(57)【要約】【課題】木質材等に含まれるヘミセルロースを効率よく糖化・発酵してバイオマスエタノールに変換可能なエタノールの製造方法及び製造装置を提供する。【解決手段】バイオマスに加圧熱水を作用させて、バイオマスに含まれるヘミセルロースを選択的に分解し、分解生成物に、９０〜１１０℃の温度で固体酸触媒を作用させてキシロースを含む糖化生成物を得る。得られる糖化生成物にキシロース発酵能を有する微生物を作用させてエタノールを生成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
バイオマスに加圧熱水を作用させて、バイオマスに含まれるヘミセルロースを選択的に分解する加圧熱水反応工程と、
前記加圧熱水反応工程による分解生成物に、９０〜１１０℃の温度で固体酸触媒を作用させてキシロースを含む糖化生成物を得る固体酸触媒反応工程と、
前記固体酸触媒反応工程で得られる糖化生成物にキシロース発酵能を有する微生物を作用させてエタノールを生成する発酵工程とを有するエタノールの製造方法。
【請求項２】
前記加圧熱水反応工程における加圧熱水の温度は、１５０〜２３０℃、圧力は、０．４７〜２．８ＭＰａである請求項１に記載のエタノールの製造方法。
【請求項３】
前記発酵工程における微生物は、キシロースからキシリトールへの変換反応を触媒する酵素をコードする遺伝子、キシリトールからキシルロースへの変換反応を触媒する酵素をコードする遺伝子、及び、キシロース及びＡＴＰからキシルロース５リン酸及びＡＤＰへの変換反応を触媒する酵素をコードする遺伝子を染色体組み込みによって導入した遺伝子組み換え酵母である請求項１又は２に記載のエタノールの製造方法。
【請求項４】
更に、前記加圧熱水反応工程後の固体残渣に糖化酵素を作用させ、固体残渣に含まれるセルロースを分解して、重合度が７〜３０００の懸濁態多糖を含む液体を生成するセルロースの一次糖化工程を有する請求項１〜３の何れかに記載のエタノールの製造方法。
【請求項５】
更に、前記セルロースの一次糖化工程による生成物に固体酸触媒を作用させ、前記懸濁態多糖を分解して単糖としてグルコースを生成するセルロースの二次糖化工程を有する請求項４に記載のエタノールの製造方法。
【請求項６】
更に、前記加圧熱水反応工程による分解生成物を固体残渣から分離する分離工程を有する請求項１〜５の何れかに記載のエタノールの製造方法。
【請求項７】
更に、前記発酵工程後の生成物に含まれるエタノールを精製する精製工程を有する請求項１〜６の何れかに記載のエタノールの製造方法。
【請求項８】
バイオマスに加圧熱水を作用させて、バイオマスに含まれるヘミセルロースを選択的に分解する加圧熱水反応装置と、
前記加圧熱水反応装置による分解生成物を９０〜１１０℃に加熱して固体酸触媒を作用させて、キシロースを含む糖化生成物を得る触媒反応装置と、
前記触媒反応装置によって得られる糖化生成物に、キシロース発酵能を有する微生物を作用させてエタノールを生成する発酵装置とを有するエタノール製造装置。
【請求項９】
前記加圧熱水反応装置に１５０〜２３０℃の温度の加圧熱水を０．４７〜２．８ＭＰａの圧力で供給するための加熱加圧システムを有する請求項８に記載のエタノール製造装置。
【請求項１０】
前記発酵装置は、前記微生物として、キシロースからキシリトールへの変換反応を触媒する酵素をコードする遺伝子、キシリトールからキシルロースへの変換反応を触媒する酵素をコードする遺伝子、及び、キシロース及びＡＴＰからキシルロース５リン酸及びＡＤＰへの変換反応を触媒する酵素をコードする遺伝子を染色体組み込みによって導入した遺伝子組み換え酵母を収容する請求項８又は９に記載のエタノール製造装置。
【請求項１１】
更に、前記加圧熱水反応装置による分解生成物を、固体残渣から分離する分離装置を有する請求項８〜１０の何れかに記載のエタノール製造装置。
【請求項１２】
更に、前記発酵装置の生成物に含まれるエタノールを精製する蒸留装置を有する請求項８〜１１の何れかに記載のエタノール製造装置。
【請求項１３】
更に、前記触媒反応装置の糖化生成物から前記固体酸触媒を分離回収する装置を有する請求項８〜１２の何れかに記載のエタノール製造装置。
【請求項１４】
更に、前記分離装置によって分離される固体残渣に糖化酵素を作用させ、固体残渣に含まれるセルロースを分解して、重合度が７以上の懸濁態多糖を含む液体を生成するセルロース用の酵素反応装置と、
前記セルロース用の酵素反応装置の生成物に固体酸触媒を作用させ、前記懸濁態多糖を分解して単糖としてグルコースを生成するセルロース用の触媒反応装置と、
前記セルロース用の触媒反応装置の生成物に、グルコース発酵能を有する微生物を作用させてエタノールを生成するセルロース系発酵装置と
を有する請求項１１に記載のエタノール製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エタノールの製造方法及び製造装置に関し、詳細には、木質や麦藁等の植物質廃材をバイオマスとして用いてリグノセルロース系材料の糖化及び微生物発酵によってバイオマスエタノールを生成するエタノールの製造方法及び製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、石油資源の枯渇に対する解決策として、植物質を用いて微生物の発酵によってエタノールを製造するバイオマスエタノールが注目され、その生産技術として種々のプロセスが発表されている。例えば、下記非特許文献１には、糖化酵素として広く知られるセルラーゼを用いてバイオマス中のセルロースをグルコースに糖化し、得られたグルコースを発酵処理することによってエタノールを生産するプロセスが開示されている。また、下記特許文献１には、樹皮原料のアルカリ液による処理及び機械処理による微細化を経た微細樹皮を、適正なｐＨのスラリーに調製した後に併行糖化発酵するエタノールの製造方法が記載されている。
【０００３】
又、下記特許文献２には、セルロース系バイオマスを加圧熱水で処理してヘミセルロースを分解する工程を有するバイオマスの処理が記載され、下記特許文献３では、加圧熱水処理を利用して、セルロース系バイオマスのセルロース及びヘミセルロースを各々糖化するバイオマス処理装置を提案している。
【０００４】
一方、セルロース系バイオマスによるエタノール製造の効率を向上するために、発酵効率の高い微生物の開発が進められ、様々な遺伝子組み換え酵母が提案されている（例えば、下記非特許文献２等）
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１１−１５２０６７号公報
【特許文献２】特開２０１１−１４４３３７号公報
【特許文献３】特開２０１１−６８５７８号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】是石真友子・今中洋行・今村維克・狩山昌弘・中西一弘、「酵素糖化と発酵を併用した小麦フスマからの効率的エタノール生産」、生物工学会  第８７巻第５号  Ｐ２１６〜２２３  ２００９
【非特許文献２】Chu et al., Biotechnology Advances, Vol.25, pp425-441(2007)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
リグノセルロース系バイオマスとして用いられる木質材に含まれるセルロースは、セルラーゼを用いてグルコースへ糖化し、酵母等によって発酵することによってエタノールに変換されるが、木質材に含まれるヘミセルロースから得られる単糖は、天然の酵母等による発酵におけるエタノールへの変換効率がさほど高くなく、アルコール耐性の問題もある。木質中にヘミセルロースが占める割合は、植物の種類にもよるが、概して３０％前後であり、無視できる量ではない。従って、安価で効率的にバイオマスエタノールを製造するためには、ヘミセルロース系の糖化及び発酵を効率的に行えることが必要である。
【０００８】
本発明の課題は、上述の問題を解決し、ヘミセルロース系の糖化・発酵における転換効率が高く、効率的にバイオマスエタノールを精製可能なエタノールの製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明者らは、鋭意研究を重ねた結果、ヘミセルロースの糖化・発酵において、遺伝子組み換え酵母によるキシロースのエタノール発酵を利用して、効率的なバイオマスエタノールの製造方法を構成できることを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１０】
本発明の一態様によれば、エタノールの製造方法は、バイオマスに加圧熱水を作用させて、バイオマスに含まれるヘミセルロースを選択的に分解する加圧熱水反応工程と、前記加圧熱水反応工程による分解生成物に、９０〜１１０℃の温度で固体酸触媒を作用させてキシロースを含む糖化生成物を得る固体酸触媒反応工程と、前記固体酸触媒反応工程で得られる糖化生成物にキシロース発酵能を有する微生物を作用させてエタノールを生成する発酵工程とを有することを要旨とする。
【００１１】
又、本発明の一態様によれば、エタノール製造装置は、バイオマスに加圧熱水を作用させて、バイオマスに含まれるヘミセルロースを選択的に分解する加圧熱水反応装置と、前記加圧熱水反応装置による分解生成物を９０〜１１０℃に加熱して固体酸触媒を作用させて、キシロースを含む糖化生成物を得る触媒反応装置と、前記触媒反応装置によって得られる糖化生成物に、キシロース発酵能を有する微生物を作用させてエタノールを生成する発酵装置とを有することを要旨とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、キシロースの発酵効率がよい酵母をセルロース及びヘミセルロースの個別糖化プロセスに導入するに当たって特定の糖化条件を採用することによって、リグノセルロース系バイオマスに含まれるセルロース及びヘミセルロースを各々効率よく糖化・発酵してバイオマスエタノールを製造できるエタノールの製造方法及び製造装置が提供され、バイオマスエタノール製造システムの確立及び普及が容易になる。従って、経済的に有利であり、バイオマスとしての植物質廃棄物の利用が促進され、エネルギー資源問題及び廃棄物処理問題の解消に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明に係るエタノール製造装置の一実施形態を示す概略構成図。
【図２】キシロース及びグルコースの混合物を発酵した場合のキシロース比とエタノール収率との関係を示すグラフ。
【図３】図２のグラフを構成するプロットの試料（１）〜（６）における、酵素反応による糖及び生成エタノールの量の経時変化を示すグラフ（ａ）〜（ｆ）。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
植物質廃棄物（リグノセルロース系バイオマス）を利用するバイオマスエタノールの生産においては、セルロース及びヘミセルロースの加水分解による糖化物をエタノール発酵する。本発明では、リグノセルロース系バイオマスの糖化、つまり、加水分解は、加圧熱水反応、糖化酵素反応及び固体酸触媒反応の３種の工程において行う。加圧熱水反応においては、ヘミセルロースの選択的加水分解が進行し、糖化酵素反応においては、加圧熱水反応残渣であるセルロースの加水分解が進行し、各々、多糖が部分分解してオリゴ糖〜部分分解多糖が生成して、一部は単糖化する（一次糖化）。これらの加水分解反応による一次糖化液に固体酸触媒反応を施すことによって十分に糖化して、グルコース、キシロース等の単糖が生成する（二次糖化）。このような糖化プロセスで得られた単糖は、発酵することによってエタノールが生成する。
【００１５】
グルコースの発酵は、天然酵母等の従来公知の発酵微生物によって容易に進行するが、ヘミセルロース由来のキシロースの発酵に利用できる微生物は限られ、エタノールの収率も低い。本発明においては、近年開発されているキシロース発酵性に優れた微生物を利用し、その発酵に適した糖化物が得られるようにヘミセルロースの糖化条件を設定する。
【００１６】
以下に、本発明について図面を参照して詳細に説明する。
【００１７】
図１は、本発明に係るエタノール製造装置の一実施形態を示す概略構成図である。エタノール製造装置Ａは、バイオマスＢを糖化して単糖を製造する単糖製造装置と、糖化生成物を発酵してエタノールを生成する発酵装置と、発酵生成物を蒸留してエタノールＥを精製する蒸留装置９とを有する。単糖製造装置は、加圧熱水反応装置１、固液分離器２、冷却器３、酵素反応装置４、第１触媒反応装置５及び第２触媒反応装置７を有し、第１触媒反応装置５は、セルロース由来の部分糖化物を加水分解（単糖化）し、第２触媒反応装置７はヘミセルロース由来の部分糖化物を加水分解（単糖化）する。発酵装置は、セルロース由来の糖化物を発酵してエタノールを生成する第１発酵装置６と、ヘミセルロース由来の糖化物を発酵してエタノールを生成する第２発酵装置８とからなり、各々から生成する発酵生成物Ｆ１，Ｆ２を蒸留装置９によって蒸留してエタノールを分離精製する。
【００１８】
加圧熱水反応装置１は、ポンプ１ａ、加熱器１ｂ、水量調整弁１ｃ、耐圧性の反応槽１ｄ及び制御装置１ｅによって構成され、ポンプ１ａは、外部から供給される水を加圧して加熱器１ｂに送出する。加熱器１ｂは、制御装置１ｅから入力される温度制御信号に応じて、ポンプ１ａから流入する加圧水を１５０〜２３０℃、好ましくは２００〜２３０℃程度まで加熱して加圧熱水Ｗ’（圧力０．４７〜２．８ＭＰａ程度、好ましくは１．６〜２．８ＭＰａ程度の亜臨界状態の熱水）とし、これは、水量調整弁１ｃを介してバイオマスを収容した反応槽１ｄに供給される。水量調整弁１ｃは、制御装置１ｅから入力される流量制御信号に応じて開度が調節可能な電子制御弁であり、加熱器１ｂから反応槽１ｄへ供給される加圧熱水Ｗ’の流量を適正に調整する。制御装置１ｅは、加熱器１ｂに出力する温度制御信号、及び、水量調整弁１ｃに出力する水量制御信号によって、反応槽１ｄに供給される加圧熱水Ｗ’の温度及び流量を調節し、反応槽１ｄにおけるバイオマスの加水分解条件を上述のように制御する。加水分解条件は、例えば、加圧熱水Ｗ’の供給量Ｑ（ml）とバイオマス供給量Ｖ（ｇ）との比率Ｋ（＝Ｑ／Ｖ）、加圧熱水Ｗ’の温度Ｔ（℃）として設定することができる。反応槽１ｄから排出される熱水の熱エネルギーを回収して、加熱器１ｂに供給される水に供給再利用する熱交換器を設けると、エネルギー効率を改善できる。
【００１９】
反応槽１ｄは、外部から原料として供給される一定量のバイオマスを収容し、水量調整弁１ｃを通じて供給される加圧熱水Ｗ’をバイオマスに添加・作用させて、バイオマスに含まれるヘミセルロースが選択的に加水分解されて可溶化する。加圧熱水で加水分解する場合にセルロースは２４０〜３００℃程度の温度を必要とするのに比べ、ヘミセルロースは、セルロースより低温の２３０℃程度以下で容易に分解可溶化するので、加圧熱水反応装置１においてバイオマスを１５０〜２３０℃、好ましくは２００〜２３０℃で処理することによって、バイオマスに含まれるヘミセルロースが選択的に部分分解・可溶化してオリゴ糖を含む多糖類の含水液体となり、反応生成物は、ヘミセルロース由来のオリゴ糖を含む含水液体と、分解しないセルロース及びリグニンを含む固体残渣との混合物となる。反応槽１ｄの加圧熱水の供給形態は、連続通水式でも回分式でも良いが、加圧熱水が槽内に５〜１２０分程度滞留可能となるように構成する。上述の加圧熱水の供給の前に、１２０〜２００℃程度の加圧熱水を供給すると、リグニンを分離し易くなる。
【００２０】
加圧熱水反応装置１から排出される反応生成物は、固液分離器２に供給され、ヘミセルロース由来分解物の液状糖化物部分と、セルロース及びリグニンを含む固体残渣Ｓとに分離される。固体残渣Ｓは、冷却器３に供給された後に、酵素反応装置４及び第１触媒反応装置５によって処理される。液状糖化物部分は、ヘミセルロースの一次糖化液Ｈ１として第２触媒反応槽値７に供給される。
【００２１】
冷却器３は、加圧熱水反応後の高温の固体残渣Ｓを冷却して、後続の酵素反応に適した温度に調整し、概して５０〜１００℃程度迄冷却する。冷却器３において使用する冷媒から熱エネルギーを回収して加圧熱水反応装置１の水の加熱に利用可能にする熱交換器を設けると、エネルギー効率が改善される。
【００２２】
冷却器３によって適温に調整された固体残渣Ｓは、酵素反応装置４に供給される。酵素反応装置４は、攪拌機及び温度制御機構を備え、必要に応じて攪拌が可能なように水分量を調節した固体残渣Ｓに糖化酵素であるセルラーゼを添加・混合し、酵素が活性な温度に維持して攪拌することによって、セルラーゼの作用により固体残渣Ｓ’中のセルロースが加水分解し、セルロースの部分糖化物である懸濁態多糖やセロビオース（グルコースの２量体）を主とする分解生成物が一次糖化液Ｃ１として得られる。セルラーゼは、複数種の糖化酵素の集合体として一般的に知られており、主成分としてβ−グルカナーゼを含んでいる。β−グルカナーゼは、セルロースを不溶性の懸濁態多糖（水溶性オリゴ糖よりも重合度が大きい）や水溶性オリゴ糖（グルコースの２〜６量体）に加水分解する糖化酵素として知られている。一次糖化液Ｃ１は、水溶性オリゴ糖（主にセロビオース）及び水不溶性の懸濁態多糖を含んでおり、水溶性オリゴ糖の含水液体に懸濁態多糖が分散した流動液状である。懸濁態多糖は、セルロースの部分分解物で、具体的には、重合度７以上のグルコース重合体やグルコースの６量体であるセロヘキサオース結晶を含む懸濁粒子であり、後続の固体酸触媒反応によってグルコースに分解可能である。酵素反応装置４の温度は、使用する糖化酵素に応じて適正な酵素活性が得られるように至適ｐＨおよび至適温度４０〜９０℃程度の範囲で適宜調整する。酵素反応装置４の温度調節を容易にするためには、酵素反応装置４に導入される固体残渣Ｓの温度が９０〜１００℃程度であると好適であり、前段の冷却器３によって適宜調整する。耐熱性酵素を用いると、冷却器の冷却能を低減可能である。
【００２３】
尚、酵素反応装置４に供給する前の固体残渣Ｓに叩解処理を施して解繊・柔軟化すると、固体残渣の比表面積が増加して固体残渣Ｓの糖化が進行し易くなり、糖化酵素の使用量を削減することができ、後続する固体酸触媒反応も含めたセルロース系糖化プロセスにおける糖化効率が向上する。
【００２４】
酵素反応装置４において生成するセルロースの一次糖化液Ｃ１は、第１触媒反応装置５に供給される。必要に応じて、一次糖化液Ｃ１に残存し得る固体残渣（リグニン等）を除去するための手段として、ベルトプレス等の分離装置を第１触媒反応装置５の前段に設けても良い。第１触媒反応装置５は、温度制御機構を有する第１混合装置５ａと、第１固液分離装置５ｂとを備え、一次糖化液Ｃ１は、第１混合装置５ａにおいて９０℃以上１２０℃未満の温度で固体酸触媒Ｘと混合・攪拌される。一次糖化液Ｃ１のオリゴ糖及び懸濁態多糖は、固体酸触媒Ｘの作用によって加水分解されてグルコース（セルロースを構成する単糖）が生成し、反応生成物として、グルコースを主成分とする二次糖化液Ｃ２と固体酸触媒Ｘとの混合物が得られる。
【００２５】
第１混合装置５ａでの加水分解反応を終えた反応生成物は、第１固液分離装置５ｂに投入され、固液分離される。これにより、グルコースを主成分とする二次糖化液Ｃ２が上澄みとして分離されて、第１発酵装置６に送出される。沈降分離した固体酸触媒Ｘは回収した後、第１混合装置５ａに戻して再度使用される。第１固液分離装置５ｂは、一般的に沈殿槽として使用可能なものであればよい。
【００２６】
第１固液分離装置５ｂから第１発酵装置６に供給された二次糖化液Ｃ２は、発酵に適した条件となるように適宜水分量及びｐＨを調整し、発酵微生物を接種して発酵原液に調製し、発酵微生物の作用によってグルコースをエタノールに変換する。エタノール発酵に利用する発酵微生物としては、酵母等の公知のグルコース発酵能を有するエタノール発酵微生物を用いることができる。発酵微生物の繁殖・活動に必要な栄養源を添加することが好ましい。必要に応じて、発酵が進行し易い温度に保持するための温度制御機構を付設するとよい。
【００２７】
第１発酵装置５から排出される発酵生成物Ｆ１は、蒸留装置９に供給して蒸留することによって、精製エタノールが回収される。発酵生成物Ｆ１は固形物を含み、これを除去せずにそのまま蒸留しても良い。必要に応じて、発酵生成物Ｆ１から固形物（リグニン、発酵微生物等）を除去するための濾過装置を設けると、液状物のみを蒸留することができる。濾過等によって発酵生成物Ｆ１から分離される固形物は、バイオマスの糖化工程に導入しても良い。
【００２８】
一方、固液分離器２によって分離されたヘミセルロース由来の一次糖化液Ｈ１は、第２触媒反応装置７に供給される。必要に応じて、一次糖化液Ｈ１に混入し得る固形分散物（リグニン等）を除去するための分離装置を第２触媒反応装置７の前段に設けても良い。第２触媒反応装置７は、温度制御機構を有する第２混合装置７ａと、第２固液分離装置７ｂとを備え、一次糖化液Ｈ１は、第２混合装置７ａにおいて９０℃以上１２０℃未満の温度で固体酸触媒Ｘと混合・攪拌される。一次糖化液Ｈ１のヘミセルロース由来オリゴ糖は、固体酸触媒Ｘの作用によって加水分解されて、キシロースやアラビノース（ヘミセルロースを構成する五炭糖）等を含む単糖が生成し、これらを含む二次糖化液Ｈ２が得られるので、反応生成物は、キシロースを含む二次糖化液Ｈ２と固体酸触媒Ｘとの混合物となる。第２触媒反応装置７で使用する固体酸触媒Ｘは、第１触媒反応装置５で使用可能なものから同一又は異なるものを適宜選択して良い。
【００２９】
第２混合装置７ａでの加水分解反応を終えた反応生成物は、第２固液分離装置７ｂに投入され、投入された反応生成物中の固体酸触媒Ｘを沈降させることにより、上澄みとして二次糖化液Ｈ２が分離され、これは第２発酵装置８に送出される。沈降分離した固体酸触媒Ｘは回収した後、第２混合装置７ａに戻して再度使用される。第２固液分離装置７ｂは、一般的に沈殿槽として使用可能なものであればよい。
【００３０】
第２固液分離装置７ｂから第２発酵装置８に供給された二次糖化液Ｈ２は、発酵に適した条件となるように適宜水分量及びｐＨを調整し、発酵微生物を接種して発酵原液に調製し、発酵微生物の作用によってキシロース等をエタノールに変換する。使用する発酵微生物は、キシロース発酵能を有する微生物である。発酵微生物の繁殖・活動に必要な栄養源を添加することが好ましい。必要に応じて、発酵が進行し易い温度に保持するための温度制御機構を付設するとよい。
【００３１】
第２発酵装置７から排出される発酵生成物Ｆ２は、蒸留装置９に供給して蒸留することによって、精製エタノールが回収される。発酵生成物Ｆ２は固形物を含み、これを除去せずにそのまま蒸留しても良い。必要に応じて、発酵生成物Ｆ２から固形物（リグニン、発酵微生物等）を除去するための濾過装置を設けると、液状物のみを蒸留することができる。濾過等によって発酵生成物Ｆ２から分離される固形物は、バイオマスの糖化工程に導入しても良い。発酵生成物Ｆ２の蒸留は、第１発酵装置５から得られる発酵生成物Ｆ１と一緒に、又は、個別に行うことができる。
【００３２】
加圧熱水反応装置１の反応槽１ｄからは、ブロー水が排出される。又、第１発酵装置６及び第２発酵装置８からは、エタノール発酵の改訂で生じる水が排出される。これらの排水Ｄは、排水処理装置１０に供給されて適宜浄化処理を施した後に外部に排出される。
【００３３】
上述のように構成されるエタノール製造装置において実施されるエタノールの製造方法について以下に説明する。
【００３４】
原料として使用するバイオマスＢは、リグノセルロース系素材であれば良く、例えば、木材、間伐材、樹皮等の木質材や、稲藁、麦藁、籾殻等の草本類、パルプや廃棄紙、綿布、麻布、人工セルロース材等の繊維材が挙げられ、特に、ヘミセルロースを含む木質材等の植物性素材を効率的に糖化・発酵することができる。反応効率の観点から、このようなバイオマスＢを予め粒状又は粉状に粉砕しておくとよく、粒径５mm程度以下の粒子に調製すると好ましい。
【００３５】
加圧熱水反応装置１において、反応槽１ｄに、外部から原料として供給される一定量のバイオマスを収容し、制御装置１ｅから入力される温度制御信号によって加熱器１ｂを調節して、ポンプ１ａから流入する加圧水を１５０〜２３０℃程度、好ましくは１９０〜２１０℃程度に加熱して加圧熱水Ｗ’（圧力１．３〜１．９ＭＰａ程度の亜臨界状態の熱水）とし、水量調整弁１ｃを介してバイオマスを収容した反応槽１ｄに供給される。制御装置１ｅから入力される流量制御信号によって水量調整弁１ｃの開度を調節して、加熱器１ｂから反応槽１ｄへ供給される加圧熱水Ｗ’の流量を適正に調整する。加圧熱水をバイオマスに添加・作用させると、バイオマスに含まれるヘミセルロースが選択的に加水分解されて可溶化・液状化する。木質素材は、セルロースを主成分とし、ヘミセルロース及びリグニンを含むリグノセルロース系バイオマスであり、加圧熱水で加水分解する場合にセルロースは２４０〜３００℃程度の温度を必要とするのに比べ、ヘミセルロースは、セルロースより低温の１５０〜２３０℃程度で容易に分解可溶化するので、木質素材を加圧熱水反応装置によって処理した反応生成物は、ヘミセルロースが部分分解・可溶化したキシロオリゴ糖を含む多糖類の含水液体と、分解しないセルロース及びリグニンの固体残渣とを含む固液混合物となる。加圧熱水の供給形態は連続通水式でも回分式でも良いが、連続通水式の場合は、加圧熱水の槽内滞留時間が５〜１２０分程度となるように通水速度を調節し、１０〜１２０分程度反応させる。
【００３６】
加圧熱水反応装置１の反応生成物は、固液分離器２に供給されて、ヘミセルロース分解物の液体部分と、セルロース及びリグニンを含む固体残渣Ｓとに分離される。液体部分は、第２触媒反応装置７に供給され、固体残渣Ｓは、冷却器３に供給される。
【００３７】
冷却器３において、固液分離器２から供給される固体残渣Ｓは冷却され、後続の酵素反応に適した温度に調整される。酵素反応装置４の温度調節を容易にするためには、酵素反応装置４に導入される固体残渣Ｓの温度が５０〜１００℃程度であると好適であり、冷却器３によってこの範囲になるように適宜調整する。耐熱性酵素を用いると、冷却器の冷却能を低減可能である。
【００３８】
冷却器３によって温度を調整した固体残渣Ｓは、酵素反応装置４に供給されて、糖化酵素であるセルラーゼを含む水性液が添加・混合され、酵素が活性な温度に維持される。セルラーゼの作用によって固体残渣Ｓ’中のセルロースが分解し、セルロースの一次糖化液Ｃ１として、水溶性オリゴ糖であるセロビオース（グルコースの２量体）を主とする分解物が得られる。セルラーゼは、複数種の糖化酵素の集合体として一般的に知られており、主成分としてβ−グルカナーゼを含んでいる。β−グルカナーゼは、セルロースを水溶性オリゴ糖（グルコースの２〜６量体）に加水分解する糖化酵素として知られている。又、水溶性オリゴ糖の一部であるセロビオースは、セルラーゼに含まれるβ−グルコシダーゼによってグルコースに分解される。一次糖化液Ｃ１は、水溶性オリゴ糖及び水不溶性の懸濁態多糖を含んでおり、水溶性オリゴ糖の含水液体に懸濁態多糖が分散した流動液状である。懸濁態多糖は、セルロースの部分分解物であって、重合度７〜３０００のグルコース重合体やグルコースの６量体であるセロヘキサオースの結晶であり、後続の固体酸触媒反応によってグルコースに分解可能である。
【００３９】
酵素反応装置４で用いる糖化酵素は、市販品として入手可能な一般的な糖化酵素を使用でき、耐熱性酵素として市販されているものも使用可能である。通常の糖化酵素は、４０〜５０℃程度において酵素活性が最大になり、耐熱性酵素は、７０〜９０℃程度において酵素活性が最大になるので、酵素反応装置４の温度は、使用する糖化酵素に応じて適正な酵素活性が得られるように適宜調整する。耐熱性酵素を用いると、冷却器の冷却能を低減可能であり、又、酵素反応装置４の温度と第１混合装置５ａの温度とを近づけることができるので、温度調節におけるエネルギーの使用効率を改善できる。
【００４０】
酵素反応装置４における糖化酵素の使用量は、固体残渣Ｓの質量（乾燥）に対して、０．０２５〜０．１５ｇ／ｇ、好ましくは０．５〜０．１ｇ／ｇとなる割合に設定することができ、１２〜７２時間、好ましくは２４〜４８時間の反応によって未反応セルロースを実質的に消尽することができる。酵素反応の前の固体残渣に叩解処理を施して解繊・柔軟化すると、酵素反応において、セルロース１ｇ当たり０．２５ｇ以下の少ない酵素量を用いて１２時間程度以内に酵素分解を終了することができ、後続の固体酸触媒反応によって一次糖化液Ｃ１の懸濁態多糖から単糖化される量が増加して単糖回収率が高まる。
【００４１】
酵素反応装置４において生成するセルロースの一次糖化液Ｃ１は、第１混合装置５ａにおいて９０℃以上１２０℃未満の温度で固体酸触媒Ｘと混合・攪拌すると、一次糖化液Ｃ１のオリゴ糖及び懸濁態多糖は、固体酸触媒Ｘの作用によって良好に加水分解されてグルコース（セルロースを構成する単糖）が生成し、グルコースを主成分とする二次糖化液Ｃ２が得られる。使用する固体酸触媒Ｘとしては、ゼオライト、アルミナ、シリカ等の無機固体酸や、樹脂等の有機素材のスルホン化処理等によって酸性基を導入したもの等が挙げられ、接触表面積を多くするために粉末状又は粒子状の固体酸触媒が用いられる。本発明においては、有機炭素材を炭化処理した後にスルホン化処理したスルホン化カーボン系のものが好ましい。スルホン化カーボン系固体酸触媒は、木質類又は草本類等の有機炭素材を窒素等の不活性ガス雰囲気下で加熱処理することにより得られるアモルファス状の黒色固体（炭化物）を濃硫酸または発煙硫酸中で加熱処理して炭化物の骨格にスルホン基を付加し、熱水洗浄することによって得られる。炭化とスルホン化を同時に行ってもよく、炭化及びスルホン化の処理温度は、用いる有機物の種類によって適宜選択される。固体酸触媒Ｘの使用量は、一次糖化液Ｃ１に対して５〜３０質量％が好ましい。反応時間は、概して２〜１０時間程度であればよい。
【００４２】
第１混合装置５ａでの加水分解反応を終えた反応生成物は、第１固液分離装置５ｂに供給され、反応生成物中の固体酸触媒Ｘを沈降させる。上澄みとしてグルコースを主成分とする二次糖化液Ｃ２が分離されて、第１発酵装置６に送出され、沈降分離した固体酸触媒Ｘは回収した後、第１混合装置５ａに戻して再度使用される。
【００４３】
第１固液分離装置５ｂから第１発酵装置６に供給された二次糖化液Ｃ２は、発酵に適した条件となるように適宜水分量及びｐＨを調整し、発酵微生物を接種して発酵原液に調製し、発酵微生物の作用によってグルコースをエタノールに変換する。エタノール発酵に利用する発酵微生物としては、酵母等の公知のエタノール発酵微生物を用いることができ、例えば、サッカロミセス・セルビシエ、シゾサッカロミセス・ポンベ、ブレタノミセス・クステルシィ、サルシナ・ベントリクリ、クリュイベロミセス・フラジリス、ザイモモナス・モビリス、クルイベロミセス・マルキシアヌス等が挙げられる。また、エタノールへの変換能を有する酵素遺伝子を遺伝子組換えにより導入した細菌を利用してもよい。凝集性酵母を用いると、沈降性がよいので、発酵後の固液分離において好都合であり、酵母が周囲の微生物群の加水分解酵素によって分解されたアミノ酸等を栄養源として利用する上で有利な形態でもあるので、発酵効率の向上にも有用である。発酵の際、発酵微生物の繁殖・活動に必要な栄養源を添加し、至適ｐＨに調整することが好ましい。酵母が活動・増殖するためには、リン、窒素、ビタミン類等の必須栄養素や、Ｃｏ，Ｎｉ，Ｚｎ等の要求微量元素が必要であり、また、バイオマスエタノールの生産に使用される酵母は、ビタミン又はアミノ酸等の合成能力が低いか、或いは、欠如している場合がある。このような必要成分を外部から添加する発酵微生物の栄養源として、酵母エキス、ポリペプトンなどが一般的に使用できる。或いは、茶殻やコーヒー殻等の植物性廃棄物や藻類の破砕物を利用しても良く、これらの細胞原形質に含まれる成分を上記栄養源として利用できる。
【００４４】
上記発酵原液の糖化物（グルコース）濃度は、１〜２０質量％程度、好ましくは１０質量％程度となるように調整する。微生物用栄養源の添加量（乾燥物換算）は、発酵微生物の種類等に応じて適宜調節され、概して０．１〜１質量％程度、好ましくは０．２〜０．５質量％程度に設定するとよい。発酵原液のｐＨは、２．５〜５．５程度、好ましくは３．０〜５．５程度に調整し、発酵微生物を１〜３０ｇ／Ｌ程度の割合で接種して、温度３０〜３７℃程度に２〜４８時間程度保持することによって発酵が進行する。例えば、グルコース濃度が１０質量％程度の発酵原液を用いて、２０〜２５ｇ-エタノール／（Ｌ・ｈ）程度の速度でエタノールを生産することができる。
【００４５】
上述のようにして第１発酵装置５における発酵を経た発酵生成物Ｆ１は、必要に応じて、発酵生成物Ｆ１から固形物（リグニン、発酵微生物等）を濾過等によって除去した後に、蒸留装置９において蒸留することによってエタノールが回収される。発酵生成物Ｆ１から固形分を除去せずにそのまま蒸留しても良い。発酵生成物Ｆ１から分離される固形物は、バイオマスの糖化工程に導入しても良い。
【００４６】
一方、固液分離器２によって分離されたヘミセルロース由来の一次糖化液Ｈ１は、第２触媒反応装置７に供給され、第２混合装置７ａにおいて９０℃以上１２０℃未満の温度で固体酸触媒Ｘと混合・攪拌される。一次糖化液Ｈ１のヘミセルロース由来オリゴ糖や部分分解物である多糖は、固体酸触媒Ｘの作用によって加水分解されて、キシロースやアラビノース（ヘミセルロースを構成する五炭糖）等を含む単糖が生成し、これらを含む二次糖化液Ｈ２が得られる。後続の第２発酵装置７での発酵におけるエタノール生産効率の低下を抑制するために、９０〜１１０℃、特に１００℃付近の温度で固体酸触媒反応を行うことが好ましい。１２０℃以上の温度においてはキシロースの分解が進行し易くなる。第２触媒反応装置７で使用する固体酸触媒Ｘは、第１触媒反応装置５で使用可能なものから同一又は異なるものを適宜選択でき、木質類又は草本類を炭化処理した後にスルホン化処理によって得られるスルホン化炭素材の使用が好ましい。固体酸触媒Ｘの使用量についても、第１触媒反応装置５と同様に、一次糖化液Ｈ１に対して５〜３０質量％が好ましく、反応時間は、概して１〜５時間程度であればよい。
【００４７】
第２混合装置７ａでの加水分解反応を終えた反応生成物は、第２固液分離装置７ｂに投入され、反応生成物中の固体酸触媒Ｘを沈降させ、上澄みとして二次糖化液Ｈ２が分離される。これは、第２発酵装置８に送出される。沈降分離した固体酸触媒Ｘは回収した後、第２混合装置７ａに戻して再度使用される。二次糖化液Ｈ２は、キシロースを主成分とする単糖液である。
【００４８】
第２固液分離装置７ｂから第２発酵装置８に供給された二次糖化液Ｈ２は、発酵に適した条件となるように適宜水分量及びｐＨを調整し、発酵微生物を接種して発酵原液に調製し、発酵微生物の作用によってキシロース等をエタノールに変換する。キシロース発酵能を有する微生物には、Pichia、リゾプス属糸状菌（Rhizopus oryzae）等がある。キシロース発酵酵母は、グルコースの存在下ではキシロースの発酵速度が減退し易いが、キシロース発酵能を有する遺伝子組み換え酵母を用いると、セミヘルロースの二次糖化液Ｈ２からエタノールを生成する効率を改善できる。特に、染色体組み込みによってＸＲ遺伝子（キシロースからキシリトールへの変換反応を触媒する酵素をコードする遺伝子）、ＸＤＨ遺伝子（キシリトールからキシルロースへの変換反応を触媒する酵素をコードする遺伝子）及びＸＫ遺伝子（キシロース及びＡＴＰからキシルロース５リン酸及びＡＤＰへの変換反応を触媒する酵素をコードする遺伝子）が導入された遺伝子組み換え酵母は、グルコース共存下でキシロースを良好に発酵することができる。このような遺伝子組み換え酵母は、例えば、工業株IR-2株（FERM BP-754号）、Type-II株（パン酵母）や焼酎３号株（協会系酵母）、実験株D452-2株、INVSc1株等の酵母を宿主生物として、一般的な分子生物学的手法に従って上記遺伝子を組み込んだベクターを用いて宿主生物を形質転換することによって得られ（米国特許公開公報US 2011/0027847A1参照）、或いは、独立行政法人産業技術総合研究所によって提供される遺伝子組み換え酵母（N-WT株、N-ARSｄR株、R-WT株、R-ARSｄR株）として入手可能である。サッカロミセス属酵母424A（LNH-ST）株（Purdue大学Ho博士らによる）もグルコース共存下でキシロースを良好に発酵する。凝集性酵母を用いると、沈降性がよいので、発酵後の固液分離において好都合であり、酵母が周囲の微生物群の加水分解酵素によって分解されたアミノ酸等を栄養源として利用する上で有利な形態でもあるので、発酵効率の向上にも有用である。
【００４９】
二次糖化液Ｈ２の発酵反応は、発酵原液のキシロースの濃度を０．１〜２０％、好ましくは０．５〜１０％程度に調整し、ｐＨを３．０〜７．６、好ましくは５．０〜６．０に調節して、２５〜３８℃程度、好ましくは２７〜３３℃程度の温度で嫌気性条件下で行うと良い。前述したような外部から添加する発酵微生物の栄養源として、酵母エキス、ポリペプトンなどを必要に応じて適宜使用するとよく、１％程度の酵母エキスを加えると好適である。発酵反応は、４８時間程度以上で終了する。
【００５０】
キシロース発酵能を有する酵母による発酵におけるエタノールの収率は、グルコースからの収率の方がキシロースからの収率より高く（図２参照）、発酵速度についても、グルコースの消費速度よりキシロースの消費速度が遅いが、純粋なキシロースであれば数時間程度で終了し、グルコースの共存によって多少遅くなる。セルロース系バイオマスから生成するヘミセルロース系糖化液には、その他の副生成物が存在し、その量が多いと、更にキシロース発酵速度を低下させ、発酵副産物も増加するが、糖化反応の条件（加圧熱水反応及び固体酸触媒反応）における条件を前述のように設定することで、キシロースの分解等による副生成物の増加が防止され、キシロース発酵の阻害による速度低下が抑制される。
【００５１】
上述のようにして第２発酵装置７における発酵を経た発酵生成物Ｆ２は、必要に応じて、発酵生成物Ｆ２から固形物（リグニン、発酵微生物等）を濾過等によって除去した後に、蒸留装置９において蒸留することによって精製エタノールが回収される。発酵生成物Ｆ２から固形分を除去せずにそのまま蒸留しても良い。発酵生成物Ｆ２から分離される固形物は、バイオマスの糖化工程に導入しても良い。発酵生成物Ｆ２の蒸留は、第１発酵装置５から得られる発酵生成物Ｆ１と一緒又は個別に行うことができる。
【００５２】
固体酸触媒には、粉末状やペレット状のものがあり、第１触媒反応装置５及び第２触媒反応装置７でペレット状のものを用いる場合には、液体が容易に流通するメッシュ製等の透過性容器内に固体酸触媒を保持して一次糖化液Ｈ１，Ｃ１中に浸漬固定し、一次糖化液を流動させて固体酸触媒ペレット間を一次糖化液が流通するように構成することができる。このような固定床型固体酸触媒を採用することで、第１触媒反応装置及び第２触媒反応装置における固液分離に関する装置構成を簡略化することができる。
【００５３】
固体酸触媒反応におけるキシロース生成速度定数及びキシロース分解速度定数と温度との関係に関し、キシロース生成速度定数は、約８０℃以上において急激に増大し、９０℃程度以上において固体酸触媒反応が良好に進行する。一方、キシロース分解速度定数は、１００℃を超えると徐々に増加し始める。このため、キシロースの分解を抑制して副生成物による発酵阻害を抑制するために、固体触媒反応の温度設定は重要である。
【００５４】
また、第１発酵装置６及び第２発酵装置８の各々において、発酵微生物として、クロストリジウム・アセトブチリカム、クロストリジウム・ベイジェリンキ、クロストリジウム・オーランチブチリカム、クロストリジウム・テタノモーファム等の微生物を利用すると、発酵によってブタノール等のアルコールやアセトンの製造が可能であり、エタノール以外の有用アルコール類、ケトン類の製造に応用することができる。同様に、ヒドロキシメチルフルフラールやフルフラール等の生成にも応用可能である。
【実施例１】
【００５５】
（草本系バイオマスの加圧熱水反応）
草本系バイオマスとして、スイートソルガムバガス（含水率３０質量％）３００ｇを細かく粉砕したものを用意し、バッチ式の加圧熱水反応装置（オーエムラボテック社製ＯＭＬ−５）に充填して、２００℃の加圧熱水３Ｌを供給して２０分間反応させた。反応生成物を加圧熱水反応装置から取り出し、３０００Ｇの遠心力を加えて１５分間遠心分離することによって、ヘミセルロース由来の一次糖化液２１３４ｇと、セルロースを含む固体残渣（含水率８４．３２質量％）１２７．５５ｇとを得た。
【００５６】
（一次糖化液の固体酸触媒反応ａ）
アモルファス状炭化物をスルホン化したカーボン系固体酸触媒７５ｇを用意し、上述の加圧熱水反応を行って得られた一次糖化液５００ｇに加えて温度を９０〜１００℃に保持し、攪拌装置を用いて速度１０rpmで攪拌することによって固体酸触媒反応を２時間行った。固体酸触媒を沈降除去して、４００ｇのヘミセルロース由来の二次糖化液ａを得た。二次糖化液ａに含まれるキシロース及びグルコースをＨＰＬＣ分析により定量したところ、キシロース濃度は０．７５質量％、グルコース濃度は０．３６質量％であった。
【００５７】
（二次糖化液の発酵反応ａ）
上記で得られた二次糖化液ａに水を加えてキシロースの濃度を１０％程度に調整し、ｐＨを６．０に調節して、発酵微生物としてサッカロマイセス属酵母（米国特許公開公報2011/0027847A1参照、IR-2株に補酵素特異性を改良した酵素の遺伝子を導入したMA-R4株）を接種し、窒素雰囲気下で３０℃程度に保持して発酵を４８時間行った。
【００５８】
発酵後の液体から微生物を含む固形分を除去して、液中に含まれるキシロース、グルコース及びエタノールをＨＰＬＣ分析により定量したところ、キシロース濃度は０質量％、グルコース濃度は０質量％、エタノール濃度は０．４質量％であった。
【００５９】
（発酵途中の経過）
上述の二次糖化液の発酵反応ａにおいて、発酵開始後１２時間において発酵液をサンプリングして、キシロース、グルコース及びエタノールを定量したところ、キシロース濃度：０．２５質量％、グルコース濃度：０質量％、エタノール濃度：０．３６質量％であった。
【実施例２】
【００６０】
図２に示される、発酵原液のキシロース比と発酵後のエタノール収率との関係は、以下の操作に従って得たものである。
【００６１】
実施例１と同様の操作に従って、草本系バイオマスからヘミセルロース由来の二次糖化液を調製し、含まれるキシロース及びグルコースの割合を調べたところ、試料(１)は０．６７、試料(２)は０．６６、試料(３)は０．４７であった。
【００６２】
上述で得た試料(１)〜(３)の二次糖化液、及び、精製単糖の試料として、市販のグルコース試薬（試料(４)）、キシロース試薬（試料(５)）、及び、グルコース試薬とキシロース試薬とを混合したキシロースの比率が０．６８の混合物（試料(６)）を用意した。
【００６３】
試料(１)〜(６)の各々について、水を加えて単糖濃度を１０％程度に調整し、ｐＨを６．０に調節して発酵原液とし、実施例１と同様にして窒素雰囲気下で発酵を４８時間行った。この間に、発酵中の液体をサンプリングして、液中に含まれるキシロース、グルコース及びエタノールをＨＰＬＣ分析により定量し、各成分量の経時変化を調べた。その結果を図３の（ａ）〜（ｆ）に示す。これらの結果を用いて、各試料の発酵原液のキシロース比と、発酵終了時のエタノール収率との関係を調べたものが図２のグラフである。
【産業上の利用可能性】
【００６４】
本発明は、植物性廃棄物をバイオマスとしてバイオマスエタノールを生産する際に、木質材等に含まれるヘミセルロースを効率よく糖化・発酵してエタノールに変換でき、食物価格の高騰の虞がない資源を利用して経済的且つ合理的に処理できるので、廃棄物処理及び資源の生産に寄与し、リサイクルの促進及び環境保護、エネルギー問題の解消にも貢献可能であるので、有用性が高い。
【符号の説明】
【００６５】
Ａ：エタノール製造装置、  １：加圧熱水反応装置、  １ａ：ポンプ、
１ｂ：加熱器、  １ｃ：水量調整弁、  １ｄ：反応槽、  １ｅ：制御装置、
２：固液分離器、  ３：冷却器、  ４：酵素反応装置、  ５：第１触媒反応装置、
５ａ：第１混合装置、  ５ｂ：第１固液分離装置、  ６：第１発酵装置、
７：第２触媒反応装置、  ７ａ：第２混合装置、  ７ｂ：第２固液分離装置、
８：第２発酵装置、  ９：蒸留装置、  １０：排水処理装置、
Ｂ：バイオマス、  Ｅ：エタノール、  Ｗ：水、  Ｗ’：加圧熱水、
Ｘ：固体酸触媒、  Ｓ，Ｓ’：固体残渣、  Ｈ１，Ｃ１：一次糖化液、
Ｈ２，Ｃ２：二次糖化液、  Ｆ１，Ｆ２：発酵生成物、  Ｄ：排水。
【図１】
2015084650.tif 000003
【図２】
2015084650.tif 000004
【図３】
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