JP2010081855A - 糖類の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】木質バイオマスから、高収率、高効率で糖類を得ることに加え、五炭糖と六炭糖を含む糖類と、六炭糖を含む糖類を分離して回収することができる糖類の製造方法を提供する。
【解決手段】木質バイオマスに、高温高圧水を加えたスラリーを加熱処理する第１スラリー加熱工程（Ｓ１）と、加熱処理されたスラリーを、液体成分と、固体成分とに分離する第１分離工程（Ｓ２）と、分離された固体成分に、水を加えてスラリーとし、当該スラリーを加熱処理する第２スラリー加熱工程（Ｓ３）と、加熱処理されたスラリーを、液体成分と、固体成分とに分離する第２分離工程（Ｓ４）と、分離された液体成分から水を除去して糖類を取得する有用成分取得工程（Ｓ５）と、を含み、有用成分取得工程（Ｓ５）において、糖類を取得することに加え、さらに、第１分離工程（Ｓ２）で分離された液体成分から水を除去して、糖類を取得することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、セルロース含有材である木質バイオマスから、オリゴ糖、グルコース等をはじめとする糖類を回収するための製造方法に関する。

産業・家庭廃棄物には、多量のバイオポリマーや合成ポリマーが含まれているが、そのほとんどは、再利用されずに廃棄されているのが実情である。これらのポリマーは、貴重な化学原料やエネルギー資源となり得るものであり、これらを大量に処理して有効に利用することのできる技術の開発が望まれている。

ポリマー資源のうち、最も期待されているものの一つとしては、紙、木材、わら等の農林生産物中に含まれている大量のセルロースが挙げられる。セルロースからグルコース等の糖類をはじめとする有用成分を得る技術として、従来から、熱分解法や、酸触媒を用いた高温加水分解法や、酵素による加水分解法等、様々な方法が知られている。しかし、熱分解法では、反応制御が不可能で、糖類の生成率が低いという問題があった。また、高温加水分解法では、酸を添加するため、酸による装置腐食や生成物からの酸除去等の問題や、このような不具合を回避するために、酸の濃度を抑制すると、糖の生成率が低くなるという問題があった。さらに、加水分解法では、現状では反応速度が遅く、工業的な生産技術としては利用できないという問題があった。

そこで、酸や酵素を用いずに、加水分解を行う技術として、例えば、特許文献１には、超臨界状態または亜臨界状態の水を用いてセルロースを分解することで、糖類を得る方法が開示されている。また、特許文献２には、セルロース粉末を２００〜３００℃の加圧熱水と接触させて加水分解を行い、糖類を得る方法が開示されている。さらに、特許文献３には、セルロースまたはセルロース含有物質の粉末を、触媒としてランタノイドイオンの存在下、２２０〜２７０℃の加圧熱水と接触させて加水分解を行い、高い効率で糖類を得る方法が開示されている。
特開平５−３１０００号公報 特開平１０−３２７９００号公報 特開２００２−８５１００号公報

しかしながら、従来の糖類を得る方法では、以下に示す問題がある。
前記のように、木材等を高温高圧水により加水分解を行う場合、処理温度が高すぎるために、バイオマスの分解が進みすぎる恐れがあり、分解が進みすぎると、蟻酸、酢酸、メタン、二酸化炭素等の酸成分や、ガス成分を生成し、有用成分の収率が低下するという問題がある。一方、温度を低くすると、分解率が悪くなり、糖収率が低下しやすく、また、有用成分のセルロースの大部分がそのままでは使用しがたいオリゴ糖で回収されるため、これを利用するために、単糖化のための酵素処理等が必要となる。

また、製造される糖類のうち、六炭糖は、一般的な酵母による発酵が可能であるが、五炭糖には遺伝子組み換え等を行った特殊な酵母が必要で、しかも分解されやすい六炭糖が多く共存すると五炭糖の分解が進みにくくなる。そのため、この糖類をバイオエタノール生産の原料として用いる場合、エタノール発酵を効率的に行うためには、五炭糖のみを分離するのは困難であることから、得られる糖類を、主に五炭糖と六炭糖を含む糖類と、主に六炭糖を含む糖類と、に分離することが好ましい。しかし、従来の技術では、得られる糖類を、主に五炭糖と六炭糖を含む糖類と、主に六炭糖を含む糖類に分離して回収することもできないという問題がある。

本発明は、前記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、木質バイオマスから、高収率、高効率で糖類を得ることに加え、主に五炭糖と六炭糖を含む糖類と、主に六炭糖を含む糖類を分離して回収することができる糖類の製造方法を提供することにある。

本発明に係る糖類の製造方法は、木質バイオマスを原料とする糖類の製造方法であって、前記木質バイオマスに、１５０〜２００℃、１．６〜３ＭＰａの高温高圧水を加えたスラリーを、５〜２０分加熱処理する第１スラリー加熱工程と、前記第１スラリー加熱工程で加熱処理されたスラリーを、液体成分と、固体成分とに分離する第１分離工程と、前記第１分離工程で分離された固体成分に、２．５〜２０倍量の水を加えてスラリーとし、当該スラリーを、２５０〜３００℃、１１．５〜１５ＭＰａの条件下で、１０〜１２０秒加熱処理する第２スラリー加熱工程と、前記第２スラリー加熱工程で加熱処理されたスラリーを、液体成分と、固体成分とに分離する第２分離工程と、前記第２分離工程で分離された液体成分から水を除去して、有用成分である糖類を取得する有用成分取得工程と、を含み、前記有用成分取得工程において、前記糖類を取得することに加え、前記有用成分取得工程において、さらに、前記第１分離工程で分離された液体成分から水を除去して、有用成分である糖類を取得することを特徴とする。

このような製造方法によれば、第１スラリー加熱工程、第１分離工程、第２スラリー加熱工程、第２分離工程、有用成分取得工程を含むことによって、木質バイオマスからの糖類の製造効率が向上し、また、糖類の収率が向上する。

さらに、第１スラリー加熱工程において、スラリーを比較的低温・低圧で加熱処理することで、木質バイオマスのヘミセルロース部分が加水分解され、大部分の五炭糖と六炭糖が水に加熱抽出される。これにより、この加熱抽出された液体成分から、主に五炭糖と六炭糖を含む糖類（以下、適宜、第１糖類という）が製造される。なお、ヘミセルロースは、主に五炭糖と六炭糖の混合物からなるものである。

そして、第２スラリー加熱工程において、スラリーを比較的高温・高圧で加熱処理することで、木質バイオマスのセルロース部分が加水分解され、大部分の六炭糖が水に加熱抽出される。これにより、この加熱抽出された液体成分から、主に、六炭糖を含む糖類（以下、適宜、第２糖類という）が製造される。なお、セルロースは、主に六炭糖からなるものである。

本発明に係る糖類の製造方法によれば、木質バイオマスから、効率よく、高い収率で糖類を製造することができる。また、主に五炭糖と六炭糖を含む糖類と、主に六炭糖を含む糖類を分離して回収することができるため、得られた糖類をバイオエタノール生産の原料として用いる場合、エタノール発酵を効率的に行うことができる。

次に、図面を参照して本発明に係る糖類の製造方法ついて詳細に説明する。なお、参照する図面において、図１は、糖類の製造方法の工程を説明するフローチャート、図２は、糖類の製造方法に用いる加水分解反応装置の一例を示す模式図であり、（ａ）は、半流通式反応装置の概略を示す模式図、（ｂ）は、流通式反応装置の概略を示す模式図である。

≪糖類の製造方法≫
図１に示すように、糖類の製造方法は、第１スラリー加熱工程（Ｓ１）と、第１分離工程（Ｓ２）と、第２スラリー加熱工程（Ｓ３）と、第２分離工程（Ｓ４）と、有用成分取得工程（Ｓ５）と、を含むものである。
以下、各工程について説明する。

＜第１スラリー加熱工程（Ｓ１）＞
第１スラリー加熱工程（Ｓ１）は、木質バイオマスに、１５０〜２００℃、１．６〜３ＭＰａの高温高圧水を加えてスラリーを調製し、このスラリーを、５〜２０分加熱処理する工程である。そして、スラリーを加熱処理することによって、木質バイオマスのヘミセルロース部分が加水分解し、大部分の五炭糖と六炭糖が水に加熱抽出される。なお、第１スラリー加熱工程（Ｓ１）では、セルロース部分が加水分解されないため、第１糖類中の六炭糖を減らすことができる。

［木質バイオマス］
原料となる木質バイオマス（以下、「バイオマス」ともいう）としては、特に限定されるものではなく、木材粉、木材片、チップダスト、のこくず、おがくず等の木質系バイオマスを用いることができる。なお、前記木材片としては、例えば、建築解体廃棄物や森林伐採時に生じる間伐材、あるいは、公園や街路樹等の剪定枝等が挙げられる。このように、本発明によれば、通常であれば廃棄処分されるバイオマスを有効活用できるため、処理場等の問題を解決すると共に、エネルギー問題の解決にもつながる。

前記バイオマスは、粉砕して用いるのが好ましい。バイオマスを粉砕して用いることで、バイオマスと水との接触面積が大きくなる。そのため、ヘミセルロースが加水分解しやすくなり、結果として糖類の収率が向上しやすくなる。ここで、第１スラリー加熱工程（Ｓ１）においては、後記するように、半流通式反応装置を用いることができるため、反応器（反応管）に粉砕したバイオマス（木粉）をつめ、その木粉の間隙に高温熱水を流通させることから、フィルターの詰まりを起こさないように、バイオマスは、比較的粗粉砕（粒径０．２５〜１．５ｍｍ程度）のものを用いることが好ましい。

用いる木材の使用量は、木材の種類、また使用する水の量等、処理時の条件によって適宜決定すればよい。しかし、一時に多量の木材をスラリー化することは困難であるため、スラリーの状態を見ながら、攪拌可能な範囲で添加するのが好ましい。一応の目安としては、スラリー中のバイオマス含有量は、１０質量％以上であるのが好ましく、より好ましくは１３質量％以上、さらに好ましくは１５質量％以上、さらに２０質量％以上であるのが好ましい。バイオマス含有量が１０質量％未満では、製造効率が低下し、また、低コストで糖類を得難くなる。なお、バイオマスの含有量の上限は、スラリー状態を保てる程度であれば特に限定されるものではない。

［高温高圧水］
スラリーを調製する際に用いる水は、１５０〜２００℃、１．６〜３ＭＰａの高温高圧水を用いる。
バイオマスにおける分解しやすいヘミセルロース部分だけを、一般的な条件よりも比較的低温・低圧で、時間をかけて抽出することで、主にヘミセルロースを構成する五炭糖と六炭糖を抽出することができる。また、この操作が、比較的低温・低圧であることから、反応器としては、ＳＵＳ３０４程度の耐熱性の安価なものを用いることができ、設備的にも構築が容易であり、必要なエネルギーも少なくてすむ。

なお、このような処理を行うには、半流通式反応装置を用いることができる。この半流通式反応装置を使用することで、比較的粒径の粗い木粉を用いることができると同時に、水濡れ性が特によくなくとも、問題なくバイオマスを処理することができる。第１スラリー加熱工程（Ｓ１）においては、バイオマスとして水／木粉比が高くなるが、半流通式反応装置を使用することで、処理温度を低くして、使用するエネルギー量を少なくすることができる。

水の温度が１５０℃未満では、バイオマスと水との反応が有効に生じず、ヘミセルロースの加水分解が進行し難い。一方、２００℃を超えると、セルロースの加水分解が起きやすくなり、セルロースの六炭糖まで抽出されてしまう恐れがある。

圧力が１．６ＭＰａ未満では、液相部が形成されず、ヘミセルロースの分散および可溶化が進行しない。一方、３ＭＰａを超えても、それ以上ヘミセルロースの分散および可溶化が進行しないため、経済的ではない。また、装置の耐圧性の観点からも、圧力は３ＭＰａ以下とする。圧力の設定は、例えば、前記スラリーの温度を１５０℃とする場合であれば、圧力は１．６ＭＰａ以上とするのが好ましく、２００℃であれば２．５ＭＰａ以上とするのが好ましい。なお、圧力は、この範囲内において、使用する設備等を考慮して適宜設定すればよいが、ポンプ等の装置に対する負荷を低減する観点からは、前記それぞれの温度における下限値に近い圧力を採用するのが好ましい。

スラリーの加熱時間（抽出時間）は、５〜２０分とする。加熱時間が５分未満では、ヘミセルロースの加水分解が不十分となる。一方、２０分を超えても、それ以上加水分解が進行しないため、経済的ではない。
なお、バイオマスに、高温高圧水を、一度に所定量加えて加熱する他、毎分所定の量で５〜２０分加えることで、加熱処理してもよい。

なお、第１分離工程（Ｓ２）へ移行する前に、この加熱したスラリーを冷却処理により、例えば１００℃以下（好ましくは３０〜７０℃）に急冷してもよい。高温状態のスラリーを冷却することで、その後の取り扱いが容易となり、また、第１スラリー加熱工程（Ｓ１）で生成した糖類（主に五炭糖および六炭糖）が、予熱でさらに分解されるのを防ぐことができる。その他、固液分離器の圧力を下げたり、バルブ等の仕様の水準を下げたりすることができる。

＜第１分離工程（Ｓ２）＞
第１分離工程（Ｓ２）は、前記第１スラリー加熱工程（Ｓ１）で加熱処理されたスラリーを、液体成分と固体成分とに分離する工程である。
ここで、液体成分とは、バイオマスのヘミセルロース部分が加水分解して生成した五炭糖と六炭糖を主に含む溶液をいい、固体成分とは、バイオマスのセルロース部分を主に含むスラリーをいう。

第１分離工程（Ｓ２）でスラリーを液体成分と固体成分とに分離する方法としては、特に限定されるものではなく、例えば、固液分離フィルターを用いることができる。
フィルターとしては、紙、布、メンブレン、セラミックス等のフィルターが挙げられ、このフィルターに熱処理後のスラリーを通すことによって、液体成分と、固体成分とを分離することができる。

フィルターの網目のサイズは、固液分離が可能なものであれば特に限定されるものではなく、例えば、約１００μｍのものを用いることができる。また、使用するフィルターは、複数個、並列して配置してもよい。フィルターを複数個設けることで、固液分離の性能をより向上させることができる。

また、固液分離フィルターに代えて、脱水機（例えば、ろ過機、フィルタープレス、ベルトプレス、遠心脱水機等）等を使って、液体成分と、脱水された固体成分とに分離することもできる。

＜第２スラリー加熱工程（Ｓ３）＞
第２スラリー加熱工程（Ｓ３）は、前記第１分離工程（Ｓ２）で分離された固体成分に、２．５〜２０倍量の水を加えてスラリーとし、当該スラリーを、２５０〜３００℃、１１．５〜１５ＭＰａの条件下で、１０〜１２０秒加熱処理する工程である。そして、スラリーを加熱処理することによって、木質バイオマスのセルロース部分が加水分解し、大部分の六炭糖が水に加熱抽出される。

［固体成分］
固体成分は、前記第１分離工程（Ｓ２）で液体成分と分離されたものであり、前記したように、第１スラリー加熱工程（Ｓ１）で、木質バイオマスのヘミセルロース部分が加水分解されて液体成分に抽出されているため、固体成分は、バイオマスのセルロース部分を主に含む。

［水］
スラリーを調製する際に用いる水は、常温・常圧状態でよい。なお、固体成分の添加作業を簡便とし、また、省エネルギーを図る観点から、１００℃未満の常圧下でスラリーを調製するのが好ましい。また、前記したような、高温高圧水を用いてもよい。

添加する水の量は、固体成分に対し、２．５〜２０倍量とする。水の量が、２．５倍量未満では、固体成分のスラリー化が困難となる。一方、２０倍量を超えると、水の量が多くなり、固液分離や、成分の抽出に多くのエネルギーが必要となる。なお、第１スラリー加熱工程（Ｓ１）を経ることで、固体成分は、すでに水濡性等が改善されており、また、粒子の分解も進んでいることから、バイオマスをスラリー化するよりも、かなり少量の水でスラリー化することができ、必要なエネルギーも少なくてすむ。

そして、前記のようにして調製したスラリーを２５０〜３００℃、１１．５〜１５ＭＰａの条件下で、１０〜１２０秒加熱処理することで、セルロースの加水分解を行う。
第２スラリー加熱工程（Ｓ３）においては、処理温度が高く、高圧であるため、反応器としては、ＳＵＳ３１６程度の耐熱性ものもが必要であるが、反応時間が短いため、小型の反応器を用いることができ、全体としての設備コストも安価になる。

なお、このような処理を行うには、流通式反応装置を用いることができる。この流通式反応装置では、すでに半流通式反応装置によりバイオマスが処理を受けているため、木粉の水濡れ性が改善され、粒径も細かくなっていることから、水／木粉比が非常に低くなったものを扱うことができる。そのため、この流通式反応装置では、セルロース分解に有効な処理温度にしてもエネルギーの消費量が少なくて済み、トータルでのエネルギー消費量を少なくすることができる。

また、加熱工程を２回に分け、第１分離工程（Ｓ２）で液体成分を分離することで、第２スラリー加熱工程（Ｓ３）では、第１スラリー加熱工程（Ｓ１）において分解した成分がより強い熱履歴を受けて過分解することを防ぐことができ、トータルでの糖収率（当初のバイオマスに含まれているホロセルロースに対する回収された単糖とオリゴ糖の合計量の割合）を向上させることができる。

加熱温度が２５０℃未満では、セルロースと水との反応が有効に生じず、セルロースの加水分解が進行し難い。一方、３００℃を超えると、セルロースの分解よりも、加水分解反応により生成した糖類等の熱分解が主となり、目的物である糖類（六炭糖）の収量が低下する。

圧力が１１．５ＭＰａ未満では、液相部が形成されず、セルロースの分散および可溶化が進行しない。一方、１５ＭＰａを超えても、それ以上セルロースの分散および可溶化が進行しないため、経済的ではない。また、装置の耐圧性の観点からも、圧力は１５ＭＰａ以下とする。圧力の設定は、例えば、前記スラリーの温度を２５０℃とする場合であれば、圧力は１１．５ＭＰａ以上とするのが好ましく、３００℃であれば１３ＭＰａ以上とするのが好ましい。なお、圧力は、この範囲内において、使用する設備等を考慮して適宜設定すればよいが、ポンプ等の装置に対する負荷を低減する観点からは、前記それぞれの温度における下限値に近い圧力を採用するのが好ましい。

スラリーの加熱時間（抽出時間）は、１０〜１２０秒とする。加熱時間が１０秒未満では、セルロースの加水分解が不十分となる。一方、１２０秒を超えても、それ以上加水分解が進行しないため、経済的ではない。

なお、第２分離工程（Ｓ４）へ移行する前に、この加熱したスラリーを冷却処理により、例えば１００℃以下（好ましくは３０〜７０℃）に急冷してもよい。高温状態のスラリーを冷却することで、その後の取り扱いが容易となり、また、第２スラリー加熱工程（Ｓ３）で生成した糖類（主に六炭糖）が、予熱でさらに分解されるのを防ぐことができる。その他、固液分離器の圧力を下げたり、バルブ等の仕様の水準を下げたりすることができる。

＜第２分離工程（Ｓ４）＞
第２分離工程（Ｓ４）は、前記第２スラリー加熱工程（Ｓ３）で加熱処理されたスラリーを、液体成分と固体成分とに分離する工程である。
ここで、液体成分とは、バイオマスのセルロース部分が加水分解して生成した六炭糖を主に含む溶液をいい、固体成分とは、バイオマスのホロセルロース以外の成分を主に含むスラリーをいう。
その他については、第１分離工程（Ｓ２）と同様であるので、ここでは説明を省略する。

＜有用成分取得工程（Ｓ５）＞
有用成分取得工程（Ｓ５）は、前記第２分離工程（Ｓ４）で分離された液体成分から水を除去して、有用成分である糖類（第２糖類）を取得する工程である。
また、前記第２糖類を取得することに加え、前記第１分離工程（Ｓ２）で分離された液体成分から水を除去して、有用成分である糖類（第１糖類）を取得する工程である。

液体成分から水を分離して除去する方法は、一般的な蒸留法や蒸発法（スプレードライ法等）等を用いることができる。水の分離・回収（固液分離）により、液体成分から、糖類を得ることができる。

有用成分取得工程（Ｓ５）で取得される糖類には、例えば、キシロース、リボース、アラビノース、アビオース等のペントース類；グルコース、フルクトース、リブロース、ガラクトース、マンノース、タロース等のヘキソース類；グルコヘプトース等のヘプトース類；これらの１種又は２種以上が２〜２０程度重合したオリゴ糖類等が含まれる。その他、アミノ糖や糖アルコール等の糖誘導体を含む場合もある。

そして、第１糖類は、主に、キシロース、リボース等の五炭糖と、グルコース、フルクトース等の六炭糖の混合物であり、遺伝子組み換え等を行なった特殊な酵母による発酵が可能である。また、第２糖類は、主に、グルコース、フルクトース等の六炭糖であり、一般的な酵母による発酵が可能である。なお、前記のとおり、第１糖類および第２糖類には、その他の単糖類や、オリゴ糖等も含む場合がある。

このようにして、単離・精製した糖類は、機能性食品資材、バイオエタノール生産の原料等として利用することができる。また、主に五炭糖と六炭糖を含む糖類と、主に六炭糖を含む糖類を分離して回収することができるため、得られた糖類をバイオエタノール生産の原料として用いる場合、主に五炭糖と六炭糖を含む糖類は、遺伝子組み換え等を行った酵母を用いたアルコール発酵を行い、主に六炭糖を含む糖類は一般的な酵母を用いたアルコール発酵を行うことで、エタノール発酵を効率的に行うことができる。

なお、必要に応じて、前記改質炭取得工程（Ｓ５）において、前記第１分離工程（Ｓ２）で分離された液体成分および前記第２分離工程（Ｓ４）で分離された液体成分から糖類（第１糖類および第２糖類）を取得することに加え、前記第２分離工程（Ｓ４）で分離された固体成分から水を除去して、固体燃料を製造してもよい（固体燃料取得工程）。この固体燃料は、原料であるバイオマスに比べて、含水率が低く、また、発熱量が高くなっているため、石炭のように発電等の水蒸気ボイラーや高炉吹込み用の燃料として利用することができる。固体成分から水を分離して除去する方法は、前記した液体成分から糖類を取得する改質炭取得工程（Ｓ５）と同様に、一般的な蒸留法や蒸発法を用いることができる。

なお、第１糖類、第２糖類、固体燃料の取得においては、これらを同じタイミングで同時に取得されるようにしてもよく、いずれか一つ、または二つを先に取得するようにしてもよい。

次に、本発明に係る糖類の方法について、半流通式反応装置および流通式反応装置を用いた場合の一例について、図２を参照して説明する。

＜ヘミセルロースの加水分解＞
まず、半流通式反応装置を用いて、木質バイオマスのヘミセルロース部分を加水分解する工程について説明する。

図２（ａ）に示すように、ヘミセルロースの加水分解においては、まず、半流通式反応装置１０の反応器１５内にバイオマス１６を仕込み、水タンク１１から水ポンプ１２を介して反応器１５に水を供給してスラリーとする。このとき、予熱器１３により水を加熱して供給し、反応器１５内において水温が１５０〜２００℃になるようにすると共に、圧力保持バルブ２０を閉めて加圧ポンプ１４を制御することによって、水の圧力が１．６〜３ＭＰａとなるようにする。そして、このような条件で、スラリーを５〜２０分加熱処理する。なお、ここでの半流通式反応装置１０では、水ポンプ１２から、熱処理後の試料を急冷できるように、冷却器１７に入力する管路に水を供給できるように、水ポンプ１２と管路が接続されている。

その後、スラリーを反応器１５から排出し、冷却ユニット１８が取り付けられた冷却器１７へと送られ、１００℃以下にまで冷却する。なお、このとき回収された熱は、前記反応器１５や、予熱器１３における昇温過程で再利用することができる。

次いで、冷却したスラリーを、冷却器１７の下流側に設けられた固液分離器１９の固液分離フィルターで、液体成分と固体成分とに分離する。このとき使用するフィルターは、複数個、並列して配置してもよい。

なお、前記フィルターに代えて、圧力保持バルブ２０の下流側にタンク（図示せず）を備え、ここで、加熱処理を経たスラリーを脱水機（例えば、ろ過機、フィルタープレス、ベルトプレス、遠心脱水機等）等を使って、液体成分と脱水された固体成分とに分離することもできる。

分離された液体成分は、圧力保持バルブ２０を通過して、気液分離器２２へと送られる。前記液体成分は、圧力保持バルブ２０を通過する際、大気圧にまで急激に減圧されるため、それまで液体成分中に溶存していた低沸点成分が気化し、ガスが発生する。これら液体成分とガス成分とは、気液分離器２２において分離され、ガスはガスバッグ２１に、液体成分は反応液受器２３にそれぞれ回収される。

なお、反応液受器２３に回収された液体成分は、加水分解生成物が多量の水で希釈された状態にあるので、逆浸透膜等により濃縮することが実用的である。
そして、回収された液体成分から、一般的な蒸留法や蒸発法（スプレードライ法等）等により、糖類（主に五炭糖および六炭糖）を得ることができる。一方、固液分離器１９で分離された固体成分は、第２スラリー加熱工程に供給し、セルロースの加水分解を行う。

＜セルロースの加水分解＞
次に、流通式反応装置を用いて、木質バイオマスのセルロース部分を加水分解する工程について説明する。

図２（ｂ）に示すように、セルロースの加水分解においては、まず、流通式反応装置３０のスラリータンク３１内で、固体成分に２．５〜２０倍量の水を加えてスラリー３２とする。次に、スラリーポンプ３３によって、スラリータンク３１からスラリー３２を反応器３４に所定量供給し、このスラリー３２を２５０〜３００℃まで加温すると共に、圧力保持バルブ３８を閉めて、スラリーポンプ３３の圧力を制御することによって、１１．５〜１５ＭＰａの範囲に加圧する。そして、このような条件で、スラリーを１０〜１２０秒加熱処理する。

その後、冷却ユニット３６および冷却器３５による冷却処理、固液分離器３７による固液分離処理、気液分離器４０によるガス成分の分離処理を経て、ガスはガスバッグ３９に、液体成分は反応液受器４１に回収される。なお、冷却処理、固液分離処理、ガス成分の分離処理等は、前記したヘミセルロースの加水分解における半流通式反応装置１０を用いた場合と同様であるので、ここでは説明を省略する。

なお、反応液受器４１に回収された液体成分は、加水分解生成物が多量の水で希釈された状態にあるので、逆浸透膜等により濃縮することが実用的である。
そして、回収された液体成分から、一般的な蒸留法や蒸発法（スプレードライ法等）等により、糖類（主に六炭糖）を得ることができる。一方、固液分離器３７で分離された固体成分は、残渣として廃棄してもよいが、脱水（固液分離）した後、固体燃料として使用することもできる。

本発明は、以上説明したとおりであるが、本発明を行うにあたり、前記各工程に悪影響を与えない範囲において、前記各工程の間あるいは前後に、例えば、バイオマスを粉砕する原料粉砕工程や、ごみ等の不要物を除去する不要物除去工程や、得られた糖類を乾燥させる乾燥工程等、他の工程を含めてもよい。

次に、本発明に係る糖類の製造方法について、実施例を挙げて具体的に説明する。
[実施例１]
図２（ａ）に示すような半流通式反応装置を使用し、粒径１ｍｍのスギ木粉２００ｇを反応器に入れ密閉した。そこに、１８０℃の純水を、２ＭＰａの圧力で、毎分２００ｇの量を２０分間送り込み、４．２ｋｇのスラリーを調製した。このスラリーを反応器から排出し、冷却器で常温まで冷却すると共に、常圧まで戻した。その後、そのスラリーを１００μｍのメッシュのフィルターを用いた固液分離器で処理すると、固体成分約１０８ｇと、液体成分約４０９２ｇが得られた。この液体成分（抽出液１）について、高速液体クロマトグラフィー（ＨＰＬＣ）（島津製作所 ＬＣ−ＶＰ、（検出器：ＲＩＤ−１０Ａ ＳＰＤ−６ＡＶ））によって分析を行った。分析条件は、「カラム：Ｓｈｏｄｅｘ ＫＳ８０２、溶離液：水、流速：０．５ｍｌ／ｍｉｎ、カラム温度：６５℃」である。この液体成分の分析結果は、図３（ａ）に示す状態となった。なお、図３（ａ）中のその他の単糖類は、主に五炭糖である。

次に、図２（ｂ）に示すような流通式反応装置を使用し、この約１０８ｇの固体成分をスラリータンクへ投入した。この固体成分に９００ｇの水を加え、よく撹拌してスラリーとした後、このスラリーを１５ＭＰａに加圧し、すでに２８０℃に加温している反応器へ、スラリーポンプで毎分５０ｇ送り込んだ。反応器内でのスラリーの滞留時間は、約３０秒とした。このスラリーを１００μｍのメッシュのフィルターを用いた固液分離器で処理すると、固体成分約２５ｇと、液体成分約９８３ｇが得られた。この液体成分（抽出液２）について、前記と同様の条件で、ＨＰＬＣによって分析を行った。この液体成分の分析結果は、図３（ｂ）に示す状態となった。なお、図３（ｂ）中のその他の単糖類は、主に六炭糖である。

ＨＰＬＣによる分析結果から、当初のスギ木粉２００ｇに含まれているホロセルロースに対する抽出液１と抽出液２中の単糖とオリゴ糖の合計量の割合（糖収率）を求めた結果、ホロセルロース１２６ｇに対し、糖類の合計量は９３ｇであり、糖収率は、約７４％であった。

[比較例１]
図２（ａ）に示すような半流通式反応装置を使用し、粒径１ｍｍのスギ木粉２００ｇを反応器に入れ密閉した。そこに、３００℃の純水を、１５ＭＰａの圧力で、毎分２００ｇの量を６０分間送り込み、１２．２ｋｇのスラリーを調製した。このスラリーを反応器から排出し、冷却器で常温まで冷却すると共に、常圧まで戻した。その後、そのスラリーを１００μｍのメッシュのフィルターを用いた固液分離器で処理すると、固体成分約７２ｇと、液体成分約１２１２８ｇが得られた。この液体成分について、実施例１と同様の条件で、ＨＰＬＣによって分析を行った（図示省略）。

ＨＰＬＣによる分析結果から、実施例１と同様に糖収率を求めた結果、ホロセルロース１２６ｇに対し、糖類の合計量は５０ｇであり、糖収率は、約４０％であった。

[比較例２]
図２（ｂ）に示すような流通式反応装置を使用し、粒径１ｍｍのスギ木粉２００ｇをスラリータンクへ投入した。次に、このスギ木粉２００ｇに２０００ｇの水を加え、よく撹拌してスラリーとした後、このスラリーを１５ＭＰａに加圧し、すでに２８０℃に加温している反応器へ、スラリーポンプで毎分５０ｇ送り込んだ。反応器内でのスラリーの滞留時間は、約３０秒とした。このスラリーを１００μｍのメッシュのフィルターを用いた固液分離器で処理すると、固体成分約６５ｇと、液体成分約２１３５ｇが得られた。この液体成分について、実施例１と同様の条件で、ＨＰＬＣによって分析を行った（図示省略）。

ＨＰＬＣによる分析結果から、実施例１と同様に糖収率を求めた結果、ホロセルロース１２６ｇに対し、糖類の合計量は４５ｇであり、糖収率は、約３６％であった。

以上の結果から、本発明に係る糖類の製造方法によれば、木質バイオマスから、効率よく、高い収率で糖類を製造できることがわかる。また、得られる糖類のうち、主に五炭糖と六炭糖を含む糖類と、主に六炭糖を含む糖類を分離して、高効率、かつ簡便に回収できることがわかる。

以上、本発明に係る糖類の製造方法について最良の実施の形態および実施例を示して詳細に説明したが、本発明の趣旨は前記した内容に限定されることなく、その権利範囲は特許請求の範囲の記載に基づいて広く解釈しなければならない。なお、本発明の内容は、前記した記載に基づいて広く改変・変更等することができることはいうまでもない。

本発明に係る糖類の製造方法の工程を説明するフローチャートである。 本発明に係る糖類の製造方法に用いる加水分解反応装置の一例を示す模式図であり、（ａ）は、半流通式反応装置の概略を示す模式図、（ｂ）は、流通式反応装置の概略を示す模式図である。 （ａ）、（ｂ）は、実施例におけるＨＬＰＣ分析の結果を示すグラフである。

符号の説明

Ｓ１ 第１スラリー加熱工程
Ｓ２ 第１分離工程
Ｓ３ 第２スラリー加熱工程
Ｓ４ 第２分離工程
Ｓ５ 有用成分取得工程
１０ 半流通式反応装置
１１ 水タンク
１２ 水ポンプ
１３ 予熱器
１４ 加圧ポンプ
１５、３４ 反応器
１６ バイオマス
１７、３５ 冷却器
１８、３６ 冷却ユニット
１９、３７ 固液分離器
２０、３８ 圧力保持バルブ
２１、３９ ガスバッグ
２２、４０ 気液分離器
２３、４１ 反応液受器
３０ 流通式反応装置
３１ スラリータンク
３２ スラリー
３３ スラリーポンプ

Claims (1)

1. 木質バイオマスを原料とする糖類の製造方法であって、
   前記木質バイオマスに、１５０〜２００℃、１．６〜３ＭＰａの高温高圧水を加えたスラリーを、５〜２０分加熱処理する第１スラリー加熱工程と、
   前記第１スラリー加熱工程で加熱処理されたスラリーを、液体成分と、固体成分とに分離する第１分離工程と、
   前記第１分離工程で分離された固体成分に、２．５〜２０倍量の水を加えてスラリーとし、当該スラリーを、２５０〜３００℃、１１．５〜１５ＭＰａの条件下で、１０〜１２０秒加熱処理する第２スラリー加熱工程と、
   前記第２スラリー加熱工程で加熱処理されたスラリーを、液体成分と、固体成分とに分離する第２分離工程と、
   前記第２分離工程で分離された液体成分から水を除去して、有用成分である糖類を取得する有用成分取得工程と、を含み、
   前記有用成分取得工程において、前記糖類を取得することに加え、前記有用成分取得工程において、さらに、前記第１分離工程で分離された液体成分から水を除去して、有用成分である糖類を取得することを特徴とする糖類の製造方法。

Images