JP4875785B1 - 糖液製造装置、発酵システム、糖液製造方法及び発酵方法 - Google Patents
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Abstract
本発明に係る糖液製造装置１１Ａは、炭水化物系原料２１由来の糖液２２を製造する糖液製造装置であって、炭水化物系原料２１由来の糖液２２を調整する糖液調整部１５Ａと、リグニン成分及びヘミセルロース成分を含むセルロース系バイオマス原料３５を水熱分解して得られたバイオマス水熱処理物を糖化して希薄糖液３７を製造するセルロース系バイオマス糖化部１６と、セルロース系バイオマス糖化部１６で製造された希薄糖液３７を糖液調整部１５Ａに混合する希薄糖液供給管Ｌ１１と、を有する。これにより、糖液２２の生成効率を向上させると共に、費用の軽減化を図ることができる。
【選択図】図１
【選択図】図１
Description
本発明は、炭水化物系原料由来の糖液を製造する糖液製造装置、発酵システム、糖液製造方法及び発酵方法に関し、詳しくは、炭水化物系原料から糖液を生成する際の糖液の生成効率を向上させるものである。
生物由来の有機性資源であるバイオマスは、生物が太陽エネルギーを使って水と二酸化炭素から生成するものであり、持続的に再生可能な資源である。近年では、地球温暖化対策の一環として、木質バイオマスや草本バイオマス等のセルロース系原料を含むバイオマスからエタノールを製造し、各種燃料や化学原料として利用しようとする試みが広く行われている。バイオマスから製造されるバイオマスエタノールは、再生可能な自然エネルギーであることや、バイオマスエタノールの燃焼によって大気中に放出される二酸化炭素を増大させないことなどといった観点から、バイオマスは利用可能な有効資源として注目され、今後のエネルギー源として用いることが期待されている。
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）。バイオマスは、例えば、林業系（製材廃棄物、間伐材、製紙廃棄物等）、農業系（稲わら、麦わら、サトウキビ糠、米糠、ヤシ殻、草木等）、畜産系（家畜廃棄物等）、水産系（水産加工残滓等）、廃棄物系（生ごみ、庭木、建築廃材、下水汚泥等）等に分類される。
従来、エタノールを製造する方法として、炭水化物系原料やセルロース系原料などを含むバイオマスなどを糖化して糖液を生成し、得られた糖液を発酵させてエタノールを製造する方法が用いられている。バイオマスを用いてエタノールを製造する方法として、例えば、収集したバイオマスに硫酸を添加して加水分解し、バイオマスを糖に分解した後、固液分離し、液相を中和処理し、中和処理した液相を酵母等の微生物を用いてエタノール発酵し、エタノールに変換するエタノールの製造方法（例えば、特許文献１、２参照）や、収集したバイオマスと加圧熱水とを圧密状態で接触させて水熱分解し、バイオマス水熱処理物を得て、得られたバイオマス水熱処理物に酵素を添加して糖化して糖液を得て、得られた糖液を発酵してエタノールを製造するエタノールの製造方法（例えば、特許文献３、４参照）などが提案されている。
ここで、特許文献３、４のようなバイオマスを加圧熱水を用いて水熱分解する方法を用いてバイオマスから得られたバイオマス水熱処理物に酵素を添加して糖化する際、高い糖回収率を確保して、生成した糖液の糖濃度を高くすることが求められている。そのため、高い糖濃度の糖液を生成するためには、バイオマス水熱処理物に酵素を添加して糖化する際、原料となるバイオマス水熱処理物の濃度を高める必要がある。
しかしながら、バイオマス水熱処理物の濃度が高くなると、バイオマス水熱処理物と酵素との混合状態が悪くなるなどの理由により、糖回収率が低下する、という問題がある。
また、バイオマス水熱処理物の濃度が高い場合、バイオマス水熱処理物を含む酵素糖化槽においてバイオマス水熱処理物を攪拌するために要する動力が高くなるため、バイオマス水熱処理物から糖液を生成するために必要となる電力消費量が大きくなる、という問題がある。
さらに、バイオマス水熱処理物の濃度が高い状態で糖収率を高めるためには、酵素を過剰に加えるという方法が考えられるが、バイオマス水熱処理物を糖化するために用いる酵素は単価が高いため、バイオマス水熱処理物に添加する酵素の添加量が増加すると、エタノールを製造するために要する費用が高くなる、という問題がある。
従って、バイオマス水熱処理物を糖化した後、例えばアルコール発酵などに供するためには、発酵に適した所定の濃度にするために蒸発濃縮等の濃縮操作を施すのが一般的であった。
一方、炭水化物系原料由来の糖液（糖化によるもの、あるいは抽出・搾取によるものなど）から各種有機原料を生成する際、例えば糖液製造装置を備えたアルコール発酵システムにおいては、発酵に用いる糖液濃度が高いものであると、発酵の進行に従いアルコール濃度の高い雰囲気下となり、発酵を行う微生物が死滅するため、そのままアルコール発酵用として用いることができない。そのため、前述の糖液（糖濃度としておおよそ２０〜６０％）を水で希釈して糖液を調整する必要があった。
そこで、上記バイオマス処理による糖生成と、炭水化物系原料由来の糖液から各種有機原料を生成する際における両者の課題を併せて解決し得る、効率的なシステムが求められている。
本発明は、前記問題に鑑み、糖液の生成効率を向上させると共に、費用の軽減を図ることができる糖液製造装置、発酵システム、糖液製造方法及び発酵方法を提供することを目的とする。
上述した課題を解決するための本発明の第１の発明は、炭水化物系原料由来の糖液を製造する糖液調整部と、リグニン成分及びヘミセルロース成分を含むセルロース系バイオマス原料を水熱分解して得られたバイオマス水熱処理物を糖化して、糖濃度が０．１質量％以上１５質量％以下の希薄糖液を製造するセルロース系バイオマス糖化部と、前記セルロース系バイオマス糖化部で製造された希薄糖液を前記糖液調整部に供給混合する希薄糖液供給管と、を有することを特徴とする糖液製造装置である。
第２の発明は、第１の発明において、前記糖液は、前記炭水化物系原料を糖化したもの、または前記炭水化物系原料から抽出若しくは搾取したものであることを特徴とする糖液製造装置である。
第３の発明は、第１又は２の発明において、前記セルロース系バイオマス糖化部は、前記セルロース系バイオマス原料を水熱処理してバイオマス水熱処理物を生成する水熱分解装置と、前記バイオマス水熱処理物に酵素を添加して前記バイオマス水熱処理物を糖化し、前記希薄糖液を生成する第２の酵素糖化槽と、を有する糖液製造装置である。
第４の発明は、第３の発明において、前記水熱分解装置が、前記セルロース系バイオマス原料を加圧熱水と接触させつつ水熱分解し、前記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、前記セルロース系バイオマス原料中から前記リグニン成分及びヘミセルロース成分を分離し、前記バイオマス水熱処理物として、前記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、セルロース成分を含む固形残渣画分とを生成する糖液製造装置である。
第５の発明は、第４の発明において、前記第２の酵素糖化槽が、前記水熱分解装置から排出される前記固形残渣画分に酵素を添加し、前記固形残渣画分中のセルロース成分を酵素分解して６炭糖を含む希薄糖液と、前記水熱分解装置から排出される前記水熱抽出画分に酵素を添加し、前記水熱抽出画分中のヘミセルロース成分を酵素分解して５炭糖を含む希薄糖液との何れか一方又は両方を生成する糖液製造装置である。
第６の発明は、第１乃至第５の何れか１つの発明の糖液製造装置と、前記糖液を発酵し、有機原料を生成するアルコール発酵槽と、を有することを特徴とする発酵システムである。
第７の発明は、リグニン成分及びヘミセルロース成分を含むセルロース系バイオマス原料を水熱分解してバイオマス水熱処理物を生成し、得られた前記バイオマス水熱処理物に酵素を添加して前記バイオマス水熱処理物を糖化し、糖濃度が０．１質量％以上１５質量％以下の希薄糖液を製造し、炭水化物系原料から糖液を調整する際に前記希薄糖液を用いて糖液を製造することを特徴とする糖液製造方法である。
第８の発明は、第７の発明において、前記糖液として、前記炭水化物系原料を糖化したもの、または前記炭水化物系原料から抽出若しくは搾取したものを用いることを特徴とする糖液製造方法である。
第９の発明は、第７又は８の発明において、前記セルロース系バイオマス原料を加圧熱水と接触させつつ水熱分解し、前記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、前記セルロース系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、バイオマス固形分を含む固形残渣画分とを生成し、前記バイオマス水熱処理物として、前記水熱抽出画分と前記固形残渣画分とのいずれか一方又は両方を用いる糖液製造方法である。
第１０の発明は、第９の発明において、前記希薄糖液として、前記固形残渣画分に酵素を添加し、固形残渣画分中のセルロースを酵素分解して６炭糖を含む希薄糖液と、前記水熱抽出画分に酵素を添加し、前記水熱抽出画分中のヘミセルロース成分を酵素分解して５炭糖を含む希薄糖液との何れか一方又は両方を用いる糖液製造方法である。
第１１の発明は、第７乃至１０の何れか１つの発明の何れか１つの糖液製造方法を用いて得られた糖液を発酵し、有機原料を生成することを特徴とする発酵方法である。
更に上述の課題を解決するため、更に下記構成を採用することもできる。
（１） 即ち、前記糖液が、前記炭水化物系原料を糖化したものである場合、前記糖液調整部は、前記炭水化物系原料を貯蔵する貯蔵タンクと、前記炭水化物系原料を酵素糖化するための第１の酵素糖化槽とを有することを特徴とする糖液製造装置としてもよい。
（１） 即ち、前記糖液が、前記炭水化物系原料を糖化したものである場合、前記糖液調整部は、前記炭水化物系原料を貯蔵する貯蔵タンクと、前記炭水化物系原料を酵素糖化するための第１の酵素糖化槽とを有することを特徴とする糖液製造装置としてもよい。
（２） 前記糖液が、前記炭水化物系原料から抽出若しくは搾取したものである場合、前記糖液調整部は、前記炭水化物系原料を貯蔵する貯蔵タンクと、糖濃度調整槽とを有することを特徴とする糖液製造装置としてもよい。
（３） 前記糖液が、前記炭水化物系原料を糖化したものである場合、前記糖液を、前記炭水化物系原料を貯蔵する貯蔵タンクと、前記炭水化物系原料を酵素糖化するための第１の酵素糖化槽との何れか一方又は両方に添加することを特徴とする糖液製造方法としてもよい。
（４） 前記糖液が、前記炭水化物系原料から抽出若しくは搾取したものである場合、前記糖液を、前記炭水化物系原料を貯蔵する貯蔵タンクと、糖濃度調整槽との何れか一方又は両方に添加することを特徴とする糖液製造方法としてもよい。
本発明によれば、糖液の生成効率を向上させると共に、費用の軽減を図ることができる。
本発明の実施例につき、図面を参照しつつ詳細に説明する。本発明は以下の実施例に記載した内容により限定されるものではない。また、以下に記載した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。さらに、以下に記載した構成要素は適宜組み合わせることが可能である。
本発明の実施例１に係る糖液製造装置について図面を参照しつつ説明する。図１は、本発明の実施例１に係る糖液製造装置を備えた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、アルコール製造システム１０Ａは、本実施例に係る糖液製造装置１１Ａと、アルコール発酵槽１２と、蒸留塔１３と、アルコールタンク１４とを有する。
本実施例に係る糖液製造装置１１Ａは、糖液調整部１５Ａと、セルロース系バイオマス糖化部１６とを有する。
（糖液調整部）
糖液調整部１５Ａは、炭水化物系原料２１から糖液２２を製造するものである。糖液調整部１５Ａは、粉砕機２３と、微粉砕機２４と、貯蔵タンク２５と、蒸し器２６と、第１の酵素糖化槽２７とを有する。炭水化物系原料２１は、粉砕機２３で粉砕された後、微粉砕機２４で更に微粉砕される。微粉砕された炭水化物系原料２１は、貯蔵タンク２５に、貯蔵される。貯蔵タンク２５に貯蔵された炭水化物系原料２１は、蒸し器２６で蒸された後、第１の酵素糖化槽２７で糖濃度が調整され、糖化される。本実施例では、貯蔵タンク２５と第１の酵素糖化槽２７との何れか一方または両方に後述する希薄糖液３７が添加され、炭水化物系原料２１から糖液２２を製造する際の希釈溶液として用いる。後述するように、貯蔵タンク２５に希薄糖液３７を添加することで、炭水化物系原料２１は希薄糖液３７により希釈される。これにより、貯蔵タンク２５内の炭水化物系原料２１は、第１の酵素糖化槽２７で酵素糖化し易くすることができると共に、移送し易くすることができる。
糖液調整部１５Ａは、炭水化物系原料２１から糖液２２を製造するものである。糖液調整部１５Ａは、粉砕機２３と、微粉砕機２４と、貯蔵タンク２５と、蒸し器２６と、第１の酵素糖化槽２７とを有する。炭水化物系原料２１は、粉砕機２３で粉砕された後、微粉砕機２４で更に微粉砕される。微粉砕された炭水化物系原料２１は、貯蔵タンク２５に、貯蔵される。貯蔵タンク２５に貯蔵された炭水化物系原料２１は、蒸し器２６で蒸された後、第１の酵素糖化槽２７で糖濃度が調整され、糖化される。本実施例では、貯蔵タンク２５と第１の酵素糖化槽２７との何れか一方または両方に後述する希薄糖液３７が添加され、炭水化物系原料２１から糖液２２を製造する際の希釈溶液として用いる。後述するように、貯蔵タンク２５に希薄糖液３７を添加することで、炭水化物系原料２１は希薄糖液３７により希釈される。これにより、貯蔵タンク２５内の炭水化物系原料２１は、第１の酵素糖化槽２７で酵素糖化し易くすることができると共に、移送し易くすることができる。
（セルロース系バイオマス糖化部）
セルロース系バイオマス糖化部１６は、粉砕機３１と、水熱分解装置３２Ａと、第２の酵素糖化槽（Ｃ６）３３と、第２の酵素糖化槽（Ｃ５）３４とを有するものである。セルロース系バイオマス糖化部１６は、セルロース系バイオマス原料３５を水熱分解して得られたバイオマス水熱処理物を糖化して希薄糖液３７を製造するものである。
セルロース系バイオマス糖化部１６は、粉砕機３１と、水熱分解装置３２Ａと、第２の酵素糖化槽（Ｃ６）３３と、第２の酵素糖化槽（Ｃ５）３４とを有するものである。セルロース系バイオマス糖化部１６は、セルロース系バイオマス原料３５を水熱分解して得られたバイオマス水熱処理物を糖化して希薄糖液３７を製造するものである。
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）。バイオマスとしては、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。本実施例においては、セルロース系バイオマス原料３５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、本実施例はこれらに限定されるものではない。
セルロース系バイオマス原料３５は、粉砕機３１で、例えば５ｍｍ以下に粉砕され、バイオマス原料粉砕物３８となる。バイオマス原料粉砕物３８は、水熱分解装置３２Ａで水熱処理される。水熱分解装置３２Ａは、バイオマス原料粉砕物３８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ものである。バイオマス水熱処理物は、バイオマス原料粉砕物３８を水熱分解装置３２Ａで水熱処理され、バイオマス固形分である固形残渣画分３９と、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た水熱抽出画分４０とになる。
水熱分解装置３２Ａの構成を図２に示す。図２に示すように、水熱分解装置３２Ａは、バイオマス供給装置４１と、反応装置４２と、バイオマス抜出装置４３とを有するものである。バイオマス供給装置４１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）３５を常圧下から加圧下に供給するものである。
反応装置４２は、供給されたバイオマス原料３５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４４により他方（上方）へ搬送すると共に、バイオマス原料３５の供給箇所とは異なる他方（上方）の側から加圧熱水４５を装置本体の内部に供給し、バイオマス原料３５と加圧熱水４５とを対向接触させつつ水熱分解するものである。これにより、リグニン成分及びヘミセルロース成分は加圧熱水４５中に移行し、バイオマス原料３５中から分離され、水熱抽出画分４０として反応装置４２から排出される。
バイオマス抜出装置４３は、反応装置４２の他方からバイオマス固形分である固形残渣画分３９を抜出すものである。なお、図中、符号４７は脱水液、４８は加圧窒素（Ｎ2）、４９は温度ジャケットを各々図示する。
本実施例では、バイオマス原料３５を下端部側から供給しているが、本実施例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４５は下端部側から供給する。
常圧下から加圧下に供給するバイオマス供給装置４１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。
反応装置４２は、本実施例では、縦型の装置としているが、本実施例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４５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。
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、粉砕機３１を用いて前処理するようにしているが、本実施例は、これに限定されるものではなく、バイオマス原料３５の粒径が十分小さい場合には粉砕機３１を設けなくてもよい。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３５として、例えば籾殻等の場合には、粉砕処理することなく、そのまま反応装置４２に供給することができるものとなる。
反応装置４２における、反応温度は１８０℃以上２４０℃以下とするのが好ましい。さらに好ましくは２００℃以上２３０℃以下とするのがよい。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℃以上２４０℃以下の範囲とするのがよい。
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０．１ＭＰａ以上０．５ＭＰａ以下の高い圧力とするのが好ましい。
反応時間は、２０分以下とするのが好ましく、３分以上１０分以下とするのがより好ましい。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。
本実施例では、反応装置４２の本体内の加圧熱水４５とバイオマス原料３５との流動は、バイオマス原料３５と加圧熱水４５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。
反応装置４２では、バイオマス原料３５の固形分は底部側から供給され、加圧熱水４５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（熱水、分解物が溶解した液）４５は、固体であるバイオマス原料３５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。
本実施例においては、反応装置４２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）４８を内部に供給するようにしているが、本発明は、これに限定されるものではなく、反応装置４２の内部に加圧Ｎ2４８を供給しなくてもよい。
反応装置４２内におけるバイオマス原料３５の昇温は、反応装置４２内で加圧熱水４５と接触させ、直接熱交換することにより可能である。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。
本実施例においては、バイオマス原料３５と加圧熱水４５とを対向接触させることにより、加圧熱水４５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３５の投入部から熱水投入部まで温度勾配が生じるため、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、システム効率の観点から好ましいものとなる。
水熱分解装置３２Ａは、図２に示すような構成に限定されるものではない。図３は、水熱分解装置の他の構成を示す概念図である。図３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３２Ｂは、バイオマス供給装置５１と、反応装置５２と、バイオマス抜出装置４３とを有する。なお、Ｖ３１〜Ｖ３５は、差圧調整弁（ＯＮ−ＯＦＦ弁）を示す。
バイオマス供給装置５１は、バイオマス原料（本実施例では、例えば麦わら等）３５を常圧下から加圧下に供給する装置である。バイオマス供給装置５１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。
反応装置５２は、供給されたバイオマス原料３５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、バイオマス原料３５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４５を装置本体内部に供給し、バイオマス原料３５と加圧熱水４５とを対向接触させつつ水熱分解し、加圧熱水４５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３５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である。
バイオマス抜出装置４３は、上述の通り、装置本体の加圧熱水４５の供給部側からバイオマス固形分である固形残渣画分３９を抜出すものである。
装置本体の内部には、バイオマス原料３５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５３が設けられている。固定撹拌手段５３が回転することにより、内部に送り込まれるバイオマス原料３５を軸方向に移動する際に、固定撹拌手段５３が回転することで生じる撹拌作用によりバイオマス原料３５は撹拌される。固定撹拌手段５３を装置本体の内部に設けることにより、装置本体内で固体表面、固体中の加圧熱水４５の混合が進み、反応が促進される。
水熱分解装置３２Ｂの装置本体内の加圧熱水４５とバイオマス原料３５との流動は、バイオマス原料３５と加圧熱水４５との混合を効率よく行い、反応を促進する観点から、バイオマス原料３５と加圧熱水４５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３２Ｂ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３５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４５（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４５の均一な流れを実現することができる。固体のバイオマス原料３５が加圧熱水４５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。これにより、均一な熱水の流れが形成され、均一な分解が実現される。
水熱分解装置３２Ｂは、装置本体内に固定撹拌手段５３を有している。水熱分解装置３２Ｂ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３５の入口側に比べ、バイオマス原料３５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３９が減少する。このため、加圧熱水４５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。このため、水熱分解装置３２Ｂは、装置本体内に少なくとも固定撹拌手段５３を設けることで、加圧熱水４５の占める割合を抑制し、液滞留時間を減少することにより、液中の分解成分が過分解することを抑制することができる。
図１に示すように、本実施例に係る糖液製造装置１１Ａでは、水熱分解装置３２Ａから固形残渣画分３９および水熱抽出画分４０がバイオマス水熱処理物として排出される。バイオマス水熱処理物のうち固形残渣画分３９は第２の酵素糖化槽（Ｃ６）３３に送給され、水熱抽出画分４０は第２の酵素糖化槽（Ｃ５）３４に送給される。
第２の酵素糖化槽（Ｃ６）３３は、水熱分解装置３２Ａから排出される固形残渣画分３９中のセルロースを第１の酵素（セルラーゼ）６１で酵素処理して６炭糖を含む第１の糖液６２を得るものである。
第２の酵素糖化槽（Ｃ５）３４は、水熱分解装置３２Ａから排出される水熱抽出画分４０中に移行されたヘミセルロース成分を第２の酵素６３で酵素処理して５炭糖を含む第２の糖液６４を得るものである。
第２の酵素糖化槽（Ｃ６）３３で得られた第１の糖液６２と、第２の酵素糖化槽（Ｃ５）３４で得られた第２の糖液６４とのいずれか一方または両方を希薄糖液３７として用いる。この希薄糖液３７は、上述の通り、希薄糖液供給管Ｌ１１を介して貯蔵タンク２５と第１の酵素糖化槽２７との何れか一方または両方に供給される。
希薄糖液供給管Ｌ１１は、第２の酵素糖化槽（Ｃ６）３３と連結する希薄糖液供給管Ｌ１１−１と、第２の酵素糖化槽（Ｃ５）３４と連結する希薄糖液供給管Ｌ１１−２と、希薄糖液供給管Ｌ１１−１と希薄糖液供給管Ｌ１１−２との連結部分から糖液調整部１５Ａに希薄糖液３７を供給する希薄糖液供給管Ｌ１１−３と、希薄糖液供給管Ｌ１１−３と貯蔵タンク２５とを連結する希薄糖液供給管Ｌ１１−４と、希薄糖液供給管Ｌ１１−３と第１の酵素糖化槽２７とを連結する希薄糖液供給管Ｌ１１−５とを有する。
希薄糖液供給管Ｌ１１−１には、調節弁Ｖ１１が設けられ、希薄糖液供給管Ｌ１１−２には、調節弁Ｖ１２が設けられ、希薄糖液供給管Ｌ１１−４には、調節弁Ｖ２１が設けられ、希薄糖液供給管Ｌ１１−５には、調節弁Ｖ２２が設けられている。第２の酵素糖化槽（Ｃ６）３３から抜き出される第１の糖液６２の量は、調節弁Ｖ１１により調整され、第２の酵素糖化槽（Ｃ５）３４から抜き出される第２の糖液６４の量は、調節弁Ｖ１２により調整される。また、貯蔵タンク２５に供給される希薄糖液３７は、調節弁Ｖ２１により調整され、第１の酵素糖化槽２７に供給される希薄糖液３７は、調節弁Ｖ２２により調整される。
よって、セルロース系バイオマス糖化部１６で生成された希薄糖液３７を希薄糖液供給管Ｌ１１を介して貯蔵タンク２５と第１の酵素糖化槽２７との何れか一方または両方に供給することができる。すなわち、糖液調整部１５Ａにおいて炭水化物系原料２１を糖化して糖液２２を生成する前の調整段階、例えば本実施例では炭水化物系原料２１を粉砕機２３及び微粉砕機２４で粉砕し貯蔵タンク２５に移送した段階または第１の酵素糖化槽２７で糖化を行っている段階（バッチシステムにあっては糖化開始前も含む）で、セルロース系バイオマス糖化部１６で生成された希薄糖液３７を供給する。これにより、炭水化物系原料２１から得られる糖液２２の糖濃度を所定の糖濃度（例えば、１５質量％）とすることができる。また、第１の糖液６２および第２の糖液６４を炭水化物系原料２１を糖化する際の希釈溶液として用いることで、希釈用の水の使用を抑制することができるため、糖液２２の製造に要する費用の軽減を図ることができる。
従来、炭水化物系原料２１を糖化して糖液２２を生成する際、炭水化物系原料２１に含まれる成分の半分はデンプンであり、炭水化物系原料２１をそのまま糖化したときの糖液の糖濃度は２０％〜６０％である。アルコールを製造する際、濃度が高い糖液を用いると、発酵の進行に従いアルコール濃度の高い雰囲気下となり微生物が死滅するため、そのままアルコール発酵用として用いることができない。そのため、炭水化物系原料２１を糖化して糖液２２を生成する際には、炭水化物系原料２１を水で希釈して糖液２２を作製する必要があった。一方、バイオマス原料３５を糖化して糖液２２を生成する際、バイオマス原料３５から排出されるバイオマス水熱処理物（固形残渣画分３９、水熱抽出画分４０）の濃度は低いため、バイオマス水熱処理物（固形残渣画分３９、水熱抽出画分４０）の濃度を高くするか、バイオマス水熱処理物（固形残渣画分３９、水熱抽出画分４０）への第１の酵素６１および第２の酵素６３の添加量を増量し、得られる第１の糖液６２および第２の糖液６４の糖濃度を濃くして糖液２２を作製する必要があった。
これに対し、本実施例に係る糖液製造装置１１Ａによれば、第１の糖液６２および第２の糖液６４を炭水化物系原料２１を糖化する際の希釈溶液として用いることで、第１の糖液６２および第２の糖液６４の糖濃度を高めることなく、炭水化物系原料２１から得られる糖液の糖濃度を低くし、所定の糖濃度（例えば、１５質量％）の糖液２２を作製することができる。また、炭水化物系原料２１を糖化する際に用いていた水の使用を抑制することができる。これにより、アルコール発酵などをする際の好ましい濃度の糖液２２を得ることができると共に、糖液２２の作製に要する費用の軽減を図ることができる。
本実施例では、水熱分解装置３２Ａから排出される固形残渣画分３９および水熱抽出画分４０を糖化して得られる第１の糖液６２および第２の糖液６４を希薄糖液３７として貯蔵タンク２５と第１の酵素糖化槽２７との何れか一方または両方に供給するようにしているが、本実施例はこれに限定されるものではなく、第１の糖液６２または第２の糖液６４を希薄糖液３７として貯蔵タンク２５と第１の酵素糖化槽２７との何れか一方または両方に供給するようにしてもよい。
第１の酵素糖化槽２７で糖液２２は所定濃度に生成された後、アルコール発酵原料である糖液２２は糖液供給ラインＬ１２により、アルコール発酵槽１２に供給される。
アルコール発酵槽１２は、糖液２２に微生物６５を添加して発酵し、アルコール（有機原料）を生成する発酵槽である。アルコール発酵槽１２は添加される酵母６５により所定条件において、発酵処理がなされる。
アルコール発酵がなされたアルコール発酵液７１は、発酵液供給ラインＬ１３により蒸留塔１３に送給され、蒸留される。蒸留された蒸留物７２は、アルコール供給ラインＬ１４を通過して脱水器７３など精製装置で精製され、アルコールタンク１４に送給され、貯留される。このアルコールタンク１４から供給ラインＬ１５により必要に応じて製品であるエタノールなどアルコール７４が供給される。
アルコール発酵槽１２における残渣７５は、酵母残渣排出ラインＬ２１により排出される。また、蒸留塔１３における蒸留残渣７６は、蒸留残渣排出ラインＬ２２により排出され、分離器７７、乾燥器７８、冷却器７９を通過して蒸留粕８００として排出される。
アルコール製造システム１０Ａを用いてアルコール７４を製造する際、例えば、アルコール７４の製造量を１０００００ｋｌ／年とした時、炭水化物系原料２１を９００００ｋｌ／年、バイオマス原料３５を１００００ｋｌ／年とすることができる。よって、炭水化物系原料２１のみを用いてアルコール７４を製造する場合に比べ、炭水化物系原料２１の年間使用量を抑えつつ、従来と同様の量のアルコール７４を製造することが可能となる。
このように、本実施例に係る糖液製造装置１１Ａを備えるアルコール製造システム１０Ａによれば、セルロース系バイオマス糖化部１６で生成されたバイオマス原料３５由来の希薄糖液３７を、希薄糖液供給管Ｌ１１を介して貯蔵タンク２５と第１の酵素糖化槽２７との何れか一方または両方に供給し、希薄糖液３７を炭水化物系原料２１から糖液２２を生成する前の調整段階で混合している。これにより、炭水化物系原料２１から得られる糖液２２の生成効率を向上させ、糖液２２の糖濃度を所定の糖濃度（例えば、１５質量％）とすると共に、糖液２２の作製に要する費用の軽減を図ることができる。このため、炭水化物系原料２１由来の糖液２２を調整する際にバイオマス原料３５由来の希薄糖液３７を用いて所定の糖濃度の糖液２２を作製することで、アルコール７４の製造効率を向上させることができると共に、アルコール７４を製造する際に要する費用を軽減することができる。
本実施例においては、炭水化物系原料２１として、例えば、トウモロコシ、米、小麦、大麦、キャッサバなどの穀物類を挙げることができるが、本発明は特にこれに限定されるものではない。
炭水化物系原料２１として、例えば、トウモロコシ８１を用いた場合、トウモロコシ８１から種などの炭水化物系原料２１と、葉や茎やトウモロコシの芯などセルロース系バイオマス原料３５との両方が得られるため、糖液２２を更に効率よく製造することが可能である。図４は、トウモロコシ８１を原料として適用した場合の一例を示す図である。図４に示すように、トウモロコシ８１から種８１ａなどの炭水化物系原料２１と、葉や茎やトウモロコシの芯８１ｂなどのセルロース系バイオマス原料３５との両方が得られる。このため、種８１ａなどは炭水化物系原料２１として用い、葉や茎やトウモロコシの芯８１ｂなどは、セルロース系バイオマス原料３５として用いることができるため、本実施例に係る糖液製造装置１１Ａによれば、トウモロコシ８１のように一つの原料から廃棄物を生じることなく、更に効率良く糖液２２を得ることができ、アルコール７４など有機物原料の製造の効率化を図ることができる。
本実施例においては、発酵システムとして糖液２２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、本実施例に係る糖液を用いた発酵システムは、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）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もできる。
糖液２２から得られる化成品としては、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希薄糖液３７を効率的に利用することができる。
本発明の実施例２に係る糖液製造装置について、図面を参照して説明する。図５は、本発明の実施例２に係る糖液製造装置を備えたアルコール製造システムの概略図である。なお、本実施例に係る糖液製造装置は、図１に示す本発明の実施例１に係る糖液製造装置を備えたアルコール製造システムの構成と同様であるため、実施例１と同様の部材については、同一の符号を付して重複した説明は省略する。
図５に示すように、アルコール製造システム１０Ｂは、本実施例に係る糖液製造装置１１Ｂと、アルコール発酵槽１２と、蒸留塔１３と、アルコールタンク１４とを有する。
本実施例に係る糖液製造装置１１Ｂは、図１に示す本発明の実施例１に係る糖液製造装置１１Ａの炭水化物系原料２１から得られる糖化原料として糖蜜８３を用いたものである。すなわち、本実施例に係る糖液製造装置１１Ｂは、糖液調整部１５Ｂと、セルロース系バイオマス糖化部１６とを有する。
糖液調整部１５Ｂは、糖蜜８３から糖液２２を製造するものである。糖液調整部１５Ｂは、貯蔵タンク２５と、糖濃度調整槽８４とを有する。糖蜜８３は、炭水化物系原料２１から抽出若しくは搾取したものである。炭水化物系原料２１から得られた糖蜜８３は、貯蔵タンク２５に、貯蔵される。貯蔵タンク２５に貯蔵された糖蜜８３は糖濃度調整槽８４で糖濃度が調整される。
セルロース系バイオマス糖化部１６は、上述の本発明に係る実施例１に係る糖液製造装置１１と同様であるため、説明は省略する。
セルロース系バイオマス糖化部１６で製造された希薄糖液３７を希薄糖液供給管Ｌ１１を介して貯蔵タンク２５と糖濃度調整槽８４との何れか一方または両方に供給するようにしている。これにより、炭水化物系原料２１から得られる糖蜜８３に希薄糖液３７を混合することができる。すなわち、糖液調整部１５Ｂにおいて、炭水化物系原料２１から得られる糖蜜８３から糖液２２を生成する前の調整段階で、セルロース系バイオマス糖化部１６で生成された希薄糖液３７を糖蜜８３に供給するようにする。
これにより、炭水化物系原料２１から得られる糖蜜８３の糖濃度を所定の糖濃度（例えば、１５質量％）とすることができる。また、第１の糖液６２および第２の糖液６４を炭水化物系原料２１を糖化する際の希釈溶液として用い、希釈用の水の使用を抑制することができるため、糖液２２の製造に要する費用の軽減を図ることができる。
よって、本実施例に係る糖液製造装置１１Ｂによれば、第１の糖液６２および第２の糖液６４を糖蜜８３から糖液２２を製造する際の希釈溶液として用いることで、第１の糖液６２および第２の糖液６４の糖濃度を高めることなく、炭水化物系原料２１から得られる糖蜜８３の糖濃度を低くし、所定の糖濃度（例えば、１５質量％）の糖液２２を作製することができる。また、糖蜜８３から糖液２２を作製する際に用いていた水の使用を抑制することができる。これにより、アルコール発酵などをする際の好ましい濃度の糖液２２を得ることができると共に、糖液２２の作製に要する費用の軽減を図ることができる。
したがって、本実施例に係る糖液製造装置１１Ｂを備えるアルコール製造システム１０Ｂによれば、炭水化物系原料２１由来の糖蜜８３を調整する際にバイオマス原料３５由来の希薄糖液３７を用いて所定の糖濃度の糖液２２を作製することで、アルコール７４の製造効率を向上させることができると共に、アルコール７４を製造する際に要する費用を軽減することができる。
本実施例においては、炭水化物系原料２１から得られる糖化原料として、糖蜜を用いた場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、サトウキビやテンサイなど、炭水化物系原料２１を抽出若しくは搾取して得られるものであればよい。
原料として、例えば、サトウキビを用いた場合、サトウキビから炭水化物系原料２１として糖蜜が得られ、葉やサトウキビから糖を搾取した残渣（バガス）などセルロース系バイオマス原料３５が得られるため、糖液２２を更に効率よく製造することが可能である。図６は、サトウキビを原料として適用した場合の一例を示す図である。図６に示すように、サトウキビ８５からは炭水化物系原料２１として糖蜜８３と、葉やバガス８５ａなどのセルロース系バイオマス原料３５との両方が得られる。このため、糖蜜８３は炭水化物系原料２１として用い、葉やバガス８５ａなどは、セルロース系バイオマス原料３５として用いることができるため、本実施例に係る糖液製造装置１１Ｂによれば、一つの原料から廃棄物を生じることなく、更に効率良く糖液２２を得ることができ、アルコール７４など有機物原料の製造の効率化を図ることができる。
１０Ａ、１０Ｂ アルコール製造システム
１１Ａ、１１Ｂ 糖液製造装置
１２ アルコール発酵槽
１３ 蒸留塔
１４ アルコールタンク
１５Ａ、１５Ｂ 糖液調整部
１６ セルロース系バイオマス糖化部
２１ 炭水化物系原料
２２ 糖液
２３、３１ 粉砕機
２４ 微粉砕機
２５ 貯蔵タンク
２６ 蒸し器
２７ 第１の酵素糖化槽
３２Ａ、３２Ｂ 水熱分解装置
３３ 第２の酵素糖化槽（Ｃ６）
３４ 第２の酵素糖化槽（Ｃ５）
３５ セルロース系バイオマス原料（バイオマス原料）
３７ 希薄糖液
３８ バイオマス原料粉砕物
３９ 固形残渣画分
４０ 水熱抽出画分
４１、５１ バイオマス供給装置
４２、５２ 反応装置
４３ バイオマス抜出装置
４４ スクリュー手段
４５ 加圧熱水
４７ 脱水液
４８ 加圧窒素（Ｎ2）
４９ 温度ジャケット
５３ 固定撹拌手段
６１ 第１の酵素（セルラーゼ）
６２ 第１の糖液
６３ 第２の酵素
６４ 第２の糖液
６５ 微生物
７１ アルコール発酵液
７２ 蒸留物
７３ 脱水器
７４ アルコール
７５ 残渣
７６ 蒸留残渣
７７ 分離器
７８ 乾燥器
７９ 冷却器
８０ 蒸留粕
８１ トウモロコシ
８３ 糖蜜
８４ 糖濃度調整槽
８５ サトウキビ
Ｌ１１、Ｌ１１−１〜Ｌ１１−５ 希薄糖液供給管
Ｖ１１、Ｖ１２、Ｖ２１、Ｖ２２ 調節弁
Ｖ３１〜Ｖ３５ 差圧調整弁（ＯＮ−ＯＦＦ弁）
１１Ａ、１１Ｂ 糖液製造装置
１２ アルコール発酵槽
１３ 蒸留塔
１４ アルコールタンク
１５Ａ、１５Ｂ 糖液調整部
１６ セルロース系バイオマス糖化部
２１ 炭水化物系原料
２２ 糖液
２３、３１ 粉砕機
２４ 微粉砕機
２５ 貯蔵タンク
２６ 蒸し器
２７ 第１の酵素糖化槽
３２Ａ、３２Ｂ 水熱分解装置
３３ 第２の酵素糖化槽（Ｃ６）
３４ 第２の酵素糖化槽（Ｃ５）
３５ セルロース系バイオマス原料（バイオマス原料）
３７ 希薄糖液
３８ バイオマス原料粉砕物
３９ 固形残渣画分
４０ 水熱抽出画分
４１、５１ バイオマス供給装置
４２、５２ 反応装置
４３ バイオマス抜出装置
４４ スクリュー手段
４５ 加圧熱水
４７ 脱水液
４８ 加圧窒素（Ｎ2）
４９ 温度ジャケット
５３ 固定撹拌手段
６１ 第１の酵素（セルラーゼ）
６２ 第１の糖液
６３ 第２の酵素
６４ 第２の糖液
６５ 微生物
７１ アルコール発酵液
７２ 蒸留物
７３ 脱水器
７４ アルコール
７５ 残渣
７６ 蒸留残渣
７７ 分離器
７８ 乾燥器
７９ 冷却器
８０ 蒸留粕
８１ トウモロコシ
８３ 糖蜜
８４ 糖濃度調整槽
８５ サトウキビ
Ｌ１１、Ｌ１１−１〜Ｌ１１−５ 希薄糖液供給管
Ｖ１１、Ｖ１２、Ｖ２１、Ｖ２２ 調節弁
Ｖ３１〜Ｖ３５ 差圧調整弁（ＯＮ−ＯＦＦ弁）
Claims (11)
- 炭水化物系原料由来の糖液を製造する糖液調整部と、
リグニン成分及びヘミセルロース成分を含むセルロース系バイオマス原料を水熱分解して得られたバイオマス水熱処理物を糖化して、糖濃度が０．１質量％以上１５質量％以下の希薄糖液を製造するセルロース系バイオマス糖化部と、
前記セルロース系バイオマス糖化部で製造された希薄糖液を前記糖液調整部に供給する希薄糖液供給管と、
を有することを特徴とする糖液製造装置。 - 請求項１において、
前記糖液は、前記炭水化物系原料を糖化したもの、または前記炭水化物系原料から抽出若しくは搾取したものであることを特徴とする糖液製造装置。 - 請求項１又は２において、
前記セルロース系バイオマス糖化部は、前記セルロース系バイオマス原料を水熱処理してバイオマス水熱処理物を生成する水熱分解装置と、
前記バイオマス水熱処理物に酵素を添加して前記バイオマス水熱処理物を糖化し、前記希薄糖液を生成する第２の酵素糖化槽と、
を有する糖液製造装置。 - 請求項３において、
前記水熱分解装置が、前記セルロース系バイオマス原料を加圧熱水と接触させつつ水熱分解し、前記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、前記セルロース系バイオマス原料中から前記リグニン成分及びヘミセルロース成分を分離し、
前記バイオマス水熱処理物として、前記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、セルロース成分を含む固形残渣画分とを生成する糖液製造装置。 - 請求項４において、
前記第２の酵素糖化槽が、前記水熱分解装置から排出される前記固形残渣画分に酵素を添加し、前記固形残渣画分中のセルロース成分を酵素分解して６炭糖を含む希薄糖液と、前記水熱分解装置から排出される前記水熱抽出画分に酵素を添加し、前記水熱抽出画分中のヘミセルロース成分を酵素分解して５炭糖を含む希薄糖液との何れか一方又は両方を生成する糖液製造装置。 - 請求項１乃至５の何れか１つの糖液製造装置と、
前記糖液を発酵し、有機原料を生成するアルコール発酵槽と、
を有することを特徴とする発酵システム。 - リグニン成分及びヘミセルロース成分を含むセルロース系バイオマス原料を水熱分解してバイオマス水熱処理物を生成し、得られた前記バイオマス水熱処理物に酵素を添加して前記バイオマス水熱処理物を糖化し、糖濃度が０．１質量％以上１５質量％以下の希薄糖液を製造し、
炭水化物系原料から糖液を調整する際に前記希薄糖液を用いて糖液を製造することを特徴とする糖液製造方法。 - 請求項７において、
前記糖液として、前記炭水化物系原料を糖化したもの、または前記炭水化物系原料から抽出若しくは搾取したものを用いることを特徴とする糖液製造方法。 - 請求項７又は８において、
前記セルロース系バイオマス原料を加圧熱水と接触させつつ水熱分解し、前記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、前記セルロース系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、バイオマス固形分を含む固形残渣画分とを生成し、
前記バイオマス水熱処理物として、前記水熱抽出画分と前記固形残渣画分とのいずれか一方又は両方を用いる糖液製造方法。 - 請求項９において、
前記希薄糖液として、前記固形残渣画分に酵素を添加し、固形残渣画分中のセルロースを酵素分解して６炭糖を含む希薄糖液と、前記水熱抽出画分に酵素を添加し、前記水熱抽出画分中のヘミセルロース成分を酵素分解して５炭糖を含む希薄糖液との何れか一方又は両方を用いる糖液製造方法。 - 請求項７乃至１０の何れか１つの糖液製造方法を用いて得られた糖液を発酵し、有機原料を生成することを特徴とする発酵方法。
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