(57)【要約】  供給されたバイオマス原料１１を、いずれか一方（下方）から装置本体１３の内部にて、スクリュー１４により他方（上方）へ搬送すると共に、前記バイオマス原料１１の供給箇所と異なる他方（上方）の側から処理水である加圧熱水１５を装置本体１３の内部に供給し、前記バイオマス原料１１と加圧熱水１５とを対向接触させつつ水熱分解し、排出する加圧熱水である排出液１６中に熱水溶解成分を移行し、前記バイオマス原料中からリグニン成分及びヘミセルロース成分を分離する分解部である水熱分解部１７と、前記装置本体１３の他方（上方）側からバイオマス固形分１８を加圧下から常圧下に抜出すバイオマス抜出部１９と、前記装置本体１３の一方側から排出液１６を抜き出す固液分離部２０とを有すると共に、前記固液分離部２０の設置領域内に位置する前記スクリュー１４のフライト端部に掻き取り手段２１を設けている。
2012029182.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
セルロース、ヘミセルロース及びリグニンを有するバイオマス原料を分解するバイオマスの分解装置であって、
バイオマス原料を供給するバイオマス供給部と、
供給されたバイオマス原料を、いずれか一方から装置本体の内部にて、スクリューにより他方へ搬送すると共に、前記バイオマス原料の供給箇所と異なる他方の側から処理水を装置本体の内部に供給し、前記バイオマス原料と処理水とを対向接触させつつ分解し、排出する処理水である排出液中に溶解成分を移行し、前記バイオマス原料中からリグニン成分及びヘミセルロース成分を分離する分解部と、
前記装置本体の他方側からバイオマス固形分を抜出すバイオマス抜出部と、
前記装置本体の一方側から排出液を排出する固液分離部とを有すると共に、
前記固液分離部の設置領域内に位置する前記スクリューのフライト端部に掻き取り手段を設けたことを特徴とするバイオマスの分解装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記掻き取り手段は、固液分離部の表面に当接していることを特徴とするバイオマスの分解装置。
【請求項３】
請求項１又は２において、
前記掻き取り手段は、フライトの全周に対して複数個所設けられていることを特徴とするバイオマスの分解装置。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか一つにおいて、
前記掻き取り手段は、ワイヤーを束ねたブラシ状であることを特徴とするバイオマスの分解装置。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか一つにおいて、
前記固液分離部がフィルタであることを特徴とするバイオマスの分解装置。
【請求項６】
請求項４又は５において、
前記ワイヤーの一本の太さは、固液分離部のフィルタの隙間に挿入可能な線径であることを特徴とするバイオマスの分解装置。
【請求項７】
請求項４乃至６のいずれか一つにおいて、
前記ワイヤーの一本が、細いワイヤーを撚った撚線ワイヤーからなることを特徴とするバイオマスの分解装置。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれか一つにおいて、
前記固液分離部は、装置本体の全周に亙って形成されていることを特徴とするバイオマスの分解装置。
【請求項９】
請求項５乃至８のいずれか一つにおいて、
前記固液分離部のフィルタの目開き形状は、入口側より出口側が末広がりに広がっていることを特徴とするバイオマスの分解装置。
【請求項１０】
請求項１乃至９のいずれか一つにおいて、
前記排出液の排出ラインに熱交換器を有することを特徴とするバイオマスの分解装置。
【請求項１１】
請求項１０において、
前記熱交換器で熱交換された水を加圧・加熱手段により加圧熱水とし、分解装置に供給する加圧熱水ラインを有することを特徴とするバイオマスの分解装置。
【請求項１２】
請求項１乃至１１のいずれか一つにおいて、
前記排出液の排出ラインに流量計を設け、抜き出し流量が一定となるように制御手段により制御することを特徴とするバイオマスの分解装置。
【請求項１３】
セルロース、ヘミセルロース及びリグニンを有するバイオマス原料を供給し、前記バイオマス原料を処理水により分解部で分解し、前記処理水中にリグニン成分及びヘミセルロース成分を溶解させ、その後、前記分解部から排出液を抜出す際、固液分離部に堆積した固形分をスクリューのフライト端部に設けた掻き取り手段で払い取りつつ固液分離することを特徴とするバイオマスの分解方法。
【請求項１４】
請求項１乃至１２のいずれか一つのバイオマスの分解装置と、
前記バイオマスの分解装置から排出されるバイオマス固形分中のセルロース及び／又は排出液中のヘミセルロース成分を酵素処理して６炭糖及び／又は５炭糖を含む糖液に酵素分解する酵素分解装置を具備することを特徴とするバイオマス原料を用いた糖液製造システム。
【請求項１５】
請求項１４において、
前記バイオマスの分解装置から排出される排出液中のヘミセルロース成分を硫酸分解して５炭糖を含む糖液に分解する硫酸分解装置を具備することを特徴とするバイオマス原料を用いた糖液製造システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バイオマス原料を分解し、バイオマス固形分と水可溶分とを効率よく固液分離することができるバイオマスの分解装置及び方法、並びにそれを用いた例えばアルコール類、石油代替品類、又はアミノ酸類等の有機原料を効率よく製造することができるバイオマス原料を用いた糖液製造システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、希硫酸、濃硫酸による木材等のバイオマスの糖化処理後、固液分離し、液相を中和処理し、エタノール発酵等の原料として利用するエタノール等の製造技術が実用化されている（特許文献１、特許文献２）。
また、糖を出発原料として、化学工業原料生産（例えば乳酸発酵等）も考えられる。
ここで、バイオマスとは、地球生物圏の物質循環系に組み込まれた生物体又は生物体から派生する有機物の集積をいう（ＪＩＳ  Ｋ  ３６００  １２５８参照）。【０００３】
ここで、現在アルコール原料として用いられているサトウキビ、トウモロコシ等は本来食用に供されるものであるが、これらの食用資源を長期的、安定的に工業用利用資源とすることは、有効食料品のライフサイクルの観点から、好ましくない。【０００４】
このため、将来的に有用な資源と考えられる草本系バイオマスや木質系バイオマスのようなセルロース系資源を有効活用するのは、重要な課題である。【０００５】
また、セルロース系資源では、セルロースは３８〜５０％、ヘミセルロース成分が２３〜３２％と様々で、発酵原料にならないリグニン成分も１５〜２２％とそれぞれ異なっている。多くの課題を抱えたままの工業化研究のため、原料は固定的に想定されており、原料の汎用性を考慮した生産システムの技術の開示は未だないのが現状である。【０００６】
さらに、元来、澱粉原料に較べて発酵原料に不利な方法で、ごみ問題、地球温暖化防止対応などを目標に考えるのであるから、原料を固定的に考えた生産システムでは意味が薄れる。広く一般の廃棄物に適用できなければならない。酵素糖化法そのものも、効率が悪すぎて、将来課題とされているのが現状である。酸処理による糖化率も、過剰反応による糖の過分解などで、およそ７５％（糖化可能成分基準）前後とかなり小さい値となっている。従って、セルロース系資源に対して、エタノール生産収率はおよそ２５％に止まっている（非特許文献１、特許文献３）。【０００７】
なお、特許文献１乃至３の従来の技術では、副反応生成物が酵素糖化阻害を引起し糖収率が減少する現象が起きていたので、酵素糖化阻害物質を除去し、セルロース主体による酵素糖化性を高める水熱分解装置の提案を先にした（特許文献４及び５）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特表平９−５０７３８６号公報
【特許文献２】特表平１１−５０６９３４号公報
【特許文献３】特開２００５−１６８３３５号公報
【特許文献４】特開２００９−１８３８０５号公報
【特許文献５】特開２００９−１８３１５４号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】日経バイオビジネス、ｐ．５２、2002年9月
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
前述した特許文献４及び５における水熱分解装置では、バイオマスの固形分と加圧熱水とを対向接触するように供給して、内部熱交換で水熱反応させているが、加圧熱水の排出の際に、バイオマスの固形分が熱水排出の際の障害となり、効率的な固液分離ができない場合がある、という問題がある。【００１１】
このため、分解処理後の排出液は、バイオマス固形分と共に固液混合相の状態で外部へと排出し、装置の外部に例えばベルトフィルタなどの固液分離装置を設けて固液分離を行い、固形分は再び分解装置へ、液体分はその後の処理系へと搬送することが考えられる。しかしながら、外部に別途固液分離装置を設けるので、そのコストが増大すると共に、設置スペースが必要となる。また、外部で固液分離すると、熱水側に溶解したヘミセルロース成分が析出する結果、熱水可溶分の回収効率が低下する、という問題がある。【００１２】
本発明は、前記課題に鑑み、バイオマス固形分と水可溶分とを効率よく固液分離することができるバイオマスの分解装置及び方法、バイオマス原料を用いた糖液製造システムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上述した課題を解決するための本発明の第１の発明は、セルロース、ヘミセルロース及びリグニンを有するバイオマス原料を分解するバイオマスの分解装置であって、バイオマス原料を供給するバイオマス供給部と、供給されたバイオマス原料を、いずれか一方から装置本体の内部にて、スクリューにより他方へ搬送すると共に、前記バイオマス原料の供給箇所と異なる他方の側から処理水を装置本体の内部に供給し、前記バイオマス原料と処理水とを対向接触させつつ分解し、排出する処理水である排出液中に溶解成分を移行し、前記バイオマス原料中からリグニン成分及びヘミセルロース成分を分離する分解部と、前記装置本体の他方側からバイオマス固形分を抜出すバイオマス抜出部と、前記装置本体の一方側から排出液を排出する固液分離部とを有すると共に、前記固液分離部の設置領域内に位置する前記スクリューのフライト端部に掻き取り手段を設けたことを特徴とするバイオマスの分解装置にある。【００１４】
第２の発明は、第１の発明において、前記掻き取り手段は、固液分離部の表面に当接していることを特徴とするバイオマスの分解装置にある。【００１５】
第３の発明は、第１又は２の発明において、前記掻き取り手段は、フライトの全周に対して複数個所設けられていることを特徴とするバイオマスの分解装置にある。【００１６】
第４の発明は、第１乃至３のいずれか一つの発明において、前記掻き取り手段は、ワイヤーを束ねたブラシ状であることを特徴とするバイオマスの分解装置にある。【００１７】
第５の発明は、第１乃至４のいずれか一つの発明において、前記固液分離部がフィルタであることを特徴とするバイオマスの分解装置にある。【００１８】
第６の発明は、第４又は５の発明において、前記ワイヤーの一本の太さは、固液分離部のフィルタの隙間に挿入可能な線径であることを特徴とするバイオマスの分解装置にある。【００１９】
第７の発明は、第４乃至６のいずれか一つの発明において、前記ワイヤーの一本が、細いワイヤーを撚った撚線ワイヤーからなることを特徴とするバイオマスの分解装置にある。【００２０】
第８の発明は、第１乃至７のいずれか一つの発明において、前記固液分離部は、装置本体の全周に亙って形成されていることを特徴とするバイオマスの分解装置にある。【００２１】
第９の発明は、第５乃至８のいずれか一つの発明において、前記固液分離部のフィルタの目開き形状は、入口側より出口側が末広がりに広がっていることを特徴とするバイオマスの分解装置にある。【００２２】
第１０の発明は、第１乃至９のいずれか一つの発明において、前記排出液の排出ラインに熱交換器を有することを特徴とするバイオマスの分解装置にある。【００２３】
第１１の発明は、第１０の発明において、前記熱交換器で熱交換された水を加圧・加熱手段により加圧熱水とし、分解装置に供給する加圧熱水ラインを有することを特徴とするバイオマスの分解装置にある。【００２４】
第１２の発明は、第１乃至１１のいずれか一つの発明において、前記排出液の排出ラインに流量計を設け、抜き出し流量が一定となるように制御手段により制御することを特徴とするバイオマスの分解装置にある。【００２５】
第１３の発明は、セルロース、ヘミセルロース及びリグニンを有するバイオマス原料を供給し、前記バイオマス原料を処理水により分解部で分解し、前記処理水中にリグニン成分及びヘミセルロース成分を溶解させ、その後、前記分解部から排出液を抜出す際、固液分離部に堆積した固形分をスクリューのフライト端部に設けた掻き取り手段で払い取りつつ固液分離することを特徴とするバイオマスの分解方法にある。【００２６】
第１４の発明は、第１乃至１２のいずれか一つのバイオマスの分解装置と、前記バイオマスの分解装置から排出されるバイオマス固形分中のセルロース及び／又は排出液中のヘミセルロース成分を酵素処理して６炭糖及び／又は５炭糖を含む糖液に酵素分解する酵素分解装置を具備することを特徴とするバイオマス原料を用いた糖液製造システムにある。【００２７】
第１５の発明は、第１４の発明において、前記バイオマスの分解装置から排出される排出液中のヘミセルロース成分を硫酸分解して５炭糖を含む糖液に分解する硫酸分解装置を具備することを特徴とするバイオマス原料を用いた糖液製造システムにある。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、スクリューのフライト端部に設けた掻き取り手段により、固液分離部に堆積された固形分が払い除かれ、閉塞が防止される。また、除かれた固形分がフライトの搬送作用により上昇される結果、対向接触の原料として使用され、効率よい分解が促進される。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】図１は、実施例１に係るバイオマスの水熱分解装置の概略図である。
【図２−１】図２−１は、固液分離部の要部概略図である。
【図２−２】図２−２は、固液分離部の断面図である。
【図３】図３は、固液分離部及び掻き取り手段の概略図である。
【図４−１】図４−１は、比較例における固液分離部の掻き取り手段の概略図である。
【図４−２】図４−２は、比較例における固液分離部の掻き取り手段の概略図である。
【図４−３】図４−３は、比較例における固液分離部の掻き取り手段の概略図である。
【図４−４】図４−４は、比較例における固液分離部の掻き取り手段の概略図である。
【図５】図５は、固液分離部のフィルタの概略図である。
【図６】図６は、バイオマスを熱水で水熱分解する垂直型の水熱分解装置の模式図及び温度分布状態図である。
【図７】図７は、実施例２に係るバイオマスの水熱分解装置を示す概略図である。
【図８】図８は、実施例３に係るバイオマスの水熱分解装置を示す概略図である。
【図９】図９は、実施例４に係るバイオマス原料を用いた有機原料の製造システムを示す概念図である。
【図１０】図１０は、実施例５に係るバイオマス原料を用いた有機原料のアルコール製造システムを示す概念図である。
【図１１】図１１は、実施例５の変形例に係るバイオマス原料を用いた有機原料のアルコール製造システムを示す概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施例における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。なお、実施例では、バイオマス原料を処理するバイオマスの分解装置として水熱分解装置を用いて説明するが、本発明はこの装置に限定されるものではなく、酸やアルカリを添加してバイオマス原料を分解処理する装置においても同様の操作を適用し得る。
【実施例１】
【００３１】
本発明に係るバイオマスの分解装置について、図面を参照して説明する。
図１は、実施例１に係るバイオマスの水熱分解装置の概略図である。図１に示すように、本実施例に係るバイオマスの水熱分解装置１０Ａは、セルロース、ヘミセルロース及びリグニンを有するバイオマス原料１１を分解するバイオマスの分解装置であって、供給されたバイオマス原料１１を、いずれか一方（本実施例では下方）から装置本体１３の内部にて、スクリュー１４により他方（本実施例では上方）へ搬送すると共に、前記バイオマス原料１１の供給箇所と異なる他方（本実施例では上方）の側から処理水である加圧熱水１５を装置本体１３の内部に供給し、前記バイオマス原料１１と加圧熱水１５とを対向接触させつつ水熱分解し、排出する加圧熱水である熱水排出液１６中に熱水溶解成分を移行し、前記バイオマス原料１１中からリグニン成分及びヘミセルロース成分を分離する分解部である水熱分解部１７と、前記装置本体１３の他方（本実施例では上方）側からバイオマス固形分１８を抜出すバイオマス抜出部１９と、前記装置本体１３の一方（本実施例では下端部）側から熱水排出液１６を排出する固液分離部２０とを有すると共に、前記固液分離部２０の設置領域内に位置する前記スクリュー１４のフライト端部に掻き取り手段２１を設けている。
ここで、図１中、符号１２はバイオマス供給部、Ｍはスクリュー１４を駆動するモータ、２３は装置本体１３の内部を加圧する加圧窒素を各々図示する。【００３２】
図２−１は、固液分離部の要部概略図であり、図２−２は、その断面図である。
スクリュー１４は、図２−１及び図２−２に示すように、回転軸１４ａと該回転軸１４ａに沿って設けられる螺旋状のフライト１４ｂとからなり、該フライト１４ｂの端部側に、掻き取り手段２１を設けている。本実施例では、掻き取り手段２１はフライト１４ｂの端部に連続して掻き取り手段２１を設けるようにしている。【００３３】
これにより、固液分離部２０に堆積した装置内に存在する固形分２４は、掻き取り手段２１により掻き取られてフライト１４ｂの搬送作用により上方に移送され、供給されたバイオマス原料１１と共に対向接触に供する原料として使用され、効率よく熱水分解を促進できる。【００３４】
ここで、固液分離部２０で掻き取られる装置内に存在する固形分２４としては、バイオマス原料１１やバイオマス原料１１の一部が水熱分解されたものやバイオマス固形分１８等を挙げることができる。【００３５】
図３は、固液分離部２０及び掻き取り手段２１の拡大図であり、図４−１乃至図４−４は、好ましくない例における掻き取り手段の概略図である。なお、図４−１乃至図４−４において、軸を中心として左右は対象であるので左側は省略している。
図４−１に示すように、例えばスクレーパ（ブラシ）等の掻き取り手段２１を回転軸１４ａから直交するパドル軸５０を介して設置するような場合には、パドル軸５０は同一面内を回転するので、固液分離部２０のフィルタ２０ａに堆積した装置内に存在する固形分２４を掻き取り手段２１で掻き取った場合、固液分離部２０の同一面のみを掻き取るだけとなり、かつ、スクリューのように掻き取り物を搬送することができない、という問題がある。【００３６】
図４−２に示すように、フライト１４ｂをパドル軸５０の間に設置して掻き取り物を搬送するようにしても、図４−１同様、固液分離部２０の同一面しか掻き取れないことに変わりはない。【００３７】
また、図４−３や図４−４に示すように、パドル軸５０端やフライト１４ｂの端を跨るように掻き取り手段２１Ａを横断（回転軸１４ａと平行）して設置する場合には、固液分離部２０の全面を掻き取ることはできるものの、スクリュー１４の搬送の原動力となる固形分と外壁（スクリーン表面）の摩擦力が低下するため、掻き取られた固形分２４等がフライト１４ｂにより効率よく搬送されず、フライト１４ｂ間に滞留することとなって搬送が不能となり、閉塞が進行する場合があり、問題となる。【００３８】
これに対し、本実施例では、図３に示すように、フライト１４ｂの端部に掻き取り手段２１を設け、その先端はフィルタ２０ａ表面に接触している。これにより、装置内に存在する固形分２４の掻き取り及び固形分２４の搬送を確実としている。【００３９】
なお、掻き取り手段２１は、フライトの全周に複数個所又は所定間隔を持って掻き取り手段２１を設けることにより、フィルタからの装置内の固形分２４の掻き取りを確実としている。なお、フライトに沿って連続して螺旋状に掻き取り手段２１を設け、その設置範囲は固液分離部よりやや広めの範囲を掻き取れるようにするのが好適である。【００４０】
このように、掻き取り手段２１をフライト１４ｂの全周に対して複数個所又は所定間隔又は連続して設けることで、固液分離部２０の全面を確実に掻き取ることができる。
なお、掻き取り手段２１の設置はフライト１４ｂのピッチや固液分離部の設置範囲に応じて適宜設定するようにすればよい。【００４１】
また、掻き取り手段２１は、例えばブラシ、ヘラ等のフィルタ２０ａの上に堆積した装置内に存在する固形分２４に対して掻き取り作用を奏するものであれば、いずれでもよい。【００４２】
ここで、掻き取り手段２１は、ワイヤーを束ねたブラシ状であることが好ましい。これは、ワイヤーを束ねたブラシ状とすることで、固液分離を行うフィルタ２０ａの目の表面に堆積した固形分を掻き取ることができ、かつ目の内部に蓄積した固形分を押出す又は掻き出すことができるからである。【００４３】
また、ブラシを構成する一本のワイヤーの太さは、固液分離部２０のフィルタ２０ａの隙間（目）に入る線径であることが好ましい。このような線径とすることで、固液分離を行うフィルタ２０ａの目の内部に蓄積した固形分を掻き取るか、又は、掻き取り困難なほど閉塞した固形分を押出すために、隙間に挿入できるからである。【００４４】
また、一本のワイヤーは、細いワイヤーを撚った撚線から構成されていることが好ましい。これは、一本の独立したワイヤーでは、運用中にそりが生じやすく、掻き取り作用が低減するが、撚線とすることで、そりが生じにくいものとなるからである。【００４５】
さらに、ワイヤーを束ねたブラシの幅は、スクリュー１４の搬送の原動力となるバイオマス層と外壁（スクリーン表面）の摩擦力を低下させない太さとするのが好ましい。【００４６】
このように、掻き取り手段２１としては、ブラシは線を単に束ねたものや、線を撚ったものをさらに束ねたものなどが挙げられるが、バイオマスを効率よく掻き取ることができるものであれば、本発明はこれに限定されるものではない。なお、バイオマス固形分１８は例えば繊維状のバイオマスが絡まり合い層状のように堆積する性質があるので、押圧しつつ除去する場合にはその除去は困難となるが、堆積相に対して、該積層方向と直交する横方向に払うようにして表面を更新すると、装置内に存在する固形分２４を簡単に払い除くことができる。【００４７】
固液分離部２０は、図２−１に示すように、装置内に存在する固形分２４と熱水排出液とを分離するフィルタ２０ａと、分離された熱水排出液１６を外部に排出するスリット２０ｂとから形成されている。
ここで、固液分離部２０は、装置本体１３の全周に亙って形成されているが、効率よく熱水排出液１６が排出できる場合には、全周に亙って形成されていなくともよい。
なお、フィルタ２０ａに形成される熱水排出液１６を排出するスリット２０ｂは、横縞であっても縦縞であってもいずれでもよい。【００４８】
図５は固液分離部のフィルタの概略図である。
図５に示すように、固液分離部２０のフィルタ２０ａの目開き形状は、入口側の幅ｄ１より出口側の幅ｄ２が末広がりに広がっている。
この結果、仮にフィルタ２０ａ、２０ａの間に形成されるスリット２０ｂに装置内に存在する固形分２４が詰まった場合でも、掻き取り手段２１であるブラシの先端がスリット２０ｂに入り込む押し出し作用により、装置内に存在する固形分２４が外部側に抜けやすいものとなる。【００４９】
装置本体１３内で固液分離を行うために、従来の提案のように、固液混合状態で外部に排出した場合と異なり、装置本体１３内の温度が高い状態での固液分離が可能となる。
この結果、熱水排出液１６の液粘度が低いものとなり、固液分離が容易となる。
また、固液混合状態で外部に排出した場合と異なり、温度低下による析出物の発生がないので、フィルタ２０ａでの圧損が低く、且つ析出物による負荷も殆ど発生しないので、フィルタ２０ａを小型化できる。【００５０】
さらに、固液混合状態で外部に排出した場合と異なり、温度低下による析出物のロスが少ないので、効率的な水熱分解反応を行うことができると共に、熱水排出液１６を起点とした糖化原料の原料ロスも少ないものとなる。【００５１】
次に、バイオマス原料１１を水熱分解部１７により水熱分解する概要を説明する。図６は、バイオマスを熱水で水熱分解する垂直型の水熱分解装置の模式図及び温度分布状態図である。
水熱分解部１７では、バイオマス原料１１と加圧熱水１５とを対向接触するように供給して、内部熱交換で水熱反応させている。図６において、非対向接触領域（低温側）Ｙ1と、対向接触領域Ｘと、非対向接触領域（高温側）Ｙ2とを示し、非対向接触領域（低温側）Ｙ1では、急冷して１４０℃以下としている。【００５２】
図６に示すように、垂直型の水熱分解装置では、バイオマス原料（固体）１１を下部側から装置本体１３内部に供給し、内部に設けたスクリュー１４により上方側に移動させ、上部側からバイオマス固形分（熱水不可溶分）１８を固形分抜出部（図示せず）より外部に排出されている。【００５３】
一方、熱水排出部である固液分離部２０は、バイオマス原料１１の供給の位置よりも下方側にあるので、加圧熱水１５とバイオマス原料１１との対向接触を乱すものではない。ただし、加圧熱水１５の流れにより固液分離部２０のフィルタ２０ａに堆積される場合には、掻き取り手段２１の掻き取りにより、堆積を抑制し、固液分離を確実に行うようにしている。【００５４】
そして、掻き取られた装置内に存在する固形分２４はスクリュー１４のフライト１４ｂの搬送作用による移送（上昇）される結果、対向接触領域Ｘに戻されるので、装置内に存在する固形分２４の内のバイオマス原料１１は再度水熱分解の原料として使用され、効率よい熱水分解が促進される。【００５５】
ここで、水熱分解部１７に供給するバイオマスとしては、特に限定されるものではなく、地球生物圏の物質循環系に組み込まれた生物体又は生物体から派生する有機物の集積をいう（ＪＩＳ  Ｋ  ３６００  １２５８参照）が、本発明では特に木質系の例えば広葉樹、草本系等のセルロース系資源や農業系廃棄物、食品廃棄物等を用いるのが好ましい。【００５６】
また、バイオマス原料１１としては、粒径は特に限定されるものではないが、５ｍｍ以下に粉砕することが好ましい。
本実施例では、バイオマスの供給前において、前処理装置として、例えば粉砕装置を用いて前処理するようにしてもよい。また、洗浄装置により洗浄するようにしてもよい。
なお、バイオマス原料１１として、例えば籾殻等の場合には、粉砕処理することなく、そのままバイオマス供給部１２に供給することができるものとなる。【００５７】
また、水熱分解部１７における、反応温度は１８０〜２４０℃の範囲とするのが好ましい。さらに好ましくは２００〜２３０℃とするのがよい。
これは、１８０℃未満の低温では、水熱分解速度が小さく、長い分解時間が必要となり、装置の大型化につながり、好ましくないからである。一方２４０℃を超える温度では、分解速度が過大となり、セルロース成分が固体から液体側への移行を増大すると共に、ヘミセルロース系糖類の過分解が促進され、好ましくないからである。
また、ヘミセルロース成分は約１４０℃付近から、セルロースは約２３０℃付近から、リグニン成分は１４０℃付近から溶解するが、セルロースを固形分側に残し、且つヘミセルロース成分及びリグニン成分が十分な分解速度を持つ１８０℃〜２４０℃の範囲とするのがよい。【００５８】
反応圧力は、装置本体１３の反応温度（１８０〜２４０℃）の各温度の水の飽和蒸気圧に、更に０．１〜０．５ＭＰａだけ高い圧力を加えることとするのが好ましい。
また、反応時間は２０分以下、３分〜１０分とするのが好ましい。これはあまり長く反応を行うと過分解物の割合が増大し、好ましくないからである。【００５９】
常圧下から加圧下に供給するバイオマス供給部１２としては、例えば、スクリュー、ピストンポンプ又はスラリーポンプ等の手段を挙げることができる。【００６０】
また、水熱分解装置は、本実施例では、垂直型の装置としているが、本発明はこれに限定されるものではなく、バイオマス原料を一方から他方へ搬送しつつ、他方から熱水を対向接触させて分解処理する装置であれば、例えば傾斜型の水熱分解装置としてもよい。【００６１】
ここで、水熱分解装置を傾斜型又は垂直型とするのは、水熱分解反応において発生したガスや原料中に持ち込まれたガス等が上方から速やかに抜けることができ好ましいからである。また、加圧熱水１５で分解生成物を抽出するので、抽出効率の点において上方から下方に向かって抽出物の濃度が高まることとなり、好ましいものとなる。【００６２】
以上のように、本実施例によれば、スクリュー１４のフライト１４ｂの端部に設けた掻き取り手段２１により、固液分離部２０に堆積された装置内に存在する固形分２４が払い除かれ、閉塞が防止される。また、除かれた固形分２４がフライト１４ｂの搬送作用により上昇される結果、その内のバイオマス原料１１や分解途中のバイオマス原料１１は装置本体１３における対向接触の原料として使用され、効率よい熱水分解が促進される。【００６３】
本実施例では、バイオマスの分解処理を行うバイオマス分解装置として、水熱分解装置を用いて説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、バイオマス原料を一方から他方へ搬送しつつ、他方から処理液を対向接触させて分解処理する装置であれば、例えばアルカリ分解処理装置（例えば水酸化ナトリウム、消石灰やアンモニアの利用による分解等）、酸分解処理装置（希硫酸による分解等）であっても、固液分離部における閉塞を効果的に抑制することができる。
【実施例２】
【００６４】
次に、本発明に係るバイオマスの水熱分解装置の他の実施例について、図面を参照して説明する。なお、実施例１のバイオマスの水熱分解装置と同一部材については同一符号を付してその説明は省略する。
図７は、実施例２に係るバイオマスの水熱分解装置を示す概略図である。
図７に示すように、バイオマスの水熱分解装置１０Ｂは、実施例１のバイオマスの水熱分解装置１０Ａにおいて、さらに固液分離部２０から抜き出された熱水排出液１６の抜出しラインＬ1に、熱交換器３１を設け、熱水排出液１６を水３２により冷却をしている。なお、熱交換された熱水３３はその供給ラインＬ2に加熱手段３４を設け、加圧下で加熱し、加圧熱水１５として水熱分解部１７に供給して再利用している。
【実施例３】
【００６５】
次に、本発明に係るバイオマスの水熱分解装置の他の実施例について、図面を参照して説明する。なお、実施例１のバイオマスの水熱分解装置と同一部材については同一符号を付してその説明は省略する。
図８は、実施例３に係るバイオマスの水熱分解装置を示す概略図である。
図８に示すように、バイオマスの水熱分解装置１０Ｃは、実施例１のバイオマスの水熱分解装置１０Ａにおいて、熱水排出液１６の抜出しラインＬ1に流量計４１を設け、抜き出し流量が一定となるように制御手段４２によりバルブ４３の開度を制御するようにしている。【００６６】
この結果、常に抜き出し流量を一定にし、フィルタ２０ａ上に堆積する装置内に存在する固形分２４と掻き取り手段２１による掻き取り量を常に安定化（フィルタの差圧を一定に保つ）させることにより、反応装置の運転の安定化を図ることができる。
これに対して、水熱分解部１７の液面制御も可能であるが、安定性を勘案すると排出液の流量制御とすることがより好ましい。
【実施例４】
【００６７】
本発明による実施例４に係るバイオマス原料を用いた有機原料であるアルコールの製造システムについて、図面を参照して説明する。
図９は、実施例４に係るバイオマス原料を用いた有機原料の製造システムを示す概念図である。
図９に示すように、本実施例に係るバイオマス原料を用いたアルコールの製造システム１００Ａは、バイオマス原料１１を例えば粉砕処理する前処理装置１０２と、前処理したバイオマス粉砕物１０３を加圧熱水１５と対向接触させつつ水熱分解し、加圧熱水１５中にリグニン成分及びヘミセルロース成分を移行し、バイオマス固体中からリグニン成分及びヘミセルロース成分を分離してなる図１に示す水熱分解装置１０Ａと、前記水熱分解装置１０Ａから排出されるバイオマス固形分１８中のセルロースを酵素処理して６炭糖を含む糖液に第１の酵素（セルラーゼ）１０８−１で酵素分解する第１の酵素分解装置１０９−１と、第１の酵素分解装置１０９−１で得られた第１の糖液（６炭糖）１１０−１を用いて、発酵処理によりアルコール類（本実施の形態ではエタノール）を製造する第１のアルコール発酵装置１１１−１と、第１のアルコール発酵液１１２−１を精製して目的生成物のエタノール１１３と残渣１１４−１とに分離処理する第１の精製装置１１５−１とを具備するものである。【００６８】
本発明によれば、図１に示すようなバイオマスの水熱分解装置１０Ａにおいて、対向接触を採用することにより、液体側の加圧熱水１５中にリグニン成分及びヘミセルロース成分を移行させ、固体側のバイオマス固形分１８にはセルロースがとどまることとなり、酵素糖化の第１の酵素分解装置１０９−１により第１の糖液（６炭糖）１１０−１を得ることとなる。
そして、６炭糖に応じた発酵（最終製品に応じた発酵：本実施例では第１のアルコール発酵装置１１１−１を用いてエタノール１１３を発酵により求める）プロセスを構築することができる。【００６９】
本実施例では、発酵処理により求めるものとして、アルコール類のエタノールを例示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、アルコール類以外の、化成品原料となる石油代替品類又は食品・飼料原料となるアミノ酸類を発酵装置により得ることができる。【００７０】
また、糖液を基点として、例えばＬＰＧ、自動車用燃料、航空機用ジェット燃料、灯油、ディーゼル油、各種重油、燃料ガス、ナフサ、ナフサ分解物であるエチレングリコール、乳酸、アルコール（エタノール等）、アミン、アルコールエトキシレート、塩ビポリマー、アルキルアルミニウム、ＰＶＡ、酢酸ビニルエマルジョン、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリカーボネート、ＭＭＡ樹脂、ナイロン、ポリエステル等の各種有機原料（例えばアルコール類、石油代替品類、又はアミノ酸類等）を効率よく製造することができる。よって、枯渇燃料である原油由来の化成品の代替品及びその代替品製造原料としてバイオマス由来の糖液を効率的に利用することができる。
【実施例５】
【００７１】
本発明による実施例５に係るバイオマス原料を用いた有機原料であるアルコール製造システムについて、図面を参照して説明する。
図１０は、実施例５に係るバイオマス原料を用いた有機原料であるアルコール製造システムを示す概念図である。
図１０に示すように、本実施例に係るバイオマス原料を用いたアルコールの製造システム１００Ｂは、図９に示すアルコール製造システム１００Ａにおいて、バイオマスの水熱分解装置１０Ａから排出される熱水排出液１６中に移行されたヘミセルロース成分を酵素処理して５炭糖を含む第２の糖液１１０−２に酵素分解する第２の酵素分解装置１０９−２を設けてなるものである。
なお、酵素分解装置、アルコール発酵装置、精製装置は、それぞれ別途２機（第１の酵素分解装置１０９−１、第２の酵素分解装置１０９−２、第１のアルコール発酵装置１１１−１、第２のアルコール発酵装置１１１−２、第１の精製装置１１５−１、第２の精製装置１１５−２）を設置している。そして、第１の糖液（６炭糖）１１０−１、第２の糖液（５炭糖）１１０−２に応じた酵素分解工程、アルコール発酵工程及び精製工程を行うようにして、エタノール１１３を得るようにしている。【００７２】
そして、本実施例では、第２の酵素１０８−２を用いた第２の酵素分解装置１０９−２で得られた第２の糖液（５炭糖）１１０−２を用いて、第２のアルコール発酵装置１１１−２による発酵処理により、第２のアルコール発酵液１１２−２を得た後、第２の精製装置１１５−２によりエタノール１１３を製造することができる。なお、符号１１４−２は残渣である。【００７３】
なお、熱水排出液は必ずしも別系統において処理するものではなく、例えば酵素分解装置以降の工程を共通化したり、アルコール発酵装置以降の工程を共通化したり、あるいは精製装置以降を共通化する等適宜変更を行うことができる。【００７４】
図１１は、本実施例の変形例に係るバイオマス原料を用いた有機原料であるアルコール製造システムを示す概念図である。
図１１に示すように、本実施例に係るバイオマス原料を用いたアルコールの製造システム１００Ｃは、図９に示すアルコール製造システム１００Ａにおいて、バイオマスの水熱分解装置１０Ａ内において、リグニン成分及びヘミセルロース成分が移行された加圧熱水１５を熱水排出液１６として外部に排出し、該熱水排出液１６に硫酸１２１を供給して、熱水排出液１６中のヘミセルロース成分を硫酸分解して５炭糖を含む第２の糖液１１０−２に分解する硫酸分解装置１２０と、得られた第２の糖液（５炭糖）１１０−２を用いて、発酵処理によりアルコール類（本実施の形態ではエタノール）を製造する第２のアルコール発酵装置１１１−２と、第２のアルコール発酵液１１２−２を精製して目的生成物のエタノール１１３と第２の残渣１１４−２とに分離処理する第２の精製装置１１５−２とを具備するものである。【００７５】
そして、本実施例では、硫酸分解装置１２０で得られた第２の糖液（５炭糖）１１０−２を用いて、発酵処理によりエタノール１１３を製造することができる。【００７６】
ここで、本発明における硫酸分解装置での分解条件としては、硫酸濃度が０．１〜５重量％、好ましくは１〜４重量％とし、分解温度が１００〜１４０℃、好ましくは約１２０℃前後とし、分解時間としては、３０分から３時間、好ましくは１時間前後としている。これは、上記範囲外であると、良好なヘミセルロースの分解を行うことができないからである。【００７７】
従来において、バイオマス原料をそのまま硫酸分解するような場合には、１重量％の硫酸を用いて、約１８０℃という高温で１０分程度の分解処理を行っているが、硫酸が後流側のセルロースの酵素糖化の際に阻害物質として働くので、６炭糖の収率が低下していた。【００７８】
これに対して、本発明では、バイオマスの水熱分解装置１０Ａにおいて、予めセルロース成分をバイオマス固形分１８に留まらせ、加圧熱水１５側に移行したヘミセルロース成分の熱水排出液１６を低温条件で硫酸処理するので、硫酸設備の構造が簡略化できると共に、硫酸の使用量が大幅に低減（従来硫酸使用量の０．６〜０．９倍）されることとなる。その結果、硫酸の廃棄処理（石膏処理）量が低減するので、硫酸回収分離設備も小型のものとなり、設備のコンパクト化を図ることとなる。【００７９】
また、硫酸での分解は、１４０℃以下の低温であるので、従来のような高温（１８０℃）用の耐酸設備とする必要がなく、設備コストの低廉を図ることもできる。【００８０】
本発明によれば、バイオマスの水熱分解装置１０Ａ（１０Ｂ、１０Ｃ）において、対向接触を採用することにより、固体側のバイオマス固形分１８では、セルロースがとどまることとなり、酵素糖化の第１の酵素分解装置１０９−１により第１の糖液（６炭糖）１１０−１を得ると共に、液体側の加圧熱水１５では、その加圧熱水１５に可溶したヘミセルロース成分を熱水排出液１６として分離し、別途酵素糖化の第２の酵素分解装置１０９−２又は硫酸分解装置１２０により第２の糖液（５炭糖）１１０−２を得るので、両者を効率よく分離して各々糖化することが可能となる。そして、６炭糖、５炭糖に応じた発酵（最終製品に応じた発酵：例：エタノール発酵）プロセスを構築することができる。【００８１】
このように、水熱分解装置１０Ａにおける対向接触を採用することによって６炭糖を得る酵素糖化反応において阻害物質となる副反応成分や加圧熱水に可溶なリグニン成分を加圧熱水１５側に移行させるため、セルロース主体のバイオマス固形分１８となり、その後の糖化反応における６炭糖の糖化反応収率が向上する。【００８２】
一方、分離された熱水排出液１６に含まれるヘミセルロース成分は、その後第２の酵素分解装置１０９−２において糖化され、５炭糖を含む糖液を得ることができる。
そして、６炭糖、５炭糖の各々に適した酵母等を用いることでエタノール１１３を効率的に個別に発酵により求めることができるものとなる。【００８３】
このように、本発明によれば、バイオマス原料からセルロース主体の成分とヘミセルロース成分を加圧熱水に移行させて両者を分離すると共に、ヘミセルロースの過分解を抑制し、各々に適した効率的な糖液（６炭糖液、５炭糖液）の製造を行うと共に、該糖液を基点として、各種有機原料（例えばアルコール類、石油代替品類、又はアミノ酸類等）を効率よく製造することができるバイオマス原料を用いた有機原料の製造システムを提供することが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００８４】
以上のように、本発明によれば、バイオマスの水熱分解装置及び方法により、固液分離部に堆積されたバイオマス固形分が払い除かれ、閉塞が防止され、効率的な固液分離が可能となり、これらの固液分離物を用いて糖液の製造を行うと共に、該糖液を基点として、各種有機物（例えばアルコール類、石油代替品類、又はアミノ酸類等）を効率よく製造することができる。
【符号の説明】
【００８５】
１０Ａ〜１０Ｃ  バイオマスの水熱分解装置
１１  バイオマス原料
１２  バイオマス供給部
１３  装置本体
１４  スクリュー
１５  加圧熱水
１６  熱水排出液
１７  水熱分解部
１８  バイオマス固形分
１９  バイオマス抜出部
２０  固液分離部
２１  掻き取り手段
２４  装置内に存在する固形分
【図１】
2012029182.tif 000003
【図２−１】
2012029182.tif 000004
【図２−２】
2012029182.tif 000005
【図３】
2012029182.tif 000006
【図４−１】
2012029182.tif 000007
【図４−２】
2012029182.tif 000008
【図４−３】
2012029182.tif 000009
【図４−４】
2012029182.tif 000010
【図５】
2012029182.tif 000011
【図６】
2012029182.tif 000012
【図７】
2012029182.tif 000013
【図８】
2012029182.tif 000014
【図９】
2012029182.tif 000015
【図１０】
2012029182.tif 000016
【図１１】
2012029182.tif 000017
【国際調査報告】
2012029182.tif 000018
2012029182.tif 000019
2012029182.tif 000020