WO2014010048A1 - バイオマスの水熱分解システム、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 - Google Patents

バイオマスの水熱分解システム、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 Download PDF

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寺倉　誠一
良介 上原
小林　誠司
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Definitions

  • the present invention relates to a biomass hydrothermal decomposition system capable of efficiently decomposing biomass raw materials, a method for producing a sugar solution using the biomass raw materials, and a method for producing alcohol.
  • Patent Document 1 and Patent Document 2 Conventionally, after saccharification treatment of biomass such as wood with dilute sulfuric acid and concentrated sulfuric acid, solid-liquid separation, neutralization of the liquid phase, and production technology such as ethanol used as a raw material for ethanol fermentation have been put into practical use ( Patent Document 1 and Patent Document 2). Moreover, chemical industrial raw material production (for example, lactic acid fermentation etc.) is also considered using sugar as a starting material.
  • the biomass refers to the accumulation of organisms incorporated into the material circulation system of the earth biosphere or organic substances derived from the organisms (see JIS K 3600 1258).
  • sugarcane, corn, etc. which are currently used as alcohol raw materials, are originally provided for food.
  • it is effective food products to make these edible resources long-term and stable for industrial use. From the viewpoint of life cycle, it is not preferable.
  • Cellulose resources vary from 38 to 50% for cellulose, 23 to 32% for hemicellulose components, and 15 to 22% for lignin components that do not become fermentation raw materials.
  • the raw materials are assumed to be fixed, and there is no disclosure of production system technology considering the versatility of raw materials.
  • Patent Documents 1 to 3 a phenomenon occurs in which the side reaction product causes enzyme saccharification inhibition and the saccharide yield decreases. Therefore, the enzyme saccharification inhibitor is removed and enzyme saccharification mainly by cellulose is performed.
  • the proposal of the hydrothermal decomposition apparatus which improves property was made first (patent documents 4 thru
  • JP-T 9-507386 Japanese National Patent Publication No. 11-506934 JP 2005-168335 A JP 2009-183805 A JP 2009-183154 A Japanese Patent No. 4764527
  • the present invention provides a biomass hydrothermal decomposition system with improved plant efficiency, a method for producing a sugar solution using a biomass material, and a method for producing alcohol.
  • the first invention of the present invention for solving the above-mentioned problems is a biomass supply section for supplying a biomass material having cellulose, hemicellulose, and lignin under normal pressure to pressurized pressure, and hydrothermally heating the biomass material with pressurized hot water.
  • a hydrothermal decomposition unit for decomposing and dissolving a lignin component and a hemicellulose component in pressurized hot water, a biomass solid content extraction unit for extracting biomass solid content from the hydrothermal decomposition unit, and a biomass solid content extraction unit
  • the biomass hydrothermal decomposition system is characterized by having an enzyme liquefaction tank that communicates with the biomass solids and supplies the extracted biomass solids and supplies enzymes to the biomass solids to liquefy the biomass solids. .
  • the hydrothermal decomposition unit conveys the biomass raw material supplied from one end side of the apparatus main body to the other end side of the apparatus main body by a conveying means inside the apparatus main body.
  • pressurized hot water is supplied to the inside of the apparatus main body from the other end side different from the biomass raw material supply location, hydrothermally decomposed and discharged while the biomass raw material and the pressurized hot water are opposed to each other.
  • the biomass hydrothermal decomposition system is characterized in that a hot water-dissolved component is transferred into a hot water discharge liquid that is pressurized hot water, and a lignin component and a hemicellulose component are separated from the biomass raw material.
  • the third invention is the biomass hydrothermal decomposition system according to the first or second invention, further comprising a first saccharification tank for saccharifying the liquefied biomass solids.
  • a fourth aspect of the present invention is the biomass hydrothermal decomposition system according to any one of the first to third aspects, further comprising a second saccharification tank for saccharifying the hot water discharge liquid from the hydrothermal decomposition section. It is in.
  • a fifth invention in the third invention, in the first saccharification tank, water is separated from the first solid-liquid separation device for separating the solid from the sugar solution after saccharification, and the sugar solution after the solid separation.
  • a biomass hydrothermal decomposition system having a first water separation device to be removed.
  • the second solid-liquid separation device for separating the solid content from the sugar solution after saccharification in the second saccharification tank, and water from the sugar solution after the solid separation.
  • a biomass hydrothermal decomposition system comprising a second water separation device to be removed.
  • the 7th invention has the waste liquid introduction line which introduce
  • the biomass hydrothermal decomposition system is characterized in that the liquefied biomass solid is mixed with a hot water discharge liquid to obtain a mixed liquefaction product.
  • the eighth invention is the biomass hydrothermal decomposition system according to the seventh invention, wherein a filter is interposed in the discharge liquid introduction line.
  • a ninth invention is the biomass hydrothermal decomposition system according to the seventh invention, wherein a cooling means is interposed in the discharge liquid introduction line.
  • a tenth aspect of the invention is the biomass hydrothermal decomposition system according to the seventh aspect of the invention, further comprising a saccharification tank that saccharifies using the mixed liquefaction product liquefied by the enzyme saccharification.
  • An eleventh aspect of the invention is the tenth aspect of the invention, in which a solid-liquid separation device that separates solids from the sugar solution after saccharification in the saccharification tank, and a water separation device that removes water from the sugar solution after solid separation And a hydrothermal decomposition system for biomass.
  • a biomass material having cellulose, hemicellulose, and lignin is supplied under normal pressure to pressurized pressure, and the biomass material is hydrothermally decomposed with pressurized hot water by a hydrothermal decomposition unit, Then, the lignin component and the hemicellulose component are dissolved in the biomass, and then the enzyme is added to the biomass solids extracted from the hydrothermal decomposition unit, and the biomass solids are liquefied in an enzyme liquefaction tank communicating with the hydrothermal decomposition unit. Then, the liquefied biomass solid content is monosaccharided with an enzyme to produce a sugar solution of the monosaccharide, which is in a method for producing a sugar solution using a biomass raw material.
  • a thirteenth aspect of the invention is characterized in that, in the twelfth aspect of the invention, the liquefaction of the biomass solids is performed under pressure, the liquefied biomass solids are extracted, and the enzyme is saccharified under atmospheric pressure.
  • the liquefaction of the biomass solids is performed under pressure, the liquefied biomass solids are extracted, and the enzyme is saccharified under atmospheric pressure.
  • a mixed liquefied product is prepared by introducing into the enzyme liquefaction tank a hot water discharge liquid containing biomass hot water soluble matter discharged from the hydrothermal decomposition section. It is in the sugar-liquid production method using the biomass raw material characterized.
  • a fifteenth aspect of the invention is the sugar liquid production method using biomass raw material according to the fourteenth aspect of the invention, wherein the production of the sugar liquid of the monosaccharide is enzymatically saccharified under normal pressure conditions.
  • a sixteenth aspect of the invention is an alcohol production method characterized in that alcohol fermentation is performed using a sugar liquid obtained by the sugar liquid manufacturing method using any one of the twelfth to fifteenth biomass raw materials to produce an alcohol. It is in.
  • an enzyme is supplied to biomass solids in which the lignin component and hemicellulose component are dissolved in pressurized hot water, the biomass solids are liquefied, and a liquid seal is formed with the liquefied product.
  • the amount of water introduced during the slurrying process is reduced, and the plant efficiency can be improved.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a biomass hydrothermal decomposition system according to a first embodiment.
  • FIG. 2 is a schematic diagram of another biomass hydrothermal decomposition system according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is a schematic diagram of another biomass hydrothermal decomposition system according to the first embodiment.
  • FIG. 4 is a schematic diagram of a biomass hydrothermal decomposition system according to a second embodiment.
  • FIG. 5 is a schematic diagram of another biomass hydrothermal decomposition system according to the second embodiment.
  • FIG. 6 is a schematic diagram of a biomass hydrothermal decomposition system according to a third embodiment.
  • FIG. 7 is a schematic diagram of another biomass hydrothermal decomposition system according to the third embodiment.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a biomass hydrothermal decomposition system according to a first embodiment.
  • FIG. 2 is a schematic diagram of another biomass hydrothermal decomposition system according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is a schematic diagram of another biomass hydro
  • FIG. 8 is a schematic diagram of a biomass hydrothermal decomposition system according to a fourth embodiment.
  • FIG. 9 is a schematic diagram of a biomass hydrothermal decomposition system according to a fifth embodiment.
  • FIG. 10 is a schematic diagram of a biomass hydrothermal decomposition system according to a sixth embodiment.
  • FIG. 11 is a schematic diagram of a biomass hydrothermal decomposition system according to a seventh embodiment.
  • FIG. 12 is a schematic diagram of a vertical hydrothermal decomposition apparatus that hydrothermally decomposes biomass with hot water.
  • FIG. 13 is a diagram showing a state of decomposition of biomass by hot water.
  • FIG. 14 is a schematic diagram of a saccharification process of liquefaction and mono-saccharification with an enzyme of biomass solids.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a biomass hydrothermal decomposition system according to a first embodiment.
  • 2 and 3 are schematic views of another biomass hydrothermal decomposition system according to the first embodiment.
  • a biomass hydrothermal decomposition system 10 ⁇ / b> A according to this embodiment includes a biomass supply unit 12 that supplies a biomass material 11 having cellulose, hemicellulose, and lignin from normal pressure to pressure, and a biomass material.
  • the hydrothermal decomposition unit 17 a known hydrothermal treatment apparatus that decomposes the biomass raw material 11 under high temperature and high pressure conditions can be used. Although an example of a hydrothermal decomposition system is demonstrated using FIG. 1, this invention is not limited to this hydrothermal decomposition system. As shown in FIG. 1, in the hydrothermal decomposition system according to the present embodiment, the biomass raw material 11 supplied to the hydrothermal decomposition unit 17 is transferred from below to the inside of the apparatus main body 13 as a first screw serving as a conveying means.
  • pressurized hot water 15 is supplied into the apparatus main body 13 from an upper side different from the supply location of the biomass raw material 11, and the biomass raw material 11 and the pressurized hot water 15 are opposed to each other.
  • Hydrothermal decomposition while contacting and transferring hot water-dissolved components (lignin component and hemicellulose component) into hot water discharge liquid 16 which is pressurized hot water to be discharged, and lignin component and hemicellulose component from biomass raw material 11 It is a separate product.
  • the conveying means the screw means is exemplified in the present embodiment, but the conveying means is not limited to the screw means as long as the biomass solids 20 can be conveyed from below to above, For example, a method of gradually extruding by compaction filling may be used.
  • the biomass solids 20 is conveyed from the lower side of one end of the apparatus to the upper side of the other end by the conveying means and hot water is supplied from the upper side of the other end of the apparatus.
  • the invention is not limited to this, and the biomass solid content 20 may be supplied from the upper side, and hot water may be supplied from the lower side to be opposed to each other.
  • the extracted biomass solid content 20 is partially liquefied by the enzyme 30 introduced into the enzyme liquefaction tank 21 to form a liquid surface, thereby preventing leakage of pressurized nitrogen 25 for pressurization. As a result, a liquid seal can be achieved.
  • a cooling means 26 may be provided in the enzyme liquefaction tank 21 as shown in the biomass hydrothermal decomposition system 10B according to the embodiment shown in FIG.
  • a cooling means may be unnecessary.
  • the inside of the enzyme liquefaction tank 21 may be cooled to a temperature at which the enzyme exhibits performance on either one or both of the external side and the internal side.
  • water 32 is separately supplied to the enzyme liquefaction tank 21, the inside is cooled, and the moisture of the liquefied biomass solids 24 is obtained. Adjustments may be made.
  • the water 32 to be supplied is usually cooled within a range of 0 ° C. to 60 ° C. (for example, pure water, industrial water, etc. or pure water, industrial water, etc. is cooled using cooling tower water, chiller water, etc.) Can be used.
  • the separated water in the system can be circulated and reused.
  • reference numeral 18 a is a passage that connects the biomass solids extraction unit 18 and the enzyme liquefaction tank 21, 22 is a stirring means that stirs the inside of the enzyme liquefaction tank 21, and 13 a is a gas in the hydrothermal decomposition unit 17.
  • liquid interface, 21a is gas-liquid interface
  • M 1 is a motor for driving the first screw means 14
  • M 2 is respectively illustrated a motor for driving the stirring means 22.
  • FIG. 12 is a schematic diagram of a vertical hydrothermal decomposition apparatus that hydrothermally decomposes biomass with hot water
  • FIG. 13 is a diagram illustrating a state of decomposition of biomass with hot water.
  • the biomass raw material 11 and the pressurized hot water 15 are supplied so as to face each other, and are subjected to a hydrothermal reaction by internal heat exchange.
  • an opposing contact area X and a non-facing contact area Y are shown, and the non-facing contact area Y remains in a high temperature / high pressure state. The decomposition reaction will proceed and sometimes it may become excessively decomposed.
  • the biomass raw material (solid) 11 is supplied into the apparatus main body 13 from the lower side and is moved upward by the first screw means 14 provided inside.
  • the biomass solid content (hot water insoluble content) 20 is dropped into the liquid 21b of the enzyme liquefaction tank 21 formed by supplying the enzyme 30 through the biomass solid content extraction section 18 from the upper side.
  • the biomass (cellulosic material) raw material 11 contains hemicellulose and lignin in addition to cellulose. Specifically, the cellulose has a structure in which hemicellulose is bundled and lignin is adhered.
  • Biomass is divided into a hot water insoluble part (solid part) and a hot water soluble part after hydrothermal decomposition.
  • the hot water insoluble content (biomass solid content 20) is mainly cellulose (C6 sugar raw material), and the hot water soluble content (hot water discharge liquid 16) is mainly hemicellulose (C5 sugar raw material).
  • Sugar can be obtained by saccharification.
  • the biomass raw material 11 is hydrothermally decomposed by the pressurized hot water 15 in a high temperature range (180 to 240 ° C.), and hemicellulose is decomposed and dissolved on the hot water side, and lignin is also decomposed and dissolved. As a result, hemicellulose and the like are dissolved on the hot water side. In the state of hot water-solubilized hemicellulose after being solubilized in hot water, excessive decomposition occurs in a temperature range of 140 ° C. or higher.
  • the biomass solid content extraction unit 18 is provided with second screw means (not shown), and the biomass solid content 20, which is hot water insoluble content conveyed from below to above by the first screw means 14, is obtained. , Gradually extracted to the enzyme liquefaction tank 21 side.
  • the extracted biomass solids 20 are sequentially dropped from the passage 18a into the liquid 21b, and liquefaction is promoted by stirring by the stirring means 22 provided in the enzyme liquefaction tank 21.
  • FIG. 14 is a schematic diagram of a saccharification process of liquefaction and mono-saccharification with an enzyme of biomass solids. 14, the outline of a saccharification process will be described.
  • the biomass solid content 20 extracted from the biomass solid content extraction unit 18 is in a state of a high molecular weight oligomer.
  • This polymer oligomer is hardly soluble.
  • an enzyme is added to the polymer oligomer, a part of the polymer oligomer is decomposed to become a low molecular weight oligomer, soluble in moisture accompanying the biomass solids 20, and in a biomass liquefied state. Become. Then, this low molecular weight oligomer is converted into a monosaccharide by further saccharifying the enzyme over time. Therefore, the saccharification process is a combination of the liquefaction process and the monosaccharification process.
  • the enzyme liquefaction tank 21 is a pressure vessel having a pressure resistance because it is under pressure. Since this pressure vessel is expensive to manufacture, it is expensive to make it a large-capacity pressure vessel required for saccharification. Therefore, in the pressure vessel, only the liquefaction process is used as a pressurizing condition, and the liquefaction process is completed in 1 to 3 hours. And after completion
  • saccharification treatment is carried out for 47 to 71 hours to perform saccharification, and 6 monosaccharides are obtained from cellulose in the biomass solids 20.
  • the time for the saccharification step is an example, and is appropriately set depending on the saccharification conditions (temperature, type of enzyme, etc.).
  • the biomass solid content 20 is dropped into the liquid 21 b in the enzyme liquefaction tank 21, thereby being cooled by direct heat exchange with the liquid 21 b, and as a result, residual hemicellulose due to the hot water accompanying the biomass solid content 20. In addition, excessive decomposition of residual lignin and main component cellulose is suppressed.
  • the biomass solids 20 is exposed above the hot water-liquid surface (gas-liquid interface 13a) by the first screw means 14. .
  • the reaction since the reaction is still in progress at a high temperature and high pressure due to the presence of the pressurized hot water 15 accompanying the biomass solids 20, the biomass solids 20 should be put into the liquid 21 b in the enzyme liquefaction tank 21.
  • the reaction can be stopped. By stopping the reaction, the excessive decomposition of residual hemicellulose, residual lignin and main component cellulose is suppressed, the excessive decomposition of cellulose is suppressed, the recovery rate is improved, and the generation of reaction inhibiting components on the wake side is generated. It is suppressed.
  • the enzyme 30 is supplied into the enzyme liquefaction tank 21 and the liquid 21b is present by liquefaction by the enzyme, the liquid is present at the gas-liquid interface 13a of the hydrothermal decomposition unit 17 and the gas-liquid interface 21a of the enzyme liquefaction tank 21. Sealing is performed, thereby preventing leakage of pressurized nitrogen 25, which is a pressurized gas (for example, pressurized nitrogen or pressurized air). Thereby, the loss accompanying gas leak is eliminated, and the running cost for the pressurizing gas can be greatly reduced.
  • the enzyme liquefaction tank 21 is provided with a safety valve (not shown) and an inflow passage for pressurized nitrogen 25.
  • a part of the oligomer is made into a low molecular weight oligomer, thereby enabling fluidization and simplifying a discharge mechanism when discharging from the enzyme liquefaction tank 21 to the outside. That is, when the biomass solid content 20 remains in a high temperature state, the material of the discharge mechanism needs to use an expensive material, for example, but since it is cooled in the enzyme liquefaction tank 21, the discharge unit 23 provided on the discharge side An inexpensive material such as stainless steel or resin can be used. As this discharge part 23, a rotary feeder, a flow regulating valve, etc. can be used, for example.
  • the biomass solid content 20 has a large porosity and a low bulk density, the handleability as a solid is complicated, but the volume can be reduced by liquefaction with an enzyme, and the handleability is also easy.
  • the biomass solid content 20 is in a so-called cake state or sponge state, the proportion of the pressurizing gas is large, the porosity is large, and the bulk density is as small as 0.5 g / cc or less. Met. When this becomes an enzyme liquefaction, the porosity decreases and volume reduction is achieved.
  • biomass solids 20 into an enzyme liquefied slurry, fluidization is possible, and handling in subsequent steps is facilitated.
  • the biomass solid content 20 is immediately liquefied by the enzyme 30 in the enzyme liquefaction tank 21 which is a pressure vessel, so that the amount of water required is about four times the biomass weight. And the concentration of the sugar solution can be increased accordingly.
  • Table 1 shows the comparison between the present product and the conventional product regarding the relationship between the biomass solid content, the amount of water and the sugar concentration.
  • this comparative example is an illustration and changes with the kind of biomass raw material, this invention is not limited to this.
  • the amount of water can be reduced to 1/5 (4/20) of the conventional one by liquefying the enzyme, and the sugar concentration can be 10%.
  • a sugar solution having a concentration 4 times as high as 2.5% can be obtained.
  • a thicker sugar solution can be obtained.
  • the amount of water separated by solid-liquid separation in the saccharification process is reduced, and plant efficiency is improved.
  • the amount of drainage can be greatly reduced.
  • the enzyme liquefaction tank 21 is provided with the agitation means 22, the present invention is not limited to this, and may be agitated by, for example, a circulation means using a pump.
  • the enzyme liquefaction tank 21 is provided with a pH meter 31.
  • the pH of the liquid in the enzyme liquefaction tank 21 can be measured, and acid or alkali is added to the enzyme liquefaction tank 21 to a pH at which the enzyme efficiently exhibits saccharification ability. pH can be adjusted and liquefaction can be performed efficiently.
  • the presence or absence of the organic acid which remains in the slurry-like biomass solid content 24 can be confirmed by providing the pH meter 31. Thereby, the generation
  • the organic acid for example, acetic acid etc.
  • the pH may be measured by the pH meter 31, the supply amount of pressurized hot water may be controlled, and the hydrothermal decomposition reaction may be controlled.
  • Other control of the hydrothermal decomposition unit 17 based on pH includes a method of controlling the hydrothermal decomposition reaction by controlling the supply amount (reaction time) of the biomass raw material 11, and a scratching by the first screw means 14 of the biomass raw material 11.
  • a method of controlling the hydrothermal decomposition reaction by controlling the frying speed (reaction time), a method of controlling the hydrothermal decomposition reaction by controlling the liquid level (reaction time) of the gas-liquid interface 13a of the apparatus body 13, and hot water discharge A method of controlling the hydrothermal decomposition reaction by controlling the discharge amount of the liquid 16 (reaction time) can be performed.
  • the biomass supplied to the hydrothermal decomposition unit 17 is not particularly limited, and refers to the accumulation of organisms incorporated into the material circulation system of the earth biosphere or organic matter derived from organisms (JIS).
  • K 3600 1258 it is particularly preferable to use woody materials such as cellulosic resources such as hardwoods and herbaceous materials, agricultural wastes, food wastes, and the like.
  • the biomass raw material 11 is not particularly limited in particle size, but is preferably pulverized to 5 mm or less.
  • the pretreatment device may be pretreated using, for example, a pulverizer. Moreover, you may make it wash
  • rice husk or the like as the biomass raw material 11 it can be supplied to the biomass supply unit 12 as it is without being pulverized.
  • the reaction temperature in the hydrothermal decomposition unit 17 is preferably in the range of 140 to 240 ° C. More preferably, the temperature is 180 to 230 ° C. This is because at a low temperature of less than 140 ° C., the hydrothermal decomposition rate is low and a long decomposition time is required, leading to an increase in the size of the apparatus, which is not preferable. On the other hand, when the temperature exceeds 240 ° C., the decomposition rate becomes excessive, the cellulose component increases the transition from the solid to the liquid side, and the excessive decomposition of the hemicellulose saccharide is promoted, which is not preferable.
  • the hemicellulose component dissolves from about 140 ° C., the cellulose from about 230 ° C., and the lignin component from about 140 ° C., but the cellulose remains on the solid side, and the hemicellulose component and the lignin component have a sufficient decomposition rate. It is preferable that the temperature be within the range of 180 ° C to 230 ° C.
  • the reaction pressure is preferably a pressure higher by 0.1 to 0.5 MPa than the saturated vapor pressure of water at each temperature of the reaction temperature (180 to 240 ° C.) of the apparatus body 13.
  • the reaction time is preferably 20 minutes or less and 3 to 10 minutes. This is because if the reaction is carried out too long, the proportion of the overdecomposed product increases, which is not preferable.
  • Examples of the biomass supply unit 12 that supplies from the normal pressure to the pressure may include means such as a screw, a piston pump, or a slurry pump.
  • the hydrothermal decomposition apparatus is a vertical apparatus, but the present invention is not limited to this, and may be an inclined hydrothermal decomposition apparatus having a gas-liquid interface 13a.
  • the reason why the hydrothermal decomposition apparatus is of the inclined type or vertical type is that gas generated in the hydrothermal decomposition reaction, gas introduced into the raw material, and the like can be quickly released from above, which is preferable. Moreover, since the decomposition product is extracted with the pressurized hot water 15, the concentration of the extract increases from the top to the bottom in terms of extraction efficiency, which is preferable.
  • the cellulose-based component and the hemicellulose component are decomposed from the biomass raw material in a solid-liquid contact state, and then the biomass solid content 20 as the decomposition product is put into the enzyme liquefaction tank 21.
  • the biomass solid content 20 is liquefied, and a liquid seal is made with the liquefied product, thereby preventing the pressurization gas from flowing out.
  • the amount of water introduced during the slurrying process is reduced, and the plant efficiency can be improved.
  • the hydrothermal decomposition apparatus has been described as the biomass processing section that performs the biomass decomposition process.
  • an alkali decomposition treatment biomass processing section for example, water Sodium oxide, decomposition using slaked lime and ammonia, etc.
  • acid decomposition treatment biomass treatment part decomposition with dilute sulfuric acid, etc.
  • an enzyme saccharification tank 21 to which the enzyme 30 is added is installed, and the processed biomass solid content 20 is slurried, and discharged to a system from under pressure to normal pressure through a discharge mechanism. Applicable.
  • FIG. 4 is a schematic diagram illustrating a biomass hydrothermal decomposition system according to a second embodiment.
  • the biomass hydrothermal decomposition system 10 ⁇ / b> D is the same as the biomass hydrothermal decomposition system 10 ⁇ / b> A of Example 1 except that biomass solids 20 mainly containing a cellulose component is converted into hexose (C6 sugar) or the like.
  • a C6 saccharification / sugar concentration device 50A that saccharifies and concentrates sugar, and hydrothermal effluent 16 mainly containing hemicellulose components is enzymatically saccharified to pentose sugar (C5 sugar) and the like to concentrate the sugar.
  • Device 50B In FIG. 4, symbol M denotes a motor for driving the stirring means, and P denotes a liquid feed pump.
  • the C6 saccharification / sugar concentration apparatus 50A and the C5 saccharification / sugar concentration apparatus 50B include a first saccharification tank 52A that further enzymatically saccharifies the biomass solid content 20 liquefied in the enzyme liquefaction tank 21, and an hydrothermal decomposition unit. 17, a second saccharification tank 40B for enzymatic saccharification of the hot water discharge liquid 16 from the enzyme 17 and a first solid-liquid separation device 54A for separating solid components from the saccharified sugar liquids 53A and 42B.
  • Water 57a, 57b is removed from the sugar liquids 53A, 42B separated by the solid-liquid separator 54B, the first solid-liquid separator 54A, and the second solid-liquid separator 54B to obtain concentrated sugar liquids 55A, 55B.
  • water separators 56A and 56B having reverse osmosis (RO) membranes 56a and 56b.
  • a screw decanter, a sand filtration device, an MF membrane or the like can be used alone or in combination.
  • the films 56a and 56b are protected.
  • UF membrane ultrafiltration membrane
  • NF membrane nanofiltration membrane
  • the enzyme 30 is added with a necessary amount of enzyme in the enzyme liquefaction tank 21, the enzyme is not added in the first saccharification tank 52A at normal pressure for enzymatic saccharification.
  • the present invention is not limited to this.
  • the enzyme 30 is added, and monosaccharification is performed under normal pressure conditions. It may be promoted.
  • the biomass hydrothermal decomposition system 10D according to Example 2 shown in FIG. 4 the addition of the enzyme 30 can be performed at one place, so that the apparatus configuration is simpler than the system of FIG.
  • the sugar liquid 53A is stored in the first sugar liquid tank 61A, and then the solid residual liquid 62A such as lignin is separated by the first solid-liquid separator 54A, and then the sugar liquid 53A is the second sugar liquid. It is stored in the tank 63A.
  • ⁇ Sugar concentration process> the water 57A is removed from the sugar solution 53A by the water separator 56A provided with the RO membrane 56a to obtain a concentrated sugar solution 55A.
  • the concentrated sugar solution 55A becomes various organic raw materials in a post-process fermentation process (not shown).
  • the separated solid liquid 62A (62B) such as lignin is high in calories and can be used for fuel. Further, the solid residual liquid 62A (62B) such as lignin can be used for organic fertilizer use or chemical raw material use (use of lignin as an adhesive, etc.).
  • the method for producing a sugar liquid using the biomass raw material of the present invention supplies the biomass raw material 11 having cellulose, hemicellulose, and lignin from normal pressure to pressurized pressure.
  • 11 is hydrothermally decomposed by hydrothermal decomposition section 17 with pressurized hot water 15, lignin component and hemicellulose component are dissolved in the pressurized hot water 15, and then the biomass solid content extracted from the hydrothermal decomposition section 17 20 and the enzyme 30 are injected and put into an enzyme liquefaction tank 21 communicating with the hydrothermal decomposition unit 17, and a part thereof is liquefied by the enzyme to form a slurry biomass solids 24.
  • Enzymatic saccharification to obtain a sugar solution 53A, then separating the solids and then removing the water to efficiently produce the sugar solution from the biomass material It can be.
  • FIG. 6 is a schematic diagram illustrating a biomass hydrothermal decomposition system according to a third embodiment.
  • FIG. 7 is a schematic diagram illustrating another biomass hydrothermal decomposition system according to the third embodiment. As shown in FIG.
  • the biomass hydrothermal decomposition system 10 ⁇ / b> F is a hot water discharge including a biomass hot water soluble component discharged from the hydrothermal decomposition unit 17 in the biomass hydrothermal decomposition system 10 ⁇ / b> A of the first embodiment. It has a hot water discharge liquid introduction line L 11 for introducing the liquid 16 into the enzyme liquefaction tank 21 to which the enzyme 30 is added.
  • the saccharification / sugar concentration apparatus 50B shown in FIGS. 4 and 5 described in Embodiment 2 is not required, and the apparatus configuration can be simplified.
  • the biomass temperature is set so that the temperature of the enzyme liquefaction tank 21 is cooled to 140 ° C. or lower.
  • the temperature of the hot water discharge liquid 16 introduced according to the temperature of the solid content 20 and the capacity of the enzyme liquefaction tank 21 may be cooled by a cooling means (not shown) as necessary and set appropriately.
  • the cooling means 26 provided in the enzyme liquefaction tank 21 of the biomass hydrothermal decomposition system 10B shown in FIG. 2 described above may be installed as necessary.
  • biomass solids 20 that is insoluble in hot water which is a hexose raw material
  • an effluent 16 containing soluble components in biomass hot water, which is a pentose raw material is dropped into an effluent 16 containing soluble components in biomass hot water, which is a pentose raw material, and mixed in a slurry form.
  • a liquefied product 27 is obtained. Thereby, a saccharification process can be performed by a single line.
  • FIG. 7 is a schematic diagram illustrating a biomass hydrothermal decomposition system 10 ⁇ / b> G according to the third embodiment.
  • the biomass hydrothermal decomposition system 10G is a biomass hydrothermal decomposition system further including a saccharification / sugar concentration device 50 in the biomass hydrothermal decomposition system 10F.
  • This saccharification / sugar concentration apparatus 50 separates the solid liquefaction product 27 partially saccharified by the enzyme 30 from the saccharification tank 52 that further enzymatically saccharifies the enzyme 30 and the sugar solution 53 after saccharification.
  • RO reverse osmosis
  • the solid-liquid separation device 54 may be, for example, a screw decanter, a sand filtration device, an MF membrane or the like, which is used alone or in combination, thereby removing solids and protecting the RO membrane 56a. Further, by using an ultrafiltration membrane (UF membrane) on the upstream side of the RO membrane 56a, the RO membrane can be protected and the enzyme can be recovered, and the enzyme can be reused.
  • UF membrane ultrafiltration membrane
  • a loose RO membrane may be used for the water separation device 56.
  • NF membrane nanofiltration membrane
  • the mixed liquefied product 27 is a mixture of the biomass solids 20 that is insoluble in hot water that becomes the hexose raw material and the effluent 16 that contains the soluble components in biomass hot water that becomes the pentose raw material, C6 Saccharification and C5 saccharification proceed on the same line.
  • the separated solid residue 62 such as lignin has a high calorie and can be used for fuel.
  • the solid residue 62 such as lignin can be used for organic fertilizer use or chemical raw material use (use of lignin as an adhesive, etc.).
  • the method for producing a sugar solution using the biomass raw material of the present invention supplies the biomass raw material 11 having cellulose, hemicellulose and lignin from normal pressure to pressurized pressure.
  • the hydrothermal decomposition unit 17 communicates with the enzyme 30 and the effluent 16 introduced into the enzyme liquefaction tank 21 to form a mixed liquefied product 27 partially liquefied by the enzyme 30.
  • the enzymatic saccharification is completed in the saccharification tank 52 to obtain the sugar solution 53, the solid content is separated, and then the water is removed to remove the water.
  • the sugar solution 53 can be efficiently produced from mass raw material 11.
  • the discharge liquid 16 when slurried in the enzyme liquefaction tank 21, the discharge liquid 16 can be used to eliminate the introduction of water from the outside, so that the saccharification concentration can be increased from 1.5 wt% to 8 wt%, for example. it can.
  • the sugar concentration apparatus installed on the downstream side is unnecessary or the sugar concentration apparatus can be made compact.
  • the cellulose-based component and the hemicellulose component are decomposed from the biomass raw material in a solid-liquid contact state, and then the biomass solid content 20 as the decomposition product is put into the enzyme liquefaction tank 21.
  • the pressurization gas By throwing it into the injected liquid, it is made into a slurry and a liquid seal is made, and the pressurization gas can be prevented from flowing out.
  • pressurizing gas for example, pressurized nitrogen or pressurized air
  • the effluent 16 discharged from the hydrothermal decomposition unit 17 is introduced into the enzyme liquefaction tank 21, it is not necessary to make a slurry using water from the outside.
  • the enzyme 30 is put into the enzyme liquefaction tank 21 to be partially saccharified in a pressurized state, and the partially liquefied mixed liquefied product 27 is extracted from the pressurized state to the normal pressure state, so that a saccharification tank in a normal pressure state is obtained. Since saccharification is performed at 52, the efficiency of the saccharification treatment is improved.
  • the water in the entire plant is obtained by using the hot water discharge liquid 16 and the enzyme liquefaction using the enzyme 30 without supplying water from the outside during slurrying. Consumption can be greatly reduced, and the cost can be reduced. Moreover, since it saccharifies using the mixed liquefaction material 27 which mixed the slurry-like biomass solid content 20 used as the hexose raw material, and the hot water discharge
  • the saccharification is performed using the mixed liquefied product 27 obtained by mixing the slurry-like biomass solids 20 serving as the hexose raw material and the hot water discharge liquid 16 serving as the pentose raw material, the mixing ability of the enzyme and the biomass is good. Therefore, the enzyme works more efficiently, the amount of enzyme consumed in saccharification can be reduced, and as a result, the cost of using the enzyme can be reduced.
  • the saccharification line can be formed in the conventional 2 A single line of one system can be used instead of a system, the enzymatic saccharification process is simplified, and the equipment cost and running cost can be reduced.
  • the water consumption can be reduced, the amount of waste liquid generated can be reduced, and the waste liquid treatment cost can be reduced.
  • FIG. 8 is a schematic diagram illustrating a biomass hydrothermal decomposition system according to a fourth embodiment.
  • the biomass hydrothermal decomposition system 10 ⁇ / b> H is provided with a filter 71 in the hot water discharge liquid introduction line L 11 in the biomass hydrothermal decomposition system 10 ⁇ / b> G of the third embodiment.
  • this filter 71 solid components such as lignin in the hot water discharge liquid 16 are separated. This prevents glycation inhibition by lignin.
  • FIG. 9 is a schematic diagram illustrating a biomass hydrothermal decomposition system according to a fifth embodiment.
  • hydrothermal decomposition system 10I of biomass in the hydrothermal decomposition system 10G of the biomass of Example 3, the discharged hot water introduction line L 11, is provided an ion exchange membrane filter 72.
  • ion exchange membrane filter 72 By installing this ion exchange membrane filter 72, acidic substances that are soluble in the hot water discharge liquid 16 are removed by ion exchange. This prevents saccharification inhibition by acidic substances.
  • FIG. 10 is a schematic diagram illustrating a biomass hydrothermal decomposition system according to a sixth embodiment.
  • the biomass hydrothermal decomposition system 10 ⁇ / b> J is a water return line that returns the water 57 separated from the water separation device 56 to the enzyme liquefaction tank 21 in the biomass hydrothermal decomposition system 10 ⁇ / b> G of the third embodiment. it is those having the L 5.
  • a cooler 60 is interposed in the water return line L 5 so that the water 57 is cooled to a predetermined temperature and then returned to the enzyme liquefaction tank 21.
  • FIG. 11 is a schematic diagram illustrating a biomass hydrothermal decomposition system according to a seventh embodiment.
  • the biomass hydrothermal decomposition system 10J of Example 6 the biomass hydrothermal decomposition system 10K further provided a biological treatment device 61 in the water return line L 5 to biologically treat the water 57. Then, it returns to the enzyme liquefaction tank 21.
  • the water 57 separated by the RO membrane 56a in the sugar concentration step contains a reaction inhibitory substance (low molecular organic compound), it can be easily treated by the biological treatment device 61. Then, for example, by using a methane fermentation biological treatment apparatus as the biological treatment apparatus 61, methane can be recovered and used for fuel or the like.
  • a reaction inhibitory substance low molecular organic compound
  • the biomass solids 20 is easily handled by enzymatic saccharification, which is suitable for the subsequent saccharification step, and is efficient.
  • a sugar solution (C6 sugar, C5 sugar) can be produced.
  • sugar solution for example, LPG, fuel for aircraft, jet fuel for aircraft, kerosene, diesel oil, various heavy oils, fuel gas, naphtha, naphtha decomposition product ethylene glycol, lactic acid, alcohol (ethanol etc.), Various organic raw materials such as amine, alcohol ethoxylate, vinyl chloride polymer, alkylaluminum, PVA, vinyl acetate emulsion, polystyrene, polyethylene, polypropylene, polycarbonate, MMA resin, nylon, polyester, etc. (eg alcohols, petroleum substitutes, amino acids, etc.) ) Can be produced efficiently. Therefore, the sugar solution derived from biomass can be efficiently used as a substitute for a chemical product derived from crude oil, which is a depleted fuel, and as a raw material for producing the substitute.
  • the reaction can be efficiently stopped by cooling the biomass solids by direct heat exchange with the liquid, and residual hemicellulose due to the hot water accompanying the biomass solids, residual The excessive decomposition of lignin and main component cellulose is suppressed. As a result, it is possible to suppress the generation of reaction-inhibiting components and improve the recovery rate of cellulose.
  • Biothermal decomposition system of biomass 11 Biomass raw material 12 Biomass supply unit 13 Main body 14 First screw means 15 Pressurized hot water 16 Hot water discharge liquid 17 Hydrothermal decomposition unit 18 Biomass solid content extraction unit 20 Biomass solid content extraction unit 20 Minute 21 Enzyme liquefaction tank 22 Stirring means 23 Discharge part 24 Liquefied biomass solid content 25 Pressurized nitrogen 27 Mixed liquefied product 30 Enzyme

Abstract

　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と、バイオマス原料１１を加圧熱水（以下、「熱水」ともいう）１５により水熱分解し、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する水熱分解部１７と、前記水熱分解部１７からバイオマス固形分２０を抜出するバイオマス固形分抜出部１８と、バイオマス固形分抜出部１８と連通すると共に、抜出したバイオマス固形分２０が投入されると共に、バイオマス固形分２０に酵素３０を供給してバイオマス固形分２０を液化する酵素液化槽２１と、液化されたバイオマス固形分２４を加圧下から常圧下へ排出する排出部２３とを有する。

Description

バイオマスの水熱分解システム、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
　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水熱分解システム、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原料で、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、効率が悪く、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（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乃至７）。
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 特許第４７６４５２７号公報
　前述した特許文献６における水熱分解装置の提案では、酵素液化槽でスラリー化する場合には、外部から水を供給するので、プラント全体における水使用量が嵩み、プラントの経済性が悪化するという、問題がある。
　本発明は、前記課題に鑑み、プラント効率の向上したバイオマスの水熱分解システム、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、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するバイオマス供給部と、バイオマス原料を加圧熱水により水熱分解し、加圧熱水中にリグニン成分及びヘミセルロース成分を溶解する水熱分解部と、前記水熱分解部から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、バイオマス固形分抜出部と連通すると共に、抜出したバイオマス固形分が投入されると共に、バイオマス固形分に酵素を供給してバイオマス固形分を液化する酵素液化槽とを有することを特徴とするバイオマスの水熱分解システムにある。
　第２の発明は、第１の発明において、前記水熱分解部が、装置本体の一端側から供給されたバイオマス原料を、該装置本体の内部にて搬送手段により装置本体の他端側へ搬送すると共に、前記バイオマス原料の供給箇所と異なる他端側から加圧熱水を装置本体の内部に供給し、前記バイオマス原料と加圧熱水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中に熱水溶解成分を移行し、前記バイオマス原料中からリグニン成分及びヘミセルロース成分を分離してなることを特徴とするバイオマスの水熱分解システムにある。
　第３の発明は、第１又は２の発明において、前記液化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水熱分解システムにある。
　第４の発明は、第１乃至３のいずれか一つの発明において、前記水熱分解部からの熱水排出液を糖化する第２の糖化槽を有することを特徴とするバイオマスの水熱分解システムにある。
　第５の発明は、第３の発明において、前記第１の糖化槽で糖化後の糖液から、固体分を分離する第１の固液分離装置と、固体分離後の糖液から、水を除去する第１の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水熱分解システムにある。
　第６の発明は、第４の発明において、前記第２の糖化槽で糖化後の糖液から、固体分を分離する第２の固液分離装置と、固体分離後の糖液から、水を除去する第２の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水熱分解システムにある。
　第７の発明は、第１の発明において、前記水熱分解部から排出されるバイオマス熱水可溶分を含む熱水排出液を、前記酵素液化槽へ導入する排出液導入ラインを有してなり、
　前記液化されたバイオマス固形分を熱水排出液で混合して混合液化物とすることを特徴とするバイオマスの水熱分解システムにある。
　第８の発明は、第７の発明において、前記排出液導入ラインに、フィルタを介装してなることを特徴とするバイオマスの水熱分解システムにある。
　第９の発明は、第７の発明において、前記排出液導入ラインに、冷却手段を介装することを特徴とするバイオマスの水熱分解システムにある。
　第１０の発明は、第７の発明において、前記酵素糖化で液化した混合液化物を用いて糖化する糖化槽を有することを特徴とするバイオマスの水熱分解システムにある。
　第１１の発明は、第１０の発明において、前記糖化槽で糖化した後の糖液から、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水熱分解システムにある。
　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加圧熱水により水熱分解部により水熱分解し、前記加圧熱水中にリグニン成分及びヘミセルロース成分を溶解させ、その後、前記水熱分解部から抜出したバイオマス固形分に、酵素が投入され、前記水熱分解部と連通する酵素液化槽にて、バイオマス固形分を液化し、次いで、液化されたバイオマス固形分を酵素により単糖化し、単糖の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、前記バイオマス固形分の酵素液化を加圧条件下で行うと共に、前記液化されたバイオマス固形分を抜出し、常圧条件下で酵素単糖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、第１２の発明において、前記酵素液化槽に、前記水熱分解部から排出されるバイオマス熱水可溶分を含む熱水排出液を投入しつつ混合液化物と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１４の発明において、前記単糖の糖液の生産を常圧条件下で酵素糖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１６の発明は、第１２乃至１５のいずれか一つのバイオマス原料を用いた糖液製造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、水熱分解部で、加圧熱水中にリグニン成分及びヘミセルロース成分を溶解させたバイオマス固形分に酵素を供給し、該バイオマス固形分を液化させ、該液化物で液体シールがなされ、水熱分解部の加圧気体の流出を防止することができる。
　また、外部より水を供給して、スラリー化させる必要がなくなるので、スラリー化処理する際の水の導入量を低減することとなり、プラント効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水熱分解システムの概略図である。 図２は、実施例１に係る他のバイオマスの水熱分解システムの概略図である。 図３は、実施例１に係る他のバイオマスの水熱分解システムの概略図である。 図４は、実施例２に係るバイオマスの水熱分解システムの概略図である。 図５は、実施例２に係る他のバイオマスの水熱分解システムの概略図である。 図６は、実施例３に係るバイオマスの水熱分解システムの概略図である。 図７は、実施例３に係る他のバイオマスの水熱分解システムの概略図である。 図８は、実施例４に係るバイオマスの水熱分解システムの概略図である。 図９は、実施例５に係るバイオマスの水熱分解システムの概略図である。 図１０は、実施例６に係るバイオマスの水熱分解システムの概略図である。 図１１は、実施例７に係るバイオマスの水熱分解システムの概略図である。 図１２は、バイオマスを熱水で水熱分解する垂直型の水熱分解装置の模式図である。 図１３は、バイオマスの熱水による分解の様子を示す図である。 図１４は、バイオマス固形分の酵素による液化及び単糖化の糖化工程の模式図である。
　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。
　本発明に係るバイオマスの水熱分解システムについて、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水熱分解システムの概略図である。図２及び３は、実施例１に係る他のバイオマスの水熱分解システムの概略図である。
　先ず、図１に示すように、本実施例に係るバイオマスの水熱分解システム１０Ａ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と、バイオマス原料１１を加圧熱水（以下、「熱水」ともいう）１５により水熱分解し、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する水熱分解部１７と、前記水熱分解部１７からバイオマス固形分２０を抜出するバイオマス固形分抜出部１８と、バイオマス固形分抜出部１８と連通すると共に、抜出したバイオマス固形分２０が投入されると共に、バイオマス固形分２０に酵素３０を供給してバイオマス固形分２０を液化する酵素液化槽２１と、液化されたバイオマス固形分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。
　前記水熱分解部１７としては、バイオマス原料１１を高温・高圧条件で分解処理する公知の水熱処理装置を用いることができる。図１を用いて水熱分解システムの一例を説明するが、本発明はこの水熱分解システムに限定されるものではない。
　図１に示すように、本実施例に係る水熱分解システムでは、水熱分解部１７に供給されたバイオマス原料１１を、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なるものである。
　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２０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く、例えば圧密充填により徐々に押し出す方法としてもよい。
　また、本実施例では、バイオマス固形分２０を、装置の一端の下方側から他端の上方側に搬送手段により搬送すると共に熱水を装置の他端の上方側から供給しているが、本発明はこれに限定されず、バイオマス固形分２０を上方側から供給し、熱水を下方側から供給して対向接触させるようにしてもよい。
　本実施例では、酵素液化槽２１に投入される酵素３０により、抜出されたバイオマス固形分２０が一部液化され、液面が形成されるので、加圧用の加圧窒素２５のリークを防止する目的としての液体シールが可能となる。
　また、酵素反応を円滑に行うためには、図２に示す実施例に係るバイオマスの水熱分解システム１０Ｂに示すように、酵素液化槽２１に冷却手段２６を設けるようにしても良い。なお、高温耐性酵素を用いる場合には、冷却手段を不要としてもよい。冷却手段２６としては、外部側又は内部側のいずれか一方又は両方で酵素が性能を示す温度に酵素液化槽２１内を冷却するようにすればよい。
　また、冷却手段２６で冷却することで、バイオマス固形分２０に同伴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℃）を抑制することが可能となる。
　このため、図３に示す実施例に係るバイオマスの水熱分解システム１０Ｃに示すように、水３２を酵素液化槽２１に別途供給し、内部を冷却するとともに、液化されたバイオマス固形分２４の水分調整を実施してもよい。この場合、供給する水３２は、例えば０℃～６０℃の範囲内で通常用いられる水（例えば純水、工業用水等又は純水、工業用水等をクーリングタワー水やチラー水等を利用して冷却したもの）等を用いることができる。また、システムにおける分離した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と酵素液化槽２１とを連通する通路、２２は酵素液化槽２１内部を攪拌する撹拌手段、１３ａは水熱分解部１７の気液界面、２１ａは酵素液化槽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。
　次に、バイオマス原料１１を水熱分解部１７により水熱分解する概要を説明する。図１２は、バイオマスを熱水で水熱分解する垂直型の水熱分解装置の模式図であり、図１３は、バイオマスの熱水による分解の様子を示す図である。
　水熱分解部１７では、バイオマス原料１１と加圧熱水１５とを対向接触するように供給して、内部熱交換で水熱反応させている。図１２において、対向接触領域Ｘと、非対向接触領域Ｙとを示し、非対向接触領域Ｙでも高温・高圧状態のままであり、前記非対向接触領域Ｙにてもバイオマス固形分２０の水熱分解反応は進行することとなり、時に過分解となることもある。
　図１２に示すように、垂直型の水熱分解装置では、バイオマス原料（固体）１１を下部側から装置本体１３内部に供給し、内部に設けた第１のスクリュー手段１４により上方側に移動させ、上部側からバイオマス固形分（熱水不可溶分）２０をバイオマス固形分抜出部１８を介して、酵素３０が供給されて形成される酵素液化槽２１の液体２１ｂ中に落下させている。
　図１３に示すように、バイオマス（セルロース系原料）原料１１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いる。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（バイオマス固形分２０）は主にセルロース（Ｃ６糖の原料）であり、熱水可溶分（熱水排出液１６）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分解・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、１４０℃以上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、酵素液化槽２１側へ徐々に抜出している。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、酵素液化槽２１内に設けた攪拌手段２２の攪拌により、液化が促進される。
　図１４は、バイオマス固形分の酵素による液化及び単糖化の糖化工程の模式図である。１４に基づき、糖化工程の概略について、説明する。
　図１４に示すように、バイオマス固形分抜出部１８から抜出されるバイオマス固形分２０は、高分子量のオリゴマーの状態である。この高分子オリゴマーは難溶性である。
　この高分子オリゴマーに酵素が添加されると、該高分子オリゴマーの一部が分解し、低分子量のオリゴマーとなり、バイオマス固形分２０に同伴する水分に可溶し、バイオマス液化状態となり、スラリー状となる。
　そして、この低分子量のオリゴマーをさらに時間をかけて酵素糖化させることで、単糖となる。
　よって、糖化工程は、この液化工程と単糖化工程とを併せたものとなる。
　ここで、本実施例では、酵素液化槽２１は、加圧条件であるので、耐圧の圧力容器としている。
　この圧力容器は、製造コストがかかるので、糖化のために必要とする大容量の圧力容器とするのは費用がかかる。よって、圧力容器においては、液化工程のみを加圧条件としており、１～３時間で液化工程を終了している。そして、液化工程終了後に、酵素液化槽２１の底部近傍に設けた排出部２３を介して加圧条件から常圧条件へ排出している。
　そして、常圧条件下の糖化槽を用い、例えば４７～７１時間の糖化処理を実施し、単糖化を行い、バイオマス固形分２０中のセルロースから６単糖を得るようにしている。
　なお、糖化工程の時間は、一例であり、糖化条件（温度、酵素の種類等）により、適宜設定される。
　また、酵素液化槽２１内の液体２１ｂ中に、バイオマス固形分２０が落下されることで、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を酵素液化槽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。
　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、酵素液化槽２１内に酵素３０を供給し、酵素により液化により液体２１ｂが存在するため、水熱分解部１７の気液界面１３ａと、酵素液化槽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（例えば、加圧窒素や加圧空気等）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、酵素液化槽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を酵素液化させることにより、一部低分子量のオリゴマーとすることで、流動化が可能となり、酵素液化槽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、酵素液化槽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、固体のままでの取り扱い性が煩雑であったが、酵素液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、いわゆるケーキ状態又はスポンジ状態であり、加圧用気体の占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。これが酵素液化することで、空隙率が減少し、減容化を図ることとなる。
　さらに、バイオマス固形分２０を酵素液化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。
　また、従来での流動性向上のためのスラリー化を行う場合には、多量の水を外部から投入する必要があり、その投入する水の量は、バイオマス重量の２０倍程度となり、その得られる糖液濃度が小さいものであった。
　これに対し、本発明では、圧力容器である酵素液化槽２１内で、バイオマス固形分２０を直ちに酵素３０により一部を液化することで、その必要とする水の量はバイオマス重量の４倍程度と抑えることができ、その分糖液濃度を高くすることができる。
　下記「表１」に、バイオマス固形分と水の量及び糖濃度の関係について、本発明品と従来品との比較について示す。なお、この比較例は例示であり、バイオマス原料の種類により変動するので、本発明はこれに限定されるものではない。
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　表１に示すように、本発明品においては、酵素液化することで、水分量が従来の１／５（４／２０）で済み、糖濃度を１０％とすることができる。これは、従来のスラリー化の場合２．５％の４倍も濃度が濃い糖液を得ることができるものとなる。また、バイオマス固形分２０に同伴する水分量を低減すれば更に濃い糖液を得ることも可能となる。
　この結果、糖化工程における固液分離によって分離される水の量も少ないものとなり、プラント効率が向上する。また、分離した水を別途排水処理する場合における排水量の大幅な低減を図ることができる。
　また、酵素液化槽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。
　また、本実施例では、酵素液化槽２１にはｐＨ計３１を設けている。
　このｐＨ計３１を設けることにより、酵素液化槽２１の液体のｐＨを測定でき、酵素が効率的に糖化能力を示すｐＨに酸やアルカリを酵素液化槽２１に加え、酵素液化槽２１の液体のｐＨを調整し液化を効率的に行うことができる。
　また、ｐＨ計３１を設けることで、スラリー状バイオマス固形分２４中に残存する有機酸の有無を確認することができる。
　これにより、水熱分解により生じる有機酸（例えば酢酸等）の発生状況を監視することができる。
　また、酵素液化槽２１の液体のｐＨが著しく小さくなる場合には、水熱分解により有機酸（酢酸等）が発生していることが判定でき、水熱分解部１７の加圧熱水の温度制御を行うようにすればよい。
　また、ｐＨ計３１によりｐＨを計測し、加圧熱水の供給量の制御を行い、水熱分解反応の制御を行うようにしてもよい。
　その他のｐＨに基づく水熱分解部１７の制御としては、バイオマス原料１１の供給量の制御（反応時間）によって水熱分解反応を制御する方法や、バイオマス原料１１の第１のスクリュー手段１４による掻揚げ速度（反応時間）の制御によって水熱分解反応を制御する方法や、装置本体１３の気液界面１３ａの液レベル（反応時間）の制御によって水熱分解反応を制御する方法や、熱水排出液１６の排出量の制御（反応時間）によって水熱分解反応を制御する方法等を行うことができる。
　ここで、前記水熱分解部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、水熱分解部１７における、反応温度は１４０～２４０℃の範囲とするのが好ましい。さらに好ましくは１８０～２３０℃とするのがよい。
　これは、１４０℃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℃～２３０℃の範囲とするのが良い。
　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２０を酵素液化槽２１の内部に供給して酵素液化することで、該バイオマス固形分２０を液化させ、該液化物で液体シールがなされ、加圧用気体の流出を防止することができる。
　また、外部より多量の水を供給して、スラリー化させる必要がなくなるので、スラリー化処理する際の水の導入量を低減することとなり、プラント効率の向上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、酵素３０を添加する酵素糖化槽２１を設置して、その処理したバイオマス固形分２０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水熱分解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のバイオマスの水熱分解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２に係るバイオマスの水熱分解システムを示す概略図である。
　図４に示すように、バイオマスの水熱分解システム１０Ｄは、実施例１のバイオマスの水熱分解システム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２０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５０Ａと、主にヘミセルロース成分を含む熱水排出液１６を五炭糖（Ｃ５糖）等に酵素糖化し、糖を濃縮するＣ５糖化・糖濃縮装置５０Ｂとを有している。図４中、符号Ｍは撹拌手段を駆動するモータ、Ｐは送液ポンプを各々図示する。
　このＣ６糖化・糖濃縮装置５０Ａ、Ｃ５糖化・糖濃縮装置５０Ｂは、酵素液化槽２１において液化されたバイオマス固形分２０を、酵素３０によりさらに酵素糖化する第１の糖化槽５２Ａ、水熱分解部１７からの熱水排出液１６を酵素４１により酵素糖化する第２の糖化槽４０Ｂと、糖化後の糖液５３Ａ、４２Ｂから、固体分を分離する第１の固液分離装置５４Ａ、第２の固液分離装置５４Ｂと、第１の固液分離装置５４Ａ、第２の固液分離装置５４Ｂで分離した糖液５３Ａ、４２Ｂから水５７ａ、５７ｂを除去して、濃縮糖液５５Ａ、５５Ｂを得る逆浸透（Ｒｅｖｅｒｓｅ　Ｏｓｍｏｓｉｓ：ＲＯ）膜５６ａ、５６ｂを備えた水分分離装置５６Ａ、５６Ｂとを有するものである。
　前記第１の固液分離装置５４Ａ、第２の固液分離装置５４Ｂ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、５６ｂの保護を図るようにしている。さらに、ＲＯ膜５６ａ、５６ｂ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５６ａ、５６ｂ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５６Ａ、５６Ｂには、ルーズＲＯ膜、ナノ濾過膜（Ｎａｎｏｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ　Ｍｅｍｂｒａｎｅ：ＮＦ膜）等を用いてもよい。
　本実施例では、酵素３０は酵素液化槽２１において、必要量の酵素を添加するようにしているので、酵素糖化する常圧の第１の糖化槽５２Ａにおいては、酵素添加をしていないが、本発明はこれに限定されるものではない。
　例えば、図５に示す実施例２に係る他のバイオマスの水熱分解システム１０Ｅに示すように、第１の糖化槽５２Ａにおいて、酵素３０を添加し、常圧条件のもとで、単糖化を促進するようにしてもよい。
　これに対し、図４に示す実施例２に係るバイオマスの水熱分解システム１０Ｄでは、酵素３０の添加を一箇所で行うことができるので、装置構成は図５のシステムよりも簡易となる。
　次に、このＣ６糖化・糖濃縮装置５０Ａ、Ｃ５糖化・糖濃縮装置５０Ｂの処理工程の手順について説明する。
＜酵素糖化工程＞
　先ず、第１の糖化槽５２Ａにおいて、一部低分子量のオリゴマーを含む液化されたバイオマス固形分２４が抜出しラインＬ1を介して導入され、酵素３０がさらに添加され、酵素糖化工程における酵素反応による糖化がなされる。
　一方、前記第２の糖化槽４０Ｂにおいては、熱水排出液供給ラインＬ6を介して熱水排出液１６が導入され、酵素４１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。
　なお、以下の工程は、Ｃ６糖及びＣ５糖の固液分離処理工程も同様であるので、Ｃ６糖化・糖濃縮装置５０Ａの処理工程について説明する。
＜固液分離工程＞
　次に、糖液５３Ａは第１の糖液タンク６１Ａに貯留され、その後、第１の固液分離装置５４Ａによりリグニン等の固形残液６２Ａが分離され、その後糖液５３Ａは第２の糖液タンク６３Ａに貯留される。
＜糖濃縮工程＞
　次に、糖液５３Ａは、ＲＯ膜５６ａを備えた水分分離装置５６Ａにより水５７Ａが除去され、濃縮糖液５５Ａを得る。
　この濃縮糖液５５Ａ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。
　酵素により液化されたバイオマス固形分２４は、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、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６２Ａ（６２Ｂ）は、高カロリーであるので、燃料用に用いることができる。また、リグニン等固形残液６２Ａ（６２Ｂ）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４及び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、前記水熱分解部１７から抜出したバイオマス固形分２０と、酵素３０が注入され、前記水熱分解部１７と連通する酵素液化槽２１に投入し、一部が酵素により液化して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５３Ａ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水熱分解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のバイオマスの水熱分解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３に係るバイオマスの水熱分解システムを示す概略図である。
　図７は、実施例３に係る他のバイオマスの水熱分解システムを示す概略図である。
　図６に示すように、バイオマスの水熱分解システム１０Ｆは、実施例１のバイオマスの水熱分解システム１０Ａにおいて、前記水熱分解部１７から排出されるバイオマス熱水可溶分を含む熱水排出液１６を、酵素３０を添加する酵素液化槽２１へ導入する熱水排出液導入ラインＬ11を有するものである。
　本実施例によれば、実施例２で説明した図４、図５に示す糖化・糖濃縮装置５０Ｂが不要となり、装置構成が簡素化できる。
　バイオマス固形分２０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酵素液化槽２１の液温を１４０℃以下に冷却するよう、バイオマス固形分２０の温度や酵素液化槽２１の容量に応じて導入する熱水排出液１６の温度を必要に応じて図示しない冷却手段により冷却し、適宜設定するようにすればよい。
　また、本実施例においても、前述した図２に示すバイオマスの水熱分解システム１０Ｂの酵素液化槽２１に設けた冷却手段２６を、必要に応じて、設置するようにしてもよい。
　本実施例では、６炭糖原料となる熱水不可溶分であるバイオマス固形分２０を、５炭糖原料となるバイオマス熱水可溶分を含む排出液１６中に落下させてスラリー状の混合液化物２７としている。これにより、糖化工程を単一のラインで行うことができる。
　次に、混合液化物２７を用いて、酵素糖化し、糖を濃縮する糖化・糖濃縮装置５０について、図７を用いて説明する。
　図７は、実施例３に係るバイオマスの水熱分解システム１０Ｇを示す概略図である。
　図７に示すように、バイオマスの水熱分解システム１０Ｇは、バイオマスの水熱分解システム１０Ｆにおいて、さらに糖化・糖濃縮装置５０を備えたバイオマスの水熱分解システムである。この糖化・糖濃縮装置５０は、酵素３０により一部が糖化されている混合液化物２７を、酵素３０によりさらに酵素糖化する糖化槽５２、糖化後の糖液５３から、固体分を分離する固液分離装置５４と、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、この糖化・糖濃縮装置５０の処理工程の手順について説明する。
　混合液化物２７は、６炭糖原料となる熱水不可溶分であるバイオマス固形分２０と、５炭糖原料となるバイオマス熱水可溶分を含む排出液１６との混合物であるので、Ｃ６糖化と、Ｃ５糖化とが同一ラインで進行することとなる。
＜酵素糖化工程＞
　先ず、糖化槽５２において、酵素３０により一部糖化された混合液化物２７が抜出しラインＬ1を介して導入され、酵素３０がさらに添加され、酵素糖化工程における酵素反応による糖化がなされる。
　なお、酵素３０は、前述したように、酵素液化槽２１において必要量添加している場合には、糖化槽５２においては、添加する必要はない。
＜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、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。図中、符号Ｌ3及びＬ4は糖液５３を供給する糖液供給ラインを図示する。
＜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ける各種有機原料となる。
　本実施例では、混合液化物２７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６２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、前記水熱分解部１７から抜出したバイオマス固形分２０を、前記水熱分解部１７と連通すると共に、酵素３０及び排出液１６が導入された酵素液化槽２１に投入し、酵素３０により一部が液化された混合液化物２７とし、この混合液化物２７を加圧状態から常圧状態に抜出して、糖化槽５２で酵素糖化を完了させ、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１１から糖液５３を効率よく生産することができる。
　本実施例では、酵素液化槽２１におけるスラリー化の際、排出液１６を用いて、外部からの水の導入を無くすことができるので、糖化濃度を例えば１．５ｗｔ％から８ｗｔ％まで上げることができる。この結果、後流側において設置する糖液濃縮装置が不要又は糖液濃縮装置のコンパクト化を図ることができる。
　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２０を酵素液化槽２１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、加圧用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（例えば加圧窒素や加圧空気等）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。
　この際、酵素液化槽２１には、水熱分解部１７から排出される排出液１６が導入されているので、外部からの水を用いてスラリー化することが不要となる。
　また、酵素液化槽２１に酵素３０を投入して、加圧状態で一部糖化させると共に、一部糖化された混合液化物２７を加圧状態から常圧状態に抜出し、常圧状態の糖化槽５２で糖化しているので、糖化処理の効率が向上する。
　以上、本実施例によれば、スラリー化の際に、外部からの水を供給することなく、熱水排出液１６を用いると共に、酵素３０を用いて酵素液化させることにより、プラント全体での水の消費量の大幅な低減が可能となり、コストダウンを図ることができる。
　また、６炭糖原料となるスラリー状バイオマス固形分２０と、５炭糖原料となる熱水排出液１６とを混合した混合液化物２７を用いて糖化するので、１つの酵素糖化槽２１から回収される糖の絶対量の増加を図ることができる。
　また、６炭糖原料となるスラリー状バイオマス固形分２０と、５炭糖原料となる熱水排出液１６とを混合した混合液化物２７を用いて糖化するので、酵素とバイオマスの混合性が良くなるために酵素がより効率的に働き、糖化における酵素消費量が低減でき、結果的に酵素使用コストの低減を図ることができる。
　また、６炭糖原料となるスラリー状バイオマス固形分２０と、５炭糖原料となる熱水排出液１６とを混合した混合液化物２７を用いて糖化するので、糖化ラインを従来のような２系統とせずに１系統の単一ラインとすることができ、酵素糖化工程が単純となり、設備費及びランニングコストの低減を図ることができる。
　また、水の消費量が低減できるので、廃液の発生量が低減でき、廃液処理コスト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水熱分解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３のバイオマスの水熱分解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４に係るバイオマスの水熱分解システムを示す概略図である。
　図８に示すように、バイオマスの水熱分解システム１０Ｈは、実施例３のバイオマスの水熱分解システム１０Ｇにおいて、熱水排出液導入ラインＬ11に、フィルタ７１を設けている。このフィルタ７１を設置することにより、熱水排出液１６中のリグニン等の固形分を分離するようにしている。これにより、リグニンによる糖化阻害を防止するようにしている。
　次に、本発明に係るバイオマスの水熱分解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３のバイオマスの水熱分解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５に係るバイオマスの水熱分解システムを示す概略図である。
　図９に示すように、バイオマスの水熱分解システム１０Ｉは、実施例３のバイオマスの水熱分解システム１０Ｇにおいて、熱水排出液導入ラインＬ11に、イオン交換膜フィルタ７２を設けている。このイオン交換膜フィルタ７２を設置することにより、熱水排出液１６中に可溶している酸性物質をイオン交換により除去するようにしている。これにより、酸性物質による糖化阻害を防止するようにしている。
　次に、本発明に係るバイオマスの水熱分解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３のバイオマスの水熱分解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１０は、実施例６に係るバイオマスの水熱分解システムを示す概略図である。
　図１０に示すように、バイオマスの水熱分解システム１０Ｊは、実施例３のバイオマスの水熱分解システム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を酵素液化槽２１に戻す水戻しラインＬ5を有するものである。
　また、この水戻しラインＬ5には冷却器６０が介装されており、水５７を所定温度まで冷却した後、酵素液化槽２１に戻すようにしている。
　これにより、分離した水５７を再利用することができる。
　次に、本発明に係るバイオマスの水熱分解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のバイオマスの水熱分解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１１は、実施例７に係るバイオマスの水熱分解システムを示す概略図である。
　図１１に示すように、バイオマスの水熱分解システム１０Ｋは、実施例６のバイオマスの水熱分解システム１０Ｊにおいて、さらに、水戻しラインＬ5に生物処理装置６１を設け、水５７を生物処理した後、酵素液化槽２１に戻すようにしている。
　糖濃縮工程での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。
　以上、説明したように、本発明にかかるバイオマスの水熱分解システムによれば、バイオマス固形分２０を酵素糖化させ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、Ｃ５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、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、バイオマス固形分に同伴する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。
　１０Ａ～１０Ｋ　バイオマスの水熱分解システム
　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　水熱分解部
　１８　バイオマス固形分抜出部
　２０　バイオマス固形分
　２１　酵素液化槽
　２２　撹拌手段
　２３　排出部
　２４　液化されたバイオマス固形分
　２５　加圧窒素
　２７　混合液化物
　３０　酵素

Claims (16)

  1. 　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するバイオマス供給部と、
    　バイオマス原料を加圧熱水により水熱分解し、加圧熱水中にリグニン成分及びヘミセルロース成分を溶解する水熱分解部と、
    　前記水熱分解部から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、
    　バイオマス固形分抜出部と連通すると共に、抜出したバイオマス固形分が投入されると共に、バイオマス固形分に酵素を供給してバイオマス固形分を液化する酵素液化槽とを有することを特徴とするバイオマスの水熱分解システム。
  2. 　請求項１において、
    　前記水熱分解部が、装置本体の一端側から供給されたバイオマス原料を、該装置本体の内部にて搬送手段により装置本体の他端側へ搬送すると共に、前記バイオマス原料の供給箇所と異なる他端側から加圧熱水を装置本体の内部に供給し、前記バイオマス原料と加圧熱水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中に熱水溶解成分を移行し、前記バイオマス原料中からリグニン成分及びヘミセルロース成分を分離してなることを特徴とするバイオマスの水熱分解システム。
  3. 　請求項１又は２において、
    　前記酵素液化槽で液化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水熱分解システム。
  4. 　請求項１乃至３のいずれか一つにおいて、
    　前記水熱分解部からの熱水排出液を糖化する第２の糖化槽を有することを特徴とするバイオマスの水熱分解システム。
  5. 　請求項３において、
    　前記第１の糖化槽で糖化後の糖液から、固体分を分離する第１の固液分離装置と、
    　固体分離後の糖液から、水を除去する第１の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水熱分解システム。
  6. 　請求項４において、
    　前記第２の糖化槽で糖化後の糖液から、固体分を分離する第２の固液分離装置と、
    　固体分離後の糖液から、水を除去する第２の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水熱分解システム。
  7. 　請求項１において、
    　前記水熱分解部から排出されるバイオマス熱水可溶分を含む熱水排出液を、前記酵素液化槽へ導入する熱水排出液導入ラインを有してなり、
    　前記液化されたバイオマス固形分を熱水排出液で混合して混合液化物とすることを特徴とするバイオマスの水熱分解システム。
  8. 　請求項７において、
    　前記熱水排出液導入ラインに、フィルタを介装してなることを特徴とするバイオマスの水熱分解システム。
  9. 　請求項７において、
    　前記排出液導入ラインに、冷却手段を介装することを特徴とするバイオマスの水熱分解システム。
  10. 　請求項７において、
    　前記酵素糖化槽で液化した混合液化物を用いて糖化する糖化槽を有することを特徴とするバイオマスの水熱分解システム。
  11. 　請求項１０において、
    　前記糖化槽で糖化した後の糖液から、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水熱分解システム。
  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加圧熱水により水熱分解部により水熱分解し、前記加圧熱水中にリグニン成分及びヘミセルロース成分を溶解させ、その後、前記水熱分解部から抜出したバイオマス固形分に、酵素が投入され、前記水熱分解部と連通する酵素液化槽にて、バイオマス固形分を液化し、次いで、液化されたバイオマス固形分を酵素により単糖化し、単糖の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、
    　前記バイオマス固形分の酵素液化を加圧条件下で行うと共に、
    　前記液化されたバイオマス固形分を抜出し、常圧条件下で酵素単糖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. 　請求項１２において、
    　前記酵素液化槽に、前記水熱分解部から排出されるバイオマス熱水可溶分を含む熱水排出液を投入しつつ混合液化物と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１４において、
    　前記単糖の糖液の生産を常圧条件下で酵素糖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。
  16. 　請求項１２乃至１５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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