JPWO2011087133A1 - バイオマス処理装置 - Google Patents

Abstract

このバイオマス処理装置（Ａ）は、バイオマスに加圧熱水を通水させて加水分解することで多糖類を生成する加圧熱水反応装置（１）と、固体酸触媒を用いて前記多糖類から単糖類を生成する固体酸触媒反応装置（２，３）とを具備し、更に、固体酸触媒反応装置から送出された前記単糖類を含む単糖液の熱で前記加圧熱水を加熱する第１の熱交換器（１ｂ，１ｂ’）と、加圧熱水反応装置から固体酸触媒反応装置に流入する前記多糖類を含む多糖液の熱で前記加圧熱水を加熱する第２の熱交換器（１ｃ）との少なくとも一方を具備する。このバイオマス処理装によれば、エネルギー効率を従来よりも向上させることができる。

Description

本発明は、バイオマス処理装置に関する。
本願は、２０１０年１月１８日に日本に出願された特願２０１０−８５５８号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

下記特許文献１には、バイオマスの効率的な糖化方法として、バイオマス原料を加圧熱水（２４０℃〜３４０℃）で加水分解することで多糖類（キシロオリゴ糖、セロオリゴ糖）を生成する加圧熱水反応装置と、その後段で前記多糖類を単糖化する固体酸触媒反応装置が提案されている。

特開２００９‐７７６９７号公報

ところで、上記従来技術では、２４０℃〜３４０℃に加熱した熱水をバイオマス原料に供給し続けなければならないので、加熱に多大なエネルギーが必要になる。また、バイオマス原料を加圧熱水反応装置で処理した後に、後段の固体酸触媒反応装置で単糖化しているが、後段の固体酸触媒反応において反応を促進するために常温より高い温度を保持しなければならない。そのため、固体酸触媒反応装置において多大なエネルギーが必要になっている。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたもので、バイオマスの糖化処理における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。

上記目的を達成するために、本発明に係るバイオマス処理装置は、バイオマスに加圧熱水を通水させて加水分解することで多糖類を生成する加圧熱水反応装置と、固体酸触媒を用いて前記多糖類から単糖類を生成する固体酸触媒反応装置とを具備するとともに、前記固体酸触媒反応装置から送出された前記単糖類を含む単糖液の熱で前記加圧熱水を加熱する第１の熱交換器と、前記加圧熱水反応装置から前記固体酸触媒反応装置に流入する前記多糖類を含む多糖液の熱で前記加圧熱水を加熱する前記第２の熱交換器との少なくとも一方を具備する。

また、上記バイオマス処理装置において、前記単糖液の温度が前記多糖液の温度より低い場合に、前記第１の熱交換器の次に第２の熱交換器で前記加圧熱水を加熱してもよい。

また、上記バイオマス処理装置において、複数の前記固体酸触媒反応装置を具備し、前記加圧熱水反応装置が多糖類の種類に応じて異なる前記固体酸触媒反応装置に多糖液を送出し、前記加圧熱水の基となる水を複数に分岐させて、それぞれの水を前記固体酸触媒反応装置毎に設けられた前記第１の熱交換器で加熱してもよい。

また、上記バイオマス処理装置において、前記加圧熱水を通水後の前記バイオマスを酵素にて加水分解する酵素反応器を具備してもよい。
この場合、前記バイオマス処理装置に前記酵素反応器から送出された液を加熱する第３の熱交換器を設け、第３の熱交換器で加熱された前記液を前記固体酸触媒反応装置に送出してもよい。
また、前記第３の熱交換器において、前記酵素反応器から送出された前記液を、前記固体酸触媒反応装置から送出された前記単糖液の熱で加熱してもよい。

本発明のバイオマス処理装置は、固体酸触媒反応装置から送出された単糖類を含む単糖液の熱で加圧熱水を加熱する第１の熱交換器と、加圧熱水反応装置から固体酸触媒反応装置に流入する多糖類を含む多糖液の熱で加圧熱水を加熱する第２の熱交換器との少なくとも一方を具備する。このように、単糖液と多糖液との少なくとも１つの熱を使って加圧熱水を加熱するので、加圧熱水の加熱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できる。

本発明の実施形態に係るバイオマス処理装置の一例を示す機能ブロック図である。 本発明の実施形態に係るバイオマス処理装置の変形例を示す機能ブロック図である。

以下、図面を参照して、本発明の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処理装置の概略構成を図１に示す。バイオマス処理装置Ａは、加圧熱水反応装置１、第１触媒反応装置２、第２触媒反応装置３から構成されている。
バイオマス処理装置Ａは、外部から供給された原料に所定温度（例えば１５０〜３００℃程度）かつ所定圧力以上（例えば飽和蒸気圧以上）の加圧熱水を所定時間通水させることで加水分解により多糖類を生成し、この多糖類から単糖類を生成する装置である。このようなバイオマス処理装置Ａは、例えば、バイオマス（化石資源を除く生物由来の資源）からバイオエタノールを製造するプラントにおいてアルコール発酵の原料となる単糖類の生成に用いられる。

本出願人は、特願２００９−２１９３６２（平成２１年９月２４日出願、発明の名称：バイオマス処理装置及び方法）として、加圧熱水反応装置（前段糖化装置）における熱水温度を調節することによりバイオマス（木質系バイオマス）に含まれる多糖類（炭水化物）からキシロオリゴ糖とセロオリゴ糖とを個別に取得し、キシロオリゴ糖を第１触媒反応装置（後段糖化装置）で処理することによりキシロース（Ｃ_５Ｈ_１０Ｏ_５：五炭糖）に単糖化すると共に、セロオリゴ糖を第２触媒反応装置（後段糖化装置）で処理することによりグルコース（Ｃ_６Ｈ_１２Ｏ_６：六炭糖）に単糖化し、さらにキシロースを第１発酵装置で発酵処理すると共に、グルコースを第２発酵装置で発酵処理することによりバイオエタノール（Ｃ_２Ｈ_６Ｏ）を製造するバイオマス処理装置及び方法を提案している。

周知のように、木質系バイオマスは、セルロース（多糖類）、ヘミセルロース（多糖類）及びリグニンを主成分とする。このような成分の木質系バイオマスに熱水を作用させることにより、セルロースやヘミセルロースをさらに重合度の低い多糖類（キシロオリゴ糖、セロオリゴ糖及びこれらより多少重合度が高い各種オリゴ糖）に分解することができる。

加圧熱水反応装置１は、例えば熱水流通式反応装置であり、加圧熱水を用い、ヘミセルロースの分解のための第１反応条件にて木質系バイオマスを加水分解することでキシロオリゴ糖を含む第１多糖液を生成した後に、セルロースの分解のための第２反応条件にて引き続き木質系バイオマスを加水分解することでセロオリゴ糖を含む第２多糖液を生成する。ここで、加圧熱水とは、亜臨界状態の熱水であって、液体状態を維持するために加圧された熱水を意味する。

具体的に、加圧熱水反応装置１は、ポンプ１ａ、第１の熱交換器１ｂ，１ｂ’、第２の熱交換器１ｃ、加熱器１ｄ、水量調整弁１ｅ、反応槽１ｆ、分岐器１ｇ及び制御装置１ｈから構成されている。
ポンプ１ａは、外部から供給される水を加圧して第１の熱交換器１ｂ，１ｂ’に分岐させて送出する。

第１の熱交換器１ｂは、ポンプ１ａから流入する加圧水を第１単糖液との熱交換で加熱し、加圧熱水として第２の熱交換器１ｃに送出する。なお、第１単糖液の詳細については、後述する。
第１の熱交換器１ｂ’は、ポンプ１ａから流入する加圧水を第２単糖液との熱交換で加熱し、加圧熱水として第２の熱交換器１ｃに送出する。なお、第２単糖液の詳細については、後述する。

第２の熱交換器１ｃは、第１の熱交換器１ｂ，１ｂ’から流入する加圧熱水を第１，第２多糖液との熱交換で加熱し、加圧熱水として加熱器１ｄに送出する。なお、第１，第２多糖液の詳細については、後述する。

加熱器１ｄは、制御装置１ｈから入力される温度制御信号に応じて、第２の熱交換器１ｃから流入する加圧熱水を木質系バイオマスの加水分解が可能な温度まで加熱し、この加圧熱水を水量調整弁１ｅに送出する。
水量調整弁１ｅは、制御装置１ｈから入力される流量制御信号に応じてその開度が調節される電子制御弁であり、加熱器１ｄから流入する加圧熱水を、その流量を調整した上で反応槽１ｆに送出する。

反応槽１ｆは、外部から供給される木質系バイオマスが内部空間に所定量充填される槽であって、水量調整弁１ｅから流入する加圧熱水が、木質系バイオマスを通水した後に後段の分岐器１ｇに流出するように構成されている。そして、反応槽１ｆ内を加圧熱水が連続的に通水することにより、木質系バイオマスが加水分解される。加圧熱水は、木質系バイオマスの加水分解によって生じた多糖類を含む多糖液として分岐器１ｇに流出する。

分岐器１ｇは、制御装置１ｈから入力される分岐制御信号に応じて、反応槽１ｆから流入する多糖液を、第１触媒反応装置２と第２触媒反応装置３とのいずれか一方に選択的に送出する。なお、反応槽１ｆから送出された多糖液は高温（１５０℃〜２７０℃）であるので、この多糖液を冷却した後に分岐器１ｇに流入させることが好ましい。

制御装置１ｈは、加熱器１ｄに温度制御信号を出力し、水量調整弁１ｅに流量制御信号を出力して、反応槽１ｆに供給すべき加圧熱水の温度及び流量（供給量）を制御することにより、ヘミセルロースの分解のための第１反応条件と、セルロースの分解のための第２反応条件とを選択的に切り替える機能を有している。ここで、第１反応条件は、木質系バイオマスに含まれるヘミセルロースを分解し、キシロオリゴ糖を主成分とする多糖類の生成条件であり、第２反応条件は、木質系バイオマスに含まれるセルロースを分解し、セロオリゴ糖を主成分とする多糖類の生成条件である。そして、第１反応条件及び第２反応条件として、加圧熱水の供給量Ｑ（ｍｌ）と木質系バイオマスの供給量Ｖ（ｇ）との比率Ｋ（＝Ｑ／Ｖ）と、加圧熱水の温度Ｔ（°Ｃ）との組み合わせが設定される。

制御装置１ｈは、反応槽１ｆ内において、まず第１反応条件にて木質系バイオマスの加水分解が生じるように加圧熱水の温度Ｔ及び供給量Ｑを制御し、その後、第２反応条件にて木質系バイオマスの加水分解が生じるように加圧熱水の温度Ｔ及び供給量Ｑを制御する。これにより、第１反応条件時に反応槽１ｆから流出する加圧熱水は、キシロオリゴ糖を主成分とする多糖液（第１多糖液）になり、第２反応条件時に反応槽１ｆから流出する加圧熱水は、セロオリゴ糖を主成分とする多糖液（第２多糖液）になる。
さらに、制御装置１ｈは、第１反応条件の使用時に反応槽１ｆから流出する加圧熱水（第１多糖液）が第１触媒反応装置２に送出されるよう分岐器１ｇを制御し、第２反応条件の使用時に反応槽１ｆから流出する加圧熱水（第２多糖液）が第２触媒反応装置３に送出されるよう分岐器１ｇを制御する。

第１触媒反応装置２は、第１反応条件時に上記の加圧熱水反応装置１（詳細には分岐器１ｇ）から流入する第１多糖液を、固体酸触媒を用いて加水分解することでキシロースを含む第１単糖液を生成する。また、第１触媒反応装置２は、第１混合装置２ａと第１固液分離装置２ｂとから構成されている。

第１混合装置２ａは、加圧熱水反応装置１から流入する第１多糖液と予め充填されている固体酸触媒とを撹拌・混合することで分解反応（つまり糖化反応）を促進させる。このような糖化反応により、第１多糖液に含まれるキシロオリゴ糖が分解されて単糖類であるキシロースが生成される。このように生成されたキシロースを含む第１単糖液と固体酸触媒とを含む第１混合液が第１混合装置２ａから第１固液分離装置２ｂに流出する。

第１固液分離装置２ｂは、上記の第１混合装置２ａから流入する第１混合液を固液分離することでキシロースを含む第１単糖液と固体酸触媒とを分離し、固体酸触媒を回収して上記の第１混合装置２ａに供給する（再利用する）一方、キシロースを含む第１単糖液を第１発酵装置に送出する。このような第１固液分離装置２ｂとしては沈殿槽を用いることができる。つまり、沈殿槽に供給された第１混合液の内、固体である固体酸触媒は槽底部に沈殿し、上澄み液がキシロースを含む第１単糖液として得られる。なお、第１発酵装置は、第１単糖液をアルコール発酵させることでエタノールを生成する。

第２触媒反応装置３は、第２反応条件時に上記の加圧熱水反応装置１（詳細には分岐器１ｇ）から流入する第２多糖液を、固体酸触媒を用いて加水分解することでグルコースを含む第２単糖液を生成する。また、第２触媒反応装置３は、第２混合装置３ａと第２固液分離装置３ｂとから構成されている。

第２混合装置３ａは、加圧熱水反応装置１から流入する第２多糖液と予め充填されている固体酸触媒とを撹拌・混合することで両者を接触させて加水分解反応（つまり糖化反応）を促進させる。このような糖化反応により、第２多糖液に含まれるセロオリゴ糖が分解されて単糖類であるグルコースが生成される。このように生成されたグルコースを含む第２単糖液と固体酸触媒とを含む第２混合液が第２混合装置３ａから第２固液分離装置３ｂに流出する。

第２固液分離装置３ｂは、上記の第２混合装置３ａから流入する第２混合液を固液分離することでグルコースを含む第２単糖液と固体酸触媒とを分離し、固体酸触媒を回収して上記の第２混合装置３ａに供給する（再利用する）一方、グルコースを含む第２単糖液を第２発酵装置に送出する。このような第２固液分離装置３ｂとしては第１固液分離装置２ｂと同様に、沈殿槽を用いることができる。つまり、沈殿槽に供給された第２混合液の内、固体である固体酸触媒は槽底部に沈殿し、上澄み液がグルコースを含む第２単糖液として得られる。なお、第２発酵装置は、第２単糖液をアルコール発酵させることでエタノールを生成する。

次に、上記のように構成されたバイオマス処理装置Ａにおける加圧熱水の加熱方法について説明する。
まず、ポンプ１ａから送出された加圧水の半分が第１の熱交換器１ｂに供給され、残りの半分が第１の熱交換器１ｂ’に供給される。そして、第１の熱交換器１ｂ，１ｂ’のそれぞれにおいて、第１単糖液または第２単糖液との熱交換により、加圧水が加熱される。その後、第１の熱交換器１ｂ，１ｂから送出された加圧熱水は合流し、第２の熱交換器１ｃに流入する。そして、加圧熱水は、第２の熱交換器１ｃにおいて第１多糖液または第２多糖液との熱交換により、さらに加熱される。なお、第１多糖液及び第２多糖液と、第１単糖液及び第２単糖液とでは、第１多糖液及び第２多糖液の方が高温である。その後、加圧熱水は、加熱器１ｄに送出され、加熱器１ｄにおいて加熱される。この際、制御装置１ｈは、木質系バイオマスの加水分解が可能になる温度まで加圧熱水を必要最小限のエネルギーで加熱器１ｄに加熱させる。

以上のように、本実施形態では、まず、第１の熱交換器１ｂにおける第１単糖液との熱交換と、第１の熱交換器１ｂ’における第２単糖液との熱交換とにより加圧水を加熱する。そして、第１の熱交換器１ｂ，１ｂ’から送出された加圧熱水は、第２の熱交換器１ｃにおいて第１多糖液または第２多糖液との熱交換でさらに加熱される。その後、この加圧熱水は、加熱器１ｄにおいて木質系バイオマスの加水分解が可能になる温度まで必要最小限のエネルギーで加熱される。このように、本実施形態では、第１の熱交換器１ｂ，１ｂ’及び第２の熱交換器１ｃにおいて熱交換により加圧熱水を加熱するので、加熱器１ｄにおいて少ないエネルギーで加圧熱水を木質系バイオマスの加水分解が可能になる温度まで加熱することができる。つまり、本実施形態では、第１単糖液、第２単糖液、第１多糖液及び第２多糖液の熱を利用して加圧熱水を予熱するので、加圧熱水の加熱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できる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されることなく、例えば以下のような変形が考えられる。
図２は、本発明の実施形態の変形例を示している。
第２反応条件での反応後の反応槽１ｆ内には、セルロースを含む固形物が残存している。この変形例では、第２反応条件での反応後、反応槽１ｆ内に残存したセルロースを含む固形物を加圧熱水とともに酵素反応器４に移し、酵素反応器４にて、酵素（セルラーゼ）により加水分解し、セロオリゴ糖を主成分とする多糖液とする。図２では、反応槽１ｆから第２触媒反応装置３に至る流路５を設け、この流路５内に酵素反応器４を設置している。この場合、上述の通り反応槽１ｆから送出された加圧熱水は高温（１５０℃〜２７０℃）であるので、酵素反応器４への流入に際しては、加圧熱水を予め大気圧まで減圧し、かつ酵素反応に至適な温度（５０℃以下）に冷却する必要がある。

一方、第２触媒反応装置３における多糖液の加水分解の至適温度は約１００℃である。従って、酵素反応器４におけるセルロースの分解により得られた多糖液を第２触媒反応装置３に流入させる際には、多糖液の温度を予め１００℃前後まで上昇させておくことが好ましい。
そこで、本変形例では、酵素反応器４から第２触媒反応装置３に至る流路５に第３の熱交換器６を設け、第３の熱交換器６にて、第２触媒反応装置３から排出される第２単糖液と熱交換を行なうことにより、酵素反応器４から第２触媒反応装置３に至る多糖液を加熱している。

なお、第３の熱交換器６における上記多糖液の加熱は、反応槽１ｆから送出された加圧熱水との熱交換で行ってもよい。また、図２にて第３の熱交換器６における熱交換に使用される第２単糖液には、第２触媒反応装置３から第１熱交換器１ｂ’に至る単糖液が使用されている。しかしながら、第１熱交換器１ｂ’から第２発酵装置に至る単糖液を使用してもよい。

更に、本発明においては、例えば以下のような変形も考えられる。
上記実施形態では、加圧水の半分ずつを第１の熱交換器１ｂ，１ｂ’それぞれに加熱させ、その後に合流した加圧熱水を第２の熱交換器１ｃで加熱したが、本発明はこれに限定されない。
例えば、第１の熱交換器１ｂ及び第１の熱交換器１ｂ’のいずれか一方を備え、その第１の熱交換器１ｂまたは第１の熱交換器１ｂ’が加圧水を加熱してもよい。また、第１の熱交換器１ｂ，１ｂ’と第２の熱交換器１ｃとのいずれか一方のみを備えてもよい。すなわち、上記実施形態は３つの熱交換器を備えたが、本発明は３つの熱交換器の内の少なくとも１つを備えていればよい。

以上説明した通り、本発明によれば、バイオマスの糖化処理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となる。

Ａ…バイオマス処理装置、１…加圧熱水反応装置、２…第１触媒反応装置、３…第２触媒反応装置、１ａ…ポンプ、１ｂ，１ｂ’…第１の熱交換器、１ｃ…第２の熱交換器、１ｄ…加熱器、１ｅ…水量調整弁、１ｆ…反応槽、１ｇ…分岐器、１ｈ…制御装置、２ａ…第１混合装置、２ｂ…第１固液分離装置、３ａ…第２混合装置、３ｂ…第２固液分離装置、４…酵素反応器、６…第３の熱交換器

Claims (6)

1. バイオマスに加圧熱水を通水させて加水分解することで多糖類を生成する加圧熱水反応装置と、固体酸触媒を用いて前記多糖類から単糖類を生成する固体酸触媒反応装置とを具備するバイオマス処理装置であって、
   前記固体酸触媒反応装置から送出された前記単糖類を含む単糖液の熱で前記加圧熱水を加熱する第１の熱交換器と、前記加圧熱水反応装置から前記固体酸触媒反応装置に流入する前記多糖類を含む多糖液の熱で前記加圧熱水を加熱する前記第２の熱交換器との少なくとも一方を具備するバイオマス処理装置。
2. 前記単糖液の温度が前記多糖液の温度より低い場合に、前記第１の熱交換器の次に第２の熱交換器で前記加圧熱水を加熱する請求項１に記載のバイオマス処理装置。
3. 複数の前記固体酸触媒反応装置を具備し、前記加圧熱水反応装置が多糖類の種類に応じて異なる前記固体酸触媒反応装置に多糖液を送出し、
   前記加圧熱水の基となる水を複数に分岐させて、それぞれの水を前記固体酸触媒反応装置毎に設けられた前記第１の熱交換器で加熱する請求項１に記載のバイオマス処理装置。
4. 前記加圧熱水を通水後の前記バイオマスを酵素にて加水分解する酵素反応器を具備する請求項１に記載のバイオマス処理装置。
5. 前記酵素反応器から送出された液を加熱する第３の熱交換器を具備し、第３の熱交換器で加熱された前記液が前記固体酸触媒反応装置に送出される請求項４に記載のバイオマス処理装置。
6. 前記第３の熱交換器において、前記酵素反応器から送出された前記液を、前記固体酸触媒反応装置から送出された前記単糖液の熱で加熱する請求項５に記載のバイオマス処理装置。

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