JP2013132244A - 酵素反応装置、セルロース糖化装置、バイオマス糖化装置及びエタノール生産装置 - Google Patents

Abstract

【課題】糖化酵素を用いてバイオマス中のセルロースを水溶性の糖分に分解する際の、糖分の収率を高めた酵素反応装置を提供する。
【解決手段】糖化酵素を用いてセルロースとリグニンとを含むバイオマス処理物を分解処理し、セルロースを水溶性の糖分に分解する酵素反応装置４である。円筒形状の外槽４０と、外槽４０内に収容された円筒形状の内槽４１とが、その中心軸が水平方向に向くように横置きに配置されている。内槽４１内に、鉛直方向に撹拌流れを生じさせる撹拌機４４が配設されている。内槽４１内にバイオマス処理物及び糖化酵素を供給するための供給手段４６が設けられている。内槽４１の少なくとも底部の一部がフィルター４３によって形成されている。外槽４０の底部に液排出口が形成されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、酵素反応装置、セルロース糖化装置、バイオマス糖化装置及びエタノール生産装置に関する。

バイオマスからエタノール（バイオエタノール）を生産する技術として種々のプロセスが発表されている。例えば、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、当該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。

ところで、食物としての利用が困難な木質系バイオマスは、セルロースとヘミセルロースとリグニンとを主成分とするセルロース系バイオマスである。このような木質系バイオマスからエタノールを生産するべく、前記したように糖化酵素を用いてセルロースをグルコースに糖化しようとする場合、例えばこの糖化処理の効率を上げるための前処理として、木質系バイオマスを加圧熱水処理することでヘミセルロースを分離除去し、セルロースの濃度を高めておく。

すなわち、加圧熱水処理を行ってバイオマス中のヘミセルロースを加圧熱水中に溶解させ、これによって加圧熱水中に溶解せずに残るセルロースやリグニンを主とする成分を固体（固型分）として分離する。そして、ヘミセルロースを分離してセルロースの濃度を高めた前記固型分（バイオマス処理物）に対し、前記の糖化酵素を用いた糖化処理を行うことにより、セルロースを水溶性の糖分（例えば水溶性オリゴ糖）に分解（糖化）する。

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 Ｐ.２１６〜２２３ ２００９

前記の糖化処理を行う酵素反応装置としては、一般的な有底円筒状の容器が用いられる。すなわち、その開口が上になるように立てて設置し、この中に前記固型分と前記糖化酵素とを入れる。そして、開口の上方から差し入れた撹拌翼を水平方向に回転させて容器内を撹拌し、前記固型分と前記糖化酵素とを均一に混合することにより、分解反応（糖化反応）を進める。

ところが、前記固型分は水分が例えば８０〜９０％と比較的高いものの、流動性はほとんどない。したがって、容器の内壁面側にある固型分は、特に分解反応が進んでいない初期では撹拌翼が直接当たらないことからほとんど流動せず、そのため分解反応がほとんど進まずに内壁面に付着してそのまま残ってしまう。これにより、固型分中のセルロースから得られる水溶性の糖分の収率が低下し、エタノールの製造コストが高くなってしまう。

なお、時間の経過とともに分解反応が進み、ある程度流動性が高まるものの、このように流動性が高まるまで処理を続けるのでは、処理時間が長くなり過ぎて生産効率が低くなり、エタノールの製造効率が低下してしまう。
また、前記固型分の流動性を高めるべく、該固型分に充分な量の水を加えることも考えられるが、その場合には、得られる液分中における水溶性の糖分の濃度が低くなり、後工程での負荷が高くなってしまい、やはりエタノールの製造コストが高くなってしまう。

本発明は前記事情に鑑みてなされたもので、糖化酵素を用いてバイオマス中のセルロースを水溶性の糖分に分解する際の、糖分の収率を高めた酵素反応装置と、この酵素反応装置を備えたセルロース糖化装置、バイオマス糖化装置及びエタノール生産装置を提供することを目的とする。

本発明の酵素反応装置は、糖化酵素を用いてセルロースとリグニンとを含むバイオマス処理物を分解処理し、前記セルロースを水溶性の糖分に分解する酵素反応装置であって、両端部を閉塞してなる円筒形状の外槽と、前記外槽内に収容された両端部を閉塞してなる円筒形状の内槽とが、その中心軸が水平方向に向くように横置きに配置されており、前記内槽内に、鉛直方向に撹拌流れを生じさせる撹拌機が配設され、前記内槽内に前記バイオマス処理物及び前記糖化酵素を供給するための供給手段が設けられ、前記内槽の少なくとも底部の一部がフィルターによって形成され、前記外槽の底部に液排出口が形成されていることを特徴とする。

また、前記酵素反応装置においては、前記外槽内において前記内槽の外周面に、該内槽内を加熱する加熱手段が設けられていることが好ましい。

また、前記酵素反応装置においては、前記内槽の底部に固型分導出管が接続され、該固型分導出管は前記外槽の外にまで引き出されていることが好ましい。

本発明のセルロース糖化装置は、前記の酵素反応装置と、前記酵素反応装置で生成した分解物を、グルコースに糖化分解する反応装置と、を具備することを特徴とする。

本発明のバイオマス糖化装置は、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処理液から固型分としてのセルロース及びリグニンを分離する固液分離器と、前記固液分離器で分離された固型分中のセルロースをグルコースに分解する前記のセルロース糖化装置と、を具備することを特徴とする。

また、前記バイオマス糖化装置においては、前記固液分離器で分離された液分としてのヘミセルロース分解物を、ヘミセルロース由来の単糖に分解する反応装置を、さらに具備することが好ましい。

本発明のエタノール生産装置は、前記のバイオマス糖化装置と、前記バイオマス糖化装置により生成されたグルコースからエタノールを生成する第１発酵装置と、前記バイオマス糖化装置により生成されたヘミセルロース由来の単糖からエタノールを生成する第２発酵装置と、を具備することを特徴とする。

本発明の酵素反応装置によれば、円筒状の外槽とこれに収容された円筒状の内槽とを横置きに配置し、内槽内に撹拌機を配設したので、供給手段によって内槽内に供給したバイオマス処理物及び糖化酵素を撹拌機によって撹拌混合することにより、バイオマス処理物中のセルロースを分解反応させることができる。その際、撹拌機で鉛直方向に撹拌流れを生じさせることにより、被処理物を鉛直方向に流動させることができ、したがって上昇させた被処理物をその自重によって下降させることにより、内槽内の被処理物全体を大きく流動させることができる。これにより、撹拌翼が直接当たらない被処理物も流動させることができる。よって、被処理物を効率良く撹拌混合し、セルロースから得られる水溶性の糖分の収率を高めることができる。

また、内槽の少なくとも底部の一部をフィルターによって形成しているので、分解反応によって生成した水溶性の糖分を、バイオマス処理物中に含まれていた水分とともに前記フィルターで固液分離し、外槽側に移行させてその底部に形成された液排出口を介して分離回収することができる。糖化酵素は、固型分に付着し易い性質を有しているので、内槽内の固型分中にも残存し、そのまま分解反応に寄与する。
よって、この酵素反応装置及びこれを備えたセルロース糖化装置、バイオマス糖化装置、エタノール生産装置によれば、セルロースから得られる水溶性の糖分の収率を高めることができ、しかも、糖化酵素を比較的多く固型分に残したまま、水溶性の糖分を含む液分を分離回収することができる。また、内槽内に残る固型分についても、該固型分が糖化酵素を含有しているので、これを別工程で処理することにより、糖化酵素の有効利用を図ることができる。

本発明に係るエタノール生産装置のプロセス構成図である。 本発明の酵素反応装置の一実施形態の概略構成を示す図であって、一部断面視した斜視図である。 図２に示した酵素反応装置のＢ−Ｂ線矢視断面図である。

以下、図面を参照して本発明を詳しく説明する。
図１は、本発明に係るエタノール生産装置の一実施形態の概略構成を示すプロセス構成図であり、図１中符号Ａはエタノール生産装置である。

このエタノール生産装置Ａは、加圧熱水反応装置１、固液分離器２、冷却器３、酵素反応装置４、第１触媒反応装置５、第１発酵装置６、第２触媒反応装置７、第２発酵装置８、蒸留装置９及び排水処理装置１０を備えて構成されている。このような構成のもとにエタノール生産装置Ａは、外部から原料として供給された木質系バイオマスを糖化処理することで単糖類（キシロース及びグルコース）を生産し、さらに当該単糖類にアルコール発酵処理及び蒸留処理を施すことで高純度のエタノールを生産する。

加圧熱水反応装置１は、２００〜２３０℃の加圧熱水を前記木質系バイオマスに作用させることにより、木質系バイオマスに含まれるヘミセルロース（固体）を選択的に加水分解して可溶化させる装置である。木質系バイオマスは、前述したようにセルロース、ヘミセルロース及びリグニンを主成分とするセルロース系バイオマスである。これら主成分のうち、ヘミセルロースは、比較的低温の２００〜２３０℃の加圧熱水を作用させると容易に加水分解されて五炭糖が重合したヘミセルロース由来のオリゴ糖を主成分とする多糖類（ヘミセルロース分解物）に分解（可溶化）する。しかし、セルロースは、２００〜２３０℃の加圧熱水ではほとんど分解しない。特に、セルロースを加圧熱水で加水分解するためには、２００〜２３０℃を超える例えば２４０〜３００℃程度の加圧熱水を木質系バイオマスに作用させる必要がある。

加圧熱水反応装置１は、このようなセルロース、ヘミセルロース及びリグニンの加圧熱水に対する性質を利用することにより、木質系バイオマスに含まれるヘミセルロースを五炭糖が重合したヘミセルロース由来のオリゴ糖を主成分とする多糖類（ヘミセルロース分解物）に選択的に分解（可溶化）させる。なお、加圧熱水とは、亜臨界状態の熱水であって、液体状態を維持するために加圧された熱水である。

前記加圧熱水反応装置１は、図１に示すようにポンプ１ａ、加熱器１ｂ、水量調整弁１ｃ、反応槽１ｄ及び制御装置１ｅを備えて構成されている。ポンプ１ａは、外部から供給される水を加圧して加熱器１ｂに移送する。加熱器１ｂは、制御装置１ｅから入力した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℃まで加熱し、加圧熱水として水量調整弁１ｃに移送する。水量調整弁１ｃは、制御装置１ｅから入力した流量制御信号に応じてその開度が調節される電子制御弁であり、流量調整した上で加熱器１ｂから流入する加圧熱水を反応槽１ｄに移送する。

反応槽１ｄは、外部から原料として供給される一定量の木質系バイオマスを収容すると共に、水量調整弁１ｃから流入する加圧熱水を木質系バイオマスに添加（作用）させることにより、木質系バイオマス中のヘミセルロースを、ヘミセルロース由来のオリゴ糖を主成分とする多糖類に選択的に分解する。この反応槽１ｄによって得られる処理液は、木質系バイオマスの主成分のうち、セルロース及びリグニンを固体（固型分）として含み、またヘミセルロースが分解して得られたヘミセルロース由来のオリゴ糖を主成分とする多糖類（ヘミセルロース分解物）を液体（液分）として含んでいる。反応槽１ｄはこのような処理液を固液分離器２に移送する。

制御装置１ｅは、加熱器１ｂに温度制御信号を出力すると共に水量調整弁１ｃに流量制御信号を出力し、反応槽１ｄに供給すべき加圧熱水の温度及び流量（供給量）を調節することにより、反応槽１ｄにおける木質系バイオマスの加水分解条件を制御する。すなわち、制御装置１ｅは、加圧熱水の供給量Ｑ（ｍｌ）と木質系バイオマスの供給量Ｖ（ｇ）との比率Ｋ（＝Ｑ／Ｖ）、加圧熱水の温度Ｔ（℃）を加水分解条件として設定する。制御装置１ｅが反応槽１ｄの加水分解条件を調整することにより、反応槽１ｄから流出する処理液は、前述したようにセルロース及びリグニンを固体（固型分）として含み、またヘミセルロースが分解して得られたヘミセルロース由来のオリゴ糖を主成分とする多糖類を液体（液分）として含むものとなる。

固液分離器２は、前記反応槽１ｄから流入する処理液を固液分離することにより、固体であるセルロース及びリグニンをバイオマス処理物（第１多糖物）として冷却器３に移送する一方、ヘミセルロース由来のオリゴ糖を主成分とする多糖類を第２多糖液として第２触媒反応装置７に移送する。冷却器３は、後段の酵素反応装置４における糖化酵素の活性が最も高くなるように第１多糖物の温度を調節するために設けられており、固液分離器２から流入するバイオマス処理物（第１多糖物）を例えば４０〜５０℃程度に冷却して酵素反応装置４に移送する。

酵素反応装置４は、冷却器３から供給され、必要に応じて水分調整されたバイオマス処理物（第１多糖物）に糖化酵素であるセルラーゼを添加し、バイオマス処理物（第１多糖物）中のセルロースにセルラーゼを作用させることにより、セロビオース（グルコースが２量体重合したもの）を主成分とする分解物、つまり水溶性の糖分である水溶性オリゴ糖や懸濁体多糖に加水分解する装置である。

図２、図３は、本発明の酵素反応装置の一実施形態となる酵素反応装置４の概略構成を示す図であり、図２は一部断面視した斜視図、図３は図２のＢ−Ｂ線矢視断面図である。
図２、図３に示すように酵素反応装置４は、略円筒形状の外槽４０と、この外槽４０内に収容された略円筒形状の内槽４１とを備え、これら外槽４０と内槽４１を、それぞれの中心軸が水平方向に沿うように横置きに配置されたものである。

外槽４０は、金属製で円筒形状の外筒部４０ａと、その両端部のうちの一方を閉塞する蓋部４０ｂ及び他方を閉塞する蓋部４０ｃを備え、内部を液密な収容空間としたものである。これら蓋部４０ｂ、４０ｃは、外筒部４０ａに対して着脱可能、もしくは開閉可能に取り付けられており、これによって外筒部４０ａ内のメンテナンスが可能になっている。

内槽４１は、外筒部４０ａより充分に小さい径、例えば外筒部４０ａの外径の１／２〜２／３程度の外径を有する円筒形状の内筒部４１ａと、その両端部のうちの一方を閉塞する蓋部４１ｂ及び他方を閉塞する蓋部４１ｃを備えたもので、内筒部４１ａの中心軸を外筒部４０ａの中心軸にほぼ一致させて、前記収容空間内に収容配置されている。蓋部４１ｂ、４１ｃは、内筒部４１ａに対して着脱可能、もしくは開閉可能に取り付けられており、これによって内筒部４０ａ内のメンテナンスが可能になっている。なお、この内槽４１は、図示しない保持部材によって外槽４０内に保持固定されている。

内筒部４１ａは、本実施形態では水平に配置された円筒部分の略上部半分がステンレス等の金属で形成されて内筒本体４２となっており、残りの底部側が主にフィルター４３によって形成されている。フィルター４３としては、例えばポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）からなるプラスチックワイヤーが織られて形成された織布（例えば、日本フィルコン株式会社製のＯＳタイプ（品名））や、不織布、所定の開口径の孔を多数有したパンチングメタルなど、フィルターとして機能する種々のものが用いられる。

本実施形態では、フィルター４３として、日本フィルコン株式会社製のＯＳ−７６（品名）が用いられている。このＯＳ−７６は、目開きが縦０．１１６ｍｍ、横０．２１０ｍｍであり、網厚が０．４５ｍｍのものである。このような構成のもとにこのＯＳ−７６からなるフィルター４３は、後述するように投入された被処理物中の水分や水溶性の糖分を通過させ（濾過し）、残渣となる固型分を分離するようになっている。

前記内筒本体４２は、フィルター４３を保持固定してこれを補強するべく、図２に示すように内槽４１の底部側まで周回する円弧状の枠体４２ａを複数有している。そして、この枠体４２ａの内側にフィルター４３が着脱可能に貼設され保持されることにより、フィルター４３は横置きされた円筒形状の内筒部４１ａの、下側（底部側）略半分を構成している。

ここで、本実施形態では、内筒部４１ａの底部側略半分をフィルター４３によって形成したが、本発明はこれに限定されることなく、内槽４１の少なくとも底部の一部がフィルター４３によって形成されていればよい。具体的には、図３に示すように内槽４１（内筒部４１ａ）が形成する円筒の外形である円形の底側の、中心角θを１２０°とする範囲Ｒ１以上であり、かつ、１８０°とする範囲Ｒ２以下の範囲を、フィルター４３によって形成するのが好ましい。

酵素反応装置４では後述するように酵素分解処理をバッチ式で行うが、その際、被処理物（バイオマス処理物と糖化酵素との混合物）の量を、通常は外槽４０の容積の１／２程度に対応する量とする。そのため、フィルター４３を前記範囲に形成しておけば、前記被処理物はほぼフィルター４３の範囲内に収容されるようになる。したがって、被処理物が広い範囲でフィルター４３に接することにより、濾過が円滑になされるようになる。

また、これら外槽４０及び内槽４１内には、図２、図３に示すように撹拌機４４が配設されている。撹拌機４４は、回転軸４４ａとこの回転軸４４ａに固定された撹拌翼４４ｂとを有し、モーター（図示せず）によってこれに連結する回転軸４４ａを回転させ、撹拌翼４４ｂを回転軸４４ａの回転方向に回転させるものである。この撹拌機４４は、本実施形態ではその回転軸４４ａを水平に配置し、内筒部４１ａの中心軸に一致させて内槽４１内に収容させている。すなわち、回転軸４４ａは外槽４０の一方の蓋部４０ｂ、内槽４１の一方の蓋部４１ｂを貫通して内槽４１内に挿入され、さらに内槽４１の他方の蓋部４１ｃ、外槽４０の他方の蓋部４０ｃを貫通して外部に引き出されている。

回転軸４４ａは、前記蓋部４０ｂ、４１ｂ、４０ｃ、４１ｃに設けられた孔（図示せず）に、軸受け等を介して回転可能かつ液密に保持されている。そして、撹拌翼４４ｂは、内槽４１内に位置するように、回転軸４４ａの長さ方向にてその複数箇所に取り付けられている。すなわち、内槽４１内の水平方向を等分割（例えば４等分から８等分）する位置に、撹拌翼４４ｂが着脱可能に取り付けられている。なお、撹拌翼４４ｂとしては、例えば図３に示すように回転軸４４ａを中心にしてその両側に延びる板状のものや、プロペラ状のものなど、従来公知の種々のものが使用可能である。撹拌翼４４ｂの長さについては、その先端が内筒部４１ａの内周面に対して所定の間隙、例えば５ｃｍ〜２０ｃｍ程度の間隙を有する長さとするのが好ましい。また、撹拌翼４４ｂの枚数については、２枚に限ることなく、１枚、または３枚以上であってもよい。

このような構成のもとに撹拌機４４は、回転軸４４ａの回転によって撹拌翼４４ｂが図３中の矢印方向に回転することにより、内槽４１内に収容された被処理物Ｗに対し、鉛直方向に撹拌流れを生じさせるようになっている。すなわち、撹拌翼４４ｂを回転させることで被処理物Ｗを一旦下方に押し込んだ後、上昇させるようにすくい上げることにより、被処理物Ｗを上下方向（鉛直方向）に流動させるようになっている。その際、下降させられた被処理物Ｗはフィルター４３側に押し込まれるため、フィルター４３上に堆積していた被処理物Ｗを強制的に流動させ、上昇させるように作用する。また、上昇させられた被処理物Ｗは自重によって下降するため、被処理物Ｗはその全体が内槽４１内を大きく流動するようになる。したがって、撹拌翼４４ｂが直接当たらないフィルター４３側の被処理物Ｗも、良好に流動するようになる。

また、内槽４１には、その外周面に加熱管４５（加熱手段）が巻回した状態で配置されている。この加熱管４５は、内槽４１の外周面に螺旋状に巻回され、一端側（図示せず）及び他端側（図示せず）がそれぞれ外槽４０の上部側から外に引き出されている。そして、例えばこの加熱管４５に加熱媒体となる５０℃程度の温水が供給され、循環させられることにより、内槽４１内の被処理物Ｗは例えば４０℃〜５０℃程度の温度、すなわち通常の糖化酵素がその酵素活性を最大にする温度に保持されるようになっている。

なお、この加熱管４５については、特に内槽４１の底部側では前記枠体４２ａの外周面上に沿わせるのが好ましい。枠体４２は内筒本体４２ａの一部であって金属製であるので、加熱管４５との間で熱伝導が良好に起こり、加熱効率を高めることができるからである。また、フィルター４３を塞がないため、フィルター４３の濾過面積を減少させないですむからである。

前記外槽４０には、その上部に、被処理物Ｗを供給するための供給管４６（供給手段）が設けられている。この供給管４６は、外槽４０を貫通し、さらに内槽４１の内筒本体４２を貫通して内槽４１内に通じるもので、前記したように冷却器３から供給されたバイオマス処理物（第１多糖物）に糖化酵素が添加され、調製された被処理物Ｗを、内槽４１内に供給するためのものである。

さらに、外槽４０には、その底部に液排出口（図示せず）が形成されており、該液排出口には排出管４７が接続されている。この排出管４７は、後述するように酵素反応装置４内で分解反応によって生成した水溶性の糖分及び水分を抜き出し、次工程の原料として一旦貯槽（図示せず）に貯留し、あるいは直接次工程に移送するためのものである。なお、排出管４７には開閉弁（図示せず）が設けられており、酵素反応装置４での反応中は開閉弁が閉じられ、反応が終了した後、開閉弁が開かれるようになっている。

前記内槽４１には、その底部、例えばフィルター４３を保持する前記枠部４２ａに、固型分導出管４８が接続されている。固型分導出管４８は、内槽４１内に連通して配置され、さらに外槽４０の外にまで引き出されたもので、内槽４１内に残った固型分を酵素反応装置４の外部に導出する際に用いられるものである。なお、固型分導出管４８にも開閉弁（図示せず）が設けられており、酵素反応装置４での反応中は開閉弁が閉じられ、反応が終了した後、開閉弁が開かれるようになっている。

被処理物Ｗ中に添加される糖化酵素であるセルラーゼは、複数種類の糖化酵素の集合体として一般的に知られているが、主成分としてβ−グルカナーゼを含んでいる。このβ−グルカナーゼは、セルロースを水溶性オリゴ糖（水溶性の糖分）に加水分解するための糖化酵素として知られている。水溶性オリゴ糖は、グルコースが２〜６量体重合した水溶性を示す分解物（多糖類）である。また、懸濁体多糖は、グルコースが７量体以上重合したものやグルコースが６量体重合したセロヘキサオースの結晶であり、酵素反応装置４内において懸濁状態で存在する分解物（多糖類）である。酵素反応装置４は、β−グルカナーゼがセルロースに作用することにより、水溶性オリゴ糖を生成するようになっている。

なお、酵素反応装置４では、糖化酵素として市販の「耐熱性酵素」を使用してもよい。通常の糖化酵素は、前記したように４０〜５０℃程度において酵素活性が最大になるが、耐熱性酵素は、７０〜９０℃程度の温度において酵素活性が最大になる。このような耐熱性酵素を酵素反応装置４で用いることにより、冷却器３で冷却すべき温度幅が小さくなるので、第１多糖物の冷却によるエネルギーロスを縮小することが可能となる。なお、このような耐熱性酵素を用いる場合には、前記加熱管４５で内槽４１内を加熱する温度も、７０〜９０℃とする。

このような構成の酵素反応装置４によって前記被処理物Ｗを分解（糖化）処理するには、予め加熱管４５で内槽４１内を所定温度に加熱した後、前記供給管４６より所定量の被処理物Ｗを内槽４１内に供給する。被処理物Ｗは、例えば水分が８０〜９０％程度含んでいるものの、ほとんど流動性はなく、また、水分もほとんど分離されることなく、バイオマス処理物中に含まれている。したがって、内槽４１内に供給された直後では、ほとんど固液分離されることなく、ほぼ全量が内槽４１内、すなわちフィルター４３上に留まっている。

このような被処理部Ｗの供給に並行して、あるいは供給が完了したら、撹拌機４４を稼働させ、撹拌翼４４ｂを回転させる。すると、撹拌翼４４ｂの回転に伴われて被処理物Ｗが流動することで、糖化酵素によるセルロースの分解反応が進む。その際、前述したように撹拌翼４４ｂが鉛直方向に撹拌流れを生じさせるため、被処理物Ｗは全体が内槽４１内を大きく流動し、撹拌翼４４ｂが直接当たらないフィルター４３側の被処理物Ｗも良好に流動するようになる。よって、被処理物Ｗを効率良く撹拌混合することができるため、セルロースの分解反応を効率良く進ませることができる。すなわち、被処理物Ｗ全体を短時間で分解反応に供することができる。

また、このように分解反応が進み、セルロースから水溶性オリゴ糖（水溶性の糖分）が生成すると、これを溶解した水分は、水溶性オリゴ糖と共にフィルター４３を通過し、外槽４０の底部側に移行する。すなわち、セルロースの分解反応と同時に、フィルター４３による濾過（固液分離）が進む。なお、前述したように処理中は排出管４７の開閉弁を閉じているので、外槽４０側に移行した液分はそのまま外槽４０の底部に留まる。そのため、この液分の液面がフィルター４３を通って内槽４１内にまで上昇するため、内槽４１内の固型分は前記液分とともに撹拌されて良好に流動し、分解反応を進ませる。

このようにして撹拌を予め設定した処理時間続けたら、撹拌機４４を停止し、分解処理を終了する。そして、必要に応じてさらに所定時間被処理物Ｗを静置し、固液分離を進ませるとともに、フィルター４３による濾過も進ませる。その後、排出管４７の開閉弁を開き、外槽４０の底部に溜まった液分を排出管４７から排出し、貯槽にあるいは次工程に移送する。

また、このようにして生成物である水溶性オリゴ糖を含む液分を排出したら、排出管４７の開閉弁を閉じ、固型分導出管４８の開閉弁を開く。そして、例えば前記供給管４６から内槽４１内に水を供給し、内槽４１内のフィルター４３上に堆積する固型分、すなわちリグニンを主とする固型分を、供給した水で洗い流し、固型分導出管４８から導出する。ここで、前記の糖化酵素は固型分に付着し易い性質を有している。したがって、糖化酵素は排出管４７から排出された液分にも含まれるものの、フィルター４３上に堆積した固型分中にも多く含まれ、該固型分と共に固型分導出管４８から導出される。よって、この糖化酵素を含む固型分を、別工程（図示せず）で所定の処理を行うことにより、水溶性の糖分を得ることができる。

すなわち、フィルター４３上に堆積し、固型分導出管４８から導出した固型分中には、リグニンの他にも未反応（未分解）のセルロースが残存しており、したがってこのセルロースを、固型分中に含まれる糖化酵素によって分解し、水溶性オリゴ糖（水溶性の糖分）にすることができる。なお、このような未反応（未分解）のセルロースが残存しないよう、酵素反応装置４での処理時間を長くすると、処理効率が悪くなって生産性を損なうため、通常は未反応（未分解）のセルロースがある程度残存している状態で、酵素反応処理を終了する。

このような酵素反応装置４にあっては、円筒状の外槽４０とこれに収容された円筒状の内槽４１とを横置きに配置し、内槽４１内に撹拌機４４の撹拌翼４４ｂを配設したので、内槽４１内に供給した被処理物Ｗを撹拌翼４４ｂによって撹拌混合することにより、被処理物Ｗ中のセルロースを分解反応させることができる。その際、撹拌翼４４ｂで鉛直方向に撹拌流れを生じさせることにより、被処理物Ｗを鉛直方向に流動させることができ、したがって被処理物Ｗ全体を大きく流動させることができる。これにより、撹拌翼４４ｂが直接当たらない被処理物Ｗも流動させることができ、被処理物Ｗを効率良く撹拌混合してセルロースから得られる水溶性オリゴ糖（水溶性の糖分）の収率を高めることができる。

また、内槽４１の底部をフィルター４３によって形成しているので、分解反応によって生成した水溶性の糖分を、水分とともにフィルター４３で固液分離して外槽４０側に移行させ、さらに排出管４７（液排出口）を介して分離回収し、次工程に移送することができる。
よって、この酵素反応装置４によれば、セルロースから得られる水溶性オリゴ糖（水溶性の糖分）の収率を高めることができ、しかも、糖化酵素を比較的多く固型分に残したまま、水溶性の糖分を含む液分を分離回収することができる。また、内槽４１内に残る固型分についても、該固型分が糖化酵素を含有しているので、これを固型分導出管４８から導出して回収し、別工程で処理することにより、糖化酵素の有効利用を図ることができる。

なお、本発明の酵素反応装置は、前記実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

図１のエタノール生産装置Ａに戻り、酵素反応装置４に続いて配置された第１触媒反応装置５は、酵素反応装置４から移送された液分（第１多糖液）、すなわちセルロースの分解物である水溶性グリゴ糖（水溶性の糖分）等を含む液分を、粉末状の固体酸触媒Ｘを用いて加水分解することでグルコースを生成するものである。すなわち、当該グルコースを主成分とする第１単糖液を第１発酵装置６に移送するもので、第１混合装置５ａと第１固液分離装置５ｂとを備えて構成されている。

第１混合装置５ａは、酵素反応装置４から流入する第１多糖液（液分）と予め充填されている固体酸触媒Ｘとを９０℃以上１２０℃未満の温度下において撹拌・混合することで両者を接触させて加水分解反応（つまり糖化反応）を促進させる。このような糖化反応により、第１多糖液に含まれる水溶性オリゴ糖が分解されて単糖（六炭糖）であるグルコースが生成される。このように生成されたグルコースを含む第１単糖液と固体酸触媒Ｘとを含む第１混合液は、第１混合装置５ａから第１固液分離装置５ｂに移送される。

第１固液分離装置５ｂは、前記第１混合装置５ａから流入する第１混合液を固液分離することで第１単糖液と固体酸触媒Ｘとを分離し、固体酸触媒Ｘを回収して前記第１混合装置５ａに供給する（再利用する）一方、グルコースを含む第１単糖液を第１発酵装置６に移送する。このような第１固液分離装置５ｂとしては、例えば沈殿槽を用いることができる。つまり、沈殿槽に供給される第１混合液のうち、粉末状の固体酸触媒Ｘは槽底部に沈殿し、上澄み液がグルコースを含む第１単糖液として得られる。

第１発酵装置６は、前記第１触媒反応装置５から流入するグルコースを含む第１単糖液に、酵母等のエタノール発酵微生物と、窒素、リン等の栄養源とを添加し、適切な温度、ｐＨ等の条件下で微生物を培養してグルコースをアルコール発酵させることでエタノールを生成するものである。第１発酵装置６は、このように生成したエタノールを蒸留装置９に移送する。

第２触媒反応装置７は、前記の加圧熱水反応装置１から流入する第２多糖液を、粉末状の固体酸触媒Ｘを用いて加水分解することでヘミセルロース由来の単糖を含む第２単糖液を生成するものであり、第２混合装置７ａ及び第２固液分離装置７ｂを備えて構成されている。第２混合装置７ａは、加圧熱水反応装置１から流入する第２多糖液と予め充填されている固体酸触媒Ｘとを９０℃以上１２０℃未満の温度下において撹拌・混合することにより、両者を接触させて加水分解反応（つまり糖化反応）を促進させる。このような糖化反応により、第２多糖液に含まれるヘミセルロース由来のオリゴ糖が加水分解されて単糖（五炭糖）が生成する。第２混合装置７ａは、このように生成したヘミセルロース由来の単糖を含む第２単糖液と固体酸触媒Ｘとを含む第２混合液とを第２固液分離装置７ｂに移送する。

第２固液分離装置７ｂは、前記の第２混合装置７ａから流入する第２混合液を固液分離することで第２単糖液と固体酸触媒Ｘとに分離し、固体酸触媒Ｘを回収して前記第２混合装置７ａに供給する（再利用する）一方、ヘミセルロース由来の単糖を含む第２単糖液を第２発酵装置８に移送する。このような第２固液分離装置７ｂとしては、前述した第１固液分離装置５ｂと同様に沈殿槽を用いることができる。つまり、沈殿槽に供給された第２混合液のうち、粉末状の固体酸触媒Ｘは槽底部に沈殿し、上澄み液がヘミセルロース由来の単糖を含む第２単糖液として得られる。

第２発酵装置８は、前記第２触媒反応装置７から流入するヘミセルロース由来の単糖を含む第２単糖液に、酵母等のエタノール発酵微生物と、窒素、リン等の栄養源とを添加し、適切な温度、ｐＨ等の条件下で微生物を培養してヘミセルロース由来の単糖をアルコール発酵させることでエタノールを生成するものである。エタノール発酵微生物としては、サッカロミセス属酵母などの公知の各種微生物を用いることができる。第２発酵装置８は、このように生成したエタノールを蒸留装置９に移送する。

蒸留装置９は、前記の第１発酵装置６及び第２発酵装置８から流入するエタノールの蒸留及び濃縮を行うことにより、純度の高いエタノールを生成して外部に移送するものである。排水処理装置１０は、加圧熱水反応装置１の反応槽１ｄから排出されるブロー水と、第１発酵装置６及び第２発酵装置８から排出される水（アルコール発酵の過程で生成される水）とを受け入れ、所定の清浄化処理を施して外部に排水するものである。

次に、このように構成されたエタノール生産装置Ａの動作について説明する。
加圧熱水反応装置１では、制御装置１ｅによって加熱器１ｂ及び水量調整弁１ｃが制御されることにより、反応槽１ｄ内に収容された一定量の木質系バイオマスに２００〜２３０℃の加圧熱水が所定量添加される。この状態で一定の反応時間が経過することにより、反応槽１ｄ内の木質系バイオマスに含まれるヘミセルロースは、ヘミセルロース由来のオリゴ糖を主成分とする多糖類（ヘミセルロース分解物）に選択的に分解される。

したがって、前記反応時間が経過した後における反応槽１ｄの処理液は、セルロース及びリグニンを固体（固型分）として含み、またヘミセルロース由来のオリゴ糖を主成分とする多糖類（ヘミセルロース分解物）を液体（液分）として含む固液混合液となる。そして、このような処理液は、反応槽１ｄから固液分離器２に排出され、当該固液分離器２において固液分離される。すなわち、固体であるセルロース及びリグニンは、固液分離器２から冷却器３に第１多糖物（バイオマス処理物）として移送され、一方、ヘミセルロース由来のオリゴ糖を主成分とする多糖類（ヘミセルロース分解物）は、第２多糖液として第２触媒反応装置７に移送される。

そして、前記第１多糖物（バイオマス処理物）は、冷却器３において４０〜５０℃程度に冷却された後、前述したように糖化酵素（セルラーゼ）が添加されて被処理物Ｗとされる。そして、この被処理物Ｗが前記酵素反応装置４に移送され、当該酵素反応装置４において前述したように分解反応に供される。この結果、セルラーゼが第１多糖物に含まれるセルロースに作用することにより、当該セルロースが水溶性オリゴ糖に分解される。つまり、酵素反応装置４では、セルラーゼに含まれるβ−グルカナーゼがセルロースに作用することによってセロビオースが生成する。なお、この際に、酵素反応装置４において生成した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。酵素反応装置４では、所定時間（例えばほとんどのセルロースがセロビオースに分解されるまでの時間）をかけて酵素反応を行う。そして、この結果生成したセロビオース及びグルコースを含む第１多糖液は、酵素反応装置４から第１触媒反応装置５の第１混合装置５ａに移送される。

第１混合装置５ａは、酵素反応装置４から流入した第１多糖液と固体酸触媒Ｘとを９０〜１００℃の温度下において撹拌・混合することで第１多糖液中の水溶性オリゴ糖をグルコースに分解する。この第１混合装置５ａにおけるグルコースの生成速度は、酵素反応装置４における生成速度よりも早い。具体的には、第１混合装置５ａにおいて約１０時間の間に生成されるグルコースの量は、酵素反応装置４において生成される量の約３．５倍である。第１混合装置５ａでは、ほとんど全ての水溶性オリゴ糖がグルコースに分解されるまでの時間をかけて触媒反応を行う。そして、この結果生成されたグルコースを含む第１単糖液は、固体酸触媒Ｘとともに第１混合液として第１混合装置５ａから第１固液分離装置５ｂに流出する。

そして、前記第１混合液は、第１固液分離装置５ｂにおいて第１単糖液と固体酸触媒Ｘとに固液分離され、固体である固体酸触媒Ｘは第１混合装置５ａに返送され、一方、第１単糖液は、第１発酵装置６に移送される。この第１発酵装置６では、アルコール発酵によって第１単糖液に含まれるグルコースからエタノールが生成し、蒸留装置９に供給される。そして、蒸留装置９では、エタノールの蒸留・濃縮が行われる。

一方、第２触媒反応装置７に供給された第２多糖液は、第２触媒反応装置７の第２混合装置７ａにおいて第２多糖液と固体酸触媒Ｘとを９０℃以上１２０℃未満の温度下において撹拌・混合されることにより、第２多糖液中のヘミセルロース由来のオリゴ糖が単糖に分解される。そして、このヘミセルロース由来の単糖を含む第２単糖液は、固体酸触媒Ｘとともに第２混合液として第２混合装置７ａから第２固液分離装置７ｂに排出され、当該第２固液分離装置７ｂにおいて第２単糖液と固体酸触媒Ｘとに固液分離される。そして、固体である固体酸触媒Ｘは第２混合装置７ａに返送され、一方、第２単糖液は、第２発酵装置８に移送される。この第２発酵装置８では、アルコール発酵により第２単糖液に含まれるヘミセルロース由来の単糖からエタノールが生成し、蒸留装置９に供給されて蒸留・濃縮が行われる。

さらに、加圧熱水反応装置１の反応槽１ｄから排出されるブロー水及び第１発酵装置６及び第２発酵装置８から排出される水（アルコール発酵の過程で生成される水）は、排水処理装置１０において所定の清浄度まで浄化処理された後に外部に排水される。

このようなエタノール生産装置Ａでは、糖化酵素（セルラーゼ）によってセルロースが水溶性オリゴ糖に分解され、さらに固体酸触媒Ｘによって前記水溶性オリゴ糖がグルコースに分解され、当該グルコースからエタノールが生産される。その際、本エタノール生産装置Ａでは、前述したようにセルロースを分解して水溶性オリゴ糖（水溶性の糖分）を生成する際の収率を酵素反応装置４によって高めているので、エタノールの製造効率を高めることができる。

同様に、このエタノール生産装置Ａを構成するセルロース糖化装置、すなわち前記酵素反応装置４と第１触媒反応装置５とを備えるセルロース糖化装置も、酵素反応装置４を備えることにより、エタノールの製造効率を高めることができる。
さらに、前記加圧熱水反応装置１と、前記固液分離器２と、前記セルロース糖化装置とを備えたバイオマス糖化装置も、酵素反応装置４を備えることにより、エタノールの製造効率を高めることができる。

なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような変形例が考えられる。
（１）前記実施形態では、第１触媒反応装置５において生成されたグルコースや第２触媒反応装置７において生成されたヘミセルロース由来の単糖からエタノールを生成したが、本発明はこれに限定されない。例えば、第１発酵装置６や、第２発酵装置８や、蒸留装置９を他の反応装置に換えることで、エタノール以外の化学製品（例えばヒドロキシメチルフルフラールやフルフラール）を生成するようにしてもよい。

（２）前記実施形態では、木質系バイオマスに含まれるセルロースからグルコースを生成したが、本発明はこれに限定されない。例えば、同様にセルロースとヘミセルロースとリグニンとを含んでいる草本系バイオマスであれば、これに含まれるセルロースから水溶性の糖分（グルコース）を生成するようにしてもよい。

（３）前記実施形態における第１触媒反応装置５及び第２触媒反応装置７では、粉末状の固体酸触媒Ｘを用いた関係で第１固液分離装置５ｂ及び第２固液分離装置７ｂを設けた。
しかしながら、固体酸触媒には粉末状のものの他にペレット状のものがある。このペレット状固体酸触媒を用いる場合、第１触媒反応装置及び第２触媒反応装置として、例えば流通性容器内に固定状態に収納されたペレット状固体酸触媒に第１多糖液あるいは第２多糖液を通過させて加水分解するタイプの触媒反応装置（固定床固体酸触媒反応装置）を採用することが考えられる。このような固定床固体酸触媒反応装置を採用することにより、第１触媒反応装置及び第２触媒反応装置の装置構成を簡略化することができる。

Ａ…エタノール生産装置、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…冷却器、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、４０…外槽、４０ａ…外筒部、４１…内槽、４１ａ…内筒部、４２…内筒本体、４３…フィルター、４４…撹拌機、４４ｂ…撹拌翼、４５…加熱管（加熱手段）、４６…供給管（供給手段）、４７…排出管、４８…固型分導出管

Claims (7)

1. 糖化酵素を用いてセルロースとリグニンとを含むバイオマス処理物を分解処理し、前記セルロースを水溶性の糖分に分解する酵素反応装置であって、
   両端部を閉塞してなる円筒形状の外槽と、前記外槽内に収容された両端部を閉塞してなる円筒形状の内槽とが、その中心軸が水平方向に向くように横置きに配置されており、
   前記内槽内に、鉛直方向に撹拌流れを生じさせる撹拌機が配設され、
   前記内槽内に前記バイオマス処理物及び前記糖化酵素を供給するための供給手段が設けられ、
   前記内槽の少なくとも底部の一部がフィルターによって形成され、
   前記外槽の底部に液排出口が形成されていることを特徴とする酵素反応装置。
2. 前記外槽内において前記内槽の外周面に、該内槽内を加熱する加熱手段が設けられていることを特徴とする請求項１記載の酵素反応装置。
3. 前記内槽の底部に固型分導出管が接続され、該固型分導出管は前記外槽の外にまで引き出されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の酵素反応装置。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の酵素反応装置と、
   前記酵素反応装置で生成した分解物を、固体酸触媒を用いてグルコースに分解する第１触媒反応装置と、を具備することを特徴とするセルロース糖化装置。
5. 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処理液から固型分としてのセルロース及びリグニンを分離する固液分離器と、
   前記固液分離器で分離された固型分中のセルロースをグルコースに分解する請求項４記載のセルロース糖化装置と、を具備することを特徴とするバイオマス糖化装置。
6. 前記固液分離器で分離された液分としてのヘミセルロース分解物を、固体酸触媒を用いてヘミセルロース由来の単糖に分解する第２触媒反応装置を、さらに具備することを特徴とする請求項５記載のバイオマス糖化装置。
7. 請求項６に記載のバイオマス糖化装置と、
   前記バイオマス糖化装置により生成されたグルコースからエタノールを生成する第１発酵装置と、
   前記バイオマス糖化装置により生成されたヘミセルロース由来の単糖からエタノールを生成する第２発酵装置と、を具備することを特徴とするエタノール生産装置。

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