植物系バイオマスの多元的有効利用システム
【課題】植物系バイオマスから精油等の有用物質と、メタノール等の燃料を得るとともに、発生する廃棄物量を抑制する植物系バイオマスの多元的有効利用システムを提供する。
【解決手段】植物系バイオマスから水を溶媒としてマイクロ波加熱により精油等を抽出する精油抽出手段１と、抽出後の植物系バイオマスをガス化するガス化手段２と、生成したガスからメタノール等を合成するアルコール合成手段３と、ガス化残渣を燃焼する燃焼手段４と、燃焼で発生したＣＯ２を触媒を用いてマイクロ波を照射して水素と反応させメタノール等を合成するマイクロ波アルコール合成手段５とからなる。
【解決手段】植物系バイオマスから水を溶媒としてマイクロ波加熱により精油等を抽出する精油抽出手段１と、抽出後の植物系バイオマスをガス化するガス化手段２と、生成したガスからメタノール等を合成するアルコール合成手段３と、ガス化残渣を燃焼する燃焼手段４と、燃焼で発生したＣＯ２を触媒を用いてマイクロ波を照射して水素と反応させメタノール等を合成するマイクロ波アルコール合成手段５とからなる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、植物系バイオマスの多元的有効利用システムに関する。詳細には、植物系バイオマスから水を溶媒としてマイクロ波加熱により精油や香料等の有用物質を抽出するとともに、精油抽出後のバイオマスは、熱分解ガス化し、生成したガス中のＣＯと水素からメタノール等を合成し、さらに生成したガス中に含まれるＣＯ２およびガス化後の残渣のススやタール等を燃焼させて発生するＣＯ２からも、マイクロ波を用いた触媒反応によりメタノール等を合成することで植物系バイオマスを多元的に活用するシステムであって、バイオマスのガス化で発生するススやタール等の固形あるいは液状の廃棄物のみならずＣＯ２も含めて廃棄物の発生を抑制することができ、さらに、マイクロ波による精油抽出時に蛋白質等の成分を抽出除去することで、ガス化時の窒素酸化物や硫黄酸化物の発生を抑制し、ガス化で生成したガスの精製を簡素化することができる、植物系バイオマスの多元的有効利用システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
バイオマスには、現状では確立された分類法はなく、その発生の起源に着目して、例えば、都市ごみ、食品残渣、下水汚泥などの産業系バイオマス、家畜糞尿などの動物系バイオマス、そして、栽培植物、伐採木や農作物残渣などの植物系バイオマスに分けることができる。
【０００３】
これらのバイオマスの内、植物系バイオマスは様々な成分を含み、その中には付加価値の高い微量成分が存在し、香料や精油、染料等を製造するために、植物系バイオマスからのこれら微量成分の抽出が、従来より実施されてきた。しかしながら、植物系バイオマスから、香料や精油等を抽出した後の残渣は、大部分が廃棄物として処分され、一部が燃料や肥料等に利用されているにすぎない。
【０００４】
一方、伐採木や間伐材等の植物系バイオマスは、そのまま薪として、あるいは木炭に変換して燃料に利用されてきた。そして、近年になって、これらの植物系バイオマスを熱分解によりガス化して、ＣＯや水素等の可燃性ガスを取り出して燃料として利用したり、あるいは、ガス化で生成するＣＯや水素を触媒を用いてメタノールや炭化水素に変換して燃料として利用することで、ガソリンや天然ガスに替わるエネルギー源とする方法が検討されており、二酸化炭素の排出抑制につながる化石燃料の代替技術として、期待が高まっている。
【０００５】
しかしながら、伐採木や間伐材、あるいは製材工業で発生する端材やチップ等の植物系バイオマスをガス化して燃料を得ようとする場合には、ガス化の原料として、そのまま熱分解ガス化に供される場合がほとんどであり、これらの植物系バイオマス中に含まれる精油等の微量成分を取り出してからガス化に利用するという、植物系バイオマスを多元的に有効利用しようとするものではない。
【０００６】
また、植物系バイオマスのガス化において、発生するガス中のＣＯや水素は燃料として、あるいは化学原料として活用されるが、副生するＣＯ２は、最早燃焼しないため燃料とはならず、またメタノール合成等においても反応を阻害する要因として、利用されることなく廃棄されている。
【０００７】
植物系バイオマスのガス化においては、バイオマスが加熱されることで熱分解が始まり、発生する軽質炭化水素や重質炭化水素が、ガス化剤として導入された酸素や水蒸気等と反炭化水素等の合成原料として利用される。しかしながら、生成ガス中に含まれるＣＯ２は燃料とはならず、また合成原料としても反応性に乏しいため、植物系バイオマスのガス化においては、ＣＯ２の発生を抑えることが重要となっている。
【０００８】
しかしながら、植物系バイオマスのガス化において、ＣＯ２の生成を抑制するためには、ススやタール等とガス化剤との反応を抑制することとなり、ＣＯや水素の発生量が減少し、分解されずに残存するススやタール等の増大をもたらす。逆にＣＯや水素の発生量を増やそうとすると、同時にＣＯ２の発生量の増大をもたらす。また、ガス化終了後に残渣として残るススやタール等を焼却して、廃棄量の削減を図っても、燃焼で発生したＣＯ２が廃棄物となるため状況は改善されず、植物系バイオマスの活用において、これらのススやタール等の固形や液状の廃棄物を削減するとともに、廃棄されるＣＯ２の削減を図ることが課題となる。
【０００９】
また、植物系バイオマス中には、窒素や硫黄等のヘテロ元素を含むタンパク質や核酸等の細胞内物質が存在し、植物系バイオマスのガス化により、これらの物質から窒素酸化物や硫黄酸化物が生成する。こうした窒素酸化物や硫黄酸化物は、大気汚染物質となるため、ガス化で得られたガスを、燃料として用いるためには取り除いておく必要があり、またメタノール等を合成する原料として用いる場合においても、使用する触媒の被毒物質となるため、ガス化で得られたガスは精製する必要がある。このガスの精製に掛かる負荷を軽減するためには、窒素酸化物や硫黄酸化物等の発生を抑制することが課題となる。
【００１０】
植物系バイオマスから精油や香料等を抽出する方法としては、水蒸気蒸留法、圧搾法、拭き取り法、油脂吸着法、温浸法（マセラション）、冷浸法（アンフルラージュ）、パーコレーション法、超臨界二酸化炭素抽出法、液化二酸化炭素抽出法など各種の方法が知られている。また、簡便な装置で効果的に精油等を抽出する方法として、マイクロ波を加熱源とする抽出方法が提案されている。例えば、エタノールやグリセリンなどを抽出溶媒としてマイクロ波加熱する方法（特許文献１参照）や、あるいは、凍結粉砕した動植物由来の材料を溶剤抽出する際に、熱エネルギーとしてマイクロ波を利用する方法（特許文献２参照）、粉砕した植物系バイオマスにマイクロ波を照射しながら、水蒸気を供給して精油を抽出する方法（特許文献３参照）等が開示されている。しかしながら、これらの方法は、植物系バイオマスから精油等を抽出する方法を開示するものであり、抽出残渣を植物系バイオマスとして有効に活用する方法やシステムに関する記載はない。
【００１１】
植物系バイオマスから精油等を抽出した後、抽出残渣を植物系バイオマスとして利用する事例として、特許文献４には、植物系バイオマスを粉砕した後、水等を溶媒として、マイクロ波加熱により精油等を抽出し、抽出後の残渣を、マイクロ波加熱により熱分解し、生成したガスを燃料や原料ガスとして利用するシステムが提案されている。しかし、特許文献４においては、植物系バイオマスから発生する、ススやタールあるいはＣＯ２等の廃棄物の削減やガス化で生成したガスの精製を簡素化するための具体的な方法やシステムに関する記載はない。
【００１２】
植物系バイオマスをガス化して、メタノール等を合成する方法に関しては、例えば、特許文献５には、バイオマスを供給してガス化するバイオマスガス化炉、ガス精製装置、スチームリフォーミング手段、メタノール合成装置等を具備したバイオマスからのメタノール合成システムが開示されている。このシステムにおいては、バイオマスの部分燃焼で発生した熱およびガス化後のガスを冷却するために用いた冷却水から発生する高温水蒸気により、ガス化に必要な熱を供給して、バイオマスをガス化してＣＯと水素を発生させるとともに、ガス化で生成したメタン等の炭化水素やタール等を、スチームリフォーミング手段で水蒸気と反応させて、ＣＯと水素に改質し、メタノールの生成量の増大を図るものである。さらに、このシステムにおいては、システムを構成する装置を移動台車上に搭載して移動することができるような工夫がなされている。
【００１３】
また、特許文献６には、燃焼部、ガス化部、ガス精製部、液体燃料製造部等からなるバイオマスからの液体燃料製造装置が開示されている。使用する触媒を変えることにより、液体燃料製造部で、メタノール、ジメチルエーテルあるいは炭化水素が合成される。この
特許文献６の方法では、バイオマスはガス化部で電気炉により加熱されてガス化され、またガス化されなかった未反応のバイオマスは取り出された後、燃焼部で燃やされ、その燃焼熱はガス化部の補助熱源として用いられる。ガス化部の底部にはタール分解用触媒が設置されており、ガス化により発生したガス中のタール分が取り除かれ、さらにガス化により発生したガスは活性炭等の吸着剤を装着したガス精製部で不純物を除去された後、燃料製造部でメタノール等に変換される。この方法においても、装置の下部に移動台車を設けることで、装置を移動できるように工夫されている。
【００１４】
しかしながら、特許文献５では、用いられるバイオマス原料についての特段の記載はなく、特許文献６では、未利用樹、間伐材、製材残材等の木質系バイオマス、建築廃材、下水汚泥、鶏糞等の廃棄物系バイオマス、雑草、牧草等の草本系バイオマスが原料として用いられることが記載されているが、これらのバイオマスは、そのままガス化に供されており、木質系バイオマスや草本系バイオマス等の植物系バイオマスから精油等の有用物質を抽出するとともに、抽出後の植物系バイオマスをガス化してメタノール等の燃料に変換して、植物系バイオマスを多元的に有効利用することを狙ったものではない。また植物系バイオマスのガス化で発生する廃棄物の削減に関する記載はなく、また窒素酸化物や硫黄酸化物の生成を抑制することによるガス精製の簡素化を提案するものでもない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】特開２００４−８９７８６号公報
【特許文献２】特表昭６３−５０２０９０号公報
【特許文献３】特開２００７−０９８３８３号公報
【特許文献４】特開２００７−２４５０９５号公報
【特許文献５】特開２００１−２４０８７８号公報
【特許文献６】特開２００８−１８９７０４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
本発明は、栽培植物、伐採木や農作物残渣などの植物系バイオマスを多元的に有効利用するとともに、植物系バイオマスをガス化して利用する際に、スス、タールあるいはＣＯ２等の廃棄物ならびに窒素酸化物、硫黄酸化物等の発生を抑制するためになされたものである。すなわち、植物系バイオマスからマイクロ波加熱により精油等を抽出し、抽出後の植物系バイオマスをガス化し、生成したガスからメタノール、エタノール等のアルコールを合成するとともに、ガス化後の残渣であるススやタール等を別途燃焼して、植物系バイオマスから発生する廃棄物を削減するとともに、発生したＣＯ２を触媒を用いてマイクロ波を照射してメタノールやエタノールに変換することで、植物系バイオマスを多元的に活用することができ、さらに、精油抽出時に植物系バイオマスから蛋白質等を抽出除去することで、ガス化時の窒素酸化物や硫黄酸化物の発生を抑制することができる、植物系バイオマスの多元的有効利用システム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】
【００１７】
上記目的を達成するため、本発明は、下記の構成のシステムを提供する。
【００１８】
（１）植物系バイオマスから水を溶媒としてマイクロ波加熱により精油、香料あるいは 色素を抽出するとともに、植物系バイオマス中の蛋白質や核酸等の細胞内物質を抽出 除去する精油抽出手段１と、
精油抽出後の植物バイオマスをガス化するガス化手段２と、
ガス化により得られたガスからアルコールを合成するアルコール合成手段３と、
ガス化残渣のススやタールを燃焼させる燃焼手段４と、
燃焼手段４で発生するＣＯ２に、触媒存在下で水素を導入するとともに、マイクロ波を照射してアルコールを合成するマイクロ波アルコール合成手段５と、
を有する植物系バイオマスの多元的有効利用システム。
（２）前記精油抽出手段１を水の沸点で実施する、前記（１）に記載の植物系バイオマスの多元的有効利用システム。
（３）前記ガス化手段２において、酸素あるいは空気と水蒸気をガス化剤として用いる、前記（１）又は（２）に記載の植物系バイオマスの多元的有効利用システム。
（４）前記アルコール合成手段３において、酸化銅−酸化亜鉛−アルミナを触媒として用いる、前記（１）〜（３）のいずれかに記載の植物系バイオマスの多元的有効利用システム。
（５）前記燃焼手段４が、燃焼炉である、前記（１）〜（４）のいずれかに記載の植物系バイオマスの多元的有効利用システム。
（６）前記マイクロ波アルコール合成手段５において、酸化銅−酸化亜鉛−アルミナを触媒として用いる、前記（１）〜（５）のいずれかに記載の植物系バイオマスの多元的有効利用システム。
（７）前記アルコール合成手段３での排ガスを、前記マイクロ波アルコール合成手段５に導入し、排ガス中のＣＯ２からアルコールを合成する、前記（１）〜（６）のいずれかに記載の植物系バイオマスの多元的有効利用システム。
（８）水を電気分解する電気分解手段１３をさらに有し、該電気分解手段で得られた水素を、前記マイクロ波アルコール合成手段５に導入しＣＯ２と反応させアルコールを合成する、前記（１）〜（７）のいずれかに記載の植物系バイオマスの多元的有効利用システム。
（９）前記電気分解手段１３で副生する酸素を、前記ガス化手段２でのガス化剤として利用する、前記（８）に記載の植物系バイオマスの多元的有効利用システム。
（１０）前記電気分解手段１３で副生する酸素を、前記燃焼手段４での燃焼剤として利用する、前記（８）に記載の植物系バイオマスの多元的有効利用システム。
（１１）前記アルコールがメタノールである、前記（１）〜（１０）のいずれかに記載の植物系バイオマスの多元的有効利用システム。
（１２）前記精油抽出手段１の後に、濾過手段６をさらに有し植物系バイオマスと抽出液を分離する、前記（１）〜（１１）のいずれかに記載の植物系バイオマスの多元的有効利用システム。
（１３）前記ガス化手段２の前に、植物系バイオマスを乾燥する予備乾燥手段７をさらに有する、前記（１）〜（１２）のいずれかに記載の植物系バイオマスの多元的有効利用システム。
（１４）前記ガス化手段２の後に、生成したガスを冷却する冷却手段８をさらに有し、該冷却手段で冷却水が、該ガス化手段で生成したガスとの熱交換により加熱されて発生する水蒸気を、前記ガス化手段でのガス化剤として利用する、前記（１）〜（１３）のいずれかに記載の植物系バイオマスの多元的有効利用システム。
（１５）前記冷却手段８で発生した水蒸気を、前記予備乾燥手段７に利用する、前記（１４）に記載の植物系バイオマスの多元的有効利用システム。
（１６）前記アルコール合成手段３の前に、ガス精製手段９をさらに有する、前記（１）〜（１５）のいずれかに記載の植物系バイオマスの多元的有効利用システム。
（１７）前記ガス精製手段９が、水中にガスを流通させて精製する湿式法である、前記（１６）に記載の植物系バイオマスの多元的有効利用システム。
（１８）前記ガス精製手段９が、活性炭にガスを流通させて精製する乾式法である、前記（１６）に記載の植物系バイオマスの多元的有効利用システム。
（１９）前記ガス精製手段９の後に、ガス圧縮手段１０をさらに有する、前記（１）〜（１８）のいずれかに記載の植物系バイオマスの多元的有効利用システム。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の植物系バイオマスの多元的有効利用システムによれば、植物系バイオマスから精油を効果的に抽出することができ、精油抽出後の残渣のバイオマスをガス化することで得られたＣＯと水素を用いてメタノールやエタノール等を製造することができるので植物系バイオマスの多元的活用を図ることができる。また、ガス化で生成したガス中のＣＯ２ならびにガス化後の残渣のススやタールを燃焼することで発生したＣＯ２もメタノールやエタノール等に変換することができるので、ススやタール等の固形あるいは液状の廃棄物の発生を抑制するとともにＣＯ２の廃棄も抑制することができる。さらには、精油抽出時に植物系バイオマス中の蛋白質や核酸等の物質を併せて抽出除去することで、ガス化時の窒素酸化物や硫黄酸化物の発生を抑えることができ、ガス化により得られるガスを精製する工程を簡素化することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明に係る植物系バイオマスの多元的有効利用システムの概略を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明に係る植物系バイオマスの多元的有効利用システムの好ましい実施形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２２】
図１は、本発明に係る植物系バイオマスの多元的有効利用の好ましい一例を示す概略システム図である。すなわち、本発明のシステムは、精油抽出手段１、ガス化手段２、アルコール合成手段３、燃焼手段４、マイクロ波アルコール合成手段５を主要手段として有し、これら主要手段に付属する手段として、濾過手段６、予備乾燥手段７、ガス冷却手段８、ガス精製手段９、ガス圧縮手段１０、蒸留手段１１および１２、ならびに、電気分解手段１３を配することで構成されたシステムである。
【００２３】
精油抽出手段１は、原料とする植物系バイオマスの種類に応じて、それらの植物系バイオマスが有する精油や香料あるいは色素等の有用物質を抽出するとともに、植物系バイオマスの細胞内物質である蛋白質や核酸等の成分も併せて抽出除去するものである。植物系バイオマスは、生あるいは乾燥後のものを適宜用いることができる。抽出手段１に導入する前に、粉砕手段（図示を省略）を設け、植物系バイオマスを細片状に粉砕したものを用いて抽出手段を実施すると、抽出効率が高まることで短時間で有用物質を抽出でき、有用物質が熱等で分解するのを防止できる。
【００２４】
植物系バイオマスとしては、各種の木の幹、枝、葉、実、根や、各種の木材、間伐材、伐採木、剪定枝、おがくず、樹皮、チップ、端材、流木、竹、笹、木質建築廃材等を挙げることができる。
【００２５】
抽出溶媒としては水を使用し、マイクロ波を照射することで加熱する。具体的には、例えば、抽出装置内に粉砕あるいは裁断した細片状の植物系バイオマスを入れ、植物系バイオマスが浸る程度の水を添加して、マイクロ波を照射する。マイクロ波の照射により加えた水ならびに植物系バイオマスが保持する水が効果的に加熱され、植物系バイオマス中の精油や香料等の有用成分が水とともに蒸発し抽出される。そして、植物系バイオマスは水の沸点まで加熱されることで、一部細胞が破戒され、細胞内の蛋白質や核酸等の細胞内物質が外部に流出する。
【００２６】
なお、精油抽出手段１でマイクロ波を照射するために使用するマイクロ波発振器としては、特に限定されず、マグネトロン等の発振器や、固体素子を用いた発振器を適宜用いることができる。また、マイクロ波の出力は、電気的に制御しながら１０Ｗ〜２０ｋＷの範囲とするのが望ましい。マイクロ波の周波数は０．５〜１０ＧＨｚが望ましい。
【００２７】
細胞内物質である蛋白質や核酸等は、窒素や硫黄等のヘテロ原子を有しており、後工程のガス化手段でガス化された場合には、窒素酸化物や硫黄酸化物を発生させることとなる。窒素酸化物や硫黄酸化物は、植物系バイオマスのガス化により生成するガス中のＣＯと水素からメタノール等を合成する際に使用する触媒の被毒物質であるため、メタノール等の合成の前にガスを生成することで取り除くことが必要である。したがって、これらの窒素酸化物や硫黄酸化物の発生量が多い場合には、ガス精製手段が大掛かりなものとなってしまう。本発明のシステムでは、窒素酸化物や硫黄酸化物の発生源となる細胞内物質等を予め除去することができるので、ガスの精製にかかる負担を大きく低減することができる。
【００２８】
本発明の精油抽出手段１において、マイクロ波により加熱されて蒸発した水は、凝縮装置等により精油や香料等を抽出する装置に還流させる。蒸発した水が還流する途中に流出した精油や香料と水を分離する分離装置を設置することにより、水は抽出装置に還流させ、精油や香料のみを取り出すことができる。
【００２９】
一方、外部に流出した蛋白質や核酸等の物質は水の蒸発とともに流出することはなく、抽出装置内の水に溶解あるいは分散した形で留まっており、精油や香料等の抽出が終了して、植物系バイオマスを抽出装置から取り出した際に、植物系バイオマスを抽出溶媒の水と分離することで、水とともに植物系バイオマスから取り除かれる。
【００３０】
したがって、精油等の抽出が終了した植物系バイオマスを抽出装置から取り出す際には、濾過手段６を設けて、植物系バイオマスと水の分離を促進するのが好ましい。濾過手段を設けることで、濾過残となる植物系バイオマスを水を用いて洗浄することができる。濾過手段６で用いる濾過装置は、特に限定されず、植物系バイオマスの大きさや形状あるいは水の含浸状態に応じて、常圧濾過装置あるいは加圧濾過装置を適宜選択することができる。
【００３１】
濾過後の植物系バイオマスは、予備乾燥手段７により乾燥するのが好ましい。この予備乾燥は、植物系バイオマス中に含まれる水によって、次のガス化手段での、加熱による植物系バイオマスの温度上昇が妨げられるのを防ぐために行われる。本発明においては、予備乾燥手段７の熱源として、冷却手段８において、生成したガスを冷却するために使用した冷却水から発生する高温の水蒸気を使用することができる。
【００３２】
予備乾燥が終了した植物系バイオマスは、ガス化手段２によりガス化される。ガス化手段に用いられるガス化炉としては、固定床方式、流動床方式、噴流ガス方式のいずれも用いることができるが、原料バイオマスを微粉化する必要のない固定床方式が好適である。
【００３３】
ガス化は公知の方法で実施される。例えば、固定床方式を用いる場合、原料となる植物系バイオマスを炉内に充填し、炉底よりガス化剤を供給し着火して燃焼させて熱ガスを発生させ、バイオマスを熱分解してガス化する。ガス化剤としては、酸素あるいは空気と水蒸気が用いられる。
【００３４】
本発明において、ガス化剤として酸素を用いる場合には、後記するように、マイクロ波アルコール合成手段５で、ＣＯ２と水素からメタノール等を合成する際に必要な水素を、電気分解手段１３において、水の電気分解で得る場合に副生する酸素を、活用することができる。
【００３５】
本発明において、ガス化剤として用いる水蒸気は、前記予備乾燥手段７の場合と同様、冷却手段８で発生する高温の水蒸気を使用することができる。ガス化剤として供給された高温の水蒸気は、植物系バイオマスのガス化において熱分解ガスを加熱するための補助熱源として利用するとともに、生成したガス中のＣＯと反応してＣＯ２と水素を発生させるシフト反応に使用される。シフト反応はバイオマスのガス化においては公知であり、本発明においても、ＣＯに対する水素のモル比を上げることで、ＣＯと水素からのメタノール等のアルコール合成の収率を上げるために行われる。
【００３６】
また、植物系バイオマスのガス化の進行とともに、重質炭化水素が縮合することで、ススやタール等の炭素物質が生成する。これらのススやタール等もガス化剤中の水蒸気と反応することで、ＣＯや水素等のガスが生成する。この反応は水性ガス化反応として知られているが、この反応は比較的遅い反応のため、植物系バイオマスのガス化において、ススやタール等の炭素物質が完全に反応して消失することはなく、通常、残渣としてガス化装置内に残留することになる。
【００３７】
ガス化により生成した高温のガス（以下、生成ガスと称する。）は、冷却手段８により冷却される。冷却時に用いられた冷却水は、生成ガスとの熱交換により、高温の水蒸気となって排出される。この高温の水蒸気は、前記したように、予備乾燥手段７やガス化手段２に供給されることで、本発明のシステム内で有効に利用することができる。
【００３８】
冷却された生成ガスは、ガス精製手段９により不純物を取り除かれる。生成ガス中に含まれる不純物としては、生成ガスに同伴されて排出されるススやタール等の炭素物質の他、前記の窒素酸化物や硫黄酸化物が含まれる。
【００３９】
ガス精製手段９による生成ガスの精製法としては、例えば、生成ガスを水中に導入して不純物を取り除く湿式法あるいはサイクロンを用いて集塵する方法や活性炭等の吸着剤を用いて取り除く乾式法等を用いることができる。
【００４０】
本発明においては、前記精油抽出手段１により、植物系バイオマス中に含まれる蛋白質や核酸等の細胞内物質が抽出除去されているので、植物系バイオマスを精油抽出手段を経ずにガス化した場合に比較して、生成ガス中に含まれる窒素酸化物や硫黄酸化物の量が減少する。したがって、ガス精製手段９に掛かる負荷を低減することができるので、精製装置を小型でコンパクトなものにすることができる。
【００４１】
精製後の生成ガスは、ガス圧縮手段１０によって、５〜１０ＭＰａ程度に加圧した後、アルコール合成手段３に導入される。
【００４２】
アルコール合成手段３では、公知の方法によって、メタノールやエタノール等が合成される。例えば、酸化銅−酸化亜鉛−アルミナあるいは酸化銅−酸化亜鉛−酸化クロム等を触媒として、２３０〜２７０℃、５〜１０ＭＰａの反応条件で実施される。
【００４３】
アルコール合成手段３で生成したメタノールやエタノール等のアルコールは、蒸留手段１１で、未反応ガスとアルコールに分離され、アルコールは反応生成物として取り出され、未反応ガスは、ガス圧縮手段１０を介してアルコール合成手段３に戻され、再度反応に供される。
【００４４】
生成ガス中に含まれるＣＯ２は、アルコール合成手段３では、ほとんど反応することなく残存する。そのため、本発明においては、蒸留手段１１で分離された未反応ガスの一部を排ガスとして取り出し、マイクロ波アルコール合成手段５に導入して、排ガス中のＣＯ２をメタノール等のアルコールに変換することで、廃棄されるＣＯ２の量を抑制する。
【００４５】
そして、本発明においては、前記ガス化手段２でガス化されなかったススやタール等の固形あるいは液状の残渣は、燃焼手段４に導入して燃焼することで廃棄物となる量を抑制する。ススやタール等の燃焼により発生したＣＯ２は、マイクロ波アルコール合成手段５に導入され、メタノール等のアルコールに変換されるので、廃棄されるＣＯ２の量も削減することができる。
【００４６】
燃焼手段４においては、前記ガス化手段２でガス化剤として使用する酸素の場合と同様、後記する電気分解手段１３で、水の電気分解で水素を得る場合に副生する酸素を用いることができる。
【００４７】
本発明のマイクロ波アルコール合成手段５では、本発明者が提案してきた、酸化銅−酸化亜鉛や酸化銅−酸化亜鉛−アルミナ、酸化銅−酸化亜鉛−酸化クロム等を触媒として用い、ＣＯ２と水素を触媒に流通させながらマイクロ波を照射して触媒を加熱して活性化する方法（特開２００６−１６９０９５号公報、特開２００８−２４７７７８号公報等を参照）を適用することができる。
【００４８】
マイクロ波アルコール合成手段５で生成したメタノールやエタノール等のアルコールは、蒸留手段１２で、未反応ガスとアルコールに分離され、アルコールは反応生成物として取り出され、未反応ガスは、マイクロ波アルコール合成手段５に戻し、再度反応に供される。
【００４９】
本発明のアルコール合成手段３において、ＣＯと水素からアルコールを合成することで、生成ガス中の水素は消費されるので、マイクロ波アルコール合成手段５では、ＣＯ２を反応させるために、別途水素を供給する必要がある。したがって、本発明においては、電気分解手段１３を配し、電解液や水を電気分解することで、必要な水素を得るのが好ましい。また、電気分解に必要な電力は太陽光発電や風力発電等で供給することより環境に配慮したシステムを構成することができる。
【００５０】
電気分解手段１３において、水を用いて水素を取り出した場合には、酸素が副生するが、副生した酸素は、前記したように、本発明のガス化手段２において植物系バイオマスをガス化する際のガス化剤として用いるとともに、燃焼手段４においてススやタール等のガス化残渣を燃焼させるために活用することで、本発明のシステム内で有効に利用することができる。
【００５１】
以上のように、本発明の植物系バイオマスの多元的有効利用システムでは、植物系バイオマスから精油や香料、色素等の有用物質が取り出せるとともに、精油抽出後の植物系バイオマスをガス化して、生成したガスから燃料や化学原料としてのメタノールやエタノール等のアルコールを得ることができる。そして、植物系バイオマスのガス化残渣であるススやタールは燃焼させるので廃棄物の発生量を抑制することができ、燃焼で発生するＣＯ２はメタノールやエタノール等のアルコールに変換することができるので、廃棄されるＣＯ２の量も削減することができる。また、精油抽出手段で、植物系バイオマス中の蛋白質等の細胞内物質を抽出除去できるので、植物系バイオマスのガス化時の窒素酸化物や硫黄酸化物の発生を抑制することができるとともに、ガス化で生成したガスをメタノール等の合成原料として用いる場合のガス精製手段を簡素化することができる。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
本発明の植物系バイオマスの多元的有効利用システムによれば、ススやタール等の固形あるいは液状の廃棄物のみならずＣＯ２の排出を削減しながら、精油や香料、色素等の有用物質ならびにメタノールやエタノール等のアルコールを得ることができるので、植物系バイオマスを活用するシステムとして極めて有用である。
【符号の説明】
【００５３】
１ 精油抽出手段
２ ガス化手段
３ アルコール合成手段
４ 燃焼手段
５ マイクロ波アルコール合成手段
６ 濾過手段
７ 予備乾燥手段
８ 冷却手段
９ ガス精製手段
１０ ガス圧縮手段
１１ 蒸留手段
１２ 蒸留手段
１３ 電気分解手段
【技術分野】
【０００１】
本発明は、植物系バイオマスの多元的有効利用システムに関する。詳細には、植物系バイオマスから水を溶媒としてマイクロ波加熱により精油や香料等の有用物質を抽出するとともに、精油抽出後のバイオマスは、熱分解ガス化し、生成したガス中のＣＯと水素からメタノール等を合成し、さらに生成したガス中に含まれるＣＯ２およびガス化後の残渣のススやタール等を燃焼させて発生するＣＯ２からも、マイクロ波を用いた触媒反応によりメタノール等を合成することで植物系バイオマスを多元的に活用するシステムであって、バイオマスのガス化で発生するススやタール等の固形あるいは液状の廃棄物のみならずＣＯ２も含めて廃棄物の発生を抑制することができ、さらに、マイクロ波による精油抽出時に蛋白質等の成分を抽出除去することで、ガス化時の窒素酸化物や硫黄酸化物の発生を抑制し、ガス化で生成したガスの精製を簡素化することができる、植物系バイオマスの多元的有効利用システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
バイオマスには、現状では確立された分類法はなく、その発生の起源に着目して、例えば、都市ごみ、食品残渣、下水汚泥などの産業系バイオマス、家畜糞尿などの動物系バイオマス、そして、栽培植物、伐採木や農作物残渣などの植物系バイオマスに分けることができる。
【０００３】
これらのバイオマスの内、植物系バイオマスは様々な成分を含み、その中には付加価値の高い微量成分が存在し、香料や精油、染料等を製造するために、植物系バイオマスからのこれら微量成分の抽出が、従来より実施されてきた。しかしながら、植物系バイオマスから、香料や精油等を抽出した後の残渣は、大部分が廃棄物として処分され、一部が燃料や肥料等に利用されているにすぎない。
【０００４】
一方、伐採木や間伐材等の植物系バイオマスは、そのまま薪として、あるいは木炭に変換して燃料に利用されてきた。そして、近年になって、これらの植物系バイオマスを熱分解によりガス化して、ＣＯや水素等の可燃性ガスを取り出して燃料として利用したり、あるいは、ガス化で生成するＣＯや水素を触媒を用いてメタノールや炭化水素に変換して燃料として利用することで、ガソリンや天然ガスに替わるエネルギー源とする方法が検討されており、二酸化炭素の排出抑制につながる化石燃料の代替技術として、期待が高まっている。
【０００５】
しかしながら、伐採木や間伐材、あるいは製材工業で発生する端材やチップ等の植物系バイオマスをガス化して燃料を得ようとする場合には、ガス化の原料として、そのまま熱分解ガス化に供される場合がほとんどであり、これらの植物系バイオマス中に含まれる精油等の微量成分を取り出してからガス化に利用するという、植物系バイオマスを多元的に有効利用しようとするものではない。
【０００６】
また、植物系バイオマスのガス化において、発生するガス中のＣＯや水素は燃料として、あるいは化学原料として活用されるが、副生するＣＯ２は、最早燃焼しないため燃料とはならず、またメタノール合成等においても反応を阻害する要因として、利用されることなく廃棄されている。
【０００７】
植物系バイオマスのガス化においては、バイオマスが加熱されることで熱分解が始まり、発生する軽質炭化水素や重質炭化水素が、ガス化剤として導入された酸素や水蒸気等と反炭化水素等の合成原料として利用される。しかしながら、生成ガス中に含まれるＣＯ２は燃料とはならず、また合成原料としても反応性に乏しいため、植物系バイオマスのガス化においては、ＣＯ２の発生を抑えることが重要となっている。
【０００８】
しかしながら、植物系バイオマスのガス化において、ＣＯ２の生成を抑制するためには、ススやタール等とガス化剤との反応を抑制することとなり、ＣＯや水素の発生量が減少し、分解されずに残存するススやタール等の増大をもたらす。逆にＣＯや水素の発生量を増やそうとすると、同時にＣＯ２の発生量の増大をもたらす。また、ガス化終了後に残渣として残るススやタール等を焼却して、廃棄量の削減を図っても、燃焼で発生したＣＯ２が廃棄物となるため状況は改善されず、植物系バイオマスの活用において、これらのススやタール等の固形や液状の廃棄物を削減するとともに、廃棄されるＣＯ２の削減を図ることが課題となる。
【０００９】
また、植物系バイオマス中には、窒素や硫黄等のヘテロ元素を含むタンパク質や核酸等の細胞内物質が存在し、植物系バイオマスのガス化により、これらの物質から窒素酸化物や硫黄酸化物が生成する。こうした窒素酸化物や硫黄酸化物は、大気汚染物質となるため、ガス化で得られたガスを、燃料として用いるためには取り除いておく必要があり、またメタノール等を合成する原料として用いる場合においても、使用する触媒の被毒物質となるため、ガス化で得られたガスは精製する必要がある。このガスの精製に掛かる負荷を軽減するためには、窒素酸化物や硫黄酸化物等の発生を抑制することが課題となる。
【００１０】
植物系バイオマスから精油や香料等を抽出する方法としては、水蒸気蒸留法、圧搾法、拭き取り法、油脂吸着法、温浸法（マセラション）、冷浸法（アンフルラージュ）、パーコレーション法、超臨界二酸化炭素抽出法、液化二酸化炭素抽出法など各種の方法が知られている。また、簡便な装置で効果的に精油等を抽出する方法として、マイクロ波を加熱源とする抽出方法が提案されている。例えば、エタノールやグリセリンなどを抽出溶媒としてマイクロ波加熱する方法（特許文献１参照）や、あるいは、凍結粉砕した動植物由来の材料を溶剤抽出する際に、熱エネルギーとしてマイクロ波を利用する方法（特許文献２参照）、粉砕した植物系バイオマスにマイクロ波を照射しながら、水蒸気を供給して精油を抽出する方法（特許文献３参照）等が開示されている。しかしながら、これらの方法は、植物系バイオマスから精油等を抽出する方法を開示するものであり、抽出残渣を植物系バイオマスとして有効に活用する方法やシステムに関する記載はない。
【００１１】
植物系バイオマスから精油等を抽出した後、抽出残渣を植物系バイオマスとして利用する事例として、特許文献４には、植物系バイオマスを粉砕した後、水等を溶媒として、マイクロ波加熱により精油等を抽出し、抽出後の残渣を、マイクロ波加熱により熱分解し、生成したガスを燃料や原料ガスとして利用するシステムが提案されている。しかし、特許文献４においては、植物系バイオマスから発生する、ススやタールあるいはＣＯ２等の廃棄物の削減やガス化で生成したガスの精製を簡素化するための具体的な方法やシステムに関する記載はない。
【００１２】
植物系バイオマスをガス化して、メタノール等を合成する方法に関しては、例えば、特許文献５には、バイオマスを供給してガス化するバイオマスガス化炉、ガス精製装置、スチームリフォーミング手段、メタノール合成装置等を具備したバイオマスからのメタノール合成システムが開示されている。このシステムにおいては、バイオマスの部分燃焼で発生した熱およびガス化後のガスを冷却するために用いた冷却水から発生する高温水蒸気により、ガス化に必要な熱を供給して、バイオマスをガス化してＣＯと水素を発生させるとともに、ガス化で生成したメタン等の炭化水素やタール等を、スチームリフォーミング手段で水蒸気と反応させて、ＣＯと水素に改質し、メタノールの生成量の増大を図るものである。さらに、このシステムにおいては、システムを構成する装置を移動台車上に搭載して移動することができるような工夫がなされている。
【００１３】
また、特許文献６には、燃焼部、ガス化部、ガス精製部、液体燃料製造部等からなるバイオマスからの液体燃料製造装置が開示されている。使用する触媒を変えることにより、液体燃料製造部で、メタノール、ジメチルエーテルあるいは炭化水素が合成される。この
特許文献６の方法では、バイオマスはガス化部で電気炉により加熱されてガス化され、またガス化されなかった未反応のバイオマスは取り出された後、燃焼部で燃やされ、その燃焼熱はガス化部の補助熱源として用いられる。ガス化部の底部にはタール分解用触媒が設置されており、ガス化により発生したガス中のタール分が取り除かれ、さらにガス化により発生したガスは活性炭等の吸着剤を装着したガス精製部で不純物を除去された後、燃料製造部でメタノール等に変換される。この方法においても、装置の下部に移動台車を設けることで、装置を移動できるように工夫されている。
【００１４】
しかしながら、特許文献５では、用いられるバイオマス原料についての特段の記載はなく、特許文献６では、未利用樹、間伐材、製材残材等の木質系バイオマス、建築廃材、下水汚泥、鶏糞等の廃棄物系バイオマス、雑草、牧草等の草本系バイオマスが原料として用いられることが記載されているが、これらのバイオマスは、そのままガス化に供されており、木質系バイオマスや草本系バイオマス等の植物系バイオマスから精油等の有用物質を抽出するとともに、抽出後の植物系バイオマスをガス化してメタノール等の燃料に変換して、植物系バイオマスを多元的に有効利用することを狙ったものではない。また植物系バイオマスのガス化で発生する廃棄物の削減に関する記載はなく、また窒素酸化物や硫黄酸化物の生成を抑制することによるガス精製の簡素化を提案するものでもない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】特開２００４−８９７８６号公報
【特許文献２】特表昭６３−５０２０９０号公報
【特許文献３】特開２００７−０９８３８３号公報
【特許文献４】特開２００７−２４５０９５号公報
【特許文献５】特開２００１−２４０８７８号公報
【特許文献６】特開２００８−１８９７０４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
本発明は、栽培植物、伐採木や農作物残渣などの植物系バイオマスを多元的に有効利用するとともに、植物系バイオマスをガス化して利用する際に、スス、タールあるいはＣＯ２等の廃棄物ならびに窒素酸化物、硫黄酸化物等の発生を抑制するためになされたものである。すなわち、植物系バイオマスからマイクロ波加熱により精油等を抽出し、抽出後の植物系バイオマスをガス化し、生成したガスからメタノール、エタノール等のアルコールを合成するとともに、ガス化後の残渣であるススやタール等を別途燃焼して、植物系バイオマスから発生する廃棄物を削減するとともに、発生したＣＯ２を触媒を用いてマイクロ波を照射してメタノールやエタノールに変換することで、植物系バイオマスを多元的に活用することができ、さらに、精油抽出時に植物系バイオマスから蛋白質等を抽出除去することで、ガス化時の窒素酸化物や硫黄酸化物の発生を抑制することができる、植物系バイオマスの多元的有効利用システム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】
【００１７】
上記目的を達成するため、本発明は、下記の構成のシステムを提供する。
【００１８】
（１）植物系バイオマスから水を溶媒としてマイクロ波加熱により精油、香料あるいは 色素を抽出するとともに、植物系バイオマス中の蛋白質や核酸等の細胞内物質を抽出 除去する精油抽出手段１と、
精油抽出後の植物バイオマスをガス化するガス化手段２と、
ガス化により得られたガスからアルコールを合成するアルコール合成手段３と、
ガス化残渣のススやタールを燃焼させる燃焼手段４と、
燃焼手段４で発生するＣＯ２に、触媒存在下で水素を導入するとともに、マイクロ波を照射してアルコールを合成するマイクロ波アルコール合成手段５と、
を有する植物系バイオマスの多元的有効利用システム。
（２）前記精油抽出手段１を水の沸点で実施する、前記（１）に記載の植物系バイオマスの多元的有効利用システム。
（３）前記ガス化手段２において、酸素あるいは空気と水蒸気をガス化剤として用いる、前記（１）又は（２）に記載の植物系バイオマスの多元的有効利用システム。
（４）前記アルコール合成手段３において、酸化銅−酸化亜鉛−アルミナを触媒として用いる、前記（１）〜（３）のいずれかに記載の植物系バイオマスの多元的有効利用システム。
（５）前記燃焼手段４が、燃焼炉である、前記（１）〜（４）のいずれかに記載の植物系バイオマスの多元的有効利用システム。
（６）前記マイクロ波アルコール合成手段５において、酸化銅−酸化亜鉛−アルミナを触媒として用いる、前記（１）〜（５）のいずれかに記載の植物系バイオマスの多元的有効利用システム。
（７）前記アルコール合成手段３での排ガスを、前記マイクロ波アルコール合成手段５に導入し、排ガス中のＣＯ２からアルコールを合成する、前記（１）〜（６）のいずれかに記載の植物系バイオマスの多元的有効利用システム。
（８）水を電気分解する電気分解手段１３をさらに有し、該電気分解手段で得られた水素を、前記マイクロ波アルコール合成手段５に導入しＣＯ２と反応させアルコールを合成する、前記（１）〜（７）のいずれかに記載の植物系バイオマスの多元的有効利用システム。
（９）前記電気分解手段１３で副生する酸素を、前記ガス化手段２でのガス化剤として利用する、前記（８）に記載の植物系バイオマスの多元的有効利用システム。
（１０）前記電気分解手段１３で副生する酸素を、前記燃焼手段４での燃焼剤として利用する、前記（８）に記載の植物系バイオマスの多元的有効利用システム。
（１１）前記アルコールがメタノールである、前記（１）〜（１０）のいずれかに記載の植物系バイオマスの多元的有効利用システム。
（１２）前記精油抽出手段１の後に、濾過手段６をさらに有し植物系バイオマスと抽出液を分離する、前記（１）〜（１１）のいずれかに記載の植物系バイオマスの多元的有効利用システム。
（１３）前記ガス化手段２の前に、植物系バイオマスを乾燥する予備乾燥手段７をさらに有する、前記（１）〜（１２）のいずれかに記載の植物系バイオマスの多元的有効利用システム。
（１４）前記ガス化手段２の後に、生成したガスを冷却する冷却手段８をさらに有し、該冷却手段で冷却水が、該ガス化手段で生成したガスとの熱交換により加熱されて発生する水蒸気を、前記ガス化手段でのガス化剤として利用する、前記（１）〜（１３）のいずれかに記載の植物系バイオマスの多元的有効利用システム。
（１５）前記冷却手段８で発生した水蒸気を、前記予備乾燥手段７に利用する、前記（１４）に記載の植物系バイオマスの多元的有効利用システム。
（１６）前記アルコール合成手段３の前に、ガス精製手段９をさらに有する、前記（１）〜（１５）のいずれかに記載の植物系バイオマスの多元的有効利用システム。
（１７）前記ガス精製手段９が、水中にガスを流通させて精製する湿式法である、前記（１６）に記載の植物系バイオマスの多元的有効利用システム。
（１８）前記ガス精製手段９が、活性炭にガスを流通させて精製する乾式法である、前記（１６）に記載の植物系バイオマスの多元的有効利用システム。
（１９）前記ガス精製手段９の後に、ガス圧縮手段１０をさらに有する、前記（１）〜（１８）のいずれかに記載の植物系バイオマスの多元的有効利用システム。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の植物系バイオマスの多元的有効利用システムによれば、植物系バイオマスから精油を効果的に抽出することができ、精油抽出後の残渣のバイオマスをガス化することで得られたＣＯと水素を用いてメタノールやエタノール等を製造することができるので植物系バイオマスの多元的活用を図ることができる。また、ガス化で生成したガス中のＣＯ２ならびにガス化後の残渣のススやタールを燃焼することで発生したＣＯ２もメタノールやエタノール等に変換することができるので、ススやタール等の固形あるいは液状の廃棄物の発生を抑制するとともにＣＯ２の廃棄も抑制することができる。さらには、精油抽出時に植物系バイオマス中の蛋白質や核酸等の物質を併せて抽出除去することで、ガス化時の窒素酸化物や硫黄酸化物の発生を抑えることができ、ガス化により得られるガスを精製する工程を簡素化することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明に係る植物系バイオマスの多元的有効利用システムの概略を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明に係る植物系バイオマスの多元的有効利用システムの好ましい実施形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２２】
図１は、本発明に係る植物系バイオマスの多元的有効利用の好ましい一例を示す概略システム図である。すなわち、本発明のシステムは、精油抽出手段１、ガス化手段２、アルコール合成手段３、燃焼手段４、マイクロ波アルコール合成手段５を主要手段として有し、これら主要手段に付属する手段として、濾過手段６、予備乾燥手段７、ガス冷却手段８、ガス精製手段９、ガス圧縮手段１０、蒸留手段１１および１２、ならびに、電気分解手段１３を配することで構成されたシステムである。
【００２３】
精油抽出手段１は、原料とする植物系バイオマスの種類に応じて、それらの植物系バイオマスが有する精油や香料あるいは色素等の有用物質を抽出するとともに、植物系バイオマスの細胞内物質である蛋白質や核酸等の成分も併せて抽出除去するものである。植物系バイオマスは、生あるいは乾燥後のものを適宜用いることができる。抽出手段１に導入する前に、粉砕手段（図示を省略）を設け、植物系バイオマスを細片状に粉砕したものを用いて抽出手段を実施すると、抽出効率が高まることで短時間で有用物質を抽出でき、有用物質が熱等で分解するのを防止できる。
【００２４】
植物系バイオマスとしては、各種の木の幹、枝、葉、実、根や、各種の木材、間伐材、伐採木、剪定枝、おがくず、樹皮、チップ、端材、流木、竹、笹、木質建築廃材等を挙げることができる。
【００２５】
抽出溶媒としては水を使用し、マイクロ波を照射することで加熱する。具体的には、例えば、抽出装置内に粉砕あるいは裁断した細片状の植物系バイオマスを入れ、植物系バイオマスが浸る程度の水を添加して、マイクロ波を照射する。マイクロ波の照射により加えた水ならびに植物系バイオマスが保持する水が効果的に加熱され、植物系バイオマス中の精油や香料等の有用成分が水とともに蒸発し抽出される。そして、植物系バイオマスは水の沸点まで加熱されることで、一部細胞が破戒され、細胞内の蛋白質や核酸等の細胞内物質が外部に流出する。
【００２６】
なお、精油抽出手段１でマイクロ波を照射するために使用するマイクロ波発振器としては、特に限定されず、マグネトロン等の発振器や、固体素子を用いた発振器を適宜用いることができる。また、マイクロ波の出力は、電気的に制御しながら１０Ｗ〜２０ｋＷの範囲とするのが望ましい。マイクロ波の周波数は０．５〜１０ＧＨｚが望ましい。
【００２７】
細胞内物質である蛋白質や核酸等は、窒素や硫黄等のヘテロ原子を有しており、後工程のガス化手段でガス化された場合には、窒素酸化物や硫黄酸化物を発生させることとなる。窒素酸化物や硫黄酸化物は、植物系バイオマスのガス化により生成するガス中のＣＯと水素からメタノール等を合成する際に使用する触媒の被毒物質であるため、メタノール等の合成の前にガスを生成することで取り除くことが必要である。したがって、これらの窒素酸化物や硫黄酸化物の発生量が多い場合には、ガス精製手段が大掛かりなものとなってしまう。本発明のシステムでは、窒素酸化物や硫黄酸化物の発生源となる細胞内物質等を予め除去することができるので、ガスの精製にかかる負担を大きく低減することができる。
【００２８】
本発明の精油抽出手段１において、マイクロ波により加熱されて蒸発した水は、凝縮装置等により精油や香料等を抽出する装置に還流させる。蒸発した水が還流する途中に流出した精油や香料と水を分離する分離装置を設置することにより、水は抽出装置に還流させ、精油や香料のみを取り出すことができる。
【００２９】
一方、外部に流出した蛋白質や核酸等の物質は水の蒸発とともに流出することはなく、抽出装置内の水に溶解あるいは分散した形で留まっており、精油や香料等の抽出が終了して、植物系バイオマスを抽出装置から取り出した際に、植物系バイオマスを抽出溶媒の水と分離することで、水とともに植物系バイオマスから取り除かれる。
【００３０】
したがって、精油等の抽出が終了した植物系バイオマスを抽出装置から取り出す際には、濾過手段６を設けて、植物系バイオマスと水の分離を促進するのが好ましい。濾過手段を設けることで、濾過残となる植物系バイオマスを水を用いて洗浄することができる。濾過手段６で用いる濾過装置は、特に限定されず、植物系バイオマスの大きさや形状あるいは水の含浸状態に応じて、常圧濾過装置あるいは加圧濾過装置を適宜選択することができる。
【００３１】
濾過後の植物系バイオマスは、予備乾燥手段７により乾燥するのが好ましい。この予備乾燥は、植物系バイオマス中に含まれる水によって、次のガス化手段での、加熱による植物系バイオマスの温度上昇が妨げられるのを防ぐために行われる。本発明においては、予備乾燥手段７の熱源として、冷却手段８において、生成したガスを冷却するために使用した冷却水から発生する高温の水蒸気を使用することができる。
【００３２】
予備乾燥が終了した植物系バイオマスは、ガス化手段２によりガス化される。ガス化手段に用いられるガス化炉としては、固定床方式、流動床方式、噴流ガス方式のいずれも用いることができるが、原料バイオマスを微粉化する必要のない固定床方式が好適である。
【００３３】
ガス化は公知の方法で実施される。例えば、固定床方式を用いる場合、原料となる植物系バイオマスを炉内に充填し、炉底よりガス化剤を供給し着火して燃焼させて熱ガスを発生させ、バイオマスを熱分解してガス化する。ガス化剤としては、酸素あるいは空気と水蒸気が用いられる。
【００３４】
本発明において、ガス化剤として酸素を用いる場合には、後記するように、マイクロ波アルコール合成手段５で、ＣＯ２と水素からメタノール等を合成する際に必要な水素を、電気分解手段１３において、水の電気分解で得る場合に副生する酸素を、活用することができる。
【００３５】
本発明において、ガス化剤として用いる水蒸気は、前記予備乾燥手段７の場合と同様、冷却手段８で発生する高温の水蒸気を使用することができる。ガス化剤として供給された高温の水蒸気は、植物系バイオマスのガス化において熱分解ガスを加熱するための補助熱源として利用するとともに、生成したガス中のＣＯと反応してＣＯ２と水素を発生させるシフト反応に使用される。シフト反応はバイオマスのガス化においては公知であり、本発明においても、ＣＯに対する水素のモル比を上げることで、ＣＯと水素からのメタノール等のアルコール合成の収率を上げるために行われる。
【００３６】
また、植物系バイオマスのガス化の進行とともに、重質炭化水素が縮合することで、ススやタール等の炭素物質が生成する。これらのススやタール等もガス化剤中の水蒸気と反応することで、ＣＯや水素等のガスが生成する。この反応は水性ガス化反応として知られているが、この反応は比較的遅い反応のため、植物系バイオマスのガス化において、ススやタール等の炭素物質が完全に反応して消失することはなく、通常、残渣としてガス化装置内に残留することになる。
【００３７】
ガス化により生成した高温のガス（以下、生成ガスと称する。）は、冷却手段８により冷却される。冷却時に用いられた冷却水は、生成ガスとの熱交換により、高温の水蒸気となって排出される。この高温の水蒸気は、前記したように、予備乾燥手段７やガス化手段２に供給されることで、本発明のシステム内で有効に利用することができる。
【００３８】
冷却された生成ガスは、ガス精製手段９により不純物を取り除かれる。生成ガス中に含まれる不純物としては、生成ガスに同伴されて排出されるススやタール等の炭素物質の他、前記の窒素酸化物や硫黄酸化物が含まれる。
【００３９】
ガス精製手段９による生成ガスの精製法としては、例えば、生成ガスを水中に導入して不純物を取り除く湿式法あるいはサイクロンを用いて集塵する方法や活性炭等の吸着剤を用いて取り除く乾式法等を用いることができる。
【００４０】
本発明においては、前記精油抽出手段１により、植物系バイオマス中に含まれる蛋白質や核酸等の細胞内物質が抽出除去されているので、植物系バイオマスを精油抽出手段を経ずにガス化した場合に比較して、生成ガス中に含まれる窒素酸化物や硫黄酸化物の量が減少する。したがって、ガス精製手段９に掛かる負荷を低減することができるので、精製装置を小型でコンパクトなものにすることができる。
【００４１】
精製後の生成ガスは、ガス圧縮手段１０によって、５〜１０ＭＰａ程度に加圧した後、アルコール合成手段３に導入される。
【００４２】
アルコール合成手段３では、公知の方法によって、メタノールやエタノール等が合成される。例えば、酸化銅−酸化亜鉛−アルミナあるいは酸化銅−酸化亜鉛−酸化クロム等を触媒として、２３０〜２７０℃、５〜１０ＭＰａの反応条件で実施される。
【００４３】
アルコール合成手段３で生成したメタノールやエタノール等のアルコールは、蒸留手段１１で、未反応ガスとアルコールに分離され、アルコールは反応生成物として取り出され、未反応ガスは、ガス圧縮手段１０を介してアルコール合成手段３に戻され、再度反応に供される。
【００４４】
生成ガス中に含まれるＣＯ２は、アルコール合成手段３では、ほとんど反応することなく残存する。そのため、本発明においては、蒸留手段１１で分離された未反応ガスの一部を排ガスとして取り出し、マイクロ波アルコール合成手段５に導入して、排ガス中のＣＯ２をメタノール等のアルコールに変換することで、廃棄されるＣＯ２の量を抑制する。
【００４５】
そして、本発明においては、前記ガス化手段２でガス化されなかったススやタール等の固形あるいは液状の残渣は、燃焼手段４に導入して燃焼することで廃棄物となる量を抑制する。ススやタール等の燃焼により発生したＣＯ２は、マイクロ波アルコール合成手段５に導入され、メタノール等のアルコールに変換されるので、廃棄されるＣＯ２の量も削減することができる。
【００４６】
燃焼手段４においては、前記ガス化手段２でガス化剤として使用する酸素の場合と同様、後記する電気分解手段１３で、水の電気分解で水素を得る場合に副生する酸素を用いることができる。
【００４７】
本発明のマイクロ波アルコール合成手段５では、本発明者が提案してきた、酸化銅−酸化亜鉛や酸化銅−酸化亜鉛−アルミナ、酸化銅−酸化亜鉛−酸化クロム等を触媒として用い、ＣＯ２と水素を触媒に流通させながらマイクロ波を照射して触媒を加熱して活性化する方法（特開２００６−１６９０９５号公報、特開２００８−２４７７７８号公報等を参照）を適用することができる。
【００４８】
マイクロ波アルコール合成手段５で生成したメタノールやエタノール等のアルコールは、蒸留手段１２で、未反応ガスとアルコールに分離され、アルコールは反応生成物として取り出され、未反応ガスは、マイクロ波アルコール合成手段５に戻し、再度反応に供される。
【００４９】
本発明のアルコール合成手段３において、ＣＯと水素からアルコールを合成することで、生成ガス中の水素は消費されるので、マイクロ波アルコール合成手段５では、ＣＯ２を反応させるために、別途水素を供給する必要がある。したがって、本発明においては、電気分解手段１３を配し、電解液や水を電気分解することで、必要な水素を得るのが好ましい。また、電気分解に必要な電力は太陽光発電や風力発電等で供給することより環境に配慮したシステムを構成することができる。
【００５０】
電気分解手段１３において、水を用いて水素を取り出した場合には、酸素が副生するが、副生した酸素は、前記したように、本発明のガス化手段２において植物系バイオマスをガス化する際のガス化剤として用いるとともに、燃焼手段４においてススやタール等のガス化残渣を燃焼させるために活用することで、本発明のシステム内で有効に利用することができる。
【００５１】
以上のように、本発明の植物系バイオマスの多元的有効利用システムでは、植物系バイオマスから精油や香料、色素等の有用物質が取り出せるとともに、精油抽出後の植物系バイオマスをガス化して、生成したガスから燃料や化学原料としてのメタノールやエタノール等のアルコールを得ることができる。そして、植物系バイオマスのガス化残渣であるススやタールは燃焼させるので廃棄物の発生量を抑制することができ、燃焼で発生するＣＯ２はメタノールやエタノール等のアルコールに変換することができるので、廃棄されるＣＯ２の量も削減することができる。また、精油抽出手段で、植物系バイオマス中の蛋白質等の細胞内物質を抽出除去できるので、植物系バイオマスのガス化時の窒素酸化物や硫黄酸化物の発生を抑制することができるとともに、ガス化で生成したガスをメタノール等の合成原料として用いる場合のガス精製手段を簡素化することができる。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
本発明の植物系バイオマスの多元的有効利用システムによれば、ススやタール等の固形あるいは液状の廃棄物のみならずＣＯ２の排出を削減しながら、精油や香料、色素等の有用物質ならびにメタノールやエタノール等のアルコールを得ることができるので、植物系バイオマスを活用するシステムとして極めて有用である。
【符号の説明】
【００５３】
１ 精油抽出手段
２ ガス化手段
３ アルコール合成手段
４ 燃焼手段
５ マイクロ波アルコール合成手段
６ 濾過手段
７ 予備乾燥手段
８ 冷却手段
９ ガス精製手段
１０ ガス圧縮手段
１１ 蒸留手段
１２ 蒸留手段
１３ 電気分解手段
【特許請求の範囲】
【請求項１】
植物系バイオマスから水を溶媒としてマイクロ波加熱により精油、香料あるいは色素を抽出するとともに、植物系バイオマス中の蛋白質や核酸等の細胞内物質を抽出除去する精油抽出手段と、
精油抽出後の植物バイオマスをガス化するガス化手段と、
ガス化により得られたガスからアルコールを合成するアルコール合成手段と、
ガス化残渣のススやタールを燃焼させる燃焼手段と、
燃焼手段で発生するＣＯ２に、触媒存在下で水素を導入するとともに、マイクロ波を照射してアルコールを合成するマイクロ波アルコール合成手段と、
を有する植物系バイオマスの多元的有効利用システム。
【請求項２】
前記精油抽出手段を水の沸点で実施する、請求項１に記載の植物系バイオマスの多元的有効利用システム。
【請求項３】
前記ガス化手段において、酸素あるいは空気と水蒸気をガス化剤として用いる、請求項１または２に記載の植物系バイオマスの多元的有効利用システム。
【請求項４】
前記アルコール合成手段において、酸化銅−酸化亜鉛−アルミナを触媒として用いる、請求項１〜３のいずれかに記載の植物系バイオマスの多元的有効利用システム。
【請求項５】
前記燃焼手段が、燃焼炉である、請求項１〜４のいずれかに記載の植物系バイオマスの多元的有効利用システム。
【請求項６】
前記マイクロ波アルコール合成手段において、酸化銅−酸化亜鉛−アルミナを触媒として用いる、請求項１〜５のいずれかに記載の植物系バイオマスの多元的有効利用システム。
【請求項７】
前記アルコール合成手段での排ガスを、前記マイクロ波アルコール合成手段に導入し、排ガス中のＣＯ２からアルコールを合成する、請求項１〜６のいずれかに記載の植物系バイオマスの多元的有効利用システム。
【請求項８】
水を電気分解する電気分解手段をさらに有し、該電気分解手段で得られた水素を、前記マイクロ波アルコール合成手段に導入しＣＯ２と反応させアルコールを合成する、請求項１〜７のいずれかに記載の植物系バイオマスの多元的有効利用システム。
【請求項９】
前記電気分解手段で副生する酸素を、前記ガス化手段でのガス化剤として利用する、請求項８に記載の植物系バイオマスの多元的有効利用システム。
【請求項１０】
前記電気分解手段で副生する酸素を、前記燃焼手段での燃焼剤として利用する、請求項８に記載の植物系バイオマスの多元的有効利用システム。
【請求項１１】
前記アルコールがメタノールである、請求項１〜１０のいずれかに記載の植物系バイオマスの多元的有効利用システム。
【請求項１２】
前記精油抽出手段の後に、濾過手段をさらに有し植物系バイオマスと抽出液を分離する、請求項１〜１１のいずれかに記載の植物系バイオマスの多元的有効利用システム。
【請求項１３】
前記ガス化手段の前に、植物系バイオマスを乾燥する予備乾燥手段をさらに有する、請求項１〜１２のいずれかに記載の植物系バイオマスの多元的有効利用システム。
【請求項１４】
前記ガス化手段の後に、生成したガスを冷却する冷却手段をさらに有し、該冷却手段で冷却水が、該ガス化手段で生成したガスとの熱交換により加熱されて発生する水蒸気を、前記ガス化手段でのガス化剤として利用する、請求項１〜１３のいずれかに記載の植物系バイオマスの多元的有効利用システム。
【請求項１５】
前記冷却手段で発生した水蒸気を、前記予備乾燥手段に利用する、請求項１４に記載の植物系バイオマスの多元的有効利用システム。
【請求項１６】
前記アルコール合成手段の前に、ガス精製手段をさらに有する、請求項１〜１５のいずれかに記載の植物系バイオマスの多元的有効利用システム。
【請求項１７】
前記ガス精製手段が、水中にガスを流通させて精製する湿式法である、請求項１６に記載の植物系バイオマスの多元的有効利用システム。
【請求項１８】
前記ガス精製手段が、活性炭にガスを流通させて精製する乾式法である、請求項１６に記載の植物系バイオマスの多元的有効利用システム。
【請求項１９】
前記ガス精製手段の後に、ガス圧縮手段をさらに有する、請求項１〜１８のいずれかに記載の植物系バイオマスの多元的有効利用システム。
【請求項１】
植物系バイオマスから水を溶媒としてマイクロ波加熱により精油、香料あるいは色素を抽出するとともに、植物系バイオマス中の蛋白質や核酸等の細胞内物質を抽出除去する精油抽出手段と、
精油抽出後の植物バイオマスをガス化するガス化手段と、
ガス化により得られたガスからアルコールを合成するアルコール合成手段と、
ガス化残渣のススやタールを燃焼させる燃焼手段と、
燃焼手段で発生するＣＯ２に、触媒存在下で水素を導入するとともに、マイクロ波を照射してアルコールを合成するマイクロ波アルコール合成手段と、
を有する植物系バイオマスの多元的有効利用システム。
【請求項２】
前記精油抽出手段を水の沸点で実施する、請求項１に記載の植物系バイオマスの多元的有効利用システム。
【請求項３】
前記ガス化手段において、酸素あるいは空気と水蒸気をガス化剤として用いる、請求項１または２に記載の植物系バイオマスの多元的有効利用システム。
【請求項４】
前記アルコール合成手段において、酸化銅−酸化亜鉛−アルミナを触媒として用いる、請求項１〜３のいずれかに記載の植物系バイオマスの多元的有効利用システム。
【請求項５】
前記燃焼手段が、燃焼炉である、請求項１〜４のいずれかに記載の植物系バイオマスの多元的有効利用システム。
【請求項６】
前記マイクロ波アルコール合成手段において、酸化銅−酸化亜鉛−アルミナを触媒として用いる、請求項１〜５のいずれかに記載の植物系バイオマスの多元的有効利用システム。
【請求項７】
前記アルコール合成手段での排ガスを、前記マイクロ波アルコール合成手段に導入し、排ガス中のＣＯ２からアルコールを合成する、請求項１〜６のいずれかに記載の植物系バイオマスの多元的有効利用システム。
【請求項８】
水を電気分解する電気分解手段をさらに有し、該電気分解手段で得られた水素を、前記マイクロ波アルコール合成手段に導入しＣＯ２と反応させアルコールを合成する、請求項１〜７のいずれかに記載の植物系バイオマスの多元的有効利用システム。
【請求項９】
前記電気分解手段で副生する酸素を、前記ガス化手段でのガス化剤として利用する、請求項８に記載の植物系バイオマスの多元的有効利用システム。
【請求項１０】
前記電気分解手段で副生する酸素を、前記燃焼手段での燃焼剤として利用する、請求項８に記載の植物系バイオマスの多元的有効利用システム。
【請求項１１】
前記アルコールがメタノールである、請求項１〜１０のいずれかに記載の植物系バイオマスの多元的有効利用システム。
【請求項１２】
前記精油抽出手段の後に、濾過手段をさらに有し植物系バイオマスと抽出液を分離する、請求項１〜１１のいずれかに記載の植物系バイオマスの多元的有効利用システム。
【請求項１３】
前記ガス化手段の前に、植物系バイオマスを乾燥する予備乾燥手段をさらに有する、請求項１〜１２のいずれかに記載の植物系バイオマスの多元的有効利用システム。
【請求項１４】
前記ガス化手段の後に、生成したガスを冷却する冷却手段をさらに有し、該冷却手段で冷却水が、該ガス化手段で生成したガスとの熱交換により加熱されて発生する水蒸気を、前記ガス化手段でのガス化剤として利用する、請求項１〜１３のいずれかに記載の植物系バイオマスの多元的有効利用システム。
【請求項１５】
前記冷却手段で発生した水蒸気を、前記予備乾燥手段に利用する、請求項１４に記載の植物系バイオマスの多元的有効利用システム。
【請求項１６】
前記アルコール合成手段の前に、ガス精製手段をさらに有する、請求項１〜１５のいずれかに記載の植物系バイオマスの多元的有効利用システム。
【請求項１７】
前記ガス精製手段が、水中にガスを流通させて精製する湿式法である、請求項１６に記載の植物系バイオマスの多元的有効利用システム。
【請求項１８】
前記ガス精製手段が、活性炭にガスを流通させて精製する乾式法である、請求項１６に記載の植物系バイオマスの多元的有効利用システム。
【請求項１９】
前記ガス精製手段の後に、ガス圧縮手段をさらに有する、請求項１〜１８のいずれかに記載の植物系バイオマスの多元的有効利用システム。
【図１】
【公開番号】特開２０１０−２７９９１６（Ｐ２０１０−２７９９１６Ａ）
【公開日】平成２２年１２月１６日（２０１０．１２．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１３６４３１（Ｐ２００９−１３６４３１）
【出願日】平成２１年６月５日（２００９．６．５）
【出願人】（０００００３６８７）東京電力株式会社 (2,580)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１２月１６日（２０１０．１２．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年６月５日（２００９．６．５）
【出願人】（０００００３６８７）東京電力株式会社 (2,580)
【Ｆターム（参考）】
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