(57)【要約】【課題】バイオマスから得られた発酵溶液の濃縮を行うときに、蒸留塔システムを円滑に効率よく運転できるエタノール製造装置を提供する。【解決手段】エタノール製造装置１は、発酵手段４と、蒸留手段５と、発酵溶液を発酵手段４から蒸留手段５に移送する移送手段４３とを備える。移送手段４３は、途中に、発酵溶液に含まれるタンパク質及び無機イオンを捕捉して分離する分離手段４５を備える。分離手段４５は開口径５００Å以上のマクロポアを有し該マクロポアの表面が水酸基又はカルボキシル基により修飾されているイオン交換樹脂を備える。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
バイオマスの糖化溶液を発酵させる発酵手段と、該発酵手段で得られた発酵溶液を蒸留する蒸留手段と、該発酵溶液を該発酵手段から該蒸留手段に移送する移送手段とを備えるエタノール製造装置において、
前記移送手段は、途中に、該発酵溶液に含まれるタンパク質及び無機イオンを捕捉して分離する分離手段を備え、該分離手段は開口径５００Å以上のマクロポアを有し該マクロポアの表面が水酸基又はカルボキシル基により修飾されているイオン交換樹脂を備えることを特徴とするエタノール製造装置。
【請求項２】
請求項１記載のエタノール製造装置において、前記分離手段は活性炭を備えることを特徴とするエタノール製造装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２記載のエタノール製造装置において、前記移送手段は、前記分離手段の上流側に精密濾過膜からなる濾過手段を備えることを特徴とするエタノール製造装置。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載のエタノール製造装置において、前記発酵溶液は、前記分離手段で処理された後のタンパク質含有量が波長６１０ｎｍの光線の吸光度として０．１０以下であり、リンイオン含有量が該発酵溶液１ｇ当たり１４０μｇ以下であり、マンガンイオン含有量が該発酵溶液１ｇ当たり５０μｇ以下であることを特徴とするエタノール製造装置。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれか１項のエタノール製造装置において、前記バイオマスは、リグノセルロース系バイオマスであることを特徴とする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、エタノール製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、バイオマスを基質として溶媒と混合してなる基質混合物を、微生物が産生する糖化酵素により糖化し、得られた糖化溶液を発酵させることによりバイオエタノールを製造するエタノール製造装置が知られている。前記エタノール製造装置では、前記糖化溶液の発酵により得られた発酵溶液を蒸留により濃縮し、さらに脱水することにより、例えば９９．９質量％程度の濃度のエタノールを得ることができる（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
前記基質となるバイオマスの１つとして、稲藁等のリグノセルロース系バイオマスを挙げることができるが、該リグノセルロース系バイオマスは、セルロース又はヘミセルロースにリグニンが強固に結合した構成を備えている。そこで、前記基質混合物を所定温度で所定時間保持することにより、前記基質からリグニンを解離し、又は該基質を膨潤させ、セルロース又はヘミセルロースを糖化可能にした糖化前処理物を得て、該糖化前処理物を酵素糖化することが行われている。
【０００４】
尚、本願において、解離とは、リグノセルロース系バイオマスのセルロース又はヘミセルロース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又はヘミセルロースに空隙が生じ、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。
【０００５】
前記リグノセルロース系バイオマスを基質とするエタノール製造装置では、前記糖化溶液を発酵菌又は酵母により発酵させて前記発酵溶液を得る。このとき、前記発酵溶液の濃度は、前記発酵菌又は酵母の性能にもよるが、一般に５〜１０質量％程度の低濃度となる。この結果、得られた発酵溶液を蒸留して濃縮する際に、所要の熱エネルギーが増大し、該発酵溶液の濃縮に要するエネルギーは、前記エタノール製造工程全体に要するエネルギーに対し、３０〜５０％と大きな比率を占めるという問題がある。
【０００６】
前記問題を解決するために、前記エタノール製造装置において前記発酵溶液の濃縮工程を高効率化することにより、熱エネルギーを低減することが望まれる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１０−６５００１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、前記バイオマスから得られた発酵溶液を濃縮するために蒸留塔システムを用いると、該蒸留塔システム内に析出物が付着堆積して配管及び蒸留塔内の閉塞等を引き起こし、該蒸留塔システムの円滑な運転が妨げられることがあるという不都合がある。
【０００９】
そこで、本発明は、かかる不都合を解消して、前記バイオマスから得られた発酵溶液の濃縮を行うときに、前記蒸留塔システムを円滑に効率よく運転することができるエタノール製造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】
【００１０】
かかる目的を達成するために、本発明は、バイオマスの糖化溶液を発酵させる発酵手段と、該発酵手段で得られた発酵溶液を蒸留する蒸留手段と、該発酵溶液を該発酵手段から該蒸留手段に移送する移送手段とを備えるエタノール製造装置において、前記移送手段は、途中に、該発酵溶液に含まれるタンパク質及び無機イオンを捕捉して分離する分離手段を備え、該分離手段は開口径５００Å以上のマクロポアを有し該マクロポアの表面が水酸基又はカルボキシル基により修飾されているイオン交換樹脂を備えることを特徴とする。
【００１１】
本発明者らは、前記蒸留塔システム等の前記蒸留手段内に付着堆積する発酵溶液からの析出物について検討した結果、該析出物は前記糖化に用いられる酵素や、前記発酵に用いられる発酵菌又は酵母の菌体由来のタンパク質と無機化合物との複合物であることを知見した。前記無機化合物を形成する無機イオンは、前記バイオマス自体の成分や、前記発酵菌又は酵母の培養に用いられる培地に由来するリンイオン、マンガンイオン等であると考えられる。
【００１２】
そこで、本発明のエタノール製造装置は、前記知見に基づき、前記発酵溶液を前記発酵手段から前記蒸留手段に移送する前記移送手段の途中に設けられた前記分離手段により、前記タンパク質及び無機イオンを捕捉して分離する。この結果、本発明のエタノール製造装置では、前記タンパク質及び無機イオンを実質的に含まない前記発酵溶液が前記蒸留手段に供給されることとなり、該蒸留手段内に析出物が付着堆積することを防止して、該蒸留手段を円滑に効率よく運転することができ、所要の熱エネルギーを低減することができる。
【００１３】
本発明のエタノール製造装置において、前記分離手段は、開口径５００Å以上のマクロポアを有し該マクロポアの表面が水酸基又はカルボキシル基により修飾されているイオン交換樹脂を備えている。前記イオン交換樹脂によれば、開口径５００Å以上のマクロポアにより前記タンパク質を捕捉して分離することができると共に、前記水酸基又はカルボキシル基（カルボン酸基）によりリンイオン、マンガンイオン等の無機イオンを捕捉して分離することができる。
【００１４】
本発明のエタノール製造装置において、前記分離手段は、活性炭を備えることが好ましい。前記活性炭は、前記タンパク質を捕捉することができるので、前記分離手段は活性炭を備えることにより、前記イオン交換樹脂の負荷を低減することができる。
【００１５】
また、本発明のエタノール製造装置において、前記移送手段は、前記分離手段の上流側に精密濾過膜からなる濾過手段を備えることが好ましい。前記精密濾過膜は、前記タンパク質のうち発酵菌又は酵母の菌体等の分子量の大きな成分を捕捉することができるので、前記イオン交換樹脂の負荷をさらに低減することができる。
【００１６】
また、本発明のエタノール製造装置において、前記発酵溶液は、前記分離手段で処理された後のタンパク質含有量が、タンパク質含有量が波長６１０ｎｍの光線の吸光度として０．１０以下であり、リンイオン含有量が該発酵溶液１ｇ当たり１４０μｇ以下であり、マンガンイオン含有量が該発酵溶液１ｇ当たり５０μｇ以下であることが好ましい。
【００１７】
前記各波長の光線の吸光度は、前記発酵溶液に含まれるタンパク質の量の指標であり、該各波長の光線の吸光度が前記範囲であることにより、該発酵溶液が前記蒸留手段に供給されたときに、該蒸留手段内に析出物が付着堆積することを防止することができる。また、前記発酵溶液は、リンイオン含有量及びマンガンイオン含有量が前記範囲であることにより、該発酵溶液が前記蒸留手段に供給されたときに、該蒸留手段内に析出物が付着堆積することを防止することができる。
【００１８】
タンパク質含有量が前記範囲外であるか、リンイオン含有量又はマンガンイオン含有量が前記範囲外であるときには、前記発酵溶液が前記蒸留手段に供給されたときに、該蒸留手段内に析出物が付着堆積することがある。
【００１９】
本発明のエタノール製造装置では、前記バイオマスとして、例えばリグノセルロース系バイオマスを用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明のエタノール製造装置の構成を示すシステム構成図。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
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。
【００２２】
図１に示すように、本実施形態のエタノール製造装置１は、前処理装置２、糖化処理装置３、発酵処理装置４、蒸留塔システム５を備えている。
【００２３】
前処理装置２は、原料供給装置２１、アンモニア水供給装置２２、攪拌槽２３、貯留槽２４、移送導管２５を備えている。原料供給装置２１は原料となる基質を攪拌槽２３に供給し、アンモニア水供給装置２２はアンモニア水を攪拌槽２３に供給する。前記基質としては、リグノセルロース系バイオマス、例えば稲藁を用いることができる。
【００２４】
攪拌槽２３は、前記基質と前記アンモニア水とを攪拌、混合し、得られた基質混合物を貯留槽２４に供給する。貯留槽２４は、基質混合物を所定時間貯留する間に、加熱することなく前記基質からリグニンを解離し、又は該基質を膨潤させることにより、糖化前処理物を得る。
【００２５】
前記糖化前処理物は、貯留槽２４の底部に接続された移送導管２５により取出され、移送導管２５の途中に設けられた固液分離装置２６によりアンモニアが分離された後、アンモニア分離糖化前処理物として、糖化処理装置３に送られる。固液分離装置２６は、分離したアンモニアをアンモニア水として回収する回収導管２７を備えている。回収導管２７は、アンモニア水供給装置２２に接続されている。
【００２６】
糖化処理装置３は、糖化処理槽３１を備え、糖化処理槽３１の上部には移送導管２５が接続されると共に、糖化酵素供給装置３２が設けられている。糖化処理槽３１の底部には、糖化処理槽３１で得られた糖化溶液を発酵処理装置４に移送する移送導管３３が接続されている。移送導管３３の途中には、固液分離装置３４が設けられており、前記糖化溶液に含まれる前記稲藁の残渣等が分離、除去される。
【００２７】
発酵処理装置４は、発酵処理槽４１を備え、発酵処理槽４１の上部には移送導管３３が接続されると共に、菌体供給装置４２が設けられている。発酵処理槽４１の底部には、発酵処理槽４１で得られた発酵溶液を蒸留塔システム５に移送する移送導管４３が接続されている。
【００２８】
移送導管４３の途中には、精密濾過膜からなる濾過装置４４と、前記発酵溶液に含まれるタンパク質及び無機化合物を捕捉して分離する分離装置４５が設けられている。
【００２９】
前記精密濾過膜としては、例えば、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリフッ化ビニリデン等の樹脂からなり、０．１〜０．２５μｍの範囲の孔径を備えるものを挙げることができる。前記精密濾過膜によれば、前記タンパク質のうち、発酵菌又は酵母の菌体等の分子量の大きな成分を捕捉し、分離することができる。
【００３０】
前記分離装置４５は、イオン交換樹脂と活性炭とを備えるものを用いることができる。前記イオン交換樹脂としては、例えば、アクリルとジビニルベンゼンとの共重合体からなる弱酸性陽イオン交換樹脂を挙げることができる。前記弱酸性陽イオン交換樹脂は、開口径５００〜１０００Åのマクロポアを備え、該マクロポアの表面が水酸基又はカルボキシル基（カルボン酸基）により修飾されている。
【００３１】
前記弱酸性陽イオン交換樹脂によれば、陽イオン交換樹脂本来の機能として、前記発酵溶液中のリンイオン及びマンガンイオン等の陽イオン（無機イオン）を捕捉して分離することができると共に、前記マクロポアによりタンパク質を捕捉して分離することができる。
【００３２】
また、前記活性炭によれば、タンパク質を捕捉して分離することができる。分離装置４５において、前記活性炭は、前記イオン交換樹脂と一体に備えられていてもよく、別体に備えられていてもよい。
【００３３】
蒸留塔システム５は、もろみ塔５１、精留塔５２、脱水装置５３を備え、もろみ塔５１の上部に移送導管４３が接続されている。もろみ塔５１は塔頂液を精留塔５２に移送する移送導管５４を備えており、精留塔５２は塔頂液を脱水装置５３に移送する移送導管５５と、塔底液をもろみ塔５１の上部に還流する還流導管５６とを備えている。また、もろみ塔５１と精留塔５２とは、それぞれ図示しない加熱装置とコンデンサーとを備えている。前記加熱装置としては、例えば、もろみ塔５１と精留塔５２とのそれぞれの塔底に蒸気を吹き込む装置を用いることができる。
【００３４】
次に、エタノール製造装置１の作動について説明する。
【００３５】
エタノール製造装置１では、まず、原料供給装置２１から供給される基質としての稲藁と、アンモニア水供給装置２２から供給されるアンモニア水とを攪拌槽２３で攪拌し、基質混合物を得る。得られた基質混合物は、攪拌槽２３の直下に接続されている貯留槽２４に供給され、貯留槽２４内で所定時間貯留されることにより、加熱することなく前記稲藁からリグニンを解離し、又は該稲藁を膨潤させることにより、糖化前処理物を得る。
【００３６】
前記糖化前処理物はアンモニア水を含有しているので、移送導管２５により糖化処理槽３１に移送される間に、移送導管２５の途中に設けられた固液分離装置２６でアンモニアが分離される。この結果、糖化処理槽３１には、アンモニアが分離されたアンモニア分離糖化前処理物が移送される。一方、固液分離装置２６で分離されたアンモニアは、回収導管２７によりアンモニア水として回収され、アンモニア水供給装置２２に還流される。
【００３７】
糖化処理槽３１では、移送導管２５を介して供給される前記アンモニア分離糖化前処理物に、糖化酵素供給装置３２から供給される糖化酵素を混合し、所定時間保持する。この結果、前記基質としての稲藁に含まれるセルロース、ヘミセルロース等が糖化された糖化溶液が得られる。
【００３８】
前記糖化溶液は、糖化処理槽３１の底部に接続された移送導管３３により取出され、移送導管３３の途中に設けられた固液分離装置３４により前記稲藁の残渣等が分離、除去された後、発酵処理槽４１に移送される。
【００３９】
発酵処理槽４１では、移送導管３３を介して供給される前記糖化溶液に、菌体供給装置４２から供給される発酵菌又は酵母を混合し、所定時間保持する。この結果、前記糖化溶液に含まれる糖分が前記発酵菌又は酵母によりエタノール発酵し、エタノールを含む発酵溶液が得られる。
【００４０】
前記発酵溶液は、発酵処理槽４１の底部に接続された移送導管４３により取出され、もろみ塔５１に移送される。ここで、前記発酵溶液は、前記糖化酵素、前記発酵菌又は酵母の菌体に由来するタンパク質及び、前記稲藁自体の成分や、前記発酵菌又は酵母の培養に用いられる培地に由来するリンイオン、マンガンイオン等の陽イオン（無機イオン）を含んでいる。従って、前記発酵溶液は、何ら処理を施さずに移送すると、もろみ塔５１、精留塔５２、移送導管５４，５５、還流導管５６等に析出物が付着堆積することが懸念される。
【００４１】
そこで、前記発酵溶液は、まず、移送導管４３の途中に設けられた濾過装置４４に供給され、前記精密濾過膜により前記タンパク質のうち発酵菌又は酵母の菌体等の分子量の大きな成分が除去される。
【００４２】
次に、前記発酵溶液は、移送導管４３を介して分離手段４５に供給される。前記発酵溶液は、分離手段４５に備えられた活性炭及びイオン交換樹脂により、濾過装置４４の前記精密濾過膜により除去されなかったタンパク質が捕捉されて分離される一方、リンイオン及びマンガンイオンが該イオン交換樹脂により捕捉されて分離される。
【００４３】
この結果、前記発酵溶液は、タンパク質含有量が波長６１０ｎｍの光線の吸光度として０．１０以下となる。また、前記発酵溶液は、リンイオン含有量が該発酵溶液１ｇ当たり１４０μｇ以下となり、マンガンイオン含有量が該発酵溶液１ｇ当たり５０μｇ以下となる。
【００４４】
前記発酵溶液は、濾過装置４５により前記無機化合物が吸着され、前記タンパク質が濾別されて除去された後、もろみ塔５１に供給される。もろみ塔５１では、前記発酵溶液が蒸留されることにより、塔頂液として該発酵溶液より高濃度のエタノールを含む第１のエタノール溶液が得られる。前記第１のエタノール溶液は、もろみ塔５１の塔頂部から取出され、移送導管５４により精留塔５２に移送される。
【００４５】
精留塔５２では、前記第１のエタノール溶液が精留されることにより、塔頂液として第１のエタノール溶液よりさらに高濃度のエタノールを含む第２のエタノール溶液が得られる。第２のエタノール溶液は、精留塔５２の塔頂部から取出され、移送導管５５により脱水装置５３に移送され、脱水される。この結果、製品として９９．９重量％程度の濃度のエタノールを得ることができる。
【００４６】
本実施形態のエタノール製造装置１では、蒸留塔システム５の上流側で前記発酵溶液に含有される前記タンパク質及び前記無機化合物が除去されるので、蒸留塔システム５内に析出物が付着堆積することを防止することができる。従って、本実施形態のエタノール製造装置１によれば、蒸留塔システム５を円滑に効率よく運転することができ、所要の熱エネルギーを低減することができる。
【００４７】
本実施形態のエタノール製造装置１では、前記精密濾過膜を備える濾過装置４４を設けるようにしているが、濾過装置４４を設けずに分離装置４５のみを設けるようにしてもよい。また、本実施形態のエタノール製造装置１では、分離装置４５に活性炭とイオン交換樹脂とを備えるようにしているが、活性炭を備えず、イオン交換樹脂のみを備えるようにしてもよい。但し、前記精密濾過膜又は活性炭を用いないときには、前記イオン交換樹脂の負荷が増大することがある。
【符号の説明】
【００４８】
１…エタノール製造装置、  ２…前処理装置、  ３…糖化処理装置、  ４…発酵処理装置、  ５…蒸留塔システム、  ４４…濾過装置、  ４５…分離装置。
【図１】
2013059284.tif 000003