JP5843394B2 - リグノセルロース系材料の処理方法および処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、リグノセルロース系材料の処理方法に関し、更に詳しくは、材料中に含まれているヘミセルロースを分解除去することによってセルロースの含有割合を相対的に増加させるためのリグノセルロース系材料の処理方法に関する。

近年、木質感を有する樹脂成形品として、熱可塑性樹脂と、リグノセルロース系材料とを混合して得られるＷＰＣ（Ｗｏｏｄ Ｐｌａｓｔｉｃ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）からなるものが製品化されている。
ここに、ＷＰＣの充填剤または可塑剤として使用されるリグノセルロース系材料には、主として、セルロースと、ヘミセルロースと、リグニンとが含まれている。

しかして、熱可塑性樹脂との相溶性を高めたり、得られる樹脂成形品の強度を向上させたりする観点から、リグノセルロース系材料にあっては、ヘミセルロースの含有割合が低く、セルロースの含有割合が高いことが好ましい。
このため、リグノセルロース系材料を水蒸気により加熱処理してヘミセルロースを分解除去する技術が紹介されている。

例えば、下記の特許文献１には、耐圧容器内で、高圧下において、１５０〜２３０℃に加熱された水蒸気にリグノセルロース系材料を曝して加熱処理する方法が紹介されている。

また、下記の特許文献２には、常圧雰囲気下において、１８０〜２３０℃の過熱水蒸気によりリグノセルロース系材料を加熱処理する方法が紹介されている。
なお、特許文献２に記載された方法のような過熱水蒸気を用いて常圧で行う加熱処理では、リグノセルロース系材料に含まれるすべての水分が蒸発するまで、材料の温度は１００℃を超えず、加水分解は殆ど起こらない（同文献の段落番号００２２参照）。
このため、過熱水蒸気による加熱処理が施されるリグノセルロース系材料には、通常、前工程として乾燥処理が施され、材料中の水分をある程度低減させている。

特開２００３−１６５８４４号公報 特開２０１１−１６１８３５号公報

然るに、特許文献１に記載された水蒸気処理は高圧下で行われるため、耐圧容器を含めて大がかりな設備が必要となる。
一方、特許文献２に記載された水蒸気処理は、常圧雰囲気下で行われるために、比較的簡単な設備で実施することができる。

しかしながら、特許文献２に記載されている加熱処理を実生産規模（例えば、処理量が１トン／バッチ）で行う場合には、材料に含まれるすべての水分が蒸発して、その温度が１００℃を超えるまでにきわめて長い時間を要し、これにより、処理に要する消費電力量が過大となるばかりでなく、このような加熱処理を施しても、ヘミセルロースを十分除去することができないという問題がある。

すなわち、実生産規模で実施する場合には、処理容器内に多量に仕込んだ材料中の水分（乾燥工程を経た材料であっても通常２０％程度の水分を含んでいる）ばかりでなく、過熱水蒸気が凝縮して発生した大量の水（処理時において水の蒸発と過熱水蒸気の凝縮とが同時に進行する）が処理容器内に存在するため、容器内におけるすべての水分を過熱水蒸気の熱エネルギーで蒸発させるには、きわめて長い時間を要し、例えば１０時間を超えて過熱水蒸気を導入しても処理容器内の水分を完全に蒸発させることができないこともある。このような場合には、処理容器内（材料）の温度を、ヘミセルロースの分解可能温度（通常、１８０℃以上）に上昇させることができなかったり、昇温に長時間を要したことによって分解可能温度に到達した後の反応時間を十分に確保できなかったりするため、ヘミセルロースを十分に分解除去することができなくなる。
また、過熱水蒸気を生成する（水蒸気を生成して、これを過熱する）ためには、多大なエネルギー（電力量）を必要とし、そのような過熱水蒸気を長時間にわたり導入することによるコストはきわめて高いものとなる。

リグノセルロース系材料の加熱処理において、ヘミセルロースの分解温度は通常１８０〜３２０℃とされる。一方、セルロースの分解温度は２４０〜４００℃とされる。
従って、セルロースを分解させることなく、ヘミセルロースのみを分解除去することのできる処理温度範囲は１８０〜２４０℃と比較的狭い。

然るに、特許文献２に記載されている加熱処理を実生産規模で行う場合に、処理容器に仕込まれたすべての材料の温度を１８０〜２４０℃の範囲に維持することは困難である。 例えば、１８０℃の過熱水蒸気を処理容器内に導入しても、１８０℃に昇温するのは、過熱水蒸気の導入口近傍に配置された一部の材料であり、このような場合には、１８０℃に到達していない材料中のヘミセルロースは実質的に分解除去されないので、材料全体として、ヘミセルロースを効率的に分解除去することはできない。

このように、加熱処理を実生産規模で行う場合には、ラボスケールでの処理（例えば、処理量が５０ｋｇ／バッチ未満）では問題とならなかった、処理容器内における（材料）温度のバラツキを考慮しなければならず、処理容器に導入する過熱水蒸気の温度（入口温度）を制御したとしても十分な処理（ヘミセルロースの分解）を実現することはできない。

本発明は以上のような事情に基いてなされたものである。
本発明の目的は、実生産規模で処理する場合であっても、材料中に含まれるヘミセルロースを選択的かつ効率的に分解除去することができるリグノセルロース系材料の処理方法を提供することにある。
本発明の他の目的は、従来の方法より少ない消費電力量で処理することができるリグノセルロース系材料の処理方法を提供することにある。
本発明の更に他の目的は、実生産規模で処理する場合であっても、仕込まれた材料中に含まれるヘミセルロースを選択的かつ効率的に分解除去することができるリグノセルロース系材料の処理装置を提供することにある。

（１）本発明のリグノセルロース系材料の処理方法は、材料中に含まれるヘミセルロースを分解除去するためのリグノセルロース系材料の処理方法であって、
リグノセルロース系材料を処理容器に仕込む工程と、
前記処理容器に２４０〜３００℃の加熱空気を導入することによってリグノセルロース系材料を加熱する工程（一次加熱工程）と、
前記処理容器からの排気温度（Ｔ_ex）が、１２０〜１８０℃の範囲内の温度（Ｔ₁ ）に到達した時点で、加熱空気に代えて２４０〜３００℃の過熱水蒸気を前記処理容器に導入し、当該処理容器からの排気温度（Ｔ_ex）が２００〜２４０℃になるように制御しながらリグノセルロース系材料を更に加熱する工程（二次加熱工程）とを含むことを特徴とする。

このような処理方法によれば、過熱水蒸気による加熱処理に先立って、加熱空気による加熱処理を施すことにより、実生産規模で処理する場合であっても、処理容器内の温度（材料温度）を短時間で上昇させることができる。これにより、ヘミセルロースの分解可能温度に到達した後の反応時間を十分に確保することができる。また、加熱空気の生成に要する電力量は、同じ温度の過熱水蒸気の生成に要する電力量と比較して格段に低いので、処理全体に要する消費電力量を十分に低くすることができる。

二次加熱工程において、処理容器に導入される過熱水蒸気の温度（入口温度）ではなく、処理容器からの排気温度（出口温度）を２００〜２４０℃に制御することにより、処理容器内に仕込まれているすべての材料を、この排気温度（Ｔ_ex）にほぼ等しい温度（ヘミセルロースを分解可能で、セルロースが分解しない温度）とすることができる。

更に、排気温度（Ｔ_ex）が１２０〜１８０℃の範囲内の温度（Ｔ₁ ）に到達した時点で、加熱空気による加熱処理（一次加熱工程）から、過熱水蒸気による加熱処理（二次加熱工程）に切り替えること（切替温度（Ｔ₁ ）を１２０〜１８０℃の範囲に設定すること）によりはじめて、処理容器内に仕込まれた材料中に含まれるヘミセルロースを選択的かつ効率的に分解除去することができる。

（２）本発明の処理方法において、前記処理容器に仕込まれる材料の質量が５０ｋｇ以上であることが好ましい。

（３）本発明の処理方法において、下方から上方に向かう過熱空気および過熱水蒸気の流路となる隙間を確保しながら長尺のリグノセルロース系材料を縦置きに配置することが好ましい。
過熱空気および過熱水蒸気は、通常、処理容器内の下方から導入されて、上方から排出される。このような処理容器内において、過熱空気および過熱水蒸気の流路が確保されることにより、処理容器内における（材料）温度のバラツキを抑制することができる。

（４）本発明の処理方法において、前記リグノセルロース系材料が生竹からなることが好ましい。

（５）本発明の処理装置は、本発明の処理方法を実施するために使用される処理装置であって、
リグノセルロース系材料が仕込まれる処理容器と、
前記処理容器に導入する加熱空気および過熱水蒸気を生成する過熱器と、
加熱空気を生成させるために前記過熱器に空気を供給するコンプレッサと、
過熱水蒸気を生成させるために前記過熱器に水蒸気を供給するボイラと、
第１流路を介して前記コンプレッサと接続し、第２流路を介して前記ボイラと接続し、共通流路を介して前記過熱器と接続し、前記コンプレッサおよび前記ボイラの何れか一方を前記過熱器に接続させるよう切り替える三方電磁弁と、
前記処理容器からの排気温度（Ｔ_ex）を測定する温度センサと、
前記温度センサによって測定された排気温度（Ｔ_ex）に応じて前記過熱器の電源のオン・オフ制御を行うとともに、測定された排気温度（Ｔ_ex）が１２０〜１８０℃の範囲内の温度（Ｔ₁ ）より低いときには、前記第１流路を開いて前記コンプレッサを前記過熱器に接続させ、測定された排気温度（Ｔ_ex）が温度（Ｔ₁ ）に到達した後には、前記第２流路を開いて前記ボイラを前記過熱器に接続させるように、前記三方電磁弁を制御する制御部とを備えていることを特徴とする。

（６）本発明の処理装置において、前記制御部は、前記温度センサにより測定された排気温度（Ｔ_ex）が２４０℃を超えたときに前記過熱器の電源にオフ信号を出力し、排気温度（Ｔ_ex）が２００℃未満となったときに前記過熱器の電源にオン信号を出力することが好ましい。

本発明の処理方法によれば、実生産規模で処理する場合であっても、材料中に含まれるヘミセルロースを選択的かつ効率的に分解除去することができる。
しかも、従来の方法より少ない消費電力量で処理することができる。
本発明の処理装置によれば、実生産規模で処理する場合であっても、仕込まれた材料中に含まれるヘミセルロースを選択的かつ効率的に分解除去することができる。

本発明の処理装置の一実施形態を示すブロック図である。 処理されていない試料（生竹）について測定したＴＧ−ＤＴＡ曲線である。 比較例１で処理した試料について測定したＴＧ−ＤＴＡ曲線である。 比較例２で処理した試料について測定したＴＧ−ＤＴＡ曲線である。 実施例１で処理した試料について測定したＴＧ−ＤＴＡ曲線である。 実施例２で処理した試料について測定したＴＧ−ＤＴＡ曲線である。 実施例３で処理した試料について測定したＴＧ−ＤＴＡ曲線である。 比較例３で処理した試料について測定したＴＧ−ＤＴＡ曲線である。 比較例４で処理した試料について測定したＴＧ−ＤＴＡ曲線である。 実施例４および比較例５の各々において、処理容器からの排気温度および材料温度を経時的に示す温度曲線である。

以下、本発明の処理方法および処理装置について詳細に説明する。
本発明のリグノセルロース系材料の処理方法は、当該材料中に含まれるヘミセルロースを分解除去することにより、セルロースの含有割合を相対的に増加させるための処理方法である。ここに、リグノセルロース材料としては、植物、例えば針葉樹、広葉樹などの木本類や、竹、稲わらなどの草本類などを挙げることができる。これらのうち、生竹を使用することが好ましい。

本発明の処理方法は、図１に示したような構成の処理装置によって処理される。
この処理装置は、リグノセルロース系材料が仕込まれる処理容器１０と、この処理容器１０に導入する加熱空気および過熱水蒸気を生成する過熱器（スーパーヒータ）２０と、加熱空気を生成させるために過熱器２０に空気を供給するコンプレッサ３０と、過熱水蒸気を生成させるために過熱器２０に水蒸気を供給するボイラ４０と、第１流路５１を介してコンプレッサ３０と接続し、第２流路５２を介してボイラ４０と接続し、共通流路５３を介して過熱器２０と接続し、第１流路５１および第２流路５２の何れか一方を「開」状態とし、他方を「閉」状態とすることにより、コンプレッサ３０およびボイラ４０の何れか一方を過熱器２０に接続させるよう切り替える三方電磁弁５０と、処理容器１０からの排気温度（Ｔ_ex）を測定する温度センサ６０と、温度センサ６０によって測定された排気温度（Ｔ_ex）に応じて過熱器２０の電源２５のオン・オフ制御を行うとともに、この排気温度（Ｔ_ex）が１２０〜１８０℃の範囲内の温度（Ｔ₁ ）より低いときには、過熱器２０によって加熱空気が生成されるよう、第１流路５１を「開」状態としてコンプレッサ３０を過熱器２０に接続させ、排気温度（Ｔ_ex）が温度（Ｔ₁ ）に到達した後には、過熱器２０によって過熱水蒸気が生成されるよう、第２流路５２を「開」状態としてボイラ４０を過熱器２０に接続させるように三方電磁弁５０を制御する制御部７０とを備えている。

この処理容器１０には、過熱器２０により生成された加熱気体（加熱空気・過熱水蒸気）が導入される。処理容器１０に導入された加熱流体は、この処理容器１０内を下方から上方に向かって流れ、天井部に設けられた排気口から排出される。

過熱器２０は、コンプレッサ３０から供給される空気を電磁誘導により加熱して加熱空気を生成し、ボイラ４０から供給される水蒸気を電磁誘導により加熱（過熱）して過熱水蒸気を生成する。
コンプレッサ３０から過熱器２０への空気の供給量（加熱空気の生成量）、ボイラ４０から過熱器２０への水蒸気の供給量（過熱水蒸気の生成量）は、リグノセルロース系材料の仕込み量などに応じて適宜調整することができる。

なお、過熱器２０には、空気および水蒸気の何れか一方が供給される。従って、過熱器２０からは加熱空気および過熱水蒸気の何れか一方が生成され、処理容器１０に導入される。すなわち、三方電磁弁５０において、第１流路５１が「開」状態（第２流路５２が「閉」状態）にあるときには、過熱器２０には空気が供給され、処理容器１０には、過熱器２０からの加熱空気が導入される。他方、第２流路５２が「開」状態（第１流路５１が「閉」状態）にあるときには、過熱器２０には水蒸気が供給され、処理容器１０には、過熱器２０からの過熱水蒸気が導入される。なお、三方電磁弁５０と過熱器２０とを接続する共通流路５３は常に「開」状態である。

温度センサ６０は、処理容器１０からの排気温度（Ｔ_ex）を測定し、排気温度（Ｔ_ex）に係る情報を制御部７０に送る。

制御部７０は、排気温度（Ｔ_ex）が１２０〜１８０℃の範囲内の温度（Ｔ₁ ）より低いときには、第１流路５１を「開」状態として、コンプレッサ３０から過熱器２０への空気の供給（過熱器２０による加熱空気の生成）を可能とし、排気温度（Ｔ_ex）が（Ｔ₁ ）に到達した後には、第２流路５２を「開」状態として、ボイラ４０から過熱器２０への水蒸気の供給（過熱器２０による過熱水蒸気の生成）を可能とするように、三方電磁弁５０を制御する。

また、制御部７０は、温度センサ６０により測定された排気温度（Ｔ_ex）が２４０℃を超えたときには過熱器２０の電源２５にオフ信号を出力し、排気温度（Ｔ_ex）が２００℃未満となったときには過熱器２０の電源２５にオン信号を出力することにより、排気温度（Ｔ_ex）に応じて過熱器２０の電源２５のオン・オフ制御を行う。

上記の処理装置を用いて行う本発明の処理方法ほ、リグノセルロース系材料を処理容器１０に仕込む工程と、２４０〜３００℃の加熱空気を過熱器２０から処理容器１０に導入してリグノセルロース系材料を加熱する一次加熱工程と、温度センサ６０により測定される処理容器１０からの排気温度（Ｔ_ex）が、１２０〜１８０℃の範囲内の温度（Ｔ₁ ）に到達したときに、加熱空気に代えて２４０〜３００℃の過熱水蒸気を過熱器２０から処理容器１０に導入し、当該処理容器１０からの排気温度（Ｔ_ex）が２００〜２４０℃になるように制御部７０により過熱器２０の電源２５を制御しながらリグノセルロース系材料を更に加熱する二次加熱工程とを含む。

リグノセルロース系材料を処理容器１０に仕込む際には、過熱空気および過熱水蒸気の流路となる隙間を確保しながら、長尺のリグノセルロース系材料（生竹など）を縦置きに配置することが好ましい。これにより、処理容器１０内において、下方から上方に向かう過熱空気および過熱水蒸気の流路が確保され、処理容器１０内における材料温度のバラツキを抑制することができる。

リグノセルロース系材料の仕込み量としては、５０ｋｇ以上であることが好ましく、更に好ましくは１００ｋｇ以上、好適な一例を示せば３００ｋｇである。
５０ｋｇ以上の材料を処理するような実生産規模の処理において、本発明の処理方法は効果的である。

一次加熱工程は、過熱器２０から処理容器１０内に加熱空気を導入してリグノセルロース系材料を加熱する工程である。
この加熱空気は、コンプレッサ３０から過熱器２０に供給された空気を当該過熱器２０で加熱（電磁誘導加熱）して生成されたものである。

一次加熱工程において、導入する加熱空気の温度（入口温度）は２４０〜３００℃とされる。加熱空気の温度が２４０℃未満である場合には、昇温時間の短縮化を十分に図ることができない。
一方、加熱空気の温度が３００℃を超える場合には、処理容器内のリグノセルロース系材料（特に、導入口の近傍に配置された材料）の温度が過大となり、当該材料が炭化するおそれがある。

加熱空気の導入量としては、リグノセルロース系材料の仕込み量によっても異なるが、例えば、仕込み量が３００ｋｇである場合に３０〜２００ｍ³ ／ｈであることが好ましく、好適な一例を示せば５５ｍ³ ／ｈである。

処理容器１０内に導入された加熱空気は、縦置きに配置された長尺のリグノセルロース系材料に沿って、下方から上方に向かって流れることにより当該材料を加熱し、天井部に設けられた排気口から排出される。
ここに、処理容器１０からの排気温度（Ｔ_ex）は、温度センサ６０によって測定され、排気温度に係る情報は、温度センサ６０から制御部７０に送られる。

温度センサ６０によって測定された排気温度（Ｔ_ex）が、１２０〜１８０℃の範囲内の温度（Ｔ₁ ）に到達した時点で、二次加熱工程が行われる。
この二次加熱工程は、過熱器２０から処理容器１０内に過熱水蒸気を導入してリグノセルロース系材料を更に加熱する工程である。
この過熱水蒸気は、ボイラ４０から過熱器２０に供給された水蒸気を当該過熱器２０で加熱（電磁誘導加熱）して生成されたものである。

二次加熱工程において、導入する過熱水蒸気の温度（入口温度）は２４０〜３００℃とされる。過熱水蒸気の温度が２４０℃未満である場合には、リグノセルロース系材料の仕込み量によっては、処理容器内に配置したすべての材料を、ヘミセルロースの分解可能な温度まで昇温させることが困難となる。
一方、加熱空気の温度が３００℃を超える場合には、処理容器内のリグノセルロース系材料（特に、導入口の近傍に配置された材料）の温度が過大となり、当該材料に含まれるセルロース原料が分解されたり、当該材料が炭化したりするおそれがある。

過熱水蒸気の導入量としては、リグノセルロース系材料の仕込み量によっても異なるが、例えば、仕込み量が３００ｋｇである場合に３０〜１５０ｋｇ／ｈであることが好ましく、好適な一例を示せば１３０ｋｇ／ｈである。

二次加熱工程では、処理容器１０からの排気温度（Ｔ_ex）が、２００〜２４０℃になるように制御部７０により過熱器２０の電源２５を制御しながらリグノセルロース系材料を更に加熱する。
処理容器１０からの排気温度（Ｔ_ex）を制御しながら加熱することにより、処理容器１０内に仕込まれているすべての材料を、この排気温度（Ｔ_ex）にほぼ等しい温度（ヘミセルロースを分解可能で、セルロースが分解しない温度）に維持することができる。

二次加熱工程における排気温度が２００℃未満である場合には、リグノセルロース系材料の仕込み量によっては、処理容器内に配置したすべての材料を、ヘミセルロースの分解可能な温度まで昇温させることが困難となる。
一方、排気温度が２４０℃を超える場合には、材料中に含まれるセルロースが分解するおそれがある。

本発明において、加熱空気による加熱処理（一次加熱工程）から、過熱水蒸気による加熱処理（二次加熱工程）に切り替えるときの排気温度（Ｔ_ex）〔切替温度（Ｔ₁ ）〕は、１２０〜１８０℃とされる。
過熱水蒸気による加熱処理に切り替えるときの排気温度が１２０℃未満である場合には、昇温時間の短縮化、消費電力量の低減を十分に図ることができず、材料中に含まれているヘミセルロースを十分に分解除去することができない（後述する比較例２参照）。
一方、過熱水蒸気による加熱処理に切り替えるときの排気温度が１８０℃を超える場合には、セルロースの分解反応が起こるおそれがある（後述する比較例３参照）。

本発明の処理方法によれば、過熱水蒸気による加熱処理（二次加熱工程）に先立って、加熱空気による加熱処理（一次加熱工程）を施すことにより、実生産規模で処理する場合であっても、処理容器内の温度（材料温度）を、短時間で、１００℃を超える温度まで、上昇させることができる。
すなわち、一次加熱工程において加熱空気で加熱処理することにより、材料中の水分を効率的に蒸発させることができるとともに、加熱空気で材料を加熱する場合には、過熱水蒸気で加熱するときに生じていた凝縮水が発生しないので、処理容器１０内に存在する水を短時間で蒸発させることができる。
このように、加熱空気による加熱処理（一次加熱工程）を行う本発明の製造方法によれば、最初から過熱水蒸気による加熱処理を行う場合と比較して、処理容器１０内の温度（材料温度）を短い時間で上昇させることができ、昇温時間の短縮化により、ヘミセルロースの分解可能温度に到達した後の反応時間を十分に確保することができる。
また、一次加熱工程に先立って、リグノセルロース系材料を乾燥処理する必要もない。 更に、加熱空気の生成に要する電力量は、同じ温度の過熱水蒸気の生成に要する電力量と比較して格段に低く、昇温時間の短縮化と相まって処理全体（一次加熱工程・二次加熱工程）に要する消費電力量を十分に低くすることができる。

また、二次加熱工程において、処理容器１０からの排気温度（Ｔ_ex）（出口温度）を２００〜２４０℃に制御することにより、処理容器内に仕込まれているすべての材料を、この排気温度（Ｔ_ex）にほぼ等しい温度（ヘミセルロースを分解可能で、セルロースが分解しない温度）とすることができる。

更に、排気温度（Ｔ_ex）が１２０〜１８０℃の範囲内の温度（Ｔ₁ ）に到達した時点で、加熱空気による加熱処理（一次加熱工程）から、過熱水蒸気による加熱処理（二次加熱工程）に切り替えること（切替温度（Ｔ₁ ）を１２０〜１８０℃の範囲に設定すること）により、材料中に含まれるセルロースを分解することなく、ヘミセルロースを分解除去すること、すなわち、ヘミセルロースを選択的かつ効率的に分解除去することができる。

＜実施例１＞
図１に示したような処理装置を使用して、処理容器１０（室内寸法：１２２０ｍｍ×２４４０ｍｍ×１２２０ｍｍＨ）内に、生竹からなるリグノセルロース系材料３００ｋｇを、過熱空気および過熱水蒸気の流路となる隙間を確保できるように縦置きに配置した。
次に、一次加熱工程として、処理容器１０内に２４０〜３００℃の加熱空気を導入することによってリグノセルロース系材料を加熱した。なお、この実施例１並びに以下の実施例および比較例において、加熱空気の導入量は５５ｍ³ ／ｈとした。
加熱を開始してから１時間経過した時点（このとき、温度センサ６０よって測定された排気温度（Ｔ_ex）は１２０℃であった）で、二次加熱工程として、加熱空気に代えて２４０〜３００℃の過熱水蒸気を処理容器１０内に導入し、処理容器１０からの排気温度（Ｔ_ex）が２００〜２４０℃になるように制御部７０により過熱器２０の電源２５を制御しながらリグノセルロース系材料を更に５時間にわたり加熱して処理を完了した。この実施例１並びに以下の実施例および比較例において、過熱水蒸気の導入量は１３０ｋｇ／ｈとした。
この実施例１により処理した材料および未処理の材料の各々について、示差熱−熱重量同時分析（ＴＧ−ＤＴＡ）を行い、ＤＴＧ曲線および質量減少率曲線を測定した。未処理の材料についての結果を図２に示し、処理した材料についての結果を図５に示す。

＜実施例２＞
実施例１と同様にして、リグノセルロース系材料３００ｋｇを処理容器１０内に仕込み、下記表１に示す条件に従って、一次加熱工程として、処理容器１０内に２４０〜３００℃の加熱空気を導入することによってリグノセルロース系材料を加熱し、加熱を開始してから３時間経過した時点（このとき、温度センサ６０よって測定された排気温度（Ｔ_ex）は１５０℃であった）で、二次加熱工程として、加熱空気に代えて２４０〜３００℃の過熱水蒸気を処理容器１０内に導入し、処理容器１０からの排気温度（Ｔ_ex）が２００〜２４０℃になるように制御部７０により過熱器２０の電源２５を制御しながらリグノセルロース系材料を更に３時間にわたり加熱して処理を完了した。
この実施例２により処理した材料について、ＤＴＧ曲線および質量減少率曲線を測定した。結果を図６に示す。

＜実施例３＞
実施例１と同様にして、リグノセルロース系材料３００ｋｇを処理容器１０内に仕込み、下記表１に示す条件に従って、一次加熱工程として、処理容器１０内に２４０〜３００℃の加熱空気を導入することによってリグノセルロース系材料を加熱し、加熱を開始してから４時間経過した時点（このとき、温度センサ６０よって測定された排気温度（Ｔ_ex）は１８０℃であった）で、二次加熱工程として、加熱空気に代えて２４０〜３００℃の過熱水蒸気を処理容器１０内に導入し、処理容器１０からの排気温度（Ｔ_ex）が２００〜２４０℃になるように制御部７０により過熱器２０の電源２５を制御しながらリグノセルロース系材料を更に２時間にわたり加熱して処理を完了した。
この実施例３により処理した材料について、ＤＴＧ曲線および質量減少率曲線を測定した。結果を図７に示す。

＜比較例１＞
実施例１と同様にして、リグノセルロース系材料３００ｋｇを処理容器１０内に仕込み、下記表１に示す条件に従って、処理容器１０内に２４０〜３００℃の過熱水蒸気を導入し、リグノセルロース系材料を６時間にわたり加熱して処理を完了した。
この比較例１は、加熱空気による加熱処理（一次加熱工程）を行わなかった比較例である。この比較例１により処理した材料について、ＤＴＧ曲線および質量減少率曲線を測定した。結果を図３に示す。

＜比較例２＞
実施例１と同様にして、リグノセルロース系材料３００ｋｇを処理容器１０内に仕込み、下記表１に示す条件に従って、処理容器１０内に２４０〜３００℃の加熱空気を導入することによってリグノセルロース系材料を加熱し、加熱を開始してから３０分間経過した時点（このとき、温度センサ６０よって測定された排気温度（Ｔ_ex）は１０５℃であった）で、加熱空気に代えて２４０〜３００℃の過熱水蒸気を処理容器１０内に導入し、リグノセルロース系材料を更に５時間３０分にわたり加熱して処理を完了した。
この比較例２は、排気温度（Ｔ_ex）が１２０℃に達していない段階で、加熱空気による加熱処理から過熱水蒸気による加熱処理に切り替えた比較例である。この比較例２により処理した材料について、ＤＴＧ曲線および質量減少率曲線を測定した。結果を図４に示す。

＜比較例３＞
実施例１と同様にして、リグノセルロース系材料３００ｋｇを処理容器１０内に仕込み、下記表１に示す条件に従って、処理容器１０内に２４０〜３００℃の加熱空気を導入することによってリグノセルロース系材料を加熱し、加熱を開始してから５時間経過した時点（このとき、温度センサ６０よって測定された排気温度（Ｔ_ex）は２００℃であった）で、加熱空気に代えて２４０〜３００℃の過熱水蒸気を処理容器１０内に導入し、処理容器１０からの排気温度（Ｔ_ex）が２００〜２４０℃になるように制御部７０により過熱器２０の電源２５を制御しながらリグノセルロース系材料を更に１時間にわたり加熱して処理を完了した。
この比較例３は、排気温度（Ｔ_ex）が１８０℃を超えた後に、加熱空気による加熱処理から過熱水蒸気による加熱処理に切り替えた比較例である。この比較例３により処理した材料について、ＤＴＧ曲線および質量減少率曲線を測定した。結果を図８に示す。

＜比較例４＞
実施例１と同様にして、リグノセルロース系材料３００ｋｇを処理容器１０内に仕込み、下記表１に示す条件に従って、処理容器１０内に２４０〜３００℃の加熱空気を導入し、処理容器１０からの排気温度（Ｔ_ex）が２００〜２４０℃になるように制御部７０により過熱器２０の電源２５を制御しながらリグノセルロース系材料を６時間にわたり加熱して処理を完了した。
この比較例４は、加熱空気による加熱処理のみを行い、過熱水蒸気による加熱処理を行わなかった比較例である。この比較例４により処理した材料について、ＤＴＧ曲線および質量減少率曲線を測定した。結果を図９に示す。

＜実施例４＞
下記表１に示す要件に従って、二次加熱工程における加熱時間を４時間に変更したこと以外は実施例２と同様にしてリグノセルロース系材料の処理を行った。
この実施例４において、処理容器１０からの排気温度（Ｔ_ex）および材料温度（処理容器１０内に配置したリグノセルロース系材料に装着した温度センサにより測定した温度）の経時変化を図１０に示す。
図１０に示すように、二次加熱工程における排気温度（Ｔ_ex）と材料温度とはきわめて近似しており、このことは、処理容器１０内の何れの位置に配置した材料の温度についても同様であった。

＜比較例５＞
下記表１に示す要件に従って、過熱水蒸気による加熱処理時間を７時間に変更したこと以外は比較例１と同様にしてリグノセルロース系材料の処理を行った。
この比較例５において、処理容器１０内の材料温度の経時変化を図１０に併せて示す。図１０に示すように、材料温度は、７時間にわたり１００℃を維持していた。

実施例１〜３により処理された材料に係るＤＴＧ曲線（図５〜図７）は、何れも、ヘミセルロースの分解温度である１８０〜２４０℃におけるＤＴＧの値が低く、かつ、セルロースの分解温度である２４０〜４００℃において大きなピークが認められる。このように、実施例１〜３に係る処理方法によれば、ヘミセルロースを選択的かつ効率的に分解除去することができた。

これに対して、加熱空気による加熱処理を行わなかった比較例１により処理された材料に係るＤＴＧ曲線（図３）、排気温度が１２０℃に達していない段階で過熱水蒸気による加熱処理に切り替えた比較例２により処理された材料に係るＤＴＧ曲線（図４）は、何れも、ヘミセルロースの分解温度である１８０〜２４０℃におけるＤＴＧの値が、図５〜図７に示したＤＴＧ曲線と比較して高く、比較例１〜２に係る処理方法によっては、材料中に含まれているヘミセルロースを十分に分解することはできなかった。

また、排気温度が１８０℃を超えた後に過熱水蒸気による加熱処理に切り替えた比較例３により処理された材料に係るＤＴＧ曲線（図８）、加熱空気による加熱処理のみを行った比較例４により処理された材料に係るＤＴＧ曲線（図９）は、何れも、セルロースの分解温度である２４０〜４００℃におけるピークが低く、比較例３〜４に係る処理方法によっては、セルロースまで分解されてしまい、材料中に含まれているヘミセルロースを選択的に分解することはできなかった。

１０ 処理容器
２０ 過熱器
３０ コンプレッサ
４０ ボイラ
５０ 三方電磁弁
５１ 第１流路
５２ 第２流路
５３ 共通流路
６０ 温度センサ
７０ 制御部

Claims (6)

1. 材料中に含まれるヘミセルロースを分解除去するためのリグノセルロース系材料の処理方法であって、
   リグノセルロース系材料を処理容器に仕込む工程と、
   前記処理容器に２４０〜３００℃の加熱空気を導入することによってリグノセルロース系材料を加熱する工程と、
   前記処理容器からの排気温度（Ｔ_ex）が、１２０〜１８０℃の範囲内の温度（Ｔ₁ ）に到達した時点で、加熱空気に代えて２４０〜３００℃の過熱水蒸気を前記処理容器に導入し、当該処理容器からの排気温度（Ｔ_ex）が２００〜２４０℃になるように制御しながらリグノセルロース系材料を更に加熱する工程と
   を含むことを特徴とするリグノセルロース系材料の処理方法。
2. 前記処理容器に仕込まれる材料の質量が５０ｋｇ以上であることを特徴とする請求項１に記載のリグノセルロース系材料の処理方法。
3. 下方から上方に向かう過熱空気および過熱水蒸気の流路となる隙間を確保しながら長尺のリグノセルロース系材料を縦置きに配置することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のリグノセルロース系材料の処理方法。
4. 前記リグノセルロース系材料が生竹からなることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れかに記載のリグノセルロース系材料の処理方法。
5. 請求項１に記載の処理方法を実施するために使用される処理装置であって、
   リグノセルロース系材料が仕込まれる処理容器と、
   前記処理容器に導入する加熱空気および過熱水蒸気を生成する過熱器と、
   加熱空気を生成させるために前記過熱器に空気を供給するコンプレッサと、
   過熱水蒸気を生成させるために前記過熱器に水蒸気を供給するボイラと、
   第１流路を介して前記コンプレッサと接続し、第２流路を介して前記ボイラと接続し、共通流路を介して前記過熱器と接続し、前記コンプレッサおよび前記ボイラの何れか一方を前記過熱器に接続させるよう切り替える三方電磁弁と、
   前記処理容器からの排気温度（Ｔ_ex）を測定する温度センサと、
   前記温度センサによって測定された排気温度（Ｔ_ex）に応じて前記過熱器の電源のオン・オフ制御を行うとともに、測定された排気温度（Ｔ_ex）が１２０〜１８０℃の範囲内の温度（Ｔ₁ ）より低いときには、前記第１流路を開いて前記コンプレッサを前記過熱器に接続させ、測定された排気温度（Ｔ_ex）が温度（Ｔ₁ ）に到達した後には、前記第２流路を開いて前記ボイラを前記過熱器に接続させるように、前記三方電磁弁を制御する制御部と、
   を備えていることを特徴とするリグノセルロース系材料の処理装置。
6. 前記制御部は、前記温度センサにより測定された排気温度（Ｔ_ex）が２４０℃を超えたときに前記過熱器の電源にオフ信号を出力し、排気温度（Ｔ_ex）が２００℃未満となったときに前記過熱器の電源にオン信号を出力することを特徴とする請求項５に記載のリグノセルロース系材料の処理装置。

Images