(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エタノール原料を製造し、当該エタノール原料を用いてエタノールを製造する方法であって、
リグノセルロースを含有する原料を、１ｍｍ以上の篩を通過する大きさとなるように粉砕する粗粉砕工程、
粗粉砕工程において生成された粗粉砕物を水熱処理する水熱処理工程、
水熱処理工程において生成された水熱処理物を、長径５０００μｍ以下、且つ短径１μｍ以下となるように粉砕する微粉砕工程、および
微粉砕工程において生成された微粉砕物を脱水する脱水工程、
を包含し、
前記水熱処理工程が飽和蒸気圧０．９８ＭＰａ以下で行われ、
前記脱水工程において、微粉砕物の固形物濃度を２０質量％以上にする方法によってエタノール原料を製造し、
前記エタノール原料を糖化酵素によって糖化する酵素糖化工程、
酵素糖化工程において生成された糖化物をエタノール発酵させるエタノール発酵工程、
エタノール発酵工程において生成された発酵物をエタノール濃度が９０％（ｖ/ｖ）以上となるように蒸留する粗蒸留工程、および
粗蒸留工程において生成された粗蒸留物を精製する精製工程を包含する方法によってエタノールを製造することを特徴とする、製造方法。
【請求項２】
リグノセルロース系バイオマスからエタノール原料を製造し、当該エタノール原料を用いてエタノールを製造する方法であって、
リグノセルロースを含有する原料を、１ｍｍ以上の篩を通過する大きさとなるように粉砕する粗粉砕工程、
粗粉砕工程において生成された粗粉砕物を、長径５０００μｍ以下、且つ短径１μｍ以下となるように粉砕する微粉砕工程、
微粉砕工程において生成された微粉砕物を水熱処理する水熱処理工程、および
水熱処理工程において生成された水熱処理物を脱水する脱水工程、
を包含し、
前記水熱処理工程が飽和蒸気圧０．９８ＭＰａ以下で行われ、
前記脱水工程において、微粉砕物の固形物濃度を２０質量％以上にする方法によってエタノール原料を製造し、
前記エタノール原料を糖化酵素によって糖化する酵素糖化工程、
酵素糖化工程において生成された糖化物をエタノール発酵させるエタノール発酵工程、
エタノール発酵工程において生成された発酵物をエタノール濃度が９０％（ｖ/ｖ）以上となるように蒸留する粗蒸留工程、および
粗蒸留工程において生成された粗蒸留物を精製する精製工程を包含する方法によってエタノールを製造することを特徴とする、製造方法。
【請求項３】
リグノセルロース系バイオマスからエタノール原料を製造し、当該エタノール原料を用いてエタノールを製造する方法であって、
リグノセルロースを含有する原料を、１ｍｍ以上の篩を通過する大きさとなるように粉砕する粗粉砕工程、
粗粉砕工程において生成された粗粉砕物を、長径５０００μｍ以下、且つ短径１μｍ以下となるように粉砕する第一微粉砕工程、
第一微粉砕工程において生成された微粉砕物を水熱処理する水熱処理工程、
水熱処理工程において生成された水熱処理物をさらに、長径５０００μｍ以下、且つ短径１μｍ以下となるように粉砕する第二微粉砕工程、および
第二微粉砕工程において生成された微粉砕物を脱水する脱水工程、
を包含し、
前記水熱処理工程が飽和蒸気圧０．９８ＭＰａ以下で行われ、
前記脱水工程において、微粉砕物の固形物濃度を２０質量％以上にする方法によってエタノール原料を製造し、
前記エタノール原料を糖化酵素によって糖化する酵素糖化工程、
酵素糖化工程において生成された糖化物をエタノール発酵させるエタノール発酵工程、
エタノール発酵工程において生成された発酵物をエタノール濃度が９０％（ｖ/ｖ）以上となるように蒸留する粗蒸留工程、および
粗蒸留工程において生成された粗蒸留物を精製する精製工程を包含する方法によってエタノールを製造することを特徴とする、製造方法。
【請求項４】
前記酵素糖化工程および前記エタノール発酵工程を単一の培養槽内で行う、請求項１〜３のいずれか１項に記載の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、木質系バイオマス（木材、樹皮などの林産残渣または廃材）および草木系バイオマス（稲藁などの農産残渣）の有効利用に関するものであり、より詳細には、木質系バイオマスおよび草木系バイオマスからエタノールを製造するための原料（「エタノール原料」という）を効率的に製造する方法、および当該原料を用いた効率的なエタノール製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
木材や草などのリグノセルロース（林業残渣、廃材、農業残渣、水産業残渣など）からエタノールを製造するには、まずリグノセルロース中のセルロースおよびヘミセルロースを加水分解して遊離糖またはオリゴ糖に変換し、その後その遊離糖またはオリゴ糖を発酵させてエタノールに変換し、さらに得られた発酵液からエタノールを回収し、所定の品質まで精製する。
【０００３】
最初の加水分解工程では、硫酸などの酸による加水分解が一般的に用いられるが、このような手法では、酸の回収、処理物の中和、中和物（例えば、硫酸を使用した場合は石膏が生成）の処理、耐腐食性の反応容器が必要となるだけでなく、加水分解反応が逐次的に進行することによる過分解に起因して糖化収率に限界がある。酸による加水分解以外には、セルラーゼなどの酵素を用いた糖化が用いられている。この手法は、選択性が高く（すなわち、過分解がない）、常温常圧で反応が進行するなどの理由から、環境に優しい方法として期待されている。しかしながら、リグノセルロースにそのまま糖化酵素を作用させても糖化はほとんど進行しない。よって、この手法を採用する場合は、酵素糖化のための前処理が必要である。
【０００４】
酵素糖化の前処理として、様々な方法が提案されているが、酸などの化学薬品を使わない方法としては、微粉化のような機械的処理（例えば、特許文献１および２参照）と高温高圧の水（加圧熱水または亜臨界水）を利用する方法（例えば、特許文献３および４参照）がある。水熱処理と機械的処理を組み合わせて効率を高める方法（例えば、特許文献５および６参照）もある。
【０００５】
酵素糖化工程においては酵素価格が高く、経済性の課題がある。エタノール発酵工程においては、リグノセルロース中の五炭糖の発酵の課題があり、遺伝子組み換えのような検討が進められている（例えば、特許文献７および８参照）。
【特許文献１】特開２００７−１８５１１７号公報（平成１９年７月２６日公開）
【特許文献２】特開２００６−８８１３６号公報（平成１８年４月６日公開）
【特許文献３】特開２００６−２５５６７６号公報（平成１８年９月２８日公開）
【特許文献４】特開２００５−１６８３３５号公報（平成１７年６月３０日公開）
【特許文献５】特開２００６−１３６２６３号公報（平成１８年６月１日公開）
【特許文献６】特開２００６−２６３５７０号公報（平成１８年１０月５日公開）
【特許文献７】特開２００６−２４６７８９号公報（平成１８年９月２１日公開）
【特許文献８】特表２００４−５１３６３２号公表（平成１６年５月１３日公表）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１〜４に記載の技術では、機械的処理に必要な動力が大きく、特に、高温高圧水処理では過分解の問題、発酵阻害物質の生成の問題、原料濃度を高めることができないなどの課題がある。また、特許文献５〜６に記載の技術においても、原料濃度に関する課題が残されている。さらに、特許文献７〜８に記載の五炭糖発酵では、発酵時間が長い、基質濃度が高くできないなどの課題が残されている。
【０００７】
エタノールの回収、精製工程においては、膜分離などの方法も提案されているものの、発酵液には酵母などの固形物が入っており、粗蒸留が必須である。蒸留工程では原液の加熱が必要であり、多くのエネルギーを費やすことになる。
【０００８】
糖化前処理、酵素糖化、エタノール発酵、粗蒸留、無水化（精製）の一連の工程を全体プロセスとして捉えた場合、エタノール発酵工程において、基質濃度が低いときに単位製品エタノールに対する発酵タンクが大きくなるだけでなく、発酵液中のエタノール濃度が低くなり、粗蒸留工程での蒸留塔の巨大化や必要熱エネルギーの増大を招くことになる。一方、基質濃度を高めようとすると、酵素糖化工程での固体／液体比が高くなり、酵素糖化ができなくなるという矛盾を抱えている。
【０００９】
酵素糖化工程の経済性を解決するためには、酵素調達費用の低減および酵素使用量の低減が必要である。酵素調達費用の低減にはオンサイトで酵素を製造する方法があるものの、これは外部からの購入費用との価格差で決定される。一方、酵素使用量の低減には、水熱処理よりも微紛化処理の方が適しているが、先に述べたように微紛化処理は必要な動力が多く、エネルギーコスト（すなわち経済性）を悪くしてしまう。水熱処理は酵素使用量を低減し得ないだけでなく、上述したように過分解が生じて発酵阻害物質が生成する。連続処理の場合に原料濃度を高くし得ないという課題がある。
【００１０】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、エタノール製造において、プロセス工学に基づき、酸および／または化学薬品を用いない前処理、酵素糖化、エタノール発酵、エタノール回収／精製の、エネルギーコストを抑えた実用的かつ経済的なプロセスを実現可能に提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討した結果、エタノール原料の製造方法を改善することによって、当該課題を解決し得ることを見出し、本発明を完成させるに至った。
【００１２】
すなわち本発明に係る製造方法は、上記課題を解決するために、リグノセルロース系バイオマスからエタノール原料を製造する方法であって、リグノセルロースを含有する原料を粗粉砕する粗粉砕工程、粗粉砕工程において生成された粗粉砕物を微粉砕する微粉砕工程、および微粉砕工程において生成された微粉砕物を脱水する脱水工程、を包含している。
【００１３】
また本発明に係る製造方法は、リグノセルロース系バイオマスからエタノール原料を製造する方法であって、リグノセルロースを含有する原料を粗粉砕する粗粉砕工程、粗粉砕工程において生成された粗粉砕物を水熱処理する水熱処理工程、水熱処理工程において生成された水熱処理物を微粉砕する微粉砕工程、および微粉砕工程において生成された微粉砕物を脱水する脱水工程、を包含する製造方法であってもよい。
【００１４】
また本発明に係る製造方法は、リグノセルロース系バイオマスからエタノール原料を製造する方法であって、リグノセルロースを含有する原料を粗粉砕する粗粉砕工程、粗粉砕工程において生成された粗粉砕物を微粉砕する微粉砕工程、微粉砕工程において生成された微粉砕物を水熱処理する水熱処理工程、および水熱処理工程において生成された水熱処理物を脱水する脱水工程、を包含する製造方法であってもよい。
【００１５】
また本発明に係る製造方法は、リグノセルロース系バイオマスからエタノール原料を製造する方法であって、リグノセルロースを含有する原料を粗粉砕する粗粉砕工程、粗粉砕工程において生成された粗粉砕物を微粉砕する第一微粉砕工程、第一微粉砕工程において生成された微粉砕物を水熱処理する水熱処理工程、水熱処理工程において生成された水熱処理物をさらに微粉砕する第二微粉砕工程、第二微粉砕工程において生成された微粉砕物を脱水する脱水工程、およびを包含する、製造方法であってもよい。
【００１６】
また本発明に係る製造方法は、前記脱水工程において、微粉砕物の固形物濃度を１４質量％以上にする製造方法であってもよい。
【００１７】
また本発明に係る製造方法は、前記粗粉砕物が１ｍｍ以上の篩を通過する大きさであってもよい。
【００１８】
また本発明に係る製造方法は、前記水熱処理工程が飽和蒸気圧０．９８ＭＰａ以下で行われる製造方法であってもよい。
【００１９】
また本発明に係る製造方法は、前記微粉砕物が、長径５０００μｍ以下、且つ短径１μｍ以下である製造方法であってもよい。
【００２０】
また本発明に係るエタノールの製造方法は、上記リグノセルロース系バイオマスからエタノール原料を製造する方法によって得られたエタノール原料を用いることを特徴としている。
【００２１】
また本発明に係るエタノールの製造方法は、前記エタノール原料を糖化酵素によって糖化する酵素糖化工程、酵素糖化工程において生成された糖化物をエタノール発酵させるエタノール発酵工程、エタノール発酵工程において生成された発酵物を粗蒸留する粗蒸留工程、および粗蒸留工程において生成された粗蒸留物を精製する精製工程を包含する製造方法であってもよい。
【００２２】
また本発明に係るエタノールの製造方法は、前記酵素糖化工程および前記エタノール発酵工程を単一の培養槽内で行う製造方法であってもよい。
【００２３】
また上記糖化酵素は、上記前処理物、上記微粉砕物または上記水熱処理物を原料に用いて糸状菌により生産されるものであってもよい。すなわち、本発明に係るエタノール製造方法は、酵素糖化工程において用いる糖化酵素を、前記前処理物、前記微粉砕物または前記水熱処理物を原料に用いて糸状菌により生産する工程をさらに包含してもよい。また、上記エタノール発酵工程において用いられる微生物は、上記糖化物を原料に用いて培養されるものであってもよい。すなわち、本発明に係るエタノール製造方法は、エタノール発酵工程において用いる微生物を、前記糖化物を原料に用いて培養して得る工程をさらに包含してもよい。このような微生物としては、エタノール発酵能を有する微生物であれば特に限定されないが、酵母（特に五炭糖発酵能を付加した遺伝子組換え酵母）が好適に利用され得る。
【００２４】
本発明に係るエタノール製造方法において、上記粗蒸留工程において、単蒸留および連続蒸留の組合せによって、エタノール濃度を８０質量％以上にすることが好ましい。
【００２５】
本発明に係るエタノール製造方法において、上記精製工程において、膜分離または吸着材によって無水エタノールを得ることが好ましい。
【発明の効果】
【００２６】
本発明を用いれば、エネルギーコストを抑えて経済的かつ実用可能なエタノール製造プロセスの構築が可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
本発明の一実施形態に係るエタノール製造方法を、図１に示すフローチャートに従って説明する。なお、以下において、本発明に係るエタノール原料の製造方法が含まれるエタノール製造方法として本発明の一実施形態を説明するが、本発明には本発明に係るエタノールの製造方法のみが含まれるのではなく、エタノール原料の製造方法も含まれる。
【００２８】
ここで「リグノセルロース系バイオマス」とは、主としてセルロース、ヘミセルロース、およびリグニンから構成されるバイオマス（生物由来の有機資源）のことを意味する。リグノセルロース系バイオマスには、木質系バイオマス、木質系廃棄物、草本系バイオマス、草本系廃棄物などが含まれる。ここでリグノセルロース系バイオマスとしては例えば、木材、イナワラ、ムギワラ、バガス、竹、パルプ、コーンストーバー、もみがら、パーム椰子残渣、キャッサバ残渣、麻等が挙げられ、その他植物繊維質を有するバイオマスを指す。
【００２９】
第１の実施形態に係るエタノール製造方法は、以下のステップ１〜７から構成されるプロセスである。なお、図においてはステップを「Ｓ」と略記する。具体的には、原料であるリグノセルロース系バイオマスを粗粉砕し（ステップ１）、得られた粗粉砕物を微粉砕し（ステップ２）、得られた微粉砕物を脱水することによって酵素糖化の前処理物が得られ（ステップ３）、この前処理物を酵素糖化し（ステップ４）、引き続いてエタノール発酵させ（ステップ５）、得られた発酵物を蒸留（粗蒸留）し（ステップ６）、蒸留物を精製することによってエタノールを精製する（ステップ７）。
【００３０】
粗粉砕工程（ステップ１）では原料が粉砕されればよく、具体的な手法は限定されず、公知の手段、およびその最適条件を適宜検討の上採用すればよい。本実施形態では、粉砕動力を抑えるために１ｍｍ以上の篩を通過する大きさのものを粗粉砕物とすることが好ましい。本発明者らが粗細粉砕物の大きさ（「粗粉砕物篩通過径」）とエタノール製造プロセスに必要なエネルギーとの関係をシミュレーションした結果を、図３に示す。このシミュレーションでは、エタノール製造プロセスに必要なエネルギーが、製造されるエタノールが有するエネルギー（２３ＭＪ/Ｌ）未満となれば実用的なプロセスとなると判断できる。図３によれば、２３ＭＪ/Ｌ未満となる粗細粉砕物の大きさは１ｍｍ以上であるということがわかった。
【００３１】
微粉砕工程（ステップ２）は、粗粉砕物をさらに細かく粉砕する工程であり、その具体的な手法は特に限定されず、公知の手段、およびその最適条件を適宜検討の上採用すればよい。例えば、公知の湿式ディスクミル（湿式磨砕型粉砕機）が好ましく利用され得る。湿式ディスクミル（湿式磨砕型粉砕機）を用いることによって粉砕動力を抑えることができる。表１に種々の方式の粉砕機の処理能力（表１中「規模」）および運転に必要なエネルギー（表１中「必要エネルギー」）を示す。
【００３２】
【表１】
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【００３３】
表１によれば湿式磨砕型粉砕機が処理能力および運転に必要なエネルギーの点において特に優れていることが分かる。なお、必要に応じて湿式ディスクミルと繊維カッターとを組み合わせて本工程を実施してもよい。本実施形態では、微粉砕工程の後の微粉砕物が、長径５０００μｍ以下（より好ましくは１００μｍ以下）、且つ短径１μｍ以下であることが好ましい。微粉砕物が所望の大きさの物が得られたかどうかは顕微鏡観察によって確認することができる。
【００３４】
本実施形態の脱水工程（ステップ３）は、微粉砕工程（ステップ２）で得られた微粉砕物を脱水し得る方法であれば、その具体的方法は特に限定されず、公知の手段、およびその最適条件を適宜検討の上採用すればよい。本発明者らの検討によれば、微粉砕物の脱水の際に、遠沈管を用いた通常の遠心分離を用いた場合には、微細粉末が沈殿しにくく、所望の程度の脱水を行うこと困難な場合があった。これに対して、公知の遠心脱水機を用いた場合は効率よく脱水を行うことができた。よって、本工程には遠心脱水機が好適に利用され得る。遠心脱水機としては例えば、月島機械株式会社製、巴工業株式会社製、寿工業株式会社製などのものが挙げられる。さらに、公知のスクリュープレス、ベルトプレスを用いて脱水工程が実施されてもよい。なお、遠心脱水機、スクリュープレス、ベルトプレスには様々なタイプがあるが、本発明においては特に限定されない。また脱水後の微粉砕物の固形物濃度も特に限定されるものではないが、微粉砕物の固形物濃度を１４質量％以上（さらに好ましくは２０質量％以上）にすることが好ましい。固形物濃度を上記好ましい範囲にすることにより、発酵槽の大きさを抑えることができるとともに、エタノール発酵後の発酵液中のエタノール濃度を高めて、粗蒸留工程での必要エネルギーを抑えることが可能となる。本発明者らが微細粉砕物の固形物濃度とエタノール製造プロセスに必要なエネルギーとの関係をシミュレーションした結果を、図４に示す。このシミュレーションでは、エタノール製造プロセスに必要なエネルギーが、製造されるエタノールが有するエネルギー（２３ＭＪ/Ｌ）未満となれば実用的なプロセスとなると判断できる。図４によれば、２３ＭＪ/Ｌ未満となる固形物濃度は１４質量％以上であるということがわかった。
【００３５】
酵素糖化工程（ステップ４）では、糖化酵素によりセルロースやヘミセルロースが遊離糖またはオリゴ糖にまで加水分解される。糖化酵素としては当該分野で周知のものが利用され得、市販品を用いても、本実施形態に係るプロセス内にてオンサイトで生産したものを用いてもよい。また糖化条件も従来公知の方法が適宜採用され得る。糖化酵素をオンサイトで生産する場合、糖化酵素は糸状菌により生産させればよく、この糸状菌の生育にはステップ２で得られた微粉砕物、またはステップ３で得られた前処理物を利用することが好ましい。
【００３６】
エタノール発酵工程（ステップ５）では、エタノール発酵能を有する微生物を用いて糖化物がエタノールに変換される。このような微生物としては酵母が好ましく、五炭糖発酵能を付加した遺伝子組換え酵母を用いてもよい。本実施形態において、上記微生物（例えば酵母）の前培養には酵素糖化工程（ステップ４）で得られる糖化物を用いることができる。すなわち、酵素糖化工程（ステップ４）とエタノール発酵工程（ステップ５）を単一の培養槽内で行うことができる。この場合、糖化酵素と微生物とを培養槽に同時に添加（同時糖化発酵）してもよく、あるいは予め糖化酵素を添加して前処理物を糖化した後に微生物を添加して発酵させてもよい。これらの方式のいずれを採用するかについては、バイオマス原料の適性および前処理物の性状に基づいて当業者によって容易に選択される。
【００３７】
粗蒸留工程（ステップ６）では、エタノール濃度を８０質量％以上とする。蒸留方式としては様々なタイプが挙げられるが、特に限定されない。なお、蒸留塔の汚れを防止するために、単蒸留によって固体と液体とを予め分離しておくことが望ましい。
【００３８】
精製工程（ステップ７）では、要求される品質のエタノールが精製される。この精製では膜分離または吸着剤が好適に用いられるが、特に限定されない。
【００３９】
このように、第１の実施形態に係るエタノール製造方法は、リグノセルロースを含有する原料を粗粉砕する粗粉砕工程、粗粉砕工程において生成された粗粉砕物を微粉砕する微粉砕工程、微粉砕工程において生成された微粉砕物の水分を調整する水分調整工程、水分調整工程を経た前処理物を糖化酵素によって糖化する酵素糖化工程、酵素糖化工程において生成された糖化物をエタノール発酵させるエタノール発酵工程、エタノール発酵工程において生成された発酵物を粗蒸留する粗蒸留工程、および粗蒸留工程において生成された粗蒸留物を精製する精製工程を包含していればよいといえる。
【００４０】
第２の実施形態に係るエタノール製造方法は、微粉砕物を水熱処理する水熱処理工程（ステップ８）をさらに包含する。図１に示すように、第２の実施形態において、ステップ８は第１の実施形態のステップ２と３との間に行われる。
【００４１】
水熱処理工程（ステップ８）は、過分解を抑えるため、０．９８ＭＰａ以下（飽和蒸気として、約１８０℃以下）の圧力下にて行われることが好ましい。また、圧力を０．９８ＭＰａ以下とすることによって、反応器の建設コストも低減し得る。さらに、ステップ８で得られた水熱処理物もまた、糖化酵素をオンサイトで生産する場合に使用される糸状菌の生育に利用可能である。
【００４２】
このような水熱処理工程は、粗粉砕工程と微粉砕工程との間に行われてもよい。すなわち、第３の実施形態に係るエタノール製造方法は、図１に示すように、ステップ１、９，１０を包含し、引き続いて第１および第２の実施形態と同様にステップ３〜７を包含する。
【００４３】
また、水熱処理工程の前後に微粉砕工程が行われてもよい。すなわち、第４の実施形態に係るエタノール製造方法は、図１に示すように、ステップ１、２、９、１０を包含し、引き続いて第１〜第３の実施形態と同様にステップ３〜７を包含する。ステップ９で得られた水熱処理物もまた、糖化酵素をオンサイトで生産する場合に使用される糸状菌の生育に利用可能である。
【００４４】
このように、第２の実施形態に係るエタノール製造方法は、リグノセルロースを含有する原料を粗粉砕する粗粉砕工程、粗粉砕工程において生成された粗粉砕物を水熱処理する水熱処理工程、水熱処理工程において生成された水熱処理物を微粉砕する微粉砕工程、微粉砕工程において生成された微粉砕物を脱水する脱水工程、脱水工程を経た前処理物を糖化酵素によって糖化する酵素糖化工程、酵素糖化工程において生成された糖化物をエタノール発酵させるエタノール発酵工程、エタノール発酵工程において生成された発酵物を粗蒸留する粗蒸留工程、および粗蒸留工程において生成された粗蒸留物を精製する精製工程を包含していればよいといえる。
【００４５】
また、第３の実施形態に係るエタノール製造方法は、リグノセルロースを含有する原料を粗粉砕する粗粉砕工程、粗粉砕工程において生成された粗粉砕物を微粉砕する微粉砕工程、微粉砕工程において生成された微粉砕物を水熱処理する水熱処理工程、水熱処理工程において生成された水熱処理物を脱水する脱水工程、脱水工程を経た前処理物を糖化酵素によって糖化する酵素糖化工程、酵素糖化工程において生成された糖化物をエタノール発酵させるエタノール発酵工程、エタノール発酵工程において生成された発酵物を粗蒸留する粗蒸留工程、および粗蒸留工程において生成された粗蒸留物を精製する精製工程を包含していればよいといえる。
【００４６】
さらに、第４の実施形態に係るエタノール製造方法は、リグノセルロースを含有する原料を粗粉砕する粗粉砕工程、粗粉砕工程において生成された粗粉砕物を微粉砕する第一微粉砕工程、第一微粉砕工程において生成された微粉砕物を水熱処理する水熱処理工程、水熱処理工程において生成された水熱処理物をさらに微粉砕する第二微粉砕工程、第二微粉砕工程において生成された微粉砕物を脱水する脱水工程、脱水工程を経た前処理物を糖化酵素によって糖化する酵素糖化工程、酵素糖化工程において生成された糖化物をエタノール発酵させるエタノール発酵工程、エタノール発酵工程において生成された発酵物を粗蒸留する粗蒸留工程、および粗蒸留工程において生成された粗蒸留物を精製する精製工程を包含していればよいといえる。
【００４７】
なお、本発明において、水熱処理工程をどの段階で行うのかについては、扱うバイオマス原料の適性に基づいて当業者が適宜選択し得る。
【００４８】
本発明に係るエタノール製造方法は、さらなる工程を包含する方法であってもよく、上述した工程から構成される方法であってもよい。例えば、本発明に係るエタノール製造方法は、酵素糖化工程において用いる糖化酵素を、前記前処理物、前記微粉砕物または前記水熱処理物を用いて糸状菌によって生産させる工程をさらに包含してもよく、エタノール発酵工程において用いる微生物を、前記糖化物を用いて培養する工程をさらに包含してもよい。
【００４９】
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【００５０】
また、本明細書中に記載された学術文献および特許文献の全てが、本明細書中において参考として援用される。
【実施例】
【００５１】
〔実施例１〕
（方法）
市販のカッターミルで２ｍｍ以下に粗粉砕した木粉を５質量％となるように水と混合させてスラリーを調製した。次に、増幸産業社製ディスクミル（MKZA10-15J）にこのスラリーを投入して微粉砕処理を行った。この時、ディスクミルの処理速度に合わせてスラリーを投入した。この処理によって得られた微粉砕物スラリーを再び上記ディスクミルに投入して再度微粉砕処理（微粉砕物：長径１００μｍ以下、短径１μｍ以下）した。この操作を５回以上繰り返し、ジャム状の微細繊維スラリーを得た。なお、微粉砕処理の繰り返し回数は、原料の状態、粉砕機の性能などにより異なる。
【００５２】
湿式微粉砕処理後のスラリー（固形物濃度５質量％）を、遠心脱水機で３０００ｒｐｍ１０分間脱水を行った。脱水後のスラリーの固形物濃度は２４質量％であった。上記で得られた脱水後のスラリーに、アクレモニウムセルラーゼ（明治製菓社製、添加濃度：４０ＦＰＵ/ｇ-乾燥木粉）、およびセルロシンＧＭ５（エイチビィアイ社製、添加濃度：１ｖ/ｖ％）を添加し、４５℃で３日間保持した。
【００５３】
上記処理後のスラリー中のグルコースおよびマンノース濃度を高速液体クロマトグラフィー（Jasco社  PU-2080  RI-2031、カラム：バイオラッド社  Aminex HPX-87H）で定量した。
【００５４】
（結果）
糖化酵素を加えたスラリーからは、グルコースおよびマンノースの生成が確認された（３８３ｍｇ/ｇ-乾燥木粉）。一方、糖化酵素を加えないスラリーからは、液体クロマトグラフィーで単糖を検出しなかった。よって、本実施例によって製造されたエタノール原料は、セルラーゼおよびヘミセルラーゼで単糖化でき、通常の酵母がエタノール発酵することができる濃度の糖溶液となることが示された。
【００５５】
〔実施例２〕
本発明に係るエタノール製造方法を実施するため図２に示すプロセスフローの基本設計を実施した。
【００５６】
木粉、バガスなどを含むリグノセルロース系バイオマス（以下「原料バイオマス」）２００ｋｇ（約１ｍ3）をフレコンバックで小型サイロ（１０２）に受け入れる。小型サイロにはスクリュータイプの切り出しコンベアを付属させる構造とする。小型サイロ（１０２）から原料バイオマスを切り出し、計量機（１０７）を介して粗粉砕機１（増幸産業社製相当品）（１０４）および粗粉砕機２（増幸産業社製相当品）（１０５）に投入し、粗粉砕工程（図１のＳ１工程）を実施する。
【００５７】
図１に示すＳ２→Ｓ９→Ｓ１０の工程を実現するため、（第一）微粉砕工程用にバッチ式振動ミル（中央化工機社製相当品）（３１１）を配する。
【００５８】
水熱処理工程（図１のＳ８、Ｓ９工程）を実施するため水熱処理装置（加藤製缶鉄工所社製相当品）（２０１）を配する。粗粉砕工程・（第一）微粉砕工程と水熱処理工程間あるいは粗粉砕物を直接微粉砕工程に原料バイオマスを移送するために、木紛移送装置（気流搬送型）（１０６）を配する。これにより、図１に示した様々な処理工程の組合せが実現できる。
【００５９】
水熱処理がされた粗粉砕物または（第一）微粉砕物、または水熱処理装置（２０１）によって水熱処理がされていない粗粉砕物をスラリータンク（３０５）へ投入する。そして原料バイオマスを５質量％となるように水と混合させてスラリーを調製する。
【００６０】
ＭＣ処理装置（増幸産業社製相当品）（３０１および３０２）を用いて、このスラリーの微粉砕処理を行う。
【００６１】
この処理によって得られた微粉砕物スラリーをカッターミル（増幸産業社製相当品）（３０３）に投入して再度微粉砕処理を行うことによって、微粉砕物（長径１００μｍ以下、短径１μｍ以下）を得ることができる。
【００６２】
微粉砕処理後のスラリー（固形物濃度５質量％）の脱水を行うため、遠心脱水機（４０２）で脱水する。遠心脱水機の回転数、処理時間を調整することで脱水後のスラリーの固形物濃度を２０質量％にする。これにより請求項１〜８記載および実施例１記載のエタノール原料を製造できる。
【００６３】
この脱水スラリー（エタノール原料）を主糖化発酵タンク（５０１）および糸状菌本培養タンク（５２１）へ投入する。糖化工程・発酵工程に関わる工程には各容量の培養タンク（丸菱バイオエンジ社製相当品）を各配置する。すなわち、糸状菌前培養タンク（見かけ容量６０Ｌ）（５１１）で酵素生産菌の前培養を行い、糸状菌本培養タンク（見かけ容量４００Ｌ）（５２１）で酵素を生産する。酵母前培養タンク（見かけ容量１００Ｌ）（５３１）でエタノール発酵酵母の前培養を行い、主糖化発酵タンク（見かけ容量２０００Ｌ）（５０１）で糖化と発酵を行う。糖化運転と発酵運転は同時に行うことも、日にちをずらして行うことも可能である。
【００６４】
エタノール発酵後の発酵液（エタノール濃度約４〜５重量％程度）をもろみ塔（６０１）で一次蒸留し、エタノール濃度１０〜２０重量％程度に濃縮する。これにより固液分離も同時に行うことができる。
【００６５】
濃縮液を連続蒸留器（ラボ連続蒸留器）（三菱重工業社製相当品）（６１１）を用いて蒸留を行い、エタノール濃度９０％（ｖ／ｖ）以上の共沸濃度の粗蒸留液を得る。
【００６６】
粗蒸留液を膜脱水機（三井造船社製相当品）（６２１）で精製し、最終的に９９．５％（ｖ/ｖ）のエタノールを得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００６７】
本発明を用いれば、エネルギーコストを抑えて経済的かつ実用可能なプロセスの構築が可能になり、バイオマスの有効利用を低コストにて行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】本発明の一実施形態に係るエタノール製造方法のフローチャートである。
【図２】実施例２におけるエタノール製造方法のフローチャートである。
【図３】粗細粉砕物の大きさとエタノール製造プロセスに必要なエネルギーとの関係をシミュレーションした結果を示すグラフである。
【図４】微細粉砕物の固形物濃度とエタノール製造プロセスに必要なエネルギーとの関係をシミュレーションした結果を示すグラフである。
【符号の説明】
【００６９】
１０４    粗粉砕機１
１０５    粗粉砕機２
３１１    バッチ式振動
２０１    水熱処理装置
３０１    ＭＣ処理装置一式１
３０２    ＭＣ処理装置一式２
３０３    カッターミル
４０２    遠心脱水機
５０１    主糖化発酵タンク
６１１    ラボ連続蒸留器
６２１    膜脱水機
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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