JP2013146678A - 混練装置、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】混練装置において、モータの負荷を調節可能とする。
【解決手段】混練対象物１００を収容するチャンバ２と、上記チャンバ２内において回転駆動されるシャフト３と、上記シャフト３に接続されるパドル４と、上記シャフト３を回転駆動するモータ５とを備える混練装置１であって、上記チャンバ２内に液体Ｗを供給する液体供給手段６を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、混練装置、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ものである。

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。このなかの１つとして、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りエタノールを生産するプロセスが開示されている。上記糖化酵素を用いたセルロースの糖化処理では、糖化酵素に含まれるβ−グルカナーゼによってセルロースがセロビオース（グルコースの２量体）に分解され、さらに同じく糖化酵素に含まれるβ−グルコシダーゼによって上記セロビオースからグルコースに最終的に分解される。

このようなプロセスを用いるときには、例えば、特許文献１で示すような混練装置（酵素反応装置）を用いて、セルロースを含む多糖物と糖化酵素とを混練する。この特許文献１で示されるような混練装置は、横置きされたチャンバの内部に上記多糖物と糖化酵素を入れ、チャンバの内部にてパドルが取り付けられたシャフトを回転させることで、多糖物と糖化酵素とを混練する。

特表２００８−５２１３９６号公報

ところで、酵素糖化反応後の糖濃度を高くするために酵素反応の対象物（多糖物）の水分量は出来るだけ低いことが望ましいが、多糖物に含まれる水分量が低い場合、混練の初期段階では多糖物と糖化酵素とが混練されたもの（混練対象物）の流動性が低い。一方、混練が進むと、多糖物が水溶性オリゴ糖や懸濁体多糖に加水分解されて混練対象物が徐々に液化し、混練対象物の流動性が高まる。このため、混練の初期段階ではパドルが混練対象物から受ける反力が大きく、シャフトの負荷が大きい。そして、混練が進むに連れてパドルが混練対象物から受ける反力が小さくなり、シャフトの負荷が小さくなる。

シャフトは通常モータによって回転駆動される。このため、シャフトの負荷が大きい場合にはモータの負荷も大きくなる。ここで、モータの負荷が、モータの許容値を超えたときには、モータの安全装置が作動し、モータが緊急停止してしまう。一度モータが緊急停止されると、再起動までに多くの作業が必要となり、エタノールの生産作業が停止してしまうことになる。

また、エタノールを生産するとき用いる混練装置のみならず、混練の状態によって流動性が変化する混練対象物を混練する混練装置では、同様に、モータの負荷が許容値を超え、モータが緊急停止する可能性がある。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、混練装置において、モータの負荷を調節可能とすることで、モータの負荷が許容値を超えないようにすることを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するための手段として、以下の構成を採用する。

第１の発明は、混練対象物を収容するチャンバと、上記チャンバ内において回転駆動されるシャフトと、上記シャフトに接続されるパドルと、上記シャフトを回転駆動するモータとを備える混練装置であって、上記チャンバ内に液体を供給する液体供給手段を備えるという構成を採用する。

第２の発明は、上記第１の発明において、上記液体供給手段が、上記チャンバへの上記液体の供給状態を調節するバルブと、上記モータの負荷を検出する負荷検出センサと、上記負荷検出センサの検出結果に基づいて上記バルブを制御する制御手段とを備えるという構成を採用する。

第３の発明は、上記第２の発明において、上記制御手段が、混練開始時に上記モータの出力を連続的に増加させるという構成を採用する。

第４の発明は、上記第２または第３の発明において、上記制御手段が、上記モータの許容負荷を超えない範囲で上記モータの負荷が最大となるように上記液体の供給量を設定するという構成を採用する。

第５の発明は、セルロースを含む多糖物と糖化酵素との混合物を混練対象物とする酵素反応装置であって、上記第１〜第４いずれかの発明である混練装置からなるという構成を採用する。

第６の発明は、セルロース糖化装置であって、第５の発明である酵素反応装置と、上記酵素反応装置により生成された分解物を、固体酸触媒を用いてグルコースに分解する第１触媒反応装置とを備えるという構成を採用する。

第７の発明は、バイオマス糖化装置であって、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、上記加圧熱水反応装置の処理液から固体としてのセルロースを分離する固液分離器と、上記固液分離器で分離されたセルロースをグルコースに分解する上記第６の発明であるセルロース糖化装置とを備えるという構成を採用する。

第８の発明は、上記第７の発明において、上記固液分離器で分離された液体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備えるという構成を採用する。

第９の発明は、エタノール生産装置であって、上記第８の発明である上記バイオマス糖化装置と、上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、上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発酵装置とを備えるという構成を採用する。

本発明によれば、チャンバ内に液体を供給する液体供給手段を備える。本発明においては、液体供給手段によってチャンバ内に液体が供給されると、混練対象物の流動性が高まり、パドルが受ける反力が減少し、シャフト及び当該シャフトを回転駆動するモータの負荷が減少する。
つまり、本発明によれば、液体供給手段によってチャンバ内に液体を供給することによって、モータの負荷を調節することができる。
したがって、本発明によれば、混練装置において、モータの負荷を調節可能とし、モータの負荷が許容値を超えないようにすることが可能となる。

本発明の一実施形態における混練装置の概略構成を示す模式図であり、（ａ）が縦断面図であり、（ｂ）が横断面図である。 本発明の一実施形態における混練装置を酵素反応装置として備えるエタノール生産装置のプロセス構成図である。

以下、図面を参照して、本発明に係る混練装置及び酵素反応装置の一実施形態について説明する。なお、以下の図面においては、各部材を認識可能な大きさとするために、各部材の縮尺を適宜変更している。

（混練装置）
図１は、本実施形態の混練装置１の概略構成を示す模式図であり、（ａ）が縦断面図であり、（ｂ）が横断面図である。これらの図に示すように、本実施形態の混練装置１は、チャンバ２と、シャフト３と、パドル４と、モータ５と、水供給部６（液体供給手段）とを備えている。

チャンバ２は、内部に混練対象物１００が収容される有底円筒形状の容器であり、中心軸が水平となるように寝かされた姿勢で設置されている。このチャンバ２には、水供給部６から供給される水Ｗ（液体）を取り込むための投入口２ａを備えている。また、図１には示されていないが、このチャンバ２には、内部に混練対象物１００を供給するための投入口と、内部から混練対象物１００を取り出すための排出口とが設けられている。

本実施形態の混練装置１が混練対象とする混練対象物１００としては、種々のものが考えられるが、例えば、セルロースを含む多糖物と糖化酵素との混合物としたり、パン生地としたりすることができる。ただし、混練対象物１００は、混練が進むにつれて流動性（粘度）が変化するものである。例えば、セルロースを含む多糖物と糖化酵素との混合物は、混練が進行するに連れてセルロースの分解が進み流動性が高まる。また、パン生地は、混練が進行するに連れて流動性が低くなる。

シャフト３は、チャンバ２の外部からチャンバ２の内部に挿入されており、チャンバ２の中心軸に重ねて配置されている。このシャフト３は、チャンバ２に対して回転可能に支持されており、両端（先端３ａ及び後端３ｂ）がチャンバ２の外部に突出されている。

パドル４は、シャフト３からシャフト３の径方向に突出するように設けられた板状部材であり、シャフト３の回転に伴ってチャンバ２内にて回動される。このパドル４は、図１（ａ）及び図１（ｂ）に示すように、シャフト３の先端３ａ側と、シャフト３の後端３ｂ側と、これらの中間とに各々２枚ずつ設けられている。

モータ５は、シャフト３の後端３ｂと接続されており、チャンバ２の外部に設置されている。このモータ５は、シャフト３を回転駆動するための動力を生成すると共に、シャフト３に回転動力を伝達することでシャフト３を回転駆動させるものである。

水供給部６は、開閉バルブ６ａ（バルブ）と、トルクメータ６ｂ（負荷検出センサ）と、制御装置６ｃ（制御手段）と、水供給配管６ｄとを備えている。

開閉バルブ６ａは、水源とチャンバ２の投入口２ａとを繋ぐ水供給配管６ｄの途中部位に接続されており、制御装置６ｃの制御の下、水供給配管６ｄの開閉を行う。この開閉バルブ６ａは、水供給配管６ｄの開閉を行うことにより、チャンバ２に供給される水Ｗの供給状態を切り替えるものであり、チャンバ２に水Ｗが供給される状態と、チャンバ２に水Ｗが供給されない状態とを切り替える。
トルクメータ６ｂは、モータ５の出力軸に取り付けられており、当該出力軸に作用するトルクを検出することによって、モータ５の負荷を検出する。

制御装置６ｃは、開閉バルブ６ａとトルクメータ６ｂとに電気的に接続されており、モータ５の負荷（トルクメータ６ｂの検出結果）に基づいて開閉バルブ６ａを制御する。
この制御装置６ｃは、モータ５の許容負荷を超えない範囲でモータ５の負荷が最大となるように開閉バルブ６ａによる水供給配管６ｄの開放時間（すなわちチャンバ２への水Ｗの供給量）を設定する。つまり、制御装置６ｃは、予めモータ５の許容負荷を示すトルク値を記憶し、この記憶するトルク値とトルクメータ６ｂの検出結果とに基づいて、記憶するトルク値を超えない範囲で最大となるように水Ｗの供給量を設定する。

例えば、制御装置６ｃは、モータ５の出力を予め設定された定格値に向けて徐々に増加させ、トルクメータ６ｂの検出結果が記憶するトルク値に近づくごとに水供給部６にチャンバ２内に水Ｗを供給させて混練対象物１００の流動性を高める。そして、モータ５の出力が最終的に定格値となったときに、トルクメータ６ｂの検出結果が、予め記憶するトルク値を超えない範囲で最大となるように制御する。このような制御を可能とするために、制御装置６ｃは、モータ５と電気的に接続され、モータ５を制御可能とされている。そして、制御装置６ｃは、混練開始時にモータ５の出力を直ぐに設定された定格値とするのではなく、上記定格値に向けて連続的に増加させる。これによって、チャンバ２に水Ｗを供給する時間を確保することができ、混練対象物１００の流動性を調節する時間を確保することができる。

このような本実施形態の混練装置１では、モータ５によってシャフト３が回転駆動されると、シャフト３に連結されたパドル４がチャンバ２の内部を回転し、これによって混練対象物１００が混練される。
ここで、混練開始時には、制御装置６ｃの制御の下、モータ５の出力が定格値に向けて徐々に増加される。このとき、制御装置６ｃは、トルクメータ６ｂから入力されるトルク値が予め記憶するトルク値（モータ５の限界負荷を示すトルク値）に近づいたときには、水供給部６にチャンバ２内に水Ｗを供給させる。この結果、混練対象物１００の流動性が高まり、モータ５の負荷が減少する。そして、モータ５の出力の増加と、水供給部６からチャンバ２への水Ｗの供給とを繰り返し、モータ５の出力が最終的に定格値となったときに、トルクメータ６ｂの検出結果が、予め記憶するトルク値を超えない範囲で最大となるように、水供給部６からの水Ｗの供給量が制御される。

また、本実施形態において混練対象物１００は、混練が進行するに連れて流動性が変化する。このため、混練が進行して流動性が低くなったときには再びモータ５の負荷が増大する。このため、制御装置６ｃは、トルクメータ６ｂの検出結果からモータ５の負荷を常に監視し、必要に応じて水供給部６を制御してチャンバ２に水Ｗを供給させる。

以上のような本実施形態の混練装置１によれば、チャンバ２内に水Ｗを供給する水供給部６を備える。本実施形態の混練装置１においては、水供給部６によってチャンバ２内に水Ｗが供給されると、混練対象物１００の流動性が高まり、パドル４が受ける反力が減少し、シャフト３及び当該シャフト３を回転駆動するモータ５の負荷が減少する。
つまり、本実施形態の混練装置１によれば、水供給部６によってチャンバ２内に水Ｗを供給することによって、モータ５の負荷を調節することができる。したがって、本実施形態の混練装置１によれば、モータ５の負荷を調節可能とし、モータ５の負荷が許容値を超えないようにすることが可能となる。

また、本実施形態の混練装置１によれば、水供給部６は、チャンバ２への水Ｗの供給状態を調節する開閉バルブ６ａと、モータ５の負荷を検出するトルクメータ６ｂと、トルクメータ６ｂの検出結果に基づいて開閉バルブ６ａを制御する制御装置６ｃとを備える。このため、混練対象物１００の混練中に、モータ５の負荷に基づいてリアルタイムで水Ｗの供給を自動制御することが可能となる。

また、本実施形態の混練装置１によれば、混練開始時にモータ５の出力を連続的に増加させる。このため、モータ５の負荷が急激に増加することを防ぎ、混練対象物１００の流動性を調節する時間を確保することができる。

また、本実施形態の混練装置１によれば、モータ５の許容負荷を超えない範囲でモータ５の負荷が最大となるように水Ｗの供給量を設定する。このため、混練対象物１００に対するパドル４の仕事量をモータ５の許容負荷を超えない範囲で最大とすることができ、混練時間の短縮を図ることが可能となる。

（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）
次に、図２を参照して、上記実施形態の混練装置１からなる酵素反応装置１４を備えるエタノール生産装置１０について説明する。

エタノール生産装置１０は、加圧熱水反応装置１１、固液分離器１２、冷却器１３、酵素反応装置１４、第１触媒反応装置１５、第１発酵装置１６、第２触媒反応装置１７、第２発酵装置１８、蒸留装置１９及び排水処理装置２０から構成されている。このようなエタノール生産装置１０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によりに単糖類（キシロース及びグルコース）を生産し、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により高純度のエタノールを生産するプロセス装置である。

加圧熱水反応装置１１は、２００〜２３０℃の加圧熱水を上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、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）するが、セルロースは、２００〜２３０℃の加圧熱水では殆ど分解しない。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１１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。

上記加圧熱水反応装置１１は、図２に示すように、ポンプ１１ａ、加熱器１１ｂ、水量調整弁１１ｃ、反応槽１１ｄ及び制御装置１１ｅから構成されている。ポンプ１１ａは、外部から供給される水を加圧して加熱器１１ｂに送出する。加熱器１１ｂは、制御装置１１ｅから入力される温度制御信号に応じて、ポンプ１１ａ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１１ｃに送出する。水量調整弁１１ｃは、制御装置１１ｅから入力される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１１ｂから流入する加圧熱水を反応槽１１ｄに送出する。

反応槽１１ｄ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１１ｃから流入する加圧熱水を木質系バイオマスに添加（作用）させることによって、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。すなわち、この反応槽１１ｄの処理液は、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）を液体として含むものである。反応槽１１ｄはこのような処理液を固液分離器１２に排出する。

制御装置１１ｅは、加熱器１１ｂに温度制御信号を出力すると共に水量調整弁１１ｃに流量制御信号を出力し、反応槽１１ｄ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１１ｄ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１１ｅ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１１ｅが反応槽１１ｄの加水分解条件を調整することによって、反応槽１１ｄから流出する処理液は、上述したようにセルロース及びリグニンを固体として含み、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として含むものとなる。

固液分離器１２は、上記反応槽１１ｄ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（リグニンを多く含む）を第１多糖物として冷却器１３に送出する一方、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１７に送出する。冷却器１３は、後段の酵素反応装置１４における糖化酵素（耐熱性酵素）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１２から流入する第１多糖物を例えば５０〜９０℃程度に冷却して酵素反応装置１４に送出する。

酵素反応装置１４は、冷却器１３から供給される第１多糖物に糖化酵素であるセルラーゼ及び水を添加し、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ってセロビオース（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オリゴ糖や懸濁体多糖に加水分解する装置である。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、セルロースを上記水溶性オリゴ糖に加水分解するための糖化酵素として知られている。また、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）であり、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１４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１４は、上記β−グルカナーゼがセルロースに作用することによって上記水溶性オリゴ糖を生成し、当該水溶性オリゴ糖を主成分とする第１多糖液を第１触媒反応装置１５に送出する。

ここで、酵素反応装置１４で用いる糖化酵素は、「耐熱性酵素」として市販されているものも可能である。通常の糖化酵素は、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１４で用いることにより、冷却器１３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。

また、本実施形態において酵素反応装置１４として、上記実施形態の混練装置１が用いられている。つまり、本実施形態においては、混練装置１からなる酵素反応装置１４に対して、冷却器１３から排出された第１多糖物と、糖化酵素であるセルラーゼと、水とが供給され、これらの混合物を混練対象物１００として混練が行われる。

なお、冷却器１３から排出された第１多糖物と、糖化酵素であるセルラーゼと、水との混合物は、混練の初期にはセルロースを多く含むことから流動性が低い。これに対して、酵素反応装置１４では、冷却器１３から排出された第１多糖物と、糖化酵素であるセルラーゼと、水との混合物を混練するときに、酵素反応装置１４が備えるモータの負荷を調節可能とし、モータの負荷が許容値を超えないようにすることが可能となる。したがって、モータの過負荷が原因による酵素反応装置１４の停止を防止することができ、安定して水溶性オリゴ糖を生成することができる。

第１触媒反応装置１５は、酵素反応装置１４から流出する第１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によりグルコースを生成し、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１６に送出するものであり、図示するように第１混合装置１５ａと第１固液分離装置１５ｂとから構成されている。

第１混合装置１５ａは、酵素反応装置１４から流入する第１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及び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１５ａから第１固液分離装置１５ｂに流出する。

第１固液分離装置１５ｂは、上記第１混合装置１５ａ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を回収して上記第１混合装置１５ａ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１６に送出する。このような第１固液分離装置１５ｂ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１６は、上記第１触媒反応装置１５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１６は、このように生成されたエタノールを蒸留装置１９に送出する。

第２触媒反応装置１７は、上記の加圧熱水反応装置１１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により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、図示するように第２混合装置１７ａ及び第２固液分離装置１７ｂから構成されている。第２混合装置１７ａは、加圧熱水反応装置１１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及び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）が生成される。第２混合装置１７ａは、このように生成され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１７ｂに送出する。

第２固液分離装置１７ｂは、上記の第２混合装置１７ａ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を回収して上記第２混合装置１７ａ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１８に送出する。このような第２固液分離装置１７ｂとしては、上述した第１固液分離装置１５ｂ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１８は、上記第２触媒反応装置１７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１８は、このように生成したエタノールを蒸留装置１９に送出する。

蒸留装置１９は、上記の第１発酵装置１６及び第２発酵装置１８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送出するものである。排水処理装置２０は、加圧熱水反応装置１１の反応槽１１ｄから排出されるブロー水と、第１発酵装置１６及び第２発酵装置１８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１０の動作について説明する。
加圧熱水反応装置１１では、制御装置１１ｅによって加熱器１１ｂ及び水量調整弁１１ｃが制御されることによって、反応槽１１ｄ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１１ｄ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、上記反応時間が経過した後における反応槽１１ｄの処理液は、セルロース及びリグニンを固体として含み、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１１ｄから固液分離器１２に排出され、当該固液分離器１２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１２から冷却器１３に第１多糖物として送出され、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１７に送出される。

そして、上記第１多糖物は、冷却器１３において９０〜１００℃程度に冷却されて酵素反応装置１４に送出され、当該酵素反応装置１４においてセルラーゼ及び水が添加される。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１４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される。なお、この際に、酵素反応装置１４において生成され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りグルコースに分解される。

第１混合装置１５ａは、酵素反応装置１４から流入した第１多糖液と固体酸触媒Ｘとを９０〜１００℃の温度下において攪拌及び混合することで第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１５ａにおけるグルコースの生成速度は、酵素反応装置１４における生成速度よりも早い。具体的には、第１混合装置１５ａ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１４において生成される量の約３．５倍である。第１混合装置１５ａでは、殆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１５ａから第１固液分離装置１５ｂに流出する。

そして、上記第１混合液は、第１固液分離装置１５ｂ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１５ａに返送され、一方、第１単糖液は、第１発酵装置１６に送出される。この第１発酵装置１６では、アルコール発酵により第１単糖液に含まれるグルコースからエタノールが生成され、蒸留装置１９に供給される。そして、蒸留装置１９では、エタノールの蒸留及び濃縮が行われる。

一方、第２触媒反応装置１７に供給された第２多糖液は、第２触媒反応装置１７の第２混合装置１７ａ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攪拌及び混合されることで第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１７ａから第２固液分離装置１７ｂに排出され、当該第２固液分離装置１７ｂ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１７ａに返送され、一方、第２単糖液は、第２発酵装置１８に送出される。この第２発酵装置１８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され、蒸留装置１９に供給されて蒸留及び濃縮が行われる。

さらに、加圧熱水反応装置１１の反応槽１１ｄから排出されるブロー水及び第１発酵装置１６及び第２発酵装置１８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２０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１０では、セルラーゼにより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によって上記水溶性オリゴ糖がグルコースに分解され、さらに当該グルコースからエタノールが生産される。このとき、酵素反応装置１４において、安定して水溶性オリゴ糖を生成することができるため、エタノール生産装置１０では、安定してエタノールが生産される。

同様に、このエタノール生産装置１０に含まれるセルロース糖化装置１０Ａ、すなわち上記酵素反応装置１４と第１触媒反応装置１５とを備えるセルロース糖化装置１０Ａも、酵素反応装置１４を備えることにより、安定してセルロースを糖化することができる。
さらに、加圧熱水反応装置１１と、固液分離器１２と、セルロース糖化装置１０Ａとを備えたバイオマス糖化装置１０Ｂも、酵素反応装置１４を備えることにより、安定してバイオマスを糖化することができる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されないことは言うまでもない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の趣旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

（１）上記実施形態の混練装置１は、水供給部６が開閉バルブ６ａを備える構成を採用している。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、開閉バルブ６ａに換えて水供給配管６ｄの開度を微調節して水Ｗの流量を調節可能な流量制御バルブを設置しても良い。これによって、チャンバ２に供給される水Ｗの流量を調節することが可能となる。また、水供給配管６ｄをチャンバ２に対して２本接続し、一方の水供給配管６ｄに開閉バルブを設置し、他方の水供給配管６ｄに流量制御バルブを設置しても良い。また、一本の水供給配管６ｄに開閉バルブと流量制御バルブとの両方を設置しても良い。

（２）また、上記実施形態の混練装置１は、チャンバ２の一箇所にのみ水供給配管６ｄが接続された構成を採用している。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、チャンバ２の複数箇所に水供給配管が接続された構成を採用することも可能である。このような構成を採用することによって、チャンバ２の内部に均一に水Ｗを供給することができ、混練対象物１００の流動性を全体的に均一に高めることが可能となる。

（３）上記実施形態の混練装置１は、チャンバ２の内部に水Ｗを供給する構成を採用している。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、水ではない他の液体をチャンバ２内に供給して混練対象物１００の流動性を高めるようにしても良い。

（４）上記実施形態の混練装置１は、シャフト３の長手方向の１箇所に対して２枚のパドル４が取り付けられた構成を採用している。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、同様の箇所に１枚のパドルが取り付けられる構成や、同様の箇所に３枚以上のパドル４が取り付けられる構成を採用しても良い。

（５）上記実施形態の混練装置１は、シャフト３の長手方向において、シャフト３の先端３ａ側と、シャフト３の後端３ｂ側と、これらの中間との３箇所にパドル４が取り付けられた構成を採用している。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、シャフト３の長手方向において１箇所、２箇所あるいは４箇所以上にパドル４を取り付ける構成を採用しても良い。

（６）上記実施形態においては、混練装置１を酵素反応装置１４に用いる例について説明した。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、混練が進むに連れて流動性が変化する混練対象物を混練する混練装置の全てに適用することが可能である。

（７）上記実施形態では、第１触媒反応装置１５において生成されたグルコースや第２触媒反応装置１７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１６や、第２発酵装置１８や、蒸留装置１９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良い。

（８）上記実施形態では、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良い。

（９）上記実施形態における第１触媒反応装置１５及び第２触媒反応装置１７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１５ｂ及び第２固液分離装置１７ｂ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。

１……混練装置、２……チャンバ、２ａ……投入口、３……シャフト、３ａ……先端、３ｂ……後端、４……パドル、５……モータ、６……水供給部（液体供給手段）、６ａ……開閉バルブ（バルブ）、６ｂ……トルクメータ（負荷検出センサ）、６ｃ……制御装置（制御手段）、６ｄ……水供給配管、１０……エタノール生産装置、１０Ａ……セルロース糖化装置、１０Ｂ……バイオマス糖化装置、１１……加圧熱水反応装置、１１ａ……ポンプ、１１ｂ……加熱器、１１ｃ……水量調整弁、１１ｄ……反応槽、１１ｅ……制御装置、１２……固液分離器、１３……冷却器、１４……酵素反応装置、１５……第１触媒反応装置、１５ａ……第１混合装置、１５ｂ……第１固液分離装置、１６……第１発酵装置、１７……第２触媒反応装置、１７ａ……第２混合装置、１７ｂ……第２固液分離装置、１８……第２発酵装置、１９……蒸留装置、２０……排水処理装置、１００……混練対象物、Ｗ……水（液体）、Ｘ……固体酸触媒

Claims (9)

1. 混練対象物を収容するチャンバと、前記チャンバ内において回転駆動されるシャフトと、前記シャフトに接続されるパドルと、前記シャフトを回転駆動するモータとを備える混練装置であって、
   前記チャンバ内に液体を供給する液体供給手段を備えることを特徴とする混練装置。
2. 前記液体供給手段は、
   前記チャンバへの前記液体の供給状態を調節するバルブと、
   前記モータの負荷を検出する負荷検出センサと、
   前記負荷検出センサの検出結果に基づいて前記バルブを制御する制御手段と
   を備えることを特徴とする請求項１記載の混練装置。
3. 前記制御手段は、混練開始時に前記モータの出力を連続的に増加させることを特徴とする請求項２記載の混練装置。
4. 前記制御手段は、前記モータの許容負荷を超えない範囲で前記モータの負荷が最大となるように前記液体の供給量を設定することを特徴とする請求項２または３記載の混練装置。
5. セルロースを含む多糖物と糖化酵素との混合物を混練対象物とする酵素反応装置であって、
   請求項１〜４いずれかに記載の混練装置からなることを特徴とする酵素反応装置。
6. 請求項５記載の酵素反応装置と、
   前記酵素反応装置により生成された分解物を、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
   を備えることを特徴とするセルロース糖化装置。
7. 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体としてのセルロースを分離する固液分離器と、
   前記固液分離器で分離されたセルロースをグルコースに分解する請求項６記載のセルロース糖化装置と
   を備えることを特徴とするバイオマス糖化装置。
8. 前記固液分離器で分離された液体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備えることを特徴とする請求項７記載のバイオマス糖化装置。
9. 請求項８に記載の前記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
   を備えることを特徴とするエタノール生産装置。

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