(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
綿繊維を含有する綿繊維含有物品を前処理する前処理工程と、前記前処理工程を終了した前記綿繊維含有物品のセルロースをセルラーゼ含有水溶液中で糖分まで分解する糖化工程と、前記糖分をアルコール発酵してバイオエタノールを生成するアルコール発酵工程を含むバイオエタノールの製造方法において、前記綿繊維含有物品は綿繊維含有廃棄用パイル清掃品であり、前記前処理工程が前記綿繊維含有廃棄用パイル清掃品を水酸化ナトリウム水溶液中で４〜８時間の間加熱処理するアルカリ処理工程を含み、前記加熱処理における加熱温度は７０℃以上で１００℃以下であり、前記水酸化ナトリウム水溶液の濃度は２０％〜５０％であることを特徴とするバイオエタノールの製造方法。
【請求項２】
前記糖化工程において界面活性剤が添加される請求項１に記載のバイオエタノールの製造方法。
【請求項３】
前記界面活性剤が非イオン界面活性剤である請求項２に記載のバイオエタノールの製造方法。
【請求項４】
前記アルカリ処理工程を終了した前記水酸化ナトリウム水溶液に酸を投入して中和し、この中和水溶液から前記綿繊維含有廃棄用パイル清掃品を分離した後、前記綿繊維含有廃棄用パイル清掃品を前記セルラーゼ含有水溶液に浸漬する請求項１〜３のいずれかに記載のバイオエタノールの製造方法。
【請求項５】
前記アルカリ処理工程を終了した前記水酸化ナトリウム水溶液に酸を投入して中和し、この中和水溶液にセルラーゼを溶解させて前記セルラーゼ含有水溶液とする請求項１〜３のいずれかに記載のバイオエタノールの製造方法。
【請求項６】
前記アルカリ処理工程を終了した前記水酸化ナトリウム水溶液から前記綿繊維含有廃棄用清掃品を分離した後、前記綿繊維含有廃棄用パイル清掃品を前記セルラーゼ含有水溶液に浸漬する請求項１〜３のいずれかに記載のバイオエタノールの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、植物由来物質からバイオエタノールを製造する製造方法に関するものであり、更に詳細には、綿繊維を含有する物品からバイオエタノールを製造する製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年において、高騰する石油燃料とＣＯ２排出量の増加による環境の悪化等への対策として、植物由来物質（いわゆるバイオマス）をアルコール（エタノール）発酵させることにより生成されるバイオエタノールが注目されている。特に、この植物由来物質として、綿繊維を使用する場合には、この綿繊維がグルコース重合体であるセルロースのみから形成され、リグニンなどの糖化不能物質が殆ど含まれないため、極めて効率的なバイオエタノール製造を実施できることが予想される。
【０００３】
セルロースをバイオエタノール製造に使用するためには、このセルロースをグルコースなどの糖分に分解する必要がある。この分解方法としては、化学的にセルロースを分解する化学分解方法及びセルロース分解酵素であるセルラーゼを使用するセルラーゼ分解方法などがある。これらの内、セルラーゼ分解方法は室温又はその付近温度において実施することができ、エネルギーの消費を低減できる。バイオエタノールの製造において、綿繊維をセルラーゼにより分解することは、特開２００９−２９１１５４号公報（特許文献１）に開示されている。又、セルロースを含有するバイオマスを前記セルラーゼ分解方法により処理する以前に、このセルラーゼ分解を更に容易にするための前処理を行ってもよく、この前処理として例えば硫酸水溶液内における加熱処理を行うことは、特開２００９−１５３４４２号公報（特許文献２）に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−２９１１５４号公報
【特許文献２】特開２００９−１５３４４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、綿繊維のセルラーゼ分解は、綿繊維の強固な構造（ミクロフィブリル）により阻害され易い。綿繊維内のセルローズのかなりの部分が、多数の水素結合により結晶部分を形成し、更にミクロフィブリルによりセルラーゼが綿繊維内に浸透しにくくなっていると推測される。従って、何らかの前処理により、例えば繊維の膨潤化によるほぐし作用をおこなわない場合、或いは前記結晶構造を非結晶化させない場合には、綿繊維のセルラ−ゼ分解は工業的に利用できない。即ち、綿繊維から工業的にバイオエタノールを製造する為には、セルラーゼ分解を促進する、効率的な前処理工程が考案されることが必要となる。特許文献１においては、この前処理工程が全く考慮されていない。又、特許文献２においては、この前処理工程として硫酸水溶液内における加熱処理が記載されているが、本発明者がこの硫酸水溶液処理を前処理として行ったところ、セルラーゼ分解の効率向上は再現できなかった。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は上記の課題を解決するために為されたものであり、本発明の第１の形態は、綿繊維を含有する綿繊維含有物品を前処理する前処理工程と、前記前処理工程を終了した前記綿繊維含有物品のセルロースをセルラーゼ含有水溶液中で糖分まで分解する糖化工程と、前記糖分をアルコール発酵してバイオエタノールを生成するアルコール発酵工程を含むバイオエタノールの製造方法において、前記前処理工程が前記綿繊維含有物品をアルカリ水溶液中で加熱処理するアルカリ処理工程を含むバイオエタノールの製造方法である。
【０００７】
本発明の第２の形態は、第１の形態において、前記綿繊維含有物品が廃棄用清掃品であるバイオエタノールの製造方法である。
【０００８】
本発明の第３の形態は、第１又は２の形態において、前記糖化工程において界面活性剤が添加されるバイオエタノールの製造方法である。
【０００９】
本発明の第４の形態は、第３の形態において、前記界面活性剤が非イオン界面活性剤であるバイオエタノールの製造方法である。
【００１０】
本発明の第５の形態は、第１〜４の形態のいずれかにおいて、前記アルカリ処理工程を終了した前記アルカリ水溶液に酸を投入して中和し、この中和水溶液から前記綿繊維含有物品を分離した後、前記綿繊維含有物品を前記セルラーゼ含有水溶液に浸漬するバイオエタノールの製造方法である。
【００１１】
本発明の第６の形態は、第１〜４の形態のいずれかにおいて、前記アルカリ処理工程を終了した前記アルカリ水溶液に酸を投入して中和し、この中和水溶液にセルラーゼを溶解させて前記セルラーゼ含有水溶液とするバイオエタノールの製造方法である。
【００１２】
本発明の第７の形態は、第１〜４の形態において、前記アルカリ処理工程を終了した前記アルカリ水溶液から前記綿繊維含有物品を分離した後、前記綿繊維含有物品を前記セルラーゼ含有水溶液に浸漬するバイオエタノールの製造方法である。
【００１３】
本発明の第８の形態は、第１〜７の形態のいずれかにおいて、前記アルカリ水溶液が強アルカリ性物質の水溶液であるバイオエタノールの製造方法である。
【００１４】
本発明の第９の形態は、綿繊維から形成された綿繊維含有物品を前処理する前処理手段と、前記アルカリ処理手段を経た前記綿繊維含有物品のセルロースをセルラーゼ含有水溶液中で糖分まで分解する糖化手段と、前記糖分をアルコール発酵してバイオエタノールを生成するアルコール発酵手段を含むバイオエタノール製造装置において、前記前処理手段が前記綿繊維含有物品をアルカリ水溶液中で加熱処理するアルカリ処理手段を含むバイオエタノール製造装置である。
【００１５】
本発明の第１０の形態は、第９の形態において、前記糖化手段が界面活性剤を添加する界面活性剤添加手段を有するバイオエタノール製造装置である。
【００１６】
本発明の第１１の形態は、第９又は１０の形態において、前記アルカリ処理手段を経た前記アルカリ水溶液に酸を投入して中和する中和手段と、この中和水溶液から前記綿繊維含有物品を分離する分離手段と、前記綿繊維含有物品を前記セルラーゼ含有水溶液に浸漬する浸漬手段を有するバイオエタノール製造装置である。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の第１の形態によれば、綿繊維を含有する綿繊維含有物品を前処理する前処理工程と、前記前処理工程を終了した前記綿繊維含有物品のセルロースをセルラーゼ含有水溶液中で糖分まで分解する糖化工程と、前記糖分をアルコール発酵してバイオエタノールを生成するアルコール発酵工程を含むバイオエタノールの製造方法において、前記前処理工程が前記綿繊維含有物品をアルカリ水溶液中で加熱処理するアルカリ処理工程を含むので、前記綿繊維の効率的な前処理により、前記糖化工程におけるセルラーゼによる分解を促進させることができる。
【００１８】
特許文献２における酸中の加熱等の前処理においては、セルロースの繊維を分断することにより、後の糖化工程におけるセルラーゼの糖化効率を向上することが試みられていた。しかし、本発明のアルカリ処理工程においては、一部繊維の溶解は観測されたが、この繊維分断とは別の過程が進行するものと思われる。作用機構は明確ではないが、主として繊維の分断ではなくアルカリによる繊維の膨潤化によるほぐし作用によって、酵素作用が容易になったと推定される。その証拠として、本明細書の実施例においては、アルカリ処理後のパイル強度の低下は認められなかった。尚、ここにおける過程は、憶測の範囲を出ないものであることを併記しておく。
【００１９】
本発明におけるアルカリ処理工程は、セルロースを単糖などの糖分に分解することを主眼とせず、あくまでこのセルロースのセルラーゼ処理を高効率化することを目的とするものである。本願における糖分生成は、アルカリ処理工程を終了した綿繊維含有物品のセルラーゼ処理により行われる。
【００２０】
本発明においては、ここにおける糖化工程によるセルラーゼ処理が完全である場合には、最終生成物質は単糖であるグルコ−スとなり、後のアルコ−ル発酵工程において、酵母等の発酵微生物によりアルコ−ルを生成することができる。しかし、このセルロース分解が不完全であり、グルコース２量体又はそれ以上の多量体も生成される場合においても、酵母等の発酵微生物はグルコースのみならず、グルコース２量体及び多量体もある程度代謝して、アルコールを生成することができる。本発明においては、前記アルコール発酵工程においてバイオエタノールの生成に貢献し得るグルコース２量体及び多量体も、「糖分」と定義される。
【００２１】
ここにおける加熱処理の温度としては、５０℃以上において糖化率の増加が見られる。尚、この加熱処理の温度上限は、水の沸点（１００℃）付近となる。又、ここにおける加熱処理の時間としては、２時間以上において糖化率の増加が見られ、８時間付近で糖化率がほぼ最大化する。但し、この加熱処理を８時間以上行っても、糖化率は一定値を保持し、糖化率の低下は見られない。更に、この加熱処理において、反応を促進するために、前記綿繊維含有物品及び前記アルカリ水溶液を攪拌及び／又は加圧しても良く、この場合においては、糖化率の増加を得ることができる。
【００２２】
尚、本発明における前処理工程としては、前記アルカリ処理工程の他に前記綿繊維含有物品を微細化する微粉砕工程及び前記綿繊維含有物品を洗浄する洗浄工程などの各種前処理工程の１種以上を行ってもよい。前記微粉砕工程及び前記洗浄工程は、前記アルカリ処理工程の開始以前に行うことが好ましい。
【００２３】
本発明の第２の形態によれば、前記綿繊維含有物品は廃棄用清掃品なので、工業的及び日常的な用途により大量に廃棄される廃棄用清掃品からバイオエタノールの生産を行うことができる。従って、前記廃棄用清掃品をゴミ化せずに有用物品に変換でき、環境問題に対する解決方法を提供できる。ここにおける廃棄用清掃品は、ほぼ完全に綿繊維から形成され、ポリエステル等の様な、セルラーゼによる分解が不可能な繊維が含有されていないため、バイオエタノール製造工程において不純物を除去する手間が省かれ、バイオエタノール製造の効率が更に向上される。尚、ここにおける廃棄用清掃具は混合物であってもよく、この混合物がポリエステル等の非分解物質を含有する場合は、前記糖化工程の終了後に、前記非分解物質を濾過などにより除去する非分解物質除去工程を行ってもよい。
【００２４】
本発明の第３の形態によれば、前記糖化工程において界面活性剤が添加されるので、セルラーゼによるセルロース分解をより効率的にすることができ、糖分及びバイオエタノール収率の向上を実現させることができる。ここにおける界面活性剤としては、テトラアルキルアンモニウム基などのカチオンを親水基とするカチオン界面活性剤、カルボン酸基などのアニオンを親水基とするアニオン界面活性剤、アルキルカルボキシベタインなどのカチオン部とアニオン部を併せ持った両性界面活性剤及びポリオキシエチレンソルビタンなどの非イオンを親水基とする非イオン界面活性剤の使用が考えられるが、これらの内でも特に非イオン界面活性剤が酵素を活性化させ、酵素を変性させないことが確認されている。
【００２５】
本発明の第４の形態によれば、前記界面活性剤が非イオン界面活性剤であるため、酵素タンパクを変性させず、酵素機能の向上が立証されている界面活性剤を用いて、セルラーゼによるセルロース分解をより効率的に行うことができ、前記した糖分及びバイオエタノールの収率向上を確実に実現させることができる。非イオン性界面活性剤がセルラーゼ機能を向上させる理由としては、憶測の域を出ないが、アルカリ処理により生じたほぐし効果と前記界面活性剤の浸透作用により、綿繊維の深部までセルラーゼが浸入した結果であると考えられる。
【００２６】
本発明の第５の形態によれば、前記アルカリ処理工程を終了した前記アルカリ水溶液に酸を投入して中和し、この中和水溶液から前記綿繊維含有物品を分離した後、前記綿繊維含有物品が至適ｐＨに調整された前記セルラーゼ含有水溶液に浸漬されるので、前記中和及び前記分離により処理終了後の前記綿繊維含有物品から確実にアルカリ性を除去することができ、この綿繊維含有物品の糖化工程におけるセルラーゼの機能を確実にすることができる。ここにおける酸としては、前記綿繊維含有物品と反応しないものであることが好ましく、例えば硫酸、塩酸、リン酸及び酢酸などが使用できる。これらの酸の内、硫酸が安価性、強酸性及び生成される塩のセルラーゼへの影響の観点から最も好ましい。また、ここにおける分離の方法としては、網またはフィルタなどによる濾過が好ましいが、沈殿分離や遠心分離なども使用できる。尚、ここにおいては、前記綿繊維含有物品をセルラーゼ含有水溶液に浸漬させた直後において、前記セルラーゼ含有水溶液のｐＨがセルラーゼ活性の至適ｐＨである必要がある。このｐＨ調整は、前記の分離後に前記綿繊維含有物品へｐＨ緩衝液を添加するか、或いは前記セルラーゼ含有水溶液へ予めｐＨ緩衝液を添加してセルラーゼ含有緩衝液を調製し、このセルラーゼ含有緩衝液へ前記綿繊維含有物品を浸漬させることなどにより行うことができる。
【００２７】
本発明の第６の形態によれば、前記アルカリ処理工程を終了した前記アルカリ水溶液に酸を投入して中和し、この中和水溶液にセルラーゼを溶解させて前記セルラーゼ含有水溶液とするので、前記綿繊維含有物品のアルカリ処理工程終了後且つ糖化工程開始前において必要なアルカリ除去を簡略化することができる。ここにおける酸としては、第５の形態において使用される酸を使用できる。尚、ここにおいては、前記の中和と前記のセルラーゼ溶解の間に、ｐＨ緩衝液を前記中和水溶液に加えること等により、前記のセルラーゼ溶解の時点において前記中和水溶液のｐＨをセルラーゼ活性の至適ｐＨにする必要がある。
【００２８】
本発明の第７の形態によれば、前記アルカリ処理工程を終了した前記アルカリ水溶液から前記綿繊維含有物品を分離した後、前記綿繊維含有物品を前記セルラーゼ含有水溶液に浸漬するので、前記アルカリ水溶液を新たなアルカリ処理工程に再使用することかできる。従って、廃液を低減でき、環境的な向上に繋がる。また、アルカリ水溶液の調製に必要なアルカリ物質の消費を節約できるので、生産コストの低減化にも繋がる。尚、本形態における前記アルカリ処理工程完了後に分離された繊維含有物品は残留アルカリを有し、前記セルラーゼ含有水溶液に浸漬する前にこの残留アルカリを除去する必要がある。この除去は、洗浄水による洗浄、酸による中和、ｐＨ緩衝液によるｐＨ調整又はこれらの組合せなどにより達成できる。
【００２９】
本発明の第８の形態によれば、前記アルカリ水溶液が強アルカリ性物質の水溶液となるので、少量の前記強アルカリ性物質を水溶させて前記アルカリ水溶液を作成でき、前記アルカリ水溶液の調製費用が安くなる。このアルカリ水溶液は強アルカリ性を有するので、前記綿繊維含有物品の前記アルカリ処理工程を短時間で行うことができ、バイオエタノールの製造をより効率的に行うことができる。ここにおける強アルカリ性物質の例としては、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化リチウム、水酸化カルシウム、水酸化バリウム、ケイ酸ナトリウム、メタケイ酸ナトリウム、炭酸ナトリウム、アンモニア及びグアニジンなどが存在する。これらの内、水酸化ナトリウムが、低価格性、高水溶性及び高反応性等を有するので、本発明に最適である。本形態におけるアルカリ水溶液中の前記強アルカリ性物質の濃度としては、１０％以上が好ましい。
【００３０】
本発明の第９の形態によれば、綿繊維から形成された綿繊維含有物品を前処理する前処理手段と、前記アルカリ処理手段を経た前記綿繊維含有物品のセルロースをセルラーゼ含有水溶液中で糖分まで分解する糖化手段と、前記糖分をアルコール発酵してバイオエタノールを生成するアルコール発酵手段を含むバイオエタノール製造装置において、前記前処理手段が前記綿繊維含有物品をアルカリ水溶液中で加熱処理するアルカリ処理手段を含むので、前記綿繊維の効率的な前処理を行うバイオエタノール製造装置により、前記糖化手段におけるセルラーゼによる分解が促進され、前記糖化且つ前記バイオエタノールの収率が高いバイオエタノール製造装置を提供することができる。
【００３１】
本発明の第１０の形態によれば、前記糖化手段が界面活性剤を添加する界面活性剤添加手段を有するので、前記糖化手段におけるセルラーゼによるセルロース分解をより効率的にすることができ、前記バイオエタノール製造装置における糖化及びバイオエタノールの収率を向上させることができる。
【００３２】
本発明の第１１の形態によれば、前記バイオエタノール製造装置が、前記アルカリ処理手段を経た前記アルカリ水溶液に酸を投入して中和する中和手段と、この中和水溶液から前記綿繊維含有物品を分離する分離手段と、前記綿繊維含有物品を前記セルラーゼ含有水溶液に浸漬する浸漬手段を有するので、前記中和手段及び前記分離手段により前記アルカリ処理手段を経た前記綿繊維含有物品から確実にアルカリ性を除去することができる。又、このアルカリ性除去の後にｐＨ緩衝液を前記綿繊維含有物品に投入して浸漬させることにより、使用するセルラーゼの至適ｐＨに前記綿繊維含有物品を調整することができる。これらの効果により、前記糖化手段において前記綿繊維含有物品に作用するセルラーゼの機能を確実にさせることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明のバイオエタノール製造工程の第１実施形態に関する工程図である。
【図２】本発明のバイオエタノール製造工程の第２実施形態に関する工程図である。
【図３】本発明のバイオエタノール製造工程の第３実施形態に関する工程図である。
【図４】本発明のバイオエタノール製造工程の第４実施形態に関する工程図である。
【図５】本発明のバイオエタノール製造工程の第５実施形態に関する工程図である。
【図６】本発明のバイオエタノール製造工程の第６実施形態に関する工程図である。
【図７】本発明のバイオエタノール製造装置１の概略断面図である
【図８】本発明のバイオエタノール製造装置１のセンサ群３０をタンク１０内部からの視点から投影した場合の正面図である。
【図９】本発明のバイオエタノール製造装置１の制御部１００の概略ブロック図である。
【図１０】制御部１００によるバイオエタノール製造装置１制御のフローチャートである。
【図１１】図１０におけるアルカリ処理サブルーチンのフローチャートである。
【図１２】図１０における中和処理サブルーチンのフローチャートである。
【図１３】図１０における糖化処理サブルーチンのフローチャートである。
【図１４】図１０におけるアルコール発酵処理サブルーチンのフローチャートである。
【図１５】図１０における蒸留処理サブルーチンのフローチャートである。
【図１６】変形例におけるバイオエタノール製造装置１の制御部１００の概略ブロック図である。
【図１７】図１６におけるバイオエタノール製造装置１の入出力装置１１２により通信される制御用入出力信号を示す概略ブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
以下に、本発明に係るバイオエタノールの製造工程を詳細に説明する。図１は、本発明のバイオエタノール製造工程の第１実施形態に関する工程図である。アルカリ処理工程Ｓ１において、アルカリ水溶液に浸漬された綿繊維含有物品が加熱されることにより、前記綿繊維含有物品の前処理が行われる。この加熱処理により、後述する糖化工程Ｓ８における糖化の収率が向上される。この加熱処理における加熱温度は５０℃〜１００℃が好ましく、また加熱時間は２時間〜２４時間が好ましく、更にここにおけるアルカリ水溶液の濃度は１０％〜５０％が好ましい。このアルカリ水溶液は、水酸化ナトリウムの水溶液であることが好ましい。又、アルカリ処理工程Ｓ１においては、前記綿繊維含有物品及び前記アルカリ水溶液を攪拌又は加圧しても良く、この場合においては、糖化率の増加を得ることができる。尚、アルカリ処理工程Ｓ１と並行して又は前後に時間差をおいて、前記綿繊維含有物品を微細化する微粉砕工程及び前記綿繊維含有物品を洗浄する洗浄工程などの各種前処理工程の１種以上を行ってもよい。
【００３５】
アルカリ処理工程Ｓ１の終了後に、前記アルカリ水溶液中に酸が添加されて中和水溶液となることにより、中和工程Ｓ２が行われる。この工程においては、中和された前記中和水溶液のｐＨは、後述する糖化工程Ｓ８におけるセルラーゼの活性領域に調整される必要は無く、前記アルカリ水溶液のアルカリ当量と同程度の酸当量を添加するのみでよい。更にこの中和水溶液にｐＨ緩衝液が添加され、この中和水溶液のｐＨが後程に添加されるセルラーゼが酵素活性を示す至適ｐＨに調整されることにより、ｐＨ調整工程Ｓ４が行われる。ここにおけるセルラーゼは、至適ｐＨ（例えばｐＨ＝４〜６）のみにおいて酵素活性を示すので、ここにおけるｐＨ緩衝液は、ｐＨを糖化工程開始時のみならず、糖化工程全時間範囲において調整する目的で添加される。ｐＨ調整工程Ｓ４の終了後に、セルラーゼ添加工程Ｓ６において、セルラーゼが添加される。このセルラーゼ添加工程Ｓ６により、セルラーゼによる糖化工程Ｓ８が開始される。この糖化工程Ｓ８における温度は使用するセルラーゼの至適温度に調整することが好ましい。セルラーゼ濃度は、使用するセルラーゼの活性値により異なるが、今回使用したセルラーゼ（セルラ-ゼＳＳ（ナガセ製））では４％〜２４％が好ましく、セルラーゼ濃度が低いほど、セルラーゼ購入量且つ費用が低減される。
【００３６】
糖化工程Ｓ８の終了後に、酵母等の発酵微生物が添加され、アルコール発酵工程Ｓ９が開始される。アルコール発酵工程Ｓ９の終了後に、蒸留などによりバイオエタノールが単離される。尚、前記綿繊維含有物品がポリエステル等の非分解物質を含有する場合は、糖化工程Ｓ８の終了後に、前記非分解物質を濾過などにより除去する非分解物質除去工程を行ってもよい。
【００３７】
図２は、本発明のバイオエタノール製造工程の第２実施形態に関する工程図である。この実施形態においては、第１実施形態におけるｐＨ調整工程Ｓ４とセルラーゼ添加工程Ｓ６の間に、界面活性剤添加工程Ｓ５が行われ、この添加により、後述する糖化工程Ｓ８における糖分の収率が向上される。ここにおける界面活性剤としては、セルラーゼなどのタンパク質を変性させない非イオン界面活性剤が好ましく、例えばポリオキシエチレンソルビタン脂肪酸エステルなどが使用できる。本形態における界面活性剤の濃度は、０．０１％〜１０％が好ましく、更には０．０５％〜１．０％が好ましい。尚、界面活性剤添加工程Ｓ５とセルラーゼ添加工程Ｓ６の順序は任意であり、セルラーゼ添加工程Ｓ６を界面活性剤添加工程Ｓ５の前に行っても良いし、これらの工程を同時に行っても良い。
【００３８】
図３は、本発明のバイオエタノール製造工程の第３実施形態に関する工程図である。この実施形態においては、第１実施形態と比較して、セルラーゼ添加工程Ｓ６は実施されず、その代わりに、中和水溶液からの綿繊維含有物品の分離工程Ｓ３及びセルラーゼ含有水溶液への前記綿繊維含有物品の浸漬工程Ｓ７が実施される。分離工程Ｓ３としては、網又はフィルタなどによる濾過が好ましいが、沈殿分離や遠心分離なども使用できる。分離工程Ｓ３により分離された綿繊維含有物品をｐＨ緩衝液によりセルラーゼ活性の至適ｐＨに調整するｐＨ調整工程Ｓ４を行い、更にこの綿繊維含有物品をセルラーゼ含有水溶液を浸漬させる浸漬工程Ｓ７を行うことにより、糖化工程Ｓ８が開始されるので、前記中和水溶液に溶解された不純物を除去することができ、セルラーゼによる糖化がより効率的に進行する。尚、前記セルラーゼ含有水溶液に予めｐＨ緩衝液を混合してセルラーゼ含有緩衝液を調製し、このセルラーゼ含有緩衝液に前記綿繊維含有物品を浸漬させることにより、ｐＨ調整工程Ｓ４と浸漬工程Ｓ７を同時に行っても良い。
【００３９】
図４は、本発明のバイオエタノール製造工程の第４実施形態に関する工程図である。第３実施形態と比較して、セルラーゼ含有水溶液への浸漬工程Ｓ７の直前に、セルラーゼ含有水溶液への界面活性剤添加工程Ｓ５が行われる。尚、本形態においては、界面活性剤添加工程Ｓ５を、浸漬工程Ｓ７と同時又は浸漬工程Ｓ７の直後におこなってもよい。又、第３実施形態と同様に、ｐＨ調整工程Ｓ４と浸漬工程Ｓ７を同時に行っても良い。尚、本形態における界面活性剤の特性は、第２実施形態における界面活性剤の特性と同様である。
【００４０】
図５は、本発明のバイオエタノール製造工程の第５実施形態に関する工程図である。第３実施形態と比較すると、アルカリ処理工程Ｓ１直後に綿繊維含有物品をアルカリ水溶液から分離する（分離工程Ｓ３）ことにおいて異なる。この過程によって、アルカリ水溶液を次回のアルカリ処理工程Ｓ１に再使用することができ、アルカリ水溶液及びこのアルカリ水溶液の中和に必要な酸を節約することができる。尚、この分離直後の綿繊維含有物品は残留アルカリを有し、この残留アルカリを水による洗浄、酸による中和、ｐＨ緩衝液によるｐＨ調整またはこれらの組合せにより除去する必要がある。図５においては、この残留アルカリ除去をｐＨ緩衝液の添加によるｐＨ調整工程Ｓ４により行っている。
【００４１】
図６は、本発明のバイオエタノール製造工程の第６実施形態に関する工程図である。アルカリ処理工程Ｓ１直後に綿繊維含有物品をアルカリ水溶液から分離する（分離工程Ｓ３）点においては、第５形態と同じであるが、ｐＨ調整工程Ｓ４直後に界面活性剤添加工程Ｓ５を行う点において異なる。尚、図６における残留アルカリ除去はｐＨ調整工程Ｓ４により行われるが、この除去を水による洗浄、酸による中和、ｐＨ緩衝液によるｐＨ調整またはこれらの組合せにより行ってもよい。又、界面活性剤添加工程Ｓ５を、浸漬工程Ｓ７と同時又は浸漬工程Ｓ７の直後におこなってもよいし、ｐＨ調整工程Ｓ４の直前に行ってもよい。
【００４２】
図７は、本発明のバイオエタノール製造装置１の概略断面図である。バイオエタノール製造装置１の本体はタンク１０からなり、タンク１０内に綿繊維含有物品２００がアルカリ水溶液２０１と共に充填される。タンク１０の上部においては、酸である中和酸２０２を供給する酸供給管１１、セルラーゼ含有水溶液であるセルラーゼ含有緩衝液２０５を供給するセルラーゼ含有緩衝液供給管１５、界面活性剤２０６を供給する界面活性剤供給管１７及び酵母懸濁液２０８を供給する酵母懸濁液供給管１９がタンク１０の側壁を貫通して装備される。これらの配給管には、それぞれ酸バルブ１２、セルラーゼ含有緩衝液バルブ１６、界面活性剤バルブ１８及び酵母懸濁液バルブ２０が装備される。これらのバルブは全て電磁バルブであり、バイオエタノール製造装置１の制御部１００により自動操作される。タンク１０の側壁内部には、センサ群３０が装備される。このセンサ群３０は温度センサ３１、ｐＨセンサ３２、水面検知センサ３３、糖分センサ３４及びエタノールセンサ３５からなり、これらのセンサは全て制御部１００に接続され、前記バルブなどを制御するための情報信号を発信する。
【００４３】
タンク１０のタンク底部４０には、排水口４１が装備される。この排水口４１には、排水管４３が接続され、タンク１０内の使用済み液が排水管４２から排出される。排水管４３の排水口４１付近には、例えば金網からなる排水フィルタ４２が装備され、綿繊維含有物品２００が前記使用済み液と一緒に排出されるのを防止する。排水管４３の排水フィルタ４２から下方には電磁バルブである排水バルブ４４が装備される。排水バルブ４４は制御部１００に接続され、制御部１００により自動操作される。排水管４３の排水バルブ４４から下方には排水センサ４５が装備される。排水センサ４５は制御部１００に接続され、前記使用済み液の排水状態を検知し、前記排水が終了した段階で排水バルブ４４を閉鎖状態にするための信号を制御部１００に送信する。又、タンク１０の側壁の、タンク底部４０から間隔を置いて上方には、バイパス排水口７０が装備される。このバイパス排水口７０には、バイパス排水管７１が接続され、タンク１０内のバイパス排水口７０より上方に存在する使用済み液が排水される。攪拌停止後に綿繊維含有物品２００がタンク底部４０付近へ沈降しても、バイパス排水口７０は沈降した綿繊維含有物品２００の上部に配置されるので、このバイパス排水管７１による排水は、綿繊維含有物品２００により阻害されない。バイパス排水管７１には電磁バルブであるバイパス排水バルブ７２が装備される。バイパス排水バルブ７２は制御部１００に接続され、制御部１００により自動操作される。バイパス排水管７１のバイパス排水バルブ７２から下流にはバイパス排水センサ７３が装備される。バイパス排水センサ７３は制御部１００に接続され、前記使用済み液の排水状態を検知し、前記排水が終了した段階でバイパス排水バルブ７２を閉鎖状態にするための信号を制御部１００に送信する。タンク底部４０付近の外壁付近には、タンク１０に充填される液及び物品を加熱するタンクヒータ６０が装備される。タンクヒータ６０は制御部１００に接続され、制御部１００により自動操作される。
【００４４】
タンク１０の上方には、タンク蓋５０が装脱可能な状態で装着され、タンク１０とタンク蓋５０の間には、タンク内の気密性を保持するためのパッキング５６が装着される。尚、タンク１０及びタンク蓋５０にはフランジが形成されていて、これらのフランジをボルト及びナットにより固定することにより、タンク蓋５０がタンク１０に固定される。タンク１０内に綿繊維含有物品２００及びアルカリ水溶液２０１を充填する際には、タンク蓋５０は脱着され、綿繊維含有物品２００及びアルカリ水溶液２０１がタンク１０内に充填された後に、タンク蓋５０は再装着される。タンク蓋５０には、タンク攪拌軸５２を介してタンク攪拌子５３を回転するためのタンク攪拌モータ５１が装備される。タンク攪拌モータ５１は制御部１００に接続され、制御部１００により自動操作される。又、タンク蓋５０には、電磁バルブである内外気平衡バルブ５４が装備される。酸素欠乏（酸欠）状態を必要としない工程（即ちアルコール発酵工程以外の全工程）においては、内外気平衡バルブ５４は開放状態にされ、タンク１０内の気体とタンク１０外の大気の構成及び気圧が平衡状態に保持される。しかし、酸欠状態を必要とするアルコール発酵工程においては、内外気平衡バルブ５４は閉鎖状態にされ、タンク１０内において発生する二酸化炭素の発生により、タンク１０内が酸欠状態に保持される。この内外気平衡バルブ５４はは制御部１００に接続され、制御部１００により自動操作される。尚、タンク１０内に残留する酸素含有気体及び発生する過剰の二酸化炭素は、タンク１０の内部から外部への方向のみにガス流動を可能にするチェックバルブ５５により放出され、タンク内の気圧が大気圧付近に保持される。尚、上記電磁バルブの内、内外気平衡バルブ５５を除き、全てのバルブは初期段階で閉鎖状態にされる。
【００４５】
図８は、本発明のバイオエタノール製造装置１のセンサ群３０をタンク１０内部からの視点から投影した場合の正面図である。センサ群３０の下部には、温度センサ３１、ｐＨセンサ３２、糖分センサ３４及びエタノールセンサ３５が配置される。又、センサ群３０の上部には水面検知センサ３３が配置される。水面検知センサ３３をこの様に配置することにより、温度センサ３１、ｐＨセンサ３２、糖分センサ３４及びエタノールセンサ３５を常に水面下に配置させることができる。
【００４６】
図９は、本発明のバイオエタノール製造装置１の制御部１００の概略ブロック図である。制御部１００はタイマ機能を備えたマイクロプロセッサにより構成され、装置制御プログラムを記憶するプログラム記憶メモリ（記憶装置の一部）、温度、攪拌速度、ｐＨ及び所定時間などの反応条件を記憶するための反応条件記憶メモリ（記憶装置の一部）、前記装置制御プログラムの演算を実行する制御装置（時間制御のためのタイマを含む）及び周辺機器の信号を通信する為の入出力装置を有する。制御部１００の入出力装置には、前記装置制御プログラムを起動させるための起動スイッチ１０１、反応条件を入力するためのキーボード１０２、温度センサ３１、ｐＨセンサ３２、水面検知センサ３３、糖分センサ３４、エタノールセンサ３５、排水センサ４５及びバイパス排水センサ７３による信号が入力される。制御部１００の入出力装置からは、酸バルブ１２、セルラーゼ含有緩衝液バルブ１６、界面活性剤バルブ１８、酵母懸濁液バルブ２０、排水バルブ４４、バイパス排水バルブ７２、内外気平衡バルブ５４、タンクヒータ６０及びタンク攪拌モータ５１へ駆動制御信号が出力される。又、制御部１００からは、前記入出力装置を介して、キーボード１０２により入力された反応条件及び各センサからの情報などを表示するディスプレー１０３へも信号が出力される。更に、自動工程終了時に制御部１００からブザーなどの完了通知手段１０４へ起動信号が出力され、自動工程終了を発音報知するようになっている。
【００４７】
図１０は、制御部１００によるバイオエタノール製造装置１制御のフローチャートである。手動工程としてタンク１０内に綿繊維含有物品２００をアルカリ水溶液２０１と共に充填し、タンク１０上にタンク蓋５０を装着した後に、起動スイッチ１０１が操作され、前記装置制御プログラムが起動される(ステップＳ１１)。このプログラムが起動されると、反応条件が設定されているか否かを判断する（ステップＳ１２）。反応条件が設定されていない場合には、キーボード１０３への入力により反応条件を設定する（ステップＳ１３）。反応条件の設定が確認された後に、アルカリ処理サブルーチン（ステップＳ１４）、中和処理サブルーチン（ステップＳ１５）、糖化処理サブルーチン（ステップＳ１６）及びアルコール発酵処理サブルーチン（ステップＳ１７）が連続して実行され、綿繊維含有物品２００のアルカリ処理、中和処理、洗浄処理、糖化処理及びアルコール発酵処理が実施される。これらのサブルーチンは図１１〜１４において詳細に説明する。尚、前記中和処理サブルーチンの後且つ前記糖化処理サブルーチンの前に、洗浄処理サブルーチンを実行させて、洗浄水による綿繊維含有物品２００の洗浄工程を実施しても良い。
図７のバイオエタノール製造装置１においては、前記アルコール発酵処理により生成されたバイオエタノール含有水溶液２０９は、タンク１０及び制御部１００から独立した蒸留装置６００へ手動により移送され、制御部１００から制御されない状態で蒸留されて、バイオエタノール２１０が得られる。しかし、タンク１０に蒸留機能が付加されている場合、または蒸留装置６００が制御部１００により制御される場合においては、制御部１００からの指示により蒸留処理サブルーチン（ステップＳ１８）が実行され、蒸留処理が実施される。この蒸留処理サブルーチンは図１５において詳細に説明する。又、制御部１００による自動操作の完了後に、完了通知手段１０４が作動され、手動操作の開始が促される。
【００４８】
図１１は、図１０におけるアルカリ処理サブルーチンのフローチャートである。前記サブルーチン開始後にタイマが起動される（ステップＳ１０１）。又、タンク攪拌モータ５１が起動され、タンク攪拌子５３の回転により綿繊維含有物品２００及びアルカリ水溶液２０１が攪拌される（ステップＳ１０２）。アルカリ水溶液２０１の温度が制御部１００の反応条件記憶メモリに記憶されたアルカリ処理反応温度以下である場合は、タンクヒータ６０が起動される。後程にアルカリ水溶液２０１の温度が前記アルカリ処理反応温度以上になった場合は、タンクヒータ６０が停止される。このタンクヒータの起動及び停止の繰り返しにより、アルカリ水溶液２０１の温度が一定に制御される（ステップＳ１０３）。又、前記タイマ内の経過時間が、制御部１００の反応条件記憶メモリに記憶されたアルカリ処理反応時間以上であるか否かが判断され（ステップＳ１０４）、否の場合はループがステップＳ１０３直前まで戻る。前記経過時間が前記アルカリ処理反応時間以上である場合は、タンクヒータ６０へ停止信号が発信され、タンクヒータ６０が起動されている場合は停止される（ステップＳ１０５）。次に前記タイマが停止されて（ステップＳ１０６）、前記アルカリ処理サブルーチンは完了する。
【００４９】
図１２は、図８における中和処理サブルーチンのフローチャートである。このサブルーチンの開始後に、タンク内の綿繊維含有物品２００及びアルカリ水溶液２０１が攪拌されながら、酸バルブ１２が開放され、酸供給管１１から酸である中和酸２０２がタンク１０内へ供給され、アルカリ水溶液２０１と混合することにより、アルカリ水溶液２０１の中和が実行される（ステップＳ２０１）。ｐＨセンサ３２によりアルカリ水溶液２０１と中和酸２０２の混合液のｐＨが測定され、このｐＨが前記反応条件内の中和ｐＨ以下になった時点で（ステップＳ２０２）、酸バルブ１２が閉鎖され（ステップＳ２０３）、タンク攪拌子５３による攪拌が停止される（ステップＳ２０４）。この時点におけるアルカリ水溶液２０１と中和酸２０２の混合液は、中和水溶液２０３と定義される。
この攪拌停止後、綿繊維含有物品２００はタンク底部４０の方向へ沈降するが、この沈降が完了するまで、所定時間（前記反応条件内の沈降時間）に亘ってバイオエタノール製造装置１が待機される（ステップＳ２０５）。この所定時間が経過した後に、まずバイパス排水バルブ７２が開放され、沈降した綿繊維含有物品２００の上方の中和水溶液２０３が排出される。この排出が完了した後に、バイパス排水バルブ７２が閉鎖される。続いて排水バルブ４４が開放され、タンク１０の下部に残留する中和水溶液２０３が排出される。この排出が完了した後に、排水バルブ４４が閉鎖され、中和水溶液２０３の排出（ステップＳ２０６）が終了した時点で、中和処理サブルーチンが完了する。
【００５０】
図１３は、図１０における糖化処理サブルーチンのフローチャートである。このサブルーチンの開始後に、セルラーゼ含有緩衝液バルブ１６が開放されて、セルラーゼ含有水溶液であるセルラーゼ含有緩衝液２０５がタンク１０内に供給されることにより、綿繊維含有物品２００のセルラーゼ含有緩衝液２０５への浸漬が開始される（ステップＳ３０１）。尚、セルラーゼ含有緩衝液２０５は、温度変化及び濃度変化などによるｐＨの変動を防止する為のｐＨ緩衝液にセルラーゼを含有させた水溶液である。タンク１０内のセルラーゼ含有緩衝液２０５の水面が設定値以上になったことが水面検知センサ３３により検知された時点で（ステップＳ３０２）、セルラーゼ含有緩衝液バルブ１６が閉鎖される（ステップＳ３０３）。その次に、タンク攪拌モータ５１が起動されて、タンク攪拌子５３による綿繊維含有物品２００及びセルラーゼ含有緩衝液２０５の攪拌が開始される（ステップＳ３０４）。又、一定容量の界面活性剤２０６がタンク１０内に供給され、前記攪拌により綿繊維含有物品２００及びセルラーゼ含有緩衝液２０５へ混合される（ステップＳ３０５）。尚、この一定容量の界面活性剤２０６投入は、前記タイマによる一定時間の界面活性剤バルブ１８開放などにより行われる。
セルラーゼ含有緩衝液２０５の温度が制御部１００の反応条件記憶メモリに記憶された糖化処理反応温度以下である場合は、タンクヒータ６０が起動される。後程にセルラーゼ含有緩衝液２０５の温度が前記糖化処理反応温度以上になった場合には、タンクヒータ６０が停止される。このタンクヒータの起動及び停止の繰り返しにより、セルラーゼ含有緩衝液２０５の温度が一定に保持される（ステップＳ３０６）。セルラーゼによる酵素触媒効果により、綿繊維含有物品２００内のセルロースなどの糖化可能高分子が糖分に分解される。糖分センサ３４による糖分測定量が時間に応じて増加しているか否かが判断され（ステップＳ３０７）、増加の場合はループがステップＳ３０６直前まで戻るが、否の場合はタンクヒータ６０へ停止信号が発信され、タンクヒータ６０が作動している場合はタンクヒータ６０が停止される（ステップＳ３０８）。このタンクヒータ６０の停止により、前記糖化処理サブルーチンが完了する。綿繊維含有物品２００がセルロースなどの多糖高分子のみから組成され、セルラーゼによる綿繊維含有物品２００の糖分への分解が完全である場合は、このサブルーチンの完了時点では綿繊維含有物品２００等の固形物は消滅し、前記糖分はセルラーゼ含有緩衝液２０５に溶解して、セルラーゼ含有緩衝液２０５は糖分含有水溶液２０７となる。
【００５１】
図１４は、図１０におけるアルコール発酵処理サブルーチンのフローチャートである。このサブルーチンの開始後においては、高熱に弱い酵母の効力を失わせないために、糖分含有水溶液２０７の温度が前記反応条件内の酵母投入温度以下に低下するまで待機される（ステップＳ４０１）。尚、この酵母投入温度は、もちろん使用される酵母の種類により変化する。糖分含有水溶液２０７の温度が十分に低下した時点で、一定容量の酵母懸濁液２０８が酵母懸濁液供給管１９から供給され、タンク攪拌子５３の攪拌により糖分含有水溶液２０７に均一に混合される（ステップＳ４０２）。尚、この一定容量の酵母懸濁液２０８投入は、前記タイマによる一定時間の酵母懸濁液バルブ２０開放などにより行われる。
酵母によるアルコール発酵は酸素欠乏（酸欠）状態のみにおいて起こるので、タンク１０内を嫌気化させて、タンク１０内を酸欠状態にする必要がある（ステップＳ４０３）。この酸欠状態を開始及び保持するために、タンク攪拌モータ５１が停止され、内外気平衡バルブ５４が閉鎖される。酵母の呼吸により二酸化炭素が発生し、タンク１０内の酸素及び過剰二酸化炭素はチェックバルブ５５から排出され、タンク１０内が大気圧付近で酸欠状態に保持される。この酸欠状態における前記酵母による発酵において、前記糖分がバイオエタノールに変化する。エタノールセンサ３５によるバイオエタノール測定量が時間に応じて増加しているか否かが判断され（ステップＳ４０４）、否の場合には前記アルコール発酵処理サブルーチンが完了する。このサブルーチンの完了時点においては、糖分含有水溶液２０７はバイオエタノール含有水溶液２０９となる。
【００５２】
図１５は、図１０における蒸留処理サブルーチンのフローチャートである。ここにおける蒸留装置６００は、図７のタンク１０に蒸留機能を付加したものであるか、又はタンク１０から独立され且つ制御部１００により制御されるものである。バイオエタノール含有水溶液２０９は加熱されて蒸気化する（ステップＳ５０１）。この蒸気は分留され、バイオエタノールを含有する蒸気留分が凝縮液化されて、バイオエタノール２１０が回収される（ステップＳ５０２）。バイオエタノール２１０の回収が終了した時点で、前記蒸留処理サブルーチンは完了する。尚、バイオエタノール２１０の回収終了後に、分子篩や分離膜などによる脱水を行っても良い。
【００５３】
図７〜１５においては、アルカリ処理工程、糖化工程及びエタノール発酵工程が全て同一容器内において実施されるが、これらの工程に必要な時間及びその他の反応条件が工程に応じて大幅に異なるので、これらの工程をそれぞれ別々の容器内において実施する変形例が有利な場合がある。図１６は、この変形例におけるバイオエタノール製造装置１の制御部１００の概略ブロック図である。ここにおける制御部１００は、反応条件及び装置制御プログラムを記憶する記憶装置１１１、前記装置制御プログラムの演算を実行する制御装置１１０（時間制御のためのタイマを含む）及び制御装置１１０及び周辺機器の信号を通信する為の入出力装置１１２から構成される。アルカリ処理装置３００、糖化装置４００及びアルコール発酵装置５００は入出力装置１１２に接続され、この接続により制御装置１１０との信号通信が行われる。尚、入出力装置１１２には、蒸留装置６００を接続してもよい。又、始動スイッチ１０１、キーボード１０２、ディスプレー１０３及び完了通知手段１０４などのユーザ入出力装置１０５が入出力装置１１２に接続される。
【００５４】
図１７は、図１６におけるバイオエタノール製造装置１の入出力装置１１２により通信される制御用入出力信号を示す概略ブロック図である。アルカリ処理装置３００にはヒータ等の加熱手段、攪拌手段、中和酸２０２の投入手段及び排水手段が装備され、これらの手段はそれぞれ入出力装置１１２から通信されるヒータ作動信号３０１、攪拌作動信号３０２、中和酸投入信号３０４及び排水作動信号３０３により制御される。又、アルカリ処理装置３００にはｐＨセンサ、水面検知センサ及び温度センサが装備され、これらのセンサはそれぞれ入出力装置１１２へｐＨ測定信号３０５、水面検知信号３０６及び温度測定信号３０７を送信する。これらの信号による制御により、図１１のアルカリ処理サブルーチン及び図１２の中和処理サブルーチンが実施され、これによってアルカリ処理装置３００内の綿繊維含有物品２００がアルカリ水溶液２０１によりアルカリ処理され、且つ中和処理される。
【００５５】
糖化装置４００には加熱手段、攪拌手段、セルラーゼ含有緩衝液２０５の投入手段および界面活性剤２０６の投入手段が装備され、これらの手段はそれぞれ入出力装置１１２から送信されるヒータ作動信号４０１、攪拌作動信号４０２、セルラーゼ含有緩衝液投入信号４０３及び界面活性剤投入信号４０４により制御される。又、糖化装置４００には糖分センサ、水面検知センサ及び温度センサが装備され、これらのセンサはそれぞれ入出力装置１１２へ糖分測定信号４０５、水面検知信号４０６及び温度測定信号４０７を送信する。これらの信号による制御により、図１３の糖化処理サブルーチンが実施され、これによって糖化装置４００内の綿繊維含有物品２０２が糖分に変性されて、糖分含有水溶液２０７が生成される。
【００５６】
アルコール発酵装置５００には攪拌手段、酵母投入手段及び外気遮断作動手段が装備され、これらの手段はそれぞれ入出力装置１１２から通信される攪拌作動信号５０１、酵母投入信号５０２および外気遮断作動信号５０３により制御される。又、アルコール発酵装置５００にはエタノールセンサ及び温度センサが装備され、これらのセンサはそれぞれ入出力装置１１２へエタノール測定信号５０４及び温度測定信号５０５を通信する。これらの信号による制御により、図１４のアルコール発酵処理サブルーチンが実施され、これによって糖分含有水溶液２０７がバイオエタノール含有水溶液２０９に変性される。このバイオエタノール含有水溶液２０９は、蒸留装置６００により蒸留され、バイオエタノール２１０となる。尚、図１７においては、この蒸留装置６００の操作は手動により行われる。しかし、蒸留装置６００が入出力装置１１２に接続される場合は、蒸留装置６００と入出力装置１１２の信号通信による制御によって図１５の蒸留処理サブルーチンが実施されて、蒸留処理が行われる。又、アルカリ処理装置３００、糖化装置４００、アルコール発酵装置５００及び蒸留装置６００の間の物質移送は、手動により行ってもよいし、制御部１００による自動操作により行っても良い。
【００５７】
以下において、綿繊維含有物品である廃棄用清掃品を使用したアルカリ処理、糖化処理及びエタノール発酵処理の実験について記述する。清掃品としては、パイル型及びクロス型などがあるが、以下の実験においては、パイル型が使用されている。
【００５８】
［実験１：前処理と糖化率の関係］
廃棄用清掃品（パイル）５ｇをアセトン５０ｍｌで２回洗浄した後、硫酸１％水溶液中（参考例２及び３）、水酸化ナトリウム水溶液中（実施例１）又は水酸化ナトリウム水溶液中に過酸化水素溶液を加えた水溶液中（参考例４、５及び６）に、８時間放置した。これらのパイルを硫酸（参考例２及び３）又は水酸化ナトリウム（実施例１及び参考例４、５及び６）により中和した後、パイルを分離して水洗した後に乾燥させた。この乾燥パイル３ｇを緩衝液（ｐＨ＝５）９０ｍｌ及びセルラーゼ（ジェネンコーワ製アクセルレース１５００、基質に対して４８％）の混合液に浸漬させて、５０℃（振とう数：２００ＳＰＭ）において９６時間に亘って反応させた。反応開始から２４時間後、４８時間後、７２時間後及び９６時間後にサンプルを採集して、これらのサンプル内のグルコース量を分析した。
【００５９】
表１は、実施例１及び参考例１〜６の結果を示す。硫酸１％水溶液が添加された参考例２及び３、水酸化ナトリウム１％水溶液と過酸化水素が添加された参考例４及び水酸化ナトリウム５％水溶液と過酸化水素が添加された参考例５における糖化率は、薬剤との加熱による前処理が為されていない参考例１における糖化率からの変化は認められない。水酸化ナトリウム２０％水溶液と過酸化水素が添加された参考例５における糖化率は、参考例１からかなり向上している。水酸化ナトリウム２０％水溶液のみが添加された実施例１に至っては、糖化反応開始から７２時間後においてパイルの糖化がほぼ完了している。
【００６０】
【表１】
0005850608.tif 000002
【００６１】
［実験２：微粉砕パイルの糖化］
廃棄用清掃品（パイル）を平均粒径０．１ｍｍに粉砕し、この粉砕パイル３ｇをアルカリ処理せずに、緩衝液９０ｍｌ（ｐＨ＝５）及びセルラーゼ（ナガセ製セルラーゼＳＳ）を基質重量に対して６%（参考例７）、１２％（参考例８）、２４％（参考例９）、３６%（参考例１０）又は４８％（参考例１１）の混合液に浸漬させた。これらの混合液を５０℃（振とう数：２００ＳＰＭ）において２４時間反応させた後にセルラーゼを加熱で不活化し濾過後、生成グルコース量から糖化率を算出した。
【００６２】
又、この粉砕パイル３ｇを水酸化ナトリウム２０％水溶液３０ｍｌ中に７０℃で１時間放置（実施例２〜５及び参考例１２）した後に、硫酸水溶液で中和した。これらの中和水溶液に緩衝液（ｐＨ＝５）を添加して液体の総容量を９０ｍｌとした後に、セルラーゼ（ナガセ製セルラーゼＳＳ）を基質重量に対して６％（参考例１２）、１２％（実施例２）、２４％（実施例３）、３６％（実施例４）又は４８％（実施例５）を添加した。これらの混合液を５０℃（振とう数：２００ＳＰＭ）において２４時間反応させた後に、参考例７〜１１と同様の方法により、糖化率を算出した。
【００６３】
表２は、これらの微粉砕パイルの糖化実験結果を示す。セルラーゼ添加量が基質重量に対して６％（参考例７及び１２）の場合は、アルカリ処理の有無は糖化率に影響しなかった。しかし、セルラーゼ添加量が基質重量に対して１２％以上の場合は、アルカリ処理を施された微粉砕パイル（実施例２〜５）の糖化率が、アルカリ無処理の微粉砕パイル（参考例８〜１１）の糖化率を２４％〜３２％上回った。
【００６４】
【表２】
0005850608.tif 000003
【００６５】
［実験３：ＮａＯＨ処理時間と糖化率の関係］
廃棄用清掃品（パイル）３ｇをアセトン５０ｍｌで２回洗浄した後、水酸化ナトリウム２０％水溶液５０ｍｌを添加して、７０℃で４時間（実施例６〜８）、８時間（実施例９及び１０）又は２４時間（実施例１１〜１３）放置した。又、上記アセトン洗浄パイル３ｇに水酸化ナトリウム２０％水溶液５０ｍｌを添加して、７０℃及び４時間において、８０ｒｐｍの回転速度で攪拌した（実施例１４〜１６）。アルカリ処理終了後に、アルカリ水溶液を硫酸により中和し、パイルを分離して水洗した後に乾燥させた。これらの乾燥パイルを緩衝液（ｐＨ＝５）９０ｍｌ及びセルラーゼ（ナガセ製セルラーゼＳＳ）の混合液に浸漬させて、５０℃（振とう数：２００ＳＰＭ）において２４時間に亘って反応させた。又、アルカリ未処理のパイル（参考例１３〜１５）にも、同様なセルラーゼ反応が施された。セルラーゼ濃度は基質重量に対して６％（実施例６、９、１１、１４及び参考例１３）、１２％（実施例７、１０、１２、１５及び参考例１４）及び２４％（実施例８、１３、１６及び参考例１５）であった。反応させた後に反応混合物を加熱し、セルラーゼを失活させた後に濾過し、生成グルコース量から糖化率を算出した。
【００６６】
表３はこれらの実験におけるＮａＯＨ処理時間と糖化率の関係を示す。静置状態でアルカリ処理を行ったパイルの糖化率は、セルラーゼ濃度に応じて高くなるが、アルカリ処理の時間としては、８時間処理及び２４時間処理における糖化率は、殆ど差が無い。又、攪拌状態で４時間のアルカリ処理を行ったパイルの糖化率は、静置状態の８時間処理及び２４時間処理と比べて高い糖化率を示した。また６％のセルラーゼ濃度で反応を行っても、１２％又は２４％のセルラーゼ濃度による反応と同等の糖化率を示した。
【００６７】
【表３】
0005850608.tif 000004
【００６８】
［実験４：アルカリ処理によるパイル重量の減少量］
アルカリ処理による廃棄用清掃品（パイル）重量の減少量を調べるため、表３における実験と同様の条件でアルカリ処理を行った後に、処理混合液を濾過して、処理後の不溶残渣量を測定した。表４は、アルカリ処理によるパイル重量の減少量を示す。同じ処理時間（４時間）でも、攪拌を行った実施例２０の方が、静置された実施例１７よりも減少量が高い。又、静置処理においても、処理時間が長くなれば（実施例１８及び１９）減少率も高くなる。
【００６９】
【表４】
0005850608.tif 000005
【００７０】
［実験５：界面活性剤の添加効果］
表２における実験と同様の条件により廃棄用清掃品（パイル）３ｇをアルカリ処理し（但し、処理時間は８時間）、これらのパイルを表３における実験と同様の条件により中和、分離及び乾燥を行い、緩衝液（ｐＨ＝５、９０ｍｌ）及びセルラーゼ（ナガセ製セルラーゼＳＳ、反応濃度：基質重量に対して６％）の混合物に浸漬させた（実施例２１及び２２）。実施例２２においては、ノンイオン界面活性剤であるポリオキシエチレン（２０）ソルビタンラウリン酸エステル０．５ｇを添加した。これらを５０℃（振とう数：２００ＳＰＭ）において２４時間に亘って反応させた。表３における実験と同様の方法により糖化率を算出した。
【００７１】
表５は界面活性剤の有無による糖化率の変化を示す。界面活性剤が添加された糖化処理（実施例２２）における糖化率が、界面活性剤無添加の糖化処理（実施例２１）における糖化率の約１．５倍となっている。
【００７２】
【表５】
0005850608.tif 000006
【００７３】
［実験６：パイル由来の糖分によるアルコール発酵］
実施例１の条件により廃棄用清掃品（パイル）をアルカリ処理して分離した。このパイル５ｇに緩衝液（ｐＨ＝５、９０ｍｌ）及びセルラーゼを添加して７２時間反応させることにより、糖分の濃度が約５％である糖分溶液を作製した。この糖分溶液に酵母（日清スーパーカメリヤドライイースト）を添加して、酵母濃度が１％（実施例２３）又は２％（実施例２４）とした。この酵母添加溶液を３０℃で４８時間静置し、酵母添加から２４時間後及び４８時間後においてサンプルを採集して、エタノールを測定した。
【００７４】
表６は、パイル由来の糖分によるアルコール発酵におけるエタノール測定値を示す。アルコール生成量は、ここにおける発酵時間及び酵母濃度の範囲においては、変化が殆ど無く、理論値の約４０％となることが判明した。
【００７５】
【表６】
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【００７６】
本発明は、上記実施形態や実施例に限定されるものではなく、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲における種々の変形例、設計変更などをその技術的範囲内に包含するものであることは云うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００７７】
この発明に係わるバイオエタノール製造方法において、綿繊維含有物品をアルカリ処理することにより、バイオエタノールの収率を飛躍的に高めることができる。このバイオエタノール製造方法は、廃棄用清掃品などを原料とすることができ、これらの廃棄用清掃品のゴミ化を防止する。又、安価且つ大量に生成する廃棄品からバイオエタノールを製造することにより、バイオエタノールの価格の低減化にも貢献する。
【符号の説明】
【００７８】
１  バイオエタノール製造装置
１０  タンク
１１  酸供給管
１２  酸バルブ
１５  セルラーゼ含有緩衝液供給管
１６  セルラーゼ含有緩衝液バルブ
１７  界面活性剤供給管
１８  界面活性剤バルブ
１９  酵母懸濁液供給管
２０  酵母懸濁液バルブ
３０  センサ群
３１  温度センサ
３２  ｐＨセンサ
３３  水面検知センサ
３４  糖分センサ
３５  エタノールセンサ
４０  タンク底部
４１  排水口
４２  排水フィルタ
４３  排水管
４４  排水バルブ
４５  排水センサ
５０  タンク蓋
５１  タンク攪拌モータ
５２  タンク攪拌軸
５３  タンク攪拌子
５４  内外気平衡バルブ
５５  チェックバルブ
５６  パッキング
６０  タンクヒータ
７０  バイパス排水口
７１  バイパス排水管
７２  バイパス排水バルブ
７３  バイパス排水センサ
１００  制御部
１０１  起動スイッチ
１０２  キーボード
１０３  ディスプレー
１０４  完了通知手段
１０５  ユーザ入出力装置
２００  綿繊維含有物品
２０１  アルカリ水溶液
２０２  中和酸
２０３  中和水溶液
２０５  セルラーゼ含有緩衝液
２０６  界面活性剤
２０７  糖分含有水溶液
２０８  酵母懸濁液
２０９  バイオエタノール含有水溶液
２１０  バイオエタノール
３００  アルカリ処理装置
３０１  ヒータ作動信号
３０２  攪拌作動信号
３０３  中和酸投入信号
３０４  排水作動信号
３０５  ｐＨ測定信号
３０６  水面検知信号
３０７  温度測定信号
４００  糖化装置
４０１  ヒータ作動信号
４０２  攪拌作動信号
４０３  セルラーゼ含有緩衝液投入信号
４０４  界面活性剤投入信号
４０５  糖分測定信号
４０６  水面検知信号
４０７  温度測定信号
５００  アルコール発酵装置
５０１  攪拌作動信号
５０２  酵母投入信号
５０３  外気遮断作動信号
５０４  エタノール測定信号
５０５  温度測定信号
６００  蒸留装置
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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