JP6263792B2 - バイオマスを用いた液体燃料製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、バイオマスを用いた液体燃料製造方法に関する。
本願は、２０１４年５月１５日に、日本に出願された特願２０１４−１０１８４０号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

周知のように、パーム油はオイルパーム（oil palm、和名：アブラヤシ）の果実から採取される植物油である。このようなパーム油は、東南アジアが主産地であり、大規模農園であるプランテーションで製造されている。例えば下記特許文献１及び引用文献２には、上記オイルパームの幹（トランク）をバイオマス（生物由来の資源）として捉え、この幹（トランク）から採取した樹液を原料としてアルコール発酵（エタノール発酵）させることによりバイオエタノール（液体燃料）を製造することが記載されている。

日本国特許第４６６５２５７号公報 日本国特許第４４１８８７１号公報

しかしながら、上記特許文献１や特許文献２の技術は、アルコール発酵（エタノール発酵）を中核とする技術であるが故に、バイオエタノール（液体燃料）の製造におけるエネルギー効率が悪い。例えば、アルコール発酵の発酵効率を上げるため、またオイルパームの樹液（糖液）の腐敗防止のために、アルコール発酵の前工程で樹液（糖液）の濃縮処理を行う必要があり、この濃縮処理に多大なエネルギーを必要とする。また、アルコール発酵の後工程としてバイオエタノールを単体分離するための蒸留処理が必要であり、この蒸留処理にも多大なエネルギーを必要とする。さらに、蒸留処理によって分離された蒸留粕を飼料等として再利用する場合には、蒸留粕が多量の水を含んだ固液混合液なので、乾燥させるために多大なエネルギーを必要である。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、各種のバイオマスから液体燃料を製造する際のエネルギー効率を従来よりも向上させることを目的とする。

本発明のバイオマスを用いた液体燃料製造方法に係る第１の態様は、バイオマスを糖化処理する糖化工程と、前記糖化工程によって得られた糖化液をメタン発酵処理するメタン発酵工程と、前記メタン発酵工程によって得られたバイオガスから液体燃料を生成するＢＴＬ（Biogas to Liquid）工程とを有する。

本発明のバイオマスを用いた液体燃料製造方法に係る第２の態様は、上記第１の態様において、前記ＢＴＬ工程は、前記メタン発酵工程によって得られたバイオガスから合成ガスを生成する合成ガス生成工程と、前記合成ガス生成工程で得られた合成ガスをＦＴ（Fischer-Tropsch）合成処理するＦＴ合成工程と、前記ＦＴ合成工程で得られたＦＴ合成油をアップグレード処理するアップグレード工程とを有する。

本発明のバイオマスを用いた液体燃料製造方法に係る第３の態様は、上記第２の態様において、前記ＦＴ合成工程及び前記アップグレード工程で得られる排水を前記メタン発酵工程で処理する。

本発明のバイオマスを用いた液体燃料製造方法に係る第４の態様は、上記第１〜３のいずれかの態様において、前記バイオマスが樹液として糖液を含む木質系バイオマス場合には、前記糖化工程の前工程として、前記木質系バイオマスから樹液を搾汁する搾汁工程を含み、前記メタン発酵工程では、前記糖化液と樹液とをメタン発酵処理する。

本発明のバイオマスを用いた液体燃料製造方法に係る第５の態様は、上記第１〜第４のいずれかの態様において、前記糖化工程の前工程として、前記バイオマスを破砕する破砕工程をさらに有する。

本発明のバイオマスを用いた液体燃料製造方法に係る第６の態様は、上記第１〜第５のいずれかの態様において、前記バイオマスは、オイルパームの幹あるいは／及び前記オイルパームからパーム油の製油工場で発生するパームオイル廃液である。

本発明によれば、バイオマスから液体燃料を製造する際におけるエネルギー効率を従来よりも向上させることが可能である。すなわち、パーム幹等のバイオマスからバイオエタノールを製造する従来の製造プロセスでは、オイルパームの樹液（糖液）の濃縮処理、バイオエタノールを単体分離するための蒸留処理、また蒸留粕の乾燥処理に多大なエネルギーを必要とするが、本発明では、外部エネルギーの投入が必要な工程はＢＴＬ工程のみである。また、前記ＢＴＬ工程で必要なエネルギー量は、上記濃縮処理、蒸留処理及び乾燥処理に必要な総エネルギー量よりも大幅に小さい。したがって、本発明によれば、パーム幹等のバイオマスからバイオエタノールを製造する従来技術よりも必要エネルギー量を削減することができるので、トータル的なエネルギー効率を従来よりも向上させることが可能である。

本発明の一実施形態に係るバイオマスを用いた液体燃料製造方法の処理工程を示すフローチャートである。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。
本実施形態に係るバイオマスを用いた液体燃料製造方法は、図１に示すように、木質系バイオマスの一種であるオイルパームの幹（パーム幹Ｘ１）をバイオマス（原料）として選定する。

最初の工程であるチップ化処理Ｓ１は、例えば直径３０〜６０ｃｍ、かつ、高さ１０ｍ程度の丸太状のパーム幹Ｘ１を例えば最大寸法２．０〜３．０ｍｍ程度のチップ（パームチップＸ２）に破砕する破砕工程である。このチップ化処理Ｓ１の主旨は、後段の搾汁処理Ｓ２を容易化するためである。

２番目の工程である搾汁処理Ｓ２では、パームチップＸ２から樹液Ｘ３を分離する。すなわち、この搾汁処理Ｓ２では、パームチップＸ２を圧搾装置を用いることにより、樹液Ｘ３と固形分（搾り滓Ｘ４）とに分離する。この樹液Ｘ３は、水と糖分（五炭糖や六炭糖の単糖）を主成分とする糖液であり、原料の１つとして後段のメタン発酵処理Ｓ５に供給される。

３番目の工程である糖化処理Ｓ３では、搾汁処理Ｓ２によって得られた搾り滓Ｘ４を加水分解することにより低糖化（単糖化）する。この糖化処理Ｓ３では、例えば酵素糖化法に基づいて搾り滓Ｘ４を加水分解することにより、五炭糖や六炭糖の単糖を生成する。周知のように、パーム幹Ｘ１等のセルロース系バイオマスあるいは木質系バイオマスは、セルロース、ヘミセルロース及びリグニンを主成分とする。酵素糖化法は、これら主成分のうちセルロース及びヘミセルロースを糖化酵素の存在下で加水分解する。

すなわち、糖化処理Ｓ３では、搾り滓Ｘ４中のセルロースが加水分解することによって六炭糖が生成され、一方、同じく搾り滓Ｘ４中のヘミセルロースが加水分解することによって五炭糖が生成される。このような加水分解によって生成された単糖（五炭糖や六炭糖）は、水に対して可溶性であり、よって水中に溶け込む。したがって、糖化処理Ｓ３によって得られる糖化済み液Ｘ５は、リグニンを主成分とする固形物と単糖が水に溶け込んだ糖化液Ｘ６とからなる固液混合水である。

なお、本実施形態における「糖化処理」は、セルロースやヘミセルロースを必ずしも単糖や遊離糖に分解する必要はなく、搾り滓Ｘ４（搾汁バカス）が加水分解することによって液化あるいは可溶化する程度のものでもよく、さらにはセルロースやヘミセルロースを単糖や遊離糖よりもさらに分解してもよい。

また、糖化処理は、Clostridium thermocellumを用いた微生物糖化法でもよい。特に、本願発明者らは、Clostridium thermocellumとThermoanaerobacter brockiiの共培養系により、グルカン６２．５％、キシラン３９％の分解が得られることを見出した。そのため、Clostridium thermocellumとThermoanaerobacter brockiiの共培養系により、高い効率で糖化処理を行うことができる。

４番目の工程である固液分離処理Ｓ４では、このような糖化済み液Ｘ５を固液分離する。すなわち、遠心分離機等の固液分離装置を用いることによって糖化済み液Ｘ５から糖化液Ｘ６を分離する。そして、この糖化液Ｘ６は、原料として後段のメタン発酵処理Ｓ５に供給される。

５番目の工程であるメタン発酵処理Ｓ５では、上記樹液Ｘ３（糖液）及び糖化液Ｘ６を原料とするメタン発酵によってメタンガス及び二酸化炭素を主成分とするバイオガスＸ７を発生させる。メタン発酵は、周知のように嫌気性の有機物分解処理、つまり嫌気性微生物であるメタン菌の作用によって有機物を分解することにより、メタンガス及び二酸化炭素を主成分とする消化ガスを発生させる反応系である。

ここで、上記樹液Ｘ３（糖液）及び糖化液Ｘ６を原料とするメタン発酵に必要な成分が不足した場合、メタン発酵が効率よく行われないため、原料中の不足成分（例えば、ニッケル、コバルト、モリブデン等）を適宜加えることができる。

なお、このメタン発酵処理Ｓ５では、消化液が排液として発生する。この消化液は、メタン発酵処理Ｓ５の原料、つまり樹液Ｘ３（糖液）及び糖化液Ｘ６の性状によって成分が決まるが、活性汚泥処理によって処理することができる。周知のように、活性汚泥処理は、好気性微生物を用いて排水を処理する手法であり、消化液を河川放流基準まで浄化することができる排水処理法である。メタン発酵処理との併用により外部からのエネルギー投入を最小限に抑えることができる。

６番目〜８番目の合成ガス生成処理Ｓ６、ＦＴ合成処理Ｓ７及びアップグレード処理Ｓ８は、気体燃料であるバイオガスＸ７を液体燃料（合成ナフサ等）に変換するＢＴＬ（Biogas to Liquid）工程Ｇである。すなわち、６番目の工程である合成ガス生成処理Ｓ６では、バイオガスＸ７から水素ガス（Ｈ_２）と一酸化炭素（ＣＯ）との混合ガス（合成ガスＸ８）を生成する。バイオガスＸ７は、メタン（ＣＨ_４）と二酸化炭素（ＣＯ_２）とを主成分とする混合ガスであり、周知の水蒸気改質法や部分酸化法等を用いることにより、合成ガスＸ８を容易に生成することができる。

７番目の工程であるＦＴ合成処理Ｓ７では、上記合成ガスＸ８を様々な炭素数の炭化水素の混合油（ＦＴ合成油Ｘ９）に変換する。このＦＴ合成油Ｘ９は、例えばメタン、エタン、ナフサ、灯油及び軽油等からなる混合油である。ＦＴ合成処理Ｓ７では、例えば鉄やコバルト等の金属触媒の存在下で上記合成ガスＸ８（水素ガスと一酸化炭素との混合ガス）を加熱することにより、ＦＴ合成油Ｘ９を生成する。

８番目の工程であるアップグレード処理Ｓ８では、上記ＦＴ合成油Ｘ９を蒸留処理することにより各留分に分離する。このアップグレード処理Ｓ８では、例えばＦＴ合成油を蒸留塔に投入して加熱することにより各留分に分離し、さらに水等を用いて各留分を冷却することにより液化させて合成ナフサ、合成灯油及び合成軽油等の液体燃料（最終製品）を得る。

上記ＦＴ合成処理Ｓ７及びアップグレード処理Ｓ８では、蒸留処理により排水Ｘ10が発生する。この排水Ｘ10は、アルコールや有機酸を成分として含むものであり、図示するようにメタン発酵処理Ｓ５に供給されることにより再処理（再利用）される。すなわち、ＦＴ合成処理Ｓ７及びアップグレード処理Ｓ８で発生する排水Ｘ10については別途排水処理をする必要がない。

このような本実施形態によれば、パーム幹Ｘ１から最終製品である液体燃料を製造する際のエネルギー効率を従来よりも向上させることが可能である。すなわち、パーム幹Ｘ１からバイオエタノールを製造する従来の製造プロセスでは、オイルパームの樹液（糖液）の濃縮処理、バイオエタノールを単体分離するための蒸留処理、また蒸留粕の乾燥処理に多大なエネルギーを必要とするが、本実施形態では、外部エネルギーの投入が必要な工程はＢＴＬ工程Ｇのみである。また、このＢＴＬ工程Ｇで必要なエネルギー量は、上記濃縮処理、蒸留処理及び乾燥処理に必要な総エネルギー量よりも大幅に小さい。したがって、本実施形態によれば、トータル的なエネルギー効率を従来よりも向上させることが可能である。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような変形例が考えられる。
（１）上記実施形態に係るバイオマスを用いた液体燃料製造方法では、木質系バイオマスの一種であるパーム幹Ｘ１を原料としたが、本発明はこれに限定されない。本願発明は、樹液として糖液を含む木質系バイオマスの他に、各種のバイオマスに適用可能である。
例えば、糖分を含む樹液を有するセルロース系バイオマスには、パーム幹Ｘ１の他にパームの葉、バナナ、サトウキビ、トウモロコシ、キャッサバ、サゴ椰子、ヤムイモ、ソルガム、馬鈴薯、セルロースと樹液（またはジュース）、セルロース・でん粉・樹液（またはジュース）からなる作物等、種々の植物があり、各種のセルロース系バイオマスに適用可能である。

また、パーム幹Ｘ１は、パーム油の生産過程でプランテーション（パーム・プランテーション）から廃棄される木質系バイオマスである。パーム油の生産過程では、このようなパーム幹Ｘ１の他にバイオマスとして利用可能なパームオイル廃液が発生される。このパームオイル廃液は、オイルパームの果実から阻パームオイル（ＣＰＯ：Crude Palm Oil）を搾った残渣を主成分（糖分等）とする排水（ＰＯＭＥ：Palm Oil Mill Effect）である。したがって、パーム幹Ｘ１に加えてパームオイル廃液を原料としてもよい。これにより、従来、廃棄処理されていたパームオイル廃液をメタン発酵の原料とすることで、環境に与える影響を最小限にすることができる。

（２）上記実施形態に係るバイオマスを用いた液体燃料製造方法では、バイオガスＸ７から液体燃料（最終製品）を得るためのＢＴＬ工程Ｇを合成ガス生成処理Ｓ６、ＦＴ合成処理Ｓ７及びアップグレード処理Ｓ８としたが、本発明はこれに限定されない。ＦＴ法以外の方法でバイオガスＸ７を液体燃料に変換してもよい。

（３）上記実施形態に係るバイオマスを用いた液体燃料製造方法では、最初の工程としてチップ化処理Ｓ１を行ったが、本発明はこれに限定されない。パーム幹Ｘ１のように比較的大型のバイオマス（木質系バイオマス）ではなく、例えば籾殻等の比較的小型な固体バイオマスや液体バイオマスを原料とする場合には、チップ化処理Ｓ１を削除することができる。

（４）上記実施形態に係るバイオマスを用いた液体燃料製造方法では、糖化処理Ｓ３及び固液分離処理Ｓ４を行うことにより搾り滓Ｘ４から糖化液Ｘ６を取得したが、本発明はこれに限定されない。糖化処理Ｓ３及び固液分離処理Ｓ４を削除することにより、樹液Ｘ３のみを原料としてメタン発酵処理Ｓ５を行ってもよい。

（５）上記実施形態におけるＢＴＬ工程Ｇ（合成ガス生成処理Ｓ６、ＦＴ合成処理Ｓ７及びアップグレード処理Ｓ８）では、メタンやエタン等の気体燃料が液体燃料と同時に生成される。このような気体燃料については、バイオガスＸ７と一緒に合成ガス生成処理Ｓ６の原料としてもよい。

本発明によれば、バイオマスから液体燃料を製造する際の必要エネルギーを従来よりも低減することができる。

Ｘ１ パーム幹
Ｘ２ パームチップ
Ｘ３ 樹液
Ｘ４ 搾り滓
Ｘ５ 糖化済み液
Ｘ６ 糖化液
Ｘ７ バイオガス
Ｘ８ 合成ガス
Ｘ９ ＦＴ合成油
Ｘ１０ 排水

Claims (4)

1. バイオマスを糖化処理する糖化工程と、
   前記糖化工程によって得られた糖化液をメタン発酵処理するメタン発酵工程と、
   前記メタン発酵工程によって得られたバイオガスから液体燃料を生成するＢＴＬ（Biogas to Liquid）工程とを有し、
   前記ＢＴＬ工程は、
   前記メタン発酵工程によって得られたバイオガスから合成ガスを生成する合成ガス生成工程と、
   前記合成ガス生成工程で得られた合成ガスをＦＴ（Fischer-Tropsch）合成処理するＦＴ合成工程と、
   前記ＦＴ合成工程で得られたＦＴ合成油をアップグレード処理するアップグレード工程とを有し、
   前記ＦＴ合成工程及び前記アップグレード工程で得られる排水を前記メタン発酵工程で処理するバイオマスを用いた液体燃料製造方法。
2. 前記バイオマスが樹液として糖液を含む木質系バイオマスの場合には、前記糖化工程の前工程として、前記木質系バイオマスから樹液を搾汁する搾汁工程を含み、
   前記メタン発酵工程では、前記糖化液と樹液とをメタン発酵処理する請求項１に記載のバイオマスを用いた液体燃料製造方法。
3. 前記糖化工程の前工程として、前記バイオマスを破砕する破砕工程をさらに有する請求項１〜２のいずれか一項に記載のバイオマスを用いた液体燃料製造方法。
4. 前記バイオマスは、オイルパームの幹あるいは／及び前記オイルパームからパーム油の製油工場で発生するパームオイル廃液である請求項１〜３のいずれか一項に記載のバイオマスを用いた液体燃料製造方法。

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