JP5516750B2 - 糖液の製造装置及び糖液の製造システム - Google Patents

Description

本発明は、セルロース含有バイオマスから効率よく糖液を製造しつつ使用した糖化酵素を回収して再利用することができる糖液の製造装置及び糖液の製造システムに関する。

糖を原料とした化学品の発酵生産プロセスは、種々の工業原料生産に利用されている。現在、発酵原料となる糖として、例えば、さとうきび、澱粉、テンサイなどの食用原料に由来するものが工業的に使用されている。今後の世界人口の増加による食用原料価格の高騰、あるいは食用と競合するという観点から、再生可能な非食用資源、すなわちセルロース含有バイオマスから更に効率的に糖液を製造する糖液製造装置、または得られた糖液を発酵原料として効率的に工業原料に変換する糖液の製造システムの構築が今後の課題となっている。

セルロース含有バイオマスは、主に芳香族系重合物のリグニンと、単糖の重合物であるセルロースやヘミセルロースからなる。糖液を得るには、リグニンに保護されたセルロースやヘミセルロースを、例えば粉砕処理や、高圧高温の熱水・希硫酸・アンモニアなどの機械的・熱化学的な前処理工程（例えば、特許文献１、２参照）を経てリグニンから脱離した後、このセルロースやヘミセルロースを糖化酵素により加水分解して単糖を製造する、という手法が一般的である。

中でもこの糖化酵素を用いてセルロースやヘミセルロースを加水分解して単糖を製造する方法は、糖化酵素が非常に高価であること、糖化酵素を用いて糖化する効率はセルロース含有バイオマス由来の方がデンプン由来に比べて低く、加水分解反応が１日〜数日と長時間を要することなど費用の負担が大きいという課題がある。

そのため、こうした糖化酵素をプロセス中で再利用することで、糖化に要する費用を低減させる試みがなされてきた。例えば、膜分離によって得られた糖液から糖化酵素を回収する方法がある（例えば、特許文献３、４参照）。しかし、多くの糖化酵素は、加水分解反応を終えた固形分にあたる分解残渣に吸着しており、膜分離などの方法では十分に回収することができなかった。こうした課題を解決する方法として、例えば、糖化残渣を洗浄することで残渣に吸着した糖化酵素を剥離して再利用する方法（例えば、特許文献５、６参照）や、分解残渣を固液分離後、糖化反応槽に戻すことで再利用する方法（例えば、特許文献７、８参照）などが提案されている。

特開２００９−１８３８０５号公報 特表２００８−５３５５２３号公報 特開昭６１−２３４７９０号公報 特開２０１１−１３９６８６号公報 特開昭６３−８７９９４号公報 特開２０１０−３６０５８号公報 特開２０１０−１７０８４号公報 特開２０１１−１９４８３号公報

しかしながら、特許文献５に記載されているような糖化液から糖液及び糖化酵素を得る方法は、洗浄に要する水の使用量が大きい、糖液の糖濃度が大幅に低下する、糖化酵素を剥離する薬剤が糖液に混入するため大量に使用できないなどの課題がある。また、洗浄するための槽・攪拌機が必要となり設備費が増大する。

また、特許文献６に記載されている糖化システムは、固形分を固液分離装置から取り出すため残渣を洗浄する水の量が多くなること、さらに固液分離装置を数倍設ける必要があるため、設備費が増大する。

また、特許文献７に記載されている糖化発酵システムや特許文献８に記載されている糖化液製造方法は、糖化残渣を糖化反応槽に戻すことにより、主にリグニン由来の未分解残渣が蓄積されていき連続運転に支障をきたすこと、残渣の排出に未分解と分解が進んだ残渣とが混在して糖化率が実質低下することなどから糖化システム自体が複雑化するため設備コストが増大する。

本発明は、前記問題に鑑み、糖化酵素を効率的に回収しつつ、糖液を低コストで効率良く製造することができる糖液の製造装置及び糖液の製造システムを提供することを課題とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明者らは糖液の製造装置及び糖液の製造システムについて鋭意研究をした。その結果、酵素回収液を複数回又は長時間再使用することで酵素回収液には固形分（糖化残渣）に吸着していた糖化酵素が濃縮されていくことに着目した。この濃縮された糖化酵素を糖化槽で再利用することにより固液分離装置で得られた糖液の後段での処理の軽減と、設備費用削減の効果との関係について解明した。この得られた知見に基づいて、固液分離装置内で糖化酵素が吸着した固形分に酵素回収液を供給して固液分離装置内の固形分に吸着している糖化酵素を回収して糖化酵素を含んだ酵素回収液を循環して再利用する。そして、酵素回収液に固形分に吸着した糖化酵素を濃縮し、この濃縮された糖化酵素を含む酵素回収液を糖化槽に送給することで、糖化酵素を効率的に回収しつつ、糖液を低コストで効率良く製造することができることを見出した。本発明は、係る知見に基づいて完成されたものである。

すなわち、本発明は以下の（１）〜（９）の構成を有する。
（１） セルロース含有バイオマスと糖化酵素とを反応させ、固形分を含む糖化液を得る糖化槽と、
前記糖化液から前記固形分を分離して糖液を得る固液分離装置と、
前記固液分離装置で前記糖化液から分離した前記固形分に吸着している糖化酵素を回収する酵素回収液を貯蔵する酵素回収液槽と、
前記固液分離装置から前記糖液を抜き出すための糖液抜き出しラインと、
前記固液分離装置に温水を供給し、前記固液分離装置で前記糖化液から分離した前記固形分に吸着している糖化酵素で前記固形分を加水分解して糖液にするための温水供給手段と、
前記酵素回収液槽から前記固液分離装置に前記酵素回収液を供給する酵素回収液供給ラインと、
前記固液分離装置内の前記固形分中の糖化酵素を回収した酵素回収液を前記酵素回収液槽に送給する酵素回収液回収ラインと、
前記酵素回収液槽内の前記酵素回収液を前記糖化槽に返送する酵素回収液返還ラインと、
を有することを特徴とする糖液の製造装置。
（２） 前記固液分離装置がフィルタプレスであることを特徴とする上記（１）に記載の糖液の製造装置。
（３） 前記酵素回収液回収ラインが前記糖液抜き出しラインから分岐して前記酵素回収液槽と連結されることを特徴とする上記（１）又は（２）に記載の糖液の製造装置。
（４） 前記糖液抜き出しラインの前記酵素回収液回収ラインとの分岐点より前記固液分離装置側に調整弁を設けることを特徴とする上記（３）に記載の糖液の製造装置。
（５） 前記温水供給手段は前記固液分離装置に供給される温水を貯留するための温水供給槽を有し、
前記固液分離装置に送給した前記温水を前記温水供給槽に返送する温水返送ラインを有することを特徴とする上記（１）から（４）の何れか１つに記載の糖液の製造装置。
（６） 前記酵素回収液返還ラインに除菌装置を設けることを特徴とする上記（１）から（５）の何れか１つに記載の糖液の製造装置。
（７） 前記除菌装置が精密ろ過膜を含むことを特徴とする上記（６）に記載の糖液の製造装置。
（８） 前記酵素回収液返還ラインに酵素精製装置を設けることを特徴とする上記（１）から（７）の何れか１つに記載の糖液の製造装置。
（９） 上記（１）から（８）の何れか１つに記載の糖液の製造装置と、
前記糖液の製造装置で得られた糖液である糖水溶液に含まれる異物を除去するための精密ろ過膜および／または限外ろ過膜と、
前記糖水溶液の糖を濃縮するためのナノろ過膜および／または逆浸透膜と、
を有することを特徴とする糖液の製造システム。

本発明によれば、糖化酵素を効率的に回収しつつ、糖液を低コストで効率良く製造することができる。すなわち、酵素回収液を複数回又は長時間、固液分離装置と酵素回収液槽との間を循環して再利用することで固液分離装置内の固形分に吸着している糖化酵素を酵素回収液内に濃縮することができる。この濃縮された糖化酵素を含む酵素回収液を糖化槽に返送して再利用することにより、糖化酵素を効率的に回収することができる上、糖液を効率良く製造することができる。また、固液分離装置から排出される糖液を後段側で膜処理等をして糖液に含まれる糖化酵素を濃縮する必要はなくなるため、設備費用を削減することができる。また、固液分離装置内で糖化残渣と酵素回収液とを接触させているため、残渣を洗浄するための槽や攪拌機といった設備を別途設ける必要がないため、設備費を大幅に削減することができる。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る糖液の製造装置の概念図である。 図２は、糖液の製造装置の他の構成を簡略に示す図である。 図３は、本発明の第２の実施形態に係る糖液の製造装置を示す概念図である。 図４は、本発明の第３の実施形態に係る糖液の製造装置を示す概念図である。 図５は、糖液の製造装置の他の構成を簡略に示す図である。 図６は、本発明の第４の実施形態に係る糖液の製造装置を示す概念図である。 図７は、本発明の第５の実施形態に係る糖液の製造装置を示す概念図である。 図８は、本発明の第６の実施形態に係る糖液製造システムを示す概念図である。 図９は、糖液製造システムの他の構成を簡略に示す図である。 図１０は、糖液製造システムの他の構成を簡略に示す図である。

以下、本発明の実施の形態（以下、実施形態という）を図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、下記の発明を実施するための実施形態により本発明が限定されるものではない。また、下記実施形態における構成要素には、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、下記実施形態で開示した構成要素は適宜組み合わせてもよいし、適宜選択して用いてもよい。

［第１の実施形態］
本発明の第１の実施形態に係る糖液の製造装置（糖液製造装置）について、図面を参照して説明する。図１は、本発明の第１の実施形態に係る糖液製造装置を示す概念図である。図１に示すように、本実施形態に係る糖液製造装置１０Ａ−１は、糖化槽１１と、固液分離装置１２と、酵素回収液槽１３と、温水供給手段１４と、糖液抜き出しラインＬ１１と、酵素回収液供給ラインＬ１２と、酵素回収液回収ラインＬ１３と、酵素回収液返還ラインＬ１４とを有するものである。

糖化槽１１は、セルロース含有バイオマスと糖化酵素１５とを反応させ、固形分を含む糖化液１６を得る槽である。本実施形態においては、セルロース含有バイオマスは糖化槽１１に供給される前に予め前処理されている。本明細書においては、前処理されたセルロース含有バイオマスを、前処理バイオマス１７という。糖化槽１１には前処理バイオマス１７と水１８と糖化酵素１５とが供給される。糖化槽１１内には攪拌機１９が設けられており、駆動装置２０を駆動させることで攪拌機１９が回転し、糖化槽１１内に供給された前処理バイオマス１７を攪拌する。

セルロース含有バイオマスのバイオマス種は、セルロースおよびヘミセルロース（以下、セルロースとヘミセルロースの総称として「セルロース」という。）、芳香族高分子であるリグニン等を含有するものであり、セルロースを５質量％以上含む生物由来の資源であればよく特に限定されない。また、セルロース含有バイオマスは、セルロースの他に芳香族高分子であるリグニン等を含有していることから、リグノセルロースとも呼ばれる。セルロースを５質量％以上含む生物由来の資源であればよく特に限定されない。バイオマス種としては、具体的には、例えば、バガス、スイッチグラス、ネピアグラス、エリアンサス、コーンストーバー、稲わら、麦わら、ＥＦＢ（油椰子空果房）、籾殻などの草本系バイオマス、樹木、廃建材などの木質系バイオマスなどが挙げられる。また、セルロース含有バイオマスは主にセルロース成分、ヘミセルロース成分、リグニン成分、無機成分に大別され、それぞれの成分比率はバイオマス種・生育条件により大きく異なるため、特に限定されない。

セルロース含有バイオマスは糖化槽１１に供給される前に予め前処理しておくことで酵素による加水分解効率を向上させることができる。セルロース含有バイオマスの前処理方法は、特に限定されるものではなく、従来より公知の前処理方法を用いることができる。前処理方法としては、具体的には、例えば、微粉砕処理、水熱処理、アンモニア処理、アルカリ処理、希硫酸処理、爆砕処理、酸処理、硫酸処理、苛性ソーダ処理、亜臨界水処理、蒸煮処理などが挙げられるが、これらのいずれを用いてもよいし、これらを組合せて使用してもよい。

水１８は、井戸水、工業用水、水道水、河川水、プロセス排水、プロセス再生水など特に限定されず、これらの混合水であってもよい。

糖化槽１１内には、まず前処理バイオマス１７と水１８とが供給される。糖化槽１１内の前処理バイオマス１７と水１８とを攪拌混合して前処理バイオマス１７と水１８との混合液とする。この混合液のｐＨは３以上７以下の範囲内であることが好ましく、より好ましくはｐＨ４以上６以下の範囲内である。混合液のｐＨは上記範囲内とすることで、糖化酵素１５が好適に働くことができる。また、混合液のｐＨは加水分解の過程でｐＨの変化が起きるため、酸あるいはアルカリを用いて一定ｐＨを保持するように調整して行うことが好ましい。

なお、糖化槽１１内の前処理バイオマス１７の攪拌状態によっては糖化槽１１内に水１８を添加しなくてもよい。

前処理バイオマス１７と水１８との混合液のｐＨを調整した後、糖化酵素１５を糖化槽１１内に供給して前処理バイオマス１７を加水分解して糖化処理する。これにより、加水分解物が得られる。この加水分解物は、糖液と固形物とを含む糖化液１６である。

前処理バイオマス１７に含まれるセルロースの加水分解に使用する糖化酵素１５は、未使用の糖化酵素であってもよいし、後述するように、固液分離装置１２で循環させて濃縮され、回収した糖化酵素であってもよい。糖化酵素の使用量、特に未使用の糖化酵素の使用量を削減するという観点から、回収された糖化酵素と未使用の糖化酵素との両方を混合して使用することが好ましい。

糖化酵素１５は、セルロース又はヘミセルロースを分解する活性を有する、あるいはセルロース又はヘミセルロースの分解を補助する酵素成分のことをいう。酵素成分として、具体的には、セルビオハイドロラーゼ、エンドグルカナーゼ、エキソグルカナーゼ、βグルコシダーゼ、キシラナーゼ、キシロシダーゼ、バイオマス膨潤酵素などを挙げることができる。糖化酵素１５は、これら１種又は複数種類を用いてもよい。また、本実施形態においては、セルロース、ヘミセルロースの加水分解は複数の酵素成分の協奏効果あるいは補完効果により効率よく行うことができるため、糖化酵素１５は上記の酵素成分の複数種を含む酵素混合物であることが好ましい。

また、糖化酵素１５は微生物により産生されるものでも好適に用いることができる。例えば、糖化酵素は一種の微生物が産生する複数の酵素成分を含むものであってもよいし、複数の微生物から産生される酵素成分の混合物を含むものであってもよい。糖化酵素を産生する微生物は、糖化酵素を細胞内又は細胞外に産生する微生物であって、好ましくは細胞外に糖化酵素を産生する微生物である。細胞外に産生する微生物の方が糖化酵素回収が容易だからである。

糖化酵素１５を産生する微生物は上記の酵素成分を産生するものであれば特に限定されない。特にトリコデルマ属、アクレモニウム属に分類される糸状菌は細胞外に多種の糖化酵素を大量に分泌するので、糖化酵素を産生する微生物として特に好適に用いることができる。

糖化槽１１内の温度は、糖化酵素１５が有効に働くようにするため、３７℃以上であることが好ましく、より好ましくは３７℃以上５５℃以下の範囲内である。

糖化槽１１内で前処理バイオマス１７と糖化酵素１５とを反応させる反応時間は、２時間〜２００時間の範囲であることが好ましい。２時間未満であると、十分な糖化液１６が得られず好ましくない。一方、２００時間を超えると糖化酵素１５の酵素活性が低下するため好ましくない。

本実施形態においては、糖化槽１１は攪拌機１９を用いて機械的に攪拌する方式を用いているが、本実施形態はこれに限定されるものではない。例えば、攪拌機１９は曝気やポンプにより水流を生み出して攪拌する方式を用いてよいし、保温・昇温機能がついたエクストルーダーやスクリューフィーダーのような連続式で混練する方式を用いてもよい。

本実施形態においては、糖化槽１１は１つのみ設けるようにしているが、本実施形態はこれに限定されるものではなく、糖化槽１１は複数存在していてもよい。糖化槽１１が複数存在する場合は、糖化槽１１を直列に設置してセルロース含有バイオマスを多段式に糖化する形態であっても、糖化槽１１を並列に設置する形態であってもよい。また、糖化槽１１の形態は特に限定されず、攪拌機１９が縦型の槽の他に、横型のスクリューやパドルを利用した連続的に排出できるものや槽そのものが回転するドラム式など、横型の反応槽であってもよい。

本実施形態においては、糖化槽１１は前処理バイオマス１７の糖化のみを行うようにしているが、これに限定されるものではなく、後述する固液分離装置１２としての役割も兼ねていてもよい。

糖化槽１１内で前処理バイオマス１７を糖化処理して得られたスラリー状の糖化液１６は糖化液送給ラインＬ１５を介して固液分離装置１２に送給される。糖化液送給ラインＬ１５には、調節弁Ｖ１１を設けてもよく、糖化液１６の送給量は調節弁Ｖ１１又は糖化液送給ラインＬ１５の調節弁Ｖ１１よりも後流側に設けた送給ポンプの周波数により調整される。送液方法は、ポンプによるものである必要はなく、例えば圧縮気体を用いた圧送方式をとってもよい。すなわち糖化槽１１と固液分離装置１２との圧力差を用いてスラリー上の糖化液１６を移送してもよい。また、糖化槽１１と固液分離装置１２との間の固液分離装置１２へスラリー状の糖化液１６を供給する糖化液送給ラインＬ１５には固液分離装置用の緩衝槽又は供給槽があっても構わない。

固液分離装置１２は、糖化槽１１から排出された糖化液１６から固形分を分離して糖液２２を得る装置である。本実施形態においては、固液分離装置１２として、加圧ろ過型のフィルタプレスが用いられる。糖化液１６には糖液２２と固形物とが含まれ、固形物には未分解のセルロースまたはヘミセルロースといった多糖成分およびリグニンなどの本来糖化酵素１５によっては分解できない成分が含まれている。さらに、固形物には比較的大量の糖化酵素１５を吸着した状態にある。そこで、固液分離装置１２は糖化液１６を糖液２２と固形物とを分離して、糖液２２を得ると共に固形分を回収する。これにより、糖化液１６の固形物に含まれる多糖成分と糖化酵素１５を後に固液分離装置１２内に供給される温水２５で糖液２２を生成することができると共に、更に残部の糖化酵素１５を酵素回収液２４に回収させることができる。

本実施形態においては、固液分離装置１２として加圧ろ過型のフィルタプレスを用いているが、本実施形態はこれに限定されるものではなく、固液分離装置１２は糖化液１６から固形分を分離することができるものであればよい。固液分離装置１２としては、例えば、スクリューデカンタ、分離板式遠心分離機、シャープレス型遠心分離機、縦型遠心分離機などの遠心分離型、フィルタプレス、ニューマプレス（Ｐｎｅｕｍａｐｒｅｓｓ、登録商標）、加圧ろ過機、遠心ろ過機、スクリュープレス、ベルトプレスなどの加圧ろ過型、ベルトフィルター、プレコートフィルタ、ドラム型ろ過フィルター、真空ろ過フィルターなどの吸引ろ過型の装置などが挙げられる。これらの中でも、特に、糖液の回収率に優れ１回の固液分離でより多くの糖液成分を回収できると共に澄明なろ液を容易に得られるという観点から、固液分離装置１２としては、加圧ろ過型のフィルタプレスを用いることが好ましい。また加圧ろ過型、吸引ろ過型の固液分離装置は、長期運転性の観点からろ布やフィルターの自動洗浄機能を備えていることが好ましい。洗浄の回数などは特に限定されない。

固液分離装置１２には、固液分離装置１２から糖液２２を抜き出すための糖液抜き出しラインＬ１１が連結されており、固液分離装置１２で糖化液１６から分離された糖液２２は固液分離装置１２から糖液抜き出しラインＬ１１を通過して排出される。なお、糖液抜き出しラインＬ１１には調節弁Ｖ１３を設けてもよく、糖液２２の送給量は調節弁Ｖ１３又は糖液抜き出しラインＬ１１の調節弁Ｖ１３よりも後流側に設けた送給ポンプの周波数により調整される。また、糖液２２の移送はポンプである必要はなく、前記の圧送方式でも構わないし、糖液そのものの重力による自然落下で次の工程に移送されても構わない。

糖液２２は、セルロース由来のグルコースおよびヘミセルロース由来のキシロースを含有しているが、これらの混合比はセルロース含有バイオマスの前処理方法や前処理条件によって異なるため、特に限定されるものではない。また、前記物質以外にセルロースやヘミセルロースの分解時に生成するギ酸、酢酸といった有機酸や、高温処理によって糖から生成されるＨＭＦ、フルフラールなどを含んでいる可能性があることが特徴である。また、リグニン由来のバニリン、グアイアコール、クマル酸、フェルラ酸、またそれらの反応物などを含んでいる。

温水供給手段１４は、固液分離装置１２に温水２５を供給し、固液分離装置１２で糖化液１６から分離した固形分に吸着している糖化酵素１５で固形分を加水分解して糖液２２にするためのものである。温水供給手段１４は、固液分離装置１２に供給される温水２５を貯留するための温水供給槽２６と、固液分離装置１２に温水２５を供給するための温水供給ラインＬ１６とを有する。温水供給ラインＬ１６は固液分離装置１２に連結されている。なお、温水供給ラインＬ１６には調節弁Ｖ１２を設けてもよく、温水２５の送給量は調節弁Ｖ１２又は温水供給ラインＬ１６の調節弁Ｖ１２よりも後流側に設けた送給ポンプの周波数により調整される。温水２５送液方法は、ポンプによるものである必要はなく、例えば圧縮気体を用いた圧送方式をとってもよい。また温水供給ラインＬ１６は糖化液１６を供給する糖化液送給ラインＬ１５の一部又は全てを利用してもよく、糖化槽１１を空にした後、空となった糖化槽１１に温水を供給して温水供給槽２６と兼用する方式を用いてもよい。

温水供給手段１４は温水供給ラインＬ１６から温水２５を固液分離装置１２内に供給し、温水２５を固液分離装置１２で糖化液１６から分離した固形分を、固形分に吸着している糖化酵素１５と反応させて加水分解を行うことにより糖液２２に変換する。これにより、より多くの糖と糖化酵素１５を回収することができるため、新たに投入する糖化酵素１５を軽減しつつ、糖液２２の生成量を向上させることができると共に、糖化酵素１５の回収率を向上させることができる。

温水２５を用いて固形分に吸着している糖化酵素１５と反応させて新たに生成された糖液２２は固液分離装置１２から糖液抜き出しラインＬ１１を通過して排出される。

温水２５の添加量は、特に限定されないが、温水２５を固形分に吸着している糖化酵素１５と反応させて加水分解を行う際に、固形物濃度が１質量％〜２０質量％の間になるよう添加することが好ましい。固形物濃度が２０質量％より多い場合又は１質量％より少ない場合には、糖液２２の生成量および糖化酵素１５の回収率の観点から、効率的でなく好ましくない。

温水２５の温度は、３０℃〜６０℃の範囲であることが好ましく、より好ましくは４０℃〜５５℃の範囲であり、さらに好ましくは５０℃前後である。

温水２５と固形分に吸着している糖化酵素１５とを反応させて加水分解を行う時間は、１分〜１８０分の範囲であることが好ましい。１分未満であると、固形分に吸着している糖化酵素１５の回収効率が低く、１８０分以上行っても固形分に吸着している糖化酵素１５の回収効率が増加せず非効率的である。

温水２５のｐＨは６．０〜８．０の範囲であることが好ましく、より好ましくは５．０程度である。ｐＨが６．０未満であると、固形分に吸着している糖化酵素１５の回収率が低下し、ｐＨが８．０を越えると、糖化酵素１５の失活が起きるので好ましくない。そのため、ｐＨが６．０〜８．０の範囲内であれば、糖化酵素１５の失活を極力低減し、糖化酵素１５の回収効率を高くすることができる。

固形分は、前処理バイオマス１７中のセルロース画分、ヘミセルロース画分のそれぞれが好ましくは５０％以上加水分解されたものであり、固形分の含水率は４０％以上８０％以下のものとなる。本実施形態においては固液分離装置１２としてフィルタプレスを用いているため、固形分の含水率は５５％以下とすることができる。

また、本実施形態においては、固液分離装置１２はフィルタプレスであるため、濾布を備えた濾室内に糖化液１６をポンプで圧入して脱水した後、ろ室中のダイアフラムを用いてケークを圧搾し、さらに脱水することが好ましい。

固液分離装置１２は濾布を備えた濾室内に圧入して脱水した糖化液１６をダイアフラムを用いてケークを高圧で圧搾する場合、圧搾圧力は固形分の圧縮率が、バイオマス原料の前処理方法、バイオマス種、バイオマスの酵素糖化効率、かさ密度などに影響を大きく受けるため特に限定されるものではない。圧搾圧力は０．０５ＭＰａ以上であるのが好ましく、より好ましくは０．５ＭＰａ以上である。圧搾圧力が高いほど固形分の含水率を低くすることができ、糖液２２、酵素回収液２４の収率が改善する。そのため、圧搾圧力を０．０５ＭＰａ以上とすることで、糖液２２、酵素回収液２４の収率を改善することができる。また、圧搾することによって固形分を燃焼させてエネルギーを回収する場合において、固形分の燃焼効率が向上してより高いエネルギーを得ることが可能となる。

固液分離装置１２への温水２５や酵素回収液２４の供給時期は特に限定されるものではないが、糖化液１６の固液分離をより効率的に行うという観点から、温水２５や酵素回収液２４は脱水した糖化液１６をダイアフラムを用いてケークを圧搾した後に供給するのがより好ましい。すなわち、糖化液１６を圧搾した後に温水２５や酵素回収液２４を固液分離装置１２内に供給する方が固形分の体積が小さくなり含水率も低下しているため、温水２５や酵素回収液２４の使用量が低減し、さらに浸透効率が向上するからである。

糖化液１６を圧搾する際の圧搾圧力は、固形分の圧縮率が前処理方法、バイオマス種、バイオマスの酵素糖化効率、かさ密度などに影響を大きく受けるため、特に限定されるものではなく適宜調整する。

酵素回収液槽１３は、固液分離装置１２で糖化液１６から分離した固形分中の糖化酵素１５を回収する酵素回収液２４を貯蔵するための槽である。酵素回収液供給ラインＬ１２は、酵素回収液槽１３から固液分離装置１２に酵素回収液２４を供給するラインであり、酵素回収液回収ラインＬ１３は、固液分離装置１２内の固形分を酵素回収液２４で洗浄し、固形分中の糖化酵素１５を回収した酵素回収液２４を酵素回収液槽１３に送給するラインであり、各々固液分離装置１２に連結されている。酵素回収液供給ラインＬ１２、酵素回収液回収ラインＬ１３には調節弁Ｖ１４、Ｖ１５を各々設けてもよく、酵素回収液２４の固液分離装置１２への送給量は調節弁Ｖ１４又は酵素回収液供給ラインＬ１２の調節弁Ｖ１４よりも後流側に設けた送給ポンプの周波数により調整され、酵素回収液２４の酵素回収液槽１３への送給量は調節弁Ｖ１５又は酵素回収液回収ラインＬ１３の調節弁Ｖ１５よりも後流側に設けた送給ポンプの周波数により調整される。酵素回収液２４の送液方法は、ポンプによるものである必要はなく、例えば圧縮気体を用いた圧送方式をとってもよい。

固液分離装置１２で糖化液１６から分離された固形分を洗浄する際には、酵素回収液槽１３から固液分離装置１２に酵素回収液供給ラインＬ１２を介して酵素回収液２４を供給し、固液分離装置１２中の固形分に吸着している糖化酵素１５を酵素回収液２４に回収する。固形分に吸着している糖化酵素１５を回収した酵素回収液２４は、酵素回収液回収ラインＬ１３を介して固液分離装置１２から酵素回収液槽１３に送給され、酵素回収液槽１３に貯蔵される。

酵素回収液２４は固液分離装置１２から酵素回収液槽１３に回収された後、再度、酵素回収液槽１３から酵素回収液供給ラインＬ１２を通過して固液分離装置１２に送給される。そして、固液分離装置１２中の固形分に吸着している糖化酵素１５は酵素回収液２４に回収される。

このように、酵素回収液２４を固液分離装置１２と酵素回収液槽１３との系内を繰り返し循環させ、固液分離装置１２中の固形分に吸着している糖化酵素１５を酵素回収液２４に回収することで、酵素回収液２４中には固液分離装置１２中の固形分に吸着していた糖化酵素１５が濃縮される。

また、酵素回収液槽１３には酵素回収液２４の酵素回収効率を向上させるため、酵素回収剤２７が必要に応じて供給される。

酵素回収剤２７は酵素回収液２４の酵素回収効率を向上させる添加薬剤であれば特に限定されるものではない。

酵素回収液２４は、固形分から酵素の回収性を向上させる薬剤を含む水溶液であれば、特段に限定はされるものではないが、酵素回収液２４は、界面活性剤、アミノ酸、無機塩、親水性有機溶媒からなる群から選ばれる１種以上の化合物であることが好ましい。こうした化合物を酵素回収液２４中に添加することにより、糖液２２の生成量、糖化酵素１５の回収量、回収した糖化酵素１５の活性のいずれか１つ以上を増大させることができる。特に、回収した糖化酵素１５の活性が高いと、回収した糖化酵素１５を再利用する際、新規の糖化酵素１５の添加量を削減することができるため、費用を低減できる。

酵素回収液２４の添加薬剤として界面活性剤を用いる場合、界面活性剤は中でもノニオン性界面活性剤であることが好ましい。ノニオン性界面活性剤は、カチオン性界面活性剤、アニオン性界面活性剤または両性界面活性剤を使用する場合と比較して、糖化酵素１５の失活を抑制しつつ、高い糖液２２の生成量と糖化酵素１５の回収率を得ることができるからである。なお、ノニオン性界面活性剤とは、非イオン性界面活性剤ともいい、界面活性剤の親水部分が非電解質より構成される界面活性剤である。ノニオン性界面活性剤としては、具体例には、例えばポリオキシエチレンアルキルエーテル、ポリオキシプロピレンブロック共重合体、ポリオキシエチレンアルキルアリルエーテル、ポリオキシエチレン脂肪酸エステル、ソルビタン脂肪酸エステル、ポリオキシエチレンソルビタン脂肪酸エステル、ポリオキシエチレンノニルフェニルエーテル、ポリオキシエチレンナフチルエーテル、ポリオキシエチレンオクチルフェニルエーテル、ポリオキシエチレンアルキルアミン、グリセリン脂肪酸エステル、アセチレン系ポリオキシエチレンオキシド等が挙げられる。これらは単独あるいは２種以上を混合して使用してもよい。ノニオン性界面活性剤は、ポリオキシプロピレンブロック共重合体であることが好ましい。また、ポリオキシプロピレンブロック共重合体の分子量は、５００〜１５０００の範囲であることが好ましい。

界面活性剤の添加量は、酵素回収液２４に対して０．０５質量％〜５質量％の範囲で添加することが好ましい。０．０５質量％未満であると糖化酵素１５の回収効率が低く、５質量％を超えると糖化酵素１５の失活が促進され、かつ経済的にも不利になるため好ましくない。

酵素回収液２４の添加薬剤としては、無機塩であってもよい。無機塩としては、例えば、ナトリウム塩、カリウム塩、マグネシウム塩、硫酸塩、アンモニウム塩、塩酸塩、燐酸塩、酢酸塩、硝酸塩、などの無機塩を使用することができる。更に好ましい無機塩としては、塩化ナトリウム、酢酸ナトリウム、硫酸ナトリウム、硫酸水素ナトリウム、硫酸アンモニウム、燐酸二水素ナトリウム、燐酸水素ナトリウム、塩化カリウム、塩化アンモニウム、塩化マグネシウム、硫酸マグネシウム、塩化カルシウムなどが挙げられ、このうち最も好ましくは、ナトリウム塩である塩化ナトリウム、硫酸ナトリウム、硫酸水素ナトリウム、マグネシウム塩である塩化マグネシウム、硫酸マグネシウムである。こうした無機塩を添加することにより、回収酵素のバイオマス中のセルロース、ヘミセルロースに対する加水分解効率を高めることができる。

また、こうした無機塩の代替物として、海水を使用することもできる。海水中に含まれる無機塩は、塩化ナトリウム２．６％〜２．７％、塩化マグネシウム０．３％〜０．４％、硫酸マグネシウム０．１％〜０．２％、塩化カリウム約０．０７％を一般的に含んでなる最も自然界に大量に存在する無機塩水溶液である。海水のｐＨはその塩組成により概ね決定され、一般的にはｐＨ８．２〜８．５の範囲にあり、そのままのｐＨあるいは任意のｐＨに調整して使用することができる。好ましくは、海水のｐＨを５〜８．３の範囲に調整することが、回収した糖化酵素１５のセルラーゼ活性を高める点で好ましい。ｐＨ調整には、硫酸、塩酸など一般的な酸を使用すればよく、特に限定されるものではない。

上記の無機塩の添加量は、酵素回収液２４に対して０．０５質量％以上５質量％以下の範囲で添加することが好ましい。０．０５質量％未満であると糖化酵素１５の回収効率が低く、５質量％を超えると糖化酵素１５の失活が促進され、かつ経済的にも不利になるため好ましくない。無機塩水溶液として海水を使用する場合には、海水は無機塩を１／１０〜１／１の範囲で希釈するのが好ましい。

酵素回収液２４の添加薬剤は親水性有機溶媒であってもよい。本実施形態においては、親水性有機溶媒とは、２０℃の条件下で水に対し１００ｇ／Ｌ以上の溶解度を示すものをいう。一方で、上述条件下で１００ｇ／Ｌ未満の溶解度を示すものを疎水性有機溶媒という。疎水性有機溶媒としては、１−ブタノール（７４ｇ／Ｌ）、１−ペンタノール（２７ｇ／Ｌ）、１−ヘキサノール（５．８ｇ／Ｌ）、酢酸エチル（８３ｇ／Ｌ）、ヘキサン（微量）、クロロホルム（微量）などを例示できるがこの限りではない。親水性有機溶媒としては、具体的には、例えば、メタノール、エタノール、１−プロパノール、イソプロパノール、ジメチルスルホキシド、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、アセトン、アセトニトリル、エチレングリコール、グリセリンなどが挙げられる。こうした親水性有機溶媒を添加することにより、回収した糖化酵素１５のセルロース含有バイオマス中のセルロースの加水分解効率を高める効果がある。

上記の親水性有機溶媒の添加量は、酵素回収液２４に対して０．０５質量％以上５質量％以下の範囲で添加することが好ましい。０．０５質量％未満であると糖化酵素１５の回収効率が低く、一方で５質量％を超えると糖化酵素の失活が促進され、かつ経済的にも不利になるため好ましくない。

酵素回収液２４の添加薬剤はアミノ酸であってもよい。アミノ酸としては、例えば、アラニン、アルギニン、アスパラギン、アスパラギン酸、システイン、グルタミン、グルタミン酸、グリシン、ヒスチジン、イソロイシン、ロイシン、リジン、メチオニン、フェニルアラニン、プロリン、セリン、スレオニン、トリプトファン、チロシン、バリンおよびこれらの誘導体を使用することができる。こうしたアミノ酸のうち、水溶解性が高いアラニン、アルギニン、アスパラギン、システイン、グルタミン、グルタミン酸、グリシン、ヒスチジン、イソロイシン、ロイシン、リジン、メチオニン、フェニルアラニン、プロリン、セリン、スレオニン、トリプトファン、バリンが好ましく、最も好ましくは、高いアビセル分解活性を示す回収酵素を得ることができるアルギニン、システイン、グルタミン酸、ヒスチジン、リジンであることが好ましい。

上記のアミノ酸の添加量は、酵素回収液２４に対して０．０５質量％以上５質量％以下の範囲で添加することが好ましい。０．０５質量％未満であると糖化酵素１５の回収効率が低く、５質量％を超えると糖化酵素１５の失活が促進され、かつ経済的にも不利になるため好ましくない。

酵素回収液槽１３、酵素回収液供給ラインＬ１２、酵素回収液回収ラインＬ１３等の材料は、酵素回収液２４の薬剤によっては配管の腐食や劣化を起こしうるため、例えばプラスチック材配管、配管内のライニング加工などを行ったものであることが好ましい。

酵素回収液２４を固液分離装置１２と酵素回収液槽１３との間で循環させて使用した後、酵素回収液２４は酵素回収液返還ラインＬ１４を介して糖化槽１１に供給する。酵素回収液返還ラインＬ１４は、酵素回収液槽１３内の酵素回収液２４を糖化槽１１に返送するためのラインである。固液分離装置１２がバッチ連続式の場合には酵素回収液２４を複数回循環させた後、連続式の場合には酵素回収液２４の酵素濃度が一定になるまで酵素回収液２４を使用した後、酵素回収液２４を酵素回収液返還ラインＬ１４を経由して糖化槽１１に戻す。なお、酵素回収液返還ラインＬ１４には調節弁Ｖ１６を設けてもよく、酵素回収液２４の送給量は調節弁Ｖ１６又は酵素回収液返還ラインＬ１４の調節弁Ｖ１６よりも後流側に設けた送給ポンプの周波数により調整される。

また、糖化槽１１が複数存在する場合、酵素回収液返還ラインＬ１４を介して糖化槽１１に供給される酵素回収液２４は少なくとも１つの糖化槽１１に供給されればよいが、糖化槽１１が直列に設置される場合は、前段において酵素回収液２４のみを供給し、後段において糖化酵素１５のみを供給してセルロース含有バイオマスを糖化するような形態が好ましい。酵素回収液２４を先に添加することで糖化酵素１５の回収効率が改善すると同時に、酵素回収液２４による反応で前処理バイオマス１７の粘度低下、すなわち液化を容易に行うことができ、その結果、糖化反応を促進することができるからである。

よって、酵素回収液２４を固液分離装置１２と酵素回収液槽１３との間を複数回又は長時間循環させて使用することにより、酵素回収液槽１３を貯蔵している酵素回収液２４には固液分離装置１２中の固形分に吸着している糖化酵素１５が濃縮されていくことになる。この濃縮された糖化酵素１５を含む酵素回収液２４を酵素回収液返還ラインＬ１４を介して糖化槽１１に送給することで、糖化酵素１５の回収率を向上させることができると共に、生成された糖液２２を後段側で膜処理等して糖液２２に含まれる糖化酵素１５を濃縮するなどの処理が必要なくなる。そのため、セルロース含有バイオマスから濃縮した糖液２２を製造するために要する設備費用を削減することができる。さらに、固液分離装置１２内の固形分に吸着している糖化酵素１５と酵素回収液２４とを接触させることで、酵素回収液２４を洗浄するための槽や攪拌機１９といった設備を無くすことができるため、設備費を大幅に削減することができる。

また、固液分離装置１２で糖化液１６から分離された固形分は、温水２５より固形分に吸着している糖化酵素１５により糖液２２の生成に用いられ、酵素回収液２４により固形分に吸着している糖化酵素１５を更に回収させた後、糖化残渣２８として糖化残渣排出ラインＬ１７により固液分離装置１２から排出される。なお、糖化残渣排出ラインＬ１７には調節弁Ｖ１７を設けてもよく、糖化残渣２８の送給量は調節弁Ｖ１７又は糖化残渣排出ラインＬ１７の調節弁Ｖ１７よりも後流側に設けた送給ポンプのポンプ周波数により調整してもよい。また、糖化残渣２８は固形状のものであることが多いため、排出方法は配管やポンプではなく、ベルトコンベアーなどのような固形物移送方法でもよい。より好ましくは固液分離装置１２がフィルタプレス、ニューマプレス（Ｐｎｅｕｍａｐｒｅｓｓ、登録商標）などの場合はろ布が移動したり、ろ布が動いたり、ろ布上にスクレーパーが移動することで残渣を払い出した後、前記ベルトコンベアーなどで移送することが好ましい。

このように、本実施形態に係る糖液製造装置１０Ａ−１によれば、糖化酵素１５を効率的に回収しつつ、糖液２２を低コストで効率良く製造することができる。

すなわち、従来の技術では、糖化酵素１５の大部分が固液分離装置１２中の固形分に吸着して回収して再利用できなかったため、セルロース含有バイオマスから糖液２２を製造する際に、装置の運転に要するコストを十分低減することはできず、糖液２２を効率良く低コストで製造することはできなかった。これに対し、本実施形態に係る糖液製造装置１０Ａ−１によれば、酵素回収液２４を固液分離装置１２と酵素回収液槽１３との間を複数回又は長時間循環させて使用し、濃縮された糖化酵素１５を含む酵素回収液２４を糖化槽１１に送給することにより、糖化酵素１５の回収率を向上させることができると共に、生成された糖液２２を後段側で膜処理等して糖液２２に含まれる糖化酵素１５を濃縮するなどの処理が必要なくなる。そのため、セルロース含有バイオマスを糖化処理する際に、高価である糖化酵素１５の回収率を大幅に向上させて低コストで糖液２２を製造することが可能になり、糖液２２を製造するために要する設備費用を削減することができる。
また、固液分離装置１２中の固形分に温水２５を供給することで、固液分離装置１２中の固形分に吸着している糖化酵素１５が固形分と糖化反応して、糖液２２を得ることができるため、糖収率を高めることができる。
また、本実施形態に係る糖液製造装置１０Ａ−１は、固液分離装置１２中の固形分に吸着している糖化酵素１５を酵素回収液２４に回収し、酵素回収液２４を固液分離装置１２と酵素回収液槽１３との間を循環して使用しているため、酵素回収液２４の使用量を大幅に低減することができる。
また、酵素回収液２４に固液分離装置１２中の固形分に吸着している糖化酵素１５を更に濃縮する場合には、酵素回収液２４を固液分離装置１２と酵素回収液槽１３との間で更に長時間循環させるだけで、糖化酵素１５の濃縮に要するエネルギーを必要とすることなく、酵素回収液２４に糖化酵素１５を更に濃縮させることができる。
さらに、酵素回収液２４には酵素回収薬剤を添加しているが、酵素回収液２４を固液分離装置１２と酵素回収液槽１３との間で循環して使用しているため、新たに添加する酵素回収薬剤の使用量を低減することもできる。

なお、本実施形態においては、固液分離装置１２内の糖液２２、酵素回収液２４は各々糖液抜き出しラインＬ１１、酵素回収液回収ラインＬ１３から排出するようにしているが、本実施形態はこれに限定されるものではない。例えば、図２に示すように、酵素回収液回収ラインＬ１３は糖液抜き出しラインＬ１１と共有し、酵素回収液回収ラインＬ２１を糖液抜き出しラインＬ１１から分岐して酵素回収液槽１３と連結するようにしていてもよい。このとき、糖液抜き出しラインＬ１１には三方弁２９を設ける。これにより、固液分離装置１２内の酵素回収液２４を糖液抜き出しラインＬ１１から抜き出して酵素回収液回収ラインＬ２１から酵素回収液槽１３に送給する。

また、本実施形態においては、温水２５は固液分離装置１２に温水供給ラインＬ１６を介して直接供給するようにしているが、本実施形態はこれに限定されるものではなく、図２に示すように、酵素回収液槽１３に温水２５を供給して、温水２５を酵素回収液２４と共に、固液分離装置１２に送給するようにしてもよい。また糖化槽１１から糖化液送給ラインＬ１５を経由して温水２５を供給してもよい。

本実施形態においては、糖液抜き出しラインＬ１１、温水供給ラインＬ１６及び酵素回収液供給ラインＬ１２の少なくとも１つ以上は共用するようにしてもよい。本実施形態においては、固液分離装置１２はフィルタプレスであるため、フィルタプレスの構成上、液体の供給口、排出口の数が限られる場合がある。そこで、糖液抜き出しラインＬ１１、温水供給ラインＬ１６及び酵素回収液供給ラインＬ１２の少なくとも１つ以上を共用することで、フィルタプレスのように固液分離装置１２の構成上、液体の供給口、排出口の数が限られるような場合でも固液分離装置１２として用いる装置構成に応じて対応して糖化液１６の固液分離を効率よく行うことができる。

本実施形態においては、酵素回収液供給ラインＬ１２、温水供給ラインＬ１６は固液分離装置１２に各々別個に連結するようにしているが、本実施形態はこれに限定されるものではない。すなわち、酵素回収液供給ラインＬ１２、温水供給ラインＬ１６は糖化液送給ラインＬ１５と一部共用し、温水２５や酵素回収液２４は、糖化槽１１側から固液分離装置１２に供給してもよい。また、酵素回収液供給ラインＬ１２、温水供給ラインＬ１６は、糖液抜き出しラインＬ１１側と一部共用し、温水２５や酵素回収液２４は、糖液抜き出しラインＬ１１側から固液分離装置１２に供給するようにしてもよい。

本実施形態においては、糖化液１６を固液分離装置１２に供給して糖液２２を抜き出した後、温水２５を固液分離装置１２に供給して固液分離装置１２中の固形分を固形分に吸着している糖化酵素１５と反応させて糖液２２を製造し、固形分から糖含有量を減らした後、酵素回収液２４を添加して固形分に吸着している酵素を回収すると共に、固形分に含まれる糖含有量を更に減らした後、糖化残渣２８として排出するようにしている。固液分離装置１２への糖化液１６及び温水２５の供給、糖液２２の抜き出し、酵素回収液２４の供給及び循環などの順序は特に限定されるものではなく、適宜調整するようにする。例えば、酵素回収液２４に塩などを使用し、固液分離装置１２中の固形分を燃焼させる場合には、ボイラーの腐食を抑えるため酵素回収液２４の添加後に、温水２５を供給して固液分離装置１２中の固形分から塩を洗浄除去するようにしてもよい。

［第２の実施形態］
本発明の第２の実施形態に係る糖液製造装置について、図面を参照して説明する。本実施形態に係る糖液製造装置の構成は、上述の図１に示す本発明による第１の実施形態に係る糖液製造装置の構成と同様であるため、第１の実施形態に係る糖液製造装置と同一の部材には同一の符号を付してその説明は省略する。

図３は、本発明の第２の実施形態に係る糖液製造装置を示す概念図である。図３に示すように、本実施形態に係る糖液製造装置１０Ｂは、糖液抜き出しラインＬ１１に調整弁３１を有するものである。また、糖液抜き出しラインＬ１１には糖液抜き出しラインＬ１１と酵素回収液回収ラインＬ２１とを接続する三方弁２９Ａが設けられ、糖液抜き出しラインＬ１１と濁り液返送ラインＬ３１とを接続する三方弁２９Ｂが設けられている。調整弁３１は糖液抜き出しラインＬ１１の固液分離装置１２と三方弁２９Ａとの間に設けられ、温水２５と固液分離装置１２中の固形分との混合時間を調整する。

糖液抜き出しラインＬ１１に調整弁３１を設けることで、温水２５又は酵素回収液２４と固液分離装置１２中の固形分との混合時間を調整することができるため、温水２５を固液分離装置１２に供給して固形分に吸着している糖化酵素１５と固形分が反応して糖液２２の生成速度が最も速くなるように調整することで、糖液２２の生成効率を向上させることができる。また、酵素回収液２４と固形分に吸着している糖化酵素１５とを接触させて糖化酵素１５の回収効率を向上させることができる。

本実施形態に係る糖液製造装置１０Ｂは、糖液抜き出しラインＬ１１から分岐して糖化槽１１に連結する濁り液返送ラインＬ３１を有する。これにより、固液分離装置１２で糖化液１６から固形を分離処理する際に、初期にろ布にケーク層が形成されるまでの間、微粒子成分がケーク層に捕捉されず出てくる虞があるろ液（例えば１０ＮＴＵ以上の濁質性の高いろ液）を濁り液返送ラインＬ３１を介して糖化槽１１に戻すことができる。このため、糖液２２の濁度を小さい値で保つことができ、例えば糖液２２の製造、発酵後に糖化残渣２８を分離したり廃液処理をする際に濁質に起因した配管の閉塞やストレーナなどのろ過機の目詰まりといった運転トラブルが生じるのを低減することができる。

また、本実施形態に係る糖液製造装置１０Ｂの後段側には糖液２２に含まれる不純物を除去等するための膜処理装置などが設けられるが、こうした膜処理装置に備えられる膜の目詰まり、膜ろ過速度の低下などが生じるのを低減することができると共に、余分な設備費、保守費、消耗品費を削減することができる。

［第３の実施形態］
本発明の第３の実施形態に係る糖液製造装置について、図面を参照して説明する。本実施形態に係る糖液製造装置の構成は、上述の図１〜図３に示す本発明による第１、２の実施形態に係る糖液製造装置の構成と同様であるため、第１、２の実施形態に係る糖液製造装置と同一の部材には同一の符号を付してその説明は省略する。

図４は、本発明の第３の実施形態に係る糖液製造装置を示す概念図である。図４に示すように、本実施形態に係る糖液製造装置１０Ｃ−１は、温水供給槽２６と、固液分離装置１２中の固形分を洗浄した温水２５を温水供給槽２６に送給するための温水返送ラインＬ４１とを有するものである。なお、温水返送ラインＬ４１には調節弁Ｖ２１が設けられ、温水２５の送給量は調節弁Ｖ２１又は温水返送ラインＬ４１の調節弁Ｖ２１よりも後流側に設けた送給ポンプの周波数により調整される。

温水返送ラインＬ４１を設けることにより、固液分離装置１２で使用される温水２５を温水供給槽２６に送給することができるため、固液分離装置１２で使用される温水２５を温水返送ラインＬ４１を介して循環して再利用することにより温水２５の使用量を低減することができる。

また、本実施形態においては、循環使用した温水２５は最終的に固液分離装置１２中の固形分を通過して糖液抜き出しラインＬ１１から糖液２２として全量を抜き出してもよいし、温水２５を固液分離装置１２と温水供給槽２６との間を循環させた後、糖液抜き出しラインＬ１１とは異なるラインから糖液２２として抜き出してもよい。

本実施形態においては、酵素回収液供給ラインＬ１２、酵素回収液回収ラインＬ１３、温水供給ラインＬ１６および温水返送ラインＬ４１を各々別々に固液分離装置１２と連結して設けているが、本実施形態はこれに限定されるものではなく、これらの少なくとも１つを共用してもよい。また、糖液抜き出しラインＬ１１と酵素回収液回収ラインＬ１３と温水返送ラインＬ４１とが一部共用されて途中で分岐する構成であってもよい。例えば、図５に示す本実施形態に係る糖液製造装置１０Ｃ−２のように、温水供給ラインＬ１６に酵素回収液供給ラインＬ１２を連結して温水２５と酵素回収液２４の固液分離装置１２への送給を共用し、酵素回収液回収ラインＬ２１に温水返送ラインＬ４１を連結して温水２５と酵素回収液２４の酵素回収液槽１３、温水供給槽２６への送給を一部共用するようにしてもよい。

このとき、酵素回収液供給ラインＬ１２、温水供給ラインＬ１６には調節弁Ｖ３１、Ｖ３２を設けてもよく、温水２５、酵素回収液２４の送給量は調節弁Ｖ３１、Ｖ３２又は酵素回収液供給ラインＬ１２、温水供給ラインＬ１６の調節弁Ｖ３１、Ｖ３２よりも後流側に設けられる送給ポンプのポンプ周波数により調整される。温水返送ラインＬ４１には三方弁３２が設けられ、酵素回収液回収ラインＬ２１、温水返送ラインＬ４１への温水２５、酵素回収液２４の送給の切替えは三方弁３２により調整される。

［第４の実施形態］
本発明の第４の実施形態に係る糖液製造装置について、図面を参照して説明する。本実施形態に係る糖液製造装置の構成は、上述の図１〜図５に示す本発明による第１〜第３の実施形態に係る糖液製造装置の構成と同様であるため、第１〜第３の実施形態に係る糖液製造装置と同一の部材には同一の符号を付してその説明は省略する。

図６は、本発明の第４の実施形態に係る糖液製造装置を示す概念図である。図６に示すように、本実施形態に係る糖液製造装置１０Ｄは、酵素回収液返還ラインＬ１４に酵素回収液２４を除菌するための除菌装置４１を有する。

長時間の糖化液１６や温水２５の糖化反応や糖化液１６の固形分の固液分離中に固液分離装置１２内に雑菌が繁殖し、酵素回収液２４中に含まれる可能性がある。そこで、こうした雑菌を除去するために酵素回収液返還ラインＬ１４に除菌装置４１を設け、糖化槽１１に酵素回収液２４を送給する前に酵素回収液２４中の雑菌を予め除去しておくことで、雑菌由来の有機酸やアルコールといった物質が糖化槽１１に混入するのを抑制することができる。この結果、安定した品質の糖液２２を製造することができる。

除菌装置４１の構成は特に限定されず、例えば、瞬間的に加熱する火入れ設備、低ｐＨや高ｐＨにする殺菌設備、ＵＶ照射殺菌設備、精密ろ過膜や限外ろ過膜といった膜を備えたろ過設備などが挙げられる。特に、糖化酵素１５の活性を低下させないという観点から、精密ろ過膜や限外ろ過膜などの膜を備えたろ過設備でろ過して得られたろ液を使用することが好ましい。

限外ろ過膜を使用する場合、非透過側で糖化酵素１５が除去されないようにするため、分画分子量１０００００以上の膜であることが好ましく、デッドエンド型の膜ろ過装置がより好ましい。

よって、本実施形態に係る糖液製造装置１０Ｄによれば、糖化槽１１に酵素回収液２４を送給する前に除菌装置４１で酵素回収液２４中の雑菌を予め除去しておくことで、雑菌由来の有機酸やアルコールといった物質が糖化槽１１に混入するのを抑制することができ、安定した品質の糖液２２を提供することができる。

［第５の実施形態］
本発明の第５の実施形態に係る糖液製造装置について、図面を参照して説明する。本実施形態に係る糖液製造装置の構成は、上述の図１〜図６に示す本発明による第１〜第４の実施形態に係る糖液製造装置の構成と同様であるため、第１〜第４の実施形態に係る糖液製造装置と同一の部材には同一の符号を付してその説明は省略する。

図７は、本発明の第５の実施形態に係る糖液製造装置を示す概念図である。図７に示すように、本実施形態に係る糖液製造装置１０Ｅは、酵素回収液返還ラインＬ１４に酵素回収液２４に含まれている糖化酵素１５を精製するための酵素精製装置４２を有するものである。

酵素回収液２４には、例えば糖化酵素１５を効率的に回収するため、上記のように、添加薬剤である界面活性剤、アミノ酸、無機塩、親水性有機溶媒などが使用されている。特に界面活性剤、無機塩、親水性有機溶媒などが高濃度で酵素回収液２４に含まれる場合には、糖液２２を発酵する過程において発酵効率を低下させる原因にもなりうる。本実施形態に係る糖液製造装置１０Ｅは、酵素回収液返還ラインＬ１４に酵素精製装置４２を設けているため、酵素精製装置４２によって予め発酵効率を低下させる化合物を除去または低減させてから糖化槽１１に供給すると共に、透過液は排水４３または再利用水として使用することができる。

酵素精製装置４２としては、例えば限外ろ過膜、高分子吸着剤、電気透析などを備えた装置が挙げられる。これらの中でも限外ろ過膜を備えた装置を用いることが好ましい。分画分子量４００００以下の限外ろ過膜でろ過することによって、無機塩、親水性有機溶媒、低分子の界面活性剤は透過液側に同伴して排水４３として排出され、糖化酵素１５は濃縮して糖化槽１１に供給することができる。無機塩、親水性有機溶媒、低分子の界面活性剤によって後段の糖液を利用した発酵を阻害する可能性があるため、酵素精製装置４２を具備する事によって糖液の製造ラインへの無機塩、親水性有機溶媒、低分子の界面活性剤の混入量を除去または低減する効果を持つ。さらに酵素精製装置４２によって排水４３として除去された無機塩、親水性有機溶媒、低分子の界面活性剤を酵素回収剤２７として再利用することがより好ましい。再利用する事により酵素の回収コストが削減できるからである。

また、排水４３は、再利用水として酵素回収剤２７として利用する他に、水１８や温水２５などとして利用するようにしてもよい。

このように、本実施形態に係る糖液製造装置１０Ｅによれば、酵素精製装置４２において非透過側に濃縮された糖化酵素１５だけを含む酵素回収液２４を糖化槽１１に供給し、酵素回収液槽１３で回収した糖化酵素１５を糖化反応に再利用することができると共に、固液分離装置１２で生成された糖液２２を発酵する際に発酵効率が低下するのを抑制することができる。

また、本実施形態においては、酵素回収液返還ラインＬ１４に酵素精製装置４２のみを設けるようにしているが、本実施形態はこれに限定されるものではなく、酵素回収液返還ラインＬ１４に除菌装置４１と酵素精製装置４２との両方を備えるようにしてもよい。

［第６の実施形態］
本発明の第６の実施形態に係る糖液製造システムについて、図面を参照して説明する。本実施形態に係る糖液製造システムは、上記の本発明の第１の実施形態に係る糖液製造装置を適用した糖液製造システムである。本実施形態に係る糖液製造システムが備える糖液製造装置の構成は、上述の図１に示す本発明による第１の実施形態に係る糖液製造装置の構成と同様であるため、第１の実施形態に係る糖液製造装置と同一の部材には同一の符号を付してその説明は省略する。

図８は、本発明の第６の実施形態に係る糖液製造システムを示す概念図である。図８に示すように、本実施形態に係る糖液製造システム５０Ａは、糖液製造装置１０Ａ−１と、糖液抜き出しラインＬ１１から得られた糖液である糖水溶液５１から異物や糖化酵素を除去するための精密ろ過膜および／または限外ろ過膜５２を含む第１の膜装置５３と、糖を濃縮するためのナノろ過膜および／または逆浸透膜５４を含む第２の膜装置５５を有するものである。

固液分離装置１２から排出された糖水溶液５１は糖液抜き出しラインＬ１１を経由した後、第１の膜装置５３に送給される。糖水溶液５１は第１の膜装置５３内の精密ろ過膜および／または限外ろ過膜５２で糖水溶液５１に含まれる固形分等が除去される。

精密ろ過膜および／または限外ろ過膜５２は、限外ろ過膜であることが好ましい。限外ろ過膜を使用することで、糖水溶液５１中の糖化酵素を濃縮することができる。

精密ろ過膜および／または限外ろ過膜５２はろ過方式、より好ましくはフィルタプレスによりろ過した液であれば清澄性が高いためデッドエンドろ過方式が好ましい。また、糖液２２の清澄性が低い５０ＮＴＵ以上の糖液である場合には、クロスフローろ過方式でろ過を行うことが好ましい。デッドエンドろ過方式で糖水溶液５１をろ過した場合には、膜が容易に目詰まりしてろ過速度が低下するからである。

また、第１の膜装置５３は、定期的に水および／または薬剤で順洗および／又は逆洗を行い、長期間、安定して運転できるようにすることが好ましい。

精密ろ過膜および／または限外ろ過膜５２でろ過された糖水溶液５１は、糖液送給ラインＬ５１を介して第２の膜装置５５に送給される。ろ過された糖水溶液５１は第２の膜装置５５内のナノろ過膜および／または逆浸透膜５４によりろ過された糖水溶液５１内の糖が濃縮されると共に、ろ過された糖水溶液５１に残留する酵素回収液２４の添加剤等が除去される。なお、糖液送給ラインＬ５１には調節弁Ｖ４１を設けてもよく、ろ過された糖水溶液５１の送給量は調節弁Ｖ４１および糖液送給ラインＬ５１の調節弁Ｖ４１よりも後流側に設けた高圧ポンプにより調整される。

逆浸透膜を用いる場合、逆浸透膜としては操作圧が低く、塩透過率の比較的高い超低圧型の逆浸透膜などを用いることが好ましい。

ナノろ過膜を用いる場合、ナノろ過膜は２価のイオンの透過を妨げる働きを有していることから、１価を含む無機塩を使用した場合、１価のイオンを透過側に通過させて糖液の発酵を阻害する添加物の含有量を低下させることができる。

よって、ナノろ過膜および／または逆浸透膜５４として、ナノろ過膜や逆浸透膜を用いることによって、分子量３００以下程度の界面活性剤、アミノ酸、親水性有機溶媒などを透過側に除去することができ、糖水溶液５１に含まれる発酵を阻害する物質を除去することができる。

ナノろ過膜および／または逆浸透膜５４に送給され、ろ過された糖水溶液５１は濃縮糖液５６として排出され、濃縮糖液送給ラインＬ４２を介して回収される。また、ナノろ過膜および／または逆浸透膜５４を透過したろ液は排水５７としてろ液送給ラインＬ４３を介して回収される。なお、濃縮糖液送給ラインＬ４２、ろ液送給ラインＬ４３には調節弁Ｖ４２、Ｖ４３を設けてもよく、濃縮糖液５６、排水５７の送給量は調節弁Ｖ４２、Ｖ４３又は濃縮糖液送給ラインＬ４２、ろ液送給ラインＬ４３の調節弁Ｖ４２、Ｖ４３よりも後流側に設けた高圧ポンプにより調整される。また、本実施形態においては、調節弁Ｖ４２、Ｖ４３の両方を設けているが、本実施形態はこれに限定されるものではなく、調節弁Ｖ４３は場合により設けなくてもよい。

また、排水５７は、再利用水として、水１８や温水２５などとして利用するようにしてもよい。

また、排水５７の中に酵素回収液２４の酵素回収薬剤などが含まれている場合には、さらに逆浸透膜を用いて膜処理を行うなどして排水５７を処理するようにしてもよい。

よって、本実施形態に係る糖液製造システム５０Ａによれば、糖液抜き出しラインＬ１１から得られた糖水溶液５１に含まれる異物を精密ろ過膜および／または限外ろ過膜５２と、ナノろ過膜および／または逆浸透膜５４とで、糖水溶液５１に残留する酵素回収液２４の添加剤等を除去すると共に糖濃度を濃縮することができるため、濃縮糖液５６に発酵を阻害する添加剤等が含まれるのを低減することができる。この結果、低コストかつ高収率で高品位の濃縮糖液５６を製造することが可能になる。

このように、固液分離装置１２で糖化液１６から糖液２２を生成した後、糖化酵素１５を回収するために酵素回収液２４を使用した際、酵素回収液２４が糖液２２の発酵を阻害するが糖化酵素１５の回収率の高い特定の薬剤であった場合でも、ナノろ過膜および／または逆浸透膜５４を用いることで、糖水溶液５１に残留する酵素回収液２４の添加剤等を除去することができる。このため、発酵効率が高い濃縮糖液５６を得ることができる。

本実施形態に係る糖液製造システム５０Ａにおいては、精密ろ過膜および／または限外ろ過膜５２を透過せず濃縮された濃縮液は排出または回収しているが、本実施形態はこれに限定されるものではない。

図９は、本実施形態に係る糖液製造システムの構成の他の一例を示す図である。図９に示すように、本実施形態に係る糖液製造システム５０Ｂは、精密ろ過膜および／または限外ろ過膜５２から排出される限外ろ過膜濃縮液５８を酵素回収液槽１３に供給するろ過膜濃縮液送給ラインＬ６１を設けるようにしてもよい。この非透過側に残存する限外ろ過膜濃縮液５８は、ろ過膜濃縮液送給ラインＬ６１から酵素回収槽１３に戻して循環させた後、最終的に酵素回収液返還ラインＬ１４を介して糖化槽１１へ供給することで糖化酵素１５を再利用することができる。なお、ろ過膜濃縮液送給ラインＬ６１には調節弁Ｖ５１が設けられてもよく、限外ろ過膜濃縮液５８の送給量は調節弁Ｖ５１又はろ過膜濃縮液送給ラインＬ６１の調節弁Ｖ５１よりも後流側に設けた送給ポンプのポンプ周波数により調整される。限外ろ過膜濃縮液５８の送液方法は、ポンプによるものである必要はなく、例えば圧縮気体を用いた圧送方式などを用いてもよい。

また、図１０は、本実施形態に係る糖液製造システムの構成の他の一例を示す図である。図１０に示すように、本実施形態に係る糖液製造システム５０Ｃは、精密ろ過膜および／または限外ろ過膜５２から排出される限外ろ過膜濃縮液５８を糖化槽１１に供給するろ過膜濃縮液送給ラインＬ６２を設けるようにしてもよい。この非透過側に残存する限外ろ過膜濃縮液５８をろ過膜濃縮液送給ラインＬ６２を介して糖化槽１１に供給し、再利用する。

すなわち、酵素回収液２４は糖化酵素１５が濃縮された後、酵素回収液供給ラインＬ１２、固液分離装置１２を経由した後、糖液抜き出しラインＬ１１を一旦通過した後、糖液２２と共に精密ろ過膜および／または限外ろ過膜５２に送給される。酵素回収液２４中に残存する糖化酵素１５は精密ろ過膜および／または限外ろ過膜５２を透過せず、濃縮されて留まる。この糖化酵素１５を含む限外ろ過膜濃縮液５８をろ過膜濃縮液送給ラインＬ６２を介して糖化槽１１へ供給することで糖化酵素１５は回収され、再利用することができる。

なお、ろ過膜濃縮液送給ラインＬ６２には調節弁Ｖ５２が設けられ、限外ろ過膜濃縮液５８の送給量は調節弁Ｖ５２又はろ過膜濃縮液送給ラインＬ６２の調節弁Ｖ５２よりも後流側に設けた送給ポンプの周波数により調整される。送給する時間は断続的であってもよく、ろ過膜濃縮液送給ラインＬ６２の調節弁Ｖ５２と糖化槽１１との間に緩衝槽を設けて送給量を調整してもよい。限外ろ過膜濃縮液５８の送液方法は、ポンプによるものである必要はなく、例えば圧縮気体を用いた圧送方式をとってもよい。

図９、図１０に示すような本実施形態に係る糖液製造システム５０Ｂ、５０Ｃによれば、糖水溶液５１に残留する酵素回収液２４の添加剤等を除去すると共に糖濃度を濃縮することができる他に、更に糖液２２に含有されている糖化酵素１５を回収し、再利用することができる。

すなわち、図９、図１０に示すような本実施形態に係る糖液製造システム５０Ｂ、５０Ｃによれば、糖液製造装置１０Ａ−１の固液分離装置１２では酵素回収液２４により固液分離装置１２の固形分に吸着した糖化酵素１５の回収を対象としている。糖化酵素１５の中でも、特に糖化酵素１５のうちのセロビオハイドロダーゼなどの糖化酵素１５はセルロース系バイオマスに吸着して加水分解してセルロース系バイオマスを糖化しているが、固液分離装置１２に温水２５を供給しても固形分に吸着されている糖化酵素１５を固形分と加水分解させても糖液２２側に糖化酵素１５を殆ど得ることはできない。しかし、セルロース系バイオマス中の例えばセルロースを加水分解して水に溶解するオリゴ糖などを分解するβグルコシダーゼなどの一部の糖化酵素１５は水溶性であるため、糖液２２側に溶解していく。そのため、βグルコシダーゼを回収して再利用したい場合には、図９、図１０に示すような本実施形態に係る糖液製造システム５０Ｂ、５０Ｃに示すようなろ過膜濃縮液送給ラインＬ６１、Ｌ６２を設けることで、βグルコシダーゼも回収して再利用することができる。

なお、本実施形態においては、糖液製造装置として、本発明の第１の実施形態に係る糖液製造装置１０Ａ−１を用いているが本実施形態はこれに限定されるものではなく、発明の第２〜第５の実施形態に係る糖液製造装置１０Ｂ〜１０Ｅを用いてもよい。

１０Ａ−１〜１０Ｅ 糖液の製造装置（糖液製造装置）
１１ 糖化槽
１２ 固液分離装置
１３ 酵素回収液槽
１４ 温水供給手段
１５ 糖化酵素
１６ 糖化液（固形分含有）
１７ 前処理バイオマス
１８ 水
１９ 攪拌機
２０ 駆動装置
２２ 糖液
２４ 酵素回収液
２５ 温水
２６ 温水供給槽
２７ 酵素回収剤
２８ 糖化残渣
２９、２９Ａ、２９Ｂ、３２ 三方弁
３１ 調整弁
４１ 除菌装置
４２ 酵素精製装置
４３、５７ 排水
５０Ａ〜５０Ｃ 糖液製造システム
５１ 糖水溶液
５２ 精密ろ過膜および／または限外ろ過膜
５３ 第１の膜装置
５４ ナノろ過膜および／または逆浸透膜
５５ 第２の膜装置
５６ 濃縮糖液
５８ 限外ろ過膜濃縮液
Ｌ１１ 糖液抜き出しライン
Ｌ１２ 酵素回収液供給ライン
Ｌ１３、Ｌ２１ 酵素回収液回収ライン
Ｌ１４ 酵素回収液返還ライン
Ｌ１５ 糖化液送給ライン
Ｌ１６ 温水供給ライン
Ｌ１７ 糖化残渣排出ライン
Ｌ３１ 濁り液返送ライン
Ｌ４１ 温水返送ライン
Ｌ４２ 濃縮糖液送給ライン
Ｌ４３ ろ液送給ライン
Ｌ５１ 糖液送給ライン
Ｌ６１、Ｌ６２ ろ過膜濃縮液送給ライン
Ｖ１１〜Ｖ１７、Ｖ２１、Ｖ３１、Ｖ３２、Ｖ４１〜Ｖ４３、Ｖ５１、Ｖ５２ 調節弁

Claims (9)

1. セルロース含有バイオマスと糖化酵素とを反応させ、固形分を含む糖化液を得る糖化槽と、
   前記糖化液から前記固形分を分離して糖液を得る固液分離装置と、
   前記固液分離装置で前記糖化液から分離した前記固形分に吸着している糖化酵素を回収する酵素回収液を貯蔵する酵素回収液槽と、
   前記固液分離装置から前記糖液を抜き出すための糖液抜き出しラインと、
   前記固液分離装置に温水を供給し、前記固液分離装置で前記糖化液から分離した前記固形分に吸着している糖化酵素で前記固形分を加水分解して糖液にするための温水供給手段と、
   前記酵素回収液槽から前記固液分離装置に前記酵素回収液を供給する酵素回収液供給ラインと、
   前記固液分離装置内の前記固形分中の糖化酵素を回収した酵素回収液を前記酵素回収液槽に送給する酵素回収液回収ラインと、
   前記酵素回収液槽内の前記酵素回収液を前記糖化槽に返送する酵素回収液返還ラインと、
   を有することを特徴とする糖液の製造装置。
2. 前記固液分離装置がフィルタプレスであることを特徴とする請求項１に記載の糖液の製造装置。
3. 前記酵素回収液回収ラインが前記糖液抜き出しラインから分岐して前記酵素回収液槽と連結されることを特徴とする請求項１又は２に記載の糖液の製造装置。
4. 前記糖液抜き出しラインの前記酵素回収液回収ラインとの分岐点より前記固液分離装置側に調整弁を設けることを特徴とする請求項３に記載の糖液の製造装置。
5. 前記温水供給手段は前記固液分離装置に供給される温水を貯留するための温水供給槽を有し、
   前記固液分離装置に送給した前記温水を前記温水供給槽に返送する温水返送ラインを有することを特徴とする請求項１から４の何れか１つに記載の糖液の製造装置。
6. 前記酵素回収液返還ラインに除菌装置を設けることを特徴とする請求項１から５の何れか１つに記載の糖液の製造装置。
7. 前記除菌装置が精密ろ過膜を含むことを特徴とする請求項６に記載の糖液の製造装置。
8. 前記酵素回収液返還ラインに酵素精製装置を設けることを特徴とする請求項１から７の何れか１つに記載の糖液の製造装置。
9. 請求項１から８の何れか１つに記載の糖液の製造装置と、
   前記糖液の製造装置で得られた糖液である糖水溶液に含まれる異物を除去するための精密ろ過膜および／または限外ろ過膜と、
   前記糖水溶液の糖を濃縮するためのナノろ過膜および／または逆浸透膜と、
   を有することを特徴とする糖液の製造システム。

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