WO2009096062A1 - バイオマスの水熱分解装置及び方法 - Google Patents

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pressurized hot
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Minoru Genta
Ryosuke Uehara
Kinya Fujita
Setsuo Omoto
Wataru Matsubara
Yoshio Seiki
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Mitsubishi Heavy Industries, Ltd.
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    • Y02E50/30—Fuel from waste, e.g. synthetic alcohol or diesel

Definitions

  • the present invention is a biomass hydrothermal decomposition apparatus and method capable of efficiently hydrothermally decomposing biomass raw materials, and efficiently producing organic raw materials such as alcohols, petroleum substitutes or amino acids using the same.
  • the present invention relates to an organic raw material manufacturing system using a biomass raw material.
  • Patent Document 1 Korean Patent Document 1
  • chemical industrial raw material production for example, lactic acid fermentation etc.
  • the biomass refers to the accumulation of organisms incorporated into the material circulation system of the earth biosphere or organic substances derived from the organisms (see JIS K 3600 1258).
  • sugarcane, corn, and the like that are currently used as alcohol raw materials are originally provided for food, but making these edible resources a long-term, stable industrial use resource is an effective food product. From the viewpoint of life cycle, it is not preferable.
  • Cellulose resources vary from 38 to 50% for cellulose, 23 to 32% for hemicellulose components, and 15 to 22% for lignin components that do not become fermentation raw materials.
  • the raw materials are assumed to be fixed, and there is no disclosure of production system technology considering the versatility of raw materials.
  • the resulting sugar solution is a 6-carbon sugar solution from cellulose and a 5-carbon sugar solution from the hemicellulose component.
  • a suitable yeast is required for alcohol fermentation, and both a 6-carbon solution and a 5-carbon solution are mixed.
  • the present invention performs a biomass hydrothermal decomposition apparatus and method capable of separating a cellulose-based component from a biomass raw material, an efficient sugar solution using the same, and the sugar
  • An object of the present invention is to provide an organic raw material production system using a biomass raw material capable of efficiently producing various organic raw materials (for example, alcohols, petroleum substitutes, amino acids, etc.) based on the liquid.
  • the first invention of the present invention for solving the above-described problem is that a biomass feed device that feeds biomass material from normal pressure to pressurized pressure, and a supplied biomass material are screwed into the inside of the device body from either one.
  • pressurized hot water is supplied into the main body from the end side different from the biomass raw material supply location, hydrothermal decomposition is performed while the biomass raw material and the pressurized hot water are opposed to each other, and pressurized.
  • a hydrothermal decomposition apparatus in which a lignin component and a hemicellulose component are transferred into hot water, and the lignin component and the hemicellulose component are separated from the biomass raw material.
  • a biomass hydrothermal decomposition apparatus comprising a biomass extraction apparatus for extracting under pressure.
  • the second invention is the biomass hydrothermal decomposition apparatus according to the first invention, wherein a scraper for preventing the hot water discharge liquid from being blocked is provided in the conveying screw.
  • a third aspect of the invention is the biomass hydrothermal decomposition apparatus according to the first or second aspect, wherein the reaction temperature of the hydrothermal decomposition apparatus is 180 to 240 ° C. and is in a state of pressurized hot water. It is in.
  • the weight ratio of the biomass raw material to be supplied and the pressurized hot water is 1: 1 to 1:10. Located in the pyrolysis unit.
  • the pressurized hot water is supplied into the main body from the end side different from the location, and the biomass raw material and the pressurized hot water are hydrothermally decomposed while facing each other, the lignin component and the hemicellulose component in the pressurized hot water
  • 6th invention is the pre-processing apparatus which pre-processes a biomass raw material, the hydrothermal decomposition apparatus in any one of 1st thru
  • a first enzyme decomposing apparatus that is enzymatically decomposed into a sugar solution containing six carbon sugars, and a sugar solution obtained by the first enzyme decomposing apparatus, and then alcohols, petroleum substitutes or amino acids by fermentation treatment It is in the manufacturing system of the organic raw material using the biomass raw material characterized by comprising the fermentation apparatus which manufactures any one of the kind.
  • a second enzyme decomposing apparatus for enzymatically decomposing the hemicellulose component in the hot water discharge liquid into a sugar liquid containing pentose, and the second enzymatic decomposition
  • a fermentation apparatus for producing any one of alcohols, petroleum substitutes or amino acids by fermentation treatment using the sugar solution obtained in the apparatus, In the manufacturing system.
  • a hydrothermal decomposition apparatus in which a biomass raw material conveyed by a screw means and pressurized hot water are brought into contact with each other, cellulose (which becomes a hexose solution by enzymatic saccharification) is obtained as a target component.
  • cellulose which becomes a hexose solution by enzymatic saccharification
  • a biomass solid content mainly composed of cellulose can be obtained.
  • the components that are easily solubilized in hot water are discharged out of the reaction system in sequence by facing each other, and a temperature gradient is generated from the biomass charging section to the hot water charging section, thereby suppressing the excessive decomposition of the hemicellulose component.
  • the pentose component can be efficiently recovered.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a hydrothermal decomposition apparatus according to a first embodiment.
  • FIG. 2 is a schematic diagram of another hydrothermal decomposition apparatus according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is a schematic diagram of another hydrothermal decomposition apparatus according to the first embodiment.
  • FIG. 4 is a schematic diagram of another hydrothermal decomposition apparatus according to the first embodiment.
  • FIG. 5 is a schematic diagram of an alcohol production system according to the second embodiment.
  • FIG. 6 is a schematic diagram of an alcohol production system according to the third embodiment.
  • FIG. 1 is a conceptual diagram illustrating a biomass hydrothermal decomposition apparatus according to a first embodiment.
  • the biomass hydrothermal decomposition apparatus 41A includes a biomass supply device 31 that supplies the biomass raw material 11 from normal pressure to pressurized pressure, and a supplied biomass raw material (in this embodiment, For example, the straw 11 is gradually conveyed from the lower end side to the inside of the inclined apparatus main body (hereinafter referred to as “apparatus main body”) 42 by the conveying screw 43, and the upper end side is different from the supply location of the biomass raw material 11.
  • apparatus main body inclined apparatus main body
  • the pressurized hot water 15 is supplied to the inside of the apparatus main body 42, hydrothermally decomposed while the biomass raw material 11 and the pressurized hot water 15 are brought into contact with each other, and the lignin component and the hemicellulose component are transferred into the pressurized hot water 15.
  • the hydrothermal decomposition apparatus 41A obtained by separating the lignin component and the hemicellulose component from the biomass raw material 11 and the biomass solids from the upper end side of the apparatus main body 42 7 is for and a biomass discharger 51 to withdraw the atmospheric pressure from the pressure.
  • the biomass raw material 11 is supplied from the lower end side, but the present invention is not limited to this, and conversely, the biomass raw material 11 may be supplied from the upper end side.
  • the pressurized hot water 15 is supplied from the lower end side.
  • the biomass supply device 31 that supplies from the normal pressure to the pressurization include pump means such as a piston pump or a slurry pump.
  • the hydrothermal decomposition apparatus 41A is an inclined apparatus as shown in FIG. 1, but the present invention is not limited to this, and the vertical water as shown in FIG. It is good also as the thermal decomposition apparatus 41B. Moreover, it is good also as a horizontal-type hydrothermal decomposition reaction apparatus.
  • the inclined type or the vertical type is preferable because the gas generated in the hydrothermal decomposition reaction, the gas brought into the raw material, and the like can quickly escape from above. Moreover, since a decomposition product is extracted with the pressurized hot water 15, the concentration of the extract increases from the upper side to the lower side from the point of extraction efficiency, which is preferable.
  • a scraper 43a that prevents the discharge hole 16a of the hot water discharge liquid 16 from being blocked may be provided in the conveying screw 43.
  • the biomass supplied to the hydrothermal decomposition apparatus 41 is not particularly limited, and refers to the accumulation of organisms incorporated into the material circulation system of the earth biosphere or organic matter derived from organisms (JIS). K 3600 1258), however, in the present invention, it is particularly preferable to use woody lignocellulosic resources such as hardwood, herbaceous, agricultural waste, food waste and the like.
  • the biomass raw material 11 is not particularly limited in particle size, but is preferably pulverized to 5 mm or less.
  • the pretreatment device may be pretreated using, for example, a pulverizer. Moreover, you may make it wash
  • the biomass raw material 11 is, for example, rice husk or the like, it can be supplied to the hydrothermal decomposition apparatus 41A as it is without being pulverized.
  • the reaction temperature in the hydrothermal decomposition apparatus 41A is preferably in the range of 180 to 240 ° C. More preferably, the temperature is 200 to 230 ° C. This is because at a low temperature of less than 180 ° C., the hydrothermal decomposition rate is low, a long decomposition time is required, leading to an increase in the size of the apparatus, which is not preferable. On the other hand, when the temperature exceeds 240 ° C., the decomposition rate becomes excessive, and the cellulose component increases from the solid to the liquid side, and the excessive decomposition of the hemicellulose saccharide is promoted, which is not preferable.
  • the hemicellulose component dissolves from about 140 ° C., the cellulose from about 230 ° C., and the lignin component from about 140 ° C., but the cellulose remains on the solid side, and the hemicellulose component and the lignin component have a sufficient decomposition rate. It should be in the range of 180 ° C to 240 ° C.
  • reaction pressure is preferably set to a pressure higher by 0.1 to 0.5 MPa than the saturated vapor pressure of water at each temperature at which the inside of the main body is in a pressurized hot water state.
  • the reaction time is preferably 20 minutes or less and 3 to 10 minutes. This is because if the reaction is carried out too long, the proportion of the overdecomposed product increases, which is not preferable.
  • the flow of the pressurized hot water 15 and the biomass raw material 11 in the main body of the hydrothermal decomposition apparatus is contacted by a so-called counter flow in which the biomass raw material 11 and the pressurized hot water 15 are opposed to each other. It is preferable to stir and flow.
  • the solid content of the biomass raw material 11 is supplied from the left side in the figure, while the pressurized hot water 15 is supplied from the right side in the figure, and the pressurized hot water 15 (The hot water and the liquid in which the decomposition products are dissolved) move while oozing between the solid raw material 11 and the counter flow between the solid particles.
  • the solid-liquid ratio of the solid to the liquid is preferably as the liquid content is small because the amount of steam for heating for the recovered water and hydrothermal decomposition can be reduced.
  • the weight ratio of the biomass material to be supplied and the pressurized hot water varies depending on the apparatus configuration, but is preferably 1: 1 to 1:10, and more preferably 1: 1 to 1: 5, for example.
  • the biomass raw material 11 and water are mixed in advance and supplied to the apparatus main body, a considerably large amount of water is added to the solid in order to provide the fluidity of the slurry. (10 to 20 times by weight) must be added, but the biomass raw material 11 that is the raw material and the pressurized hot water 15 that removes the lignin component and hemicellulose component in the biomass are separated into a hydrothermal decomposition apparatus 41A. Therefore, the weight ratio of the liquid to the solid can be reduced, which contributes to improvement of the economic efficiency of the apparatus.
  • pressurized nitrogen (N 2 ) is supplied to the inside.
  • the temperature increase of the biomass raw material 11 in the hydrothermal decomposition apparatus can be performed by direct heat exchange by bringing it into contact with the pressurized hot water 15 in the apparatus main body 42. In addition, you may make it heat using water vapor
  • the biomass supply apparatus 31 employs a screw-type extrusion mechanism 32 having a material seal mechanism by the biomass itself, and supplies the solid biomass raw material 11 from under normal pressure to under pressure. That is, by using the extrusion mechanism 32 including the screw feeder 32a and the hydraulic cylinder 32b, the biomass raw material 11 supplied to the inside is compressed to form the biomass plug 33, and the biomass plug 33 itself is used in the hydrothermal decomposition apparatus. A material seal that cuts off pressure is used. The biomass is gradually pushed out by the screw feeder 32a and gradually cut out from the tip of the hydraulic cylinder 32b, and the biomass raw material 11 is reliably supplied into the apparatus main body 42.
  • the biomass extraction device 51 has the same configuration as the biomass supply device 31 and is configured as an extrusion mechanism composed of a screw feeder 52a and a hydraulic cylinder 52b, so that the biomass solids 17 reacted in the hydrothermal decomposition device 17 can be obtained. Is compressed to form a biomass plug 53, and the biomass plug 53 itself performs a material seal that cuts off the pressure in the hydrothermal decomposition apparatus. And the biomass solid content 17 which transferred the lignin component and the hemicellulose component to the hot water discharge liquid 16 can be discharged from under pressure to normal pressure. At this time, water remaining from the biomass plug 53 is dehydrated. Since the dehydrated liquid 54 contains a pressurized hot water soluble component (lignin component and hemicellulose component), the dehydrated liquid 54 is sent to the hot water discharge liquid 16 and separately processed together with the hot water discharge liquid 16.
  • the dehydrated liquid 54 contains a pressurized hot water soluble component (lignin component and hemicellulose component)
  • either one or both of the volatile enzyme saccharification inhibiting component and the ethanol fermentation inhibiting component which are reduced in molecular weight can be removed.
  • the biomass raw material and the pressurized hot water are brought into contact with each other so that the components that are easily solubilized in the hot water are sequentially discharged, and the temperature gradient from the biomass charging section to the hot water charging section is increased. Therefore, the excessive decomposition of the hemicellulose component is suppressed, and as a result, the pentose component can be efficiently recovered. Furthermore, heat recovery can be achieved by making the opposite contact, which is preferable in terms of system efficiency.
  • the surplus water removal line is provided so that the surplus water 34 contained in biomass may be removed in the part to which the biomass raw material 11 of the apparatus main body 42 is supplied. .
  • This surplus water 34 may be used to make the biomass material 11 wet.
  • FIG. 5 is a conceptual diagram which shows the manufacturing system of the organic raw material using the biomass raw material which concerns on an Example.
  • the alcohol production system 10-1 using the biomass raw material according to the present embodiment pressurizes the pretreated apparatus 12 for pulverizing the biomass raw material 11, for example, and the pretreated biomass pulverized material 13
  • Hydrothermal decomposition as shown in FIG. 1 is performed by hydrothermal decomposition while facing the hot water 15, transferring the lignin component and hemicellulose component into the pressurized hot water 15, and separating the lignin component and hemicellulose component from the biomass solid.
  • the hydrothermal decomposition apparatus 41A as shown in FIG. 1 by adopting a counter flow, the lignin component and the hemicellulose component are transferred into the pressurized hot water 15 on the liquid side, and the biomass on the solid side Cellulose remains in the solid content 17, and the first sugar solution (6-carbon sugar) 20-1 is obtained by the first enzymatic decomposition apparatus 19-1 for enzymatic saccharification.
  • a fermentation process according to hexose (fermentation according to the final product: in this embodiment, the ethanol 23 is obtained by fermentation using the first alcohol fermentation apparatus 21-1) can be constructed.
  • ethanol as an alcohol was exemplified as what is obtained by fermentation treatment.
  • the present invention is not limited to this, and petroleum substitutes or foods and feeds that are raw materials for chemical products other than alcohols.
  • Amino acids as raw materials can be obtained by a fermentation apparatus.
  • a chemical product based on a sugar solution for example, LPG, automatic fuel, jet fuel for aircraft, kerosene, diesel oil, various heavy oils, fuel gas, naphtha, naphtha decomposition product ethylene glycol, ethanolamine
  • examples include alcohol ethoxylate, vinyl chloride polymer, alkylaluminum, PVA, vinyl acetate emulsion, polystyrene, polyethylene, polypropylene, polycarbonate, MMA resin, nylon, and polyester. Therefore, the sugar solution derived from biomass can be efficiently used as a substitute for a chemical product derived from crude oil, which is a depleted fuel, and as a raw material for producing the substitute.
  • FIG. 6 is a conceptual diagram showing an organic raw material alcohol production system using a biomass raw material according to the present embodiment.
  • the alcohol production system 10-2 using the biomass raw material according to this embodiment is configured to discharge hot water discharged from the hydrothermal decomposition apparatus 41A in the alcohol production system 10-1 shown in FIG.
  • a second enzyme decomposing apparatus 19-2 is provided for enzymatically decomposing the hemicellulose component transferred into the liquid 16 into a second sugar liquid 20-2 containing pentose.
  • the enzyme decomposing apparatus, the alcohol fermentation apparatus, and the refining apparatus are separately provided in two units (the first enzyme decomposing apparatus 19-1, the second enzyme decomposing apparatus 19-2, the first alcohol fermenting apparatus 21-1, and the first decomposing apparatus). 2 alcohol fermentation apparatus 21-2, first purification apparatus 25-1, and second purification apparatus 25-2). Then, an ethanol degradation process, an alcohol fermentation process and a purification process corresponding to the first sugar liquid (hexose sugar) 20-1 and the second sugar liquid (pentose sugar) 20-2 are performed, and ethanol 23 Like to get.
  • ethanol 23 can be produced by fermentation using the second sugar solution (pentose) 20-2 obtained by the second enzymatic decomposition apparatus 19-2.
  • the hot water discharge liquid is not necessarily processed in a separate system.
  • the subsequent steps of the enzymatic decomposition apparatus are shared, the processes after the alcohol fermentation apparatus are shared, or the purification apparatus is shared. Changes can be made as appropriate.
  • cellulose remains in the solid biomass solids 17 and the first enzymatic decomposition apparatus 19-1 for enzymatic saccharification changes the first.
  • 1 sugar liquid (6-carbon sugar) 20-1 is obtained, and in the pressurized hot water 15 on the liquid side, the hemicellulose component soluble in the pressurized hot water is separated as the hot water discharge liquid 16, which is separately enzymatically saccharified.
  • the second sugar solution (5-carbon sugar) 20-2 is obtained by the second enzymatic decomposition device 19-2, both can be efficiently separated and saccharified.
  • the fermentation Fermentation according to the final product: example: ethanol fermentation
  • process according to hexose and pentose can be constructed.
  • the side reaction component that becomes an inhibitor in the enzymatic saccharification reaction to obtain hexose and the lignin component that is soluble in pressurized hot water are used as the pressurized hot water 15. Therefore, the biomass solid content 17 mainly composed of cellulose is obtained, and the saccharification reaction yield of hexose in the subsequent saccharification reaction is improved.
  • the hemicellulose component contained in the separated hot water discharge liquid 16 is then saccharified in the second enzymatic decomposition apparatus 19-2 to obtain a sugar liquid containing pentose.
  • yeast suitable for each of hexose and pentose ethanol can be obtained efficiently and individually by fermentation.
  • the side reaction product causes the enzyme saccharification inhibition and the sugar yield is reduced.
  • the cellulose-based component and the hemicellulose component from the biomass material are used. Is converted into pressurized hot water to separate the two, and an efficient sugar solution (6-carbon sugar solution, 5-carbon sugar solution) suitable for each is manufactured, and various organic raw materials are used based on the sugar solution. It is possible to provide an organic raw material production system and method using a biomass raw material that can efficiently produce (for example, alcohols, petroleum substitutes, amino acids, etc.).
  • a cellulose-based component is separated from a biomass raw material by a hydrothermal decomposition apparatus to efficiently produce a sugar solution, and various organic (for example, Alcohols, petroleum substitutes, amino acids, etc.) can be efficiently produced.
  • various organic for example, Alcohols, petroleum substitutes, amino acids, etc.

Abstract

　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（３１）と、供給されたバイオマス原料（１１）を、下端部側から傾斜型装置本体（４２）の内部に搬送スクリュー（４３）により搬送すると共に、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（１５）を装置本体（４２）内部に供給し、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、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（４１Ａ）と、装置本体（４２）の上端部側からバイオマス固形分（１７）を加圧下から常圧下に抜出すバイオマス抜出装置（５１）とを具備する。

Description

バイオマスの水熱分解装置及び方法
　本発明は、バイオマス原料を効率よく水熱分解することができるバイオマスの水熱分解装置及び方法、並びにそれを用いた例えばアルコール類、石油代替品類、又はアミノ酸類等の有機原料を効率よく製造することができるバイオマス原料を用いた有機原料の製造システムに関する。
　従来より、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）。
　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方法で、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（非特許文献１、特許文献３）。
特表平９－５０７３８６号公報 特表平１１－５０６９３４号公報 特開２００５－１６８３３５号公報 日経バイオビジネス、ｐ．５２、2002年9月 バイオマス―生物資源の高度利用　日本農芸化学会編　朝倉書店発行　１９８５年９月
　前記特許文献１及び２にかかる提案においては、反応に必要な硫酸を常に反応系外から供給する必要があり、製造規模の増大と共に、耐酸性の設備及び多量の硫酸の購入コストが増大すると共に、用いた硫酸の廃棄コスト（例えば石膏法による処理のコスト）及び硫酸回収コストが増大するという、問題がある。
　前記特許文献３にかかる提案においては、各種セルロース系資源を熱水処理して、酵素法により糖化を行うものであるが、熱水処理する際に、セルロースを糖化する際のリグニン成分等のセルラーゼ阻害物質（非特許文献２）が除去されずにセルロースと混在することとなるので、セルロースの糖化効率が低下する、という問題がある。
　また、セルロース以外のヘミセルロース成分を含むものであるので、糖化に際しては、セルロース及びヘミセルロース成分に各々適した酵素を用いる必要がある、という問題がある。
　また得られる糖液もセルロースからは６炭糖液、ヘミセルロース成分からは５炭糖液となり、例えばアルコール発酵においても各々適した酵母が必要になり、６炭糖液と５炭糖液とが混在した状態におけるアルコール発酵効率においてもその向上が求められている。
　このように、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出現が切望されている。
　本発明は、前記課題に鑑み、バイオマス原料からセルロース主体の成分を分離することができるバイオマスの水熱分解装置及び方法と、並びにそれを用いた効率的な糖液の製造を行うと共に、該糖液を基点として、各種有機物原料（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バイオマス原料を用いた有機原料の製造システムを提供することを目的とする。
　上述した課題を解決するための本発明の第１の発明は、バイオマス原料を常圧下から加圧下に供給するバイオマス供給装置と、供給されたバイオマス原料を、いずれか一方から装置本体の内部にスクリュー手段により搬送すると共に、前記バイオマス原料の供給箇所とは異なる端部側から加圧熱水を本体内部に供給し、バイオマス原料と加圧熱水とを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、前記バイオマス原料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、前記装置本体の上端部側からバイオマス固形分を加圧下から常圧下に抜出すバイオマス抜出装置とを具備することを特徴とするバイオマスの水熱分解装置にある。
　第２の発明は、第１の発明において、前記搬送スクリューに熱水排出液の抜出し孔の閉塞を防止するスクレーパーを設けたことを特徴とするバイオマスの水熱分解装置にある。
　第３の発明は、第１又は２の発明において、前記水熱分解装置の反応温度が１８０～２４０℃であると共に、加圧熱水の状態であることを特徴とするバイオマスの水熱分解装置にある。
　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、供給するバイオマス原料と加圧熱水との重量比は、１：１～１：１０であることを特徴とするバイオマスの水熱分解装置にある。
　第５の発明は、バイオマス原料を常圧下から加圧下に供給するバイオマス供給工程と、供給されたバイオマス原料を、いずれか一方から装置本体の内部にスクリュー手段により搬送すると共に、前記バイオマス原料の供給箇所とは異なる端部側から加圧熱水を本体内部に供給し、前記バイオマス原料と加圧熱水とを対向接触させつつ水熱分解し、前記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、前記バイオマス原料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、前記装置本体の上端部側からバイオマス固形分を加圧下から常圧下に抜出すバイオマス抜出工程とを具備することを特徴とするバイオマスの水熱分解方法にある。
　第６の発明は、バイオマス原料を前処理する前処理装置と、第１乃至４のいずれか一つの水熱分解装置と、前記水熱分解装置から排出される前記バイオマス固形分中のセルロースを酵素処理して６炭糖を含む糖液に酵素分解する第１の酵素分解装置と、該第１の酵素分解装置で得られた糖液を用いて、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にある。
　第７の発明は、第６の発明において、熱水排出液中のヘミセルロース成分を酵素処理して５炭糖を含む糖液に酵素分解する第２の酵素分解装置と、該第２の酵素分解装置で得られた糖液を用いて、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にある。
　本発明によれば、スクリュー手段により搬送されるバイオマス原料と加圧熱水とを対向接触させる水熱分解装置を用いることにより、目的成分であるセルロース（酵素糖化により６炭糖液となる）を生成する反応以外の副反応物（リグニン成分、ヘミセルロース成分）を加圧熱水中に移行させることにより、セルロース主体のバイオマス固形分を得ることができる。その結果、６炭糖液を効率よく糖化させて、該糖液を基点として、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、対向接触させることにより、熱水に可溶化され易い成分から順次反応系外へ排出されると共に、バイオマスの投入部から熱水投入部まで温度勾配が生じる為、ヘミセルロース成分の過分解が抑制され、結果的に５炭糖成分を効率よく回収することができる。
図１は、実施例１に係る水熱分解装置の概略図である。 図２は、実施例１に係る他の水熱分解装置の概略図である。 図３は、実施例１に係る他の水熱分解装置の概略図である。 図４は、実施例１に係る他の水熱分解装置の概略図である。 図５は、実施例２に係るアルコール製造システムの概略図である。 図６は、実施例３に係るアルコール製造システムの概略図である。
符号の説明
　１１　バイオマス原料
　１２　前処理装置
　１３　バイオマス粉砕物
　１５　加圧熱水
　１６　熱水排出液
　１７　バイオマス固形分
　１８　酵素
　１９　酵素分解装置
　１９－１　第１の酵素分解装置
　１９－２　第２の酵素分解装置
　２０－１　第１の糖液（６炭糖）
　２０－２　第２の糖液（５炭糖）
　２３　エタノール
　４１Ａ～４１Ｄ　水熱分解装置
　以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施例における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。
　本発明による実施例に係るバイオマスの水熱分解装置について、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水熱分解装置を示す概念図である。
　図１に示すように、本実施例に係るバイオマスの水熱分解装置４１Ａ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３１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）４２の内部に搬送スクリュー４３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１５を装置本体４２内部に供給し、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、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４１Ａと、装置本体４２の上端部側からバイオマス固形分１７を加圧下から常圧下に抜出すバイオマス抜出装置５１とを具備するものである。
　なお、本実施例では、バイオマス原料１１を下端部側から供給しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、これとは逆に上端部側から供給するようにしてもよく、この際には、加圧熱水１５は下端部側から供給する。
　前記常圧下から加圧下に供給するバイオマス供給装置３１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４１Ａは、本実施例では、図１に示すように傾斜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、図２に示すような縦型の水熱分解装置４１Ｂとしてもよい。また、水平型の水熱分解反応装置としてもよい。
　ここで、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、抽出効率の点から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。
　前記搬送用スクリュー４３を設けることにより、１）固液カウンターフローでの固形分の搬送が可能となる。２）装置本体４２内で固液の分離が可能となる。３）装置本体４２内で固体表面、固体中の加圧熱水の混合が進み反応が促進される。
　また、図３の水熱分解装置４１Ｃに示すように、前記搬送スクリュー４３に熱水排出液１６の抜出し孔１６ａの閉塞を防止するスクレーパー４３ａを設けるようにしてもよい。
　ここで、前記水熱分解装置４１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、草本系等のリグノセルロース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、そのまま水熱分解装置４１Ａに供給することができるものとなる。
　また、水熱分解装置４１Ａ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移行を増大すると共に、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、反応圧力は本体内部が加圧熱水の状態となる、各温度の水の飽和蒸気圧に更に０．１～０．５ＭＰａの高い圧力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。
　ここで、本発明では、水熱分解装置の本体内の加圧熱水１５とバイオマス原料１１との流動は、バイオマス原料１１と加圧熱水１５とを対向接触させる、いわゆるカウンターフローで接触・撹拌・流動するようにすることが好ましい。
　また、前記水熱分解装置では、バイオマス原料１１の固形分は図中左側から供給され、一方加圧熱水１５は図中右側から供給され、相互が移動することにより、加圧熱水１５（熱水、分解物が溶解した液）は、固体であるバイオマス原料１１とカウンターフローに固体粒子間に滲みながら移動することとなる。
　その対向接触の際、固体であるバイオマス原料１１が加圧熱水１５により分解すると、その分解物が加圧熱水１５側に溶解移行することとなる。
　また、固体と液体との固液比は、液体分が少ないほど回収水及び水熱分解のための加温のスチーム量を減らすことができるので好ましい。
　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。
　本実施例によれば、予めバイオマス原料１１と水とを混合して装置本体に供給するようなスラリー流通式の反応装置では、スラリーの流動性をもたせるために、固体に対してかなり多量の水（重量比で１０～２０倍）を加えなければならないが、原料であるバイオマス原料１１と、バイオマス中のリグニン成分及びヘミセルロース成分を除去する加圧熱水１５とを水熱分解装置４１Ａに別系統で供給するため、固体に対する液体の重量比を小さくすることができ、装置の経済性の向上に寄与することとなる。
　なお、本発明では装置本体４２の内部には気体部分が存在することとなるので、加圧窒素（Ｎ2）を内部に供給するようにしている。
　また、水熱分解装置内におけるバイオマス原料１１の昇温は、装置本体４２内で加圧熱水１５と接触させることによる直接熱交換で実施可能である。なお、必要に応じて、外部から水蒸気等を用いて加温するようにしてもよい。
　ここで、バイオマス供給装置３１は、バイオマス自体によるマテリアルシール機構を有するスクリュー式押出機構３２を採用し、固形のバイオマス原料１１を常圧下から加圧下へ供給するものである。
　すなわち、スクリューフィーダー３２ａと油圧シリンダー３２ｂとからなる押出機構３２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３３を形成し、このバイオマスプラグ３３自身で水熱分解装置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３２ａにより徐々に押されて、油圧シリンダー３２ｂ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４２内部に確実にバイオマス原料１１を供給することとなる。
　また、バイオマス抜出装置５１は、その構成は前記バイオマス供給装置３１と同様であり、スクリューフィーダー５２ａと油圧シリンダー５２ｂとからなる押出機構とすることで、水熱分解装置で反応したバイオマス固形物１７が圧縮され、バイオマスプラグ５３を形成し、このバイオマスプラグ５３自身で水熱分解装置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。そして、熱水排出液１６にリグニン成分及びヘミセルロース成分を移行させたバイオマス固形分１７を加圧下から常圧下へ排出を可能とするものである。この際、バイオマスプラグ５３から残留された水分が脱水される。
　この脱水液５４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１６に送られ、熱水排出液１６と共に別途処理される。
　また、バイオマス抜出装置５１内で、加圧状態から常圧状態に変化するので、排出されたバイオマス固形物１７は、爆砕されることとなり、繊維が破壊され、後の工程である酵素糖化における糖化効率が向上することとなる。
　また、バイオマス抜出装置５１においては、低分子化した揮発性の酵素糖化阻害成分又はエタノール発酵阻害成分のいずれか一方又は両方を除去することができる。
　また、本発明においては、バイオマス原料と加圧熱水とを対向接触させることにより、熱水に可溶化され易い成分から順次排出されると共に、バイオマスの投入部から熱水投入部まで温度勾配が生じる為、ヘミセルロース成分の過分解が抑制され、結果的に５炭糖成分が効率よく回収することができる。
　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。
　また、図４に示す水熱分解装置４１Ｄに示すように、バイオマス抜出装置５１で分離され脱水液５４を再度装置本体４２内に供給するようにしてもよい。これにより、装置本体４２の内部に供給する加圧熱水量の削減を図ることができる。
　また、理想的なカウンターフローの実現が可能となる。
　また、図４に示すよう水熱分解装置４１Ｄでは、装置本体４２のバイオマス原料１１が供給される部分でバイオマスに含まれる余剰水３４を除去するように、余剰水除去ラインを設けるようにしている。この余剰水３４はバイオマス原料１１を湿潤状態にするのに用いてもよい。
　本発明による実施例２に係るバイオマス原料を用いた有機原料であるアルコールの製造システムについて、図面を参照して説明する。図５は、実施例に係るバイオマス原料を用いた有機原料の製造システムを示す概念図である。
　図５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の製造システム１０－１は、バイオマス原料１１を例えば粉砕処理する前処理装置１２と、前処理したバイオマス粉砕物１３を加圧熱水１５と対向接触させつつ水熱分解し、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図１に示す水熱分解装置４１Ａと、前記水熱分解装置４１Ａから排出されるバイオマス固形分１７中のセルロースを酵素処理して６炭糖を含む糖液に酵素（セルラーゼ）１８－１で酵素分解する第１の酵素分解装置１９－１と、第１の酵素分解装置１９－１で得られた第１の糖液（６炭糖）２０－１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２１－１と、第１のアルコール発酵液２２－１を精製して目的生成物のエタノール２３と残渣２４－１とに分離処理する第１の精製装置２５－１とを具備するものである。
　本発明によれば、図１に示すような水熱分解装置４１Ａにおいて、カウンターフローを採用することにより、液体側の加圧熱水１５中にリグニン成分及びヘミセルロース成分を移行させ、固体側のバイオマス固形分１７にはセルロースがとどまることとなり、酵素糖化の第１の酵素分解装置１９－１により第１の糖液（６炭糖）２０－１を得ることとなる。
　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２１－１を用いてエタノール２３を発酵により求める）プロセスを構築することができる。
　本実施例では、発酵処理により求めるものとして、アルコール類のエタノールを例示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、アルコール類以外の、化成品原料となる石油代替品類又は食品・飼料原料となるアミノ酸類を発酵装置により得ることができる。
　ここで、糖液を基点とした化成品としては、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、エタノールアミン、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、ポリエステル等を挙げることができる。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。
　本発明による実施例３に係るバイオマス原料を用いた有機原料であるアルコール製造システムについて、図面を参照して説明する。
　図６は、本実施例に係るバイオマス原料を用いた有機原料のアルコール製造システムを示す概念図である。
　図６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の製造システム１０－２は、図５に示すアルコール製造システム１０－１において、水熱分解装置４１Ａから排出される熱水排出液１６中に移行されたヘミセルロース成分を酵素処理して５炭糖を含む第２の糖液２０－２に酵素分解する第２の酵素分解装置１９－２を設けてなるものである。
　なお、酵素分解装置、アルコール発酵装置、精製装置は、それぞれ別途２機（第１の酵素分解装置１９－１、第２の酵素分解装置１９－２、第１のアルコール発酵装置２１－１、第２のアルコール発酵装置２１－２、第１の精製装置２５－１、第２の精製装置２５－２）設置している。そして、第１の糖液（６炭糖）２０－１、第２の糖液（５炭糖）２０－２に応じた酵素分解工程、アルコール発酵工程及び精製工程を行うようにして、エタノール２３を得るようにしている。
　そして、本実施例では、第２の酵素分解装置１９－２で得られた第２の糖液（５炭糖）２０－２を用いて、発酵処理によりエタノール２３を製造することができる。
　なお、熱水排出液は必ずしも別系統において処理するものではなく、例えば酵素分解装置を以降の工程を共通化したり、アルコール発酵装置以降の工程を共通化したり、あるいは精製装置以降を共通化する等適宜変更を行うことができる。
　本発明によれば、水熱分解装置４１Ａにおいて、カウンターフローを採用することにより、固体側のバイオマス固形分１７では、セルロースがとどまることとなり、酵素糖化の第１の酵素分解装置１９－１により第１の糖液（６炭糖）２０－１を得ると共に、液体側の加圧熱水１５では、その加圧熱水に可溶したヘミセルロース成分を熱水排出液１６として分離し、別途酵素糖化の第２の酵素分解装置１９－２により第２の糖液（５炭糖）２０－２を得るので、両者を効率よく分離して各々糖化することが可能となる。そして、６炭糖、５炭糖に応じた発酵（最終製品に応じた発酵：例：エタノール発酵）プロセスを構築することができる。
　このように、水熱分解装置４１Ａにおけるカウンターフローを採用することによって６炭糖を得る酵素糖化反応において阻害物質となる副反応成分や加圧熱水に可溶なリグニン成分を加圧熱水１５側に移行させるため、セルロース主体のバイオマス固形分１７となり、その後の糖化反応における６炭糖の糖化反応収率が向上する。
　一方、分離された熱水排出液１６に含まれるヘミセルロース成分は、その後第２の酵素分解装置１９－２において糖化され、５炭糖を含む糖液を得ることができる。
　そして、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。
　このように、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が、本発明によれば、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加圧熱水に移行させて両者を分離し、各々に適した効率的な糖液（６炭糖液、５炭糖液）の製造を行うと共に、該糖液を基点として、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を提供することが可能となる。
　以上のように、本発明によれば、水熱分解装置により、バイオマス原料からセルロース主体の成分を分離し、効率的な糖液の製造を行うと共に、該糖液を基点として、各種有機（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。

Claims (7)

  1. 　バイオマス原料を常圧下から加圧下に供給するバイオマス供給装置と、
    　供給されたバイオマス原料を、いずれか一方から装置本体の内部にスクリュー手段により搬送すると共に、前記バイオマス原料の供給箇所とは異なる端部側から加圧熱水を本体内部に供給し、バイオマス原料と加圧熱水とを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、前記バイオマス原料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、
    　前記装置本体の上端部側からバイオマス固形分を加圧下から常圧下に抜出すバイオマス抜出装置とを具備することを特徴とするバイオマスの水熱分解装置。
  2. 　請求項１において、
    　前記搬送スクリューに熱水排出液の抜出し孔の閉塞を防止するスクレーパーを設けたことを特徴とするバイオマスの水熱分解装置。
  3. 　請求項１又は２において、
    　前記水熱分解装置の反応温度が１８０～２４０℃であると共に、加圧熱水の状態であることを特徴とするバイオマスの水熱分解装置。
  4. 　請求項１乃至３のいずれか一つにおいて、
    　供給するバイオマス原料と加圧熱水との重量比は、１：１～１：１０であることを特徴とするバイオマスの水熱分解装置。
  5. 　バイオマス原料を常圧下から加圧下に供給するバイオマス供給工程と、
    　供給されたバイオマス原料を、いずれか一方から装置本体の内部にスクリュー手段により搬送すると共に、前記バイオマス原料の供給箇所とは異なる端部側から加圧熱水を本体内部に供給し、前記バイオマス原料と加圧熱水とを対向接触させつつ水熱分解し、前記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、前記バイオマス原料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、
    　前記装置本体の上端部側からバイオマス固形分を加圧下から常圧下に抜出すバイオマス抜出工程とを具備することを特徴とするバイオマスの水熱分解方法。
  6. 　バイオマス原料を前処理する前処理装置と、
    　請求項１乃至４のいずれか一つの水熱分解装置と、
    　前記水熱分解装置から排出される前記バイオマス固形分中のセルロースを酵素処理して６炭糖を含む糖液に酵素分解する第１の酵素分解装置と、
    　該第１の酵素分解装置で得られた糖液を用いて、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。
  7. 　請求項６において、
    　熱水排出液中のヘミセルロース成分を酵素処理して５炭糖を含む糖液に酵素分解する第２の酵素分解装置と、
    　該第２の酵素分解装置で得られた糖液を用いて、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。
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