(57)【要約】【課題】触媒再生処理にかかる固体酸触媒の取り出しや運搬などの取り扱いが容易で、また、摩耗による触媒劣化を抑制できる固定床流通反応システムの提供。【解決手段】固定床反応器１０に処理対象物を流通させ、該固定床反応器１０内に充填された固体酸触媒Ｃとの間で反応させる固定床流通反応システム１００であって、固定床反応器１０内において固体酸触媒Ｃをユニット化して保持すると共に、該ユニット単位で交換可能とさせるカートリッジ式容器２０を有するという構成を採用する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定床反応器に処理対象物を流通させ、該固定床反応器内に充填された固体酸触媒との間で反応させる固定床流通反応システムであって、
前記固定床反応器内において前記固体酸触媒をユニット化して保持すると共に、該ユニット単位で交換可能とさせるカートリッジ式容器を有することを特徴とする固定床流通反応システム。
【請求項２】
前記固定床反応器と別途独立して設けられ、前記固体酸触媒を前記カートリッジ式容器と共に収容して再生させる触媒再生器を有することを特徴とする請求項１に記載の固定床流通反応システム。
【請求項３】
前記カートリッジ式容器は、前記固体酸触媒を保持する網状部材を有することを特徴とする請求項１または２に記載の固定床流通反応システム。
【請求項４】
前記固定床反応器の内壁と前記カートリッジ式容器との間に隙間を形成するスペーサー部材を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の固定床流通反応システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固定床流通反応システムに関するものである。
【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、セルロースを含有するバイオマスを糖化処理することでグルコース（単糖類）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。
【０００３】
バイオマスからグルコースを生成する方法（糖化技術）としては、バイオマスに硫酸を加えて加水分解する方法（希硫酸法、濃硫酸法等）が一般的に知られているが、反応器の腐食や廃液処理の問題、液体であるため再回収できない等の問題がある。これに対し、硫酸に匹敵する触媒機能を有し、反応器の腐食や廃液処理の問題がなく、且つ安価で再回収可能な固体酸触媒（例えば、カーボンにスルホ基を具備させた固体触媒）を用いてバイオマスを糖化する方法が提案されている。
【０００４】
しかしながら、固体酸触媒は、長期間の使用によってスルホ基が減少し、その触媒機能が劣化することが知られている。下記特許文献１には、機能が劣化（活性が低下）した固体酸触媒を再生（再活性）させる方法が開示されている。この再生は、固体酸触媒を硫酸存在下で加熱処理することにより行われる。硫酸としては、濃硫酸あるいは発煙硫酸を使用することができ、その硫酸処理の温度は８０℃〜２００℃が好ましいとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】再公表ＷＯ２００９／００４９４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、固体酸触媒を濃硫酸や発煙硫酸といった酸性物質によって再生しようとする場合、固体酸触媒が充填された反応器内で再生することは、その間は糖化処理が滞るため、処理効率を下げてしまう上、反応器の構成に強い耐酸性を求めることになり、製造装置設備費を上げてしまうこととなる。
一方で、別の装置などで触媒再生処理を行う場合には、固体酸触媒の取り出しや運搬を行う必要があるが、粉末やペレット状となった固体酸触媒は扱いが困難であり、また、触媒同士の摩耗や反応器との摩擦によって触媒を物理的に劣化させてしまう問題がある。
【０００７】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、触媒再生処理にかかる固体酸触媒の取り出しや運搬などの取り扱いが容易で、また、摩耗による触媒劣化を抑制できる固定床流通反応システムの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の課題を解決するために、本発明は、固定床反応器に処理対象物を流通させ、該固定床反応器内に充填された固体酸触媒との間で反応させる固定床流通反応システムであって、上記固定床反応器内において上記固体酸触媒をユニット化して保持すると共に、該ユニット単位で交換可能とさせるカートリッジ式容器を有するという構成を採用する。
【０００９】
また、本発明においては、上記固定床反応器と別途独立して設けられ、上記固体酸触媒を上記カートリッジ式容器と共に収容して再生させる触媒再生器を有するという構成を採用する。
【００１０】
また、本発明においては、上記カートリッジ式容器は、上記固体酸触媒を保持する網状部材を有するという構成を採用する。
【００１１】
また、本発明においては、上記固定床反応器の内壁と上記カートリッジ式容器との間に隙間を形成するスペーサー部材を有するという構成を採用する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、固体酸触媒をカートリッジ式容器に入れてユニット化して取り扱うため、触媒再生時の取り出しや運搬などを容易に行える。また、固体酸触媒はユニット単位の一まとめで取り扱えるため、取り扱いの都度、触媒同士の摩耗や容器との摩擦による物理的な触媒劣化を抑制することができる。
したがって、本発明では、触媒再生処理にかかる固体酸触媒の取り出しや運搬などの取り扱いが容易で、また、摩耗による触媒劣化を抑制できる固定床流通反応システムが得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施形態におけるバイオマス処理装置の構成概略図である。
【図２】本発明の実施形態における固定床流通反応システムの構成図である。
【図３】本発明の実施形態における固定床反応器の横断面図である。
【図４】本発明の実施形態における固定床流通反応システムの処理プロセスのうちの触媒再生プロセスを説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。以下の説明においては、本発明にかかる固定床流通反応システムをバイオマス処理装置に適用した構成を例示する。なお、以下の図面において、各部材を認識可能な大きさとするために、各部材の縮尺等を適宜変更している。
【００１５】
図１は、本発明の本実施形態におけるバイオマス処理装置Ａの構成概略図である。
バイオマス処理装置Ａは、バイオマスの一種である木材チップや廃建材など、主成分としてセルロース、ヘミセルロース及びリグニンを含有する木質系バイオマスを原料としてバイオエタノールを生成する化学プラントであり、熱水反応装置１、酵素糖化装置２、固体酸触媒糖化装置３及び固体酸触媒再生装置４を含む固定床流通反応システム１００、エタノール発酵装置５、蒸留脱水装置６、排水処理装置７、から構成されている。
【００１６】
木質系バイオマスに含まれるセルロースとは、周知のように化学式（Ｃ６Ｈ１０Ｏ５）ｎで表される多糖類であり、炭素原子６個を含むグルコース（単糖類）が重合した高分子化合物である。また、ヘミセルロースとは、上記グルコース以外の単糖類（主に炭素原子５個を含む単糖類）が重合した高分子化合物である。また、リグニンとは、三次元網目構造を有し、上記セルロース及びヘミセルロースを取り囲むことで木質を形成する高分子化合物である。
【００１７】
熱水反応装置１は、例えば熱水流通式反応装置であり、加圧熱水を用い、木質系バイオマスを加水分解することで糖（または中間体）を得るものである。ここで、「加圧熱水」とは、亜臨界状態の熱水であって、且つ液体状態を維持するために加圧された熱水を意味する。木質系バイオマスは、セルロース（多糖類）、ヘミセルロース（多糖類）及びリグニンを主成分とするが、このような成分の木質系バイオマスに加圧熱水を作用させることにより、セルロースやヘミセルロースをさらに重合度の低い多糖類（キシロオリゴ糖、セロオリゴ糖及びこれらより多少重合度が高い各種オリゴ糖）に分解することができる。
【００１８】
酵素糖化装置２は、熱水反応処理後の多糖物に糖化酵素であるセルラーゼを添加し、多糖物中の未分解のセルロースにセルラーゼを作用させることによって、セロビオース（グルコースが２量体重合したもの）を主成分とする水溶性オリゴ糖（グルコースが２〜７量体重合したもの）などに加水分解するものである。セルラーゼは、セルロースを水溶性オリゴ糖に加水分解するための糖化酵素であるβ−グルカナーゼを含み、このβ−グルカナーゼがセルロースに作用することによって水溶性オリゴ糖が生成される。
【００１９】
固体酸触媒糖化装置３は、酵素糖化装置２から流出する液状の多糖物（処理対象物）を、固体酸触媒が充填された固定床反応器１０（後述：図２参照）に流通させることで、固体酸触媒による加水分解によってグルコースを生成し、当該グルコースを主成分とする単糖物をエタノール発酵装置５に送出するものである。本実施形態の固体酸触媒は、スルホ基を具備する炭素材料粉末を固めて団塊状（ペレット状）に形成されている。固体酸触媒は、酸触媒反応に継続使用すると表面のスルホ基の脱離などによって触媒機能（活性）が低下するため、本実施形態の固体酸触媒糖化装置３には、固体酸触媒を再生（再活性）させる固体酸触媒再生装置４（後述）が併設されている。
【００２０】
エタノール発酵装置５は、固体酸触媒糖化装置３から流出する単糖液に、酵母等のエタノール発酵微生物と、窒素、リン等の栄養源とを添加し、適切な温度、ｐＨ等の条件下で微生物を培養して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ものである。エタノール発酵微生物としては、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。このように生成されたバイオエタノールは、エタノール発酵装置５から蒸留脱水装置６に流出する。バイオエタノールは、蒸留脱水装置６において蒸留・濃縮され、純度の高いバイオエタノールとなって外部に送出される。一方、蒸留脱水装置６においてバイオエタノールから脱水された水分は、排水処理装置７を経て外部に排出される。
【００２１】
次に、図２及び図３を参照して、固定床流通反応システム１００の構成について詳しく説明する。
図２は、本発明の実施形態における固定床流通反応システム１００の構成図である。図３は、本発明の実施形態における固定床反応器１０の横断面図である。
【００２２】
固定床流通反応システム１００は、上述した固体酸触媒糖化装置３と、固体酸触媒再生装置４と、を有する。
固体酸触媒糖化装置３は、固体酸触媒Ｃが充填された固定床反応器１０と、固定床反応器１０の底部から処理対象物（糖液）を導入する導入配管１１と、固定床反応器１０の頂部から処理後の対象物（糖液）を排出する排出配管１２と、さらに、導入配管１１、固定床反応器１０、排出配管１２の順に処理対象物を流通させる不図示の圧送装置を有する。
【００２３】
固定床反応器１０内には、固体酸触媒Ｃを保持するカートリッジ式容器２０が収納されている。カートリッジ式容器２０は、固定床反応器１０内において固体酸触媒Ｃをユニット化して保持する構成となっている。カートリッジ式容器２０は、本体フレーム２１と、網状部材２２と、を有する。本体フレーム２１には、隙間（窓）が設けられており、当該隙間に網状部材２２が設けられている。網状部材２２は、ペレット状の固体酸触媒Ｃの大きさより小さい網目を有し、固体酸触媒Ｃを保持・拘束する構成となっている。また、本体フレーム２１には、固体酸触媒Ｃを入れる不図示の蓋や把持部などが設けられている。
【００２４】
カートリッジ式容器２０は、接触部分が強酸性となる固体酸触媒Ｃを保持するため、耐酸性に優れた樹脂材料、例えばポリ塩化ビニルなどを用いることが好ましく、さらに好ましくは耐熱性を有するポリテトラフルオロエチレンや高密度ポリエチレンなどを用いることが好ましい。本実施形態のカートリッジ式容器２０は、固体酸触媒Ｃの重量を支えるため、基材としてＳＵＳなどの強度部材を用い、当該基材を上記樹脂材料でコーティングすることで形成されている。なお、網状部材２２の基材としては、繊維系のネットに比べてコーティングが比較的容易なパンチングメタル、エキスパンドメタルなどを用いることが好ましい。
【００２５】
固定床反応器１０内には、固体酸触媒Ｃを保持するカートリッジ式容器２０が複数収容されている。固定床反応器１０には、固定床反応器１０の内壁１０ａとカートリッジ式容器２０との間に隙間を形成するスペーサー部材１４が設けられている（図２において不図示、図３参照）。スペーサー部材１４は、固定床反応器１０の内壁１０ａの周方向において等間隔で複数設けられている。本実施形態のスペーサー部材１４は、９０度間隔で４つ設けられている。スペーサー部材１４は、固定床反応器１０の内壁１０ａに、その長さ方向に沿って直線的に延在するリブ形状を有している。
【００２６】
スペーサー部材１４は、当該隙間を形成することで、固定床反応器１０の内壁１０ａとカートリッジ式容器２０、より詳しくは、カートリッジ式容器２０に保持された固体酸触媒Ｃとの接触を防止する。固体酸触媒Ｃの表面にはスルホ基が存在するが、その表面に近接あるいは接触しなければ強酸性にはならないため、スペーサー部材１４を設けることで固定床反応器１０の内壁１０ａ全体を耐酸性材料で構成あるいはコーティングする必要がなくなる。なお、当該隙間は、処理対象物の流路となり得るため、反応効率を考慮して、できるだけ小さく管理することが好ましい。例えば、固体酸触媒Ｃの大きさと網状部材２２の網目の大きさとから導出した、固体酸触媒Ｃの網目からの突出量に基づいて当該隙間を管理することが好ましい。
【００２７】
図２に示すように固定床反応器１０の頂部は、開閉可能な蓋部１３によって構成されている。蓋部１３を開放することで、カートリッジ式容器２０と共に、それに保持された固体酸触媒Ｃをユニット単位で交換することができる（後述する図４参照）。カートリッジ式容器２０の取り出しや運搬は、その大きさや重量を考慮して人手あるいは不図示のクレーンなどで行う。また、図３に示すように、カートリッジ式容器２０には、ガイド溝２３が設けられている。ガイド溝２３は、スペーサー部材１４を幅方向で跨ぐ形状を有し、スペーサー部材１４の長さ方向にカートリッジ式容器２０を案内する構成となっている。
【００２８】
図２に戻り、固体酸触媒再生装置４は、固定床反応器１０と別途独立して設けられ、固体酸触媒Ｃをカートリッジ式容器２０と共に硫酸存在下に置いて再生させる触媒再生器３０と、触媒再生器３０の底部から発煙硫酸を導入する導入配管３１と、触媒再生器３０の頂部から発煙硫酸を排出する排出配管３２と、さらに、導入配管３１、触媒再生器３０、排出配管３２の順に発煙硫酸を流通させる不図示の圧送装置を有する。なお、固体酸触媒Ｃの再生には、濃硫酸や亜硫酸ガスといった他の酸性物質を用いることもできる。
【００２９】
固体酸触媒再生装置４の構成（触媒再生器３０、導入配管３１、排出配管３２など）は、カートリッジ式容器２０と同様に耐酸性材料を用いて形成されている。触媒再生器３０の頂部は、開閉可能な蓋部３３によって構成され、固体酸触媒Ｃをカートリッジ式容器２０ごと収容可能になっている。本実施形態の触媒再生器３０は、カートリッジ式容器２０を一つ収容可能な構成になっている。なお、触媒再生器３０は、複数または固定床反応器１０の中のすべてのカートリッジ式容器２０を収容可能な大きさとしてもよい。
【００３０】
続いて、図４を追加参照し、上記構成の固定床流通反応システム１００の処理プロセス及びその作用について説明する。
図４は、本発明の実施形態における固定床流通反応システムの処理プロセスのうちの触媒再生プロセスを説明するための図である。
【００３１】
固定床流通反応システム１００は、図２に示すように、固定床反応器１０に処理対象物を流通させ、該固定床反応器１０内に充填された固体酸触媒Ｃとの間で反応させる。固体酸触媒Ｃによる糖化反応は、９０℃〜１２０℃の加熱温度下において行われる。本実施形態では、処理対象物である糖液が、固体酸触媒Ｃの表面を流通する際に、固体酸触媒Ｃの具備するスルホ基の作用によって加水分解され、グルコースを主成分とする単糖物となる。固体酸触媒Ｃは、カートリッジ式容器２０に収容されており、カートリッジ式容器２０は、固体酸触媒Ｃを保持する網状部材２２を有する。
【００３２】
網状部材２２は、固体酸触媒Ｃを保持・拘束しつつ、カートリッジ式容器２０内部と外部との物質交換が可能な構成となっている。このため、処理対象物は、カートリッジ式容器２０内外に流通でき、固定床反応器１０を底部から頂部まで流通する過程において、複数のカートリッジ式容器２０に収容された固体酸触媒Ｃの間を順次流通することとなる。したがって、固定床反応器１０において、処理対象物の上記加水分解による糖化を円滑に行わせることができる。
【００３３】
ところで、固体酸触媒Ｃは、長期間の使用によってスルホ基が脱離などにより減少し、その触媒機能が劣化する。このため、固定床流通反応システム１００においては、定期的に固体酸触媒Ｃの再生処理を行う。固体酸触媒Ｃの再生処理を行うためには、図４に示すように、固体酸触媒Ｃを固定床反応器１０から取り出し、触媒再生器３０に運搬する必要がある。また、取り出した固体酸触媒Ｃと交換して、新たな固体酸触媒Ｃを固定床反応器１０の中に充填する必要がある。
【００３４】
固定床流通反応システム１００は、固定床反応器１０内において固体酸触媒Ｃをユニット化して保持すると共に、該ユニット単位で交換可能とさせるカートリッジ式容器２０を有する。このため、固体酸触媒Ｃがペレット状などになっている場合であっても、カートリッジ式容器２０の中に入れてユニット化して取り扱うことができることとなるため、触媒再生時の取り出しや運搬を容易に行うことができる。また、固体酸触媒Ｃはユニット単位の一まとめで取り扱えるため、取り扱いの都度、触媒同士の摩耗や固定床反応器１０との摩擦による物理的な触媒劣化を抑制することができる。さらに取り扱いが素早く行えることで固体酸触媒Ｃの乾燥による品質低下を防ぐことにもなる。
【００３５】
固定床反応器１０から取り出された固体酸触媒Ｃは、触媒再生器３０に運搬される。本実施形態の触媒再生器３０は、固体酸触媒Ｃをカートリッジ式容器２０と共に硫酸存在下に置いて再生させる構成となっており、例えば固体酸触媒Ｃを一度カートリッジ式容器２０外に取り出すといった煩雑な取り扱いをすることがない。カートリッジ式容器２０は、固体酸触媒Ｃを保持するために耐酸性材料を用いて構成されているため、触媒再生器３０内にそのまま収容することができる。本実施形態の触媒再生器３０における発煙硫酸による固体酸触媒Ｃの再生処理は、例えば１００℃〜２００℃の加熱温度下において行う。
【００３６】
固体酸触媒Ｃを発煙硫酸などの酸性物質によって再生しようとする場合、当然に触媒再生器３０及びその配管系には耐酸性材料を使用することが必要となるが、本実施形態の触媒再生器３０は、固定床反応器１０とは別途独立して設けられている。このため、固定床反応器１０の中において再生処理をする必要がなくなり、固体酸触媒糖化装置３の稼働率を下げてしまうことや、耐酸性材料の使用により装置コストを上げてしまうことを防止できる。また、本実施形態の固定床流通反応システム１００においては、カートリッジ式容器２０と触媒再生器３０及びその配管系の一系列を耐酸性材料で構成もしくはコーティングすることのみが必要で、固体酸触媒糖化装置３が固定床反応器１０を複数持つ多系列の場合には当該多系列の構成部材の全ての耐酸性を比較的緩やかにできることから、システム全体が高価になることを防止することが可能となる。
【００３７】
このように、上述の本実施形態によれば、固定床反応器１０に処理対象物を流通させ、該固定床反応器１０内に充填された固体酸触媒Ｃとの間で反応させる固定床流通反応システム１００であって、固定床反応器１０内において固体酸触媒Ｃをユニット化して保持すると共に、該ユニット単位で交換可能とさせるカートリッジ式容器２０を有するという構成を採用することによって、触媒再生処理にかかる固体酸触媒Ｃの取り出しや運搬などの取り扱いが容易となり、また、摩耗による物理的な触媒劣化を抑制することができる固定床流通反応システム１００が得られる。
【００３８】
以上、図面を参照しながら本発明の好適な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ものではない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。
【００３９】
例えば、上記実施形態では、固定床反応器１０内において固体酸触媒Ｃを、固定床反応器１０の長さ方向において複数のユニットにユニット化するカートリッジ式容器２０の構成について説明したが、本発明はこの構成に限定されない。例えば、カートリッジ式容器２０は、固定床反応器１０内において固体酸触媒Ｃを、固定床反応器１０の周方向において複数のユニットにユニット化する構成であってもよい。また、例えば、カートリッジ式容器２０は、固定床反応器１０内において固体酸触媒Ｃを、一つのユニットにユニット化する構成であってもよい。
【００４０】
また、例えば、上記実施形態では、固定床反応器１０の頂部からカートリッジ式容器２０と共に固体酸触媒Ｃを交換する構成について説明したが、例えば、固定床反応器１０の底部から劣化した固体酸触媒Ｃを取り出し、固定床反応器１０の頂部から新たな固体酸触媒Ｃを充填する構成であってもよい。
【００４１】
また、例えば、上記実施形態では、木材チップや廃建材などの木質系バイオマスを原料として使用したが、その他、農作物や食品の残渣（稲藁、麦わら、バガス、果実皮など）を原料バイオマスとして使用することもできる。
【００４２】
また、例えば、上記実施形態では、カーボンにスルホ基を具備させた固体酸触媒によるバイオマスの糖化（グルコース生成反応）について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、その他、たとえば触媒としてゼオライトやチタニア等の金属酸化物系の固体酸を使用し、糖からのＨＭＦ（ヒドロキシメチルフルフラール）の合成、植物油からのバイオディーゼルの合成、またグリセリン（バイオディーゼル合成の副産物として生成する）の転換、などを行う反応プロセスにも適用することができる。
【符号の説明】
【００４３】
１０…固定床反応器、１０ａ…内壁、１４…スペーサー部材、２０…カートリッジ式容器、２２…網状部材、３０…触媒再生器、１００…固定床流通反応システム、Ｃ…固体酸触媒
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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