JP2015089369A - バイオマス由来物製造装置、および、エタノール製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成で、固体酸触媒と糖とを効率よく接触させて、糖の反応を促進する。
【解決手段】バイオマス由来物製造装置（第１触媒反応部２２０）は、糖と、水とを含む混合液（第１多糖液Ｌ１）を収容する反応槽本体２５０と、反応槽本体に収容され、糖からバイオマス由来物への変換反応を促進する複数の固体酸触媒Ｃと、反応槽本体内において混合液の流通方向に複数設けられ、固体酸触媒が通過不可能な孔であって、混合液が通過可能な孔を複数有するフィルタ２７０と、を備え、固体酸触媒は、隣り合う２のフィルタによって形成された領域である区画領域Ｒを移動自在に配される。
【選択図】図２

Description

本発明は、リグノセルロース系バイオマス由来の糖を出発物質としてバイオマス由来物を製造するバイオマス由来物製造装置、および、これを用いたエタノール製造装置に関する。

近年、石油や石炭といった化石燃料に代わるエネルギー源として、リグノセルロース系バイオマスから製造したエタノール（バイオエタノールまたはバイオマスエタノールと称することもある。）が注目されている。このようなバイオエタノールの原料となるリグノセルロース系バイオマスとしては、木材、おがくず、樹皮等の木質系バイオマス、ススキ、バガス、藁、籾殻等の草本系バイオマス等が挙げられる。

リグノセルロース系バイオマス（以下、単に「バイオマス」と称することもある。）からバイオエタノールを製造する技術として、バイオマスを固体酸触媒で処理して、バイオマス中に含まれるセルロースをグルコースに加水分解（糖化）し、かかるグルコースを発酵（発酵処理）させることでエタノールを製造する技術が開発されている。

例えば、特許文献１には、固体酸触媒を用いてバイオマスの加水分解処理を遂行する分解装置と、分解装置の後段に配され加水分解処理後の液を固液分離することで、固体酸触媒を分離する固液分離装置とが記載され、固液分離装置で分離された固体酸触媒を分解装置に返送することで、固体酸触媒の複数回の利用を図っている。

また、特許文献２には、複数の貫通孔が設けられた円板に固体酸触媒を担持させておき、反応容器内において、バイオマス液の流通方向に多段となるように、当該円板を配する構成が記載されている。

特開２０１１−１０１６０８号公報 特開２０１２−５３８２号公報

しかし、特許文献１の技術では、固体酸触媒で反応させる分解装置と、固体酸触媒を分離する固液分離装置といった２つの装置が必要となり、設備が大がかりなものになってしまう。また、加水分解処理は加圧条件下で行うことが多く、この場合、固液分離装置から分解装置へ固体酸触媒を返送する返送機構や、返送機構と分解装置とのシール機構が複雑になり、コスト高となってしまう。

その上、固体酸触媒はｐＨが極めて低く、また、加水分解処理においては反応雰囲気が酸性となるため、特許文献２の技術を利用した場合、反応中にバインダが分解され、円板から固体酸触媒が脱離してしまうおそれがある。

そこで本発明は、このような課題に鑑み、簡易な構成で、固体酸触媒と糖とを効率よく接触させて、糖の反応を促進することが可能となるバイオマス由来物製造装置、および、エタノール製造装置を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明のバイオマス由来物製造装置は、リグノセルロース系バイオマス由来の糖を出発物質としてバイオマス由来物を製造するバイオマス由来物製造装置であって、糖と、水とを含む混合液を収容する反応槽本体と、反応槽本体に収容され、糖からバイオマス由来物への変換反応を促進する複数の固体酸触媒と、反応槽本体内において混合液の流通方向に複数設けられ、固体酸触媒が通過不可能な孔であって、混合液が通過可能な孔を複数有するフィルタと、を備え、固体酸触媒は、隣り合う２のフィルタによって形成された領域である区画領域を移動自在に配されることを特徴とする。

また、固体酸触媒は、区画領域において混合液中を浮遊した状態で配されるとしてもよい。

また、反応槽本体には、導入口を通じて混合液が導入されるとともに、導入口よりも鉛直上方に設けられた送出口から混合液が送出され、区画領域における固体酸触媒の浮遊状態を検知する浮遊状態検知部と、浮遊状態検知部が検知した浮遊状態に基づいて、導入口から導入される混合液の流量を制御する制御部と、を備えるとしてもよい。

また、フィルタは、混合液の流通方向に隆起または陥没した拡張部を備えるとしてもよい。

また、糖は多糖であり、バイオマス由来物は単糖であるとしてもよい。

また、フィルタは、フッ素系樹脂、ガラス繊維、炭素繊維の群から選択される１または複数で構成されるとしてもよい。

また、糖は単糖であり、バイオマス由来物はフルフラール類の化合物であるとしてもよい。

上記課題を解決するために、本発明のエタノール製造装置は、リグノセルロース系バイオマス由来の多糖を加水分解して単糖を製造し、当該単糖を発酵させてエタノールを製造するエタノール製造装置であって、多糖と、水とを含む混合液を収容する反応槽本体と、反応槽本体に収容され、加水分解を促進する複数の固体酸触媒と、反応槽本体内において混合液の流通方向に複数設けられ、加水分解を促進する固体酸触媒が通過不可能な孔であって、混合液が通過可能な孔を複数有するフィルタと、を備え、固体酸触媒は、隣り合う２のフィルタによって形成された領域である区画領域を移動自在に配されることを特徴とする。

本発明によれば、簡易な構成で、固体酸触媒と糖とを効率よく接触させて、糖の反応を促進することが可能となる。

エタノール製造装置を説明するための図である。 第１触媒反応部を説明するための図である。 エタノール製造方法の処理の流れを説明するためのフローチャートである。 変形例１にかかるフィルタを説明するための図である。

以下に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詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

（エタノール製造装置１００）
図１は、エタノール製造装置１００を説明するための図である。図１に示すように、エタノール製造装置１００は、糖液製造装置１１０と、発酵装置１２０と、排水処理装置１３０とを含んで構成される。

エタノール製造装置１００において、糖液製造装置１１０は、木質系バイオマス等のリグノセルロース系バイオマス由来の多糖を含むリグノセルロース系バイオマスに糖化処理を施すことにより、リグノセルロース系バイオマス由来の多糖を単糖（キシロースおよびグルコース）に分解して、糖液（第１単糖液Ｇ１、第２単糖液Ｇ２）を製造する。ここで、リグノセルロース系バイオマス由来の多糖は、セルロース、ヘミセルロース、セルロース由来の懸濁態多糖、セルロース由来の水溶性オリゴ糖、ヘミセルロース由来の懸濁態多糖、ヘミセルロース由来の水溶性オリゴ糖の群から選択される１または複数を含む。発酵装置１２０は、かかる糖液に発酵処理、蒸留処理を施すことにより、高純度のエタノールＰＥを製造する。また、排水処理装置１３０は、糖液製造装置１１０、発酵装置１２０から送出される排水を回収して、清浄化処理を施し、外部に排出する。以下、糖液製造装置１１０および発酵装置１２０の具体的構成について詳述する。

（糖液製造装置１１０）
図１に示すように、糖液製造装置１１０は、加圧熱水反応部２１０と、固液分離部２１２と、冷却部２１４と、酵素反応部２１６と、第１触媒反応部２２０と、第２触媒反応部２２２とを含んで構成される。

加圧熱水反応部２１０は、１５０℃〜２３０℃程度の加圧熱水をリグノセルロース系バイオマスに接触（作用）させる。ここで、加圧熱水反応部２１０がリグノセルロース系バイオマスに作用させる加圧熱水は、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。

上述したようにリグノセルロース系バイオマスは、セルロース、ヘミセルロース、および、リグニンを含んで構成されている。したがって、加圧熱水反応部２１０が、１５０℃〜２３０℃程度といった比較的低温の加圧熱水をリグノセルロース系バイオマスに作用させることにより、ヘミセルロースが加水分解されて、オリゴ糖を主成分とする多糖（ヘミセルロース加水分解物）に分解される（可溶化）。一方、セルロースは、１５０℃〜２３０℃程度といった比較的低温の加圧熱水を作用させたとしても、殆ど加水分解されない。また、リグニンも１５０℃〜２３０℃程度といった比較的低温の加圧熱水を作用させたとしても殆ど加水分解されない。

このように加圧熱水反応部２１０が、１５０℃〜２３０℃程度の加圧熱水をリグノセルロース系バイオマスに作用させることで、ヘミセルロースを選択的に可溶化し（液体とし）、セルロースおよびリグニンを可溶化しない。つまり、加圧熱水反応部２１０は、ヘミセルロース加水分解物を含む液体（以下、単に「第２多糖液Ｌ２」と称する。）と、セルロース、リグニンを含む固体（以下、単に「第１多糖物Ｓ１」と称する。）とで構成される固液混合物ＳＬ１とを生成することとなる。

固液分離部２１２は、加圧熱水反応部２１０が生成した固液混合物ＳＬ１を固体（第１多糖物Ｓ１）と液体（第２多糖液Ｌ２）に固液分離するとともに、第１多糖物Ｓ１を後述する冷却部２１４に送出し、第２多糖液Ｌ２を後述する第２触媒反応部２２２に送出する。

冷却部２１４は、後段の酵素反応部２１６における糖化酵素（耐熱性の糖化酵素）の活性が高くなるように、第１多糖物Ｓ１の温度を調節する。冷却部２１４は、固液分離部２１２から供給された第１多糖物Ｓ１（１５０℃〜２３０℃程度）を例えば５０℃〜９９℃程度に冷却して酵素反応部２１６に送出する。

酵素反応部２１６は、冷却部２１４によって冷却された第１多糖物Ｓ１に、糖化酵素と、必要に応じて水とを添加する。ここで、酵素反応部２１６は、糖化酵素によって進行されるセルロースの加水分解反応を実質的に均一に進行させるために、水、および、セルロース（基質）、すなわち第１多糖物Ｓ１と、糖化酵素とを攪拌、混合する。そうすると、糖化酵素によって、第１多糖物Ｓ１中のセルロースが、グルコースと、水溶性オリゴ糖と、懸濁態多糖とに加水分解される（酵素による加水分解反応、以下、単に「酵素反応」と称する。）。つまり酵素反応部２１６は、グルコース、水溶性オリゴ糖、懸濁態多糖を含む溶液（以下、単に「第１多糖液Ｌ１」と称する。）と、固体残渣（酵素反応の未反応物）とを生成することとなる。

本実施形態において水溶性オリゴ糖は、例えば、グルコースの２量体（例えば、セロビオース）〜６量体である水溶性のセルロース加水分解物（多糖）であり、懸濁態多糖は、例えば、グルコースが７量体以上重合したセルロース加水分解物や、グルコースの６量体であるセロヘキサオースの結晶であり、酵素反応部２１６において懸濁状態で存在する加水分解物（多糖）である。

また、酵素反応部２１６において用いられる糖化酵素は、例えばセルラーゼであり、主成分として、β−グルカナーゼ、β−グルコシダーゼを含んで構成される。なお、本実施形態では、耐熱性の糖化酵素として市販されている糖化酵素を用いている。耐熱性ではない糖化酵素の至適温度は４０℃〜５０℃程度であるが、耐熱性である糖化酵素の至適温度は、７０℃〜９０℃程度である。したがって、酵素反応部２１６が耐熱性の糖化酵素を用いることにより、冷却部２１４による冷却温度幅を小さくすることができる。これにより、冷却部２１４が第１多糖物Ｓ１の冷却に要するエネルギーを低減することが可能となる。

第１触媒反応部２２０は、バイオマス由来物製造装置として機能し、酵素反応部２１６によって生成された第１多糖液Ｌ１に、触媒としての粉末状の固体酸触媒を接触させる。そうすると、固体酸触媒の触媒機能によって、第１多糖液Ｌ１に含まれる水溶性オリゴ糖および懸濁態多糖からグルコースへの加水分解反応が促進される（以下、固体酸触媒を用いた水溶性オリゴ糖および懸濁態多糖からグルコースへの変換反応（加水分解反応）を単に「触媒反応」と称する。）。つまり第１触媒反応部２２０は、グルコース（単糖）を主成分とする糖液（第１単糖液Ｇ１）を生成することとなる。第１触媒反応部２２０の具体的な構成については、後に詳述する。

第２触媒反応部２２２は、バイオマス由来物製造装置として機能し、固液分離部２１２によって分離された第２多糖液Ｌ２に、触媒としての粉末状の固体酸触媒を接触させる。そうすると、固体酸触媒の触媒機能によって、第２多糖液Ｌ２に含まれるヘミセルロース加水分解物からキシロースへの加水分解反応が促進される（以下、固体酸触媒を用いたヘミセルロースからキシロースへの変換反応（加水分解反応）を単に「触媒反応」と称する。）。つまり第２触媒反応部２２２は、キシロース（単糖）を主成分とする糖液（第２単糖液Ｇ２）を生成することとなる。第２触媒反応部２２２の具体的な構成については、第１触媒反応部２２０と併せて後に詳述する。

（発酵装置１２０）
発酵装置１２０は、第１発酵部３１０と、第２発酵部３２０と、蒸留部３３０とを含んで構成される。

第１発酵部３１０は、糖液製造装置１１０の第１触媒反応部２２０から送出された第１単糖液Ｇ１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、発酵処理に適切な温度、適切なｐＨ等の条件下でエタノール発酵微生物を培養する。そうすると、第１単糖液Ｇ１中のグルコースがアルコール発酵されてエタノールＥ１が生成される。第１発酵部３１０によって生成されたエタノールＥ１は、後述する蒸留部３３０へ送出される。

第２発酵部３２０は、糖液製造装置１１０の第２触媒反応部２２２から送出された第２単糖液Ｇ２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、発酵処理に適切な温度、適切なｐＨ等の条件下でエタノール発酵微生物を培養する。そうすると、第２単糖液Ｇ２中のキシロースがアルコール発酵されてエタノールＥ２が生成される。第２発酵部３２０によって生成されたエタノールＥ２は、蒸留部３３０へ送出される。

蒸留部３３０は、第１発酵部３１０から送出されたエタノールＥ１と、第２発酵部３２０から送出されたエタノールＥ２とを蒸留し、濃縮することで、高純度のエタノールＰＥを生成する。

（第１触媒反応部２２０、第２触媒反応部２２２）
続いて、固体酸触媒を用い、リグノセルロース系バイオマス由来の糖（多糖）を出発物質としてバイオマス由来物（単糖）を製造するバイオマス由来物製造装置として機能する第１触媒反応部２２０、第２触媒反応部２２２の具体的な構成について説明する。なお、第１触媒反応部２２０と第２触媒反応部２２２との具体的な構成は実質的に等しく、導入される液が異なる（第１触媒反応部２２０では第１多糖液Ｌ１、第２触媒反応部２２２では第２多糖液Ｌ２）だけであるため、ここでは、第１触媒反応部２２０について詳述し、第２触媒反応部２２２については重複説明を省略する。

図２は、第１触媒反応部２２０を説明するための図である。図２に示すように第１触媒反応部２２０は、反応槽本体２５０と、導入部２６０と、固体酸触媒Ｃと、フィルタ２７０と、浮遊状態検知部２８０と、制御部２９０とを含んで構成される。図２中、第１多糖液Ｌ１および第１単糖液Ｇ１の流れを実線の矢印で示し、信号の流れを破線の矢印で示す。なお、本実施形態の図２では、垂直に交わるＸ軸（水平方向）、Ｙ軸（水平方向）、Ｚ軸（鉛直方向）を図示の通り定義している。また、図２中、理解を容易にするために、フィルタ２７０に形成された孔および固体酸触媒Ｃ（図２中、白丸で示す）を大きく示している。

反応槽本体２５０は、酵素反応部２１６によって生成された第１多糖液Ｌ１（多糖と水とを含む混合液）を収容する。反応槽本体２５０には、導入口２５２と、導入口２５２よりも鉛直上方に設けられた送出口２５４が設けられており、第１多糖液Ｌ１は、ポンプ等で構成される導入部２６０によって、導入口２５２を通じて反応槽本体２５０内に導入される。導入口２５２を通じて反応槽本体２５０内に導入された第１多糖液Ｌ１は、鉛直上方に移動した後、送出口２５４を通じて後段の発酵装置１２０に送出される。したがって、反応槽本体２５０において第１多糖液Ｌ１は、鉛直下方から鉛直上方に流れることとなる。

また、本実施形態において反応槽本体２５０は、耐酸性を有する材質、例えば、ステンレス鋼（ＳＵＳ）等で構成される。固体酸触媒Ｃを用いた触媒反応では、反応雰囲気が酸性となるため、反応槽本体２５０を耐酸性を有する材質で構成することにより、反応槽本体２５０自体の劣化を抑制することができる。

固体酸触媒Ｃは、第１多糖液Ｌ１中の水溶性オリゴ糖および懸濁態多糖の加水分解反応を促進する触媒であり、反応槽本体２５０に収容される。本実施形態において、固体酸触媒Ｃは粉末状である。

フィルタ２７０は、平板形状であり、反応槽本体２５０における流路断面に亘って（第１多糖液Ｌ１の流れ方向に対して垂直な方向に亘って）、平面的に配され、反応槽本体２５０内において第１多糖液Ｌ１の流通方向（ここでは、鉛直方向）に複数（ここでは、５つ）設けられる。また、フィルタ２７０は、固体酸触媒Ｃが通過不可能な孔であって、第１多糖液Ｌ１が通過可能な孔を複数有する。なお、フィルタ２７０の孔径は、固体酸触媒Ｃの粒径（粒子径）分布に基づいて決定するとよい。例えば、固体酸触媒Ｃの粒径の平均値（体積基準）が４０μｍであって、積算１０％粒径（相対粒子量が１０％の粒径）が１０μｍである場合、１０％の固体酸触媒Ｃの通過を考慮しない（９０％の固体酸触媒Ｃが通過不可能になる）として、孔径を１０μｍに決定する。

また、本実施形態において、フィルタ２７０は、耐酸性を有する材質、例えば、フッ素系樹脂（例えば、ポリテトラフルオロエチレン）、ガラス繊維、炭素繊維の群から選択される１または複数で構成される。固体酸触媒Ｃを用いた触媒反応では、反応雰囲気が酸性となるため、フィルタ２７０を耐酸性を有する材質で構成することにより、フィルタ２７０自体の劣化を抑制することができる。

本実施形態において、固体酸触媒Ｃは、隣り合う２のフィルタ２７０によって形成された領域である区画領域Ｒに移動自在に配される。上述したように、フィルタ２７０に形成された孔の大きさは、固体酸触媒Ｃが通過不可能な大きさであるため、固体酸触媒Ｃは、区画領域Ｒにおいて移動自在であるが、フィルタ２７０を通じた移動が規制されることとなる。つまり、１の区画領域Ｒに配された固体酸触媒Ｃは、他の区画領域Ｒや区画領域Ｒ外へは移動できない。かかる構成により、酸性雰囲気下で分解してしまうバインダ等の接着物質を介さずとも、反応槽本体２５０内（区画領域Ｒ）に固体酸触媒Ｃを留めることができる。

また、固体酸触媒Ｃはフィルタ２７０を通じた移動が規制され、第１多糖液Ｌ１はフィルタ２７０を通じた移動が可能である。これにより、区画領域Ｒに固体酸触媒Ｃが配された反応槽本体２５０に第１多糖液Ｌ１を流通させるだけで、第１多糖液Ｌ１と固体酸触媒Ｃとの接触を維持しつつ、分離専用の装置を要さずとも第１多糖液Ｌ１と固体酸触媒Ｃとを分離することができ、第１触媒反応部２２０の小型化を図ることが可能となる。

また、本実施形態において、固体酸触媒Ｃは、区画領域Ｒにおいて第１多糖液Ｌ１中を浮遊した状態で配される。つまり、第１多糖液Ｌ１の流通方向による第１多糖液Ｌ１の流動の力と、固体酸触媒Ｃの質量密度（比重）によって、固体酸触媒Ｃは、フィルタ２７０に接触せず、第１多糖液Ｌ１中に分散された状態で配されることとなる。

これにより、固体酸触媒Ｃの表面を実質的にすべて第１多糖液Ｌ１に接触させることができ、固体酸触媒Ｃによる加水分触媒反応の促進をより効率よく行うことができる。

以下、第１多糖液Ｌ１中に浮遊した状態で固体酸触媒Ｃを配する具体的な構成について説明する。本実施形態において、第１多糖液Ｌ１は鉛直下方から鉛直上方に向けて（重力に逆らって）流通されるため、固体酸触媒Ｃの質量密度による固体酸触媒Ｃの沈降速度と、区画領域Ｒにおける第１多糖液Ｌ１の流速が等しければ、第１多糖液Ｌ１中に浮遊した状態で固体酸触媒Ｃを配することができる。

そこで、まず、下記数式（１）に示すストークスの式を用いて固体酸触媒Ｃの沈降速度を導出する。数式（１）中、Ｖｓａｖｅは固体酸触媒Ｃの沈降速度を、Ｄｃは固体酸触媒Ｃの粒径を、ρｐは固体酸触媒Ｃの密度を、ρｆは第１多糖液Ｌ１の密度を、Ｇは重力加速度を、ηは第１多糖液Ｌ１の粘度を示す。
Ｖｓａｖｅ＝{Ｄｃ^２（ρｐ−ρｆ）Ｇ}／１８η …数式（１）
ここで、固体酸触媒Ｃの粒径として、例えば、固体酸触媒Ｃの粒径の平均値を代入して、固体酸触媒Ｃの沈降速度Ｖｓａｖｅを導出する。

このようにして導出された沈降速度と、等しい流速かつ沈降と逆の方向で、第１多糖液Ｌ１を導入するように導入部２６０を設計する。そうすると、第１多糖液Ｌ１中に浮遊した状態で固体酸触媒Ｃを配することができる。

続いて、反応槽本体２５０の設計について説明すると、例えば、反応槽本体２５０において所望される処理流量をＱ、反応槽本体２５０内の第１多糖液Ｌ１の平均流速をＶｔ、反応槽本体２５０の径をＤｔとすると、下記数式（２）が成り立つ。
（π／４）×Ｄｔ^２＝Ｑ／Ｖｔ …数式（２）
上述したように、第１多糖液Ｌ１中に浮遊した状態で固体酸触媒Ｃを配するためには、第１多糖液Ｌ１の平均流速をＶｔと、固体酸触媒Ｃの沈降速度Ｖｓａｖｅとを等しくする必要がある（下記、数式（３）参照）ため、数式（２）の平均流速Ｖｔに沈降速度Ｖｓａｖｅを代入すると下記数式（４）が導かれる。
Ｖｔ＝Ｖｓａｖｅ …数式（３）
Ｄｔ＝２√（Ｑ／π／Ｖｓａｖｅ） …数式（４）

また、触媒反応に要する時間、すなわち、反応槽本体２５０における第１多糖液Ｌ１の滞留時間（第１多糖液Ｌ１が反応槽本体２５０を通過する時間）をＴとすると、反応槽本体２５０の高さＨ（鉛直方向の高さ）は、下記数式（５）によって導出することができる。
Ｈ＝Ｖｓａｖｅ×Ｔ …数式（５）

このように反応槽本体２５０を設計することで、第１多糖液Ｌ１が反応槽本体２５０を通過する間に触媒反応を完了することができ、第１多糖液Ｌ１を確実に加水分解することが可能となり、グルコースの収率を向上させることができる。

しかし、上述したように固体酸触媒Ｃには粒径分布があり、すなわち、沈降速度には分布があり、また、反応槽本体２５０内における第１多糖液Ｌ１の流速にも分布がある。したがって、固体酸触媒Ｃの粒径の平均値を代入して導出した固体酸触媒Ｃの沈降速度と、反応槽本体２５０内の第１多糖液Ｌ１の平均流速とを等しくしても、第１多糖液Ｌ１中に浮遊した状態にならない固体酸触媒Ｃが生じる。

そこで、浮遊状態検知部２８０および制御部２９０によって、可能な限り多くの固体酸触媒Ｃを第１多糖液Ｌ１中に浮遊させる。

浮遊状態検知部２８０は、区画領域Ｒにおける固体酸触媒Ｃの浮遊状態を検知する。浮遊状態検知部２８０は、例えば、光センサで構成され、区画領域Ｒにおける光の透過度に基づいて固体酸触媒Ｃの浮遊状態を検知する。

また、浮遊状態検知部２８０を差圧計で構成することもできる。第１多糖液Ｌ１の流速が速すぎたり、遅すぎたりする場合、固体酸触媒Ｃがフィルタ２７０に堆積し（固体酸触媒Ｃが浮遊状態にない）、フィルタ２７０が目詰まりを起こし、フィルタ２７０における抵抗が大きくなるため、導入口２５２と送出口２５４との差圧を測定し、かかる差圧に基づいて固体酸触媒Ｃの浮遊状態を検知してもよい。

さらに、浮遊状態検知部２８０を重量センサまたはレベルセンサで構成することもできる。第１多糖液Ｌ１の流速が速すぎたり、遅すぎたりする場合、固体酸触媒Ｃがフィルタ２７０に堆積する（固体酸触媒Ｃが浮遊状態にない）ため、フィルタ２７０に重量センサまたはレベルセンサを設けておき、フィルタ２７０の重量変化またはレベル変化に基づいて固体酸触媒Ｃの浮遊状態を検知してもよい。

制御部２９０は、浮遊状態検知部２８０が検知した浮遊状態に基づいて導入部２６０を制御して、導入口２５２から導入される混合液の流量すなわち反応槽本体２５０内の流速を調整し、区画領域Ｒにおいて、可能な限り多くの固体酸触媒Ｃが浮遊状態となるようにする。

このように、浮遊状態検知部２８０および制御部２９０を備える構成により、可能な限り多くの固体酸触媒Ｃを浮遊状態に維持することができる。

以上説明したように、本実施形態にかかるエタノール製造装置１００によれば、糖液製造装置１１０が、第１単糖液Ｇ１、第２単糖液Ｇ２を生成し、発酵装置１２０が第１単糖液Ｇ１、第２単糖液Ｇ２を用いてエタノールＰＥを生成する。

また、糖液製造装置１１０の第１触媒反応部２２０、第２触媒反応部２２２において、フィルタ２７０を利用して区画領域Ｒに固体酸触媒Ｃを配することで、第１多糖液Ｌ１と固体酸触媒Ｃとの接触を維持しつつ、分離専用の装置を要さずとも第１多糖液Ｌ１と固体酸触媒Ｃとを分離することができ、第１触媒反応部２２０の小型化を図ることが可能となる。

（エタノール製造方法）
続いて、エタノール製造装置１００を用いたエタノール製造方法について説明する。図３は、エタノール製造方法の処理の流れを説明するためのフローチャートである。図３に示すように、本実施形態にかかるエタノール製造方法は、加圧熱水反応処理Ｓ４１０、固液分離処理Ｓ４１２、冷却処理Ｓ４１４、酵素反応処理Ｓ４１６、触媒反応処理Ｓ４１８、エタノール製造処理Ｓ４２０を含む。

また、ここでは、第１触媒反応部２２０による触媒反応処理Ｓ４１８について説明する。なお、第２触媒反応部２２２は、供給される溶液が第２多糖液Ｌ２であり、生成される加水分解物がキシロースであるものの、第１触媒反応部２２０による触媒反応処理Ｓ４１８と実質的に処理が等しいので説明を省略する。

（加圧熱水反応処理Ｓ４１０）
加圧熱水反応処理Ｓ４１０では、加圧熱水反応部２１０が、１５０℃〜２３０℃程度の加圧熱水をリグノセルロース系バイオマスに接触させ、リグノセルロース系バイオマスに含まれるヘミセルロースを加水分解する。

（固液分離処理Ｓ４１２）
固液分離処理Ｓ４１２では、固液分離部２１２が、加圧熱水反応処理Ｓ４１０で生成された固液混合物ＳＬ１を、第１多糖物Ｓ１（固体）と、第２多糖液Ｌ２（液体）とに分離する。

（冷却処理Ｓ４１４）
冷却処理Ｓ４１４では、冷却部２１４が、固液分離処理Ｓ４１２で分離された第１多糖物Ｓ１を冷却する。

（酵素反応処理Ｓ４１６）
酵素反応処理Ｓ４１６では、酵素反応部２１６が、冷却処理Ｓ４１４で冷却された第１多糖物Ｓ１に、糖化酵素と、水とを添加し、酵素反応を遂行させる。

（触媒反応処理Ｓ４１８）
触媒反応処理Ｓ４１８では、第１触媒反応部２２０が、第１多糖液Ｌ１に、固体酸触媒Ｃを添加し、触媒反応を遂行させる。

（エタノール製造処理Ｓ４２０）
エタノール製造処理Ｓ４２０では、発酵装置１２０が、触媒反応処理Ｓ４１８で生成された第１単糖液Ｇ１と、生成された第２単糖液Ｇ２とをアルコール発酵させて、蒸留し、高純度のエタノールＰＥを製造する。

以上説明したように、リグノセルロース系バイオマス由来の多糖（セルロース、ヘミセルロース）から糖液を製造する際に、第１触媒反応部２２０、第２触媒反応部２２２の構造を工夫することで、固体酸触媒Ｃと多糖とを効率よく接触させることができ、多糖の加水分解反応を促進することが可能となる。

（変形例１）
上述した第１触媒反応部２２０において、フィルタ２７０が、反応槽本体２５０における流路断面に亘って、平面的に配される構成について説明したが、フィルタ２７０の形状に限定はない。

図４は、変形例１にかかるフィルタ５１０、５２０を説明するための図である。なお、本実施形態の図４では、垂直に交わるＸ軸（水平方向）、Ｙ軸（水平方向）、Ｚ軸（鉛直方向）を図示の通り定義している。また、図４中、理解を容易にするために、フィルタ５１０、５２０に設けられた孔の記載を省略する。

図４（ａ）に示すように、フィルタ５１０を所謂ジャバラ形状にして、第１多糖液Ｌ１の流通方向（図４中、Ｚ軸方向）に隆起または陥没させた拡張部５１２を設けるとしてもよいし、図４（ｂ）、（ｃ）に示すように、フィルタ５２０に、部分的に第１多糖液Ｌ１の流通方向に隆起または陥没させた拡張部５２２を設けるとしてもよい。

いずれにせよ、フィルタ５１０、５２０が、第１多糖液Ｌ１の流通方向に隆起または陥没した拡張部５１２、５２２を備えることにより、平面形状とする場合と比較してフィルタ５１０、５２０の表面積を拡張（大きく）することができる。これにより、フィルタ５１０、５２０において、生じる圧力損失を低減することができる。

（変形例２）
上述した第１触媒反応部２２０の反応槽本体２５０では、導入口２５２の鉛直上方に送出口２５４が配され、第１多糖液Ｌ１を、鉛直下方から鉛直上方に向かって流通させる構成について説明した。しかし、反応槽本体において導入口の鉛直下方に送出口を配し、第１多糖液Ｌ１を、鉛直上方から鉛直下方に向かって流通させる構成としてもよい。

かかる構成であっても、固体酸触媒Ｃを区画領域Ｒに留めておくことができる。したがって、固体酸触媒Ｃのフィルタ２７０を通じた移動を規制でき、第１多糖液Ｌ１はフィルタ２７０を通じた移動が可能であることから、区画領域Ｒに固体酸触媒Ｃが配された反応槽本体２５０に第１多糖液Ｌ１を流通させるだけで、第１多糖液Ｌ１と固体酸触媒Ｃとの接触を維持しつつ、分離専用の装置を要さずとも第１多糖液Ｌ１と固体酸触媒Ｃとを分離することができ、第１触媒反応部２２０の小型化を図ることが可能となる。

また、このような、第１多糖液Ｌ１の流通方向を鉛直上方から鉛直下方とする構成の場合、第１多糖液Ｌ１の流通方向に隆起または陥没させた拡張部５１２、５２２を備えたフィルタ５１０、５２０を配するとよい。第１多糖液Ｌ１の流通方向を鉛直上方から鉛直下方とする場合、固体酸触媒Ｃにかかる重力および第１多糖液Ｌ１の流れによって、フィルタ５１０、５２０の上に固体酸触媒Ｃが堆積することになる。したがって、第１多糖液Ｌ１の流通方向に隆起または陥没させた拡張部５１２、５２２を備えたフィルタ５１０、５２０を配する構成により、固体酸触媒Ｃの堆積面積を大きくすることができ、固体酸触媒Ｃと多糖とを効率よく接触させることが可能となる。これにより、多糖の加水分解反応を促進することが可能となる。

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、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、上述した実施形態において、反応槽本体２５０に配されるフィルタ２７０、５１０、５２０の数を５つとし、区画領域Ｒが４つ形成される構成を例に挙げて説明した。しかし、反応槽本体２５０に配されるフィルタ２７０、５１０、５２０の数は、２以上であれば数に限定はない。

また、上述した実施形態において、固体酸触媒Ｃの沈降速度を導出する際に、固体酸触媒Ｃの粒径の平均値を用いているが、例えば、固体酸触媒Ｃの粒径の最小値、および、最大値に基づいて、固体酸触媒Ｃの沈降速度を導出するとしてもよい。なお、固体酸触媒Ｃの粒径の最小値は、例えば、固体酸触媒Ｃの積算１０％粒径としてもよいし、固体酸触媒Ｃの粒径の最大値は、固体酸触媒Ｃの積算９０％粒径としてもよい。

また、上述した実施形態において、糖液製造装置１１０が製造した第１単糖液Ｇ１、第２単糖液Ｇ２を用いて、エタノールを製造する発酵装置１２０および方法について説明した。しかし、糖液製造装置１１０が製造した第１単糖液Ｇ１、第２単糖液Ｇ２を用いて、エタノール以外の物質、例えば、ヒドロキシメチルフルフラール、フルフラール、乳酸、レブリン酸、酢酸、メタン、ブタノールを製造してもよい。

また、糖液製造装置１１０が製造した第１単糖液Ｇ１、第２単糖液Ｇ２を用いて、ヒドロキシメチルフルフラールや、フルフラールといったフルフラール類の化合物を製造する際に固体酸触媒を利用する場合、上述した反応槽本体２５０と、導入部２６０と、固体酸触媒Ｃと、フィルタ２７０、５１０、５２０と、浮遊状態検知部２８０と、制御部２９０とを備えたバイオマス由来物製造装置で、フルフラール類を製造してもよい。この場合、反応槽本体２５０に導入される出発物質は、第１単糖液Ｇ１、第２単糖液Ｇ２（すなわち、単糖）であり、バイオマス由来物製造装置において固体酸触媒によって遂行される、単糖からフルフラール類の変換反応は、脱水反応である。

また、上述した実施形態において、糖液製造装置１１０が原料として用いるリグノセルロース系バイオマスの例として木質系バイオマスを挙げて説明したが、原料は、セルロースおよびヘミセルロースのいずれか一方または双方が含まれていればよく、草本系バイオマス、人工的に生成されたセルロースであってもよい。

また、上述した実施形態において、酵素反応部２１６は、糖化酵素として、耐熱性の糖化酵素を用いる場合を例に挙げて説明した。しかし、耐熱性ではない糖化酵素を用いることもできる。この場合、冷却部２１４は、第１多糖物Ｓ１を５０℃程度まで冷却する。また、第１触媒反応部２２０は、第１多糖液Ｌ１と固体酸触媒Ｃとを５０℃程度の温度下で接触させる。この場合、加水分解反応の効率が低下するため、耐熱性の糖化酵素を用いた酵素反応処理を行った場合と比較して、固体酸触媒Ｃの添加量を増加させるとよい。

なお、本明細書のエタノール製造方法の各工程は、必ずしもフローチャートとして記載された順序に沿って時系列に処理する必要はない。

本発明は、リグノセルロース系バイオマス由来の糖を出発物質としてバイオマス由来物を製造するバイオマス由来物製造装置、および、これを用いたエタノール製造装置に利用することができる。

１００ エタノール製造装置
２２０ 第１触媒反応部（バイオマス由来物製造装置）
２２２ 第２触媒反応部（バイオマス由来物製造装置）
２５０ 反応槽本体
２５２ 導入口
２５４ 送出口
２６０ 導入部
２７０、５１０、５２０ フィルタ
２８０ 浮遊状態検知部
２９０ 制御部
５１２、５２２ 拡張部

Claims (8)

1. リグノセルロース系バイオマス由来の糖を出発物質としてバイオマス由来物を製造するバイオマス由来物製造装置であって、
   前記糖と、水とを含む混合液を収容する反応槽本体と、
   前記反応槽本体に収容され、前記糖から前記バイオマス由来物への変換反応を促進する複数の固体酸触媒と、
   前記反応槽本体内において前記混合液の流通方向に複数設けられ、前記固体酸触媒が通過不可能な孔であって、前記混合液が通過可能な孔を複数有するフィルタと、
   を備え、
   前記固体酸触媒は、隣り合う２の前記フィルタによって形成された領域である区画領域を移動自在に配されることを特徴とするバイオマス由来物製造装置。
2. 前記固体酸触媒は、前記区画領域において前記混合液中を浮遊した状態で配されることを特徴とする請求項１に記載のバイオマス由来物製造装置。
3. 前記反応槽本体には、導入口を通じて前記混合液が導入されるとともに、該導入口よりも鉛直上方に設けられた送出口から該混合液が送出され、
   前記区画領域における前記固体酸触媒の浮遊状態を検知する浮遊状態検知部と、
   前記浮遊状態検知部が検知した浮遊状態に基づいて、前記導入口から導入される前記混合液の流量を制御する制御部と、
   を備えたことを特徴とする請求項２に記載のバイオマス由来物製造装置。
4. 前記フィルタは、前記混合液の流通方向に隆起または陥没した拡張部を備えたことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のバイオマス由来物製造装置。
5. 前記糖は多糖であり、前記バイオマス由来物は単糖であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のバイオマス由来物製造装置。
6. 前記フィルタは、フッ素系樹脂、ガラス繊維、炭素繊維の群から選択される１または複数で構成されることを特徴とする請求項５に記載のバイオマス由来物製造装置。
7. 前記糖は単糖であり、前記バイオマス由来物はフルフラール類の化合物であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のバイオマス由来物製造装置。
8. リグノセルロース系バイオマス由来の多糖を加水分解して単糖を製造し、当該単糖を発酵させてエタノールを製造するエタノール製造装置であって、
   前記多糖と、水とを含む混合液を収容する反応槽本体と、
   前記反応槽本体に収容され、前記加水分解を促進する複数の固体酸触媒と、
   前記反応槽本体内において前記混合液の流通方向に複数設けられ、前記加水分解を促進する固体酸触媒が通過不可能な孔であって、前記混合液が通過可能な孔を複数有するフィルタと、
   を備え、
   前記固体酸触媒は、隣り合う２の前記フィルタによって形成された領域である区画領域を移動自在に配されることを特徴とするエタノール製造装置。

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