(57)【要約】【課題】多種のセルロース原料とともにこれに付随して糖化不適物および発酵不適物を混在して含んでいる原料を糖化、もしくは同時糖化発酵させる工程において、原料と酵素、もしくは原料と酵素および微生物の接触を妨げることなく、原料由来の残渣、糖化・発酵不適物を分離可能な構造を有し、なおかつそれらの系外への排出を可能とする糖化反応槽を提供する。【解決手段】セルロース系原料中に混入した異物をその大きさにより分離するメッシュまたはパンチングメタルからなる分離室（２）を糖化反応槽本体（１）の内部に設ける。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
酵素を用いたセルロース系原料の糖化のみ、または、酵素を用いたセルロース系原料の糖化と同時に微生物を用いた発酵を行う糖化反応槽において、
セルロース系原料中に混入した異物をその大きさにより分離するメッシュまたはパンチングメタルからなる分離室が内部に設けられていることを特徴とする糖化反応槽。
【請求項２】
前記分離室の内外部に攪拌翼が設けられている、請求項１に記載の糖化反応槽。
【請求項３】
前記分離室は、有底円筒形状を有し、螺旋リボン形状またはスクリュー形状の案内羽根が該分離室の内周に沿って回転自在に設けられている、請求項１または２に記載の糖化反応槽。
【請求項４】
前記分離室は回転自在である、請求項１〜３のいずれか１つに記載の糖化反応槽。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は糖化反応槽に関する。さらに詳細には、本発明は、セルロース系原料を糖化、もしくは糖化・発酵させる工程において、効率的、かつ簡易な異物除去システムに関する。さらに詳しくは、多種のセルロース原料とともにこれに付随して糖化不適物および発酵不適物を混在して含んでいる原料を糖化、もしくは糖化・発酵させる工程において、原料と酵素、もしくは原料と酵素および微生物の接触を妨げることなく、原料由来の残渣、糖化不適物、もしくは発酵不適物を分離可能な構造を有し、なおかつそれらの系外への排出を可能とする糖化反応槽に関する。
【０００２】
以下の本明細書および特許請求の範囲における説明において、「糖化反応槽」は、酵素を用いてセルロース系原料の糖化を行う槽、および酵素を用いたセルロース系原料の糖化とこれと同時に同一槽内において微生物を用いた糖化物の発酵をも行う同時糖化発酵槽のいずれをも含むものを意味する。
【背景技術】
【０００３】
近年、石油に替わる新エネルギー利用への取組みとして、バイオマスの利用技術の開発が急速に進行している。サトウキビに代表される糖類資源、トウモロコシに代表されるでんぷん系資源の利用は世界的な普及が進んでいるが、一方で食料用途との競合、資源利用に起因する資源作物の価格高騰など、解決すべき課題が残されている。
【０００４】
これに対して、このような課題を解決し得る方策の一つとして、セルロース系資源を利用することが期待されている。セルロース系資源は大部分が未利用の状態として存在することからこれまで以上にこうした資源のバイオマスへの利用化に期待が寄せられている。すなわち、セルロース系資源の化学工業原料としての利用に加えて、エネルギー利用を目的とした様々な技術開発が注目されており、セルロース系資源の構成物、すなわちセルロースおよびヘミセルロースから単糖もしくはオリゴ糖を製造しエタノールや乳酸への発酵、さらにポリ乳酸などの生分解性高分子への変換が注目されている。
【０００５】
これらセルロース系資源の変換には、主に糖化プロセス、発酵プロセス、さらには合成プロセスなどが含まれ、特に糖化プロセスについては、国内外において開発が進められ、中でもセルラーゼ酵素の開発は近年顕著であり、性能面・コスト面において現実可能性を有するものと認識されてきたことから、本分野における今後の普及が見込まれる。
【０００６】
しかしながら、セルロース系資源の利用、また、それに対する酵素の適応については次の２つの課題を抱えている。
【０００７】
１つ目の課題は、セルロース系資源（原料）の流動性に起因する。セルロース資源を利用する場合、酵素糖化および発酵至適ｐHへの調整、系内均質化、操作性から流体としての取り扱いが望まれるが、一般的にセルロース系原料を水などの媒体と混合し、流体として取り扱う場合、その流動性から原料濃度が制限され、それに起因して、酵素糖化により得られる糖濃度は低いものとなる。この点については、プロセスの後段に、例えば蒸発缶などによる糖濃縮の適応が試みられているが、エネルギー、装置追加などの点で採算面での検討を要する。また、この点に関し、古紙を対象として特許文献１に記載の方法により解決を図る発明もなされているが、連続使用時の残渣蓄積による粘性増大、また、それに起因する閉塞などの不具合の解決が望まれる一方、古紙以外の原料においてその特長が損なわれる。
【０００８】
２つ目の課題は、酵素の特性に起因するもので、一般的に酵素による糖化を行う場合、系内蓄積糖による酵素活性阻害が報告されており、適当な酵素使用量に対する糖濃度の上限がある。この点については、特許文献２には、酵素の再利用とともに、系外から糖を分離することで解決を図る発明が記載されているが、この発明の方法では、分離操作が煩雑であり、上述したのと同様にエネルギー、装置追加などの点で採算面での検討を要する。
【０００９】
近年これら２つの課題を解決すべくセルロース系資源に対して、酵素による糖化、および微生物による発酵を同時・同槽にて行う同時糖化発酵法が提案され、効率化が図られており、更なる効率化を目指し、連続的に処理する連続同時糖化発酵法も検討されている。
【００１０】
ここに、セルロース系資源とは、針葉樹、広葉樹、ササ、タケ、稲わら、もみ殻、麦わら、その他農林産物資源、それらの廃棄物、およびこれらから由来する木材繊維、木材チップや単板くず、パルプ類、古紙類などであり、さらに糖化促進のため、それらを化学的、物理的、熱的に処理したものも含む。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００１−２３８６９０号公報
【特許文献２】特開２００６−８７３１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
上記の通りセルロース系資源は多岐にわたり、特に発生源から下流側になるにつれてそれらの混合物として存在し、同時に装飾、加工などによる金属、樹脂などが混入し得ることは容易に推測できる。
【００１３】
酵素糖化、および発酵において最も効率化が達成できると推測される連続同時糖化発酵法を採用した場合においても、これらの混合物を原料として利用した場合、次の課題が残る。
【００１４】
１つ目の課題は、残渣、および固形物の系内蓄積による不具合、例えば配管の閉塞、ポンプの故障などが挙げられる。セルロース系原料の構成の内、リグニンは酵素糖化、および発酵不適物であり、残渣の発生は避けることができず、系内に蓄積する。また、原料と混入して系内に持ち込まれる、例えば金属、樹脂などについても同様であり、速やかな系外への排出が望まれる。
【００１５】
２つ目の課題は上記種々の原料が、それぞれ酵素糖化に要する時間が異なることから、糖化に要する時間が長い原料については、長時間の滞留時間を確保する必要がある。この場合、糖化途中においては前述の固形物による不具合を解消する必要がある。
【００１６】
本発明は上記課題を解決すべくなされたものであり、多種のセルロース原料とともにこれに付随して糖化不適物および発酵不適物を混在して含んでいる原料を糖化、もしくは同時糖化発酵させる工程において、原料と酵素、もしくは原料と酵素および微生物の接触を妨げることなく、原料由来の残渣、糖化・発酵不適物を分離可能な構造を有し、なおかつそれらの系外への排出を可能とする糖化反応槽を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記課題を解決するため、本発明の糖化反応槽は、酵素を用いたセルロース系原料の糖化のみ、または、酵素を用いたセルロース系原料の糖化と同時に微生物を用いた発酵を行う糖化反応槽において、セルロース系原料中に混入した異物をその大きさにより分離するメッシュまたはパンチングメタルからなる分離室が内部に設けられていることを特徴とするものである。このような糖化反応槽により、異物の分離と同時に、酵素によるセルロース系原料の微細化を促進することができる。
【００１８】
好ましくは、前記分離室の内外部に攪拌翼が設けられる。このような攪拌翼により、原料と酵素との接触を促進し、糖化を効率よく行うことができる。
【００１９】
また、前記分離室は、有底円筒形状を有し、螺旋リボン形状またはスクリュー形状の案内羽根が該分離室の内周に沿って回転自在に設けられていることが好ましい。このような構成にすることにより、分離室内に溜まった異物をリフトアップし、系外に排出することができる。
【００２０】
さらに、前記分離室が回転自在であってもよい。このように分離室を回転させることにより、異物を含んだセルロース系原料を効率的に分離室壁側に堆積させることができる。
【００２１】
ここに、本発明は連続式糖化発酵槽において大きな優位性をもつが、回分式糖化発酵槽においてもその特長を損なうものではなく、連続式、回分式によらず有効である。
【発明の効果】
【００２２】
本発明により、多種のセルロース原料とともにこれに付随して糖化不適物および発酵不適物を混在して含んでいる原料から、糖化対象物を効率的に糖化、もしくは糖化対象物および得られた糖を効率的に糖化発酵し、なおかつ、各不適物の除去を行うことにより、安定的に操作を行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の糖化反応槽を用いた、異物除去システムを有する糖化処理または同時糖化発酵処理を説明するフローシートである。
【図２】（ａ）は本発明による具体的な分離室を例示する図であり、（ｂ）は、さらに攪拌翼が設けられた分離室を示し、（ｃ）は、さらに案内羽根が設けられた分離室を示す。
【図３】連続糖化発酵の安定運転を確認するために、エタノールおよびグルコース濃度の経時変化を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下の本発明の説明において記載されるセルロース系資源として、針葉樹、広葉樹、ササ、タケ、稲わら、もみ殻、麦わら、その他農林産物資源、それらの廃棄物、およびこれらから由来する木材繊維、木材チップや単板くず、パルプ類、古紙類などが挙げられるが、さらに糖化促進のため、それらを化学的、物理的、熱的に処理したものであってもよく、さらにはそれらの混合物であってもよい。
【００２５】
糖化に用いる酵素の種類については、セルロース、ヘミセルロースを完全に分解できるものであれば特に限定されるものではないが、トリコデルマ（Trichoderma） 属、アスペルギルス（Aspergillus） 属、リゾプス（Rhizopus）族、フミコーラ（Humicola） 属、イルペックス（Irpex）属などに属する菌が生産するセルラーゼを主体とする酵素や、商業的に生産される酵素を、単独で、もしくは組み合わせて用いることができる。
【００２６】
発酵に用いる微生物の種類については対象となる生産物を得ることが可能であれば特に限定されるものではなく、さらには発酵により生成される物質を限定するものではないが、Saccharomyces cerevisiaeなどの酵母、Zymomonas mobilisなどのバクテリア、Clostridiumなどの嫌気性細菌をはじめとする微生物、およびそれらの遺伝子組み換え体を単独で、もしくは組み合わせて用いることができる。
【００２７】
糖化反応槽については、本発明により提案する分離室を有するものであれば特に限定されるものではないが、槽内に連続的に原料、および酵素を投入し、酵素糖化、もしくは糖化発酵に適した温度、ｐHを維持し、長期にわたって安定運転できるように制御されたものであることが必要とされる。
【００２８】
本発明により提案する分離室は、無数の開孔もしくはスリットを有する壁、例えばパンチングメタル、もしくはメッシュなどにより糖化反応槽内部に設けられたものであり、原料と酵素、もしくは原料と酵素および微生物の接触を妨げず、原料由来の残渣、糖化・発酵不適物を分離室内に留める構造を有する。分離室の壁は、原料由来の残渣、糖化・発酵不適物を補足できる程度の開孔もしくはスリットを維持するものであれば、構造および材質に特に限定がなされるものではなく、例えばパンチングメタルであれば径1〜20mm、望ましくは2〜10mm、開孔率20〜70％、望ましくは25〜40％の開孔を有するものがよい。
【００２９】
上記分離室を有する糖化反応槽においては、分離室内外に攪拌機能を有するものがよく、攪拌により原料と酵素、もしくは原料と酵素および微生物の接触を促進し、加えて、原料の微細化を促進することにより、糖化、もしくは糖化発酵を効率よく遂行できる。攪拌機の回転数は分離室内の流動化状態により最適な回転数を選択する必要があるが、通常10〜300rpm、望ましくは50〜200rpmの回転数がよい。また、固形分含有に耐え得るポンプを選定する場合は、ポンプによる液相攪拌を行ってもよい。攪拌による流れ方向に特に制約を設けないが、下記の案内羽根との併用の場合は遠心方向の流れを主体とすることが望ましい。
【００３０】
原料由来の残渣、糖化不適物、発酵不適物の発生量が多い場合においては、分離室内に案内羽根を設け、分離室に対して案内羽根が相対的に回転自在になるようにし、分離室自体と案内羽根の回転数差によりそれらをリフトアップし系外に排出する機能を付帯してもよい。案内羽根は分離室壁に堆積する糖化不適物、発酵不適物を分離室外に排出できる構造を有するものであれば、構造および材質は特に限定されるものではなく、また、掻き寄せ機能を兼ねるものでもよく、螺旋リボン形状、もしくはスクリュー形状の羽根が望ましい。分離室自体、もしくは案内羽根のどちらか一方が固定であってもよく、両者が回転する構造であってもよいが、相対的な回転数差は通常0.1〜20rpm、望ましくは0.1〜5rpmがよいが、槽径により周回速度が異なるため、周回速度により規定するのが望ましく、相対周回速度は、5〜250mm/sec、望ましくは5〜50mm/secである。堆積する糖化不適物、発酵不適物の系外への排出については、分離室内の状態により判断する必要があるが、連続排出もしくは、経験的な間欠排出のどちらでもかまわない。さらに、この機構は攪拌機能と併用してもよく、その場合は、攪拌による遠心方向の水流が主体の攪拌羽根の選定が望ましい。
【００３１】
本発明により提案する機構を有する装置のフローは例えば図１に示したような糖化反応槽本体（１）、分離室（残渣・異物分離）（２）、攪拌機（３）、案内羽根（４）、沈殿槽（５）、pHコントローラ（６）、温度調節装置（７）、返送ポンプ（８）からなる装置を例示でき、特に本発明により提案する具体的な分離室についての構造は図２に例示できるが、本項最良の形態にて提案する特徴を有するものであれば例示のフロー、形状にこだわらない。
【実施例】
【００３２】
以下、エタノール製造を例に挙げ、添付した図１、図２（ｃ）の連続糖化発酵装置を使用する実施例に従って、本発明の方法を具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例によってなんら限定されるものではない。
【００３３】
（装置の概略）
図１の連続糖化発酵装置において、糖化反応槽本体（１）、分離室（残渣・異物分離）（２）、攪拌機（３）、案内羽根（４）、沈殿槽（５）、pHコントローラ（６）、温度調節装置（７）、返送ポンプ（８）を示している。
【００３４】
図１の連続糖化発酵装置において、主要部容量が糖化反応槽本体（１）5.5L、分離室（２）2.5Lである装置を使用した。
【００３５】
分離室（２）は径150mmの円柱型で、壁面、底面はφ2mm孔、開孔率26%のものを使用し、内部案内羽根（４）は羽根高さ30mm、傾斜15°とした。本実施例では分離室（２）は固定とし、案内羽根（４）の回転により内部堆積物を排出する運転を行った。
【００３６】
（微生物の調整・保持）
あらかじめ市販の酵母（S. cerevisiae）の前培養を行い、必要量の菌体重量まで培養後、洗浄および遠心分離を繰りかえし実施にて菌体の準備をした。本実施例では菌体量100g(湿重量ベース)を連続反応槽に仕込んだ。
【００３７】
槽内は酵母至適温度である約33〜38℃になるようジャケット水にて温調を行うとともに、ｐHについては苛性ソーダならびに硫酸にて4.0〜5.0になるようにｐHコントローラにて自動調整し、安定するまで菌体のみの運転を実施した。
【００３８】
（原料の調整）
原料は、古紙（OA紙古紙）、木材（スプルース）、プラスチックをそれぞれ65％、25％、10％（すべて絶乾重量比）で混合したものを乾燥原料とし、乾燥原料に対し水分80%になるよう水を加え、ミキサーにて均質混合し、ｐHを硫酸にて4.0〜5.5に調整したものを供給原料として準備した。
【００３９】
（原料の投入）
上記のとおり準備した原料は、毎時100g（分離室重量ベース）を予め酵母のみの運転を行った槽内の分離室（２）内部に投入した。今回の実施例では分離室（２）内に不適物・固形物がある程度堆積してきた段階で原料の供給を停止し、未反応セルロース成分の糖化発酵のみを行う運転とし、本実施例では、96時間経過時に原料の供給を停止、96時間経過後120時間までは未反応セルロース成分の反応時間とした。
【００４０】
（酵素の添加）
市販酵素GC220（GENENCOR製；6200IU/g）を使用し、原料の投入と同時に酵素の添加を行った。添加量は上記供給原料の乾燥重量1gに対し0.02〜0.2mlとした。
【００４１】
（攪拌）
原料投入初期は分離室（２）内の流動性が一時的に低下するため回転数は50〜150rpmとするが、流動性に改善が見られた段階で150rpmとした。
【００４２】
（エタノール、グルコースの計測）
原料投入開始から定期的にサンプリングを実施し、エタノール、グルコースの濃度を計測した。
【００４３】
（不適物・固形物の搬出）
原料投入後96時間経過後120時間までの未反応セルロース成分の反応時間終了後、分離室（２）内案内羽根を２〜5rpmの回転数で回転させることにより分離室（２）内堆積物を搬出した。本操作のあと、原料の供給を再開開始した。以降は本一連の操作を繰り返し実施した。
【００４４】
（連続安定運転の確認）
上記手順により連続糖化発酵の安定運転を確認し、図３に示したとおりのエタノール、およびグルコースの結果を得た。また、下記表１に各々の原料についての糖化試験により算出された理論残渣量に対する実際残渣量の結果を示した。
【００４５】
【表１】
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【符号の説明】
【００４６】
１  糖化反応槽本体
２  分離室
３  攪拌機
４  案内羽根
５  沈殿槽
６  ｐＨコントローラ
７  温度調節装置
８  返送ポンプ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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