バイオエタノール製造方法
【課題】糖質原料やデンプン質原料とは別のバイオマス原料からエタノールを製造可能なバイオエタノール製造方法の提供。
【解決手段】第１の工程Ｓ１でセルロースを含有するバイオマス原料を砕いて第１の処理物Ｍ１をつくり、第２の工程Ｓ２で第１の処理物Ｍ１に硫酸Ａを噴霧して撹拌して第２の処理物Ｍ２をつくり、第３の工程Ｓ３で第２の処理物Ｍ２に水を加えセルロースを加水分解して第３の処理物Ｍ３をつくり、第４の工程Ｓ４で第３の処理物Ｍ３から固形物Ｓを除去して第４の処理物Ｍ４をつくり、第５の工程Ｓ５で第４の処理物Ｍ４から硫酸Ａを除去して第５の処理物Ｍ５をつくり、第６の工程Ｓ６で麹菌により第５の処理物Ｍ５の糖度を上げて第６の処理物Ｍ６をつくり、第７の工程Ｓ７でエタノール発酵菌により第６の処理物Ｍ６から発酵もろみＭ７をつくり、第８の工程Ｓ８で発酵もろみＭ７からエタノールＭ８を取り出す。
【解決手段】第１の工程Ｓ１でセルロースを含有するバイオマス原料を砕いて第１の処理物Ｍ１をつくり、第２の工程Ｓ２で第１の処理物Ｍ１に硫酸Ａを噴霧して撹拌して第２の処理物Ｍ２をつくり、第３の工程Ｓ３で第２の処理物Ｍ２に水を加えセルロースを加水分解して第３の処理物Ｍ３をつくり、第４の工程Ｓ４で第３の処理物Ｍ３から固形物Ｓを除去して第４の処理物Ｍ４をつくり、第５の工程Ｓ５で第４の処理物Ｍ４から硫酸Ａを除去して第５の処理物Ｍ５をつくり、第６の工程Ｓ６で麹菌により第５の処理物Ｍ５の糖度を上げて第６の処理物Ｍ６をつくり、第７の工程Ｓ７でエタノール発酵菌により第６の処理物Ｍ６から発酵もろみＭ７をつくり、第８の工程Ｓ８で発酵もろみＭ７からエタノールＭ８を取り出す。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セルロースを含有するバイオマス原料からエタノールを製造するバイオエタノール製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球温暖化への対策として、石油の使用量を減らし、エタノールを燃料として使用する動きが顕著になってきている。これまで工業用エタノールの生産は主にエチレンの水和反応によりなされていた。しかし、最近になってバイオマス原料から製造されるエタノールが増えつつある。
現在、エタノールを製造するために広く使われているバイオマス原料には、糖質原料とデンプン質原料がある。糖質原料の主なものはサトウキビの搾り汁であり、デンプン質原料の主なものはトウモロコシである。
【０００３】
糖質原料は酵母を接種するだけで発酵するので、エタノールが簡単に得られる。デンプン質原料にあっては、先ず、酵素によってデンプン質を糖化し、その後、酵母による発酵を行う。
これまでに、糖質原料やデンプン質原料からエタノールを生産する技術は色々と提唱されている（例えば、特許文献１を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−６５６９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、エタノールを製造するために用いられる糖質原料やデンプン質原料は、生物の食料としても重要な資源である。特に食糧危機が取りざたされている昨今では、糖質原料やデンプン質原料から燃料を製造することが問題視されつつある。
本発明は、上記問題を解決するものであり、その目的とするところは、糖質原料やデンプン質原料とは別のバイオマス原料からエタノールを製造するバイオエタノール製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、その課題を解決するために以下のような構成をとる。請求項１の発明に係るバイオエタノール製造方法は、セルロースを含有するバイオマス原料を砕き第１の処理物を得る第１の工程と、前記第１の処理物に硫酸を噴霧して撹拌し、バイオマス原料に由来するセルロースを非結晶化して第２の処理物をつくる第２の工程と、前記第２の処理物に水を加え、前記第２の処理物中の硫酸を希釈し、この希釈した硫酸中で、前記第２の工程でセルロースが非結晶化してできた生成物を加水分解して単糖類にし、リグニンを含む固形物と、硫酸及び単糖類を含む糖液と、からなる第３の処理物をつくる第３の工程と、前記第３の処理物を、リグニンを含む固形物と、硫酸及び単糖類を含むと糖液と、に分離し、この分離した糖液を第４の処理物とする第４の工程と、前記第４の処理物から、硫酸を分離し、この硫酸を分離した糖液を第５の処理物とする第５の工程と、前記第５の処理物に麹菌を接種し、前記第５の処理物中の糖度を上げて第６の処理物とする第６の工程と、前記第６の処理物にエタノール発酵菌を接種し、前記第６の処理物中でエタノール発酵を行い、エタノール発酵を終えた前記第６の処理物を発酵もろみとする第７の工程と、前記発酵もろみ中のエタノールを蒸留して取り出す第８の工程と、からなる。
【０００７】
このバイオエタノール製造方法においては、セルロースを含有するバイオマス原料からエタノールが製造される。セルロースを含有するバイオマス原料として、木、草、農作物の残渣がある。具体的には、例えば、建築廃材、間伐材、麦わら、サトウキビの搾りかす、トウモロコシの茎や葉等がセルロースを含有するバイオマス原料になる。
第１の工程において、セルロースを含有するバイオマス原料が砕かれて第１の処理物になる。バイオマス原料を砕くことによって、次の第２の工程における第１の処理物と硫酸との接触面積が増大する。
【０００８】
第２の工程において、第１の処理物に硫酸を噴霧して撹拌すると、硫酸によってバイオマス原料に由来するセルロースが非結晶化する。こうして得られたものが第２の処理物である。
第３の工程において、第２の処理物に水を加えると、第２の処理物中の硫酸が希釈される。第２の処理物中のセルロースが非結晶化してできた生成物は、希釈された硫酸によって加水分解され、単糖類になる。セルロースを含有するバイオマス原料は、リグニンを含んでいる。このリグニンは第２の工程及び第３の工程において分解せず、そのまま存在する。したがって、第３の処理物中には、硫酸及び単糖類を含む糖液と、リグニン等の固形物が存在している。
【０００９】
第４の工程において、第３の処理物から、硫酸及び単糖類を含む糖液と、リグニン等の固形物とを分離する。そして、固形物を分離して得られる糖液が第４の処理物である。なお、第４の工程での分離は遠心分離によって行ってもよいし、比重沈降を用いてもよい。また、フィルタやメッシュを用いて第３の処理物をろ過してもよい。
第５の工程において、第４の処理物から硫酸を分離すると、単糖類を含む糖液が得られる。こうして得られる糖液が第５の処理物である。
【００１０】
第６の工程において、第５の処理物に麹菌を接種すると、麹菌の働きによって第５の処理物の糖度が上昇する。糖度が上昇した第５の処理物が第６の処理物である。
第７の工程において、第６の処理物にエタノール発酵菌を接種すると、エタノール発酵菌の働きによって第６の処理物中でエタノール発酵が起こり、第６の処理物は発酵もろみとなる。
第８の工程において、発酵もろみ中のエタノールを蒸留し、エタノールを取り出すことができる。得られたエタノールを必要に応じて濃縮し、脱水する。
【００１１】
請求項２の発明に係るバイオエタノール製造方法は、請求項１に記載のバイオエタノール製造方法であって、前記第１の工程に供給するバイオマス原料の含水率が１５ｗｔ％以下である。
第１の工程に供給されるバイオマス原料の含水率が高い場合、事前にバイオマス原料の乾燥を行うことが好ましい。バイオマス原料が多量の水分を含んでいると、第７の工程で得られる発酵もろみ中の水分が多くなる。この結果、発酵もろみ中のエタノールの濃度が低下してしまう。第８の工程で発酵もろみからエタノールを効率よく蒸留する観点からすると、第１の工程に供給されるバイオマス原料の含水率は１５ｗｔ％以下であることが好ましい。
バイオマス原料の乾燥方法は、バイオマス原料にあわせて適宜選択すればよい。例えば、天日干しでバイオマス原料を乾燥させてもよいし、乾燥機を用いてバイオマス原料を乾燥させてもよい。第４の工程において分離された固形物を燃やして乾燥機の熱源とすることが可能である。
【００１２】
請求項３の発明に係るバイオエタノール製造方法は、請求項１又は請求項２に記載のバイオエタノール製造方法であって、前記第１の工程において、バイオマス原料を開き目が２〜３ｍｍのメッシュを通過する粒子径まで砕く。
バイオマス原料を開き目が２〜３ｍｍのメッシュを通過する粒子径まで砕くことにより、第２の工程において、硫酸と接触する第１の処理物の表面積が増大する。
【００１３】
第１の処理物が、３ｍｍよりも大きな開き目のメッシュを通過する粒子径を有する場合、第２の工程において、硫酸と接触する第１の処理物の表面積が充分に広いとは言えず、セルロースの非結晶化に時間がかかりすぎる。また、第１の処理物が、２ｍｍ未満の開き目のメッシュを通過する粒子径を有する場合、第１の工程に要する時間がかかりすぎる。したがって、第２の工程において、硫酸と接触する第１の処理物の表面積の広さの観点と、第１の工程に要する時間の観点から、第１の処理物は２〜３ｍｍの開き目のメッシュを通過する粒子径を有することが好ましい。
【００１４】
請求項４の発明に係るバイオエタノール製造方法は、請求項１から請求項３のうちのいずれかの請求項に記載のバイオエタノール製造方法であって、前記第２の工程で噴霧する硫酸の濃度が７０〜７５ｗｔ％であり、前記第２の工程で噴霧する硫酸の質量からこの硫酸に含まれる水の質量を引いた値を、前記第２の工程に送られる前記第１の処理物の質量で除した値が、０．９〜１．１である。
【００１５】
第２の工程で噴霧する硫酸の濃度が７０〜７５ｗｔ％であれば、バイオマス原料に由来するセルロースが非結晶化し、硫酸中に可溶化する。噴霧する硫酸の濃度が７５ｗｔ％を超えると、セルロースがすぐに炭化してしまう。噴霧する硫酸の濃度が７０ｗｔ％未満であると、セルロースの非結晶化に要する時間が長くなりすぎたり、セルロースが充分に非結晶化しなかったりする。したがって、第２の工程で噴霧する硫酸の濃度は７０〜７５ｗｔ％であることが好ましい。
【００１６】
第２の工程で噴霧する硫酸の質量からこの硫酸中に含まれる水の質量を引いた値を、第２の工程に送られる第１の処理物の質量で除した値が、０．９〜１．１であれば、セルロースの非結晶化が効率よく行われる。この値が１．１を超えていても、セルロースの非結晶化が特に促進されるわけではなく、硫酸を無駄に使うだけである。また、この値が０．９未満であれば、セルロースの非結晶化が不充分なものになるおそれが生じる。したがって、この値は０．９〜１．１であることが好ましい。試行錯誤して発明者が得た知見によれば、この値は１．０であることが最も好ましい。
【００１７】
請求項５の発明に係るバイオエタノール製造方法は、請求項１から請求項４のうちのいずれかの請求項に記載のバイオエタノール製造方法であって、前記第３の工程において、前記第２の処理物に水を加えて希釈した硫酸の濃度が２０〜３０ｗｔ％であり、この希釈した硫酸の温度を３０〜４０℃とし、セルロースが非結晶化した前記生成物をこの希釈した硫酸中で３〜５分間加水分解する。
【００１８】
第２の処理物に水を加えて得られる硫酸の濃度が２０〜３０ｗｔ％であれば、第２の処理物中のセルロースが非結晶化してできた生成物は、充分に加水分解されて単糖類になる。硫酸の濃度が３０ｗｔ％を超えていても、この生成物の加水分解が工業的に有意に促進されるわけではない。また、硫酸の濃度が２０ｗｔ％未満であれば、生成物の加水分解に要する時間が長くなりすぎたり、生成物の加水分解が不充分なものになるおそれがある。したがって、第２の処理物に水を加えて得られる硫酸の濃度は２０〜３０ｗｔ％であることが好ましい。
【００１９】
第２の処理物に水を加えて得られる硫酸の温度が３０〜４０℃であれば、セルロースが非結晶化してできた生成物の加水分解は、３〜５分間で完了する。硫酸の温度を３０〜４０℃とするには、第２の処理物に温めた水を加えればよい。また、第２の処理物に常温の水を加えて加熱してもよい。この加熱に当たっては、第４の工程において分離された固形物を燃やして加熱の熱源とすることが可能である。
硫酸の温度が４０℃を超えていても、生成物の加水分解が、工業的に有意に促進されるわけではない。また、硫酸の温度が３０℃未満であれば、生成物の加水分解に要する時間が長くなりすぎる。したがって、第２の処理物に水を加えて得られる硫酸の温度は３０〜４０℃であることが好ましい。
【００２０】
請求項６の発明に係るバイオエタノール製造方法は、請求項１から請求項５のうちのいずれかの請求項に記載のバイオエタノール製造方法であって、前記第５の工程において、前記第４の処理物から硫酸を分離するために陰イオン交換樹脂を用いる。
陰イオン交換樹脂を用いることによって、第４の処理物を、硫酸を含む液体と硫酸を含まない液体とに分離できる。例えば、陰イオン交換樹脂によるクロマトグラフィを利用して第４の処理物中の硫酸イオンを捕捉すればよい。
第４の処理物から分離した硫酸の濃度を高めれば、第２の工程において第１の処理物に噴霧する硫酸として再利用できる。硫酸の濃度を高める場合、硫酸中の水分を蒸発させてもよいし、硫酸を一度熱分解してから合成してもよい。
【００２１】
請求項７の発明に係るバイオエタノール製造方法は、請求項１から請求項６のうちのいずれかの請求項に記載のバイオエタノール製造方法であって、前記第６の工程において、前記第５の処理物に接種する麹菌の質量が、前記第５の処理物の質量の５〜１０％であり、麹菌を接種した前記第５の処理物を３０〜４０℃の温度で３６０〜３９０分間保つ。
第５の処理物に接種する麹菌の質量が第５の処理物の質量の１０％を超えていても、１０％の場合と比べて、第５の処理物における糖度の増加速度が特に速くなるわけではないし、第６の処理物の糖度が特に高くなるわけでもない。また、第５の処理物に接種する麹菌の質量が、第５の処理物の質量の５％未満であれば、第５の処理物における糖度の増加速度が遅くなりすぎる。したがって、第５の処理物に接種する麹菌の質量は、第５の処理物の質量の５〜１０％であることが好ましい。
【００２２】
麹菌を接種した第５の処理物の温度が４０℃を超える場合、接種した麹菌が死んでしまうので好ましくない。麹菌を接種した第５の処理物の温度が３０℃未満である場合、麹菌の活動が充分に行われないのでやはり好ましくない。
また、麹菌を接種した第５の処理物を３０〜４０℃の温度に保つ時間が３９０分間を超えると、第５の処理物中の糖度の上昇速度は非常に遅くなり、糖度の上昇量も非常に小さくなってしまう。麹菌を接種した第５の処理物を３０〜４０℃の温度に保つ時間が３６０分間未満である場合、第５の処理物中の糖度の上昇速度は遅く、糖度も充分に上昇しない。したがって、麹菌を接種した第５の処理物を３０〜４０℃の温度に保つ時間は３６０〜３９０分間であることが好ましい。
第５の処理物を３０〜４０℃の温度に保つために熱源が必要な場合、第４の工程において分離された固形物を燃やしてその熱源とすることが可能である。
【００２３】
請求項８の発明に係るバイオエタノール製造方法は、請求項１から請求項７のうちのいずれかの請求項に記載のバイオエタノール製造方法であって、前記第７の工程において、エタノール発酵が回分発酵であり、エタノール発酵菌がサッカロミセスセルビシエであり、エタノール発酵菌を接種した前記第６の処理物のｐＨを４．０〜４．５とするとともに、温度を３０〜３５℃に保つ。
サッカロミセスセルビシエ（Ｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ ｃｅｒｅｖｉｓｉａｅ）を用いてエタノール発酵を行う場合、その発酵が活発に行われる条件として、ｐＨが４．０〜４．５であり温度が３０〜３５℃である環境が必要である。
【００２４】
サッカロミセスセルビシエ以外のエタノール発酵菌を使うことも可能である。しかし、発明者が行った試験によれば、エタノールの収率の観点からサッカロミセスセルビシエによる発酵が最も好ましい。なお、サッカロミセスセルビシエ以外に使用できるエタノール発酵菌として、例えば、マンノース等の６単糖やキシロース等の５単糖の発酵能を付与した遺伝子組み換えジモモナスモビリス（Ｚｙｍｏｍｏｎａｓ ｍｏｂｉｌｉｓ）を挙げることができる。
【００２５】
請求項９の発明に係るバイオエタノール製造方法は、請求項１から請求項８のうちのいずれかの請求項に記載のバイオエタノール製造方法であって、セルロースを含有するバイオマス原料がジャトロファの果肉である。
ジャトロファはジャラックともいう植物であり、その学名はナンヨウアブラギリである。ジャトロファの種子は油分に富み、石鹸や医薬品等の原料にもなるほかバイオディーゼル油の原料として利用されている。そして、東南アジアではジャトロファを栽培する農園が増えつつある。
【００２６】
しかし、現状では、ジャトロファの果肉はほとんど利用されずに廃棄されている。ジャトロファを栽培する農園の近隣にジャトロファの果肉からバイオエタノールを製造する設備を設けることにより、廃棄されていたジャトロファの果肉を有効利用することができる。そして、流通コストや原料費の点で非常に有利なバイオエタノールを製造することができる。また、ジャトロファから製造したバイオエタノールを燃料として使用することにより、二酸化炭素排出量の削減に寄与することも可能になる。
なお、ジャトロファの果肉をバイオマス原料とした場合、第７の工程においてサッカロミセスセルビシエを用いると、エタノール発酵が最も効率よく行われる。
【発明の効果】
【００２７】
上記のようなバイオエタノール製造方法であるので、糖質原料やデンプン質原料とは別のバイオマス原料からエタノールを製造することができる。そして、食料や飼料として利用する糖質原料やデンプン質原料の量を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】バイオエタノール製造方法の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
本発明に係るバイオエタノール製造方法を図１を参照しつつ説明する。
バイオエタノール製造設備１は、乾燥機１０、粉砕機１２、槽１４、固液分離装置１６、硫酸分離装置２０、硫酸濃縮装置２２、槽２４、蒸留装置２６を有している。そして、バイオエタノール製造設備１はジャトロファを栽培する農園に隣接して設けられている。
乾燥機１０は燃焼室（図示略）と乾燥室（図示略）を有しており、燃焼室で燃料を燃やすときに発生する熱により乾燥室内に入っているものを乾燥可能に構成されている。
【００３０】
粉砕機１２は内部に破砕刃（図示略）を有しており、バイオマス原料を開き目が３〜２ｍｍのメッシュを通過する粒子径になるまで砕くことを可能に構成されている。
槽１４は中空容器であり、槽１４内のものを撹拌するインペラ（図示略）を有する。
固液分離装置１６は内部にフィルタ（図示略）を有しており、このフィルタによって固液分離装置１６に入る液体から固体を分離可能に構成されている。
【００３１】
槽１８は中空容器である。
硫酸分離装置２０は陰イオン交換樹脂を充填したカラム（図示略）を有し、このカラムを通る液体中から硫酸をイオン交換クロマトグラフィによって分離可能に構成されている。
硫酸濃縮装置２２は硫酸の濃度を硫酸から水分を蒸発させることにより濃縮可能に構成されている。
槽２４は中空容器である。
蒸留装置２６はもろみ塔（図示略）と濃縮塔（図示略）と脱水塔（図示略）とを有する。
バイオエタノール製造設備１は上記した構成を有する。次に、バイオエタノール製造設備１を用いてセルロースを含有するバイオマス原料からエタノールを製造する方法について述べる。
【００３２】
農園において収穫されたジャトロファの実から種子と果肉Ｆが分離され、種子はバイオディーゼル油の製造工場に搬送され、果肉Ｆがバイオエタノール製造設備１に搬送される。この果肉Ｆがセルロースを含有するバイオマス原料である。農園から搬出された果肉Ｆの含水率はおよそ６０ｗｔ％である。バイオエタノール製造設備１は農園に隣接しているので、果肉Ｆの搬送コストは非常に安い。
【００３３】
バイオエタノール製造設備１において、果肉Ｆは乾燥機１０の乾燥室に投入される。そして、乾燥機１０が果肉Ｆの乾燥を行い、果肉Ｆの含水量は１５ｗｔ％となる。
次いで、含水量が１５％になった果肉Ｆは粉砕機１２に投入され、粉砕機１２が果肉Ｆを開き目が３〜２ｍｍのメッシュを通過する粒子径になるまで砕く。粉砕機１２で砕かれた果肉Ｆが第１の処理物Ｍ１である。
【００３４】
乾燥機１０による果肉Ｆの乾燥から粉砕機１２によって果肉Ｆを第１の処理物Ｍ１にするまでの工程が第１の工程Ｓ１である。
なお、第１の工程Ｓ１で得られた第１の処理物Ｍ１に、他のセルロースを含有するバイオマス原料を粉砕して加えてもよい。この場合、第１の処理物Ｍ１中において、他のセルロースを含有するバイオマス原料の質量が、果肉Ｆの質量の１０〜２０％であることが好ましい。
【００３５】
第１の工程Ｓ１で得られた第１の処理物Ｍ１は、槽１４に投入される。槽１４内において、第１の処理物Ｍ１に７０〜７５ｗｔ％の硫酸Ａが噴霧される。第１の処理物Ｍ１に噴霧する硫酸Ａの質量からこの硫酸Ａ中に含まれる水の質量を引いた値は、槽１４に投入した第１の処理物Ｍ１の質量と同じ値である。
そして、硫酸Ａを噴霧された第１の処理物Ｍ１は、インペラによって槽１４内で３〜５分間撹拌される。この撹拌によって、硫酸Ａが第１の処理物Ｍ１の表面に満遍なく接触する。３〜５分間第１の処理物Ｍ１と硫酸Ａを撹拌すると、第１の処理物Ｍ１中の果肉Ｆに由来するセルロースは非結晶化し、槽１４内のものが第２の処理物Ｍ２となる。
【００３６】
槽１４内に第１の処理物Ｍ１を投入してから槽１４内で第２の処理物Ｍ２を得るまでの工程が第２の工程Ｓ２である。
第２の工程Ｓ２が終わったら、槽１４内の第２の処理物Ｍ２に温水Ｗを加え、槽１４内の硫酸Ａの濃度を２０〜３５ｗｔ％にする。温水Ｗの温度は、温水Ｗを投入した後に槽１４内で硫酸Ａの温度を３０〜４０℃に維持可能な温度である。温水Ｗを投入すると槽１４内で加水分解反応が始まる。そして、第２の処理物Ｍ２中のセルロースが非結晶化してできた生成物は単糖類になる。加水分解により生じる単糖類はグルコース等のＣ５単糖類やＣ６単糖類である。
【００３７】
なお、ここまでの処理において、果肉Ｆ中に存在していたリグニンは変化せずにそのまま存在している。そして、槽１４内には、リグニンを含む固形物Ｓと、硫酸Ａ及び単糖類を含む糖液とが、存在しており、これらが第３の処理物Ｍ３となる。
第２の処理物Ｍ２に温水Ｗを加えてから第３の処理物Ｍ３を得るまでの工程が第３の工程Ｓ３である。
第３の工程Ｓ３が終わったら、槽１４内の第３の処理物Ｍ３を固液分離装置１６のフィルタに通し、リグニンを含む固形物Ｓと、硫酸Ａ及び単糖類を含む糖液とを分離する。第３の処理物Ｍ３から固形物Ｓを分離して得られる糖液が第４の処理物Ｍ４である。分離した固形物Ｓは乾燥機１０の燃焼室に送られて燃やされ、果実Ｆを乾燥する際の熱源として利用される。
【００３８】
第３の処理物Ｍ３を固液分離装置１６に通して第４の処理物Ｍ４を得る工程が第４の工程Ｓ４である。
第４の工程Ｓ４が終わったら、第４の処理物Ｍ４を硫酸分離装置２０に送り、第４の処理物Ｍ４を陰イオン交換樹脂を充填したカラムに通す。第４の処理物Ｍ４中の硫酸Ａは陰イオン交換樹脂に捕捉され、第４の処理物Ｍ４は硫酸Ａと単糖類を含む糖液とに分離される。硫酸Ａを分離した糖液が第５の処理物Ｍ５である。
分離された硫酸Ａは硫酸濃縮装置２２に送られ、７０〜７５ｗｔ％の濃度に濃縮される。硫酸濃縮装置２２で濃縮された硫酸Ａは第２の工程Ｓ２に戻され、再び、第１の処理物Ｍ１に噴霧される。
第４の処理物Ｍ４を硫酸分離装置２０に通して第５の処理物Ｍ５を得るまでの工程が第５の工程Ｓ５である。
【００３９】
第５の工程Ｓ５が終わったら、第５の処理物Ｍ５を槽２４に投入し、槽２４内の第５の処理物Ｍ５に麹菌Ｂ１を接種する。接種する麹菌Ｂ１の質量は、槽２４に投入した第５の処理物Ｍ５の質量の５〜１０％である。そして、槽２４内で第５の処理物Ｍ５を３０〜４０℃の温度に３６０〜３９０分間保つ。麹菌Ｂ１の働きによって第５の処理物Ｍ５の糖度が上昇する。糖度が上昇した第５の処理物Ｍ５が第６の処理物Ｍ６である。
第５の処理物Ｍ５を槽２４に投入してから第６の処理物Ｍ６を得るまでの工程が第６の工程Ｓ６である。
なお、発明者の知見によれば、糖度が１５〜１８ｗｔ％である第５の処理物Ｍ５は、第６の工程Ｓ６を経ることによって糖度が２０〜２２ｗｔ％である第６の処理物Ｍ６となる。
【００４０】
第６の工程Ｓ６が終わったら、槽２４内の第６の処理物Ｍ６にサッカロミセスセルビシエＢ２を接種し、第６の処理物Ｍ６のｐＨを４．０〜４．５とし、第６の処理物Ｍ６の温度を３０〜３５℃に保つ。サッカロミセスセルビシエＢ２の働きにより、槽２４内でエタノール発酵が起こり、第６の処理物Ｍ６は発酵もろみＭ７となる。
第６の処理物Ｍ６にサッカロミセスセルビシエＢ２を接種してから発酵もろみＭ７を得るまでの工程が第７の工程Ｓ７である。なお、第７の工程Ｓ７におけるエタノール発酵は回分発酵である。
【００４１】
第７の工程Ｓ７が終わったら、発酵もろみＭ７を蒸留装置２６に送る。蒸留装置２６では、先ず、もろみ塔において発酵もろみＭ７中のエタノールＭ８が濃縮される。そして、もろみ塔の塔頂液が濃縮塔に送られ、濃縮塔の塔頂から約９５ｖｏｌ％のエタノールＭ８が取り出される。９６ｖｏｌ％以上の濃度のエタノールＭ８が必要な場合は、さらに脱水塔においてベンゼンやシクロヘキサン等の溶媒を加えてエタノールＭ８から水を分離する。
蒸留装置２６において発酵もろみＭ７からエタノールＭ８を得る工程が第８の工程Ｓ８である。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
上記のようなバイオエタノール製造方法であるので、非可食性のセルロースを含有するバイオマス原料からバイオエタノールを製造できる。
【符号の説明】
【００４３】
１ バイオエタノール製造設備
１０ 乾燥機
１２ 粉砕機
１４、２４ 槽
１６ 固液分離装置
２０ 硫酸分離装置
２２ 硫酸濃縮装置
２６ 蒸留装置
Ｆ ジャトロファの果肉
Ａ 硫酸
Ｗ 温水
Ｓ 固形物
Ｂ１ 麹菌
Ｂ２ サッカロミセスセルビシエ
Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４、Ｍ５、Ｍ６ 処理物
Ｍ７ 発酵もろみ
Ｍ８ エタノール
Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４、Ｓ５、Ｓ６、Ｓ７、Ｓ８ 工程
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セルロースを含有するバイオマス原料からエタノールを製造するバイオエタノール製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球温暖化への対策として、石油の使用量を減らし、エタノールを燃料として使用する動きが顕著になってきている。これまで工業用エタノールの生産は主にエチレンの水和反応によりなされていた。しかし、最近になってバイオマス原料から製造されるエタノールが増えつつある。
現在、エタノールを製造するために広く使われているバイオマス原料には、糖質原料とデンプン質原料がある。糖質原料の主なものはサトウキビの搾り汁であり、デンプン質原料の主なものはトウモロコシである。
【０００３】
糖質原料は酵母を接種するだけで発酵するので、エタノールが簡単に得られる。デンプン質原料にあっては、先ず、酵素によってデンプン質を糖化し、その後、酵母による発酵を行う。
これまでに、糖質原料やデンプン質原料からエタノールを生産する技術は色々と提唱されている（例えば、特許文献１を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−６５６９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、エタノールを製造するために用いられる糖質原料やデンプン質原料は、生物の食料としても重要な資源である。特に食糧危機が取りざたされている昨今では、糖質原料やデンプン質原料から燃料を製造することが問題視されつつある。
本発明は、上記問題を解決するものであり、その目的とするところは、糖質原料やデンプン質原料とは別のバイオマス原料からエタノールを製造するバイオエタノール製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、その課題を解決するために以下のような構成をとる。請求項１の発明に係るバイオエタノール製造方法は、セルロースを含有するバイオマス原料を砕き第１の処理物を得る第１の工程と、前記第１の処理物に硫酸を噴霧して撹拌し、バイオマス原料に由来するセルロースを非結晶化して第２の処理物をつくる第２の工程と、前記第２の処理物に水を加え、前記第２の処理物中の硫酸を希釈し、この希釈した硫酸中で、前記第２の工程でセルロースが非結晶化してできた生成物を加水分解して単糖類にし、リグニンを含む固形物と、硫酸及び単糖類を含む糖液と、からなる第３の処理物をつくる第３の工程と、前記第３の処理物を、リグニンを含む固形物と、硫酸及び単糖類を含むと糖液と、に分離し、この分離した糖液を第４の処理物とする第４の工程と、前記第４の処理物から、硫酸を分離し、この硫酸を分離した糖液を第５の処理物とする第５の工程と、前記第５の処理物に麹菌を接種し、前記第５の処理物中の糖度を上げて第６の処理物とする第６の工程と、前記第６の処理物にエタノール発酵菌を接種し、前記第６の処理物中でエタノール発酵を行い、エタノール発酵を終えた前記第６の処理物を発酵もろみとする第７の工程と、前記発酵もろみ中のエタノールを蒸留して取り出す第８の工程と、からなる。
【０００７】
このバイオエタノール製造方法においては、セルロースを含有するバイオマス原料からエタノールが製造される。セルロースを含有するバイオマス原料として、木、草、農作物の残渣がある。具体的には、例えば、建築廃材、間伐材、麦わら、サトウキビの搾りかす、トウモロコシの茎や葉等がセルロースを含有するバイオマス原料になる。
第１の工程において、セルロースを含有するバイオマス原料が砕かれて第１の処理物になる。バイオマス原料を砕くことによって、次の第２の工程における第１の処理物と硫酸との接触面積が増大する。
【０００８】
第２の工程において、第１の処理物に硫酸を噴霧して撹拌すると、硫酸によってバイオマス原料に由来するセルロースが非結晶化する。こうして得られたものが第２の処理物である。
第３の工程において、第２の処理物に水を加えると、第２の処理物中の硫酸が希釈される。第２の処理物中のセルロースが非結晶化してできた生成物は、希釈された硫酸によって加水分解され、単糖類になる。セルロースを含有するバイオマス原料は、リグニンを含んでいる。このリグニンは第２の工程及び第３の工程において分解せず、そのまま存在する。したがって、第３の処理物中には、硫酸及び単糖類を含む糖液と、リグニン等の固形物が存在している。
【０００９】
第４の工程において、第３の処理物から、硫酸及び単糖類を含む糖液と、リグニン等の固形物とを分離する。そして、固形物を分離して得られる糖液が第４の処理物である。なお、第４の工程での分離は遠心分離によって行ってもよいし、比重沈降を用いてもよい。また、フィルタやメッシュを用いて第３の処理物をろ過してもよい。
第５の工程において、第４の処理物から硫酸を分離すると、単糖類を含む糖液が得られる。こうして得られる糖液が第５の処理物である。
【００１０】
第６の工程において、第５の処理物に麹菌を接種すると、麹菌の働きによって第５の処理物の糖度が上昇する。糖度が上昇した第５の処理物が第６の処理物である。
第７の工程において、第６の処理物にエタノール発酵菌を接種すると、エタノール発酵菌の働きによって第６の処理物中でエタノール発酵が起こり、第６の処理物は発酵もろみとなる。
第８の工程において、発酵もろみ中のエタノールを蒸留し、エタノールを取り出すことができる。得られたエタノールを必要に応じて濃縮し、脱水する。
【００１１】
請求項２の発明に係るバイオエタノール製造方法は、請求項１に記載のバイオエタノール製造方法であって、前記第１の工程に供給するバイオマス原料の含水率が１５ｗｔ％以下である。
第１の工程に供給されるバイオマス原料の含水率が高い場合、事前にバイオマス原料の乾燥を行うことが好ましい。バイオマス原料が多量の水分を含んでいると、第７の工程で得られる発酵もろみ中の水分が多くなる。この結果、発酵もろみ中のエタノールの濃度が低下してしまう。第８の工程で発酵もろみからエタノールを効率よく蒸留する観点からすると、第１の工程に供給されるバイオマス原料の含水率は１５ｗｔ％以下であることが好ましい。
バイオマス原料の乾燥方法は、バイオマス原料にあわせて適宜選択すればよい。例えば、天日干しでバイオマス原料を乾燥させてもよいし、乾燥機を用いてバイオマス原料を乾燥させてもよい。第４の工程において分離された固形物を燃やして乾燥機の熱源とすることが可能である。
【００１２】
請求項３の発明に係るバイオエタノール製造方法は、請求項１又は請求項２に記載のバイオエタノール製造方法であって、前記第１の工程において、バイオマス原料を開き目が２〜３ｍｍのメッシュを通過する粒子径まで砕く。
バイオマス原料を開き目が２〜３ｍｍのメッシュを通過する粒子径まで砕くことにより、第２の工程において、硫酸と接触する第１の処理物の表面積が増大する。
【００１３】
第１の処理物が、３ｍｍよりも大きな開き目のメッシュを通過する粒子径を有する場合、第２の工程において、硫酸と接触する第１の処理物の表面積が充分に広いとは言えず、セルロースの非結晶化に時間がかかりすぎる。また、第１の処理物が、２ｍｍ未満の開き目のメッシュを通過する粒子径を有する場合、第１の工程に要する時間がかかりすぎる。したがって、第２の工程において、硫酸と接触する第１の処理物の表面積の広さの観点と、第１の工程に要する時間の観点から、第１の処理物は２〜３ｍｍの開き目のメッシュを通過する粒子径を有することが好ましい。
【００１４】
請求項４の発明に係るバイオエタノール製造方法は、請求項１から請求項３のうちのいずれかの請求項に記載のバイオエタノール製造方法であって、前記第２の工程で噴霧する硫酸の濃度が７０〜７５ｗｔ％であり、前記第２の工程で噴霧する硫酸の質量からこの硫酸に含まれる水の質量を引いた値を、前記第２の工程に送られる前記第１の処理物の質量で除した値が、０．９〜１．１である。
【００１５】
第２の工程で噴霧する硫酸の濃度が７０〜７５ｗｔ％であれば、バイオマス原料に由来するセルロースが非結晶化し、硫酸中に可溶化する。噴霧する硫酸の濃度が７５ｗｔ％を超えると、セルロースがすぐに炭化してしまう。噴霧する硫酸の濃度が７０ｗｔ％未満であると、セルロースの非結晶化に要する時間が長くなりすぎたり、セルロースが充分に非結晶化しなかったりする。したがって、第２の工程で噴霧する硫酸の濃度は７０〜７５ｗｔ％であることが好ましい。
【００１６】
第２の工程で噴霧する硫酸の質量からこの硫酸中に含まれる水の質量を引いた値を、第２の工程に送られる第１の処理物の質量で除した値が、０．９〜１．１であれば、セルロースの非結晶化が効率よく行われる。この値が１．１を超えていても、セルロースの非結晶化が特に促進されるわけではなく、硫酸を無駄に使うだけである。また、この値が０．９未満であれば、セルロースの非結晶化が不充分なものになるおそれが生じる。したがって、この値は０．９〜１．１であることが好ましい。試行錯誤して発明者が得た知見によれば、この値は１．０であることが最も好ましい。
【００１７】
請求項５の発明に係るバイオエタノール製造方法は、請求項１から請求項４のうちのいずれかの請求項に記載のバイオエタノール製造方法であって、前記第３の工程において、前記第２の処理物に水を加えて希釈した硫酸の濃度が２０〜３０ｗｔ％であり、この希釈した硫酸の温度を３０〜４０℃とし、セルロースが非結晶化した前記生成物をこの希釈した硫酸中で３〜５分間加水分解する。
【００１８】
第２の処理物に水を加えて得られる硫酸の濃度が２０〜３０ｗｔ％であれば、第２の処理物中のセルロースが非結晶化してできた生成物は、充分に加水分解されて単糖類になる。硫酸の濃度が３０ｗｔ％を超えていても、この生成物の加水分解が工業的に有意に促進されるわけではない。また、硫酸の濃度が２０ｗｔ％未満であれば、生成物の加水分解に要する時間が長くなりすぎたり、生成物の加水分解が不充分なものになるおそれがある。したがって、第２の処理物に水を加えて得られる硫酸の濃度は２０〜３０ｗｔ％であることが好ましい。
【００１９】
第２の処理物に水を加えて得られる硫酸の温度が３０〜４０℃であれば、セルロースが非結晶化してできた生成物の加水分解は、３〜５分間で完了する。硫酸の温度を３０〜４０℃とするには、第２の処理物に温めた水を加えればよい。また、第２の処理物に常温の水を加えて加熱してもよい。この加熱に当たっては、第４の工程において分離された固形物を燃やして加熱の熱源とすることが可能である。
硫酸の温度が４０℃を超えていても、生成物の加水分解が、工業的に有意に促進されるわけではない。また、硫酸の温度が３０℃未満であれば、生成物の加水分解に要する時間が長くなりすぎる。したがって、第２の処理物に水を加えて得られる硫酸の温度は３０〜４０℃であることが好ましい。
【００２０】
請求項６の発明に係るバイオエタノール製造方法は、請求項１から請求項５のうちのいずれかの請求項に記載のバイオエタノール製造方法であって、前記第５の工程において、前記第４の処理物から硫酸を分離するために陰イオン交換樹脂を用いる。
陰イオン交換樹脂を用いることによって、第４の処理物を、硫酸を含む液体と硫酸を含まない液体とに分離できる。例えば、陰イオン交換樹脂によるクロマトグラフィを利用して第４の処理物中の硫酸イオンを捕捉すればよい。
第４の処理物から分離した硫酸の濃度を高めれば、第２の工程において第１の処理物に噴霧する硫酸として再利用できる。硫酸の濃度を高める場合、硫酸中の水分を蒸発させてもよいし、硫酸を一度熱分解してから合成してもよい。
【００２１】
請求項７の発明に係るバイオエタノール製造方法は、請求項１から請求項６のうちのいずれかの請求項に記載のバイオエタノール製造方法であって、前記第６の工程において、前記第５の処理物に接種する麹菌の質量が、前記第５の処理物の質量の５〜１０％であり、麹菌を接種した前記第５の処理物を３０〜４０℃の温度で３６０〜３９０分間保つ。
第５の処理物に接種する麹菌の質量が第５の処理物の質量の１０％を超えていても、１０％の場合と比べて、第５の処理物における糖度の増加速度が特に速くなるわけではないし、第６の処理物の糖度が特に高くなるわけでもない。また、第５の処理物に接種する麹菌の質量が、第５の処理物の質量の５％未満であれば、第５の処理物における糖度の増加速度が遅くなりすぎる。したがって、第５の処理物に接種する麹菌の質量は、第５の処理物の質量の５〜１０％であることが好ましい。
【００２２】
麹菌を接種した第５の処理物の温度が４０℃を超える場合、接種した麹菌が死んでしまうので好ましくない。麹菌を接種した第５の処理物の温度が３０℃未満である場合、麹菌の活動が充分に行われないのでやはり好ましくない。
また、麹菌を接種した第５の処理物を３０〜４０℃の温度に保つ時間が３９０分間を超えると、第５の処理物中の糖度の上昇速度は非常に遅くなり、糖度の上昇量も非常に小さくなってしまう。麹菌を接種した第５の処理物を３０〜４０℃の温度に保つ時間が３６０分間未満である場合、第５の処理物中の糖度の上昇速度は遅く、糖度も充分に上昇しない。したがって、麹菌を接種した第５の処理物を３０〜４０℃の温度に保つ時間は３６０〜３９０分間であることが好ましい。
第５の処理物を３０〜４０℃の温度に保つために熱源が必要な場合、第４の工程において分離された固形物を燃やしてその熱源とすることが可能である。
【００２３】
請求項８の発明に係るバイオエタノール製造方法は、請求項１から請求項７のうちのいずれかの請求項に記載のバイオエタノール製造方法であって、前記第７の工程において、エタノール発酵が回分発酵であり、エタノール発酵菌がサッカロミセスセルビシエであり、エタノール発酵菌を接種した前記第６の処理物のｐＨを４．０〜４．５とするとともに、温度を３０〜３５℃に保つ。
サッカロミセスセルビシエ（Ｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ ｃｅｒｅｖｉｓｉａｅ）を用いてエタノール発酵を行う場合、その発酵が活発に行われる条件として、ｐＨが４．０〜４．５であり温度が３０〜３５℃である環境が必要である。
【００２４】
サッカロミセスセルビシエ以外のエタノール発酵菌を使うことも可能である。しかし、発明者が行った試験によれば、エタノールの収率の観点からサッカロミセスセルビシエによる発酵が最も好ましい。なお、サッカロミセスセルビシエ以外に使用できるエタノール発酵菌として、例えば、マンノース等の６単糖やキシロース等の５単糖の発酵能を付与した遺伝子組み換えジモモナスモビリス（Ｚｙｍｏｍｏｎａｓ ｍｏｂｉｌｉｓ）を挙げることができる。
【００２５】
請求項９の発明に係るバイオエタノール製造方法は、請求項１から請求項８のうちのいずれかの請求項に記載のバイオエタノール製造方法であって、セルロースを含有するバイオマス原料がジャトロファの果肉である。
ジャトロファはジャラックともいう植物であり、その学名はナンヨウアブラギリである。ジャトロファの種子は油分に富み、石鹸や医薬品等の原料にもなるほかバイオディーゼル油の原料として利用されている。そして、東南アジアではジャトロファを栽培する農園が増えつつある。
【００２６】
しかし、現状では、ジャトロファの果肉はほとんど利用されずに廃棄されている。ジャトロファを栽培する農園の近隣にジャトロファの果肉からバイオエタノールを製造する設備を設けることにより、廃棄されていたジャトロファの果肉を有効利用することができる。そして、流通コストや原料費の点で非常に有利なバイオエタノールを製造することができる。また、ジャトロファから製造したバイオエタノールを燃料として使用することにより、二酸化炭素排出量の削減に寄与することも可能になる。
なお、ジャトロファの果肉をバイオマス原料とした場合、第７の工程においてサッカロミセスセルビシエを用いると、エタノール発酵が最も効率よく行われる。
【発明の効果】
【００２７】
上記のようなバイオエタノール製造方法であるので、糖質原料やデンプン質原料とは別のバイオマス原料からエタノールを製造することができる。そして、食料や飼料として利用する糖質原料やデンプン質原料の量を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】バイオエタノール製造方法の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
本発明に係るバイオエタノール製造方法を図１を参照しつつ説明する。
バイオエタノール製造設備１は、乾燥機１０、粉砕機１２、槽１４、固液分離装置１６、硫酸分離装置２０、硫酸濃縮装置２２、槽２４、蒸留装置２６を有している。そして、バイオエタノール製造設備１はジャトロファを栽培する農園に隣接して設けられている。
乾燥機１０は燃焼室（図示略）と乾燥室（図示略）を有しており、燃焼室で燃料を燃やすときに発生する熱により乾燥室内に入っているものを乾燥可能に構成されている。
【００３０】
粉砕機１２は内部に破砕刃（図示略）を有しており、バイオマス原料を開き目が３〜２ｍｍのメッシュを通過する粒子径になるまで砕くことを可能に構成されている。
槽１４は中空容器であり、槽１４内のものを撹拌するインペラ（図示略）を有する。
固液分離装置１６は内部にフィルタ（図示略）を有しており、このフィルタによって固液分離装置１６に入る液体から固体を分離可能に構成されている。
【００３１】
槽１８は中空容器である。
硫酸分離装置２０は陰イオン交換樹脂を充填したカラム（図示略）を有し、このカラムを通る液体中から硫酸をイオン交換クロマトグラフィによって分離可能に構成されている。
硫酸濃縮装置２２は硫酸の濃度を硫酸から水分を蒸発させることにより濃縮可能に構成されている。
槽２４は中空容器である。
蒸留装置２６はもろみ塔（図示略）と濃縮塔（図示略）と脱水塔（図示略）とを有する。
バイオエタノール製造設備１は上記した構成を有する。次に、バイオエタノール製造設備１を用いてセルロースを含有するバイオマス原料からエタノールを製造する方法について述べる。
【００３２】
農園において収穫されたジャトロファの実から種子と果肉Ｆが分離され、種子はバイオディーゼル油の製造工場に搬送され、果肉Ｆがバイオエタノール製造設備１に搬送される。この果肉Ｆがセルロースを含有するバイオマス原料である。農園から搬出された果肉Ｆの含水率はおよそ６０ｗｔ％である。バイオエタノール製造設備１は農園に隣接しているので、果肉Ｆの搬送コストは非常に安い。
【００３３】
バイオエタノール製造設備１において、果肉Ｆは乾燥機１０の乾燥室に投入される。そして、乾燥機１０が果肉Ｆの乾燥を行い、果肉Ｆの含水量は１５ｗｔ％となる。
次いで、含水量が１５％になった果肉Ｆは粉砕機１２に投入され、粉砕機１２が果肉Ｆを開き目が３〜２ｍｍのメッシュを通過する粒子径になるまで砕く。粉砕機１２で砕かれた果肉Ｆが第１の処理物Ｍ１である。
【００３４】
乾燥機１０による果肉Ｆの乾燥から粉砕機１２によって果肉Ｆを第１の処理物Ｍ１にするまでの工程が第１の工程Ｓ１である。
なお、第１の工程Ｓ１で得られた第１の処理物Ｍ１に、他のセルロースを含有するバイオマス原料を粉砕して加えてもよい。この場合、第１の処理物Ｍ１中において、他のセルロースを含有するバイオマス原料の質量が、果肉Ｆの質量の１０〜２０％であることが好ましい。
【００３５】
第１の工程Ｓ１で得られた第１の処理物Ｍ１は、槽１４に投入される。槽１４内において、第１の処理物Ｍ１に７０〜７５ｗｔ％の硫酸Ａが噴霧される。第１の処理物Ｍ１に噴霧する硫酸Ａの質量からこの硫酸Ａ中に含まれる水の質量を引いた値は、槽１４に投入した第１の処理物Ｍ１の質量と同じ値である。
そして、硫酸Ａを噴霧された第１の処理物Ｍ１は、インペラによって槽１４内で３〜５分間撹拌される。この撹拌によって、硫酸Ａが第１の処理物Ｍ１の表面に満遍なく接触する。３〜５分間第１の処理物Ｍ１と硫酸Ａを撹拌すると、第１の処理物Ｍ１中の果肉Ｆに由来するセルロースは非結晶化し、槽１４内のものが第２の処理物Ｍ２となる。
【００３６】
槽１４内に第１の処理物Ｍ１を投入してから槽１４内で第２の処理物Ｍ２を得るまでの工程が第２の工程Ｓ２である。
第２の工程Ｓ２が終わったら、槽１４内の第２の処理物Ｍ２に温水Ｗを加え、槽１４内の硫酸Ａの濃度を２０〜３５ｗｔ％にする。温水Ｗの温度は、温水Ｗを投入した後に槽１４内で硫酸Ａの温度を３０〜４０℃に維持可能な温度である。温水Ｗを投入すると槽１４内で加水分解反応が始まる。そして、第２の処理物Ｍ２中のセルロースが非結晶化してできた生成物は単糖類になる。加水分解により生じる単糖類はグルコース等のＣ５単糖類やＣ６単糖類である。
【００３７】
なお、ここまでの処理において、果肉Ｆ中に存在していたリグニンは変化せずにそのまま存在している。そして、槽１４内には、リグニンを含む固形物Ｓと、硫酸Ａ及び単糖類を含む糖液とが、存在しており、これらが第３の処理物Ｍ３となる。
第２の処理物Ｍ２に温水Ｗを加えてから第３の処理物Ｍ３を得るまでの工程が第３の工程Ｓ３である。
第３の工程Ｓ３が終わったら、槽１４内の第３の処理物Ｍ３を固液分離装置１６のフィルタに通し、リグニンを含む固形物Ｓと、硫酸Ａ及び単糖類を含む糖液とを分離する。第３の処理物Ｍ３から固形物Ｓを分離して得られる糖液が第４の処理物Ｍ４である。分離した固形物Ｓは乾燥機１０の燃焼室に送られて燃やされ、果実Ｆを乾燥する際の熱源として利用される。
【００３８】
第３の処理物Ｍ３を固液分離装置１６に通して第４の処理物Ｍ４を得る工程が第４の工程Ｓ４である。
第４の工程Ｓ４が終わったら、第４の処理物Ｍ４を硫酸分離装置２０に送り、第４の処理物Ｍ４を陰イオン交換樹脂を充填したカラムに通す。第４の処理物Ｍ４中の硫酸Ａは陰イオン交換樹脂に捕捉され、第４の処理物Ｍ４は硫酸Ａと単糖類を含む糖液とに分離される。硫酸Ａを分離した糖液が第５の処理物Ｍ５である。
分離された硫酸Ａは硫酸濃縮装置２２に送られ、７０〜７５ｗｔ％の濃度に濃縮される。硫酸濃縮装置２２で濃縮された硫酸Ａは第２の工程Ｓ２に戻され、再び、第１の処理物Ｍ１に噴霧される。
第４の処理物Ｍ４を硫酸分離装置２０に通して第５の処理物Ｍ５を得るまでの工程が第５の工程Ｓ５である。
【００３９】
第５の工程Ｓ５が終わったら、第５の処理物Ｍ５を槽２４に投入し、槽２４内の第５の処理物Ｍ５に麹菌Ｂ１を接種する。接種する麹菌Ｂ１の質量は、槽２４に投入した第５の処理物Ｍ５の質量の５〜１０％である。そして、槽２４内で第５の処理物Ｍ５を３０〜４０℃の温度に３６０〜３９０分間保つ。麹菌Ｂ１の働きによって第５の処理物Ｍ５の糖度が上昇する。糖度が上昇した第５の処理物Ｍ５が第６の処理物Ｍ６である。
第５の処理物Ｍ５を槽２４に投入してから第６の処理物Ｍ６を得るまでの工程が第６の工程Ｓ６である。
なお、発明者の知見によれば、糖度が１５〜１８ｗｔ％である第５の処理物Ｍ５は、第６の工程Ｓ６を経ることによって糖度が２０〜２２ｗｔ％である第６の処理物Ｍ６となる。
【００４０】
第６の工程Ｓ６が終わったら、槽２４内の第６の処理物Ｍ６にサッカロミセスセルビシエＢ２を接種し、第６の処理物Ｍ６のｐＨを４．０〜４．５とし、第６の処理物Ｍ６の温度を３０〜３５℃に保つ。サッカロミセスセルビシエＢ２の働きにより、槽２４内でエタノール発酵が起こり、第６の処理物Ｍ６は発酵もろみＭ７となる。
第６の処理物Ｍ６にサッカロミセスセルビシエＢ２を接種してから発酵もろみＭ７を得るまでの工程が第７の工程Ｓ７である。なお、第７の工程Ｓ７におけるエタノール発酵は回分発酵である。
【００４１】
第７の工程Ｓ７が終わったら、発酵もろみＭ７を蒸留装置２６に送る。蒸留装置２６では、先ず、もろみ塔において発酵もろみＭ７中のエタノールＭ８が濃縮される。そして、もろみ塔の塔頂液が濃縮塔に送られ、濃縮塔の塔頂から約９５ｖｏｌ％のエタノールＭ８が取り出される。９６ｖｏｌ％以上の濃度のエタノールＭ８が必要な場合は、さらに脱水塔においてベンゼンやシクロヘキサン等の溶媒を加えてエタノールＭ８から水を分離する。
蒸留装置２６において発酵もろみＭ７からエタノールＭ８を得る工程が第８の工程Ｓ８である。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
上記のようなバイオエタノール製造方法であるので、非可食性のセルロースを含有するバイオマス原料からバイオエタノールを製造できる。
【符号の説明】
【００４３】
１ バイオエタノール製造設備
１０ 乾燥機
１２ 粉砕機
１４、２４ 槽
１６ 固液分離装置
２０ 硫酸分離装置
２２ 硫酸濃縮装置
２６ 蒸留装置
Ｆ ジャトロファの果肉
Ａ 硫酸
Ｗ 温水
Ｓ 固形物
Ｂ１ 麹菌
Ｂ２ サッカロミセスセルビシエ
Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４、Ｍ５、Ｍ６ 処理物
Ｍ７ 発酵もろみ
Ｍ８ エタノール
Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４、Ｓ５、Ｓ６、Ｓ７、Ｓ８ 工程
【特許請求の範囲】
【請求項１】
セルロースを含有するバイオマス原料を砕き第１の処理物を得る第１の工程と、
前記第１の処理物に硫酸を噴霧して撹拌し、バイオマス原料に由来するセルロースを非結晶化して第２の処理物をつくる第２の工程と、
前記第２の処理物に水を加え、前記第２の処理物中の硫酸を希釈し、この希釈した硫酸中で、前記第２の工程でセルロースが非結晶化してできた生成物を加水分解して単糖類にし、リグニンを含む固形物と、硫酸及び単糖類を含む糖液と、からなる第３の処理物をつくる第３の工程と、
前記第３の処理物を、リグニンを含む固形物と、硫酸及び単糖類を含むと糖液と、に分離し、この分離した糖液を第４の処理物とする第４の工程と、
前記第４の処理物から、硫酸を分離し、この硫酸を分離した糖液を第５の処理物とする第５の工程と、
前記第５の処理物に麹菌を接種し、前記第５の処理物中の糖度を上げて第６の処理物とする第６の工程と、
前記第６の処理物にエタノール発酵菌を接種し、前記第６の処理物中でエタノール発酵を行い、エタノール発酵を終えた前記第６の処理物を発酵もろみとする第７の工程と、
前記発酵もろみ中のエタノールを蒸留して取り出す第８の工程と、からなることを特徴とするバイオエタノール製造方法。
【請求項２】
前記第１の工程に供給するバイオマス原料の含水率が１５ｗｔ％以下であることを特徴とする請求項１に記載のバイオエタノール製造方法。
【請求項３】
前記第１の工程において、バイオマス原料を開き目が２〜３ｍｍのメッシュを通過する粒子径まで砕くことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のバイオエタノール製造方法。
【請求項４】
前記第２の工程で噴霧する硫酸の濃度が７０〜７５ｗｔ％であり、
前記第２の工程で噴霧する硫酸の質量からこの硫酸に含まれる水の質量を引いた値を、前記第２の工程に送られる前記第１の処理物の質量で除した値が、０．９〜１．１であることを特徴とする請求項１から請求項３のうちのいずれかの請求項に記載のバイオエタノール製造方法。
【請求項５】
前記第３の工程において、前記第２の処理物に水を加えて希釈した硫酸の濃度が２０〜３０ｗｔ％であり、この希釈した硫酸の温度を３０〜４０℃とし、セルロースが非結晶化した前記生成物をこの希釈した硫酸中で３〜５分間加水分解することを特徴とする請求項１から請求項４のうちのいずれかの請求項に記載のバイオエタノール製造方法。
【請求項６】
前記第５の工程において、前記第４の処理物から硫酸を分離するために陰イオン交換樹脂を用いることを特徴とする請求項１から請求項５のうちのいずれかの請求項に記載のバイオエタノール製造方法。
【請求項７】
前記第６の工程において、前記第５の処理物に接種する麹菌の質量が、前記第５の処理物の質量の５〜１０％であり、麹菌を接種した前記第５の処理物を３０〜４０℃の温度で３６０〜３９０分間保つことを特徴とする請求項１から請求項６のうちのいずれかの請求項に記載のバイオエタノール製造方法。
【請求項８】
前記第７の工程において、エタノール発酵が回分発酵であり、エタノール発酵菌がサッカロミセスセルビシエであり、エタノール発酵菌を接種した前記第６の処理物のｐＨを４．０〜４．５とするとともに、温度を３０〜３５℃に保つことを特徴とする請求項１から請求項７のうちのいずれかの請求項に記載のバイオエタノール製造方法。
【請求項９】
セルロースを含有するバイオマス原料がジャトロファの果肉であることを特徴とする請求項１から請求項８のうちのいずれかの請求項に記載のバイオエタノール製造方法。
【請求項１】
セルロースを含有するバイオマス原料を砕き第１の処理物を得る第１の工程と、
前記第１の処理物に硫酸を噴霧して撹拌し、バイオマス原料に由来するセルロースを非結晶化して第２の処理物をつくる第２の工程と、
前記第２の処理物に水を加え、前記第２の処理物中の硫酸を希釈し、この希釈した硫酸中で、前記第２の工程でセルロースが非結晶化してできた生成物を加水分解して単糖類にし、リグニンを含む固形物と、硫酸及び単糖類を含む糖液と、からなる第３の処理物をつくる第３の工程と、
前記第３の処理物を、リグニンを含む固形物と、硫酸及び単糖類を含むと糖液と、に分離し、この分離した糖液を第４の処理物とする第４の工程と、
前記第４の処理物から、硫酸を分離し、この硫酸を分離した糖液を第５の処理物とする第５の工程と、
前記第５の処理物に麹菌を接種し、前記第５の処理物中の糖度を上げて第６の処理物とする第６の工程と、
前記第６の処理物にエタノール発酵菌を接種し、前記第６の処理物中でエタノール発酵を行い、エタノール発酵を終えた前記第６の処理物を発酵もろみとする第７の工程と、
前記発酵もろみ中のエタノールを蒸留して取り出す第８の工程と、からなることを特徴とするバイオエタノール製造方法。
【請求項２】
前記第１の工程に供給するバイオマス原料の含水率が１５ｗｔ％以下であることを特徴とする請求項１に記載のバイオエタノール製造方法。
【請求項３】
前記第１の工程において、バイオマス原料を開き目が２〜３ｍｍのメッシュを通過する粒子径まで砕くことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のバイオエタノール製造方法。
【請求項４】
前記第２の工程で噴霧する硫酸の濃度が７０〜７５ｗｔ％であり、
前記第２の工程で噴霧する硫酸の質量からこの硫酸に含まれる水の質量を引いた値を、前記第２の工程に送られる前記第１の処理物の質量で除した値が、０．９〜１．１であることを特徴とする請求項１から請求項３のうちのいずれかの請求項に記載のバイオエタノール製造方法。
【請求項５】
前記第３の工程において、前記第２の処理物に水を加えて希釈した硫酸の濃度が２０〜３０ｗｔ％であり、この希釈した硫酸の温度を３０〜４０℃とし、セルロースが非結晶化した前記生成物をこの希釈した硫酸中で３〜５分間加水分解することを特徴とする請求項１から請求項４のうちのいずれかの請求項に記載のバイオエタノール製造方法。
【請求項６】
前記第５の工程において、前記第４の処理物から硫酸を分離するために陰イオン交換樹脂を用いることを特徴とする請求項１から請求項５のうちのいずれかの請求項に記載のバイオエタノール製造方法。
【請求項７】
前記第６の工程において、前記第５の処理物に接種する麹菌の質量が、前記第５の処理物の質量の５〜１０％であり、麹菌を接種した前記第５の処理物を３０〜４０℃の温度で３６０〜３９０分間保つことを特徴とする請求項１から請求項６のうちのいずれかの請求項に記載のバイオエタノール製造方法。
【請求項８】
前記第７の工程において、エタノール発酵が回分発酵であり、エタノール発酵菌がサッカロミセスセルビシエであり、エタノール発酵菌を接種した前記第６の処理物のｐＨを４．０〜４．５とするとともに、温度を３０〜３５℃に保つことを特徴とする請求項１から請求項７のうちのいずれかの請求項に記載のバイオエタノール製造方法。
【請求項９】
セルロースを含有するバイオマス原料がジャトロファの果肉であることを特徴とする請求項１から請求項８のうちのいずれかの請求項に記載のバイオエタノール製造方法。
【図１】
【公開番号】特開２０１１−２４４７００（Ｐ２０１１−２４４７００Ａ）
【公開日】平成２３年１２月８日（２０１１．１２．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１１８０５３（Ｐ２０１０−１１８０５３）
【出願日】平成２２年５月２４日（２０１０．５．２４）
【出願人】（５１０１４３３０９）
【出願人】（５１０１４３３１０）
【出願人】（５１０１４３３２１）株式会社フロンティアライフ (1)
【出願人】（５１０１４３３３２）
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１２月８日（２０１１．１２．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年５月２４日（２０１０．５．２４）
【出願人】（５１０１４３３０９）
【出願人】（５１０１４３３１０）
【出願人】（５１０１４３３２１）株式会社フロンティアライフ (1)
【出願人】（５１０１４３３３２）
【Ｆターム（参考）】
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