JP6246876B2 - バイオマス原料の処理方法、バイオマス原料を用いた糖液生産方法、アルコールの製造方法及び有機原料の製造方法 - Google Patents
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Description
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)。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
<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。
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。
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。
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。
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 (7)
- 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常圧下から加圧下に供給し、
前記バイオマス原料をバイオマス処理部により高温・高圧条件下で分解処理して、加圧熱水中にヘミセルロース及びリグニンを移行し、
その後、前記バイオマス処理部から抜出したバイオマス固形分を、内部に水が注入され、前記バイオマス処理部と連通するスラリー化槽に投入し、スラリー状バイオマス固形分とし、
次いで、前記スラリー状バイオマス固形分を前記スラリー化槽から抜出して沈降槽で沈降させ、
前記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スクリュー手段で排出させ、
前記スクリュー手段と掬い上げ手段との間に設けられた連通部を介してバイオマス固形分の排出物を前記掬い上げ手段の下方側に落とし込み、
該落とし込まれ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、
該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ことを特徴とするバイオマス原料の処理方法。 - 請求項1において、
前記スラリー化槽でスラリー化する際、該バイオマス固形分中の反応阻害物質を水側に移行し、
次いで、前記スラリー状バイオマス固形分を沈降槽で沈降させつつ、前記沈降槽からオーバーフローしたバイオマス固形分が一部混入した水を攪拌手段により撹拌させて均一化し、
このバイオマス固形分が均一化した水を前記スラリー化槽に戻すことを特徴とするバイオマス原料の処理方法。 - 請求項1又は2において、
前記バイオマス固形分が均一化した水を前記スラリー化槽に戻す際、冷却器で冷却することを特徴とするバイオマス原料の処理方法。 - 請求項1乃至3のいずれか一つにおいて、
前記バイオマス固形分が均一化した水を前記スラリー化槽に戻す際、生物処理装置により反応阻害物質を分解除去することを特徴とするバイオマス原料の処理方法。 - 請求項1乃至4の何れか一のバイオマス原料の処理方法により得られた濃縮されたスラリー状バイオマス固形分を酵素糖化し、糖液を生産することを特徴とするバイオマス原料を用いた糖液生産方法。
- 請求項5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アルコール発酵を行い、アルコールを製造することを特徴とするアルコールの製造方法。
- 請求項5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、発酵処理によりアルコール類、石油代替品類又はアミノ酸類のいずれか一つを製造することを特徴とするバイオマス原料を用いた有機原料の製造方法。
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