(57)【要約】【課題】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蒸気と水蒸気との混合ガスを、その量に関わらず、適切な量の冷却熱エネルギーにより効率よく冷却できる方法を提供する。【解決手段】基質混合物を加熱する温水を加熱するヒートポンプ２０に、低温水を供給し、温水と熱交換させて低温水を冷却し、冷却された低温水を用いてアンモニア含有前処理物から放散される混合ガスを冷却する。第２温度センサ６２で測定される測定温度と目標温度範囲とを比較し、低温水１次ポンプ５０の流量と低温水２次ポンプ５８の流量とを調整する。【選択図】  図１
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【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すると共に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ると共に水に溶解させてアンモニア水として回収する工程とを備え、
該基質混合物を加熱する第１の熱媒体を加熱するヒートポンプに、第２の熱媒体を供給し、第１の熱媒体との間で熱交換させることにより第２の熱媒体を冷却し、冷却された第２の熱媒体を用いて該混合ガスを冷却するバイオマスの前処理方法において、
第２の熱媒体を該ヒートポンプと該混合ガスを冷却する部分とに循環させる主循環経路に、該混合ガスを冷却する部分を回避して該ヒートポンプに循環させるバイパス循環経路を設け、第２の熱媒体を該バイパス循環経路に循環させることにより、第２の熱媒体を該主循環経路に循環させるときの温度よりも低温に冷却し、該主循環経路に循環させるときの温度よりも低温に冷却された第２の熱媒体を予め貯留槽に所定量貯留しておくと共に、
第２の熱媒体が該ヒートポンプで第１の熱媒体と熱交換可能な最低温度から該アンモニア水の沸点までの範囲を目標温度範囲とし、該目標温度範囲と該主循環経路の該混合ガスを冷却する部分の下流で測定される測定温度とを比較し、
該測定温度が該目標温度範囲未満のときには該ヒートポンプから該混合ガスを冷却する部分に供給される第２の熱媒体の量が該貯留槽から該混合ガスを冷却する部分に供給される低温に冷却された第２の熱媒体の量よりも多くなるようにし、該測定温度が該目標温度範囲を超えるときには該貯留槽から該混合ガスを冷却する部分に供給される低温に冷却された第２の熱媒体の量が該ヒートポンプから該混合ガスを冷却する部分に供給される第２の熱媒体の量よりも多くなるようにすることを特徴とするバイオマスの前処理方法。
【請求項２】
請求項１記載のバイオマスの前処理方法において、前記ヒートポンプは２元系ヒートポンプであることを特徴とするバイオマスの前処理方法。
【請求項３】
請求項１又は請求項２記載のバイオマスの前処理方法において、前記第２の熱媒体の貯留は、前記基質混合物を得る工程から前記アンモニア含有糖化前処理物を得る工程までの間に行われることを特徴とするバイオマスの前処理方法。
【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バイオマスの前処理方法に関する。
【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、糖化酵素を用いて該セルロースを糖化処理することによりグルコース等の糖に分解し、得られたグルコース等の糖を発酵させてエタノールを得ることができる。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。
【０００４】
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、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したアンモニア含有糖化前処理物を得ることができる。
【０００５】
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。
【０００６】
また、前記アンモニア水は、前記前処理後、前記アンモニア含有糖化前処理物の加熱により発生したアンモニア蒸気と水蒸気との混合ガスを冷却して凝縮させると共に水に溶解させることにより回収することができる。そこで、前記前処理方法において、前記基質混合物を加熱する第１の熱媒体を加熱するヒートポンプに、第２の熱媒体を供給し、第１の熱媒体との間で熱交換させることにより第２の熱媒体を冷却し、冷却された第２の熱媒体を用いて前記混合ガスを冷却する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００７】
ところが、前記前処理方法は、回分（バッチ）式で行うと、前記基質混合物の前処理終了直後に、前記アンモニア含有糖化前処理物から大量の前記混合ガスが放散される。前記混合ガス中のアンモニアの濃度と量とは次第に減少するが、前記前処理終了直後の大量の前記混合ガスの冷却には大きな冷却熱エネルギーを要し、ヒートポンプ始動時の少量の第２の熱媒体では速やかに冷却することが難しいという問題がある。
【０００８】
前記問題を解決するために、前記アンモニア含有糖化前処理物から放散される前記混合ガスが少量になるまでの間、前記ヒートポンプと前記混合ガスを冷却する部分との間に循環させるときの温度よりも低温に冷却された第２の熱媒体により該混合ガスを冷却する方法が提案されている（特許文献２参照）。
【０００９】
特許文献２に記載の方法では、第２の熱媒体を前記ヒートポンプと前記混合ガスを冷却する部分との間に循環させる主循環経路に、該混合ガスを冷却する部分を回避して該ヒートポンプに循環させるバイパス循環経路を設けている。そして、前記基質混合物を第１の熱媒体により加熱して所定温度に所定時間保持している間に、第２の熱媒体を前記バイパス循環経路に循環させることにより、前記主循環経路に循環させるときの温度よりも低温に冷却された第２の熱媒体を製造している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２０１０−１４２６８０号公報
【特許文献２】特開２０１３−５９２７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、前記特許文献２に記載の方法では、前記前処理終了直後から前記混合ガスが少量になるまでの間、次第に減少する該混合ガスに対して、前記主循環経路に循環させるときの温度よりも低温に冷却された第２の熱媒体による冷却を行うと冷却熱エネルギーが過剰になることがあるという不都合がある。
【００１２】
本発明は、かかる不都合を解消して、前記アンモニア含有糖化前処理物から放散される前記混合ガスをその量に関わらず、適切な量の冷却熱エネルギーにより効率よく冷却することができる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】
【００１３】
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すると共に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ると共に水に溶解させてアンモニア水として回収する工程とを備え、該基質混合物を加熱する第１の熱媒体を加熱するヒートポンプに、第２の熱媒体を供給し、第１の熱媒体との間で熱交換させることにより第２の熱媒体を冷却し、冷却された第２の熱媒体を用いて該混合ガスを冷却するバイオマスの前処理方法において、第２の熱媒体を該ヒートポンプと該混合ガスを冷却する部分とに循環させる主循環経路に、該混合ガスを冷却する部分を回避して該ヒートポンプに循環させるバイパス循環経路を設け、第２の熱媒体を該バイパス循環経路に循環させることにより、第２の熱媒体を該主循環経路に循環させるときの温度よりも低温に冷却し、該主循環経路に循環させるときの温度よりも低温に冷却された第２の熱媒体を予め貯留槽に所定量貯留しておくと共に、第２の熱媒体が該ヒートポンプで第１の熱媒体と熱交換可能な最低温度から該アンモニア水の沸点までの範囲を目標温度範囲とし、該目標温度範囲と該主循環経路の該混合ガスを冷却する部分の下流で測定される測定温度とを比較し、該測定温度が該目標温度範囲未満のときには該ヒートポンプから該混合ガスを冷却する部分に供給される第２の熱媒体の量が該貯留槽から該混合ガスを冷却する部分に供給される低温に冷却された第２の熱媒体の量よりも多くなるようにし、該測定温度が該目標温度範囲を超えるときには該貯留槽から該混合ガスを冷却する部分に供給される低温に冷却された第２の熱媒体の量が該ヒートポンプから該混合ガスを冷却する部分に供給される第２の熱媒体の量よりも多くなるようにすることを特徴とする。
【００１４】
本発明のバイオマスの前処理方法は、回分（バッチ）式であり、まず、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。
【００１５】
次に、前記基質混合物を第１の熱媒体により加熱して所定の温度に所定の時間保持することにより、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てアンモニア含有糖化前処理物を得る。前記アンモニア含有糖化前処理物は、前記基質としてのリグノセルロース系バイオマスが酵素糖化反応可能な状態に前処理されているが、アンモニアを含有しているためにｐＨが高く、そのままでは酵素糖化反応に供することができない。
【００１６】
そこで、次に、前記アンモニア含有糖化前処理物からアンモニア蒸気を水蒸気と共に放散させて分離する一方、放散されたアンモニア蒸気と水蒸気との混合ガスを冷却して凝縮させると共に水に溶解させてアンモニア水として回収する。この結果、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、該アンモニア分離糖化前処理物を酵素糖化反応に供することができる。
【００１７】
前記混合ガスの冷却は、前記基質混合物を加熱する第１の熱媒体を加熱するヒートポンプに、第２の熱媒体を供給し、第１の熱媒体との間で熱交換させることにより第２の熱媒体を冷却し、冷却された第２の熱媒体を用いて行う。ところで、本発明のバイオマスの前処理方法は回分式であるので、前記基質混合物の前処理直後には、前記アンモニア含有糖化前処理物から大量の前記混合ガスが放散されることとなり、該混合ガス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。
【００１８】
そこで、本発明のバイオマスの前処理方法では、前記第２の熱媒体を前記ヒートポンプと前記混合ガスを冷却する部分とに循環させる主循環経路に、該混合ガスを冷却する部分を回避して該ヒートポンプに循環させるバイパス循環経路を設け、第２の熱媒体を該バイパス循環経路に循環させる。このようにすると、前記第２の熱媒体は、冷却熱エネルギーが前記混合ガスの冷却により失われることがないので、前記バイパス循環経路による循環を繰り返すに従い次第により低温に冷却される。
【００１９】
そこで、前記のようにして、前記第２の熱媒体を前記主循環経路に循環させるときの温度よりも低温に冷却し、該主循環経路に循環させるときの温度よりも低温に冷却された第２の熱媒体を予め所定量貯留しておく。そして、前記主循環経路の前記混合ガスを冷却する部分の下流で測定される測定温度を目標温度と比較し、前記ヒートポンプから該混合ガスを冷却する部分に供給される第２の熱媒体の量と、前記貯留槽から該混合ガスを冷却する部分に供給される低温に冷却された第２の熱媒体の量とを調整する。
【００２０】
前記目標温度範囲は、第２の熱媒体が前記ヒートポンプで第１の熱媒体と熱交換可能な最低温度から前記アンモニア水の沸点までの範囲である。第２の熱媒体の温度が前記ヒートポンプで第１の熱媒体と熱交換可能な最低温度未満になると、該ヒートポンプを機能させることができず、第２の熱媒体との熱交換により第１の熱媒体を加熱することができなくなる。また、第２の熱媒体の温度が前記アンモニア水の沸点を超えると、前記混合ガスを冷却する部分で該混合ガスを凝縮させることができなくなる。
【００２１】
また、前記調整は、前記測定温度が前記目標温度範囲未満のときには、前記混合ガスを冷却するための冷却熱エネルギーが過剰になっているので、前記ヒートポンプから前記混合ガスを冷却する部分に供給される第２の熱媒体の量が、前記貯留槽から該混合ガスを冷却する部分に供給される低温に冷却された第２の熱媒体の量よりも多くなるようにする。一方、前記測定温度が前記目標温度範囲を超えるときには、前記混合ガスを冷却するための冷却熱エネルギーが不足しているので、前記貯留槽から該混合ガスを冷却する部分に供給される低温に冷却された第２の熱媒体の量が、前記ヒートポンプから該混合ガスを冷却する部分に供給される第２の熱媒体の量よりも多くなるようにする。
【００２２】
この結果、本発明のバイオマスの前処理方法によれば、前記アンモニア含有糖化前処理物から放散される前記混合ガスを、その量に関わらず、適切な量の冷却熱エネルギーにより効率よく冷却することができる。
【００２３】
本発明のバイオマスの前処理方法において、前記ヒートポンプは、単一の熱媒体を用いるものであってもよいが、２種類の熱媒体を備える２元系ヒートポンプを用いることにより、前記アンモニアの冷却をさらに効率よく行うことができる。
【００２４】
また、本発明のバイオマスの前処理方法において、前記第２の熱媒体の貯留は、前記基質混合物を得る工程と前記アンモニア含有糖化前処理物を得る工程との間に行われることが好ましい。本発明のバイオマスの前処理方法は回分式であるので、前記基質混合物を得る工程と前記アンモニア含有糖化前処理物を得る工程との間は、前記混合ガスの冷却は行われていない。従って、前記基質混合物を得る工程と前記アンモニア含有糖化前処理物を得る工程との間に前記ヒートポンプを稼働することにより、効率よく前記第２の熱媒体の貯留を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【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】
【００２６】
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。
【００２７】
本実施形態のバイオマスの前処理方法は、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。
【００２８】
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、制御装置６とを備えている。
【００２９】
反応容器２は、上部に、基質供給導管７と、アンモニア水供給導管８とが配設されていると共に、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９が排気弁１０とバグフィルタ１１とを介して配設されている。基質供給導管７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８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。
【００３０】
また、反応容器２は、上部に配設されたモータ１２と、モータ１２から反応容器２内部に垂下される回転軸１３と、回転軸１３から水平方向に延出された攪拌翼１４とを備えると共に、熱媒体が流通されるジャケット１５を外側に備えている。ジャケット１５には温水導管１６が接続されている。
【００３１】
温水導管１６は、ジャケット１５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１７、温水ポンプ１８、空冷ファン１９、２元系ヒートポンプ２０、逆止弁２１、開閉弁２２を介して、ジャケット１５の底部に循環させるようになっている。温水ポンプ１８、空冷ファン１９、２元系ヒートポンプ２０は、それぞれ制御装置６に接続されており、制御装置６によりその作動が制御される。
【００３２】
温水導管１６は、逆止弁２１と開閉弁２２との間から分岐する温水バイパス導管２３を備えており、温水バイパス導管２３は開閉弁２４を介して温水タンク１７に接続されている。開閉弁２２、開閉弁２４は、それぞれ制御装置６に接続されており、制御装置６の制御により温水の流路を切り替える。
【００３３】
尚、温水タンク１７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２６を介して第１補給水タンク２７に接続されている。
【００３４】
アンモニア凝縮器３は、第１排気導管９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、第１排液ポンプ３３を介してアンモニアタンク５に接続されている。
【００３５】
また、アンモニア凝縮器３は、凝縮し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。
【００３６】
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、アンモニア水循環導管３８を介してアンモニアタンク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。
【００３７】
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。また、アンモニア吸収塔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。
【００３８】
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８が接続されている。
【００３９】
また、アンモニア凝縮器３には、第１排気導管９から導入された前記混合ガス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２０、第１切替弁５１、アンモニア水熱交換器４１、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。
【００４０】
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に接続されている。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、それぞれ制御装置６に接続されており、制御装置６は２元系ヒートポンプ２０の下流側の低温水導管４８に設けられた第１温度センサ５４で検知される温度により第１切替弁５１、第２切替弁５３を制御して低温水の流路を切り替える。
【００４１】
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。
【００４２】
本実施形態の前処理装置１は、さらに、アンモニア凝縮器３の下流側の低温水導管４８に第２温度センサ６２を備えており、制御装置６は第２温度センサ６２で検知される温度により低温水１次ポンプ５０と低温水２次ポンプ５８との流量を調整するようになっている。
【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７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８からアンモニア水が反応容器２に供給される。
【００４５】
このとき、反応容器２では、モータ１２により回転軸１３が回転駆動され、攪拌翼１４で前記稲藁と前記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。
【００４６】
本実施形態では、前回のアンモニア分離糖化前処理物が反応容器２から排出された後、新たな基質とアンモニア水とが反応容器２に供給され、混合されて基質混合物が得られるまでの間が、基質混合物を得る工程に相当する。
【００４７】
前記基質混合物は、第１の熱媒体として温水導管１６からジャケット１５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℃の範囲の温度に加熱され、該温度に所定の時間保持される。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。
【００４８】
前処理装置１では、次に、排気弁１０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して水蒸気と共に放散させ、バグフィルタ１１を介して第１排気導管９からアンモニア凝縮器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１０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アンモニア蒸気と水蒸気との混合ガスを容易に放散させることができる。
【００４９】
前記混合ガスは、第２の熱媒体として低温水導管４８からアンモニア凝縮器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３１を介して凝縮タンク３２に排出される。前記アンモニア水は、凝縮タンク３２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３３を介してアンモニアタンク５に送られる。
【００５０】
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。前記混合ガスは、放散されるに従ってその圧力が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。そこで、前処理装置１では、前記混合ガスの圧力が大気圧に等しくなったならば、開閉弁３５を閉弁すると共に真空ポンプ３７を作動させて、反応容器２内の該混合ガスを吸引し、第２排気導管３４、第３排気導管３６を介してアンモニアタンク５に導入する。開閉弁３５及び真空ポンプ３７の作動は、独立の制御装置を設けて制御するようにしてもよく、制御装置６により制御するようにしてもよい。
【００５１】
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。本実施形態では、前記作動がアンモニア分離糖化前処理物を得る工程に相当する。
【００５２】
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。
【００５３】
一方、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。シャワリング装置３９及び循環ポンプ４０の作動は、独立の制御装置を設けて制御するようにしてもよく、制御装置６により制御するようにしてもよい。
【００５４】
本実施形態では、前記混合ガスのアンモニア凝縮器３における凝縮と、アンモニア吸収塔４における吸収（溶解）とが、放散された該混合ガス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の途中にはアンモニア水熱交換器４１が設けられており、前記混合ガスを前記アンモニア水に吸収（溶解）させる際に生成する溶解熱が低温水導管４８を流通する低温水により回収される。また、同時に、前記アンモニア水が冷却される。
【００５６】
また、アンモニア水循環導管３８にはアンモニア濃度センサ４２が設けられており、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のアンモニア濃度を検出する。そして、アンモニア濃度センサ４２により検出されるアンモニア濃度が所定の値、例えば反応容器２に供給されるアンモニア水の濃度以上になったときには、第２給水弁４４が開弁され、第２補給水タンク４５から第２補給水導管４３を介して、アンモニア吸収塔４に純水が補給される。この結果、アンモニアタンク５に貯留されるアンモニア水の濃度を所定の値、例えば反応容器２に供給されるアンモニア水の濃度に保持することができる。アンモニア濃度センサ４２により検出されるアンモニア濃度による第２給水弁４４の作動は、独立の制御装置を設けて制御するようにしてもよく、制御装置６により制御するようにしてもよい。
【００５７】
アンモニアタンク５に貯留されるアンモニア水は、アンモニア凝縮器３及び凝縮タンク３２における凝縮及び冷却と、アンモニア吸収塔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により取出され図示しないアンモニア水タンクに送られ、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。
【００５８】
次に、反応容器２における前記基質混合物の加熱について、さらに詳細に説明する。
【００５９】
前処理装置１では、前記基質混合物を得る工程の間に、制御装置６により開閉弁２２が閉弁されると共に開閉弁２４が開弁されて、温水導管１６と温水バイパス導管２３とを接続するように切り替えられる。同時に、制御装置６により温水ポンプ１８、空冷ファン１９及び２元系ヒートポンプ２０が作動される。
【００６０】
このようにすると、温水タンク１７に貯留されている温水が、温水導管１６により取出され、温水ポンプ１８、空冷ファン１９、２元系ヒートポンプ２０、逆止弁２１、開閉弁２４、温水バイパス導管２３を経て、温水タンク１７に戻る経路で循環される。ここで、前記温水は、その温度が２元系ヒートポンプ２０での熱交換が可能な温度以下の場合には、そのまま２元系ヒートポンプ２０において２元系ヒートポンプ２０の熱媒体と熱交換することにより加熱される。一方、前記温水の温度が２元系ヒートポンプ２０での熱交換が可能な温度より高い場合には、該温水は空冷ファン１９で冷却された後、２元系ヒートポンプ２０において２元系ヒートポンプ２０の熱媒体と熱交換することにより加熱される。
【００６１】
２元系ヒートポンプ２０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。
【００６２】
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１６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。
【００６３】
また、このとき、アンモニア凝縮器３、アンモニア吸収塔４では、前述のように前回の処理で生成した前記混合ガスの凝縮及び吸収が行われており、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ると共に、低温水１次ポンプ５０が作動されている。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により取出され、低温水１次ポンプ５０、２元系ヒートポンプ２０、第１切替弁５１、アンモニア水熱交換器４１、凝縮タンク３２、アンモニア凝縮器３を経て、低温水１次タンク４９に戻る経路で循環されている。
【００６４】
ここで、前記低温水は、アンモニア水熱交換器４１及び凝縮タンク３２でアンモニア水と熱交換し、アンモニア凝縮器３で前記混合ガスと熱交換することにより加熱され、同時に該アンモニア水及び該混合ガスが冷却されている。そして、前記低温水は、２元系ヒートポンプ２０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凝縮器３で前記混合ガスを凝縮させることができる温度に冷却される。また前記二酸化炭素は、２元系ヒートポンプ２０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。
【００６５】
また、２元系ヒートポンプ２０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１６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１６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。
【００６６】
前処理装置１では、前述のようにして温水導管１６に循環される前記温水の加熱を行うと、該温水は２元系ヒートポンプ２０の始動直後には十分に加熱されることがないが、時間の経過と共に、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ようになる。そして、前記温水は、前述のように、温水タンク１７から、温水導管１６、温水ポンプ１８、空冷ファン１９、２元系ヒートポンプ２０、逆止弁２１、温水バイパス導管２３、開閉弁２４を経て、温水タンク１７に循環されることにより、次第に昇温される。
【００６７】
前記温水の昇温は、前記基質混合物を得る工程の間を通じて行われる。この間に、温水タンク１７に貯留される前記温水が不足する場合には、第１給水弁２６が開弁され、第１補給水タンク２７から第１補給水導管２５を介して、温水タンク１７に純水が補給される。第１給水弁２６の作動は、独立の制御装置を設けて制御するようにしてもよく、制御装置６により制御するようにしてもよい。
【００６８】
次に、前記基質混合物の調製が完了し、該基質混合物を所定の温度に加熱する段階に至ったならば、制御装置６により開閉弁２４が閉弁されると共に開閉弁２２が開弁されて、昇温された前記温水が温水導管１６を介して反応容器２のジャケット１５に供給される。この結果、前記基質混合物が前記所定の温度に到達するまでの加熱を速やかに行うことができる。
【００６９】
ジャケット１５の上部から導出された温水は温水導管１６により、温水タンク１７、温水ポンプ１８、空冷ファン１９、２元系ヒートポンプ２０、逆止弁２１、開閉弁２２を介して、ジャケット１５の底部に循環される。この結果、前記昇温された温水は次第に温度が低下し、やがて通常の加熱状態に移行する。そして、前記通常の加熱状態の温水により供給される熱エネルギーだけで、前記基質混合物が前記所定の温度に維持され、加熱される。
【００７０】
次に、アンモニア凝縮器３による前記混合ガスの冷却及び凝縮について、さらに詳細に説明する。
【００７１】
前処理装置１では、前記基質混合物を得る工程の間、アンモニア凝縮器３、アンモニア吸収塔４で、前述のように前回の処理で生成した前記混合ガスの凝縮及び吸収が行われている。このため、制御装置６により第１切替弁５１が作動されて低温水導管４８の上流と下流とが接続されると共に、低温水１次ポンプ５０が作動されている。
【００７２】
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により取出され、低温水１次ポンプ５０、２元系ヒートポンプ２０、第１切替弁５１、アンモニア水熱交換器４１、凝縮タンク３２、アンモニア凝縮器３を経て、低温水１次タンク４９に戻る経路で循環される。ここで、前記低温水は、２元系ヒートポンプ２０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冷却されている。
【００７３】
前記二酸化炭素は、２元系ヒートポンプ２０の第２熱交換器７６で前記トリフルオロエタノールと熱交換することにより冷却されている。また、前記トリフルオロエタノールは２元系ヒートポンプ２０の第３熱交換器７９で、温水導管１６に循環され前記基質混合物を加熱する前記温水と熱交換することにより冷却されている。これを換言すれば、前記第２の熱媒体として低温水は、前記基質混合物を加熱する第１の熱媒体としての前記温水を加熱する２元系ヒートポンプ２０に供給されることにより、２元系ヒートポンプ２０を介して第１の熱媒体としての該温水と熱交換することにより冷却されている。
【００７４】
２元系ヒートポンプ２０によれば、前記２種類の熱媒体のそれぞれの圧縮比を小さくすることができ、単一の熱媒体を用いる場合に比較して、低温水導管４８に循環される前記低温水の冷却を効率よく行うことができる。
【００７５】
そこで、前記低温水は、アンモニア水熱交換器４１及び凝縮タンク３２でアンモニア水と熱交換して該アンモニア水を冷却し、アンモニア凝縮器３で前記混合ガスと熱交換することにより該混合ガスを冷却する。一方、前記低温水自体は、前記アンモニア水及び前記混合ガスにより加熱される。
【００７６】
前処理装置１では、前記アンモニア分離糖化前処理物を得る工程の終了と共に前記混合ガスの放散が終了すると、該混合ガスを冷却する必要が無くなるので、制御装置６により第１切替弁５１が作動され、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られる。このとき、低温水バイパス導管５２は、第２切替弁５３により上流と下流とが接続されている。
【００７７】
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２０、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。
【００７８】
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２０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、アンモニア凝縮器３で前記混合ガスを凝縮させることができる温度、例えば１０〜１５℃の範囲の温度に冷却される。
【００７９】
前処理装置１では、前述のようにして低温水導管４８に循環される前記低温水の冷却を行うと、２元系ヒートポンプ２０の作動直後には十分に冷却されることがない。しかし、前記低温水は時間の経過と共に、アンモニア凝縮器３で前記混合ガスを凝縮させることができる温度に冷却されるようになる。そして、前記低温水は、前述のように、低温水１次タンク４９から、低温水導管４８により取出され、低温水１次ポンプ５０、２元系ヒートポンプ２０、第１切替弁５１、低温水バイパス導管５２を経て、低温水１次タンク４９に循環されることにより、次第にさらに低温に冷却される。
【００８０】
そこで、前処理装置１では、２元系ヒートポンプ２０の下流側の低温水導管４８に第１温度センサ５４を設け、前記低温水の温度を検出する。そして、第１温度センサ５４により検出される前記低温水の温度が、アンモニア凝縮器３で前記混合ガスを凝縮させることができる温度より低温に冷却されたならば、制御装置６により第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、アンモニア凝縮器３で前記混合ガスを凝縮させることができる温度より低温に冷却された低温水（以下、冷水という）が低温水２次タンク５６に貯留される。
【００８１】
前記冷水の貯留は、前記基質混合物を得る工程の間に第１切替弁５１が低温水導管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られた後から、前記アンモニア含有糖化前処理物を得る工程の間を通じて行われる。この間に低温水２次タンク５６に貯留される前記冷水の水位が上限に達したことが水位センサ（図示せず）により検出されたときは、制御装置６により第２切替弁５３が低温水バイパス導管５２の上流と下流とを接続するように切り替えられ、該冷水は低温水１次タンク４９に循環される。
【００８２】
また、低温水２次タンク５６に貯留される前記冷水が不足する場合には、第３給水弁６０が開弁され、第３補給水タンク６１から第３補給水導管５９を介して、低温水１次タンク４９に純水が補給される。第３給水弁６０の作動は、独立の制御装置を設けて制御するようにしてもよく、制御装置６により制御するようにしてもよい。
【００８３】
次に、反応容器２において前記アンモニア含有糖化前処理物が得られ、排気弁１０を開弁して該アンモニア含有糖化前処理物から放散される前記混合ガスがアンモニア凝縮器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、制御装置６により低温水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、凝縮タンク３２を経由して、アンモニア凝縮器３に供給される。
【００８４】
本実施形態の前処理方法は回分（バッチ）式であるので、アンモニア凝縮器３において、前記混合ガスを凝縮させる際に、該混合ガスの放散の初期段階では、アンモニア含有糖化前処理物から大量の該混合ガスが放散され、該混合ガスがアンモニア凝縮器３に導入される。このため、前記初期段階では、前記混合ガスを速やかに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凝縮器３に供給することにより、前記大量の混合ガスを効率よく速やかに冷却し、十分に凝縮させることができる。
【００８５】
しかし、前記初期段階を過ぎると、前記アンモニア含有糖化前処理物から放散される前記混合ガスの量は次第に低減し、前記冷水をそのままアンモニア凝縮器３に供給したのでは、該混合ガスの凝縮に要する冷却熱エネルギーが過剰になる。そこで、本実施形態の前処理装置１では、制御装置６により第２温度センサ６２で検知される温度を目標温度と比較し、低温水１次ポンプ５０と低温水２次ポンプ５８との流量を調整する。
【００８６】
このようにすると、低温水１次タンク４９に貯留されている前記低温水と、低温水２次タンク５６に貯留されている前記冷水とが混合され、前記混合ガスの凝縮に要する冷却熱エネルギーを適切に調整することができる。
【００８７】
前記目標温度範囲は、前記低温水が２元系ヒートポンプ２０で前記二酸化炭素、前記トリフルオロエタノールを介して前記温水と熱交換可能な最低温度（例えば２０℃）から前記アンモニア水の沸点（例えば３０℃）までの範囲に設定される。
【００８８】
制御装置６は、第２温度センサ６２で検知される温度が前記目標温度範囲未満のときには、前記混合ガスを冷却するための冷却熱エネルギーが過剰になっていると判断し、低温水１次ポンプ５０の流量が低温水２次ポンプ５８の流量よりも大きくなるようにする。このようにすると、低温水１次タンク４９から２元系ヒートポンプ２０を介してアンモニア凝縮器３に供給される前記低温水の量が、低温水２次タンク５６からアンモニア凝縮器３に供給される前記冷水の量よりも多くなる。
【００８９】
一方、制御装置６は、第２温度センサ６２で検知される温度が前記目標温度範囲を超えるときには、前記混合ガスを冷却するための冷却熱エネルギーが不足していると判断し、低温水２次ポンプ５８の流量が低温水１次ポンプ５０の流量よりも大きくなるようにする。このようにすると、低温水２次タンク５６からアンモニア凝縮器３に供給される前記冷水の量が、低温水１次タンク４９から２元系ヒートポンプ２０を介してアンモニア凝縮器３に供給される前記低温水の量よりも多くなる。前記制御装置６による低温水１次ポンプ５０と低温水２次ポンプ５８との流量の調整は、例えばフィードバック制御により行うことができる。
【００９０】
この結果、本実施形態の前処理装置１によれば、前記アンモニア含有糖化前処理物から放散される前記混合ガスを、その量に関わらず、適切な量の冷却熱エネルギーにより効率よく冷却することができる。
【符号の説明】
【００９１】
１…前処理装置、  ２…反応容器、  ３…アンモニア凝縮器、  ４…アンモニア吸収塔、  ５…アンモニアタンク、  ６…制御装置、  ２０…２元系ヒートポンプ、  ４８…低温水導管、  ４９…低温水１次タンク、  ５０…低温水１次ポンプ、  ５６…低温水２次タンク、  ５８…低温水２次ポンプ、  ６２…第２温度センサ。
【図１】
2015073455.tif 000003
【図２】
2015073455.tif 000004