JP5713591B2 - リグノセルロース系バイオマスの糖化前処理装置 - Google Patents

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装置に関する。

従来、基質として、稲藁等のリグノセルロース系バイオマスを、微生物が産生する糖化酵素により糖化し、得られた糖を発酵させることによりエタノールを製造する方法が知られている。ここで、前記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。そこで、前記糖化には、前記リグノセルロース系バイオマスを前処理し、該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、又は該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が用いられている。

尚、本願では、「解離」との用語は、セルロース又はヘミセルロースとリグニンとの結合の少なくとも一部を切断することを意味する。又、「膨潤」との用語は、液体の浸入によって結晶性セルロースを構成するセルロース若しくはヘミセルロースに空隙を生じ、又はセルロース繊維の内部に空隙を生じて、該結晶性セルロースが膨張することを意味する。

前記従来のエタノールの製造方法では、前記糖化酵素が高価であるので、前記糖化前処理物に含まれる前記基質を低濃度とし、該糖化酵素の使用量を低減することが行われている。ところが、前記糖化前処理物に含まれる前記基質を低濃度とすると、このような糖化前処理物から得られる糖化溶液も低濃度になり、ひいては該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濃縮するために蒸留する際に、蒸留に要する時間及び熱エネルギーが増加するという問題がある。

前記問題を解決するために、前記糖化前処理物に含まれる前記基質を高濃度とすると共に、前記糖化酵素の使用量を増加させ、高濃度のエタノールを得ることが考えられる。この場合には、高価な前記糖化酵素の使用量が増加しコスト増となるため、前記エタノールの製造方法の全体としてのコストを低減する必要がある。

前記エタノール製造方法におけるコスト低減の一方策として、前記リグノセルロース系バイオマスの糖化前処理を効率化することが考えられる。

前記リグノセルロース系バイオマスの糖化前処理方法として、例えば、リグノセルロース系バイオマスを液体の純アンモニアと混合し、加熱、加圧した後、急激に圧力を低下させる方法が知られている。このようにすると、気化したアンモニアのガスが急激に膨張されることによって、前記リグノセルロース系バイオマスも膨張され、該リグノセルロース系バイオマスからリグニンが物理的に除去される（特許文献１参照）。

しかし、純アンモニアを使用するには、その保管のための圧力容器等、特殊な装置を必要とするので、純アンモニアを水溶液としたアンモニア水を用いることが検討されている。

前記アンモニア水を使用する方法として、前記リグノセルロース系バイオマスをオゾンに接触させた後、アンモニア水に浸漬する方法が知られている（特許文献２参照）。しかし、この場合には、前記リグノセルロース系バイオマスをオゾンに接触させるための装置が必要であり、またそのための工程が加わるため、必ずしもコストを低減することができない。

また、前記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て得られた混合物を加熱する方法が知られている（特許文献３参照）。特許文献３記載の方法によれば、前記リグノセルロース系バイオマスを０．８〜１５重量％の濃度のアンモニア水に分散し、加熱することにより、該リグノセルロース系バイオマスからリグニンを解離し、又は該リグノセルロース系バイオマスを膨潤させることができるとされている。

特開２００５−２３２４５３号公報 特開昭５７−５６９７号公報 特表２００８−５３５５２４号公報

しかしながら、特許文献３記載の方法を実施するには、前記リグノセルロース系バイオマスからリグニンを解離し、又は該リグノセルロース系バイオマスを膨潤させるための熱エネルギーを供給する加熱手段を備える装置を必要とするという不都合がある。

そこで、本発明は、かかる不都合を解消して、熱エネルギーを供給することなく、前記リグノセルロース系バイオマスからリグニンを解離し、又は該リグノセルロース系バイオマスを膨潤させることができ、前記糖化前処理に要するコストを低減することができるリグノセルロース系バイオマスの糖化前処理装置を提供することを目的とする。

かかる目的を達成するために、本発明のリグノセルロース系バイオマスの糖化前処理装置は、基質としてのリグノセルロース系バイオマスにアンモニア水を添加して、得られた基質混合物を処理して該基質に含まれるリグニンを解離し、又は該基質を膨潤させて糖化前処理物を得る処理手段と、該糖化前処理物からアンモニアを分離するアンモニア分離手段とを備えるリグノセルロース系バイオマスの糖化前処理装置において、前記処理手段は、処理槽と、該処理槽に該基質を連続して供給する基質供給手段と、該処理槽に該アンモニア水を連続して供給するアンモニア水供給手段と、該処理槽に供給された該基質及び該アンモニア水を攪拌して該基質に剪断力及び衝撃力を付与すると共に、該アンモニア水と該基質とを混合して、湿粉体となっている基質混合物を得る混合手段と、該基質混合物を該処理槽から連続して排出する排出手段と、該処理槽の直下に配設され、該排出手段を介して該処理槽に連結されると共に、その上部に、アンモニアガス及び空気を排出する排気口を備え、該排出手段により排出された該基質混合物が所定時間かけて通過する間に非加熱状態で該基質に含まれるリグニンを解離し、又は該基質を膨潤させて該糖化前処理物を得る貯留手段と、該貯留手段の直下に配設され、該貯留手段から供給される該糖化前処理物を搬送しながら加熱してアンモニアを気化させることによりアンモニアガスを放散させるアンモニア分離手段と、該アンモニア分離手段から排出されるアンモニアが除去された該糖化前処理物を後工程に移送する移送手段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装置（以下、糖化前処理装置と略記することがある）によれば、まず、前記処理槽に、前記基質供給手段及びアンモニア水供給手段から、それぞれ前記基質としてのリグノセルロース系バイオマスと、アンモニア水とを連続して供給する。

ここで、前記基質としてのリグノセルロース系バイオマスは、単に前記アンモニア水と混合するだけでは、該アンモニア水が均一に含浸しにくく、このような基質にアンモニアを作用させてリグニンを解離するには加熱を必要とする。

これに対して、本発明の糖化前処理装置では、前記基質及び前記アンモニア水が前記処理槽に連続して供給されると共に、前記混合手段により攪拌されることにより該アンモニア水と該基質とが混合される。このとき、前記基質に剪断力及び衝撃力が付与されることにより、該基質に前記アンモニア水が均一に含浸された基質混合物を得ることができる。

本発明の糖化前処理装置では、次に、前記混合手段で得られた基質混合物を、前記排出手段により前記処理槽から連続して排出し、前記貯留手段に貯留する。
本発明の糖化前処理装置では、前記処理槽で得られた前記基質混合物は湿粉体となっているので、前記処理槽と前記貯留手段とを配管等により接続すると、該配管内で該湿粉体がブリッジ現象を起こし、該配管を閉塞することが懸念される。
そこで、本発明の糖化前処理装置において、前記貯留手段は、前記処理槽の直下に配設され、前記排出手段を介して前記処理槽に連結されている。この結果、本発明の糖化前処理装置では、前記湿粉体となっている前記基質混合物を、ブリッジ現象を生じさせることなく、前記処理槽から前記貯留手段に供給することができる。
また、前記貯留手段では、前記処理槽の前記排出手段から前記基質混合物が供給される際に、空気やアンモニアガスが混入し、該貯留手段内部の空間を該基質混合物の貯留に有効に利用することができなくなることが懸念される。そこで、本発明の糖化前処理装置において、前記貯留手段は、その上部に、アンモニアガス及び空気を排出する排気口を備えている。前記貯留手段は、前記排気口を備えることにより前記アンモニアガス及び空気を外部に排出することができ、内部空間を前記基質混合物の貯留に有効に利用することができる。

前記貯留手段に供給された前記基質混合物中の基質には、前記アンモニア水が均一に含浸されている。そこで、前記基質では、前記貯留手段に貯留されている間に、アンモニア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る反応が、加熱によることなく進行する。

従って、本発明の糖化前処理装置では、前記基質混合物を前記貯留手段に所定時間貯留することにより、加熱することなく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ことができ、糖化前処理に要するコストを低減することができる。

本発明の糖化前処理装置では、次に、前記アンモニア分離手段により、前記糖化前処理物からアンモニアを分離することにより、アンモニアが分離された糖化前処理物を得ることができる。前記アンモニア分離手段によりアンモニアが分離された糖化前処理物は、移送手段により後工程に移送される。

本発明の糖化前処理装置において、前記アンモニア水供給手段は、２０〜３０質量％の範囲の濃度のアンモニア水を供給すると共に、前記基質供給手段により供給される前記基質に対し、前記アンモニア水を、１：０．７〜１：１．３の範囲の質量比で供給することが好ましい。このようにすることにより、前記混合手段において、前記基質に前記アンモニア水をより均一に含浸させ、該基質からのリグニンの解離又は該基質の膨潤をより容易に行うことができる。

ここで、前記アンモニア水の濃度が２０質量％未満であるときは、前記基質からのリグニンの解離又は前記基質の膨潤が不十分になることがある。一方、前記アンモニア水の濃度が３０質量％を超えても、前記基質からのリグニンの解離又は該基質の膨潤について、それ以上の効果を得ることはできない。

また、前記基質１質量部に対して添加される前記アンモニア水が０．７質量部未満であるときは、該アンモニア水が過少になり、該基質に該アンモニア水を均一に含浸させることができないことがある。この結果、前記基質からのリグニンの解離又は該基質の膨潤が不十分になることがある。

一方、前記基質１質量部に対して添加される前記アンモニア水が１．３質量部を超えても、前記基質からのリグニンの解離又は該基質の膨潤について、それ以上の効果を得ることはできない。

本発明のリグノセルロース系バイオマスの糖化前処理装置の一構成例を示すブロック図。 図１に示すリグノセルロース系バイオマスの糖化前処理装置に用いられる混合手段の一例を示す説明的断面図。

次に、添付の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。

図１に示すように、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装置１は、処理手段２と、アンモニア分離手段３と、移送手段４とを備えている。処理手段２は、基質としてのリグノセルロース系バイオマスと水とを混合して基質混合液を形成すると共に、該基質混合液中の該基質からリグニンを解離し、又は該基質を膨潤させて糖化前処理物を得る装置である。また、アンモニア分離手段３は、前記糖化前処理物からアンモニアを分離する装置である。また、移送手段４は、アンモニアが分離された糖化前処理物を後工程の酵素糖化工程に移送する装置である。

本実施形態において、前記基質としての前記リグノセルロース系バイオマスとしては、例えば稲藁を用いることができる。

処理手段２は、処理槽２１を備えており、処理槽２１は前記基質を連続して供給する基質供給手段２２と、アンモニア水を連続して供給するアンモニア水供給手段２３とを備えている。また、処理槽２１は、前記基質及びアンモニア水を攪拌して該基質に剪断力及び衝撃力を付与すると共に、該アンモニア水と該基質とを混合する混合手段（図示せず）を備えている。さらに、処理槽２１は、アンモニア水と前記基質とを混合して得られた基質混合物を連続して排出する排出手段２４を備えている。

また、処理手段２は、排出手段２４により処理槽２１から排出された基質混合物を貯留する貯留手段としてのサイロ２５を備えている。サイロ２５は、処理槽２１の直下に配設されている。排出手段２４はその下端部がサイロ２５内に挿入されており、サイロ２５は排出手段２４を介して処理槽２１に連結されている。

サイロ２５は、基質混合物を所定時間貯留する間に、加熱することなく前記基質からリグニンを解離し、又は該基質を膨潤させることにより、糖化前処理物を得る。また、サイロ２５は、その上部に、排気口２６を備えている。排気口２６は、排出手段２４により処理槽２１から基質混合物が排出される際に混入するアンモニアガス及び空気を外部に排出する機能を備えている。

アンモニア分離手段３は、サイロ２５で得られた前記前記糖化前処理物を、内部に供給する粉体供給機３ａを備えている。粉体供給機３ａは、サイロ２５の直下に配設され、サイロ２５に直結されている。

次に、本実施形態の前処理装置１の作動について説明する。

前処理装置１では、まず、処理手段２において、基質供給手段２２から処理槽２１に前記基質を連続して供給すると共に、アンモニア水供給手段２３から処理槽２１にアンモニア水を連続的に供給する。前記基質としては、例えば稲藁を用いることができる。前記稲藁は、例えば図示しないカッターミルにより約３ｍｍの長さに粉砕されている。

また、前記アンモニア水として、本実施形態では、２０〜３０質量％の範囲の濃度、例えば２５質量％の濃度を備えるものを用いる。前記アンモニア水を供給するときに、アンモニア水供給手段２３は、基質供給手段２２により供給される前記基質１質量部に対し、前記アンモニア水を、０．７〜１．３質量部の範囲で、好ましくは１質量部供給する。

前記のようにして供給された前記基質及び前記アンモニア水は、処理槽２１内で攪拌されることにより、該アンモニア水と該基質とが混合されて基質混合物となる。このとき、前記基質には、同時に供給される前記アンモニア水との衝突、該基質同士の衝突、又は該基質と処理槽２１との衝突等による衝撃力と、前記攪拌による剪断力とが付与される。この結果、前記基質に前記アンモニア水が均一に含浸される。

次に、前記基質混合物は、排出手段２４により処理槽２１から連続的に排出され、サイロ２５に供給される。このとき、前記基質混合物は湿粉体となっているが、サイロ２５は処理槽２１の直下に配設され、排出手段２４はその下端部がサイロ２５内に挿入されている。従って、前記基質混合物はブリッジ現象を起こして排出手段２４を閉塞することなく、サイロ２５に供給される。

またこのとき、サイロ２５内には、前記基質混合物と共に、アンモニアガスや空気が混入する。しかし、前記アンモニアガス及び空気は、サイロ２５の上部に設けられた排気口２６からサイロ２５の外部に排出されるので、該アンモニアガス及び空気がサイロ２５における前記基質混合物の貯留の妨げとなることはない。

本実施形態では、処理槽２１として、例えば、図２に示す構成を備えるミキサ３１（大平洋機工株式会社製、商品名：スパイラル・ピンミキサ（Ｗ型））を用いることができる。ミキサ３１は、平板状の上蓋３２と、上蓋３２の外周縁から下方に連なる逆円錐形の側壁３３とからなるハウジング３４を備え、上蓋３２の中央部に粉体投入口３５と液体投入口３６とを同心円状に備えている。ハウジング３４は、内部に回転自在のミキシングロータ３７を備えると共に、側壁３３の下方の一部に開口する排出口３８を備えている。

ミキシングロータ３７は、上蓋３２との間に間隔を存して対向する水平面３９と、水平面３９の外周縁から下方に連なり、側壁３３との間に間隔を存して対向する斜面４０とからなる。水平面３９には複数の一次分散ピン４１が螺旋状に配設されており、斜面４０には複数の二次分散ピン４２が配設されている。

ミキサ３１では、粉体投入口３５が基質供給手段２２に相当し、液体投入口３６がアンモニア水供給手段２３に相当する。また、排出口３８が排出手段２４に相当し、ミキシングロータ３７が混合手段に相当する。

ミキサ３１によれば、ミキシングロータ３７を回転させながら、粉体投入口３５から前記基質を連続して供給すると共に、液体投入口３６から前記アンモニア水を連続して供給する。このようにすると、前記アンモニア水がミキシングロータ３７の水平面３９に沿って外周方向に拡散される一方、前記基質が水平面３９上で該アンモニア水に合流することにより攪拌される。また、前記基質は、前記のように攪拌されながら、一次分散ピン４１に衝突することにより衝撃力及び剪断力が付与される。

次いで、前記基質は、前記アンモニア水と共に、ミキシングロータ３７の斜面４０に沿って流下する一方、二次分散ピン４２により上方へ押し上げられる。この結果、前記アンモニア水と前記基質とが混合されると共に、該基質に該アンモニア水が均一に含浸された前記基質混合物が形成され、排出口３８から連続して排出される。

処理槽２１は、供給された前記基質及び前記アンモニア水を攪拌して該基質に剪断力及び衝撃力を付与することができ、該アンモニア水と該基質とを混合して、前記基質混合物を形成することができるものであればよく、図２に示すミキサ３１に限定されるものではない。このような処理槽２１として、図２に示すミキサ３１の他、連続噴射混合機（例えば、株式会社粉研パウテックス製、商品名：フロージェットミキサー）、砥石式摩砕機（例えば、増幸産業株式会社製、商品名：スーパーグラインデル）等を挙げることができる。

次に、糖化前処理装置１では、排出手段２４により処理槽２１から連続的に排出され、サイロ２５に供給された前記基質混合物が、サイロ２５内に貯留される。前記基質混合物は、加熱されることなく、例えば２５℃の温度で、サイロ２５内を２４〜３６０時間の範囲の時間、例えば１００時間を掛けて通過する。

このとき、前記基質には、２０〜３０質量％の範囲の濃度、例えば２５質量％の濃度のアンモニア水が、該基質１質量部に対して０．７〜１．３質量部の範囲で、例えば１質量部、均一に含浸されている。そこで、前記基質はサイロ２５内を通過する間にアンモニアの作用を受け、該基質からリグニンが解離され、又は該基質が膨潤される。この結果、前記基質からリグニンが解離され、又は該基質が膨潤された糖化前処理物が形成される。

前記糖化前処理物は、粉体供給機３ａによりサイロ２５から連続して取出され、アンモニア分離手段３に供給される。前記糖化前処理物は排出されにくいので、粉体供給機３ａはサイロ２５の直下に直結され、スクレーパーにより該糖化前処理物を強制的に切り出してアンモニア分離手段３に供給する機能を備えるものが好ましい。このような粉体供給機３ａとして、連続定量供給機（例えば、大盛工業株式会社製、商品名：スムースオートフィーダＣＦ３００）等を挙げることができる。

アンモニア分離手段３は、前記糖化前処理物を加熱してアンモニアを気化させることによりアンモニアガスとして放散させる。アンモニア分離手段３としては、前記糖化前処理物を加熱してアンモニアガスを放散させることができるものであれば、どのようなものであってもよいが、例えば、連続式伝導伝熱乾燥機（例えば、株式会社大川原製作所製、商品名：インナーチューブロータリー）等を用いることができる。

アンモニア分離手段３によりアンモニアが分離された糖化前処理物は、移送手段４により後工程の酵素糖化工程に移送される。

１…リグノセルロース系バイオマスの前処理装置、 ２…処理手段、 ３…アンモニア分離手段、 ２１…処理槽、 ２２…基質供給手段、 ２３…アンモニア水供給手段、 ２４…排出手段。

Claims (3)

1. 基質としてのリグノセルロース系バイオマスにアンモニア水を添加して、得られた基質混合物を処理して該基質に含まれるリグニンを解離し、又は該基質を膨潤させて糖化前処理物を得る処理手段と、
   該糖化前処理物からアンモニアを分離するアンモニア分離手段とを備えるリグノセルロース系バイオマスの糖化前処理装置において、
   前記処理手段は、処理槽と、
   該処理槽に該基質を連続して供給する基質供給手段と、
   該処理槽に該アンモニア水を連続して供給するアンモニア水供給手段と、
   該処理槽に供給された該基質及び該アンモニア水を攪拌して該基質に剪断力及び衝撃力を付与すると共に、該アンモニア水と該基質とを混合して、湿粉体となっている基質混合物を得る混合手段と、
   該基質混合物を該処理槽から連続して排出する排出手段と、
   該処理槽の直下に配設され、該排出手段を介して該処理槽に連結されると共に、その上部に、アンモニアガス及び空気を排出する排気口を備え、該排出手段により排出された該基質混合物が所定時間かけて通過する間に非加熱状態で該基質に含まれるリグニンを解離し、又は該基質を膨潤させて該糖化前処理物を得る貯留手段と、
   該貯留手段の直下に配設され、該貯留手段から供給される該糖化前処理物を搬送しながら加熱してアンモニアを気化させることによりアンモニアガスを放散させるアンモニア分離手段と、
   該アンモニア分離手段から排出されるアンモニアが除去された該糖化前処理物を後工程に移送する移送手段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装置。
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装置において、
   前記処理槽は、平板状の上蓋と、上蓋の外周縁から下方に連なる逆円錐形の側壁とからなるハウジングと、上蓋の中央部に同心円状に備えられた基質供給手段としての粉体投入口及びアンモニア水供給手段としての液体投入口と、該ハウジング内部に回転自在に備えられた混合手段としてのミキシングロータと、該側壁の下方の一部に開口する排出手段としての排出口とを備え、
   該ミキシングロータは、該上蓋との間に間隔を存して対向する水平面と、該水平面の外周縁から下方に連なり、該側壁との間に間隔を存して対向する斜面とからなり、該水平面に螺旋状に配設され衝突する基質に衝撃力及び剪断力を付与する複数の一次分散ピンと、該斜面に配設された複数の二次分散ピン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装置。
3. 請求項１又は請求項２記載のリグノセルロース系バイオマスの糖化前処理装置において、
   前記アンモニア水供給手段は、２０〜３０質量％の範囲の濃度のアンモニア水を供給すると共に、前記基質供給手段により供給される前記基質に対し、前記アンモニア水を、１：０．７〜１：１．３の範囲の質量比で供給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装置。

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