独立行政机构国立产业技术综合研究所【会长：吉川博之】（以下简称“AIST”）生物质研究中心【研究中心主任：坂西金也】是产学官合作项目“AIST”产业转型研究计划”（以下简称“产业转型计划”）催眠生物量乙醇燃料制造厂开发示范中的综合乙醇燃料制造厂的实验台AIST 中国中心（广岛县吴市）内建造的并开始对制造过程进行验证测试。
以产业技术研究院设计、研究开发的生物质原料预处理技术为中心的低环境负荷非硫酸法开发并安装了一个用于综合乙醇燃料生产工厂的台式工厂（一次处理量：200公斤木材）。试运行证实可以实现从原料到乙醇燃料的一体化生产。未来我们将开始全面经营，提供多种不与食品竞争的产品。纤维素生物质演示乙醇燃料生产技术（针叶树、硬木、秸秆等，称为混合生物质）为原料。
根据从该工厂获得的经验数据进行经济评估，生命周期评估并将其应用于整体工艺改进以及大型工厂的设计和开发。
该项目从2007年12月至2011年3月已实施约三年半。(2008 年 1 月 31 日新闻公告）
此外，该台式工厂的一部分还利用了新能源产业技术综合开发机构（NEDO）的研究成果。
 |
|
图1 非硫酸法生物乙醇生产装置
|
近年来，随着亚洲地区经济的增长，对石油的需求增加，原油供应变得不稳定，全球变暖问题日益严重。世界各国都在用能源来部分补充原油的需求。可再生能源
日本在《京都议定书》目标实现计划中为应对全球变暖设定了引进生物燃料的目标值，《生物质日本综合战略》和《新国家能源战略》也指出需要从长远角度制定生物燃料引进战略。此外，生物燃料的开发和引进正在迅速发展，特别是在亚洲国家，确保生物资源将成为未来能源政策的一个重要问题。
通过用生物乙醇（生物燃料的一种）替代汽油，二氧化碳2通过生命周期评估 (LCA) 清楚地显示减少效果。然而，在巴西和美国，利用甘蔗、玉米等生产乙醇的速度迅速增加，推高了食品和牲畜饲料的价格，造成了重大社会问题。作为一种解决方案，利用木材和稻草等纤维素资源生产生物乙醇，不与粮食竞争，引起了人们的关注。
来自纤维素资源的乙醇燃料转化技术已经可用浓硫酸法是啊稀硫酸两级糖化法，并且稀硫酸/酶糖化法的演示正在进行中。然而，由于这些方法使用硫酸，因此与废物处理和减少环境负荷相关的成本是必不可少的，并且据称在成本降低和能量转换效率方面存在极限。因此，开发和示范使用尽可能少的硫酸的纤维素生物质的乙醇生产工厂技术非常重要。
在此基础上，作为工业转型计划项目的一部分，AIST开发了一种使用纤维素生物质中小型综合生产乙醇燃料的非硫酸方法。
为了验证AIST生物质研究中心开发的独特方法，我们建造了一个非硫酸非硫酸中型小型综合乙醇燃料生产台架工厂（处理量：一次处理200公斤木材）。
该实验装置旨在示范基于独特方法的低成本、高效率、低环境影响的工厂工艺生产乙醇燃料，通过优化非硫酸基、低能耗的预处理技术以及糖化和发酵相关的基本技术，不使用存在乙醇收率和废液处理问题的硫酸。
由产业技术研究院开发的低能量预处理技术水热处理技术和湿式机械化学加工技术的组合。这种预处理涉及在纳米水平上改变纤维素等生物质成分的组织结构。纤维素酶)得到改善，酶促糖化率大幅提高。
为了提高酶法糖化工艺的性价比，极大地影响整个工艺的经济效益，丝状真菌生产糖化酶是在工厂里进行的。所使用的丝状真菌包括由AIST分离和培育的高产纤维素酶真菌Acremonia celluloryticus。
这样，这座台式工厂将以独特的技术为基础，结合日本最好的技术，处理从接收原料碎片到以200公斤/批次生物质原料规模生产无水乙醇的所有事宜。
该工厂由五个主要流程组成：粗磨流程、水热处理流程、细磨流程、糖化/发酵流程、蒸馏/脱水流程。
- 粗磨工艺
使用粗破碎机将原材料木屑和稻草破碎至约3毫米。使用湿式切磨机将其进一步减小至08毫米以下。
- 水热处理工艺
水热处理设备
|
通过在水热处理装置中对经湿式切磨机处理的原材料施加温度和压力来软化木材。在该工厂中，反应在150至180℃和约05MPa的条件下进行。
- 精磨工艺
湿式盘磨机
|
湿式盘磨加工品
|
使用湿式盘磨机将水热处理后的原料进一步粉碎。这种处理可以松开原料的纤维，使酶更容易将其糖化。经过该处理后变成糊状的原料的固形物含量约为5％，其固形物含量太低，无法直接用于糖化和发酵过程。因此，使用离心脱水机对固体含量进行脱水，直至固体含量降低至约20%。加工后的物料脱水后变成粘土状。
- 糖化/发酵过程
主糖化/发酵罐
|
除了2000L主糖化/发酵槽之外，还设置有用于产生纤维素酶的丝状真菌培养槽（其进行纤维素的酶促糖化）和酵母培养槽（其进行乙醇发酵）。
在主糖化/发酵罐中，将细磨、脱水后的原料与丝状真菌培养液混合，生产出丝状真菌产生的纤维素酶。半纤维素酶糖化原料进而，在该溶液中添加酵母培养液，进行乙醇发酵。
- 蒸馏/脱水过程
初级蒸馏设备
|
二次蒸馏设备/膜脱水设备
|
反应结束后，发酵液直接转移至初级蒸馏装置进行蒸馏。得到的蒸馏产物进一步经过二次蒸馏装置和膜脱水装置，生产995%以上的生物乙醇。
蒸馏残渣中所含的木质素还可作为化工产品的原料和作为炭黑的替代品（200929 AIST 新闻稿) 等应用。
在设计该工厂时，我们正在进行经济评估，特别是预处理技术的选择。图2示出了现有技术的浓硫酸法、稀硫酸/糖化法和非硫酸法粉碎(球磨机或湿式盘磨机)/糖化法所需的能量。
 |
|
图2 每种预处理技术所需的能量
（但不包括余热回收和能源利用）
|
图2显示，在两种现有技术的硫酸方法中，浓硫酸糖化方法需要酸回收所需能量的三分之二。另外，稀硫酸糖化法不包括酸回收，所需能量约为浓硫酸糖化法的一半。这是因为处理后的稀硫酸用石灰中和，变成石膏，然后直接处理。
另一方面，这两种非硫酸方法比硫酸方法需要更多的能量来进行预处理。特别是在使用球磨机的工艺中，预处理所需的能量占总能量的近80%。我们还发现，使用湿式盘磨机代替球磨机可以显着减少所需的能源，因此我们为该工厂采用了湿式盘磨机。
使用湿式盘磨机的预处理技术所需的能量与稀硫酸/糖化法大致相同，并且由于不使用硫酸，因此不会排放石膏。此外，使用原位酶生产已被证明可以进一步提高系统的经济性。
我们将与外部组织协调与合作，单独进行基础技术的评估，同时，特别是通过与负责工厂系统和商业化的私营公司强有力和密切的合作，我们将实施市场方案和实际工厂的设计，目标是从2011财年开始考虑商业化工厂。这将有助于创建以纤维素生物质为原材料的可再生能源产业，并着眼于海外扩张。
 |
|
图 3 研究年度发展
|
在日本，能够稳定获得纤维素类原料的地区有限，而且与稻草一样，它们在特定季节集中生产，因此从大量且稳定的供应角度来看，使用多种纤维素类生物质作为原料非常重要。
在本次示范试验中，我们计划开发乙醇燃料的本地生产和消费型以及将制造工厂的一部分运输到原料产地的移动型等制造工厂工艺，灵活应对生物质原料的种类及其积累状况。
此外，我们将与林业及林产研究所合作，建立原料供应和利用模型，通过经济评价和生命周期评价，降低乙醇生产到消费的各种成本，通过燃料性能评价，尝试生产高品质、高性能的乙醇燃料。通过这一点，我们的目标是利用纤维素生物质创建可再生能源产业和相关植物产业。