JP2012200183A - バイオマスを原料とする糖液製造装置 - Google Patents
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Abstract
【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、水難溶性物質を除去した糖液に水を添加して希釈する希釈槽132と、希釈した糖液から水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)とを有する。
【選択図】図1
Description
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)。
図8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8を使用して説明する。
水熱分解装置50は、図8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。
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。
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。
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。
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、水難溶性物質を除去した糖液に水を添加して希釈する希釈槽132と、希釈した糖液から水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)とを有するバイオマスを原料とする糖液製造装置に関して図1を用いて説明する。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
この濃縮糖液115は、後工程において、各種有機原料を得る。
なお、図1中、符号M1〜M4は、酵素糖化槽103、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、P1〜P4は、糖液104を送液する送液ポンプである。
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。
図2に示すように、バイオマスを原料とするアルコール発酵装置200は、図1に示すバイオマスを原料とした糖液製造装置100Aと、バイオマスを原料とした糖液製造装置100Aで得られた濃縮糖液115を用いてエタノール発酵を行う発酵槽140とを有するものである。
この発酵槽140の発酵タンク141には酵母142が添加され、エタノール発酵液143が得られる。エタノール発酵液143は、別途蒸留処理がなされて目的のエタノールが得られる。
なお、図2中、符号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、P5は、エタノール発酵液143を送液する送液ポンプである。
図3は、実施例3に係るバイオマス高温処理液を用いた糖液製造装置について、図面を参照して説明する。
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3に示すように、バイオマスを原料とする糖液製造装置100B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3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から水難溶性物質(リグニン等固形残渣111)を除去する固液分離装置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3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。
なお、水難溶性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。
図4は、実施例4に係るバイオマスを原料とする糖液製造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4に示すように、バイオマスを原料とする糖液製造装置100Cは、実施例4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。
この際、水難溶性物質を除去しているので、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る。
<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。
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。
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。
図5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では未知のピーク成分が確認された。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。
<水難溶性物質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。
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。
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
100A〜100D バイオマスを原料とする糖液製造装置
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
140 発酵槽
200 バイオマスを原料とする発酵装置
Claims (5)
- 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を有することを特徴とするバイオマスを原料とする糖液製造装置。 - 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物質を除去する固液分離部と、
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した糖液製造装置。 - 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を原料とする糖液製造装置。 - 請求項3において、
前記異物除去部で処理され、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、
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糖液製造装置。 - 請求項1乃至4のいずれか一つにおいて、
水難溶解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糖液製造装置。
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