(57)【要約】  （１）セルロース含有バイオマスを加水分解して、糖水溶液を製造する工程、（２）（１）で得られた糖水溶液を精密濾過膜および／または限外濾過膜に通じて濾過して、糖水溶液を透過側から回収する工程、並びに、（３）（２）で得られた糖水溶液をナノ濾過膜および／または逆浸透膜に通じて濾過して、透過側から透過水を、非透過側から濃縮糖水溶液を回収する工程を備えるセルロース含有バイオマスを原料とした濃縮糖水溶液の製造法において、前記ナノ濾過膜および／または前記逆浸透膜の透過水の少なくとも一部を、前記（１）および／または（２）の工程で洗浄水として利用することで、省水型の濃縮糖水溶液の製造法を提供する。【特許請求の範囲】
【請求項１】
(1)セルロース含有バイオマスを加水分解して、糖水溶液を製造する工程、
(2)(1)で得られた糖水溶液を精密濾過膜および／または限外濾過膜に通じて濾過して、糖水溶液を透過側から回収する工程、並びに、
(3)(2)で得られた糖水溶液をナノ濾過膜および／または逆浸透膜に通じて濾過して、透過側から透過水を、非透過側から濃縮糖水溶液を回収する工程
を備えるセルロース含有バイオマスを原料とした濃縮糖水溶液の製造法であって、前記ナノ濾過膜の透過水の少なくとも一部および／または前記逆浸透膜の透過水の少なくとも一部を、前記(1)および／または(2)の工程で洗浄水として利用する濃縮糖水溶液の製造法。
【請求項２】
前記ナノ濾過膜および／または逆浸透膜の透過水の少なくとも一部を、前記精密濾過膜および／または限外濾過膜の洗浄水として利用する請求項１に記載の濃縮糖水溶液の製造法。
【請求項３】
前記ナノ濾過膜および／または逆浸透膜の透過水の少なくとも一部を、前記精密濾過膜および／または限外濾過膜の逆圧洗浄水として利用する請求項２に記載の濃縮糖水溶液の製造法。
【請求項４】
前記ナノ濾過膜がポリアミドを機能層とした複合膜である請求項１〜３のいずれかに記載の濃縮糖水溶液の製造法。
【請求項５】
前記ナノ濾過膜が、５００mg/Lの食塩水を用いて、０．３４MPa、２５℃、pH６．５で測定した時の塩除去率が１０％以上８０％以下の性能を有する請求項１〜４のいずれかに記載の濃縮糖水溶液の製造法。
【請求項６】
前記ナノ濾過膜が、５００mg/Lの硫酸マグネシウム水を用いて、０．３４MPa、２５℃、pH６．５で測定した時の塩除去率が８０％以上１００％以下の性能を有する請求項１〜５のいずれかに記載の濃縮糖水溶液の製造法。
【請求項７】
前記逆浸透膜がポリアミドを機能層とした複合膜である請求項１〜６のいずれかに記載の濃縮糖水溶液の製造法。
【請求項８】
前記逆浸透膜が、５００mg/Lの食塩水を用いて、０．７６MPa、２５℃、pH６．５で測定した時の塩除去率が９０％以上の性能を有する請求項１〜７のいずれかに記載の濃縮糖水溶液の製造法。
【請求項９】
前記精密濾過膜および／または限外濾過膜が中空糸膜である請求項１〜８のいずれかに記載の濃縮糖水溶液の製造法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セルロース含有バイオマスを加水分解して得られる濃縮糖水溶液の製造法に関する。
【背景技術】
【０００２】
大量消費、大量廃棄の２０世紀は終わり、環境調和型社会の構築が求められる２１世紀にあっては、化石資源の枯渇問題と地球温暖化問題が深刻化するにつれて、循環型資源であるバイオマス資源の活用促進が期待されている。【０００３】
現在、バイオマス資源の中でも、サトウキビやトウモロコシを原料としたバイオエタノールの製造が、米国やブラジルなどで盛んに行われている。これは、サトウキビやトウモロコシには、ショ糖やデンプンが豊富に含まれており、ここから糖水溶液を調製して発酵することが容易であるためである。しかしながら、サトウキビやトウモロコシは元々食料であり、これらを原料とした場合には食料や飼料との競合を引き起こして原料価格の高騰を招くという重大な問題点があり、セルロース含有バイオマスのような非食用バイオマスから効率的に糖水溶液を製造するプロセス、あるいは得られた糖水溶液を発酵原料として、効率的に工業原料に変換するプロセスの構築が今後の課題となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
セルロース含有バイオマスから糖水溶液を製造する方法としては、硫酸を使用する糖水溶液の製造方法があり、濃硫酸を使用してセルロースおよびヘミセルロースを酸加水分解して糖水溶液を製造する方法（特許文献１あるいは２）が開示されている。【０００５】
また、酸を使用しない方法として、２５０℃〜５００℃程度の亜臨界水を使用してセルロース含有バイオマスを加水分解して糖水溶液を製造する方法（特許文献３）、またセルロース含有バイオマスを亜臨界水処理した後に、さらに酵素処理することにより糖水溶液を製造する方法（特許文献４）、またセルロース含有バイオマスを２４０℃〜２８０℃の加圧熱水で加水分解処理した後に、さらに酵素処理することにより糖水溶液を製造する方法（特許文献５）が開示されている。【０００６】
このようなバイオマス残滓の除去と糖水溶液の濃縮のために、例えば、セルロース含有バイオマスを加水分解して糖水溶液を製造し、精密濾過膜および／または限外濾過膜で処理してバイオマス残滓を除去した後、ナノ濾過膜および／または逆浸透膜で処理して糖水溶液を濃縮して糖濃度を高める方法（特許文献６）が開示されている。
【特許文献１】特表平１１−５０６９３４号公報
【特許文献２】特開２００５−２２９８２１号公報
【特許文献３】特開２００３−２１２８８８号公報
【特許文献４】特開２００１−９５５９７号公報
【特許文献５】特許３０４１３８０号公報
【特許文献６】国際公開第２０１０／０６７７８５号パンフレット
【非特許文献】
【０００７】
セルロース含有バイオマスから糖水溶液を製造する方法としては、セルロース含有バイオマスを希硫酸で加水分解処理した後に、さらにセルラーゼなどの酵素処理することより糖水溶液を製造する方法（非特許文献１）が開示されている。
【非特許文献１】A. Adenら、“Lignocellulosic Biomass to Ethanol Process Design and Economics Utilizing Co-Current Dilute Acid Prehydrolysis and Enzymatic Hydrolysis for Corn Stover”NREL Technical Report (2002)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、特許文献１〜５や非特許文献１に開示された方法により得られる糖水溶液には多量のバイオマス残滓が含まれ、さらには糖濃度が低いため、糖水溶液を発酵槽に供給して発酵原料として利用するためには、適切な固液分離処理によってバイオマス残滓を除去した上で、糖水溶液を濃縮して糖濃度を高める必要がある。【０００９】
また、特許文献６に開示された方法の場合、精密濾過膜および／または限外濾過膜に堆積するバイオマス残滓の洗浄を始めとして、各工程の水使用量がまだまだ多く、環境調和型社会の構築という目的を達成するためには、各工程から廃棄される水を回収・再利用する省水型プロセスの構築が必要である。【００１０】
したがって、本発明は、上述したような従来技術の問題点を解決すること、すなわち、セルロース含有バイオマスを加水分解して糖水溶液を製造し、精密濾過膜および／または限外濾過膜で処理してバイオマス残滓を除去した後、ナノ濾過膜及び逆浸透膜で処理して糖水溶液を濃縮して糖濃度を高める方法において、廃棄される水を回収・再利用することによる、省水型の濃縮糖水溶液の製造法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するため、本発明の濃縮糖水溶液の製造法は次の構成を有する。すなわち、
(1)セルロース含有バイオマスを加水分解して、糖水溶液を製造する工程、
(2)(1)で得られた糖水溶液を精密濾過膜および／または限外濾過膜に通じて濾過して、糖水溶液を透過側から回収する工程、並びに、
(3)(2)で得られた糖水溶液をナノ濾過膜および／または逆浸透膜に通じて濾過して、透過側から透過水を、非透過側から濃縮糖水溶液を回収する工程
を備えるセルロース含有バイオマスを原料とした濃縮糖水溶液の製造法であって、前記ナノ濾過膜および／または前記逆浸透膜の透過水の少なくとも一部を、前記(1)および／または(2)の工程で洗浄水として利用する濃縮糖水溶液の製造法、である。【００１２】
また、本発明の濃縮糖水溶液の製造法は、前記ナノ濾過膜および／または逆浸透膜の透過水の少なくとも一部を、前記精密濾過膜および／または限外濾過膜の洗浄水として利用することが好ましい。【００１３】
本発明の濃縮糖水溶液の製造法は、前記ナノ濾過膜および／または逆浸透膜の透過水の少なくとも一部を、前記精密濾過膜および／または限外濾過膜の逆圧洗浄水として利用することが好ましい。【００１４】
本発明の濃縮糖水溶液の製造法は、前記ナノ濾過膜がポリアミドを機能層とした複合膜であることが好ましい。【００１５】
本発明の濃縮糖水溶液の製造法は、前記ナノ濾過膜が、５００mg/Lの食塩水を用いて、０．３４MPa、２５℃、pH６．５で測定した時の塩除去率が１０％以上８０％以下の性能を有することが好ましい。【００１６】
本発明の濃縮糖水溶液の製造法は、前記ナノ濾過膜が、５００mg/Lの硫酸マグネシウム水を用いて、０．３４MPa、２５℃、pH６．５で測定した時の塩除去率が８０％以上１００％以下の性能を有することが好ましい。【００１７】
本発明の濃縮糖水溶液の製造法は、前記逆浸透膜がポリアミドを機能層とした複合膜であることが好ましい。【００１８】
本発明の濃縮糖水溶液の製造法は、前記逆浸透膜が、５００mg/Lの食塩水を用いて、０．７６MPa、２５℃、pH６．５で測定した時の塩除去率が９０％以上の性能を有することが好ましい。【００１９】
本発明の濃縮糖水溶液の製造法は、前記精密濾過膜および／または限外濾過膜が中空糸膜であることが好ましい。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によって、これまで廃棄されていた水の少なくとも一部を回収・再利用することで、水消費量を抑制しつつ濃縮糖水溶液を製造することが可能となる。その結果、循環型資源であるバイオマス資源の活用促進につながり、環境調和型社会の構築に資する。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の一実施形態を示す概略フロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明をより詳細に説明する。
【００２３】
本発明の濃縮糖水溶液の製造法に用いられるセルロース含有バイオマスとは、バガス、スイッチグラス、コーンストーバー、稲わら、麦わら、などの草本系バイオマス、また樹木、廃建材などの木質系バイオマスなどを例として挙げることができる。これらセルロース含有バイオマスは、糖が脱水縮合した多糖であるセルロースあるいはヘミセルロースを含有しており、こうした多糖を加水分解することにより発酵原料として利用可能な糖水溶液を製造することが可能である。
【００２４】
本発明の糖水溶液とは、セルロース含有バイオマスの加水分解によって得られる糖水溶液のことを指す。一般的に糖とは、単糖の重合度によって分類され、グルコース、キシロースなどの単糖類、そして単糖が２〜９個脱水縮合したオリゴ糖類、さらには単糖が１０個以上脱水縮合した多糖類に分類される。本発明の糖水溶液とは、主成分として単糖を含む糖水溶液を指し、具体的には、グルコースあるいはキシロースを主成分として含む。また、少量ではあるが、セロビオースなどのオリゴ糖、およびアラビノース、マンノースなどの単糖も含んでいる。ここで主成分が単糖であるとは、水に溶解している単糖、オリゴ糖、多糖の糖類の中の総重量の８０重量％以上が単糖であることを指す。水に溶解した単糖、オリゴ糖、多糖の具体的な分析方法としては、ＨＰＬＣにより、標品との比較により定量することができる。具体的なＨＰＬＣ条件は、反応液はなしで、カラムにLuna NH２(Phenomenex社製)を用いて、移動相を超純水：アセトニトリル＝２５：７５とし、流速が０．６mL/min、測定時間が４５min、検出方法がＲＩ（示差屈折率）、温度が３０℃である。
【００２５】
次に、本発明の濃縮糖水溶液の製造法における工程(1)、セルロース含有バイオマスを加水分解して、糖水溶液を製造する工程に関して説明する。
【００２６】
セルロース含有バイオマスを加水分解に供するに際しては、セルロース含有バイオマスをそのまま使用してもよいが、蒸煮、微粉砕、爆砕などの公知の処理を施すことが可能であり、こうした処理によって加水分解の効率を向上させることが可能である。
【００２７】
セルロース含有バイオマスの加水分解工程については特に制限はないが、具体的には、処理法Ａ：酸のみを用いる方法、処理法Ｂ：酸処理後、酵素を利用する方法、処理法Ｃ：水熱処理のみを用いる方法、処理法Ｄ：水熱処理後、酵素を利用する方法、処理法Ｅ：アルカリ処理後、酵素を利用する方法、処理法Ｆ：アンモニア処理後、酵素を利用する方法の６つが主に挙げられる。
【００２８】
処理法Ａでは、セルロース含有バイオマスの加水分解に酸を使用する。使用する酸に関して硫酸、硝酸、塩酸などが挙げられるが、硫酸を使用することが好ましい。
【００２９】
酸の濃度に関しては特に限定されないが、０．１〜９９重量％の酸を使用することができる。酸の濃度が０．１〜１５重量％、好ましくは、０．５〜５重量％である場合、反応温度は１００〜３００℃、好ましくは１２０〜２５０℃の範囲で設定され、反応時間は１sec〜６０minの範囲で設定される。処理回数は特に限定されず上記処理を１以上行えばよい。特に上記処理を２以上行う場合、１回目と２回目以降の処理を異なる条件で実施してもよい。
【００３０】
また、酸の濃度が１５〜９５重量％、好ましくは６０〜９０重量％である場合、反応温度は１０〜１００℃の範囲で設定され、反応時間は１sec〜６０minの範囲で設定される。
【００３１】
前記酸処理の回数は特に限定されず上記処理を１回以上行えばよい。特に前記処理を２以上行う場合、１回目と２回目以降の処理を異なる条件で実施してもよい。
【００３２】
酸処理によって得られた加水分解物は、硫酸などの酸を含むため発酵原料として使用するためには中和を行う必要がある。中和に使用するアルカリ試薬は特に限定されないが、好ましくは１価のアルカリ試薬である。これは、酸・アルカリ成分がともに２価以上の塩であると、液が濃縮される過程で液中に塩が析出し膜のファウリング要因となることがあるためである。
【００３３】
１価のアルカリを使用する場合、アンモニア、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム等が挙げられるが特に限定はされない。
【００３４】
２価以上のアルカリ試薬を用いる場合は、塩の析出が起こらないよう酸、アルカリ量を減らすか、または析出物を除外する機構を設けるなどの工夫が必要となる場合がある。
【００３５】
酸を使用する加水分解では一般的に結晶性の低いヘミセルロース成分より加水分解が起き、次いで結晶性の高いセルロース成分が分解されるという特徴を有する。したがって、酸を使用してヘミセルロース由来のキシロースを多く含有する液を得ることが可能である。また酸処理においては、さらに前記処理後のバイオマス固形分を、前記処理よりも高圧、高温での反応を行うことでさらに結晶性の高いセルロース成分を分解しセルロース由来のグルコースを多く含有する液を得ることが可能である。加水分解を行う２段階の工程を設定することで、ヘミセルロース、セルロースに適した加水分解条件が設定でき、分解効率、および糖収率を向上させることが可能になる。また、第１の分解条件で得られる糖水溶液と第２の分解条件で得られる糖水溶液を分離しておくことで、加水分解物に含まれる単糖成分比率が異なる２種の糖水溶液を製造することが可能になる。すなわち、第１の分解条件で得られる糖水溶液はキシロースを主成分とし、第２の分解条件で得られる糖水溶液はグルコースを主成分として分離することも可能である。このように糖水溶液に含まれる単糖成分を分離することにより、糖水溶液中のキシロースを発酵原料として使用する発酵と、グルコースを発酵原料として使用する発酵に分けて行うことも可能になり、それぞれの発酵に使用する最適な微生物種を選定し使用することが可能になる。但し酸での高圧高温処理を長時間行うことでヘミセルロース成分・セルロース成分を分離することなく一度に両成分由来の糖を得ても良い。
【００３６】
処理法Ｂでは、処理法Ａで得られた処理液をさらに酵素によりセルロース含有バイオマスを加水分解する。処理法Ｂにおける使用する酸の濃度は０．１〜１５重量％であることが好ましく、より好ましくは、０．５〜５重量％である。反応温度は１００〜３００℃の範囲で設定することができ、好ましくは１２０〜２５０℃で設定することができる。反応時間は１sec〜６０minの範囲で設定することができる。処理回数は特に限定されず前記処理を１回以上行えばよい。特に上記処理を２回以上行う場合、１回目と２回目以降の処理を異なる条件で実施してもよい。
【００３７】
酸処理によって得られた加水分解物は、硫酸などの酸を含んでおり、さらに酵素による加水分解反応を行うため、あるいは発酵原料として使用するために、中和を行う必要がある。中和は、処理法Ａでの中和と同様に実施することができる。
【００３８】
前記酵素としては、セルロース分解活性を有する酵素であればよく、一般的なセルラーゼを使用することが可能であるが、好ましくは、結晶性セルロースの分解活性を有するエキソ型セルラーゼ、あるいはエンド型セルラーゼを含むセルラーゼであることが好ましい。こうしたセルラーゼとして、トリコデルマ属が産生するセルラーゼが好適である。トリコデルマ属とは糸状菌に分類される微生物であり、細胞外に、多種のセルラーゼを大量に分泌する微生物である。本発明で使用するセルラーゼは、好ましくは、トリコデルマ・リーセイ(Trichoderma reesei)由来のセルラーゼである。また、加水分解に使用する酵素として、グルコースの生成効率を向上させるために、セロビオース分解酵素であるβグルコシダーゼを添加してもよく、上述のセルラーゼと併せて加水分解に使用してもよい。βグルコシダーゼとしては、特に限定されないがアスペルギルス由来のものであることが好ましい。こうした酵素を使用した加水分解反応は、pHが３〜７の付近で行うことが好ましく、より好ましくはpH５付近である。反応温度は、４０〜７０℃であることが好ましい。
【００３９】
酸処理後、酵素を利用してセルロース含有バイオマスを加水分解する場合、第１の加水分解において酸処理により結晶性の低いヘミセルロースの加水分解を行い、次いで第２の加水分解として酵素を使用することで結晶性の高いセルロースの加水分解を行うことが好ましい。第２の加水分解において酵素を使用することで、より効率よくセルロース含有バイオマスの加水分解工程を進めることができる。具体的には、酸による第１の加水分解において、主としてセルロース含有バイオマスに含まれるヘミセルロース成分の加水分解とリグニンの部分分解が起き、その加水分解物を酸溶液とセルロースを含む固形分に分離し、セルロースを含む固形分成分に対しては、酵素を添加することによって加水分解を行う。分離・回収された希硫酸溶液はペントースであるキシロースを主成分として含んでいるため、酸溶液を中和して糖水溶液を単離することができる。また、セルロースを含む固形分の加水分解反応物からグルコースを主成分とする単糖成分を得ることができる。なお、中和によって得られた糖水溶液を、固形分に混合し、ここに酵素を添加して加水分解を行ってもよい。
【００４０】
処理法Ｃでは特段の酸の添加は行わず、セルロース含有バイオマスが、０．１〜５０重量％となるよう水を添加後、１００〜４００℃の温度で、１sec〜６０min処理する。こうした温度条件において処理することにより、セルロースおよびへミセルロースの加水分解が起こる。処理回数は特に限定されず該処理を１回以上行えばよい。特に該処理を２回以上行う場合、１回目と２回目以降の処理を異なる条件で実施してもよい。
【００４１】
水熱処理を使用する加水分解では一般的に結晶性の低いヘミセルロース成分より加水分解が起き、次いで結晶性の高いセルロース成分が分解されるという特徴を有する。したがって、水熱処理を使用してヘミセルロース由来のキシロースを多く含有する液を得ることが可能である。また水熱処理においては、さらに前記処理後のバイオマス固形分を前記処理よりも高圧、高温での反応を行うことでさらに結晶性の高いセルロース成分を分解しセルロース由来のグルコースを多く含有する液を得ることが可能である。加水分解を行う２段階の工程を設定することで、ヘミセルロース、セルロースに適した加水分解条件が設定でき、分解効率、および糖収率を向上させることが可能になる。また、第１の分解条件で得られる糖水溶液と、第２の分解条件で得られる糖水溶液を分離しておくことで、加水分解物に含まれる単糖成分比率の異なる２種の糖水溶液を製造することが可能になる。すなわち、第１の分解条件で得られる糖水溶液はキシロースを主成分とし、第２の分解条件で得られる糖水溶液はグルコースを主成分として分離することも可能である。このように糖水溶液に含まれる単糖成分を分離することにより、糖水溶液中のキシロースを発酵原料として使用する発酵と、グルコースを発酵原料として使用する発酵に分けて行うことも可能になり、それぞれの発酵に使用する最適な微生物種を選定し使用することが可能になる。
【００４２】
処理法Ｄでは、処理法Ｃで得られた処理液をさらに酵素によりセルロース含有バイオマスを加水分解する。
【００４３】
前記酵素は、処理法Ｂと同様の酵素が用いられる。また、酵素処理条件についても処理法Ｂと同様の条件が採用されうる。
【００４４】
水熱処理後、酵素を使用してセルロース含有バイオマスを加水分解する場合、第１の加水分解において水熱処理により結晶性の低いヘミセルロースの加水分解を行い、次いで第２の加水分解として酵素を使用することで結晶性の高いセルロースの加水分解を行う。第２の加水分解において酵素を使用することで、より効率よくセルロース含有バイオマスの加水分解工程を進めることができる。具体的には、水熱処理による第１の加水分解において、主としてセルロース含有バイオマスに含まれるヘミセルロース成分の加水分解とリグニンの部分分解が起き、その加水分解物を水溶液とセルロースを含む固形分に分離し、セルロースを含む固形分に対しては、酵素を添加することによって加水分解を行う。分離・回収された水溶液はペントースであるキシロースを主成分として含んでいる。また、セルロースを含む固形分の加水分解反応物からグルコースを主成分とする単糖成分を得ることができる。なお、水熱処理によって得られる水溶液を、固形分に混合し、ここに酵素を添加して加水分解を行ってもよい。
【００４５】
処理法Ｅでは、使用するアルカリは水酸化ナトリウムまたは水酸化カルシウムがより好ましい。これらアルカリの濃度は、０．１〜６０重量％の範囲でセルロース含有バイオマスに添加し、１００〜２００℃、好ましくは１１０℃〜１８０℃の温度範囲で処理すればよい。処理回数は特に限定されず上記処理を１以上行えばよい。特に上記処理を２以上行う場合、１回目と２回目以降の処理を異なる条件で実施してもよい。
【００４６】
アルカリ処理によって得られた処理物は、水酸化ナトリウムなどのアルカリを含むため、さらに酵素による加水分解反応を行うには中和を行う必要がある。中和に使用する酸試薬は特に限定されないが、より好ましくは１価の酸試薬である。これは、酸・アルカリ成分がともに２価以上の塩であると、液が濃縮される過程で液中に塩が析出し膜のファウリング要因となるからである。
【００４７】
１価の酸を使用する場合、硝酸、塩酸等が挙げられるが特に限定はされない。
【００４８】
２価以上の酸試薬を用いる場合は、塩の析出が起こらないように酸、アルカリ量を減らすか、または析出物を除外する機構を設けるなどの工夫が必要となる場合がある。２価以上の酸を使用する場合、硫酸、リン酸であることが好ましい。
【００４９】
前記酵素は、処理法Ｂと同様の酵素が用いられる。また、酵素処理条件についても処理法Ｂと同様の条件を採用できる。
【００５０】
アルカリ処理後、酵素を利用してセルロース含有バイオマスを加水分解する場合、予めアルカリを含んだ水溶液に混合して加熱することでヘミセルロースおよびセルロース成分周辺のリグニン成分を除去し、ヘミセルロース成分およびセルロース成分を反応しやすい状態にした後、続いて酵素によってアルカリ処理中に分解されなかった分の結晶性の低いヘミセルロース、結晶性の高いセルロースの加水分解を行う。具体的には、アルカリによる処理において、主としてセルロース含有バイオマスに含まれる一部のヘミセルロース成分の加水分解とリグニンの部分分解が起き、その加水分解物をアルカリ溶液とセルロースを含む固形分に分離し、セルロースを含む固形分成分に対しては、pHを調整して酵素を添加することによって加水分解を行う。また、アルカリ溶液濃度が希薄な場合は、固形分を分離することなく、そのまま中和後に酵素を添加して加水分解してもよい。セルロースを含む固形分の加水分解反応物からはグルコース、キシロースを主成分とする単糖成分を得ることができる。また、分離・回収されたアルカリ溶液はリグニン以外にペントースであるキシロースを主成分として含んでいるため、アルカリ溶液を中和して糖水溶液を単離することも可能である。また、中和によって得られた糖水溶液を、固形分に混合し、ここに酵素を添加して加水分解を行ってもよい。
【００５１】
処理法Ｆのアンモニア処理条件については特開２００８−１６１１２５号公報および特開２００８−５３５６６４号公報に記載された処理条件に準拠する。例えば、使用するアンモニア濃度はセルロース含有バイオマスに対して０．１〜１５重量％の範囲でセルロース含有バイオマスに添加し、４℃〜２００℃、好ましくは９０℃〜１５０℃で処理する。添加するアンモニアは液体状態、あるいは気体状態のどちらであってもよい。さらに添加する形態は純アンモニアでもアンモニア水溶液の形態でもよい。処理回数は特に限定されず前記処理を１回以上行えばよい。特に前記処理を２回以上行う場合、１回目と２回目以降の処理を異なる条件で実施してもよい。
【００５２】
アンモニア処理によって得られた処理物は、さらに酵素による加水分解反応を行うため、アンモニアの中和あるいはアンモニアの除去を行う必要がある。中和に使用する酸試薬は特に限定されない。例えば塩酸、硝酸、硫酸などがあげられるが、プロセス配管の腐食を防止するとともに発酵を阻害しない観点から、硫酸がより好ましい。アンモニアの除去は、アンモニア処理物を減圧状態に保つことでアンモニアを気体状態に揮発させて除去することができる。また除去したアンモニアは、回収再利用してもよい。
【００５３】
アンモニア処理後に酵素を使用する加水分解では、一般的にアンモニア処理によりセルロースの結晶構造が変化し、酵素が作用しやすい結晶構造に変化することが知られている。したがって、こうしたアンモニア処理後の固形分に対し、酵素を作用させることで、効率的に加水分解を行うことができる。前記酵素は、処理法Ｂと同様の酵素が用いられる。また、酵素処理条件についても処理法Ｂと同様の条件を採用できる。
【００５４】
また、アンモニア水溶液を用いる場合は、アンモニア処理時にアンモニア以外の水成分によって処理法Ｃ（水熱処理）と同様の効果も得ることがあり、ヘミセルロースの加水分解やリグニンの分解が起こることもある。アンモニア水溶液で処理後、酵素を利用してセルロース含有バイオマスを加水分解する場合、予めアンモニアを含んだ水溶液に混合して加熱することでヘミセルロースおよびセルロース成分周辺のリグニン成分を除去し、ヘミセルロース成分およびセルロース成分を反応しやすい状態にした後、続いて酵素によってアンモニア処理中の水熱により分解されなかった結晶性の低いヘミセルロースや結晶性の高いセルロースの加水分解を行う。具体的には、アンモニア水溶液による処理において、主としてセルロース含有バイオマスに含まれる一部のヘミセルロース成分の加水分解とリグニンの部分分解が起き、その加水分解物をアンモニア水溶液とセルロースを含む固形分に分離し、セルロースを含む固形分成分に対しては、pHを調整して酵素を添加することによって加水分解を行う。また、アンモニア濃度が１００％に近い濃い濃度の場合は、アンモニアを脱気により多くを除外後、固形分を分離することなく、そのまま中和後に酵素を添加して加水分解してもよい。セルロースを含む固形分の加水分解反応物からはグルコース、キシロースを主成分とする単糖成分を得ることができる。また、分離・回収されたアンモニア水溶液はリグニン以外にペントースであるキシロースを主成分として含んでいるため、アンモニア溶液を中和して糖水溶液を単離することも可能である。また、中和によって得られた糖水溶液を、固形分に混合し、ここに酵素を添加して加水分解を行ってもよい。
【００５５】
工程(1)で得られる糖水溶液には、糖だけでなく、コロイド成分、濁質成分、微粒子などを含むバイオマス残滓が存在する。このようなバイオマス残滓の構成成分としては、リグニン、タンニン、シリカ、カルシウム、未分解のセルロース、などが例示できるが、特にこれらに限定されるものではない。
【００５６】
本発明の濃縮糖水溶液の製造法における工程(2)である、工程(1)で得られた糖水溶液を精密濾過膜および／または限外濾過膜に通じて濾過して、糖水溶液を透過側から回収する工程に関して説明する。
【００５７】
本発明に使用する精密濾過膜とは、平均細孔径が０．０１μm〜５mmである膜のことであり、マイクロフィルトレーション、ＭＦ膜などと略称されるものである。また、本発明に使用する限外濾過膜とは、分画分子量が１，０００〜２００，０００となる膜のことであり、ウルトラフィルトレーション膜（ＵＦ膜）などと略称されるものである。ここで、限外濾過膜は、孔径が小さすぎて膜表面の細孔径を電子顕微鏡等で計測することが困難であり、平均細孔径の代わりに分画分子量を孔径の大きさの指標とすることになっている。分画分子量とは、日本膜学会編 膜学実験シリーズ 第III巻 人工膜編 編集委員／木村尚史・中尾真一・大矢晴彦・仲川勤 (1993 共立出版) p-92に、「溶質の分子量を横軸に、阻止率を縦軸にとってデータをプロットしたものを分画分子量曲線とよんでいる。そして阻止率が９０％となる分子量を膜の分画分子量とよんでいる。」とあるように、限外濾過膜の膜性能を表す指標として知られている。
【００５８】
これら精密濾過膜または限外濾過膜の材質としては、上述したバイオマス残滓の除去が可能であれば、特に限定されるものではないが、セルロース、セルロースエステル、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、塩素化ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリオレフィン、ポリビニルアルコール、ポリメチルメタクリレート、ポリフッ化ビニリデン、ポリ四フッ化エチレン等の有機材料、あるいはステンレス等の金属、あるいはセラミック等の無機材料が挙げられる。精密濾過膜または限外濾過膜の材質は、加水分解物の性状、あるいはランニングコストを鑑みて適宜選択すればよいが、取扱の容易性から考えて有機材料であることが好ましく、塩素化ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリスルホン、ポリエーテルスルホンであることが好ましい。
【００５９】
また、工程(1)で得られる糖水溶液を特に限外濾過膜で濾過することによって、非透過側から糖化に使用した酵素を回収できる。この酵素を回収する工程について説明する。加水分解に使用する酵素は、分子量が１０，０００〜１００，０００の範囲にあり、これらを阻止できる分画分子量を有する限外濾過膜を使用することで、酵素を非透過側画分より回収することができる。好ましくは、分画分子量１０，０００〜３０，０００の範囲の限外濾過膜を使用することで加水分解に使用する酵素を効率的に回収できる。使用する限外濾過膜の形態は特に限定されるものではなく、平膜、中空糸膜のいずれであってもよい。回収された酵素は、工程(1)の加水分解に再利用することで、酵素使用量を削減できる。こうした糖水溶液の限外濾過膜による濾過を行う際には、その前に糖水溶液を予め精密濾過膜に通じて処理し、バイオマス残滓の中でも限外濾過膜の膜ファウリングを生じさせやすい水溶性高分子やコロイド成分を除去しておくことが好ましい。
【００６０】
濾過操作としては、水溶性高分子やコロイド成分を効率的に除去するために、精密濾過膜あるいは限外濾過膜を２回以上使用する多段的な濾過でもよく、またその際使用する膜の素材および性状に関しても特に限定されない。
【００６１】
例えば、精密濾過膜で濾過を行い、その濾液をさらに限外濾過膜で濾過する方法では、精密濾過膜では除くことが出来ない数十nm以下のコロイド成分や、リグニン由来の水溶性の高分子成分（タンニン）、加水分解で分解したが単糖までにはならずオリゴ糖から多糖レベルで分解が途中である糖類、そして糖を加水分解する際に用いた酵素などを除くことが可能となる。
【００６２】
本発明の精密濾過膜または限外濾過膜の形態としては、中空糸膜、平膜のいずれも採用できるが、後述する逆圧洗浄を実施する場合には、中空糸膜が好ましく採用される。
【００６３】
次に、本発明の濃縮糖水溶液の製造法における工程(3)である、工程(2)で得られた糖水溶液をナノ濾過膜および／または逆浸透膜に通じて濾過して、透過側から透過水を、非透過側から濃縮糖水溶液を回収する工程に関して説明する。
【００６４】
本発明において、「ナノ濾過膜に通じて濾過する」とは、セルロース含有バイオマスの加水分解により得られた糖水溶液を精密濾過膜および／または限外濾過膜に通じて濾過して、透過側から回収した糖水溶液を、ナノ濾過膜に通じて濾過し、溶解している糖、特にグルコースやキシロースといった単糖の糖水溶液を非透過側に阻止または濾別しつつ、発酵阻害物質を透過側に透過させて除去または低減することを意味する。ナノ濾過膜を通じて得られた糖水溶液は、後に述べる逆浸透膜に通じてさらに濃縮してもよい。
【００６５】
ここで、発酵阻害物質とは、セルロース含有バイオマスの加水分解で生成する化合物であり、かつ本発明の製造法によって得られる精製糖水溶液を原料とする発酵工程において前述の通り阻害的に作用する物質のことを指し、特にセルロース含有バイオマスの酸処理の工程で生成される、有機酸、フラン系化合物、フェノール系化合物に大きく分類される。
【００６６】
有機酸としては、酢酸、ギ酸、レブリン酸などが具体例として挙げられる。フラン系化合物としては、フルフラール、ヒドロキシメチルフルフラール（ＨＭＦ）などが挙げられる。こうした有機酸あるいはフラン系化合物は、単糖であるグルコースあるいはキシロースの分解による産物である。
【００６７】
また、フェノール系化合物としては、バニリン、アセトバニリン、バニリン酸、シリンガ酸、没食子酸、コニフェリルアルデヒド、ジヒドロコニフェニルアルコール、ハイドロキノン、カテコール、アセトグアイコン、ホモバニリン酸、４−ヒドロキシ安息香酸、４−ヒドロキシ−３−メトキシフェニル誘導体(Hibbert's ketones)などが具体例として挙げられ、これらの化合物はリグニンまたはリグニン前駆体に由来する。
【００６８】
その他、セルロース含有バイオマスとして廃建材あるいは合板などを使用する際は、製材工程で使用された接着剤、塗料などの成分が発酵阻害物質として含まれる場合がある。接着剤としては、ユリア樹脂、メラミン樹脂、フェノール樹脂、ユリアメラミン共重合樹脂などが挙げられる。こうした接着剤に由来する発酵阻害物質として、酢酸、ギ酸、ホルムアルデヒドなどが挙げられる。
【００６９】
本発明で使用するナノ濾過膜の除去性能の評価には、１価イオンの除去性能として食塩水を用いた塩除去性能と、２価イオンの除去性能として硫酸マグネシウム水を用いた塩除去性能を用いる。５００mg/Lの食塩水を用いて、０．３４MPa、２５℃、pH６．５で測定した時の塩除去率が１０％以上８０％以下である膜が好ましく、より好ましくは１０％以上７０％以下であり、さらには１０％以上６０％以下が好ましい。ナノ濾過膜の食塩水の塩除去率が高いほど、糖水溶液から糖を濃縮しやすいが、塩除去率が高すぎると発酵阻害物質を効率的に除去しにくい。また、５００mg/Lの硫酸マグネシウム水を用いて、０．３４MPa、２５℃、pH６．５で測定した時の塩除去率が８０％以上１００％以下である膜が好ましく、より好ましくは８５％以上１００％以下であり、さらには９０％以上１００％以下が好ましい。ナノ濾過膜の硫酸マグネシウム水の塩除去率が高いほど、糖水溶液から糖を効率的に精製することができる。とりわけ、糖水溶液から糖を効率的に濃縮するためには、糖を非透過側に阻止し、発酵阻害物質を透過側に透過するナノ濾過膜が良い。そのためには、１価イオンの塩除去率が低く、２価イオンの塩除去率が高いナノ濾過膜が好ましく、上記食塩水を用いた時の塩除去率が１０％以上６０％以下であって、上記硫酸マグネシウム水を用いた時の塩除去率が９０％以上１００％以下であるナノ濾過膜が特に好ましい。なお、ナノ濾過膜の除去率は、供給側と透過側に含まれる対象化合物（食塩、単糖など）の濃度を用いて次式(I)で算出することができる。
【００７０】
除去率（％）＝（１−透過側の対象化合物濃度／供給側の対象化合物濃度）×１００・・・(I)
式(I)における対象化合物濃度の測定方法としては、高い精度と再現性を持って測定可能な分析手法であれば特に限定されないが、塩であればイオンクロマトグラフィー、高周波誘導結合プラズマ発光分光分析（ＩＣＰ）、電導度計などの使用が好ましく、単糖であれば高速液体クロマトグラフィー、屈折率計などの使用が好ましい。
【００７１】
また、本発明で使用するナノ濾過膜の透過性能としては、５００mg/Lの食塩水を用いて、０．３４MPa、２５℃、pH６．５で測定した時の膜単位面積当たりの透過流量が０．５m３/m２/day以上の膜が好ましく、より好ましくは０．６m３/m２/day以上であり、さらには０．７m３/m２/day以上が好ましい。ナノ濾過膜の膜単位面積当たりの透過流量が高いほど、糖水溶液から糖を効率良く濃縮することができる。なお、ナノ濾過膜の膜単位面積当たりの透過流量（膜透過流束またはフラックス）は、透過液量および透過液量を採水した時間および膜面積を測定することで、次式(II)によって算出することができる。
【００７２】
膜透過流束（m３/m２/day）＝透過液量／膜面積／採水時間・・・(II)
本発明で使用されるナノ濾過膜の素材には、酢酸セルロース系ポリマー、ポリアミド、ポリエステル、ポリイミド、ビニルポリマーなどの高分子素材を使用することができるが、前記１種類の素材で構成される膜に限定されず、複数の素材を含む膜であってもよい。またその膜構造は、膜の少なくとも片面に緻密層を持ち、緻密層から膜内部あるいはもう片方の面に向けて徐々に大きな孔径の微細孔を有する非対称膜や、非対称膜の緻密層の上に別の素材で形成された非常に薄い機能層を有する複合膜のどちらでもよい。複合膜としては、例えば、特開昭６２−２０１６０６号公報に記載の、ポリスルホンを膜素材とする支持膜にポリアミドの機能層からなるナノフィルターを構成させた複合膜を用いることができる。
【００７３】
これらの中でも高耐圧性と高透水性、高溶質除去性能を兼ね備え、優れたポテンシャルを有する、ポリアミドを機能層とした複合膜が好ましい。操作圧力に対する耐久性と、高い透水性、阻止性能を維持するためには、ポリアミドを機能層とし、それを多孔質膜や不織布からなる支持体で保持する構造のものが適している。また、ポリアミド半透膜としては、多官能アミンと多官能酸ハロゲン化物との重縮合反応により得られる架橋ポリアミドの機能層を支持体に有してなる複合半透膜が適している。
【００７４】
ポリアミドを機能層とするナノ濾過膜において、ポリアミドを構成する単量体のカルボン酸成分としては、例えば、トリメシン酸、ベンゾフェノンテトラカルボン酸、トリメリット酸、ピロメット酸、イソフタル酸、テレフタル酸、ナフタレンジカルボン酸、ジフェニルカルボン酸、ピリジンカルボン酸などの芳香族カルボン酸が挙げられるが、製膜溶媒に対する溶解性を考慮すると、トリメシン酸、イソフタル酸、テレフタル酸、およびこれらの混合物がより好ましい。
【００７５】
前記ポリアミドを構成する単量体のアミン成分としては、m-フェニレンジアミン、p-フェニレンジアミン、ベンジジン、メチレンビスジアニリン、４，４’−ジアミノビフェニルエーテル、ジアニシジン、３，３’，４−トリアミノビフェニルエーテル、３，３’，４，４’−テトラアミノビフェニルエーテル、３，３’−ジオキシベンジジン、１，８−ナフタレンジアミン、m(p)-モノメチルフェニレンジアミン、３，３’−モノメチルアミノ−４，４’−ジアミノビフェニルエーテル、４，Ｎ，Ｎ’−（４−アミノベンゾイル）-p(m)-フェニレンジアミン−２，２’−ビス（４−アミノフェニルベンゾイミダゾール）、２，２’−ビス（４−アミノフェニルベンゾオキサゾール）、２，２’−ビス（４−アミノフェニルベンゾチアゾール）等の芳香環を有する一級ジアミン、ピペラジン、ピペリジンまたはこれらの誘導体等の二級ジアミンが挙げられ、中でもピペラジンまたはピペリジンを単量体として含む架橋ポリアミドを機能層とするナノ濾過膜は耐圧性、耐久性の他に、耐熱性、耐薬品性を有していることから好ましく用いられる。より好ましくは前記架橋ピペラジンポリアミドまたは架橋ピペリジンポリアミドを主成分とし、かつ、次に示す化学式(1)で示される構成成分を含有するポリアミドであり、さらに好ましくは架橋ピペラジンポリアミドを主成分とし、かつ、前記化学式(1)で示される構成成分を含有するポリアミドである。
【００７６】
【化１】
2012077698.tif 000002
【００７７】
また、前記化学式(1)中、ｎ＝３のものが好ましく用いられる。架橋ピペラジンポリアミドを主成分とし、かつ、前記化学式(1)で示される構成成分を含有するポリアミドを機能層とするナノ濾過膜としては、例えば、特開昭６２−２０１６０６号公報に記載のものが挙げられ、具体例として、架橋ピペラジンポリアミドを主成分とし、かつ、前記化学式(1)中、ｎ＝３のものを構成成分として含有するポリアミドを機能層とする、東レ（株）製の架橋ピペラジンポリアミド系ナノ濾過膜のＵＴＣ６０が挙げられる。
【００７８】
ナノ濾過膜は一般にスパイラル型の膜エレメントとして使用されるが、本発明で用いるナノ濾過膜も、スパイラル型の膜エレメントが好ましく使用される。好ましいナノ濾過膜エレメントの具体例としては、例えば、酢酸セルロース系のナノ濾過膜であるＧＥ Ｏｓｍｏｎｉｃｓ社製ナノ濾過膜のＧＥ Ｓｅｐａ、ポリアミドを機能層とするアルファ・ラバル（株）製ナノ濾過膜のＮＦ９９またはＮＦ９９ＨＦ、架橋ピペラジンポリアミドを機能層とするフィルムテック社製ナノ濾過膜のＮＦ−４５、ＮＦ−９０、ＮＦ−２００、ＮＦ−２７０またはＮＦ−４００、あるいは架橋ピペラジンポリアミドを主成分として含有したポリアミドを機能層とする、東レ（株）製ナノ濾過膜モジュールＳＵ−２１０、ＳＵ−２２０、ＳＵ−６００またはＳＵ−６１０が挙げられ、より好ましくはポリアミドを機能層とするアルファ・ラバル（株）製ナノ濾過膜のＮＦ９９またはＮＦ９９ＨＦ、架橋ピペラジンポリアミドを機能層とするフィルムテック社製ナノ濾過膜のＮＦ−４５、ＮＦ−９０、ＮＦ−２００またはＮＦ−４００、あるいは架橋ピペラジンポリアミドを主成分として含有するポリアミドを機能層とする、東レ（株）製ナノ濾過膜モジュールＳＵ−２１０、ＳＵ−２２０、ＳＵ−６００またはＳＵ−６１０であり、さらに好ましくは架橋ピペラジンポリアミドを主成分として含有するポリアミドを機能層とする、東レ（株）製ナノ濾過膜モジュールＳＵ−２１０、ＳＵ−２２０、ＳＵ−６００またはＳＵ−６１０である。
【００７９】
ナノ濾過膜による濾過は、工程(2)で得られた糖水溶液を、圧力０．１MPa以上８MPa以下の範囲でナノ濾過膜に供給することが好ましい。圧力が上記好ましい範囲であると、膜透過速度が低下せず、一方、膜が損傷するおそれもない。また、圧力が０．５MPa以上６MPa以下で用いれば、膜透過流束が高いことから、糖溶液を効率的に透過させることができ、膜の損傷を与える可能性が少ないことからより好ましく、１MPa以上４MPa以下で用いることが特に好ましい。
【００８０】
ナノ濾過膜の非透過側から得られる濃縮糖水溶液に含まれる糖成分は、セルロース含有バイオマスに由来する糖であるが、ナノ濾過膜の除去性能によって、工程(1)の加水分解で得られる糖成分と異なる糖成分比となることがある。本発明の濃縮糖水溶液に含まれる単糖としてはグルコースおよび／またはキシロースが主成分として構成されるが、グルコースとキシロースの比率は、工程(1)の加水分解の工程やナノ濾過膜の除去性能により変動するものであり本発明で限定されるものではない。例えば、ヘミセルロースを主として加水分解を行った場合は、キシロースが主要な単糖成分となり、ヘミセルロース分解後、セルロース成分のみを分離して加水分解を行った場合は、グルコースが主要な単糖成分となる。また、ヘミセルロースの分解後、セルロース成分の分離を特段行わない場合は、グルコース、およびキシロースが主要な単糖成分として含まれる。
【００８１】
本発明における「逆浸透膜に通じて濾過する」とは、セルロース含有バイオマスの加水分解により得られた糖水溶液を精密濾過膜および／または限外濾過膜に通じて濾過して、透過側から回収し、得られた糖水溶液を逆浸透膜に通じて濾過し、溶解している糖、特にグルコースやキシロースといった単糖の糖水溶液を非透過側に阻止または濾別することを意味する。精密濾過膜および／または限外濾過膜に通じて濾過して透過側から得られた糖水溶液を、逆浸透膜に通じる前にナノ濾過膜に通じてもよい。
【００８２】
本発明で使用する逆浸透膜の除去性能としては、５００mg/Lの食塩水を用いて、０．７６MPa、２５℃、pH６．５で測定した時の塩除去率が９０％以上である膜が好ましく、より好ましくは９５％以上であり、さらには９９％以上が好ましい。逆浸透膜の塩除去率が高いほど、糖水溶液から糖を効率良く濃縮することができる。なお、逆浸透膜の除去率は、前述のナノ濾過膜の項でも記載したとおり、供給側と透過側に含まれる対象化合物（食塩、単糖など）の濃度を用いて次式(I)で算出できる。
【００８３】
除去率（％）＝（１−透過側の対象化合物濃度／供給側の対象化合物濃度）×１００・・・(I) 
式(I)における対象化合物濃度の測定方法は、高い精度と再現性を持って測定可能な分析手法であれば特に限定されないが、塩であればイオンクロマトグラフィー、高周波誘導結合プラズマ発光分光分析（ＩＣＰ）、電導度計などの使用が好ましく、単糖であれば高速液体クロマトグラフィー、屈折率計などの使用が好ましい。
【００８４】
また、本発明で使用する逆浸透膜の透過性能としては、５００mg/Lの食塩水を用いて、０．７６MPa、２５℃、pH６．５で測定した時の膜単位面積当たりの透過流量が０．３m３/m２/day以上の膜が好ましく、より好ましくは０．６m３/m２/day以上であり、さらには０．９m３/m２/day以上が好ましい。逆浸透膜の膜単位面積当たりの透過流量が高いほど、糖水溶液から糖を効率良く濃縮することができる。なお、逆浸透膜の膜単位面積当たりの透過流量（膜透過流束またはフラックス）の評価方法としては、先述のナノ濾過膜の項でも記載した通り、透過液量および透過液量を採水した時間および膜面積を測定することで、次式(II)によって算出できる。
【００８５】
膜透過流束(m３/m２/day)＝透過液量／膜面積／採水時間・・・(II)
本発明で使用される逆浸透膜の素材としては、酢酸セルロール系のポリマーを機能層とした複合膜（以下、酢酸セルロース系の逆浸透膜ともいう。）またはポリアミドを機能層とした複合膜（以下、ポリアミド系の逆浸透膜ともいう。）が挙げられる。ここで、酢酸セルロース系のポリマーとしては、酢酸セルロース、二酢酸セルロース、三酢酸セルロース、プロピオン酸セルロース、酪酸セルロース等のセルロースの有機酸エステルの単独もしくはこれらの混合物並びに混合エステルを用いたものが挙げられる。ポリアミドとしては、脂肪族および／または芳香族のジアミンをモノマーとする線状ポリマーまたは架橋ポリマーが挙げられる。
【００８６】
これらの中でも高耐圧性と高透水性、高溶質除去性能を兼ね備え、優れたポテンシャルを有する、ポリアミド系の逆浸透膜が好ましい。操作圧力に対する耐久性と、高い透水性、阻止性能を維持するためには、ポリアミドを機能層とし、それを多孔質膜や不織布からなる支持体で保持する構造のものが適している。また、ポリアミド系の逆浸透膜としては、多官能アミンと多官能酸ハロゲン化物との重縮合反応により得られる架橋ポリアミドの機能層を支持体上に有してなる複合半透膜が適している。
【００８７】
ポリアミド系の逆浸透膜において、ポリアミドを構成する単量体の好ましいカルボン酸成分としては、例えば、トリメシン酸、ベンゾフェノンテトラカルボン酸、トリメリット酸、ピロメット酸、イソフタル酸、テレフタル酸、ナフタレンジカルボン酸、ジフェニルカルボン酸、ピリジンカルボン酸などの芳香族カルボン酸が挙げられるが、製膜溶媒に対する溶解性を考慮すると、トリメシン酸、イソフタル酸、テレフタル酸、およびこれらの混合物がより好ましい。
【００８８】
前記ポリアミドを構成する単量体の好ましいアミン成分としては、m-フェニレンジアミン、p-フェニレンジアミン、ベンジジン、メチレンビスジアニリン、４，４’−ジアミノビフェニルエーテル、ジアニシジン、３，３’，４−トリアミノビフェニルエーテル、３，３’，４，４’−テトラアミノビフェニルエーテル、３，３’−ジオキシベンジジン、１，８−ナフタレンジアミン、m(p)-モノメチルフェニレンジアミン、３，３’−モノメチルアミノ−４，４’−ジアミノビフェニルエーテル、４，Ｎ，Ｎ’−（４−アミノベンゾイル）-p(m)-フェニレンジアミン−２，２’−ビス（４−アミノフェニルベンゾイミダゾール）、２，２’−ビス（４−アミノフェニルベンゾオキサゾール）、２，２’−ビス（４−アミノフェニルベンゾチアゾール）等の芳香環を有する一級ジアミン、ピペラジン、ピペリジンまたはこれらの誘導体等の二級ジアミンが挙げられ、中でもm-フェニレンジアミン、p-フェニレンジアミンを単量体として含む架橋ポリアミドを機能層とする逆浸透膜は耐圧性、耐久性の他に、耐熱性、耐薬品性を有していることから好ましく用いられる。
【００８９】
本発明で使用される逆浸透膜の具体例としては、例えば、東レ（株）製ポリアミド系逆浸透膜モジュールである低圧タイプのＳＵ−７１０、ＳＵ−７２０、ＳＵ−７２０Ｆ、ＳＵ−７１０Ｌ、ＳＵ−７２０Ｌ、ＳＵ−７２０ＬＦ、ＳＵ−７２０Ｒ、ＳＵ−７１０Ｐ、ＳＵ−７２０Ｐ、ＴＭＧ１０、ＴＭＧ２０−３７０、ＴＭＧ２０−４００の他、同社製高圧タイプのＳＵ−８１０、ＳＵ−８２０、ＳＵ−８２０Ｌ、ＳＵ−８２０ＦＡ、同社製酢酸セルロース系逆浸透膜ＳＣ−Ｌ１００Ｒ、ＳＣ−Ｌ２００Ｒ、ＳＣ−１１００、ＳＣ−１２００、ＳＣ−２１００、ＳＣ−２２００、ＳＣ−３１００、ＳＣ−３２００、ＳＣ−８１００、ＳＣ−８２００、日東電工（株）製ＮＴＲ−７５９ＨＲ、ＮＴＲ−７２９ＨＦ、ＮＴＲ−７０ＳＷＣ、ＥＳ１０−Ｄ、ＥＳ２０−Ｄ、ＥＳ２０−Ｕ、ＥＳ１５−Ｄ、ＥＳ１５−Ｕ、ＬＦ１０−Ｄ、アルファ・ラバル（株）製ＲＯ９８ｐＨｔ、ＲＯ９９、ＨＲ９８ＰＰ、ＣＥ４０４０Ｃ−３０Ｄ、ＧＥ社製ＧＥ Ｓｅｐａ、フィルムテック社製ＢＷ３０−４０４０、ＴＷ３０−４０４０、ＸＬＥ−４０４０、ＬＰ−４０４０、ＬＥ−４０４０、ＳＷ３０−４０４０、ＳＷ３０ＨＲＬＥ−４０４０などが挙げられる。
【００９０】
逆浸透膜による濾過は、圧力１MPa以上８MPa以下の範囲で逆浸透膜に供給することが好ましい。圧力が上記好ましい範囲であると、膜透過速度が低下せず、一方、膜が損傷するおそれもない。また、濾過圧が２MPa以上７MPa以下で用いれば、膜透過流束が高いことから、糖溶液を効率的に透過させることができ、膜の損傷を与える可能性が少ないことからより好ましく、３MPa以上６MPa以下で用いることが特に好ましい。
【００９１】
逆浸透膜の非透過側から得られる濃縮糖水溶液に含まれる糖成分は、セルロース含有バイオマスに由来する糖であり、本質的には、工程(1)の加水分解で得られる糖成分と大きな変化はない。すなわち、本発明の濃縮糖水溶液に含まれる単糖としてはグルコースおよび／またはキシロースが主成分として構成される。グルコースとキシロースの比率は、工程(1)の加水分解の工程により変動する。すなわち、ヘミセルロースを主として加水分解を行った場合は、キシロースが主要な単糖成分となり、ヘミセルロース分解後、セルロース成分のみを分離して加水分解を行った場合は、グルコースが主要な単糖成分となる。また、ヘミセルロースの分解後、セルロース成分の分離を特段行わない場合は、グルコース、およびキシロースが主要な単糖成分として含まれる。
【００９２】
なお、ナノ濾過膜および／または逆浸透膜に通じる前の糖水溶液や、ナノ濾過膜および／または逆浸透膜を通じて得られた濃縮糖水溶液を、エバポレーターに代表される濃縮装置を用いて濃縮してもよく、また、濃縮糖水溶液を、さらに、分離膜で濾過して濃度を高めてもよいが、濃縮のためのエネルギー削減という観点から、分離膜で濾過して濃縮糖水溶液濃度をさらに高める工程が好ましく採用できる。この濃縮工程で使用する膜とは被処理水の浸透圧以上の圧力差を駆動力にイオンや低分子量分子を除去する濾過膜であり、例えば酢酸セルロースなどのセルロース系や、多官能アミン化合物と多官能酸ハロゲン化物とを重縮合させて微多孔性支持膜上にポリアミド分離機能層を設けた膜などが採用できる。分離膜表面の汚れ、すなわちファウリングを抑制するために、酸ハライド基と反応する反応性基を少なくとも１個有する化合物の水溶液をポリアミド分離機能層の表面に被覆して、分離機能層表面に残存する酸ハロゲン基と該反応性基との間で共有結合を形成させた主に下水処理用の低ファウリング膜なども好ましく採用できる。また、濃縮に使用する分離膜の具体例は前記のナノ濾過膜および逆浸透膜に準ずる。
【００９３】
工程(3)において、工程(2)で得られた精製糖水溶液をナノ濾過膜および／または逆浸透膜に通じて濾過して、非透過側から濃縮糖水溶液を回収するが、本発明では、さらに、このナノ濾過膜および／または逆浸透膜の透過側から得られる透過水の少なくとも一部を、前記(1)および／または(2)の工程で洗浄水として利用することができる。すなわち、前記ナノ濾過膜および／または逆浸透膜の透過水をそのまま廃棄するのではなく、その少なくとも一部を回収し、洗浄水として再利用することができる。
【００９４】
本発明で用いるナノ濾過膜および／または逆浸透膜の透過水の水質は、ナノ濾過膜および／または逆浸透膜に供給される精製糖水溶液の水質、ナノ濾過膜および／または逆浸透膜の除去性能および濾過条件によって主に決まるが、前記(1)〜(2)の工程で得られる糖水溶液に比べれば、バイオマス残滓や糖の濃度が低く、十分清澄である。このため、前記逆浸透膜の透過水の少なくとも一部を、前記(1)および／または(2)の工程で洗浄水として任意に利用することができる。
【００９５】
ここで、洗浄水とは、原料に直接混和して使用しない水のことであり、具体的には、上述した固液分離装置のリンスや洗浄、前記精密濾過膜および／または限外濾過膜のリンスや洗浄に使用する水が挙げられる。
【００９６】
洗浄水としての利用例には、前記(1)および／または(2)の工程における各種槽・貯留槽・配管のリンスや洗浄を挙げることができる。
【００９７】
また、前記(1)の工程の途中および／または前記(2)の工程の前に、フィルタープレス、遠心分離などの固液分離装置による異物の除去を行う場合には、固液分離装置のリンスや洗浄にも使用することができる。前記(2)の工程であれば、前記精密濾過膜および／または限外濾過膜のリンスや洗浄に使用することができる。
【００９８】
このように、前記ナノ濾過膜および／または逆浸透膜の透過水の洗浄水としての用途については多様であり、透過水の水質やシステム全体のエネルギー効率・コストを勘案して決定すれば良く、前記透過水の用途を予め決定しておいても、原料や製造条件の変動に合わせて変更しても構わない。
【００９９】
また、前記精密濾過膜および／または限外濾過膜に堆積するバイオマス残滓の洗浄には大量の水が必要であるため、前記ナノ濾過膜および／または逆浸透膜の透過水の少なくとも一部を、前記精密濾過膜および／または限外濾過膜の洗浄水として利用することが好ましい。前記精密濾過膜および／または限外濾過膜の洗浄方法には、精密濾過膜および／または限外濾過膜の一次側から水を循環させて洗浄する場合と、精密濾過膜および／または限外濾過膜の二次側から水を逆流させて洗浄する場合があり、後者は、いわゆる逆圧洗浄と呼ばれている。本発明では、前記精密濾過膜および／または限外濾過膜に堆積するバイオマス残滓を膜の細孔内から効率良く除去するために、前記ナノ濾過膜および／または逆浸透膜の透過水の少なくとも一部を、前記精密濾過膜および／または限外濾過膜の逆圧洗浄水として利用することが好ましい。
【０１００】
前記ナノ濾過膜および／または逆浸透膜の透過水の前記(1)および／または(2)の工程における洗浄水としての利用量、利用率については、システム全体のエネルギー効率・コストを勘案して決定すれば良く、前記ナノ濾過膜および／または逆浸透膜の透過水の利用量、利用率を予め決定しておいても、原料や製造条件の変動に合わせて変更しても構わない。そして、前記ナノ濾過膜および／または逆浸透膜の透過水の回収・再利用による省水効果を発揮するためには、得られる透過水の２０〜１００重量％を利用することが好ましく、４０〜１００重量％がより好ましく、６０〜１００重量％がさらに好ましい。
【０１０１】
本発明では、前記ナノ濾過膜の透過水の少なくとも一部および／または前記逆浸透膜の透過水の少なくとも一部を、前記(1)および／または(2)の工程で利用することを特徴とする。すなわち、前記ナノ濾過膜の透過水および／または前記逆浸透膜の透過水を廃棄するのではなく、その少なくとも一部を回収・再利用することを特徴とする。
【０１０２】
本発明で用いるナノ濾過膜および／または逆浸透膜の透過水の水質は、ナノ濾過膜および／または逆浸透膜に供給される糖水溶液や精製糖水溶液の水質、ナノ濾過膜および／または逆浸透膜の除去性能、ナノ濾過膜および／または逆浸透膜の濾過条件などによって決まるため、ナノ濾過膜および／または逆浸透膜の透過水の水質に応じて、洗浄対象、利用量、利用率を選択すれば良く、システム全体のエネルギー効率・コストを勘案して決定すれば良い。ナノ濾過膜およびまたは逆浸透膜が糖と有機酸とを分離して、糖水溶液を濃縮するという役割を果たした結果、透過水中の有機酸濃度が高くなることがあり、この場合は当該有機酸成分により分離膜の洗浄効果が得られるため、精密濾過膜または限外濾過膜の洗浄水または逆圧洗浄水に用いるのが好ましい。また、精密濾過膜や限外濾過膜の洗浄効果が得られるよう、逆浸透膜の透過水とナノ濾過膜の透過水を混和させて有機酸濃度を調整してから、洗浄工程に供給することも好ましく行われる。
【０１０３】
本発明で用いるナノ濾過膜および／または逆浸透膜の透過水の水質は、上述した通り、ナノ濾過膜および／または逆浸透膜に供給される糖水溶液や精製糖水溶液の水質、ナノ濾過膜および／または逆浸透膜の除去性能、ナノ濾過膜および／または逆浸透膜の濾過条件などによって決まるため、ナノ濾過膜および／または逆浸透膜の透過水の水質に応じて、用途・利用量、利用率を選択すれば良く、システム全体のエネルギー効率・コストを勘案して決定すれば良い。特に、糖水溶液が不純物、特に発酵阻害物質を含有する場合には、逆浸透膜の透過水はナノ濾過膜の透過水よりも不純物、特に発酵阻害物質の濃度が低くなるため、逆浸透膜の透過水の少なくとも一部を工程水として利用し、ナノ濾過膜の透過水の少なくとも一部を洗浄水として利用することが好ましい。また、ナノ濾過膜の透過水の水質を向上させるために、逆浸透膜の透過水をナノ濾過膜の透過水に混和させてから、各工程に供給することも好ましく行われる。
【０１０４】
また、本発明の濃縮糖水溶液の製造法で得られた濃縮糖水溶液を発酵原料として使用し、化学品を製造する方法を示す。
【０１０５】
本発明で得られた濃縮糖水溶液を発酵原料として使用することにより、化学品を製造することが可能である。本発明で得られる濃縮糖水溶液は、微生物あるいは培養細胞の生育のための炭素源であるグルコースおよび／またはキシロースを主成分として含んでおり、一方でフラン化合物、有機酸、芳香族化合物などの発酵阻害物質の含量が極めて少ないために、発酵原料、特に炭素源として有効に使用することが可能である。
【０１０６】
本発明の化学品の製造法で使用される微生物あるいは培養細胞は、例えば、発酵工業においてよく使用されるパン酵母などの酵母、大腸菌、コリネ型細菌などのバクテリア、糸状菌、放線菌、動物細胞、昆虫細胞などが挙げられる。使用する微生物や細胞は、自然環境から単離されたものでもよく、また、突然変異や遺伝子組換えによって一部性質が改変されたものであってもよい。特に、セルロース含有バイオマスに由来する糖水溶液は、キシロースといったペントースを含むため、ペントースの代謝経路を強化した微生物が好ましく使用できる。
【０１０７】
培地としては、濃縮糖水溶液の他に、窒素源、無機塩類、さらに必要に応じてアミノ酸、ビタミンなどの有機微量栄養素を適宜含有する液体培地が好ましく使用される。本発明の濃縮糖水溶液には、炭素源として、グルコース、キシロースなど微生物が利用可能な単糖を含んでいるが、場合によっては、さらに炭素源として、グルコース、シュークロース、フラクトース、ガラクトース、ラクトース等の糖類、これら糖類を含有する澱粉糖化液、甘藷糖蜜、甜菜糖蜜、ハイテストモラセス、酢酸等の有機酸、エタノールなどのアルコール類、グリセリンなどを追加して、発酵原料として使用してもよい。窒素源としては、アンモニアガス、アンモニア水、アンモニウム塩類、尿素、硝酸塩類、その他補助的に使用される有機窒素源、例えば油粕類、大豆加水分解液、カゼイン分解物、その他のアミノ酸、ビタミン類、コーンスティープリカー、酵母または酵母エキス、肉エキス、ペプトン等のペプチド類、各種発酵菌体およびその加水分解物などが使用される。無機塩類としては、リン酸塩、マグネシウム塩、カルシウム塩、鉄塩、マンガン塩等を適宜添加することができる。
【０１０８】
微生物が生育のために特定の栄養素を必要とする場合には、その栄養物を標品もしくはそれを含有する天然物として添加すればよい。また、消泡剤を必要に応じて使用してもよい。
【０１０９】
微生物の培養は、通常、pH３〜９、温度２０〜５０℃の範囲で行われる。培養液のpHは、無機あるいは有機の酸、アルカリ性物質、さらには尿素、炭酸カルシウム、アンモニアガスなどによって、通常、pH３〜９範囲内のあらかじめ定められた値に調節する。酸素の供給速度を上げる必要があれば、空気に酸素を加えて酸素濃度を２１％以上に保つ、あるいは培養を加圧する、攪拌速度を上げる、通気量を上げるなどの手段を用いることができる。
【０１１０】
本発明の濃縮糖水溶液の製造法で得られた濃縮糖水溶液を発酵原料として使用する化学品の製造法としては、当業者に公知の発酵培養方法が採用されうるが、生産性の観点から、国際公開２００７／０９７２６０号パンフレットに開示される連続培養方法が好ましく採用される。
【０１１１】
製造される化学品としては、上記微生物や細胞が培養液中に生産する物質であれば制限はない。製造される化学品の具体例としては、アルコール、有機酸、アミノ酸、核酸など発酵工業において大量生産されている物質を挙げることができる。例えば、アルコールとしては、エタノール、１，３−プロパンジオール、１,４−ブタンジオール、グリセロールなど、有機酸としては、酢酸、乳酸、ピルビン酸、コハク酸、リンゴ酸、イタコン酸、クエン酸、核酸であれば、イノシン、グアノシンなどのヌクレオシド、イノシン酸、グアニル酸などのヌクレオチド、またカダベリンなどのジアミン化合物を挙げることができる。また、本発明の製造法で得られた濃縮糖水溶液は、酵素、抗生物質、組換えタンパク質のような物質の生産に適用することも可能である。
【０１１２】
以下、図面を用いて、本発明の濃縮糖水溶液の製造法に使用される濃縮糖水溶液の製造装置について説明する。
【０１１３】
図１は、本発明の一実施形態を示す概略フロー図である。ここでは、セルロース含有バイオマスの加水分解工程の一例として、処理法Ｂ：酸処理後、酵素を利用する方法を採用した。図１において、酸処理槽１はバイオマスを酸で加水分解する酸処理槽、バイオマス貯留槽２は酸処理されたバイオマスの貯留槽、酵素水溶液貯留槽３は酵素水溶液の貯留槽、酵素糖化槽４は酵素でバイオマスを加水分解する酵素糖化槽、第１ポンプ５は精密濾過膜および／または限外濾過膜に糖化液を供給するための０．５MPa程度の圧が得られるポンプ、ＭＦ／ＵＦ膜６は精密濾過膜および／または限外濾過膜、糖水溶液貯留槽７は精密濾過膜および／または限外濾過膜の透過側から回収した糖水溶液の貯留槽、第２ポンプ８はナノ濾過膜に糖化液を供給するための１〜８MPa程度の圧が得られる高圧ポンプ、ＮＦ膜９はナノ濾過膜、第３ポンプ１０は精密濾過膜および／または限外濾過膜の逆圧洗浄ポンプ、第４ポンプ１１は薬剤を注入するポンプ、薬剤槽１２は精密濾過膜および／または限外濾過膜を洗浄するための薬剤を貯留する薬剤槽、第１再利用水槽１３はナノ濾過膜の透過水の少なくとも一部を貯留する再利用水槽、第５ポンプ１４はナノ濾過膜の透過水の少なくとも一部を各工程に返送する手段であるポンプ、精製糖水溶液貯留槽１５はナノ濾過膜の濃縮側から回収した精製糖水溶液の貯留槽、第６ポンプ１６は逆浸透膜に精製糖水溶液を供給するための１〜８MPa程度の圧が得られる高圧ポンプ、ＲＯ膜１７は逆浸透膜、第２再利用水槽１８は逆浸透膜の透過水の少なくとも一部を貯留する再利用水槽、第７ポンプ１９は逆浸透膜の透過水の少なくとも一部を各工程に返送する手段であるポンプを示す。
【０１１４】
Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４、Ｖ５、Ｖ６、Ｖ７、Ｖ８、Ｖ９、Ｖ１０、Ｖ１１、Ｖ１２、Ｖ１３、Ｖ１４、Ｖ１５、Ｖ１６、Ｖ１７、Ｖ１８、Ｖ１９、Ｖ２０、Ｖ２１、Ｖ２２、Ｖ２３、Ｖ２４、Ｖ２５、Ｖ２６はバルブであり、Ｖ１０、Ｖ１１、Ｖ１２、Ｖ１３の開閉によって、ナノ濾過膜の透過水の少なくとも一部である再利用水をどの工程に返送するか切換を行うことが可能であり、Ｖ２２、Ｖ２３、Ｖ２４、Ｖ２５の開閉によって、逆浸透膜の透過水の少なくとも一部である再利用水をどの工程に返送するか切換を行うことが可能である。また、Ｖ２１の開閉によって、逆浸透膜の透過水をナノ濾過膜の透過水に混和させることができる。なお、再利用水を精密濾過膜および／または限外濾過膜の逆圧洗浄に使用しないのであれば、ナノ濾過膜の透過水および／または逆浸透膜の透過水の少なくとも一部を各工程に返送する手段として、第５ポンプ１４および／または第７ポンプ１９の代わりに水頭差による送液など動力の無いまたは少ない手段を用いることもできる。
【０１１５】
ここで、精密濾過膜および／または限外濾過膜の洗浄の時間は、特に限定されるものではないが、１〜１８０secの範囲内とすることが好ましく、３０〜１２０secとすることが特に好ましい。洗浄時間が上記好ましい範囲であれば、十分な洗浄効果が得られ、一方、精密濾過膜および／または限外濾過膜の稼働時間を十分に確保できる。洗浄流束は、特に限定されるものではないが、０．１〜１０m３/m２/dayの範囲内であることが好ましい。洗浄流束が上記好ましい範囲であれば、膜面・膜内部に堆積・付着したバイオマス残滓などを十分に除去することができ、一方、精密濾過膜および／または限外濾過膜に負荷が掛からない。
【０１１６】
さらに、上述のナノ濾過膜の透過水および／または逆浸透膜の透過水の少なくとも一部を用いて精密濾過膜および／または限外濾過膜を洗浄するに際し、精密濾過膜および／または限外濾過膜の一次側に気体を送り込み、精密濾過膜および／または限外濾過膜を振動させることも好ましい。
【０１１７】
ナノ濾過膜の透過水および／または逆浸透膜の透過水の少なくとも一部を用いて精密濾過膜および／または限外濾過膜を洗浄する頻度については、特に限定されるものではないが、１日に１回〜１日に２００回の範囲内で行うことが好ましい。洗浄頻度が上記好ましい範囲であれば、逆浸透膜の透過水の回収・再利用による省水の効果を十分に発揮でき、一方、精密濾過膜および／または限外濾過膜の稼働時間を十分に確保できる。
【実施例】
【０１１８】
以下、本発明の濃縮糖水溶液の製造法に関し、さらに詳細に説明するために実施例を挙げて説明する。しかしながら、本発明は、これらの実施例に限定されない。
（単糖濃度の分析方法）
得られた糖水溶液に含まれる単糖（グルコース及びキシロース）濃度は、下記に示すＨＰＬＣ条件で、標品との比較により定量した。【０１１９】
カラム：Luna NH２(Phenomenex社製)
移動相：超純水：アセトニトリル＝２５：７５（流速０．６mL/min）
反応液：なし
検出方法：ＲＩ（示差屈折率）
温度：３０℃
（発酵阻害物質濃度の分析方法）
糖水溶液に含まれるフラン系発酵阻害物質（フルフラール）、およびフェノール系発酵阻害物質（バニリン）は下記に示すＨＰＬＣ条件で、標品との比較により定量した。【０１２０】
カラム：Synergi HidroRP 4.6mm×250mm(Phenomenex製)
移動相：アセトニトリル−０．１％Ｈ３ＰＯ４（流速１．０mL/min）
検出方法：ＵＶ（２８３nm）
温度：４０℃
（酵素濃度の分析方法）
液中に含まれるタンパク成分が全て酵素だとしてタンパク質濃度を測定した。タンパク濃度はＢＣＡ測定キット（BCA Protein Assay Regent kit、ピアス社）を使用して行い、牛血清アルブミン（２mg/mL）を標品として、５６２nmの吸光度を測定し、比色定量を行った。
（実施例１）
工程(1)のセルロース含有バイオマスを加水分解する工程に関し、０．１〜１５重量％の希硫酸および酵素を使用するセルロース含有バイオマスの加水分解方法について説明する。【０１２１】
セルロース含有バイオマスとして、約８００gの稲わらを使用した。前記セルロース含有バイオマスを硫酸２％水溶液（水５，８８０g、濃硫酸１２０g）に浸し、１５０℃で３０minオートクレーブ処理（日東高圧（株）製）した。処理後、固液分離を行い、硫酸水溶液（以下、希硫酸処理液という。）と硫酸処理セルロースに分離した。次に硫酸処理セルロースと固形分濃度が約１２重量％となるように希硫酸処理液と攪拌混合した後、水酸化ナトリウムによって、pHを５付近に調整した混合液を得た。なお、この混合液を乾固して水分量を測定した結果、混合液は水５，５８０gと７５０gのセルロース含有バイオマスを含んでいることが分かった。【０１２２】
次に、セルラーゼとしてトリコデルマセルラーゼ（シグマ アルドリッチ ジャパン（株））およびノボザイム１８８（アスペルギルスニガー由来βグルコシダーゼ製剤、シグマ アルドリッチ ジャパン（株））を合わせて５０g含む酵素を水４５０gに溶解した酵素水溶液５００gを調製した。この酵素水溶液５００gを前記混合液に添加し、５０℃で３日間攪拌混合しながら、加水分解反応を行って、糖水溶液を得た。なお、得られた糖水溶液中の単糖濃度を分析するために、３，０００Ｇで遠心分離して固液分離を行った。分析の結果、糖水溶液中に含まれる単糖はグルコースが２４１g、キシロースが１１９gであった。また、この糖水溶液を乾固して水分量を測定した結果、水６，０３０gを含んでいることが分かった。【０１２３】
工程(2)として、工程(1)で得られた糖水溶液を、１００kPaの圧力で、温度２５℃で精密濾過膜に供給してクロスフロー濾過させ、透過側から糖水溶液を回収した。ここで、クロスフロー濾過時の膜面線速度は、３０cm/secとなるようにした。また、精密濾過膜としては、東レ（株）製精密濾過膜モジュール“トレフィル”（登録商標）ＨＦＳに使用されている公称孔径０．０５μmのポリフッ化ビニリデン製中空糸膜を切り出し、中空糸膜５０本からなる長さ２００mmのミニチュアモジュールを作製して濾過に使用した。なお、得られた糖水溶液中の単糖濃度を分析した結果、糖水溶液中に含まれる単糖はグルコースが２２８g、キシロースが１１３gであった。また、この糖水溶液を乾固して水分量を測定した結果、水５，８７０gを含んでいることが分かった。【０１２４】
工程(3)として、工程(2)で得られた糖水溶液を、３MPaの圧力で、温度２５℃で逆浸透膜に供給してクロスフロー濾過させた。非透過側から濃縮糖水溶液を回収しつつ、透過側から透過水を回収して、濃縮糖水溶液と逆浸透膜の透過水を得た。ここで、クロスフロー濾過時の膜面線速度は、３０cm/secとなるようにした。また、逆浸透膜としては、東レ（株）製ポリアミド系逆浸透膜モジュール“ＴＭＧ１０”に使用されているポリアミド系逆浸透膜を切り出して使用した。ここで、“ＴＭＧ１０”に使用されているポリアミド系逆浸透膜を、５００mg/Lの食塩水を用いて、０．７６MPa、２５℃、pH６．５で測定した時の塩除去率は、９９．５％であり、膜単位面積当たりの透過流量が１．０m３/m２/dayであった。また、得られた濃縮糖水溶液中の単糖濃度を分析した結果、濃縮糖水溶液に含まれる単糖はグルコースが２２６g、キシロースが１１２gであった。また、この糖水溶液を乾固して水分量を測定した結果、水１，６４０gを含んでいることが分かった。【０１２５】
一方、得られた逆浸透膜の透過水中の単糖濃度を分析した結果、逆浸透膜の透過水に含まれる単糖はグルコースが２g、キシロースが１gであった。また、この逆浸透膜の透過水を乾固して水分量を測定した結果、水４，２３０gを含んでいることが分かった。【０１２６】
得られた逆浸透膜の透過水は、工程(2)の精密濾過膜の洗浄水として利用し、浄水４，２００gを節水することができた。
（実施例２）
工程(1)のセルロース含有バイオマスを加水分解する工程に関し、０．１〜１５重量％の希硫酸および酵素を使用するセルロース含有バイオマスの加水分解方法について説明する。【０１２７】
セルロース含有バイオマスとして、約８００gの稲わらを使用した。前記セルロース含有バイオマスを硫酸２％水溶液（水５，８８０g、濃硫酸１２０g）に浸し、１５０℃で３０分オートクレーブ処理（日東高圧（株）製）した。処理後、固液分離を行い、硫酸水溶液（以下、希硫酸処理液という。）と硫酸処理セルロースに分離した。次に硫酸処理セルロースと固形分濃度が約１２重量％となるように希硫酸処理液と攪拌混合した後、水酸化ナトリウムによって、pHを５付近に調整した混合液を得た。なお、この混合液を乾固して水分量を測定した結果、混合液は水５，５８０gと７５０gのセルロース含有バイオマスを含んでいることが分かった。【０１２８】
次に、セルラーゼとしてトリコデルマセルラーゼ（シグマ アルドリッチ ジャパン（株））およびノボザイム１８８（アスペルギルスニガー由来βグルコシダーゼ製剤、シグマ アルドリッチ ジャパン（株））を合わせて５０g含む酵素を水４５０gに溶解した酵素水溶液５００gを調製した。この酵素水溶液５００gを前記混合液に添加し、５０℃で３日間攪拌混合しながら、加水分解反応を行って、糖水溶液を得た。なお、得られた糖水溶液中の単糖濃度を分析するために、３，０００Ｇで遠心分離して固液分離を行った。分析の結果、糖水溶液中に含まれる単糖はグルコースが２４１g、キシロースが１１９gであった。また、この糖水溶液を乾固して水分量を測定した結果、水６，０３０gを含んでいることが分かった。【０１２９】
工程(2)として、工程(1)で得られた糖水溶液を、１００kPaの圧力で、温度２５℃で精密濾過膜に供給してクロスフロー濾過させ、透過側から糖水溶液を回収した。ここで、クロスフロー濾過時の膜面線速度は、３０cm/secとなるようにした。また、精密濾過膜としては、東レ（株）製精密濾過膜モジュール“トレフィル”（登録商標）ＨＦＳに使用されている公称孔径０．０５μmのポリフッ化ビニリデン製中空糸膜を切り出し、中空糸膜５０本からなる長さ２００mmのミニチュアモジュールを作製して濾過に使用した。なお、得られた糖水溶液中の単糖濃度を分析した結果、糖水溶液中に含まれる単糖はグルコースが２２８g、キシロースが１１３gであった。また、この糖水溶液を乾固して水分量を測定した結果、水５，８７０gを含んでいることが分かった。【０１３０】
また、精密濾過膜の逆圧洗浄の洗浄水として、浄水を１２，０００g使用した。【０１３１】
工程(3)として、工程(2)で得られた糖水溶液を、３MPaの圧力で、温度２５℃でナノ濾過膜に供給してクロスフロー濾過させた。非透過側から濃縮糖水溶液を回収しつつ、透過側から透過水を回収して、濃縮糖水溶液とナノ濾過膜の透過水を得た。ここで、クロスフロー濾過時の膜面線速度は、３０cm/secとなるようにした。また、ナノ濾過膜としては、東レ（株）製ポリアミド系ナノ濾過膜モジュール “ＳＵ−６００”に使用されているポリアミド系ナノ濾過膜を切り出して使用した。ここで、“ＳＵ−６００”に使用されているポリアミド系ナノ濾過膜を、５００mg/Lの食塩水を用いて、０．３４MPa、２５℃、pH６．５で測定した時の塩除去率は、５５％であり、膜単位面積当たりの透過流量が０．７m３/m２/dayであった。また、得られた濃縮糖水溶液中の単糖濃度を分析した結果、濃縮糖水溶液に含まれる単糖はグルコースが２１６g、キシロースが９０gであった。また、この糖水溶液を乾固して水分量を測定した結果、水１，６１０gを含んでいることが分かった。【０１３２】
一方、得られたナノ濾過膜の透過水中の単糖濃度を分析した結果、ナノ濾過膜の透過水に含まれる単糖はグルコースが１２g、キシロースが２３gであった。また、このナノ濾過膜の透過水を乾固して水分量を測定した結果、水４，２６０gを含んでいることが分かった。【０１３３】
得られたナノ濾過膜の透過水全量を浄水７，８００gと混合し、工程(2)の精密濾過膜の逆圧洗浄の洗浄水として利用し、浄水４，２００gを節水することができた。
（比較例１）
工程(1)として、セルロース含有バイオマスである稲わら４３０gを硫酸２％水溶液（水２，９４０g、濃硫酸６０g）に浸し、１５０℃で３０minオートクレーブ処理（日東高圧（株）製）した。処理後、水酸化ナトリウムによって、pHを５付近に調整した混合液を得た。【０１３４】
次に、セルラーゼとしてトリコデルマセルラーゼ（シグマ アルドリッチ ジャパン（株））およびノボザイム１８８（アスペルギルスニガー由来βグルコシダーゼ製剤、シグマ アルドリッチ ジャパン（株））を合わせて２５g含む酵素を水２２５gに溶解した酵素水溶液２５０gを調製した。この酵素水溶液２５０gを前記混合液に添加し、５０℃で３日間攪拌混合しながら、加水分解反応を行って、糖水溶液を得た。【０１３５】
続いて工程(2)として、工程(1)で得られた糖水溶液を、１００kPaの圧力で、温度２５℃で精密濾過膜に供給してクロスフロー濾過させ、透過側から糖水溶液を回収した。クロスフロー濾過時の膜面線速度は、３０cm/secとなるようにした。また、精密濾過膜としては、東レ（株）製精密濾過膜モジュール“トレフィル（登録商標）”ＨＦＳに使用されている公称孔径０．０５μmのポリフッ化ビニリデン製中空糸膜を切り出し、中空糸膜２２本からなる内径１０mm、長さ２００mmのミニチュアモジュールを作製して濾過に使用した。ミニチュアモジュールを濾過に使用する前に、純水透過係数を評価したところ、１．５×１０−９m３/m２・s・Paであった。なお、純水透過係数の測定は、逆浸透膜で調製した２５℃の温度の精製水を用い、ヘッド高さ１mで行った。【０１３６】
続いて、使用したミニチュアモジュールを、蒸留水を用いて洗浄した。洗浄はまず、モジュールの透過側から１５mL/minで１０min間蒸留水を送液して逆圧洗浄を行った後、蒸留水１５mLを非透過側に注いで満水状態にし、非透過側の供給口ノズルと、続いて透過側の透過液出口ノズルをゴム栓で封じて静置した。２時間静置した後、ノズルを開けてモジュール内の液を排出して廃棄し、再び蒸留水を入れて同様の浸漬洗浄をさらに２回繰り返した。最後に非透過側から蒸留水を１０mL/minで送液してろ過洗浄を行った。【０１３７】
洗浄後、純水透過係数を測定したところ、０．３×１０−９m３/m２・s・Paであった。
（実施例３）
工程(1)として、セルロース含有バイオマスである稲わら４５０gを硫酸２％水溶液（水２，９４０g、濃硫酸６０g）に浸し、１５０℃で３０minオートクレーブ処理（日東高圧（株）製）した。処理後、水酸化ナトリウムによって、pHを５付近に調整した混合液を得た。【０１３８】
次に、セルラーゼとしてトリコデルマセルラーゼ（シグマ アルドリッチ ジャパン（株））およびノボザイム１８８（アスペルギルスニガー由来βグルコシダーゼ製剤、シグマ アルドリッチ ジャパン（株））を合わせて２５g含む酵素を水２２５gに溶解した酵素水溶液２５０gを調製した。この酵素水溶液２５０gを前記混合液に添加し、５０℃で３日間攪拌混合しながら、加水分解反応を行って、糖水溶液を得た。【０１３９】
続いて工程(2)として、工程(1)で得られた糖水溶液を、１００kPaの圧力で、温度２５℃で精密濾過膜に供給してクロスフロー濾過させ、透過側から糖水溶液を回収した。クロスフロー濾過時の膜面線速度は、３０cm/secとなるようにした。また、精密濾過膜としては、東レ（株）製精密濾過膜モジュール“トレフィル”（登録商標）ＨＦＳに使用されている公称孔径０．０５μmのポリフッ化ビニリデン製中空糸膜を切り出し、比較例１と同様にミニチュアモジュールを作製して濾過に使用した。ミニチュアモジュールを濾過に使用する前に、純水透過係数を評価したところ、１．５×１０−９m３/m２・s・Paであった。なお、純水透過係数の測定は、逆浸透膜で調製した２５℃の温度の精製水を用い、ヘッド高さ１ｍで行った。【０１４０】
続いて工程(3)として、工程(2)で得られた糖水溶液を、３MPaの圧力で、温度２５℃でナノ濾過膜に供給してクロスフロー濾過させた。非透過側から精製糖水溶液を回収しつつ、透過側から透過水を回収して、精製糖水溶液とナノ濾過膜の透過水を得た。ここで、クロスフロー濾過時の膜面線速度は、３０cm/secとなるようにした。また、ナノ濾過膜としては、東レ（株）製ポリアミド系ナノ濾過膜モジュール“ＳＵ−６００”に使用されているポリアミド系ナノ濾過膜を切り出して使用した。ここで、“ＳＵ−６００”に使用されているポリアミド系ナノ濾過膜を、５００mg/Lの食塩水を用いて、０．３４MPa、２５℃、pH６．５で測定した時の塩除去率は、５５％であり、膜単位面積当たりの透過流量が０．７ｍ３/m２/dayであった。また、得られた精製糖水溶液中の単糖濃度および発酵阻害物質濃度を分析した結果、精製糖水溶液に含まれる単糖はグルコースが１１０g、キシロースが４９gであった。また、この糖水溶液を乾固して水分量を測定した結果、水９７０gを含んでいることが分かった。【０１４１】
一方、得られたナノ濾過膜の透過水中の単糖濃度および有機酸濃度を分析した結果、ナノ濾過膜の透過水に含まれる単糖はグルコースが３g、キシロースが６gであり、酢酸濃度が１．４g/L、ギ酸が１．２g/Lであった。また、このナノ濾過膜の透過水を乾固して水分量を測定した結果、水２，２５０gを含んでいることが分かった。【０１４２】
続いて、工程(2)で使用した精密濾過膜のミニチュアモジュールを、蒸留水と前述の工程(3)で得られたナノ濾過膜の透過水を用いて洗浄した。洗浄はまず、モジュールの透過側から１５mL/minで１０min間蒸留水を送液して逆圧洗浄を行った後、ナノ濾過膜の透過水１５mLを非透過側に注いで満水状態にし、非透過側の供給口ノズルと、続いて透過側の透過液出口ノズルをゴム栓で封じて静置し、浸漬洗浄を行った。２時間静置した後、ノズルを開けてモジュール内の液を排出して廃棄し、再びナノ濾過膜の透過水を注いで同様の浸漬洗浄をさらに２回繰り返した。最後に非透過側から蒸留水を１０mL/minで送液し、ろ過洗浄を行った。洗浄後、純水透過係数を測定したところ、０．４５×１０−９m３/m２・s・Paであった。【０１４３】
実施例３より、ナノ濾過膜の透過水は工程(2)で使用した精密濾過膜の洗浄に用いたところ膜の透水性が回復した。また、比較例１と比較すると、ナノ濾過膜の透過水は蒸留水よりも透水性の回復率が高く、より高い洗浄効果を示した。
【産業上の利用可能性】
【０１４４】
本発明によって、セルロース含有バイオマスを加水分解して糖水溶液を製造し、精密濾過膜および／または限外濾過膜で処理してバイオマス残滓を除去した後、ナノ濾過膜および／または逆浸透膜で処理して糖水溶液を濃縮して糖濃度を高める方法において、ナノ濾過膜および／または逆浸透膜から廃棄される透過水を回収・再利用することによって、プロセス全体の省水化が図れるため、環境調和型社会の構築という目的を達成しつつ、該濃縮糖水溶液を発酵原料として用いた種々の化学品の発酵生産のコストを低減することができる。
【符号の説明】
【０１４５】
１  酸処理槽
２  バイオマス貯留槽
３  酵素水溶液貯留槽
４  酵素糖化槽
５  第１ポンプ     
６  ＭＦ／ＵＦ膜
７  糖水溶液貯留槽
８  第２ポンプ
９  ＮＦ膜
１０  第３ポンプ
１１  第４ポンプ
１２  薬剤槽
１３  第１再利用水槽
１４  第５ポンプ
１５  精製糖水溶液貯留槽
１６  第６ポンプ
１７  ＲＯ膜
１８  第２再利用水槽
１９  第７ポンプ
【図１】
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【国際調査報告】
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