(57)【要約】【課題】アンモニア分離糖化前処理物を速やかに酵素糖化反応に供することができると共に、処理効率の低下を抑制することができるリグノセルロース系バイオマスの前処理方法及びその装置を提供する。【解決手段】リグノセルロース系バイオマスを酵素糖化処理する反応容器２を用いて糖化前処理を行う糖化前処理方法は、ジャケット１４への温水の供給を停止した後に、ジャケット１４から温水タンク１６に温水を排出する工程と、ジャケット１４から温水を排出した後に、反応容器２に基質濃度調整水を供給する工程とを備える。【選択図】  図１
2015150528.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回分式でリグノセルロース系バイオマスを酵素糖化処理する反応容器を用いて糖化前処理を行う糖化前処理方法であって、
該反応容器に、基質であるリグノセルロース系バイオマスを収容し、アンモニア水を混合して基質混合物を得る工程と、
加熱手段によって加熱された熱媒体を、循環手段により、該加熱手段から該反応容器の外側に配設されたジャケットへ供給し該ジャケットから該加熱手段に循環させ、該基質混合物を所定温度で所定時間加熱することにより、アンモニア含有糖化前処理物を得る工程と、
該加熱手段によって加熱された該熱媒体を該循環手段により該加熱手段から該反応容器の外側に配設されたジャケットへ供給し、該ジャケットから該加熱手段に循環させ、該アンモニア含有糖化前処理物からアンモニアを分離させてアンモニア分離糖化前処理物を得る工程と、
該ジャケット内の該熱媒体を熱媒体貯留槽に排出する工程と、
該ジャケットから該熱媒体を排出した後に、該反応容器に基質濃度調整水を供給する工程とを備えることを特徴とするリグノセルロース系バイオマスの糖化前処理方法。
【請求項２】
リグノセルロース系バイオマスを酵素糖化処理する反応容器を用いて糖化前処理を行う糖化前処理装置であって、
回分式で基質としてのリグノセルロース系バイオマスとアンモニア水とを混合して基質混合物を得る密閉可能な反応容器と、
該反応容器の外側に配設され、該基質混合物を所定温度に加熱する熱媒体が流通されるジャケットと、
該熱媒体を加熱する加熱手段と、
該加熱手段によって加熱された該熱媒体を、該ジャケットへ供給し該ジャケットから該加熱手段に循環させる循環手段と、
該ジャケット内の該熱媒体を収容可能な熱媒体貯留槽と、
該ジャケットから該熱媒体を該熱媒体貯留槽へ排出する熱媒体排出手段と、
該反応容器に基質濃度調整水を供給する基質濃度調整水供給手段とを備えることを特徴とするリグノセルロース系バイオマスの糖化前処理装置。
【請求項３】
請求項２記載のリグノセルロース系バイオマスの糖化前処理装置において、
前記加熱手段はヒートポンプであり、
前記反応容器外に放出されたアンモニアガス及び水蒸気を冷却して凝縮させると共に水に溶解させてアンモニア水として回収するアンモニア回収手段を備え、
該ヒートポンプは、該アンモニアガス及び水蒸気を凝縮させる際の凝縮熱と該水に溶解させる際の溶解熱とを熱源とする熱媒体を、前記加熱用の熱媒体と熱交換させて該加熱用の熱媒体を加熱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糖化前処理装置。
【請求項４】
請求項２又は請求項３記載のバイオマスの前処理装置において、
前記熱媒体貯留槽は、前記循環手段によって前記ジャケットから前記加熱手段に循環させる経路の途中に設けられていることを特徴とするリグノセルロース系バイオマスの糖化前処理装置。
【請求項５】
請求項２〜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糖化前処理装置において、
前記熱媒体排出手段は、圧縮空気を前記ジャケットに供給する圧縮空気供給手段を備えることを特徴とするリグノセルロース系バイオマスの糖化前処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バイオエタノールの製造に用いられるリグノセルロース系バイオマスの糖化前処理方法及びそれに用いる装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、自動車用燃料として、ガソリン−エタノール混合燃料を用いることが検討されている。前記ガソリン−エタノール混合燃料に用いるために、リグノセルロース系バイオマスを用いてエタノールを製造する技術が検討されている。
【０００３】
前記リグノセルロース系バイオマスは、セルロースを含んでおり、該セルロースを糖化酵素を用いて糖化処理することによりグルコース等の糖に分解し、得られた糖を発酵させてエタノールを得ることができる。
【０００４】
ところが、前記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、通常該セルロース及び該ヘミセルロースは、該リグニンに強固に結合しているため、そのままでは該セルロースに対する酵素糖化反応を行うことが難しい。従って、前記セルロースを酵素糖化反応させるに際しては、予め前記リグノセルロース系バイオマスを前処理して酵素糖化反応が可能な状態としておくことが望ましい。
【０００５】
従来、前記リグノセルロース系バイオマスを酵素糖化処理する反応容器を用いて糖化前処理を行う糖化前処理方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
前記前処理方法では、まず、回分式で密閉可能な反応容器に、基質であるリグノセルロース系バイオマスを収容し、アンモニア水を混合して基質混合物を得る。
【０００７】
次に、前記基質混合物を所定温度で所定時間加熱することにより、前記基質からリグニンを解離させ又は該基質を膨潤させたアンモニア含有糖化前処理物を得る。
【０００８】
その後、前記アンモニア含有糖化前処理物を、酵素糖化反応に用いる糖化酵素の至適温度に冷却し、前記反応容器に水（以下、基質濃度調整水という）を供給して前記アンモニア分離糖化前処理物の基質濃度を調整する。
【０００９】
尚、本願において、解離とは、セルロース等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等に空隙が生じ、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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２０１３−０５９７１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、前記従来の前処理方法では、前記反応容器内の前記アンモニア分離糖化前処理物の温度が前記至適温度に低下するまでに長時間を要するので、該アンモニア分離糖化前処理物を速やかに前記酵素糖化反応に供することができないという不都合がある。
【００１２】
そこで、前記反応容器内に大量の基質濃度調整水を供給して前記アンモニア分離糖化前処理物の温度を低下させることが考えられるが、該基質濃度調整水の供給量が多いと該アンモニア分離糖化前処理物が過剰に希釈されて処理効率が低下するという不都合がある。
【００１３】
本発明は、かかる不都合を解消して、アンモニア分離糖化前処理物を速やかに酵素糖化反応に供することができると共に、処理効率の低下を抑制することができるリグノセルロース系バイオマスの前処理方法及びそれに用いる装置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】
【００１４】
かかる目的を達成するために、本発明は、回分式でリグノセルロース系バイオマスを酵素糖化処理する反応容器を用いて糖化前処理を行う糖化前処理方法であって、該反応容器に、基質であるリグノセルロース系バイオマスを収容し、アンモニア水を混合して基質混合物を得る工程と、加熱手段によって加熱された熱媒体を、循環手段により、該加熱手段から該反応容器の外側に配設されたジャケットへ供給し該ジャケットから該加熱手段に循環させ、該基質混合物を所定温度で所定時間加熱することにより、アンモニア含有糖化前処理物を得る工程と、該加熱手段によって加熱された該熱媒体を該循環手段により該加熱手段から該反応容器の外側に配設されたジャケットへ供給し、該ジャケットから該加熱手段に循環させ、該アンモニア含有糖化前処理物からアンモニアを分離させてアンモニア分離糖化前処理物を得る工程と、該ジャケット内の該熱媒体を熱媒体貯留槽に排出する工程と、該ジャケットから該熱媒体を排出した後に、該反応容器に基質濃度調整水を供給する工程とを備えることを特徴とする。
【００１５】
本発明の前処理方法では、まず、基質としてのリグノセルロース系バイオマスを密閉可能な反応容器に収容し、アンモニア水を混合して基質混合物を得る。
【００１６】
次に、加熱手段によって加熱された熱媒体を、該加熱手段から前記反応容器の外側に配設されたジャケットへ供給し該ジャケットから該加熱手段に循環させる循環手段を介して、該ジャケットへ供給することにより、前記基質混合物を加熱する。この結果、前記基質からリグニンを解離させ又は該基質を膨潤させて、アンモニア含有糖化前処理物を得ることができる。
【００１７】
次に、加熱手段によって加熱された熱媒体を該加熱手段から前記反応容器の外側に配設されたジャケットへ供給し、該ジャケットから該加熱手段に循環させる循環手段を介して該ジャケットに供給することにより、前記反応容器中の前記アンモニア含有糖化前処理物からアンモニアを分離して、アンモニア分離糖化前処理物を得る。
【００１８】
次に、前記ジャケット内の前記熱媒体を熱媒体貯留槽に排出する。ここで、本発明の前処理方法では、前記熱媒体貯留槽は、前記ジャケット内の前記熱媒体を収容可能に構成されているので、該ジャケットから排出された該熱媒体を収容することができる。これにより、前記従来の前処理方法の前記ジャケット内に前記熱媒体が滞留している場合と比較して、前記反応容器の熱容量（所謂、熱マス）を低減させることができる。
【００１９】
次に、前記反応容器に基質濃度調整水を供給することにより、前記アンモニア分離糖化前処理物の温度を低下させる。このとき、前記アンモニア分離糖化前処理物は、前記ジャケットからの前記熱媒体の排出に伴って熱容量が低下されているので、前記従来の前処理方法の前記ジャケットに前記熱媒体が滞留しているときに前記反応容器に前記基質濃度調整水を供給する場合と比較して、該基質濃度調整水の供給量を減らすことができる。
【００２０】
したがって、本発明の前処理方法によれば、前記従来の前処理方法と比較して、前記アンモニア分離糖化前処理物を前記酵素糖化反応に用いる糖化酵素の至適温度まで短時間で冷却することができ、該アンモニア分離糖化前処理物を短時間で前記酵素糖化反応に供することができる。また、前記従来の前処理方法と比較して、前記基質濃度調整水の供給量を減らすことができるので、前記アンモニア分離糖化前処理物が過剰に希釈されて処理効率が低下することを防ぐことができる。
【００２１】
また、本発明の前処理装置は、リグノセルロース系バイオマスを酵素糖化処理する反応容器を用いて糖化前処理を行う糖化前処理装置であって、回分式で基質としてのリグノセルロース系バイオマスとアンモニア水とを混合して基質混合物を得る密閉可能な反応容器と、該反応容器の外側に配設され、該基質混合物を所定温度に加熱する熱媒体が流通されるジャケットと、該熱媒体を加熱する加熱手段と、該加熱手段によって加熱された該熱媒体を、該ジャケットへ供給し該ジャケットから該加熱手段に循環させる循環手段と、該ジャケット内の該熱媒体を収容可能な熱媒体貯留槽と、該ジャケットから該熱媒体を該熱媒体貯留槽へ排出する熱媒体排出手段と、該反応容器に基質濃度調整水を供給する基質濃度調整水供給手段とを備えることを特徴とする。本発明の前処理装置により、本発明の前処理方法を実施することができる。
【００２２】
また、本発明の前処理装置は、前記加熱手段はヒートポンプであり、前記反応容器外に放出されたアンモニアガス及び水蒸気を冷却して凝縮させると共に水に溶解させてアンモニア水として回収するアンモニア回収手段を備え、該ヒートポンプは、該アンモニアガス及び水蒸気を凝縮させる際の凝縮熱と該水に溶解させる際の溶解熱とを熱源とする熱媒体を、前記加熱用の熱媒体と熱交換させて該加熱用の熱媒体を加熱することが好ましい。
【００２３】
前記アンモニア回収手段で、前記反応容器外に放出されたアンモニアガス及び水蒸気を冷却して凝縮させると共に水に溶解させることによりアンモニア水を得ることができ、該アンモニア水を前記基質との混合に再利用することができる。また、前記加熱手段としての前記ヒートポンプを用いることで、前記アンモニアガス及び水蒸気を凝縮させる際の凝縮熱と前記水に溶解させる際の溶解熱を前記加熱用の熱媒体の加熱に利用するとともに該溶解熱を冷却することができる。
【００２４】
さらに、本発明の前処理装置は、前記熱媒体貯留槽は、前記循環手段によって前記ジャケットから前記加熱手段に循環させる経路の途中に設けられていることが好ましい。前記熱媒体貯留槽内の前記熱媒体を前記循環手段を介して前記加熱手段に還流させて、該熱媒体を次に行う前処理工程に使用することができる。これにより、前処理全体に要する時間を短縮するとともに前処理に投入するエネルギーを低減することができる。
【００２５】
また、本発明の前処理装置において、前記熱媒体排出手段は、圧縮空気を前記ジャケットに供給する圧縮空気供給手段を備えることが好ましい。前記圧縮空気供給手段に前記ジャケットに供給された圧縮空気で前記ジャケットに滞留する前記加熱の熱媒体を強制的に排出することにより該熱媒体の排出速度を高めることができ、処理全体に要する時間をさらに短縮することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本実施形態の前処理方法を実施する装置構成を示すシステム構成図。
【図２】図１に示す２元系ヒートポンプのラインの一例を概略的に示す説明図。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
次に、添付の図面を参照しながら本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。
【００２８】
本実施形態では、前処理として、基質とアンモニア水とを混合した基質混合物を加熱してアンモニア含有糖化前処理物を得た後に、該アンモニア含有糖化前処理物からアンモニアを除去してアンモニア分離糖化前処理物を得る。さらに、アンモニア分離糖化前処理物に糖化酵素を含む溶液を添加して得られる基質・糖化酵素混合物を酵素糖化処理に供する。
【００２９】
本実施形態の前処理方法は、図１に示す前処理装置１を用いて実施することができる。
【００３０】
前処理装置１は、反応容器２と、アンモニア水凝縮器３と、アンモニア水吸収塔４と、アンモニア水タンク５とを備えている。
【００３１】
反応容器２は、上部に、基質供給導管６と、アンモニア水供給導管７と、図示しない糖化酵素溶液供給導管、酸水溶液供給導管及びイオン交換水供給導管とが配設されていると共に、アンモニアガス及び水蒸気を排出しアンモニア水凝縮器３に案内する第１排気導管８が排気弁９とバグフィルタ１０とを介して配設されている。
【００３２】
基質供給導管６は、基質としてのリグノセルロース系バイオマス、例えば稲藁を反応容器２に供給し、アンモニア水供給導管７は、図示しないアンモニア水タンクからアンモニア水を反応容器２に供給する。また、前記糖化酵素溶液供給導管は、糖化酵素を含む溶液（以下、糖化酵素溶液と略記する）を反応容器２に供給し、前記酸水溶液供給導管は、希硫酸等の酸水溶液を反応容器２に供給する。
【００３３】
また、反応容器２は、上部に配設されたモータ１１と、モータ１１から反応容器２内部に垂下される回転軸１２と、回転軸１２から水平方向に延出された撹拌翼１２ａとを備える。
【００３４】
また、反応容器２の内部には、圧力を検知する圧力センサ１３が設けられている。
【００３５】
また、反応容器２の外側には、熱媒体が流通されるジャケット１４が配設され、ジャケット１４には温水導管１５が接続されている。
【００３６】
温水導管１５は、ジャケット１４の上部から導出された加熱用熱媒体としての温水を温水タンク１６、温水ポンプ１７、空冷ファン１８、２元系ヒートポンプ１９、逆止弁２０、開閉弁２１を介して、ジャケット１４の底部に循環させるようになっている。
【００３７】
温水導管１５は、逆止弁２０と開閉弁２１との間から分岐する温水バイパス導管２２を備えている。温水バイパス導管２２は、開閉弁２３を介して温水タンク１６に接続されている。また、温水バイパス導管２２の開閉弁２３の下流には流量計２４が設けられている。
【００３８】
また、温水導管１５は、反応容器２と温水タンク１６との間で反応容器２の上部に近い位置に開閉弁２５を備え、開閉弁２５の上流側に給気導管２６が接続されている。給気導管２６は、他端部が圧縮空気を供給する高圧ガスタンク２７に接続され、高圧ガスタンク２７の下流側にレギュレータ２８と給気弁２９とを備える。そして、給気導管２６と高圧ガスタンク２７とレギュレータ２８と給気弁２９とが圧縮空気供給手段を構成している。
【００３９】
また、温水タンク１６は、ジャケット１４の内容積よりも大きい内容積を備えている。また、温水タンク１６には第１補給水導管１６ａが設けられており、第１補給水導管１６ａは第１給水弁１６ｂを介して第１補給水タンク１６ｃに接続されている。
【００４０】
アンモニア水凝縮器３は、第１排気導管８から導入されたアンモニアガス及び水蒸気の少なくとも一部を冷却することにより該アンモニアガス及び水蒸気を凝縮させてアンモニア水とするものであり、凝縮したアンモニア水を排出する第１排液導管３０を備えている。第１排液導管３０は、凝縮したアンモニア水をさらに冷却する凝縮水タンク３１、第１排液ポンプ３２を介してアンモニア水タンク５に接続されている。
【００４１】
また、アンモニア水凝縮器３は、凝縮しなかったアンモニアガス及び水蒸気を排出し、アンモニア水タンク５に案内する第２排気導管３３を備えており、第２排気導管３３は開閉弁３４を介してアンモニア水タンク５に接続されている。第２排気導管３３は開閉弁３４の上流で第３排気導管３５を分岐しており、第３排気導管３５は途中に真空ポンプ３６を備え、開閉弁３４の下流で第２排気導管３３に合流している。
【００４２】
アンモニア水吸収塔４は、底部でアンモニア水タンク５の天面に連通しており、第２排気導管３３によりアンモニア水タンク５に案内されたアンモニアガス及び水蒸気をアンモニア水に吸収（溶解）させる。このため、アンモニア水吸収塔４は、アンモニア水循環導管３８を介してアンモニア水タンク５から供給されるアンモニア水をシャワリングするシャワリング装置３９を上部に備えている。
【００４３】
アンモニア水循環導管３８は、アンモニア水タンク５から循環ポンプ４０、アンモニア水熱交換器４１、アンモニア水濃度センサ４２を介してシャワリング装置３９に接続されている。アンモニア水熱交換器４１は、アンモニア水循環導管３８に循環されるアンモニア水を冷却する機能を備えている。また、アンモニア水吸収塔４には、第２補給水導管４３が設けられており、第２補給水導管４３は第２給水弁４４を介して第２補給水タンク４５に接続されている。
【００４４】
アンモニア水タンク５は、アンモニア水を排出する第２排液導管４６を備えており、第２排液導管４６は、第２排液ポンプ４７を介して図示しないアンモニア水タンクに接続されている。尚、前記アンモニア水タンクには、反応容器２にアンモニア水を供給するアンモニア水供給導管７が接続されている。
【００４５】
また、アンモニア水凝縮器３には、第１排気導管８から導入されたアンモニアガス及び水蒸気を冷却する低温水導管４８が接続されている。低温水導管４８はアンモニア水凝縮器３から導出された冷却用熱媒体としての低温水を低温水１次タンク４９、低温水１次ポンプ５０、２元系ヒートポンプ１９、第１切替弁５１、アンモニア水熱交換器４１、凝縮水タンク３１を介して、アンモニア水凝縮器３に循環させるようになっている。
【００４６】
第１切替弁５１には低温水バイパス導管５２が接続されており、低温水バイパス導管５２は第２切替弁５３を介して他端部が低温水１次タンク４９に接続される。また、第２切替弁５３には冷水導管５５が接続されており、冷水導管５５は他端部が低温水２次タンク５６に接続されている。第１切替弁５１、第２切替弁５３は、低温水の流路を切り替えることができる。
【００４７】
低温水２次タンク５６には冷水供給導管５７が設けられており、冷水供給導管５７は低温水２次ポンプ５８を介して、第１切替弁５１の下流側で低温水導管４８に接続されている。尚、低温水１次タンク４９には第３補給水導管５９が設けられており、第３補給水導管５９は第３給水弁６０を介して第３補給水タンク６１に接続されている。
【００４８】
次に、本実施形態の前処理装置１の作動について説明する。
【００４９】
前処理装置１では、まず、前回の処理で得られた糖化処理物が反応容器２底部の排出口（図示せず）から排出され、次工程に移送される。
【００５０】
次に、基質供給導管６から新たな基質としてのリグノセルロース系バイオマス、例えば稲藁が反応容器２に供給を開始した後、２元系ヒートポンプ１９の運転を開始する。また、温水導管１５からジャケット１４へ加熱用熱媒体としての温水が供給されて、ジャケット１４と２元系ヒートポンプ１９との間で循環が開始され、熱媒体としての温水自体及びジャケット１４を昇温する。この時、前回にアンモニア分離前処理物を得る工程時に回収されて温水タンク１６内に貯蔵された温水を使用するため、水をジャケット１４へ供給する場合と比較して加熱時間を短くすることができる。
【００５１】
次に、アンモニア水供給導管７からアンモニア水が反応容器２に供給された後、モータ１１により回転軸１２が回転駆動され、撹拌翼１２ａで前記稲藁とアンモニア水とが攪拌されて混合されることにより、基質混合物が調製される。
【００５２】
本実施形態では、前記作動が基質混合物を得る工程に相当する。
【００５３】
前記基質混合物は、温水導管１５からジャケット１４に供給される温水により、反応容器２内で所定の温度、例えば８０〜８５℃の範囲の温度に昇温される。前記基質混合物が前記所定の温度に達するまでの間、撹拌翼１２ａによる撹拌が継続される。
【００５４】
次に、前記基質混合物が前記所定の温度に昇温された後、前記撹拌及び温水ポンプ１７及び２元系ヒートポンプ１９が停止され、加熱が終了し、該基質混合物は該所定の温度に所定の時間、例えば１〜６時間保持される。この結果、前記基質からリグニンが解離され、又は該基質が膨潤されて、該基質としての稲藁が酵素糖化反応可能な状態とされたアンモニア含有糖化前処理物を得ることができる。本実施形態では、前記作動がアンモニア含有糖化前処理物を得る工程に相当する。
【００５５】
次に、前処理装置１では、アンモニア分離糖化前処理物を得る工程を開始するために、２元系ヒートポンプ１９の運転を再開し、さらに熱媒体のジャケットとの循環を開始させる。排気弁９を開弁することにより、前記アンモニア含有糖化前処理物に含まれるアンモニア水をアンモニアガス及び水蒸気として放散させ、バグフィルタ１０を介して第１排気導管８からアンモニア水凝縮器３に案内する。このとき、反応容器２内の圧力は前記加熱により大気圧より高くなっており、排気弁９を開弁することにより、前記アンモニア含有糖化前処理物からアンモニアガス及び水蒸気を容易に放散させることができる。
【００５６】
前記アンモニアガス及び水蒸気は、冷却用熱媒体として低温水導管４８からアンモニア水凝縮器３に供給される低温水により冷却され、その一部が凝縮し液化してアンモニア水となり、第１排液導管３０を介して凝縮水タンク３１に排出される。前記アンモニア水は、凝縮水タンク３１において低温水導管４８から供給される低温水によりさらに冷却された後、第１排液ポンプ３２を介してアンモニア水タンク５に送られる。
【００５７】
また、前記アンモニアガス及び水蒸気の残部は、開閉弁３４を開弁することにより第２排気導管３３を介してアンモニア水タンク５に導入される。前記アンモニアガス及び水蒸気の圧力は、放散されるに従って低下し、大気圧に等しくなるとそれ以上の放散が難しくなる。
【００５８】
そこで、前記アンモニアガス及び水蒸気の圧力が大気圧に等しくなったならば、開閉弁３４を閉弁して真空ポンプ３６を作動させることにより、反応容器２内のアンモニアガス及び水蒸気を吸引し、第２排気導管３３及び第３排気導管３５を介してアンモニア水タンク５に導入する。
【００５９】
アンモニア水タンク５に導入された前記アンモニアガス及び水蒸気は、次いでアンモニア水タンク５に連通するアンモニア水吸収塔４に導入される。アンモニア水吸収塔４では、循環ポンプ４０によりアンモニア水循環導管３８を介して循環されるアンモニア水をシャワリング装置３９によりシャワリングすることにより、前記アンモニアガス及び水蒸気を該アンモニア水に吸収（溶解）及び凝縮させる。
【００６０】
本実施形態では、前記アンモニアガス及び水蒸気のアンモニア水凝縮器３における凝縮と、アンモニア水吸収塔４における吸収とが、放散されたアンモニアガス及び水蒸気をアンモニア水として回収する工程に相当する。
【００６１】
このとき、アンモニア水循環導管３８の途中に設けられたアンモニア水熱交換器４１により、前記アンモニアガス及び水蒸気を前記アンモニア水に吸収（溶解）及び凝縮させる際に生成する溶解熱及び潜熱が低温水導管４８を流通する低温水により回収されると共に、該アンモニア水が冷却される。
【００６２】
アンモニア水タンク５に貯留されるアンモニア水は、アンモニア水凝縮器３及び凝縮水タンク３１における凝縮及び冷却と、アンモニア水吸収塔４におけるアンモニア水への溶解との結果、例えば１５〜２０℃の範囲の温度に冷却されている。前記範囲の温度に冷却されたアンモニア水は、第２排液導管４６を介して第２排液ポンプ４７により外部へ取り出され、反応容器２における前記基質混合物の調製に再利用される。
【００６３】
反応容器２では、前記アンモニア含有糖化前処理物から前述のようにしてアンモニア水が放散された結果、アンモニアが分離されたアンモニア分離糖化前処理物を得ることができる。
【００６４】
次に、反応容器２に、前記酸水溶液供給導管を介して前記酸水溶液を供給し撹拌するとともに、前記糖化酵素溶液供給導管を介して前記糖化酵素溶液を供給し撹拌する。これにより、前記アンモニア分離糖化前処理物と前記糖化酵素溶液とが混合された基質・糖化酵素混合物を得ることができる。
【００６５】
次に、反応容器２内で酵素糖化処理を行うことにより、前記基質・糖化酵素混合物は少なくとも一部が糖化された後、得られた糖化処理物が前述のように反応容器２底部の排出口（図示せず）から排出され、次工程に移送される。そして、反応容器２では次回の処理が準備される。
【００６６】
次に、反応容器２におけるアンモニア含有糖化前処理物を得るときの前記基質混合物の加熱について、さらに詳細に説明する。
【００６７】
まず、反応容器２での基質の加熱について説明する。基質供給導管６により反応容器２へ前記基質が供給を開始した後、温水が温水導管１５を介して反応容器２のジャケット１４に供給される。この結果、熱媒体（温水）自体及びジャケット１４の加熱が開始される。その後、アンモニア水供給導管７によりアンモニア水が供給され、前記基質と該アンモニア水とが撹拌翼１２ａで撹拌されて混合されることにより基質混合物が調製される。
【００６８】
本実施形態の前処理方法では、基質混合物を調製する前から前記熱媒体及びジャケット１４の加熱を開始すること、そして温水タンク１６内にこの前に行った前処理時にアンモニア分離前処理物を得る工程時に回収された温水を使用できるため、該基質混合物が前記所定の温度に昇温するまでに要する時間を短縮することができる。また、前記基質混合物が前記所定の温度に昇温するまでの間に撹拌翼１２ａにより撹拌が行われているが、撹拌時間を短縮することができ、撹拌に要するエネルギーを低減することができる。
【００６９】
次に、低温水１次タンク４９に貯留されている低温水の循環ルートを示す。アンモニア含有糖化前処理物を得るときは、第１切替弁５１を作動させ、低温水導管４８と低温水バイパス導管５２とを接続するように切り替える。
【００７０】
このようにすると、低温水１次タンク４９に貯留されている低温水が、低温水１次ポンプ５０を経由し、低温水導管４８及び低温水バイパス導管５２により、低温水１次ポンプ５０、２元系ヒートポンプ１９、第１切替弁５１、第２切替弁５３を経て、低温水１次タンク４９に戻る経路で循環されるようになる。
【００７１】
このとき、低温水導管４８に循環される前記低温水は、前述のように、２元系ヒートポンプ１９の第１熱交換器７４で前記二酸化炭素と熱交換することにより、アンモニア水凝縮器３でアンモニアガスを凝縮させることができる温度、例えば１０〜１５℃の範囲の温度を目標に冷却される。ただし、始動時はその温度よりも高くなっているので低温水１次タンク４９に戻る経路で循環されている。
【００７２】
次に、温度センサ５４により検出される前記低温水の温度が、目標の１０〜１５℃の範囲の温度に冷却されたならば、第２切替弁５３が低温水バイパス導管５２と冷水導管５５とを接続するように切り替えられる。この結果、１０〜１５℃の範囲の温度以下の低温水（以下、冷水という）が低温水２次タンク５６に貯留され、アンモニア分離糖化前処理物を得る工程で使われることとなる。
【００７３】
次に、２元系ヒートポンプ１９について、詳細に説明する。２元系ヒートポンプ１９は２種類の熱媒体を用いるヒートポンプであり、図２に示すように、第１の循環導管７１と、第２の循環導管７２との２種類の熱媒体の循環系を備えている。前記２種類の熱媒体として、例えば、第１の循環導管７１には二酸化炭素が循環され、第２の循環導管７２にはトリフルオロエタノールが循環される。
【００７４】
第１の循環導管７１は、途中に膨張弁７３、低温水導管４８に循環される低温水と熱交換する第１熱交換器７４、圧縮機７５、第２の循環導管７２に循環されるトリフルオロエタノールと熱交換する第２熱交換器７６を備えている。また、第２の循環導管７２は、途中に膨張弁７７、第１の循環導管７１に循環される二酸化炭素と熱交換する第２熱交換器７６、圧縮機７８、温水導管１５に循環される温水と熱交換する第３熱交換器７９を備えている。
【００７５】
前記低温水は、２元系ヒートポンプ１９の第１熱交換器７４において二酸化炭素と熱交換することによりアンモニア水凝縮器３でアンモニアガス及び水蒸気を凝縮させることができる温度、例えば１０〜１５℃に冷却される。また前記二酸化炭素は、２元系ヒートポンプ１９の第１熱交換器７４において前記低温水と熱交換することにより加熱される。
【００７６】
また、２元系ヒートポンプ１９では、第２の循環導管７２に循環されるトリフルオロエタノールが、第２熱交換器７６で第１の循環導管７１により供給される前記二酸化炭素と熱交換することにより加熱される。前記トリフルオロエタノールは、第３熱交換器７９で温水導管１５により供給される温水と熱交換して冷却される。この結果、温水導管１５により第３熱交換器７９に供給される前記温水は、反応容器２において前記基質混合物を加熱することができる温度に加熱される。
【００７７】
次に、アンモニア水凝縮器３によるアンモニアガス及び水蒸気の冷却及び凝縮について、さらに詳細に説明する。
【００７８】
前処理装置１では、まず、アンモニア分離前処理物を得る初期段階を除く通常時は、第１切替弁５１により低温水導管４８の上流と下流とが接続されており、低温水１次ポンプ５０が作動されている。
【００７９】
この結果、低温水１次タンク４９に貯留されている低温水が、低温水導管４８により取り出され、低温水１次ポンプ５０、２元系ヒートポンプ１９、第１切替弁５１、アンモニア水熱交換器４１、凝縮水タンク３１、アンモニア水凝縮器３を経て、低温水１次タンク４９に戻る経路で循環される。
【００８０】
このとき、前記低温水は、２元系ヒートポンプ１９を介して、前記加熱用熱媒体としての温水と熱交換することにより冷却される。そして、前記低温水は、アンモニア水熱交換器４１及び凝縮水タンク３１でアンモニア水と熱交換して該アンモニア水を冷却し、アンモニア水凝縮器３でアンモニアガス及び水蒸気と熱交換することにより該アンモニアガス及び水蒸気を冷却する。一方、前記低温水自体は、前記アンモニア水及び前記アンモニアガス及び水蒸気により加熱される。
【００８１】
次に、アンモニア分離前処理物を得る工程の初期段階について説明する。排気弁９を開弁して反応容器２内のアンモニア含有糖化前処理物から放散されるアンモニアガス及び水蒸気がアンモニア水凝縮器３に導入される段階に至ったならば、第２切替弁５３により低温水バイパス導管５２と冷水導管５５とが接続された状態で、低温水２次ポンプ５８が作動される。このようにすると、低温水２次タンク５６に貯留されている前記冷水が冷水供給導管５７及び低温水導管４８を介し、アンモニア水熱交換器４１、凝縮水タンク３１を経由して、アンモニア水凝縮器３に供給される。
【００８２】
本実施形態の前処理方法は回分（バッチ）式であるので、アンモニア水凝縮器３において、アンモニアガス及び水蒸気を凝縮させる際に、前記放散の初期段階では、アンモニア含有糖化前処理物から高濃度且つ大量のアンモニアガス及び少量の水蒸気が放散され、高濃度のアンモニアガス及び少量の水蒸気がアンモニア水凝縮器３に導入される。このため、前記初期段階では、前記高濃度のアンモニアガス及び少量の水蒸気を冷却するために大きな冷却熱エネルギーが必要となる。そこで、前述のように、低温水２次タンク５６に貯留されている前記冷水をアンモニア水凝縮器３に供給することにより、前記高濃度かつ大量のアンモニアガス及び少量の水蒸気を効率よく冷却し、十分に凝縮させることができる。
【００８３】
その後、低温水２次タンク５６に貯留される前記冷水の水位が下限に達したことが水位センサ（図示せず）により検出されたならば、前述のように、第１切替弁５１が低温水導管４８の上流と下流とを接続するように切り替えられる。
【００８４】
そして、アンモニア水凝縮器３から導出された低温水が低温水導管４８により、低温水１次タンク４９、低温水１次ポンプ５０、２元系ヒートポンプ１９、第１切替弁５１、アンモニア水熱交換器４１、凝縮水タンク３１を介して、アンモニア水凝縮器３に循環される通常の冷却状態に移行する。このときには、放散されるアンモニアガスの濃度も量も既に低減しているので、前記通常の冷却状態の低温水により十分に前記アンモニアガス及び水蒸気を冷却し、凝縮させることができる。
【００８５】
さらに、本実施形態の前処理方法では、アンモニア分離糖化前処理物を得る工程の後、次のようにして、該アンモニア分離糖化前処理物を含めたジャケット１４まわりの熱容量を低減させる。
【００８６】
まず、開閉弁２５を閉弁すると共に開閉弁２１、開閉弁２３を開弁した後に、給気弁２９を開弁する。これにより、高圧ガスタンク２７から給気導管２６を介してジャケット１４へ圧縮空気が導入され、該圧縮空気によりジャケット１４内に滞留する前記温水がジャケット１４の底部から温水導管１５に排出される。
【００８７】
温水導管１５に排出された前記温水は、開閉弁２３を経て温水バイパス導管２２に収容され、その後、流量計２４を経て温水タンク１６に貯留される。流量計２４で検知される流量の合計量を基にジャケット１４からの前記温水の排出完了を確認した後に、開閉弁２１が閉弁される。
【００８８】
この結果、前記温水が排出されたジャケット１４は、前記温水が滞留している従来の前処理方法と比較して、その熱容量が低下される。これにより、反応容器２に収容されている前記アンモニア分離糖化前処理物の温度をより少量の基質濃度調整水で低下させることができる。
【００８９】
次に、反応容器２に、前記酸水溶液及び前記糖化酵素溶液を供給すると共に、前記イオン交換水供給導管を介して冷却水としての基質濃度調整水を供給する。これにより、前記アンモニア分離糖化前処理物の温度を低下させ調整することができる。このとき、前記アンモニア分離糖化前処理物は、ジャケット１４からの前記温水の排出に伴ってその熱容量が低下しているので、前記従来の前処理方法のジャケット１４に前記温水が滞留しているときに反応容器２に前記基質濃度調整水を供給する場合と比較して、その供給量を減らすことができ、調整の自由度が向上する。
【００９０】
したがって、本実施形態の前処理方法によれば、前記アンモニア分離糖化前処理物の温度を前記酵素糖化反応に用いる糖化酵素の至適温度まで短時間で低下することができ、該アンモニア分離糖化前処理物を短時間で前記酵素糖化反応に供することができる。また、前記従来の前処理方法と比較して、前記基質濃度調整水の供給量を減らすことができるので、前記アンモニア分離糖化前処理物が過剰に希釈されて処理効率が低下することを防ぐことができる。
【００９１】
また、本実施形態の前処理方法では、温水タンク１６が設けられていることにより、温水タンク１６に貯蔵され加熱されている熱媒体を次のアンモニア含有糖化前処理物を得る工程で使用することにより、前処理全体に要する時間の短縮と投入エネルギーの低減とを達成することができる。
【符号の説明】
【００９２】
１…前処理装置、  ２…反応容器、  ３，４…アンモニア回収手段、１４…ジャケット、  １５…循環手段、  １６…熱媒体貯留槽、  １９…加熱手段、ヒートポンプ。
【図１】
2015150528.tif 000003
【図２】
2015150528.tif 000004