バイオマス処理装置及び方法
【課題】糖収率の向上、及び固体酸触媒の反応速度向上と固体酸触媒分離性向上を図ることの可能なバイオマス処理装置を提供する。
【解決手段】加圧熱水を用い、ヘミセルロースの分解に供する第１反応条件にてバイオマスを加水分解することでキシロオリゴ糖を含む第１多糖液を生成した後、セルロースの分解に供する第２反応条件にて前記バイオマスを加水分解することでセロオリゴ糖を含む第２多糖液を生成する加圧熱水反応装置と、前記加圧熱水反応装置から流出する前記第１多糖液を、固体酸触媒を用いて加水分解することでキシロースを含む第１単糖液を生成する第１触媒反応装置と、前記加圧熱水反応装置から流出する前記第２多糖液を、固体酸触媒を用いて加水分解することでグルコースを含む第２単糖液を生成する第２触媒反応装置とによって、バイオマス処理装置を構成する。
【解決手段】加圧熱水を用い、ヘミセルロースの分解に供する第１反応条件にてバイオマスを加水分解することでキシロオリゴ糖を含む第１多糖液を生成した後、セルロースの分解に供する第２反応条件にて前記バイオマスを加水分解することでセロオリゴ糖を含む第２多糖液を生成する加圧熱水反応装置と、前記加圧熱水反応装置から流出する前記第１多糖液を、固体酸触媒を用いて加水分解することでキシロースを含む第１単糖液を生成する第１触媒反応装置と、前記加圧熱水反応装置から流出する前記第２多糖液を、固体酸触媒を用いて加水分解することでグルコースを含む第２単糖液を生成する第２触媒反応装置とによって、バイオマス処理装置を構成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バイオマス処理装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、石油等の化石資源の代替資源としてカーボンニュートラル資源であるバイオマスが注目されている。このようなバイオマスの利用の１つとして、セルロースを含有するバイオマスを糖化処理することでグルコース（単糖類）を生成し、さらに、このグルコースをアルコール発酵させることでバイオエタノールを生成する技術が知られている。
【０００３】
バイオマスからグルコースを生成する方法（糖化技術）としては、バイオマスに硫酸を加えて加水分解する方法（希硫酸法、濃硫酸法等）が一般的に知られているが、反応器の腐食や廃液処理の問題、液体であるため再利用できない等の問題がある。また、酵素を用いて糖化を行う方法（下記特許文献１参照）も知られているが、酵素は高価な上、再利用できないため製造コストが高くなるという問題がある。
【０００４】
これに対し、硫酸に匹敵する触媒性能を有し、反応器の腐食や廃液処理の問題がなく、且つ安価で再利用可能な固体酸触媒（例えば、カーボンやゼオライト等にスルホ基を担持させた、言わば固体の硫酸）を用いてバイオマスを糖化する方法（下記非特許文献１参照）も提案されているが、固体同士の反応であるが故に、反応速度が極めて遅い上、残渣と固体酸触媒との分離が困難という問題がある。
【０００５】
一方、超臨界水または亜臨界水を用いてバイオマスを加水分解することでグルコースを生成する方法（下記非特許文献２参照）も提案されているが、グルコースはセルロースよりも分解しやすいため、グルコースの生成と分解とが同時に進行してしまい、糖収率が低下するという問題がある。また、バイオマスにヘミセルロースも含まれている場合、ヘミセルロースはセルロースより分解温度が低いため、セルロースの分解温度に到達する前にヘミセルロースが分解され、エタノール発酵阻害物質（例えばフルフラール）が生成されるという問題もある。
【０００６】
これに対し、亜臨界状態の加圧熱水を、セルロース粉末を充填した糖化槽に流通させて加水分解を行うことにより、非水溶性多糖類を生成する方法が提案されている（下記特許文献２参照）。この特許文献２には、糖化槽に流通させる加圧熱水の温度を２４０°Ｃ以上３４０°Ｃ以下（好ましくは２７０°Ｃ以上３１０°Ｃ以下）とすることで、エタノール発酵阻害物質の生成を抑制しつつ、糖収率の向上を図れることが記載されている。しかしながら、この特許文献２の技術では、セルロースのみを糖化対象物として捉えて加圧熱水の温度を設定し、ヘミセルロースの糖化に関しては何ら考慮されておらず、糖収率向上の観点から改善の余地がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００６−１３６２６３号公報
【特許文献２】特許第３１２８５７５号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】セミナーテキスト「エタノール燃料製造に向けたバイオマスの前処理・糖化」（技術情報協会）（2009）
【非特許文献２】江原克信、坂志朗、HORIBA Technical Report,31,98-105(2005)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記のように、従来では、有望なバイオマス糖化技術として、固体酸触媒を用いる方法と加圧熱水を用いる方法が提案されていたにも関わらず、未だ、それぞれの解決すべき課題が残っており、今後の地球温暖化対策及び循環型社会の構築を進めるに当って、早急な対策技術の開発が求められていた。
【００１０】
本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであり、糖収率の向上、及び固体酸触媒の性能向上（具体的には反応速度の向上、及び分離性の向上）を図ることの可能なバイオマス処理装置及び方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために、本発明では、バイオマス処理装置に係る第１の解決手段として、加圧熱水を用い、ヘミセルロースの分解に供する第１反応条件にてバイオマスを加水分解することでキシロオリゴ糖を含む第１多糖液を生成した後、セルロースの分解に供する第２反応条件にて前記バイオマスを加水分解することでセロオリゴ糖を含む第２多糖液を生成する加圧熱水反応装置と、前記加圧熱水反応装置から流出する前記第１多糖液を、固体酸触媒を用いて加水分解することでキシロースを含む第１単糖液を生成する第１触媒反応装置と、前記加圧熱水反応装置から流出する前記第２多糖液を、固体酸触媒を用いて加水分解することでグルコースを含む第２単糖液を生成する第２触媒反応装置と、を備えることを特徴とする。
【００１２】
また、バイオマス処理装置に係る第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、前記第１反応条件及び第２反応条件は、前記加圧熱水の供給量と前記バイオマスの供給量との比率と、前記加圧熱水の温度との組み合わせによって設定されていることを特徴とする。
【００１３】
また、バイオマス処理装置に係る第３の解決手段として、上記第１または第２の解決手段において、前記第１触媒反応装置は、前記加圧熱水反応装置から流出する前記第１多糖液と前記固体酸触媒とを混合することで、前記キシロースを生成する第１混合装置と、前記第１混合装置から流出する、前記キシロース及び前記固体酸触媒を含む第１混合液を固液分離することで、前記キシロースを含む第１単糖液と前記固体酸触媒とを分離し、前記固体酸触媒を回収して前記第１混合装置に供給する第１固液分離装置と、を備えることを特徴とする。
【００１４】
また、バイオマス処理装置に係る第４の解決手段として、上記第１〜第３のいずれか１つの解決手段において、前記第２触媒反応装置は、前記加圧熱水反応装置から流出する前記第２多糖液と前記固体酸触媒とを混合することで、前記グルコースを生成する第２混合装置と、前記第２混合装置から流出する、前記グルコース及び前記固体酸触媒を含む第２混合液を固液分離することで、前記グルコースを含む第２単糖液と前記固体酸触媒とを分離し、前記固体酸触媒を回収して前記第２混合装置に供給する第２固液分離装置と、を備えることを特徴とする。
【００１５】
また、バイオマス処理装置に係る第５の解決手段として、上記第１〜第４のいずれか１つの解決手段において、前記第１触媒反応装置によって生成された前記第１単糖液をアルコール発酵させることで、バイオエタノールを生成する第１発酵装置を備えることを特徴とする。
また、バイオマス処理装置に係る第６の解決手段として、上記第１〜第５のいずれか１つの解決手段において、前記第２触媒反応装置によって生成された前記第２単糖液をアルコール発酵させることで、バイオエタノールを生成する第２発酵装置を備えることを特徴とする。
【００１６】
一方、本発明では、バイオマス処理方法に係る解決手段として、加圧熱水を用い、ヘミセルロースの分解に供する第１反応条件にてバイオマスを加水分解することでキシロオリゴ糖を含む第１多糖液を生成した後、セルロースの分解に供する第２反応条件にて前記バイオマスを加水分解することでセロオリゴ糖を含む第２多糖液を生成する加圧熱水反応工程と、前記加圧熱水反応工程にて生成された前記第１多糖液を、固体酸触媒を用いて加水分解することでキシロースを含む第１単糖液を生成する第１触媒反応工程と、前記加圧熱水反応工程にて生成された前記第２多糖液を、固体酸触媒を用いて加水分解することでグルコースを含む第２単糖液を生成する第２触媒反応工程と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明では、加圧熱水反応装置におけるバイオマスの加水分解に供する反応条件を、ヘミセルロースの分解に供する第１反応条件と、セルロースの分解に供する第２反応条件との２段階に分けて制御することにより、ヘミセルロースの分解物（キシロオリゴ糖を含む多糖類）と、セルロースの分解物（セロオリゴ糖を含む多糖類）とを区別して採取することができる。その結果、最終的に得られるアルコール発酵可能な単糖類（グルコース、キシロース）の量を増やすことができ、糖収率の向上を図ることができる。
【００１８】
また、第１触媒反応装置及び第２触媒反応装置における多糖液（第１多糖液、第２多糖液）と固体酸触媒との接触反応が固液反応であるため、反応速度が速く、また、固体酸触媒の分離回収を容易に行うことができる。
さらに、加圧熱水による水熱反応と、固体酸触媒反応とを段階的に行うことで、エタノール発酵を阻害する物質の生成が抑制され、糖収率のさらなる向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の一実施形態に係るバイオマス処理装置Ａのブロック図である。
【図２】バイオマス処理装置Ａにおける第１触媒反応装置２（第２触媒反応装置３）の変形例である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。
図１は、本実施形態におけるバイオマス処理装置Ａの構成概略図である。この図１に示すように、バイオマス処理装置Ａは、バイオマスの一種である木材チップや廃建材など、主成分としてセルロース、ヘミセルロース及びリグニンを含有する木質系バイオマスを原料としてバイオエタノールを生成する化学プラントであり、加圧熱水反応装置１、第１触媒反応装置２、第２触媒反応装置３、第１発酵装置４、第２発酵装置５、蒸留装置６及び排水処理装置７から構成されている。
なお、図１において、実線は液体の流れを示し、波線は固体の流れを示し、一点鎖線は電気信号の流れを示している。
【００２１】
木質系バイオマスに含まれるセルロースとは、周知のように化学式（Ｃ６Ｈ１０Ｏ５）ｎで表される多糖類であり、炭素原子６個を含むグルコース（単糖類）が重合した高分子化合物である。また、ヘミセルロースとは、上記グルコース以外の単糖類（主に炭素原子５個を含む単糖類）が重合した高分子化合物である。また、リグニンとは、三次元木目構造を有し、上記セルロース及びヘミセルロースを取り囲むことで木質を形成する高分子化合物である。このリグニンは、セルロース及びヘミセルロースの分解を阻害する物質であるため、前処理によって木質系バイオマスからリグニンを除去し、前処理済みの木質系バイオマスを後述の加圧熱水反応装置１に供給することが好ましい。
【００２２】
加圧熱水反応装置１は、例えば熱水流通式反応装置であり、加圧熱水を用い、ヘミセルロースの分解に供する第１反応条件にて木質系バイオマスを加水分解することでキシロオリゴ糖を含む第１多糖液を生成した後、セルロースの分解に供する第２反応条件にて引き続き木質系バイオマスを加水分解することでセロオリゴ糖を含む第２多糖液を生成するものである。ここで、「加圧熱水」とは、亜臨界状態の熱水であって、且つ液体状態を維持するために加圧された熱水を意味する。
【００２３】
具体的に、加圧熱水反応装置１は、ポンプ１ａ、加熱器１ｂ、水量調整弁１ｃ、反応槽１ｄ、分岐器１ｅ及び制御装置１ｆから構成されている。ポンプ１ａは、外部供給される水を加圧して加熱器１ｂに送出する。加熱器１ｂは、制御装置１ｆから入力される温度制御信号に応じて、ポンプ１ａから流入する加圧水を所定温度まで加熱し、加圧熱水として水量調整弁１ｃに送出する。水量調整弁１ｃは、制御装置１ｆから入力される流量制御信号に応じてその開度が調節される電子制御弁であり、加熱器１ｂから流入する加圧熱水の流量調整を行った後、当該流量調整後の加圧熱水を反応槽１ｄに送出する。
【００２４】
反応槽１ｄは、外部供給される木質系バイオマスが内部空間に所定量充填される槽であって、流量調整弁１ｃから流入する加圧熱水が、木質系バイオマスが充填された内部空間を流通した後、後段の分岐器１ｅに流出するように構成されている。このように、反応槽１ｄ内を加圧熱水が連続的に流通することにより、加圧熱水と木質系バイオマスとが接触し、木質系バイオマスの加水分解が促進される。反応槽１ｄから分岐器１ｅに流出する加圧熱水には、木質系バイオマスの加水分解によって生成される加水分解処理物（後述の多糖類）が含まれている。以下では、このように多糖類を含む加圧熱水を多糖液と称する。
【００２５】
分岐器１ｅは、制御装置１ｆから入力される分岐制御信号に応じて、反応槽１ｄから流入する加圧熱水（多糖液）を、第１触媒反応装置２と第２触媒反応装置３とのいずれか一方に選択的に送出する。なお、反応槽１ｄから流出する多糖液は温度が高いため、この多糖液を冷却した後に分岐器１ｅへ流入させることが好ましい。
【００２６】
制御装置１ｆは、加熱器１ｂに温度制御信号を、水量調整弁１ｃに流量制御信号を出力して、反応槽１ｄに供給すべき加圧熱水の温度及び流量（供給量）を制御することにより、ヘミセルロースの分解に供する第１反応条件と、セルロースの分解に供する第２反応条件とを選択的に切り替える機能を有している。ここで、第１反応条件は、木質系バイオマスに含まれるヘミセルロースを分解し、キシロオリゴ糖を主成分とする多糖類（ヘミセルロース画分）の生成に使用される条件であり、第２反応条件は、木質系バイオマスに含まれるセルロースを分解し、セロオリゴ糖を主成分とする多糖類（セルロース画分）の生成に使用される条件である。
【００２７】
上記の第１反応条件及び第２反応条件は、加圧熱水の供給量Ｑ（ｍｌ）と木質系バイオマスの供給量Ｖ（ｇ）との比率Ｋ（＝Ｑ／Ｖ）と、加圧熱水の温度Ｔ（°Ｃ）との組み合わせによって設定される。ここで、木質系バイオマスの供給量Ｖは、反応槽１ｄの容量に依存して一義的に定まる値である。
例えば、加圧熱水の温度Ｔは、第１反応条件では１００°Ｃ以上２００°Ｃ未満とし、第２反応条件では２００°Ｃ以上２９０°Ｃ以下とすることが好ましい。また、加圧熱水の供給量Ｑと木質系バイオマスの供給量Ｖとの比率Ｋは、第１反応条件及び第２反応条件ともに、Ｋ＜１００（より好ましくはＫ＜２０）とすることが好ましい。なお、これらの数値は、あくまで木質系バイオマスを原料とした場合の一例であり、原料として使用するバイオマスの種類や反応槽１ｄの容量などに応じて適宜変更可能である。
【００２８】
従来の熱水流通式反応装置（例えば特許文献２参照）では、加圧熱水の温度（２４０°Ｃ以上３４０°Ｃ以下）と滞留時間（３０秒）との組み合わせによって反応条件を設定していたため、投入エネルギーが大きく、反応制御が困難であるという問題があったが、上記のように、滞留時間に替えて、加圧熱水の供給量Ｑと木質系バイオマスの供給量Ｖとの比率Ｋを用いることにより、無駄な加圧熱水の供給を減らすことができるため、投入エネルギーを小さくでき、また、反応制御が容易になるというメリットがある。
【００２９】
制御装置１ｆは、反応槽１ｄ内において、まず第１反応条件にて木質系バイオマスの加水分解が生じるように加圧熱水の温度Ｔ及び供給量Ｑを制御し、その後、第２反応条件にて木質系バイオマスの加水分解が生じるように加圧熱水の温度Ｔ及び供給量Ｑを制御する。これにより、第１反応条件の使用時に反応槽１ｄから流出する加圧熱水には、キシロオリゴ糖を主成分とする多糖類（ヘミセルロース画分）が含まれ、第２反応条件の使用時に反応槽１ｄから流出する加圧熱水には、セロオリゴ糖を主成分とする多糖類（セルロース画分）が含まれることになる。
以下では、キシロオリゴ糖を主成分とする多糖類を含む加圧熱水を第１多糖液、セロオリゴ糖を主成分とする多糖類を含む加圧熱水を第２多糖液と称する。
【００３０】
さらに、制御装置１ｆは、第１反応条件の使用時に反応槽１ｄから流出する加圧熱水（第１多糖液）が第１触媒反応装置２に送出されるよう分岐器１ｅを制御し、第２反応条件の使用時に反応槽１ｄから流出する加圧熱水（第２多糖液）が第２触媒反応装置３に送出されるよう分岐器１ｅを制御する。
【００３１】
第１触媒反応装置２は、第１反応条件の使用時に上記の加圧熱水反応装置１（詳細には分岐器１ｅ）から流出する第１多糖液を、固体酸触媒を用いて加水分解することでキシロースを含む第１単糖液を生成するものであり、第１混合装置２ａと第１固液分離装置２ｂとから構成されている。
【００３２】
第１混合装置２ａは、加圧熱水反応装置１から流入する第１多糖液と予め充填されている固体酸触媒とを撹拌・混合することで両者を接触させて加水分解反応（つまり糖化反応）を促進させるものである。このような糖化反応により、第１多糖液に含まれるキシロオリゴ糖が分解されて単糖類であるキシロースが生成される。このように生成されたキシロースと固体酸触媒とを含む第１混合液が第１混合装置２ａから第１固液分離装置２ｂに流出する。
【００３３】
第１固液分離装置２ｂは、上記の第１混合装置２ａから流入する第１混合液を固液分離することでキシロースを含む第１単糖液と固体酸触媒とを分離し、固体酸触媒を回収して上記の第１混合装置２ａに供給する（再利用する）一方、キシロースを含む第１単糖液を第１発酵装置４に送出する。このような第１固液分離装置２ｂとしては沈殿槽を用いることができる。つまり、沈殿槽に供給された第１混合液の内、固体である固体酸触媒は槽底部に沈殿し、上澄み液がキシロースを含む第１単糖液として得られる。
【００３４】
第２触媒反応装置３は、第２反応条件の使用時に上記の加圧熱水反応装置１（詳細には分岐器１ｅ）から流出する第２多糖液を、固体酸触媒を用いて加水分解することでグルコースを含む第２単糖液を生成するものであり、第２混合装置３ａと第２固液分離装置３ｂとから構成されている。
【００３５】
第２混合装置３ａは、加圧熱水反応装置１から流入する第２多糖液と予め充填されている固体酸触媒とを撹拌・混合することで両者を接触させて加水分解反応（つまり糖化反応）を促進させるものである。このような糖化反応により、第２多糖液に含まれるセロオリゴ糖が分解されて単糖類であるグルコースが生成される。このように生成されたグルコースと固体酸触媒とを含む第２混合液が第２混合装置３ａから第２固液分離装置３ｂに流出する。
【００３６】
第２固液分離装置３ｂは、上記の第２混合装置３ａから流入する第２混合液を固液分離することでグルコースを含む第２単糖液と固体酸触媒とを分離し、固体酸触媒を回収して上記の第２混合装置３ａに供給する（再利用する）一方、グルコースを含む第２単糖液を第２発酵装置５に送出する。このような第２固液分離装置３ｂとしては第１固液分離装置２ｂと同様に、沈殿槽を用いることができる。つまり、沈殿槽に供給された第２混合液の内、固体である固体酸触媒は槽底部に沈殿し、上澄み液がグルコースを含む第２単糖液として得られる。
【００３７】
第１発酵装置４は、上記の第１触媒反応装置２（詳細には第１固液分離装置２ｂ）から流入するキシロースを含む第１単糖液に、酵母等のエタノール発酵微生物と、窒素、リン等の栄養源とを添加し、適切な温度、ｐＨ等の条件下で微生物を培養してキシロースを含む第１単糖液をアルコール発酵させることでバイオエタノールを生成するものである。エタノール発酵微生物としては、サッカロミセス属酵母などの公知の各種微生物を用いることができる。このように生成されたバイオエタノールは第１発酵装置４から蒸留装置６に流出する。
【００３８】
第２発酵装置５は、上記の第２触媒反応装置３（詳細には第２固液分離装置３ｂ）から流入するグルコースを含む第２単糖液に、酵母等のエタノール発酵微生物と、窒素、リン等の栄養源とを添加し、適切な温度、ｐＨ等の条件下で微生物を培養してグルコースを含む第２単糖液をアルコール発酵させることでバイオエタノールを生成するものである。このように生成されたバイオエタノールは第２発酵装置５から蒸留装置６に流出する。
【００３９】
蒸留装置６は、上記の第１発酵装置４及び第２発酵装置５から流入するバイオエタノールの蒸留及び濃縮を行うことにより、純度の高いバイオエタノールを生成して外部に送出するものである。排水処理装置７は、加圧熱水反応装置１の反応槽１ｄから排出されるブロー水と、第１発酵装置４及び第２発酵装置５から排出される水（アルコール発酵の過程で生成される水）とを外部に排水するものである。
【００４０】
次に、上記のように構成されたバイオマス処理装置Ａによるバイオマスの処理プロセス（バイオマス処理方法）について説明する。なお、加圧熱水反応装置１の反応槽１ｄ内には、所定量の木質系バイオマスが予め充填されているものとする。
【００４１】
加圧熱水反応装置１の制御装置１ｆは、反応槽１ｄ内において、まず第１反応条件にて木質系バイオマスの加水分解が生じるように加圧熱水の温度Ｔ及び供給量Ｑを制御する。これにより、反応槽１ｄ内には、第１反応条件、つまり木質系バイオマスに含まれるヘミセルロースを分解し、キシロオリゴ糖を主成分とする多糖類（ヘミセルロース画分）を生成する条件を満たす温度Ｔ（１００°Ｃ以上２００°Ｃ未満）及び供給量Ｑ（Ｋ＜１００、好ましくはＫ＜２０を満たすＱ）に制御された加圧熱水が流通することになる。
【００４２】
このように第１反応条件を満たす加圧熱水が反応槽１ｄ内を流通することにより、木質系バイオマス（特にヘミセルロース）の加水分解が促進され、反応槽１ｄから流出する加圧熱水には、キシロオリゴ糖を主成分とする多糖類（ヘミセルロース画分）が含まれることになる。このようにキシロオリゴ糖を主成分とする多糖類を含む加圧熱水は第１多糖液として分岐器１ｅに流入する。ここで、制御装置１ｆは、第１反応条件の使用時において、第１多糖液が第１触媒反応装置２に送出されるよう分岐器１ｅを制御している。そのため、反応槽１ｄから流出する第１多糖液は、分岐器１ｅを介して第１触媒反応装置２に送出される。
【００４３】
第１触媒反応装置２に供給された第１多糖液は、第１混合装置２ａによって固体酸触媒と混合されて糖化反応が促進される。これにより、第１多糖液に含まれるキシロオリゴ糖が分解されて単糖類であるキシロースが生成され、当該キシロースと固体酸触媒とを含む第１混合液が第１混合装置２ａから第１固液分離装置２ｂに流出する。第１混合液は、第１固液分離装置２ｂによってキシロースを含む第１単糖液と固体酸触媒とに固液分離され、固体酸触媒は第１混合装置２ａに供給されて再利用され、第１単糖液は第１発酵装置４に送出される。第１発酵装置４において、第１単糖液のアルコール発酵によって生成されたバイオエタノールは蒸留装置６に送出され、純度の高いバイオエタノールが生成される。
【００４４】
続いて、加圧熱水反応装置１の制御装置１ｆは、反応槽１ｄ内において、第２反応条件にて木質系バイオマスの加水分解が生じるように加圧熱水の温度Ｔ及び供給量Ｑを制御する。これにより、反応槽１ｄ内には、第２反応条件、つまり木質系バイオマスに含まれるセルロースを分解し、セロオリゴ糖を主成分とする多糖類（セルロース画分）を生成する条件を満たす温度Ｔ（２００°Ｃ以上２９０°Ｃ以下）及び供給量Ｑ（Ｋ＜１００、好ましくはＫ＜２０を満たすＱ）に制御された加圧熱水が流通することになる。
【００４５】
このように第２反応条件を満たす加圧熱水が反応槽１ｄ内を流通することにより、木質系バイオマス（特にセルロース）の加水分解が促進され、反応槽１ｄから流出する加圧熱水には、セロオリゴ糖を主成分とする多糖類（セルロース画分）が含まれることになる。このようにセロオリゴ糖を主成分とする多糖類を含む加圧熱水は第２多糖液として分岐器１ｅに流入する。ここで、制御装置１ｆは、第２反応条件の使用時において、第２多糖液が第２触媒反応装置３に送出されるよう分岐器１ｅを制御している。そのため、反応槽１ｄから流出する第２多糖液は、分岐器１ｅを介して第２触媒反応装置３に送出される。
【００４６】
第２触媒反応装置３に供給された第２多糖液は、第２混合装置３ａによって固体酸触媒と混合されて糖化反応が促進される。これにより、第２多糖液に含まれるセロオリゴ糖が分解されて単糖類であるグルコースが生成され、当該グルコースと固体酸触媒とを含む第２混合液が第２混合装置３ａから第２固液分離装置３ｂに流出する。第２混合液は、第２固液分離装置３ｂによってグルコースを含む第２単糖液と固体酸触媒とに固液分離され、固体酸触媒は第１混合装置３ａに供給されて再利用され、第２単糖液は第２発酵装置５に送出される。第２発酵装置５において、第２単糖液のアルコール発酵によって生成されたバイオエタノールは蒸留装置６に送出され、純度の高いバイオエタノールが生成される。
【００４７】
以上説明したように、本実施形態では、加圧熱水反応装置１における木質系バイオマスの加水分解に供する反応条件を、ヘミセルロースの分解に供する第１反応条件と、セルロースの分解に供する第２反応条件との２段階に分けて制御することにより、ヘミセルロースの分解物（キシロオリゴ糖を含む多糖類）と、セルロースの分解物（セロオリゴ糖を含む多糖類）とを区別して採取することができる。その結果、最終的に得られるアルコール発酵可能な単糖類（グルコース、キシロース）の量を増やすことができ、糖収率の向上を図ることができる。
【００４８】
また、本実施形態では、第１触媒反応装置２及び第２触媒反応装置３における多糖液（第１多糖液、第２多糖液）と固体酸触媒との接触反応が固液反応であるため、反応速度が速く、また、固体酸触媒の分離回収を容易に行うことができる。
さらに、加圧熱水による水熱反応と、固体酸触媒反応とを段階的に行うことで、エタノール発酵を阻害する物質の生成が抑制され、糖収率のさらなる向上を図ることができる。
【００４９】
なお、本発明は上記実施形態に限定されず、以下のような変形例が考えられる。
（１）上記実施形態では、木質系バイオマスからバイオエタノールを生成するバイオマス処理装置Ａを例示して説明したが、第１発酵装置４、第２発酵装置５及び蒸留装置６を削除して、木質系バイオマスからエタノール発酵可能な単糖類（グルコース、キシロース）を生成する装置としても良い。生成した単糖類は、特にバイオエタノールの生成に限らず、その他の用途に使用できる。
【００５０】
（２）上記実施形態では、第１混合装置２ａと第１固液分離装置２ｂとから構成された第１触媒反応装置２を例示して説明したが、図２に示すように、固定床槽１０の内部に固体酸触媒を固定充填し、キシロオリゴ糖を含む第１多糖液を固定床槽の内部に流通させて、第１多糖液と固体酸触媒とを接触させることで糖化反応を起こし、固定床槽１０から流出する液体をキシロースを含む第１単糖液として得ても良い。この場合、固定床槽１０の出口から流出する液体を入口に再送することにより、より純度の高い第１単糖液を得ることができる。なお、第２触媒反応装置３についても同様である。
【００５１】
（３）上記実施形態では、木材チップや廃建材などの木質系バイオマスを原料として使用したが、その他、農作物や食品の残渣（稲藁、麦わら、バガス、果実皮など）を原料バイオマスとして使用することもできる。また、上記実施形態では、第１反応条件及び第２反応条件を、加圧熱水の供給量Ｑと木質系バイオマスの供給量Ｖとの比率Ｋと、加圧熱水の温度Ｔとの組み合わせによって設定したが、これに限らず、加圧熱水の温度Ｔと滞留時間との組み合わせによって設定しても良い。
【符号の説明】
【００５２】
Ａ…バイオマス処理装置、１…加圧熱水反応装置、２…第１触媒反応装置、３…第２触媒反応装置、４…第１発酵装置、５…第２発酵装置、６…蒸留装置、７…排水処理装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バイオマス処理装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、石油等の化石資源の代替資源としてカーボンニュートラル資源であるバイオマスが注目されている。このようなバイオマスの利用の１つとして、セルロースを含有するバイオマスを糖化処理することでグルコース（単糖類）を生成し、さらに、このグルコースをアルコール発酵させることでバイオエタノールを生成する技術が知られている。
【０００３】
バイオマスからグルコースを生成する方法（糖化技術）としては、バイオマスに硫酸を加えて加水分解する方法（希硫酸法、濃硫酸法等）が一般的に知られているが、反応器の腐食や廃液処理の問題、液体であるため再利用できない等の問題がある。また、酵素を用いて糖化を行う方法（下記特許文献１参照）も知られているが、酵素は高価な上、再利用できないため製造コストが高くなるという問題がある。
【０００４】
これに対し、硫酸に匹敵する触媒性能を有し、反応器の腐食や廃液処理の問題がなく、且つ安価で再利用可能な固体酸触媒（例えば、カーボンやゼオライト等にスルホ基を担持させた、言わば固体の硫酸）を用いてバイオマスを糖化する方法（下記非特許文献１参照）も提案されているが、固体同士の反応であるが故に、反応速度が極めて遅い上、残渣と固体酸触媒との分離が困難という問題がある。
【０００５】
一方、超臨界水または亜臨界水を用いてバイオマスを加水分解することでグルコースを生成する方法（下記非特許文献２参照）も提案されているが、グルコースはセルロースよりも分解しやすいため、グルコースの生成と分解とが同時に進行してしまい、糖収率が低下するという問題がある。また、バイオマスにヘミセルロースも含まれている場合、ヘミセルロースはセルロースより分解温度が低いため、セルロースの分解温度に到達する前にヘミセルロースが分解され、エタノール発酵阻害物質（例えばフルフラール）が生成されるという問題もある。
【０００６】
これに対し、亜臨界状態の加圧熱水を、セルロース粉末を充填した糖化槽に流通させて加水分解を行うことにより、非水溶性多糖類を生成する方法が提案されている（下記特許文献２参照）。この特許文献２には、糖化槽に流通させる加圧熱水の温度を２４０°Ｃ以上３４０°Ｃ以下（好ましくは２７０°Ｃ以上３１０°Ｃ以下）とすることで、エタノール発酵阻害物質の生成を抑制しつつ、糖収率の向上を図れることが記載されている。しかしながら、この特許文献２の技術では、セルロースのみを糖化対象物として捉えて加圧熱水の温度を設定し、ヘミセルロースの糖化に関しては何ら考慮されておらず、糖収率向上の観点から改善の余地がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００６−１３６２６３号公報
【特許文献２】特許第３１２８５７５号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】セミナーテキスト「エタノール燃料製造に向けたバイオマスの前処理・糖化」（技術情報協会）（2009）
【非特許文献２】江原克信、坂志朗、HORIBA Technical Report,31,98-105(2005)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記のように、従来では、有望なバイオマス糖化技術として、固体酸触媒を用いる方法と加圧熱水を用いる方法が提案されていたにも関わらず、未だ、それぞれの解決すべき課題が残っており、今後の地球温暖化対策及び循環型社会の構築を進めるに当って、早急な対策技術の開発が求められていた。
【００１０】
本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであり、糖収率の向上、及び固体酸触媒の性能向上（具体的には反応速度の向上、及び分離性の向上）を図ることの可能なバイオマス処理装置及び方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために、本発明では、バイオマス処理装置に係る第１の解決手段として、加圧熱水を用い、ヘミセルロースの分解に供する第１反応条件にてバイオマスを加水分解することでキシロオリゴ糖を含む第１多糖液を生成した後、セルロースの分解に供する第２反応条件にて前記バイオマスを加水分解することでセロオリゴ糖を含む第２多糖液を生成する加圧熱水反応装置と、前記加圧熱水反応装置から流出する前記第１多糖液を、固体酸触媒を用いて加水分解することでキシロースを含む第１単糖液を生成する第１触媒反応装置と、前記加圧熱水反応装置から流出する前記第２多糖液を、固体酸触媒を用いて加水分解することでグルコースを含む第２単糖液を生成する第２触媒反応装置と、を備えることを特徴とする。
【００１２】
また、バイオマス処理装置に係る第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、前記第１反応条件及び第２反応条件は、前記加圧熱水の供給量と前記バイオマスの供給量との比率と、前記加圧熱水の温度との組み合わせによって設定されていることを特徴とする。
【００１３】
また、バイオマス処理装置に係る第３の解決手段として、上記第１または第２の解決手段において、前記第１触媒反応装置は、前記加圧熱水反応装置から流出する前記第１多糖液と前記固体酸触媒とを混合することで、前記キシロースを生成する第１混合装置と、前記第１混合装置から流出する、前記キシロース及び前記固体酸触媒を含む第１混合液を固液分離することで、前記キシロースを含む第１単糖液と前記固体酸触媒とを分離し、前記固体酸触媒を回収して前記第１混合装置に供給する第１固液分離装置と、を備えることを特徴とする。
【００１４】
また、バイオマス処理装置に係る第４の解決手段として、上記第１〜第３のいずれか１つの解決手段において、前記第２触媒反応装置は、前記加圧熱水反応装置から流出する前記第２多糖液と前記固体酸触媒とを混合することで、前記グルコースを生成する第２混合装置と、前記第２混合装置から流出する、前記グルコース及び前記固体酸触媒を含む第２混合液を固液分離することで、前記グルコースを含む第２単糖液と前記固体酸触媒とを分離し、前記固体酸触媒を回収して前記第２混合装置に供給する第２固液分離装置と、を備えることを特徴とする。
【００１５】
また、バイオマス処理装置に係る第５の解決手段として、上記第１〜第４のいずれか１つの解決手段において、前記第１触媒反応装置によって生成された前記第１単糖液をアルコール発酵させることで、バイオエタノールを生成する第１発酵装置を備えることを特徴とする。
また、バイオマス処理装置に係る第６の解決手段として、上記第１〜第５のいずれか１つの解決手段において、前記第２触媒反応装置によって生成された前記第２単糖液をアルコール発酵させることで、バイオエタノールを生成する第２発酵装置を備えることを特徴とする。
【００１６】
一方、本発明では、バイオマス処理方法に係る解決手段として、加圧熱水を用い、ヘミセルロースの分解に供する第１反応条件にてバイオマスを加水分解することでキシロオリゴ糖を含む第１多糖液を生成した後、セルロースの分解に供する第２反応条件にて前記バイオマスを加水分解することでセロオリゴ糖を含む第２多糖液を生成する加圧熱水反応工程と、前記加圧熱水反応工程にて生成された前記第１多糖液を、固体酸触媒を用いて加水分解することでキシロースを含む第１単糖液を生成する第１触媒反応工程と、前記加圧熱水反応工程にて生成された前記第２多糖液を、固体酸触媒を用いて加水分解することでグルコースを含む第２単糖液を生成する第２触媒反応工程と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明では、加圧熱水反応装置におけるバイオマスの加水分解に供する反応条件を、ヘミセルロースの分解に供する第１反応条件と、セルロースの分解に供する第２反応条件との２段階に分けて制御することにより、ヘミセルロースの分解物（キシロオリゴ糖を含む多糖類）と、セルロースの分解物（セロオリゴ糖を含む多糖類）とを区別して採取することができる。その結果、最終的に得られるアルコール発酵可能な単糖類（グルコース、キシロース）の量を増やすことができ、糖収率の向上を図ることができる。
【００１８】
また、第１触媒反応装置及び第２触媒反応装置における多糖液（第１多糖液、第２多糖液）と固体酸触媒との接触反応が固液反応であるため、反応速度が速く、また、固体酸触媒の分離回収を容易に行うことができる。
さらに、加圧熱水による水熱反応と、固体酸触媒反応とを段階的に行うことで、エタノール発酵を阻害する物質の生成が抑制され、糖収率のさらなる向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の一実施形態に係るバイオマス処理装置Ａのブロック図である。
【図２】バイオマス処理装置Ａにおける第１触媒反応装置２（第２触媒反応装置３）の変形例である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。
図１は、本実施形態におけるバイオマス処理装置Ａの構成概略図である。この図１に示すように、バイオマス処理装置Ａは、バイオマスの一種である木材チップや廃建材など、主成分としてセルロース、ヘミセルロース及びリグニンを含有する木質系バイオマスを原料としてバイオエタノールを生成する化学プラントであり、加圧熱水反応装置１、第１触媒反応装置２、第２触媒反応装置３、第１発酵装置４、第２発酵装置５、蒸留装置６及び排水処理装置７から構成されている。
なお、図１において、実線は液体の流れを示し、波線は固体の流れを示し、一点鎖線は電気信号の流れを示している。
【００２１】
木質系バイオマスに含まれるセルロースとは、周知のように化学式（Ｃ６Ｈ１０Ｏ５）ｎで表される多糖類であり、炭素原子６個を含むグルコース（単糖類）が重合した高分子化合物である。また、ヘミセルロースとは、上記グルコース以外の単糖類（主に炭素原子５個を含む単糖類）が重合した高分子化合物である。また、リグニンとは、三次元木目構造を有し、上記セルロース及びヘミセルロースを取り囲むことで木質を形成する高分子化合物である。このリグニンは、セルロース及びヘミセルロースの分解を阻害する物質であるため、前処理によって木質系バイオマスからリグニンを除去し、前処理済みの木質系バイオマスを後述の加圧熱水反応装置１に供給することが好ましい。
【００２２】
加圧熱水反応装置１は、例えば熱水流通式反応装置であり、加圧熱水を用い、ヘミセルロースの分解に供する第１反応条件にて木質系バイオマスを加水分解することでキシロオリゴ糖を含む第１多糖液を生成した後、セルロースの分解に供する第２反応条件にて引き続き木質系バイオマスを加水分解することでセロオリゴ糖を含む第２多糖液を生成するものである。ここで、「加圧熱水」とは、亜臨界状態の熱水であって、且つ液体状態を維持するために加圧された熱水を意味する。
【００２３】
具体的に、加圧熱水反応装置１は、ポンプ１ａ、加熱器１ｂ、水量調整弁１ｃ、反応槽１ｄ、分岐器１ｅ及び制御装置１ｆから構成されている。ポンプ１ａは、外部供給される水を加圧して加熱器１ｂに送出する。加熱器１ｂは、制御装置１ｆから入力される温度制御信号に応じて、ポンプ１ａから流入する加圧水を所定温度まで加熱し、加圧熱水として水量調整弁１ｃに送出する。水量調整弁１ｃは、制御装置１ｆから入力される流量制御信号に応じてその開度が調節される電子制御弁であり、加熱器１ｂから流入する加圧熱水の流量調整を行った後、当該流量調整後の加圧熱水を反応槽１ｄに送出する。
【００２４】
反応槽１ｄは、外部供給される木質系バイオマスが内部空間に所定量充填される槽であって、流量調整弁１ｃから流入する加圧熱水が、木質系バイオマスが充填された内部空間を流通した後、後段の分岐器１ｅに流出するように構成されている。このように、反応槽１ｄ内を加圧熱水が連続的に流通することにより、加圧熱水と木質系バイオマスとが接触し、木質系バイオマスの加水分解が促進される。反応槽１ｄから分岐器１ｅに流出する加圧熱水には、木質系バイオマスの加水分解によって生成される加水分解処理物（後述の多糖類）が含まれている。以下では、このように多糖類を含む加圧熱水を多糖液と称する。
【００２５】
分岐器１ｅは、制御装置１ｆから入力される分岐制御信号に応じて、反応槽１ｄから流入する加圧熱水（多糖液）を、第１触媒反応装置２と第２触媒反応装置３とのいずれか一方に選択的に送出する。なお、反応槽１ｄから流出する多糖液は温度が高いため、この多糖液を冷却した後に分岐器１ｅへ流入させることが好ましい。
【００２６】
制御装置１ｆは、加熱器１ｂに温度制御信号を、水量調整弁１ｃに流量制御信号を出力して、反応槽１ｄに供給すべき加圧熱水の温度及び流量（供給量）を制御することにより、ヘミセルロースの分解に供する第１反応条件と、セルロースの分解に供する第２反応条件とを選択的に切り替える機能を有している。ここで、第１反応条件は、木質系バイオマスに含まれるヘミセルロースを分解し、キシロオリゴ糖を主成分とする多糖類（ヘミセルロース画分）の生成に使用される条件であり、第２反応条件は、木質系バイオマスに含まれるセルロースを分解し、セロオリゴ糖を主成分とする多糖類（セルロース画分）の生成に使用される条件である。
【００２７】
上記の第１反応条件及び第２反応条件は、加圧熱水の供給量Ｑ（ｍｌ）と木質系バイオマスの供給量Ｖ（ｇ）との比率Ｋ（＝Ｑ／Ｖ）と、加圧熱水の温度Ｔ（°Ｃ）との組み合わせによって設定される。ここで、木質系バイオマスの供給量Ｖは、反応槽１ｄの容量に依存して一義的に定まる値である。
例えば、加圧熱水の温度Ｔは、第１反応条件では１００°Ｃ以上２００°Ｃ未満とし、第２反応条件では２００°Ｃ以上２９０°Ｃ以下とすることが好ましい。また、加圧熱水の供給量Ｑと木質系バイオマスの供給量Ｖとの比率Ｋは、第１反応条件及び第２反応条件ともに、Ｋ＜１００（より好ましくはＫ＜２０）とすることが好ましい。なお、これらの数値は、あくまで木質系バイオマスを原料とした場合の一例であり、原料として使用するバイオマスの種類や反応槽１ｄの容量などに応じて適宜変更可能である。
【００２８】
従来の熱水流通式反応装置（例えば特許文献２参照）では、加圧熱水の温度（２４０°Ｃ以上３４０°Ｃ以下）と滞留時間（３０秒）との組み合わせによって反応条件を設定していたため、投入エネルギーが大きく、反応制御が困難であるという問題があったが、上記のように、滞留時間に替えて、加圧熱水の供給量Ｑと木質系バイオマスの供給量Ｖとの比率Ｋを用いることにより、無駄な加圧熱水の供給を減らすことができるため、投入エネルギーを小さくでき、また、反応制御が容易になるというメリットがある。
【００２９】
制御装置１ｆは、反応槽１ｄ内において、まず第１反応条件にて木質系バイオマスの加水分解が生じるように加圧熱水の温度Ｔ及び供給量Ｑを制御し、その後、第２反応条件にて木質系バイオマスの加水分解が生じるように加圧熱水の温度Ｔ及び供給量Ｑを制御する。これにより、第１反応条件の使用時に反応槽１ｄから流出する加圧熱水には、キシロオリゴ糖を主成分とする多糖類（ヘミセルロース画分）が含まれ、第２反応条件の使用時に反応槽１ｄから流出する加圧熱水には、セロオリゴ糖を主成分とする多糖類（セルロース画分）が含まれることになる。
以下では、キシロオリゴ糖を主成分とする多糖類を含む加圧熱水を第１多糖液、セロオリゴ糖を主成分とする多糖類を含む加圧熱水を第２多糖液と称する。
【００３０】
さらに、制御装置１ｆは、第１反応条件の使用時に反応槽１ｄから流出する加圧熱水（第１多糖液）が第１触媒反応装置２に送出されるよう分岐器１ｅを制御し、第２反応条件の使用時に反応槽１ｄから流出する加圧熱水（第２多糖液）が第２触媒反応装置３に送出されるよう分岐器１ｅを制御する。
【００３１】
第１触媒反応装置２は、第１反応条件の使用時に上記の加圧熱水反応装置１（詳細には分岐器１ｅ）から流出する第１多糖液を、固体酸触媒を用いて加水分解することでキシロースを含む第１単糖液を生成するものであり、第１混合装置２ａと第１固液分離装置２ｂとから構成されている。
【００３２】
第１混合装置２ａは、加圧熱水反応装置１から流入する第１多糖液と予め充填されている固体酸触媒とを撹拌・混合することで両者を接触させて加水分解反応（つまり糖化反応）を促進させるものである。このような糖化反応により、第１多糖液に含まれるキシロオリゴ糖が分解されて単糖類であるキシロースが生成される。このように生成されたキシロースと固体酸触媒とを含む第１混合液が第１混合装置２ａから第１固液分離装置２ｂに流出する。
【００３３】
第１固液分離装置２ｂは、上記の第１混合装置２ａから流入する第１混合液を固液分離することでキシロースを含む第１単糖液と固体酸触媒とを分離し、固体酸触媒を回収して上記の第１混合装置２ａに供給する（再利用する）一方、キシロースを含む第１単糖液を第１発酵装置４に送出する。このような第１固液分離装置２ｂとしては沈殿槽を用いることができる。つまり、沈殿槽に供給された第１混合液の内、固体である固体酸触媒は槽底部に沈殿し、上澄み液がキシロースを含む第１単糖液として得られる。
【００３４】
第２触媒反応装置３は、第２反応条件の使用時に上記の加圧熱水反応装置１（詳細には分岐器１ｅ）から流出する第２多糖液を、固体酸触媒を用いて加水分解することでグルコースを含む第２単糖液を生成するものであり、第２混合装置３ａと第２固液分離装置３ｂとから構成されている。
【００３５】
第２混合装置３ａは、加圧熱水反応装置１から流入する第２多糖液と予め充填されている固体酸触媒とを撹拌・混合することで両者を接触させて加水分解反応（つまり糖化反応）を促進させるものである。このような糖化反応により、第２多糖液に含まれるセロオリゴ糖が分解されて単糖類であるグルコースが生成される。このように生成されたグルコースと固体酸触媒とを含む第２混合液が第２混合装置３ａから第２固液分離装置３ｂに流出する。
【００３６】
第２固液分離装置３ｂは、上記の第２混合装置３ａから流入する第２混合液を固液分離することでグルコースを含む第２単糖液と固体酸触媒とを分離し、固体酸触媒を回収して上記の第２混合装置３ａに供給する（再利用する）一方、グルコースを含む第２単糖液を第２発酵装置５に送出する。このような第２固液分離装置３ｂとしては第１固液分離装置２ｂと同様に、沈殿槽を用いることができる。つまり、沈殿槽に供給された第２混合液の内、固体である固体酸触媒は槽底部に沈殿し、上澄み液がグルコースを含む第２単糖液として得られる。
【００３７】
第１発酵装置４は、上記の第１触媒反応装置２（詳細には第１固液分離装置２ｂ）から流入するキシロースを含む第１単糖液に、酵母等のエタノール発酵微生物と、窒素、リン等の栄養源とを添加し、適切な温度、ｐＨ等の条件下で微生物を培養してキシロースを含む第１単糖液をアルコール発酵させることでバイオエタノールを生成するものである。エタノール発酵微生物としては、サッカロミセス属酵母などの公知の各種微生物を用いることができる。このように生成されたバイオエタノールは第１発酵装置４から蒸留装置６に流出する。
【００３８】
第２発酵装置５は、上記の第２触媒反応装置３（詳細には第２固液分離装置３ｂ）から流入するグルコースを含む第２単糖液に、酵母等のエタノール発酵微生物と、窒素、リン等の栄養源とを添加し、適切な温度、ｐＨ等の条件下で微生物を培養してグルコースを含む第２単糖液をアルコール発酵させることでバイオエタノールを生成するものである。このように生成されたバイオエタノールは第２発酵装置５から蒸留装置６に流出する。
【００３９】
蒸留装置６は、上記の第１発酵装置４及び第２発酵装置５から流入するバイオエタノールの蒸留及び濃縮を行うことにより、純度の高いバイオエタノールを生成して外部に送出するものである。排水処理装置７は、加圧熱水反応装置１の反応槽１ｄから排出されるブロー水と、第１発酵装置４及び第２発酵装置５から排出される水（アルコール発酵の過程で生成される水）とを外部に排水するものである。
【００４０】
次に、上記のように構成されたバイオマス処理装置Ａによるバイオマスの処理プロセス（バイオマス処理方法）について説明する。なお、加圧熱水反応装置１の反応槽１ｄ内には、所定量の木質系バイオマスが予め充填されているものとする。
【００４１】
加圧熱水反応装置１の制御装置１ｆは、反応槽１ｄ内において、まず第１反応条件にて木質系バイオマスの加水分解が生じるように加圧熱水の温度Ｔ及び供給量Ｑを制御する。これにより、反応槽１ｄ内には、第１反応条件、つまり木質系バイオマスに含まれるヘミセルロースを分解し、キシロオリゴ糖を主成分とする多糖類（ヘミセルロース画分）を生成する条件を満たす温度Ｔ（１００°Ｃ以上２００°Ｃ未満）及び供給量Ｑ（Ｋ＜１００、好ましくはＫ＜２０を満たすＱ）に制御された加圧熱水が流通することになる。
【００４２】
このように第１反応条件を満たす加圧熱水が反応槽１ｄ内を流通することにより、木質系バイオマス（特にヘミセルロース）の加水分解が促進され、反応槽１ｄから流出する加圧熱水には、キシロオリゴ糖を主成分とする多糖類（ヘミセルロース画分）が含まれることになる。このようにキシロオリゴ糖を主成分とする多糖類を含む加圧熱水は第１多糖液として分岐器１ｅに流入する。ここで、制御装置１ｆは、第１反応条件の使用時において、第１多糖液が第１触媒反応装置２に送出されるよう分岐器１ｅを制御している。そのため、反応槽１ｄから流出する第１多糖液は、分岐器１ｅを介して第１触媒反応装置２に送出される。
【００４３】
第１触媒反応装置２に供給された第１多糖液は、第１混合装置２ａによって固体酸触媒と混合されて糖化反応が促進される。これにより、第１多糖液に含まれるキシロオリゴ糖が分解されて単糖類であるキシロースが生成され、当該キシロースと固体酸触媒とを含む第１混合液が第１混合装置２ａから第１固液分離装置２ｂに流出する。第１混合液は、第１固液分離装置２ｂによってキシロースを含む第１単糖液と固体酸触媒とに固液分離され、固体酸触媒は第１混合装置２ａに供給されて再利用され、第１単糖液は第１発酵装置４に送出される。第１発酵装置４において、第１単糖液のアルコール発酵によって生成されたバイオエタノールは蒸留装置６に送出され、純度の高いバイオエタノールが生成される。
【００４４】
続いて、加圧熱水反応装置１の制御装置１ｆは、反応槽１ｄ内において、第２反応条件にて木質系バイオマスの加水分解が生じるように加圧熱水の温度Ｔ及び供給量Ｑを制御する。これにより、反応槽１ｄ内には、第２反応条件、つまり木質系バイオマスに含まれるセルロースを分解し、セロオリゴ糖を主成分とする多糖類（セルロース画分）を生成する条件を満たす温度Ｔ（２００°Ｃ以上２９０°Ｃ以下）及び供給量Ｑ（Ｋ＜１００、好ましくはＫ＜２０を満たすＱ）に制御された加圧熱水が流通することになる。
【００４５】
このように第２反応条件を満たす加圧熱水が反応槽１ｄ内を流通することにより、木質系バイオマス（特にセルロース）の加水分解が促進され、反応槽１ｄから流出する加圧熱水には、セロオリゴ糖を主成分とする多糖類（セルロース画分）が含まれることになる。このようにセロオリゴ糖を主成分とする多糖類を含む加圧熱水は第２多糖液として分岐器１ｅに流入する。ここで、制御装置１ｆは、第２反応条件の使用時において、第２多糖液が第２触媒反応装置３に送出されるよう分岐器１ｅを制御している。そのため、反応槽１ｄから流出する第２多糖液は、分岐器１ｅを介して第２触媒反応装置３に送出される。
【００４６】
第２触媒反応装置３に供給された第２多糖液は、第２混合装置３ａによって固体酸触媒と混合されて糖化反応が促進される。これにより、第２多糖液に含まれるセロオリゴ糖が分解されて単糖類であるグルコースが生成され、当該グルコースと固体酸触媒とを含む第２混合液が第２混合装置３ａから第２固液分離装置３ｂに流出する。第２混合液は、第２固液分離装置３ｂによってグルコースを含む第２単糖液と固体酸触媒とに固液分離され、固体酸触媒は第１混合装置３ａに供給されて再利用され、第２単糖液は第２発酵装置５に送出される。第２発酵装置５において、第２単糖液のアルコール発酵によって生成されたバイオエタノールは蒸留装置６に送出され、純度の高いバイオエタノールが生成される。
【００４７】
以上説明したように、本実施形態では、加圧熱水反応装置１における木質系バイオマスの加水分解に供する反応条件を、ヘミセルロースの分解に供する第１反応条件と、セルロースの分解に供する第２反応条件との２段階に分けて制御することにより、ヘミセルロースの分解物（キシロオリゴ糖を含む多糖類）と、セルロースの分解物（セロオリゴ糖を含む多糖類）とを区別して採取することができる。その結果、最終的に得られるアルコール発酵可能な単糖類（グルコース、キシロース）の量を増やすことができ、糖収率の向上を図ることができる。
【００４８】
また、本実施形態では、第１触媒反応装置２及び第２触媒反応装置３における多糖液（第１多糖液、第２多糖液）と固体酸触媒との接触反応が固液反応であるため、反応速度が速く、また、固体酸触媒の分離回収を容易に行うことができる。
さらに、加圧熱水による水熱反応と、固体酸触媒反応とを段階的に行うことで、エタノール発酵を阻害する物質の生成が抑制され、糖収率のさらなる向上を図ることができる。
【００４９】
なお、本発明は上記実施形態に限定されず、以下のような変形例が考えられる。
（１）上記実施形態では、木質系バイオマスからバイオエタノールを生成するバイオマス処理装置Ａを例示して説明したが、第１発酵装置４、第２発酵装置５及び蒸留装置６を削除して、木質系バイオマスからエタノール発酵可能な単糖類（グルコース、キシロース）を生成する装置としても良い。生成した単糖類は、特にバイオエタノールの生成に限らず、その他の用途に使用できる。
【００５０】
（２）上記実施形態では、第１混合装置２ａと第１固液分離装置２ｂとから構成された第１触媒反応装置２を例示して説明したが、図２に示すように、固定床槽１０の内部に固体酸触媒を固定充填し、キシロオリゴ糖を含む第１多糖液を固定床槽の内部に流通させて、第１多糖液と固体酸触媒とを接触させることで糖化反応を起こし、固定床槽１０から流出する液体をキシロースを含む第１単糖液として得ても良い。この場合、固定床槽１０の出口から流出する液体を入口に再送することにより、より純度の高い第１単糖液を得ることができる。なお、第２触媒反応装置３についても同様である。
【００５１】
（３）上記実施形態では、木材チップや廃建材などの木質系バイオマスを原料として使用したが、その他、農作物や食品の残渣（稲藁、麦わら、バガス、果実皮など）を原料バイオマスとして使用することもできる。また、上記実施形態では、第１反応条件及び第２反応条件を、加圧熱水の供給量Ｑと木質系バイオマスの供給量Ｖとの比率Ｋと、加圧熱水の温度Ｔとの組み合わせによって設定したが、これに限らず、加圧熱水の温度Ｔと滞留時間との組み合わせによって設定しても良い。
【符号の説明】
【００５２】
Ａ…バイオマス処理装置、１…加圧熱水反応装置、２…第１触媒反応装置、３…第２触媒反応装置、４…第１発酵装置、５…第２発酵装置、６…蒸留装置、７…排水処理装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
加圧熱水を用い、ヘミセルロースの分解に供する第１反応条件にてバイオマスを加水分解することでキシロオリゴ糖を含む第１多糖液を生成した後、セルロースの分解に供する第２反応条件にて前記バイオマスを加水分解することでセロオリゴ糖を含む第２多糖液を生成する加圧熱水反応装置と、
前記加圧熱水反応装置から流出する前記第１多糖液を、固体酸触媒を用いて加水分解することでキシロースを含む第１単糖液を生成する第１触媒反応装置と、
前記加圧熱水反応装置から流出する前記第２多糖液を、固体酸触媒を用いて加水分解することでグルコースを含む第２単糖液を生成する第２触媒反応装置と、
を備えることを特徴とするバイオマス処理装置。
【請求項２】
前記第１反応条件及び第２反応条件は、前記加圧熱水の供給量と前記バイオマスの供給量との比率と、前記加圧熱水の温度との組み合わせによって設定されていることを特徴とする請求項１記載のバイオマス処理装置。
【請求項３】
前記第１触媒反応装置は、
前記加圧熱水反応装置から流出する前記第１多糖液と前記固体酸触媒とを混合することで、前記キシロースを生成する第１混合装置と、
前記第１混合装置から流出する、前記キシロース及び前記固体酸触媒を含む第１混合液を固液分離することで、前記キシロースを含む第１単糖液と前記固体酸触媒とを分離し、前記固体酸触媒を回収して前記第１混合装置に供給する第１固液分離装置と、
を備えることを特徴とする請求項１または２に記載のバイオマス処理装置。
【請求項４】
前記第２触媒反応装置は、
前記加圧熱水反応装置から流出する前記第２多糖液と前記固体酸触媒とを混合することで、前記グルコースを生成する第２混合装置と、
前記第２混合装置から流出する、前記グルコース及び前記固体酸触媒を含む第２混合液を固液分離することで、前記グルコースを含む第２単糖液と前記固体酸触媒とを分離し、前記固体酸触媒を回収して前記第２混合装置に供給する第２固液分離装置と、
を備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のバイオマス処理装置。
【請求項５】
前記第１触媒反応装置によって生成された前記第１単糖液をアルコール発酵させることで、バイオエタノールを生成する第１発酵装置を備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のバイオマス処理装置。
【請求項６】
前記第２触媒反応装置によって生成された前記第２単糖液をアルコール発酵させることで、バイオエタノールを生成する第２発酵装置を備えることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のバイオマス処理装置。
【請求項７】
加圧熱水を用い、ヘミセルロースの分解に供する第１反応条件にてバイオマスを加水分解することでキシロオリゴ糖を含む第１多糖液を生成した後、セルロースの分解に供する第２反応条件にて前記バイオマスを加水分解することでセロオリゴ糖を含む第２多糖液を生成する加圧熱水反応工程と、
前記加圧熱水反応工程にて生成された前記第１多糖液を、固体酸触媒を用いて加水分解することでキシロースを含む第１単糖液を生成する第１触媒反応工程と、
前記加圧熱水反応工程にて生成された前記第２多糖液を、固体酸触媒を用いて加水分解することでグルコースを含む第２単糖液を生成する第２触媒反応工程と、
を有することを特徴とするバイオマス処理方法。
【請求項１】
加圧熱水を用い、ヘミセルロースの分解に供する第１反応条件にてバイオマスを加水分解することでキシロオリゴ糖を含む第１多糖液を生成した後、セルロースの分解に供する第２反応条件にて前記バイオマスを加水分解することでセロオリゴ糖を含む第２多糖液を生成する加圧熱水反応装置と、
前記加圧熱水反応装置から流出する前記第１多糖液を、固体酸触媒を用いて加水分解することでキシロースを含む第１単糖液を生成する第１触媒反応装置と、
前記加圧熱水反応装置から流出する前記第２多糖液を、固体酸触媒を用いて加水分解することでグルコースを含む第２単糖液を生成する第２触媒反応装置と、
を備えることを特徴とするバイオマス処理装置。
【請求項２】
前記第１反応条件及び第２反応条件は、前記加圧熱水の供給量と前記バイオマスの供給量との比率と、前記加圧熱水の温度との組み合わせによって設定されていることを特徴とする請求項１記載のバイオマス処理装置。
【請求項３】
前記第１触媒反応装置は、
前記加圧熱水反応装置から流出する前記第１多糖液と前記固体酸触媒とを混合することで、前記キシロースを生成する第１混合装置と、
前記第１混合装置から流出する、前記キシロース及び前記固体酸触媒を含む第１混合液を固液分離することで、前記キシロースを含む第１単糖液と前記固体酸触媒とを分離し、前記固体酸触媒を回収して前記第１混合装置に供給する第１固液分離装置と、
を備えることを特徴とする請求項１または２に記載のバイオマス処理装置。
【請求項４】
前記第２触媒反応装置は、
前記加圧熱水反応装置から流出する前記第２多糖液と前記固体酸触媒とを混合することで、前記グルコースを生成する第２混合装置と、
前記第２混合装置から流出する、前記グルコース及び前記固体酸触媒を含む第２混合液を固液分離することで、前記グルコースを含む第２単糖液と前記固体酸触媒とを分離し、前記固体酸触媒を回収して前記第２混合装置に供給する第２固液分離装置と、
を備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のバイオマス処理装置。
【請求項５】
前記第１触媒反応装置によって生成された前記第１単糖液をアルコール発酵させることで、バイオエタノールを生成する第１発酵装置を備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のバイオマス処理装置。
【請求項６】
前記第２触媒反応装置によって生成された前記第２単糖液をアルコール発酵させることで、バイオエタノールを生成する第２発酵装置を備えることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のバイオマス処理装置。
【請求項７】
加圧熱水を用い、ヘミセルロースの分解に供する第１反応条件にてバイオマスを加水分解することでキシロオリゴ糖を含む第１多糖液を生成した後、セルロースの分解に供する第２反応条件にて前記バイオマスを加水分解することでセロオリゴ糖を含む第２多糖液を生成する加圧熱水反応工程と、
前記加圧熱水反応工程にて生成された前記第１多糖液を、固体酸触媒を用いて加水分解することでキシロースを含む第１単糖液を生成する第１触媒反応工程と、
前記加圧熱水反応工程にて生成された前記第２多糖液を、固体酸触媒を用いて加水分解することでグルコースを含む第２単糖液を生成する第２触媒反応工程と、
を有することを特徴とするバイオマス処理方法。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２０１１−６８５７８（Ｐ２０１１−６８５７８Ａ）
【公開日】平成２３年４月７日（２０１１．４．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２１９３６２（Ｐ２００９−２１９３６２）
【出願日】平成２１年９月２４日（２００９．９．２４）
【出願人】（０００００００９９）株式会社ＩＨＩ (5,014)
【出願人】（５９１２４３１０３）財団法人神奈川科学技術アカデミー (271)
【出願人】（３０４０２１４１７）国立大学法人東京工業大学 (1,821)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年４月７日（２０１１．４．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年９月２４日（２００９．９．２４）
【出願人】（０００００００９９）株式会社ＩＨＩ (5,014)
【出願人】（５９１２４３１０３）財団法人神奈川科学技術アカデミー (271)
【出願人】（３０４０２１４１７）国立大学法人東京工業大学 (1,821)
【Ｆターム（参考）】
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