発酵アルコール水溶液の脱水濃縮方法
【課題】発酵アルコール水溶液の高脱水濃縮処理を低ランニングコストで実現することのできる発酵アルコール水溶液の脱水濃縮方法を提供する。
【解決手段】発酵槽２での糖発酵により得られる発酵アルコール水溶液を蒸留塔３で蒸留処理して含水アルコール蒸気を生成し、この含水アルコール蒸気を、分離膜モジュール４の非透過側室１３内に供給する一方で、発酵槽２での糖発酵により得られる炭酸ガスを除湿した後にその分離膜モジュール４の透過側室１４内に供給して、非透過側室１３から透過側室１４に透過した水蒸気をその除湿後の炭酸ガスでパージする。
【解決手段】発酵槽２での糖発酵により得られる発酵アルコール水溶液を蒸留塔３で蒸留処理して含水アルコール蒸気を生成し、この含水アルコール蒸気を、分離膜モジュール４の非透過側室１３内に供給する一方で、発酵槽２での糖発酵により得られる炭酸ガスを除湿した後にその分離膜モジュール４の透過側室１４内に供給して、非透過側室１３から透過側室１４に透過した水蒸気をその除湿後の炭酸ガスでパージする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蒸留塔による蒸留処理と分離膜を用いた脱水処理との組み合わせによって発酵アルコール水溶液を脱水濃縮する発酵アルコール水溶液の脱水濃縮方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、サトウキビやビートなどの植物を原料として得られるバイオマスエタノールは、ガソリンと混合してあるいは単独で自動車用燃料として用いられるため、バイオマスエタノールの脱水濃縮技術が地球環境保全技術の一つとして注目されている。自動車用燃料として用いられるエタノールは、ガソリンとの相容性を上げるため、高濃度（９９．６ｗｔ％以上）でなければならない。エタノール水溶液はエタノール濃度９５ｗｔ％付近に共沸点が存在するため、通常の蒸留法では９５ｗｔ％を超えてエタノールの濃縮ができない。そこで、第三成分を加えかつ蒸留塔も増やして共沸蒸留法により、無水エタノール（９９．６ｗｔ％以上）を得ている。しかし、この共沸蒸留法では、設備の大型化が免れない上に、エタノールの濃縮・精製に多大のエネルギが必要であるという問題点がある。
【０００３】
この共沸蒸留法の問題点を解決し得るものとして、近年、蒸留塔による蒸留処理と分離膜を用いた脱水処理とを組み合わせた脱水濃縮方法が注目されており、該脱水濃縮方法に関する技術を本出願人は既に提案している（特願２００７−２１５０２５号明細書）。
【０００４】
ところで、製品である無水エタノールにおいては、その用途やユーザの要望により、水分濃度を更に低下させたものが求められる場合がある。無水エタノールの水分濃度を更に低下させる方法としては、非特許文献１や特許文献１にて開示されているようなものがある。これら文献に開示されている方法は、分離膜の低圧側に透過した水蒸気を製品蒸気または不活性ガスでパージして、分離膜の低圧側の水蒸気分圧を低めることにより、分離膜の高圧側に存在する水蒸気を高効率で分離膜の低圧側に透過させるようにしている。
【０００５】
【特許文献１】特許第２７４３３４６号公報
【非特許文献１】「化学装置」、１９９２年、９月号、ｐ．６５−６８
【０００６】
しかしながら、分離膜透過水蒸気を製品蒸気でパージする方法では、分離膜透過液中に製品である無水エタノールが多量に混ざるため、この分離膜透過液中の無水エタノールを回収するための分離操作とその分離操作のためのエネルギが必要となり、ランニングコストが嵩むという問題点がある。
一方、分離膜透過水蒸気を不活性ガスでパージする方法では、不活性ガスを別途購入する必要があるため、やはりランニングコストが嵩むという問題点がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、このような問題点を解消するためになされたもので、発酵アルコール水溶液の高脱水濃縮処理を低ランニングコストで実現することのできる発酵アルコール水溶液の脱水濃縮方法を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記目的を達成するために、本発明による発酵アルコール水溶液の脱水濃縮方法は、
糖発酵により得られる発酵アルコール水溶液を脱水濃縮する発酵アルコール水溶液の脱水濃縮方法であって、
発酵アルコール水溶液を蒸留塔で蒸留処理して含水アルコール蒸気を生成し、この含水アルコール蒸気を、水蒸気を選択的に透過させる分離膜の高圧側に供給する一方で、糖発酵により得られる炭酸ガスを除湿した後にその分離膜の低圧側に供給して、該分離膜の高圧側から低圧側に透過した水蒸気をその除湿後の炭酸ガスでパージすることを特徴とするものである（第１発明）。
【０００９】
本発明において、前記分離膜の高圧側に供給される含水アルコール蒸気と、前記分離膜の低圧側に供給される除湿後の炭酸ガスとが、該分離膜を介して向流接触されるのが好ましい（第２発明）。
【００１０】
第１発明または第２発明において、前記分離膜の高圧側から低圧側に透過した水蒸気をパージした後の炭酸ガスが、糖発酵により得られる炭酸ガスを貯留するための中継タンクに導入され、この中継タンクに貯留されている炭酸ガスと共に除湿された後に再び前記分離膜の低圧側に供給されるのが好ましい（第３発明）。
【００１１】
第１発明乃至第３発明において、糖発酵に伴い発生した炭酸ガスを主成分とする発酵ガスが所定値以上に圧縮された後に冷却されて該発酵ガス中に含まれる水分およびアルコール分が凝縮され、この凝縮によって生じた水およびアルコールの混合液が前記蒸留塔で蒸留処理されるのが好ましい（第４発明）。
【００１２】
第１発明乃至第４発明において、前記除湿は、糖発酵により得られる炭酸ガスを所定値以上に圧縮した後に冷却して該炭酸ガス中に含まれる水分を凝縮することで成される第１の除湿処理と、この第１の除湿処理が施された後の炭酸ガスを更に除湿膜モジュールを用いて除湿する第２の除湿処理とを含むものであるのが好ましい（第５発明）。
【発明の効果】
【００１３】
第１発明によれば、糖発酵により得られる水分を含む炭酸ガスが除湿された後に分離膜の低圧側に供給され、分離膜の低圧側に透過した水蒸気がその除湿後の炭酸ガスによってパージされるので、分離膜の低圧側の水蒸気分圧が低められて分離膜の高圧側に存在する水蒸気が高効率で分離膜の低圧側に透過され、分離膜の高圧側に高脱水されたアルコール蒸気を得ることができる。また、糖発酵により得られた炭酸ガスをパージ用不活性ガスとして利用するようにされているので、従来のようにパージ用不活性ガスを別途購入する必要がなく、ランニングコストを低く抑えることができる。したがって、発酵アルコール水溶液の高脱水濃縮処理を低ランニングコストで実現することができるという効果がある。
【００１４】
また、第２発明の構成を採用することにより、含水アルコール蒸気中の水分をより効率良く分離膜の低圧側に透過させることができる。
【００１５】
また、第３発明の構成を採用することにより、糖発酵により得られた炭酸ガスをパージ用不活性ガスとして無駄なく長期に亘って利用することができる。
【００１６】
また、第４発明の構成を採用することにより、アルコール回収率を向上させることができる。
【００１７】
また、第５発明の構成を採用することにより、製品アルコール中の水分濃度を更に低めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
次に、本発明による発酵アルコール水溶液の脱水濃縮方法の具体的な実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。
【００１９】
〔第１の実施形態〕
図１には、本発明の第１の実施形態に係る発酵アルコール水溶液の脱水濃縮システムの概略構成図が示されている。
【００２０】
図１に示される発酵アルコール水溶液の脱水濃縮システム１は、とうもろこし、甘しょ等のでん粉質や、さとうきび、糖蜜等の糖質を原料として嫌気性雰囲気下で糖発酵が行われる発酵槽２と、スチーム等を熱源として蒸留処理が行われる蒸留塔３と、水蒸気を含む被処理蒸気から水蒸気を分離する分離膜モジュール４と、発酵槽２での糖発酵に伴い発生した炭酸ガスを主成分とする発酵ガスを貯留するための中継タンク５とを備えている。なお、発酵ガスには、炭酸ガスの他に、水分、アルコール分などが含まれている。
【００２１】
ここで、糖発酵により得られるアルコールとしては、例えば、メタノール、エタノール、１−プロパノール、２−プロパノール、１−ブタノールなどが挙げられる。
【００２２】
発酵槽２と蒸留塔３との間には原液タンク６が設けられており、発酵槽２での糖発酵により得られた発酵アルコール水溶液が原液タンク６に一旦貯留された後に蒸留塔３に送り込まれるようになっている。蒸留塔３においては、塔内に送り込まれた発酵アルコール水溶液に対して蒸留処理が行われることにより、含水アルコール蒸気が発生される。
【００２３】
分離膜モジュール４は、ケーシング７内に中空糸束エレメント８が組み込まれて構成されている。中空糸束エレメント８は、水蒸気を選択的に透過させる芳香族ポリイミド製の中空糸状分離膜９を多数本集束した中空糸束１０と、この中空糸束１０の一端部および他端部のそれぞれに各中空糸状分離膜９の開口状態を保持するように固着される樹脂製の第１管板１１および第２管板１２とを備えて構成されている。分離膜モジュール４においては、各中空糸状分離膜９の中空部によって非透過側室１３が区画形成されるとともに、ケーシング７、第１管板１１、第２管板１２および各中空糸状分離膜９の外側面によって透過側室１４が区画形成されている。
【００２４】
ケーシング７の一端側には、含水アルコール蒸気を各中空糸状分離膜９の一端側開口に向けて導入するための含水アルコール蒸気導入口１５が設けられる一方、ケーシング７の他端側には、各中空糸状分離膜９の他端側開口からの非透過蒸気を導出するための非透過蒸気導出口１６が設けられている。また、ケーシング７の一端部には、各中空糸状分離膜９を透過した透過蒸気を導出するための透過蒸気導出口１７が設けられる一方、ケーシング７の他端部には、各中空糸状分離膜９を透過した透過蒸気をパージするための不活性ガスが導入されるパージ用不活性ガス導入口１８が設けられている。
【００２５】
発酵槽２と中継タンク５との間には、発酵槽２での糖発酵に伴い発生した炭酸ガスを主成分とする発酵ガスを中継タンク５に向けて圧送するブロワ２０が設けられている。中継タンク５とパージ用不活性ガス導入口１８との間には、中継タンク５側から順に圧縮機２１、凝縮器２２、受器２３および流量調整弁２４がそれぞれ設けられている。また、透過蒸気導出口１７と中継タンク５との間には、透過蒸気導出口１７側から順に凝縮器２５、受器２６および真空ポンプ２７がそれぞれ設けられている。ここで、透過側室１４は、真空ポンプ２７によって減圧されることにより、非透過側室１３よりも低い圧力に保たれている。
【００２６】
以上に述べたように構成される発酵アルコール水溶液の脱水濃縮システム１において、発酵槽２での糖発酵により得られた発酵アルコール水溶液は、原液タンク６に一旦貯留された後に蒸留塔３に送り込まれる。蒸留塔３での蒸留処理によって発生された含水アルコール蒸気は、過熱器３０によってスーパーヒートされた後に、含水アルコール蒸気導入口１５を介して非透過側室１３内に供給される。
【００２７】
一方、発酵槽２での糖発酵に伴い発生した炭酸ガスを主成分とする発酵ガスは、ブロワ２０によって圧送されて中継タンク５に一旦貯留される。中継タンク５に溜められた発酵ガスは、圧縮機２１で所定値以上に圧縮された後に凝縮器２２で冷却されて一旦受器２３に導入される。この際、圧縮機２１および凝縮器２２による圧縮・冷却作用によって発酵ガス中に含まれる水分およびアルコール分が凝縮され、この凝縮によって生じた水およびアルコールの混合液が受器２３に溜められる。こうして、発酵ガスから水分およびアルコール分が取り除かれた除湿後の炭酸ガスは、受器２３から流量調整弁２４へと送り出され、流量調整弁２４にて所定流量に調整された後に、パージ用不活性ガス導入口１８を介して透過側室１４内に供給される。
【００２８】
含水アルコール蒸気導入口１５を介してケーシング７内に供給される含水アルコール蒸気は、各中空糸状分離膜９の一端側開口から非透過側室１３内を通って他端側開口に向かって流れる。一方、透過側室１４内に供給される除湿後の炭酸ガスは、ケーシング７の他端部に設けられたパージ用不活性ガス導入口１８からケーシング７の一端部に設けられた透過蒸気導出口１７に向かって流れる。こうして、非透過側室１３内に供給される含水アルコール蒸気と、透過側室１４内に供給される除湿後の炭酸ガスとが中空糸状分離膜９を介して向流接触される。
【００２９】
含水アルコール蒸気が中空糸状分離膜９の一端側開口から非透過側室１３内を通って他端側開口に向かって流れている間に、含水アルコール蒸気中の水蒸気が非透過側室１３から透過側室１４に透過され、非透過蒸気導出口１６から脱水アルコール蒸気が導出される。この脱水アルコール蒸気は凝縮器３１を経て無水アルコールとされ、この無水アルコールは製品アルコールとして製品タンク３２に貯留される。
【００３０】
非透過側室１３から透過側室１４に透過された水蒸気は、パージ用不活性ガス導入口１８から透過側室１４内に供給される除湿後の炭酸ガスによって透過蒸気導出口１７へと向かって押し流され、炭酸ガスと共に透過蒸気導出口１７から導出される。なお、非透過側室１３から透過側室１４に微量ながらアルコール分も透過され、このアルコール分もパージ用不活性ガス導入口１８から透過側室１４内に供給される除湿後の炭酸ガスによって透過蒸気導出口１７へと向かって押し流され、炭酸ガスと共に透過蒸気導出口１７から導出される。
【００３１】
透過蒸気導出口１７から導出された水蒸気、微量のアルコール分および炭酸ガスの混合気は、凝縮器２５で冷却された後に一旦受器２６に導入される。この際、凝縮器２５による冷却作用によって混合気中の水分および微量のアルコール分が凝縮され、この凝縮によって生じた水および微量のアルコールの混合液が受器２６に溜められる。そして、受器２６内の炭酸ガスは真空ポンプ２７で大気圧まで戻された後に中継タンク５に導入され、中継タンク５に溜められている発酵ガスと共に圧縮機２１および凝縮器２２による除湿処理を経て再び分離膜モジュール４の透過側室１４内に供給される。
【００３２】
受器２３に溜められた水およびアルコールの混合液は、凝縮液抜出用ポンプ３３によって随時抜き出されて原液タンク６に送り込まれ、原液タンク６に溜められている発酵アルコール水溶液と共に蒸留塔３で蒸留処理される。また同様に、受器２６に溜められた水および微量のアルコールの混合液も、凝縮液抜出用ポンプ３４によって随時抜き出されて原液タンク６に送り込まれ、原液タンク６に溜められている発酵アルコール水溶液と共に蒸留塔３で蒸留処理される。
【００３３】
本実施形態の発酵アルコール水溶液の脱水濃縮システム１によれば、炭酸ガスを主成分とする発酵ガスから圧縮機２１および凝縮器２２による圧縮・冷却作用にて水分およびアルコール分が取り除かれた除湿後の炭酸ガスが透過側室１４内に供給され、非透過側室１３から透過側室１４に透過した水蒸気がその除湿後の炭酸ガスによってパージされるので、透過側室１４の水蒸気分圧が低められて非透過側室１３内に存在する水蒸気が高効率で透過側室１４に透過され、非透過蒸気導出口１６から高脱水された脱水アルコール蒸気を得ることができる。また、糖発酵により得られた炭酸ガスをパージ用不活性ガスとして利用するようにされているので、従来のようにパージ用不活性ガスを別途購入する必要がなく、ランニングコストを低く抑えることができる。したがって、発酵アルコール水溶液の高脱水濃縮を低ランニングコストで実現することができる。
【００３４】
また、非透過側室１３内に供給される含水アルコール蒸気と、透過側室１４内に供給される除湿後の炭酸ガスとが中空糸状分離膜９を介して向流接触されるので、非透過側室１３内の水蒸気をより効率良く透過側室１４へと透過させることができる。
【００３５】
また、透過蒸気導出口１７から導出されるパージ処理に使用された後の炭酸ガスが中継タンク５に溜められている発酵ガスと共に圧縮機２１および凝縮器２２による除湿処理を経て再び分離膜モジュール７の透過側室１４内に供給されてリサイクル使用されるので、糖発酵により得られた炭酸ガスをパージ用不活性ガスとして無駄なく長期に亘って利用することができる。
【００３６】
また、受器２３，２６に溜められた水およびアルコールの混合液が原液タンク６に溜められている発酵アルコール水溶液と共に蒸留塔３で蒸留処理されるので、アルコール回収率を向上させることができる。
【００３７】
〔第２の実施形態〕
図２には、本発明の第２の実施形態に係る発酵アルコール水溶液の脱水濃縮システムの概略構成図が示されている。なお、本実施形態の発酵アルコール水溶液の脱水濃縮システム１Ａにおいて、先の実施形態の発酵アルコール水溶液の脱水濃縮システム１と同一または同様のものについては図に同一符号を付すに留めてその詳細な説明を省略することとし、以下においては、先の実施形態の発酵アルコール水溶液の脱水濃縮システム１と異なる点を中心に説明することとする。
【００３８】
図２に示される発酵アルコール水溶液の脱水濃縮システム１Ａにおいては、受器２３と流量調整弁２４との間に、水分を含む被処理ガスを除湿する除湿膜モジュール４０が設けられている。
【００３９】
除湿膜モジュール４０は、ケーシング４１内に中空糸束エレメント４２が組み込まれて構成されている。中空糸束エレメント４２は、水蒸気を選択的に透過させる芳香族ポリイミド製の中空糸状分離膜４３を多数本集束した中空糸束４４と、この中空糸束４４の一端部および他端部のそれぞれに各中空糸状分離膜４３の開口状態を保持するように固着される樹脂製の第１管板４５および第２管板４６とを備えて構成されている。除湿膜モジュール４０においては、各中空糸状分離膜４３の中空部によって非透過側室４７が区画形成されるとともに、ケーシング４１、第１管板４５、第２管板４６および各中空糸状分離膜４３の外側面によって透過側室４８が区画形成されている。
【００４０】
ケーシング４１の一端側には、被処理ガスを各中空糸状分離膜４３の一端側開口に向けて導入するための被処理ガス導入口４９が設けられる一方、ケーシング４１の他端側には、各中空糸状分離膜４３の他端側開口からの非透過ガスを導出するための非透過ガス導出口５０が設けられている。また、ケーシング４１の一端部には、各中空糸状分離膜４３を透過した透過ガスを導出するための透過ガス導出口５１が設けられる一方、ケーシング４１の他端部には、各中空糸状分離膜４３を透過した透過ガスをパージするための不活性ガスが導入されるパージ用不活性ガス導入口５２が設けられている。
【００４１】
本実施形態の発酵アルコール水溶液の脱水濃縮システム１Ａにおいては、圧縮機２１および凝縮器２２による除湿処理を経て受器２３から送り出された炭酸ガスが被処理ガス導入口４９を介してケーシング４１内に供給される。このケーシング４１内に供給された炭酸ガスが中空糸状分離膜４３の一端側開口から非透過側室４７内を通って他端側開口に向かって流れている間に、該炭酸ガス中に含まれる水分が非透過側室４７から透過側室４８に透過され、非透過ガス導出口５０から脱水処理後の炭酸ガスが導出される。この脱水処理後の炭酸ガスの一部はパージ用不活性ガス導入口５２を介して透過側室４８内に供給され、非透過側室４７から透過側室４８に透過した水分がその脱水処理後の炭酸ガスによってパージされる。これにより、高度に除湿された炭酸ガスが非透過ガス導出口５０から送り出されることになる。非透過ガス導出口５０から送り出された高除湿炭酸ガスは、流量調整弁２４にて所定流量に調整された後に、分離膜モジュール４におけるパージ用不活性ガス導入口１８を介して透過側室１４内に供給される。
【００４２】
本実施形態の発酵アルコール水溶液の脱水濃縮システム１Ａによれば、圧縮機２１および凝縮器２２による除湿処理（本発明の「第１の除湿処理」に相当する。）が施された後の炭酸ガスに対して更に除湿膜モジュール４０を用いて除湿する除湿処理（本発明の「第２の除湿処理」に相当する。）を施して得られた高除湿炭酸ガスを分離膜モジュール４でのパージ用不活性ガスとして用いるようにされているので、分離膜モジュール４における非透過側室１３と透過側室１４との水蒸気分圧差をより高めることができる。これにより、分離膜モジュール４における非透過側室１３に存在する水蒸気がより高効率で透過側室１４に透過されるので、水分濃度を更に低めた製品アルコールを得ることができる。
【００４３】
なお、本実施形態の発酵アルコール水溶液の脱水濃縮システム１Ａにおいて、除湿膜モジュール４０に代えて、水分吸着剤が充填されてなる除湿器を採用してもよい。
【実施例】
【００４４】
次に、本発明による発酵アルコール水溶液の脱水濃縮方法の具体的な実施例について、図面を参照しつつ説明する。
【００４５】
〔実施例１：図１参照〕
本実施例においては、蒸留塔３として段数１０段の多孔板塔を用い、発酵エタノール水溶液（ＥｔＯＨ：１０ｗｔ％、Ｈ２Ｏ：９０ｗｔ％）を塔頂部から塔内に供給した。蒸留塔３の塔底部に付設の伝熱コイル（図示省略）に熱媒体を流すことで塔内に供給された発酵エタノール水溶液を加熱し、含水エタノール蒸気を発生させた。蒸留塔３で発生させた含水エタノール蒸気を、過熱器３０で１０℃スーパーヒートした後に、分離膜モジュール４（膜面積：２ｍ２、膜素材：芳香族ポリイミド）を２本並列に接続したもの（図１では１本の分離膜モジュールのみを表示）に供給した。中継タンク５に貯留された発酵ガスを圧縮機２１で０．５〜１．０ＭＰａＧに圧縮した後に凝縮器２２で冷却し、発酵ガス中に含まれる水分およびエタノール分を凝縮した。この凝縮によって得られる水およびエタノールの混合液は受器２３、原液タンク６を経て蒸留塔３で蒸留処理した。圧縮機２１および凝縮器２２による除湿処理により、分離膜モジュール４の透過側室１４に供給する炭酸ガス中の水分濃度を１．０５ｍｏｌ％程度まで下げることができた。そして、分離膜モジュール４において、透過側室１４を真空ポンプ２７の稼働で１００Ｔｏｒｒに維持しながら、含水エタノール蒸気と除湿後の炭酸ガスとを中空糸状分離膜９を介して向流接触させて脱水処理を行った。
【００４６】
本実施例において適用される図１の発酵アルコール水溶液の脱水濃縮システム１の主要各部における流量、温度、圧力等の計測結果を表１に示す。
【００４７】
【表１】
【００４８】
本実施例によれば、１０ｗｔ％発酵エタノール水溶液３３．５ｋｇ／ｈから９９．７ｗｔ％の無水エタノールが３．１３ｋｇ／ｈの速度で得られた。膜透過液量は、２．８９ｋｇ／ｈ（ＥｔＯＨ＝０．２０ｋｇ／ｈ、Ｈ２Ｏ＝２．６９ｋｇ／ｈ）であった。
【００４９】
〔実施例２：図２参照〕
本実施例においては、除湿膜モジュール４０の非透過ガス導出口５０から導出される脱水処理後の炭酸ガスの約２０％をパージ用不活性ガス導入口５２を介して透過側室４８内に供給し、非透過側室４７から透過側室４８に透過した水分をその脱水処理後の炭酸ガスでパージした。その他の点については実施例１と同様である。
【００５０】
除湿膜モジュール４０による除湿処理の実施により、分離膜モジュール４の透過側室１４に供給する炭酸ガス中の水分濃度を実施例１のそれよりも１桁程度低い０．１３５ｍｏｌ％程度まで下げることができた。そして、分離膜モジュール４において、透過側室１４を真空ポンプ２７の稼働で１００Ｔｏｒｒに維持しながら、含水エタノール蒸気と、除湿膜モジュール４０で更に除湿された後の炭酸ガスとを中空糸状分離膜９を介して向流接触させて脱水処理を行った。
【００５１】
本実施例において適用される図２の発酵アルコール水溶液の脱水濃縮システム１Ａの主要各部における流量、温度、圧力等の計測結果を表２に示す。
【００５２】
【表２】
【００５３】
本実施例によれば、除湿膜モジュール４０を用いて、分離膜モジュール４の透過側室１４に供給する炭酸ガス中の水分濃度を実施例１のそれよりも１桁程度低い０．１３５ｍｏｌ％程度まで低下させたことにより、無水エタノール中の水分濃度を実施例１の０．３ｗｔ％から１桁程度低い０．０４ｗｔ％まで下げることができた。
【００５４】
図３には、比較例１に係る発酵アルコール水溶液の脱水濃縮システムの概略構成図が示されている。なお、図３に示される発酵アルコール水溶液の脱水濃縮システム１００において、図１に示される発酵アルコール水溶液の脱水濃縮システム１と同一または同様のものについては図に同一符号が付されている。
【００５５】
実施例１および実施例２においては、糖発酵により得られる炭酸ガスを分離膜モジュール４の透過側室１４に供給して非透過側室１３から透過側室１４に透過した透過蒸気をパージするようにされているが、本比較例においては、図３に示されるように、分離膜モジュール４の非透過蒸気導出口１６から導出される無水エタノール蒸気の一部を分離膜モジュール４の透過側室１４に供給して非透過側室１３から透過側室１４に透過した透過蒸気をパージするようにされている。
【００５６】
本比較例において適用される図３の発酵アルコール水溶液の脱水濃縮システム１００の主要各部における流量、温度、圧力等の計測結果を表３に示す。
【００５７】
【表３】
注１：膜透過液量は無水エタノールのパージ量を含む。
【００５８】
本比較例では、１０ｗｔ％発酵エタノール水溶液３３．５ｋｇ／ｈから９９．７ｗｔ％の無水エタノールが２．８９ｋｇ／ｈの速度で得られ、実施例１よりも０．２４ｋｇ／ｈ少なかった。膜透過液量は、３．１５ｋｇ／ｈ（ＥｔＯＨ＝０．４５ｋｇ／ｈ、Ｈ２Ｏ＝２．７０ｋｇ／ｈ）であり、無水エタノールのパージ量を考慮すると、実際の膜透過液量は、エタノール０．２０ｋｇ／ｈ、水２．５０ｋｇ／ｈで合計２．９０ｋｇ／ｈであり、実施例１の膜透過液量合計の２．８９ｋｇ／ｈとほぼ一致する値であった。
【００５９】
以上、本発明の発酵アルコール水溶液の脱水濃縮方法について、複数の実施形態および複数の実施例に基づいて説明したが、本発明は上記実施形態等に記載した構成に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において適宜その構成を変更することができるものである。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る発酵アルコール水溶液の脱水濃縮システムの概略構成図
【図２】本発明の第２の実施形態に係る発酵アルコール水溶液の脱水濃縮システムの概略構成図
【図３】比較例１に係る発酵アルコール水溶液の脱水濃縮システムの概略構成図
【符号の説明】
【００６１】
１ 脱水濃縮システム
２ 発酵槽
３ 蒸留塔
４ 分離膜モジュール
５ 中継タンク
６ 原液タンク
９ 中空糸状分離膜
１３ 非透過側室（高圧側室）
１４ 透過側室（低圧側室）
２１ 圧縮機
２２ 凝縮器
２３ 受器
２５ 凝縮器
２６ 受器
２７ 真空ポンプ
３２ 製品タンク
４０ 除湿膜モジュール
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蒸留塔による蒸留処理と分離膜を用いた脱水処理との組み合わせによって発酵アルコール水溶液を脱水濃縮する発酵アルコール水溶液の脱水濃縮方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、サトウキビやビートなどの植物を原料として得られるバイオマスエタノールは、ガソリンと混合してあるいは単独で自動車用燃料として用いられるため、バイオマスエタノールの脱水濃縮技術が地球環境保全技術の一つとして注目されている。自動車用燃料として用いられるエタノールは、ガソリンとの相容性を上げるため、高濃度（９９．６ｗｔ％以上）でなければならない。エタノール水溶液はエタノール濃度９５ｗｔ％付近に共沸点が存在するため、通常の蒸留法では９５ｗｔ％を超えてエタノールの濃縮ができない。そこで、第三成分を加えかつ蒸留塔も増やして共沸蒸留法により、無水エタノール（９９．６ｗｔ％以上）を得ている。しかし、この共沸蒸留法では、設備の大型化が免れない上に、エタノールの濃縮・精製に多大のエネルギが必要であるという問題点がある。
【０００３】
この共沸蒸留法の問題点を解決し得るものとして、近年、蒸留塔による蒸留処理と分離膜を用いた脱水処理とを組み合わせた脱水濃縮方法が注目されており、該脱水濃縮方法に関する技術を本出願人は既に提案している（特願２００７−２１５０２５号明細書）。
【０００４】
ところで、製品である無水エタノールにおいては、その用途やユーザの要望により、水分濃度を更に低下させたものが求められる場合がある。無水エタノールの水分濃度を更に低下させる方法としては、非特許文献１や特許文献１にて開示されているようなものがある。これら文献に開示されている方法は、分離膜の低圧側に透過した水蒸気を製品蒸気または不活性ガスでパージして、分離膜の低圧側の水蒸気分圧を低めることにより、分離膜の高圧側に存在する水蒸気を高効率で分離膜の低圧側に透過させるようにしている。
【０００５】
【特許文献１】特許第２７４３３４６号公報
【非特許文献１】「化学装置」、１９９２年、９月号、ｐ．６５−６８
【０００６】
しかしながら、分離膜透過水蒸気を製品蒸気でパージする方法では、分離膜透過液中に製品である無水エタノールが多量に混ざるため、この分離膜透過液中の無水エタノールを回収するための分離操作とその分離操作のためのエネルギが必要となり、ランニングコストが嵩むという問題点がある。
一方、分離膜透過水蒸気を不活性ガスでパージする方法では、不活性ガスを別途購入する必要があるため、やはりランニングコストが嵩むという問題点がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、このような問題点を解消するためになされたもので、発酵アルコール水溶液の高脱水濃縮処理を低ランニングコストで実現することのできる発酵アルコール水溶液の脱水濃縮方法を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記目的を達成するために、本発明による発酵アルコール水溶液の脱水濃縮方法は、
糖発酵により得られる発酵アルコール水溶液を脱水濃縮する発酵アルコール水溶液の脱水濃縮方法であって、
発酵アルコール水溶液を蒸留塔で蒸留処理して含水アルコール蒸気を生成し、この含水アルコール蒸気を、水蒸気を選択的に透過させる分離膜の高圧側に供給する一方で、糖発酵により得られる炭酸ガスを除湿した後にその分離膜の低圧側に供給して、該分離膜の高圧側から低圧側に透過した水蒸気をその除湿後の炭酸ガスでパージすることを特徴とするものである（第１発明）。
【０００９】
本発明において、前記分離膜の高圧側に供給される含水アルコール蒸気と、前記分離膜の低圧側に供給される除湿後の炭酸ガスとが、該分離膜を介して向流接触されるのが好ましい（第２発明）。
【００１０】
第１発明または第２発明において、前記分離膜の高圧側から低圧側に透過した水蒸気をパージした後の炭酸ガスが、糖発酵により得られる炭酸ガスを貯留するための中継タンクに導入され、この中継タンクに貯留されている炭酸ガスと共に除湿された後に再び前記分離膜の低圧側に供給されるのが好ましい（第３発明）。
【００１１】
第１発明乃至第３発明において、糖発酵に伴い発生した炭酸ガスを主成分とする発酵ガスが所定値以上に圧縮された後に冷却されて該発酵ガス中に含まれる水分およびアルコール分が凝縮され、この凝縮によって生じた水およびアルコールの混合液が前記蒸留塔で蒸留処理されるのが好ましい（第４発明）。
【００１２】
第１発明乃至第４発明において、前記除湿は、糖発酵により得られる炭酸ガスを所定値以上に圧縮した後に冷却して該炭酸ガス中に含まれる水分を凝縮することで成される第１の除湿処理と、この第１の除湿処理が施された後の炭酸ガスを更に除湿膜モジュールを用いて除湿する第２の除湿処理とを含むものであるのが好ましい（第５発明）。
【発明の効果】
【００１３】
第１発明によれば、糖発酵により得られる水分を含む炭酸ガスが除湿された後に分離膜の低圧側に供給され、分離膜の低圧側に透過した水蒸気がその除湿後の炭酸ガスによってパージされるので、分離膜の低圧側の水蒸気分圧が低められて分離膜の高圧側に存在する水蒸気が高効率で分離膜の低圧側に透過され、分離膜の高圧側に高脱水されたアルコール蒸気を得ることができる。また、糖発酵により得られた炭酸ガスをパージ用不活性ガスとして利用するようにされているので、従来のようにパージ用不活性ガスを別途購入する必要がなく、ランニングコストを低く抑えることができる。したがって、発酵アルコール水溶液の高脱水濃縮処理を低ランニングコストで実現することができるという効果がある。
【００１４】
また、第２発明の構成を採用することにより、含水アルコール蒸気中の水分をより効率良く分離膜の低圧側に透過させることができる。
【００１５】
また、第３発明の構成を採用することにより、糖発酵により得られた炭酸ガスをパージ用不活性ガスとして無駄なく長期に亘って利用することができる。
【００１６】
また、第４発明の構成を採用することにより、アルコール回収率を向上させることができる。
【００１７】
また、第５発明の構成を採用することにより、製品アルコール中の水分濃度を更に低めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
次に、本発明による発酵アルコール水溶液の脱水濃縮方法の具体的な実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。
【００１９】
〔第１の実施形態〕
図１には、本発明の第１の実施形態に係る発酵アルコール水溶液の脱水濃縮システムの概略構成図が示されている。
【００２０】
図１に示される発酵アルコール水溶液の脱水濃縮システム１は、とうもろこし、甘しょ等のでん粉質や、さとうきび、糖蜜等の糖質を原料として嫌気性雰囲気下で糖発酵が行われる発酵槽２と、スチーム等を熱源として蒸留処理が行われる蒸留塔３と、水蒸気を含む被処理蒸気から水蒸気を分離する分離膜モジュール４と、発酵槽２での糖発酵に伴い発生した炭酸ガスを主成分とする発酵ガスを貯留するための中継タンク５とを備えている。なお、発酵ガスには、炭酸ガスの他に、水分、アルコール分などが含まれている。
【００２１】
ここで、糖発酵により得られるアルコールとしては、例えば、メタノール、エタノール、１−プロパノール、２−プロパノール、１−ブタノールなどが挙げられる。
【００２２】
発酵槽２と蒸留塔３との間には原液タンク６が設けられており、発酵槽２での糖発酵により得られた発酵アルコール水溶液が原液タンク６に一旦貯留された後に蒸留塔３に送り込まれるようになっている。蒸留塔３においては、塔内に送り込まれた発酵アルコール水溶液に対して蒸留処理が行われることにより、含水アルコール蒸気が発生される。
【００２３】
分離膜モジュール４は、ケーシング７内に中空糸束エレメント８が組み込まれて構成されている。中空糸束エレメント８は、水蒸気を選択的に透過させる芳香族ポリイミド製の中空糸状分離膜９を多数本集束した中空糸束１０と、この中空糸束１０の一端部および他端部のそれぞれに各中空糸状分離膜９の開口状態を保持するように固着される樹脂製の第１管板１１および第２管板１２とを備えて構成されている。分離膜モジュール４においては、各中空糸状分離膜９の中空部によって非透過側室１３が区画形成されるとともに、ケーシング７、第１管板１１、第２管板１２および各中空糸状分離膜９の外側面によって透過側室１４が区画形成されている。
【００２４】
ケーシング７の一端側には、含水アルコール蒸気を各中空糸状分離膜９の一端側開口に向けて導入するための含水アルコール蒸気導入口１５が設けられる一方、ケーシング７の他端側には、各中空糸状分離膜９の他端側開口からの非透過蒸気を導出するための非透過蒸気導出口１６が設けられている。また、ケーシング７の一端部には、各中空糸状分離膜９を透過した透過蒸気を導出するための透過蒸気導出口１７が設けられる一方、ケーシング７の他端部には、各中空糸状分離膜９を透過した透過蒸気をパージするための不活性ガスが導入されるパージ用不活性ガス導入口１８が設けられている。
【００２５】
発酵槽２と中継タンク５との間には、発酵槽２での糖発酵に伴い発生した炭酸ガスを主成分とする発酵ガスを中継タンク５に向けて圧送するブロワ２０が設けられている。中継タンク５とパージ用不活性ガス導入口１８との間には、中継タンク５側から順に圧縮機２１、凝縮器２２、受器２３および流量調整弁２４がそれぞれ設けられている。また、透過蒸気導出口１７と中継タンク５との間には、透過蒸気導出口１７側から順に凝縮器２５、受器２６および真空ポンプ２７がそれぞれ設けられている。ここで、透過側室１４は、真空ポンプ２７によって減圧されることにより、非透過側室１３よりも低い圧力に保たれている。
【００２６】
以上に述べたように構成される発酵アルコール水溶液の脱水濃縮システム１において、発酵槽２での糖発酵により得られた発酵アルコール水溶液は、原液タンク６に一旦貯留された後に蒸留塔３に送り込まれる。蒸留塔３での蒸留処理によって発生された含水アルコール蒸気は、過熱器３０によってスーパーヒートされた後に、含水アルコール蒸気導入口１５を介して非透過側室１３内に供給される。
【００２７】
一方、発酵槽２での糖発酵に伴い発生した炭酸ガスを主成分とする発酵ガスは、ブロワ２０によって圧送されて中継タンク５に一旦貯留される。中継タンク５に溜められた発酵ガスは、圧縮機２１で所定値以上に圧縮された後に凝縮器２２で冷却されて一旦受器２３に導入される。この際、圧縮機２１および凝縮器２２による圧縮・冷却作用によって発酵ガス中に含まれる水分およびアルコール分が凝縮され、この凝縮によって生じた水およびアルコールの混合液が受器２３に溜められる。こうして、発酵ガスから水分およびアルコール分が取り除かれた除湿後の炭酸ガスは、受器２３から流量調整弁２４へと送り出され、流量調整弁２４にて所定流量に調整された後に、パージ用不活性ガス導入口１８を介して透過側室１４内に供給される。
【００２８】
含水アルコール蒸気導入口１５を介してケーシング７内に供給される含水アルコール蒸気は、各中空糸状分離膜９の一端側開口から非透過側室１３内を通って他端側開口に向かって流れる。一方、透過側室１４内に供給される除湿後の炭酸ガスは、ケーシング７の他端部に設けられたパージ用不活性ガス導入口１８からケーシング７の一端部に設けられた透過蒸気導出口１７に向かって流れる。こうして、非透過側室１３内に供給される含水アルコール蒸気と、透過側室１４内に供給される除湿後の炭酸ガスとが中空糸状分離膜９を介して向流接触される。
【００２９】
含水アルコール蒸気が中空糸状分離膜９の一端側開口から非透過側室１３内を通って他端側開口に向かって流れている間に、含水アルコール蒸気中の水蒸気が非透過側室１３から透過側室１４に透過され、非透過蒸気導出口１６から脱水アルコール蒸気が導出される。この脱水アルコール蒸気は凝縮器３１を経て無水アルコールとされ、この無水アルコールは製品アルコールとして製品タンク３２に貯留される。
【００３０】
非透過側室１３から透過側室１４に透過された水蒸気は、パージ用不活性ガス導入口１８から透過側室１４内に供給される除湿後の炭酸ガスによって透過蒸気導出口１７へと向かって押し流され、炭酸ガスと共に透過蒸気導出口１７から導出される。なお、非透過側室１３から透過側室１４に微量ながらアルコール分も透過され、このアルコール分もパージ用不活性ガス導入口１８から透過側室１４内に供給される除湿後の炭酸ガスによって透過蒸気導出口１７へと向かって押し流され、炭酸ガスと共に透過蒸気導出口１７から導出される。
【００３１】
透過蒸気導出口１７から導出された水蒸気、微量のアルコール分および炭酸ガスの混合気は、凝縮器２５で冷却された後に一旦受器２６に導入される。この際、凝縮器２５による冷却作用によって混合気中の水分および微量のアルコール分が凝縮され、この凝縮によって生じた水および微量のアルコールの混合液が受器２６に溜められる。そして、受器２６内の炭酸ガスは真空ポンプ２７で大気圧まで戻された後に中継タンク５に導入され、中継タンク５に溜められている発酵ガスと共に圧縮機２１および凝縮器２２による除湿処理を経て再び分離膜モジュール４の透過側室１４内に供給される。
【００３２】
受器２３に溜められた水およびアルコールの混合液は、凝縮液抜出用ポンプ３３によって随時抜き出されて原液タンク６に送り込まれ、原液タンク６に溜められている発酵アルコール水溶液と共に蒸留塔３で蒸留処理される。また同様に、受器２６に溜められた水および微量のアルコールの混合液も、凝縮液抜出用ポンプ３４によって随時抜き出されて原液タンク６に送り込まれ、原液タンク６に溜められている発酵アルコール水溶液と共に蒸留塔３で蒸留処理される。
【００３３】
本実施形態の発酵アルコール水溶液の脱水濃縮システム１によれば、炭酸ガスを主成分とする発酵ガスから圧縮機２１および凝縮器２２による圧縮・冷却作用にて水分およびアルコール分が取り除かれた除湿後の炭酸ガスが透過側室１４内に供給され、非透過側室１３から透過側室１４に透過した水蒸気がその除湿後の炭酸ガスによってパージされるので、透過側室１４の水蒸気分圧が低められて非透過側室１３内に存在する水蒸気が高効率で透過側室１４に透過され、非透過蒸気導出口１６から高脱水された脱水アルコール蒸気を得ることができる。また、糖発酵により得られた炭酸ガスをパージ用不活性ガスとして利用するようにされているので、従来のようにパージ用不活性ガスを別途購入する必要がなく、ランニングコストを低く抑えることができる。したがって、発酵アルコール水溶液の高脱水濃縮を低ランニングコストで実現することができる。
【００３４】
また、非透過側室１３内に供給される含水アルコール蒸気と、透過側室１４内に供給される除湿後の炭酸ガスとが中空糸状分離膜９を介して向流接触されるので、非透過側室１３内の水蒸気をより効率良く透過側室１４へと透過させることができる。
【００３５】
また、透過蒸気導出口１７から導出されるパージ処理に使用された後の炭酸ガスが中継タンク５に溜められている発酵ガスと共に圧縮機２１および凝縮器２２による除湿処理を経て再び分離膜モジュール７の透過側室１４内に供給されてリサイクル使用されるので、糖発酵により得られた炭酸ガスをパージ用不活性ガスとして無駄なく長期に亘って利用することができる。
【００３６】
また、受器２３，２６に溜められた水およびアルコールの混合液が原液タンク６に溜められている発酵アルコール水溶液と共に蒸留塔３で蒸留処理されるので、アルコール回収率を向上させることができる。
【００３７】
〔第２の実施形態〕
図２には、本発明の第２の実施形態に係る発酵アルコール水溶液の脱水濃縮システムの概略構成図が示されている。なお、本実施形態の発酵アルコール水溶液の脱水濃縮システム１Ａにおいて、先の実施形態の発酵アルコール水溶液の脱水濃縮システム１と同一または同様のものについては図に同一符号を付すに留めてその詳細な説明を省略することとし、以下においては、先の実施形態の発酵アルコール水溶液の脱水濃縮システム１と異なる点を中心に説明することとする。
【００３８】
図２に示される発酵アルコール水溶液の脱水濃縮システム１Ａにおいては、受器２３と流量調整弁２４との間に、水分を含む被処理ガスを除湿する除湿膜モジュール４０が設けられている。
【００３９】
除湿膜モジュール４０は、ケーシング４１内に中空糸束エレメント４２が組み込まれて構成されている。中空糸束エレメント４２は、水蒸気を選択的に透過させる芳香族ポリイミド製の中空糸状分離膜４３を多数本集束した中空糸束４４と、この中空糸束４４の一端部および他端部のそれぞれに各中空糸状分離膜４３の開口状態を保持するように固着される樹脂製の第１管板４５および第２管板４６とを備えて構成されている。除湿膜モジュール４０においては、各中空糸状分離膜４３の中空部によって非透過側室４７が区画形成されるとともに、ケーシング４１、第１管板４５、第２管板４６および各中空糸状分離膜４３の外側面によって透過側室４８が区画形成されている。
【００４０】
ケーシング４１の一端側には、被処理ガスを各中空糸状分離膜４３の一端側開口に向けて導入するための被処理ガス導入口４９が設けられる一方、ケーシング４１の他端側には、各中空糸状分離膜４３の他端側開口からの非透過ガスを導出するための非透過ガス導出口５０が設けられている。また、ケーシング４１の一端部には、各中空糸状分離膜４３を透過した透過ガスを導出するための透過ガス導出口５１が設けられる一方、ケーシング４１の他端部には、各中空糸状分離膜４３を透過した透過ガスをパージするための不活性ガスが導入されるパージ用不活性ガス導入口５２が設けられている。
【００４１】
本実施形態の発酵アルコール水溶液の脱水濃縮システム１Ａにおいては、圧縮機２１および凝縮器２２による除湿処理を経て受器２３から送り出された炭酸ガスが被処理ガス導入口４９を介してケーシング４１内に供給される。このケーシング４１内に供給された炭酸ガスが中空糸状分離膜４３の一端側開口から非透過側室４７内を通って他端側開口に向かって流れている間に、該炭酸ガス中に含まれる水分が非透過側室４７から透過側室４８に透過され、非透過ガス導出口５０から脱水処理後の炭酸ガスが導出される。この脱水処理後の炭酸ガスの一部はパージ用不活性ガス導入口５２を介して透過側室４８内に供給され、非透過側室４７から透過側室４８に透過した水分がその脱水処理後の炭酸ガスによってパージされる。これにより、高度に除湿された炭酸ガスが非透過ガス導出口５０から送り出されることになる。非透過ガス導出口５０から送り出された高除湿炭酸ガスは、流量調整弁２４にて所定流量に調整された後に、分離膜モジュール４におけるパージ用不活性ガス導入口１８を介して透過側室１４内に供給される。
【００４２】
本実施形態の発酵アルコール水溶液の脱水濃縮システム１Ａによれば、圧縮機２１および凝縮器２２による除湿処理（本発明の「第１の除湿処理」に相当する。）が施された後の炭酸ガスに対して更に除湿膜モジュール４０を用いて除湿する除湿処理（本発明の「第２の除湿処理」に相当する。）を施して得られた高除湿炭酸ガスを分離膜モジュール４でのパージ用不活性ガスとして用いるようにされているので、分離膜モジュール４における非透過側室１３と透過側室１４との水蒸気分圧差をより高めることができる。これにより、分離膜モジュール４における非透過側室１３に存在する水蒸気がより高効率で透過側室１４に透過されるので、水分濃度を更に低めた製品アルコールを得ることができる。
【００４３】
なお、本実施形態の発酵アルコール水溶液の脱水濃縮システム１Ａにおいて、除湿膜モジュール４０に代えて、水分吸着剤が充填されてなる除湿器を採用してもよい。
【実施例】
【００４４】
次に、本発明による発酵アルコール水溶液の脱水濃縮方法の具体的な実施例について、図面を参照しつつ説明する。
【００４５】
〔実施例１：図１参照〕
本実施例においては、蒸留塔３として段数１０段の多孔板塔を用い、発酵エタノール水溶液（ＥｔＯＨ：１０ｗｔ％、Ｈ２Ｏ：９０ｗｔ％）を塔頂部から塔内に供給した。蒸留塔３の塔底部に付設の伝熱コイル（図示省略）に熱媒体を流すことで塔内に供給された発酵エタノール水溶液を加熱し、含水エタノール蒸気を発生させた。蒸留塔３で発生させた含水エタノール蒸気を、過熱器３０で１０℃スーパーヒートした後に、分離膜モジュール４（膜面積：２ｍ２、膜素材：芳香族ポリイミド）を２本並列に接続したもの（図１では１本の分離膜モジュールのみを表示）に供給した。中継タンク５に貯留された発酵ガスを圧縮機２１で０．５〜１．０ＭＰａＧに圧縮した後に凝縮器２２で冷却し、発酵ガス中に含まれる水分およびエタノール分を凝縮した。この凝縮によって得られる水およびエタノールの混合液は受器２３、原液タンク６を経て蒸留塔３で蒸留処理した。圧縮機２１および凝縮器２２による除湿処理により、分離膜モジュール４の透過側室１４に供給する炭酸ガス中の水分濃度を１．０５ｍｏｌ％程度まで下げることができた。そして、分離膜モジュール４において、透過側室１４を真空ポンプ２７の稼働で１００Ｔｏｒｒに維持しながら、含水エタノール蒸気と除湿後の炭酸ガスとを中空糸状分離膜９を介して向流接触させて脱水処理を行った。
【００４６】
本実施例において適用される図１の発酵アルコール水溶液の脱水濃縮システム１の主要各部における流量、温度、圧力等の計測結果を表１に示す。
【００４７】
【表１】
【００４８】
本実施例によれば、１０ｗｔ％発酵エタノール水溶液３３．５ｋｇ／ｈから９９．７ｗｔ％の無水エタノールが３．１３ｋｇ／ｈの速度で得られた。膜透過液量は、２．８９ｋｇ／ｈ（ＥｔＯＨ＝０．２０ｋｇ／ｈ、Ｈ２Ｏ＝２．６９ｋｇ／ｈ）であった。
【００４９】
〔実施例２：図２参照〕
本実施例においては、除湿膜モジュール４０の非透過ガス導出口５０から導出される脱水処理後の炭酸ガスの約２０％をパージ用不活性ガス導入口５２を介して透過側室４８内に供給し、非透過側室４７から透過側室４８に透過した水分をその脱水処理後の炭酸ガスでパージした。その他の点については実施例１と同様である。
【００５０】
除湿膜モジュール４０による除湿処理の実施により、分離膜モジュール４の透過側室１４に供給する炭酸ガス中の水分濃度を実施例１のそれよりも１桁程度低い０．１３５ｍｏｌ％程度まで下げることができた。そして、分離膜モジュール４において、透過側室１４を真空ポンプ２７の稼働で１００Ｔｏｒｒに維持しながら、含水エタノール蒸気と、除湿膜モジュール４０で更に除湿された後の炭酸ガスとを中空糸状分離膜９を介して向流接触させて脱水処理を行った。
【００５１】
本実施例において適用される図２の発酵アルコール水溶液の脱水濃縮システム１Ａの主要各部における流量、温度、圧力等の計測結果を表２に示す。
【００５２】
【表２】
【００５３】
本実施例によれば、除湿膜モジュール４０を用いて、分離膜モジュール４の透過側室１４に供給する炭酸ガス中の水分濃度を実施例１のそれよりも１桁程度低い０．１３５ｍｏｌ％程度まで低下させたことにより、無水エタノール中の水分濃度を実施例１の０．３ｗｔ％から１桁程度低い０．０４ｗｔ％まで下げることができた。
【００５４】
図３には、比較例１に係る発酵アルコール水溶液の脱水濃縮システムの概略構成図が示されている。なお、図３に示される発酵アルコール水溶液の脱水濃縮システム１００において、図１に示される発酵アルコール水溶液の脱水濃縮システム１と同一または同様のものについては図に同一符号が付されている。
【００５５】
実施例１および実施例２においては、糖発酵により得られる炭酸ガスを分離膜モジュール４の透過側室１４に供給して非透過側室１３から透過側室１４に透過した透過蒸気をパージするようにされているが、本比較例においては、図３に示されるように、分離膜モジュール４の非透過蒸気導出口１６から導出される無水エタノール蒸気の一部を分離膜モジュール４の透過側室１４に供給して非透過側室１３から透過側室１４に透過した透過蒸気をパージするようにされている。
【００５６】
本比較例において適用される図３の発酵アルコール水溶液の脱水濃縮システム１００の主要各部における流量、温度、圧力等の計測結果を表３に示す。
【００５７】
【表３】
注１：膜透過液量は無水エタノールのパージ量を含む。
【００５８】
本比較例では、１０ｗｔ％発酵エタノール水溶液３３．５ｋｇ／ｈから９９．７ｗｔ％の無水エタノールが２．８９ｋｇ／ｈの速度で得られ、実施例１よりも０．２４ｋｇ／ｈ少なかった。膜透過液量は、３．１５ｋｇ／ｈ（ＥｔＯＨ＝０．４５ｋｇ／ｈ、Ｈ２Ｏ＝２．７０ｋｇ／ｈ）であり、無水エタノールのパージ量を考慮すると、実際の膜透過液量は、エタノール０．２０ｋｇ／ｈ、水２．５０ｋｇ／ｈで合計２．９０ｋｇ／ｈであり、実施例１の膜透過液量合計の２．８９ｋｇ／ｈとほぼ一致する値であった。
【００５９】
以上、本発明の発酵アルコール水溶液の脱水濃縮方法について、複数の実施形態および複数の実施例に基づいて説明したが、本発明は上記実施形態等に記載した構成に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において適宜その構成を変更することができるものである。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る発酵アルコール水溶液の脱水濃縮システムの概略構成図
【図２】本発明の第２の実施形態に係る発酵アルコール水溶液の脱水濃縮システムの概略構成図
【図３】比較例１に係る発酵アルコール水溶液の脱水濃縮システムの概略構成図
【符号の説明】
【００６１】
１ 脱水濃縮システム
２ 発酵槽
３ 蒸留塔
４ 分離膜モジュール
５ 中継タンク
６ 原液タンク
９ 中空糸状分離膜
１３ 非透過側室（高圧側室）
１４ 透過側室（低圧側室）
２１ 圧縮機
２２ 凝縮器
２３ 受器
２５ 凝縮器
２６ 受器
２７ 真空ポンプ
３２ 製品タンク
４０ 除湿膜モジュール
【特許請求の範囲】
【請求項１】
糖発酵により得られる発酵アルコール水溶液を脱水濃縮する発酵アルコール水溶液の脱水濃縮方法であって、
発酵アルコール水溶液を蒸留塔で蒸留処理して含水アルコール蒸気を生成し、この含水アルコール蒸気を、水蒸気を選択的に透過させる分離膜の高圧側に供給する一方で、糖発酵により得られる炭酸ガスを除湿した後にその分離膜の低圧側に供給して、該分離膜の高圧側から低圧側に透過した水蒸気をその除湿後の炭酸ガスでパージすることを特徴とする発酵アルコール水溶液の脱水濃縮方法。
【請求項２】
前記分離膜の高圧側に供給される含水アルコール蒸気と、前記分離膜の低圧側に供給される除湿後の炭酸ガスとが、該分離膜を介して向流接触される請求項１に記載の発酵アルコール水溶液の脱水濃縮方法。
【請求項３】
前記分離膜の高圧側から低圧側に透過した水蒸気をパージした後の炭酸ガスが、糖発酵により得られる炭酸ガスを貯留するための中継タンクに導入され、この中継タンクに貯留されている炭酸ガスと共に除湿された後に再び前記分離膜の低圧側に供給される請求項１または２に記載の発酵アルコール水溶液の脱水濃縮方法。
【請求項４】
糖発酵に伴い発生した炭酸ガスを主成分とする発酵ガスが所定値以上に圧縮された後に冷却されて該発酵ガス中に含まれる水分およびアルコール分が凝縮され、この凝縮によって生じた水およびアルコールの混合液が前記蒸留塔で蒸留処理される請求項１〜３のいずれかに記載の発酵アルコール水溶液の脱水濃縮方法。
【請求項５】
前記除湿は、糖発酵により得られる炭酸ガスを所定値以上に圧縮した後に冷却して該炭酸ガス中に含まれる水分を凝縮することで成される第１の除湿処理と、この第１の除湿処理が施された後の炭酸ガスを更に除湿膜モジュールを用いて除湿する第２の除湿処理とを含むものである請求項１〜４のいずれかに記載の発酵アルコール水溶液の脱水濃縮方法。
【請求項１】
糖発酵により得られる発酵アルコール水溶液を脱水濃縮する発酵アルコール水溶液の脱水濃縮方法であって、
発酵アルコール水溶液を蒸留塔で蒸留処理して含水アルコール蒸気を生成し、この含水アルコール蒸気を、水蒸気を選択的に透過させる分離膜の高圧側に供給する一方で、糖発酵により得られる炭酸ガスを除湿した後にその分離膜の低圧側に供給して、該分離膜の高圧側から低圧側に透過した水蒸気をその除湿後の炭酸ガスでパージすることを特徴とする発酵アルコール水溶液の脱水濃縮方法。
【請求項２】
前記分離膜の高圧側に供給される含水アルコール蒸気と、前記分離膜の低圧側に供給される除湿後の炭酸ガスとが、該分離膜を介して向流接触される請求項１に記載の発酵アルコール水溶液の脱水濃縮方法。
【請求項３】
前記分離膜の高圧側から低圧側に透過した水蒸気をパージした後の炭酸ガスが、糖発酵により得られる炭酸ガスを貯留するための中継タンクに導入され、この中継タンクに貯留されている炭酸ガスと共に除湿された後に再び前記分離膜の低圧側に供給される請求項１または２に記載の発酵アルコール水溶液の脱水濃縮方法。
【請求項４】
糖発酵に伴い発生した炭酸ガスを主成分とする発酵ガスが所定値以上に圧縮された後に冷却されて該発酵ガス中に含まれる水分およびアルコール分が凝縮され、この凝縮によって生じた水およびアルコールの混合液が前記蒸留塔で蒸留処理される請求項１〜３のいずれかに記載の発酵アルコール水溶液の脱水濃縮方法。
【請求項５】
前記除湿は、糖発酵により得られる炭酸ガスを所定値以上に圧縮した後に冷却して該炭酸ガス中に含まれる水分を凝縮することで成される第１の除湿処理と、この第１の除湿処理が施された後の炭酸ガスを更に除湿膜モジュールを用いて除湿する第２の除湿処理とを含むものである請求項１〜４のいずれかに記載の発酵アルコール水溶液の脱水濃縮方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２００９−１７２４６３（Ｐ２００９−１７２４６３Ａ）
【公開日】平成２１年８月６日（２００９．８．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１１１５１（Ｐ２００８−１１１５１）
【出願日】平成２０年１月２２日（２００８．１．２２）
【出願人】（０００２３０５８２）日本化学機械製造株式会社 (16)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年８月６日（２００９．８．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１月２２日（２００８．１．２２）
【出願人】（０００２３０５８２）日本化学機械製造株式会社 (16)
【Ｆターム（参考）】
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