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WO2009096061A1 - バイオマス原料を用いた有機原料の製造システム及び方法 - Google Patents

バイオマス原料を用いた有機原料の製造システム及び方法 Download PDF

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WO2009096061A1
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fermentation
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Minoru Genta
Ryosuke Uehara
Kinya Fujita
Tsuyoshi Sakaki
Noriyuki Yamada
Katsuichi Saito
Naoto Hashimoto
Yasuhiro Hasa
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National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
National Agriculture and Food Research Organization
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Mitsubishi Heavy Industries Ltd
National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
National Agriculture and Food Research Organization
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    • Y02E50/00—Technologies for the production of fuel of non-fossil origin
    • Y02E50/10—Biofuels, e.g. bio-diesel

Definitions

  • the present invention relates to a system and method for producing an organic raw material using a biomass raw material that can efficiently produce an organic raw material such as alcohols, petroleum substitutes, or amino acids using the biomass raw material.
  • Patent Document 1 Korean Patent Document 1
  • chemical industrial raw material production for example, lactic acid fermentation etc.
  • the biomass refers to the accumulation of organisms incorporated into the material circulation system of the earth biosphere or organic substances derived from the organisms (see JIS K 3600 1258).
  • sugarcane, corn, and the like that are currently used as alcohol raw materials are originally provided for food, but making these edible resources a long-term, stable industrial use resource is an effective food product. From the viewpoint of life cycle, it is not preferable.
  • Cellulose resources vary from 38 to 50% for cellulose, 23 to 32% for hemicellulose components, and 15 to 22% for lignin components that do not become fermentation raw materials.
  • the raw materials are assumed to be fixed, and there is no disclosure of production system technology considering the versatility of raw materials.
  • the resulting sugar solution is a 6-carbon sugar solution from cellulose and a 5-carbon sugar solution from the hemicellulose component.
  • a suitable yeast is required for alcohol fermentation, and both a 6-carbon solution and a 5-carbon solution are mixed.
  • the present invention separates a cellulose-based component from a biomass raw material to produce an efficient sugar liquid, and uses various kinds of organic raw materials (for example, alcohols, petroleum substitutes,
  • organic raw materials for example, alcohols, petroleum substitutes
  • Another object is to provide an organic raw material production system and method using a biomass raw material that can efficiently produce amino acids and the like.
  • 1st invention of this invention for solving the subject mentioned above hydrothermally decomposes a biomass raw material while facing pressurized hot water, transfers a lignin component and a hemicellulose component into pressurized hot water, and biomass
  • a hydrothermal decomposition apparatus in which a lignin component and a hemicellulose component are separated from a solid, and an enzymatic treatment of cellulose in biomass solids discharged from the hydrothermal decomposition apparatus to enzymatically decompose it into a sugar solution containing hexose.
  • a first enzyme decomposing apparatus and a fermentation apparatus for producing any one of alcohols, petroleum substitutes or amino acids by fermentation using the sugar solution obtained by the first enzyme decomposing apparatus. It is in the manufacturing system of the organic raw material using the biomass raw material characterized by this.
  • a second enzyme decomposing apparatus and a second enzyme decomposing apparatus that enzymatically decompose the hemicellulose component in the hot water discharge liquid into a sugar solution containing pentose.
  • a fermentation apparatus for producing any one of alcohols, petroleum substitutes or amino acids by fermentation treatment using the sugar solution obtained in the above, production of organic raw materials using biomass raw materials In the system.
  • the third invention is the organic raw material production system using the biomass raw material according to the first or second invention, wherein the reaction temperature of the hydrothermal decomposition apparatus is 180 to 240 ° C.
  • the fourth invention hydrothermally decomposes the biomass raw material in opposition to the pressurized hot water, transfers the lignin component and hemicellulose component into the pressurized hot water, and separates the lignin component and hemicellulose component from the biomass solid.
  • a hydrothermal decomposition step a first enzymatic decomposition step in which cellulose in biomass solids discharged from the hydrothermal decomposition apparatus is enzymatically decomposed into a sugar solution containing 6-carbon sugar, Using a sugar solution obtained in the enzymatic decomposition process, and a fermentation process for producing any one of alcohols, petroleum substitutes or amino acids by fermentation treatment, In the raw material manufacturing method.
  • the second enzymatic decomposition step and the second enzymatic decomposition step of enzymatically decomposing the hemicellulose component in the hot water discharge liquid into a sugar liquid containing pentose And a fermentation process for producing any one of alcohols, petroleum substitutes or amino acids by fermentation treatment using the sugar solution obtained in the above, production of an organic raw material using a biomass raw material Is in the way.
  • the sixth invention is the method for producing an organic raw material using a biomass raw material according to the fourth or fifth invention, wherein the reaction temperature of the hydrothermal decomposition is 180 to 240 ° C.
  • a side reaction product (lignin component, hemicellulose component) other than the reaction that produces the target component cellulose (which becomes hexose solution by enzymatic saccharification). Is transferred to pressurized hot water to obtain a biomass solid content mainly composed of cellulose.
  • a biomass solid content mainly composed of cellulose.
  • the components that are easily solubilized in hot water are discharged out of the reaction system in sequence by facing each other, and a temperature gradient is generated from the biomass charging section to the hot water charging section, thereby suppressing the excessive decomposition of the hemicellulose component.
  • the pentose component can be efficiently recovered.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of an alcohol production system according to a first embodiment.
  • FIG. 2 is a schematic diagram of an alcohol production system according to the second embodiment.
  • FIG. 1 is a conceptual diagram illustrating an organic raw material manufacturing system using a biomass raw material according to an embodiment.
  • an alcohol production system 10-1 using a biomass raw material according to the present embodiment includes a pretreatment device 12 that pulverizes the biomass raw material 11, for example, and a pretreated biomass raw material (in this embodiment,
  • the biomass pulverized product 13 which is a straw or the like is hydrothermally decomposed while being in contact with the pressurized hot water 15, the lignin component and the hemicellulose component are transferred into the pressurized hot water 15, and the lignin component and hemicellulose from the biomass solid.
  • the first enzyme decomposition apparatus 19-1 for decomposing, and the first sugar solution (hexose solution) 20-1 obtained by the first enzyme decomposition apparatus 19-1 The first alcohol fermentation apparatus 21-1 for producing alcohols (ethanol in the present embodiment) by the above, and the first alcohol fermentation liquor 22-1 are purified and separated into the target product ethanol 23 and residue 24 And a first purification device 25-1 for processing.
  • the hydrothermal decomposition apparatus 14 discharges the pressurized hot water to which the lignin component and the hemicellulose component are transferred as the hot water discharge liquid 16.
  • the biomass supplied to the hydrothermal decomposition apparatus 14 is not particularly limited, and refers to the accumulation of organisms incorporated in the material circulation system of the earth biosphere or organic matter derived from organisms (JIS). K 3600 1258), however, in the present invention, it is particularly preferable to use wood-based cellulosic resources such as hardwood, herbaceous, agricultural waste, food waste and the like.
  • the biomass raw material 11 is not particularly limited in particle size, but is preferably pulverized to 5 mm or less.
  • a pulverizer is exemplified as the pretreatment device 12.
  • the present invention is not limited to this, and for example, a cleaning device or the like can be used as the pretreatment device 12.
  • pulverization using a pretreatment device is not necessary and can be supplied to the hydrothermal decomposition device 14 as it is.
  • the reaction temperature is preferably in the range of 180 to 240 ° C. More preferably, the temperature is 200 to 230 ° C. This is because at a low temperature of less than 180 ° C., the hydrothermal decomposition rate is low, a long decomposition time is required, leading to an increase in the size of the apparatus, which is not preferable. On the other hand, when the temperature exceeds 240 ° C., the decomposition rate becomes excessive, and the cellulose component increases from the solid to the liquid side, and the excessive decomposition of the hemicellulose saccharide is promoted, which is not preferable.
  • the hemicellulose component dissolves from about 140 ° C., the cellulose from about 230 ° C., and the lignin component from about 140 ° C., but the cellulose remains on the solid side, and the hemicellulose component and the lignin component have a sufficient decomposition rate. It should be in the range of 180 ° C to 240 ° C.
  • reaction pressure is preferably set to a pressure higher by 0.1 to 0.5 MPa than the saturated vapor pressure of water at each temperature at which the inside of the main body is in the state of pressurized hot water.
  • the reaction time is preferably 20 minutes or less and 3 to 15 minutes. This is because if the reaction is carried out too long, the proportion of the overdecomposed product increases, which is not preferable.
  • the flow of the pressurized hot water 15 and the biomass pulverized product 13 in the main body of the hydrothermal decomposition apparatus 14 is a so-called counter flow in which the biomass pulverized product 13 and the pressurized hot water 15 are opposed to each other. It is preferable to contact, agitate and flow.
  • the solid content of the pulverized biomass 13 is supplied from the left side in the figure, while the pressurized hot water 15 is supplied from the right side in the figure, and the pressurized hot water 15 (The liquid in which the hot water and the decomposed product are dissolved) moves while oozing between the solid pulverized product 13 and the counter flow between the solid particles.
  • the decomposed product is dissolved and transferred to the pressurized hot water 15 side.
  • the solid-liquid ratio of the solid to the liquid is preferably as the liquid content is small because the amount of steam for heating for the recovered water and hydrothermal decomposition can be reduced.
  • the weight ratio of the biomass material to be supplied and the pressurized hot water varies depending on the apparatus configuration, but is preferably 1: 1 to 1:10, and more preferably 1: 1 to 1: 5, for example.
  • the hydrothermal decomposition apparatus 14 by adopting a counterflow, the lignin component and the hemicellulose component are transferred into the pressurized hot water 15 on the liquid side, and the solid biomass 17 on the solid side has cellulose. Therefore, the sugar solution (hexose) 20 is obtained by the first enzymatic decomposition apparatus 19-1 for enzymatic saccharification. Then, fermentation according to hexose (fermentation according to the final product: in this embodiment, ethanol 23 is obtained by fermentation using the first alcohol fermentation apparatus 21-1, and the first alcohol fermentation liquid 22-1 is obtained. Process).
  • a side reaction product (lignin component, hemicellulose component) other than the reaction that produces the target component cellulose (which becomes hexose solution by enzymatic saccharification). Is transferred to pressurized hot water to obtain a biomass solid content mainly composed of cellulose.
  • cellulose can be efficiently saccharified, and various organic raw materials (for example, alcohols) can be efficiently produced using the sugar solution as a starting point.
  • ethanol as an alcohol was exemplified as what is obtained by fermentation treatment.
  • the present invention is not limited to this, and petroleum substitutes or foods and feeds that are raw materials for chemical products other than alcohols.
  • Amino acids as raw materials can be obtained by a fermentation apparatus.
  • sugar solution derived from biomass can be efficiently used as a substitute for a chemical product derived from crude oil, which is a depleted fuel, and as a raw material for producing the substitute.
  • FIG. 2 is a conceptual diagram illustrating an organic raw material manufacturing system using a biomass raw material according to an embodiment.
  • the alcohol production system 10-2 using the biomass raw material according to the present embodiment is a hot water discharge liquid 16 discharged from the hydrothermal decomposition apparatus 14 in the system 10-1 shown in FIG.
  • a second enzymatic decomposition device 19-2 is provided for enzymatically decomposing the hemicellulose component transferred into it into a sugar solution 20-2 containing pentose.
  • the enzyme decomposing apparatus, the alcohol fermentation apparatus, and the refining apparatus are separately provided in two units (the first enzyme decomposing apparatus 19-1, the second enzyme decomposing apparatus 19-2, the first alcohol fermenting apparatus 21-1, and the first decomposing apparatus). 2 alcohol fermentation apparatus 21-2, first purification apparatus 25-1, and second purification apparatus 25-2). Then, an ethanol degradation process, an alcohol fermentation process and a purification process corresponding to the first sugar liquid (hexose sugar) 20-1 and the second sugar liquid (pentose sugar) 20-2 are performed, and ethanol 23 Like to get.
  • ethanol 23 can be produced by fermentation using the second sugar solution (pentose) 20-2 obtained by the second enzymatic decomposition apparatus 19-2.
  • the hot water discharge liquid is not necessarily processed in a separate system.
  • the processes after the enzyme decomposing apparatus are shared, the processes after the alcohol fermentation apparatus are shared, or the processes after the purification apparatus are shared as appropriate. Changes can be made.
  • the cellulose remains in the biomass biomass 17 on the solid side, and the first enzymatic decomposition apparatus 19-1 for enzymatic saccharification first 1 sugar liquid (6-carbon sugar) 20-1 is obtained, and in the pressurized hot water 15 on the liquid side, the hemicellulose component soluble in the pressurized hot water is separated as the hot water discharge liquid 16, which is separately enzymatically saccharified.
  • the second sugar solution (5-carbon sugar) 20-2 is obtained by the second enzymatic decomposition device 19-2, both can be efficiently separated and saccharified.
  • the fermentation process Fermentation according to final products: example: ethanol fermentation
  • hexose and pentose can be constructed.
  • the side reaction component that becomes an inhibitor in the enzymatic saccharification reaction to obtain hexose and the lignin component that is soluble in pressurized hot water are used as the pressurized hot water 15. Therefore, the biomass solid content 17 mainly composed of cellulose is obtained, and the saccharification reaction yield of hexose in the subsequent saccharification reaction is improved.
  • the hemicellulose component contained in the separated hot water discharge liquid 16 is then saccharified in the second enzymatic decomposition apparatus 19-2 to obtain a sugar liquid containing pentose.
  • yeast suitable for each of hexose and pentose ethanol can be obtained efficiently and individually by fermentation.
  • the side reaction product causes the enzyme saccharification inhibition and the sugar yield is reduced.
  • the cellulose-based component and the hemicellulose component from the biomass material are used. Is converted into pressurized hot water to separate the two, and an efficient sugar solution (6-carbon sugar solution, 5-carbon sugar solution) suitable for each is manufactured, and various organic raw materials are used based on the sugar solution. It is possible to provide an organic raw material production system and method using a biomass raw material that can efficiently produce (for example, alcohols, petroleum substitutes, amino acids, etc.).
  • the cellulose-based component is separated from the biomass raw material to efficiently produce a sugar solution, and various organic materials (for example, Alcohols, petroleum substitutes, amino acids, etc.) can be efficiently produced.
  • various organic materials for example, Alcohols, petroleum substitutes, amino acids, etc.

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Abstract

　バイオマス原料（１１）を粉砕処理する前処理装置（１２）と、バイオマス粉砕物（１３）を加圧熱水（１５）と対向接触させつつ水熱分解し、加圧熱水（１５）中にリグニン成分及びヘミセルロース成分を移行し、バイオマス固体中からリグニン成分及びヘミセルロース成分を分離してなる水熱分解装置（１４）と、前記水熱分解装置から排出されるバイオマス固形分（１７）中のセルロースを酵素処理して６炭糖を含む糖液に酵素（１８）で酵素分解する第１の酵素分解装置（１９－１）と、第１の酵素分解装置（１９－１）で得られた糖液（２０）を用いて、発酵処理によりエタノールを製造する発酵装置（２１）と、アルコール発酵液（２２）を精製してエタノール（２３）と残渣（２４）とに分離処理する精製装置（２５）とを具備する。

Description

バイオマス原料を用いた有機原料の製造システム及び方法
　本発明は、バイオマス原料を用いた例えばアルコール類、石油代替品類、又はアミノ酸類等の有機原料を効率よく製造することができるバイオマス原料を用いた有機原料の製造システム及び方法に関する。
　従来より、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）。
　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。
　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。
　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。
　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）。
特表平９－５０７３８６号公報 特表平１１－５０６９３４号公報 特開２００５－１６８３３５号公報 「日経バイオビジネス」、ｐ．５２、２００２年９月 「バイオマス―生物資源の高度利用」　日本農芸化学会編　朝倉書店発行　１９８５年９月
　前記特許文献１及び２にかかる提案においては、反応に必要な硫酸を常に反応系外から供給する必要があり、製造規模の増大と共に、耐酸性の設備及び多量の硫酸の購入コストが増大すると共に、用いた硫酸の廃棄コスト（例えば石膏法による処理のコスト）及び硫酸回収コストが増大するという、問題がある。
　前記特許文献３にかかる提案においては、各種セルロース系資源を熱水処理して、酵素法により糖化を行うものであるが、熱水処理する際に、セルロースを糖化する際のリグニン成分等のセルラーゼ阻害物質（非特許文献２）が除去されずにセルロースと混在することとなるので、セルロースの糖化効率が低下する、という問題がある。
　また、セルロース以外のヘミセルロース成分を含むものであるので、糖化に際しては、セルロース及びヘミセルロース成分に各々適した酵素を用いる必要がある、という問題がある。
　また得られる糖液もセルロースからは６炭糖液、ヘミセルロース成分からは５炭糖液となり、例えばアルコール発酵においても各々適した酵母が必要になり、６炭糖液と５炭糖液とが混在した状態におけるアルコール発酵効率においてもその向上が求められている。
　このように、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出現が切望されている。
　本発明は、前記課題に鑑み、バイオマス原料からセルロース主体の成分を分離し、効率的な糖液の製造を行うと共に、該糖液を基点として、各種有機原料（例えばアルコール類、石油代替品類、又はアミノ酸類等）を効率よく製造することができるバイオマス原料を用いた有機原料の製造システム及び方法を提供することを目的とする。
　上述した課題を解決するための本発明の第１の発明は、バイオマス原料を加圧熱水と対向接触させつつ水熱分解し、加圧熱水中にリグニン成分及びヘミセルロース成分を移行し、バイオマス固体中からリグニン成分及びヘミセルロース成分を分離してなる水熱分解装置と、前記水熱分解装置から排出されるバイオマス固形分中のセルロースを酵素処理して６炭糖を含む糖液に酵素分解する第１の酵素分解装置と、第１の酵素分解装置で得られた糖液を用いて、発酵処理によりアルコール類、石油代替品類又はアミノ酸類のいずれか一つを製造する発酵装置とを具備することを特徴とするバイオマス原料を用いた有機原料の製造システムにある。
　第２の発明は、第１の発明において、熱水排出液中のヘミセルロース成分を酵素処理して５炭糖を含む糖液に酵素分解する第２の酵素分解装置と、第２の酵素分解装置で得られた糖液を用いて、発酵処理によりアルコール類、石油代替品類又はアミノ酸類のいずれか一つを製造する発酵装置とを具備することを特徴とするバイオマス原料を用いた有機原料の製造システムにある。
　第３の発明は、第１又は２の発明において、前記水熱分解装置の反応温度が１８０～２４０℃であることを特徴とするバイオマス原料を用いた有機原料の製造システムにある。
　第４の発明は、バイオマス原料を加圧熱水と対向接触させつつ水熱分解し、加圧熱水中にリグニン成分及びヘミセルロース成分を移行し、バイオマス固体中からリグニン成分及びヘミセルロース成分を分離してなる水熱分解工程と、前記水熱分解装置から排出されるバイオマス固形分中のセルロースを酵素処理して６炭糖を含む糖液に酵素分解する第１の酵素分解工程と、第１の酵素分解工程で得られた糖液を用いて、発酵処理によりアルコール類、石油代替品類又はアミノ酸類のいずれか一つを製造する発酵工程とを具備することを特徴とするバイオマス原料を用いた有機原料の製造方法にある。
　第５の発明は、第４の発明において、熱水排出液中のヘミセルロース成分を酵素処理して５炭糖を含む糖液に酵素分解する第２の酵素分解工程と、第２の酵素分解工程で得られた糖液を用いて、発酵処理によりアルコール類、石油代替品類又はアミノ酸類のいずれか一つを製造する発酵工程とを具備することを特徴とするバイオマス原料を用いた有機原料の製造方法にある。
　第６の発明は、第４又は５の発明において、前記水熱分解の反応温度が１８０～２４０℃であることを特徴とするバイオマス原料を用いた有機原料の製造方法にある。
　本発明によれば、対向接触させる水熱分解装置を用いることにより、目的成分であるセルロース（酵素糖化により６炭糖液となる）を生成する反応以外の副反応物（リグニン成分、ヘミセルロース成分）を加圧熱水中に移行させることにより、セルロース主体のバイオマス固形分を得ることができる。その結果、６炭糖液を効率よく糖化させて、該糖液を基点として、各種有機原料（例えばアルコール類、石油代替品類、又はアミノ酸類等）を効率よく製造することができる。
　また、対向接触させることにより、熱水に可溶化され易い成分から順次反応系外へ排出されると共に、バイオマスの投入部から熱水投入部まで温度勾配が生じる為、ヘミセルロース成分の過分解が抑制され、結果的に５炭糖成分を効率よく回収することができる。
図１は、実施例１に係るアルコール製造システムの概略図である。 図２は、実施例２に係るアルコール製造システムの概略図である。
符号の説明
　１１　バイオマス原料
　１２　前処理装置
　１３　バイオマス粉砕物
　１４　水熱分解装置
　１５　加圧熱水
　１６　熱水排出液
　１７　バイオマス固形分
　１８　酵素
　１９－１　第１の酵素分解装置
　１９－２　第２の酵素分解装置
　２０－１　第１の糖液（６炭糖）
　２０－２　第２の糖液（５炭糖）
　２１　発酵装置
　２２　アルコール発酵液
　２３　エタノール
　２４　残渣
　２５　精製装置
　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。
　本発明による実施例に係るバイオマス原料を用いた有機原料であるアルコールの製造システムについて、図面を参照して説明する。図１は、実施例に係るバイオマス原料を用いた有機原料の製造システムを示す概念図である。
　図１に示すように、本実施例に係るバイオマス原料を用いたアルコール製造システム１０－１は、バイオマス原料１１を例えば粉砕処理する前処理装置１２と、前処理したバイオマス原料（本実施例では、例えば麦わら等）であるバイオマス粉砕物１３を加圧熱水１５と対向接触させつつ水熱分解し、加圧熱水１５中にリグニン成分及びヘミセルロース成分を移行し、バイオマス固体中からリグニン成分及びヘミセルロース成分を分離してなる水熱分解装置１４と、前記水熱分解装置１４から排出されるバイオマス固形分１７中のセルロースを酵素処理して６炭糖を含む糖液に酵素（セルラーゼ）１８で酵素分解する第１の酵素分解装置１９－１と、第１の酵素分解装置１９－１で得られた第１の糖液（６炭糖液）２０－１を用いて、発酵処理によりアルコール類（本実施の形態ではエタノール）を製造する第１のアルコール発酵装置２１－１と、第１のアルコール発酵液２２－１を精製して目的生成物のエタノール２３と残渣２４とに分離処理する第１の精製装置２５－１とを具備するものである。また、水熱分解装置１４からはリグニン成分及びヘミセルロース成分が移行された加圧熱水を熱水排出液１６として排出するようにしている。
　ここで、前記水熱分解装置１４に供給するバイオマスとしては、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。
　また、前記バイオマス原料１１としては、粒径は特に限定されるものではないが、５ｍｍ以下に粉砕することが好ましい。
　本実施例では、前処理装置１２として、粉砕装置を例示するが、本発明はこれに限定されるものではなく、前処理装置１２として例えば洗浄装置等を用いることができる。
　なお、バイオマス原料１１として、例えば籾殻等の場合には、前処理装置を用いる粉砕は不要となり、そのまま水熱分解装置１４に供給することができるものとなる。
　また、水熱分解装置１４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するのを増大すると共に、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。
　また、反応圧力は本体内部が加圧熱水の状態となる、各温度の水の飽和蒸気圧に更に０．１～０．５ＭＰａ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～１５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。
　ここで、本発明では、水熱分解装置１４の本体内の加圧熱水１５とバイオマス粉砕物１３との流動は、バイオマス粉砕物１３と加圧熱水１５とを対向接触させる、いわゆるカウンターフローで接触・撹拌・流動するようにすることが好ましい。
　前記水熱分解装置１４では、バイオマス粉砕物１３の固形分は図中左側から供給され、一方加圧熱水１５は図中右側から供給され、相互が移動することにより、加圧熱水１５（熱水、分解物が溶解した液）は、固体であるバイオマス粉砕物１３とカウンターフローに固体粒子間に滲みながら移動することとなる。
　その対向接触の際、固体であるバイオマス粉砕物１３が加圧熱水１５により分解すると、その分解物が加圧熱水１５側に溶解移行することとなる。
　また、固体と液体との固液比は、液体分が少ないほど回収水及び水熱分解のための加温のスチーム量を減らすことができるので好ましい。
　ここで、供給するバイオマス原料と加圧熱水との重量比は、装置構成により適宜異なるが、例えば１：１～１：１０、より好ましくは１：１～１：５とするのが好ましい。
　本発明によれば、水熱分解装置１４において、カウンターフローを採用することにより、液体側の加圧熱水１５中にリグニン成分及びヘミセルロース成分を移行させ、固体側のバイオマス固形分１７にはセルロースがとどまることとなり、酵素糖化の第１の酵素分解装置１９－１により糖液（６炭糖）２０を得ることとなる。
　そして、６炭糖に応じた発酵（最終製品に応じた発酵：本実施例では第１のアルコール発酵装置２１－１を用いてエタノール２３を発酵により求め、第１のアルコール発酵液２２－１を精製する）プロセスを構築することができる。
　本発明によれば、対向接触させる水熱分解装置を用いることにより、目的成分であるセルロース（酵素糖化により６炭糖液となる）を生成する反応以外の副反応物（リグニン成分、ヘミセルロース成分）を加圧熱水中に移行させることにより、セルロース主体のバイオマス固形分を得ることができる。その結果、セルロースを効率よく糖化させて、該糖液を基点として、各種有機原料（例えばアルコール類）を効率よく製造することができる。
　また、対向接触させることにより、熱水に可溶化され易い成分から順次排出されると共に、バイオマスの投入部から熱水投入部まで温度勾配が生じる為、ヘミセルロース成分の過分解が抑制され、結果的に５炭糖成分が効率よく回収することができる。
　さらに、対向接触させることで、熱回収ができシステム効率から好ましいものとなる。
　本実施例では、発酵処理により求めるものとして、アルコール類のエタノールを例示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、アルコール類以外の、化成品原料となる石油代替品類又は食品・飼料原料となるアミノ酸類を発酵装置により得ることができる。
　ここで、糖液を基点とした化成品としては、例えばＬＰＧ、自動用燃料、航空機用ジェット燃料、灯油、ディーゼル油、各種重油、燃料ガス、ナフサ、ナフサ分解物であるエチレングリコール、エタノールアミン、アルコールエトキシレート、塩ビポリマー、アルキルアルミニウム、ＰＶＡ、酢酸ビニルエマルジョン、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリカーボネート、ＭＭＡ樹脂、ナイロン、ポリエステル等を挙げることができる。よって、枯渇燃料である原油由来の化成品の代替品及びその代替品製造原料としてバイオマス由来の糖液を効率的に利用することができる。
　本発明による実施例に係るバイオマス原料を用いた有機原料であるアルコールの製造システムについて、図面を参照して説明する。図２は、実施例に係るバイオマス原料を用いた有機原料の製造システムを示す概念図である。
　図２に示すように、本実施例に係るバイオマス原料を用いたアルコールの製造システム１０－２は、図１に示すシステム１０－１において、水熱分解装置１４から排出される熱水排出液１６中に移行されたヘミセルロース成分を酵素処理して５炭糖を含む糖液２０－２に酵素分解する第２の酵素分解装置１９－２を設けてなるものである。
　なお、酵素分解装置、アルコール発酵装置、精製装置は、それぞれ別途２機（第１の酵素分解装置１９－１、第２の酵素分解装置１９－２、第１のアルコール発酵装置２１－１、第２のアルコール発酵装置２１－２、第１の精製装置２５－１、第２の精製装置２５－２）設置している。そして、第１の糖液（６炭糖）２０－１、第２の糖液（５炭糖）２０－２に応じた酵素分解工程、アルコール発酵工程及び精製工程を行うようにして、エタノール２３を得るようにしている。
　そして、本実施例では、前記第２の酵素分解装置１９－２で得られた第２の糖液（５炭糖）２０－２を用いて、発酵処理によりエタノール２３を製造することができる。
　なお、熱水排出液は必ずしも別系統において処理するものではなく、例えば酵素分解装置以降の工程を共通化したり、アルコール発酵装置以降の工程を共通化したり、あるいは精製装置以降を共通化する等適宜変更を行うことができる。
　本発明によれば、水熱分解装置１４において、カウンターフローを採用することにより、固体側のバイオマス固形分１７では、セルロースがとどまることとなり、酵素糖化の第１の酵素分解装置１９－１により第１の糖液（６炭糖）２０－１を得ると共に、液体側の加圧熱水１５では、その加圧熱水に可溶したヘミセルロース成分を熱水排出液１６として分離し、別途酵素糖化の第２の酵素分解装置１９－２により第２の糖液（５炭糖）２０－２を得るので、両者を効率よく分離して各々糖化することが可能となる。そして、６炭糖、５炭糖に応じた発酵（最終製品に応じた発酵：例：エタノール発酵）プロセスを構築することができる。
　このように、水熱分解装置１４におけるカウンターフローを採用することによって６炭糖を得る酵素糖化反応において阻害物質となる副反応成分や加圧熱水に可溶なリグニン成分を加圧熱水１５側に移行させるため、セルロース主体のバイオマス固形分１７となり、その後の糖化反応における６炭糖の糖化反応収率が向上する。
　一方、分離された熱水排出液１６に含まれるヘミセルロース成分は、その後第２の酵素分解装置１９－２において糖化され、５炭糖を含む糖液を得ることができる。
　そして、６炭糖、５炭糖の各々に適した酵母等を用いることでエタノールを効率的に個別に発酵により求めることができるものとなる。
　このように、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が、本発明によれば、バイオマス原料からセルロース主体の成分とヘミセルロース成分を加圧熱水に移行させて両者を分離し、各々に適した効率的な糖液（６炭糖液、５炭糖液）の製造を行うと共に、該糖液を基点として、各種有機原料（例えばアルコール類、石油代替品類、又はアミノ酸類等）を効率よく製造することができるバイオマス原料を用いた有機原料の製造システム及び方法を提供することが可能となる。
　以上のように、本発明に係るシステム及び方法によれば、バイオマス原料からセルロース主体の成分を分離し、効率的な糖液の製造を行うと共に、該糖液を基点として、各種有機原料（例えばアルコール類、石油代替品類、又はアミノ酸類等）を効率よく製造することができる。

Claims (6)

  1. 　バイオマス原料を加圧熱水と対向接触させつつ水熱分解し、加圧熱水中にリグニン成分及びヘミセルロース成分を移行し、バイオマス固体中からリグニン成分及びヘミセルロース成分を分離してなる水熱分解装置と、
    　前記水熱分解装置から排出されるバイオマス固形分中のセルロースを酵素処理して６炭糖を含む糖液に酵素分解する第１の酵素分解装置と、
    　第１の酵素分解装置で得られた糖液を用いて、発酵処理によりアルコール類、石油代替品類又はアミノ酸類のいずれか一つを製造する発酵装置とを具備することを特徴とするバイオマス原料を用いた有機原料の製造システム。
  2. 　請求項１において、
    　熱水排出液中のヘミセルロース成分を酵素処理して５炭糖を含む糖液に酵素分解する第２の酵素分解装置と、
    　第２の酵素分解装置で得られた糖液を用いて、発酵処理によりアルコール類、石油代替品類又はアミノ酸類のいずれか一つを製造する発酵装置とを具備することを特徴とするバイオマス原料を用いた有機原料の製造システム。
  3. 　請求項１又は２において、
    　前記水熱分解装置の反応温度が１８０～２４０℃であることを特徴とするバイオマス原料を用いた有機原料の製造システム。
  4. 　バイオマス原料を加圧熱水と対向接触させつつ水熱分解し、加圧熱水中にリグニン成分及びヘミセルロース成分を移行し、バイオマス固体中からリグニン成分及びヘミセルロース成分を分離してなる水熱分解工程と、
    　前記水熱分解装置から排出されるバイオマス固形分中のセルロースを酵素処理して６炭糖を含む糖液に酵素分解する第１の酵素分解工程と、
    　第１の酵素分解工程で得られた糖液を用いて、発酵処理によりアルコール類、石油代替品類又はアミノ酸類のいずれか一つを製造する発酵工程とを具備することを特徴とするバイオマス原料を用いた有機原料の製造方法。
  5. 　請求項４において、
    　熱水排出液中のヘミセルロース成分を酵素処理して５炭糖を含む糖液に酵素分解する第２の酵素分解工程と、
    　第２の酵素分解工程で得られた糖液を用いて、発酵処理によりアルコール類、石油代替品類又はアミノ酸類のいずれか一つを製造する発酵工程とを具備することを特徴とするバイオマス原料を用いた有機原料の製造方法。
  6. 　請求項４又は５において、
    　前記水熱分解の反応温度が１８０～２４０℃であることを特徴とするバイオマス原料を用いた有機原料の製造方法。
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