JP2011234688A - リグノセルロース系バイオマスの糖化前処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】エタノールを効率よく製造すると共に、糖化前処理物を容易に移送できるリグノセルロース系バイオマスの糖化前処理方法を提供する。
【解決手段】リグノセルロース系バイオマスの糖化前処理方法は、基質であるリグノセルロース系バイオマスと５〜３５質量％アンモニア水とを１：０．７〜１：１．３の質量比で混合した基質混合物を得る工程と、基質混合物を所定温度に所定時間保持してリグニンの解離等がされた糖化前処理物を得る工程と、糖化前処理物からアンモニアを放散した後、水分含有率を調整して粉体移送可能な糖化前処理物を得る工程とを備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、リグノセルロース系バイオマスの糖化前処理方法に関する。

従来、稲藁等のリグノセルロース系バイオマスを基質として溶媒と混合した基質混合物を、微生物が産生する糖化酵素によって糖化することにより糖化溶液を得て、糖化溶液を発酵させることによりエタノールを製造することが知られている。ここで、リグノセルロース系バイオマスは、セルロース又はヘミセルロースにリグニンが強固に結合した構成を備えている。

そのため、リグノセルロース系バイオマスとアンモニア水とを混合した基質混合物を加熱することにより、リグノセルロース系バイオマスに含まれるリグニンを解離し、又はリグノセルロース系バイオマスを膨潤させ、セルロース又はヘミセルロースを糖化可能にした糖化前処理物を得る。

そして、アンモニアを分離した糖化前処理物を得る糖化前処理を行うことが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特表２００８−５３５５２４号公報

しかしながら、特許文献１記載の糖化前処理方法では、糖化前処理後の糖化前処理物が水分を含み、一定の圧縮度を有する固形物の状態であるので、圧力をかけた場合、凝集してブリッジになり、後工程に移送することが困難であるという不都合がある。

また、糖化前処理物の移送を容易に行うために、糖化前処理物の水分含有率を増加させてスラリー状にすることが考えられる。しかし、糖化前処理物の水分含有率を増加させた場合、糖化前処理物を糖化して得られる糖化溶液の濃度が低下するため、糖化溶液を発酵させて得られるエタノールも低濃度となる。この結果、得られたエタノールを蒸留して濃縮する際、蒸留に要する時間及び熱エネルギーが増加し、製造コストが増大する。

本発明は、かかる不都合を解消するため、糖化前処理物を糖化させ、エタノールを効率よく製造すると共に、糖化前処理物を容易に後工程に移送できるリグノセルロース系バイオマスの糖化前処理方法を提供することを目的とする。

本発明のリグノセルロース系バイオマスの糖化前処理方法は、基質であるリグノセルロース系バイオマスと５〜３５質量％アンモニア水とを１：０．７〜１：１．３の質量比で混合した基質混合物を得る工程と、該基質混合物を所定温度に所定時間保持することにより、該基質からリグニンを解離し、又は該基質を膨潤させた糖化前処理物を得る工程と、該糖化前処理物からアンモニアを放散する工程と、該アンモニアが放散された糖化前処理物中の水分含有率を調整して粉体移送可能な糖化前処理物を得る工程と、該水分含有率が調整された糖化前処理物を後工程に移送する工程とを備えることを特徴とする。

本発明のリグノセルロース系バイオマスの糖化前処理方法では、まず、基質であるリグノセルロース系バイオマスとアンモニア水とを混合した基質混合物を得る。

本発明のリグノセルロース系バイオマスの糖化前処理方法では、例えば、リグノセルロース系バイオマスとして稲藁が用いられる。

アンモニア水は、５〜３５質量％の範囲の濃度であることが必要である。アンモニア水の濃度が５質量％未満の場合、リグノセルロース系バイオマスからのリグニンの解離及びリグノセルロース系バイオマスの膨潤を十分に行うことができない。一方、アンモニア水の濃度が３５質量％を超える場合、安全弁等の付帯設備を備える圧力容器内に貯留する必要が生じるため、設備費用がかかり、製造コストの低減化が困難となる。

本願では、解離とは、リグノセルロース系バイオマスのセルロース又はヘミセルロースに結合しているリグニンの結合部位のうち、少なくとも一部の結合を切断することをいう。また、膨潤とは、液体の浸入により結晶性セルロースを構成するセルロース又はヘミセルロースに空隙が生じ、又は、セルロース繊維の内部に空隙が生じて膨張することをいう。

リグノセルロース系バイオマス１質量部に対するアンモニア水の添加量比は、０．７〜１．３質量部の範囲であることが必要である。

リグノセルロース系バイオマス１質量部に対するアンモニア水の添加量比が０．７質量部未満の場合、アンモニア水の量がリグノセルロース系バイオマスに対して過少であるので、攪拌によりアンモニア水をリグノセルロース系バイオマスに均一に含浸させることができない。この結果、リグノセルロース系バイオマスからのリグニンの解離及びリグノセルロース系バイオマスの膨潤が不十分になる。

一方、リグノセルロース系バイオマス１質量部に対してアンモニア水の添加量比が１．３質量部を超える場合、リグノセルロース系バイオマスからのリグニンの解離及びリグノセルロース系バイオマスの膨潤について、それ以上の効果を得ることができない。また、基質混合物の加熱に要するエネルギーが過大になる。

次に、基質混合物を所定温度に所定時間保持して、リグノセルロース系バイオマスからリグニンが解離し、又はリグノセルロース系バイオマスを膨潤させた糖化前処理物を得る。この結果、後工程により、糖化前処理物のセルロース又はヘミセルロースを酵素糖化することが可能になる。

次に、糖化前処理物からアンモニアを放散する。アンモニアが放散された糖化前処理物のｐＨを至適ｐＨに調整するｐＨ調整剤の使用量を低減することができる。尚、糖化前処理物から放散されたアンモニアは水に吸収された後、アンモニア水として回収して、再利用することができる。

一方、アンモニアが放散された糖化前処理物は水分を含み、一定の圧縮度を有する固形物の状態であるので、圧力をかけた場合、凝集してブリッジになる。そのため、アンモニアが放散された糖化前処理物をそのままの状態で後工程に移送することが難しい。また、糖化前処理物の移送を容易に行うために、糖化前処理物の水分含有率を増加させてスラリー状にした場合、糖化前処理物を糖化して得られる糖化溶液の濃度が低下し、糖化溶液を発酵させて得られるエタノールも低濃度となり、効率よくエタノールを製造できない。

そこで、アンモニアが放散された糖化前処理物中の水分含有率を調整する。この結果、糖化前処理物の水分含有率を低下させて、粉体移送可能な糖化前処理物を得ることができる。

そして、水分含有率が調整された糖化前処理物を後工程である糖化工程に移送する。糖化前処理物は粉体移送可能なので、糖化前処理物を容易に後工程に移送できる。また、糖化前処理物は低い水分含有率に調整されているので、糖化前処理物を糖化し、エタノールを効率よく製造することができる。

本発明のリグノセルロース系バイオマスの糖化前処理方法では、アンモニア水は２０〜３０質量％の範囲の濃度であることが好ましい。

アンモニア水の濃度が２０質量％未満の場合、リグノセルロース系バイオマスからのリグニンの解離とリグノセルロース系バイオマスの膨潤を十分に行うことができない場合があり得る。一方、アンモニア水の濃度は３０質量％を超えても、それ以上の効果を得ることができない。

本発明のリグノセルロース系バイオマスの糖化前処理方法では、基質混合物は２５〜１００℃の範囲の温度に１〜１００時間の範囲の時間保持されることが好ましい。

基質混合物の温度が２５℃未満の場合、リグノセルロース系バイオマスからのリグニンの解離とリグノセルロース系バイオマスの膨潤を行うために前記温度に１００時間を超える時間保持しなければならず、必要とする加熱エネルギーが過大になる。

一方、基質混合物の温度が１００℃を超える場合、リグノセルロース系バイオマスからのリグニンの解離とリグノセルロース系バイオマスの膨潤を行うために前記温度に保持する時間が１時間未満となり、保持時間の管理が困難になる。また、基質混合物の温度が１００℃を超える場合、適正な保持時間を越えると、基質混合物に含まれるリグノセルロース系バイオマスが部分的に互いに焼き付いたり、反応槽に焼き付く等の不都合がある。

本発明のリグノセルロース系バイオマスの糖化前処理方法では、アンモニアが放散された糖化前処理物中の水分含有率を、５〜２５質量％の範囲に調整することが好ましい。

水分含有率が５質量％未満の場合、水分含有率が調整された糖化前処理物に含まれるリグノセルロース系バイオマスが部分的に互いに焼き付いたり、反応槽に焼き付く。従って、該糖化前処理物を糖化して得られる糖化率が低下し、得られるエタノールも低濃度となり、効率的なエタノール製造が難しくなる。また、水分含有率を５質量％未満に調整するためのエネルギーを必要とするので、エネルギーの低減化を図ることが難しくなる。一方、水分含有率が２５質量％より大きい場合、粉体として移送することができない。

本実施形態に係るリグノセルロース系バイオマスの糖化前処理方法を実施する糖化前処理装置の一構成例を示すシステム構成図。 図１に示す糖化前処理装置の変形例を示すシステム構成図。 図１に示す糖化前処理装置の他の変形例を示すシステム構成図。

次に、添付図面を参照しながら本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。

本実施形態のリグノセルロース系バイオマスの糖化前処理方法では、図１に示す糖化前処理装置１を用いて、リグノセルロース系バイオマス（以下、バイオマスと略記することがある）の糖化前処理を行う。そして、糖化前処理後の粉体化された糖化前処理物は、加圧空気を用いた圧縮空気式移送により、後工程に移送される。

糖化前処理装置１は、基質であるバイオマスとアンモニア水とを混合した基質混合物を、所定温度に所定時間保持して糖化前処理物を得る反応槽２と、糖化前処理物から放散されたアンモニアを水に吸収させてアンモニア水とする吸収塔３と、アンモニア水を貯留するアンモニア水タンク４とを備える。

反応槽２は、内部においてバイオマスとアンモニア水との攪拌等を行う逆円錐形状に形成された容器である。反応槽２上部には、反応槽２内に垂下された垂直軸５を回転駆動させるモータ６が設けられている。反応槽２内部の垂直軸５には、攪拌翼７が設けられている。

反応槽２では、モータ６により垂直軸５を回転駆動させ、垂直軸５を介して反応槽２内に設けられた攪拌翼７を回転させることによって、反応槽２内に供給されたアンモニア水とバイオマスとが攪拌される。

反応槽２は、バイオマスを供給するバイオマス供給導管８と、アンモニア水タンク４からのアンモニア水を供給するアンモニア水供給導管９と、反応槽２からアンモニアガスを吸収塔３に導出するアンモニアガス導管１０とが接続されている。

反応槽２の下部には、糖化前処理物を後工程に移送するための移送導管１１が接続されている。また、反応槽２の排出口２ａと移送導管１１との間には、排出口２ａを開閉するダンパ２ｂが設置されている。移送導管１１を介して移送された糖化前処理物は、サイクロン１２に供給され、サイクロン１２で排気と糖化前処理物とに分離された後、後工程に移送される。

また、反応槽２は、水蒸気により、反応槽２内の温度調整を行うためのジャケット１３が容器の外側に設けられている。ジャケット１３の上部には、ジャケット１３に水蒸気を供給する水蒸気供給導管１４が接続されている。ジャケット１３の下部には、水蒸気が凝縮したドレンをジャケット１３から排出するドレン排出導管１５が接続されている。

また、反応槽２は、粉体化された糖化前処理物を加圧空気により後工程に移送するため、反応槽２の上部に加圧空気を供給する第１空気供給導管１６と、反応槽２の下部に接続する移送導管１１に加圧空気を供給する第２空気供給導管１７とが接続されている。

反応槽２では、バイオマスとアンモニア水とを混合した基質混合物を所定温度に所定時間保持することにより、バイオマスからリグニンが解離し、又はバイオマスを膨潤させた糖化前処理を得る。糖化前処理物を得た後、糖化前処理物からアンモニアガスを放散させ、アンモニアガス導管１０によりアンモニアガスを導出する。

反応槽２に接続されるアンモニアガス導管１０は、導出されるアンモニアガスを吸収塔３に排出するため、加圧時の排気管路１８ａと減圧時の排気管路１８ｂが接続されている。加圧時の排気管路１８ａは開閉弁１９ａを備え、減圧時の排気管路１８ｂは開閉弁１９ｂと真空ポンプ２０を備えている。

加圧時の排気管路１８ａと減圧時の排気管路１８ｂとの切り替えは、開閉弁１９ａと開閉弁１９ｂとを切り替えることにより行われる。

吸収塔３は、下部に貯留部３ａを備え、吸収塔３の貯留部３ａに供給されたアンモニアガスを吸収塔３上部からイオン交換水を散布し、散布されたイオン交換水に吸収させてアンモニア水とし、アンモニア水を貯留部３ａに貯留するように構成されている。

吸収塔３上部には、イオン交換水を供給するイオン交換水供給導管２１が接続され、吸収塔３の貯留部３ａには、アンモニア水をポンプ２２を介してアンモニア水タンク４に送液する送液導管２３が接続されている。

アンモニア水タンク４は、送液導管２３を介して送液されたアンモニア水が貯留されるタンクである。アンモニア水タンク４は、貯留されるアンモニア水の濃度を検出するアンモニア濃度センサ４ａと、アンモニア水の濃度を調整すると共に、装置１内の液量を調整するための濃アンモニア水を補充する補充用アンモニア水供給導管２４が接続されている。

また、アンモニアタンク４下部には、ポンプ２５を介して反応槽２にアンモニア水を供給するアンモニア水供給導管９が接続されている。

本実施形態のリグノセルロース系バイオマスの糖化前処理方法では、まず、バイオマスである稲藁を基質として反応槽２に供給し、稲藁とアンモニア水とを攪拌することにより、稲藁とアンモニア水とが混合した基質混合物を得る。

具体的には、稲藁１質量部に対して５〜３５質量％アンモニア水を０．７〜１．３質量部の範囲の質量比で、バイオマス供給導管８を通じて稲藁を反応槽２に供給し、アンモニア水供給導管９を通じてアンモニア水を反応槽２に供給する。そして、モータ６を駆動することにより攪拌翼７を回転させて、稲藁とアンモニア水とを攪拌し、稲藁とアンモニア水とが混合した基質混合物を得る。

本実施形態では、少なくとも粒径１ｍｍ以上の粒子が累積３０％以上となるように、カッターミルにより粉砕された稲藁がバイオマスとして用いられる。

本実施形態のバイオマスである稲藁より細かく微粉砕された稲藁とアンモニア水とを攪拌すると、粉体化した稲藁が凝集するために粘土状の稲藁となり、攪拌することが困難となる。また、アンモニアを放散する際、アンモニアが粘土状の稲藁内部に残留し、十分にアンモニアを回収することができない。

一方、本実施形態のバイオマスである稲藁とアンモニア水とを低い回転速度でかつ短時間攪拌することにより、稲藁が凝集しない糖化前処理物を得ることができる。また、得られた糖化前処理物からアンモニアを放散する際、アンモニアが糖化前処理物内部に残留することを低減することができる。

次に、反応槽２内の基質混合物を、所定温度、例えば、２５〜１００℃の範囲の温度に、所定時間、例えば、１〜１００時間の範囲の時間保持する。この結果、セルロース又はヘミセルロースにリグニンが強固に結合したバイオマスからリグニンを解離し、又はバイオマスを膨潤させた糖化前処理物を得ることができ、後工程でバイオマスのセルロース又はヘミセルロースを酵素糖化することが可能になる。

反応槽２内の基質混合物は、水蒸気供給導管１４を介して反応槽２のジャケット１３に供給された水蒸気により、前記所定温度まで加熱され、前記所定時間保持される。この結果、バイオマスである稲藁からリグニンが解離し、又はバイオマスを膨潤させた糖化前処理物を得ることができる。

次に、反応槽２内の糖化前処理物からアンモニアを放散する。放散開始時の反応槽２内部は加圧状態であるため、開閉弁１９ａを開弁すると共に、開閉弁１９ｂを閉弁し、加圧時の排気管路１８ａにより、アンモニアガスを導出する。

また、反応槽２内部の圧力は時間経過と共に低下し、アンモニアの放散量も低下するので、反応槽２内部を減圧状態にすることにより糖化前処理物からアンモニアの放散を十分に行う。具体的には、開閉弁１９ａを閉弁すると共に、開閉弁１９ｂを開弁し、減圧時の排気管路１８ｂの真空ポンプ２０の回転数を変化させることにより反応槽２内部の圧力調整し、減圧状態にする。

糖化前処理物から分離されたアンモニアガスは、吸収塔３の貯留部３ａに供給される。そして、アンモニアガスは、吸収塔３内で、イオン交換水供給導管２１を通じて供給されて吸収塔３上部から散布されるイオン交換水に吸収されてアンモニア水として回収される。

次に、反応槽２において、アンモニアが放散された糖化前処理物中の水分含有率を調整する。この結果、粉体移送可能な糖化前処理物を得ることができる。水分含有率の調整は、水蒸気供給導管１４により水蒸気を反応槽２のジャケット１３に供給して、所定時間加熱することにより行われる。

そして、水分含有率が調整された糖化前処理物を反応槽２のダンパ２ｂを開放して排出口２ａから排出し、後工程である糖化工程に移送する。

反応槽２内の糖化前処理物は、第１空気供給導管１６を介して反応槽２の上部から供給される加圧空気により移送導管１１に排出される。また、移送導管１１に排出された糖化前処理物は、第２空気供給導管１７を介して反応槽２の下部に接続する移送導管１１に供給される加圧空気により、サイクロン１２まで移送導管１１内を移送される。

次に、本実施形態の水分含有率が調整された糖化前処理物を後工程に移送する変形例について図２を参照して説明する。図２に示す変形例は、ブロワ等の吸引装置を用いて糖化前処理物を吸引することにより後工程に移送する例である。

図２に示すように、変形例の糖化前処理装置は、反応槽２内の糖化前処理物を吸引して後工程に移送するためにブロワ２６が設けられている。変形例の糖化前処理装置の反応槽２の上部には、ブロワ２６を稼働させることにより反応槽２内に吸引される空気中の粉塵等の微粒子を取り除くため、バグフィルタ等の集塵装置２７が設けられている。

変形例の糖化前処理装置は、ブロワ２６を稼働し、反応槽２から糖化前処理物を吸引する。吸引された糖化前処理物は、移送導管１１を介してサイクロン１２に供給され、サイクロン１２でブロワ２６に吸引される排気と糖化前処理物とに分離された後、後工程に移送される。

他の変形例として、スクリューコンベア等の粉体移送装置を用いて糖化前処理物を後工程に移送する例を図３に示す。

図３に示すように、他の変形例の糖化前処理装置の反応槽２の下部には、反応槽２内から排出された糖化前処理物が供給されるサークルフィーダ（登録商標）２８が設けられている。また、サークルフィーダ２８は、後工程に糖化前処理物を移送するための高低差等の条件を考慮し、スクリューコンベア２９が接続されている。

他の変形例の糖化前処理装置は、反応槽２のダンパ２ｂを開放することにより、反応槽２内の糖化前処理物がサークルフィーダ２８に供給される。サークルフィーダ２８に供給された糖化前処理物は、サークルフィーダ２８によりスクリューコンベア２９に供給された後、スクリューコンベア２９により後工程に移送される。

１…糖化前処理装置、 ２…反応槽、 ３…吸収塔、 ４…アンモニア水タンク、 ８…バイオマス供給導管、 ９…アンモニア水供給導管、 １０…アンモニアガス導管、 １１…移送導管、 １２…サイクロン。

Claims (5)

1. 基質であるリグノセルロース系バイオマスと５〜３５質量％アンモニア水とを１：０．７〜１：１．３の質量比で混合した基質混合物を得る工程と、
   該基質混合物を所定温度に所定時間保持することにより、該基質からリグニンを解離し、又は該基質を膨潤させた糖化前処理物を得る工程と、
   該糖化前処理物からアンモニアを放散する工程と、
   該アンモニアが放散された糖化前処理物中の水分含有率を調整して粉体移送可能な糖化前処理物を得る工程と、
   該水分含有率が調整された糖化前処理物を後工程に移送する工程とを備えることを特徴とするリグノセルロース系バイオマスの糖化前処理方法。
2. 請求項１記載のリグノセルロース系バイオマスの糖化前処理方法において、
   前記アンモニア水は２０〜３０質量％の範囲の濃度であることを特徴とするリグノセルロース系バイオマスの糖化前処理方法。
3. 請求項１又は２記載のリグノセルロース系バイオマスの糖化前処理方法において、
   前記基質混合物を２５〜１００℃の範囲の温度に１〜１００時間の範囲の時間保持することを特徴とするリグノセルロース系バイオマスの糖化前処理方法。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載のリグノセルロース系バイオマスの糖化前処理方法において、
   前記水分含有率が調整された糖化前処理物は５〜２５質量％の範囲の水分を含有することを特徴とするリグノセルロース系バイオマスの糖化前処理方法。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載のリグノセルロース系バイオマスの糖化前処理方法において、
   前記リグノセルロース系バイオマスは稲藁であることを特徴とするリグノセルロース系バイオマスの糖化前処理方法。

Images