(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
バイオマス原料を加圧熱水と対向接触させつつ水熱分解し、加圧熱水中にリグニン成分及びヘミセルロース成分を移行し、バイオマス固体中からリグニン成分及びヘミセルロース成分を分離してなる水熱分解装置と、
前記水熱分解装置から排出されるバイオマス固形分中のセルロースを酵素処理して６炭糖を含む糖液に酵素分解する第１の酵素分解装置と、
第１の酵素分解装置で得られた糖液を用いて、発酵処理によりアルコール類、石油代替品類又はアミノ酸類のいずれか一つを製造する発酵装置とを具備してなり、
前記水熱分解装置の反応温度が１８０〜２４０℃であると共に、加圧熱水の状態であることを特徴とするバイオマス原料を用いた有機原料の製造システム。
【請求項２】
請求項１において、
熱水排出液中のヘミセルロース成分を酵素処理して５炭糖を含む糖液に酵素分解する第２の酵素分解装置と、
第２の酵素分解装置で得られた糖液を用いて、発酵処理によりアルコール類、石油代替品類又はアミノ酸類のいずれか一つを製造する発酵装置とを具備することを特徴とするバイオマス原料を用いた有機原料の製造システム。
【請求項３】
バイオマス原料を加圧熱水と対向接触させつつ水熱分解し、加圧熱水中にリグニン成分及びヘミセルロース成分を移行し、バイオマス固体中からリグニン成分及びヘミセルロース成分を分離してなる水熱分解工程と、
前記水熱分解装置から排出されるバイオマス固形分中のセルロースを酵素処理して６炭糖を含む糖液に酵素分解する第１の酵素分解工程と、
第１の酵素分解工程で得られた糖液を用いて、発酵処理によりアルコール類、石油代替品類又はアミノ酸類のいずれか一つを製造する発酵工程とを具備し、
前記水熱分解装置の反応温度が１８０〜２４０℃であると共に、加圧熱水の状態であることを特徴とするバイオマス原料を用いた有機原料の製造方法。
【請求項４】
請求項３において、
熱水排出液中のヘミセルロース成分を酵素処理して５炭糖を含む糖液に酵素分解する第２の酵素分解工程と、
第２の酵素分解工程で得られた糖液を用いて、発酵処理によりアルコール類、石油代替品類又はアミノ酸類のいずれか一つを製造する発酵工程とを具備することを特徴とするバイオマス原料を用いた有機原料の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バイオマス原料を用いた例えばアルコール類、石油代替品類、又はアミノ酸類等の有機原料を効率よく製造することができるバイオマス原料を用いた有機原料の製造システム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、希硫酸、濃硫酸による木材等のバイオマスの糖化処理後、固液分離し、液相を中和処理し、エタノール発酵等の原料として利用するエタノール等の製造技術が実用化されている（特許文献１、特許文献２）。
また、糖を出発原料として、化学工業原料生産（例えば乳酸発酵等）も考えられる。
ここで、バイオマスとは、地球生物圏の物質循環系に組み込まれた生物体又は生物体から派生する有機物の集積をいう（ＪＩＳ Ｋ ３６００ １２５８参照）。
【０００３】
ここで、現在アルコール原料として用いられているサトウキビ、トウモロコシ等は本来食用に供されるものであるが、これらの食用資源を長期的、安定的に工業用利用資源とすることは、有効食料品のライフサイクルの観点から、好ましくない。
【０００４】
このため、将来的に有用な資源と考えられる草本系バイオマスや木質系バイオマスのようなセルロース系資源を有効活用するのは、重要な課題である。
【０００５】
また、セルロース系資源では、セルロースは３８〜５０％、ヘミセルロース成分が２３〜３２％と様々で、発酵原料にならないリグニン成分も１５〜２２％とそれぞれ異なっている。多くの課題を抱えたままの工業化研究のため、原料は固定的に想定されており、原料の汎用性を考慮した生産システムの技術の開示は未だないのが現状である。
【０００６】
さらに、元来、澱粉原料に較べて発酵原料に不利な方法で、ごみ問題、地球温暖化防止対応などを目標に考えるのであるから、原料を固定的に考えた生産システムでは意味が薄れる。広く一般の廃棄物に適用できなければならない。酵素糖化法そのものも、効率が悪すぎて、将来課題とされているのが現状である。酸処理による糖化率も、過剰反応による糖の過分解などで、およそ７５％（糖化可能成分基準）前後とかなり小さい値となっている。従って、セルロース系資源に対して、エタノール生産収率はおよそ２５％に止まっている（非特許文献１、特許文献３）。
【０００７】
【特許文献１】特表平９−５０７３８６号公報
【特許文献２】特表平１１−５０６９３４号公報
【特許文献３】特開２００５−１６８３３５号公報
【非特許文献１】「日経バイオビジネス」、ｐ．５２、２００２年９月
【非特許文献２】「バイオマス―生物資源の高度利用」  日本農芸化学会編  朝倉書店発行  １９８５年９月
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
前記特許文献１及び２にかかる提案においては、反応に必要な硫酸を常に反応系外から供給する必要があり、製造規模の増大と共に、耐酸性の設備及び多量の硫酸の購入コストが増大すると共に、用いた硫酸の廃棄コスト（例えば石膏法による処理のコスト）及び硫酸回収コストが増大するという、問題がある。
【０００９】
前記特許文献３にかかる提案においては、各種セルロース系資源を熱水処理して、酵素法により糖化を行うものであるが、熱水処理する際に、セルロースを糖化する際のリグニン成分等のセルラーゼ阻害物質（非特許文献２）が除去されずにセルロースと混在することとなるので、セルロースの糖化効率が低下する、という問題がある。
【００１０】
また、セルロース以外のヘミセルロース成分を含むものであるので、糖化に際しては、セルロース及びヘミセルロース成分に各々適した酵素を用いる必要がある、という問題がある。
【００１１】
また得られる糖液もセルロースからは６炭糖液、ヘミセルロース成分からは５炭糖液となり、例えばアルコール発酵においても各々適した酵母が必要になり、６炭糖液と５炭糖液とが混在した状態におけるアルコール発酵効率においてもその向上が求められている。
【００１２】
このように、従来の技術では、副反応生成物が酵素糖化阻害を引起し糖収率が減少する現象が起きていたので、酵素糖化阻害物質を除去し、セルロース主体による酵素糖化性を高める水熱分解装置の出現が切望されている。
【００１３】
本発明は、前記課題に鑑み、バイオマス原料からセルロース主体の成分を分離し、効率的な糖液の製造を行うと共に、該糖液を基点として、各種有機原料（例えばアルコール類、石油代替品類、又はアミノ酸類等）を効率よく製造することができるバイオマス原料を用いた有機原料の製造システム及び方法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】
上述した課題を解決するための本発明の第１の発明は、バイオマス原料を加圧熱水と対向接触させつつ水熱分解し、加圧熱水中にリグニン成分及びヘミセルロース成分を移行し、バイオマス固体中からリグニン成分及びヘミセルロース成分を分離してなる水熱分解装置と、前記水熱分解装置から排出されるバイオマス固形分中のセルロースを酵素処理して６炭糖を含む糖液に酵素分解する第１の酵素分解装置と、第１の酵素分解装置で得られた糖液を用いて、発酵処理によりアルコール類、石油代替品類又はアミノ酸類のいずれか一つを製造する発酵装置とを具備してなり、前記水熱分解装置の反応温度が１８０〜２４０℃であると共に、加圧熱水の状態であることを特徴とするバイオマス原料を用いた有機原料の製造システムにある。
【００１５】
第２の発明は、第１の発明において、熱水排出液中のヘミセルロース成分を酵素処理して５炭糖を含む糖液に酵素分解する第２の酵素分解装置と、第２の酵素分解装置で得られた糖液を用いて、発酵処理によりアルコール類、石油代替品類又はアミノ酸類のいずれか一つを製造する発酵装置とを具備することを特徴とするバイオマス原料を用いた有機原料の製造システムにある。
【００１７】
第３の発明は、バイオマス原料を加圧熱水と対向接触させつつ水熱分解し、加圧熱水中にリグニン成分及びヘミセルロース成分を移行し、バイオマス固体中からリグニン成分及びヘミセルロース成分を分離してなる水熱分解工程と、前記水熱分解装置から排出されるバイオマス固形分中のセルロースを酵素処理して６炭糖を含む糖液に酵素分解する第１の酵素分解工程と、第１の酵素分解工程で得られた糖液を用いて、発酵処理によりアルコール類、石油代替品類又はアミノ酸類のいずれか一つを製造する発酵工程とを具備し、前記水熱分解装置の反応温度が１８０〜２４０℃であると共に、加圧熱水の状態であることを特徴とするバイオマス原料を用いた有機原料の製造方法にある。
【００１８】
第４の発明は、第３の発明において、熱水排出液中のヘミセルロース成分を酵素処理して５炭糖を含む糖液に酵素分解する第２の酵素分解工程と、第２の酵素分解工程で得られた糖液を用いて、発酵処理によりアルコール類、石油代替品類又はアミノ酸類のいずれか一つを製造する発酵工程とを具備することを特徴とするバイオマス原料を用いた有機原料の製造方法にある。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、対向接触させる水熱分解装置を用いることにより、目的成分であるセルロース（酵素糖化により６炭糖液となる）を生成する反応以外の副反応物（リグニン成分、ヘミセルロース成分）を加圧熱水中に移行させることにより、セルロース主体のバイオマス固形分を得ることができる。その結果、６炭糖液を効率よく糖化させて、該糖液を基点として、各種有機原料（例えばアルコール類、石油代替品類、又はアミノ酸類等）を効率よく製造することができる。
【００２１】
また、対向接触させることにより、熱水に可溶化され易い成分から順次反応系外へ排出されると共に、バイオマスの投入部から熱水投入部まで温度勾配が生じる為、ヘミセルロース成分の過分解が抑制され、結果的に５炭糖成分を効率よく回収することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施例における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。
【実施例１】
【００２３】
本発明による実施例に係るバイオマス原料を用いた有機原料であるアルコールの製造システムについて、図面を参照して説明する。図１は、実施例に係るバイオマス原料を用いた有機原料の製造システムを示す概念図である。
図１に示すように、本実施例に係るバイオマス原料を用いたアルコール製造システム１０−１は、バイオマス原料１１を例えば粉砕処理する前処理装置１２と、前処理したバイオマス原料（本実施例では、例えば麦わら等）であるバイオマス粉砕物１３を加圧熱水１５と対向接触させつつ水熱分解し、加圧熱水１５中にリグニン成分及びヘミセルロース成分を移行し、バイオマス固体中からリグニン成分及びヘミセルロース成分を分離してなる水熱分解装置１４と、前記水熱分解装置１４から排出されるバイオマス固形分１７中のセルロースを酵素処理して６炭糖を含む糖液に酵素（セルラーゼ）１８で酵素分解する第１の酵素分解装置１９−１と、第１の酵素分解装置１９−１で得られた第１の糖液（６炭糖液）２０−１を用いて、発酵処理によりアルコール類（本実施の形態ではエタノール）を製造する第１のアルコール発酵装置２１−１と、第１のアルコール発酵液２２−１を精製して目的生成物のエタノール２３と残渣２４とに分離処理する第１の精製装置２５−１とを具備するものである。また、水熱分解装置１４からはリグニン成分及びヘミセルロース成分が移行された加圧熱水を熱水排出液１６として排出するようにしている。
【００２４】
ここで、前記水熱分解装置１４に供給するバイオマスとしては、特に限定されるものではなく、地球生物圏の物質循環系に組み込まれた生物体又は生物体から派生する有機物の集積をいう（ＪＩＳ Ｋ ３６００ １２５８参照）が、本発明では特に木質系の例えば広葉樹、草本系等のセルロース系資源や農業系廃棄物、食品廃棄物等を用いるのが好ましい。
【００２５】
また、前記バイオマス原料１１としては、粒径は特に限定されるものではないが、５ｍｍ以下に粉砕することが好ましい。
本実施例では、前処理装置１２として、粉砕装置を例示するが、本発明はこれに限定されるものではなく、前処理装置１２として例えば洗浄装置等を用いることができる。
なお、バイオマス原料１１として、例えば籾殻等の場合には、前処理装置を用いる粉砕は不要となり、そのまま水熱分解装置１４に供給することができるものとなる。
【００２６】
また、水熱分解装置１４における、反応温度は１８０〜２４０℃の範囲とするのが好ましい。さらに好ましくは２００〜２３０℃とするのがよい。
これは、１８０℃未満の低温では、水熱分解速度が小さく、長い分解時間が必要となり、装置の大型化につながり、好ましくないからである。一方２４０℃を超える温度では、分解速度が過大となり、セルロース成分が固体から液体側へ移行するのを増大すると共に、ヘミセルロース系糖類の過分解が促進され、好ましくないからである。
また、ヘミセルロース成分は約１４０℃付近から、セルロースは約２３０℃付近から、リグニン成分は１４０℃付近から溶解するが、セルロースを固形分側に残し、且つヘミセルロース成分及びリグニン成分が十分な分解速度を持つ１８０℃〜２４０℃の範囲とするのがよい。
【００２７】
また、反応圧力は本体内部が加圧熱水の状態となる、各温度の水の飽和蒸気圧に更に０．１〜０．５ＭＰａの高い圧力とするのが好ましい。
また、反応時間は２０分以下、３分〜１５分とするのが好ましい。これはあまり長く反応を行うと過分解物の割合が増大し、好ましくないからである。
【００２８】
ここで、本発明では、水熱分解装置１４の本体内の加圧熱水１５とバイオマス粉砕物１３との流動は、バイオマス粉砕物１３と加圧熱水１５とを対向接触させる、いわゆるカウンターフローで接触・撹拌・流動するようにすることが好ましい。
【００２９】
前記水熱分解装置１４では、バイオマス粉砕物１３の固形分は図中左側から供給され、一方加圧熱水１５は図中右側から供給され、相互が移動することにより、加圧熱水１５（熱水、分解物が溶解した液）は、固体であるバイオマス粉砕物１３とカウンターフローに固体粒子間に滲みながら移動することとなる。
【００３０】
その対向接触の際、固体であるバイオマス粉砕物１３が加圧熱水１５により分解すると、その分解物が加圧熱水１５側に溶解移行することとなる。
【００３１】
また、固体と液体との固液比は、液体分が少ないほど回収水及び水熱分解のための加温のスチーム量を減らすことができるので好ましい。
ここで、供給するバイオマス原料と加圧熱水との重量比は、装置構成により適宜異なるが、例えば１：１〜１：１０、より好ましくは１：１〜１：５とするのが好ましい。
【００３２】
本発明によれば、水熱分解装置１４において、カウンターフローを採用することにより、液体側の加圧熱水１５中にリグニン成分及びヘミセルロース成分を移行させ、固体側のバイオマス固形分１７にはセルロースがとどまることとなり、酵素糖化の第１の酵素分解装置１９−１により糖液（６炭糖）２０を得ることとなる。
そして、６炭糖に応じた発酵（最終製品に応じた発酵：本実施例では第１のアルコール発酵装置２１−１を用いてエタノール２３を発酵により求め、第１のアルコール発酵液２２−１を精製する）プロセスを構築することができる。
【００３３】
本発明によれば、対向接触させる水熱分解装置を用いることにより、目的成分であるセルロース（酵素糖化により６炭糖液となる）を生成する反応以外の副反応物（リグニン成分、ヘミセルロース成分）を加圧熱水中に移行させることにより、セルロース主体のバイオマス固形分を得ることができる。その結果、セルロースを効率よく糖化させて、該糖液を基点として、各種有機原料（例えばアルコール類）を効率よく製造することができる。
【００３４】
また、対向接触させることにより、熱水に可溶化され易い成分から順次排出されると共に、バイオマスの投入部から熱水投入部まで温度勾配が生じる為、ヘミセルロース成分の過分解が抑制され、結果的に５炭糖成分が効率よく回収することができる。
さらに、対向接触させることで、熱回収ができシステム効率から好ましいものとなる。
【００３５】
本実施例では、発酵処理により求めるものとして、アルコール類のエタノールを例示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、アルコール類以外の、化成品原料となる石油代替品類又は食品・飼料原料となるアミノ酸類を発酵装置により得ることができる。
【００３６】
ここで、糖液を基点とした化成品としては、例えばＬＰＧ、自動用燃料、航空機用ジェット燃料、灯油、ディーゼル油、各種重油、燃料ガス、ナフサ、ナフサ分解物であるエチレングリコール、エタノールアミン、アルコールエトキシレート、塩ビポリマー、アルキルアルミニウム、ＰＶＡ、酢酸ビニルエマルジョン、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリカーボネート、ＭＭＡ樹脂、ナイロン、ポリエステル等を挙げることができる。よって、枯渇燃料である原油由来の化成品の代替品及びその代替品製造原料としてバイオマス由来の糖液を効率的に利用することができる。
【実施例２】
【００３７】
本発明による実施例に係るバイオマス原料を用いた有機原料であるアルコールの製造システムについて、図面を参照して説明する。図２は、実施例に係るバイオマス原料を用いた有機原料の製造システムを示す概念図である。
図２に示すように、本実施例に係るバイオマス原料を用いたアルコールの製造システム１０−２は、図１に示すシステム１０−１において、水熱分解装置１４から排出される熱水排出液１６中に移行されたヘミセルロース成分を酵素処理して５炭糖を含む糖液２０−２に酵素分解する第２の酵素分解装置１９−２を設けてなるものである。
なお、酵素分解装置、アルコール発酵装置、精製装置は、それぞれ別途２機（第１の酵素分解装置１９−１、第２の酵素分解装置１９−２、第１のアルコール発酵装置２１−１、第２のアルコール発酵装置２１−２、第１の精製装置２５−１、第２の精製装置２５−２）設置している。そして、第１の糖液（６炭糖）２０−１、第２の糖液（５炭糖）２０−２に応じた酵素分解工程、アルコール発酵工程及び精製工程を行うようにして、エタノール２３を得るようにしている。
【００３８】
そして、本実施例では、前記第２の酵素分解装置１９−２で得られた第２の糖液（５炭糖）２０−２を用いて、発酵処理によりエタノール２３を製造することができる。
【００３９】
なお、熱水排出液は必ずしも別系統において処理するものではなく、例えば酵素分解装置以降の工程を共通化したり、アルコール発酵装置以降の工程を共通化したり、あるいは精製装置以降を共通化する等適宜変更を行うことができる。
【００４０】
本発明によれば、水熱分解装置１４において、カウンターフローを採用することにより、固体側のバイオマス固形分１７では、セルロースがとどまることとなり、酵素糖化の第１の酵素分解装置１９−１により第１の糖液（６炭糖）２０−１を得ると共に、液体側の加圧熱水１５では、その加圧熱水に可溶したヘミセルロース成分を熱水排出液１６として分離し、別途酵素糖化の第２の酵素分解装置１９−２により第２の糖液（５炭糖）２０−２を得るので、両者を効率よく分離して各々糖化することが可能となる。そして、６炭糖、５炭糖に応じた発酵（最終製品に応じた発酵：例：エタノール発酵）プロセスを構築することができる。
【００４１】
このように、水熱分解装置１４におけるカウンターフローを採用することによって６炭糖を得る酵素糖化反応において阻害物質となる副反応成分や加圧熱水に可溶なリグニン成分を加圧熱水１５側に移行させるため、セルロース主体のバイオマス固形分１７となり、その後の糖化反応における６炭糖の糖化反応収率が向上する。
【００４２】
一方、分離された熱水排出液１６に含まれるヘミセルロース成分は、その後第２の酵素分解装置１９−２において糖化され、５炭糖を含む糖液を得ることができる。
そして、６炭糖、５炭糖の各々に適した酵母等を用いることでエタノールを効率的に個別に発酵により求めることができるものとなる。
【００４３】
このように、従来の技術では、副反応生成物が、酵素糖化阻害を引起し糖収率が減少する現象が起きていたが、本発明によれば、バイオマス原料からセルロース主体の成分とヘミセルロース成分を加圧熱水に移行させて両者を分離し、各々に適した効率的な糖液（６炭糖液、５炭糖液）の製造を行うと共に、該糖液を基点として、各種有機原料（例えばアルコール類、石油代替品類、又はアミノ酸類等）を効率よく製造することができるバイオマス原料を用いた有機原料の製造システム及び方法を提供することが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
以上のように、本発明に係るシステム及び方法によれば、バイオマス原料からセルロース主体の成分を分離し、効率的な糖液の製造を行うと共に、該糖液を基点として、各種有機原料（例えばアルコール類、石油代替品類、又はアミノ酸類等）を効率よく製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】実施例１に係るアルコール製造システムの概略図である。
【図２】実施例２に係るアルコール製造システムの概略図である。
【符号の説明】
【００４６】
１１  バイオマス原料
１２  前処理装置
１３  バイオマス粉砕物
１４  水熱分解装置
１５  加圧熱水
１６  熱水排出液
１７  バイオマス固形分
１８  酵素
１９−１  第１の酵素分解装置
１９−２  第２の酵素分解装置
２０−１  第１の糖液（６炭糖）
２０−２  第２の糖液（５炭糖）
２１  発酵装置
２２  アルコール発酵液
２３  エタノール
２４  残渣
２５  精製装置
【図１】
0004524351.tif 000002
【図２】
0004524351.tif 000003