(57)【要約】【課題】本発明の課題は、酸加水分解法によるヘミセルロースの糖化に関して、過分解を抑制しつつ効率よくヘミセルロースを糖化する技術を提供することである。【解決手段】本発明によって、ヘミセルロースおよび／またはその分解物を含む液体に強酸と亜硫酸および／または亜硫酸塩とを添加して処理することを含む、ヘミセルロースの糖化方法が提供される。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
ヘミセルロースおよび／またはその分解物を含む液体に強酸と亜硫酸および／または亜硫酸塩とを添加して処理することを含む、ヘミセルロースの糖化方法。
【請求項２】
ヘミセルロースおよび／またはその分解物を含む液体が、草本類および／または木本類を酸処理して得られる液体、草本類および／または木本類を水熱処理して得られる液体、または、草本類および／または木本類をアルカリで処理して得られる液体である、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
亜硫酸および／または亜硫酸塩が、亜硫酸、亜硫酸ナトリウム、亜硫酸カルシウム、亜硫酸マグネシウム、亜硫酸アンモニウムの少なくとも１種を含む、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
強酸１００質量部に対して、亜硫酸および／または亜硫酸塩１０〜８０質量部を添加する、請求項１〜３のいずれかに記載の方法。
【請求項５】
ヘミセルロースが、キシロース、マンノース、ガラクトースの少なくとも１つを含む主鎖を有する、請求項１〜４のいずれかに記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヘミセルロースの糖化方法に関する。特に本発明は、木本類及び草本類などのバイオマスに含まれるヘミセルロースを、収率良く単糖化する方法に関する。更に詳しくは、硫酸や塩酸などの強酸を用いた加水分解法によって、ヘミセルロースを収率良く加水分解し単糖化する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
２０世紀末ごろから石油・石炭などの天然エネルギー資源の枯渇が叫ばれ始め、代替エネルギーの開発が人類にとって大きな課題となっている。これまでに種々の研究が進められているが、本格的に実用に供する事のできる技術はまだ出てきていないのが実情である。特に、東日本大震災での原発事故以後、代替エネルギー開発の必要性はますます重要になってきており、更なるブレークスルーを求めて開発に取り組むことが必要急務な課題となってきている。
【０００３】
代替エネルギーのひとつとして、セルロース系天然バイオマスの利用が検討されている。例えば、天然バイオマスに含まれる多糖類を糖化して、得られた糖を基に発酵法でエタノールを生産し、得られたエタノールをガソリン等に混ぜて利用する技術について、国家を挙げて多角的に開発が進められているが、コスト的に今一歩というのが実情である。この理由としては、天然バイオマスに含まれるセルロースやヘミセルロースなどの多糖類の糖化にまだコストがかかること、及びヘミセルロース中の五炭糖を収率良くエタノールに変換・利用できる発酵技術、特に発酵菌の開発が不十分なことが挙げられる。
【０００４】
このうち多糖類の糖化技術は、エネルギー源生産の目的としてだけではなく、従来は石油・石炭などの化石資源から作られていた化成品類（酢酸、プロピレン、ブタノール等）の原料を生産する技術としても重要なほか、単糖の生産技術としても重要である。例えば、キシロースなどは、抗齲蝕甘味料であるキシリトールの生産原料となるため、多糖類の糖化技術は、種々の生理活性を有する各種の糖を生産するためにも重要であり、所謂シュガープラットホームを構築する為の基幹技術としてますます重要性を増している。
【０００５】
天然バイオマスの単糖化方法には、大きく分けて酵素法と酸加水分解法（酸糖化法）がある。現在、主に検討されている酵素法では、原料の前処理が重要な役割を演じており、前処理方法として、物理的な方法と高温・高圧の水を使う水熱処理法が主に検討されている。しかし、酵素法ではまだ酵素のコストが高く、特にヘミセルロースの単糖化に用いるヘミセルラーゼはあまり注目されておらず、開発も進んでいない。この為、酵素法によってバイオマスを単糖化する場合、コストが更に高くなる問題がある。
【０００６】
一方、酸加水分解法（酸糖化法）は、バイオマスに関しては、主に木材の糖化技術として１９００年初頭より検討されており、硫酸や塩酸を用いる方法が広く知られ実用にも供されている。
【０００７】
硫酸を用いる糖化技術として過去最も発達した技術は希硫酸を利用する方法で、ショーラー法が有名である（非特許文献１：木材の利用４・木質バイオマスの利用技術）。この方法では、希硫酸の存在下で高温・高圧下でバイオマスを糖化し、得られたグルコースをパーコレーション法により回収するが、グルコースの収率が低く、ヘミセルロース類に由来する単糖が過分解によりフルフラール化してしまう。そのため、ショーラー法は、バイオマス中の単糖を得る方法としても、ヘミセルロースから単糖を収率良く得る方法としても不十分な方法であった。その後、ショーラー法の改良法としてマジソン法が提案されたものの、ヘミセルロース系単糖の取得に関しては基本的にショーラー法と同等であり、ヘミセルロース類は十分に活用されていない（非特許文献２：木材化学・下）。また近年、希硫酸法で木材を糖化し、実際にアルコール生産まで行っている例として、バイオエタノール・ジャパン・関西株式会社での例が知られている。ここでは廃材チップを希硫酸で処理し、主にヘミセルロースから発生する単糖を用いてエタノール発酵を行っており、ヘミセルロース加水分解制御の重要性が認識された（非特許文献３：バイオエタノール製造設備パンフレット０７１１−１０，０００−ＳＳ）。
【０００８】
濃硫酸を用いる糖化技術としては、日本国内で実際に工場まで建設された北海道法が知られている。この方法では、木材中のセルロースを濃硫酸で加水分解する前に、水蒸気前加水分解（例、１８５℃、２時間）を行ってフルフラールを生産していたが、ヘミセルロースから単糖を生産するにはいたらなかった（非特許文献１）。濃硫酸を用いてエタノールまで生産する例としては、日揮・三菱商事が米国Arkenol社と米国で行っている建築廃材や紙などの廃棄物を濃硫酸で単糖化する例が挙げられる。この場合、濃硫酸で原料を可溶化後、希釈して希硫酸とし、加水分解によりバイオマスを単糖化するが、やはり過分解の制御が課題となっており、ヘミセルロースから糖類を製造するには特に難しい制御が必要である（非特許文献４：濃硫酸法バイオエタノール製造技術とバイオエタノール技術解発動向）。
【０００９】
塩酸を用いる方法としては、濃塩酸を直接木材に作用させるライナウ法を出発とし、新ライナウ法、塩酸ガスを用いるエラン法、野口法などが知られている。いずれの方法でも、セルロースを加水分解する主反応に先立ち希塩酸による前加水分解を行いヘミセルロースの除去が行われている（非特許文献１、２）。しかし、ヘミセルロース系の糖、特に五炭糖類は、塩酸でフルフラール化が進み易いため、これらの方法は、フルフラールの製造技術としては適しているが、糖を最大限に利用しようとする糖プラットホーム用技術としては適さない。また、塩酸はその腐食性から近年殆ど利用されないのが実情である。
【００１０】
バイオマスから単糖を得る技術の中で、ヘミセルロースを有効に除去、回収する技術として近年注目されているのが、高温高圧で行う水熱前処理技術である。これはもともとパルプの製造技術として昔から知られており、従来からパルプ製造においては、木材チップを１７０〜２００℃の高熱水で処理してヘミセルロース類を除去し、その後、硫化ソーダ−苛性ソーダでクラフト蒸解してセルロース純度の高い溶解パルプを製造することが広く行われてきた。しかし、この場合、水熱処理で得られる前加水分解液中のヘミセルロースは完全には糖化されていない。また、ソフトバイオマスや木質材料を２００℃以上で高圧熱水処理してヘミセルロース分解物抽出液を得る方法も各種報告されているが、この場合でも得られる分解液にはオリゴ糖が残存し、完全単糖化にはさらなる処理を必要とする（非特許文献５：「セルロース系バイオエタノール製造技術」）。さらに、グルコース取得を目的に行われた酸処理とは別に、エタノールの製造原料としての単糖を得るために、希硫酸やＳＯ２を化学処理剤として添加してバイオマスを前加水分解する方法が、近年盛んに行われている（非特許文献６：図解バイオエタノール製造技術）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特表2010−501013号公報
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】『木材の利用４・木質バイオマスの利用技術』（文英堂出版、１９９１年）
【非特許文献２】『木材化学（下）』（共立出版、１９６８年）
【非特許文献３】「バイオエタノール製造設備パンフレット０７１１−１０，０００−ＳＳ」
【非特許文献４】科学技術戦略機構エネルギー分科会「濃硫酸法バイオエタノール製造技術とバイオエタノール技術解発動向」講演会資料、2008年02月06日
【非特許文献５】『セルロース系バイオエタノール製造技術』（エヌティーエス、２０１０年３月）
【非特許文献６】『図解バイオエタノール製造技術』（工業調査会、２００７年１２月）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
ヘミセルロースを糖化する技術として、従来、酵素法と酸加水分解法（酸糖化法）が主に検討されてきたものの、酵素法はコストが高く、酸加水分解法は反応の制御が難しく、過分解によってフルフラールが生じやすいという問題がある。
【００１４】
以上に鑑み、本発明者らは、酸加水分解法によるヘミセルロースの糖化に関して、過分解を抑制しつつ効率よくヘミセルロースを糖化する技術について検討を行った。また、バイオマスの前加水分解やバイオマスの糖化時に発生する溶液は、ヘミセルロースやそれに由来するオリゴ糖類を多く含むが、このような溶液を、過分解が少なく収率良く酸で単糖化する方法を提供することも、本発明の課題である。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明者らは上記課題を解決すべく鋭意検討した結果、意外にも、酸加水分解時に亜硫酸および／またはその塩を併用すると糖化収率が上がる事を見出し、本発明を完成した。すなわち、本発明は、ヘミセルロースおよび／またはその分解物を含む原料を、強酸と、亜硫酸及び／または亜硫酸塩とを添加して処理することを特徴とするヘミセルロース類の糖化方法である。
【００１６】
以下に限定されるものではないが、本発明は以下の態様を包含する。
（１）  ヘミセルロースおよび／またはその分解物を含む液体に強酸と亜硫酸および／または亜硫酸塩とを添加して処理することを含む、ヘミセルロースの糖化方法。
（２）  ヘミセルロースおよび／またはその分解物を含む液体が、草本類および／または木本類を酸処理して得られる液体、草本類および／または木本類を水熱処理して得られる液体、または、草本類および／または木本類をアルカリで処理して得られる液体である、（１）に記載の方法。
（３）  亜硫酸および／または亜硫酸塩が、亜硫酸、亜硫酸ナトリウム、亜硫酸カルシウム、亜硫酸マグネシウム、亜硫酸アンモニウムの少なくとも１種を含む、（１）または（２）に記載の方法。
（４）  強酸１００質量部に対して、亜硫酸および／または亜硫酸塩１０〜８０質量部を添加する、（１）〜（３）のいずれかに記載の方法。
（５）  ヘミセルロースが、キシロース、マンノース、ガラクトースの少なくとも１つを含む主鎖を有する、（１）〜（４）のいずれかに記載の方法。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、多糖類のうちでも特に酸加水分解法による単糖化が難しいとされたヘミセルロースを、効率よく単糖化することができる。本発明は、酸加水分解によるヘミセルロールの糖化における過分解を抑制することにより、従来技術より収率よくヘミセルロースから各種単糖を得ることができ、生産コスト削減に大きく貢献することができる。また、本発明によって得られた糖類をエタノールの発酵生産に利用する場合には、過分解により発生するフルフラールなどの発酵阻害物質が少ないため、微生物によるエタノール変換収率の向上にも貢献することができる。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明は、ヘミセルロースおよび／またはその分解物を含む液体を酸加水分解法（酸糖化法）により処理する方法に関する。本発明においては、ヘミセルロースおよび／またはその分解物を含む液体を使用するが、ヘミセルロースとは、植物細胞壁に含まれる、セルロースを除く水に対して不溶性の多糖類である。ヘミセルロースは、希アルカリなどによってバイオマスから抽出することができ、酸により加水分解することができる。ヘミセルロースは構造的にも化学的にもセルロースと類似しており、その分子量はセルロースと比べて低く、重合度が約１５０程度の異なる分子の混合物であるとされる。一般に、ヘミセルロースは、植物の細胞壁においてリグニンやセルロースと共に複合体を形成して存在しており、その存在比は植物によって異なるがおおよそ３０％前後とされる。ヘミセルロースには、キシランやマンナンのほか、グルコマンナンやグルクロノキシランなどのような複合多糖も含まれ、好ましい態様において、本発明のヘミセルロースは、キシロース、マンノース、ガラクトースの少なくとも１つを含む主鎖を有する。
【００１９】
また、本発明の処理対象である液体は、ヘミセルロースの他にヘミセルロースの分解物を含んでいてよいが、本発明においてヘミセルロースの分解物とは上記多糖の分解物であるオリゴ糖や二糖、単糖を意味し、例えば、オリゴ糖としてはキシロオリゴ糖、マンナンオリゴ糖、ガラクトオリゴ糖が挙げられる。
【００２０】
本発明においては、使用するヘミセルロースおよび／またはその分解物を含む液体を使用するが、この液体は、各種バイオマスから得ることができる。本発明において使用するヘミセルロースおよび／またはその分解物を含む液体としては、例えば、草本類および／または木本類を酸処理して得られる液体、草本類および／または木本類を水熱処理して得られる液体、または、草本類および／または木本類をアルカリで処理して得られる液体を挙げることができる。
【００２１】
使用するバイオマスとしては、木本類や草本類はもちろんであるが、コーンコブやビートパルプといった食品系廃棄物等、ヘミセルロース分を有するものであればよい。木本類とは、草本類に対する概念であり、成長していわゆる木になる植物である。すなわち、木本類とは、茎及び根が肥大生長の結果、木部がよく発達し、多年生の地上茎を有する植物であり、茎の伸長差によって、さらに高木と低木に分けることができる。本発明においては、あらゆる木本類を使用することができ、例えば、針葉樹や広葉樹を使用することができる。一方、草本類とはいわゆる草であり、成長しても樹木のように大きくならず、太く堅い幹を持たない植物である。
【００２２】
本発明においては、上記液体を強酸と亜硫酸および／または亜硫酸塩を併用して処理する。本発明においては、酸加水分解法によって糖化を行うため、強酸を使用する。強酸とは、ｐＫａ（酸解離指数）が３以下のものをいい、例えば、塩酸（ＨＣｌ）、硝酸（ＨＮＯ3）、過塩素酸（ＨＣｌＯ４）、硫酸（Ｈ２ＳＯ４）、亜塩素酸、塩素酸、臭化水素酸、ヨウ化水素酸、ヨウ素酸、チオシアン酸、アミド硫酸、クロム酸、ホスフィン酸、ホスホン酸、リン酸、二リン酸、トリポリリン酸、亜硫酸、二硫酸、セレン酸、亜セレン酸、ヒ酸、クロロ酢酸、ジクロロ酢酸、トリクロロ酢酸、トリフルオロ酢酸、ピクリン酸、マロン酸、シュウ酸などが挙げられる。強酸の添加量は、特に制限されないが、木材の抽出液・木材チップの粉砕物・稲わらの粉砕物等、対象物の性状等によって最適なものを選択することができる。
【００２３】
好ましい態様において本発明の強酸として、硫酸、塩酸、硝酸等の鉱酸を使用する。バイオマスの前加水分解を硫酸或いは塩酸で実施する場合、及び水熱処理で得られた前加水分解液を硫酸或いは塩酸を用いて単糖化する場合、従来添加していた硫酸・塩酸単独での加水分解ではなく、本発明では、強酸に加えて亜硫酸および／またはその塩を併用する。本発明で使用する亜硫酸およびその塩は、亜硫酸塩としては重亜硫酸塩を含めどのような塩でも可能であるが、ナトリウム塩（ソーダ塩）、カルシウム塩、マグネシウム塩、アンモニウム塩が好ましく、その中でもナトリウム塩が最も好ましい。また亜硫酸およびその塩は、粉末・液体いずれでも使用可能である。亜硫酸および／または亜硫酸塩の使用量は、特に制限されないが、強酸１００重量部に対して、１０〜８０重量部とすることが好ましく、３０〜６０重量％とすることがより好ましい。また、強酸と亜硫酸および／または亜硫酸塩を添加した後の液体のｐＨは、２０℃において２．０以下とすることが好ましく、０．８〜１．９とすることがより好ましく、１．０〜１．４とすることがさらに好ましい。
【００２４】
本発明における加水分解処理の条件は特に制限されないが、温度は、１００〜２５０℃が好ましく、１００〜２００℃がより好ましく、１１０〜１６０℃がさらに好ましい。また、処理時間は、５０秒〜２５０分が好ましく、５分〜２１０分がより好ましく、３０分〜２００分がさらに好ましい。
【００２５】
本発明を実施した場合、糖化収率は従来の酸単独の場合と比べ、対バイオマス中のヘミセルロースあたりの収率で３〜５％程度の収率向上が可能である。またフルフラール、ヒドロキシメチルフルフラール等の発酵阻害性物質の生成を大幅に低下することが出来る。
【００２６】
このような効果が生じる理由の詳細は、完全には解明されておらず、本発明はこれに拘束されるものではないが、強酸と亜硫酸および／またはその塩とを混合して使用した場合、単にｐＨの強弱による作用ではなく、系内にHSO３−態が適当量存在するため、過分解が抑制されて単糖の収率が向上するのではないかと推定している。具体的には、強酸単独の場合、ヘミセルロースが加水分解して得られた単糖が強酸下で開環しフルフラール類まで分解してしまうのに対し、HSO３−の存在下では各単糖のアダクトを形成し、それ以上の分解を防ぎ収率が向上するのではないかと考えられる。
【００２７】
また、木材の水熱前加水分解液を本発明で糖化した場合、まず、水熱処理でヘミセルロースは懸濁状態で溶液中に抽出され、これはリグニンをマトリックスとした結合態をなしているものと考えられる。本発明者による検討によれば、水熱処理で得られた上記懸濁液を本発明法で加水分解した場合、溶液中のＯＤ２８０（２８０ｎｍの光の吸光度）が大幅に上昇する一方、硫酸のみで加水分解した場合、ＯＤ２８０はかえって減少する。これはマトリックスを形成する不溶性リグニン類が、本発明ではリグニンスルホン酸化して可溶化するが、硫酸のみの場合は溶解しているリグニンも含みリグニンの縮合を起こし不溶化した為と考えられる。このように、本発明法で加水分解した場合ヘミセルロース中に存在するマトリックスリグニンが可溶化し、酸が均一にヘミセルロースにアタックし易くなり、加水分解制御がし易くなる事も収率向上効果をもたらしているものと推定される。
【００２８】
また、これで得られた加水分解液は糖の過分解物が少なく、擬似移動床を用いたクロマト分離に適している事が認められた。
また、水熱前加水分解液などの液体を本発明で糖化した場合、水熱処理で多く発生する懸濁物質が可溶化し、糖化液の処理性が大幅に向上する。これは不溶性リグニン類がリグニンスルホン酸化して可溶化したためではないかと推定している。
【００２９】
【化１】
2014000020.tif 000002
【実施例】
【００３０】
以下、本発明の内容を、実施例をもって具体的に説明する。なお、本明細書において、特に記載しない限り、濃度等は重量基準であり、数値範囲はその端点を含むものとする。
実験１．針葉樹溶解クラフトパルプ前加水分解液への適用
［実施例１］
溶解クラフトパルプ（ＤＫＰ）を製造する際、木材チップに加水分解処理を施して木材チップ中のヘミセルロースを溶出させてから、クラフト法による蒸解を行って溶解クラフトパルプを製造することがある。本実施例では、この加水分解処理で生じる加水分解液を原料として、ヘミセルロースの糖化実験を行った。
【００３１】
針葉樹チップ（国産材混合品、絶乾重量：２００ｇ）を、水を用いて、１７０〜２００℃の温度で１〜５時間水熱処理することにより、針葉樹の前加水分解液を得た。この液体のヘミセルロース含量（糖濃度）は約３.７重量％、そのうち単糖の濃度は約１.０％だった。この液体は、沈殿し易い懸濁液であり、含まれる糖の半分以上はオリゴ糖の形で存在していた。単糖の量は、イオンクロマト法によって定量し、キシロース、アラビノース、グルコース、ガラクトース、マンノースの積算値をトータルの単糖量とした。
【００３２】
この前加水分解液に、硫酸２重量％、亜硫酸ナトリウム１重量％を添加して（液のｐＨ：１.１）、１２０℃で３時間処理して、ヘミセルロースを加水分解した。
処理後、イオンクロマト法により、キシロース、アラビノース、グルコース、ガラクトース、マンノースの合計量を測定し、トータル単糖量とした。
【００３３】
［実施例２］
硫酸の代わりに塩酸を用いた以外は、実施例１と同様にしてヘミセルロースを糖化した。
【００３４】
［実施例３］
亜硫酸ナトリウムの代わりに亜硫酸水（濃度：５重量％品）を用いた以外は、実施例１と同様にしてヘミセルロースを糖化した。本実施例では、亜硫酸水を添加した反応液の亜硫酸濃度が１重量％である。
【００３５】
［実施例４］
亜硫酸ナトリウムの代わりに亜硫酸カルシウムを用いた以外は、実施例１と同様にしてヘミセルロースを糖化した。
【００３６】
［比較例１］
硫酸の添加量を３重量％にし、亜硫酸ナトリウムを添加しなかった以外は、実施例１と同様にしてヘミセルロースを糖化した。
【００３７】
【表１】
2014000020.tif 000003
【００３８】
表１に、糖化液に含まれる単糖の量を示す。糖化液の単糖量は、キシロース、アラビノース、グルコース、ガラクトース、マンノース濃度の積算値を意味する。酸加水分解法によりバイオマス中のヘミセルロース分を加水分解する場合、亜硫酸あるいはその塩を添加することによって、糖の過分解が抑制され、効率良く単糖化できることが明らかとなった。
【００３９】
実験２．濃硫酸法糖化への適用
杉の風乾チップ粉砕物０.５ｇを、冷却しながら72%硫酸７ｇに添加し、形が無くなるまで溶解させた（ヘミセルロース含量：約２０％）。その後、亜硫酸ナトリウム２.２５ｇを添加して、正確に100mlまで水で希釈した。さらに沸騰浴中で１時間加水分解させ、反応液をろ過して糖化液を得た。
【００４０】
比較例として、72%硫酸の量を１０ｇとし、亜硫酸ナトリウムを添加しない以外は上記と同様にして、糖化液を得た。
【００４１】
【表２】
2014000020.tif 000004
【００４２】
表２に、糖化液に含まれる単糖の量を示す。酸を用いてバイオマス中のヘミセルロース分を加水分解する際、亜硫酸あるいはその塩を添加することによって、糖の過分解が抑制され、効率良く単糖化できることが明らかとなった。
【００４３】
実験３．水熱前加水分解液への適用
耐圧容器において、稲わら粉砕物を、１０倍量の水の存在下で、２００℃で３時間処理して抽出液を得た（ヘミセルロース含量：約２０％）。
【００４４】
これに、硫酸２重量％、亜硫酸ナトリウム１重量％を添加し、120℃で２時間加水分解して糖化液を得た。
比較例として、硫酸の添加量を３重量％にし、亜硫酸ナトリウムを添加しなかった以外は上記と同様にして、糖化液を得た。
【００４５】
【表３】
2014000020.tif 000005
【００４６】
表３に、糖化液に含まれる単糖の量を示す。酸を用いてバイオマス中のヘミセルロース分を加水分解する際、亜硫酸あるいはその塩を添加することによって、糖の過分解が抑制され、効率良く単糖化できることが明らかとなった。