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JP4436429B1 - 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

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 Download PDF

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Abstract

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、バイオマス固形分中に酵素を供給し、セルロースを酵素処理して６炭糖を含む第１の糖液に酵素糖化するセルロース酵素糖化装置（１７）と、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を製造する第１のアルコール発酵装置（１８）と、前記水熱分解装置から排出される、リグニン成分及びヘミセルロース成分が移行された熱水排出液（３０）に硫酸を供給し、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（３３）と、第２の糖液（５炭糖）を用いて、発酵処理によりアルコール類を製造する第２のアルコール発酵装置（３４）を具備する。
【選択図】図１

Description

本発明は、バイオマス原料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及び方法に関する。
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してなり、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原料を用いた有機原料の製造システムにある。
第２の発明は、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、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を具備してなり、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原料を用いた有機原料の製造システムにある。
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にある。
第４の発明は、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の発酵工程とを含み、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にある。
第５の発明は、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、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を含み、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にある。
第６の発明は、第４又は５の発明において、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にある。
本発明によれば、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、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。
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１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。
ここで、前記水熱分解装置１３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（ＪＩＳＫ 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、例えば５ｍｍ以下に粉砕することが好ましい。
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。
また、前記水熱分解装置１３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、水熱分解反応の反応圧力は、装置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〜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。
本発明では、水熱分解装置１３の本体内の加圧熱水１２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１２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。
前記水熱分解装置１３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１２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１２（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状態で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１２により分解すると、その分解物が加圧熱水１２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。
本発明によれば、水熱分解装置１３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１２中にリグニン成分及びヘミセルロース成分を移行させ、水熱分解装置１３から排出される固体側のバイオマス固形分１４にはセルロースがとどまることとなり、酵素糖化のセルロース酵素糖化装置１７により第１の糖液（６炭糖）１６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。
本発明によれば、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、セルロース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）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、加圧熱水１２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。
そして、本実施例では、硫酸分解装置３３で得られた第２の糖液（５炭糖）３２を用いて、発酵処理によりエタノール２０を製造することができる。
ここで、本発明における硫酸分解処置装置での分解条件としては、硫酸濃度が０．１〜５重量％、好ましくは１〜４重量％とし、分解温度が１００〜１４０℃、好ましくは約１２０℃前後とし、分解時間としては、３０分から３時間、好ましくは１時間前後としている。
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。
従来において、バイオマス原料をそのまま硫酸分解するような場合には、１重量％の硫酸を用いて、約１８０℃という高温で１０分程度の分解処理を行っているが、硫酸が後流側のセルロースの酵素糖化の際に阻害物質として働くので、６炭糖の収率が低下していた。
これに対して、本発明では、水熱分解装置１３において、予めセルロース成分をバイオマス固形分１４に留まらせ、加圧熱水１２側に移行したヘミセルロース成分を低温条件で硫酸処理するので、硫酸設備の構造が簡略化できると共に、硫酸の使用量が大幅に低減（従来硫酸使用量の０．６〜０．９倍）されることとなる。その結果、硫酸の廃棄処理（石膏処理）量が低減するので、硫酸回収分離設備も小型のものとなり。設備のコンパクト化を図ることとなる。
また、硫酸での分解は、１４０℃以下の低温であるので、従来のような高温（１８０℃）用の耐酸設備とする必要がなく、設備コストの低廉を図ることもできる。
また、バイオマス原料１１として麦稈を用いた場合、麦稈中の５炭糖及び６炭糖をそれぞれ１とすると、回収できた糖は５炭糖で０．８５の回収（回収率８５％）、６炭糖で０．９１の回収（回収率９１％）とすることができ、極めて良好な回収率であった。
なお、熱水排出液３０は必ずしも別系統において処理するものではなく、例えば酵素糖化装置１７及び硫酸分解装置３３以降の工程を共通化したり、第１及び第２のアルコール発酵装置１８、３４以降の工程を共通化したり、あるいは第１及び第２の精製装置２２、３７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１３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１４では、セルロースがとどまることとなり、酵素糖化のセルロース酵素糖化装置１７により第１の糖液（６炭糖）１６を得ると共に、液体側の加圧熱水１２では、その加圧熱水１２中に可溶したヘミセルロース成分を熱水排出液３０として外部に分離し、硫酸を用いた硫酸分解装置３３により第２の糖液（５炭糖）３２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炭糖の各々に応じた発酵（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１３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１２に可溶なリグニン成分を加圧熱水１２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１４となり、その後の酵素による単糖化反応における６炭糖を含む第１の糖液１６の糖化反応収率が向上する。
一方、分離された熱水排出液３０に含まれるヘミセルロース成分は、その後硫酸分解装置３３において糖化され、５炭糖を含む第２の糖液３２を得ることができる。
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。
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。
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、５炭糖）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。
次に、本発明のバイオマス原料を用いたアルコール製造システム１０に用いるバイオマスの水熱分解装置の実施例について、図面を参照して説明する。
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。
このように、傾斜型の水熱分解装置１３Ａを用いることにより、装置内部において、バイオマス原料１１と加圧熱水１２とが対向接触されることとなり、この結果、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）を生成する水熱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１２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１４を得ることができる。その結果、バイオマス固形分１４では、セルロースを効率よく６炭糖を含む第１の糖液に糖化させて、該糖液を基点として、各種有機原料（例えばアルコール類）を効率よく製造することができる。
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。
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１２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。
また、水熱分解装置１３Ａは、本実施例では、図２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、縦型や水平型の水熱分解反応装置としてもよい。
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１２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。
本実施例に係る水熱分解装置１３Ａでは、前記搬送スクリュー５２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５１内で固液の分離が可能となる。３）装置本体５１内で固体表面、固体中の加圧熱水１２の混合が進み反応が促進される。
また、前記搬送スクリュー５２に熱水排出液３０の抜出し孔の閉塞を防止するスクレーパー（図示せず）を設けるようにしてもよい。
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１２とを水熱分解装置１３Ａ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５１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）５５を内部に供給するようにしている。
また、水熱分解装置１３Ａ内におけるバイオマス原料１１の昇温は、装置本体５１内で加圧熱水１２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５３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４０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４１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。
また、バイオマス抜出装置６０は、その構成は前記バイオマス供給装置４０と同様であり、スクリューフィーダー６１ａと油圧シリンダー６１ｂとからなる押出機構６１とすることで、水熱分解装置１３Ａで反応したバイオマス固形分１４が圧縮され、バイオマスプラグ６２を形成し、このバイオマスプラグ６２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。そして、熱水排出液３０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１４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６２から残留された水分が脱水液６３として排出される。
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。
また、バイオマス抜出装置６０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分１４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６０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。
次に、本発明のバイオマス原料を用いたアルコール製造システム１０に用いるバイオマスの水熱分解装置の他の実施例について、図面を参照して説明する。
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。
本実施例では、前記装置本体７０内部にバイオマス原料１１をいわゆるプラグフローの圧密状態で撹拌する固定撹拌手段７１を設けており、内部に送り込まれるバイオマス原料１１を軸方向に移動する際に、撹拌作用により撹拌するようにしている。
この固定撹拌手段７１を設けることにより、装置本体７０内で固体表面、固体中の加圧熱水１２の混合が進み反応が促進される。
ここで、本発明では、水熱分解装置１３Ｂの装置本体７０内の加圧熱水１２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１２とを対向接触させる、いわゆるカウンターフローで撹拌・流動するようにすることが好ましい。
水熱分解装置１３Ｂは、プラグフロー型分解であるので、構造が簡易であり、固体であるバイオマス原料１１は、管中心軸と垂直に攪拌されながら、管中心軸と平行に移動することとなる。一方加圧熱水１２（熱水、分解物が溶解した液）は、固体に対しカウンターフローにて固体粒子間に滲みながら移動する。
また、プラグフローでは、加圧熱水１２の均一な流れを実現することができる。なぜならば、固体のバイオマス原料１１が加圧熱水１２により分解すると、分解物が熱水側に溶解する。分解部近傍は高粘度となり、未分解部近傍へ優先的に熱水が移動し、未分解部が続いて分解することとなり、均一な熱水の流れになり、均一な分解が実現することとなる。
また、水熱分解装置１３Ｂにおける装置本体７０内面の管壁の抵抗により、装置本体７０内において、バイオマス原料１１の入口側に比べ、バイオマス原料１１の出口側の固体密度が減少し、加えて分解によりバイオマス固形分１４が減少するため、加圧熱水１２の占める割合が増加し、液滞留時間が増加することにより、液中の分解成分が過分解するので、少なくとも固定式の撹拌手段を設けるようにしている。
そして、この固定撹拌手段７１には、溝を刻むようにしたり、ピッチを変えるようにしたりしてもよい。さらに、固定撹拌手段７１のスクリューを直列に多段にし、個別に攪拌するようにしてもよい。
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、装置本体７０内における固形分の閉塞防止のほぐし機能を設け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。
また、加圧熱水１２をカウンターフローで流し、直接熱交換するので、分解して液に抽出された分解物（リグニン成分等）が過分解しにくいものとなる。
また、装置本体７０内に供給するバイオマス原料１１に対する加圧熱水１２の重量が少ないほど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。
さらに、装置本体７０内における固液重量比の管理をすることにより、水熱分解条件の安定化、バイオマス抜出装置６０からのバイオマス固形分１４の排出の安定化を図ることができる。
また、水熱分解装置１３Ｂ内でのバイオマス原料１１と加圧熱水１２とを対向接触することにより、固液分離を図ることになるので、固体側であるセルロース中への過分解生成物の持ち込みが削減される。これは、リグニン成分等は低温では析出するため、低温では分離困難である。すなわち、水熱分解を行った後に、反応系外に出して、分離しようとすると、高温加圧条件から常温常圧に移行する際のフラッシュ時の熱ロスが削減されると共に、分解物抽出液の分離性の向上を図ることができる。これは、水熱分解生成物は多糖類であり、低温では析出するため、低温における分離困難となるからである。
本実施例によれば、水熱分解装置１３Ｂ内に供給するバイオマス原料１１の重量を加圧熱水１２の重量に対して大きくすることができ、装置を小型化することができるため、経済性の向上に寄与することとなる。
また、水熱分解装置１３Ｂ内におけるバイオマス原料１１の昇温は、装置本体７０内で加圧熱水１２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５３等を用いて加温するようにしてもよい。または、熱水に代えて飽和水蒸気を装置本体７０内に直接供給するようにしてもよい。
ここで、本実施例では、バイオマス供給装置８０としては、ピストンポンプ８１ａを有するバイオマス原料１１の供給機構を採用しており、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、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。
すなわち、ピストンポンプ８１ａを採用することにより、装置本体７０内で固形分を移動させる回転式の移動手段等を設けることなく、ピストンポンプ８１ａの動力により、固液カウンターフローでの固形分であるバイオマス原料１１の移動が可能となる。
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。
また、バイオマス抜出装置６０は、図２に示した水熱分解装置１３Ａと同様のものであるので説明は省略する。
また、本実施例では、加圧熱水１２の取り出しは、バイオマス供給部入口近傍としているが、理想的な温度分布となるように、中間に加圧熱水１２の液抜出口を設け、その抜出液を加熱又は冷却のいずれか一方又は両方を行い、再度装置本体７０内に注入するようにしてもよい。
また、加圧熱水１２の排出部近傍において、液中の例えばフルフラール等の阻害物質の濃度を監視し、その測定値により加圧熱水１２の供給量を制御するようにしたり、バイオマス抜出装置６０近傍において、糖濃度を測定し、その測定値により加圧熱水１２の供給量を制御するようにしたりするようにしてもよい。
さらに、本実施例では、加圧熱水１２の供給箇所を一カ所としているが、本発明はこれに限定されるものではなく、複数箇所として温度制御を行うようにしてもよい。
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、バイオマス原料の投入部から熱水投入部まで濃度勾配及び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。
本実施例の変形例としては、図３に示すような水熱分解装置１３Ｂのような水平型のものを、傾斜型や垂直型としてもよい。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１２で抽出するので、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。
以上のように、本発明に係るシステム及び方法によれば、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。
図１は、実施例１に係るアルコール製造システムの概略図である。 図２は、実施例２に係る水熱分解装置の概略図である。 図３は、実施例３に係る水熱分解装置の概略図である。
１０ アルコール製造システム
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)

  1. 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してなり、
    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原料を用いた有機原料の製造システム。
  2. 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、
    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を具備してなり、
    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原料を用いた有機原料の製造システム。
  3. 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。
  4. 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の発酵工程とを含み、
    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。
  5. 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、
    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を含み、
    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。
  6. 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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