(57)【要約】【課題】簡易な構成で、固体残渣に残留した糖液を効率よく回収する。【解決手段】触媒を用いて、リグノセルロース系バイオマス由来の多糖を加水分解して糖液を製造する糖液製造装置は、リグノセルロース系バイオマス由来の多糖と、触媒とを反応させることで得られる固液混合物Ｍ１を、糖液（第１多糖液Ｌ１）と、糖液含有残渣Ｓ２とに分離する第１の固液分離部（固液分離部３１０）と、常温常圧の条件下で沸点が１００℃未満である有機溶媒の液化物ＥＬを、分離された糖液含有残渣Ｓ２に接触させて、糖液含有残渣Ｓ２に含まれる糖液（第１多糖液Ｌ１）を液化物ＥＬで抽出することで、糖液含有液化物ＬＡと、固体残渣Ｓ３との固液混合物ＳＬ２を生成する抽出部３２０と、固液混合物ＳＬ２を、糖液含有液化物ＬＡと、固体残渣Ｓ３とに分離する第２の固液分離部（固液分離部３２２）と、を備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
触媒を用いて、リグノセルロース系バイオマス由来の多糖を加水分解して糖液を製造する糖液製造装置であって、
前記リグノセルロース系バイオマス由来の多糖と、前記触媒とを反応させることで得られる固液混合物を、糖液と、糖液含有残渣とに分離する第１の固液分離部と、
常温常圧の条件下で沸点が１００℃未満である有機溶媒の液化物を、分離された前記糖液含有残渣に接触させて、前記糖液含有残渣に含まれる糖液を該液化物で抽出することで、糖液含有液化物と、固体残渣との固液混合物を生成する抽出部と、
前記固液混合物を、前記糖液含有液化物と、前記固体残渣とに分離する第２の固液分離部と、
を備えたことを特徴とする糖液製造装置。
【請求項２】
前記糖液含有液化物を減圧膨張させることで、該糖液含有液化物から前記液化物を気化させ、糖液と、気化物とを生成する減圧部をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の糖液製造装置。
【請求項３】
前記減圧部によって生成された気化物を圧縮して前記液化物に凝縮する圧縮機をさらに備え、
前記抽出部は、凝縮された前記液化物を、前記分離された糖液含有残渣に接触させることを特徴とする請求項２に記載の糖液製造装置。
【請求項４】
前記常温常圧の条件下で沸点が１００℃未満の有機溶媒は、エーテル類、アルデヒド類、アルコール類、エステル類、エポキシド類、アミン類、アルキル類、ケトン類の群から選択される１または複数の有機溶媒であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の糖液製造装置。
【請求項５】
前記常温常圧の条件下で沸点が１００℃未満の有機溶媒は、ジメチルエーテル、メチルエチルエーテル、ジエチルエーテル、ホルムアルデヒド、アセトアルデヒド、メタノール、エタノール、ギ酸メチル、エチレンオキシド、メチルアミン、エチルアミン、メチルアセチレン、アセトン、メチルエチルケトンの群から選択される１または複数の有機溶媒であることを特徴とする請求項４に記載の糖液製造装置。
【請求項６】
触媒を用いて、リグノセルロース系バイオマス由来の多糖を加水分解して糖液を製造する糖液製造方法であって、
前記リグノセルロース系バイオマス由来の多糖と、前記触媒とを反応させることで得られる固液混合物を、糖液と、糖液含有残渣とに分離し、
常温常圧の条件下で沸点が１００℃未満である有機溶媒の液化物を、分離した前記糖液含有残渣に接触させて、該糖液含有残渣に含まれる糖液を該液化物で抽出することで、糖液含有液化物と、固体残渣との固液混合物を生成し、
前記固液混合物を、前記糖液含有液化物と、前記固体残渣とに分離することを特徴とする糖液製造方法。
【請求項７】
触媒を用いて、リグノセルロース系バイオマス由来の多糖を加水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、
前記リグノセルロース系バイオマス由来の多糖と、前記触媒とを反応させることで得られる固液混合物を、糖液と、糖液含有残渣とに分離し、
常温常圧の条件下で沸点が１００℃未満である有機溶媒の液化物を、分離した前記糖液含有残渣に接触させて、該糖液含有残渣に含まれる糖液を該液化物で抽出することで、糖液含有液化物と、固体残渣との固液混合物を生成し、
前記固液混合物を、前記糖液含有液化物と、前記固体残渣とに分離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由来の多糖を加水分解して糖液を製造する糖液製造装置、糖液製造方法、および、これを用いた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加水分解（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）。
【０００４】
バイオマスには、セルロース以外にも、セルラーゼでは分解できない固形物（例えば、リグニン）が含まれている。したがって、発酵処理を効率よく行うためには、グルコース等のセルロースの加水分解物（糖液）と、セルラーゼでは分解できない固形物（以下、単に固体残渣と称する。）とを固液分離する必要がある。
【０００５】
また、酵素反応では単糖にまで加水分解されないセルロース由来のオリゴ糖を、固体酸触媒反応を利用して、単糖に加水分解する技術（固体酸触媒処理）が開示されている（例えば、特許文献２）。特許文献２の技術においても、上述した固体残渣が、固体酸触媒処理において、固体酸触媒を被毒（例えば、固体残渣による活性点の被覆）してしまうおそれがあるため、固体残渣を固液分離する必要がある。
【０００６】
このような固体残渣を固液分離する一般的な技術として、スクリューデカンター、スクリュープレス、フィルタープレス等が考えられる。
【０００７】
また、パンチングメタルやメッシュを用いて、セルロースの加水分解物と、固体残渣とを分離する技術が開示されている（例えば、特許文献３）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００９−１２４９７３号公報
【特許文献２】特開２０１１−１４２８９２号公報
【特許文献３】特開２０１０−２６８７０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、上述した一般的な固液分離技術や特許文献３の技術では、分離した固体残渣に糖液が少なからず残留してしまい、発酵処理を行うための糖液の量が低減してしまう。
【００１０】
また、分離した固体残渣から残留した糖液を回収するために、水による糖の抽出を行うと、回収に要した水により糖液が希釈され、後段にて濃縮工程が必要となる。もしくは、濃縮工程による必要エネルギーが増大してしまう。
【００１１】
そこで本発明は、このような課題に鑑み、簡易な構成で、固体残渣に残留した糖液を効率よく回収することが可能な糖液製造装置、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】
【００１２】
上記課題を解決するために、本発明の糖液製造装置は、触媒を用いて、リグノセルロース系バイオマス由来の多糖を加水分解して糖液を製造する糖液製造装置であって、リグノセルロース系バイオマス由来の多糖と、触媒とを反応させることで得られる固液混合物を、糖液と、糖液含有残渣とに分離する第１の固液分離部と、常温常圧の条件下で沸点が１００℃未満である有機溶媒の液化物を、分離された糖液含有残渣に接触させて、糖液含有残渣に含まれる糖液を液化物で抽出することで、糖液含有液化物と、固体残渣との固液混合物を生成する抽出部と、固液混合物を、糖液含有液化物と、固体残渣とに分離する第２の固液分離部と、を備えたことを特徴とする。
【００１３】
糖液含有液化物を減圧膨張させることで、糖液含有液化物から液化物を気化させ、糖液と、気化物とを生成する減圧部をさらに備えるとしてもよい。
【００１４】
減圧部によって生成された気化物を圧縮して液化物に凝縮する圧縮機をさらに備え、抽出部は、凝縮された液化物を、分離された糖液含有残渣に接触させるとしてもよい。
【００１５】
常温常圧の条件下で沸点が１００℃未満の有機溶媒は、エーテル類、アルデヒド類、アルコール類、エステル類、エポキシド類、アミン類、アルキル類、ケトン類の群から選択される１または複数の有機溶媒であるとしてもよい。
【００１６】
常温常圧の条件下で沸点が１００℃未満の有機溶媒は、ジメチルエーテル、メチルエチルエーテル、ジエチルエーテル、ホルムアルデヒド、アセトアルデヒド、メタノール、エタノール、ギ酸メチル、エチレンオキシド、メチルアミン、エチルアミン、メチルアセチレン、アセトン、メチルエチルケトンの群から選択される１または複数の有機溶媒であるとしてもよい。
【００１７】
上記課題を解決するために、本発明の糖液製造方法は、触媒を用いて、リグノセルロース系バイオマス由来の多糖を加水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由来の多糖と、触媒とを反応させることで得られる固液混合物を、糖液と、糖液含有残渣とに分離し、常温常圧の条件下で沸点が１００℃未満である有機溶媒の液化物を、分離した糖液含有残渣に接触させて、糖液含有残渣に含まれる糖液を液化物で抽出することで、糖液含有液化物と、固体残渣との固液混合物を生成し、固液混合物を、糖液含有液化物と、固体残渣とに分離することを特徴とする。
【００１８】
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、触媒を用いて、リグノセルロース系バイオマス由来の多糖を加水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由来の多糖と、触媒とを反応させることで得られる固液混合物を、糖液と、糖液含有残渣とに分離し、常温常圧の条件下で沸点が１００℃未満である有機溶媒の液化物を、分離した糖液含有残渣に接触させて、糖液含有残渣に含まれる糖液を液化物で抽出することで、糖液含有液化物と、固体残渣との固液混合物を生成し、固液混合物を、糖液含有液化物と、固体残渣とに分離することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、簡易な構成で、固体残渣に残留した糖液を効率よく回収することが可能となる。これにより、製造される糖液の歩留まりを向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】第１の実施形態にかかるエタノール製造システムを説明するための図である。
【図２】第１の実施形態にかかる回収部の具体的な構成を説明するための図である。
【図３】第１の実施形態にかかるエタノール製造方法の処理の流れを説明するためのフローチャートである。
【図４】第２の実施形態にかかる回収部を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
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。
【００２２】
（エタノール製造システム１００）
図１は、第１の実施形態にかかるエタノール製造システム１００を説明するための図である。図１に示すように、エタノール製造システム１００は、糖液製造装置１１０と、エタノール製造装置１２０と、排水処理装置１３０とを含んで構成される。
【００２３】
エタノール製造システム１００において、糖液製造装置１１０は、木質系バイオマス等のリグノセルロース系バイオマス由来の多糖を含むリグノセルロース系バイオマスに糖化処理を施すことにより、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（第１単糖液Ｇ１、第２単糖液Ｇ２）を製造する。ここで、リグノセルロース系バイオマス由来の多糖は、セルロース、ヘミセルロース、セルロース由来の懸濁態多糖、セルロース由来の水溶性オリゴ糖、ヘミセルロース由来の懸濁態多糖、ヘミセルロース由来の水溶性オリゴ糖の群から選択される１または複数を含む。エタノール製造装置１２０は、かかる糖液に発酵処理、蒸留処理を施すことにより、高純度のエタノールＰＥを製造する。また、排水処理装置１３０は、糖液製造装置１１０、エタノール製造装置１２０から排出される水を回収して、清浄化処理を施し、外部に排水する。以下、糖液製造装置１１０およびエタノール製造装置１２０の具体的構成について詳述する。
【００２４】
（糖液製造装置１１０）
図１に示すように、糖液製造装置１１０は、加圧熱水反応部２１０と、固液分離部２２０と、冷却部２３０と、酵素反応部２４０と、回収部２５０と、第１触媒反応部２６０と、第２触媒反応部２７０とを含んで構成される。
【００２５】
加圧熱水反応部２１０は、１５０℃〜２３０℃程度の加圧熱水をリグノセルロース系バイオマスに接触（作用）させる。ここで、加圧熱水反応部２１０がリグノセルロース系バイオマスに作用させる加圧熱水は、亜臨界状態の熱水であって、液体状態を維持するために加圧された熱水である。
【００２６】
上述したようにリグノセルロース系バイオマスは、セルロース、および、ヘミセルロースとリグニンを含んで構成されている。したがって、加圧熱水反応部２１０が、１５０℃〜２３０℃程度といった比較的低温の加圧熱水をリグノセルロース系バイオマスに作用させることにより、ヘミセルロースが加水分解されて、オリゴ糖を主成分とする多糖類（ヘミセルロース加水分解物）に分解される（可溶化）。一方、セルロースは、１５０℃〜２３０℃程度といった比較的低温の加圧熱水を作用させたとしても、殆ど加水分解されない。また、リグニンも１５０℃〜２３０℃程度といった比較的低温の加圧熱水を作用させたとしても殆ど分解されない。
【００２７】
このように加圧熱水反応部２１０が、１５０℃〜２３０℃程度の加圧熱水をリグノセルロース系バイオマスに作用させることで、ヘミセルロースを選択的に可溶化し（液体とし）、セルロースおよびリグニンを可溶化しない。つまり、加圧熱水反応部２１０は、ヘミセルロース加水分解物を含む液体（以下、単に第２多糖液Ｌ２と称する。）と、セルロース、リグニンを含む固体（以下、単に第１多糖物Ｓ１と称する。）とで構成される固液混合物ＳＬ１とを生成することとなる。
【００２８】
固液分離部２２０は、加圧熱水反応部２１０が生成した固液混合物ＳＬ１を固体（第１多糖物Ｓ１）と液体（第２多糖液Ｌ２）に固液分離するとともに、第１多糖物Ｓ１を後述する冷却部２３０に送出し、第２多糖液Ｌ２を後述する第２触媒反応部２７０に送出する。
【００２９】
冷却部２３０は、後段の酵素反応部２４０における糖化酵素（耐熱性の糖化酵素）の活性が高くなるように、第１多糖物Ｓ１の温度を調節する。冷却部２３０は、固液分離部２２０から供給された第１多糖物Ｓ１（１５０℃〜２３０℃程度）を例えば５０℃〜９９℃程度に冷却して酵素反応部２４０に送出する。
【００３０】
酵素反応部２４０は、冷却部２３０によって冷却された第１多糖物Ｓ１に、触媒としての糖化酵素と、必要に応じて水とを添加する。ここで、酵素反応部２４０は、糖化酵素によって進行されるセルロースの加水分解反応を均一に進行させるために、水、および、セルロース（基質）、すなわち第１多糖物Ｓ１と、糖化酵素とを攪拌、混合する。そうすると、糖化酵素によって、第１多糖物Ｓ１中のセルロースが、グルコースと、水溶性オリゴ糖と、懸濁態多糖とに加水分解される（酵素による加水分解反応、以下、単に酵素反応と称する。）。つまり酵素反応部２４０は、グルコース、水溶性オリゴ糖、懸濁態多糖を含む溶液（以下、単に第１多糖液Ｌ１と称する。）と、固体残渣Ｓ３（酵素反応の未反応物）との固液混合物Ｍ１を生成することとなる。なお、本実施形態において、固液混合物Ｍ１中の固体残渣Ｓ３は、５ｗｔ％〜１５ｗｔ％程度である。
【００３１】
本実施形態において水溶性オリゴ糖は、グルコースが２量体（例えば、セロビオース）〜６量体重合した水溶性のセルロース加水分解物（多糖類）であり、懸濁態多糖は、グルコースが７量体以上重合したセルロース加水分解物や、グルコースが６量体重合したセロヘキサオースの結晶であり、酵素反応部２４０において懸濁状態で存在する加水分解物（多糖類）である。
【００３２】
また、酵素反応部２４０において用いられる糖化酵素は、例えばセルラーゼであり、主成分として、β−グルカナーゼ、β―グルコシダーゼを含んで構成される。なお、本実施形態では、耐熱性の糖化酵素として市販されている糖化酵素を用いている。耐熱性ではない糖化酵素の至適温度は４０℃〜５０℃程度であるが、耐熱性である糖化酵素の至適温度は、７０℃〜９０℃程度である。したがって、酵素反応部２４０が耐熱性の糖化酵素を用いることにより、冷却部２３０による冷却温度幅を小さくすることができる。これにより、冷却部２３０が第１多糖物Ｓ１の冷却に要するエネルギーを低減することが可能となる。
【００３３】
回収部２５０は、固液混合物Ｍ１を第１多糖液（糖液）Ｌ１と、固体残渣Ｓ３とに分離し、第１多糖液Ｌ１を回収する。
【００３４】
図２は、第１の実施形態にかかる回収部２５０の具体的な構成を説明するための図である。図２中、液体および固体の流れを実線の矢印で示し、気体の流れを破線の矢印で示す。
【００３５】
図２に示すように、回収部２５０の固液分離部（第１の固液分離部）３１０は、フィルタ等を含んで構成され、固液混合物Ｍ１から第１多糖液Ｌ１を固液分離する。固液分離部３１０によって、第１多糖液Ｌ１が分離されたとしても、残渣には、少なからず第１多糖液Ｌ１が残存することとなる。そうすると、酵素反応部２４０によって生成された第１多糖液Ｌ１の総量と比較して、第１触媒反応部２６０へ送出される第１多糖液Ｌ１の量が、例えば２０％程度減少してしまう。すなわち、２０％程度の第１多糖液Ｌ１が廃棄されることとなってしまう。そうすると、第１触媒反応部２６０が、酵素反応部２４０によって生成された第１多糖液Ｌ１をすべて利用して第１単糖液Ｇ１を生成した場合と比較して、第１単糖液Ｇ１の生成量が２０％程度減少してしまう。
【００３６】
そこで、第１多糖液Ｌ１が含まれる残渣（以下、単に糖液含有残渣Ｓ２と称する。）を水に接触させ、かかる水に第１多糖液Ｌ１を溶解して回収することが考えられる。しかし、水を用いて第１多糖液Ｌ１を回収し、固液分離部３１０で分離した第１多糖液Ｌ１と合せると、第１多糖液Ｌ１中の水分量が増加してしまう。すなわち、第１多糖液Ｌ１中の水溶性オリゴ糖および懸濁態多糖の濃度が低下してしまう。
【００３７】
そうすると、エタノール製造装置１２０において発酵処理を行うことで生成されるエタノールの濃度が低下する。したがって、高純度のエタノールＰＥの製造を試みると、エタノール製造装置１２０における蒸留処理に要する熱エネルギーが増大してしまう。
【００３８】
そこで、本実施形態では、水を用いず、糖液含有残渣Ｓ２から第１多糖液Ｌ１のみを回収する。
【００３９】
抽出部３２０は、常温常圧の条件下で沸点が１００℃未満である有機溶媒の液化物ＥＬを、糖液含有残渣Ｓ２に接触させて、糖液含有残渣Ｓ２に含まれる第１多糖液Ｌ１を液化物ＥＬで抽出することで、第１多糖液Ｌ１を含有した液化物ＥＬ（以下、単に糖液含有液化物ＬＡと称する。）と、固体残渣Ｓ３との固液混合物ＳＬ２を生成する。ここで、常温は、例えば２５℃であり、常圧は大気圧である。本実施形態において、抽出部３２０は、加圧状態（大気圧より高い圧力）となっている。したがって、固液分離部３１０と抽出部３２０との間には、逆止弁３１２が設けられている。
【００４０】
ここで、常温常圧の条件下で沸点が１００℃未満の有機溶媒は、エーテル類、アルデヒド類、アルコール類、エステル類、エポキシド類、アミン類、アルキル類、ケトン類の群から選択される１または複数の有機溶媒である。具体的に説明すると、常温常圧の条件下で沸点が１００℃未満の有機溶媒は、ジメチルエーテル、メチルエチルエーテル、ジエチルエーテル、ホルムアルデヒド、アセトアルデヒド、メタノール、エタノール、ギ酸メチル、エチレンオキシド、メチルアミン、エチルアミン、メチルアセチレン、アセトン、メチルエチルケトンの群から選択される１または複数の有機溶媒である。
【００４１】
抽出部３２０が用いる液化物ＥＬを、常温常圧の条件下で沸点が１００℃未満の有機溶媒とすることにより、液化物ＥＬ中に第１多糖液Ｌ１を溶解させる（糖液含有液化物ＬＡを生成する）とともに、糖液含有液化物ＬＡから液化物ＥＬのみを容易に気化させることができる。つまり、糖液含有液化物ＬＡから第１多糖液Ｌ１のみを容易に分離することが可能となる。
【００４２】
したがって、水分量を増加させることなく、糖液含有残渣Ｓ２から第１多糖液Ｌ１を抽出することができ、第１触媒反応部２６０へ送出する第１多糖液Ｌ１中の水溶性オリゴ糖および懸濁態多糖の濃度が低下してしまう事態を回避することが可能となる。
【００４３】
固液分離部（第２の固液分離部）３２２は、フィルタ等を含んで構成され、固液混合物ＳＬ２を、固体残渣Ｓ３と、糖液含有液化物ＬＡとに固液分離する。本実施形態において、固液分離部３２２は、加圧状態（大気圧より高い圧力）となっている。固液分離部３２２によって固液分離された糖液含有液化物ＬＡは、減圧部３２４に送出され、固体残渣Ｓ３は外部に排出される。排出された固体残渣Ｓ３は、燃焼させることにより熱源として用いてもよい。
【００４４】
減圧部３２４は、例えば、流体の圧力降下をもたらす弁である膨張弁で構成され、糖液含有液化物ＬＡを減圧膨張させることで、糖液含有液化物ＬＡから液化物ＥＬを気化させて、第１多糖液Ｌ１と気化物ＥＧとの気液混合物ＬＧ１を生成する。このとき、減圧膨張されるので、気液混合物ＬＧ１は冷却されることとなる。
【００４５】
減圧部３２４を備える構成により、加熱することなく、第１多糖液Ｌ１を含有した液化物ＥＬ（糖液含有液化物ＬＡ）から液化物ＥＬのみを気化させて取り除くことが可能となる。
【００４６】
熱交換器３２６は、減圧部３２４によって冷却された気液混合物ＬＧ１と、後述する圧縮機３３０で圧縮された気化物ＥＧおよび液化物ＥＬの気液混合物ＬＧ２とで熱交換を行うことで、気液混合物ＬＧ１を加熱するとともに、圧縮機３３０で圧縮された気液混合物ＬＧ２を冷却して、気化物ＥＧを確実に液化物ＥＬに液化（凝縮）させる。
【００４７】
分離槽３２８には、熱交換器３２６から気液混合物ＬＧ１が供給され、分離槽３２８において、気化物ＥＧと、第１多糖液Ｌ１とが分離する。分離槽３２８において、分離された気化物ＥＧは、圧縮機３３０へ送出され、第１多糖液Ｌ１は、固液分離部３１０で固液分離された第１多糖液Ｌ１に合流されて、後述する第１触媒反応部２６０へ送出される。なお、分離槽３２８から送出された第１多糖液Ｌ１中に液化物ＥＬが残存している場合、分離槽３２８から送出された溶液（第１多糖液Ｌ１および液化物ＥＬ）を加熱し、残存する液化物ＥＬを気化させて除去してもよい。この場合、分離槽３２８の後段に気液分離装置を設けるとよい。加熱によって得られた気化物ＥＧは、分離槽３２８において分離された気化物ＥＧに合流させる。なお、この場合、加熱によって得られた気化物ＥＧが流通する配管を、分離槽３２８と圧縮機３３０とを連接する配管に連結するとともに、加熱によって得られた気化物ＥＧが流通する配管に逆止弁を設けるとよい。
【００４８】
分離槽３２８において分離された第１多糖液Ｌ１は、糖液含有残渣Ｓ２に残留した第１多糖液Ｌ１の所定ｗｔ％以上、例えば、８０ｗｔ％以上である。つまり、回収部２５０は、糖液含有残渣Ｓ２から８０ｗｔ％以上の第１多糖液Ｌ１を回収することが可能となる。
【００４９】
圧縮機３３０は、分離槽３２８から送出された気化物ＥＧを圧縮する。そうすると、気化物ＥＧの一部が凝縮して液化物ＥＬが再生される。つまり、気化物ＥＧと液化物ＥＬの気液混合物ＬＧ２が生成される。
【００５０】
そして、圧縮機３３０において、生成された気液混合物ＬＧ２は、上述したように、熱交換器３２６で冷却されて、液化物ＥＬに凝縮され、抽出部３２０において再利用される。かかる構成により、液化物ＥＬを効率よく利用することができる。
【００５１】
また、圧縮機３３０には、新規の気化物ＥＧを導入するためのライン３３０ａが設けられている。かかるライン３３０ａは、初めて回収部２５０を稼働させる場合や、気化物ＥＧを補充する場合に用いられる。
【００５２】
図１に戻って説明すると、第１触媒反応部２６０では、回収部２５０から送出された第１多糖液Ｌ１に、触媒としての粉末状の固体酸触媒Ｃを反応させる。そうすると、固体酸触媒Ｃによって、第１多糖液Ｌ１中の水溶性オリゴ糖および懸濁態多糖がグルコースに加水分解される（触媒による加水分解反応、以下、単に触媒反応と称する。）。つまり第１触媒反応部２６０は、グルコースを主成分とする糖液（第１単糖液Ｇ１）を生成することとなる。
【００５３】
具体的に説明すると、第１触媒反応部２６０は、第１反応槽２６２と、第１分離部２６４とを含んで構成される。第１反応槽２６２には、第１多糖液Ｌ１と固体酸触媒Ｃとが収容され、第１反応槽２６２に設けられた攪拌部２６２ａを用いて、第１多糖液Ｌ１と固体酸触媒Ｃとを９０℃以上１２０℃未満の温度下において攪拌して、第１多糖液Ｌ１と固体酸触媒Ｃとを混合する。これにより、触媒反応が進行して、第１単糖液Ｇ１が生成されることとなる。そして、第１反応槽２６２において生成された第１単糖液Ｇ１および固体酸触媒Ｃの固液混合物Ｍ２（未反応の第１多糖液Ｌ１を含む。）は、第１分離部２６４に送出される。
【００５４】
第１分離部２６４は、第１反応槽２６２において生成された固液混合物Ｍ２を、固体と液体とに分離するとともに、固体（固体酸触媒Ｃ）を第１反応槽２６２に返送し、液体（第１単糖液Ｇ１）をエタノール製造装置１２０の第１発酵部３５０へ送出する。第１分離部２６４を備えることにより、固体酸触媒Ｃを効率よく利用することが可能となる。
【００５５】
第２触媒反応部２７０では、固液分離部２２０によって分離された第２多糖液Ｌ２に、触媒としての粉末状の固体酸触媒Ｃを反応させる。そうすると、固体酸触媒Ｃによって、第２多糖液Ｌ２中のヘミセルロース加水分解物が、キシロースに加水分解される（触媒による加水分解反応、以下、単に触媒反応と称する。）。つまり第２触媒反応部２７０は、キシロースを主成分とする糖液（第２単糖液Ｇ２）を生成することとなる。
【００５６】
具体的に説明すると、第２触媒反応部２７０は、第２反応槽２７２と、第２分離部２７４とを含んで構成される。第２反応槽２７２には、第２多糖液Ｌ２と固体酸触媒Ｃとが収容され、第２反応槽２７２に設けられた攪拌部２７２ａを用いて、第２多糖液Ｌ２と固体酸触媒Ｃとを９０℃以上１２０℃未満の温度下において攪拌して、第２多糖液Ｌ２と固体酸触媒Ｃとを混合する。これにより、触媒反応が進行して、第２単糖液Ｇ２が生成されることとなる。そして、第２反応槽２７２において生成された第２単糖液Ｇ２および固体酸触媒Ｃの固液混合物Ｍ３（未反応の第２多糖液Ｌ２を含む。）は、第２分離部２７４に送出される。
【００５７】
第２分離部２７４は、第２反応槽２７２において生成された第２単糖液Ｇ２および固体酸触媒Ｃの固液混合物Ｍ３を、固体と液体とに分離するとともに、固体（固体酸触媒Ｃ）を第２反応槽２７２に返送し、液体（第２単糖液Ｇ２）をエタノール製造装置１２０の第２発酵部３６０へ送出する。第２分離部２７４を備えることにより、固体酸触媒Ｃを効率よく利用することが可能となる。
【００５８】
（エタノール製造装置１２０）
エタノール製造装置１２０は、第１発酵部３５０と、第２発酵部３６０と、蒸留部３７０とを含んで構成される。
【００５９】
第１発酵部３５０は、糖液製造装置１１０の第１触媒反応部２６０から送出された第１単糖液Ｇ１に、酵母等のエタノール発酵微生物と、窒素、リン等の栄養源とを添加し、発酵処理に適切な温度、適切なｐＨ等の条件下でエタノール発酵微生物を培養する。そうすると、第１単糖液Ｇ１中のグルコースがアルコール発酵されてエタノールＥ１が生成される。第１発酵部３５０によって生成されたエタノールＥ１は、後述する蒸留部３７０へ送出される。
【００６０】
第２発酵部３６０は、糖液製造装置１１０の第２触媒反応部２７０から送出された第２単糖液Ｇ２に、酵母等のエタノール発酵微生物と、窒素、リン等の栄養源とを添加し、発酵処理に適切な温度、適切なｐＨ等の条件下でエタノール発酵微生物を培養する。そうすると、第２単糖液Ｇ２中のキシロースがアルコール発酵されてエタノールＥ２が生成される。第２発酵部３６０によって生成されたエタノールＥ２は、蒸留部３７０へ送出される。
【００６１】
蒸留部３７０は、第１触媒反応部２６０から送出されたエタノールＥ１と、第２触媒反応部２７０から送出されたエタノールＥ２とを蒸留し、濃縮することで、高純度のエタノールＰＥを生成する。
【００６２】
以上説明したように、本実施形態にかかるエタノール製造システム１００によれば、糖液製造装置１１０が、第１単糖液Ｇ１、第２単糖液Ｇ２を生成し、エタノール製造装置１２０が第１単糖液Ｇ１、第２単糖液Ｇ２を用いてエタノールＰＥを生成する。
【００６３】
また、糖液製造装置１１０において回収部２５０を備える構成により、糖液含有残渣Ｓ２に残留した第１多糖液Ｌ１を効率よく回収することが可能となる。これにより、製造される第１多糖液Ｌ１の歩留まりを向上させることができる。したがって、エタノール製造装置１２０で生成されるエタノールＰＥの歩留まりを向上させることが可能となる。
【００６４】
（エタノール製造方法）
続いて、エタノール製造システム１００を用いたエタノール製造方法について説明する。図３は、第１の実施形態にかかるエタノール製造方法の処理の流れを説明するためのフローチャートである。図３に示すように、本実施形態にかかるエタノール製造方法は、加圧熱水反応処理Ｓ４１０、固液分離処理Ｓ４１２、冷却処理Ｓ４１４、酵素反応処理Ｓ４１６、固液分離処理Ｓ４１８、圧縮処理Ｓ４２２、回収処理Ｓ４３０、合流処理Ｓ４３２、触媒反応処理Ｓ４４０、エタノール製造処理Ｓ４５０を含む。ここで、加圧熱水反応処理Ｓ４１０から触媒反応処理Ｓ４４０までの処理が糖液製造方法に該当する。
【００６５】
また、ここでは、第１触媒反応部２６０による触媒反応処理Ｓ４４０について説明する。なお、第２触媒反応部２７０は、供給される溶液が第２多糖液Ｌ２であり、生成される加水分解物がキシロースであるものの、第１触媒反応部２６０による触媒反応処理と実質的に処理が等しいので説明を省略する。
【００６６】
（加圧熱水反応処理Ｓ４１０）
加圧熱水反応処理Ｓ４１０では、加圧熱水反応部２１０が、２００℃〜２３０℃程度の加圧熱水をリグノセルロース系バイオマスに接触させ、リグノセルロース系バイオマスに含まれるヘミセルロースを加水分解する。
【００６７】
（固液分離処理Ｓ４１２）
固液分離処理Ｓ４１２では、固液分離部２２０が、加圧熱水反応処理Ｓ４１０で生成された固液混合物ＳＬ１を、第１多糖物Ｓ１（固体）と、第２多糖液Ｌ２（液体）とに分離する。
【００６８】
（冷却処理Ｓ４１４）
冷却処理Ｓ４１４では、冷却部２３０が、固液分離処理Ｓ４１２で分離された第１多糖物Ｓ１を冷却する。
【００６９】
（酵素反応処理Ｓ４１６）
酵素反応処理Ｓ４１６では、酵素反応部２４０が、冷却処理Ｓ４１４で冷却された第１多糖物Ｓ１に、糖化酵素と、水とを添加し、酵素反応を遂行させる。
【００７０】
（固液分離処理Ｓ４１８）
固液分離処理Ｓ４１８では、回収部２５０の固液分離部３１０が、酵素反応処理Ｓ４１６で生成された固液混合物Ｍ１から第１多糖液Ｌ１を固液分離する。そうすると、第１多糖液Ｌ１と、糖液含有残渣Ｓ２とに分離される。
【００７１】
（圧縮処理Ｓ４２２）
圧縮処理Ｓ４２２では、圧縮機３３０は、第１多糖液Ｌ１の回収処理を初めて行う場合、ライン３３０ａを通じて導入された新規の気化物ＥＧを圧縮し、第１多糖液Ｌ１の回収処理が初めてではない場合、分離槽３２８から送出された気化物ＥＧを圧縮する。そうすると、気化物ＥＧの一部が凝縮して液化物ＥＬが再生される。つまり、気化物ＥＧと液化物ＥＬの気液混合物ＬＧ２が生成される。
【００７２】
そして、熱交換器３２６は、後述する減圧部３２４によって冷却された気液混合物ＬＧ１と、圧縮機３３０で圧縮された気化物ＥＧと液化物ＥＬとの気液混合物ＬＧ２とで熱交換を行うことで、圧縮機３３０で圧縮された気液混合物ＬＧ２を冷却して、気化物ＥＧを確実に液化物ＥＬに液化（凝縮）させる。
【００７３】
（回収処理Ｓ４３０）
回収処理Ｓ４３０では、抽出部３２０が、常温常圧の条件下で沸点が１００℃未満である有機溶媒（例えば、ジメチルエーテル）の液化物ＥＬを、糖液含有残渣Ｓ２に接触させて、糖液含有残渣Ｓ２に含まれる第１多糖液Ｌ１を液化物ＥＬで抽出することで、糖液含有液化物ＬＡと、固体残渣Ｓ３との固液混合物ＳＬ２を生成する。
【００７４】
そして、固液分離部３２２は、固液混合物ＳＬ２を、糖液含有液化物ＬＡと、固体残渣Ｓ３とに固液分離する。
【００７５】
続いて、減圧部３２４は、固液分離部３２２で分離された糖液含有液化物ＬＡを減圧膨張させることで、糖液含有液化物ＬＡから液化物ＥＬを気化させ、第１多糖液Ｌ１と、気化物ＥＧとの気液混合物ＬＧ１を生成する。
【００７６】
そして、熱交換器３２６は、減圧部３２４によって冷却された気液混合物ＬＧ１と、圧縮機３３０で圧縮された気化物ＥＧおよび液化物ＥＬの気液混合物ＬＧ２とで熱交換を行うことで、気液混合物ＬＧ１を加熱して、液化物ＥＬを確実に気化物ＥＧに気化させる。
【００７７】
続いて、分離槽３２８に、気液混合物ＬＧ１が供給され、分離槽３２８において気化物ＥＧと、第１多糖液Ｌ１とが分離する。
【００７８】
（合流処理Ｓ４３２）
合流処理Ｓ４３２では、固液分離処理Ｓ４１８で分離された第１多糖液Ｌ１と、回収処理Ｓ４３０で回収された第１多糖液Ｌ１とを合流して、第１触媒反応部２６０へ送出する。
【００７９】
（触媒反応処理Ｓ４４０）
触媒反応処理Ｓ４４０は、第１触媒反応部２６０が、第１多糖液Ｌ１に、固体酸触媒Ｃを添加し、触媒反応を遂行させる。
【００８０】
（エタノール製造処理Ｓ４５０）
エタノール製造処理Ｓ４５０は、エタノール製造装置１２０が、触媒反応処理Ｓ４４０で生成された第１単糖液Ｇ１と、生成された第２単糖液Ｇ２とをアルコール発酵させて、蒸留し、高純度のエタノールＰＥを製造する。
【００８１】
以上説明したように、リグノセルロース系バイオマス由来の多糖（セルロース、ヘミセルロース）から糖液を製造する際に、回収部２５０が、糖液含有残渣Ｓ２に残留した第１多糖液Ｌ１を効率よく回収することが可能となる。これにより、製造される第１多糖液Ｌ１の歩留まりを向上させることができ、エタノール製造装置１２０で生成されるエタノールＰＥの歩留まりを向上させることが可能となる。
【００８２】
（第２の実施形態）
上述した第１実施形態において、回収部２５０の熱交換器３２６は、圧縮機３３０で生成された気液混合物ＬＧ２を冷却するために、減圧部３２４によって冷却された気液混合物ＬＧ１と熱交換を行っている。しかし、熱交換器は、他の流体と熱交換を行うことで、圧縮機３３０で生成された気液混合物ＬＧ２を冷却してもよい。
【００８３】
図４は、第２の実施形態にかかる回収部５５０を説明するための図である。図４に示すように、回収部５５０は、固液分離部（第１の固液分離部）３１０と、逆止弁３１２と、抽出部３２０と、固液分離部（第２の固液分離部）３２２と、減圧部３２４と、熱交換器５６６と、分離槽３２８と、圧縮機３３０と、ライン３３０ａを含んで構成される。なお、上述した第１の実施形態において説明した構成要素と実質的に機能が等しい構成要素については、同一の符号を付して重複説明を省略し、ここでは、構成の異なる熱交換器５６６について詳述する。
【００８４】
本実施形態において、熱交換器５６６は、加圧熱水反応部２１０に供給される水と、圧縮機３３０で生成された気液混合物ＬＧ２とで熱交換を行う。こうすることで、圧縮機３３０で圧縮された気液混合物ＬＧ２を冷却するとともに、加圧熱水反応部２１０に供給される水を加熱することができる。
【００８５】
上述したように加圧熱水反応部２１０では、２００℃〜２３０℃程度の加圧熱水を生成するため、熱交換器５６６が、加圧熱水反応部２１０に供給される水を加熱することで、加圧熱水反応部２１０において水の加熱に要する熱エネルギーを削減することができる。
【００８６】
また、圧縮機３３０で圧縮された気液混合物ＬＧ２を冷却するため、気化物ＥＧを確実に液化物ＥＬに液化（凝縮）させることが可能となる。
【００８７】
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。
【００８８】
例えば、上述した実施形態において、酵素反応部２４０の後段に回収部２５０、５５０を備える構成について説明したが、固液分離部２２０の後段や、第１触媒反応部２６０の後段、第２触媒反応部２７０の後段に回収部２５０、５５０を備えてもよい。これにより、固液分離部２２０、第１分離部２６４、第２分離部２７４で分離された固体に残留する液体を効率よく回収することができる。
【００８９】
また、上述した実施形態において、第１触媒反応部２６０、第２触媒反応部２７０を備える構成について説明したが、第１触媒反応部２６０、第２触媒反応部２７０を備えず、酵素反応部２４０によって単糖液を生成する糖液製造装置に回収部２５０を適用してもよい。
【００９０】
また、上述した実施形態において、糖液製造装置１１０が製造した第１単糖液Ｇ１、第２単糖液Ｇ２を用いて、エタノールを製造するエタノール製造装置１２０および方法について説明した。しかし、糖液製造装置１１０が製造した第１単糖液Ｇ１、第２単糖液Ｇ２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、ブタノールを製造してもよい。
【００９１】
また、上述した実施形態において、糖液製造装置１１０が原料として用いるリグノセルロース系バイオマスの例として木質系バイオマスを挙げて説明したが、原料は、セルロースおよびヘミセルロースのいずれか一方または双方が含まれていればよく、草木系バイオマス、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。
【００９２】
また、上述した実施形態において、酵素反応部２４０は、糖化酵素として、耐熱性の糖化酵素を用いる場合を例に挙げて説明した。しかし、耐熱性ではない糖化酵素を用いることもできる。この場合、冷却部２３０は、第１多糖物Ｓ１を５０℃程度まで冷却する。また、第１反応槽２６２は、第１多糖液Ｌ１と固体酸触媒Ｃとを５０℃程度の温度下において攪拌して、第１多糖液Ｌ１と固体酸触媒Ｃとを混合する。この場合、触媒反応の効率が低下するため、耐熱性の糖化酵素を用いた酵素反応処理を行った場合と比較して、固体酸触媒Ｃの添加量を増加させるとよい。
【００９３】
また、上述した実施形態において、第１触媒反応部２６０および第２触媒反応部２７０は、粉末状の固体酸触媒Ｃを用いているが、ペレット状の固体酸触媒Ｃを用いてもよい。
【００９４】
なお、本明細書の糖液製造方法、および、エタノール製造方法の各工程は、必ずしもフローチャートとして記載された順序に沿って時系列に処理する必要はない。
【産業上の利用可能性】
【００９５】
本発明は、リグノセルロース系バイオマス由来の多糖を加水分解して糖液を製造する糖液製造装置、糖液製造方法、および、これを用いた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】
【００９６】
１００  …エタノール製造システム
１１０  …糖液製造装置
１２０  …エタノール製造装置
３１０  …固液分離部（第１の固液分離部）
３２０  …抽出部
３２２  …固液分離部（第２の固液分離部）
３２４  …減圧部
３２６、５６６  …熱交換器
３３０  …圧縮機
【図１】
2014011965.tif 000003
【図２】
2014011965.tif 000004
【図３】
2014011965.tif 000005
【図４】
2014011965.tif 000006