(57)【要約】  セルロース、ヘミセルロース及びリグニンを有するバイオマス原料１１を常圧下から加圧下に供給するバイオマス供給部１２と、バイオマス原料１１を加圧熱水（以下、「熱水」ともいう）１５により水熱分解し、加圧熱水１５中にリグニン成分及びヘミセルロース成分を溶解する水熱分解部１７と、前記水熱分解部１７からバイオマス固形分２０を抜出するバイオマス固形分抜出部１８と、バイオマス固形分抜出部１８と連通すると共に、抜出したバイオマス固形分２０が投入されると共に、バイオマス固形分２０に酵素３０を供給してバイオマス固形分２０を液化する酵素液化槽２１と、液化されたバイオマス固形分２４を加圧下から常圧下へ排出する排出部２３とを有する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
セルロース、ヘミセルロース及びリグニンを有するバイオマス原料を常圧下から加圧下に供給するバイオマス供給部と、
バイオマス原料を加圧熱水により水熱分解し、加圧熱水中にリグニン成分及びヘミセルロース成分を溶解する水熱分解部と、
前記水熱分解部からバイオマス固形分を抜出するバイオマス固形分抜出部と、
バイオマス固形分抜出部と連通すると共に、抜出したバイオマス固形分が投入されると共に、バイオマス固形分に酵素を供給してバイオマス固形分を液化する酵素液化槽とを有することを特徴とするバイオマスの水熱分解システム。
【請求項２】
請求項１において、
前記水熱分解部が、装置本体の一端側から供給されたバイオマス原料を、該装置本体の内部にて搬送手段により装置本体の他端側へ搬送すると共に、前記バイオマス原料の供給箇所と異なる他端側から加圧熱水を装置本体の内部に供給し、前記バイオマス原料と加圧熱水とを対向接触させつつ水熱分解し、排出する加圧熱水である熱水排出液中に熱水溶解成分を移行し、前記バイオマス原料中からリグニン成分及びヘミセルロース成分を分離してなることを特徴とするバイオマスの水熱分解システム。
【請求項３】
請求項１又は２において、
前記酵素液化槽で液化されたバイオマス固形分を糖化する第１の糖化槽を有することを特徴とするバイオマスの水熱分解システム。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか一つにおいて、
前記水熱分解部からの熱水排出液を糖化する第２の糖化槽を有することを特徴とするバイオマスの水熱分解システム。
【請求項５】
請求項３において、
前記第１の糖化槽で糖化後の糖液から、固体分を分離する第１の固液分離装置と、
固体分離後の糖液から、水を除去する第１の水分分離装置とを有することを特徴とするバイオマスの水熱分解システム。
【請求項６】
請求項４において、
前記第２の糖化槽で糖化後の糖液から、固体分を分離する第２の固液分離装置と、
固体分離後の糖液から、水を除去する第２の水分分離装置とを有することを特徴とするバイオマスの水熱分解システム。
【請求項７】
請求項１において、
前記水熱分解部から排出されるバイオマス熱水可溶分を含む熱水排出液を、前記酵素液化槽へ導入する熱水排出液導入ラインを有してなり、
前記液化されたバイオマス固形分を熱水排出液で混合して混合液化物とすることを特徴とするバイオマスの水熱分解システム。
【請求項８】
請求項７において、
前記熱水排出液導入ラインに、フィルタを介装してなることを特徴とするバイオマスの水熱分解システム。
【請求項９】
請求項７において、
前記排出液導入ラインに、冷却手段を介装することを特徴とするバイオマスの水熱分解システム。
【請求項１０】
請求項７において、
前記酵素糖化槽で液化した混合液化物を用いて糖化する糖化槽を有することを特徴とするバイオマスの水熱分解システム。
【請求項１１】
請求項１０において、
前記糖化槽で糖化した後の糖液から、固体分を分離する固液分離装置と、
固体分離後の糖液から、水を除去する水分分離装置とを有することを特徴とするバイオマスの水熱分解システム。
【請求項１２】
セルロース、ヘミセルロース及びリグニンを有するバイオマス原料を常圧下から加圧下に供給し、前記バイオマス原料を加圧熱水により水熱分解部により水熱分解し、前記加圧熱水中にリグニン成分及びヘミセルロース成分を溶解させ、その後、前記水熱分解部から抜出したバイオマス固形分に、酵素が投入され、前記水熱分解部と連通する酵素液化槽にて、バイオマス固形分を液化し、次いで、液化されたバイオマス固形分を酵素により単糖化し、単糖の糖液を生産することを特徴とするバイオマス原料を用いた糖液生産方法。
【請求項１３】
請求項１２において、
前記バイオマス固形分の酵素液化を加圧条件下で行うと共に、
前記液化されたバイオマス固形分を抜出し、常圧条件下で酵素単糖化することを特徴とするバイオマス原料を用いた糖液生産方法。
【請求項１４】
請求項１２において、
前記酵素液化槽に、前記水熱分解部から排出されるバイオマス熱水可溶分を含む熱水排出液を投入しつつ混合液化物とすることを特徴とするバイオマス原料を用いた糖液生産方法。
【請求項１５】
請求項１４において、
前記単糖の糖液の生産を常圧条件下で酵素糖化することを特徴とするバイオマス原料を用いた糖液生産方法。
【請求項１６】
請求項１２乃至１５のいずれか一つのバイオマス原料を用いた糖液生産方法により得られた糖液を用いてアルコール発酵を行い、アルコールを製造することを特徴とするアルコール製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バイオマス原料を効率よく分解することができるバイオマスの水熱分解システム、バイオマス原料を用いた糖液生産方法及びアルコール製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、希硫酸、濃硫酸による木材等のバイオマスの糖化処理後、固液分離し、液相を中和処理し、エタノール発酵等の原料として利用するエタノール等の製造技術が実用化されている（特許文献１、特許文献２）。
また、糖を出発原料として、化学工業原料生産（例えば乳酸発酵等）も考えられる。
ここで、バイオマスとは、地球生物圏の物質循環系に組み込まれた生物体又は生物体から派生する有機物の集積をいう（ＪＩＳ  Ｋ  ３６００  １２５８参照）。【０００３】
ここで、現在アルコール原料として用いられているサトウキビ、トウモロコシ等は本来食用に供されるものであるが、これらの食用資源を長期的、安定的に工業用利用資源とすることは、有効食料品のライフサイクルの観点から、好ましくない。【０００４】
このため、将来的に有用な資源と考えられる草本系バイオマスや木質系バイオマスのようなセルロース系資源を有効活用するのは、重要な課題である。【０００５】
また、セルロース系資源では、セルロースは３８〜５０％、ヘミセルロース成分が２３〜３２％と様々で、発酵原料にならないリグニン成分も１５〜２２％とそれぞれ異なっている。多くの課題を抱えたままの工業化研究のため、原料は固定的に想定されており、原料の汎用性を考慮した生産システムの技術の開示は未だないのが現状である。【０００６】
さらに、元来、澱粉原料に較べて発酵原料に不利な原料で、ごみ問題、地球温暖化防止対応などを目標に考えるのであるから、原料を固定的に考えた生産システムでは意味が薄れる。広く一般の廃棄物に適用できなければならない。酵素糖化法そのものも、効率が悪く、将来課題とされているのが現状である。酸処理による糖化率も、過剰反応による糖の過分解などで、およそ７５％（糖化可能成分基準）前後とかなり小さい値となっている。従って、セルロース系資源に対して、エタノール生産収率はおよそ２５％に止まっている（特許文献３）。【０００７】
なお、特許文献１乃至３の従来の技術では、副反応生成物が酵素糖化阻害を引起し糖収率が減少する現象が起きていたので、酵素糖化阻害物質を除去し、セルロース主体による酵素糖化性を高める水熱分解装置の提案を先にした（特許文献４乃至７）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特表平９−５０７３８６号公報
【特許文献２】特表平１１−５０６９３４号公報
【特許文献３】特開２００５−１６８３３５号公報
【特許文献４】特開２００９−１８３８０５号公報
【特許文献５】特開２００９−１８３１５４号公報
【特許文献６】特許第４７６４５２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
前述した特許文献６における水熱分解装置の提案では、酵素液化槽でスラリー化する場合には、外部から水を供給するので、プラント全体における水使用量が嵩み、プラントの経済性が悪化するという、問題がある。【００１０】
本発明は、前記課題に鑑み、プラント効率の向上したバイオマスの水熱分解システム、バイオマス原料を用いた糖液生産方法及びアルコール製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上述した課題を解決するための本発明の第１の発明は、セルロース、ヘミセルロース及びリグニンを有するバイオマス原料を常圧下から加圧下に供給するバイオマス供給部と、バイオマス原料を加圧熱水により水熱分解し、加圧熱水中にリグニン成分及びヘミセルロース成分を溶解する水熱分解部と、前記水熱分解部からバイオマス固形分を抜出するバイオマス固形分抜出部と、バイオマス固形分抜出部と連通すると共に、抜出したバイオマス固形分が投入されると共に、バイオマス固形分に酵素を供給してバイオマス固形分を液化する酵素液化槽とを有することを特徴とするバイオマスの水熱分解システムにある。【００１２】
第２の発明は、第１の発明において、前記水熱分解部が、装置本体の一端側から供給されたバイオマス原料を、該装置本体の内部にて搬送手段により装置本体の他端側へ搬送すると共に、前記バイオマス原料の供給箇所と異なる他端側から加圧熱水を装置本体の内部に供給し、前記バイオマス原料と加圧熱水とを対向接触させつつ水熱分解し、排出する加圧熱水である熱水排出液中に熱水溶解成分を移行し、前記バイオマス原料中からリグニン成分及びヘミセルロース成分を分離してなることを特徴とするバイオマスの水熱分解システムにある。【００１３】
第３の発明は、第１又は２の発明において、前記液化されたバイオマス固形分を糖化する第１の糖化槽を有することを特徴とするバイオマスの水熱分解システムにある。【００１４】
第４の発明は、第１乃至３のいずれか一つの発明において、前記水熱分解部からの熱水排出液を糖化する第２の糖化槽を有することを特徴とするバイオマスの水熱分解システムにある。【００１５】
第５の発明は、第３の発明において、前記第１の糖化槽で糖化後の糖液から、固体分を分離する第１の固液分離装置と、固体分離後の糖液から、水を除去する第１の水分分離装置とを有することを特徴とするバイオマスの水熱分解システムにある。【００１６】
第６の発明は、第４の発明において、前記第２の糖化槽で糖化後の糖液から、固体分を分離する第２の固液分離装置と、固体分離後の糖液から、水を除去する第２の水分分離装置とを有することを特徴とするバイオマスの水熱分解システムにある。【００１７】
第７の発明は、第１の発明において、前記水熱分解部から排出されるバイオマス熱水可溶分を含む熱水排出液を、前記酵素液化槽へ導入する排出液導入ラインを有してなり、
前記液化されたバイオマス固形分を熱水排出液で混合して混合液化物とすることを特徴とするバイオマスの水熱分解システムにある。【００１８】
第８の発明は、第７の発明において、前記排出液導入ラインに、フィルタを介装してなることを特徴とするバイオマスの水熱分解システムにある。【００１９】
第９の発明は、第７の発明において、前記排出液導入ラインに、冷却手段を介装することを特徴とするバイオマスの水熱分解システムにある。【００２０】
第１０の発明は、第７の発明において、前記酵素糖化で液化した混合液化物を用いて糖化する糖化槽を有することを特徴とするバイオマスの水熱分解システムにある。【００２１】
第１１の発明は、第１０の発明において、前記糖化槽で糖化した後の糖液から、固体分を分離する固液分離装置と、固体分離後の糖液から、水を除去する水分分離装置とを有することを特徴とするバイオマスの水熱分解システムにある。【００２２】
第１２の発明は、セルロース、ヘミセルロース及びリグニンを有するバイオマス原料を常圧下から加圧下に供給し、前記バイオマス原料を加圧熱水により水熱分解部により水熱分解し、前記加圧熱水中にリグニン成分及びヘミセルロース成分を溶解させ、その後、前記水熱分解部から抜出したバイオマス固形分に、酵素が投入され、前記水熱分解部と連通する酵素液化槽にて、バイオマス固形分を液化し、次いで、液化されたバイオマス固形分を酵素により単糖化し、単糖の糖液を生産することを特徴とするバイオマス原料を用いた糖液生産方法にある。【００２３】
第１３の発明は、第１２の発明において、前記バイオマス固形分の酵素液化を加圧条件下で行うと共に、前記液化されたバイオマス固形分を抜出し、常圧条件下で酵素単糖化することを特徴とするバイオマス原料を用いた糖液生産方法にある。【００２４】
第１４の発明は、第１２の発明において、前記酵素液化槽に、前記水熱分解部から排出されるバイオマス熱水可溶分を含む熱水排出液を投入しつつ混合液化物とすることを特徴とするバイオマス原料を用いた糖液生産方法にある。【００２５】
第１５の発明は、第１４の発明において、前記単糖の糖液の生産を常圧条件下で酵素糖化することを特徴とするバイオマス原料を用いた糖液生産方法にある。【００２６】
第１６の発明は、第１２乃至１５のいずれか一つのバイオマス原料を用いた糖液製造方法により得られた糖液を用いてアルコール発酵を行い、アルコールを製造することを特徴とするアルコール製造方法にある。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、水熱分解部で、加圧熱水中にリグニン成分及びヘミセルロース成分を溶解させたバイオマス固形分に酵素を供給し、該バイオマス固形分を液化させ、該液化物で液体シールがなされ、水熱分解部の加圧気体の流出を防止することができる。
また、外部より水を供給して、スラリー化させる必要がなくなるので、スラリー化処理する際の水の導入量を低減することとなり、プラント効率の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】図１は、実施例１に係るバイオマスの水熱分解システムの概略図である。
【図２】図２は、実施例１に係る他のバイオマスの水熱分解システムの概略図である。
【図３】図３は、実施例１に係る他のバイオマスの水熱分解システムの概略図である。
【図４】図４は、実施例２に係るバイオマスの水熱分解システムの概略図である。
【図５】図５は、実施例２に係る他のバイオマスの水熱分解システムの概略図である。
【図６】図６は、実施例３に係るバイオマスの水熱分解システムの概略図である。
【図７】図７は、実施例３に係る他のバイオマスの水熱分解システムの概略図である。
【図８】図８は、実施例４に係るバイオマスの水熱分解システムの概略図である。
【図９】図９は、実施例５に係るバイオマスの水熱分解システムの概略図である。
【図１０】図１０は、実施例６に係るバイオマスの水熱分解システムの概略図である。
【図１１】図１１は、実施例７に係るバイオマスの水熱分解システムの概略図である。
【図１２】図１２は、バイオマスを熱水で水熱分解する垂直型の水熱分解装置の模式図である。
【図１３】図１３は、バイオマスの熱水による分解の様子を示す図である。
【図１４】図１４は、バイオマス固形分の酵素による液化及び単糖化の糖化工程の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施例における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。
【実施例１】
【００３０】
本発明に係るバイオマスの水熱分解システムについて、図面を参照して説明する。
図１は、実施例１に係るバイオマスの水熱分解システムの概略図である。図２及び３は、実施例１に係る他のバイオマスの水熱分解システムの概略図である。
先ず、図１に示すように、本実施例に係るバイオマスの水熱分解システム１０Ａは、セルロース、ヘミセルロース及びリグニンを有するバイオマス原料１１を常圧下から加圧下に供給するバイオマス供給部１２と、バイオマス原料１１を加圧熱水（以下、「熱水」ともいう）１５により水熱分解し、加圧熱水１５中にリグニン成分及びヘミセルロース成分を溶解する水熱分解部１７と、前記水熱分解部１７からバイオマス固形分２０を抜出するバイオマス固形分抜出部１８と、バイオマス固形分抜出部１８と連通すると共に、抜出したバイオマス固形分２０が投入されると共に、バイオマス固形分２０に酵素３０を供給してバイオマス固形分２０を液化する酵素液化槽２１と、液化されたバイオマス固形分２４を加圧下から常圧下へ排出する排出部２３とを有するものである。【００３１】
前記水熱分解部１７としては、バイオマス原料１１を高温・高圧条件で分解処理する公知の水熱処理装置を用いることができる。図１を用いて水熱分解システムの一例を説明するが、本発明はこの水熱分解システムに限定されるものではない。
図１に示すように、本実施例に係る水熱分解システムでは、水熱分解部１７に供給されたバイオマス原料１１を、下方から装置本体１３の内部にて、搬送手段である第１のスクリュー手段１４により上方へ搬送すると共に、前記バイオマス原料１１の供給箇所と異なる上方の側から加圧熱水１５を装置本体１３の内部に供給し、前記バイオマス原料１１と加圧熱水１５とを対向接触させつつ水熱分解し、排出する加圧熱水である熱水排出液１６中に熱水溶解成分（リグニン成分及びヘミセルロース成分）を移行し、前記バイオマス原料１１中からリグニン成分及びヘミセルロース成分を分離してなるものである。【００３２】
ここで、搬送手段としては、本実施例ではスクリュー手段を例示しているが、バイオマス固形分２０を下方から上方に搬送することができるものであれば、スクリュー手段に限定されるものではなく、例えば圧密充填により徐々に押し出す方法としてもよい。
また、本実施例では、バイオマス固形分２０を、装置の一端の下方側から他端の上方側に搬送手段により搬送すると共に熱水を装置の他端の上方側から供給しているが、本発明はこれに限定されず、バイオマス固形分２０を上方側から供給し、熱水を下方側から供給して対向接触させるようにしてもよい。【００３３】
本実施例では、酵素液化槽２１に投入される酵素３０により、抜出されたバイオマス固形分２０が一部液化され、液面が形成されるので、加圧用の加圧窒素２５のリークを防止する目的としての液体シールが可能となる。【００３４】
また、酵素反応を円滑に行うためには、図２に示す実施例に係るバイオマスの水熱分解システム１０Ｂに示すように、酵素液化槽２１に冷却手段２６を設けるようにしても良い。なお、高温耐性酵素を用いる場合には、冷却手段を不要としてもよい。冷却手段２６としては、外部側又は内部側のいずれか一方又は両方で酵素が性能を示す温度に酵素液化槽２１内を冷却するようにすればよい。【００３５】
また、冷却手段２６で冷却することで、バイオマス固形分２０に同伴する水分中に含まれるヘミセルロースの過分解（分解開始温度約１４０℃〜１８０℃）を抑制することが可能となる。【００３６】
このため、図３に示す実施例に係るバイオマスの水熱分解システム１０Ｃに示すように、水３２を酵素液化槽２１に別途供給し、内部を冷却するとともに、液化されたバイオマス固形分２４の水分調整を実施してもよい。この場合、供給する水３２は、例えば０℃〜６０℃の範囲内で通常用いられる水（例えば純水、工業用水等又は純水、工業用水等をクーリングタワー水やチラー水等を利用して冷却したもの）等を用いることができる。また、システムにおける分離した水を循環して再利用することもできる。【００３７】
ここで、図１中、符号１８ａはバイオマス固形分抜出部１８と酵素液化槽２１とを連通する通路、２２は酵素液化槽２１内部を攪拌する撹拌手段、１３ａは水熱分解部１７の気液界面、２１ａは酵素液化槽２１の気液界面、Ｌ1は抜出しライン、Ｍ1は第１のスクリュー手段１４を駆動するモータ、Ｍ2は撹拌手段２２を駆動するモータを各々図示する。【００３８】
次に、バイオマス原料１１を水熱分解部１７により水熱分解する概要を説明する。図１２は、バイオマスを熱水で水熱分解する垂直型の水熱分解装置の模式図であり、図１３は、バイオマスの熱水による分解の様子を示す図である。
水熱分解部１７では、バイオマス原料１１と加圧熱水１５とを対向接触するように供給して、内部熱交換で水熱反応させている。図１２において、対向接触領域Ｘと、非対向接触領域Ｙとを示し、非対向接触領域Ｙでも高温・高圧状態のままであり、前記非対向接触領域Ｙにてもバイオマス固形分２０の水熱分解反応は進行することとなり、時に過分解となることもある。【００３９】
図１２に示すように、垂直型の水熱分解装置では、バイオマス原料（固体）１１を下部側から装置本体１３内部に供給し、内部に設けた第１のスクリュー手段１４により上方側に移動させ、上部側からバイオマス固形分（熱水不可溶分）２０をバイオマス固形分抜出部１８を介して、酵素３０が供給されて形成される酵素液化槽２１の液体２１ｂ中に落下させている。【００４０】
図１３に示すように、バイオマス（セルロース系原料）原料１１には、セルロース以外にヘミセルロースやリグニンが含まれている。具体的にはセルロースをヘミセルロースが束ね、リグニンが接着している構造を有している。
バイオマスは水熱分解後には、熱水不溶分（固形分）と熱水可溶分とに分けられることとなる。熱水不溶分（バイオマス固形分２０）は主にセルロース（Ｃ６糖の原料）であり、熱水可溶分（熱水排出液１６）は主にヘミセルロース（Ｃ５糖の原料）であり、各々酵素により糖化することで糖を得ることができる。【００４１】
よって、バイオマス原料１１が加圧熱水１５により高温（１８０〜２４０℃）の温度域で水熱分解され、熱水側にヘミセルロースを分解・溶解させると共に、リグニンも分解・溶解させており、その結果熱水側にはヘミセルロース等が溶解されることとなる。
熱水に可溶化された後の熱水可溶化ヘミセルロースの状態では、１４０℃以上の温度域では過分解が生じる。【００４２】
このヘミセルロースの過分解は、Ｃ５糖の原料となるヘミセルロースの収率が低下するので、熱水可溶化分のヘミセルロースの過分解を抑制する必要がある。
また、熱水中への過分解物の混入は、後流側設備における酵素による糖化工程及びアルコール発酵等の発酵工程での反応阻害要因となるので、この阻害物の発生を阻止することも必要となる。【００４３】
図１において、バイオマス固形分抜出部１８には、図示しない第２のスクリュー手段が設けられ、第１のスクリュー手段１４により下方から上方に搬送された熱水不溶分であるバイオマス固形分２０を、酵素液化槽２１側へ徐々に抜出している。そして、抜出されたバイオマス固形分２０は通路１８ａから液体２１ｂ中に順次落下し、酵素液化槽２１内に設けた攪拌手段２２の攪拌により、液化が促進される。【００４４】
図１４は、バイオマス固形分の酵素による液化及び単糖化の糖化工程の模式図である。１４に基づき、糖化工程の概略について、説明する。
図１４に示すように、バイオマス固形分抜出部１８から抜出されるバイオマス固形分２０は、高分子量のオリゴマーの状態である。この高分子オリゴマーは難溶性である。
この高分子オリゴマーに酵素が添加されると、該高分子オリゴマーの一部が分解し、低分子量のオリゴマーとなり、バイオマス固形分２０に同伴する水分に可溶し、バイオマス液化状態となり、スラリー状となる。
そして、この低分子量のオリゴマーをさらに時間をかけて酵素糖化させることで、単糖となる。
よって、糖化工程は、この液化工程と単糖化工程とを併せたものとなる。【００４５】
ここで、本実施例では、酵素液化槽２１は、加圧条件であるので、耐圧の圧力容器としている。
この圧力容器は、製造コストがかかるので、糖化のために必要とする大容量の圧力容器とするのは費用がかかる。よって、圧力容器においては、液化工程のみを加圧条件としており、１〜３時間で液化工程を終了している。そして、液化工程終了後に、酵素液化槽２１の底部近傍に設けた排出部２３を介して加圧条件から常圧条件へ排出している。
そして、常圧条件下の糖化槽を用い、例えば４７〜７１時間の糖化処理を実施し、単糖化を行い、バイオマス固形分２０中のセルロースから６単糖を得るようにしている。
なお、糖化工程の時間は、一例であり、糖化条件（温度、酵素の種類等）により、適宜設定される。【００４６】
また、酵素液化槽２１内の液体２１ｂ中に、バイオマス固形分２０が落下されることで、液体２１ｂとの直接熱交換により冷却され、この結果、バイオマス固形分２０に同伴した熱水による残留ヘミセルロース、残留リグニン及び主成分セルロースの過分解が抑制される。【００４７】
これは、水熱分解部１７の気液界面１３ａの上方側のガス雰囲気内では、第１のスクリュー手段１４によりバイオマス固形分２０が熱水液面（気液界面１３ａ）より上に露出される。しかしながら、バイオマス固形分２０に同伴する加圧熱水１５の存在により、高温・高圧状態で未だ反応が進行しているので、バイオマス固形分２０を酵素液化槽２１内の液体２１ｂ中に投入することで、反応停止させることができる。
この反応停止によって、残留ヘミセルロース、残留リグニン及び主成分セルロースの過分解が抑制されることとなり、セルロース分の過分解が抑制されその回収率が向上すると共に、後流側における反応阻害成分の生成が抑制される。【００４８】
また、酵素液化槽２１内に酵素３０を供給し、酵素により液化により液体２１ｂが存在するため、水熱分解部１７の気液界面１３ａと、酵素液化槽２１の気液界面２１ａとにおいて、液封止がなされることとなり、これにより加圧用気体（例えば、加圧窒素や加圧空気等）である加圧窒素２５のリークが防止される。これにより、ガスリークに伴うロスがなくなり、加圧用気体にかかるランニングコストの大幅な削減を図ることができる。なお、酵素液化槽２１には図示しない安全弁や加圧窒素２５の流入通路が形成されている。【００４９】
また、バイオマス固形分２０を酵素液化させることにより、一部低分子量のオリゴマーとすることで、流動化が可能となり、酵素液化槽２１から外部へ排出する際の排出機構が簡易となる。すなわち、バイオマス固形分２０が高温状態のままであると、排出機構の材質も例えば高価な材料を使用する必要があるが、酵素液化槽２１で冷却するので、その排出側に設ける排出部２３の材質を安価なステンレスや樹脂等を使用することができる。この排出部２３としては、例えばロータリーフィーダ、流量調整弁等を用いることができる。【００５０】
また、バイオマス固形分２０は空隙率が大きく、かさ密度が小さいので、固体のままでの取り扱い性が煩雑であったが、酵素液化により減容化を図ることができることとなり、取り扱い性も容易となる。
すなわち、液体２１ｂに添加する前では、バイオマス固形分２０は、いわゆるケーキ状態又はスポンジ状態であり、加圧用気体の占める割合が多く空隙率が大きく、かさ密度が０．５ｇ／ｃｃ以下と小さいものであった。これが酵素液化することで、空隙率が減少し、減容化を図ることとなる。【００５１】
さらに、バイオマス固形分２０を酵素液化スラリー化させることにより、流動化が可能となり、その後の工程での取り扱いが容易となる。【００５２】
また、従来での流動性向上のためのスラリー化を行う場合には、多量の水を外部から投入する必要があり、その投入する水の量は、バイオマス重量の２０倍程度となり、その得られる糖液濃度が小さいものであった。
これに対し、本発明では、圧力容器である酵素液化槽２１内で、バイオマス固形分２０を直ちに酵素３０により一部を液化することで、その必要とする水の量はバイオマス重量の４倍程度と抑えることができ、その分糖液濃度を高くすることができる。【００５３】
下記「表１」に、バイオマス固形分と水の量及び糖濃度の関係について、本発明品と従来品との比較について示す。なお、この比較例は例示であり、バイオマス原料の種類により変動するので、本発明はこれに限定されるものではない。【００５４】
【表１】
2014010048.tif 000003
【００５５】
表１に示すように、本発明品においては、酵素液化することで、水分量が従来の１／５（４／２０）で済み、糖濃度を１０％とすることができる。これは、従来のスラリー化の場合２．５％の４倍も濃度が濃い糖液を得ることができるものとなる。また、バイオマス固形分２０に同伴する水分量を低減すれば更に濃い糖液を得ることも可能となる。
この結果、糖化工程における固液分離によって分離される水の量も少ないものとなり、プラント効率が向上する。また、分離した水を別途排水処理する場合における排水量の大幅な低減を図ることができる。【００５６】
また、酵素液化槽２１は攪拌手段２２を設けているが、本発明はこれに限定されず、例えばポンプによる循環手段等で攪拌させるようにしてもよい。【００５７】
また、本実施例では、酵素液化槽２１にはｐＨ計３１を設けている。
このｐＨ計３１を設けることにより、酵素液化槽２１の液体のｐＨを測定でき、酵素が効率的に糖化能力を示すｐＨに酸やアルカリを酵素液化槽２１に加え、酵素液化槽２１の液体のｐＨを調整し液化を効率的に行うことができる。
また、ｐＨ計３１を設けることで、スラリー状バイオマス固形分２４中に残存する有機酸の有無を確認することができる。
これにより、水熱分解により生じる有機酸（例えば酢酸等）の発生状況を監視することができる。【００５８】
また、酵素液化槽２１の液体のｐＨが著しく小さくなる場合には、水熱分解により有機酸（酢酸等）が発生していることが判定でき、水熱分解部１７の加圧熱水の温度制御を行うようにすればよい。【００５９】
また、ｐＨ計３１によりｐＨを計測し、加圧熱水の供給量の制御を行い、水熱分解反応の制御を行うようにしてもよい。
その他のｐＨに基づく水熱分解部１７の制御としては、バイオマス原料１１の供給量の制御（反応時間）によって水熱分解反応を制御する方法や、バイオマス原料１１の第１のスクリュー手段１４による掻揚げ速度（反応時間）の制御によって水熱分解反応を制御する方法や、装置本体１３の気液界面１３ａの液レベル（反応時間）の制御によって水熱分解反応を制御する方法や、熱水排出液１６の排出量の制御（反応時間）によって水熱分解反応を制御する方法等を行うことができる。【００６０】
ここで、前記水熱分解部１７に供給するバイオマスとしては、特に限定されるものではなく、地球生物圏の物質循環系に組み込まれた生物体又は生物体から派生する有機物の集積をいう（ＪＩＳ  Ｋ  ３６００  １２５８参照）が、本発明では特に木質系の例えば広葉樹、草本系等のセルロース系資源や農業系廃棄物、食品廃棄物等を用いるのが好ましい。【００６１】
また、前記バイオマス原料１１としては、粒径は特に限定されるものではないが、５ｍｍ以下に粉砕することが好ましい。
本実施例では、バイオマスの供給前において、前処理装置として、例えば粉砕装置を用いて前処理するようにしてもよい。また、洗浄装置により洗浄するようにしてもよい。
なお、バイオマス原料１１として、例えば籾殻等の場合には、粉砕処理することなく、そのままバイオマス供給部１２に供給することができるものとなる。【００６２】
また、水熱分解部１７における、反応温度は１４０〜２４０℃の範囲とするのが好ましい。さらに好ましくは１８０〜２３０℃とするのがよい。
これは、１４０℃未満の低温では、水熱分解速度が小さく、長い分解時間が必要となり、装置の大型化につながり、好ましくないからである。一方２４０℃を超える温度では、分解速度が過大となり、セルロース成分が固体から液体側への移行を増大すると共に、ヘミセルロース系糖類の過分解が促進され、好ましくないからである。
また、ヘミセルロース成分は約１４０℃付近から、セルロースは約２３０℃付近から、リグニン成分は１４０℃付近から溶解するが、セルロースを固形分側に残し、且つヘミセルロース成分及びリグニン成分が十分な分解速度を持つ１８０℃〜２３０℃の範囲とするのが良い。【００６３】
反応圧力は、装置本体１３の反応温度（１８０〜２４０℃）の各温度の水の飽和蒸気圧に、更に０．１〜０．５ＭＰａだけ高い圧力を加えることとするのが好ましい。
また、反応時間は２０分以下、３分〜１０分とするのが好ましい。これはあまり長く反応を行うと過分解物の割合が増大し、好ましくないからである。【００６４】
前記常圧下から加圧下に供給するバイオマス供給部１２としては、例えば、スクリュー、ピストンポンプ又はスラリーポンプ等の手段を挙げることができる。【００６５】
また、水熱分解装置は、本実施例では、垂直型の装置としているが、本発明はこれに限定されるものではなく、気液界面１３ａを有する傾斜型の水熱分解装置としてもよい。【００６６】
ここで、水熱分解装置を傾斜型又は垂直型とするのは、水熱分解反応において発生したガスや原料中に持ち込まれたガス等が上方から速やかに抜けることができ好ましいからである。また、加圧熱水１５で分解生成物を抽出するので、抽出効率の点において上方から下方に向かって抽出物の濃度が高まることとなり、好ましいものとなる。【００６７】
以上のように、本実施例によれば、バイオマス原料からセルロース主体の成分とヘミセルロース成分を固液接触状態で分解処理した後、その分解物であるバイオマス固形分２０を酵素液化槽２１の内部に供給して酵素液化することで、該バイオマス固形分２０を液化させ、該液化物で液体シールがなされ、加圧用気体の流出を防止することができる。
また、外部より多量の水を供給して、スラリー化させる必要がなくなるので、スラリー化処理する際の水の導入量を低減することとなり、プラント効率の向上を図ることができる。【００６８】
本実施例では、バイオマスの分解処理を行うバイオマス処理部として、水熱分解装置を用いて説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、例えばアルカリ分解処理バイオマス処理部（例えば水酸化ナトリウム、消石灰やアンモニアの利用による分解等）、酸分解処理バイオマス処理部（希硫酸による分解等）であっても、気液界面を有し、その処理の後のバイオマス固形分２０を固体状態でバイオマス処理部より抜き出す際に、酵素３０を添加する酵素糖化槽２１を設置して、その処理したバイオマス固形分２０をスラリー化させ、排出機構を介して加圧下から常圧へ排出するシステムに適用できる。
【実施例２】
【００６９】
次に、本発明に係るバイオマスの水熱分解システムの他の実施例について、図面を参照して説明する。なお、実施例１のバイオマスの水熱分解システムと同一部材については同一符号を付してその説明は省略する。
図４は、実施例２に係るバイオマスの水熱分解システムを示す概略図である。
図４に示すように、バイオマスの水熱分解システム１０Ｄは、実施例１のバイオマスの水熱分解システム１０Ａにおいて、主にセルロース成分を含むバイオマス固形分２０を六炭糖（Ｃ６糖）等に酵素糖化し、糖を濃縮するＣ６糖化・糖濃縮装置５０Ａと、主にヘミセルロース成分を含む熱水排出液１６を五炭糖（Ｃ５糖）等に酵素糖化し、糖を濃縮するＣ５糖化・糖濃縮装置５０Ｂとを有している。図４中、符号Ｍは撹拌手段を駆動するモータ、Ｐは送液ポンプを各々図示する。【００７０】
このＣ６糖化・糖濃縮装置５０Ａ、Ｃ５糖化・糖濃縮装置５０Ｂは、酵素液化槽２１において液化されたバイオマス固形分２０を、酵素３０によりさらに酵素糖化する第１の糖化槽５２Ａ、水熱分解部１７からの熱水排出液１６を酵素４１により酵素糖化する第２の糖化槽４０Ｂと、糖化後の糖液５３Ａ、４２Ｂから、固体分を分離する第１の固液分離装置５４Ａ、第２の固液分離装置５４Ｂと、第１の固液分離装置５４Ａ、第２の固液分離装置５４Ｂで分離した糖液５３Ａ、４２Ｂから水５７ａ、５７ｂを除去して、濃縮糖液５５Ａ、５５Ｂを得る逆浸透（Ｒｅｖｅｒｓｅ  Ｏｓｍｏｓｉｓ：ＲＯ）膜５６ａ、５６ｂを備えた水分分離装置５６Ａ、５６Ｂとを有するものである。
前記第１の固液分離装置５４Ａ、第２の固液分離装置５４Ｂは、例えばスクリューデカンタ、砂濾過装置、ＭＦ膜等を単独又は組合せて用いることができ、これにより固形物を除去してＲＯ膜５６ａ、５６ｂの保護を図るようにしている。さらに、ＲＯ膜５６ａ、５６ｂの前段側において、限外濾過膜（Ｕｌｔｒａｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ  Ｍｅｍｂｒａｎｅ：ＵＦ膜）を用いることで、ＲＯ膜５６ａ、５６ｂの保護を図ると共に酵素の回収が可能となり、酵素を再利用することができる。
また、水分分離装置５６Ａ、５６Ｂには、ルーズＲＯ膜、ナノ濾過膜（Ｎａｎｏｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ  Ｍｅｍｂｒａｎｅ：ＮＦ膜）等を用いてもよい。【００７１】
本実施例では、酵素３０は酵素液化槽２１において、必要量の酵素を添加するようにしているので、酵素糖化する常圧の第１の糖化槽５２Ａにおいては、酵素添加をしていないが、本発明はこれに限定されるものではない。
例えば、図５に示す実施例２に係る他のバイオマスの水熱分解システム１０Ｅに示すように、第１の糖化槽５２Ａにおいて、酵素３０を添加し、常圧条件のもとで、単糖化を促進するようにしてもよい。
これに対し、図４に示す実施例２に係るバイオマスの水熱分解システム１０Ｄでは、酵素３０の添加を一箇所で行うことができるので、装置構成は図５のシステムよりも簡易となる。【００７２】
次に、このＣ６糖化・糖濃縮装置５０Ａ、Ｃ５糖化・糖濃縮装置５０Ｂの処理工程の手順について説明する。
＜酵素糖化工程＞
先ず、第１の糖化槽５２Ａにおいて、一部低分子量のオリゴマーを含む液化されたバイオマス固形分２４が抜出しラインＬ1を介して導入され、酵素３０がさらに添加され、酵素糖化工程における酵素反応による糖化がなされる。
一方、前記第２の糖化槽４０Ｂにおいては、熱水排出液供給ラインＬ6を介して熱水排出液１６が導入され、酵素４１が添加され、酵素糖化工程における酵素反応による糖化がなされる。
なお、以下の工程は、Ｃ６糖及びＣ５糖の固液分離処理工程も同様であるので、Ｃ６糖化・糖濃縮装置５０Ａの処理工程について説明する。【００７３】
＜固液分離工程＞
次に、糖液５３Ａは第１の糖液タンク６１Ａに貯留され、その後、第１の固液分離装置５４Ａによりリグニン等の固形残液６２Ａが分離され、その後糖液５３Ａは第２の糖液タンク６３Ａに貯留される。【００７４】
＜糖濃縮工程＞
次に、糖液５３Ａは、ＲＯ膜５６ａを備えた水分分離装置５６Ａにより水５７Ａが除去され、濃縮糖液５５Ａを得る。
この濃縮糖液５５Ａは図示しない後工程の発酵処理において、各種有機原料となる。【００７５】
酵素により液化されたバイオマス固形分２４は、スラリー状であるため、撹拌・移送などを操作性よく行うことができる。  
また、各種膜を用いた膜処理により、糖の濃縮を効率よく行うことができる。
また、分離したリグニン等固形残液６２Ａ（６２Ｂ）は、高カロリーであるので、燃料用に用いることができる。また、リグニン等固形残液６２Ａ（６２Ｂ）は、有機肥料利用や化学原料利用（リグニンの接着剤としての利用等）に用いることができる。【００７６】
このように、本発明のバイオマス原料を用いた糖液生産方法は、図４及び５に示すように、セルロース、ヘミセルロース及びリグニンを有するバイオマス原料１１を常圧下から加圧下に供給し、前記バイオマス原料１１を加圧熱水１５により水熱分解部１７により水熱分解し、前記加圧熱水１５中にリグニン成分及びヘミセルロース成分を溶解させ、その後、前記水熱分解部１７から抜出したバイオマス固形分２０と、酵素３０が注入され、前記水熱分解部１７と連通する酵素液化槽２１に投入し、一部が酵素により液化してスラリー状バイオマス固形分２４とし、前記スラリー状バイオマス固形分２４を酵素糖化して糖液５３Ａを得た後、固形分を分離し、次いで水を除去することによりバイオマス原料から糖液を効率よく生産することができる。
【実施例３】
【００７７】
次に、本発明に係るバイオマスの水熱分解システムの他の実施例について、図面を参照して説明する。なお、実施例１乃至３のバイオマスの水熱分解システムと同一部材については同一符号を付してその説明は省略する。
図６は、実施例３に係るバイオマスの水熱分解システムを示す概略図である。
図７は、実施例３に係る他のバイオマスの水熱分解システムを示す概略図である。
図６に示すように、バイオマスの水熱分解システム１０Ｆは、実施例１のバイオマスの水熱分解システム１０Ａにおいて、前記水熱分解部１７から排出されるバイオマス熱水可溶分を含む熱水排出液１６を、酵素３０を添加する酵素液化槽２１へ導入する熱水排出液導入ラインＬ11を有するものである。【００７８】
本実施例によれば、実施例２で説明した図４、図５に示す糖化・糖濃縮装置５０Ｂが不要となり、装置構成が簡素化できる。【００７９】
バイオマス固形分２０が含有する水分中に含まれるヘミセルロースの過分解（分解開始温度約１４０℃〜１８０℃）を抑制するためには酵素液化槽２１の液温を１４０℃以下に冷却するよう、バイオマス固形分２０の温度や酵素液化槽２１の容量に応じて導入する熱水排出液１６の温度を必要に応じて図示しない冷却手段により冷却し、適宜設定するようにすればよい。
また、本実施例においても、前述した図２に示すバイオマスの水熱分解システム１０Ｂの酵素液化槽２１に設けた冷却手段２６を、必要に応じて、設置するようにしてもよい。【００８０】
本実施例では、６炭糖原料となる熱水不可溶分であるバイオマス固形分２０を、５炭糖原料となるバイオマス熱水可溶分を含む排出液１６中に落下させてスラリー状の混合液化物２７としている。これにより、糖化工程を単一のラインで行うことができる。【００８１】
次に、混合液化物２７を用いて、酵素糖化し、糖を濃縮する糖化・糖濃縮装置５０について、図７を用いて説明する。
図７は、実施例３に係るバイオマスの水熱分解システム１０Ｇを示す概略図である。【００８２】
図７に示すように、バイオマスの水熱分解システム１０Ｇは、バイオマスの水熱分解システム１０Ｆにおいて、さらに糖化・糖濃縮装置５０を備えたバイオマスの水熱分解システムである。この糖化・糖濃縮装置５０は、酵素３０により一部が糖化されている混合液化物２７を、酵素３０によりさらに酵素糖化する糖化槽５２、糖化後の糖液５３から、固体分を分離する固液分離装置５４と、固液分離装置５４で分離した糖液５３から水５７を除去して、濃縮糖液５５を得る逆浸透（Ｒｅｖｅｒｓｅ  Ｏｓｍｏｓｉｓ：ＲＯ）膜５６ａを備えた水分分離装置５６とを有するものである。【００８３】
前記固液分離装置５４は、例えばスクリューデカンタ、砂濾過装置、ＭＦ膜等を単独又は組合せて用いることができ、これにより固形物を除去してＲＯ膜５６ａの保護を図るようにしている。さらに、ＲＯ膜５６ａの前段側において、限外濾過膜（Ｕｌｔｒａｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ  Ｍｅｍｂｒａｎｅ：ＵＦ膜）を用いることで、ＲＯ膜の保護を図ると共に酵素の回収が可能となり、酵素を再利用することができる。【００８４】
また、水分分離装置５６には、ルーズＲＯ膜、ナノ濾過膜（Ｎａｎｏｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ  Ｍｅｍｂｒａｎｅ：ＮＦ膜）等を用いてもよい。【００８５】
次に、この糖化・糖濃縮装置５０の処理工程の手順について説明する。
混合液化物２７は、６炭糖原料となる熱水不可溶分であるバイオマス固形分２０と、５炭糖原料となるバイオマス熱水可溶分を含む排出液１６との混合物であるので、Ｃ６糖化と、Ｃ５糖化とが同一ラインで進行することとなる。【００８６】
＜酵素糖化工程＞
先ず、糖化槽５２において、酵素３０により一部糖化された混合液化物２７が抜出しラインＬ1を介して導入され、酵素３０がさらに添加され、酵素糖化工程における酵素反応による糖化がなされる。
なお、酵素３０は、前述したように、酵素液化槽２１において必要量添加している場合には、糖化槽５２においては、添加する必要はない。【００８７】
＜固液分離工程＞
次に、糖液５３は第１の糖液タンク６１に貯留され、その後、固液分離装置５４によりリグニン等の固形残液６２が分離され、その後糖液５３は第２の糖液タンク６３に貯留される。図中、符号Ｌ3及びＬ4は糖液５３を供給する糖液供給ラインを図示する。【００８８】
＜糖濃縮工程＞
次に、糖液５３は、ＲＯ膜５６ａを備えた水分分離装置５６により水５７が除去され、濃縮糖液５５を得る。
この濃縮糖液５５は図示しない後工程の発酵処理における各種有機原料となる。【００８９】
本実施例では、混合液化物２７を用いて糖化しているので、低基質濃度での糖化となり、高速糖化が可能となる。
また、スラリー状であるため、撹拌・移送などを操作性よく行うことができる。
また、低基質濃度での糖化となるので、酵素使用量の削減を図ることができる。
また、各種膜を用いた膜処理により、糖の濃縮を効率よく行うことができる。
また、分離したリグニン等固形残液６２は、高カロリであるので、燃料用に用いることができる。また、リグニン等固形残液６２は、有機肥料利用や化学原料利用（リグニンの接着剤としての利用等）に用いることができる。【００９０】
このように、本発明のバイオマス原料を用いた糖液生産方法は、図７に示すように、セルロース、ヘミセルロース及びリグニンを有するバイオマス原料１１を常圧下から加圧下に供給し、前記バイオマス原料１１を加圧熱水１５により水熱分解部１７により水熱分解し、前記加圧熱水１５中にリグニン成分及びヘミセルロース成分を溶解させ、その後、前記水熱分解部１７から抜出したバイオマス固形分２０を、前記水熱分解部１７と連通すると共に、酵素３０及び排出液１６が導入された酵素液化槽２１に投入し、酵素３０により一部が液化された混合液化物２７とし、この混合液化物２７を加圧状態から常圧状態に抜出して、糖化槽５２で酵素糖化を完了させ、糖液５３を得た後、固形分を分離し、次いで水を除去することによりバイオマス原料１１から糖液５３を効率よく生産することができる。【００９１】
本実施例では、酵素液化槽２１におけるスラリー化の際、排出液１６を用いて、外部からの水の導入を無くすことができるので、糖化濃度を例えば１．５ｗｔ％から８ｗｔ％まで上げることができる。この結果、後流側において設置する糖液濃縮装置が不要又は糖液濃縮装置のコンパクト化を図ることができる。【００９２】
以上のように、本実施例によれば、バイオマス原料からセルロース主体の成分とヘミセルロース成分を固液接触状態で分解処理した後、その分解物であるバイオマス固形分２０を酵素液化槽２１の内部に注入した液体中に、投入することで、スラリー化させると共に、液体シールがなされ、加圧用気体の流出を防止することができる。これにより加圧用気体（例えば加圧窒素や加圧空気等）の流出が防止され、ランニングコストの大幅な削減を図ることができる。
この際、酵素液化槽２１には、水熱分解部１７から排出される排出液１６が導入されているので、外部からの水を用いてスラリー化することが不要となる。
また、酵素液化槽２１に酵素３０を投入して、加圧状態で一部糖化させると共に、一部糖化された混合液化物２７を加圧状態から常圧状態に抜出し、常圧状態の糖化槽５２で糖化しているので、糖化処理の効率が向上する。【００９３】
以上、本実施例によれば、スラリー化の際に、外部からの水を供給することなく、熱水排出液１６を用いると共に、酵素３０を用いて酵素液化させることにより、プラント全体での水の消費量の大幅な低減が可能となり、コストダウンを図ることができる。
また、６炭糖原料となるスラリー状バイオマス固形分２０と、５炭糖原料となる熱水排出液１６とを混合した混合液化物２７を用いて糖化するので、１つの酵素糖化槽２１から回収される糖の絶対量の増加を図ることができる。【００９４】
また、６炭糖原料となるスラリー状バイオマス固形分２０と、５炭糖原料となる熱水排出液１６とを混合した混合液化物２７を用いて糖化するので、酵素とバイオマスの混合性が良くなるために酵素がより効率的に働き、糖化における酵素消費量が低減でき、結果的に酵素使用コストの低減を図ることができる。【００９５】
また、６炭糖原料となるスラリー状バイオマス固形分２０と、５炭糖原料となる熱水排出液１６とを混合した混合液化物２７を用いて糖化するので、糖化ラインを従来のような２系統とせずに１系統の単一ラインとすることができ、酵素糖化工程が単純となり、設備費及びランニングコストの低減を図ることができる。【００９６】
また、水の消費量が低減できるので、廃液の発生量が低減でき、廃液処理コストの低減を図ることができる。
【実施例４】
【００９７】
次に、本発明に係るバイオマスの水熱分解システムの他の実施例について、図面を参照して説明する。なお、実施例３のバイオマスの水熱分解システムと同一部材については同一符号を付してその説明は省略する。
図８は、実施例４に係るバイオマスの水熱分解システムを示す概略図である。
図８に示すように、バイオマスの水熱分解システム１０Ｈは、実施例３のバイオマスの水熱分解システム１０Ｇにおいて、熱水排出液導入ラインＬ11に、フィルタ７１を設けている。このフィルタ７１を設置することにより、熱水排出液１６中のリグニン等の固形分を分離するようにしている。これにより、リグニンによる糖化阻害を防止するようにしている。
【実施例５】
【００９８】
次に、本発明に係るバイオマスの水熱分解システムの他の実施例について、図面を参照して説明する。なお、実施例３のバイオマスの水熱分解システムと同一部材については同一符号を付してその説明は省略する。
図９は、実施例５に係るバイオマスの水熱分解システムを示す概略図である。
図９に示すように、バイオマスの水熱分解システム１０Ｉは、実施例３のバイオマスの水熱分解システム１０Ｇにおいて、熱水排出液導入ラインＬ11に、イオン交換膜フィルタ７２を設けている。このイオン交換膜フィルタ７２を設置することにより、熱水排出液１６中に可溶している酸性物質をイオン交換により除去するようにしている。これにより、酸性物質による糖化阻害を防止するようにしている。
【実施例６】
【００９９】
次に、本発明に係るバイオマスの水熱分解システムの他の実施例について、図面を参照して説明する。なお、実施例３のバイオマスの水熱分解システムと同一部材については同一符号を付してその説明は省略する。
図１０は、実施例６に係るバイオマスの水熱分解システムを示す概略図である。
図１０に示すように、バイオマスの水熱分解システム１０Ｊは、実施例３のバイオマスの水熱分解システム１０Ｇにおいて、さらに前記水分分離装置５６から分離した水５７を酵素液化槽２１に戻す水戻しラインＬ5を有するものである。
また、この水戻しラインＬ5には冷却器６０が介装されており、水５７を所定温度まで冷却した後、酵素液化槽２１に戻すようにしている。【０１００】
これにより、分離した水５７を再利用することができる。
【実施例７】
【０１０１】
次に、本発明に係るバイオマスの水熱分解システムの他の実施例について、図面を参照して説明する。なお、実施例１のバイオマスの水熱分解システムと同一部材については同一符号を付してその説明は省略する。
図１１は、実施例７に係るバイオマスの水熱分解システムを示す概略図である。
図１１に示すように、バイオマスの水熱分解システム１０Ｋは、実施例６のバイオマスの水熱分解システム１０Ｊにおいて、さらに、水戻しラインＬ5に生物処理装置６１を設け、水５７を生物処理した後、酵素液化槽２１に戻すようにしている。【０１０２】
糖濃縮工程でのＲＯ膜５６ａで分離した水５７には、反応阻害物質（低分子有機化合物）を含むので、生物処理装置６１により容易に処理が可能となる。そして、生物処理装置６１として、例えばメタン発酵生物処理装置を用いることにより、メタンを回収し、燃料等に利用が可能となる。【０１０３】
以上、説明したように、本発明にかかるバイオマスの水熱分解システムによれば、バイオマス固形分２０を酵素糖化させることでその取り扱いを容易とし、その後の糖化工程に適したものとなり、効率的な糖液（Ｃ６糖、Ｃ５糖）の製造を行うことができる。また、この糖液を基点として、例えばＬＰＧ、自動用燃料、航空機用ジェット燃料、灯油、ディーゼル油、各種重油、燃料ガス、ナフサ、ナフサ分解物であるエチレングリコール、乳酸、アルコール（エタノール等）、アミン、アルコールエトキシレート、塩ビポリマー、アルキルアルミニウム、ＰＶＡ、酢酸ビニルエマルジョン、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリカーボネート、ＭＭＡ樹脂、ナイロン、ポリエステル等の各種有機原料（例えばアルコール類、石油代替品類、又はアミノ酸類等）を効率よく製造することができる。よって、枯渇燃料である原油由来の化成品の代替品及びその代替品製造原料としてバイオマス由来の糖液を効率的に利用することができる。【０１０４】
さらに、液体中にバイオマス固形分を投入するので、液体による直接熱交換によりバイオマス固形分を冷却することで反応停止を効率良く行うことができ、バイオマス固形分に同伴する熱水による残留ヘミセルロース、残留リグニン及び主成分セルロースの過分解が抑制される。この結果、反応阻害成分の生成抑制を図ると共に、セルロース分の回収率の向上を図ることができる。
【符号の説明】
【０１０５】
１０Ａ〜１０Ｋ  バイオマスの水熱分解システム
１１  バイオマス原料
１２  バイオマス供給部
１３  装置本体
１４  第１のスクリュー手段
１５  加圧熱水
１６  熱水排出液
１７  水熱分解部
１８  バイオマス固形分抜出部
２０  バイオマス固形分
２１  酵素液化槽
２２  撹拌手段
２３  排出部
２４  液化されたバイオマス固形分
２５  加圧窒素
２７  混合液化物
３０  酵素
【図１】
2014010048.tif 000004
【図２】
2014010048.tif 000005
【図３】
2014010048.tif 000006
【図４】
2014010048.tif 000007
【図５】
2014010048.tif 000008
【図６】
2014010048.tif 000009
【図７】
2014010048.tif 000010
【図８】
2014010048.tif 000011
【図９】
2014010048.tif 000012
【図１０】
2014010048.tif 000013
【図１１】
2014010048.tif 000014
【図１２】
2014010048.tif 000015
【図１３】
2014010048.tif 000016
【図１４】
2014010048.tif 000017
【手続補正書】
【提出日】平成27年10月19日(2015.10.19)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
セルロース、ヘミセルロース及びリグニンを有するバイオマス原料を常圧下から加圧下に供給するバイオマス供給部と、
前記バイオマス原料を加圧熱水により水熱分解し、前記加圧熱水中にリグニン成分及びヘミセルロース成分を溶解する水熱分解部と、
前記水熱分解部からバイオマス固形分を抜出するバイオマス固形分抜出部と、
前記バイオマス固形分抜出部と連通すると共に、抜出した前記バイオマス固形分が投入される圧力容器と、
前記圧力容器内に、酵素を供給し、前記バイオマス固形分を酵素液化し、一部低分子量のオリゴマーを有する液化されたバイオマス固形分とする酵素供給部と、
前記圧力容器から液化されたバイオマス固形分を加圧下から常圧下へ排出する排出部と、
前記液化されたバイオマス固形分を、常圧下で第１の糖液に糖化する第１の糖化槽と、を有することを特徴とするバイオマス原料を用いた糖液生産システム。
【請求項２】
請求項１において、
前記圧力容器を冷却する冷却手段を有することを特徴とするバイオマス原料を用いた糖液生産システム。
【請求項３】
請求項１又は２において、
前記圧力容器に水を供給する水供給手段を有することを特徴とするバイオマス原料を用いた糖液生産システム。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか一つにおいて、
前記水熱分解部が、装置本体の一端側から供給されたバイオマス原料を、該装置本体の内部にて搬送手段により装置本体の他端側へ搬送すると共に、前記バイオマス原料の供給箇所と異なる他端側から加圧熱水を装置本体の内部に供給し、前記バイオマス原料と加圧熱水とを対向接触させつつ水熱分解し、排出する加圧熱水である熱水排出液中に熱水溶解成分を移行し、前記バイオマス原料中からリグニン成分及びヘミセルロース成分を分離してなることを特徴とするバイオマス原料を用いた糖液生産システム。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか一つにおいて、
前記水熱分解部からの熱水排出液を抜出し、第２の糖液に糖化する第２の糖化槽を有することを特徴とするバイオマス原料を用いた糖液生産システム。
【請求項６】
請求項１において、
前記第１の糖化槽で糖化後の第１の糖液から、固体分を分離する第１の固液分離装置と、
固体分離後の第１の糖液から、水を除去する第１の水分分離装置とを有することを特徴とするバイオマス原料を用いた糖液生産システム。
【請求項７】
請求項５において、
前記第２の糖化槽で糖化後の第２の糖液から、固体分を分離する第２の固液分離装置と、
固体分離後の第２の糖液から、水を除去する第２の水分分離装置とを有することを特徴とするバイオマス原料を用いた糖液生産システム。
【請求項８】
請求項１において、
前記水熱分解部から排出されるバイオマス熱水可溶分を含む熱水排出液を、前記圧力容器へ導入する熱水排出液導入ラインを有してなり、
前記液化されたバイオマス固形分を熱水排出液で混合して混合液化物とし、
前記第１の糖化槽で、第１の糖液と第２の糖液とに糖化することを特徴とするバイオマス原料を用いた糖液生産システム。
【請求項９】
請求項８において、
前記熱水排出液導入ラインに、フィルタを介装してなることを特徴とするバイオマス原料を用いた糖液生産システム。
【請求項１０】
請求項８において、
前記排出液導入ラインに、冷却手段を介装することを特徴とするバイオマス原料を用いた糖液生産システム。
【請求項１１】
セルロース、ヘミセルロース及びリグニンを有するバイオマス原料を常圧下から加圧下に供給し、前記バイオマス原料を加圧熱水により水熱分解部により水熱分解し、前記加圧熱水中にリグニン成分及びヘミセルロース成分を溶解させ、その後、前記水熱分解部からバイオマス固形分を抜出し、前記水熱分解部と連通すると共に、加圧下で酵素を供給する酵素供給部を有する圧力容器にて、前記バイオマス固形分を酵素液化して一部低分子量のオリゴマーを有する液化されたバイオマス固形分とし、次いで、前記液化されたバイオマス固形分を抜出し、常圧下で液化されたバイオマス固形分を酵素により単糖化し、第１の糖液を生産することを特徴とするバイオマス原料を用いた糖液生産方法。
【請求項１２】
請求項１１において、
前記圧力容器に、前記水熱分解部から排出されるバイオマス熱水可溶分を含む熱水排出液を投入しつつ混合液化物とし、その後第１の糖液と第２の糖液とに糖化することを特徴とするバイオマス原料を用いた糖液生産方法。
【請求項１３】
請求項１１において、
前記水熱分解部から排出されるバイオマス熱水可溶分を含む熱水排出液を抜出し、前記熱水排出液を酵素により単糖化し、第２の糖液を生産することを特徴とするバイオマス原料を用いた糖液生産方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バイオマス原料を効率よく分解することができるバイオマス原料を用いた糖液生産システム及びバイオマス原料を用いた糖液生産方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、希硫酸、濃硫酸による木材等のバイオマスの糖化処理後、固液分離し、液相を中和処理し、エタノール発酵等の原料として利用するエタノール等の製造技術が実用化されている（特許文献１、特許文献２）。
また、糖を出発原料として、化学工業原料生産（例えば乳酸発酵等）も考えられる。
ここで、バイオマスとは、地球生物圏の物質循環系に組み込まれた生物体又は生物体から派生する有機物の集積をいう（ＪＩＳ  Ｋ  ３６００  １２５８参照）。
【０００３】
ここで、現在アルコール原料として用いられているサトウキビ、トウモロコシ等は本来食用に供されるものであるが、これらの食用資源を長期的、安定的に工業用利用資源とすることは、有効食料品のライフサイクルの観点から、好ましくない。
【０００４】
このため、将来的に有用な資源と考えられる草本系バイオマスや木質系バイオマスのようなセルロース系資源を有効活用するのは、重要な課題である。
【０００５】
また、セルロース系資源では、セルロースは３８〜５０％、ヘミセルロース成分が２３〜３２％と様々で、発酵原料にならないリグニン成分も１５〜２２％とそれぞれ異なっている。多くの課題を抱えたままの工業化研究のため、原料は固定的に想定されており、原料の汎用性を考慮した生産システムの技術の開示は未だないのが現状である。
【０００６】
さらに、元来、澱粉原料に較べて発酵原料に不利な原料で、ごみ問題、地球温暖化防止対応などを目標に考えるのであるから、原料を固定的に考えた生産システムでは意味が薄れる。広く一般の廃棄物に適用できなければならない。酵素糖化法そのものも、効率が悪く、将来課題とされているのが現状である。酸処理による糖化率も、過剰反応による糖の過分解などで、およそ７５％（糖化可能成分基準）前後とかなり小さい値となっている。従って、セルロース系資源に対して、エタノール生産収率はおよそ２５％に止まっている（特許文献３）。
【０００７】
なお、特許文献１乃至３の従来の技術では、副反応生成物が酵素糖化阻害を引起し糖収率が減少する現象が起きていたので、酵素糖化阻害物質を除去し、セルロース主体による酵素糖化性を高める水熱分解装置の提案を先にした（特許文献４乃至７）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特表平９−５０７３８６号公報
【特許文献２】特表平１１−５０６９３４号公報
【特許文献３】特開２００５−１６８３３５号公報
【特許文献４】特開２００９−１８３８０５号公報
【特許文献５】特開２００９−１８３１５４号公報
【特許文献６】特許第４７６４５２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
前述した特許文献６における水熱分解装置の提案では、酵素液化槽でスラリー化する場合には、外部から水を供給するので、プラント全体における水使用量が嵩み、プラントの経済性が悪化するという、問題がある。
【００１０】
本発明は、前記課題に鑑み、プラント効率の向上したバイオマス原料を用いた糖液生産システム及びバイオマス原料を用いた糖液生産方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上述した課題を解決するための本発明の第１の発明は、セルロース、ヘミセルロース及びリグニンを有するバイオマス原料を常圧下から加圧下に供給するバイオマス供給部と、前記バイオマス原料を加圧熱水により水熱分解し、前記加圧熱水中にリグニン成分及びヘミセルロース成分を溶解する水熱分解部と、前記水熱分解部からバイオマス固形分を抜出するバイオマス固形分抜出部と、前記バイオマス固形分抜出部と連通すると共に、抜出した前記バイオマス固形分が投入される圧力容器と、前記圧力容器内に、酵素を供給し、前記バイオマス固形分を酵素液化し、一部低分子量のオリゴマーを有する液化されたバイオマス固形分とする酵素供給部と、前記圧力容器から液化されたバイオマス固形分を加圧下から常圧下へ排出する排出部と、前記液化されたバイオマス固形分を、常圧下で第１の糖液に糖化する第１の糖化槽と、を有することを特徴とするバイオマス原料を用いた糖液生産システムにある。
【００１２】
第２の発明は、第１の発明において、前記圧力容器を冷却する冷却手段を有することを特徴とするバイオマス原料を用いた糖液生産システムにある。
【００１３】
第３の発明は、第１又は２の発明において、前記圧力容器に水を供給する水供給手段を有することを特徴とするバイオマス原料を用いた糖液生産システムにある。
【００１４】
第４の発明は、第１乃至３のいずれか一つにおいて、前記水熱分解部が、装置本体の一端側から供給されたバイオマス原料を、該装置本体の内部にて搬送手段により装置本体の他端側へ搬送すると共に、前記バイオマス原料の供給箇所と異なる他端側から加圧熱水を装置本体の内部に供給し、前記バイオマス原料と加圧熱水とを対向接触させつつ水熱分解し、排出する加圧熱水である熱水排出液中に熱水溶解成分を移行し、前記バイオマス原料中からリグニン成分及びヘミセルロース成分を分離してなることを特徴とするバイオマス原料を用いた糖液生産システムにある。
【００１５】
第５の発明は、第１乃至４のいずれか一つの発明において、前記水熱分解部からの熱水排出液を抜出し、第２の糖液に糖化する第２の糖化槽を有することを特徴とするバイオマス原料を用いた糖液生産システムにある。
【００１６】
第６の発明は、第１の発明において、前記第１の糖化槽で糖化後の第１の糖液から、固体分を分離する第１の固液分離装置と、固体分離後の第１の糖液から、水を除去する第１の水分分離装置とを有することを特徴とするバイオマス原料を用いた糖液生産システムにある。
【００１７】
第７の発明は、第５の発明において、前記第２の糖化槽で糖化後の第２の糖液から、固体分を分離する第２の固液分離装置と、固体分離後の第２の糖液から、水を除去する第２の水分分離装置とを有することを特徴とするバイオマス原料を用いた糖液生産システムにある。
【００１８】
第８の発明は、第１の発明において、前記水熱分解部から排出されるバイオマス熱水可溶分を含む熱水排出液を、前記圧力容器へ導入する熱水排出液導入ラインを有してなり、前記液化されたバイオマス固形分を熱水排出液で混合して混合液化物とし、前記第１の糖化槽で、第１の糖液と第２の糖液とに糖化することを特徴とするバイオマス原料を用いた糖液生産システムにある。
【００１９】
第９の発明は、第８の発明において、前記熱水排出液導入ラインに、フィルタを介装してなることを特徴とするバイオマス原料を用いた糖液生産システムにある。
【００２０】
第１０の発明は、第８の発明において、前記排出液導入ラインに、冷却手段を介装することを特徴とするバイオマス原料を用いた糖液生産システムにある。
【００２１】
第１１の発明は、セルロース、ヘミセルロース及びリグニンを有するバイオマス原料を常圧下から加圧下に供給し、前記バイオマス原料を加圧熱水により水熱分解部により水熱分解し、前記加圧熱水中にリグニン成分及びヘミセルロース成分を溶解させ、その後、前記水熱分解部からバイオマス固形分を抜出し、前記水熱分解部と連通すると共に、加圧下で酵素を供給する酵素供給部を有する圧力容器にて、前記バイオマス固形分を酵素液化して一部低分子量のオリゴマーを有する液化されたバイオマス固形分とし、次いで、前記液化されたバイオマス固形分を抜出し、常圧下で液化されたバイオマス固形分を酵素により単糖化し、第１の糖液を生産することを特徴とするバイオマス原料を用いた糖液生産方法にある。
【００２２】
第１２の発明は、第１１の発明において、前記圧力容器に、前記水熱分解部から排出されるバイオマス熱水可溶分を含む熱水排出液を投入しつつ混合液化物とし、その後第１の糖液と第２の糖液とに糖化することを特徴とするバイオマス原料を用いた糖液生産方法にある。
【００２３】
第１３の発明は、第１１の発明において、前記水熱分解部から排出されるバイオマス熱水可溶分を含む熱水排出液を抜出し、前記熱水排出液を酵素により単糖化し、第２の糖液を生産することを特徴とするバイオマス原料を用いた糖液生産方法にある。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、水熱分解部で、加圧熱水中にリグニン成分及びヘミセルロース成分を溶解させたバイオマス固形分に酵素を供給し、該バイオマス固形分を液化させ、該液化物で液体シールがなされ、水熱分解部の加圧気体の流出を防止することができる。
また、外部より水を供給して、スラリー化させる必要がなくなるので、スラリー化処理する際の水の導入量を低減することとなり、プラント効率の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】図１は、実施例１に係るバイオマス原料を用いた糖液生産システムの概略図である。
【図２】図２は、実施例１に係る他のバイオマス原料を用いた糖液生産システムの概略図である。
【図３】図３は、実施例１に係る他のバイオマス原料を用いた糖液生産システムの概略図である。
【図４】図４は、実施例２に係るバイオマス原料を用いた糖液生産システムの概略図である。
【図５】図５は、実施例２に係る他のバイオマス原料を用いた糖液生産システムの概略図である。
【図６】図６は、実施例３に係るバイオマス原料を用いた糖液生産システムの概略図である。
【図７】図７は、実施例３に係る他のバイオマス原料を用いた糖液生産システムの概略図である。
【図８】図８は、実施例４に係るバイオマス原料を用いた糖液生産システムの概略図である。
【図９】図９は、実施例５に係るバイオマス原料を用いた糖液生産システムの概略図である。
【図１０】図１０は、実施例６に係るバイオマス原料を用いた糖液生産システムの概略図である。
【図１１】図１１は、実施例７に係るバイオマス原料を用いた糖液生産システムの概略図である。
【図１２】図１２は、バイオマスを熱水で水熱分解する垂直型の水熱分解装置の模式図である。
【図１３】図１３は、バイオマスの熱水による分解の様子を示す図である。
【図１４】図１４は、バイオマス固形分の酵素による液化及び単糖化の糖化工程の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施例における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。
【実施例１】
【００２７】
本発明に係るバイオマス原料を用いた糖液生産システムについて、図面を参照して説明する。
図１は、実施例１に係るバイオマス原料を用いた糖液生産システムの概略図である。図２及び３は、実施例１に係る他のバイオマス原料を用いた糖液生産システムの概略図である。
先ず、図１に示すように、本実施例に係るバイオマス原料を用いた糖液生産システム１０Ａは、セルロース、ヘミセルロース及びリグニンを有するバイオマス原料１１を常圧下から加圧下に供給するバイオマス供給部１２と、バイオマス原料１１を加圧熱水（以下、「熱水」ともいう）１５により水熱分解し、加圧熱水１５中にリグニン成分及びヘミセルロース成分を溶解する水熱分解部１７と、前記水熱分解部１７からバイオマス固形分２０を抜出するバイオマス固形分抜出部１８と、バイオマス固形分抜出部１８と連通すると共に、抜出したバイオマス固形分２０が投入されると共に、バイオマス固形分２０に酵素３０を供給してバイオマス固形分２０を液化する酵素液化槽２１と、液化されたバイオマス固形分２４を加圧下から常圧下へ排出する排出部２３とを有するものである。
【００２８】
前記水熱分解部１７としては、バイオマス原料１１を高温・高圧条件で分解処理する公知の水熱処理装置を用いることができる。図１を用いて水熱分解システムの一例を説明するが、本発明はこの水熱分解システムに限定されるものではない。
図１に示すように、本実施例に係る水熱分解システムでは、水熱分解部１７に供給されたバイオマス原料１１を、下方から装置本体１３の内部にて、搬送手段である第１のスクリュー手段１４により上方へ搬送すると共に、前記バイオマス原料１１の供給箇所と異なる上方の側から加圧熱水１５を装置本体１３の内部に供給し、前記バイオマス原料１１と加圧熱水１５とを対向接触させつつ水熱分解し、排出する加圧熱水である熱水排出液１６中に熱水溶解成分（リグニン成分及びヘミセルロース成分）を移行し、前記バイオマス原料１１中からリグニン成分及びヘミセルロース成分を分離してなるものである。
【００２９】
ここで、搬送手段としては、本実施例ではスクリュー手段を例示しているが、バイオマス固形分２０を下方から上方に搬送することができるものであれば、スクリュー手段に限定されるものではなく、例えば圧密充填により徐々に押し出す方法としてもよい。
また、本実施例では、バイオマス固形分２０を、装置の一端の下方側から他端の上方側に搬送手段により搬送すると共に熱水を装置の他端の上方側から供給しているが、本発明はこれに限定されず、バイオマス固形分２０を上方側から供給し、熱水を下方側から供給して対向接触させるようにしてもよい。
【００３０】
本実施例では、酵素液化槽２１に投入される酵素３０により、抜出されたバイオマス固形分２０が一部液化され、液面が形成されるので、加圧用の加圧窒素２５のリークを防止する目的としての液体シールが可能となる。
【００３１】
また、酵素反応を円滑に行うためには、図２に示す実施例に係るバイオマス原料を用いた糖液生産システム１０Ｂに示すように、酵素液化槽２１に冷却手段２６を設けるようにしても良い。なお、高温耐性酵素を用いる場合には、冷却手段を不要としてもよい。冷却手段２６としては、外部側又は内部側のいずれか一方又は両方で酵素が性能を示す温度に酵素液化槽２１内を冷却するようにすればよい。
【００３２】
また、冷却手段２６で冷却することで、バイオマス固形分２０に同伴する水分中に含まれるヘミセルロースの過分解（分解開始温度約１４０℃〜１８０℃）を抑制することが可能となる。
【００３３】
このため、図３に示す実施例に係るバイオマス原料を用いた糖液生産システム１０Ｃに示すように、水３２を酵素液化槽２１に別途供給し、内部を冷却するとともに、液化されたバイオマス固形分２４の水分調整を実施してもよい。この場合、供給する水３２は、例えば０℃〜６０℃の範囲内で通常用いられる水（例えば純水、工業用水等又は純水、工業用水等をクーリングタワー水やチラー水等を利用して冷却したもの）等を用いることができる。また、システムにおける分離した水を循環して再利用することもできる。
【００３４】
ここで、図１中、符号１８ａはバイオマス固形分抜出部１８と酵素液化槽２１とを連通する通路、２２は酵素液化槽２１内部を攪拌する撹拌手段、１３ａは水熱分解部１７の気液界面、２１ａは酵素液化槽２１の気液界面、Ｌ1は抜出しライン、Ｍ1は第１のスクリュー手段１４を駆動するモータ、Ｍ2は撹拌手段２２を駆動するモータを各々図示する。
【００３５】
次に、バイオマス原料１１を水熱分解部１７により水熱分解する概要を説明する。図１２は、バイオマスを熱水で水熱分解する垂直型の水熱分解装置の模式図であり、図１３は、バイオマスの熱水による分解の様子を示す図である。
水熱分解部１７では、バイオマス原料１１と加圧熱水１５とを対向接触するように供給して、内部熱交換で水熱反応させている。図１２において、対向接触領域Ｘと、非対向接触領域Ｙとを示し、非対向接触領域Ｙでも高温・高圧状態のままであり、前記非対向接触領域Ｙにてもバイオマス固形分２０の水熱分解反応は進行することとなり、時に過分解となることもある。
【００３６】
図１２に示すように、垂直型の水熱分解装置では、バイオマス原料（固体）１１を下部側から装置本体１３内部に供給し、内部に設けた第１のスクリュー手段１４により上方側に移動させ、上部側からバイオマス固形分（熱水不可溶分）２０をバイオマス固形分抜出部１８を介して、酵素３０が供給されて形成される酵素液化槽２１の液体２１ｂ中に落下させている。
【００３７】
図１３に示すように、バイオマス（セルロース系原料）原料１１には、セルロース以外にヘミセルロースやリグニンが含まれている。具体的にはセルロースをヘミセルロースが束ね、リグニンが接着している構造を有している。
バイオマスは水熱分解後には、熱水不溶分（固形分）と熱水可溶分とに分けられることとなる。熱水不溶分（バイオマス固形分２０）は主にセルロース（Ｃ６糖の原料）であり、熱水可溶分（熱水排出液１６）は主にヘミセルロース（Ｃ５糖の原料）であり、各々酵素により糖化することで糖を得ることができる。
【００３８】
よって、バイオマス原料１１が加圧熱水１５により高温（１８０〜２４０℃）の温度域で水熱分解され、熱水側にヘミセルロースを分解・溶解させると共に、リグニンも分解・溶解させており、その結果熱水側にはヘミセルロース等が溶解されることとなる。
熱水に可溶化された後の熱水可溶化ヘミセルロースの状態では、１４０℃以上の温度域では過分解が生じる。
【００３９】
このヘミセルロースの過分解は、Ｃ５糖の原料となるヘミセルロースの収率が低下するので、熱水可溶化分のヘミセルロースの過分解を抑制する必要がある。
また、熱水中への過分解物の混入は、後流側設備における酵素による糖化工程及びアルコール発酵等の発酵工程での反応阻害要因となるので、この阻害物の発生を阻止することも必要となる。
【００４０】
図１において、バイオマス固形分抜出部１８には、図示しない第２のスクリュー手段が設けられ、第１のスクリュー手段１４により下方から上方に搬送された熱水不溶分であるバイオマス固形分２０を、酵素液化槽２１側へ徐々に抜出している。そして、抜出されたバイオマス固形分２０は通路１８ａから液体２１ｂ中に順次落下し、酵素液化槽２１内に設けた攪拌手段２２の攪拌により、液化が促進される。
【００４１】
図１４は、バイオマス固形分の酵素による液化及び単糖化の糖化工程の模式図である。以下、図１４に基づき、糖化工程の概略について、説明する。
図１４に示すように、バイオマス固形分抜出部１８から抜出されるバイオマス固形分２０は、高分子量のオリゴマーの状態である。この高分子オリゴマーは難溶性である。
この高分子オリゴマーに酵素が添加されると、該高分子オリゴマーの一部が分解し、低分子量のオリゴマーとなり、バイオマス固形分２０に同伴する水分に可溶し、バイオマス液化状態となり、スラリー状となる。
そして、この低分子量のオリゴマーをさらに時間をかけて酵素糖化させることで、単糖となる。
よって、糖化工程は、この液化工程と単糖化工程とを併せたものとなる。
【００４２】
ここで、本実施例では、酵素液化槽２１は、加圧条件であるので、耐圧の圧力容器としている。
この圧力容器は、製造コストがかかるので、糖化のために必要とする大容量の圧力容器とするのは費用がかかる。よって、圧力容器においては、液化工程のみを加圧条件としており、１〜３時間で液化工程を終了している。そして、液化工程終了後に、酵素液化槽２１の底部近傍に設けた排出部２３を介して加圧条件から常圧条件へ排出している。
そして、常圧条件下の糖化槽を用い、例えば４７〜７１時間の糖化処理を実施し、単糖化を行い、バイオマス固形分２０中のセルロースから６単糖を得るようにしている。
なお、糖化工程の時間は、一例であり、糖化条件（温度、酵素の種類等）により、適宜設定される。
【００４３】
また、酵素液化槽２１内の液体２１ｂ中に、バイオマス固形分２０が落下されることで、液体２１ｂとの直接熱交換により冷却され、この結果、バイオマス固形分２０に同伴した熱水による残留ヘミセルロース、残留リグニン及び主成分セルロースの過分解が抑制される。
【００４４】
これは、水熱分解部１７の気液界面１３ａの上方側のガス雰囲気内では、第１のスクリュー手段１４によりバイオマス固形分２０が熱水液面（気液界面１３ａ）より上に露出される。しかしながら、バイオマス固形分２０に同伴する加圧熱水１５の存在により、高温・高圧状態で未だ反応が進行しているので、バイオマス固形分２０を酵素液化槽２１内の液体２１ｂ中に投入することで、反応停止させることができる。
この反応停止によって、残留ヘミセルロース、残留リグニン及び主成分セルロースの過分解が抑制されることとなり、セルロース分の過分解が抑制されその回収率が向上すると共に、後流側における反応阻害成分の生成が抑制される。
【００４５】
また、酵素液化槽２１内に酵素３０を供給し、酵素による液化により液体２１ｂが存在するため、水熱分解部１７の気液界面１３ａと、酵素液化槽２１の気液界面２１ａとにおいて、液封止がなされることとなり、これにより加圧用気体（例えば、加圧窒素や加圧空気等）である加圧窒素２５のリークが防止される。これにより、ガスリークに伴うロスがなくなり、加圧用気体にかかるランニングコストの大幅な削減を図ることができる。なお、酵素液化槽２１には図示しない安全弁や加圧窒素２５の流入通路が形成されている。
【００４６】
また、バイオマス固形分２０を酵素液化させることにより、一部低分子量のオリゴマーとすることで、流動化が可能となり、酵素液化槽２１から外部へ排出する際の排出機構が簡易となる。すなわち、バイオマス固形分２０が高温状態のままであると、排出機構の材質も例えば高価な材料を使用する必要があるが、酵素液化槽２１で冷却するので、その排出側に設ける排出部２３の材質を安価なステンレスや樹脂等を使用することができる。この排出部２３としては、例えばロータリーフィーダ、流量調整弁等を用いることができる。
【００４７】
また、バイオマス固形分２０は空隙率が大きく、かさ密度が小さいので、固体のままでの取り扱い性が煩雑であったが、酵素液化により減容化を図ることができることとなり、取り扱い性も容易となる。
すなわち、液体２１ｂに添加する前では、バイオマス固形分２０は、いわゆるケーキ状態又はスポンジ状態であり、加圧用気体の占める割合が多く空隙率が大きく、かさ密度が０．５ｇ／ｃｃ以下と小さいものであった。これが酵素液化することで、空隙率が減少し、減容化を図ることとなる。
【００４８】
さらに、バイオマス固形分２０を酵素液化スラリー化させることにより、流動化が可能となり、その後の工程での取り扱いが容易となる。
【００４９】
また、従来での流動性向上のためのスラリー化を行う場合には、多量の水を外部から投入する必要があり、その投入する水の量は、バイオマス重量の２０倍程度となり、その得られる糖液濃度が小さいものであった。
これに対し、本発明では、圧力容器である酵素液化槽２１内で、バイオマス固形分２０を直ちに酵素３０により一部を液化することで、その必要とする水の量はバイオマス重量の４倍程度と抑えることができ、その分糖液濃度を高くすることができる。
【００５０】
下記「表１」に、バイオマス固形分と水の量及び糖濃度の関係について、本発明品と従来品との比較について示す。なお、この比較例は例示であり、バイオマス原料の種類により変動するので、本発明はこれに限定されるものではない。
【００５１】
【表１】
2014010048.tif 000018
【００５２】
表１に示すように、本発明品においては、酵素液化することで、水分量が従来の１／５（４／２０）で済み、糖濃度を１０％とすることができる。これは、従来のスラリー化の場合２．５％の４倍も濃度が濃い糖液を得ることができるものとなる。また、バイオマス固形分２０に同伴する水分量を低減すれば更に濃い糖液を得ることも可能となる。
この結果、糖化工程における固液分離によって分離される水の量も少ないものとなり、プラント効率が向上する。また、分離した水を別途排水処理する場合における排水量の大幅な低減を図ることができる。
【００５３】
また、酵素液化槽２１は攪拌手段２２を設けているが、本発明はこれに限定されず、例えばポンプによる循環手段等で攪拌させるようにしてもよい。
【００５４】
また、本実施例では、酵素液化槽２１にはｐＨ計３１を設けている。
このｐＨ計３１を設けることにより、酵素液化槽２１の液体のｐＨを測定でき、酵素が効率的に糖化能力を示すｐＨに酸やアルカリを酵素液化槽２１に加え、酵素液化槽２１の液体のｐＨを調整し液化を効率的に行うことができる。
また、ｐＨ計３１を設けることで、スラリー状バイオマス固形分２４中に残存する有機酸の有無を確認することができる。
これにより、水熱分解により生じる有機酸（例えば酢酸等）の発生状況を監視することができる。
【００５５】
また、酵素液化槽２１の液体のｐＨが著しく小さくなる場合には、水熱分解により有機酸（酢酸等）が発生していることが判定でき、水熱分解部１７の加圧熱水の温度制御を行うようにすればよい。
【００５６】
また、ｐＨ計３１によりｐＨを計測し、加圧熱水の供給量の制御を行い、水熱分解反応の制御を行うようにしてもよい。
その他のｐＨに基づく水熱分解部１７の制御としては、バイオマス原料１１の供給量の制御（反応時間）によって水熱分解反応を制御する方法や、バイオマス原料１１の第１のスクリュー手段１４による掻揚げ速度（反応時間）の制御によって水熱分解反応を制御する方法や、装置本体１３の気液界面１３ａの液レベル（反応時間）の制御によって水熱分解反応を制御する方法や、熱水排出液１６の排出量の制御（反応時間）によって水熱分解反応を制御する方法等を行うことができる。
【００５７】
ここで、前記水熱分解部１７に供給するバイオマスとしては、特に限定されるものではなく、地球生物圏の物質循環系に組み込まれた生物体又は生物体から派生する有機物の集積をいう（ＪＩＳ  Ｋ  ３６００  １２５８参照）が、本発明では特に木質系の例えば広葉樹、草本系等のセルロース系資源や農業系廃棄物、食品廃棄物等を用いるのが好ましい。
【００５８】
また、前記バイオマス原料１１としては、粒径は特に限定されるものではないが、５ｍｍ以下に粉砕することが好ましい。
本実施例では、バイオマスの供給前において、前処理装置として、例えば粉砕装置を用いて前処理するようにしてもよい。また、洗浄装置により洗浄するようにしてもよい。
なお、バイオマス原料１１として、例えば籾殻等の場合には、粉砕処理することなく、そのままバイオマス供給部１２に供給することができるものとなる。
【００５９】
また、水熱分解部１７における、反応温度は１４０〜２４０℃の範囲とするのが好ましい。さらに好ましくは１８０〜２３０℃とするのがよい。
これは、１４０℃未満の低温では、水熱分解速度が小さく、長い分解時間が必要となり、装置の大型化につながり、好ましくないからである。一方２４０℃を超える温度では、分解速度が過大となり、セルロース成分が固体から液体側への移行を増大すると共に、ヘミセルロース系糖類の過分解が促進され、好ましくないからである。
また、ヘミセルロース成分は約１４０℃付近から、セルロースは約２３０℃付近から、リグニン成分は１４０℃付近から溶解するが、セルロースを固形分側に残し、且つヘミセルロース成分及びリグニン成分が十分な分解速度を持つ１８０℃〜２３０℃の範囲とするのが良い。
【００６０】
反応圧力は、装置本体１３の反応温度（１８０〜２４０℃）の各温度の水の飽和蒸気圧に、更に０．１〜０．５ＭＰａだけ高い圧力を加えることとするのが好ましい。
また、反応時間は２０分以下、３分〜１０分とするのが好ましい。これはあまり長く反応を行うと過分解物の割合が増大し、好ましくないからである。
【００６１】
前記常圧下から加圧下に供給するバイオマス供給部１２としては、例えば、スクリュー、ピストンポンプ又はスラリーポンプ等の手段を挙げることができる。
【００６２】
また、水熱分解装置は、本実施例では、垂直型の装置としているが、本発明はこれに限定されるものではなく、気液界面１３ａを有する傾斜型の水熱分解装置としてもよい。
【００６３】
ここで、水熱分解装置を傾斜型又は垂直型とするのは、水熱分解反応において発生したガスや原料中に持ち込まれたガス等が上方から速やかに抜けることができ好ましいからである。また、加圧熱水１５で分解生成物を抽出するので、抽出効率の点において上方から下方に向かって抽出物の濃度が高まることとなり、好ましいものとなる。
【００６４】
以上のように、本実施例によれば、バイオマス原料からセルロース主体の成分とヘミセルロース成分を固液接触状態で分解処理した後、その分解物であるバイオマス固形分２０を酵素液化槽２１の内部に供給して酵素液化することで、該バイオマス固形分２０を液化させ、該液化物で液体シールがなされ、加圧用気体の流出を防止することができる。
また、外部より多量の水を供給して、スラリー化させる必要がなくなるので、スラリー化処理する際の水の導入量を低減することとなり、プラント効率の向上を図ることができる。
【００６５】
本実施例では、バイオマスの分解処理を行うバイオマス処理部として、水熱分解装置を用いて説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、例えばアルカリ分解処理バイオマス処理部（例えば水酸化ナトリウム、消石灰やアンモニアの利用による分解等）、酸分解処理バイオマス処理部（希硫酸による分解等）であっても、気液界面を有し、その処理の後のバイオマス固形分２０を固体状態でバイオマス処理部より抜き出す際に、酵素３０を添加する酵素糖化槽２１を設置して、その処理したバイオマス固形分２０をスラリー化させ、排出機構を介して加圧下から常圧へ排出するシステムに適用できる。
【実施例２】
【００６６】
次に、本発明に係るバイオマス原料を用いた糖液生産システムの他の実施例について、図面を参照して説明する。なお、実施例１のバイオマス原料を用いた糖液生産システムと同一部材については同一符号を付してその説明は省略する。
図４は、実施例２に係るバイオマス原料を用いた糖液生産システムを示す概略図である。
図４に示すように、バイオマス原料を用いた糖液生産システム１０Ｄは、実施例１のバイオマス原料を用いた糖液生産システム１０Ａにおいて、主にセルロース成分を含むバイオマス固形分２０を六炭糖（Ｃ６糖）等に酵素糖化し、糖を濃縮するＣ６糖化・糖濃縮装置５０Ａと、主にヘミセルロース成分を含む熱水排出液１６を五炭糖（Ｃ５糖）等に酵素糖化し、糖を濃縮するＣ５糖化・糖濃縮装置５０Ｂとを有している。図４中、符号Ｍは撹拌手段を駆動するモータ、Ｐは送液ポンプを各々図示する。
【００６７】
このＣ６糖化・糖濃縮装置５０Ａ、Ｃ５糖化・糖濃縮装置５０Ｂは、酵素液化槽２１において液化されたバイオマス固形分２０を、酵素３０によりさらに酵素糖化する第１の糖化槽５２Ａ、水熱分解部１７からの熱水排出液１６を酵素４１により酵素糖化する第２の糖化槽４０Ｂと、糖化後の糖液５３Ａ、４２Ｂから、固体分を分離する第１の固液分離装置５４Ａ、第２の固液分離装置５４Ｂと、第１の固液分離装置５４Ａ、第２の固液分離装置５４Ｂで分離した糖液５３Ａ、４２Ｂから水５７ａ、５７ｂを除去して、濃縮糖液５５Ａ、５５Ｂを得る逆浸透（Ｒｅｖｅｒｓｅ  Ｏｓｍｏｓｉｓ：ＲＯ）膜５６ａ、５６ｂを備えた水分分離装置５６Ａ、５６Ｂとを有するものである。
前記第１の固液分離装置５４Ａ、第２の固液分離装置５４Ｂは、例えばスクリューデカンタ、砂濾過装置、ＭＦ膜等を単独又は組合せて用いることができ、これにより固形物を除去してＲＯ膜５６ａ、５６ｂの保護を図るようにしている。さらに、ＲＯ膜５６ａ、５６ｂの前段側において、限外濾過膜（Ｕｌｔｒａｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ  Ｍｅｍｂｒａｎｅ：ＵＦ膜）を用いることで、ＲＯ膜５６ａ、５６ｂの保護を図ると共に酵素の回収が可能となり、酵素を再利用することができる。
また、水分分離装置５６Ａ、５６Ｂには、ルーズＲＯ膜、ナノ濾過膜（Ｎａｎｏｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ  Ｍｅｍｂｒａｎｅ：ＮＦ膜）等を用いてもよい。
【００６８】
本実施例では、酵素３０は酵素液化槽２１において、必要量の酵素を添加するようにしているので、酵素糖化する常圧の第１の糖化槽５２Ａにおいては、酵素添加をしていないが、本発明はこれに限定されるものではない。
例えば、図５に示す実施例２に係る他のバイオマス原料を用いた糖液生産システム１０Ｅに示すように、第１の糖化槽５２Ａにおいて、酵素３０を添加し、常圧条件のもとで、単糖化を促進するようにしてもよい。
これに対し、図４に示す実施例２に係るバイオマス原料を用いた糖液生産システム１０Ｄでは、酵素３０の添加を一箇所で行うことができるので、装置構成は図５のシステムよりも簡易となる。
【００６９】
次に、このＣ６糖化・糖濃縮装置５０Ａ、Ｃ５糖化・糖濃縮装置５０Ｂの処理工程の手順について説明する。
＜酵素糖化工程＞
先ず、第１の糖化槽５２Ａにおいて、一部低分子量のオリゴマーを含む液化されたバイオマス固形分２４が抜出しラインＬ1を介して導入され、酵素３０がさらに添加され、酵素糖化工程における酵素反応による糖化がなされる。
一方、前記第２の糖化槽４０Ｂにおいては、熱水排出液供給ラインＬ6を介して熱水排出液１６が導入され、酵素４１が添加され、酵素糖化工程における酵素反応による糖化がなされる。
なお、以下の工程は、Ｃ６糖及びＣ５糖の固液分離処理工程も同様であるので、Ｃ６糖化・糖濃縮装置５０Ａの処理工程について説明する。
【００７０】
＜固液分離工程＞
次に、糖液５３Ａは第１の糖液タンク６１Ａに貯留され、その後、第１の固液分離装置５４Ａによりリグニン等の固形残液６２Ａが分離され、その後糖液５３Ａは第２の糖液タンク６３Ａに貯留される。
【００７１】
＜糖濃縮工程＞
次に、糖液５３Ａは、ＲＯ膜５６ａを備えた水分分離装置５６Ａにより水５７Ａが除去され、濃縮糖液５５Ａを得る。
この濃縮糖液５５Ａは図示しない後工程の発酵処理において、各種有機原料となる。
【００７２】
酵素により液化されたバイオマス固形分２４は、スラリー状であるため、撹拌・移送などを操作性よく行うことができる。
また、各種膜を用いた膜処理により、糖の濃縮を効率よく行うことができる。
また、分離したリグニン等固形残液６２Ａ（６２Ｂ）は、高カロリーであるので、燃料用に用いることができる。また、リグニン等固形残液６２Ａ（６２Ｂ）は、有機肥料利用や化学原料利用（リグニンの接着剤としての利用等）に用いることができる。
【００７３】
このように、本発明のバイオマス原料を用いた糖液生産方法は、図４及び５に示すように、セルロース、ヘミセルロース及びリグニンを有するバイオマス原料１１を常圧下から加圧下に供給し、前記バイオマス原料１１を加圧熱水１５により水熱分解部１７により水熱分解し、前記加圧熱水１５中にリグニン成分及びヘミセルロース成分を溶解させ、その後、前記水熱分解部１７から抜出したバイオマス固形分２０と、酵素３０が注入され、前記水熱分解部１７と連通する酵素液化槽２１に投入し、一部が酵素により液化してスラリー状バイオマス固形分２４とし、前記スラリー状バイオマス固形分２４を酵素糖化して糖液５３Ａを得た後、固形分を分離し、次いで水を除去することによりバイオマス原料から糖液を効率よく生産することができる。
【実施例３】
【００７４】
次に、本発明に係るバイオマス原料を用いた糖液生産システムの他の実施例について、図面を参照して説明する。なお、実施例１乃至３のバイオマス原料を用いた糖液生産システムと同一部材については同一符号を付してその説明は省略する。
図６は、実施例３に係るバイオマス原料を用いた糖液生産システムを示す概略図である。
図７は、実施例３に係る他のバイオマス原料を用いた糖液生産システムを示す概略図である。
図６に示すように、バイオマス原料を用いた糖液生産システム１０Ｆは、実施例１のバイオマス原料を用いた糖液生産システム１０Ａにおいて、前記水熱分解部１７から排出されるバイオマス熱水可溶分を含む熱水排出液１６を、酵素３０を添加する酵素液化槽２１へ導入する熱水排出液導入ラインＬ11を有するものである。
【００７５】
本実施例によれば、実施例２で説明した図４、図５に示す糖化・糖濃縮装置５０Ｂが不要となり、装置構成が簡素化できる。
【００７６】
バイオマス固形分２０が含有する水分中に含まれるヘミセルロースの過分解（分解開始温度約１４０℃〜１８０℃）を抑制するためには酵素液化槽２１の液温を１４０℃以下に冷却するよう、バイオマス固形分２０の温度や酵素液化槽２１の容量に応じて導入する熱水排出液１６の温度を必要に応じて図示しない冷却手段により冷却し、適宜設定するようにすればよい。
また、本実施例においても、前述した図２に示すバイオマス原料を用いた糖液生産システム１０Ｂの酵素液化槽２１に設けた冷却手段２６を、必要に応じて、設置するようにしてもよい。
【００７７】
本実施例では、６炭糖原料となる熱水不可溶分であるバイオマス固形分２０を、５炭糖原料となるバイオマス熱水可溶分を含む排出液１６中に落下させてスラリー状の混合液化物２７としている。これにより、糖化工程を単一のラインで行うことができる。
【００７８】
次に、混合液化物２７を用いて、酵素糖化し、糖を濃縮する糖化・糖濃縮装置５０について、図７を用いて説明する。
図７は、実施例３に係るバイオマス原料を用いた糖液生産システム１０Ｇを示す概略図である。
【００７９】
図７に示すように、バイオマス原料を用いた糖液生産システム１０Ｇは、バイオマス原料を用いた糖液生産システム１０Ｆにおいて、さらに糖化・糖濃縮装置５０を備えたバイオマス原料を用いた糖液生産システムである。この糖化・糖濃縮装置５０は、酵素３０により一部が糖化されている混合液化物２７を、酵素３０によりさらに酵素糖化する糖化槽５２、糖化後の糖液５３から、固体分を分離する固液分離装置５４と、固液分離装置５４で分離した糖液５３から水５７を除去して、濃縮糖液５５を得る逆浸透（Ｒｅｖｅｒｓｅ  Ｏｓｍｏｓｉｓ：ＲＯ）膜５６ａを備えた水分分離装置５６とを有するものである。
【００８０】
前記固液分離装置５４は、例えばスクリューデカンタ、砂濾過装置、ＭＦ膜等を単独又は組合せて用いることができ、これにより固形物を除去してＲＯ膜５６ａの保護を図るようにしている。さらに、ＲＯ膜５６ａの前段側において、限外濾過膜（Ｕｌｔｒａｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ  Ｍｅｍｂｒａｎｅ：ＵＦ膜）を用いることで、ＲＯ膜の保護を図ると共に酵素の回収が可能となり、酵素を再利用することができる。
【００８１】
また、水分分離装置５６には、ルーズＲＯ膜、ナノ濾過膜（Ｎａｎｏｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ  Ｍｅｍｂｒａｎｅ：ＮＦ膜）等を用いてもよい。
【００８２】
次に、この糖化・糖濃縮装置５０の処理工程の手順について説明する。
混合液化物２７は、６炭糖原料となる熱水不可溶分であるバイオマス固形分２０と、５炭糖原料となるバイオマス熱水可溶分を含む排出液１６との混合物であるので、Ｃ６糖化と、Ｃ５糖化とが同一ラインで進行することとなる。
【００８３】
＜酵素糖化工程＞
先ず、糖化槽５２において、酵素３０により一部糖化された混合液化物２７が抜出しラインＬ1を介して導入され、酵素３０がさらに添加され、酵素糖化工程における酵素反応による糖化がなされる。
なお、酵素３０は、前述したように、酵素液化槽２１において必要量添加している場合には、糖化槽５２においては、添加する必要はない。
【００８４】
＜固液分離工程＞
次に、糖液５３は第１の糖液タンク６１に貯留され、その後、固液分離装置５４によりリグニン等の固形残液６２が分離され、その後糖液５３は第２の糖液タンク６３に貯留される。図中、符号Ｌ3及びＬ4は糖液５３を供給する糖液供給ラインを図示する。
【００８５】
＜糖濃縮工程＞
次に、糖液５３は、ＲＯ膜５６ａを備えた水分分離装置５６により水５７が除去され、濃縮糖液５５を得る。
この濃縮糖液５５は図示しない後工程の発酵処理における各種有機原料となる。
【００８６】
本実施例では、混合液化物２７を用いて糖化しているので、低基質濃度での糖化となり、高速糖化が可能となる。
また、スラリー状であるため、撹拌・移送などを操作性よく行うことができる。
また、低基質濃度での糖化となるので、酵素使用量の削減を図ることができる。
また、各種膜を用いた膜処理により、糖の濃縮を効率よく行うことができる。
また、分離したリグニン等固形残液６２は、高カロリであるので、燃料用に用いることができる。また、リグニン等固形残液６２は、有機肥料利用や化学原料利用（リグニンの接着剤としての利用等）に用いることができる。
【００８７】
このように、本発明のバイオマス原料を用いた糖液生産方法は、図７に示すように、セルロース、ヘミセルロース及びリグニンを有するバイオマス原料１１を常圧下から加圧下に供給し、前記バイオマス原料１１を加圧熱水１５により水熱分解部１７により水熱分解し、前記加圧熱水１５中にリグニン成分及びヘミセルロース成分を溶解させ、その後、前記水熱分解部１７から抜出したバイオマス固形分２０を、前記水熱分解部１７と連通すると共に、酵素３０及び排出液１６が導入された酵素液化槽２１に投入し、酵素３０により一部が液化された混合液化物２７とし、この混合液化物２７を加圧状態から常圧状態に抜出して、糖化槽５２で酵素糖化を完了させ、糖液５３を得た後、固形分を分離し、次いで水を除去することによりバイオマス原料１１から糖液５３を効率よく生産することができる。
【００８８】
本実施例では、酵素液化槽２１におけるスラリー化の際、排出液１６を用いて、外部からの水の導入を無くすことができるので、糖化濃度を例えば１．５ｗｔ％から８ｗｔ％まで上げることができる。この結果、後流側において設置する糖液濃縮装置が不要又は糖液濃縮装置のコンパクト化を図ることができる。
【００８９】
以上のように、本実施例によれば、バイオマス原料からセルロース主体の成分とヘミセルロース成分を固液接触状態で分解処理した後、その分解物であるバイオマス固形分２０を酵素液化槽２１の内部に注入した液体中に、投入することで、スラリー化させると共に、液体シールがなされ、加圧用気体の流出を防止することができる。これにより加圧用気体（例えば加圧窒素や加圧空気等）の流出が防止され、ランニングコストの大幅な削減を図ることができる。
この際、酵素液化槽２１には、水熱分解部１７から排出される排出液１６が導入されているので、外部からの水を用いてスラリー化することが不要となる。
また、酵素液化槽２１に酵素３０を投入して、加圧状態で一部糖化させると共に、一部糖化された混合液化物２７を加圧状態から常圧状態に抜出し、常圧状態の糖化槽５２で糖化しているので、糖化処理の効率が向上する。
【００９０】
以上、本実施例によれば、スラリー化の際に、外部からの水を供給することなく、熱水排出液１６を用いると共に、酵素３０を用いて酵素液化させることにより、プラント全体での水の消費量の大幅な低減が可能となり、コストダウンを図ることができる。
また、６炭糖原料となるスラリー状バイオマス固形分２０と、５炭糖原料となる熱水排出液１６とを混合した混合液化物２７を用いて糖化するので、１つの酵素糖化槽２１から回収される糖の絶対量の増加を図ることができる。
【００９１】
また、６炭糖原料となるスラリー状バイオマス固形分２０と、５炭糖原料となる熱水排出液１６とを混合した混合液化物２７を用いて糖化するので、酵素とバイオマスの混合性が良くなるために酵素がより効率的に働き、糖化における酵素消費量が低減でき、結果的に酵素使用コストの低減を図ることができる。
【００９２】
また、６炭糖原料となるスラリー状バイオマス固形分２０と、５炭糖原料となる熱水排出液１６とを混合した混合液化物２７を用いて糖化するので、糖化ラインを従来のような２系統とせずに１系統の単一ラインとすることができ、酵素糖化工程が単純となり、設備費及びランニングコストの低減を図ることができる。
【００９３】
また、水の消費量が低減できるので、廃液の発生量が低減でき、廃液処理コストの低減を図ることができる。
【実施例４】
【００９４】
次に、本発明に係るバイオマス原料を用いた糖液生産システムの他の実施例について、図面を参照して説明する。なお、実施例３のバイオマス原料を用いた糖液生産システムと同一部材については同一符号を付してその説明は省略する。
図８は、実施例４に係るバイオマス原料を用いた糖液生産システムを示す概略図である。
図８に示すように、バイオマス原料を用いた糖液生産システム１０Ｈは、実施例３のバイオマス原料を用いた糖液生産システム１０Ｇにおいて、熱水排出液導入ラインＬ11に、フィルタ７１を設けている。このフィルタ７１を設置することにより、熱水排出液１６中のリグニン等の固形分を分離するようにしている。これにより、リグニンによる糖化阻害を防止するようにしている。
【実施例５】
【００９５】
次に、本発明に係るバイオマス原料を用いた糖液生産システムの他の実施例について、図面を参照して説明する。なお、実施例３のバイオマス原料を用いた糖液生産システムと同一部材については同一符号を付してその説明は省略する。
図９は、実施例５に係るバイオマス原料を用いた糖液生産システムを示す概略図である。
図９に示すように、バイオマス原料を用いた糖液生産システム１０Ｉは、実施例３のバイオマス原料を用いた糖液生産システム１０Ｇにおいて、熱水排出液導入ラインＬ11に、イオン交換膜フィルタ７２を設けている。このイオン交換膜フィルタ７２を設置することにより、熱水排出液１６中に可溶している酸性物質をイオン交換により除去するようにしている。これにより、酸性物質による糖化阻害を防止するようにしている。
【実施例６】
【００９６】
次に、本発明に係るバイオマス原料を用いた糖液生産システムの他の実施例について、図面を参照して説明する。なお、実施例３のバイオマス原料を用いた糖液生産システムと同一部材については同一符号を付してその説明は省略する。
図１０は、実施例６に係るバイオマス原料を用いた糖液生産システムを示す概略図である。
図１０に示すように、バイオマス原料を用いた糖液生産システム１０Ｊは、実施例３のバイオマス原料を用いた糖液生産システム１０Ｇにおいて、さらに前記水分分離装置５６から分離した水５７を酵素液化槽２１に戻す水戻しラインＬ5を有するものである。
また、この水戻しラインＬ5には冷却器６０が介装されており、水５７を所定温度まで冷却した後、酵素液化槽２１に戻すようにしている。
【００９７】
これにより、分離した水５７を再利用することができる。
【実施例７】
【００９８】
次に、本発明に係るバイオマス原料を用いた糖液生産システムの他の実施例について、図面を参照して説明する。なお、実施例１のバイオマス原料を用いた糖液生産システムと同一部材については同一符号を付してその説明は省略する。
図１１は、実施例７に係るバイオマス原料を用いた糖液生産システムを示す概略図である。
図１１に示すように、バイオマス原料を用いた糖液生産システム１０Ｋは、実施例６のバイオマス原料を用いた糖液生産システム１０Ｊにおいて、さらに、水戻しラインＬ5に生物処理装置６１を設け、水５７を生物処理した後、酵素液化槽２１に戻すようにしている。
【００９９】
糖濃縮工程でのＲＯ膜５６ａで分離した水５７には、反応阻害物質（低分子有機化合物）を含むので、生物処理装置６１により容易に処理が可能となる。そして、生物処理装置６１として、例えばメタン発酵生物処理装置を用いることにより、メタンを回収し、燃料等に利用が可能となる。
【０１００】
以上、説明したように、本発明にかかるバイオマス原料を用いた糖液生産システムによれば、バイオマス固形分２０を酵素糖化させることでその取り扱いを容易とし、その後の糖化工程に適したものとなり、効率的な糖液（Ｃ６糖、Ｃ５糖）の製造を行うことができる。また、この糖液を基点として、例えばＬＰＧ、自動用燃料、航空機用ジェット燃料、灯油、ディーゼル油、各種重油、燃料ガス、ナフサ、ナフサ分解物であるエチレングリコール、乳酸、アルコール（エタノール等）、アミン、アルコールエトキシレート、塩ビポリマー、アルキルアルミニウム、ＰＶＡ、酢酸ビニルエマルジョン、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリカーボネート、ＭＭＡ樹脂、ナイロン、ポリエステル等の各種有機原料（例えばアルコール類、石油代替品類、又はアミノ酸類等）を効率よく製造することができる。よって、枯渇燃料である原油由来の化成品の代替品及びその代替品製造原料としてバイオマス由来の糖液を効率的に利用することができる。
【０１０１】
さらに、液体中にバイオマス固形分を投入するので、液体による直接熱交換によりバイオマス固形分を冷却することで反応停止を効率良く行うことができ、バイオマス固形分に同伴する熱水による残留ヘミセルロース、残留リグニン及び主成分セルロースの過分解が抑制される。この結果、反応阻害成分の生成抑制を図ると共に、セルロース分の回収率の向上を図ることができる。
【符号の説明】
【０１０２】
１０Ａ〜１０Ｋ  バイオマス原料を用いた糖液生産システム
１１  バイオマス原料
１２  バイオマス供給部
１３  装置本体
１４  第１のスクリュー手段
１５  加圧熱水
１６  熱水排出液
１７  水熱分解部
１８  バイオマス固形分抜出部
２０  バイオマス固形分
２１  酵素液化槽
２２  撹拌手段
２３  排出部
２４  液化されたバイオマス固形分
２５  加圧窒素
２７  混合液化物
３０  酵素
【国際調査報告】
2014010048.tif 000019
2014010048.tif 000020
2014010048.tif 000021
2014010048.tif 000022