JPWO2010038302A1 - バイオマス原料を用いた有機原料の製造システム及び方法 - Google Patents
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Abstract
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)。
また、熱水側に移行した副反応物中のヘミセルロースを硫酸により、低温度でしかも液・液反応の反応効率が良好な単糖化を行うことができる。
11 バイオマス原料
12 加圧熱水
13 水熱分解装置
14 バイオマス固形分
15 酵素
16 第1の糖液(6炭糖)
17 セルロース酵素糖化装置
18 第1のアルコール発酵装置
19 第1のアルコール発酵液
20 エタノール
21 第1の残渣
22 第1の精製装置
30 熱水排出液
31 硫酸
32 第2の糖液(5炭糖)
33 硫酸分解装置
34 第2のアルコール発酵装置
35 第2のアルコール発酵液
36 第2の残渣
37 第2の精製装置
図1に示すように、本実施例に係るバイオマス原料を用いたアルコール製造システム10は、バイオマス原料11を加圧熱水12と対向接触させつつ水熱分解し、加圧熱水12中にリグニン成分及びヘミセルロース成分を移行し、バイオマス固体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なる水熱分解装置13と、前記水熱分解装置13から排出されるバイオマス固形分14中に酵素(セルラーゼ)15を供給し、セルロースを酵素処理して6炭糖を含む第1の糖液16に酵素糖化するセルロース酵素糖化装置17と、前記セルロース酵素糖化装置17で得られた第1の糖液(6炭糖)16を用いて、発酵処理によりアルコール類(本実施の形態ではエタノール)を製造する第1のアルコール発酵装置18と、前記第1のアルコール発酵装置18で得られた第1のアルコール発酵液19を精製して目的生成物のエタノール20と第1の残渣21とに分離・精製処理する第1の精製装置22と、前記水熱分解装置13内において、リグニン成分及びヘミセルロース成分が移行された加圧熱水12を熱水排出液30として外部に排出し、該熱水排出液30に硫酸31を供給して、熱水排出液30中のヘミセルロース成分を硫酸分解して5炭糖を含む第2の糖液32に分解する硫酸分解装置33と、得られた第2の糖液(5炭糖)32を用いて、発酵処理によりアルコール類(本実施の形態ではエタノール)を製造する第2のアルコール発酵装置34と、第2のアルコール発酵液35を精製して目的生成物のエタノール20と第2の残渣36とに分離処理する第2の精製装置37とを具備するものである。
K 3600 1258参照)が、本発明では特に木質系の例えば広葉樹、草本系等のセルロース系資源や農業系廃棄物、食品廃棄物等を用いるのが好ましい。
なお、本実施例では、粉砕処理したバイオマス原料11を用いているが、必要であれば、所定粒径以下に粉砕処理する前処理装置を設置するようにすればよい。
ここでバイオマス原料11として、例えば籾殻等の場合には、粉砕処理は不要となり、そのまま水熱分解装置13に供給することができるものとなる。
また、前処理装置として、粒径を調整する粉砕装置の他に、バイオマスを洗浄処理する洗浄装置等を挙げることができる。
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移行するのを増大すると共に、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〜15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。
ここで、供給するバイオマス原料と加圧熱水との重量比は、装置構成により適宜異なるが、例えば1:1〜1:10、より好ましくは1:1〜1:5とするのが好ましい。
そして、6炭糖に応じた発酵(最終製品に応じた発酵:本実施例では第1のアルコール発酵装置18を用いてエタノール20を発酵により求め、第1のアルコール発酵液19を精製する。)プロセスを構築することができる。
さらに、対向接触させることで、熱回収ができシステム効率から好ましいものとなる。
これは、上記範囲外であると、良好なヘミセルロースの分解を行うことができないからである。
そして、第1及び第2のアルコール発酵装置18、34において、6炭糖、5炭糖の各々に適した酵母等を用いることでエタノール20を効率的に個別に発酵により求めることができるものとなる。
図2は、本実施例に係るバイオマスの水熱分解装置を示す概略図である。
図2に示すように、本実施例に係るバイオマスの水熱分解装置13Aは、バイオマス原料11を常圧下から加圧下に供給するバイオマス供給装置40と、供給されたバイオマス原料(本実施例では、例えば麦わら等)11を、下端部側から傾斜型装置本体(以下「装置本体」という)51の内部に搬送スクリュー52により徐々に搬送すると共に、前記バイオマス原料11の供給箇所とは異なる上端部側から加圧熱水12を装置本体51内部に供給し、バイオマス原料11と加圧熱水12とを対向接触させつつ水熱分解し、加圧熱水12中にリグニン成分及びヘミセルロース成分を移行し、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なる水熱分解装置13Aと、装置本体51の上端部側からバイオマス固形分14を加圧下から常圧下に抜出すバイオマス抜出装置60とを具備するものである。なお、図中、符号53は蒸気、54はドレン、55は加圧窒素を各々図示する。
一方、水熱分解装置13Aから排出された熱水排出液30中のヘミセルロース成分は、硫酸分解により5炭糖を含む第2の糖液に糖化させ、該糖液を基点として、各種有機原料(例えばアルコール類)を効率よく製造することができる。
前記常圧下から加圧下に供給するバイオマス供給装置40としては、例えばピストンポンプ又はスラリーポンプ等のポンプ手段を挙げることができる。
すなわち、スクリューフィーダー41aと油圧シリンダー41bとからなるスクリュー式押出機構41とすることで、内部に供給されたバイオマス原料11が圧縮され、バイオマスプラグ42を形成し、このバイオマスプラグ42自身で水熱分解装置13A内圧力を遮断するマテリアルシールを行うようにしている。スクリューフィーダー41aにより徐々に押されて、油圧シリンダー41bの先端部分から徐々にバイオマスが切り出され、装置本体51内部に確実にバイオマス原料11を供給することとなる。
この脱水液63は、加圧熱水可溶分(リグニン成分及びヘミセルロース成分)を含むものであるので、熱水排出液30に送られ、熱水排出液30と共に別途硫酸処理される。
さらに、対向接触させることで、熱回収ができシステム効率から好ましいものとなる。
図3は、本実施例に係るバイオマスの水熱分解装置を示す概略図である。
図3に示すように、本実施例に係るバイオマスの水熱分解装置13Bは、バイオマス原料(本実施例では、例えば麦わら等)11を常圧下から加圧下に供給するバイオマス供給装置80と、供給されたバイオマス原料11を、左右のいずれかの端部側(本実施例では左側)から水平型装置本体(以下「装置本体」という)70の内部を圧密状態で徐々に移動させると共に、前記バイオマス原料11の供給とは異なる端部側(本実施例では右側)から加圧熱水12を装置本体70内部に供給し、バイオマス原料11と加圧熱水12とを対向接触させつつ水熱分解し、加圧熱水12中にリグニン成分及びヘミセルロース成分を移行し、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なる装置本体70と、該装置本体70の加圧熱水12の供給部側からバイオマス固形分14を加圧下から常圧下に抜出すバイオマス抜出装置60とを具備するものである。
前記常圧下から加圧下に供給するバイオマス供給装置80としては、例えばピストンポンプ又はスラリーポンプ等のポンプ手段を挙げることができる。
また、水熱分解装置13Bの装置本体70の形状をテーパー状にして、すなわち装置本体70のバイオマス原料11の入口側に対して出口側の断面積を小さくして装置本体70内におけるバイオマス原料11の固体密度を向上させるようにしてもよい。
また、例えば回転撹拌手段のトルク管理、装置本体70内の静電容量管理、装置本体70内の超音波管理、装置本体70内の重量管理等により、装置本体70内の固液の重量比を状況に応じて適宜調整するようにすればよい。
ここで、供給するバイオマス原料11と加圧熱水12との重量比は、装置構成により適宜異なるが、例えば1:1〜1:10、より好ましくは1:1〜1:5とするのが好ましい。特に、本実施例では、バイオマス原料11と加圧熱水12との固体分と液体分とから構成され、プラグフローとしているので、圧密状態で装置本体70内部を移動するので、固液比を1:1〜1:5とすることが可能となる。
このように、装置本体70内に供給するバイオマス原料11と加圧熱水12との重量比を1:1〜1:10とすることにより、水熱分解装置での必要熱量の削減を図ることができる。
すなわち、ピストンポンプ81aを用いてピストンで押圧するので、装置本体70内部に確実にバイオマス原料11を供給することとなる。
さらに、ピストンポンプ81aを採用することにより、装置本体70内の密度(固液の重量比)調整が可能となる。すなわち、装置本体70内の加圧熱水の滞留時間を調整できる。
さらに、対向接触させることで、熱回収ができシステム効率から好ましいものとなる。
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)。
また、熱水側に移行した副反応物中のヘミセルロースを硫酸により、低温度でしかも液・液反応の反応効率が良好な単糖化を行うことができる。
図1に示すように、本実施例に係るバイオマス原料を用いたアルコール製造システム10は、バイオマス原料11を加圧熱水12と対向接触させつつ水熱分解し、加圧熱水12中にリグニン成分及びヘミセルロース成分を移行し、バイオマス固体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なる水熱分解装置13と、前記水熱分解装置13から排出されるバイオマス固形分14中に酵素(セルラーゼ)15を供給し、セルロースを酵素処理して6炭糖を含む第1の糖液16に酵素糖化するセルロース酵素糖化装置17と、前記セルロース酵素糖化装置17で得られた第1の糖液(6炭糖)16を用いて、発酵処理によりアルコール類(本実施の形態ではエタノール)を製造する第1のアルコール発酵装置18と、前記第1のアルコール発酵装置18で得られた第1のアルコール発酵液19を精製して目的生成物のエタノール20と第1の残渣21とに分離・精製処理する第1の精製装置22と、前記水熱分解装置13内において、リグニン成分及びヘミセルロース成分が移行された加圧熱水12を熱水排出液30として外部に排出し、該熱水排出液30に硫酸31を供給して、熱水排出液30中のヘミセルロース成分を硫酸分解して5炭糖を含む第2の糖液32に分解する硫酸分解装置33と、得られた第2の糖液(5炭糖)32を用いて、発酵処理によりアルコール類(本実施の形態ではエタノール)を製造する第2のアルコール発酵装置34と、第2のアルコール発酵液35を精製して目的生成物のエタノール20と第2の残渣36とに分離処理する第2の精製装置37とを具備するものである。
なお、本実施例では、粉砕処理したバイオマス原料11を用いているが、必要であれば、所定粒径以下に粉砕処理する前処理装置を設置するようにすればよい。
ここでバイオマス原料11として、例えば籾殻等の場合には、粉砕処理は不要となり、そのまま水熱分解装置13に供給することができるものとなる。
また、前処理装置として、粒径を調整する粉砕装置の他に、バイオマスを洗浄処理する洗浄装置等を挙げることができる。
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移行するのを増大すると共に、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〜15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。
ここで、供給するバイオマス原料と加圧熱水との重量比は、装置構成により適宜異なるが、例えば1:1〜1:10、より好ましくは1:1〜1:5とするのが好ましい。
そして、6炭糖に応じた発酵(最終製品に応じた発酵:本実施例では第1のアルコール発酵装置18を用いてエタノール20を発酵により求め、第1のアルコール発酵液19を精製する。)プロセスを構築することができる。
さらに、対向接触させることで、熱回収ができシステム効率から好ましいものとなる。
これは、上記範囲外であると、良好なヘミセルロースの分解を行うことができないからである。
そして、第1及び第2のアルコール発酵装置18、34において、6炭糖、5炭糖の各々に適した酵母等を用いることでエタノール20を効率的に個別に発酵により求めることができるものとなる。
図2は、本実施例に係るバイオマスの水熱分解装置を示す概略図である。
図2に示すように、本実施例に係るバイオマスの水熱分解装置13Aは、バイオマス原料11を常圧下から加圧下に供給するバイオマス供給装置40と、供給されたバイオマス原料(本実施例では、例えば麦わら等)11を、下端部側から傾斜型装置本体(以下「装置本体」という)51の内部に搬送スクリュー52により徐々に搬送すると共に、前記バイオマス原料11の供給箇所とは異なる上端部側から加圧熱水12を装置本体51内部に供給し、バイオマス原料11と加圧熱水12とを対向接触させつつ水熱分解し、加圧熱水12中にリグニン成分及びヘミセルロース成分を移行し、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なる水熱分解装置13Aと、装置本体51の上端部側からバイオマス固形分14を加圧下から常圧下に抜出すバイオマス抜出装置60とを具備するものである。なお、図中、符号53は蒸気、54はドレン、55は加圧窒素を各々図示する。
一方、水熱分解装置13Aから排出された熱水排出液30中のヘミセルロース成分は、硫酸分解により5炭糖を含む第2の糖液に糖化させ、該糖液を基点として、各種有機原料(例えばアルコール類)を効率よく製造することができる。
前記常圧下から加圧下に供給するバイオマス供給装置40としては、例えばピストンポンプ又はスラリーポンプ等のポンプ手段を挙げることができる。
すなわち、スクリューフィーダー41aと油圧シリンダー41bとからなるスクリュー式押出機構41とすることで、内部に供給されたバイオマス原料11が圧縮され、バイオマスプラグ42を形成し、このバイオマスプラグ42自身で水熱分解装置13A内圧力を遮断するマテリアルシールを行うようにしている。スクリューフィーダー41aにより徐々に押されて、油圧シリンダー41bの先端部分から徐々にバイオマスが切り出され、装置本体51内部に確実にバイオマス原料11を供給することとなる。
この脱水液63は、加圧熱水可溶分(リグニン成分及びヘミセルロース成分)を含むものであるので、熱水排出液30に送られ、熱水排出液30と共に別途硫酸処理される。
さらに、対向接触させることで、熱回収ができシステム効率から好ましいものとなる。
図3は、本実施例に係るバイオマスの水熱分解装置を示す概略図である。
図3に示すように、本実施例に係るバイオマスの水熱分解装置13Bは、バイオマス原料(本実施例では、例えば麦わら等)11を常圧下から加圧下に供給するバイオマス供給装置80と、供給されたバイオマス原料11を、左右のいずれかの端部側(本実施例では左側)から水平型装置本体(以下「装置本体」という)70の内部を圧密状態で徐々に移動させると共に、前記バイオマス原料11の供給とは異なる端部側(本実施例では右側)から加圧熱水12を装置本体70内部に供給し、バイオマス原料11と加圧熱水12とを対向接触させつつ水熱分解し、加圧熱水12中にリグニン成分及びヘミセルロース成分を移行し、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なる装置本体70と、該装置本体70の加圧熱水12の供給部側からバイオマス固形分14を加圧下から常圧下に抜出すバイオマス抜出装置60とを具備するものである。
前記常圧下から加圧下に供給するバイオマス供給装置80としては、例えばピストンポンプ又はスラリーポンプ等のポンプ手段を挙げることができる。
また、水熱分解装置13Bの装置本体70の形状をテーパー状にして、すなわち装置本体70のバイオマス原料11の入口側に対して出口側の断面積を小さくして装置本体70内におけるバイオマス原料11の固体密度を向上させるようにしてもよい。
また、例えば回転撹拌手段のトルク管理、装置本体70内の静電容量管理、装置本体70内の超音波管理、装置本体70内の重量管理等により、装置本体70内の固液の重量比を状況に応じて適宜調整するようにすればよい。
ここで、供給するバイオマス原料11と加圧熱水12との重量比は、装置構成により適宜異なるが、例えば1:1〜1:10、より好ましくは1:1〜1:5とするのが好ましい。特に、本実施例では、バイオマス原料11と加圧熱水12との固体分と液体分とから構成され、プラグフローとしているので、圧密状態で装置本体70内部を移動するので、固液比を1:1〜1:5とすることが可能となる。
このように、装置本体70内に供給するバイオマス原料11と加圧熱水12との重量比を1:1〜1:10とすることにより、水熱分解装置での必要熱量の削減を図ることができる。
すなわち、ピストンポンプ81aを用いてピストンで押圧するので、装置本体70内部に確実にバイオマス原料11を供給することとなる。
さらに、ピストンポンプ81aを採用することにより、装置本体70内の密度(固液の重量比)調整が可能となる。すなわち、装置本体70内の加圧熱水の滞留時間を調整できる。
さらに、対向接触させることで、熱回収ができシステム効率から好ましいものとなる。
11 バイオマス原料
12 加圧熱水
13 水熱分解装置
14 バイオマス固形分
15 酵素
16 第1の糖液(6炭糖)
17 セルロース酵素糖化装置
18 第1のアルコール発酵装置
19 第1のアルコール発酵液
20 エタノール
21 第1の残渣
22 第1の精製装置
30 熱水排出液
31 硫酸
32 第2の糖液(5炭糖)
33 硫酸分解装置
34 第2のアルコール発酵装置
35 第2のアルコール発酵液
36 第2の残渣
37 第2の精製装置
Claims (6)
- バイオマス原料を加圧熱水と対向接触させつつ水熱分解し、加圧熱水中にリグニン成分及びヘミセルロース成分を移行し、バイオマス固体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なる水熱分解装置と、
前記水熱分解装置から排出されるバイオマス固形分中のセルロースを酵素処理して6炭糖を含む第1の糖液に酵素糖化する酵素糖化装置と、
酵素糖化装置で得られた第1の糖液を用いて、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第1の発酵装置と、
前記水熱分解装置から排出される熱水排出液中のヘミセルロース成分を硫酸分解して5炭糖を含む第2の糖液に分解する硫酸分解装置と、
硫酸分解装置で得られた第2の糖液を用いて、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第2の発酵装置とを具備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システム。 - 請求項1において、
前記水熱分解装置の反応温度が180〜240℃であ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システム。 - 請求項1又は2において、
前記硫酸分解装置の分解温度が100〜140℃であ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システム。 - バイオマス原料を加圧熱水と対向接触させつつ水熱分解し、加圧熱水中にリグニン成分及びヘミセルロース成分を移行し、バイオマス固体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なる水熱分解工程と、
前記水熱分解工程で排出されるバイオマス固形分中のセルロースを酵素処理して6炭糖を含む第1の糖液に酵素糖化する第1の酵素糖化工程と、
第1の酵素糖化工程で得られた第1の糖液を用いて、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第1の発酵工程と、
前記水熱分解工程で排出される熱水排出液中のヘミセルロース成分を硫酸分解して5炭糖を含む第2の糖液に分解する硫酸分解工程と、
硫酸分解工程で得られた第2の糖液を用いて、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第2の発酵工程とを含む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。 - 請求項4において、
前記水熱分解の反応温度が180〜240℃であ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。 - 請求項4又は5において、
前記硫酸分解温度が100〜140℃であ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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