エタノール製造装置及びエタノール製造方法
【課題】酵素を循環して利用するために必要なエネルギーを従来よりも低減したエタノール製造装置及びエタノール製造方法を提供する。
【解決手段】バイオマス原料を発酵させて生成されるエタノール発酵液が導入され、エタノール発酵液を蒸留してエタノールベーパーを留出させる蒸留塔１１と、エタノールベーパーを精留するための精留塔１２とを備え、バイオマス原料からエタノールを製造するエタノール製造装置において、蒸留塔１１から留出したエタノールベーパーが精留塔１２に直接導入される。
【解決手段】バイオマス原料を発酵させて生成されるエタノール発酵液が導入され、エタノール発酵液を蒸留してエタノールベーパーを留出させる蒸留塔１１と、エタノールベーパーを精留するための精留塔１２とを備え、バイオマス原料からエタノールを製造するエタノール製造装置において、蒸留塔１１から留出したエタノールベーパーが精留塔１２に直接導入される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バイオマス原料からエタノールを製造するエタノール製造装置及びエタノール製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のエタノール製造装置として、糖化発酵反応液を酵素が失活しない条件で発酵生成物から蒸留分離し、蒸留残さ分中に含まれている酵素分を糖化発酵工程及び／又は予備糖化工程に循環利用することで、高価な酵素を効率的に利用するものが知られている。（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−１７０８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ここで一般に、減圧蒸留塔（又は減圧濃縮装置）を用いて蒸留する場合、この酵素を失活させることなく回収するためには、塔底温度を３０℃以上６０℃未満、望ましくは３０℃以上５１℃以下に維持する必要がある。しかし、蒸発エネルギーが過大になることを防ぐため、多重効用缶などの省エネルギー機器を導入した場合、その際の塔頂温度は３５℃を下回ることがある。そのため、消費電力が従来適用されている冷却塔（クーリングタワー）よりも大きいチラー等の冷却器を設け、塔頂から留出するエタノールベーパーを冷却して凝縮させる必要があった。
本発明は、酵素を循環して利用するために必要な熱エネルギーと冷却エネルギーを従来よりも低減したエタノール製造装置及びエタノール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】
【０００５】
前記目的に沿う第１の発明に係るエタノール製造装置は、バイオマス原料を発酵させて生成されるエタノール発酵液が導入され、前記エタノール発酵液を蒸留してエタノールベーパーを留出させる蒸留塔と、前記エタノールベーパーを精留するための精留塔とを備え、前記バイオマス原料からエタノールを製造するエタノール製造装置において、
前記蒸留塔から留出したエタノールベーパーが前記精留塔に直接導入される。
【０００６】
第１の発明に係るエタノール製造装置において、前記精留塔から留出したエタノールベーパーを断熱圧縮する圧縮機と、
前記蒸留塔の塔底を循環する塔底循環液を加熱する第１の熱交換器と、
前記精留塔の塔底を循環する塔底循環液を加熱する第２の熱交換器とを更に備え、
前記圧縮機によって断熱圧縮されたエタノールベーパーが前記第１及び第２の熱交換器の熱源となることが好ましい。
【０００７】
第１の発明に係るエタノール製造装置において、前記圧縮機によって前記蒸留塔及び前記精留塔が減圧され、該蒸留塔の塔底温度が４０℃〜６０℃の範囲に維持されることが好ましい。
【０００８】
第１の発明に係るエタノール製造装置において、前記圧縮機の前段に、前記精留塔によって精留されたエタノールベーパーを加熱する過熱器を更に備え、
前記過熱器により加熱された前記エタノールベーパーが前記圧縮機に送られ、該圧縮機によって断熱圧縮されたエタノールベーパーが前記過熱器の熱源となることが好ましい。
【０００９】
第１の発明に係るエタノール製造装置において、前記蒸留塔に導入される前記エタノール発酵液を予熱する第１の予熱器を更に備え、
前記圧縮機によって断熱圧縮されたエタノールベーパーが、前記第１の予熱器の熱源となることが好ましい。
【００１０】
第１の発明に係るエタノール製造装置において、前記第１の予熱器の熱源となる前記エタノールベーパーの温度が４５〜１００℃であることが好ましい。
【００１１】
第１の発明に係るエタノール製造装置において、前記蒸留塔の塔底を循環する塔底循環液を加熱する第３の熱交換器と、
前記精留塔の塔底を循環する塔底循環液を加熱する第４の熱交換器とを更に備え、
前記第３及び第４の熱交換器の熱源は、それぞれ外部蒸気であることが好ましい。
【００１２】
第１の発明に係るエタノール製造装置において、前記外部蒸気は、減圧蒸気であることが好ましい。
【００１３】
第１の発明に係るエタノール製造装置において、前記減圧蒸気の温度は４５〜１００℃であることが好ましい。
【００１４】
第１の発明に係るエタノール製造装置において、前記精留塔から缶出する低ＣＯＤ排水を、前記バイオマス原料の酵素反応性を高めるための前処理を行う前処理工程に循環させることができる。
【００１５】
第１の発明に係るエタノール製造装置において、前記精留塔から缶出する低ＣＯＤ排水を、前記バイオマス原料に糖化酵素を添加して単糖を得るための糖化工程に循環させることができる。
【００１６】
第１の発明に係るエタノール製造装置において、前記精留塔から缶出する低ＣＯＤ排水を、前記蒸留塔から缶出した酵素含有濃縮廃液から固形物を分離する固液分離工程で用いるリンス液として循環させることができる。
【００１７】
第１の発明に係るエタノール製造装置において、前記精留塔から缶出する低ＣＯＤ排水が、排水処理装置で処理されることが好ましい。
【００１８】
第１の発明に係るエタノール製造装置において、前記蒸留塔に導入される前記エタノール発酵液を予熱する第２の予熱器を更に備え、
前記精留塔から缶出する低ＣＯＤ排水が、前記第２の予熱器の熱源となることが好ましい。
【００１９】
第１の発明に係るエタノール製造装置において、前記蒸留塔に導入される前記エタノール発酵液を予熱する第３の予熱器を更に備え、
前記蒸留塔から缶出した酵素含有濃縮廃液が、前記第３の予熱器の熱源となることが好ましい。
【００２０】
第１の発明に係るエタノール製造装置において、前記圧縮機に代えて、ブロワ又は真空ポンプとすることができる。
【００２１】
前記目的に沿う第２の発明に係るエタノール製造方法は、バイオマス原料を発酵させて生成されるエタノール発酵液からエタノールを生成するエタノール製造方法において、
前記エタノール発酵液を蒸留塔に導入する工程と、
前記蒸留塔から流出したエタノールベーパーを直接精留塔に導入する工程とを含む。
【００２２】
第２の発明に係るエタノール製造方法において、前記精留塔から留出したエタノールベーパーを断熱圧縮する工程と、
前記断熱圧縮されたエタノールベーパーを熱源とし、前記蒸留塔の塔底を循環する塔底循環液を加熱する工程と、
前記断熱圧縮されたエタノールベーパーを熱源とし、前記精留塔の塔底を循環する塔底循環液を加熱する工程とを更に含むことが好ましい。
【００２３】
第２の発明に係るエタノール製造方法において、前記蒸留塔の塔底温度が、４０℃〜６０℃の範囲に維持されることが好ましい。
【発明の効果】
【００２４】
請求項１〜１６記載のエタノール製造装置においては、蒸留塔から留出したエタノールベーパーが精留塔に直接導入される。従って、エタノールベーパーを冷却器で凝縮させることがないため、蒸留工程及び精留工程で必要な消費エネルギーを従来よりも低減することができる。また、蒸留塔と精留塔が直結され、一体となるので、設備コストを低減できる。
【００２５】
特に、請求項２記載のエタノール製造装置においては、圧縮機によって断熱圧縮されたエタノールベーパーが第１及び第２の熱交換器の熱源となる。従って、蒸留工程及び精留工程で必要な消費エネルギーを従来よりも低減できる。
【００２６】
請求項３記載のエタノール製造装置においては、蒸留塔の塔底温度が４０℃〜６０℃の範囲に維持される。そのため酵素の失活が抑制されるので、酵素を再利用できる。
【００２７】
請求項４記載のエタノール製造装置においては、エタノールベーパーが加熱されるので、圧縮機内でのエタノールベーパーの凝縮を防止できる。
【００２８】
請求項５記載のエタノール製造装置においては、圧縮機によって断熱圧縮されたエタノールベーパーが第１の予熱器の熱源として利用されることにより、蒸留工程で必要な消費エネルギーを従来よりも低減できる。
【００２９】
請求項６記載のエタノール製造装置においては、第１の予熱器の熱源となるエタノールベーパーの温度が４５〜１００℃となる。そのため酵素の失活が抑制される。
【００３０】
請求項７記載のエタノール製造装置においては、第３及び第４の熱交換器の熱源が、それぞれ外部蒸気であるため、エタノール製造装置の立ち上げ時の過渡状態及び定常状態において運転が安定する。
【００３１】
請求項８記載のエタノール製造装置においては、外部蒸気が減圧蒸気であるため、蒸留塔の塔底を循環する塔底循環液の温度が必要以上に上昇することを防止できる。そのため酵素の失活が抑制され、酵素を再利用できる。
【００３２】
請求項９記載のエタノール製造装置においては、前記減圧蒸気の温度は４５〜１００℃である。そのため、酵素の失活が抑制され、酵素を再利用できる。
【００３３】
請求項１０記載のエタノール製造装置においては、バイオマス原料に含まれている水分やエタノールを製造する過程で添加された水を低ＣＯＤ排水として排出できるので、前処理工程で再利用できる。
【００３４】
請求項１１記載のエタノール製造装置においては、バイオマス原料に含まれている水分やエタノールを製造する過程で添加された水を低ＣＯＤ排水として排出できるので、糖化工程で再利用できる。
【００３５】
請求項１２記載のエタノール製造装置においては、バイオマス原料に含まれている水分やエタノールを製造する過程で添加された水を低ＣＯＤ排水として排出できるので、固液分離工程で用いるリンス液として再利用できる。
【００３６】
請求項１３記載のエタノール製造装置においては、低ＣＯＤ排水の排水処理が容易なので、従来よりも廃液処理の負担を軽減できる。
【００３７】
請求項１４記載のエタノール製造装置においては、精留塔から缶出する低ＣＯＤ排水が、第２の予熱器の熱源として利用されることにより、蒸留工程で必要な消費エネルギーを従来よりも低減できる。
【００３８】
請求項１５記載のエタノール製造装置においては、蒸留塔から缶出した酵素含有濃縮廃液が、第３の予熱器の熱源として利用されることにより、蒸留工程で必要な消費エネルギーを従来よりも低減できる。
【００３９】
請求項１６記載のエタノール製造装置においては、圧縮機に代えてブロワ又は真空ポンプを適用できる。
【００４０】
請求項１７〜１９記載のエタノール製造方法においては、蒸留塔から留出したエタノールベーパーが精留塔に直接導入される。従って、エタノールベーパーを冷却器で凝縮させることがないため、蒸留工程及び精留工程で必要な消費エネルギーを従来よりも低減することができる。また、蒸留塔と精留塔が直結され、一体となるので、設備コストを低減できる。
【００４１】
特に、請求項１８記載のエタノール製造方法においては、断熱圧縮されたエタノールベーパーが蒸留塔及び精留塔の塔底循環液を加熱する。従って、蒸留工程及び精留工程で必要な消費エネルギーを従来よりも低減できる。
【００４２】
請求項１９記載のエタノール製造方法においては、蒸留塔の塔底温度が４０℃〜６０℃の範囲に維持される。そのため酵素の失活が抑制されるので、酵素を再利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の一実施の形態に係るエタノール製造装置における製造工程のフロー図である。
【図２】同エタノール製造装置の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００４４】
続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態につき説明し、本発明の理解に供する。なお、各図において、説明に関連しない部分は図示を省略する場合がある。
【００４５】
本発明の一実施の形態に係るエタノール製造装置は、セルロースを含んだ木質系、草本系、紙系のバイオマス原料からエタノールを生成するものである。図１に示すように、エタノール製造工程は、前処理工程Ｐ１、糖化工程Ｐ２、Ｃ６糖発酵工程Ｐ３、蒸留工程Ｐ４、精留工程Ｐ５、無水化工程Ｐ６を含んでいる。この製造工程は、更に固液分離工程Ｐ７及びＣ５糖発酵工程Ｐ８を含んでいる。
【００４６】
前処理工程Ｐ１では、バイオマス原料の酵素反応性を高めるためバイオマス原料に熱処理、化学処理、機械処理等の前処理を行う。
糖化工程Ｐ２では、前処理されたバイオマス原料に、セルラーゼ、ヘミセルラーゼ等の糖化酵素を添加し、セルロース等を加水分解して単糖を得る。
【００４７】
Ｃ６糖発酵工程Ｐ３では、糖化工程Ｐ２で得られた単糖を含む糖化液に酵母を添加し、発酵によりエタノール発酵液を得る。このエタノール発酵液は、１〜１０％のエタノールを含んでいる。本工程は同時糖化発酵工程（糖化工程Ｐ２と一緒に行う工程）としても良い。
【００４８】
蒸留工程Ｐ４では、Ｃ６糖発酵工程Ｐ３で得られたエタノール発酵液を蒸留してエタノールを分離する。具体的には、エタノール発酵液を蒸留塔１１（図２参照）に導入して蒸留し、塔頂からエタノールベーパーを留出させる。導入されるエタノール発酵液は、セルラーゼ、ヘミセルラーゼ等の糖化酵素及びＣ６糖発酵工程Ｐ３で発酵しなかったＣ５糖を含んでいる。セルラーゼ、ヘミセルラーゼは６０℃以上で失活するので、蒸留塔１１の塔底温度は、６０℃未満に調整される。酵素は６０℃未満でも経時的に失活するので、蒸留塔１１の塔底温度はできる限り低いほうが好ましい。
【００４９】
精留工程Ｐ５では、蒸留塔１１から留出した低濃度エタノール水（エタノールベーパー）を約９０％まで濃縮する。無水化工程Ｐ６では、精留工程Ｐ５で濃縮されたエタノール（９０％エタノール液）から、膜分離や共沸等により、水分を分離する。
【００５０】
固液分離工程Ｐ７では、蒸留工程Ｐ４の蒸留塔１１から缶出した酵素含有濃縮廃液から固形物を分離する。
Ｃ５糖発酵工程Ｐ８では、固形物が分離された酵素含有濃縮廃液に含まれるＣ５糖を発酵させる。発酵液は糖化工程Ｐ２へと循環される。
【００５１】
次に、図１の点線で示した蒸留工程Ｐ４及び精留工程Ｐ５について詳述する。
この工程では、図２に示す蒸留塔１１及び留出ラインＬ１を介して蒸留塔１１と直結された精留塔１２によって、それぞれ蒸留及び精留が行われる。なお、蒸留塔１１は、例えば４つの棚段を有する棚段塔である。
蒸留塔１１の塔底温度は、酵素が失活しないように、４０℃以上６０℃未満（望ましくは３０℃以上５１℃以下）になるよう、精留塔１２の留出ラインＬ２に設けられた圧縮機２０によって内部圧力が減圧制御されている。なお、前述の通り、精留塔１２は、蒸留塔１１に直結されているので、精留塔１２の塔底温度は、蒸留塔１１の塔底温度と実質的に等しくなる。
【００５２】
蒸留塔１１には、Ｃ６糖発酵工程Ｐ３にて生成されたエタノール発酵液が導入される。
蒸留塔１１の塔底からは、酵素含有濃縮廃液が缶出する。この缶出した酵素含有濃縮廃液は、塔底循環ポンプ２２によって送出され、その一部は固液分離工程Ｐ７を経てＣ５糖発酵工程Ｐ８の発酵槽（不図示）で再利用される。
酵素含有濃縮廃液の一部（例えば、０．３ｗｔ％、３５４ｋｇ／ｈ）は、予熱器２３（第３の予熱器の一例）を介して、エタノール発酵液を予熱する。
酵素含有濃縮廃液の残りは、熱交換器（リボイラ）２４ａ、２４ｂによって昇温され、塔底循環液として蒸留塔１１の塔底へと循環される。
なお、熱交換器２４ｂ（第３の熱交換器の一例）は、図示しない蒸気ラインから供給される、例えば４５〜１００℃の減圧蒸気（外部蒸気）を熱源としている。このように、外部蒸気を熱源とした熱交換器２４ｂが設けられているので、エタノール製造装置を立ち上げる際の過渡状態及び定常状態において運転が安定する。また、熱交換器２４ｂの熱源が４５〜１００℃の減圧蒸気であるので、酵素含有濃縮廃液中の酵素の失活が抑えられる。
【００５３】
蒸留塔１１の塔頂からは、エタノールベーパーが留出する。なお、蒸留塔１１に導入されるエタノール発酵液の量及び蒸留塔１１から缶出する酵素含有濃縮廃液の量は予め設定されているので、その差分が留出するエタノール及び水分となる。この酵素含有濃縮廃液量は、前処理工程Ｐ１にて生成されたパルプ重量の例えば９倍に設定する。留出したエタノールベーパーは、留出ラインＬ１を介して精留塔１２の中段に直接導入される。
従って、従来のようにエタノールベーパーをチラー等で冷却して凝縮することなく、ベーパーのまま精留塔１２に直接導入するため、冷却に必要なエネルギー及び精留塔１２に必要な熱エネルギーを低減できる。
【００５４】
精留塔１２には、前述の通り、エタノールベーパーが導入される。
精留塔１２の塔頂からは、エタノール濃度が約９０％のエタノール液がエタノールベーパーとして留出する。このエタノールベーパーの温度は、例えば１９〜３９℃であり、圧力は１０ｋＰａＡである。
留出したエタノール液は、圧縮機２０内で凝縮しないように、過熱器２６によって加熱される。ここで、一般に、精留塔１２の塔頂から留出したエタノールベーパーが凝縮すると、圧縮機２０内のインペラー（羽根部）等回転部に過大な負荷が加わったり、凝縮液がシール部からリークしたりする等、機械的な問題が生じる場合がある。本実施の形態においては、精留塔１２の塔頂から留出したエタノールベーパーが過熱器２６によって加熱されるので、このような凝縮に起因する問題の発生を防止できる。
加熱されたエタノールベーパーは、更に圧縮機２０によって、断熱圧縮され、昇温昇圧される。圧縮機２０の吐出側でのエタノールベーパーの温度は、４５℃〜１００℃の範囲に維持される。圧縮機２０で断熱圧縮されたエタノールベーパーは過熱器２６の熱源となる。
本実施の形態においては、圧縮機２０が１台のみ設けられている。従って、圧縮機が複数設けられている場合と比べて、エタノール製造装置の信頼性が向上する。また、圧縮機が複数設けられている場合と比べて、イニシャルコストが低減される。
【００５５】
昇温昇圧されたエタノールベーパーは留出ラインＬ３と還流ラインＬ４に分岐する。
留出ラインＬ３に送られたエタノールベーパーは、予熱器（第１の予熱器の一例）２８、３０を介して蒸留塔１１に導入されるエタノール発酵液を予熱し、９０％エタノール液として無水化工程Ｐ６に送られる。なお、真空ポンプ３１によって、圧縮機２０によって昇圧される留出ラインＬ３が減圧される。
なお、前述の通り、圧縮機２０の吐出側でのエタノールベーパーの温度は、４５℃〜１００℃の範囲に維持される。従って、このエタノールベーパーを熱源とする予熱器２８によって加熱されるエタノール発酵液中の酵素の失活が抑えられる。
【００５６】
一方、還流ラインＬ４に送られたエタノールベーバーは、更に、分岐点Ａにて、ラインＬ５とラインＬ６とに分岐する。
ラインＬ５に送出されたエタノールベーパーは、絞り弁３２を通る。この絞り弁３２は、精留塔１２の塔底温度に基づいて、その絞り量を制御することができる。エタノールベーパーは、絞り弁３２を通過した後、熱交換器５４ａ（第２の熱交換器の一例）で精留塔１２の塔底の低ＣＯＤ排水（塔底循環液）と熱交換されて凝縮し、エタノール液となる。
ラインＬ６を通るエタノールベーパーは、熱交換器２４ａ（第１の熱交換器の一例）の熱源となった後、凝縮する。
【００５７】
ラインＬ５及びラインＬ６は、合流点Ｂにて合流する。合流したエタノール液は、更に絞り弁３４を通る。この絞り弁３４は、エタノール液の圧力に基づいてその絞り量を制御することができる。絞り弁３４を通過した後のエタノール液の温度は、例えば５７〜７０℃、圧力は４０ｋＰａＡとなる。このエタノール液は精留塔１２の塔頂に戻される。
【００５８】
精留塔１２の塔底からは、低ＣＯＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｏｘｙｇｅｎ Ｄｅｍａｎｄ）排水が缶出する。この低ＣＯＤ排水の温度は、例えば４０〜６０℃である。なお、図２中、括弧内の温度は、一例を示している。
低ＣＯＤ排水は精留塔１２の留出物であるので、高沸成分が存在せず、微量の有機酸や油分等が含まれているだけである。従って、低ＣＯＤ排水のＣＯＤは約１０００（ｍｇ／Ｌ）であるが、無色透明のきれいな水といえる。よって、低ＣＯＤ排水は、図１に示すように、前処理工程Ｐ１、糖化工程Ｐ２、又は固液分離工程Ｐ７で循環利用することができる。特に、固液分離工程Ｐ７においては、低ＣＯＤ排水はリンス液として用いられる。また、この低ＣＯＤ排水を図示しない排水処理装置で処理することもできる。
低ＣＯＤ排水は、塔底循環ポンプ５１によって送出される。
低ＣＯＤ排水の一部（例えば、０．０１ｗｔ％、２０１ｋｇ／ｈ）は、予熱器５２（第２の予熱器の一例）を介して、エタノール発酵液を予熱する。
低ＣＯＤ排水の残りは、熱交換器５４ａ、５４ｂによって昇温され、精留塔１２の塔底へと塔底循環液として循環される。
なお、熱交換器５４ｂ（第４の熱交換器の一例）は、図示しない蒸気ラインから供給される、例えば４５〜１００℃の減圧蒸気（外部蒸気）を熱源としている。このように、外部蒸気を熱源とした熱交換器が設けられているので、エタノール製造装置を立ち上げる際の過渡状態及び定常状態において運転が安定する。
【００５９】
発明者は、前述の実施の形態に係るエタノール製造装置のエネルギー低減効果について試算した。その結果を表１に示す。
【００６０】
【表１】
【００６１】
なお、原料は木質チップである。計算条件は以下の通りである。
＜計算条件＞
１．エタノール発酵液：１０，４８４ｋｇ（エタノール濃度３％）
２．酵素含有濃縮廃液：８，７３７ｋｇ
３．蒸留塔留出エタノール：１，７４７ｋｇ（エタノール濃度１４％）（＝エタノール発酵液１０，４８４ｋｇ−酵素含有濃縮廃液８，７３７ｋｇ）
４．低ＣＯＤ排水：１，４７６ｋｇ（＝蒸留塔留出エタノール１，７４７ｋｇ−９０％エタノール液２７１ｋｇ）
５．９０％エタノール液：２７１ｋｇ（２４４ｋｇ／９０ｗｔ％）
６．精留に関する還流比：３
【００６２】
試算にあたり、電力エネルギーは蒸気エネルギーの１／３として換算した。また、多重効用にかかる蒸気使用量は３重効用として、通常の蒸留の１／３とした。また、チラーのＣＯＰ（Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ Ｏｆ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ）は１．８とした。また、圧縮機の断熱圧縮効率は５０％とした。
【００６３】
表１中、比較例１は、多重効用缶などを設けず単純に蒸気のみで蒸留を行った場合の試算結果である。この結果を基準である１００としている。
比較例２は、多重効用及びチラーを組み合わせて蒸留を行った場合の試算結果である。比較例２については、塔頂温度が３５℃以下になるためチラーが必要となり、必要な外部エネルギーは蒸気換算で９２となる。
【００６４】
本実施の形態においては、図２に示すように、蒸留塔１１の熱源は、圧縮機２０により圧縮されたエタノールベーパーで賄われる。その際、精留塔１２の熱源は蒸留塔１１から流出するエタノールベーパーによって賄われるので、実質的に０となる。
ただし、精留塔１２から流出するエタノールベーパーを圧縮機２０にて圧縮するため、断熱圧縮の温度上昇の制約から、省エネルギー効果は３１／１００となる。
【００６５】
なお、本発明は、前述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲での変更は可能である。例えば、前述のそれぞれ実施の形態や変形例の一部又は全部を組み合わせて本発明を構成する場合も本発明の技術的範囲に含まれる。
前述の実施の形態における圧縮機２０に代えて、ブロワ又は真空ポンプとすることも可能である。
【００６６】
エタノール発酵液は並列に設けられた予熱器３０、予熱器２３、及び予熱器５２によって熱交換がされているが、例えばエタノール発酵液の分岐に係るコストが過大になる場合には、これら予熱器３０、予熱器２３、及び予熱器５２を直列に設けてもよい。又は、これら予熱器３０、予熱器２３、及び予熱器５２の一部又は全部を省略することも可能である。
【符号の説明】
【００６７】
１１：蒸留塔、１２：精留塔、２０：圧縮機、２２：塔底循環ポンプ、２３：予熱器、２４ａ、２４ｂ：熱交換器、２６：過熱器、２８：予熱器、３０：予熱器、３１：真空ポンプ、３２：絞り弁、３４：絞り弁、５１：塔底循環ポンプ、５２：予熱器、５４ａ、５４ｂ：熱交換器
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バイオマス原料からエタノールを製造するエタノール製造装置及びエタノール製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のエタノール製造装置として、糖化発酵反応液を酵素が失活しない条件で発酵生成物から蒸留分離し、蒸留残さ分中に含まれている酵素分を糖化発酵工程及び／又は予備糖化工程に循環利用することで、高価な酵素を効率的に利用するものが知られている。（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−１７０８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ここで一般に、減圧蒸留塔（又は減圧濃縮装置）を用いて蒸留する場合、この酵素を失活させることなく回収するためには、塔底温度を３０℃以上６０℃未満、望ましくは３０℃以上５１℃以下に維持する必要がある。しかし、蒸発エネルギーが過大になることを防ぐため、多重効用缶などの省エネルギー機器を導入した場合、その際の塔頂温度は３５℃を下回ることがある。そのため、消費電力が従来適用されている冷却塔（クーリングタワー）よりも大きいチラー等の冷却器を設け、塔頂から留出するエタノールベーパーを冷却して凝縮させる必要があった。
本発明は、酵素を循環して利用するために必要な熱エネルギーと冷却エネルギーを従来よりも低減したエタノール製造装置及びエタノール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】
【０００５】
前記目的に沿う第１の発明に係るエタノール製造装置は、バイオマス原料を発酵させて生成されるエタノール発酵液が導入され、前記エタノール発酵液を蒸留してエタノールベーパーを留出させる蒸留塔と、前記エタノールベーパーを精留するための精留塔とを備え、前記バイオマス原料からエタノールを製造するエタノール製造装置において、
前記蒸留塔から留出したエタノールベーパーが前記精留塔に直接導入される。
【０００６】
第１の発明に係るエタノール製造装置において、前記精留塔から留出したエタノールベーパーを断熱圧縮する圧縮機と、
前記蒸留塔の塔底を循環する塔底循環液を加熱する第１の熱交換器と、
前記精留塔の塔底を循環する塔底循環液を加熱する第２の熱交換器とを更に備え、
前記圧縮機によって断熱圧縮されたエタノールベーパーが前記第１及び第２の熱交換器の熱源となることが好ましい。
【０００７】
第１の発明に係るエタノール製造装置において、前記圧縮機によって前記蒸留塔及び前記精留塔が減圧され、該蒸留塔の塔底温度が４０℃〜６０℃の範囲に維持されることが好ましい。
【０００８】
第１の発明に係るエタノール製造装置において、前記圧縮機の前段に、前記精留塔によって精留されたエタノールベーパーを加熱する過熱器を更に備え、
前記過熱器により加熱された前記エタノールベーパーが前記圧縮機に送られ、該圧縮機によって断熱圧縮されたエタノールベーパーが前記過熱器の熱源となることが好ましい。
【０００９】
第１の発明に係るエタノール製造装置において、前記蒸留塔に導入される前記エタノール発酵液を予熱する第１の予熱器を更に備え、
前記圧縮機によって断熱圧縮されたエタノールベーパーが、前記第１の予熱器の熱源となることが好ましい。
【００１０】
第１の発明に係るエタノール製造装置において、前記第１の予熱器の熱源となる前記エタノールベーパーの温度が４５〜１００℃であることが好ましい。
【００１１】
第１の発明に係るエタノール製造装置において、前記蒸留塔の塔底を循環する塔底循環液を加熱する第３の熱交換器と、
前記精留塔の塔底を循環する塔底循環液を加熱する第４の熱交換器とを更に備え、
前記第３及び第４の熱交換器の熱源は、それぞれ外部蒸気であることが好ましい。
【００１２】
第１の発明に係るエタノール製造装置において、前記外部蒸気は、減圧蒸気であることが好ましい。
【００１３】
第１の発明に係るエタノール製造装置において、前記減圧蒸気の温度は４５〜１００℃であることが好ましい。
【００１４】
第１の発明に係るエタノール製造装置において、前記精留塔から缶出する低ＣＯＤ排水を、前記バイオマス原料の酵素反応性を高めるための前処理を行う前処理工程に循環させることができる。
【００１５】
第１の発明に係るエタノール製造装置において、前記精留塔から缶出する低ＣＯＤ排水を、前記バイオマス原料に糖化酵素を添加して単糖を得るための糖化工程に循環させることができる。
【００１６】
第１の発明に係るエタノール製造装置において、前記精留塔から缶出する低ＣＯＤ排水を、前記蒸留塔から缶出した酵素含有濃縮廃液から固形物を分離する固液分離工程で用いるリンス液として循環させることができる。
【００１７】
第１の発明に係るエタノール製造装置において、前記精留塔から缶出する低ＣＯＤ排水が、排水処理装置で処理されることが好ましい。
【００１８】
第１の発明に係るエタノール製造装置において、前記蒸留塔に導入される前記エタノール発酵液を予熱する第２の予熱器を更に備え、
前記精留塔から缶出する低ＣＯＤ排水が、前記第２の予熱器の熱源となることが好ましい。
【００１９】
第１の発明に係るエタノール製造装置において、前記蒸留塔に導入される前記エタノール発酵液を予熱する第３の予熱器を更に備え、
前記蒸留塔から缶出した酵素含有濃縮廃液が、前記第３の予熱器の熱源となることが好ましい。
【００２０】
第１の発明に係るエタノール製造装置において、前記圧縮機に代えて、ブロワ又は真空ポンプとすることができる。
【００２１】
前記目的に沿う第２の発明に係るエタノール製造方法は、バイオマス原料を発酵させて生成されるエタノール発酵液からエタノールを生成するエタノール製造方法において、
前記エタノール発酵液を蒸留塔に導入する工程と、
前記蒸留塔から流出したエタノールベーパーを直接精留塔に導入する工程とを含む。
【００２２】
第２の発明に係るエタノール製造方法において、前記精留塔から留出したエタノールベーパーを断熱圧縮する工程と、
前記断熱圧縮されたエタノールベーパーを熱源とし、前記蒸留塔の塔底を循環する塔底循環液を加熱する工程と、
前記断熱圧縮されたエタノールベーパーを熱源とし、前記精留塔の塔底を循環する塔底循環液を加熱する工程とを更に含むことが好ましい。
【００２３】
第２の発明に係るエタノール製造方法において、前記蒸留塔の塔底温度が、４０℃〜６０℃の範囲に維持されることが好ましい。
【発明の効果】
【００２４】
請求項１〜１６記載のエタノール製造装置においては、蒸留塔から留出したエタノールベーパーが精留塔に直接導入される。従って、エタノールベーパーを冷却器で凝縮させることがないため、蒸留工程及び精留工程で必要な消費エネルギーを従来よりも低減することができる。また、蒸留塔と精留塔が直結され、一体となるので、設備コストを低減できる。
【００２５】
特に、請求項２記載のエタノール製造装置においては、圧縮機によって断熱圧縮されたエタノールベーパーが第１及び第２の熱交換器の熱源となる。従って、蒸留工程及び精留工程で必要な消費エネルギーを従来よりも低減できる。
【００２６】
請求項３記載のエタノール製造装置においては、蒸留塔の塔底温度が４０℃〜６０℃の範囲に維持される。そのため酵素の失活が抑制されるので、酵素を再利用できる。
【００２７】
請求項４記載のエタノール製造装置においては、エタノールベーパーが加熱されるので、圧縮機内でのエタノールベーパーの凝縮を防止できる。
【００２８】
請求項５記載のエタノール製造装置においては、圧縮機によって断熱圧縮されたエタノールベーパーが第１の予熱器の熱源として利用されることにより、蒸留工程で必要な消費エネルギーを従来よりも低減できる。
【００２９】
請求項６記載のエタノール製造装置においては、第１の予熱器の熱源となるエタノールベーパーの温度が４５〜１００℃となる。そのため酵素の失活が抑制される。
【００３０】
請求項７記載のエタノール製造装置においては、第３及び第４の熱交換器の熱源が、それぞれ外部蒸気であるため、エタノール製造装置の立ち上げ時の過渡状態及び定常状態において運転が安定する。
【００３１】
請求項８記載のエタノール製造装置においては、外部蒸気が減圧蒸気であるため、蒸留塔の塔底を循環する塔底循環液の温度が必要以上に上昇することを防止できる。そのため酵素の失活が抑制され、酵素を再利用できる。
【００３２】
請求項９記載のエタノール製造装置においては、前記減圧蒸気の温度は４５〜１００℃である。そのため、酵素の失活が抑制され、酵素を再利用できる。
【００３３】
請求項１０記載のエタノール製造装置においては、バイオマス原料に含まれている水分やエタノールを製造する過程で添加された水を低ＣＯＤ排水として排出できるので、前処理工程で再利用できる。
【００３４】
請求項１１記載のエタノール製造装置においては、バイオマス原料に含まれている水分やエタノールを製造する過程で添加された水を低ＣＯＤ排水として排出できるので、糖化工程で再利用できる。
【００３５】
請求項１２記載のエタノール製造装置においては、バイオマス原料に含まれている水分やエタノールを製造する過程で添加された水を低ＣＯＤ排水として排出できるので、固液分離工程で用いるリンス液として再利用できる。
【００３６】
請求項１３記載のエタノール製造装置においては、低ＣＯＤ排水の排水処理が容易なので、従来よりも廃液処理の負担を軽減できる。
【００３７】
請求項１４記載のエタノール製造装置においては、精留塔から缶出する低ＣＯＤ排水が、第２の予熱器の熱源として利用されることにより、蒸留工程で必要な消費エネルギーを従来よりも低減できる。
【００３８】
請求項１５記載のエタノール製造装置においては、蒸留塔から缶出した酵素含有濃縮廃液が、第３の予熱器の熱源として利用されることにより、蒸留工程で必要な消費エネルギーを従来よりも低減できる。
【００３９】
請求項１６記載のエタノール製造装置においては、圧縮機に代えてブロワ又は真空ポンプを適用できる。
【００４０】
請求項１７〜１９記載のエタノール製造方法においては、蒸留塔から留出したエタノールベーパーが精留塔に直接導入される。従って、エタノールベーパーを冷却器で凝縮させることがないため、蒸留工程及び精留工程で必要な消費エネルギーを従来よりも低減することができる。また、蒸留塔と精留塔が直結され、一体となるので、設備コストを低減できる。
【００４１】
特に、請求項１８記載のエタノール製造方法においては、断熱圧縮されたエタノールベーパーが蒸留塔及び精留塔の塔底循環液を加熱する。従って、蒸留工程及び精留工程で必要な消費エネルギーを従来よりも低減できる。
【００４２】
請求項１９記載のエタノール製造方法においては、蒸留塔の塔底温度が４０℃〜６０℃の範囲に維持される。そのため酵素の失活が抑制されるので、酵素を再利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の一実施の形態に係るエタノール製造装置における製造工程のフロー図である。
【図２】同エタノール製造装置の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００４４】
続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態につき説明し、本発明の理解に供する。なお、各図において、説明に関連しない部分は図示を省略する場合がある。
【００４５】
本発明の一実施の形態に係るエタノール製造装置は、セルロースを含んだ木質系、草本系、紙系のバイオマス原料からエタノールを生成するものである。図１に示すように、エタノール製造工程は、前処理工程Ｐ１、糖化工程Ｐ２、Ｃ６糖発酵工程Ｐ３、蒸留工程Ｐ４、精留工程Ｐ５、無水化工程Ｐ６を含んでいる。この製造工程は、更に固液分離工程Ｐ７及びＣ５糖発酵工程Ｐ８を含んでいる。
【００４６】
前処理工程Ｐ１では、バイオマス原料の酵素反応性を高めるためバイオマス原料に熱処理、化学処理、機械処理等の前処理を行う。
糖化工程Ｐ２では、前処理されたバイオマス原料に、セルラーゼ、ヘミセルラーゼ等の糖化酵素を添加し、セルロース等を加水分解して単糖を得る。
【００４７】
Ｃ６糖発酵工程Ｐ３では、糖化工程Ｐ２で得られた単糖を含む糖化液に酵母を添加し、発酵によりエタノール発酵液を得る。このエタノール発酵液は、１〜１０％のエタノールを含んでいる。本工程は同時糖化発酵工程（糖化工程Ｐ２と一緒に行う工程）としても良い。
【００４８】
蒸留工程Ｐ４では、Ｃ６糖発酵工程Ｐ３で得られたエタノール発酵液を蒸留してエタノールを分離する。具体的には、エタノール発酵液を蒸留塔１１（図２参照）に導入して蒸留し、塔頂からエタノールベーパーを留出させる。導入されるエタノール発酵液は、セルラーゼ、ヘミセルラーゼ等の糖化酵素及びＣ６糖発酵工程Ｐ３で発酵しなかったＣ５糖を含んでいる。セルラーゼ、ヘミセルラーゼは６０℃以上で失活するので、蒸留塔１１の塔底温度は、６０℃未満に調整される。酵素は６０℃未満でも経時的に失活するので、蒸留塔１１の塔底温度はできる限り低いほうが好ましい。
【００４９】
精留工程Ｐ５では、蒸留塔１１から留出した低濃度エタノール水（エタノールベーパー）を約９０％まで濃縮する。無水化工程Ｐ６では、精留工程Ｐ５で濃縮されたエタノール（９０％エタノール液）から、膜分離や共沸等により、水分を分離する。
【００５０】
固液分離工程Ｐ７では、蒸留工程Ｐ４の蒸留塔１１から缶出した酵素含有濃縮廃液から固形物を分離する。
Ｃ５糖発酵工程Ｐ８では、固形物が分離された酵素含有濃縮廃液に含まれるＣ５糖を発酵させる。発酵液は糖化工程Ｐ２へと循環される。
【００５１】
次に、図１の点線で示した蒸留工程Ｐ４及び精留工程Ｐ５について詳述する。
この工程では、図２に示す蒸留塔１１及び留出ラインＬ１を介して蒸留塔１１と直結された精留塔１２によって、それぞれ蒸留及び精留が行われる。なお、蒸留塔１１は、例えば４つの棚段を有する棚段塔である。
蒸留塔１１の塔底温度は、酵素が失活しないように、４０℃以上６０℃未満（望ましくは３０℃以上５１℃以下）になるよう、精留塔１２の留出ラインＬ２に設けられた圧縮機２０によって内部圧力が減圧制御されている。なお、前述の通り、精留塔１２は、蒸留塔１１に直結されているので、精留塔１２の塔底温度は、蒸留塔１１の塔底温度と実質的に等しくなる。
【００５２】
蒸留塔１１には、Ｃ６糖発酵工程Ｐ３にて生成されたエタノール発酵液が導入される。
蒸留塔１１の塔底からは、酵素含有濃縮廃液が缶出する。この缶出した酵素含有濃縮廃液は、塔底循環ポンプ２２によって送出され、その一部は固液分離工程Ｐ７を経てＣ５糖発酵工程Ｐ８の発酵槽（不図示）で再利用される。
酵素含有濃縮廃液の一部（例えば、０．３ｗｔ％、３５４ｋｇ／ｈ）は、予熱器２３（第３の予熱器の一例）を介して、エタノール発酵液を予熱する。
酵素含有濃縮廃液の残りは、熱交換器（リボイラ）２４ａ、２４ｂによって昇温され、塔底循環液として蒸留塔１１の塔底へと循環される。
なお、熱交換器２４ｂ（第３の熱交換器の一例）は、図示しない蒸気ラインから供給される、例えば４５〜１００℃の減圧蒸気（外部蒸気）を熱源としている。このように、外部蒸気を熱源とした熱交換器２４ｂが設けられているので、エタノール製造装置を立ち上げる際の過渡状態及び定常状態において運転が安定する。また、熱交換器２４ｂの熱源が４５〜１００℃の減圧蒸気であるので、酵素含有濃縮廃液中の酵素の失活が抑えられる。
【００５３】
蒸留塔１１の塔頂からは、エタノールベーパーが留出する。なお、蒸留塔１１に導入されるエタノール発酵液の量及び蒸留塔１１から缶出する酵素含有濃縮廃液の量は予め設定されているので、その差分が留出するエタノール及び水分となる。この酵素含有濃縮廃液量は、前処理工程Ｐ１にて生成されたパルプ重量の例えば９倍に設定する。留出したエタノールベーパーは、留出ラインＬ１を介して精留塔１２の中段に直接導入される。
従って、従来のようにエタノールベーパーをチラー等で冷却して凝縮することなく、ベーパーのまま精留塔１２に直接導入するため、冷却に必要なエネルギー及び精留塔１２に必要な熱エネルギーを低減できる。
【００５４】
精留塔１２には、前述の通り、エタノールベーパーが導入される。
精留塔１２の塔頂からは、エタノール濃度が約９０％のエタノール液がエタノールベーパーとして留出する。このエタノールベーパーの温度は、例えば１９〜３９℃であり、圧力は１０ｋＰａＡである。
留出したエタノール液は、圧縮機２０内で凝縮しないように、過熱器２６によって加熱される。ここで、一般に、精留塔１２の塔頂から留出したエタノールベーパーが凝縮すると、圧縮機２０内のインペラー（羽根部）等回転部に過大な負荷が加わったり、凝縮液がシール部からリークしたりする等、機械的な問題が生じる場合がある。本実施の形態においては、精留塔１２の塔頂から留出したエタノールベーパーが過熱器２６によって加熱されるので、このような凝縮に起因する問題の発生を防止できる。
加熱されたエタノールベーパーは、更に圧縮機２０によって、断熱圧縮され、昇温昇圧される。圧縮機２０の吐出側でのエタノールベーパーの温度は、４５℃〜１００℃の範囲に維持される。圧縮機２０で断熱圧縮されたエタノールベーパーは過熱器２６の熱源となる。
本実施の形態においては、圧縮機２０が１台のみ設けられている。従って、圧縮機が複数設けられている場合と比べて、エタノール製造装置の信頼性が向上する。また、圧縮機が複数設けられている場合と比べて、イニシャルコストが低減される。
【００５５】
昇温昇圧されたエタノールベーパーは留出ラインＬ３と還流ラインＬ４に分岐する。
留出ラインＬ３に送られたエタノールベーパーは、予熱器（第１の予熱器の一例）２８、３０を介して蒸留塔１１に導入されるエタノール発酵液を予熱し、９０％エタノール液として無水化工程Ｐ６に送られる。なお、真空ポンプ３１によって、圧縮機２０によって昇圧される留出ラインＬ３が減圧される。
なお、前述の通り、圧縮機２０の吐出側でのエタノールベーパーの温度は、４５℃〜１００℃の範囲に維持される。従って、このエタノールベーパーを熱源とする予熱器２８によって加熱されるエタノール発酵液中の酵素の失活が抑えられる。
【００５６】
一方、還流ラインＬ４に送られたエタノールベーバーは、更に、分岐点Ａにて、ラインＬ５とラインＬ６とに分岐する。
ラインＬ５に送出されたエタノールベーパーは、絞り弁３２を通る。この絞り弁３２は、精留塔１２の塔底温度に基づいて、その絞り量を制御することができる。エタノールベーパーは、絞り弁３２を通過した後、熱交換器５４ａ（第２の熱交換器の一例）で精留塔１２の塔底の低ＣＯＤ排水（塔底循環液）と熱交換されて凝縮し、エタノール液となる。
ラインＬ６を通るエタノールベーパーは、熱交換器２４ａ（第１の熱交換器の一例）の熱源となった後、凝縮する。
【００５７】
ラインＬ５及びラインＬ６は、合流点Ｂにて合流する。合流したエタノール液は、更に絞り弁３４を通る。この絞り弁３４は、エタノール液の圧力に基づいてその絞り量を制御することができる。絞り弁３４を通過した後のエタノール液の温度は、例えば５７〜７０℃、圧力は４０ｋＰａＡとなる。このエタノール液は精留塔１２の塔頂に戻される。
【００５８】
精留塔１２の塔底からは、低ＣＯＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｏｘｙｇｅｎ Ｄｅｍａｎｄ）排水が缶出する。この低ＣＯＤ排水の温度は、例えば４０〜６０℃である。なお、図２中、括弧内の温度は、一例を示している。
低ＣＯＤ排水は精留塔１２の留出物であるので、高沸成分が存在せず、微量の有機酸や油分等が含まれているだけである。従って、低ＣＯＤ排水のＣＯＤは約１０００（ｍｇ／Ｌ）であるが、無色透明のきれいな水といえる。よって、低ＣＯＤ排水は、図１に示すように、前処理工程Ｐ１、糖化工程Ｐ２、又は固液分離工程Ｐ７で循環利用することができる。特に、固液分離工程Ｐ７においては、低ＣＯＤ排水はリンス液として用いられる。また、この低ＣＯＤ排水を図示しない排水処理装置で処理することもできる。
低ＣＯＤ排水は、塔底循環ポンプ５１によって送出される。
低ＣＯＤ排水の一部（例えば、０．０１ｗｔ％、２０１ｋｇ／ｈ）は、予熱器５２（第２の予熱器の一例）を介して、エタノール発酵液を予熱する。
低ＣＯＤ排水の残りは、熱交換器５４ａ、５４ｂによって昇温され、精留塔１２の塔底へと塔底循環液として循環される。
なお、熱交換器５４ｂ（第４の熱交換器の一例）は、図示しない蒸気ラインから供給される、例えば４５〜１００℃の減圧蒸気（外部蒸気）を熱源としている。このように、外部蒸気を熱源とした熱交換器が設けられているので、エタノール製造装置を立ち上げる際の過渡状態及び定常状態において運転が安定する。
【００５９】
発明者は、前述の実施の形態に係るエタノール製造装置のエネルギー低減効果について試算した。その結果を表１に示す。
【００６０】
【表１】
【００６１】
なお、原料は木質チップである。計算条件は以下の通りである。
＜計算条件＞
１．エタノール発酵液：１０，４８４ｋｇ（エタノール濃度３％）
２．酵素含有濃縮廃液：８，７３７ｋｇ
３．蒸留塔留出エタノール：１，７４７ｋｇ（エタノール濃度１４％）（＝エタノール発酵液１０，４８４ｋｇ−酵素含有濃縮廃液８，７３７ｋｇ）
４．低ＣＯＤ排水：１，４７６ｋｇ（＝蒸留塔留出エタノール１，７４７ｋｇ−９０％エタノール液２７１ｋｇ）
５．９０％エタノール液：２７１ｋｇ（２４４ｋｇ／９０ｗｔ％）
６．精留に関する還流比：３
【００６２】
試算にあたり、電力エネルギーは蒸気エネルギーの１／３として換算した。また、多重効用にかかる蒸気使用量は３重効用として、通常の蒸留の１／３とした。また、チラーのＣＯＰ（Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ Ｏｆ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ）は１．８とした。また、圧縮機の断熱圧縮効率は５０％とした。
【００６３】
表１中、比較例１は、多重効用缶などを設けず単純に蒸気のみで蒸留を行った場合の試算結果である。この結果を基準である１００としている。
比較例２は、多重効用及びチラーを組み合わせて蒸留を行った場合の試算結果である。比較例２については、塔頂温度が３５℃以下になるためチラーが必要となり、必要な外部エネルギーは蒸気換算で９２となる。
【００６４】
本実施の形態においては、図２に示すように、蒸留塔１１の熱源は、圧縮機２０により圧縮されたエタノールベーパーで賄われる。その際、精留塔１２の熱源は蒸留塔１１から流出するエタノールベーパーによって賄われるので、実質的に０となる。
ただし、精留塔１２から流出するエタノールベーパーを圧縮機２０にて圧縮するため、断熱圧縮の温度上昇の制約から、省エネルギー効果は３１／１００となる。
【００６５】
なお、本発明は、前述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲での変更は可能である。例えば、前述のそれぞれ実施の形態や変形例の一部又は全部を組み合わせて本発明を構成する場合も本発明の技術的範囲に含まれる。
前述の実施の形態における圧縮機２０に代えて、ブロワ又は真空ポンプとすることも可能である。
【００６６】
エタノール発酵液は並列に設けられた予熱器３０、予熱器２３、及び予熱器５２によって熱交換がされているが、例えばエタノール発酵液の分岐に係るコストが過大になる場合には、これら予熱器３０、予熱器２３、及び予熱器５２を直列に設けてもよい。又は、これら予熱器３０、予熱器２３、及び予熱器５２の一部又は全部を省略することも可能である。
【符号の説明】
【００６７】
１１：蒸留塔、１２：精留塔、２０：圧縮機、２２：塔底循環ポンプ、２３：予熱器、２４ａ、２４ｂ：熱交換器、２６：過熱器、２８：予熱器、３０：予熱器、３１：真空ポンプ、３２：絞り弁、３４：絞り弁、５１：塔底循環ポンプ、５２：予熱器、５４ａ、５４ｂ：熱交換器
【特許請求の範囲】
【請求項１】
バイオマス原料を発酵させて生成されるエタノール発酵液が導入され、前記エタノール発酵液を蒸留してエタノールベーパーを留出させる蒸留塔と、前記エタノールベーパーを精留するための精留塔とを備え、前記バイオマス原料からエタノールを製造するエタノール製造装置において、
前記蒸留塔から留出したエタノールベーパーが前記精留塔に直接導入されることを特徴とするエタノール製造装置。
【請求項２】
請求項１記載のエタノール製造装置において、前記精留塔から留出したエタノールベーパーを断熱圧縮する圧縮機と、
前記蒸留塔の塔底を循環する塔底循環液を加熱する第１の熱交換器と、
前記精留塔の塔底を循環する塔底循環液を加熱する第２の熱交換器とを更に備え、
前記圧縮機によって断熱圧縮されたエタノールベーパーが前記第１及び第２の熱交換器の熱源となることを特徴とするエタノール製造装置。
【請求項３】
請求項２記載のエタノール製造装置において、前記圧縮機によって前記蒸留塔及び前記精留塔が減圧され、該蒸留塔の塔底温度が４０℃〜６０℃の範囲に維持されることを特徴とするエタノール製造装置。
【請求項４】
請求項３記載のエタノール製造装置において、前記圧縮機の前段に、前記精留塔によって精留されたエタノールベーパーを加熱する過熱器を更に備え、
前記過熱器により加熱された前記エタノールベーパーが前記圧縮機に送られ、該圧縮機によって断熱圧縮されたエタノールベーパーが前記過熱器の熱源となることを特徴とするエタノール製造装置。
【請求項５】
請求項２〜４のいずれか１項に記載のエタノール製造装置において、前記蒸留塔に導入される前記エタノール発酵液を予熱する第１の予熱器を更に備え、
前記圧縮機によって断熱圧縮されたエタノールベーパーが、前記第１の予熱器の熱源となることを特徴とするエタノール製造装置。
【請求項６】
請求項５記載のエタノール製造装置において、前記第１の予熱器の熱源となる前記エタノールベーパーの温度が４５〜１００℃であることを特徴とするエタノール製造装置。
【請求項７】
請求項２〜６のいずれか１項に記載のエタノール製造装置において、前記蒸留塔の塔底を循環する塔底循環液を加熱する第３の熱交換器と、
前記精留塔の塔底を循環する塔底循環液を加熱する第４の熱交換器とを更に備え、
前記第３及び第４の熱交換器の熱源は、それぞれ外部蒸気であることを特徴とするエタノール製造装置。
【請求項８】
請求項７記載のエタノール製造装置において、前記外部蒸気は、減圧蒸気であることを特徴とするエタノール製造装置。
【請求項９】
請求項８記載のエタノール製造装置において、前記減圧蒸気の温度は４５〜１００℃であることを特徴とするエタノール製造装置。
【請求項１０】
請求項２〜９のいずれか１項に記載のエタノール製造装置において、前記精留塔から缶出する低ＣＯＤ排水を、前記バイオマス原料の酵素反応性を高めるための前処理を行う前処理工程に循環させることを特徴とするエタノール製造装置。
【請求項１１】
請求項２〜１０のいずれか１項に記載のエタノール製造装置において、前記精留塔から缶出する低ＣＯＤ排水を、前記バイオマス原料に糖化酵素を添加して単糖を得るための糖化工程に循環させることを特徴とするエタノール製造装置。
【請求項１２】
請求項２〜１１のいずれか１項に記載のエタノール製造装置において、前記精留塔から缶出する低ＣＯＤ排水を、前記蒸留塔から缶出した酵素含有濃縮廃液から固形物を分離する固液分離工程で用いるリンス液として循環させることを特徴とするエタノール製造装置。
【請求項１３】
請求項２〜１２のいずれか１項に記載のエタノール製造装置において、前記精留塔から缶出する低ＣＯＤ排水が、排水処理装置で処理されることを特徴とするエタノール製造装置。
【請求項１４】
請求項２〜１３のいずれか１項に記載のエタノール製造装置において、前記蒸留塔に導入される前記エタノール発酵液を予熱する第２の予熱器を更に備え、
前記精留塔から缶出する低ＣＯＤ排水が、前記第２の予熱器の熱源となることを特徴とするエタノール製造装置。
【請求項１５】
請求項１４記載のエタノール製造装置において、前記蒸留塔に導入される前記エタノール発酵液を予熱する第３の予熱器を更に備え、
前記蒸留塔から缶出した酵素含有濃縮廃液が、前記第３の予熱器の熱源となることを特徴とするエタノール製造装置。
【請求項１６】
請求項２〜１５のいずれか１項に記載のエタノール製造装置において、前記圧縮機に代えて、ブロワ又は真空ポンプとしたことを特徴とするエタノール製造装置。
【請求項１７】
バイオマス原料を発酵させて生成されるエタノール発酵液からエタノールを生成するエタノール製造方法において、
前記エタノール発酵液を蒸留塔に導入する工程と、
前記蒸留塔から流出したエタノールベーパーを直接精留塔に導入する工程とを含むことを特徴とするエタノール製造方法。
【請求項１８】
請求項１７記載のエタノール製造方法において、前記精留塔から留出したエタノールベーパーを断熱圧縮する工程と、
前記断熱圧縮されたエタノールベーパーを熱源とし、前記蒸留塔の塔底を循環する塔底循環液を加熱する工程と、
前記断熱圧縮されたエタノールベーパーを熱源とし、前記精留塔の塔底を循環する塔底循環液を加熱する工程とを更に含むことを特徴とするエタノール製造方法。
【請求項１９】
請求項１８記載のエタノール製造方法において、前記蒸留塔の塔底温度が、４０℃〜６０℃の範囲に維持されることを特徴とするエタノール製造方法。
【請求項１】
バイオマス原料を発酵させて生成されるエタノール発酵液が導入され、前記エタノール発酵液を蒸留してエタノールベーパーを留出させる蒸留塔と、前記エタノールベーパーを精留するための精留塔とを備え、前記バイオマス原料からエタノールを製造するエタノール製造装置において、
前記蒸留塔から留出したエタノールベーパーが前記精留塔に直接導入されることを特徴とするエタノール製造装置。
【請求項２】
請求項１記載のエタノール製造装置において、前記精留塔から留出したエタノールベーパーを断熱圧縮する圧縮機と、
前記蒸留塔の塔底を循環する塔底循環液を加熱する第１の熱交換器と、
前記精留塔の塔底を循環する塔底循環液を加熱する第２の熱交換器とを更に備え、
前記圧縮機によって断熱圧縮されたエタノールベーパーが前記第１及び第２の熱交換器の熱源となることを特徴とするエタノール製造装置。
【請求項３】
請求項２記載のエタノール製造装置において、前記圧縮機によって前記蒸留塔及び前記精留塔が減圧され、該蒸留塔の塔底温度が４０℃〜６０℃の範囲に維持されることを特徴とするエタノール製造装置。
【請求項４】
請求項３記載のエタノール製造装置において、前記圧縮機の前段に、前記精留塔によって精留されたエタノールベーパーを加熱する過熱器を更に備え、
前記過熱器により加熱された前記エタノールベーパーが前記圧縮機に送られ、該圧縮機によって断熱圧縮されたエタノールベーパーが前記過熱器の熱源となることを特徴とするエタノール製造装置。
【請求項５】
請求項２〜４のいずれか１項に記載のエタノール製造装置において、前記蒸留塔に導入される前記エタノール発酵液を予熱する第１の予熱器を更に備え、
前記圧縮機によって断熱圧縮されたエタノールベーパーが、前記第１の予熱器の熱源となることを特徴とするエタノール製造装置。
【請求項６】
請求項５記載のエタノール製造装置において、前記第１の予熱器の熱源となる前記エタノールベーパーの温度が４５〜１００℃であることを特徴とするエタノール製造装置。
【請求項７】
請求項２〜６のいずれか１項に記載のエタノール製造装置において、前記蒸留塔の塔底を循環する塔底循環液を加熱する第３の熱交換器と、
前記精留塔の塔底を循環する塔底循環液を加熱する第４の熱交換器とを更に備え、
前記第３及び第４の熱交換器の熱源は、それぞれ外部蒸気であることを特徴とするエタノール製造装置。
【請求項８】
請求項７記載のエタノール製造装置において、前記外部蒸気は、減圧蒸気であることを特徴とするエタノール製造装置。
【請求項９】
請求項８記載のエタノール製造装置において、前記減圧蒸気の温度は４５〜１００℃であることを特徴とするエタノール製造装置。
【請求項１０】
請求項２〜９のいずれか１項に記載のエタノール製造装置において、前記精留塔から缶出する低ＣＯＤ排水を、前記バイオマス原料の酵素反応性を高めるための前処理を行う前処理工程に循環させることを特徴とするエタノール製造装置。
【請求項１１】
請求項２〜１０のいずれか１項に記載のエタノール製造装置において、前記精留塔から缶出する低ＣＯＤ排水を、前記バイオマス原料に糖化酵素を添加して単糖を得るための糖化工程に循環させることを特徴とするエタノール製造装置。
【請求項１２】
請求項２〜１１のいずれか１項に記載のエタノール製造装置において、前記精留塔から缶出する低ＣＯＤ排水を、前記蒸留塔から缶出した酵素含有濃縮廃液から固形物を分離する固液分離工程で用いるリンス液として循環させることを特徴とするエタノール製造装置。
【請求項１３】
請求項２〜１２のいずれか１項に記載のエタノール製造装置において、前記精留塔から缶出する低ＣＯＤ排水が、排水処理装置で処理されることを特徴とするエタノール製造装置。
【請求項１４】
請求項２〜１３のいずれか１項に記載のエタノール製造装置において、前記蒸留塔に導入される前記エタノール発酵液を予熱する第２の予熱器を更に備え、
前記精留塔から缶出する低ＣＯＤ排水が、前記第２の予熱器の熱源となることを特徴とするエタノール製造装置。
【請求項１５】
請求項１４記載のエタノール製造装置において、前記蒸留塔に導入される前記エタノール発酵液を予熱する第３の予熱器を更に備え、
前記蒸留塔から缶出した酵素含有濃縮廃液が、前記第３の予熱器の熱源となることを特徴とするエタノール製造装置。
【請求項１６】
請求項２〜１５のいずれか１項に記載のエタノール製造装置において、前記圧縮機に代えて、ブロワ又は真空ポンプとしたことを特徴とするエタノール製造装置。
【請求項１７】
バイオマス原料を発酵させて生成されるエタノール発酵液からエタノールを生成するエタノール製造方法において、
前記エタノール発酵液を蒸留塔に導入する工程と、
前記蒸留塔から流出したエタノールベーパーを直接精留塔に導入する工程とを含むことを特徴とするエタノール製造方法。
【請求項１８】
請求項１７記載のエタノール製造方法において、前記精留塔から留出したエタノールベーパーを断熱圧縮する工程と、
前記断熱圧縮されたエタノールベーパーを熱源とし、前記蒸留塔の塔底を循環する塔底循環液を加熱する工程と、
前記断熱圧縮されたエタノールベーパーを熱源とし、前記精留塔の塔底を循環する塔底循環液を加熱する工程とを更に含むことを特徴とするエタノール製造方法。
【請求項１９】
請求項１８記載のエタノール製造方法において、前記蒸留塔の塔底温度が、４０℃〜６０℃の範囲に維持されることを特徴とするエタノール製造方法。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２０１３−７８２９４（Ｐ２０１３−７８２９４Ａ）
【公開日】平成２５年５月２日（２０１３．５．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２２１１３３（Ｐ２０１１−２２１１３３）
【出願日】平成２３年１０月５日（２０１１．１０．５）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２３年度独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構 委託研究「セルロース系エタノール革新的生産システム開発事業」、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（３０６０２２５１３）新日鉄住金エンジニアリング株式会社 (897)
【出願人】（３９００２２８７３）ＮＳプラント設計株式会社 (275)
【出願人】（５０４１３７９１２）国立大学法人 東京大学 (1,942)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月２日（２０１３．５．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１０月５日（２０１１．１０．５）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２３年度独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構 委託研究「セルロース系エタノール革新的生産システム開発事業」、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（３０６０２２５１３）新日鉄住金エンジニアリング株式会社 (897)
【出願人】（３９００２２８７３）ＮＳプラント設計株式会社 (275)
【出願人】（５０４１３７９１２）国立大学法人 東京大学 (1,942)
【Ｆターム（参考）】
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