エタノール製造装置及びエタノール製造方法
【課題】酵素を循環して利用するのに適したエタノール製造装置及びエタノール製造方法を提供する。
【解決手段】バイオマス原料を糖化発酵させて生成されるエタノール発酵液が導入され、内部が大気圧よりも減圧された状態でエタノール発酵液を蒸留して水蒸気を含むエタノールベーパーを留出させると共に、バイオマス原料を糖化発酵させるために再利用される酵素含有濃縮廃液を缶出させる減圧蒸留塔１１と、減圧蒸留塔１１から留出されたエタノールベーパーを精留するための精留塔１２とを備えた構成とする。この場合、減圧蒸留塔１１から留出したエタノールベーパーを断熱圧縮する第１の圧縮機１６を備え、第１の圧縮機１６によって断熱圧縮されたエタノールベーパーを精留塔１２に導入するようにすれば、エタノールベーパーのエネルギーをより効率良く活用できる。
【解決手段】バイオマス原料を糖化発酵させて生成されるエタノール発酵液が導入され、内部が大気圧よりも減圧された状態でエタノール発酵液を蒸留して水蒸気を含むエタノールベーパーを留出させると共に、バイオマス原料を糖化発酵させるために再利用される酵素含有濃縮廃液を缶出させる減圧蒸留塔１１と、減圧蒸留塔１１から留出されたエタノールベーパーを精留するための精留塔１２とを備えた構成とする。この場合、減圧蒸留塔１１から留出したエタノールベーパーを断熱圧縮する第１の圧縮機１６を備え、第１の圧縮機１６によって断熱圧縮されたエタノールベーパーを精留塔１２に導入するようにすれば、エタノールベーパーのエネルギーをより効率良く活用できる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バイオマス原料からエタノールを製造するエタノール製造装置及びエタノール製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のエタノール製造装置として、糖化発酵反応液を酵素が失活しない条件で発酵生成物から蒸留分離し、蒸留残さ分中に含まれている酵素分を糖化発酵工程及び／又は予備糖化工程に循環利用することで、高価な酵素を効率的に利用するものが知られている。（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−１７０８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ここで一般に、減圧蒸留塔（又は減圧濃縮装置）を用いて蒸留する場合、酵素を失活させることなく回収するためには、塔底温度を３０℃以上６０℃未満、望ましくは３０℃以上５１℃以下に維持する必要がある。しかし、蒸発エネルギーが過大になることを防ぐため、多重効用缶などの省エネルギー機器を導入した場合、その際の塔頂温度は３５℃を下回ることがある。そのため、従来適用されている冷却塔（クーリングタワー）では減圧条件下にあるエタノール蒸気を凝縮させることができず、消費電力が冷却塔（クーリングタワー）よりも大きいチラー等の冷却器を設け、塔頂から留出するエタノールベーパーを冷却して凝縮させる必要があった。
更に、酵素を循環利用する場合、前処理工程などで添加されるアルカリ液やリンス液によって循環系内の液量が増えていくので、減圧蒸留塔から缶出された酵素を含む廃液を糖化発酵装置に全量戻して再利用できない場合がある。
本発明は、かかる事情に鑑みてなされるもので、酵素を循環して利用するのに適したエタノール製造装置及びエタノール製造方法を提供することにある。特に、酵素を循環して利用するために必要な熱エネルギーと冷却エネルギーを従来よりも低減したエタノール製造装置及びエタノール製造方法を提供することを目的とする。
また、本発明の他の目的は、装置全体のエネルギー効率を高めることによって、酵素を利用したエタノール製造技術の省エネルギー化を図ることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
前記目的に沿う第１の発明に係るエタノール製造装置は、バイオマス原料を糖化発酵させて生成されるエタノール発酵液が導入され、内部が大気圧よりも減圧された状態で前記エタノール発酵液を蒸留して水蒸気を含むエタノールベーパーを留出させると共に、前記バイオマス原料を糖化発酵させるために再利用される酵素含有濃縮廃液を缶出させる減圧蒸留塔と、
前記減圧蒸留塔から前記留出された前記エタノールベーパーを精留するための精留塔と、を備えたことを特徴とする。
【０００６】
前記第１の発明に係るエタノール製造装置において、前記減圧蒸留塔から留出した前記エタノールベーパーを断熱圧縮する第１の圧縮機を更に備え、前記第１の圧縮機によって断熱圧縮された前記エタノールベーパーを前記精留塔に導入することができる。
【０００７】
また、前記第１の発明に係るエタノール製造装置において、前記減圧蒸留塔から留出した前記エタノールベーパーを断熱圧縮する第１の圧縮機を更に備え、前記第１の圧縮機によって断熱圧縮された前記エタノールベーパーを前記減圧蒸留塔の塔底循環液を加熱する加熱部の熱源として利用した後、凝縮し、エタノール液として前記精留塔に導入することができる。
【０００８】
第１の発明に係るエタノール製造装置において、前記減圧蒸留塔の塔底温度は３０℃以上６０℃未満であることが好ましい。
【０００９】
第１の発明に係るエタノール製造装置において、前記第１の圧縮機の前段に、前記減圧蒸留塔から留出した前記エタノールベーパーを加熱する第１の過熱器を更に備え、
前記第１の過熱器により加熱された前記エタノールベーパーが前記第１の圧縮機内で凝縮しないように、該第１の圧縮機に送られてもよい。
【００１０】
第１の発明に係るエタノール製造装置において、前記第１の圧縮機によって断熱圧縮された前記エタノールベーパーの一部が、該第１の圧縮機の入側に循環されてもよい。
【００１１】
第１の発明に係るエタノール製造装置において、前記第１の圧縮機によって断熱圧縮された前記エタノールベーパーを前記第１の過熱器の熱源として利用してもよい。
【００１２】
第１の発明に係るエタノール製造装置において、前記減圧蒸留塔から缶出される前記酵素含有濃縮廃液の重量が、前記バイオマス原料の酵素反応性を高めるための前処理で生成されるパルプ重量の２〜２０倍となるように、前記減圧蒸留塔から留出される前記エタノールベーパーの流量を調節することができる。
【００１３】
第１の発明に係るエタノール製造装置において、前記精留塔から缶出する低ＣＯＤ排水を、前記バイオマス原料の酵素反応性を高めるための前処理を行う前処理工程に循環させることができる。
【００１４】
第１の発明に係るエタノール製造装置において、前記精留塔から缶出する低ＣＯＤ排水を、前記バイオマス原料に糖化酵素を添加して単糖を得るための糖化工程に循環させることができる。
【００１５】
第１の発明に係るエタノール製造装置において、前記精留塔から缶出する低ＣＯＤ排水を、前記減圧蒸留塔から缶出した酵素含有濃縮廃液から固形物を分離する固液分離工程で用いるリンス液として循環させることができる。
【００１６】
第１の発明に係るエタノール製造装置において、前記精留塔から缶出する低ＣＯＤ排水が、排水処理装置で処理されてもよい。
【００１７】
第１の発明に係るエタノール製造装置において、前記低ＣＯＤ排水が前記減圧蒸留塔の塔底循環液の熱源として利用されることが好ましい。
【００１８】
第１の発明に係るエタノール製造装置において、前記低ＣＯＤ排水が更に前記エタノール発酵液の予熱に利用されることが好ましい。
【００１９】
第１の発明に係るエタノール製造装置において、前記精留塔から留出したエタノールベーパーを圧縮する第２の圧縮機を更に備え、
前記第２の圧縮機によって断熱圧縮された前記エタノールベーパーの一部が前記精留塔の塔底循環液を加熱する加熱部の熱源として利用された後、前記精留塔の塔頂へ循環することが好ましい。
【００２０】
第１の発明に係るエタノール製造装置において、前記精留塔から缶出する前記低ＣＯＤ排水が、前記エタノール発酵液を予熱及び前記減圧蒸留塔の塔底循環液を加熱するための熱源に利用され、
前記第２の圧縮機によって圧縮された前記エタノールベーパーが、前記精留塔に導入される前記エタノール液を加熱するための熱源に利用されることが好ましい。
【００２１】
第１の発明に係るエタノール製造装置において、前記第２の圧縮機の前段に、前記精留塔から留出した前記エタノールベーパーを加熱する第２の過熱器を更に備え、
前記第２の過熱器により加熱された前記エタノールベーパーが前記第２の圧縮機に送られてもよい。
【００２２】
第１の発明に係るエタノール製造装置において、前記第２の圧縮機によって断熱圧縮された前記エタノールベーパーを前記第２の過熱器の熱源として利用してもよい。
【００２３】
第１の発明に係るエタノール製造装置において、前記減圧蒸留塔から缶出する酵素含有濃縮廃液、前記精留塔から缶出する前記低ＣＯＤ排水及び前記精留塔から留出する前記エタノールベーパーが前記エタノール発酵液の予熱に利用されることが好ましい。
【００２４】
第１の発明に係るエタノール製造装置において、前記第１の圧縮機に代えて、ブロワ又は真空ポンプとしてもよい。
【００２５】
第１の発明に係るエタノール製造装置において、前記第２の圧縮機に代えて、ブロワ又は真空ポンプとしてもよい。
【００２６】
第１の発明に係るエタノール製造装置において、前記減圧蒸留塔に代えて、内部が大気圧よりも減圧された状態で前記エタノール発酵液を濃縮する減圧濃縮装置としてもよい。
【００２７】
前記目的に沿う第２の発明に係るエタノール製造方法は、バイオマス原料を糖化発酵させて生成されるエタノール発酵液からエタノールを精製する方法であって、
前記エタノール発酵液を減圧蒸留して、水蒸気を含むエタノールベーパーと、酵素含有濃縮廃液とを生成する工程と、
前記エタノールベーパーを精留するための精留工程と、
前記酵素含有濃縮廃液を、前記バイオマス原料を糖化発酵させる工程に循環させる工程と、を含むことを特徴とする。
【００２８】
第２の発明に係るエタノール製造方法において、前記エタノールベーパーを断熱圧縮する工程を更に含み、前記断熱圧縮する工程により昇温、昇圧された前記エタノールベーパーを前記精留工程へ導入することができる。
【００２９】
第２の発明に係るエタノール製造方法において、前記エタノールベーパーを断熱圧縮する工程と、前記断熱圧縮する工程により昇温、昇圧された前記エタノールベーパーを前記減圧蒸留塔の塔底循環液と熱交換して凝縮させる工程を更に含み、前記減圧蒸留塔からの前記エタノールベーパーを、エタノール液としてから前記精留工程へ導入することができる。
【発明の効果】
【００３０】
請求項１〜２２記載のエタノール製造装置においては、酵素が失活しない温度で減圧蒸留を行うことができ、酵素を再利用することができる。更に、減圧蒸留塔と精留塔の２塔方式としたことにより、従来よりもエタノールベーパーの留出量及び酵素含有濃縮廃液の缶出量の設定の自由度を大きくできたので、減圧蒸留塔から缶出する酵素含有濃縮廃液の量を、酵素循環系内の流量バランスに適した量に設定して操業することが可能となる。更に、精留塔を配置したことによって低ＣＯＤの水が得られるので、この水をリンス液として有効活用することが可能となる。
【００３１】
請求項２記載のエタノール製造装置においては、第１の圧縮機により断熱圧縮されたエタノールベーパーが精留塔に導入される。従って、エタノールベーパーが昇温、昇圧された状態で精留塔に導入されるので、精留工程で必要な消費エネルギーを従来よりも低減することができる。
【００３２】
請求項３〜１９記載のエタノール製造装置においては、第１の圧縮機により断熱圧縮されたエタノールベーパーが減圧蒸留塔の塔底循環液を加熱する加熱部の熱源として利用された後、凝縮して精留塔に導入される。従って、エタノールベーパーを冷却器で凝縮させることがないため、減圧蒸留工程及び精留工程で必要な消費エネルギーを従来よりも低減することができる。
【００３３】
特に、請求項４記載のエタノール製造装置においては、減圧蒸留塔の塔頂部から留出するエタノールベーパーの温度に関係なく、減圧蒸留塔の塔底温度が３０℃以上６０℃未満となる。そのため酵素が失活することがないので、酵素を再利用することができる。
【００３４】
請求項５記載のエタノール製造装置においては、エタノールベーパーを加熱するので、第１の圧縮機内でのエタノールベーパーの凝縮を防止することができる。
【００３５】
請求項６記載のエタノール製造装置においては、第１の圧縮機によって断熱圧縮されたエタノールベーパーの一部が、第１の圧縮機の入側へ循環するので、第１の圧縮機内でのエタノールベーパーの凝縮を防止することができる。
【００３６】
請求項７記載のエタノール製造装置においては、第１の圧縮機によって断熱圧縮されたエタノールベーパーが第１の過熱器の熱源として利用されることにより、減圧蒸留工程で必要な消費エネルギーを従来よりも低減することができる。
【００３７】
請求項８記載のエタノール製造装置においては、減圧蒸留塔の後段に精留塔を配置したことにより、従来よりもエタノールベーパーの留出量及び酵素含有濃縮廃液の缶出量の設定の自由度を大きくできたので、例えばバイオマス原料の酵素反応性を高めるための前処理で生成されるパルプ重量の２〜２０倍、望ましくは５〜１０倍となるように缶出させるようにして、酵素循環系内の液バランスを好適に保つようにすることができる。
【００３８】
請求項９記載のエタノール製造装置においては、バイオマス原料に含まれている水分やエタノールを製造する過程で添加された水を低ＣＯＤ排水として排出できるので、前処理工程で再利用することができる。
【００３９】
請求項１０記載のエタノール製造装置においては、バイオマス原料に含まれている水分やエタノールを製造する過程で添加された水を低ＣＯＤ排水として排出できるので、糖化工程で再利用することができる。
【００４０】
請求項１１記載のエタノール製造装置においては、バイオマス原料に含まれている水分やエタノールを製造する過程で添加された水を低ＣＯＤ排水として排出できるので、固液分離工程で用いるリンス液として再利用することができる。
【００４１】
請求項１２記載のエタノール製造装置においては、低ＣＯＤ排水の排水処理が容易なので、従来よりも廃液処理の負担を軽減することができる。
【００４２】
請求項１３記載のエタノール製造装置においては、低ＣＯＤ排水が減圧蒸留塔の塔底循環液の熱源として利用されることにより、減圧蒸留工程で必要な消費エネルギーを従来よりも低減することができる。
【００４３】
請求項１４記載のエタノール製造装置においては、低ＣＯＤ排水が更にエタノール発酵液の予熱に利用されることにより、減圧蒸留工程で必要な消費エネルギーを従来よりも低減することができる。
【００４４】
請求項１５記載のエタノール製造装置においては、第２の圧縮機によって断熱圧縮されたエタノールベーパーの一部が精留塔の塔底循環液を加熱する加熱部の熱源として利用された後、精留塔の塔頂へ循環することにより、減圧蒸留工程及び精留工程で必要な消費エネルギーを従来よりも低減することができる。
【００４５】
請求項１６〜１８記載のエタノール製造装置においては、第２の圧縮機でエタノールベーパーを断熱圧縮により昇温させて、潜熱利用可能な状態にして、顕熱とともに再利用することにより、減圧蒸留工程及び精留工程で必要な消費エネルギーを従来よりも低減することができる。
【００４６】
請求項１９記載のエタノール製造装置においては、減圧蒸留塔から缶出する酵素含有濃縮廃液、精留塔から缶出する低ＣＯＤ排水及び精留塔から留出するエタノールベーパーがエタノール発酵液の予熱に利用されることにより、減圧蒸留工程で必要な消費エネルギーを従来よりも低減することができる。
【００４７】
請求項２０記載のエタノール製造装置においては、第１の圧縮機に代えてブロワ又は真空ポンプを適用することができる。
【００４８】
請求項２１記載のエタノール製造装置においては、第２の圧縮機に代えてブロワ又は真空ポンプを適用することができる。
【００４９】
請求項２２記載のエタノール製造装置においては、減圧蒸留塔に代えてエタノール発酵液を濃縮する減圧濃縮装置を適用することができる。
【００５０】
請求項２３記載のエタノール製造方法においては、減圧蒸留と精留の２段方式としたことにより、減圧蒸留によって生成される酵素含有濃縮廃液の量を、酵素循環系内の流量バランスに適した量に設定して操業することが可能となる。
【００５１】
請求項２４記載のエタノール製造方法においては、断熱圧縮されたエタノールベーパーが昇温、昇圧された状態で精留されるので、精留工程で必要な消費エネルギーを従来よりも低減することができる。
【００５２】
請求項２５記載のエタノール製造方法においては、断熱圧縮されたエタノールベーパーが減圧蒸留塔の塔底循環液と熱交換され、凝縮して精留される。従って、エタノールベーパーを冷却器で凝縮させることがないため、減圧蒸留工程及び精留工程で必要な消費エネルギーを従来よりも低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るエタノール製造装置における製造工程のフロー図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係るエタノール製造装置の構成図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態に係るエタノール製造装置の構成図である。
【図４】本発明の第３の実施の形態に係るエタノール製造装置の構成図である。
【図５】本発明の第４の実施の形態に係るエタノール製造装置の構成図である。
【図６】本発明の第５の実施の形態に係るエタノール製造装置の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００５４】
〔第１の実施の形態〕
続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態につき説明し、本発明の理解に供する。但し、本発明の技術的範囲は、以下の実施の形態によって限定されることはない。
本発明の第１の実施の形態に係るエタノール製造装置１０（図２参照）は、セルロースを含んだ木質系、草本系、紙系のバイオマス原料からエタノールを生成するものである。図１に示すように、エタノール製造工程は、前処理工程Ｐ１、糖化工程Ｐ２、Ｃ６糖発酵工程Ｐ３、減圧蒸留工程Ｐ４、精留工程Ｐ５、無水化工程Ｐ６を含んでいる。この製造工程は、更に固液分離工程Ｐ７及びＣ５糖発酵工程Ｐ８を含んでいる。
【００５５】
前処理工程Ｐ１では、バイオマス原料の酵素反応性を高めるためバイオマス原料に熱処理、化学処理、機械処理等の前処理を行う。
糖化工程Ｐ２では、前処理されたバイオマス原料に、セルラーゼ、ヘミセルラーゼ等の糖化酵素を添加し、セルロース等を加水分解して単糖を得る。
【００５６】
Ｃ６糖発酵工程Ｐ３では、糖化工程Ｐ２で得られた単糖を含む糖化液に酵母を添加し、発酵によりエタノール発酵液を得る。このエタノール発酵液は、１〜１０％のエタノールを含んでいる。本工程は同時糖化発酵工程（糖化工程Ｐ２と一緒に行う工程）としても良い。
【００５７】
減圧蒸留工程Ｐ４では、Ｃ６糖発酵工程Ｐ３で得られたエタノール発酵液を蒸留してエタノールを分離する。具体的には、エタノール発酵液を減圧蒸留塔１１（図２参照）に導入し、塔頂からエタノールを留出させる。導入されるエタノール発酵液は、セルラーゼ、ヘミセルラーゼ等の糖化酵素及びＣ６糖発酵工程Ｐ３で発酵しなかったＣ５糖を含んでいる。セルラーゼ、ヘミセルラーゼは６０℃以上で失活するので、減圧蒸留塔１１の塔底温度は、その温度未満に調整される。酵素は６０℃未満でも経時的に失活するので、減圧蒸留塔１１の塔底温度はできる限り低いほうが好ましい。
【００５８】
精留工程Ｐ５では、減圧蒸留塔１１から留出した低濃度エタノール水を約９０％まで濃縮する。無水化工程Ｐ６では、精留工程Ｐ５で濃縮されたエタノールから膜分離や共沸等により水分を分離する。
【００５９】
固液分離工程では、減圧蒸留工程Ｐ４の減圧蒸留塔１１から缶出した酵素含有濃縮廃液から固形物を分離する。
Ｃ５糖発酵工程Ｐ８では、固形物が分離された酵素含有濃縮廃液に含まれるＣ５糖を発酵させる。発酵液は糖化工程Ｐ２へと循環する。
【００６０】
次に、図１の点線で示した減圧蒸留工程Ｐ４及び精留工程Ｐ５について詳述する。
この工程では、図２に示すように、減圧蒸留塔１１及び精留塔１２によって、それぞれ蒸留及び精留が行われる。
減圧蒸留塔１１には、Ｃ６糖発酵工程Ｐ３にて生成されたエタノール発酵液が導入される。減圧蒸留塔１１の塔底温度は、３０℃以上６０℃未満（望ましくは３０℃以上５１℃以下）になるよう、第１の圧縮機１６によって内部圧力が減圧制御されている。減圧蒸留塔１１の塔頂部の内部圧力は、例えば１６ｋＰａＡに制御される。
【００６１】
減圧蒸留塔１１の塔底からは、酵素含有濃縮廃液が缶出する。この缶出した酵素含有濃縮廃液は、塔底循環ポンプ１５によって送出され、固液分離工程Ｐ７を経てＣ５糖発酵工程Ｐ８の発酵槽で再利用される。
減圧蒸留塔１１の塔底部から缶出した酵素含有濃縮廃液の一部は、塔底循環液として熱交換器１７によって昇温され、減圧蒸留塔１１の塔底へと循環する。なお、熱交換器１７では、図示しない蒸気ラインから供給される蒸気を熱源としている。減圧蒸留塔１１の塔底温度は例えば４５℃となる。
また、熱交換器１７は減圧蒸留塔１１の外部に配置されているが、減圧蒸留塔１１の塔底部と一体化させて、図示しない蒸気ラインから供給される蒸気と熱交換させてもよい。
【００６２】
減圧蒸留塔１１の塔頂からは、エタノールベーパー（その温度は、例えば４１℃）が留出する。なお、エタノール発酵液量と酵素含有濃縮廃液量は予め決定されており、その差分が留出するエタノール及び水分となる。この酵素含有濃縮廃液量は、減圧蒸留塔１１から留出するエタノールベーパーの流量を調節することによって、前処理工程Ｐ１にて生成されたパルプ重量の２〜２０倍（望ましくは５〜１０倍であり、例えば９倍）に設定される。留出したエタノールベーパーは、精留塔１２に送られる間に凝縮しないように、第１の過熱器１８によって加熱される。ここで、一般に、塔頂から留出したエタノールベーパーが精留塔１２に送られる間に凝縮すると、第１の圧縮機１６内のインペラー（羽根部）等の回転部に過大な負荷が加わったり、凝縮液がシール部からリークしたりする等、機械的な問題が生じる場合がある。本実施の形態においては、減圧蒸留塔１１の塔頂から留出したエタノールベーパーが第１の過熱器１８によって加熱されるので、このような凝縮に起因する問題が発生することが防止される。
加熱されたエタノールベーパーは、更に第１の圧縮機１６によって、断熱圧縮され、昇温、昇圧される。その後、エタノールベーパーは精留塔１２に導入される。
従って、従来のようにエタノールベーパーをチラー等で冷却して凝縮することなく、ベーパーのまま精留塔１２に導入するため、冷却に必要なエネルギーと精留塔１２に必要な熱エネルギーが低減される。
【００６３】
なお、第１の圧縮機１６によって断熱圧縮されたエタノールベーパーを第１の圧縮機１６の前段に設けた第１の過熱器１８の熱源として利用した後、精留塔１２に導入してもよい。これにより、エタノールベーパーが第１の圧縮機１６内で凝縮することが防止される。
また、第１の過熱器１８を設けずに、第１の圧縮機１６によって断熱圧縮され、昇温、昇圧されたエタノールベーパーの一部を第１の圧縮機１６の入側に循環させて、エタノールベーパーが第１の圧縮機１６内で凝縮することを防いでもよい。更に、前述の凝縮に起因する問題が発生するおそれがない場合、第１の圧縮機１６の前段に第１の過熱器１８を設けずに、留出したエタノールベーパーを第１の圧縮機１６にて直接圧縮してもよい。
【００６４】
精留塔１２では、導入されたエタノールベーパーが、エタノール濃度が約９０％のエタノール液と低ＣＯＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｏｘｙｇｅｎ Ｄｅｍａｎｄ）排水に分離される。
エタノール液は、塔頂からエタノールベーパー（その温度は、例えば７９℃）として留出する。エタノールベーパーは、冷却器２０で冷却されてエタノール液となり、無水化工程Ｐ６に送られる。なお、エタノール液の一部は、還流操作のために精留塔１２の塔頂へ循環する。
【００６５】
低ＣＯＤ排水は精留塔１２の塔底から缶出し、塔底循環ポンプ２２によって送出される。この低ＣＯＤ排水は減圧蒸留塔１１の留出物であるので、高沸成分が存在せず、微量の有機酸や油分等が含まれているだけである。従って、低ＣＯＤ排水のＣＯＤは約１０００（ｍｇ／Ｌ）であるが、無色透明のきれいな水といえる。よって、低ＣＯＤ排水は、前処理工程Ｐ１、糖化工程Ｐ２、又は固液分離工程Ｐ７で循環利用することができる。特に、固液分離工程Ｐ７においては、低ＣＯＤ排水はリンス液として用いられる。また、この低ＣＯＤ排水を図示しない排水処理装置で処理することもできる。
低ＣＯＤ排水の一部は、熱交換器２１によって昇温され、精留塔１２の塔底へと循環する。これにより、塔底温度は例えば１００℃となる。
【００６６】
〔第２の実施の形態〕
続いて、本発明の第２の実施の形態に係るエタノール製造装置２００について説明する。
なお、エタノール製造工程は、第１の実施の形態で説明したものと同じである。
エタノール製造装置２００の減圧蒸留工程Ｐ４及び精留工程Ｐ５では、図３に示すように、減圧蒸留塔１１及び精留塔１２によって、それぞれ蒸留及び精留が行われる。
【００６７】
減圧蒸留塔１１では、Ｃ６糖発酵工程Ｐ３にて生成されたエタノール発酵液が導入される。減圧蒸留塔１１の塔底温度は、糖化酵素が失活しないように、３０℃以上６０℃未満（望ましくは３０℃以上５１℃以下）になるよう、第１の圧縮機２４２によって減圧制御されている。減圧蒸留塔１１の塔頂部の内部圧力は、例えば１６ｋＰａＡに制御される。
【００６８】
減圧蒸留塔１１の塔底からは、酵素含有濃縮廃液が缶出する。この缶出した酵素含有濃縮廃液は、塔底循環ポンプ２３１によって送出され、固液分離工程Ｐ７を経てＣ５糖発酵工程Ｐ８の発酵槽で再利用される。また、酵素含有濃縮廃液は、予熱器２３２によって、エタノール発酵液を予熱する。
減圧蒸留塔１１の塔底部から缶出した酵素含有濃縮廃液の一部は、熱交換器（加熱部）２３４によって入熱、昇温され、塔底循環液として減圧蒸留塔１１の塔底へと循環する。
【００６９】
なお、熱交換器２３４では、減圧蒸留塔１１の塔頂から留出するエタノールベーパーを第１の圧縮機２４２で断熱圧縮により昇温したものを熱源としている。減圧蒸留塔１１の塔底温度は例えば４５℃となる。また、熱交換器２３４は減圧蒸留塔１１の外部に設置されているが、減圧蒸留塔１１の塔底部と一体化させて、図示しない蒸気ラインから供給される蒸気と熱交換を行ってもよい。
【００７０】
減圧蒸留塔１１の塔頂からは、エタノールベーパー（その温度は、例えば４１℃）が留出する。なお、エタノール発酵液量と酵素含有濃縮廃液量は予め決定されているので、その差分が留出するエタノール及び水分となる。この酵素含有濃縮廃液量は、減圧蒸留塔１１から留出するエタノールベーパーの流量を調節することによって、前処理工程Ｐ１にて生成されたパルプ重量の２〜２０倍（望ましくは５〜１０倍であり、例えば９倍）に設定される。この酵素含有濃縮廃液の循環量を制御するために、例えば次の方法が考えられる。第１の例として、Ｃ５糖発酵液のバッファタンクのレベルを一定に維持するように、減圧蒸留工程Ｐ４における供給蒸気量、第１の圧縮機２４２の回転数、又は減圧蒸留塔１１から留出するエタノールベーパー量を変更して制御することができる。第２の例として、酵素含有濃縮廃液の屈折度（糖度）を屈折計（Ｂｒｉｘ計）を用いて計測し、この計測値が一定となるように、減圧蒸留工程Ｐ４における供給蒸気量、第１の圧縮機２４２の回転数、又は減圧蒸留塔１１から留出するエタノールベーパー量を変更して制御することができる。
減圧蒸留塔１１の塔頂から留出したエタノールベーパーは、第１の圧縮機２４２内で凝縮しないように、第１の過熱器２４１によって加熱される。ここで、一般に、塔頂から留出したエタノールベーパーが精留塔１２に送られる間に凝縮すると、第１の圧縮機２４２内のインペラー（羽根部）等の回転部に過大な負荷が加わったり、凝縮液がシール部からリークしたりする等、機械的な問題が生じる場合がある。本実施の形態においては、減圧蒸留塔１１の塔頂から留出したエタノールベーパーが第１の過熱器２４１によって加熱されるので、このような凝縮に起因する問題が発生することが防止される。
加熱されたエタノールベーパーは、更に第１の圧縮機２４２によって、断熱圧縮され、昇温、昇圧される。その後、エタノールベーパーは熱交換器２３４で減圧蒸留塔１１の塔底の酵素含有濃縮廃液（塔底循環液）と熱交換され、凝縮する。
【００７１】
なお、第１の圧縮機２４２によって断熱圧縮されたエタノールベーパーを第１の圧縮機２４２の前段に設けた第１の過熱器２４１の熱源として利用した後、熱交換器２３４に導入してもよい。これにより、エタノールベーパーが第１の圧縮機２４２内で凝縮することが防止される。また、減圧蒸留工程Ｐ４で必要な消費エネルギーを更に低減することもできる。また、第１の過熱器２４１を設けずに、第１の圧縮機２４２によって断熱圧縮され、昇温、昇圧されたエタノールベーパーの一部を第１の圧縮機２４２の入側に循環させて、エタノールベーパーが第１の圧縮機２４２内で凝縮することを防いでもよい。更に、前述の凝縮に起因する問題が発生するおそれがない場合、第１の圧縮機２４２の前段に第１の過熱器２４１を設けずに、留出したエタノールベーパーを第１の圧縮機２４２にて直接圧縮してもよい。
【００７２】
熱交換器２３４で凝縮した減圧蒸留塔１１の留出エタノール液は、予熱器２６５、予熱器２５２及び予熱器２６４によって昇温され、精留塔１２に導入される。
予熱器２６５は、精留塔１２の塔頂部から留出し、第２の圧縮機２６２で昇温、昇圧された後、留出ライン２６８を通って送出されたエタノールベーパーが、予熱器２６４で熱交換されて凝縮したエタノール液を熱源としている。
予熱器２５２は、精留塔１２の塔底部から缶出した低ＣＯＤ排水を熱源としている。
予熱器２６４は、精留塔１２の塔頂部から留出し、第２の圧縮機２６２で昇温、昇圧された後、留出ライン２６８を通って送出されたエタノールベーパーを熱源としている。
従って、減圧蒸留塔１１の塔頂部から留出し、第１の圧縮機２４２で昇温、昇圧されたエタノールベーパーを、減圧蒸留塔１１の操作に必要な熱源とするため、従来のように蒸気などの外部熱エネルギーを使用することがなくなり、減圧蒸留塔１１を操作するために必要なエネルギーが大幅に低減される。また、エタノール留出液や蒸留塔塔底からの缶出液の顕熱も予熱器等で利用するため、エネルギー使用量は低減される。更に、多重効用缶などの省エネルギー機器の導入により、塔頂温度が例えば３５℃以下であった場合、消費電力が他の機器よりも大きいチラー等の冷却器が必要であるが、本プロセスではエタノールベーパーを凝縮させる必要がないのでこれが不要となる。
【００７３】
精留塔１２に導入される留出エタノール液は、エタノール濃度１０％程度のエタノール液（１０％エタノール液）である。この１０％エタノール液は、精留塔１２にて、エタノール濃度が約９０％のエタノール液と低ＣＯＤ排水に分離される。
９０％のエタノール液は、精留塔１２の塔頂からエタノールベーパー（９０％エタノールベーパー）として留出し、第２の過熱器２６１によって加熱され、第２の圧縮機２６２によって昇温、昇圧された後、留出ライン２６８に送出され、予熱器２６４及び予熱器２６５を通って無水化工程Ｐ６に送られる。
なお、９０％エタノールベーパーは、前述のように、予熱器２６４によって減圧蒸留塔１１から留出した１０％エタノール液を予熱する。また、９０％エタノールベーパーは予熱器２６４で凝縮した後、予熱器２６５によって１０％エタノール液を予熱する。
第２の圧縮機２６２によって圧縮され昇温、昇圧したエタノールベーパーの一部は、還流ライン２６７に送出される。その後、還流ライン２６７に送出されたエタノールベーパーは、精留塔１２の塔底部の加熱部である熱交換器２５４を通って塔底循環液と熱交換され、大部分が凝縮する。凝縮したエタノールは、エタノール還流液として、精留塔１２の塔頂へと循環する。
【００７４】
なお、第２の圧縮機２６２によって断熱圧縮されたエタノールベーパーを第２の圧縮機２６２の前段に設けた第２の過熱器２６１の熱源として利用した後、留出ライン２６８及び還流ライン２６７に送出してもよい。これにより、エタノールベーパーが第２の圧縮機２６２内で凝縮することが防止される。また、減圧蒸留工程Ｐ４で必要な消費エネルギーを更に低減することもできる。
【００７５】
低ＣＯＤ排水は精留塔１２の塔底から缶出する。この低ＣＯＤ排水は減圧蒸留塔１１の留出物であるので、高沸成分が存在せず、微量の有機酸や油分等が含まれているだけである。従って、低ＣＯＤ排水のＣＯＤは約１０００（ｍｇ／Ｌ）であるが、無色透明のきれいな水といえる。よって、低ＣＯＤ排水は、前処理工程Ｐ１、糖化工程Ｐ２、又は固液分離工程Ｐ７で循環利用することができる。特に、固液分離工程Ｐ７においては、低ＣＯＤ排水はリンス液として用いられる。また、この低ＣＯＤ排水を図示しない排水処理装置で処理することもできる。
【００７６】
低ＣＯＤ排水は、塔底循環ポンプ２５１によって送出され、前述の通り予熱器２５２を介して精留塔１２に導入される１０％エタノール液を予熱する。
低ＣＯＤ排水の一部は、熱交換器２５４によって昇温され、塔底循環液として精留塔１２の塔底へと循環する。なお、熱交換器２５４の熱源は、前述の通り、第２の圧縮機２６２によって圧縮され、昇温、昇圧されたエタノールベーパーである。これにより、塔底温度は例えば１００℃となる。
【００７７】
なお、エタノール発酵液は予熱器２３２によって熱交換がされているが、この予熱器２３２は省略することもできる。また、精留塔１２の塔頂から留出するエタノールベーパーの分岐ライン（還流ライン２６７及び留出ライン２６８）は、第２の圧縮機２６２の出口側に設けられているが、これに代えて、留出ライン２６８を第２の圧縮機２６２の入口側で分岐させても良い。
また、熱交換器２３４と、予熱器２５２、２６５との間に、凝縮されたエタノールを一時的に貯留するバッファタンクを設けることもできる。
【００７８】
〔第３の実施の形態〕
続いて、本発明の第３の実施の形態に係るエタノール製造装置３０について説明する。
なお、エタノール製造工程は、第１の実施の形態で説明したものと同じである。
エタノール製造装置３０の減圧蒸留工程Ｐ４及び精留工程Ｐ５では、図４に示すように、減圧蒸留塔１１及び精留塔１２によって、それぞれ蒸留及び精留が行われる。
【００７９】
減圧蒸留塔１１では、Ｃ６糖発酵工程Ｐ３にて生成されたエタノール発酵液が導入される。減圧蒸留塔１１の塔底温度は、糖化酵素が失活しないように、３０℃以上６０℃未満（望ましくは３０℃以上５１℃以下）になるよう、第１の圧縮機４２によって減圧制御されている。減圧蒸留塔１１の塔頂部の内部圧力は、例えば１６ｋＰａＡに制御される。
【００８０】
減圧蒸留塔１１の塔底からは、酵素含有濃縮廃液が缶出する。この缶出した酵素含有濃縮廃液は、塔底循環ポンプ３１によって送出され、固液分離工程Ｐ７を経てＣ５糖発酵工程Ｐ８の発酵槽で再利用される。また、酵素含有濃縮廃液は、予熱器３２によって、エタノール発酵液を予熱する。
減圧蒸留塔１１の塔底部から缶出した酵素含有濃縮廃液の一部は、塔底循環液として熱交換器３３、及び熱交換器３４（加熱部）によって入熱、昇温され、減圧蒸留塔１１の塔底へと循環する。なお、熱交換器３３では、精留塔１２の塔底から缶出する低ＣＯＤ排水を熱源としている。熱交換器３４では、減圧蒸留塔１１の塔頂から留出するエタノールベーパーを第１の圧縮機４２で断熱圧縮により昇温したものを熱源としている。減圧蒸留塔１１の塔底温度は例えば４５℃となる。
また、熱交換器３３と熱交換器３４は減圧蒸留塔１１の外部に設置されているが、減圧蒸留塔１１の塔底部と一体化させて、図示しない蒸気ラインから供給される蒸気と熱交換を行ってもよい。
【００８１】
減圧蒸留塔１１の塔頂からは、エタノールベーパー（その温度は、例えば４１℃）が留出する。なお、エタノール発酵液量と酵素含有濃縮廃液量は予め決定されており、その差分が留出するエタノール及び水分となる。この酵素含有濃縮廃液量は、減圧蒸留塔１１から留出するエタノールベーパーの流量を調節することによって、前処理工程Ｐ１にて生成されたパルプ重量の２〜２０倍（望ましくは５〜１０倍であり、例えば９倍）に設定される。この酵素含有濃縮廃液の循環量を制御するために、例えば次の方法が考えられる。第１の例として、Ｃ５糖発酵液のバッファタンクのレベルを一定に維持するように、減圧蒸留工程Ｐ４における供給蒸気量、第１の圧縮機４２の回転数、又は減圧蒸留塔１１から留出するエタノールベーパー量を変更して制御することができる。第２の例として、酵素含有濃縮廃液の屈折度（糖度）を屈折計（Ｂｒｉｘ計）を用いて計測し、この計測値が一定となるように、減圧蒸留工程Ｐ４における供給蒸気量、第１の圧縮機４２の回転数、又は減圧蒸留塔１１から留出するエタノールベーパー量を変更して制御することができる。
減圧蒸留塔１１の塔頂から留出したエタノールベーパーは、第１の圧縮機４２内で凝縮しないように、第１の過熱器４１によって加熱される。ここで、一般に、塔頂から留出したエタノールベーパーが精留塔１２に送られる間に凝縮すると、第１の圧縮機４２内のインペラー（羽根部）等の回転部に過大な負荷が加わったり、凝縮液がシール部からリークしたりする等、機械的な問題が生じる場合がある。本実施の形態においては、減圧蒸留塔１１の塔頂から留出したエタノールベーパーが第１の過熱器４１によって加熱されるので、このような凝縮に起因する問題が発生することが防止される。
加熱されたエタノールベーパーは、更に第１の圧縮機４２によって、断熱圧縮され、昇温、昇圧される。その後、エタノールベーパーは熱交換器３４で減圧蒸留塔１１の塔底の酵素含有濃縮廃液（塔底循環液）と熱交換され、凝縮される。
【００８２】
なお、第１の圧縮機４２によって断熱圧縮されたエタノールベーパーを第１の圧縮機４２の前段に設けた第１の過熱器４１の熱源として利用した後、熱交換器３４に導入してもよい。これにより、エタノールベーパーが第１の圧縮機４２内で凝縮することが防止される。また、減圧蒸留工程Ｐ４で必要な消費エネルギーを更に低減することもできる。また、第１の過熱器４１を設けずに、第１の圧縮機４２によって断熱圧縮され、昇温、昇圧されたエタノールベーパーの一部を第１の圧縮機４２の入側に循環させて、エタノールベーパーが第１の圧縮機４２内で凝縮することを防いでもよい。更に、前述の凝縮に起因する問題が発生するおそれがない場合、第１の圧縮機４２の前段に第１の過熱器４１を設けずに、留出したエタノールベーパーを第１の圧縮機４２にて直接圧縮してもよい。
【００８３】
熱交換器３４で凝縮された減圧蒸留塔１１の留出エタノール液は、予熱器６３、予熱器６５、予熱器５２及び予熱器６４で昇温されて、精留塔１２に導入される。
予熱器６３は、精留塔１２の塔頂部から留出し、第２の圧縮機６２で昇温、昇圧された後、還流ライン６７を通って送出され、精留塔１２の塔底部の加熱部である熱交換器５４で熱交換されて凝縮したエタノール液を熱源としている。この還流ライン６７のエタノール液は一部ベーパーとして存在しているものもある。
予熱器６５は、精留塔１２の塔頂部から留出し、第２の圧縮機６２で昇温、昇圧された後、留出ライン６８を通って送出されたエタノールベーパーが、予熱器６４で熱交換されて凝縮したエタノール液を熱源としている。
予熱器５２は、精留塔１２の塔底部から缶出した低ＣＯＤ排水を熱源としている。
予熱器６４は、精留塔１２の塔頂部から留出し、第２の圧縮機６２で昇温、昇圧された後、留出ライン６８を通って送出されたエタノールベーパーを熱源としている。
従って、減圧蒸留塔１１の塔頂部から留出し、第１の圧縮機４２で昇温、昇圧されたエタノールベーパーを、減圧蒸留塔１１の操作に必要な熱源とするため、従来のように蒸気などの外部熱エネルギーを使用することがなくなり、減圧蒸留塔１１を操作するために必要なエネルギーが大幅に低減される。また、エタノール留出液や蒸留塔塔底からの缶出液の顕熱も予熱器等で利用するため、エネルギー使用量は低減される。その他、多重効用缶などの省エネルギー機器の導入により、塔頂温度が例えば３５℃以下であった場合、消費電力が他の機器よりも大きいチラー等の冷却器が必要であるが、本プロセスではエタノールベーパーを凝縮させる必要がないのでこれが不要となる。
【００８４】
精留塔１２に導入される留出エタノール液は、エタノール濃度１０％程度のエタノール液（１０％エタノール液）である。この１０％エタノール液は、精留塔１２にて、エタノール濃度が約９０％のエタノール液と低ＣＯＤ排水に分離される。
９０％のエタノール液は、精留塔１２の塔頂からエタノールベーパー（９０％エタノールベーパー）として留出し、第２の過熱器６１によって加熱され、第２の圧縮機６２によって昇温、昇圧された後、留出ライン６８に送出される。留出ライン６８に送出されたエタノールベーパーは、予熱器６４、予熱器６５、予熱器６６を通って無水化工程Ｐ６に送られる。
なお、９０％エタノールベーパーは、前述のように、予熱器６４によって減圧蒸留塔１１から留出した１０％エタノール液を予熱する。また、９０％エタノールベーパーは予熱器６４で凝縮した後、予熱器６５によって１０％エタノール液を予熱する。
第２の圧縮機６２によって圧縮され昇温、昇圧したエタノールベーパーの一部は、還流ライン６７に送出される。その後、還流ライン６７に送出されたエタノールベーパーは、熱交換器５４を通って塔底循環液と熱交換され、大部分が凝縮する。凝縮したエタノールは、予熱器６３を介して精留塔１２に導入される１０％エタノールを予熱し、エタノール還流液として塔頂へと循環する。
【００８５】
なお、第２の圧縮機６２によって断熱圧縮されたエタノールベーパーを第２の圧縮機６２の前段に設けた第２の過熱器６１の熱源として利用した後、留出ライン６８及び還流ライン６７に送出してもよい。これにより、エタノールベーパーが第２の圧縮機６２内で凝縮することが防止される。また、減圧蒸留工程Ｐ４で必要な消費エネルギーを更に低減することもできる。
【００８６】
低ＣＯＤ排水は精留塔１２の塔底から缶出する。この低ＣＯＤ排水は減圧蒸留塔１１の留出物であるので、高沸成分が存在せず、微量の有機酸や油分等が含まれているだけである。従って、低ＣＯＤ排水のＣＯＤは約１０００（ｍｇ／Ｌ）であるが、無色透明のきれいな水といえる。よって、低ＣＯＤ排水は、前処理工程Ｐ１、糖化工程Ｐ２、又は固液分離工程Ｐ７で循環利用することができる。特に、固液分離工程Ｐ７においては、低ＣＯＤ排水はリンス液として用いられる。また、この低ＣＯＤ排水を図示しない排水処理装置で処理することもできる。
【００８７】
低ＣＯＤ排水は、塔底循環ポンプ５１によって送出され、前述の通り予熱器５２を介して精留塔１２に導入される１０％エタノール液を予熱し、熱交換器３３によって、減圧蒸留塔１１の塔底循環液と熱交換される。また、低ＣＯＤ排水は、予熱器５３によって、エタノール発酵液を予熱する。
低ＣＯＤ排水の一部は、熱交換器５４によって昇温され、精留塔１２の塔底へと循環する。なお、熱交換器５４の熱源は、前述の通り、第２の圧縮機６２によって圧縮され、昇温、昇圧されたエタノールベーパーである。これにより、塔底温度は例えば１００℃となる。
【００８８】
なお、エタノール発酵液は並列に設けられた予熱器３２、予熱器５３、及び予熱器６６によって熱交換がされているが、エタノール発酵液の分岐に係るコストが過大になる場合等では、これら予熱器３２、予熱器５３、及び予熱器６６は直列に設けるか省略してもよい。また、精留塔１２の塔頂から留出するエタノールベーパーの分岐ライン（還流ライン６７及び留出ライン６８）は、第２の圧縮機６２の出口側に設けられているが、これに代えて、留出ライン６８を第２の圧縮機６２の入口側で分岐させても良い。
【００８９】
〔第４の実施の形態〕
続いて、本発明の第４の実施の形態に係るエタノール製造装置７０について説明する。
なお、エタノール製造工程は、第１の実施の形態で説明したものと同じである。
エタノール製造装置７０の減圧蒸留工程Ｐ４及び精留工程Ｐ５では、図５に示すように、減圧蒸留塔１１及び精留塔１２によって、それぞれ蒸留及び精留が行われる。
【００９０】
減圧蒸留塔１１では、Ｃ６糖発酵工程Ｐ３にて生成されたエタノール発酵液が導入される。減圧蒸留塔１１の塔底温度は、糖化酵素が失活しないように、３０℃以上６０℃未満（望ましくは３０℃以上５１℃以下）になるよう、第１の圧縮機８６によって減圧制御されている。減圧蒸留塔１１の内部圧力は、例えば１６ｋＰａＡに制御される。
【００９１】
減圧蒸留塔１１の塔底からは、酵素含有濃縮廃液が缶出する。この缶出した酵素含有濃縮廃液は、塔底循環ポンプ７５によって送出され、固液分離工程Ｐ７を経てＣ５糖発酵工程Ｐ８の発酵槽で再利用される。また、酵素含有濃縮廃液は、予熱器７７によってエタノール発酵液を予熱する。
減圧蒸留塔１１の塔底部の酵素含有濃縮廃液は、塔底循環液として熱交換器７８、熱交換器７９、及び熱交換器８０によって昇温され、減圧蒸留塔１１の塔底へと循環する。なお、熱交換器７８では、精留塔１２の塔底から缶出する低ＣＯＤ排水（その温度は、例えば１００℃）を熱源としている。熱交換器７９では、図示しない蒸気ラインから供給される外部蒸気と熱交換される。熱交換器８０では、精留塔１２の塔頂から留出するエタノールベーパーと熱交換される。減圧蒸留塔１１の塔底温度は例えば４５℃となる。
また、熱交換器７８と熱交換器７９は減圧蒸留塔１１の外部に設置されているが、減圧蒸留塔１１の塔底部と一体化させて、図示しない蒸気ラインから供給される蒸気と熱交換を行ってもよい。
【００９２】
減圧蒸留塔１１の塔頂からは、エタノールベーパー（その温度は、例えば４１℃）が留出する。なお、エタノール発酵液量と酵素含有濃縮廃液量を予め決定されており、その差分が留出するエタノール及び水分となる。この酵素含有濃縮廃液量は、減圧蒸留塔１１から留出するエタノールベーパーの流量を調節することによって、前処理工程Ｐ１にて生成されたパルプ重量の２〜２０倍（望ましくは５〜１０倍であり、例えば９倍）に設定される。この酵素含有濃縮廃液の循環量を制御するために、例えば次の方法が考えられる。第１の例として、Ｃ５糖発酵液のバッファタンクのレベルを一定に維持するように、減圧蒸留工程Ｐ４における供給蒸気量、第１の圧縮機８６の回転数、又は減圧蒸留塔１１から留出するエタノールベーパー量を変更して制御することができる。第２の例として、酵素含有濃縮廃液の屈折度（糖度）を屈折計（Ｂｒｉｘ計）を用いて計測し、この計測値が一定となるように、減圧蒸留工程Ｐ４における供給蒸気量、第１の圧縮機８６の回転数、又は減圧蒸留塔１１から留出するエタノールベーパー量を変更して制御することができる。
減圧蒸留塔１１の塔頂から留出したエタノールベーパーは、精留塔１２に送られる間に凝縮しないように、第１の過熱器８５によって加熱される。ここで、一般に、塔頂から留出したエタノールベーパーが精留塔１２に送られる間に凝縮すると、第１の圧縮機８６内のインペラー（羽根部）等の回転部に過大な負荷が加わったり、凝縮液がシール部からリークしたりする等、機械的な問題が生じる場合がある。本実施の形態においては、減圧蒸留塔１１の塔頂から留出したエタノールベーパーが第１の過熱器８５によって加熱されるので、このような凝縮に起因する問題が発生することが防止される。
加熱されたエタノールベーパーは、更に第１の圧縮機８６によって断熱圧縮され、昇温、昇圧される。その後、エタノールベーパーは精留塔１２に導入される。
従って、従来のようにエタノールベーパーを冷却して凝縮することなく、ベーパーのまま精留塔１２に導入するため、精留塔１２を運転するために必要なエネルギーが大幅に低減される。その他、多重効用缶などの省エネルギー機器の導入により、塔頂温度が例えば３５℃以下であった場合、消費電力が他の機器よりも大きいチラー等の冷却器が必要であるが、本プロセスではエタノールベーパーを凝縮させる必要がないのでこれが不要となる。
【００９３】
なお、第１の圧縮機８６によって断熱圧縮されたエタノールベーパーを第１の圧縮機８６の前段に設けた第１の過熱器８５の熱源として利用した後、精留塔１２に導入してもよい。これにより、エタノールベーパーが第１の圧縮機８６内で凝縮することが防止される。
また、減圧蒸留工程Ｐ４で必要な消費エネルギーを更に低減することもできる。
また、第１の過熱器８５を設けずに、第１の圧縮機８６によって断熱圧縮され、昇温、昇圧されたエタノールベーパーの一部を第１の圧縮機８６の入側に循環させて、エタノールベーパーが第１の圧縮機８６内で凝縮することを防いでもよい。更に、前述の凝縮に起因する問題が発生するおそれがない場合、第１の圧縮機８６の前段に第１の過熱器８５を設けずに、留出したエタノールベーパーを第１の圧縮機８６にて直接圧縮してもよい。
【００９４】
精留塔１２に導入された１０％程度のエタノールベーパーは、エタノール濃度が約９０％のエタノール液（９０％エタノール液）と低ＣＯＤ排水に分離される。塔頂からは９０％エタノール液がエタノールベーパー（その温度は、例えば７９℃）として留出する。なお、前述の通り、この塔頂から留出したエタノールベーパーは、熱交換器８０によって減圧蒸留塔１１の塔底循環液と熱交換され、塔底循環液を昇温する。更に、このエタノールベーパーは、予熱器９０によって、エタノール発酵液を予熱する。その後、エタノールベーパーの一部は留出ライン９４を通って無水化工程Ｐ６に送られる。エタノールベーパーの残りは、大部分が凝縮された状態で、エタノール還流液として、還流ライン９５を通って精留塔１２の塔頂へと循環する。
【００９５】
低ＣＯＤ排水は精留塔１２の塔底から缶出する。この低ＣＯＤ排水は減圧蒸留塔１１の留出物であるので、高沸成分が存在せず、微量の有機酸や油分等が含まれているだけである。従って、低ＣＯＤ排水のＣＯＤは約１０００（ｍｇ／Ｌ）であるが、無色透明のきれいな水といえる。よって、低ＣＯＤ排水は、前処理工程Ｐ１、糖化工程Ｐ２、又は固液分離工程Ｐ７で循環利用することができる。特に、固液分離工程Ｐ７においては、低ＣＯＤ排水はリンス液として用いられる。また、この低ＣＯＤ排水を図示しない排水処理装置で処理することもできる。
【００９６】
低ＣＯＤ排水は、塔底循環ポンプ９３によって送出され、前述の通り熱交換器７８によって減圧蒸留塔１１の塔底循環液と熱交換される。また、低ＣＯＤ排水は、予熱器９１を介して、エタノール発酵液を予熱する。
低ＣＯＤ排水の一部は、熱交換器９２によって図示しない蒸気ラインから供給される外部蒸気等により昇温され、精留塔１２の塔底へと循環する。これにより、塔底温度は例えば１００℃となる。
【００９７】
なお、エタノール発酵液は並列に設けられた予熱器７７、予熱器９０、及び予熱器９１によって熱交換がされているが、エタノール発酵液の分岐に係るコストが過大になる場合等では、これら予熱器７７、予熱器９０、及び予熱器９１は直列に設けるか省略してもよい。
【００９８】
〔第５の実施の形態〕
続いて、本発明の第５の実施の形態に係るエタノール製造装置９７について説明する。
なお、エタノール製造工程は、第１の実施の形態で説明したものと同じである。以下では、第１の実施の形態と同じ部分については同じ符号を付して詳しい説明を省略する。
エタノール製造装置９７の減圧蒸留工程Ｐ４及び精留工程Ｐ５では、図６に示すように、減圧蒸留塔１１及び精留塔１２によって、それぞれ蒸留及び精留が行われる。
【００９９】
減圧蒸留塔１１では、Ｃ６糖発酵工程Ｐ３にて生成されたエタノール発酵液が導入される。減圧蒸留塔１１の塔底温度は、酵素が失活しないように、３０℃以上６０℃未満（望ましくは３０℃以上５１℃以下）になるよう、第１の圧縮機９９によって減圧制御されている。減圧蒸留塔１１の内部圧力は、例えば１６ｋＰａＡに制御される。
【０１００】
減圧蒸留塔１１の塔底からは、酵素含有濃縮廃液が缶出する。この缶出した酵素含有濃縮廃液は、塔底循環ポンプ９８によって送出され、固液分離工程Ｐ７を経てＣ５糖発酵工程Ｐ８の発酵槽で再利用される。また、酵素含有濃縮廃液は、予熱器１００によって、エタノール発酵液を予熱する。
缶出した減圧蒸留塔１１の塔底部の酵素含有濃縮廃液の一部は、塔底循環液として熱交換器１０１、熱交換器１０２及び熱交換器１０３によって昇温され、減圧蒸留塔１１の塔底へと循環する。なお、熱交換器１０１では、精留塔１２の塔底から缶出する低ＣＯＤ排水（その温度は、例えば１００℃）を熱源としている。熱交換器１０２では、図示しない蒸気ラインから供給される外部蒸気と熱交換される。熱交換器１０３では、精留塔１２の塔頂から留出するエタノールベーパーと熱交換される。減圧蒸留塔１１の塔底温度は例えば４５℃となる。
また、熱交換器１０１と熱交換器１０２は減圧蒸留塔１１の外部に設置されているが、減圧蒸留塔１１の塔底部と一体化させて、図示しない蒸気ラインから供給される蒸気と熱交換を行ってもよい。
【０１０１】
減圧蒸留塔１１の塔頂からは、エタノールベーパー（その温度は、例えば４１℃）が留出する。このエタノールベーパー量はエタノール製造工程全体で循環可能な酵素含有濃縮廃液量で決定される。この酵素含有濃縮廃液の循環量を制御するために、例えば次の方法が考えられる。第１の例として、Ｃ５糖発酵液のバッファタンクのレベルを一定に維持するように、減圧蒸留工程Ｐ４における供給蒸気量、第１の圧縮機９９の回転数、又は減圧蒸留塔１１から留出するエタノールベーパー量を変更して制御することができる。第２の例として、酵素含有濃縮廃液の屈折度（糖度）を屈折計（Ｂｒｉｘ計）を用いて計測し、この計測値が一定となるように、減圧蒸留工程Ｐ４における供給蒸気量、第１の圧縮機９９の回転数、又は減圧蒸留塔１１から留出するエタノールベーパー量を変更して制御することができる。
減圧蒸留塔１１の塔頂から留出したエタノールベーパーは、精留塔１２に送られる間に凝縮しないよう、図示しない蒸気ラインから供給される蒸気を熱源とする第１の過熱器１０５によって加熱される。ここで、一般に、塔頂から留出したエタノールベーパーが精留塔１２に送られる間に凝縮すると、第１の圧縮機９９内のインペラー（羽根部）等の回転部に過大な負荷が加わったり、凝縮液がシール部からリークしたりする等、機械的な問題が生じる場合がある。本実施の形態においては、減圧蒸留塔１１の塔頂から留出したエタノールベーパーが第１の過熱器１０５によって加熱されるので、このような凝縮に起因する問題が発生することが防止される。
加熱されたエタノールベーパーは、更に第１の圧縮機９９によって断熱圧縮され、昇温、昇圧される。その後、エタノールベーパーは精留塔１２に導入される。
従って、従来のようにエタノールベーパーを冷却して凝縮することなく、ベーパーのまま精留塔１２に導入するため、精留塔１２を運転するために必要なエネルギーが低減される。その他、多重効用缶などの省エネルギー機器の導入により、塔頂温度が例えば３５℃以下であった場合、消費電力が従来適用されている冷却塔（クーリングタワー）よりも大きいチラー等の冷却器が必要であるが、本プロセスではエタノールベーパーを凝縮させる必要がないのでこれが不要となる。
【０１０２】
なお、第１の圧縮機９９によって断熱圧縮されたエタノールベーパーを第１の圧縮機９９の前段に設けた第１の過熱器１０５の熱源として利用した後、精留塔１２に導入してもよい。これにより、エタノールベーパーが第１の圧縮機９９内で凝縮することが防止される。また、減圧蒸留工程Ｐ４で必要な消費エネルギーを更に低減することもできる。
また、第１の過熱器１０５を設けずに、圧縮機によって断熱圧縮により昇温されたエタノールベーパーの一部を第１の圧縮機９９の入側に循環させて、エタノールベーパーが圧縮機内で凝縮することを防いでもよい。更に、前述の凝縮に起因する問題が発生するおそれがない場合、第１の圧縮機９９の前段に第１の過熱器１０５を設けずに、留出したエタノールベーパーを第１の圧縮機９９にて直接圧縮してもよい。
【０１０３】
精留塔１２に、導入された１０％程度のエタノールベーパーは、エタノール濃度が約９０％のエタノール液（９０％エタノール液）と低ＣＯＤ排水に分離される。塔頂からは９０％エタノール液がエタノールベーパー（その温度は、例えば７９℃）として留出し、第２の圧縮機１０９により圧縮され、その一部が留出ライン１２０を通って無水化工程Ｐ６に送られる。なお、この塔頂から留出したエタノールベーパーの一部は、前述の通り熱交換器１０３によって、減圧蒸留塔１１の塔底循環液と熱交換される。更に、このエタノールベーパーは、予熱器１１０及び予熱器１１１によって、エタノール発酵液を予熱する。
なお、塔頂から留出したエタノールベーパーは、第２の圧縮機１０９により圧縮され、圧縮されたエタノールベーパーの一部が還流ライン１２１から熱交換器１１２を通って、大部分が凝縮された状態でエタノール還流液として、精留塔１２の塔頂へ循環する。
【０１０４】
低ＣＯＤ排水は精留塔１２の塔底から缶出する。この低ＣＯＤ排水は減圧蒸留塔１１の留出物であるので、高沸成分が存在せず、微量の有機酸や油分等が含まれているだけである。従って、低ＣＯＤ排水のＣＯＤは約１０００（ｍｇ／Ｌ）であり、無色透明のきれいな水といえる。よって、低ＣＯＤ排水は、前処理工程Ｐ１、糖化工程Ｐ２、又は固液分離工程Ｐ７で循環利用することができる。特に、固液分離工程Ｐ７においては、低ＣＯＤ排水はリンス液として用いられる。また、この低ＣＯＤ排水を図示しない排水処理装置で処理することもできる。
【０１０５】
低ＣＯＤ排水は、塔底循環ポンプ１１５によって送出され、前述の通り熱交換器１０１によって減圧蒸留塔１１の塔底循環液と熱交換される。また、低ＣＯＤ排水は、予熱器１１３を介して、エタノール発酵液を予熱する。
また、低ＣＯＤ排水の一部は、熱交換器１１４及び熱交換器１１２によって昇温され、精留塔１２の塔底へと循環する。熱交換器１１４では、図示しない蒸気ラインから供給される外部蒸気と熱交換される。なお、熱交換器１１２の熱源は、前述の通り、第２の圧縮機１０９によって圧縮され、昇温、昇圧されたエタノールベーパーである。これにより、塔底温度は例えば１００℃となる。
【０１０６】
なお、エタノール発酵液は、並列に設けられた予熱器１００、予熱器１１１、及び予熱器１１３によって熱交換がされているが、これら予熱器１００、予熱器１１１、及び予熱器１１３は直列に設けてもよい。また、第２の圧縮機１０９によって圧縮されたエタノールベーパーは、第１の過熱器１０５の熱源とすることができる。
【０１０７】
発明者は、前述の第１〜第５の実施の形態に係るエタノール製造装置のエネルギー低減効果について試算した。その結果を表１に示す。
【０１０８】
【表１】
【０１０９】
なお、原料は木質チップである。計算条件は以下の通りである。
＜計算条件＞
１．エタノール発酵液：１０，４８４ｋｇ／ｈ（エタノール濃度３％）
２．酵素含有濃縮廃液：８，７３７ｋｇ／ｈ
３．減圧蒸留塔留出エタノール：１，７４７ｋｇ／ｈ（エタノール濃度１４％）（＝エタノール発酵液１０，４８４ｋｇ／ｈ−酵素含有濃縮廃液８，７３７ｋｇ／ｈ）
４．低ＣＯＤ排水：１，４７６ｋｇ／ｈ（＝減圧蒸留塔留出エタノール１，７４７ｋｇ／ｈ−９０％エタノール２７１ｋｇ／ｈ）
５．９０％エタノール：２７１ｋｇ／ｈ（２４４ｋｇ／ｈ／９０ｗｔ％）
６．精留に関する還流比：３
【０１１０】
試算にあたり、電力エネルギーは蒸気エネルギーの１／３として換算した。また、多重効用にかかる蒸気使用量は３重効用として通常の蒸留の１／３とした。また、チラーのＣＯＰ（Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ Ｏｆ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ）は１．８とした。また、圧縮機の断熱圧縮効率は５０％とした。
なお、第１及び第４の実施の形態において、常圧蒸気（外部蒸気）は、補助的なエネルギーとして通常の１０分の１程度の３５にまで低減することができる。なぜなら、精留塔１２に必要なエネルギーは、圧縮機１６（８６）で昇温、昇圧されて精留塔１２に導入されるエタノールベーパーでほぼ賄われるためである。
また、第４の実施の形態において、減圧蒸気は７００まで低減することができる。（塔底で導入する３５０のエネルギーのうち２００分を利用する。）なぜなら、減圧蒸留塔１１に必要なエネルギーは、精留塔１２の塔頂部のエタノールベーパーが保有する潜熱分のエネルギーを利用するためである。
また、第５の実施の形態において、減圧蒸気は８５０まで低減することができる。
減圧蒸留塔１１に必要なエネルギーは、精留塔１２の塔頂部のエタノールベーパーの一部が保有する潜熱と顕熱分のエネルギーを利用するためである。
【０１１１】
表１中、比較例１は、多重効用缶などを設けず単純に蒸気のみで蒸留を行った場合の試算結果である。この結果を基準の１００としている。
比較例２は、多重効用及びチラーを組み合わせて蒸留を行った場合の試算結果である。比較例２については、塔頂温度が３５℃以下になるためチラーが必要となり、必要な外部エネルギーは蒸気換算で９２となる。
【０１１２】
１）第１の実施の形態について
図２に示すように、減圧蒸留塔１１から留出するエタノールベーパーを凝縮させずに第１の圧縮機１６で昇温、昇圧して精留塔１２に導入することにより、外部エネルギーは蒸気換算で８９まで減らすことができる。
【０１１３】
２）第２の実施の形態について
図３に示すように、減圧蒸留塔１１から留出するエタノールベーパーを凝縮させずに第１の圧縮機２４２で昇温、昇圧して、減圧蒸留塔１１の熱源に利用し、更に精留塔１２から留出するエタノールベーパーも凝縮させずに精留塔１２の熱源に利用することにより、外部エネルギーは蒸気換算で２７まで減らすことができる。
【０１１４】
３）第３の実施の形態について
図４に示すように、減圧蒸留塔１１から留出するエタノールベーパーを凝縮させずに第１の圧縮機４２で昇温、昇圧して、減圧蒸留塔１１の熱源に利用し、更に精留塔１２から留出するエタノールベーパーも凝縮させずに精留塔１２の熱源に利用することにより、外部エネルギーは蒸気換算で２６まで減らすことができる。
【０１１５】
４）第４の実施の形態について
図５に示すように、減圧蒸留塔１１から留出するエタノールベーパーを凝縮させずに精留塔１２に導入し、精留塔１２から留出するエタノールベーパーを減圧蒸留塔１１の熱源に利用することにより、外部エネルギーは蒸気換算で７３まで減らすことができる。
【０１１６】
５）第５の実施の形態について
図６に示すように減圧蒸留塔１１から留出するエタノールベーパーを凝縮させずに精留塔１２に導入し、精留塔１２から留出するエタノールベーパーも凝縮させずに精留塔１２の熱源に利用することにより、外部エネルギーは蒸気換算で９４まで減らすことができる。
【０１１７】
以上より、いずれの実施の形態についても、最も多くのエネルギーを持つ第１の圧縮機の出側のエタノールベーパーのエネルギーをより効率良く活用できる。ただし、これら実施の形態の中で、エタノールベーパーのエネルギーを最も効率良く活用できるのは、第３の実施の形態であると考えられる。
【０１１８】
なお、本発明は、前述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲での変更は可能である。例えば、前述のそれぞれ実施の形態や変形例の一部又は全部を組み合わせて本発明を構成する場合も本発明の技術的範囲に含まれる。
前述の実施の形態における減圧蒸留塔１１は、エタノール発酵液を濃縮する減圧濃縮装置としてもよい。また、前述の実施の形態における第１の圧縮機は、ブロワ又は真空ポンプとしてもよい。更に、前述の実施の形態における第２の圧縮機は、ブロワ又は真空ポンプとしてもよい。
【符号の説明】
【０１１９】
１０：エタノール製造装置、１１：減圧蒸留塔、１２：精留塔、１５：塔底循環ポンプ、１６：第１の圧縮機、１７：熱交換器、１８：第１の過熱器、２０：冷却器、２１：熱交換器、２２：塔底循環ポンプ、３０：エタノール製造装置、３１：塔底循環ポンプ、３２：予熱器、３３：熱交換器、３４：熱交換器、４１：第１の過熱器、４２：第１の圧縮機、５１：塔底循環ポンプ、５２：予熱器、５３：予熱器、５４：熱交換器、６１：第２の過熱器、６２：第２の圧縮機、６３：予熱器、６４：予熱器、６５：予熱器、６６：予熱器、６７：還流ライン、６８：留出ライン、７０：エタノール製造装置、７５：塔底循環ポンプ、７７：予熱器、７８：熱交換器、７９：熱交換器、８０：熱交換器、８５：第１の過熱器、８６：第１の圧縮機、９０：予熱器、９１：予熱器、９２：熱交換器、９３：塔底循環ポンプ、９４：留出ライン、９５：還流ライン、９７：エタノール製造装置、９８：塔底循環ポンプ、９９：第１の圧縮機、１００：予熱器、１０１：熱交換器、１０２：熱交換器、１０３：熱交換器、１０５：第１の過熱器、１０９：第２の圧縮機、１１０：予熱器、１１１：予熱器、１１２：熱交換器、１１３：予熱器、１１４：熱交換器、１１５：塔底循環ポンプ、１２０：留出ライン、１２１：還流ライン、２００：：エタノール製造装置、２３１：塔底循環ポンプ、２３２：予熱器、２３４：熱交換器、２４１：第１の過熱器、２４２：第１の圧縮機、２５１：塔底循環ポンプ、２５２：予熱器、２５４：熱交換器、２６１：第２の過熱器、２６２：第２の圧縮機、２６４：予熱器、２６５：予熱器、２６７：還流ライン、２６８：留出ライン
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バイオマス原料からエタノールを製造するエタノール製造装置及びエタノール製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のエタノール製造装置として、糖化発酵反応液を酵素が失活しない条件で発酵生成物から蒸留分離し、蒸留残さ分中に含まれている酵素分を糖化発酵工程及び／又は予備糖化工程に循環利用することで、高価な酵素を効率的に利用するものが知られている。（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−１７０８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ここで一般に、減圧蒸留塔（又は減圧濃縮装置）を用いて蒸留する場合、酵素を失活させることなく回収するためには、塔底温度を３０℃以上６０℃未満、望ましくは３０℃以上５１℃以下に維持する必要がある。しかし、蒸発エネルギーが過大になることを防ぐため、多重効用缶などの省エネルギー機器を導入した場合、その際の塔頂温度は３５℃を下回ることがある。そのため、従来適用されている冷却塔（クーリングタワー）では減圧条件下にあるエタノール蒸気を凝縮させることができず、消費電力が冷却塔（クーリングタワー）よりも大きいチラー等の冷却器を設け、塔頂から留出するエタノールベーパーを冷却して凝縮させる必要があった。
更に、酵素を循環利用する場合、前処理工程などで添加されるアルカリ液やリンス液によって循環系内の液量が増えていくので、減圧蒸留塔から缶出された酵素を含む廃液を糖化発酵装置に全量戻して再利用できない場合がある。
本発明は、かかる事情に鑑みてなされるもので、酵素を循環して利用するのに適したエタノール製造装置及びエタノール製造方法を提供することにある。特に、酵素を循環して利用するために必要な熱エネルギーと冷却エネルギーを従来よりも低減したエタノール製造装置及びエタノール製造方法を提供することを目的とする。
また、本発明の他の目的は、装置全体のエネルギー効率を高めることによって、酵素を利用したエタノール製造技術の省エネルギー化を図ることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
前記目的に沿う第１の発明に係るエタノール製造装置は、バイオマス原料を糖化発酵させて生成されるエタノール発酵液が導入され、内部が大気圧よりも減圧された状態で前記エタノール発酵液を蒸留して水蒸気を含むエタノールベーパーを留出させると共に、前記バイオマス原料を糖化発酵させるために再利用される酵素含有濃縮廃液を缶出させる減圧蒸留塔と、
前記減圧蒸留塔から前記留出された前記エタノールベーパーを精留するための精留塔と、を備えたことを特徴とする。
【０００６】
前記第１の発明に係るエタノール製造装置において、前記減圧蒸留塔から留出した前記エタノールベーパーを断熱圧縮する第１の圧縮機を更に備え、前記第１の圧縮機によって断熱圧縮された前記エタノールベーパーを前記精留塔に導入することができる。
【０００７】
また、前記第１の発明に係るエタノール製造装置において、前記減圧蒸留塔から留出した前記エタノールベーパーを断熱圧縮する第１の圧縮機を更に備え、前記第１の圧縮機によって断熱圧縮された前記エタノールベーパーを前記減圧蒸留塔の塔底循環液を加熱する加熱部の熱源として利用した後、凝縮し、エタノール液として前記精留塔に導入することができる。
【０００８】
第１の発明に係るエタノール製造装置において、前記減圧蒸留塔の塔底温度は３０℃以上６０℃未満であることが好ましい。
【０００９】
第１の発明に係るエタノール製造装置において、前記第１の圧縮機の前段に、前記減圧蒸留塔から留出した前記エタノールベーパーを加熱する第１の過熱器を更に備え、
前記第１の過熱器により加熱された前記エタノールベーパーが前記第１の圧縮機内で凝縮しないように、該第１の圧縮機に送られてもよい。
【００１０】
第１の発明に係るエタノール製造装置において、前記第１の圧縮機によって断熱圧縮された前記エタノールベーパーの一部が、該第１の圧縮機の入側に循環されてもよい。
【００１１】
第１の発明に係るエタノール製造装置において、前記第１の圧縮機によって断熱圧縮された前記エタノールベーパーを前記第１の過熱器の熱源として利用してもよい。
【００１２】
第１の発明に係るエタノール製造装置において、前記減圧蒸留塔から缶出される前記酵素含有濃縮廃液の重量が、前記バイオマス原料の酵素反応性を高めるための前処理で生成されるパルプ重量の２〜２０倍となるように、前記減圧蒸留塔から留出される前記エタノールベーパーの流量を調節することができる。
【００１３】
第１の発明に係るエタノール製造装置において、前記精留塔から缶出する低ＣＯＤ排水を、前記バイオマス原料の酵素反応性を高めるための前処理を行う前処理工程に循環させることができる。
【００１４】
第１の発明に係るエタノール製造装置において、前記精留塔から缶出する低ＣＯＤ排水を、前記バイオマス原料に糖化酵素を添加して単糖を得るための糖化工程に循環させることができる。
【００１５】
第１の発明に係るエタノール製造装置において、前記精留塔から缶出する低ＣＯＤ排水を、前記減圧蒸留塔から缶出した酵素含有濃縮廃液から固形物を分離する固液分離工程で用いるリンス液として循環させることができる。
【００１６】
第１の発明に係るエタノール製造装置において、前記精留塔から缶出する低ＣＯＤ排水が、排水処理装置で処理されてもよい。
【００１７】
第１の発明に係るエタノール製造装置において、前記低ＣＯＤ排水が前記減圧蒸留塔の塔底循環液の熱源として利用されることが好ましい。
【００１８】
第１の発明に係るエタノール製造装置において、前記低ＣＯＤ排水が更に前記エタノール発酵液の予熱に利用されることが好ましい。
【００１９】
第１の発明に係るエタノール製造装置において、前記精留塔から留出したエタノールベーパーを圧縮する第２の圧縮機を更に備え、
前記第２の圧縮機によって断熱圧縮された前記エタノールベーパーの一部が前記精留塔の塔底循環液を加熱する加熱部の熱源として利用された後、前記精留塔の塔頂へ循環することが好ましい。
【００２０】
第１の発明に係るエタノール製造装置において、前記精留塔から缶出する前記低ＣＯＤ排水が、前記エタノール発酵液を予熱及び前記減圧蒸留塔の塔底循環液を加熱するための熱源に利用され、
前記第２の圧縮機によって圧縮された前記エタノールベーパーが、前記精留塔に導入される前記エタノール液を加熱するための熱源に利用されることが好ましい。
【００２１】
第１の発明に係るエタノール製造装置において、前記第２の圧縮機の前段に、前記精留塔から留出した前記エタノールベーパーを加熱する第２の過熱器を更に備え、
前記第２の過熱器により加熱された前記エタノールベーパーが前記第２の圧縮機に送られてもよい。
【００２２】
第１の発明に係るエタノール製造装置において、前記第２の圧縮機によって断熱圧縮された前記エタノールベーパーを前記第２の過熱器の熱源として利用してもよい。
【００２３】
第１の発明に係るエタノール製造装置において、前記減圧蒸留塔から缶出する酵素含有濃縮廃液、前記精留塔から缶出する前記低ＣＯＤ排水及び前記精留塔から留出する前記エタノールベーパーが前記エタノール発酵液の予熱に利用されることが好ましい。
【００２４】
第１の発明に係るエタノール製造装置において、前記第１の圧縮機に代えて、ブロワ又は真空ポンプとしてもよい。
【００２５】
第１の発明に係るエタノール製造装置において、前記第２の圧縮機に代えて、ブロワ又は真空ポンプとしてもよい。
【００２６】
第１の発明に係るエタノール製造装置において、前記減圧蒸留塔に代えて、内部が大気圧よりも減圧された状態で前記エタノール発酵液を濃縮する減圧濃縮装置としてもよい。
【００２７】
前記目的に沿う第２の発明に係るエタノール製造方法は、バイオマス原料を糖化発酵させて生成されるエタノール発酵液からエタノールを精製する方法であって、
前記エタノール発酵液を減圧蒸留して、水蒸気を含むエタノールベーパーと、酵素含有濃縮廃液とを生成する工程と、
前記エタノールベーパーを精留するための精留工程と、
前記酵素含有濃縮廃液を、前記バイオマス原料を糖化発酵させる工程に循環させる工程と、を含むことを特徴とする。
【００２８】
第２の発明に係るエタノール製造方法において、前記エタノールベーパーを断熱圧縮する工程を更に含み、前記断熱圧縮する工程により昇温、昇圧された前記エタノールベーパーを前記精留工程へ導入することができる。
【００２９】
第２の発明に係るエタノール製造方法において、前記エタノールベーパーを断熱圧縮する工程と、前記断熱圧縮する工程により昇温、昇圧された前記エタノールベーパーを前記減圧蒸留塔の塔底循環液と熱交換して凝縮させる工程を更に含み、前記減圧蒸留塔からの前記エタノールベーパーを、エタノール液としてから前記精留工程へ導入することができる。
【発明の効果】
【００３０】
請求項１〜２２記載のエタノール製造装置においては、酵素が失活しない温度で減圧蒸留を行うことができ、酵素を再利用することができる。更に、減圧蒸留塔と精留塔の２塔方式としたことにより、従来よりもエタノールベーパーの留出量及び酵素含有濃縮廃液の缶出量の設定の自由度を大きくできたので、減圧蒸留塔から缶出する酵素含有濃縮廃液の量を、酵素循環系内の流量バランスに適した量に設定して操業することが可能となる。更に、精留塔を配置したことによって低ＣＯＤの水が得られるので、この水をリンス液として有効活用することが可能となる。
【００３１】
請求項２記載のエタノール製造装置においては、第１の圧縮機により断熱圧縮されたエタノールベーパーが精留塔に導入される。従って、エタノールベーパーが昇温、昇圧された状態で精留塔に導入されるので、精留工程で必要な消費エネルギーを従来よりも低減することができる。
【００３２】
請求項３〜１９記載のエタノール製造装置においては、第１の圧縮機により断熱圧縮されたエタノールベーパーが減圧蒸留塔の塔底循環液を加熱する加熱部の熱源として利用された後、凝縮して精留塔に導入される。従って、エタノールベーパーを冷却器で凝縮させることがないため、減圧蒸留工程及び精留工程で必要な消費エネルギーを従来よりも低減することができる。
【００３３】
特に、請求項４記載のエタノール製造装置においては、減圧蒸留塔の塔頂部から留出するエタノールベーパーの温度に関係なく、減圧蒸留塔の塔底温度が３０℃以上６０℃未満となる。そのため酵素が失活することがないので、酵素を再利用することができる。
【００３４】
請求項５記載のエタノール製造装置においては、エタノールベーパーを加熱するので、第１の圧縮機内でのエタノールベーパーの凝縮を防止することができる。
【００３５】
請求項６記載のエタノール製造装置においては、第１の圧縮機によって断熱圧縮されたエタノールベーパーの一部が、第１の圧縮機の入側へ循環するので、第１の圧縮機内でのエタノールベーパーの凝縮を防止することができる。
【００３６】
請求項７記載のエタノール製造装置においては、第１の圧縮機によって断熱圧縮されたエタノールベーパーが第１の過熱器の熱源として利用されることにより、減圧蒸留工程で必要な消費エネルギーを従来よりも低減することができる。
【００３７】
請求項８記載のエタノール製造装置においては、減圧蒸留塔の後段に精留塔を配置したことにより、従来よりもエタノールベーパーの留出量及び酵素含有濃縮廃液の缶出量の設定の自由度を大きくできたので、例えばバイオマス原料の酵素反応性を高めるための前処理で生成されるパルプ重量の２〜２０倍、望ましくは５〜１０倍となるように缶出させるようにして、酵素循環系内の液バランスを好適に保つようにすることができる。
【００３８】
請求項９記載のエタノール製造装置においては、バイオマス原料に含まれている水分やエタノールを製造する過程で添加された水を低ＣＯＤ排水として排出できるので、前処理工程で再利用することができる。
【００３９】
請求項１０記載のエタノール製造装置においては、バイオマス原料に含まれている水分やエタノールを製造する過程で添加された水を低ＣＯＤ排水として排出できるので、糖化工程で再利用することができる。
【００４０】
請求項１１記載のエタノール製造装置においては、バイオマス原料に含まれている水分やエタノールを製造する過程で添加された水を低ＣＯＤ排水として排出できるので、固液分離工程で用いるリンス液として再利用することができる。
【００４１】
請求項１２記載のエタノール製造装置においては、低ＣＯＤ排水の排水処理が容易なので、従来よりも廃液処理の負担を軽減することができる。
【００４２】
請求項１３記載のエタノール製造装置においては、低ＣＯＤ排水が減圧蒸留塔の塔底循環液の熱源として利用されることにより、減圧蒸留工程で必要な消費エネルギーを従来よりも低減することができる。
【００４３】
請求項１４記載のエタノール製造装置においては、低ＣＯＤ排水が更にエタノール発酵液の予熱に利用されることにより、減圧蒸留工程で必要な消費エネルギーを従来よりも低減することができる。
【００４４】
請求項１５記載のエタノール製造装置においては、第２の圧縮機によって断熱圧縮されたエタノールベーパーの一部が精留塔の塔底循環液を加熱する加熱部の熱源として利用された後、精留塔の塔頂へ循環することにより、減圧蒸留工程及び精留工程で必要な消費エネルギーを従来よりも低減することができる。
【００４５】
請求項１６〜１８記載のエタノール製造装置においては、第２の圧縮機でエタノールベーパーを断熱圧縮により昇温させて、潜熱利用可能な状態にして、顕熱とともに再利用することにより、減圧蒸留工程及び精留工程で必要な消費エネルギーを従来よりも低減することができる。
【００４６】
請求項１９記載のエタノール製造装置においては、減圧蒸留塔から缶出する酵素含有濃縮廃液、精留塔から缶出する低ＣＯＤ排水及び精留塔から留出するエタノールベーパーがエタノール発酵液の予熱に利用されることにより、減圧蒸留工程で必要な消費エネルギーを従来よりも低減することができる。
【００４７】
請求項２０記載のエタノール製造装置においては、第１の圧縮機に代えてブロワ又は真空ポンプを適用することができる。
【００４８】
請求項２１記載のエタノール製造装置においては、第２の圧縮機に代えてブロワ又は真空ポンプを適用することができる。
【００４９】
請求項２２記載のエタノール製造装置においては、減圧蒸留塔に代えてエタノール発酵液を濃縮する減圧濃縮装置を適用することができる。
【００５０】
請求項２３記載のエタノール製造方法においては、減圧蒸留と精留の２段方式としたことにより、減圧蒸留によって生成される酵素含有濃縮廃液の量を、酵素循環系内の流量バランスに適した量に設定して操業することが可能となる。
【００５１】
請求項２４記載のエタノール製造方法においては、断熱圧縮されたエタノールベーパーが昇温、昇圧された状態で精留されるので、精留工程で必要な消費エネルギーを従来よりも低減することができる。
【００５２】
請求項２５記載のエタノール製造方法においては、断熱圧縮されたエタノールベーパーが減圧蒸留塔の塔底循環液と熱交換され、凝縮して精留される。従って、エタノールベーパーを冷却器で凝縮させることがないため、減圧蒸留工程及び精留工程で必要な消費エネルギーを従来よりも低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るエタノール製造装置における製造工程のフロー図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係るエタノール製造装置の構成図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態に係るエタノール製造装置の構成図である。
【図４】本発明の第３の実施の形態に係るエタノール製造装置の構成図である。
【図５】本発明の第４の実施の形態に係るエタノール製造装置の構成図である。
【図６】本発明の第５の実施の形態に係るエタノール製造装置の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００５４】
〔第１の実施の形態〕
続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態につき説明し、本発明の理解に供する。但し、本発明の技術的範囲は、以下の実施の形態によって限定されることはない。
本発明の第１の実施の形態に係るエタノール製造装置１０（図２参照）は、セルロースを含んだ木質系、草本系、紙系のバイオマス原料からエタノールを生成するものである。図１に示すように、エタノール製造工程は、前処理工程Ｐ１、糖化工程Ｐ２、Ｃ６糖発酵工程Ｐ３、減圧蒸留工程Ｐ４、精留工程Ｐ５、無水化工程Ｐ６を含んでいる。この製造工程は、更に固液分離工程Ｐ７及びＣ５糖発酵工程Ｐ８を含んでいる。
【００５５】
前処理工程Ｐ１では、バイオマス原料の酵素反応性を高めるためバイオマス原料に熱処理、化学処理、機械処理等の前処理を行う。
糖化工程Ｐ２では、前処理されたバイオマス原料に、セルラーゼ、ヘミセルラーゼ等の糖化酵素を添加し、セルロース等を加水分解して単糖を得る。
【００５６】
Ｃ６糖発酵工程Ｐ３では、糖化工程Ｐ２で得られた単糖を含む糖化液に酵母を添加し、発酵によりエタノール発酵液を得る。このエタノール発酵液は、１〜１０％のエタノールを含んでいる。本工程は同時糖化発酵工程（糖化工程Ｐ２と一緒に行う工程）としても良い。
【００５７】
減圧蒸留工程Ｐ４では、Ｃ６糖発酵工程Ｐ３で得られたエタノール発酵液を蒸留してエタノールを分離する。具体的には、エタノール発酵液を減圧蒸留塔１１（図２参照）に導入し、塔頂からエタノールを留出させる。導入されるエタノール発酵液は、セルラーゼ、ヘミセルラーゼ等の糖化酵素及びＣ６糖発酵工程Ｐ３で発酵しなかったＣ５糖を含んでいる。セルラーゼ、ヘミセルラーゼは６０℃以上で失活するので、減圧蒸留塔１１の塔底温度は、その温度未満に調整される。酵素は６０℃未満でも経時的に失活するので、減圧蒸留塔１１の塔底温度はできる限り低いほうが好ましい。
【００５８】
精留工程Ｐ５では、減圧蒸留塔１１から留出した低濃度エタノール水を約９０％まで濃縮する。無水化工程Ｐ６では、精留工程Ｐ５で濃縮されたエタノールから膜分離や共沸等により水分を分離する。
【００５９】
固液分離工程では、減圧蒸留工程Ｐ４の減圧蒸留塔１１から缶出した酵素含有濃縮廃液から固形物を分離する。
Ｃ５糖発酵工程Ｐ８では、固形物が分離された酵素含有濃縮廃液に含まれるＣ５糖を発酵させる。発酵液は糖化工程Ｐ２へと循環する。
【００６０】
次に、図１の点線で示した減圧蒸留工程Ｐ４及び精留工程Ｐ５について詳述する。
この工程では、図２に示すように、減圧蒸留塔１１及び精留塔１２によって、それぞれ蒸留及び精留が行われる。
減圧蒸留塔１１には、Ｃ６糖発酵工程Ｐ３にて生成されたエタノール発酵液が導入される。減圧蒸留塔１１の塔底温度は、３０℃以上６０℃未満（望ましくは３０℃以上５１℃以下）になるよう、第１の圧縮機１６によって内部圧力が減圧制御されている。減圧蒸留塔１１の塔頂部の内部圧力は、例えば１６ｋＰａＡに制御される。
【００６１】
減圧蒸留塔１１の塔底からは、酵素含有濃縮廃液が缶出する。この缶出した酵素含有濃縮廃液は、塔底循環ポンプ１５によって送出され、固液分離工程Ｐ７を経てＣ５糖発酵工程Ｐ８の発酵槽で再利用される。
減圧蒸留塔１１の塔底部から缶出した酵素含有濃縮廃液の一部は、塔底循環液として熱交換器１７によって昇温され、減圧蒸留塔１１の塔底へと循環する。なお、熱交換器１７では、図示しない蒸気ラインから供給される蒸気を熱源としている。減圧蒸留塔１１の塔底温度は例えば４５℃となる。
また、熱交換器１７は減圧蒸留塔１１の外部に配置されているが、減圧蒸留塔１１の塔底部と一体化させて、図示しない蒸気ラインから供給される蒸気と熱交換させてもよい。
【００６２】
減圧蒸留塔１１の塔頂からは、エタノールベーパー（その温度は、例えば４１℃）が留出する。なお、エタノール発酵液量と酵素含有濃縮廃液量は予め決定されており、その差分が留出するエタノール及び水分となる。この酵素含有濃縮廃液量は、減圧蒸留塔１１から留出するエタノールベーパーの流量を調節することによって、前処理工程Ｐ１にて生成されたパルプ重量の２〜２０倍（望ましくは５〜１０倍であり、例えば９倍）に設定される。留出したエタノールベーパーは、精留塔１２に送られる間に凝縮しないように、第１の過熱器１８によって加熱される。ここで、一般に、塔頂から留出したエタノールベーパーが精留塔１２に送られる間に凝縮すると、第１の圧縮機１６内のインペラー（羽根部）等の回転部に過大な負荷が加わったり、凝縮液がシール部からリークしたりする等、機械的な問題が生じる場合がある。本実施の形態においては、減圧蒸留塔１１の塔頂から留出したエタノールベーパーが第１の過熱器１８によって加熱されるので、このような凝縮に起因する問題が発生することが防止される。
加熱されたエタノールベーパーは、更に第１の圧縮機１６によって、断熱圧縮され、昇温、昇圧される。その後、エタノールベーパーは精留塔１２に導入される。
従って、従来のようにエタノールベーパーをチラー等で冷却して凝縮することなく、ベーパーのまま精留塔１２に導入するため、冷却に必要なエネルギーと精留塔１２に必要な熱エネルギーが低減される。
【００６３】
なお、第１の圧縮機１６によって断熱圧縮されたエタノールベーパーを第１の圧縮機１６の前段に設けた第１の過熱器１８の熱源として利用した後、精留塔１２に導入してもよい。これにより、エタノールベーパーが第１の圧縮機１６内で凝縮することが防止される。
また、第１の過熱器１８を設けずに、第１の圧縮機１６によって断熱圧縮され、昇温、昇圧されたエタノールベーパーの一部を第１の圧縮機１６の入側に循環させて、エタノールベーパーが第１の圧縮機１６内で凝縮することを防いでもよい。更に、前述の凝縮に起因する問題が発生するおそれがない場合、第１の圧縮機１６の前段に第１の過熱器１８を設けずに、留出したエタノールベーパーを第１の圧縮機１６にて直接圧縮してもよい。
【００６４】
精留塔１２では、導入されたエタノールベーパーが、エタノール濃度が約９０％のエタノール液と低ＣＯＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｏｘｙｇｅｎ Ｄｅｍａｎｄ）排水に分離される。
エタノール液は、塔頂からエタノールベーパー（その温度は、例えば７９℃）として留出する。エタノールベーパーは、冷却器２０で冷却されてエタノール液となり、無水化工程Ｐ６に送られる。なお、エタノール液の一部は、還流操作のために精留塔１２の塔頂へ循環する。
【００６５】
低ＣＯＤ排水は精留塔１２の塔底から缶出し、塔底循環ポンプ２２によって送出される。この低ＣＯＤ排水は減圧蒸留塔１１の留出物であるので、高沸成分が存在せず、微量の有機酸や油分等が含まれているだけである。従って、低ＣＯＤ排水のＣＯＤは約１０００（ｍｇ／Ｌ）であるが、無色透明のきれいな水といえる。よって、低ＣＯＤ排水は、前処理工程Ｐ１、糖化工程Ｐ２、又は固液分離工程Ｐ７で循環利用することができる。特に、固液分離工程Ｐ７においては、低ＣＯＤ排水はリンス液として用いられる。また、この低ＣＯＤ排水を図示しない排水処理装置で処理することもできる。
低ＣＯＤ排水の一部は、熱交換器２１によって昇温され、精留塔１２の塔底へと循環する。これにより、塔底温度は例えば１００℃となる。
【００６６】
〔第２の実施の形態〕
続いて、本発明の第２の実施の形態に係るエタノール製造装置２００について説明する。
なお、エタノール製造工程は、第１の実施の形態で説明したものと同じである。
エタノール製造装置２００の減圧蒸留工程Ｐ４及び精留工程Ｐ５では、図３に示すように、減圧蒸留塔１１及び精留塔１２によって、それぞれ蒸留及び精留が行われる。
【００６７】
減圧蒸留塔１１では、Ｃ６糖発酵工程Ｐ３にて生成されたエタノール発酵液が導入される。減圧蒸留塔１１の塔底温度は、糖化酵素が失活しないように、３０℃以上６０℃未満（望ましくは３０℃以上５１℃以下）になるよう、第１の圧縮機２４２によって減圧制御されている。減圧蒸留塔１１の塔頂部の内部圧力は、例えば１６ｋＰａＡに制御される。
【００６８】
減圧蒸留塔１１の塔底からは、酵素含有濃縮廃液が缶出する。この缶出した酵素含有濃縮廃液は、塔底循環ポンプ２３１によって送出され、固液分離工程Ｐ７を経てＣ５糖発酵工程Ｐ８の発酵槽で再利用される。また、酵素含有濃縮廃液は、予熱器２３２によって、エタノール発酵液を予熱する。
減圧蒸留塔１１の塔底部から缶出した酵素含有濃縮廃液の一部は、熱交換器（加熱部）２３４によって入熱、昇温され、塔底循環液として減圧蒸留塔１１の塔底へと循環する。
【００６９】
なお、熱交換器２３４では、減圧蒸留塔１１の塔頂から留出するエタノールベーパーを第１の圧縮機２４２で断熱圧縮により昇温したものを熱源としている。減圧蒸留塔１１の塔底温度は例えば４５℃となる。また、熱交換器２３４は減圧蒸留塔１１の外部に設置されているが、減圧蒸留塔１１の塔底部と一体化させて、図示しない蒸気ラインから供給される蒸気と熱交換を行ってもよい。
【００７０】
減圧蒸留塔１１の塔頂からは、エタノールベーパー（その温度は、例えば４１℃）が留出する。なお、エタノール発酵液量と酵素含有濃縮廃液量は予め決定されているので、その差分が留出するエタノール及び水分となる。この酵素含有濃縮廃液量は、減圧蒸留塔１１から留出するエタノールベーパーの流量を調節することによって、前処理工程Ｐ１にて生成されたパルプ重量の２〜２０倍（望ましくは５〜１０倍であり、例えば９倍）に設定される。この酵素含有濃縮廃液の循環量を制御するために、例えば次の方法が考えられる。第１の例として、Ｃ５糖発酵液のバッファタンクのレベルを一定に維持するように、減圧蒸留工程Ｐ４における供給蒸気量、第１の圧縮機２４２の回転数、又は減圧蒸留塔１１から留出するエタノールベーパー量を変更して制御することができる。第２の例として、酵素含有濃縮廃液の屈折度（糖度）を屈折計（Ｂｒｉｘ計）を用いて計測し、この計測値が一定となるように、減圧蒸留工程Ｐ４における供給蒸気量、第１の圧縮機２４２の回転数、又は減圧蒸留塔１１から留出するエタノールベーパー量を変更して制御することができる。
減圧蒸留塔１１の塔頂から留出したエタノールベーパーは、第１の圧縮機２４２内で凝縮しないように、第１の過熱器２４１によって加熱される。ここで、一般に、塔頂から留出したエタノールベーパーが精留塔１２に送られる間に凝縮すると、第１の圧縮機２４２内のインペラー（羽根部）等の回転部に過大な負荷が加わったり、凝縮液がシール部からリークしたりする等、機械的な問題が生じる場合がある。本実施の形態においては、減圧蒸留塔１１の塔頂から留出したエタノールベーパーが第１の過熱器２４１によって加熱されるので、このような凝縮に起因する問題が発生することが防止される。
加熱されたエタノールベーパーは、更に第１の圧縮機２４２によって、断熱圧縮され、昇温、昇圧される。その後、エタノールベーパーは熱交換器２３４で減圧蒸留塔１１の塔底の酵素含有濃縮廃液（塔底循環液）と熱交換され、凝縮する。
【００７１】
なお、第１の圧縮機２４２によって断熱圧縮されたエタノールベーパーを第１の圧縮機２４２の前段に設けた第１の過熱器２４１の熱源として利用した後、熱交換器２３４に導入してもよい。これにより、エタノールベーパーが第１の圧縮機２４２内で凝縮することが防止される。また、減圧蒸留工程Ｐ４で必要な消費エネルギーを更に低減することもできる。また、第１の過熱器２４１を設けずに、第１の圧縮機２４２によって断熱圧縮され、昇温、昇圧されたエタノールベーパーの一部を第１の圧縮機２４２の入側に循環させて、エタノールベーパーが第１の圧縮機２４２内で凝縮することを防いでもよい。更に、前述の凝縮に起因する問題が発生するおそれがない場合、第１の圧縮機２４２の前段に第１の過熱器２４１を設けずに、留出したエタノールベーパーを第１の圧縮機２４２にて直接圧縮してもよい。
【００７２】
熱交換器２３４で凝縮した減圧蒸留塔１１の留出エタノール液は、予熱器２６５、予熱器２５２及び予熱器２６４によって昇温され、精留塔１２に導入される。
予熱器２６５は、精留塔１２の塔頂部から留出し、第２の圧縮機２６２で昇温、昇圧された後、留出ライン２６８を通って送出されたエタノールベーパーが、予熱器２６４で熱交換されて凝縮したエタノール液を熱源としている。
予熱器２５２は、精留塔１２の塔底部から缶出した低ＣＯＤ排水を熱源としている。
予熱器２６４は、精留塔１２の塔頂部から留出し、第２の圧縮機２６２で昇温、昇圧された後、留出ライン２６８を通って送出されたエタノールベーパーを熱源としている。
従って、減圧蒸留塔１１の塔頂部から留出し、第１の圧縮機２４２で昇温、昇圧されたエタノールベーパーを、減圧蒸留塔１１の操作に必要な熱源とするため、従来のように蒸気などの外部熱エネルギーを使用することがなくなり、減圧蒸留塔１１を操作するために必要なエネルギーが大幅に低減される。また、エタノール留出液や蒸留塔塔底からの缶出液の顕熱も予熱器等で利用するため、エネルギー使用量は低減される。更に、多重効用缶などの省エネルギー機器の導入により、塔頂温度が例えば３５℃以下であった場合、消費電力が他の機器よりも大きいチラー等の冷却器が必要であるが、本プロセスではエタノールベーパーを凝縮させる必要がないのでこれが不要となる。
【００７３】
精留塔１２に導入される留出エタノール液は、エタノール濃度１０％程度のエタノール液（１０％エタノール液）である。この１０％エタノール液は、精留塔１２にて、エタノール濃度が約９０％のエタノール液と低ＣＯＤ排水に分離される。
９０％のエタノール液は、精留塔１２の塔頂からエタノールベーパー（９０％エタノールベーパー）として留出し、第２の過熱器２６１によって加熱され、第２の圧縮機２６２によって昇温、昇圧された後、留出ライン２６８に送出され、予熱器２６４及び予熱器２６５を通って無水化工程Ｐ６に送られる。
なお、９０％エタノールベーパーは、前述のように、予熱器２６４によって減圧蒸留塔１１から留出した１０％エタノール液を予熱する。また、９０％エタノールベーパーは予熱器２６４で凝縮した後、予熱器２６５によって１０％エタノール液を予熱する。
第２の圧縮機２６２によって圧縮され昇温、昇圧したエタノールベーパーの一部は、還流ライン２６７に送出される。その後、還流ライン２６７に送出されたエタノールベーパーは、精留塔１２の塔底部の加熱部である熱交換器２５４を通って塔底循環液と熱交換され、大部分が凝縮する。凝縮したエタノールは、エタノール還流液として、精留塔１２の塔頂へと循環する。
【００７４】
なお、第２の圧縮機２６２によって断熱圧縮されたエタノールベーパーを第２の圧縮機２６２の前段に設けた第２の過熱器２６１の熱源として利用した後、留出ライン２６８及び還流ライン２６７に送出してもよい。これにより、エタノールベーパーが第２の圧縮機２６２内で凝縮することが防止される。また、減圧蒸留工程Ｐ４で必要な消費エネルギーを更に低減することもできる。
【００７５】
低ＣＯＤ排水は精留塔１２の塔底から缶出する。この低ＣＯＤ排水は減圧蒸留塔１１の留出物であるので、高沸成分が存在せず、微量の有機酸や油分等が含まれているだけである。従って、低ＣＯＤ排水のＣＯＤは約１０００（ｍｇ／Ｌ）であるが、無色透明のきれいな水といえる。よって、低ＣＯＤ排水は、前処理工程Ｐ１、糖化工程Ｐ２、又は固液分離工程Ｐ７で循環利用することができる。特に、固液分離工程Ｐ７においては、低ＣＯＤ排水はリンス液として用いられる。また、この低ＣＯＤ排水を図示しない排水処理装置で処理することもできる。
【００７６】
低ＣＯＤ排水は、塔底循環ポンプ２５１によって送出され、前述の通り予熱器２５２を介して精留塔１２に導入される１０％エタノール液を予熱する。
低ＣＯＤ排水の一部は、熱交換器２５４によって昇温され、塔底循環液として精留塔１２の塔底へと循環する。なお、熱交換器２５４の熱源は、前述の通り、第２の圧縮機２６２によって圧縮され、昇温、昇圧されたエタノールベーパーである。これにより、塔底温度は例えば１００℃となる。
【００７７】
なお、エタノール発酵液は予熱器２３２によって熱交換がされているが、この予熱器２３２は省略することもできる。また、精留塔１２の塔頂から留出するエタノールベーパーの分岐ライン（還流ライン２６７及び留出ライン２６８）は、第２の圧縮機２６２の出口側に設けられているが、これに代えて、留出ライン２６８を第２の圧縮機２６２の入口側で分岐させても良い。
また、熱交換器２３４と、予熱器２５２、２６５との間に、凝縮されたエタノールを一時的に貯留するバッファタンクを設けることもできる。
【００７８】
〔第３の実施の形態〕
続いて、本発明の第３の実施の形態に係るエタノール製造装置３０について説明する。
なお、エタノール製造工程は、第１の実施の形態で説明したものと同じである。
エタノール製造装置３０の減圧蒸留工程Ｐ４及び精留工程Ｐ５では、図４に示すように、減圧蒸留塔１１及び精留塔１２によって、それぞれ蒸留及び精留が行われる。
【００７９】
減圧蒸留塔１１では、Ｃ６糖発酵工程Ｐ３にて生成されたエタノール発酵液が導入される。減圧蒸留塔１１の塔底温度は、糖化酵素が失活しないように、３０℃以上６０℃未満（望ましくは３０℃以上５１℃以下）になるよう、第１の圧縮機４２によって減圧制御されている。減圧蒸留塔１１の塔頂部の内部圧力は、例えば１６ｋＰａＡに制御される。
【００８０】
減圧蒸留塔１１の塔底からは、酵素含有濃縮廃液が缶出する。この缶出した酵素含有濃縮廃液は、塔底循環ポンプ３１によって送出され、固液分離工程Ｐ７を経てＣ５糖発酵工程Ｐ８の発酵槽で再利用される。また、酵素含有濃縮廃液は、予熱器３２によって、エタノール発酵液を予熱する。
減圧蒸留塔１１の塔底部から缶出した酵素含有濃縮廃液の一部は、塔底循環液として熱交換器３３、及び熱交換器３４（加熱部）によって入熱、昇温され、減圧蒸留塔１１の塔底へと循環する。なお、熱交換器３３では、精留塔１２の塔底から缶出する低ＣＯＤ排水を熱源としている。熱交換器３４では、減圧蒸留塔１１の塔頂から留出するエタノールベーパーを第１の圧縮機４２で断熱圧縮により昇温したものを熱源としている。減圧蒸留塔１１の塔底温度は例えば４５℃となる。
また、熱交換器３３と熱交換器３４は減圧蒸留塔１１の外部に設置されているが、減圧蒸留塔１１の塔底部と一体化させて、図示しない蒸気ラインから供給される蒸気と熱交換を行ってもよい。
【００８１】
減圧蒸留塔１１の塔頂からは、エタノールベーパー（その温度は、例えば４１℃）が留出する。なお、エタノール発酵液量と酵素含有濃縮廃液量は予め決定されており、その差分が留出するエタノール及び水分となる。この酵素含有濃縮廃液量は、減圧蒸留塔１１から留出するエタノールベーパーの流量を調節することによって、前処理工程Ｐ１にて生成されたパルプ重量の２〜２０倍（望ましくは５〜１０倍であり、例えば９倍）に設定される。この酵素含有濃縮廃液の循環量を制御するために、例えば次の方法が考えられる。第１の例として、Ｃ５糖発酵液のバッファタンクのレベルを一定に維持するように、減圧蒸留工程Ｐ４における供給蒸気量、第１の圧縮機４２の回転数、又は減圧蒸留塔１１から留出するエタノールベーパー量を変更して制御することができる。第２の例として、酵素含有濃縮廃液の屈折度（糖度）を屈折計（Ｂｒｉｘ計）を用いて計測し、この計測値が一定となるように、減圧蒸留工程Ｐ４における供給蒸気量、第１の圧縮機４２の回転数、又は減圧蒸留塔１１から留出するエタノールベーパー量を変更して制御することができる。
減圧蒸留塔１１の塔頂から留出したエタノールベーパーは、第１の圧縮機４２内で凝縮しないように、第１の過熱器４１によって加熱される。ここで、一般に、塔頂から留出したエタノールベーパーが精留塔１２に送られる間に凝縮すると、第１の圧縮機４２内のインペラー（羽根部）等の回転部に過大な負荷が加わったり、凝縮液がシール部からリークしたりする等、機械的な問題が生じる場合がある。本実施の形態においては、減圧蒸留塔１１の塔頂から留出したエタノールベーパーが第１の過熱器４１によって加熱されるので、このような凝縮に起因する問題が発生することが防止される。
加熱されたエタノールベーパーは、更に第１の圧縮機４２によって、断熱圧縮され、昇温、昇圧される。その後、エタノールベーパーは熱交換器３４で減圧蒸留塔１１の塔底の酵素含有濃縮廃液（塔底循環液）と熱交換され、凝縮される。
【００８２】
なお、第１の圧縮機４２によって断熱圧縮されたエタノールベーパーを第１の圧縮機４２の前段に設けた第１の過熱器４１の熱源として利用した後、熱交換器３４に導入してもよい。これにより、エタノールベーパーが第１の圧縮機４２内で凝縮することが防止される。また、減圧蒸留工程Ｐ４で必要な消費エネルギーを更に低減することもできる。また、第１の過熱器４１を設けずに、第１の圧縮機４２によって断熱圧縮され、昇温、昇圧されたエタノールベーパーの一部を第１の圧縮機４２の入側に循環させて、エタノールベーパーが第１の圧縮機４２内で凝縮することを防いでもよい。更に、前述の凝縮に起因する問題が発生するおそれがない場合、第１の圧縮機４２の前段に第１の過熱器４１を設けずに、留出したエタノールベーパーを第１の圧縮機４２にて直接圧縮してもよい。
【００８３】
熱交換器３４で凝縮された減圧蒸留塔１１の留出エタノール液は、予熱器６３、予熱器６５、予熱器５２及び予熱器６４で昇温されて、精留塔１２に導入される。
予熱器６３は、精留塔１２の塔頂部から留出し、第２の圧縮機６２で昇温、昇圧された後、還流ライン６７を通って送出され、精留塔１２の塔底部の加熱部である熱交換器５４で熱交換されて凝縮したエタノール液を熱源としている。この還流ライン６７のエタノール液は一部ベーパーとして存在しているものもある。
予熱器６５は、精留塔１２の塔頂部から留出し、第２の圧縮機６２で昇温、昇圧された後、留出ライン６８を通って送出されたエタノールベーパーが、予熱器６４で熱交換されて凝縮したエタノール液を熱源としている。
予熱器５２は、精留塔１２の塔底部から缶出した低ＣＯＤ排水を熱源としている。
予熱器６４は、精留塔１２の塔頂部から留出し、第２の圧縮機６２で昇温、昇圧された後、留出ライン６８を通って送出されたエタノールベーパーを熱源としている。
従って、減圧蒸留塔１１の塔頂部から留出し、第１の圧縮機４２で昇温、昇圧されたエタノールベーパーを、減圧蒸留塔１１の操作に必要な熱源とするため、従来のように蒸気などの外部熱エネルギーを使用することがなくなり、減圧蒸留塔１１を操作するために必要なエネルギーが大幅に低減される。また、エタノール留出液や蒸留塔塔底からの缶出液の顕熱も予熱器等で利用するため、エネルギー使用量は低減される。その他、多重効用缶などの省エネルギー機器の導入により、塔頂温度が例えば３５℃以下であった場合、消費電力が他の機器よりも大きいチラー等の冷却器が必要であるが、本プロセスではエタノールベーパーを凝縮させる必要がないのでこれが不要となる。
【００８４】
精留塔１２に導入される留出エタノール液は、エタノール濃度１０％程度のエタノール液（１０％エタノール液）である。この１０％エタノール液は、精留塔１２にて、エタノール濃度が約９０％のエタノール液と低ＣＯＤ排水に分離される。
９０％のエタノール液は、精留塔１２の塔頂からエタノールベーパー（９０％エタノールベーパー）として留出し、第２の過熱器６１によって加熱され、第２の圧縮機６２によって昇温、昇圧された後、留出ライン６８に送出される。留出ライン６８に送出されたエタノールベーパーは、予熱器６４、予熱器６５、予熱器６６を通って無水化工程Ｐ６に送られる。
なお、９０％エタノールベーパーは、前述のように、予熱器６４によって減圧蒸留塔１１から留出した１０％エタノール液を予熱する。また、９０％エタノールベーパーは予熱器６４で凝縮した後、予熱器６５によって１０％エタノール液を予熱する。
第２の圧縮機６２によって圧縮され昇温、昇圧したエタノールベーパーの一部は、還流ライン６７に送出される。その後、還流ライン６７に送出されたエタノールベーパーは、熱交換器５４を通って塔底循環液と熱交換され、大部分が凝縮する。凝縮したエタノールは、予熱器６３を介して精留塔１２に導入される１０％エタノールを予熱し、エタノール還流液として塔頂へと循環する。
【００８５】
なお、第２の圧縮機６２によって断熱圧縮されたエタノールベーパーを第２の圧縮機６２の前段に設けた第２の過熱器６１の熱源として利用した後、留出ライン６８及び還流ライン６７に送出してもよい。これにより、エタノールベーパーが第２の圧縮機６２内で凝縮することが防止される。また、減圧蒸留工程Ｐ４で必要な消費エネルギーを更に低減することもできる。
【００８６】
低ＣＯＤ排水は精留塔１２の塔底から缶出する。この低ＣＯＤ排水は減圧蒸留塔１１の留出物であるので、高沸成分が存在せず、微量の有機酸や油分等が含まれているだけである。従って、低ＣＯＤ排水のＣＯＤは約１０００（ｍｇ／Ｌ）であるが、無色透明のきれいな水といえる。よって、低ＣＯＤ排水は、前処理工程Ｐ１、糖化工程Ｐ２、又は固液分離工程Ｐ７で循環利用することができる。特に、固液分離工程Ｐ７においては、低ＣＯＤ排水はリンス液として用いられる。また、この低ＣＯＤ排水を図示しない排水処理装置で処理することもできる。
【００８７】
低ＣＯＤ排水は、塔底循環ポンプ５１によって送出され、前述の通り予熱器５２を介して精留塔１２に導入される１０％エタノール液を予熱し、熱交換器３３によって、減圧蒸留塔１１の塔底循環液と熱交換される。また、低ＣＯＤ排水は、予熱器５３によって、エタノール発酵液を予熱する。
低ＣＯＤ排水の一部は、熱交換器５４によって昇温され、精留塔１２の塔底へと循環する。なお、熱交換器５４の熱源は、前述の通り、第２の圧縮機６２によって圧縮され、昇温、昇圧されたエタノールベーパーである。これにより、塔底温度は例えば１００℃となる。
【００８８】
なお、エタノール発酵液は並列に設けられた予熱器３２、予熱器５３、及び予熱器６６によって熱交換がされているが、エタノール発酵液の分岐に係るコストが過大になる場合等では、これら予熱器３２、予熱器５３、及び予熱器６６は直列に設けるか省略してもよい。また、精留塔１２の塔頂から留出するエタノールベーパーの分岐ライン（還流ライン６７及び留出ライン６８）は、第２の圧縮機６２の出口側に設けられているが、これに代えて、留出ライン６８を第２の圧縮機６２の入口側で分岐させても良い。
【００８９】
〔第４の実施の形態〕
続いて、本発明の第４の実施の形態に係るエタノール製造装置７０について説明する。
なお、エタノール製造工程は、第１の実施の形態で説明したものと同じである。
エタノール製造装置７０の減圧蒸留工程Ｐ４及び精留工程Ｐ５では、図５に示すように、減圧蒸留塔１１及び精留塔１２によって、それぞれ蒸留及び精留が行われる。
【００９０】
減圧蒸留塔１１では、Ｃ６糖発酵工程Ｐ３にて生成されたエタノール発酵液が導入される。減圧蒸留塔１１の塔底温度は、糖化酵素が失活しないように、３０℃以上６０℃未満（望ましくは３０℃以上５１℃以下）になるよう、第１の圧縮機８６によって減圧制御されている。減圧蒸留塔１１の内部圧力は、例えば１６ｋＰａＡに制御される。
【００９１】
減圧蒸留塔１１の塔底からは、酵素含有濃縮廃液が缶出する。この缶出した酵素含有濃縮廃液は、塔底循環ポンプ７５によって送出され、固液分離工程Ｐ７を経てＣ５糖発酵工程Ｐ８の発酵槽で再利用される。また、酵素含有濃縮廃液は、予熱器７７によってエタノール発酵液を予熱する。
減圧蒸留塔１１の塔底部の酵素含有濃縮廃液は、塔底循環液として熱交換器７８、熱交換器７９、及び熱交換器８０によって昇温され、減圧蒸留塔１１の塔底へと循環する。なお、熱交換器７８では、精留塔１２の塔底から缶出する低ＣＯＤ排水（その温度は、例えば１００℃）を熱源としている。熱交換器７９では、図示しない蒸気ラインから供給される外部蒸気と熱交換される。熱交換器８０では、精留塔１２の塔頂から留出するエタノールベーパーと熱交換される。減圧蒸留塔１１の塔底温度は例えば４５℃となる。
また、熱交換器７８と熱交換器７９は減圧蒸留塔１１の外部に設置されているが、減圧蒸留塔１１の塔底部と一体化させて、図示しない蒸気ラインから供給される蒸気と熱交換を行ってもよい。
【００９２】
減圧蒸留塔１１の塔頂からは、エタノールベーパー（その温度は、例えば４１℃）が留出する。なお、エタノール発酵液量と酵素含有濃縮廃液量を予め決定されており、その差分が留出するエタノール及び水分となる。この酵素含有濃縮廃液量は、減圧蒸留塔１１から留出するエタノールベーパーの流量を調節することによって、前処理工程Ｐ１にて生成されたパルプ重量の２〜２０倍（望ましくは５〜１０倍であり、例えば９倍）に設定される。この酵素含有濃縮廃液の循環量を制御するために、例えば次の方法が考えられる。第１の例として、Ｃ５糖発酵液のバッファタンクのレベルを一定に維持するように、減圧蒸留工程Ｐ４における供給蒸気量、第１の圧縮機８６の回転数、又は減圧蒸留塔１１から留出するエタノールベーパー量を変更して制御することができる。第２の例として、酵素含有濃縮廃液の屈折度（糖度）を屈折計（Ｂｒｉｘ計）を用いて計測し、この計測値が一定となるように、減圧蒸留工程Ｐ４における供給蒸気量、第１の圧縮機８６の回転数、又は減圧蒸留塔１１から留出するエタノールベーパー量を変更して制御することができる。
減圧蒸留塔１１の塔頂から留出したエタノールベーパーは、精留塔１２に送られる間に凝縮しないように、第１の過熱器８５によって加熱される。ここで、一般に、塔頂から留出したエタノールベーパーが精留塔１２に送られる間に凝縮すると、第１の圧縮機８６内のインペラー（羽根部）等の回転部に過大な負荷が加わったり、凝縮液がシール部からリークしたりする等、機械的な問題が生じる場合がある。本実施の形態においては、減圧蒸留塔１１の塔頂から留出したエタノールベーパーが第１の過熱器８５によって加熱されるので、このような凝縮に起因する問題が発生することが防止される。
加熱されたエタノールベーパーは、更に第１の圧縮機８６によって断熱圧縮され、昇温、昇圧される。その後、エタノールベーパーは精留塔１２に導入される。
従って、従来のようにエタノールベーパーを冷却して凝縮することなく、ベーパーのまま精留塔１２に導入するため、精留塔１２を運転するために必要なエネルギーが大幅に低減される。その他、多重効用缶などの省エネルギー機器の導入により、塔頂温度が例えば３５℃以下であった場合、消費電力が他の機器よりも大きいチラー等の冷却器が必要であるが、本プロセスではエタノールベーパーを凝縮させる必要がないのでこれが不要となる。
【００９３】
なお、第１の圧縮機８６によって断熱圧縮されたエタノールベーパーを第１の圧縮機８６の前段に設けた第１の過熱器８５の熱源として利用した後、精留塔１２に導入してもよい。これにより、エタノールベーパーが第１の圧縮機８６内で凝縮することが防止される。
また、減圧蒸留工程Ｐ４で必要な消費エネルギーを更に低減することもできる。
また、第１の過熱器８５を設けずに、第１の圧縮機８６によって断熱圧縮され、昇温、昇圧されたエタノールベーパーの一部を第１の圧縮機８６の入側に循環させて、エタノールベーパーが第１の圧縮機８６内で凝縮することを防いでもよい。更に、前述の凝縮に起因する問題が発生するおそれがない場合、第１の圧縮機８６の前段に第１の過熱器８５を設けずに、留出したエタノールベーパーを第１の圧縮機８６にて直接圧縮してもよい。
【００９４】
精留塔１２に導入された１０％程度のエタノールベーパーは、エタノール濃度が約９０％のエタノール液（９０％エタノール液）と低ＣＯＤ排水に分離される。塔頂からは９０％エタノール液がエタノールベーパー（その温度は、例えば７９℃）として留出する。なお、前述の通り、この塔頂から留出したエタノールベーパーは、熱交換器８０によって減圧蒸留塔１１の塔底循環液と熱交換され、塔底循環液を昇温する。更に、このエタノールベーパーは、予熱器９０によって、エタノール発酵液を予熱する。その後、エタノールベーパーの一部は留出ライン９４を通って無水化工程Ｐ６に送られる。エタノールベーパーの残りは、大部分が凝縮された状態で、エタノール還流液として、還流ライン９５を通って精留塔１２の塔頂へと循環する。
【００９５】
低ＣＯＤ排水は精留塔１２の塔底から缶出する。この低ＣＯＤ排水は減圧蒸留塔１１の留出物であるので、高沸成分が存在せず、微量の有機酸や油分等が含まれているだけである。従って、低ＣＯＤ排水のＣＯＤは約１０００（ｍｇ／Ｌ）であるが、無色透明のきれいな水といえる。よって、低ＣＯＤ排水は、前処理工程Ｐ１、糖化工程Ｐ２、又は固液分離工程Ｐ７で循環利用することができる。特に、固液分離工程Ｐ７においては、低ＣＯＤ排水はリンス液として用いられる。また、この低ＣＯＤ排水を図示しない排水処理装置で処理することもできる。
【００９６】
低ＣＯＤ排水は、塔底循環ポンプ９３によって送出され、前述の通り熱交換器７８によって減圧蒸留塔１１の塔底循環液と熱交換される。また、低ＣＯＤ排水は、予熱器９１を介して、エタノール発酵液を予熱する。
低ＣＯＤ排水の一部は、熱交換器９２によって図示しない蒸気ラインから供給される外部蒸気等により昇温され、精留塔１２の塔底へと循環する。これにより、塔底温度は例えば１００℃となる。
【００９７】
なお、エタノール発酵液は並列に設けられた予熱器７７、予熱器９０、及び予熱器９１によって熱交換がされているが、エタノール発酵液の分岐に係るコストが過大になる場合等では、これら予熱器７７、予熱器９０、及び予熱器９１は直列に設けるか省略してもよい。
【００９８】
〔第５の実施の形態〕
続いて、本発明の第５の実施の形態に係るエタノール製造装置９７について説明する。
なお、エタノール製造工程は、第１の実施の形態で説明したものと同じである。以下では、第１の実施の形態と同じ部分については同じ符号を付して詳しい説明を省略する。
エタノール製造装置９７の減圧蒸留工程Ｐ４及び精留工程Ｐ５では、図６に示すように、減圧蒸留塔１１及び精留塔１２によって、それぞれ蒸留及び精留が行われる。
【００９９】
減圧蒸留塔１１では、Ｃ６糖発酵工程Ｐ３にて生成されたエタノール発酵液が導入される。減圧蒸留塔１１の塔底温度は、酵素が失活しないように、３０℃以上６０℃未満（望ましくは３０℃以上５１℃以下）になるよう、第１の圧縮機９９によって減圧制御されている。減圧蒸留塔１１の内部圧力は、例えば１６ｋＰａＡに制御される。
【０１００】
減圧蒸留塔１１の塔底からは、酵素含有濃縮廃液が缶出する。この缶出した酵素含有濃縮廃液は、塔底循環ポンプ９８によって送出され、固液分離工程Ｐ７を経てＣ５糖発酵工程Ｐ８の発酵槽で再利用される。また、酵素含有濃縮廃液は、予熱器１００によって、エタノール発酵液を予熱する。
缶出した減圧蒸留塔１１の塔底部の酵素含有濃縮廃液の一部は、塔底循環液として熱交換器１０１、熱交換器１０２及び熱交換器１０３によって昇温され、減圧蒸留塔１１の塔底へと循環する。なお、熱交換器１０１では、精留塔１２の塔底から缶出する低ＣＯＤ排水（その温度は、例えば１００℃）を熱源としている。熱交換器１０２では、図示しない蒸気ラインから供給される外部蒸気と熱交換される。熱交換器１０３では、精留塔１２の塔頂から留出するエタノールベーパーと熱交換される。減圧蒸留塔１１の塔底温度は例えば４５℃となる。
また、熱交換器１０１と熱交換器１０２は減圧蒸留塔１１の外部に設置されているが、減圧蒸留塔１１の塔底部と一体化させて、図示しない蒸気ラインから供給される蒸気と熱交換を行ってもよい。
【０１０１】
減圧蒸留塔１１の塔頂からは、エタノールベーパー（その温度は、例えば４１℃）が留出する。このエタノールベーパー量はエタノール製造工程全体で循環可能な酵素含有濃縮廃液量で決定される。この酵素含有濃縮廃液の循環量を制御するために、例えば次の方法が考えられる。第１の例として、Ｃ５糖発酵液のバッファタンクのレベルを一定に維持するように、減圧蒸留工程Ｐ４における供給蒸気量、第１の圧縮機９９の回転数、又は減圧蒸留塔１１から留出するエタノールベーパー量を変更して制御することができる。第２の例として、酵素含有濃縮廃液の屈折度（糖度）を屈折計（Ｂｒｉｘ計）を用いて計測し、この計測値が一定となるように、減圧蒸留工程Ｐ４における供給蒸気量、第１の圧縮機９９の回転数、又は減圧蒸留塔１１から留出するエタノールベーパー量を変更して制御することができる。
減圧蒸留塔１１の塔頂から留出したエタノールベーパーは、精留塔１２に送られる間に凝縮しないよう、図示しない蒸気ラインから供給される蒸気を熱源とする第１の過熱器１０５によって加熱される。ここで、一般に、塔頂から留出したエタノールベーパーが精留塔１２に送られる間に凝縮すると、第１の圧縮機９９内のインペラー（羽根部）等の回転部に過大な負荷が加わったり、凝縮液がシール部からリークしたりする等、機械的な問題が生じる場合がある。本実施の形態においては、減圧蒸留塔１１の塔頂から留出したエタノールベーパーが第１の過熱器１０５によって加熱されるので、このような凝縮に起因する問題が発生することが防止される。
加熱されたエタノールベーパーは、更に第１の圧縮機９９によって断熱圧縮され、昇温、昇圧される。その後、エタノールベーパーは精留塔１２に導入される。
従って、従来のようにエタノールベーパーを冷却して凝縮することなく、ベーパーのまま精留塔１２に導入するため、精留塔１２を運転するために必要なエネルギーが低減される。その他、多重効用缶などの省エネルギー機器の導入により、塔頂温度が例えば３５℃以下であった場合、消費電力が従来適用されている冷却塔（クーリングタワー）よりも大きいチラー等の冷却器が必要であるが、本プロセスではエタノールベーパーを凝縮させる必要がないのでこれが不要となる。
【０１０２】
なお、第１の圧縮機９９によって断熱圧縮されたエタノールベーパーを第１の圧縮機９９の前段に設けた第１の過熱器１０５の熱源として利用した後、精留塔１２に導入してもよい。これにより、エタノールベーパーが第１の圧縮機９９内で凝縮することが防止される。また、減圧蒸留工程Ｐ４で必要な消費エネルギーを更に低減することもできる。
また、第１の過熱器１０５を設けずに、圧縮機によって断熱圧縮により昇温されたエタノールベーパーの一部を第１の圧縮機９９の入側に循環させて、エタノールベーパーが圧縮機内で凝縮することを防いでもよい。更に、前述の凝縮に起因する問題が発生するおそれがない場合、第１の圧縮機９９の前段に第１の過熱器１０５を設けずに、留出したエタノールベーパーを第１の圧縮機９９にて直接圧縮してもよい。
【０１０３】
精留塔１２に、導入された１０％程度のエタノールベーパーは、エタノール濃度が約９０％のエタノール液（９０％エタノール液）と低ＣＯＤ排水に分離される。塔頂からは９０％エタノール液がエタノールベーパー（その温度は、例えば７９℃）として留出し、第２の圧縮機１０９により圧縮され、その一部が留出ライン１２０を通って無水化工程Ｐ６に送られる。なお、この塔頂から留出したエタノールベーパーの一部は、前述の通り熱交換器１０３によって、減圧蒸留塔１１の塔底循環液と熱交換される。更に、このエタノールベーパーは、予熱器１１０及び予熱器１１１によって、エタノール発酵液を予熱する。
なお、塔頂から留出したエタノールベーパーは、第２の圧縮機１０９により圧縮され、圧縮されたエタノールベーパーの一部が還流ライン１２１から熱交換器１１２を通って、大部分が凝縮された状態でエタノール還流液として、精留塔１２の塔頂へ循環する。
【０１０４】
低ＣＯＤ排水は精留塔１２の塔底から缶出する。この低ＣＯＤ排水は減圧蒸留塔１１の留出物であるので、高沸成分が存在せず、微量の有機酸や油分等が含まれているだけである。従って、低ＣＯＤ排水のＣＯＤは約１０００（ｍｇ／Ｌ）であり、無色透明のきれいな水といえる。よって、低ＣＯＤ排水は、前処理工程Ｐ１、糖化工程Ｐ２、又は固液分離工程Ｐ７で循環利用することができる。特に、固液分離工程Ｐ７においては、低ＣＯＤ排水はリンス液として用いられる。また、この低ＣＯＤ排水を図示しない排水処理装置で処理することもできる。
【０１０５】
低ＣＯＤ排水は、塔底循環ポンプ１１５によって送出され、前述の通り熱交換器１０１によって減圧蒸留塔１１の塔底循環液と熱交換される。また、低ＣＯＤ排水は、予熱器１１３を介して、エタノール発酵液を予熱する。
また、低ＣＯＤ排水の一部は、熱交換器１１４及び熱交換器１１２によって昇温され、精留塔１２の塔底へと循環する。熱交換器１１４では、図示しない蒸気ラインから供給される外部蒸気と熱交換される。なお、熱交換器１１２の熱源は、前述の通り、第２の圧縮機１０９によって圧縮され、昇温、昇圧されたエタノールベーパーである。これにより、塔底温度は例えば１００℃となる。
【０１０６】
なお、エタノール発酵液は、並列に設けられた予熱器１００、予熱器１１１、及び予熱器１１３によって熱交換がされているが、これら予熱器１００、予熱器１１１、及び予熱器１１３は直列に設けてもよい。また、第２の圧縮機１０９によって圧縮されたエタノールベーパーは、第１の過熱器１０５の熱源とすることができる。
【０１０７】
発明者は、前述の第１〜第５の実施の形態に係るエタノール製造装置のエネルギー低減効果について試算した。その結果を表１に示す。
【０１０８】
【表１】
【０１０９】
なお、原料は木質チップである。計算条件は以下の通りである。
＜計算条件＞
１．エタノール発酵液：１０，４８４ｋｇ／ｈ（エタノール濃度３％）
２．酵素含有濃縮廃液：８，７３７ｋｇ／ｈ
３．減圧蒸留塔留出エタノール：１，７４７ｋｇ／ｈ（エタノール濃度１４％）（＝エタノール発酵液１０，４８４ｋｇ／ｈ−酵素含有濃縮廃液８，７３７ｋｇ／ｈ）
４．低ＣＯＤ排水：１，４７６ｋｇ／ｈ（＝減圧蒸留塔留出エタノール１，７４７ｋｇ／ｈ−９０％エタノール２７１ｋｇ／ｈ）
５．９０％エタノール：２７１ｋｇ／ｈ（２４４ｋｇ／ｈ／９０ｗｔ％）
６．精留に関する還流比：３
【０１１０】
試算にあたり、電力エネルギーは蒸気エネルギーの１／３として換算した。また、多重効用にかかる蒸気使用量は３重効用として通常の蒸留の１／３とした。また、チラーのＣＯＰ（Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ Ｏｆ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ）は１．８とした。また、圧縮機の断熱圧縮効率は５０％とした。
なお、第１及び第４の実施の形態において、常圧蒸気（外部蒸気）は、補助的なエネルギーとして通常の１０分の１程度の３５にまで低減することができる。なぜなら、精留塔１２に必要なエネルギーは、圧縮機１６（８６）で昇温、昇圧されて精留塔１２に導入されるエタノールベーパーでほぼ賄われるためである。
また、第４の実施の形態において、減圧蒸気は７００まで低減することができる。（塔底で導入する３５０のエネルギーのうち２００分を利用する。）なぜなら、減圧蒸留塔１１に必要なエネルギーは、精留塔１２の塔頂部のエタノールベーパーが保有する潜熱分のエネルギーを利用するためである。
また、第５の実施の形態において、減圧蒸気は８５０まで低減することができる。
減圧蒸留塔１１に必要なエネルギーは、精留塔１２の塔頂部のエタノールベーパーの一部が保有する潜熱と顕熱分のエネルギーを利用するためである。
【０１１１】
表１中、比較例１は、多重効用缶などを設けず単純に蒸気のみで蒸留を行った場合の試算結果である。この結果を基準の１００としている。
比較例２は、多重効用及びチラーを組み合わせて蒸留を行った場合の試算結果である。比較例２については、塔頂温度が３５℃以下になるためチラーが必要となり、必要な外部エネルギーは蒸気換算で９２となる。
【０１１２】
１）第１の実施の形態について
図２に示すように、減圧蒸留塔１１から留出するエタノールベーパーを凝縮させずに第１の圧縮機１６で昇温、昇圧して精留塔１２に導入することにより、外部エネルギーは蒸気換算で８９まで減らすことができる。
【０１１３】
２）第２の実施の形態について
図３に示すように、減圧蒸留塔１１から留出するエタノールベーパーを凝縮させずに第１の圧縮機２４２で昇温、昇圧して、減圧蒸留塔１１の熱源に利用し、更に精留塔１２から留出するエタノールベーパーも凝縮させずに精留塔１２の熱源に利用することにより、外部エネルギーは蒸気換算で２７まで減らすことができる。
【０１１４】
３）第３の実施の形態について
図４に示すように、減圧蒸留塔１１から留出するエタノールベーパーを凝縮させずに第１の圧縮機４２で昇温、昇圧して、減圧蒸留塔１１の熱源に利用し、更に精留塔１２から留出するエタノールベーパーも凝縮させずに精留塔１２の熱源に利用することにより、外部エネルギーは蒸気換算で２６まで減らすことができる。
【０１１５】
４）第４の実施の形態について
図５に示すように、減圧蒸留塔１１から留出するエタノールベーパーを凝縮させずに精留塔１２に導入し、精留塔１２から留出するエタノールベーパーを減圧蒸留塔１１の熱源に利用することにより、外部エネルギーは蒸気換算で７３まで減らすことができる。
【０１１６】
５）第５の実施の形態について
図６に示すように減圧蒸留塔１１から留出するエタノールベーパーを凝縮させずに精留塔１２に導入し、精留塔１２から留出するエタノールベーパーも凝縮させずに精留塔１２の熱源に利用することにより、外部エネルギーは蒸気換算で９４まで減らすことができる。
【０１１７】
以上より、いずれの実施の形態についても、最も多くのエネルギーを持つ第１の圧縮機の出側のエタノールベーパーのエネルギーをより効率良く活用できる。ただし、これら実施の形態の中で、エタノールベーパーのエネルギーを最も効率良く活用できるのは、第３の実施の形態であると考えられる。
【０１１８】
なお、本発明は、前述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲での変更は可能である。例えば、前述のそれぞれ実施の形態や変形例の一部又は全部を組み合わせて本発明を構成する場合も本発明の技術的範囲に含まれる。
前述の実施の形態における減圧蒸留塔１１は、エタノール発酵液を濃縮する減圧濃縮装置としてもよい。また、前述の実施の形態における第１の圧縮機は、ブロワ又は真空ポンプとしてもよい。更に、前述の実施の形態における第２の圧縮機は、ブロワ又は真空ポンプとしてもよい。
【符号の説明】
【０１１９】
１０：エタノール製造装置、１１：減圧蒸留塔、１２：精留塔、１５：塔底循環ポンプ、１６：第１の圧縮機、１７：熱交換器、１８：第１の過熱器、２０：冷却器、２１：熱交換器、２２：塔底循環ポンプ、３０：エタノール製造装置、３１：塔底循環ポンプ、３２：予熱器、３３：熱交換器、３４：熱交換器、４１：第１の過熱器、４２：第１の圧縮機、５１：塔底循環ポンプ、５２：予熱器、５３：予熱器、５４：熱交換器、６１：第２の過熱器、６２：第２の圧縮機、６３：予熱器、６４：予熱器、６５：予熱器、６６：予熱器、６７：還流ライン、６８：留出ライン、７０：エタノール製造装置、７５：塔底循環ポンプ、７７：予熱器、７８：熱交換器、７９：熱交換器、８０：熱交換器、８５：第１の過熱器、８６：第１の圧縮機、９０：予熱器、９１：予熱器、９２：熱交換器、９３：塔底循環ポンプ、９４：留出ライン、９５：還流ライン、９７：エタノール製造装置、９８：塔底循環ポンプ、９９：第１の圧縮機、１００：予熱器、１０１：熱交換器、１０２：熱交換器、１０３：熱交換器、１０５：第１の過熱器、１０９：第２の圧縮機、１１０：予熱器、１１１：予熱器、１１２：熱交換器、１１３：予熱器、１１４：熱交換器、１１５：塔底循環ポンプ、１２０：留出ライン、１２１：還流ライン、２００：：エタノール製造装置、２３１：塔底循環ポンプ、２３２：予熱器、２３４：熱交換器、２４１：第１の過熱器、２４２：第１の圧縮機、２５１：塔底循環ポンプ、２５２：予熱器、２５４：熱交換器、２６１：第２の過熱器、２６２：第２の圧縮機、２６４：予熱器、２６５：予熱器、２６７：還流ライン、２６８：留出ライン
【特許請求の範囲】
【請求項１】
バイオマス原料を糖化発酵させて生成されるエタノール発酵液が導入され、内部が大気圧よりも減圧された状態で前記エタノール発酵液を蒸留して水蒸気を含むエタノールベーパーを留出させると共に、前記バイオマス原料を糖化発酵させるために再利用される酵素含有濃縮廃液を缶出させる減圧蒸留塔と、
前記減圧蒸留塔から留出された前記エタノールベーパーを精留するための精留塔と、を備えたことを特徴とするエタノール製造装置。
【請求項２】
請求項１記載のエタノール製造装置において、前記減圧蒸留塔から留出した前記エタノールベーパーを断熱圧縮する第１の圧縮機を更に備え、
前記第１の圧縮機によって断熱圧縮された前記エタノールベーパーが前記精留塔に導入されることを特徴とするエタノール製造装置。
【請求項３】
請求項１記載のエタノール製造装置において、前記減圧蒸留塔から留出した前記エタノールベーパーを断熱圧縮する第１の圧縮機を更に備え、
前記第１の圧縮機によって断熱圧縮された前記エタノールベーパーが前記減圧蒸留塔の塔底循環液を加熱する加熱部の熱源として利用された後凝縮し、エタノール液として前記精留塔に導入されることを特徴とするエタノール製造装置。
【請求項４】
請求項３記載のエタノール製造装置において、前記減圧蒸留塔の塔底温度は３０℃以上６０℃未満であることを特徴とするエタノール製造装置。
【請求項５】
請求項４記載のエタノール製造装置において、前記第１の圧縮機の前段に、前記減圧蒸留塔から留出した前記エタノールベーパーを加熱する第１の過熱器を更に備え、
前記第１の過熱器により加熱された前記エタノールベーパーが前記第１の圧縮機内で凝縮しないように、該第１の圧縮機に送られることを特徴とするエタノール製造装置。
【請求項６】
請求項４記載のエタノール製造装置において、前記第１の圧縮機によって断熱圧縮された前記エタノールベーパーの一部が、該第１の圧縮機の入側へ循環することを特徴とするエタノール製造装置。
【請求項７】
請求項５記載のエタノール製造装置において、前記第１の圧縮機によって断熱圧縮された前記エタノールベーパーが前記第１の過熱器の熱源として利用されることを特徴とするエタノール製造装置。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項に記載のエタノール製造装置において、前記減圧蒸留塔から缶出される前記酵素含有濃縮廃液の重量が、前記バイオマス原料の酵素反応性を高めるための前処理で生成されるパルプ重量の２〜２０倍となるように、前記減圧蒸留塔から留出される前記エタノールベーパーの流量を調節することを特徴とするエタノール製造装置。
【請求項９】
請求項４〜８のいずれか１項に記載のエタノール製造装置において、前記精留塔から缶出する低ＣＯＤ排水を、前記バイオマス原料の酵素反応性を高めるための前処理を行う前処理工程に循環させることを特徴とするエタノール製造装置。
【請求項１０】
請求項４〜８のいずれか１項に記載のエタノール製造装置において、前記精留塔から缶出する低ＣＯＤ排水を、前記バイオマス原料に糖化酵素を添加して単糖を得るための糖化工程に循環させることを特徴とするエタノール製造装置。
【請求項１１】
請求項４〜８のいずれか１項に記載のエタノール製造装置において、前記精留塔から缶出する低ＣＯＤ排水を、前記減圧蒸留塔から缶出した酵素含有濃縮廃液から固形物を分離する固液分離工程で用いるリンス液として循環させることを特徴とするエタノール製造装置。
【請求項１２】
請求項４〜８のいずれか１項に記載のエタノール製造装置において、前記精留塔から缶出する低ＣＯＤ排水が、排水処理装置で処理されることを特徴とするエタノール製造装置。
【請求項１３】
請求項９〜１２のいずれか１項に記載のエタノール製造装置において、前記低ＣＯＤ排水が前記減圧蒸留塔の塔底循環液の熱源として利用されることを特徴とするエタノール製造装置。
【請求項１４】
請求項１３記載のエタノール製造装置において、前記低ＣＯＤ排水が更に前記エタノール発酵液の予熱に利用されることを特徴とするエタノール製造装置。
【請求項１５】
請求項９〜１２のいずれか１項に記載のエタノール製造装置において、前記精留塔から留出したエタノールベーパーを圧縮する第２の圧縮機を更に備え、
前記第２の圧縮機によって断熱圧縮された前記エタノールベーパーの一部が前記精留塔の塔底循環液を加熱する加熱部の熱源として利用された後、前記精留塔の塔頂へ循環することを特徴とするエタノール製造装置。
【請求項１６】
請求項１５記載のエタノール製造装置において、前記精留塔から缶出する前記低ＣＯＤ排水が、前記エタノール発酵液を予熱及び前記減圧蒸留塔の塔底循環液を加熱するための熱源に利用され、
前記第２の圧縮機によって圧縮された前記エタノールベーパーが、前記精留塔に導入される前記エタノール液を加熱するための熱源に利用されることを特徴とするエタノール製造装置。
【請求項１７】
請求項１５又は１６記載のエタノール製造装置において、前記第２の圧縮機の前段に、前記精留塔から留出した前記エタノールベーパーを加熱する第２の過熱器を更に備え、
前記第２の過熱器により加熱された前記エタノールベーパーが前記第２の圧縮機に送られることを特徴とするエタノール製造装置。
【請求項１８】
請求項１７記載のエタノール製造装置において、前記第２の圧縮機によって断熱圧縮された前記エタノールベーパーが前記第２の過熱器の熱源として利用されることを特徴とするエタノール製造装置。
【請求項１９】
請求項１３記載のエタノール製造装置において、前記減圧蒸留塔から缶出する酵素含有濃縮廃液、前記精留塔から缶出する前記低ＣＯＤ排水及び前記精留塔から留出する前記エタノールベーパーが前記エタノール発酵液の予熱に利用されることを特徴とするエタノール製造装置。
【請求項２０】
請求項１〜１９のいずれか１項に記載のエタノール製造装置において、前記第１の圧縮機に代えて、ブロワ又は真空ポンプとしたことを特徴とするエタノール製造装置。
【請求項２１】
請求項１５〜１８のいずれか１項に記載のエタノール製造装置において、前記第２の圧縮機に代えて、ブロワ又は真空ポンプとしたことを特徴とするエタノール製造装置。
【請求項２２】
請求項１〜２１のいずれか１項に記載のエタノール製造装置において、前記減圧蒸留塔に代えて、内部が大気圧よりも減圧された状態で前記エタノール発酵液を濃縮する減圧濃縮装置としたことを特徴とするエタノール製造装置。
【請求項２３】
バイオマス原料を糖化発酵させて生成されるエタノール発酵液からエタノールを精製する方法であって、
前記エタノール発酵液を減圧蒸留して、水蒸気を含むエタノールベーパーと、酵素含有濃縮廃液とを生成する工程と、
前記エタノールベーパーを精留するための精留工程と、
前記酵素含有濃縮廃液を、前記バイオマス原料を糖化発酵させる工程に循環させる工程と、を含むことを特徴とするエタノール製造方法。
【請求項２４】
請求項２３記載のエタノール製造方法において、前記エタノールベーパーを断熱圧縮する工程を更に含み、前記断熱圧縮する工程により昇温、昇圧された前記エタノールベーパーを前記精留工程へ導入することを特徴とするエタノール製造方法。
【請求項２５】
請求項２３記載のエタノール製造方法において、前記エタノールベーパーを断熱圧縮する工程と、前記断熱圧縮する工程により昇温、昇圧された前記エタノールベーパーを前記減圧蒸留塔の塔底循環液と熱交換して凝縮させる工程を更に含み、
前記減圧蒸留塔からの前記エタノールベーパーを、エタノール液としてから前記精留工程へ導入することを特徴とするエタノール製造方法。
【請求項１】
バイオマス原料を糖化発酵させて生成されるエタノール発酵液が導入され、内部が大気圧よりも減圧された状態で前記エタノール発酵液を蒸留して水蒸気を含むエタノールベーパーを留出させると共に、前記バイオマス原料を糖化発酵させるために再利用される酵素含有濃縮廃液を缶出させる減圧蒸留塔と、
前記減圧蒸留塔から留出された前記エタノールベーパーを精留するための精留塔と、を備えたことを特徴とするエタノール製造装置。
【請求項２】
請求項１記載のエタノール製造装置において、前記減圧蒸留塔から留出した前記エタノールベーパーを断熱圧縮する第１の圧縮機を更に備え、
前記第１の圧縮機によって断熱圧縮された前記エタノールベーパーが前記精留塔に導入されることを特徴とするエタノール製造装置。
【請求項３】
請求項１記載のエタノール製造装置において、前記減圧蒸留塔から留出した前記エタノールベーパーを断熱圧縮する第１の圧縮機を更に備え、
前記第１の圧縮機によって断熱圧縮された前記エタノールベーパーが前記減圧蒸留塔の塔底循環液を加熱する加熱部の熱源として利用された後凝縮し、エタノール液として前記精留塔に導入されることを特徴とするエタノール製造装置。
【請求項４】
請求項３記載のエタノール製造装置において、前記減圧蒸留塔の塔底温度は３０℃以上６０℃未満であることを特徴とするエタノール製造装置。
【請求項５】
請求項４記載のエタノール製造装置において、前記第１の圧縮機の前段に、前記減圧蒸留塔から留出した前記エタノールベーパーを加熱する第１の過熱器を更に備え、
前記第１の過熱器により加熱された前記エタノールベーパーが前記第１の圧縮機内で凝縮しないように、該第１の圧縮機に送られることを特徴とするエタノール製造装置。
【請求項６】
請求項４記載のエタノール製造装置において、前記第１の圧縮機によって断熱圧縮された前記エタノールベーパーの一部が、該第１の圧縮機の入側へ循環することを特徴とするエタノール製造装置。
【請求項７】
請求項５記載のエタノール製造装置において、前記第１の圧縮機によって断熱圧縮された前記エタノールベーパーが前記第１の過熱器の熱源として利用されることを特徴とするエタノール製造装置。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項に記載のエタノール製造装置において、前記減圧蒸留塔から缶出される前記酵素含有濃縮廃液の重量が、前記バイオマス原料の酵素反応性を高めるための前処理で生成されるパルプ重量の２〜２０倍となるように、前記減圧蒸留塔から留出される前記エタノールベーパーの流量を調節することを特徴とするエタノール製造装置。
【請求項９】
請求項４〜８のいずれか１項に記載のエタノール製造装置において、前記精留塔から缶出する低ＣＯＤ排水を、前記バイオマス原料の酵素反応性を高めるための前処理を行う前処理工程に循環させることを特徴とするエタノール製造装置。
【請求項１０】
請求項４〜８のいずれか１項に記載のエタノール製造装置において、前記精留塔から缶出する低ＣＯＤ排水を、前記バイオマス原料に糖化酵素を添加して単糖を得るための糖化工程に循環させることを特徴とするエタノール製造装置。
【請求項１１】
請求項４〜８のいずれか１項に記載のエタノール製造装置において、前記精留塔から缶出する低ＣＯＤ排水を、前記減圧蒸留塔から缶出した酵素含有濃縮廃液から固形物を分離する固液分離工程で用いるリンス液として循環させることを特徴とするエタノール製造装置。
【請求項１２】
請求項４〜８のいずれか１項に記載のエタノール製造装置において、前記精留塔から缶出する低ＣＯＤ排水が、排水処理装置で処理されることを特徴とするエタノール製造装置。
【請求項１３】
請求項９〜１２のいずれか１項に記載のエタノール製造装置において、前記低ＣＯＤ排水が前記減圧蒸留塔の塔底循環液の熱源として利用されることを特徴とするエタノール製造装置。
【請求項１４】
請求項１３記載のエタノール製造装置において、前記低ＣＯＤ排水が更に前記エタノール発酵液の予熱に利用されることを特徴とするエタノール製造装置。
【請求項１５】
請求項９〜１２のいずれか１項に記載のエタノール製造装置において、前記精留塔から留出したエタノールベーパーを圧縮する第２の圧縮機を更に備え、
前記第２の圧縮機によって断熱圧縮された前記エタノールベーパーの一部が前記精留塔の塔底循環液を加熱する加熱部の熱源として利用された後、前記精留塔の塔頂へ循環することを特徴とするエタノール製造装置。
【請求項１６】
請求項１５記載のエタノール製造装置において、前記精留塔から缶出する前記低ＣＯＤ排水が、前記エタノール発酵液を予熱及び前記減圧蒸留塔の塔底循環液を加熱するための熱源に利用され、
前記第２の圧縮機によって圧縮された前記エタノールベーパーが、前記精留塔に導入される前記エタノール液を加熱するための熱源に利用されることを特徴とするエタノール製造装置。
【請求項１７】
請求項１５又は１６記載のエタノール製造装置において、前記第２の圧縮機の前段に、前記精留塔から留出した前記エタノールベーパーを加熱する第２の過熱器を更に備え、
前記第２の過熱器により加熱された前記エタノールベーパーが前記第２の圧縮機に送られることを特徴とするエタノール製造装置。
【請求項１８】
請求項１７記載のエタノール製造装置において、前記第２の圧縮機によって断熱圧縮された前記エタノールベーパーが前記第２の過熱器の熱源として利用されることを特徴とするエタノール製造装置。
【請求項１９】
請求項１３記載のエタノール製造装置において、前記減圧蒸留塔から缶出する酵素含有濃縮廃液、前記精留塔から缶出する前記低ＣＯＤ排水及び前記精留塔から留出する前記エタノールベーパーが前記エタノール発酵液の予熱に利用されることを特徴とするエタノール製造装置。
【請求項２０】
請求項１〜１９のいずれか１項に記載のエタノール製造装置において、前記第１の圧縮機に代えて、ブロワ又は真空ポンプとしたことを特徴とするエタノール製造装置。
【請求項２１】
請求項１５〜１８のいずれか１項に記載のエタノール製造装置において、前記第２の圧縮機に代えて、ブロワ又は真空ポンプとしたことを特徴とするエタノール製造装置。
【請求項２２】
請求項１〜２１のいずれか１項に記載のエタノール製造装置において、前記減圧蒸留塔に代えて、内部が大気圧よりも減圧された状態で前記エタノール発酵液を濃縮する減圧濃縮装置としたことを特徴とするエタノール製造装置。
【請求項２３】
バイオマス原料を糖化発酵させて生成されるエタノール発酵液からエタノールを精製する方法であって、
前記エタノール発酵液を減圧蒸留して、水蒸気を含むエタノールベーパーと、酵素含有濃縮廃液とを生成する工程と、
前記エタノールベーパーを精留するための精留工程と、
前記酵素含有濃縮廃液を、前記バイオマス原料を糖化発酵させる工程に循環させる工程と、を含むことを特徴とするエタノール製造方法。
【請求項２４】
請求項２３記載のエタノール製造方法において、前記エタノールベーパーを断熱圧縮する工程を更に含み、前記断熱圧縮する工程により昇温、昇圧された前記エタノールベーパーを前記精留工程へ導入することを特徴とするエタノール製造方法。
【請求項２５】
請求項２３記載のエタノール製造方法において、前記エタノールベーパーを断熱圧縮する工程と、前記断熱圧縮する工程により昇温、昇圧された前記エタノールベーパーを前記減圧蒸留塔の塔底循環液と熱交換して凝縮させる工程を更に含み、
前記減圧蒸留塔からの前記エタノールベーパーを、エタノール液としてから前記精留工程へ導入することを特徴とするエタノール製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１２−２３１７８２（Ｐ２０１２−２３１７８２Ａ）
【公開日】平成２４年１１月２９日（２０１２．１１．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１６１１８６（Ｐ２０１１−１６１１８６）
【出願日】平成２３年７月２２日（２０１１．７．２２）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２２年度独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構 委託研究「セルロース系エタノール革新的生産システム開発事業」、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（３０６０２２５１３）新日鉄エンジニアリング株式会社 (897)
【出願人】（５０４１３７９１２）国立大学法人 東京大学 (1,942)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１１月２９日（２０１２．１１．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月２２日（２０１１．７．２２）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２２年度独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構 委託研究「セルロース系エタノール革新的生産システム開発事業」、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（３０６０２２５１３）新日鉄エンジニアリング株式会社 (897)
【出願人】（５０４１３７９１２）国立大学法人 東京大学 (1,942)
【Ｆターム（参考）】
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