(57)【要約】【課題】植物廃棄物をバイオマスエタノールの原料として、糖化酵素反応及び発酵によってエタノールを製造する際に使用する酵素量及び処理時間を削減し、安価で効率のよい単糖及びエタノールの製造方法及び製造装置を提供する。【解決手段】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し、加圧熱水反応後の固体残渣を叩解し、叩解後の固体残渣に糖化酵素を作用させて一次糖化し、一次糖化工生成物に固体酸触媒を作用させて二次糖化することによって単糖を製造する。得られた単糖をエタノール発酵し、蒸留によって精製エタノールが提供される。【選択図】図１
2013141415.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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工程と、
前記加圧熱水反応工程後の固体残渣を叩解する叩解処理工程と、
前記叩解処理工程後の固体残渣に糖化酵素を作用させる一次糖化工程と、
前記一次糖化工程による生成物に固体酸触媒を作用させる二次糖化工程とを有する単糖の製造方法。
【請求項２】
前記叩解処理工程によって、前記固体残渣の比表面積を５０ｍ２／ｇ以上に増加させる請求項１に記載の単糖の製造方法。
【請求項３】
前記叩解処理工程は、湿式処理である請求項１又は２に記載の単糖の製造方法。
【請求項４】
前記一次糖化工程によって、前記固体残渣のセルロースを分解して、重合度が７〜３０００の懸濁態多糖を含む液体を生成する請求項１〜３の何れかに記載の単糖の製造方法。
【請求項５】
前記二次糖化工程によって、前記懸濁態多糖を分解して単糖としてグルコースを生成する請求項４に記載の単糖の製造方法。
【請求項６】
更に、前記叩解処理工程の前に、前記加圧熱水反応工程後の固体残渣をヘミセルロースの分解物から分離する分離工程を有する請求項１〜５の何れかに記載の単糖の製造方法。
【請求項７】
更に、前記加圧熱水反応工程において生成するヘミセルロースの分解物に固体酸触媒を作用させて単糖としてキシロースを生成するヘミセルロース系糖化工程を有する請求項１〜６の何れかに記載の単糖の製造方法。
【請求項８】
請求項１〜６の何れかに記載の単糖の製造方法によって得られる単糖を発酵してエタノールを生成する発酵工程を有するエタノールの製造方法。
【請求項９】
更に、前記発酵工程による生成物に含まれるエタノールを精製する精製工程を有する請求項８に記載のエタノールの製造方法。
【請求項１０】
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反応生成物から得られる固体残渣を叩解する叩解機と、
前記叩解機によって叩解された固体残渣に糖化酵素を作用させる酵素反応装置と、
前記酵素反応装置の反応生成物に固体酸触媒を作用させる触媒反応装置とを有する単糖製造装置。
【請求項１１】
更に、前記加圧熱水反応装置の反応生成物を、固体残渣とヘミセルロースの分解物とに分離する分離装置を有し、前記分離装置によって分離された固体残渣が前記叩解機に供給される請求項１０に記載の単糖製造装置。
【請求項１２】
更に、前記触媒反応装置の反応生成物から前記固体酸触媒を分離回収する分離装置を有する請求項１０又は１１に記載の単糖製造装置。
【請求項１３】
更に、前記加圧熱水反応装置によって生成されるヘミセルロースの分解物に固体酸触媒を作用させて単糖としてキシロースを生成するヘミセルロース系触媒反応装置を有する請求項１０〜１２の何れかに記載の単糖製造装置。
【請求項１４】
請求項１０〜１３の何れかに記載の単糖製造装置と、
前記単糖の製造装置によって得られる単糖を発酵してエタノールを生成する発酵装置とを有するエタノール製造装置。
【請求項１５】
更に、前記発酵装置の生成物に含まれるエタノールを精製する蒸留装置を有する請求項１４に記載のエタノール製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、単糖の製造方法及び製造装置並びにエタノールの製造方法及び製造装置に関し、詳細には、木質や麦藁等の植物質廃材をバイオマスとして用いてセルロース系材料の糖化及び微生物発酵によって、単糖及びバイオマスエタノールを生成する単糖の製造方法及び製造装置並びにエタノールの製造方法及び製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、石油資源の枯渇に対する解決策として、植物質を用いて微生物の発酵によってエタノールを製造するバイオマスエタノールが注目され、その生産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、得られたグルコースを発酵処理することによってエタノールを生産するプロセスが開示されている。また、下記特許文献１には、樹皮原料のアルカリ液による処理及び機械処理による微細化を経た微細樹皮を、適正なｐＨのスラリーに調製した後に併行糖化発酵するエタノールの製造方法が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−１５２０６７号公報
【非特許文献】
【０００４】
【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  Ｐ２１６〜２２３  ２００９
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
バイオマスエタノールの製造に使用される糖化酵素は、使用時間の経過と共に失活するので、十分に単糖化するには糖化酵素の補充が必要である。特に、糖化酵素に含まれるβ−グルコシダーゼは、糖化において最終的に生成されるグルコースによって阻害を受けるので、グルコースの生成に従って生成速度が低下するという問題があり、これを解決するためにβ−グルコシダーゼを追加投入する必要がある。このため、バイオマスエタノールの製造に使用される糖化酵素の量は多くなり、生産コストが高くなる。生産コストを抑えて安価にエタノールを製造するには、糖化酵素の使用量の低減が重要である。又、酵素反応による単糖化には処理時間を要するため、安価で効率的にエタノールを製造するためには、処理時間の短縮も重要である。
【０００６】
本発明の課題は、上述の問題を解決し、リグノセルロース系バイオマスの糖化における収率を低下させることなく、糖化酵素の使用量を削減可能な単糖の製造方法及びこれを用いたエタノールの製造方法を提供することである。
【０００７】
また、本発明の他の課題は、高い収率で単糖を製造可能であり、生産コストを削減可能な単糖装置、及び、これを利用して効率的にバイオマスエタノールを製造可能なエタノール製造装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明者らは、鋭意研究を重ねた結果、バイオマスを加圧熱水処理、糖化酵素処理及び固体酸触媒処理を経て糖化するプロセスにおいて、糖化酵素処理を施す前に叩解処理を行うことによって、糖化酵素の使用量及び処理時間を削減できるだけでなく、固体酸触媒処理における反応効率が向上することを見出し、本発明を完成するに至った。
【０００９】
本発明の一態様によれば、単糖の製造方法は、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工程と、前記加圧熱水反応工程後の固体残渣を叩解する叩解処理工程と、前記叩解処理工程後の固体残渣に糖化酵素を作用させる一次糖化工程と、前記一次糖化工程による生成物に固体酸触媒を作用させる二次糖化工程とを有することを要旨とする。
【００１０】
又、本発明の一態様によれば、エタノールの製造方法は、上記の単糖の製造方法によって得られる単糖を発酵してエタノールを生成する発酵工程を有することを要旨とする。
【００１１】
更に、本発明の一態様によれば、単糖製造装置は、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、前記加圧熱水反応装置の反応生成物から得られる固体残渣を叩解する叩解機と、前記叩解機によって叩解された固体残渣に糖化酵素を作用させる酵素反応装置と、前記酵素反応装置の反応生成物に固体酸触媒を作用させる触媒反応装置とを有することを要旨とする。
【００１２】
又、本発明の一態様によれば、エタノール製造装置は、上記の単糖製造装置と、前記単糖の製造装置によって得られる単糖を発酵してエタノールを生成する発酵装置とを有することを要旨とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、糖化酵素によるセルロースの酵素分解を施す前に、叩解処理を施す叩解装置を設けることによって、酵素分解における酵素使用量及び処理時間を削減可能であると共に、酵素分解によって得られる一次糖化液を固体酸触媒によって二次糖化する際の反応効率が向上し、高収率で単糖が得られる単糖の製造方法及び製造装置が提供される。これにより、糖化効率が高く生産コストが削減された単糖の製造方法を実施可能であり、バイオマスを用いた低コストで効率がよいエタノールの製造方法及び製造装置が確立される。従って、経済的に有利であり、バイオマスとしての植物質廃棄物の利用が促進され、エネルギー資源問題及び廃棄物処理問題の解消に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明に係るエタノール製造装置の一実施形態を示す概略構成図。
【図２】単糖化プロセスにおける糖収率を叩解処理の有無に基づいて比較するための棒グラフであり、（ａ）〜（ｃ）は、叩解処理がない場合を、（ｄ）〜（ｆ）は、叩解処理がある場合を示す。
【図３】固体酸触媒の機能を示すためのグラフであり、（ａ）は、糖化酵素反応及び固体酸触媒反応による生成物の糖濃度を示し、（ｂ）は、固体酸触媒反応における温度と、グルコース生成速度定数及びグルコース分解速度定数との関係を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
植物質廃棄物（リグノセルロース系バイオマス）を利用するバイオマスエタノールの生産においては、セルロース及びヘミセルロースの加水分解による糖化物をエタノール発酵する。本発明では、植物セルロースの糖化、つまり、加水分解は、加圧熱水反応、糖化酵素反応及び固体酸触媒反応の３種の工程において行う。加圧熱水反応においては、ヘミセルロースの選択的加水分解が進行し、糖化酵素反応においては、加圧熱水反応残渣であるセルロースの加水分解が進行し、各々、多糖が部分分解してオリゴ糖〜部分分解多糖が生成し（一次糖化）、一部は単糖化する。これらの加水分解反応による一次糖化液に固体酸触媒反応を施すことによって十分に糖化して、グルコース、キシロース等の単糖が生成する（二次糖化）。このような糖化プロセスで得られた単糖は、発酵することによってエタノールが生成する。
【００１６】
上記の糖化プロセスにおいて、加圧熱水反応後の残渣は、セルロースを主とする繊維塊であるが、これに糖化酵素を作用させる前に、ミル等を用いて機械的剪断力を作用させる叩解処理を施すと、糖化酵素反応が進行し易くなり、糖化酵素の使用量を削減してもセルロースからセルビオースや水溶性オリゴ糖を良好に生成できることを見出した。これは、叩解による剪断力によってセルロース繊維間の弛みや隙間が生じ、表面積が著しく増加して多孔質な残渣となるために、糖化酵素が作用し易くなると考えられる。更に、これだけではなく、糖化酵素反応の後に行う固体酸触媒反応の効率が向上することも判明した。この原因について調べると、糖化酵素による反応生成物における部分分解多糖として、固体酸触媒反応において単糖化し易い分子量のものの生成量が増加し、その結果として単糖の収率が向上すると考えられる。つまり、酵素反応前の叩解処理は、単に酵素を作用し易くするだけでなく、酵素反応による生成物の性状に影響を及ぼす。従って、叩解処理は、セルロースを糖化酵素反応及び固体酸触媒反応を経て単糖化する上で非常に有用である。
【００１７】
以下に、本発明について図面を参照して詳細に説明する。
【００１８】
図１は、本発明に係るエタノール製造装置の一実施形態を示す概略構成図である。エタノール製造装置Ａは、バイオマスＢを糖化して単糖を製造する単糖製造装置と、糖化生成物を発酵してエタノールを生成する発酵装置と、発酵生成物を蒸留してエタノールＥを精製する蒸留装置９とを有する。単糖製造装置は、加圧熱水反応装置１、固液分離器２、叩解機３、酵素反応装置４、第１触媒反応装置５及び第２触媒反応装置７を有し、第１触媒反応装置５は、セルロース由来の部分糖化物を加水分解（単糖化）し、第２触媒反応装置７はヘミセルロース由来の部分糖化物を加水分解（単糖化）する。発酵装置は、セルロース由来の糖化物を発酵してエタノールを生成する第１発酵装置６と、ヘミセルロース由来の糖化物を発酵してエタノールを生成する第２発酵装置８とからなり、各々から生成する発酵生成物Ｆ１，Ｆ２は、蒸留装置９によって蒸留してエタノールを分離精製する。
【００１９】
加圧熱水反応装置１は、ポンプ１ａ、加熱器１ｂ、水量調整弁１ｃ、耐圧性の反応槽１ｄ及び制御装置１ｅによって構成され、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２００〜２３０℃程度まで加熱して加圧熱水Ｗ’（圧力０．４〜１２ＭＰａ程度の亜臨界状態の熱水）とし、これは、水量調整弁１ｃを介してバイオマスを収容した反応槽１ｄに供給される。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開度が調節可能な電子制御弁であり、加熱器１ｂから反応槽１ｄへ供給される加圧熱水Ｗ’の流量を適正に調整する。制御装置１ｅは、加熱器１ｂに出力する温度制御信号、及び、水量調整弁１ｃに出力する水量制御信号によって、反応槽１ｄに供給される加圧熱水Ｗ’の温度及び流量を調節し、反応槽１ｄにおけるバイオマスの加水分解条件を上述のように制御する。加水分解条件は、例えば、加圧熱水Ｗ’の供給量Ｑ（ml）とバイオマス供給量Ｖ（ｇ）との比率Ｋ（＝Ｑ／Ｖ）、加圧熱水Ｗ’の温度Ｔ（℃）として設定することができる。反応槽１ｄから排出される熱水の熱エネルギーを回収して、加熱器１ｂに供給される水に供給再利用する熱交換器を設けると、エネルギー効率を改善できる。
【００２０】
反応槽１ｄは、外部から原料として供給される一定量のリグノセルロース系バイオマスを収容し、水量調整弁１ｃを通じて供給される加圧熱水Ｗ’をバイオマスに添加・作用させて、バイオマスに含まれるヘミセルロースが選択的に加水分解されて可溶化する。加圧熱水で加水分解する場合にセルロースは２４０〜３００℃程度の温度を必要とするのに比べ、ヘミセルロースは、セルロースより低温の２３０℃程度以下で分解可溶化するので、加圧熱水反応装置１においてバイオマスを１５０〜２３０℃で処理することによって、バイオマスに含まれるヘミセルロースが選択的に部分分解・可溶化してオリゴ糖を含む多糖類の含水液体となり、反応生成物は、ヘミセルロース由来のオリゴ糖を含む含水液体と、分解しないセルロース及びリグニンを含む固体残渣との混合物となる。反応槽１ｄの反応様式は、連続通水式でも回分式でも良いが、連続通水式の場合では、加圧熱水が槽内に５〜１２０分程度滞留可能となるように構成する。
【００２１】
加圧熱水反応装置１から排出される反応生成物は、固液分離器２に供給され、ヘミセルロース由来分解物である液状糖化物の部分と、セルロース及びリグニンを含む固体残渣Ｓとに分離される。固体残渣Ｓは、叩解機３に供給された後に、酵素反応装置４及び第１触媒反応装置５によって処理される。液状部分は、ヘミセルロースの一次糖化液Ｈ１として第２触媒反応槽値７に供給される。
【００２２】
叩解機３は、固液分離器２から供給される固体残渣Ｓに剪断力を加え、これによって固体残渣の繊維間に弛みや隙間を生じさせて柔軟な多孔質状に加工する。得られる固体残渣Ｓ’は、表面積が著しく増加する。叩解機３として、例えば、解繊処理等に使用されるレファイナー、ディスパージャーや、破砕処理等に使用されるボールミル等のミル類等が挙げられるが、これらに限ることなく、剪断力を加えられるものを適宜利用することができる。叩解条件は、乾式及び湿式の何れでも良いが、加圧熱水反応後の含水状態で叩解すると、装置の負担が少なく、処理効率もよい。叩解時間や加える負荷等の叩解条件は、叩解処理後の固体残渣Ｓ’が好適な比表面積となるように固体残渣Ｓの状況に応じて適宜設定すればよく、叩解によって、比表面積が好ましくは５０ｍ２／ｇ程度以上、より好ましくは８０〜３００ｍ２／ｇ程度の固体残渣Ｓ’を調製する。尚、本発明において、固体残渣の比表面積は、試料に真空加熱脱気（６０℃、６時間）による前処理を施し、ＢＥＴ法（Ｎ２ガス吸着法）に従って測定した値（詳細は、実施例参照）を用いる。
【００２３】
叩解機３によって叩解された固体残渣Ｓ’は、酵素反応装置４に供給される。酵素反応装置４は、攪拌機及び温度制御機構を備え、必要に応じて攪拌が可能なように水分量を調節した固体残渣Ｓ’に糖化酵素であるセルラーゼを添加・混合し、酵素が活性な温度に維持して攪拌することによって、セルラーゼの作用により固体残渣Ｓ’中のセルロースが加水分解し、セルロースの部分糖化物であるセロビオース（グルコースの２量体）を主とする分解生成物が一次糖化液Ｃ１として得られる。セルラーゼは、複数種の糖化酵素の集合体として一般的に知られており、主成分としてβ−グルカナーゼを含んでいる。β−グルカナーゼは、セルロースを水溶性オリゴ糖（グルコースの２〜６量体）に加水分解する糖化酵素として知られている。一次糖化液Ｃ１は、水溶性オリゴ糖及び水不溶性の懸濁態多糖を含んでおり、水溶性オリゴ糖の含水液体に懸濁態多糖が分散した流動液状である。懸濁態多糖は、セルロースの部分分解物で、具体的には、重合度７〜３０００のグルコース重合体やグルコースの６量体であるセロヘキサオース結晶を含む懸濁粒子であり、後続の固体酸触媒反応によってグルコースに分解可能である。酵素反応装置４の温度は、使用する糖化酵素に応じて適正な酵素活性が得られるように４０〜９０℃程度の範囲で適宜調整する。酵素反応装置４の温度調節を容易にするためには、酵素反応装置４に導入される固体残渣Ｓ’の温度が５０〜１００℃程度であると好適であり、必要に応じて、加圧熱水反応後の固体残渣の温度を低下させるための冷却器を叩解機３の前段又は後段に設けてもよい。耐熱性酵素を用いると、冷却器の冷却能を低減可能である。本発明においては、叩解処理によって固体残渣Ｓ’の糖化が進行し易くなるため、糖化酵素の使用量を削減することができ、セルロース１ｇ当たり０．２５ｇ以下の少ない酵素量を用いて１２時間程度以内に未反応セルロースを実質的に消失させて酵素分解を終了することができる。
【００２４】
酵素反応装置４において生成するセルロースの一次糖化液Ｃ１は、第１触媒反応装置５に供給される。必要に応じて、一次糖化液Ｃ１に残存し得る固体残渣（リグニン等）を除去するための手段として、ベルトプレス等の分離装置を第１触媒反応装置５の前段に設けても良い。第１触媒反応装置５は、温度制御機構を有する第１混合装置５ａと、第１固液分離装置５ｂとを備え、一次糖化液Ｃ１は、第１混合装置５ａにおいて９０℃以上１２０℃未満の温度で固体酸触媒Ｘと混合・攪拌される。一次糖化液Ｃ１のオリゴ糖及び懸濁態多糖は、固体酸触媒Ｘの作用によって加水分解されてグルコース（セルロースを構成する単糖）が生成し、反応生成物として、グルコースを主成分とする二次糖化液Ｃ２と固体酸触媒Ｘとの混合物が得られる。
【００２５】
第１混合装置５ａでの加水分解を終えた反応生成物は、第１固液分離装置５ｂに投入され、固液分離される。これにより、グルコースを主成分とする二次糖化液Ｃ２が上澄みとして分離されて、第１発酵装置６に送出される。沈降分離した固体酸触媒Ｘは回収した後、第１混合装置５ａに戻して再度使用される。第１固液分離装置５ｂは、一般的に沈殿槽として使用可能なものであればよい。
【００２６】
第１固液分離装置５ｂから第１発酵装置６に供給された二次糖化液Ｃ２は、発酵に適した条件となるように適宜水分量及びｐＨを調整し、発酵微生物を接種して発酵原液に調製し、発酵微生物の作用によってグルコースをエタノールに変換する。エタノール発酵に利用する発酵微生物としては、酵母等の公知のエタノール発酵微生物を用いることができる。発酵微生物の繁殖・活動に必要な栄養源を添加することが好ましい。必要に応じて、発酵が進行し易い温度に保持するための温度制御機構を付設するとよい。
【００２７】
第１発酵装置５から排出される発酵生成物Ｆ１は、蒸留装置９に供給して蒸留することによって、精製エタノールが回収される。発酵生成物Ｆ１は固形物を含み、これを除去せずにそのまま蒸留しても良い。必要に応じて、発酵生成物Ｆ１から固形物（リグニン、発酵微生物等）を除去するための濾過装置を設けると、液状物のみを蒸留することができる。濾過等によって発酵生成物Ｆ１から分離される固形物は、バイオマスの糖化工程に導入しても良い。
【００２８】
一方、固液分離器２によって分離されたヘミセルロース由来の一次糖化液Ｈ１は、第２触媒反応装置７に供給される。第２触媒反応装置７は、温度制御機構を有する第２混合装置７ａと、第２固液分離装置７ｂとを備え、一次糖化液Ｈ１は、第２混合装置７ａにおいて９０℃以上１２０℃未満の温度で固体酸触媒Ｘと混合・攪拌される。一次糖化液Ｈ１のヘミセルロース由来オリゴ糖は、固体酸触媒Ｘの作用によって加水分解されて、キシロースやアラビノース（ヘミセルロースを構成する五炭糖）等を含む単糖が生成し、これらを含む二次糖化液Ｈ２が得られるので、反応生成物は、キシロースを含む二次糖化液Ｈ２と固体酸触媒Ｘとの混合物となる。第２触媒反応装置７で使用する固体酸触媒Ｘは、第１触媒反応装置５で使用可能なものから同一又は異なるものを適宜選択して良い。
【００２９】
第２混合装置７ａでの加水分解反応を終えた反応生成物は、第２固液分離装置７ｂに投入され、投入された反応生成物中の固体酸触媒Ｘを沈降させることにより、上澄みとして二次糖化液Ｈ２が分離され、これは第２発酵装置８に送出される。沈降分離した固体酸触媒Ｘは回収した後、第２混合装置７ａに戻して再度使用される。第２固液分離装置７ｂは、一般的に沈殿槽として使用可能なものであればよい。
【００３０】
第２固液分離装置７ｂから第２発酵装置８に供給された二次糖化液Ｈ２は、発酵に適した条件となるように適宜水分量及びｐＨを調整し、発酵微生物を接種して発酵原液に調製し、発酵微生物の作用によってキシロース等をエタノールに変換する。使用する発酵微生物は、キシロース発酵能を有する微生物である。発酵微生物の繁殖・活動に必要な栄養源を添加することが好ましい。必要に応じて、発酵が進行し易い温度に保持するための温度制御機構を付設するとよい。
【００３１】
第２発酵装置７から排出される発酵生成物Ｆ２は、蒸留装置９に供給して蒸留することによって、精製エタノールが回収される。発酵生成物Ｆ２は固形物を含み、これを除去せずにそのまま蒸留しても良い。必要に応じて、発酵生成物Ｆ２から固形物（リグニン、発酵微生物等）を除去するための濾過装置を設けると、液状物のみを蒸留することができる。濾過等によって発酵生成物Ｆ２から分離される固形物は、バイオマスの糖化工程に導入しても良い。発酵生成物Ｆ２の蒸留は、第１発酵装置５から得られる発酵生成物Ｆ１と一緒に、又は、個別に行うことができる。
【００３２】
加圧熱水反応装置１の反応槽１ｄからは、ブロー水が排出される。又、第１発酵装置６及び第２発酵装置８からは、エタノール発酵の改訂で生じる水が排出される。これらの排水Ｄは、排水処理装置１０に供給されて適宜浄化処理を施した後に外部に排出される。
【００３３】
上述のように構成されるエタノール製造装置において実施される、単糖及びエタノールの製造方法について以下に説明する。
【００３４】
原料として使用するバイオマスＢは、リグノセルロース系素材であれば良く、例えば、木材、間伐材、樹皮等の木質材や、稲藁、麦藁、籾殻等の草本類、パルプや廃棄紙、綿布、麻布、人工セルロース材等の繊維材が挙げられ、特に、ヘミセルロースを含む木質材等の植物性素材を効率的に糖化・発酵することができる。反応効率の観点から、このようなバイオマスＢを予め粒状に粉砕しておくとよく、粒径１０mm程度以下、具体的には５〜１０mm程度の粒子に調製すると好ましい。
【００３５】
加圧熱水反応装置１において、反応槽１ｄに、外部から原料として供給される一定量のバイオマスを収容し、制御装置１ｅから入力される温度制御信号によって加熱器１ｂを調節して、ポンプ１ａから流入する加圧水を１５０〜２３０℃程度に加熱して加圧熱水Ｗ’（圧力０．４〜１２ＭＰａ程度の亜臨界状態の熱水）とし、水量調整弁１ｃを介してバイオマスを収容した反応槽１ｄに供給される。制御装置１ｅから入力される流量制御信号によって水量調整弁１ｃの開度を調節して、加熱器１ｂから反応槽１ｄへ供給される加圧熱水Ｗ’の流量を適正に調整する。加圧熱水をバイオマスに添加・作用させると、バイオマスに含まれるヘミセルロースが選択的に加水分解されて可溶化・液状化する。木質素材は、セルロースを主成分とし、ヘミセルロース及びリグニンを含むリグノセルロース系バイオマスであり、加圧熱水で加水分解する場合にセルロースは２４０〜３００℃程度の温度を必要とするのに比べ、ヘミセルロースは、セルロースより低温の１５０〜２３０℃程度で分解可溶化するので、木質素材を加圧熱水反応装置によって処理した反応生成物は、ヘミセルロースから部分分解・可溶化したオリゴ糖を含む多糖類の含水液体と、分解しないセルロース及びリグニンの固体残渣とを含む固液混合物となる。加圧熱水の供給形態は連続通水式でも回分式でも良いが、連続通水式の場合は、加圧熱水の槽内滞留時間が５〜１２０分程度となるように通水速度を調節し、１０〜１２０分程度反応させる。
【００３６】
加圧熱水反応装置１の反応生成物は、固液分離器２に供給されて、ヘミセルロース分解物の液状糖化物部分と、セルロース及びリグニンを含む固体残渣Ｓとに分離される。液状部分は、第２触媒反応装置７に供給され、固体残渣Ｓは、叩解機３に供給される。
【００３７】
叩解機３において、固液分離器２から供給される固体残渣Ｓを叩解して剪断力を加え、これによって固体残渣の繊維間に弛みや隙間が生じて柔軟な多孔質状になり、表面積が著しく増加する。固体残渣Ｓは、乾式及び湿式の何れの状態で叩解しても良いが、加圧熱水反応後の含水状態で叩解すると、装置の負担が少なく、処理効率もよい。叩解処理後の固体残渣Ｓ’の比表面積が好ましくは５０ｍ２／ｇ程度以上、より好ましくは８０〜３００ｍ２／ｇ程度となるように、叩解時間や加える負荷等の叩解条件を、固体残渣Ｓの状況に応じて適宜設定する。本発明において用いる固体残渣の比表面積は、試料に真空加熱脱気（６０℃、６時間）による前処理を施し、ＢＥＴ法（Ｎ２ガス吸着法）に従って測定した値である（詳細は、実施例参照）。
【００３８】
叩解機３によって叩解された固体残渣Ｓ’は、酵素反応装置４に供給されて、糖化酵素であるセルラーゼを含む水性液が添加・混合され、酵素が活性な温度に維持される。セルラーゼの作用によって固体残渣Ｓ’中のセルロースが分解し、セルロースの一次糖化液Ｃ１として、水溶性オリゴ糖であるセロビオース（グルコースの２量体）を主とする分解物が得られる。セルラーゼは、複数種の糖化酵素の集合体として一般的に知られており、主成分としてβ−グルカナーゼを含んでいる。β−グルカナーゼは、セルロースを水溶性オリゴ糖（グルコースの２〜６量体）に加水分解する糖化酵素として知られている。又、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ってグルコースに分解される。一次糖化液Ｃ１は、水溶性オリゴ糖及び水不溶性の懸濁態多糖を含んでおり、水溶性オリゴ糖の含水液体に懸濁態多糖が分散した流動液状である。懸濁態多糖は、セルロースの部分分解物であって、７量体以上のグルコース重合体やグルコースの６量体であるセロヘキサオースの結晶であり、後続の固体酸触媒反応によってグルコースに分解可能である。
【００３９】
酵素反応装置４で用いる糖化酵素は、市販品として入手可能な一般的な糖化酵素を使用でき、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り、耐熱性酵素は、７０〜９０℃程度において酵素活性が最大になるので、酵素反応装置４の温度は、使用する糖化酵素に応じて適正な酵素活性が得られるように適宜調整する。酵素反応装置４の温度調節を容易にするためには、酵素反応装置４に導入される固体残渣Ｓ’の温度が９０〜１００℃程度であると好適であり、必要に応じて、加圧熱水反応後の固体残渣の温度を低下させるための冷却器を叩解機３の前段又は後段に設けてもよい。耐熱性酵素を用いると、冷却器の冷却能を低減可能であり、又、酵素反応装置４の温度と第１混合装置５ａの温度とを近づけることができるので、温度調節におけるエネルギーの使用効率を改善できる。
【００４０】
加圧熱水反応後の固体残渣Ｓを、叩解処理せずに糖化酵素反応を施すと、糖化酵素を削減することによって分解速度が減少し、分解率も低下する（図２の（ａ）〜（ｃ）参照）が、叩解処理を経た固体残渣Ｓ’を糖化酵素反応させると、糖化酵素を削減しても分解速度をある程度維持することが可能であるだけでなく、糖化酵素によって懸濁態多糖に分解される速度が高くなり、分解率も高くなる（図２の（ｄ）〜（ｆ）参照）。この理由は定かではないが、セルロース表面に接触した糖化酵素は、接触部位で分解した後に移動することが分解反応を進行させる上で必要であり、叩解処理によって、糖化酵素が繊維間へ侵入したり反応部位を移動することが容易になるために、懸濁態多糖への分解が容易になると考えられる。この結果、糖化酵素の使用量を削減しても、酵素反応時間を延長せずにセルロースを消尽して一次糖化液Ｃ１に転換することができ、後続の固体酸触媒反応によって一次糖化液Ｃ１の懸濁態多糖から単糖化される量が増加して単糖回収率が高まる。従って、固体残渣の叩解処理は、酵素反応及び固体酸触媒反応によってセルロースを単糖化する方法において極めて有用である。
【００４１】
酵素反応装置４において生成するセルロースの一次糖化液Ｃ１は、第１混合装置５ａにおいて９０℃以上１２０℃未満の温度で固体酸触媒Ｘと混合・攪拌すると、一次糖化液Ｃ１のオリゴ糖及び懸濁態多糖は、固体酸触媒Ｘの作用によって良好に加水分解されてグルコース（セルロースを構成する単糖）が生成し、グルコースを主成分とする二次糖化液Ｃ２が得られる。使用する固体酸触媒Ｘとしては、ゼオライト、アルミナ、シリカ等の無機固体酸や、樹脂等の有機素材のスルホン化処理等によって酸性基を導入したもの等が挙げられ、接触表面積を多くするために粉末状又は粒子状の固体酸触媒が用いられる。本発明においては、有機炭素材を炭化処理した後にスルホン化処理したスルホン化カーボン系のものが好ましい。スルホン化カーボン系固体酸触媒は、木質類／又は草本類等の有機炭素材を窒素等の不活性ガス雰囲気下で加熱処理することにより得られるアモルファス状の黒色固体（炭化物）を濃硫酸または発煙硫酸中で加熱処理して炭化物の骨格にスルホン基を付加し、熱水洗浄することによって得られる。炭化及びスルホン化を同時に行ってもよく、炭化及びスルホン化の処理温度は、用いる有機物の種類によって適宜選択される。固体酸触媒Ｘの使用量は、一次糖化液Ｃ１に対して５〜２０質量％が好ましい。反応時間は、概して１〜１０時間程度であればよい。
【００４２】
第１混合装置５ａでの加水分解反応を終えた反応生成物は、第１固液分離装置５ｂに供給され、反応生成物中の固体酸触媒Ｘを沈降させる。上澄みとしてグルコースを主成分とする二次糖化液Ｃ２が分離されて、第１発酵装置６に送出され、沈降分離した固体酸触媒Ｘは回収した後、第１混合装置５ａに戻して再度使用される。
【００４３】
第１固液分離装置５ｂから第１発酵装置６に供給された二次糖化液Ｃ２は、発酵に適した条件となるように適宜水分量及びｐＨを調整し、発酵微生物を接種して発酵原液に調製し、発酵微生物の作用によってグルコースをエタノールに変換する。エタノール発酵に利用する発酵微生物としては、酵母等の公知のエタノール発酵微生物を用いることができ、例えば、サッカロミセス・セルビシエ、シゾサッカロミセス・ポンベ、ブレタノミセス・クステルシィ、サルシナ・ベントリクリ、クリュイベロミセス・フラジリス、ザイモモナス・モビリス、クルイベロミセス・マルキシアヌス等が挙げられる。また、エタノールへの変換能を有する酵素遺伝子を遺伝子組換えにより導入した細菌を利用してもよい。凝集性酵母を用いると、沈降性がよいので、発酵後の固液分離において好都合であり、酵母が周囲の微生物群の加水分解酵素によって分解されたアミノ酸等を栄養源として利用する上で有利な形態でもあるので、発酵効率の向上にも有用である。発酵の際、発酵微生物の繁殖・活動に必要な栄養源を添加し、至適ｐＨに調整することが好ましい。酵母が活動・増殖するためには、リン、窒素、ビタミン類等の必須栄養素や、Ｃｏ，Ｎｉ，Ｚｎ等の要求微量元素が必要であり、また、バイオマスエタノールの生産に使用される酵母は、ビタミン又はアミノ酸等の合成能力が低いか、或いは、欠如している場合がある。このような必要成分を外部から添加する発酵微生物の栄養源として、酵母エキス、ポリペプトンなどが一般的に使用できる。或いは、茶殻やコーヒー殻等の植物性廃棄物や藻類の破砕物を利用しても良く、これらの細胞原形質に含まれる成分を上記栄養源として利用できる。
【００４４】
発酵原液の糖化物（グルコース）濃度は、１〜２０質量％程度、好ましくは１０質量％程度となるように調整する。微生物用栄養源の添加量（乾燥物換算）は、発酵微生物の種類等に応じて適宜調節され、概して０．１〜１質量％程度、好ましくは０．２〜０．５質量％程度に設定するとよい。発酵原液のｐＨは、２．５〜５．５程度、好ましくは３．０〜５．５程度に調整し、発酵微生物を１〜３０ｇ／Ｌ程度の割合で接種して、温度３０〜３７℃程度に２〜４８時間程度保持することによって発酵が進行する。例えば、グルコース濃度が１０質量％程度の発酵原液を用いて、２０〜２５ｇ-エタノール／（Ｌ・ｈ）程度の速度でエタノールを生産することができる。
【００４５】
上述のようにして第１発酵装置５における発酵を経た発酵生成物Ｆ１は、必要に応じて、発酵生成物Ｆ１から固形物（リグニン、発酵微生物等）を濾過等によって除去した後に、蒸留装置９において蒸留することによってエタノールが回収される。発酵生成物Ｆ１から固形分を除去せずにそのまま蒸留しても良い。発酵生成物Ｆ１から分離される固形物は、バイオマスの糖化工程に導入しても良い。
【００４６】
一方、固液分離器２によって分離されたヘミセルロース由来の一次糖化液Ｈ１は、第２触媒反応装置７に供給され、第２混合装置７ａにおいて９０℃以上１２０℃未満の温度で固体酸触媒Ｘと混合・攪拌される。一次糖化液Ｈ１のヘミセルロース由来オリゴ糖は、固体酸触媒Ｘの作用によって加水分解されて、キシロースやアラビノース（ヘミセルロースを構成する五炭糖）等を含む単糖が生成し、これらを含む二次糖化液Ｈ２が得られる。第２触媒反応装置７で使用する固体酸触媒Ｘは、第１触媒反応装置５で使用可能なものから同一又は異なるものを適宜選択でき、木質類及び／又は草本類を炭化処理した後にスルホン化処理によって得られるスルホン化炭素材の使用が好ましい。固体酸触媒Ｘの使用量についても、第１触媒反応装置５と同様に、一次糖化液Ｈ１に対して５〜２０質量％が好ましく、反応時間は、概して１〜１０時間程度であればよい。
【００４７】
第２混合装置７ａでの加水分解反応を終えた反応生成物は、第２固液分離装置７ｂに投入され、反応生成物中の固体酸触媒Ｘを沈降させ、上澄みとして二次糖化液Ｈ２が分離される。これは、第２発酵装置８に送出される。沈降分離した固体酸触媒Ｘは回収した後、第２混合装置７ａに戻して再度使用される。
【００４８】
第２固液分離装置７ｂから第２発酵装置８に供給された二次糖化液Ｈ２は、発酵に適した条件となるように適宜水分量及びｐＨを調整し、発酵微生物を接種して発酵原液に調製し、発酵微生物の作用によってキシロース等をエタノールに変換する。エタノール発酵に利用する発酵微生物としては、サッカロミセス属酵母、リゾプス属糸状菌（Rhizopus oryzae）等のキシロース発酵能を有する微生物が挙げられる。また、エタノールへの変換能を有する酵素遺伝子を遺伝子組換えにより導入した細菌を利用してもよい。凝集性酵母を用いると、沈降性がよいので、発酵後の固液分離において好都合であり、酵母が周囲の微生物群の加水分解酵素によって分解されたアミノ酸等を栄養源として利用する上で有利な形態でもあるので、発酵効率の向上にも有用である。
【００４９】
上述のようにして第２発酵装置７における発酵を経た発酵生成物Ｆ２は、必要に応じて、発酵生成物Ｆ２から固形物（リグニン、発酵微生物等）を濾過等によって除去した後に、蒸留装置９において蒸留することによって精製エタノールが回収される。発酵生成物Ｆ２から固形分を除去せずにそのまま蒸留しても良い。発酵生成物Ｆ２から分離される固形物は、バイオマスの糖化工程に導入しても良い。発酵生成物Ｆ２の蒸留は、第１発酵装置５から得られる発酵生成物Ｆ１と一緒又は個別に行うことができる。
【００５０】
図１のエタノール製造装置において、叩解後の固体残渣Ｓ’を酵素反応装置４に投入する前段に、リグニンを除去するための処理装置を備えると、酵素反応装置４において固体残渣Ｓ’のセルロースに対する糖化酵素の作用効率が向上するので、セルロースの分解速度を高め、糖化効率を向上させることができる。
【００５１】
固体酸触媒には、粉末状やペレット状のものがあり、第１触媒反応装置５及び第２触媒反応装置７でペレット状のものを用いる場合には、液体が容易に流通するメッシュ製等の透過性容器内に固体酸触媒を保持して一次糖化液Ｈ１，Ｃ１中に浸漬固定し、一次糖化液を流動させて固体酸触媒ペレット間を一次糖化液が流通するように構成することができる。このような固定床型固体酸触媒を採用することで、第１触媒反応装置及び第２触媒反応装置における固液分離に関する装置構成を簡略化することができる。
【００５２】
図３の（ｂ）は、固体酸触媒反応におけるグルコース生成速度定数ｋＧＰ０及びグルコース分解速度定数ｋＣＤ０と温度との関係を示すが、このグラフから、固体酸触媒反応は９０℃以上において良好に進行することが分かる。又、グルコースの分解を抑制するために１００℃以上１２０℃未満の反応温度が好ましいことが理解される。
【００５３】
従って、酵素反応装置４において一般的な糖化酵素を使用する場合に、エネルギー効率の観点から酵素反応装置４の温度と第１混合装置５ａの温度とを近づけるには、第１混合装置５ａにおける固体酸触媒反応の温度を低めの５０℃程度に設定することになるが、この場合、固体酸触媒反応の速度が低下するので、これを補うには、第１混合装置５ａで使用する固体酸触媒Ｘを増量する。
【００５４】
また、第１発酵装置及び／又は第２発酵装置６において、発酵微生物として、クロストリジウム・アセトブチリカム、クロストリジウム・ベイジェリンキ、クロストリジウム・オーランチブチリカム、クロストリジウム・テタノモーファム等の微生物を利用して、ブタノール等のアルコールやアセトン等を発酵によって製造するように変更することが可能であり、エタノール以外の有用アルコール類、ケトン類の製造に応用することができる。同様に、ヒドロキシメチルフルフラールやフルフラール等の生成にも応用可能である。
【実施例１】
【００５５】
＜叩解処理を施さない場合の糖化＞
（木質バイオマスの加圧熱水反応）
木質バイオマスとして、スイートソルガムバガス（含水率３０質量％）３００ｇを細かく粉砕したものを用意し、バッチ式の加圧熱水反応装置（オーエムラボテック社製ＯＭＬ−５）に充填して、２００℃の加圧熱水３Ｌを供給して２０分間反応させた。反応生成物を加圧熱水反応装置から取り出し、３０００Ｇの遠心力を加えて１５分間遠心分離することによってヘミセルロース由来の糖化液を除去し、固体残渣Ｓ（１３８２ｇ-wet、含水率８４．３２質量％）を得た。
【００５６】
（固体残渣Ｓの糖化酵素反応）
１．３ｇの固体残渣Ｓをバイアル瓶に入れて、脱塩水１．７mlを加え、糖化酵素（NOVOZYME社製セルラーゼＣＴｅｃ２）を異なる割合で添加した３種の試料（ａ）〜（ｃ）を各３個ずつ用意した。各料の糖化酵素の添加割合は、（ａ）０．１ｇ-酵素／ｇ-セルロース、（ｂ）０．１７ｇ-酵素／ｇ-セルロース、及び、（ｃ）０．２５ｇ-酵素／ｇ-セルロースとした。これらを試験管用混合攪拌機（ラビンコ社製ロックンローラーＬ２０１）に装着し、５０℃の恒温槽内で速度１０rpmで攪拌することにより酵素反応を進行させ、６時間、２４時間又は４８時間経過したところで反応を終了して、試料中のグルコース（図中、Ｇで表示）、水溶性セロオリゴ糖（ＯＳ）、及び、懸濁態多糖（ＰＳ、重合度７〜３０００のグルコース多糖）の収率を下記の操作に従って測定した。結果を図２の（ａ）〜（ｃ）のグラフに示す。
【００５７】
＜叩解処理を施した場合の糖化＞
（固体残渣の叩解処理）
上述の木質バイオマスの加圧熱水反応に従って、同様に固体残渣Ｓを調製し、遊星型ボールミル（FRISCH社製Ｐ−５）のジルコニア製容器に１２７．５５ｇ-wet投入した。固体残渣Ｓに水を加えて総量を２５０ｇに調整し、φ２０mmのジルコニア製ボール（FRISCH社製）２５個を用いて、回転数２５０ｒｐｍで６０分間叩解処理を行い、叩解後の固体残渣Ｓ’を得た。
【００５８】
（固体残渣Ｓ’の糖化酵素反応）
１．３ｇの固体残渣Ｓをバイアル瓶に入れて、脱塩水１．７mlを加え、糖化酵素（NOVOZYME社製セルラーゼＣＴｅｃ２）を異なる割合で添加した３種の試料（ｄ）〜（ｆ）を３個ずつ用意した。各料の糖化酵素の添加割合は、（ｄ）０．１ｇ-酵素／ｇ-セルロース、（ｅ）０．１７ｇ-酵素／ｇ-セルロース、及び、（ｆ）０．２５ｇ-酵素／ｇ-セルロースとした。これらを試験管用混合攪拌機（ラビンコ社製ロックンローラーＬ２０１）に装着し、５０℃の恒温槽内で速度１０rpmで攪拌することにより酵素反応を進行させ、６時間、２４時間又は４８時間経過したところで反応を終了して、試料中のグルコース（Ｇ）、水溶性セロオリゴ糖（ＯＳ）、及び、懸濁態多糖（ＰＳ、重合度７〜３０００のグルコース多糖）の収率を下記の操作に従って測定した。結果を表２の（ｄ）〜（ｆ）のグラフに示す。
【００５９】
＜糖収率の測定＞
（グルコース（Ｇ）及び水溶性セロオリゴ糖（ＯＳ）の収率）
試料をガラス繊維濾紙（WHATMAN社製、型式：１８２１−０４７）を用いて濾過し、得られた濾液に含まれるグルコース及び重合度２〜６のセロオリゴ糖を高速液体クロマトグラフ（ＨＰＬＣ）を用いて定量し、固体残渣中セルロース量に対する質量比としてグルコース（Ｇ）及び水溶性セロオリゴ糖（ＯＳ）の各収率を算出した。
【００６０】
（懸濁態多糖（ＰＳ）の収率）
試料を３０分間静置し、ピペットを用いて上澄みを取り出して、上澄みに含まれる全糖量をフェノール硫酸法に従って測定した。この全糖量から、上述のグルコース及び水溶性オリゴ糖の測定で定量されたグルコース量及び水溶性セロオリゴ糖量を差し引いて、上澄みに含まれる懸濁態多糖量を得、固体残渣中セルロース量に対する質量比として懸濁態多糖（ＰＳ）の収率を算出した。
【００６１】
＜叩解処理の有無による比較＞
糖収率の測定結果において水溶性セロオリゴ糖（ＯＳ）が殆ど見られないことから、上記の糖化酵素反応においては、オリゴ糖の加水分解は容易に進行する。
【００６２】
グルコース（Ｇ）の収率について図２の（ａ）〜（ｃ）の結果を見ると、叩解処理を施さずに糖化酵素反応を行った場合、酵素の添加量を削減すると、糖化速度が明らかに低下して反応時間の短縮が困難になる。これに比べ、叩解処理を施した後に糖化酵素反応を行った図２の（ｄ）〜（ｆ）の結果では、全般的にグルコースの収率が増加し、酵素の添加量を削減しても糖収率は低下し難く、糖化速度はかなり維持できる。更に、懸濁態多糖（ＰＳ）の収率について図２の（ａ）〜（ｃ）と（ｄ）〜（ｆ）とを比較すると、叩解処理を経た試料では懸濁態多糖（ＰＳ）の収率が高く、特に酵素の添加量が少ない（ｄ）の場合や反応初期（６時間）の結果において顕著であることから、叩解処理によって懸濁態多糖（ＰＳ）が生成し易くなることが明らかである。この点は、懸濁態多糖の収率測定において試料を静置した際に、試料（ａ）〜（ｃ）の試料で見られた沈降固体残渣の存在が（ｅ），（ｆ）及び２４時間異常反応させた（ｄ）の試料で殆ど見られなかったことからも理解される。
【００６３】
糖化酵素反応において、反応時間を伸長すれば全てをグルコースに分解可能であるが、糖化速度は次第に減衰するので、これは効率的ではない。これに対し、懸濁態多糖（ＰＳ）及び水溶性セロオリゴ糖（ＯＳ）は，固体酸触媒反応によって容易にグルコースに分解可能である（実施例２参照）ので、糖化酵素反応において少なくとも懸濁態多糖（ＰＳ）に分解すれば、固体酸触媒反応によって単糖化できる。つまり、（ｄ）の試料では２４時間、（ｅ）及び（ｆ）の試料では６時間の糖化酵素反応を施すことによって、固体酸触媒反応で十分に単糖化できる一次糖化液が得られる。従って、糖化酵素反応における懸濁態多糖の生成を促進可能である叩解処理は、糖化酵素反応と固体酸触媒反応との組み合わせによってセルロース系バイオマスを単糖化するプロセスにとって極めて有用であり、糖収率を低下させずに、糖化酵素反応時間の短縮及び添加酵素量の削減を実現可能な極めて有効な手段である。
【００６４】
＜固体残渣の比表面積＞
加圧熱水反応によって得られた固体残渣Ｓ、及び、叩解処理後の固体残渣Ｓ’について、以下の操作に従って比表面積の測定を行った。
【００６５】
（脱水処理）
濃度が３０％、５０％、７０％、９０％、９５％及び９９％の（含水）エタノールを各々２０ml用意した。
【００６６】
試料として固体残渣を１０g分取して容器に入れ、低い濃度のエタノールから順に用いて、エタノール中への試料の浸漬（１５分間）とデカンテーションによるエタノール除去とを繰り返すことによって試料から水を除去した。尚、浸漬の際には、容器に蓋をした。
【００６７】
（固定化処理）
脱水処理後の試料にｔ-ブタノールを加えて試料を浸漬し、１５分間静置した。この後、デカンテーションによりｔ-ブタノールを除去した。この浸漬とデカンテーションを繰り返して５回行った後、再度ｔ-ブタノールを加えて試料を浸漬し、容器に蓋をして封止し、冷蔵庫内で１０分間静置した。ｔ-ブタノールが凝固しているのを確認し、冷蔵庫から取り出した容器を真空デシケータ内に移して蓋を取り、デシケータを減圧してｔ-ブタノールを留去した。
【００６８】
（比表面積測定）
測定装置としてカンタクローム社製ＡＵＴＯ  ＳＯＲＢ−１ＭＰを使用して、前処理として６０℃での真空加熱脱気を６時間行った後に、試料の比表面積をＢＥＴ法（Ｎ２ガス吸着法）による比表面積の測定を行った（ＪＩＳ  Ｚ８８３０参照）。
【００６９】
測定の結果、叩解処理を行わない固体残渣Ｓの比表面積は、４５ｍ２／ｇであり、叩解処理を経た固体残渣Ｓ’の比表面積は、９１ｍ２／ｇであった。
【実施例２】
【００７０】
木質バイオマスとして、スイートソルガムバガス（含水率３０質量％）３００ｇを細かく粉砕したものを用意し、バッチ式の加圧熱水反応装置（オーエムラボテック社製ＯＭＬ−５）に充填して、２００℃の加圧熱水３Ｌを供給して２０分間反応させた。反応生成物を加圧熱水反応装置から取り出し、３０００Ｇの遠心力を加えて１５分間遠心分離することによってヘミセルロース由来の糖化液を除去した。得られた固体残渣１３８２ｇ（含水率８４．３２質量％）から、１２７．５５ｇの固体残渣を分取して、以下の操作の固体残渣Ｓとして用いた。
【００７１】
固体残渣Ｓに糖化酵素（NOVOZYME社製セルラーゼＣＴｅｃ２）を１．５ｇ／Ｌとなる割合で添加して温度を５０℃に保持し、攪拌装置を用いて速度１００rpmで攪拌することにより、酵素反応を進行させた。反応時間が１２時間及び４０時間における反応生成物の試料をサンプリングし、４０時間で糖化酵素反応を終了した。
【００７２】
アモルファス状炭化物をスルホン化したカーボン系固体酸触媒７５ｇを用意し、上述の糖化酵素反応の生成物に加えて温度を９０〜１００℃に保持し、攪拌装置を用いて速度２００rpmで攪拌することにより、固体酸触媒反応を５時間行った。
【００７３】
糖化酵素反応時間が１２時間及び４０時間の試料、及び、固体酸触媒反応後の生成物について、グルコース、水溶性セロオリゴ糖及び懸濁態多糖の含有濃度を測定した。結果を図３（ａ）の棒グラフに示す。
【００７４】
又、濃度１０質量％のセロビオース水溶液を調製し、上述と同じ固体酸触媒をセロビオース水溶液に対して１５質量％の割合で添加して、一定の反応温度で固体酸触媒反応を一定時間行い、反応後の組成を測定することによって、グルコース生成速度定数ＫＧＰ０及びグルコース分解速度定数ＫＧＤ０を計算した。その際、反応温度を２５〜１３０℃の範囲内で変更して、温度依存性を調べた。結果を図３の（ｂ）に示す。
【００７５】
図３（ａ）のグラフによれば、セルロース由来の水溶性オリゴ糖及び懸濁態多糖は、固体酸触媒によって良好に加水分解されて効率よく単糖化されることが分かる。従って、糖化酵素反応時間によって完全に単糖化するよりも、部分糖化状態において固体酸触媒反応に移行する方が、効率的に単糖化でき、処理時間を短縮できる。この結果を考慮すれば、実施例１に示される叩解処理が、糖化酵素反応時間の短縮及び酵素量の削減において極めて有意義であることが明らかである。
【産業上の利用可能性】
【００７６】
本発明は、植物性廃棄物をバイオマスとしてバイオマスエタノールを生産する際に、食物価格の高騰の虞がない資源を利用して、経済的且つ合理的に処理することができ、廃棄物処理及び資源の生産に寄与するので、有用性が高く、リサイクルの促進及び環境保護にも貢献可能である。
【符号の説明】
【００７７】
Ａ：エタノール製造装置、  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：叩解機、  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、
Ｂ：バイオマス、  Ｅ：エタノール、  Ｗ：水、  Ｗ’：加圧熱水、
Ｘ：固体酸触媒、  Ｓ，Ｓ’：固体残渣、  Ｈ１，Ｃ１：一次糖化液、
Ｈ２，Ｃ２：二次糖化液、  Ｆ１，Ｆ２：発酵生成物、  Ｄ：排水。
【図１】
2013141415.tif 000003
【図２】
2013141415.tif 000004
【図３】
2013141415.tif 000005