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APPARATUS FOR CONVERSION OF PLANT RESOURCES BY PHASE SEPARATION

Patent code P110004006
File No. B74P05
Posted date Jul 5, 2011
Application number P2007-114874
Publication number P2008-266266A
Patent number P5167554
Date of filing Apr 24, 2007
Date of publication of application Nov 6, 2008
Date of registration Jan 11, 2013
Inventor
  • (In Japanese)舩岡 正光
  • (In Japanese)野田 秀夫
Applicant
  • (In Japanese)国立研究開発法人科学技術振興機構
  • (In Japanese)関西化学機械製作株式会社
Title APPARATUS FOR CONVERSION OF PLANT RESOURCES BY PHASE SEPARATION
Abstract PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an apparatus for converting plant resources by phase separation to efficiently produce lignin derivatives and hydrolyzed glucides.
SOLUTION: The conversion apparatus is one comprising a raw material pretreatment section 2, a concentrated acid treatment section 3, and a recovery section 4, wherein the raw material pretreatment section 2 comprises a raw material agitation and drying kettle 10 provided with a feed port for a phenol and a solvent and defatting the raw material to form a defatted raw material in the form of a phenol-sorbed wood fluor 16, the concentrated acid treatment section 3 is provided with an agitation tank 20 for mixing the phenol-sorbed wood flour 16 with a concentrated acid, a vibration reactor 22 connected to the agitation tank 20, and a separator/extractor 25 that performs the liquid-liquid separation between the formed lignin layer and the formed concentrated acid layer by the reaction between the phenol-sorbed wood fluor 16 and the concentrated acid and recovers the concentrated acid layer from the separator/extractor 25, and the recovery part 4 comprises a crystallizer or mixer 30 and recovers lignophenol from the lignin layer.
Outline of related art and contending technology (In Japanese)

近年、中国、インドなどの石油の需要増加、及びヘッジファンドなどによる投資対象のため、石油価格の高騰が続いている。また、地球温暖化防止に関して京都議定書に定められた二酸化炭素削減目標を達成するために、温室効果ガスの増加を抑制する循環型社会の形成やバイオマス資源の利活用を促進する必要があるとされている。

再生可能なバイオマス資源は、石油や石炭などと異なり、大気中の二酸化炭素を炭素源とし、燃焼廃棄しても大気中の二酸化濃度の増加は防げることからバイオマス資源の活用が望まれている。その中でも植物由来のリグノセルロース資源は再生可能な材料として再注目され、バイオマス発電やガス化などの熱化学的変換や発酵によるエタノールの生産など、エネルギーとしての利用に関する研究が多くなされている。しかし、リグノセルロース資源は、エネルギーとして利用するのみでは、植物資源の再生能力を越えてしまい植物資源の枯渇の可能性が生じる。

植物資源を石油の代替工業原料として有効に利用するためには、石油から様々な有機化学製品が導かれるのと同様、生活に必要な製品の原料を植物資源から誘導することが重要である。植物資源を分子素材として完全活用するためには、分子レベルで高度に複合化された植物体の各構成成分をそれぞれの機能を活かした状態で効率よく分離することが重要である。

このように、各種資源の枯渇のために、近時、化学工業原料として再生可能なバイオマスの関心が高まっている。しかしながら、リグノセルロース系物質、例えば、木材は、構造及び性質の全く異なる炭水化物及びリグニンの複合体であり、構成成分の完全な有効利用を達成するためには、先ず木材をその構成成分へと分解することが必要となる。この観点から、近年、成分分離手法として、オルガノソルプ法やソルボリシス法、あるいは前処理方法として、爆砕法、オートハイドロリシス法などが提案されている。しかし、これらの方法による成分分離は、高エネルギーを必要とし、しかも分離は完全には進行しない。これは、細胞壁中で、炭水化物及びリグニンが複雑に絡み合っていることによる。さらに、高エネルギー付加時にリグニンが大きく変質し、その後の利用が困難となる。
したがって、リグニンの特性を破壊することなく完全な成分分離を達成するためには、構成素材個々に最適環境を設定し、低エネルギー条件下で両者のからまりを解くことが必要である。

木材の組織構造を分子レベルで破壊する一つの方法は、硫酸による処理である。例えば濃硫酸処理によってセルロースは膨潤し、さらに部分的な加水分解および溶解が生じ、結果として細胞壁構造は破壊される。濃硫酸による木材の加水分解手法は、すでに技術的にはほぼ確立されており、さらに本法は成分分離という意味において、完璧かつ安価な方法である。しかし、木材の完全利用を目指した成分分離手法として、酸加水分解法は、縮合によるリグニンの不活性化という重大な欠点を有する。この種の高縮合リグニンは分子が剛直であるため、通常、構造修飾による活性化あるいはその解重合は困難であり、これが酸加水分解を核とする木材工業がこれまで成立しなかった一つの理由である。

濃酸処理過程におけるリグニンの不活性化は、反応糸にリグニンに対する楳体がないことに基づく。

植物体の主たる構成成分である細胞壁構成成分、すなわち、リグニンとセルロースやヘミセルロースなどとの複合系含有材料(以下、リグノセルロース系材料という。)を、フェノール誘導体と酸とを用いて分離・誘導体化する技術がある(例えば、特許文献1及び2参照)。

フェノール誘導体、例えば、クレゾールはリグニンの良溶媒であり、しかもその反応性はリグニン芳香核のそれに類似している。さらにクレゾールは濃酸と混合しない。木紛をまずクレゾールで処理し、木紛内部にクレゾールを十分浸透させる。その後、浪合物を室温で激しく撹拌しながら、濃酸を加える。濃酸は炭水化物との親和性が高く、セル口ースは速やかに膨潤し、これによって組織構造が破壊される。

他方、クレゾールはリグニンとの親和性が高く、反応系において常にリグニンと共存する。言い換えれば、リグニンは濃酸と混合しないクレゾールによって取り囲まれており、これによって、酸とリグニンの接触は可及的に抑制される。また、処理過程でリグニンは部分的に解重合されるが、その際生成したカルボニウムイオンはクレゾールにより速やかに安定化され、リグニンの自己縮合は抑圧される。処理後、撹拌を停止することにより、反応混合物は速やかにクレゾール層と水層に分離する。リグニンはクレゾール層に含まれており、また炭水化物は水層に存在する。クレゾールを留去することにより、MWL(Milled Wood Lignin)よりも明色で活性なリグニンが得られる。他方、酸溶液中には炭水化物がグルコースポリマー、オリゴ糖、単糖として含有されている。

このような技術においては、リグニンと炭水化物を完全分離するために、相分離系変換という手法を用いている。すなわち、予め、リグノセルロース系材料をフェノール化合物で溶媒和させておいた上で、リグノセルロース系材料を酸と接触させることにより、リグニンにフェノール化合物を選択的にグラフトさせると同時にセルロースを膨潤、加水分解により溶解させ、両者を分離するというものである。また、これらの方法において、分離効率を改善する技術もある(特許文献3)。

さらに、特許文献2には、リグノフェノールを成形体の成分として用い、しかも、成形体として使用が済んだ場合においても、リグノフェノールが有機溶媒に可溶であることから、再度有機溶媒で回収して再利用できることが開示されている。

【特許文献1】
特開平2-233701号公報
【特許文献2】
特開平9-278904号公報
【特許文献3】
特開2001-131201号公報
【特許文献4】
特許第3129395号公報

Field of industrial application (In Japanese)

本発明は、植物体の構成成分を分離及び変換する装置に係り、特に、細胞壁構成成分であるリグニン及び炭水化物を利用可能な誘導体に変換し、さらに、完全に分離する植物資源相分離系変換装置に関するものである。

Scope of claims (In Japanese)
【請求項1】
 
植物資源をリグニンの相と炭水化物の相とに変換して分離する装置であって、
原料前処理部と、濃酸処理部と、回収部とを備え、
上記原料前処理部は、原料の撹拌乾燥釜を含み、該撹拌乾燥釜はフェノール類及び溶媒の導入口を備えており、上記原料を脱脂し、該脱脂原料をフェノール収着木紛とし、
上記濃酸処理部は、上記フェノール収着木紛と濃酸を混合する撹拌タンクと、該撹拌タンクに接続される振動反応器と、上記フェノール収着木紛と濃酸との反応により生成したリグニン層と濃酸層を液液分離する分離抽出器と、を含んで構成され、
リグニン層と濃酸層を分離する上記分離抽出器は、上部に配設された軽液排出口と、中間部に配設されたフェノール収着木粉の原料供給口と、下部に配設されたフェノール類の供給口と、最下部に配設された重液排出口とを備えるフローミキサーで成り、
上記回収部は晶析器又は混合器を含ことを特徴とする、植物資源相分離系変換装置。

【請求項2】
 
前記回収部は、遠心分離器と、該遠心分離器に接続する液液分離する混合器と、該混合器に接続される蒸発缶と、該蒸発缶に接続される凝縮器とを含み、
前記リグニン層中のリグノフェノールが前記分離抽出器で回収され、上記リグニン層中のフェノールが上記蒸発缶から回収され、上記凝縮器からは溶媒が回収されることを特徴とする、請求項1記載の植物資源相分離系変換装置。

【請求項3】
 
前記振動反応器は、筒状部と、該筒状部に挿入される超音波振動子と、該筒状部の外周部に冷却部とを備えていることを特徴とする、請求項1又は2に記載の植物資源相分離系変換装置。

【請求項4】
 
前記原料前処理部は、前記フェノール類と溶媒とを回収する蒸発缶と凝縮器とを備えており、前記フェノール類と溶媒との反応液及び前記溶媒を回収することを特徴とする、請求項1又は2に記載の植物資源相分離系変換装置。

【請求項5】
 
前記回収部の晶析器は、超音波振動子又は高速撹拌機を備えていることを特徴とする、請求項1に記載の植物資源相分離系変換装置。

【請求項6】
 
前記回収部の混合器は、超音波振動子又は高速撹拌機を備えていることを特徴とする、請求項1又は2に記載の植物資源相分離系変換装置。
IPC(International Patent Classification)
F-term
Drawing

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JP2007114874thum.jpg
State of application right Registered
Reference ( R and D project ) SORST Selected in Fiscal 2004
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