JPWO2013145236A1 - バイオマスの処理システム、バイオマス原料を用いた糖液生産方法、アルコール製造方法 - Google Patents
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Abstract
気液界面を有する処理槽により、セルロース、ヘミセルロース及びリグニンを有するバイオマス原料を高温・高圧条件下で分解処理してリグニン成分及びヘミセルロース成分を除去する水熱分解処理部１７と、前記水熱分解処理部１７で処理された熱水不可溶分であるバイオマス固形分２０を抜出するバイオマス固形分抜出部１８と、前記バイオマス固形分抜出部１８と連通すると共に、抜き出したバイオマス固形分２０をスラリー化するスラリー化槽２１と、前記水熱分解処理部１７から排出されるバイオマス熱水可溶分を含む熱水排出液１６を、前記スラリー化槽２１へ導入する熱水排出液導入ラインＬ2とを有する。
Description
本発明は、バイオマス原料を効率よく分解することができるバイオマスの処理システム、バイオマス原料を用いた糖液生産方法及びアルコール製造方法に関する。
従来、希硫酸、濃硫酸による木材等のバイオマスの糖化処理後、固液分離し、液相を中和処理し、エタノール発酵等の原料として利用するエタノール等の製造技術が実用化されている（特許文献１、特許文献２）。
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、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）。
ここで、現在アルコール原料として用いられているサトウキビ、トウモロコシ等は本来食用に供されるものであるが、これらの食用資源を長期的、安定的に工業用利用資源とすることは、有効食料品のライフサイクルの観点から、好ましくない。
このため、将来的に有用な資源と考えられる草本系バイオマスや木質系バイオマスのようなセルロース系資源を有効活用するのは、重要な課題である。
また、セルロース系資源では、セルロースは３８〜５０％、ヘミセルロース成分が２３〜３２％と様々で、発酵原料にならないリグニン成分も１５〜２２％とそれぞれ異なっている。多くの課題を抱えたままの工業化研究のため、原料は固定的に想定されており、原料の汎用性を考慮した生産システムの技術の開示は未だないのが現状である。
さらに、元来、澱粉原料に較べて発酵原料に不利な原料で、ごみ問題、地球温暖化防止対応などを目標に考えるのであるから、原料を固定的に考えた生産システムでは意味が薄れる。広く一般の廃棄物に適用できなければならない。酵素糖化法そのものも、効率が悪すぎて、将来課題とされているのが現状である。酸処理による糖化率も、過剰反応による糖の過分解などで、およそ７５％（糖化可能成分基準）前後とかなり小さい値となっている。従って、セルロース系資源に対して、エタノール生産収率はおよそ２５％に止まっている（特許文献３）。
なお、特許文献１乃至３の従来の技術では、副反応生成物が酵素糖化阻害を引起し糖収率が減少する現象が起きていたので、酵素糖化阻害物質を除去し、セルロース主体による酵素糖化性を高める水熱分解装置の提案を先にした（特許文献４乃至７）。
前述した特許文献６における水熱分解装置の提案では、スラリー化槽１でスラリー化する場合には、外部から水を供給するので、プラント全体における水使用量が嵩み、プラントの経済性が悪化するという、問題がある。
前述した特許文献７における水熱分解装置の提案では、スラリー化槽でスラリー化したスラリー状バイオマス固形分と、熱水排出液とを別々のラインで糖化するので、ラインが２系統必要となり、プラント設備が大掛かりとなると共に、経済性が悪化するという、問題がある。
本発明は、前記課題に鑑み、プラント効率の向上したバイオマスの処理システム、バイオマス原料を用いた糖液生産方法及びアルコール製造方法を提供する。
上述した課題を解決するための本発明の第１の発明は、気液界面を有する処理槽により、セルロース、ヘミセルロース及びリグニンを有するバイオマス原料を高温・高圧条件下で分解処理してリグニン成分及びヘミセルロース成分を除去する水熱分解処理部と、前記水熱分解処理部で処理された熱水不可溶分である前記バイオマス固形分を抜出するバイオマス固形分抜出部と、前記バイオマス固形分抜出部と連通すると共に、抜き出したバイオマス固形分をスラリー化するスラリー化槽と、前記水熱分解処理部から排出されるバイオマス熱水可溶分を含む熱水排出液を、前記スラリー化槽へ導入する排出液導入ラインとを有してなり、前記バイオマス固形分を排出液で混合して混合物スラリーとすることを特徴とするバイオマスの処理システムにある。
第２の発明は、第１の発明において、前記排出液導入ラインに、フィルタを介装してなることを特徴とするバイオマスの処理システムにある。
第３の発明は、第１又は２の発明において、前記排出液導入ラインに、冷却手段を介装することを特徴とするバイオマスの処理システムにある。
第４の発明は、第１乃至３のいずれか一つの発明において、前記スラリー化槽でスラリー化した混合物スラリーを糖化する糖化槽を有することを特徴とするバイオマスの処理システムにある。
第５の発明は、第４の発明において、前記糖化槽で糖化した後の糖液から、固体分を分離する固液分離装置と、固体分離後の糖液から、水を除去する水分分離装置とを有することを特徴とするバイオマスの処理システムにある。
第６の発明は、第５の発明において、前記水分分離装置から分離した水を、前記スラリー化槽に戻す水戻しラインを有することを特徴とするバイオマスの処理システムにある。
第７の発明は、第６の発明において、前記水戻しラインに生物処理装置を有することを特徴とするバイオマスの処理システムにある。
第８の発明は、セルロース、ヘミセルロース及びリグニンを有するバイオマス原料を常圧下から加圧下に供給し、前記バイオマス原料を高温・高圧条件下で水熱分解処理部により水熱分解処理し、その後、前記バイオマス処理部から抜出したバイオマス固形分を、内部に水が注入され、前記バイオマス処理部と連通するスラリー化槽に投入し、スラリー状バイオマス固形分とし、前記スラリー状バイオマス固形分を酵素糖化して糖液を得た後、固形分を分離し、次いで水を除去するバイオマス原料を用いた糖液生産方法であって、前記スラリー化槽に、前記水熱分解処理部から排出されるバイオマス熱水可溶分を含む熱水排出液を投入しつつスラリー化して混合物スラリーとすることを特徴とするバイオマス原料を用いた糖液生産方法にある。
第９の発明は、第８の発明において、前記水熱分解処理部から排出される排出液中の不純物を除去することを特徴とするバイオマス原料を用いた糖液生産方法にある。
第１０の発明は、第８乃至９のいずれか一つのバイオマス原料を用いた糖液生産方法により得られた糖液を用いてアルコール発酵を行い、アルコールを製造することを特徴とするアルコール製造方法にある。
本発明によれば、スラリー化処理する際の水の導入量を大幅に低減するので、プラント効率の向上を図ることができる。
以下に添付図面を参照して、本発明に係るバイオマスの処理システムの好適な実施例を詳細に説明する。なお、この実施例により本発明が限定されるものではなく、また、実施例が複数ある場合には、各実施例を組み合わせて構成するものも含むものである。
本発明に係るバイオマスの処理システムについて、図面を参照して説明する。
図１は、実施例１に係るバイオマスの処理システムの概略図である。
図１に示すように、本実施例に係るバイオマスの処理システム１０Ａは、気液界面１３ａを有する処理槽である装置本体１３において、バイオマス原料１１からセルロース、ヘミセルロース及びリグニンを高温・高圧条件下で分解処理してリグニン成分及びヘミセルロース成分を除去するバイオマス処理部である水熱分解処理部１７と、前記水熱分解処理部１７で処理された熱水不可溶分であるバイオマス固形分２０を抜出するバイオマス固形分抜出部１８と、前記バイオマス固形分抜出部１８と連通すると共に、抜き出したバイオマス固形分２０を投入してバイオマス固形分をスラリー化するスラリー化槽２１と、前記スラリー状バイオマス固形分を加圧下から常圧下へ排出する排出部２３と、前記水熱分解処理部１７から排出されるバイオマス熱水可溶分を含む熱水排出液１６を、前記スラリー化槽２１へ導入する熱水排出液導入ラインＬ2とを有するものである。
図１は、実施例１に係るバイオマスの処理システムの概略図である。
図１に示すように、本実施例に係るバイオマスの処理システム１０Ａは、気液界面１３ａを有する処理槽である装置本体１３において、バイオマス原料１１からセルロース、ヘミセルロース及びリグニンを高温・高圧条件下で分解処理してリグニン成分及びヘミセルロース成分を除去するバイオマス処理部である水熱分解処理部１７と、前記水熱分解処理部１７で処理された熱水不可溶分であるバイオマス固形分２０を抜出するバイオマス固形分抜出部１８と、前記バイオマス固形分抜出部１８と連通すると共に、抜き出したバイオマス固形分２０を投入してバイオマス固形分をスラリー化するスラリー化槽２１と、前記スラリー状バイオマス固形分を加圧下から常圧下へ排出する排出部２３と、前記水熱分解処理部１７から排出されるバイオマス熱水可溶分を含む熱水排出液１６を、前記スラリー化槽２１へ導入する熱水排出液導入ラインＬ2とを有するものである。
前記水熱分解処理部１７には、セルロース、ヘミセルロース及びリグニンを有するバイオマス原料１１を常圧下から加圧下に供給するバイオマス供給部１２を有している。
そして、水熱分解処理部１７では、供給されたバイオマス原料１１は、下方から装置本体１３の内部にて、搬送手段である第１のスクリュー手段１４により上方へ搬送すると共に、前記バイオマス原料１１の供給箇所と異なる上方の側から加圧熱水（以下、「熱水」ともいう）１５を装置本体１３の内部に供給し、前記バイオマス原料１１と加圧熱水１５とを対向接触させつつ水熱分解し、排出する加圧熱水である熱水排出液１６中に熱水溶解成分（リグニン成分及びヘミセルロース成分等の可溶分）を移行し、前記バイオマス原料１１中からリグニン成分及びヘミセルロース成分等を分離している。
ここで、搬送手段としては、本実施例ではスクリュー手段を例示しているが、バイオマス固形分を下方から上方に搬送することができるものであれば、スクリュー手段に限定されるものではない。
そして、水熱分解処理部１７では、供給されたバイオマス原料１１は、下方から装置本体１３の内部にて、搬送手段である第１のスクリュー手段１４により上方へ搬送すると共に、前記バイオマス原料１１の供給箇所と異なる上方の側から加圧熱水（以下、「熱水」ともいう）１５を装置本体１３の内部に供給し、前記バイオマス原料１１と加圧熱水１５とを対向接触させつつ水熱分解し、排出する加圧熱水である熱水排出液１６中に熱水溶解成分（リグニン成分及びヘミセルロース成分等の可溶分）を移行し、前記バイオマス原料１１中からリグニン成分及びヘミセルロース成分等を分離している。
ここで、搬送手段としては、本実施例ではスクリュー手段を例示しているが、バイオマス固形分を下方から上方に搬送することができるものであれば、スクリュー手段に限定されるものではない。
前記スラリー化槽２１に、バイオマス熱水可溶分を含む排出液１６を導入することで、スラリー化槽２１で必要とする外部から投入する水１９を不要とすることができる。
なお、スラリー化の際に水が必要な場合には、図２に示すように、外部から水１９を、最低必要量導入するようにしてもよい。
バイオマス固形分２０が含有する水分中に含まれるヘミセルロースの過分解（分解開始温度約１４０℃〜１８０℃）を抑制するためにはスラリー化槽２１の液温を１４０℃以下に冷却するよう、バイオマス固形分２０の温度やスラリー化槽２１の容量に応じて導入する排出液１６の温度を必要に応じて図示しない冷却手段により冷却し、適宜設定するようにすればよい。
本実施例では、６炭糖原料となる熱水不可溶分であるバイオマス固形分２０を、５炭糖原料となるバイオマス熱水可溶分を含む排出液１６中に落下させて混合物スラリー２４としている。これにより、糖化工程を単一のラインで行うことができる。
ここで、図１中、符号１８ａはバイオマス固形分抜出部１８とスラリー化槽２１とを連通する通路、２２はスラリー化槽２１内部を攪拌する撹拌手段、１３ａは装置本体１３の気液界面、２１ａはスラリー化槽２１の気液界面、Ｌ1は混合物スラリー２４の抜出しライン、Ｍ1は第１のスクリュー手段１４を駆動するモータ、Ｍ2は撹拌手段２２を駆動するモータを各々図示する。
ここで、図１中、符号１８ａはバイオマス固形分抜出部１８とスラリー化槽２１とを連通する通路、２２はスラリー化槽２１内部を攪拌する撹拌手段、１３ａは装置本体１３の気液界面、２１ａはスラリー化槽２１の気液界面、Ｌ1は混合物スラリー２４の抜出しライン、Ｍ1は第１のスクリュー手段１４を駆動するモータ、Ｍ2は撹拌手段２２を駆動するモータを各々図示する。
図１において、バイオマス固形分抜出部１８には、図示しない第２のスクリュー手段が設けられ、第１のスクリュー手段１４により下方から上方に搬送された熱水不可溶分であるバイオマス固形分２０をスラリー化槽２１側へ抜出している。そして、抜出されたバイオマス固形分２０は通路１８ａから熱水排出液１６中に順次落下し、スラリー化槽２１内に設けた攪拌手段２２の攪拌により、スラリー化され、混合物スラリー２４となる。
また、スラリー化槽２１内の液体中に落下されたバイオマス固形分２０が液体との直接熱交換により冷却され、この結果、バイオマス固形分２０に同伴した熱水による残留ヘミセルロース、残留リグニン及び主成分セルロースの過分解が抑制される。
これは、水熱分解処理部１７の気液界面１３ａの上方側のガス雰囲気内では、第１のスクリュー手段１４によりバイオマス固形分２０が熱水液面（気液界面１３ａ）より上に露出される。しかしながら、バイオマス固形分２０に同伴する加圧熱水１５の存在により、高温・高圧状態で未だ反応が進行しているので、バイオマス固形分２０をスラリー化槽２１内の液体中に投入することで、反応停止させることができる。
よって、この反応停止によって、残留ヘミセルロース、残留リグニン及び主成分セルロースの過分解が抑制されることとなり、セルロース分の過分解が抑制されその回収率が向上すると共に、後流側における反応阻害成分の生成が抑制される。
また、スラリー化槽２１内において、スラリー状の液体が存在するため、水熱分解処理部１７の気液界面１３ａと、スラリー化槽２１の気液界面２１ａとにおいて、液封止がなされることとなり、これにより加圧用気体である加圧窒素２５のリークが防止される。これにより、ガスリークに伴うロスがなくなり、加圧用気体にかかるランニングコストの大幅な削減を図ることができる。なお、スラリー化槽２１には図示しない安全弁や加圧窒素２５の流入通路が形成されている。
また、バイオマス固形分２０を、バイオマス熱水可溶分を含む排出液１６でスラリー化させることにより、流動化が可能となり、スラリー化槽２１から外部へ排出する際の排出機構が簡易となる。すなわち、バイオマス固形分２０が高温状態のままであると、排出機構の材質も例えば高価な材料を使用する必要があるが、スラリー化槽２１で冷却するので、その排出側に設ける排出部２３の材質を安価なステンレスや樹脂等を使用することができる。この排出部２３としては、例えばロータリーフィーダ、流量調整弁等を用いることができる。
また、バイオマス固形分２０は空隙率が大きく、かさ密度が小さいので、固体のままでの取扱い性が煩雑であったが、スラリー化により減容化を図ることができることとなり、取り扱い性も容易となる。
すなわち、液体に添加する前では、バイオマス固形分２０は、いわゆるケーキ状であり、加圧用気体のしめる割合が多く空隙率が大きく、かさ密度が０．５ｇ／ｃｃ以下と小さいものであった。これがスラリー化することで、空隙率が減少し、減容化を図ることとなる。
すなわち、液体に添加する前では、バイオマス固形分２０は、いわゆるケーキ状であり、加圧用気体のしめる割合が多く空隙率が大きく、かさ密度が０．５ｇ／ｃｃ以下と小さいものであった。これがスラリー化することで、空隙率が減少し、減容化を図ることとなる。
さらに、バイオマス固形分２０をバイオマス熱水可溶分を含む排出液１６でスラリー化させることにより、流動化が可能となると共に、その後の糖化工程での取り扱いが容易となる。
特に、糖化処理等においては、酵素反応であるので、所定の温度以下（例えば６０℃以下）に冷却する必要がある。この際、バイオマス固形分２０の状態での冷却はその熱交換効率が良好でないので、大がかりな熱交換手段を必要とするが、スラリー化させることにより、冷却効率が良好となり、大がかりな熱交換手段が不要となる。
特に、糖化処理等においては、酵素反応であるので、所定の温度以下（例えば６０℃以下）に冷却する必要がある。この際、バイオマス固形分２０の状態での冷却はその熱交換効率が良好でないので、大がかりな熱交換手段を必要とするが、スラリー化させることにより、冷却効率が良好となり、大がかりな熱交換手段が不要となる。
また、スラリー化槽２１内を冷却するための間接冷却手段を設けるようにすることもできる。
また、スラリー化槽２１は攪拌手段２２を設けているが、本発明はこれに限定されず、例えばポンプによる循環手段等で攪拌させるようにしてもよい。
また、スラリー化槽２１は攪拌手段２２を設けているが、本発明はこれに限定されず、例えばポンプによる循環手段等で攪拌させるようにしてもよい。
ここで、前記水熱分解処理部１７に供給するバイオマスとしては、特に限定されるものではなく、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）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。
また、前記バイオマス原料１１としては、粒径は特に限定されるものではないが、５ｍｍ以下に粉砕することが好ましい。
本実施例では、バイオマスの供給前において、前処理装置として、例えば粉砕装置を用いて前処理するようにしてもよい。また、洗浄装置により洗浄するようにしてもよい。
なお、バイオマス原料１１として、例えば籾殻等の場合には、粉砕処理することなく、そのままバイオマス供給部１２に供給することができるものとなる。
本実施例では、バイオマスの供給前において、前処理装置として、例えば粉砕装置を用いて前処理するようにしてもよい。また、洗浄装置により洗浄するようにしてもよい。
なお、バイオマス原料１１として、例えば籾殻等の場合には、粉砕処理することなく、そのままバイオマス供給部１２に供給することができるものとなる。
また、水熱分解処理部１７における、反応温度は１８０〜２４０℃の範囲とするのが好ましい。さらに好ましくは２００〜２３０℃とするのがよい。
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の移行を増大させると共に、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。
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の移行を増大させると共に、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。
反応圧力は、装置本体１３の反応温度（１８０〜２４０℃）の各温度の水の飽和蒸気圧に、更に０．１〜０．５ＭＰａだけ高い圧力を加えることとするのが好ましい。
また、反応時間は２０分以下、３分〜１０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。
また、反応時間は２０分以下、３分〜１０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。
前記常圧下から加圧下に供給するバイオマス供給部１２としては、例えば、スクリュー、ピストンポンプ又はスラリーポンプ等の手段を挙げることができる。
また、水熱分解装置は、本実施例では、垂直型の装置としているが、本発明はこれに限定されるものではなく、気液界面１３ａを有する傾斜型の水熱分解装置としてもよい。
ここで、水熱分解装置を傾斜型又は垂直型とするのは、水熱分解反応において発生したガスや原料中に持ち込まれたガス等が上方から速やかに抜けることができ好ましいからである。また、加圧熱水１５で分解生成物を抽出するので、抽出効率の点において上方から下方に向かって抽出物の濃度が高まることとなり、好ましいものとなる。
次に、混合物スラリー２４を用いて、酵素糖化し、糖を濃縮する糖化・糖濃縮装置５０について、図３を用いて説明する。
図３に示すように、この糖化・糖濃縮装置５０は、前記混合物スラリー２４を酵素５１により酵素糖化する糖化槽５２、糖化後の糖液５３から、固体分を分離する固液分離装置５４と、固液分離装置５４で分離した糖液５３から水５７を除去して、濃縮糖液５５を得る逆浸透（Ｒｅｖｅｒｓｅ Ｏｓｍｏｓｉｓ：ＲＯ）膜５６ａを備えた水分分離装置５６とを有するものである。
前記固液分離装置５４は、例えばスクリューデカンタ、砂濾過装置、ＭＦ膜等を単独又は組合せて用いることができ、これにより固形物を除去してＲＯ膜５６ａの保護を図るようにしている。さらに、ＲＯ膜５６ａの前段側において、限外濾過膜（Ｕｌｔｒａｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ Ｍｅｍｂｒａｎｅ：ＵＦ膜）を用いることで、ＲＯ膜の保護を図ると共に酵素の回収が可能となり、酵素を再利用することができる。
また、水分分離装置５６には、ルーズＲＯ膜、ナノ濾過膜（Ｎａｎｏｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ Ｍｅｍｂｒａｎｅ：ＮＦ膜）等を用いてもよい。
次に、この糖化・糖濃縮装置５０の処理工程の手順について説明する。
混合物スラリー２４は、６炭糖原料となる熱水不可溶分であるバイオマス固形分２０と、５炭糖原料となるバイオマス熱水可溶分を含む排出液１６との混合物であるので、Ｃ６糖化と、Ｃ５糖化とが同一ラインで進行することとなる。
混合物スラリー２４は、６炭糖原料となる熱水不可溶分であるバイオマス固形分２０と、５炭糖原料となるバイオマス熱水可溶分を含む排出液１６との混合物であるので、Ｃ６糖化と、Ｃ５糖化とが同一ラインで進行することとなる。
＜酵素糖化工程＞
先ず、前記糖化槽５２において、混合液スラリー２４が抜出しラインＬ1を介して導入され、酵素５１が添加され、酵素糖化工程における酵素反応による糖化がなされる。
先ず、前記糖化槽５２において、混合液スラリー２４が抜出しラインＬ1を介して導入され、酵素５１が添加され、酵素糖化工程における酵素反応による糖化がなされる。
＜固液分離工程＞
次に、糖液５３は第１の糖液タンク６１に貯留され、その後、固液分離装置５４によりリグニン等の固形残液６２が分離され、その後糖液５３は第２の糖液タンク６３に貯留される。図中、符号Ｌ3及びＬ4は糖液５３を供給する糖液供給ラインを図示する。
次に、糖液５３は第１の糖液タンク６１に貯留され、その後、固液分離装置５４によりリグニン等の固形残液６２が分離され、その後糖液５３は第２の糖液タンク６３に貯留される。図中、符号Ｌ3及びＬ4は糖液５３を供給する糖液供給ラインを図示する。
＜糖濃縮工程＞
次に、糖液５３は、ＲＯ膜５６ａを備えた水分分離装置５６により水５７が除去され、濃縮糖液５５を得る。
この濃縮糖液５５は図示しない後工程の発酵処理において、各種有機原料となる。
次に、糖液５３は、ＲＯ膜５６ａを備えた水分分離装置５６により水５７が除去され、濃縮糖液５５を得る。
この濃縮糖液５５は図示しない後工程の発酵処理において、各種有機原料となる。
本実施例では、混合物スラリー２４を用いて糖化しているので、低基質濃度での糖化となり、高速糖化が可能となる。
また、スラリー状であるため、撹拌・移送などを操作性よく行うことができる。
また、低基質濃度での糖化となるので、酵素使用量の削減を図ることができる。
また、各種膜を用いた膜処理により、糖の濃縮を効率よく行うことができる。
また、分離したリグニン等固形残液６２は、高カロリであるので、燃料用に用いることができる。また、リグニン等固形残液６２は、有機肥料利用や化学原料利用（リグニンの接着剤としての利用等）に用いることができる。
また、スラリー状であるため、撹拌・移送などを操作性よく行うことができる。
また、低基質濃度での糖化となるので、酵素使用量の削減を図ることができる。
また、各種膜を用いた膜処理により、糖の濃縮を効率よく行うことができる。
また、分離したリグニン等固形残液６２は、高カロリであるので、燃料用に用いることができる。また、リグニン等固形残液６２は、有機肥料利用や化学原料利用（リグニンの接着剤としての利用等）に用いることができる。
このように、本発明のバイオマス原料を用いた糖液生産方法は、図２に示すように、セルロース、ヘミセルロース及びリグニンを有するバイオマス原料１１を常圧下から加圧下に供給し、前記バイオマス原料１１を加圧熱水１５により水熱分解処理部１７により水熱分解し、前記加圧熱水１５中にリグニン成分及びヘミセルロース成分を溶解させ、その後、前記水熱分解処理部１７から抜出したバイオマス固形分２０を、前記水熱分解処理部１７と連通すると共に、排出液１６が導入されたスラリー化槽２１に投入し、混合物スラリー２４とし、この混合物スラリー２４を酵素糖化して糖液５３を得た後、固形分を分離し、次いで水を除去することによりバイオマス原料から糖液を効率よく生産することができる。
本実施例では、スラリー化の際、排出液１６を用いて、外部からの水の導入を無くすことができるので、糖化濃度を例えば１．５ｗｔ％から８ｗｔ％まで上げることができる。この結果、後流側において設置する糖液濃縮装置が不要又は糖液濃縮装置のコンパクト化を図ることができる。
以上のように、本実施例によれば、バイオマス原料からセルロース主体の成分とヘミセルロース成分を固液接触状態で分解処理した後、その分解物であるバイオマス固形分をスラリー化槽２１の内部に注入した液体中に、投入することで、スラリー化させると共に、液体シールがなされ、加圧気体の流出を防止することができる。これにより加圧用気体（例えば加圧窒素等）の流出が防止され、ランニングコストの大幅な削減を図ることができる。
以上、本実施例によれば、スラリー化の際に、外部からの水を供給することなく、熱水排出液を用いることにより、プラント全体での水の消費量の大幅な低減が可能となり、コストダウンを図ることができる。
また、６炭糖原料となるスラリー状バイオマス固形分と、５炭糖原料となる熱水排出液とを混合した混合物スラリー２４を用いて糖化するので、糖濃度の増加を図ることができる。
また、６炭糖原料となるスラリー状バイオマス固形分と、５炭糖原料となる熱水排出液とを混合した混合物スラリー２４を用いて糖化するので、糖濃度の増加を図ることができる。
また、６炭糖原料となるスラリー状バイオマス固形分と、５炭糖原料となる熱水排出液とを混合した混合物スラリー２４を用いて糖化するので、糖化における酵素消費量が低減でき、酵素使用コストの低減を図ることができる。
また、６炭糖原料となるスラリー状バイオマス固形分と、５炭糖原料となる熱水排出液とを混合した混合物スラリー２４を用いて糖化するので、糖化ラインを従来のような２系統とせずに１系統の単一ラインとすることができ、酵素糖化工程が単純となり、設備費及びランニングコストの低減を図ることができる。
また、水の消費量が低減できるので、廃液の発生量が低減でき、廃液処理コストの低減を図ることができる。
次に、本発明に係るバイオマスの処理システムの他の実施例について、図面を参照して説明する。なお、実施例１のバイオマスの処理システムと同一部材については同一符号を付してその説明は省略する。
図４は、実施例２に係るバイオマスの処理システムを示す概略図である。
図４に示すように、バイオマスの処理システム１０Ｂは、実施例１のバイオマスの処理システム１０Ａにおいて、熱水排出液導入ラインＬ2に、フィルタ７１を設けている。このフィルタ７１を設置することにより、排出液１６中のリグニン等の固形分を分離するようにしている。これにより、リグニンによる糖化阻害を防止するようにしている。
図４は、実施例２に係るバイオマスの処理システムを示す概略図である。
図４に示すように、バイオマスの処理システム１０Ｂは、実施例１のバイオマスの処理システム１０Ａにおいて、熱水排出液導入ラインＬ2に、フィルタ７１を設けている。このフィルタ７１を設置することにより、排出液１６中のリグニン等の固形分を分離するようにしている。これにより、リグニンによる糖化阻害を防止するようにしている。
次に、本発明に係るバイオマスの処理システムの他の実施例について、図面を参照して説明する。なお、実施例１のバイオマスの処理システムと同一部材については同一符号を付してその説明は省略する。
図５は、実施例３に係るバイオマスの処理システムを示す概略図である。
図５に示すように、バイオマスの処理システム１０Ｃは、実施例１のバイオマスの処理システム１０Ａにおいて、排出液ラインＬ2に、イオン交換膜フィルタ７２を設けている。このイオン交換膜フィルタ７２を設置することにより、排出液１６中に可溶している酸性物質をイオン交換により除去するようにしている。これにより、酸性物質による糖化阻害を防止するようにしている。
図５は、実施例３に係るバイオマスの処理システムを示す概略図である。
図５に示すように、バイオマスの処理システム１０Ｃは、実施例１のバイオマスの処理システム１０Ａにおいて、排出液ラインＬ2に、イオン交換膜フィルタ７２を設けている。このイオン交換膜フィルタ７２を設置することにより、排出液１６中に可溶している酸性物質をイオン交換により除去するようにしている。これにより、酸性物質による糖化阻害を防止するようにしている。
次に、本発明に係るバイオマスの処理システムの他の実施例について、図面を参照して説明する。なお、実施例１のバイオマスの処理システムと同一部材については同一符号を付してその説明は省略する。
図６は、実施例４に係るバイオマスの処理システムを示す概略図である。
図６に示すように、バイオマスの処理システム１０Ｄは、実施例３のバイオマスの処理システム１０Ｃにおいて、さらに前記水分分離装置５６から分離した水５７をスラリー化槽２１に戻す水戻しラインＬ5を有するものである。
また、この水戻しラインＬ5には冷却器６０が介装されており、水５７を所定温度まで冷却した後、スラリー化槽２１に戻すようにしている。
図６は、実施例４に係るバイオマスの処理システムを示す概略図である。
図６に示すように、バイオマスの処理システム１０Ｄは、実施例３のバイオマスの処理システム１０Ｃにおいて、さらに前記水分分離装置５６から分離した水５７をスラリー化槽２１に戻す水戻しラインＬ5を有するものである。
また、この水戻しラインＬ5には冷却器６０が介装されており、水５７を所定温度まで冷却した後、スラリー化槽２１に戻すようにしている。
これにより、分離した水５７を再利用することができ、スラリー化槽２１に供給する水１９の使用の停止又は使用量の低減を図ることができる。
次に、本発明に係るバイオマスの処理システムの他の実施例について、図面を参照して説明する。なお、実施例１のバイオマスの処理システムと同一部材については同一符号を付してその説明は省略する。
図７は、実施例５に係るバイオマスの処理システムを示す概略図である。
図７に示すように、バイオマスの処理システム１０Ｅは、実施例４のバイオマスの処理システム１０Ｄにおいて、さらに、水戻しラインＬ5に生物処理装置６１を設け、水５７を生物処理した後、スラリー化槽２１に戻すようにしている。
図７は、実施例５に係るバイオマスの処理システムを示す概略図である。
図７に示すように、バイオマスの処理システム１０Ｅは、実施例４のバイオマスの処理システム１０Ｄにおいて、さらに、水戻しラインＬ5に生物処理装置６１を設け、水５７を生物処理した後、スラリー化槽２１に戻すようにしている。
糖濃縮工程でのＲＯ膜５６ａで分離した水５７には、反応阻害物質（低分子有機化合物）を含むので、生物処理装置６１により容易に処理が可能となる。そして、生物処理装置として、例えばメタン発酵生物処理装置を用いることにより、メタンを回収し、燃料等に利用が可能となる。
以上述べたように、本発明に係るバイオマスの処理システムによれば、バイオマス原料からセルロース主体の成分とヘミセルロース成分を高温・高圧条件下で分解処理した後、その分解物であるバイオマス固形分をスラリー化槽の内部に設けた排出液１６が導入された液体中に、投入することで、スラリー化させると共に、液体シールがなされ、加圧気体の流出を防止することができる。これにより加圧用気体（例えば加圧窒素等）の流出が防止され、ランニングコスト削減を図ることができる。
また、バイオマス固形物を排出液１６でスラリー状として、混合物スラリー２４とすることでその取り扱いを容易とし、その後の糖化工程に適したものとなり、効率的な糖液の製造を行うことができる。また、この糖液を基点として、各種有機原料（例えばアルコール類、石油代替品類、又はアミノ酸類等）を効率よく製造することができる。また、この糖液を基点として、例えばＬＰＧ、自動用燃料、航空機用ジェット燃料、灯油、ディーゼル油、各種重油、燃料ガス、ナフサ、ナフサ分解物であるエチレングリコール、乳酸、アルコール（エタノール等）、アミン、アルコールエトキシレート、塩ビポリマー、アルキルアルミニウム、ＰＶＡ、酢酸ビニルエマルジョン、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリカーボネート、ＭＭＡ樹脂、ナイロン、ポリエステル等の各種有機原料（例えばアルコール類、石油代替品類、又はアミノ酸類等）を効率よく製造することができる。よって、枯渇燃料である原油由来の化成品の代替品及びその代替品製造原料としてバイオマス由来の糖液を効率的に利用することができる。
さらに、液体中にバイオマス固形分を投入するので、液体による直接熱交換によりバイオマス固形分を冷却することで反応停止を効率良く行うことができ、また、酸やアルカリが希釈されるため、バイオマス固形分に同伴する残留ヘミセルロース、残留リグニン及び主成分セルロースの過分解が抑制される。この結果、反応阻害成分の生成抑制を図ると共に、セルロース分の回収率の向上を図ることができる。
１０Ａ〜１０Ｅ バイオマスの処理システム
１１ バイオマス原料
１２ バイオマス供給部
１３ 装置本体
１４ 第１のスクリュー手段
１５ 加圧熱水
１６ 熱水排出液
１７ 水熱分解処理部
１８ バイオマス固形分抜出部
１９ 水
２０ バイオマス固形分
２１ スラリー化槽
２２ 撹拌手段
２３ 排出部
２４ 混合物スラリー
２５ 加圧窒素
５０ 糖化・糖濃縮装置
１１ バイオマス原料
１２ バイオマス供給部
１３ 装置本体
１４ 第１のスクリュー手段
１５ 加圧熱水
１６ 熱水排出液
１７ 水熱分解処理部
１８ バイオマス固形分抜出部
１９ 水
２０ バイオマス固形分
２１ スラリー化槽
２２ 撹拌手段
２３ 排出部
２４ 混合物スラリー
２５ 加圧窒素
５０ 糖化・糖濃縮装置
Claims (10)
- 気液界面を有する処理槽により、セルロース、ヘミセルロース及びリグニンを有するバイオマス原料を高温・高圧条件下で分解処理してリグニン成分及びヘミセルロース成分を除去する水熱分解処理部と、
前記水熱分解処理部で処理された熱水不可溶分である前記バイオマス固形分を抜出するバイオマス固形分抜出部と、
前記バイオマス固形分抜出部と連通すると共に、抜き出したバイオマス固形分をスラリー化するスラリー化槽と、
前記水熱分解処理部から排出されるバイオマス熱水可溶分を含む熱水排出液を、前記スラリー化槽へ導入する排出液導入ラインとを有してなり、
前記バイオマス固形分を排出液で混合して混合物スラリーとすることを特徴とするバイオマスの処理システム。 - 請求項１において、
前記排出液導入ラインに、フィルタを介装してなることを特徴とするバイオマスの処理システム。 - 請求項１又は２において、
前記排出液導入ラインに、冷却手段を介装することを特徴とするバイオマスの処理システム。 - 請求項１乃至３のいずれか一つにおいて、
前記スラリー化槽でスラリー化した混合物スラリーを糖化する糖化槽を有することを特徴とするバイオマスの処理システム。 - 請求項４において、
前記糖化槽で糖化した後の糖液から、固体分を分離する固液分離装置と、
固体分離後の糖液から、水を除去する水分分離装置とを有することを特徴とするバイオマスの処理システム。 - 請求項５において、
前記水分分離装置から分離した水を、前記スラリー化槽に戻す水戻しラインを有することを特徴とするバイオマスの処理システム。 - 請求項６において、
前記水戻しラインに生物処理装置を有することを特徴とするバイオマスの処理システム。 - セルロース、ヘミセルロース及びリグニンを有するバイオマス原料を常圧下から加圧下に供給し、前記バイオマス原料を高温・高圧条件下で水熱分解処理部により水熱分解処理し、
その後、前記バイオマス処理部から抜出したバイオマス固形分を、内部に水が注入され、前記バイオマス処理部と連通するスラリー化槽に投入し、スラリー状バイオマス固形分とし、
前記スラリー状バイオマス固形分を酵素糖化して糖液を得た後、固形分を分離し、次いで水を除去するバイオマス原料を用いた糖液生産方法であって、
前記スラリー化槽に、前記水熱分解処理部から排出されるバイオマス熱水可溶分を含む熱水排出液を投入しつつスラリー化して混合物スラリーとすることを特徴とするバイオマス原料を用いた糖液生産方法。 - 請求項８において、
前記水熱分解処理部から排出される排出液中の不純物を除去することを特徴とするバイオマス原料を用いた糖液生産方法。 - 請求項８乃至９のいずれか一つのバイオマス原料を用いた糖液生産方法により得られた糖液を用いてアルコール発酵を行い、アルコールを製造することを特徴とするアルコール製造方法。
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