JP2007202517A

JP2007202517A - バイオマス原料からのエタノール製造方法及び製造装置

Info

Publication number: JP2007202517A
Application number: JP2006027698A
Authority: JP
Inventors: Masabumi Matsumoto; 正文松本
Original assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd
Current assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd
Priority date: 2006-02-03
Filing date: 2006-02-03
Publication date: 2007-08-16

Abstract

【課題】廃液中に遺伝子組み換え微生物を流出することを防止し、エタノール回収効率に優れるバイオマス原料からのアルコール製造方法を提供すること。
【解決手段】本発明に係るバイオマス原料からのエタノール製造方法は、木質系バイオマスを糖化して得られる糖化液を発酵させてエタノールを製造する方法において、前記糖化液と種酵母と六炭糖類用の培地を受け入れて発酵する一次発酵工程と、前記一次発酵工程で得られた発酵液と五炭糖類用の培地を受け入れて発酵する二次発酵工程と、前記二次発酵工程で得られた発酵液を導入して固液分離する固液分離工程と、前記固液分離工程で分離された分離液からエタノールを得るエタノール分離工程と、前記固液分離工程で濃縮された酵母液と五炭糖類及び六炭糖類の両方をエタノールに変換する遺伝子組換え酵母を受け入れて種酵母を培養する種培養工程とを有し、該種酵母を前記一次発酵工程に返送することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、木材などの生物資源（バイオマス）を原料にして新エネルギーとして注目されているエタノールを製造する製造方法及び製造装置に関する。

近年、地球温暖化防止策の一環として、エタノールへの関心が高まっており、２００３年８月に二酸化炭素の排出量の少ないＥ３ガソリン（エタノールを３％含有したガソリン）の使用が許可され、２００６年４月にはアルコールの製造販売が自由化されようとしている。

一方、従来、アルコールの製造原料は石油などの化石資源に依存していたが、化石資源は有限資源であり、代替資源の開発が望まれている。

このような背景で、アルコール製造の原料として、生物資源（バイオマス）、特に木材チップのような木質系バイオマスが注目されている。樹木は炭酸同化作用によって二酸化炭素を消費し、酸素を発生させる生態系で貴重な存在であるが、樹木需要が少ないと計画的に植樹することも減少する。しかし、木質系バイオマスの需要が増大すれば計画的な植樹も可能になり、生態系の維持のみならず、地球温暖化防止に多いに寄与するものと思われる。

従来、木材チップのような木質系バイオマスからエタノールを製造するには、基本的には、収集したバイオマス原料を、加水分解等の糖化工程と、酵母による発酵工程とによりエタノールを製造しているのが実情である。

木質系バイオマスは、五炭糖類（キシロース、アラビノースなど）および六炭糖類（グルコース、ガラクトース、マンノースなど）を構成単位とするヘミセルロースと、グルコースを構成単位とするセルロースとを含んでいる。このうちヘミセルロースは、セルロースに比べて酸やアルカリによる加水分解によって糖化されやすく、高収率で糖質を回収することができる。

しかしながら、糖質をエタノールに変換する微生物としてよく知られている酵母のほとんどの種類は、六炭糖類を資化できるが、五炭糖類を資化することはできない。

一方、特許文献１には、五炭糖類と六炭糖類の両方をエタノールに変換する遺伝子組換え微生物を用いる手法が開示されている。

五炭糖類と六炭糖類との両方を資化する微生物は、このような五炭糖類と六炭糖類との共存下では、六炭糖類（特にグルコース）から資化し、五炭糖類の資化速度は五炭糖類のみ単独で存在する場合に比べて遅くなる。

そこで、特許文献１では、１次発酵工程で、まず、酵母を含む微生物によって六炭糖類を選択的にエタノールに変換させ、次いで２次発酵工程では、１次発酵工程で資化されずに残存する五炭糖類を、五炭糖類発酵性微生物を含む微生物によって選択的に発酵させる手法を採用している。また特許文献１では、１次発酵工程で使用した微生物等の菌体をいったん除去する手法が開示されている。
特開２００４−３３７０９９号公報

しかし、特許文献１の技術では、１次発酵工程後に固液分離して六炭糖類を資化する微生物や不純物は除去できるが、五炭糖類の資化後に固液分離していないので、蒸留後に発生する廃液中に遺伝子組み換え微生物が排出するおそれがある。

そこで、本発明の課題は、廃液中に遺伝子組み換え微生物を流出することを防止し、エタノール回収効率に優れるバイオマス原料からのアルコール製造方法及び製造装置を提供することにある。

また本発明の他の課題は、以下の記載によって明らかになる。

上記課題は以下の各発明によって解決される。

（請求項１）
木質系バイオマスを糖化して得られる糖化液を発酵させてエタノールを製造する方法において、
前記糖化液と種酵母と六炭糖類用の培地を受け入れて発酵する一次発酵工程と、前記一次発酵工程で得られた発酵液と五炭糖類用の培地を受け入れて発酵する二次発酵工程と、前記二次発酵工程で得られた発酵液を導入して固液分離する固液分離工程と、前記固液分離工程で分離された分離液からエタノールを得るエタノール分離工程と、前記固液分離工程で濃縮された酵母液と五炭糖類及び六炭糖類の両方をエタノールに変換する遺伝子組換え酵母を受け入れて種酵母を培養する種培養工程とを有し、該種酵母を前記一次発酵工程に返送することを特徴とするバイオマス原料からのエタノール製造方法。

（請求項２）
木質系バイオマスを糖化して得られる糖化液を発酵させてエタノールを製造する装置において、
前記糖化液と種酵母と六炭糖類用の培地を受け入れて発酵する第１発酵槽と、前記第１発酵槽で得られた発酵液と五炭糖類用の培地を受け入れて発酵する第２発酵槽と、前記第２発酵槽で得られた発酵液を導入して固液分離する固液分離手段と、前記固液分離手段で分離された分離液からエタノールを得るエタノール分離手段と、前記固液分離手段で濃縮された酵母液と五炭糖類及び六炭糖類の両方をエタノールに変換する遺伝子組換え酵母を受け入れて種酵母を培養する種培養槽とを有し、該種酵母を前記第１発酵槽に返送する返送手段を有することを特徴とするバイオマス原料からのエタノール製造装置。

（請求項３）
固液分離手段が遠心分離機であり、エタノール分離手段が蒸留塔であることを特徴とする請求項２記載のバイオマス原料からのエタノール製造装置。

本発明によると、廃液中に遺伝子組み換え微生物を流出することを防止し、エタノール回収効率に優れるバイオマス原料からのアルコール製造方法及び製造装置を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

図１に基づいて本発明のバイオマス原料からのアルコール製造方法の一例を説明する。

＜糖化工程＞
糖化工程に導入される原料である木質系バイオマスとしては、木材、倒木、廃建材などをチップにしたものが好ましく用いられる。チップとしては、セルロース等の繊維露出を容易にするために１ｃｍ以下が好ましい。廃建材としては、廃棄木質建材、廃パレット、廃梱包材等が挙げられる。

本発明の木質系バイオマスには、セルロース含有植物および廃物（例えば牧草、木材、バガス、麦藁）も含む。

糖化工程では、酸による加水分解法やアルカリによる加水分解法を用いることができる。そのなかでも、酸加水分解法が好ましい。酸加水分解法に用いる酸としては、硫酸、塩酸、硝酸などが挙げられるが、硫酸を用いるのが好ましい。

なお、酸による加水分解後に、アルカリにより中和してもよい。

＜一次発酵工程＞
一次発酵工程では、第１発酵槽に糖化工程で得られた糖化液と種酵母と六炭糖類用の培地（栄養源）を受け入れて発酵する。種酵母は最初に使用するものは、五炭糖類及び六炭糖類の両方をエタノールに変換する遺伝子組換え酵母を受け入れて種酵母である。この種酵母は本発明ではクローズドシステムを採用しているので、後述の種培養工程から返送されるものを使用できる。

六炭糖類用の培地組成は、以下の表１に示す例が挙げられるが、特に限定されるわけではない。

一次発酵工程では、五炭糖類及び六炭糖類の両方をエタノールに変換する遺伝子組換え酵母による発酵によって、六炭糖類が主として発酵され、資化されてエタノール変換される。

一次発酵の条件としては、温度環境は２０〜４０℃の範囲が好ましく、ｐH条件は
４〜８の範囲が好ましい。発酵時間は２４時間〜７２時間程度の範囲で適宜設定される。

＜二次発酵工程＞
二次発酵工程では、第２発酵槽において、前記一次発酵工程で得られた発酵液と五炭糖類用の培地を受け入れて発酵する。

前記一次発酵工程では五炭糖類用の培地が添加されていないので、得られた発酵液は、五炭糖類がかなりの濃度で資化されずに残存している。二次発酵工程では、五炭糖類用の培地（栄養源）を供給して、五炭糖類の発酵を行う。

五炭糖類用の培地組成は、以下の表２に示す例が挙げられるが、特に限定されるわけではない。

遺伝子組換え種酵母は、一次発酵工程から送られてくるので、その中に五炭糖類をエタノールに変換する遺伝子組換え種酵母が存在するので、二次発酵において五炭糖類を発酵資化してエタノールを生成する。

二次発酵の条件としては、温度環境は２０〜４０℃の範囲が好ましく、ｐH条件は
４〜８の範囲が好ましい。発酵時間は２４時間〜７２時間程度の範囲で適宜設定される。

＜固液分離工程＞
前記二次発酵工程で得られた発酵液を導入して固液分離する。固液分離手段は特に限定されるわけではないが、遠心分離法が好ましい。

固液分離によって、濃縮物と分離液に分離される。濃縮物は遺伝子組換え種酵母やその他の固形物を含む。分離液は発酵液を含む。かかる固液分離により、発酵に障害となるような不純物の除去も可能となる。

＜エタノール分離工程＞
エタノール分離工程では固液分離工程で分離された分離液からエタノールを分離・精製する工程であり、エタノールを分離する方法としては、好ましくは蒸留法が採用される。図面では蒸留法について示されている。

蒸留によってエタノールが分離精製されるが、一方、廃液も分離排出される。本発明ではこの廃液中に遺伝子組換え酵母が排出されない点に特徴があり、環境上の問題に配慮すると共に、遺伝子組換え酵母の有効利用を図っている。本発明の方法は遺伝子組換え酵母を外部に排出させず、クローズド化されたシステムの中で効率的なエタノール発酵を行っている。

＜種培養工程＞
前記固液分離工程で濃縮回収された酵母液と五炭糖類及び六炭糖類の両方をエタノールに変換する遺伝子組換え酵母を受け入れて種酵母を培養する。種培養は、種培地に上記の酵母（菌株）を接種して、所定の条件下で行う。

種培養において用いられる種培地（栄養源）は、通常の培地を用いることができる。

培養された種酵母を前記一次発酵工程に返送して再使用する。このような再使用によってクローズドシステム化が実現できる。

次に、本発明のエタノール製造方法を実施する製造装置の一例を図２に基づいて説明する。

図２において、１は第１発酵槽であり、１０は第１発酵槽用攪拌機、１１はポンプである。第１発酵槽１には、図示しない糖化装置で得られた糖化液と種酵母と六炭糖類用の培地（栄養源）を受け入れて発酵する。この種酵母は本発明ではクローズドシステムを採用しているので、後述の種酵母供給配管（返送手段の一例）６２から返送されるものを使用する。六炭糖類用の培地組成は、前述の例示培地を使用できる。

第１発酵槽１内の攪拌機１０の回転数は、例えば１０ｒｐｍ程度が好ましい。また第１発酵槽１内は２０〜４０℃の範囲に温度制御されることが発酵速度を上昇させる上好ましい。更に、ｐHが４〜８の範囲に調整されることも発酵速度を上昇させる上で好ましい。発酵時間は２４時間〜７２時間程度の範囲で適宜制御される。

第１発酵槽１内の発酵により、五炭糖類及び六炭糖類の両方をエタノールに変換する遺伝子組換え酵母による発酵によって、六炭糖類が主として発酵され、資化されてエタノール変換される。発酵液は、固液分離などの手段を経ることなく、第２発酵槽２にポンプ１１により送られる。２０は第２発酵槽用攪拌機、２１はポンプである。

第２発酵槽２内の攪拌機２０の回転数は、例えば１０ｒｐｍ程度が好ましい。また第２発酵槽２内は２０〜４０℃の範囲に温度制御されることが発酵速度を上昇させる上好ましい。更に、ｐHが４〜８の範囲に調整されることも発酵速度を上昇させる上で好ましい。発酵時間は２４時間〜７２時間程度の範囲で適宜制御される。

第２発酵槽２内では、前記第１発酵槽１から送られる発酵液と五炭糖類用の培地を受け入れて発酵する。第１発酵槽１では五炭糖類用の培地が添加されていないので、得られた発酵液は、五炭糖類がかなりの濃度で資化されずに残存している。第２発酵槽２内では、五炭糖類用の培地（栄養源）を供給して、五炭糖類の発酵を行う。五炭糖類用の培地組成は、前述の例示培地を使用できる。第２発酵槽２内には五炭糖類をエタノールに変換する遺伝子組換え種酵母が存在するので、五炭糖類を発酵資化してエタノールを生成する。

第２発酵槽２で発酵された発酵液は、ポンプ２１により固液分離手段３に送られる。本実施の形態では遠心分離機を好ましく採用している。遠心分離機３により、送られてきた発酵液は濃縮物と分離液に分離され、濃縮物は受槽４に受け入れられる。濃縮物は遺伝子組換え種酵母やその他の固形物を含み、ポンプ４０によって分離液は種培養槽６に送られる。

分離液は発酵により生成したエタノールを含み、エタノール分離手段である蒸留塔５に送られ、蒸留精製されて、純度８５％程度のエタノールが得られ、その後脱水処理（例えば図示しない膜脱水手段など）により脱水されて、純度が９９．５％程度のエタノールが得られる。

５０は循環ポンプであり、循環ラインから廃液を取り出し、必要により図示しない廃水処理を施すこともできる。本発明では、前述のように遠心分離機によって固液分離をおこなっているので、この廃液には、五炭糖類及び六炭糖類の両方をエタノールに変換する遺伝子組換え酵母を含まない。

種培養槽６は攪拌機６０を備えており、遠心分離機３で濃縮回収された酵母液と新たに五炭糖類及び六炭糖類の両方をエタノールに変換する遺伝子組換え酵母を受け入れて種酵母を培養する。種培養は、種培地に上記の酵母（菌株）を接種して、所定の条件下で行う。

培養された種酵母は、ポンプ６１により種酵母供給配管６２を介して第１発酵槽１に送られ、再使用される。このような再使用によってクローズドシステム化が実現できる。

以上の実施の形態では、第１発酵槽１と第２発酵槽２を両方設けて、連続発酵処理をおこなう例について説明した。この連続発酵方式によると、発酵の全時間が短くなる効果があり、また発酵槽を小さくできる効果がある。

なお、回分式（バッチ式）で発酵をおこなう場合は、第１発酵槽１のみを設け、第１発酵槽１のみで、一次発酵を所定時間行い、次に二次発酵をおこなうようにすることもできる。

以下、本発明について実施例に基づいて説明するが、本発明はかかる実施例によって何ら限定されるものではない。

（実施例１）
図２に示す装置を用いてエタノール製造実験を行った。糖化、発酵、遠心分離、種培養、蒸留の各操作を実施した。

１．条件及び操作
＜糖化＞
１ｃｍ以下に細かく粉砕した木材チップ原料（バイオマス原料）を酸処理して糖化液を製造した。

＜発酵＞
容量８ｍ^３の第１発酵槽に、表１記載の培地５ｍ^３を仕込み、温度条件を２０〜４０℃の範囲に制御して、４８時間発酵を行った。

次いで、第１発酵槽で発酵後、容量８ｍ^３の第２発酵槽に第１発酵液の全量と表2記載の培地１ｍ^３を仕込み、温度条件を２０〜４０℃の範囲に制御して、４８時間発酵を行った。

＜遠心分離機＞
次いで遠心分離機（デカンター形式）を用い、３０００〜７０００ｒｐｍの範囲の回転数で遠心分離操作を行い、固液分離を行った。

＜種培養槽＞
遠心分離機で回収された濃縮物は、容量５００Ｌ種培養槽に送り培養を行った。種培養槽の遺伝子組換え酵母初期添加は３００Ｌとした。種培養時間は４８時間とした。この種培養物を上記の第１発酵槽で再使用した。

＜蒸留塔＞
遠心分離機で分離された分離液は塔径１ｍの蒸留塔で蒸留操作を行い、エタノールを得た。

２．評価
上記の操作によって得られたエタノールの回収率を測定した結果、エタノール回収率９５％（培地中エタノールに対して）という高回収率であった。

次いで、廃液中の酵母の存在をオリンパス製顕微鏡によって観察したが、その存在は認められなった。従って遺伝子組換え酵母はクローズドシステムの中で機能し、廃液中に排出されることがないことがわかる。

本発明のエタノール製造工程の一例を示すブロック図本発明のエタノール製造装置の一例を示すフローシート

符号の説明

１：第１発酵槽
１０：第１発酵槽用攪拌機
１１：ポンプ
２：第２発酵槽
２０：第２発酵槽用攪拌機
２１：ポンプ
３：固液分離手段（遠心分離機）
４：受槽
４０：ポンプ４０
５：蒸留塔
５０：循環ポンプ
６：種培養槽
６０：攪拌機
６１：ポンプ
６２：種酵母供給配管

Claims

木質系バイオマスを糖化して得られる糖化液を発酵させてエタノールを製造する方法において、
前記糖化液と種酵母と六炭糖類用の培地を受け入れて発酵する一次発酵工程と、前記一次発酵工程で得られた発酵液と五炭糖類用の培地を受け入れて発酵する二次発酵工程と、前記二次発酵工程で得られた発酵液を導入して固液分離する固液分離工程と、前記固液分離工程で分離された分離液からエタノールを得るエタノール分離工程と、前記固液分離工程で濃縮された酵母液と五炭糖類及び六炭糖類の両方をエタノールに変換する遺伝子組換え酵母を受け入れて種酵母を培養する種培養工程とを有し、該種酵母を前記一次発酵工程に返送することを特徴とするバイオマス原料からのエタノール製造方法。
木質系バイオマスを糖化して得られる糖化液を発酵させてエタノールを製造する装置において、
前記糖化液と種酵母と六炭糖類用の培地を受け入れて発酵する第１発酵槽と、前記第１発酵槽で得られた発酵液と五炭糖類用の培地を受け入れて発酵する第２発酵槽と、前記第２発酵槽で得られた発酵液を導入して固液分離する固液分離手段と、前記固液分離手段で分離された分離液からエタノールを得るエタノール分離手段と、前記固液分離手段で濃縮された酵母液と五炭糖類及び六炭糖類の両方をエタノールに変換する遺伝子組換え酵母を受け入れて種酵母を培養する種培養槽とを有し、該種酵母を前記第１発酵槽に返送する返送手段を有することを特徴とするバイオマス原料からのエタノール製造装置。
固液分離手段が遠心分離機であり、エタノール分離手段が蒸留塔であることを特徴とする請求項２記載のバイオマス原料からのエタノール製造装置。