リグノセルロース系バイオマス糖化前処理装置
【課題】リグノセルロース系バイオマスの糖化前処理において、アンモニアが分離された糖化前処理物を効率よく製造できるリグノセルロース系バイオマス糖化前処理装置を提供する。
【解決手段】リグノセルロース系バイオマス糖化前処理装置は、基質であるリグノセルロース系バイオマスとアンモニア水とを混合した基質混合物を貯留し、リグニンの解離等がされた糖化前処理物を得る貯留手段３と、糖化前処理物を加熱してアンモニアガスを分離する分離手段４と、アンモニアガスをアンモニア水として回収する回収手段５と、アンモニアガスを水に溶解させるときに生成する溶解熱を回収する第１熱回収手段２５と、第１熱回収手段２５により回収された溶解熱を、分離手段４に熱を供給する熱供給手段８，９，１０を備える。
【解決手段】リグノセルロース系バイオマス糖化前処理装置は、基質であるリグノセルロース系バイオマスとアンモニア水とを混合した基質混合物を貯留し、リグニンの解離等がされた糖化前処理物を得る貯留手段３と、糖化前処理物を加熱してアンモニアガスを分離する分離手段４と、アンモニアガスをアンモニア水として回収する回収手段５と、アンモニアガスを水に溶解させるときに生成する溶解熱を回収する第１熱回収手段２５と、第１熱回収手段２５により回収された溶解熱を、分離手段４に熱を供給する熱供給手段８，９，１０を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、リグノセルロース系バイオマス糖化前処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、稲藁等のリグノセルロース系バイオマスを基質として溶媒と混合した基質混合物を、微生物が産生する糖化酵素によって糖化することにより糖化溶液を得て、糖化溶液を発酵させることによりエタノールを製造することが知られている。ここで、リグノセルロース系バイオマスは、セルロース又はヘミセルロースにリグニンが強固に結合した構成を備えている。
【０００３】
そのため、リグノセルロース系バイオマスとアンモニア水とを混合した基質混合物を加熱することにより、リグノセルロース系バイオマスに含まれるリグニンを解離し、又はリグノセルロース系バイオマスを膨潤させ、セルロース又はヘミセルロースを糖化可能にした糖化前処理物を得る。
【０００４】
そして、糖化される糖化前処理物のｐＨを至適ｐＨに調整するｐＨ調整剤の使用量を低減するために、アンモニアを分離した糖化前処理物を得る糖化前処理を行うことが知られている（例えば、特許文献１及び特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特表２００８−５３５５２４号公報
【特許文献２】特開２０１０−１１５１６２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、特許文献１記載の糖化前処理では、０．１８〜１５質量％の低濃度のアンモニア水が用いられているので、糖化前処理物を加熱して糖化前処理物からアンモニアを分離するための熱エネルギーが増加し、製造コストが増大する。
【０００７】
また、特許文献２記載の糖化前処理では、リグノセルロース系バイオマスに対するアンモニア水の供給量が多く使用されている。さらに、糖化前処理物全体を所定温度にまで加熱した後、糖化前処理物からアンモニアを分離する。従って、糖化前処理物からアンモニアを分離するための熱エネルギーが増加し、製造コストが増大するという不都合が生じる。
【０００８】
本発明は、かかる不都合を解消して、リグノセルロース系バイオマスの糖化前処理にアンモニア水を用いるときに、アンモニアが分離された糖化前処理物を効率よく製造することができるリグノセルロース系バイオマス糖化前処理装置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】
【０００９】
本発明のリグノセルロース系バイオマス糖化前処理装置は、基質であるリグノセルロース系バイオマスとアンモニア水とを混合した基質混合物を得る混合手段と、該混合手段により得られた該基質混合物を貯留して、該基質からリグニンを解離し、又は該基質を膨潤させた糖化前処理物を得る貯留手段と、該貯留手段から供給される糖化前処理物を加熱して該糖化前処理物からアンモニアガスを連続して分離する分離手段とを備えるリグノセルロース系バイオマス糖化前処理装置であって、該分離手段で分離されたアンモニアガスを水に溶解させてアンモニア水として回収するアンモニア回収手段と、該アンモニア回収手段でアンモニアガスを水に溶解させるときに生成する溶解熱を回収する第１の熱回収手段と、該第１の熱回収手段で回収された該溶解熱を熱源として該分離手段に供給される熱を生成し、該熱を該分離手段に供給する熱供給手段とを備えることを特徴とする。
【００１０】
本発明のリグノセルロース系バイオマス糖化前処理装置では、まず、基質であるリグノセルロース系バイオマスとアンモニア水とが、混合手段において混合され、基質混合物となる。
【００１１】
次に、基質混合物は貯留手段で貯留されて、リグノセルロース系バイオマスからリグニンを解離し、又はリグノセルロース系バイオマスを膨潤させた糖化前処理物となる。
【００１２】
本願において、解離とは、リグノセルロース系バイオマスのセルロース又はヘミセルロースに結合しているリグニンの結合部位のうち、少なくとも一部の結合を切断することをいう。また、膨潤とは、液体の浸入により結晶性セルロースを構成するセルロース又はヘミセルロースに空隙が生じ、又は、セルロース繊維の内部に空隙が生じて膨張することをいう。
【００１３】
次に、糖化前処理物は、貯留手段から分離手段に供給された後、分離手段において加熱されながら、アンモニアガスが連続して分離される。この結果、糖化前処理物からアンモニアガスが分離された糖化前処理物を得ることができる。
【００１４】
一方、分離手段で分離されたアンモニアガスは、アンモニア回収手段で水に溶解されることによりアンモニア水として回収されるが、アンモニアガスは水に溶解される際に溶解熱を発生する。このため、アンモニア水の温度が上昇して、アンモニアの溶解度が低下し、アンモニアガスの回収が困難になることが懸念される。
【００１５】
そこで、本発明のリグノセルロース系バイオマス糖化前処理装置では、第１の熱回収手段を設け、溶解熱を回収する。溶解熱は、分離手段への熱供給手段の熱源として用いられ、糖化前処理物からアンモニアガスを分離するために糖化前処理物を加熱する分離手段に供給される。
【００１６】
従って、本発明のリグノセルロース系バイオマス糖化前処理装置によれば、溶解熱を熱源として熱供給手段により生成される熱を分離手段に供給することにより、エネルギー効率を高め、アンモニアが分離された糖化前処理物を効率よく製造することができる。
【００１７】
さらに、本発明のリグノセルロース系バイオマス糖化前処理装置によれば、分離手段により糖化前処理物から分離されるアンモニアガスを水に溶解し、アンモニア水とするので、安全弁等の付帯設備を備えた圧力容器内に貯留する必要がなくなる。
【００１８】
本発明のリグノセルロース系バイオマスの糖化前処理装置において、前記熱供給手段は、熱伝達手段と、第１のヒートポンプ手段と、第２のヒートポンプ手段とからなり、該熱伝達手段は、前記第１の熱回収手段により回収された溶解熱を熱源として、該熱伝達手段内を循環する第１の熱媒体を加熱し、該第１のヒートポンプ手段に伝達される熱を生成し、該第１のヒートポンプ手段は、該熱伝達手段により伝達された熱を熱源として、該第１のヒートポンプ手段内を循環する第２の熱媒体を加熱し、該第２のヒートポンプ手段に供給される熱を生成し、該第２のヒートポンプ手段は、該第１のヒートポンプ手段により生成された熱を熱源として、該第２のヒートポンプ手段内を循環する第３の熱媒体を加熱し、前記分離手段に供給される熱を生成することが好ましい。
【００１９】
熱供給手段では、第１の熱回収手段においてアンモニア水を冷却するための熱媒体の低い温度と、分離手段において糖化前処理物からアンモニアガスを十分に分離するために糖化前処理物を加熱する熱媒体の高い温度とが要求される。
【００２０】
単一の熱媒体を用いた熱供給手段では、熱供給手段内を循環する熱媒体の体積比が大きくなり、また循環流量も大きくなる。そのため、圧縮機等の装置が大型化し、設備費用が増加し、製造コストの低減化が困難となる。
【００２１】
そのため、本発明のリグノセルロース系バイオマス糖化前処理装置の熱供給手段は、第２の熱媒体を用いた第１のヒートポンプ手段と、第３の熱媒体を用いた第２のヒートポンプ手段とを備え、さらに、第１のヒートポンプ手段と第２のヒートポンプ手段における熱媒体の圧縮に用いられるエネルギーを効率良く配分するために、第１の熱媒体を用いた熱伝達手段を備える。
【００２２】
第１の熱回収手段において回収された溶解熱は、熱伝達手段の熱源として用いられ、第１の熱媒体を加熱する。そして、熱伝達手段により生成された熱は、第１のヒートポンプ手段に伝達される。
【００２３】
また、熱伝達手段により伝達された熱は、第１のヒートポンプ手段の熱源として用いられ、第２の熱媒体を加熱する。そして、第１のヒートポンプ手段により生成された熱は、第２のヒートポンプ手段に供給される。
【００２４】
さらに、第１のヒートポンプ手段により生成された熱は、第２のヒートポンプ手段の熱源として用いられ、第３の熱媒体を加熱する。そして、第２のヒートポンプ手段により生成された熱は、分離手段に供給される。
【００２５】
従って、本発明のリグノセルロース系バイオマス糖化前処理装置によれば、熱伝達手段により、第１の熱回収手段においてアンモニアガスが水に溶解する際の溶解熱を回収することができる。溶解熱の回収によりアンモニア水を冷却させるので、アンモニア水の温度の上昇を防止してアンモニアガスを容易に回収することができる。
【００２６】
そして、第２のヒートポンプ手段により、生成された熱を分離手段に供給し、糖化前処理物を加熱するので、糖化前処理物からアンモニアガスを十分に分離し、アンモニア回収手段におけるアンモニア水の回収量を増加させることができる。
【００２７】
本発明のリグノセルロース系バイオマスの糖化前処理装置において、前記分離手段で分離されたアンモニアガスから熱を回収する第２の熱回収手段を備え、前記熱伝達手段は、前記第１の熱回収手段により回収された溶解熱と、該第２の熱回収手段により回収された熱とを熱源として、前記第１の熱媒体を加熱し、前記第１のヒートポンプ手段に伝達される熱を生成することが好ましい。
【００２８】
本発明のリグノセルロース系バイオマスの糖化前処理装置は、分離手段で分離されたアンモニアガスから熱を回収する第２の熱回収手段を備えることにより、アンモニアガスの余熱を回収することができ、装置のエネルギー効率をさらに高くすることができる。また、第２の熱回収手段によればアンモニアガスから余熱を回収することにより、アンモニアガスの水への溶解を容易にすることができる。
【００２９】
また、本発明のリグノセルロース系バイオマスの糖化前処理装置において、前記熱伝達手段は、該熱伝達手段内を循環する第１の熱媒体を貯留し、該熱伝達手段内を循環する該第１の熱媒体と前記第２の熱媒体又は前記第３の熱媒体との流量比率を調整する流量調整手段を備えることが好ましい。
【００３０】
本発明のリグノセルロース系バイオマスの糖化前処理装置は、流量調整手段を備えることにより、熱供給手段内を循環する第１の熱媒体と第２の熱媒体又は第３の熱媒体との流量比率を調整し、第１、第２及び第３の熱媒体の温度を調整する。従って、バイオマスやアンモニアガスの負荷変動に対して、第１及び第２のヒートポンプ手段の負荷の変動を抑制することができる。
【００３１】
さらに、本発明のリグノセルロース系バイオマスの糖化前処理装置において、前記分離手段内の前記糖化前処理物の流れと前記第３の熱媒体の流れとが対向流であることが好ましい。
【００３２】
分離手段に供給される糖化前処理物は、分離手段内で加熱されることによりアンモニアを放散するので、糖化前処理物が分離手段に供給されてから分離手段から排出されるまでの間、糖化前処理物中のアンモニア水の濃度が低下する。また、糖化前処理物中のアンモニア水の濃度が低下すると、アンモニア水の沸点が上昇する。
【００３３】
そこで、分離手段は、糖化前処理物が分離手段に供給されてから分離手段から排出されるまでの間、糖化前処理物からアンモニアガスを十分に分離するために、分離手段内を流れる糖化前処理物の温度をアンモニア水の濃度に対応した沸点の温度とする必要がある。
【００３４】
従って、分離手段内の糖化前処理物の流れと第３の熱媒体の流れとが対向流であることから、糖化前処理物が分離手段に供給されてから分離手段から排出されるまでの間、糖化前処理物からアンモニアガスを十分に分離するために必要な糖化前処理物と第３の熱媒体との温度差を実現でき、効率の良い熱交換を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明のリグノセルロース系バイオマス糖化前処理装置のシステム構成図。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
次に、添付の図面を参照しながら本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。
【００３７】
図１に示すように、本実施形態のリグノセルロース系バイオマス糖化前処理装置１は、基質であるリグノセルロース系バイオマス（以下、バイオマスと略記することがある）とアンモニア水とを混合した基質混合物を得るミキサー２と、ミキサー２で得られた基質混合物を所定温度で所定時間貯留することにより、バイオマスからリグニンを解離し、又はバイオマスを膨潤させた糖化前処理物を得る貯留タンク３と、糖化前処理物を加熱して糖化前処理物からアンモニアガスを分離する分離装置４と、分離装置４で分離されたアンモニアガスを水に吸収させてアンモニア水として回収する吸収塔５と、分離装置４でアンモニアガスが分離された糖化前処理物を導出して後工程６に移送する移送導管７とを備えている。
【００３８】
また、吸収塔５によりアンモニアガスを水に溶解させる際に発生する溶解熱を回収し、回収した溶解熱を分離装置４に供給する熱を生成するため、第１熱媒体が流れる熱伝達管路８と、第２熱媒体を用いる第１ヒートポンプ９と、第３熱媒体を用いる第２ヒートポンプ１０とを備える。
【００３９】
ミキサー２上部には、バイオマスが投入される投入口１１を備えると共に、アンモニア水を供給するアンモニア水供給導管１２が接続されている。アンモニア水供給導管１２は、上流側端部がアンモニア水タンク１３に接続されており、途中にポンプ１４を備えている。また、ミキサー２下部には、ミキサー２からの基質混合物を貯留する貯留タンク３が接続されている。
【００４０】
貯留タンク３は、貯留タンク３下部に、基質混合物を所定時間貯留することにより得られる糖化前処理物を分離装置４に移送するパウダーフィーダ１５を備えている。
【００４１】
分離装置４は、第２ヒートポンプ１０から供給された熱により糖化前処理物を加熱し、糖化前処理物からアンモニアガスを連続して分離するように構成されている。例えば、分離装置４は、本体シェル内に設けられた多管式加熱管に熱媒体を流し、多管式加熱管を回転させて、加熱管束と糖化前処理物との接触により糖化前処理物を加熱し、糖化前処理物からアンモニアを放散させてアンモニアガスを分離する。
【００４２】
分離装置４は、上部に、糖化前処理物中のバイオマスから分離されたアンモニアガスを導出するアンモニアガス導管１６が接続されている。アンモニアガス導管１６は、第１熱交換器１７（本発明の第２の熱回収手段に相当する）を介して吸収塔５に接続されている。
【００４３】
また、アンモニアガス導管１６は、第１熱交換器１７と吸収塔５との間に、アンモニアガスを吸引して吸収塔５に排出する真空ポンプ１８を備える。糖化前処理物は、分離装置４に供給されてから分離装置４から排出されるまで分離装置４内を移動して、加熱されるだけでは、アンモニアを十分に放散させることは困難である。そのため、真空ポンプ１８によりアンモニアガスを吸引することで、分離装置４内の糖化前処理物からアンモニアを十分に分離する。
【００４４】
第１熱交換器１７を用いてアンモニアガスから熱を回収すると、アンモニアガス中の水分が凝縮する。第１熱交換器１７は、凝縮した水を回収するために、凝縮水回収導管１９が接続されている。凝縮水回収導管１９は吸収塔５に接続され、回収された凝縮水はアンモニア水を生成するための水として用いられる。
【００４５】
また、分離装置４は、底部に、移送導管７が接続されている。移送導管７は、後工程６に接続されている。
【００４６】
吸収塔５は、分離装置４により分離されたアンモニアガスを水に吸収させてアンモニア水とし、アンモニア水を底部に貯留するように構成されている。吸収塔５は、底部にアンモニア水を導出するアンモニア水導出導管２１が接続されている。アンモニア水導出導管２１は、ポンプ２２を介して、アンモニア水タンク１３に接続されている。
【００４７】
吸収塔５は、吸収塔５上部にシャワリング装置２３を備え、吸収塔５底部からアンモニア水を抜き出しシャワリング装置２３に供給するアンモニア水循環導管２４とが接続されている。
【００４８】
アンモニア水循環導管２４は、第２熱交換器（本発明の第１の熱回収手段に相当する）２５を備え、吸収塔５と第２熱交換器２５との間に、吸収塔５底部からアンモニア水を吸引して吸収塔５のシャワリング装置２３に供給するポンプ２６を備える。
【００４９】
アンモニア水タンク１３は、貯留されるアンモニア水の濃度を検出するアンモニア濃度センサ２７と、アンモニア水タンク１３に濃アンモニア水を供給する濃アンモニア水供給導管２８とを備える。
【００５０】
熱伝達管路８は、例えば水等の第１熱媒体が管路８内を循環する管路であり、管路８の途中に、第１熱交換器１７、第２熱交換器２５、第３熱交換器２９、緩衝タンク３０を備えている。
【００５１】
熱伝達管路８は、緩衝タンク３０内に貯留された第１熱媒体を第１熱交換器１７、次いで第３熱交換器２９に送液し、第１熱媒体を熱伝達管路８内で循環させるポンプ３１を備えている。また、熱伝達管路８は、熱伝達管路８内で循環する第１熱媒体の循環流量を調整する制御弁３２を備えている。
【００５２】
熱伝達管路８は、アンモニアガスから熱を回収するために第１熱交換器１７の一次側と、凝縮熱を回収するために第２熱交換器２５の一次側と、第１ヒートポンプ９に熱を供給するために第３熱交換器２９の二次側とに接続されている。
【００５３】
第１ヒートポンプ９は、例えばＲ１３４ａ（ＣＦ3ＣＨ2Ｆ）等の第２熱媒体が循環する第１循環導管３３を備え、第１循環導管３３の途中に、第４熱交換器３４、膨張弁３５、第３熱交換器２９、圧縮機３６を備えている。
【００５４】
第１循環導管３３は、第１熱媒体から熱を回収するために第３熱交換器２９の一次側と、第２ヒートポンプ１０に熱を供給するために第４熱交換器３４の二次側とに接続されている。
【００５５】
第２ヒートポンプ１０は、例えばＲ２４５ｆａ（ＣＦ３ＣＨ２ＣＨＦ２）等の第３熱媒体が循環する第２循環導管３７を備え、第２循環導管３７の途中に、分離装置４、膨張弁３８、第３熱交換器３４、圧縮機３９を備えている。
【００５６】
第２循環導管３７は、第１ヒートポンプ９から熱を回収するために第４熱交換器３４の一次側と、糖化前処理物を加熱してアンモニアガスを分離するために分離装置４の二次側とに接続されている。
【００５７】
次に、図１を参照して、本実施形態のリグノセルロース系バイオマス糖化前処理装置１の作動について説明する。
【００５８】
本実施形態のリグノセルロース系バイオマス糖化前処理装置１では、まず、投入口１１からミキサー２にリグノセルロース系バイオマスが投入される。リグノセルロース系バイオマスは、例えば稲藁であり、図示しないカッターミルにより目開き３ｍｍのメッシュを通過する大きさに粉砕した後、投入口１１に供給される。
【００５９】
次に、アンモニア水タンク１３内のアンモニア水が、ポンプ１４により、アンモニア水供給導管１２を介してミキサー２内に供給される。このとき、ミキサー２内に供給されるアンモニア水の濃度は、例えば、２５質量％とされている。
【００６０】
バイオマスとアンモニア水は、バイオマスの乾燥質量と２５質量％のアンモニア水が質量比１：１になるようにミキサー２に供給される。
【００６１】
次に、バイオマスとアンモニア水とはミキサー２により混合され、バイオマスとアンモニア水とが混合した基質混合物が形成される。ミキサー２内で形成された基質混合物は、ミキサー２下部に設けられた貯留タンク３において、所定温度、例えば２５℃で、所定時間、例えば１００時間貯留される。貯留タンク３で貯留される間に、バイオマスがアンモニア水により膨潤されると共に、バイオマス中のセルロース及びヘミセルロースと結合しているリグニンがバイオマスから解離した糖化前処理物が形成される。
【００６２】
次に、糖化前処理物は、パウダーフィーダ１５を介して分離装置４に供給される。このとき、分離装置４に供給された糖化前処理物は、第２ヒートポンプ１０で加熱された第３熱媒体により加熱される。そして、分離装置４内の糖化前処理物からアンモニアが放散され、糖化前処理物からアンモニアガスが分離される。
【００６３】
本実施形態の分離手段４は、分離装置４内の糖化前処理物の流れと第３熱媒体の流れとが対向流となるように構成されている。
【００６４】
分離装置４内に供給される糖化前処理物は、分離装置４に供給されてから分離装置４から排出されるまで分離装置４内を移動し、また、分離装置４内で加熱されることによりアンモニアが放散するので、次第に糖化前処理物中のアンモニア水の濃度が低下する。そのため、糖化前処理物中のアンモニア水の濃度が低下すると、アンモニア水の沸点が上昇する。
【００６５】
そこで、分離装置４内の糖化前処理物の流れと第３熱媒体の流れとを対向流とし、かつ、糖化前処理物が分離装置４に供給されてから分離装置４から排出されるまでの間、糖化前処理物からアンモニアガスを十分に分離するために必要な糖化前処理物と第３熱媒体との温度差を確保することにより、効率の良い熱交換を行う。
【００６６】
アンモニアガスは、アンモニアガス導管１６に設けられた真空ポンプ１８により吸引され、アンモニアガス導管１６の第１熱交換器１７を経由して吸収塔５に供給される。吸収塔５に供給されたアンモニアガスは、シャワリング装置２３からシャワリングされるアンモニア水に吸収され、アンモニア水として吸収塔５の底部に貯留される。
【００６７】
このとき、アンモニアガスは、第１熱交換器１７により余剰の熱が回収されているので、シャワリング装置２３からシャワリングされるアンモニア水に吸収されやすくなっている。しかし、アンモニアガスが水に溶解するときには溶解熱が発生するので、溶解熱によりアンモニア水の温度が上昇すると、アンモニアが水に十分に溶解しなくなることが懸念される。
【００６８】
そこで、本実施形態では、吸収塔５の底部に貯留されているアンモニア水がアンモニア水循環導管２４を介して吸収塔５に還流される際に、アンモニア水循環導管２４に設けられた第２熱交換器２５により溶解熱を回収するように構成されている。この結果、吸収塔５では、十分な量のアンモニアガスがシャワリング装置２３からシャワリングされるアンモニア水に吸収され、アンモニア水として回収される。
【００６９】
また、アンモニア水タンク１３では、アンモニア濃度センサ２７により貯留されているアンモニア水中のアンモニア濃度が検知され、検知されたアンモニア濃度に応じて、濃アンモニア水供給導管２８を介して濃アンモニア水が供給される。この結果、アンモニア水タンク１３内のアンモニア水は、例えば、２５質量％のアンモニア濃度に調整され、アンモニア水供給導管１２を介してミキサー２に供給される。
【００７０】
一方、分離装置４でアンモニアガスが分離された糖化前処理物は、移送導管７を介して、後工程６に移送される。後工程６は、例えば、アンモニアガスが分離された糖化前処理物に、所定量の水と糖化酵素とを投入することにより、バイオマスに含まれるセルロースを酵素糖化処理する工程である。
【００７１】
このとき、アンモニアガスが分離された糖化前処理物中のアンモニアは、分離装置４で加熱されることによりアンモニアガスとなり、また、真空ポンプ１８によりアンモニアガスが吸引される。従って、アンモニアガスが糖化前処理物から十分に分離し、極微量のアンモニア、例えば１０ｐｐｍ程度のアンモニアが残留する糖化前処理物が後工程６に移送される。
【００７２】
ここで、第１熱交換器１７及び第２熱交換器２５により回収された熱は、熱伝達管路８内を循環する第１熱媒体を介して、第１ヒートポンプ９に伝達される。
【００７３】
熱伝達管路８に用いられる第１熱媒体として、例えば水を熱媒体として用いる場合、緩衝タンク３０に貯留された水を、ポンプ３１により第１熱交換器１７の一次側に供給される。この結果、第１熱交換器１７に供給された水は、第１熱交換器１７においてアンモニアガスの余熱を回収して温度上昇する。
【００７４】
そして、第１熱交換器１７においてアンモニアガスの余熱を回収した水は、第３熱交換器２９の二次側に送液される。この結果、第３熱交換器２９に送液された水は、第１ヒートポンプ９の第２熱媒体に熱を供給して冷却される。
【００７５】
第３熱交換器２９において冷却された水は、第２熱交換器２５の一次側に供給される。この結果、第２熱交換器２５の一次側に供給された水は、第２熱交換器２５においてアンモニアガスの溶解熱を回収して温度上昇する。第２熱交換器２５においてアンモニアガスの溶解熱を回収した水は、緩衝タンク３０に供給される。
【００７６】
第１ヒートポンプ９は、第２熱媒体として、例えばＲ１３４ａ（ＣＦ3ＣＨ2Ｆ）を用いる場合、第１循環導管３３を循環するＲ１３４ａを、まず膨張弁３５で膨張させた後、第３熱交換器２９の一次側に供給する。この結果、Ｒ１３４ａは、第３熱交換器２９において熱伝達管路８の第１熱媒体を介して伝達された熱を吸収して温度上昇する。
【００７７】
次に、第３熱交換器２９を通過したＲ１３４ａは圧縮機３６に供給されて圧縮される。圧縮機３６において圧縮されたＲ１３４ａは、第４熱交換器３４の二次側に供給され、第４熱交換器３４の一次側の第３熱媒体を加熱する。そして、第４熱交換器３４を通過したＲ１３４ａは、膨張弁３５に供給される。
【００７８】
第２ヒートポンプ１０は、第３熱媒体として、例えばＲ２４５ｆａ（ＣＦ３ＣＨ２ＣＨＦ２）を用いる場合、第２循環導管３７を循環するＲ２４５ｆａを、まず膨張弁３８で膨張させた後、第４熱交換器３４の一次側に供給する。この結果、Ｒ２４５ｆａは、第４熱交換器３４において第１ヒートポンプ９が生成した熱を吸収して温度上昇する。
【００７９】
次に、第４熱交換器３４を通過したＲ２４５ｆａは圧縮機３９に供給されて圧縮される。圧縮機３９において圧縮されたＲ２４５ｆａは、分離装置４の二次側に供給され、分離装置４の一次側の糖化前処理物を加熱し、糖化前処理物からアンモニアを放散させて分離する。そして、分離装置４を通過したＲ２４５ｆａは、膨張弁３８に供給される。
【００８０】
一方、分離装置４に供給された糖化前処理物は加熱されて、糖化前処理物からアンモニアが分離された後、後工程６に移送される。
【００８１】
尚、本実施形態では、熱伝達管路８に設けられた制御弁３２により、熱伝達管路８を循環する第１熱媒体である水の流量が調整される。
【００８２】
第１熱媒体である水の流量を調整することにより、第１ヒートポンプ９の第２熱媒体であるＲ１３４ａ又は第２ヒートポンプ１０の熱媒体であるＲ２４５ｆａとの流量比率が調整される。そして、第１熱媒体である水と、第１ヒートポンプ９のＲ１３４ａ又は第２ヒートポンプ１０のＲ２４５ｆａとの流量比率の調整により、第１熱媒体である水、第１ヒートポンプ９の第２熱媒体であるＲ１３４ａ及び第２ヒートポンプ１０の第３熱媒体であるＲ２４５ｆａの温度が調整され、第２ヒートポンプ１０で生成されて分離装置４に供給される熱量が調整される。
【００８３】
この結果、バイオマスやアンモニアガス等の負荷変動に対して、第１ヒートポンプ９及び第２ヒートポンプ１０の負荷の変動を抑制する。
【符号の説明】
【００８４】
１…リグノセルロース系バイオマス糖化前処理装置、 ２…ミキサー、 ３…貯留タンク、 ４…分離装置、 ５…吸収塔、 ６…後工程、 ７…移送導管、 ８…熱伝達管路、 ９…第１ヒートポンプ、 １０…第２ヒートポンプ、１７…第１熱交換器、 ２５…第２熱交換器、 ２９…第３熱交換器、 ３０…緩衝タンク、 ３３…第１循環導管、 ３４…第４熱交換器、 ３７…第２循環導管。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、リグノセルロース系バイオマス糖化前処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、稲藁等のリグノセルロース系バイオマスを基質として溶媒と混合した基質混合物を、微生物が産生する糖化酵素によって糖化することにより糖化溶液を得て、糖化溶液を発酵させることによりエタノールを製造することが知られている。ここで、リグノセルロース系バイオマスは、セルロース又はヘミセルロースにリグニンが強固に結合した構成を備えている。
【０００３】
そのため、リグノセルロース系バイオマスとアンモニア水とを混合した基質混合物を加熱することにより、リグノセルロース系バイオマスに含まれるリグニンを解離し、又はリグノセルロース系バイオマスを膨潤させ、セルロース又はヘミセルロースを糖化可能にした糖化前処理物を得る。
【０００４】
そして、糖化される糖化前処理物のｐＨを至適ｐＨに調整するｐＨ調整剤の使用量を低減するために、アンモニアを分離した糖化前処理物を得る糖化前処理を行うことが知られている（例えば、特許文献１及び特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特表２００８−５３５５２４号公報
【特許文献２】特開２０１０−１１５１６２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、特許文献１記載の糖化前処理では、０．１８〜１５質量％の低濃度のアンモニア水が用いられているので、糖化前処理物を加熱して糖化前処理物からアンモニアを分離するための熱エネルギーが増加し、製造コストが増大する。
【０００７】
また、特許文献２記載の糖化前処理では、リグノセルロース系バイオマスに対するアンモニア水の供給量が多く使用されている。さらに、糖化前処理物全体を所定温度にまで加熱した後、糖化前処理物からアンモニアを分離する。従って、糖化前処理物からアンモニアを分離するための熱エネルギーが増加し、製造コストが増大するという不都合が生じる。
【０００８】
本発明は、かかる不都合を解消して、リグノセルロース系バイオマスの糖化前処理にアンモニア水を用いるときに、アンモニアが分離された糖化前処理物を効率よく製造することができるリグノセルロース系バイオマス糖化前処理装置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】
【０００９】
本発明のリグノセルロース系バイオマス糖化前処理装置は、基質であるリグノセルロース系バイオマスとアンモニア水とを混合した基質混合物を得る混合手段と、該混合手段により得られた該基質混合物を貯留して、該基質からリグニンを解離し、又は該基質を膨潤させた糖化前処理物を得る貯留手段と、該貯留手段から供給される糖化前処理物を加熱して該糖化前処理物からアンモニアガスを連続して分離する分離手段とを備えるリグノセルロース系バイオマス糖化前処理装置であって、該分離手段で分離されたアンモニアガスを水に溶解させてアンモニア水として回収するアンモニア回収手段と、該アンモニア回収手段でアンモニアガスを水に溶解させるときに生成する溶解熱を回収する第１の熱回収手段と、該第１の熱回収手段で回収された該溶解熱を熱源として該分離手段に供給される熱を生成し、該熱を該分離手段に供給する熱供給手段とを備えることを特徴とする。
【００１０】
本発明のリグノセルロース系バイオマス糖化前処理装置では、まず、基質であるリグノセルロース系バイオマスとアンモニア水とが、混合手段において混合され、基質混合物となる。
【００１１】
次に、基質混合物は貯留手段で貯留されて、リグノセルロース系バイオマスからリグニンを解離し、又はリグノセルロース系バイオマスを膨潤させた糖化前処理物となる。
【００１２】
本願において、解離とは、リグノセルロース系バイオマスのセルロース又はヘミセルロースに結合しているリグニンの結合部位のうち、少なくとも一部の結合を切断することをいう。また、膨潤とは、液体の浸入により結晶性セルロースを構成するセルロース又はヘミセルロースに空隙が生じ、又は、セルロース繊維の内部に空隙が生じて膨張することをいう。
【００１３】
次に、糖化前処理物は、貯留手段から分離手段に供給された後、分離手段において加熱されながら、アンモニアガスが連続して分離される。この結果、糖化前処理物からアンモニアガスが分離された糖化前処理物を得ることができる。
【００１４】
一方、分離手段で分離されたアンモニアガスは、アンモニア回収手段で水に溶解されることによりアンモニア水として回収されるが、アンモニアガスは水に溶解される際に溶解熱を発生する。このため、アンモニア水の温度が上昇して、アンモニアの溶解度が低下し、アンモニアガスの回収が困難になることが懸念される。
【００１５】
そこで、本発明のリグノセルロース系バイオマス糖化前処理装置では、第１の熱回収手段を設け、溶解熱を回収する。溶解熱は、分離手段への熱供給手段の熱源として用いられ、糖化前処理物からアンモニアガスを分離するために糖化前処理物を加熱する分離手段に供給される。
【００１６】
従って、本発明のリグノセルロース系バイオマス糖化前処理装置によれば、溶解熱を熱源として熱供給手段により生成される熱を分離手段に供給することにより、エネルギー効率を高め、アンモニアが分離された糖化前処理物を効率よく製造することができる。
【００１７】
さらに、本発明のリグノセルロース系バイオマス糖化前処理装置によれば、分離手段により糖化前処理物から分離されるアンモニアガスを水に溶解し、アンモニア水とするので、安全弁等の付帯設備を備えた圧力容器内に貯留する必要がなくなる。
【００１８】
本発明のリグノセルロース系バイオマスの糖化前処理装置において、前記熱供給手段は、熱伝達手段と、第１のヒートポンプ手段と、第２のヒートポンプ手段とからなり、該熱伝達手段は、前記第１の熱回収手段により回収された溶解熱を熱源として、該熱伝達手段内を循環する第１の熱媒体を加熱し、該第１のヒートポンプ手段に伝達される熱を生成し、該第１のヒートポンプ手段は、該熱伝達手段により伝達された熱を熱源として、該第１のヒートポンプ手段内を循環する第２の熱媒体を加熱し、該第２のヒートポンプ手段に供給される熱を生成し、該第２のヒートポンプ手段は、該第１のヒートポンプ手段により生成された熱を熱源として、該第２のヒートポンプ手段内を循環する第３の熱媒体を加熱し、前記分離手段に供給される熱を生成することが好ましい。
【００１９】
熱供給手段では、第１の熱回収手段においてアンモニア水を冷却するための熱媒体の低い温度と、分離手段において糖化前処理物からアンモニアガスを十分に分離するために糖化前処理物を加熱する熱媒体の高い温度とが要求される。
【００２０】
単一の熱媒体を用いた熱供給手段では、熱供給手段内を循環する熱媒体の体積比が大きくなり、また循環流量も大きくなる。そのため、圧縮機等の装置が大型化し、設備費用が増加し、製造コストの低減化が困難となる。
【００２１】
そのため、本発明のリグノセルロース系バイオマス糖化前処理装置の熱供給手段は、第２の熱媒体を用いた第１のヒートポンプ手段と、第３の熱媒体を用いた第２のヒートポンプ手段とを備え、さらに、第１のヒートポンプ手段と第２のヒートポンプ手段における熱媒体の圧縮に用いられるエネルギーを効率良く配分するために、第１の熱媒体を用いた熱伝達手段を備える。
【００２２】
第１の熱回収手段において回収された溶解熱は、熱伝達手段の熱源として用いられ、第１の熱媒体を加熱する。そして、熱伝達手段により生成された熱は、第１のヒートポンプ手段に伝達される。
【００２３】
また、熱伝達手段により伝達された熱は、第１のヒートポンプ手段の熱源として用いられ、第２の熱媒体を加熱する。そして、第１のヒートポンプ手段により生成された熱は、第２のヒートポンプ手段に供給される。
【００２４】
さらに、第１のヒートポンプ手段により生成された熱は、第２のヒートポンプ手段の熱源として用いられ、第３の熱媒体を加熱する。そして、第２のヒートポンプ手段により生成された熱は、分離手段に供給される。
【００２５】
従って、本発明のリグノセルロース系バイオマス糖化前処理装置によれば、熱伝達手段により、第１の熱回収手段においてアンモニアガスが水に溶解する際の溶解熱を回収することができる。溶解熱の回収によりアンモニア水を冷却させるので、アンモニア水の温度の上昇を防止してアンモニアガスを容易に回収することができる。
【００２６】
そして、第２のヒートポンプ手段により、生成された熱を分離手段に供給し、糖化前処理物を加熱するので、糖化前処理物からアンモニアガスを十分に分離し、アンモニア回収手段におけるアンモニア水の回収量を増加させることができる。
【００２７】
本発明のリグノセルロース系バイオマスの糖化前処理装置において、前記分離手段で分離されたアンモニアガスから熱を回収する第２の熱回収手段を備え、前記熱伝達手段は、前記第１の熱回収手段により回収された溶解熱と、該第２の熱回収手段により回収された熱とを熱源として、前記第１の熱媒体を加熱し、前記第１のヒートポンプ手段に伝達される熱を生成することが好ましい。
【００２８】
本発明のリグノセルロース系バイオマスの糖化前処理装置は、分離手段で分離されたアンモニアガスから熱を回収する第２の熱回収手段を備えることにより、アンモニアガスの余熱を回収することができ、装置のエネルギー効率をさらに高くすることができる。また、第２の熱回収手段によればアンモニアガスから余熱を回収することにより、アンモニアガスの水への溶解を容易にすることができる。
【００２９】
また、本発明のリグノセルロース系バイオマスの糖化前処理装置において、前記熱伝達手段は、該熱伝達手段内を循環する第１の熱媒体を貯留し、該熱伝達手段内を循環する該第１の熱媒体と前記第２の熱媒体又は前記第３の熱媒体との流量比率を調整する流量調整手段を備えることが好ましい。
【００３０】
本発明のリグノセルロース系バイオマスの糖化前処理装置は、流量調整手段を備えることにより、熱供給手段内を循環する第１の熱媒体と第２の熱媒体又は第３の熱媒体との流量比率を調整し、第１、第２及び第３の熱媒体の温度を調整する。従って、バイオマスやアンモニアガスの負荷変動に対して、第１及び第２のヒートポンプ手段の負荷の変動を抑制することができる。
【００３１】
さらに、本発明のリグノセルロース系バイオマスの糖化前処理装置において、前記分離手段内の前記糖化前処理物の流れと前記第３の熱媒体の流れとが対向流であることが好ましい。
【００３２】
分離手段に供給される糖化前処理物は、分離手段内で加熱されることによりアンモニアを放散するので、糖化前処理物が分離手段に供給されてから分離手段から排出されるまでの間、糖化前処理物中のアンモニア水の濃度が低下する。また、糖化前処理物中のアンモニア水の濃度が低下すると、アンモニア水の沸点が上昇する。
【００３３】
そこで、分離手段は、糖化前処理物が分離手段に供給されてから分離手段から排出されるまでの間、糖化前処理物からアンモニアガスを十分に分離するために、分離手段内を流れる糖化前処理物の温度をアンモニア水の濃度に対応した沸点の温度とする必要がある。
【００３４】
従って、分離手段内の糖化前処理物の流れと第３の熱媒体の流れとが対向流であることから、糖化前処理物が分離手段に供給されてから分離手段から排出されるまでの間、糖化前処理物からアンモニアガスを十分に分離するために必要な糖化前処理物と第３の熱媒体との温度差を実現でき、効率の良い熱交換を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明のリグノセルロース系バイオマス糖化前処理装置のシステム構成図。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
次に、添付の図面を参照しながら本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。
【００３７】
図１に示すように、本実施形態のリグノセルロース系バイオマス糖化前処理装置１は、基質であるリグノセルロース系バイオマス（以下、バイオマスと略記することがある）とアンモニア水とを混合した基質混合物を得るミキサー２と、ミキサー２で得られた基質混合物を所定温度で所定時間貯留することにより、バイオマスからリグニンを解離し、又はバイオマスを膨潤させた糖化前処理物を得る貯留タンク３と、糖化前処理物を加熱して糖化前処理物からアンモニアガスを分離する分離装置４と、分離装置４で分離されたアンモニアガスを水に吸収させてアンモニア水として回収する吸収塔５と、分離装置４でアンモニアガスが分離された糖化前処理物を導出して後工程６に移送する移送導管７とを備えている。
【００３８】
また、吸収塔５によりアンモニアガスを水に溶解させる際に発生する溶解熱を回収し、回収した溶解熱を分離装置４に供給する熱を生成するため、第１熱媒体が流れる熱伝達管路８と、第２熱媒体を用いる第１ヒートポンプ９と、第３熱媒体を用いる第２ヒートポンプ１０とを備える。
【００３９】
ミキサー２上部には、バイオマスが投入される投入口１１を備えると共に、アンモニア水を供給するアンモニア水供給導管１２が接続されている。アンモニア水供給導管１２は、上流側端部がアンモニア水タンク１３に接続されており、途中にポンプ１４を備えている。また、ミキサー２下部には、ミキサー２からの基質混合物を貯留する貯留タンク３が接続されている。
【００４０】
貯留タンク３は、貯留タンク３下部に、基質混合物を所定時間貯留することにより得られる糖化前処理物を分離装置４に移送するパウダーフィーダ１５を備えている。
【００４１】
分離装置４は、第２ヒートポンプ１０から供給された熱により糖化前処理物を加熱し、糖化前処理物からアンモニアガスを連続して分離するように構成されている。例えば、分離装置４は、本体シェル内に設けられた多管式加熱管に熱媒体を流し、多管式加熱管を回転させて、加熱管束と糖化前処理物との接触により糖化前処理物を加熱し、糖化前処理物からアンモニアを放散させてアンモニアガスを分離する。
【００４２】
分離装置４は、上部に、糖化前処理物中のバイオマスから分離されたアンモニアガスを導出するアンモニアガス導管１６が接続されている。アンモニアガス導管１６は、第１熱交換器１７（本発明の第２の熱回収手段に相当する）を介して吸収塔５に接続されている。
【００４３】
また、アンモニアガス導管１６は、第１熱交換器１７と吸収塔５との間に、アンモニアガスを吸引して吸収塔５に排出する真空ポンプ１８を備える。糖化前処理物は、分離装置４に供給されてから分離装置４から排出されるまで分離装置４内を移動して、加熱されるだけでは、アンモニアを十分に放散させることは困難である。そのため、真空ポンプ１８によりアンモニアガスを吸引することで、分離装置４内の糖化前処理物からアンモニアを十分に分離する。
【００４４】
第１熱交換器１７を用いてアンモニアガスから熱を回収すると、アンモニアガス中の水分が凝縮する。第１熱交換器１７は、凝縮した水を回収するために、凝縮水回収導管１９が接続されている。凝縮水回収導管１９は吸収塔５に接続され、回収された凝縮水はアンモニア水を生成するための水として用いられる。
【００４５】
また、分離装置４は、底部に、移送導管７が接続されている。移送導管７は、後工程６に接続されている。
【００４６】
吸収塔５は、分離装置４により分離されたアンモニアガスを水に吸収させてアンモニア水とし、アンモニア水を底部に貯留するように構成されている。吸収塔５は、底部にアンモニア水を導出するアンモニア水導出導管２１が接続されている。アンモニア水導出導管２１は、ポンプ２２を介して、アンモニア水タンク１３に接続されている。
【００４７】
吸収塔５は、吸収塔５上部にシャワリング装置２３を備え、吸収塔５底部からアンモニア水を抜き出しシャワリング装置２３に供給するアンモニア水循環導管２４とが接続されている。
【００４８】
アンモニア水循環導管２４は、第２熱交換器（本発明の第１の熱回収手段に相当する）２５を備え、吸収塔５と第２熱交換器２５との間に、吸収塔５底部からアンモニア水を吸引して吸収塔５のシャワリング装置２３に供給するポンプ２６を備える。
【００４９】
アンモニア水タンク１３は、貯留されるアンモニア水の濃度を検出するアンモニア濃度センサ２７と、アンモニア水タンク１３に濃アンモニア水を供給する濃アンモニア水供給導管２８とを備える。
【００５０】
熱伝達管路８は、例えば水等の第１熱媒体が管路８内を循環する管路であり、管路８の途中に、第１熱交換器１７、第２熱交換器２５、第３熱交換器２９、緩衝タンク３０を備えている。
【００５１】
熱伝達管路８は、緩衝タンク３０内に貯留された第１熱媒体を第１熱交換器１７、次いで第３熱交換器２９に送液し、第１熱媒体を熱伝達管路８内で循環させるポンプ３１を備えている。また、熱伝達管路８は、熱伝達管路８内で循環する第１熱媒体の循環流量を調整する制御弁３２を備えている。
【００５２】
熱伝達管路８は、アンモニアガスから熱を回収するために第１熱交換器１７の一次側と、凝縮熱を回収するために第２熱交換器２５の一次側と、第１ヒートポンプ９に熱を供給するために第３熱交換器２９の二次側とに接続されている。
【００５３】
第１ヒートポンプ９は、例えばＲ１３４ａ（ＣＦ3ＣＨ2Ｆ）等の第２熱媒体が循環する第１循環導管３３を備え、第１循環導管３３の途中に、第４熱交換器３４、膨張弁３５、第３熱交換器２９、圧縮機３６を備えている。
【００５４】
第１循環導管３３は、第１熱媒体から熱を回収するために第３熱交換器２９の一次側と、第２ヒートポンプ１０に熱を供給するために第４熱交換器３４の二次側とに接続されている。
【００５５】
第２ヒートポンプ１０は、例えばＲ２４５ｆａ（ＣＦ３ＣＨ２ＣＨＦ２）等の第３熱媒体が循環する第２循環導管３７を備え、第２循環導管３７の途中に、分離装置４、膨張弁３８、第３熱交換器３４、圧縮機３９を備えている。
【００５６】
第２循環導管３７は、第１ヒートポンプ９から熱を回収するために第４熱交換器３４の一次側と、糖化前処理物を加熱してアンモニアガスを分離するために分離装置４の二次側とに接続されている。
【００５７】
次に、図１を参照して、本実施形態のリグノセルロース系バイオマス糖化前処理装置１の作動について説明する。
【００５８】
本実施形態のリグノセルロース系バイオマス糖化前処理装置１では、まず、投入口１１からミキサー２にリグノセルロース系バイオマスが投入される。リグノセルロース系バイオマスは、例えば稲藁であり、図示しないカッターミルにより目開き３ｍｍのメッシュを通過する大きさに粉砕した後、投入口１１に供給される。
【００５９】
次に、アンモニア水タンク１３内のアンモニア水が、ポンプ１４により、アンモニア水供給導管１２を介してミキサー２内に供給される。このとき、ミキサー２内に供給されるアンモニア水の濃度は、例えば、２５質量％とされている。
【００６０】
バイオマスとアンモニア水は、バイオマスの乾燥質量と２５質量％のアンモニア水が質量比１：１になるようにミキサー２に供給される。
【００６１】
次に、バイオマスとアンモニア水とはミキサー２により混合され、バイオマスとアンモニア水とが混合した基質混合物が形成される。ミキサー２内で形成された基質混合物は、ミキサー２下部に設けられた貯留タンク３において、所定温度、例えば２５℃で、所定時間、例えば１００時間貯留される。貯留タンク３で貯留される間に、バイオマスがアンモニア水により膨潤されると共に、バイオマス中のセルロース及びヘミセルロースと結合しているリグニンがバイオマスから解離した糖化前処理物が形成される。
【００６２】
次に、糖化前処理物は、パウダーフィーダ１５を介して分離装置４に供給される。このとき、分離装置４に供給された糖化前処理物は、第２ヒートポンプ１０で加熱された第３熱媒体により加熱される。そして、分離装置４内の糖化前処理物からアンモニアが放散され、糖化前処理物からアンモニアガスが分離される。
【００６３】
本実施形態の分離手段４は、分離装置４内の糖化前処理物の流れと第３熱媒体の流れとが対向流となるように構成されている。
【００６４】
分離装置４内に供給される糖化前処理物は、分離装置４に供給されてから分離装置４から排出されるまで分離装置４内を移動し、また、分離装置４内で加熱されることによりアンモニアが放散するので、次第に糖化前処理物中のアンモニア水の濃度が低下する。そのため、糖化前処理物中のアンモニア水の濃度が低下すると、アンモニア水の沸点が上昇する。
【００６５】
そこで、分離装置４内の糖化前処理物の流れと第３熱媒体の流れとを対向流とし、かつ、糖化前処理物が分離装置４に供給されてから分離装置４から排出されるまでの間、糖化前処理物からアンモニアガスを十分に分離するために必要な糖化前処理物と第３熱媒体との温度差を確保することにより、効率の良い熱交換を行う。
【００６６】
アンモニアガスは、アンモニアガス導管１６に設けられた真空ポンプ１８により吸引され、アンモニアガス導管１６の第１熱交換器１７を経由して吸収塔５に供給される。吸収塔５に供給されたアンモニアガスは、シャワリング装置２３からシャワリングされるアンモニア水に吸収され、アンモニア水として吸収塔５の底部に貯留される。
【００６７】
このとき、アンモニアガスは、第１熱交換器１７により余剰の熱が回収されているので、シャワリング装置２３からシャワリングされるアンモニア水に吸収されやすくなっている。しかし、アンモニアガスが水に溶解するときには溶解熱が発生するので、溶解熱によりアンモニア水の温度が上昇すると、アンモニアが水に十分に溶解しなくなることが懸念される。
【００６８】
そこで、本実施形態では、吸収塔５の底部に貯留されているアンモニア水がアンモニア水循環導管２４を介して吸収塔５に還流される際に、アンモニア水循環導管２４に設けられた第２熱交換器２５により溶解熱を回収するように構成されている。この結果、吸収塔５では、十分な量のアンモニアガスがシャワリング装置２３からシャワリングされるアンモニア水に吸収され、アンモニア水として回収される。
【００６９】
また、アンモニア水タンク１３では、アンモニア濃度センサ２７により貯留されているアンモニア水中のアンモニア濃度が検知され、検知されたアンモニア濃度に応じて、濃アンモニア水供給導管２８を介して濃アンモニア水が供給される。この結果、アンモニア水タンク１３内のアンモニア水は、例えば、２５質量％のアンモニア濃度に調整され、アンモニア水供給導管１２を介してミキサー２に供給される。
【００７０】
一方、分離装置４でアンモニアガスが分離された糖化前処理物は、移送導管７を介して、後工程６に移送される。後工程６は、例えば、アンモニアガスが分離された糖化前処理物に、所定量の水と糖化酵素とを投入することにより、バイオマスに含まれるセルロースを酵素糖化処理する工程である。
【００７１】
このとき、アンモニアガスが分離された糖化前処理物中のアンモニアは、分離装置４で加熱されることによりアンモニアガスとなり、また、真空ポンプ１８によりアンモニアガスが吸引される。従って、アンモニアガスが糖化前処理物から十分に分離し、極微量のアンモニア、例えば１０ｐｐｍ程度のアンモニアが残留する糖化前処理物が後工程６に移送される。
【００７２】
ここで、第１熱交換器１７及び第２熱交換器２５により回収された熱は、熱伝達管路８内を循環する第１熱媒体を介して、第１ヒートポンプ９に伝達される。
【００７３】
熱伝達管路８に用いられる第１熱媒体として、例えば水を熱媒体として用いる場合、緩衝タンク３０に貯留された水を、ポンプ３１により第１熱交換器１７の一次側に供給される。この結果、第１熱交換器１７に供給された水は、第１熱交換器１７においてアンモニアガスの余熱を回収して温度上昇する。
【００７４】
そして、第１熱交換器１７においてアンモニアガスの余熱を回収した水は、第３熱交換器２９の二次側に送液される。この結果、第３熱交換器２９に送液された水は、第１ヒートポンプ９の第２熱媒体に熱を供給して冷却される。
【００７５】
第３熱交換器２９において冷却された水は、第２熱交換器２５の一次側に供給される。この結果、第２熱交換器２５の一次側に供給された水は、第２熱交換器２５においてアンモニアガスの溶解熱を回収して温度上昇する。第２熱交換器２５においてアンモニアガスの溶解熱を回収した水は、緩衝タンク３０に供給される。
【００７６】
第１ヒートポンプ９は、第２熱媒体として、例えばＲ１３４ａ（ＣＦ3ＣＨ2Ｆ）を用いる場合、第１循環導管３３を循環するＲ１３４ａを、まず膨張弁３５で膨張させた後、第３熱交換器２９の一次側に供給する。この結果、Ｒ１３４ａは、第３熱交換器２９において熱伝達管路８の第１熱媒体を介して伝達された熱を吸収して温度上昇する。
【００７７】
次に、第３熱交換器２９を通過したＲ１３４ａは圧縮機３６に供給されて圧縮される。圧縮機３６において圧縮されたＲ１３４ａは、第４熱交換器３４の二次側に供給され、第４熱交換器３４の一次側の第３熱媒体を加熱する。そして、第４熱交換器３４を通過したＲ１３４ａは、膨張弁３５に供給される。
【００７８】
第２ヒートポンプ１０は、第３熱媒体として、例えばＲ２４５ｆａ（ＣＦ３ＣＨ２ＣＨＦ２）を用いる場合、第２循環導管３７を循環するＲ２４５ｆａを、まず膨張弁３８で膨張させた後、第４熱交換器３４の一次側に供給する。この結果、Ｒ２４５ｆａは、第４熱交換器３４において第１ヒートポンプ９が生成した熱を吸収して温度上昇する。
【００７９】
次に、第４熱交換器３４を通過したＲ２４５ｆａは圧縮機３９に供給されて圧縮される。圧縮機３９において圧縮されたＲ２４５ｆａは、分離装置４の二次側に供給され、分離装置４の一次側の糖化前処理物を加熱し、糖化前処理物からアンモニアを放散させて分離する。そして、分離装置４を通過したＲ２４５ｆａは、膨張弁３８に供給される。
【００８０】
一方、分離装置４に供給された糖化前処理物は加熱されて、糖化前処理物からアンモニアが分離された後、後工程６に移送される。
【００８１】
尚、本実施形態では、熱伝達管路８に設けられた制御弁３２により、熱伝達管路８を循環する第１熱媒体である水の流量が調整される。
【００８２】
第１熱媒体である水の流量を調整することにより、第１ヒートポンプ９の第２熱媒体であるＲ１３４ａ又は第２ヒートポンプ１０の熱媒体であるＲ２４５ｆａとの流量比率が調整される。そして、第１熱媒体である水と、第１ヒートポンプ９のＲ１３４ａ又は第２ヒートポンプ１０のＲ２４５ｆａとの流量比率の調整により、第１熱媒体である水、第１ヒートポンプ９の第２熱媒体であるＲ１３４ａ及び第２ヒートポンプ１０の第３熱媒体であるＲ２４５ｆａの温度が調整され、第２ヒートポンプ１０で生成されて分離装置４に供給される熱量が調整される。
【００８３】
この結果、バイオマスやアンモニアガス等の負荷変動に対して、第１ヒートポンプ９及び第２ヒートポンプ１０の負荷の変動を抑制する。
【符号の説明】
【００８４】
１…リグノセルロース系バイオマス糖化前処理装置、 ２…ミキサー、 ３…貯留タンク、 ４…分離装置、 ５…吸収塔、 ６…後工程、 ７…移送導管、 ８…熱伝達管路、 ９…第１ヒートポンプ、 １０…第２ヒートポンプ、１７…第１熱交換器、 ２５…第２熱交換器、 ２９…第３熱交換器、 ３０…緩衝タンク、 ３３…第１循環導管、 ３４…第４熱交換器、 ３７…第２循環導管。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基質であるリグノセルロース系バイオマスとアンモニア水とを混合した基質混合物を得る混合手段と、
該混合手段により得られた該基質混合物を貯留して、該基質からリグニンを解離し、又は該基質を膨潤させた糖化前処理物を得る貯留手段と、
該貯留手段から供給される糖化前処理物を加熱して該糖化前処理物からアンモニアガスを連続して分離する分離手段とを備えるリグノセルロース系バイオマス糖化前処理装置であって、
該分離手段で分離されたアンモニアガスを水に溶解させてアンモニア水として回収するアンモニア回収手段と、
該アンモニア回収手段でアンモニアガスを水に溶解させるときに生成する溶解熱を回収する第１の熱回収手段と、
該第１の熱回収手段で回収された該溶解熱を熱源として該分離手段に供給される熱を生成し、該熱を該分離手段に供給する熱供給手段とを備えることを特徴とするリグノセルロース系バイオマス糖化前処理装置。
【請求項２】
請求項１記載のリグノセルロース系バイオマス糖化前処理装置において、
前記熱供給手段は、熱伝達手段と、第１のヒートポンプ手段と、第２のヒートポンプ手段とからなり、
該熱伝達手段は、前記第１の熱回収手段により回収された溶解熱を熱源として、該熱伝達手段内を循環する第１の熱媒体を加熱し、該第１のヒートポンプ手段に伝達される熱を生成し、
該第１のヒートポンプ手段は、該熱伝達手段により伝達された熱を熱源として、該第１のヒートポンプ手段内を循環する第２の熱媒体を加熱し、該第２のヒートポンプ手段に供給される熱を生成し、
該第２のヒートポンプ手段は、該第１のヒートポンプ手段により生成された熱を熱源として、該第２のヒートポンプ手段内を循環する第３の熱媒体を加熱し、前記分離手段に供給される熱を生成することを特徴とするリグノセルロース系バイオマス糖化前処理装置。
【請求項３】
請求項２記載のリグノセルロース系バイオマス糖化前処理装置において、
前記分離手段で分離されたアンモニアガスから熱を回収する第２の熱回収手段を備え、
前記熱伝達手段は、前記第１の熱回収手段により回収された溶解熱と、該第２の熱回収手段により回収された熱とを熱源として、前記第１の熱媒体を加熱し、前記第１のヒートポンプ手段に伝達される熱を生成することを特徴とするリグノセルロース系バイオマス糖化前処理装置。
【請求項４】
請求項２又は請求項３記載のリグノセルロース系バイオマス糖化前処理装置において、
前記熱伝達手段は、該熱伝達手段内を循環する第１の熱媒体を貯留し、該熱伝達手段内を循環する該第１の熱媒体と前記第２の熱媒体又は前記第３の熱媒体との流量比率を調整する流量調整手段を備えることを特徴とするリグノセルロース系バイオマス糖化前処理装置。
【請求項５】
請求項２乃至請求項４のいずれか一項記載のリグノセルロース系バイオマス糖化前処理装置において、
前記分離手段内の前記糖化前処理物の流れと前記第３の熱媒体の流れとが対向流であることを特徴とするリグノセルロース系バイオマス糖化前処理装置。
【請求項１】
基質であるリグノセルロース系バイオマスとアンモニア水とを混合した基質混合物を得る混合手段と、
該混合手段により得られた該基質混合物を貯留して、該基質からリグニンを解離し、又は該基質を膨潤させた糖化前処理物を得る貯留手段と、
該貯留手段から供給される糖化前処理物を加熱して該糖化前処理物からアンモニアガスを連続して分離する分離手段とを備えるリグノセルロース系バイオマス糖化前処理装置であって、
該分離手段で分離されたアンモニアガスを水に溶解させてアンモニア水として回収するアンモニア回収手段と、
該アンモニア回収手段でアンモニアガスを水に溶解させるときに生成する溶解熱を回収する第１の熱回収手段と、
該第１の熱回収手段で回収された該溶解熱を熱源として該分離手段に供給される熱を生成し、該熱を該分離手段に供給する熱供給手段とを備えることを特徴とするリグノセルロース系バイオマス糖化前処理装置。
【請求項２】
請求項１記載のリグノセルロース系バイオマス糖化前処理装置において、
前記熱供給手段は、熱伝達手段と、第１のヒートポンプ手段と、第２のヒートポンプ手段とからなり、
該熱伝達手段は、前記第１の熱回収手段により回収された溶解熱を熱源として、該熱伝達手段内を循環する第１の熱媒体を加熱し、該第１のヒートポンプ手段に伝達される熱を生成し、
該第１のヒートポンプ手段は、該熱伝達手段により伝達された熱を熱源として、該第１のヒートポンプ手段内を循環する第２の熱媒体を加熱し、該第２のヒートポンプ手段に供給される熱を生成し、
該第２のヒートポンプ手段は、該第１のヒートポンプ手段により生成された熱を熱源として、該第２のヒートポンプ手段内を循環する第３の熱媒体を加熱し、前記分離手段に供給される熱を生成することを特徴とするリグノセルロース系バイオマス糖化前処理装置。
【請求項３】
請求項２記載のリグノセルロース系バイオマス糖化前処理装置において、
前記分離手段で分離されたアンモニアガスから熱を回収する第２の熱回収手段を備え、
前記熱伝達手段は、前記第１の熱回収手段により回収された溶解熱と、該第２の熱回収手段により回収された熱とを熱源として、前記第１の熱媒体を加熱し、前記第１のヒートポンプ手段に伝達される熱を生成することを特徴とするリグノセルロース系バイオマス糖化前処理装置。
【請求項４】
請求項２又は請求項３記載のリグノセルロース系バイオマス糖化前処理装置において、
前記熱伝達手段は、該熱伝達手段内を循環する第１の熱媒体を貯留し、該熱伝達手段内を循環する該第１の熱媒体と前記第２の熱媒体又は前記第３の熱媒体との流量比率を調整する流量調整手段を備えることを特徴とするリグノセルロース系バイオマス糖化前処理装置。
【請求項５】
請求項２乃至請求項４のいずれか一項記載のリグノセルロース系バイオマス糖化前処理装置において、
前記分離手段内の前記糖化前処理物の流れと前記第３の熱媒体の流れとが対向流であることを特徴とするリグノセルロース系バイオマス糖化前処理装置。
【図１】
【公開番号】特開２０１２−１９７３０（Ｐ２０１２−１９７３０Ａ）
【公開日】平成２４年２月２日（２０１２．２．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１５９８４０（Ｐ２０１０−１５９８４０）
【出願日】平成２２年７月１４日（２０１０．７．１４）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年２月２日（２０１２．２．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年７月１４日（２０１０．７．１４）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
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