糖炭化物の回収装置
【課題】 モーノポンプなどの特殊なポンプを使用することなく、酸糖液から糖炭化物を回収する装置を構築する。
【解決手段】 木質系材料に含まれているセルロース成分を酸により加水分解して得られる酸糖液から、その酸糖液に溶解している糖成分を炭化して糖炭化物を回収する装置であって、前記酸糖液を貯留しておく貯留タンク１２と、前記酸糖液を加熱する加熱装置１４と、前記貯留タンク１２から前記加熱装置１４に向けて前記酸糖液を圧送する圧送ポンプ１８と、前記加熱装置１２により加熱された酸糖液中に生成する糖炭化物を分離する固液分離装置１６と、を備えることを特徴とする、糖炭化物の回収装置１０。
【解決手段】 木質系材料に含まれているセルロース成分を酸により加水分解して得られる酸糖液から、その酸糖液に溶解している糖成分を炭化して糖炭化物を回収する装置であって、前記酸糖液を貯留しておく貯留タンク１２と、前記酸糖液を加熱する加熱装置１４と、前記貯留タンク１２から前記加熱装置１４に向けて前記酸糖液を圧送する圧送ポンプ１８と、前記加熱装置１２により加熱された酸糖液中に生成する糖炭化物を分離する固液分離装置１６と、を備えることを特徴とする、糖炭化物の回収装置１０。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、木質系材料に含まれているセルロース成分を酸により加水分解して得られる酸糖液から、その酸糖液に溶解している糖成分を炭化して糖炭化物を回収する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
木材やケナフなどの木質系材料の中には、リグニン、ヘミセルロース、及びヘミセルロースがその構成成分として含まれており、植物資源の有効利用の観点から、これらの成分を分離して回収するための試みがこれまでになされている。例えば、特許文献１,２には、リグニン、ヘミセルロース、及びセルロースを含む木質系材料に対して、クレゾール及び酸（例えば硫酸）を順次添加するとともに、クレゾール及び酸の相分離現象を利用して、上相側のクレゾール相からはリグニン成分を回収するともに、下相側の酸相からは酸糖液（主に、酸によって、セルロース成分が加水分解して生成したグルコースなどの糖類が溶解している液）を回収することのできる技術が開示されている。この技術によれば、木質系材料からリグニン成分を分離して回収することができる。回収したリグニン成分は、接着剤やフィルムなどへ加工したり、あるいは、古紙から採取したパルプを固めて成形体を作るためのバインダ、などへの有効利用が可能である。
【０００３】
上述した従来の技術では、木質系材料からリグニン成分を回収して有効利用を図ることができる。しかし、木質系材料に含まれているもう一方の成分、すなわち、セルロース成分の有効利用については、十分になされているとは言い難い。そこで、木質系材料に含まれるセルロース成分をより有効に利用するために、セルロース成分を酸により加水分解して得られた酸糖液から、この酸糖液に溶解している糖成分を炭化して糖炭化物を回収する図２のような装置が提案されている。
【０００４】
図２は、酸糖液から糖炭化物を回収する装置の一例を示している。図２に示すように、糖炭化物の回収装置１００は、木質系材料に含まれているセルロース成分を酸により加水分解して得られた酸糖液を貯留しておく貯留タンク１１０と、前記貯留タンク１１０に貯留されている酸糖液を加熱する加熱装置１１２を備えている。前記加熱装置１１２によって酸糖液が加熱されると、その酸糖液に溶解している糖成分が炭化して糖炭化物が析出する。糖炭化物を含む酸糖液は、固液混合のスラリーとなっており、このスラリーとなっている酸糖液は、ポンプ１１４によって圧送されて固液分離装置１１６に送り込まれる。前記ポンプ１１４には、スラリー圧送用の特殊なポンプ（例えばモーノポンプなど）が使用される。前記固液分離装置１１６には、例えばフィルタープレスなどの圧搾方式の固液分離装置が使用される。また、前記貯留タンク１１０の材質には、加熱された酸糖液による腐食に耐え得る特殊な材質、例えば、ハステロイなどの特殊な金属が使用される。また、前記貯留タンク１１０の上部には、加熱されている酸糖液中に析出した糖炭化物を液中に拡散させるための攪拌機１１８が設置される。
【０００５】
【特許文献１】特許第２８９５０８７号公報
【特許文献２】特開２００１−６４４９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、図２に示す糖炭化物の回収装置１００によれば、貯留タンク１１０から固液分離装置１１６に送り込まれる酸糖液がスラリーとなっているために、この酸糖液を圧送するためのポンプ１１４として、モーノポンプなどの特殊なポンプを使用しなければならない。このモーノポンプは、樹脂製のローターの内部で、螺旋状に形成された金属製のステーターを回転させるものであり、ステーターの偏心回転によって生じるローターとステーターとの間の容積変化を利用することによって、酸糖液のような固体が入り混じっている移送物であっても定量的にかつ脈動させることなく圧送することが可能なポンプである。
【０００７】
しかし、モーノポンプは特殊な技術を要するために、製作コストが高価であるのみならず、メンテナンス作業も容易ではない。また、酸糖液のような腐食性のスラリーを圧送する場合には、ステーターの摩耗や腐食を抑えるために、ステーターの材質としてチタンやハステロイなどの特殊で高価な金属を採用しなければならない。
そこで本発明は、モーノポンプなどの特殊なポンプを使用する必要のない、酸糖液から糖炭化物を回収する装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するための手段は、以下の（１）〜（７）に記載した発明である。
（１）木質系材料に含まれているセルロース成分を酸により加水分解して得られる酸糖液から、その酸糖液に溶解している糖成分を炭化して糖炭化物を回収する装置であって、前記酸糖液を貯留しておく貯留手段と、前記酸糖液を加熱する加熱手段と、前記貯留手段から前記加熱手段に向けて前記酸糖液を圧送する圧送手段と、前記加熱手段により加熱された酸糖液中に生成する糖炭化物を分離する分離手段と、を備えることを特徴とする、糖炭化物の回収装置。
（２）上記（１）に記載の糖炭化物の回収装置であって、前記加熱手段と前記分離手段とを連結する配管が、前記加熱手段の上部に接続されており、前記加熱手段の内部で生成した糖炭化物を前記分離手段へ送り込むための送込み手段を有することを特徴とする、糖炭化物の回収装置。
（３）上記（１）または（２）に記載の糖炭化物の回収装置であって、前記圧送手段は、ダイヤフラム式のポンプであることを特徴とする、糖炭化物の回収装置。
（４）上記（１）から（３）のうちいずれに記載の糖炭化物の回収装置であって、 前記加熱手段は、管状の縦置き型加熱炉であることを特徴とする、糖炭化物の回収装置。
（５）上記（１）から（４）のうちいずれかに記載の糖炭化物の回収装置であって、前記加熱手段は、セラミック管及びそのセラミック管の周囲に配置されるヒータで構成されていることを特徴とする、糖炭化物の回収装置。
（６）上記（１）から（５）のうちいずれかに記載の糖炭化物の回収装置であって、前記加熱手段と前記分離手段とを連結する配管に、洗浄液を送り込むための配管が接続されていることを特徴とする、糖炭化物の回収装置。
（７）上記（６）に記載の糖炭化物の回収装置であって、前記加熱手段と前記分離手段とを連結する配管の中に、インラインミキサーが設置されていることを特徴とする、糖炭化物の回収装置。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、モーノポンプなどの特殊なポンプを使用することなく、酸糖液から糖炭化物を回収する装置を構築することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明は、木質系材料に含まれているセルロース成分を酸により加水分解して得られる酸糖液から、その酸糖液に溶解している糖成分を炭化して糖炭化物を回収する装置に関するものである。より具体的には、例えば、木質系材料に含まれているセルロース成分を硫酸により加水分解して得られる硫酸糖液から、その硫酸糖液に溶解している糖成分を炭化して糖炭化物を回収する装置に関するものである。加水分解に用いる酸は、硫酸、リン酸、硝酸など、どのような酸を用いても良いが、この中では硫酸が好ましい。これらのうち２種以上の酸を混合して用いることも可能である。例えば、リン酸と硫酸を混合して用いることが可能である。セルロース成分を酸により加水分解して得られた糖液を、酸糖液と呼ぶ。セルロース成分を硫酸により加水分解して得られた糖液を、硫酸糖液と呼ぶ。酸糖液あるいは硫酸糖液には、酸や糖成分以外のその他の成分が含まれていても良い。
【００１１】
本発明における「木質系材料」とは、リグニンとヘミセルロースとセルロースとを含有するリグノセルロース系材料のことである。「木質」という単語をその名称に付しているが、木材に限らず、草本類からも採取することが可能である。このような木質系材料は、例えば、スギ、ヒノキ、ブナなどの各種の樹木から採取することが可能である。また、ケナフの茎、トウモロコシ、サトウキビ、麻、イグサ、イネなどの草本類から採取することが可能である。あるいは、家屋解体物、家具解体物、木屑、間伐材、籾殻、木粉、古紙、剪定枝、刈り草、落ち葉、サトウキビの圧搾滓（バガス）などの産業廃棄物から採取することも可能である。
【００１２】
木質系材料に対してフェノール誘導体及び酸を添加し混合することによって、その木質系材料に含まれるリグノセルロース系物質をリグニン成分及びセルロース成分（セルロース、ヘミセルロース）に分離することができる。前記フェノール誘導体としては、例えばクレゾールを使用することができる。前記酸としては、例えば硫酸を使用することができる。
木質系材料に対して酸を添加すると、その木質系材料に含まれるセルロース成分は膨潤し、さらに部分的な加水分解及び溶解が生じ、結果として細胞壁構造が破壊される。セルロース成分と酸との反応がさらに進行すると、セルロース成分はグルコースなどの糖類（炭水化物）に分解されて酸の中に溶解する。セルロース成分の加水分解により得られる糖類が溶解した酸は、「酸糖液」と呼ばれる。本発明に係る酸糖液の回収装置１０は、この酸糖液に溶解している糖類を炭化して糖炭化物を回収する装置である。
【００１３】
図１は、本発明に係る糖炭化物の回収装置１０の構成を示している。
図１に示すように、糖炭化物の回収装置１０は、酸糖液を貯留するための貯留タンク１２と、酸糖液を加熱するための加熱装置１４と、酸糖液から糖炭化物を分離するための固液分離装置１６と、を備えている。貯留タンク１２は配管３０を介して加熱装置１４に連結されている。配管３０の途中には、貯留タンク１２に貯留されている酸糖液を加熱装置１４に圧送する圧送ポンプ１８が設置されている。この圧送ポンプ１８の下流側には、圧送ポンプ１８の作動に伴う移送物の脈動を吸収するためのエアチャンバー２０が設置されている。
【００１４】
貯留タンク１２は、木質系材料に含まれるセルロース成分を酸により加水分解して得られる酸糖液を貯留しておくための槽である。この貯留タンク１２が、本発明における「貯留手段」に対応している。この貯留タンク１２の槽本体１２ａの材質としては、内部に貯留している酸糖液からの腐食を防ぐために、例えばステンレス鋼などの耐腐食性の金属材料や、ＦＲＰなどの樹脂材料が使用される。ただし、この貯留タンク１２は、加熱されている酸糖液を貯留するわけではないので、例えば熱濃硫酸に耐えうるような特殊な金属材料（例えばハステロイなど）を使用する必要はない。また、この貯留タンク１２では、酸糖液がまだ加熱されていない状態であり、酸糖液の中に糖炭化物が析出していないので、その糖炭化物を液中に拡散させるための攪拌機などを設置する必要がない。
【００１５】
加熱装置１４は、貯留タンク１２から圧送ポンプ１８によって圧送されてきた酸糖液を加熱するための装置である。この加熱装置１４が、本発明における「加熱手段」に対応している。この加熱装置１４は、管状の縦置き型の加熱炉として構成されている。すなわち、加熱装置１４は、円管状のセラミック管１４ａと、そのセラミック管１４ａの周囲に配置されているヒータ１４ｂによって構成されている。ヒータ１４ｂによってセラミック管１４ａが加熱されることによって、そのセラミック管１４ａの内部を流れる酸糖液が加熱される。セラミック管１４ａの材料としては、耐熱性のセラミックス材料、例えば、アルミナやシリカなどが使用される。前記ヒータ１４ｂとしては、例えば、ニクロム線により構成される電熱式のヒータなどが使用される。
【００１６】
図１に示すように、加熱装置１４は、セラミック管１４ａが縦置きに設置されるとともに、そのセラミック管１４ａの下部に配管が３０が接続される。そして、縦置きに設置されたセラミック管１４ａの内部を、圧送ポンプ１８により送り込まれる酸糖液が下部から流入して上向きに流れるようになっている。加熱装置１４による酸糖液の加熱温度は、セラミック管１４ａの出口部１４ｃにおける酸糖液の温度が例えば６０℃以上１００℃以下（より好ましくは７０℃以上９０℃以下）となるように制御される。
【００１７】
酸糖液が加熱装置１４によって加熱されると、その酸糖液中に溶解している糖成分（グルコースなどの単糖類）が炭化して糖炭化物が析出する。この糖炭化物は、酸糖液の加熱時に発生したガスを抱き込んでいるので、セラミック管１４ａの内部において上方に浮上する。また、木質系材料に加える酸として硫酸を用いた場合には、硫酸の比重が高いために、セラミック管１４ａの内部において糖炭化物が浮上する。本発明では、このように、糖炭化物をセラミック管１４ａの内部において積極的に浮上させている。したがって、酸糖液及び糖炭化物は、縦置きに設置されているセラミック管１４ａの内部を上方に向けて速やかに流れるようになっている。また、セラミック管１４ａは縦置きに設置されているために、管内を流れる酸糖液との接触効率が高く、酸糖液を効率的に加熱できるようになっている。
【００１８】
圧送ポンプ１８は、貯留タンク１２に貯留されている酸糖液を加熱装置１４に圧送するためのポンプである。この圧送ポンプ１８が、本発明における「圧送手段」に対応している。
この圧送ポンプ１８は、加熱装置１４に向けて酸糖液を圧送するためのポンプである。本実施例では、この圧送ポンプ１８として、ダイヤフラム式のポンプを使用することが可能になっている。なぜならば、酸糖液が加熱装置１４よって加熱されていない段階であり、酸糖液の中には糖炭化物が析出していないので、圧送ポンプ１８として固液混合のスラリーを圧送するための特殊なポンプ（例えばモーノポンプ）を使用する必要がないからである。
【００１９】
酸糖液を圧送するための圧送ポンプ１８としては、ダイヤフラムポンプを使用することができる。なぜならば、酸糖液は糖炭化物などの固体を含んでいないので、ダイヤフラムポンプを使用した場合であっても、ポンプ内の吸込弁１８ａや吐出弁１８ｂに固体が挟まることがないからである。
圧送ポンプ１８としてダイヤフラムポンプを使用した場合には、例えばモーノポンプを使用した場合よりも、製作コストが極めて安価になる。また、ダイヤフラムポンプは、モーノポンプよりも汎用的であるので、消耗品などの部品の調達が容易であり、メンテナンスコストも少なくて済む。ダイヤフラムポンプを使用する場合、ダイヤフラム（隔膜）の材質としては、ゴムやＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）などを採用することができる。
また、圧送ポンプ１８としてダイヤフラムポンプを使用した場合には、ダイヤフラム（隔膜）の往復に伴って移送物に脈動が生じるのが通常であるが、本実施例では、配管３０の途中にエアチャンバー２０が設置されているので、このような移送物の脈動が吸収されるようになっている。
【００２０】
加熱装置１４と固液分離装置１６とは、配管３２によって連結されている。この配管３２は、加熱装置１４の上部に接続されている。加熱装置１４によって酸糖液が加熱されると、加熱装置１４を構成するセラミック管１４ａの内部では、糖炭化物が生成する。生成した糖炭化物は、配管３２を通って、固液分離装置１６に送り込まれる。本発明において、糖炭化物を固液分離装置１６に送り込むための送り込み手段としては、圧送ポンプ１８を利用することができる。すなわち、圧送ポンプ１８の作動によって生じる圧力によって、加熱装置１４の内部で生成した糖炭化物を固液分離装置１６に送り込むことができる。糖炭化物を送り込むための送り込み手段としては、その他にも、例えば、貯水タンク２４に貯留されている水が配管３２の内部を流れるときの負圧を利用したり、あるいは、固液分離装置１６に吸引装置を設けるなどの方法をとることもできる。
【００２１】
また、加熱装置１４と固液分離装置１６とを連結する配管３２の途中には、貯水タンク２４に貯留されている洗浄液としての水を送り込むための配管３４が接続されている。また、加熱装置１４と固液分離装置１６とを連結する配管３２の中には、配管３２内を流れる水、糖炭化物、及び酸糖液を撹拌するためのインラインミキサー２２が設けられている。このインラインミキサー２２は、配管３２の内部に設置される静止型の混合器であって、スタティックミキサーとも呼ばれるものである。このインラインミキサー２２は、ポリプロピレンなどの樹脂、あるいは、ステンレスなどの金属により形成される。インラインミキサー２２の形状は、特に制限するものではないが、例えばスパイラル型の羽根形状を採用することができる。
【００２２】
糖炭化物の回収装置１０は、水を貯留するための貯水タンク２４を備えている。この貯水タンク２４は、配管３４を介して、加熱装置１４と固液分離装置１６とを連結する配管３２に接続されている。配管３４は貯水タンク２４の下部に接続されており、この配管３４の途中には、貯水タンク２４に貯留されている水を圧送するための圧送ポンプ２６と、圧送ポンプ２６の作動に伴う移送物の脈動を吸収するためのエアチャンバー２８が設置されている。本実施例において、圧送ポンプ２６には、ダイヤフラムポンプが使用されている。
【００２３】
貯水タンク２４に貯留されている水は、圧送ポンプ２６によって圧送されて、インラインミキサー２２の入口部に送り込まれる。このインラインミキサー２２の入口部では、加熱装置１４からの配管３２と、貯水タンク２４からの配管３４が合流している。加熱装置１４によって加熱された酸糖液は、貯水タンク２４から送り込まれる水と合流して、インラインミキサー２２によって混合・撹拌される。また、加熱装置１４の内部で生成した糖炭化物は、配管３２に送り込まれる水とともに、固液分離装置１６に送り込まれる。
【００２４】
酸糖液と水とがインラインミキサー２２によって混合・撹拌されることによって、酸糖液の温度が下がるとともに、酸糖液の濃度が低下する。これにより、配管３２の材質として、熱濃酸に耐えうるような特殊な材質（例えばハステロイなど）を使用する必要がなくなる。例えば、配管３２の材質としては、ＳＵＳ３０４やＳＵＳ３１６Ｌなどの通常のステンレス鋼を使用することが可能になる。
【００２５】
インラインミキサー２２によって水と混合・撹拌された酸糖液は、固液分離装置１６に送り込まれる。この固液分離装置１６は、固体と液体を分離するための装置であり、例えばフィルタープレスなどの圧搾方式の固液分離装置を採用することができる。この固液分離装置１６が、本発明における「分離手段」に対応している。
酸糖液に含まれる糖炭化物は、固液分離装置１６によって酸糖液から分離・回収される。この回収された糖炭化物は、さまざまな用途に利用することが可能である。例えば、酸糖液から回収された糖炭化物は、活性炭の材料や、肥料の原料などに使用することが可能である。
他方で、糖炭化物が分離・回収された後の酸糖液は、回収タンク１７に回収される。木質系材料に添加する酸として硫酸を用いた場合には、回収タンク１７に回収される酸糖液は、糖成分が糖炭化物として分離されているので、ほとんどが希硫酸である。この回収タンク１７に回収された希硫酸は、濾過・濃縮などの必要な精製工程を経た後に、木質系材料に添加して酸糖液を得るための硫酸として再利用することが可能である。
【００２６】
以上説明したように、本発明に係る糖炭化物の回収装置１０は、酸糖液を圧送するための圧送ポンプ１８を加熱装置１４よりも上流側に設置している。したがって、圧送ポンプ１８としては、固液混合のスラリーを圧送するための特殊なポンプ（モーノポンプなど）を使用する必要がなく、ダイヤフラムポンプなどの汎用性のあるポンプを使用することができる。
また、加熱装置１４は、セラミック管１４ａ及びその周囲に配置されるヒータ１４ｂによって構成されており、セラミック管１４ａは縦置きに設置されているので、従来のように加熱装置を回分式のタンクなどで構成するよりも、装置全体がコンパクトになるという利点がある。
また、加熱装置１４は、セラミック管１４ａ及びその周囲に配置されるヒータ１４ｂによって構成されているので、酸糖液を加熱する際の加熱効率が高いという特徴がある。この場合、酸糖液を撹拌して加熱効率を高める必要性が小さいので、従来のように加熱装置に攪拌機などを設置する必要がないという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】糖炭化物の回収装置の構成を示す図である。
【図２】従来の糖炭化物の回収装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００２８】
１０ 糖炭化物の回収装置
１２ 貯留タンク
１４ 加熱装置
１４ａ セラミック管
１４ｂ ヒータ
１６ 固液分離装置
１７ 回収タンク
１８ 圧送ポンプ
２０ エアチャンバー
２２ インラインミキサー
２４ 貯水タンク
３０，３２，３４ 配管
【技術分野】
【０００１】
本発明は、木質系材料に含まれているセルロース成分を酸により加水分解して得られる酸糖液から、その酸糖液に溶解している糖成分を炭化して糖炭化物を回収する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
木材やケナフなどの木質系材料の中には、リグニン、ヘミセルロース、及びヘミセルロースがその構成成分として含まれており、植物資源の有効利用の観点から、これらの成分を分離して回収するための試みがこれまでになされている。例えば、特許文献１,２には、リグニン、ヘミセルロース、及びセルロースを含む木質系材料に対して、クレゾール及び酸（例えば硫酸）を順次添加するとともに、クレゾール及び酸の相分離現象を利用して、上相側のクレゾール相からはリグニン成分を回収するともに、下相側の酸相からは酸糖液（主に、酸によって、セルロース成分が加水分解して生成したグルコースなどの糖類が溶解している液）を回収することのできる技術が開示されている。この技術によれば、木質系材料からリグニン成分を分離して回収することができる。回収したリグニン成分は、接着剤やフィルムなどへ加工したり、あるいは、古紙から採取したパルプを固めて成形体を作るためのバインダ、などへの有効利用が可能である。
【０００３】
上述した従来の技術では、木質系材料からリグニン成分を回収して有効利用を図ることができる。しかし、木質系材料に含まれているもう一方の成分、すなわち、セルロース成分の有効利用については、十分になされているとは言い難い。そこで、木質系材料に含まれるセルロース成分をより有効に利用するために、セルロース成分を酸により加水分解して得られた酸糖液から、この酸糖液に溶解している糖成分を炭化して糖炭化物を回収する図２のような装置が提案されている。
【０００４】
図２は、酸糖液から糖炭化物を回収する装置の一例を示している。図２に示すように、糖炭化物の回収装置１００は、木質系材料に含まれているセルロース成分を酸により加水分解して得られた酸糖液を貯留しておく貯留タンク１１０と、前記貯留タンク１１０に貯留されている酸糖液を加熱する加熱装置１１２を備えている。前記加熱装置１１２によって酸糖液が加熱されると、その酸糖液に溶解している糖成分が炭化して糖炭化物が析出する。糖炭化物を含む酸糖液は、固液混合のスラリーとなっており、このスラリーとなっている酸糖液は、ポンプ１１４によって圧送されて固液分離装置１１６に送り込まれる。前記ポンプ１１４には、スラリー圧送用の特殊なポンプ（例えばモーノポンプなど）が使用される。前記固液分離装置１１６には、例えばフィルタープレスなどの圧搾方式の固液分離装置が使用される。また、前記貯留タンク１１０の材質には、加熱された酸糖液による腐食に耐え得る特殊な材質、例えば、ハステロイなどの特殊な金属が使用される。また、前記貯留タンク１１０の上部には、加熱されている酸糖液中に析出した糖炭化物を液中に拡散させるための攪拌機１１８が設置される。
【０００５】
【特許文献１】特許第２８９５０８７号公報
【特許文献２】特開２００１−６４４９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、図２に示す糖炭化物の回収装置１００によれば、貯留タンク１１０から固液分離装置１１６に送り込まれる酸糖液がスラリーとなっているために、この酸糖液を圧送するためのポンプ１１４として、モーノポンプなどの特殊なポンプを使用しなければならない。このモーノポンプは、樹脂製のローターの内部で、螺旋状に形成された金属製のステーターを回転させるものであり、ステーターの偏心回転によって生じるローターとステーターとの間の容積変化を利用することによって、酸糖液のような固体が入り混じっている移送物であっても定量的にかつ脈動させることなく圧送することが可能なポンプである。
【０００７】
しかし、モーノポンプは特殊な技術を要するために、製作コストが高価であるのみならず、メンテナンス作業も容易ではない。また、酸糖液のような腐食性のスラリーを圧送する場合には、ステーターの摩耗や腐食を抑えるために、ステーターの材質としてチタンやハステロイなどの特殊で高価な金属を採用しなければならない。
そこで本発明は、モーノポンプなどの特殊なポンプを使用する必要のない、酸糖液から糖炭化物を回収する装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するための手段は、以下の（１）〜（７）に記載した発明である。
（１）木質系材料に含まれているセルロース成分を酸により加水分解して得られる酸糖液から、その酸糖液に溶解している糖成分を炭化して糖炭化物を回収する装置であって、前記酸糖液を貯留しておく貯留手段と、前記酸糖液を加熱する加熱手段と、前記貯留手段から前記加熱手段に向けて前記酸糖液を圧送する圧送手段と、前記加熱手段により加熱された酸糖液中に生成する糖炭化物を分離する分離手段と、を備えることを特徴とする、糖炭化物の回収装置。
（２）上記（１）に記載の糖炭化物の回収装置であって、前記加熱手段と前記分離手段とを連結する配管が、前記加熱手段の上部に接続されており、前記加熱手段の内部で生成した糖炭化物を前記分離手段へ送り込むための送込み手段を有することを特徴とする、糖炭化物の回収装置。
（３）上記（１）または（２）に記載の糖炭化物の回収装置であって、前記圧送手段は、ダイヤフラム式のポンプであることを特徴とする、糖炭化物の回収装置。
（４）上記（１）から（３）のうちいずれに記載の糖炭化物の回収装置であって、 前記加熱手段は、管状の縦置き型加熱炉であることを特徴とする、糖炭化物の回収装置。
（５）上記（１）から（４）のうちいずれかに記載の糖炭化物の回収装置であって、前記加熱手段は、セラミック管及びそのセラミック管の周囲に配置されるヒータで構成されていることを特徴とする、糖炭化物の回収装置。
（６）上記（１）から（５）のうちいずれかに記載の糖炭化物の回収装置であって、前記加熱手段と前記分離手段とを連結する配管に、洗浄液を送り込むための配管が接続されていることを特徴とする、糖炭化物の回収装置。
（７）上記（６）に記載の糖炭化物の回収装置であって、前記加熱手段と前記分離手段とを連結する配管の中に、インラインミキサーが設置されていることを特徴とする、糖炭化物の回収装置。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、モーノポンプなどの特殊なポンプを使用することなく、酸糖液から糖炭化物を回収する装置を構築することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明は、木質系材料に含まれているセルロース成分を酸により加水分解して得られる酸糖液から、その酸糖液に溶解している糖成分を炭化して糖炭化物を回収する装置に関するものである。より具体的には、例えば、木質系材料に含まれているセルロース成分を硫酸により加水分解して得られる硫酸糖液から、その硫酸糖液に溶解している糖成分を炭化して糖炭化物を回収する装置に関するものである。加水分解に用いる酸は、硫酸、リン酸、硝酸など、どのような酸を用いても良いが、この中では硫酸が好ましい。これらのうち２種以上の酸を混合して用いることも可能である。例えば、リン酸と硫酸を混合して用いることが可能である。セルロース成分を酸により加水分解して得られた糖液を、酸糖液と呼ぶ。セルロース成分を硫酸により加水分解して得られた糖液を、硫酸糖液と呼ぶ。酸糖液あるいは硫酸糖液には、酸や糖成分以外のその他の成分が含まれていても良い。
【００１１】
本発明における「木質系材料」とは、リグニンとヘミセルロースとセルロースとを含有するリグノセルロース系材料のことである。「木質」という単語をその名称に付しているが、木材に限らず、草本類からも採取することが可能である。このような木質系材料は、例えば、スギ、ヒノキ、ブナなどの各種の樹木から採取することが可能である。また、ケナフの茎、トウモロコシ、サトウキビ、麻、イグサ、イネなどの草本類から採取することが可能である。あるいは、家屋解体物、家具解体物、木屑、間伐材、籾殻、木粉、古紙、剪定枝、刈り草、落ち葉、サトウキビの圧搾滓（バガス）などの産業廃棄物から採取することも可能である。
【００１２】
木質系材料に対してフェノール誘導体及び酸を添加し混合することによって、その木質系材料に含まれるリグノセルロース系物質をリグニン成分及びセルロース成分（セルロース、ヘミセルロース）に分離することができる。前記フェノール誘導体としては、例えばクレゾールを使用することができる。前記酸としては、例えば硫酸を使用することができる。
木質系材料に対して酸を添加すると、その木質系材料に含まれるセルロース成分は膨潤し、さらに部分的な加水分解及び溶解が生じ、結果として細胞壁構造が破壊される。セルロース成分と酸との反応がさらに進行すると、セルロース成分はグルコースなどの糖類（炭水化物）に分解されて酸の中に溶解する。セルロース成分の加水分解により得られる糖類が溶解した酸は、「酸糖液」と呼ばれる。本発明に係る酸糖液の回収装置１０は、この酸糖液に溶解している糖類を炭化して糖炭化物を回収する装置である。
【００１３】
図１は、本発明に係る糖炭化物の回収装置１０の構成を示している。
図１に示すように、糖炭化物の回収装置１０は、酸糖液を貯留するための貯留タンク１２と、酸糖液を加熱するための加熱装置１４と、酸糖液から糖炭化物を分離するための固液分離装置１６と、を備えている。貯留タンク１２は配管３０を介して加熱装置１４に連結されている。配管３０の途中には、貯留タンク１２に貯留されている酸糖液を加熱装置１４に圧送する圧送ポンプ１８が設置されている。この圧送ポンプ１８の下流側には、圧送ポンプ１８の作動に伴う移送物の脈動を吸収するためのエアチャンバー２０が設置されている。
【００１４】
貯留タンク１２は、木質系材料に含まれるセルロース成分を酸により加水分解して得られる酸糖液を貯留しておくための槽である。この貯留タンク１２が、本発明における「貯留手段」に対応している。この貯留タンク１２の槽本体１２ａの材質としては、内部に貯留している酸糖液からの腐食を防ぐために、例えばステンレス鋼などの耐腐食性の金属材料や、ＦＲＰなどの樹脂材料が使用される。ただし、この貯留タンク１２は、加熱されている酸糖液を貯留するわけではないので、例えば熱濃硫酸に耐えうるような特殊な金属材料（例えばハステロイなど）を使用する必要はない。また、この貯留タンク１２では、酸糖液がまだ加熱されていない状態であり、酸糖液の中に糖炭化物が析出していないので、その糖炭化物を液中に拡散させるための攪拌機などを設置する必要がない。
【００１５】
加熱装置１４は、貯留タンク１２から圧送ポンプ１８によって圧送されてきた酸糖液を加熱するための装置である。この加熱装置１４が、本発明における「加熱手段」に対応している。この加熱装置１４は、管状の縦置き型の加熱炉として構成されている。すなわち、加熱装置１４は、円管状のセラミック管１４ａと、そのセラミック管１４ａの周囲に配置されているヒータ１４ｂによって構成されている。ヒータ１４ｂによってセラミック管１４ａが加熱されることによって、そのセラミック管１４ａの内部を流れる酸糖液が加熱される。セラミック管１４ａの材料としては、耐熱性のセラミックス材料、例えば、アルミナやシリカなどが使用される。前記ヒータ１４ｂとしては、例えば、ニクロム線により構成される電熱式のヒータなどが使用される。
【００１６】
図１に示すように、加熱装置１４は、セラミック管１４ａが縦置きに設置されるとともに、そのセラミック管１４ａの下部に配管が３０が接続される。そして、縦置きに設置されたセラミック管１４ａの内部を、圧送ポンプ１８により送り込まれる酸糖液が下部から流入して上向きに流れるようになっている。加熱装置１４による酸糖液の加熱温度は、セラミック管１４ａの出口部１４ｃにおける酸糖液の温度が例えば６０℃以上１００℃以下（より好ましくは７０℃以上９０℃以下）となるように制御される。
【００１７】
酸糖液が加熱装置１４によって加熱されると、その酸糖液中に溶解している糖成分（グルコースなどの単糖類）が炭化して糖炭化物が析出する。この糖炭化物は、酸糖液の加熱時に発生したガスを抱き込んでいるので、セラミック管１４ａの内部において上方に浮上する。また、木質系材料に加える酸として硫酸を用いた場合には、硫酸の比重が高いために、セラミック管１４ａの内部において糖炭化物が浮上する。本発明では、このように、糖炭化物をセラミック管１４ａの内部において積極的に浮上させている。したがって、酸糖液及び糖炭化物は、縦置きに設置されているセラミック管１４ａの内部を上方に向けて速やかに流れるようになっている。また、セラミック管１４ａは縦置きに設置されているために、管内を流れる酸糖液との接触効率が高く、酸糖液を効率的に加熱できるようになっている。
【００１８】
圧送ポンプ１８は、貯留タンク１２に貯留されている酸糖液を加熱装置１４に圧送するためのポンプである。この圧送ポンプ１８が、本発明における「圧送手段」に対応している。
この圧送ポンプ１８は、加熱装置１４に向けて酸糖液を圧送するためのポンプである。本実施例では、この圧送ポンプ１８として、ダイヤフラム式のポンプを使用することが可能になっている。なぜならば、酸糖液が加熱装置１４よって加熱されていない段階であり、酸糖液の中には糖炭化物が析出していないので、圧送ポンプ１８として固液混合のスラリーを圧送するための特殊なポンプ（例えばモーノポンプ）を使用する必要がないからである。
【００１９】
酸糖液を圧送するための圧送ポンプ１８としては、ダイヤフラムポンプを使用することができる。なぜならば、酸糖液は糖炭化物などの固体を含んでいないので、ダイヤフラムポンプを使用した場合であっても、ポンプ内の吸込弁１８ａや吐出弁１８ｂに固体が挟まることがないからである。
圧送ポンプ１８としてダイヤフラムポンプを使用した場合には、例えばモーノポンプを使用した場合よりも、製作コストが極めて安価になる。また、ダイヤフラムポンプは、モーノポンプよりも汎用的であるので、消耗品などの部品の調達が容易であり、メンテナンスコストも少なくて済む。ダイヤフラムポンプを使用する場合、ダイヤフラム（隔膜）の材質としては、ゴムやＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）などを採用することができる。
また、圧送ポンプ１８としてダイヤフラムポンプを使用した場合には、ダイヤフラム（隔膜）の往復に伴って移送物に脈動が生じるのが通常であるが、本実施例では、配管３０の途中にエアチャンバー２０が設置されているので、このような移送物の脈動が吸収されるようになっている。
【００２０】
加熱装置１４と固液分離装置１６とは、配管３２によって連結されている。この配管３２は、加熱装置１４の上部に接続されている。加熱装置１４によって酸糖液が加熱されると、加熱装置１４を構成するセラミック管１４ａの内部では、糖炭化物が生成する。生成した糖炭化物は、配管３２を通って、固液分離装置１６に送り込まれる。本発明において、糖炭化物を固液分離装置１６に送り込むための送り込み手段としては、圧送ポンプ１８を利用することができる。すなわち、圧送ポンプ１８の作動によって生じる圧力によって、加熱装置１４の内部で生成した糖炭化物を固液分離装置１６に送り込むことができる。糖炭化物を送り込むための送り込み手段としては、その他にも、例えば、貯水タンク２４に貯留されている水が配管３２の内部を流れるときの負圧を利用したり、あるいは、固液分離装置１６に吸引装置を設けるなどの方法をとることもできる。
【００２１】
また、加熱装置１４と固液分離装置１６とを連結する配管３２の途中には、貯水タンク２４に貯留されている洗浄液としての水を送り込むための配管３４が接続されている。また、加熱装置１４と固液分離装置１６とを連結する配管３２の中には、配管３２内を流れる水、糖炭化物、及び酸糖液を撹拌するためのインラインミキサー２２が設けられている。このインラインミキサー２２は、配管３２の内部に設置される静止型の混合器であって、スタティックミキサーとも呼ばれるものである。このインラインミキサー２２は、ポリプロピレンなどの樹脂、あるいは、ステンレスなどの金属により形成される。インラインミキサー２２の形状は、特に制限するものではないが、例えばスパイラル型の羽根形状を採用することができる。
【００２２】
糖炭化物の回収装置１０は、水を貯留するための貯水タンク２４を備えている。この貯水タンク２４は、配管３４を介して、加熱装置１４と固液分離装置１６とを連結する配管３２に接続されている。配管３４は貯水タンク２４の下部に接続されており、この配管３４の途中には、貯水タンク２４に貯留されている水を圧送するための圧送ポンプ２６と、圧送ポンプ２６の作動に伴う移送物の脈動を吸収するためのエアチャンバー２８が設置されている。本実施例において、圧送ポンプ２６には、ダイヤフラムポンプが使用されている。
【００２３】
貯水タンク２４に貯留されている水は、圧送ポンプ２６によって圧送されて、インラインミキサー２２の入口部に送り込まれる。このインラインミキサー２２の入口部では、加熱装置１４からの配管３２と、貯水タンク２４からの配管３４が合流している。加熱装置１４によって加熱された酸糖液は、貯水タンク２４から送り込まれる水と合流して、インラインミキサー２２によって混合・撹拌される。また、加熱装置１４の内部で生成した糖炭化物は、配管３２に送り込まれる水とともに、固液分離装置１６に送り込まれる。
【００２４】
酸糖液と水とがインラインミキサー２２によって混合・撹拌されることによって、酸糖液の温度が下がるとともに、酸糖液の濃度が低下する。これにより、配管３２の材質として、熱濃酸に耐えうるような特殊な材質（例えばハステロイなど）を使用する必要がなくなる。例えば、配管３２の材質としては、ＳＵＳ３０４やＳＵＳ３１６Ｌなどの通常のステンレス鋼を使用することが可能になる。
【００２５】
インラインミキサー２２によって水と混合・撹拌された酸糖液は、固液分離装置１６に送り込まれる。この固液分離装置１６は、固体と液体を分離するための装置であり、例えばフィルタープレスなどの圧搾方式の固液分離装置を採用することができる。この固液分離装置１６が、本発明における「分離手段」に対応している。
酸糖液に含まれる糖炭化物は、固液分離装置１６によって酸糖液から分離・回収される。この回収された糖炭化物は、さまざまな用途に利用することが可能である。例えば、酸糖液から回収された糖炭化物は、活性炭の材料や、肥料の原料などに使用することが可能である。
他方で、糖炭化物が分離・回収された後の酸糖液は、回収タンク１７に回収される。木質系材料に添加する酸として硫酸を用いた場合には、回収タンク１７に回収される酸糖液は、糖成分が糖炭化物として分離されているので、ほとんどが希硫酸である。この回収タンク１７に回収された希硫酸は、濾過・濃縮などの必要な精製工程を経た後に、木質系材料に添加して酸糖液を得るための硫酸として再利用することが可能である。
【００２６】
以上説明したように、本発明に係る糖炭化物の回収装置１０は、酸糖液を圧送するための圧送ポンプ１８を加熱装置１４よりも上流側に設置している。したがって、圧送ポンプ１８としては、固液混合のスラリーを圧送するための特殊なポンプ（モーノポンプなど）を使用する必要がなく、ダイヤフラムポンプなどの汎用性のあるポンプを使用することができる。
また、加熱装置１４は、セラミック管１４ａ及びその周囲に配置されるヒータ１４ｂによって構成されており、セラミック管１４ａは縦置きに設置されているので、従来のように加熱装置を回分式のタンクなどで構成するよりも、装置全体がコンパクトになるという利点がある。
また、加熱装置１４は、セラミック管１４ａ及びその周囲に配置されるヒータ１４ｂによって構成されているので、酸糖液を加熱する際の加熱効率が高いという特徴がある。この場合、酸糖液を撹拌して加熱効率を高める必要性が小さいので、従来のように加熱装置に攪拌機などを設置する必要がないという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】糖炭化物の回収装置の構成を示す図である。
【図２】従来の糖炭化物の回収装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００２８】
１０ 糖炭化物の回収装置
１２ 貯留タンク
１４ 加熱装置
１４ａ セラミック管
１４ｂ ヒータ
１６ 固液分離装置
１７ 回収タンク
１８ 圧送ポンプ
２０ エアチャンバー
２２ インラインミキサー
２４ 貯水タンク
３０，３２，３４ 配管
【特許請求の範囲】
【請求項１】
木質系材料に含まれているセルロース成分を酸により加水分解して得られる酸糖液から、その酸糖液に溶解している糖成分を炭化して糖炭化物を回収する装置であって、
前記酸糖液を貯留しておく貯留手段と、
前記酸糖液を加熱する加熱手段と、
前記貯留手段から前記加熱手段に向けて前記酸糖液を圧送する圧送手段と、
前記加熱手段により加熱された酸糖液中に生成する糖炭化物を分離する分離手段と、を備えることを特徴とする、糖炭化物の回収装置。
【請求項２】
請求項１に記載の糖炭化物の回収装置であって、
前記加熱手段と前記分離手段とを連結する配管が、前記加熱手段の上部に接続されており、
前記加熱手段の内部で生成した糖炭化物を前記分離手段へ送り込むための送込み手段を有することを特徴とする、糖炭化物の回収装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の糖炭化物の回収装置であって、
前記圧送手段は、ダイヤフラム式のポンプであることを特徴とする、糖炭化物の回収装置。
【請求項４】
請求項１から請求項３のうちいずれか１項に記載の糖炭化物の回収装置であって、
前記加熱手段は、管状の縦置き型加熱炉であることを特徴とする、糖炭化物の回収装置。
【請求項５】
請求項１から請求項４のうちいずれか１項に記載の糖炭化物の回収装置であって、
前記加熱手段は、セラミック管及びそのセラミック管の周囲に配置されるヒータで構成されていることを特徴とする、糖炭化物の回収装置。
【請求項６】
請求項１から請求項５のうちいずれか１項に記載の糖炭化物の回収装置であって、
前記加熱手段と前記分離手段とを連結する配管に、洗浄液を送り込むための配管が接続されていることを特徴とする、糖炭化物の回収装置。
【請求項７】
請求項６に記載の糖炭化物の回収装置であって、
前記加熱手段と前記分離手段とを連結する配管の中に、インラインミキサーが設置されていることを特徴とする、糖炭化物の回収装置。
【請求項１】
木質系材料に含まれているセルロース成分を酸により加水分解して得られる酸糖液から、その酸糖液に溶解している糖成分を炭化して糖炭化物を回収する装置であって、
前記酸糖液を貯留しておく貯留手段と、
前記酸糖液を加熱する加熱手段と、
前記貯留手段から前記加熱手段に向けて前記酸糖液を圧送する圧送手段と、
前記加熱手段により加熱された酸糖液中に生成する糖炭化物を分離する分離手段と、を備えることを特徴とする、糖炭化物の回収装置。
【請求項２】
請求項１に記載の糖炭化物の回収装置であって、
前記加熱手段と前記分離手段とを連結する配管が、前記加熱手段の上部に接続されており、
前記加熱手段の内部で生成した糖炭化物を前記分離手段へ送り込むための送込み手段を有することを特徴とする、糖炭化物の回収装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の糖炭化物の回収装置であって、
前記圧送手段は、ダイヤフラム式のポンプであることを特徴とする、糖炭化物の回収装置。
【請求項４】
請求項１から請求項３のうちいずれか１項に記載の糖炭化物の回収装置であって、
前記加熱手段は、管状の縦置き型加熱炉であることを特徴とする、糖炭化物の回収装置。
【請求項５】
請求項１から請求項４のうちいずれか１項に記載の糖炭化物の回収装置であって、
前記加熱手段は、セラミック管及びそのセラミック管の周囲に配置されるヒータで構成されていることを特徴とする、糖炭化物の回収装置。
【請求項６】
請求項１から請求項５のうちいずれか１項に記載の糖炭化物の回収装置であって、
前記加熱手段と前記分離手段とを連結する配管に、洗浄液を送り込むための配管が接続されていることを特徴とする、糖炭化物の回収装置。
【請求項７】
請求項６に記載の糖炭化物の回収装置であって、
前記加熱手段と前記分離手段とを連結する配管の中に、インラインミキサーが設置されていることを特徴とする、糖炭化物の回収装置。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２００６−３０６６４９（Ｐ２００６−３０６６４９Ａ）
【公開日】平成１８年１１月９日（２００６．１１．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−１２９６９６（Ｐ２００５−１２９６９６）
【出願日】平成１７年４月２７日（２００５．４．２７）
【出願人】（０００１１０３２１）トヨタ車体株式会社 (1,272)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年１１月９日（２００６．１１．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年４月２７日（２００５．４．２７）
【出願人】（０００１１０３２１）トヨタ車体株式会社 (1,272)
【Ｆターム（参考）】
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