WO2018074540A1 - リグノセルロース系バイオマス由来化合物の製造方法及び製造装置 - Google Patents

リグノセルロース系バイオマス由来化合物の製造方法及び製造装置 Download PDF

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fermentation
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stirring
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夏季 前川
也寸彦 加藤
崇文 木内
小川 健一
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新日鉄住金エンジニアリング株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a production method and a production apparatus for a lignocellulosic biomass-derived compound.
  • Non-edible biomass includes the most abundant cellulose on the earth, most of which exists as lignocellulose, which is a complex with the aromatic polymer lignin and hemicellulose.
  • sugar obtained by pretreatment or saccharification treatment with a saccharification enzyme is converted to ethanol by causing microorganisms such as yeast to perform anaerobic fermentation.
  • a saccharification enzyme if the sugar (mainly glucose) produced by the saccharification reaction is high, saccharification by a saccharification enzyme even if unsaccharified polysaccharides (for example, cellulose, hemicellulose, etc.) are contained. The reaction does not proceed (hereinafter, this state may be referred to as “glucose production inhibition” or “saccharification enzyme reaction inhibition”).
  • the optimum temperature for fermentation is around 32 ° C., so that the optimum saccharification reaction is achieved.
  • the temperature is lower than around 50 ° C. which is the temperature. Therefore, a saccharification reaction is carried out simultaneously with fermentation by a saccharification enzyme contained in a saccharified solution or saccharification residue, but the reaction rate is slow. Therefore, about 30% of the cellulose remains in the fermentation residue as unsaccharified.
  • the fermentation liquid after the saccharification and fermentation process is distilled under reduced pressure, separated into a concentrated concentrate containing a fermentation composition and a saccharifying enzyme, and the distilled concentrated liquid is obtained by solid-liquid separation.
  • An aqueous solution containing at least one water-soluble salt selected from the group consisting of sodium acetate and sodium chloride is added to the resulting residue to liberate saccharifying enzyme from the residue.
  • a method of circulating a solution containing the released saccharifying enzyme and reusing it in the saccharification and fermentation step for example, see Patent Document 2) and the like can be mentioned.
  • Patent Document 2 there is a concern about adverse effects on saccharifying enzymes and microorganisms due to circulation concentration of the added salt.
  • new out-of-system water is required, increasing the facility scale.
  • the present invention has been made in view of the above circumstances, and provides a method and an apparatus for producing a lignocellulosic biomass-derived compound with high yield, which can efficiently saccharify cellulose and hemicellulose.
  • the method for producing a lignocellulosic biomass-derived compound according to the first aspect of the present invention includes a saccharification step using a pretreated lignocellulosic biomass and a saccharifying enzyme, and a saccharified solution obtained in the saccharification step And a saccharification residue adsorbed by the saccharification enzyme and a microorganism, a fermentation process for fermentation while stirring, and a solid solution that is separated into a fermentation liquid and a fermentation residue adsorbed by the saccharification enzyme after the fermentation process.
  • alkali may be added and the pH of the fermentation residue solution may be adjusted to 5 or more and 7 or less.
  • the temperature at which the saccharification reaction is possible may be 25 ° C. or more and 60 ° C. or less.
  • the fermentation residue solution may be added and mixed with the pretreated lignocellulosic biomass and the saccharifying enzyme. Good.
  • a solid content concentration of the fermentation residue solution may be 5% or more and 15% or less.
  • the water used may be distributed water from the total amount of water required for the production of the lignocellulosic biomass-derived compound.
  • An apparatus for producing a lignocellulosic biomass-derived compound according to a second aspect of the present invention includes a saccharification apparatus including a pretreated lignocellulosic biomass, a fermentation residue solution, and a saccharification enzyme, a saccharified solution produced by the saccharification apparatus, and A fermenter containing a saccharification residue adsorbed by the saccharification enzyme and a microorganism, a solid-liquid separation device for separating the fermentation liquor produced in the fermenter and the fermentation residue adsorbed by the saccharification enzyme, and the solid liquid A stirring tank containing a fermentation residue adsorbed by the saccharifying enzyme separated by the separation device and water, and a pipe for feeding the fermentation residue solution generated in the stirring tank to the saccharification device.
  • the stirring tank is a pH measuring device for measuring the pH of the fermentation residue solution in the stirring tank, and is for adjusting the alkali supply amount so that the pH of the fermentation residue solution is 5 or more and 7 or less. And an alkali supply device.
  • the said stirring tank is equipped with a temperature control apparatus, and the temperature of the said fermentation residue solution contained in the said stirring tank may be 25 degreeC or more and 60 degrees C or less.
  • the agitation tank is fed to the saccharification apparatus and the agitation tank so that the solid content concentration of the fermentation residue solution in the agitation tank is not less than 5% and not more than 15%, and is fed to the saccharification apparatus. You may provide the control apparatus for controlling the quantity of the fermentation residue solution made.
  • a solid-liquid separation device for separating and discharging the residue contained in the fermentation residue solution that has not been sent to the saccharification device, and the solution separated by the solid separation device to the saccharification device And a pipe for feeding the liquid.
  • cellulose and hemicellulose can be efficiently saccharified, and a lignocellulosic biomass-derived compound can be obtained in high yield.
  • Example 2 In the stirring step in Example 2, the pH of the fermentation residue solution was adjusted to pH 6.0 or pH 7.0 without adjusting the pH, and the fermentation residue in a sample carried out at 50 ° C. or 60 ° C. per 1 g dry weight of the fermentation residue.
  • 3 is a graph showing a glucose production rate (g / g-dry).
  • the second saccharification step with the sample carried out at 50 ° C. or 60 ° C.
  • lignocellulose-based biomass mainly contains cellulose, hemicellulose and lignin.
  • lignocellulosic biomass include, for example, conifers, hardwoods, construction waste, forest residue, pruning waste, rice straw, rice husk, wheat straw, wood chips, wood fiber, chemical pulp, waste paper, plywood, Examples include, but are not limited to, sugarcane bagasse, sugarcane foliage, agricultural and forestry product waste such as corn stover, processed agricultural products, and plant tissues such as macroalgae and microalgae. These lignocellulosic biomasses may be used alone or as a mixture.
  • hemicellulose includes a so-called pentose having 5 carbons as a structural unit, such as xylose, and a hexose having 6 carbons as a structural unit, such as mannose, arabinose, galacturonic acid, and the like. What is called, and complex polysaccharides such as glucomannan and glucuronoxylan are included.
  • a pentose monosaccharide consisting of 5 carbons a pentose oligosaccharide composed of a plurality of such monosaccharides, a hexose monosaccharide consisting of 6 carbons, A hexose oligosaccharide in which a plurality of the monosaccharides are linked, and an oligosaccharide in which a plurality of pentose monosaccharides and a hexose monosaccharide are linked.
  • Cellulose includes hexose containing 6 carbons as a structural unit. Thus, when cellulose is hydrolyzed, it will convert six-carbon hexose monosaccharides (for example, glucose) and hexose saccharide oligosaccharides (for example, cellobiose) to which a plurality of monosaccharides are linked. Arise.
  • hexose monosaccharides for example, glucose
  • hexose saccharide oligosaccharides for example, cellobiose
  • composition ratio and production amount of monosaccharides or oligosaccharides produced from hemicellulose or cellulose are pretreatment methods, agricultural and forestry product resources used as raw materials, agricultural and forestry product waste, processed agricultural and forestry products, macroalgae, microalgae, etc. It depends on the type of plant tissue.
  • pretreated lignocellulosic biomass means lignocellulosic biomass that has been pretreated in order to efficiently carry out a saccharification reaction.
  • the pretreatment method include a steaming method using only steam, a method using an ionic liquid, and a pulverizing method using a mill.
  • an acid or an alkali may be appropriately mixed as necessary.
  • the acid is selected from sulfuric acid, hydrochloric acid, nitric acid, phosphoric acid and the like, and these may be used alone or in combination. Among them, sulfuric acid which is inexpensive and easily available is particularly preferable for industrial use.
  • the alkali is selected from sodium hydroxide, potassium hydroxide, and ammonia, and these may be used alone or in combination.
  • the “lignocellulose-based biomass-derived compound” means a compound produced by ingestion of monosaccharides and oligosaccharides obtained by decomposing lignocellulosic biomass.
  • Specific examples of the lignocellulose-based biomass-derived compound include alcohols, organic acids, nucleosides, nucleotides, diamine compounds, and the like.
  • Examples of the alcohol include ethanol, butanol, 1,3-propanediol, 1,4-butanediol, glycerol and the like.
  • organic acid examples include pyruvic acid, succinic acid, malic acid, itaconic acid, citric acid, and lactic acid.
  • nucleosides examples include inosine and guanosine.
  • nucleotides examples include inosinic acid and guanylic acid.
  • Examples of the diamine compound include cadaverine.
  • the compound obtained by fermentation is a monomer such as lactic acid, it may be converted into a polymer by polymerization.
  • the method for producing a lignocellulosic biomass-derived compound of this embodiment is a method comprising a saccharification step, a fermentation step, a solid-liquid separation step, a stirring step, and a circulation step.
  • a saccharification reaction is performed using pretreated lignocellulosic biomass and saccharifying enzyme.
  • the saccharified solution obtained in the saccharification step, the saccharification residue adsorbed by the saccharifying enzyme, and the microorganism are added, and fermentation is performed while stirring.
  • solid-liquid separation step after the fermentation step, solid-liquid separation is performed into a fermentation broth and a fermentation residue adsorbed by the saccharifying enzyme.
  • stirring step water is added to the fermentation residue adsorbed by the saccharifying enzyme obtained in the solid-liquid separation step, and stirring is performed while maintaining the temperature at which the saccharifying enzyme can be saccharified.
  • the fermentation residue solution generated in the stirring step is circulated to the saccharification step.
  • cellulose and hemicellulose can be efficiently saccharified, and a lignocellulose-based biomass-derived compound can be obtained in a high yield.
  • the fermentation residue is reused for the saccharification process.
  • the fermentation residue is subjected to a fermentation process, a stirring process, and a circulation process in addition to a saccharification process, and a substrate (for example, cellulose, hemicellulose, etc.) and a saccharifying enzyme contained in the fermentation residue. Reused for saccharification process. Therefore, the time during which the total saccharifying enzyme is in contact with the substrate (for example, cellulose, hemicellulose, etc.), that is, the saccharification time becomes longer. In general, the longer the saccharification time is, the more saccharification proceeds. Therefore, according to the production method of the present embodiment, saccharification can be performed efficiently.
  • the saccharification step is a step of performing a saccharification reaction using a saccharification enzyme using pretreated lignocellulosic biomass as a substrate in order to efficiently perform fermentation in the subsequent fermentation step.
  • the saccharification step may be appropriately performed based on the conventional technology.
  • the saccharification temperature is preferably 45 ° C or higher and 70 ° C or lower, more preferably 45 ° C or higher and 55 ° C or lower, and particularly preferably 50 ° C.
  • the saccharification time is preferably 12 hours to 120 hours, more preferably 24 hours to 96 hours, and even more preferably 24 hours to 72 hours.
  • the solid content concentration derived from the pretreated lignocellulosic biomass in the saccharification step is preferably 5% or more and 15% or less from the viewpoint of agitation and the efficiency of the saccharification reaction by the saccharifying enzyme.
  • the saccharifying enzyme means an enzyme that decomposes lignocellulosic biomass into monosaccharide or oligosaccharide units, and may be any one that decomposes lignocellulosic biomass into monosaccharides or oligosaccharides.
  • those having cellulase and hemicellulase activities may be used.
  • Cellulase should just be what decomposes
  • the cellulase has at least one activity of, for example, endoglucanase (EG), cellobiohydrolase (CBH), and ⁇ -glucosidase (BGL).
  • EG endoglucanase
  • CBH cellobiohydrolase
  • BGL ⁇ -glucosidase
  • the cellulase is preferably an enzyme mixture having each of these activities from the viewpoint of enzyme activity.
  • the hemicellulase may be any one that decomposes hemicellulose into monosaccharides or oligosaccharides such as xylose.
  • Specific examples of hemicellulase include those having at least one activity of xylanase, xylosidase, mannanase, pectinase, galactosidase, glucuronidase, and arabinofuranosidase.
  • the hemicellulase is preferably an enzyme mixture having each of these activities from the viewpoint of enzyme activity.
  • saccharifying enzymes such as cellulase and hemicellulase
  • the origin of these saccharifying enzymes is not limited.
  • the genus Tricodederma the genus Acremonium, the genus Aspergillus, the genus Bacillus, the pseudomonas (Pseudomonas) Cellulases derived from saccharifying enzymes, such as filamentous fungi, basidiomycetes, bacteria, etc., such as genus, Penicillium genus, Aeromonus genus, Irpex genus, Sporotrichum genus, Humicola genus
  • saccharifying enzymes such as hemicellulase can be used.
  • a phenomenon in which a saccharification enzyme adsorbs nonspecifically to lignin often occurs.
  • EG and CBH have a cellulose binding module (CBM) and specifically adsorb to cellulose as a substrate.
  • CBM cellulose binding module
  • BGL since BGL does not have CBM, it is only nonspecific adsorption to lignin.
  • BGL is adsorbed on the lignin contained in the saccharification residue after the saccharification step
  • EG and CBH are specifically adsorbed on the unsaccharified cellulose contained in the saccharification residue after the saccharification step.
  • the substrate for example, cellulose, hemicellulose, etc.
  • the saccharifying enzymes EG, CBH And BGL the saccharification reaction can be performed simultaneously with the fermentation, and the saccharification can be efficiently performed.
  • the saccharification solution obtained in the saccharification step, the saccharification residue adsorbed by the saccharification enzyme, and the microorganism are added, and fermentation is performed while stirring.
  • the saccharification residue contains polysaccharides such as unsaccharified cellulose and hemicellulose, and a saccharification enzyme adsorbed on the saccharification residue. It is. Therefore, a saccharification reaction can be simultaneously performed in the fermentation process, and monosaccharides and oligosaccharides that are substrates in fermentation by microorganisms can be generated.
  • the fermentation process may be appropriately performed based on the conventional technology.
  • the fermentation temperature is preferably 25 ° C. or higher and 50 ° C. or lower, more preferably 28 ° C. or higher and 35 ° C. or lower, and particularly preferably 32 ° C.
  • the fermentation time is preferably 24 hours or longer and 120 hours or shorter, more preferably 24 hours or longer and 96 hours or shorter, and further preferably 24 hours or longer and 72 hours or shorter.
  • the microorganism to be used is not particularly limited as long as the target lignocellulosic biomass-derived compound can be produced.
  • Specific examples of the microorganism to be used include yeast and bacteria, and a genetically modified microorganism is also preferably used.
  • a genetically modified microorganism refers to a microorganism that does not have an enzyme gene required for conversion to a target lignocellulosic biomass-derived compound, such as alcohol, by introducing these genes using genetic engineering technology. This enables generation of a cellulosic biomass-derived compound.
  • Examples of the genetically modified microorganism include genetically modified Escherichia coli having alcohol fermentability.
  • a culture solution containing the microorganism may be used as it is, or a culture solution containing the microorganism concentrated by centrifugation or a dry one may be appropriately used.
  • the amount of microorganisms to be used may be calculated based on the growth rate of microorganisms, the size of the fermenter, the amount of saccharified liquid used for fermentation, and the like.
  • Solid-liquid separation process Next, after the fermentation step, solid-liquid separation is performed into a fermentation liquid and a fermentation residue. Lignocellulosic biomass-derived compounds are mainly dissolved in the fermentation broth. Therefore, the refining process mentioned below is performed as needed, and a lignocellulose biomass origin compound is refined.
  • the fermentation residue contains unsaccharified cellulose, polysaccharides such as hemicellulose, and saccharifying enzyme adsorbed on the fermentation residue. Therefore, the polysaccharides such as cellulose and hemicellulose, and the saccharifying enzyme can be efficiently reused by circulating to the saccharification step through the subsequent stirring step.
  • a method for solid-liquid separation a known method capable of recovering 30% or more of the solid content contained in the solution after the fermentation step may be used.
  • a method of filtering with a filter, a vibrating sieve, etc., a centrifugal separation method examples include, but are not limited to, a separation method using a screw press.
  • the temperature at which the saccharifying enzyme can be saccharified means a temperature at which the saccharifying enzyme can perform saccharification. Specifically, the temperature is preferably 25 ° C. or more and 60 ° C. or less, particularly preferably 50 ° C.
  • the saccharification enzyme can actively perform the saccharification reaction. Moreover, it can prevent that the three-dimensional structure of a saccharification enzyme denatures and deactivates and loses a catalyst function because temperature is below the said upper limit.
  • the stirring time is preferably 24 hours or more and 72 hours or less, and more preferably 24 hours or more and 48 hours or less.
  • the stirring step it is preferable to add an alkali and adjust the pH of the fermentation residue solution to be 5 or more and 7 or less (particularly preferably pH 7).
  • the pH of the fermentation residue solution it is preferable to add an alkali and adjust the pH of the fermentation residue solution to be 5 or more and 7 or less (particularly preferably pH 7).
  • alkali examples include those similar to those exemplified in the definition of “pretreated lignocellulosic biomass” described above.
  • the solid content concentration of the fermentation residue solution in the stirring step is preferably 5% or more and 15% or less, and particularly preferably 10%.
  • the solid content concentration is equal to or higher than the lower limit, it is possible to prevent excessive use of water. Further, when the solid content concentration is not more than the above upper limit value, the stirring property (fluidity of the fermentation residue solution) is excellent, and the saccharification enzyme can be liberated from the fermentation residue to efficiently perform the saccharification reaction in the stirring step. it can.
  • the water used in the stirring step is preferably distributed water from the total amount of water required for the production of the lignocellulosic biomass-derived compound.
  • the system outside water is not newly required, the increase in equipment cost can be suppressed to the minimum, and the yield of the lignocellulosic biomass-derived compound can be improved.
  • the ratio of the solid content (weight in the dry state) derived from the fermentation residue solution to the solid content (weight in the dry state) derived from pretreated lignocellulosic biomass is 0.15 to 0.3 times Is preferred. When the ratio is within the above range, the saccharification reaction can be performed efficiently.
  • the timing of adding the fermentation residue solution in the saccharification step may be before the start of the saccharification reaction with the pretreated lignocellulosic biomass and the saccharifying enzyme, or may be in the middle of the saccharification reaction.
  • the saccharification time of the saccharification enzyme and unsaccharified substrate (for example, cellulose, hemicellulose, etc.) contained in a fermentation residue solution can be lengthened, it is preferable that the timing to supply is before a saccharification reaction start.
  • the fermentation residue solution when the fermentation residue solution is charged during the saccharification reaction in the saccharification process, in order to lengthen the saccharification time as much as possible, up to a time corresponding to exactly half the saccharification time in the saccharification process (for example, when the saccharification time is 48 hours, The fermentation residue solution may be added up to 24 hours after the start of saccharification.
  • the fermentation residue solution that has not been reused in the saccharification step accumulates along with the circulation step, but the fermentation residue solution that has not been circulated in the saccharification step is solid-liquid separated after the stirring step, and the separated residue is appropriately discharged.
  • the amount of fermentation residue circulating in the system can be kept constant.
  • the fermentation residue solution that has not been circulated to the saccharification step after the stirring step is solid-liquid separated, and the separated solution is a released saccharifying enzyme, an unsaccharified and solubilized substrate (for example, oligosaccharides such as cellobiose) Etc.) and monosaccharides (eg, glucose, xylose, etc.). Therefore, you may reuse in a saccharification process.
  • a pretreatment step of pretreating lignocellulosic biomass in order to facilitate the saccharification reaction with a saccharification enzyme may be provided before the saccharification step.
  • the pretreatment step is a step of pretreating lignocellulosic biomass in order to efficiently perform a saccharification reaction in the subsequent saccharification step.
  • Examples of the pretreatment method include a steaming method using only steam, a method using an ionic liquid, and a pulverizing method using a mill. Further, in the pretreatment step, an acid or an alkali may be appropriately mixed as necessary. Examples of the acid and the alkali include the same as those exemplified in the above-mentioned definition of “pretreated lignocellulosic biomass”.
  • purification process is a process for refine
  • the lignocellulosic biomass compound is an alcohol
  • a method of distilling the fermentation broth can be used.
  • the lignocellulose-based biomass compound is an amino acid, for example, an ion exchange method, a foreign matter adsorption removal method using activated carbon, and the like can be mentioned.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram schematically showing an apparatus for producing a lignocellulosic biomass-derived compound according to the first embodiment of the present invention.
  • a saccharification apparatus 11 a fermentation tank 12, a solid-liquid separation apparatus 13, and a stirring tank 14 are arranged so as to circulate through pipes 15, 16, 17a, and 18. Yes.
  • the solid separator 13 is provided with a pipe 17b for feeding the fermentation broth.
  • the saccharification device 11 includes a saccharification enzyme and pretreated lignocellulosic biomass, and is a device for performing a saccharification reaction to produce a monosaccharide, and there is no particular limitation. Examples thereof include, but are not limited to, a stirring type, an aeration stirring type, a bubble column type, a fluidized bed type, and a packed bed type.
  • a temperature adjusting device such as a hot water circulation jacket may be provided outside the saccharification device 11.
  • the fermentation tank 12 is a tank for inoculating and fermenting microorganisms on the saccharification residue adsorbed by the saccharification solution and saccharification enzyme obtained by the saccharification apparatus 11, and there is no particular limitation.
  • the fermenter 12 include, but are not limited to, a stirring type, an aeration stirring type, a bubble column type, a fluidized bed type, and a packed bed type.
  • a temperature adjusting device such as a hot water circulation jacket may be provided outside the fermenter 12.
  • the solid-liquid separation device 13 is a device for separating the fermentation liquor and the fermentation residue adsorbed by the saccharifying enzyme, and is not particularly limited.
  • the solid-liquid separation device may be any device that can adjust the solid-liquid separation strength, for example, a device that can adjust the separation strength by adjusting the applied pressure, the size of the mesh of the sieve mesh or the filter
  • the separation strength can be lowered by discharging a part of the solid content after solid-liquid separation without changing the operating conditions of the device that can adjust the separation strength by changing the thickness and the solid-liquid separation device Examples thereof include an apparatus.
  • Specific examples of the solid-liquid separator include a filter press, a screw press, a vibrating sieve having a mesh size of 100 ⁇ m to 2360 ⁇ m, and a centrifuge.
  • the stirring tank 14 mixes and stirs the fermentation residue adsorbed with the saccharifying enzyme and water, thereby liberating the saccharifying enzyme from the fermentation residue and simultaneously using a substrate (eg, cellulose, hemicellulose, etc.) contained in the fermentation residue.
  • a substrate eg, cellulose, hemicellulose, etc.
  • the stirring tank 14 has a stirring mechanism such as a stirring blade.
  • the temperature of the fermentation residue solution contained in the stirring tank 14 may be any temperature at which the saccharifying enzyme can perform a saccharification reaction. Specifically, the temperature is preferably 25 ° C. or more and 60 ° C. or less, and is 50 ° C. It is particularly preferred.
  • the saccharification enzyme can actively perform the saccharification reaction. Moreover, it can prevent that the three-dimensional structure of a saccharification enzyme denatures and deactivates and loses a catalyst function because temperature is below the said upper limit.
  • a temperature adjusting device such as a hot water circulation jacket may be provided outside the stirring tank 14.
  • the stirring tank 14 may further include an alkali supply device and a pH measuring device (not shown). Using the pH measuring device, the pH of the fermentation residue solution in the stirring tank 14 is measured, and the pH of the fermentation residue solution contained in the stirring tank 14 is adjusted by appropriately adjusting the alkali supply amount from the alkali supply device. , Preferably 5 to 7 (particularly preferably pH 7).
  • the surface of the saccharification enzyme and the fermentation residue in the fermentation residue solution has a negative charge, and an electrostatic repulsive force is generated between them to release the saccharification enzyme attached to the fermentation residue. it can.
  • alkali examples include those similar to those exemplified in the definition of “pretreated lignocellulosic biomass” described above.
  • the solid content concentration of the fermentation residue solution contained in the stirring tank 14 is preferably 5% or more and 15% or less.
  • the pipe 15 is a pipe for feeding the saccharified solution and saccharification residue obtained from the saccharification apparatus 11 to the fermenter 12, and is not particularly limited.
  • the pipe 16 is a pipe for feeding the fermentation liquor and fermentation residue obtained from the fermenter 12 to the solid-liquid separator 13, and is not particularly limited.
  • the pipe 17a is a pipe for transferring the fermentation residue obtained from the solid-liquid separator 13 to the stirring tank 14, and is not particularly limited.
  • the pipe 17b is a pipe for feeding the fermentation broth obtained from the solid-liquid separator 13 to a purification apparatus or the like, and is not particularly limited.
  • the pipe 18 is a pipe for feeding the fermentation residue solution obtained from the stirring tank 14 to the saccharification apparatus 11 and circulating it in the system, and there is no particular limitation.
  • a pump (not shown) may be provided in the middle of the pipes 15, 16, 17 a, 17 b, and 18 for adjusting the flow rate of liquid feeding or transferring.
  • a method for producing a lignocellulose-based biomass-derived compound using the apparatus for producing a lignocellulose-based biomass-derived compound of the present embodiment shown in FIG. 1 will be described below.
  • the lignocellulosic biomass is subjected to physical or chemical treatment to make it easy to treat with saccharifying enzyme by refining the shape or decomposing it into oligosaccharides.
  • the pretreated lignocellulosic biomass is transferred to the saccharification apparatus 11, mixed with a saccharification enzyme, and subjected to a saccharification reaction to be decomposed into monosaccharides or oligosaccharides such as glucose and xylose to produce a saccharified solution.
  • the saccharification liquid and saccharification residue are sent from the saccharification device 11 to the fermenter 12 via the pipe 15, the microorganism is added, and fermentation is performed while stirring.
  • the saccharification enzyme is adsorbed to the saccharification residue and further contains unsaccharified cellulose and unsaccharified hemicellulose as substrates, saccharification is performed simultaneously with fermentation.
  • the solution in the fermenter 12 is sent to the solid-liquid separator 13 via the pipe 16 and separated into a fermentation liquid and a fermentation residue.
  • a fermented liquor is sent to purification apparatuses, such as a distillation tower, via the piping 17b as needed.
  • the fermentation residue is sent from the solid-liquid separator 13 to the stirring tank 14 via the pipe 17a.
  • the fed fermentation residue is added with water and alkali as necessary, and stirred to release the saccharifying enzyme adsorbed on the fermentation residue, and at the same time a substrate (for example, cellulose,
  • a substrate for example, cellulose
  • the saccharification reaction using the saccharifying enzyme is performed using hemicellulose or the like.
  • the fermentation residue solution is sent from the agitation tank 14 to the saccharification device 11 via the pipe 18 and mixed with the pretreated lignocellulosic biomass and the saccharification enzyme, and the saccharification enzyme and the substrate (for example, the fermentation residue solution) , Cellulose, hemicellulose, etc.) are reused in the saccharification reaction.
  • FIG. 2 is a schematic configuration diagram schematically showing an apparatus for producing a lignocellulosic biomass-derived compound according to a second embodiment of the present invention.
  • the control device 21 is connected to the saccharification device 11, the agitation tank 14, the pump 23a, the pump 23b, and the pump 23c, and the water storage tank 22 is connected to the saccharification device 11 via the pipe 24a.
  • 1 is different from the lignocellulosic biomass-derived compound production apparatus 10 shown in FIG. 1 in that it is arranged in the stirring tank 14 via the pipe 24b, and the other configuration is the lignocellulosic biomass-derived compound production apparatus 10. Is the same.
  • the control device 21 determines the amount of water required from the weight of the solution contained in the saccharification device 11 or the stirring tank 14, the solid content concentration in the pretreated lignocellulosic biomass or fermentation residue, and the solid content concentration in the fermentation residue solution. Is calculated. Further, the pumps 23a, 23b, and 23c are controlled while monitoring so that the solid content concentration is 5% or more and 15% or less. Thereby, the quantity of the water sent to the saccharification apparatus 11 and the stirring tank 14 and the quantity of the fermentation residue solution sent to the saccharification apparatus 11 are controlled.
  • control device 21 for example, as shown in FIG. 2, a device composed of a control computer and a controller can be used.
  • the water storage tank 22 is a tank for storing water for use in the production of a lignocellulosic biomass-derived compound, and is not particularly limited.
  • a temperature adjusting device such as a hot water circulation jacket may be provided outside the water storage tank 22.
  • the pump 23a is a pump for sending water from the water storage tank 22 to the saccharification apparatus 11, and there is no special limitation.
  • the pump 23b is a pump for feeding water from the water storage tank 22 to the stirring tank 14, and is not particularly limited.
  • the pump 23c is a pump for feeding the fermentation residue solution from the stirring tank 14 to the saccharification apparatus 11, and there is no special limitation.
  • the pipe 24a is a pipe for sending water from the water storage tank 22 to the saccharification apparatus 11, and there is no special limitation.
  • the pipe 24b is a pipe for feeding water from the water storage tank 22 to the stirring tank 14, and is not particularly limited.
  • a method for producing a lignocellulosic biomass-derived compound using the lignocellulosic biomass-derived compound production apparatus 20 shown in FIG. 2 will be described below.
  • the control device 21 calculates the amount of necessary water from the solid content concentration in the pretreated lignocellulosic biomass and the weight of the pretreated lignocellulosic biomass transferred to the saccharification device 11.
  • the control device 21 controls the pump 23a to send water from the water storage tank 22 to the saccharification device 11 via the pipe 24a.
  • the fermentation liquor and the fermentation residue are solid-liquid separated through the saccharification apparatus 11, the fermenter 12, and the solid separation apparatus 13 by the same method as the production apparatus 10 for the lignocellulose-based biomass-derived compound shown in FIG.
  • the required amount of water is calculated from the solid content concentration in the fermentation residue transferred to the stirring tank 14 and the weight of the fermentation residue transferred to the stirring tank 14.
  • the control device 21 controls the pump 23b to send water from the water storage tank 22 to the stirring tank 14 via the pipe 24b.
  • saccharification enzyme adsorbed on the fermentation residue is released by adding an alkali as necessary and stirring, and at the same time, a substrate (for example, cellulose, hemicellulose, etc.) contained in the fermentation residue.
  • the saccharification reaction using the saccharifying enzyme is performed.
  • the control device 21 calculates the amount of necessary water from the solid content concentration in the pretreated lignocellulosic biomass and the weight of the pretreated lignocellulosic biomass transferred to the saccharification device 11.
  • the control device 21 controls the pump 23a to send water from the water storage tank 22 to the saccharification device 11 via the pipe 24a.
  • control device 21 controls the pump 23 c to send the fermentation residue solution from the stirring tank 14 to the saccharification device 11 via the pipe 18. Thereby, it mixes with pretreated lignocellulosic biomass and saccharification enzyme, and the saccharification enzyme and substrate (for example, cellulose, hemicellulose, etc.) contained in the fermentation residue solution are reused in the saccharification reaction.
  • the saccharification enzyme and substrate for example, cellulose, hemicellulose, etc.
  • the apparatus for producing a lignocellulosic biomass-derived compound of the present invention is not limited to the one shown in FIGS. 1 and 2, and a part of the structure shown in FIGS. 1 and 2 is within the range not impairing the effects of the present invention. May be changed or deleted, or another configuration may be added to what has been described so far.
  • a pretreatment apparatus may be disposed before the saccharification apparatus 11.
  • a purifier may be disposed after the solid-liquid separator 13 via a pipe 17 b.
  • refiners such as a distillation tower, a separation filtration membrane, a centrifuge, may be arrange
  • Examples of the solid-liquid separation device include the same as those exemplified in the above-mentioned [First Embodiment].
  • the theoretically generated ethanol weight was 2.50 g because it could be calculated as 0.511 times the amount of sugar in the saccharified solution after the saccharification step.
  • the fermentation rate was calculated by dividing the actual generated ethanol weight (2.53 g) by the theoretically generated ethanol weight (2.50 g), and was 101.2%.
  • Example 1 Examination of solid content concentration of fermentation residue solution in stirring step (1) Saccharification step Sugarcane bagasse (dry weight 12 g) pretreated with dilute sulfuric acid was added to a 300 mL Erlenmeyer flask to obtain a solid content concentration Water was added so that it might become 10%, and the substrate solution of 120g in total was prepared. In addition, it adjusted with the alkali so that pH of a substrate solution might be set to 5.5.
  • the enzymatic saccharification rates of C5 sugar and C6 sugar were calculated from the relationship between the composition of sugarcane bagasse as a raw material and the amount of monosaccharides (C5 sugar (xylose) and C6 sugar (glucose)) contained in the saccharified solution. The results are shown in FIG.
  • the saccharide composition of the substrate solution before saccharification and the saccharified solution were measured using HPLC (manufactured by Shimadzu Corporation, detector: FLD, column oven: CTO-20A). The amount of C5 sugar and C6 sugar contained in was measured.
  • the enzymatic saccharification rates of C5 sugar and C6 sugar were calculated from the relationship between the composition of sugarcane bagasse as a raw material and the amount of monosaccharides (C5 sugar (xylose) and C6 sugar (glucose)) contained in the saccharified solution. The results are shown in FIG.
  • water rose ⁇ means that used outside water in the stirring step
  • water rose ⁇ means that used distributed water from the total amount of water used for ethanol production in the stirring step.
  • the C5 saccharification rate, C6 saccharification rate, and ethanol yield indicated by dotted lines and described as “no circulation” are the saccharified solution obtained in the first saccharification step and the first fermentation step. Means the C5 saccharification rate, the C6 saccharification rate, and the ethanol yield (L) per ton of sugarcane bagasse dry weight calculated from the fermentation broth obtained in 1.
  • Example 2 Examination of pH and temperature of fermentation residue solution in stirring step (1) Saccharification step Saccharification reaction was performed using the same method as (1) of Example 1. In addition, a small amount of sample before and after saccharification was collected and using HPLC (Shimadzu Corporation, detector: FLD, column oven: CTO-20A), the saccharide composition of the substrate solution before saccharification and C5 contained in the saccharification solution The amount of sugar (eg, xylose, arabinose, etc.) and C6 sugar (eg, glucose, mannose, galactose) was measured. The amounts of C5 sugar and C6 sugar are shown in Table 1 below.
  • sugar eg, xylose, arabinose, etc.
  • C6 sugar eg, glucose, mannose, galactose
  • C5 sugar and C6 sugar were calculated from the relationship between the composition of sugarcane bagasse as a raw material and the amount of monosaccharides (C5 sugar (xylose) and C6 sugar (glucose)) contained in the saccharified solution. The results are shown in FIG.
  • the fermentation residue (dry weight about 2.4 g) was put into a stirring flask and water was added to adjust the solid content concentration to 10%. Further, the pH of the fermentation residue solution was adjusted to pH 6.0 or pH 7.0 without pH adjustment, and kept at 50 ° C. or 60 ° C. with shaking for 48 hours to prepare a fermentation residue solution.
  • the water used is distributed water from the total amount of water used for ethanol production. Before and after the start of the stirring process, a small amount of sample is collected, and using HPLC (manufactured by Shimadzu Corporation, detector: FLD, column oven: CTO-20A), the amount of xylose and glucose contained in the fermentation residue solution And measured.
  • xylose and glucose contained in the fermentation residue solution are shown in Table 1 below. Further, the production rate (g / g-dry) of xylose or glucose per 1 g of dry weight of fermentation residue was calculated from the measured values. The results are shown in FIG. In FIG. 4, “pHnon” means a sample that has not been adjusted for pH.
  • the saccharide composition of the substrate solution before saccharification and the saccharified solution were measured using HPLC (manufactured by Shimadzu Corporation, detector: FLD, column oven: CTO-20A).
  • HPLC manufactured by Shimadzu Corporation, detector: FLD, column oven: CTO-20A.
  • the amount of C5 sugar and C6 sugar contained in was measured.
  • the amounts of C5 sugar and C6 sugar are shown in Table 1 below.
  • the enzymatic saccharification rates of C5 sugar and C6 sugar were calculated from the relationship between the composition of sugarcane bagasse as a raw material and the amount of monosaccharides (C5 sugar (xylose) and C6 sugar (glucose)) contained in the saccharified solution. The results are shown in FIG.
  • “pHnon” means a sample that has not been adjusted for pH.
  • the C5 saccharification rate, C6 saccharification rate, and ethanol yield indicated by dotted lines and described as “no circulation” are the saccharified solution obtained in the first saccharification step and the first fermentation step. Means the C5 saccharification rate, the C6 saccharification rate, and the ethanol yield (L) per ton of sugarcane bagasse dry weight calculated from the fermentation broth obtained in 1.
  • ethanol can be produced in a high yield by performing the stirring step under the condition that the pH of the fermentation residue solution is 6.0 or more and 7.0 or less and 50 ° C. or less.
  • cellulose and hemicellulose can be efficiently saccharified, and a method and apparatus for producing a lignocellulosic biomass-derived compound with high yield can be provided.

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Abstract

リグノセルロース系バイオマス由来化合物の製造方法は、前処理済みリグノセルロース系バイオマス及び糖化酵素を用いて、糖化反応を行う糖化工程と、前記糖化工程において得られた糖化液及び前記糖化酵素が吸着した糖化残渣と微生物とを添加し、撹拌しながら発酵を行う発酵工程と、前記発酵工程の後に、発酵液と前記糖化酵素が吸着した発酵残渣とに固液分離する固液分離工程と、前記固液分離工程で得られた前記糖化酵素が吸着した発酵残渣に水を添加し、前記糖化酵素が糖化反応可能な温度に保ちながら撹拌する撹拌工程と、前記撹拌工程で生成された発酵残渣溶液を、前記糖化工程に循環させる循環工程と、を備える方法である。

Description

リグノセルロース系バイオマス由来化合物の製造方法及び製造装置
 本発明は、リグノセルロース系バイオマス由来化合物の製造方法及び製造装置に関する。
 本願は、2016年10月20日に、日本に出願された特願2016-205876号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
 近年、地球温暖化対策や、廃棄物の有効活用の観点から、植物資源を原料とするバイオマスの利用が注目されている。一般に、バイオマスからエタノール等の化合物を製造するための原料としては、サトウキビ等の糖質やトウモロコシ等のデンプン質が多く用いられている。しかしながら、これらの原料はもともと食料又は飼料として用いられている。そのため、長期的に工業用利用資源として活用することは、食料又は飼料用途との競合を引き起こし、原料価格の高騰を招く危険性がある。
 従って、非食用バイオマスをエネルギー資源として活用する技術開発が進められている。非食用バイオマスとしては、地球上に最も多く存在するセルロースがあげられるが、その大部分は芳香族ポリマーのリグニンやヘミセルロースとの複合体であるリグノセルロースとして存在する。
リグノセルロース系バイオマスを利用したエタノール生産では、一般に、前処理や糖化酵素による糖化処理によって獲得された糖を酵母等の微生物に嫌気発酵を行わせることでエタノールに変換させる。糖化酵素を用いた糖化処理では、糖化反応により生成された糖(主に、グルコース)濃度が高くなると未糖化の多糖類(例えば、セルロース、ヘミセルロース等)が含まれていても、糖化酵素による糖化反応が進まなくなる(以下、この状態を「グルコース生成阻害」又は「糖化酵素反応阻害」と称する場合がある。)。
 さらに、続く酵母等の微生物による発酵では、前記微生物による発酵が進み、糖(主に、グルコース)濃度が低下するが、発酵の至適温度は約32℃付近であるため、糖化反応の至適温度である約50℃付近よりも温度が低い。そのため、発酵と同時に糖化液又は糖化残渣に含まれる糖化酵素による糖化反応が行われるが、反応速度が遅い。よって、セルロースの約3割が未糖化のまま発酵残渣中に残る。
 リグノセルロース系バイオマスに含まれるセルロース及びヘミセルロースを効率的に糖化する方法としては、例えば、糖化槽を3つに分けて固形分及び液体を相互に交換処理することで、糖化槽内の糖(主に、グルコース)濃度を低く保ち、糖(主に、グルコース)による糖化酵素反応阻害を抑制する方法(例えば、特許文献1参照)等が挙げられる。
 その他の効率的な糖化方法としては、例えば、糖化発酵工程後の発酵液を減圧蒸留し、発酵組成物と糖化酵素を含む蒸留濃縮液に分離し、前記蒸留濃縮液を固液分離して得られる残渣に酢酸ナトリウム及び塩化ナトリウムからなる群より選ばれる少なくとも1種からなる水溶性塩類を含む水溶液を添加し、残渣から糖化酵素を遊離させる。次いで、遊離した糖化酵素を含む溶液を循環し、糖化発酵工程に再利用する方法(例えば、特許文献2参照)等が挙げられる。
日本国特開2011-019483号公報 日本国特許第5910367号公報
特許文献1に記載の方法では、糖化槽及び固液分離装置が3組必要となり、設備規模が大きくなる。さらに、原料であるリグノセルロース系バイオマスの組成はばらつきが大きく、糖化残渣の組成及び糖化液に残存する酵素活性をリアルタイムで測定することが困難であるため、最適な操業ポイントを選定及び維持することが難しい。その結果、酵素を補充することが必要となり、経済的ではない。
また、特許文献2に記載の方法では、添加した塩を循環濃縮することによる糖化酵素及び微生物への悪影響が懸念される。さらに、新しく系外の水が必要であり、設備規模が大きくなる。
 本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、セルロース及びヘミセルロースを効率的に糖化でき、高収率なリグノセルロース系バイオマス由来化合物の製造方法及び製造装置を提供する。
 すなわち、本発明は、以下の態様を含む。
本発明の第1態様に係るリグノセルロース系バイオマス由来化合物の製造方法は、前処理済みリグノセルロース系バイオマス及び糖化酵素を用いて、糖化反応を行う糖化工程と、前記糖化工程において得られた糖化液及び前記糖化酵素が吸着した糖化残渣と微生物とを添加し、撹拌しながら発酵を行う発酵工程と、前記発酵工程の後に、発酵液と前記糖化酵素が吸着した発酵残渣とに固液分離する固液分離工程と、前記固液分離工程で得られた前記糖化酵素が吸着した発酵残渣に水を添加し、前記糖化酵素が糖化反応可能な温度に保ちながら撹拌する撹拌工程と、前記撹拌工程で生成された発酵残渣溶液を、前記糖化工程に循環させる循環工程と、を備える方法である。
前記撹拌工程において、アルカリを添加し、前記発酵残渣溶液のpHが5以上7以下となるように調節してもよい。
前記糖化反応可能な温度が25℃以上60℃以下であってもよい。
前記循環工程において、前記前処理済みリグノセルロース系バイオマスと前記糖化酵素とによる糖化反応開始前に、前記発酵残渣溶液を添加し、前記前処理済みリグノセルロース系バイオマスと前記糖化酵素と混合してもよい。
前記撹拌工程において、前記発酵残渣溶液の固形分濃度が5%以上15%以下であってもよい。
前記撹拌工程において、使用する水は、リグノセルロース系バイオマス由来化合物の製造に必要とされる全水量からの分配水であってもよい。
本発明の第2態様に係るリグノセルロース系バイオマス由来化合物の製造装置は、前処理済みリグノセルロース系バイオマスと発酵残渣溶液と糖化酵素とを含む糖化装置と、前記糖化装置で生成された糖化液及び前記糖化酵素が吸着した糖化残渣と微生物とを含む発酵槽と、前記発酵槽で生成された発酵液と前記糖化酵素が吸着した発酵残渣とを分離するための固液分離装置と、前記固液分離装置で分離された前記糖化酵素が吸着した発酵残渣と水とを含む撹拌槽と、前記撹拌槽で生成された前記発酵残渣溶液を前記糖化装置へ送液するための配管と、を備える。
さらに、前記撹拌槽は前記撹拌槽内の前記発酵残渣溶液のpHを測定するためのpH測定器と、前記発酵残渣溶液のpHが5以上7以下となるようにアルカリ供給量を調整するためのアルカリ供給装置と、を備えてもよい。
さらに、前記撹拌槽は温度調整装置を備え、前記撹拌槽に含まれる前記発酵残渣溶液の温度が25℃以上60℃以下であってもよい。
さらに、前記撹拌槽は前記撹拌槽内の前記発酵残渣溶液の固形分濃度が5%以上15%以下となるように糖化装置及び撹拌槽に送液される水の量、並びに糖化装置に送液される発酵残渣溶液の量を制御するための制御装置を備えてもよい。
さらに、前記撹拌槽の後に、糖化装置に送液されなかった前記発酵残渣溶液に含まれる残渣を分離し排出するための固液分離装置と、前記固形分離装置により分離された溶液を糖化装置に送液するための配管と、を備えてもよい。
さらに、リグノセルロース系バイオマス由来化合物の製造に必要とされる全水量から前記糖化装置及び前記撹拌槽において使用する水量を調節し、分配する水量調節装置を備えてもよい。
上記態様のリグノセルロース系バイオマス由来化合物の製造方法及び製造装置によれば、セルロース及びヘミセルロースを効率的に糖化でき、高収率でリグノセルロース系バイオマス由来化合物が得られる。
本発明の第1実施形態に係るリグノセルロース系バイオマス由来化合物の製造装置を模式的に示す概略構成図である。 本発明の第2実施形態に係るリグノセルロース系バイオマス由来化合物の製造装置を模式的に示す概略構成図である。 実施例1における撹拌工程にて固形分濃度が5%、7.5%、10%、又は15%であって、系外水を用いたもの、又は、エタノール製造に用いる水全量からの分配水を用いたものでの2回目の糖化工程にて得られた糖化液のC5糖化率(%)、C6糖化率(%)、及び、発酵工程にて得られたサトウキビバガス乾燥重量1tあたりのエタノール収量(L)を示すグラフである。 実施例2における撹拌工程にて発酵残渣溶液のpHについて、pH調整なし、pH6.0、又は、pH7.0に調整し、50℃又は60℃で行ったサンプルでの発酵残渣1g乾燥重量あたりのグルコース生成率(g/g-dry)を示すグラフである。 実施例2における撹拌工程にて発酵残渣溶液のpHについて、pH調整なし、pH6.0、又は、pH7.0に調整し、50℃又は60℃で行ったサンプルでの2回目の糖化工程にて得られた糖化液のC5糖化率(%)、C6糖化率(%)、及び、発酵工程にて得られたサトウキビバガス乾燥重量1tあたりのエタノール収量(L)示すグラフである。
 本明細書において、「リグノセルロース系バイオマス」としては、主に、セルロース、ヘミセルロース及びリグニンを含有するものである。リグノセルロース系バイオマスとして具体的には、例えば針葉樹、広葉樹、建築廃材、林地残材、剪定廃材、稲藁、籾殻、麦藁、木材チップ、木材繊維、化学パルプ、古紙、合板等の農林産物資源、サトウキビバガス、サトウキビ茎葉、コーンストーバー等の農林産物廃棄物、農林産物加工品、及び、大型藻類、微細藻類等の植物組織等が挙げられ、これらに限定されない。これらのリグノセルロース系バイオマスは単独であってもよく、混合物であってもよい。
 本明細書において、「ヘミセルロース」には、キシロース等の5つの炭素を構成単位とする五炭糖とよばれるものやマンノース、アラビノース、ガラクツロン酸等の6つの炭素を構成単位とする六炭糖とよばれるもの、さらにグルコマンナンやグルクロノキシラン等のような複合多糖等が含まれる。よって、ヘミセルロースは加水分解を受けると、炭素5つからなる五炭糖の単糖やその単糖が複数個連結された五炭糖のオリゴ糖、炭素6つからなる六炭糖の単糖やその単糖が複数個連結された六炭糖のオリゴ糖、五炭糖の単糖と六炭糖の単糖が複数個連結されたオリゴ糖を生ずる。
「セルロース」には、6つの炭素を構成単位とする六炭糖が含まれる。よって、セルロースは加水分解を受けると、炭素6つからなる六炭糖の単糖(例えば、グルコース等)やその単糖が複数個連結された六炭糖のオリゴ糖(例えば、セロビオース等)を生ずる。
一般に、ヘミセルロース又はセルロースから生ずる単糖又はオリゴ糖の構成比率や生成量は、前処理方法や原料として用いた農林産物資源、農林産物廃棄物、農林産物加工品、及び、大型藻類、微細藻類等の植物組織等の種類によって異なる。
 本明細書において、「前処理済みリグノセルロース系バイオマス」とは、糖化反応を効率的に行うために事前処理を行ったリグノセルロース系バイオマスを意味する。前処理方法としては、例えば、蒸気のみでの蒸煮法、イオン液体を用いる方法、ミルを用いる粉砕法等が挙げられる。また、前処理において、必要に応じて、適宜酸又はアルカリを混合させてもよい。酸としては、硫酸、塩酸、硝酸、リン酸等の中から選ばれ、これらを単独で又は組み合わせて用いてもよい。中でも工業利用には安価で手に入りやすい硫酸が特に好ましい。アルカリとしては、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、アンモニアの中から選ばれ、これらを単独で又は組み合わせて用いてもよい。
本明細書において、「リグノセルロース系バイオマス由来化合物」とは、リグノセルロース系バイオマスを分解して得られた単糖及びオリゴ糖を、酵母が摂取することにより生成された化合物を意味する。リグノセルロース系バイオマス由来化合物として具体的には、例えば、アルコール、有機酸、ヌクレオシド、ヌクレオチド、ジアミン化合物等が挙げられる。
アルコールとしては、例えば、エタノール、ブタノール、1,3-プロパンジオール、1,4-ブタンジオール、グリセロール等が挙げられる。
有機酸としては、例えば、ピルビン酸、コハク酸、リンゴ酸、イタコン酸、クエン酸、乳酸等が挙げられる。
ヌクレオシドとしては、例えば、イノシン、グアノシン等が挙げられる。
ヌクレオチドとしては、例えば、イノシン酸、グアニル酸等が挙げられる。
 ジアミン化合物としては、例えば、カダベリン等が挙げられる。
発酵によって得られた化合物が乳酸等のモノマーである場合は、重合によりポリマーに変換することもある。
 以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、各図において、説明に関連しない部分は図示を省略する場合がある。
<リグノセルロース系バイオマス由来化合物の製造方法>
 本実施形態のリグノセルロース系バイオマス由来化合物の製造方法は、糖化工程と、発酵工程と、固液分離工程と、撹拌工程と、循環工程と、を備える方法である。
 前記糖化工程では、前処理済みリグノセルロース系バイオマス及び糖化酵素を用いて、糖化反応を行う。
前記発酵工程では、前記糖化工程において得られた糖化液及び前記糖化酵素が吸着した糖化残渣と微生物とを添加し、撹拌しながら発酵を行う。
前記固液分離工程では、前記発酵工程の後に、発酵液と前記糖化酵素が吸着した発酵残渣とに固液分離する。
前記撹拌工程では、前記固液分離工程で得られた前記糖化酵素が吸着した発酵残渣に水を添加し、前記糖化酵素が糖化反応可能な温度に保ちながら撹拌する。
前記循環工程では、前記撹拌工程で生成された発酵残渣溶液を、前記糖化工程に循環させる。
 本実施形態の製造方法によれば、セルロース及びヘミセルロースを効率的に糖化でき、高収率でリグノセルロース系バイオマス由来化合物を得ることができる。
 従来のリグノセルロース系バイオマス由来化合物の製造方法において、糖化残渣を糖化反応に再利用する方法はあった。
これに対し、本実施形態の製造方法では、発酵残渣を糖化工程に再利用している。さらに、本実施形態の製造方法において発酵残渣は、糖化工程の他に、発酵工程、撹拌工程及び循環工程を経て、発酵残渣に含まれる基質(例えば、セルロース、ヘミセルロース等)、及び、糖化酵素を糖化工程に再利用している。そのため、合計での糖化酵素が基質(例えば、セルロース、ヘミセルロース等)に接している時間、すなわち糖化時間が長くなる。一般に、糖化時間が長ければ長いほど糖化が進むため、本実施形態の製造方法によれば、効率的に糖化を行うことができる。
 本実施形態の製造方法における各工程について、以下に詳細に説明する。
[糖化工程]
 糖化工程は、続く発酵工程において、発酵を効率的に行うために、前処理済みリグノセルロース系バイオマスを基質として、糖化酵素を用いて、糖化反応を行う工程である。糖化工程は従来技術に基づき適宜行えばよく、例えば、糖化温度は、45℃以上70℃以下が好ましく、45℃以上55℃以下より好ましく、50℃が特に好ましい。また、糖化時間は12時間以上120時間以下が好ましく、24時間以上96時間以下がより好ましく、24時間以上72時間以下がさらに好ましい。
 また、糖化工程における前処理済みリグノセルロース系バイオマス由来の固形分濃度は、撹拌性、及び、糖化酵素による糖化反応の効率性から、5%以上15%以下であることが好ましい。
本明細書において、糖化酵素とは、リグノセルロース系バイオマスを単糖又はオリゴ糖単位に分解する酵素を意味し、リグノセルロース系バイオマスを単糖又はオリゴ糖にまで分解するものであればよく、主に、セルラーゼ及びヘミセルラーゼの各活性を持つものであればよい。
セルラーゼは、セルロースをグルコース等の単糖又はオリゴ糖に分解するものであればよい。セルラーゼとして具体的には、例えば、エンドグルカナーゼ(endoglucanase;EG)、セロビオハイドロラーゼ(cellobiohydrolase;CBH)、及び、β-グルコシダーゼ(β-glucosidase;BGL)の各活性の少なくとも1つの活性を有するものを挙げられる。中でも、セルラーゼとしては、これらの各活性を有する酵素混合物であることが、酵素活性の観点から好ましい。
同じくヘミセルラーゼは、ヘミセルロースをキシロース等の単糖又はオリゴ糖に分解するものであればよい。ヘミセルラーゼとして具体的には例えば、キシラナーゼ、キシロシダーゼ、マンナナーゼ、ペクチナーゼ、ガラクトシダーゼ、グルクロニダーゼ、及び、アラビノフラノシダーゼの各活性の少なくとも1つの活性を有するものを挙げられる。中でも、ヘミセルラーゼとしては、これらの各活性を有する酵素混合物であることが、酵素活性の観点から好ましい。
これらセルラーゼ及びヘミセルラーゼ等の糖化酵素の由来は限定されることはなく、例えば、トリコデルマ(Tricoderma)属、アクレモニウム(Acremonium)属、アスペルギルス(Aspergillus)属、バチルス(Bacillus)属、シュードモナス(Pseudomonas)属、ペニシリウム(Penicillium)属、アエロモナス(Aeromonus)属、イルペックス(Irpex)属、スポロトリクム(Sporotrichum)属、フミコーラ(Humicola)属等の糸状菌、担子菌、細菌類等の糖化酵素生産菌由来のセルラーゼ及びヘミセルラーゼ等の糖化酵素を用いることができる。
 一般的に、糖化反応において、リグニンに糖化酵素が非特異的に吸着する現象がしばしば起きる。また、セルラーゼのうち、EG及びCBHは、セルロース結合モジュール(cellulose binding module;CBM)を有し、基質であるセルロースに特異的に吸着する。一方、BGLはCBMを有しないため、リグニンへの非特異的吸着のみである。
 また、BGLはリグニンに吸着した状態であっても、活性部位が残っており、液中のセロビオースに対して糖化能力が維持されている。
よって、糖化工程を経た糖化残渣に含まれるリグニンにはBGLが吸着しており、また、糖化工程を経た糖化残渣に含まれる未糖化のセルロースにはEG及びCBHが特異的に吸着している。このため、本実施形態の製造方法において、続く発酵工程において糖化液のみならず、糖化残渣も一緒に使用することで、基質(例えば、セルロース、ヘミセルロース等)、並びに、糖化酵素であるEG、CBH及びBGLを含むため、発酵と同時に糖化反応を行うことができ、効率的に糖化することができる。
本明細書において、「固形分濃度」とは、ある重量の固液混合物(A)を、絶対乾燥状態(材料を100~110℃の温度で定質量となるまで乾燥し、材料内部に蒸発する水が存在しなくなるまで乾燥した状態)にした時に残る固形分重量(B)の割合を意味し、下記式[1]で表される。
 (固形分濃度)[%]=(B)/(A)×100  [1]
[発酵工程]
次いで、前記糖化工程において得られた糖化液及び糖化酵素が吸着した糖化残渣と微生物とを添加し、撹拌しながら発酵を行う。発酵工程において、前記糖化工程において得られた糖化液及び糖化残渣両方を用いることで、糖化残渣には未糖化のセルロース、ヘミセルロース等の多糖類、並びに、糖化残渣に吸着した状態の糖化酵素が含まれる。そのため、発酵工程においても糖化反応を同時に行い、微生物による発酵における基質となる単糖及びオリゴ糖を生成することができる。
発酵工程は従来技術に基づき適宜行えばよく、例えば、発酵温度は、25℃以上50℃以下が好ましく、28℃以上35℃以下がより好ましく、32℃が特に好ましい。また、発酵時間は、24時間以上120時間以下が好ましく、24時間以上96時間以下がより好ましく、24時間以上72時間以下がさらに好ましい。
 使用する微生物としては、目的のリグノセルロース系バイオマス由来化合物を生成できるものであれば、特別な限定はない。使用する微生物として具体的には、酵母や細菌等が挙げられ、遺伝子組換え微生物も好ましく用いられる。遺伝子組換え微生物とは、アルコール等の目的のリグノセルロース系バイオマス由来化合物への変換に必要な酵素遺伝子を有していない微生物に、遺伝子工学技術によりこれら遺伝子を導入し、アルコール等の目的のリグノセルロース系バイオマス由来化合物の生成を可能にしたものである。遺伝子組換え微生物としては、例えば、アルコール発酵性を有する遺伝子組換え大腸菌等が挙げられる。
また、微生物は微生物を含む培養液をそのまま使用してもよく、又は、微生物を含む培養液を遠心分離により濃縮したもの、乾燥状態のもの等を適宜使用してよい。
 使用する微生物の量は、微生物の増殖速度、発酵槽の大きさ、及び発酵に用いる糖化液の量等を元に算出すればよい。
[固液分離工程]
 次いで、前記発酵工程の後に、発酵液と発酵残渣とに固液分離する。発酵液には、主に、リグノセルロース系バイオマス由来化合物が溶解している。そのため、必要に応じて、後述の精製工程を行い、リグノセルロース系バイオマス由来化合物を精製する。
 一方、発酵残渣には、未糖化のセルロース、ヘミセルロース等の多糖類、並びに発酵残渣に吸着した状態の糖化酵素が含まれる。そのため、続く撹拌工程を経て、糖化工程に循環することにより、効率的にセルロース、ヘミセルロース等の多糖類、並びに糖化酵素を再利用することができる。
 固液分離する方法としては、発酵工程後の溶液に含まれる固形分の30%以上を回収可能な公知の方法を用いればよく、例えば、フィルター、振動篩等によりろ過する方法、遠心分離法、スクリュープレスを用いた分離法等が挙げられ、これらに限定されない。
[撹拌工程]
次いで、固形分離工程において分離された糖化酵素が吸着した発酵残渣に水を添加し、前記糖化酵素が糖化可能な温度に保ちながら、撹拌する。
前記糖化酵素が糖化可能な温度とは、糖化酵素が糖化を行うことができる温度を意味し、具体的には、25℃以上60℃以下が好ましく、50℃が特に好ましい。
 温度が上記下限値以上であることにより、糖化酵素が活発に糖化反応を行うことができる。また、温度が上記上限値以下であることにより、糖化酵素の3次元構造が変性し、失活して触媒機能を喪失することを防ぐことができる。
 また、撹拌時間は、24時間以上72時間以下であることが好ましく、24時間以上48時間以下であることがより好ましい。
 また、撹拌工程において、アルカリを添加し、前記発酵残渣溶液のpHが5以上7以下(特に好ましくは、pH7)となるように調節することが好ましい。pHを上記範囲に調節することにより、発酵残渣溶液中における糖化酵素及び発酵残渣の表面がマイナスの電荷を帯び、両者間に静電気反発力が生じることで発酵残渣に付着した糖化酵素を遊離させることができる。
 前記アルカリとしては、上述の「前処理済みリグノセルロース系バイオマス」の定義において例示されたものと同様のものが挙げられる。
また、撹拌工程における発酵残渣溶液の固形分濃度は、5%以上15%以下であることが好ましく、10%であることが特に好ましい。
固形分濃度が上記下限値以上であることにより、過剰に水を使用することを防ぐことができる。また、固形分濃度が上記上限値以下であることにより、撹拌性(発酵残渣溶液の流動性)が優れ、発酵残渣から糖化酵素を遊離させて、撹拌工程において効率的に糖化反応を行うことができる。
 また、撹拌工程において使用する水は、リグノセルロース系バイオマス由来化合物の製造に必要とされる全水量からの分配水であることが好ましい。これにより、系外水を新たに必要とせず、設備コストの増加を最低限に抑え且つリグノセルロース系バイオマス由来化合物の収量を向上させることができる。
[循環工程]
 次いで、撹拌工程で生成された発酵残渣溶液を、前記糖化工程において、前処理済みリグノセルロース系バイオマスと糖化酵素とともに混合し、糖化に再利用し循環させる。
 前処理済みリグノセルロース系バイオマス由来の固形分(乾燥状態での重量)に対する発酵残渣溶液由来の固形分(乾燥状態での重量)の割合は、0.15倍以上0.3倍以下であることが好ましい。
 割合が上記範囲内であることにより、効率的に糖化反応を行うことができる。
 また、発酵残渣溶液を糖化工程において投入するタイミングとしては、前処理済みリグノセルロース系バイオマスと糖化酵素とによる糖化反応開始前であってもよく、糖化反応途中であってもよい。中でも、発酵残渣溶液に含まれる糖化酵素及び未糖化の基質(例えば、セルロース、ヘミセルロース等)の糖化時間を長くすることができることから、投入するタイミングは糖化反応開始前であることが好ましい。
 また、発酵残渣溶液を糖化工程において糖化反応途中に投入する場合、なるべく糖化時間を長くするために、糖化工程における糖化時間のちょうど半分にあたる時間まで(例えば、糖化時間が48時間である場合は、糖化開始から24時間後まで)に発酵残渣溶液を投入すればよい。
 また、循環工程に伴い、糖化工程に再利用されなかった発酵残渣溶液が蓄積するが、撹拌工程後に糖化工程に循環されなかった発酵残渣溶液を固液分離し、分離された残渣は適宜排出される。そのため、系内に循環する発酵残渣の量を一定に保つことができる。一方、撹拌工程後に糖化工程に循環されなかった発酵残渣溶液を固液分離し、分離された溶液は遊離された糖化酵素、未糖化であって可溶化された基質(例えば、セロビオース等のオリゴ糖等)、及び、単糖(例えば、グルコース、キシロース等)を含む。そのため、糖化工程において再利用してもよい。
 本実施形態において、糖化工程の前にリグノセルロース系バイオマスを糖化酵素による糖化反応を行いやすくするために前処理を行う前処理工程を備えていてもよい。
[前処理工程]
 前処理工程は、続く糖化工程において、糖化反応を効率的に行うためにリグノセルロース系バイオマスを前処理する工程である。
 前処理方法としては、例えば、蒸気のみでの蒸煮法、イオン液体を用いる方法、ミルを用いる粉砕法等が挙げられる。また、前処理工程において、必要に応じて、適宜酸又はアルカリを混合させてもよい。前記酸及び前記アルカリとしては、上述の「前処理済みリグノセルロース系バイオマス」の定義の際に例示されたものと同様のものが挙げられる。
 本実施形態において、固液分離工程の後に得られた溶液に含まれるリグノセルロース系バイオマス由来化合物の純度を上げるために精製を行う精製工程を備えていてもよい。
[精製工程]
 精製工程は、固液分離工程の後に得られた溶液に含まれるリグノセルロース系バイオマス化合物を精製するための工程である。
 精製方法としては、リグノセルロース系バイオマス化合物がアルコール類である場合は、例えば、前記発酵液を蒸留する方法等が挙げられる。また、リグノセルロース系バイオマス化合物がアミノ酸類である場合は、例えば、イオン交換法、活性炭を用いた異物の吸着除去法等が挙げられる。
<リグノセルロース系バイオマス由来化合物の製造装置>
[第1実施形態]
 図1は、本発明の第1実施形態に係るリグノセルロース系バイオマス由来化合物の製造装置を模式的に示す概略構成図である。
なお、以下の説明で用いる図は、本発明の特徴を分かり易くするために、便宜上、要部となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率等が実際と同じであるとは限らない。
本実施形態の製造装置10は、糖化装置11と発酵槽12と固液分離装置13と撹拌槽14とが、配管15、16、17a、及び18を介して、循環するように配設されている。また、固体分離装置13には、発酵残渣を移送するための配管17aの他に、発酵液を送液するための配管17bが配設されている。
 糖化装置11は、糖化酵素と前処理済みリグノセルロース系バイオマスとを含み、単糖を生成する糖化反応を行うための装置であり、特別な制限はない。例えば、撹拌型、通気撹拌型、気泡塔型、流動層型、充填層型等を挙げられ、これらに限定されない。
 糖化装置11内の温度を一定に保つために、糖化装置11の外側に温水循環式のジャケット等、温度調整装置を備えていてもよい。
 発酵槽12は、糖化装置11で得られた糖化液及び糖化酵素が吸着した糖化残渣に、微生物を植菌し、発酵するための槽であって、特別な限定はない。前記発酵槽12としては、例えば、撹拌型、通気撹拌型、気泡塔型、流動層型、充填層型等を挙げられ、これらに限定されない。
 また、発酵槽12内の温度を一定に保つために、発酵槽12の外側に温水循環式のジャケット等、温度調整装置を備えていてもよい。
 固液分離装置13は、発酵液と糖化酵素が吸着した発酵残渣とを分離するための装置であって、特別な限定はない。
 前記固液分離装置としては、固液の分離強度を調節できる装置であればよく、例えば、加わる圧力を調節することで分離強度を調節することができる装置や、篩目やフィルターの網目の大きさを変更することで分離強度を調節することができる装置、固液分離装置の運転条件は変更せずに固液分離後の固形分の一部を排出することで分離強度を下げることができる装置等が挙げられる。前記固液分離装置として具体的には、例えば、フィルタープレス、スクリュープレスや、100μm以上2360μm以下の網目である振動篩、遠心分離機等が挙げられる。
 撹拌槽14は、糖化酵素が吸着した発酵残渣と水とを混合し、撹拌することで、発酵残渣から糖化酵素を遊離させ、同時に発酵残渣に含まれる基質(例えば、セルロース、ヘミセルロース等)を用いて前記糖化酵素による糖化反応を行うための槽であって、特別な限定はない。
 撹拌槽14は撹拌翼等の撹拌機構を有することが好ましい。
撹拌槽14に含まれる発酵残渣溶液の温度は、糖化酵素が糖化反応を行うことができる温度であればよく、具体的には、25℃以上60℃以下であることが好ましく、50℃であることが特に好ましい。
 温度が上記下限値以上であることにより、糖化酵素が活発に糖化反応を行うことができる。また、温度が上記上限値以下であることにより、糖化酵素の3次元構造が変性し、失活して触媒機能を喪失することを防ぐことができる。
 撹拌槽14内の温度を上記範囲内に保つために、撹拌槽14の外側に温水循環式のジャケット等、温度調整装置を備えていてもよい。
 撹拌槽14はさらにアルカリ供給装置及びpH測定器を備えていてもよい(図示せず)。前記pH測定器を用いて、撹拌槽14内の発酵残渣溶液のpHを測定し、前記アルカリ供給装置からのアルカリ供給量を適宜調整することにより、撹拌槽14に含まれる発酵残渣溶液のpHが、好ましくは5以上7以下(特に好ましくは、pH7)となるように管理する。
pHが上記範囲であることにより、発酵残渣溶液中における糖化酵素及び発酵残渣の表面がマイナスの電荷を帯び、両者間に静電気反発力が生じることで発酵残渣に付着した糖化酵素を遊離させることができる。
 前記アルカリとしては、上述の「前処理済みリグノセルロース系バイオマス」の定義において例示されたものと同様のものが挙げられる。
 また、撹拌槽14に含まれる発酵残渣溶液の固形分濃度は5%以上15%以下であることが好ましい。
 固形分濃度が上記下限値以上であることにより、過剰に水を使用することを防ぐことができる。また、固形分濃度が上記上限値以下であることにより、撹拌性(発酵残渣溶液の流動性)が優れ、発酵残渣から糖化酵素を遊離させて、撹拌槽14において効率的に糖化反応を行うことができる。
 配管15は、糖化装置11から得られた糖化液及び糖化残渣を発酵槽12に送液するための配管であって、特別な限定はない。
 配管16は、発酵槽12から得られた発酵液及び発酵残渣を固液分離装置13に送液するための配管であって、特別な限定はない。
 配管17aは、固液分離装置13から得られた発酵残渣を撹拌槽14に移送するための配管であって、特別な限定はない。
 配管17bは、固液分離装置13から得られた発酵液を精製装置等に送液するための配管であって、特別な限定はない。
 配管18は、撹拌槽14から得られた発酵残渣溶液を糖化装置11に送液し、系内に循環させるための配管であって、特別な限定はない。
 配管15、16、17a、17b、及び18の途中には、それぞれ送液又は移送する流量を調整するためのポンプ(図示せず)が配設されていてもよい。
 図1に示す本実施形態のリグノセルロース系バイオマス由来化合物の製造装置を用いて、リグノセルロース系バイオマス由来化合物を製造する方法を以下に説明する。
 まず、前処理装置を用いて、リグノセルロース系バイオマスを物理的又は化学的な処理を施し、形状を微細化する、又は、オリゴ糖に分解する等して糖化酵素処理しやすい状態にする。次いで、前処理済みリグノセルロース系バイオマスを糖化装置11へ移送し、糖化酵素と混合し、糖化反応を行うことでグルコースやキシロース等の単糖又はオリゴ糖に分解させて、糖化液を生産させる。次いで、配管15を介して糖化装置11から発酵槽12へ糖化液及び糖化残渣を送液し、微生物を添加し、撹拌しながら発酵を行う。このとき、糖化残渣には糖化酵素が吸着しており、さらに基質となる未糖化のセルロース及び未糖化のヘミセルロース等が含まれているため、発酵と同時に糖化も行われる。次いで、配管16を介して発酵槽12内の溶液を固液分離装置13に送液し、発酵液と発酵残渣とに分離する。次いで、発酵液に含まれる所望のリグノセルロース系バイオマス由来化合物を分離又は精製するために、必要に応じて、発酵液は配管17bを介して蒸留塔等の精製装置へ送液される。一方、発酵残渣は配管17aを介して固液分離装置13から撹拌槽14へ送液される。送液された発酵残渣は水と、必要に応じてアルカリとを添加し、撹拌することで、発酵残渣に吸着している糖化酵素が遊離され、同時に発酵残渣に含まれる基質(例えば、セルロース、ヘミセルロース等)を用いて前記糖化酵素による糖化反応を行う。次いで、発酵残渣溶液は配管18を介して撹拌槽14から糖化装置11へ送液されて、前処理済みリグノセルロース系バイオマスと糖化酵素とともに混合し、発酵残渣溶液に含まれる糖化酵素及び基質(例えば、セルロース、ヘミセルロース等)は糖化反応において再利用される。
また、撹拌槽14に含まれる発酵残渣溶液のうち、糖化装置11に送液されず残った発酵残渣溶液が一定量蓄積した場合、残った発酵残渣溶液を固液分離して得られる分離残渣を適宜排出することで、系内に循環する発酵残渣の量を一定に保てばよい。
[第2実施形態]
 図2は、本発明の第2実施形態に係るリグノセルロース系バイオマス由来化合物の製造装置を模式的に示す概略構成図である。
本実施形態の製造装置20は、制御装置21が糖化装置11、撹拌槽14、ポンプ23a、ポンプ23b、及び、ポンプ23cに接続しており、貯水槽22が配管24aを介して糖化装置11に、配管24bを介して撹拌槽14に配設されている点で、図1に示すリグノセルロース系バイオマス由来化合物の製造装置10と相違し、その他の構成はリグノセルロース系バイオマス由来化合物の製造装置10と同じである。
 なお、以下の図2において、図1に示す構成要素と同一のものについては同じ符号を用いている。
 制御装置21は、糖化装置11又は撹拌槽14に含まれる溶液の重量、前処理済みリグノセルロース系バイオマス又は発酵残渣における固形分濃度、及び、発酵残渣溶液における固形分濃度から、必要な水の量を算出している。さらに、固形分濃度が5%以上15%以下となるようにモニタリングしながら、ポンプ23a、23b、及び、23cを制御している。これにより、糖化装置11及び撹拌槽14に送液される水の量、並びに、糖化装置11に送液される発酵残渣溶液の量を制御している。
 制御装置21は、例えば、図2に示すように、制御用コンピュータ及びコントローラーから構成されるもの等が挙げられる。
 貯水槽22は、リグノセルロース系バイオマス由来化合物の製造に使用するための水を保管するための槽であって、特別な限定はない。
 また、貯水槽22内の水の温度を必要に応じて変更するために、貯水槽22の外側に温水循環式のジャケット等、温度調整装置を備えていてもよい。
 ポンプ23aは、貯水槽22から糖化装置11に水を送液するためのポンプであって、特別な限定はない。
 ポンプ23bは、貯水槽22から撹拌槽14に水を送液するためのポンプであって、特別な限定はない。
 ポンプ23cは、撹拌槽14から糖化装置11に発酵残渣溶液を送液するためのポンプであって、特別な限定はない。
 配管24aは、貯水槽22から糖化装置11に水を送液するための配管であって、特別な限定はない。
配管24bは、貯水槽22から撹拌槽14に水を送液するための配管であって、特別な限定はない。
 図2に示すリグノセルロース系バイオマス由来化合物の製造装置20を用いて、リグノセルロース系バイオマス由来化合物を製造する方法を以下に説明する。
 まず、制御装置21は、前処理済みリグノセルロース系バイオマスにおける固形分濃度及び糖化装置11に移送された前処理済みリグノセルロース系バイオマスの重量から、必要な水の量を算出する。次いで、制御装置21は、ポンプ23aを制御し、貯水槽22から配管24aを介して、糖化装置11に水を送液する。次いで、図1に示すリグノセルロース系バイオマス由来化合物の製造装置10と同様の方法により、糖化装置11、発酵槽12、及び固形分離装置13を経て、発酵液及び発酵残渣を固液分離する。次いで、撹拌槽14に移送された発酵残渣における固形分濃度及び撹拌槽14に移送された発酵残渣の重量から、必要な水量を算出する。次いで、制御装置21は、ポンプ23bを制御し、貯水槽22から配管24bを介して、撹拌槽14に水を送液する。次いで、撹拌槽14において、必要に応じてアルカリを添加し、撹拌することで、発酵残渣に吸着している糖化酵素が遊離され、同時に発酵残渣に含まれる基質(例えば、セルロース、ヘミセルロース等)を用いて前記糖化酵素による糖化反応を行う。次いで、制御装置21は、前処理済みリグノセルロース系バイオマスにおける固形分濃度及び糖化装置11に移送された前処理済みリグノセルロース系バイオマスの重量から、必要な水の量を算出する。さらに、糖化装置11に移送された前処理済みリグノセルロース系バイオマスの重量から、上述の<リグノセルロース系バイオマスの製造方法>の[循環工程]において示した前処理済みリグノセルロース系バイオマス由来の固形分(乾燥状態での重量)に対する発酵残渣溶液由来の固形分(乾燥状態での重量)の割合となるように、糖化装置11に移送する発酵残渣溶液の量を算出する。次いで、制御装置21は、ポンプ23aを制御し、貯水槽22から配管24aを介して、糖化装置11に水を送液する。さらに、制御装置21は、ポンプ23cを制御し、撹拌槽14から配管18を介して、糖化装置11に発酵残渣溶液を送液する。これにより、前処理済みリグノセルロース系バイオマスと糖化酵素とともに混合し、発酵残渣溶液に含まれる糖化酵素及び基質(例えば、セルロース、ヘミセルロース等)は糖化反応において再利用される。
 本発明のリグノセルロース系バイオマス由来化合物の製造装置は、図1及び図2に示すものに限定されず、本発明の効果を損なわない範囲内において、図1及び図2に示すものの一部の構成が変更又は削除されたものや、これまでに説明したものにさらに他の構成が追加されたものであってもよい。
例えば、図1及び図2に示すリグノセルロース系バイオマス由来化合物の製造装置においては、糖化装置11の前に、前処理装置が配設されていてもよい。
また、例えば、図1及び図2に示すリグノセルロース系バイオマス由来化合物の製造装置においては、固液分離装置13の後に配管17bを介して精製装置が配設させていてもよい。
前記精製装置としては、発酵液の用途に応じて、適宜選択することができる。前記精製装置として具体的には、例えば、蒸留塔、分離ろ過膜、遠心分離機等の精製装置が配設されていてもよい。
また、例えば、図1及び図2に示すリグノセルロース系バイオマス由来化合物の製造装置においては、撹拌槽14の後に、糖化装置11へ送液されず撹拌槽14に蓄積し再利用されなかった発酵残渣溶液に含まれる残渣を分離し排出するための固液分離装置と、前記固形分離装置により分離された溶液を糖化装置11に送液するための配管と、が配設されていてもよい。
前記固液分離装置としては、上述の[第一実施形態]において例示されたものと同様のものが挙げられる。
 以下、具体的実施例により、本発明についてより詳細に説明する。ただし、本発明は以下に示す実施例に何ら限定されるものではない。
[参考例1]
(1)基質溶液の調製
 1本の100mL容量の三角フラスコに、希硫酸を用いて前処理を行ったサトウキビバガス(乾燥重量10g)を加え、固形分濃度10%となるように水を添加した。なお、溶液のpHが5.5となるようにアルカリにて調整した。
(2)糖化工程
 次いで、糖化酵素溶液を添加し、50℃で48時間振盪しながら糖化反応を行った。少量のサンプルを採取し、HPLC(島津製作所製、検出器:FLD、カラムオーブン:CTO-20A)を用いて、糖化液に含まれる糖(グルコース及びキシロース)の量を算出したところ、4.9gであった。
(3)発酵工程
 次いで、酵母(サッカロミセス・セルビシエ(Saccharomyces.Cereviviae))溶液を20mL加え、合計120mLの溶液とした。発酵前の固形分濃度は3.5%であった。次いで、32℃で48時間振盪しながら発酵を行った。
(4)エタノール生産量の測定
 次いで、0,45mmのふるいを用いて固液分離を行ったところ、乾燥重量2gの発酵残渣と、112gのろ液を得た。発酵後の固形分濃度は3.4%であった。
また、HPLC(島津製作所製、検出器:RID-10A、カラムオーブン:CTO-20A)を用いて、ろ液中に含まれるエタノールを検出したところ、生成したエタノール量は2.53gであった。また、乾燥サトウキビバガス1t当たりのエタノール収量を算出したところ、305Lであった。
理論生成エタノール重量は、糖化工程後の糖化液中の糖の量の0.511倍で算出できることから、2.50gであった。
実際の生成エタノール重量(2.53g)を理論生成エタノール重量(2.50g)で割って、発酵率を算出したところ、101.2%であった。
 発酵前後で固形分濃度が3.5%から3.4%に減少したことから、発酵においても糖化反応が進み、不溶成分であるセルロースが糖化により可溶成分であるセロビオース、又はグルコースに分解されたと推察された。
 また、発酵率が101.2%であったことから、発酵工程においても糖化反応が進むことで発酵工程において生成された糖もエタノールの生産に使用されたため、エタノール収量が理論値よりも多くなったと推察された。
 以上のことから、発酵中においても糖化反応が進むため、糖化残渣を発酵工程においても使用し、糖化工程及び発酵工程の時間を長くとることは有用であることが確かめられた。
[実施例1]撹拌工程における発酵残渣溶液の固形分濃度の検討
(1)糖化工程
 300mL三角フラスコに、希硫酸を用いて前処理を行ったサトウキビバガス(乾燥重量12g)を加え、固形分濃度10%となるように水を添加し、全量で120gの基質溶液を調製した。なお、基質溶液のpHが5.5となるようにアルカリにて調整した。
次いで、酵素を加え、50℃で48時間振盪しながら糖化反応を行った。少量の糖化前後のサンプルを採取し、HPLC(島津製作所製、検出器:FLD、カラムオーブン:CTO-20A)を用いて、糖化前の基質溶液の糖組成と、糖化液に含まれるC5糖(例えば、キシロース、アラビノース等)及びC6糖(例えば、グルコース、マンノース、ガラクトース)の量とを測定した。原料であるサトウキビバガスの組成及び糖化液に含まれる単糖(C5糖(キシロース)及びC6糖(グルコース))量との関係から、C5糖及びC6糖の酵素糖化率を算出した。結果を図3に示す。
(2)発酵工程
 次いで、(1)の糖化工程後の300mL三角フラスコに酵母溶液24g添加して、32℃で48時間振盪しながら発酵を行った。
(3)固液分離工程
 次いで、開き目0.45mmのふるいを用いて固液分離を行い、発酵液と発酵残渣(乾燥重量約2.4g)とに分離した。
(4)撹拌工程
 次いで、発酵残渣(乾燥重量約2.4g)を撹拌用フラスコに投入し、水を加えて、固形分濃度が5%、7.5%、10%、又は15%となるように調節して、50℃で48時間振盪しながら保持して発酵残渣溶液を調製した。このとき、固形分濃度10%であって、系外水を用いたもの(水バランス×)と、エタノール製造に用いる水全量からの分配水を用いたもの(水バランス○)とを準備して行った。
(5)循環工程
 次いで、(1)と同様に300mL三角フラスコに希硫酸を用いて前処理を行ったサトウキビバガス(乾燥重量12g)を加え、固形分濃度10%となるように水を添加した。この際、水バランス○の条件における添加水は、(4)に用いた水量を差し引いた量とした。次いで、(4)で得られた発酵残渣溶液をそれぞれ全量添加した。なお、基質溶液のpHが5.5となるようにアルカリにて調整した。
次いで、上述の(1)糖化工程、及び(2)発酵工程に記載の方法と同様に行った。
なお、2回目の糖化工程の開始前後の糖化液についても、HPLC(島津製作所製、検出器:FLD、カラムオーブン:CTO-20A)を用いて、糖化前の基質溶液の糖組成と、糖化液に含まれるC5糖及びC6糖の量とを測定した。原料であるサトウキビバガスの組成及び糖化液に含まれる単糖(C5糖(キシロース)及びC6糖(グルコース))量との関係から、C5糖及びC6糖の酵素糖化率を算出した。結果を図3に示す。
(6)エタノール生産量の測定
次いで、HPLC(島津製作所製、検出器:RID-10A、カラムオーブン:CTO-20A)を用いて、エタノールを測定し、サトウキビバガス乾燥重量1tあたりのエタノール収量(L)を算出した。結果を図3に示す。
 図3において、「水バラ×」とは撹拌工程において系外水を用いたものを意味し、「水バラ○」とは撹拌工程においてエタノール製造に用いる水全量からの分配水を用いたものを意味する。また、図3において、点線で示され、「循環なし」と記載されたC5糖化率、C6糖化率、及びエタノール収量は、1回目の糖化工程において得られた糖化液、及び1回目の発酵工程において得られた発酵液から算出したC5糖化率、C6糖化率、及びサトウキビバガス乾燥重量1tあたりのエタノール収量(L)を意味する。
 図3から、いずれの条件のサンプルにおいても、撹拌工程及び循環工程を行わなかったサンプル(循環なし)よりも、撹拌工程及び循環工程を行ったサンプルの方が、エタノール収量が多かった。
また、固形分濃度10%に調製した発酵残渣溶液において、系外水を用いたもの(水バランス×)よりも、エタノール製造に用いる水全量からの分配水を用いたもの(水バランス○)のほうが、エタノール収量が多かった。
以上のことから、固形分濃度5%以上15%以下に調製した発酵残渣溶液を用いて、撹拌工程及び循環工程を行うことにより、高収率でエタノールを製造できることが確かめられた。
[実施例2]撹拌工程における発酵残渣溶液のpH及び温度の検討
(1)糖化工程
 実施例1の(1)と同様の方法を用いて、糖化反応を行った。また、少量の糖化前後のサンプルを採取し、HPLC(島津製作所製、検出器:FLD、カラムオーブン:CTO-20A)を用いて、糖化前の基質溶液の糖組成と、糖化液に含まれるC5糖(例えば、キシロース、アラビノース等)及びC6糖(例えば、グルコース、マンノース、ガラクトース)の量とを測定した。C5糖及びC6糖の量を下記表1に示す。また、原料であるサトウキビバガスの組成及び糖化液に含まれる単糖(C5糖(キシロース)及びC6糖(グルコース))量との関係から、C5糖及びC6糖の酵素糖化率を算出した。結果を図5に示す。
(2)発酵工程
 次いで、実施例1の(2)と同様の方法を用いて、発酵を行った。
(3)固液分離工程
 次いで、実施例1の(3)と同様の方法を用いて、発酵液と発酵残渣(乾燥重量約2.4g)とを分離した。
(4)撹拌工程
 次いで、発酵残渣(乾燥重量約2.4g)を撹拌用フラスコに投入し、水を加えて、固形分濃度が10%となるように調節した。さらに発酵残渣溶液のpHについて、pH調整なし、pH6.0又はpH7.0に調節し、50℃又は60℃で48時間振盪しながら保持して発酵残渣溶液を調製した。使用した水は、エタノール製造に用いる水全量からの分配水である。撹拌工程開始前と終了後とに、少量のサンプルを採取し、HPLC(島津製作所製、検出器:FLD、カラムオーブン:CTO-20A)を用いて、発酵残渣溶液に含まれるキシロース及びグルコースの量とを測定した。発酵残渣溶液に含まれるキシロース及びグルコースの量を下記表1に示す。また、測定値から、発酵残渣乾燥重量1g当たりのキシロース又はグルコースの生成率(g/g-dry)を算出した。結果を図4に示す。図4において、「pHnon」とはpH調整をしていないサンプルを意味する。
 図4から、50℃でpH5.0及び6.0で撹拌工程を行ったサンプルにおいて、グルコース生成率が高くなることが確かめられた。これは、pHを中性付近とすることで、糖化酵素及び発酵残渣ともに負に帯電するため、静電気力で反発しあい、発酵残渣に吸着していた糖化酵素が遊離するためであると推察された。また、60℃以上の高温では糖化酵素の熱変性による失活及び発酵残渣への吸着が促進されたため、糖化反応に用いられる糖化酵素量が少なくグルコース生成率が低くなったと推察された。
(5)循環工程
 次いで、実施例1の(5)と同様の方法を用いて、(1)糖化工程、及び(2)発酵工程を行った。
なお、2回目の糖化工程の開始前後の糖化液についても、HPLC(島津製作所製、検出器:FLD、カラムオーブン:CTO-20A)を用いて、糖化前の基質溶液の糖組成と、糖化液に含まれるC5糖及びC6糖の量とを測定した。C5糖及びC6糖の量を下記表1に示す。また、原料であるサトウキビバガスの組成及び糖化液に含まれる単糖(C5糖(キシロース)及びC6糖(グルコース))量との関係から、C5糖及びC6糖の酵素糖化率を算出した。結果を図5に示す。
(6)エタノール生産量の測定
 次いで、HPLC(島津製作所製、検出器:RID-10A、カラムオーブン:CTO-20A)を用いて、エタノールを測定し、サトウキビバガス乾燥重量1tあたりのエタノール収量(L)を算出した。結果を図5に示す。
 図5において、「pHnon」とはpH調整をしていないサンプルを意味する。また、図5において、点線で示され、「循環なし」と記載されたC5糖化率、C6糖化率、及びエタノール収量は、1回目の糖化工程において得られた糖化液、及び1回目の発酵工程において得られた発酵液から算出したC5糖化率、C6糖化率、及びサトウキビバガス乾燥重量1tあたりのエタノール収量(L)を意味する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
 図5から、いずれの条件のサンプルにおいても、撹拌工程及び循環工程を行わなかったサンプル(循環なし)よりも、撹拌工程及び循環工程を行ったサンプルの方が、エタノール収量が多かった。
 また、図5及び表1から、発酵残渣溶液のpHが7.0であって、50℃の条件で撹拌工程を行ったサンプルにおいて、発酵残渣の再糖化による効果(糖化率及びエタノール収量)が最も高くなることが明らかとなった。
 以上のことから、発酵残渣溶液のpHが6.0以上7.0以下であって、50℃以下の条件で撹拌工程を行うことにより、高収率でエタノールを製造できることが確かめられた。
 本発明によれば、セルロース及びヘミセルロースを効率的に糖化でき、高収率なリグノセルロース系バイオマス由来化合物の製造方法及び製造装置を提供することができる。
 10、20…リグノセルロース系バイオマス由来化合物の製造装置、11…糖化装置、12…発酵槽、13…固液分離装置、14…撹拌槽、15,16,17a,17b、18,24a,24b…配管、21…制御装置、22…貯水槽、23a,23b,23c…ポンプ。

Claims (12)

  1.  前処理済みリグノセルロース系バイオマス及び糖化酵素を用いて、糖化反応を行う糖化工程と、
     前記糖化工程において得られた糖化液及び前記糖化酵素が吸着した糖化残渣と微生物とを添加し、撹拌しながら発酵を行う発酵工程と、
     前記発酵工程の後に、発酵液と前記糖化酵素が吸着した発酵残渣とに固液分離する固液分離工程と、
     前記固液分離工程で得られた前記糖化酵素が吸着した発酵残渣に水を添加し、前記糖化酵素が糖化反応可能な温度に保ちながら撹拌する撹拌工程と、
     前記撹拌工程で生成された発酵残渣溶液を、前記糖化工程に循環させる循環工程と、を備えることを特徴とするリグノセルロース系バイオマス由来化合物の製造方法。
  2.  前記撹拌工程において、アルカリを添加し、前記発酵残渣溶液のpHが5以上7以下となるように調節する請求項1に記載のリグノセルロース系バイオマス由来化合物の製造方法。
  3.  前記糖化反応可能な温度が25℃以上60℃以下である請求項1又は2に記載のリグノセルロース系バイオマス由来化合物の製造方法。
  4.  前記循環工程において、前記前処理済みリグノセルロース系バイオマスと前記糖化酵素とによる糖化反応開始前に、前記発酵残渣溶液を添加し、前記前処理済みリグノセルロース系バイオマスと前記糖化酵素と混合する請求項1~3のいずれか一項に記載のリグノセルロース系バイオマス由来化合物の製造方法。
  5.  前記撹拌工程において、前記発酵残渣溶液の固形分濃度が5%以上15%以下である請求項1~4のいずれか一項に記載のリグノセルロース系バイオマス由来化合物の製造方法。
  6.  前記撹拌工程において、使用する水は、リグノセルロース系バイオマス由来化合物の製造に必要とされる全水量からの分配水である請求項1~5のいずれか一項に記載のリグノセルロース系バイオマス由来化合物の製造方法。
  7.  前処理済みリグノセルロース系バイオマスと発酵残渣溶液と糖化酵素とを含む糖化装置と、
     前記糖化装置で生成された糖化液及び前記糖化酵素が吸着した糖化残渣と微生物とを含む発酵槽と、
     前記発酵槽で生成された発酵液と前記糖化酵素が吸着した発酵残渣とを分離するための固液分離装置と、
     前記固液分離装置で分離された前記糖化酵素が吸着した発酵残渣と水とを含む撹拌槽と、
     前記撹拌槽で生成された前記発酵残渣溶液を前記糖化装置へ送液するための配管と、
    を備えることを特徴とするリグノセルロース系バイオマス由来化合物の製造装置。
  8.  さらに、前記撹拌槽は前記撹拌槽内の前記発酵残渣溶液のpHを測定するためのpH測定器と、前記発酵残渣溶液のpHが5以上7以下となるようにアルカリ供給量を調整するためのアルカリ供給装置と、を備える請求項7に記載のリグノセルロース系バイオマス由来化合物の製造装置。
  9.  さらに、前記撹拌槽は温度調整装置を備え、前記撹拌槽に含まれる前記発酵残渣溶液の温度が25℃以上60℃以下である請求項7又は8に記載のリグノセルロース系バイオマス由来化合物の製造装置。
  10.  さらに、前記撹拌槽は前記撹拌槽内の前記発酵残渣溶液の固形分濃度が5%以上15%以下となるように糖化装置及び撹拌槽に送液される水の量、並びに糖化装置に送液される発酵残渣溶液の量を制御するための制御装置を備える請求項7~9のいずれか一項に記載のリグノセルロース系バイオマス由来化合物の製造装置。
  11.  さらに、前記撹拌槽の後に、糖化装置に送液されなかった前記発酵残渣溶液に含まれる残渣を分離し排出するための固液分離装置と、
    前記固形分離装置により分離された溶液を糖化装置に送液するための配管と、
    を備える請求項7~10のいずれか一項に記載のリグノセルロース系バイオマス由来化合物の製造装置。
  12.  さらに、リグノセルロース系バイオマス由来化合物の製造に必要とされる全水量から前記糖化装置及び前記撹拌槽において使用する水量を調節し、分配する水量調節装置を備える請求項7~11のいずれか一項に記載のリグノセルロース系バイオマス由来化合物の製造装置。
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