(57)【要約】【課題】基質の膨張を抑えるとともに該基質にアンモニア水を十分に浸透させることができるバイオマスの前処理方法を提供する。【解決手段】バイオマスの前処理方法は、基質混合物を得る工程において、反応容器２内に基質を収容し、反応容器２内の空気を排気することにより反応容器２内を減圧した後に、アンモニア水を添加して混合する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応容器で、基質である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温度に加熱すると共に該温度に所定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を備えるリグノセルロース系バイオマスの糖化前処理方法において、
該基質混合物を得る工程では、該反応容器内に該基質を収容し、該反応容器内の空気を排気することにより該反応容器内を減圧した後に、該アンモニア水を添加して混合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方法。
【請求項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方法において、
さらに、前記アンモニア含有糖化前処理物から放散されたアンモニアを、前記反応容器に接続された排気導管を介して、アンモニアを回収するアンモニア回収手段に案内する工程を備え、
前記基質混合物を得る工程では、該反応容器内の減圧を、該反応容器内の空気を該排気導管を介して排気する真空ポンプにより行う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方法。
【請求項３】
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方法において、
前記基質混合物を得る工程では、反応容器内の空気を、前記排気導管の前記アンモニア回収手段の上流側で外部に排気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方法。
【請求項４】
請求項１〜請求項３のいずれか１項記載のリグノセルロース系バイオマスの糖化前処理方法において、
前記反応容器内の圧力を検知し、該反応容器内が所定圧力に達した後さらに該減圧を所定時間保持した後の圧力と該所定圧力との差分が所定範囲を超えたとき、該反応容器の気密性に異常があると判断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方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バイオエタノールの製造に用いられるリグノセルロース系バイオマスの糖化前処理方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、自動車用燃料として、ガソリン−エタノール混合燃料を用いることが検討されている。前記ガソリン−エタノール混合燃料に用いるために、リグノセルロース系バイオマスを用いてエタノールを製造する技術が検討されている。
【０００３】
前記リグノセルロース系バイオマスは、セルロースを含んでおり、該セルロースを糖化酵素を用いて糖化処理することによりグルコース等の糖に分解し、得られた糖を発酵させてエタノールを得ることができる。
【０００４】
ところが、前記リグノセルロース系バイオマスは、セルロースの他にヘミセルロース及びリグニンを主な構成成分としており、通常該セルロース及び該ヘミセルロースは、該リグニンに強固に結合しているため、そのままでは該セルロースに対する酵素糖化反応を行うことが難しい。従って、前記セルロースを酵素糖化反応させるに際しては、予め前記リグノセルロース系バイオマスを前処理して酵素糖化反応が可能な状態としておくことが望ましい。
【０００５】
前記リグノセルロース系バイオマスを酵素糖化反応が可能な状態とするために、反応容器で、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とし、該基質混合物を所定温度に加熱すると共に該温度に所定時間保持する前処理方法が知られている。前記前処理方法によれば、前記基質からリグニンを解離させ又は該基質を膨潤させることにより、該基質としてのリグノセルロース系バイオマスを酵素糖化反応可能な状態とすることができる（例えば特許文献１参照）。
【０００６】
尚、本願において、解離とは、セルロース等に結合しているリグニンの結合部位のうち、少なくとも一部の結合を切断することをいう。また、膨潤とは、液体の浸入により結晶性セルロースを構成するセルロース等に空隙が生じ、又は、セルロース繊維の内部に空隙が生じて膨張することをいう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１１−２３４６８８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、前記従来の前処理方法において、前記基質と前記アンモニア水とを混合するときに、前記基質中に介在する空気によって前記基質が膨張し、嵩密度が減少する。これに対応するためにあらかじめ前記基質の投入量を少なくする必要があり、前処理効率が低下するという不都合がある。更に、該基質に該アンモニア水が浸透しにくく、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ことが不十分になることがあ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、基質の膨張を抑制するとともに該基質にアンモニア水を十分に浸透させることができるバイオマスの前処理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】
本発明者らは、前記従来の前処理方法において、前記基質が膨張し、更に前記アンモニア水が浸透しにくい理由について鋭意検討した結果、該基質の内部に存在する空気、該基質の表面に付着する空気又は該表面から放散した空気によって該基質が膨張して嵩密度が減少し、該アンモニア水の該基質への浸透が阻害されることを知見した。
【００１１】
本発明は、前記知見に基づいてなされたものであり、前記目的を達成するために、反応容器で、基質である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温度に加熱すると共に該温度に所定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を備えるリグノセルロース系バイオマスの糖化前処理方法において、該基質混合物を得る工程では、該反応容器内に該基質を収容し、該反応容器内の空気を排気することにより該反応容器内を減圧した後に、該アンモニア水を添加して混合することを特徴とする。
【００１２】
本発明の前処理方法では、前記基質混合物を得る工程は次のように行う。まず、前記反応容器内に前記基質を収容する。次に、前記反応容器内の空気を排気することにより該反応容器内を減圧する。このとき、前記基質の表面に付着する空気又は該表面から放散した空気が前記反応容器外へ排気される。この後、前記反応容器内の前記基質に前記アンモニア水を添加して混合する。
【００１３】
前記混合の際、前記基質の表面に付着する空気及び該表面から放散した空気が前記反応容器外へ排気されていることにより、前記基質の膨張を抑制することができるとともに、該基質に前記アンモニア水を十分に浸透させることができる。この結果、前記アンモニア含有糖化前処理物を得る工程において、確実に、前記基質からリグニンを解離させ又は該基質を膨潤させることができる。
【００１４】
本発明の前処理方法は、さらに、前記アンモニア含有糖化前処理物から放散されたアンモニアを、前記反応容器に接続された排気導管を介して、アンモニアを回収するアンモニア回収手段に案内する工程を備え、前記基質混合物を得る工程では、該反応容器内の減圧を、該反応容器内の空気を該排気導管を介して排気する真空ポンプにより行うことが好ましい。
【００１５】
このようにすることにより、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放散させて、前記排気導管を介して前記アンモニア回収手段にて回収することができる。前記アンモニア回収手段にて回収されたアンモニアは、水に溶解させてアンモニア水とすることにより、前記基質混合物を得る工程で再利用することができる。
【００１６】
また、前記基質混合物を得る工程において、前記反応容器内の減圧を、前記アンモニアの回収に用いる前記排気導管を介して排気させることにより、該排気導管を有効に利用することができる。
【００１７】
さらに、前記真空ポンプを用いる場合には、反応容器内の空気を、前記排気導管の前記アンモニア回収手段の上流側で外部に排気することが好ましい。このようにすることにより、前記アンモニア回収手段に空気が流入することを阻止して、流入する該空気と共に該アンモニア回収手段内のアンモニアが外部に排出されて該アンモニアの回収効率が低下することを防ぐことができる。
【００１８】
ところで、本発明の前処理方法では、前記反応容器の排気口に前記基質が付着する等して、該反応容器の気密性が低下し、該反応容器内の減圧を正常に行うことができないことがある。
【００１９】
そこで、本発明の前処理方法は、前記反応容器内の圧力を検知し、該反応容器内が所定圧力に達した後さらに該減圧を所定時間保持した後の圧力と該所定圧力との差分が所定範囲を超えたとき、該反応容器の気密性に異常があると判断することが好ましい。
【００２０】
前記反応容器の気密性に異常があると判断されたときには、該反応容器の排気口に前記基質が付着していないか等を点検し、該基質を除去する等して、該気密性を改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本実施形態の前処理方法を実施する装置構成を示すシステム構成図。
【図２】図１に示す２元系ヒートポンプのラインの一例を概略的に示す説明図。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
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。
【００２３】
本実施形態では、前処理として、基質とアンモニア水とを混合した基質混合物を加熱してアンモニア含有糖化前処理物を得た後に、該アンモニア含有糖化前処理物からアンモニアを除去してアンモニア分離糖化前処理物を得る。さらに、アンモニア分離糖化前処理物に糖化酵素を含む溶液を添加して得られる基質・糖化酵素混合物を酵素糖化処理に供する。
【００２４】
本実施形態の前処理方法は、図１に示す前処理装置１を用いて実施することができる。
【００２５】
前処理装置１は、反応容器２と、アンモニア水凝縮器３と、アンモニア水吸収塔４と、アンモニア水タンク５とを備えている。
【００２６】
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、図示しない糖化酵素溶液供給導管、酸水溶液供給導管及びイオン交換水供給導管とが配設されていると共に、アンモニアガス及び水蒸気を排出しアンモニア水凝縮器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。
【００２７】
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。また、前記糖化酵素溶液供給導管は、糖化酵素を含む溶液（以下、糖化酵素溶液と略記する）を反応容器２に供給し、前記酸水溶液供給導管は、希硫酸等の酸水溶液を反応容器２に供給する。
【００２８】
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撹拌翼１２ａとを備える。
【００２９】
また、反応容器２の内部には、圧力を検知する圧力センサ１３が設けられている。圧力センサ１３は、反応容器２内の圧力が所定圧力Ｐ１に達し、さらに所定時間が経過した後の圧力Ｐ２と、該所定圧力Ｐ１との差分が所定範囲、例えば０〜１０ｋＰａの範囲を超えたときに異常と判断する図示しない異常判断手段に接続されている。
【００３０】
また、反応容器２の外側には、熱媒体が流通されるジャケット１４が配設され、ジャケット１４には温水導管１５が接続されている。
【００３１】
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、空冷ファン１８、２元系ヒートポンプ１９、逆止弁２０、開閉弁２１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。
【００３２】
温水導管１５は、逆止弁２０と開閉弁２１との間から分岐する温水バイパス導管２２を備えている。温水バイパス導管２２は、開閉弁２３を介して温水タンク１６に接続され、開閉弁２３の下流に流量計２４を備えている。
【００３３】
尚、温水タンク１６には第１補給水導管２５が設けられており、第１補給水導管２５は第１給水弁２５ａを介して第１補給水タンク２６に接続されている。
【００３４】
アンモニア水凝縮器３は、第１排気導管８から導入されたアンモニアガス及び水蒸気の少なくとも一部を冷却することにより該アンモニアガス及び水蒸気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２７を備えている。第１排液導管２７は、凝縮したアンモニア水をさらに冷却する凝縮水タンク２８、第１排液ポンプ２９を介してアンモニア水タンク５に接続されている。
【００３５】
また、アンモニア水凝縮器３は、凝縮しなかったアンモニアガス及び水蒸気を排出し、アンモニア水タンク５に案内する第２排気導管３０を備えており、第２排気導管３０は開閉弁３１を介してアンモニア水タンク５に接続されている。第２排気導管３０は開閉弁３１の上流で第３排気導管３２を分岐しており、第３排気導管３２は途中に真空ポンプ３３を備え、開閉弁３１の下流で第２排気導管３０に合流している。
【００３６】
また、第３排気導管３２の真空ポンプ３３の上流には開閉弁３４が設けられ、真空ポンプ３３の下流には開閉弁３５が設けられている。第３排気導管３２は、真空ポンプ３３と開閉弁３５との間で第４排気導管３６を分岐している。第４排気導管３６には開閉弁３７が設けられ、第４排気導管３６の他端は大気に開放されている。
【００３７】
アンモニア水吸収塔４は、底部でアンモニア水タンク５の天面に連通しており、第２排気導管３０によりアンモニア水タンク５に案内されたアンモニアガス及び水蒸気をアンモニア水に吸収（溶解）させる。このため、アンモニア水吸収塔４は、アンモニア水循環導管３８を介してアンモニア水タンク５から供給される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。
【００３８】
アンモニア水循環導管３８は、アンモニア水タンク５から循環ポンプ４０、アンモニア水熱交換器４１、アンモニア水濃度センサ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。また、アンモニア水吸収塔４には、第２補給水導管４３が設けられており、第２補給水導管４３は第２給水弁４４を介して第２補給水タンク４５に接続されている。
【００３９】
アンモニア水タンク５は、アンモニア水を排出する第２排液導管４６を備えており、第２排液導管４６は、第２排液ポンプ４７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。
【００４０】
また、アンモニア水凝縮器３には、第１排気導管８から導入されたアンモニアガス及び水蒸気を冷却する低温水導管４８が接続されている。低温水導管４８はアンモニア水凝縮器３から導出された第２の熱媒体としての低温水を低温水１次タンク４９、低温水１次ポンプ５０、２元系ヒートポンプ１９、第１切替弁５１、アンモニア水熱交換器４１、凝縮水タンク２８を介して、アンモニア水凝縮器３に循環させるようになっている。
【００４１】
第１切替弁５１には低温水バイパス導管５２が接続されており、低温水バイパス導管５２は第２切替弁５３を介して他端部が低温水１次タンク４９に接続される。また、第２切替弁５３には冷水導管５５が接続されており、冷水導管５５は他端部が低温水２次タンク５６に接続されている。第１切替弁５１、第２切替弁５３は、低温水の流路を切り替えることができる。
【００４２】
低温水２次タンク５６には冷水供給導管５７が設けられており、冷水供給導管５７は低温水２次ポンプ５８を介して、第１切替弁５１の下流側で低温水導管４８に接続されている。尚、低温水１次タンク４９には第３補給水導管５９が設けられており、第３補給水導管５９は第３給水弁６０を介して第３補給水タンク６１に接続されている。
【００４３】
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。
【００４４】
前処理装置１では、まず、前回の処理で得られた糖化処理物が反応容器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。
【００４５】
次に、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、例えば反応容器２への稲藁の供給を開始した後、２元系ヒートポンプ１９の運転を開始する。また、温水導管１５からジャケット１４へ加熱用熱媒体としての温水が供給されて、ジャケット１４と２元系ヒートポンプ１９との間で循環が開始され、熱媒体としての温水自体及びジャケット１４を昇温する。
【００４６】
次に、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。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、撹拌翼１２ａで前記稲藁とアンモニア水とが攪拌されることにより、基質混合物が調製される。本実施形態では、前記作動が基質混合物を得る工程に相当する。
【００４７】
前記基質混合物は、温水導管１５からジャケット１４に供給される温水により、反応容器２内で所定の温度、例えば８０〜８５℃の範囲の温度に昇温される。前記基質混合物が前記所定温度に達するまでの間、撹拌翼１２ａによる撹拌が継続される。
【００４８】
次に前記基質混合物が前記所定の温度に昇温された後、前記撹拌及び温水ポンプ１７及び２元系ヒートポンプ１９が停止され、加熱が終了し、該基質混合物は該所定の温度に所定の時間、例えば１〜６時間保持される。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て、該基質としての稲藁が酵素糖化反応可能な状態とされたアンモニア含有糖化前処理物を得ることができる。本実施形態では、前記作動がアンモニア含有糖化前処理物を得る工程に相当する。
【００４９】
次に、前処理装置１では、アンモニア分離糖化前処理物を得る工程を開始するために、２元系ヒートポンプ１９の運転を再開し、さらにジャケット１４への温水の供給を開始させる。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水をアンモニア水及び水蒸気として放散させ、バグフィルタ１０を介して第１排気導管８からアンモニア水凝縮器３に案内する。このとき、反応容器２内の圧力は前記加熱により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アンモニア水を容易に放散させることができる。
【００５０】
前記アンモニアガス及び水蒸気は、低温水導管４８からアンモニア水凝縮器３に供給される低温水により冷却され、その一部が凝縮し液化してアンモニア水となり、第１排液導管２７を介して凝縮水タンク２８に排出される。前記アンモニア水は、凝縮水タンク２８において低温水導管４８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２９を介してアンモニア水タンク５に送られる。
【００５１】
また、前記アンモニアガス及び水蒸気の残部は、開閉弁３１を開弁することにより第２排気導管３０を介してアンモニア水タンク５に導入される。前記アンモニアガス及び水蒸気の圧力は、放散されるに従って低下し、大気圧に等しくなるとそれ以上の放散が難しくなる。
【００５２】
そこで、前記アンモニアガス及び水蒸気の圧力が大気圧に等しくなったならば、開閉弁３１を閉弁し開閉弁３４及び開閉弁３５を開弁すると共に、真空ポンプ３３を作動させることにより、反応容器２内のアンモニアガス及び水蒸気を吸引し、第２排気導管３０及び第３排気導管３２を介してアンモニア水タンク５に導入する。
【００５３】
アンモニア水タンク５に導入された前記アンモニアガス及び水蒸気は、次いでアンモニア水タンク５に連通するアンモニア水吸収塔４に導入される。アンモニア水吸収塔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、前記アンモニアガス及び水蒸気を該アンモニア水に吸収（溶解）及び凝縮させる。
【００５４】
本実施形態では、前記アンモニアガス及び水蒸気のアンモニア水凝縮器３における凝縮と、アンモニア水吸収塔４における吸収とが、放散されたアンモニアガス及び水蒸気をアンモニア水として回収する工程に相当する。
【００５５】
このとき、アンモニア水循環導管３８の途中に設けられたアンモニア水熱交換器４１により、前記アンモニアガス及び水蒸気を前記アンモニア水に吸収（溶解）及び凝縮させる際に生成する溶解熱及び潜熱が低温水導管４８を流通する低温水により回収されると共に、該アンモニア水が冷却される。
【００５６】
アンモニア水タンク５に貯留されるアンモニア水は、アンモニア水凝縮器３及び凝縮水タンク２８における凝縮及び冷却と、アンモニア水吸収塔４におけるアンモニア水への溶解との結果、例えば１５〜２０℃の範囲の温度に冷却されている。前記範囲の温度に冷却されたアンモニア水は、第２排液導管４６を介して第２排液ポンプ４７により外部へ取り出され、反応容器２における前記基質混合物の調製に再利用される。
【００５７】
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アンモニア水が放散された結果、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。
【００５８】
次に、反応容器２に、前記酸水溶液供給導管を介して前記酸水溶液を供給し、撹拌するとともに、前記糖化酵素溶液供給導管を介して前記糖化酵素溶液を供給し、撹拌する。これにより、前記アンモニア分離糖化前処理物と前記糖化酵素溶液とが混合された基質・糖化酵素混合物を得ることができる。このとき、必要に応じてイオン交換水供給導管を介してイオン交換水を供給し、前記基質・糖化酵素混合物の含水率を調節してもよい。
【００５９】
次に、反応容器２内で酵素糖化処理を行うことにより、前記基質・糖化酵素混合物は少なくとも一部が糖化された後、得られた糖化処理物は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。
【００６０】
次に、反応容器２におけるアンモニア含有糖化前処理物を得るときの前記基質混合物の加熱について、さらに詳細に説明する。
【００６１】
まず、反応容器２での基質の加熱について説明する。基質供給導管６により反応容器２へ前記基質が供給を開始した後、温水が温水導管１５を介して反応容器２のジャケット１４に供給される。この結果、熱媒体（温水）自体及びジャケット１４の加熱が開始される。その後、アンモニア水供給導管７によりアンモニア水が供給され、前記基質と該アンモニア水とが撹拌翼１２ａで撹拌されて混合されることにより基質混合物が調製される。
【００６２】
本実施形態の前処理方法では、基質混合物を調製する前から前記熱媒体及びジャケット１４の加熱を開始すること、そして温水タンク１６内にこの前に行った前処理時にアンモニア分離前処理物を得る工程時に回収された温水を使用できるため、該基質混合物が前記所定の温度に昇温するまでに要する時間を短縮することができる。また、前記基質混合物が前記所定の温度に昇温するまでの間に撹拌翼１２ａにより撹拌が行われているが、撹拌時間を短縮することができ、撹拌に要するエネルギーを低減することができる。
【００６３】
次に、低温水１次タンク４９に貯留されている低温水の循環ルートを示す。アンモニア含有糖化前処理物を得るときは、第１切替弁５１を作動させ、低温水導管４８と低温水バイパス導管５２とを接続するように切り替える。
【００６４】
このようにすると、低温水１次タンク４９に貯留されている低温水が、低温水１次ポンプ５０を経由し、低温水導管４８及び低温水バイパス導管５２により、低温水１次ポンプ５０、２元系ヒートポンプ１９、第１切替弁５１、第２切替弁５３を経て、低温水１次タンク４９に戻る経路で循環されるようになる。
【００６５】
このとき、低温水導管４８に循環される前記低温水は、前述のように、２元系ヒートポンプ１９の第１熱交換器７４で前記二酸化炭素と熱交換することにより、アンモニア水凝縮器３でアンモニアガスを凝縮させることができる温度、例えば１０〜１５℃の範囲の温度を目標に冷却される。ただし、始動時はその温度よりも高くなっているので低温水１次タンク４９に戻る経路で循環されている。
【００６６】
次に、温度センサ５４により検出される前記低温水の温度が、目標の１０〜１５℃の範囲の温度に冷却されたならば、第２切替弁５３が低温水バイパス導管５２と冷水導管５５とを接続するように切り替えられる。この結果、１０〜１５℃の範囲の温度以下の低温水（以下、冷水という）が低温水２次タンク５６に貯留され、アンモニア分離糖化前処理物を得る工程で使われることとなる。
【００６７】
次に、２元系ヒートポンプ１９について、詳細に説明する。２元系ヒートポンプ１９は２種類の熱媒体を用いるヒートポンプであり、図２に示すように、第１の循環導管７１と、第２の循環導管７２との２種類の熱媒体の循環系を備えている。前記２種類の熱媒体として、例えば、第１の循環導管７１には二酸化炭素が循環され、第２の循環導管７２にはトリフルオロエタノールが循環される。
【００６８】
第１の循環導管７１は、途中に膨張弁７３、低温水導管４８に循環される低温水と熱交換する第１熱交換器７４、圧縮機７５、第２の循環導管７２に循環されるトリフルオロエタノールと熱交換する第２熱交換器７６を備えている。また、第２の循環導管７２は、途中に膨張弁７７、第１の循環導管７１に循環される二酸化炭素と熱交換する第２熱交換器７６、圧縮機７８、温水導管１５に循環される温水と熱交換する第３熱交換器７９を備えている。
【００６９】
前記低温水は、２元系ヒートポンプ１９の第１熱交換器７４において二酸化炭素と熱交換することによりアンモニア水凝縮器３でアンモニアガス及び水蒸気を凝縮させることができる温度、例えば１０〜１５℃に冷却される。また前記二酸化炭素は、２元系ヒートポンプ１９の第１熱交換器７４において前記低温水と熱交換することにより加熱される。
【００７０】
また、２元系ヒートポンプ１９では、第２の循環導管７２に循環されるトリフルオロエタノールが、第２熱交換器７６で第１の循環導管７１により供給される前記二酸化炭素と熱交換することにより加熱される。前記トリフルオロエタノールは、第３熱交換器７９で温水導管１５により供給される温水と熱交換して冷却される。この結果、温水導管１５により第３熱交換器７９に供給される前記温水は、反応容器２において前記基質混合物を加熱することができる温度に加熱される。
【００７１】
次に、アンモニア水凝縮器３によるアンモニアガス及び水蒸気の冷却及び凝縮について、さらに詳細に説明する。
【００７２】
前処理装置１では、まず、アンモニア分離前処理物を得る初期段階を除く通常時は、第１切替弁５１により低温水導管４８の上流と下流とが接続されており、低温水１次ポンプ５０が作動されている。
【００７３】
この結果、低温水１次タンク４９に貯留されている低温水が、低温水導管４８により取り出され、低温水１次ポンプ５０、２元系ヒートポンプ１９、第１切替弁５１、アンモニア水熱交換器４１、凝縮水タンク２８、アンモニア水凝縮器３を経て、低温水１次タンク４９に戻る経路で循環される。
【００７４】
このとき、前記低温水は、２元系ヒートポンプ１９を介して、温水と熱交換することにより冷却される。そして、前記低温水は、アンモニア水熱交換器４１及び凝縮水タンク２８でアンモニア水と熱交換して該アンモニア水を冷却し、アンモニア水凝縮器３でアンモニアガス及び水蒸気と熱交換することにより該アンモニアガス及び水蒸気を冷却する。一方、前記低温水自体は、前記アンモニア水、及び前記アンモニアガス及び水蒸気により加熱される。
【００７５】
次に、アンモニア分離前処理物を得る工程の初期段階について説明する。排気弁９を開弁して反応容器２内のアンモニア含有糖化前処理物から放散されるアンモニアガス及び水蒸気がアンモニア水凝縮器３に導入される段階に至ったならば、第２切替弁５３により低温水バイパス導管５２と冷水導管５５とが接続された状態で、低温水２次ポンプ５８が作動される。このようにすると、低温水２次タンク５６に貯留されている前記冷水が冷水供給導管５７及び低温水導管４８を介し、アンモニア水熱交換器４１、凝縮水タンク２８を経由して、アンモニア水凝縮器３に供給される。
【００７６】
本実施形態の前処理方法は回分（バッチ）式であるので、アンモニア水凝縮器３において、アンモニアガス及び水蒸気を凝縮させる際に、前記放散の初期段階では、アンモニア含有糖化前処理物から高濃度且つ大量のアンモニアガス及び少量の水蒸気が放散され、該高濃度のアンモニアガス及び少量の水蒸気がアンモニア水凝縮器３に導入される。このため、前記初期段階では、前記高濃度のアンモニアガス及び少量の水蒸気を冷却するために大きな冷却熱エネルギーが必要となる。そこで、前述のように、低温水２次タンク５６に貯留されている前記冷水をアンモニア水凝縮器３に供給することにより、前記高濃度かつ大量のアンモニアガス及び少量の水蒸気を効率よく冷却し、十分に凝縮させることができる。
【００７７】
その後、低温水２次タンク５６に貯留される前記冷水の水位が下限に達したことが水位センサ（図示せず）により検出されたならば、第１切替弁５１が低温水導管４８の上流と下流とを接続するように切り替えられる。
【００７８】
そして、アンモニア水凝縮器３から導出された低温水が低温水導管４８により、低温水１次タンク４９、低温水１次ポンプ５０、２元系ヒートポンプ１９、第１切替弁５１、アンモニア水熱交換器４１、凝縮水タンク２８を介して、アンモニア水凝縮器３に循環される通常の冷却状態に移行する。このときには、放散されるアンモニアガス及び水蒸気のアンモニアガスの濃度も量も既に低減しているので、前記通常の冷却状態の低温水により十分に前記アンモニアガス及び水蒸気を冷却し、凝縮させることができる。
【００７９】
さらに、本実施形態の前処理方法では、前記基質混合物を得る工程において、反応容器２に前記基質を供給した後且つ前記アンモニア水を供給する前に、次のようにして、反応容器２内の空気を外部へ排出する。
【００８０】
まず、反応容器２を密閉し、開閉弁３１及び開閉弁３５を閉弁する共に、排気弁９、開閉弁３４及び開閉弁３７を開弁した状態で、真空ポンプ３３を作動させる。これにより、反応容器２内の空気、前記基質の表面に付着する空気及び該表面から放散した空気等が、第１排気導管８、第２排気導管３０、第３排気導管３２及び第４排気導管３６を介して大気に排気され、該反応容器２内が減圧される。
【００８１】
このとき、圧力センサ１３により検知された反応容器２内の圧力が所定圧力Ｐ１に達した後、所定時間が経過した後の圧力Ｐ２を圧力センサ１３により検知し、図示しない前記異常判断手段により、該圧力Ｐ２を該所定圧力Ｐ１と比較する。そして、前記圧力Ｐ２と前記所定圧力Ｐ１との差分が前記所定範囲以内である場合には、前記異常判断手段は正常であると判断し、その後、反応容器２へのアンモニア水の供給が行われる。
【００８２】
一方、前記圧力Ｐ２と前記所定圧力Ｐ１との差分が前記所定範囲を超える場合には、前記異常判断手段は異常と判断する。この場合には、作業者は、反応容器２の排気弁９等に前記基質が付着していないか等を点検し、該基質を除去する等して反応容器２の気密性を確保する。その後、再び前記減圧が行われる。
【００８３】
本実施形態の前処理方法によれば、前記基質の表面に付着する空気及び該表面から放散した空気が除去されていることにより、前記基質の膨張を抑制することができるとともに、該基質に前記アンモニア水を混合したときに、該基質に前記アンモニア水が十分に浸透された前記基質混合物を得ることができる。
【００８４】
この結果、前記基質混合物を加熱して前記アンモニア含有糖化前処理物を得る工程において、確実に、前記基質からリグニンを解離させ又は該基質を膨潤させることができる。
【００８５】
また、前記基質の表面に付着する空気等を反応容器２外へ放出する際に、アンモニア水吸収塔４の上流で第３排気導管３２から分岐した第４排気導管３６を介して外部に排気するので、アンモニア水吸収塔４へ空気が流入することを阻止することができる。これにより、アンモニア水吸収塔４に流入する空気と共にアンモニア水吸収塔４内のアンモニアが外部に排出されて、アンモニアの回収効率が低下することを防ぐことができる。
【符号の説明】
【００８６】
１…前処理装置、  ２…反応容器、  ３，４…アンモニア回収手段、  ８，３０，３２，３６…排気導管３３…真空ポンプ。
【図１】
2015149956.tif 000003
【図２】
2015149956.tif 000004