(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
紙類や厨芥類を主に含む一般廃棄物中に含まれるバイオマスを糖化・発酵反応させてエタノールを生成すると共に生成したエタノールを一次蒸留する反応装置であって、
バイオマス原料と水とを混合した原料スラリーを収容し、該スラリー中のバイオマスを糖化・発酵反応させてエタノールを生成するとともに、該反応によって生成したエタノールを一次蒸留するための反応槽であって、該エタノールの減圧蒸留にも対応できる耐圧性を有している反応槽と、
該反応槽に収容した原料スラリーおよびその反応によって得られた紙由来の残渣、厨芥類由来の脂質やタンパク質などが未反応の固形分として存在する粘性の高い特異な性状である発酵醪を撹拌するための撹拌手段と、
該反応槽の周囲に付設され、糖化・発酵反応、またはエタノール蒸留のために該反応槽内の原料スラリーまたは発酵醪を加熱するための加熱手段と、
該反応槽内の液面高さを測定するための測定部と、
該測定部により測定された液面高さに基づいて、該加熱手段によって加熱される上限高さを、該反応槽内の液面高さ以下に制御するための制御部と
を具備することを特徴とする反応装置。
【請求項２】
前記加熱手段は、上下方向に沿って少なくとも２段の多段の加熱面を有している、請求項１に記載の反応装置。
【請求項３】
前記加熱手段は、電気ヒータである、請求項２に記載の反応装置。
【請求項４】
前記反応槽に蒸留塔が付設されている、請求項１〜３のいずれか１つに記載の反応装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、廃棄物中に含まれるバイオマスを糖化・発酵反応によってエタノールに変換し、生成したエタノールの一次蒸留も同一の槽内で行う、廃棄物由来バイオマスの反応装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、温室効果ガスによる地球温暖化が問題となっている。温室効果ガスの増加は、化石燃料の使用が原因の一つとして考えられ、その対策として、化石燃料の代替にバイオマス資源の活用を図る取り組みが進められている。バイオマス資源はカーボンニュートラルであることから、化石燃料の代替としてバイオマス由来の燃料を利用することにより、温室効果ガスの排出量削減に効果的と考えられるからである。
【０００３】
このようなバイオマス由来燃料の一つとして、バイオエタノールが製造されているが、現状はトウモロコシやサトウキビ、コムギなどが原料として用いられており、食糧との競合が問題となっている。この問題を解消する観点から、本発明者らは実用的、かつ食糧と競合しないバイオマス資源として廃棄物に着目した。
【０００４】
廃棄物は、大別して一般廃棄物と産業廃棄物とに分けられるが、平成２４年度の時点で焼却処分されている一般廃棄物は年間約３，４９０万ｔであり、そのうち紙類と厨芥類の焼却量は２，２００万ｔと、国産エタノール原料として十分な賦存量がある。また、産業廃棄物の中には多くの食品廃棄物も含まれており、その利活用が求められている。
【０００５】
以降において説明するように、本願の処理対象である紙類や厨芥類（セルロース）を主に含むのは一般廃棄物だが、産業廃棄物中にもセルロースは含まれ得るので、以下の説明においては、これらを区別せずに、「廃棄物」と称することとする。
【０００６】
季節による収量変化や収集コストが問題となる廃木材や農産廃棄物に対し、廃棄物は年間を通して排出量の変動が小さく、各自治体などによる収集インフラも整っているため、有望かつ現実的なバイオマス資源となり得る。
【０００７】
廃棄物中のバイオマスを有効活用する方法として、例えば特許文献１では、廃棄物中の紙類を分離回収して酵素で糖化した後、酵母でエタノール発酵する方法が検討されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１０−２４６４２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
現状、一般的な燃料用エタノール製造では、サトウキビやサトウダイコンの搾汁（糖液）、あるいはトウモロコシデンプンやキャッサバデンプンを酵素（アミラーゼ）で処理した酵素糖化液といった、糖濃度の高いものを発酵させて得た発酵醪を蒸留している。この場合、醪が発酵槽に入ったまま同槽をエタノールの沸点まで加熱、或いは発酵醪を専用の蒸留装置の蒸留缶に移送し、減圧あるいは常圧条件下で缶を加熱しながらエタノール分を沸騰、気化させ、その後は気体を冷却してエタノール分を凝縮させることで、醪から分離、濃縮するが、これらの原料由来の発酵醪中には酵母以外の固形分や残渣も少ない。
【００１０】
これに対して、廃棄物中の紙類と厨芥類を酵素糖化してエタノール発酵させた醪の場合、糖化（＝液化）されなかった紙類由来の残渣、あるいはエタノール原料にならない厨芥類由来の脂質やタンパク質などが未反応の固形分として発酵醪中に存在しており、粘性も高い特異な性状である。
【００１１】
廃棄物中のバイオマスから得られる発酵醪を従来型の装置、すなわち、サトウキビ搾汁やトウモロコシデンプン等に由来する発酵醪に用いられる蒸留装置で廃棄物由来エタノールを蒸留すると、反応槽あるいは蒸留釜内壁の気相部分の伝熱面に固形分が飛散してそのまま乾燥、固着するため、次バッチの糖化・発酵反応あるいは蒸留処理の前に固着した部分の掻き落し作業、および洗浄作業が必要になるとの課題があった。
【００１２】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、蒸発操作中に発酵醪中の固形分が飛散するのを抑制することができ、反応槽あるいは蒸留釜の内壁の気相部分の伝熱面に固形分が固着する問題が生じない反応装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するため、本発明者らが鋭意検討したところ、以下に示すような発明を完成するに至った。
【００１４】
すなわち、本発明の反応装置は、廃棄物中に含まれるバイオマスを糖化・発酵反応させてエタノールを生成すると共に生成したエタノールを一次蒸留する反応装置であって、
バイオマス原料と水とを混合した原料スラリーを収容し、該スラリー中のバイオマスを糖化・発酵反応させてエタノールを生成するとともに、該反応によって生成したエタノールを一次蒸留するための反応槽であって、該エタノールの減圧蒸留にも対応できる耐圧性を有している反応槽と、
該反応槽に収容した原料スラリーおよびその反応によって得られた発酵醪を撹拌するための撹拌手段と、
該反応槽の周囲に付設され、糖化・発酵反応、またはエタノール蒸留のために該反応槽内の原料スラリーまたは発酵醪を加熱するための加熱手段と、
該反応槽内の液面高さを測定するための測定部と、
該測定部により測定された液面高さに基づいて、該加熱手段によって加熱される上限高さを、該反応槽内の液面高さ以下に制御するための制御部と
を具備することを特徴とするものである。
【００１５】
前記加熱手段は、上下方向に沿って少なくとも２段の多段の加熱面を有しており、電気ヒータであることが好ましい。
【００１６】
また、前記反応槽に蒸留塔が付設されていることが好ましい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の反応装置では、加熱手段によって加熱する反応槽の上限高さが該反応槽内の液面高さ以下に制御、すなわち、加熱面積を可変式とすることにより、発酵醪がない気相部分の内壁が加熱されないため、同部分内壁への蒸留残渣の飛散、乾燥、固着が起こらず、内壁固着物の掻き落としや洗浄作業を軽減することができる。
【００１８】
さらには、本発明の反応装置は、具体的に以下のような適用例も考えられる。
（１）糖化・発酵反応時には原料スラリー（＝液相）のみを常圧条件下で加熱して反応液が糖化・発酵反応に最適な範囲の４０℃前後になるように制御し、反応の進行に伴いエタノールが生成したら４０℃前後のまま反応槽内を減圧条件にすることで醪中のエタノールを気化させ、これを蒸発塔に送って連続的に系外に留去する。これにより反応液中のエタノールは低濃度に保たれ、エタノールの蓄積による酵母の活性低下を回避することができる。
（２）糖化・発酵反応終了後に継続して蒸留処理も実施できるため、専用の蒸留装置への発酵醪の移送が不要となり、粘性の高い発酵醪を移送する動力や時間のみならず、移送に伴う醪のロス、ひいてはエタノールのロスがなくなる。
（３）糖化・発酵反応終了後に発酵醪が充填された液相部のみを常圧条件下では８０℃前後、或いは減圧条件下ではそれ以下の温度で加熱することで、発酵醪の沸騰に伴う気相部分内壁への固形分の飛散、固着を回避することができる。
（４）蒸留の進行に伴って液相面が低下した場合、加熱面積をそれに併せて減らすことで、固形分の気相面内壁への固着を回避することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の反応装置を示す模式図である。
【図２】同時糖化発酵反応によって得られた醪１ｍ３（１，０００Ｌ）を引き続き同槽で一次蒸留するまでを説明する概略フロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の反応装置について具体的に説明する。
【００２１】
本発明の反応装置は、廃棄物中に含まれる紙類および厨芥類（＝バイオマス）を糖化・発酵反応させてエタノールを生成すると共に、該エタノールを蒸留するものである。当該反応装置は、紙類と厨芥類の混合物に水を加えた原料スラリーを収容する反応槽を有し、この反応槽は、スラリーを糖化・発酵反応させてエタノールを生成した後、エタノールを常圧条件下のみならず減圧条件下（常圧よりも低温でエタノールが気化）でも蒸留できるよう、耐圧仕様を備えている。本反応装置は、さらに、反応槽に収容する原料スラリー、および糖化・発酵反応によって得られる発酵醪を撹拌するための撹拌手段と、反応槽の周囲に付設され、糖化・発酵反応のために、またはエタノール蒸留のために反応槽内のスラリーまたは発酵醪を加熱する加熱手段と、反応槽内の液面高さを測定する測定部と、測定部により測定された液面高さに基づき、加熱手段によって加熱する上限高さを該反応槽内の液面高さ以下に制御する制御部とを具備している。
【００２２】
以下に、本反応装置における反応槽、撹拌手段、加熱手段、測定部、および制御部の各要素についてさらに詳細に説明する。
【００２３】
反応槽は、バイオマス由来の原料スラリーを収容する容積を有しており、これを撹拌・加熱しながら糖化・発酵反応が進行することでエタノールが生成する。反応終了後には、そのままこの反応槽内を減圧、かつ加熱することにより、エタノールを蒸留する。反応槽はエタノールを蒸留する際に減圧条件または常圧条件のいずれの条件でも運転できる耐圧仕様とする。
【００２４】
反応槽は、当業者に公知の任意の形状を有してよいが、円筒形状であることが好ましい。反応槽には、原料を投入する投入口と、反応後の反応槽内の内容物を排出する排出口とが設けられている。投入口には投入管を介して原料供給源（図示せず）が、排出口には排出管を介して排出槽（図示せず）がそれぞれ接続されている。また、本実施の形態においては、原料をスラリーとして貯留するため、反応槽には、溶液供給口が設けられ、溶液供給口には溶液供給管を介して溶液供給源（図示せず）が接続されている。
【００２５】
撹拌手段は、原料スラリーおよび発酵醪を撹拌するために設けられる。発酵醪は粘性が高いため、これを十分に撹拌する性能を有することが必要だが、十分に撹拌できれば、当業者に公知の如何なるものを用いてもよく、例えば撹拌機を挙げることができる。具体的には、回転軸であるシャフトと、シャフトの下端部に設けられたインペラと、シャフトの上部に設けられて、シャフトを回転駆動するモーターとで構成されるものである。
【００２６】
さらに、反応槽内の壁面に飛散、固着した醪中の固形分を掻き落とせるよう、反応槽内壁と撹拌翼との隙間を回転に支障のない範囲で狭くし、撹拌翼の端にシリコーンゴム製の「調理用のヘラ」の様な素材を付加したようなものであってもよい。
【００２７】
加熱手段は、糖化・発酵反応のため、またはエタノール蒸留のために上記の反応槽内の原料スラリーおよび発酵醪を加熱するために設けられる。この目的を達成することができれば、如何なる形態を有するものであってもよいが、好ましくは、反応槽の外周面に取り付けられる形態のものであり、例えば、電気ヒータを用いることができる。この電気ヒータは、上下方向において二段以上の多段の加熱面を有するよう、複数を設けてもよく、この場合、それぞれ電気ヒータの上下方向の幅は、１００〜１，０００ｍｍの単位となるようにし、この上下方向の幅に応じた多段の加熱面を構成してよい。また、「空焚き」状態にならない範囲で、反応槽の下値に固定ヒータを設置してもよい。
【００２８】
なお、加熱手段の他の例として、熱媒を用いた加熱ジャケットを用いてもよく、熱媒としては、例えば、水、有機媒体のいずれも可能である。
【００２９】
測定部は、反応槽内の液面高さを測定するために設けられるものであり、この目的を達成することができれば当業者に公知のあらゆるものを用いてもよいが、例えば、糖化・発酵反応終了時の醪は比較的液化が促進されていることを考慮して、レーザー式液面計や、フロート式液面計を使用することが出来る。
【００３０】
また、反応槽の外周面に、反応槽内の状態を確認することができるのぞき窓を設けてこれを測定部とすることも可能である。なお、液面高さを測定する測定部としては、醪の量、それを蒸留して得られる一次蒸留液の量、同液中のエタノール濃度を定量的に計測する手段を設け、これを測定部とし、この計測結果に基づいて液面高さを把握するようにすることも可能である。
【００３１】
制御部は、上記の測定部により測定された液面高さに基づき、上記の加熱手段によって加熱される上限高さを液面高さ以下に制御するものであり、これを達成することができれば当業者に公知のあらゆるものを用いてもよい。例えば、上記の加熱手段を上下方向に多段に設けることで多段の加熱面を有することとなり、電気ヒータを用いる場合には各電気ヒータの駆動をオン／オフするスイッチが制御部であり、測定された液面高さより上部の電気ヒータをオフにすることで制御する。
【００３２】
一方、加熱手段に熱媒式のヒータを用いる場合には、反応槽の外周を循環する熱媒流通路が複数設けられる。各熱媒流通炉の流通を制御する弁が制御部であり、この弁を開閉制御することにより、加熱手段の加熱面が制御される。
【００３３】
次に、上記の各要素を含んでなる本発明の反応装置によるエタノールの製造法について詳細に説明する。
【００３４】
廃棄物中には、エタノール原料となるバイオマスの他、好ましくないごみ類も含まれているため、これらを除くための前処理を行う。先ず、原料である廃棄物に含まれるバイオマス（紙類および厨芥類）と、非バイオマス（ビニルやプラスチック、金属類）とを以下の手順で機械分別する。
（１）指定ビニール袋に入った状態で回収されてきた一般廃棄物等の廃棄物を二軸破砕機によって粗破砕する。
（２）粗破砕した廃棄物を破砕分別機で厨芥類を中心とした重量物、紙類、プラスチック・ビニール類を中心とした軽量物とに分離する。
（３）パルパーに軽量物と水を加えて処理することで、紙類は離解されてパルプスラリーになり、離解されないプラスチック・ビニール類（＝異物）とスクリーンを介して分離される。
（４）異物と分離されたパルプスラリーは脱水処理して脱水パルプが得られる。
【００３５】
以上の前処理によって得られた重量物（＝厨芥類）および脱水パルプ（＝紙類；以降、「原料」と略記）を反応槽に充填する。当該反応槽には、さらに適量の水を加えて、撹拌手段により撹拌することで原料と水からなるスラリー状とし、加熱殺菌を施したうえで糖化・反応の適温（４０℃前後）まで下げ、ここにセルロースを糖化するための酵素、例えばセルラーゼ、そして糖化により生成した糖をエタノール発酵させるための微生物、例えば酵母を添加し、撹拌手段による撹拌、加熱手段による反応槽内の適温維持をしながら、糖化・発酵させる。
【００３６】
反応の進行に伴いエタノールが生成したら４０℃前後のまま反応槽内を減圧条件にして発酵醪中のエタノールを気化させ、これを蒸発塔に送って連続的に系外に留去する。これにより発酵醪中のエタノールは低濃度に保たれ、エタノールの蓄積による酵母の活性低下を回避することができる。
【００３７】
なお、糖化のための酵素およびエタノール発酵のための微生物は、順次、あるいは同時に反応槽に添加してもよい。糖化反応と発酵反応が同時進行する後者は、「同時糖化発酵反応」といい、糖化反応で生成した糖（グルコース）が酵母によって直ちにエタノールに変換されるため、グルコースが酵素活性の阻害因子となるセルラーゼの欠点を改善できる。
【００３８】
糖化・発酵反応終了後、反応槽内の発酵醪を蒸留して一次蒸留タンクに送る。この工程は、発酵醪の温度が常圧下なら８０℃に、減圧下ならそれ以下の温度になるよう加熱手段により加熱することで、醪に含まれるエタノールを気化させるが、反応槽の上部に蒸留塔を設置することで、同槽で一次蒸留まで行うことが出来る。
【００３９】
ここで、本発明の装置では、測定部により反応槽内の液面高さを測定し、この高さに基づいて、制御部が加熱手段によって加熱される上限高さを反応槽内の液面高さ以下に制御するようになっている。反応槽内壁の気相に相当する部分は加熱されないため、発酵醪の沸騰に伴い固形分が飛散しても、気相部分内壁への固着を回避することができる。
【００４０】
また、蒸留の進行に伴い発酵醪の液面が低下してきた場合も、制御部により、加熱手段による熱供給上限高さもそれに併せて減らすことで、固形分が気相内壁に固着するのを回避することができる。
【００４１】
本発明の装置では、糖化・発酵反応、およびその後の一次蒸留のために、反応槽内の液相に接触する同槽内壁部分のみを加熱できるよう加熱手段を制御する。また、ひとつの反応槽において、一次蒸留まで実施することで、原料スラリーやそれから得られた発酵醪の撹拌に要する機器類をひとつに集約して兼用でき、かつ発酵醪を専用の蒸留装置に移送することも不要になり、移送に伴う醪のロス、ひいてはエタノールのロスがなくなる。
【実施例１】
【００４２】
図１に本発明のエタノール生成および蒸留装置の模式図を示す。この装置は、円筒縦型下部円錐式反応槽を有するものである。
【００４３】
同図中の例１に示す通り、本実施例では、加熱手段として、反応槽の外側に電源が独立した電気ヒータを複数巻いたオン／オフが可能な多段式とすることで、加熱面を容易に調節することができる。
【００４４】
そして、糖化工程、発酵工程、およびエタノール一次蒸留工程のいずれにおいても、液相と気相の境界線を伝熱面の上限とするように制御することを基本とし、すなわち、同境界線より下の液相部分のみが加熱されることとなる。
【００４５】
あるいは、同図中の例２に示す通り、実際の境界線よりも下に任意の境界線を設けてそれよりも下の液相部分のみを加熱しても良い。
【００４６】
前記多段の加熱面の１段の高さは、液相縦幅の５〜１０％の長さであることが好ましく、前記多段の加熱面の１段の高さは、１００〜１０００ｍｍであることが好ましい。さらには、反応槽の液面高さを測定するための液面計を設けて、この液面計により液面高さを測定し、この測定結果に基づいて、各電気ヒータの電源のオン／オフを制御して、電気ヒータの熱供給上限高さを反応槽内の液面高さ以下に制御されるようにすれば、加熱面の自動制御が可能になる。
【００４７】
これにより、一次蒸留処理の際に発酵醪が沸騰して反応槽の気相部分内壁に飛散しても、同部分が加熱されていなため、固形分の固着を回避することができる。
【００４８】
また、エタノール成分の蒸発に伴い醪の量が減った（境界線が下がった）場合も同様の対応が容易である。例えば、図１中の例１において、発酵醪の温度が８０℃になるよう電気ヒータ１〜６の電源をオンにして液相、気相部分の伝熱面ともに加熱して常圧蒸留すると、実際の境界線より上、液相縦幅の約１０％の長さまで固形分が飛散して固着するが、液相部分の伝熱面のみを加熱、つまり電気ヒータ１〜３のみをオンにした場合、気相部分内壁への固着はほとんどない。
【実施例２】
【００４９】
図２には、同時糖化発酵反応によって得られた醪１ｍ３（１，０００Ｌ）を引き続き同槽で一次蒸留するまでの概略フローを示す。
【００５０】
反応終了後、４０℃弱だった反応温度を７０℃弱まで上げ、常圧だった槽内を２５ｋＰａ（Ａ）に減圧することでエタノール成分を気化させ、同槽に付設した蒸発塔に導入し、気化したエタノールをコンデンサーで冷却して専用の一次蒸留タンクに貯留する。一次蒸留条件については下記の表１に詳細に記載する。
【００５１】
【表１】
0006590494.tif 000002
【００５２】
約４時間の減圧蒸留によって、醪中のエタノール成分およびエタノールとの共沸によって水分も付随するため、エタノール濃度２５ｖｏｌ％の一次蒸留液１９８Ｌ（内訳は水１４９Ｌ、エタノール４９Ｌ）が得られる。
【００５３】
一方、反応槽内には、エタノールの抜けた蒸留残渣８００Ｌ（内訳は水７９９．６Ｌ、エタノール０．４Ｌ程度）が残る。なお、蒸発塔内部や一次蒸留タンクまでの配管内に若干量のエタノール成分や水分が残存するため、１〜２％程度のロスとなる。
【００５４】
以上の通り、本発明は、廃棄物を原料とした粘性の高い特異な性状の醪に対して特に有効な蒸留方法に関するものである。なお、加熱面を１００〜１，０００ｍｍ幅の単位で加熱・制御する方法は電熱式に何ら限定されず、例えば加熱面に接するジャケットを設けてそのジャケット内に油や水などの熱媒体を流すジャケット式でも構わない。
【図１】
0006590494.tif 000003
【図２】
0006590494.tif 000004