特開 2024-21687 バイオマスの微粒化方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024021687

(43)【公開日】2024-02-16

(54)【発明の名称】バイオマスの微粒化方法

(51)【国際特許分類】

   B02C 19/00 20060101AFI20240208BHJP

   B02C 25/00 20060101ALI20240208BHJP

【ＦＩ】

B02C19/00 101Z

B02C25/00 B

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022124701

(22)【出願日】2022-08-04

(71)【出願人】

【識別番号】504157024

【氏名又は名称】国立大学法人東北大学

(74)【代理人】

【識別番号】100143834

【弁理士】

【氏名又は名称】楠 修二

(72)【発明者】

【氏名】祖山 均

(72)【発明者】

【氏名】北川 尚美

(72)【発明者】

【氏名】廣森 浩祐

(72)【発明者】

【氏名】久慈 千栄子

【テーマコード（参考）】

4D067

【Ｆターム（参考）】

4D067CG03

4D067FF13

4D067FF15

4D067GA11

4D067GA14

4D067GA15

4D067GA17

4D067GB10

(57)【要約】

【課題】直径１ｍｍ以上のバイオマスを含有するバイオマススラリーを、バイオマスの濃度が２０質量％以上であっても、流動キャビテーションで処理することができ、バイオナノファイバーやバイオマイクロクリスタルを製造することができるバイオマスの微粒化方法を提供する。
【解決手段】バイオマスを０．１～５０質量％混濁させた液体を、０．５ＭＰａ～４ＭＰａに加圧して、流路断面積が連続的に可変な絞り部に導入して流動キャビテーションを発生させ、その流動キャビテーションにより、液体中のバイオマスを粉砕および解繊する。
【選択図】図４

【特許請求の範囲】

【請求項1】

バイオマスを０．１～５０質量％混濁させた液体を、０．５ＭＰａ～４ＭＰａに加圧して、流路断面積が連続的に可変な絞り部に導入して流動キャビテーションを発生させ、その流動キャビテーションにより、前記液体中の前記バイオマスを粉砕および解繊することを特徴とするバイオマスの微粒化方法。

【請求項2】

前記絞り部の上流側圧力により、前記絞り部の前記流路断面積を制御することを特徴とする請求項１に記載のバイオマスの微粒化方法。

【請求項3】

前記絞り部の上流側圧力により前記絞り部の前記流路断面積を制御し、前記絞り部の下流側圧力により、前記絞り部の下流に設置した流量調節弁で、前記絞り部と前記流量調節弁との間の圧力を制御することを特徴とする請求項１に記載のバイオマスの微粒化方法。

【請求項4】

前記絞り部の上流側を２方向に分岐して、１方向を前記絞り部に連結し、他方向をばねにより保持力を制御できるピストンを有する容器に連結し、前記ピストンの位置により前記絞り部の開度を制御することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のバイオマスの微粒化方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、材料、医薬、食品、化粧分野におけるバイオナノファイバーやバイオマイクロクリスタル等を製造するためのバイオマスの微粒化方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、セルロースを０．２５～２．０質量％含有する液体を、１０ＭＰａから４００ＭＰａの操作圧力での高圧分散機による処理により、平均繊維径を３．１ｎｍ～４．４ｎｍにできることが報告されている（例えば、特許文献１参照）。

【0003】

また、バイオマスの濃度が１０～２０質量％の分散流体を、１００～２４５ＭＰａでボール状または平板状のセラミック硬質体に噴射して、繊維径が１００ｎｍ以下のナノファイバーが得られることが報告されている（例えば、特許文献２参照）。

【0004】

また、アニオン変性セルロースを１～２．５質量％有する分散流体を、９ＭＰａのキャビテーション噴流装置により処理して、アニオン変性セルロースナノファイバーが得られることが報告されている（例えば、特許文献３参照）。

【0005】

また、本発明者らは、バガスなどのサトウキビや甜菜、キャッサバ等から糖やデンプンを絞った滓を粉砕して、長径５００μｍ未満とした粉砕バガスを混入した５質量％のバガススラリーを、ポンプで１．０ＭＰａに加圧してベンチュリ管に導入し、発生させた流動キャビテーションで処理することで、バガス片をほぐして細くすれば糖化収率が向上することを報告している（例えば、特許文献４参照）。

【0006】

また、本発明者らは、ベンチュリ管を用いた流動キャビテーションでセルロースを解繊する場合には、キャビテーションが発生しないベンチュリ管中心部をセルロースが通過する可能性があることから、粒径８０μｍ程度のセルロース粒子を０．５質量％含有する液体を流動キャビテーションで処理した結果、絞り部直径が１ｍｍのベンチュリ管よりも、絞り部直径が０．７ｍｍのベンチュリ管のほうが、解繊の効率が１５．６倍良いことを報告している（例えば、非特許文献１参照）。

【0007】

また、本発明者らは、ベンチュリ管の絞り部の下流側に設置した流量調節弁により、絞り部と当該流量調節弁との間の圧力の制御により、流動キャビテーションの強さを強力化できることを報告している（例えば、非特許文献２参照）。

【0008】

なお、本発明者らは、バタフライ弁下流に、強力な衝撃力を生じる高壊食性渦キャビテーションが発生することを報告している（例えば、非特許文献３参照）。

【0009】

また、ボール弁をある開度以下に絞った状態において液体を流した場合、圧力、流速等によってはキャビテーションが発生することから、キャビテーションによる騒音や振動、壊食を抑制するために、キャビテーションを抑制する形状が報告されている（例えば、特許文献５参照）。

【0010】

また、ボール弁の孔を小径にして複数設けることにより、ボール弁でキャビテーションを発生させるとともに、ボール弁の開度により、キャビテーションの発生量を制御する方法が報告されている（例えば、特許文献６参照）

【先行技術文献】

【特許文献】

【0011】

【特許文献1】特許第５１０８５８７号公報

【特許文献2】特許第５２４８１５８号公報

【特許文献3】特許第６７３７９７８号公報

【特許文献4】特開２０２１－７３８９５号公報

【特許文献5】実全平０３－０００３８６号公報

【特許文献6】特開平０９－１３３２２６号公報

【非特許文献】

【0012】

【非特許文献1】祖山均、「ベンチュリ管を用いた流動キャビテーションによるセルロースの解繊における絞り部口径の影響」、混相流シンポジウム2021講演論文集、2021年、E0144

【非特許文献2】Hitoshi Soyama, “Luminescence intensity of vortex Cavitation in a Venturi tube changing with cavitation”, Ultrasonics Sonochemistry, 2021, Vol. 71, 105389

【非特許文献3】祖山均ほか、「バタフライ弁まわりの高壊食性 渦キャビテーションの高速写真観察」、日本機械学会論文集B編、1994年、60巻、1133－1138頁

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0013】

特許文献１に記載されている方法では、セルロースの濃度が０．２５～２．０質量％であり、２０質量％以上の高濃度のバイオマススラリーは処理できず、また、操作圧力として１０ＭＰａ以上が必要であるという課題があった。

【0014】

特許文献２に記載されている方法では、実施例でのオリフィスノズル径が０．５ｍｍであり、分散流体を高圧噴射するノズル直径としては、０．１～０．８ｍｍ程度であることから、直径１ｍｍを超えるバイオマス粒子を処理することはできず、また、１００ＭＰａ以上の噴射圧力が必要であるという課題があった。

【0015】

特許文献３に記載されている方法では、アニオン変性セルロースの濃度が１～２．５質量％であり、２０質量％以上の高濃度のバイオマススラリーは処理できず、９ＭＰａ程度の噴射圧力が必要であるという課題があった。

【0016】

特許文献４、非特許文献１および２に記載の、本発明者らが先に開発した方法では、比較的低い圧力で発生させた流動キャビテーションを利用するものであるが、バガスを粉砕した後に篩分して、粉砕バガスの長径を０～５００μｍにする必要があり、非特許文献１に記載されているように、ベンチュリ管の絞り部の直径を０．７ｍｍ程度にするのが望ましいので、ベンチュリ管が閉塞する危険性があるという課題があった。

【0017】

なお、非特許文献３に記載のように、バタフライ弁などの流量調節弁において流動キャビテーションが発生することは知られているが、キャビテーションによる振動や損傷対策が主であり、キャビテーションを積極的に利用することはない。特許文献５に記載のように、ボール弁の場合も、キャビテーションによる壊食や振動の抑制が主であり、また、特許文献６に記載のように、キャビテーション発生に用いる方法では、弁体の複数個の小孔の数を開度によって調整するものであり、バイオマスなどの固体物を処理する場合には、小孔が閉塞してしまうために処理することができない。

【0018】

本発明の目的は、直径１ｍｍ以上のバイオマスを含有するバイオマススラリーを、バイオマスの濃度が２０質量％以上であっても、流動キャビテーションで処理することができ、バイオナノファイバーやバイオマイクロクリスタルを製造することができるバイオマスの微粒化方法を提供することにある。また、本発明は、バイオマススラリーを粉砕や篩分することなく、安価で簡便な方法で効率よく流動キャビテーションで処理することができる。

【課題を解決するための手段】

【0019】

本発明者らは、上記課題について鋭意検討を行った。具体的には、オリフィスやノズル、ベンチュリ管などで流動キャビテーションを発生させる場合には、絞り部断面積が不変であるが、絞り部断面積を変えて流動キャビテーションを発生させれば、高濃度のバイオマスを混濁した液体を流動キャビテーションで処理できる可能性があることに着目して検討を行った。しかし、バタフライ弁は、流路断面積が狭い場合には、開度の角度の変化に対して流路断面積の変化が大きく、流動キャビテーションの発生量の制御には不適であることが判明した。流量調節弁などを用いた流動キャビテーションの発生に関して、さらに検討を進めた結果、流路断面積が連続的に可変な絞り部を用いて流動キャビテーションを発生させた場合には、１ｍｍ以上のバイオマス粒子を含有し、バイオマスの濃度が２０質量％以上の混濁液も処理できることを見出し、本発明を完成するに至った。

【0020】

すなわち、本発明に係るバイオマスの微粒化方法は、バイオマスを混濁させた液体を、０．５ＭＰａ～４ＭＰａに加圧して、流路断面積が連続的に可変な絞り部に導入して流動キャビテーションを発生させ、その流動キャビテーションにより、前記液体中の前記バイオマスを粉砕および解繊することを特徴とする。

【0021】

本発明に係るバイオマスの微粒化方法は、前記絞り部の上流側圧力により、前記絞り部の前記流路断面積を制御してもよい。また、前記絞り部の上流側圧力により前記絞り部の前記流路断面積を制御し、前記絞り部の下流側圧力により、前記絞り部の下流に設置した流量調節弁で、前記絞り部と前記流量調節弁との間の圧力を制御してもよい。また、前記絞り部の上流側を２方向に分岐して、１方向を前記絞り部に連結し、他方向をばねにより保持力を制御できるピストンを有する容器に連結し、前記ピストンの位置により前記絞り部の開度を制御してもよい。

【発明の効果】

【0022】

本発明により、直径１ｍｍ以上のバイオマスを含有するバイオマススラリーを、バイオマスの濃度が２０質量％以上であっても、流動キャビテーションで処理することができ、バイオナノファイバーやバイオマイクロクリスタルを製造することができるバイオマスの微粒化方法を提供することができる。これにより、バイオマス粒子を、繊維径１μｍ以下のサブマイクロファイバーやサブマイクロクリスタルに解繊および粉砕して、材料としての利用性を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【0023】

【図1】本発明の実施の形態のバイオマスの微粒化方法の、流路断面積が連続的に可変な絞り部を示す断面図である。

【図2】本発明の実施の形態のバイオマスの微粒化方法の、流路断面積が連続的に可変な絞り部の第１の変形例を示す断面図である。

【図3】本発明の実施の形態のバイオマスの微粒化方法の、流路断面積が連続的に可変な絞り部の第２の変形例を示す断面図である。

【図4】本発明の実施の形態のバイオマスの微粒化方法の、流路断面積が連続的に可変な絞り部に、ピストンの位置により弁体の開度を制御するユニットが組み込まれた絞り部を示す断面図である。

【図5】本発明の実施の形態のバイオマスの微粒化方法の、流路断面積が連続的に可変な絞り部を用いた流動キャビテーションによるバイオマスの微粒化装置の概略構成を示す正面図である。

【図6】本発明の実施の形態のバイオマスの微粒化方法の、流動キャビテーション処理前のバイオマスの状態を示す顕微鏡写真である。

【図7】本発明の実施の形態のバイオマスの微粒化方法の、流動キャビテーション処理後のバイオマス混濁液の上澄み液のバイオマスの状態を示す顕微鏡写真である。

【図8】本発明の実施の形態のバイオマスの微粒化方法の、流動キャビテーション処理後のバイオマス混濁液の沈殿物のバイオマスの状態を示す顕微鏡写真である。

【図9】本発明の実施の形態のバイオマスの微粒化方法の、流路断面積が連続的に可変な絞り部の下流に発生させた流動キャビテーションの様子を示す側面図である。

【発明を実施するための形態】

【0024】

以下、図面に基づいて、本発明の実施の形態について説明する。
本発明の実施の形態で使用されるバイオマスは、コーヒー滓やお茶殻、割れや焦げのあるポテトチップスの規格外品などの食品製造の際の食品廃棄物や、木材チップ、バガス等である。

【0025】

バイオマスは、水や、アルコールを１～４０質量％含有した水に、０．５～４０質量％投入して混濁液として使用する。バイオマスの粒子径が２ｍｍ以下の場合はそのまま使用し、粒子径が２ｍｍ以上の場合は、長径が１ｍｍ以下になるように粉砕するのが望ましい。アルカリ処理効果を併用してバイオマスの解繊効果を高めるために、バイオマスを投入する液体には、アルカリ水溶液を用いてもよい。

【0026】

本発明の実施の形態での絞り部は、図１に示すように、ケーシング１内に設置した弁体２が主流方向に対して直交もしくは斜めに移動して、絞り部の流路断面積を連続的に変更可能なものである。図２は、本発明の絞り部の他の実施形態を示しており、弁体４がケーシング３内で弁体軸５を中心に回転して、絞り部の流路断面積を連続的に変更可能なものである。ベルヌーイの定理から、流路断面積の小さいところでは、液体の流速が大となり、静圧は低下する。また、ランキン渦として知られているように、流体の渦の中心部の圧力は低下する。この静圧の低下ならびに渦中心の圧力低下により、液体の圧力が飽和蒸気圧まで達すると、水は水中の微細気泡などを核として気体に相変化して泡が発生する。この相変化現象をキャビテーションと呼ぶ。流速低下および渦度低下により、圧力が増大すると、気体が液体に相変化して泡が圧潰し、さらに再膨張する。この再膨張時に衝撃波を生じる。本発明は、この相変化による急激な体積膨張と収縮、ならびに衝撃波の衝撃圧でバイオマスを粉砕するものである。本発明の実施の形態で使用される絞り部は、絞り部の下流のせん断流れ場において大きな渦を発生させるために、絞り部は主流方向に対して偏向していることが望ましい。

【0027】

図１の絞り部における角度θ_１は、キャビテーションが弁体２からはく離した渦内で大きく発達するためには、０～９０ｄｅｇが望ましく、角度θ_２は、キャビテーションがケーシング１や弁体２に損傷を生じないためには、０～９０ｄｅｇが望ましい。図２の絞り部における角度θ_３およびθ_４は、キャビテーションが弁体４からはく離した渦内で大きく発達するためには、０～９０ｄｅｇが望ましく、角度θ_５は、キャビテーションがケーシング３や弁体４に損傷を生じないためには、０～９０ｄｅｇが望ましい。ケーシング１およびケーシング３の内面形状は、平面であっても、曲面であってもよい。弁体２および弁体４の形状は、平面であっても、曲面であってもよい。図１および図２の実施形態において、弁体２および弁体４が、単数であっても複数であってもよい。

【0028】

図３には、流路断面積が連続的に可変な絞り部の一例を示す。この絞り部は、ケーシング６ａ内に設置した、円柱状の一部もしくは半球状の一部の形状を持つ弁体７が、弁体軸８を中心に回転して絞り部の流路断面積を連続的に変更する。図３の絞り部における角度θ_６は、キャビテーションが弁体７からはく離した渦内で大きく発達するためには、０～９０ｄｅｇが望ましく、角度θ_７は、キャビテーションがケーシング６ａや弁体７に損傷を生じないためには、０～９０ｄｅｇが望ましい。弁体７は、単数であっても複数であってもよい。

【0029】

図４には、絞り部上流にピストンを有する、流路断面積を連続的に可変な絞り部の一例を示す。ピストン１０は、ばね１４ａと、ばね１４ｂと、ばねの仕切り板１２に保持されたＯリング１１とを有し、バイオマス混濁液に接している。仕切り板１２の位置が主流から押し出される方向に移動する場合は、リンク９ａ、リンク９ｂ、リンク９ｃを介して、絞り部の流路断面積を増大する方向に弁体軸８を回転するように取り付けられている。なお、ばね１４ｂはボルト１３に接しており、ボルト１３の位置により、ばね１４ａおよびばね１４ｂの長さを制御してピストンを支える力を調節し、仕切り板１２が移動するバイオマス混濁液の圧力を制御する。なお、通常のいわゆる安全弁は、圧力調節時の流路断面積が狭いために、バイオマスを含有した混濁液では動作しない。

【0030】

バイオマスを含有した混濁液を流動キャビテーションで処理する装置は、混濁液を投入する水槽、混濁液を加圧する機構、流動キャビテーションを発生させる流路断面積が連続的に可変な絞り部、絞り部上流側圧力計、絞り部下流側圧力計、絞り部下流側の圧力調整用流量制御弁、絞り部から水槽への回流ラインが必要である。

【0031】

流動キャビテーション処理装置の一例を、図５に示す。この装置は、バイオマス混濁液の受槽と流動キャビテーション処理されたバイオマス混濁液の受槽とを兼ねた槽１５と、槽１５内のバイオマス混濁液を吸引して絞り部に送る加圧ポンプ１６と、槽１５から加圧ポンプへの吸入管１７と、加圧した圧力を計測する圧力計１８と、流路断面積が連続的に可変な絞り部１９と、圧力計１８の圧力により絞り部１９の流路断面積を制御する制御部２０と、絞り部１９の下流側圧力を制御する流量制御弁２１と、絞り部１９の下流側圧力を計測する圧力計２２と、絞り部１９から槽１５への配管２３と、槽１５からの排出管２４とからなっている。なお、図示されていないが、槽１５には水温を一定に保つための投げ込み式チラーが設置されている。絞り部１９は、加圧ポンプ１６からの吐出管に対して、単数であっても、あるいは並列もしくは直列に複数を用いてもよい。

【0032】

水槽１５に投入されたバイオマス混濁液は、加圧ポンプ１６への吸入管１７を通って加圧ポンプ１６に供給され、加圧ポンプ１６により加圧されて絞り部１９を通過し、バイオマスが粉砕されて、槽１５に戻る。そして、吸入管１７からまた吸引されて、循環が繰り返され、バイオマスの粉砕が所定の程度まで進行したら排出管２４から取り出される。この取り出しは連続的でも間欠的でもよい。

【0033】

図５の制御部２０は、電気的な伝達方式であっても、機械的な伝達方式であっても、あるいは両方式を併用した方法であってもよい。

【0034】

流動キャビテーションで処理されるバイオマスの懸濁液のバイオマスの濃度は、０．１～５０質量％程度が適当である。流動キャビテーション条件としては、絞り部１９の上流側の相対圧力は０．５ＭＰａ～４ＭＰａ程度、絞り部１９の下流側の絶対圧力は、上流側の絶対圧力の３０％～５０％程度が適当である。

【実施例0035】

バイオマスには、タンザニア産およびコロンビア産を混合したキリマンジェロブレンドの、アラビカコーヒー豆の紙フィルタドリップ用コーヒー粉末を用いた。バイオマス３００ｇをエタノール３０％水溶液３Ｌに投入してバイオマス混濁液を得た。

【0036】

絞り部１９には、流路断面積が０～３６ｍｍ^２の範囲で連続的に変更可能なものを使用し、加圧ポンプ１６で３ＭＰａに加圧して、絞り部１９の下流側圧力は大気圧として、２０℃で循環させた。流路断面積を０．３８ｍｍ^２近傍として、絞り部１９の上流側圧力が３．２ＭＰａを上回ったときは流路断面積を大きくし、２．８ＭＰａを下回ったときは流路断面積を小さくして、３時間循環させた。３時間循環させた後、２４時間静置貯留し、上澄み液と沈殿物とをそれぞれ凍結乾燥させて、電子顕微鏡で観察した。

【0037】

図６には、流動キャビテーションで処理する前のバイオマスの顕微鏡写真を示し、図７には、流動キャビテーションで処理した後の上澄み液を凍結乾燥して得られた粉末の電子顕微鏡写真を示し、図８には、流動キャビテーションで処理した後の沈殿物を凍結乾燥して得られた粉末の電子顕微鏡写真を示す。図６に示すように、流動キャビテーションで処理する前のバイオマスは１ｍｍ以上の大きさであった。流動キャビテーションで処理すると、図７に示すようなサブマイクロオーダのバイオクリスタルや、図８に示すようなサブマイクロオーダのバイオファイバが得られた。

【0038】

図９には、試料液体を水とし、弁体の下流側のケーシングの一部をアクリル製にしてキャビテーションの発生状況を、せん光１．５μｓのキセノンフラッシュランプを用いて撮影した様子を示す。絞り部１９の流路断面積は０．３８ｍｍ^２とし、加圧ポンプ１６で３ＭＰａに加圧して、絞り部１９の下流側圧力は大気圧とした。図９中、白く見えているのがキャビテーションである。弁体の下流に渦キャビテーションが認められた。

【産業上の利用可能性】

【0039】

本発明により、従来、飼料や燃料に利用されていた食品廃棄物やバガスを、各種発酵の糖源として広く利用できるばかりでなく、木材チップ等からのセルロースナノファイバーを製造できる。

【符号の説明】

【0040】

１ ケーシング
２ 弁体
３ ケーシング
４ 弁体
５ 弁体軸
６ａ ケーシング
６ｂ ケーシング
７ 弁体
８ 弁体軸
９ａ リンク
９ｂ リンク
９ｃ リンク
１０ ピストン
１１ Ｏリング
１２ 仕切り板
１３ ボルト
１４ａ ばね
１４ｂ ばね
１５ 槽
１６ 加圧ポンプ
１７ 吸入管
１８ （上流側）圧力計
１９ 絞り部
２０ 制御部
２１ 流量制御弁
２２ （下流側）圧力計
２３ 配管
２４ 排出管

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】