JP6474005B2 - セルロース系バイオマスの搾汁方法及び気体燃料化方法 - Google Patents

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Description

本発明は、セルロース系バイオマスの搾汁方法及び気体燃料化方法に関する。
本願は、2014年5月15日に、日本に出願された特願2014−101839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)から樹液を搾る方法(搾汁方法)が開示されている。また、この特許文献1には、上記搾汁方法に用いるトランク用シュレッダ並びにこのトランク用シュレッダと圧搾装置とを備えた搾汁システムが開示されている。
一方、下記特許文献2にも、オイルパームの幹(パーム幹)から樹液を採取する方法(樹液採取方法)が開示されている。このようなオイルパームの幹(トランク)に関する搾汁技術は、オイルパームの樹液に含まれる糖分を原料とするアルコール発酵や乳酸発酵によって、エタノール(バイオエタノール)や乳酸を製造する。
すなわち、現状では、パーム幹に含まれる全樹液のうち、搾汁処理によって分離できる割合が十分ではなく、かなりの割合の樹液はパーム幹の搾汁バカス(絞り滓)とともに廃棄せざるを得ない状況であり、パーム幹のバイオマスとしての活用が十分ではない。
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の技術では、樹液の搾汁率が必ずしも十分ではないため、エタノールや乳酸の製造プラントを実用化する上でコストメリットが見出せなかった。すなわち、現状では、パーム幹に含まれる全樹液のうち、搾汁処理によって分離できる割合が十分ではなく、かなりの割合の樹液をパーム幹とともに廃棄してしまっている状況である。したがって、オイルパームあるいはこのオイルパームを含むヤシ科の植物(パーム植物)の搾汁に関する技術分野では、バイオマスとしてのパーム植物を有効利用する上で、樹液の搾汁率をさらに向上させることが切望されている。
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、パーム植物等、セルロースやヘミセルロースを含む各種のセルロース系バイオマスにおける樹液の搾汁率を従来よりも向上させることを目的とする。
本発明では、セルロース系バイオマスの搾汁方法に係る第1の態様は、セルロース系バイオマスを破砕し、さらに所定の前処理を施した上で搾汁処理するセルロース系バイオマスの搾汁方法であって、前記前処理は、前記セルロース系バイオマスを構成する柔組織を破砕する機械的処理である。
本発明のセルロース系バイオマスの搾汁方法に係る第2の態様は、上記第1の態様において、前記機械的処理は、ミルを用いた粉砕処理、あるいはカッターを用いた破断処理及び前記粉砕処理である。
本発明のセルロース系バイオマスの搾汁方法に係る第3の態様は、上記第2の態様において、前記セルロース系バイオマスの破砕と前記機械的処理との間で加水処理を行う。
本発明のセルロース系バイオマスの搾汁方法に係る第4の態様は、上記第1〜第3のいずれかの態様において、前記セルロース系バイオマスは、オイルパームの幹である。
本発明のセルロース系バイオマスの気体燃料化方法に係る第1の態様は、上記第1〜第4のいずれかのセルロース系バイオマスの搾汁方法によって得られた樹液をメタン発酵処理する。
本発明のセルロース系バイオマスの気体燃料化方法に係る第2の態様は、上記第1の態様において、前記搾汁処理によって前記樹液が分離された搾り滓に糖化処理を施し、前記糖化処理によって得られた糖化液、または前記糖化液及び前記樹液をメタン発酵処理する。
本発明によれば、搾汁処理の前処理として、セルロース系バイオマスを構成する柔組織を破砕する機械的処理を行うので、パーム植物等、セルロースやヘミセルロースを含む各種のセルロース系バイオマスが含む樹液の搾汁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セルロース系バイオマスの搾汁方法の処理工程を示すフローチャートである。 本発明の一実施形態における湿式カッターの模式図である。 本発明の一実施形態における湿式ミルの模式図である。 本発明の一実施形態におけるパーム幹の組織形態を示す模式図である。
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。
本実施形態に係るセルロース系バイオマスの搾汁方法は、搾汁対象であるセルロース系バイオマスとしてオイルパームの幹(パーム幹X1)を選定したものであり、図1のステップS1〜S5からなる。また、本実施形態に係るセルロース系バイオマスの気体燃料化方法は、図1のステップS1〜S8からなる。
最初の工程であるチップ化処理S1(破砕処理)は、例えば直径30〜60cm、かつ、長さ10m程度の丸太状のパーム幹X1を例えば最大寸法2.0〜3.0cm程度のチップ(小片)に破砕する。このチップ化処理S1の主旨は、後段の湿式カッター処理S3を念頭に置いたもの、つまり後段の湿式カッター処理S3が良好に行い得る大きさにパーム幹X1をチップ化する。なお、このチップ化処理S1に用いる破砕機は、特別なものである必要はなく、パーム幹をチップ(パームチップX2)に破砕できるものであればどのようなものでもよい。また、このようなパーム幹X1をチップ化することに代えて、パーム幹X1を小片化、シュレッド化あるいはピーリング化してもよい。
2番目の工程である加水処理S2では、所定重量のパームチップX2の集合体に重量比で1〜5倍の水(水道水)を添加することにより加水パームチップX3とする。パームチップX2(パーム幹X1)は吸湿性に優れているので、加水パームチップX3は、水と固形分とが層分離することなく、固形分内に水を取り込んだ状態となる。この加水処理S2も、上記チップ化処理S1と同様に、後段の湿式カッター処理S3が良好に行い得る水分をパームチップX2に付加する。
3番目の工程である湿式カッター処理S3では、加水パームチップX3を例えば最大寸法0.5〜1.5mm程度に破断する。この湿式カッター処理S3に用いる湿式カッター1は、図2Aに示すように、外周に切刃1aが設けられると共に水平面内で回転するロータ1bの外側に一定間隔(目開きd)かつ放射状に複数のブレード1cを設ける。このような湿式カッター1は、例えば増幸産業(株)製ミクロマイスター(型番:3M7−40 S型)である。
このミクロマイスターには、種々のブレード数(ブレード1cの個数)かつ種々の目開きdのものがあるが、上記ブレード数として例えば14枚、目開きdとして例えば1.3mmものを採用することが考えられる。ただし、湿式カッター1の仕様は、搾汁率を最大化する観点から最適化されるべきである。
このような湿式カッター1では、ロータ1b上あるいは/及びロータ1bをブレード1cとの間に上方から加水パームチップX3が投入され、切刃1aと各ブレード1cの先端(ロータ1b側端部)との間で加水パームチップX3内の固形分が破断される。そして、目開きd以下の大きさまで破断された固形分が互いに隣り合うブレード1cの隙間を通過し、破断済みパームX4として外部に排出される。
4番目の工程である湿式ミル処理S4では、湿式カッター1から水分と共に供給された上記破断済みパームX4を磨り潰すことにより粉砕する。この湿式ミル処理S4に用いる湿式ミル2は、図2Bに示すように、円環状の上部グラインダ2aに一定間隔(クリアランスD)を隔てて対向すると共に回転自在な下部グラインダ2bを備えている。また、上記クリアランスDは、所定範囲かつ所定ピッチで変更自在になっており、例えば80μmに設定される。このような湿式ミル2は、例えば増幸産業(株)製スーパーマスコロイダー(型番:MKZB−100J)である。
このような湿式ミル2では、上方から円環状の上部グラインダ2aの中心近傍部位に上記破断済みパームX4が導入され、上部グラインダ2aと下部グラインダ2bとの間で粉砕されつつ下部グラインダ2bの外周方向に粉砕済みパームX5として排出される。すなわち、湿式カッター処理S3で得られた破断済みパームX4は、湿式ミル処理S4を経ることによってさらに微細化されて粉砕済みパームX5となる。なお、湿式ミル2の仕様は、搾汁率を最大化する観点から最適化されるべきである。
また、湿式ミル2は、連続式バイブロミル(ユーラステクノ株式会社)であってもよい。連続式バイブロミルは、粉粒体を滞留させることなく、連続投入及び排出が可能である。
ここで、上記加水処理S2、湿式カッター処理S3及び湿式ミル処理S4は、チップ化処理S1で得られたパームチップX2を後段の搾汁処理S5で処理する際、つまりパームチップX2から樹液X7を分離・採取する際の前処理Fとして位置付けられる。
そして、この前処理Fのうち、上記湿式カッター処理S3及び湿式ミル処理S4は、パームチップX2(パーム幹X1)を構成する維管束(硬組織)と前記維管束に比べて極端に柔らかく、且つ、高い吸水性を持つ柔組織を破砕して柔組織の持つ吸水構造を物理的に破壊するための機械的処理である。本実施形態では、搾汁処理S5の前処理として湿式カッター処理S3及び湿式ミル処理S4によって上記柔組織を破砕することにより、搾汁処理S5による搾汁率の向上を達成している。なお、上記加水処理S2は前記機械的処理のための前処理として位置づけられる。
図3に示すように、パーム幹X1は、樹皮を除いた主要部が維管束Aと柔組織Bとによって構成されている。維管束Aは、パーム幹X1の軸方向に内部を貫く束状組織であり、水や養分等の液体を運搬及びパーム幹X1の機械的な支持を受け持つ。これに対して、柔組織Bは、パーム幹X1の軸方向に直交する方向において、維管束Aの間に位置する組織、つまり維管束A同士を接着するような組織である。
この柔組織Bは、拡大して見ると、図3に示すように袋状に形成された組織(袋状組織)の集合体である。この袋状組織の内部には、糖分(五炭糖や六炭糖の遊離糖)やでん粉が包み込まれるように収容されている。また、この柔組織Bは、袋状であるが故に高い吸水性を備えた組織である。吸水倍率(重量比)として見た場合に、柔組織Bの吸水倍率は20.1、維管束の吸水倍率は1.4、また比較例として培地用寒天の吸水倍率は9.8、シリカゲルの給紙倍率は3.1である。このようなパーム幹X1は、水分を80%近く含み、水分以外の成分として上記維管束Aと柔組織Bとを約50%の割合で含む。
5番目の工程である搾汁処理S5では、湿式ミル処理S4によって得られた粉砕済みパームX5を固液分離する。粉砕済みパームX5は、パーム幹X1が本来含んでいる水分及び加水処理S2によって添加された水分を含む固液混合水であり、また固形分が湿式カッター処理S3及び湿式ミル処理S4によって80μ程度まで微細化される。搾汁処理S5では、このような粉砕済みパームX5を例えば遠心分離機や圧搾装置を用いることにより、樹液X6と固形分(搾り滓X7)とを分離する。この樹液X6は、水と糖分(五炭糖や六炭糖の遊離糖)を主成分とし、一部でん粉顆粒等が含有する糖液であり、原料として後段のメタン発酵処理S8に提供される。
上記粉砕済みパームX5は、固形分が80μ程度まで微細化されたものなので、ある程度の時間に亘って静置すると、層分離する固液混合水であり、よって固液分離が極めて容易である。また、湿式カッター処理S3及び湿式ミル処理S4によってパーム幹X1を構成する柔組織が十分に破砕されているので、吸湿性が大幅に低減される。
従来技術では、柔組織Bの吸湿性に着目することなく、柔組織Bを維持させたまま搾汁処理を行っていたので、十分な搾汁率が得られなかったが、本実施形態では、柔組織Bを十分に破砕した上で搾汁処理S5を行うので、従来技術よりも樹液X6の搾汁率を向上させることができる。
ここで、本実施形態における樹液X6の搾汁率は、パーム幹X1からの単純な水分の分離率つまりパーム幹X1の全水分量の何割を搾汁処理S5によって分離・取得できたかを言うのではなく、パーム幹X1に含まれる全糖分(五炭糖や六炭糖の単糖)のうち何割を搾汁処理S5によって分離・取得できたかを言う。その他、全糖分が低い場合、パーム幹X1に含まれるアミノ体窒素分(遊離アミノ酸やタンパク質)やミネラル分(カルシウムやマグネシウム等)を測定し、分離・取得できたかを指標にしてもよい。
パーム幹X1では、糖分が柔組織B(袋状組織)内に包み込まれるように収容されているが、湿式カッター処理S3及び湿式ミル処理S4によって柔組織B(袋状組織)を破砕することにより、柔組織B内の糖分が容易に水分内に溶け込む。したがって、本実施形態によれば、搾汁処理S5によって柔組織B内の糖分が固形分から樹液X6として容易に分離される。
なお、搾汁処理S5により得られた固形物(搾り滓X7)への糖分の残存を極力低減させるため、搾り滓X7に新たな加水を行い、固液分離を2回以上行うことも搾汁率を向上させる上で有効である。
6番目の工程である糖化処理S6では、搾汁処理S5によって得られた搾り滓X7(搾汁バカス)を加水分解することにより低糖化(単糖化及び/又は遊離糖化)する。この糖化処理S6では、例えば酵素糖化法に基づいて搾り滓X7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。また、時に柔組織中に含まれるでん粉顆粒が一緒に固形分へ移行する場合があるが、アミラーゼ又はグルコアミラーゼの存在下で加水分解することができる。
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X7(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。
すなわち、糖化処理S6では、搾り滓X7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X7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S6によって得られる糖化済み液X8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X9とからなる固液混合水である。また、前処理Fによりパーム幹を構成する維菅束A、柔組織Bが破壊され微粉砕化し、セルロース、ヘミセルロース基質の表面積が物理的に広がる効果もあるため、糖化処理S6でのセルロース、ヘミセルロースの酵素などの加水分解反応を促進させる。
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。
7番目の工程である固液分離処理S7では、このような糖化済み液X8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X8から糖化液X9を分離する。そして、この糖化液X9は、原料として後段のメタン発酵処理S8に提供される。
8番目の工程であるメタン発酵処理S8では、上記樹液X6(糖液)及び糖化液X9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X10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(バイオガス)を発生させる反応系である。
9番目の工程である発電処理S9では、上記バイオガスX10を燃料として内燃機関を駆動することにより発電する。すなわち、発電処理S9では、バイオガスX10を燃焼器で燃焼させることにより動力を発生させ、当該動力で発電機を駆動することにより電力を発生させる。このような発電処理S9で発生させた電力は、例えばチップ化処理S1、加水処理S2、湿式カッター処理S3及び湿式ミル処理S4の動力源を作動させるために利用される。
このような本実施形態によれば、搾汁処理S5の前処理として、湿式カッター1を用いた加水パームチップ3の湿式カッター処理S3(破断処理)及び湿式ミル2を用いた破断済みパームX4の湿式ミル処理S4(粉砕処理)を行うので、パーム幹X1(パーム植物)における樹液X6の搾汁率を従来よりも向上させることが可能である。
また、本実施形態において、搾汁処理S5によって得られる搾り滓X7(搾汁バカス)は、上述した湿式カッターを用いた湿式カッター処理S3(破断処理)及び湿式ミルを用いた湿式ミル処理S4(粉砕処理)を経たものであり、従来の搾汁バカスよりも大幅に微細である。したがって、本実施形態によれば、糖化処理S6における搾り滓X7の糖化効率を従来よりも大幅に向上させることができる。
次に、搾汁試験について説明する。実施例1〜9として、表1で示した原料(kg)及び加水(kg)を用いた。湿式カッターは、示される目開(mm)を用いた。湿式ミルは、示される一定間隔(クリアランスD)(μm)を有する。
予備試験の結果、実施例1〜3では、湿式カッター及び湿式ミル処理はすることができなかったので、中止した。また、湿式ミルのみの試験として実施例8〜9を行った。
実施例4〜9の結果より、加水比は、原料:加水=1:2の割合が必要であることがわかった。加水比が、原料:加水=1:2の割合の場合、湿式カッターでの前処理は不要であり、湿式ミル単独での処理が可能であった。
また、湿式カッター及び湿式ミルによる破砕と微細化を進めれば進めるほど生チップ中の水分がチップ外に排出され、原料のスラリー化が進行し、粘性の低下が認められた。
湿式カッター及び湿式ミル処理後のサンプルは、4A〜9A、4B〜9B、9Cで示される。これらのサンプルからの生チップを圧搾し、内部の樹液を取り出した。
COD(Chemical Oxygen Demand)濃度は、67000 ppmであった。また、生チップの含水率は79.86%であった。
そのため、各サンプル500g中の生チップ量は、500g÷3=166.7gとなる。したがって、生チップ由来のCOD量を計算すると、166.7g×79.86÷100×67000÷1000÷1000=8.92gとなる。よって、これを理論上搾汁可能なCOD量とした。
次に、各サンプルの遠心分離後の上澄み液量重量とそのCOD濃度を測定し、上澄み液中に溶出したCOD量を測定した。なお、本願で用いるCOD濃度は、二クロム酸カリウムにより計測するCODCrである。
その結果、実施例5のサンプル5BのCOD量は75.1%、実施例9のサンプル9CのCOD量は、63.6%となった。
また、実施例4のサンプル4AのCOD量は43.2%、実施例4のサンプル4BのCOD量は58.7%、実施例5のサンプル5AのCOD量は39.5%、実施例6のサンプル6AのCOD量は39.7%、実施例6のサンプル6BのCOD量は53.9%、実施例7のサンプル7AのCOD量は43.9%、実施例7のサンプル7BのCOD量は49.6%、実施例8のサンプル8AのCOD量は47.9%、実施例8のサンプル8BのCOD量は52.7%、実施例9のサンプル9AのCOD量は55.2%、実施例9のサンプル9BのCOD量は52.5%であった。
以上の結果より、湿式カッター及び湿式ミルで1次処理し、さらに湿式ミルで2次処理して粒子を微細化した方が上澄み液中へのCODの溶出割合が高くなった。これは図3に示されるような、パーム古木の柔組織のスポンジ状構造を破壊することで組織内に内包される水分を少なくできたためである。
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セルロース系バイオマスの搾汁方法及びセルロース系バイオマスの気体燃料化方法では、セルロース系バイオマスの一種であるパーム幹X1を搾汁対象としたが、本発明はこれに限定されない。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、種々の植物があるので、本願発明は、各種のセルロース系バイオマスに適用可能である。
(2)上記実施形態に係るセルロース系バイオマスの搾汁方法及びセルロース系バイオマスの気体燃料化方法では、加水処理S2、湿式カッター処理S3及び湿式ミル処理S4からなる前処理Fを行ったが、本発明はこれに限定されない。加水処理S2を削除し、乾式カッター処理及び乾式ミル処理を前処理Fとしてもよい。
(3)上記実施形態に係るセルロース系バイオマスの搾汁方法及びセルロース系バイオマスの気体燃料化方法では、湿式カッター処理S3及び湿式ミル処理S4からなる機械的処理を行ったが、本発明はこれに限定されない。湿式ミル処理S4のみを機械的処理として行ってもよい。
(4)上記実施形態に係るセルロース系バイオマスの気体燃料化方法では、糖化処理S6及び固液分離処理S7を行うことにより搾り滓X7から糖化液X9を取得したが、本発明はこれに限定されない。糖化処理S6及び固液分離処理S7を削除することにより、樹液X6のみを原料としてメタン発酵処理S8に供給してもよい。
本発明によれば、パーム植物等、セルロースやヘミセルロースを含む各種のセルロース系バイオマスにおける樹液の搾汁率を従来よりも向上させることができる。
1 湿式カッター
1a 切刃
1b ロータ
1c ブレード
2 湿式ミル
2a 上部グラインダ
2b 下部グラインダ
X1 パーム幹
X2 パームチップ
X3 加水パームチップ
X4 破断済みパーム
X5 粉砕済みパーム
X6 樹液
X7 搾り滓
X8 糖化済み液
X9 糖化液
X10 バイオガス

Claims (6)

  1. セルロース系バイオマスを破砕し、さらに所定の前処理を施した上で搾汁処理するセルロース系バイオマスの搾汁方法であって、
    前記前処理は、前記セルロース系バイオマスと重量比で1倍以上の水を加水する加水処理と、前記セルロース系バイオマスを構成する柔組織を破砕する機械的処理とを含む、セルロース系バイオマスの搾汁方法。
  2. 前記機械的処理は、ミルを用いた粉砕処理、あるいはカッターを用いた破断処理及び前記粉砕処理である請求項1記載のセルロース系バイオマスの搾汁方法。
  3. 前記セルロース系バイオマスの破砕と前記機械的処理との間で加水処理を行う請求項2記載のセルロース系バイオマスの搾汁方法。
  4. 前記セルロース系バイオマスは、オイルパームの幹である請求項1〜3のいずれか一項に記載のセルロース系バイオマスの搾汁方法。
  5. 請求項1〜4のいずれか一項に記載のセルロース系バイオマスの搾汁方法によって得られた樹液をメタン発酵処理するセルロース系バイオマスの気体燃料化方法。
  6. 前記搾汁処理によって前記樹液が分離された搾り滓に糖化処理を施し、前記糖化処理によって得られた糖化液、または前記糖化液及び前記樹液をメタン発酵処理する請求項5記載のセルロース系バイオマスの気体燃料化方法。
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