(57)【要約】【課題】大量のリグノセルロースを連続的かつ効率的に処理することができ、かつ、コスト的に十分経済性があるバイオエタノールの製造装置及びその製造方法を提供する。【解決手段】リグノセルロースからエタノールを製造するバイオエタノール製造装置において、バイオマス１を粉砕するミル３と、前記ミル３から供給されたバイオマス粉末と触媒と予熱蒸気とをミキシングする予熱器４と、前記予熱器４から供給されたバイオマス粉末スラリーを加熱用水蒸気１１により加熱する加水分解塔６と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
リグノセルロースからエタノールを製造するバイオエタノール製造装置において、バイオマスを粉砕するミルと、前記ミルから供給されたバイオマス粉末と触媒と予熱蒸気とをミキシングする予熱器と、前記予熱器から供給されたバイオマス粉末スラリーを加熱用水蒸気により加熱する加水分解塔と、を備えることを特徴とするバイオエタノール製造装置。
【請求項２】
前記予熱器は前記予熱蒸気により約１２０℃に保持されることを特徴とする請求項１に記載のバイオエタノール製造装置。
【請求項３】
前記予熱器に撹拌装置が備えられていることを特徴とする請求項１又は２記載のバイオエタノール製造装置。
【請求項４】
前記加水分解塔は前記加熱用水蒸気により２００℃〜２５０℃に保持されることを特徴とする請求項１乃至３いずれか１項に記載のバイオエタノール製造装置。
【請求項５】
リグノセルロースからエタノールを製造するバイオエタノール製造装置において、バイオマスを粉砕するミルと、前記ミルから供給されたバイオマス粉末と触媒と予熱蒸気とをミキシングする予熱器と、前記予熱器から供給されたバイオマス粉末スラリーを加熱用水蒸気により加熱する第１加水分解塔と、前記第１加水分解塔の下流側に設けられ第１加水分解塔から供給されるバイオマス粉末スラリーを加熱用水蒸気により加熱する第２加水分解塔と、を備えることを特徴とするバイオエタノール製造装置。
【請求項６】
前記第１加水分解塔と前記第２加水分解塔との間に遠心分離装置を設けたことを特徴とする請求項５記載のバイオエタノール製造装置。
【請求項７】
前記第１加水分解塔は約１７０℃に保持され、前記第２加水分解塔は約２５０℃に保持されることを特徴とする請求項５又は６記載のバイオエタノール製造装置。
【請求項８】
前記加水分解塔に溶液循環装置を設けたことを特徴とする請求項１乃至７いずれか１項に記載のバイオエタノール製造装置。
【請求項９】
前記触媒は、酸性官能基を持つゼオライト、または、石炭のフライアッシュであることを特徴とする請求項１乃至８いずれか１項記載のバイオエタノール製造装置。
【請求項１０】
リグノセルロースからエタノールを製造するバイオエタノール製造方法において、バイオマスをミルにより粉砕し、粉砕されたバイオマス粉末と触媒と予熱蒸気とを予熱器でミキシングすることによりバイオマス粉末スラリーを生成し、前記予熱器から供給された前記バイオマス粉末スラリーを加水分解塔で加熱用水蒸気により加熱することを特徴とするバイオエタノール製造方法。
【請求項１１】
リグノセルロースからエタノールを製造するバイオエタノール製造方法において、バイオマスをミルにより粉砕し、粉砕されたバイオマス粉末と触媒と予熱蒸気とを予熱器でミキシングすることによりバイオマス粉末スラリーを生成し、前記バイオマス粉末スラリーを第１加水分解塔、次に第２加水分解塔に供給するとともに、前記第１及び第２加水分解塔内は加熱用水蒸気により加熱されることを特徴とするバイオエタノール製造方法。
【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製造装置及び製造方法に係り、特に、木質系のバイオマス資源から効率的にバイオエタノールを生成するための製造装置及び製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ガソリンの代替燃料として注目を集めているエタノールは、従来から、とうもろこしや砂糖などの可食原料を用いて作られている。しかし、とうもろこしは主に家畜の飼料であり、砂糖は人間の食料となっているために、このような可食原料をエタノール製造用に安定して供給するには限界がある。
【０００３】
そこで、木材やとうもろこしの茎など、これまで有効利用されておらず、また、資源が豊富にある木質系のバイオマスを活用することが検討されてきており、木質系バイオマスの主成分であるリグノセルロースを原料としたエタノール製造が最近の重要な研究テーマとなっている。
【０００４】
リグノセルロースは、セルロース、ヘミセルロース、およびリグニン等よりなる天然の高分子である。このうちセルロースは、植物細胞壁の主成分をなし、自然界に産出する有機物中最も多量に存在するもので、グルコースがβ１→４結合により多数結合した鎖状高分子化合物である。セルロースからエタノールを製造するには、セルロースをグルコースに加水分解し、これを酵母でアルコール発酵させ、蒸留することにより行われる。
【０００５】
セルロースの加水分解方法としては、セルロースを糖化酵素であるセルラーゼによってセロデキストリン、セロヘキサオース、セロテトラオース、セロトリオース、セロビオース等に分解し、さらにβ−Ｄ−グルコシダーゼによりＤ−グルコースに分解する方法が一般的に知られている。また、セルロースを希酸やアンモニアと煮沸して加水分解することにより、Ｄ−グルコースとする方法も知られている。
【０００６】
さらに、加圧熱水を用いた水熱法により、リグノセルロース粉末を、２００〜３００℃、好ましくは２４０〜２８０℃に加熱した加圧熱水と接触させてセルロースを加水分解する方法や（特許文献１）、２５０℃付近の加圧熱水（飽和蒸気圧以上に加圧して液体状態を保った熱水）のイオン積（水素イオン濃度と水酸イオン濃度の積）が室温の水の１０００倍以上に上昇することに着目し、この加圧熱水を用いて木質バイオマスを加水分解しながらそれを構成する成分を順次回収する方法（非特許文献１）等が提案されている。また、セルロースを前処理した後、濃酸でセルロースの分離を行い、そのセルロースをセルラーゼにより糖に分解することも提案されている（非特許文献２）。
【０００７】
また、もう一つの方法として、薬品をまったく使用せず、超臨界水（３７４℃以上、２２．１ＭＰａ以上）または亜臨界水を用いてリグノセルロースを一度に発酵可能な糖に変換する方法がある（特許文献２）。
【０００８】
さらに、触媒を用いた加水分解法として、リグノセルロースを分散水と混合し、１００℃〜３５０℃の温度で固体触媒又は金属酸化物を作用させてセルロースを加水分解しグルコースを生成する方法が提案されている（特許文献３）。
【特許文献１】特開平１０−３２７９００号公報
【特許文献２】特開２００５−２０６４６８号公報
【特許文献３】特開２００６−１２９７３５号公報
【非特許文献１】「九工研ニュース９９１００１」  ２００１年
【非特許文献２】「ＮＥＤＯ海外レポート；Ｎｏ．９７７」、２００６年４月２６日、Ｐ５８−６０
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上述したように、木質系のバイオマスの主成分であるリグノセルロースからエタノールを製造するプロセスは多種類があるが、いずれの方法も、反応に長時間を要したり、収率に問題があるなど、高コストであるために実用化には至っていなかった。特に、濃酸を用いる方法では、その設備及び濃酸の回収・中和手段などに大きなコストが必要とされる。
【００１０】
また、亜臨界水または超臨界水を用いる方法においては、そのエネルギー効率が大変重要であるが、特許文献２に見られるように、加熱源として電気ヒータを用いるなど、エネルギー効率をまったく考慮せず、また、加圧装置が必要となるために装置が大型化する等、実用化に不適なものであった。
【００１１】
さらに、特許文献３に示されている触媒を用いたセルロースの加水分解法は、耐圧密閉容器内でリグノセルロース、水及び触媒を混合させ加熱し加水分解を行うものであるが、未だ実験室レベルのもので、大量のリグノセルロースを連続的かつ効率的に処理することは困難であった。
【００１２】
本発明は、加水分解処理プロセスとして環境親和性の高い触媒を用いるとともに、大量のリグノセルロースを連続的かつ効率的に処理することができ、かつ、コスト的に十分経済性があるバイオエタノールの製造装置及びその製造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】
上記目的を達成するために、本発明に係るバイオエタノール製造装置は、リグノセルロースからエタノールを製造するバイオエタノール製造装置において、バイオマスを粉砕するミルと、前記ミルから供給されたバイオマス粉末と触媒と予熱蒸気とをミキシングする予熱器と、前記予熱器から供給されたバイオマス粉末スラリーを加熱用水蒸気により加熱する加水分解塔と、を備えることを特徴とする。
【００１４】
また、本発明に係るバイオエタノール製造装置は、リグノセルロースからエタノールを製造するバイオエタノール製造装置において、バイオマスを粉砕するミルと、前記ミルから供給されたバイオマス粉末と触媒と予熱蒸気とをミキシングする予熱器と、前記予熱器から供給されたバイオマス粉末スラリーを加熱用水蒸気により加熱する第１加水分解塔と、前記第１加水分解塔の下流側に設けられ第１加水分解塔から供給されるバイオマス粉末スラリーを加熱用水蒸気により加熱する第２加水分解塔と、を備えることを特徴とする。
【００１５】
また、本発明に係るバイオエタノール製造方法は、リグノセルロースからエタノールを製造するバイオエタノール製造方法において、バイオマスをミルにより粉砕し、粉砕されたバイオマス粉末と触媒と予熱蒸気とを予熱器でミキシングすることによりバイオマス粉末スラリーを生成し、前記予熱器から供給された前記バイオマス粉末スラリーを加水分解塔で加熱用水蒸気により加熱することを特徴とする。
【００１６】
また、本発明に係るバイオエタノール製造方法は、リグノセルロースからエタノールを製造するバイオエタノール製造方法において、バイオマスをミルにより粉砕し、粉砕されたバイオマス粉末と触媒と予熱蒸気とを予熱器でミキシングすることによりバイオマス粉末スラリーを生成し、前記バイオマス粉末スラリーを第１加水分解塔、次に第２加水分解塔に供給するとともに、前記第１及び第２加水分解塔内は加熱用水蒸気により加熱されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
環境親和性の高い触媒を用い、予熱器及び加水分解塔等からなる加水分解処理プロセスを採用したことにより、環境親和性が高く、低圧・低温度での加水分解処理が可能となり、その結果、装置の小型化及び低コスト化が可能となるとともに、大量のリグノセルロースからエタノールを連続的かつ効率的に生成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明に係るバイオエタノール製造装置におけるリグノセルロース加水分解プロセスについて、図面を参照して説明する。  
（第１の実施形態）
図１は本発明の第１の実施形態に係るバイオエタノール製造装置の全体構成図であり、図１を用いて本発明の第１の実施形態に係るリグノセルロース加水分解プロセスについて説明する。
【００１９】
この第１の実施形態は、例えば木材チップからなる木質系のバイオマス１を用いて、水熱・触媒法にて加水分解を行うもので、バイオマス１を受けるホッパ２と、ホッパ２からバイオマス１の供給を受けて細かく粉砕し、微粉化するミル３と、触媒と蒸気とバイオマス粉末をミキシングしバイオマス粉末スラリーを生成する予熱器４と、予熱機４で生成されるバイオマス粉末スラリーを加圧した加水分解塔６に送り込む高圧フィーダ５と、加水分解塔６と、から構成される。
【００２０】
本第１の実施形態で用いられるバイオマス１及びホッパ２は、通常の製紙プラントにおけるものと変わるところが無いので説明を省略する。ミル３は、ドラムミルと呼ばれる円筒形の容器の中に、適切な量のボール（鋼球）を入れ、円筒容器を回転させることによりボールが運動することにより木質系バイオマスを粉砕するものであり、石炭の微粉化手段等において従来より使用されているものである。
【００２１】
ミル３において、１００μｍ程度に粉砕されたバイオマス粉末は、酸性官能基を持つゼオライトからなる触媒９及び予熱蒸気８とともに、予熱気４に供給される。予熱器４の中は約１２０℃に保たれ、バイオマス粉末量に応じた時間、例えば１０分程度、予熱機４内部の攪拌装置（図示せず）により均一化される。これにより、バイオマス粉末の一部は加水分解が進み始め、糊状のバイオマス粉末スラリーとなる。これを高圧フィーダ５により加水分解塔６に送り込む。なお、触媒はゼオライトに限らず、石炭のフライアッシュを用いてもよい。
【００２２】
高圧フィーダ５は、本第１の実施形態ではポンプによりバイオマス粉末スラリーを直接加水分解塔６へ送り込むこととしたが、ロータリー蒸気圧入手段等の他の移送手段を用いてもよいことはもちろんである。
【００２３】
加水分解塔６では、中央に、加熱用蒸気１１が通り、バイオマスの性質に応じて温度を２００℃〜２５０℃に制御する。通常保持時間はバイオマス粉末スラリー量にもよるが約１時間である。また、加水分解塔内のバイオマス粉末スラリーは溶液循環装置７により常時循環され、均一化される。これにより、ヘミセルロースはもちろんセルロースも７０％程度分解され糖化される。これを、糖水溶液１０として次のエタノール発酵過程に供給する。
【００２４】
本第１の実施の形態によれば、環境親和性の高い触媒を用いるとともに、予熱器及び加水分解塔からなる加水分解処理プロセスを採用したことにより、環境親和性が高く、低圧・低温度での加水分解処理が可能となり、その結果、装置の小型化及び低コスト化が可能となるとともに、大量のリグノセルロースからエタノールを連続的かつ効率的に生成することができる。
【００２５】
（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態に係るリグノセルロース加水分解プロセスを図２に示す。  
この第２の実施形態は、加水分解しやすいヘミセルロースを分解する第１加水分解塔１２ともっぱら分解の困難なリグニンを分解する第２加水分解塔１３からなる。第１加水分解塔は１７０℃程度に維持されるとともに、バイオマス粉末スラリーの滞留時間は３０分程度とする。これによりヘミセルロースはほぼ完全に糖化される。このヘミセルロースは遠心分離装置で分離され糖水溶液としてエタノール発酵工程に供給される。
【００２６】
次に、ヘミセルロースが分離されたバイオマス粉末スラリーは第２加水分解塔に供給され、２５０℃程度で約１時間保持される。このような構成にすることにより、生成したグルコースの分解を避けつつ、高い糖化率を達成することができる。
【００２７】
本第２の実施形態によれば、第１及び第２の加水分解塔からなる加水分解プロセスを採用したことにより、さらに効率的にリグノセルロースを加水分解することができるとともに、大量のリグノセルロースからエタノールを連続的かつ効率的に生成することができる。
【００２８】
また、以上の構成を持つバイオエタノール製造装置を例えば火力発電プラントに併設することにより、必要な多量の蒸気を安価に調達することができると同時に糖化できなかったリグニンや未反応セルロースを燃料として有効に再利用することができ、また、火力発電プラントからのＣＯ2発生量を大幅に削減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るバイオエタノール製造装置の全体構成図。
【図２】本発明の第２の実施形態に係るバイオエタノール製造装置の構成図。
【符号の説明】
【００３０】
１…バイオマス、２…ホッパ、３…ミル、４…予熱器、５…高圧フィーダ、６…加水分解塔、７…溶液循環装置、８…予熱蒸気、９…触媒、１１…加熱用蒸気、１２…第１加水分解塔、１３…第２加水分解塔、１４…遠心分離装置。
【図１】
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【図２】
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