(57)【要約】【課題】同時糖化発酵中ｐＨ調整用薬剤の低減化を実現する同時糖化発酵によるエタノール生産方法を提供する。【解決手段】セルロース系原料を用いた同時糖化発酵によりエタノールを生産する方法において、同時糖化発酵反応の原料を調整する段階でｐＨの値が同時糖化発酵反応の目的とするｐＨの値よりも高い値に予め設定することを特徴とする。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
セルロース系原料を用いた同時糖化発酵によりエタノールを生産する方法において、同時糖化発酵反応の原料を調整する段階でｐＨの値が同時糖化発酵反応の目的とするｐＨの値よりも高い値に予め設定することを特徴とするエタノール生産方法。
【請求項２】
同時糖化発酵反応の目的とするｐＨの値が３．５〜５である、請求項１に記載のエタノール生産方法。
【請求項３】
予め設定されるｐＨの値が５〜６である、請求項１に記載のエタノール生産方法。
【請求項４】
前記セルロース系原料は紙を含む、請求項１〜３のいずれか１つに記載のエタノール生産方法。
【請求項５】
前記セルロース系原料は、乾燥重量で５０％以上の紙を含む、請求項１に記載のエタノールの生産方法。
【請求項６】
前記セルロース系原料は、セルロースおよびヘミセルロースの合計であるホロセルロースを、乾燥重量で５０％以上含む、請求項１に記載のエタノールの生産方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、同時糖化発酵時の原料処理方法およびこの処理方法を利用したエタノールの生産方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
同時糖化発酵は、酵素による原料の分解と、生成された分解物の発酵用微生物の資化による目的物質の生産を同一槽内で行う方法である。同時糖化発酵は１９７６年にGaussらによって初めて考案された（非特許文献１）。現在この方法は、原料にセルロース系バイオマスを用い、酵素にセルラーゼを用いて生成されるグルコースをはじめとする分解産物を酵母の資化によりエタノールを製造する方法として注目されており、他に乳酸を製造する方法としても検討されている。
【０００３】
一般的に酵素は基質に対する特異的な触媒活性を持ち反応物を生成するが、その反応生成物により酵素の触媒活性が阻害されるという競争阻害が起こる。同時糖化発酵では、酵素により生成した反応生成物を発酵微生物により資化することで競争阻害を抑制することができ、全体の反応性が向上すると考えられる。さらに同一の反応槽で反応を行うことで、反応プロセスを簡略化することができ、設備コストを低減することができる。
【０００４】
近年、地球規模での環境意識の高まりや、いずれ直面する石油資源の枯渇問題に対応するために、セルロース系バイオマスからの有価物生産が世界的に検討されており、前述の同時糖化発酵方法は、効率的にセルロース系バイオマスから有価物を生産する方法として注目されている。さらに発酵用微生物にセルラーゼなどのバイオマスを分解する酵素の機能を付加させた遺伝子改変体を用いて糖化発酵同時進行（consolidated bio-process）といった検討もされている。
【０００５】
このようなバイオマスを原料として微生物による変換を経る各種有用物質の生産は、前処理、糖化、前培養、発酵、蒸留といった要素技術があり、各要素技術およびその連携、組み合わせなどの開発によって低コスト化、最適化が図られている。特にバイオマスの原料として利用される植物系バイオマスはセルロースとヘミセルロースがリグニンと共に複雑に絡み合い、結晶化することで強固な構造を保っており、下流の発酵に不適なリグニン成分の除去も含めた全体的なプロセスを決定することは困難である。
【０００６】
ところで、現在検討されているバイオマス資源中の有望な原料の１つとして紙が挙げられる。紙は、製紙工程において脱リグニン化され、結晶構造が破壊もしくは緩慢になっていることから、同時糖化発酵を行うに適した原料である。バイオマスの賦存量としては、リサイクルが可能として収集された古紙以外にも、製紙工場で発生するペーパースラッジや、一般廃棄物、事業系廃棄物として焼却処分等されてしまっている紙がある。
【０００７】
これらの紙を原料として利用することは産業的にも有用である。
【０００８】
現在同時糖化発酵について多くの研究が多く行われているが、実際の産業として応用されているものはない。考えられるその主要な理由として、プロセス調整の困難さが挙げられる。酵素による加水分解と発酵用微生物による発酵を同時に行うため、複雑な反応になり、単純な発酵に比べると反応時間が長いため調節が難しい。さらに、反応時間が長いことから雑菌汚染の危険性が高く、その影響も大きくなる。このように産業化するには困難な方法ではあるが、各プロセスの最適化の集積によって実現可能となることは言うまでもない。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】ガウス・ダブリューエフ（Gauss W.F.）、スズキ・エス（Suzuki S.）、タカギ・エヌ（Takagi N.）著、「マニュファクチャー・オフ・アルコール・フロム・セルロシック・マテリアルズ・ユージング・プルラル・ファーメンツ（Manufacture of alcohol from cellulosic materials using plural ferments）」、米国、オフィスＵＳＰＴ編修、Bio Research Center Company Limited、１９７６年、第３９９０９４４巻、第６１０７３１号、
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
研究レベルで検討を行う場合、ｐＨ調整には、その調節が容易であることから緩衝溶液が用いられる。しかし、この方法では実際の産業下では明らかにコストが高くなるため、ｐＨ調整にかかる部分についての検討は喫緊の課題の１つである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
以上の背景に鑑みて、同時糖化発酵反応用に調整する研究を鋭意重ねた結果、紙を主な原料とする同時糖化発酵を行う場合に、紙に含まれている填料や、同時に処理する物質中に含まれる成分により原料依存的なｐＨの値を、同時糖化発酵反応の原料を調整する段階で同時糖化発酵反応時に目的とするｐＨの値より高い値に予め設定することで同時糖化発酵中ｐＨ調整用薬剤の低減化を実現する同時糖化発酵によるエタノール生産方法を発見するに至った。
【００１２】
すなわち、本発明は、
（１）セルロース系原料を用いた同時糖化発酵によりエタノールを生産する方法において、同時糖化発酵反応の原料を調整する段階でｐＨの値が同時糖化発酵反応の目的とするｐＨの値よりも高い値に予め設定することを特徴とするエタノール生産方法；
（２）同時糖化発酵反応の目的とするｐＨの値が３．５〜５である、前記（１）のエタノール生産方法；
（３）予め設定されるｐＨの値が５〜６である、前記（１）のエタノール生産方法；
（４）前記セルロース系原料は紙を含む、前記（１）〜（３）のいずれか１つのエタノール生産方法；
（５）前記セルロース系原料は、乾燥重量で５０％以上の紙を含む、前記（１）のエタノールの生産方法；
（６）前記セルロース系原料は、セルロースおよびヘミセルロースの合計であるホロセルロースを、乾燥重量で５０％以上含む、前記（１）の生産方法
である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明は、同時糖化発酵反応の原料を調整する段階で同時糖化発酵反応の目的とするｐＨより高い値に予めｐＨを設定するものであるが、このことにより、以下の効果を得ることができる。
【００１４】
（１）ｐＨ調整用の薬剤の低減もしくは削減が図れる。
【００１５】
（２）プロセスを省力化することができる。
【００１６】
（３）酵素の失活もしくは活性低下の危険性を低下させることができる。
【００１７】
（４）発酵用微生物の活性低下の危険性を低下させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】酢酸緩衝液にてＯＡ紙のｐＨを調整した同時糖化発酵反応を行った場合のＥｔＯＨ生成量の結果を示すグラフである。
【図２】硫酸にてＯＡ紙のｐＨを調整した同時糖化発酵反応を行った場合のＥｔＯＨ生成量の結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
次に本発明についてさらに説明する。
【００２０】
通常、エタノール発酵を行う場合、グルコースを基質とするならば、１モルのグルコースから２モルのエタノールと２モルの炭酸ガスが生成する。さらに発酵用微生物の増殖もしくは維持のために行う生命活動下で、グルコースは他の物質に変換され、有機酸をはじめとする有機化合物の菌体外への排出入、および無機塩の排出入が起こる。これらの影響で、培養の進行に伴ってｐＨ値が低下する現象が観測される。このとき発酵用微生物の増殖もしくは維持に適したｐＨ値に培養液のｐＨを調節することは安定的な培養のために重要である。
【００２１】
これは同時糖化発酵を行った場合も同様に、同時糖化発酵の進行に伴ってｐＨ値の低下が観測され、培養および酵素活性に影響を及ぼすｐＨ値に反応液のｐＨが達すると、これにより同時糖化発酵の反応性に影響が与えられる。同時糖化発酵に用いられる酵素としてはデンプン系原料の場合は主にアミラーゼが用いられ、さらにその他の原料が混在しているような生ゴミを原料とする場合にはプロテアーゼやリパーゼといった酵素も併用することが想定される。また、セルロース系原料の場合は主にセルラーゼが用いられるが、セルラーゼを構成する酵素群であるエンドグルカナーゼ、セロビオハイドラーゼ、ベータグルコシダーゼの量的比率や、追加で用いられるキシラーゼの使用、および上記デンプン系原料が混入している場合には前述の酵素群を使用することが考えられる。しかし、各酵素の至適ｐＨは異なることが容易に想像でき、発酵用微生物の活性と共に、ｐＨの値によって同時糖化発酵の効率は変化する。
【００２２】
一般的に同時糖化発酵中はその流動性が原因でｐＨを調整することが困難であり、緩衝溶液を用いてｐＨの大きな変化が起こらないようにしている。
【００２３】
そこで、本発明では予め低下するｐＨ値の分を想定して、同時糖化発酵反応に影響が少ない範囲での高いｐＨに設定し、その同時糖化発酵反応の原料を調整する段階でｐＨの値を使用酵素の反応至適ｐＨより高い値に設定することを特徴とする。高く設定する値はｐＨ４．５〜７が望ましく、より望ましくはｐＨ５〜６である。
【００２４】
本発明は、同時糖化発酵におけるプロセスの省力化、使用薬剤の低減に関するものであり、原料は紙に含まれるセルロース系バイオマスであるが、同時糖化発酵を行ってエタノールを生成し、そのｐＨが５以上であれば他の条件については特に何らの限定を課すこともなく適応することができる。他のセルロース系、デンプン系、糖類やこれらの混合物、さらに他の有機物質が含まれていてもよく、同時糖化発酵に顕著な影響を与えない無機成分や有機合成品をはじめとする未反応成分を含んでいてもよい。
【００２５】
使用酵素は同時糖化発酵原料の分解を行いその構成成分を得るために必要な酵素であれば如何なるものであってもよいが、原料にセルロース系原料が含まれていればエンドグルカナーゼ、セロビオハイドラーゼ、ベータグルコシダーゼの少なくとも１つを含むセルラーゼであることが望ましく、これにキシラーゼが含まれていればなお望ましいが、特にここに挙げられたものに限定されるものではない。また、原料にデンプン系のものが含まれていれば、アミラーゼ、厨芥であればセルラーゼ、アミラーゼ、プロテアーゼ、リパーゼを含んでいることが望ましいが、これらのものに限定されない。
【００２６】
使用発酵用微生物は、発酵によりエタノールを産生する微生物であれば、特定のものに限定する必要はなく、遺伝子改変によりエタノール生成能の付加もしくは増強された菌体を用いてもよく、また一般的に資化しやすいグルコースやスクロース以外のヘキソースおよびそのオリゴマーの資化能の付加もしくは増強を行った菌体でもよく、さらにキシロースやアラビノースといったペントース資化能の付加もしくは増強を行った菌体を用いてもよく、前述の酵素を付加もしくは増強を行った菌体を用いてもよい。
【００２７】
本発明は反応液のｐＨを目的とする値より予め高い値に設定することを特徴とし、温度、溶存酸素量、攪拌速度、攪拌方法、栄養塩添加量およびその種類といった他の条件について特段の制限が課されることはない。
【００２８】
次に実施例に基づいて本発明を具体的に説明するが、本発明は、以下の実施例に何ら限定されるものではない。
【００２９】
（実施例）
本実施例では、同時糖化発酵用の酵素はジェネンコア社製セルラーゼ製剤であるアクセララーゼを用いた。使用量はＦＰＵで表わされる。１ＦＰＵは６０分間にろ紙からグルコースを１０．８ｍｇ生成するセルラーゼ活性の単位である。
【００３０】
発酵用微生物は酵母（サッカロマイセスセルビジエ）を用い、前培養はＹＰ培地にグルコースを１５％加えたものを用いた。また、菌体は遠心分離により回収したものを用いた。原料は調整した模擬紙ゴミを用いた。模擬紙ゴミは、ゴミ中に存在する紙成分の重量比率を調べ、別途材料を調達し、同比率で混合し、同様に処理したものを用いた。表１に模擬紙ゴミの重量比率を示す。
【００３１】
【表１】
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【００３２】
上記模擬紙ゴミに水を加えてミキサーで離解後、原料濃度を調整することにより同時糖化発酵用原料とした。紙はその填量に含まれる物質により中性から塩基性を示すことが多く、使用した模擬紙ゴミを水でミキシングすることで約ｐＨ７．４の値を示した。
【００３３】
ミキシングした模擬紙ゴミを含水率８５重量％に調整し、乾燥紙１ｇ当たりセルラーゼ８ＦＰＵおよび酵母を０．０３ｇとなるように加え、３５℃で同時糖化発酵を行った。
【００３４】
エタノール濃度はグルコースセンサー（王子計測機製ＢＦ−５）にて計測した。
【００３５】
対照区として、通常、同時糖化発酵方法でよく用いられるｐＨ３、３．５、４、４．５、５．５、６、７程度に調整した酢酸緩衝溶液を用いて、模擬紙ゴミを原料に同時糖化発酵を行った。その結果を図１に示す。
【００３６】
実施区として、緩衝能のない酸である硫酸を用いて模擬紙ゴミをｐＨ３、３．５、４、４．５、５、６、７程度に調整し、同時糖化発酵を行った。結果を図２に示す。
【００３７】
対照区および実施区の同時糖化発酵反応前後のｐＨの推移を下記の表２にまとめた。
【００３８】
【表２】
2011055715.tif 000003
【００３９】
対照区ではｐＨ４〜４．５に調整した場合で同時糖化発酵反応によるエタノール生成が優れていることが観測された。一方、実施区である、緩衝能を持たない酸である硫酸のみでｐＨ調整を行った場合、ｐＨ４．５〜７、特にｐＨ５〜６の場合にエタノール生成が優れていた。
【図１】
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【図２】
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