JP5187902B2 - エタノール製造方法及び製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、バイオマス（特にリグノセルロース系バイオマス）を原料として用いて、エタノール、特に燃料用又は工業用エタノールを効率よく製造する方法、及び当該製造方法に用いられる装置に関するものである。

エタノールは、各種アルコール飲料の成分であるほか、工業用原料、溶剤として広く用いられている。さらに、エタノールは、近年、石炭、石油、天然ガスのような化石燃料の枯渇化が進む上に、これらの使用が地球温暖化の原因となる二酸化炭素の発生源として規制される傾向にあることから、化石燃料に代わるべき液体燃料として注目されるようになってきた。

この燃料用エタノールは、主として天然資源として大量に入手可能なバイオマスを原料として発酵法により製造されているが、この方法では、通常、先ず第１工程において、原料に糖化酵素を加えて、酵素糖化反応を行わせ、次いでこの反応生成物から糖類含有溶液を分離して第２工程に送り、ここでエタノール発酵微生物を加えてエタノール発酵を行わせ、その反応生成物からエタノール含有水溶液を分離し、蒸留塔に送り、蒸留し、必要に応じさらに濃縮して濃縮エタノールを回収している（特許文献１参照）。

図２は、このような従来のエタノール製造方法の一例の工程説明図である。この図に示されるように、先ずバイオマス原料は、酵素糖化装置に投入され、糖化酵素を添加して酵素糖化工程（原料がリグノセルロース系バイオマスの場合は４０〜５０℃、原料がデンプン系バイオマスの場合は８０〜９５℃の温度条件で酵素糖化処理が行われる）が行われる。酵素糖化工程によって生成した酵素糖化液は分離工程を経て発酵装置に導入される。そして、酵母等のエタノール発酵微生物が発酵装置へ添加され、２５〜３５℃においてエタノール発酵工程が実施される。エタノール発酵工程によって生成したエタノール発酵液は分離工程を経て蒸留装置に送られ、ここで９０〜１００℃において蒸留工程に付されエタノールとして回収される。かかるエタノールは、さらに所望に応じて濃縮されて濃度１５〜９５体積％のエタノールとして回収される。

しかしながら、上記従来の方法は、複数の処理工程をそれぞれ別々の装置で行うため、（１）操作が煩雑になる上、エネルギーロスを生じる、（２）工程ごとに分離操作をしなければならないので、そのたびに中間生成物のロスを生じ、原料に対するエタノール収率が低下する、（３）各装置間を連絡するラインに目詰まりが生じるのを防止するために酵素糖化における原料濃度を低くしなければならないので、生産効率が低下する、（４）発酵により回収されるエタノールの濃度はせいぜい５体積％程度であるため、高濃度エタノールを得るには、蒸留装置に供する液量が増えて負担がかかり（特許文献１参照）、各種の分離膜（特許文献２、３、および４参照）を用いて濃縮しなければならない、（５）様々な装置を設置するために設備が大がかりとなる、という欠点がある。
特開平１１−１６９１８８号公報（公開日：平成１１年（１９９９）６月２９日） 特開昭５７−１３６９０５号公報（公開日：昭和５７年（１９８２）８月２４日） 特表平２−５０２６３４号公報（公表日：平成２年（１９９０）８月２３日） 特開平５−２４５３４５号公報（公開日：平成５年（１９９３）９月２４日）

本発明は、上記の従来方法における欠点を克服し、簡単な操作で、かつ効率よくバイオマス（特にリグノセルロース系バイオマス）からエタノールを製造し得る方法、及び当該方法に用いられる緊密化された製造装置を提供することを目的としてなされたものである。

本発明者らは、各種バイオマス原料を用いて、エタノールを製造する方法について、種々研究を重ねた結果、前処理を施したリグノセルロース系バイオマスを、同一反応帯域内（換言すれば「同一の反応槽内」）で糖化及びエタノール発酵させ、その発酵生成物中から直接エタノールを蒸留し、回収することにより、操作を簡略化し、中間処理工程によるロスを軽減し、効率よくエタノールを製造し得ることを見出し、この知見に基づいて本発明を完成させるに至った。すなわち、本発明は以下の発明を包含する。

本発明にかかるエタノール製造方法は、前処理が施されたリグノセルロース系バイオマスを、同一反応帯域内で酵素糖化及びエタノール発酵させ、その反応帯域中の反応処理液より直接エタノールを蒸留して回収することを特徴としている。

また本発明にかかるエタノール製造方法は、上記エタノール製造方法において、前処理が施されたリグノセルロース系バイオマスを、同一反応帯域内で、糖化酵素の存在下、３０〜６０℃において酵素糖化を行い、次いでエタノール発酵微生物の存在下、２０〜４０℃においてエタノール発酵を行い、その後、常圧もしくは減圧下、かつ８０〜１１０℃においてエタノールの蒸留を行う方法であってもよい。

一方、本発明にかかるエタノール製造装置は、
バイオマス原料投入口と糖化酵素供給口と発酵微生物供給口とを備える一つの反応槽、当該反応槽の内部温度を調節するための加熱手段、当該反応槽内のｐＨを調節するためのｐＨ制御手段、及び当該反応槽内の液体を撹拌するための撹拌手段、当該反応槽内の液体を蒸留するための蒸留手段を備え、
当該反応槽に蒸留手段が直結されていることを特徴としている。

また本発明にかかるエタノール製造装置において、上記蒸留手段は、蒸留塔及びエタノール収容タンクを少なくとも備え、
当該蒸留塔は上記反応槽の頂部に立設されるとともに、塔頂部に設けられた回収口がエタノール収容タンクに連結されていることが好ましい。

また本発明にかかるエタノール製造装置では、上記糖化酵素供給口は糖化酵素貯蔵タンクと接続されており、
上記発酵微生物供給口は発酵微生物貯蔵タンクと接続されていることが好ましい。

また本発明は、下記の態様であってもよい。すなわち、本発明にかかるエタノール製造方法は、前処理を施したバイオマス原料を、同一反応帯域内で酵素糖化及びエタノール発酵させ、その反応帯域中の反応処理液より直接エタノールを蒸留して回収することを特徴とするエタノール製造方法である。また本発明にかかるエタノール製造装置は、上部にバイオマス原料投入口、糖化酵素貯蔵タンクに通じる糖化酵素供給口、発酵微生物貯蔵タンクに通じる発酵微生物供給口を備えた反応槽の頂部に、直結してエタノール蒸留塔を立設し、この蒸留塔の塔頂部に形成された回収口をエタノール収容タンクに連結するとともに、反応槽にその内部温度を調節するための加熱手段、ｐＨを調節するためのｐＨ制御手段、及び撹拌手段（「かきまぜ手段」ともいう）を付設したことを特徴としている。

本発明の他の目的、特徴、および優れた点は、以下に示す記載によって十分分かるであろう。また、本発明の利点は、添付図面を参照した次の説明によって明白になるであろう。

本発明のエタノール製造方法に用いられる装置の一例を示す略解断面図である。 従来のエタノール製造方法の一例の工程説明図である。

符号の説明

１ 反応槽
２ 蒸留塔
３ 原料貯蔵タンク
４ バイオマス原料投入口
５ 糖化酵素貯蔵タンク
６ 糖化酵素供給口
７ 発酵微生物貯蔵タンク
８ 発酵微生物供給口
９ エタノール回収口
１０ 冷却管
１１ エタノール収容タンク
１２ プロペラ型かきまぜ機
１３ 電熱線
１４ ｐＨ調整用アルカリ試薬タンク
１５ ｐＨ調整用酸試薬タンク
１６ ｐＨ薬液投入口
２０ エタノール製造装置

次に、添付図面により本発明を詳細に説明する。ただし本発明はこれに限定されるものではない。

図１は、本発明にかかるエタノール製造方法（以下「本発明方法」という）を実施するのに好適なエタノール製造装置２０（以下「装置２０」という）の構造を示す略解断面図である。

装置２０は、バイオマスの糖化及び発酵を行うための一つの反応槽１と、その頂部に直結して立設された蒸留塔２から構成されている。そして、反応槽１の上部には、原料貯蔵タンク３から送られるバイオマス原料を投入するためのバイオマス原料投入口４、糖化酵素貯蔵タンク５から供給される糖化酵素を導入するための糖化酵素供給口６、発酵微生物貯蔵タンク７から供給されるエタノール発酵微生物を導入するための発酵微生物供給口８が設けられ、上記蒸留塔２の塔頂部に形成されたエタノール回収口９は、冷却管１０を介してエタノール収容タンク１１に連結している。

上記蒸留塔２は、精留(分留)を行うための手段、例えば分留管、精留塔等を意味する。上記蒸留塔２が装置２０に備えられていることで、気化されたエタノールと水とが蒸留塔２内で分留し、管上部に行くに従ってエタノールが濃縮され、エタノールを優先的に回収することができるという効果を享受できる。

ここで装置２０において、バイオマス原料投入口４、糖化酵素供給口６、発酵微生物供給口８が反応槽１の上部に設けられているが、これらの設置位置は特に限定されない。ただし、バイオマス原料投入口４、糖化酵素供給口６、発酵微生物供給口８が反応槽１の上部に設けられていることが好ましい。バイオマス原料、糖化酵素、発酵微生物が重力によって反応槽１内に投下されるため、特にポンプ等の供給手段を装置２０に設ける必要がないからである。ここで反応槽１の「上部」とは、反応槽１の底面を下にして反応槽を設置した場合における反応槽１の上半分以上の部分を意味する。なお、装置２０においては、バイオマス原料投入口４、糖化酵素供給口６、発酵微生物供給口８が、反応槽１内の液体の液面よりも上に設置されていることがさらに好ましい。上記態様とすることで、バイオマス原料投入口４、糖化酵素供給口６、発酵微生物供給口８から液体が流出する場合を考慮する必要がなく、反応槽１内の液体と、バイオマス原料、糖化酵素、または発酵微生物とが混ざり合うことを回避できるからである。

また、この反応槽１には、撹拌手段（「かきまぜ手段」ともいう）、例えばプロペラ型かきまぜ機１２が付設されている。上記プロペラ型かきまぜ機１２によって、反応槽１内のバイオマス原料と糖化酵素とが均一に撹拌され、バイオマス原料の糖化効率が向上する。また上記プロペラ型かきまぜ機１２によって、酵素糖化によって生成した糖化液と発酵微生物とが均一に撹拌されるとともに、発酵微生物に対してエアレーションを行うことが可能となるためにエタノール発酵の効率が向上する。なお、本発明において撹拌手段は上記プロペラ型かきまぜ機に限定されず、マグネティックスターラーやその他の公知の撹拌手段が適宜利用可能である。

反応槽１の周囲には、内部温度を調節するための加熱手段、例えば電熱線１３が付設されている。上記電熱線１３は、バイオマス原料を酵素糖化する際、発酵微生物によるエタノール発酵を行う際、およびエタノール蒸留を行う際の熱源として利用される。本発明において加熱手段は、電熱線に限定されず、投げ込み式のヒーター等公知の加熱手段が適宜利用可能である。

さらに反応槽１には、その内部の液体のｐＨを調節するためのｐＨ薬液投入口１６が付設されており、当該ｐＨ薬液投入口１６に連結されたｐＨ調整用アルカリ試薬タンク１４、およびｐＨ調整用酸試薬タンク１５から薬液が反応槽１に添加されることによって、反応槽１内の液体のｐＨを所望の範囲に制御することができる。より具体的には、反応槽１に設置されたｐＨ測定手段（図示せず）からのデータを受けたコンピュータがｐＨ調整用アルカリ試薬タンク１４、およびｐＨ調整用酸試薬タンク１５からの薬液の供給量を制御することによって、反応槽１内の液体のｐＨが所望の範囲に制御され得る。なお、本発明においては、上記のごとくコンピュータによるｐＨ制御に限られず、装置２０のオペレータがｐＨ調整用アルカリ試薬タンク１４、およびｐＨ調整用酸試薬タンク１５からの薬液の供給量を制御することによって、反応槽１内の液体のｐＨを所望の範囲に制御してもよい。

本発明方法は、反応槽中で原料貯蔵タンク３からバイオマス原料投入口４を介して供給されるバイオマス原料と糖化酵素貯蔵タンク５から糖化酵素供給口６を介して導入される糖化酵素とを３０〜６０℃（好ましくは４０〜５５℃、最も好ましくは４５〜５０℃）、ｐＨ４〜６（好ましくはｐＨ４．５〜５．０）の条件に２４〜９６時間保持する第１段階（酵素糖化工程）と、その反応生成物にエタノール発酵微生物を添加し、２０〜４０℃（好ましくは２５〜３５℃、最も好ましくは２８〜３０℃）、ｐＨ４〜７（好ましくはｐＨ４．５〜５．５、最も好ましくはｐＨ５．０）の条件に２４〜９６時間保持する第２段階（エタノール発酵工程）と、その反応生成物を常圧下８０〜１１０℃（好ましくは９０〜１０５℃、最も好ましくは９５〜１００℃）もしくは減圧下（大気圧以下の圧力条件下、好ましくは８００ｈＰａ以下、より好ましくは１００ｈＰａ以下）、６０〜１００℃（好ましくは８０〜９５℃）１５分〜1２時間蒸留し、濃度１５〜９０体積％のエタノールを留出させ、回収する第３段階（蒸留工程）とから成っている。これらの処理後において、原料残渣及び微生物残渣は、蒸留廃液及びスラリーとして反応槽内に残留している。これらの原料残渣及び微生物残渣は、すべての段階が完了したのち、取出口（図示せず）から排出させることができる。なお、蒸留は単式蒸留に限られず、多段蒸留で行われてもよい。多段蒸留の方が純度の高いエタノールを取得することができるからである。また減圧下で蒸留を行う場合、すなわち減圧蒸留を行う場合には装置２０に減圧ポンプが備えられる。

他方、第３段階（蒸留工程）で回収された粗エタノールは、必要に応じ、さらに蒸留処理又は各種分離膜を用いて濃縮することにより、濃度９５体積％又はそれ以上の濃縮エタノールとすることができる。

上記の第１段階（酵素糖化工程）及び第２段階（エタノール発酵工程）におけるｐＨの調節は、原料、水及びｐＨ調整剤を適宜添加し、各工程中においてそれぞれの反応に適合したｐＨの範囲に自動制御することによって行われることが好ましい。

本発明方法の各段階における原料の供給量やｐＨ、温度、かきまぜ速度のような反応条件や生成したエタノールの濃縮条件などは、コンピュータによる自動制御で行われることが好ましい。ただし、上記各種条件の制御は、オペレータが手動で制御することによって行われてもよい。

本発明方法において原料として用いられるバイオマスは、リグノセルロース系バイオマスである。「リグノセルロース系バイオマス」としては、例えば木材、古紙や稲わら、麦わら、バガス、コーンストーバーなどを挙げることができる。これらのバイオマスは、グルコースがβ１−４結合したセルロース、キシロースあるいはマンノースを主成分としたヘミセルロース、及びリグニンから成っているので、リグニンとセルロースとを分離し、かつ粉砕するための前処理を施すことが必要である。

これらの原料の前処理としては、例えば酸、アルカリ、過酸化物又は有機溶媒による処理、カッターやボールミル等による粗粉砕、微粉砕処理、プレスによる圧砕処理、爆砕処理、水蒸気又は加圧熱水処理、超臨界水処理などがある。

ここで上記の酸処理で用いる酸としては、例えば硫酸、塩酸、酢酸、ギ酸、リン酸、シュウ酸、二酸化硫黄、塩素などがある。

また、アルカリ処理で用いるアルカリとしては、例えば水酸化ナトリウム、水酸化カルシウム、アンモニアなどを、過酸化物処理で用いる過酸化物としては、例えば過酸化水素、オゾン、過塩素酸などを、有機溶媒による処理で用いる有機溶媒としては、例えばエタノール、エーテル、アセトン、ジメチルホルムアミドなどをそれぞれ挙げることができる。これらのバイオマス中のリグニンと他の成分とを分離する方法は、いずれも公知であり、本発明方法は、これらの公知方法の中から任意に選んで用いることができる。

原料の前処理としては、例えば、特許文献５〜７には、硫酸や塩酸などの強酸を高濃度で用いてバイオマスから単糖を回収する方法が開示されている。また特許文献８〜１０には、水熱反応を利用した単糖の製造方法が記載されている。また特許文献１１には、バイオマスを酸濃度の異なる２種類以上の酸処理液による処理工程を含む、バイオマスから糖組成物を製造する方法が開示されている。また特許文献１２には、酵素処理、過酸化水素（場合によってはリン酸アルミニウムを含む）を用いた熱水処理、およびオゾン処理を含むバイオマスセルロースの糖化方法が記載されている。また特許文献１３には、バガスの高圧蒸煮による単糖化に関する記載がある。

〔特許文献５〕
特表平１１−５０６９３４号公報（公表日：平成１１年（１９９９）６月２２日）
〔特許文献６〕
特開２０００−５０９００号公報（公開日：平成１２年（２０００）２月２２日）
〔特許文献７〕
特開２００６−１０１８２９号公報（公開日：平成１８年（２００６）４月２０日）
〔特許文献８〕
特開２００５−１６８３３５号公報（公開日：平成１７年（２００５）６月３０日）
〔特許文献９〕
特開２００６−１３６２６３号公報（公開日：平成１８年（２００６）６月１日）
〔特許文献１０〕
特開２００１−２６２１６２号公報（公開日：平成１３年（２００１）９月２６日）
〔特許文献１１〕
特開２００７−８９５７３号公報（公開日：平成１９年（２００７）４月１２日）
〔特許文献１２〕
特開２００７−７４９９２号公報（公開日：平成１９年（２００７）３月２９日）
〔特許文献１３〕
特開２０００−５０８４０号公報（公開日：平成１２年（２０００）２月２２日）
またリグノセルロース系バイオマスは、粉砕処理等の前処理によって粒径が、２ｍｍ以下（さらに好ましくは１ｍｍ以下、最も好ましくは０．２ｍｍ以下）となっていることが好ましい。リグノセルロース系バイオマスが上記の好ましい粒径以下であるかどうかは、目開き２．０ｍｍ（１．０ｍｍ以下、または０．２ｍｍ以下）のメッシュを通過するかどうかで判断すればよい。

なお本発明方法は、リグノセルロース系バイオマスの代わりにデンプン系バイオマスを原料として用いてもよい。デンプン系バイオマスとしては、例えば米、芋、トウモロコシやコムギ等の穀物、もしくはこれらの成分を含む食品廃棄物などをあげることができる。これらのバイオマスは、グルコースがα１−４結合したアミロースやアミロースの短鎖がα１−６結合したアミロペクチンから成っており、粉砕や熱処理等の前処理を施すことが必要である。

次に、本発明方法の第１段階（酵素糖化工程）において、上記の前処理したリグノセルロース系バイオマスを糖化するために用いる酵素としては、例えばセルラーゼ、ヘミセルラーゼ、ペクチナーゼ及びこれらの組み合せがある。また、デンプン系バイオマスを糖化するために用いる酵素としては、例えばα-アミラーゼ、β-アミラーゼ、グルコアミラーゼ、ヘミセルラーゼおよびこれらの組み合せがある。この第１段階の糖化（酵素糖化工程）によって、セルロース、ヘミセルロースからはグルコース、マンノース、キシロース、ガラクトース、アラビノースなどの糖類が生成するが、リグニンは実質的に水に不溶で糖化しないために糖化残渣として残留する。なお上記酵素は、市販されている酵素剤が適宜利用可能である。

次に、本発明方法の第２段階（エタノール発酵工程）において用いるエタノール発酵微生物としては、例えば、サッカロミセス・セレヴイシアエ（Ｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ ｃｅｒｅｖｉｓｉａｅ）のような酵母、ムコール・ルーキシイ（Ｍｕｃｏｒ ｒｏｕｘｉｉ）、リゾプス・デレマール（Ｒｈｉｚｏｐｕｓ ｄｅｌｅｍａｒ）のようなアミロ菌、ジモモナス・モビリス（Ｚｙｍｏｍｏｎａｓ ｍｏｂｉｌｉｓ）のような細菌など、通常エタノール発酵に用いている発酵微生物が用いられる。また、糖化作用と発酵作用とを併用するアミロ菌又はこれに酵母を組み合わせて用いることもできる。エタノール発酵微生物は、微生物寄託機関から分譲されている微生物等が利用され得る。

その他、交雑や変異処理、または遺伝子組み換えによって、発酵能力を新たに加えられた微生物や、基質として新しい種類の糖類が新たに加えられた微生物や、作用が強化された微生物、例えばエタノール発酵組み換え大腸菌やキシロース発酵組み換え酵母なども用いることができる。

本発明方法の第２段階（エタノール発酵工程）におけるエタノール発酵の条件は、用いられるエタノール発酵微生物に応じて最適な条件が適宜採用され得る。

次に、実施例により本発明を実施するための最良の形態を説明するが、本発明はこれによって何ら限定されるものではない。

〔実施例 １〕
（１）原料の調製
リグノセルロース系バイオマスの１種であるヒノキの木片を、ボールミルを用いて微粉砕処理することにより、平均粒径２０〜５０μｍの微粉末とした。
（２）前処理及び酵素糖化工程
図１に示すエタノール製造装置に、上記のヒノキ微粉末（含水率７％）４００ｇを導入し、脱イオン水２リットルを加え、ヒーターを用いて４５℃に保ち、６Ｎ水酸化ナトリウム及び６Ｎ塩酸を用いてｐＨを５．０に調節し、２５０ｒｐｍの速度でかきまぜることにより、溶液を調製した。この際の温度、ｐＨ及びかきまぜ速度は、自動制御装置を用いて行われた。

次いでセルラーゼ（明治製菓社製、「アクレモニウムセルラーゼ」）１０．４ｇ及びヘミセルラーゼ（ヤクルト薬品工業社製、「Ｙ−２ＮＣ」）２ｇを上記の溶液に添加し、上記の条件を維持しながら７２時間反応させ、グルコース１４３ｇ及びマンノース３２ｇを含む酵素糖化液を得た。
（３）エタノール発酵工程
次に、市販パン酵母をＹＰＤ液体培地（２％グルコース、２％ポリペプトン、１％酵母エキス含有、ｐＨ５．０）中、３０℃において好気培養して得た酵母培養液４００ｍｌを、上記反応槽中の（２）で調製した酵素糖化液に添加し、３０℃、ｐＨ５．０の条件下、１５０ｒｐｍでかきまぜながら４８時間エタノール発酵させることにより、エタノール濃度４．６１％（ｖ／ｖ）のエタノール発酵液を得た。この濃度は純粋エタノールに換算して１１０．６ｍｌに相当する。
（４）エタノール蒸留工程
次に２５０ｒｐｍでかきまぜながら、反応槽中の温度を９５℃まで昇温し、この温度に達したときから１時間、この温度に維持し、反応槽頂部に立設した蒸留管及びそれに連結した冷却管を通してエタノールを留出させることにより、エタノール濃縮液４２０ｍｌを回収した。

このエタノール濃縮液中のエタノール濃度は、２４．３％（ｖ／ｖ）であった。この濃度は純粋エタノールに換算して１０２．１ｍｌに相当する。
（５）残渣及び残液の回収
エタノールを蒸留して回収した後に反応器中に残留する残渣は、死滅した酵母、変性した酵素タンパク質及びヒノキ微粉末由来のリグニンを主成分とするものである。この残渣は、加熱すると凝集する性質を有しているので、かきまぜを停止すれば、容易に固液分離する。また、これから分離された残液は、水溶性リグニン、有機酸、培養液成分、酵母抽出成分、残存エタノール［約０．４７％（ｖ／ｖ）］が主成分である。これらの固体残渣及び残液は、それぞれの取出口から別々に取り出され回収される。そして、残液は、例えばメタン発酵用として供することができるし、固体残渣は、水洗後、乾燥して例えば燃料として用いることができる。

この例における原料微粉末（含水率７％）に基づくエタノールの収率は、１ｋｇ当り換算で２７４ｍｌであり、また糖化発酵液からのエタノール回収率は９０．４％であった。

〔実施例 ２〕
（１）原料の調製
リグノセルロース系バイオマスの１種である上質古紙（印刷用紙、出版用紙、コピー紙等の混合物）をシュレッダーで平均５ｍｍ×３ｃｍの紙片とした。
（２）前処理及び酵素糖化工程
図１に示すエタノール製造装置に、上記の紙片２ｋｇを投入し、脱イオン水１９リットルを加え、ヒーターを用いて４５℃に保ち、６Ｎ塩酸を用いてｐＨを５．０に調節し、２５０ｒｐｍの速度でかきまぜることにより、溶液を調製した。この際の温度、ｐＨ及びかきまぜ速度は、自動制御装置を用いて行われた。

次いでセルラーゼ（明治製菓社製、「アクレモニウムセルラーゼ」）７８ｇを上記の溶液に添加し、上記の条件を維持しながら７２時間反応させ、グルコース５８８ｇ及びキシロース１５３ｇを含む酵素糖化液を得た。
（３）エタノール発酵工程
次に、市販乾燥パン酵母３０ｇを、上記反応槽中の（２）で調製した酵素糖化液に添加し、３０℃、ｐＨ５．０の条件下、１５０ｒｐｍでかきまぜながら４８時間エタノール発酵させることにより、エタノール濃度２．０％（ｖ／ｖ）のエタノール発酵液を得た。この濃度は純粋エタノールに換算して３８０ｍｌに相当する。
（４）エタノール蒸留工程
次に２５０ｒｐｍでかきまぜながら、反応槽の温度を９５℃まで昇温し、この温度に達したときから５時間、この温度に維持し、反応槽頂部に立設した蒸留管及びそれに連結した冷却管を通してエタノールを留出させることにより、エタノール濃縮液５３０ｍｌを回収した。

このエタノール濃縮液中のエタノール濃度は、５３．８％（ｖ／ｖ）であった。この濃度は純粋エタノールに換算して２８５ｍｌに相当する。
（５）残渣及び残液の回収
エタノールを蒸留し回収した後に反応器中に残留する残渣は、死滅した酵母、変性した酵素タンパク質及び紙の加工に使用される耐水性フィルム、リグニンを含む粘土質物質である。また、これから分離された残液は、水溶性リグニン、有機酸、培養液成分、酵母抽出成分、残存エタノール［約１．２％（ｖ／ｖ）］が主成分である。これらの固体残渣及び残液は、それぞれの取出口から別々に取り出され回収される。そして、残液は、例えばメタン発酵用として供することができるし、固体残渣は、水洗後、乾燥して例えば燃料として用いることができる。

この例における上質古紙原料に基づくエタノールの収率は、１ｋｇ当り換算で１９０ｍｌであり、また発酵液からのエタノール回収率は７５％であった。

本発明によると、３段階の処理を同一反応槽で行うため、装置及び製造工程を簡略化、緊密化することができ、熱エネルギーを軽減することができるという利点がある。

また、処理後に残留する残渣は、加熱により凝集されているので、廃液との固液分離を容易に行うことができ、かつ工程ごとの分離操作を省略できるので、中間生成物のロスがなく、原料に基づくエタノールの収率を著しく高めることができる上に、個々の装置を用いた場合に生じる連結パイプの目詰まり等による事故が発生しないという効果が得られる。

さらに、高濃度の原料を用いることができるため、生産能率を向上させることができ、結果として装置の小型化、製品のコスト低下をもたらすという効果もある。

発明の詳細な説明の項においてなされた具体的な実施形態または実施例は、あくまでも、本発明の技術内容を明らかにするものであって、そのような具体例にのみ限定して狭義に解釈されるべきものではなく、本発明の精神と次に記載する請求の範囲内において、いろいろと変更して実施することができるものである。

本発明は、多種多様のバイオマス原料から、工業用エタノール、燃料用エタノールを製造するのに好適に利用することができる。

Claims (5)

1. 前処理が施されたリグノセルロース系バイオマスを、同一反応帯域内で酵素糖化及びエタノール発酵させ、その反応帯域中の反応処理液より直接エタノールを蒸留して回収するエタノール製造方法であって、
   前処理が施されたリグノセルロース系バイオマスを、同一反応帯域内で、糖化酵素の存在下、３０〜６０℃において酵素糖化を行い、
   次いでエタノール発酵微生物の存在下、２０〜４０℃においてエタノール発酵を行い、
   その後、常圧下、かつ８０〜１１０℃においてエタノールの蒸留を行うことを特徴とするエタノール製造方法。
2. バイオマス原料投入口と糖化酵素供給口と発酵微生物供給口とを備える一つの反応槽、当該反応槽の内部温度を調節するための加熱手段、当該反応槽内のｐＨを調節するためのｐＨ制御手段、及び当該反応槽内の液体を撹拌するための撹拌手段、当該反応槽内の液体を蒸留するための蒸留手段を備え、
   当該反応槽に蒸留手段が直結されており、
   上記蒸留手段は、蒸留塔及びエタノール収容タンクを少なくとも備え、
   当該蒸留塔は上記反応槽の頂部に立設されるとともに、塔頂部に設けられた回収口がエタノール収容タンクに連結されていることを特徴とするエタノール製造装置：
   ただし、上記反応槽内の気体を吸引する吸引器を備えるものを除く。
3. 上記蒸留塔は分留管であることを特徴とする請求項２に記載のエタノール製造装置。
4. バイオマス原料投入口と糖化酵素供給口と発酵微生物供給口とを備える一つの反応槽、当該反応槽の内部温度を調節するための加熱手段、当該反応槽内のｐＨを調節するためのｐＨ制御手段、及び当該反応槽内の液体を撹拌するための撹拌手段、当該反応槽内の液体を蒸留するための蒸留手段を備え、
   当該反応槽に蒸留手段が直結されており、
   上記蒸留手段は、蒸留塔及びエタノール収容タンクを少なくとも備え、
   当該蒸留塔は上記反応槽の頂部に立設されるとともに、塔頂部に設けられた回収口がエタノール収容タンクに連結されており、
   上記蒸留塔は分留管であることを特徴とするエタノール製造装置。
5. 上記糖化酵素供給口は糖化酵素貯蔵タンクと接続されており、
   上記発酵微生物供給口は発酵微生物貯蔵タンクと接続されていることを特徴とする請求項２、３、または４に記載のエタノール製造装置。

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