CN102791887A - 生物质处理装置 - Google Patents

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佐藤健治
成相健太郎
原亨和
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Abstract

本发明的生物质处理装置(A)具备：通过向生物质通入加压热水进行水解来生成多糖类的加压热水反应装置(1)，和使用固体酸催化剂由上述多糖类生成单糖类的固体酸催化反应装置(2、3)，还具备：用由上述固体酸催化反应装置送出的、含上述单糖类的单糖液的热对上述加压热水进行加热的第1换热器(1b、1b')；与用由加压热水反应装置流入固体酸催化反应装置的、含上述多糖类的多糖液的热对上述加压热水进行加热的第2换热器(1c)的至少一个。该生物质处理装置可以比过去更好地提高能量效率。

Description

生物质处理装置
技术领域
本发明涉及生物质处理装置。
本申请基于2010年1月18日在日本申请的专利申请2010-8558号主张优先权，将其内容援引到本文中。
背景技术
在下述专利文献1中，作为生物质的有效糖化方法，提出了通过用加压热水(240℃～340℃)水解生物质原料来生成多糖类(低聚木糖、纤维低聚糖)的加压热水反应装置和在其后段将上述多糖类单糖化的固体酸催化反应装置。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:日本特开2009-77697号公报。
发明内容
发明要解决的课题
在上述现有技术中，必须将加热至240℃～340℃的热水持续供给生物质原料，故加热需要极大的能量。将生物质原料在加压热水反应装置中处理后，在后段的固体酸催化反应装置中单糖化，但在后段的固体酸催化反应中为了促进反应，必须保持高于常温的温度。因此，在固体酸催化反应装置中需要极大的能量。
本发明是鉴于上述情况而进行的，目的在于在生物质的糖化处理中比过去更好地提高能量效率。
解决课题的手段
为了实现上述目的，本发明的生物质处理装置具备：通过向生物质通入加压热水进行水解来生成多糖类的加压热水反应装置，和使用固体酸催化剂由上述多糖类生成单糖类的固体酸催化反应装置，同时还具备：用由上述固体酸催化反应装置送出的、含上述单糖类的单糖液的热对上述加压热水进行加热的第1换热器；与用由上述加压热水反应装置流入上述固体酸催化反应装置的、含上述多糖类的多糖液的热对上述加压热水进行加热的上述第2换热器的至少一个。
在上述生物质处理装置中，上述单糖液的温度比上述多糖液的温度低时，也可以在上述第1换热器之后用第2换热器对上述加压热水进行加热。
上述生物质处理装置中，可以具备多个上述固体酸催化反应装置，上述加压热水反应装置根据多糖类的种类将多糖液送至不同的上述固体酸催化反应装置，将为上述加压热水的基础的水分为多股，用设在上述各固体酸催化反应装置的上述第1换热器对各股水进行加热。
在上述生物质处理装置中，可以具有用酶将通入上述加压热水后的上述生物质水解的酶反应器。
这种情况下，可以设置对由上述酶反应器送至上述生物质处理装置的液体进行加热的第3换热器，将用第3换热器加热的上述液体送至上述固体酸催化反应装置。
上述第3换热器中，可以用由上述固体酸催化反应装置送出的上述单糖液的热对由上述酶反应器送出的上述液体进行加热。
发明效果
本发明的生物质处理装置具备：用由固体酸催化反应装置送出的、含单糖类的单糖液的热对加压热水进行加热的第1换热器，与用由加压热水反应装置流入固体酸催化反应装置的、含多糖类的多糖液的热对加压热水进行加热的第2换热器的至少一个。这样，使用单糖液和多糖液的至少一种的热对加压热水进行加热，故在加压热水的加热中可以比过去更好地提高能量效率。
附图说明
[图1]显示本发明的实施方案的生物质处理装置的一个例子的功能框图；
[图2]显示本发明的实施方案的生物质处理装置的变形例子的功能框图。
具体实施方式
下面参照附图对本发明的实施方案进行说明。
本实施方案的生物质处理装置的示意构成示于图1中。生物质处理装置A由加压热水反应装置1、第1催化反应装置2和第2催化反应装置3构成。
生物质处理装置A是通过将规定温度(例如150℃～300℃左右)和规定压力以上(例如饱和蒸气压以上)的加压热水通入由外部供给的原料规定的时间，水解而生成多糖类，由该多糖类生成单糖类的装置。这种生物质处理装置A在例如由生物质(除化石资源以外的来自生物的资源)制备生物乙醇的工厂中用于生成成为醇发酵的原料的单糖类。
本申请人作为专利申请2009－219362(平成21年9月24日申请，发明名称：生物质处理装置和方法)，提出了下述生物质处理装置和方法：在加压热水反应装置(前段糖化装置)中通过调节热水温度由生物质(木质系生物质)中所含的多糖类(碳水化合物)分别取得低聚木糖和纤维低聚糖，通过将低聚木糖用第1催化反应装置(后段糖化装置)处理单糖化为木糖(C5H10O5：五碳糖)，同时通过将纤维低聚糖用第2催化反应装置(后段糖化装置)处理单糖化为葡萄糖(C6H12O6：六碳糖)，再通过将木糖用第1发酵装置进行发酵处理，同时将葡萄糖用第2发酵装置进行发酵处理来制备生物乙醇(C2H6O)的生物质处理装置和方法。
众所周知，木质系生物质以纤维素(多糖类)、半纤维素(多糖类)和木质素为主要成分。通过使这种成分的木质系生物质与热水作用，可以将纤维素、半纤维素进一步分解为聚合度低的多糖类(低聚木糖、纤维低聚糖和聚合度多少比它们高的各种低聚糖)。
加压热水反应装置1例如为热水流通式反应装置，其使用加压热水，在用于半纤维素分解的第1反应条件下通过将木质系生物质水解生成含低聚木糖的第1多糖液，之后在用于纤维素分解的第2反应条件下继续将木质系生物质水解，生成含纤维低聚糖的第2多糖液。此处，加压热水是亚临界状态的热水，意味着为维持液体状态而加压的热水。
具体来说，加压热水反应装置1由泵1a、第1换热器1b、1b'、第2换热器1c、加热器1d、水量调节阀1e、反应槽1f、分支器1g和控制装置1h构成。
泵1a将由外部供给的水加压后分至第1换热器1b、1b'而送出。
第1换热器1b将由泵1a流入的加压水通过与第1单糖液的热交换进行加热，作为加压热水送至第2换热器1c。需说明的是，后面将对第1单糖液的详细情况进行叙述。
第1换热器1b'将由泵1a流入的加压水通过与第2单糖液的热交换进行加热，作为加压热水送至第2换热器1c。需说明的是，后面将对第2单糖液的详细情况进行叙述。
第2换热器1c将由第1换热器1b、1b'流入的加压水通过与第1、第2多糖液的热交换进行加热，作为加压热水送至加热器1d。需说明的是，后面将对第1、第2多糖液的详细情况进行叙述。
加热器1d根据由控制装置1h输入的温度控制信号，将由第2换热器1c流入的加压热水加热至木质系生物质可水解的温度，将由该加压热水送至水量调节阀1e。
水量调节阀1e是根据由控制装置1h输入的流量控制信号来调节其开度的电子控制阀，将加热器1d流入的加压热水调节流量后送至反应槽1f。
反应槽1f是将由外部供给的木质系生物质按规定量填充在内部空间的槽，构成为：由水量调节阀1e流入的加压热水在通入木质系生物质后流出至后段的分支器1g。通过向反应槽1f内连续通入加压热水，木质系生物质被水解。加压热水作为因木质系生物质的水解而生成的、含多糖类的多糖液流至分支器1g中。
分支器1g根据由控制装置1h输入的分支控制信号，将由反应槽1f流入的多糖液选择性送至第1催化反应装置2或第2催化反应装置3。需说明的是，由反应槽1f送出的多糖液是高温(150℃～270℃)的，故优选将该多糖液冷却后使其流入分支器1g。
控制装置1h具有下述功能：通过向加热器1d输入温度控制信号，向水量调节阀1e输入流量控制信号，控制应供给反应槽1f的加压热水的温度和流量(供给量)，选择性地切换用于分解半纤维素的第1反应条件和用于分解纤维素的第2反应条件。此处，第1反应条件是分解木质系生物质中所含的半纤维素，以低聚木糖作为主成分的多糖类的生成条件，第2反应条件是分解木质系生物质中所含的纤维素，以纤维低聚糖作为主成分的多糖类的生成条件。作为第1反应条件和第2反应条件，设定加压热水的供给量Q(ml)与木质系生物质的供给量V(g)之比K(=Q/V)和加压热水的温度T(℃)的组合。
控制装置1h在反应槽1f内，首先控制加压热水的温度T和供给量Q以在第1反应条件下发生木质系生物质的水解，之后控制加压热水的温度T和供给量Q以在第2反应条件下发生木质系生物质的水解。由此，在第1反应条件时由反应槽1f流出的加压热水成为以低聚木糖作为主成分的多糖液(第1多糖液)，在第2反应条件时由反应槽1f流出的加压热水成为以纤维低聚糖作为主成分的多糖液(第2多糖液)。
控制装置1h控制分支器1g以使使用第1反应条件时由反应槽1f流出的加压热水(第1多糖液)送至第1催化反应装置2，控制分支器1g以使使用第2反应条件时由反应槽1f流出的加压热水(第2多糖液)送至第2催化反应装置3。
第1催化反应装置2通过用固体酸催化剂水解第1反应条件时由上述加压热水反应装置1(具体为分支器1g)流入的第1多糖液，生成含木糖的第1单糖液。另外，第1催化反应装置2由第1混合装置2a和第1固液分离装置2b构成。
第1混合装置2a通过将由加压热水反应装置1流入的第1多糖液和预先填充的固体酸催化剂搅拌、混合来促进分解反应(即糖化反应)。通过上述糖化反应，第1多糖液中所含的低聚木糖被分解，生成为单糖类的木糖。如此生成的包含含木糖的第1单糖液和固化酸催化剂的第1混合液自第1混合装置2a流至第1固液分离装置2b。
第1固液分离装置2b通过将由上述第1混合装置2a流入的第1混合液固液分离，分离为含木糖的第1单糖液和固体酸催化剂，将固体酸催化剂回收供给上述第1混合装置2a(再利用)，而将含木糖的第1单糖液送至第1发酵装置。这种第1固液分离装置2b可以使用沉淀槽。也就是说，供给沉淀槽的第1混合液内的固体即固体酸催化剂在槽底部沉淀，上清液作为含木糖的第1单糖液获得。需说明的是，第1发酵装置通过使第1单糖液乙醇发酵而生成乙醇。
第2催化反应装置3通过用固体酸催化剂水解第2反应条件时由上述加压热水反应装置1(具体为分支器1g)流入的第2多糖液，生成含葡萄糖的第2单糖液。另外，第2催化反应装置3由第2混合装置3a和第2固液分离装置3b构成。
第2混合装置3a通过将由加压热水反应装置1流入的第2多糖液和预先填充的固体酸催化剂搅拌、混合，使两者接触来促进水解反应(即糖化反应)。通过上述糖化反应，第2多糖液中所含的纤维低聚糖被分解，生成为单糖类的葡萄糖。如此生成的包含含葡萄糖的第2单糖液和固化酸催化剂的第2混合液自第2混合装置3a流至第2固液分离装置3b。
第2固液分离装置3b通过将由上述第2混合装置3a流入的第2混合液固液分离，分离为含葡萄糖的第2单糖液和固体酸催化剂，将固体酸催化剂回收供给上述第2混合装置3a(再利用)，而将含葡萄糖的第2单糖液送至第2发酵装置。这种第2固液分离装置3b与第1固液分离装置2b同样，可以使用沉淀槽。也就是说，供给沉淀槽的第2混合液内的固体即固体酸催化剂在槽底部沉淀，上清液作为含葡萄糖的第2单糖液获得。需说明的是，第2发酵装置通过使第2单糖液乙醇发酵而生成乙醇。
接下来，对构成如上所述的生物质处理装置A中加压热水的加热方法进行说明。
首先，将由泵1a送出的加压水的一半供给第1换热器1b，余下的一半供给第1换热器1b'。通过分别在第1换热器1b、1b'中与第1单糖液或第2单糖液进行热交换，加压水被加热。之后，由第1换热器1b、1b送出的加压热水合流，流入第2换热器1c。加压热水通过在第2换热器1c中与第1多糖液或第2多糖液进行热交换，进一步被加热。需说明的是，第1多糖液和第2多糖液、以及第1单糖液和第2单糖液中，第1多糖液和第2多糖液为高温的。之后，加压热水被送至加热器1d，在加热器1d中被加热。此时，控制装置1h用最低必要量的能量在加热器1d中将加压热水加热至木质系生物质可水解的温度。
如上所述，本实施方案中，首先，通过在第1换热器1b中与第1单糖液的热交换、和在第1换热器1b'中与第2单糖液的热交换将加压水加热。由第1换热器1b、1b'送出的加压热水通过在第2换热器1c中与第1多糖液或第2多糖液进行热交换，进一步被加热。之后，将该加压热水在加热器1d中以最低必要量的能量加热至木质系生物质可水解的温度。如上所述，在本实施方案中，在第1换热器1b、1b'和第2换热器1c中通过热交换将加压热水加热，故可以在加热器1d中以较少的能量将加压热水加热至木质系生物质可水解的温度。即，在本实施方案中，利用第1单糖液、第2单糖液、第1多糖液和第2多糖液的热对加压热水进行预热，故在加压热水的加热中可以比过去更好地提高能量效率。
上面对本发明的实施方案进行了说明，但本发明并不限于上述实施方案，例如可以考虑以下的变形。
图2显示了本发明的实施方案的变形例子。
在第2反应条件下反应后，反应槽1f内残存有含纤维素的固形物。在该变形例中，在第2反应条件下反应后，将反应槽1f内残存的含纤维素的固形物与加压热水一起移至酶反应器4，在酶反应器4中用酶(纤维素酶)进行水解，成为以纤维低聚糖为主成分的多糖液。图2中设有反应槽1f至第2催化反应装置3的流路5，在该流路5内设置有酶反应器4。这种情况下，如上所述，由反应槽1f送出的加压热水是高温(150℃～270℃)的，故流入酶反应器4时，需要预先将加压热水减压至大气压，且冷却至最适合酶反应的温度(50℃以下)。
另一方面，第2催化反应装置3中多糖液水解的最适合温度约为100℃。因此，在使在酶反应器4中通过纤维素的分解而获得的多糖液流入第2催化反应装置3时，优选预先使多糖液的温度上升至100℃左右。
因此，本变形例中，在酶反应器4至第2催化反应装置3的流路5中设置第3换热器6，通过用第3换热器6与由第2催化反应装置3排出的第2单糖液进行热交换，将酶反应器4至第2催化反应装置3的多糖液加热。
需说明的是，第3换热器6中上述多糖液的加热可以通过与由反应槽1f送出的加压热水的热交换来进行。另外，图2中，第3换热器6中热交换使用的第2单糖液中使用第2催化反应装置3至第1换热器1b’的单糖液。但也可以使用第1换热器1b’至第2发酵装置的单糖液。
本发明还可以考虑例如以下的变形。
上述实施方案中，使加压水的各一半分别在第1换热器1b，1b’中加热，之后将合流的加压热水在第2换热器1c中加热，但本发明不限于此。
例如，可以具备第1换热器1b和第1换热器1b’的任一个，该第1换热器1b或第1换热器1b’加热加压水。还可以仅具备第1换热器1b、1b’和第2换热器1c的任一者。即，上述实施方案具备3个换热器，但本发明具备3个换热器中的至少1个即可。
产业上的可利用性
如上所述，本发明能够在生物质的糖化处理中比过去更好地提高能量效率。
符号说明
A…生物质处理装置、1…加压热水反应装置、2…第1催化反应装置、3…第2催化反应装置、1a…泵、1b，1b'…第1换热器、1c…第2换热器、1d…加热器、1e…水量调节阀、1f…反应槽、1g…分支器、1h…控制装置、2a…第1混合装置、2b…第1固液分离装置、3a…第2混合装置、3b…第2固液分离装置、4…酶反应器、6…第3换热器。

Claims (6)

1. 生物质处理装置，其具备：通过向生物质通入加压热水进行水解来生成多糖类的加压热水反应装置，和使用固体酸催化剂由上述多糖类生成单糖类的固体酸催化反应装置，
且具备：用由上述固体酸催化反应装置送出的、含上述单糖类的单糖液的热对上述加压热水进行加热的第1换热器；与用由上述加压热水反应装置流入上述固体酸催化反应装置的、含上述多糖类的多糖液的热对上述加压热水进行加热的上述第2换热器的至少一个。
2. 权利要求1记载的生物质处理装置，其中在上述单糖液的温度比上述多糖液的温度低时，在上述第1换热器之后用第2换热器对上述加压热水进行加热。
3. 权利要求1记载的生物质处理装置，其具备多个上述固体酸催化反应装置，上述加压热水反应装置根据多糖类的种类将多糖液送至不同的上述固体酸催化反应装置，
将为上述加压热水的基础的水分为多股，用设在上述各固体酸催化反应装置的上述第1换热器对各股水进行加热。
4. 权利要求1记载的生物质处理装置，其具备用酶将通入上述加压热水后的上述生物质水解的酶反应器。
5. 权利要求4记载的生物质处理装置，其具备对由上述酶反应器送出的液体进行加热的第3换热器，将用第3换热器加热的上述液体送至上述固体酸催化反应装置。
6. 权利要求5记载的生物质处理装置，其中上述第3换热器中，用由上述固体酸催化反应装置送出的上述单糖液的热对由上述酶反应器送出的上述液体进行加热。
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