糖化反应设备的制作方法
糖化反应设备的制作方法
【专利摘要】本实用新型提供能够通过原料投入装置以适合糖化分解的状态向反应器投入原料，在反应器内高效地进行糖化分解的糖化反应设备。具备：使原料（10）发生糖化反应的反应器（14）；和将原料（10）以规定间隔投入至反应器（14）内的原料投入装置（20）；反应器（14）具有使由原料投入装置（20）投入的原料（10）上升至糖化反应温度的加热蒸汽供给部（58）、和使投入的原料（10）在高温高压下发生糖化反应并在规定的短时间内向排出口（56）依次输送的输送机构（54）；原料投入装置（20）形成为将原料（10）以适合反应器（14）的糖化反应速度的堆积密度投入至反应器（14）内的结构。
【专利说明】糖化反应设备
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及通过原料投入装置将生物质原料等投入至反应器中后使其糖化分解的糖化反应设备。
【背景技术】
[0002]作为利用生物质能源的一个环节，尝试着将作为甘蔗渣、稻草等的植物的主成分的纤维素或半纤维素进行糖化分解后，从糖液中得到乙醇。而且，计划着将得到的乙醇作为燃料用而部分混入到汽车燃料中，或者作为汽油的代替燃料利用。
[0003]作为将像纤维素或半纤维素那样的纤维素类生物质分解为糖类的方法，具有通过高温高压的超临界水或亚临界水进行糖化分解的方法。
[0004]作为该方法，例如将作为甘蔗渣、稻草等的粉碎物的生物质原料(在该说明书及权利要求书中简称为“原料”)投入至反应器中，在反应器中糖化分解后得到C5糖液，将该C5糖液的脱水滤饼进一步在反应器中糖化分解后得到C6糖液。然后，将这些糖液发酵后蒸馏，以此产生乙醇。
[0005]然而，当使用高温高压的超临界水或亚临界水时，因为其强的氧化能力而在数秒?数分钟的短时间内完成纤维束及半纤维束的糖化分解。
[0006]因此，迫切需要能够将生物质原料在短时间内以适合于糖化反应的状态投入至反应器中，并在反应器中高效地糖化分解，以此提高糖化率的糖化反应设备。
[0007]作为这种供给生物质原料等的装置的现有技术，具有在将被处理物供给至加压容器内的供给装置上设置有排水单元的中空体内，从面向加压容器的开口用活塞推出被处理物的装置(例如参照专利文献I)。
[0008]又，作为另一现有技术，具有通过在气缸部的内部移动的活塞将含有浆液和固形物的被注入物供给至高温高压反应装置内，并且为了防止固形物的堵塞而设置贯通活塞的贯通孔内的主轴(spindle)的注入装置(例如参照专利文献2)。
[0009]此外，作为又一现有技术，具有使细小地粉碎的固体从圆筒的狭缝向插入室重力落下，之后关闭圆筒的狭缝，并通过活塞从插入室向高压的反应容器内供给固体的干式供给机(例如参照专利文献3)。
[0010]现有技术文献:
[0011]专利文献:
[0012]专利文献1:日本特开2005-145697号公报；
[0013]专利文献2:日本特开2006-7108号公报；
[0014]专利文献3:日本特开昭62-102826号公报。
实用新型内容
[0015]实用新型要解决的问题:
[0016]然而，作为将生物质原料投入至反应器的方法，具有使原料以含有水分并压密的状态投入的方法。然而，当使原料以压密的状态投入至反应器内时，为了使该原料上升至糖化反应温度而需要时间。这可能是因为当使原料以压密的状态投入至反应器内时，保持成块的状态而难以粉碎，不能迅速与蒸汽混合而导致温度上升速度变慢。因此，将原料压密后投入时糖化率下降。这一点在通过记载于上述专利文献I的装置供给原料时也相同。又，在记载于上述专利文献2的装置的情况下，也难以使固形物迅速地上升至糖化反应温度。
[0017]另一方面，也具有使原料以不压密的状态投入至高压的反应器内的方法。作为该方法，具有通过一般的闭锁料斗(lock hopper)进行的投入方法。然而,通过闭锁料斗进行的投入方法是，打开设置于上部的闸阀使原料投入至低压的料斗内后关闭闸阀，打开设置于下部的调压阀而使料斗内部达到与反应器相同的高压后关闭调压阀。然后，通过打开设置于下部的闸阀以此使原料投入至反应器内。之后，关闭闸阀，打开设置于上部的调压阀以此使料斗内部达到低压后关闭调压阀。之后，打开上部的闸阀，向料斗内投入下一批原料。因此，通过闭锁料斗进行原料投入时，为了重复这些动作而需要投入间隔。该投入间隔例如为2?3分钟一次。
[0018]然而，如上所述，在反应器中糖化分解生物质原料的反应时间较短。尤其是，纤维素的糖化分解所需的反应时间非常短，例如在一分钟以下的短时间内完成糖化分解。因此，当采用上述闭锁料斗时，导致原料的投入间隔比糖化分解的时间长。因此，像闭锁料斗那样的完全混合槽的情况下，使依次投入的原料混合，其结果是反应时间长的和反应时间短的被同时排出，糖化率降低。这一点在通过记载于上述专利文献3的装置供给原料的情况下也相同。
[0019]因此，本实用新型的目的是提供能够通过原料投入装置以适合糖化分解的状态将原料投入至反应器内，并且在反应器内高效地糖化分解的糖化反应设备。
[0020]解决问题的手段:
[0021]为了实现上述目的，本实用新型的发明人进行了将各种原料以不同的压密状态投入至反应器内并进行糖化反应以能够在反应器内高效地进行糖化分解的实验。然后，想到了在将原料以规定的不压密的状态投入时，是否能够通过蒸汽使该原料迅速提升至糖化反
应温度。
[0022]然后，由进行各种实验后的结果，想到了通过活塞泵方式的原料投入装置向活塞流(plug flow)型的反应器内投入不压密的状态的原料的方法。根据该方法，得到了可以使投入的原料在反应器内迅速上升至适合糖化反应的温度，之后可以在短时间内高效地进行糖化分解，也可以回收以往回收困难的C6糖液的见解。
[0023]根据本实用新型的糖化反应设备具备:使原料发生糖化反应的反应器；和将所述原料以规定间隔投入至所述反应器内的原料投入装置；所述原料投入装置形成为将所述原料以通过投入至所述反应器内以此崩解并分散的堆积密度投入至反应器内的结构；所述反应器具有使由所述原料投入装置投入的所述原料上升至糖化反应温度的加热蒸汽供给部、和使投入的原料在高温高压下糖化反应规定时间后从排出口排出的输送机构。
[0024]根据该结构，通过原料投入装置以适合反应器的糖化反应速度的堆积密度将原料投入至反应器内，因此可以使投入至反应器内的原料分散而增大比表面积，可以使温度在短时间内上升。因此，使投入后的原料迅速升温至糖化反应温度，在规定的糖化分解时间内高效地糖化分解，可以进行糖化率高的糖化反应。[0025]又，也可以是所述原料投入装置具有将所述原料投入至所述反应器的活塞泵、和对具备通过所述活塞泵投入的原料的原料供给口的投入管进行开闭的闸阀；所述活塞泵的活塞形成为具备在从所述投入管的原料供给口的闸侧端部至闸阀之间进行密封的密封部，并且所述活塞与从所述原料供给口的闸侧端部至闸阀之间的投入管接触的状态下通过所述密封部密封高压的反应器侧与低压的原料供给口侧之间的结构。
[0026]像这样构成时，在通过活塞泵向高压的反应器内投入原料时，当活塞到达投入管的原料供给口的闸侧端部时，可以通过密封部密封投入管，因此可以密封反应器和原料供给口之间。借助于此，在通过活塞密封反应器的高压的状态下打开闸阀，可以将原料稳定地投入至高压的反应器内。
[0027]又，也可以是所述活塞泵形成为能够控制相对于所述原料供给口的闸侧端部的、所述活塞的闸阀侧停止位置及原料供给口侧停止位置中的任意一个以能够调节所述原料的堆积密度的结构。
[0028]像这样构成时，可以将通过活塞输送的原料的堆积密度调节为适合反应器内的糖化分解的状态。
[0029]又，也可以是所述加热蒸汽供给部形成为供给使所述反应器的内部的上部气层压力达到比通过所述输送机构输送的原料的液层温度的饱和蒸汽压和内部的蒸汽以外的气体的分压的总和高的压力的加热蒸汽的结构。
[0030]像这样构成时，以不压密的规定的堆积密度投入至反应器内的原料不会因包含在原料内并被投入的空气的分压而影响水蒸气的冷凝。因此，可以通过比糖化分解温度的液层温度的饱和蒸汽压和内部的蒸汽以外的气体的分压的总和高的压力的蒸汽一瞬间加热原料的较大的比表面积，并且使原料在短时间内一瞬间上升至适合糖化分解的温度，从而可以在短时间内糖化分解。
[0031]又，也可以是所述反应器具有排出从所述原料投入装置投入的原料中的空气的排放(vent)部。
[0032]像这样构成时，可以排出以不压密的规定的堆积密度投入的原料中的空气，可以防止因空气分压而影响水蒸气的冷凝，借助于此也可以缩短原料的升温时间，可以提高糖化率。
[0033]又，也可以是具备:在所述原料中混合蒸汽以进行预热，将该被预热的原料供给至所述原料投入装置内的混合机；和将从所述反应器排出的原料减温.减压的闪蒸罐；形成为使通过所述闪蒸罐减压的蒸汽返回至所述混合机而与原料混合，以此在反应温度以下预热原料温度的结构。
[0034]像这样构成时，可以利用将从反应器排出的原料通过闪蒸罐减温.减压后的蒸汽预热投入至反应器内的原料，可以谋求设备的节能化。
[0035]又，也可以是所述混合机形成为向所述原料中混合酸催化剂的结构。
[0036]根据这样的结构，可以在投入反应器之前将原料的基准酸浓度保持一定，与向反应器内供给酸催化剂的情况相比，可以抑制因糖化率不均而导致的糖化率下降。
[0037]根据本实用新型，可以通过原料投入装置以适合反应器内的糖化反应的堆积密度投入原料，因此在反应器内使原料在短时间内上升至适合糖化分解的温度，可以高效地进行糖化分解。【专利附图】
【附图说明】
[0038]图1是包含根据本实用新型的糖化反应设备的生物乙醇制造设备的框图；
[0039]图2是示出根据本实用新型的一个实施形态的糖化反应设备的结构图；
[0040]图3是图2所示的糖化反应设备中的原料投入装置的侧视图；
[0041]图4A是示出图3所示的原料投入装置的动作位置控制的侧视图；
[0042]图4B是示出图4A所示的原料投入装置的下一个动作位置控制的侧视图；
[0043]图4C是示出图4B所示的原料投入装置的下一个动作位置控制的侧视图；
[0044]图5A是示出与图4A~图4C所示的原料投入装置的动作位置控制不同的动作位置控制示例的侧视图；
[0045]图5B是示出与图4A~图4C及图5A所示的原料投入装置的动作位置控制不同的动作位置控制示例的侧视图；
[0046]符号说明: [0047]10原料(一次脱水滤饼)；
[0048]11混合机；
[0049]12蒸汽；
[0050]13酸催化剂；
[0051]14反应器；
[0052]15闪蒸罐；
[0053]16固液分离装置；
[0054]17C6 糖液；
[0055]18二次脱水滤饼；
[0056]20原料投入装置；
[0057]21料斗；
[0058]22投入管；
[0059]23原料供给口 ；
[0060]24闸侧端部；
[0061]25活塞泵侧端部；
[0062]26闸阀；
[0063]27闸构件；
[0064]30活塞泵；
[0065]31活塞；
[0066]32密封部；
[0067]33气缸部；
[0068]35~39位置传感器；
[0069]40弯管；
[0070]41上部气层用压力计；
[0071]42液用温度计；
[0072]50气层部；[0073]51液层部；
[0074]52原料投入口 ；
[0075]53横向输送装置；
[0076]54输送机构；
[0077]55驱动马达；
[0078]56排出口；
[0079]57加热蒸汽；
[0080]58加热蒸汽供给部；
[0081]60糖化反应设备；
[0082]LI距离；
[0083]L2原料供给口距离；
[0084]L3行程；
[0085]L4、L5 距离。 【具体实施方式】
[0086]以下，基于【专利附图】
【附图说明】本实用新型的实施形态。在以下的实施形态中，以像图1所示那样的包含糖化反应设备的生物乙醇制造设备为例进行说明。在该生物乙醇制造设备中，通过两个阶段的糖化分解得到C5糖液和C6糖液。
[0087]首先，基于图1说明生物乙醇制造设备的概要。甘蔗渣、稻草等的生物质原料I通过前处理2粉碎成规定的大小。该原料在混合机3中与蒸汽4、酸催化剂5混合。然后，该原料被投入至设定为规定的温度、压力条件的反应器6内。该原料在反应器6内糖化分解规定时间，并供给至闪蒸罐7被闪蒸减压。在该闪蒸罐7中的闪蒸减压是使从反应器6排出的浆液状原料一瞬间减压而一部分汽化从而降低温度的方法。借助于此，停止反应。在该闪蒸罐7中被减温.减压的固体及液体通过固液分离装置8分离为C5糖液9和一次脱水滤饼10。
[0088]然后，一次脱水滤饼10在下一个混合机11中与蒸汽12、酸催化剂13混合而变成下一批原料。该原料被投入至设定为下一个温度、压力条件的反应器14内。该原料在反应器14内糖化分解规定时间，并供给至闪蒸罐15中而被闪蒸减压。在该闪蒸罐15中减温.减压的固体及液体通过固液分离装置16分离为C6糖液17和二次脱水滤饼18。
[0089]由如上所述得到的C5糖液9及C6糖液17被酒精发酵后蒸馏而制造出生物乙醇。
[0090]接着，基于图2详细说明具备用于从上述一次脱水滤饼10中得到C6糖液17的混合机11及反应器14、和设置于它们之间的原料投入装置20的糖化反应设备60。作为在反应器14中用于得到C6糖液的条件，与在反应器6中用于得到C5糖液的条件相比，反应温度及压力较高而糖化反应时间较短。
[0091]如图2所示，在混合机11中，原料(在该示例中为一次脱水滤饼)10与酸催化剂13和蒸汽12混合。像这样，预先对投入至反应器14之前的原料10混合酸催化剂13，以此原料的基准酸浓度保持一定，与在反应器14中供给酸催化剂13的情况相比抑制因糖化率的不均导致的糖化率降低。
[0092]又，在该实施形态中，在混合机11内通过蒸汽12预热原料10，因此可以减小在以下说明的反应器14中提升至反应温度的温度差(Λ t)。通过该蒸汽12进行的预热使原料10的温度预热至反应器14中的反应温度以下。例如，将原料10预热至120°C左右。另外，通过蒸汽12进行的该原料10的预热只要根据需要进行即可。
[0093]在该混合机11中与酸催化剂13和蒸汽12混合的原料10，例如在水分为50重量％以下的情况下在反应器14中难以变成浆液状，因此使水分为50~80重量％左右。
[0094]然后，在混合机11中与酸催化剂13混合的原料10，也如图3所示，被供给至将该原料10投入至反应器14内的原料投入装置20的料斗21内。原料投入装置20形成为通过活塞泵30将一定量的原料10以规定间隔从料斗21通过投入管22投入至反应器14内的结构。活塞泵30形成为将供给至料斗21的原料10向反应器14推出并投入的结构。
[0095]在活塞泵30和反应器14之间设置有闸阀26。由于反应器14侧为高压，因此以如下方式进行控制，即，在活塞泵30的活塞31到达规定位置的时刻密封与反应器14侧之间，之后，打开闸阀26使原料10以规定间隔投入至反应器14内。该规定间隔设定为比在反应器14内的滞留时间短的时间、例如20~60秒一次的间隔。另外，原料投入的详细内容在下面叙述。
[0096]又，通过该原料投入装置20投入到反应器14内的原料10如上所述在混合机11中水分达到50~80重量％左右。然而，尽管是水分为50~80重量％左右的原料10，但是由于不是液体因此在反应器14内难以与蒸汽混合。
[0097]因此，通过该原料投入装置20，将投入至反应器14内的原料10以不压密的堆积密度投入，在投入至反应器14内时使其分散，以此在短时间内提升至糖化反应温度。
[0098]即，将原料1 0以不压密的松散的状态的堆积密度投入至反应器14内，以此投入的原料10分散而成为粉状，增大了与加热蒸汽接触的表面积。即，借助于此，投入并成为粉状的原料10与加热蒸汽接触的比表面积增大，以该比表面积被加热蒸汽一瞬间加热的原料10短时间内被提升至适合糖化反应的温度。作为不压密原料10的堆积密度，例如设定为
0.3~0.6左右。
[0099]另一方面，上述反应器14以高温?高压糖化分解生物质原料并得到糖液。在从上述活塞泵30投入原料10的上部设置有具有规定体积的气层部50，在下部设置有在将原料10在规定的反应时间内向排出口 56输送的同时使其糖化分解的液层部51。
[0100]在上部的气层部50上设置有原料投入口 52，该原料投入口 52与上述活塞泵30的投入管22的梢端连接。从该原料投入口 52投入的原料10下落到设置于下部的液层部51的横向输送装置53的上部。在气层部50上设置有上部气层用压力计41，在液层部51上设置有液用温度计42。
[0101]设置于反应器14的下部的横向输送装置53形成为通过驱动马达55使双轴的输送机构54旋转，以此在混合原料10的同时在适合糖化分解的时间内横向输送原料10并从排出口 56排出经糖化分解的浆液状原料。反应器14是将从原料投入口 52投入的原料10依次向排出口 56输送的活塞流型的反应器14。原料10在反应器14内的高温高压环境下通过横向输送装置53输送的期间因反应而变成高浓度的浆液状。
[0102]在该实施形态中，尽管使上述横向输送装置53的输送机构54为双轴的输送机构，但是该输送机构54只要是能够将原料10在规定的反应时间内搬运至排出口 56的输送机构即可。[0103]又，在反应器14的原料投入口 52侧，对从该原料投入口 52投入并落下的原料10供给加热蒸汽57。该加热蒸汽57是，反应器14的内部的上部气层压力达到高于液层部温度的饱和蒸汽压和蒸汽以外的气体的分压的总和的压力那样的高温的加热蒸汽57从加热蒸汽供给部58输入。通过该加热蒸汽57使从原料投入口 52投入的原料10的温度迅速地上升。例如，反应器14内的液层部温度为240?280°C的情况下，被供给的加热蒸汽57是250?300°C左右的高温的蒸汽。通过供给该高温的加热蒸汽57，以此将原料10在短时间内提升至糖化反应温度。作为提升至该糖化反应温度的时间，例如可以在10秒以内将约20?120°C的原料10提升至240?280°C。
[0104]作为上述加热蒸汽57，从加热蒸汽供给部58输入压力高的蒸汽以达到液层部51的饱和蒸汽压+空气分压<内部的上部气层压力。在该示例中，输入250?300°C的蒸汽。像这样，在反应器14的内部，使上部空间的气层的压力高于液层部51的饱和蒸汽压加上蒸汽以外的气体的分压的压力，以此防止因空气分压而影响水蒸气的冷凝。借助于此，也能够缩短原料10的温度上升时间，谋求提高糖化率。
[0105]又，在该实施形态中，从原料投入口 52的上方和横向输送装置53的终端上方通过弯管40排出空气。如上所述，当通过活塞泵30将原料10以不压密的状态的堆积密度投入至反应器14内时，在该原料10中含有空气。因此，通过从弯管40排出该空气，以此防止在反应器14的内部因蒸汽分压下降而导致蒸汽难以冷凝并由此导致的原料10的温度上升变慢。通过弯管40的空气排出也可以由上述原料投入装置20的投入管22进行。像这样，排出空气以防止空气过量积留在反应器14的内部，以此降低内部的空气分压并促进水蒸气的冷凝。借助于此，也能够缩短原料10的温度上升时间，谋求提高糖化率。
[0106]在上述横向输送装置53的输送方向端部上设置有排出糖化分解的原料10的排出口 56。从该排出口 56排出的原料10被供给至闪蒸罐15而被闪蒸减压,之后被供给至固液分离装置(图1) 16内。
[0107]又，在该实施形态中，将在闪蒸罐15中减压而在罐上部产生的蒸汽导入至上述混合机11内作为原料预热用的蒸汽12来利用。像这样，将闪蒸罐15的蒸汽作为原料预热用蒸汽供给至混合机11，以此谋求整个设备的节能化。
[0108]接着，基于图3详细说明上述原料投入装置20。原料投入装置20具有设置于稍微远离反应器14的原料投入口 52的位置上的闸阀26、在以规定距离远离该闸阀26的位置上设置的上述料斗21、和将供给至该料斗21的原料10推出的活塞泵30。
[0109]闸阀26以打开或关闭投入管22的方式被控制装置控制。闸构件27打开或关闭投入管22。
[0110]闸构件27的料斗侧端面和设置于料斗21的下部的原料供给口 23的闸侧端部(原料供给口端部)24之间的距离LI比料斗21的下部的原料供给口距离L2稍微短。
[0111]又，活塞泵30的活塞31在梢端部分设置有密封部32，该密封部32在与从上述原料供给口 23的闸侧端部24至闸阀侧的投入管22的内表面之间发挥密封功能。借助于此，活塞泵30的活塞31将供给至原料供给口 23的原料10从该原料供给口 23的活塞泵侧端部25向闸阀侧推动，当该活塞31从原料供给口 23的闸侧端部24插入于投入管22内时，与投入管22之间的间隙被密封部32密封。另外，在以下说明中，将上述距离LI的原料供给口侧基准位置设为闸侧端部24来进行说明，但是也可以如双点划线所示将距离LI的原料供给口侧基准位置设为从闸侧端部24稍微向闸阀侧进入的位置28以在通过活塞31的密封部32完全密封投入管22的状态下打开闸构件27。
[0112]因此，即使在通过活塞31的密封部32密封与投入管22之间的间隙的状态下打开闸阀26，也不会发生压力从高压的反应器14侧向低压的原料供给口 23的方向排出的情况。
[0113]而且，在通过该活塞31密封投入管22的状态下打开闸构件27，并使活塞泵30的活塞31伸展至闸阀26的位置时，投入管22的内部的原料10被投入至反应器14的内部。
[0114]之后，使活塞31后退，并在到达原料供给口 23的闸侧端部24之前关闭闸构件27。借助于此，在通过活塞31的密封部32密封投入管22的状态下关闭闸阀26，因此不会发生压力从高压的反应器14侧向低压的原料供给口 23的方向排出的情况。
[0115]又，在该实施形态中，通过传感器来行程控制使上述活塞泵30的活塞31伸缩的距离。在该示例中，在使活塞31伸缩的气缸部33上设置有位置传感器35?39，通过这些位置传感器35?39检测活塞31的位置，根据该活塞31的位置如上所述开闭控制闸阀26的闸构件27。
[0116]在该实施形态中，如下述的图4A?图4C所示设置有在活塞泵30的活塞31位于原料供给口 23的活塞泵侧端部25时进行检测的位置传感器35、在活塞31位于原料供给口 23的闸侧端部24时进行检测的位置传感器36、和在活塞31位于闸构件27的料斗侧端面时进行检测的位置传感器37。又，如下述的图5A、图5B所示，还设置有在到达距离L4、距离L5的位置时进行检测的位置传感器38、39。这些位置传感器35?39可以利用限位开关(limit switch)和其他结构等。
[0117]接着，基于图4A?图4C，说明从上述投入管22的闸构件27至原料供给口 23的闸侧端部24的距离L1、料斗21的原料供给口距离L2、和直至活塞31位于闸构件27的料斗侧端面的活塞泵30的行程L3的动作位置控制。
[0118]图4A所示的状态是从上述图3所示的状态开始使活塞泵30的活塞31伸展的状态。使活塞31伸展，将料斗21的下部的与原料供给口距离L2相对应的量的原料10向闸阀26挤压。然后，当活塞31到达原料供给口 23的闸侧端部24时，周围的密封部32与投入管22接触而密封投入管22。借助于此，与原料供给口距离L2相对应的量的原料10被移送至闸阀26的闸构件27和原料供给口 23的闸侧端部之间的距离LI的部分而处于稍微被挤压的状态。
[0119]接着，如图4B所示，闸构件27被打开，活塞31仅伸展行程LI，原料10被投入至反应器14的内部。在该示例中，在投入管22中将原料10稍微挤压后以规定的堆积密度(例如，0.3?0.6左右)投入，以此在投入至反应器14的内部时崩解而分散成粉状。在投入原料10时使其分散，以此增大原料10的比表面积，通过加热蒸汽迅速加热至糖化反应温度。
[0120]又，在该实施形态中，如上所述将原料10预热至糖化反应不进行的程度的温度(例如，100?120°C以下的温度)，因此减小投入后加热的温度而一瞬间升温至反应温度。此夕卜，通过这样做，如上所述有效利用闪蒸罐15的蒸汽，减小在反应器14内提升温度的升温幅度而谋求节能化。
[0121]接着，如图4C所示，在活塞31仅缩短直至原料供给口 23的闸侧端部24的距离LI的期间，闸构件27关闭。之后，活塞31缩短至原料供给口 23的活塞泵侧端部25，达到图3所示的初始状态。[0122]作为通过像这样的活塞泵30的原料10的投入间隔，例如以20?60秒一次的频率投入。作为反应器14内的原料10的滞留时间(搬运时间)，例如为数十秒?I分钟程度的非常短的时间，而原料10以更短的间隔投入。像这样，将原料10以较短的周期且以如上所述不压密的松散的状态的堆积密度投入至反应器14内，以此通过反应器14在依次输送原料10的同时在规定的较短的糖化分解时间内高效地糖化分解，提高糖化率。
[0123]接着，基于图5A、图5B，说明通过上述活塞泵30和闸阀26进行的不同的动作位置控制示例。另外，图5A、图5B中的距离L4、L5，为了方面说明而示出夸张的位置。
[0124]图5A示出的示例是与上述图4A?图4C所示的示例相比,试图稍微提高原料10的堆积密度(试图压密)的情况的设定示例。在该示例中，使投入原料时(打开闸构件27时)的活塞31的伸展位置在未到达闸构件27的料斗侧端面的距离L4处停止。通过设置于气缸部33的位置传感器38检测距离L4。
[0125]像这样，通过限制活塞31的伸展长度，以此从投入管22投入至反应器14的内部的原料10在闸构件27的前面处于稍微残留的状态。因此，接着通过活塞31向投入管22移送与原料供给口距离L2相对应的量的原料10而活塞31到达闸侧端部24的状态下，新的原料10被挤压在残留于闸构件27的前面的原料10上。借助于此，可以在投入管22中稍微压密原料10。
[0126]然后，打开闸构件27使活塞31仅伸展距离L4，以此可以将提高了堆积密度的原料10投入至反应器14的内部。该动作位置控制示例使用于在将原料投入至反应器14之前需要稍微压密的情况。
[0127]另一方面，在为了投入原料10而使活塞31伸展时，也可以使上述闸构件27如双点划线所示成为关闭的状态，并且将活塞31从闸侧端部24推入至距离L4的位置。然后，也可以在活塞31到达距离L4的位置的状态下打开闸构件27，使活塞31进一步伸展至距离LI，以此将原料10投入至反应器14内。由上所述，可以将与原料供给口距离L2相对应的量的原料10在闸构件27的前面的投入管22的内部仅压密距离L4而提高堆积密度，并且可以将该原料10投入至反应器14的内部。该动作位置控制示例也使用于在将原料投入至反应器14之前需要稍微压密的情况。
[0128]图5B所示的示例是与上述图4A?图4C所示的示例相比,试图稍微降低原料10的堆积密度(想要更加松散)的情况或者试图减小供给量的情况的设定示例。在该示例中，使活塞31的缩短位置在直至料斗21的下部的原料供给口距离L2的中途的距离L5处停止。通过设置于气缸部33的位置传感器39检测距离L5。
[0129]像这样，通过限制活塞31的缩短长度，以此在活塞31于闸侧端部24处进行密封之前将料斗21的下部的与原料供给口距尚L2相对应的量内的与距尚L5相对应的量的原料10推入至投入管22的闸侧端部24和闸构件27之间，原料10的推入量减少。借助于此，移送至投入管22的原料10的量减少，可以防止原料10被压缩。又，可以减少供给量。
[0130]然后，打开闸构件27并使活塞31仅伸展距离LI，以此可以将降低了堆积密度的原料10投入至反应器14的内部。该动作位置控制示例使用于将稍微压密的原料10无需进一步压密地投入至反应器14的情况等。
[0131]像这样的原料10的堆积密度的调节是，如果上述距离LI和原料供给口距离L2已定，则可以以投入管22的闸侧端部24的位置为基准通过调节活塞31的伸缩位置来进行。该活塞31的伸缩位置的调节可以通过调节位置传感器38、39的位置来进行。
[0132]如以上所述，根据上述糖化反应设备60，在制造生物乙醇等时，在试图将原料10以短的间隔投入至反应器14的情况下，可以通过原料投入装置20的活塞泵30以较高的频率将原料10投入至反应器14内。此外，可以将原料10以能够在短时间内升温至适合反应的温度的堆积密度投入至反应器14内。
[0133]除此以外，即使因原料10不同而水分状态等发生了变化，也可以将投入至反应器14的原料10的压密状态等通过控制原料投入装置20的活塞泵30来进行调节，因此可以将原料10调节为适合于反应器14的堆积密度后投入至反应器14内，在反应器14内可以使糖化率高的反应稳定。
[0134]又，通过活塞泵30投入原料10，以此在投入管22的内部不会残留原料10地将其投入至反应器14内。
[0135]另外，在上述实施形态中，以使生物质原料10通过两个阶段糖化分解后得到C5糖液和C6糖液而制造生物乙醇的设备为例进行了说明，但是尽管为其他的设备但是将相同的原料投入至反应器并试图在短时间内使其反应的情况下也可以应用，并不限于上述实施形态。
[0136]又，在上述实施形态中，作为移动控制活塞泵30的活塞31的动作示例说明了两个示例(图5A、图5B)，但是也可以将它们组合，或者根据其他条件进行不同的动作位置控制，活塞泵30的动作位置控制并不限于上述实施形态。此外，活塞31的动作位置控制除了通过限位开关以外，也可以通过驱动活塞31的液压使原料10的堆积密度达到合适的状态，并不限于上述实施形态。
[0137]此外，也可以在上述实施形态的靠近投入管22的闸阀26的原料供给口侧设置排液阀、泄压阀、均压阀等。
[0138]又，上述实施形态示出一个示例，在不影响本实用新型的主旨的范围内可以进行各种变更，本实用新型并不限于上述实施形态。
[0139]工业应用性:
[0140]根据本实用新型的糖化反应设备可以利用于尤其是将生物质原料高效地糖化分解，并试图提闻糖化率的情况。
【权利要求】
1.一种糖化反应设备，其特征在于，具备: 使原料发生糖化反应的反应器；和 将所述原料以规定间隔投入至所述反应器内的原料投入装置； 所述原料投入装置形成为将所述原料以通过投入至所述反应器内以此崩解并分散的堆积密度投入至反应器内的结构； 所述反应器具有使由所述原料投入装置投入的所述原料上升至糖化反应温度的加热蒸汽供给部、和使投入的原料在高温高压下糖化反应规定时间后从排出口排出的输送机构。
2.根据权利要求1所述的糖化反应设备，其特征在于， 所述原料投入装置具有将所述原料投入至所述反应器的活塞泵、和对具备通过所述活塞泵投入的原料的原料供给口的投入管进行开闭的闸阀； 所述活塞泵的活塞形成为具备在从所述投入管的原料供给口的闸侧端部至闸阀之间进行密封的密封部，并且所述活塞与从所述原料供给口的闸侧端部至闸阀之间的投入管接触的状态下通过所述密封部密封高压的反应器侧与低压的原料供给口侧之间的结构。
3.根据权利要求2所述的糖化反应设备，其特征在于，所述活塞泵形成为能够控制相对于所述原料供给口的闸侧端部的、所述活塞的闸阀侧停止位置及原料供给口侧停止位置中的任意一个以能够调节所述原料的堆积密度的结构。
4.根据权利要求1所述的糖化反应设备，其特征在于，所述加热蒸汽供给部形成为供给使所述反应器的内部的上部气层压力达到比通过所述输送机构输送的原料的液层温度的饱和蒸汽压和内部的蒸汽以外的气体的分压的总和高的压力的加热蒸汽的结构。
5.根据权利要求1所述的糖化反应设备，其特征在于，所述反应器具有排出从所述原料投入装置投入的原料中的空气的排放部。
6.根据权利要求1至5中任意一项所述的糖化反应设备，其特征在于，具备: 在所述原料中混合蒸汽以进行预热，将该被预热的原料供给至所述原料投入装置内的混合机；和 将从所述反应器排出的原料减温.减压的闪蒸罐； 形成为使通过所述闪蒸罐减压的蒸汽返回至所述混合机而与原料混合，以此在反应温度以下预热原料温度的结构。
7.根据权利要求6所述的糖化反应设备，其特征在于，所述混合机形成为向所述原料中混合酸催化剂的结构。
【文档编号】C12P7/10GK203737200SQ201320781148
【公开日】2014年7月30日 申请日期:2013年12月3日 优先权日:2012年12月27日
【发明者】西野毅, 和泉宪明, 田尻浩笵, 楠田浩雅, 津泽正树 申请人:川崎重工业株式会社
【专利摘要】本实用新型提供能够通过原料投入装置以适合糖化分解的状态向反应器投入原料，在反应器内高效地进行糖化分解的糖化反应设备。具备：使原料（10）发生糖化反应的反应器（14）；和将原料（10）以规定间隔投入至反应器（14）内的原料投入装置（20）；反应器（14）具有使由原料投入装置（20）投入的原料（10）上升至糖化反应温度的加热蒸汽供给部（58）、和使投入的原料（10）在高温高压下发生糖化反应并在规定的短时间内向排出口（56）依次输送的输送机构（54）；原料投入装置（20）形成为将原料（10）以适合反应器（14）的糖化反应速度的堆积密度投入至反应器（14）内的结构。
【专利说明】糖化反应设备
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及通过原料投入装置将生物质原料等投入至反应器中后使其糖化分解的糖化反应设备。
【背景技术】
[0002]作为利用生物质能源的一个环节，尝试着将作为甘蔗渣、稻草等的植物的主成分的纤维素或半纤维素进行糖化分解后，从糖液中得到乙醇。而且，计划着将得到的乙醇作为燃料用而部分混入到汽车燃料中，或者作为汽油的代替燃料利用。
[0003]作为将像纤维素或半纤维素那样的纤维素类生物质分解为糖类的方法，具有通过高温高压的超临界水或亚临界水进行糖化分解的方法。
[0004]作为该方法，例如将作为甘蔗渣、稻草等的粉碎物的生物质原料(在该说明书及权利要求书中简称为“原料”)投入至反应器中，在反应器中糖化分解后得到C5糖液，将该C5糖液的脱水滤饼进一步在反应器中糖化分解后得到C6糖液。然后，将这些糖液发酵后蒸馏，以此产生乙醇。
[0005]然而，当使用高温高压的超临界水或亚临界水时，因为其强的氧化能力而在数秒?数分钟的短时间内完成纤维束及半纤维束的糖化分解。
[0006]因此，迫切需要能够将生物质原料在短时间内以适合于糖化反应的状态投入至反应器中，并在反应器中高效地糖化分解，以此提高糖化率的糖化反应设备。
[0007]作为这种供给生物质原料等的装置的现有技术，具有在将被处理物供给至加压容器内的供给装置上设置有排水单元的中空体内，从面向加压容器的开口用活塞推出被处理物的装置(例如参照专利文献I)。
[0008]又，作为另一现有技术，具有通过在气缸部的内部移动的活塞将含有浆液和固形物的被注入物供给至高温高压反应装置内，并且为了防止固形物的堵塞而设置贯通活塞的贯通孔内的主轴(spindle)的注入装置(例如参照专利文献2)。
[0009]此外，作为又一现有技术，具有使细小地粉碎的固体从圆筒的狭缝向插入室重力落下，之后关闭圆筒的狭缝，并通过活塞从插入室向高压的反应容器内供给固体的干式供给机(例如参照专利文献3)。
[0010]现有技术文献:
[0011]专利文献:
[0012]专利文献1:日本特开2005-145697号公报；
[0013]专利文献2:日本特开2006-7108号公报；
[0014]专利文献3:日本特开昭62-102826号公报。
实用新型内容
[0015]实用新型要解决的问题:
[0016]然而，作为将生物质原料投入至反应器的方法，具有使原料以含有水分并压密的状态投入的方法。然而，当使原料以压密的状态投入至反应器内时，为了使该原料上升至糖化反应温度而需要时间。这可能是因为当使原料以压密的状态投入至反应器内时，保持成块的状态而难以粉碎，不能迅速与蒸汽混合而导致温度上升速度变慢。因此，将原料压密后投入时糖化率下降。这一点在通过记载于上述专利文献I的装置供给原料时也相同。又，在记载于上述专利文献2的装置的情况下，也难以使固形物迅速地上升至糖化反应温度。
[0017]另一方面，也具有使原料以不压密的状态投入至高压的反应器内的方法。作为该方法，具有通过一般的闭锁料斗(lock hopper)进行的投入方法。然而,通过闭锁料斗进行的投入方法是，打开设置于上部的闸阀使原料投入至低压的料斗内后关闭闸阀，打开设置于下部的调压阀而使料斗内部达到与反应器相同的高压后关闭调压阀。然后，通过打开设置于下部的闸阀以此使原料投入至反应器内。之后，关闭闸阀，打开设置于上部的调压阀以此使料斗内部达到低压后关闭调压阀。之后，打开上部的闸阀，向料斗内投入下一批原料。因此，通过闭锁料斗进行原料投入时，为了重复这些动作而需要投入间隔。该投入间隔例如为2?3分钟一次。
[0018]然而，如上所述，在反应器中糖化分解生物质原料的反应时间较短。尤其是，纤维素的糖化分解所需的反应时间非常短，例如在一分钟以下的短时间内完成糖化分解。因此，当采用上述闭锁料斗时，导致原料的投入间隔比糖化分解的时间长。因此，像闭锁料斗那样的完全混合槽的情况下，使依次投入的原料混合，其结果是反应时间长的和反应时间短的被同时排出，糖化率降低。这一点在通过记载于上述专利文献3的装置供给原料的情况下也相同。
[0019]因此，本实用新型的目的是提供能够通过原料投入装置以适合糖化分解的状态将原料投入至反应器内，并且在反应器内高效地糖化分解的糖化反应设备。
[0020]解决问题的手段:
[0021]为了实现上述目的，本实用新型的发明人进行了将各种原料以不同的压密状态投入至反应器内并进行糖化反应以能够在反应器内高效地进行糖化分解的实验。然后，想到了在将原料以规定的不压密的状态投入时，是否能够通过蒸汽使该原料迅速提升至糖化反
应温度。
[0022]然后，由进行各种实验后的结果，想到了通过活塞泵方式的原料投入装置向活塞流(plug flow)型的反应器内投入不压密的状态的原料的方法。根据该方法，得到了可以使投入的原料在反应器内迅速上升至适合糖化反应的温度，之后可以在短时间内高效地进行糖化分解，也可以回收以往回收困难的C6糖液的见解。
[0023]根据本实用新型的糖化反应设备具备:使原料发生糖化反应的反应器；和将所述原料以规定间隔投入至所述反应器内的原料投入装置；所述原料投入装置形成为将所述原料以通过投入至所述反应器内以此崩解并分散的堆积密度投入至反应器内的结构；所述反应器具有使由所述原料投入装置投入的所述原料上升至糖化反应温度的加热蒸汽供给部、和使投入的原料在高温高压下糖化反应规定时间后从排出口排出的输送机构。
[0024]根据该结构，通过原料投入装置以适合反应器的糖化反应速度的堆积密度将原料投入至反应器内，因此可以使投入至反应器内的原料分散而增大比表面积，可以使温度在短时间内上升。因此，使投入后的原料迅速升温至糖化反应温度，在规定的糖化分解时间内高效地糖化分解，可以进行糖化率高的糖化反应。[0025]又，也可以是所述原料投入装置具有将所述原料投入至所述反应器的活塞泵、和对具备通过所述活塞泵投入的原料的原料供给口的投入管进行开闭的闸阀；所述活塞泵的活塞形成为具备在从所述投入管的原料供给口的闸侧端部至闸阀之间进行密封的密封部，并且所述活塞与从所述原料供给口的闸侧端部至闸阀之间的投入管接触的状态下通过所述密封部密封高压的反应器侧与低压的原料供给口侧之间的结构。
[0026]像这样构成时，在通过活塞泵向高压的反应器内投入原料时，当活塞到达投入管的原料供给口的闸侧端部时，可以通过密封部密封投入管，因此可以密封反应器和原料供给口之间。借助于此，在通过活塞密封反应器的高压的状态下打开闸阀，可以将原料稳定地投入至高压的反应器内。
[0027]又，也可以是所述活塞泵形成为能够控制相对于所述原料供给口的闸侧端部的、所述活塞的闸阀侧停止位置及原料供给口侧停止位置中的任意一个以能够调节所述原料的堆积密度的结构。
[0028]像这样构成时，可以将通过活塞输送的原料的堆积密度调节为适合反应器内的糖化分解的状态。
[0029]又，也可以是所述加热蒸汽供给部形成为供给使所述反应器的内部的上部气层压力达到比通过所述输送机构输送的原料的液层温度的饱和蒸汽压和内部的蒸汽以外的气体的分压的总和高的压力的加热蒸汽的结构。
[0030]像这样构成时，以不压密的规定的堆积密度投入至反应器内的原料不会因包含在原料内并被投入的空气的分压而影响水蒸气的冷凝。因此，可以通过比糖化分解温度的液层温度的饱和蒸汽压和内部的蒸汽以外的气体的分压的总和高的压力的蒸汽一瞬间加热原料的较大的比表面积，并且使原料在短时间内一瞬间上升至适合糖化分解的温度，从而可以在短时间内糖化分解。
[0031]又，也可以是所述反应器具有排出从所述原料投入装置投入的原料中的空气的排放(vent)部。
[0032]像这样构成时，可以排出以不压密的规定的堆积密度投入的原料中的空气，可以防止因空气分压而影响水蒸气的冷凝，借助于此也可以缩短原料的升温时间，可以提高糖化率。
[0033]又，也可以是具备:在所述原料中混合蒸汽以进行预热，将该被预热的原料供给至所述原料投入装置内的混合机；和将从所述反应器排出的原料减温.减压的闪蒸罐；形成为使通过所述闪蒸罐减压的蒸汽返回至所述混合机而与原料混合，以此在反应温度以下预热原料温度的结构。
[0034]像这样构成时，可以利用将从反应器排出的原料通过闪蒸罐减温.减压后的蒸汽预热投入至反应器内的原料，可以谋求设备的节能化。
[0035]又，也可以是所述混合机形成为向所述原料中混合酸催化剂的结构。
[0036]根据这样的结构，可以在投入反应器之前将原料的基准酸浓度保持一定，与向反应器内供给酸催化剂的情况相比，可以抑制因糖化率不均而导致的糖化率下降。
[0037]根据本实用新型，可以通过原料投入装置以适合反应器内的糖化反应的堆积密度投入原料，因此在反应器内使原料在短时间内上升至适合糖化分解的温度，可以高效地进行糖化分解。【专利附图】
【附图说明】
[0038]图1是包含根据本实用新型的糖化反应设备的生物乙醇制造设备的框图；
[0039]图2是示出根据本实用新型的一个实施形态的糖化反应设备的结构图；
[0040]图3是图2所示的糖化反应设备中的原料投入装置的侧视图；
[0041]图4A是示出图3所示的原料投入装置的动作位置控制的侧视图；
[0042]图4B是示出图4A所示的原料投入装置的下一个动作位置控制的侧视图；
[0043]图4C是示出图4B所示的原料投入装置的下一个动作位置控制的侧视图；
[0044]图5A是示出与图4A~图4C所示的原料投入装置的动作位置控制不同的动作位置控制示例的侧视图；
[0045]图5B是示出与图4A~图4C及图5A所示的原料投入装置的动作位置控制不同的动作位置控制示例的侧视图；
[0046]符号说明: [0047]10原料(一次脱水滤饼)；
[0048]11混合机；
[0049]12蒸汽；
[0050]13酸催化剂；
[0051]14反应器；
[0052]15闪蒸罐；
[0053]16固液分离装置；
[0054]17C6 糖液；
[0055]18二次脱水滤饼；
[0056]20原料投入装置；
[0057]21料斗；
[0058]22投入管；
[0059]23原料供给口 ；
[0060]24闸侧端部；
[0061]25活塞泵侧端部；
[0062]26闸阀；
[0063]27闸构件；
[0064]30活塞泵；
[0065]31活塞；
[0066]32密封部；
[0067]33气缸部；
[0068]35~39位置传感器；
[0069]40弯管；
[0070]41上部气层用压力计；
[0071]42液用温度计；
[0072]50气层部；[0073]51液层部；
[0074]52原料投入口 ；
[0075]53横向输送装置；
[0076]54输送机构；
[0077]55驱动马达；
[0078]56排出口；
[0079]57加热蒸汽；
[0080]58加热蒸汽供给部；
[0081]60糖化反应设备；
[0082]LI距离；
[0083]L2原料供给口距离；
[0084]L3行程；
[0085]L4、L5 距离。 【具体实施方式】
[0086]以下，基于【专利附图】
【附图说明】本实用新型的实施形态。在以下的实施形态中，以像图1所示那样的包含糖化反应设备的生物乙醇制造设备为例进行说明。在该生物乙醇制造设备中，通过两个阶段的糖化分解得到C5糖液和C6糖液。
[0087]首先，基于图1说明生物乙醇制造设备的概要。甘蔗渣、稻草等的生物质原料I通过前处理2粉碎成规定的大小。该原料在混合机3中与蒸汽4、酸催化剂5混合。然后，该原料被投入至设定为规定的温度、压力条件的反应器6内。该原料在反应器6内糖化分解规定时间，并供给至闪蒸罐7被闪蒸减压。在该闪蒸罐7中的闪蒸减压是使从反应器6排出的浆液状原料一瞬间减压而一部分汽化从而降低温度的方法。借助于此，停止反应。在该闪蒸罐7中被减温.减压的固体及液体通过固液分离装置8分离为C5糖液9和一次脱水滤饼10。
[0088]然后，一次脱水滤饼10在下一个混合机11中与蒸汽12、酸催化剂13混合而变成下一批原料。该原料被投入至设定为下一个温度、压力条件的反应器14内。该原料在反应器14内糖化分解规定时间，并供给至闪蒸罐15中而被闪蒸减压。在该闪蒸罐15中减温.减压的固体及液体通过固液分离装置16分离为C6糖液17和二次脱水滤饼18。
[0089]由如上所述得到的C5糖液9及C6糖液17被酒精发酵后蒸馏而制造出生物乙醇。
[0090]接着，基于图2详细说明具备用于从上述一次脱水滤饼10中得到C6糖液17的混合机11及反应器14、和设置于它们之间的原料投入装置20的糖化反应设备60。作为在反应器14中用于得到C6糖液的条件，与在反应器6中用于得到C5糖液的条件相比，反应温度及压力较高而糖化反应时间较短。
[0091]如图2所示，在混合机11中，原料(在该示例中为一次脱水滤饼)10与酸催化剂13和蒸汽12混合。像这样，预先对投入至反应器14之前的原料10混合酸催化剂13，以此原料的基准酸浓度保持一定，与在反应器14中供给酸催化剂13的情况相比抑制因糖化率的不均导致的糖化率降低。
[0092]又，在该实施形态中，在混合机11内通过蒸汽12预热原料10，因此可以减小在以下说明的反应器14中提升至反应温度的温度差(Λ t)。通过该蒸汽12进行的预热使原料10的温度预热至反应器14中的反应温度以下。例如，将原料10预热至120°C左右。另外，通过蒸汽12进行的该原料10的预热只要根据需要进行即可。
[0093]在该混合机11中与酸催化剂13和蒸汽12混合的原料10，例如在水分为50重量％以下的情况下在反应器14中难以变成浆液状，因此使水分为50~80重量％左右。
[0094]然后，在混合机11中与酸催化剂13混合的原料10，也如图3所示，被供给至将该原料10投入至反应器14内的原料投入装置20的料斗21内。原料投入装置20形成为通过活塞泵30将一定量的原料10以规定间隔从料斗21通过投入管22投入至反应器14内的结构。活塞泵30形成为将供给至料斗21的原料10向反应器14推出并投入的结构。
[0095]在活塞泵30和反应器14之间设置有闸阀26。由于反应器14侧为高压，因此以如下方式进行控制，即，在活塞泵30的活塞31到达规定位置的时刻密封与反应器14侧之间，之后，打开闸阀26使原料10以规定间隔投入至反应器14内。该规定间隔设定为比在反应器14内的滞留时间短的时间、例如20~60秒一次的间隔。另外，原料投入的详细内容在下面叙述。
[0096]又，通过该原料投入装置20投入到反应器14内的原料10如上所述在混合机11中水分达到50~80重量％左右。然而，尽管是水分为50~80重量％左右的原料10，但是由于不是液体因此在反应器14内难以与蒸汽混合。
[0097]因此，通过该原料投入装置20，将投入至反应器14内的原料10以不压密的堆积密度投入，在投入至反应器14内时使其分散，以此在短时间内提升至糖化反应温度。
[0098]即，将原料1 0以不压密的松散的状态的堆积密度投入至反应器14内，以此投入的原料10分散而成为粉状，增大了与加热蒸汽接触的表面积。即，借助于此，投入并成为粉状的原料10与加热蒸汽接触的比表面积增大，以该比表面积被加热蒸汽一瞬间加热的原料10短时间内被提升至适合糖化反应的温度。作为不压密原料10的堆积密度，例如设定为
0.3~0.6左右。
[0099]另一方面，上述反应器14以高温?高压糖化分解生物质原料并得到糖液。在从上述活塞泵30投入原料10的上部设置有具有规定体积的气层部50，在下部设置有在将原料10在规定的反应时间内向排出口 56输送的同时使其糖化分解的液层部51。
[0100]在上部的气层部50上设置有原料投入口 52，该原料投入口 52与上述活塞泵30的投入管22的梢端连接。从该原料投入口 52投入的原料10下落到设置于下部的液层部51的横向输送装置53的上部。在气层部50上设置有上部气层用压力计41，在液层部51上设置有液用温度计42。
[0101]设置于反应器14的下部的横向输送装置53形成为通过驱动马达55使双轴的输送机构54旋转，以此在混合原料10的同时在适合糖化分解的时间内横向输送原料10并从排出口 56排出经糖化分解的浆液状原料。反应器14是将从原料投入口 52投入的原料10依次向排出口 56输送的活塞流型的反应器14。原料10在反应器14内的高温高压环境下通过横向输送装置53输送的期间因反应而变成高浓度的浆液状。
[0102]在该实施形态中，尽管使上述横向输送装置53的输送机构54为双轴的输送机构，但是该输送机构54只要是能够将原料10在规定的反应时间内搬运至排出口 56的输送机构即可。[0103]又，在反应器14的原料投入口 52侧，对从该原料投入口 52投入并落下的原料10供给加热蒸汽57。该加热蒸汽57是，反应器14的内部的上部气层压力达到高于液层部温度的饱和蒸汽压和蒸汽以外的气体的分压的总和的压力那样的高温的加热蒸汽57从加热蒸汽供给部58输入。通过该加热蒸汽57使从原料投入口 52投入的原料10的温度迅速地上升。例如，反应器14内的液层部温度为240?280°C的情况下，被供给的加热蒸汽57是250?300°C左右的高温的蒸汽。通过供给该高温的加热蒸汽57，以此将原料10在短时间内提升至糖化反应温度。作为提升至该糖化反应温度的时间，例如可以在10秒以内将约20?120°C的原料10提升至240?280°C。
[0104]作为上述加热蒸汽57，从加热蒸汽供给部58输入压力高的蒸汽以达到液层部51的饱和蒸汽压+空气分压<内部的上部气层压力。在该示例中，输入250?300°C的蒸汽。像这样，在反应器14的内部，使上部空间的气层的压力高于液层部51的饱和蒸汽压加上蒸汽以外的气体的分压的压力，以此防止因空气分压而影响水蒸气的冷凝。借助于此，也能够缩短原料10的温度上升时间，谋求提高糖化率。
[0105]又，在该实施形态中，从原料投入口 52的上方和横向输送装置53的终端上方通过弯管40排出空气。如上所述，当通过活塞泵30将原料10以不压密的状态的堆积密度投入至反应器14内时，在该原料10中含有空气。因此，通过从弯管40排出该空气，以此防止在反应器14的内部因蒸汽分压下降而导致蒸汽难以冷凝并由此导致的原料10的温度上升变慢。通过弯管40的空气排出也可以由上述原料投入装置20的投入管22进行。像这样，排出空气以防止空气过量积留在反应器14的内部，以此降低内部的空气分压并促进水蒸气的冷凝。借助于此，也能够缩短原料10的温度上升时间，谋求提高糖化率。
[0106]在上述横向输送装置53的输送方向端部上设置有排出糖化分解的原料10的排出口 56。从该排出口 56排出的原料10被供给至闪蒸罐15而被闪蒸减压,之后被供给至固液分离装置(图1) 16内。
[0107]又，在该实施形态中，将在闪蒸罐15中减压而在罐上部产生的蒸汽导入至上述混合机11内作为原料预热用的蒸汽12来利用。像这样，将闪蒸罐15的蒸汽作为原料预热用蒸汽供给至混合机11，以此谋求整个设备的节能化。
[0108]接着，基于图3详细说明上述原料投入装置20。原料投入装置20具有设置于稍微远离反应器14的原料投入口 52的位置上的闸阀26、在以规定距离远离该闸阀26的位置上设置的上述料斗21、和将供给至该料斗21的原料10推出的活塞泵30。
[0109]闸阀26以打开或关闭投入管22的方式被控制装置控制。闸构件27打开或关闭投入管22。
[0110]闸构件27的料斗侧端面和设置于料斗21的下部的原料供给口 23的闸侧端部(原料供给口端部)24之间的距离LI比料斗21的下部的原料供给口距离L2稍微短。
[0111]又，活塞泵30的活塞31在梢端部分设置有密封部32，该密封部32在与从上述原料供给口 23的闸侧端部24至闸阀侧的投入管22的内表面之间发挥密封功能。借助于此，活塞泵30的活塞31将供给至原料供给口 23的原料10从该原料供给口 23的活塞泵侧端部25向闸阀侧推动，当该活塞31从原料供给口 23的闸侧端部24插入于投入管22内时，与投入管22之间的间隙被密封部32密封。另外，在以下说明中，将上述距离LI的原料供给口侧基准位置设为闸侧端部24来进行说明，但是也可以如双点划线所示将距离LI的原料供给口侧基准位置设为从闸侧端部24稍微向闸阀侧进入的位置28以在通过活塞31的密封部32完全密封投入管22的状态下打开闸构件27。
[0112]因此，即使在通过活塞31的密封部32密封与投入管22之间的间隙的状态下打开闸阀26，也不会发生压力从高压的反应器14侧向低压的原料供给口 23的方向排出的情况。
[0113]而且，在通过该活塞31密封投入管22的状态下打开闸构件27，并使活塞泵30的活塞31伸展至闸阀26的位置时，投入管22的内部的原料10被投入至反应器14的内部。
[0114]之后，使活塞31后退，并在到达原料供给口 23的闸侧端部24之前关闭闸构件27。借助于此，在通过活塞31的密封部32密封投入管22的状态下关闭闸阀26，因此不会发生压力从高压的反应器14侧向低压的原料供给口 23的方向排出的情况。
[0115]又，在该实施形态中，通过传感器来行程控制使上述活塞泵30的活塞31伸缩的距离。在该示例中，在使活塞31伸缩的气缸部33上设置有位置传感器35?39，通过这些位置传感器35?39检测活塞31的位置，根据该活塞31的位置如上所述开闭控制闸阀26的闸构件27。
[0116]在该实施形态中，如下述的图4A?图4C所示设置有在活塞泵30的活塞31位于原料供给口 23的活塞泵侧端部25时进行检测的位置传感器35、在活塞31位于原料供给口 23的闸侧端部24时进行检测的位置传感器36、和在活塞31位于闸构件27的料斗侧端面时进行检测的位置传感器37。又，如下述的图5A、图5B所示，还设置有在到达距离L4、距离L5的位置时进行检测的位置传感器38、39。这些位置传感器35?39可以利用限位开关(limit switch)和其他结构等。
[0117]接着，基于图4A?图4C，说明从上述投入管22的闸构件27至原料供给口 23的闸侧端部24的距离L1、料斗21的原料供给口距离L2、和直至活塞31位于闸构件27的料斗侧端面的活塞泵30的行程L3的动作位置控制。
[0118]图4A所示的状态是从上述图3所示的状态开始使活塞泵30的活塞31伸展的状态。使活塞31伸展，将料斗21的下部的与原料供给口距离L2相对应的量的原料10向闸阀26挤压。然后，当活塞31到达原料供给口 23的闸侧端部24时，周围的密封部32与投入管22接触而密封投入管22。借助于此，与原料供给口距离L2相对应的量的原料10被移送至闸阀26的闸构件27和原料供给口 23的闸侧端部之间的距离LI的部分而处于稍微被挤压的状态。
[0119]接着，如图4B所示，闸构件27被打开，活塞31仅伸展行程LI，原料10被投入至反应器14的内部。在该示例中，在投入管22中将原料10稍微挤压后以规定的堆积密度(例如，0.3?0.6左右)投入，以此在投入至反应器14的内部时崩解而分散成粉状。在投入原料10时使其分散，以此增大原料10的比表面积，通过加热蒸汽迅速加热至糖化反应温度。
[0120]又，在该实施形态中，如上所述将原料10预热至糖化反应不进行的程度的温度(例如，100?120°C以下的温度)，因此减小投入后加热的温度而一瞬间升温至反应温度。此夕卜，通过这样做，如上所述有效利用闪蒸罐15的蒸汽，减小在反应器14内提升温度的升温幅度而谋求节能化。
[0121]接着，如图4C所示，在活塞31仅缩短直至原料供给口 23的闸侧端部24的距离LI的期间，闸构件27关闭。之后，活塞31缩短至原料供给口 23的活塞泵侧端部25，达到图3所示的初始状态。[0122]作为通过像这样的活塞泵30的原料10的投入间隔，例如以20?60秒一次的频率投入。作为反应器14内的原料10的滞留时间(搬运时间)，例如为数十秒?I分钟程度的非常短的时间，而原料10以更短的间隔投入。像这样，将原料10以较短的周期且以如上所述不压密的松散的状态的堆积密度投入至反应器14内，以此通过反应器14在依次输送原料10的同时在规定的较短的糖化分解时间内高效地糖化分解，提高糖化率。
[0123]接着，基于图5A、图5B，说明通过上述活塞泵30和闸阀26进行的不同的动作位置控制示例。另外，图5A、图5B中的距离L4、L5，为了方面说明而示出夸张的位置。
[0124]图5A示出的示例是与上述图4A?图4C所示的示例相比,试图稍微提高原料10的堆积密度(试图压密)的情况的设定示例。在该示例中，使投入原料时(打开闸构件27时)的活塞31的伸展位置在未到达闸构件27的料斗侧端面的距离L4处停止。通过设置于气缸部33的位置传感器38检测距离L4。
[0125]像这样，通过限制活塞31的伸展长度，以此从投入管22投入至反应器14的内部的原料10在闸构件27的前面处于稍微残留的状态。因此，接着通过活塞31向投入管22移送与原料供给口距离L2相对应的量的原料10而活塞31到达闸侧端部24的状态下，新的原料10被挤压在残留于闸构件27的前面的原料10上。借助于此，可以在投入管22中稍微压密原料10。
[0126]然后，打开闸构件27使活塞31仅伸展距离L4，以此可以将提高了堆积密度的原料10投入至反应器14的内部。该动作位置控制示例使用于在将原料投入至反应器14之前需要稍微压密的情况。
[0127]另一方面，在为了投入原料10而使活塞31伸展时，也可以使上述闸构件27如双点划线所示成为关闭的状态，并且将活塞31从闸侧端部24推入至距离L4的位置。然后，也可以在活塞31到达距离L4的位置的状态下打开闸构件27，使活塞31进一步伸展至距离LI，以此将原料10投入至反应器14内。由上所述，可以将与原料供给口距离L2相对应的量的原料10在闸构件27的前面的投入管22的内部仅压密距离L4而提高堆积密度，并且可以将该原料10投入至反应器14的内部。该动作位置控制示例也使用于在将原料投入至反应器14之前需要稍微压密的情况。
[0128]图5B所示的示例是与上述图4A?图4C所示的示例相比,试图稍微降低原料10的堆积密度(想要更加松散)的情况或者试图减小供给量的情况的设定示例。在该示例中，使活塞31的缩短位置在直至料斗21的下部的原料供给口距离L2的中途的距离L5处停止。通过设置于气缸部33的位置传感器39检测距离L5。
[0129]像这样，通过限制活塞31的缩短长度，以此在活塞31于闸侧端部24处进行密封之前将料斗21的下部的与原料供给口距尚L2相对应的量内的与距尚L5相对应的量的原料10推入至投入管22的闸侧端部24和闸构件27之间，原料10的推入量减少。借助于此，移送至投入管22的原料10的量减少，可以防止原料10被压缩。又，可以减少供给量。
[0130]然后，打开闸构件27并使活塞31仅伸展距离LI，以此可以将降低了堆积密度的原料10投入至反应器14的内部。该动作位置控制示例使用于将稍微压密的原料10无需进一步压密地投入至反应器14的情况等。
[0131]像这样的原料10的堆积密度的调节是，如果上述距离LI和原料供给口距离L2已定，则可以以投入管22的闸侧端部24的位置为基准通过调节活塞31的伸缩位置来进行。该活塞31的伸缩位置的调节可以通过调节位置传感器38、39的位置来进行。
[0132]如以上所述，根据上述糖化反应设备60，在制造生物乙醇等时，在试图将原料10以短的间隔投入至反应器14的情况下，可以通过原料投入装置20的活塞泵30以较高的频率将原料10投入至反应器14内。此外，可以将原料10以能够在短时间内升温至适合反应的温度的堆积密度投入至反应器14内。
[0133]除此以外，即使因原料10不同而水分状态等发生了变化，也可以将投入至反应器14的原料10的压密状态等通过控制原料投入装置20的活塞泵30来进行调节，因此可以将原料10调节为适合于反应器14的堆积密度后投入至反应器14内，在反应器14内可以使糖化率高的反应稳定。
[0134]又，通过活塞泵30投入原料10，以此在投入管22的内部不会残留原料10地将其投入至反应器14内。
[0135]另外，在上述实施形态中，以使生物质原料10通过两个阶段糖化分解后得到C5糖液和C6糖液而制造生物乙醇的设备为例进行了说明，但是尽管为其他的设备但是将相同的原料投入至反应器并试图在短时间内使其反应的情况下也可以应用，并不限于上述实施形态。
[0136]又，在上述实施形态中，作为移动控制活塞泵30的活塞31的动作示例说明了两个示例(图5A、图5B)，但是也可以将它们组合，或者根据其他条件进行不同的动作位置控制，活塞泵30的动作位置控制并不限于上述实施形态。此外，活塞31的动作位置控制除了通过限位开关以外，也可以通过驱动活塞31的液压使原料10的堆积密度达到合适的状态，并不限于上述实施形态。
[0137]此外，也可以在上述实施形态的靠近投入管22的闸阀26的原料供给口侧设置排液阀、泄压阀、均压阀等。
[0138]又，上述实施形态示出一个示例，在不影响本实用新型的主旨的范围内可以进行各种变更，本实用新型并不限于上述实施形态。
[0139]工业应用性:
[0140]根据本实用新型的糖化反应设备可以利用于尤其是将生物质原料高效地糖化分解，并试图提闻糖化率的情况。
【权利要求】
1.一种糖化反应设备，其特征在于，具备: 使原料发生糖化反应的反应器；和 将所述原料以规定间隔投入至所述反应器内的原料投入装置； 所述原料投入装置形成为将所述原料以通过投入至所述反应器内以此崩解并分散的堆积密度投入至反应器内的结构； 所述反应器具有使由所述原料投入装置投入的所述原料上升至糖化反应温度的加热蒸汽供给部、和使投入的原料在高温高压下糖化反应规定时间后从排出口排出的输送机构。
2.根据权利要求1所述的糖化反应设备，其特征在于， 所述原料投入装置具有将所述原料投入至所述反应器的活塞泵、和对具备通过所述活塞泵投入的原料的原料供给口的投入管进行开闭的闸阀； 所述活塞泵的活塞形成为具备在从所述投入管的原料供给口的闸侧端部至闸阀之间进行密封的密封部，并且所述活塞与从所述原料供给口的闸侧端部至闸阀之间的投入管接触的状态下通过所述密封部密封高压的反应器侧与低压的原料供给口侧之间的结构。
3.根据权利要求2所述的糖化反应设备，其特征在于，所述活塞泵形成为能够控制相对于所述原料供给口的闸侧端部的、所述活塞的闸阀侧停止位置及原料供给口侧停止位置中的任意一个以能够调节所述原料的堆积密度的结构。
4.根据权利要求1所述的糖化反应设备，其特征在于，所述加热蒸汽供给部形成为供给使所述反应器的内部的上部气层压力达到比通过所述输送机构输送的原料的液层温度的饱和蒸汽压和内部的蒸汽以外的气体的分压的总和高的压力的加热蒸汽的结构。
5.根据权利要求1所述的糖化反应设备，其特征在于，所述反应器具有排出从所述原料投入装置投入的原料中的空气的排放部。
6.根据权利要求1至5中任意一项所述的糖化反应设备，其特征在于，具备: 在所述原料中混合蒸汽以进行预热，将该被预热的原料供给至所述原料投入装置内的混合机；和 将从所述反应器排出的原料减温.减压的闪蒸罐； 形成为使通过所述闪蒸罐减压的蒸汽返回至所述混合机而与原料混合，以此在反应温度以下预热原料温度的结构。
7.根据权利要求6所述的糖化反应设备，其特征在于，所述混合机形成为向所述原料中混合酸催化剂的结构。
【文档编号】C12P7/10GK203737200SQ201320781148
【公开日】2014年7月30日 申请日期:2013年12月3日 优先权日:2012年12月27日
【发明者】西野毅, 和泉宪明, 田尻浩笵, 楠田浩雅, 津泽正树 申请人:川崎重工业株式会社
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