JP2014000071A - Device and method for manufacturing cellulosic biomass hydrolysate by two-step acid treatment process - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、二段階の酸処理工程によるセルロース系バイオマスの加水分解物の生産装置及び製造方法に関する。より詳細には、セルロース系バイオマスの主成分であるセルロースとヘミセルロースをフロー式(flow type)の酸処理工程によりグルコースとキシロースを生産する方法及び装置に関する。特に、高温の1次反応器に酸溶媒を供給して1次加水分解を誘導することでオリゴマー形態の液状炭水化物を抽出する段階と、低温の2次反応器でオリゴマー形態の炭水化物の2次加水分解を誘導することで最終のモノマー形態の炭水化物を生産する段階を含む装置及び方法に関する。 The present invention relates to an apparatus and a method for producing a hydrolyzate of cellulosic biomass by a two-stage acid treatment process. More specifically, the present invention relates to a method and an apparatus for producing glucose and xylose from cellulose and hemicellulose, which are main components of cellulosic biomass, by a flow type acid treatment process. In particular, an acid solvent is supplied to a high temperature primary reactor to induce primary hydrolysis to extract an oligomeric liquid carbohydrate, and a secondary water addition of an oligomeric carbohydrate in a low temperature secondary reactor. The invention relates to an apparatus and method comprising inducing degradation to produce a final monomeric form of carbohydrate.
化石燃料の過剰使用による資源の枯渇及び環境汚染への憂慮が深まっているのに伴い、安定的で、かつ、持続的にエネルギーを生産することができる新再生代替エネルギーが世界的な話題となっている。このような代替エネルギーの開発の一つとして、バイオマスからバイオエネルギー(bioenergy)及び化学製品を生産する技術が注目されていている。 With the growing concern about resource depletion and environmental pollution due to excessive use of fossil fuels, new renewable alternative energy that can produce energy stably and continuously has become a global topic. ing. As one of the developments of such alternative energy, a technology for producing bioenergy and chemical products from biomass has attracted attention.
一方、バイオマスによるバイオ変換(bio conversion)工程の主な部分は、効率的に炭水化物、糖(carbohydrate、Sugar)を生産することである。 Meanwhile, the main part of the bioconversion process with biomass is to efficiently produce carbohydrates and sugars.
「バイオマス」とは、太陽光を利用して二酸化炭素を固定する炭素同化過程、即ち、光合成過程により生合成される糖類及びこれを含む生物体全般をいう。例えば、地球上で最も豊富で枯渇せず再生可能な植物資源として、セルロース系バイオマスの一つである木質資源のリグノセルロース(lignocelluloses)がある。リグノセルロースは、難分解性の芳香族重合体であるリグニン(lignin)、炭水化物であるセルロース(cellulose)及びヘミセルロース(hemicellulose)の複合体であり、狭い意味でのバイオマス(biomass)と呼ばれている(Perlack et al.,2005)。 “Biomass” refers to a carbon assimilation process in which carbon dioxide is fixed using sunlight, that is, a saccharide biosynthesized by a photosynthesis process and an organism including the same. For example, one of the most abundant and renewable plant resources on the earth is a woody resource, lignocellulose, which is one of cellulosic biomass. Lignocellulose is a complex of lignin, a hard-to-decompose aromatic polymer, cellulose (cellulose) and hemicellulose (hemicellulose), and is called biomass in a narrow sense. (Perlack et al., 2005).
また、バイオマスから生産されるアルコール、ディーゼル、水素のような各種の燃料を総称して一般的にバイオエネルギー(bioenergy)という。 In addition, various fuels such as alcohol, diesel, and hydrogen produced from biomass are generally referred to as bioenergy.
リグノセルロースのうち重要成分であるセルロースは、グルコースがβ-1、4結合で連結され、安定した形態の直線構造の多糖類であり、グルコースがα-1、4結合で連結された螺旋構造のアミロース(amylose)より、自然状態で物理的及び化学的に丈夫な構造となっている。 Cellulose, which is an important component of lignocellulose, is a polysaccharide with a stable linear structure in which glucose is linked by β-1,4 bonds, and has a helical structure in which glucose is linked by α-1,4 bonds. It has a structure that is physically and chemically stronger than amylose in the natural state.
リグノセルロースを構成する他の主要多糖類であるヘミセルロースは、セルロースより糖の重合度(degree of polymerization)が低い多糖類である。ヘミセルロースは、主に5炭糖であるキシロース(xylose)の重合体で構成されるが、その他、5炭糖であるアラビノース(arabinose)、6炭糖であるマンノース(mannose)、ガラクトース(galactose)、グルコースなどの重合体から構成される。このようなヘミセルロースは、セルロースに比べ、重合度が低く、構造の規則性が低く、物理化学的処理により比較的簡単に分解される特徴がある。 Hemicellulose, which is another main polysaccharide constituting lignocellulose, is a polysaccharide having a lower degree of sugar polymerization than cellulose. Hemicellulose is mainly composed of a polymer of xylose, which is a pentose, but in addition, arabinose, which is a pentose, mannose, galactose, which is a hexose, It is composed of a polymer such as glucose. Such hemicellulose is characterized by a lower degree of polymerization and lower structural regularity than cellulose, and is relatively easily decomposed by physicochemical treatment.
リグニン(lignin)は、疏水性を帯びており、巨大な分子量及び複雑な構造を有する重合体である。リグニンは、植物体が外部からの様々な生化学攻撃及び接近、例えば、カビのような微生物及び昆虫から保護するために生成されるものと考えられている。リグニンは、自然に又は化学的に強い耐久性を有しており、自然界に存在している天然化合物の中で最も分解しにくい物質と考えられている。 Lignin is a polymer that is hydrophobic and has a large molecular weight and a complex structure. Lignin is believed to be produced in order to protect plants from various biochemical attacks and access from outside, for example, microorganisms such as mold and insects. Lignin has a natural or chemical durability, and is considered to be the most difficult substance to decompose among natural compounds existing in nature.
図4は、リグノセルロースの一般的な構造を示す。図示されたように、リグノセルロースにおいては、リグニンがヘミセルロースと共有結合され、また、ヘミセルロースがセルロースと水素結合されている。よって、全体的に見れば、直線形のセルロースミクロフィブリル(microfibril)をヘミセルロースが水素結合で囲んでおり、このヘミセルロースをリグニンが共有結合で囲んでいる形態となっている。つまり、リグノセルロースは、植物の主要な炭水化物であるセルロースを保護するための形態となっている。 FIG. 4 shows the general structure of lignocellulose. As shown in the figure, in lignocellulose, lignin is covalently bonded to hemicellulose, and hemicellulose is hydrogen bonded to cellulose. Therefore, as a whole, linear cellulose microfibrils are surrounded by hydrogen bonds in hemicellulose, and lignin is surrounded by covalent bonds in hemicellulose. That is, lignocellulose is in a form for protecting cellulose, which is the main carbohydrate of plants.
リグノセルロースを原料としてバイオエネルギーや他の化合物を生産するためには、リグノセルロースを構成している多糖類成分を発酵可能な状態の発酵性糖、いわゆる糖プラットホーム(sugar platform)に転換する必要がある。発酵性糖からは、エタノール、ブタノール等の液体燃料及びポリ乳酸重合体(polylactic acid)等のバイオポリマーのモノマーである有機酸と、様々なアミノ酸を生産することができる。このような糖プラットホームという概念は、米国エネルギー省によって初めて提案された。糖プラットホームに転換するための重要な過程がリグノセルロースの前処理(pretreatment)又は分別(fractionation)工程である。 In order to produce bioenergy and other compounds using lignocellulose as a raw material, it is necessary to convert the polysaccharide component constituting lignocellulose into a fermentable sugar in a fermentable state, a so-called sugar platform. is there. From fermentable sugars, liquid acids such as ethanol and butanol, and organic acids that are monomers of biopolymers such as polylactic acid and various amino acids can be produced. The concept of such a sugar platform was first proposed by the US Department of Energy. An important process for converting to a sugar platform is the pretreatment or fractionation process of lignocellulose.
バイオマス前処理方法を大別すると、物理的方法、化学的方法、及び生物学的方法がある。 Biomass pretreatment methods are roughly classified into physical methods, chemical methods, and biological methods.
代表的な物理的方法としては、ミーリング(milling)や蒸気爆発法(steam explosion)が挙げられる。まず、ミーリングは、リグノセルロースの粒子をミーリング機械で非常に細い粒子に破砕することで構造的変化をもたらす方法である。しかし、ミーリングは実効性が低いため、現在は使われていない。一方、蒸気爆発法は、高温の蒸気が入っている高圧容器でリグノセルロースを一定時間蒸した後、ごく短い時間に容器弁を開放することで、ポップコーンのように瞬間的にリグノセルロースの構造を開放させ、酵素が容易に接近できるような基質にする方法である。 Typical physical methods include milling and steam explosion. First, milling is a method of bringing about structural changes by crushing lignocellulose particles into very fine particles with a milling machine. However, milling is not currently used due to its low effectiveness. On the other hand, in the steam explosion method, after lignocellulose is steamed for a certain period of time in a high-pressure container containing high-temperature steam, the container valve is opened in a very short time, so that the structure of lignocellulose can be instantaneously formed like popcorn. This is a method of opening the substrate so that the enzyme can be easily accessed.
このような物理的方法をより効果的に行うために、化学的方法を組み合わせた物理化学的方法も研究されている。その代表的な方法として、希酸加水分解法(dilute-acid hydrolysis)がある。希酸加水分解法は、2%(w/w)以下の硫酸(sulfuric acid)の溶液にリグノセルロースを浸漬した後、蒸気爆発法と同様に、160〜200℃の高温蒸気で60秒〜10分間蒸すことで、酸による触媒反応でヘミセルロースが単糖類及びオリゴ糖の形態に加水分解され、その一部はフルフラール(furfural)に分解される。すなわち、希酸加水分解法は、主にヘミセルロースを加水分解してリグノセルロース上におけるセルロースとヘミセルロース及びリグニンとの結合を分解する効果があり、モノマー形態の炭水化物を得ることができる。希酸加水分解方法は、ヘミセルロースを容易に加水分解することはできるが、セルロース成分は加水分解することができない。強酸による工程はセルロースをグルコースに加水分解することができるが、ヘミセルロースは、キシロースの過分解反応を経て、フルフラールのように、発酵過程において微生物に阻害作用を与える毒性物質を生産する。 In order to perform such a physical method more effectively, a physicochemical method combining chemical methods has also been studied. As a typical method, there is a dilute acid hydrolysis method. In the dilute acid hydrolysis method, lignocellulose is immersed in a sulfuric acid solution of 2% (w / w) or less, and then, as in the case of the steam explosion method, high-temperature steam at 160 to 200 ° C. is used for 60 seconds to 10 seconds. By steaming for a minute, hemicellulose is hydrolyzed into monosaccharide and oligosaccharide forms by a catalytic reaction with acid, and a part thereof is decomposed into furfural. That is, the dilute acid hydrolysis method has the effect of mainly hydrolyzing hemicellulose to decompose the bond between cellulose, hemicellulose, and lignin on lignocellulose, and can obtain a monomeric form of carbohydrate. The dilute acid hydrolysis method can easily hydrolyze hemicellulose, but cannot hydrolyze the cellulose component. The process with a strong acid can hydrolyze cellulose into glucose, but hemicellulose produces a toxic substance that inhibits microorganisms in the fermentation process, such as furfural, through a hyperlysis reaction of xylose.
一方、酸の代わりにアルカリを用いる代表的なバイオマスの分別方法として、米国のミシガン州立大学のBruce Daleらが開発したAFEX(ammonia fiber explosion)という方法がある。この方法は、アンモニアをバイオマスと1:1〜1:3程度の割合で混合した後、70〜180℃の高温で5〜30分間処理し、短い時間で常圧に減圧させる。これによって、気状のアンモニアを回収するとともに、バイオマス構造の物理的及び化学的変化をもたらして酵素による糖化率を向上させる。一方、希酸加水分解法とは異なり、ヘミセルロースはほとんど加水分解されず、主にリグニンが溶解し出されるため、リグニンをセルロースとヘミセルロースから分離することができ、セルロースとヘミセルロースを後の酵素糖化工程において糖化させることで葡萄糖とキシロース等の5炭糖を共に得ることができる。 On the other hand, as a typical biomass separation method using alkali instead of acid, there is a method called AFEX (Ammonia fiber explosion) developed by Bruce Dale et al. Of Michigan State University in the United States. In this method, ammonia is mixed with biomass at a ratio of about 1: 1 to 1: 3, then treated at a high temperature of 70 to 180 ° C. for 5 to 30 minutes, and reduced to normal pressure in a short time. As a result, gaseous ammonia is recovered, and physical and chemical changes of the biomass structure are brought about to improve the saccharification rate by the enzyme. On the other hand, unlike dilute acid hydrolysis method, hemicellulose is hardly hydrolyzed and lignin is mainly dissolved out, so that lignin can be separated from cellulose and hemicellulose, and cellulose and hemicellulose can be separated later in enzymatic saccharification step Saccharose and pentoses such as xylose can be obtained together by saccharification.
しかし、このようなアルカリ分別法は、リグニンのみを分別して除去するもので、セルロースとヘミセルロースを分別することはできない。特に、ヘミセルロースから誘導されるキシロース成分は回収することができない。 However, such an alkali separation method separates and removes only lignin, and cannot separate cellulose and hemicellulose. In particular, xylose components derived from hemicellulose cannot be recovered.
さらに、上述した物理化学的分別法は、170℃以上の高温で反応が行われるため、エネルギー使用量が多く、費用の面で不利である。また、固状の原料を極限的条件で取り扱うことから、研究室規模での工程を開発した後、規模を拡大するにおいて、反応器での混合、反応物及び生産物の移動及び運搬等においても問題が発生することが多い。 Further, the above-described physicochemical fractionation method is disadvantageous in terms of cost because the reaction is carried out at a high temperature of 170 ° C. or more, which requires a large amount of energy. In addition, since solid raw materials are handled under extreme conditions, after developing a laboratory-scale process, the scale will be expanded, mixing in the reactor, moving and transporting reactants and products, etc. Problems often occur.
一方、生物学的分別方法は、木のようなリグノセルロースを分解して生産された糖を利用して生長するカビ(白色腐朽菌類)を主に利用し、温和な条件で前処理するものであるが、未だに実用化されておらず、研究室規模での研究が始まったばかりである。 On the other hand, the biological fractionation method mainly uses mold (white rot fungi) that grows using sugar produced by decomposing lignocellulose like wood, and pretreats under mild conditions. Although it has not yet been put into practical use, research on a laboratory scale has just begun.
本発明は、このような従来技術の問題点を解決するために工夫したものであり、二段階の酸処理により、セルロース系バイオマスからリグニン、セルロース及びヘミセルロースのいずれも加水分解することで、セルロースとヘミセルロースからグルコースとキシロースを生産する装置及び方法を提供することを課題とする。 The present invention has been devised to solve such problems of the prior art, and by hydrolyzing any of lignin, cellulose and hemicellulose from cellulosic biomass by two-step acid treatment, It is an object to provide an apparatus and a method for producing glucose and xylose from hemicellulose.
上記課題を解決するための本発明による二段階の酸処理工程によるセルロース系バイオマスの加水分解物の生産装置は、セルロース系バイオマスを1次加水分解してオリゴマーの形態に転換する浸出式の1次反応器と、1次反応器に1次溶媒を供給する第1溶媒タンク及び第1溶媒ポンプを備える第1溶媒供給装置と、前記1次反応器で1次加水分解された加水分解溶液に水を供給して2次加水分解における酸濃度を低くする第2溶媒タンク及び第2溶媒ポンプを備える第2溶媒供給装置と、前記第2溶媒供給装置により希釈された1次加水分解溶液を管型フロー反応で2次加水分解し、モノマー形態の炭水化物に転換させる管型フロー式の2次反応器と、前記2次反応器から得られた加水分解物を貯蔵する貯蔵槽と、前記1次反応器と前記2次反応の内部圧力を維持する圧力供給装置と、を含む。 The apparatus for producing a hydrolyzate of cellulosic biomass by a two-stage acid treatment process according to the present invention for solving the above-described problems is a leaching type primary that hydrolyzes cellulosic biomass into primary oligomers. A first solvent supply device comprising a reactor, a first solvent tank for supplying a primary solvent to the primary reactor and a first solvent pump, and water in the hydrolyzed solution hydrolyzed by the primary reactor. A second solvent supply device having a second solvent tank and a second solvent pump for lowering the acid concentration in the secondary hydrolysis, and a primary hydrolyzed solution diluted by the second solvent supply device is a tube type A tubular flow type secondary reactor that undergoes secondary hydrolysis in a flow reaction to convert it into a monomeric carbohydrate, a storage tank that stores the hydrolyzate obtained from the secondary reactor, and the primary reaction Vessel and said It includes a pressure source for maintaining the internal pressure of the following reactions, the.
本発明の他の特徴による二段階の酸処理工程によるセルロース系バイオマスの加水分解物の生産装置は、前記2次反応器と前記貯蔵槽との間に、リグニンを回収するために移送パイプ内を吸着剤で充填し、又は、吸着装置を更に設けられる。 According to another aspect of the present invention, there is provided an apparatus for producing a hydrolyzate of cellulosic biomass using a two-stage acid treatment process, wherein a transfer pipe is disposed between the secondary reactor and the storage tank to recover lignin. It is filled with an adsorbent or an adsorber is further provided.
本発明の更に他の特徴による二段階の酸処理工程によるセルロース系バイオマスの加水分解物の生産装置は、前記第1溶媒ポンプには、第1溶媒の濃度調節のために水を貯蔵した第3溶媒タンク及び第3溶媒ポンプを備える第3溶媒供給装置が更に設けられる。 According to still another aspect of the present invention, there is provided an apparatus for producing a hydrolyzate of cellulosic biomass by a two-stage acid treatment process, wherein the first solvent pump stores water for adjusting the concentration of the first solvent. A third solvent supply device including a solvent tank and a third solvent pump is further provided.
本発明の更に他の特徴による二段階の酸処理工程によるセルロース系バイオマスの加水分解物の生産装置は、前記第1溶媒タンクに貯蔵される溶媒は、硫酸水溶液である。 In the cellulosic biomass hydrolyzate production apparatus using a two-stage acid treatment process according to still another aspect of the present invention, the solvent stored in the first solvent tank is an aqueous sulfuric acid solution.
本発明の更に他の特徴による二段階の酸処理工程によるセルロース系バイオマスの加水分解物の生産装置は、前記第1溶媒の濃度は、3〜15wt%である。 In the apparatus for producing a hydrolyzate of cellulosic biomass by a two-stage acid treatment process according to still another aspect of the present invention, the concentration of the first solvent is 3 to 15 wt%.
本発明の更に他の特徴による二段階の酸処理工程によるセルロース系バイオマスの加水分解物の生産装置は、前記第2溶媒タンクに貯蔵される溶媒は、水である。 According to still another aspect of the present invention, in the apparatus for producing a hydrolyzate of cellulosic biomass by the two-stage acid treatment process, the solvent stored in the second solvent tank is water.
本発明の更に他の特徴による二段階の酸処理工程によるセルロース系バイオマスの加水分解物の生産装置は、前記第2溶媒は、第1溶媒の濃度を1〜5wt%に希釈する。 In the apparatus for producing a hydrolyzate of cellulosic biomass by a two-stage acid treatment process according to still another aspect of the present invention, the second solvent dilutes the concentration of the first solvent to 1 to 5 wt%.
本発明の更に他の特徴による二段階の酸処理工程によるセルロース系バイオマスの加水分解物の生産装置は、前記第1溶媒ポンプと前記1次反応器との間には、予熱器又は蒸気発生器が更に設けられる。 According to still another aspect of the present invention, there is provided an apparatus for producing a hydrolyzate of cellulosic biomass by a two-stage acid treatment process, wherein a preheater or a steam generator is provided between the first solvent pump and the primary reactor. Is further provided.
本発明の更に他の特徴による二段階の酸処理工程によるセルロース系バイオマスの加水分解物の生産装置は、前記1次反応器と前記2次反応器との間に、及び前記2次反応器と前記貯蔵槽との間には、冷却器又は熱交換器のうち一つ以上が設けられる。 An apparatus for producing a hydrolyzate of cellulosic biomass by a two-stage acid treatment process according to still another aspect of the present invention includes a device between the primary reactor and the secondary reactor, and the secondary reactor. One or more of a cooler and a heat exchanger are provided between the storage tanks.
本発明の更に他の特徴による二段階の酸処理工程によるセルロース系バイオマスの加水分解物の生産装置は、前記1次反応器は、反応温度が100〜170℃であり、反応圧力が150〜280psiである。 According to still another aspect of the present invention, there is provided an apparatus for producing a hydrolyzate of cellulosic biomass by a two-stage acid treatment process, wherein the primary reactor has a reaction temperature of 100 to 170 ° C. and a reaction pressure of 150 to 280 psi. It is.
本発明の更に他の特徴による二段階の酸処理工程によるセルロース系バイオマスの加水分解物の生産装置は、前記2次反応器は、反応温度が70〜120℃であり、反応圧力が150〜280psiである。 According to still another aspect of the present invention, there is provided an apparatus for producing a hydrolyzate of cellulosic biomass by a two-stage acid treatment process, wherein the secondary reactor has a reaction temperature of 70 to 120 ° C. and a reaction pressure of 150 to 280 psi. It is.
上記課題を解決するための本発明による二段階の酸処理工程によるセルロース系バイオマスの加水分解物の生産方法は、浸出式の1次反応器にセルロース系バイオマスを供給する第1段階と、前記1次反応器でセルロース及びヘミセルロースを1次加水分解するように、第1溶媒供給装置から第1溶媒を供給してバイオマスからグルカン及びキシランを抽出する第2段階と、前記1次反応器で抽出され移送されるグルカン及びキシランを2次加水分解してグルコースとキシロースに転換させるように、第2溶媒供給装置から第1溶媒を希釈する第2溶媒を供給する第3段階と、管型フロー式の2次反応器に供給されたグルカン及びキシランを管型フロー反応で2次加水分解してグルコースとキシロースに転換させる第4段階、とを含む。 A method for producing a hydrolyzate of cellulosic biomass by a two-stage acid treatment process according to the present invention for solving the above-described problems includes a first step of supplying cellulosic biomass to a leaching type primary reactor, A second stage in which glucan and xylan are extracted from biomass by supplying a first solvent from a first solvent supply device so that cellulose and hemicellulose are primarily hydrolyzed in a secondary reactor, and extracted in the primary reactor. A third stage for supplying a second solvent for diluting the first solvent from the second solvent supply device so that the transported glucan and xylan are converted into glucose and xylose by secondary hydrolysis; And a fourth stage in which glucan and xylan supplied to the secondary reactor are subjected to secondary hydrolysis by a tubular flow reaction to convert them into glucose and xylose.
本発明の他の特徴による二段階の酸処理工程によるセルロース系バイオマスの加水分解物の生産方法は、前記4段階の後、前記2次反応器により生産された加水分解物を貯蔵槽で捕集する直前に、リグニンを分別して回収するように吸着する第5段階を更に含む。 According to another aspect of the present invention, the method for producing a hydrolyzate of cellulosic biomass by a two-stage acid treatment process collects the hydrolyzate produced by the secondary reactor in a storage tank after the four stages. Immediately before the step, the method further includes a fifth step of adsorbing so as to separate and recover the lignin.
本発明の更に他の特徴による二段階の酸処理工程によるセルロース系バイオマスの加水分解物の生産方法は、前記第1溶媒は、硫酸水溶液である。 In the method for producing a hydrolyzate of cellulosic biomass by a two-stage acid treatment process according to still another aspect of the present invention, the first solvent is an aqueous sulfuric acid solution.
本発明の更に他の特徴による二段階の酸処理工程によるセルロース系バイオマスの加水分解物の生産方法は、前記第1溶媒の濃度は、3〜15wt%である。 In the method for producing a hydrolyzate of cellulosic biomass by a two-stage acid treatment process according to still another aspect of the present invention, the concentration of the first solvent is 3 to 15 wt%.
本発明の更に他の特徴による二段階の酸処理工程によるセルロース系バイオマスの加水分解物の生産方法は、前記第2溶媒は、水である。 In the method for producing a hydrolyzate of cellulosic biomass by a two-stage acid treatment process according to still another aspect of the present invention, the second solvent is water.
本発明の更に他の特徴による二段階の酸処理工程によるセルロース系バイオマスの加水分解物の生産方法は、前記第2溶媒は、第1溶媒の濃度を1〜5wt%に希釈する。 In the method for producing a hydrolyzate of cellulosic biomass by a two-stage acid treatment process according to still another aspect of the present invention, the concentration of the first solvent is diluted to 1 to 5 wt%.
本発明の更に他の特徴による二段階の酸処理工程によるセルロース系バイオマスの加水分解物の生産方法は、前記1次反応器は、反応温度が100〜170℃であり、反応圧力が150〜280psiである。 According to another aspect of the present invention, there is provided a method for producing a hydrolyzate of cellulosic biomass by a two-stage acid treatment process, wherein the primary reactor has a reaction temperature of 100 to 170 ° C. and a reaction pressure of 150 to 280 psi. It is.
本発明の更に他の特徴による二段階の酸処理工程によるセルロース系バイオマスの加水分解物の生産方法は、前記2次反応器は、反応温度条件が70〜120℃であり、反応圧力が150〜280psiである。 In the method for producing a hydrolyzate of cellulosic biomass by a two-stage acid treatment process according to still another aspect of the present invention, the secondary reactor has a reaction temperature condition of 70 to 120 ° C. and a reaction pressure of 150 to 280 psi.
本発明の更に他の特徴による二段階の酸処理工程によるセルロース系バイオマスの加水分解物の生産方法は、前記第2段階における浸出反応の後、冷却及び熱交換工程を行い、前記第2溶媒を供給して前記2次反応器での反応を誘導する。 According to still another aspect of the present invention, there is provided a method for producing a hydrolyzate of cellulosic biomass by a two-stage acid treatment process, wherein after the leaching reaction in the second stage, a cooling and heat exchange process is performed, To induce the reaction in the secondary reactor.
本発明は、セルロース系バイオマスからリグニン、セルロース及びヘミセルロースのいずれも加水分解されるように、フロー式の2段階の反応条件を連続的に用いる。即ち、まず、セルロース及びヘミセルロースからグルカン及びキシランの形態に加水分解し、次に、単糖類に転換させる加水分解工程を行う。これによって、効果的な糖化が可能になり、セルロース系バイオマスからリグニン、セルロース及びヘミセルロースのいずれも加水分解し、セルロースとヘミセルロースからグルコースとキシロースを生産することができる。 The present invention continuously uses flow-type two-stage reaction conditions so that any of lignin, cellulose and hemicellulose can be hydrolyzed from cellulosic biomass. That is, first, a hydrolysis step is performed in which cellulose and hemicellulose are hydrolyzed into glucan and xylan, and then converted into monosaccharides. Thus, effective saccharification is possible, and any of lignin, cellulose and hemicellulose can be hydrolyzed from cellulosic biomass, and glucose and xylose can be produced from cellulose and hemicellulose.
従来の酸性溶媒を利用したセルロースバイオマスの加水分解方法においては、強酸及び高温工程では、セルロースをグルコースに転換させることができるが、ヘミセルロースはキシロースから過分解反応を経て、フルフラールのように、発酵過程で微生物に阻害作用をあたえる毒性物質を生産してしまう。一方、弱酸及び低温工程では、ヘミセルロースのみをキシロースに加水分解することができるという問題点があった。本発明は、2段階の浸出反応とフロー反応により高温及び低温工程を誘導して上記の問題点を解決した。 In the conventional method for hydrolysis of cellulose biomass using acidic solvent, cellulose can be converted to glucose in strong acid and high temperature process, but hemicellulose undergoes a hyperlysis reaction from xylose and, like furfural, fermentation process. Produces toxic substances that have an inhibitory effect on microorganisms. On the other hand, the weak acid and the low temperature process have a problem that only hemicellulose can be hydrolyzed to xylose. The present invention solves the above problems by inducing high and low temperature processes by a two-stage leaching reaction and a flow reaction.
また、本発明は、生産される加水分解物(炭水化物)の殆どがグルコース及びキシロースであるから、迅速な、又は、簡単な中和過程又は溶媒除去工程を経て、発酵工程に適用することができ、工程費用を低減することができる。 In addition, since most of the hydrolyzate (carbohydrate) produced is glucose and xylose, the present invention can be applied to the fermentation process through a quick or simple neutralization process or solvent removal process. , Process costs can be reduced.
本発明による2段階の加水分解方法は、従来の前処理工程により得られるバイオマスを酵素糖化工程によって発酵可能な炭水化物、つまり、糖化液を得る工程が不必要になり、低い工程費用で、かつ、短い時間で効果的にグルコースとキシロースを生産することができる。これによって、他の前処理及び分別工程により酵素を利用してセルロースの糖化過程を行う場合、バイオマスを利用したエタノール、ブタノール及び化学物質生産のために多くの部分を占めていた酵素使用費用をなくすとともに、糖化液(加水分解物)を高い反応速度で得ることができ、結局、糖化生産量を増大させることができる。 The two-stage hydrolysis method according to the present invention eliminates the need for a process for obtaining a carbohydrate that can be fermented by an enzymatic saccharification process, that is, a saccharified solution, from the biomass obtained by the conventional pretreatment process, at low process cost, and Glucose and xylose can be produced effectively in a short time. As a result, when the saccharification process of cellulose is performed using enzymes by other pretreatment and fractionation processes, the cost of using the enzyme, which has occupied a large part for the production of ethanol, butanol and chemical substances using biomass, is eliminated. At the same time, a saccharified solution (hydrolyzate) can be obtained at a high reaction rate, and as a result, the amount of saccharification produced can be increased.
以下、添付の図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について説明する。また、本発明を説明するにおいて、関連する公知機能又は公知構成に関する具体的な説明が本発明の要旨の理解の妨げになると判断される場合は、その詳細な説明を省略する。 Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. In the description of the present invention, when it is determined that a specific description related to a known function or a known configuration hinders understanding of the gist of the present invention, a detailed description thereof will be omitted.
本発明は、セルロース系バイオマスからリグニン、セルロース及びヘミセルロースのいずれも加水分解されるように、フロー式の2段階の反応条件を連続的に使用するものであり、まず、セルロース及びヘミセルロースからグルカン及びキシランの形態に加水分解し、次に、単糖類に転換させる加水分解工程を誘導する。つまり、効果的な糖化のために、2段階にわたる浸出反応及びフロー反応により、高温工程と低温工程を適切に誘導して酸を加水分解する装置及び方法に関する。 The present invention uses flow-type two-stage reaction conditions continuously so that any of lignin, cellulose and hemicellulose can be hydrolyzed from cellulosic biomass. First, from glucan and xylan from cellulose and hemicellulose. And then inducing a hydrolysis step that converts it to a monosaccharide. That is, the present invention relates to an apparatus and method for hydrolyzing an acid by appropriately inducing a high-temperature process and a low-temperature process by leaching reaction and flow reaction in two stages for effective saccharification.
図1は、本発明の一実施例による二段階の酸処理の加水分解装置を示す図面であり、図2は、本発明の一実施例による二段階の酸処理の加水分解工程を示すフローチャートである。 FIG. 1 is a diagram illustrating a two-stage acid treatment hydrolysis apparatus according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a flowchart illustrating a two-stage acid treatment hydrolysis process according to an embodiment of the present invention. is there.
図示されたように、本発明の一実施例による二段階の酸処理の加水分解装置は、セルロース系バイオマスを1次加水分解してオリゴマーの形態に転換させる浸出式の1次反応器1と、浸出式の1次反応器に1次溶媒を供給する第1溶媒タンク21及び第1溶媒ポンプ22を備える第1溶媒供給装置2と、1次反応器で1次加水分解された高濃度加水分解溶液に水を供給して2次加水分解の酸濃度を低くする第2溶媒タンク31及び第2溶媒ポンプ32を備える第2溶媒供給装置3と、第2溶媒供給装置によって希釈された1次加水分解溶液を低温である70〜120℃での管型フロー反応で2次加水分解し、モノマー形態の炭水化物に転換させる管型フロー式の2次反応器4と、管型フロー式の2次反応器4から得られた加水分解物を貯蔵する貯蔵槽5と、浸出式の1次反応器1と管型フロー式の2次反応器の内部圧力を維持するための圧力供給装置6を含む。
As shown in the drawing, a two-stage acid treatment hydrolysis apparatus according to an embodiment of the present invention includes a leaching type primary reactor 1 that primarily hydrolyzes cellulosic biomass into an oligomer form, A first
浸出式の1次反応器1は、その内部にバイオマスを充填し、溶媒を流せる構造を有する。これは、固体状のバイオマスから、溶媒によって加水分解される炭水化物を液状で反応器の外部に浸出する方法であり、回分式反応で発生する炭水化物の過分解反応の問題点を解消できる反応器である。 The leaching type primary reactor 1 has a structure in which biomass is filled and a solvent can flow. This is a method of leaching the carbohydrate that is hydrolyzed by the solvent from solid biomass to the outside of the reactor in a liquid state, and it is a reactor that can solve the problem of carbohydrate overdegradation reaction that occurs in batch reaction. is there.
管型フロー式の2次反応器4は、コイル管構造となっており、一定の温度を維持しながら浸出式の1次反応で生成されるオリゴマー形態の炭水化物からモノマー形態の炭水化物への転換を誘導することができる反応器である。
The tubular flow type
一方、本発明の一実施例による加水分解装置は、1次加水分解のための第1溶媒の濃度を調節する水を貯蔵する第3溶媒タンク71及び第3溶媒ポンプ72を備える第3溶媒供給装置7を更に含むことができ、この場合、第3溶媒供給装置7は第1溶媒ポンプ22に連結される。
Meanwhile, the hydrolysis apparatus according to an embodiment of the present invention provides a third solvent supply including a third solvent tank 71 and a third
第1溶媒は、例えば、硫酸水溶液(又は、硫酸や塩酸を含む無機酸性溶媒)であり、第2溶媒は、例えば、水であってもよい。 The first solvent may be, for example, an aqueous sulfuric acid solution (or an inorganic acidic solvent containing sulfuric acid or hydrochloric acid), and the second solvent may be, for example, water.
また、第1溶媒ポンプ22と浸出式の1次反応器1との間には、予熱器8a又は蒸気発生器8bのうちいずれかが設けられてもよい。これによって、浸出式の1次反応器1において、反応時の反応温度に到達する時間を短縮することができる。
Further, either the preheater 8a or the
浸出式の1次反応器1と管型フロー式の2次反応器4の間に、または、管型フロー式の2次反応器4と貯蔵槽5の間には、冷却器9a又は熱交換器9bが設けられてもよい。また、貯蔵槽5には、圧力供給装置6が連結されてもよい。
Between the leaching primary reactor 1 and the tubular flow
このような装置は、浸出反応が行われ冷却及び熱交換工程を経た後、又は、第2溶媒を供給して管型フロー式の2次反応器に誘導するためであり、熱による過分解のような付加反応を防止することができる。 Such an apparatus is used for conducting a leaching reaction and passing through a cooling and heat exchange process, or for supplying a second solvent and guiding it to a tubular flow type secondary reactor. Such an addition reaction can be prevented.
本発明による加水分解装置は、浸出式の1次反応器1での反応に必要な高圧条件を維持するために、第1溶媒ポンプ21と貯蔵槽5との間に、逆圧力調節器として機能する圧力供給装置6を更に連結することができる。あるいは、第2溶媒ポンプ32に高圧窒素を流入して、圧力を150〜280psiに維持するための逆圧力調節器である圧力供給装置6を更に連結することもできる。
The hydrolysis apparatus according to the present invention functions as a reverse pressure regulator between the first solvent pump 21 and the
また、本発明による加水分解装置は、管型フロー式の2次反応器4と、管型フロー式の2次反応器4を通じて得られた加水分解物を貯蔵する貯蔵槽5との間には、リグニンを回収するために移送パイプ内を吸着剤で充填し、又は、吸着装置10が更に設けられる。この場合、吸着剤は、例えば、活性炭であってもよい。また、吸着装置10は、活性炭が充填されている吸着装置であってもよい。
Further, the hydrolysis apparatus according to the present invention is provided between a tubular flow type
次に、上記した加水分解装置を利用した、本発明によるセルロース系バイオマスの加水分解物の生産方法について説明する。 Next, a method for producing a hydrolyzate of cellulose biomass according to the present invention using the above-described hydrolysis apparatus will be described.
本発明によるセルロース系バイオマスの加水分解物の生産方法は、浸出式の1次反応器1と管型フロー式の2次反応器4を利用して、セルロース系バイオマスを2回にわたって加水分解する工程を含み、最終的に管型フロー式の2次反応器4を通過して貯蔵槽で捕集される液状は、モノマーの炭水化物、即ち、グルコースとキシロースである。
The method for producing a hydrolyzate of cellulosic biomass according to the present invention includes a step of hydrolyzing cellulosic biomass twice using a leaching type primary reactor 1 and a tubular flow type
具体的に本発明によるセルロース系バイオマスの加水分解物の生産方法は、浸出式の1次反応器にセルロース系バイオマスを供給する第1段階(S100)、セルロース及びヘミセルロースが1次加水分解されるように、浸出式の1次反応器に第1溶媒供給装置の第1溶媒を供給して、バイオマスからグルカン及びキシランを抽出する第2段階(S200)、浸出式の1次反応器から抽出され移送されるグルカン及びキシランを2次加水分解してグルコースとキシロースで転換させるように、第2溶媒供給装置から第1溶媒を希釈する第2溶媒を供給する第3段階(S300)、管型フロー式の2次反応器に供給されたグルカン及びキシランを管型フロー反応で2次加水分解反応(オリゴマー形態のグルカン、キシランをモノマー形態のグルコースとキシロースに転換させる反応)させてグルコースとキシロースに転換させる第4段階(S400)を含む。 Specifically, in the method for producing a hydrolyzate of cellulosic biomass according to the present invention, the first stage of supplying cellulosic biomass to a leaching type primary reactor (S100), so that cellulose and hemicellulose are primarily hydrolyzed. In the second stage (S200) of supplying glucan and xylan from biomass by supplying the first solvent of the first solvent supply device to the leaching type primary reactor, extracted and transferred from the leaching type primary reactor. The third stage (S300) for supplying the second solvent for diluting the first solvent from the second solvent supply device so that the glucan and xylan to be subjected to secondary hydrolysis and conversion with glucose and xylose are obtained, a tubular flow type The secondary hydrolysis reaction of the glucan and xylan supplied to the secondary reactor of No. 2 by the tubular flow reaction (oligomeric glucan and xylan in monomer form) Over scan and the reaction is converted to xylose) is in a fourth step (S400) of converting to glucose and xylose.
さらに、本発明によるセルロース系バイオマスの加水分解物の生産方法は、上記第4段階の後、管型フロー式の2次反応器により生産された加水分解物を貯蔵槽で捕集する前に(直前に)、リグニンを分別し回収するように吸着する第5段階(S500)を更に含むことができる。 Furthermore, in the method for producing a hydrolyzate of cellulosic biomass according to the present invention, after the fourth stage, before the hydrolyzate produced by the tubular flow type secondary reactor is collected in a storage tank ( Immediately before, it may further comprise a fifth step (S500) in which lignin is adsorbed to be separated and recovered.
このような5段階が必要な理由は、酸加水分解工程が行われている間に、酸に溶けるリグニン成分も炭水化物水溶液にともに存在するが、このようなリグニン及びリグニン派生物質は生産される炭水化物(糖化液)の質の面で問題点を起こさせる可能性があるためである。よって、管型フロー式の2次反応器と貯蔵槽の間における移送パイプ内を吸着剤で充填し、又は、吸着工程を更に含むことが望ましい。 The reason why such five steps are necessary is that while the acid hydrolysis process is being performed, the lignin component that is soluble in acid is also present in the aqueous carbohydrate solution, but such lignin and lignin derivatives are produced carbohydrates. This is because there is a possibility of causing problems in terms of the quality of (saccharified solution). Therefore, it is desirable that the inside of the transfer pipe between the tubular flow type secondary reactor and the storage tank be filled with an adsorbent, or further include an adsorption step.
このような吸着工程に使われる吸着剤は、リグニン及びリグニン派生物質を効率的に吸着し、除去する必要がある。吸着剤としては、例えば、低費用で、再利用可能な吸活性炭が望ましい。 The adsorbent used in such an adsorption process needs to efficiently adsorb and remove lignin and lignin derivatives. As the adsorbent, for example, a low-cost and reusable activated carbon is desirable.
第1段階において、セルロース系バイオマスとしては、例えば、ペレット(pellet)、又は、チップ(chip)の形態で供給することができる。セルロース系バイオマスの原料としては、ハードウッド、ソフトウッド、再生紙、廃紙、木片、パルプ、紙廃棄物、廃木材、間伐木、とうもろこし棒、とうもろこし芯、わら、もみ殻、麦わら、サトウキビ棒、バガス、及びこれらの混合物が挙げられるが、これに限定されるものではない。 In the first stage, the cellulosic biomass can be supplied, for example, in the form of pellets or chips. As raw materials for cellulosic biomass, hardwood, softwood, recycled paper, waste paper, wood fragments, pulp, paper waste, waste wood, thinned wood, corn stick, corn core, straw, rice husk, wheat straw, sugarcane stick, Examples include, but are not limited to, bagasse and mixtures thereof.
第1段階においては、浸出式の1次反応器にバイオマスを充填し、本発明に従って加水分解を行い、浸出式の1次反応器内の固形成分である残留バイオマスを除去する。よって、次の工程では、再度浸出式の1次反応器にバイオマスを充填する工程が非連続的に行われることになる。 In the first stage, the leaching primary reactor is filled with biomass, and hydrolysis is performed according to the present invention to remove residual biomass that is a solid component in the leaching primary reactor. Therefore, in the next step, the step of filling the leaching type primary reactor with biomass again is discontinuously performed.
第2段階において、浸出式の1次反応器内においては、反応温度が100〜170℃であり、反応圧力が150〜280psiであることが望ましい。このような条件に限定した理由は、本発明は硫酸を利用した加水分解反応温度と硫酸溶液の濃度に依存するが、硫酸濃度が1〜20wt%である条件での反応温度は、上記した温度範囲であり、また、固/液反応を誘導するには、液状溶媒の気化を防止するための圧力が上記温度範囲になるためである。 In the second stage, in the leaching type primary reactor, it is desirable that the reaction temperature is 100 to 170 ° C. and the reaction pressure is 150 to 280 psi. The reason for limiting to such conditions is that the present invention depends on the hydrolysis reaction temperature using sulfuric acid and the concentration of the sulfuric acid solution, but the reaction temperature under the conditions where the sulfuric acid concentration is 1 to 20 wt% is the temperature described above. This is because, in order to induce a solid / liquid reaction, the pressure for preventing vaporization of the liquid solvent falls within the above temperature range.
第2段階において、1次加水分解のための第1溶媒は、高分子セルロースとヘミセルロースをオリゴマー形態のグルカンとキシランに転換させることのできる硫酸水溶液である。また、硫酸及び塩酸を含む無機酸性溶媒を使用することもできる。 In the second stage, the first solvent for primary hydrolysis is an aqueous sulfuric acid solution that can convert high molecular cellulose and hemicellulose into oligomeric glucan and xylan. An inorganic acidic solvent containing sulfuric acid and hydrochloric acid can also be used.
第1溶媒の濃度は、特に限定されないが、硫酸水溶液の濃度は、望ましくは3〜15wt%である。 The concentration of the first solvent is not particularly limited, but the concentration of the sulfuric acid aqueous solution is desirably 3 to 15 wt%.
第2段階における1次加水分解工程は、硬いポリマー形態のセルロースとヘミセルロースをオリゴマー形態に転換させることができる。このような1次加水分解を行うことで、初期のバイオマスに存在するセルロースは、60〜90wt%が液状オリゴマー形態に転換され、ヘミセルロースは、70〜95wt%が液状オリゴマー形態に転換される。また、浸出式の1次反応器に残留する固形バイオマスは、浸出され出されるオリゴマー形態の液状と比例して減少する。 The primary hydrolysis step in the second stage can convert cellulose and hemicellulose in hard polymer form into oligomeric form. By performing such primary hydrolysis, 60 to 90 wt% of the cellulose present in the initial biomass is converted to a liquid oligomer form, and 70 to 95 wt% of hemicellulose is converted to a liquid oligomer form. In addition, the solid biomass remaining in the leaching type primary reactor decreases in proportion to the liquefied oligomeric liquid that is leached out.
また、第3段階における第2溶媒は、第1溶媒を希釈することのできる溶媒であれば特に限定されないが、望ましくは、水(蒸溜水)を使用する。この際、第2溶媒の流速は、第1溶媒の供給流速(5〜10ml/min)以下であって、一定の方向に適用することが望ましい。 In addition, the second solvent in the third stage is not particularly limited as long as it is a solvent capable of diluting the first solvent, but preferably water (distilled water) is used. At this time, the flow rate of the second solvent is preferably equal to or less than the supply flow rate of the first solvent (5 to 10 ml / min) and applied in a certain direction.
即ち、水を使用した第2溶媒は、浸出反応から出される酸性雰囲気の液状反応物を弱酸に希釈することができる。ここで、弱酸とは、望ましくは、第1溶媒が硫酸水溶液である場合、1〜5wt%の弱酸化性雰囲気をいう。 That is, the second solvent using water can dilute the liquid reactant in the acidic atmosphere that is produced from the leaching reaction into a weak acid. Here, the weak acid desirably refers to a weakly oxidizing atmosphere of 1 to 5 wt% when the first solvent is an aqueous sulfuric acid solution.
また、第4段階においては、第2溶媒により希釈された弱酸化性雰囲気でオリゴマー形態のグルカンとキシランをグルコースとキシロースに転換するように、フロー型反応を維持することが望ましい。 In the fourth stage, it is desirable to maintain a flow-type reaction so that oligomeric glucan and xylan are converted to glucose and xylose in a weakly oxidizing atmosphere diluted with the second solvent.
この際、浸出反応が行われ、冷却及び熱交換工程が行われた後、又は、第2溶媒を供給して管型フロー式の2次反応器に誘導することが望ましい。 At this time, it is desirable that after the leaching reaction is performed and the cooling and heat exchange steps are performed, or the second solvent is supplied to be guided to the tubular flow type secondary reactor.
また、第2溶媒として使用される弱硫酸雰囲気の溶媒の濃度は、3〜5wt%であり、反応温度は、70〜120℃であり、反応圧力は、150〜280psiであることが望ましい。このように数値を限定した理由は前述した通りである。 Further, the concentration of the solvent in the weak sulfuric acid atmosphere used as the second solvent is preferably 3 to 5 wt%, the reaction temperature is 70 to 120 ° C., and the reaction pressure is 150 to 280 psi. The reason for limiting the numerical values in this way is as described above.
ここで、浸出式の1次反応器と管型フロー式反応器に各々提供される圧力条件は、共に圧力供給装置6によって調節することができる。
Here, both pressure conditions provided to the leaching primary reactor and the tubular flow reactor can be adjusted by the
最終的に、第4段階により生産される液状の加水分解物は貯蔵槽に捕集されるが、捕集される加水分解物の殆どはグルコースとキシロースであり、初期の浸出反応器に供給するバイオマスを基準とした場合、グルコースの歩留まりは、55〜90wt%であり、キシロースの歩留まりは、65〜95wt%であった。このような歩留まりは、吸着工程である第5段階とは関係ない、最終の転換歩留まりである。 Finally, the liquid hydrolyzate produced by the fourth stage is collected in a storage tank, but most of the collected hydrolyzate is glucose and xylose and is fed to the initial leaching reactor. Based on biomass, the yield of glucose was 55 to 90 wt% and the yield of xylose was 65 to 95 wt%. Such a yield is the final conversion yield that is not related to the fifth stage, which is the adsorption process.
上述したように、本発明は、抽出されたグルコースとキシロースを利用してアルコールを獲得するバイオ燃料の製造方法を提供する。これによって、反応器から得られる液状の炭水化物成分(グルコースとキシロース)を発酵させてエタノール及びブタノール等の化学物質を得ることができ、更には、熱分解及び化学触媒工程によりHMF、フルフラール等の化学物質を得ることができる。 As described above, the present invention provides a method for producing biofuel that obtains alcohol using extracted glucose and xylose. As a result, liquid carbohydrate components (glucose and xylose) obtained from the reactor can be fermented to obtain chemical substances such as ethanol and butanol. Furthermore, chemicals such as HMF and furfural can be obtained through thermal decomposition and chemical catalytic processes. A substance can be obtained.
また、生産されたグルコース及びキシロースル利用してバイオ燃料であるアルコール(エタノール、ブタノール)、アルカン系化学物及びC3〜C6系化学原料及び有機酸を製造することもできる。 Further, alcohol (ethanol, butanol), alkane chemicals, C3-C6 chemical raw materials and organic acids, which are biofuels, can be produced using the produced glucose and xylose.
図3は、本発明の一実施例の加水分解によるリグノセルロースの構造の変化を示した図面である。図示されたように、本発明による生産装置を利用して上記した工程を行えば、セルロース系バイオマスから、リグニン、セルロース及びヘミセルロースのいずれも加水分解され、更には、セルロースとヘミセルロースからグルコースとキシロースを生産することができる。 FIG. 3 is a drawing showing changes in the structure of lignocellulose by hydrolysis according to an embodiment of the present invention. As shown in the figure, when the above-described process is performed using the production apparatus according to the present invention, all of lignin, cellulose and hemicellulose are hydrolyzed from cellulosic biomass, and further, glucose and xylose are converted from cellulose and hemicellulose. Can be produced.
以下、本発明の望ましい実施例について説明する。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described.
まず、浸出式の1次反応器1にバイオマスを充填し、反応温度を150℃に維持し、その圧力を200psiに維持した。 First, the leaching type primary reactor 1 was filled with biomass, the reaction temperature was maintained at 150 ° C., and the pressure was maintained at 200 psi.
第1溶媒タンク21から10%の硫酸水溶液を浸出式の1次反応器1に供給し、5分間、1次加水分解を行った。この際、セルロースは70wt%が液状オリゴマー形態に転換され、ヘミセルロースは85wt%が液状オリゴマー形態に転換された。 A 10% sulfuric acid aqueous solution was supplied from the first solvent tank 21 to the leaching type primary reactor 1 and subjected to primary hydrolysis for 5 minutes. At this time, 70 wt% of cellulose was converted into a liquid oligomer form, and 85 wt% of hemicellulose was converted into a liquid oligomer form.
次に、第2溶媒タンク31から水を管型フロー式の2次反応器4に供給し、オリゴマー形態の炭水化物(糖化液)をモノマー形態の糖化液に転換させ、貯蔵槽5で捕集した。
Next, water was supplied from the second
最終的に、グルコースの歩留まりは65wt%であり、キシロースの歩留まりは80wt%であった。これは、従来の1次酸加水分解装置によるバイオマスの酸加水分解と比べたら、グルコースの歩留まりが最大35wt%から65wt%まで増加したことになる。また、キシロースの歩留まりも80wt%であり、従来の高温及び長い反応時間によりキシロースが過分解され60%の低い歩留まりを示したことと異なる。このように、キシロースの過分解過程がなくなり、発酵阻害物質であるフルフラールの生産も低くなり、高いキシロースの回歩留まりが得られた。 Ultimately, the glucose yield was 65 wt% and the xylose yield was 80 wt%. This means that the yield of glucose increased from a maximum of 35 wt% to 65 wt% as compared with the acid hydrolysis of biomass by the conventional primary acid hydrolysis apparatus. Moreover, the yield of xylose is also 80 wt%, which is different from the conventional high temperature and long reaction time in which xylose is excessively decomposed to show a low yield of 60%. Thus, the xylose overdegradation process was eliminated, the production of furfural as a fermentation inhibitor was reduced, and a high yield of xylose was obtained.
また、管型フロー式の2次反応器4と最終の炭水化物を捕集する貯蔵槽5との間に、リグニンが吸着できる活性炭を充填することで、リグニン及びリグニン派生物の58wt%が除去された。従来の1次酸加水分解装置においては、高温及び長い反応時間により、リグニンから派生したフェノール化合物によって発酵工程でのエタノールの歩留まりに大きく影響していた。これに対し、本発明は、活性炭を充填してフェノール化合物を除去することで、発酵工程の効率性を大きく高めた。
In addition, by filling activated carbon capable of adsorbing lignin between the tubular flow type
以上、本発明に従った望ましい実施形態について説明したが、本発明は、この実施形態に限定されず、本発明の技術分野に属する通常の知識を有する者であれば、本発明の範囲及び要旨を外れずに種々の変形及び変更が可能であることは自明である。 The preferred embodiment according to the present invention has been described above. However, the present invention is not limited to this embodiment, and any person who has ordinary knowledge in the technical field of the present invention can understand the scope and spirit of the present invention. It is obvious that various modifications and changes can be made without departing from the above.
本発明の一実施例によるセルロース系バイオマスの炭水化物生産装置及び製造方法は、連続的な反応システム採用する。つまり、浸出式の1次反応器及び管型フロー式の2次反応器に、第1溶媒及び第2溶媒を連続的に供給することで、セルロースバイオマスからグルコース及びキシロースを生産することができる。よって、酵素糖化工程を行わずに、迅速に反応を起こさせ、過分解反応を最小化することができる。また、2段階の主要な工程が連続的に行われるため、工程の効率が優れるとともに、高濃度のグルコース及びキシロースを高い効率で得られるため、産業上の効用価値が高い。 A cellulosic biomass carbohydrate production apparatus and method according to an embodiment of the present invention employ a continuous reaction system. That is, glucose and xylose can be produced from cellulose biomass by continuously supplying the first solvent and the second solvent to the leaching type primary reactor and the tubular flow type secondary reactor. Therefore, without performing the enzymatic saccharification step, it is possible to cause the reaction quickly and minimize the overdegradation reaction. In addition, since the two main steps are continuously performed, the efficiency of the process is excellent, and a high concentration of glucose and xylose can be obtained with high efficiency. Therefore, the industrial utility value is high.
1 浸出式の1次反応器
2 第1溶媒供給装置
3 第2溶媒供給装置
4 管型フロー式の2次反応器
5 貯蔵槽
6 圧力供給装置
7 第3溶媒供給装置
8a 予熱器
8b 蒸気発生器
9a 冷却器
9b 熱交換器
10 吸着装置
21 第1溶媒タンク
22 第1溶媒ポンプ
31 第2溶媒タンク
32 第2溶媒ポンプ
71 第2溶媒タンク
72 第2溶媒ポンプ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Leaching type
Claims (20)
1次反応器に1次溶媒を供給する第1溶媒タンク及び第1溶媒ポンプを備える第1溶媒供給装置と、
前記1次反応器で1次加水分解された加水分解溶液に水を供給して2次加水分解における酸濃度を低くする第2溶媒タンク及び第2溶媒ポンプを備える第2溶媒供給装置と、
前記第2溶媒供給装置により希釈された1次加水分解溶液を管型フロー反応で2次加水分解し、モノマー形態の炭水化物に転換させる管型フロー式の2次反応器と、
前記2次反応器から得られた加水分解物を貯蔵する貯蔵槽と、
前記1次反応器と前記2次反応の内部圧力を維持する圧力供給装置と、
を含むことを特徴とする二段階の酸処理工程によるセルロース系バイオマスの加水分解物の生産装置。 A leaching-type primary reactor for primary hydrolysis of cellulosic biomass to form an oligomer;
A first solvent supply device comprising a first solvent tank for supplying a primary solvent to the primary reactor and a first solvent pump;
A second solvent supply device including a second solvent tank and a second solvent pump for supplying water to the hydrolyzed solution hydrolyzed in the primary reactor to lower the acid concentration in the secondary hydrolysis;
A tubular flow secondary reactor in which the primary hydrolysis solution diluted by the second solvent supply device is subjected to secondary hydrolysis by a tubular flow reaction and converted into a carbohydrate in a monomer form;
A storage tank for storing the hydrolyzate obtained from the secondary reactor;
A pressure supply device for maintaining the internal pressure of the primary reactor and the secondary reaction;
An apparatus for producing a hydrolyzate of cellulosic biomass by a two-stage acid treatment process.
前記1次反応器でセルロース及びヘミセルロースを1次加水分解するように、第1溶媒供給装置から第1溶媒を供給してバイオマスからグルカン及びキシランを抽出する第2段階と、
前記1次反応器で抽出され移送されるグルカン及びキシランを2次加水分解してグルコースとキシロースに転換させるように、第2溶媒供給装置から第1溶媒を希釈する第2溶媒を供給する第3段階と、
管型フロー式の2次反応器に供給されたグルカン及びキシランを管型フロー反応で2次加水分解してグルコースとキシロースに転換させる第4段階、
とを含むことを特徴とする二段階の酸処理工程によるセルロース系バイオマスの加水分解物の生産方法。 A first stage of supplying cellulosic biomass to a leaching primary reactor;
A second stage in which glucan and xylan are extracted from biomass by supplying a first solvent from a first solvent supply device so as to primarily hydrolyze cellulose and hemicellulose in the primary reactor;
A second solvent for diluting the first solvent is supplied from the second solvent supply device so that the glucan and xylan extracted and transferred in the primary reactor are secondarily hydrolyzed and converted into glucose and xylose. Stages,
A fourth stage in which glucan and xylan supplied to a tubular flow type secondary reactor are converted into glucose and xylose by secondary hydrolysis in a tubular flow reaction;
And a method for producing a hydrolyzate of cellulosic biomass by a two-stage acid treatment process.
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