(57)【要約】【課題】本発明の課題は、炭酸カルシウムを含むセルロース含有物から効率的に糖を製造する方法を提供することである。【解決手段】炭酸カルシウムを含むセルロース含有物に至適ｐＨが３〜７であるセルラーゼをｐＨ７〜１１にて接触させて、セルロース含有物を糖化する工程；反応液から固液分離により炭酸カルシウムを除去する工程；および、炭酸カルシウムを除去した反応液のｐＨを３〜７に調整し、ｐＨ３〜７にて該セルラーゼによってセルロース含有物を糖化する工程を行うことによって、炭酸カルシウムを含むセルロース含有物から効率的に糖を製造することができる。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭酸カルシウムを含むセルロース含有物に至適ｐＨが３〜７であるセルラーゼをｐＨ７〜１１にて接触させて、セルロース含有物を糖化する工程、
反応液から固液分離により炭酸カルシウムを除去する工程、および、
炭酸カルシウムを除去した反応液のｐＨを３〜７に調整し、ｐＨ３〜７にて該セルラーゼによってセルロース含有物を糖化する工程、
を含む、炭酸カルシウムを含むセルロース含有物から糖を製造する方法。
【請求項２】
炭酸カルシウムを含むセルロース含有物が、古紙、古紙を含む廃棄物、および、紙パルプ工場から回収されるペーパースラッジから選択される１以上である、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記セルラーゼが、エンドグルカナーゼ、エクソグルカナーゼおよびβ−グルコシダーゼから選択される１種以上である、請求項１または２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セルロース含有物を糖化する技術に関する。特に本発明は、炭酸カルシウムを含むセルロース含有物から効率的に糖を製造する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境意識の高まりなどによりバイオマスの有効利用に関する検討が盛んに行われている。特にバイオマスを原料として製造されるバイオエタノールは、例えば、ガソリン代替物質としてのさらなる普及が期待されている。例えば、バイオマスとしてセルロース系原料を利用して糖を製造し、その糖からエタノール発酵によってエタノールを得る技術について種々の研究が行われている。
【０００３】
バイオマス原料としてセルロース系原料を使用する場合、セルロース系原料としては、リグニンを含むリグノセルロースや、リグニンが除去されたセルロースなどが一般に使用される。リグノセルロース原料としては、例えば、広葉樹や針葉樹などの木材、麦わらやとうもろこし残渣などの農業残渣などを挙げることができ、リグニンがある程度除去されたセルロース原料としては、パルプなどを挙げることができる。セルロース系原料の由来としては、木材、麦わら、稲わら、とうもろこし、ケナフなどが知られているが、木材を由来とする木質系セルロースは、製紙用パルプとして広く生産されていることもあり、バイオマス原料として特に注目されている。
【０００４】
特に、セルロースなどの多糖類を加水分解して得られる糖は、エタノール発酵など様々な化学プロセスに用いることができ、種々の化学製品の原料となる。そのため、紙やパルプに代表されるセルロース系材料を糖化する技術の開発は重要である。一般に、セルロース系材料を加水分解して糖を得る方法は、（１）酵素または酵素を生産する微生物を用いてセルロースを加水分解する酵素糖化法、（２）鉱酸を用いてセルロースを加水分解する酸糖化法に大別される。
【０００５】
酸を用いた加水分解によってバイオマスから単糖を得る方法としては、希硫酸を用いる方法と濃硫酸を用いる方法があるが、例えば、濃度の異なる硫酸を用いる複数の反応段が必要とされ、工程が複雑になること、高温・高圧に耐える反応槽が必要であることなどの課題がある（非特許文献１：１１２ページ）。また、濃硫酸を用いる場合、高濃度の硫酸の回収が難しく、また、過分解によってフルフラール等が発生するという課題がある（非特許文献１：１１８ページ）。
【０００６】
一方、酵素を用いた加水分解によってバイオマスから単糖を得る方法は、５０℃程度の穏和な反応条件で行うことができ、強酸を使用しないことから排水処理も容易で環境負荷が低いという利点がある。そして、古紙類などのセルロース系材料を原料として酵素を用いてグルコースを得る方法が報告されている（特許文献１〜４）。しかしながら、一般的なセルラーゼはトリコデルマ（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）属由来であり、至適ｐＨが酸性領域であるため、酵素反応を行う際は試料を酸性に調整する必要がある。試料を酸性に調整するには、試料に酸を添加する方法が考えられるが、試料が塩基性である場合、多くの酸が必要となるため効率的とはいえない。特に、紙には、塩基性を示す炭酸カルシウムが填料または顔料として含まれていることが多く、古紙やペーパースラッジなどのセルロース系材料を原料として糖を効率的に製造する技術の開発が求められていた。
【０００７】
炭酸カルシウムを含むセルロース含有物の糖化方法として、特許文献５に記載の技術が提案されている。特許文献５には、塩基性を示す炭酸カルシウムを含むセルロース含有物から効率的に糖を製造するために、まず、中性ないしアルカリ性でセルロース含有物をセルラーゼで処理し、次いで固液分離により炭酸カルシウムを除去した後、再度セルラーゼを添加して酸性ないし中性の条件で加水分解を行っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００２−１７６９９７号公報
【特許文献２】特開２００２−１８６９３８号公報
【特許文献３】特開２００６−０８８１３６号公報
【特許文献４】特開２００６−２０４２９４号公報
【特許文献５】特開２００８−１６１１３７号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】アルコール協会編『バイオエタノール製造技術』（工業調査会、２００７年）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
近年、紙の高填料化が進み、古紙やペーパースラッジ等に含まれる炭酸カルシウムの割合が増加している。一般に炭酸カルシウムは塩基性を示すため、炭酸カルシウムを多く含有する分散液はｐＨがアルカリ性となる。しかし、一般的なセルラーゼは至適ｐＨが酸性領域にあるため、炭酸カルシウムを含むセルロース含有物をバイオマス原料として酵素を用いて単糖を得るには、ｐＨを酸性領域に調整する必要があるが、ｐＨ調整に多くの酸が必要であり、効率的でない。セルロースの加水分解に用いる酵素として、至適ｐＨが酸性から中性にある酵素を用いることも考えられるが、そのような酵素は高価であり、コスト的に競争力に欠ける。
【００１１】
このような状況に鑑み、本発明は、至適ｐＨが酸性領域にあるセルラーゼを用いて、古紙などの炭酸カルシウムを含むセルロース含有物を効率的に加水分解する技術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】
【００１２】
本発明は上記課題を解決するため、研究を重ねた結果、中性ないしアルカリ性領域にてセルロース含有物を至適ｐＨが酸性領域にあるセルラーゼで加水分解した後に、固液分離により炭酸カルシウムを取り除き、その後、反応液を中性ないし酸性領域に調整して加水分解を行うことによって、炭酸カルシウムを含むセルロース含有物を原料として効率よく糖が製造できることを見出し、本発明を完成させるに至った。
【００１３】
すなわち、本発明は、これに限定されるものでないが、以下の発明を包含する。
（１）  炭酸カルシウムを含むセルロース含有物に至適ｐＨが３〜７であるセルラーゼをｐＨ７〜１１にて接触させて、セルロース含有物を糖化する工程；反応液から固液分離により炭酸カルシウムを除去する工程；および、炭酸カルシウムを除去した反応液のｐＨを３〜７に調整し、ｐＨ３〜７にて該セルラーゼによってセルロース含有物を糖化する工程；を含む、炭酸カルシウムを含むセルロース含有物から糖を製造する方法。
（２）  炭酸カルシウムを含むセルロース含有物が、古紙、古紙を含む廃棄物、および、紙パルプ工場から回収されるペーパースラッジから選択される１種以上である、（１）に記載の方法。
（３）  前記セルラーゼが、エンドグルカナーゼ、エクソグルカナーゼおよびβ−グルコシダーゼから選択される１種以上である、（１）または（２）に記載の方法。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、古紙やペーパースラッジなどの炭酸カルシウムを含むセルロース含有物を原料として、セルラーゼを用いて効率的に糖を製造することができる。特に本発明によれば、比較的少量のセルラーゼで糖を製造することができ、また、酸消費量の少ない方法で糖を製造することができる。
【００１５】
本発明によって得られる糖は、そのまま利用してもよく、さらにアルコール発酵などによりエタノールを製造する際の原料とすることもできる。また、本発明によれば、古紙やペーパースラッジなどの廃棄物を原料として有用物質を製造することができるため、本発明は、バイオマスの有効活用、廃棄物処理などの観点からも好ましく、環境的にも優れた技術である。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は、実施例および比較例のグルコース生成量を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明を実施するための形態を詳細に説明するが、本発明は下記の具体的な形態に何ら限定されるものではなく、適宜変更して実施することができる。
【００１８】
炭酸カルシウムを含むセルロース含有物
本発明においては、原料として、炭酸カルシウムを含むセルロース含有物を用いる。本発明の炭酸カルシウムを含むセルロース含有物としては、特に限定されるものではないが、例えば、新聞紙、雑誌、オフィス紙、段ボール紙などの古紙類；古紙類を含む廃棄物；紙パルプ工場から回収されるスラッジ；製紙工程にて発生するブロークなどを挙げることができ、これらの混合物であってもよい。一般に、紙には填料として炭酸カルシウムが使用されるため、古紙などには内添された炭酸カルシウムが含まれることになる。また、顔料を塗工した塗工紙においては、顔料として炭酸カルシウムが一般的に使用されるため、塗工紙には外添された炭酸カルシウムが含まれる。
【００１９】
本発明の古紙類としては、例えば、新聞紙、雑誌、コピー用紙などのオフィス紙、段ボールなどの板紙などを挙げることができ、家庭などから排出される古紙の他、事業系の古紙や印刷業者などから排出される古紙なども含まれる。また、本発明においては、上質紙、中質紙、下級紙、新聞紙、チラシ、雑誌などを選別した選別古紙や、種々の古紙が混合している無選別古紙を原料としてもよい。
【００２０】
また、本発明の古紙類を含む廃棄物とは、古紙だけでなく、プラスチックや木材などの他の材料も含む廃棄物である。一般に、古紙を含む廃棄物は、廃棄物固形燃料（ＲＤＦ：Refuse Derived Fuel）やＲＰＦ（Refuse Paper and Plastic Fuel）などの代替燃料の原料として使用されることもあるが、本発明によれば、古紙を含む廃棄物を糖などの原料として有効に活用することができる。
【００２１】
さらに、紙パルプ工場から回収されるスラッジとは、一般にペーパースラッジ（ＰＳ：Paper Sludge）などと呼ばれ、セルロースなどの繊維分、炭酸カルシウムなどの無機粒子などを含んでいる。本発明で使用する上記スラッジの元となる紙パルプ工場の排水としては、古紙リサイクル工程（ＤＩＰ製造工程）、パルプ製造工程、抄紙工程などから流失した排水や製紙白水などが挙げられ、本発明のスラッジはこのような排水中の固形分を主として構成される。
【００２２】
さらにまた、製紙工程からのブロークとは、製紙工程において断紙や停機、裁断などによって生じる、乾燥した紙や湿紙などであり、損紙などとも呼ばれる。このような製紙工程からのブロークは、セルロースを含有しており、さらに内添や外添された炭酸カルシウムを含む。
【００２３】
本発明のセルロース含有物に含まれる炭酸カルシウムの量に制限はないが、例えば、炭酸カルシウム含量が５〜６５重量％程度であるものが一般的であり、１０〜５０重量％程度含まれるようなセルロース含有物がより一般的である。
【００２４】
また、本発明のセルロース含有物に前処理を施して、酵素による加水分解反応を効率化することができる。セルロース含有物の前処理としては、酸やアルカリなどの薬品を用いた化学的処理、叩解、凍結粉砕などの機械的処理を行うことができ、例えば、繊維を短くするような処理、裁断などのシュレッディング、水に分散させて繊維をほぐすことなどを好適に行うことができる。
【００２５】
セルロース含有物を中性からアルカリ性で加水分解する工程
本発明では、まず、炭酸カルシウムを含むセルロース含有物をｐＨ７〜１１において酵素を用いて加水分解する。この加水分解によってセルロース含有物から、セルロースが分解した短繊維、オリゴ糖や多糖、キシロース等の低分子の糖などの可溶性の糖が生成される。
【００２６】
本発明に用いる酵素は、一般的なセルラーゼであり、具体的には至適ｐＨが酸性から中性、好ましくは至適ｐＨが３〜７、より好ましくは至適ｐＨが４〜６にあるようなセルラーゼである。一般に、このようなセルラーゼは、中性〜アルカリ性領域であるｐＨ７〜１１においてもある程度の活性を有しているため、本発明においてもセルロース含有物の加水分解を行うことができる。本発明で用いるセルラーゼとしては、トリコデルマ（Tricoderma）属、アスペルギルス（Aspergillus）属、バチルス（Bacillus）属、アクレモニウム（Acremonium）属、イルぺックス（Irpex）属、Aeromonas属、クロストリジウム（Clostridium）属、シュードモナス（Pseudomonas）属、ペニシリウム（Penicillium）属、フミコラ（Humicola）属などの酵素および／または遺伝子組み換えにより製造した酵素を単独若しくは二種用いることができ、また、糸状菌、担子菌、細菌類等のセルラーゼを用いることができる。また、セルラーゼの形態も、一般に市販されているセルラーゼ製剤や上記菌の培養物やその濾過液を直接使用することもできる。中でも、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）属などのセルラーゼを好適に用いることができる。セルラーゼとしては、複数のセルラーゼの混合物を使用することもでき、例えば、エンドグルカナーゼ、エクソグルカナーゼおよび／またはβ−グルコシダーゼの１種以上を含むようなセルラーゼを好適に使用することができる。
【００２７】
本発明においてセルラーゼの使用量は特に制限されないが、基質に対するセルラーゼの使用量は０．１〜３０重量％が好ましく、０．５〜５重量％がより好ましい。基質に対するセルラーゼの使用量が、０．１重量％未満であると、酵素処理に長時間を要し、能力的に問題がある。また、３０重量％を超えると、酵素の使用量が多くなる割には処理能力がそれほど向上しないので、コスト的に問題がある。
【００２８】
本発明においては、中性からアルカリ性において加水分解反応を行うが、原料であるセルロース含有物に含まれる炭酸カルシウムが塩基性を示すため、原料を水に分散すればその分散液は中性からアルカリ性を示すことが多い。特にｐＨ調整が必要な場合は、一般的な酸や塩基を用いてｐＨを調整することができる。
【００２９】
第１工程における温度は、酵素であるセルラーゼが活性を示すような温度であればよく、例えば、３０〜７０℃程度とすることができ、３０〜６０℃程度が好ましく、３５〜５５℃程度がより好ましく、３５〜５０℃程度がさらに好ましい。第１工程の長さは、原料の性状や用途に応じて適宜調節することができるが、例えば、３〜７４時間程度とすることができ、好ましくは６〜７２時間程度である。
【００３０】
本発明において、セルロース含有物とセルラーゼとの反応効率を向上させるため、攪拌などを行ってもよい。具体的な攪拌装置は特に制限されないが、例えば、棒・板・プロペラ状の攪拌子を槽内で一定速度・一方向に回転させたり、攪拌子を間欠・逆回転させて攪拌するような装置を挙げることができる。攪拌子は１つであっても複数であってもよく、複数の攪拌子を互いに逆回転させたり、槽側に攪拌子と組合された突起あるいは板を取り付けて攪拌効果を高めることもできる。また、攪拌子は、回転軸を介して直接的に回転させたり、磁力などを利用して外部から回転させることもできる。また、セルロース含有物スラリーにポンプなどで流動を生じさせて、攪拌を行うこともできる。
【００３１】
本発明において、炭酸カルシウムの溶解状態は、溶液部分のカルシウムイオン濃度を硬度測定キット（LCK327；Dr.Lange社）と多項目水質計（LASA30；Dr.Lange社）を用いてカルシウムイオン濃度を測定することで把握することができる。
【００３２】
本発明においては、炭酸カルシウムを含むセルロース含有物を水に分散させた分散液を用いることが好ましい。具体的には、炭酸カルシウムを含むセルロース含有物を水に投入し、適当な分散処理を行い、セルロース含有物のスラリーを調製することができる。スラリーの濃度は、送液ポンプの性能などに応じて適宜決定することができるが、スラリーの流動性やコストなどを勘案すると、１〜６０固形分％が好ましく、１〜５０固形分％がより好ましい。
【００３３】
炭酸カルシウムの除去工程
本発明では、上記糖化工程の反応液である糖含有液を固液分離して、固体の炭酸カルシウムを除去する。上述したように、糖化反応で得られる糖含有液には、セロオリゴ糖やキシロオリゴ糖、キシロース等の低分子の溶解性の糖、セルラーゼ以外に、炭酸カルシウム等の不溶性成分が含まれている。固液分離により炭酸カルシウムを除去することにより、後続の第３工程においてｐＨ調整がより容易になり、また、炭酸カルシウム等の不溶性成分を除去することにより第３工程の効率を上げることができる。
【００３４】
炭酸カルシウムを除去する方法としては、一般的な固液分離法を用いることができ、例えば、濾過や遠心分離、沈降などの方法によって固液分離することができる。具体的には、例えば、濾紙、濾布、濾過膜、遠心等を利用してセルロースを固形分として分離することができるが、フィルタプレスなどのように加圧式で固液分離すると、効率的に固液分離できるため好ましい。
【００３５】
この工程では、炭酸カルシウムの他にも、リグニンやヘミセルロース、繊維に吸着した一部のセルラーゼ等の不溶性物質が固相として除去されるが、液相にはセロオリゴ糖やキシロオリゴ糖、多糖、キシロース等の低分子の溶解性の糖、セルラーゼなどが含まれる。なお、本工程で除去された固形分（糖化残渣）は、焼却してサーマルリサイクルしてもよいし、固形分に含まれるセルラーゼを再利用することもできる。
【００３６】
セルロース含有物を酸性から中性で加水分解する工程
本発明においては、固液分離により得られた反応液をｐＨ３〜７に調整し、さらに糖化反応を行う。本工程においては、新たに酵素を添加する必要はなく、反応液のｐＨを調整した上で、適当な条件においてセルラーゼによる低分子糖などの加水分解を行って、グルコースを含む糖化液を得ることができる。
【００３７】
本発明においては、第１工程で使用したセルラーゼの一部はセルロースなどに吸着し、第２工程で系外へ除去されるものの、一部のセルラーゼは反応液に残るため、本工程において糖化反応が進行する。糖化反応の原料としては、第１工程でセルロースから生成した可溶性の多糖やオリゴ糖などが用いられ、グルコースなどの単糖が得られる。
【００３８】
本工程における反応条件は、ｐＨ以外は特に制限されず、適当な条件に設定することができる。具体的には、温度は、酵素であるセルラーゼが活性を示すような温度、例えば、３０〜７０℃程度とすることができ、３０〜６０℃程度が好ましく、３５〜５５℃程度がより好ましく、３５〜５０℃程度がさらに好ましい。また、反応時間は、原料の性状や用途に応じて適宜調節することができるが、例えば、３〜７４時間程度とすることができ、好ましくは６〜７２時間程度である。また、第１工程と同様に本工程においても攪拌などを行ってもよい。
【００３９】
本発明によって得られる糖としては、単糖類やオリゴ糖類が挙げられ、具体的には、単糖類として、グルコース（ブドウ糖）、ガラクトース、マンノース、フルクトースなど、オリゴ糖として、ラクトース（乳糖）、スクロース（ショ糖）、マルトース（麦芽糖）などの二糖類などが挙げられる。このような糖は、そのまま有用物として利用することもでき、また、アルコール発酵などの原料としてバイオ燃料の製造に使用することもできるため、極めて価値が高い。
【実施例】
【００４０】
以下に具体的な実施例を示して、本発明をより詳細に説明する。ただし、本発明に以下の実施例に限定されるものではない。なお、特段の記載がない限り、本明細書において、濃度などは重量基準であり、数値範囲はその端点を含むものとして記載される。
【００４１】
実施例１
炭酸カルシウムを含むセルロース含有物として、製紙工場の古紙再生工程から回収したペーパースラッジを用いた。このペーパースラッジは、パルプ繊維、炭酸カルシウムなどを含んでいた（繊維含量８５％、炭酸カルシウム含量１０％）。
【００４２】
糖化槽として１Ｌビーカーを用いた。上記ペーパースラッジ５ｇを水４９５ｇに分散させた分散液（ｐＨ：７．５）を使用して、加水分解を行った。至適ｐＨが約４．５である酵素として市販のセルラーゼ（メイセラーゼ、明治製菓製：至適温度約５５℃、トリコデルマ属）を、上記パルプ分散液の固形分に対して４％添加した。
【００４３】
第１工程では、１Ｌビーカーにパルプ分散液および酵素を投入し、これらを攪拌しながら６時間反応させ、セルロース含有物を糖化した。糖化反応は、温度が約４０℃、回転数約３００ｒｐｍにて行った。第１工程終了後のグルコース含有量を下記のグルコースキットを用いて測定した。
【００４４】
第２工程では、上記反応液をろ紙を用いて吸引濾過し、濾液を第３工程に使用した。
【００４５】
第３工程では、１Ｌビーカー中に入れた濾液に硫酸（９６％硫酸、和光純薬工業）を加えてｐＨを約４．７に調整し、攪拌しながら糖化反応を行った。糖化反応は、温度が約４０℃、回転数が約３００ｒｐｍにて行った。
【００４６】
糖化液のグルコース含有量をグルコースキット（商品名：グルコースＣＩＩ−テストワコー、和光純薬工業）を用いて測定した。
【００４７】
比較例１
第２工程（固液分離による炭酸カルシウムの除去）および第３工程（酸性条件下における糖化）を行わず、第１工程のみを継続して行った以外は、実施例１と同様にしてセルロース含有物を糖化し、糖化液のグルコース濃度を測定した。
【００４８】
【表１】
2011024545.tif 000002
【００４９】
上記実験の結果を表１に示す。表１の結果から明らかなように、本発明にしたがってセルロース含有物を処理すると、効率的に糖を製造することができ、今回の例では９時間で反応が終結している。また、固液分離により炭酸カルシウムを除去することによって、比較的少量の酸で反応液のｐＨを酸性側に調整することができ、効率的に糖を製造することができた。さらに、本発明によれば、第３工程でセルラーゼを添加する必要がなく、簡便な方法で糖を製造することができた。
【００５０】
一方、比較例の場合、１２時間糖化反応を行っても実施例１において９時間反応させた場合の糖化量に達していない。この点、実施例においては、反応開始から６時間の時点で固液分離およびｐＨ調整したため、ｐＨ調整後も糖化反応が順調に進行し、効率的にグルコースを得ることができた。したがって、比較例のように単に試料に酵素を加えた場合と比較して、本発明では、同量の酵素を用いてより短時間に一定量のグルコースを製造することができる。また、反応時間を一定にした場合、本発明によれば、より少量の酵素で一定量のグルコースを製造することができる。
【図１】
2011024545.tif 000003