JP7169602B1 - 散液デバイスおよびそれを用いた反応装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 反応物の混合や撹拌のような操作に要するエネルギーを低減することのできる、散液デバイスおよびそれを用いた反応装置を提供すること。【解決手段】 本発明の散液デバイスは、鉛直方向に沿って配置された回転軸と該回転軸に装着された、少なくとも１つの流液部材を備える。ここで、流液部材は、上方に位置する吐出部、下方に位置する吸液部、および吐出部と吸液部との間を延びる筒状流路を備え、筒状流路は屈曲して吐出部が下方に指向している。【選択図】 図１

Description

本発明は、散液デバイスおよびそれを用いた反応装置に関する。

近年、油脂は燃料や化学品へ変換するための原料としても注目されている。特に、化学反応によって動物性油脂および／または植物性油脂から長鎖脂肪酸エステルを合成し、これを軽油と代替可能なバイオディーゼル燃料として利用する試みが積極的になされている。

他方、相間移動触媒やスラリー触媒を用いる２液相以上の反応系において、不斉合成反応などの反応を通じて様々な化合物を合成する技術が注目されている。こうした反応の多くでは、反応系を力強く撹拌することによって反応促進が行われる。

２液相の反応は、例えばバイオディーゼル燃料の製造に採用されることがある。例えば、リパーゼのような酵素を触媒に用いた酵素触媒法によるエステル交換反応が挙げられる。こうした酵素触媒法によるエステル交換反応では、酵素として、例えば、液体酵素やイオン交換樹脂などの担体に固定化された酵素（固定化酵素）が使用される。液体酵素は、培養液を濃縮かつ精製したものから構成されている点で、固定化酵素と比較して安価である。また、当該酵素は、上記エステル交換反応により生成する副生成物のグリセリン水に残存するため、これを次バッチの反応に用いることができる。これにより、液体酵素の繰り返し利用が可能となり、バイオディーゼル燃料の製造に要するコストの節減が可能となる（非特許文献１）。

液体酵素を用いるエステル交換反応では、油層と水層との二相系が用いられ、例えば反応物を高速で撹拌する等によりエマルジョンが形成される。ここで、反応物の高速撹拌には、撹拌機への相当なエネルギーの負荷が必要である。一方、工業製品としての生産性を高めるためには、反応物の撹拌等の操作に要するエネルギーを低減させることが所望されている。しかし、そうすると上記反応物を用いるエマルジョン形成能が低下し、エステル交換反応を効果的に行うことができないという矛盾を生じる。

あるいは、上記酵素に代えてアルカリ触媒を用いる方法もある。この場合も２液相の反応系が採用され、反応には力強い撹拌が必要とされる。

M. Nordbladら、Biotechnology and Bioengineering, 2014, Vol.11, No.12, pp.2446-2453

本発明は、上記問題の解決を課題とするものであり、その目的とするところは、反応生成物の製造において、反応物の混合や撹拌のような操作に要するエネルギーを低減することのできる散液デバイスおよびそれを用いた反応装置を提供することにある。

本発明は、鉛直方向に沿って配置された回転軸と該回転軸に装着された、少なくとも１つの流液部材を備え、
該流液部材が、上方に位置する吐出部、下方に位置する吸液部、および該吐出部と該吸液部との間を延びる筒状流路を備え、
該筒状流路が屈曲して該吐出部が該下方に指向している、散液デバイスである。

１つの実施形態では、上記散液部材は、上記回転軸の軸線に対して上記吸液部が上記吐出部よりも近位に位置するように傾斜して配置されている。

１つの実施形態では、上記吐出部が指向する方向と水平方向との間の角度θ_２は該水平方向を基準にして－９０°≦θ_２＜０°である。

１つの実施形態では、上記筒状流路は円筒状の断面を有する。

本発明はまた、反応液を収容するための反応槽と、該反応槽内に設けられている上記散液デバイスとを備える、反応装置である。

１つの実施形態では、上記反応液は油相および水相から構成されている。

本発明の散液デバイスによれば、掬い上げた反応液を液面より上方に移動させて散液する際、流液部材内が反応液で満たされることにより、回転軸にかける動力が小さい状態で反応液を効率良く混ぜ返すことができる。これにより、容器内に含まれる液体について水平方向の回転に基づく撹拌に加え、鉛直方向の移動および循環を当該小さい動力で促すことができる。本発明の散液デバイスは、例えば反応装置に組み込むことができ、これにより、種々の反応生成物を製造するにあたり、反応物の混合や撹拌に要する物理的操作のエネルギーを減じることができる。例えば、本発明の反応装置に油相と水相との２相で構成される反応液を収容させた場合、余分な動力を使用することなく反応液のエマルジョン化、および／または副生成物（例えばグリセリン）の水での抽出を促すことができる。

本発明の散液デバイスが組み込まれた反応装置の一例を示す概略図である。 図１に示す散液デバイスの第２の流液部材の一例を模式的に表す縦方向断面図である。 本発明の散液デバイスが組み込まれた反応装置の他の例を示す概略図である。 本発明の散液デバイスが組み込まれた反応装置の別の例を示す概略図である。 本発明の散液デバイスが組み込まれた反応装置のさらに別の例を示す概略図である。

本発明を、添付の図面を参照して説明する。なお、以下のすべての図面に共通して同様の参照番号を付した構成は、他の図面に示したものと同様である。

（散液デバイスおよび反応装置）
以下、本発明の散液デバイスを、反応装置に組み込んだ例を用いて説明する。

図１は、本発明の散液デバイスが組み込まれた反応装置の一例を示す概略図である。

図１に示す本発明の散液デバイス１２０は、鉛直方向に沿って配置された回転軸１２１と、好ましくは水平方向に延びる取付具１２２を介して当該回転軸１２１に装着された流液部材１２３から構成されている。流液部材１２３は、吸液部１２４および吐出部１２５、ならびに吸液部１２４と吐出部１２５との間を延びる筒状流路１２６を備える。

図１に示すように、本発明の散液デバイス１２０では、流液部材１２３の吸液部１２４は、反応液１１６の液面１２８よりも下方に配置され、流液部材１２３の吐出部１２５は反応液１１６の液面１２８よりも上方に配置されている。これにより、散液デバイス１２０は、回転軸１２１の回転とそれに伴う流液部材１２３にかかる遠心力により、例えば、図１に示すような反応槽１１０に収容された反応液１１６を、流液部材１２３の吸液部１２４から汲み取り、筒状流路１２６を通じて反応槽１１０の下方から上方に向かって流動させることができる。その後、汲み取られた反応液は、流液部材１２３の吐出部１２５から、液面１２８よりも上方に吐出される。

ここで、一般にサイフォンの原理によれば、管内が液体で満たされた状態において、低位置に設けられた出口（本発明における吐出部に相当）から液体が排出されると、高位置に設けられた入口（本発明における吸液部に相当）から新たな液体が吸液され、入口に存在する液体がすべて移動してなくなるか、管内に気泡が配置キャビテーションを起こし始めるまで当該入口から出口への液体の移動は連続的に起こる。

これに対し、本発明では、反応液が流液部材１２３における吸液部１２４から筒状流路１２６を通じて吐出部１２５に移動するにあたり、一旦筒状流路１２６が反応液で満たされると、当該散液部材１２３は、回転軸１２１の回転を継続する間、まるでサイフォンの原理で使用される管のように、吸液部１２４での反応液の吸液から筒状流路１２６を通り、吐出部１２５での当該反応液の吐出までの反応液の移動を連続的に行うことができる。このような反応液の連続的な移動を本明細書では「サイフォン様」の反応液の移動という。本発明においては、一旦このサイフォン様の反応液の移動を生じると、その単位時間あたりに移動する反応液の液量（例えばｍＬ／秒）は、回転軸１２１の回転が同じ場合におけるその連続的な移動を生じる前の液量（例えばｍＬ／秒）よりも増加し、これにより、多量の反応液を効率良く混ぜ返すことができる。

本発明の散液デバイス１２０では、流液部材１２３を構成する吸液部１２４、筒状流路１２６および吐出部１２５の間で上記サイフォン様の反応液の移動を創出することが可能である。これにより、一旦サイフォン様の反応液の移動が開始されると、流液部材１２３内では回転軸１２１の回転を比較的抑えても（すなわち、回転に要する動力を小さくしても）、吸液部１２４からの反応液の吸液と、吐出部１２５からの反応液の吐出を実質的に連続して行うことができる。

本発明において、液面１２８に対する吸液部１２４および吐出部１２５の配置は、静置段階（すなわち、回転軸１２１の回転がなく、反応液１１６の液面が略水平方向に広がった状態にあるとき）に加え、回転軸１２１を所望の回転速度で回転させている段階（すなわち、回転軸１２１の回転を通じて後述するような反応液１１６の撹拌が行われている状態にあるとき）にも保持されていることが好ましい。その結果、反応槽１１０内の反応液１１６は、回転軸１２１および流液部材１２３の回転によって流液部材の吸液部１２４から容易に汲み取り可能であり、その後遠心力によって流液部材１２３内の筒状流路１２６を通じて吐出部１２５までに移動し、吐出部１２５から、例えば反応槽１１０の内壁１１１または反応液１１６の液面１２８に向かって吐出され得る。

本発明の散液デバイス１２０では、筒状流路１２６の少なくとも１部が（図１中、屈曲部Ｐで示すように）屈曲し、吐出部１２５は下方に指向している。その結果、散液デバイス１２０の吸液部１２４から汲み取られた反応液は、通常、反応槽１１０内において散液デバイス１２０の吐出口１２５の高さよりも下方に向かって当該吐出部１２５から吐出される。

なお、図１に示す散液デバイス１２０では、１つの筒状流路１２６に１つの屈曲部Ｐが設けられているが、本発明は吐出部１２５が下方（例えば水平方向よりも下方）に指向する限り、特にこのような形態に限定されない。吐出部１２５が下方に指向する限り、１つの筒状流路１２６に対して複数の屈曲部が設けられていてもよい。本発明においては、屈曲部Ｐにおける所望でないエロージョンの発生を回避または低減するために当該屈曲部は円弧状に湾曲して形成されていることが好ましい。

なお、図１に示す実施形態では、油相１１６ａと水相１１６ｂとで構成される二相系に反応液１１６に対し、２つの流液部材を備える散液デバイス１２０を用いる場合について説明したが、本発明はこのような構成のみに限定されない。散液デバイス１２０に対して、流液部材は少なくとも１つ、あるいは例えば、１つ、２つ、３つ、４つ、５つ、または６つ設けられている。散液デバイス１２０が複数の散液部材を備える場合、円滑な回転が得られるようにするため、各散液部材は回転軸を中心とした回転方向において略均等な角度で間隔を空けて配置されていることが好ましい。

回転軸１２１は所定の剛性を有するシャフトであり、例えば、円筒状または円柱状の形状を有する。回転軸１２１は、反応槽１１０内で、通常、鉛直方向に配置されている。回転軸１２１の太さは、必ずしも限定されないが、例えば、８ｍｍ～２００ｍｍである。回転軸１２１の長さは、使用する反応槽１１０の大きさ等によって変動し、当業者によって適切な長さが選択され得る。

回転軸１２１の一端は、反応槽１１０の上部でモータ１４０などの回転手段に接続されている。回転軸１２１の他端は、反応槽１１０の底部１０９に接続されておらず、例えば反応槽１１０の底部１０９から一定の間隔を開けて（好ましくは反応液１１６の液面１２８から離れて）配置されている。これにより、回転軸１２１が反応液１１６に接触する機会を低減できる。あるいは、回転軸の他端は反応槽の底部１０９に設けられた軸受に収容されていてもよい。

図１に示す散液デバイス１２０では、回転軸１２１の軸線Ｊに対して、流液部材１２３の吸液部１２４が吐出部１２５よりも近位に位置するように傾斜して配置されている。すなわち、当該散液デバイス１２０では、流液部材１２３の吸液部１２４と回転軸１２１の軸線Ｊとの最短距離が、吐出部１２５と回転軸１２１の軸線Ｊとの最短距離よりも短くなるように、流液部材１２３が傾斜して配置されている。

あるいは、図１に示す散液デバイス１２０において、流液部材１２３は、回転軸１２１の軸方向に対して所定の角度（取付傾斜角ともいう）θ_１をなすように傾斜して取付けられている。取付傾斜角θ_１は、当業者によって任意の角度に設定され得るが、例えば５°～４５°、好ましくは１０°～２５°である。

本発明おいて、流液部材１２３は、例えば、全体が筒状（例えば、円筒状、楕円筒状または角筒状）に加工されたものである。

流液部材１２３の大きさは、特に限定されない。図２は、図１に示す散液デバイスの第２の流液部材の一例を模式的に表す縦方向断面図である。例えば、散液部材１２３として円筒状の部材が使用される場合、その内径は、例えば２ｍｍ～２００ｍｍである。吸液部１２４から屈曲部Ｐまでの長さは特に限定されず、適切な長さが当業者により選択され得る。なお、図２では、吸液部１２４の内径と筒状通路１２６の内径と吐出部１２５の内径とが略同一の大きさであるかのように記載されているが、本発明はこのような形態のみに限定されない。例えば、流液部材１２３の内径が吸液部１２４から屈曲部Ｐを通り吐出部１２５に向かって緩やかにまたは段階的に縮径するものであってもよい。

さらに図２に示す流液部材１２３において、吐出部１２５が指向する方向Ｔと水平方向Ｈとの間の角度θ_２は水平方向を基準にして、例えば－９０°≦θ_２＜０°であり、あるいは別の例としては－６０°≦θ_２≦－１°である。当該角度θ_２が－９０°を下回ると、流液部材内で反応液が逆流して、吐出部から反応液が効果的に吐出できない場合がある。当該角度θ_２が０°を上回ると、後述のように回転を通じて筒状通路１２０内が反応液で満たされたとしても、サイフォン様に反応液の移動が起きず、結果として反応装置に付加される動力を小さくすることが困難になる場合がある。

本発明の散液デバイス１２０は、図１に記載したような反応装置１００の反応槽１１０以外に、例えば、内容物の物理的混合や撹拌を必要とする際に使用される混合装置または撹拌装置の混合槽または撹拌槽に組み込んで使用することもできる。

次に、本発明の散液デバイスが組み込まれた反応装置について再び図１を用いて説明する。

本発明の反応装置１００は反応槽１１０および上記散液デバイス１２０を備える。

反応槽１１０は、反応液１１６を収容して撹拌することができる密閉可能な槽であり、例えば、平底、丸底、円錐底または下方に向かって傾斜する底部１０９を有する。

反応槽１１０の大きさ（容量）は、反応装置１００の用途（例えば、これを用いて行われる反応の種類）や、反応液の処理量などによって適宜設定されるため、必ずしも限定されないが、例えば、０．１リットル～１，０００，０００リットルである。

１つの実施形態では、反応槽１１０はまた、反応液供給口１１２および生成物出口１１４を備える。反応液供給口１１２は、反応槽１１０内に反応液１１６を新たに供給するための入口である。反応液供給口１１２は、例えば反応槽１１０の上方（例えば、上蓋）に設けられている。あるいは、反応液供給口１１２は、反応槽１１０の側面部に設けられていてもよい。反応槽１１０に設けられる反応液供給口１１２の数は１個に限定されない。例えば、複数個の反応液供給口が反応槽１１０に設けられていてもよい。

生成物出口１１４は、反応槽１１０内で得られた生成物を反応槽１１０から取り出すための出口である。生成物出口１１４は、当該生成物に加えて反応残渣や廃液等も排出可能であり、当該排出は、例えば生成物出口１１４の下流側に設けられたバルブ１１５の開閉によって調節され得る。生成物出口１１４はまた、例えば反応槽１１０内の底部１０９の中央に連通して設けられている。

反応槽１１０の上部は、例えば、蓋体またはメンテナンス・ホールのような開閉可能な構造を有していてもよい。さらに、反応槽１１０の上部には、反応槽１１０内の圧力を調節するための圧力調節口（図示せず）が設けられていてもよい。さらに、圧力調節口は例えば図示しない減圧ポンプに接続されていてもよい。

反応槽１１０に収容される反応液１１６は、水溶液、スラリーなどの液体である。反応装置１００が例えば後述するエステル交換反応による脂肪酸エステルの製造に使用されるような場合、反応液１１６は、例えば油相１１６ａおよび水相１１６ｂの二相系で構成されており、油相１１６ａおよび水相１１６ｂのそれぞれには出発材料などの反応物および溶媒などの媒体が含有されている。

図１の反応装置１００によれば、回転軸１２１を回転させることにより、散液デバイス１２０内の流液部材１２３が吸液口１２４から反応液１１６を汲み取る。汲み取られた反応液は、当該回転軸１２１の回転に伴う遠心力により、筒状通路１２６を介して吐出口１２５まで移動し、当該吐出口１２５から反応槽１１０内に、具体的には反応槽１１０内の反応液１１６の液面１２８よりも上方に吐出される。さらに、この回転軸１２１の回転を継続し、筒状流路１２６内が反応液で完全に満たされると、吸液部１２４、筒状流路１２６および吐出部１２５の間で「サイフォン様」の反応液の移動が可能となる。その際、回転軸１２１の回転速度を低下させても、ヒステリシスによりこの「サイフォン様」の現象は継続する。これにより、反応液１１６は、反応槽１１０の内壁１１１や液面１２８への衝突とともに、反応槽１１０の底部１０９から上方への移動が可能となり、反応槽１１０の高さ方向での反応液１１６の混ぜ返し（例えば、鉛直方向における撹拌または循環）を回転軸１２１の回転を抑えた（より小さい動力で）促すことができる。その結果、反応装置１００内で行われる反応生成物の製造がより効果的に進行し得る。

なお、本発明において、上記反応槽１１０、回転軸１２１、取付具１２２および流液部材１２３は、それぞれ独立して、例えば、鉄、ステンレススチール、ハステロイ、チタンなどの金属およびこれらの組合せでなる材料から構成されている。これらは、耐薬品性を高めるために、テフロン（登録商標）やグラスライニング、ゴムライニングのような当該分野において公知のコーティングが付与されていてもよい。

図３は、本発明の反応装置の他の例を示す概略図である。図３に示す本発明の反応装置２００では、反応槽１１０の内壁１１１に、反応槽１１０の底部１０９から反応液１１６の液面１２８を上回る高さにまで延びる複数の邪魔板２１０が設けられている。図３において、邪魔板２１０は、例えば静置された反応液１１６の略中央に位置するように（すなわち、邪魔板２１０の上端が油相１１６ａの内部に位置し、邪魔板２１０の下端が水相１１６ｂの内部に位置し、かつ当該上端および下端が油相１１６ａと水相１１６ｂとの界面近傍に位置するように）設けられている

邪魔板２１０は、回転軸１２１の回転により、取付具１２２を通じて流液部材１２３が回転し、それにより反応槽１１０内の反応液１１６が追随して一緒に回転運動することを防止する役割を果たす。言い換えれば、邪魔板２１０は、反応槽１１０内で反応液１１６が水平方向に回転する際の障壁となり、渦の形成を防止できる。その結果、反応液１１６には反応槽１１０内で不規則な動きが与えられ、結果として、散液デバイス１２０を構成する流液部材１２３の吸液部１２４、通常流路１２６および吐出部１２５の間で生じる上記「サイフォン様」の現象とともに、反応液１１６を混合かつ撹拌する効率を高めることができる。

本発明の反応装置２００において、反応槽１１０に設けられる邪魔板２１０の数は必ずしも限定されないが、例えば、反応槽１１０の内壁１１１に略等間隔で１つ～８つが設けられている。

図４は、本発明の反応装置の別の例を示す概略図である。図４に示す反応装置３００では、反応槽１１０の外周に温度調整用のジャケット３１０が設けられている。図４において、ジャケット３１０は、例えば中空の材料で構成されており、図示しない管を通じて、ジャケット入口３２０から例えば水蒸気や水や熱媒油などの熱媒体を導入し、ジャケット出口３３０から排出することができる。ジャケット３１０内に導入された熱媒体は、反応槽１１０の外側から反応液１１６の加熱を行うことにより、反応槽１１０内の反応液１１６に対する温度制御を可能にする。

なお、図４に示す実施形態では、熱媒体として反応槽１１０内を加熱するための加熱用熱媒体を用いる例について説明したが、本発明はこれに限定されない。当該加熱用熱媒体に代えて、例えば、液化窒素、水、ブライン、ガス冷媒（例えば、二酸化炭素、フロン）のような冷却用熱媒体がジャケット３１０に導入されてもよい。

図５は、本発明の反応装置のさらに別の例を示す概略図である。図５に示す反応装置４００では、長さの異なる２種類の流液部材１２３，１２３’が使用され、当該流液部材１２３，１２３’、回転軸１２１および取付具１２２によって散液デバイス１２０’が構成されている。

図５に示す反応装置４００において、散液デバイス１２０’を構成する流液部材１２３，１２３’の吸液部１２４，１２４’は、異なる高さに配置されている。例えば図５に示すように、静置状態（すなわち、回転軸１２１を回転させていない状態）において、流液部材１２３の吸液部１２４は反応液１１６の水相１１６ｂ内に配置され、流液部材１２３’の吸液部１２４’は反応液１１６の油相１１６ａ内に配置されていてもよい。流液部材１２３，１２３’の吸液部１２４，１２４’がそれぞれこのように配置されていることにより、回転軸１２１を回転させると、吸液部１２４と他方の吸液部１２４’とから汲み上げられる反応液１１６の成分を異なるものとすることができる。すなわち、流液部材１２３の吸液部１２４は例えば反応液１１６の水相１１６ｂ内に含まれている成分（水相成分）をより多く汲み上げることができる。他方、流液部材１２３’の吸液部１２４’は例えば反応液１１６の油相１１６ａ内に含まれている成分（油相成分）をより多く汲み上げることができる。

本発明の散液デバイスが組み込まれた反応装置は、反応液（反応物）の撹拌が所望される種々の反応生成物の製造において有用である。特に、油相と水相とで構成されるような二相系（不均一反応系）において、従来の撹拌機を用いる場合よりも効果的に反応生成物を得ることができる。このような二相系の例としては、脂肪酸エステルを製造するためのエステル交換反応が挙げられる。

（反応生成物の製造方法）
次に、本発明の散液デバイスが組み込まれた反応装置を用いて所定の反応生成物を製造する方法について説明する。

本発明の製造方法では、上記散液デバイスが組み込まれた反応装置内で反応液を循環させることにより撹拌が行われる。ここで、本明細書において、用語「循環による撹拌」とは、対象となる液体（例えば反応液）に対して、水平方向の回転を加えることによる撹拌と、上記反応装置を用いる場合のように、鉛直方向の当該液体の移動かつ循環を通じて当該液体全体の混ぜ返し（またはミキシング）との両方を包含していう。

本発明に用いられる反応液は、無機または有機系の液体媒体を含有し、一般に撹拌機等による撹拌を通じて化学反応を進行させかつ制御され得るものである。例えば反応液は不均一系の反応液である。例えば、油相および水相から構成されている反応液は、上記循環による撹拌を通じて、反応液の乳化を向上かつ促進することができる点で有用である。

反応液が不均一系の反応液である場合、当該反応液には、例えば原料油脂と、液体酵素と、炭素数１から８を有するアルコール、および水が含有されている。

原料油脂は、例えばバイオディーゼル燃料用の脂肪酸エステルの製造において使用され得る油脂である。原料油脂は、予め精製された油脂、または不純物を含む未精製油脂のいずれであってもよい。原料油脂の例としては、食用油脂およびその廃食用油脂、原油、および他の廃棄物系油脂、ならびにそれらの組合せが挙げられる。食用油脂およびその廃食用油脂の例としては、植物油脂、動物油脂、魚油、微生物生産油脂、およびこれらの廃油、ならびにこれらの混合物（混合油脂）が挙げられる。植物油脂の例としては、必ずしも限定されないが、大豆油、菜種油、パーム油、およびオリーブ油が挙げられる。動物油脂の例としては、必ずしも限定されないが、牛脂、豚脂、鶏脂、鯨油、および羊脂が挙げられる。魚油としては、必ずしも限定されないが、イワシ油、マグロ油、およびイカ油が挙げられる。微生物生産油脂の例としては、必ずしも限定されないが、モルティエレラ属（Ｍｏｒｔｉｅｒｅｌｌａ）またはシゾキトリウム属（Ｓｃｈｉｚｏｃｈｙｔｒｉｕｍ）などの微生物によって生産される油脂が挙げられる。

原油は、例えば、従来の食用油脂の搾油工程から得られる未精製または未加工の油脂であり、例えば、リン脂質および／またはタンパク質などのガム状不純物、遊離脂肪酸、色素、微量金属および他の炭化水素系の油可溶性不純物、ならびにこれらの組合せを含有し得る。原油に含まれる当該不純物の含有量は特に限定されない。

廃棄物系油脂としては、例えば、食品油脂の製造過程で生じる粗油をアルカリの存在下で精製することにより得られる油滓、熱処理油、プレス油、および圧延油、ならびにこれらの組合せが挙げられる。

原料油脂は、油脂本来の性質を阻害しない範囲において任意の量の水分を含有していてもよい。さらに、原料油脂は、別途脂肪酸エステルの生成反応において使用した溶液中に残存する未反応の油脂を用いてもよい。

本発明において液体酵素としては、脂肪酸エステルの生成反応に使用され得る任意の酵素触媒のうち、室温において液体の性状を有するものが挙げられる。液体酵素の例としては、リパーゼ、クチナーゼ、およびそれらの組合せが挙げられる。ここで、本明細書中に用いられる用語「リパーゼ」とは、グリセリド（アシルグリセロールともいう）に作用して、当該グリセリドをグリセリンまたは部分グリセリドと脂肪酸とに分解する能力を有し、かつ直鎖低級アルコールの存在下ではエステル交換により脂肪酸エステルを生成する能力を有する酵素を言う。

本発明において、リパーゼは１，３－特異的であっても、非特異的であってもよい。脂肪酸の直鎖低級アルコールエステルを製造することができるという点においては、当該リパーゼは、非特異的であることが好ましい。リパーゼの例としては、リゾムコール属（リゾムコール・ミーハエ（Ｒｈｉｚｏｍｕｃｏｒ ｍｉｅｈｅｉ））、ムコール属、アスペルギルス属、リゾプス属、ペニシリウム属などに属する糸状菌に由来するリパーゼ；キャンディダ属（カンジダ・アンタルシティカ（Ｃａｎｄｉｄａ ａｎｔａｒｃｉｔｉｃａ），カンジダ・ルゴサ（Ｃａｎｄｉｄａ ｒｕｇｏｓａ），カンジダ・シリンドラセア（Ｃａｎｄｉｄａ ｃｙｌｉｎｄｒａｃｅａ））、ピヒア（Ｐｉｃｈｉａ）などに属する酵母に由来するリパーゼ；シュードモナス属、セラチア属などに属する細菌に由来するリパーゼ；および豚膵臓などの動物に由来するリパーゼが挙げられる。液体リパーゼは、例えば、これらの微生物が産生したリパーゼを含む該微生物の培養液を濃縮かつ精製することによって、あるいは粉末化したリパーゼを水に溶解することによって得ることができる。市販の液体リパーゼもまた用いられ得る。

本発明における上記液体酵素の使用量は、例えば、原料油脂の種類および／または量によって変動するため必ずしも限定されないが、使用する原料油脂１００質量部に対し、好ましくは０．１質量部～５０質量部、好ましくは０．２質量部～３０質量部である。液体酵素の使用量が０．１質量部を下回ると、効果的なエステル交換反応を触媒することができず、所望の脂肪酸エステルの収量および／または収率を低下させるおそれがある。液体酵素の使用量が５０質量部を上回ると、もはやエステル交換反応を通じて得られる所望の脂肪酸エステルの収量および／または収率に変化が見られず、むしろ製造効率を低下させるおそれがある。

本発明におけるアルコールは、直鎖または分岐鎖の低級アルコール（例えば、炭素数１～８のアルコール、好ましくは炭素数１～４のアルコール）である。直鎖の低級アルコールが好ましい。直鎖の低級アルコールの例としては、必ずしも限定されないが、メタノール、エタノール、ｎ－プロパノール、およびｎ－ブタノール、ならびにこれらの組合せが挙げられる。

上記アルコールの使用量は、例えば、使用する原料油脂の種類および／または量によって変動するため必ずしも限定されないが、原料油脂１００質量部に対し、好ましくは５質量部～１００質量部、好ましくは１０質量部～３０質量部である。アルコールの使用量が５質量部を下回ると、効果的なエステル交換反応を行うことができず、所望の脂肪酸エステルの収量および／または収率を低下させるおそれがある。アルコールの使用量が１００質量部を上回ると、もはやエステル交換反応を通じて得られる所望の脂肪酸エステルの収量および／または収率に変化が見られず、むしろ製造効率を低下させるおそれがある。

本発明に用いられる水は、蒸留水、イオン交換水、水道水、純水のいずれであってもよい。当該水の使用量は、例えば、使用する原料油脂の種類および／または量によって変動するため必ずしも限定されないが、原料油脂１００質量部に対し、好ましくは０．１質量部～５０質量部、好ましくは２質量部～３０質量部である。水の使用量が０．１質量部を下回ると、反応系内に形成される水層の量が不足し、上記原料油脂、液体酵素およびアルコールによる効果的なエステル交換反応を行うことができず、所望の脂肪酸エステルの収量および／または収率を低下させるおそれがある。水の使用量が５０質量部を上回ると、もはやエステル交換反応を通じて得られる所望の脂肪酸エステルの収量および／または収率に変化が見られず、むしろ製造効率を低下させるおそれがある。

本発明の製造方法では、上記反応液に対して所定の電解質が添加されていてもよい。電解質を構成するアニオンとしては、必ずしも限定されないが、例えば、炭酸水素イオン、炭酸イオン、塩化物イオン、水酸化物イオン、クエン酸イオン、リン酸水素イオン、リン酸二水素イオン、およびリン酸イオンならびにこれらの組合せが挙げられる。電解質を構成するカチオンとしては、例えば、アルカリ金属イオン、およびアルカリ土類金属イオンならびにそれらの組合せが挙げられ、より具体的な例としては、ナトリウムイオン、カリウムイオン、およびカルシウムイオン、ならびにそれらの組合せが挙げられる。本発明において、電解質の例としては、炭酸水素ナトリウム（重曹）、炭酸ナトリウム、塩化カルシウム、水酸化カルシウム、クエン酸三ナトリウム、リン酸水素ナトリウム、リン酸二水素ナトリウム、塩化ナトリウム、およびリン酸三ナトリウム、ならびにそれらの組合せが好ましい。汎用性に富み、入手が容易である等の理由から、炭酸水素ナトリウム（重曹）がより好ましい。

本発明において、上記原料油脂、触媒、およびアルコール、および水は、例えば図１に示す反応装置１００の反応槽１１０に反応液供給口１１２を通じて同時または任意の順序で添加され、油相１１６ａおよび水相１１６ｂで構成される反応液１１６が構成される。その後、回転軸１２１の回転を通じて散液デバイス１２０の流液部材１２３を反応槽１１０内で回転させることにより、上述の通り、流液部材１２３の吸液部１２４から反応液１１６が汲み取られ、汲み取られた反応液は、散液デバイス１２０を構成する流液部材１２３の吸液部１２４、通常流路１２６および吐出部１２５の間で生じる上記「サイフォン様」の現象とともに、筒状流路１２６を通じて上方に移動し、流液部材１２３の吐出口１２５から吐出される。このような反応液１１６の移動によって反応液１１６の撹拌が促され、反応生成物である脂肪酸エステルの生成が行われる。反応槽１１０内に付される温度は、必ずしも限定されないが、例えば、５℃～８０℃、好ましくは１５℃～８０℃、より好ましくは２５℃～５０℃である。

なお、本発明において、反応装置１００内の回転軸の回転は必ずしも高速（例えば、６００ｒｐｍ以上）で行われなくてもよい。例えば、低速（例えば、８０ｒｐｍ以上３００ｒｐｍ未満）または中速（例えば、３００ｒｐｍ以上６００ｒｐｍ未満）に設定されてもよい。さらに、反応時間は、使用する原料油脂、触媒、アルコール、および水の各量によって変動するため、必ずしも限定されず、任意の時間が当業者によって設定され得る。

反応の終了後、生成物および反応残渣は反応装置１００の反応槽１１０から取り出され、例えば、当業者に周知の手段を用いて脂肪酸エステルを含む層と、副生成物グリセリンを含む層とに分離される。その後、脂肪酸エステルを含む層はさらに、必要に応じて当業者に周知の方法を用いて脂肪酸エステルが単離かつ精製され得る。

上記のようにして得られた脂肪酸エステルは、例えばバイオディーゼル燃料またはその構成成分として使用され得る。

１００，２００，３００，４００ 反応装置
１０９ 底部
１１０ 反応槽
１１１ 内壁
１１２ 反応液供給口
１１４ 生成物出口
１１５ バルブ
１１６ 反応液
１１６ａ 油相
１１６ｂ 水相
１２０ 散液デバイス
１２１ 回転軸
１２２ 取付具
１２３，１２３’ 流液部材
１２４，１２４’ 吸液部
１２５ 吐出部
１２６ 筒状流路
１２８ 液面
１４０ モータ
２１０ 邪魔板
３１０ ジャケット
３２０ ジャケット入口
３３０ ジャケット出口

Claims (5)

1. 反応液を収容する反応槽と、該反応槽内に設けられている散液デバイスとを備える、反応装置であって、
   （ａ）該散液デバイスが、鉛直方向に沿って配置された回転軸と該回転軸に装着された、少なくとも１つの流液部材を備え、
   （ｂ）該流液部材が、上方に位置する吐出部、下方に位置する吸液部、および該吐出部と該吸液部との間を延びる筒状流路を備え、
   （ｃ）該筒状流路が屈曲して該吐出部が該下方に指向しており、
   （ｄ）該吐出部が指向する方向と水平方向との間の角度θ_２が該水平方向を基準にして－９０°≦θ_２＜０°であり、
   （ｅ）該吸液部の内径と該筒状流路の内径と該吐出部の内径とが同一の大きさである、反応装置。
2. 前記反応液が油相および水相から構成されている、請求項１に記載の反応装置。
3. 前記回転軸の端部が前記反応液の液面から離れて配置されており、前記流液部材が、前記水平方向に延びる取付具を介して回転軸に装着されている、請求項１または２に記載の反応装置。
4. 前記流液部材が、前記回転軸の軸線に対して前記吸液部が前記吐出部よりも近位に位置するように傾斜して配置されている、請求項１から３のいずれかに記載の反応装置。
5. 前記筒状流路が円筒状の断面を有する、請求項１から４のいずれかに記載の反応装置。

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