(57)【要約】【課題】低コストなバイオマスの処理プロセスを実現する。【解決手段】セルロース、ヘミセルロース及びリグニンを主成分とする木質系バイオマスの処理装置であって、木質系バイオマスに水及び二酸化炭素を混合し第１の保持条件で保持することによりヘミセルロースを水に可溶化させてセルロースから分離するヘミセルロース分離槽１を備える。【選択図】図１
2011130733.tif 000002
【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主成分とする木質系バイオマスの処理装置であって、
木質系バイオマスに水及び二酸化炭素を混合し、第１の保持条件で保持することによりヘミセルロースを水に可溶化させて分離する加圧熱水処理槽を備えることを特徴とするバイオマス処理装置。
【請求項２】
加圧熱水処理槽で分離されたセルロースに水及び二酸化炭素を混合し、第２の保持条件で保持することで六炭糖化するセルロース糖化槽を備えることを特徴とする請求項１記載のバイオマス処理装置。
【請求項３】
加圧熱水処理槽で分離されたヘミセルロースに水及び二酸化炭素を混合し、第３の保持条件で保持することにより五炭糖化するヘミセルロース糖化槽を備えることを特徴とする請求項１または２記載のバイオマス処理装置。
【請求項４】
セルロース糖化槽あるいはヘミセルロース糖化槽は、水及び二酸化炭素と混合して保持するものに代えて、セルロースあるいはヘミセルロースに酵素を作用させて六炭糖化あるいは五炭糖化することを特徴とする請求項２または３記載のバイオマス処理装置。
【請求項５】
セルロース糖化槽あるいはヘミセルロース糖化槽から得られる六炭糖あるいは五炭糖をアルコール発酵させるアルコール発酵槽をさらに備え、
該アルコール発酵槽で生成される二酸化炭素をヘミセルロース分離槽、セルロース糖化槽あるいは／及びヘミセルロース糖化槽に供給することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のバイオマス処理装置。
【請求項６】
アルコール発酵槽は、セルロース糖化槽から得られる六炭糖をアルコール発酵させる第１のアルコール発酵槽と、ヘミセルロース糖化槽から得られる五炭糖をアルコール発酵させる第２のアルコール発酵槽とからなることを特徴とする請求項５記載のバイオマス処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バイオマス処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
周知のように、近年、石油等の化石燃料の代替燃料としてバイオマス（化石資源を除いた生物由来の有機性資源）が注目されている。すなわち、この技術は、希硫酸等の酸あるいはセルラーゼ等の酵素を用いてバイオマスを分解して単糖化し、この単糖類を発酵させることによりバイオエタノールを得るものである。下記特許文献１には、このようなバイオエタノールの製造プロセスにおける要素技術として、希硫酸を用いたバイオマスの炭糖化技術（以下では希硫酸法という。）が開示され、一方、下記非特許文献1には、セルラーゼを用いたバイオマスの単糖化技術（以下では酵素法という。）が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−７５００７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、以上希硫酸法及び酵素法には、以下のような問題点がある。
すなわち、希硫酸法は、反応速度が速いものの、希硫酸にコストが掛かり、また処理槽に耐酸性能を付与しなければならないので、ランニングコスト及び装置コスト（イニシャルコスト）のいずれの面でもコスト高である。また、希硫酸法の場合、処理後に希硫酸を中和する工程を設ける必要があり、この中和工程によって余計な副生成物が発生し、この副生成物の処理にコストを要する。例えば、酸化カルシウム（ＣａＯ）を用いて希硫酸（Ｈ２ＳＯ４）を中和することが検討されているが、この場合、副生成物として利用価値が極めて低い石膏（ＣａＳＯ４）が生成する。
【０００５】
一方、酵素法は、常温で処理が可能なこと、また副生成物が少ないという利点があるものの、前処理としてアルカリを用いた脱リグニン工程とアルカリの中和工程を設ける必要があり、また酵素が極めて高価なので、全体としてコスト高である。また、この酵素法は、酵素を用いるので処理時間が長い、また基質に適した複数の酵素を選定する必要がある等の問題もある。
【０００６】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、以下の点を目的とするものである。
（１）低コストなバイオマスの処理プロセスを実現する。
（２）低コストなバイオエタノールの製造プロセスを実現する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明では、バイオマス処理装置に係る第１の解決手段として、セルロース、ヘミセルロース及びリグニンを主成分とする木質系バイオマスの処理装置であって、木質系バイオマスに水及び二酸化炭素を混合し、第１の保持条件で保持することによりヘミセルロースを水に可溶化させて分離する加圧熱水処理槽を備える、という手段を採用する。
【０００８】
バイオマス処理装置に係る第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、加圧熱水処理槽で分離されたセルロースに水及び二酸化炭素を混合し、第２の保持条件で保持することで六炭糖化するセルロース糖化槽を備える、という手段を採用する。
【０００９】
バイオマス処理装置に係る第３の解決手段として、上記第１または２の解決手段において、加圧熱水処理槽で分離されたヘミセルロースに水及び二酸化炭素を混合し、第３の保持条件で保持することにより五炭糖化するヘミセルロース糖化槽を備える、という手段を採用する。
【００１０】
バイオマス処理装置に係る第４の解決手段として、上記第２または第３の解決手段において、セルロース糖化槽あるいはヘミセルロース糖化槽は、水及び二酸化炭素と混合して保持するものに代えて、セルロースあるいはヘミセルロースに酵素を作用させて六炭糖化あるいは五炭糖化する、という手段を採用する。
【００１１】
バイオマス処理装置に係る第５の解決手段として、上記第１〜第４のいずれかの解決手段において、セルロース糖化槽あるいはヘミセルロース糖化槽から得られる六炭糖あるいは五炭糖をアルコール発酵させるアルコール発酵槽をさらに備え、該アルコール発酵槽で生成される二酸化炭素をヘミセルロース分離槽、セルロース糖化槽あるいは／及びヘミセルロース糖化槽に供給する、という手段を採用する。
【００１２】
バイオマス処理装置に係る第６の解決手段として、上記第５の解決手段において、アルコール発酵槽は、セルロース糖化槽から得られる六炭糖をアルコール発酵させる第１のアルコール発酵槽と、ヘミセルロース糖化槽から得られる五炭糖をアルコール発酵させる第２のアルコール発酵槽とからなる、という手段を採用する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、セルロース、ヘミセルロース及びリグニンを主成分とする木質系バイオマスの処理装置であって、木質系バイオマスに水及び二酸化炭素を混合し第１の保持条件で保持することによりヘミセルロースを水に可溶化させてセルロースから分離するので、低コストなバイオマスの分解プロセス及び低コストなバイオエタノールの製造プロセスを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一実施形態に係るバイオエタノール製造プラントＡ1のシステム構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の一実施形態において、酸性雰囲気下におけるセルロース、ヘミセルロース及びリグニンの分解特性（水への可溶化特性）を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
図１は、本実施形態に係るバイオエタノール製造プラントＡ1（バイオマス処理装置）のシステム構成を示すブロック図である。このバイオエタノール製造プラントＡ1は、バイオマスの一種である木材チップ（木質系バイオマス）を原料としてバイオエタノールを製造する化学プラントであり、ヘミセルロース分離槽１、セルロース糖化槽２、Ｃ６アルコール発酵槽３、蒸留装置４、ヘミセルロース糖化槽５、Ｃ５アルコール発酵槽６から構成されている。
【００１６】
ヘミセルロース分離槽１には、上記木材チップに加え、外部から水（Ｈ２Ｏ）が供給されると共にＣ６アルコール発酵槽３から二酸化炭素（ＣＯ２）が供給される。ヘミセルロース分離槽１は、木材チップに水（Ｈ２Ｏ）及び二酸化炭素（ＣＯ２）を混合した状態で一定時間保持することにより、水（Ｈ２Ｏ）と二酸化炭素（ＣＯ２）との反応によって生成される炭酸（Ｈ２ＣＯ３）の作用によって木材チップの主成分であるセルロース、ヘミセルロース及びリグニンのうち、ヘミセルロースを水に可溶化することでセルロースからヘミセルロースを分離する加圧熱水処理槽である。
【００１７】
セルロースは、周知のように化学式（Ｃ６Ｈ１０Ｏ５）ｎで示される多糖類であり、炭素原子６個を含むグルコース（単糖類：六炭糖）が重合した高分子化合物である。ヘミセルロースは、上記グルコース以外の単糖類（主に炭素原子５個を含む単糖類（五炭糖））が重合した多糖類である。リグニンは、三次元網目構造を有する高分子化合物であり、上記セルロース及びヘミセルロースを取り囲むことにより木質を形成する。
【００１８】
図２は、酸性雰囲気下（例えばｐＨ値＝２．５）における上記セルロース、ヘミセルロース及びリグニンの分解特性（水への可溶化特性）を示すグラフである。このグラフに示すように、セルロースとヘミセルロースとは、水に対する溶解温度域が異なっている。ヘミセルロースは、約１５０℃の境界温度以下では殆どが分解して水に溶出し、これに対してセルロースは、約１５０℃の境界温度以下では殆ど分解せず水に溶出しない。
【００１９】
ヘミセルロース分離槽１は、このようなセルロース及びヘミセルロースの分解特性を利用するため、例えば保持温度１２０〜１５０℃及び保持圧力０．２〜０．５ＭＰａの保持条件（第１の保持条件）で木材チップを水（Ｈ２Ｏ）及び二酸化炭素（ＣＯ２）の存在下で一定時間保持することにより、セルロースを固体として、またヘミセルロースを水に溶け込んだ液体として分離する。なお、リグニンは、図２に示すように、０〜３００℃の範囲に亘ってブロードな分解特性を有するので、ヘミセルロース分離槽１によって分離されたセルロースとヘミセルロースとの何れにも混在する。
【００２０】
セルロース糖化槽２には、上記ヘミセルロース分離槽１からセルロース（リグニンを含む。）が、外部から水（Ｈ２Ｏ）が、またＣ６アルコール発酵槽３から二酸化炭素（ＣＯ２）がそれぞれ供給される。セルロース糖化槽２は、このようなセルロース（リグニンを含む。）、水（Ｈ２Ｏ）及び二酸化炭素（ＣＯ２）とを混合して一定時間保持することにより、水（Ｈ２Ｏ）と二酸化炭素（ＣＯ２）との反応によって生成される炭酸（Ｈ２ＣＯ３）の作用によってセルロースを六炭糖化する処理槽である。例えば、セルロース糖化槽２は、加圧熱水温度が１５０℃から２７０℃の保持条件及び保持圧力１ＭＰａ〜６ＭＰａの保持条件（第２の保持条件）でセルロースを所定時間保持することにより、セルロースを六炭糖の一種であるグルコース（Ｃ６Ｈ１２Ｏ６）に分解すると共に、リグニンを液体として分離する。
【００２１】
Ｃ６アルコール発酵槽３は、酵母を用いることにより上記セルロース糖化槽２から供給されたグルコース（Ｃ６Ｈ１２Ｏ６）をアルコール発酵させることによりバイオエタノール（Ｃ２Ｈ５ＯＨ）と二酸化炭素（ＣＯ２）とを生成する。上記セルロース糖化槽２からＣ６アルコール発酵槽３に供給されるグルコース（Ｃ６Ｈ１２Ｏ６）には、セルロース糖化槽２内やヘミセルロース分離槽１内で生成された炭酸（Ｈ２ＣＯ３）が含まれている。Ｃ６アルコール発酵槽３は、このような炭酸（Ｈ２ＣＯ３）を酵母の作用によって二酸化炭素（ＣＯ２）と水（Ｈ２Ｏ）とに分解する。
【００２２】
このようなＣ６アルコール発酵槽３によって生成されたバイオエタノール（Ｃ２Ｈ５ＯＨ）、二酸化炭素（ＣＯ２）及び水（Ｈ２Ｏ）のうち、バイオエタノール（Ｃ２Ｈ５ＯＨ）及び水（Ｈ２Ｏ）は蒸留装置４に供給され、二酸化炭素（ＣＯ２）は、上述したヘミセルロース分離槽１及びセルロース糖化槽２に供給される。
【００２３】
蒸留装置４は、このようなＣ６アルコール発酵槽３から供給されるバイオエタノール（Ｃ２Ｈ５ＯＨ）及び水（Ｈ２Ｏ）、またＣ５アルコール発酵槽６から供給されるバイオエタノール（Ｃ２Ｈ５ＯＨ）及び水（Ｈ２Ｏ）のうち、バイオエタノール（Ｃ２Ｈ５ＯＨ）を蒸留処理することによって高純度化し、製品として外部に出力する。
【００２４】
へミセルロース糖化槽５には、上記ヘミセルロース分離槽１からヘミセルロース（リグニンを含む。）が、外部から水（Ｈ２Ｏ）が、またＣ５アルコール発酵槽６から二酸化炭素（ＣＯ２）がそれぞれ供給される。へミセルロース糖化槽５は、このようなヘミセルロース（リグニンを含む。）、水（Ｈ２Ｏ）及び二酸化炭素（ＣＯ２）とを混合して一定時間保持することにより、水（Ｈ２Ｏ）と二酸化炭素（ＣＯ２）との反応によって生成される炭酸（Ｈ２ＣＯ３）の作用によってヘミセルロースを五炭糖化する処理槽である。例えば、へミセルロース糖化槽５は、加圧熱水保持温度１５〜２００℃及び保持圧力１．０〜３．０ＭＰａの保持条件（第３の保持条件）でヘミセルロースを所定時間保持することにより、ヘミセルロースを五炭糖の一種であるフルクトース（Ｃ５Ｈ１０Ｏ５）に分解すると共に、リグニンを液体として分離する。
【００２５】
Ｃ５アルコール発酵槽６は、酵母を用いることにより上記へミセルロース糖化槽５から供給されたフルクトース（Ｃ５Ｈ１０Ｏ５）をアルコール発酵させることによりバイオエタノール（Ｃ２Ｈ５ＯＨ）と二酸化炭素（ＣＯ２）とを生成する。また、上記へミセルロース糖化槽５からＣ５アルコール発酵槽６に供給されるフルクトース（Ｃ５Ｈ１０Ｏ５）には、へミセルロース糖化槽５内やヘミセルロース分離槽１内で生成された炭酸（Ｈ２ＣＯ３）が含まれているが、Ｃ５アルコール発酵槽６は、このような炭酸（Ｈ２ＣＯ３）は再びｐＨによっては二酸化炭素（ＣＯ２）と水（Ｈ２Ｏ）とに分解されて再利用される。
【００２６】
このようなＣ５アルコール発酵槽６によって生成されたバイオエタノール（Ｃ２Ｈ５ＯＨ）、二酸化炭素（ＣＯ２）及び水（Ｈ２Ｏ）のうち、バイオエタノール（Ｃ２Ｈ５ＯＨ）及び水（Ｈ２Ｏ）は蒸留装置４に供給され、二酸化炭素（ＣＯ２）は、へミセルロース糖化槽５に供給される。
【００２７】
次に、このようなバイオエタノール製造プラントＡ1の作用効果について説明する。
【００２８】
このバイオエタノール製造プラントＡ1は、酸を用いる点では従来の希硫酸法に類似するが、二酸化炭素（ＣＯ２）を水（Ｈ２Ｏ）に混ぜることによって容易に生成可能な炭酸（Ｈ２ＣＯ３）を用いるので、バイオエタノールの製造に要するランニングコストを従来よりも低減することが可能である。しかも、二酸化炭素（ＣＯ２）は、後段のアルコール発酵処理によって得られるものなので、外部から投入する必要がなく、この点においてもバイオエタノールの製造に要するランニングコストを従来よりも低減することができる。
【００２９】
また、二酸化炭素（ＣＯ２）と水（Ｈ２Ｏ）とによって生成された炭酸（Ｈ２ＣＯ３）は、後段のアルコール発酵処理によって分解されるので、よって従来の希硫酸法における石膏等、副生成物に関する特別な処理が不要なので、この点においてもバイオエタノールの製造に要するランニングコストを従来よりも低減することができる。また、炭酸（Ｈ２ＣＯ３）は、従来の希硫酸法における希硫酸よりも酸として弱いので、処理槽の耐酸性能を従来の希硫酸法よりも低下させることが可能であり、よってバイオエタノールの製造に要するイニシャルコストも従来よりも低減することができる。
【００３０】
さらには、ヘミセルロース分離槽１を設けることによって、セルロースとヘミセルロースとを分離して個別にアルコール発酵処理するので、Ｃ６アルコール発酵槽３を六炭糖であるグルコース（Ｃ６Ｈ１２Ｏ６）に特化した発酵条件に設定することが可能なので、またＣ５アルコール発酵槽６を五炭糖であるフルクトース（Ｃ５Ｈ１０Ｏ５）に特化した発酵条件に設定することが可能なので、六炭糖と五炭糖とを一緒にアルコール発酵処理する場合に比較して、各々のアルコール発酵処理の処理効率を向上させることができる。
【００３１】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような変形例が考えられる。
（１）上記各実施形態は、アルコール発酵によって発生する二酸化炭素（ＣＯ２）を水（Ｈ２Ｏ）に作用させて生成される炭酸（Ｈ２ＣＯ３）を用いて主成分の分離、セルロースの分解、ヘミセルロースの分解を行うものであるが、二酸化炭素（ＣＯ２）は、アルコール発酵によって得られるものに限定されない。アルコール発酵以外の発生源あるいは供給源から得られる二酸化炭素（ＣＯ２）を用いても良い。
【００３２】
（２）上記各実施形態では、バイオエタノールの収率を少しでも向上させるためにへミセルロース糖化槽５及びＣ５アルコール発酵槽６を設けて五炭糖をもアルコール発酵処理するようにシステム構成したが、収率よりもイニシャルコストを優先させる場合等には、へミセルロース糖化槽５及びＣ５アルコール発酵槽６を削除して六炭糖のみをアルコール発酵処理するようにしても良い。
【００３３】
（３）また、上述したヘミセルロース分離槽１、セルロース糖化槽２、８及びへミセルロース糖化槽５における保持条件は、あくまで一例であり、必要に応じて適宜変更され得るものである。
【符号の説明】
【００３４】
Ａ1…バイオエタノール製造プラント（バイオマス処理装置）、１…ヘミセルロース分離槽、２…セルロース糖化槽、３…Ｃ６アルコール発酵槽、４…蒸留装置、５…へミセルロース糖化槽、６…Ｃ５アルコール発酵槽
【図１】
2011130733.tif 000003
【図２】
2011130733.tif 000004