部液を冷却器によって冷却することで、スラリー化装置内で返送内部液を用いて前処理バイオマスを十分に冷却することができる。その結果、内部液をスラリー化装置に投入したとき、またはスラリー化したバイオマスを糖化装置若しくは同時糖化発酵装置に投入したときに、糖化酵素の失活や発酵微生物の不活化が生じるのを防ぐことができる。
前記冷却手段は、前記供給ラインに設けられ、スラリー化したバイオマスを冷却する冷却器である請求項1〜3のいずれか1項に記載のバイオマスの処理装置。
供給ラインを通過するスラリー化したバイオマスを冷却器によって冷却することで、スラリー化したバイオマスの温度を低くすることができ、スラリー化したバイオマスを糖化装置に投入したときに、糖化酵素の失活や発酵微生物の不活化が生じるのを防ぐことができる。
前記前処理装置は、熱処理、水熱処理、酸処理、アルカリ処理の少なくともいずれか1つの処理を行い、この処理によってバイオマスの滅菌を行う請求項1または2記載のバイオマスの処理装置。
前処理装置が滅菌処理を行うため、後の工程に滅菌装置を設けて滅菌処理を施さなくても良くなる。
前記返送ラインまたは糖化装置に内部液のスラリー濃度を計測する内部液スラリー濃度計測手段を設け、内部液のスラリー濃度が高い場合に、内部液の返送量を多くする、またはスラリー化装置へ供給するバイオマス量を少なくする請求項1または2記載のバイオマスの処理装置。
内部液のスラリー濃度が高いときに、内部液の返送量を多くすることで、またはスラリー化装置へ供給するバイオマス量を少なくすることで、スラリー化装置内および糖化装置への供給ラインにおいてスラリー濃度が低くなり、流動性が向上することにより閉塞が起こることを防止することができる。
前記スラリー化装置でスラリー化したバイオマスを糖化装置へ供給する供給ラインに、スラリー化したバイオマスのスラリー濃度を計測するバイオマススラリー濃度計測手段を設け、バイオマスのスラリー濃度が高い場合に、内部液の返送量を多くする、またはスラリー化装置へ供給するバイオマス量を少なくする請求項1、2または6記載のバイオマスの処理装置。
請求項6と同様の作用効果を有する。
前処理装置によってバイオマスを熱処理、水熱処理、酸処理、アルカリ法、微粉砕法、木材腐朽菌のいずれかによって前処理するステップと、
前処理したバイオマスをスラリー化するステップと、
スラリー化したバイオマスを糖化装置内で糖化酵素と反応させて糖化するステップと、を有するバイオマスの処理方法であって、
前記糖化装置内の内部液の一部をスラリー化装置へ返送させる返送ラインを設け、
前処理装置で前処理したバイオマスと返送ラインを通じて返送した内部液を前記スラリー化装置内で混合してバイオマスをスラリー化し、
前記スラリー化装置と前記糖化装置が輸送管で連結され、この輸送管をスラリー化したバイオマスの供給ラインとし、
冷却手段によって前記返送ラインの内部液および前記供給ラインのスラリー化バイオマスの少なくともいずれか一方を冷却し、
前記スラリー化装置へ返送する内部液は、糖を含む液体及び糖化されなかったバイオマスの滓を含むことを特徴とするバイオマスの処理方法。
請求項1と同様の作用効果を有する。
前処理装置によってバイオマスを熱処理、水熱処理、酸処理、アルカリ法、微粉砕法、木材腐朽菌のいずれかによって前処理するステップと、
前処理したバイオマスをスラリー化するステップと、
同時糖化発酵装置内で、スラリー化したバイオマスを糖化酵素と反応させて糖化すると同時に、糖化物を発酵微生物と反応させて発酵するステップと、を有するバイオマスの処理方法であって、
前記同時糖化発酵装置内の内部液の一部をスラリー化装置へ返送させる返送ラインを設け、
前処理装置で前処理したバイオマスと返送ラインを通じて返送した内部液を前記スラリー化装置内で混合してバイオマスをスラリー化し、
前記スラリー化装置と前記同時糖化発酵装置が輸送管で連結され、この輸送管をスラリー化したバイオマスの供給ラインとし、
冷却手段によって前記返送ラインの内部液および前記供給ラインのスラリー化バイオマスの少なくともいずれか一方を冷却し、
前記スラリー化装置へ返送する内部液は、糖を含む液体及び糖化されなかったバイオマスの滓を含むことを特徴とするバイオマスの処理方法。
請求項2と同様の作用効果を有する。
図1および図2に、バイオマスの処理操作フローの概略を示す。
なお、本発明にかかる装置は、バガス、麦わら、パーム残渣、コーンストーバー、パームヤシ残渣、キャッサバ残渣、木片、木質廃材、ジュート、ケナフ、古紙等のセルロース、ヘミセルロースを含むバイオマスについて好適に使用できる。
セルロース、ヘミセルロースを含むバイオマスは、洗浄工程により、水を用いて砂、小石等の異物と分離され、脱水工程により洗浄工程で添加された水分の多くが除去される。一方、気流サイクロンによる比重差分離のように、水を用いずに異物を分離する方法でも同様の作用が得られる。
前記バイオマスは、主にセルロース、ヘミセルロース、リグニンの3成分が固く結合した複合体となっているうえ、セルロース分子自体も固い結晶構造を取っているため、そのままでは糖化酵素セルラーゼがセルロース分子に接近できない。そのため、前処理装置内で、脱水後のバイオマスを、熱処理、水熱処理、酸処理、アルカリ法、微粉砕法、木材腐朽菌などのどれかで前処理して、前記3成分の結合を緩くさせる必要がある。これにより、糖化酵素セルラーゼがセルロース分子に接触し易くなり、酵素糖化が促進される。その後、通常はコンタミネーションを防ぐために滅菌処理を行うが、熱処理、水熱処理(蒸煮、爆砕)、酸処理(硫酸、硝酸、リン酸などを用いた希酸法、濃酸法、SO2含浸爆砕法)並びにアルカリ処理(苛性ソーダ法、亜硫酸ソーダ法、アンモニア法、水酸化カルシウム法)のいずれかの前処理を行った場合は、その前処理が滅菌効果を有するため、別途滅菌工程を設けなくても良いという利点がある。
前処理を終えたバイオマスをコンベア等の輸送手段を用いて糖化装置へ輸送すると、前述のようにコンタミネーションの生じる可能性があるため、本発明においては前処理後のバイオマスをスラリー化する。具体的には、前処理バイオマスをスラリー化装置へ搬送して、この装置内の液体と混合して、前処理バイオマスの濃度が5%程度以下になるまでスラリー化する。スラリー化装置は攪拌槽であってもよく、またスタティックミキサーでもよく、単に前処理バイオマスが通る配管と内部返送液が通る配管の合流域のことであっても良い。スラリー化装置と糖化装置は輸送管によって連結し、これを供給ラインとし、スラリー化したバイオマスは、この輸送管を通じて糖化装置へポンプ輸送され、糖化工程に供される。輸送ポンプを用いずに、例えば、スラリー化装置と糖化装置の間に圧力差を生じさせ、この圧力差を利用して輸送するようにしても良い。このように、コンベア等を用いずに、配管によってスラリーを輸送することで、洗浄が容易となり、コンタミネーションの生じる可能性を減らすことができる。
スラリー化したバイオマスは、糖化装置内で糖化される。この糖化装置の代表例としては、バイオリアクターを挙げることができる。この糖化装置内で、スラリー化したバイオマスが主に3種類のセルラーゼ(endoglucanase(EG)、cellobiohydrolase(CBH)、β−glucosidase(BGL))の作用によって分解される。このセルラーゼは、原料の乾燥重量あたり3〜30FPU/g、好ましくは5〜20FPU/g添加する(FPU/gは60分間にろ紙からグルコースを10.8mg生成するセルラーゼ酵素活性の単位)。なお、本発明における糖化装置には、後述する同時糖化発酵装置が含まれる。
糖化された原料は、さらに酵母や細菌によってエタノール等の有機燃料や有機酸等に加工される。特に、発酵、蒸留により、バイオ燃料としてのエタノールを取得するのが一般的である。糖をエタノールに変換するためには、サッカロマイセス属、シゾサッカロマイセス属、クルイベロマイセス属、ピキア属、キャンジダ属の酵母、ザイモモナス属、クロストリディウム属の細菌、あるいはそれらの特定遺伝子を組み込んだ遺伝子組換微生物を用いる 。このエタノール発酵菌は、例えばサッカロマイセス セレビジエの場合、原料容積あたり1〜100g wet−wt/L、好ましくは5〜50g wet−wt/L接種する。また、糖を乳酸に変換するためには、例えばリゾプス・オリザエ(Rhizopus oryzae)のような糸状菌等を用いることができ、糖をコハク酸に変換するためには、例えばコリネ型細菌(Coryneform bacterium)、バチルス属細菌、リゾビウム属細菌等を用いることができる。
本発明は、糖化装置内の内部液をスラリー化装置へ返送することに特徴を有する。前述のように、前処理バイオマスをスラリー化するためにスラリー化装置に糖を含まない液体を加えると、糖化装置内で生成される糖の濃度を十分に高くすることができない。一方、前記の糖を含まない液体の代わりに糖化装置内の内部液などの糖を含む液体を用いることで、スラリー化するための液体中にも糖が含まれることとなり、その分、糖化装置内の糖濃度を上昇させることが出来る。
例えば、前処理装置からスラリー化装置へ供給される前処理バイオマスのうち固形物の量を1kg/h、前処理バイオマスに同伴する液体の量をzkg/h、糖化装置からスラリー化装置へ返送される内部液に含まれる固体(リグニンを主とする)の量をxkg /h、液体の量をykg/h、スラリー化装置から糖化装置へ輸送可能なスラリー濃度mを5%とすると、次式が成り立つ。
糖化装置は通常25〜50℃で運用されるため、前記返送ラインを通じて返送する内部液の温度は通常25〜50℃となる。一方、前処理したバイオマスの温度は、前処理が水蒸気存在下100℃以上の高温で行われることが多いため、一般に80℃前後の温度を有する。糖化酵素は一般に60℃を超えると失活してしまうため、返送内部液と前処理バイオマスを接触させる際は前処理バイオマスを速やかに冷却させなくてはならない。そこで、前記返送ラインに冷却器(A)を設けるようにするのが好ましい。この冷却器(A)によって、返送させる内部液の温度を2〜12℃程度低い温度にまで冷却し、返送内部液と前処理バイオマスを混合したときに前処理バイオマスを速やかに冷却することで、返送内部液内の糖化酵素の失活量を少なくすることができる。また、冷却した内部液と前処理バイオマスを混合することによって、スラリー化バイオマスの温度を糖化装置の内部液の温度と同程度にまで低下させることができ、糖化装置内の糖化酵素が失活するのを防ぐことができる。
図2は、本発明にかかるバイオマスの処理操作フロー図であって、同時糖化発酵を行うケースを示したものである。換言すると、図1は糖化と発酵を別々の装置で行うケースを示したが、図2は糖化と発酵を一つの装置内で同時に行うケースを示している。
Claims (9)
- バイオマスを熱処理、水熱処理、酸処理、アルカリ法、微粉砕法、木材腐朽菌のいずれかによって前処理する前処理装置と、
前処理したバイオマスをスラリー化するスラリー化装置と、
スラリー化したバイオマスを糖化酵素によって糖化する糖化装置と、を有するバイオマスの処理装置であって、
前記糖化装置内の内部液の一部を前記スラリー化装置へ返送する返送ラインを設け、
前処理装置で前処理したバイオマスと返送ラインを通じて返送した内部液をスラリー化装置内で混合してバイオマスをスラリー化する構成とし、
前記スラリー化装置と前記糖化装置が輸送管で連結され、この輸送管をスラリー化したバイオマスの供給ラインとし、
前記返送ラインの内部液および前記供給ラインのスラリー化バイオマスの少なくともいずれか一方を冷却する冷却手段を設け、
前記スラリー化装置へ返送する内部液は、糖を含む液体及び糖化されなかったバイオマスの滓を含むことを特徴とするバイオマスの処理装置。 - 前記糖化装置は、スラリー化したバイオマスを糖化酵素によって糖化する工程と、糖化物を発酵微生物によって発酵する工程を同時に行う同時糖化発酵装置であり、
前記同時発酵装置内の内部液の一部を前記スラリー化装置へ返送するようにした請求項1記載のバイオマスの処理装置。 - 前記冷却手段は、前記返送ラインに設けられ、返送する内部液を冷却する冷却器である請求項1または2記載のバイオマスの処理装置。
- 前記冷却手段は、前記供給ラインに設けられ、スラリー化したバイオマスを冷却する冷却器である請求項1〜3のいずれか1項に記載のバイオマスの処理装置。
- 前記前処理装置は、熱処理、水熱処理、酸処理、アルカリ処理の少なくともいずれか1つの処理を行い、この処理によってバイオマスの滅菌を行う請求項1または2記載のバイオマスの処理装置。
- 前記返送ラインまたは糖化装置に内部液のスラリー濃度を計測する内部液スラリー濃度計測手段を設け、内部液のスラリー濃度が高い場合に、内部液の返送量を多くする、またはスラリー化装置へ供給するバイオマス量を少なくする請求項1または2記載のバイオマスの処理装置。
- 前記スラリー化装置でスラリー化したバイオマスを糖化装置へ供給する供給ラインに、スラリー化したバイオマスのスラリー濃度を計測するバイオマススラリー濃度計測手段を設け、バイオマスのスラリー濃度が高い場合に、内部液の返送量を多くする、またはスラリー化装置へ供給するバイオマス量を少なくする請求項1、2または6記載のバイオマスの処理装置。
- 前処理装置によってバイオマスを熱処理、水熱処理、酸処理、アルカリ法、微粉砕法、木材腐朽菌のいずれかによって前処理するステップと、
前処理したバイオマスをスラリー化するステップと、
スラリー化したバイオマスを糖化装置内で糖化酵素と反応させて糖化するステップと、を有するバイオマスの処理方法であって、
前記糖化装置内の内部液の一部をスラリー化装置へ返送させる返送ラインを設け、
前処理装置で前処理したバイオマスと返送ラインを通じて返送した内部液を前記スラリー化装置内で混合してバイオマスをスラリー化し、
前記スラリー化装置と前記糖化装置が輸送管で連結され、この輸送管をスラリー化したバイオマスの供給ラインとし、
冷却手段によって前記返送ラインの内部液および前記供給ラインのスラリー化バイオマスの少なくともいずれか一方を冷却し、
前記スラリー化装置へ返送する内部液は、糖を含む液体及び糖化されなかったバイオマスの滓を含むことを特徴とするバイオマスの処理方法。 - 前処理装置によってバイオマスを熱処理、水熱処理、酸処理、アルカリ法、微粉砕法、木材腐朽菌のいずれかによって前処理するステップと、
前処理したバイオマスをスラリー化するステップと、
同時糖化発酵装置内で、スラリー化したバイオマスを糖化酵素と反応させて糖化すると同時に、糖化物を発酵微生物と反応させて発酵するステップと、を有するバイオマスの処理方法であって、
前記同時糖化発酵装置内の内部液の一部をスラリー化装置へ返送させる返送ラインを設け、
前処理装置で前処理したバイオマスと返送ラインを通じて返送した内部液を前記スラリー化装置内で混合してバイオマスをスラリー化し、
前記スラリー化装置と前記同時糖化発酵装置が輸送管で連結され、この輸送管をスラリー化したバイオマスの供給ラインとし、
冷却手段によって前記返送ラインの内部液および前記供給ラインのスラリー化バイオマスの少なくともいずれか一方を冷却し、
前記スラリー化装置へ返送する内部液は、糖を含む液体及び糖化されなかったバイオマスの滓を含むことを特徴とするバイオマスの処理方法。
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