バイオマスを原料とする発酵装置
【課題】バイオマス原料を高温・高圧条件で分解した際に発生する水難溶性発酵阻害物質を、酵素糖化後に、効率的に除去する装置を含むバイオマスを原料とする発酵装置を提供する。
【解決手段】バイオマス原料を高温処理する装置と、バイオマス高温処理液１０１Ａを冷却する冷却手段９０と、冷却された処理液１０１Ｂを用いて酵素により糖化する酵素糖化槽１０３と、前記酵素糖化槽１０３から抜き出した糖液１０４に含まれる水難溶性発酵阻害物質を除去する固液分離装置１１２および精密濾過（ＭＦ）膜１１３ａを備えた異物除去部１１３と、前記異物除去部１１３の後流側に設けられ、水難溶性発酵阻害物質を除去した糖液１０４に水を添加して希釈する希釈槽１３２と、希釈した糖液１０４から水１１４を除去して、濃縮糖液１１５を得る逆浸透（ＲＯ）膜１１６ａを備えた水分分離部１１６と、前記濃縮糖液１１５を用いて発酵を行う発酵タンク１４１とを有する。
【解決手段】バイオマス原料を高温処理する装置と、バイオマス高温処理液１０１Ａを冷却する冷却手段９０と、冷却された処理液１０１Ｂを用いて酵素により糖化する酵素糖化槽１０３と、前記酵素糖化槽１０３から抜き出した糖液１０４に含まれる水難溶性発酵阻害物質を除去する固液分離装置１１２および精密濾過（ＭＦ）膜１１３ａを備えた異物除去部１１３と、前記異物除去部１１３の後流側に設けられ、水難溶性発酵阻害物質を除去した糖液１０４に水を添加して希釈する希釈槽１３２と、希釈した糖液１０４から水１１４を除去して、濃縮糖液１１５を得る逆浸透（ＲＯ）膜１１６ａを備えた水分分離部１１６と、前記濃縮糖液１１５を用いて発酵を行う発酵タンク１４１とを有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バイオマス原料を高温高圧処理、酵素処理、さらに得られた糖液を精製装置、発酵装置を含む装置に関するものであり、効率的な酵素処理および発酵を行う装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
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）。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
さらに、元来、澱粉原料に較べて発酵原料に不利な方法で、ごみ問題、地球温暖化防止対応などを目標に考えるのであるから、原料を固定的に考えた生産システムでは意味が薄れる。広く一般の廃棄物に適用できなければならない。酵素糖化法そのものも、効率が悪すぎて、将来課題とされているのが現状である。酸処理による糖化率も、過剰反応による糖の過分解などで、およそ７５％（糖化可能成分基準）前後とかなり小さい値となっている。従って、セルロース系資源に対して、エタノール生産収率はおよそ２５％に止まっている（非特許文献１、特許文献３）。
【０００７】
なお、特許文献１乃至３の従来の技術では、副反応生成物が酵素糖化阻害を引起し糖収率が減少する現象が起きていたので、酵素糖化阻害物質を除去し、セルロース主体による酵素糖化性を高める水熱分解装置の提案を先にした（特許文献４及び５）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特表平９−５０７３８６号公報
【特許文献２】特表平１１−５０６９３４号公報
【特許文献３】特開２００５−１６８３３５号公報
【特許文献４】特開２００９−１８３８０５号公報
【特許文献５】特開２００９−１８３１５４号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】日経バイオビジネス、ｐ．５２、2002年9月
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
前述した特許文献４及び５における水熱分解装置の提案では、バイオマスと加圧熱水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が、内部温度が１８０〜２４０℃の高温状態であると共に、その各温度における水の飽和蒸気に対して、更に０．１から０．４ＭＰａ高い圧力を加えて分解処理しているので、その反応後のバイオマス高温処理液（熱水排出液）中には、リグニン等の分解物が含まれている。
【００１１】
このバイオマス高温処理液に溶解した熱水可溶分は、後工程の糖化工程においては、酵素糖化温度まで冷却（例えば６０℃以下）されるので、一度熱水中に溶解した熱水可溶分の一部が析出し、固化あるいはコロイド状の水難溶性物質を生成することが判明した。さらに、本発明では、この水難溶性物質が、後工程における発酵工程における微生物の生育および発酵生産において阻害的な作用があり、水難溶性発酵阻害物質であることを見出した。
【００１２】
すなわち、本発明では、前記課題、バイオマス原料を高温・高圧条件で分解した際に発生する水難溶性発酵阻害物質を、酵素糖化後に、効率的に除去する装置を含むバイオマスを原料とする発酵装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の第１の発明は、少なくともセルロース、ヘミセルロース及びリグニンを含むバイオマス原料と加圧熱水とを対向接触させつつ１８０℃〜２４０℃の温度範囲で高温高圧処理する水熱分解装置と、前記装置で排出したバイオマス高温処理液を冷却する冷却手段と、冷却された処理液を用いて酵素により糖化する酵素糖化槽と、前記酵素糖化槽から抜き出した糖液に含まれる水難溶性発酵阻害物質を除去する固液分離装置と、精密濾過（Ｍｉｃｒｏｆｉｌｔｌａｔｉｏｎ：ＭＦ）膜を備えた異物除去部と、前記異物除去部の後流側に設けられ、水難溶性発酵阻害物質を除去した糖液に水を添加して希釈する希釈槽と、希釈した糖液から水を除去して、濃縮糖液を得る逆浸透（Ｒｅｖｅｒｓｅ Ｏｓｍｏｓｉｓ：ＲＯ）膜を備えた水分分離部と、前記濃縮糖液を用いて発酵を行う発酵槽とを有するバイオマスを原料とする発酵装置にある。
【００１４】
第２の発明は、第１の発明において、前記酵素糖化槽から抜き出した糖液を貯留する糖液精製槽と、前記糖液精製槽からの第１の循環ラインに介装され、抜き出した糖液から水難溶性発酵阻害物質を除去する固液分離装置と、前記糖液精製槽からの第２の循環ラインに介装され、抜き出した糖液から水難溶性発酵阻害物質を除去する精密濾過（Ｍｉｃｒｏｆｉｌｔｌａｔｉｏｎ：ＭＦ）膜を備えた異物除去部とを有することを特徴とするバイオマスを原料とする発酵装置にある。
【００１５】
第３の発明は、第２の発明において、前記酵素糖化槽と前記糖液精製槽とを一体化してなることを特徴とするバイオマス高温処理液を用いたバイオマスを原料とする発酵装置にある。
【００１６】
第４の発明は、第３の発明において、前記異物除去部で処理され、水難溶性物質を除去した糖液に水を添加して希釈する希釈槽と、水希釈糖液から水を分離する逆浸透（ＲＯ）膜を有する水分分離部とを有することを特徴とするバイオマスを原料とする発酵装置にある。
【００１７】
第５の発明は、第１乃至４のいずれか一つの発明において、水難溶解性発酵阻害物質を除去した糖液の濁度又は吸光度のいずれか一方又は両方を測定する第１の測定部を有することを特徴とするバイオマスを原料とする発酵装置にある。
【００１８】
第６の発明は、第５の発明において、さらに酵母を添加した後の糖液の濁度又は吸光度のいずれか一方又は両方を測定する第２の測定部を有することを特徴とするバイオマスを原料とする発酵装置にある。
【発明の効果】
【００１９】
本発明装置によれば、少なくともセルロース、ヘミセルロース及びリグニンを含むバイオマス原料と加圧熱水とを対向接触させつつ１８０℃〜２４０℃で高温高圧処理した際に生成する水難溶性発酵阻害物質を完全に除去し、不純物の少ない糖液を得ることができる。またその結果、後段の逆浸透膜による糖液の濃縮が可能になり、従来より高濃度の糖液を製造することができる。以上糖液の改善に伴い、発酵阻害を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】図１は、実施例１に係るバイオマスを原料とする発酵装置の概略図である。
【図２】図２は、実施例２に係るバイオマスを原料とする発酵装置の概略図である。
【図３】図３は、実施例３に係るバイオマスを原料とする発酵装置の概略図である。
【図４】図４は、高速液体クロマトグラフィーの計測チャートである。
【図５】図５は、エタノール発酵試験における二酸化炭素の減少量の結果を示す図である。
【図６】図６は、エタノール発酵試験における二酸化炭素の減少量の結果を示す図である。
【図７】図７は、実施例１に係るバイオマスの水熱分解装置を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
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。
【実施例１】
【００２２】
本発明に係るバイオマス原料からの発酵装置について、図面を参照して説明する。
図７は、実施例１に係るバイオマスの水熱分解装置を示す概略図である。
まず、「少なくともセルロース、ヘミセルロース及びリグニンを含むバイオマス原料と加圧熱水とを対向接触させつつ１８０℃〜２４０℃の温度範囲で高温高圧処理する水熱分解装置５０」に関して図７を使用して説明する。
水熱分解装置５０は、図７に示すように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、傾斜型や水平型の水熱分解装置としてもよい。なお、水熱分解装置としては、傾斜型又は垂直型がより好ましい。これは、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５５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からである。
【００２３】
本実施例に係る水熱分解装置５０では、搬送スクリュー手段５４を設けることにより、１）固液カウンターフローでの固形分の搬送が可能となる。２）装置本体５３内で固液の分離が可能となる。３）装置本体５３内で固体表面、固体中の加圧熱水５５の混合が進み反応が促進される。
【００２４】
本実施例に係る水熱分解装置５０は、バイオマス供給装置５２によりバイオマス原料（本実施例では、例えば麦わら等）１１を常圧下から加圧下に供給し、前記バイオマス原料１１の供給とは異なる端部側から加圧熱水１５を装置本体５３内部に供給し、バイオマス原料１１と加圧熱水５５とを対向接触させつつ水熱分解し、加圧熱水５５中にリグニン成分及びヘミセルロース成分を移行し、バイオマス原料５１中からリグニン成分及びヘミセルロース成分を分離し、バイオマス抜出装置５７により、バイオマス固形分５６を加圧下から常圧下に抜出している。図中符号５８は加圧窒素を図示する。
【００２５】
ここで、前記水熱分解装置５０に供給するバイオマス原料としては、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。
【００２６】
また、前記バイオマス原料としては、粒径は特に限定されるものではないが、例えば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、そのまま水熱分解装置５０に供給することができるものとなる。
【００２７】
また、水熱分解装置５０における、反応温度は１８０℃〜２４０℃の範囲とするのが好ましい。さらに好ましくは２００℃〜２３０℃とするのがよい。
これは、１８０℃未満の低温では、水熱分解速度が小さく、長い分解時間が必要となり、装置の大型化につながり、好ましくないからである。一方２４０℃を超える温度では、分解速度が過大となり、セルロース成分が固体から液体側へ移行を増大すると共に、ヘミセルロース系糖類の過分解が促進され、好ましくないからである。
また、ヘミセルロース成分は約１４０℃付近から、セルロースは約２３０℃付近から、リグニン成分は１４０℃付近から溶解するが、セルロースを固形分側に残し、且つヘミセルロース成分及びリグニン成分が十分な分解速度を持つ１８０℃〜２４０℃の範囲とするのがよい。
【００２８】
また、反応圧力は装置本体５３の内部が加圧熱水５５の状態となる、各温度の水の飽和蒸気圧に更に０．１〜０．５ＭＰａほどの高い圧力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。
【００２９】
また、水熱分解装置５０は、バイオマス原料５１と加圧熱水５５とを対向接触する際に、均一な加圧熱水流れとすることが好ましい。
【００３０】
このような水熱分解装置５０を用いることで、本発明におけるバイオマス高温処理液１０１Ａを得ることができる。
【００３１】
本発明における、加圧熱水５５は、アルカリ性、中性、酸性いずれのｐＨでもよく、例えばアルカリ性であれば、水酸化ナトリウム、消石灰、アンモニアなどを使用でき、また酸性であれば、希硫酸、塩酸、燐酸などを使用することができる。加圧熱水５５は、アルカリ性、もしくは、酸性であれば、効率的にバイオマスの前処理を進められるといった利点を有する。但し、その一方で、酵素投入前までにｐＨ調整を行う必要があり、ｐＨ調整の薬品あるいはｐＨ調整装置を設置しなければならないという欠点を有する。
【００３２】
図１は、実施例１に係るバイオマスを原料とする発酵装置の概略図である。
次に、前記図７の水熱処理装置５０で排出されたバイオマス高温処理液１０１Ａを冷却する冷却手段９０と、冷却された処理液１０１Ｂを用いて酵素により糖化する酵素糖化槽１０３と、前記酵素糖化槽１０３から抜き出した糖液１０４に含まれる水難溶性発酵阻害物質を除去する固液分離装置１１２および精密濾過（Ｍｉｃｒｏｆｉｌｔｌａｔｉｏｎ：ＭＦ）膜１１３ａを備えた異物除去部１１３と、前記異物除去部１１３の後流側に設けられ、水難溶性発酵阻害物質を除去した糖液１０４に水を添加して希釈する希釈槽１３２と、希釈した糖液１０４から水１１４を除去して、濃縮糖液１１５を得る逆浸透（Ｒｅｖｅｒｓｅ Ｏｓｍｏｓｉｓ：ＲＯ）膜１１６ａを備えた水分分離部１１６と、前記濃縮糖液１１５を用いて発酵を行う発酵タンク１４１とを有するバイオマスを原料とする発酵装置２００Ａに関して図１の概略図を用いて説明する。
【００３３】
この発酵タンク１４１には酵母１４２が添加され、発酵液１４３が得られる。発酵液１４３は、別途蒸留処理がなされて目的の発酵産物が得られる。
【００３４】
本実施例では、前記酵素糖化槽１０３から抜き出した糖液１０４に含まれる水難溶性発酵阻害物質を除去する装置として、固液分離装置１１２と、さらにその後流側に精密濾過（Ｍｉｃｒｏｆｉｌｔｌａｔｉｏｎ：ＭＦ）膜１１３ａを備えた異物除去部１１３とを配置している。
【００３５】
この水難溶性発酵阻害物質を除去する装置を設けることにより、バイオマス原料を高温・高圧条件で分解した際に発生するバイオマス高温処理液から水難溶性発酵阻害物質を除去し、不純物の少ない糖液を得ることができ、良好な発酵を行うことができる。
【００３６】
ここで、本発明で、水難溶性発酵阻害物質とは、後述する試験例に示すように、その物質の詳細は解明がなされていないが、一般に発酵阻害物質として公知のフルフラール、ＨＭＦ（５−ヒドリキシメチルフルフラール）とは異なる物質であることが、本発明者等により確認された。
【００３７】
例えば、公知の水熱分解処理においては、前述したようにバイオマスと加圧熱水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おり、その際の反応条件が内部温度１８０℃〜２４０℃の高温状態であると共に、その各温度における水の飽和蒸気に対して、更に０．１から０．４ＭＰａ高い圧力を加えているので、その反応後のバイオマス高温処理液（熱水排出液）中には、リグニン等の反応分解物が含まれている。
【００３８】
このバイオマス高温処理液に溶解した熱水可溶分は、後工程の糖化工程においては、酵素糖化温度（例えば６０℃以下）まで冷却されるので、一度熱水中に溶解した熱水可溶分の一部が析出し、固化あるいはコロイド状となり、水難溶性物質となる。
すなわち、常温でバイオマス原料を分解処理するような場合には、この水難溶性物質は液体側には存在しないものであるので、バイオマス高温処理液における特異な物質であると推定される。
【００３９】
本発明では、このような水難溶性発酵阻害物質を、糖液精製手段１１０により除去することで、糖化処理における精製がなされ、その後の発酵工程においては、良好な発酵処理を行うことが可能となり、後述する試験例に示すように例えばアルコール発酵の発酵効率の向上を図ることができる。
【００４０】
ここで、前記糖液精製手段１１０は、図１に示すように、酵素糖化槽１０３から抜き出した糖液１０４から、水難溶性発酵阻害物質を含むリグニン等固形残渣１１１を分離する固液分離装置１１２と、固液分離装置１１２で分離した糖液１０４から残存する水難溶性発酵阻害物質をさらに除去する、精密濾過（Ｍｉｃｒｏｆｉｌｔｌａｔｉｏｎ：ＭＦ）膜１１３ａを備えた異物除去部１１３とを有するものである。
【００４１】
前記固液分離部１１２は、例えばスクリューデカンタ、砂濾過装置、ＭＦ膜等を用いることができ、これにより固形物を除去してＲＯ膜１１６ａの保護を図るようにしている。
【００４２】
本実施例に係るバイオマスを原料とするアルコール発酵装置２００Ａでは、水難溶性発酵阻害物質を除去した糖液１０４に、水（ＲＯ水）１３１を添加して希釈する希釈槽１３２を有するものである。なお、図１中、符号Ｐ6は、糖液１０４を希釈槽１３２に送液する送液ポンプを図示する。
【００４３】
これは、固形物除去前に水を添加する場合には、水難溶性発酵阻害物質の溶解度分だけ溶解し、発酵阻害物質濃度は低下しないが、水難溶性発酵阻害物質を除去した後に、水で希釈することで、リグニン等の分解物以外の有機酸（例えば酢酸）等の除去も可能となると共に、後工程において高効率な発酵が可能となる。
【００４４】
この希釈槽１３２で希釈された希釈水１３３は、水１１４がＲＯ（Ｒｅｖｅｒｓｅ Ｏｓｍｏｓｉｓ：ＲＯ）膜１１６ａを有する水分分離部１１６で分離され、所定の濃度に濃縮され、濃縮糖液１１５を得ている。
【００４５】
次いで、前記濃縮糖液１１５は発酵タンク１４１に送られ、酵母１４２が添加され、発酵液１４３を得る。
【００４６】
また、水分分離部１１６には、ルーズＲＯ膜、ナノ濾過膜（Ｎａｎｏｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ Ｍｅｍｂｒａｎｅ：ＮＦ膜）等を用いてもよい。
【００４７】
本実施例では、この水難溶性発酵阻害物質を含むリグニン等固形残渣１１１を除去するために、固液分離装置１１２の固液分離処理と、異物除去部１１３の膜処理とを行うことで、効果的に発酵阻害物質の除去が可能となる。
【００４８】
特に、熱水可溶分であるヘミセルロースを糖化した糖液（Ｃ５糖）を発酵する発酵菌は、エタノール耐性、発酵阻害物質耐性が弱いものが多く、発酵菌の耐性に合わせることが重要であるが、本発明によりそれが可能となる。遺伝子組み換え酵母を用いることができない発酵では、発酵菌の耐性の問題は特に顕著となるので、本発明によりこれが解決されることとなる。
【００４９】
また、糖液１０４処理中において、水難溶性発酵阻害物質を含むリグニン等の分解物を除去するので、後流側に設置する水分分離のためのＲＯ膜１１６ａに対しての異物の析出が防止でき、ＲＯ膜１１６ａの膜寿命の延命化を図ることが可能となる。
【００５０】
次に、このバイオマスを用いたアルコール発酵装置２００Ａの処理手順について説明する。
本発明の熱水排出液は主にヘミセルロース成分を含むので、この熱水可溶分を五炭糖（Ｃ５糖）等に酵素糖化するＣ５糖化・膜処理を行う際に、糖液の精製を行うものである。
【００５１】
＜酵素糖化工程＞
先ず、前記酵素糖化槽１０３において、バイオマス高温処理液（熱水排出液）１０１Ａが導入され、酵素１０２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。
【００５２】
＜固液分離工程＞
次に、糖液１０４は第１の糖液タンク１２１に貯留される。その後、固液分離装置１１２により水難溶性発酵阻害物質を含むリグニン等固形残渣１１１が分離され、その後糖液１０４は第２の糖液タンク１２２に貯留される。
【００５３】
＜異物除去工程＞
次に、糖液１０４は、ＭＦ膜１１３ａを備えた異物除去部１１３によりさらに残存する水難溶性発酵阻害物質を含むリグニン等固形残渣１１１等の異物が膜分離され、その後糖液１０４は希釈槽１３２に貯留される。
除去されない異物を含む糖液１０４は、第１の糖液タンク１２１又は第２の糖液タンク１２２に戻すようにしている。
【００５４】
＜糖液希釈工程＞
次に、水難溶性発酵阻害物質を除去した糖液１０４は、希釈槽１３２で水（ＲＯ水）１３１が添加されて希釈水１３３を得る。
【００５５】
＜糖濃縮工程＞
次に、希釈水１３３は、ＲＯ膜１１６ａを備えた水分分離部１１６により水１１４が除去され、濃縮糖液１１５を得る。
【００５６】
また、糖液精製手段１１０で精製され、水難溶解性物質等を除去した濃縮糖液１１５の濁度又は吸光度のいずれか一方又は両方を測定する第１の測定部（例えば濁度計及び／又は吸光度計）を有するようにしてもよい。
【００５７】
ここで、第１の測定部で濁度及び／又は吸光度を測定する目的は、濃縮糖液１１５の不純物除去の度合い（糖液１０４の清澄度の目安）を監視するためである。
【００５８】
この結果、濃縮糖液１１５中に水難溶解性物質等が十分除去されていることの確認が可能となり、これにより、清澄の程度により、濁度計及び／又は吸光度計で糖液１０４の品質管理ができることとなる。
【００５９】
また、第１の測定部において、糖液１０４が十分清澄であることが把握されているため、後工程の酵母１４２等の増殖による清澄の程度の変化、すなわち、清澄の程度の増減により、第２の測定部において発酵工程のエタノール製造プロセス管理ができることとなる。
【００６０】
＜発酵工程＞
次に、前記糖液精製手段１１０で精製され、濃縮糖液１１５が発酵タンク１４１に導入され、酵母１４２が添加され、発酵工程における例えばアルコール発酵がなされる。
なお、図１中、符号Ｍ1〜Ｍ4は、酵素糖化槽１０３及び第１〜第３の糖液タンク１２１〜１２３の攪拌手段を駆動するモータ、Ｍ5は、発酵タンク１４１を攪拌する攪拌手段を駆動するモータ、Ｐ1〜Ｐ4は、糖液１０４を送液する送液ポンプ、Ｐ5は、エタノール発酵液１４３を送液する送液ポンプを各々図示する。
【００６１】
以上述べたように、本実施例によれば、バイオマス原料を高温・高圧条件で分解した際に発生するバイオマス高温処理液１０１Ａに含まれる水難溶性発酵阻害物質等を糖液精製手段１１０により除去することで、不純物の少ない糖液を得ることができ、その後のアルコール発酵工程での発酵処理における発酵阻害の抑制を図ることができ、良好な発酵を行うことができる。
【実施例２】
【００６２】
次に、バイオマスを原料とする発酵装置について、図面を参照して説明する。
図２は、実施例２に係るバイオマスを原料とする発酵装置の概略図である。なお、実施例１の装置と同一部材については、同一符号を付してその説明は省略する。
図２に示すように、バイオマスを原料とする発酵装置２００Ｂは、図１に示す実施例１と異なる構成の糖液精製手段１１０を設けたものである。
図２に示す糖液精製手段１１０は、酵素糖化槽１０３から抜き出した糖液１０４を貯留する糖液精製槽１５１と、前記糖液精製槽１５１からの第１の循環ラインＬ1に介装され、抜き出した糖液１０４から水難溶性発酵阻害物質（リグニン等固形残渣１１１）を除去する固液分離部（例えば遠心分離）１１２と、前記糖液精製槽１５１からの第２の循環ラインＬ2に介装され、抜き出した糖液１０４から水難溶性発酵阻害物質を除去する精密濾過（Ｍｉｃｒｏｆｉｌｔｌａｔｉｏｎ：ＭＦ）膜１１３ａを備えた異物除去部１１３とを有するものである。
なお、図２中、符号Ｍ6は、糖液精製槽１５１の攪拌手段を駆動するモータを図示する。
【００６３】
実施例１の糖液精製手段１１０においては、順次膜処理を行っていたが、実施例２の糖液精製手段１１０では、糖液精製槽１５１において、二つの循環ライン（第１の循環ラインＬ1及び第２の循環ラインＬ2）を有しているので、水難溶性発酵阻害物質（リグニン等固形残渣１１１）の濃度の状況に応じた処理を行うことができる。
【００６４】
すなわち、水難溶性発酵阻害物質（リグニン等固形残渣）の割合が所定値よりも高い場合には、第１の循環ラインＬ1及び第２の循環ラインＬ2との併用処理を行い、水難溶性発酵阻害物質を除去するようにしている。
なお、水難溶性発酵阻害物質が少ない場合には、第２の循環ラインＬ2を用いての膜処理のみを行うことができる。なお、必要に応じて固液分離処理を行うようにしてもよい。
【実施例３】
【００６５】
次に、本発明に係るバイオマスを原料とした発酵装置について、図面を参照して説明する。
図３は、実施例３に係るバイオマスを原料とした発酵装置の概略図である。なお、実施例１及び３の装置と同一部材については、同一符号を付してその説明は省略する。
図３に示すように、バイオマスを原料としたアルコール発酵装置２００Ｃは、実施例２の糖液精製手段１１０における前記酵素糖化槽１０３と前記糖液精製槽１５１とを一体化した糖液精製槽１６１としている。
図中、符号Ｍ7は、糖液精製槽１６１の攪拌手段を駆動するモータを図示する。
【００６６】
これにより、実施例２においては、酵素糖化槽１０３と糖液精製槽１５１を別々に設置していたが、本実施例ではこれらを一体化することで、設置スペースの省略化を図ることができる。
【００６７】
［試験例１］
＜水難溶性発酵阻害物の確認試験＞
冷却したバイオマス高温処理液と各種溶媒とを１対９の割合で混合し、高速液体クロマトグラフィー装置を用いて、その確認を行った。
【００６８】
バイオマス高温処理液は、図７に示す水熱分解装置５０を用い、稲藁を１８０℃の加圧条件下で水熱分解させたものであり、その熱水排出液１０１Ａを用いた。
【００６９】
用いた溶媒は、アセトニトリル、アセトン、メタノールであり、いずれも極性溶媒である。また比較例として、「Ｍｉｌｌｉ−Ｑ」（商品名）で濾過した純水を用いた。
【００７０】
操作は、これらの溶剤及び水に対して、冷却後のバイオマス高温処理液を混合し、冷蔵庫（４℃）内で一晩静置した。
その後、遠心分離操作（１５，０００ｒｐｍ、１０分、４℃）を行い、その上澄み液を回収して、フィルター（０．４５μｍ）で処理した。
【００７１】
このフィルター処理した後の試験液（試験１−１：アセトニトリル、試験１−２：アセトン、試験１−３：メタノール、試験１−４：純水）を高速液体クロマトグラフィー（ＨＰＬＣ）により分析した。
用いたカラムは、ＯＤＳカラム（ｓｙｎｅｒｇｉ ４μ Ｈｙｄｒｏ−ＲＰ８０Ａ ４．６ｘ２５０ｍｍ：Ｐｈｅｎｏｍｅｎｅｘ社製）を用いた。
溶離液は、水−アセトニトリル溶剤で、アセトニトリルの濃度を８％から１００％にグラジェント処理した。
検出波長は２２０ｎｍとした。
【００７２】
この結果を図４及び表１に示す。
【００７３】
【表１】
【００７４】
図４は、高速液体クロマトグラフィーの計測チャートである。
図４及び表１に示すように、既知の発酵阻害物質であるＨＭＦ（５−ヒドリキシメチルフルフラール：溶離時間が６．５分付近）、フルフラール（溶離時間が１０．５分付近）については、試験１−１〜１−４の全てにおいて検出された。
これに対し、溶離時間が２２．６分付近において、試験１−１〜１−３では未知の成分が確認された。なお、試験１−４ではこの未知のピーク成分は検出されなかった。
よって、バイオマス高温処理液中には、水難溶性の物質が混在していることが判明した。
【００７５】
［試験例２］
＜水難溶性発酵阻害物の有無による発酵試験＞
冷却後のバイオマス高温処理液を用いた糖化液用いて、発酵を行い、この発酵の際におけるＣＯ2の減少量を比較した。
【００７６】
使用菌株は、ピキア・スティピティス ＮＢＲＣ１６８７（標準株）を用いた。
前培養条件は、培地として１０ｍＬ ＹＰＤ（１％ イースト抽出液、２％ペプトン、２％グルコース）を用いて、３０℃、１２０ｒｐｍで振とう培養した。
発酵は、前発酵した液をフィルター（０．４５μｍ）で濾過したものと、該フィルター（０．４５μｍ）で濾過しないものとを準備し、発酵を行った。
エタノール発酵条件は、発酵液１００ｍＬとし３０℃で１２０ｒｐｍ振とう培養を行った。
【００７７】
発酵条件及び試験結果を表２及び表３に示す。
【００７８】
【表２】
【００７９】
【表３】
【００８０】
図５及び図６は、エタノール発酵試験における二酸化炭素の減少量の結果を示す図である。横軸は時間であり、縦軸はＣＯ2減少量である。
【００８１】
図５及び図６に示すように、発酵試験の結果、試験２−１（栄養源なし、フィルターなし）の場合に対して、試験２−２（栄養源なし、フィルターあり）の場合には、約９０時間経過前後から、二酸化炭素の減少量に差が現れた。
【００８２】
試験２−３（栄養源あり、フィルターなし）の場合に対して、試験２−４（栄養源あり、フィルターあり）の場合には、約２０時間経過前後から、二酸化炭素の減少量に差が現れ、その後大幅に減少量が拡大された。
【００８３】
また、試験２−２の発酵効率は１１％、試験２−４の発酵効率は３８％であった。
【００８４】
よって、フィルター（０．４５μｍ）を用いて処理することにより、水難溶性発酵阻害物質の除去がなされ、発酵が良好に行われることを確認した。
【００８５】
このように、水難溶性発酵阻害物質を糖液精製手段により除去することで、不純物の少ない糖液を得ることができ、後工程でのアルコール発酵処理における発酵阻害の大幅な抑制ができることが判明した。
【符号の説明】
【００８６】
５０ 水熱分解装置
５１ バイオマス原料
５２ バイオマス供給部
５３ 装置本体
５４ 搬送スクリュー手段
５５ 加圧熱水
５６ バイオマス固形分
５７ バイオマス抜出部
９０ 冷却手段
１０１Ａ バイオマス高温処理液（熱水排出液）
１０１Ｂ 冷却された処理液
１０２ 酵素
１０３ 酵素糖化槽
１０４ 糖液
１１０ 糖液精製手段
１４１ 発酵タンク
１４２ 酵母
２００Ａ〜２００Ｄ バイオマスを原料としたアルコール発酵装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バイオマス原料を高温高圧処理、酵素処理、さらに得られた糖液を精製装置、発酵装置を含む装置に関するものであり、効率的な酵素処理および発酵を行う装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
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）。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
さらに、元来、澱粉原料に較べて発酵原料に不利な方法で、ごみ問題、地球温暖化防止対応などを目標に考えるのであるから、原料を固定的に考えた生産システムでは意味が薄れる。広く一般の廃棄物に適用できなければならない。酵素糖化法そのものも、効率が悪すぎて、将来課題とされているのが現状である。酸処理による糖化率も、過剰反応による糖の過分解などで、およそ７５％（糖化可能成分基準）前後とかなり小さい値となっている。従って、セルロース系資源に対して、エタノール生産収率はおよそ２５％に止まっている（非特許文献１、特許文献３）。
【０００７】
なお、特許文献１乃至３の従来の技術では、副反応生成物が酵素糖化阻害を引起し糖収率が減少する現象が起きていたので、酵素糖化阻害物質を除去し、セルロース主体による酵素糖化性を高める水熱分解装置の提案を先にした（特許文献４及び５）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特表平９−５０７３８６号公報
【特許文献２】特表平１１−５０６９３４号公報
【特許文献３】特開２００５−１６８３３５号公報
【特許文献４】特開２００９−１８３８０５号公報
【特許文献５】特開２００９−１８３１５４号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】日経バイオビジネス、ｐ．５２、2002年9月
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
前述した特許文献４及び５における水熱分解装置の提案では、バイオマスと加圧熱水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が、内部温度が１８０〜２４０℃の高温状態であると共に、その各温度における水の飽和蒸気に対して、更に０．１から０．４ＭＰａ高い圧力を加えて分解処理しているので、その反応後のバイオマス高温処理液（熱水排出液）中には、リグニン等の分解物が含まれている。
【００１１】
このバイオマス高温処理液に溶解した熱水可溶分は、後工程の糖化工程においては、酵素糖化温度まで冷却（例えば６０℃以下）されるので、一度熱水中に溶解した熱水可溶分の一部が析出し、固化あるいはコロイド状の水難溶性物質を生成することが判明した。さらに、本発明では、この水難溶性物質が、後工程における発酵工程における微生物の生育および発酵生産において阻害的な作用があり、水難溶性発酵阻害物質であることを見出した。
【００１２】
すなわち、本発明では、前記課題、バイオマス原料を高温・高圧条件で分解した際に発生する水難溶性発酵阻害物質を、酵素糖化後に、効率的に除去する装置を含むバイオマスを原料とする発酵装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の第１の発明は、少なくともセルロース、ヘミセルロース及びリグニンを含むバイオマス原料と加圧熱水とを対向接触させつつ１８０℃〜２４０℃の温度範囲で高温高圧処理する水熱分解装置と、前記装置で排出したバイオマス高温処理液を冷却する冷却手段と、冷却された処理液を用いて酵素により糖化する酵素糖化槽と、前記酵素糖化槽から抜き出した糖液に含まれる水難溶性発酵阻害物質を除去する固液分離装置と、精密濾過（Ｍｉｃｒｏｆｉｌｔｌａｔｉｏｎ：ＭＦ）膜を備えた異物除去部と、前記異物除去部の後流側に設けられ、水難溶性発酵阻害物質を除去した糖液に水を添加して希釈する希釈槽と、希釈した糖液から水を除去して、濃縮糖液を得る逆浸透（Ｒｅｖｅｒｓｅ Ｏｓｍｏｓｉｓ：ＲＯ）膜を備えた水分分離部と、前記濃縮糖液を用いて発酵を行う発酵槽とを有するバイオマスを原料とする発酵装置にある。
【００１４】
第２の発明は、第１の発明において、前記酵素糖化槽から抜き出した糖液を貯留する糖液精製槽と、前記糖液精製槽からの第１の循環ラインに介装され、抜き出した糖液から水難溶性発酵阻害物質を除去する固液分離装置と、前記糖液精製槽からの第２の循環ラインに介装され、抜き出した糖液から水難溶性発酵阻害物質を除去する精密濾過（Ｍｉｃｒｏｆｉｌｔｌａｔｉｏｎ：ＭＦ）膜を備えた異物除去部とを有することを特徴とするバイオマスを原料とする発酵装置にある。
【００１５】
第３の発明は、第２の発明において、前記酵素糖化槽と前記糖液精製槽とを一体化してなることを特徴とするバイオマス高温処理液を用いたバイオマスを原料とする発酵装置にある。
【００１６】
第４の発明は、第３の発明において、前記異物除去部で処理され、水難溶性物質を除去した糖液に水を添加して希釈する希釈槽と、水希釈糖液から水を分離する逆浸透（ＲＯ）膜を有する水分分離部とを有することを特徴とするバイオマスを原料とする発酵装置にある。
【００１７】
第５の発明は、第１乃至４のいずれか一つの発明において、水難溶解性発酵阻害物質を除去した糖液の濁度又は吸光度のいずれか一方又は両方を測定する第１の測定部を有することを特徴とするバイオマスを原料とする発酵装置にある。
【００１８】
第６の発明は、第５の発明において、さらに酵母を添加した後の糖液の濁度又は吸光度のいずれか一方又は両方を測定する第２の測定部を有することを特徴とするバイオマスを原料とする発酵装置にある。
【発明の効果】
【００１９】
本発明装置によれば、少なくともセルロース、ヘミセルロース及びリグニンを含むバイオマス原料と加圧熱水とを対向接触させつつ１８０℃〜２４０℃で高温高圧処理した際に生成する水難溶性発酵阻害物質を完全に除去し、不純物の少ない糖液を得ることができる。またその結果、後段の逆浸透膜による糖液の濃縮が可能になり、従来より高濃度の糖液を製造することができる。以上糖液の改善に伴い、発酵阻害を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】図１は、実施例１に係るバイオマスを原料とする発酵装置の概略図である。
【図２】図２は、実施例２に係るバイオマスを原料とする発酵装置の概略図である。
【図３】図３は、実施例３に係るバイオマスを原料とする発酵装置の概略図である。
【図４】図４は、高速液体クロマトグラフィーの計測チャートである。
【図５】図５は、エタノール発酵試験における二酸化炭素の減少量の結果を示す図である。
【図６】図６は、エタノール発酵試験における二酸化炭素の減少量の結果を示す図である。
【図７】図７は、実施例１に係るバイオマスの水熱分解装置を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
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。
【実施例１】
【００２２】
本発明に係るバイオマス原料からの発酵装置について、図面を参照して説明する。
図７は、実施例１に係るバイオマスの水熱分解装置を示す概略図である。
まず、「少なくともセルロース、ヘミセルロース及びリグニンを含むバイオマス原料と加圧熱水とを対向接触させつつ１８０℃〜２４０℃の温度範囲で高温高圧処理する水熱分解装置５０」に関して図７を使用して説明する。
水熱分解装置５０は、図７に示すように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、傾斜型や水平型の水熱分解装置としてもよい。なお、水熱分解装置としては、傾斜型又は垂直型がより好ましい。これは、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５５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からである。
【００２３】
本実施例に係る水熱分解装置５０では、搬送スクリュー手段５４を設けることにより、１）固液カウンターフローでの固形分の搬送が可能となる。２）装置本体５３内で固液の分離が可能となる。３）装置本体５３内で固体表面、固体中の加圧熱水５５の混合が進み反応が促進される。
【００２４】
本実施例に係る水熱分解装置５０は、バイオマス供給装置５２によりバイオマス原料（本実施例では、例えば麦わら等）１１を常圧下から加圧下に供給し、前記バイオマス原料１１の供給とは異なる端部側から加圧熱水１５を装置本体５３内部に供給し、バイオマス原料１１と加圧熱水５５とを対向接触させつつ水熱分解し、加圧熱水５５中にリグニン成分及びヘミセルロース成分を移行し、バイオマス原料５１中からリグニン成分及びヘミセルロース成分を分離し、バイオマス抜出装置５７により、バイオマス固形分５６を加圧下から常圧下に抜出している。図中符号５８は加圧窒素を図示する。
【００２５】
ここで、前記水熱分解装置５０に供給するバイオマス原料としては、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。
【００２６】
また、前記バイオマス原料としては、粒径は特に限定されるものではないが、例えば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、そのまま水熱分解装置５０に供給することができるものとなる。
【００２７】
また、水熱分解装置５０における、反応温度は１８０℃〜２４０℃の範囲とするのが好ましい。さらに好ましくは２００℃〜２３０℃とするのがよい。
これは、１８０℃未満の低温では、水熱分解速度が小さく、長い分解時間が必要となり、装置の大型化につながり、好ましくないからである。一方２４０℃を超える温度では、分解速度が過大となり、セルロース成分が固体から液体側へ移行を増大すると共に、ヘミセルロース系糖類の過分解が促進され、好ましくないからである。
また、ヘミセルロース成分は約１４０℃付近から、セルロースは約２３０℃付近から、リグニン成分は１４０℃付近から溶解するが、セルロースを固形分側に残し、且つヘミセルロース成分及びリグニン成分が十分な分解速度を持つ１８０℃〜２４０℃の範囲とするのがよい。
【００２８】
また、反応圧力は装置本体５３の内部が加圧熱水５５の状態となる、各温度の水の飽和蒸気圧に更に０．１〜０．５ＭＰａほどの高い圧力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。
【００２９】
また、水熱分解装置５０は、バイオマス原料５１と加圧熱水５５とを対向接触する際に、均一な加圧熱水流れとすることが好ましい。
【００３０】
このような水熱分解装置５０を用いることで、本発明におけるバイオマス高温処理液１０１Ａを得ることができる。
【００３１】
本発明における、加圧熱水５５は、アルカリ性、中性、酸性いずれのｐＨでもよく、例えばアルカリ性であれば、水酸化ナトリウム、消石灰、アンモニアなどを使用でき、また酸性であれば、希硫酸、塩酸、燐酸などを使用することができる。加圧熱水５５は、アルカリ性、もしくは、酸性であれば、効率的にバイオマスの前処理を進められるといった利点を有する。但し、その一方で、酵素投入前までにｐＨ調整を行う必要があり、ｐＨ調整の薬品あるいはｐＨ調整装置を設置しなければならないという欠点を有する。
【００３２】
図１は、実施例１に係るバイオマスを原料とする発酵装置の概略図である。
次に、前記図７の水熱処理装置５０で排出されたバイオマス高温処理液１０１Ａを冷却する冷却手段９０と、冷却された処理液１０１Ｂを用いて酵素により糖化する酵素糖化槽１０３と、前記酵素糖化槽１０３から抜き出した糖液１０４に含まれる水難溶性発酵阻害物質を除去する固液分離装置１１２および精密濾過（Ｍｉｃｒｏｆｉｌｔｌａｔｉｏｎ：ＭＦ）膜１１３ａを備えた異物除去部１１３と、前記異物除去部１１３の後流側に設けられ、水難溶性発酵阻害物質を除去した糖液１０４に水を添加して希釈する希釈槽１３２と、希釈した糖液１０４から水１１４を除去して、濃縮糖液１１５を得る逆浸透（Ｒｅｖｅｒｓｅ Ｏｓｍｏｓｉｓ：ＲＯ）膜１１６ａを備えた水分分離部１１６と、前記濃縮糖液１１５を用いて発酵を行う発酵タンク１４１とを有するバイオマスを原料とする発酵装置２００Ａに関して図１の概略図を用いて説明する。
【００３３】
この発酵タンク１４１には酵母１４２が添加され、発酵液１４３が得られる。発酵液１４３は、別途蒸留処理がなされて目的の発酵産物が得られる。
【００３４】
本実施例では、前記酵素糖化槽１０３から抜き出した糖液１０４に含まれる水難溶性発酵阻害物質を除去する装置として、固液分離装置１１２と、さらにその後流側に精密濾過（Ｍｉｃｒｏｆｉｌｔｌａｔｉｏｎ：ＭＦ）膜１１３ａを備えた異物除去部１１３とを配置している。
【００３５】
この水難溶性発酵阻害物質を除去する装置を設けることにより、バイオマス原料を高温・高圧条件で分解した際に発生するバイオマス高温処理液から水難溶性発酵阻害物質を除去し、不純物の少ない糖液を得ることができ、良好な発酵を行うことができる。
【００３６】
ここで、本発明で、水難溶性発酵阻害物質とは、後述する試験例に示すように、その物質の詳細は解明がなされていないが、一般に発酵阻害物質として公知のフルフラール、ＨＭＦ（５−ヒドリキシメチルフルフラール）とは異なる物質であることが、本発明者等により確認された。
【００３７】
例えば、公知の水熱分解処理においては、前述したようにバイオマスと加圧熱水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おり、その際の反応条件が内部温度１８０℃〜２４０℃の高温状態であると共に、その各温度における水の飽和蒸気に対して、更に０．１から０．４ＭＰａ高い圧力を加えているので、その反応後のバイオマス高温処理液（熱水排出液）中には、リグニン等の反応分解物が含まれている。
【００３８】
このバイオマス高温処理液に溶解した熱水可溶分は、後工程の糖化工程においては、酵素糖化温度（例えば６０℃以下）まで冷却されるので、一度熱水中に溶解した熱水可溶分の一部が析出し、固化あるいはコロイド状となり、水難溶性物質となる。
すなわち、常温でバイオマス原料を分解処理するような場合には、この水難溶性物質は液体側には存在しないものであるので、バイオマス高温処理液における特異な物質であると推定される。
【００３９】
本発明では、このような水難溶性発酵阻害物質を、糖液精製手段１１０により除去することで、糖化処理における精製がなされ、その後の発酵工程においては、良好な発酵処理を行うことが可能となり、後述する試験例に示すように例えばアルコール発酵の発酵効率の向上を図ることができる。
【００４０】
ここで、前記糖液精製手段１１０は、図１に示すように、酵素糖化槽１０３から抜き出した糖液１０４から、水難溶性発酵阻害物質を含むリグニン等固形残渣１１１を分離する固液分離装置１１２と、固液分離装置１１２で分離した糖液１０４から残存する水難溶性発酵阻害物質をさらに除去する、精密濾過（Ｍｉｃｒｏｆｉｌｔｌａｔｉｏｎ：ＭＦ）膜１１３ａを備えた異物除去部１１３とを有するものである。
【００４１】
前記固液分離部１１２は、例えばスクリューデカンタ、砂濾過装置、ＭＦ膜等を用いることができ、これにより固形物を除去してＲＯ膜１１６ａの保護を図るようにしている。
【００４２】
本実施例に係るバイオマスを原料とするアルコール発酵装置２００Ａでは、水難溶性発酵阻害物質を除去した糖液１０４に、水（ＲＯ水）１３１を添加して希釈する希釈槽１３２を有するものである。なお、図１中、符号Ｐ6は、糖液１０４を希釈槽１３２に送液する送液ポンプを図示する。
【００４３】
これは、固形物除去前に水を添加する場合には、水難溶性発酵阻害物質の溶解度分だけ溶解し、発酵阻害物質濃度は低下しないが、水難溶性発酵阻害物質を除去した後に、水で希釈することで、リグニン等の分解物以外の有機酸（例えば酢酸）等の除去も可能となると共に、後工程において高効率な発酵が可能となる。
【００４４】
この希釈槽１３２で希釈された希釈水１３３は、水１１４がＲＯ（Ｒｅｖｅｒｓｅ Ｏｓｍｏｓｉｓ：ＲＯ）膜１１６ａを有する水分分離部１１６で分離され、所定の濃度に濃縮され、濃縮糖液１１５を得ている。
【００４５】
次いで、前記濃縮糖液１１５は発酵タンク１４１に送られ、酵母１４２が添加され、発酵液１４３を得る。
【００４６】
また、水分分離部１１６には、ルーズＲＯ膜、ナノ濾過膜（Ｎａｎｏｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ Ｍｅｍｂｒａｎｅ：ＮＦ膜）等を用いてもよい。
【００４７】
本実施例では、この水難溶性発酵阻害物質を含むリグニン等固形残渣１１１を除去するために、固液分離装置１１２の固液分離処理と、異物除去部１１３の膜処理とを行うことで、効果的に発酵阻害物質の除去が可能となる。
【００４８】
特に、熱水可溶分であるヘミセルロースを糖化した糖液（Ｃ５糖）を発酵する発酵菌は、エタノール耐性、発酵阻害物質耐性が弱いものが多く、発酵菌の耐性に合わせることが重要であるが、本発明によりそれが可能となる。遺伝子組み換え酵母を用いることができない発酵では、発酵菌の耐性の問題は特に顕著となるので、本発明によりこれが解決されることとなる。
【００４９】
また、糖液１０４処理中において、水難溶性発酵阻害物質を含むリグニン等の分解物を除去するので、後流側に設置する水分分離のためのＲＯ膜１１６ａに対しての異物の析出が防止でき、ＲＯ膜１１６ａの膜寿命の延命化を図ることが可能となる。
【００５０】
次に、このバイオマスを用いたアルコール発酵装置２００Ａの処理手順について説明する。
本発明の熱水排出液は主にヘミセルロース成分を含むので、この熱水可溶分を五炭糖（Ｃ５糖）等に酵素糖化するＣ５糖化・膜処理を行う際に、糖液の精製を行うものである。
【００５１】
＜酵素糖化工程＞
先ず、前記酵素糖化槽１０３において、バイオマス高温処理液（熱水排出液）１０１Ａが導入され、酵素１０２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。
【００５２】
＜固液分離工程＞
次に、糖液１０４は第１の糖液タンク１２１に貯留される。その後、固液分離装置１１２により水難溶性発酵阻害物質を含むリグニン等固形残渣１１１が分離され、その後糖液１０４は第２の糖液タンク１２２に貯留される。
【００５３】
＜異物除去工程＞
次に、糖液１０４は、ＭＦ膜１１３ａを備えた異物除去部１１３によりさらに残存する水難溶性発酵阻害物質を含むリグニン等固形残渣１１１等の異物が膜分離され、その後糖液１０４は希釈槽１３２に貯留される。
除去されない異物を含む糖液１０４は、第１の糖液タンク１２１又は第２の糖液タンク１２２に戻すようにしている。
【００５４】
＜糖液希釈工程＞
次に、水難溶性発酵阻害物質を除去した糖液１０４は、希釈槽１３２で水（ＲＯ水）１３１が添加されて希釈水１３３を得る。
【００５５】
＜糖濃縮工程＞
次に、希釈水１３３は、ＲＯ膜１１６ａを備えた水分分離部１１６により水１１４が除去され、濃縮糖液１１５を得る。
【００５６】
また、糖液精製手段１１０で精製され、水難溶解性物質等を除去した濃縮糖液１１５の濁度又は吸光度のいずれか一方又は両方を測定する第１の測定部（例えば濁度計及び／又は吸光度計）を有するようにしてもよい。
【００５７】
ここで、第１の測定部で濁度及び／又は吸光度を測定する目的は、濃縮糖液１１５の不純物除去の度合い（糖液１０４の清澄度の目安）を監視するためである。
【００５８】
この結果、濃縮糖液１１５中に水難溶解性物質等が十分除去されていることの確認が可能となり、これにより、清澄の程度により、濁度計及び／又は吸光度計で糖液１０４の品質管理ができることとなる。
【００５９】
また、第１の測定部において、糖液１０４が十分清澄であることが把握されているため、後工程の酵母１４２等の増殖による清澄の程度の変化、すなわち、清澄の程度の増減により、第２の測定部において発酵工程のエタノール製造プロセス管理ができることとなる。
【００６０】
＜発酵工程＞
次に、前記糖液精製手段１１０で精製され、濃縮糖液１１５が発酵タンク１４１に導入され、酵母１４２が添加され、発酵工程における例えばアルコール発酵がなされる。
なお、図１中、符号Ｍ1〜Ｍ4は、酵素糖化槽１０３及び第１〜第３の糖液タンク１２１〜１２３の攪拌手段を駆動するモータ、Ｍ5は、発酵タンク１４１を攪拌する攪拌手段を駆動するモータ、Ｐ1〜Ｐ4は、糖液１０４を送液する送液ポンプ、Ｐ5は、エタノール発酵液１４３を送液する送液ポンプを各々図示する。
【００６１】
以上述べたように、本実施例によれば、バイオマス原料を高温・高圧条件で分解した際に発生するバイオマス高温処理液１０１Ａに含まれる水難溶性発酵阻害物質等を糖液精製手段１１０により除去することで、不純物の少ない糖液を得ることができ、その後のアルコール発酵工程での発酵処理における発酵阻害の抑制を図ることができ、良好な発酵を行うことができる。
【実施例２】
【００６２】
次に、バイオマスを原料とする発酵装置について、図面を参照して説明する。
図２は、実施例２に係るバイオマスを原料とする発酵装置の概略図である。なお、実施例１の装置と同一部材については、同一符号を付してその説明は省略する。
図２に示すように、バイオマスを原料とする発酵装置２００Ｂは、図１に示す実施例１と異なる構成の糖液精製手段１１０を設けたものである。
図２に示す糖液精製手段１１０は、酵素糖化槽１０３から抜き出した糖液１０４を貯留する糖液精製槽１５１と、前記糖液精製槽１５１からの第１の循環ラインＬ1に介装され、抜き出した糖液１０４から水難溶性発酵阻害物質（リグニン等固形残渣１１１）を除去する固液分離部（例えば遠心分離）１１２と、前記糖液精製槽１５１からの第２の循環ラインＬ2に介装され、抜き出した糖液１０４から水難溶性発酵阻害物質を除去する精密濾過（Ｍｉｃｒｏｆｉｌｔｌａｔｉｏｎ：ＭＦ）膜１１３ａを備えた異物除去部１１３とを有するものである。
なお、図２中、符号Ｍ6は、糖液精製槽１５１の攪拌手段を駆動するモータを図示する。
【００６３】
実施例１の糖液精製手段１１０においては、順次膜処理を行っていたが、実施例２の糖液精製手段１１０では、糖液精製槽１５１において、二つの循環ライン（第１の循環ラインＬ1及び第２の循環ラインＬ2）を有しているので、水難溶性発酵阻害物質（リグニン等固形残渣１１１）の濃度の状況に応じた処理を行うことができる。
【００６４】
すなわち、水難溶性発酵阻害物質（リグニン等固形残渣）の割合が所定値よりも高い場合には、第１の循環ラインＬ1及び第２の循環ラインＬ2との併用処理を行い、水難溶性発酵阻害物質を除去するようにしている。
なお、水難溶性発酵阻害物質が少ない場合には、第２の循環ラインＬ2を用いての膜処理のみを行うことができる。なお、必要に応じて固液分離処理を行うようにしてもよい。
【実施例３】
【００６５】
次に、本発明に係るバイオマスを原料とした発酵装置について、図面を参照して説明する。
図３は、実施例３に係るバイオマスを原料とした発酵装置の概略図である。なお、実施例１及び３の装置と同一部材については、同一符号を付してその説明は省略する。
図３に示すように、バイオマスを原料としたアルコール発酵装置２００Ｃは、実施例２の糖液精製手段１１０における前記酵素糖化槽１０３と前記糖液精製槽１５１とを一体化した糖液精製槽１６１としている。
図中、符号Ｍ7は、糖液精製槽１６１の攪拌手段を駆動するモータを図示する。
【００６６】
これにより、実施例２においては、酵素糖化槽１０３と糖液精製槽１５１を別々に設置していたが、本実施例ではこれらを一体化することで、設置スペースの省略化を図ることができる。
【００６７】
［試験例１］
＜水難溶性発酵阻害物の確認試験＞
冷却したバイオマス高温処理液と各種溶媒とを１対９の割合で混合し、高速液体クロマトグラフィー装置を用いて、その確認を行った。
【００６８】
バイオマス高温処理液は、図７に示す水熱分解装置５０を用い、稲藁を１８０℃の加圧条件下で水熱分解させたものであり、その熱水排出液１０１Ａを用いた。
【００６９】
用いた溶媒は、アセトニトリル、アセトン、メタノールであり、いずれも極性溶媒である。また比較例として、「Ｍｉｌｌｉ−Ｑ」（商品名）で濾過した純水を用いた。
【００７０】
操作は、これらの溶剤及び水に対して、冷却後のバイオマス高温処理液を混合し、冷蔵庫（４℃）内で一晩静置した。
その後、遠心分離操作（１５，０００ｒｐｍ、１０分、４℃）を行い、その上澄み液を回収して、フィルター（０．４５μｍ）で処理した。
【００７１】
このフィルター処理した後の試験液（試験１−１：アセトニトリル、試験１−２：アセトン、試験１−３：メタノール、試験１−４：純水）を高速液体クロマトグラフィー（ＨＰＬＣ）により分析した。
用いたカラムは、ＯＤＳカラム（ｓｙｎｅｒｇｉ ４μ Ｈｙｄｒｏ−ＲＰ８０Ａ ４．６ｘ２５０ｍｍ：Ｐｈｅｎｏｍｅｎｅｘ社製）を用いた。
溶離液は、水−アセトニトリル溶剤で、アセトニトリルの濃度を８％から１００％にグラジェント処理した。
検出波長は２２０ｎｍとした。
【００７２】
この結果を図４及び表１に示す。
【００７３】
【表１】
【００７４】
図４は、高速液体クロマトグラフィーの計測チャートである。
図４及び表１に示すように、既知の発酵阻害物質であるＨＭＦ（５−ヒドリキシメチルフルフラール：溶離時間が６．５分付近）、フルフラール（溶離時間が１０．５分付近）については、試験１−１〜１−４の全てにおいて検出された。
これに対し、溶離時間が２２．６分付近において、試験１−１〜１−３では未知の成分が確認された。なお、試験１−４ではこの未知のピーク成分は検出されなかった。
よって、バイオマス高温処理液中には、水難溶性の物質が混在していることが判明した。
【００７５】
［試験例２］
＜水難溶性発酵阻害物の有無による発酵試験＞
冷却後のバイオマス高温処理液を用いた糖化液用いて、発酵を行い、この発酵の際におけるＣＯ2の減少量を比較した。
【００７６】
使用菌株は、ピキア・スティピティス ＮＢＲＣ１６８７（標準株）を用いた。
前培養条件は、培地として１０ｍＬ ＹＰＤ（１％ イースト抽出液、２％ペプトン、２％グルコース）を用いて、３０℃、１２０ｒｐｍで振とう培養した。
発酵は、前発酵した液をフィルター（０．４５μｍ）で濾過したものと、該フィルター（０．４５μｍ）で濾過しないものとを準備し、発酵を行った。
エタノール発酵条件は、発酵液１００ｍＬとし３０℃で１２０ｒｐｍ振とう培養を行った。
【００７７】
発酵条件及び試験結果を表２及び表３に示す。
【００７８】
【表２】
【００７９】
【表３】
【００８０】
図５及び図６は、エタノール発酵試験における二酸化炭素の減少量の結果を示す図である。横軸は時間であり、縦軸はＣＯ2減少量である。
【００８１】
図５及び図６に示すように、発酵試験の結果、試験２−１（栄養源なし、フィルターなし）の場合に対して、試験２−２（栄養源なし、フィルターあり）の場合には、約９０時間経過前後から、二酸化炭素の減少量に差が現れた。
【００８２】
試験２−３（栄養源あり、フィルターなし）の場合に対して、試験２−４（栄養源あり、フィルターあり）の場合には、約２０時間経過前後から、二酸化炭素の減少量に差が現れ、その後大幅に減少量が拡大された。
【００８３】
また、試験２−２の発酵効率は１１％、試験２−４の発酵効率は３８％であった。
【００８４】
よって、フィルター（０．４５μｍ）を用いて処理することにより、水難溶性発酵阻害物質の除去がなされ、発酵が良好に行われることを確認した。
【００８５】
このように、水難溶性発酵阻害物質を糖液精製手段により除去することで、不純物の少ない糖液を得ることができ、後工程でのアルコール発酵処理における発酵阻害の大幅な抑制ができることが判明した。
【符号の説明】
【００８６】
５０ 水熱分解装置
５１ バイオマス原料
５２ バイオマス供給部
５３ 装置本体
５４ 搬送スクリュー手段
５５ 加圧熱水
５６ バイオマス固形分
５７ バイオマス抜出部
９０ 冷却手段
１０１Ａ バイオマス高温処理液（熱水排出液）
１０１Ｂ 冷却された処理液
１０２ 酵素
１０３ 酵素糖化槽
１０４ 糖液
１１０ 糖液精製手段
１４１ 発酵タンク
１４２ 酵母
２００Ａ〜２００Ｄ バイオマスを原料としたアルコール発酵装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくともセルロース、ヘミセルロース及びリグニンを含むバイオマス原料と加圧熱水とを対向接触させつつ１８０℃〜２４０℃の温度範囲で高温高圧処理する水熱分解装置と、
前記装置で排出したバイオマス高温処理液を冷却する冷却手段と、
冷却された処理液を用いて酵素により糖化する酵素糖化槽と、
前記酵素糖化槽から抜き出した糖液に含まれる水難溶性発酵阻害物質を除去する固液分離装置と、
精密濾過（Ｍｉｃｒｏｆｉｌｔｌａｔｉｏｎ：ＭＦ）膜を備えた異物除去部と、
前記異物除去部の後流側に設けられ、水難溶性発酵阻害物質を除去した糖液に水を添加して希釈する希釈槽と、
希釈した糖液から水を除去して、濃縮糖液を得る逆浸透（Ｒｅｖｅｒｓｅ Ｏｓｍｏｓｉｓ：ＲＯ）膜を備えた水分分離部と、
前記濃縮糖液を用いて発酵を行う発酵槽とを有するバイオマスを原料とする発酵装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記酵素糖化槽から抜き出した糖液を貯留する糖液精製槽と、
前記糖液精製槽からの第１の循環ラインに介装され、抜き出した糖液から水難溶性発酵阻害物質を除去する固液分離装置と、
前記糖液精製槽からの第２の循環ラインに介装され、抜き出した糖液から水難溶性発酵阻害物質を除去する精密濾過（Ｍｉｃｒｏｆｉｌｔｌａｔｉｏｎ：ＭＦ）膜を備えた異物除去部とを有することを特徴とするバイオマスを原料とする発酵装置。
【請求項３】
請求項２において、
前記酵素糖化槽と前記糖液精製槽とを一体化してなることを特徴とするバイオマス高温処理液を用いたバイオマスを原料とする発酵装置。
【請求項４】
請求項３において、
前記異物除去部で処理され、水難溶性物質を除去した糖液に水を添加して希釈する希釈槽と、水希釈糖液から水を分離する逆浸透（ＲＯ）膜を有する水分分離部とを有することを特徴とするバイオマスを原料とする発酵装置。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか一つにおいて、
水難溶解性発酵阻害物質を除去した糖液の濁度又は吸光度のいずれか一方又は両方を測定する第１の測定部を有することを特徴とするバイオマスを原料とする発酵装置。
【請求項６】
請求項５において、
さらに酵母を添加した後の糖液の濁度又は吸光度のいずれか一方又は両方を測定する第２の測定部を有することを特徴とするバイオマスを原料とする発酵装置。
【請求項１】
少なくともセルロース、ヘミセルロース及びリグニンを含むバイオマス原料と加圧熱水とを対向接触させつつ１８０℃〜２４０℃の温度範囲で高温高圧処理する水熱分解装置と、
前記装置で排出したバイオマス高温処理液を冷却する冷却手段と、
冷却された処理液を用いて酵素により糖化する酵素糖化槽と、
前記酵素糖化槽から抜き出した糖液に含まれる水難溶性発酵阻害物質を除去する固液分離装置と、
精密濾過（Ｍｉｃｒｏｆｉｌｔｌａｔｉｏｎ：ＭＦ）膜を備えた異物除去部と、
前記異物除去部の後流側に設けられ、水難溶性発酵阻害物質を除去した糖液に水を添加して希釈する希釈槽と、
希釈した糖液から水を除去して、濃縮糖液を得る逆浸透（Ｒｅｖｅｒｓｅ Ｏｓｍｏｓｉｓ：ＲＯ）膜を備えた水分分離部と、
前記濃縮糖液を用いて発酵を行う発酵槽とを有するバイオマスを原料とする発酵装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記酵素糖化槽から抜き出した糖液を貯留する糖液精製槽と、
前記糖液精製槽からの第１の循環ラインに介装され、抜き出した糖液から水難溶性発酵阻害物質を除去する固液分離装置と、
前記糖液精製槽からの第２の循環ラインに介装され、抜き出した糖液から水難溶性発酵阻害物質を除去する精密濾過（Ｍｉｃｒｏｆｉｌｔｌａｔｉｏｎ：ＭＦ）膜を備えた異物除去部とを有することを特徴とするバイオマスを原料とする発酵装置。
【請求項３】
請求項２において、
前記酵素糖化槽と前記糖液精製槽とを一体化してなることを特徴とするバイオマス高温処理液を用いたバイオマスを原料とする発酵装置。
【請求項４】
請求項３において、
前記異物除去部で処理され、水難溶性物質を除去した糖液に水を添加して希釈する希釈槽と、水希釈糖液から水を分離する逆浸透（ＲＯ）膜を有する水分分離部とを有することを特徴とするバイオマスを原料とする発酵装置。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか一つにおいて、
水難溶解性発酵阻害物質を除去した糖液の濁度又は吸光度のいずれか一方又は両方を測定する第１の測定部を有することを特徴とするバイオマスを原料とする発酵装置。
【請求項６】
請求項５において、
さらに酵母を添加した後の糖液の濁度又は吸光度のいずれか一方又は両方を測定する第２の測定部を有することを特徴とするバイオマスを原料とする発酵装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１２−２００１８２（Ｐ２０１２−２００１８２Ａ）
【公開日】平成２４年１０月２２日（２０１２．１０．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−６６７６８（Ｐ２０１１−６６７６８）
【出願日】平成２３年３月２４日（２０１１．３．２４）
【出願人】（５９１１１８７７５）白鶴酒造株式会社 (16)
【出願人】（０００００３１５９）東レ株式会社 (7,677)
【出願人】（３０９０３６２２１）三菱重工メカトロシステムズ株式会社 (57)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１０月２２日（２０１２．１０．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月２４日（２０１１．３．２４）
【出願人】（５９１１１８７７５）白鶴酒造株式会社 (16)
【出願人】（０００００３１５９）東レ株式会社 (7,677)
【出願人】（３０９０３６２２１）三菱重工メカトロシステムズ株式会社 (57)
【Ｆターム（参考）】
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