(57)【要約】【課題】大量のセルロースを効率的に糖化処理することができ、かつ、バイオエタノールを大量にかつ効率的に生産することができるエネルギー効率の高いセルロース糖化システムおよびエタノール製造システムを提供する。【解決手段】セルロースを原料として糖類に加水分解するための前処理工程１と糖化処理工程３とを有するセルロース糖化システムにおいて、前記前処理工程１は、前処理容器２５に導入された粗粉砕処理されたセルローススラリーを、温度が１４０〜２２０℃及び圧力が当該温度におけるスラリーの飽和圧力以上となる高温高圧下で湿式粉砕する工程からなり、前記糖化処理工程３は、湿式粉砕された前記セルローススラリーを酵素により糖化処理する工程からなる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
セルロースを原料として糖類に加水分解するための前処理工程と糖化処理工程とを有するセルロース糖化システムにおいて、
前記前処理工程は、前処理容器に導入された粗粉砕処理されたセルローススラリーを、温度が１４０〜２２０℃及び圧力が当該温度におけるスラリーの飽和圧力以上となる高温高圧下で湿式粉砕する工程からなり、
前記糖化処理工程は、湿式粉砕された前記セルローススラリーを酵素により糖化処理する工程からなることを特徴とするセルロース糖化システム。
【請求項２】
前記湿式粉砕に媒体攪拌式粉砕手段を用いることを特徴とする請求項１に記載のセルロース糖化システム。
【請求項３】
前記前処理工程は、前記セルローススラリーを固液分離処理する工程をさらに有し、前記糖化処理工程は、前記固液分離処理によって分離された固体成分と液体成分とを、異なる活性を持つ酵素によってそれぞれ別々に糖化処理する工程からなることを特徴とする請求項１又は２記載のセルロース糖化システム。
【請求項４】
前記固液分離処理に遠心分離器を用いることを特徴とする請求項３に記載のセルロース糖化システム。
【請求項５】
前記前処理工程で湿式粉砕された前記セルローススラリーを分級処理し、前記分級処理で分離された粒度の粗い成分を前記前処理容器に導入される前のセルローススラリーに戻すことを特徴とする請求項１乃至４いずれか１項に記載のセルロース糖化システム。
【請求項６】
前記粗粉砕処理に乾式粉砕手段を用いることを特徴とする請求項１乃至５いずれか１項に記載のセルロース糖化システム。
【請求項７】
前記セルロース糖化システムを火力発電プラントに併設し、前記火力発電プラントから供給される中低圧の過熱蒸気を用いて、前記前処理容器内のセルローススラリーを加熱することを特徴とする請求項１乃至６いずれか１項に記載のセルロース糖化システム。
【請求項８】
前記セルロース糖化システムを発電プラントに併設し、前記発電プラントから供給される高温ガス又は高温空気を用いて、前記粗粉砕処理される前のセルロース原料を乾燥処理することを特徴とする請求項１乃至７いずれか１項に記載のセルロース糖化システム。
【請求項９】
前記セルロース糖化システムから排出された残渣を、前記発電プラントの燃料として用いることを特徴とする請求項７又は８記載のセルロース糖化システム。
【請求項１０】
前処理容器に導入された粗粉砕処理されたセルローススラリーを、温度が１４０〜２２０℃及び圧力が当該温度におけるスラリーの飽和圧力以上となる高温高圧下で湿式粉砕し、次に、湿式粉砕された前記セルローススラリーを酵素により糖化処理することを特徴とするセルロース糖化方法。
【請求項１１】
セルロースを原料としてエタノールに変換するための前処理工程、固液分離工程、糖化処理工程、発酵処理工程及び精製処理工程とからなるエタノール製造システムにおいて、
前記前処理工程は、前処理容器に導入された粗粉砕処理されたセルローススラリーを、温度が１４０〜２２０℃及び圧力が当該温度におけるスラリーの飽和圧力以上となる高温高圧下で湿式粉砕する工程からなり、前記固液分離工程は、前処理工程において湿式粉砕された前記セルローススラリーを固液分離処理する工程からなり、前記糖化処理工程は、前記固液分離処理によって分離された固体成分と液体成分とを、異なる活性を持つ酵素によってそれぞれ別々に糖化処理する工程からなり、前記発酵処理工程は、前記糖化処理工程で糖化処理されたそれぞれの前記糖化処理物を、異なる特性を持つ酵母によってそれぞれ別々に発酵処理する工程からなることを特徴とするエタノール製造システム。
【請求項１２】
前処理容器に導入された粗粉砕処理されたセルローススラリーを、温度が１４０〜２２０℃及び圧力が当該温度におけるスラリーの飽和圧力以上となる高温高圧下で湿式粉砕する前処理工程と、前記前処理工程において湿式粉砕された前記セルローススラリーを固液分離処理する固液分離工程と、前記固液分離処理によって分離された固体成分と液体成分とを、異なる活性を持つ酵素によってそれぞれ別々に糖化処理する糖化処理工程と、前記糖化処理工程で糖化処理されたそれぞれの前記糖化処理物を、異なる特性を持つ酵母によってそれぞれ別々に発酵処理する発酵処理工程と、前記発酵処理物を精製する精製処理工程とからなることを特徴とするエタノール製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本件発明は、バイオマス、特に、リグノセルロース系バイオマス原料から、糖類又はエタノールを製造するための、セルロース糖化システム、エタノール製造システム及びその方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球温暖化対策としてバイオエタノールの利用が進められ、トウモロコシやサトウキビからの大規模なバイオエタノール製造が行われているが、このような可食原料をエタノール製造用に安定して供給するには限界がある。したがって、食糧とは直接に競合しない木材やトウモロコシ茎などリグノセルロースからのエタノール製造が望まれている。
【０００３】
リグノセルロースは、主にセルロース、ヘミセルロース及びリグニンから構成されているが、セルロースの酵素糖化処理の前処理工程として、通常セルロース及びヘミセルロースと強固に結合しているリグニンを分離するとともに、加水分解を容易にするようにセルロース及びヘミセルロースの繊維を解離する必要がある。
【０００４】
その前処理工程として、リグノセルロースを酸処理法、蒸煮爆砕法、機械的粉砕法、湿式粉砕法（特許文献１）等により処理し、加圧熱水により熱水処理を行うことが知られている。
【０００５】
しかしながら、希硫酸など酸を前処理に用いる酸処理方法では、酸の中和や回収などに大規模な処理工程を必要とするため、糖化システムとしての効率性は低下する。
【０００６】
また２５０℃を超えるような熱水処理を用いる場合には、ヘミセルロースに由来する糖類の脱水や断片化による過分解を防止することが課題となるとともに、その処理に必要とするエネルギーも過大なものとなる。
【０００７】
このような課題に対処するものとして、特許文献２には、リグノセルロースを加圧熱水で熱水処理し、次いで粉砕機により機械的に粉砕処理し、その機械的粉砕物を酵素で糖化処理するセルロースの処理方法が提案されている。
【特許文献１】特開平５−９８５８９号公報
【特許文献２】特開２００６−１３６２６３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記特許文献２に示されたような従来のセルロース糖化処理方法は、小規模のセルロース糖化処理に適用されるもので、大量のセルロースの酵素糖化処理を行うことはできず、また、熱水処理後に機械的な粉砕処理を行うので、装置が複雑になり、さらに、糖化処理システム全体のエネルギー効率を考慮していないものである。
【０００９】
本件発明は、上記課題を解決するために、大量のセルロースを効率的に糖化処理することができ、かつ、バイオエタノールを大量にかつ効率的に生産することができるエネルギー効率の高いセルロース糖化システムおよびエタノール製造システム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】
上記課題を解決するために、本発明に係るセルロース糖化システムは、セルロースを原料として糖類に加水分解するための前処理工程と糖化処理工程とを有するセルロース糖化システムにおいて、前記前処理工程は、前処理容器に導入された粗粉砕処理されたセルローススラリーを、温度が１４０〜２２０℃及び圧力が当該温度におけるスラリーの飽和圧力以上となる高温高圧下で湿式粉砕する工程からなり、前記糖化処理工程は、湿式粉砕された前記セルローススラリーを酵素により糖化処理する工程からなることを特徴とする前記前処理工程は、前処理容器に導入された粗粉砕処理されたセルローススラリーを、温度が１４０〜２２０℃及び圧力が当該温度におけるスラリーの飽和圧力以上となる高温高圧下で湿式粉砕する工程からなり、前記糖化処理工程は、湿式粉砕された前記セルローススラリーを酵素により糖化処理する工程からなることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明に係るセルロース糖化方法は、前処理容器に導入された粗粉砕処理されたセルローススラリーを、温度が１４０〜２２０℃及び圧力が当該温度におけるスラリーの飽和圧力以上となる高温高圧下で湿式粉砕し、次に、湿式粉砕された前記セルローススラリーを酵素により糖化処理することを特徴とする。
【００１２】
また、本発明に係るエタノール製造システムは、セルロースを原料としてエタノールに変換するための前処理工程、固液分離工程、糖化処理工程、発酵処理工程及び精製処理工程とからなるエタノール製造システムであって、前記前処理工程は、前処理容器に導入された粗粉砕処理されたセルローススラリーを、温度が１４０〜２２０℃及び圧力が当該温度におけるスラリーの飽和圧力以上となる高温高圧下で湿式粉砕する工程からなり、前記固液分離工程は、前処理工程において湿式粉砕された前記セルローススラリーを固液分離処理する工程からなり、前記糖化処理工程は、前記固液分離処理によって分離された固体成分と液体成分とを、異なる活性を持つ酵素によってそれぞれ別々に糖化処理する工程からなり、前記発酵処理工程は、前記糖化処理工程で糖化処理されたそれぞれの前記糖化処理物を、異なる特性を持つ酵母によってそれぞれ別々に発酵処理する工程からなることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明に係るエタノール製造方法は、前処理容器に導入された粗粉砕処理されたセルローススラリーを、温度が１４０〜２２０℃及び圧力が当該温度におけるスラリーの飽和圧力以上となる高温高圧下で湿式粉砕する前処理工程と、前記前処理工程において湿式粉砕された前記セルローススラリーを固液分離処理する固液分離工程と、前記固液分離処理によって分離された固体成分と液体成分とを、異なる活性を持つ酵素によってそれぞれ別々に糖化処理する糖化処理工程と、前記糖化処理工程で糖化処理されたそれぞれの前記糖化処理物を、異なる特性を持つ酵母によってそれぞれ別々に発酵処理する発酵処理工程と、前記発酵処理物を精製する精製処理工程とからなることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本件発明によれば、リグノセルロースを高温高圧下で湿式粉砕処理することでセルロース繊維の解離が効果的に行なわれ、酵素糖化に適した糖化前処理を効率的に行うセルロース糖化システムを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明に係るセルロース糖化システム、エタノール製造システム及びその方法の実施形態について、図面を参照して説明する。
【００１６】
（第１の実施形態）
図１を用いて本発明の第１の実施形態に係るセルロース糖化システムの前処理工程１と糖化工程３について説明する。
【００１７】
［前処理工程］
原料とするリグノセルロースは、セルロース、ヘミセルロース、およびリグニンを主として構成されている。ホッパ１１に蓄えられたリグノセルロースは、まず乾燥器１２に送られ、乾式粉砕を効率的に行うために乾燥させる。
【００１８】
次に、一次粉砕機１３に送られて、数ｍｍオーダーにまで乾式で粉砕される。一次粉砕機１３としては、ハンマーやブレードを高速回転させて衝撃や剪断力で粉砕する高速回転型のミルを用いる。ただし、草本や麦わらなどのソフトセルロースを原料とする場合には複数の刃を高速回転させて破砕するカッターミルが用いられる。
【００１９】
一次粉砕機１３で処理されたリグノセルロースは、セルロースビン１５及びセルロースフィーダ１６を介して、給水弁１８を通じて供給される水と混合されてスラリー化され（以下、セルローススラリーと呼ぶ）、加圧ポンプ２１に送られる。
【００２０】
加圧ポンプ２１においてセルローススラリーは５〜２０気圧程度まで加圧され、予熱器２３に送られる。セルローススラリーは、予熱器２３で加熱されて１００℃以上まで昇温された後、前処理容器２５に送られる。前処理容器２５では周囲から加熱することにより、前処理容器２５の出口付近でセルローススラリーは加圧水の飽和蒸気温度以下である約１４０〜２２０℃、好ましくは１６０〜１８０℃まで昇温される。前処理容器２５の内部の水スラリーは加圧熱水の状態となり、リグニンの一部は分離され、ヘミセルロースの一定量は加水分解されて可溶性となるが、１６０〜１８０℃は単糖への変換過程で不都合となる過分解を起こさない温度範囲である。さらに、前処理容器２５において媒体攪拌によるリグノセルロースの湿式粉砕が行われる。
ここで、前処理容器２５における媒体攪拌による湿式粉砕処理について図２を用いて説明する。
【００２１】
前処理容器２５の内部には多数の小径ボール６３が入れられており、バーまたは羽根の付いた攪拌ロータ６２を電動機６１により３００ｒｐｍ以上で高速回転駆動することで前処理容器２５内を攪拌する。前処理容器２５内を回転しながら不規則に移動するボール６３との間に生じる摩擦および剪断力によってスラリー中のセルロース繊維を粉砕する。ボール６３の代わりに磁性体のビーズを入れ、外部から高周波の磁場を印加することで攪拌する方式でセルローススラリーを粉砕処理することもできる。
【００２２】
前処理容器２５の周囲には多数の加熱管６５が付設され、高温流体を流して熱交換させることで前処理容器２５の内部にあるセルローススラリーを加熱する。前処理容器２５の出口には例えば減圧弁からなる減圧器２７が設置され、セルローススラリーが前処理容器２５を通過するのに要する平均的な時間が５〜３０分程度となるように、前処理容器２５の出口付近の圧力を制御する。前処理容器２５における処理は、バッチ式のものを用いてもよい。
【００２３】
前処理容器２５から排出されたセルローススラリーは、減圧器２７を通過して分級器２８に送られ、分級器２８で１０〜２０μｍ程度より粗い粒径をもつ成分が分離されたのち加圧ポンプ２１前段のセルローススラリーに戻される。分級器２８を通過した微粒状のリグノセルロースを含むスラリーは、固液分離器３０に導入される。
【００２４】
［糖化工程］
固液分離器３０では、セルローススラリーが固液分離され、セルロースを多く含む固体成分は水を加えてスラリーとして酵素反応槽３２に送られ、一方、ヘミセルロース由来の還元糖を多く含む流体成分は酵素反応槽３３に送られる。ここで、微粉状のセルロース粉を含むスラリーの固液分離を短時間で効率的に行うために、固液分離器３０として、例えば遠心式の分離器を用いることも有効である。
【００２５】
酵素反応槽３２では、カルボキシメチルセルラーゼ活性、アビセラーゼ活性、およびセロビアーゼ活性を有する酵素を投入し、酵素反応槽３２内を攪拌しながら約４０〜５０℃で未分解のセルロースを酵素糖化反応させる。これによって糖化処理されたスラリーは、固液分離器３５によってリグニンを含む固形の残渣成分と主に六炭糖であるグルコースなどの糖分を含む液体成分とに分けられる。
【００２６】
酵素反応槽３３においても同様の酵素を投入するが、セルロースに比べて易分解性を示すヘミセルロース由来の加水分解物の単糖化に適した活性を持つ酵素を用いる。これによって糖化処理されたスラリーは、固液分離器３６によって固形の残渣成分と主に五炭糖であるキシロースなどの糖分を含む液体成分とに分けられる。
【００２７】
上記のセルロース糖化システムによって、リグノセルロースからグルコースやキシロースなどの糖類を得ることができる。
さらに、上記のセルロース糖化システムは、例えば、火力発電所等のプラントに併設されており、この火力発電プラントとセルロース糖化システムとの間の関係を図３に示す。
【００２８】
火力発電プラントから高圧タービンで発電用に仕事した後の中圧あるいは低圧の約２００℃の過熱蒸気が前処理容器２５に供給されて、前処理容器２５の加熱に用いられ、次いで、熱交換後の過熱蒸気が予熱器２３に供給されてセルローススラリーの加熱に用いられる。
【００２９】
セルロース糖化システムで発生した大量のリグニンを含む残渣は、この火力発電プラントのボイラ燃料の一部として用いることで有効利用する。また、火力発電プラントの燃焼排ガスの一部または燃焼排ガスとの熱交換により予熱された予熱空気の一部をリグノセルロースの乾燥に用いることで、一次粉砕機１３における乾式粉砕の効率を高めることができる。
【００３０】
本第１の実施形態によれば、リグノセルロースを高温高圧下で湿式粉砕処理することでセルロース繊維の解離が効果的に行なわれ、酵素糖化に適した糖化前処理を効率的に行うセルロース糖化システムを提供することができる。さらに、乾式で予め粗粉砕することで、湿式粉砕処理に要するエネルギーを抑えることができる。
【００３１】
また、主に未分解のセルロースを糖化させる糖化反応槽と、主に易分解性のヘミセルロース由来の加水分解物を糖化させる糖化反応槽とを備えることで、それぞれに適する酵素を必要量だけ投入すればよいため、糖収率の向上に作用するとともに酵素の使用量を抑えることができる。
【００３２】
また、粉砕後のセルローススラリーを分離する分級器を設けて粒度の粗い成分のみを回収して再度前処理するシステムとすることで、高温高圧下での粉砕処理に必要とする平均時間を短縮することができる。
【００３３】
さらに、火力又は原子力発電プラントに併設して発電プラントの中低圧の過熱蒸気をセルロース糖化システムの加熱源として有効に利用することで、システム効率に優れたセルロース糖化システムを提供することができる。
【００３４】
（第２の実施形態）
図４を用いて第２の実施形態を説明する。なお、前処理工程１および糖化処理工程３は第１の実施形態と同じ構成であるので説明を省略し、ここでは発酵工程４および精製工程５について説明する。
【００３５】
［発酵工程及び精製処理工程］
糖化処理工程３で得た糖分を含む液体成分（糖溶液）を、酵母を用いた発酵処理工程４、および蒸留塔を用いた精製処理工程５で処理することで、エタノールに転換するシステムを構築することができる。これらは既存の技術を用いて実施することが可能である。
【００３６】
固液分離器３５で分離された主に六単糖であるグルコースを含む糖溶液は、発酵反応槽４２に送られて、発酵処理される。一方、固液分離器３６で分離された主に五単糖であるキシロースを含む糖溶液は、発酵反応槽４３に送られて、発酵処理される。一般に五単糖は発酵されにくい性質を持っており、五単糖の発酵を進めるには遺伝子組み換えなどの手法により開発された特殊な酵母を必要とすることが知られているが、発酵反応槽４３ではこのような五単糖の発酵を可能にする酵母を用いる。
【００３７】
発酵工程で処理したものを、凝縮器とリボイラとを備える蒸留塔５５に送られて、脱水処理を繰り返すことによりエタノールの濃縮を行う。これによって、エタノールを得る。
【００３８】
本第２の実施形態によれば、高温高圧下で湿式粉砕処理されることでセルロース繊維の解離が効果的に行なわれ、酵素糖化に適した糖化前処理を効率的に行うエタノール製造システム及びその方法を提供することができる。
【００３９】
特に、主に六単糖を発酵させる発酵反応槽と、主に五単糖を発酵させる発酵反応槽とを別個に備えることで、それぞれに適する酵母を必要量だけ投入すればよいため、発酵処理を効率的に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るセルロース糖化システムの構成図。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る湿式粉砕法を採用した前処理容器の模式図。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る発電プラントとセルロース糖化システムの関係図。
【図４】本発明の第２の実施形態に係るセルロース糖化システム及びエタノール製造システムの構成図。
【符号の説明】
【００４１】
１…前処理工程、３…糖化工程、４…発酵工程、５…精製工程、１１…ホッパ、１２…乾燥器、１３…一次粉砕機、１５…セルロースビン、１６…セルロースフィーダ、１８…給水弁、２１…加圧ポンプ、２３…予熱器、２５…前処理容器、２７…減圧器、２８…分級器、３０…固液分離器、３２、３３…酵素反応槽、３５、３６…固液分離器、４２、４３…酵母発酵槽、５５…蒸留塔、６１…電動機、６２…撹拌ロータ、６３…ボール、６５…加熱管。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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