(57)【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からリグニンを解離し、又はリグノセルロース系バイオマスを膨潤させた前処理物を糖化処理して糖化溶液を得るリグノセルロース系バイオマスの処理方法において、
リグノセルロース系バイオマスからリグニンを解離し、又はリグノセルロース系バイオマスを膨潤させた前処理物を得る前処理工程と、
前記前処理物に第１の糖化酵素を添加して撹拌手段により撹拌しながら糖化処理することにより移送可能な流動性を備える第１の糖化処理物を得る第１の糖化処理工程と、
前記第１の糖化処理物に第２の糖化酵素を添加して糖化処理することにより第２の糖化処理物として糖化溶液を得る第２の糖化処理工程とを備え、
前記前処理工程と前記第１の糖化処理工程とを同一の反応槽を用いて行い、
前記撹拌手段の撹拌に要する仕事率が次第に低下し、撹拌時間に対する該仕事率の変化率が所定値を下回った後に、前記第１の糖化処理物を、前記第１の糖化処理工程から前記第２の糖化処理工程に、該第１の糖化処理工程と該第２の糖化処理工程とを接続する導管に配設された移送手段により、外気に非接触状態で移送することを特徴とするリグノセルロース系バイオマスの処理方法。
【請求項２】
請求項１記載のリグノセルロース系バイオマスの処理方法において、
前記撹拌手段の撹拌に要する仕事率が次第に低下し、撹拌時間に対する該仕事率の変化率が所定値を下回った後、さらに所定時間が経過したときに、前記第１の糖化処理物を、前記第１の糖化処理工程から前記第２の糖化処理工程に移送することを特徴とするリグノセルロース系バイオマスの処理方法。
【請求項３】
リグノセルロース系バイオマスからリグニンを解離し、又はリグノセルロース系バイオマスを膨潤させた前処理物を糖化処理して糖化溶液を得るリグノセルロース系バイオマスの処理方法において、
リグノセルロース系バイオマスからリグニンを解離し、又はリグノセルロース系バイオマスを膨潤させた前処理物を得る前処理工程と、
前記前処理物に第１の糖化酵素を添加して撹拌手段により撹拌しながら糖化処理することにより移送可能な流動性を備える第１の糖化処理物を得る第１の糖化処理工程と、
前記第１の糖化処理物に第２の糖化酵素を添加して糖化処理することにより第２の糖化処理物として糖化溶液を得る第２の糖化処理工程とを備え、
前記前処理工程と前記第１の糖化処理工程とを同一の反応槽を用いて行い、
前記撹拌手段の撹拌に要する仕事率が次第に低下して所定値を下回った後に、前記第１の糖化処理物を、前記第１の糖化処理工程から前記第２の糖化処理工程に、該第１の糖化処理工程と該第２の糖化処理工程とを接続する導管に配設された移送手段により、外気に非接触状態で移送することを特徴とするリグノセルロース系バイオマスの処理方法。
【請求項４】
請求項３記載のリグノセルロース系バイオマスの処理方法において、
前記撹拌手段の撹拌に要する仕事率が次第に低下して所定値を下回った後、さらに所定時間が経過したときに、前記第１の糖化処理物を、前記第１の糖化処理工程から前記第２の糖化処理工程に移送することを特徴とするリグノセルロース系バイオマスの処理方法。
【請求項５】
請求項１〜請求項４のいずれか１項記載のリグノセルロース系バイオマスの処理方法において、
前記第１の糖化酵素は、セルロースとヘミセルロースとを分解する酵素であることを特徴とするリグノセルロース系バイオマスの処理方法。
【請求項６】
請求項１〜請求項５のいずれか１項記載のリグノセルロース系バイオマスの処理方法において、
前記第１の糖化酵素はスラリー化に寄与するエンド型酵素であり、前記第２の糖化酵素は単糖化に寄与するエキソ型酵素とベータグルコシダーゼを主とする酵素であることを特徴とするリグノセルロース系バイオマスの処理方法。
【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の処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球温暖化の一因と考えられている二酸化炭素の排出量削減が求められており、ガソリン等の液体炭化水素とエタノールとの混合燃料を自動車燃料に用いることが検討されている。前記エタノールとしては、サトウキビ、トウモロコシ等の農作物等の植物性物質の発酵により得られたエタノールを用いることができる。
【０００３】
かかる植物性物質から得られたエタノールにおいては、原料となる植物自体が既に光合成により二酸化炭素を吸収しているので、該エタノールを燃焼したときに排出される二酸化炭素の量は、該植物自体が吸収した二酸化炭素の量に等しい。即ち、総計としての二酸化炭素の排出量は理論的にはゼロになるという、所謂カーボンニュートラル効果を得ることができる。
【０００４】
ところが、前記サトウキビ、トウモロコシ等の農作物は、本来食糧とされるものであるので、エタノールの原料として大量に消費されると、食糧として供給される量が減少するという問題がある。
【０００５】
そこで、原料として、サトウキビ、トウモロコシ等の農作物に代えて、食用ではないリグノセルロース系バイオマス（以下、バイオマスと略記することがある）を用いてエタノールを製造する技術が検討されている。リグノセルロース系バイオマスはセルロースとヘミセルロース（以下、セルロース類と略記することがある）を含んでおり、セルロース類を酵素糖化によりグルコースやキシロース等の糖に分解し、得られた糖を発酵させることによりエタノールを得ることができる。
【０００６】
リグノセルロース系バイオマスとしては、例えば、木材、稲藁、麦藁、バガス、竹、トウモロコシの茎や葉や芯、パルプ、及びこれらから生じる廃棄物、例えば古紙等を挙げることができる。
【０００７】
ところが、リグノセルロース系バイオマスは、セルロースの他にヘミセルロース及びリグニンを主な構成成分としており、通常セルロース及びヘミセルロースは、リグニンに強固に結合しているため、そのままではセルロースに対する糖化反応を行うことが難しい。
【０００８】
そこで、従来、リグノセルロース系バイオマス由来のエタノールは、前処理槽でリグノセルロース系バイオマスからリグニンを解離し、又はリグノセルロース系バイオマスを膨潤させ、得られた前処理物を、糖化処理槽で酵素を用いて糖化処理し、得られた糖化溶液を発酵槽で発酵させた後、蒸留させることにより製造されている（例えば、特許文献１及び２参照）。
【０００９】
このとき、前記前処理物は流動性がなく、前記前処理槽から導管等を介して前記糖化処理槽に移送することが困難であるので、該前処理槽から取り出した後、移送用の容器等に収容して該糖化処理槽に移送している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００６−１０１８２９号公報
【特許文献２】特開２００８−２７１９６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかし、前記前処理物を前記前処理槽から取り出した場合、前記糖化処理槽に移送する間に、該前処理物が外気に接触して雑菌が混入する結果、前記糖化処理により得られる糖化溶液に含まれる糖が該雑菌に消費され、糖の歩留まりが低下するという問題がある。
【００１２】
前記問題を解消し、前記移送時の雑菌の混入を防ぐために、前記前処理物に導管等を介して移送可能な流動性を付与し、外気に非接触状態で移送することが考えられる。前記前処理物に導管等を介して移送可能な流動性を付与する方法として、該前処理物に水を添加することも考えられるが、このようにすると、得られるエタノールの濃度が低くなり、該エタノールの蒸留に要するエネルギーが増加するので、好ましくない。
【００１３】
また、前記前処理物に移送可能な流動性を付与する方法として、前記前処理槽内で該前処理物を撹拌しながら糖化処理し、移送可能な流動性を備える程度まで糖化する方法が考えられる。前記のように糖化処理された前記前処理物は移送可能な流動性を備えているので導管等を介して前記糖化処理槽に外気に非接触状態で移送することができ、結果として前記移送時の雑菌の混入を抑制することができる。そして、前記前処理物は、前記糖化処理槽においてさらに糖化処理されることにより、糖化処理を完了する。
【００１４】
このとき、糖化溶液製造工程全体のコストを低減するために、前記前処理物が糖化されて移送可能な流動性を備えるに至ったならば、それ以上撹拌を行うことなく該前処理物を前記糖化処理槽に移送することが望まれる。そこで、前記前処理物が移送可能な流動性を備えるに至ったことを、前記撹拌に要する時間で把握することが考えられる。
【００１５】
しかしながら、リグノセルロース系バイオマスは、単一の原料であっても、収穫地、収穫年度等の条件によって、リグニン含有量等の原料の状態が異なる。このため、前記撹拌を所定時間行った場合に、バイオマス原料の状態によっては、前記前処理物に移送するのに十分な程度の流動性を付与することができなかったり、必要以上に撹拌されていたりすることがあるという不都合がある。
【００１６】
かかる不都合を解決するために、本発明は、前処理物が移送可能な流動性を備えるに至ったことを確実に把握することができるリグノセルロース系バイオマスの処理方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明のリグノセルロース系バイオマスの処理方法は、前記目的を達成するために、リグノセルロース系バイオマスからリグニンを解離し、又はリグノセルロース系バイオマスを膨潤させた前処理物を糖化処理して糖化溶液を得るリグノセルロース系バイオマスの処理方法において、リグノセルロース系バイオマスからリグニンを解離し、又はリグノセルロース系バイオマスを膨潤させた前処理物を得る前処理工程と、前記前処理物に第１の糖化酵素を添加して撹拌手段により撹拌しながら糖化処理することにより移送可能な流動性を備える第１の糖化処理物を得る第１の糖化処理工程と、前記第１の糖化処理物に第２の糖化酵素を添加して糖化処理することにより第２の糖化処理物として糖化溶液を得る第２の糖化処理工程とを備え、前記前処理工程と前記第１の糖化処理工程とを同一の反応槽を用いて行い、前記撹拌手段の撹拌に要する仕事率が次第に低下し、撹拌時間に対する該仕事率の変化率が所定値を下回った後に、前記第１の糖化処理物を、前記第１の糖化処理工程から前記第２の糖化処理工程に、該第１の糖化処理工程と該第２の糖化処理工程とを接続する導管に配設された移送手段により、外気に非接触状態で移送することを特徴とする。
【００１８】
本発明の処理方法では、まず、前処理工程において、リグノセルロース系バイオマスからリグニンを解離し、又はリグノセルロース系バイオマスを膨潤させることにより、前処理物を得る。
【００１９】
本願において、解離とは、リグノセルロース系バイオマスのセルロース又はヘミセルロースに結合しているリグニンの結合部位のうち、少なくとも一部の結合を切断することをいう。また、膨潤とは、液体の浸入により結晶性セルロースを構成するセルロース又はヘミセルロースに空隙が生じ、又は、セルロース繊維の内部に空隙が生じて膨張することをいう。
【００２０】
次に、第１の糖化処理工程において、前記前処理工程により得られた前記前処理物に第１の糖化酵素を添加して撹拌手段を用いて撹拌しながら、該前処理物を糖化処理する。前記糖化処理が進行すると、前記前処理物は導管を介して移送可能な流動性を備えるようになり、第１の糖化処理物が得られる。
本発明の処理方法において、前記前処理工程と前記第１の糖化処理工程とは、同一の反応槽で行う。この場合、前記前処理工程により得られた前記前処理物を前記第１の糖化処理工程へ移送する必要がないので、該前処理物への雑菌の混入を確実に防ぐことができる。また、前記前処理物の移送に伴って該前処理物の温度が低下することがなく、熱エネルギーの損失を防ぐことができるとともに、前記前処理工程において発生した熱エネルギーを前記第１の糖化処理工程に利用することができるので、該前処理物が移送可能な流動性を備えるに至る時間を短くすることができる。
【００２１】
この結果、前記移送可能な流動性を備える第１の糖化処理物は、移送手段を用いて容易に移送することができるようになる。前記撹拌手段としては、例えば、電動機により回転される撹拌翼、振動機による振動等を用いることができる。また、前記移送手段としては、例えば、遠心ポンプ、モーノポンプ等を用いることができる。
【００２２】
このとき、前記前処理物は前記糖化反応の進行に伴って流動性が増大するので、前記撹拌手段の撹拌に要する仕事率が次第に低下する。そして、前記前処理物が移送可能な流動性を備えるに至り、第１の糖化処理物となると、前記撹拌手段において、撹拌時間に対する前記仕事率の変化率が所定値を下回ることとなる。
【００２３】
そこで、前記撹拌手段の撹拌に要する仕事率が次第に低下し、撹拌時間に対する該仕事率の変化率が所定値を下回った後に、前記第１の糖化処理物を、前記第１の糖化処理工程から前記第２の糖化処理工程に、外気に非接触状態で移送する。
【００２４】
次に、前記第２の糖化処理工程において、移送された前記第１の糖化処理物に第２の糖化酵素を添加して糖化処理することにより糖化処理を完了させ、第２の糖化処理物として糖化溶液を得る。得られた第２の糖化処理物は、前記第１の糖化処理物が外気に非接触状態で移送されることにより、雑菌の混入が抑制されている。したがって、本発明の処理方法によれば、前記第２の糖化処理物に含まれる糖は前記雑菌に消費されることがなく、糖の歩留まりを向上することができる。
【００２５】
以上のように、本発明のリグノセルロース系バイオマスの処理方法によれば、前記撹拌手段の撹拌に要する仕事率が次第に低下し、撹拌時間に対する該仕事率の変化率が所定値を下回ったときを以って、前処理物が移送可能な流動性を備えるに至ったことを確実に把握することができる。この結果、前記撹拌手段で過度に撹拌することを防ぎ、該撹拌に要するエネルギーの消費を抑制することができるので、糖化溶液製造工程全体のエネルギー消費量を低減することができ、コストをも削減することができる。
【００２６】
本発明の処理方法において、前記撹拌手段の撹拌に要する仕事率が次第に低下し、撹拌時間に対する該仕事率の変化率が所定値を下回った後に、前記第１の糖化処理工程により得られた前記第１の糖化処理物を前記第２の糖化処理工程に移送するようにしているが、これに代えて、該撹拌手段の撹拌に要する仕事率が次第に低下して所定値を下回った後に、移送するようにしてもよい。
【００２７】
ところで、本発明のリグノセルロース系バイオマスの処理方法において、前記第１の糖化処理物を前記第１の糖化処理工程から前記第２の糖化処理工程に移送する際、該第１の糖化処理物の流動性が高いほど容易に移送することができ、該移送に要する消費エネルギーを小さくすることができる。
【００２８】
しかし、前記第１の糖化処理物の流動性の増加と共に、撹拌時間に対する仕事率の変化率は、小さくなる。この結果、前記撹拌時間に対する仕事率の変化率により、前記第１の糖化処理物を前記第１の糖化処理工程から前記第２の糖化処理工程に移送する時期を正確に判断することが難しくなる。
【００２９】
そこで、本発明のリグノセルロース系バイオマスの処理方法において、前記撹拌手段の撹拌に要する仕事率が次第に低下し、撹拌時間に対する該仕事率の変化率が所定値を下回った後、さらに所定時間が経過したとき、或いは、該撹拌手段の撹拌に要する仕事率が次第に低下して所定値を下回った後、さらに所定時間が経過したときに、前記第１の糖化処理物を、前記第１の糖化処理工程から前記第２の糖化処理工程に移送することが好ましい。
【００３０】
前記所定時間が経過すると、前記第１の糖化処理物はより容易に移送可能な流動性を備えるに至るので、前記撹拌手段で過度に撹拌することを防ぎつつ、該第１の糖化処理物を容易に移送することができる。従って、撹拌に要するエネルギーと移送に要するエネルギーとの合計の消費量を低減することができ、糖化溶液製造工程全体のエネルギー消費量及びコストをさらに低減することができる。
【００３２】
また、本発明の処理方法において、前記第１の糖化酵素としては、例えばセルロースを分解する酵素を用いることができる。一方、前記第２の糖化酵素は加えなくてもよいが、加える場合は、前記第１の糖化酵素と同じものでもよく、また、別のものでもよい。望ましくは前記第１の糖化酵素はスラリー化に寄与するエンド型酵素とし、前記第２の糖化酵素は単糖化に寄与するエキソ型酵素とベータグルコシダーゼを主とすることが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本実施形態のリグノセルロース系バイオマスの処理方法に用いる装置を示すシステム構成図。
【図２】本実施形態に用いる前処理槽の一部を切欠いて示す斜視図。
【図３】本発明の第１の糖化処理工程における撹拌に要する仕事率の経時変化を示すグラフ。
【図４】図３に示す撹拌に要する仕事率と時間とをそれぞれ対数として示すグラフ。
【図５】本発明の第１の糖化処理工程における前処理物の粘度の経時変化を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
次に、本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。本実施形態のリグノセルロース系バイオマスの処理方法は、リグノセルロース系バイオマスからリグニンを解離し、又はリグノセルロース系バイオマスを膨潤させた前処理物を糖化処理して糖化溶液を得る方法である。得られた糖化溶液は、エタノール、ブタノール等のアルコール類、炭化水素、及び樹脂の製造に用いることができ、本実施形態では、該糖化溶液を発酵させてエタノールを製造する。
【００３５】
本実施形態のリグノセルロース系バイオマスの処理方法は、例えば、セルロースを含むリグノセルロース系バイオマスとしての稲藁を処理する方法であり、図１に示す処理システム１を用いて行うことができる。処理システム１は、前処理槽２と糖化処理槽３とを備えており、前処理槽２と糖化処理槽３とは導管４により接続されている。導管４は、途中に、前処理槽２の内容物を糖化処理槽３に移送する移送手段５が配設されている。移送手段５としては、例えば、遠心ポンプ、モーノポンプ等を用いることができる。また、糖化処理槽３は糖化溶液を発酵槽（図示せず）に移送する導管６を備えている。
【００３６】
前処理槽２は、図１及び図２に示すように、稲藁を収容する逆円錐形状の容器２１と、容器２１を閉蓋する蓋体２２とを備えている。容器２１は、側面部の外側に熱媒体が流通可能なジャケット部２３が設けられ、内部温度を調整可能となっていると共に、底部に容器２１の内容物を排出する排出口２４を備えている。排出口２４には、導管４が接続されている。
【００３７】
蓋体２２は、上部に、稲藁を投入する稲藁投入口２５と、アンモニア水を投入するアンモニア水投入口２６と、セルロースとヘミセルロースとを分解する第１の糖化酵素を投入する糖化酵素投入口２７と、ｐＨ調整剤を投入するｐＨ調整剤投入口（図示せず）と、内部圧力を調整可能とする圧力調整口２８が設けられている。圧力調整口２８には、圧力調整手段（図示せず）が接続されている。
【００３８】
また、蓋体２２には、容器２１の内容物を撹拌する撹拌手段７が設けられている。撹拌手段７は、蓋体２２の上方に設けられた電動モータ７１と、該電動モータ７１により回転駆動される駆動軸７２と、駆動軸７２によって回転駆動される垂直軸７３とを備えている。垂直軸７３は容器２１内に垂下され、垂直軸７３から水平方向に延出された腕部７４と、腕部７４の先端に所定の角度で取着された撹拌翼７５とを備えている。
【００３９】
撹拌手段７は、電動モータ７１により駆動軸７２及び垂直軸７３を回転させることにより撹拌翼７５を介して容器２１の内容物を撹拌することができる。
【００４０】
本実施形態のリグノセルロース系バイオマスの処理方法では、まず、予め所定の大きさに粉砕された稲藁を、稲藁投入口２５から容器２１内に投入する。
【００４１】
次に、前処理工程として、撹拌手段７により撹拌翼７５を回転させて容器２１内の稲藁を撹拌しながら、アンモニア水投入口２６から容器２１内にアンモニア水を投入することにより、稲藁とアンモニア水とが混合された基質混合物を得る。次に、撹拌手段７による撹拌を維持した状態で、ジャケット部２３内に熱媒体を流通させ、容器２１内の前記基質混合物を所定温度で所定時間保持して加熱する。その後、前記稲藁に含まれるアンモニアを放散することにより、該稲藁からリグニンを解離し、又は該稲藁を膨潤させた前処理物を得ることができる。
【００４２】
尚、前処理工程として、前記方法に代えて、容器２１内の前記基質混合物に所定の含水率となるように水を加え、容器２１を密閉した状態で、該基質混合物を撹拌しながら加熱し所定温度で所定時間保持した後、圧力調整口２８を開放して該基質混合物の温度を低下させる水熱処理を行ってもよい。また、前処理工程として、前記方法に代えて、容器２１内の前記基質混合物に希硫酸等の酸を添加して、酸処理を行ってもよい。あるいはまた、容器２１を密閉した状態で水蒸気を加え、所定温度で所定時間保持する水蒸気処理を行ってもよい。
【００４３】
次に、前記前処理工程に用いた前処理槽２と同一の前処理槽２を用いて、第１の糖化処理工程を行う。前記第１の糖化処理工程では、まず、前記前処理工程により得られた前記前処理物に対して、前記ｐＨ調整剤投入口からｐＨ調整剤を投入するとともに、酵素反応に必要とされる量の水を投入し、酵素投入口２７からセルロースとヘミセルロースとを分解する第１の糖化酵素を投入する。
【００４４】
前記セルロースとヘミセルロースとを分解する第１の糖化酵素として、例えば、ＧＣ２２０、アクセルレース１０００、アクセルレース１５００、アクセルレースＸＣ、アクセルレースＸＹ、アクセルレース１５００（以上、販売元：ジェネンコア協和株式会社）、アクレモニウムセルラーゼ（Meiji Seika ファルマ株式会社製）、Cellic  CTec、Celic HTec（以上、ノボザイム社製）等を用いることができる。
【００４５】
この時、ジャケット部２３に熱媒体を流通させ、容器２１内のｐＨ調整剤及び第１の糖化酵素を含む前記前処理物を所定温度で所定時間保持する。この結果、前記前処理物に含まれるセルロースとヘミセルロースとが前記第１の糖化酵素の作用により加水分解されて糖が生成する糖化反応が進行する。
【００４６】
前記糖化反応では、まず、セルロースからなる高分子鎖が分断され、より低分子量の高分子体が形成される。前記高分子鎖は、前記前処理の結果、セルロースあるいはヘミセルロースが露出し、もしくはセルロースとセルロースの相互の間に糖化酵素が侵入可能な間隔を存している。そこで、糖化酵素により前記高分子鎖の分断が進行する結果、前記前処理物の流動性が急激に大きくなり、第１の糖化処理物となる。
【００４７】
次に、前記糖化反応がさらに進行すると、前記第１の糖化処理物に含まれる前記高分子体がさらに細かく分断され、第１の糖化処理物の流動性がさらに増大する。
【００４８】
そして、前記糖化反応が完了すると、オリゴ糖、二糖、単糖等の糖が主である、第２の糖化処理物としての糖化溶液が形成される。
【００４９】
次に、前記糖化反応の進行と、撹拌手段７の撹拌に要する仕事率の変化との関係を図３に示す。図３に示すように、撹拌手段７の撹拌に要する仕事率は、前記糖化反応の進行に伴って、低下する。容器２１内の前処理物が、セルロースからなる高分子鎖が分断され、より低分子量の高分子体が形成された状態に至ると、該前処理物の流動性が急激に大きくなると共に、撹拌手段７の撹拌に要する仕事率も急激に低下する。この結果、撹拌手段７の撹拌時間がｔ１、仕事率がＷ１であるときに、該撹拌時間に対する該仕事率の変化率ｄＷ／ｄｔが所定値を下回り、容器２１内の前記前処理物が移送可能な流動性を備える第１の糖化処理物となったものと判断することができる。
【００５０】
そこで、撹拌手段７の撹拌に要する仕事率が次第に低下し、撹拌時間ｔに対する該仕事率Ｗの変化率ｄＷ／ｄｔが所定値を下回った後に、前記移送手段５により、容器２１の排出口２４から第１の糖化処理物を排出して、第２の糖化処理工程が行われる糖化処理槽３へ移送する。
【００５１】
前記第１の糖化処理物の糖化処理槽３への移送は、前記撹拌時間ｔに対する前記仕事率Ｗの変化率ｄＷ／ｄｔが所定値を下回った後に行うことに代えて、撹拌手段７の撹拌に要する仕事率が次第に低下して所定値を下回った後に行うようにしてもよい。この場合、前記所定値は、撹拌手段７の撹拌に要する仕事率の変化を予め計測して、容器２１内の前記前処理物が移送可能な流動性を備える第１の糖化処理物となったと判断される値を求めておくことにより、設定することができる。
【００５２】
また、前記撹拌時間ｔに対する前記仕事率Ｗの変化率ｄＷ／ｄｔが所定値を下回った後さらに所定時間が経過したとき、或いは、該撹拌手段の撹拌に要する仕事率が次第に低下して所定値を下回った後、さらに所定時間が経過したとき、すなわち撹拌時間がｔ２となると、容器２１内の第１の糖化処理物が、前記第１の糖化処理物に含まれる前記高分子体がさらに細かく分断された状態に至る。このとき、前記第１の糖化処理物はその流動性がさらに増大し、糖化処理槽３への移送が容易になると共に、撹拌手段７の撹拌に要する仕事率はそれ以上の低下が認められなくなる。
【００５３】
前記撹拌に要する仕事率の状態について、図３に示す撹拌手段７の撹拌に要する仕事率は撹拌時間ｔ１においては変化が少なくなっているように見える。しかし、図３に示す撹拌手段の撹拌に要する仕事率Ｗと撹拌時間ｔとについてそれぞれ対数を取ると、図４に示すように、撹拌に要する仕事率が変化し続けていることがわかる。その後さらに温度を保持しつつ撹拌を継続すると撹拌時間ｔ２において撹拌に要する仕事率の変化の無い定常状態となっていることがわかる。すなわち撹拌時間ｔ２以降に撹拌を継続しても、撹拌が過度になるのみで、第１の糖化処理物の糖化処理槽３への移送に益するところは少ない。
【００５４】
そこで、前記第１の糖化処理物の糖化処理槽３への移送は、前記撹拌時間ｔに対する前記仕事率Ｗの変化率ｄＷ／ｄｔが所定値を下回った後さらに所定時間が経過したとき、或いは、撹拌手段７の撹拌に要する仕事率が次第に低下して所定値を下回った後、さらに所定時間が経過したとき、すなわち撹拌時間がｔ２であるときに、行うようにしてもよい。
【００５５】
このようにすることにより、撹拌手段７により過度に撹拌することを防ぎつつ、前記第１の糖化処理物を容易に移送することができるので、撹拌に要するエネルギーと移送に要するエネルギーとの合計の消費量を低減することができ、エタノール製造工程全体のエネルギー消費量をさらに低減することができる。
【００５６】
また、撹拌手段７の撹拌に要する仕事率は、装置の劣化等の状態によって変動する可能性がある。そこで、図５に示すように、前記前処理物（第１の糖化処理物）の粘度の経時変化を予め求めておき、該粘度と前記仕事率とを対応させておくようにしてもよい。
【００５７】
このようにすることにより、撹拌手段７の撹拌に要する仕事率が変動したときにも、前記粘度から該仕事率を算定することにより、前記撹拌時間ｔに対する前記仕事率Ｗの変化率ｄＷ／ｄｔが所定値を下回ったか否か、或いは撹拌手段７の撹拌に要する仕事率が次第に低下して所定値を下回ったか否かを的確に判断することができる。
【００５８】
また、前記粘度に代えて、撹拌手段７に対して前記前処理物（第１の糖化処理物）により発生するトルクと、そのときの消費電力量を予め求めておき、該消費電力量から前記撹拌時間ｔに対する前記仕事率Ｗの変化率ｄＷ／ｄｔが所定値を下回ったか否か、或いは撹拌手段７の撹拌に要する仕事率が次第に低下して所定値を下回ったか否かを判断するようにしてもよい。
【００５９】
次に、糖化処理槽３を用いて、移送された前記第１の糖化処理物に対する第２の糖化処理工程を行う。一方、前処理槽２には新たな稲藁が投入され、前記前処理工程及び前記第１の糖化処理工程が行われる。
【００６０】
第２の糖化処理工程では、前記第１の糖化処理物が低分子化しオリゴ糖、二糖、単糖等の糖を主とした第２の糖化処理物として糖化溶液を得る。このとき、第２の糖化酵素としては、前記第１の糖化酵素と異なる酵素であってもよく、同一の酵素であってもよい。あるいは前記第２の糖化酵素は加えなくてもよい。望ましくは前記第１の糖化酵素はスラリー化に寄与するエンド型酵素とし、前記第２の糖化酵素は単糖化に寄与するエキソ型酵素とベータグルコシダーゼとを主とするものが好ましい。
【００６１】
第２の糖化処理工程により得られた第２の糖化処理物としての糖化溶液は、前記第１の糖化処理物が外気に非接触状態で糖化処理槽３に移送されることにより、雑菌の混入が抑制されている。従って、本実施形態の処理方法によれば、前記第２の糖化処理物としての糖化溶液に含まれる糖が前記雑菌に消費されることがなく、糖の歩留まりを向上させることができる。
【００６２】
次に、得られた第２の糖化処理物としての糖化溶液を、前記発酵槽に移送し、発酵、蒸留することにより、エタノールを得ることができる。
【００６３】
本実施形態の処理方法では、前記前処理工程と前記第１の糖化処理工程との両方を前処理槽２で行うようにしているので、該前処理工程により得られた前処理物を該第１の糖化処理工程へ移送する必要がない。従って、前記前処理工程と前記第１の糖化処理工程とをそれぞれ別々の反応槽で行う場合と比較して、前記前処理物への雑菌の混入を確実に防止することができる。また、前記前処理物の移送に伴って該前処理物の温度が低下することがなく、熱エネルギーの損失を防ぐことができるとともに、前記前処理工程において発生した熱エネルギーを前記第１の糖化処理工程に利用することができるので、該前処理物が移送可能な流動性に備える第１の糖化処理物に至る時間を短くすることができる。
【００６４】
また、本実施形態の処理方法においては、撹拌手段７として、電動モータ７１により回転駆動される撹拌翼７５を用いているが、これに代えて、振動機による振動等を用いてもよい。
【００６５】
また、本実施形態の処理方法では、リグノセルロース系バイオマスとして稲藁を用いているが、稲藁に代えて、木材、麦藁、バガス、竹、トウモロコシの茎や葉や芯、パルプ、及びこれらから生じる廃棄物、例えば古紙等を用いることができる。
【００６６】
次に、本発明の実施例を示す。
【実施例】
【００６７】
本実施例では、まず、リグノセルロース系バイオマスとして、含水率１２質量％の自然乾燥稲藁３８６ｋｇを、カッターミルを用いて目開き３ｍｍのメッシュを通過する大きさに粉砕した後、図２に示す前処理槽２（商品名：ＰＶミキサー、株式会社神鋼環境ソリューション製、内容量：２０００Ｌ）において、稲藁投入口２５から容器２１内に投入した。
【００６８】
次に、前処理工程として、撹拌手段７により容器２１内の稲藁等を撹拌しながら、前記稲藁３８６ｋｇの乾燥質量３４０ｋｇに対し、同質量の２５質量％の濃度のアンモニア水をアンモニア水投入口２６から容器２１内に投入することにより、稲藁とアンモニア水とが混合された基質混合物を得た。
【００６９】
次に、撹拌手段７による撹拌を維持した状態で、ジャケット部２３内に熱媒体を流通させ、容器２１内の稲藁等を８０℃の温度で８時間保持して加熱することにより、稲藁からリグニンを解離し、又は稲藁を膨潤させた後、該稲藁等に含まれたアンモニアを放散することにより、前処理物を得た。前記前処理物は、移送可能な流動性を備えていなかった。
【００７０】
次に、第１の糖化処理工程として、容器２１内の前処理物に対して、５質量％の希硫酸を前記ｐＨ調整剤投入口から投入し、該前処理物のｐＨを４〜４．５の範囲に調整するとともに、第１の糖化酵素としてセルロースとヘミセルロースとを分解する糖化酵素（商品名：アクレモニウムセルラーゼ、Meiji Seika ファルマ株式会社製）１５ｋｇを、糖化酵素投入口２７から投入すると共に、該前処理物の濃度が２６質量％になるように水を投入した。
【００７１】
この時、ジャケット部２３に熱媒体を流通させ、容器２１内のｐＨ調整剤及び酵素を含む前処理物を、５０℃の温度で保持すると共に撹拌することにより、該前処理物に含まれるセルロースとヘミセルロースとを前記第１の糖化酵素の作用により加水分解させて糖を生成する糖化反応を進行させた。
【００７２】
撹拌手段７の撹拌に要する仕事率Ｗと撹拌時間ｔとをグラフ化したところ、図３に示すグラフが得られた。図３から、撹拌手段７の撹拌に要する仕事率ＷがＷ１かつ撹拌時間ｔがｔ１であるとき、容器２１内の前処理物の高分子鎖が分断され、より低分子量の高分子体が形成された状態に至り、該撹拌時間ｔに対する該仕事率Ｗの変化率ｄＷ／ｄｔが所定値を下回ったことが明らかである。
【００７３】
次に、撹拌時間ｔがｔ２であるとき、撹拌手段７の撹拌に要する仕事率ＷはＷ１よりもさらに小さくなり、第１の糖化処理物が前記第１の糖化処理物に含まれる前記高分子体がさらに細かく分断された状態となって、より容易に移送可能な流動性を備えるに至ったことが明らかである。
【符号の説明】
【００７４】
２…前処理槽、  ３…糖化処理槽、  ４…導管、  ７…撹拌手段。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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