JP2011068578A - バイオマス処理装置及び方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】糖収率の向上、及び固体酸触媒の反応速度向上と固体酸触媒分離性向上を図ることの可能なバイオマス処理装置を提供する。
【解決手段】加圧熱水を用い、ヘミセルロースの分解に供する第1反応条件にて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、セルロースの分解に供する第2反応条件にて前記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多糖液を生成する加圧熱水反応装置と、前記加圧熱水反応装置から流出する前記第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単糖液を生成する第1触媒反応装置と、前記加圧熱水反応装置から流出する前記第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単糖液を生成する第2触媒反応装置とによって、バイオマス処理装置を構成する。
【選択図】図1
【解決手段】加圧熱水を用い、ヘミセルロースの分解に供する第1反応条件にて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、セルロースの分解に供する第2反応条件にて前記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多糖液を生成する加圧熱水反応装置と、前記加圧熱水反応装置から流出する前記第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単糖液を生成する第1触媒反応装置と、前記加圧熱水反応装置から流出する前記第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単糖液を生成する第2触媒反応装置とによって、バイオマス処理装置を構成する。
【選択図】図1
Description
本発明は、バイオマス処理装置及び方法に関する。
近年、石油等の化石資源の代替資源としてカーボンニュートラル資源であるバイオマスが注目されている。このようなバイオマスの利用の1つとして、セルロースを含有するバイオマスを糖化処理することでグルコース(単糖類)を生成し、さらに、このグルコースをアルコール発酵させることでバイオエタノールを生成する技術が知られている。
バイオマスからグルコースを生成する方法(糖化技術)としては、バイオマスに硫酸を加えて加水分解する方法(希硫酸法、濃硫酸法等)が一般的に知られているが、反応器の腐食や廃液処理の問題、液体であるため再利用できない等の問題がある。また、酵素を用いて糖化を行う方法(下記特許文献1参照)も知られているが、酵素は高価な上、再利用できないため製造コストが高くなるという問題がある。
これに対し、硫酸に匹敵する触媒性能を有し、反応器の腐食や廃液処理の問題がなく、且つ安価で再利用可能な固体酸触媒(例えば、カーボンやゼオライト等にスルホ基を担持させた、言わば固体の硫酸)を用いてバイオマスを糖化する方法(下記非特許文献1参照)も提案されているが、固体同士の反応であるが故に、反応速度が極めて遅い上、残渣と固体酸触媒との分離が困難という問題がある。
一方、超臨界水または亜臨界水を用いてバイオマスを加水分解することでグルコースを生成する方法(下記非特許文献2参照)も提案されているが、グルコースはセルロースよりも分解しやすいため、グルコースの生成と分解とが同時に進行してしまい、糖収率が低下するという問題がある。また、バイオマスにヘミセルロースも含まれている場合、ヘミセルロースはセルロースより分解温度が低いため、セルロースの分解温度に到達する前にヘミセルロースが分解され、エタノール発酵阻害物質(例えばフルフラール)が生成されるという問題もある。
これに対し、亜臨界状態の加圧熱水を、セルロース粉末を充填した糖化槽に流通させて加水分解を行うことにより、非水溶性多糖類を生成する方法が提案されている(下記特許文献2参照)。この特許文献2には、糖化槽に流通させる加圧熱水の温度を240°C以上340°C以下(好ましくは270°C以上310°C以下)とすることで、エタノール発酵阻害物質の生成を抑制しつつ、糖収率の向上を図れることが記載されている。しかしながら、この特許文献2の技術では、セルロースのみを糖化対象物として捉えて加圧熱水の温度を設定し、ヘミセルロースの糖化に関しては何ら考慮されておらず、糖収率向上の観点から改善の余地がある。
セミナーテキスト「エタノール燃料製造に向けたバイオマスの前処理・糖化」(技術情報協会)(2009)
江原克信、坂志朗、HORIBA Technical Report,31,98-105(2005)
上記のように、従来では、有望なバイオマス糖化技術として、固体酸触媒を用いる方法と加圧熱水を用いる方法が提案されていたにも関わらず、未だ、それぞれの解決すべき課題が残っており、今後の地球温暖化対策及び循環型社会の構築を進めるに当って、早急な対策技術の開発が求められていた。
本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであり、糖収率の向上、及び固体酸触媒の性能向上(具体的には反応速度の向上、及び分離性の向上)を図ることの可能なバイオマス処理装置及び方法を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明では、バイオマス処理装置に係る第1の解決手段として、加圧熱水を用い、ヘミセルロースの分解に供する第1反応条件にて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、セルロースの分解に供する第2反応条件にて前記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多糖液を生成する加圧熱水反応装置と、前記加圧熱水反応装置から流出する前記第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単糖液を生成する第1触媒反応装置と、前記加圧熱水反応装置から流出する前記第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単糖液を生成する第2触媒反応装置と、を備えることを特徴とする。
また、バイオマス処理装置に係る第2の解決手段として、上記第1の解決手段において、前記第1反応条件及び第2反応条件は、前記加圧熱水の供給量と前記バイオマスの供給量との比率と、前記加圧熱水の温度との組み合わせによって設定されていることを特徴とする。
また、バイオマス処理装置に係る第3の解決手段として、上記第1または第2の解決手段において、前記第1触媒反応装置は、前記加圧熱水反応装置から流出する前記第1多糖液と前記固体酸触媒とを混合することで、前記キシロースを生成する第1混合装置と、前記第1混合装置から流出する、前記キシロース及び前記固体酸触媒を含む第1混合液を固液分離することで、前記キシロースを含む第1単糖液と前記固体酸触媒とを分離し、前記固体酸触媒を回収して前記第1混合装置に供給する第1固液分離装置と、を備えることを特徴とする。
また、バイオマス処理装置に係る第4の解決手段として、上記第1〜第3のいずれか1つの解決手段において、前記第2触媒反応装置は、前記加圧熱水反応装置から流出する前記第2多糖液と前記固体酸触媒とを混合することで、前記グルコースを生成する第2混合装置と、前記第2混合装置から流出する、前記グルコース及び前記固体酸触媒を含む第2混合液を固液分離することで、前記グルコースを含む第2単糖液と前記固体酸触媒とを分離し、前記固体酸触媒を回収して前記第2混合装置に供給する第2固液分離装置と、を備えることを特徴とする。
また、バイオマス処理装置に係る第5の解決手段として、上記第1〜第4のいずれか1つの解決手段において、前記第1触媒反応装置によって生成された前記第1単糖液をアルコール発酵させることで、バイオエタノールを生成する第1発酵装置を備えることを特徴とする。
また、バイオマス処理装置に係る第6の解決手段として、上記第1〜第5のいずれか1つの解決手段において、前記第2触媒反応装置によって生成された前記第2単糖液をアルコール発酵させることで、バイオエタノールを生成する第2発酵装置を備えることを特徴とする。
また、バイオマス処理装置に係る第6の解決手段として、上記第1〜第5のいずれか1つの解決手段において、前記第2触媒反応装置によって生成された前記第2単糖液をアルコール発酵させることで、バイオエタノールを生成する第2発酵装置を備えることを特徴とする。
一方、本発明では、バイオマス処理方法に係る解決手段として、加圧熱水を用い、ヘミセルロースの分解に供する第1反応条件にて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、セルロースの分解に供する第2反応条件にて前記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多糖液を生成する加圧熱水反応工程と、前記加圧熱水反応工程にて生成された前記第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単糖液を生成する第1触媒反応工程と、前記加圧熱水反応工程にて生成された前記第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単糖液を生成する第2触媒反応工程と、を有することを特徴とする。
本発明では、加圧熱水反応装置におけるバイオマスの加水分解に供する反応条件を、ヘミセルロースの分解に供する第1反応条件と、セルロースの分解に供する第2反応条件との2段階に分けて制御することにより、ヘミセルロースの分解物(キシロオリゴ糖を含む多糖類)と、セルロースの分解物(セロオリゴ糖を含む多糖類)とを区別して採取することができる。その結果、最終的に得られるアルコール発酵可能な単糖類(グルコース、キシロース)の量を増やすことができ、糖収率の向上を図ることができる。
また、第1触媒反応装置及び第2触媒反応装置における多糖液(第1多糖液、第2多糖液)と固体酸触媒との接触反応が固液反応であるため、反応速度が速く、また、固体酸触媒の分離回収を容易に行うことができる。
さらに、加圧熱水による水熱反応と、固体酸触媒反応とを段階的に行うことで、エタノール発酵を阻害する物質の生成が抑制され、糖収率のさらなる向上を図ることができる。
さらに、加圧熱水による水熱反応と、固体酸触媒反応とを段階的に行うことで、エタノール発酵を阻害する物質の生成が抑制され、糖収率のさらなる向上を図ることができる。
以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。
図1は、本実施形態におけるバイオマス処理装置Aの構成概略図である。この図1に示すように、バイオマス処理装置Aは、バイオマスの一種である木材チップや廃建材など、主成分としてセルロース、ヘミセルロース及びリグニンを含有する木質系バイオマスを原料としてバイオエタノールを生成する化学プラントであり、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、第1発酵装置4、第2発酵装置5、蒸留装置6及び排水処理装置7から構成されている。
なお、図1において、実線は液体の流れを示し、波線は固体の流れを示し、一点鎖線は電気信号の流れを示している。
図1は、本実施形態におけるバイオマス処理装置Aの構成概略図である。この図1に示すように、バイオマス処理装置Aは、バイオマスの一種である木材チップや廃建材など、主成分としてセルロース、ヘミセルロース及びリグニンを含有する木質系バイオマスを原料としてバイオエタノールを生成する化学プラントであり、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、第1発酵装置4、第2発酵装置5、蒸留装置6及び排水処理装置7から構成されている。
なお、図1において、実線は液体の流れを示し、波線は固体の流れを示し、一点鎖線は電気信号の流れを示している。
木質系バイオマスに含まれるセルロースとは、周知のように化学式(C6H10O5)nで表される多糖類であり、炭素原子6個を含むグルコース(単糖類)が重合した高分子化合物である。また、ヘミセルロースとは、上記グルコース以外の単糖類(主に炭素原子5個を含む単糖類)が重合した高分子化合物である。また、リグニンとは、三次元木目構造を有し、上記セルロース及びヘミセルロースを取り囲むことで木質を形成する高分子化合物である。このリグニンは、セルロース及びヘミセルロースの分解を阻害する物質であるため、前処理によって木質系バイオマスからリグニンを除去し、前処理済みの木質系バイオマスを後述の加圧熱水反応装置1に供給することが好ましい。
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に供する第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、セルロースの分解に供する第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多糖液を生成するものである。ここで、「加圧熱水」とは、亜臨界状態の熱水であって、且つ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、加熱器1b、水量調整弁1c、反応槽1d、分岐器1e及び制御装置1fから構成されている。ポンプ1aは、外部供給される水を加圧して加熱器1bに送出する。加熱器1bは、制御装置1fから入力される温度制御信号に応じて、ポンプ1aから流入する加圧水を所定温度まで加熱し、加圧熱水として水量調整弁1cに送出する。水量調整弁1cは、制御装置1f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1bから流入する加圧熱水の流量調整を行った後、当該流量調整後の加圧熱水を反応槽1dに送出する。
反応槽1dは、外部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、流量調整弁1cから流入する加圧熱水が、木質系バイオマスが充填された内部空間を流通した後、後段の分岐器1eに流出するように構成されている。このように、反応槽1d内を加圧熱水が連続的に流通することにより、加圧熱水と木質系バイオマスとが接触し、木質系バイオマスの加水分解が促進される。反応槽1dから分岐器1eに流出する加圧熱水には、木質系バイオマスの加水分解によって生成される加水分解処理物(後述の多糖類)が含まれている。以下では、このように多糖類を含む加圧熱水を多糖液と称する。
分岐器1eは、制御装置1fから入力される分岐制御信号に応じて、反応槽1dから流入する加圧熱水(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1dから流出する多糖液は温度が高いため、この多糖液を冷却した後に分岐器1eへ流入させることが好ましい。
制御装置1fは、加熱器1bに温度制御信号を、水量調整弁1cに流量制御信号を出力して、反応槽1d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に供する第1反応条件と、セルロースの分解に供する第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(ヘミセルロース画分)の生成に使用される条件であり、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(セルロース画分)の生成に使用される条件である。
上記の第1反応条件及び第2反応条件は、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)との組み合わせによって設定される。ここで、木質系バイオマスの供給量Vは、反応槽1dの容量に依存して一義的に定まる値である。
例えば、加圧熱水の温度Tは、第1反応条件では100°C以上200°C未満とし、第2反応条件では200°C以上290°C以下とすることが好ましい。また、加圧熱水の供給量Qと木質系バイオマスの供給量Vとの比率Kは、第1反応条件及び第2反応条件ともに、K<100(より好ましくはK<20)とすることが好ましい。なお、これらの数値は、あくまで木質系バイオマスを原料とした場合の一例であり、原料として使用するバイオマスの種類や反応槽1dの容量などに応じて適宜変更可能である。
例えば、加圧熱水の温度Tは、第1反応条件では100°C以上200°C未満とし、第2反応条件では200°C以上290°C以下とすることが好ましい。また、加圧熱水の供給量Qと木質系バイオマスの供給量Vとの比率Kは、第1反応条件及び第2反応条件ともに、K<100(より好ましくはK<20)とすることが好ましい。なお、これらの数値は、あくまで木質系バイオマスを原料とした場合の一例であり、原料として使用するバイオマスの種類や反応槽1dの容量などに応じて適宜変更可能である。
従来の熱水流通式反応装置(例えば特許文献2参照)では、加圧熱水の温度(240°C以上340°C以下)と滞留時間(30秒)との組み合わせによって反応条件を設定していたため、投入エネルギーが大きく、反応制御が困難であるという問題があったが、上記のように、滞留時間に替えて、加圧熱水の供給量Qと木質系バイオマスの供給量Vとの比率Kを用いることにより、無駄な加圧熱水の供給を減らすことができるため、投入エネルギーを小さくでき、また、反応制御が容易になるというメリットがある。
制御装置1fは、反応槽1d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反応条件の使用時に反応槽1dから流出する加圧熱水には、キシロオリゴ糖を主成分とする多糖類(ヘミセルロース画分)が含まれ、第2反応条件の使用時に反応槽1dから流出する加圧熱水には、セロオリゴ糖を主成分とする多糖類(セルロース画分)が含まれることになる。
以下では、キシロオリゴ糖を主成分とする多糖類を含む加圧熱水を第1多糖液、セロオリゴ糖を主成分とする多糖類を含む加圧熱水を第2多糖液と称する。
以下では、キシロオリゴ糖を主成分とする多糖類を含む加圧熱水を第1多糖液、セロオリゴ糖を主成分とする多糖類を含む加圧熱水を第2多糖液と称する。
さらに、制御装置1fは、第1反応条件の使用時に反応槽1d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1eを制御し、第2反応条件の使用時に反応槽1d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1eを制御する。
第1触媒反応装置2は、第1反応条件の使用時に上記の加圧熱水反応装置1(詳細には分岐器1e)から流出する第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単糖液を生成するものであり、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)を促進させるものである。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4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。
第2触媒反応装置3は、第2反応条件の使用時に上記の加圧熱水反応装置1(詳細には分岐器1e)から流出する第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単糖液を生成するものであり、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)を促進させるものである。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5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。
第1発酵装置4は、上記の第1触媒反応装置2(詳細には第1固液分離装置2b)から流入するキシロースを含む第1単糖液に、酵母等のエタノール発酵微生物と、窒素、リン等の栄養源とを添加し、適切な温度、pH等の条件下で微生物を培養してキシロースを含む第1単糖液をアルコール発酵させることでバイオエタノールを生成するものである。エタノール発酵微生物としては、サッカロミセス属酵母などの公知の各種微生物を用いることができる。このように生成されたバイオエタノールは第1発酵装置4から蒸留装置6に流出する。
第2発酵装置5は、上記の第2触媒反応装置3(詳細には第2固液分離装置3b)から流入するグルコースを含む第2単糖液に、酵母等のエタノール発酵微生物と、窒素、リン等の栄養源とを添加し、適切な温度、pH等の条件下で微生物を培養してグルコースを含む第2単糖液をアルコール発酵させることでバイオエタノールを生成するものである。このように生成されたバイオエタノールは第2発酵装置5から蒸留装置6に流出する。
蒸留装置6は、上記の第1発酵装置4及び第2発酵装置5から流入するバイオエタノールの蒸留及び濃縮を行うことにより、純度の高いバイオエタノールを生成して外部に送出するものである。排水処理装置7は、加圧熱水反応装置1の反応槽1dから排出されるブロー水と、第1発酵装置4及び第2発酵装置5から排出される水(アルコール発酵の過程で生成される水)とを外部に排水するものである。
次に、上記のように構成されたバイオマス処理装置Aによるバイオマスの処理プロセス(バイオマス処理方法)について説明する。なお、加圧熱水反応装置1の反応槽1d内には、所定量の木質系バイオマスが予め充填されているものとする。
加圧熱水反応装置1の制御装置1fは、反応槽1d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を制御する。これにより、反応槽1d内には、第1反応条件、つまり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(ヘミセルロース画分)を生成する条件を満たす温度T(100°C以上200°C未満)及び供給量Q(K<100、好ましくはK<20を満たすQ)に制御された加圧熱水が流通することになる。
このように第1反応条件を満たす加圧熱水が反応槽1d内を流通することにより、木質系バイオマス(特にヘミセルロース)の加水分解が促進され、反応槽1dから流出する加圧熱水には、キシロオリゴ糖を主成分とする多糖類(ヘミセルロース画分)が含まれることになる。このようにキシロオリゴ糖を主成分とする多糖類を含む加圧熱水は第1多糖液として分岐器1eに流入する。ここで、制御装置1fは、第1反応条件の使用時において、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1eを制御している。そのため、反応槽1dから流出する第1多糖液は、分岐器1eを介して第1触媒反応装置2に送出される。
第1触媒反応装置2に供給された第1多糖液は、第1混合装置2aによって固体酸触媒と混合されて糖化反応が促進される。これにより、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、当該キシロース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混合液は、第1固液分離装置2bによってキシロースを含む第1単糖液と固体酸触媒とに固液分離され、固体酸触媒は第1混合装置2aに供給されて再利用され、第1単糖液は第1発酵装置4に送出される。第1発酵装置4において、第1単糖液のアルコール発酵によって生成されたバイオエタノールは蒸留装置6に送出され、純度の高いバイオエタノールが生成される。
続いて、加圧熱水反応装置1の制御装置1fは、反応槽1d内において、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、反応槽1d内には、第2反応条件、つまり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(セルロース画分)を生成する条件を満たす温度T(200°C以上290°C以下)及び供給量Q(K<100、好ましくはK<20を満たすQ)に制御された加圧熱水が流通することになる。
このように第2反応条件を満たす加圧熱水が反応槽1d内を流通することにより、木質系バイオマス(特にセルロース)の加水分解が促進され、反応槽1dから流出する加圧熱水には、セロオリゴ糖を主成分とする多糖類(セルロース画分)が含まれることになる。このようにセロオリゴ糖を主成分とする多糖類を含む加圧熱水は第2多糖液として分岐器1eに流入する。ここで、制御装置1fは、第2反応条件の使用時において、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1eを制御している。そのため、反応槽1dから流出する第2多糖液は、分岐器1eを介して第2触媒反応装置3に送出される。
第2触媒反応装置3に供給された第2多糖液は、第2混合装置3aによって固体酸触媒と混合されて糖化反応が促進される。これにより、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、当該グルコース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混合液は、第2固液分離装置3bによってグルコースを含む第2単糖液と固体酸触媒とに固液分離され、固体酸触媒は第1混合装置3aに供給されて再利用され、第2単糖液は第2発酵装置5に送出される。第2発酵装置5において、第2単糖液のアルコール発酵によって生成されたバイオエタノールは蒸留装置6に送出され、純度の高いバイオエタノールが生成される。
以上説明したように、本実施形態では、加圧熱水反応装置1における木質系バイオマスの加水分解に供する反応条件を、ヘミセルロースの分解に供する第1反応条件と、セルロースの分解に供する第2反応条件との2段階に分けて制御することにより、ヘミセルロースの分解物(キシロオリゴ糖を含む多糖類)と、セルロースの分解物(セロオリゴ糖を含む多糖類)とを区別して採取することができる。その結果、最終的に得られるアルコール発酵可能な単糖類(グルコース、キシロース)の量を増やすことができ、糖収率の向上を図ることができる。
また、本実施形態では、第1触媒反応装置2及び第2触媒反応装置3における多糖液(第1多糖液、第2多糖液)と固体酸触媒との接触反応が固液反応であるため、反応速度が速く、また、固体酸触媒の分離回収を容易に行うことができる。
さらに、加圧熱水による水熱反応と、固体酸触媒反応とを段階的に行うことで、エタノール発酵を阻害する物質の生成が抑制され、糖収率のさらなる向上を図ることができる。
さらに、加圧熱水による水熱反応と、固体酸触媒反応とを段階的に行うことで、エタノール発酵を阻害する物質の生成が抑制され、糖収率のさらなる向上を図ることができる。
なお、本発明は上記実施形態に限定されず、以下のような変形例が考えられる。
(1)上記実施形態では、木質系バイオマスからバイオエタノールを生成するバイオマス処理装置Aを例示して説明したが、第1発酵装置4、第2発酵装置5及び蒸留装置6を削除して、木質系バイオマスからエタノール発酵可能な単糖類(グルコース、キシロース)を生成する装置としても良い。生成した単糖類は、特にバイオエタノールの生成に限らず、その他の用途に使用できる。
(1)上記実施形態では、木質系バイオマスからバイオエタノールを生成するバイオマス処理装置Aを例示して説明したが、第1発酵装置4、第2発酵装置5及び蒸留装置6を削除して、木質系バイオマスからエタノール発酵可能な単糖類(グルコース、キシロース)を生成する装置としても良い。生成した単糖類は、特にバイオエタノールの生成に限らず、その他の用途に使用できる。
(2)上記実施形態では、第1混合装置2aと第1固液分離装置2bとから構成された第1触媒反応装置2を例示して説明したが、図2に示すように、固定床槽10の内部に固体酸触媒を固定充填し、キシロオリゴ糖を含む第1多糖液を固定床槽の内部に流通させて、第1多糖液と固体酸触媒とを接触させることで糖化反応を起こし、固定床槽10から流出する液体をキシロースを含む第1単糖液として得ても良い。この場合、固定床槽10の出口から流出する液体を入口に再送することにより、より純度の高い第1単糖液を得ることができる。なお、第2触媒反応装置3についても同様である。
(3)上記実施形態では、木材チップや廃建材などの木質系バイオマスを原料として使用したが、その他、農作物や食品の残渣(稲藁、麦わら、バガス、果実皮など)を原料バイオマスとして使用することもできる。また、上記実施形態では、第1反応条件及び第2反応条件を、加圧熱水の供給量Qと木質系バイオマスの供給量Vとの比率Kと、加圧熱水の温度Tとの組み合わせによって設定したが、これに限らず、加圧熱水の温度Tと滞留時間との組み合わせによって設定しても良い。
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、4…第1発酵装置、5…第2発酵装置、6…蒸留装置、7…排水処理装置
Claims (7)
- 加圧熱水を用い、ヘミセルロースの分解に供する第1反応条件にて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、セルロースの分解に供する第2反応条件にて前記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多糖液を生成する加圧熱水反応装置と、
前記加圧熱水反応装置から流出する前記第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単糖液を生成する第1触媒反応装置と、
前記加圧熱水反応装置から流出する前記第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単糖液を生成する第2触媒反応装置と、
を備えることを特徴とするバイオマス処理装置。 - 前記第1反応条件及び第2反応条件は、前記加圧熱水の供給量と前記バイオマスの供給量との比率と、前記加圧熱水の温度との組み合わせによって設定されていることを特徴とする請求項1記載のバイオマス処理装置。
- 前記第1触媒反応装置は、
前記加圧熱水反応装置から流出する前記第1多糖液と前記固体酸触媒とを混合することで、前記キシロースを生成する第1混合装置と、
前記第1混合装置から流出する、前記キシロース及び前記固体酸触媒を含む第1混合液を固液分離することで、前記キシロースを含む第1単糖液と前記固体酸触媒とを分離し、前記固体酸触媒を回収して前記第1混合装置に供給する第1固液分離装置と、
を備えることを特徴とする請求項1または2に記載のバイオマス処理装置。 - 前記第2触媒反応装置は、
前記加圧熱水反応装置から流出する前記第2多糖液と前記固体酸触媒とを混合することで、前記グルコースを生成する第2混合装置と、
前記第2混合装置から流出する、前記グルコース及び前記固体酸触媒を含む第2混合液を固液分離することで、前記グルコースを含む第2単糖液と前記固体酸触媒とを分離し、前記固体酸触媒を回収して前記第2混合装置に供給する第2固液分離装置と、
を備えることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載のバイオマス処理装置。 - 前記第1触媒反応装置によって生成された前記第1単糖液をアルコール発酵させることで、バイオエタノールを生成する第1発酵装置を備えることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載のバイオマス処理装置。
- 前記第2触媒反応装置によって生成された前記第2単糖液をアルコール発酵させることで、バイオエタノールを生成する第2発酵装置を備えることを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載のバイオマス処理装置。
- 加圧熱水を用い、ヘミセルロースの分解に供する第1反応条件にて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、セルロースの分解に供する第2反応条件にて前記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多糖液を生成する加圧熱水反応工程と、
前記加圧熱水反応工程にて生成された前記第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単糖液を生成する第1触媒反応工程と、
前記加圧熱水反応工程にて生成された前記第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単糖液を生成する第2触媒反応工程と、
を有することを特徴とするバイオマス処理方法。
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