JP2012016298A - 糖液を用いた発酵システム及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】アルコール発酵する際の発酵効率を向上させる糖液を用いた発酵システム及び方法を提供する。
【解決手段】糖液１１を発酵してアルコールを製造するアルコール製造システムであって、前記糖液１１を酵母１３の添加により有機原料であるアルコールを発酵するアルコール発酵槽１２と、前記アルコール発酵槽１２にバイオマス原料を水熱処理したバイオマス水熱処理物２０を添加するバイオマス水熱処理物添加手段（図示せず）とを具備し、外部から無機塩のみを添加することなく、アルコール発酵効率の向上及び費用の低廉化を図ることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、糖液を用いて例えばアルコール発酵する際の発酵効率を向上させる糖液を用いた発酵システム及び方法に関する。

従来、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）。

アルコール発酵を改善する方法として、例えばアルコール発酵の栄養源としての、鉱物に富む、または鉱物を濃厚にした酵母を用いることが提案されている（特許文献３）。

特表平９−５０７３８６号公報 特表平１１−５０６９３４号公報 特表２００２−５５１６１１５号公報

しかしながら、特許文献３の提案では、鉱物を濃厚にする方法として、無機塩を外部から供給する必要がある、という問題がある。すなわち、無機塩をアルコール発酵槽に直接的に供給するか、間接的に酵母培養を介して供給する等の方策があるが、いずれの方策でも外部からの無機塩添加が必須となる。
よって、外部から無機塩のみを添加することなく、例えばアルコール等を糖液から発酵させる際の発酵効率の向上及び費用の低廉化を図ることができる糖液を用いた発酵システム及び方法の出現が切望されている。

本発明は、前記問題に鑑み、例えばアルコール等を糖液より発酵する際の発酵効率を向上させる糖液を用いた発酵システム及び方法を提供することを課題とする。

上述した課題を解決するための本発明の第１の発明は、糖液を発酵してアルコールを製造するアルコール製造システムであって、前記糖液を酵母の添加により発酵し有機原料を生成する発酵槽と、前記発酵槽にバイオマス原料を水熱処理したバイオマス水熱処理物を添加するバイオマス水熱処理物添加手段とを具備することを特徴とする糖液を用いた発酵システムにある。

第２の発明は、第１の発明において、前記バイオマス水熱処理物が、固形残渣画分又は水熱処理画分のいずれか一方又は両方であることを特徴とする糖液を用いた発酵システムにある。

第３の発明は、第１又は２の発明において、前記バイオマス水熱処理物に加えて又は単独で、発酵処理残渣画分、蒸留残渣画分のいずれか一方又は両方を発酵槽に添加する添加ラインを有することを特徴とする糖液を用いた発酵システムにある。

第４の発明は、第３の発明において、前記アルコール発酵処理残渣画分、蒸留残渣画分のいずれか一方又は両方を、水熱分解装置により水熱処理した後、水熱処理物を発酵槽に添加することを特徴とする糖液を用いた発酵システムにある。

第５の発明は、第１乃至４のいずれか一つの発明において、前記バイオマス水熱処理物が、セルロース系バイオマス原料を用いた有機原料の製造システムの糖化原料であることを特徴とする糖液を用いた発酵システムにある。

第６の発明は、第５の発明において、前記セルロース系バイオマス原料を用いた有機原料の製造システムの処理残渣を発酵槽に添加する添加ラインを有することを特徴とする糖液を用いた発酵システムにある。

第７の発明は、第５又は６の発明において、前記セルロース系バイオマス原料を用いた有機原料の製造システムが、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固形残渣画分中のセルロースを酵素処理して６炭糖を含む糖液に第１の酵素で酵素分解する第１の酵素糖化槽と、第１の酵素糖化槽で得られた第１の糖液を用いて、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第１の発酵装置とを具備することを特徴とする糖液を用いた発酵システムにある。

第８の発明は、第７の発明において、さらに、前記水熱分解装置からの水熱抽出画分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、該第２の酵素分解装置で得られた第２の糖液を用いて、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第２の発酵装置とを具備することを特徴とする糖液を用いた発酵システムにある。

第９の発明は、第７の発明において、さらに、前記水熱分解装置からの水熱抽出画分中のヘミセルロース成分を硫酸分解して５炭糖を含む第２の糖液に分解する硫酸分解装置と、該硫酸分解装置で得られた第２の糖液を用いて、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第２の発酵装置とを具備することを特徴とする糖液を用いた発酵システムにある。

第１０の発明は、第７の発明において、前記水熱分解装置が、バイオマス原料を圧密状態で徐々に移動させる水熱分解装置本体と、水熱分解装置本体内に加圧熱水を供給する熱水供給手段と、バイオマス原料と加圧熱水とを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、バイオマス原料中からリグニン成分及びヘミセルロース成分を分離し、リグニン成分及びヘミセルロース成分を含む水熱抽出画分と、セルロースを含む固形残渣画分とを得ることを特徴とする糖液を用いた発酵システムにある。

第１１の発明は、糖液を発酵して有機原料を製造する糖液を用いた発酵方法であって、バイオマス原料を水熱処理したバイオマス水熱処理物を発酵槽に添加して有機原料を発酵することを特徴とする糖液を用いた発酵方法にある。

第１２の発明は、第１１の発明において、前記バイオマス水熱処理物が水熱処理画分又は固形残渣画分のいずれか一方又は両方であることを特徴とする糖液を用いた発酵方法にある。

第１３の発明は、第１１又は１２の発明において、前記バイオマス水熱処理物が、セルロース系バイオマス原料を用いた有機原料の製造システムの糖化原料であることを特徴とする糖液を用いた発酵方法にある。

第１４の発明は、第１１又は１２の発明において、前記バイオマス水熱処理物に加えて又は単独で、発酵処理残渣画分、蒸留残渣画分のいずれか一方又は両方を発酵槽に添加することを特徴とする糖液を用いた発酵方法にある。

第１５の発明は、第１４の発明において、前記アルコール発酵処理残渣画分、蒸留残渣画分のいずれか一方又は両方を水熱処理した後、アルコール発酵槽に添加することを特徴とする糖液を用いた発酵方法にある。

第１６の発明は、第１３の発明において、前記セルロース系バイオマス原料を用いた有機原料の製造システムの処理残渣を発酵槽に添加することを特徴とする糖液を用いた発酵方法にある。

本発明によれば、外部から無機塩のみを添加することなく、アルコール発酵効率の向上及び費用の低廉化を図ることができる。

図１は、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は、実施例１に係る他のアルコール製造システムの概略図である。 図３は、実施例１に係る他のアルコール製造システムの概略図である。 図４は、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。 図５は、本実施例に係るバイオマスの水熱分解装置を示す概念図である。 図６は、本実施例に係る他のバイオマスの水熱分解装置を示す概念図である。 図７は、実施例３に係るアルコール製造システムの概略図である。 図８は、実施例３に係る他のアルコール製造システムの概略図である。 図９は、実施例３に係る他のアルコール製造システムの概略図である。 図１０は、実施例３に係る他のアルコール製造システムの概略図である。

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。

本発明による実施例に係る糖液を用いた発酵システム及び方法として、アルコール製造システム及び方法を例示して、図面を参照しつつ説明する。図１は、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１に示すように、実施例１に係るアルコール製造システム１０Ａは、糖液１１を発酵してアルコールを製造するアルコール製造システムであって、前記糖液１１を酵母１３の添加により発酵し有機原料であるアルコールを発酵するアルコール発酵槽１２と、前記アルコール発酵槽１２にバイオマス原料を水熱処理したバイオマス水熱処理物２０を供給ラインＬ₂₀により添加するバイオマス水熱処理物添加手段（図示せず）とを具備するものである。

ここで、アルコール発酵原料である糖液１１は糖液供給ラインＬ₁₀により、アルコール発酵槽１２に送られ、添加される酵母１３により所定条件において、発酵処理がなされる。
糖液１１としては、例えば糖蜜、サトウキビの糖液、キャッサバの糖液、トウモロコシの糖液等を例示することができるが、本発明はこれらに限定されるものではない。
アルコール発酵がなされたアルコール発酵液１４は、発酵液供給ラインＬ₁₁により蒸留塔１５に送られ、ここで蒸留がなされる。
蒸留された蒸留物１６は図示しない精製装置で精製され、アルコール供給ラインＬ₁₃により貯留槽１７に送られる。この貯留槽１７からは、供給ラインＬ₁₅により必要に応じて製品であるアルコール１８を供給する。

アルコール発酵槽１２における酵母残渣１３ａは、酵母残渣排出ラインＬ₁₂により排出される。また、蒸留塔１５における蒸留残渣１５ａは、蒸留残渣排出ラインＬ₁₄により排出される。

ここで、本発明でバイオマス水熱処理物２０とは、バイオマス原料を水熱分解装置により水熱分解処理した処理物のことをいう。特に、セルロース系バイオマス原料を水熱分解装置により水熱分解処理することで、セルロース系バイオマスに豊富に含まれる鉱物・無機塩を固相(バイオマス)から、液相側に抽出されバイオマス水熱処理物２０を得るものである。なお、水熱分解装置の詳細は後述する。
セルロース系バイオマス原料としては、例えば稲藁、麦稈、コーンストーバー（トウモロコシの茎）、コーンコブ（トウモロコシの芯）、ＥＦＢ（アブラヤシの空果房）等を例示することができるが、本発明はこれらに限定されるものではない。
本発明では、この水熱分解装置からの水熱抽出画分のみならず、固形残渣画分もアルコール発酵槽１２に供給するようにしてもよい。
これは、水熱抽出画分に抽出されなかった鉱物・無機塩は、固形残渣画分に留まっているので、これらを有効利用するためである。

ここで、本発明において鉱物・無機塩とは、バイオマス水熱処理物に含まれ、アルコール発酵槽に供給される窒素、リン、硫黄、カルシウム、マグネシウム、鉄、ニッケル、コバルト、クロム、亜鉛、銅、マンガン、セレン、モリブデン、ホウ素等を例示することができる。

この結果、水熱分解装置からの水熱抽出画分又は固形残渣画分のいずれか一方又は両方のバイオマス水熱処理物２０を添加することにより、アルコール発酵の際における鉱物・無機塩濃度を高めることができ、アルコール発酵速度を向上させることができる。

本実施例にかかる他のアルコール製造システムの概略図を図２に示す。
図２に示すように、実施例１に係るアルコール製造システム１０Ｂは、実施例１にかかるアルコール製造システムにおいて、さらに、アルコール発酵処理残渣画分である酵母残渣１３ａと、蒸留残渣画分である蒸留残渣１５ａをアルコール発酵槽に添加する添加ラインＬ₁₆及びＬ₁₇を有している。
これにより、酵母残渣１３ａや蒸留残渣１５ａに残った鉱物・無機塩を有効利用することができる。よって、バイオマス水熱処理物２０の他にさらに、酵母残渣１３ａや蒸留残渣１５ａを添加することにより、アルコール発酵の際における鉱物・無機塩濃度を高めることができ、アルコール発酵速度を向上させることができる。
なお、本実施例は、酵母残渣１３ａや蒸留残渣１５ａを同時に添加しているが、本発明はこれに限定されず、いずれか一方のみを添加するようにしてもよい。

本実施例にかかる他のアルコール製造システムの概略図を図３に示す。
図３に示すように、実施例１に係るアルコール製造システム１０Ｃは、図２に示すアルコール製造システム１０Ｂにおいて、酵母残渣１３ａ及び蒸留残渣１５ａを、水熱分解させる水熱分解装置２１を設けている。
この水熱分解装置２１により、酵母残渣１３ａや蒸留残渣１５ａ側に留まっていた、鉱物・無機塩を熱水側に抽出させ、その水熱抽出物である水熱処理物２２を添加ラインＬ₁₈によりアルコール発酵槽１２に供給して、アルコール発酵の際における鉱物・無機塩濃度を高めることができ、アルコール発酵速度を向上させることができる。この際、水熱処理物２２と共に、反応残渣である固形分も供給するようにしてもよい。

本実施例では、糖液１１を用いて有機原料であるアルコール発酵を行う場合について、説明したが、本発明の糖液を用いた発酵システム及び方法はこれに限定されるものではなく、発酵処理により求めるものとして、有機原料であるアルコール類（エタノール、メタノール等）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。

ここで、糖液１１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、乳酸、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。

本発明による実施例に係るアルコール製造システム及び方法について、図面を参照して説明する。図４は、アルコール製造システムの概略図である。
図４に示すように、実施例２に係るアルコール製造システム１０Ｄは、バイオマス水熱処理物２０が、セルロース系バイオマス原料３１を用いたアルコール製造システム３０の糖化原料（固形残渣画分３５又は水熱抽出画分３６）のものとしている。

ここで、前記セルロース系バイオマス原料３１を用いたアルコール製造システム３０Ａは、セルロース系バイオマス原料３１を粉砕する粉砕機３２と、バイオマス原料粉砕物３３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３４と、前記水熱分解装置３４から排出される固形残渣画分３５中のセルロースを第１の酵素（セルラーゼ）３８で酵素処理して６炭糖を含む第１の糖液３９を得る第１の酵素糖化槽（Ｃ６）３７と、第１の酵素糖化槽３７で得られた第１の糖液（６炭糖）３９を用いて、第１の酵母（Ｃ６）４１を用いた発酵処理によりアルコール類を製造する第１のエタノール発酵槽（Ｃ６）４０と、第１のアルコール発酵液４２を精製して目的生成物の蒸留物４４であるエタノール４６と蒸留残渣４７とに分離処理する蒸留槽４３とから構成されている。なお、符号４５は貯留槽、Ｌ₃₁〜Ｌ₃₄は供給ラインである。

このような、セルロース系バイオマス原料３１を用いたアルコール製造システム３０Ａからの固形残渣画分３５と水熱抽出画分３６とは、供給ラインＬ_20a、Ｌ_20ｂとにより、アルコール発酵槽１２側へ供給され、途中合流されてラインＬ₂₀よりアルコール発酵槽１２内へ添加している。

この結果、水熱分解装置３４からの固形残渣画分３５又は水熱抽出画分３６のいずれか一方又は両方のバイオマス水熱処理物２０を添加することにより、アルコール発酵の際における鉱物・無機塩濃度を高めることができ、アルコール発酵速度を向上させることができる。なお、水熱抽出画分３６は、廃棄されるか又は酵素糖化槽３７に供給するようにしてもよい。ここで、酵素糖化槽３７に供給する場合には、固形残渣画分３５から第１の糖液（６炭糖）３９を得たのち、エタノールを得ると共に、水熱抽出画分３６中に移行されたヘミセルロース成分を第２の酵素で酵素処理して５炭糖を含む糖液を得た後、エタノール得るようにしてもよい。

ここで、前記水熱分解装置３４の一例について説明する。
図５は、本実施例に係るバイオマスの水熱分解装置を示す概念図である。
図５に示すように、本実施例に係るバイオマスの水熱分解装置３４Ａは、セルロース系バイオマス原料（以下、「バイオマス原料」という）３１を常圧下から加圧下に供給するバイオマス供給装置６１と、供給されたバイオマス原料３１を、いずれか一方（本実施例では下方側）から装置本体の内部にて、スクリュー手段６２により他方（上方）へ搬送すると共に、前記バイオマス原料３１の供給箇所とは異なる他方（上方）の側から加圧熱水６３を装置本体内部に供給し、前記バイオマス原料３１と加圧熱水６３とを対向接触させつつ水熱分解し、排出する加圧熱水である水熱抽出画分３６中にリグニン成分及びヘミセルロース成分を移行し、前記バイオマス原料３１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反応装置６４と、前記装置本体の他方からバイオマス固形分である固形残渣画分３５を加圧下から常圧下に抜出すバイオマス抜出装置６５とを具備するものである。なお、図中、符号６６は脱水液、６７は加圧窒素、６８は温度ジャケットを各々図示する。

なお、本実施例では、バイオマス原料３１を下端部側から供給しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、これとは逆に上端部側から供給するようにしてもよく、この際には、加圧熱水６３は下端部側から供給する。
前記常圧下から加圧下に供給するバイオマス供給装置６１としては、例えばスクリューフィーダー、ピストンポンプ又はスラリーポンプ等の手段を挙げることができる。

また、水熱分解装置３４Ａは、本実施例では、縦型の装置としているが、本発明はこれに限定されるものではなく、傾斜型の装置や、水平型の反応装置としてもよい。

ここで、縦型や傾斜型とするのは、水熱分解反応において発生したガスや原料中に持ち込まれたガス等が上方から速やかに抜けることができ好ましいからである。また、加圧熱水６３で分解生成物を抽出するので、抽出効率の点から上方から下方に向かって抽出物の濃度が高まることとなり、好ましいものとなる。

ここで、前記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、草本系等のリグノセルロース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。

また、前記バイオマス原料３１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、バイオマスの供給前において、前処理装置として、例えば粉砕装置を用いて前処理するようにしてもよい。また、洗浄装置により洗浄するようにしてもよい。
なお、バイオマス原料３１として、例えば籾殻等の場合には、粉砕処理することなく、そのまま水熱分解装置３４Ａに供給することができるものとなる。

また、水熱分解装置３４Ａ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の移行を増大すると共に、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。

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〜１０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。

ここで、本発明では、水熱分解装置３４Ａの本体内の加圧熱水６３とバイオマス原料３１との流動は、バイオマス原料３１と加圧熱水６３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。

また、前記水熱分解装置３４Ａでは、バイオマス原料３１の固形分は底部側から供給され、一方加圧熱水６３は頂部側から供給され、相互が対向して移動することにより、加圧熱水６３（熱水、分解物が溶解した液）は、固体であるバイオマス原料３１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。

その対向接触の際、固体であるバイオマス原料３１が加圧熱水６３により分解すると、その分解物が加圧熱水６３側に溶解移行することとなり、この際鉱物・無機塩を溶出させている。

なお、本発明では反応装置６４の内部には気体部分が存在することとなるので、加圧窒素（Ｎ₂）６７を内部に供給するようにしている。

また、水熱分解装置３４Ａ内におけるバイオマス原料３１の昇温は、装置本体内で加圧熱水６３と接触させることによる直接熱交換で実施可能である。なお、必要に応じて、外部から水蒸気等を用いて加温するようにしてもよい。

また、本発明においては、バイオマス原料３１と加圧熱水６３とを対向接触させることにより、加圧熱水６３に可溶化され易い成分から順次排出されると共に、バイオマス原料３１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。
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。

図６は、本実施例に係る他のバイオマスの水熱分解装置を示す概念図である。図６に示すように、本実施例に係るバイオマスの水熱分解装置３４Ｂは、バイオマス原料（本実施例では、例えば麦わら等）３１を常圧下から加圧下に供給するバイオマス供給装置７１と、供給されたバイオマス原料３１を、上下のいずれかの端部側（本実施例では下端側）から垂直型装置本体（以下「装置本体」という）の内部を圧密状態で徐々に移動させると共に、前記バイオマス原料３１の供給とは異なる端部側（本実施例では上端側）から加圧熱水６３を装置本体内部に供給し、バイオマス原料３１と加圧熱水６３とを対向接触させつつ水熱分解し、加圧熱水６３中にリグニン成分及びヘミセルロース成分を移行し、バイオマス原料３１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反応装置７２と、該装置本体の加圧熱水６３の供給部側からバイオマス固形分である固形残渣画分３５を加圧下から常圧下に抜出すバイオマス抜出装置６５とを具備するものである。なお、符号Ｖ₁₁〜Ｖ₁₅はＯＮ−ＯＦＦ弁を示す。
前記常圧下から加圧下に供給するバイオマス供給装置７１としては、例えばピストンポンプ又はスラリーポンプ等のポンプ手段を挙げることができる。

本実施例では、前記装置本体内部にバイオマス原料３１をいわゆるプラグフローの圧密状態で撹拌する固定撹拌手段７３を設けており、内部に送り込まれるバイオマス原料３１を軸方向に移動する際に、撹拌作用により撹拌するようにしている。

この固定撹拌手段７３を設けることにより、装置本体内で固体表面、固体中の加圧熱水６３の混合が進み反応が促進される。

ここで、本発明では、水熱分解装置３４Ｂの装置本体内の加圧熱水６３とバイオマス原料３１との流動は、バイオマス原料３１と加圧熱水６３とを対向接触させる、いわゆるカウンターフローで撹拌・流動するようにすることが好ましい。

水熱分解装置３４Ｂは、プラグフロー型による水熱分解であるので、構造が簡易であり、固体であるバイオマス原料３１は、管中心軸と垂直に攪拌されながら、管中心軸と平行に移動することとなる。一方加圧熱水６３（熱水、分解物が溶解した液）は、固体に対しカウンターフローにて固体粒子間に滲みながら移動する。

また、プラグフローでは、加圧熱水６３の均一な流れを実現することができる。なぜならば、固体のバイオマス原料３１が加圧熱水６３により分解すると、分解物が熱水側に溶解する。分解部近傍は高粘度となり、未分解部近傍へ優先的に熱水が移動し、未分解部が続いて分解することとなり、均一な熱水の流れになり、均一な分解が実現することとなる。

また、水熱分解装置３４Ｂにおける装置本体内面の管壁の抵抗により、装置本体内において、バイオマス原料３１の入口側に比べ、バイオマス原料３１の出口側の固体密度が減少し、加えて分解によりバイオマス固形分である固形残渣画分３５が減少するため、加圧熱水６３の占める割合が増加し、液滞留時間が増加することにより、液中の分解成分が過分解するので、少なくとも固定撹拌手段７３を設けるようにしている。

本発明による実施例に係るアルコール製造システム及び方法について、図面を参照して説明する。図７は、実施例３に係るアルコール製造システムの概略図である。
図７に示すように、実施例３に係るアルコール製造システム１０Ｅは、実施例２のシステムにおいて、さらに、セルロース系バイオマス原料３１を用いたアルコール製造システム３０Ｂにおける糖化原料の水熱処理画分３６からアルコールを製造するものである。

すなわち、セルロース系バイオマス原料３１を用いたアルコール製造システム３０Ｂにおける水熱分解装置３４から排出される水熱抽出画分３６中に移行されたヘミセルロース成分を第２の酵素５２で酵素処理して５炭糖を含む糖液５３を得る第２の酵素糖化槽５１と、第２の酵素糖化槽５１で得られた第２の糖液（５炭糖）５３を用いて、第２の酵母（Ｃ５）５４による発酵処理によりアルコール類を製造する第２のエタノール発酵槽５５とを具備してなり、第２のアルコール発酵液５６を精製して目的生成物の蒸留物４４であるエタノール４６を製造している。なお、符号Ｌ₃₆〜Ｌ₃₇は供給ラインである。

また、図８に他のセルロース系バイオマス原料を用いたアルコール製造システムの構成図を示す。
図８に示すように、実施例３に係る他のアルコール製造システム１０Ｆは、セルロース系バイオマス原料３１を用いたアルコール製造システム３０Ｃにおいて、水熱抽出画分３６の糖化に際して、酵素糖化以外の方法として、硫酸分解による糖化を行うものである。すなわち、水熱抽出画分３６に硫酸を供給して、水熱抽出画分３６中のヘミセルロース成分を硫酸分解して５炭糖を含む第２の糖液５２に分解する硫酸分解装置８０を用いるものである。

ここで、本発明における硫酸分解処置装置８０での分解条件としては、硫酸濃度が０．１〜５重量％、好ましくは１〜４重量％とし、分解温度が１００〜１４０℃、好ましくは約１２０℃前後とし、分解時間としては、３０分から３時間、好ましくは１時間前後としている。これは、上記範囲外であると、良好なヘミセルロースの分解を行うことができないからである。

本発明による実施例に係るアルコール製造システム及び方法について、図面を参照して説明する。図９は、実施例４に係るアルコール製造システムの概略図である。
図９に示すように、実施例４に係るアルコール製造システム１０Ｇは、セルロース系バイオマス原料３１を用いたアルコール製造システム３０Ｄからの処理残渣を用いたアルコール製造システムの構成図を示す。
図９に示すように、セルロース系バイオマス原料を用いたアルコール製造システム３０Ｄからの固形残渣画分３５と水熱抽出画分３６とは、供給ラインＬ_20a、Ｌ_20ｂとにより、アルコール発酵槽１２側へ供給され、途中合流されてラインＬ₂₀よりアルコール発酵槽１２内へ添加している。これと共に、第１の糖液（６炭糖）３９、第１のアルコール発酵液４２、蒸留残渣４７、第２の糖液（５炭糖）５２及び第２のアルコール発酵液５６をそれぞれ、ラインＬ_40a、Ｌ_40b、Ｌ_40c、Ｌ_40d、Ｌ_40eよりアルコール発酵槽１２側へ供給され、途中ラインＬ₄₀で合流され、アルコール発酵槽１２内に、いずれか一つ以上の処理物を添加している。

また、図１０に、実施例４に係る他のアルコール製造システム１０Ｈは、セルロース系バイオマス原料３１を用いたアルコール製造システム３０Ｅからの処理残渣を用いたアルコール製造システムの構成図を示す。
図１０に示すように、セルロース系バイオマス原料を用いたアルコール製造システム３０Ｅからの固形残渣画分３５と水熱抽出画分３６とは、供給ラインＬ_20a、Ｌ_20ｂとにより、アルコール発酵槽１２側へ供給され、途中合流されてラインＬ₂₀よりアルコール発酵槽１２内へ添加している。これと共に、第１の糖液（６炭糖）３９、第１のアルコール発酵液４２、蒸留残渣４７、第２の糖液（５炭糖）５３及び第２のアルコール発酵液５６をそれぞれ、ラインＬ_40a、Ｌ_40b、Ｌ_40c、Ｌ_40d、Ｌ_40eよりアルコール発酵槽１２側へ供給され、途中ラインＬ₄₀で合流され、アルコール発酵槽１２内に、いずれか一つ以上の処理物を添加している。

この結果、セルロース系バイオマス原料を用いたアルコール製造システム３０Ｄ又は３０Ｅからの第１の糖液（６炭糖）３９、第１のアルコール発酵液４２、蒸留残渣４７、第２の糖液（５炭糖）５３及び第２のアルコール発酵液５６をアルコール発酵槽１２に循環することで、アルコール発酵での鉱物・無機塩濃度を高めることができ、アルコール発酵速度を向上できる。同時に、系外からの鉱物・無機塩の添加量を低減できる。

本実施例では、セルロース系バイオマス原料３１を用いたアルコール製造システム３０Ａ〜３０Ｅとして、発酵処理により求めるものとして、有機原料であるアルコール類のエタノールを用いて例示したが、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。

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、乳酸、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。

以上のように、本発明に係る糖液を用いた発酵システム及び方法によれば、外部から無機塩のみを添加することなく、アルコール発酵効率の向上及び費用の低廉化を図ることができる。

１０Ａ〜１０Ｈ アルコール製造システム
１１ 糖液
１２ アルコール発酵槽
１３ 酵母
１３ａ 酵母残渣
１４ アルコール発酵液
１５ 蒸留塔
１５ａ 蒸留残渣
１８ アルコール
２０ バイオマス水熱処理物
３０Ａ〜３０Ｅ セルロース系バイオマス原料を用いたアルコール製造システム
３４ 水熱分解装置
３５ 固形残渣画分
３６ 水熱抽出画分

Claims (16)

1. 糖液を発酵してアルコールを製造するアルコール製造システムであって、
   前記糖液を酵母の添加により発酵し有機原料を生成する発酵槽と、
   前記発酵槽にバイオマス原料を水熱処理したバイオマス水熱処理物を添加するバイオマス水熱処理物添加手段とを具備することを特徴とする糖液を用いた発酵システム。
2. 請求項１において、
   前記バイオマス水熱処理物が、固形残渣画分又は水熱処理画分のいずれか一方又は両方であることを特徴とする糖液を用いた発酵システム。
3. 請求項１又は２において、
   前記バイオマス水熱処理物に加えて又は単独で、発酵処理残渣画分、蒸留残渣画分のいずれか一方又は両方を発酵槽に添加する添加ラインを有することを特徴とする糖液を用いた発酵システム。
4. 請求項３において、
   前記アルコール発酵処理残渣画分、蒸留残渣画分のいずれか一方又は両方を、水熱分解装置により水熱処理した後、水熱処理物を発酵槽に添加することを特徴とする糖液を用いた発酵システム。
5. 請求項１乃至４のいずれか一つにおいて、
   前記バイオマス水熱処理物が、セルロース系バイオマス原料を用いた有機原料の製造システムの糖化原料であることを特徴とする糖液を用いた発酵システム。
6. 請求項５において、
   前記セルロース系バイオマス原料を用いた有機原料の製造システムの処理残渣を発酵槽に添加する添加ラインを有することを特徴とする糖液を用いた発酵システム。
7. 請求項５又は６において、
   前記セルロース系バイオマス原料を用いた有機原料の製造システムが、
   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固形残渣画分中のセルロースを酵素処理して６炭糖を含む糖液に第１の酵素で酵素分解する第１の酵素糖化槽と、
   第１の酵素糖化槽で得られた第１の糖液を用いて、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第１の発酵装置とを具備することを特徴とする糖液を用いた発酵システム。
8. 請求項７において、
   さらに、前記水熱分解装置からの水熱抽出画分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、
   該第２の酵素分解装置で得られた第２の糖液を用いて、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第２の発酵装置とを具備することを特徴とする糖液を用いた発酵システム。
9. 請求項７において、
   さらに、前記水熱分解装置からの水熱抽出画分中のヘミセルロース成分を硫酸分解して５炭糖を含む第２の糖液に分解する硫酸分解装置と、
   該硫酸分解装置で得られた第２の糖液を用いて、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第２の発酵装置とを具備することを特徴とする糖液を用いた発酵システム。
10. 請求項７において、
    前記水熱分解装置が、
    バイオマス原料を圧密状態で徐々に移動させる水熱分解装置本体と、
    水熱分解装置本体内に加圧熱水を供給する熱水供給手段と、
    バイオマス原料と加圧熱水とを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、バイオマス原料中からリグニン成分及びヘミセルロース成分を分離し、
    リグニン成分及びヘミセルロース成分を含む水熱抽出画分と、セルロースを含む固形残渣画分とを得ることを特徴とする糖液を用いた発酵システム。
11. 糖液を発酵して有機原料を製造する糖液を用いた発酵方法であって、
    バイオマス原料を水熱処理したバイオマス水熱処理物を発酵槽に添加して有機原料を発酵することを特徴とする糖液を用いた発酵方法。
12. 請求項１１において、
    前記バイオマス水熱処理物が水熱処理画分又は固形残渣画分のいずれか一方又は両方であることを特徴とする糖液を用いた発酵方法。
13. 請求項１１又は１２において、
    前記バイオマス水熱処理物が、セルロース系バイオマス原料を用いた有機原料の製造システムの糖化原料であることを特徴とする糖液を用いた発酵方法。
14. 請求項１１又は１２において、
    前記バイオマス水熱処理物に加えて又は単独で、発酵処理残渣画分、蒸留残渣画分のいずれか一方又は両方を発酵槽に添加することを特徴とする糖液を用いた発酵方法。
15. 請求項１４において、
    前記アルコール発酵処理残渣画分、蒸留残渣画分のいずれか一方又は両方を水熱処理した後、アルコール発酵槽に添加することを特徴とする糖液を用いた発酵方法。
16. 請求項１３において、
    前記セルロース系バイオマス原料を用いた有機原料の製造システムの処理残渣を発酵槽に添加することを特徴とする糖液を用いた発酵方法。
    
    

Images