成果報告書詳細
管理番号100012604
タイトル平成18年度-平成19年度成果報告書 新エネルギー技術研究開発 バイオマスエネルギー高効率転換技術開発(先導技術研究開発) バイオエタノール製造用機械的粉砕技術の研究開発
公開日2009/3/6
報告書年度2006 - 2007
委託先名公立大学法人秋田県立大学
プロジェクト番号P07015
部署名新エネルギー技術開発部
和文要約京都議定書の目標を達成するためには,自動車用燃料E3に用いるバイオエタノール製造が急務であり,その前処理法として自然環境に優しい酵素加水分解法を利用した木質系バイオマスからバイオエタノールを製造する技術の開発が望まれ,1990年頃までに行なわれた原理実験で高衝撃を付加する粉砕機処理が有望であることが明らかになっている。そこで本研究では,高衝撃が付加できる実機プラント用の歯車型粉砕媒体利用振動ミルの開発を行った。(1)現在市販されている振動式ボールミルの振動媒体のボールを外径110mm歯車型粉砕媒体に代えた予備試験の結果,振動数が1200cpm以上の場合,60min以下の粉砕処理で対ホロセルロース糖化率(以下糖化率と記載)80%以上の粉末200gを得た。(2)大容量化の設計データを採取するため予備試験装置の粉砕容器内径,長さなどのスケールを2倍に変えた歯車型粉砕媒体利用振動ミル試験装置の設計・製作を行い,性能の確認を行った。(3)本試験装置により,杉材800gを粉砕・糖化処理実験を行った結果,外径252mmの粉砕媒体を用い,粉砕容器内径と歯車型粉砕媒体外径の差32mm(振動振幅8mm),歯車型粉砕媒体厚さ10mm-21mm,振動数1200cpm-1500cpmの条件で,1時間以内で目標である糖化率80%を達成した。(4)粉砕粉末表面の隙間量と糖化率の関係を調べるために窒素の吸着量より隙間量を求めたが,粉末の低温収縮により,正確な吸着量測定はできなかった。(5)歯車型粉砕媒体を用いて生成した粉末の酵素糖変換後の固体残渣中のリグニンは,酸や熱の影響を受けていないため炭素繊維の原料,あるいは可燃性ガスの生成原料として有利なことが判った。(6)粉砕粉末の酵素糖変換後の固体残渣をフィルタープレス方式で回収する予備実験では70%程度の回収量であった。また,加熱による重量減少速度の測定結果,糖変換前の粉末は揮発分に起因する300℃のピークとチャー燃焼に起因する450℃付近のピークが見られたのに対し,糖変換後の固体残渣は250℃付近のピークのみであった。[今後解決すべき課題](1)第3回バイオマス科学会議で,石臼式の粉砕機は振動式ボールミルの約1/7の粉砕エネルギー(濃硫酸法と同程度)でバイオエタノール製造用の粉末が製造できると報告された。歯車型粉砕媒体利用ミルで得られた粉末の糖化率は石臼式よりも高いが,粉砕エネルギーが約3倍と大きい。本方式の加振エネルギー削減方策を検討する必要がある。(2)歯車型粉砕媒体利用ミルで生成した粉末を酵素糖変換する時,その表面に順次残るリグニンが,酵素とセルロースとの反応を妨げると考えられ,粉末表面よりリグニンを除去するシステムを組込んだ糖変換の検討が必要である。(3)歯車型粉砕媒体利用ミルで生成した粉末は,メイセラーゼとヘミセルラーゼの混合酵素を用いることで高糖化率になる。ヘミセルロースも積極的に糖変換し,未反応ヘミセルロースを粉末表面に残さず,メイセラーゼの反応阻害とならないようにする検討が必要である。(4)固体残渣回収予備実験で用いたギアポンプ中で平均粒径が小さくなり,回収量が70%程度になったと考えられる。簡単なシステム,省エネルギーを考えた固液分離方式および装置を検討する必要がある。同時に,酵素の回収法も検討する必要がある。(5)酵素糖変換後の残渣は,炭素繊維等の原料とするために純度の高いリグニン分離法の検討が必要である。また,エネルギー源化のため250℃付近で熱分解させてH2やCOを生成するシステムを検討する必要がある。
英文要約To achieve the Kyoto Protocol commitment, it is urgently necessary to produce the bio-ethanol for 3% ethanol blended gasoline. Moreover it is hoped to develop the production using the enzymatic hydrolysis process as pre-treatment with insignificant effect on environment. It has been described that wood powder mill with large impacts was very effective to accelerate enzymatic hydrolysis in validation till 1990. Therefore, the development of a commercial vibratory mill with cogwheels, which adds large impacts to the powder, will be our final target.(1)As results of pretest of the vibratory ball mill that used cogwheels in place of balls, the 200g of powder with the 80% saccharification efficiency of holocellulose was obtained in 60 min over vibratory frequency of 1200cpm.(2)To accumulate design data for a large volume mill, the vibratory mill with cogwheels that changed the cylinder diameter and length scale into twice was designed and fabricated. And mill tests were carried out to validate performances.(3)As results of mill and saccharification examination of 800g Japanese cedar wood using the equipment, 80% saccharification efficiency of holocellulose was achieved in one hour at vibratory frequency from 1200 to 1500cpm with a 252mm diameter of cogwheels and 32mm in clearance gap between cogwheel and cylinder (vibratory amplitude of 8mm).(4)To investigate a relation between wood powder surface cracks and the saccharification efficiency of holocellulose, a nitrogen gas adsorption test was carried out to obtain amount of surface cracks. However, due to shrinking of powder by low temperature, measure of the nitrogen gas adsorption was inaccurate.(5)A residue after the enzymatic hydrolysis process using wood powder by the mill with cogwheels had no influences of acid and heat. Therefore it promised to be materials for the carbonizing textiles or gasification of H2 and CO. (6)As results of filter press collecting pretest for the residue, the solids collection ratio achieved about 70% with 1 μm mesh to the residue after the enzymatic hydrolysis process using wood powder by the mill with cogwheels. On the other hand, the weight reduction ratio by heating before saccharification showed 300 degree-C peak caused by volatile release of powder and 450 degree-C peak caused by char combustion. Compared with this, the weight reduction ratio by heating after saccharification showed around 250 degree-C peak exclusively. [Problems to be solved] (1)It was reported that the stone mill could produce wood powder with crushing energy of 1/7 compared to the vibratory ball mill, which was comparable with the concentrated sulfuric acid process, at the 3rd biomass science meeting (2008.1.15, Campus Plaza KYOTO). Although the mill with cogwheels made high mill efficiency than the stone mill, the crushing energy of the mill with cogwheels increased threefold.
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