(57)【要約】【課題】リグノセルロース系バイオマスの前処理を行う際に二元ヒートポンプを安定に作動させることができる制御方法を提供する。【解決手段】二元ヒートポンプの制御方法は、低元側圧縮機６８の入口圧力を０．２６ＭＰａ以上０．５０ＭＰａ未満の圧力に保持しつつ、高元側圧縮機の出口圧力を１．２５ＭＰａ以上１．２９ＭＰａ未満の圧力に保持する。【選択図】  図３
2015169350.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回分式で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混合して基質混合物を得る工程と、該基質混合物を所定の温度に加熱し該温度に所定の時間保持することにより該基質からリグニンを解離させ又は該基質を膨潤させてアンモニア含有糖化前処理物を得る工程と、該アンモニア含有糖化前処理物を所定の温度に加熱することにより該アンモニア含有糖化前処理物からアンモニア蒸気と水蒸気との混合ガスを放散させてアンモニアが分離されたアンモニア分離糖化前処理物を得る工程と、該アンモニア含有糖化前処理物から放散された該混合ガスを冷却して凝縮させ水に溶解させてアンモニア水として回収する工程とにより該リグノセルロース系バイオマスを前処理するときに、
第１の熱交換器から第１の圧縮機と第２の熱交換器と第１の膨張弁とを介して該第１の熱交換器に戻り所定量の第１の冷媒が流通される第１の管路と、第１の熱交換器から第２の膨張弁と第３の熱交換器と第２の圧縮機とを介して該第１の熱交換器に戻り所定量の第２の冷媒が流通される第２の管路とを備える二元ヒートポンプを用い、
該第２の熱交換器で該第１の冷媒と熱交換することにより加熱される第１の熱媒体を用いて該基質混合物又は該アンモニア含有糖化前処理物を加熱する一方、該第３の熱交換器で該第２の冷媒と熱交換することにより冷却される第２の熱媒体を用いて該混合ガスを冷却するときの二元ヒートポンプの制御方法であって、
該第１の熱媒体を用いて該基質混合物又は該アンモニア含有糖化前処理物を加熱するときに、該第２の圧縮機の入口圧力を０．２６ＭＰａ以上０．５０ＭＰａ未満の範囲の圧力に保持しつつ、該第１の圧縮機の出口圧力を１．２５ＭＰａ以上１．２９ＭＰａ未満の範囲の圧力に保持することを特徴とする二元ヒートポンプの制御方法。
【請求項２】
請求項１記載の二元ヒートポンプの制御方法において、前記第２の圧縮機の入口圧力が０．２２ＭＰａ以上０．２６ＭＰａ未満の範囲にあるときに、前記第１の圧縮機及び該第２の圧縮機の出力を低減することを特徴とする二元ヒートポンプの制御方法。
【請求項３】
請求項１又は請求項２記載の二元ヒートポンプの制御方法において、前記第１の圧縮機の出口圧力が１．２５ＭＰａ未満の範囲にあるときに、該第１の圧縮機及び前記第２の圧縮機の出力を増加することを特徴とする二元ヒートポンプの制御方法。
【請求項４】
請求項１〜請求項３のいずれか１項記載の二元ヒートポンプの制御方法において、前記第１の圧縮機の出口圧力が１．２９ＭＰａ以上１．３３ＭＰａ未満の範囲にあるときに、該第１の圧縮機及び前記第２の圧縮機の出力を低減することを特徴とする二元ヒートポンプの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、リグノセルロース系バイオマスの前処理等に用いられる二元ヒートポンプの制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、リグノセルロース系バイオマスの前処理を回分式で行う方法として、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混合して得られた基質混合物を所定の温度に加熱し、該温度に所定の時間保持することにより該基質からリグニンを解離させ又は該基質を膨潤させる方法が知られている。
【０００３】
前記前処理方法では、まず、前記アンモニア水を含むアンモニア含有糖化前処理物が得られるので、次ぎに、該アンモニア含有糖化前処理物を所定の温度に加熱することにより該アンモニア含有糖化前処理物からアンモニア蒸気と水蒸気との混合ガスを放散させる。そして、アンモニアが分離されたアンモニア分離糖化前処理物を得る一方、前記アンモニア含有糖化前処理物から放散された前記混合ガスを冷却して凝縮させ、水に溶解させてアンモニア水として回収する。
【０００４】
前記のようにして得られたアンモニア分離糖化前処理物は、後工程に送られて糖化酵素により糖化されることにより、バイオエタノール等の原料に用いられる。
【０００５】
前記前処理方法において、前記基質混合物又は前記アンモニア含有糖化前処理物の加熱に第１の熱媒体を用いる一方、前記混合ガスの冷却に第２の熱媒体を用い、該第１の熱媒体と該第２の熱媒体とをヒートポンプを用いて熱交換させることが知られている（例えば、特許文献１，２参照）。
【０００６】
前記ヒートポンプによれば、前記混合ガスを熱源として、前記基質混合物又は前記アンモニア含有糖化前処理物の加熱を行うことができるので、前記リグノセルロース系バイオマスの前処理を熱的に有利に行うことができる。また、前記ヒートポンプとしては、高元側冷媒と低元側冷媒との２種の冷媒を用いる二元ヒートポンプを用いることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１３−５９２７１号公報
【特許文献２】特開２０１３−５９７１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、前記従来のリグノセルロース系バイオマスの前処理方法では、前記基質混合物又は前記アンモニア含有糖化前処理物の加熱を行う際に前記二元ヒートポンプの作動が不安定になるという不都合がある。
【０００９】
本発明は、かかる不都合を解消して、前記基質混合物又は前記アンモニア含有糖化前処理物の加熱を行う際に前記二元ヒートポンプを安定に作動させることができる二元ヒートポンプの制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
かかる目的を達成するために、本発明は、回分式で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混合して基質混合物を得る工程と、該基質混合物を所定の温度に加熱し該温度に所定の時間保持することにより該基質からリグニンを解離させ又は該基質を膨潤させてアンモニア含有糖化前処理物を得る工程と、該アンモニア含有糖化前処理物を所定の温度に加熱することにより該アンモニア含有糖化前処理物からアンモニア蒸気と水蒸気との混合ガスを放散させてアンモニアが分離されたアンモニア分離糖化前処理物を得る工程と、該アンモニア含有糖化前処理物から放散された該混合ガスを冷却して凝縮させ水に溶解させてアンモニア水として回収する工程とにより該リグノセルロース系バイオマスを前処理するときに、第１の熱交換器から第１の圧縮機と第２の熱交換器と第１の膨張弁とを介して該第１の熱交換器に戻り所定量の第１の冷媒が流通される第１の管路と、第１の熱交換器から第２の膨張弁と第３の熱交換器と第２の圧縮機とを介して該第１の熱交換器に戻り所定量の第２の冷媒が流通される第２の管路とを備える二元ヒートポンプを用い、該第２の熱交換器で該第１の冷媒と熱交換することにより加熱される第１の熱媒体を用いて該基質混合物又は該アンモニア含有糖化前処理物を加熱する一方、該第３の熱交換器で該第２の冷媒と熱交換することにより冷却される第２の熱媒体を用いて該混合ガスを冷却するときの二元ヒートポンプの制御方法であって、該第１の熱媒体を用いて該基質混合物又は該アンモニア含有糖化前処理物を加熱するときに、該第２の圧縮機の入口圧力を０．２６ＭＰａ以上０．５０ＭＰａ未満の範囲の圧力に保持しつつ、該第１の圧縮機の出口圧力を１．２５ＭＰａ以上１．２９ＭＰａ未満の範囲の圧力に保持することを特徴とする。
【００１１】
本発明の二元ヒートポンプの制御方法は、リグノセルロース系バイオマスを前処理するときに用いられる二元ヒートポンプに適用することができる。
【００１２】
前記リグノセルロース系バイオマスを前処理するときには、まず、回分式で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混合して基質混合物を得る。次に、得られた基質混合物を所定の温度に加熱し、該温度に所定の時間保持することにより該基質からリグニンを解離させ又は該基質を膨潤させてアンモニア含有糖化前処理物を得る。
【００１３】
前記アンモニア含有糖化前処理物は、アンモニアを含んでいるために、このままでは糖化酵素による糖化処理に供することができない。そこで、次に、前記アンモニア含有糖化前処理物を所定の温度に加熱することにより該アンモニア含有糖化前処理物からアンモニア蒸気と水蒸気との混合ガスを放散させてアンモニアが分離されたアンモニア分離糖化前処理物を得る。また、前記アンモニア含有糖化前処理物から放散された前記混合ガスを冷却して凝縮させ、水に溶解させてアンモニア水として回収する。
【００１４】
一方、前記二元ヒートポンプは、第１の熱交換器から第１の圧縮機と第２の熱交換器と第１の膨張弁とを介して該第１の熱交換器に戻り所定量の第１の冷媒が流通される第１の管路と、第１の熱交換器から第２の膨張弁と第３の熱交換器と第２の圧縮機とを介して該第１の熱交換器に戻り所定量の第２の冷媒が流通される第２の管路とを備えている。
【００１５】
前記二元ヒートポンプによれば、前記混合ガスとの熱交換により該混合ガスを冷却し、自身が加熱された前記第２の熱媒体が前記第３の熱交換器で第２の冷媒と熱交換することにより、該第２の熱媒体が冷却され、該第２の冷媒が加熱される。前記第３の熱交換器で加熱された前記第２の冷媒は、第２の管路を介して前記第２の圧縮機に送られ、該第２の圧縮機で圧縮されることによりさらに温度が上昇せしめられ、前記第１の熱交換器に送られる。
【００１６】
前記第１の熱交換器では、前記第２の冷媒は前記第１の冷媒と熱交換することにより該第２の冷媒が冷却され、該第１の冷媒が加熱される。冷却された前記第２の冷媒は、第２の管路を介して第２の膨張弁に送られ、該第２の膨張弁で膨張されることによりさらに温度が低下せしめられ前記第３の熱交換器に循環される。
【００１７】
前記第１の熱交換器で加熱された前記第１の冷媒は、第１の管路を介して前記第１の圧縮機に送られ、該第１の圧縮機で圧縮されることによりさらに温度が上昇せしめられ、前記第２の熱交換器に送られる。
【００１８】
前記第２の熱交換器では、前記第１の冷媒は前記第１の熱媒体と熱交換することにより該第１の冷媒が冷却され、該第１の熱媒体が加熱される。冷却された前記第１の冷媒は、第１の管路を介して第１の膨張弁に送られ、該第１の膨張弁で膨張されることによりさらに温度が低下せしめられ前記第１の熱交換器に循環される。
【００１９】
前記第２の熱交換器で加熱された前記第１の熱媒体は、前記基質混合物又は前記アンモニア含有糖化前処理物と熱交換し、該基質混合物又は該アンモニア含有糖化前処理物を加熱し、自身は冷却される。
【００２０】
この結果、前記二元ヒートポンプによれば、前記第２の熱交換器で前記第１の冷媒と熱交換することにより加熱される前記第１の熱媒体を用いて前記基質混合物又は前記アンモニア含有糖化前処理物を加熱することができる。また、前記第３の熱交換器で前記第２の冷媒と熱交換することにより冷却される前記第２の熱媒体を用いて前記混合ガスを冷却することができる。
【００２１】
ところが、前記二元ヒートポンプでは、前記第１の熱媒体による前記基質混合物又は前記アンモニア含有糖化前処理物の加熱と、前記第２の熱媒体による前記混合ガスの冷却との釣り合いが取れなくなると、該二元ヒートポンプの作動が不安定になる。
【００２２】
そこで、本発明の二元ヒートポンプの制御方法では、前記第１の熱媒体を用いて前記基質混合物又は前記アンモニア含有糖化前処理物を加熱するときに、前記第２の圧縮機の入口圧力を０．２６ＭＰａ以上０．５０ＭＰａ未満の範囲の圧力に保持しつつ、前記第１の圧縮機の出口圧力を１．２５ＭＰａ以上１．２９ＭＰａ未満の範囲の圧力に保持する。
【００２３】
本発明の二元ヒートポンプの制御方法によれば、前記第２の圧縮機の入口圧力と前記第１の圧縮機の出口圧力とがそれぞれ前記範囲の圧力を保持するように制御することにより、該二元ヒートポンプを安定に作動させることができる。
【００２４】
前記第２の圧縮機の入口圧力が０．２６ＭＰａ未満になると、前記二元ヒートポンプの作動が不安定になる。一方、前記第２の圧縮機の入口圧力は０．５０ＭＰａ以上になることはない。
【００２５】
また、前記第１の圧縮機の出口圧力が１．２９ＭＰａ以上であると、前記二元ヒートポンプの作動が不安定になる。一方、前記第１の圧縮機の出口圧力が１．２５ＭＰａ未満になると、前記第１の冷媒から前記第１の熱媒体に供給される熱量が少なくなり、前記前処理装置の加熱効率が低下する。
【００２６】
本発明の二元ヒートポンプの制御方法では、前記第２の圧縮機の入口圧力が０．２２ＭＰａ以上０．２６ＭＰａ未満の範囲にあるときには、前記第２の冷媒から前記第１の冷媒に供給される熱量が過大になっているものと考えられる。そこで、前記第１の圧縮機の出力を低減し、それと同時に、前記第１の管路と前記第２の管路との間の熱バランスを取るために、前記第２の圧縮機の出力も低減する。
【００２７】
このようにすると、前記第２の管路を流通する前記第２の冷媒の流量は一定であるので、前記第２の圧縮機の入口圧力を上昇させることができる。また、このとき、前記第２の冷媒に熱を供給する前記第２の熱媒体の流量は、前記第２の圧縮機の出力を低減する前後で一定であるので、該第２の圧縮機の入口圧力を上昇させることにより第２の冷媒の温度を上昇させることができる。
【００２８】
また、本発明の二元ヒートポンプの制御方法では、前記第１の圧縮機の出口圧力が１．２５ＭＰａ未満であるときには、前記第２の冷媒から前記第１の冷媒に供給される熱量が過小になっているものと考えられる。そこで、前記第２の圧縮機の出力を増加し、それと同時に、前記第１の管路と前記第２の管路との間の熱バランスを取るために、前記第１の圧縮機の出力も増加する。
【００２９】
このようにすると、前記第１の管路を流通する前記第１の冷媒の流量は一定であるので、前記第１の圧縮機の出口圧力を上昇させることができる。また、このとき、前記第１の冷媒から熱を供給される前記第１の熱媒体の流量は、前記第１の圧縮機の出力を増加する前後で一定であるので、該第１の圧縮機の出口圧力を上昇させることにより第１の冷媒の温度を上昇させることができる。
【００３０】
また、本発明の二元ヒートポンプの制御方法では、前記第１の圧縮機の出口圧力が１．２９ＭＰａ以上１．３３ＭＰａ未満の範囲にあるときには、前記第２の冷媒から前記第１の冷媒に供給される熱量が過大になっているものと考えられる。そこで、前記第１の圧縮機の出力を低減し、それと同時に、前記第１の管路と前記第２の管路との間の熱バランスを取るために、前記第２の圧縮機の出力も低減する。
【００３１】
このようにすると、前記第１の管路を流通する前記第１の冷媒の流量は一定であるので、前記第１の圧縮機の出口圧力を低下させることができる。また、このとき、前記第１の冷媒から熱を供給される前記第１の熱媒体の流量は、前記第１の圧縮機の出力を低減する前後で一定であるので、該第１の圧縮機の出口圧力を低減させることにより第１の冷媒の温度を下降させることができる。
【００３２】
この結果、前記第２の圧縮機の入口圧力を０．２６ＭＰａ以上０．５０ＭＰａ未満の範囲の圧力に保持しつつ、前記第１の圧縮機の出口圧力を１．２５ＭＰａ以上１．２９ＭＰａ未満の範囲の圧力に保持することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本実施形態に用いるリグノセルロース系バイオマスの前処理装置を示すシステム構成図。
【図２】図１に示す二元ヒートポンプの構成を示す説明図。
【図３】本実施形態の二元ヒートポンプの作動を示すフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
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。
【００３５】
本実施形態の二元ヒートポンプの制御方法は、図１に示す前処理装置１を用いてリグノセルロース系バイオマスの前処理を行うときに適用することができる。
【００３６】
前処理装置１は、反応容器２と、アンモニア凝縮器３と、アンモニア吸収塔４と、アンモニアタンク５とを備えている。
【００３７】
反応容器２は、上部に、基質供給導管６と、アンモニア水供給導管７とが配設されており、さらにアンモニア蒸気と水蒸気との混合ガスを排出しアンモニア凝縮器３に案内する第１排気導管８が排気弁９とバグフィルタ１０とを介して配設されている。基質供給導管６は、基質としてのリグノセルロース系バイオマス、例えば稲藁を反応容器２に供給し、アンモニア水供給導管７は、図示しないアンモニア水タンクからアンモニア水を反応容器２に供給する。
【００３８】
また、反応容器２は、上部に配設されたモータ１１と、モータ１１から反応容器２内部に垂下される回転軸１２と、回転軸１２から水平方向に延出された攪拌翼１３とを備え、外側には熱媒体が流通されるジャケット１４を備えている。ジャケット１４には温水導管１５が接続されている。
【００３９】
温水導管１５は、ジャケット１４の上部から導出された第１の熱媒体としての温水を温水タンク１６、温水ポンプ１７、二元ヒートポンプ１８、逆止弁１９及び、開閉弁２０を介して、ジャケット１４の底部に循環させるようになっている。温水導管１５は、逆止弁１９と開閉弁２０との間から分岐する温水バイパス導管２１を備えており、温水バイパス導管２１は開閉弁２２を介して温水タンク１６に接続されている。
【００４０】
アンモニア凝縮器３は、第１排気導管８から導入された前記混合ガスの少なくとも一部を冷却することにより該混合ガスを凝縮させてアンモニア水とするものであり、凝縮したアンモニア水を排出する第１排液導管３１を備えている。第１排液導管３１は、凝縮したアンモニア水をさらに冷却する凝縮タンク３２と、第１排液ポンプ３３とを介してアンモニアタンク５に接続されている。
【００４１】
また、アンモニア凝縮器３は、凝縮されなかった前記混合ガスを排出し、アンモニアタンク５に案内する第２排気導管３４を備えており、第２排気導管３４は開閉弁３５を介してアンモニアタンク５に接続されている。第２排気導管３４は開閉弁３５の上流で第３排気導管３６を分岐しており、第３排気導管３６は途中に真空ポンプ３７を備え、開閉弁３５の下流で第２排気導管３４に合流している。
【００４２】
アンモニア吸収塔４は、底部でアンモニアタンク５の天面に連通しており、第２排気導管３４によりアンモニアタンク５に案内された前記混合ガスをアンモニア水に吸収（溶解）させる。このため、アンモニア吸収塔４は、アンモニアタンク５から導かれるアンモニア水循環導管３８を介してアンモニア水をシャワリングするシャワリング装置３９を上部に備えている。
【００４３】
アンモニア水循環導管３８は、アンモニアタンク５から循環ポンプ４０、アンモニア水熱交換器４１、アンモニア濃度センサ４２を介してシャワリング装置３９に接続されている。アンモニア水熱交換器４１は、アンモニア水循環導管３８に循環されるアンモニア水を冷却する機能を備えている。
【００４４】
アンモニアタンク５は、アンモニア水を排出する第２排液導管４３を備えており、第２排液導管４３は、第２排液ポンプ４４を介して図示しないアンモニア水タンクに接続されている。尚、前記アンモニア水タンクには、反応容器２にアンモニア水を供給するアンモニア水供給導管７が接続されている。
【００４５】
また、アンモニア凝縮器３には、第１排気導管８から導入された前記混合ガスを冷却する第２の熱媒体としての低温水を供給する低温水導管４５が接続されている。低温水導管４５はアンモニア凝縮器３から導出された前記低温水を低温水１次タンク４６、低温水１次ポンプ４７、二元ヒートポンプ１８、第１切替弁４８、アンモニア水熱交換器４１及び、凝縮タンク３２を介して、アンモニア凝縮器３に循環させるようになっている。
【００４６】
第１切替弁４８には低温水バイパス導管４９が接続されており、低温水バイパス導管４９は第２切替弁５０を介して他端部が低温水１次タンク４６に接続されている。また、第２切替弁５０には冷水導管５１が接続されており、冷水導管５１は他端部が低温水２次タンク５２に接続されている。低温水２次タンク５２には冷水供給導管５３が設けられており、冷水供給導管５３は低温水２次ポンプ５４を介して、第１切替弁４８の下流側で低温水導管４５に接続されている。
【００４７】
次に、二元ヒートポンプ１８は、図２に示すように、第１の冷媒としての高元側冷媒を循環させる第１の管路としての第１循環導管６１と、第２の冷媒としての低元側冷媒を循環させる第２の管路としての第２循環導管６２との２種類の冷媒の循環系を備えている。前記２種類の冷媒として、例えば、前記高元側冷媒にはトリフルオロエタノールを用いることができ、前記低元側冷媒には二酸化炭素を用いることができる。
【００４８】
第１循環導管６１は、前記高元側冷媒が前記低元側冷媒と熱交換する第１熱交換器６３、第１の圧縮機としての高元側圧縮機６４、該高元側冷媒が温水導管１５に循環される温水と熱交換する第２熱交換器６５、第１の膨張弁としての高元側膨張弁６６を備えている。また、第１循環導管６１は、高元側圧縮機６４の下流に高元側圧縮機６４の出口圧力を測定する第１圧力センサ６７を備えている。
【００４９】
一方、第２循環導管６２は、第１熱交換器６３、第２の圧縮機としての低元側圧縮機６８、前記低元側冷媒が低温水導管４５に循環される低温水と熱交換する第３熱交換器６９、第２の膨張弁としての低元側膨張弁７０を備えている。また、第２の循環導管６２は、低元側圧縮機６８の上流に低元側圧縮機６８の入口圧力を測定する第２圧力センサ７１を備えている。
【００５０】
また、二元ヒートポンプ１８はその作動を制御する制御装置７２を備えており、制御装置７２は高元側圧縮機６４、第１圧力センサ６７、低元側圧縮機６８及び、第２圧力センサ７１に電気的に接続されている。
【００５１】
次に、前処理装置１の作動について説明する。
【００５２】
前処理装置１では、まず、前回の処理で得られたアンモニア分離糖化前処理物が反応容器２底部の排出口（図示せず）から排出され、次工程に移送される。その後、基質供給導管６から新たな基質としてのリグノセルロース系バイオマス、例えば稲藁が反応容器２に供給されると共に、アンモニア水供給導管７からアンモニア水が反応容器２に供給される。
【００５３】
このとき、反応容器２では、モータ１１により回転軸１２が回転駆動され、攪拌翼１３により前記稲藁と前記アンモニア水とが攪拌されて、前記基質混合物を得ることができる。
【００５４】
次に、開閉弁２２を閉弁する一方、開閉弁２０を開弁し、温水ポンプ１７を作動させることにより、温水タンク１６から温水導管１５を介してジャケット１４に供給される前記第１の熱媒体としての温水により反応容器２が加熱される。このとき同時に二元ヒートポンプ１８が作動され、前記温水は温水タンク１６から導出された後、二元ヒートポンプ１８でさらに加熱されてジャケット１４に供給される。
【００５５】
二元ヒートポンプ１８では、前回の処理で低温水１次タンク４６に貯留されている前記第２の熱媒体としての低温水が、低温水導管４５により二元ヒートポンプ１８に供給される。前記低温水は、第３熱交換器６９で第２循環導管６２に流通している前記第２の冷媒としての低元側冷媒と熱交換して冷却される。
【００５６】
前記低元側冷媒は、第３熱交換器６９で前記低温水との熱交換により加熱された後、第２循環導管６２により低元側圧縮機６８に送られ、加圧されることによりさらに加熱され、第２循環導管６２により第１熱交換器６３に送られる。前記低元側冷媒は、第１熱交換器６３で第１循環導管６１に流通している前記第１の冷媒としての高元側冷媒と熱交換して冷却され、第２循環導管６２により低元側膨張弁７０で膨張させられることによりさらに冷却されて第３熱交換器６９に循環される。
【００５７】
前記高元側冷媒は、第１熱交換器６３で前記低元側冷媒との熱交換により加熱された後、第１循環導管６１により高元側圧縮機６４に送られ、加圧されることによりさらに加熱され、第１循環導管６１により第２熱交換器６５に送られる。前記高元側冷媒は、第２熱交換器６５で温水導管１５に流通している前記第１の熱媒体としての温水と熱交換して冷却され、第１循環導管６１により高元側膨張弁６６で膨張させられることによりさらに冷却されて第１熱交換器６３に循環される。
【００５８】
このとき、前処理装置１では、第１切替弁４８により低温水導管４５と低温水バイパス導管４９とを接続し、第２切替弁５０により低温水バイパス導管４９と冷水導管５１とを接続した状態となっている。そこで、前記低温水は前記低元側冷媒との熱交換により冷却されて、さらに低温の冷水とされ、低温水導管４５から第１切替弁４８、低温水バイパス導管４９、第２切替弁５０、冷水導管５１を介して低温水２次タンク５２に貯留される。
【００５９】
一方、前記温水は第２熱交換器６５で前記高元側冷媒と熱交換することによりさらに加熱されてジャケット１４に供給される。反応容器２は、ジャケット１４に前記温水が供給されることにより、急速に８０〜８５℃の範囲の温度に加熱される。
【００６０】
反応容器２の温度が前記範囲に達すると、開閉弁２０が閉弁される一方、開閉弁２２が開弁されて温水導管１５からジャケット１４への前記温水の供給が停止され、同時に二元ヒートポンプ１８が停止される。そして、反応容器２が前記範囲の温度に例えば３〜６時間保持されることにより、前記基質混合物に含まれる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る。この結果、前記基質としての稲藁が酵素糖化反応可能な状態とされた前記アンモニア含有糖化前処理物を得ることができる。
【００６１】
次に、前処理装置１では、再び開閉弁２２を閉弁する一方、開閉弁２０を開弁することにより、温水タンク１６から温水導管１５を介してジャケット１４に供給される前記温水により反応容器２が加熱される。このとき同時に二元ヒートポンプ１８が再作動され、前記温水は温水タンク１６から導出された後、二元ヒートポンプ１８でさらに加熱されてジャケット１４に供給される。
【００６２】
次に、前記温水により反応容器２が加熱されている状態で、排気弁９を開弁することにより、前記アンモニア含有糖化前処理物に含まれるアンモニアをアンモニア蒸気と水蒸気との混合ガスとして放散させ、第１排気導管８によりバグフィルタ１０を介してアンモニア凝縮器３に案内する。このとき、反応容器２内は、前記温水により例えば８０〜７０℃の範囲の温度に加熱されているので、反応容器２内の圧力は大気圧より高くなっており、排気弁９を開弁することにより、前記アンモニア含有糖化前処理物から前記混合ガスを容易に放散させることができる。
【００６３】
このとき、前処理装置１では、第１切替弁４８により低温水導管４５の上流側と下流側とを接続した状態で、低温水１次ポンプ４７を作動させる。このようにすることにより、低温水１次タンク４６に貯留されている前記低温水が二元ヒートポンプ１８で冷却されて、アンモニア水熱交換器４１、凝縮タンク３２を解して、アンモニア凝縮器３に供給される。
【００６４】
反応容器２で排気弁９を開弁した直後には高濃度のアンモニア蒸気を含む大量の前記混合ガスがアンモニア凝縮器３に導入される。しかし、前記混合ガスは、低温水導管４５からアンモニア凝縮器３に供給される前記低温水により冷却され、その一部が容易に凝縮し液化してアンモニア水となる。前記アンモニア水は、第１排液導管３１を介して凝縮タンク３２に排出され、凝縮タンク３２において低温水導管４５から供給される低温水によりさらに冷却された上、第１排液ポンプ３３を介してアンモニアタンク５に送られる。
【００６５】
また、前記混合ガスの残部は、開閉弁３５を開弁することにより第２排気導管３４を介してアンモニアタンク５に導入される。アンモニアタンク５に導入された前記混合ガスは、次いでアンモニアタンク５に連通するアンモニア吸収塔４に導入される。アンモニア吸収塔４では、循環ポンプ４０によりアンモニア水循環導管３８を介して循環されるアンモニア水をシャワリング装置３９によりシャワリングすることにより、前記混合ガスを該アンモニア水に吸収（溶解）させる。この結果、前記混合ガスがアンモニア水として回収される。
【００６６】
一方、反応容器２内の圧力は、前記混合ガスが放散されるに従って低下し、やがて大気圧に等しくなる。反応容器２内の圧力が大気圧に等しくなると、前記混合ガスはそれ以上の放散が難しくなる。そこで、前処理装置１では、反応容器２内の圧力が大気圧に等しくなったならば、開閉弁３５を閉弁し、真空ポンプ３７を作動させて反応容器２内の前記混合ガスを吸引し、第３排気導管３６、第２排気導管３４を介してアンモニアタンク５に導入する。
【００６７】
また、この段階になると、前記混合ガスの組成はアンモニア蒸気に富む状態から水蒸気に富む状態に移行する。すると、水の比熱はアンモニアの比熱よりも大きいため、ある時点において、低温水導管４５から供給される低温水の温度が前記混合ガスを凝縮できる温度よりも高くなり、該混合ガスをアンモニア水として回収するには不利な状態となる。
【００６８】
そこで、低温水導管４５から供給される低温水の温度が前記混合ガスを凝縮できる温度よりも高くなったならば、前処理装置１では、第１切替弁４８により低温水導管４５と低温水バイパス導管４９とを接続し、第２切替弁５０により低温水バイパス導管４９と冷水導管５１とを接続した状態で、低温水２次ポンプ５４を作動させる。
【００６９】
このようにすることにより、前記低温水に代わり、低温水２次タンク５２に貯留されている前記冷水がアンモニア水熱交換器４１、凝縮タンク３２を解して、アンモニア凝縮器３に供給される。この結果、低温水導管４５からアンモニア凝縮器３に供給される低温水の温度が次第に低下する。
【００７０】
前処理装置１では、前記低温水の温度が前記混合ガスを凝縮できる温度まで低下したならば、第１切替弁４８により低温水導管４５の上流側と下流側とを接続した状態に復帰し、低温水２次ポンプ５４を停止させる。また、低温水２次タンク５２に貯留されている前記冷水が次第に低減し、最終的に全て消費されたときにも、前処理装置１は、第１切替弁４８により低温水導管４５の上流側と下流側とを接続した状態に復帰し、低温水２次ポンプ５４を停止させる。そして、低温水１次タンク４６に貯留されている前記低温水が、再び低温水導管４５により循環するようにする。
【００７１】
反応容器２では、前記アンモニア含有糖化前処理物から前述のようにして前記混合ガスが放散された結果、アンモニアが分離されたアンモニア分離糖化前処理物を得ることができる。前処理装置１では、前記アンモニア分離糖化前処理物が得られたならば、ジャケット１４内の前記温水を温水導管１５により温水タンク１６に移送して貯留する。前記温水は、次回の前記基質混合物の加熱の際に前述のようにしてジャケット１４に供給することにより、該基質混合物を急速に加熱することができる。
【００７２】
前記アンモニア分離糖化前処理物は、そのまま、或いは反応容器２内で酵素処理されることにより少なくとも一部が糖化された後、前述のように反応容器２底部の排出口（図示せず）から排出され、次工程に移送される。そして、反応容器２では次回の処理が準備される。
【００７３】
前記処理において、二元ヒートポンプ１８では、前述のように、低温水１次タンク４６から低温水導管４５を介して供給される前記低温水が、第３熱交換器６９で前記低元側冷媒と熱交換することにより自身が冷却される一方、該低元側冷媒を加熱する。加熱された前記低元側冷媒は、第１熱交換器６３で高元側冷媒と熱交換することにより自身が冷却される一方、該高元側冷媒を加熱する。加熱された前記高元側冷媒は、第２熱交換器６５で温水タンク１６から温水導管１５を介して供給される前記温水と熱交換することにより自身が冷却される一方、該温水を加熱する。
【００７４】
前処理装置１では、反応容器２において要求される熱量と、アンモニア凝縮器３、凝縮タンク３２、アンモニア水熱交換器４１で要求される冷熱量とは時々刻々変化する。従って、前記変化に即応するように二元ヒートポンプ１８の作動を制御しないと、二元ヒートポンプ１８の作動が不安定になることがある。
【００７５】
そこで、二元ヒートポンプ１８では、制御装置７２によりその作動を制御する。次に、図３を参照して、制御装置７２による二元ヒートポンプ１８の制御について説明する。
【００７６】
二元ヒートポンプ１８が作動されると、制御装置７２は、まずＳＴＥＰ１で第２圧力センサ７１により低元側圧縮機６８の入口圧力（低元低圧）を検出する。そして、制御装置７２は、前記入口圧力が０．２６ＭＰａ以上であれば、低温水導管４５に流通される前記低温水により、第２循環導管６２に循環されている前記低元側冷媒に十分な熱量が供給されているものと判断し、ＳＴＥＰ２に進む。
【００７７】
次に、制御装置７２は、ＳＴＥＰ２で第１圧力センサ６７により高元側圧縮機６４の出口圧力（高元高圧）を検出する。そして、制御装置７２は、前記出口圧力が１．２９ＭＰａ未満であれば、第１循環導管６１に循環されている前記高元側冷媒により、温水導管１５に流通されている前記温水に所要の熱量が供給されているものと判断し、ＳＴＥＰ３に進む。
【００７８】
次に、制御装置７２は、ＳＴＥＰ３で再び第１圧力センサ６７により高元側圧縮機６４の出口圧力（高元高圧）を検出する。そして、制御装置７２は、前記出口圧力が１．２５ＭＰａ以上１．２９ＭＰａ未満の範囲であれば、前記温水に供給する熱量を変更する必要はないものと判断し、ＳＴＥＰ４で高元側圧縮機６４及び低元側圧縮機６８の出力を現状維持とし、ＳＴＥＰ５で所定の時間の経過を待って、ＳＴＥＰ１に復帰する。
【００７９】
また、制御装置７２は、ＳＴＥＰ３で第１圧力センサ６７により検出される前記出口圧力が１．２５ＭＰａ未満であるときには、前記温水にさらに多くの熱量を供給できるものと判断する。この場合には、制御装置７２は、次にＳＴＥＰ６で高元側圧縮機６４の出力を所定の割合で増加させ、これに伴って低元側圧縮機６８の出力も所定の割合で増加させた後、ＳＴＥＰ５で所定の時間の経過を待って、ＳＴＥＰ１に復帰する。
【００８０】
また、制御装置７２は、ＳＴＥＰ２で第１圧力センサ６７により検出される前記出口圧力が１．２９ＭＰａ以上１．３３ＭＰａ未満の範囲にあるときには、前記温水に供給される熱量が過剰になっているものと判断する。この場合には、制御装置７２は、次にＳＴＥＰ７で高元側圧縮機６４の出力を所定の割合で減少させ、これに伴って低元側圧縮機６８の出力も所定の割合で減少させた後、ＳＴＥＰ５で所定の時間の経過を待って、ＳＴＥＰ１に復帰する。
【００８１】
また、制御装置７２は、ＳＴＥＰ２で第１圧力センサ６７により検出される前記出口圧力が１．３３ＭＰａ以上であるときには、前記温水に供給される熱量が許容量の上限を超えているものと判断し、ＳＴＥＰ８で二元ヒートポンプ１８を停止させる。
【００８２】
また、制御装置７２は、ＳＴＥＰ１で第２圧力センサ７１により検出される前記入口圧力が０．２２ＭＰａ以上０．２６ＭＰａ未満の範囲にあるときには、前記低元側冷媒から前記高元側冷媒に供給される熱量が不足しているものと判断する。この場合には、制御装置７２は、次にＳＴＥＰ７で低元側圧縮機６８の出力を所定の割合で減少させ、これに伴って高元側圧縮機６４の出力も所定の割合で減少させた後、ＳＴＥＰ５で所定の時間の経過を待って、ＳＴＥＰ１に復帰する。
【００８３】
また、制御装置７２は、ＳＴＥＰ１で第２圧力センサ７１により検出される前記出口圧力が０．２２ＭＰａ未満であるときには、前記低元側冷媒から前記高元側冷媒に供給される熱量が所要量の下限値未満になっているものと判断する。そして、制御装置７２は、ＳＴＥＰ９で二元ヒートポンプ１８を停止させる。
【００８４】
二元ヒートポンプ１８では、以上の制御により、温水による前記基質混合物又は前記アンモニア含有糖化前処理物の加熱に要する熱量を優先的に制御する温水優先モードと、低温水による前記混合ガスの凝縮及びアンモニア水の回収に要する冷熱量を優先的に制御する低温水優先モードと、両者の中間の中立モードとの３つのモードで、それぞれ安定に作動させることができる。
【符号の説明】
【００８５】
１…前処理装置、  １８…二元ヒートポンプ、  ６１…第１循環導管、  ６２…第２循環導管、  ６３…第１熱交換器、  ６４…高元側圧縮機、  ６５…第２熱交換器、  ６６…高元側膨張弁、  ６８…低元側圧縮機、  ６９…第３熱交換器、  ７０…低元側膨張弁、  ７２…制御装置。
【図１】
2015169350.tif 000003
【図２】
2015169350.tif 000004
【図３】
2015169350.tif 000005