WO2011021272A1 - 植物バイオマスの前処理方法 - Google Patents

Abstract

　植物バイオマスの前処理を簡単な設備で迅速に行うことができる植物バイオマスの前処理方法を提供する。　前記植物バイオマスを予め設定された大きさ以下に粗粉砕し、該粗粉砕された植物バイオマスに分解剤を添加し、該分解剤が添加された植物バイオマスを加圧熱水処理し、該加圧熱水処理された植物バイオマスと該植物バイオマスを糖化させるための酵素とを混ぜ合わせる糖化仕込みまでの前処理を押出機内で順番に連続して行う。

Description

植物バイオマスの前処理方法

　本発明は、酵素分解により植物バイオマスからエタノールを製造するための植物バイオマスの前処理方法に関する。

　植物バイオマスから糖類を生成し、その生成した糖類を発酵させてエタノールを製造する方法が従来から種々提案されている。

　特許文献１には、エクスクルーダ内でスクリューによって木質系バイオマスを攪拌混合しながら搬送し、その搬送過程で水蒸気により加温して木質系バイオマスを膨潤させ、膨潤処理された木質系バイオマスを酸処理装置に投入して酸処理する前処理方法の技術が示されている。しかしながら、酸処理を用いた場合、廃棄物処理や環境負荷の問題がある。

　そこで、酵素によりバイオマスに含まれているセルロースとヘミセルロースを分解して糖類を生成し、その糖類を発酵させることによりエタノールを生成する酵素法が提案されている。

　植物細胞中のセルロースとヘミセルロースは、リグニンに保護される形態で存在しているので、セルロースとヘミセルロースを酵素分解するには、リグニンを破壊してセルロースとヘミセルロースを露出させる必要がある。また、セルロースとヘミセルロースは、結合力が強く、この結合を酵素により分解するためには、予めセルロース及びヘミセルロースの構造を少し分解しておく必要がある。このようなリグニンの破壊処理、並びに、セルロース及びヘミセルロースの構造分解処理のことを前処理と呼んでいる。

　前処理として、希硫酸分解、水蒸気爆砕、アンモニア爆砕、熱水・超臨界水を用いる方法、微生物分解、微粉砕、化学薬品処理などが考案されている。特許文献１には、木材チップを押出機で加熱・加圧下で剪断し、大気に押し出して膨化させることにより、リグニンを破壊する方法が示されている。
特開２００７－２０２５１８号公報

　特許文献１に記載された技術は、リグニンを破壊してセルロースを露出させるものであり、セルロースとヘミセルロースの構造分解や、処理物に酵素を混合する糖化仕込みの工程は別個に独立して行う必要がある。したがって、効率が悪く、製造に手間がかかり、また、設備費がかかるなど高コストであった。

　本発明は、上記する問題に鑑みてなされたものであり、植物バイオマスの前処理を簡単な設備で迅速に行うことができる植物バイオマスの前処理方法を提供することを目的とする。

　前記目的を達成すべく、本発明による植物バイオマスの前処理方法は、酵素を用いて植物バイオマスからエタノールを製造するための前処理を行う植物バイオマスの前処理方法において、前記植物バイオマスを予め設定された大きさ以下に粗粉砕し、該粗粉砕された植物バイオマスに分解剤を添加し、該分解剤が添加された植物バイオマスを加圧熱水処理し、該加圧熱水処理された植物バイオマスと該植物バイオマスを糖化させるための酵素とを混ぜ合わせる糖化仕込みまでの前処理を押出機内で順番に連続して行うことを特徴としている（請求項１）。

　本発明の植物バイオマスの前処理方法によれば、植物バイオマスを予め設定された大きさ以下に粗粉砕し、分解剤を添加して加圧熱水処理し、酵素と混ぜ合わせる糖化仕込みまでの前処理を、押出機内で順番に連続して行うので、従来は別個に独立して行っていた粗粉砕、加圧熱水処理、糖化仕込みの各処理を一貫して行うことができる。したがって、効率的に前処理を行うことができ、設備の簡単化により設備費を低減でき、低コスト化を図ることができる。

　本発明の植物バイオマスの前処理方法によれば、好ましくは、前記押出機は、一端に植物バイオマスを供給する供給口が形成され他端に前処理物が吐出される吐出口が形成された通路を有するシリンダと、該シリンダの通路内に配置され、前記植物バイオマスを前記吐出口に向けて送給する送給部、前記植物バイオマスを混練する混練部、および植物バイオマスに送給抵抗を与える抵抗体を含むスクリュー列を備え、前記シリンダの通路内に上流側から下流側に順次、植物バイオマスを予め設定された大きさ以下に粗粉砕する粗粉砕領域と、粗粉砕領域で粗粉砕された植物バイオマスを加圧熱水処理する加圧熱水処理領域と、加圧熱水処理領域で加圧熱水処理された植物バイオマスを冷却する冷却領域と、冷却領域で冷却された植物バイオマスに酵素を混ぜ合わせる糖化仕込み領域と、糖化仕込み領域で酵素が混ぜ合わされた植物バイオマスを前処理物として排出する排出領域を有することを特徴としている（請求項２）。

　本発明の植物バイオマスの前処理方法は、好ましくは、スクリュー列の抵抗体によって抵抗体の上流側に形成される植物バイオマスの高充填領域に、特殊ギヤニーディングまたは特殊フラッファリングの少なくとも一種類以上のスクリューセグメントを有するスクリュー列が配設されていることを特徴としている（請求項３）。

　本発明の植物バイオマスの前処理方法によれば、好ましくは、粗粉砕領域には、順ニーディングディスク、逆ニーディングディスク、直交ニーディングディスク、特殊ギヤニーディング、特殊フラッファリングの少なくとも一種類以上のスクリューセグメントを有するスクリュー列が配設されていることを特徴としている（請求項４）。

　本発明の植物バイオマスの前処理方法によれば、好ましくは、加圧熱水処理領域には、逆フルフライト、特殊ギヤニーディングまたは特殊フラッファリングの少なくとも一種類以上のスクリューセグメントを有するスクリュー列が配設され、加圧熱水処理領域の上流端と下流端には、特殊シールリングを有する抵抗体がそれぞれ配設されており、加圧熱水処理領域では植物バイオマスを加熱加圧して剪断・混練することを特徴としている（請求項５）。

　本発明の植物バイオマスの前処理方法によれば、好ましくは、加圧熱水処理領域に配設された抵抗体は、上流側の抵抗体よりも下流側の抵抗体の方が大きな抵抗力を有するように設定されていることを特徴としている（請求項６）。

　本発明の植物バイオマスの前処理方法によれば、好ましくは、通路の加圧熱水処理領域内に分解剤を供給する分解材供給部と、冷却領域内に冷媒を供給する冷媒供給部と、糖化仕込み領域内に酵素を供給する酵素供給部とが各々設けられていることを特徴としている（請求項７）。

　本発明の植物バイオマスの前処理方法によれば、好ましくは、前記分解剤供給部は、前記シリンダの通路に沿って所定間隔をおいて複数設けられており、分解剤の供給量は下流側よりも上流側の方が多くなるように設定されていることを特徴としている（請求項８）。

　本発明の植物バイオマスの前処理方法によれば、好ましくは、前記分解剤の供給量は、植物バイオマス１００重量部に対して５～１５０重量部に設定されていることを特徴としている（請求項９）。

　本発明の植物バイオマスの前処理方法によれば、好ましくは、前記押出機は、前記シリンダ内の圧力が１～３０ＭＰａ、前記加圧熱水処理領域の温度が１３０℃から３５０℃に加熱加圧されることを特徴としている（請求項１０）。

　本発明の植物バイオマスの前処理方法によれば、好ましくは、排出領域には、順ニーディングディスク、逆ニーディングディスク及び直交ニーディングディスクの少なくとも一種類以上のスクリューセグメントを有するスクリュー列が配設されていることを特徴としている（請求項１１）。

　本発明の植物バイオマスの前処理方法によれば、好ましくは、前記シリンダは、前記通路内のガスを排出するベントを排出領域に備え、該ベントから前記シリンダ内のガスを排出することを特徴としている（請求項１２）。

　本発明の植物バイオマスの前処理方法によれば、植物バイオマスを予め設定された大きさ以下に粗粉砕し、分解剤を添加して粉砕することにより加圧熱水処理し、酵素と混ぜ合わせる糖化仕込みまでの前処理を、押出機内で順番に連続して行うので、従来は別個に独立して行っていた粗粉砕、加圧熱水処理、糖化仕込みの各処理を一貫して行うことができる。したがって、効率的に前処理を行うことができ、設備の簡単化により設備費を低減でき、低コスト化を図ることができる。

植物バイオマス処理物の前処理方法を説明するフローチャート。 スクリュー押出機のシリンダとスクリュー列の構成を模式的に示す図。 順送りフルフライトの構成を示す図。 逆送りフルフライトの構成を示す図。 順送り２条ねじニーディングディスクの構成を示す図。 逆送り２条ねじニーディングディスクの構成を示す図。 直交２条ねじニーディングディスクの構成を示す図。 特殊ギヤニーディングの構成を示す図。 図８の矢印Ｕ１方向からみた図。 図８の特殊ギヤニーディングのギヤ嵌合状態を断面で示す模式図。 図９に示す歯部の一部を拡大して示す図。 特殊ギヤニーディングの他の一例を示す図。 図１２の矢印Ｕ１方向からみた図。 図１２の特殊ギヤニーディングのギヤ嵌合状態を断面で示す模式図。 図１３に示す歯部の一部を拡大して示す図。 特殊ギヤニーディングの他の一例を示す図。 図１６の矢印Ｕ１方向からみた図。 図１６の特殊ギヤニーディングのギヤ嵌合状態を断面で示す模式図。 図１７に示す歯部の一部を拡大して示す図。 特殊フラッファリングの一例を示す図。 図２０の矢印Ｕ１方向からみた図。 シールリングの一例を示す図。 図２２の矢印Ｕ１方向からみた図。 図２３のＡ－Ａ線断面図。 シールリングの他の一例を示す図。 図２５の矢印Ｕ１方向からみた図。 図２６のＢ－Ｂ線断面図。 シールリングの他の一例を示す図。 図２８の矢印Ｕ１方向からみた図。 図２９のＣ－Ｃ線断面図。 図２８の要部を拡大して示す図。 シールリングに設けられるリード溝の断面形状を示す図。 シールリングに設けられるリード溝の断面形状を示す図。 シールリングに設けられるリード溝の断面形状を示す図。 本発明の二軸スクリュー押出機の他の実施例を示す模式図。 本発明の二軸スクリュー押出機の他の実施例を示す模式図。 本発明の二軸スクリュー押出機の他の実施例を示す模式図。 従来の二軸スクリュー押出機が有するギヤニーディングの模式図。 図３８の要部を拡大して示す図。

１…シリンダ、１ａ…通路、２…供給口、３…吐出口、４…分解剤供給部、４ａ…第１供給部、４ｂ…第２供給部、５…冷媒供給部、６…酵素供給部、１１…粗粉砕領域、１２…加圧熱水処理領域、１２Ａ…上流領域、１２Ｂ…下流領域、１３…冷却領域、１４…糖化仕込み領域、１５…排出領域、２１～２５…スクリュー列、３１～３５…抵抗体、５０…順送りフルフライト、５２…逆送りフルフライト、４３…順送り２条ねじニーディングディスク、５４…逆送り２条ねじニーディングディスク、４５…直交２条ねじニーディングディスク、１００…特殊ギヤニーディング、２００…特殊フラッファリング、３００…特殊シールリング、

　以下、本発明の実施例について図面を参照しつつ説明する。

＜実施例１＞
　図１は、本発明である植物バイオマス処理物の前処理方法を説明するフローチャート、図２は、前処理方法に用いられるスクリュー押出機のシリンダとスクリュー列の構成を模式的に示す図である。

　本発明である植物バイオマス処理物の前処理方法は、図１に示すように、粗粉砕工程Ｓ１、加圧熱水処理工程Ｓ２、冷却工程Ｓ３、糖化仕込み工程Ｓ４、排出工程Ｓ５を含み、これら各工程は、図２に示すスクリュー押出機のシリンダ１内で順番に連続して行われる。

　スクリュー押出機は、並設された二本のスクリュー列が同じ方向に回転する同方向回転式の二軸スクリュー押出機が用いられており、直線状に延在する通路１ａを持つシリンダ１を備えている。

　シリンダ１は、例えば木材チップ等の植物バイオマス（非流動性材料）が供給される供給口２が通路１ａの一方端部に形成され、通路１ａ内で前処理された植物バイオマス処理物が吐出される吐出口３が通路１ａの他方端部に形成されている。

　シリンダ１の通路１ａ内には、図示していない駆動モータに連結された２本のスクリューシャフト７が対をなして平行に配置されている。これら一対のスクリューシャフト７にフルフライトスクリュー５０、５２、ニーディングディスク５４、５６、５８等の各種スクリューセグメントを直列に適宜組み合わせて取り付けることによってスクリュー列９が構成されている。

　スクリュー列９は、駆動モータによるスクリューシャフト７の回転によって通路１ａ内で一体に回転し、その回転によって処理物を吐出口３に向けて送給する複数の送給部と、処理物を剪断・混練する剪断・混練部と、処理物に送給抵抗を与える抵抗体を含む送給手段を構成する。

　シリンダ１の通路１ａ内には、粗粉砕領域１１、加圧熱水処理領域１２、冷却領域１３、糖化仕込み領域１４、排出領域１５が直列に構成される。加圧熱水処理領域１２は、通路１ａの送給方向上流側と下流側に離れて設けられた抵抗体３１、３３の間に形成される。本実施例では、加圧熱水処理領域１２の上流部、中間部、下流部にそれぞれ抵抗体３１、３２、３３が設けられており、上流領域１２Ａと下流領域１２Ｂが形成されている。

　シリンダ１には、加圧熱水処理領域１２に分解剤を供給する分解剤供給部４と、冷却領域１３に冷媒を供給する冷媒供給部５と、糖化仕込み領域１４に酵素を供給する酵素供給部６が設けられている。

　分解剤供給部４は、通路１ａの長手方向に所定間隔をおいて複数設けられており、本実施例では、上流領域１２Ａに第１供給部４ａが設けられ、下流領域１２Ｂに第２供給部４ｂが設けられている。単位時間あたりの分解剤の供給量の関係は、（第１供給部４ａ＞第２供給部４ｂ）の関係に設定されている。分解剤は、例えば冷水や熱水などの水、酸、アルカリ、溶剤、腐朽菌、超臨界液等が用いられ、分解剤供給部４から通路１ａ内に供給され、植物バイオマス処理物に添加される。

　なお、分解剤供給部４を粗粉砕領域１１に設けて、分解剤を粗粉砕領域１１に供給してもよい。例えば酸や腐朽菌等の分解剤を粗粉砕領域１１に供給することによって、植物バイオマス処理物の粉砕と同時に分解剤を添加することができ、高効率化を図ることができる。

　冷媒供給部５は、加圧熱水処理領域１２にて高温化された植物バイオマス処理物を酵素の活動に最適な温度に調整すべく、例えば液体窒素等の冷媒を冷却領域１３に供給して冷却する。酵素供給部６は、酵素を植物バイオマス処理物に供給する。酵素は、糖化仕込み領域において植物バイオマス処理物に混ぜ合わされる。冷媒供給部５、酵素供給部６は、それぞれが通路内１ａの長手方向に所定間隔をあけて複数設けてもよい。

　シリンダ１には、図示していない加熱ヒータが設けられており、加圧熱水処理領域１２において植物バイオマス処理物を加熱して高温状態を維持できるようになっている。植物バイオマスは、時間に応じて適切な量が供給口２から通路１ａ内に供給される。本実施例では、例えば木材チップなどの木質系バイオマスが用いられる。

　以下に各工程Ｓ１～Ｓ５について詳細に説明する。

　粗粉砕工程Ｓ１では、スクリュー列９の回転による剪断・摩擦・分散・拡散・混練により、チップ状の植物バイオマス処理物を機械的に破砕して、予め設定された大きさ以下の小さな粗粉砕体とする。そして、粗粉砕体とされた植物バイオマス処理物を、粗粉砕領域１１から下流の加圧熱水処理領域１２に送給する。

　粗粉砕領域１１におけるスクリュー列２１は、例えば順送りフルフライト５０、順送り２条ねじニーディングディスク５４、逆送り２条ねじニーディングディスク５６、直交２条ねじニーディングディスク５８を適宜組み合わせることによって構成されている。そして、粗粉砕領域１１内において形成される植物バイオマス処理物の充填率が高い高充填領域、および下流の加圧熱水処理領域１２に植物バイオマス処理物を送給するための送給領域に、特殊ギヤニーディング１００と特殊フラッファリング２００の少なくとも一方が配置される。

　特殊ギヤニーディング１００と特殊フラッファリング２００は、通路１ａ内において植物バイオマス処理物の流れに乱れを生じさせ、植物バイオマス処理物の剪断・粗粉砕化・混練・分散・分解を促進させることができる。そして、下流側への送給も強化・安定化でき、プラグの発生を防ぐことができる。なお、粗粉砕領域における植物バイオマス処理物の温度は室温とされる。

　加圧熱水処理工程Ｓ２では、第１供給部４ａおよび第２供給部４ｂから通路１ａ内に例えば水等の分解剤が供給されて植物バイオマス処理物に添加される。そして、スクリュー列２２の回転により、植物バイオマス処理物の加圧熱水処理が行われる。加圧熱水処理では、加圧熱水下でスクリュー列２２により植物バイオマス処理物が微細化・混練・攪拌・分散・分解される。

　加圧熱水処理領域１２におけるスクリュー列２２は、加圧熱水処理領域１２の最上流部と最下流部と中間部に、それぞれ植物バイオマス処理物の送給を抑制する抵抗体３１、３２、３３を備えており、植物バイオマス処理物の充填率が高い高充填領域を抵抗体３１～３３の上流側に形成する。

　加圧熱水処理領域１２は、これらの抵抗体３１～３３によってシール性が高められ、加圧熱水処理領域１２における圧力が飽和水蒸気圧以上の高圧状態（例えば１～３０ＭＰａ）に維持される。

　抵抗体３１、３３は、特殊シールリング３００を備えており、特殊シールリング３００とシリンダ通路１ａの内壁面との間を植物バイオマス処理物でシールし、密閉状態を作り出し、加圧熱水処理領域１２内を昇圧する。

　加圧熱水処理領域１２では、ヒータによる加熱およびスクリュー列９による剪断摩擦熱により、加圧熱水処理領域１２における植物バイオマス処理物の温度を、１３０℃から３５０℃に維持できる。

　したがって、加圧熱水処理領域１２を加圧熱水下（高圧高温）にすることができ、分解剤が添加された植物バイオマス処理物を膨潤させて軟化させる水熱処理を行わせることができる。したがって、水熱処理された植物バイオマス処理物を、スクリュー列２２による剪断・混練により、簡単に微粉砕することができる。

　なお、分解剤として腐朽菌が添加される場合には、室温から８０℃に維持される。また、分解剤として超臨界水が添加される場合には、加圧熱水処理領域１２における圧力は超臨界圧力以上とされる。

　スクリュー列２２は、特殊シールリング３００、特殊ギヤニーディング１００、特殊フラッファリング２００、順送りフルフライト５０、逆送りフルフライト５２、順送り２条ねじニーディングディスク５４、逆送り２条ねじニーディングディスク５６、直交２条ねじニーディングディスク５８等を適宜組み合わせることによって構成されている。

　加圧熱水処理領域１２は、中間部の抵抗体３２によって、上流領域１２Ａと下流領域１２Ｂに区画されている。抵抗体３１～３３によって形成される高充填領域、上流領域１２Ａから下流領域１２Ｂに植物バイオマス処理物を送給するための送給領域、および下流領域１２Ｂから冷却領域１３に植物バイオマスを送給するための送給領域の各領域には、特殊ギヤニーディング１００と特殊フラッファリング２００の少なくとも一方が配置されるように、スクリュー列２２のスクリュー設計がなされている。

　高充填領域に特殊ギヤニーディング１００等を配置することによって、植物バイオマス処理物の微細化・混練・攪拌・分散・分解の迅速化を図ることができ、また、送給領域に特殊ギヤニーディング１００等を配置することによって、植物バイオマス処理物に圧縮力・摩擦力が局所的に加えられるのを防ぎ、プラグの発生を防ぐことができる。

　スクリュー列２２の各抵抗体３１～３３は、特殊シールリング３００、逆送りフルフライト３２、特殊ギヤニーディング１００、特殊フラッファリング２００との組み合わせによって構成されている。各抵抗体３１～３３の抵抗の関係は、下流側に移行するにしたがって抵抗が大きくなるように、（最上流部の抵抗体３１＜中間部の抵抗体３２＜最下流部の抵抗体３３）の関係に設定されている。

　加圧熱水処理領域１２では、下流側に行くほど植物バイオマス処理物の微細化・混練・分解が進行し、その剪断抵抗・混練拡散抵抗・流動抵抗が低下するので、下流側に移行するにしたがって、通路１ａの内壁面との隙間を小さくして、適正な流れや充填率を上流領域１２Ａと下流領域１２Ｂでそれぞれ確保し、分解剤との拡散・分散性確保と、分解の効率化が図れる。

　また、抵抗体３１～３３が流れ方向に沿って上流部、中間部、下流部に配設されているので、植物バイオマス処理物に圧縮と膨張を繰り返して作用させることができ、各処理の効率化が図れる。

　第１供給部４ａは、上流領域１２Ａにおいてその上流側に配置され、第２供給部４ｂは、下流領域１２Ｂにおいてその上流側に配置されている。したがって、各領域部において水熱処理が行われる距離を可能な限り長く確保し、水熱処理を効果的に行わせることができる。分解剤の供給量は、例えば分解剤が水の場合には、植物バイオマス処理物との比が０．２５～３に設定され、分解剤が酸・アルカリ・溶剤の場合には、植物バイオマス処理物との比が０．０１～１に設定される。

　加圧熱水処理領域１２は、特殊シールリング３００によって高圧高温に保持されているので、植物バイオマス処理物を軟化させる水熱処理を効率よく行うことができる。したがって、植物バイオマス処理物は、スクリュー列２２の剪断・混練・分散・分解作用により微粉砕されて、粗粉砕領域１１における植物バイオマス処理物よりも更に細かくなる。第１供給部４ａと第２供給部４ｂは、水熱処理を効果的に行うべく、加圧熱水処理領域１２内に形成される高充填領域と同数個装備されている。

　分解剤供給部４は、加圧熱水処理領域１２における圧力・温度等の条件に応じて、その供給位置を設定してもよい。適切な位置に分解剤を供給することにより、植物バイオマス処理物の微細化・混練・攪拌・分散・分解を迅速に行わせることができ、余分な処理剤が供給されるのを防ぐことができる。加圧熱水処理領域１２で処理された植物バイオマス処理物は、下流に位置する冷却領域１３に送給される。

　冷却工程Ｓ３では、冷媒供給部５から通路１ａ内に液体窒素等の冷媒を供給して冷却領域１３における植物バイオマス処理物を冷却する処理が行われる。スクリュー列２３は、順送りフルフライト５０等の送給機能を有するスクリューセグメントのみを組み合わせることによって構成されている。

　植物バイオマスは、加圧熱水処理領域１２において高温化されているので、加圧熱水処理領域１２から送給されてきた直後は温度が高く、酵素にとって好ましい温度ではない。したがって、かかる温度状況のまま、糖化仕込み工程Ｓ４において酵素を仕込むと、酵素による糖化が困難となるおそれがある。そこで、加圧熱水処理工程Ｓ１２と糖化仕込み工程Ｓ４との間に、冷却工程Ｓ３を設けて、高温化した植物バイオマス処理物を適切な温度まで冷却し、酵素による糖化が適切に行われるようにした。なお、冷却領域１３における植物バイオマス処理物の温度は、冷媒によって４０℃～５０℃まで冷却される。

　糖化仕込み工程Ｓ４では、酵素供給部６から通路１ａ内に酵素を供給して、糖化仕込み領域１４で植物バイオマス処理物に酵素を混ぜ合わせる処理が行われる。

　糖化仕込み領域１４におけるスクリュー列２４は、例えば特殊シールリング３００、特殊ギヤニーディング１００、特殊フラッファリング２００、順送りフルフライト５０、逆送りフルフライト５２、順送り２条ねじニーディングディスク５４、逆送り２条ねじニーディングディスク５６、直交２条ねじニーディングディスク５８等を適宜組み合わせることによって構成されている。酵素供給部６から通路１ａ内に所定量の酵素液が供給され、糖化仕込み領域１４内で植物バイオマス処理物に添加される（例えば４０ＦＰＵ）。

　植物バイオマス処理物は、糖化仕込み工程Ｓ４まで処理が進むと粘性が高く、例えば作業者等では十分に混ぜ合わせることができないおそれがあるが、糖化仕込み領域１４でスクリュー列２４によって混ぜ合わせるので、植物バイオマス処理物に酵素を十分に混ぜ合わせることができる。植物バイオマス処理物は、糖化仕込み領域１４で酵素と混ぜ合わされると、下流に位置する排出領域１５に送給される。

　排出工程Ｓ５では、糖化仕込み領域１４で酵素が混ぜ合わされた植物バイオマスを前処理物として排出する処理が行われるとともに、糖化仕込み後の植物バイオマス処理物からガス成分を脱気させる処理が行われる。シリンダ１には、脱気用のベント８が設けられている。ベント８は、通路１ａの排出領域１５と外部との間を連通しており、排出領域１５内のガス成分の一部を排出させることができるようになっている。

　ベント８からガス成分の一部を排出させることにより、植物バイオマス処理物における分解剤の含水率を適宜に調整し、また、不要なガス成分を除去して、後工程である糖化工程等に最適な状態の植物バイオマス処理物を供給することができる。吐出口３から吐出された植物バイオマス処理物は、従来と同様の工程（糖化、発酵、精製）を経てエタノールとされる。

　排出領域１５におけるスクリュー列２５は、例えば順送り２条ねじニーディングディスク５４、逆送り２条ねじニーディングディスク５６、直交２条ねじニーディングディスク５８の各スクリューセグメントを適宜組み合わせることによって構成されている。そして、吐出口３から植物バイオマス処理物を吐出させるための下流領域には、特殊ギヤニーディング１００と特殊フラッファリング２００の少なくとも一方が配置されるように構成されている。

　上記した本発明の植物バイオマスの前処理方法によれば、植物バイオマスを予め設定された大きさ以下に粗粉砕し、分解剤を添加して加圧熱水処理し、酵素と混ぜ合わせる糖化仕込みまでの前処理を、押出機内で順番に連続して行うので、従来は別個に独立して行っていた粗粉砕、加圧熱水処理、糖化仕込みの各処理を一貫して行うことができる。したがって、効率的に前処理を行うことができ、設備の簡単化により設備費を低減でき、低コスト化を図ることができる。

［スクリュー形状］
　本実施例においてスクリュー列９を構成する各スクリューセグメントについて以下に説明する。

　図３（Ａ）、（Ｂ）は、順送りフルフライトの一例を示す図、図４（Ａ）、（Ｂ）は、逆送りフルフライトの一例を示す図である。なお、図３（Ｂ）、図４（Ｂ）では、シリンダ１の通路１ａの略真円状の内壁面は省略されている。

　順送りフルフライト５０は、下流側への送給能力を確保すべく、スクリュー５０ｉのねじれ方向を設定したものであり、逆送りフルフライト５２は、下流側への送給能力が低下する様にスクリュー５２ｉのねじれ方向を設定したものである。

　順送り２条ねじニーディングディスク５４の一例を図５（Ａ）、（Ｂ）に示す。順送り２条ねじニーディングディスク５４は頂部５４ｘをもつ略卵形のパドル５４ｅを備え、頂部５４ｘを右下がりで直列に構成したものである。

　逆送り２条ねじニーディングディスク５６の一例を図６（Ａ）、（Ｂ）に示す。逆送り２条ねじニーディングディスク５６は頂部５６ｘをもつ略卵形のパドル５６ｅを備え、頂部５６ｘが右上がりで直列に構成したものである。

　図７（Ａ）、（Ｂ）は、直交２条ねじニーディングディスク５８の一例を示す図である。直交２条ねじニーディングディスク２８は頂部５８ｘをもつ略卵形のパドル５８ｅを９０°の傾斜角で直列に構成したものである。直交２条ねじニーディングディスク５８は、ねじれ角がないため送給能力はほとんどないものの、高剪断能力をもち分散能力や混練能力が高い。

　順送りフルフライト５０、逆送りフルフライト５２、順送り２条ねじニーディングディスク５４、逆送り２条ねじニーディングディスク５６、直交２条ねじニーディングディスク５８には、スクリューシャフト７を挿入して固定するための貫通孔５１、５３、５５、５７、５９が中心軸に沿って穿設されている。

　次に、特殊ギヤニーディングの構成について説明する。図８は、特殊ギヤニーディングの構成の一例を示す図、図９は、図８に示す特殊ギヤニーディングを植物バイオマス処理物の送給方向である矢印Ｕ１方向からみた図、図１０は、図８の特殊ギヤニーディングのギヤ嵌合状態を断面で示す模式図、図１１は、図９に示す歯部の一部を拡大して示す図である。

　特殊ギヤニーディング１００は、図８または図９に示すように、第１回転体１０１と第２回転体１０２とからなる。第１回転体１０１と第２回転体１０２は、それぞれ円筒形状の軸部１１１に複数の歯部１１２を備えた構成を有している。

　軸部１１１には、図９に示すように、六角状の貫通孔１１０が軸部１１１の中心軸に沿って穿設されている。特殊ギヤニーディング１００は、貫通孔１１０にスクリューシャフト７を挿通して固定することにより、スクリューシャフト７と一体に回転できるようになっている。

　複数の歯部１１２は、図９に示すように、軸部１１１の軸周方向に所定間隔をおいて突出するように設けられており、本実施例では６本の歯部１１２が一定間隔で配置されている。歯部１１２の本数は本実施例に限定されるものではなく、１本以上であればよい。

　また、これら複数の歯部１１２は、図８に示すように、軸部１１１の軸長方向である送給方向Ｕ１に所定間隔をおいて設けられており、本実施例では、軸周方向に連続する６本の歯部１１２を一枚の歯部群とカウントした場合に、送給方向Ｕ１に合計で４枚の歯部群を形成するように配置されている。歯部群の枚数も本実施例に限定されるものではなく、複数枚であればよい。

　歯部１１２は、軸部１１１の軸長方向に沿って一定の厚み幅を有しており、軸長方向前側である送給方向上流側には、軸部１１１の径方向に沿う前面１１３が形成され、軸長方向後側である送給方向下流側には、第１軸部１１１の径方向に沿う後面１１４が形成されている。

　また、歯部１１２は、図９に示すように、軸部１１１の軸筒外周面１１５から軸径方向外側に向かって延出して軸長方向に沿う歯面１１６、１１７と、歯面１１６、１１７の上端部間に亘って連続する頭頂面１１８を備えている。

　歯面１１６、１１７は、図８に示すように、送給方向下流側に移行するにしたがって回転方向後側に移行するように傾斜しており、所定のねじれ角（リード）を有している。軸長方向に所定間隔をおいて連続する複数の歯部１１２の歯面１１６、１１７を、軸長方向につなげば、図８において、仮想線Ｔで示す螺旋状のリードが得られる。第１回転体１０１または第２回転体１０２が矢印方向に回転すると、歯部１１２の歯面１１６、１１７のねじれ角により、植物バイオマス処理物の矢印Ｕ１方向への送給性は確保される。

　これら一対の歯面１１６、１１７のうち、第１回転体１０１または第２回転体１０２の回転方向前側に位置する歯面１１６は、図１１に示すように、軸筒外周面１１５から軸径方向外側に向かって滑らかに立ち上がる断面凹円弧状の湾曲面部１１６ａと、湾曲面部１１６ａに連続して軸部１１１から離反する方向である径方向外側に向かって延出し、径方向外側に移行するにしたがって回転方向前側に移行するように傾斜角度θで回転方向前側に傾斜した平面状の縦壁面部１１６ｂを有している。

　一方、回転方向後側に位置する歯面１１７は、軸筒外周面１１５から径方向外側に向かって延出し、径方向外側に移行するにしたがって回転方向前側に移行するように傾斜した平面形状を有しており、本実施例では、歯面１１６の縦壁面部１１６ｂと平行になるように形成されている。

　頭頂面１１８は、軸部１１１の軸心Ｏを中心とする円弧形状を有しており、図９に示すように、真円形状を有する通路１ａの内壁面との間に所定の間隙を有して対向するように形成されている。

　第１回転体１０１及び第２回転体１０２は、図８に示すように、一方の軸部１１１の軸長方向に所定間隔をおいて配置された歯部１１２の間に、他方の軸部１１１の歯部１１２が位置するように平行に配置され、第１回転体１０１の歯部１１２と第２回転体１０２の歯部１１２とが軸長方向に交互に並ぶ。第１回転体１０１と第２回転体１０２との間には、図１０に示すように、コ字形及び逆コ字形の隙間が送給方向である矢印Ｕ１方向に連続するように形成されており、特殊ギヤニーディング１００における混錬性能及び分散性能が確保されている。そして、送給方向上流側に位置する歯部１１２の後面１１４と、その後面１１４に一部対向する送給方向下流側に位置する歯部１１２の前面１１３との間には、所定の間隔ｄ１が形成されている。

　この間隔ｄ１を狭くすることによって、植物バイオマス処理物の送給に対する抵抗性が増加し、植物バイオマス処理物の送給を抑制する抵抗体として機能させることもできる。したがって、ギヤニーディング１００は、シリンダ１の加圧熱水処理領域１２において高充填領域を形成する箇所に配置することも好ましい。

　第１回転体１０１および第２回転体１０２の各軸部１１１は、送給方向上流側の最前に位置する歯部１１２よりも、軸長方向に突出するボス部１１１ａを備えている。ボス部１１１ａは、送給方向上流側から送給される植物バイオマス処理物がその流れ速度を維持した状態で、最前に位置する歯部１１２の前面１１３に衝突するのを避けて、当該歯部１１２に急激な圧縮力・摩擦力が局所的に加えられるのを防止し、スクリューシャフトを回転駆動するモータに作用するトルク変動を小さくすることができる。

　そして、第１回転体１０１と第２回転体１０２は、例えば図９に示すように、一方の軸部１１１の歯部１１２と他方の軸部１１１の歯部１１２とが、第１回転体１０１と第２回転体１０２との中間位置において、互いに接近して交差するように、回転タイミングが設定されている。

　上記構成を有する特殊ギヤニーディング１００によれば、歯部１１２の回転方向前側に形成された歯面１１６が、回転方向前側に向かって傾斜角度θで傾斜した縦壁面部１１６ｂを有しているので、第１回転１０１と第２回転体１０２の回転によって、植物バイオマス処理物に作用する軸径方向外側に向かう付勢力を低減させることができる。したがって、シリンダ１の通路１ａ内で植物バイオマス処理物が遠心力によって外方に移動されて圧縮力・摩擦力が局所的に加えられるのを防ぐことができ、プラグ（凝集塊）の発生を防止できる。

　図３８は、既知の二軸押出機が有するギヤニーディング９１０の模式図、図３９は、図３８の要部を拡大して示す図である。従来のギヤニーディング９１０の歯部９１２は、図３８および図３９に示すように、軸部９１１から放射状に突出しており、一対の歯面９１６、９１７のうち、回転方向前側に位置する歯面９１６は、径方向外側に移行するにしたがって回転方向後側に移行する平面形状を有している。

　したがって、木粉などの被流動性材は、遠心力により第１回転体９０１及び第２回転体９０２の径方向外側に向かって飛ばされ、図３９に細矢印で示すように、圧縮力・摩擦力が局所的に加えられ、通路１ａ内の最外部に高密度・高強度化されたプラグを早期に発生させる。そして、このプラグの圧縮抵抗・摩擦力などにより、第１回転体９０１及び第２回転体９０２の回転が阻害され、過負荷（モータトルクオーバ）となり、送給が困難となるおそれがある。

　これに対して、本発明の特殊ギヤニーディング１００は、特に図１１に示すように、歯部１１２の回転方向前側に位置する歯面１１６が、回転方向前側に向かって傾斜角度θで傾斜した縦壁面部１１６ｂを有する歯部１１２を有しているので、植物バイオマス処理物に作用する軸径方向外側に向かう付勢力を低減させることができ、シリンダ１の通路１ａ内におけるプラグの発生を有効に防ぐことができる。そして、プラグの発生を防止することで、スクリューシャフト７が軸径方向に変形されるのを防ぎ、歯部１１２がシリンダ１の通路１ａに接触することによる摩耗・過負荷の発生を未然に防ぐことができる。

　また、第１回転体１０１と第２回転体１０２の回転により、軸長方向に隣り合う歯部１１２を互いに対向する方向に移動させて植物バイオマス処理物を剪断する場合に、回転方向前側に向かって傾斜角度θで傾斜した縦壁面部１１６ｂで剪断できるので、植物バイオマス処理物を剪断するのに必要とする力を小さくすることができる。したがって、押出機の駆動力をより小さくすることができ、駆動モータの小型化を図ることができる。

　また、歯部１１２の歯面１１６は、図８に仮想線Ｔで示すように、軸長方向に対して所定のねじれ角を有しているので、植物バイオマス処理物を送給方向上流側から下流側に向かって移動させるように付勢することができ、径方向外側に向かう付勢力を低減し、シリンダ１の通路１ａ内における最外形部で高圧縮化されるのを防ぐことができる。

　なお、上述の特殊ギヤニーディング１００では、軸長方向に所定間隔をおいて配置される複数の歯部１１２が全て一定のねじれ角（リード）を有する場合を例に説明したが、軸長方向に配置される位置に応じてねじれ角の大きさを変更してもよい。例えば、送給方向上流側に位置する歯部１１２の歯面１１６、１１７のねじれ角を大きくし、送給方向下流側に位置する歯部１１２の歯面１１６、１１７のねじれ角を小さくすることにより、上流側よりも下流側の送り量を大きくすることができる。そして、植物バイオマス処理物の充填率・密度を軸長方向の位置に応じて可変化することができ、剪断・拡散等のより効果的な処理を行うことができる。

　次に、本発明の特徴的な構成である特殊フラッファリング２００の一例を図２０、図２１に示す。図２０は、特殊フラッファリングの一例を示す図、図２１は、図２０を植物バイオマス処理物の送給方向である矢印Ｕ１方向からみた図である。なお、上述の特殊ギヤニーディング１００と同様の構成要素には、同一の符号を付することでその詳細な説明を省略する。

　特殊フラッファリング２００は、第１回転体２０１と第２回転体２０２とからなる。第１回転体２０１と第２回転体２０２は、それぞれ円筒形状の軸部２１１に複数の歯部１１２を備えた構成を有している。複数の歯部１１２は、図２１に示すように、軸部２１１の軸周方向に所定間隔をおいて突出するように設けられており、本実施例では６本の歯部１１２が一定間隔で配置されている。

　第１回転体２０１は、図２０に示すように、軸部２１１の軸長方向前側である送給方向上流側に歯部１１２が設けられており、軸長方向後側である送給方向下流側に向かって軸部２１１が突出する構成を有している。そして、第２回転体２０２は、軸部２１１の送給方向下流側に歯部１１２が設けられており、送給方向上流側に向かって軸部２１１が突出する構成を有している。

　第１回転体２０１と第２回転体２０２は、第１回転体２０１の歯部１１２が第２回転体２０２の軸部２１１と対向し、かつ第２回転体２０２の歯部１１２が第１回転体２０１の軸部２１１と対向するように配置され、第１回転体２０１の歯部１１２と、第２回転体２０２の歯部１１２とが互いに送給方向に接近した位置に配置される。

　第１回転体２０１と第２回転体２０２との間には、送給方向である矢印Ｕ１方向に沿ってクランク状に折れ曲がる通路が形成されており、特殊フラッファリング２００における混錬性能及び分散性能が確保されている。

　第１回転体２０１は、歯部１１２よりも軸長方向に突出するボス部２１１ａを備えている。そして、第２回転体２０２は、歯部１１２よりも送給方向上流側に軸部２１１が設けられている。

　第１回転体２０１のボス部２１１ａと、第２回転体２０２の軸部２１１は、送給方向上流側から送給される植物バイオマス処理物がその流れ速度を維持した状態で、最前に位置する歯部１１２の前面１１３に衝突するのを避けて、当該歯部１１２に急激な圧縮力が局所的に加えられるのを防止し、スクリューシャフト７を回転駆動するモータに作用するトルク変動を小さくすることができる。

　第１回転体２０１と第２回転体２０２は、例えば図２１に示すように、一方の軸部２１１の歯部１１２と他方の軸部２１１の歯部１１２とが、第１回転体２０１と第２回転体２０２との中間位置において、互いに接近して交差するように、回転タイミングが設定されている。

　歯部１１２の先端部分には、段付部１２１、１２２が形成されている。図２０、図２１に示す例では、第１回転体１０１および第２回転体１０２においてそれぞれ軸周方向に配置された６個の歯部１１２の全てに段付部１２１が設けられている。段付部１２１、１２２は、特殊フラッファリング２００が有する全ての歯部１１２に設けられていなくてもよい。段付部１２１、１２２を有する歯部１１２の配置位置、間隔、数量等は、状況に応じて適切に設定される。

　段付部１２１は、歯部１１２の前面１１３と頭頂面１１８とのエッジ部分において歯面１１６、１１７の間に亘って形成されており、段付部１２２は、歯部１１２の後面１１４と頭頂面１１８とのエッジ部分において歯面１１６、１１７の間に亘って形成されている。したがって、各歯部１１２の歯先側の厚み幅は、歯元側の厚み幅よりも狭くなっている。

　段付部１２１は、歯部１１２の前面１１３と頭頂面１１８とのエッジ部分を段差状に切り欠くことによって形成されており、頭頂面１１８よりも径方向内側の位置にて軸長方向に一定幅を有する軸長方向段差面１２１ａと、前面１１３よりも送給方向下流側の位置にて軸径方向に一定幅を有する軸径方向段差面１２１ｂとを有している。

　段付部１２２は、歯部１１２の後面１１４と頭頂面１１８とのエッジ部分を段差状に切り欠くことによって形成されており、頭頂面１１８よりも径方向内側の位置にて軸長方向に一定幅を有する軸長方向段差面１２２ａと、後面１１４よりも送給方向上流側の位置にて軸径方向に一定幅を有する軸径方向段差面１２２ｂとを有している。

　上記構成を有する特殊フラッファリング２００によれば、歯部１１２が回転方向前側に向かって傾斜角度θで傾斜した縦壁面部１１６ｂを有しているので、植物バイオマス処理物に作用する軸径方向外側に向かう付勢力を低減させることができる。したがって、シリンダ１の通路１ａ内において、植物バイオマス処理物に圧縮力・摩擦力が局所的に加わることにより高密度・高強度のプラグ（凝集塊）が発生するのを防止できる。

　そして、プラグの発生を防止することで、スクリューシャフト７が軸径方向に変形されるのを防ぎ、歯部１１２がシリンダ１の通路１ａに接触することによる摩耗・過負荷の発生を未然に防ぐことができる。

　また、第１回転体２０１と第２回転体２０２の回転により、軸長方向に隣り合う歯部１１２を互いに対向する方向に移動させて植物バイオマス処理物を剪断する場合に、回転方向前側に向かって傾斜角度θで傾斜した縦壁面部１１６ｂで剪断することができ、植物バイオマス処理物を剪断するのに必要とする力を小さくすることができる。したがって、押出機の駆動力をより小さくすることができ、駆動ユニットの小型化を図ることができる。

　また、歯部１１２の歯面１１６が、仮想線Ｔで示すねじれ角を有しているので、植物バイオマス処理物が径方向外側に高圧縮されるのを防ぎつつ、軸方向後側に向かって送給することができる。

　そして、歯部１１２には、段付部１２１、１２２が設けられているので、歯部１１２の歯先側の厚み幅が、歯元側の厚み幅よりも狭くなっており、歯面１１６は、歯部１１２の歯元側よりも歯先側の方が狭くなっている。

　したがって、植物バイオマス処理物が高密度となる通路１ａ内の最外形部における送り成分および剪断力を小さくすることができる。したがって、スクリューシャフト７を回転させるトルクを小さくすることができ、駆動モータの小型化を図ることができる。

　また、段付部１２１、１２２は、歯部１１２によって植物バイオマス処理物に局所的に加えられる圧縮力・摩擦力を緩和でき、通路１ａ内の最外形部において植物バイオマス処理物が早期に高密度・高強度化するのを防ぎ、プラグの発生を防止できる。

　特殊フラッファリング２００の構成は、上記した実施例に限定される物ではなく、種々の変更や組み合わせが可能である。例えば、上述の実施例では、特殊フラッファリング２００の歯部１１２が２つの段付部１２１、１２２を有する場合を例に説明したが、段付部１２１、１２２のいずれか一方、もしくは段付部１２１、１２２を歯部１１２に設けない構成とすることも可能である。また、例えば歯部１１２に面取り部１３１（後述する特殊ギヤニーディング１００の実施例３の説明を参照）を設けた構成としてもよい。

　次に、本発明の特徴的な構成である特殊シールリング３００の一例を図２２～図２４に示す。図２２は、特殊シールリングの一例を示す図、図２３は、図２２を植物バイオマス処理物の送給方向である矢印Ｕ１方向からみた図、図２４は、図２３のＡ－Ａ線矢視図である。

　特殊シールリング３００は、図２２～図２４に示すように、第１回転体３０１と第２回転体３０２とからなる。第１回転体３０１と第２回転体３０２は、それぞれ円筒形状の軸部３１１と、軸部３１１の一方端部側で拡径された拡径部３１２とを備えた構成を有している。

　第１回転体３０１は、図２２に示すように、軸部３１１の軸長方向前側である送給方向上流側に拡径部３１２が設けられており、軸長方向後側である送給方向下流側に向かって軸部３１１が突出する構成を有している。そして、第２回転体３０２は、軸部３１１の送給方向下流側に拡径部３１２が設けられており、送給方向上流側に向かって軸部３１１が突出する構成を有している。

　第１回転体３０１と第２回転体３０２は、第１回転体３０１の拡径部３１２が第２回転体３０２の軸部３１１と対向し、かつ第２回転体３０２の拡径部３１２が第１回転体３０１の軸部３１１と対向するように配置され、第１回転体３０１の拡径部３１２と、第２回転体３０２の拡径部３１２とが互いに送給方向に接近した位置に配置される。

　第１回転体３０１と第２回転体３０２は、図２３に示すように、第１回転体３０１と第２回転体３０２との中間位置において、拡径部３１２の一部が送給方向に互いに重なり合って配置されており、特殊シールリング３００における送給方向上流側と下流側との間のシール性能が確保されている。

　第１回転体３０１は、拡径部３１２よりも軸長方向に突出するボス部３１１ａを備えている。そして、第２回転体３０２は、拡径部３１２よりも送給方向上流側に軸部３１１が設けられている。

　第１回転体３０１のボス部３１１ａと、第２回転体３０２の軸部３１１は、送給方向上流側から送給される植物バイオマス処理物がその流れ速度を維持した状態で、拡径部３１２の前面３１３に衝突するのを避けて、当該拡径部３１２に急激な圧縮力が局所的に加えられるのを防止し、スクリューシャフト７を回転駆動するモータに作用するトルク変動を小さくすることができる。

　軸部３１１には、図２３に示すように、六角状の貫通孔３１０が軸部３１１の中心軸に沿って穿設されている。特殊シールリング３００は、貫通孔３１０に押出機のスクリューシャフト７を挿通して固定することにより、スクリューシャフトと一体に回転できるようになっている。

　拡径部３１２は、一定径で軸部３１１の軸長方向に連続する所定の軸方向長さを有した短軸円柱形状を有しており、その大きさは、拡径部３１２の外周面３１６が通路１ａの内壁面との間に所定の間隙を有して対向する大きさに設定されている。

　拡径部３１２の外周面３１６には、リード溝３１７が凹設されている。リード溝３１７は、図２２に示すように、拡径部３１２の前面３１３から後面１３４までの間に亘って延在して、拡径部３１の送給方向上流側と送給方向下流側との間を連通している。

　リード溝３１７は、送給方向下流側に移行するにしたがって回転方向後側に移行するように、所定のねじれ角（リード）を有している。本実施例では、図２２に示される螺旋状の仮想線Ｔに沿って延在するように形成されている。

　リード溝３１７は、通路１ａ内において、拡径部３１２よりも送給方向上流側から送給されてくる植物バイオマス処理物を通過させることができる。したがって、特殊シールリング３００よりも送給方向上流側が過度に高圧化されるのを防ぎ、送給方向上流側でプラグが発生するのを防ぐことができる。

　リード溝３１７は、第１回転体３０１および第２回転体３０２が矢印方向に回転すると、リード溝３１７のねじれ角により、植物バイオマス処理物を送給方向下流側に送給することができる。リード溝３１７のねじれ角がゼロの場合、すなわち、リード溝３１７が軸部３１１の中心軸と平行に延在する場合には、植物バイオマス処理物の送り能力はゼロになり、特殊シールリング３００は植物バイオマス処理物を剪断しながら解すことになる。リード溝３１７は、少なくとも１本以上が設けられており、本実施例では、図２３に示すように、合計で８本のリード溝３１７が周方向に等間隔をおいて配置されている。

　リード溝３１７は、通路１ａの内壁面と特殊シールリング３００との間を通過する植物バイオマス処理物の流れに乱れを生じさせ、かつ、特殊シールリング３００の上流側に位置する植物バイオマス処理物の変動を緩和しながら、流れ方向への送り成分も付与することができ、圧力・流動性のリリーフ的な要素を有し、植物バイオマス処理物の円滑な抵抗・保持状態が可能となる。

　したがって、シリンダ１の通路１ａ内における植物バイオマス処理物の送給を抑制する送給抵抗を安定させ、特殊シールリング３００の上流側と下流側との圧力差を保持できる。したがって、例えばシリンダ１の抵抗体３１と抵抗体３３との間に形成される加圧熱水処理領域１２の保圧をすることができ、加圧熱水領域内の圧力変動を抑えて高温高圧に維持できる。

　また、リード溝３１７によって、植物バイオマス処理物の送給を抑制しつつ、その一部をシリンダ１の下流側に導くことができる。したがって、特殊シールリング３００の上流側が過度に高圧化するのを防ぎ、特殊シールリング３００の上流側にプラグ（凝集塊）が発生するのを防ぐことができる。

　拡径部３１２の送給方向上流側と送給方向下流側には、それぞれ段付部３２１、３２２が設けられている。段付部３２１は、前面３１３と外周面３１６とのエッジ部において周状に連続するように形成されており、段付部３２２は、後面３１４と外周面３１６とのエッジ部において周状に連続するように形成されている。

　段付部３２１は、拡径部３１２の前面３１３と外周面３１６とのエッジ部を段差状に切り欠くことによって形成されており、外周面３１６よりも径方向内側の位置にて軸長方向に一定幅を有する軸長方向段差面３２１ａと、前面３１３よりも送給方向下流側の位置にて軸径方向に一定幅を有する軸径方向段差面３２１ｂとを有している。

　段付部３２２は、拡径部３１２の後面３１４と外周面３１６とのエッジ部を段差状に切り欠くことによって形成されており、外周面３１６よりも径方向内側の位置にて軸長方向に一定幅を有する軸長方向段差面３２２ａと、後面３１４よりも送給方向上流側の位置にて軸径方向に一定幅を有する軸径方向段差面３２２ｂとを有している。

　段付部３２１は、拡径部３１２によって植物バイオマス処理物に局所的に加えられる圧縮力・摩擦力を緩和でき、通路１ａ内の径方向外側に位置する最外形部において植物バイオマス処理物が早期に高密度・高強度化するのを防ぎ、プラグの発生を防止できる。

　また、段付部３２１は、拡径部３１２の前面３１３の表面積を小さくすることができる。したがって、送給方向上流側から送給されてきた植物バイオマス処理物が拡径部３１２の前面３１３に当接した際に生ずる圧縮力・摩擦力を比較的小さくすることができる。したがって、スクリューシャフト７を回転させるトルクを小さくすることができ、駆動モータの小型化を図ることができる。

　なお、リード溝３１７の構成は、上述の実施例に限定されるものではなく、リード溝３１７の溝数、溝の大きさ、溝の形状等を適宜変更することによって、リリーフ的な要素・充満率を容易に変動させることができる。

＜実施例２＞
　実施例２について図１２～図１５を参照して説明する。実施例２では、特殊ギヤニーディング１００の他の例について説明する。図１２は、特殊ギヤニーディングの他の一例を示す図、図１３は、特殊ギヤニーディングを図１２に示す矢印Ｕ１方向からみた図、図１４は、特殊ギヤニーディングのギヤ嵌合状態を示す模式図、図１５は、歯部の一部を拡大して示す図である。

　特殊ギヤニーディング１００は、図１２、図１３に示すように、歯部１１２の先端部分に段付部１２１が形成されていることを特徴としている。図１２～図１５に示す例では、第１回転体１０１および第２回転体１０２においてそれぞれ軸周方向に配置された６個の歯部１１２の全てに段付部１２１が設けられている。

段付部１２１は、特殊ギヤニーディング１００が有する全ての歯部１１２に設けられていなくてもよい。段付部１２１を有する歯部１１２の配置位置、間隔、数量等は、状況に応じて適切に設定される。

　段付部１２１は、例えば図１２、図１３に示すように、歯部１１２の前面１１３と頭頂面１１８とのエッジ部分において歯面１１６、１１７の間に亘って形成されており、各歯部１１２の先端側の厚み幅が、基端側の厚み幅よりも狭くなるようになっている。

　段付部１２１は、図１４、図１５に示すように、歯部１１２の前面１１３と頭頂面１１８とのエッジ部分を段差状に切り欠くことによって形成されており、頭頂面１１８よりも径方向内側の位置にて軸長方向に一定幅を有する軸長方向段差面１２１ａと、前面１１３よりも送給方向下流側の位置にて軸径方向に一定幅を有する軸径方向段差面１２１ｂとを有している。

　歯部１１２は、段付部１２１によって、歯部１１２の先端側の厚み幅が、基端側の厚み幅よりも狭くなるように形成されているので、植物バイオマス処理物が高密度となる通路１ａ内の径方向外側の送り成分および剪断力を小さくすることができる。したがって、スクリューシャフトを回転させるトルクを小さくすることができ、駆動モータの小型化を図ることができる。

　そして、段付部１２１は、歯部１１２によって植物バイオマス処理物に局所的に加えられる圧縮力・摩擦力を緩和でき、通路１ａ内の径方向外側に位置する最外形部にて植物バイオマス処理物が早期に高密度・高強度化するのを防ぎ、プラグの発生を防止できる。

＜実施例３＞
　実施例３について図１６～図１９を参照して説明する。実施例３では、特殊ギヤニーディング１００の更に他の例について説明する。図１６は、特殊ギヤニーディングの他の一例を示す図、図１７は、特殊ギヤニーディングを図１６に示す矢印Ｕ１方向からみた図、図１８は、特殊ギヤニーディングのギヤ嵌合状態を示す模式図、図１９は、歯部の一部を拡大して示す図である。

　特殊ギヤニーディング１００は、特に図１７と図１９に示されるように、歯部１１２の先端部分に面取り部１３１が形成されていることを特徴としている。面取り部１３１は、特殊ギヤニーディング１００が有する全ての歯部１１２に設けられていなくてもよく、軸周方向に所定間隔をおいて配置された複数の歯部１１２のうちの少なくとも一つに設けられており、また、軸長方向に所定間隔をおいて配置された複数の歯部１１２のうちの少なくとも一つに設けられていればよい。

　面取り部１３１を有する歯部１１２の配置位置、間隔、数量等は、状況に応じて適切に設定される。図１６～図１９に示す例では、第１回転体１０１および第２回転体１０２においてそれぞれ軸周方向に配置された６個の歯部１１２のうち、３個の歯部１１２に面取り部１３１が設けられており、面取り部１３１を有する歯部１１２と面取り部１３１を有していない歯部１１２とが軸周方向に交互に並ぶように配置されている。

　面取り部１３１は、図１６と図１９に示すように、歯面１１６と頭頂面１１８とのエッジ部分において歯部１１２の前面１１３と後面１１４の間に亘って形成されており、回転方向後側に移行するにしたがって軸径方向外側に移行するように傾斜した平面形状を有している。

　面取り部１３１は、歯部１１２の先端部分に設けられており、回転方向後側に移行するにしたがって軸径方向外側に移行するように傾斜しているので、歯部１１２の回転方向前側に存在する植物バイオマス処理物の一部を、面取り部１３１と通路１ａの内壁面との間を通過させて歯部１１２の回転方向後側に移動させることができる。

　また、面取り部１３１は、植物バイオマス処理物が高密度となる通路１ａ内の径方向外側の送り成分および剪断力を小さくすることができる。したがって、スクリューシャフト７を回転させるトルクを小さくすることができ、駆動モータの小型化を図ることができる。

　また、面取り部１３１は、歯部１１２によって植物バイオマス処理物に局所的に加えられる圧縮力・摩擦力を緩和でき、通路１ａ内の径方向外側に位置する最外形部にて植物バイオマス処理物が早期に高密度・高強度化するのを防ぎ、プラグの発生を防止できる。

　第１回転体１０１と第２回転体１０２との間には、図１８に示すように、コ字形及び逆コ字形の隙間が送給方向である矢印Ｕ１方向に連続するように形成されている。面取り部１３１は、歯部１１２の回転方向前側に存在する植物バイオマス処理物の高密度・高強度化を防ぐことができる。したがって、送給方向上流側に位置する歯部１１２の後面１１４と、その後面１１４に一部対向する送給方向下流側に位置する歯部１１２の前面１１３との間の間隔ｄ３を、より狭くすることができる（ｄ３＜ｄ１、ｄ３＜ｄ２）。したがって、軸長方向に沿って配置された複数の歯部１１２の間において、植物バイオマス処理物をより微細化することができる。

　特殊ギヤニーディング１００の構成は、上記した各実施例の内容に限定されるものではなく、種々の組み合わせが可能である。例えば、段付部１２１を有する歯部１１２と、面取り部１３１を有する歯部１１２とを有する構成とし、また、歯部１１２が段付部１２１と面取り部１３１の両方を有する構成としてもよい。

＜実施例４＞
　実施例４について図２５～図２７を参照して説明する。実施例４では、特殊シールリング３００の他の例について説明する。図２５は、シールリングの一例を示す図、図２６は、図２５を植物バイオマス処理物の送給方向である矢印Ｕ１方向からみた図、図２７は、図２５のＢ－Ｂ線矢視図である。

　特殊シールリング３００は、図２５、図２６に示すように、外周面３１６に凹部３２３を設けたことを特徴としている。凹部３２３は、送給方向上流側が前方に向かって開放されており、送給方向下流側が送給方向上流側よりも狭く、リード溝３１７の上流部に連通する形状を有している。

　拡径部３１２の外周面３１６には、合計で８本のリード溝３１７が設けられており、凹部３２３は、これらの各リード溝３１７に対応する位置に各々設けられている。

　凹部３２３は、例えば図２６に示すように、リード溝３１７の溝深さとほぼ同様の深さを有している。そして、例えば図２５に示すように、段付部３２１の軸径方向段差面３２１ｂから送給方向下流側に向かって突出する半円形状を有している。そして、凹部３２３の送給方向下流側の端部には、リード溝３１７が接続されている。

　凹部３２３は、植物バイオマス処理物の一部を攪拌させながら、通路１ａ内の最外形部に移動させることができる。したがって、特殊シールリング３００と通路１ａとの間における植物バイオマス処理物の流れを、より複雑な流れにして、特殊シールリング３００の上流側と下流側との間をシールし、通路１ａの上流に設けられたシールリング３３０と下流に設けられた特殊シールリング３００との間に形成される領域の保圧をすることができる。

　また、凹部３２３は、送給方向下流側に移行するにしたがって狭くなる半円形状を有しているので、特殊シールリング３００の外周面３１６によって植物バイオマス処理物に局所的に加えられる圧縮力・摩擦力を緩和でき、最外形部にて植物バイオマス処理物が早期に高密度・高強度化するのを防ぎ、プラグの発生を防止できる。

　なお、凹部３２３の形状は、半円形状に限定されるものではなく、植物バイオマス処理物の流れを複雑な流れにすることができる形状であればよく、例えば、半楕円状、三角状等の異形状でもよい。

＜実施例５＞
　次に、更に他の特殊シールリング３００の例を図２８～図３１に示す。図２８は、シールリングの一例を示す図、図２９は、図２８を植物バイオマス処理物の送給方向である矢印Ｕ１方向からみた図、図３０は、図２９のＣ－Ｃ線矢視図、図３１は、図２８の要部を拡大して示す図である。

　特殊シールリング３００は、拡径部３１２の外周面３１６に少なくとも１本以上の周方向溝３２４が凹設されていることを特徴としている。周方向溝３２４は、図２８に示すように、外周面３１６の周方向に沿って延在するように形成されており、本実施例では、軸長方向に所定間隔をおいて２本設けられている。周方向溝３２４は、図３１に示すように、周方向溝３２４の送給方向上流側部分を形成する凹曲面部３２４ａと、周方向溝３２４の送給方向下流側部分を形成するテーパ部３２４ｂを備えている。

　凹曲面部３２４ａは、断面形状が一定の曲率半径ｓｒを有する凹円弧形状を有するように形成されている。テーパ部３２４ｂは、断面形状が傾斜角度ｓαで凹曲面部３２４ａから送給方向下流側に向かって移行するにしたがって漸次径方向外側に移行する傾斜形状を有するように形成されている。

　したがって、通路１ａ内を上流側から下流側に向かって送給されてきた植物バイオマス処理物が、外周面３１６と対向する位置から周方向溝３２４と対向する位置に移動してきた場合に、周方向溝３２４の凹曲面部３２４ａによって、植物バイオマス処理物に作用する圧力を急激に減圧させて、圧力や流れの変動を緩和させることができる。そして、周方向溝３２４のテーパ部３２４ｂによって、植物バイオマス処理物に作用する圧力や流れの変動を徐々に上昇させることができる。

　そして、この植物バイオマス処理物の圧力等の緩和と上昇を複数の周方向溝３２４によって、繰り返し行わせることによって、植物バイオマス処理物の流れ方向への圧力・抵抗を平滑化することができ、より安全なシール抵抗（流動性）を得ることができる。そして特に、植物バイオマス処理物が急激に高密度化される高温・高圧力領域のシール性に有効である。

　周方向溝３２４は、１本でもよく、また、３本以上であってもよい。また、回転方向後側に移行するにしたがって送給方向下流側に漸次移行するように、緩やかなねじれ角を付けて、植物バイオマス処理物に作用する圧力の変動を緩和する構成としてもよい。

＜実施例６～８＞
　図３２～図３４は、シールリングに設けられるリード溝の断面形状を示す図である。

　拡径部３１２の外周面３１６には、リード溝３１７が凹設されている。リード溝３１７は、拡径部３１２の前面３１３から後面１３４までの間に亘って延在して、拡径部３１２の送給方向上流側と送給方向下流側との間を連通している。

　図３２に示す実施例６のリード溝３１７Ａは、外周面３１６から径方向に沿って切り欠かれた断面が略コ字状の溝形状を有している。そして、図３３に示す実施例７のリード溝３１７Ｅは、外周面３１６から径方向に対して所定角度θｓ－Ｅの角度を有するように回転方向後側に向かって切り欠かれた断面が略Ｕ字状の溝形状を有している。そして、図３４に示す実施例８のリード溝３１７Ｇは、外周面３１６から径方向に対して所定角度θｓ－Ｇの角度を有するように回転方向後側に向かって切り欠かれた断面が略Ｖ字状の溝形状を有している。

　リード溝３１７Ａ、３１７Ｅ、３１７Ｇによる攪拌や流れによる送り力は、リード溝３１７Ａ、３１７Ｅ、３１７Ｇの順番で大きくなり（３１７Ａ＜３１７Ｅ＜３１７Ｇ）、また、リリーフ的な要素は、溝の条件、大きさによって任意に設定することができ、拡径部３１２の外径に応じて、植物バイオマス処理物の流れ抵抗を変更することができる。

　以上、説明したスクリューセグメントは、その全てを必ず同時に使用する必要はなく、条件等に応じて適宜選択され、スクリューシャフト７に取り付けて使用される。

　以上、本発明の各実施例について図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこれらに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。

　例えば、シリンダ１の通路１ａに配置されているスクリュー列、ねじれ角、ピッチ、Ｌ／Ｄ、スクリューやパドルの数等は必要に応じて適宜選択できるものである。また、二軸スクリュー押出機の場合を例に説明したが、これに限られず、単軸あるいは三軸以上の押出機にも適用できる。

　図３５は、本実施の形態における二軸スクリュー押出機の他の一例を示す模式図である。スクリュー押出機は、図３５に示すように、分解剤供給部４、冷媒供給部５、酵素供給部６を、シリンダ１の流れ方向に沿って複数備えていてもよい。かかる構成によれば、通路１ａ内における植物バイオマス処理物の処理状態に応じて、最適なタイミングで分解剤、冷媒、酵素を供給することができる。

　また、スクリュー押出機は、図３６に示すように、シリンダ１の途中位置で拡径された構成としてもよい。かかる構成によれば、下流側の太径部分では通路１ａ内を流動する速度を遅くすることができ、冷却工程や糖化仕込み工程等の時間を長く確保することができる。

　また、スクリュー押出機は、図３７に示すように、シリンダ１の途中位置でＵターンさせる構成としてもよい。かかる構成によれば、シリンダ１の長さを、より長く確保でき、例えば糖化仕込み領域１４に引き続き、糖化、発酵までシリンダ１内で行うこともできる。

Claims (12)

1. 　酵素を用いて植物バイオマスからエタノールを製造するための前処理を行う植物バイオマスの前処理方法において、
   　前記植物バイオマスを予め設定された大きさ以下に粗粉砕し、該粗粉砕された植物バイオマスに分解剤を添加し、該分解剤が添加された植物バイオマスを加圧熱水処理し、該加圧熱水処理された植物バイオマスと該植物バイオマスを糖化させるための酵素とを混ぜ合わせる糖化仕込みまでの前処理を押出機内で順番に連続して行うことを特徴とする植物バイオマスの前処理方法。
2. 　前記押出機は、
   　一端に植物バイオマスを供給する供給口が形成され他端に前処理物が吐出される吐出口が形成された通路を有するシリンダと、
   　該シリンダの通路内に配置され、前記植物バイオマスを前記吐出口に向けて送給する送給部、前記植物バイオマスを混練する混練部、および植物バイオマスに送給抵抗を与える抵抗体を含むスクリュー列を備え、
   　前記シリンダの通路内に上流側から下流側に順次、前記植物バイオマスを予め設定された大きさ以下に粗粉砕する粗粉砕領域と、該粗粉砕領域で粗粉砕された植物バイオマスを加圧熱水処理する加圧熱水処理領域と、該加圧熱水処理領域で加圧熱水処理された植物バイオマスを冷却する冷却領域と、該冷却領域で冷却された植物バイオマスに酵素を混ぜ合わせる糖化仕込み領域と、該糖化仕込み領域で酵素が混ぜ合わされた植物バイオマスを前処理物として排出する排出領域を有することを特徴とする請求項１に記載の植物バイオマスの前処理方法。
3. 　前記スクリュー列の抵抗体によって前記抵抗体の上流側に形成される植物バイオマスの高充填領域に、特殊ギヤニーディングまたは特殊フラッファリングの少なくとも一種類以上のスクリューセグメントを有するスクリュー列が配設されていることを特徴とする請求項２に記載の植物バイオマスの前処理方法。
4. 　前記粗粉砕領域には、順ニーディングディスク、逆ニーディングディスク、直交ニーディングディスク、特殊ギヤニーディング、特殊フラッファリングの少なくとも一種類以上のスクリューセグメントを有するスクリュー列が配設されていることを特徴とする請求項２または３に記載の植物バイオマスの前処理方法。
5. 　前記加圧熱水処理領域には、逆フルフライト、特殊ギヤニーディングまたは特殊フラッファリングの少なくとも一種類以上のスクリューセグメントを有するスクリュー列が配設され、前記加圧熱水処理領域の上流端と下流端には、特殊シールリングを有する抵抗体がそれぞれ配設されており、前記加圧熱水処理では前記植物バイオマスを加圧加熱下で剪断・混練することを特徴とする請求項２から請求項４のいずれか一項に記載の植物バイオマスの前処理方法。
6. 　前記加圧熱水処理領域に配設された抵抗体は、上流側の抵抗体よりも下流側の抵抗体の方が大きな抵抗力を有するように設定されていることを特徴とする請求項５に記載の植物バイオマスの前処理方法。
7. 　前記通路の加圧熱水処理領域内に分解剤を供給する分解材供給部と、前記冷却領域内に冷媒を供給する冷媒供給部と、前記糖化仕込み領域内に酵素を供給する酵素供給部とが各々設けられていることを特徴とする請求項２から請求項６のいずれか一項に記載の植物バイオマスの前処理方法。
8. 　前記分解剤供給部は、前記シリンダの通路に沿って所定間隔をおいて複数設けられており、分解剤の供給量は下流側よりも上流側の方が多くなるように設定されていることを特徴とする請求項２から請求項７のいずれか一項に記載の植物バイオマスの前処理方法。
9. 　前記分解剤の供給量は、植物バイオマス１００重量部に対して５～１５０重量部に設定されていることを特徴とする請求項２から請求項８のいずれか一項に記載の植物バイオマスの前処理方法。
10. 　前記押出機は、前記シリンダ内の圧力が１～３０ＭＰａ、前記加圧熱水処理領域の温度が１３０℃から３５０℃に加圧加熱されることを特徴とする請求項２から請求項９のいずれか一項に記載の植物バイオマスの前処理方法。
11. 　前記排出領域には、順ニーディングディスク、逆ニーディングディスク及び直交ニーディングディスクの少なくとも一種類以上のスクリューセグメントを有するスクリュー列が配設されていることを特徴とする請求項２から請求項１０のいずれか一項に記載の植物バイオマスの前処理方法。
12. 　前記シリンダは、前記通路内のガスを排出するベントを前記排出領域に備え、該ベントから前記シリンダ内のガスを排出することを特徴とする請求項２から請求項１１のいずれか一項に記載の植物バイオマスの前処理方法。

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