(57)【要約】【課題】バイオマスを原料とし、連続かつ効率的にエタノールを製造するバイオエタノールの製造方法および製造装置を提供する。【解決手段】本発明のバイオエタノールの製造装置１０は、バイオマスに含まれるセルロースおよびヘミセルロースを酵素分解させるための酵素分解槽１１と、セルロースおよびヘミセルロースの酵素分解により生成した糖類を発酵させるための発酵槽１２と、酵素分解槽１１を加熱する加熱装置１３と、発酵槽１２を冷却する冷却装置１４と、を備え、酵素分解槽１１と発酵槽１２は、第一の流路１５および第二の流路１６、並びに、これらの流路の途中に設けられた熱交換器１７を介して連通し、第二の流路１６の途中に、発酵槽１２にて生成したエタノールを含む溶液から発酵菌を分離し、かつ、この発酵菌を発酵槽１２に戻す発酵菌分離装置１８が設けられたことを特徴とする。【選択図】図１
2009100713.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
バイオマスに含まれるセルロースおよびヘミセルロースを酵素分解させるための酵素分解槽と、前記セルロースおよびヘミセルロースの酵素分解により生成した糖類を発酵させるための発酵槽と、前記酵素分解槽を加熱する加熱装置と、前記発酵槽を冷却する冷却装置と、を備えたバイオエタノールの製造装置であって、
前記酵素分解槽と前記発酵槽は、第一の流路および第二の流路、並びに、該第一の流路および第二の流路の途中に設けられた熱交換器を介して連通し、
前記第二の流路の途中に、前記発酵槽にて生成したエタノールを含む溶液から発酵菌を分離し、かつ、該発酵菌を前記発酵槽に戻す発酵菌分離装置が設けられたことを特徴とするバイオエタノールの製造装置。
【請求項２】
前記第一の流路の途中に、前記酵素分解槽にて生成した糖類を含む溶液から酵素を分離し、かつ、該酵素を前記酵素分解槽に戻す酵素分離装置が設けられたことを特徴とする請求項１に記載のバイオエタノールの製造装置。
【請求項３】
前記第二の流路の途中、かつ、前記発酵菌分離装置の後段に、前記発酵槽にて生成したエタノールを含む溶液からエタノールを分離するエタノール分離回収装置が設けられたことを特徴とする請求項１または２に記載のバイオエタノールの製造装置。
【請求項４】
前記第二の流路の途中、かつ、前記エタノール分離回収装置の後段に、前記エタノール分離回収装置から排出された溶液からセルロースおよびヘミセルロースの酵素分解を阻害する物質を除去する阻害物質除去装置が設けられたことを特徴とする請求項３に記載のバイオエタノールの製造装置。
【請求項５】
バイオマスに含まれるセルロースおよびヘミセルロースを酵素分解し、次いで、前記セルロースおよびヘミセルロースの酵素分解により生成した糖類を発酵させることによりエタノールを生成するバイオエタノールの製造方法であって、
バイオマスに含まれるリグニンを破壊処理するとともに、当該バイオマスに含まれるセルロースおよびヘミセルロースの構造分解処理する前処理工程と、
前記前処理工程にて構造分解処理を施したセルロースおよびヘミセルロースを酵素分解させる酵素分解工程と、
前記酵素分解工程にて生成した糖類を発酵させる発酵工程と、
前記酵素分解工程にて生成した糖類を含む溶液と、前記発酵工程にて生成したエタノールを含む溶液との熱交換を行う熱交換工程と、
前記発酵工程にて生成したエタノールを含む溶液から発酵菌を分離する発酵菌分離工程と、を有することを特徴とするバイオエタノールの製造方法。
【請求項６】
前記酵素分解工程にて生成した糖類を含む溶液から酵素を分離する酵素分離工程を有することを特徴とする請求項５に記載のバイオエタノールの製造方法。
【請求項７】
前記発酵工程にて生成したエタノールを含む溶液からエタノールを分離するエタノール分離回収工程を有することを特徴とする請求項５または６に記載のバイオエタノールの製造方法。
【請求項８】
前記エタノール分離回収工程にて排出された溶液からセルロースおよびヘミセルロースの酵素分解を阻害する物質を除去する阻害物質除去工程を有することを特徴とする請求項７に記載のバイオエタノールの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、酵素法を用いたバイオエタノールの製造方法および製造装置に関し、さらに詳しくは、バイオマスを原料とし、連続かつ効率的にエタノールを製造するバイオエタノールの製造方法および製造装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
現在、世界各国にて、セルロース系バイオマスを原料とするバイオエタノールの製造技術が研究開発されている。セルロース系バイオマスとは、木や草、あるいは、農作物の残渣のことであり、具体的には、建築廃材や間伐材、稲藁やバガス（サトウキビの搾りかす）、トウモロコシの茎や葉などが挙げられる。
バイオマスから生成した糖を発酵させて生産されるバイオエタノールの製造方法としては、濃硫酸法、希硫酸法、酵素法などの開発が行われている。近年、これらの製造方法の中でも、特に、酵素法に注目が集まっている。
【０００３】
酵素法は、酵素によりバイオマスに含まれるセルロースとヘミセルロースを分解して糖類を生成し、その糖類を酵母菌などの発酵菌により発酵させてエタノールを生成する方法である。
【０００４】
植物細胞中のセルロースとヘミセルロースは、リグニンに保護される形態で存在している。そのため、セルロースとヘミセルロースを酵素分解するためには、初めにリグニンを破壊してセルロースとヘミセルロースを露出させる必要がある。
また、セルロースはグルコースが脱水縮合した単純多糖類であり、ヘミセルロースはグルコース、キシロース、マンノースなどが脱水縮合した複合多糖類である。これらセルロースやヘミセルロースは、結合力が強く、この結合を酵素により加水分解するためには、予めセルロースおよびヘミセルロースの構造を少し分解しておく必要がある。
このようなリグニンの破壊処理、並びに、セルロースおよびヘミセルロースの構造分解処理のことを、前処理と呼んでいる。バイオマスの前処理技術としては、希硫酸分解、水蒸気爆砕、アンモニア爆砕、熱水・超臨界水を用いる方法、微生物分解、微粉砕、化学薬品処理などが考案されている。
【０００５】
前処理が施されたバイオマスは、酵素により分解されるが、この酵素分解反応の温度、ｐＨ、反応時間などは酵素の特性や性能に応じて調整される。
酵素分解反応速度は、温度が高くなるほど速くなるため、反応操作温度は酵素の耐熱温度とされ、一般には５０〜６０℃である。
【０００６】
セルロースが酵素により加水分解されるとグルコースが生成し、ヘミセルロースが酵素により加水分解されるとグルコース、キシロース、マンノースなどが生成される。
そして、セルロースとヘミセルロースの酵素分解反応により得られた糖類を含む溶液に発酵菌を添加して、糖類を発酵させてエタノールを生成する。
一般に、エタノールの至適発酵温度は３０〜３５℃であり、これ以上の温度では発酵菌が死滅し、発酵が進まなくなる。
【０００７】
このような方法で生成されたエタノールを含む溶液の濃度は数パーセント程度であり、この溶液を濃縮・脱水することによって、無水エタノールが得られる。
一般に、エタノールを含む溶液の濃縮・脱水には、「蒸留＋ＰＳＡ（ＰｒｅｓｓｕｒｅＳｗｉｎｇ  Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ）」あるいは「蒸留＋膜分離」プロセスが採用されている。ＰＳＡとは、加圧と減圧を繰り返すことにより、ゼオライト（モレキュラーシーブ）などの吸着材に水を吸着させる方式である。
【０００８】
ところで、上記の酵素法では、セルロースとヘミセルロースを酵素分解する際、分解生成物のグルコースが酵素分解の反応阻害物質となる。そのため、酵素分解反応が進行し、溶液中のグルコース濃度が高くなるにしたがって、反応速度が低下し、最終的には、あるグルコース濃度に到達した時点で、それ以上反応が進行しなくなる。
このような問題を解決するために、一般的に、酵素分解とエタノール発酵を１つの反応槽内にて同時に進行させる同時糖化発酵法と呼ばれる方法が用いられている（例えば、特許文献１参照）。
なお、糖化とは、セルロースやヘミセルロースを酵素分解してグルコースなどの糖類を生成するプロセスのことである。
【０００９】
この同時糖化発酵法は、以下に示すような方法である。
先ず、反応槽内に前処理が施されたバイオマスと酵素を仕込み、酵素分解反応を進行させる。
酵素分解反応がある程度進行した時点で、反応槽内に発酵菌を投入する。
すると、発酵菌が酵素分解反応により生成したグルコースをエタノールに変換するため、グルコース濃度が下がり、反応阻害要因が減少するので酵素分解反応がさらに進行するとともに、エタノールの生成も進行する。
【特許文献１】特開２００２−１８６９３８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、上記の同時糖化発酵法にも問題があった。
上記のように、糖化（酵素分解反応）の最適温度は、酵素の耐熱温度の５０〜６０℃であり、一方、発酵の最適温度は、発酵菌の耐熱温度の３０〜３５℃である。したがって、同時糖化発酵法では、操作温度（反応温度）を、発酵菌の耐熱温度である３０〜３５℃に設定しなければならず、酵素本来の最大反応速度を発揮できず、非効率的であった。
【００１１】
また、セルロースやヘミセルロースの分解酵素は、非常に高価な物質である。したがって、バイオエタノール製造プロセスを実用化するためには、酵素の使用量を削減することが必須課題となる。しかし、同時糖化発酵法では、操作温度に制約があるため、酵素の最大能力を発揮することができないので、むしろ酵素を過剰に使用しなければならないことがある。
【００１２】
このような同時糖化発酵法における問題を解決するために、遺伝子組み換え操作により、耐熱性を向上させたエタノール発酵菌の開発が進められている。しかしながら、現在、耐熱性が向上した発酵菌の開発は十分ではない。
【００１３】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、バイオマスを原料とし、連続かつ効率的にエタノールを製造するバイオエタノールの製造方法および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】
【００１４】
本発明のバイオエタノールの製造装置は、バイオマスに含まれるセルロースおよびヘミセルロースを酵素分解させるための酵素分解槽と、前記セルロースおよびヘミセルロースの酵素分解により生成した糖類を発酵させるための発酵槽と、前記酵素分解槽を加熱する加熱装置と、前記発酵槽を冷却する冷却装置と、を備えたバイオエタノールの製造装置であって、前記酵素分解槽と前記発酵槽は、第一の流路および第二の流路、並びに、該第一の流路および第二の流路の途中に設けられた熱交換器を介して連通し、前記第二の流路の途中に、前記発酵槽にて生成したエタノールを含む溶液から発酵菌を分離し、かつ、該発酵菌を前記発酵槽に戻す発酵菌分離装置が設けられたことを特徴とする。
【００１５】
本発明のバイオエタノールの製造装置は、前記第一の流路の途中に、前記酵素分解槽にて生成した糖類を含む溶液から酵素を分離し、かつ、該酵素を前記酵素分解槽に戻す酵素分離装置が設けられたことが好ましい。
【００１６】
本発明のバイオエタノールの製造装置は、前記第二の流路の途中、かつ、前記発酵菌分離装置の後段に、前記発酵槽にて生成したエタノールを含む溶液からエタノールを分離するエタノール分離回収装置が設けられたことが好ましい。
【００１７】
本発明のバイオエタノールの製造装置は、前記第二の流路の途中、かつ、前記エタノール分離回収装置の後段に、前記エタノール分離回収装置から排出された溶液からセルロースおよびヘミセルロースの酵素分解を阻害する物質を除去する阻害物質除去装置が設けられたことが好ましい。
【００１８】
本発明のバイオエタノールの製造方法は、バイオマスに含まれるセルロースおよびヘミセルロースを酵素分解し、次いで、前記セルロースおよびヘミセルロースの酵素分解により生成した糖類を発酵させることによりエタノールを生成するバイオエタノールの製造方法であって、バイオマスに含まれるリグニンを破壊処理するとともに、当該バイオマスに含まれるセルロースおよびヘミセルロースの構造分解処理する前処理工程と、前記前処理工程にて構造分解処理を施したセルロースおよびヘミセルロースを酵素分解させる酵素分解工程と、前記酵素分解工程にて生成した糖類を発酵させる発酵工程と、前記酵素分解工程にて生成した糖類を含む溶液と、前記発酵工程にて生成したエタノールを含む溶液との熱交換を行う熱交換工程と、前記発酵工程にて生成したエタノールを含む溶液から発酵菌を分離する発酵菌分離工程と、を有することを特徴とする。
【００１９】
本発明のバイオエタノールの製造方法は、前記酵素分解工程にて生成した糖類を含む溶液から酵素を分離する酵素分離工程を有することが好ましい。
【００２０】
本発明のバイオエタノールの製造方法は、前記発酵工程にて生成したエタノールを含む溶液からエタノールを分離するエタノール分離回収工程を有することが好ましい。
【００２１】
本発明のバイオエタノールの製造方法は、前記エタノール分離回収工程にて排出された溶液からセルロースおよびヘミセルロースの酵素分解を阻害する物質を除去する阻害物質除去工程を有することが好ましい。
【発明の効果】
【００２２】
本発明のバイオエタノールの製造装置によれば、酵素分解槽と発酵槽が、第一の流路および第二の流路、並びに、これらの流路の途中に設けられた熱交換器を介して連通し、酵素分解槽と発酵槽において、それぞれ独立に酵素分解反応と発酵を行いながら、熱交換器により、酵素分解槽にて生成した糖類含有溶液と、発酵槽にて生成したエタノール含有溶液との熱交換を行うので、酵素分解槽と発酵槽の間で、互いに反応温度に影響を及ぼすことなく、それぞれの槽において最適温度にて、酵素分解反応と発酵を進行することができる。また、酵素分離装置により、糖類含有溶液から酵素を分離し、この酵素を酵素分解槽に戻して再利用することができるとともに、発酵菌分離装置により、エタノール含有溶液から発酵菌を分離し、この発酵菌を発酵槽に戻して再利用することができる。このように、酵素分解槽と発酵槽の最適温度にて、酵素分解反応と発酵を進行することができるため、従来の同時糖化発酵法と比較して、酵素使用量の削減が可能となり、非常に効率的にエタノールを製造することができる。さらに、エタノール分離回収装置により、発酵槽にて生成したエタノール含有溶液から、エタノールを分離、回収するので、生成したエタノールが酵素分解槽に送り込まれて、酵素分解反応を阻害することを防止できる。また、阻害物質除去装置により、エタノール分離回収装置から排出された溶液に含まれる有機酸などを除去するので、この有機酸などが酵素分解や発酵を阻害することを防止できる。したがって、非常に効率的にエタノールを製造することができる上に、バイオエタノールの連続製造プロセスを実現することができる。
【００２３】
本発明のバイオエタノールの製造方法によれば、酵素分解反応と発酵とを、それぞれ独立に行いながら、酵素分解工程にて生成した糖類含有溶液と、発酵工程にて生成したエタノール含有溶液との熱交換を行うので、酵素分解反応と発酵の間で、互いに反応温度に影響を及ぼすことなく、それぞれの反応を最適温度にて進行することができる。また、酵素分離工程により、糖類含有溶液から酵素を分離し、この酵素を酵素分解工程に戻して再利用することができるとともに、発酵菌分離工程により、エタノール含有溶液から発酵菌を分離し、この発酵菌を発酵工程に戻して再利用することができる。このように、酵素分解反応と発酵を最適温度にて進行することができるために、従来の同時糖化発酵法と比較して、酵素使用量を削減することができるから、非常に効率的にエタノールを製造することができる。さらに、エタノール分離回収工程により、発酵工程にて生成したエタノール含有溶液から、エタノールを分離、回収するので、生成したエタノールが酵素分解工程に供給されて、酵素分解反応を阻害することを防止できる。また、阻害物質除去工程により、エタノール分離回収工程にて排出された溶液に含まれる有機酸などを除去するので、この有機酸などが酵素分解や発酵を阻害することを防止できる。したがって、非常に効率的にエタノールを製造することができる上に、バイオエタノールの連続製造プロセスを実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
本発明のバイオエタノールの製造装置および製造方法の最良の形態について説明する。
なお、この形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。
【００２５】
（１）第一の実施形態
図１は、本発明のバイオエタノールの製造装置の第一の実施形態を示す概略構成図である。
図１中、符号１０はバイオエタノールの製造装置（以下、「バイオエタノール製造装置」と言う。）、１１は酵素分解槽、１２は発酵槽、１３は加熱装置、１４は冷却装置、１５は第一の流路、１６は第二の流路、１７は熱交換器、１８は発酵菌分離装置、１９は流路、２０は酵素分離装置、２１は流路をそれぞれ示している。
【００２６】
このバイオエタノール製造装置１０は、酵素分解槽１１と、発酵槽１２と、加熱装置１３と、冷却装置１４と、第一の流路１５と、第二の流路１６と、熱交換器１７と、発酵菌分離装置１８と、酵素分離装置２０とから概略構成されている。
酵素分解槽１１は、セルロース系バイオマスに含まれるセルロースおよびヘミセルロースを酵素分解させるためのものである。また、酵素分解槽１１は、槽内のバイオマスおよび酵素を含む混合物を攪拌するための攪拌装置（図示略）を備えている。
酵素分解槽１１の外周面には、酵素分解槽１１内の温度を所定温度に加熱し、保温することができる加熱装置１３が設けられている。
【００２７】
発酵槽１２は、酵素分解槽１１にてセルロースおよびヘミセルロースの酵素分解により生成した糖類を発酵させるためのものである。また、発酵槽１２は、槽内の糖類を含有する溶液および発酵菌を含む混合物を攪拌するための攪拌装置（図示略）を備えている。
発酵槽１２の外周面には、発酵槽１２内の温度を所定温度に冷却し、保温することができる冷却装置１４が設けられている。
【００２８】
また、酵素分解槽１１と発酵槽１２は、第一の流路１５および第二の流路１６、並びに、これらの流路の途中に設けられた熱交換器１７を介して連通している。また、第一の流路１５および第二の流路１６は、熱交換器１７内を貫通している。また、第一の流路１５は、酵素分解槽１１側から順に、流路１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃから構成されている。同様に、第二の流路１６は、発酵槽１２側から順に、流路１６Ａ，１６Ｂ，１６Ｃから構成されている。
【００２９】
また、酵素分解槽１１にてセルロースおよびヘミセルロースの酵素分解により生成した糖類を含有する溶液（以下、「糖類含有溶液」と言うこともある。）は、流路１５の途中に設けられた送液ポンプ（図示略）により、流路１５Ａ、１５Ｂ、熱交換器１７、流路１５Ｃを順に流れて、発酵槽１２へ送り込まれるようになっている。
一方、発酵槽１２にて生成したエタノールを含有する溶液（以下、「エタノール含有溶液」と言うこともある。）は、流路１６の途中に設けられた送液ポンプ（図示略）により、流路１６Ａ、１６Ｂ、熱交換器１７、流路１６Ｃを順に流れて、酵素分解槽１１へ送り込まれるようになっている。
【００３０】
そして、熱交換器１７にて、第一の流路１５を流れる糖類含有溶液と、第二の流路１６を流れるエタノール含有溶液との間で、熱交換が行われるようになっている。
【００３１】
第一の流路１５の途中には、酵素分解槽１１にて生成した糖類含有溶液から酵素を分離し、かつ、この酵素を、流路２１を介して酵素分解槽１１に戻す酵素分離装置２０が設けられている。
一方、第二の流路１６の途中には、発酵槽１２にて生成したエタノール含有溶液から発酵菌を分離し、かつ、この発酵菌を、流路１９を介して発酵槽１２に戻す発酵菌分離装置１８が設けられている。
【００３２】
発酵菌分離装置１８としては、重力沈降分離を用いた固液分離装置、遠心分離装置、液体サイクロン分離装置などが用いられる。
酵素分離装置２０としては、チューブラー型、ドラムフィルター型、振動型などの膜分離装置が用いられる。
【００３３】
次に、このバイオエタノール製造装置１０の作用を説明するとともに、この実施形態のバイオエタノールの製造方法を説明する。
まず、セルロース系バイオマスに含まれるリグニンを破壊処理するとともに、このバイオマスに含まれるセルロースおよびヘミセルロースを構造分解処理する（前処理工程）。
このバイオマスの前処理工程では、希硫酸分解、水蒸気爆砕、アンモニア爆砕、熱水・超臨界水を用いる方法、微生物分解、微粉砕、化学薬品処理などの公知の方法が用いられる。
【００３４】
次いで、酵素分解槽１１に、前処理工程にて前処理を施したバイオマスと、このバイオマスの分解に適量の酵素と、適量の水を入れる。
水を添加する割合（添加率）は、バイオマスを１００重量部とした場合、３００重量部〜２０００重量部であることが好ましい。
【００３５】
セルロースを分解するための酵素としては、セルラーゼが用いられる。
ヘミセルロースを分解するための酵素としては、キシラナーゼやマンナナーゼが用いられる。
また、酵素を添加する割合（添加率）は、バイオマスを１００重量部とした場合、０．１重量部〜１０重量部であることが好ましい。
【００３６】
次いで、攪拌装置によりバイオマス、酵素および水の混合物を攪拌しながら、ｐＨを調整し、この混合物を５０〜６０℃に保持することにより、前処理工程にて構造分解処理を施したセルロースおよびヘミセルロースを酵素分解させて、グルコース、マンノース、キシロースなどの糖類を生成する（酵素分解工程）。
この酵素分解工程では、セルロースおよびヘミセルロースの酵素分解を、例えば、５０〜６０℃にて２４時間〜７２時間程度行う。
なお、バイオエタノールの製造開始時には、糖類の発酵が未だ行われていないので、酵素分解槽１１内の温度を適温に加熱するために、熱交換器１７における第一の流路１５を流れる糖類含有溶液と、第二の流路１６を流れるエタノール含有溶液との間の熱交換による熱が利用されることがない。したがって、バイオエタノールの製造開始時には、酵素分解槽１１内の温度を適温に加熱するために、加熱装置１３のみが用いられる。
【００３７】
次いで、ある程度、酵素分解反応が進行した時点で、第一の流路１５および酵素分離装置２０を介して、酵素分解工程にて生成した糖類含有溶液を発酵槽１２へ送り込む。
酵素分離装置２０では、糖類含有溶液に含まれる酵素が分離され、分離された酵素は発酵槽１２には送り込まれずに、流路２１を介して酵素分解槽１１へ戻される（酵素分離工程）。これにより、酵素分解槽１１中の酵素の濃度をほぼ一定に保つことができるので、酵素分解反応を安定に継続することができる上に、高価な酵素を無駄にすることなく繰り返し利用できる。
【００３８】
また、セルロースおよびヘミセルロースの酵素分解が進行し、糖類含有溶液が発酵槽１２へ送り込まれると、酵素分解槽１１の液量が減少する。そこで、酵素分解槽１１に、新たに適量の水を加えて、酵素分解を継続する。
ところで、上述のように、セルロースとヘミセルロースを酵素分解する際、分解生成物のグルコースが酵素分解の反応阻害物質となるため、酵素分解が進行し、酵素分解槽１１中のグルコースの濃度が高くなるにしたがって、酵素分解が進行しなくなる。そこで、生成した糖類含有溶液を発酵槽１２へ送り込むとともに、酵素分解槽１１に、新たに水を加えると、酵素分解槽１１中のグルコースの濃度が低下するので、酵素分解反応が再び進行する。また、新たに水を加える際、必要に応じて、酵素を追加補給してもよい。
【００３９】
次いで、上述の酵素分解槽１１における酵素分解反応、酵素分解反応により生成した糖類含有溶液の発酵槽１２への送出、および、酵素分解槽１１への水の追加を適当回数繰り返し、発酵槽１２が糖類含有溶液で満たされた時点で、発酵槽１２に発酵菌を投入し、攪拌装置により糖類含有溶液および発酵菌の混合物を攪拌しながら、３０〜３５℃に保持することにより、酵素分解工程にて生成した糖類を発酵する（発酵工程）。
なお、糖類の発酵開始時には、エタノールが十分に生成していないため、熱交換器１７における糖類含有溶液と、エタノール含有溶液との間の熱交換が行われていない。したがって、糖類の発酵開始時には、発酵槽１２内の温度を適温に冷却するために、冷却装置１４のみが用いられる。
【００４０】
グルコース、マンノース、キシロースなどの糖類を発酵させてエタノールを生成するための発酵菌としては、酵母菌、ザイモモナス、遺伝子組換大腸菌などが用いられる。
また、発酵菌（酵母菌）は、１０７〜１０９ｃｅｌｌ／ｍｌであることが好ましい。
【００４１】
次いで、熱交換器１７を介して、酵素分解槽１１と発酵槽１２との間で、酵素分解工程にて生成した糖類含有溶液と、発酵工程にて生成したエタノール含有溶液とを循環させる。これによって、熱交換器１７により、糖類含有溶液とエタノール含有溶液との熱交換を行う（熱交換工程）。
なお、糖類含有溶液中のグルコース濃度が所定濃度、例えば、１重量％以下になったら、糖類含有溶液とエタノール含有溶液との循環を開始する。
【００４２】
なお、糖類含有溶液とエタノール含有溶液との熱交換の効率を１００％に設定することはできないため、酵素分解槽１１から発酵槽１２へ送り込まれる糖類含有溶液は、発酵操作温度（発酵に適した温度：３０〜３５℃）より若干高くなっており、一方、発酵槽１２から酵素分解槽１１へ送り込まれるエタノール含有溶液は、酵素分解操作温度（酵素分解に適した温度：５０〜６０℃）より若干低くなっている。
そのため、酵素分解槽１１と発酵槽１２との間で、糖類含有溶液とエタノール含有溶液の循環（熱交換）を開始したら、加熱装置１３により酵素分離槽１１内の温度を酵素分解操作温度まで加熱し、一方、冷却装置１４により発酵槽１２内の温度を発酵操作温度まで冷却する。また、仮に熱交換の効率を１００％にすることができたとしても、エタノール発酵は発熱反応であるため、冷却装置１４により発酵槽１２内の温度を発酵操作温度まで冷却する必要がある。
【００４３】
また、発酵工程にて生成したエタノール含有溶液は、第二の流路１６および発酵菌分離装置１８を介して、酵素分離槽１１へ送り込まれているため、発酵菌分離装置１８では、エタノール含有溶液に含まれる発酵菌が分離され、分離された発酵菌は酵素分離槽１１には送り込まれずに、流路１９を介して発酵槽１２へ戻される（発酵菌分離工程）。これにより、発酵槽１２中の発酵菌の濃度をほぼ一定に保つことができるので、エタノール発酵を安定に継続することができる。
【００４４】
そして、セルロースおよびヘミセルロースの酵素分解反応が進行しなくなった時点で、糖類含有溶液とエタノール含有溶液の循環を停止する。なお、セルロースおよびヘミセルロースの酵素分解反応が進行しなくなるまでの間に、エタノール発酵も十分に進行している。
次いで、酵素分解槽１１および発酵槽１２から全溶液を抜き出して、この溶液をエタノールの濃縮・脱水工程へ送り、エタノールを回収する。
【００４５】
上記の一連の工程が終了した後、酵素分解槽１１と発酵槽１２を洗浄し、再び同じ操作を繰り返す。
【００４６】
この実施形態のバイオエタノール製造装置１０を用いたバイオエタノールの製造方法によれば、酵素分解槽１１と発酵槽１２が、第一の流路１５および第二の流路１６、並びに、これらの流路の途中に設けられた熱交換器１７を介して連通し、酵素分解槽１１と発酵槽１２において、それぞれ独立に酵素分解反応と発酵を行いながら、熱交換器１７により、酵素分解槽１１における酵素分解反応にて生成した糖類含有溶液と、発酵槽１２における発酵工程にて生成したエタノール含有溶液との熱交換を行うので、酵素分解槽１１と発酵槽１２の間で、互いに反応温度に影響を及ぼすことなく、それぞれの最適温度にて、酵素分解反応と発酵を進行することができる。また、酵素分離装置２０により、糖類含有溶液から酵素を分離し、この酵素を酵素分解槽１１に戻して再利用することができるとともに、発酵菌分離装置１８により、エタノール含有溶液から発酵菌を分離し、この発酵菌を発酵槽１２に戻して再利用することができる。このように、それぞれの最適温度にて、酵素分解反応と発酵を進行することができるため、従来の同時糖化発酵法と比較して、酵素使用量を削減することができるから、従来の同時糖化発酵法において、酵素分解反応温度と発酵温度が異なるためにエタノールの製造効率が悪いという問題を解決し、非常に効率的にエタノールを製造することができる。
【００４７】
なお、この実施形態では、第一の流路１５の途中に酵素分離装置２０が設けられたバイオエタノール製造装置１０を例示したが、本発明のバイオエタノールの製造装置はこれに限定されず、酵素分離装置が設けられていなくてもよい。
【００４８】
（２）第二の実施形態
図２は、本発明のバイオエタノールの製造装置の第二の実施形態を示す概略構成図である。
図２中、符号３０はバイオエタノール製造装置、３１は酵素分解槽、３２は発酵槽、３３は加熱装置、３４は冷却装置、３５は第一の流路、３６は第二の流路、３７は熱交換器、３８は発酵菌分離装置、３９は流路、４０は酵素分離装置、４１は流路、４２はエタノール分離回収装置、４３は阻害物質除去装置をそれぞれ示している。
【００４９】
このバイオエタノール製造装置３０は、酵素分解槽３１と、発酵槽３２と、加熱装置３３と、冷却装置３４と、第一の流路３５と、第二の流路３６と、熱交換器３７と、発酵菌分離装置３８と、酵素分離装置４０、エタノール分離回収装置４２、阻害物質除去装置４３とから概略構成されている。
酵素分解槽３１は、セルロース系バイオマスに含まれるセルロースおよびヘミセルロースを酵素分解させるためのものである。また、酵素分解槽３１は、槽内のバイオマスおよび酵素を含む混合物を攪拌するための攪拌装置（図示略）を備えている。
酵素分解槽３１の外周面には、酵素分解槽３１内の温度を所定温度に加熱し、保温することができる加熱装置３３が設けられている。
【００５０】
発酵槽３２は、酵素分解槽３１にてセルロースおよびヘミセルロースの酵素分解により生成した糖類を発酵させるためのものである。また、発酵槽３２は、槽内の糖類を含有する溶液および発酵菌を含む混合物を攪拌するための攪拌装置（図示略）を備えている。
発酵槽３２の外周面には、発酵槽３２内の温度を所定温度に冷却し、保温することができる冷却装置３４が設けられている。
【００５１】
また、酵素分解槽３１と発酵槽３２は、第一の流路３５および第二の流路３６、並びに、これらの流路の途中に設けられた熱交換器３７を介して連通している。また、第一の流路３５および第二の流路３６は、熱交換器３７内を貫通している。また、第一の流路３５は、酵素分解槽３１側から順に、流路３５Ａ，３５Ｂ，３５Ｃから構成されている。同様に、第二の流路３６は、発酵槽３２側から順に、流路３６Ａ，３６Ｂ，３６Ｃ，３６Ｄ，３６Ｅから構成されている。
【００５２】
また、酵素分解槽３１にてセルロースおよびヘミセルロースの酵素分解により生成した糖類含有溶液は、流路３５の途中に設けられた送液ポンプ（図示略）により、流路３５Ａ、３５Ｂ、熱交換器３７、流路３５Ｃを順に流れて、発酵槽３２へ送り込まれるようになっている。
一方、発酵槽３２にて生成したエタノール含有溶液は、流路３６の途中に設けられた送液ポンプ（図示略）により、流路３６Ａ，３６Ｂ，３６Ｃ，３６Ｄ、熱交換器３７、流路３６Ｅを順に流れて、酵素分解槽３１へ送り込まれるようになっている。
【００５３】
そして、熱交換器３７にて、第一の流路３５を流れる糖類含有溶液と、第二の流路３６を流れるエタノール含有溶液との間で、熱交換が行われるようになっている。
【００５４】
第一の流路３５の途中には、酵素分解槽３１にて生成した糖類含有溶液から酵素を分離し、かつ、この酵素を、流路４１を介して酵素分解槽３１に戻す酵素分離装置４０が設けられている。
一方、第二の流路３６の途中には、発酵槽３２にて生成したエタノール含有溶液から発酵菌を分離し、かつ、この発酵菌を、流路３９を介して発酵槽３２に戻す発酵菌分離装置３８が設けられている。また、第二の流路３６の途中、かつ、発酵菌分離装置３８の後段に、発酵槽３２にて生成したエタノール含有溶液からエタノールを分離するエタノール分離回収装置４２が設けられている。さらに、第二の流路３６の途中、かつ、エタノール分離回収装置４２の後段に、エタノール分離回収装置４２から排出された溶液からセルロースおよびヘミセルロースの酵素分解を阻害する物質を除去する阻害物質除去装置４３が設けられている。
【００５５】
エタノール分離回収装置４２としては、蒸留装置、蒸留装置と吸着材を組み合わせた装置、蒸留装置と膜分離装置を組み合わせた装置などが用いられる。
阻害物質除去装置４３としては、活性汚泥処理、メタン発酵処理、吸着処理などが用いられる。
【００５６】
次に、このバイオエタノール製造装置３０の作用を説明するとともに、この実施形態のバイオエタノールの製造方法を説明する。
まず、セルロース系バイオマスに含まれるリグニンを破壊処理するとともに、このバイオマスに含まれるセルロースおよびヘミセルロースの構造分解処理する（前処理工程）。
このバイオマスの前処理工程では、希硫酸分解、水蒸気爆砕、アンモニア爆砕、熱水・超臨界水を用いる方法、微生物分解、微粉砕、化学薬品処理などの公知の方法が用いられる。
【００５７】
次いで、酵素分解槽３１に、前処理工程にて前処理を施したバイオマスと、このバイオマスの分解に適量の酵素と、適量の水を入れる。
【００５８】
次いで、攪拌装置によりバイオマス、酵素および水の混合物を攪拌しながら、この混合物を５０〜６０℃に保持することにより、前処理工程にて構造分解処理を施したセルロースおよびヘミセルロースを酵素分解させて、グルコース、マンノース、キシロースなどの糖類を生成する（酵素分解工程）。
この酵素分解工程では、セルロースおよびヘミセルロースの酵素分解を、例えば、５０〜６０℃にて２４時間〜７２時間程度行う。
なお、バイオエタノールの製造開始時には、糖類の発酵が未だ行われていないので、酵素分解槽３１内の温度を適温に加熱するために、熱交換器３７における第一の流路３５を流れる糖類含有溶液と、第二の流路３６を流れるエタノール含有溶液との間の熱交換による熱が利用されることがない。したがって、バイオエタノールの製造開始時には、酵素分解槽３１内の温度を適温に加熱するために、加熱装置３３のみが用いられる。
【００５９】
次いで、ある程度、酵素分解反応が進行した時点で、第一の流路３５および酵素分離装置４０を介して、酵素分解工程にて生成した糖類含有溶液を発酵槽３２へ送り込む。
酵素分離装置４０では、糖類含有溶液に含まれる酵素が分離され、分離された酵素は発酵槽３２には送り込まれずに、流路４１を介して酵素分解槽３１へ戻される（酵素分離工程）。これにより、酵素分解槽３１中の酵素の濃度をほぼ一定に保つことができるので、酵素分解反応を安定に継続することができる上に、高価な酵素を無駄にすることなく繰り返し利用できる。
【００６０】
また、セルロースおよびヘミセルロースの酵素分解が進行し、糖類含有溶液が発酵槽３２へ送り込まれると、酵素分解槽３１の液量が減少する。そこで、酵素分解槽３１に、新たに適量の水を加えて、酵素分解を継続する。
ところで、上述のように、セルロースとヘミセルロースを酵素分解する際、分解生成物のグルコースが酵素分解の反応阻害物質となるため、酵素分解が進行し、酵素分解槽３１中のグルコースの濃度が高くなるにしたがって、酵素分解が進行しなくなる。そこで、生成した糖類含有溶液を発酵槽３２へ送り込むとともに、酵素分解槽３１に、新たに水を加えると、酵素分解槽３１中のグルコースの濃度が低下するので、酵素分解反応が再び進行する。
【００６１】
次いで、上述の酵素分解槽３１における酵素分解反応、酵素分解反応により生成した糖類含有溶液の発酵槽３２への送出、および、酵素分解槽３１への水の追加を適当回数繰り返し、発酵槽３２が糖類含有溶液で満たされた時点で、発酵槽３２に発酵菌を投入し、攪拌装置により糖類含有溶液および発酵菌の混合物を攪拌しながら、３０〜３５℃に保持することにより、酵素分解工程にて生成した糖類を発酵する（発酵工程）。
なお、糖類の発酵開始時には、エタノールが十分に生成していないため、熱交換器３７における糖類含有溶液と、エタノール含有溶液との間の熱交換が行われていない。したがって、糖類の発酵開始時には、発酵槽３２内の温度を適温に冷却するために、冷却装置３４のみが用いられる。
【００６２】
次いで、ある程度、エタノール発酵が進行した時点で、第二の流路３６および発酵菌分離装置３８を介して、発酵工程にて生成したエタノール含有溶液をエタノール分離回収装置４２へ送り込む。
また、発酵工程にて生成したエタノール含有溶液は、第二の流路３６および発酵菌分離装置３８を介して、エタノール分離回収装置４２へ送り込まれているため、発酵菌分離装置３８では、エタノール含有溶液に含まれる発酵菌が分離され、分離された発酵菌はエタノール分離回収装置４２には送り込まれずに、流路３９を介して発酵槽３２へ戻される（発酵菌分離工程）。これにより、発酵槽３２中の発酵菌の濃度をほぼ一定に保つことができるので、エタノール発酵を安定に継続することができる。
【００６３】
次いで、エタノール分離回収装置４２により、発酵工程にて生成したエタノール含有溶液から、エタノールを分離、回収し（エタノール分離回収工程）、エタノールが除去された溶液を排出して、阻害物質除去装置４３へ送り込む。
なお、発酵工程にて生成したエタノールも、グルコースと比較すると影響が小さいものの、酵素分解反応の阻害物質となる。そこで、エタノール分離回収装置４２により、発酵工程にて生成したエタノールを反応系から順次除去することが好ましい。
【００６４】
次いで、阻害物質除去装置４３により、エタノール分離回収工程にて排出された溶液からセルロースおよびヘミセルロースの酵素分解を阻害する物質を除去する（阻害物質除去工程）。
なお、発酵槽３２にてエタノールを生成するにともなって、若干量のギ酸、酢酸などの有機酸やその他の有機物が生成する。バイオエタノール製造装置３０を長時間に渡って連続操作する場合、この有機酸が反応系内に蓄積され、酵素分解や発酵を阻害する可能性がある。そこで、必要に応じて、阻害物質除去装置４３により、エタノールが除去された溶液から有機酸などを除去することが好ましい。
【００６５】
次いで、熱交換器３７を介して、酵素分解槽３１と発酵槽３２との間で、酵素分解工程にて生成した糖類含有溶液と、エタノール分離回収工程にて排出されたエタノールが除去された溶液とを循環させる。これによって、熱交換器３７により、糖類含有溶液とエタノールが除去された溶液との熱交換を行う（熱交換工程）。
【００６６】
なお、糖類含有溶液とエタノールが除去された溶液との熱交換の効率を１００％に設定することはできないため、酵素分解槽３１から発酵槽３２へ送り込まれる糖類含有溶液は、発酵操作温度（発酵に適した温度：３０〜３５℃）より若干高くなっており、一方、エタノール分離回収装置４２から酵素分解槽３１へ送り込まれるエタノール含有溶液は、酵素分解操作温度（酵素分解に適した温度：５０〜６０℃）より若干低くなっている。
そのため、酵素分解槽３１と発酵槽３２との間で、糖類含有溶液とエタノールが除去された溶液の循環（熱交換）を開始したら、加熱装置３３により酵素分離槽３１内の温度を酵素分解操作温度まで加熱し、一方、冷却装置３４により発酵槽３２内の温度を発酵操作温度まで冷却する。
【００６７】
この実施形態では、発酵槽３２にて生成したエタノール含有溶液を、エタノール分離回収装置４２に連続的に送り込み、エタノールを回収するとともに、エタノール分離回収装置４２から排出されたエタノールが除去された溶液を阻害物質除去装置４３に連続的に送り込み、有機酸などを除去して、有機酸などが除去された溶液を酵素分解槽３１に送り込むという一連の工程を繰り返すことにより、酵素分解工程、発酵工程およびエタノール分離回収工程を連続的に行うことが可能となる。
【００６８】
次に、バイオエタノール製造装置３０を用いて、酵素分解工程、発酵工程およびエタノール分離回収工程を連続的に行う方法を説明する。
この方法では、酵素分解槽３１と同様な構成の酵素分解槽を複数設ける。
それぞれの酵素分離槽では、セルロースおよびヘミセルロースの酵素分解反応を行うが、それぞれの酵素分解槽において、酵素分解反応の開始時期をずらすことにより、全ての発酵分解槽が１つの反応系を形成した、擬似的な連続酵素分解反応系を構築する。
【００６９】
ここでは、具体例として、酵素分解槽を３基（第一の酵素分解槽、第二の酵素分解槽、第三の酵素分解槽）設けた場合を例示する。
まず、第一の酵素分解槽にて、セルロースおよびヘミセルロースの酵素分解反応を開始する。
この第一の酵素分解槽における酵素分解反応が約１／２進行した時点で、第二の酵素分解槽にて、酵素分解反応を開始する。
次いで、第一の酵素分解槽における酵素分解反応が終了した時点で、第三の酵素分解槽にて、酵素分解反応を開始する。この時点で、第二の酵素分解槽における酵素分解反応が約１／２進行しているものとする。
そして、第一の酵素分解槽を洗浄し、新たに酵素分解反応の準備をする。
次いで、第二の酵素分解槽における酵素分解反応が終了した時点で、再び第一の酵素分解槽にて、酵素分解反応を開始する。この時点で、第三の酵素分解槽における酵素分解反応が約１／２進行しているものとする。
このように、３基の酵素分解槽における酵素分解反応の開始時期をずらし、上記の一連の工程を繰り返すことにより、擬似的な連続酵素分解反応系を構築することができる。
【００７０】
この実施形態のバイオエタノール製造装置３０を用いたバイオエタノールの製造方法によれば、上述の第一の実施形態の作用効果に加えて、エタノール分離回収装置４２により、発酵工程にて生成したエタノール含有溶液から、エタノールを分離、回収するので、生成したエタノールが酵素分解槽３１に送り込まれて、酵素分解反応を阻害することを防止できる。また、阻害物質除去装置４３により、エタノール分離回収工程にて排出された溶液に含まれる有機酸を除去するので、この有機酸が酵素分解や発酵を阻害することを防止できる。したがって、非常に効率的にエタノールを製造することができる上に、従来の同時糖化発酵法では不可能であった、バイオエタノールの連続製造プロセスを実現することができる。
【００７１】
（３）第三の実施形態
図３は、本発明のバイオエタノールの製造装置の第三の実施形態を示す概略構成図である。
図３中、符号５０はバイオエタノール製造装置、５１は酵素分解槽、５２は発酵槽、５３は加熱装置、５４は冷却装置、５５は第一の流路、５６は第二の流路、５７は熱交換器、５８は発酵菌分離装置、５９は流路、６０は酵素分離装置、６１は流路、６２はエタノール分離回収装置をそれぞれ示している。
【００７２】
このバイオエタノール製造装置５０は、酵素分解槽５１と、発酵槽５２と、加熱装置５３と、冷却装置５４と、第一の流路５５と、第二の流路５６と、熱交換器５７と、発酵菌分離装置５８と、酵素分離装置６０、エタノール分離回収装置６２とから概略構成されている。
酵素分解槽５１は、セルロース系バイオマスに含まれるセルロースおよびヘミセルロースを酵素分解させるためのものである。また、酵素分解槽５１は、槽内のバイオマスおよび酵素を含む混合物を攪拌するための攪拌装置（図示略）を備えている。
酵素分解槽５１の外周面には、酵素分解槽５１内の温度を所定温度に加熱し、保温することができる加熱装置５３が設けられている。
【００７３】
発酵槽５２は、酵素分解槽５１にてセルロースおよびヘミセルロースの酵素分解により生成した糖類を発酵させるためのものである。また、発酵槽５２は、槽内の糖類を含有する溶液および発酵菌を含む混合物を攪拌するための攪拌装置（図示略）を備えている。
発酵槽５２の外周面には、発酵槽５２内の温度を所定温度に冷却し、保温することができる冷却装置５４が設けられている。
【００７４】
また、酵素分解槽５１と発酵槽５２は、第一の流路５５および第二の流路５６、並びに、これらの流路の途中に設けられた熱交換器５７を介して連通している。また、第一の流路５５および第二の流路５６は、熱交換器５７内を貫通している。また、第一の流路５５は、酵素分解槽５１側から順に、流路５５Ａ，５５Ｂ，５５Ｃから構成されている。同様に、第二の流路５６は、発酵槽５２側から順に、流路５６Ａ，５６Ｂ，５６Ｃ，５６Ｄから構成されている。
【００７５】
また、酵素分解槽５１にてセルロースおよびヘミセルロースの酵素分解により生成した糖類含有溶液は、流路５５の途中に設けられた送液ポンプ（図示略）により、流路５５Ａ、５５Ｂ、熱交換器５７、流路５５Ｃを順に流れて、発酵槽５２へ送り込まれるようになっている。
一方、発酵槽５２にて生成したエタノール含有溶液は、流路５６の途中に設けられた送液ポンプ（図示略）により、流路５６Ａ、５６Ｂ、熱交換器５７、流路５６Ｃ、５６Ｄを順に流れて、酵素分解槽５１へ送り込まれるようになっている。
【００７６】
そして、熱交換器５７にて、第一の流路５５を流れる糖類含有溶液と、第二の流路５６を流れるエタノール含有溶液との間で、熱交換が行われるようになっている。
【００７７】
第一の流路５５の途中には、酵素分解槽５１にて生成した糖類含有溶液から酵素を分離し、かつ、この酵素を、流路６１を介して酵素分解槽５１に戻す酵素分離装置６０が設けられている。
一方、第二の流路５６の途中には、発酵槽５２にて生成したエタノール含有溶液から発酵菌を分離し、かつ、この発酵菌を、流路５９を介して発酵槽５２に戻す発酵菌分離装置５８が設けられている。また、第二の流路５６の途中、かつ、発酵菌分離装置５８および熱交換器５７の後段に、発酵槽５２にて生成したエタノール含有溶液からエタノールを分離するエタノール分離回収装置６２が設けられている。
【００７８】
エタノール分離回収装置６２としては、蒸留装置、蒸留装置と吸着材を組み合わせた装置、蒸留装置と膜分離装置を組み合わせた装置などが用いられる。
【００７９】
次に、このバイオエタノール製造装置５０の作用を説明するとともに、この実施形態のバイオエタノールの製造方法を説明する。
まず、セルロース系バイオマスに含まれるリグニンを破壊処理するとともに、このバイオマスに含まれるセルロースおよびヘミセルロースの構造分解処理する（前処理工程）。
このバイオマスの前処理工程では、希硫酸分解、水蒸気爆砕、アンモニア爆砕、熱水・超臨界水を用いる方法、微生物分解、微粉砕、化学薬品処理などの公知の方法が用いられる。
【００８０】
次いで、酵素分解槽５１に、前処理工程にて前処理を施したバイオマスと、このバイオマスの分解に適量の酵素と、適量の水を入れる。
【００８１】
次いで、攪拌装置によりバイオマス、酵素および水の混合物を攪拌しながら、この混合物を５０〜６０℃に保持することにより、前処理工程にて構造分解処理を施したセルロースおよびヘミセルロースを酵素分解させて、グルコース、マンノース、キシロースなどの糖類を生成する（酵素分解工程）。
この酵素分解工程では、セルロースおよびヘミセルロースの酵素分解を、例えば、５０〜６０℃にて２４時間〜７２時間程度行う。
なお、バイオエタノールの製造開始時には、糖類の発酵が未だ行われていないので、酵素分解槽５１内の温度を適温に加熱するために、エタノール分離回収装置６２から排出された溶液の熱が利用されることがない。したがって、バイオエタノールの製造開始時には、酵素分解槽５１内の温度を適温に加熱するために、加熱装置５３のみが用いられる。
【００８２】
次いで、ある程度、酵素分解反応が進行した時点で、第一の流路５５および酵素分離装置６０を介して、酵素分解工程にて生成した糖類含有溶液を発酵槽５２へ送り込む。
酵素分離装置６０では、糖類含有溶液に含まれる酵素が分離され、分離された酵素は発酵槽５２には送り込まれずに、流路６１を介して酵素分解槽５１へ戻される（酵素分離工程）。これにより、酵素分解槽５１中の酵素の濃度をほぼ一定に保つことができるので、酵素分解反応を安定に継続することができる上に、高価な酵素を無駄にすることなく繰り返し利用できる。
【００８３】
また、セルロースおよびヘミセルロースの酵素分解が進行し、糖類含有溶液が発酵槽５２へ送り込まれると、酵素分解槽５１の液量が減少する。そこで、酵素分解槽５１に、新たに適量の水を加えて、酵素分解を継続する。
ところで、上述のように、セルロースとヘミセルロースを酵素分解する際、分解生成物のグルコースが酵素分解の反応阻害物質となるため、酵素分解が進行し、酵素分解槽５１中のグルコースの濃度が高くなるにしたがって、酵素分解が進行しなくなる。そこで、生成した糖類含有溶液を発酵槽５２へ送り込むとともに、酵素分解槽５１に、新たに水を加えると、酵素分解槽５１中のグルコースの濃度が低下するので、酵素分解反応が再び進行する。
【００８４】
次いで、上述の酵素分解槽５１における酵素分解反応、酵素分解反応により生成した糖類含有溶液の発酵槽５２への送出、および、酵素分解槽５１への水の追加を適当回数繰り返し、発酵槽５２が糖類含有溶液で満たされた時点で、発酵槽５２に発酵菌を投入し、攪拌装置により糖類含有溶液および発酵菌の混合物を攪拌しながら、３０〜３５℃に保持することにより、酵素分解工程にて生成した糖類を発酵する（発酵工程）。
なお、糖類の発酵開始時には、エタノールが十分に生成していないため、熱交換器５７における糖類含有溶液と、エタノール含有溶液との間の熱交換が行われていない。したがって、糖類の発酵開始時には、発酵槽５２内の温度を適温に冷却するために、冷却装置５４のみが用いられる。
【００８５】
次いで、ある程度、エタノール発酵が進行した時点で、第二の流路５６および発酵菌分離装置５８を介して、発酵工程にて生成したエタノール含有溶液をエタノール分離回収装置６２へ送り込む。
また、発酵工程にて生成したエタノール含有溶液は、第二の流路５６および発酵菌分離装置５８を介して、エタノール分離回収装置６２へ送り込まれているため、発酵菌分離装置５８では、エタノール含有溶液に含まれる発酵菌が分離され、分離された発酵菌はエタノール分離回収装置６２には送り込まれずに、流路５９を介して発酵槽５２へ戻される（発酵菌分離工程）。これにより、発酵槽５２中の発酵菌の濃度をほぼ一定に保つことができるので、エタノール発酵を安定に継続することができる。
【００８６】
次いで、熱交換器５７を介して、酵素分解槽５１と発酵槽５２との間で、酵素分解工程にて生成した糖類含有溶液と、エタノール分離回収工程にて排出されたエタノールが除去された溶液とを循環させる。これによって、熱交換器５７により、第一の流路５５を流れる糖類含有溶液と、第二の流路５６を流れるエタノール含有溶液との熱交換を行う（熱交換工程）。
なお、発酵槽５２から排出されたエタノール含有溶液の温度の温度は、３０〜３５℃であるが、後段のエタノール分離回収装置６２におけるエタノール分離回収工程では、操作温度が１００℃付近であるから、エタノール含有溶液をできるかぎり高い温度にてエタノール分離回収装置６２に送り込むことにより、バイオエタノール製造プロセス全体の熱効率を向上させることができる。したがって、この熱交換工程では、第一の流路５５を流れる糖類含有溶液の熱により、第二の流路５６を流れるエタノール含有溶液の温度を上げた後、このエタノール含有溶液をエタノール分離回収装置６２へ送り込む。また、エタノール分離回収装置６２から排出される溶液の温度は４０〜５０℃である。
【００８７】
また、糖類含有溶液とエタノールが除去された溶液との熱交換の効率を１００％に設定することはできないため、酵素分解槽５１から発酵槽５２へ送り込まれる糖類含有溶液は、熱交換器５７を介しても、発酵操作温度（発酵に適した温度：３０〜３５℃）より若干高くなっており、一方、エタノール分離回収装置６２から酵素分解槽５１へ送り込まれるエタノール含有溶液は、酵素分解操作温度（酵素分解に適した温度：５０〜６０℃）より若干低く（４０〜５０℃）なっている。
そのため、酵素分解槽５１と発酵槽５２との間で、糖類含有溶液とエタノールが除去された溶液の循環（熱交換）を開始したら、加熱装置５３により酵素分離槽５１内の温度を酵素分解操作温度まで加熱し、一方、冷却装置５４により発酵槽５２内の温度を発酵操作温度まで冷却する。
【００８８】
次いで、エタノール分離回収装置６２により、発酵工程にて生成したエタノール含有溶液から、エタノールを分離、回収する（エタノール分離回収工程）。
次いで、エタノール分離回収装置６２から、エタノールが除去された溶液を排出し、第二の流路５６を介して、酵素分解槽５１へ送り込む。
【００８９】
この実施形態では、発酵槽５２にて生成したエタノール含有溶液を、エタノール分離回収装置６２に連続的に送り込み、エタノールを回収する工程を繰り返すことにより、酵素分解工程、発酵工程およびエタノール分離回収工程を連続的に行うことが可能となる。
【００９０】
次に、バイオエタノール製造装置５０を用いて、酵素分解工程、発酵工程およびエタノール分離回収工程を連続的に行う方法を説明する。
この方法では、酵素分解槽５１と同様な構成の酵素分解槽を複数設ける。
それぞれの酵素分離槽では、セルロースおよびヘミセルロースの酵素分解反応を行うが、それぞれの酵素分解槽において、酵素分解反応の開始時期をずらすことにより、全ての発酵分解槽が１つの反応系を形成した、擬似的な連続酵素分解反応系を構築する。
【００９１】
ここでは、具体例として、酵素分解槽を３基（第一の酵素分解槽、第二の酵素分解槽、第三の酵素分解槽）設けた場合を例示する。
まず、第一の酵素分解槽にて、セルロースおよびヘミセルロースの酵素分解反応を開始する。
この第一の酵素分解槽における酵素分解反応が約１／２進行した時点で、第二の酵素分解槽にて、酵素分解反応を開始する。
次いで、第一の酵素分解槽における酵素分解反応が終了した時点で、第三の酵素分解槽にて、酵素分解反応を開始する。この時点で、第二の酵素分解槽における酵素分解反応が約１／２進行しているものとする。
そして、第一の酵素分解槽を洗浄し、新たに酵素分解反応の準備をする。
次いで、第二の酵素分解槽における酵素分解反応が終了した時点で、再び第一の酵素分解槽にて、酵素分解反応を開始する。この時点で、第三の酵素分解槽における酵素分解反応が約１／２進行しているものとする。
このように、３基の酵素分解槽における酵素分解反応の開始時期をずらし、上記の一連の工程を繰り返すことにより、擬似的な連続酵素分解反応系を構築することができる。
【００９２】
この実施形態のバイオエタノール製造装置５０を用いたバイオエタノールの製造方法によれば、上述の第一の実施形態の作用効果に加えて、エタノール分離回収装置６２により、発酵工程にて生成したエタノール含有溶液から、エタノールを分離、回収するので、生成したエタノールが酵素分解槽５１に送り込まれて、酵素分解反応を阻害することを防止できる。したがって、非常に効率的にエタノールを製造することができる上に、従来の同時糖化発酵法では不可能であった、バイオエタノールの連続製造プロセスを実現することができる。
【００９３】
（４）第四の実施形態
図４は、本発明のバイオエタノールの製造装置の第四の実施形態を示す概略構成図である。
図４中、符号７０はバイオエタノール製造装置、７１は酵素分解槽、７２は発酵槽、７３は加熱装置、７４は冷却装置、７５は第一の流路、７６は第二の流路、７７は第一の熱交換器、７８は発酵菌分離装置、７９は流路、８０は酵素分離装置、８１は流路、８２はエタノール分離回収装置、８３は阻害物質除去装置、８４は第二の熱交換器をそれぞれ示している。
【００９４】
このバイオエタノール製造装置７０は、酵素分解槽７１と、発酵槽７２と、加熱装置７３と、冷却装置７４と、第一の流路７５と、第二の流路７６と、第一の熱交換器７７と、発酵菌分離装置７８と、酵素分離装置８０、エタノール分離回収装置８２、阻害物質除去装置８３、第二の熱交換器８４とから概略構成されている。
酵素分解槽７１は、セルロース系バイオマスに含まれるセルロースおよびヘミセルロースを酵素分解させるためのものである。また、酵素分解槽７１は、槽内のバイオマスおよび酵素を含む混合物を攪拌するための攪拌装置（図示略）を備えている。
酵素分解槽７１の外周面には、酵素分解槽７１内の温度を所定温度に加熱し、保温することができる加熱装置７３が設けられている。
【００９５】
発酵槽７２は、酵素分解槽７１にてセルロースおよびヘミセルロースの酵素分解により生成した糖類を発酵させるためのものである。また、発酵槽７２は、槽内の糖類を含有する溶液および発酵菌を含む混合物を攪拌するための攪拌装置（図示略）を備えている。
発酵槽７２の外周面には、発酵槽７２内の温度を所定温度に冷却し、保温することができる冷却装置７４が設けられている。
【００９６】
また、酵素分解槽７１と発酵槽７２は、第一の流路７５および第二の流路７６、並びに、これらの流路の途中に設けられた第一の熱交換器７７および第二の熱交換器８４を介して連通している。また、第一の流路７５および第二の流路７６は、第一の熱交換器７７内を貫通し、第二の流路７６は、第二の熱交換器８４内を貫通している。また、第一の流路７５は、酵素分解槽７１側から順に、流路７５Ａ，７５Ｂ，７５Ｃから構成されている。同様に、第二の流路７６は、発酵槽７２側から順に、流路７６Ａ，７６Ｂ，７６Ｃ，７６Ｄ，７６Ｅ，７６Ｆ，７６Ｇから構成されている。
【００９７】
また、酵素分解槽７１にてセルロースおよびヘミセルロースの酵素分解により生成した糖類含有溶液は、流路７５の途中に設けられた送液ポンプ（図示略）により、流路７５Ａ、７５Ｂ、第一の熱交換器７７、流路７５Ｃを順に流れて、発酵槽７２へ送り込まれるようになっている。
一方、発酵槽７２にて生成したエタノール含有溶液は、流路７６の途中に設けられた送液ポンプ（図示略）により、流路７６Ａ、７６Ｂ、第二の熱交換器７７、流路７６Ｃ、７６Ｄ、第二の熱交換器８４、流路７６Ｅ、流路７６Ｆ、第二の熱交換器８４、流路７６Ｇを順に流れて、酵素分解槽７１へ送り込まれるようになっている。
【００９８】
そして、第一の熱交換器７７にて、第一の流路７５を流れる糖類含有溶液と、第二の流路７６を流れるエタノール含有溶液との間で、熱交換が行われるようになっている。
また、第二の熱交換器８４にて、第二の流路７６を流れるエタノール含有溶液同士で、熱交換が行われるようになっている。
【００９９】
第一の流路７５の途中には、酵素分解槽７１にて生成した糖類含有溶液から酵素を分離し、かつ、この酵素を、流路８１を介して酵素分解槽７１に戻す酵素分離装置８０が設けられている。
一方、第二の流路７６の途中には、発酵槽７２にて生成したエタノール含有溶液から発酵菌を分離し、かつ、この発酵菌を、流路７９を介して発酵槽７２に戻す発酵菌分離装置７８が設けられている。また、第二の流路７６の途中、かつ、発酵菌分離装置７８および第一の熱交換器７７の後段に、発酵槽７２にて生成したエタノール含有溶液からエタノールを分離するエタノール分離回収装置８２が設けられている。さらに、第二の流路７６の途中、かつ、エタノール分離回収装置８２および第二の熱交換器８４の後段に、エタノール分離回収装置８２から排出された溶液からセルロースおよびヘミセルロースの酵素分解を阻害する物質を除去する阻害物質除去装置８３が設けられている。
【０１００】
エタノール分離回収装置８２としては、蒸留装置、蒸留装置と吸着材を組み合わせた装置、蒸留装置と膜分離装置を組み合わせた装置などが用いられる。
阻害物質除去装置８３としては、活性汚泥処理、メタン発酵処理、吸着処理などが用いられる。
【０１０１】
次に、このバイオエタノール製造装置７０の作用を説明するとともに、この実施形態のバイオエタノールの製造方法を説明する。
まず、セルロース系バイオマスに含まれるリグニンを破壊処理するとともに、このバイオマスに含まれるセルロースおよびヘミセルロースの構造分解処理する（前処理工程）。
このバイオマスの前処理工程では、希硫酸分解、水蒸気爆砕、アンモニア爆砕、熱水・超臨界水を用いる方法、微生物分解、微粉砕、化学薬品処理などの公知の方法が用いられる。
【０１０２】
次いで、酵素分解槽７１に、前処理工程にて前処理を施したバイオマスと、このバイオマスの分解に適量の酵素と、適量の水を入れる。
【０１０３】
次いで、攪拌装置によりバイオマス、酵素および水の混合物を攪拌しながら、この混合物を５０〜６０℃に保持することにより、前処理工程にて構造分解処理を施したセルロースおよびヘミセルロースを酵素分解させて、グルコース、マンノース、キシロースなどの糖類を生成する（酵素分解工程）。
この酵素分解工程では、セルロースおよびヘミセルロースの酵素分解を、例えば、５０〜６０℃にて２４時間〜７２時間程度行う。
なお、バイオエタノールの製造開始時には、糖類の発酵が未だ行われていないので、酵素分解槽７１内の温度を適温に加熱するために、エタノール分離回収装置６２から排出された溶液の熱、および、第二の熱交換器８４における第二の流路７６を流れるエタノール含有溶液同士の熱交換による熱が利用されることがない。
したがって、バイオエタノールの製造開始時には、酵素分解槽７１内の温度を適温に加熱するために、加熱装置７３のみが用いられる。
【０１０４】
次いで、ある程度、酵素分解反応が進行した時点で、第一の流路７５および酵素分離装置８０を介して、酵素分解工程にて生成した糖類含有溶液を発酵槽７２へ送り込む。
酵素分離装置８０では、糖類含有溶液に含まれる酵素が分離され、分離された酵素は発酵槽７２には送り込まれずに、流路８１を介して酵素分解槽７１へ戻される（酵素分離工程）。これにより、酵素分解槽７１中の酵素の濃度をほぼ一定に保つことができるので、酵素分解反応を安定に継続することができる上に、高価な酵素を無駄にすることなく繰り返し利用できる。
【０１０５】
また、セルロースおよびヘミセルロースの酵素分解が進行し、糖類含有溶液が発酵槽７２へ送り込まれると、酵素分解槽７１の液量が減少する。そこで、酵素分解槽７１に、新たに適量の水を加えて、酵素分解を継続する。
ところで、上述のように、セルロースとヘミセルロースを酵素分解する際、分解生成物のグルコースが酵素分解の反応阻害物質となるため、酵素分解が進行し、酵素分解槽７１中のグルコースの濃度が高くなるにしたがって、酵素分解が進行しなくなる。そこで、生成した糖類含有溶液を発酵槽７２へ送り込むとともに、酵素分解槽７１に、新たに水を加えると、酵素分解槽７１中のグルコースの濃度が低下するので、酵素分解反応が再び進行する。
【０１０６】
次いで、上述の酵素分解槽７１における酵素分解反応、酵素分解反応により生成した糖類含有溶液の発酵槽７２への送出、および、酵素分解槽７１への水の追加を適当回数繰り返し、発酵槽７２が糖類含有溶液で満たされた時点で、発酵槽７２に発酵菌を投入し、攪拌装置により糖類含有溶液および発酵菌の混合物を攪拌しながら、３０〜３５℃に保持することにより、酵素分解工程にて生成した糖類を発酵する（発酵工程）。
なお、糖類の発酵開始時には、エタノールが十分に生成していないため、第一の熱交換器７７における糖類含有溶液と、エタノール含有溶液との間の熱交換が行われていない。したがって、糖類の発酵開始時には、発酵槽７２内の温度を適温に冷却するために、冷却装置７４のみが用いられる。
【０１０７】
次いで、ある程度、エタノール発酵が進行した時点で、第二の流路７６および発酵菌分離装置７８を介して、発酵工程にて生成したエタノール含有溶液をエタノール分離回収装置８２へ送り込む。
また、発酵工程にて生成したエタノール含有溶液は、第二の流路７６および発酵菌分離装置７８を介して、エタノール分離回収装置８２へ送り込まれているため、発酵菌分離装置７８では、エタノール含有溶液に含まれる発酵菌が分離され、分離された発酵菌はエタノール分離回収装置８２には送り込まれずに、流路７９を介して発酵槽７２へ戻される（発酵菌分離工程）。これにより、発酵槽７２中の発酵菌の濃度をほぼ一定に保つことができるので、エタノール発酵を安定に継続することができる。
【０１０８】
次いで、第一の熱交換器７７および第二の熱交換器８４を介して、酵素分解槽７１と発酵槽７２との間で、酵素分解工程にて生成した糖類含有溶液と、エタノール分離回収工程にて排出されたエタノールが除去された溶液とを循環させる。これによって、第一の熱交換器７７により、第一の流路７５を流れる糖類含有溶液と、第二の流路７６を流れるエタノール含有溶液との熱交換を行うとともに、第二の熱交換器８４により、第二の流路７６を流れるエタノール含有溶液同士の熱交換を行う（熱交換工程）。
なお、発酵槽７２から排出されたエタノール含有溶液の温度の温度は、３０〜３５℃であるが、後段のエタノール分離回収装置８２におけるエタノール分離回収工程では、操作温度が１００℃付近であるから、エタノール含有溶液をできるかぎり高い温度にてエタノール分離回収装置８２に送り込むことにより、バイオエタノール製造プロセス全体の熱効率を向上させることができる。したがって、第一の熱交換器７７における熱交換工程では、第一の流路７５を流れる糖類含有溶液の熱により、第二の流路７６を流れるエタノール含有溶液の温度を上げた後、このエタノール含有溶液をエタノール分離回収装置８２へ送り込む。また、エタノール分離回収装置８２から排出される溶液の温度は４０〜５０℃であるが、後段の阻害物質除去装置８３における阻害物質除去工程では、操作温度が３０℃付近であるから、エタノール分離回収装置８２から排出された溶液を冷却する必要がある。したがって、第二の熱交換器８４における熱交換工程では、阻害物質除去装置８３から排出された溶液により、阻害物質除去装置８３に送り込まれる直前の溶液を冷却した後、この溶液を阻害物質除去装置８３へ送り込む。
【０１０９】
また、糖類含有溶液とエタノールが除去された溶液との熱交換の効率を１００％に設定することはできないため、酵素分解槽７１から発酵槽７２へ送り込まれる糖類含有溶液は、第一の熱交換器７７を介しても、発酵操作温度（発酵に適した温度：３０〜３５℃）より若干高くなっており、一方、エタノール分離回収装置６２から酵素分解槽５１へ送り込まれるエタノール含有溶液は、第二の熱交換器８４を介しても、酵素分解操作温度（酵素分解に適した温度：５０〜６０℃）より若干低くなっている。
そのため、酵素分解槽７１と発酵槽７２との間で、糖類含有溶液とエタノールが除去された溶液の循環（熱交換）を開始したら、加熱装置７３により酵素分離槽７１内の温度を酵素分解操作温度まで加熱し、一方、冷却装置７４により発酵槽７２内の温度を発酵操作温度まで冷却する。
【０１１０】
次いで、エタノール分離回収装置８２により、発酵工程にて生成したエタノール含有溶液から、エタノールを分離、回収し（エタノール分離回収工程）、エタノールが除去された溶液を排出して、阻害物質除去装置８３へ送り込む。
なお、発酵工程にて生成したエタノールも、グルコースと比較すると影響が小さいものの、酵素分解反応の阻害物質となる。そこで、エタノール分離回収装置８２により、発酵工程にて生成したエタノールを反応系から順次除去することが好ましい。
【０１１１】
次いで、阻害物質除去装置８３により、エタノール分離回収工程にて排出された溶液からセルロースおよびヘミセルロースの酵素分解を阻害する物質を除去する（阻害物質除去工程）。
なお、発酵槽７２にてエタノールを生成するにともなって、若干量のギ酸、酢酸などの有機酸やその他の有機物が生成する。バイオエタノール製造装置７０を長時間に渡って連続操作する場合、この有機酸が反応系内に蓄積され、酵素分解や発酵を阻害する可能性がある。そこで、必要に応じて、阻害物質除去装置８３により、エタノールが除去された溶液から有機酸などを除去することが好ましい。
【０１１２】
この実施形態では、発酵槽７２にて生成したエタノール含有溶液を、エタノール分離回収装置８２に連続的に送り込み、エタノールを回収するとともに、エタノール分離回収装置８２から排出されたエタノールが除去された溶液を阻害物質除去装置８３に連続的に送り込み、有機酸などを除去して、有機酸などが除去された溶液を酵素分解槽７１に送り込むという一連の工程を繰り返すことにより、酵素分解工程、発酵工程およびエタノール分離回収工程を連続的に行うことが可能となる。
【０１１３】
次に、バイオエタノール製造装置７０を用いて、酵素分解工程、発酵工程およびエタノール分離回収工程を連続的に行う方法を説明する。
この方法では、酵素分解槽７１と同様な構成の酵素分解槽を複数設ける。
それぞれの酵素分離槽では、セルロースおよびヘミセルロースの酵素分解反応を行うが、それぞれの酵素分解槽において、酵素分解反応の開始時期をずらすことにより、全ての発酵分解槽が１つの反応系を形成した、擬似的な連続酵素分解反応系を構築する。
【０１１４】
ここでは、具体例として、酵素分解槽を３基（第一の酵素分解槽、第二の酵素分解槽、第三の酵素分解槽）設けた場合を例示する。
まず、第一の酵素分解槽にて、セルロースおよびヘミセルロースの酵素分解反応を開始する。
この第一の酵素分解槽における酵素分解反応が約１／２進行した時点で、第二の酵素分解槽にて、酵素分解反応を開始する。
次いで、第一の酵素分解槽における酵素分解反応が終了した時点で、第三の酵素分解槽にて、酵素分解反応を開始する。この時点で、第二の酵素分解槽における酵素分解反応が約１／２進行しているものとする。
そして、第一の酵素分解槽を洗浄し、新たに酵素分解反応の準備をする。
次いで、第二の酵素分解槽における酵素分解反応が終了した時点で、再び第一の酵素分解槽にて、酵素分解反応を開始する。この時点で、第三の酵素分解槽における酵素分解反応が約１／２進行しているものとする。
このように、３基の酵素分解槽における酵素分解反応の開始時期をずらし、上記の一連の工程を繰り返すことにより、擬似的な連続酵素分解反応系を構築することができる。
【０１１５】
この実施形態のバイオエタノール製造装置７０を用いたバイオエタノールの製造方法によれば、上述の第一の実施形態の作用効果に加えて、エタノール分離回収装置８２により、発酵工程にて生成したエタノール含有溶液から、エタノールを分離、回収するので、生成したエタノールが酵素分解槽７１に送り込まれて、酵素分解反応を阻害することを防止できる。また、阻害物質除去装置８３により、エタノール分離回収工程にて排出された溶液に含まれる有機酸を除去するので、この有機酸が酵素分解や発酵を阻害することを防止できる。したがって、非常に効率的にエタノールを製造することができる上に、従来の同時糖化発酵法では不可能であった、バイオエタノールの連続製造プロセスを実現することができる。
【０１１６】
また、上述の第一、第二、第三および第四の実施形態では、複数の発酵槽を直列に設けてもよい。
【図面の簡単な説明】
【０１１７】
【図１】本発明のバイオエタノールの製造装置の第一の実施形態を示す概略構成図である。
【図２】本発明のバイオエタノールの製造装置の第二の実施形態を示す概略構成図である。
【図３】本発明のバイオエタノールの製造装置の第三の実施形態を示す概略構成図である。
【図４】本発明のバイオエタノールの製造装置の第四の実施形態を示す概略構成図である。
【符号の説明】
【０１１８】
１０，３０，５０，７０・・・バイオエタノール製造装置、１１，３１，５１，７１・・・酵素分解槽、１２，３２，５２，７２・・・発酵槽、１３，３３，５３，７３・・・加熱装置、１４，３４，５４，７４・・・冷却装置、１５，３５，５５，７５・・・第一の流路、１６，３６，５６，７６・・・第二の流路、１７，３７，５７・・・熱交換器、１８，３８，５８，７８・・・発酵菌分離装置、１９，３９，５９，７９・・・流路、２０，４０，６０，８０・・・酵素分離装置、２１，４１，６１，８１・・・流路、４２，６２，８２・・・エタノール分離回収装置、４３，８３・・・阻害物質除去装置、７７・・・第一の熱交換器、８４・・・第二の熱交換器。
【図１】
2009100713.tif 000003
【図２】
2009100713.tif 000004
【図３】
2009100713.tif 000005
【図４】
2009100713.tif 000006