JPWO2012004895A1 - バイオマスの処理システム及びバイオマス原料を用いた糖液生産方法 - Google Patents

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Abstract

気液界面１３ａを有する処理槽である装置本体１３において、バイオマス原料１１からセルロース、ヘミセルロース及びリグニンを高温・高圧条件下で分解処理してリグニン成分及びヘミセルロース成分を除去するバイオマス処理装置である水熱分解装置１７と、前記水熱分解装置１７で処理されたバイオマス固形分（熱水不可溶分）２０を抜出するバイオマス固形分抜出部１８と、前記バイオマス固形分抜出部１８と連通すると共に、内部に水１９を注入し、抜出したバイオマス固形分２０をスラリー化するスラリー化槽２１とを有する。

Description

本発明は、バイオマス原料を効率よく分解することができるバイオマスの処理システム、バイオマス原料を用いた糖液生産方法及びアルコール製造方法に関する。
従来、希硫酸、濃硫酸による木材等のバイオマスの糖化処理後、固液分離し、液相を中和処理し、エタノール発酵等の原料として利用するエタノール等の製造技術が実用化されている（特許文献１、特許文献２）。
また、糖を出発原料として、化学工業原料生産（例えば乳酸発酵等）も考えられる。
ここで、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）。
ここで、現在アルコール原料として用いられているサトウキビ、トウモロコシ等は本来食用に供されるものであるが、これらの食用資源を長期的、安定的に工業用利用資源とすることは、有効食料品のライフサイクルの観点から、好ましくない。
このため、将来的に有用な資源と考えられる草本系バイオマスや木質系バイオマスのようなセルロース系資源を有効活用するのは、重要な課題である。
また、セルロース系資源では、セルロースは３８〜５０％、ヘミセルロース成分が２３〜３２％と様々で、発酵原料にならないリグニン成分も１５〜２２％とそれぞれ異なっている。多くの課題を抱えたままの工業化研究のため、原料は固定的に想定されており、原料の汎用性を考慮した生産システムの技術の開示は未だないのが現状である。
さらに、元来、澱粉原料に較べて発酵原料に不利な方法で、ごみ問題、地球温暖化防止対応などを目標に考えるのであるから、原料を固定的に考えた生産システムでは意味が薄れる。広く一般の廃棄物に適用できなければならない。酵素糖化法そのものも、効率が悪すぎて、将来課題とされているのが現状である。酸処理による糖化率も、過剰反応による糖の過分解などで、およそ７５％（糖化可能成分基準）前後とかなり小さい値となっている。従って、セルロース系資源に対して、エタノール生産収率はおよそ２５％に止まっている（非特許文献１、特許文献３）。
なお、特許文献１乃至３の従来の技術では、副反応生成物が酵素糖化阻害を引起し糖収率が減少する現象が起きていたので、酵素糖化阻害物質を除去し、セルロース主体による酵素糖化性を高める水熱分解装置の提案を先にした（特許文献４及び５）。
特表平９−５０７３８６号公報 特表平１１−５０６９３４号公報 特開２００５−１６８３３５号公報 特開２００９−１８３８０５号公報 特開２００９−１８３１５４号公報
日経バイオビジネス、ｐ．５２、2002年9月
前述した特許文献４及び５における水熱分解装置の提案では、内部温度が１８０〜２４０℃の高温状態であると共に、その各温度における水の飽和蒸気に対して、更に０．１から０．４ＭＰａ高い圧力を加えているので、その反応後に、加圧状態から常圧状態にバイオマス固形物をそのまま抜き出す際に、加圧気体である例えば窒素の流出が発生するという、問題がある。
また、水熱分解装置における加圧熱水と、加圧気体との気液界面から抜き出される水熱分解物は、高温・高圧状態であるので、反応が進行し、バイオマス固形物に同伴される熱水に可溶化された後の熱水可溶化ヘミセルロースや熱水不溶分のセルロースの高温（１８０〜２４０℃）の温度域で過分解が生じる、という問題がある。また、水熱分解処理に限らず、アルカリ・酸を添加して、高温・高圧化状態で分解処理を行うアルカリ処理分解、酸処理分解も同様な現象が生じる。
このような、ヘミセルロースやセルロースの過分解は、糖液の原料割合が低下するので、これらの過分解を抑制して、プラント運転効率の向上を図ることが切望されている。
本発明は、前記課題に鑑み、バイオマス原料を高温・高圧状態で分解処理した後に、バイオマス固形物を抜き出す際に、加圧気体の流出を防止することができるとともに、バイオマス原料中のセルロースやヘミセルロースの過分解を抑制して、効率よく有価物を得るバイオマスの処理システム、バイオマス原料を用いた糖液生産方法及びアルコール製造方法を提供する。
上述した課題を解決するための本発明の第１の発明は、気液界面を有する処理槽により、セルロース、ヘミセルロース及びリグニンを有するバイオマス原料を高温・高圧条件下で分解処理してリグニン成分及びヘミセルロース成分を除去するバイオマス処理部と、前記バイオマス処理部で処理されたバイオマス固形分を抜出するバイオマス固形分抜出部と、前記バイオマス固形分抜出部と連通すると共に、内部に水を注入し、抜き出したバイオマス固形分をスラリー化するスラリー化槽とを有することを特徴とするバイオマスの処理システムにある。
第２の発明は、第１の発明において、前記バイオマス処理部が、水熱分解処理部、アルカリ分解処理部、酸分解処理部のいずれか一つであることを特徴とするバイオマスの処理システムにある。
第３の発明は、第１又は２の発明において、前記スラリー化槽の後流側に設けられ、スラリー状バイオマス固形分から水を除去する第１の固液分離装置を有することを特徴とするバイオマスの処理システムにある。
第４の発明は、第３の発明において、前記第１の固液分離装置から分離した水をスラリー化槽に戻す第１の戻しラインを有することを特徴とするバイオマスの処理システムにある。
第５の発明は、第４の発明において、前記第１の戻しラインに、第１の固液分離装置から分離した水を生物処理する生物処理槽を有し、生物処理した水を、スラリー化槽に戻すことを特徴とするバイオマスの処理システムにある。
第６の発明は、第３乃至５のいずれか一つの発明において、前記第１の固液分離装置で分離されたバイオマス固形分を糖化する第１の糖化槽を有することを特徴とするバイオマスの処理システムにある。
第７の発明は、第６の発明において、前記第１の固液分離装置で分離されたバイオマス固形分に酵素を添加して酵素液化する酵素液化槽を設け、前記第１の糖化槽で酵素液化物を酵素により糖化することを特徴とするバイオマスの処理システムにある。
第８の発明は、第１又は２の発明において、前記スラリー化槽でスラリー化したスラリー状バイオマス固形分を糖化する第２の糖化槽を有することを特徴とするバイオマスの処理システムにある。
第９の発明は、第８の発明において、糖化後の糖液から、固体分を分離する固液分離装置と、固体分離後の糖液から、水を除去する水分分離装置とを有することを特徴とするバイオマスの処理システムにある。
第１０の発明は、第９の発明において、前記水分分離装置から分離した水をスラリー化槽に戻す第２の戻しラインを有することを特徴とするバイオマスの処理システムにある。
第１１の発明は、第１０の発明において、前記第２の戻しラインに生物処理装置を有することを特徴とするバイオマスの処理システムにある。
第１２の発明は、セルロース、ヘミセルロース及びリグニンを有するバイオマス原料を常圧下から加圧下に供給し、前記バイオマス原料をバイオマス処理部により高温・高圧条件下で分解処理し、その後、前記バイオマス処理部から抜出したバイオマス固形分を、内部に水が注入され、前記バイオマス処理部と連通するスラリー化槽に投入し、スラリー状バイオマス固形分とし、次いで、前記スラリー状バイオマス固形分から水を除去し、その後、水が除去されたバイオマス固形分を酵素糖化し、糖液を生産することを特徴とするバイオマス原料を用いた糖液生産方法にある。
第１３の発明は、第１２の発明において、水が除去されたバイオマス固形分を酵素糖化する前流側で、前記バイオマス固形分を酵素液化することを特徴とするバイオマス原料を用いた糖液生産方法にある。
第１４の発明は、セルロース、ヘミセルロース及びリグニンを有するバイオマス原料を常圧下から加圧下に供給し、前記バイオマス原料をバイオマス処理部により高温・高圧条件下で分解処理し、その後、前記バイオマス処理部から抜出したバイオマス固形分を、内部に水が注入され、前記バイオマス処理部と連通するスラリー化槽に投入し、スラリー状バイオマス固形分とし、前記スラリー状バイオマス固形分を酵素糖化して糖液を得た後、固形分を分離し、次いで水を除去することを特徴とするバイオマス原料を用いた糖液生産方法にある。
第１５の発明は、第１２乃至１４のいずれか一つのバイオマス原料を用いた糖液生産方法により得られた糖液を用いてアルコール発酵を行い、アルコールを製造することを特徴とするアルコール製造方法にある。
本発明によれば、内部に水が注入されたスラリー化槽の液体中に、処理したバイオマス固形分を投入させることで、スラリー化状態にしつつ液体シールがなされ、加圧気体の流出を防止することができる。これにより加圧用気体（例えば加圧窒素等）の流出が防止され、ランニングコスト削減を図ることができる。
また、液体中にバイオマス固形分を投入するので、液体による直接熱交換によりバイオマス固形分を冷却することで反応停止を効率良く行うことができ、また、酸やアルカリが希釈されるため、バイオマス固形分に同伴する残留ヘミセルロース、残留リグニン及び主成分セルロースの過分解が抑制される。この結果、反応阻害成分の生成抑制を図ると共に、セルロース分の回収率の向上を図ることができる。
図１は、実施例１に係るバイオマスの処理システムの概略図である。 図２は、実施例２に係るバイオマスの処理システムの概略図である。 図３は、実施例３に係るバイオマスの処理システムの概略図である。 図４は、実施例４に係るバイオマスの処理システムの概略図である。 図５は、実施例５に係るバイオマスの処理システムの概略図である。 図６は、実施例６に係るバイオマスの処理システムの概略図である。 図７は、実施例７に係るバイオマスの処理システムの概略図である。 図８は、実施例８に係るバイオマスの処理システムの概略図である。 図９は、実施例９に係るバイオマスの処理システムの概略図である。 図１０は、バイオマスの熱水による分解の様子を示す図である。
以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施例における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。なお、実施例では、バイオマス原料を処理するバイオマス処理部として水熱分解装置を用いて説明するが、本発明はこの装置に限定されるものではなく、酸やアルカリを添加してバイオマス原料を分解処理するシステムにおいても同様の操作を適用し得る。
本発明に係るバイオマスの処理システムについて、図面を参照して説明する。
図１は、実施例１に係るバイオマスの処理システムの概略図である。
図１に示すように、本実施例に係るバイオマスの処理システム１０Ａは、気液界面１３ａを有する処理槽である装置本体１３において、バイオマス原料１１からセルロース、ヘミセルロース及びリグニンを高温・高圧条件下で分解処理してリグニン成分及びヘミセルロース成分を除去するバイオマス処理部である水熱分解処理部１７と、前記水熱分解処理部１７で処理されたバイオマス固形分（熱水不可溶分）２０を抜出するバイオマス固形分抜出部１８と、前記バイオマス固形分抜出部１８と連通すると共に、内部に水１９を注入し、抜き出したバイオマス固形分２０を投入してスラリー状バイオマス固形分２４とするスラリー化槽２１と、前記スラリー状バイオマス固形分２４を加圧下から常圧下へ排出する排出部２３とを有するものである。
前記水熱分解処理部１７には、セルロース、ヘミセルロース及びリグニンを有するバイオマス原料１１を常圧下から加圧下に供給するバイオマス供給部１２を有している。
そして、水熱分解処理部１７では、供給されたバイオマス原料１１は、下方から装置本体１３の内部にて、搬送手段である第１のスクリュー手段１４により上方へ搬送すると共に、前記バイオマス原料１１の供給箇所と異なる上方の側から加圧熱水（以下、「熱水」ともいう）１５を装置本体１３の内部に供給し、前記バイオマス原料１１と加圧熱水１５とを対向接触させつつ水熱分解し、排出する加圧熱水である熱水排出液１６中に熱水溶解成分（リグニン成分及びヘミセルロース成分）を移行し、前記バイオマス原料１１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いる。
ここで、搬送手段としては、本実施例ではスクリュー手段を例示しているが、バイオマス固形分を下方から上方に搬送することができるものであれば、スクリュー手段に限定されるものではない。
前記スラリー化槽２１に投入される水１９は、加圧用の加圧窒素２５のリークを防止する目的で液体シールをなすためには系内の圧力下において液体状であればよく、バイオマス固形分が含有する水分中に含まれるヘミセルロースの過分解（分解開始温度約１４０℃〜１８０℃）を抑制するためにはスラリー化槽２１の液温を１４０℃以下に冷却するよう、バイオマス固形分２０の温度やスラリー化槽２１の容量に応じて注入する水１９の温度を適宜設定すればよい。水１９は、例えば０℃〜６０℃の範囲内で通常用いられる水（例えばクーリングタワー水やチラー水）などを用いることができ、後述するように系内の水を循環して再利用することもできる。
ここで、図１中、符号１８ａはバイオマス固形分抜出部１８とスラリー化槽２１とを連通する通路、２２はスラリー化槽２１内部を攪拌する撹拌手段、１３ａは水熱分解装置１３の気液界面、２１ａはスラリー化槽２１の気液界面、Ｌ1は抜出しライン、Ｍ1は第１のスクリュー手段１４を駆動するモータ、Ｍ2は撹拌手段２２を駆動するモータを各々図示する。
図１０に示すように、バイオマス（セルロース系原料）原料１０には、セルロース以外にヘミセルロースやリグニンが含まれており、具体的にはセルロースをヘミセルロースが束ね、リグニンが接着している構造を有している。
バイオマスは水熱分解後には、熱水不溶分（固形分）と熱水可溶分とに分けられることとなる。熱水不溶分は主にセルロース（Ｃ６糖の原料）であり、熱水可溶分は主にヘミセルロース（Ｃ５糖の原料）であり、各々酵素により糖化することで糖を得ることができる。
よって、バイオマス原料１１が加圧熱水１５により高温（１８０〜２４０℃）の温度域で水熱分解され、熱水側にヘミセルロースを溶解させると共に、リグニンも分解・溶解させており、その結果熱水側にはヘミセルロース等が溶解されることとなる。
熱水に可溶化された後の熱水可溶化ヘミセルロースの状態では、高温（１８０〜２４０℃）の温度域では過分解が生じる。
このヘミセルロースの過分解は、Ｃ５糖の原料となるヘミセルロースの収率が低下するので、熱水可溶化分のヘミセルロースの過分解を抑制する必要がある。
また、熱水中への過分解物の混入は、後流側設備における酵素による糖化工程及びアルコール発酵等の発酵工程での反応阻害要因となるので、この阻害物の発生を阻止することも必要となる。
図１において、バイオマス固形分抜出部１８には、図示しない第２のスクリュー手段が設けられ、第１のスクリュー手段１４により下方から上方に搬送された熱水不溶分であるバイオマス固形分２０をスラリー化槽２１側へ抜出している。そして、抜出されたバイオマス固形分２０は通路１８ａから液体２１ｂ中に順次落下し、スラリー化槽２１内に設けた攪拌手段２２の攪拌により、スラリー化される。
また、スラリー化槽２１内の液体２１ｂ中に落下されたバイオマス固形分２０が液体２１ｂとの直接熱交換により冷却され、この結果、バイオマス固形分２０に同伴した熱水による残留ヘミセルロース、残留リグニン及び主成分セルロースの過分解が抑制される。
これは、水熱分解処理部１７の気液界面１３ａの上方側のガス雰囲気内では、第１のスクリュー手段１４によりバイオマス固形分２０が熱水液面（気液界面１３ａ）より上に露出される。しかしながら、バイオマス固形分２０に同伴する加圧熱水１５の存在により、高温・高圧状態で未だ反応が進行しているので、バイオマス固形分２０をスラリー化槽２１内の液体２１ｂ中に投入することで、反応停止させることができる。
よって、この反応停止によって、残留ヘミセルロース、残留リグニン及び主成分セルロースの過分解が抑制されることとなり、セルロース分の過分解が抑制されその回収率が向上すると共に、後流側における反応阻害成分の生成が抑制される。
また、スラリー化槽２１内に水１９を注入し、液体２１ｂが存在するため、水熱分解処理部１７の気液界面１３ａと、スラリー化槽２１の気液界面２１ａとにおいて、液封止がなされることとなり、これにより加圧用気体である加圧窒素２５のリークが防止される。これにより、ガスリークに伴うロスがなくなり、加圧用気体にかかるランニングコストの大幅な削減を図ることができる。なお、スラリー化槽２１には図示しない安全弁や加圧窒素２５の流入通路が形成されている。
また、バイオマス固形分２０をスラリー化させることにより、流動化が可能となり、スラリー化槽２１から外部へ排出する際の排出機構が簡易となる。すなわち、バイオマス固形分２０が高温状態のままであると、排出機構の材質も例えば高価な材料を使用する必要があるが、スラリー化槽２１で冷却するので、その排出側に設ける排出部２３の材質を安価なステンレスや樹脂等を使用することができる。この排出部２３としては、例えばロータリーフィーダ、流量調整弁等を用いることができる。
また、バイオマス固形分２０は空隙率が大きく、かさ密度が小さいので、固体のままでの取扱い性が煩雑であったが、スラリー化により減容化を図ることができることとなり、取り扱い性も容易となる。
すなわち、液体２１ｂに添加する前では、バイオマス固形分２０は、いわゆるケーキ状であり、加圧用気体のしめる割合が多く空隙率が大きく、かさ密度が０．５ｇ／ｃｃ以下と小さいものであった。これがスラリー化することで、空隙間が減少し、込み、減容化を図ることとなる。
さらに、バイオマス固形分２０をスラリー化させることにより、流動化が可能となり、その後の工程での取り扱いが容易となる。
特に、糖化処理等においては、酵素反応であるので、所定の温度以下（例えば６０℃以下）に冷却する必要がある。この際、バイオマス固形分２０の状態での冷却はその熱交換効率は良好でないので、大がかりな熱交換手段を必要とするが、スラリー化させることにより、冷却効率が良好となり、大がかりな熱交換手段が不要となる。
また、スラリー化槽２１内を冷却するための間接冷却手段を設けるようにすることもできる。
また、スラリー化槽２１は攪拌手段２２を設けているが、本発明はこれに限定されず、例えばポンプによる循環手段等で攪拌させるようにしてもよい。
ここで、前記水熱分解処理部１７に供給す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）が、本発明では特に木質系の例えば広葉樹、草本系等のセルロース系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。
また、前記バイオマス原料１１としては、粒径は特に限定されるものではないが、５ｍｍ以下に粉砕することが好ましい。
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、例えば粉砕装置を用いて前処理するようにしてもよい。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１１として、例えば籾殻等の場合には、粉砕処理することなく、そのままバイオマス供給部１２に供給することができるものとなる。
また、水熱分解処理部１７における、反応温度は１８０〜２４０℃の範囲とするのが好ましい。さらに好ましくは２００〜２３０℃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℃〜２４０℃の範囲とするのがよい。
反応圧力は、装置本体１３の反応温度（１８０〜２４０℃）の各温度の水の飽和蒸気圧に、更に０．１〜０．５ＭＰａだけ高い圧力を加えることとするのが好ましい。
また、反応時間は２０分以下、３分〜１０分とするのが好ましい。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。
前記常圧下から加圧下に供給するバイオマス供給部１２としては、例えば、スクリュー、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。
また、水熱分解装置は、本実施例では、垂直型の装置としているが、本発明はこれに限定されるものではなく、気液界面１３ａを有する傾斜型の水熱分解装置としてもよい。
ここで、水熱分解装置を傾斜型又は垂直型とするのは、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１５で分解生成物を抽出するので、抽出効率の点において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。
以上のように、本実施例によれば、バイオマス原料からセルロース主体の成分とヘミセルロース成分を固液接触状態で分解処理した後、その分解物であるバイオマス固形分をスラリー化槽の内部に注入した液体中に、投入することで、スラリー化させると共に、液体シールがなされ、加圧気体の流出を防止することができる。これにより加圧用気体（例えば加圧窒素等）の流出が防止され、ランニングコストの大幅な削減を図ることができる。
本実施例では、バイオマスの分解処理を行うバイオマス処理部として、水熱分解装置を用いて説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、例えばアルカリ分解処理バイオマス処理部（例えば水酸化ナトリウム、消石灰やアンモニアの利用による分解等）、酸分解処理バイオマス処理部（希硫酸による分解等）であっても、気液界面を有し、その処理の後のバイオマス固形分２０を固体状態でバイオマス処理部より抜き出す際に、スラリー化槽２１を設置して、その処理したバイオマス固形分をスラリー化させ、排出機構を介して加圧下から常圧へ排出するシステムに適用できる。
次に、本発明に係るバイオマスの処理システムの他の実施例について、図面を参照して説明する。なお、実施例１のバイオマスの処理システムと同一部材については同一符号を付してその説明は省略する。
図２は、実施例２に係るバイオマスの処理システムを示す概略図である。
図２に示すように、バイオマスの処理システム１０Ｂは、実施例１のバイオマスの処理システム１０Ａにおいて、さらにスラリー化槽２１から抜き出されたスラリー状バイオマス固形分２４の抜出しラインＬ1に、第１の固液分離装置３２を設けている。この第１の固液分離装置３２により、反応阻害物質を含む水３４を除去してバイオマス固形分３３としている。この第１の固液分離装置３２で水３４を除去することで、任意の固形分濃度とすることができる。これにより、後流側での糖化反応の基質濃度の調整が可能となる。
すなわち、本実施例によれば、第１の固液分離装置３２において、反応阻害物質を含む水３４をバイオマス固形分３３から分離することで、反応阻害物質を効率的に除去することができ、後流側での反応が良好となる。
次に、本発明に係るバイオマスの処理システムの他の実施例について、図面を参照して説明する。なお、実施例１及び２のバイオマスの処理システムと同一部材については同一符号を付してその説明は省略する。
図３は、実施例３に係るバイオマスの処理システムを示す概略図である。
図３に示すように、バイオマスの処理システム１０Ｃは、実施例２のバイオマスの処理システム１０Ｂにおいて、第１の固液分離装置３２で分離した水３４をスラリー化槽２１に戻す第１の戻しラインＬ2を設けている。
また、第１の戻しラインＬ2には冷却器３５を介装し、所定温度まで冷却した後、スラリー化槽２１に戻すようにしている。
これにより、分離した水３４を再利用することができ、スラリー化槽２１に別途供給する水１９の使用量の低減を図ることができる。
次に、本発明に係るバイオマスの処理システムの他の実施例について、図面を参照して説明する。なお、実施例１乃至３のバイオマスの処理システムと同一部材については同一符号を付してその説明は省略する。
図４は、実施例４に係るバイオマスの処理システムを示す概略図である。
図４に示すように、バイオマスの処理システム１０Ｄは、実施例３のバイオマスの処理システム１０Ｃにおいて、さらに前記第１の戻しラインＬ2に、第１の固液分離装置３２から分離した水３４を生物処理する生物処理槽３６を設け、生物処理した水３４を冷却器３５で冷却した後、スラリー化槽２１に戻すようにしている。
前記分離した水３４は、後流側での反応阻害物質である有機酸（例えばギ酸、酢酸、クエン酸等）を含むので、生物処理槽３６で分解除去され、処理が確実になされ、水１９として再利用の際に、阻害物質が除去されることとなるので、スラリー化槽２１における反応停止の際に、阻害物質の増加がないものとなる。
また、生物処理装置６１として、例えばメタン発酵生物処理装置を用いることにより、メタンを回収し、燃料等に利用が可能となる。
次に、本発明に係るバイオマスの処理システムの他の実施例について、図面を参照して説明する。なお、実施例１乃至４のバイオマスの処理システムと同一部材については同一符号を付してその説明は省略する。
図５は、実施例５に係るバイオマスの処理システムを示す概略図である。
図５に示すように、バイオマスの処理システム１０Ｅは、実施例３のバイオマスの処理システム１０Ｃにおいて、前記第１の固液分離装置３２で分離されたバイオマス固形分３３を酵素４１により糖化する第１の糖化槽４０を有し、バイオマス固形分３３を糖化させて糖液（Ｃ６糖）４２を得るようにしている。図５中、符号４０ａは撹拌手段、Ｍ3は撹拌手段４０ａを駆動するモータを図示する。
本実施例では、第１の固液分離装置３２により、不要な水３４を除去し、バイオマス固形分３３を所望の濃度に濃縮しているので、より高基質濃度で糖化することができ、Ｃ６糖濃度の向上を図ることができる。また、水熱分解処理部１７より同伴され固形分に含まれた水分中には、発酵を阻害する物質等が含まれるが、第１の固液分離装置３２で水３４を除去することで、これらを除去して糖化を行うことができ、結果として糖の品質が向上する。
また、第１の固液分離装置３２を介することにより基質濃度を所望とする任意の濃度に調整することができ、例えば、糖化後の糖濃度を高くしたい場合には、上述の通り第１の固液分離装置３２での水分の除去率を上げてより高い基質濃度で糖化を行えばよく、また、糖化や糖化後の撹拌・移送などを操作性よく行いたい場合や糖化速度を向上させたい場合には、水分の除去率を下げてより低い基質濃度で糖化を行えばよい。
次に、本発明に係るバイオマスの処理システムの他の実施例について、図面を参照して説明する。なお、実施例５のバイオマスの処理システムと同一部材については同一符号を付してその説明は省略する。
図６は、実施例６に係るバイオマスの処理システムを示す概略図である。
図６に示すように、バイオマスの処理システム１０Ｆは、実施例５のバイオマスの処理システム１０Ｅにおいて、前記第１の固液分離装置３２で分離されたバイオマス固形分３３に酵素４１を添加して酵素液化する酵素液化槽４４を設けている。
酵素液化槽４４では、例えばセルラーゼ等の酵素４１によりバイオマス固形分３３の加水分解により、例えばオリゴ糖が生じること等で液化させ、その後酵素液化物４５のオリゴ糖を更に加水分解させることで糖化（単糖化：主にＣ６糖生成）させている。
本実施例では、バイオマス原料を供給して水熱分解処理し、連続的にバイオマス固形分２４を得た後、スラリー化槽２１でスラリー化し、その後第１の固液分離装置３２でバイオマス固形分３３を分離し、酵素４１を添加して、酵素液化槽４４で酵素液化物４５を得ている。その後、酵素液化物４５を別途設けた大型の第１の糖化槽４０に導入して、所定の熟成時間かけてバッチ糖化処理を行い、糖液（Ｃ６糖）４２を得るようにしている。なお、大型の第１の糖化槽４０が所定量になったら、図示しない別の大型の第１の糖化槽４０を用いてバッチ処理を行うようにすればよい。
また、酵素液化槽４４に添加する酵素４１の量は、酵素液化槽４４で操作性よくバイオマス固形分が液化する量であれば足りるが、例えば後流の第１の糖化槽４０で十分な糖化が行える酵素を酵素液化槽４４に添加してもよく、あるいは酵素液化槽４４ではその操作性のみを重視し、液化するに足りるだけの酵素４１を添加し、後流の第１の糖化槽４０で十分な糖化を行うに足りる酵素４１を添加するようにしてもよい。
図中、符号４４ａは撹拌手段、Ｍ4は撹拌手段４４ａを駆動するモータを図示する。
本実施例では、バイオマス固形分３３を一度酵素液化槽４４で液化処理をしているので、例えばポンプの搬送が可能となり、ハンドリング等の作業性が向上する。また、液化により攪拌が容易となるので、第１の糖化槽４０の攪拌手段Ｍ3の攪拌動力も小さくすることができる。さらに、液中での酵素反応となるので、反応速度が大きくなり、大型の第１の糖化槽４０の小型化、省力化に寄与すると共に、酵素使用量の低減を図ることができる。
本実施例では、酵素液化槽４４において得られる酵素液化物４５に対して分離したバイオマス固形分３３を連続的かつ徐々に添加するのが好ましい。すなわち、第１の固液分離装置３２で分離したバイオマス固形分３３は、酵素液化槽４４で液化した状態の酵素液化物中に連続的かつ徐々に添加され、酵素液化槽４４には流動性の低いバイオマス固形分が極力存在しないように調整する。こうすることで酵素液化槽４４での撹拌性や後流の酵素糖化槽への移送性が向上し、操作性のよい設備運転が可能となる。
これに対して、酵素液化槽４４内でバイオマス固形分が多く存在するような酵素液化操作、すなわち多量のバイオマス固形分３３に酵素４１を添加して一部分から徐々に液化を進行させるようにすると、連続運転における生産能力の低下や操作性の低下を誘発することとなる。
このように、本発明によれば、バイオマス原料１１を水熱分解処理部１７に連続して投入した後、酵素糖化槽４４までの工程は、連続して処理することができ、十分な糖化を行うための第１の糖化槽４０の容量や個数を、その上流である酵素液化の生産能力に応じて設計すればよく、設備効率や作業性の大幅な向上を図ることができることとなる。
このように、本発明のバイオマス原料を用いた糖液生産方法は、例えば図５に示すように、セルロース、ヘミセルロース及びリグニンを有するバイオマス原料１１を常圧下から加圧下に供給し、前記バイオマス原料１１を加圧熱水１５により水熱分解処理部１７により水熱分解し、前記加圧熱水１５中にリグニン成分及びヘミセルロース成分を溶解させ、その後、前記水熱分解処理部１７から抜出したバイオマス固形分２０を、内部に水１９が注入され、前記水熱分解処理部１７と連通するスラリー化槽２１に投入し、スラリー状バイオマス固形分２４とし、次いで、前記スラリー状バイオマス固形分２４から水３４を第１の固液分離装置３２により除去し、その後、水が除去されたバイオマス固形分３３を酵素糖化して、糖液４２を効率よく生産することができる。
また、前記バイオマス原料を用いた糖液生産方法において、例えば図６に示すように、酵素糖化する前流側で、先ず酵素液化し、その後酵素液化物４５を用いて酵素糖化させ、糖液４２の生産性を向上させるようにしている。
次に、本発明に係るバイオマスの処理システムの他の実施例について、図面を参照して説明する。なお、実施例１のバイオマスの処理システムと同一部材については同一符号を付してその説明は省略する。
図７は、実施例７に係るバイオマスの処理システムを示す概略図である。
図７に示すように、バイオマスの処理システム１０Ｇは、実施例１のバイオマスの処理システム１０Ａにおいて、主にセルロース成分を含むバイオマス固形分を六炭糖（Ｃ６糖）等に酵素糖化し、糖を濃縮するＣ６糖化・糖濃縮装置５０を有している。
このＣ６糖化・糖濃縮装置５０は、前記スラリー状バイオマス固形分２４を酵素５１により酵素糖化する第２の糖化槽５２、糖化後の糖液５３から、固体分を分離する第２の固液分離装置５４と、第２の固液分離装置５４で分離した糖液５３から水５７を除去して、濃縮糖液５５を得る逆浸透（Ｒｅｖｅｒｓｅ Ｏｓｍｏｓｉｓ：ＲＯ）膜５６ａを備えた水分分離装置５６とを有するものである。
前記第２の固液分離装置５４は、例えばスクリューデカンタ、砂濾過装置、ＭＦ膜等を単独又は組合せて用いることができ、これにより固形物を除去してＲＯ膜５６ａの保護を図るようにしている。さらに、ＲＯ膜５６ａの前段側において、限外濾過膜（Ｕｌｔｒａｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ Ｍｅｍｂｒａｎｅ：ＵＦ膜）を用いることで、ＲＯ膜の保護を図ると共に酵素の回収が可能となり、酵素を再利用することができる。
また、水分分離装置５６には、ルーズＲＯ膜、ナノ濾過膜（Ｎａｎｏｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ Ｍｅｍｂｒａｎｅ：ＮＦ膜）等を用いてもよい。
次に、このＣ６糖化・糖濃縮装置５０の処理工程の手順について説明する。
＜酵素糖化工程＞
先ず、前記糖化槽５２において、スラリー状バイオマス固形分２４が抜出しラインＬ1を介して導入され、酵素５１が添加され、酵素糖化工程における酵素反応による糖化がなされる。
＜固液分離工程＞
次に、糖液５３は第１の糖液タンク６１に貯留され、その後、第２の固液分離装置５４によりリグニン等の固形残液６２が分離され、その後糖液５３は第２の糖液タンク６３に貯留される。
＜糖濃縮工程＞
次に、糖液５３は、ＲＯ膜５６ａを備えた水分分離装置５６により水５７が除去され、濃縮糖液５５を得る。
この濃縮糖液５５は図示しない後工程の発酵処理において、各種有機原料となる。
本実施例では、スラリー状バイオマス固形分２４を用いて糖化しているので、低基質濃度での糖化となり、高速糖化が可能となる。
また、スラリー状であるため、撹拌・移送などを操作性よく行うことができる。
また、低基質濃度での糖化となるので、酵素使用量の削減を図ることができる。
また、各種膜を用いた膜処理により、糖の濃縮を効率よく行うことができる。
また、分離したリグニン等固形残液は、高カロリであるので、燃料用に用いることができる。また、リグニン等固形残液６２は、有機肥料利用や化学原料利用（リグニンの接着剤としての利用等）に用いることができる。
このように、本発明のバイオマス原料を用いた糖液生産方法は、図７に示すように、セルロース、ヘミセルロース及びリグニンを有するバイオマス原料１１を常圧下から加圧下に供給し、前記バイオマス原料１１を加圧熱水１５により水熱分解処理部１７により水熱分解し、前記加圧熱水１５中にリグニン成分及びヘミセルロース成分を溶解させ、その後、前記水熱分解処理部１７から抜出したバイオマス固形分２０を、内部に水１９が注入され、前記水熱分解処理部１７と連通するスラリー化槽２１に投入し、スラリー状バイオマス固形分２４とし、前記スラリー状バイオマス固形分２４を酵素糖化して糖液５３を得た後、固形分を分離し、次いで水を除去することによりバイオマス原料から糖液を効率よく生産することができる。
次に、本発明に係るバイオマスの処理システムの他の実施例について、図面を参照して説明する。なお、実施例７のバイオマスの処理システムと同一部材については同一符号を付してその説明は省略する。
図８は、実施例８に係るバイオマスの処理システムを示す概略図である。
図８に示すように、バイオマスの処理システム１０Ｈは、実施例７のバイオマスの処理システム１０Ｇにおいて、さらに前記水分分離装置５６から分離した水５７をスラリー化槽２１に戻す第２の戻しラインＬ3を有するものである。
また、第２の戻しラインＬ3には冷却器６０を介装し、所定温度まで冷却した後、スラリー化槽２１に戻すようにしている。なお、冷却器６０をスラリー状バイオマス固形分２４の抜出しラインＬ1に介装し、第２の糖化槽５２で所望とされる温度まで冷却してもよく、このような場合にはラインＬ3の冷却器６０を省略することもできる。
これにより、分離した水５７を再利用することができ、スラリー化槽２１に別途供給する水１９の使用量の低減を図ることができる。
次に、本発明に係るバイオマスの処理システムの他の実施例について、図面を参照して説明する。なお、実施例７のバイオマスの処理システムと同一部材については同一符号を付してその説明は省略する。
図９は、実施例９に係るバイオマスの処理システムを示す概略図である。
図９に示すように、バイオマスの処理システム１０Ｉは、実施例８のバイオマスの処理システム１０Ｈにおいて、さらに、第２の戻しラインＬ3に生物処理装置６１を設け、水５７を生物処理した後、スラリー化槽２１に戻すようにしている。
ＲＯ膜５６ａで分離した水５７には、反応阻害物質（低分子有機化合物）を含むので、生物処理装置６１により容易に処理が可能となる。そして、生物処理装置として、例えばメタン発酵生物処理装置を用いることにより、メタンを回収し、燃料等に利用が可能となる。
以上述べたように、本発明に係るバイオマスの処理システムによれば、バイオマス原料からセルロース主体の成分とヘミセルロース成分を高温・高圧条件下で分解処理した後、その分解物であるバイオマス固形分をスラリー化槽の内部に設けた液体中に、投入することで、スラリー化させると共に、液体シールがなされ、加圧気体の流出を防止することができる。これにより加圧用気体（例えば加圧窒素等）の流出が防止され、ランニングコスト削減を図ることができる。
また、バイオマス固形物をスラリー状とすることでその取り扱いを容易とし、その後の糖化工程に適したものとなり、効率的な糖液（Ｃ６糖）の製造を行うことができる。また、この糖液を基点として、各種有機原料（例えばアルコール類、石油代替品類、又はアミノ酸類等）を効率よく製造することができる。また、この糖液を基点として、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、乳酸、アルコール（エタノール等）、アミン、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、ポリエステル等の各種有機原料（例えばアルコール類、石油代替品類、又はアミノ酸類等）を効率よく製造することができる。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糖液を効率的に利用することができる。
さらに、液体中にバイオマス固形分を投入するので、液体による直接熱交換によりバイオマス固形分を冷却することで反応停止を効率良く行うことができ、また、酸やアルカリが希釈されるため、バイオマス固形分に同伴する残留ヘミセルロース、残留リグニン及び主成分セルロースの過分解が抑制される。この結果、反応阻害成分の生成抑制を図ると共に、セルロース分の回収率の向上を図ることができる。
以上のように、本発明によれば、バイオマスの処理システムにより、バイオマス原料からセルロース主体の成分を分離する際にスラリー化させて効率的な抜出しが可能となり、このスラリー化物を用いて糖液の製造を行うと共に、該糖液を基点として、各種有機物（例えばアルコール類、石油代替品類、又はアミノ酸類等）を効率よく製造することができる。
１０Ａ〜１０Ｉ バイオマスの処理システム
１１ バイオマス原料
１２ バイオマス供給部
１３ 装置本体
１４ 第１のスクリュー手段
１５ 加圧熱水
１６ 熱水排出液
１７ 水熱分解処理部
１８ バイオマス固形分抜出部
１９ 水
２０ バイオマス固形分
２１ スラリー化槽
２２ 撹拌手段
２３ 排出部
２４ スラリー状バイオマス固形分
２５ 加圧窒素
また、バイオマス固形分２０は空隙率が大きく、かさ密度が小さいので、固体のままでの取扱い性が煩雑であったが、スラリー化により減容化を図ることができることとなり、取り扱い性も容易となる。
すなわち、液体２１ｂに添加する前では、バイオマス固形分２０は、いわゆるケーキ状であり、加圧用気体のしめる割合が多く空隙率が大きく、かさ密度が０．５ｇ／ｃｃ以下と小さいものであった。これがスラリー化することで、空隙間が減少し、減容化を図ることとなる。

Claims (15)

  1. 気液界面を有する処理槽により、セルロース、ヘミセルロース及びリグニンを有するバイオマス原料を高温・高圧条件下で分解処理してリグニン成分及びヘミセルロース成分を除去するバイオマス処理部と、
    前記バイオマス処理部で処理されたバイオマス固形分を抜出するバイオマス固形分抜出部と、
    前記バイオマス固形分抜出部と連通すると共に、内部に水を注入し、抜き出したバイオマス固形分をスラリー化するスラリー化槽とを有することを特徴とするバイオマスの処理システム。
  2. 請求項１において、
    前記バイオマス処理部が、水熱分解処理部、アルカリ分解処理部、酸分解処理部のいずれか一つであることを特徴とするバイオマスの処理システム。
  3. 請求項１又は２において、
    前記スラリー化槽の後流側に設けられ、スラリー状バイオマス固形分から水を除去する第１の固液分離装置を有することを特徴とするバイオマスの処理システム。
  4. 請求項３において、
    前記第１の固液分離装置から分離した水をスラリー化槽に戻す第１の戻しラインを有することを特徴とするバイオマスの処理システム。
  5. 請求項４において、
    前記第１の戻しラインに、第１の固液分離装置から分離した水を生物処理する生物処理槽を有し、生物処理した水を、スラリー化槽に戻すことを特徴とするバイオマスの処理システム。
  6. 請求項３乃至５のいずれか一つにおいて、
    前記第１の固液分離装置で分離されたバイオマス固形分を糖化する第１の糖化槽を有することを特徴とするバイオマスの処理システム。
  7. 請求項６において、
    前記第１の固液分離装置で分離されたバイオマス固形分に酵素を添加して酵素液化する酵素液化槽を設け、
    前記第１の糖化槽で酵素液化物を酵素により糖化することを特徴とするバイオマスの処理システム。
  8. 請求項１又は２において、
    前記スラリー化槽でスラリー化したスラリー状バイオマス固形分を糖化する第２の糖化槽を有することを特徴とするバイオマスの処理システム。
  9. 請求項８において、
    糖化後の糖液から、固体分を分離する固液分離装置と、
    固体分離後の糖液から、水を除去する水分分離装置とを有することを特徴とするバイオマスの処理システム。
  10. 請求項９において、
    前記水分分離装置から分離した水をスラリー化槽に戻す第２の戻しラインを有することを特徴とするバイオマスの処理システム。
  11. 請求項１０において、
    前記第２の戻しラインに生物処理装置を有することを特徴とするバイオマスの処理システム。
  12. セルロース、ヘミセルロース及びリグニンを有するバイオマス原料を常圧下から加圧下に供給し、前記バイオマス原料をバイオマス処理部により高温・高圧条件下で分解処理し、
    その後、前記バイオマス処理部から抜出したバイオマス固形分を、内部に水が注入され、前記バイオマス処理部と連通するスラリー化槽に投入し、スラリー状バイオマス固形分とし、
    次いで、前記スラリー状バイオマス固形分から水を除去し、
    その後、水が除去されたバイオマス固形分を酵素糖化し、糖液を生産することを特徴とするバイオマス原料を用いた糖液生産方法。
  13. 請求項１２において、
    水が除去されたバイオマス固形分を酵素糖化する前流側で、前記バイオマス固形分を酵素液化することを特徴とするバイオマス原料を用いた糖液生産方法。
  14. セルロース、ヘミセルロース及びリグニンを有するバイオマス原料を常圧下から加圧下に供給し、前記バイオマス原料をバイオマス処理部により熱分解処理し、
    その後、前記バイオマス処理部から抜出したバイオマス固形分を、内部に水が注入され、前記バイオマス処理部と連通するスラリー化槽に投入し、スラリー状バイオマス固形分とし、
    前記スラリー状バイオマス固形分を酵素糖化して糖液を得た後、固形分を分離し、次いで水を除去することを特徴とするバイオマス原料を用いた糖液生産方法。
  15. 請求項１２乃至１４のいずれか一つのバイオマス原料を用いた糖液生産方法により得られた糖液を用いてアルコール発酵を行い、アルコールを製造することを特徴とするアルコール製造方法。
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