(57)【要約】【課題】簡易な構成で、バイオマスを連続的に水熱処理する。【解決手段】バイオマス処理装置１００は、リグノセルロース系バイオマスを、大気圧を超える圧力に維持する圧力維持手段２１０と、圧力維持手段２１０によって大気圧を超える圧力に維持されているリグノセルロース系バイオマスを加圧する加圧手段（第１加圧手段１３０）と、加圧されたリグノセルロース系バイオマスと、大気圧を超える圧力の液体状態の水とを、液体状態の水の圧力を保持した状態で収容する保圧収容槽（第１保圧収容槽１２０）とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
リグノセルロース系バイオマスを、大気圧を超える圧力に維持する圧力維持手段と、
前記圧力維持手段によって大気圧を超える圧力に維持されているリグノセルロース系バイオマスを加圧する加圧手段と、
加圧された前記リグノセルロース系バイオマスと、大気圧を超える圧力の液体状態の水とを、該液体状態の水の圧力を保持した状態で収容する保圧収容槽と、
を備えたこと特徴とするバイオマス処理装置。
【請求項２】
前記圧力維持手段は、
大気圧のリグノセルロース系バイオマスを加圧する加圧手段と、
加圧された前記リグノセルロース系バイオマスと、大気圧を超える圧力の液体状態の水とを、該液体状態の水の圧力を保持した状態で収容する保圧収容槽とを含んで構成されることを特徴とする請求項１に記載のバイオマス処理装置。
【請求項３】
リグノセルロース系バイオマスを、大気圧を超える圧力に加圧する加圧手段と、
加圧された前記リグノセルロース系バイオマスと、大気圧を超える圧力の液体状態の水とを、該液体状態の水の圧力を保持した状態で収容する保圧収容槽と、
前記保圧収容槽から液体を抜き出す抜出手段と、
を備えたバイオマス処理ユニットが複数段接続され、
２段目以降のバイオマス処理ユニットにおいて、
前記加圧手段の入口は、前段のバイオマス処理ユニットの保圧収容槽の出口に接続されていることを特徴とするバイオマス処理装置。
【請求項４】
前記大気圧を超える圧力の液体状態の水の温度は、１００℃を超えることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のバイオマス処理装置。
【請求項５】
リグノセルロース系バイオマス由来の多糖を分解して糖液を製造する糖液製造方法であって、
リグノセルロース系バイオマスを、大気圧を超える圧力に維持し、
大気圧を超える圧力に維持されている前記リグノセルロース系バイオマスを加圧し、
加圧した前記リグノセルロース系バイオマスと、大気圧を超える圧力の液体状態の水とを、該液体状態の水の圧力を保持した状態で収容することを特徴とする糖液製造方法。
【請求項６】
リグノセルロース系バイオマス由来の多糖を分解して糖液を製造し、該糖液を発酵させてエタノールを製造するエタノール製造方法であって、
リグノセルロース系バイオマスを、大気圧を超える圧力に維持し、
大気圧を超える圧力に維持されている前記リグノセルロース系バイオマスを加圧し、
加圧した前記リグノセルロース系バイオマスと、大気圧を超える圧力の液体状態の水とを、該液体状態の水の圧力を保持した状態で収容することを特徴とするエタノール製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、リグノセルロース系バイオマスを水熱処理するバイオマス処理装置、糖液製造方法、および、エタノール製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、石油や石炭といった化石燃料に代わるエネルギー源として、木材、紙、藁等リグノセルロース系バイオマスから製造したエタノール（バイオエタノールまたはバイオマスエタノールと称することもある。）が注目されている。このようなバイオエタノールの原料となるリグノセルロース系バイオマスとしては、木材、おがくず、樹皮等の木質系バイオマス、ススキ等の草本系バイオマス、バガス、藁、籾殻、野菜の茎葉などの農業系バイオマス等が挙げられる。
【０００３】
リグノセルロース系バイオマス（以下、単にバイオマスと称することもある。）からバイオエタノールを製造する技術として、バイオマスを糖化酵素（例えば、セルラーゼ）で処理（糖化処理）して、バイオマス中に含まれるセルロースをグルコースに分解（糖化）し、かかるグルコースを発酵（発酵処理）させることでエタノールを製造する技術が開示されている（例えば、特許文献１）。特許文献１の技術では、糖化酵素による分解効率を向上するために、糖化酵素の添加前に、１４０℃程度以上の加圧熱水にバイオマスを加えて混練する水熱処理を行っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開第２０１０／０５０２２３号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
１４０℃といった高温を維持するためには、３５０ｋＰａ（３．５気圧）程度の高圧に維持したまま加圧熱水を保持する必要があるが、高圧（３５０ｋＰａ程度）に維持された、加圧熱水が収容された収容槽に、大気圧のバイオマスを直接導入するのは困難である。
【０００６】
そこで、１４０℃程度の加圧熱水中でバイオマスを混練する水熱処理を遂行する場合、まず、収容槽にバイオマスを収容して、当該収容槽を密閉し、その後、収容槽に加圧熱水を導入して、バイオマスと加圧熱水とを混練するといったバッチ処理で行っていた。したがって、バイオマスを連続的に水熱処理することができず、糖液の製造やエタノールの製造に長時間を要することとなっていた。また、混練の度に、加圧熱水を生成するためのエネルギー（投入エネルギー）を要し、連続的に水熱処理を行う場合と比較して、消費エネルギーが増大してしまっていた。
【０００７】
そこで本発明は、このような課題に鑑み、簡易な構成で、バイオマスを連続的に水熱処理することが可能なバイオマス処理装置、糖液製造方法、および、エタノール製造方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明のバイオマス処理装置は、リグノセルロース系バイオマスを、大気圧を超える圧力に維持する圧力維持手段と、圧力維持手段によって大気圧を超える圧力に維持されているリグノセルロース系バイオマスを加圧する加圧手段と、加圧されたリグノセルロース系バイオマスと、大気圧を超える圧力の液体状態の水とを、液体状態の水の圧力を保持した状態で収容する保圧収容槽と、を備えたこと特徴とする。
【０００９】
圧力維持手段は、大気圧のリグノセルロース系バイオマスを加圧する加圧手段と、加圧されたリグノセルロース系バイオマスと、大気圧を超える圧力の液体状態の水とを、液体状態の水の圧力を保持した状態で収容する保圧収容槽とを含んで構成されるとしてもよい。
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明の他のバイオマス処理装置は、リグノセルロース系バイオマスを、大気圧を超える圧力に加圧する加圧手段と、加圧されたリグノセルロース系バイオマスと、大気圧を超える圧力の液体状態の水とを、液体状態の水の圧力を保持した状態で収容する保圧収容槽と、保圧収容槽から液体を抜き出す抜出手段と、を備えたバイオマス処理ユニットが複数段接続され、２段目以降のバイオマス処理ユニットにおいて、加圧手段の入口は、前段のバイオマス処理ユニットの保圧収容槽の出口に接続されていることを特徴とする。
【００１１】
大気圧を超える圧力の液体状態の水の温度は、１００℃を超えるとしてもよい。
【００１２】
上記課題を解決するために、本発明の糖液製造方法は、リグノセルロース系バイオマス由来の多糖を分解して糖液を製造する糖液製造方法であって、リグノセルロース系バイオマスを、大気圧を超える圧力に維持し、大気圧を超える圧力に維持されているリグノセルロース系バイオマスを加圧し、加圧したリグノセルロース系バイオマスと、大気圧を超える圧力の液体状態の水とを、液体状態の水の圧力を保持した状態で収容することを特徴とする。
【００１３】
上記課題を解決するために、本発明のエタノール製造方法は、リグノセルロース系バイオマス由来の多糖を分解して糖液を製造し、糖液を発酵させてエタノールを製造するエタノール製造方法であって、リグノセルロース系バイオマスを、大気圧を超える圧力に維持し、大気圧を超える圧力に維持されているリグノセルロース系バイオマスを加圧し、加圧したリグノセルロース系バイオマスと、大気圧を超える圧力の液体状態の水とを、液体状態の水の圧力を保持した状態で収容することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、簡易な構成で、バイオマスを連続的に水熱処理することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】第１の実施形態にかかるバイオマス処理装置を説明するための図である。
【図２】変形例の圧力維持手段を説明するための図である。
【図３】第２の実施形態にかかるバイオマス処理装置を説明するための図である。
【図４】水熱処理を施す際の加圧熱水の温度と、温度ごとの可溶化物と、固形物とを説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。
【００１７】
（第１の実施形態：バイオマス処理装置１００）
図１は、第１の実施形態にかかるバイオマス処理装置１００を説明するための図である。図１に示すように、バイオマス処理装置１００は、第１保圧収容槽１２０と、第１加圧手段１３０と、第１抜出手段１４０と、粉砕部１６０と、排出部１７０と、圧力維持手段２１０と、を含んで構成される。
【００１８】
第１保圧収容槽１２０は、例えば、スクリューフィーダであり、筐体１２２と、搬送部１２４とを含んで構成される。筐体１２２は、円筒形状に形成され、筐体１２２内には加圧熱水Ａが導入される。第１保圧収容槽１２０は、加圧熱水Ａを、当該加圧熱水Ａの圧力を維持した状態で収容することとなる。なお、１００℃を上回る温度の水を液体状態で保持するためには、大気圧（例えば、１００ｋＰａ）を上回る圧力にする必要がある。ここでは、１００℃を上回る温度であって、大気圧を上回る圧力である液体状態の水を加圧熱水と称する。
【００１９】
また、筐体１２２の一端側には、後述する第１加圧手段１３０が接続されており、第１加圧手段１３０を通じて、リグノセルロース系バイオマス（以下、単にバイオマスと称する）が筐体１２２に導入される。一方、筐体１２２の他端側には、後述する粉砕部１６０が接続される。
【００２０】
搬送部１２４は、例えば、らせん型のスクリューで構成されており、不図示の駆動部が、らせん型のスクリューを回転し、回転軸の方向（図１中、左方向）に、加圧熱水Ａおよびバイオマスの混合物を送り出す。ここで、搬送部１２４は、第１加圧手段１３０から導入されたバイオマスを粉砕部１６０まで搬送する。したがって、搬送部１２４によって搬送されている間に、バイオマスが加圧熱水Ａと接触することによって、バイオマスに水熱処理が施されることとなる。なお、ここで、水熱処理とは、加圧熱水にバイオマスを接触させることにより、バイオマスの一部を可溶化する処理や、バイオマスを膨潤させる処理、バイオマスを構成する繊維（例えば、セルロース）の比表面積を拡大したり、細孔径を拡大したりする処理のことを指す。
【００２１】
そして、水熱処理が施されたバイオマスのうち、固形物は粉砕部１６０に送出され、バイオマスを加圧熱水Ａに接触させることにより、バイオマスから加圧熱水Ａに溶解した物質が含まれる溶解液Ａは、後述する第１抜出手段１４０を通じて外部に抜き出される。
【００２２】
第１加圧手段１３０は、例えば、加圧スクリュー式挿入装置（加圧式スクリューフィーダ）で構成されており、筐体１３２と、らせん型のスクリュー１３４と、スクリュー１３４を回転駆動する不図示の駆動部とを含んで構成される。筐体１３２は、筒形状に形成され、その両端に入口１３２ａと、出口１３２ｂが設けられており、出口１３２ｂは第１保圧収容槽１２０の筐体１２２に接続されている。本実施形態において筐体１３２は、水平断面積（回転軸と直交する断面積）が入口１３２ａから出口１３２ｂに向かうに従って小さくなる筒形状に形成されている。
【００２３】
スクリュー１３４は、筐体１３２内に、入口１３２ａから出口１３２ｂに向かう方向（図１中、紙面上下方向）を回転軸として設けられ、駆動部によって回転される。したがって、スクリュー１３４の回転に応じて、バイオマスは、回転軸の方向（図１中、紙面下方向）に送り出されることとなる。つまり、筐体１３２の入口１３２ａから導入されたバイオマス（固形物）は、出口１３２ｂ（すなわち第１保圧収容槽１２０）に送出されることとなる。
【００２４】
上述したように、筐体１３２は、水平断面積が入口１３２ａから出口１３２ｂに向かうに従って小さくなる筒形状であるため、スクリュー１３４によって送出されるバイオマスの体積は、入口１３２ａから出口１３２ｂへ向かうに従って小さくなる。すなわち、入口１３２ａから導入されたバイオマスは、出口１３２ｂに向かうに従って圧縮される（加圧される）こととなる。
【００２５】
これにより、加圧されたバイオマス自体が筐体１３２の入口１３２ａと出口１３２ｂ（すなわち第１保圧収容槽１２０）とを封止する蓋（マテリアルシール、プラグスクリュー）として機能し、第１保圧収容槽１２０の圧力を維持することができる。したがって、第１加圧手段１３０は、第１保圧収容槽１２０の圧力を低下させることなく、バイオマスを連続的に導入することが可能となる。
【００２６】
また、第１加圧手段１３０によるバイオマスの押し込み圧力は、第１保圧収容槽１２０の圧力（加圧熱水Ａの圧力）を上回る圧力に設定される。これにより、第１加圧手段１３０は、第１加圧手段１３０の入口１３２ａよりも高圧である第１保圧収容槽１２０にバイオマスを連続的に導入することができる。
【００２７】
第１抜出手段１４０は、筐体１２２における加圧熱水Ａが導入される側と反対側から溶解液Ａを抜き出す。なお、第１抜出手段１４０が抜き出す溶解液Ａの抜き出し量は、第１保圧収容槽１２０に導入される加圧熱水Ａの量未満である。これにより、第１保圧収容槽１２０の圧力を、加圧熱水Ａの圧力に維持することができる。
【００２８】
粉砕部１６０は、例えば、ディスクミル等の湿式ミルで構成され、第１保圧収容槽１２０において、加圧熱水Ａによって水熱処理が施されたバイオマス（固形物）を粉砕する。なお、粉砕部１６０は、第１保圧収容槽１２０の圧力と実質的に等しい圧力に保持されている。粉砕部１６０を備える構成により、バイオマスを構成する繊維の比表面積をさらに拡大したり、細孔径をさらに拡大したりすることができる。
【００２９】
排出部１７０は、第１加圧手段１３０と同様に、例えば、加圧スクリュー式挿入装置で構成されており、筐体１７２と、らせん型のスクリュー１７４と、スクリュー１７４を回転駆動する不図示の駆動部とを含んで構成される。排出部１７０の筐体１７２の入口１７２ａは粉砕部１６０に接続され、出口１７２ｂは大気開放されている、すなわち外部（大気圧）に曝されている。
【００３０】
なお、排出部１７０は、第１加圧手段１３０と実質的に機能が等しいので、詳しい説明は省略するが、排出部１７０において、圧縮されたバイオマス自体が筐体１７２の入口１７２ａと出口１７２ｂ（すなわち粉砕部１６０と、外部）とを封止する蓋として機能し、バイオマスの排出により粉砕部１６０の圧力が低下するのを防止する。
【００３１】
このように、第１保圧収容槽１２０において、加圧熱水Ａによって水熱処理が施されたバイオマスは、粉砕部１６０で粉砕され、排出部１７０によって外部に排出された後、糖化酵素によって、分解される。そうすると、リグノセルロース系バイオマス由来の多糖（セルロース、および、ヘミセルロース）が単糖類（キシロースおよびグルコース）に分解されて、糖液が生成されることとなる。また、かかる糖液に既存の発酵処理を施すことにより、エタノールを製造することもできる。
【００３２】
ここで、糖化酵素の分解効率を向上するためには、バイオマスを１５０℃程度、すなわち５００ｋＰａ（５気圧）程度の加圧熱水で水熱処理する必要がある。しかし、第１加圧手段１３０の筐体１３２内で圧縮されたバイオマスが第１保圧収容槽１２０を封止できる差圧は、２００ｋＰａ（２気圧）程度であるため、第１加圧手段１３０の入口１３２ａの圧力が大気圧であると、すなわち、第１加圧手段１３０に大気圧のバイオマスが導入されると、第１保圧収容槽１２０を５００ｋＰａに保持することができない。つまり、第１保圧収容槽１２０を５００ｋＰａに保持したまま、連続的にバイオマスを水熱処理することができない。
【００３３】
そこで、第１保圧収容槽１２０を５００ｋＰａに保持するように、第１加圧手段１３０が封止できる２００ｋＰａと、目的の圧力である５００ｋＰａとの差圧分を、第１加圧手段１３０に導入されるバイオマスに印加（与圧）すればよい。本実施形態のバイオマス処理装置１００は、第１加圧手段１３０に導入されるバイオマスを、大気圧を超える圧力に維持する圧力維持手段２１０を備える。
【００３４】
本実施形態において、圧力維持手段２１０は、第２保圧収容槽２２０と、第２加圧手段２３０と、第２抜出手段２４０とを含んで構成される。以下、圧力維持手段２１０を構成する、第２加圧手段２３０と、第２保圧収容槽２２０と、第２抜出手段２４０とをこの順で説明する。
【００３５】
第２加圧手段２３０は、第１加圧手段１３０と同様に、例えば、加圧スクリュー式挿入装置（加圧式スクリューフィーダ）で構成されており、筐体２３２と、らせん型のスクリュー２３４と、スクリュー２３４を回転駆動する不図示の駆動部とを含んで構成される。第２加圧手段２３０の筐体２３２の入口２３２ａは、大気開放されており、出口２３２ｂは第２保圧収容槽２２０に接続されている。
【００３６】
なお、第２加圧手段２３０は、第１加圧手段１３０と実質的に機能が等しいので、詳しい説明は省略するが、第２加圧手段２３０において、加圧（圧縮）されたバイオマス自体が筐体２３２の入口２３２ａと出口２３２ｂ（すなわち、外部と、第２保圧収容槽２２０）とを封止する蓋として機能し、第２保圧収容槽２２０の圧力を維持することができる。したがって、第２加圧手段２３０は、第２保圧収容槽２２０の圧力を低下させることなく、大気圧下にあるバイオマスを連続的に第２保圧収容槽２２０に導入することができる。
【００３７】
なお、第２加圧手段２３０によるバイオマスの押し込み圧力は、第２保圧収容槽２２０の圧力（加圧熱水Ｂの圧力）を上回る圧力に設定される。これにより、第２加圧手段２３０は、第２加圧手段２３０の入口２３２ａ（大気圧）よりも高圧である第２保圧収容槽２２０にバイオマスを連続的に導入することができる。
【００３８】
第２保圧収容槽２２０は、第１保圧収容槽１２０と同様に、例えば、スクリューフィーダであり、筐体２２２と、搬送部２２４とを含んで構成される。筐体２２２は、円筒形状に形成され、筐体２２２内には加圧熱水Ｂが導入される。第２保圧収容槽２２０は、加圧熱水Ｂを、当該加圧熱水Ｂの圧力を維持した状態で収容することとなる。つまり、第２保圧収容槽２２０は、大気圧より高い圧力である加圧熱水Ｂ（例えば、１２５℃、２５０ｋＰａ（２．５気圧））を保持する。
【００３９】
また、第２保圧収容槽２２０の一端側には、上述した第２加圧手段２３０が接続されており、第２加圧手段２３０を通じて、バイオマスが第２保圧収容槽２２０に導入される。一方、第２保圧収容槽２２０の他端側には、上述した第１加圧手段１３０の入口１３２ａが接続される。
【００４０】
搬送部２２４は、例えば、らせん型のスクリューで構成されており、不図示の駆動部が、らせん型のスクリューを回転し、回転軸の方向（図１中、右方向）に、加圧熱水Ｂおよびバイオマスの混合物を送り出す。ここで、搬送部２２４は、第２加圧手段２３０から導入されたバイオマスを第１加圧手段１３０まで搬送する。したがって、搬送部２２４によって搬送されている間に、バイオマスが加圧熱水Ｂと接触することによって、バイオマスに水熱処理が施されることとなる。
【００４１】
そして、水熱処理が施されたバイオマスのうち、固形物は第１加圧手段１３０に送出され、バイオマスを加圧熱水Ｂに接触させることにより、バイオマスから加圧熱水Ｂに溶解した物質が含まれる溶解液Ｂは、後述する第２抜出手段２４０を通じて外部に抜き出される。
【００４２】
第２抜出手段２４０は、筐体２２２における加圧熱水Ｂが導入される側と反対側から溶解液Ｂを抜き出す。なお、第２抜出手段２４０が抜き出す溶解液Ｂの抜き出し量は、第２保圧収容槽２２０に導入される加圧熱水Ｂの量未満である。これにより、第２保圧収容槽２２０の圧力を、加圧熱水Ｂの圧力に維持することができる。
【００４３】
上述したように、第１加圧手段１３０の入口１３２ａには、第２保圧収容槽２２０が接続されることとなるため、第１加圧手段１３０の筐体１３２における入口付近に充填されたバイオマスの圧力を３００ｋＰａに維持することができる。したがって、圧力維持手段２１０によって維持（与圧）された２５０ｋＰａと、第１加圧手段１３０の筐体１３２内で圧縮されたバイオマスが第１保圧収容槽１２０を封止できる差圧の２００ｋＰａとによって、第１保圧収容槽１２０を４５０ｋＰａ程度（２５０ｋＰａ＋２００ｋＰａ）に維持することができる。
【００４４】
これにより、第１保圧収容槽１２０の加圧熱水Ａを４５０ｋＰａ程度に維持することができ、すなわち、加圧熱水Ａの温度を１５０℃程度まで上げることができ、バイオマスを１５０℃程度で水熱処理することが可能となる。したがって、１５０℃程度の加圧熱水Ａで水熱処理を施したバイオマスを糖化酵素によって処理することができ、糖化酵素の分解効率を向上させることが可能となる。
【００４５】
また、圧力維持手段２１０を備えることにより、大気圧下にあるバイオマスを５００ｋＰａ、１５０℃程度の加圧熱水Ａ（第１保圧収容槽１２０）に連続的に導入することができるため、バイオマスに連続的に水熱処理を施すことが可能となる。
【００４６】
なお、圧力維持手段２１０は、大気圧下にあるバイオマスを、大気圧を超える圧力に維持できればよく、必ずしも第２加圧手段２３０を備えずともよい。以下、第２加圧手段２３０に代えて、第２保圧収容槽２２０の圧力を維持したまま、第２保圧収容槽２２０に大気圧のバイオマスを連続的に導入できる構成について説明する。
【００４７】
（変形例）
図２は、変形例の圧力維持手段２５０を説明するための図である。図２（ａ）に示すように、圧力維持手段２５０は、圧力保持手段２６０と、第２保圧収容槽２２０と、第２抜出手段２４０とを含んで構成される。なお、第２保圧収容槽２２０、第２抜出手段２４０は、上述した第１の実施形態で説明した第２保圧収容槽２２０、第２抜出手段２４０と実質的に機能が等しいため、同一の符号を付して重複説明を省略し、ここでは、圧力保持手段２６０について詳述する。
【００４８】
例えば、図２（ｂ）に示すように、圧力保持手段２６０は、筐体２６２と、ロータリバルブ２６４とを含んで構成され、ロータリバルブ２６４は、外部（大気圧）と第２保圧収容槽２２０と（入口２６２ａと出口２６２ｂと）を隔てる境界の役割を果たすとともに、入口２６２ａから導入されたバイオマスを、第２保圧収容槽２２０に連続的に落下させる。図２に示す例では、ロータリバルブ２６４は、時計回り（図２（ｂ）中破線の矢印で示す）に回転して、バイオマスを第２保圧収容槽２２０に落下させる。
【００４９】
このように、筐体２６２と、ロータリバルブ２６４とを含んで構成される圧力保持手段２６０であっても、第２保圧収容槽２２０の圧力を維持したまま、大気圧下にあるバイオマスを連続的に第２保圧収容槽２２０に導入することができる。
【００５０】
（第２の実施形態：バイオマス処理装置３００）
図３は、第２の実施形態にかかるバイオマス処理装置３００を説明するための図である。図３に示すように、複数（本実施形態では、３つ）のバイオマス処理ユニット３１０（図３中、３１０ａ、３１０ｂ、３１０ｃで示す）と、粉砕部１６０と、排出部１７０を含んで構成される。なお、粉砕部１６０、排出部１７０は、上述した第１の実施形態で説明した粉砕部１６０、排出部１７０と実質的に機能が等しいため、同一の符号を付して重複説明を省略する。
【００５１】
バイオマス処理ユニット３１０は、第１保圧収容槽１２０と、第１加圧手段１３０と、第１抜出手段１４０とを含んで構成される。なお、第１保圧収容槽１２０、第１加圧手段１３０、第１抜出手段１４０は、上述した第１の実施形態で説明した第１保圧収容槽１２０、第１加圧手段１３０、第１抜出手段１４０と実質的に機能が等しいため、同一の符号を付して重複説明を省略し、ここでは、第１の実施形態と異なる、バイオマス処理ユニット３１０それぞれの接続関係と、第１保圧収容槽１２０に導入される加圧熱水、第１抜出手段１４０によって抜き出される溶解液について説明する。
【００５２】
１段目のバイオマス処理ユニット３１０ａの第１加圧手段１３０の入口１３２ａは大気開放されており、バイオマス処理ユニット３１０ａの第１保圧収容槽１２０の出口は、次段に配される（２段目の）バイオマス処理ユニット３１０ｂの第１加圧手段１３０の入口１３２ａに接続されている。したがって、バイオマス処理ユニット３１０ａにおいて、第１加圧手段１３０から導入されたバイオマスは、図３中右方向に搬送されて、バイオマス処理ユニット３１０ｂに導入される。
【００５３】
また、２段目のバイオマス処理ユニット３１０ｂの第１保圧収容槽１２０の出口は、次段に配される（３段目の）バイオマス処理ユニット３１０ｃの第１加圧手段１３０の入口１３２ａに接続されている。したがって、バイオマス処理ユニット３１０ｂにおいて、第１加圧手段１３０（バイオマス処理ユニット３１０ａ）から導入されたバイオマスは、図３中左方向に搬送されて、バイオマス処理ユニット３１０ｃに導入される。
【００５４】
そして、最終段のバイオマス処理ユニット３１０ｃの第１保圧収容槽１２０の出口には、粉砕部１６０が接続され、粉砕部１６０には、排出部１７０が接続されることとなる。したがって、バイオマス処理ユニット３１０ｃにおいて、第１加圧手段１３０（バイオマス処理ユニット３１０ｂ）から導入されたバイオマスは、図３中右方向に搬送されて、粉砕部１６０に導入される。なお、本実施形態において、排出部１７０の出口１７２ｂには、不図示のバルブ等が設けられており、当該バルブによって、排出部１７０の圧力は、粉砕部１６０の圧力（すなわち、最終段のバイオマス処理ユニット３１０ｃの第１保圧収容槽１２０の圧力）に維持されることとなる。
【００５５】
したがって、１段目のバイオマス処理ユニット３１０ａの第１加圧手段１３０の入口１３２ａを通じて導入された大気圧のバイオマスは、バイオマス処理ユニット３１０ａの第１保圧収容槽１２０に収容された加圧熱水Ｃで水熱処理され、次段のバイオマス処理ユニット３１０ｂの第１保圧収容槽１２０に収容された加圧熱水Ｄで水熱処理され、最終段のバイオマス処理ユニット３１０ｃの第１保圧収容槽１２０に収容された加圧熱水Ｅで水熱処理されて粉砕部１６０に送出されることとなる。
【００５６】
ここで、バイオマス処理ユニット３１０それぞれに設けられた第１加圧手段１３０は、差圧が２００ｋＰａである場合、第１保圧収容槽１２０の圧力を保持することができるので、例えば、バイオマス処理ユニット３１０ａの第１保圧収容槽１２０には、１２５℃、２５０ｋＰａの加圧熱水Ｃが、バイオマス処理ユニット３１０ｂの第１保圧収容槽１２０には、１５０℃、５００ｋＰａの加圧熱水Ｄが、バイオマス処理ユニット３１０ｃの第１保圧収容槽１２０には、１６０℃、６２０ｋＰａ（６．１気圧）の加圧熱水Ｅが導入される。
【００５７】
したがって、バイオマスは、バイオマス処理ユニット３１０ａにおいて１２５℃、２５０ｋＰａの加圧熱水Ｃによって水熱処理が施され、バイオマス処理ユニット３１０ｂにおいて１５０℃、５００ｋＰａの加圧熱水Ｄによって水熱処理が施され、バイオマス処理ユニット３１０ｃにおいて１６０℃、６２０ｋＰａの加圧熱水Ｅによって水熱処理が施されることとなる。
【００５８】
そうすると、バイオマス処理ユニット３１０ａの第１抜出手段１４０が抜き出す溶解液Ｃには、バイオマスを１２５℃の加圧熱水Ｃに接触させることにより、バイオマスから加圧熱水Ｃに溶解した物質が含まれる。同様に、バイオマス処理ユニット３１０ｂの第１抜出手段１４０が抜き出す溶解液Ｄには、バイオマスを１５０℃の加圧熱水Ｄに接触させることにより、バイオマスから加圧熱水Ｄに溶解した物質が含まれる。バイオマス処理ユニット３１０ｃの第１抜出手段１４０が抜き出す溶解液Ｅには、バイオマスを１６０℃の加圧熱水Ｅに接触させることにより、バイオマスから加圧熱水Ｅに溶解した物質が含まれることとなる。
【００５９】
図４は、水熱処理を施す際の加圧熱水の温度と、温度ごとの可溶化物と、固形物とを説明するための図である。また、表１は、バイオマスの主な構成成分と、その分解物（可溶化物）および過分解物（可溶化物）を説明するための表である。ここで過分解物は、分解物がさらに分解された結果生じる物質を示す。
【００６０】
【表１】
2014143945.tif 000003
表１に示すように、リグノセルロース系バイオマスには、セルロース（Ｃ）、ヘミセルロース（ＨＣ）、リグニン（Ｌ）、糖等の水溶性成分が含まれている。また、セルロースの分解物は、セロオリゴ糖とグルコースであり、過分解物は、５−ヒドロキシメチルフルフラール（５−ＨＭＦ）、有機酸である。ヘミセルロースの分解物は、キシロオリゴ糖、炭素数が５の糖（主にキシロース）であり、過分解物は、フルフラール、有機酸である。リグニンの分解物は、フェノール化合物である。
【００６１】
例えば、図４に示すように、水熱処理を施す際の加圧熱水の温度を１３０℃とすると、可溶化物は、例えば室温から１３０℃となるまでに可溶化された物質、すなわち、バイオマスの水溶性成分（糖等）のみが含まれることとなり、固形物は、セルロース、ヘミセルロース、リグニンが含まれることとなる。同様に、水熱処理を施す際の加圧熱水の温度を２００℃とすると、可溶化物は、１３０℃を上回る温度から２００℃以下になるまでに可溶化された物質、すなわち、バイオマスの水溶性成分（糖等）、ヘミセルロース、ヘミセルロースの分解物、ヘミセルロースの過分解物、リグニン、リグニンの分解物が含まれることとなり、固形物は、膨張したセルロース、ヘミセルロース、リグニンが含まれることとなる。ここで、膨張したセルロース、ヘミセルロース、リグニンは、原料のバイオマスからヘミセルロースやリグニンが一部可溶化し、セルロースの比表面積が増大したものを指す。
【００６２】
図４に示すように、バイオマスは水熱処理を施す際の加圧熱水の温度に応じて、可溶化物と、固形物とが異なる。したがって、上述した図３に示すように、バイオマス処理ユニット３１０を複数段組み合わせ、バイオマス処理ユニット３１０ごとに加圧熱水の温度を変更するとともに、バイオマス処理ユニット３１０それぞれから溶解液を抜き出すことで、所望する可溶化物や固形物を取り出すことができる。
【００６３】
具体的に説明すると、バイオマス処理ユニット３１０ａに１２５℃の加圧熱水Ｃを導入すると、バイオマス処理ユニット３１０ａの第１抜出手段１４０が抜き出す溶解液Ｃには、水溶性成分（糖等）が含まれ、バイオマス処理ユニット３１０ａからバイオマス処理ユニット３１０ｂに導出する固形物（バイオマス）には、セルロース、ヘミセルロース、リグニンが含まれることとなる。
【００６４】
続いて、バイオマス処理ユニット３１０ｂに１５０℃の加圧熱水Ｃを導入すると、バイオマス処理ユニット３１０ｂの第１抜出手段１４０が抜き出す溶解液Ｄには、ヘミセルロース、ヘミセルロースの分解物、リグニン、リグニンの分解物が含まれ、バイオマス処理ユニット３１０ｂからバイオマス処理ユニット３１０ｃに導出する固形物（バイオマス）には、膨張したセルロース、ヘミセルロース、リグニンが含まれることとなる。
【００６５】
そして、例えば、バイオマス処理ユニット３１０をさらに複数段組み合わせ、バイオマス処理ユニット３１０に２５０℃の加圧熱水を導入すると、第１抜出手段１４０が抜き出す溶解液には、セルロース、セルロースの分解物、セルロースの過分解物が含まれることとなる。
【００６６】
このように、バイオマス処理ユニット３１０を複数段組み合わせることで、バイオマス処理ユニット３１０ごとで異なる温度の加圧熱水でバイオマスを水熱処理することができ、所望の物質を可溶化したり、固形物として残したりすることが可能となる。
【００６７】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【００６８】
例えば、上述した実施形態において、第１保圧収容槽１２０の搬送部１２４や、第２保圧収容槽２２０の搬送部２２４がスクリューフィーダである場合を例に挙げて説明したが、搬送部１２４、２２４は、バイオマス（固形物）を搬送できればよく、コンベアやシリンダであってもよい。また、上述した実施形態において、加圧熱水が、搬送部１２４、２２４の搬送方向と実質的に等しい、平行流である場合について説明したが、搬送部１２４、２２４の搬送方向と、加圧熱水の流通方向に限定はない。例えば、加圧熱水が、搬送部１２４、２２４の搬送方向と対向する対向流であってもよい。
【００６９】
また、上述した実施形態において、粉砕部１６０が、第１保圧収容槽１２０の圧力と実質的に等しい圧力に保持されている場合を例に挙げて説明したが、粉砕部１６０の圧力に限定はない。例えば、粉砕部１６０の圧力が大気圧であってもよい。
【００７０】
また、上述した実施形態において、圧力維持手段２１０として、第２保圧収容槽２２０と、第２加圧手段２３０と、第２抜出手段２４０を例に挙げて説明したが、圧力維持手段２１０は、第１加圧手段１３０に導入されるバイオマスを、大気圧を超える圧力に維持できればよく、例えば、２５０ｋＰａ程度に加圧した密閉空間（建屋）に第１保圧収容槽１２０、第１加圧手段１３０、第１抜出手段１４０、粉砕部１６０、排出部１７０を配することで、第１加圧手段１３０に導入されるバイオマスを、大気圧を超える圧力に維持してもよい。
【００７１】
また、上述した実施形態において説明したバイオマス処理装置１００、３００を用いて生成されたリグノセルロース系バイオマス由来の多糖（セルロース、および、ヘミセルロース）に糖化酵素を作用させることによって、リグノセルロース系バイオマス由来の多糖を単糖類（キシロースおよびグルコース）に分解して、糖液を製造することができる。また、このようにして製造された糖液に既存の発酵処理を施すことにより、エタノールを製造することもできる。さらに、糖液を用いて、エタノール以外の物質、例えば、ヒドロキシメチルフルフラール、フルフラール、乳酸、レブリン酸、酢酸、メタン、ブタノールを製造することもできる。
【００７２】
また、リグノセルロース系バイオマスは、木質系バイオマスであってもよいし、草本系バイオマス、農業系バイオマス、人工的に生成されたセルロースであってもよい。リグノセルロース系バイオマスは、例えば、スィートソルガムバガスである。リグノセルロース系バイオマスとしてスィートソルガムバガスを用いる場合、スィートソルガムバガスを粉砕し、搾汁して、含水率３０％〜７０％となったものが好ましい。また、スィートソルガムバガスの大きさは、１ｍｍ〜１０ｍｍ程度がよい。
【産業上の利用可能性】
【００７３】
本発明は、リグノセルロース系バイオマスを水熱処理するバイオマス処理装置、糖液製造方法、および、エタノール製造方法に利用することができる。
【符号の説明】
【００７４】
１００、３００  …バイオマス処理装置
１２０  …第１保圧収容槽（保圧収容槽）
１３０  …第１加圧手段（加圧手段）
１４０  …第１抜出手段（抜出手段）
２１０、２５０  …圧力維持手段
２２０  …第２保圧収容槽（保圧収容槽）
２３０  …第２加圧手段（加圧手段）
２４０  …第２抜出手段（抜出手段）
３１０  …バイオマス処理ユニット
【図１】
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【図２】
2014143945.tif 000005
【図３】
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【図４】
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