(57)【要約】  本発明は、超臨界状態又は亜臨界状態でセルロース系バイオマスを分解する方法及び装置において、反応器を減圧する際の余剰圧力を回収して圧縮動力を削減しつつ、フラッシュ蒸気の循環利用によって潜熱を回収して熱効率の改善を図ることを目的とする。  本発明の糖化分解方法及び糖化分解装置は、セルロース系バイオマスを超臨界状態又は亜臨界状態とするための反応器として油圧シリンダ型加圧式反応器を使用し、過熱水蒸気の供給源として油圧シリンダ型蒸気圧縮機を使用して両者を連動させる。セルロース系バイオマスの分解終了時に余剰となる油圧を油圧シリンダ型蒸気圧縮機の圧縮動力として回収し、さらに分解物を含むスラリーから発生するフラッシュ蒸気を、油圧シリンダ型蒸気圧縮機へと供給して循環利用する。
2012042841.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
セルロース系バイオマスのスラリーを過熱水蒸気と共に油圧シリンダ型加圧式反応器内で超臨界状態又は亜臨界状態となるまで加圧することにより、セルロース系バイオマスの糖化分解を行うセルロース系バイオマスの糖化分解方法であって、
前記油圧シリンダ型加圧式反応器への過熱水蒸気供給を、油圧シリンダ型蒸気圧縮機によって行い、
前記油圧シリンダ型加圧式反応器の油圧返送経路と前記油圧シリンダ型蒸気圧縮機の油圧室とを油圧回収経路で接続することにより、セルロース系バイオマスの糖化分解後、前記油圧シリンダ型加圧式反応器内を超臨界状態又は亜臨界状態以下に減圧する際に、前記油圧シリンダ型加圧式反応器の油圧室の油圧を前記油圧シリンダ型蒸気圧縮機の油圧室へと回収し、
糖化分解後のスラリーをフラッシュタンク内へと供給した後にフラッシュ蒸発させ、フラッシュ蒸気を前記油圧シリンダ型蒸気圧縮機へと回収する、
ことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記油圧シリンダ型加圧式反応器及び前記油圧シリンダ型蒸気圧縮機が複数であり、  前記油圧シリンダ型加圧式反応器への過熱水蒸気供給を、同数の油圧シリンダ型蒸気圧縮機によって行い、
１台の前記油圧シリンダ型加圧式反応器の油圧返送経路と１台の前記油圧シリンダ型蒸気圧縮機の油圧室とを油圧回収経路で接続することにより、セルロース系バイオマスの糖化分解後、前記油圧シリンダ型加圧式反応器内を超臨界状態又は亜臨界状態以下に減圧する際に、１台の前記油圧シリンダ型加圧式反応器の油圧室の油圧を１台の前記油圧シリンダ型蒸気圧縮機の油圧室へと周期的に回収する、請求項１に記載のセルロース系バイオマスの糖化分解方法。
【請求項３】
前記油圧回収経路は、前記油圧返送経路及び前記油圧シリンダ型蒸気圧縮機の油圧室との接続部分では１本の経路であり、それ以外の部分では複数の副経路に分岐しており、
それぞれの副経路には、蓄圧設定値が異なるエアチャンバーが１つずつ設けられており、
前記油圧シリンダ型加圧式反応器の油圧室の油圧を、高い蓄圧設定値のエアチャンバーから順に蓄圧した後、低い蓄圧設定値のエアチャンバーから順に油圧を開放し、前記油圧シリンダ型蒸気圧縮機の油圧室へと供給する、請求項１に記載のセルロース系バイオマスの糖化分解方法。
【請求項４】
前記フラッシュタンクに水蒸気発生装置を接続し、前記水蒸気発生装置から供給された水蒸気とフラッシュ蒸気とを混合して前記油圧シリンダ型蒸気圧縮機へと水蒸気を供給する、請求項１に記載のセルロース系バイオマスの糖化分解方法。
【請求項５】
前記フラッシュタンク又は前記フラッシュタンクと前記油圧シリンダ型蒸気圧縮機とを接続する蒸気配管の少なくともいずれか一方に空気及び／又は窒素の供給装置を接続し、前記油圧シリンダ型蒸気圧縮機の蒸気圧縮室に供給する水蒸気に、蒸気量の1/7以上1/3以下の空気及び／又は窒素を混入させる、請求項１に記載のセルロース系バイオマスの糖化分解方法。
【請求項６】
セルロース系バイオマスのスラリーを過熱水蒸気と共に超臨界状態又は亜臨界状態となるまで加圧する油圧シリンダ型加圧式反応器と、
前記油圧シリンダ型加圧式反応器に過熱水蒸気を供給する油圧シリンダ型蒸気圧縮機と、
前記複数の油圧シリンダ型加圧式反応器から取り出した高温高圧のスラリーを供給してフラッシュ蒸発させるフラッシュタンクとを有し、
前記油圧シリンダ型加圧式反応器の油圧返送経路と前記油圧シリンダ型蒸気圧縮機の油圧室とは、油圧回収経路によって接続されており、前記油圧シリンダ型加圧式反応器の油圧室の油圧は、前記油圧回収経路によって前記油圧シリンダ型蒸気圧縮機の油圧室へと回収され、
前記フラッシュタンクは、前記油圧シリンダ型蒸気圧縮機と接続されており、高温高圧のスラリーから発生したフラッシュ蒸気を前記油圧シリンダ型蒸気圧縮機へと回収することを特徴とする装置。
【請求項７】
前記油圧シリンダ型加圧式反応器及び前記油圧シリンダ型蒸気圧縮機が複数であり、
前記油圧シリンダ型加圧式反応器への過熱水蒸気供給を、同数の油圧シリンダ型蒸気圧縮機によって行い、
１台の前記油圧シリンダ型加圧式反応器の油圧返送経路と１台の前記油圧シリンダ型蒸気圧縮機の油圧室とは、油圧回収経路によって接続されており、１台の前記油圧シリンダ型加圧式反応器の油圧室の油圧は、前記油圧回収経路によって１台の前記油圧シリンダ型蒸気圧縮機の油圧室へと回収され、
前記フラッシュタンクは、複数の前記油圧シリンダ型蒸気圧縮機と接続されており、高温高圧のスラリーから発生したフラッシュ蒸気を複数の前記油圧シリンダ型蒸気圧縮機へと周期的に回収する、請求項６に記載のセルロース系バイオマスの糖化分解装置。
【請求項８】
前記油圧回収経路は、前記油圧返送経路及び前記油圧シリンダ型蒸気圧縮機の油圧室との接続部分では１本の経路であり、それ以外の部分では複数の副経路に分岐しており、
それぞれの副経路には、蓄圧設定値が異なるエアチャンバーが１つずつ設けられており、
前記油圧シリンダ型加圧式反応器の油圧室の油圧を、高い蓄圧設定値のエアチャンバーから順に蓄圧した後、低い蓄圧設定値のエアチャンバーから順に油圧を開放し、前記油圧シリンダ型蒸気圧縮機の油圧室へと供給する、請求項６に記載のセルロース系バイオマスの糖化分解装置。
【請求項９】
前記フラッシュタンクに水蒸気発生装置を接続し、前記水蒸気発生装置から供給された水蒸気とフラッシュ蒸気とを混合して複数の前記油圧シリンダ型蒸気圧縮機へと水蒸気を供給する、請求項６に記載のセルロース系バイオマスの糖化分解装置。
【請求項１０】
前記フラッシュタンク又は前記フラッシュタンクと複数の前記油圧シリンダ型蒸気圧縮機とを接続する蒸気配管の少なくともいずれか一方に空気及び／又は窒素の供給装置を接続し、前記油圧シリンダ型蒸気圧縮機の蒸気圧縮室に供給する水蒸気に、蒸気量の1/7以上1/3以下の空気及び／又は窒素を混入させる、請求項６に記載のセルロース系バイオマスの糖化分解装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セルロース系バイオマスを超臨界状態又は亜臨界状態で加水分解して糖類を製造するための方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
バイオマスエネルギー利用の一環として、植物の主成分であるセルロース又はヘミセルロースを分解し、エタノール（バイオエタノール）を得ようとする試みがある。そこでは、得られたエタノールは、燃料用として主として自動車燃料に一部混入させたり、ガソリンの代替燃料として利用したりすることが計画されている。【０００３】
植物の主な成分には、セルロース（炭素6個から構成されるC6単糖であるグルコースの重合物）、ヘミセルロース（炭素5個から構成されるC5単糖とC6単糖の重合物）、リグニン、デンプンが含まれるが、エタノールはC5単糖、C6単糖、それらの複合体であるオリゴ糖のような糖類を原料として、酵母菌のような微生物の醗酵作用によって生成される。【０００４】
セルロース又はヘミセルロースのようなセルロース系バイオマスを糖類に分解するには、１）硫酸など強酸の酸化力により加水分解する方法、２）酵素により分解する方法、３）超臨界水又は亜臨界水の酸化力を利用する方法、の３種類が工業的に利用されようとしている。しかし、１）の酸分解法は、添加した酸が酵母菌の醗酵に対して阻害物質となることから、セルロース又はヘミセルロースを糖類に分解した後、糖類をエタノール発酵させる前に添加した酸の中和処理が必須であり、その処理費用で経済的に実用化困難な面がある。２）の酵素分解法は、常温定圧処理が可能ではあるが、有効な酵素が見出されておらず、発見されたとしても酵素の生産コストが高くなることが予想されており、経済性の面で未だ工業規模で実現の目処が立っていない。【０００５】
３）の超臨界水又は亜臨界水によってセルロース系バイオマスを加水分解して糖類とする方法として、セルロース粉末を240〜340℃の加圧熱水と接触させて加水分解することを特徴とする非水溶性多糖類の製造方法が、特許文献１に開示されている。特許文献２は、細片されたバイオマスを140〜230℃で飽和水蒸気圧以上に加圧した熱水で所定時間加水分解してヘミセルロースを分解抽出し、その後セルロースの分解温度以上に加熱した加圧熱水で加水分解してセルロースを分解抽出する方法を開示している。特許文献３は、平均重合度100以上のセルロースを、温度250℃以上450℃以下、圧力15MPa以上450MPa以下の超臨界水又は亜臨界水と0.01秒以上5秒以下接触反応させ、その後冷却して温度250℃以上350℃以下、圧力15MPa以上450MPa以下の亜臨界水と1秒以上10分以下接触させて加水分解することを特徴とするグルコース及び／又は水溶性セロオリゴ糖の製造方法を開示している。【０００６】
超臨界水又は亜臨界水によってバイオマスのような有機物を加水分解又は酸化分解する場合、有機物を分散させた高圧水を急加熱し、一定時間超臨界又は亜臨界状態を維持して加水分解反応を起こさせる。反応終了後、反応系を急冷して、さらなる化学反応を停止させる必要がある。このような急加熱及び急冷却が可能な反応装置の一例として、ボイラから供給された水蒸気をピストンで加圧して超臨界水又は亜臨界水とする反応機が、特許文献４に開示されている。反応機のシリンダをクランク機構又はカム機構によって駆動させ、反応機から取り出された生成物から蒸気を回収し、クランク機構又はカム機構の駆動に蒸気圧を利用することも、特許文献４に開示されている。【０００７】
特許文献５は、有機物を含む流体を高温高圧にして安定した流量で供給するための有機物システムを開示している。特許文献５に開示されているシステムは、処理後の高圧流体と圧力をシリンダのピストンで受けて処理前の流体を加圧するための力として伝達する第１の駆動手段と、第１の駆動手段に駆動力を付加する第２の駆動手段とを備え、処理後の高圧流体のエネルギーを、背圧弁を用いて低減した後に、第１の駆動手段におけるシリンダに導入する構成となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０００−１８６１０２号公報
【特許文献２】特開２００２−５９１１８号公報
【特許文献３】特開２００３−２１２８８８号公報
【特許文献４】特開２００２−２６３４６５号公報
【特許文献５】特開２０００−２３３１２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献４に開示されている装置では、回収された蒸気によってクランク機構又はカム機構を駆動させるが、この装置では蒸気を回収するタイミングと、反応機をシリンダによって圧縮するタイミングとは、同調せざるを得ない。特許文献４に開示されている装置では、水蒸気の潜熱を有効利用することもできない。また、クランク機構又はカム機構で回転数を一定にする場合、反応機のシリンダを押した状態で一定時間保持したり、シリンダを押す又は引く速度を運転中、任意に変更したりすることは困難であり、運転条件の変更の自由度が小さい。【００１０】
特許文献５に開示されているシステムでも、一次側シリンダのピストンと二次側シリンダのピストンは１本のピストンロッドによって連結されているため、一次側シリンダと二次側シリンダは同調して駆動せざるを得ない。【００１１】
本発明は、超臨界状態又は亜臨界状態でセルロース系バイオマスを分解する方法及び装置において、反応器を減圧する際の余剰圧力を回収して圧縮動力を削減しつつ、反応器と圧縮機構の運転タイミングの自由度を確保することを目的とする。本発明は、フラッシュ蒸気の循環利用によって潜熱を回収して熱効率の改善を図ることも目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明者等は、上記課題を解決するために鋭意検討を続けた。その結果、セルロース系バイオマスを超臨界状態又は亜臨界状態とするための反応器として油圧シリンダ型加圧式反応器を使用し、過熱水蒸気の供給源として油圧シリンダ型蒸気圧縮機を使用し、両者を連動させることを試みた。その上で、セルロース系バイオマスの分解終了時に余剰となる油圧を油圧シリンダ型蒸気圧縮機の圧縮動力として回収し、さらに分解物を含むスラリーから発生するフラッシュ蒸気を、油圧シリンダ型蒸気圧縮機へと供給して循環利用することにより、上記課題を解決し得ることを見出し、本発明を完成させるに至った。【００１３】
具体的に、本発明は、
セルロース系バイオマスのスラリーを過熱水蒸気と共に油圧シリンダ型加圧式反応器内で超臨界状態又は亜臨界状態となるまで加圧することにより、セルロース系バイオマスの糖化分解を行うセルロース系バイオマスの糖化分解方法であって、
前記油圧シリンダ型加圧式反応器への過熱水蒸気供給を、油圧シリンダ型蒸気圧縮機によって行い、
前記油圧シリンダ型加圧式反応器の油圧返送経路と前記油圧シリンダ型蒸気圧縮機の油圧室とを油圧回収経路で接続することにより、セルロース系バイオマスの糖化分解後、前記油圧シリンダ型加圧式反応器内を超臨界状態又は亜臨界状態以下に減圧する際に、前記油圧シリンダ型加圧式反応器の油圧室の油圧を前記油圧シリンダ型蒸気圧縮機の油圧室へと回収し、
糖化分解後のスラリーをフラッシュタンク内へと供給した後にフラッシュ蒸発させ、フラッシュ蒸気を前記油圧シリンダ型蒸気圧縮機へと回収する、
ことを特徴とする方法に関する。【００１４】
本発明はまた、
セルロース系バイオマスのスラリーを過熱水蒸気と共に超臨界状態又は亜臨界状態となるまで加圧する油圧シリンダ型加圧式反応器と、
前記油圧シリンダ型加圧式反応器に過熱水蒸気を供給する油圧シリンダ型蒸気圧縮機と、
前記複数の油圧シリンダ型加圧式反応器から取り出した高温高圧のスラリーを供給してフラッシュ蒸発させるフラッシュタンクとを有し、
前記油圧シリンダ型加圧式反応器の油圧返送経路と前記油圧シリンダ型蒸気圧縮機の油圧室とは、油圧回収経路によって接続されており、前記油圧シリンダ型加圧式反応器の油圧室の油圧は、前記油圧回収経路によって前記油圧シリンダ型蒸気圧縮機の油圧室へと回収され、
前記フラッシュタンクは、前記油圧シリンダ型蒸気圧縮機と接続されており、高温高圧のスラリーから発生したフラッシュ蒸気を前記油圧シリンダ型蒸気圧縮機へと回収することを特徴とする装置に関する。【００１５】
前記油圧シリンダ型加圧式反応器及び前記油圧シリンダ型蒸気圧縮機は複数であり、  前記油圧シリンダ型加圧式反応器への過熱水蒸気供給を、同数の油圧シリンダ型蒸気圧縮機によって行い、
１台の前記油圧シリンダ型加圧式反応器の油圧返送経路と１台の前記油圧シリンダ型蒸気圧縮機の油圧室とを油圧回収経路で接続することにより、セルロース系バイオマスの糖化分解後、前記油圧シリンダ型加圧式反応器内を超臨界状態又は亜臨界状態以下に減圧する際に、１台の前記油圧シリンダ型加圧式反応器の油圧室の油圧を１台の前記油圧シリンダ型蒸気圧縮機の油圧室へと周期的に回収することが好ましい。【００１６】
前記油圧回収経路は、前記油圧返送経路及び前記油圧シリンダ型蒸気圧縮機の油圧室との接続部分では１本の経路であり、それ以外の部分では複数の副経路に分岐しており、
それぞれの副経路には、蓄圧設定値が異なるエアチャンバーが１つずつ設けられており、
前記油圧シリンダ型加圧式反応器の油圧室の油圧を、高い蓄圧設定値のエアチャンバーから順に蓄圧した後、低い蓄圧設定値のエアチャンバーから順に油圧を開放し、前記油圧シリンダ型蒸気圧縮機の油圧室へと供給することが好ましい。【００１７】
前記フラッシュタンクに水蒸気発生装置を接続し、前記水蒸気発生装置から供給された水蒸気とフラッシュ蒸気とを混合して前記油圧シリンダ型蒸気圧縮機へ水蒸気を供給することが好ましい。【００１８】
前記フラッシュタンク又は前記フラッシュタンクと前記油圧シリンダ型蒸気圧縮機とを接続する蒸気配管の少なくともいずれか一方に空気及び／又は窒素の供給装置を接続し、前記油圧シリンダ型蒸気圧縮機の蒸気圧縮室に供給する水蒸気に、蒸気量の1/7以上1/3以下の空気及び／又は窒素を混入させることが好ましい。【００１９】
本発明の上記目的、他の目的、特徴及び利点は、添付図面参照の下、以下の好適な実施態様の詳細な説明から明らかにされる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、油圧経路を経由して反応器の余剰圧力（余剰油圧）を蒸気圧縮機に回収することにより、圧縮動力を削減できる。本発明によれば、フラッシュ蒸気の潜熱も回収できるため、熱効率も高い。さらに、本発明によれば、反応器と蒸気圧縮機との連動も容易である。さらにまた、フラッシュ蒸気に空気及び／又は窒素を混合することによって、蒸気圧縮機内の水蒸気の凝縮を防止し得る。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】図１は、本発明のセルロース系バイオマスの糖化分解方法を行うための処理装置の一例を説明する概略構成図を示す。
【図２】図２は、油圧シリンダ型蒸気圧縮機５ａ及び油圧シリンダ型加圧式反応器１ａの動作を説明する概念図を示す。
【図３】図３は、本発明のセルロース系バイオマスの糖化分解方法を行うための処理装置の別の一例のうち、油圧シリンダ型蒸気圧縮機５ａ及び油圧シリンダ型加圧式反応器１ａの付近の概略構成図を示す。
【図４】図４は、セルロース系バイオマスの糖化分解方法を行うための従来の処理装置の一例を示す概略構成図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本発明の実施の形態について、適宜図面を参酌しながら以下に説明する。
【００２３】
（実施の形態１）
図１は、本発明のセルロース系バイオマスの糖化分解方法を行うための処理装置の一例を示す概略構成図である。図１では、油圧シリンダ型加圧式反応器及び油圧シリンダ型蒸気圧縮機は、４台ずつ設置されているが、設置台数は４台ずつには限定されない。
【００２４】
セルロース系バイオマスのスラリーは、必要に応じて予熱された後、スラリー供給経路１１及び１１ａ〜１１ｄを経て、高圧蒸気供給経路１０ａ〜１０ｄへと供給される。セルロース系バイオマスのスラリーとしては、例えば、(1) バガス、甜菜かす、又は藁のような草木系バイオマスを、粒径数mm以下に粉砕し、水を用いて固形物濃度20〜50重量％程度としたスラリーであってもよく；(2) セルロース系バイオマス中のヘミセルロースを糖化分解処理し、その後脱水処理した残渣（脱水ケーキ）を、再度水を用いて固形物濃度20〜50重量％程度としたスラリーであってもよい。
【００２５】
一方、ボイラのような蒸気発生装置（図示せず）から供給された水蒸気は、経路１２からフラッシュタンク１３へと供給され、さらに回収蒸気供給経路１４及び１４ａ〜１４ｄを経て、油圧シリンダ型蒸気圧縮機５ａ〜５ｄの蒸気圧縮室８ａ〜８ｄへと供給される。蒸気発生装置から供給される水蒸気は、150〜200℃、0.5〜1.6MPaとすることが好ましい。
【００２６】
ここで、処理装置の運転開始時のように、回収蒸気供給経路１４及び１４ａ〜１４ｄ、蒸気圧縮室８ａ〜８ｄの温度が低い場合、回収蒸気供給経路１４から供給された水蒸気の温度が低下しやすい。このような場合、蒸気圧縮室８ａ〜８ｄ内で水蒸気が凝縮し、水蒸気の潜熱が失われる畏れがある。処理装置の連続運転中に水蒸気の凝縮を防止するためには、蒸気配管を断熱処理することが有効と考えられるが、その反面、運転開始時に蒸気配管を加熱することが困難となる。
【００２７】
そこで、図１に示される処理装置は、任意の構成として、配管２８，２８ａ及び２８ｂが設けられている。配管２８は、空気及び／又は窒素の供給装置（図示せず）に接続されている。供給装置の例は、エアコンプレッサー、ガスボンベ又は窒素発生装置である。図１では、配管２８は、配管２８ａ及び配管２８ｂに分岐し、配管２８ａがフラッシュタンク１３に接続され、配管２８ｂが蒸気供給経路に接続されている。配管２８ａ又は配管２８ｂのいずれか一方は、省略することがしてもよい。
【００２８】
配管２８ａ及び配管２８ｂから空気及び／又は窒素を供給すると、フラッシュタンク１３及び回収蒸気供給経路１４内の水蒸気に、空気及び／又は窒素が混合されることになり、油圧シリンダ型蒸気圧縮機の蒸気圧縮室８ａ〜８ｄに供給される水蒸気に空気及び／又は窒素を混入させることができる。その結果、蒸気が飽和状態でなくなるので、蒸気圧縮室８ａ〜８ｄへの投入時に水蒸気が凝縮しにくくなる。
【００２９】
蒸気圧縮室に供給される水蒸気には、蒸気量の1/7以上1/3以下の空気及び／又は窒素を混入させることが好ましい。例えば、フラッシュタンク１３及び／又は回収蒸気供給経路１４へと供給される空気及び／又は窒素の圧力を、水蒸気と同じ圧力となるように調整し、所定の比率になるよう空気及び／又は窒素の流量を調整することによって、このような混合割合を調整することが可能である。図１に示される処理装置では、蒸気配管を断熱処理しなくても、蒸気圧縮室８ａ〜８ｄで水蒸気が凝縮しにくく、水蒸気の潜熱エネルギーを保持させやすいという効果が発揮される。
【００３０】
配管２８から空気及び／又は窒素を処理装置に供給する場合、反応室４ａ〜４ｄ内の圧力は、空気及び／又は窒素を供給しない場合と比較して、１割〜３割程度高く設定することが好ましい。水蒸気分圧を、空気及び／又は窒素を供給しない場合と同じ圧力にするためである。
【００３１】
＜１．油圧の回収＞
油圧シリンダ型蒸気圧縮機５ａ〜５ｄはすべて同様に動作し、油圧シリンダ型加圧式反応器１ａ〜１ｄもすべて同様に動作する。そこで、本発明のセルロース系バイオマスの分解方法における油圧シリンダ型蒸気圧縮機５ａ及び油圧シリンダ型加圧式反応器１ａの組み合わせにおける油圧回収について、図２に基づいて説明する。
【００３２】
（図２(a)の説明）
水蒸気は、蒸気供給経路１４ａを経て、油圧シリンダ型蒸気圧縮機５ａの蒸気圧縮室８ａに供給される。油圧室６ａの容積は最も小さくなり、油圧室６ａ内の油圧は、油圧返送経路１９ａ及び１９を経て、油タンク２６へと返送される。このとき、油圧シリンダ型加圧式反応器１ａは、セルロース系バイオマスのスラリー及び過熱水蒸気が供給された反応室４ａを圧縮し、超臨界状態又は亜臨界状態としてセルロース系バイオマスを分解している。水蒸気は、油圧シリンダ型蒸気圧縮機５ａによって圧縮された後、さらに反応室４ａで圧縮されるので、最も温度及び圧力が高い状態となっている。セルロース系バイオマスを分解する際には、反応室４ａ内を350〜400℃、18〜30MPaとすることが好ましい。分解時間は、0.1〜30秒間とすることが好ましく、0.1〜3秒間とすることがより好ましい。
【００３３】
油圧経路１５ａは、約22MPaの高圧の油圧経路であり、図２(a)の状態では、セルロース系バイオマスのスラリー及び過熱水蒸気が供給された反応室４ａを圧縮し、超臨界状態又は亜臨界状態とするために、油圧シリンダ３ａを約22MPaの油圧で押している。
【００３４】
（図２(b)の説明）
油圧シリンダ型加圧式反応器１ａは、セルロース系バイオマスの分解反応終了後、反応室内４ａ内を減圧することによって急冷し、さらなる化学反応を停止させる。このとき、油圧シリンダ型加圧式反応器１ａの油圧室２ａの油圧が上昇するため、油圧回収経路９ａを経て、油圧室２ａの油圧を油圧シリンダ型蒸気圧縮機５ａの油圧室６ａへと回収し、蒸気圧縮室８ａ内の水蒸気を圧縮する。回収された油圧によって、図２(a)のときに蒸気圧縮室８ａに供給された水蒸気を圧縮するための動力を削減することができる。
【００３５】
（図２(c)の説明）
蒸気圧縮室８ａ内の水蒸気は、さらに高温高圧（250〜300℃、3.9〜8.5MPa）の過熱水蒸気となるまで圧縮される。このとき、亜臨界状態以下の温度及び圧力に減圧された糖生成後のスラリーは、油圧シリンダ型加圧式反応器１ａから反応後スラリー移送経路２０ａへと排出される。排出直前の反応後スラリーは、150〜300℃、0.5〜8.6MPaとすることが好ましい。一方、セルロース系バイオマスのスラリーは、スラリー供給経路１１ａからスラリー投入室２７へと充填される。
【００３６】
油圧経路１６ａは、約2MPaの低圧の油圧経路である。図２(c)の状態では、油圧シリンダ型加圧式反応器１ａから反応後スラリー移送経路２０ａへと糖生成後のスラリーが排出された後、油圧シリンダ３ａを図面中の左端の位置に約2MPaの油圧で押して、反応室内４ａの容積をゼロにしている。
【００３７】
（図２(d)の説明）
蒸気圧縮室８ａから排出された高温高圧の過熱水蒸気は、高圧蒸気供給経路１０ａを経て、油圧シリンダ型加圧式反応器１ａの反応室４ａへと供給される。このとき、スラリー投入室２７内のセルロース系バイオマスのスラリーも、油圧シリンダ型加圧式反応器１ａの反応室４ａへと同時に供給される。一方、油圧シリンダ型加圧式反応器１ａの油圧室２ａ内の油圧は、油圧返送経路１７ａ及び１７を経て、油タンク２６へと返送される。
【００３８】
図２(d)の次には、上述した図２(a)の状態となる。その後、図２(a)→図２(b)→図２(c)→図２(d)に示される動作が連続して繰り返される。このような油圧回収が連続的に行われるため、圧縮動力の削減が可能となる。
【００３９】
本発明では、反応器を減圧する際の余剰圧力を油圧として蒸気圧縮機へと回収するため、反応器内の反応時間を、処理対象物又は処理量に応じて調整することが容易である。例えば、反応器の一部分のサイクルだけ時間を調整する等、運転条件の変更の自由度が非常に大きく、この点において、特許文献４又は５に開示されている発明と大きく異なる。
【００４０】
＜２．フラッシュ蒸気の回収＞
次に、反応後スラリーからのフラッシュ蒸気の回収について説明する。図２(c)のときに反応後スラリー移送経路２０ａへと排出された反応後スラリーは、反応後スラリー移送経路２０を経て、フラッシュタンク１３へと移送される。フラッシュタンク１３内でフラッシュ蒸発させることにより、反応後スラリーは0.1〜1.6MPa程度の圧力となる。その後、反応後スラリーは、フラッシュタンク１３の底部からポンプ２２によって、装置外の貯液設備又は発酵装置へと移送される。
【００４１】
一方、フラッシュタンク１３内で発生したフラッシュ蒸気は、蒸気供給経路１４、１４ａ〜１４ｄを経て、油圧シリンダ型蒸気圧縮機５ａ〜５ｄへと供給され、上述した処理工程が繰り返される。フラッシュタンク１３内が所定の温度及び圧力に達していない場合には、蒸気発生装置から水蒸気がフラッシュタンク１３へと供給される。逆に、フラッシュタンク１３内が所定の温度及び圧力を超過した場合には、余剰の蒸気を系外に排気する。
【００４２】
本発明では、フラッシュ蒸発によって反応後スラリーを急冷却し得ると共に、反応後スラリーから発生するフラッシュ蒸気を、セルロース系バイオマスの分解のための水蒸気として回収するために、フラッシュ蒸気の潜熱をも回収し得る。このような蒸気回収が連続的に行われるために、熱効率の向上が図れる。
【００４３】
（実施の形態２）
図３は、本発明のセルロース系バイオマスの糖化分解方法を行うための処理装置の別の一例のうち、油圧シリンダ型蒸気圧縮機５ａ及び油圧シリンダ型加圧式反応器１ａの接続状態を示す概略構成図である。この処理装置は、油圧シリンダ型蒸気圧縮機５ａ及び油圧シリンダ型加圧式反応器１ａ間の油圧回収用の経路が異なること以外は、すべて図１に示される処理装置と同じである。この処理装置では、油圧返送経路１７ａに油圧回収経路３２が接続しており、油圧回収経路３２は３２ａ〜３２ｄの４つの副経路に分岐している。副経路３２ａ〜３２ｄには、それぞれ油圧用バルブセット３３ａ〜３３ｄが設けられている。
【００４４】
副経路３２ａ〜３２ｄは、それぞれエアチャンバー経路３５ａ〜３５ｄに接続している。エアチャンバー経路３５ａ〜３５ｄの末端には、それぞれエアチャンバーＰ１〜Ｐ４が設けられている。ここでは、エアチャンバーＰ１〜Ｐ４の蓄圧圧力は、それぞれ3MPa、8MPa、13MPa及び18MPaに設定されているものとする。
【００４５】
エアチャンバー経路３５ａ〜３５ｄには、それぞれ副経路３６ａ〜３６ｄが接続している。副経路３６ａ〜３６ｄには、それぞれ油圧用バルブセット３７ａ〜３７ｄが設けられている。副経路３６ａ〜３６ｄは、油圧供給経路３６を経て、油圧シリンダ型蒸気圧縮機５ａの油圧室６ａへと接続している。
【００４６】
なお、図３では、油圧シリンダ型蒸気圧縮機５ａ及び油圧シリンダ型加圧式反応器１ａの接続状態が示されているが油圧シリンダ型蒸気圧縮機５ｂ〜５ｄと、油圧シリンダ型加圧式反応器１ｂ〜１ｄの接続状態も同様である。すなわち、エアチャンバー経路３５ａ〜３５ｄには、油圧シリンダ型加圧式反応器１ｂ〜１ｄに接続している油圧回収経路の副経路と、油圧シリンダ型蒸気圧縮機５ｂ〜５ｄに接続している油圧供給経路の副経路とが接続しており、エアチャンバーＰ１〜Ｐ４は、４組の油圧シリンダ型蒸気圧縮機及び油圧シリンダ型加圧式反応器で共用される。
【００４７】
次に、図３の処理装置における油圧回収の操作について説明する。油圧室２ａの油圧を油圧シリンダ型蒸気圧縮機５ａの油圧室６ａへと回収する際には、まず、油圧返送経路１７ａの弁３４を閉じ、油圧回収経路３２の弁３１を開く。このとき、油圧用バルブセット３３ａ〜３３ｄ及び３７ａ〜３７ｄは閉じており、弁３８も閉じている。油圧用バルブ３３ｄを開き、副経路３２ｄ及びエアチャンバー経路３５ｄを経て、18MPaの油圧がエアチャンバーＰ４に一時的に蓄圧される。蓄圧後、油圧用バルブ３３ｄを閉じる。
【００４８】
その後、油圧用バルブ３３ｃを開き、副経路３２ｃ及びエアチャンバー経路３５ｃを経て、13MPaの油圧がエアチャンバーＰ３に一時的に蓄圧される。蓄圧後、油圧用バルブ３３ｃを閉じる。
【００４９】
その後、油圧用バルブ３３ｂを開き、副経路３２ｂ及びエアチャンバー経路３５ｂを経て、8MPaの油圧がエアチャンバーＰ２に一時的に蓄圧される。蓄圧後、油圧用バルブ３３ｂを閉じる。
【００５０】
最後に、油圧用バルブ３３ａを開き、副経路３２ａ及びエアチャンバー経路３５ａを経て、3MPaの油圧がエアチャンバーＰ１に一時的に蓄圧される。蓄圧後、油圧用バルブ３３ａを閉じる。弁３１も閉じる。
【００５１】
ここまでの操作によって、エアチャンバーＰ１〜Ｐ４には、それぞれ3MPa、8MPa、13MPa及び18MPaの油圧が一時的に蓄圧されている。そこで、今度は、エアチャンバーＰ１〜Ｐ４に一時的に蓄圧されている油圧を、油圧シリンダ型蒸気圧縮機５ａの油圧室６ａへと供給する操作について説明する。
【００５２】
まず、弁３８を開く。その後、油圧用バルブ３７ａを開くと、油圧チャンバーＰ１に蓄圧されていた3MPaの油圧が、エアチャンバー経路３５ａ及び副経路３６ａを経て、油圧室６ａへと供給される。油圧供給後、油圧用バルブ３７ａを閉じる。
【００５３】
その後、油圧用バルブ３７ｂを開くと、油圧チャンバーＰ２に蓄圧されていた8MPaの油圧が、エアチャンバー経路３５ｂ及び副経路３６ｂを経て、油圧室６ａへと供給される。油圧供給後、油圧用バルブ３７ｂを閉じる。
【００５４】
その後、油圧用バルブ３７ｃを開くと、油圧チャンバーＰ３に蓄圧されていた13MPaの油圧が、エアチャンバー経路３５ｃ及び副経路３６ｃを経て、油圧室６ａへと供給される。油圧供給後、油圧用バルブ３７ｃを閉じる。
【００５５】
最後に、油圧用バルブ３７ｄを開くと、油圧チャンバーＰ４に蓄圧されていた18MPaの油圧が、エアチャンバー経路３５ｄ及び副経路３６ｄを経て、油圧室６ａへと供給される。油圧供給後、油圧用バルブ３７ｄを閉じる。油圧供給の終了後、弁３８も閉じ、油圧回収の１サイクルが終了する。
【００５６】
ここで、油圧用バルブセット３３ａ〜３３ｄ及び３７ａ〜３７ｄは、例えば、油圧用のカウンターバランス弁及びシーケンス弁等から構成されており、予め設定したある圧力範囲内でその経路を自動的に開放し、予め設定した圧力範囲から外れるとその経路を閉じる機能を備えている。図３に示される油圧用バルブセット３３ａ〜３３ｄ及び３７ａ〜３７ｄ、並びにエアチャンバーＰ１〜Ｐ４の構成は、本発明の実施の形態において使用し得る油圧用バルブセット及びエアチャンバーの一例であり、油圧経路、油圧用バルブセット又はエアチャンバーの構成は、これに限定されない。
【００５７】
図２(b)の状態において、油圧シリンダ型加圧式反応器１ａの油圧室２ａの油圧は約22MPaであり、油圧シリンダ型蒸気圧縮機５ａの油圧室６ａの油圧は約0.1〜0.6MPaである。この状態で油圧室２ａと油圧室６ａとを直接接続すると、油圧差が大きすぎて油の移動速度が過大となり、油圧配管の摩擦抵抗によって、圧力損失及び振動が発生する。油圧配管に減圧弁を設けて油圧を調整することも可能ではあるが、減圧弁が大きな抵抗となり、圧力損失は避けられない。
【００５８】
一方、本実施の形態では、油圧シリンダ型加圧式反応器１ａの油圧室２ａで発生する油圧を、油圧シリンダ型蒸気圧縮機５ａの油圧室６ａへと回収する際に、エアチャンバーＰ１〜Ｐ４に高い油圧から順に蓄圧した後、低い油圧から順に油圧供給することを特徴としている。このように、複数のエアチャンバーに一旦油圧を蓄圧し、低い油圧から順に回収することにより、回収する油圧が高い場合であっても、過大な油圧差を解消し、油圧の圧力損失を防止しつつ、配管の振動も防止し得る。
【００５９】
（従来技術）
図４は、セルロース系バイオマスの糖化分解方法を行うための従来の処理装置の一例を示す概略構成図である。この処理装置は、セルロース系バイオマスのスラリーと過熱水蒸気とを油圧シリンダ型加圧式反応器によって圧縮することにより、超臨界状態又は亜臨界状態としてセルロース系バイオマスを分解する点において、本発明のセルロース系バイオマスの糖化分解方法と共通する。しかし、この処理装置は、ボイラのような蒸気発生装置（図示せず）から供給された過熱水蒸気を、蒸気圧縮機によって再圧縮した後、油圧シリンダ型加圧式反応器に供給する構成とはなっていない。反応後スラリーからのフラッシュ蒸気の回収する構成ともなっていない。
【００６０】
以下、図４に示される処理装置におけるセルロース系バイオマスの分解方法について説明する。セルロース系バイオマスのスラリーは、スラリー供給経路４１を経て、油圧シリンダ型加圧式反応器４３の反応室４６へと供給される。一方、蒸気発生装置から供給された過熱水蒸気は、高圧蒸気供給経路４２を経て、油圧シリンダ型加圧式反応器４３の反応室４６へと供給される。油圧シリンダ型加圧式反応器４３は、油圧経路４７から供給される油圧によって、油圧シリンダ４５を動かす。油圧タンク５６の油は、油圧ポンプ４９によって油圧経路４７へと供給される。
【００６１】
油圧シリンダ型加圧式反応器４３は、セルロース系バイオマスのスラリー及び高圧水蒸気（過熱水蒸気）が供給された反応室４６を圧縮し、超臨界状態又は亜臨界状態としてセルロース系バイオマスを分解する。セルロース系バイオマスの分解反応終了後、反応室内４６内を減圧することによって急冷し、さらなる化学反応を停止させる。このとき、油圧室４４内の油は、油圧返送経路４８を経て、大気開放されている油タンク５６へと返送されるため、過熱水蒸気の圧縮動力として、油圧シリンダ型加圧式反応器４３の余剰圧力（余剰油圧）を回収することはできない。
【００６２】
反応後スラリーは、反応後スラリー移送経路５０を経て、フラッシュタンク５１へと供給される。フラッシュタンク５１内で発生したフラッシュ蒸気は、フラッシュ蒸気排気経路５２から排気され、熱交換器５３によって凝縮水として排水される。排水された凝縮水は、蒸気発生装置の軟水源として再利用し得るが、この場合、フラッシュ蒸気の有する潜熱を回収することはできない。冷却された反応後スラリーは、ポンプ５５によって糖化液経路５４からフラッシュタンク５１外へと取り出される。
【００６３】
上述したように、本発明のセルロース系バイオマスの分解方法は、反応器を減圧する際の余剰圧力を回収して圧縮動力を削減しつつ、フラッシュ蒸気の循環利用によって潜熱を回収して熱効率の改善を図ることが可能である。さらに、本発明のセルロース系バイオマスの分解方法は、反応器を減圧する際の余剰圧力を、油圧の形で蒸気圧縮機の圧縮動力として利用するため、特許文献４又は５に開示されている発明と異なり、反応器と蒸気圧縮機との動作のタイミングに関する自由度が大きく、両者を最適なタイミングで連動させることが可能である。
【００６４】
上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良又は他の実施の形態が明らかである。従って、上記説明は例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細は、実質的に変更され得る。
【産業上の利用可能性】
【００６５】
本発明のセルロース系バイオマスの分解方法及び分解装置は、セルロース系バイオマスを分解し、糖類を製造するための方法及び装置として、バイオエネルギー分野において有用である。
【符号の説明】
【００６６】
１ａ〜１ｄ：油圧シリンダ型加圧式反応器
２ａ〜２ｄ：油圧室
３ａ〜３ｄ：油圧シリンダ
４ａ〜４ｄ：反応室
５ａ〜５ｄ：油圧シリンダ型蒸気圧縮機
６ａ〜６ｄ：油圧室
７ａ〜７ｄ：油圧シリンダ
８ａ〜８ｄ：蒸気圧縮室
９ａ〜９ｄ：油圧回収経路
１０ａ〜１０ｄ：高圧蒸気供給経路
１１，１１ａ〜１１ｄ：スラリー供給経路
１２：蒸気供給経路
１３：フラッシュタンク
１４，１４ａ〜１４ｄ：蒸気供給経路
１５，１５ａ〜１５ｄ：油圧経路
１６，１６ａ〜１６ｄ：油圧経路
１７，１７ａ〜１７ｄ：油圧返送経路
１８，１８ａ〜１８ｄ：油圧経路
１９，１９ａ〜１９ｄ：油圧返送経路
２０，２０ａ〜２０ｄ：反応後スラリー移送経路
２１：糖化液経路
２２：ポンプ
２３，２４，２５：油圧ポンプ
２６：油タンク
２７：スラリー投入室
２８，２８ａ，２８ｂ：配管
３１，３４，３８：弁
３２：油圧回収経路
３２ａ〜３２ｄ：油圧回収経路（副経路）
３３ａ〜３３ｄ：油圧用バルブセット
３５ａ〜３５ｄ：エアチャンバー経路
３６：油圧回収経路
３６ａ〜３６ｄ：油圧供給経路（副経路）
３７ａ〜３７ｄ：油圧用バルブセット
４１：スラリー供給経路
４２：高圧蒸気供給経路
４３：油圧シリンダ型加圧式反応器
４４：油圧室
４５：油圧シリンダ
４６：反応室
４７：油圧経路
４８：油圧返送経路
４９：油圧ポンプ
５０：反応後スラリー移送経路
５１：フラッシュタンク
５２：フラッシュ蒸気排気経路
５３：熱交換器
５４：糖化液経路
５５：ポンプ
Ｐ１〜Ｐ４：エアチャンバー
【図１】
2012042841.tif 000003
【図２】
2012042841.tif 000004
【図３】
2012042841.tif 000005
【図４】
2012042841.tif 000006
【手続補正書】
【提出日】平成24年12月3日(2012.12.3)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１】
セルロース系バイオマスのスラリーを過熱水蒸気と共に油圧シリンダ型加圧式反応器内で超臨界状態又は亜臨界状態となるまで加圧することにより、セルロース系バイオマスの糖化分解を行うセルロース系バイオマスの糖化分解方法であって、
前記油圧シリンダ型加圧式反応器への過熱水蒸気供給を、油圧シリンダ型蒸気圧縮機によって行い、
前記油圧シリンダ型加圧式反応器の油圧返送経路と前記油圧シリンダ型蒸気圧縮機の油圧室とが油圧回収経路で接続されていることにより、セルロース系バイオマスの糖化分解後、前記油圧シリンダ型加圧式反応器内を超臨界状態又は亜臨界状態以下に減圧する際に、前記油圧シリンダ型加圧式反応器の油圧室の油圧を前記油圧シリンダ型蒸気圧縮機の油圧室へと回収し、
糖化分解後のスラリーをフラッシュタンク内へと供給した後にフラッシュ蒸発させ、フラッシュ蒸気を前記油圧シリンダ型蒸気圧縮機へと回収する、
ことを特徴とする方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項６】
セルロース系バイオマスのスラリーを過熱水蒸気と共に超臨界状態又は亜臨界状態となるまで加圧する油圧シリンダ型加圧式反応器と、
前記油圧シリンダ型加圧式反応器に過熱水蒸気を供給する油圧シリンダ型蒸気圧縮機と、
前記油圧シリンダ型加圧式反応器から取り出した高温高圧のスラリーを供給してフラッシュ蒸発させるフラッシュタンクとを有し、
前記油圧シリンダ型加圧式反応器の油圧返送経路と前記油圧シリンダ型蒸気圧縮機の油圧室とは、油圧回収経路によって接続されており、前記油圧シリンダ型加圧式反応器の油圧室の油圧は、前記油圧回収経路によって前記油圧シリンダ型蒸気圧縮機の油圧室へと回収され、
前記フラッシュタンクは、前記油圧シリンダ型蒸気圧縮機と接続されており、高温高圧のスラリーから発生したフラッシュ蒸気を前記油圧シリンダ型蒸気圧縮機へと回収することを特徴とするセルロース系バイオマスの糖化分解装置。
【手続補正３】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項９】
前記フラッシュタンクに水蒸気発生装置を接続し、前記水蒸気発生装置から供給された水蒸気とフラッシュ蒸気とを混合して前記油圧シリンダ型蒸気圧縮機へと水蒸気を供給する、請求項６に記載のセルロース系バイオマスの糖化分解装置。
【手続補正４】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１０】
前記フラッシュタンク又は前記フラッシュタンクと前記油圧シリンダ型蒸気圧縮機とを接続する蒸気配管の少なくともいずれか一方に空気及び／又は窒素の供給装置を接続し、前記油圧シリンダ型蒸気圧縮機の蒸気圧縮室に供給する水蒸気に、蒸気量の1/7以上1/3以下の空気及び／又は窒素を混入させる、請求項６に記載のセルロース系バイオマスの糖化分解装置。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１４】
本発明はまた、
セルロース系バイオマスのスラリーを過熱水蒸気と共に超臨界状態又は亜臨界状態となるまで加圧する油圧シリンダ型加圧式反応器と、
前記油圧シリンダ型加圧式反応器に過熱水蒸気を供給する油圧シリンダ型蒸気圧縮機と、
前記油圧シリンダ型加圧式反応器から取り出した高温高圧のスラリーを供給してフラッシュ蒸発させるフラッシュタンクとを有し、
前記油圧シリンダ型加圧式反応器の油圧返送経路と前記油圧シリンダ型蒸気圧縮機の油圧室とは、油圧回収経路によって接続されており、前記油圧シリンダ型加圧式反応器の油圧室の油圧は、前記油圧回収経路によって前記油圧シリンダ型蒸気圧縮機の油圧室へと回収され、
前記フラッシュタンクは、前記油圧シリンダ型蒸気圧縮機と接続されており、高温高圧のスラリーから発生したフラッシュ蒸気を前記油圧シリンダ型蒸気圧縮機へと回収することを特徴とするセルロース系バイオマスの糖化分解装置に関する。
【国際調査報告】
2012042841.tif 000007
2012042841.tif 000008
2012042841.tif 000009