JP2006263570A - バイオマス分解方法及び分解装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 バイオマス例えば木質系又は草本系植物質を原料として、化学的な分解反応、酵素反応、化学反応、インターカレーション、非結晶化などにより有用な物質を生成させる際に、効率よく反応を行わせるための予備的な処理を施して活性化する方法を提供する。
【解決手段】 バイオマスを高温高圧流体の存在下でメカノケミカル反応に付するバイオマス分解方法であって、両側板の回転中心に一致する位置にバイオマス導入口及び分解生成物排出口を設けた耐熱耐圧回転ドラム、それを回転するための駆動手段、ドラム内に装填した粉砕媒体及び回転ドラムの周囲に配置した加熱手段から構成された分解装置を用いる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、バイオマス例えば木質系又は草本系物質を効率よく分解し、各種の有用な有機物質を製造するための方法及び装置に関するものである。

木質系や草本系のバイオマスはセルロース成分やヘミセルロースがリグニンと複合化してリグノセルロース等形成しているため、その中に含まれている有用成分を効率よく取り出して利用する場合には、あらかじめリグニンとセルロースやヘミセルロースを分離しておく必要がある。

そして、このようにバイオマスを利用する際に、リグニンと他の成分を分離することは、これまでも行われており、例えばリグノセルロースを水蒸気処理してその一部を有機溶媒可溶性成分に変える方法（特許文献１参照）、パルプスラッジに水熱反応を施して分解し、水溶性糖類を形成させる方法（特許文献２参照）、セルロース粉末を加圧熱水により加水分解して水溶性オリゴ糖を製造する方法（特許文献３参照）、木質系バイオマスに亜臨界水を作用させて可溶化する方法（特許文献４参照）などが提案されている。

しかしながら、これらの方法においては、リグノセルロースをリグニンとセルロースに分離することを特に意識せずに、バイオマスを粉砕する工程に続き、直接セルロースの分解反応を行わせている。したがって、粉砕工程において十分なリグニンとセルロースとの分離が行われないままセルロースとリグニンとが強固に結合した状態で可溶性成分の形成が行われるため、反応効率が低く長時間の処理を必要とすることを免れず、また場合により不必要に処理を続ける結果、過分解を起すおそれもある。

そのほか、超臨界状態又は亜臨界状態の水を用いてセルロースを加水分解処理し、グルコースを製造する方法（特許文献５、６参照）や、加温下に粉砕媒体を用いて湿式トナーを製造する方法（特許文献７参照）も提案されているが、これらの方法においてもリグノセルロースをあらかじめリグニンとセルロースに分解することについての配慮は全くなされていない。

他方、木質系有機物をメカノケミカル処理して有用な材料を製造する方法として、木質系廃棄物とポリオレフィンとマレイン酸又は無水マレイン酸変性ポリオレフィンの混合物を、１２０〜１９０℃において実質上複合化が完了するまで機械的粉砕処理を行なって、木質−プラスチック複合材料を製造する方法が提案されている（特許文献８参照）。

しかしながら、この方法はプラスチックと木質とを強固に結合させるために、マレイン酸又は無水マレイン酸変性ポリオレフィンという特殊なバインダーを用いることが必要であり、このため全体としてコスト高になるのを避けられず、大量に排出される木質系廃棄物の処理方法としての実用化を阻む大きな理由となっていた。

特開２００４−２４３５４１号公報（特許請求の範囲その他） 特開２００１−７９５９５号公報（特許請求の範囲その他） 特開平１０−３２７９００号公報（特許請求の範囲その他） 特開２００３−１１７５２６号公報（特許請求の範囲その他） 特開平５−３１０００号公報（特許請求の範囲その他） 特開平１０−３２７９００号公報（特許請求の範囲その他） 特開平５−３３３６０６号公報（特許請求の範囲その他） 特開２００２−２２５０１１号公報（特許請求の範囲その他）

本発明は、バイオマス例えば木質系又は草本系植物質を原料として、化学的な分解反応、酵素反応、化学反応、インターカレーション、非結晶化などにより有用な物質を生成させる際に、効率よく反応を行わせるための予備的な処理を施して活性化する方法を提供することを目的としてなされたものである。

本発明者らは、バイオマスを高い変換効率で分解し、あるいは反応し得るようにあらかじめ活性化することについて種々研究を重ねた結果、バイオマスに対し、化学的、物理学的又は微生物学的な処理を施して、これから種々の有用な物質を製造する際に、あらかじめ機械的な粉砕処理を行い、その主成分として存在するリグノセルロースをメカノケミカル的に分解してリグニンとセルロースとに分離させれば、化学的、物理的あるいは生物学的処理に対する活性が著しく向上することを見出し、この知見に基づいて本発明をなすに至った。

すなわち、本発明は、バイオマスを高温高圧流体の存在下でメカノケミカル反応に付することを特徴とするバイオマス分解方法、両側板の回転中心に一致する位置にバイオマス導入口及び分解生成物排出口を設けた耐熱耐圧回転ドラム、それを回転するための駆動手段、ドラム内に装填した粉砕媒体及び回転ドラムの周囲に配置した加熱手段から構成されたことを特徴とするバイオマス分解装置、及び粉砕媒体を内填した振とう型オートクレーブからなるバイオマス分解装置を提供するものである。

本発明方法において、原料として用いられるバイオマスについては、特に制限はないが、木質系又は草本系植物質が好ましい。この木質系バイオマスとしては、例えば間伐材、製材屑、解体家屋残材、木材加工屑、家具廃材などがあり、また草本系植物質としては、例えばバガス、籾殻、稲わら、麦わら、竹、コウリャン茎、パイナップルやバナナの葉、ココナッツヤシ殻、サトウキビ茎、米糠などがある。

これらのバイオマスは、メカノケミカル反応を行わせやすいように、あらかじめ３０ｍｍ以下のサイズに粗粉砕しておくのが好ましい。この粗粉砕はハンマーミル、ロータリーミル、クラッシャーなどの通常の粗粉砕加工に慣用されている粉砕機を用いて行うことができる。

本発明方法は、密閉条件下で粉砕を行うことができ、かつ加熱手段例えば加温ヒーターを付設した粉砕機を用いて行われる。この粉砕機としては、回転数最大３００ｒｐｍのミル振とう速度を有するロータリー式振とう機、粉砕媒体を内填した耐熱耐圧ドラムなどが好ましいが、それ以外の粉砕機例えばメカノケミカル反応によく用いられる遊星型ボールミルなどを用いることができる。

本発明方法は、水、二酸化炭素及び有機溶剤の中から選ばれる少なくとも１種の気体状又は液体状の流体を高温、高圧に維持した雰囲気中で行われる。この場合の温度としては、１００〜３３０℃、好ましくは１００〜２３０℃、圧力としては０．１〜１５ＭＰａ、好ましくは０．１〜５ＭＰａであり、また、気体状流体を用いる場合には、使用温度における飽和蒸気圧が好ましい。

上記の有機溶剤としては、例えば脂肪族、脂環族又は芳香族炭化水素のような不活性溶剤やメタノール、エタノール、プロパノール、エチレングリコール、ジエチレングリコールなどのアルコール類又はそのアルキルエーテルなどが用いられる。

本発明方法においては、メカノケミカル反応を行わせる場合に、必要に応じて、シュウ酸、ギ酸のような酸性物質、アルカリ金属、アルカリ土類金属又はその化合物、有機アミン類などのアルカリ性の物質、酸素、過酸化水素類、オゾンのような酸化性物質を存在させることもできる。

このようにして、本発明方法を行うことにより、バイオマスの各成分特にリグノセルロースが、可溶化、膨潤、インターカレーション、非結晶化などを起こし、相互分離するとともに、分離した成分分子内の結合が解裂し、分子レベルでの活性化を行わせることができる。

本発明方法は、所望に応じ、メカノケミカル反応の進行段階に応じて、その段階における生成物を反応系から順次分離回収しながら行うこともできる。例えば、バイオマス中のリグノセルロースをリグニンとセルロースに分離した段階でリグニン又はセルロースを分離回収し、次にセルロースを分解して糖類が生成した段階で糖類を分離回収し、糖類を分解してアルデヒド類、カルボン酸類、フルフラールなどが生成した段階でこれらを分離回収することにより多種目の生成物を得ることができる。

次に、添付図面に従って本発明方法を実施するのに好適な装置について説明する。
図１は、内部に粉砕媒体を装填した回転式バイオマス分解装置の１例の断面説明図である。この装置は、両方の端部を側板２、３により閉塞した、耐熱耐圧回転ドラム１を主体として形成されている。この一方の側板２にはバイオマス導入口４が、他方の側板３には分解生成物取出口５がそれぞれの回転中心に一致する位置に設けられている。

バイオマスＡは、導入口４を通って回転ドラム１内に供給され、開閉バルブ６及び７が閉止された状態で、ドラム外部の加熱手段９例えばヒーターにより所定の温度に加熱される。回転ドラム１の内部には粉砕媒体８，…、例えば耐熱、耐食性材料で形成されたボール又はロッドが装填されており、ドラムが回転するとバイオマスは粉砕されるとともにメカノケミカル反応が進行する。

反応が十分に行われたならば取出バルブ７を開放し、生成物を取り出す。このようにして、バイオマスの分解生成物が得られる。この際の回転ドラム内に装填する粉砕媒体８，…としては、ボールやロッドなどを用いることができるが、粉砕とカットを同時に行うことができるカッターロッドを用いるのが有利である。この粉砕媒体８，…は所望に応じ種類の異なるものを２種以上混合して用いてもよい。

この形式のバイオマス分解装置においては、バルブ６及び７の開閉をコンピューター制御して、導入口２からの原料と流体の導入及び取出口３からの生成物の取出しを継続的に行うことにより連続的な自動操作が可能になる。

次に図２は、振とう型オートクレーブからなるバッチ式のバイオマス分析装置の１例の断面説明図である。この図において、バイオマス分解装置は、容器本体１１と蓋部１２から構成され、その容器内部１１には、粉砕媒体１３，…が装入されている。この粉砕媒体としては、上記の回転式バイオマス分解装置の場合と同じものを用いることができる。

この装置を用いてバイオマスを分解するには、原料バイオマスＡの所定量を流体例えば水とともに、容器内部に装入し、蓋部１２を気密的に密閉し、外部から加熱しながら振とうする。これにより、バイオマスＡは粉砕媒体１３，…との摩擦衝突により破砕されながら、高温高圧状態を発生し、メカノケミカル的に活性化し、分解が促進される結果、効率よく分解生成物を形成する。
十分に反応したならば冷却したのち蓋部１２を取りはずし、内容物を取り出す。

本発明によれば簡単な方法でバイオマスを効率よく分解し、各種の有用な物質を製造することができる。

次に、実施例により本発明を実施するための最良の形態を説明するが、本発明はこれらの例によりなんら限定されるものではない。

図１に示す構造をもつ外径３００ｍｍ、長さ３５０ｍｍのステンレス鋼製メカノケミカル処理装置に、約３０ｍｍサイズに粗粉砕したユーカリ材粒状体２００ｇと熱水１００ｇを装入し、さらに１２０℃の高温水蒸気を導入し、密閉状態において２２０±２℃の高温に加熱し、１０分間、３００ｒｐｍで回転させながら反応させた。反応終了後、室温で１時間放冷したのち、生成したユーカリ粉末と水溶液を取り出した。このようにして得た水溶液について、その含有成分を分析したところ、ヘミセルロース分解物のほかに、リグニン約３０質量％及び少量の灰分の存在が認められた。
また、水溶液を除いたユーカリ粉砕物には、セルロース以外にリグニン約４０質量％及び少量の灰分の存在が認められた。
通常の粉砕処理を行った後で水熱処理を行う従来の方法によると、同じ結果を得るため、同程度の可溶化成分含有量の水溶液を得るために要する粉砕処理に３０分、その後の水熱処理に２０分程度の約５０分を要するので、本発明方法が非常に効率のよいことが分る。

本発明方法は、バイオマスを原料として各種有用物質を製造するのに有用である。

本発明方法を実施するための回転ドラム型分解装置の１例の断面説明図。 本発明方法を実施するための振とうオートクレーブ型分解装置の１例の断面説明図。

符号の説明

１ 耐熱耐圧回転ドラム
２、３ 側板
４ バイオマス導入口
５ 分解生成物取出口
６、７ 開閉バルブ
８ 粉砕媒体
９ 加熱手段
１１ 容器本体
１２ 蓋部
１３ 粉砕媒体
Ａ バイオマス

Claims (8)

1. バイオマスを高温高圧流体の存在下でメカノケミカル反応に付することを特徴とするバイオマス分解方法。
2. バイオマスが木質系又は草本系植物質である請求項１記載のバイオマス分解方法。
3. 高温高圧流体が水、二酸化炭素及び有機溶剤の中から選ばれる少なくとも１種の気体状又は液体状の流体である請求項１又は２記載のバイオマス分解方法。
4. 酸、アルカリ又は酸化剤を添加して行う請求項１、２又は３記載のバイオマス分解方法。
5. メカノケミカル反応の進行段階に従って、生成物を反応系から順次分離回収する請求項１ないし３のいずれかに記載のバイオマス分解方法。
6. 両側板の回転中心に一致する位置にバイオマス導入口及び分解生成物排出口を設けた耐熱耐圧回転ドラム、それを回転するための駆動手段、ドラム内に装填した粉砕媒体及び回転ドラムの周囲に配置した加熱手段から構成されたことを特徴とするバイオマス分解装置。
7. 粉砕媒体を内填した振とう型オートクレーブからなるバイオマス分解装置。
8. 粉砕媒体がボール、ロッド及びカッターロッドの中から選ばれた少なくとも１種である請求項６又は７記載のバイオマス分解装置。