(57)【要約】  この発酵装置（Ａ）は、糖化酵素を用いてセルロースを分解する酵素反応装置（４）と、酵素反応装置（４）により生成された分解物を、固体酸触媒（Ｘ）を用いてグルコースに分解する第１触媒反応装置（５）とを具備する。このエタノール生産装置（Ａ）によれば、糖化酵素代を従来よりも削減しつつセルロースを糖化処理することが可能となる。
2013540437.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
糖化酵素を用いてセルロースを分解する酵素反応装置と、
前記酵素反応装置により生成された分解物を、固体酸触媒を用いてグルコースに分解する第１触媒反応装置と
を具備するセルロース糖化装置。
【請求項２】
前記糖化酵素は耐熱性酵素である請求項１に記載のセルロース糖化装置。
【請求項３】
バイオマスに加圧熱水を作用させてバイオマスに含まれるヘミセルロースを選択的に分解する加圧熱水反応装置と、
前記加圧熱水反応装置の処理液から固体としてのセルロースを分離する固液分離器と、
前記固液分離器で分離されたセルロースをグルコースに分解する請求項１または２に記載のセルロース糖化装置と
を具備するバイオマス糖化装置。
【請求項４】
前記固液分離器で分離された液体としてのヘミセルロース分解物を、固体酸触媒を用いてヘミセルロース由来の単糖に分解する第２触媒反応装置をさらに具備する請求項３記載のバイオマス糖化装置。
【請求項５】
請求項４に記載の前記バイオマス糖化装置と、
前記バイオマス糖化装置により生成されたグルコースから発酵生成物を生成する第１発酵装置と、
前記バイオマス糖化装置により生成されたヘミセルロース由来の単糖から発酵生成物を生成する第２発酵装置と
を具備する発酵装置。
【請求項６】
糖化酵素を用いてセルロースを分解する酵素反応工程と、
前記酵素反応工程により生成された分解物を、固体酸触媒を用いてグルコースに分解する固体酸触媒反応工程と
を有するセルロース糖化方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セルロース糖化装置、バイオマス糖化装置、発酵装置及びセルロース糖化方法に関する。
本願は、２０１０年９月２７日に日本に出願された特願２０１０−２１６１３４号及び２０１１年３月１０日に日本に出願された特願２０１１−５３５０３号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
【背景技術】
【０００２】
バイオマスからエタノール（バイオエタノール）を生産する技術として種々のプロセスが発表されている。例えば下記非特許文献１には、糖化酵素として広く知られるセルラーゼを用いてバイオマス中のセルロースをグルコースに糖化し、このグルコースを発酵処理することによりエタノールを生産するプロセスが開示されている。上記糖化酵素を用いたセルロースの糖化処理では、糖化酵素に含まれるβ−グルカナーゼによってセルロースがセロビオース（グルコースの２量体）に分解され、さらに同じく糖化酵素に含まれるβ−グルコシダーゼによって上記セロビオースがグルコースに最終的に分解される。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】是石真友子・今中洋行・今村維克・狩山昌弘・中西一弘、「酵素糖化と発酵を併用した小麦フスマからの効率的エタノール生産」、生物工学会  第８７巻第５号  Ｐ.２１６〜２２３  ２００９
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上記従来技術には、糖化酵素が時間とともに失活するため糖化酵素の使用量が多くなり、ランニングコストが高くなる。バイオマスからエタノールを生産するための生産コストのうち、例えば約２０％以上が糖化酵素代となると推定される。
また、糖化酵素に含まれるβ−グルコシダーゼは糖化処理によって最終的に生成されたグルコースによって阻害を受けるので、上記従来技術では、グルコースの生成によってセロビオースの加水分解速度が低下し、グルコースの生成速度が低下する。このような問題点を解決するためには、β−グルコシダーゼを追加投入する必要があり、これによってランニングコストが高くなる。
【０００５】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされ、以下の点を目的とする。
（１）糖化酵素代を従来よりも削減しつつセルロースあるいはバイオマスを糖化処理する。
（２）糖化酵素代を従来よりも削減しつつバイオマスから発酵生成物を生産する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明に係るセルロース糖化装置は、糖化酵素を用いてセルロースを分解する酵素反応装置と、酵素反応装置により生成された分解物を、固体酸触媒を用いてグルコースに分解する第１触媒反応装置とを具備する。
【０００７】
このセルロース糖化装置において、糖化酵素は耐熱性酵素であることが好ましい。
【０００８】
また、本発明に係るバイオマス糖化装置は、バイオマスに加圧熱水を作用させてバイオマスに含まれるヘミセルロースを選択的に分解する加圧熱水反応装置と、加圧熱水反応装置の処理液から固体としてのセルロースを分離する固液分離器と、固液分離器で分離されたセルロースをグルコースに分解する上記セルロース糖化装置とを具備する。
【０００９】
このバイオマス糖化装置において、固液分離器で分離された液体としてのヘミセルロース分解物を、固体酸触媒を用いてヘミセルロース由来の単糖に分解する第２触媒反応装置をさらに具備してもよい。
【００１０】
本発明に係る発酵生産装置は、上記第２触媒反応装置を備える上記バイオマス糖化装置と、バイオマス糖化装置により生成されたグルコースから発酵生成物を生成する第１発酵装置と、バイオマス糖化装置により生成されたヘミセルロース由来の単糖から発酵生成物を生成する第２発酵装置とを具備する。
【００１１】
また、本発明に係るセルロース糖化方法は、糖化酵素を用いてセルロースを分解する酵素反応工程と、前記酵素反応工程により生成された分解物を、固体酸触媒を用いてグルコースに分解する固体酸触媒反応工程とを有する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明では、糖化酵素に基づく酵素反応によりセルロースが分解され、さらに固体酸触媒に基づく触媒反応によって酵素反応による分解物がグルコースに分解される。すなわち、従来では上記２つの分解過程を再利用できない糖化酵素によって実現していたので糖化酵素代が高くなっていたが、本発明では、再利用可能な固体酸触媒を糖化酵素の代わりに用いて酵素反応による分解物をグルコースに分解するので、糖化酵素の使用量を削減することが可能であり、よって糖化酵素代を削減しつつセルロースを糖化処理することができる。したがって、バイオマスに含まれるセルロースからグルコースのような発酵性の糖を生成する場合、またバイオマスに含まれるセルロースからグルコースのような発酵性の糖を生成し、この発酵性の糖からエタノールのような発酵生成物を生成する場合のいずれにおいても、糖化酵素代を従来よりも削減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一実施形態に係るエタノール生産装置のプロセス構成図である。
【図２Ａ】本発明の一実施形態に係るエタノール生産装置における酵素反応時の糖濃度を示すシミュレーション結果である。
【図２Ｂ】本発明の一実施形態に係るエタノール生産装置における固体酸触媒反応時の糖濃度を示すシミュレーション結果である。
【図３Ａ】本発明の一実施形態における分解物の濃度を実験結果に基づき示す棒グラフである。
【図３Ｂ】本発明の一実施形態における固体酸触媒によるグルコース生成速度定数とグルコース分解速度定数の温度依存性を実験結果に基づき示す折線グラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
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。
本実施形態に係るエタノール生産装置 （発酵装置）Ａは、加圧熱水反応装置１、固液分離器２、冷却器３、酵素反応装置４、第１触媒反応装置５、第１発酵装置６、第２触媒反応装置７、第２発酵装置８、蒸留装置９及び排水処理装置１０から構成されている。このようなエタノール生産装置Ａは、外部から原料として供給された木質系バイオマスを糖化処理することによりに単糖類（キシロース及びグルコース）を生産し、単糖類にアルコール発酵処理及び蒸留処理を施すことにより高純度のエタノールを生産するプロセスを行なう。
【００１５】
加圧熱水反応装置１は、１５０〜２３０℃、好ましくは２００〜２３０℃の加圧熱水を上記木質系バイオマスに作用させることにより、木質系バイオマスに含まれるヘミセルロース（固体）を選択的に加水分解して可溶化させる。木質系バイオマスは、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セルロース系バイオマスである。これら主成分のうち、ヘミセルロースは、比較的低温の１５０〜２３０℃の加圧熱水を作用させると容易に加水分解されて五炭糖が重合したヘミセルロース由来のオリゴ糖を主成分とする多糖類（ヘミセルロース分解物）に分解（可溶化）するが、セルロースは、２００℃程度の加圧熱水では殆ど分解しない。特に、セルロースを加圧熱水で加水分解するためには、２００℃を超える例えば２４０〜３００℃程度の加圧熱水を木質系バイオマスに作用させる必要がある。
【００１６】
加圧熱水反応装置１は、このようなセルロース、ヘミセルロース及びリグニンの加圧熱水に対する性質を利用することにより、木質系バイオマスに含まれるヘミセルロースを、五炭糖が重合したヘミセルロース由来のオリゴ糖を主成分とする多糖類（ヘミセルロース分解物）に選択的に分解（可溶化）させる。なお、加圧熱水とは、亜臨界状態の熱水であって、液体状態を維持するために加圧された熱水である。
【００１７】
上記加圧熱水反応装置１は、図示するようにポンプ１ａ、加熱器１ｂ、水量調整弁１ｃ、反応槽１ｄ及び制御装置１ｅから構成されている。ポンプ１ａは、外部から供給される水を加圧して加熱器１ｂに送出する。加熱器１ｂは、制御装置１ｅから入力される温度制御信号に応じて、ポンプ１ａから流入する加圧水を１５０〜２３０℃、好ましくは２００〜２３０℃まで加熱し、加圧熱水として水量調整弁１ｃに送出する。水量調整弁１ｃは、制御装置１ｅから入力される流量制御信号に応じてその開度が調節される電子制御弁であり、流量調整した上で加熱器１ｂから流入する加圧熱水を反応槽１ｄに送出する。
【００１８】
反応槽１ｄは、外部から原料として供給される一定量の木質系バイオマスを収容すると共に、水量調整弁１ｃから流入する加圧熱水を木質系バイオマスに添加（作用）させることによって、木質系バイオマス中のヘミセルロースを、ヘミセルロース由来のオリゴ糖を主成分とする多糖類に選択的に分解する。すなわち、この反応槽１ｄの処理液は、木質系バイオマスの主成分のうち、セルロース及びリグニンを固体として含み、またヘミセルロースが分解して得られたヘミセルロース由来のオリゴ糖を主成分とする多糖類（ヘミセルロース分解物）を液体として含む。反応槽１ｄはこのような処理液を固液分離器２に排出する。
【００１９】
制御装置１ｅは、加熱器１ｂに温度制御信号を出力すると共に水量調整弁１ｃに流量制御信号を出力し、反応槽１ｄに供給すべき加圧熱水の温度及び流量（供給量）を調節することにより、反応槽１ｄにおける木質系バイオマスの加水分解条件を制御する。すなわち、制御装置１ｅは、加圧熱水の供給量Ｑ（ｍｌ）と木質系バイオマスの供給量Ｖ（ｇ）との比率Ｋ（＝Ｑ／Ｖ）、加圧熱水の温度Ｔ（℃）を加水分解条件として設定する。制御装置１ｅが反応槽１ｄの加水分解条件を調整することによって、反応槽１ｄから流出する処理液は、上述したようにセルロース及びリグニンを固体として含み、またヘミセルロースが分解して得られたヘミセルロース由来のオリゴ糖を主成分とする多糖類を液体として含む溶液になる。
【００２０】
固液分離器２は、上記反応槽１ｄから流入する処理液を固液分離することにより、固体であるセルロース（リグニンを多く含む）を第１多糖物として冷却器３に送出する一方、ヘミセルロース由来のオリゴ糖を主成分とする多糖類を第２多糖液として第２触媒反応装置７に送出する。冷却器３は、後段の酵素反応装置４における糖化酵素（耐熱性酵素）の活性が最も高くなるように第１多糖物の温度を調節するために設けられており、固液分離器２から流入する第１多糖物を例えば５０〜９０℃程度に冷却して酵素反応装置４に送出する。
【００２１】
酵素反応装置４は、冷却器３から供給される第１多糖物に糖化酵素であるセルラーゼ及び水を添加し、第１多糖物中のセルロースにセルラーゼを作用させることによってセロビオース（グルコースが２量体重合したもの）を主成分とする分解物つまり水溶性オリゴ糖や懸濁体多糖に加水分解する。セルラーゼは、複数種類の糖化酵素の集合体として一般的に知られているが、主成分としてβ−グルカナーゼを含んでいる。このβ−グルカナーゼは、セルロースを上記水溶性オリゴ糖に加水分解するための糖化酵素として知られている。また、水溶性オリゴ糖は、グルコースが２〜６量体重合した水溶性を示す分解物（多糖類）であり、懸濁体多糖は、グルコースが７量体以上重合したものやグルコースが６量体重合したセロヘキサオースの結晶であり、酵素反応装置４内において懸濁状態で存在する分解物（多糖類）である。酵素反応装置４は、上記β−グルカナーゼをセルロースに作用させることによって上記水溶性オリゴ糖を生成し、この水溶性オリゴ糖を主成分とする第１多糖液を第１触媒反応装置５に送出する。
【００２２】
ここで、酵素反応装置４で用いる糖化酵素には、「耐熱性酵素」として市販されているものも使用可能である。通常の糖化酵素は、４０〜５０℃程度において酵素活性が最大になるが、耐熱性酵素は、７０〜９０℃程度の温度において酵素活性が最大になる。このような耐熱性酵素を酵素反応装置４で用いることにより、冷却器３で冷却すべき温度幅が小さくなるので、第１多糖物の冷却によるエネルギーロスを縮小することが可能となる。
【００２３】
第１触媒反応装置５は、酵素反応装置４から流出する第１多糖液を、粉末状の固体酸触媒Ｘを用いて加水分解することによりグルコースを生成し、このグルコースを主成分とする第１単糖液を第１発酵装置６に送出する。第１触媒反応装置５は、図示するように第１混合装置５ａと第１固液分離装置５ｂとから構成されている。
【００２４】
第１混合装置５ａは、酵素反応装置４から流入する第１多糖液と予め充填されている固体酸触媒Ｘとを９０℃以上１２０℃未満の温度下において撹拌・混合することで両者を接触させて加水分解反応（つまり糖化反応）を促進させる。このような糖化反応により、第１多糖液に含まれる水溶性オリゴ糖が分解されて単糖（六炭糖）であるグルコースが生成される。このように生成されたグルコースを含む第１単糖液と固体酸触媒Ｘとを含む第１混合液は、第１混合装置５ａから第１固液分離装置５ｂに流出する。
【００２５】
第１固液分離装置５ｂは、上記第１混合装置５ａから流入する第１混合液を固液分離することで第１単糖液と固体酸触媒Ｘとを分離し、固体酸触媒Ｘを回収して上記第１混合装置５ａに供給する（再利用する）一方、グルコースを含む第１単糖液を第１発酵装置６に送出する。このような第１固液分離装置５ｂとしては、例えば沈殿槽を用いることができる。つまり、沈殿槽に供給される第１混合液のうち、粉末状の固体酸触媒Ｘは槽底部に沈殿し、上澄み液がグルコースを含む第１単糖液として得られる。
【００２６】
第１発酵装置６は、上記第１触媒反応装置５から流入するグルコースを含む第１単糖液に、酵母等のエタノール発酵微生物と、窒素、リン等の栄養源とを添加し、適切な温度、ｐＨ等の条件下で微生物を培養してグルコースをアルコール発酵させることでエタノールを生成する。第１発酵装置６は、このように生成されたエタノールを蒸留装置９に送出する。
【００２７】
第２触媒反応装置７は、上記の加圧熱水反応装置１から流入する第２多糖液を、粉末状の固体酸触媒Ｘを用いて加水分解することによりヘミセルロース由来の単糖を含む第２単糖液を生成する。第２触媒反応装置７は、図示するように第２混合装置７ａ及び第２固液分離装置７ｂから構成されている。第２混合装置７ａは、加圧熱水反応装置１から流入する第２多糖液と予め充填されている固体酸触媒Ｘとを９０℃以上１２０℃未満の温度下において撹拌・混合することにより両者を接触させて加水分解反応（つまり糖化反応）を促進させる。このような糖化反応により、第２多糖液に含まれるヘミセルロース由来のオリゴ糖が加水分解されて単糖（五炭糖）が生成される。第２混合装置７ａは、このように生成されたヘミセルロース由来の単糖を含む第２単糖液と固体酸触媒Ｘとを含む第２混合液とを第２固液分離装置７ｂに送出する。
【００２８】
第２固液分離装置７ｂは、上記の第２混合装置７ａから流入する第２混合液を固液分離することで第２単糖液と固体酸触媒Ｘとに分離し、固体酸触媒Ｘを回収して上記第２混合装置７ａに供給する（再利用する）一方、ヘミセルロース由来の単糖を含む第２単糖液を第２発酵装置８に送出する。このような第２固液分離装置７ｂとしては、上述した第１固液分離装置５ｂと同様に沈殿槽を用いることができる。つまり、沈殿槽に供給された第２混合液のうち、粉末状の固体酸触媒Ｘは槽底部に沈殿し、上澄み液がヘミセルロース由来の単糖を含む第２単糖液として得られる。
【００２９】
第２発酵装置８は、上記第２触媒反応装置７から流入するヘミセルロース由来の単糖を含む第２単糖液に、酵母等のエタノール発酵微生物と、窒素、リン等の栄養源とを添加し、適切な温度、ｐＨ等の条件下で微生物を培養してヘミセルロース由来の単糖をアルコール発酵させることでエタノールを生成する。エタノール発酵微生物としては、サッカロミセス属酵母などの公知の各種微生物を用いることができる。第２発酵装置８は、このように生成したエタノールを蒸留装置９に送出する。
【００３０】
蒸留装置９は、上記の第１発酵装置６及び第２発酵装置８から流入するエタノールの蒸留及び濃縮を行うことにより、純度の高いエタノールを生成して外部に送出する。排水処理装置１０は、加圧熱水反応装置１の反応槽１ｄから排出されるブロー水と、第１発酵装置６及び第２発酵装置８から排出される水（アルコール発酵の過程で生成される水）とを受け入れ、所定の清浄化処理を施して外部に排水する。
【００３１】
次に、このように構成されたエタノール生産装置Ａの動作について、図１、図２Ａ及び図２Ｂを参照して詳しく説明する。
加圧熱水反応装置１では、制御装置１ｅによって加熱器１ｂ及び水量調整弁１ｃが制御されることによって、反応槽１ｄ内に収容された一定量の木質系バイオマスに１５０〜２３０℃、好ましくは２００〜２３０℃の加圧熱水が所定量添加される。この状態で一定の反応時間が経過することにより、反応槽１ｄ内の木質系バイオマスに含まれるヘミセルロースは、ヘミセルロース由来のオリゴ糖を主成分とする多糖類（ヘミセルロース分解物）に選択的に分解される。
【００３２】
したがって、上記反応時間が経過した後における反応槽１ｄの処理液は、セルロース及びリグニンを固体として含み、またヘミセルロース由来のオリゴ糖を主成分とする多糖類（ヘミセルロース分解物）を液体として含む固液混合液となる。この処理液は、反応槽１ｄから固液分離器２に排出され、固液分離器２において固液分離される。すなわち、固体であるセルロース及びリグニンは、固液分離器２から冷却器３に第１多糖物として送出され、一方、ヘミセルロース由来のオリゴ糖を主成分とする多糖類（ヘミセルロース分解物）は、第２多糖液として第２触媒反応装置７に送出される。
【００３３】
上記第１多糖物は、冷却器３において９０〜１００℃程度に冷却されて酵素反応装置４に送出され、酵素反応装置４においてセルラーゼ及び水が添加される。この結果、セルラーゼが第１多糖物に含まれるセルロースに作用することにより、このセルロースが水溶性オリゴ糖に分解される。つまり、酵素反応装置４では、セルラーゼに含まれるβ−グルカナーゼがセルロースに作用することによってセロビオースが生成される。なお、この際に、酵素反応装置４において生成された水溶性オリゴ糖の一部は、セルラーゼに含まれるβ−グルコシダーゼによりグルコースに分解される。
【００３４】
図２Ａは、１リットルの第１多糖物に対してセルラーゼ１．５グラムを作用させた場合におけるセルロース、セロビオース及びグルコースの濃度（ｇ／Ｌ）を示している。
セルロースは、図２Ａに示すように、酵素反応の開始から約１０時間後に殆どがセロビオースに分解される。また、セロビオースは、生成されると同時に、その一部がグルコースに分解される。このような図２Ａに示す指標に基づいて、酵素反応装置４では、殆どのセルロースがセロビオースに分解されるまでの時間をかけて酵素反応を行う。そして、この結果生成されたセロビオース及びグルコースを含む第１多糖液は、酵素反応装置４から第１触媒反応装置５の第１混合装置５ａに送出される。
【００３５】
第１混合装置５ａは、酵素反応装置４から流入した第１多糖液と固体酸触媒Ｘとを９０〜１００℃の温度下において攪拌・混合することで第１多糖液中の水溶性オリゴ糖をグルコースに分解する。この第１混合装置５ａにおけるグルコースの生成速度は、酵素反応装置４における生成速度よりも早い。具体的には、第１混合装置５ａにおいて約１０時間の間に生成されるグルコースの量は、図２Ｂに示すように、酵素反応装置４において生成される量の約３．５倍である。このような図２Ｂに示す指標に基いて、第１混合装置５ａでは、殆ど全ての水溶性オリゴ糖がグルコースに分解されるまでの時間をかけて触媒反応を行う。そして、この結果生成されたグルコースを含む第１単糖液は、固体酸触媒Ｘとともに第１混合液として第１混合装置５ａから第１固液分離装置５ｂに流出する。
【００３６】
そして、上記第１混合液は、第１固液分離装置５ｂにおいて第１単糖液と固体酸触媒Ｘとに固液分離され、固体である固体酸触媒Ｘは第１混合装置５ａに返送され、一方、第１単糖液は、第１発酵装置６に送出される。この第１発酵装置６では、アルコール発酵により第１単糖液に含まれるグルコースからエタノールが生成され、蒸留装置９に供給される。そして、蒸留装置９では、エタノールの蒸留・濃縮が行われる。
【００３７】
また、第２触媒反応装置７に供給された第２多糖液は、第２触媒反応装置７の第２混合装置７ａにおいて第２多糖液と固体酸触媒Ｘとを９０℃以上１２０℃未満の温度下において攪拌・混合されることで第２多糖液中のヘミセルロース由来のオリゴ糖が単糖に分解される。このヘミセルロース由来の単糖を含む第２単糖液は、固体酸触媒Ｘとともに第２混合液として第２混合装置７ａから第２固液分離装置７ｂに排出され、第２固液分離装置７ｂにおいて第２単糖液と固体酸触媒Ｘとに固液分離される。そして、固体である固体酸触媒Ｘは第２混合装置７ａに返送され、一方、第２単糖液は、第２発酵装置８に送出される。この第２発酵装置８では、アルコール発酵により第２単糖液に含まれるヘミセルロース由来の単糖からエタノールが生成され、蒸留装置９に供給されて蒸留・濃縮が行われる。
【００３８】
さらに、加圧熱水反応装置１の反応槽１ｄから排出されるブロー水及び第１発酵装置６及び第２発酵装置８から排出される水（アルコール発酵の過程で生成される水）は、排水処理装置１０において所定の清浄度まで浄化処理された後に外部に排水される。
【００３９】
このようなエタノール生産装置Ａでは、セルラーゼによりセルロースが水溶性オリゴ糖に分解され、さらに固体酸触媒Ｘによって上記水溶性オリゴ糖がグルコースに分解され、このグルコースからエタノールが生産される。すなわち、このエタノール生産装置Ａでは、再利用可能な固体酸触媒Ｘをセルラーゼ（より正確にはセルラーゼに含まれるβ−グルコシダーゼ）の代わりに用いて水溶性オリゴ糖をグルコースに分解するので、セルラーゼの使用量を削減することが可能であり、よってセルラーゼ代を削減しつつ木質系バイオマス中のセルロースを糖化処理することが可能であり、またセルラーゼ代を削減しつつ木質系バイオマスからエタノールを生産することができる。
また、図２Ａ及び図２Ｂに示すように、固体酸触媒Ｘを用いて水溶性オリゴ糖をグルコースに分解するので、セルラーゼを用いた場合よりも早い速度でグルコースを生成することができる。
【００４０】
また、このエタノール生産装置Ａでは、酵素反応装置４において耐熱性酵素を用いることにより、冷却器３で冷却すべき温度幅が小さくなるので、第１多糖物の冷却によるエネルギーロスを縮小することができる。つまり、第１多糖物は加圧熱水反応装置１において最大で２００〜２３０℃程度に加熱されているため、通常の糖化酵素であれば酵素活性が最大になる７０℃程度まで第１多糖物の温度を下げなければならない。これに対し、耐熱性酵素を用いることにより、第１多糖物の温度を９０〜１００℃程度まで下げればよいのでエネルギーロスを縮小することができる。
さらに、耐熱性酵素を用いることにより、酵素反応装置４の反応温度を第１混合装置５ａの反応温度と同等にすることが可能であり、よって第１混合装置５ａにおける加熱が必要ないので、エネルギー効率を向上させることができる。
【００４１】
〔追加事項〕
図３Ａは、本エタノール生産装置Ａにおける分解物濃度を実験結果に基づき示す棒グラフである。この図３Ａにおいて、左側及び中央の棒グラフは、酵素反応装置４で得られた第１多糖液における各分解物の濃度をそれぞれ示し、右側の棒グラフは、第１触媒反応装置６で得られた第１単糖液における分解物の濃度を示している。また、上記左側及び中央の棒グラフのうち、左側の棒グラフは、酵素反応装置４における処理時間が１２時間の場合を示し、中央の棒グラフは、酵素反応装置４における処理時間が４０時間の場合を示している。
【００４２】
このような実験結果によれば、酵素反応装置４では上述した懸濁体多糖、水溶性オリゴ糖及びグルコースが分解物として得られ、これら分解物のうち懸濁体多糖及び水溶性オリゴ糖（多糖類）が第１触媒反応装置６においてグルコース（単糖類）に分解されることが確認できる。
【００４３】
また、図３Ｂは、固体酸触媒Ｘによるグルコース生成速度定数ｋＧＰ０とグルコース分解速度定数ｋＧＤ０の温度依存性を実験結果に基づき示す折線グラフである。この実験結果によれば、固体酸触媒Ｘによってグルコースを生成するためには、９０℃以上の反応温度が好ましく、また１００℃と超えても１２０℃未満であればグルコース分解が極端に増大しないので、第１、第２触媒反応装置５，７における反応温度として９０℃以上１２０℃未満が好ましいことが分かる。
【００４４】
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）上記実施形態では、第１触媒反応装置５において生成されたグルコースや第２触媒反応装置７において生成されたヘミセルロース由来の単糖からエタノールを生成したが、本発明はこれに限定されない。例えば、第１発酵装置６や、第２発酵装置８や、蒸留装置９を他の反応装置に換えることで、エタノール以外の化学製品（例えばヒドロキシメチルフルフラールやフルフラール）を生成してもよい。
また、上記実施形態では、サッカロミセス属酵母をエタノール発酵微生物として利用したが、例えば、第１発酵装置６や第２発酵装置８において、乳酸菌を利用した乳酸発酵や、クロストリジウム属細菌を利用したブタノール発酵を行わせ、乳酸やブタノールを発酵生成物として得てもよい。
すなわち、本発明に係る発酵装置は、エタノール発酵に限らず、他の発酵生成物を生産する発酵装置も本発明に含まれる。
【００４５】
（２）上記実施形態では、木質系バイオマスに含まれるセルロースからグルコースを生成したが、本発明はこれに限定されない。草本系バイオマスに含まれるセルロースや、人工的に生成したセルロースからグルコースを生成してもよい。
【００４６】
（３）上記実施形態では、酵素反応装置４において耐熱性酵素を用いたが、本発明はこれに限定されない。例えば、冷却器３がセルロースを含む第２多糖物を５０℃程度に冷却し、酵素反応装置４において酵素活性が５０℃程度である通常の酵素を用いてセルロースを水溶性オリゴ糖に分解してもよい。このように通常の酵素を用いる場合、後段の固体酸触媒Ｘによる加水分解の反応温度は、エネルギー効率の観点から、酵素反応装置４における反応速度（つまり５０℃程度）にすることが好ましいが、この５０℃程度は、耐熱性酵素を用いた場合の９０〜１００℃よりも低い反応温度なので、固体酸触媒Ｘによる加水分解の反応速度が低下する。このような反応速度の低下を補うために、固体酸触媒Ｘの量を耐熱性酵素を用いた場合よりも多くすることが考えられる。
【００４７】
（４）上記実施形態では、酵素反応装置４においてセルロース及びリグニンを含む第１多糖物にセルラーゼを反応させているが、本発明はこれに限定されない。例えば、酵素反応装置４の前段に第１多糖物からリグニンを除去するプロセスを設け、リグニンを除去した第１多糖物を酵素反応装置４に供給してもよい。これにより、酵素反応装置４において第１多糖物中の糖化酵素濃度が上がるので、セルロースの分解速度を上げることができる。
【００４８】
（５）上記実施形態における第１触媒反応装置５及び第２触媒反応装置７では、粉末状の固体酸触媒Ｘを用いた関係で第１固液分離装置５ｂ及び第２固液分離装置７ｂを設けた。しかしながら、固体酸触媒には粉末状のものの他にペレット状のものがある。このペレット状固体酸触媒を用いる場合、第１触媒反応装置及び第２触媒反応装置として、例えば流通性容器内に固定状態に収納されたペレット状固体酸触媒に第１多糖液あるいは第２多糖液を通過させて加水分解するタイプの触媒反応装置（固定床固体酸触媒反応装置）を採用することが考えられる。このような固定床固体酸触媒反応装置を採用することにより、第１触媒反応装置及び第２触媒反応装置の装置構成を簡略化することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
本発明によれば、バイオマスに含まれるセルロースからグルコースのような発酵性の糖を生成する場合、またバイオマスに含まれるセルロースからグルコースのような発酵性の糖を生成し、この発酵性の糖からエタノールのような発酵生成物を生成する場合のいずれにおいても、糖化酵素代を従来よりも削減することができる。
【符号の説明】
【００５０】
Ａ…エタノール生産装置（発酵装置）、１…加圧熱水反応装置、１ａ…ポンプ、１ｂ…加熱器、１ｃ…水量調整弁、１ｄ…反応槽、１ｅ…制御装置、２…固液分離器、３…冷却器、４…酵素反応装置、５…第１触媒反応装置、５ａ…第１混合装置、５ｂ…第１固液分離装置、６…第１発酵装置、７…第２触媒反応装置、７ａ…第２混合装置、７ｂ…第２固液分離装置、８…第２発酵装置、９…蒸留装置、１０…排水処理装置
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【国際調査報告】
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