(57)【要約】【課題】糖類の収率を向上させることを目的とする。【解決手段】固体酸触媒と水を含むバイオマスと固体酸触媒とを収容し、該固体酸触媒とバイオマスとに加熱流動気体を吹き込むことで攪拌・混合し、バイオマスから糖類を生成する流動床反応装置２を具備する。【選択図】図１
2012000005.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体酸触媒と水を含むバイオマスとを収容し、該固体酸触媒とバイオマスとに加熱流動気体を吹き込むことで攪拌・混合し、前記バイオマスから糖類を生成する流動床反応装置を具備することを特徴とするバイオマス処理装置。
【請求項２】
バイオマスを粉砕かつ蒸解し、前記流動床反応装置に供給する粉砕・蒸解装置を具備することを特徴とする請求項１に記載のバイオマス処理装置。
【請求項３】
アルコール発酵により前記糖類からエタノールを生成するとともに二酸化炭素が発生するバイオマス処理装置であって、前記流動床反応装置は、前記加熱流動気体として前記二酸化炭素を用いることを特徴とする請求項１または２に記載のバイオマス処理装置。
【請求項４】
前記流動床反応装置は、前記加熱流動気体として水蒸気を用いることを特徴とする請求項１または２に記載のバイオマス処理装置。
【請求項５】
前記流動床反応装置から流入する混合物に含まれる糖類を水に溶かして分離する固液分離装置を具備する請求項１〜４のいずれかに記載のバイオマス処理装置。
【請求項６】
前記固液分離装置において糖類が分離された混合物から固体酸触媒を分離し、当該固体酸触媒を前記流動床反応装置に供給する固々分離装置を具備することを特徴とする請求項５に記載のバイオマス処理装置。
【請求項７】
前記固々分離装置において混合物から固体酸触媒が分離されることで残ったバイオマス残渣を燃料として前記加熱流動気体を生成し、前記流動床反応装置に供給する加熱装置を具備することを特徴とする請求項６に記載のバイオマス処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バイオマス処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、石油等の化石資源の代替資源としてカーボンニュートラル資源であるバイオマスが注目されている。このようなバイオマスの利用の１つとして、木質系バイオマスに含まれるセルロースを加水分解することでグルコース（糖類）を生成し、さらに、このグルコースをアルコール発酵させることでバイオエタノールを生成する技術が知られている（下記特許文献１参照）。下記特許文献１では、具体的に、バイオマス粉末に水蒸気を供給することでバイオマス粉末に含まれるセルロースをグルコースに分解している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−２９７２２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記特許文献１では、水蒸気を利用した加水分解、すなわち単純に水と熱だけを利用した加水分解によりセルロースから糖類を生成しているので、糖類の収率を向上させる余地が十分に残されている。
【０００５】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、糖類の収率を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明では、バイオマス処理装置に係る第１の解決手段として、固体酸触媒と水を含むバイオマスとを収容し、該固体酸触媒とバイオマスとに加熱流動気体を吹き込むことで攪拌・混合し、前記バイオマスから糖類を生成する流動床反応装置を具備するという手段を採用する。
【０００７】
本発明では、バイオマス処理装置に係る第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、バイオマスを粉砕かつ蒸解し、前記流動床反応装置に供給する粉砕・蒸解装置を具備するという手段を採用する。
【０００８】
本発明では、バイオマス処理装置に係る第３の解決手段として、上記第１または第２の解決手段において、前記糖類をアルコール発酵することでエタノールを生成するとともに二酸化炭素を発生するバイオマス処理装置であって、前記流動床反応装置は、前記加熱流動気体として前記二酸化炭素を用いるという手段を採用する。
【０００９】
本発明では、バイオマス処理装置に係る第４の解決手段として、上記第１または第２の解決手段において、前記流動床反応装置は、前記加熱流動気体として水蒸気を用いるという手段を採用する。
【００１０】
本発明では、バイオマス処理装置に係る第５の解決手段として、上記第１〜第４のいずれかの解決手段において、前記流動床反応装置から流入する混合物に含まれる糖類を水に溶かして分離する固液分離装置を具備するという手段を採用する。
【００１１】
本発明では、バイオマス処理装置に係る第６の解決手段として、上記第５の解決手段において、前記固液分離装置において糖類が分離された混合物から固体酸触媒を分離し、当該固体酸触媒を前記流動床反応装置に供給する固々分離装置を具備するという手段を採用する。
【００１２】
本発明では、バイオマス処理装置に係る第７の解決手段として、上記第６の解決手段において、前記固々分離装置において混合物から固体酸触媒が分離されることで残ったバイオマス残渣を燃料として前記加熱流動気体を生成し、前記流動床反応装置に供給する加熱装置を具備するという手段を採用する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、固体酸触媒と水を含むバイオマスとに加熱流動気体を吹き込むことで攪拌・混合して糖類を生成するので、従来のような水及び熱だけでバイオマスを加水分解する場合よりも糖類の収率を向上させることができる。すなわち、本発明によれば、加熱流動気体がバイオマス及び固体酸触媒に吹き込まれることによって加熱流動気体の熱が水を含むバイオマスに作用し、かつ、バイオマス及び固体酸触媒の攪拌・混合によって固体酸触媒の酸がバイオマスに作用するので、糖類の収率を従来よりも向上させることができる。
また、本発明によれば、固体である固体酸触媒を水を含むバイオマスに作用させるので、液体の酸を作用させる場合に比較して、糖類からの酸の分離が容易である。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施形態に係るバイオマス処理装置Ａの機能ブロック図である。
【図２】本発明の実施形態に係るバイオマス処理装置Ｂ（バイオマス処理装置Ａの変形例）の機能ブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
本実施形態に係るバイオマス処理装置Ａは、図１に示すように、粉砕・蒸解装置１、流動床反応装置２、デカンタ３、エジェクタ４ａ、サイクロン４ｂ、二酸化炭素加熱器５及び発酵・蒸留装置６から構成されている。なお、デカンタ３は、本実施形態における固液分離装置である。また、エジェクタ４ａ及びサイクロン４ｂは、本実施形態における固々分離装置を構成する。
【００１６】
バイオマス処理装置Ａは、木質系バイオマスに含まれるセルロースを加水分解してグルコースを生成し、このグルコースをアルコール発酵することでエタノールを生成する装置である。
粉砕・蒸解装置１は、外部から供給される木質系バイオマスに前処理を施す装置である。すなわち、粉砕・蒸解装置１は、前処理として木質系バイオマスを粉砕し、かつ蒸解（蒸気分解）する。なお、粉砕・蒸解装置１においてアルカリまたは酸を使って木質系バイオマスの繊維を切断するようにしてもよい。粉砕・蒸解装置１は、上記粉砕かつ蒸解した木質系バイオマスを流動床反応装置２に供給する。
【００１７】
流動床反応装置２は、内部に予め充填された固体酸触媒と粉砕・蒸解装置１から供給された木質系バイオマスとを収容し、これら固体酸触媒及び木質系バイオマスに加熱二酸化炭素（加熱流動気体）を吹き込むことで固体酸触媒及び木質系バイオマスを攪拌・混合することにより、上記木質系バイオマスをグルコース（単糖類）に分解する装置である。すなわち、この流動床反応装置２は、固体酸触媒及び水分を含んだ木質系バイオマスに加熱二酸化炭素を吹き込んで撹拌・混合することにより、両者を良好に接触させると共に熱を付加して木質系バイオマスを加水分解する。
ここで、流動床反応装置２内の温度（反応温度）は、二酸化炭素加熱器５から供給される加熱二酸化炭素によって例えば８０〜１２０℃程度に設定される。流動床反応装置２は、木質系バイオマスを所定時間に亘って分解処理すると、当該処理後の木質系バイオマスと固体酸触媒との混合物をデカンタ３に供給する。なお、加熱流動気体として加熱二酸化炭素を用いる理由は、二酸化炭素が木質系バイオマスの加水分解を阻害しない気体であるからである。
【００１８】
流動床反応装置２では、木質系バイオマスに含まれるセルロースがセロオリゴ糖（重合度が１０程度の多糖類）を経てグルコース（単糖類）に分解される。流動床反応装置２からデカンタ３に流出した処理後の混合物には、セルロースの加水分解により生成されたグルコースが含まれている。
【００１９】
デカンタ３は、水を貯留する沈殿槽であり、流動床反応装置２から流入した上記処理後の混合物を水に投入する。当該処理後の混合物に含まれるグルコースは水に溶け、固体である固体酸触媒及びバイオマス残渣は沈殿する。デカンタ３は、グルコースが溶けた水を糖溶液として発酵・蒸留装置６に送出する一方、沈殿した固体酸触媒及びバイオマス残渣の混合物をエジェクタ４ａに送出する。すなわち、デカンタ３は、上記流動床反応装置２から流入する混合物を糖溶液と固体酸触媒及びバイオマス残渣の混合物とに分離し、糖溶液を発酵・蒸留装置６に送出する一方、上記混合物をエジェクタ４ａに送出する。なお、バイオマス残渣は、未分解のセルロース及びリグニンである。
【００２０】
エジェクタ４ａは、二酸化炭素加熱器５から供給される加熱二酸化炭素を作動流体として用いることにより固体酸触媒及びバイオマス残渣の混合物をサイクロン４ｂに押し出す。
サイクロン４ｂは、上記混合物を比重に基づいて分離する遠心分離機であり、エジェクタ４ａから押し出された混合物を固体酸触媒とバイオマス残渣とに分離し、固体酸触媒を流動床反応装置２に送出する一方、バイオマス残渣を二酸化炭素加熱器５に送出する。
二酸化炭素加熱器５は、サイクロン４ｂから供給されたバイオマス残渣を燃料として二酸化炭素を加熱することにより上記加熱二酸化炭素を生成し、当該加熱二酸化炭素を流動床反応装置２及びエジェクタ４ａに供給する。
【００２１】
発酵・蒸留装置６は、上記デカンタ３から流入する糖溶液をアルコール発酵させることでエタノールを生成し、さらに蒸留して純度の高いエタノールを生成して外部に送出する。アルコール発酵に用いる微生物としては、サッカロミセス属酵母などの公知の各種微生物を用いることができる。また、発酵・蒸留装置６は、アルコール発酵により発生した二酸化炭素を二酸化炭素加熱器５に送出する。
【００２２】
次に、このように構成されたバイオマス処理装置Ａの動作について説明する。
本バイオマス処理装置Ａでは、外部から供給された木質系バイオマスを粉砕・蒸解装置１で前処理し、当該前処理後に流動床反応装置２で本処理する。すなわち、粉砕・蒸解装置１は、外部から供給された木質系バイオマスを粉砕・蒸解する。これにより、木質系バイオマスは、水分を含むとともに細かくなる。粉砕・蒸解装置１は、このように前処理した木質系バイオマスを流動床反応装置２に供給するが、前処理後の木質系バイオマス、つまり流動床反応装置２における本処理に供される木質系バイオマスは、前処理における蒸解によって多量の水を含んだものである。
【００２３】
流動床反応装置２は、上記前処理によって水を含んだ木質系バイオマスを収容すると共に、予め収容した固体酸触媒を加熱二酸化炭素を用いて木質系バイオマスと撹拌・混合させて木質系バイオマスに含まれるセルロースをグルコースに分解する。すなわち、二酸化炭素加熱器５から供給される加熱二酸化炭素を木質系バイオマスと固体酸触媒とに吹き込むことで、木質系バイオマスと固体酸触媒とは良好に混合された混合物となる。また、これによって、木質系バイオマスと固体酸触媒との接触頻度が非常に高くなるので、木質系バイオマスに含まれる多くのセルロースが効果的に分解される。
【００２４】
この際、反応条件として固体酸触媒と木質系バイオマスに含まれる水分の量の比は、１対１程度が望ましい。当該比率より水分が少ない場合には、加水分解が進行しにくく、また水分が多い場合には、固体酸触媒が薄まって木質系バイオマスと接触しにくくなるので、やはり加水分解が進行しにくくなる。また、木質系バイオマスと固体酸触媒では、固体酸触媒の量が多い方が望ましい。そして、流動床反応装置２は、グルコースと、バイオマス残渣と、固体酸触媒とからなる混合物をデカンタ３に流出する。
【００２５】
デカンタ３は、流動床反応装置２から流入する処理後の混合物を水に投入することで当該処理後の混合物に含まれるグルコースを水に溶かし、グルコースが溶けた糖溶液を発酵・蒸留装置６に送出する一方、固体酸触媒とバイオマス残渣とからなる混合物をエジェクタ４ａに送出する。
発酵・蒸留装置６は、デカンタ３から流入する糖溶液をアルコール発酵することでエタノールを生成し、さらに当該エタノールを蒸留して高濃度のエタノールを生成する。また、発酵・蒸留装置６は、アルコール発酵により発生した二酸化炭素を二酸化炭素加熱器５に送出する。一方、エジェクタ４ａは、デカンタ３から流入した上記混合物を二酸化炭素加熱器５から流入する加熱二酸化炭素を使ってサイクロン４ｂに押し出す。サイクロン４ｂは、エジェクタ４ａから押し出された混合物を固体酸触媒とバイオマス残渣とに分離し、固体酸触媒を流動床反応装置２に送出する一方、バイオマス残渣を二酸化炭素加熱器５に送出する。二酸化炭素加熱器５は、サイクロン４ｂから供給されたバイオマス残渣を燃料として二酸化炭素を加熱することで加熱二酸化炭素を生成し、当該加熱二酸化炭素を流動床反応装置２及びエジェクタ４ａに供給する。
【００２６】
以上のように、本実施形態によれば、固体酸触媒と前処理によって水を含むようになった木質系バイオマスとに加熱二酸化炭素を吹き込むことで攪拌・混合することにより、木質系バイオマを加水分解してグルコースを生成する。これにより、従来のような水及び熱だけで加水分解する場合よりもグルコースの収率を向上させることができる。すなわち、加熱二酸化炭素が木質系バイオマス及び固体酸触媒に吹き込まれることによって加熱二酸化炭素の熱が水を含む木質系バイオマスに作用し、かつ、木質系バイオマス及び固体酸触媒の攪拌・混合によって固体酸触媒の酸が木質系バイオマスに作用するので、グルコースの収率を従来よりも向上させることができる。
また、本実施形態では、発酵・蒸留装置６において発生した二酸化炭素を流動床反応装置２及びエジェクタ４ａの動作に必要な気体として利用するので、気体を別途用意する場合よりもコストを抑えることができる。さらに、二酸化炭素加熱器５においてバイオマス残渣を燃料として二酸化炭素を加熱するので、燃料費を抑えることができる。
【００２７】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されることなく、例えば以下のような変形が考えられる。
（１）上記実施形態では、木質系バイオマスに粉砕・蒸解装置１による前処理を施すが、本発明はこれに限定されない。前処理は必ずしも必要ではなく、適宜省略しても良い。ただし、前処理を省略する場合には、予め水を含ませた木質系バイオマスを原料とするか、あるいは流動床反応装置２に木質系バイオマスに水分を付加する機能を持たせる必要がある。
（２）上記実施形態では、流動床反応装置２は、加熱二酸化炭素を吹き込んだが、本発明はこれに限定されない。
例えば、図２に示すバイオマス処理装置Ｂのように、ボイラ７で発生した水蒸気を加熱流動気体として流動床反応装置２に供給してもよい。これにより、加水分解をより進行させることができる。また、このバイオマス処理装置Ｂでは、ボイラ７で発生した水蒸気を作動流体としてエジェクタ４ａに供給する。なお、上記ボイラ７は、サイクロン４ｂから供給されたバイオマス残渣を燃料として水蒸気を発生する。
また、二酸化炭素と水蒸気とを加熱流動気体として同時に流動床反応装置２に供給してもよい。
【００２８】
（３）上記実施形態では、デカンタ３によってグルコースを分離したが、本発明はこれに限定されない。
例えば、噴霧水により混合物を洗浄することでグルコースを分離することも可能である。具体的には、流動床反応装置２から流出する混合物をコンベアやフィーダーなどの輸送装置で搬送し、その搬送される混合物に水を噴霧することで洗浄し、グルコースの溶け出した水（糖溶液）を回収するようにしてもよい。
【００２９】
（４）上記実施形態では、エジェクタ４ａとサイクロン４ｂとを使って混合物を固体酸触媒とバイオマス残渣とに分離したが、本発明はこれに限定されない。
例えば、ろ紙もしくはろ布を用いて触媒とバイオマス残渣とを分離するようにしてもよい。具体的には、デカンタ３の底にろ紙を張り、このろ紙によりバイオマス残渣と固体酸触媒を分離する。この際、分離が容易になるよう予め固体酸触媒と木質系バイオマスとの粒径をあらかじめ異なるように調整しておく必要があるが、例えばバイオマスを１０μｍ以下にして、固体酸触媒を１００μｍ以上にする。
【００３０】
また、別の方法としてデカンタ３の底に沈殿するバイオマス残渣と固体酸触媒とが比重の違いにより層になることを利用して、バイオマス残渣と固体酸触媒とを分離する方法もある。具体的には、デカンタ３にバイオマス残渣と固体酸触媒との排出口を上下２段に設けて、この排出口からバイオマス残渣と固体酸触媒とを別々に回収する。なお、バイオマス残渣の比重は１．３〜１．５であり、固体酸触媒の比重は２以上である。また、固体酸触媒を比重の大きい物質に結合させて固体酸触媒全体の比重をより大きくすることで、分離の効率を高めることが可能である。
【００３１】
また、別の方法として、固体酸触媒の基本構造であるナノグラフェンは磁性を持つことが可能であるので、固体酸触媒自体に磁性を持たせ，固体酸触媒を磁力により分離する方法も可能である。
さらに、別の方法として、固体酸触媒とバイオマス残渣との混合物をアルカリ処理することで、バイオマス残渣のみを溶解・分解して固体酸触媒を分離する方法もある。
【００３２】
（５）上記実施形態では、二酸化炭素加熱器５においてバイオマス残渣を燃料として加熱流動気体を生成したが、本発明はこれに限定されない。例えば、二酸化炭素加熱器５において電気やガスを用いて加熱流動気体を生成するようにしてもよい。
【符号の説明】
【００３３】
Ａ，Ｂ…バイオマス処理装置、１…粉砕・蒸解装置、２…流動床反応装置、３…デカンタ（固液分離装置）、４ａ…エジェクタ（固々分離装置）、４ｂ…サイクロン（固々分離装置）、５…二酸化炭素加熱器（加熱装置）、６…発酵・蒸留装置、７…ボイラ（加熱装置）
【図１】
2012000005.tif 000003
【図２】
2012000005.tif 000004