(57)【要約】【課題】リグノセルロース系バイオマスから糖液を製造する際に、セルロース、ヘミセルロースの加水分解物の濃度を迅速に推定し、加水分解反応の進行状況をリアルタイムで把握する。【解決手段】リグノセルロース系バイオマス由来の多糖を、触媒を用いて加水分解し糖液（第１単糖液Ｇ１、第２単糖液Ｇ２）を製造する糖液製造装置１１０は、多糖と、触媒（糖化酵素、または、固体酸触媒Ｃ）と、水と、を含む混合物を収容する反応槽２４２と、反応槽２４２に収容された混合物を攪拌する攪拌部２４８と、攪拌部２４８の攪拌に要する負荷を測定する負荷測定部（中央制御部２７０）と、測定された負荷に基づいて、混合物における多糖の加水分解物の濃度を推定する濃度推定部（中央制御部２７０）と、を備える。【選択図】図１
2014011969.tif 000002
【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由来の多糖を、触媒を用いて加水分解し糖液を製造する糖液製造装置であって、
前記多糖と、前記触媒と、水と、を含む混合物を収容する反応槽と、
前記反応槽に収容された前記混合物を攪拌する攪拌部と、
前記攪拌部の攪拌に要する負荷を測定する負荷測定部と、
測定された前記負荷に基づいて、前記混合物における前記多糖の加水分解物の濃度を推定する濃度推定部と、
を備えたことを特徴とする糖液製造装置。
【請求項２】
前記反応槽に収容された前記混合物の酸化還元電位を測定するＯＲＰ測定部をさらに備え、
前記濃度推定部は、測定された前記酸化還元電位に基づいて、前記混合物における前記多糖の加水分解物の濃度を推定する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】
リグノセルロース系バイオマス由来の多糖を、触媒を用いて加水分解し糖液を製造する糖液製造装置であって、
前記多糖と、前記触媒と、水と、を含む混合物を収容する反応槽と、
前記反応槽に収容され前記混合物の酸化還元電位を測定するＯＲＰ測定部と、
測定された前記酸化還元電位に基づいて、前記混合物における前記多糖の加水分解物の濃度を推定する濃度推定部と、
を備えたことを特徴とする糖液製造装置。
【請求項４】
リグノセルロース系バイオマス由来の多糖と、触媒と、水と、を含む混合物を収容する反応槽と、該反応槽に収容された該混合物を攪拌する攪拌部とを用いて、該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、
前記攪拌部の攪拌に要する負荷を測定し、
測定した前記負荷に基づいて、前記混合物における前記多糖の加水分解物の濃度を推定し、
前記濃度に応じて前記反応槽における前記混合物の反応を制御することを特徴とする糖液製造方法。
【請求項５】
リグノセルロース系バイオマス由来の多糖を、触媒を用いて加水分解し糖液を製造する糖液製造方法であって、
前記多糖と、前記触媒と、水と、を含む混合物を反応槽に収容し、
前記反応槽に収容した前記混合物の酸化還元電位を測定し、
測定した前記酸化還元電位に基づいて、前記混合物における前記多糖の加水分解物の濃度を推定し、
前記濃度に応じて前記反応槽における前記混合物の反応を制御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と、触媒と、水と、を含む混合物を収容する反応槽と、該反応槽に収容された該混合物とを攪拌する攪拌部とを用いて、該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、
前記攪拌部の攪拌に要する負荷を測定し、
測定した前記負荷に基づいて、前記混合物における前記多糖の加水分解物の濃度を推定し、
前記濃度に応じて前記反応槽における前記混合物の反応を制御することを特徴とするエタノール製造方法。
【請求項７】
リグノセルロース系バイオマス由来の多糖を、触媒を用いて加水分解し、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、
前記多糖と、前記触媒と、水と、を含む混合物を反応槽に収容し、
前記反応槽に収容した前記混合物の酸化還元電位を測定し、
測定した前記酸化還元電位に基づいて、前記混合物における前記多糖の加水分解物の濃度を推定し、
前記濃度に応じて前記反応槽における前記混合物の反応を制御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、前処理したリグノセルロース系バイオマス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、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）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−１４２８９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述した特許文献１に示すような従来のエタノール製造技術においては、糖化処理中に加水分解反応の進行状況を把握するために、酵素法（例えば、ＧＯＰＯＤ（Glucose Oxidase/ Peroxidase）法）で測定したり、ＨＰＬＣ（High Performance Liquid Chromatography）法で測定したりしていた。
【０００６】
しかし、酵素法やＨＰＬＣ法を用いると、結果が得られるまでに数時間以上の長時間を要してしまい、加水分解反応の反応進行状況をリアルタイムに把握することが出来なかった。そうすると、セルロースの加水分解程度を示す結果が導出されたときには、すでに、次の処理が施されており、得られた結果を活かすことができない。
【０００７】
そこで本発明は、このような課題に鑑み、リグノセルロース系バイオマスから糖液を製造する際に、セルロース、ヘミセルロースの加水分解物の濃度を迅速に推定することができ、加水分解反応の進行状況をリアルタイムで把握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】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明の糖液製造装置は、リグノセルロース系バイオマス由来の多糖を、触媒を用いて加水分解し糖液を製造する糖液製造装置であって、多糖と、触媒と、水と、を含む混合物を収容する反応槽と、反応槽に収容された混合物を攪拌する攪拌部と、攪拌部の攪拌に要する負荷を測定する負荷測定部と、測定された負荷に基づいて、混合物における多糖の加水分解物の濃度を推定する濃度推定部と、を備えたことを特徴とする。
【０００９】
反応槽に収容された混合物の酸化還元電位を測定するＯＲＰ測定部をさらに備え、濃度推定部は、測定された酸化還元電位に基づいて、混合物における多糖の加水分解物の濃度を推定するとしてもよい。
【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を、触媒を用いて加水分解し糖液を製造する糖液製造装置であって、多糖と、触媒と、水と、を含む混合物を収容する反応槽と、反応槽に収容され混合物の酸化還元電位を測定するＯＲＰ測定部と、測定された酸化還元電位に基づいて、混合物における多糖の加水分解物の濃度を推定する濃度推定部と、を備えたことを特徴とする。
【００１１】
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と、触媒と、水と、を含む混合物を収容する反応槽と、反応槽に収容された混合物を攪拌する攪拌部とを用いて、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、攪拌部の攪拌に要する負荷を測定し、測定した負荷に基づいて、混合物における多糖の加水分解物の濃度を推定し、濃度に応じて反応槽における混合物の反応を制御することを特徴とする。
【００１２】
上記課題を解決するために、本発明の他の糖液製造方法は、リグノセルロース系バイオマス由来の多糖を、触媒を用いて加水分解し糖液を製造する糖液製造方法であって、多糖と、触媒と、水と、を含む混合物を反応槽に収容し、反応槽に収容した混合物の酸化還元電位を測定し、測定した酸化還元電位に基づいて、混合物における多糖の加水分解物の濃度を推定し、濃度に応じて反応槽における混合物の反応を制御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と、触媒と、水と、を含む混合物を収容する反応槽と、反応槽に収容された混合物とを攪拌する攪拌部とを用いて、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、攪拌部の攪拌に要する負荷を測定し、測定した負荷に基づいて、混合物における多糖の加水分解物の濃度を推定し、濃度に応じて反応槽における混合物の反応を制御することを特徴とする。
【００１４】
上記課題を解決するために、本発明の他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、触媒を用いて加水分解し、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、多糖と、触媒と、水と、を含む混合物を反応槽に収容し、反応槽に収容した混合物の酸化還元電位を測定し、測定した酸化還元電位に基づいて、混合物における多糖の加水分解物の濃度を推定し、濃度に応じて反応槽における混合物の反応を制御することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、前処理したリグノセルロース系バイオマスから糖液を製造する際に、セルロース、ヘミセルロースの加水分解物の濃度を迅速に推定することができ、加水分解反応の進行状況をリアルタイムで把握することが可能となる。したがって、推定した濃度に応じて適切に加水分解の反応を制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【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】酵素反応部を説明するための図である。
【図３】酵素反応部における攪拌に要する負荷の経時変化を示す図である。
【図４】酵素反応部における攪拌に要する負荷と、セルロースの加水分解物の濃度との相関性を説明するための図である。
【図５】固体濃度が１０ｗｔ％未満である酵素反応部における酸化還元電位と、グルコースの濃度との相関性を説明するための図である。
【図６】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７】第２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８】第２の実施形態にかかる酵素反応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】
【００１７】
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。
【００１８】
（第１の実施形態：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。図１中、物質（液体、固体等）の流れを実線の矢印で示し、信号の流れを破線の矢印で示す。
【００１９】
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に糖化処理を施すことにより、当該多糖を単糖類（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。
【００２０】
（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、第１触媒反応部２５０と、第２触媒反応部２６０と、中央制御部２７０とを含んで構成される。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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ＳＬとを生成することとなる。
【００２４】
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ＳＬを固体（第１多糖物Ｓ１）と液体（第２多糖液Ｌ２）に分離するとともに、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２６０に送出する。
【００２５】
冷却部２３０は、後段の酵素反応部２４０における糖化酵素（耐熱性の糖化酵素を使用してもよい）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。
【００２６】
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。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（以下、単に第１多糖液Ｌ１と称する。）と、固体残渣（酵素反応の未反応物）とを生成することとなる。
【００２７】
本実施形態において水溶性オリゴ糖は、例えば、グルコースの２量体（例えば、セロビオース）〜６量体である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、例えば、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、グルコースの６量体である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。
【００２８】
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。冷却温度幅の考慮が必要なければ、耐熱性でない酵素の使用も可能である。
【００２９】
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。ここで、第１多糖物Ｓ１および糖化酵素に添加する水の量が多いと、後述するエタノール製造装置１２０における蒸留に要するエネルギーが増大してしまうため、添加する水の量を極力減らしたいという要望がある。
【００３０】
しかし、添加する水の量を少なくすればするほど、混合物Ｍ１（第１多糖物Ｓ１、糖化酵素、水）の流動性が低下する。例えば、固体（固形物）の濃度が１０ｗｔ％以上となると、スラリー状態よりも流動性が低下し、縦型反応器（鉛直方向に延伸した回転軸と、当該回転軸の一端に連結された攪拌羽根とを備えた攪拌部を備えた反応器）で攪拌を試みたとしても、反応槽の壁面に混合物Ｍ１が張り付いてしてしまい、混合物Ｍ１を攪拌羽根で上手く混合できないといった問題が生じる。そうすると、第１多糖物Ｓ１と糖化酵素とが均一に混合されず、酵素反応の効率が低下してしまう。したがって、縦型反応器を利用する場合、混合物Ｍ１の流動性をスラリー状態よりも低下させる程度にまで、水の量を低減することができなかった。
【００３１】
そこで、本実施形態では、水平方向に延伸した回転軸を含んで構成される酵素反応部２４０を採用することで、固体の濃度を１０ｗｔ％以上としつつ、すなわち水の量を９０ｗｔ％未満に削減しつつ、第１多糖物Ｓ１と糖化酵素とを実質的に均一に混合することが可能となる。以下、酵素反応部２４０の具体的な構成について説明する。
【００３２】
図２は、酵素反応部２４０を説明するための図であり、酵素反応部２４０の斜視図を示す。図２に示すように、本実施形態にかかる酵素反応部２４０は、反応槽２４２と、攪拌部２４８と、ＯＲＰ測定部２４０ａとを含んで構成される。本実施形態の図２では、垂直に交わるＸ軸（水平方向）、Ｙ軸（水平方向）、Ｚ軸（鉛直方向）を図示の通り定義している。
【００３３】
反応槽２４２は、水平方向（図２中Ｘ軸方向）に延伸した円筒形状に形成され、冷却部２３０が冷却した第１多糖物Ｓ１と、水と、糖化酵素とを含んで構成される混合物Ｍ１（固体濃度１０ｗｔ％以上）を収容する。
【００３４】
反応槽２４２の壁部は、保温材を内部に組み込んだ積層構造で構成され、反応槽２４２の内部空間を酵素反応に適した温度（糖化酵素の至適温度）に保持する。反応槽２４２の壁部を構成する内壁面は、酵素反応を阻害しない材料、例えば、ステンレスや、ＰＴＦＥ（PolyTetraFluoroEthylene）等のフッ素樹脂で被覆された鉄等で形成される。また、反応槽２４２の内部空間の温度、すなわち酵素反応を行う際の温度を調整するために、反応槽２４２を加熱する加熱部を設けてもよい。加熱部を設ける場合、内壁面と混合物Ｍ１とが接触する部分（例えば、反応槽２４２の下半分の壁部）を加熱するようにするとよい。
【００３５】
また、反応槽２４２には、ホッパ２４４と、排出管２４６ｂ、２４６ｃと、導入管２４６ｄ、供給管２４６ｅとが設けられている。ホッパ２４４は、反応槽２４２の一端側上部に接続され、混合物Ｍ１を反応槽２４２に投入するために設けられている。排出管２４６ｂは、反応槽２４２の他端側の側部に接続され、反応槽２４２において生成された第１多糖液Ｌ１を後述する第１触媒反応部２５０へ送出するための管である。また、排出管２４６ｂには、開閉弁２４６ｆが設けられている。
【００３６】
排出管２４６ｃは、反応槽２４２の他端側底部に接続され、反応槽２４２において未反応であった固体残渣ＳＲを反応槽２４２外に排出するための管である。また、排出管２４６ｃには、開閉弁２４６ｇが設けられている。導入管２４６ｄは、反応槽２４２の一端側に接続され、排出管２４６ｃから排出された固体残渣ＳＲを、再度反応槽２４２に導入するための管である。また、導入管２４６ｄには、開閉弁２４６ｈが設けられている。排出管２４６ｃと導入管２４６ｄとを備える構成により、加水分解反応において未反応の固体残渣ＳＲを反応槽２４２に還流することができる。これにより、固体残渣ＳＲに含まれる糖化酵素を再利用することが可能となる。
【００３７】
供給管２４６ｅは、反応槽２４２の上部に接続され、反応槽２４２内を移動する混合物Ｍ１に糖化酵素を補充するための管である。
【００３８】
攪拌部２４８は、反応槽２４２に収容された混合物Ｍ１を攪拌する。具体的に説明すると、攪拌部２４８は、回転軸２４８ａと、駆動部２４８ｂと、攪拌羽根（パドル）２４８ｃとを含んで構成される。
【００３９】
回転軸２４８ａは、反応槽２４２の中心軸と一致するように、反応槽２４２の長手方向に沿って配置され、反応槽２４２の両端に回動可能に軸支される。駆動部２４８ｂは、モータ等で構成され、回転軸２４８ａを回転駆動する。攪拌羽根２４８ｃは、回転軸２４８ａから放射方向に立設される、棒形状の部材である。
【００４０】
駆動部２４８ｂによって回転軸２４８ａが回転、または、往復回動（回動方向が時計回りと、反時計回りとに切りかわる回動）すると、攪拌羽根２４８ｃが反応槽２４２内を回転、または、旋回揺動する。これにより、反応槽２４２において、混合物Ｍ１が攪拌されて、鉛直上下方向に移動することとなる。
【００４１】
したがって、攪拌部２４８によって、混合物Ｍ１は、水平方向（反応槽２４２の長手方向）にも鉛直方向にも移動することになり、混合物Ｍ１の固体濃度が１０ｗｔ％以上であっても、反応槽２４２の内壁面に混合物Ｍ１が張り付いてしてしまう事態を回避することができる。これにより、混合物Ｍ１を実質的に均一に混合することができ、酵素反応の効率を向上させることが可能となる。
【００４２】
本実施形態では、反応槽２４２に一旦混合物Ｍ１が導入されると、第１多糖液Ｌ１が生成されるまで、攪拌部２４８が混合物Ｍ１を攪拌、混合し、第１多糖液Ｌ１の生成が終了すると、第１多糖液Ｌ１は排出管２４６ｂを通じて第１触媒反応部２５０へ送出されることとなる。
【００４３】
ＯＲＰ測定部２４０ａは、反応槽２４２に設けられ、混合物Ｍ１と第１多糖液Ｌ１の混合物の酸化還元電位を測定する。
【００４４】
図１に戻って説明すると、第１触媒反応部２５０では、酵素反応部２４０によって生成された第１多糖液Ｌ１（固体濃度１０ｗｔ％未満）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２５０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。
【００４５】
具体的に説明すると、第１触媒反応部２５０は、第１反応槽２５２と、第１固液分離部２５４と、第１ＯＲＰ測定部２５６とを含んで構成される。第１反応槽２５２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２５２に設けられた攪拌部２５２ａ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２５２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固液分離部２５４に送出される。
【００４６】
第１固液分離部２５４は、第１反応槽２５２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２５２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３１０へ送出する。第１固液分離部２５４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。
【００４７】
第１ＯＲＰ測定部２５６は、第１反応槽２５２における固液混合物Ｍ２の酸化還元電位（Oxidation-Reduction Potential）を測定する。
【００４８】
第２触媒反応部２６０では、固液分離部２２０によって分離された第２多糖液Ｌ２（固体濃度１０ｗｔ％未満）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２６０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。
【００４９】
具体的に説明すると、第２触媒反応部２６０は、第２反応槽２６２と、第２固液分離部２６４と、第２ＯＲＰ測定部２６６とを含んで構成される。第２反応槽２６２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２６２に設けられた攪拌部２６２ａ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２６２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固液分離部２６４に送出される。
【００５０】
第２固液分離部２６４は、第２反応槽２６２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２６２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３２０へ送出する。第２固液分離部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。
【００５１】
第２ＯＲＰ測定部２６６は、第２反応槽２６２における固液混合物Ｍ３の酸化還元電位を測定する。
【００５２】
中央制御部２７０は、ＣＰＵ（中央処理装置）を含む半導体集積回路で構成され、ＲＯＭからＣＰＵ自体を動作させるためのプログラムやパラメータ等を読み出し、ワークエリアとしてのＲＡＭや他の電子回路と協働して糖液製造装置１１０全体を管理および制御する。本実施形態において、中央制御部２７０は、負荷測定部、濃度推定部としても機能する。中央制御部２７０による負荷測定処理、濃度推定処理については、後で詳述する。
【００５３】
（エタノール製造装置１２０）
図１に示すように、エタノール製造装置１２０は、第１発酵部３１０と、第２発酵部３２０と、蒸留部３３０とを含んで構成される。
【００５４】
第１発酵部３１０は、糖液製造装置１１０の第１触媒反応部２５０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３１０によって生成されたエタノールＥ１は、後述する蒸留部３３０へ送出される。
【００５５】
第２発酵部３２０は、糖液製造装置１１０の第２触媒反応部２６０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３２０によって生成されたエタノールＥ２は、蒸留部３３０へ送出される。
【００５６】
蒸留部３３０は、第１発酵部３１０から送出されたエタノールＥ１と、第２発酵部３２０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。
【００５７】
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。ここで、エタノール製造システム１００を利用した製造プロセスは、例えば、加圧熱水反応部２１０では、導入されるリグノセルロース系バイオマスの加圧熱水反応処理に要する時間は、供給する加圧熱水の温度と供給量によって決定され、かかる時間が経過すると、次の工程を行う固液分離部２２０へ固液混合物ＳＬが送出されるように設計される。同様に、酵素反応部２４０では、導入される第１多糖物Ｓ１中のセルロースの濃度と、糖化酵素量に基づいて、酵素反応処理に要する時間が決定される。また、第１触媒反応部２５０では、導入される第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と、固体酸触媒Ｃ量に基づいて、触媒反応に要する時間が決定される。また、第２触媒反応部２６０では、第２多糖液Ｌ２中のヘミセルロース加水分解物の濃度と、固体酸触媒Ｃ量に基づいて、触媒反応に要する時間が決定される。
【００５８】
しかし、糖化酵素は、熱やｐＨの影響を受けやすく、変性して失活してしまうおそれがある。また、糖化酵素は、ロットによって活性にバラツキがある。このため、酵素反応部２４０では、設計を行う際に決定された酵素反応処理に要する時間（以下、単に設計時間と称する。）と、糖液製造装置１１０の稼働中に、所望する水溶性オリゴ糖および懸濁態多糖の濃度に到達するために要する時間（以下、単に到達時間と称する。）とにズレが生じる場合がある。
【００５９】
また、固体酸触媒Ｃも活性が変化することがあったり、ロットによって活性にバラツキがあったりする場合もある。このため、第１触媒反応部２５０、第２触媒反応部２６０では、設計を行う際に決定された触媒反応処理に要する時間（以下、単に設計時間と称する。）と、糖液製造装置１１０の稼働中に、所望するグルコースの濃度や、所望するキシロースの濃度に到達するために要する時間（以下、単に到達時間と称する。）とにズレが生じる場合がある。
【００６０】
そうすると、設計時間が到達時間より長い場合、酵素反応部２４０の攪拌部２４８や、第１触媒反応部２５０の第１反応槽２５２、第２触媒反応部２６０の第２反応槽２６２において不要な電力消費が生じたり、第１単糖液Ｇ１、第２単糖液Ｇ２を製造するための総時間、つまりエタノールＰＥを製造するための総時間が不要に長くなったりしてしまう。
【００６１】
一方、設計時間が到達時間より短い場合、製造された第１単糖液Ｇ１、第２単糖液Ｇ２中のグルコースやキシロースの濃度が所望する濃度未満となってしまい、エタノール製造装置１２０において、発酵効率が低下したり、蒸留処理に要する電力消費が増大したり、最終製造物のエタノールＰＥの濃度が薄くなったりしてしまう。
【００６２】
そこで、糖液製造装置１１０の中央制御部２７０は、糖化処理（酵素反応部２４０における酵素反応処理、第１触媒反応部２５０、第２触媒反応部２６０における触媒反応処理）中に加水分解物の濃度を迅速に推定することで、加水分解反応（酵素反応、触媒反応）の進行状況をリアルタイムに把握し、その濃度に応じて加水分解反応の残り時間や、反応槽２４２に供給する糖化酵素の量、第１反応槽２５２、第２反応槽２６２に供給する固体酸触媒Ｃの量、攪拌部２４８、２５２ａ、２６２ａの回転速度等、反応槽２４２、第１反応槽２５２、第２反応槽２６２における混合物の反応を制御する。
【００６３】
本願発明者は、鋭意検討したところ、酵素反応部２４０や、第１触媒反応部２５０、第２触媒反応部２６０における混合物の攪拌に要する負荷と、生成される加水分解物の濃度とに相関性があることを見出した。また、本願発明者は、反応槽２４２、第１反応槽２５２、第２反応槽２６２における混合物の酸化還元電位と、生成される加水分解物の濃度とに相関性があることを見出した。つまり、本願発明者は、攪拌部２４８、２５２ａ、２６２ａの攪拌に要する負荷、または、混合物の酸化還元電位に基づいて、生成される加水分解物の濃度を推定することができることに想到した。
【００６４】
ただし、混合物の攪拌に要する負荷の測定に適した固体濃度範囲と、混合物の酸化還元電位の測定に適した固体濃度範囲とがあるので、加水分解物の濃度推定の対象となる物質の固体濃度範囲に応じて使い分けるのが望ましい。具体的に説明すると、固体濃度が上昇すればするほど、混合物の流動性が低下し、酸化還元電位を測定するためのセンサの測定性が低下する（接触しても測定不可能となる）ため、酸化還元電位を測定するのが厳しくなるが、混合物の攪拌に要する負荷の測定は容易である。一方、固体濃度が低下すればするほど、混合物の流動性が上昇し、混合物の攪拌に要する負荷が変化しにくくなるが、酸化還元電位を測定するためのセンサと、混合物との接触性が向上するため、酸化還元電位を適切に測定することができる。混合物の攪拌に要する負荷の測定と、酸化還元電位の測定とで、どちらが容易であるかの固体濃度の境目は、例えば１０ｗｔ％である。
【００６５】
したがって、酵素反応部２４０のように、固体濃度が１０ｗｔ％以上である場合、混合物の攪拌に要する負荷に基づいた方が、加水分解物の濃度をより高精度に推定することができる。また、第１触媒反応部２５０、第２触媒反応部２６０のように、固体濃度が１０ｗｔ％未満である場合、酸化還元電位に基づいた方が、加水分解物の濃度をより高精度に推定することができる。以下、中央制御部２７０による濃度推定処理について詳述する。
【００６６】
（中央制御部２７０による濃度推定処理１）
まず、中央制御部２７０による、酵素反応部２４０における加水分解物（グルコース、水溶性オリゴ糖および懸濁態多糖）の濃度推定処理について説明する。酵素反応部２４０においては、固体濃度が１０ｗｔ％以上である。
【００６７】
図３は、酵素反応部２４０における攪拌に要する負荷の経時変化を示す図である。図３に示す、時刻ｔ０において酵素反応部２４０に混合物Ｍ１を導入した。図３に示すように、時間が経過するにしたがって、トルク値が減少していることが分かる。これは、混合物Ｍ１に含まれる固体（第１多糖物Ｓ１）が、糖化酵素によって加水分解され、液体（グルコース、水溶性オリゴ糖および懸濁態多糖）となるためである。つまり、固体濃度が１０ｗｔ％以上である場合、酵素反応が進行すると攪拌に要する負荷の変化が認められる。このため、酵素反応部２４０では、攪拌に要する負荷に基づいて、加水分解物（グルコース、水溶性オリゴ糖および懸濁態多糖）の濃度を推定する。以下、負荷に基づく濃度推定処理について説明する。
【００６８】
図４は、酵素反応部２４０における攪拌に要する負荷と、セルロースの加水分解物（グルコース）の濃度との相関性を説明するための図である。
【００６９】
本願発明者は、セルロースからセルロースの加水分解物（グルコース）への転換率に対するトルク値の微小変化は、そのときのトルク値に比例すると考え、下記数式（１）〜（４）を見出した。
【数１】
2014011969.tif 000003
…数式（１）
【数２】
2014011969.tif 000004
…数式（２）
【数３】
2014011969.tif 000005
…数式（３）
【数４】
2014011969.tif 000006
…数式（４）
ここで、Ｎはトルク値、Ｘはセルロースからセルロースの加水分解物（水溶性オリゴ糖および懸濁態多糖）への転換率、ｋは反応定数、ｃｏｎｓｔは積分定数、Ｇは生成されたセルロースの加水分解物（ここでは、グルコースとして換算）の濃度である。Ｃ０をセルロースの初期濃度、Ｎ０をトルクの初期値とすると、数式（２）は、数式（３）となる。
【００７０】
本願発明者は、固体濃度（セルロースの初期濃度Ｃ０）１５ｗｔ％の混合物Ｍ１を用いて酵素反応部２４０で酵素反応を行ったときのトルク値Ｎ（実測値）の経時変化と、セルロースの加水分解物の濃度Ｇ（実測値）の経時変化を測定した。なお、セルロースの加水分解物の濃度Ｇは、酵素法を用いてグルコースの濃度として測定した。測定結果を図４（ａ）に示す。なお、図４中、トルク値Ｎの実測値を白い丸で示し、セルロースの加水分解物の濃度Ｇの実測値を白い四角で示す。
【００７１】
そして、図４（ａ）に示す測定結果（実測値）に基づいて、トルク値Ｎと、セルロースの加水分解物の濃度Ｇとの相関性を示す１次式（数式（４））を求め、定数ｋ＝５．６９９５を得た。このときの相関係数Ｒ２は０．９以上となった（図４（ｂ）参照）。図４（ｃ）中、破線で示した、数式（２）によるセルロースの加水分解物の濃度Ｇを示す曲線（推定値）と濃度Ｇ（実測値）とを比較すると、両者が実質的に一致することが分かった。つまり、トルク値Ｎと、セルロースの加水分解物の濃度Ｇとは、高い相関があることが分かった。
【００７２】
そこで、中央制御部２７０は、酵素反応部２４０における攪拌部２４８の攪拌に要する負荷を測定し、かかる負荷に基づいて、加水分解物の濃度を推定する。
【００７３】
具体的に説明すると、負荷測定部として機能する中央制御部２７０は、酵素反応部２４０における攪拌部２４８の攪拌に要する負荷を測定する。本実施形態において、負荷測定部は、攪拌部２４８の回転軸２４８ａにかかるトルク値を測定する。トルク値の測定は、回転軸２４８ａと駆動部２４８ｂとの間にトルク変換機を設けておき、かかるトルク変換機から伝送されるトルク値を参照してもよいし、駆動部２４８ｂに印加される電流値に基づいてトルク値を算出してもよい。
【００７４】
濃度推定部として機能する中央制御部２７０は、測定されたトルク値に基づいて、混合物Ｍ１における加水分解物（グルコース、水溶性オリゴ糖および懸濁態多糖）の濃度を推定する。本実施形態において、濃度推定部は、上述した数式（１）〜数式（４）に基づいて作成された、攪拌に要する負荷（トルク値）と、加水分解物（グルコース、水溶性オリゴ糖および懸濁態多糖）の濃度とを一意に対応付けた関数またはテーブルを参照して、加水分解物の濃度を推定する。
【００７５】
このように、負荷測定部と、濃度推定部とを備える構成により、攪拌に要する負荷を測定するだけといった簡易な構成で、酵素反応部２４０におけるセルロースの加水分解物の濃度を推定することができる。つまり、セルロースの加水分解物の濃度を迅速に推定することができ、加水分解反応の進行状況をリアルタイムで把握することが可能となる。
【００７６】
したがって、エタノール製造システム１００を利用した製造プロセスの設計を行う際に決定された設計時間と、酵素反応部２４０における到達時間とにズレが生じたとしても、リアルタイムで推定されたセルロースの加水分解物の濃度に基づいて、酵素反応部２４０における酵素反応を制御することができる。例えば、酵素反応処理の残り時間、攪拌部２４８の回転速度、供給する糖化酵素の量等を制御することができる。
【００７７】
（中央制御部２７０による濃度推定処理２）
続いて、中央制御部２７０による、酵素反応部２４０、第１触媒反応部２５０、第２触媒反応部２６０における加水分解物（グルコース、キシロース）の濃度推定処理について説明する。酵素反応部２４０においては、投入される第１多糖物Ｓ１の量が少ない場合、固体濃度が１０ｗｔ％未満となる。この場合、酵素反応部２４０の反応槽は、図２に示した横型の反応槽２４２であっても、縦型の反応槽（回転軸が鉛直方向の反応槽）であってもよい。また、第１触媒反応部２５０、第２触媒反応部２６０においては、固体濃度が１０ｗｔ％未満である。
【００７８】
したがって、固体濃度が１０ｗｔ％未満である、酵素反応部２４０、第１触媒反応部２５０、第２触媒反応部２６０において、混合物は粘性が低く、流動性が高いため、酸化還元電位の測定が容易である。このため、固体濃度が１０ｗｔ％未満である、酵素反応部２４０、第１触媒反応部２５０、第２触媒反応部２６０では、酸化還元電位に基づいて、加水分解物（グルコース、キシロース）の濃度を推定する。以下、酸化還元電位に基づく濃度推定処理について説明する。
【００７９】
なお、中央制御部２７０による酵素反応部２４０における加水分解物（グルコース）の濃度推定処理と、第１触媒反応部２５０における加水分解物（グルコース）の濃度推定処理と、第２触媒反応部２６０における加水分解物（キシロース）の濃度推定処理とは実質的に処理が等しいので、ここでは、固体濃度が１０ｗｔ％未満である、酵素反応部２４０におけるグルコースの濃度推定処理について説明し、第１触媒反応部２５０、第２触媒反応部２６０におけるキシロースの濃度推定処理については、説明を省略する。
【００８０】
図５は、固体濃度が１０ｗｔ％未満である、酵素反応部２４０における酸化還元電位と、グルコースの濃度との相関性を説明するための図である。なお、図５中、酸化還元電位の実測値を白い丸で示し、グルコースの濃度の実測値を白い四角で示す。
【００８１】
本願発明者は、酵素反応部２４０で酵素反応を行ったときの、酸化還元電位（実測値）の経時変化と、セルロースの加水分解物（グルコース）の濃度（実測値）の経時変化を測定した。このとき、液体として酢酸ナトリウムバッファー（緩衝液）を用いた。なお、グルコースの濃度は、酵素法を用いて測定した。測定結果を図５（ａ）に示す。
【００８２】
そして、図５（ａ）に示す測定結果（実測値）に基づいて、酸化還元電位ＯＲＰの変化と、グルコースの濃度Ｇとの相関性を示す１次式（下記数式（５））を求めた（図５（ｂ）参照）。
Ｇ＝０．１３２６×ＯＲＰ＋３．３９３
…数式（５）
また、このときの相関係数Ｒ２は０．９９７以上となった。
【００８３】
図５（ａ）に示すように、図５（ａ）中、破線で示した、定数を反映した数式（５）によるグルコースの濃度Ｇを示す線（推定値）と、グルコースの濃度Ｇ（実測値）とを比較すると、両者が実質的に一致することが分かった。つまり、酸化還元電位ＯＲＰの変化と、グルコースの濃度Ｇとは、高い相関があることが分かった。
【００８４】
また、本願発明者は、液体として水を用いて、酵素反応部２４０で酵素反応を行ったときの、酸化還元電位（実測値）の経時変化と、グルコースの濃度（実測値）の経時変化を測定した。なお、ここでもグルコースの濃度は、酵素法を用いて測定した。測定結果を図５（ｃ）に示す。
【００８５】
そして、図５（ｃ）に示す測定結果（実測値）に基づいて、酸化還元電位ＯＲＰの変化と、グルコースの濃度Ｇとの相関性を示す１次式（下記数式（６））を求めた（図５（ｄ）参照）。
Ｇ＝０．２３５８×ＯＲＰ＋６．９０２
…数式（６）
また、このときの相関係数Ｒ２は０．９４２以上となった。
【００８６】
図５（ｃ）に示すように、図５（ｃ）中、破線で示した、定数を反映した数式（６）によるグルコースの濃度Ｇを示す線（推定値）と、グルコースの濃度Ｇ（実測値）とを比較すると、両者が実質的に一致することが分かった。したがって、実際の製造プロセスで利用される水を用いた場合であっても酸化還元電位ＯＲＰの変化と、グルコースの濃度Ｇとは、高い相関があることが分かった。
【００８７】
そこで、中央制御部２７０は、ＯＲＰ測定部２４０ａが測定した、酵素反応部２４０における混合物Ｍ１と第１多糖液Ｌ１の混合物の酸化還元電位に基づいて、加水分解物の濃度を推定する。
【００８８】
具体的に説明すると、濃度推定部として機能する中央制御部２７０は、測定された酸化還元電位に基づいて、混合物Ｍ１と第１多糖液Ｌ１の混合物における加水分解物（グルコース）の濃度を推定する。本実施形態において、濃度推定部は、上述した数式（５）または数式（６）に基づいて作成された、酸化還元電位の変化と、加水分解物（グルコース）の濃度とを一意に対応付けた関数またはテーブルを参照して、加水分解物の濃度を推定する。
【００８９】
このように、濃度推定部を備える構成により、酸化還元電位を測定するだけといった簡易な構成で、反応槽２４２（酵素反応部２４０）におけるセルロースの加水分解物の濃度を推定することができる。つまり、セルロースの加水分解物の濃度を迅速に推定することができ、加水分解反応の進行状況をリアルタイムで把握することが可能となる。
【００９０】
したがって、エタノール製造システム１００を利用した製造プロセスの設計を行う際に決定された設計時間と、反応槽２４２における到達時間とにズレが生じたとしても、リアルタイムで推定されたセルロースの加水分解物の濃度に基づいて、酵素反応部２４０における酵素反応を制御することができる。例えば、酵素反応処理の残り時間、攪拌部２４８の回転速度、供給する糖化酵素の量等を制御することができる。同様に、第１触媒反応部２５０、第２触媒反応部２６０における触媒反応を制御することができる。例えば、触媒反応処理の残り時間、攪拌部２５２ａ、攪拌部２６２ａの回転速度、供給する固体酸触媒Ｃの量等を制御することができる。
【００９１】
（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６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６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Ｓ３１０、時間判定処理Ｓ３１２、固液分離処理Ｓ３１４、時間判定処理Ｓ３１６、冷却処理Ｓ３１８、時間判定処理Ｓ３２０、酵素反応処理Ｓ３３０、負荷測定処理Ｓ３３２、濃度判定処理Ｓ３３４、触媒反応処理Ｓ３３６、ＯＲＰ測定処理Ｓ３３８、濃度判定処理Ｓ３４０、エタノール製造処理Ｓ３５０を含む。ここで、加圧熱水反応処理Ｓ３１０から濃度判定処理Ｓ３４０までの処理が糖液製造方法に該当する。
【００９２】
また、ここでは、第１触媒反応部２５０による触媒反応処理（触媒反応処理Ｓ３３６、ＯＲＰ測定処理Ｓ３３８、濃度判定処理Ｓ３４０）について説明する。なお、第２触媒反応部２６０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２５０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。
【００９３】
図６に示すように、加圧熱水反応部２１０は、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（加圧熱水反応処理Ｓ３１０）。中央制御部２７０は、加圧熱水反応処理Ｓ３１０においてヘミセルロースが十分に加水分解されるための予め設定された設定時間が経過したか否かを判定する（時間判定処理Ｓ３１２）。そして、予め設定された時間が経過するまで（Ｓ３１２におけるＮＯ）、加圧熱水反応処理Ｓ３１０を遂行する。
【００９４】
加圧熱水反応部２１０において、予め設定された時間が経過すると（Ｓ３１２におけるＹＥＳ）、固液分離部２２０は、加圧熱水反応処理Ｓ３１０で生成された固液混合物ＳＬを、第１多糖物Ｓ１（固体）と、第２多糖液Ｌ２（液体）とに分離する（固液分離処理Ｓ３１４）。中央制御部２７０は、固液分離処理Ｓ３１４において固液混合物ＳＬが十分に固液分離されるための予め設定された設定時間が経過したか否かを判定する（時間判定処理Ｓ３１６）。そして、予め設定された時間が経過するまで（Ｓ３１６におけるＮＯ）、固液分離処理Ｓ３１４を遂行する。
【００９５】
固液分離部２２０において、予め設定された時間が経過すると（Ｓ３１６におけるＹＥＳ）、冷却部２３０は、固液分離処理Ｓ３１４で分離された第１多糖物Ｓ１を冷却する（冷却処理Ｓ３１８）。中央制御部２７０は、冷却処理Ｓ３１８において、後述する酵素反応処理Ｓ３３０において糖化酵素の活性が高くなる程度に第１多糖物Ｓ１が冷却されるための予め設定された設定時間が経過したか否かを判定する（時間判定処理Ｓ３２０）。そして、予め設定された時間が経過するまで（Ｓ３２０におけるＮＯ）、冷却処理Ｓ３１８を遂行する。
【００９６】
冷却部２３０において、予め設定された時間が経過すると（Ｓ３２０におけるＹＥＳ）、酵素反応部２４０は、冷却処理Ｓ３１８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（酵素反応処理Ｓ３３０）。中央制御部２７０（負荷測定部）は、酵素反応部２４０の攪拌部２４８の回転軸２４８ａにかかるトルク値を測定する（負荷測定処理Ｓ３３２）。そして、中央制御部２７０（濃度推定部）は、負荷測定処理Ｓ３３２で測定した負荷に基づいて、セルロースの加水分解物（グルコース、水溶性オリゴ糖および懸濁態多糖）の濃度Ｇを推定し、推定した濃度Ｇが予め定められた第１閾値以上となったか否かを判定する（濃度判定処理Ｓ３３４）。そして、推定した濃度Ｇが予め定められた第１閾値以上になるまで（Ｓ３３４におけるＮＯ）、酵素反応処理Ｓ３３０を遂行する。ここで、第１閾値は、後述するエタノール製造処理Ｓ３５０において、所望される濃度のエタノールが製造されるために必要な、水溶性オリゴ糖および懸濁態多糖（セルロースの加水分解物）の濃度の最低値である。
【００９７】
酵素反応部２４０において、推定した濃度Ｇが予め定められた第１閾値以上になると（Ｓ３３４におけるＹＥＳ）、第１触媒反応部２５０は、酵素反応処理Ｓ３３０で生成された第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（触媒反応処理Ｓ３３６）。第１ＯＲＰ測定部２５６は、第１反応槽２５２における固液混合物Ｍ２の酸化還元電位を測定する（ＯＲＰ測定処理Ｓ３３８）。そして、中央制御部２７０（濃度推定部）は、ＯＲＰ測定処理Ｓ３３８で測定した酸化還元電位に基づいて、セルロースの加水分解物（グルコース）の濃度Ｇを推定し、推定した濃度Ｇが予め定められた第２閾値以上となったか否かを判定する（濃度判定処理Ｓ３４０）。そして、推定した濃度Ｇが予め定められた第２閾値以上になるまで（Ｓ３４０におけるＮＯ）、触媒反応処理Ｓ３３６を遂行する。ここで、第２閾値は、後述するエタノール製造処理Ｓ３５０において、所望される濃度のエタノールが製造されるために必要なグルコース（セルロースの加水分解物）の濃度の最低値である。
【００９８】
第１触媒反応部２５０において、推定した濃度Ｇが予め定められた第２閾値以上になると（Ｓ３４０におけるＹＥＳ）、エタノール製造装置１２０は、触媒反応処理Ｓ３３６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（エタノール製造処理Ｓ３５０）。
【００９９】
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、セルロース、キシロースの加水分解物（水溶性オリゴ糖および懸濁態多糖、グルコース、キシロース）の濃度を迅速に推定することができ、加水分解反応の進行状況をリアルタイムで把握することが可能となる。したがって、推定した濃度に応じて適切に加水分解の反応を制御することができる。
【０１００】
なお、上述した実施形態において、推定した加水分解物の濃度に基づいて、中央制御部２７０は、酵素反応部２４０における酵素反応処理の残り時間、第１触媒反応部２５０における触媒反応処理の残り時間、第２触媒反応部２６０における触媒反応処理の残り時間を制御している。しかし、中央制御部２７０は、推定した加水分解物の濃度に基づいて、攪拌部２４８、２５２ａ、２６２ａの回転速度や、供給する糖化酵素、固体酸触媒Ｃの量等を制御してもよい。
【０１０１】
（第２の実施形態：エタノール製造システム４００）
上述した実施形態において、酵素反応部２４０における酵素反応の進行状況を把握するために、攪拌部２４８の攪拌に要する負荷のみに基づいて、加水分解物（水溶性オリゴ糖および懸濁態多糖）の濃度を推定していた。しかし、攪拌部２４８の攪拌に要する負荷に加えて、混合物Ｍ１における酸化還元電位を測定して、加水分解物（水溶性オリゴ糖および懸濁態多糖）の濃度を推定してもよい。
【０１０２】
図７は、第２の実施形態にかかるエタノール製造システム４００を説明するための図である。図７に示すように、エタノール製造システム４００は、糖液製造装置４１０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。図７中、物質（液体、固体等）の流れを実線の矢印で示し、信号の流れを破線の矢印で示す。また、糖液製造装置４１０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４４０と、第１触媒反応部２５０と、第２触媒反応部２６０と、中央制御部４７０と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する。
【０１０３】
図８は、第２の実施形態にかかる酵素反応部４４０を説明するための図であり、図８（ａ）は、酵素反応部４４０の斜視図を、図８（ｂ）は、図８（ａ）におけるＸＺ平面の断面の概略図を示す。本実施形態の図８では、垂直に交わるＸ軸（水平方向）、Ｙ軸（水平方向）、Ｚ軸（鉛直方向）を図示の通り定義している。
【０１０４】
図８に示すように、酵素反応部４４０は、反応槽２４２と、攪拌部２４８と、第３ＯＲＰ測定部４５０とを含んで構成され、第１多糖物Ｓ１に、触媒としての糖化酵素と、水とを添加するとともに、第１多糖物Ｓ１、糖化酵素、水を攪拌、混合して、酵素反応を遂行する。本実施形態では、ホッパ２４４から混合物Ｍ１が順次投入され、第１多糖液Ｌ１が排出管２４６ｂから順次送出される。すなわち、酵素反応部４４０において、連続的に酵素反応が遂行されることとなる。
【０１０５】
そうすると、図８（ｂ）中、白抜き矢印で示すように、反応槽２４２の一端側から投入された混合物Ｍ１（固体濃度１０ｗｔ％以上）は、他端側に向かって移動し、移動中に酵素反応が進行して、第１多糖液Ｌ１（液体、すなわち固体濃度１０ｗｔ％未満）が生成されることとなる。また、攪拌部２４８は、反応槽２４２の長手方向に垂直な方向に攪拌するため、混合物Ｍ１は、鉛直方向にも移動する、すなわち、鉛直上方に持ち上げられたり、落下したりすることになる。
【０１０６】
したがって、混合物Ｍ１が反応槽２４２の一端側から他端側に移動する間に、徐々に酵素反応が進行して第１多糖液Ｌ１が生成され、他端側に移動するに従って、第１多糖液Ｌ１の量が徐々に増加するとともに、未反応の混合物Ｍ１である固体残渣ＳＲの量が徐々に減少する。つまり、反応槽２４２の一端側では、固体濃度が１０ｗｔ％以上であるが、他端側では１０ｗｔ％未満となり、他端側において酸化還元電位を測定することができる。
【０１０７】
そこで、酵素反応部４４０において、第３ＯＲＰ測定部４５０は、反応槽２４２の他端側に設けられ、混合物Ｍ１と第１多糖液Ｌ１の混合物の酸化還元電位を測定する。
【０１０８】
また、本実施形態において、攪拌部２４８の攪拌羽根２４８ｃは、混合物Ｍ１が投入される反応槽２４２の一端側に多く、他端側において少なくなるように設けられ、酵素反応の初期段階（一端側）においては比較的頻繁に攪拌して反応を促進し、反応進行によって第１多糖液Ｌ１が生成されたら攪拌頻度を低下させて固体残渣ＳＲを沈降分離しやすくなるように構成されている。
【０１０９】
図７に戻って説明すると、中央制御部４７０は、中央制御部は、ＣＰＵ（中央処理装置）を含む半導体集積回路で構成され、ＲＯＭからＣＰＵ自体を動作させるためのプログラムやパラメータ等を読み出し、ワークエリアとしてのＲＡＭや他の電子回路と協働して糖液製造装置４１０全体を管理および制御する。本実施形態において、中央制御部４７０は、負荷測定部、濃度推定部としても機能する。
【０１１０】
中央制御部４７０による、酵素反応部４４０における加水分解物（水溶性オリゴ糖および懸濁態多糖）の濃度推定処理について説明すると、本実施形態において、濃度測定部として機能する中央制御部４７０は、攪拌部２４８の攪拌に要する負荷と、第３ＯＲＰ測定部４５０で測定された酸化還元電位とに基づいて、セルロースの加水分解物（水溶性オリゴ糖および懸濁態多糖）の濃度を推定する。攪拌部２４８の攪拌に要する負荷に基づく濃度推定処理と、酸化還元電位に基づく濃度推定処理については、上述した第１の実施形態ですでに説明しているため、ここでは、説明を省略する。
【０１１１】
このように、中央制御部４７０が、攪拌部２４８の攪拌に要する負荷に加えて、混合物Ｍ１における酸化還元電位を測定して、加水分解物（水溶性オリゴ糖および懸濁態多糖）の濃度を推定することで、迅速かつ高精度にセルロースの加水分解物の濃度を推定することができる。
【０１１２】
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。
【０１１３】
例えば、上述した実施形態において、糖液製造装置１１０の中央制御部２７０、糖液製造装置４１０の中央制御部４７０は、酵素反応部２４０、４４０におけるセルロースの加水分解物（グルコース、水溶性オリゴ糖および懸濁態多糖）の濃度、第１反応槽２５２の加水分解物（グルコース）の濃度、第２反応槽２６２の加水分解物（キシロース）の濃度を推定している。しかし、中央制御部２７０、４７０は、酵素反応部２４０、４４０におけるセルロースの加水分解物（グルコース、水溶性オリゴ糖および懸濁態多糖）の濃度、第１反応槽２５２の加水分解物（グルコース）の濃度、および第２反応槽２６２の加水分解物（キシロース）の濃度の群から選択される１または複数の濃度を推定してもよい。
【０１１４】
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装置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、乳酸を製造してもよい。
【０１１５】
また、上述した実施形態において、糖液製造装置１１０、４１０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、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または複数が含まれていればよく、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。
【０１１６】
また、上述した実施形態において、酵素反応部２４０、４４０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２５２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。
【０１１７】
また、上述した実施形態において、酵素反応部２４０、４４０は、セルロースおよびリグニンを含む第１多糖物Ｓ１を糖化処理している。しかし、酵素反応部２４０、４４０の前段に第１多糖物Ｓ１からリグニンを除去する工程を設けておき、リグニンを除去した第１多糖物Ｓ１を酵素反応部２４０、４４０に供給してもよい。これにより、酵素反応部２４０、４４０において第１多糖物Ｓ１中の糖化酵素の濃度を向上させることができ、糖化処理の効率を向上させることが可能となる。
【０１１８】
また、上述した実施形態において、第１触媒反応部２５０および第２触媒反応部２６０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。
【０１１９】
また、上述した実施形態において、酵素反応部２４０、酵素反応部４４０の反応槽２４２は、円筒形状であるが、混合物Ｍ１を実質的に均一に攪拌できれば、形状に限定はない。
【０１２０】
また、上述した実施形態において、酵素反応部２４０が、第１多糖物Ｓ１から第１多糖液Ｌ１を生成し、第１触媒反応部２５０が第１多糖液Ｌ１から第１単糖液Ｇ１を生成する構成を例に挙げて説明した。しかし、酵素反応部２４０を設けず、第１触媒反応部２５０が第１多糖物Ｓ１から第１単糖液Ｇ１を生成することもできる。この場合、第１反応槽２５２の固体濃度は１０ｗｔ％以上となるため、第１触媒反応部２５０において、攪拌部２５２ａの攪拌に要する負荷に基づいて、加水分解物（グルコース、水溶性オリゴ糖および懸濁態多糖）の濃度を推定することもできる。
【０１２１】
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】
【０１２２】
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】
【０１２３】
１００、４００  …エタノール製造システム
１１０、４１０  …糖液製造装置
１２０  …エタノール製造装置
２４０ａ…ＯＲＰ測定部
２４２  …反応槽
２４８、２５２ａ、２６２ａ  …攪拌部
２５２  …第１反応槽（反応槽）
２６２  …第２反応槽（反応槽）
２５６  …第１ＯＲＰ測定部（ＯＲＰ測定部）
２６６  …第２ＯＲＰ測定部（ＯＲＰ測定部）
２７０、４７０  …中央制御部（負荷測定部、濃度推定部）
４５０  …第３ＯＲＰ測定部（ＯＲＰ測定部）
【図１】
2014011969.tif 000007
【図２】
2014011969.tif 000008
【図３】
2014011969.tif 000009
【図４】
2014011969.tif 000010
【図５】
2014011969.tif 000011
【図６】
2014011969.tif 000012
【図７】
2014011969.tif 000013
【図８】
2014011969.tif 000014