(57)【要約】【課題】木材やサトウキビなどのバイオマスを効率よく発酵して、発酵されたアルコール水溶液から効率よくアルコールを回収しながら、設備コストとランニングコストを低減して効率よくアルコールを回収する。【解決手段】バイオマスアルコールの製造方法は、バイオマスを糖化させる糖化工程と、この糖化工程で得られるバイオマスの糖化液を超音波振動させてミストに霧化し、霧化されたミストを回収して糖化液から水分を除去して濃縮する第１の濃縮工程と、この第１の濃縮工程で濃縮された糖化液を発酵させる発酵工程と、この発酵工程で得られるアルコール水溶液からアルコールを分離する第２の濃縮工程とからなる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
バイオマスを糖化させる糖化工程と、この糖化工程で得られるバイオマスの糖化液を超音波振動させてミストに霧化し、霧化されたミストを回収して糖化液から水分を除去して濃縮する第１の濃縮工程と、この第１の濃縮工程で濃縮された糖化液を発酵させる発酵工程と、この発酵工程で得られるアルコール水溶液からアルコールを分離する第２の濃縮工程とからなるバイオマスアルコールの製造方法。
【請求項２】
前記第１の濃縮工程で糖化液から分離される分離水を糖化工程においてバイオマスの糖化に利用する請求項１に記載されるバイオマスアルコールの製造方法。
【請求項３】
前記第１の濃縮工程において、超音波振動で霧化されたミストをサイクロン(3)で分離し、サイクロン(3)で分離される下方排出流体を糖化液に循環して糖化液を濃縮する請求項１に記載されるバイオマスアルコールの製造方法。
【請求項４】
前記第１の濃縮工程において、超音波振動で霧化されたミストをサイクロン(3)で分離し、サイクロン(3)で分離される上方排出流体を水中にバブリングして分離水を回収し、回収された分離水を糖化工程においてバイオマスの糖化に利用する請求項１に記載されるバイオマスアルコールの製造方法。
【請求項５】
前記糖化工程がバイオマスに含まれるヘミセルロースを酸で糖化する第１の糖化工程と、バイオマスに含まれるセルロースを酵素で糖化する第２の糖化工程からなる請求項１に記載されるバイオマスアルコールの製造方法。
【請求項６】
第１の糖化工程において、加熱してバイオマスに含まれるヘミセルロースを酸で糖化する請求項５に記載されるバイオマスアルコールの製造方法。
【請求項７】
第１の糖化工程において、１４０℃ないし２００℃に加熱して、バイオマスに含まれるヘミセルロースを酸で糖化する請求項６に記載されるバイオマスアルコールの製造方法。
【請求項８】
第１の糖化工程で糖化された糖液スラリーを冷却した後、糖化液と固形分とに固液分離し、分離された糖化液を第１の濃縮工程に移送して、分離された固形分を第２の糖化工程に移送して酵素で糖化する請求項５に記載されるバイオマスアルコールの製造方法。
【請求項９】
前記第１の濃縮工程において、バイオマスの糖化液に界面活性剤を添加してミストに霧化する請求項１に記載されるバイオマスアルコールの製造方法。
【請求項１０】
前記第１の濃縮工程において、減圧下においてミストを回収する請求項１に記載されるバイオマスアルコールの製造方法。
【請求項１１】
前記第１の濃縮工程において、霧化されたミストを水素、ヘリウム、メタンのいずれかを含む搬送気体でもって搬送して回収する請求項１に記載されるバイオマスアルコールの製造方法。
【請求項１２】
前記糖化工程において加温された糖化液を第１の濃縮工程でミストに霧化する請求項１に記載されるバイオマスアルコールの製造方法。
【請求項１３】
前記糖化工程が、酸による第１の糖化工程と、この第１の糖化工程よりも低温での酵素による第２の糖化工程とからなり、第１の糖化工程で得られる糖化液を冷却して熱エネルギーを回収すると共に、回収された熱エネルギーでもって第１の濃縮工程に使用する搬送気体を加温し、熱エネルギーで加温された搬送気体中に糖化液を超音波振動でミストに霧化する請求項１に記載されるバイオマスアルコールの製造方法。
【請求項１４】
糖化する前記バイオマスに、木材チップ、サトウキビ、トウモロコシ、小麦、海草、有機質廃棄物のいずれかを使用する請求項１に記載されるバイオマスアルコールの製造方法。
【請求項１５】
前記第１の濃縮工程において、糖化工程又は第２の濃縮工程で得られる熱エネルギーを回収して搬送気体を加温する請求項１に記載されるバイオマスアルコールの製造方法。
【請求項１６】
前記第１の濃縮工程において、糖化工程又は第２の濃縮工程で得られる熱エネルギーを回収して糖化液を加温する請求項１に記載されるバイオマスアルコールの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多糖類を含む植物や動物などのバイオマスを発酵させてアルコールを製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
バイオマスのひとつであるサトウキビからアルコールを製造する方法はすでに実用化されている。この方法は、サトウキビを搾った液をアルコール発酵させた後、これを蒸留してアルコールを製造する。この方法は、サトウキビの搾り滓を燃料に使用して、アルコール発酵させたアルコール水溶液を蒸留して高濃度のアルコールとしている。この方法は、サトウキビの搾り滓を燃料に使用するので、搾り滓を有効に利用して高濃度のアルコールにできる。ただ、この方法は、サトウキビから得られるアルコール量が少なく効率よくアルコールを製造できない。それは、サトウキビの搾り滓に、アルコールにできる多糖類が多量に含まれるからである。【０００３】
この弊害は、バイオマスを粉砕して水と混合し、バイオマスに含まれる多糖類を糖化して糖化液とし、この糖化液をアルコール発酵させて、アルコールを回収する方法で解消できる（特許文献１及び２参照）。この方法は、サトウキビ等の搾り液のみからアルコールを製造する方法に比較して、数倍ものアルコールを回収できる特徴がある。この方法を利用して、廃棄される木材からアルコールを回収することもできる。この方法は、効率よく糖化するために、木材などのバイオマスを粉砕して多量の水と混合し、この状態で多糖類を糖化させる。したがって、得られた糖化液には多量の水が混合されている。多量の水を含む糖化液は、アルコール発酵させる工程で、また、発酵したアルコール水溶液からアルコールを濃縮する工程で、大がかりな設備を必要とし、高能率にアルコールを製造できない。また、製造工程において多量の水を使用する必要もある。
【特許文献１】特開２００７−２０２５１７号公報
【特許文献２】特開２００１−２６２１６２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の目的は、この欠点を解決すること、すなわち、木材やサトウキビなどのバイオマスを効率よく発酵して、発酵されたアルコール水溶液から効率よくアルコールを回収しながら、設備コストとランニングコストを低減して効率よくアルコールを回収できるバイオマスアルコールの製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明のバイオマスアルコールの製造方法は、前述の目的を達成するために以下の方法でバイオマスアルコールを製造する。
バイオマスアルコールの製造方法は、バイオマスを糖化させる糖化工程と、この糖化工程で得られるバイオマスの糖化液を超音波振動させてミストに霧化し、霧化されたミストを回収して糖化液から水分を除去して濃縮する第１の濃縮工程と、この第１の濃縮工程で濃縮された糖化液を発酵させる発酵工程と、この発酵工程で得られるアルコール水溶液からアルコールを分離する第２の濃縮工程とからなる。【０００６】
本発明のバイオマスアルコールの製造方法は、第１の濃縮工程で糖化液から分離される分離水を、糖化工程においてバイオマスの糖化に利用することができる。【０００７】
本発明のバイオマスアルコールの製造方法は、第１の濃縮工程において、超音波振動で霧化されたミストをサイクロン３で分離し、サイクロン３で分離される下方排出流体を糖化液に循環して糖化液を濃縮することができる。【０００８】
本発明のバイオマスアルコールの製造方法は、第１の濃縮工程において、超音波振動で霧化されたミストをサイクロン３で分離し、サイクロン３で分離される上方排出流体を水中にバブリングして分離水を回収し、回収された分離水を、糖化工程においてバイオマスの糖化に利用することができる。【０００９】
本発明のバイオマスアルコールの製造方法は、糖化工程を、バイオマスに含まれるヘミセルロースを酸で糖化する第１の糖化工程と、バイオマスに含まれるセルロースを酵素で糖化する第２の糖化工程とすることができる。【００１０】
本発明のイオマスアルコールの製造方法は、第１の濃縮工程において、バイオマスの糖化液に界面活性剤を添加してミストに霧化することができる。【００１１】
本発明のバイオマスアルコールの製造方法は、第１の濃縮工程において、減圧下においてミストを回収することができる。【００１２】
本発明のバイオマスアルコールの製造方法は、第１の濃縮工程において、霧化されたミストを水素、ヘリウム、メタンのいずれかを含む搬送気体でもって搬送して回収することができる。【００１３】
本発明のバイオマスアルコールの製造方法は、糖化工程において加温された糖化液を第１の濃縮工程でミストに霧化することができる。【００１４】
本発明のバイオマスアルコールの製造方法は、糖化工程を、酸による第１の糖化工程と、この第１の糖化工程よりも低温での酵素による第２の糖化工程とし、第１の糖化工程で得られる糖化液を冷却して熱エネルギーを回収すると共に、回収された熱エネルギーでもって第１の濃縮工程に使用する搬送気体を加温し、熱エネルギーで加温された搬送気体中に糖化液を超音波振動でミストに霧化することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明のバイオマスアルコールの製造方法は、木材やサトウキビなどのバイオマスを効率よく発酵して、発酵されたアルコール水溶液から効率よくアルコールを回収しながら、設備コストとランニングコストを低減して効率よくアルコールを回収できる特徴がある。それは、本発明の製造方法が、バイオマスを糖化させる糖化工程と、この糖化工程で得られるバイオマスの糖化液を超音波振動させてミストに霧化し、霧化されたミストを回収して糖化液から水分を除去して濃縮する第１の濃縮工程と、この第１の濃縮工程で濃縮された糖化液を発酵させる発酵工程と、この発酵工程で得られるアルコール水溶液からアルコールを分離する第２の濃縮工程とでバイオマスアルコールを製造するからである。とくに、本発明の製造方法は、バイオマスの多糖類を加水分解して糖化して糖化液とし、得られた糖化液を第１の濃縮工程において、超音波振動でミストに霧化し、霧化されたミストを回収して糖化液から水分を除去して濃縮し、濃縮された糖化液をアルコール発酵させてアルコールを回収する。すなわち、糖化工程で得られる糖化液を、超音波振動でミストに霧化して含有される水分を分離して濃縮する。超音波振動は、水が糖よりもミストに霧化されやすい物性を利用して糖化液から水を分離する。水が分離されて濃縮された糖化液は、得られるアルコール量が多く、バイオマスから高収率にアルコールを回収しながら、設備コストとランニングコストを低減してアルコールを効率よく回収できる。また、さらに糖化液を濃縮するために、糖化液から分離される分離水をバイオマスに添加して糖化することで水を効率よく利用できる特徴がある。【００１６】
本発明のバイオマスアルコールの製造方法は、第１の濃縮工程で糖化液から分離される分離水を、糖化工程においてバイオマスの糖化に利用することで、濃縮工程で分離される分離水を有効に再利用してバイオマスの糖化に利用できる。この方法は、糖化に使用する水にかかるコストを低減しながら、多量の水でバイオマスを効率よく糖化できる。【００１７】
本発明のバイオマスアルコールの製造方法は、第１の濃縮工程において、超音波振動で霧化されたミストをサイクロンで分離し、サイクロンで分離される下方排出流体を糖化液に循環して糖化液を濃縮することで、ミストに含まれる糖分を回収して有効に使用できる。【００１８】
本発明のバイオマスアルコールの製造方法は、第１の濃縮工程において、超音波振動で霧化されたミストをサイクロンで分離し、サイクロンで分離される上方排出流体を水中にバブリングして分離水を回収し、回収された分離水を糖化工程においてバイオマスの糖化に利用することで、サイクロンから排出される上方排出流体に含まれる糖を回収し、糖の回収された分離水を糖化工程に有効に利用できる。【００１９】
本発明のバイオマスアルコールの製造方法は、糖化工程を、バイオマスに含まれるヘミセルロースを糖化する第１の糖化工程と、バイオマスに含まれるセルロースを糖化する第２の糖化工程とで構成することで、バイオマスに含まれるヘミセルロースとセルロースとを有効に糖化して効果的にアルコールに分離できる。【００２０】
本発明のバイオマスアルコールの製造方法は、第１の濃縮工程において、バイオマスの糖化液に界面活性剤を添加してミストに霧化することで、界面活性剤の添加された糖化液を、超音波振動で効率よくミストに霧化できる。このため、この方法は第１の濃縮工程で糖化液を効率よく濃縮できる。【００２１】
本発明のバイオマスアルコールの製造方法は、第１の濃縮工程において、減圧下においてミストを回収することで、ミストを効率よく回収して糖化液を効率よく濃縮できる。【００２２】
本発明のバイオマスアルコールの製造方法は、第１の濃縮工程において、霧化されたミストを水素、ヘリウム、メタンのいずれかを含む搬送気体でもって搬送して回収することで、搬送気体を、空気に比較して分子量が小さいものとして、超音波振動で効率よくミストに霧化できる。【００２３】
本発明のバイオマスアルコールの製造方法は、糖化工程において加温された糖化液を第１の濃縮工程でミストに霧化するができる。この方法は、超音波振動において、加温された糖化液を効率よくミストに霧化して、第１の濃縮工程で効率よく糖化液を濃縮できる。【００２４】
本発明のバイオマスアルコールの製造方法は、第１の糖化工程と第２の糖化工程の間に発生する廃熱で搬送気体を加温することで、第１の糖化工程と第２の糖化工程の間に発生する熱を利用して糖化液を効率よくミストに霧化できる。この方法は、糖化工程に発生する廃熱を有効に利用して搬送気体を加温するので、廃熱を有効に再利用して糖化液を効率よくミストに霧化できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施例は、本発明の技術思想を具体化するためのバイオマスアルコールの製造方法を例示するものであって、本発明はバイオマスアルコールの製造方法を以下の方法や条件に特定しない。【００２６】
さらに、この明細書は、特許請求の範囲を理解しやすいように、実施例に示される部材に対応する番号を、「特許請求の範囲」および「課題を解決するための手段の欄」に示される部材に付記している。ただ、特許請求の範囲に示される部材を、実施例の部材に特定するものでは決してない。【００２７】
本発明のバイオマスアルコールの製造方法は、図１の概略工程図に示すように、バイオマスを糖化させる糖化工程と、この糖化工程で得られるバイオマスの糖化液を超音波振動させてミストに霧化し、霧化されたミストを回収して糖化液から水分を除去して濃縮する第１の濃縮工程と、この第１の濃縮工程で濃縮された糖化液を発酵させる発酵工程と、この発酵工程で得られるアルコール水溶液からアルコールを分離する第２の濃縮工程とからなる。図２は、糖化工程と第１の濃縮工程に使用する濃縮装置の概略構成図である。【００２８】
本発明のバイオマスアルコールの製造方法は、バイオマスに木材を破砕した木材チップを使用する。木材チップは、建物を解体してできる廃棄木材や間伐材等の木材を小さく、たとえば３ｃｍ以下に破砕したものが使用できる。ただし、本発明は、バイオマスを木材に特定しない。バイオマスには、サトウキビ、トウモロコシ、小麦、海草、有機質廃棄物などの多糖類を含む全てのバイオマスを使用できる。バイオマスである木材チップは、糖化工程において水が添加されて多糖類を加水分解して糖化する。【００２９】
木材チップの糖化工程は、図１に示すように、木材チップに含まれるヘミセルロースを糖化する第１の糖化工程と、この第１の糖化工程の後、セルロースを糖化する第２の糖化工程とからなる。第１の糖化工程は、酸による加水分解、又はアルカリによる加水分解を使用できる。酸による加水分解は、硫酸、塩酸、硝酸などを使用できるが、好ましくは硫酸を用いる。酸による木材チップの糖化は、木材チップを希硫酸に浸漬し、さらに１４０℃ないし２００℃に加温してヘミセルロースを糖化する。この第１の糖化工程は、図２に示すように、第１のタンク５である反応槽７１において、希硫酸に浸漬した木材チップを、例えば１５０℃の高温・高圧下で反応させて、木材チップに含まれるヘミセルロースを糖化する。第１の糖化工程で糖化された糖液スラリーは、減圧槽７２において大気圧まで減圧され、１００℃以下に冷却された後、固液分離機７３で糖化液と固形分とに固液分離される。固液分離機７３で分離された糖化液は、第１の濃縮工程に送られる。固液分離機７３で分離された固形分は、第２の糖化工程に送られて、酵素で糖化される。第２の糖化工程は、酵素でセルロースを糖化する。酵素による糖化工程は、酸による糖化よりも低温で糖化させる。この第２の糖化工程は、固液分離機７３で分離された固形分に水分を加えた後、酵素を添加し、酵素が働きやすい温度、例えば、４０℃に調整してセルロースを糖化する。第２の糖化工程で得られた糖化液は、第１の濃縮工程に送られる。【００３０】
固液分離機７３で分離された糖化液は、第１の濃縮工程に移送されるが、このとき、移送される糖化液を冷却して熱エネルギーを回収できる。図２の濃縮装置は、第１の糖化工程で得られた糖化液を、第１の濃縮工程で使用される霧化室１に移送する移送管９に冷却熱交換器７を配設しており、第１の濃縮工程で得られる糖化液を、この冷却熱交換器７で冷却して熱エネルギーを回収している。回収された熱エネルギーは、次の第１の濃縮工程に使用する搬送気体の加温に利用される。この熱エネルギーで加温された搬送気体中に糖化液を超音波振動でミストに霧化して、ミストに霧化する効率を高くできる。また、回収された熱エネルギーは、第２の濃縮工程における搬送気体の加温にも利用できる。図２の濃縮装置は、冷却熱交換器７を、搬送気体を加温する加温熱交換器８に連結している。冷却熱交換器７と加温熱交換器８は冷媒を循環させている。冷媒は、冷却熱交換器７で熱エネルギーを吸収して温度が上昇し、吸収した熱を加温熱交換器８で放出して搬送気体を加温する。たとえば、冷媒には水やオイルが使用される。この冷媒は、第１の糖化工程で得られる糖化液から熱のエネルギーを吸収して冷却熱交換器７から加温して排出される。たとえば、冷媒は冷却熱交換器７から４５℃で排出される。冷却熱交換器７で加温されて排出される冷媒は、ミストを発生させる搬送気体を加温熱交換器８で加温する。搬送気体は加温熱交換器８で加温されて、霧化室１に供給される。搬送気体を加温した冷媒は温度が低下する。温度が低下した冷媒は、加温熱交換器８から冷却熱交換器７に循環されて、冷却熱交換器７を冷却し、第１の糖化工程で得られる糖化液を再び冷却する。すなわち、冷媒は、第１の糖化工程で得られる糖化液の熱エネルギーを吸収し、吸収した熱エネルギーで搬送気体を加温する。加温熱交換器８は、搬送気体を２５〜３０℃に加温する。ただし、加温熱交換器８は、搬送気体を１５〜４０℃に加温して霧化室１に供給することもできる。【００３１】
冷媒は、それ自体の気化熱で冷却熱交換器を冷却して、凝縮熱で加温熱交換器を加温することもできる。冷媒の気化熱と凝縮熱で熱交換器を冷却又は加温する冷却機構は、図３に示すように、冷媒をコンプレッサ４６で加圧する。コンプレッサ４６で加圧された冷媒は、加温熱交換器８に供給される。加温熱交換器８は冷媒を冷却して、すなわち冷媒の熱を放熱して液化させる。したがって、加温熱交換器８は、冷媒の凝縮熱で加温される。液化された冷媒は、膨張弁４７を介して冷却熱交換器７に供給される。膨張弁４７は、冷媒を断熱膨張させて、冷却熱交換器７の内部で気化される。したがって、冷却熱交換器７は、冷媒の気化熱で冷却される。気化された冷媒はコンプレッサ４６に吸入されて、加温熱交換器８に循環される。この冷却機構は、冷却熱交換器７を低温に冷却しながら、加温熱交換器８の温度を高くできる。したがって、第１の濃縮工程において、霧化室１に供給される搬送気体の温度を加温できる。【００３２】
糖化工程で得られた糖化液は、直ちには発酵工程において発酵させない。糖化工程で得られた糖化液は、図１に示すように、第１の濃縮工程で濃縮した後に、アルコール発酵させる。第１の濃縮工程は、糖化工程で得られた糖化液を超音波振動でミストに霧化して水分を除去する。第１の濃縮工程で濃縮された糖化液は、発酵工程で発酵されてアルコール水溶液となる。その後、アルコール水溶液は、第２の濃縮工程で濃縮されて高濃度のアルコールとなる。本発明は、糖化液を超音波振動を利用して濃縮し、濃縮された糖化液をアルコールに発酵してアルコールを回収することを特徴とする。したがって、本発明は、バイオマスを糖化する方法を特定するものでなく、バイオマスに水を添加して糖化させる方法については、現在すでに使用され、あるいはこれから開発される全ての方法を利用できる。さらに、本発明は、第１の濃縮工程で濃縮された糖化液を発酵してアルコール水溶液とし、さらに、このアルコール水溶液を濃縮して高濃度のアルコールとする方法についても以下に例示する方法には特定しない。【００３３】
糖化液を濃縮する第１の濃縮工程は、超音波振動によって糖化液をミストに霧化し、霧化されたミストを搬送気体で回収部に移送して濃縮する。霧化されたミストを搬送する搬送気体には、水素、ヘリウム、メタンのいずれかを含む搬送気体が使用できる。ただ、搬送気体として、不活性ガスを使用することもできる。さらに、第１の濃縮工程において、バイオマスの糖化液に、界面活性剤を添加することができる。界面活性剤が添加される糖化液は、超音波振動によって効果的にミストに霧化できる。【００３４】
第１の濃縮工程は、たとえば、５％の糖化液から水分を分離して１０％に濃縮する。図２の濃縮装置は、糖化液を超音波振動してミストに霧化する霧化室１と、霧化されたミストを回収する回収部２からなる。霧化室１は、糖化液を超音波振動してミストに霧化し、霧化されたミストを搬送気体で回収部２に搬送する。回収部２は、サイクロン３と水槽４である。第１の濃縮工程において、回収部２は、好ましくは減圧下においてミストを回収する。【００３５】
回収部２のサイクロン３は、搬送気体を内部で回転させて遠心分離する。大きな粒径のミストは遠心力でサイクロン３の内面に沿って落下して、下方排出流体として下端から排出される。小さい粒径のミストや気体は遠心力が小さく、中心から上方排出流体として上方に排出される。水と糖類とを比較すると、水は糖類よりも分子量が小さく気化しやすい。このため、糖化液を超音波振動でミストに霧化すると、水が糖類よりもミストに霧化されやすく、霧化されたミストは糖分濃度が低く、言い換えると水分濃度が大きくなる。したがって、糖化液を超音波振動してミストを分離して濃縮できる。さらに、糖化液から霧化されたミストは、１００％が水分ではなく、多少の糖分を含有している。糖類を含むミストは、サイクロン３で上方排出流体と下方排出流体とに分離される。上方排出流体は、微細なミストと気化された成分が排出されることから、糖類よりも気化しやすい水の割合が多く、下方排出流体は、大きな粒径のミストであるから上方排出流体よりも糖類の割合が多くなる。したがって、下方排出流体である大きな粒径のミストを霧化室１に環流し、上方排出流体を水槽４の水中にバブリングして気体に含まれる糖類と水を回収する。【００３６】
水槽４は、搬送気体に含まれる水と糖類を回収する。回収された糖類を含む分離水は、廃棄することなく糖化液として利用される。すなわち、図２に示すように、第１の糖化工程に使用される第１のタンク５に供給され、あるいは、第２の糖化工程に使用される第２のタンク６に供給される。この方法は、第１の濃縮工程で糖化液から分離される分離水を、有効に再利用してバイオマスの糖化に利用できる。このため、糖化に使用する水にかかるコストを低減しながら、多量の水でバイオマスを効率よく糖化できる。【００３７】
第１の濃縮工程で濃縮された糖化液は、図１に示すように、発酵工程で発酵されてアルコール水溶液となり、次の第２の濃縮工程で高濃度のアルコールとなる。第２の濃縮工程は、アルコール水溶液を霧化する霧化工程と、回収工程とで高濃度のアルコールとする。【００３８】
この回収工程においては、ミストを凝集して回収できる。また、分子ふるい吸着剤に吸着して回収することもできる。分子ふるい吸着剤を使用する方法は、分子ふるい吸着剤に吸着させる吸着成分をミストに含まれる水、吸着されない非吸着成分をミストに含まれるアルコールとして能率よく高濃度のアルコールを分離できる。この方法は、アルコール水溶液を、搬送気体中に、ミストに霧化する。霧化されたミストは、含有される吸着成分である水を分子ふるい吸着剤に吸着させる。吸着成分の水を吸着して分離したミストは、非吸着成分であるアルコール濃度が高くなる。この状態で、非吸着成分の高濃度なアルコールは、搬送気体から分離される。さらに、アルコール濃度が高くなったミストから、アルコールを分子ふるい吸着剤に吸着して回収することもできる。【００３９】
たとえば、アルコール水溶液をミストに霧化してこれを回収すると、霧化されたミストが回収された溶液のアルコール濃度が、ミストにならないで残存する溶液のアルコール濃度よりも高くなる。溶液をミストに霧化して回収すると、回収された溶液は、低沸点、高揮発性の溶質、あるいは表面過剰の性質がある溶質の濃度が高くなる。低沸点、高揮発性の溶質は、ミストに霧化されやすく、またミストの状態で気化されてガスになりやすく、ミストを回収して濃度が高くなる。また、表面過剰となる物性を示す溶液は表面濃度が高くなるので、これを超音波振動させて表面の溶液をミストにして霧化させると、ミストは表面過剰となりやすい物質の濃度が高くなる。したがって、このミストから、表面過剰の物性が強い物質を回収すると、その濃度が高くなる。すなわち、アルコール水溶液から高濃度のアルコールを分離できる。以下、アルコール水溶液から高濃度なアルコールを分離する分離装置と分離方法を示す。【００４０】
図４に示す分離装置は、発酵工程で得られたアルコール水溶液を搬送気体中に霧化する霧化室４１と、この霧化室４１のアルコール水溶液を搬送気体中にミストに霧化する霧化機構４０と、霧化機構４０でアルコール水溶液からミストに霧化されたミストを回収する回収部４２と、霧化室４１で霧化されたミストを搬送気体と共に回収部４２へ移送するブロア３９とを備える。【００４１】
超音波振動でアルコール水溶液をミストに霧化する方式は、搬送気体の温度を高くして霧化効率を高くできる。搬送気体の温度が高くなると、空気中に含むことができるガス量が増加するからである。すなわち、超音波振動のエネルギーに対して、霧化できるミスト量を多くできる。図の分離装置は、前述の第１の糖化工程で得られる糖化液を第１の濃縮工程に移送するときに回収される熱エネルギーを利用して搬送気体の温度を高くできる。すなわち、図２において、第１の糖化工程で糖化された糖液スラリーを分離する固液分離機７３から、第１の濃縮工程で使用される霧化室１に移送される糖化液の移送管９に配設される冷却熱交換器７を、図４の分離装置の搬送気体を加温する冷却熱交換器に併用している。【００４２】
図４の分離装置は、冷却熱交換器７を、搬送気体を加温する加温熱交換器４５に連結している。冷却熱交換器７と加温熱交換器４５は冷媒を循環させている。冷媒は、冷却熱交換器７で糖化液の熱エネルギーを吸収して温度が上昇し、吸収した熱を加温熱交換器４５で放出して搬送気体を加温する。この冷媒にも、水やオイルが使用される。この冷媒は、第１の糖化工程で得られる糖化液の熱エネルギーを吸収して、冷却熱交換器７から加温して排出される。たとえば、冷媒は冷却熱交換器７から４５℃で排出される。冷却熱交換器７で加温されて排出される冷媒は、ミストを発生させる搬送気体を加温熱交換器４５で加温する。搬送気体は加温熱交換器４５で加温されて、霧化室４１に供給される。搬送気体を加温した冷媒は温度が低下する。温度が低下した冷媒は、加温熱交換器４５から冷却熱交換器７に循環されて、冷却熱交換器７を冷却し、第１の糖化工程で得られる糖化液を再び冷却する。すなわち、冷媒は、第１の糖化工程で得られる糖化液の熱エネルギーを吸収し、吸収した熱エネルギーで搬送気体を加温する。加温熱交換器４５は、搬送気体を２５〜３０℃に加温する。ただし、加温熱交換器４５は、搬送気体を１５〜４０℃に加温して霧化室４１に供給することもできる。霧化室４１に供給される搬送気体の温度が高くなるとミストの発生量は多くなるが、温度が高すぎると、アルコールを変質させる。反対に温度が低いとアルコールをミストにする効率が低下する傾向がある。【００４３】
さらに、冷却熱交換器７は、霧化室４１に供給されるアルコール水溶液の加温にも利用できる。超音波振動でアルコール水溶液をミストに霧化する方式は、アルコール水溶液の温度を高くして霧化効率を高くできる。アルコール水溶液の温度が高くなると、少ないエネルギーでミストに霧化できるからである。この分離装置は、図４に示すように、冷却熱交換器７を、貯溜槽１４から霧化室４１に供給されるアルコール溶液を加温する加温熱交換器６７に連結して、冷却熱交換器７と加温熱交換器６７に冷媒を循環させる。図の分離装置は、加温熱交換器６７の流入側に、冷媒の循環を制御する流入弁６８を設けている。この分離装置は、流入弁６８を開弁して、冷媒を加温熱交換器６７に循環し、貯溜槽１４から霧化室４１に供給されるアルコール水溶液を加温する。加温熱交換器６７は、霧化室４１に供給されるアルコール水溶液を２５〜３０℃に加温する。ただし、加温熱交換器６７は、アルコール水溶液を１５〜４０℃に加温することもできる。霧化室４１に供給されるアルコール水溶液の温度が高くなるとミストの発生効率は高くなるが、温度が高すぎると、アルコールを変質させるおそれがある。したがって、加温熱交換器６７がアルコール水溶液を加温する温度は、これらのことを考慮して最適な温度に設定する。【００４４】
さらに、冷却熱交換器７は、図４に示すように、吸着剤の加温にも利用できる。この冷却熱交換器７は、吸着剤を加温する加温熱交換器２７、３７に連結されて、内部に冷媒を循環させる。図の加温熱交換器２７は、分子ふるい吸着剤４３を加温して吸着した吸着成分を効率よく排出させる。また、図の加温熱交換器３７は、第２の吸着剤４４を加温して、吸着した非吸着成分を効率よく排出させる。【００４５】
さらに、冷媒は、それ自体の気化熱で冷却熱交換器を冷却して、凝縮熱で加温熱交換器を加温することもできる。冷媒の気化熱と凝縮熱で熱交換器を冷却又は加温する冷却機構は、前述の図３に示す機構と同様にして、冷媒をコンプレッサ４６で加圧し、コンプレッサ４６で加圧された冷媒を、加温熱交換器４５に供給する。加温熱交換器４５は、冷媒の熱を放熱して冷媒を液化させて、冷媒の凝縮熱で加温する。液化された冷媒は、膨張弁４７を介して冷却熱交換器７に供給される。膨張弁４７は、冷媒を断熱膨張させて、冷却熱交換器７の内部で気化される。したがって、冷却熱交換器７は、冷媒の気化熱で冷却される。気化された冷媒はコンプレッサ４６に吸入されて、加温熱交換器４５に循環される。この冷却機構は、冷却熱交換器７を低温に冷却しながら、加温熱交換器４５の温度を高くできる。したがって、第２の濃縮工程において、霧化室４１に供給される搬送気体の温度をより高く加温できる。また、図示しないが、吸着剤を加温する加温熱交換器に冷却熱交換器を連結して、冷媒の気化熱と凝縮熱で熱交換器を冷却又は加温する冷却機構は、分子ふるい吸着剤を高い温度に加温して、吸着成分を速やかに排出でき、あるいは、第２の吸着剤を高い温度に加温して、非吸着成分を速やかに排出できる。【００４６】
アルコール水溶液は、貯溜槽１４から霧化室４１に供給されて、霧化機構４０でミストに霧化される。霧化機構４０は、溶液を超音波振動させてミストに霧化する。超音波振動でアルコール水溶液をミストに霧化する霧化機構４０は、霧化室４１のアルコール水溶液を超音波振動させてミストに霧化する超音波霧化機１０である。この超音波霧化機１０は、霧化室４１のアルコール水溶液を超音波振動させてミストに霧化する１個または複数の超音波振動子１１と、この超音波振動子１１に接続されて超音波振動子１１に高周波電力を供給して超音波振動させる超音波電源１２を備える。図４に示す分離装置は、霧化室４１でアルコール水溶液からミストになって霧化されたミストを、ブロア３９でもって搬送気体と共に回収部４２に移送している。ただ、分離装置は、図示しないが、静電場や超音波を利用してミストを移送する構造とすることもできる。【００４７】
霧化室４１は、図４に示すように、発酵工程で発酵されたアルコール水溶液を蓄えている貯溜槽１４を、ポンプ１３を介して連結し、貯溜槽１４から連続的にアルコール水溶液を供給することができる。この分離装置は、霧化室４１のアルコール水溶液を排出しながら、貯溜槽１４からアルコール水溶液を供給して、霧化室４１のアルコール水溶液のアルコール濃度が低下するのを防止する。また、図４の矢印Ａで示すように、霧化室４１のアルコール水溶液を貯溜槽１４に循環することなく外部に排出して、貯溜槽１４に含まれるアルコール水溶液のアルコール濃度が低下するのを防止することもできる。ただ、霧化室１は、アルコール水溶液のアルコール濃度が低下した後、アルコール水溶液を新しいものに入れ換えることもできる。この方法は、一定の時間経過するとアルコール水溶液を新しいものに入れ換える方法、すなわちバッチ式にアルコール水溶液を交換する。【００４８】
霧化室４１の溶液は、超音波霧化機１０でミストに霧化される。超音波霧化機１０で霧化されたミストは、溶液よりも目的物質の濃度が高い。したがって、超音波霧化機１０で溶液をミストに霧化し、ミストから目的物質を分離して回収することで、高濃度な溶液を効率よく分離できる。【００４９】
霧化室４１のアルコール水溶液は、超音波霧化機１０で超音波振動されて、霧化室４１のアルコール水溶液よりも高濃度なミストとなって溶液面Ｗから飛散する。アルコール水溶液を超音波振動させると、溶液面Ｗに液柱Ｐができ、この液柱Ｐの表面からミストが発生する。超音波霧化機１０は、アルコール水溶液を充填している霧化室４１の底に、超音波霧化機１０の超音波振動子１１を上向きに配設している。超音波振動子１１は、底から溶液面Ｗに向かって上向きに超音波を放射して、溶液面Ｗを超音波振動させて、液柱Ｐを発生させる。超音波振動子１１は、垂直方向に超音波を放射する。図示しないが、複数の超音波振動子でアルコール水溶液を超音波振動させる超音波霧化機は、より効率よくアルコール水溶液をミストに霧化できる。【００５０】
さらに、超音波振動子１１や超音波電源１２は、強制的に冷却して熱による弊害を解消できる。超音波振動子１１や超音波電源１２は、たとえば、これ等に冷却パイプを熱結合する状態で配設、すなわち、冷却パイプを接触させる状態で配設して冷却できる。冷却パイプは、冷却機で冷却した液体や冷媒、あるいは地下水や水道水等の冷却水を流して超音波振動子と超音波電源を冷却することができる。【００５１】
霧化室４１で霧化されたアルコール水溶液のミストは、搬送気体を介して回収部４２に流入される。ミストを回収部４２に流入させるために、回収部４２を移送ダクト１９で霧化室４１に連結している。図４に示す分離装置は、搬送気体をブロア３９で回収部４２と霧化室４１とに循環させる構造としている。これらの分離装置は、霧化室４１から回収部４２に移送されて、ミストが分離された搬送気体を霧化室４１に環流している。これらの分離装置は、好ましくは搬送気体として、水素又はヘリウムを霧化室４１と回収部４２に充填する。ただ、搬送気体は、水素とヘリウムを混合したガス、水素と空気の混合ガス、ヘリウムと空気の混合ガス、あるいはまた、水素とヘリウムと空気の混合ガスとすることもできる。さらに、搬送気体として、不活性ガスを霧化室４１と回収部４２に充填することもできる。【００５２】
回収部４２は、霧化機４１で霧化されたミストを搬送気体から分離して回収する。図４と図５に示す回収部４２は、搬送気体からミストに含まれる吸着成分を回収する吸着回収部４８と、吸着回収部４８で吸着されないミストに含まれる非吸着成分をミストから分離する分離回収部４９とを備える。さらに、図に示す回収部４２は、吸着回収部４８に供給される搬送気体を冷却する冷却部１５を備えている。【００５３】
冷却部１５は、ミストを含む搬送気体を冷却して、吸着剤の吸着効率を向上させる。また、この冷却部１５は、搬送気体に含まれるミストを凝集して、アルコール水溶液よりも高濃度のアルコール溶液を回収する。冷却部１５で回収されるアルコール溶液は、アルコール水溶液よりも高濃度であるが、分離回収部４９で回収されるアルコール溶液よりも低濃度となる。たとえば、アルコール水溶液のアルコール濃度を４０〜８０重量％とするとき、冷却部１５で回収されるアルコール溶液の濃度は約５５重量％〜約８５重量％となる。以下に詳述する分離回収部４９で回収されるアルコール溶液の濃度は、アルコール水溶液のアルコール濃度を４０〜８０重量％として、９７重量％以上と極めて高濃度になる。【００５４】
図５に示す冷却部１５は、閉鎖構造のチャンバーに、搬送気体とミストを冷却する冷却器１６を内蔵している。図の冷却器１６は、熱交換パイプにフィン（図示せず）を固定している熱交換器である。この冷却器１６は、熱交換パイプに冷却用の冷媒や冷却水を循環させて冷却する。ただ、冷却器は、ペルチェ素子等を備える電子冷却器とすることもできる。霧化室４１で霧化されたミストの一部は、冷却器１６に結露、凝集して回収される。冷却部１５で冷却されたミストを含む搬送気体は、吸着回収部４８に移送される。ミストは気体ではないので、必ずしも冷却しないで凝集させて回収できる。ただ、ミストを冷却して速やかに回収できる。【００５５】
吸着回収部４８は、図５に示すように、冷却部１５で冷却された搬送気体とミストに含まれる吸着成分の水を、分子ふるい吸着剤４３に吸着させて分離する。吸着回収部４８は、ミストに含まれる吸着成分の水を、分子ふるい吸着剤４３に接触させて吸着させる吸着工程と、吸着工程で分子ふるい吸着剤４３に吸着された吸着成分の水を分子ふるい吸着剤４３から放出させる放出工程とで、搬送気体のミストから吸着成分の水を分離する。【００５６】
吸着回収部４８は、放出工程における圧力を吸着工程における圧力よりも低くして、吸着成分の水をミストから分離する。すなわち、吸着回収部４８は、吸着成分を吸着させるときの圧力よりも、吸着した吸着成分を放出するときの圧力を低くして、ミストから吸着成分の水を分離する。【００５７】
放出工程における圧力を吸着工程における圧力よりも低くするのは、分子ふるい吸着剤４３の吸着量が圧力によって変化するからである。分子ふるい吸着剤４３が吸着成分の水を吸着する特性は、分子ふるい吸着剤４３の種類と、吸着成分の種類によって異なるが、一般には、同じ温度の下では、圧力が高くなると吸着量が増加し、圧力が低くなると吸着量が減少する傾向がある。また、分子ふるい吸着剤４３の吸着量は、同じ圧力の下では、温度が高くなると減少し、温度が低くなると増加する傾向がある。【００５８】
吸着回収部４８は、この特性を利用して、ミストに含まれる吸着成分を分離して、より高濃度なアルコールを回収する。すなわち、放出工程における圧力を吸着工程における圧力よりも低くすることによって、吸着工程では多量の吸着成分を分子ふるい吸着剤４３に吸着させ、放出工程では分子ふるい吸着剤４３に吸着できる吸着成分の量を少なくして、分子ふるい吸着剤４３から吸着成分を放出させる。【００５９】
図５に示す吸着回収部４８は、分子ふるい吸着剤４３が充填される密閉室２０と、この密閉室２０に流入され、あるいは密閉室２０から排出される搬送気体の通過を制御する開閉弁２１、２２と、密閉室２０に連結されて、密閉室２０から排気する真空ポンプ２５とを備える。【００６０】
密閉室２０は、閉塞されたチャンバーで、内部に分子ふるい吸着剤４３を充填している。分子ふるい吸着剤４３は、合成ゼオライトのモレキュラーシーブである。モレキュラーシーブは、吸着成分の水を吸着する有効細孔径のもの、たとえば有効細孔径を３オングストロームとするものを使用する。分子ふるい吸着剤４３は、吸着成分によって有効細孔径が異なる。たとえば、有効細孔径を５オングストロームとするモレキュラーシーブは、炭素数を３以上とするノルマルパラフィンを吸着して、イソパラフィン、ベンゼン、トルエン等を吸着しない。このため、この有効細孔径のモレキュラーシーブを使用して、イソパラフィン、ベンゼン、トルエン等から、炭素数が３以上であるノルマルパラフィンを吸着して分離できる。【００６１】
密閉室２０は、移送ダクト１９を介して冷却部１５の排出側に連結される。冷却部１５から流入されるミストを含む搬送気体は、密閉室２０を通過するときに、分子ふるい吸着剤４３に吸着成分を吸着させる。密閉室２０は、排出側を分離回収部４９に連結して、吸着成分の水を吸着した搬送気体を分離回収部４９に供給する。【００６２】
さらに、図５に示す密閉室２０は、排出側を移送ダクト１９を介して分離回収部４９に連結している。密閉室２０の流入側に連結される移送ダクト１９には開閉弁２１を、排出側に連結される移送ダクト１９には開閉弁２２を設けている。吸着回収部４８は、開閉弁２１を開く状態でミストを含む搬送気体が密閉室２０に供給されて、搬送気体に含まれるミストが分子ふるい吸着剤４３に吸着される。【００６３】
さらに、密閉室２０は、吸引ダクト２３を介して真空ポンプ２５の吸入側に連結される。吸引ダクト２３には、吸引弁２４を設けている。真空ポンプ２５は、密閉室２０から強制的に排気して密閉室２０を減圧する。分子ふるい吸着剤４３は、減圧されると、吸着した吸着成分を放出する。真空ポンプ２５は、分子ふるい吸着剤４３から放出された吸着成分を強制的に排出する。図５の装置は、真空ポンプ２５の排出側に、冷却器２６を連結している。冷却器２６は、分子ふるい吸着剤４３から放出された吸着成分を冷却して、結露させ、あるいは凝集して液体の水として回収する。したがって、冷却器２６は、分子ふるい吸着剤４３に吸着された吸着成分である水を排出する。ただ、この冷却器は必ずしも必要でない。吸着成分を水とする装置は、分子ふるい吸着剤から放出される吸着成分の水を廃棄できるからである。【００６４】
図に示す分離装置は、ブロア３９を冷却部１５と吸着回収部４８の間に配設している。この分離装置は、ブロア３９で循環される搬送気体を、加圧状態で吸着回収部４８と分離回収部４９に供給する。ブロア３９は、たとえば、大気圧よりも高圧に加圧された搬送気体を吸着回収部４８と分離回収部４９に供給することができる。吸着回収部４８と分離回収部４９に供給する搬送気体を加圧状態とする分離装置は、吸着工程における吸着量を増加できる特長がある。このため、効率よく搬送気体から吸着成分と非吸着成分を分離できる。ただ、吸着回収部４８は、密閉室２０の流入側に連結される開閉弁２１と、密閉室２０の排出側に連結される開閉弁２２とを別々に制御して、密閉室２０に供給される搬送気体の圧力を調整することもできる。さらに、分離装置は、必ずしも供給される搬送気体を大気圧よりも高圧とする必要はなく、大気圧とすることもできる。【００６５】
さらに、図５に示す吸着回収部４８は、第１密閉室２０Ａと第２密閉室２０Ｂとからなる一対の密閉室２０を備える。この構造の吸着回収部４８は、一対の密閉室２０を吸着工程と放出工程とに切り換えながら一対の密閉室２０で効率よく吸着成分の水を分離できる特長がある。この構造の吸着回収部４８は、以下のようにして、搬送気体から吸着成分を分離する。【００６６】
（１）第１密閉室２０Ａの開閉弁２１、２２を開いて、第２密閉室２０Ｂの開閉弁２１、２２と第１密閉室２０Ａの吸引弁２４を閉じる。この状態で冷却部１５から供給される搬送気体は、第１密閉室２０Ａ内に流入されて、第１密閉室２０Ａに充填された分子ふるい吸着剤４３に吸着成分の水を吸着させる。
（２）所定の時間経過後、第１密閉室２０Ａの開閉弁２１、２２と第２密閉室２０Ｂの吸引弁２４を閉じて、第２密閉室２０Ｂの開閉弁２１、２２を開く。この状態で冷却部１５から供給される搬送気体は、第１密閉室２０Ａに流入されることなく、第２密閉室２０Ｂ内に流入されて、第２密閉室２０Ｂに充填された分子ふるい吸着剤４３に吸着成分の水を吸着させる。
（３）第１密閉室２０Ａの吸引弁２４を開いて、真空ポンプ２５で第１密閉室２０Ａから排気する。第１密閉室２０Ａは減圧されて、分子ふるい吸着剤４３から吸着成分の水が分離される。
（４）第１密閉室２０Ａの分子ふるい吸着剤４３から分離された吸着成分の水は、第１密閉室２０Ａから排出されて冷却器２６に流入され、冷却器２６で冷却されて凝結し、凝集されて回収される。吸着成分は、冷却器で冷却することなく、真空ポンプから外部に排気することもできる。
（５）さらに、所定の時間経過後、第１密閉室２０Ａの開閉弁２１、２２を開いて、第２密閉室２０Ｂの開閉弁２１、２２と第１密閉室２０Ａの吸引弁２４を閉じる。この状態で冷却部１５から供給される搬送気体は、第２密閉室２０Ｂ内に流入されることなく、第１密閉室２０Ａ内に流入されて、第１密閉室２０Ａに充填された分子ふるい吸着剤４３に吸着成分の水を吸着させる。
（６）第２密閉室２０Ｂの吸引弁２４を開いて、真空ポンプ２５で第２密閉室２０Ｂから排気する。第２密閉室２０Ｂは減圧されて、分子ふるい吸着剤４３から吸着成分の水が分離される。
（７）第２密閉室２０Ｂの分子ふるい吸着剤４３から分離された吸着成分の水は、第２密閉室２０Ｂから排出されて冷却器２６に流入され、冷却器２６で冷却されて凝結し、凝集されて回収される。この吸着成分も、冷却器で冷却することなく、真空ポンプから外部に排気することができる。
（８）（２）〜（７）の工程を繰り返して、すなわち、開閉弁２１、２２を交互に開閉して、一対の密閉室２０でミストから吸着成分を分離する。【００６７】
さらに、吸着回収部４８は、吸着工程における分子ふるい吸着剤４３の温度を、放出工程における分子ふるい吸着剤４３の温度よりも低くして、より効率よく搬送気体の吸着成分を回収できる。それは、前述のように、分子ふるい吸着剤４３の吸着量が温度によっても変化するからである。吸着回収部４８は、たとえば、吸着工程において、分子ふるい吸着剤４３を冷却して吸着量を増加できる。図に示す回収部４２は、冷却部１５で搬送気体とミストを冷却して、吸着回収部４８に供給する。この分離装置は、吸着工程における吸着成分の吸着量が増加して、ミストに含まれる吸着成分を多量に吸着する。ただ、回収部２は、必ずしも冷却部を設ける必要はなく、ミストを含む搬送気体を冷却部で冷却することなく、吸着回収部に供給することもできる。【００６８】
さらに、吸着回収部４８は、放出工程において、分子ふるい吸着剤４３を加温して、吸着した吸着成分を効率よく分離できる。加温される分子ふるい吸着剤４３は、吸着できる吸着成分の量が減少するからである。図の吸着回収部４８は、各密閉室２０の内部に、分子ふるい吸着剤４３を加温する加温熱交換器２７を備えている。この加温熱交換器２７は、図２に示す濃縮装置の冷却熱交換器７に連結している。加温熱交換器２７と冷却熱交換器７は冷媒を循環できる構造としている。冷媒は、冷却熱交換器７で糖化液の熱エネルギーを吸収して温度が上昇し、加温熱交換器２７で吸収した熱を放出して分子ふるい吸着剤４３を加温する。この冷媒には、たとえば、水やオイルが使用される。この冷媒は、糖化液の熱エネルギーを吸収して冷却熱交換器７から加温して排出される。冷却熱交換器７で加温されて排出される冷媒は、加温熱交換器２７で分子ふるい吸着剤４３を加温する。分子ふるい吸着剤４３を加温した冷媒は温度が低下する。温度が低下した冷媒は、加温熱交換器２７から冷却熱交換器７に循環されて、冷却熱交換器７を冷却し、第１の糖化工程で得られた糖化液を再び冷却する。すなわち、冷媒は、糖化液の熱エネルギーを吸収し、吸収した熱エネルギーで分子ふるい吸着剤４３を加温する。【００６９】
図５の吸着回収部４８は、第１密閉室２０Ａと第２密閉室２０Ｂとからなる一対の密閉室２０を、吸着工程と放出工程とに切り換えながら吸着成分の水を分離する。したがって、各密閉室２０に配設される加温熱交換器２７は、放出工程のタイミングで冷媒が循環されて、分子ふるい吸着剤４３を加温して、吸着成分を速やかに排出する。図の吸着回収部４８は、第１密閉室２０Ａと第２密閉室２０Ｂに配設される加温熱交換器２７の流入側に、それぞれ冷媒の循環を制御する流入弁２８を設けている。この流入弁２８は、各密閉室２０における放出工程のタイミングで開弁されて、冷媒を加温熱交換器２７に循環し、分子ふるい吸着剤４３を加温する。【００７０】
分離回収部４９は、吸着回収部４８で吸着成分の水を分離して、非吸着成分のアルコール濃度を高くしたミストを回収する。この分離回収部４９は、非吸着成分のアルコールを第２の吸着剤４４に吸着させて分離する。分離回収部４９は、ミストに含まれる非吸着成分のアルコールを、第２の吸着剤４４に接触させて吸着させる吸着工程と、吸着工程で第２の吸着剤４４に吸着された非吸着成分のアルコールを第２の吸着剤４４から放出させる放出工程とで、搬送気体のミストから非吸着成分のアルコールを分離する。【００７１】
分離回収部４９は、吸着回収部４８と同じように、放出工程における圧力を吸着工程における圧力よりも低くして、非吸着成分のアルコールをミストから分離する。【００７２】
放出工程における圧力を吸着工程における圧力よりも低くするのは、第２の吸着剤４４の吸着量が、分子ふるい吸着剤４３と同じように、圧力によって変化するからである。また、第２の吸着剤４４の吸着量は、同じ圧力の下では、温度が高くなると減少し、温度が低くなると増加する傾向がある。【００７３】
分離回収部４９の第２の吸着剤４４は、ミストに含まれる非吸着成分を吸着して、より高濃度なアルコールを回収する。すなわち、放出工程における圧力を吸着工程における圧力よりも低くすることによって、吸着工程では多量の非吸着成分を第２の吸着剤４４に吸着させ、放出工程では第２の吸着剤４４に吸着できる非吸着成分の量を少なくして、第２の吸着剤４４から非吸着成分を放出させる。【００７４】
分離回収部４９は、吸着回収部４８と同じように、第２の吸着剤４４を充填する密閉室３０と、この密閉室３０に流入され、あるいは密閉室３０から排出される搬送気体の通過を制御する開閉弁３１、３２と、密閉室３０に連結されて、密閉室３０から排気する真空ポンプ３５とを備える。【００７５】
密閉室３０は、閉塞されたチャンバーで、内部に第２の吸着剤４４を充填している。第２の吸着剤４４は、分子ふるい吸着剤４３に吸着されない非吸着成分のアルコールを吸着する合成ゼオライトのモレキュラーシーブである。モレキュラーシーブは、非吸着成分のアルコールを吸着する有効細孔径のもの、たとえば有効細孔径を５オングストロームとするものを使用する。第２の吸着剤４４は、分子ふるい吸着剤４３で吸着成分の分離されたミストを吸着できる全てのもの、たとえば、ゼオライト、活性炭、酸化リチウム、シリカゲルのいずれか、もしくはこれらの混合物も使用できる。【００７６】
密閉室３０は、移送ダクト１９を介して吸着回収部４８の排出側に連結される。さらに、図の分離装置は、冷却部１７を介して分離回収部４９の密閉室３０を吸着回収部４８に連結している。この分離回収部４９は、冷却部１７で冷却された搬送気体から非吸着成分のアルコールを第２の吸着剤４４に吸着させて分離する。図に示す冷却部１７は、閉鎖構造のチャンバーに、搬送気体とミストを冷却する冷却器１６を内蔵している。【００７７】
さらに、図５に示す密閉室３０は、排出側を移送ダクト１９を介して霧化室４１に連結している。密閉室３０の流入側に連結される移送ダクト１９には開閉弁３１を、排出側に連結される移送ダクト１９には開閉弁３２を設けている。分離回収部４９は、開閉弁３１を開く状態でミストを含む搬送気体を密閉室３０に供給し、搬送気体に含まれるミストの非吸着成分を第２の吸着剤４４に吸着させる。【００７８】
さらに、密閉室３０は、吸引ダクト３３を介して真空ポンプ３５の吸入側に連結される。吸引ダクト３３には、吸引弁３４を設けている。真空ポンプ３５は、密閉室３０から強制的に排気して密閉室３０を減圧する。第２の吸着剤４４は、減圧されると、吸着した非吸着成分を放出する。真空ポンプ３５は、第２の吸着剤４４から放出された非吸着成分を強制的に排出する。図の装置は、真空ポンプ３５の排出側に冷却器３６を連結している。【００７９】
冷却器３６は、第２の吸着剤４４から放出された非吸着成分を冷却して、結露させ、あるいは凝集して高濃度のアルコールを回収する。したがって、冷却器３６からは、第２の吸着剤４４に吸着された非吸着成分である高濃度のアルコールが排出される。【００８０】
分離装置は、図５の鎖線で示すように、吸着回収部４８と分離回収部４９との間にブロア１８を連結することができる。このブロア１８は、吸着回収部４８から排出される搬送気体を、加圧状態で分離回収部４９に供給する。このブロア１８は、たとえば、高圧に加圧された搬送気体を分離回収部４９に供給して、吸着工程における非吸着成分の吸着量を増加できる。ただ、分離装置は、吸着回収部と分離回収部との間に、必ずしもブロアを連結する必要はない。【００８１】
さらに、図５に示す分離回収部４９は、吸着回収部４８と同じように、第１密閉室３０Ａと第２密閉室３０Ｂとからなる一対の密閉室３０を備える。この構造の分離回収部４９は、一対の密閉室３０を吸着工程と放出工程とに切り換えながら一対の密閉室３０で効率よく非吸着成分のアルコールを分離できる特長がある。この構造の分離回収部４９は、以下のようにして、搬送気体から非吸着成分を分離する。【００８２】
（１）第１密閉室３０Ａの開閉弁３１、３２を開いて、第２密閉室３０Ｂの開閉弁３１、３２と第１密閉室３０Ａの吸引弁３４を閉じる。この状態で吸着回収部４８から供給される搬送気体は、第１密閉室３０Ａ内に流入されて、第１密閉室３０Ａに充填された第２の吸着剤４４に非吸着成分のアルコールを吸着させる。
（２）所定の時間経過後、第１密閉室３０Ａの開閉弁３１、３２と第２密閉室３０Ｂの吸引弁３４を閉じて、第２密閉室３０Ｂの開閉弁３１、３２を開く。この状態で吸着回収部４８から供給される搬送気体は、第１密閉室３０Ａに流入されることなく、第２密閉室３０Ｂ内に流入されて、第２密閉室３０Ｂに充填された第２の吸着剤４４に非吸着成分のアルコールを吸着させる。
（３）第１密閉室３０Ａの吸引弁３４を開いて、真空ポンプ３５で第１密閉室３０Ａから排気する。第１密閉室３０Ａは減圧されて、第２の吸着剤４４から非吸着成分のアルコールが分離される。
（４）第１密閉室３０Ａの第２の吸着剤４４から分離された非吸着成分のアルコールは、第１密閉室３０Ａから排出されて冷却器３６に流入され、冷却器３６で冷却されて凝結し、凝集されて高濃度のアルコールとして回収される。
（５）さらに、所定の時間経過後、第１密閉室３０Ａの開閉弁３１、３２を開いて、第２密閉室３０Ｂの開閉弁３１、３２と第１密閉室３０Ａの吸引弁３４を閉じる。この状態で吸着回収部４８から供給される搬送気体は、第２密閉室３０Ｂ内に流入されることなく、第１密閉室３０Ａ内に流入されて、第１密閉室３０Ａに充填された第２の吸着剤４４に非吸着成分のアルコールを吸着させる。
（６）第２密閉室３０Ｂの吸引弁３４を開いて、真空ポンプ３５で第２密閉室３０Ｂから排気する。第２密閉室３０Ｂは減圧されて、第２の吸着剤４４から非吸着成分のアルコールが高濃度な状態で分離される。
（７）第２密閉室３０Ｂの第２の吸着剤４４から分離された非吸着成分は、第２密閉室３０Ｂから排出されて冷却器３６に流入され、冷却器３６で冷却されて凝結し、凝集されて回収される。
（８）（２）〜（７）の工程を繰り返して、すなわち、開閉弁３１、３２を交互に開閉して、一対の密閉室３０でミストから非吸着成分である高濃度なアルコールを分離する。【００８３】
さらに、分離回収部４９は、吸着回収部４８と同じように、吸着工程における第２の吸着剤４４の温度を、放出工程における第２の吸着剤４４の温度よりも低くして、より効率よく搬送気体の非吸着成分を回収できる。図４と図５に示す回収部４２は、冷却部１７で搬送気体とミストを冷却して、分離回収部４９に供給する。この装置は、第２の濃縮工程における非吸着成分の吸着量が増加して、ミストに含まれる非吸着成分を多量に吸着する。ただ、回収部は、必ずしもこの冷却部を設ける必要はなく、ミストを含む搬送気体を冷却することなく、分離回収部に供給することもできる。【００８４】
さらに、分離回収部４９は、吸着回収部４８と同じように、放出工程において第２の吸着剤４４を加温して、吸着された非吸着成分を効率よく分離できる。加温される第２の吸着剤４４は、吸着できる非吸着成分の量が減少するからである。図の分離回収部４９は、各密閉室３０の内部に、第２の吸着剤４４を加温する加温熱交換器３７を備えている。この加温熱交換器３７も、図２に示す濃縮装置の冷却熱交換器７に連結している。加温熱交換器３７と冷却熱交換器７は冷媒を循環できる構造としている。冷媒は、冷却熱交換器７で糖化液の熱エネルギーを吸収して温度が上昇し、加温熱交換器３７で吸収した熱を放出して第２の吸着剤４４を加温する。この冷媒には、たとえば、水やオイルが使用される。この冷媒は、糖化液の熱エネルギーを吸収して冷却熱交換器７から加温して排出される。冷却熱交換器７で加温されて排出される冷媒は、加温熱交換器３７で第２の吸着剤４４を加温する。第２の吸着剤４４を加温した冷媒は温度が低下する。温度が低下した冷媒は、加温熱交換器３７から冷却熱交換器７に循環されて、冷却熱交換器７を冷却し、第１の糖化工程で得られた糖化液を再び冷却する。すなわち、冷媒は、糖化液の熱エネルギーを吸収し、吸収した熱エネルギーで第２の吸着剤４４を加温する。【００８５】
図５の分離回収部４９は、第１密閉室３０Ａと第２密閉室３０Ｂとからなる一対の密閉室３０を、吸着工程と放出工程とに切り換えながら非吸着成分のアルコールを分離する。したがって、各密閉室３０に配設される加温熱交換器３７は、放出工程のタイミングで冷媒が循環されて、第２の吸着剤４４を加温して、非吸着成分を速やかに排出する。図の分離回収部４９は、第１密閉室３０Ａと第２密閉室３０Ｂに配設される加温熱交換器３７の流入側に、それぞれ冷媒の循環を制御する流入弁３８を設けている。この流入弁３８は、各密閉室３０における放出工程のタイミングで開弁されて、冷媒を加温熱交換器３７に循環し、第２の吸着剤４４を加温する。【００８６】
さらに、第２の吸着剤４４を加温する分離回収部４９は、分離回収部４９から霧化室４１に循環させる搬送気体を加温して、霧化室４１で能率よくミストを発生できる特長がある。【００８７】
以上の回収部４２は、霧化室４１から吸着回収部４８に移送される搬送気体を冷却部１５で冷却し、吸着回収部４８においては、濃縮装置４０の冷却熱交換器７に連結される加温熱交換器２７に循環される冷媒で分子ふるい吸着剤４３を加温している。この吸着回収部４８は、冷却部１５で冷却された搬送気体を分子ふるい吸着剤４３に吸着させることで、吸着工程においては、分子ふるい吸着剤４３を冷却して、多量の吸着成分を分子ふるい吸着剤４３に吸着させ、放出工程においては、加温熱交換器２７に循環される冷媒で分子ふるい吸着剤４３を加温して、分子ふるい吸着剤４３に吸着できる吸着成分の量を少なくして、分子ふるい吸着剤４３から吸着成分を放出させている。【００８８】
また、同様に、吸着回収部４８から分離回収部４９に移送される搬送気体を冷却部１７で冷却し、分離回収部４９においては、濃縮装置の冷却熱交換器７に連結される加温熱交換器３７に循環される冷媒で第２の吸着剤４４を加温している。この分離回収部４９は、冷却部１７で冷却された搬送気体を第２の吸着剤４４に吸着させることで、吸着工程において、第２の吸着剤４４を冷却して、多量の非吸着成分を第２の吸着剤４４に吸着させ、放出工程においては、加温熱交換器３７に循環される冷媒で第２の吸着剤４４を加温して、第２の吸着剤４４に吸着できる非吸着成分の量を少なくして、第２の吸着剤４４から吸着成分を放出させている。【００８９】
すなわち、以上の回収部４２は、吸着回収部４８や分離回収部４９に移送される搬送気体を冷却部１５、１７で冷却して、吸着工程における分子ふるい吸着剤４３や第２の吸着剤４４を冷却し、また、分子ふるい吸着剤４３や第２の吸着剤４４を加温熱交換器２７、３７で加温して、放出工程における分子ふるい吸着剤４３や第２の吸着剤４４を加温している。この構造は、第１の糖化工程で得られる糖化液から回収される熱エネルギーを有効利用して吸着剤を効率よく加温できる。ただ、分離装置は、必ずしも、糖化工程で得られる熱エネルギーを吸着剤の加温に利用する必要はない。分離装置は、吸着剤を加温することなくアルコールを回収することもできる。ただ、分子ふるい吸着剤で吸着成分を分離し、また、第２の吸着剤で非吸着成分を分離する分離装置は、吸着工程で吸着剤を冷却し、放出工程で吸着剤を加温して、効率よく分離できる。この分離装置は、たとえば、図６に示す温度制御部５０で吸着剤の温度を制御することができる。【００９０】
図６に示す吸着回収部４８は、密閉室２０に充填された分子ふるい吸着剤４３の温度を制御するために、温度制御部５０を備える。さらに、同様にして、分離回収部４９も、密閉室３０に充填された第２の吸着剤４４の温度を、温度制御部５０で制御することができる。【００９１】
この温度制御部５０は、密閉室２０に充填された分子ふるい吸着剤４３を冷却及び加温できる構造としている。この図に示す温度制御部５０は、各密閉室２０に配設される熱交換器５１と、一方の密閉室２０の熱交換器５１に温水を循環させる加温機構５２と、他方の密閉室２０に冷水を循環させる冷却機構５３と、各密閉室２０に循環させる温水と冷水とを切り換える制御弁５４と、加温機構５２の温水タンク５５を加熱すると共に、冷却機構５３の冷水タンク５６を冷却する冷却サイクル５７とを備える。【００９２】
熱交換器５１は、密閉室２０の内部に配設されている。熱交換器５１は、内部に温水が循環される状態では分子ふるい吸着剤４３を加温し、内部に冷水が循環される状態では分子ふるい吸着剤４３を冷却する。加温機構５２は、温水タンク５５の内部に冷却サイクル５７の放熱器５８を配設しており、放熱器５８で加温された温水を循環路に循環させて密閉室２０を加温する。冷却機構５３は、冷水タンク５６の内部に冷却サイクル５７の吸熱器５９を配設しており、吸熱器５９で冷却された冷水を循環路に循環させて密閉室２０を冷却する。ただ、加温機構と冷却機構は、水以外の冷媒を循環させることもできる。【００９３】
冷却サイクル５７は、気化された冷媒を加圧するコンプレッサー６０と、このコンプレッサー６０で加圧された冷媒を液化させる放熱器５８と、液化された冷媒の気化熱で強制的に冷却する吸熱器５９と、放熱器５８と吸熱器５９との間に接続している膨張弁６１とを備える。膨張弁６１は、加圧・冷却して液化された冷媒を吸熱器５９の内部で断熱膨張させて、吸熱器５９を冷媒の気化熱で強制的に冷却する。この冷却サイクル５７は、放熱器５８と吸熱器５９の温度を設定温度とするように、膨張弁６１の開度とコンプレッサー６０の出力を調整する。【００９４】
以上の構造の温度制御部５０は、制御弁５４を切り換えて、一方の密閉室２０の熱交換器５１に温水を循環させて加温し、他方の密閉室２０の熱交換器５１に冷水を循環させて冷却する。この構造の温度制御部５０は、ひとつの冷却サイクル５７で、一対の密閉室２０を加温及び冷却できるので、一対の密閉室２０に充填される分子ふるい吸着剤４３を効率よく温度制御できる。一対の密閉室２０を備える吸着回収部４８は、一方の密閉室２０が吸着工程にある状態では、他方の密閉室２０が放出工程にある。したがって、この温度制御部５０は、吸着工程にある密閉室２０を冷却して分子ふるい吸着剤４３に効率よく吸着成分を吸着できると共に、放出工程にある密閉室２０を加温して、分子ふるい吸着剤４３に吸着された吸着成分を効率よく分離できる。【００９５】
さらに、図示しないが、温度制御部は、加温機構の温水タンクの内部に配設される放熱器を濃縮装置の冷却熱交換器に連結して、糖化工程で回収される熱エネルギーを有効利用して温水タンク内の温水を加温することもできる。
【産業上の利用可能性】
【００９６】
本発明のバイオマスアルコールの製造方法は、サトウキビなどの多糖類を含む植物や動物、さらに廃棄される有機物などのバイオマスを発酵させて、発酵のみでは実現できない高濃度なアルコールを製造でき、製造されたアルコールを燃料などの種々の用途に有効に使用できる。
【図面の簡単な説明】
【００９７】
【図１】本発明の一実施例にかかるバイオマスアルコールの製造方法を示す概略工程図である。
【図２】本発明の一実施例にかかるバイオマスアルコールの製造方法の糖化工程と第１の濃縮工程に使用する濃縮装置の概略構成図である。
【図３】冷却熱交換器と加温熱交換器の他の一例を示す概略構成図である。
【図４】本発明の一実施例にかかるバイオマスアルコールの製造方法の第２の濃縮工程に使用する分離装置の概略構成図である。
【図５】図４に示す分離装置の回収部の一例を示す概略構成図である。
【図６】温度制御部の一例を示す概略構成図である。
【符号の説明】
【００９８】
１…霧化室
２…回収部
３…サイクロン
４…水槽
５…第１のタンク
６…第２のタンク
７…冷却熱交換器
８…加温熱交換器
９…移送管
１０…超音波霧化機
１１…超音波振動子
１２…超音波電源
１３…ポンプ
１４…貯溜槽
１５…冷却部
１６…冷却器
１７…冷却部
１８…ブロア
１９…移送ダクト
２０…密閉室            ２０Ａ…第１密閉室
２０Ｂ…第２密閉室
２１…開閉弁
２２…開閉弁
２３…吸引ダクト
２４…吸引弁
２５…真空ポンプ
２６…冷却器
２７…加温熱交換器
２８…流入弁
３０…密閉室            ３０Ａ…第１密閉室
３０Ｂ…第２密閉室
３１…開閉弁
３２…開閉弁
３３…吸引ダクト
３４…吸引弁
３５…真空ポンプ
３６…冷却器
３７…加温熱交換器
３８…流入弁
３９…ブロア
４０…霧化機構
４１…霧化室
４２…回収部
４３…分子ふるい吸着剤
４４…第２の吸着剤
４５…加温熱交換器
４６…コンプレッサ
４７…膨張弁
４８…吸着回収部
４９…分離回収部
５０…温度制御部
５１…熱交換器
５２…加温機構
５３…冷却機構
５４…制御弁
５５…温水タンク
５６…冷水タンク
５７…冷却サイクル
５８…放熱器
５９…吸熱器
６０…コンプレッサー
６１…膨張弁
６７…加温熱交換器
６８…流入弁
７１…反応槽
７２…減圧槽
７３…固液分離機
Ｗ…溶液面
Ｐ…液柱
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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2009122728.tif 000010
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