(57)【要約】【課題】草本系バイオマス又は木質系バイオマス中に含まれる、エタノール製造の原料として利用できる糖成分を十分有効に利用する。【解決手段】草本系バイオマス及び/又は木質系バイオマスをアルカリ溶液に接触させるアルカリ処理工程、上記アルカリ処理工程の後の溶液又はスラリーに酸を加えてpHを調整する工程、pH調整後の溶液又はスラリーにアミラーゼを作用させ当該溶液又は当該スラリーに含まれるデンプンを加水分解するアミラーゼ処理工程を含む。【選択図】図１
2015139380.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
草本系バイオマス及び/又は木質系バイオマスをアルカリ溶液に接触させるアルカリ処理工程と、
上記アルカリ処理工程の後の溶液又はスラリーに酸を加えてpHを調整するpH調整工程と、
pH調整後の溶液又はスラリーにアミラーゼを作用させ当該溶液又は当該スラリーに含まれデンプンを加水分解するアミラーゼ処理工程とを含む、糖又はエタノールの製造方法。
【請求項２】
上記アルカリ処理工程の後で上記pH調整工程の前、アルカリ処理後のスラリーを固液分離する固液分離工程を更に含み、
上記固液分離工程により得られた液分をアルカリ処理工程のアルカリ溶液として繰り返し使用することを特徴とする請求項１記載の糖又はエタノールの製造方法。
【請求項３】
上記アミラーゼ処理工程では、上記アルカリ処理工程の後の固形成分をセルラーゼにより加水分解するセルラーゼ処理を同一反応系として行うことを特徴とする請求項１記載の糖又はエタノールの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、草本系バイオマス又は木質系バイオマス中を原料として糖を製造する方法及び製造された糖からエタノールを製造する方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、化石資源に依存しないカーボンニュートラルな液体燃料としてバイオエタノールが注目されており、様々なバイオマスを対象としたエタノールの製造技術が提案されている。
【０００３】
バイオマス中のセルロースからエタノールを製造する際には、バイオマスに含まれるセルロースやヘミセルロースを加水分解して、単糖やオリゴ糖に糖化する。草本系・木質系バイオマスに含まれるセルロースやヘミセルロースの糖化方法として、セルラーゼ等の加水分解酵素を利用する酵素法が知られている。酵素法においては、草本系・木質系バイオマスに含まれるセルロースやヘミセルロースを酵素により加水分解する前に、草本系・木質系バイオマスをアルカリ溶液に浸漬する処理（アルカリ処理）を施すことがある。このアルカリ処理によれば、草本系・木質系バイオマスの構造を緩和して、草本系・木質系バイオマスに含まれるセルロースやヘミセルロースに対して加水分解酵素が効果的に作用し、糖化効率を向上させることができる。
【０００４】
例えば、特開２０１２−８５５４４号公報（特許文献１）には、稲わらなどの草本系バイオマスをペレット化し、ペレット化された草本系バイオマスを水酸化ナトリウムなどのアルカリ溶液と混合するアルカリ処理工程を含む、バイオマスを原料としたエタノール製造方法が開示されている。この方法では、アルカリ処理において、アルカリ溶液量に対する草本系バイオマスのペレット量を５〜２０％としている。また、この方法ではアルカリ処理の後、草本系バイオマスを含むアルカリ溶液に、硫酸などの酸を添加して中和した後、セルラーゼ等の加水分解酵素を作用させ、草本系バイオマス中のセルロースを単糖まで分解している。
【０００５】
特開２０１２−８５５４４号公報（特許文献１）には、さらに、アルカリ溶液の酸による中和に先立ってアルカリ溶液を固液分離して固体成分を回収し、その後、固体成分を酸性溶液に浸漬して中和してもよいことが開示されている。また、特開２０１２−８５５４４号公報（特許文献１）には、アルカリ処理後の草本系バイオマスを原料としてセルラーゼ生成菌とエタノール発酵菌とを同一の系で作用させ、セルラーゼ生成菌による糖化とエタノール発酵菌によるエタノール生成と同時に行うことで（同時糖化発酵、同時発酵とも称す）、エタノールを生成してもよいということが開示されている。
【０００６】
また、例えば、特開２０１１−４７３０号公報（特許文献２）には、粉砕したリグノセルロース系バイオマスを水酸化カルシウム溶液で混合することでスラリーを調製してアルカリ処理を行い、その後二酸化炭素を通気すること及び/又は加圧することによって中和し、ｐＨを５〜７に低下させる方法が開示されている。特開２０１１−４７３０号公報（特許文献２）には、アルカリ処理に使用した水酸化カルシウムを中和する際に二酸化炭素を使用するため、中和によって生成する炭酸カルシウムの溶解性が極めて低く、反応系内に残存しても酵素反応や微生物発酵時の塩阻害の原因となりにくいことが指摘されている。
【０００７】
さらに、特表２０１３−５１５４８４号公報（特許文献３）には、アンモニアで前処理したバイオマスを、セルラーゼやアミラーゼ等の糖化酵素とザイモモナス属微生物等のエタノール生産菌とにより同時糖化発酵させる方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１２−８５５４４号公報
【特許文献２】特開２０１１−４７３０号公報
【特許文献３】特表２０１３−５１５４８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上述したような従来公知の技術では、バイオマスを構成する各種糖成分のうちエタノール製造の原料として利用できる糖成分を十分有効に利用しておらず、バイオマス量あたりのエタノール生産量が少ないといった問題があった。そこで、本発明は、草本系バイオマス又は木質系バイオマス中に含まれる、エタノール製造の原料として利用できる糖成分を十分有効に利用することで、バイオマス量あたりのエタノール生産量（エタノール収率）を大幅に向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上述した目的を達成するため本発明者らが鋭意検討した結果、アルカリ溶液を用いて草本系バイオマス又は木質系バイオマスをアルカリ処理した後、溶液には糊化したデンプンが含まれており、これをエタノール製造に有効利用できることを見いだし、本発明を完成するに至った。
【００１１】
本発明に係る糖又はエタノールの製造方法は、草本系バイオマス及び/又は木質系バイオマスをアルカリ溶液に接触させるアルカリ処理工程、上記アルカリ処理工程の後の溶液又はスラリーに酸を加えてpHを調整する工程、pH調整後の溶液又はスラリーにアミラーゼを作用させ当該溶液又は当該スラリーに含まれるデンプンを加水分解するアミラーゼ処理工程を含む。
【００１２】
本発明に係る糖又はエタノールの製造方法では、上記アルカリ処理工程の後に固液分離して得られた溶液に酸を加えてpHを調整しても良いし、上記アルカリ処理工程の後に固液分離することなくスラリーに酸を加えてpHを調整しても良い。また、本発明に係る糖又はエタノールの製造方法では、上記アルカリ処理工程の後に固液分離して得られた溶液を、再度、アルカリ処理工程のアルカリ溶液として繰り返し使用し、所定の繰り返し回数で使用した溶液に酸を加えてpHを調整しても良い。なお、このとき、上記アルカリ処理工程の後に固液分離して得られた溶液にアルカリを補充し、アルカリを補充した溶液を次のアルカリ処理工程に使用することが好ましい。
【００１３】
上記pH調整を行った、溶液、スラリー、所定の繰り返し回数で使用した溶液、いずれもアミラーゼ処理工程において、アミラーゼを作用させてデンプンを加水分解し、糖を得ることができる。
【００１４】
また、本発明に係る糖又はエタノールの製造方法では、上記アルカリ処理工程の後の固形分をセルラーゼと接触させて当該固形分由来の糖成分を得る工程を更に含んでいても良い。このとき、上記アルカリ処理工程の後に固液分離して得られる固形分に酸を加えてpHを調整後にセルラーゼを接触させて糖成分を得ても良いし、上記アルカリ処理工程の後に固液分離することなく酸を加えてpHを調整後にセルラーゼを接触させて糖成分を得ても良い。
【００１５】
一方、本発明に係る糖又はエタノールの製造方法では、上記アミラーゼ処理工程で得られた糖成分を利用したアルコール発酵によりエタノールを生成する発酵工程を更に含むことができる。なお、このエタノールを生成する発酵工程では、上記アルカリ処理工程の後の固形成分をセルラーゼにより加水分解して得られた糖成分もアルコール発酵の原料とすることができる。
【００１６】
また、特に、本発明に係る糖又はエタノールの製造方法では、上記アルカリ処理工程の後の固形成分をセルラーゼにより加水分解するセルラーゼ処理工程と、セルラーゼ処理により得られた糖成分及び上記アミラーゼ処理工程で得られた糖成分を利用した上記発酵工程とを同時に（換言すると同一反応系で）行い、エタノールを生成することができる。さらに、本発明に係る糖又はエタノールの製造方法では、上記アルカリ処理工程の後の固形成分をセルラーゼにより加水分解するセルラーゼ処理工程と、上記アミラーゼ処理工程と、セルラーゼ処理により得られた糖成分及び上記アミラーゼ処理工程で得られた糖成分を利用した上記発酵工程とを同時に（換言すると同一反応系で）行い、エタノールを生成することができる。
【００１７】
なお、本発明に係る糖又はエタノールの製造方法において、草本系バイオマス又は木質系バイオマスのアルカリ処理に用いたアルカリ溶液にはリグニンやデンプン、オリゴ糖などが溶出しており、アルカリ溶液をアルカリ処理にリサイクルする回数が多いほど、アルカリ溶液中のリグニンやデンプン、オリゴ糖などの濃度が高くなる。リグニンは燃料としての利用が可能であり、デンプン及びオリゴ糖は単糖に分解することで酵母などの微生物によりエタノール製造の原料として利用できる。しかるに、リグニンが存在すると、セルラーゼによりオリゴ糖を酵母などの微生物が利用しやすい単糖に分解することが困難であるが、本発明の好ましい実施態様によれば、アルカリ処理工程にリサイクルして、草本系バイオマス又は木質系バイオマスのアルカリ処理に所定回数にわたって用いたアルカリ溶液に酸を添加して例えばpHを６以下にし、酸不溶性のリグニンを析出させて分離し、リグニンを回収するように構成されている。
【００１８】
本発明のさらに好ましい実施態様においては、析出したリグニンを分離した後のデンプン及びオリゴ糖が溶出した液を酵素が供給される糖化槽に供給して、デンプン及びオリゴ糖を単糖化し、得られた単糖を酵母が存在する発酵槽に供給して、発酵させて、エタノールを生成し、又は、酵素及び酵母が存在する同時糖化発酵槽に供給して、単糖化して、発酵させ、エタノールを生成するように構成されている。
【００１９】
本発明において、アルカリ物質はとくに限定されるものではなく、たとえば、水酸化ナトリム、水酸化カルシウムなどの他のアルカリ物質を用いることができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、草本系バイオマス又は木質系バイオマス中に含まれる、エタノール製造の原料として利用できる糖成分を十分有効に利用することで、バイオマス量あたりのエタノール生産量（エタノール収率）を大幅に向上することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明に係る糖又はエタノールの製造方法を適用したシステムの一形態を模式的に示す構成図である。
【図２】本発明に係る糖又はエタノールの製造方法を適用したシステムの他の形態を模式的に示す構成図である。
【図３】本発明に係る糖又はエタノールの製造方法を適用したシステムの更に他の形態を模式的に示す構成図である。
【図４】本実施例で行った糖化試験におけるグルコース濃度の経時変化を示す特性図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本発明に係る糖又はエタノールの製造方法とは、草本系バイオマス又は木質系バイオマス（以下、単にバイオマスと称する場合もある）を原料として糖を製造する、或いは草本系バイオマス又は木質系バイオマスを原料として製造した糖からエタノールを製造する方法を含む意味である。本発明に係る糖又はエタノールの製造方法を適応したシステムを図１に模式的に示す。図１に示すように、本システムは、バイオマスに対するアルカリ処理を行うアルカリ処理槽１と、アルカリ処理槽１でアルカリ処理したバイオマスに対して固液分離を行う固液分離装置２と、固液分離装置２で分離された液分（溶液）に酸を加えて所定のpHとするpH調整槽３と、pH調整槽３にて所定のpHとされた溶液に対してアミラーゼ処理を行うアミラーゼ処理槽４と、固液分離装置２で分離された固形分に酸を加えて所定のpHのスラリーとするpH調整槽５と、pH調整槽５にて所定のpHとされたスラリーとアミラーゼ処理槽４でアミラーゼ処理された溶液とセルラーゼとアルコール発酵能を有する微生物とを利用して糖化とアルコール発酵とを行う同時糖化発酵槽６とを備える。
【００２３】
特に、図１に示したシステムでは、固液分離装置２で分離された溶液をアルカリ処理槽１に戻し、再び、アルカリ処理槽１におけるアルカリ処理に使用することができる。言い換えると、図１に示したシステムでは、通常バッチ処理で行われるアルカリ処理及びその後の固液分離において、所定のバッチで得られた液分（溶液）を当該所定のバッチより後のバッチで再利用することができる。固液分離で得られた液分を再利用する際、所望のアルカリ濃度となるようにアルカリを補充することができ、アルカリを補充した液分をアルカリ処理槽１に供給してアルカリ処理を行うことができる。なお、固液分離により得られた液分の再利用回数は特に限定されない。
【００２４】
ここで、草本系バイオマスとは、原料として草本類を主成分とするものを意味する。草本系バイオマスとしては、特に限定されるものではなく、例えば、草本自体、草本の一部、草本の処理物、又は草本由来の生成物等を挙げることができる。より具体的に、草本系バイオマスとしては、稲、麦、バガス、竹、コーンストーバー、スイッチグラス、芝、籾殻、各種雑草、大豆皮等を挙げることができる。草本系バイオマスは、１種類の草本類からなるものであってもよいし、複数種の草本類からなるものであってもよい。なお、草本系バイオマスとしては、原料である草本類に対して所望の圧力を付加することで所定の形状に成形したペレットを使用しても良い。
【００２５】
また、木質系バイオマスは、木質資源であれば特に限定されるものではなく、例えば建設廃木材、廃梱包材、伐採材、おが屑、間伐材、木材チップ、稲わら、樹皮、林地残材、未利用樹、背板などが挙げられる。木質系バイオマスは、１種類の木質資源からなるものであってもよいし、複数種の木質資源からなるものであってもよい。
【００２６】
ところで、本発明に係る糖又はエタノールの製造方法は、図２に模式的に示したようなシステムとすることもできる。図２に示すシステムでは、pH調整槽５において固形分に酸を加えて所定のpHのスラリーとした後、得られたスラリーに対して固液分離するものである。すなわち、図２に示すシステムは、pH調整槽５においてpH調整した後のスラリーについて固液分離する固液分離装置７を備えている。図２に示したシステムでは、固液分離装置７で分離した固形分を同時糖化発酵槽６に供給するとともに、固液分離装置７で分離した液分をpH調整槽５に戻して再利用する。
【００２７】
以上のように図１又は図２に示すように構成されたシステムでは、草本系バイオマス及び/又は木質系バイオマスに対してアルカリ処理した後、液分に含まれるデンプンをアミラーゼにより加水分解している。すなわち、本システムによれば、原料のバイオマスに含まれるデンプンを糖化することで、デンプンに由来する糖を有効に利用することができる。本システムでは、バイオマスに含まれるデンプンをアルカリ処理により糊化しているため、糊化のために加熱処理等を必要とせず、デンプンを加水分解することができる。
【００２８】
このように、図１又は図２に示すように構成されたシステムでは、デンプンに由来する糖、すなわちα-グルコースを炭素源として同時糖化発酵を行うことができる。これにより、同時糖化発酵開始時の糖濃度が高くなり、アルコール発酵能を有する微生物による発酵の立ち上がりを早くすることができる。また、図１又は図２に示すように構成されたシステムでは、セルロースに由来する糖に加えて、デンプンに由来する糖をアルコール発酵の炭素源として利用することができる。その結果、同時糖化発酵を短時間で行うことができ、さらにバイオマスの単位重量あたりのエタノール収率も向上することとなるため、エタノール製造のコストを大幅に削減することができる。
【００２９】
また、図１又は図２に示すように構成されたシステムでは、アルカリ処理後に固液分離して液分（アルカリ溶液）を再利用している。このように、アルカリ処理後に固液分離して得られる液分を再利用することによって、液分に含まれるデンプン成分を濃縮することができる。なお、このとき固液分離装置２によって固液分離された液分に含まれるアルカリ濃度は、アルカリ処理槽１においてアルカリ処理を行うために必要な濃度よりも低く、また溶液量そのものが少ない。したがって、本システムでは、アルカリ処理に必要な量及び/又はアルカリ濃度となるように、リサイクルする液分にアルカリを補充している。これにより、バイオマスをアルカリ処理するに際して使用するアルカリ量を、アルカリ溶液の再利用を行わない従来方法に比して低減することができる。
【００３０】
ところで、本発明に係る糖又はエタノールの製造方法は、図１及び２に示したように、アルカリ処理後のバイオマスを液分と固形分とに固液分離するものに限定されるものではない。すなわち、例えば、図３に示すように、本発明に係る糖又はエタノールの製造方法は、アルカリ処理槽１と、アルカリ処理槽１にてアルカリ処理した後、固形分としてバイオマスと液分としてアルカリ溶液を含むスラリーのpHを調整するpH調整槽８と、pH調整槽８において所定のpHとしたスラリーが投入され、セルラーゼ及びアミラーゼ（同時糖化発酵の場合には更にアルコール発酵能を有する微生物）により糖化する（同時糖化発酵の場合にはアルコール発酵）酵素糖化槽９（同時糖化発酵の場合には同時糖化発酵槽９）とを備えるシステムとしてもよい。
【００３１】
図３に示したシステムであっても、草本系バイオマス及び/又は木質系バイオマスに対してアルカリ処理した後、液分に含まれるデンプンをアミラーゼにより加水分解している。すなわち、図３に示したシステムによれば、原料のバイオマスに含まれるデンプンを糖化することで、デンプンに由来する糖を有効に利用することができる。図３に示したシステムにおいても、バイオマスに含まれるデンプンをアルカリ処理により糊化しているため、糊化のために加熱処理等を必要とせず、デンプンを加水分解することができる。よって、図３に示すように構成されたシステムもまた、セルロースに由来する糖に加えて、デンプンに由来する糖をアルコール発酵の炭素源として利用することができる。その結果、バイオマスの単位重量あたりのエタノール収率も向上することとなるため、エタノール製造のコストを大幅に削減することができる。また、図３に示したシステムは、アルカリ処理槽１、pH調整槽８、酵素糖化槽（同時糖化発酵槽）９を同一の槽を使用して、アルカリ処理、pH調整、酵素糖化（同時糖化発酵）の各工程を順次行ってもよい。
【００３２】
以下、アルカリ処理、セルロース糖化処理、デンプンの糖化処理、エタノール発酵の各工程について詳細に説明する。
【００３３】
＜アルカリ処理（前処理）工程＞
ここでアルカリ処理工程に使用されるアルカリ溶液とは、アルカリ金属やアルカリ土類金属（本発明においては第2族元素と同義）の水酸化物の水溶液を意味する。すなわち、アルカリ溶液に含まれる水酸化物としては、水酸化リチウム、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化ルビジウム、水酸化セシウム、水酸化フランシウム、水酸化ベリリウム、水酸化マグネシウム、水酸化カルシウム、水酸化ストロンチウム、水酸化バリウム、水酸化ラジウムを挙げることができる。これらのうち、後段の発酵工程における阻害の影響の観点から水酸化ナトリウム、水酸化カリウム及び水酸化カルシウムを使用することが好ましい。特に、薬剤コストや水に対する溶解性の観点から水酸化ナトリウムを使用することが好ましい。
【００３４】
セルロース系バイオマスとして草本系バイオマスを使用する場合、アルカリ水溶液のｐＨは、９．５〜１３．５とすることができ、１０〜１３とすることが好ましい。また、アルカリ溶液量に対する草本系バイオマス量（仕込量）は、特に限定されないが、例えば、草本系バイオマスの乾燥重量ベースで５〜２０％、望ましくは１０〜１５％である。
【００３５】
また、アルカリ処理の温度条件としては、例えば常温以上160℃以下、望ましくは常温以上121℃以下、一例として80℃とすることができる。保持時間は、アルカリ処理の温度や草本系バイオマスの形状により設定することができ、概ね15分から24時間の範囲である。
【００３６】
また、アルカリ処理工程では、草本系バイオマスをアルカリ溶液に浸透させた後、硫酸等の酸を添加することで中和する。アルカリ溶液に酸を添加した後のpHは、後述する酵素処理に適したpHとすることが好ましい。なお、酸による中和の前に固液分離処理によって、固体成分を回収し、その後、固体成分を酸性溶液に浸漬して、草本系バイオマスに含浸したアルカリを中和しても良い。
【００３７】
セルロース系バイオマスとして木質系バイオマスを使用する場合、アルカリ水溶液のｐＨは、９．５〜１３．５とすることができ、１０〜１３とすることが好ましく、ｐＨ１１〜１２．５とすることがより好ましい。アルカリ溶液の添加量は、例えば乾燥木材重量当たり重量比で2〜30％であり、望ましくは5〜20％である。所定量のアルカリ剤を含む水溶液と乾燥木材との配合比は、溶液容積100に対して木材重量5〜50とすることが好ましい。
【００３８】
なお、アルカリ処理において、酸化剤として存在させてもよい。なお、酸化剤としては、過酸化水素、過硫酸塩、過炭酸塩、過酢酸塩、オゾン、過酸化ナトリウムなどを用いることができる。
【００３９】
＜セルロース糖化工程＞
本工程では、上述したアルカリ処理工程の後の固形分に対してセルラーゼ酵素処理を行うことにより、バイオマスに含まれるセルロースをセルラーゼによりグルコースにまで分解する。なおセルラーゼとは、エンドグルカナーゼ、セロビオハイドラーゼ、β-グルコシダーゼ及びヘミセルラーゼからなる群から選ばれる少なくとも１以上の酵素を含む意味である。また、本工程では、バイオマスに含まれるヘミセルロースをマンノース、ガラクトース、キシロース、アラビノース等の単糖まで糖化してもよい。使用するセルラーゼは、セルロースを六炭糖まで糖化できるものであれば特に限定されない。また、使用するセルラーゼとしては、好ましくは更にヘミセルロースを六炭糖及び五炭糖まで糖化できるものが好ましい。例えば、セルラーゼは、植物及び動物由来のいずれでもよく、化学修飾されたものであっても、遺伝子組換えにより生成されたものであってもよい。なお、セルラーゼを反応させる温度、時間及び量は、セルラーゼの種類によって異なるが、当業者であれば、使用するセルラーゼの種類に応じて適宜選択することができる。
【００４０】
特に、図１等に示した同時糖化発酵のシステムの場合、セルラーゼとしては、アルコール発酵能を有する微生物が生育に適したpHの範囲に至適pHを有するセルラーゼを使用することが好ましい。例えば、セルラーゼとしては至適pHが4.6のものを使用することができる。
【００４１】
あるいは、アルカリ処理後に中和したバイオマスを原料としてセルラーゼ生成菌を発酵させることにより、バイオマス中のセルロースをセルラーゼにより単糖まで分解し、二次糖液を得ることも可能である。そのようなセルラーゼ生成菌は、当技術分野で公知であり、例えばAspergillus niger、A. foetidus、Alternaria alternata、Chaetomium thermophile、C. globosus、Fusarium solani、Irpex lacteus、Neurospora crassa、Cellulomonas fimi、C. uda、Erwinia chrysanthemi、Pseudomonas fluorescence、Streptmyces flavogriseusなどが挙げられ、例えば「セルロース資源−高度利用のための技術開発とその基礎」、越島哲夫編、（株）学会出版センター、1991年に記載されている。
【００４２】
なお、上述のようにアルカリ処理後のバイオマスをセルラーゼ酵素処理する以外に、アルカリ処理後のバイオマスを原料としてセルラーゼ生成菌とエタノール発酵菌の同時発酵を行い、エタノールを生成することも可能である。
【００４３】
本工程で生成した単糖は、エタノール生成可能な微生物の発酵原料、ブタノールやその他の化学原料としてのバイオリファイナリーとしても利用できる。また、セルロース系バイオマスを糖化して得られたグルコースを更に酵素処理することにより、清涼剤であるD-ソルビトール、甘味料であるD-フルクトース、浸透圧調整剤であるマンニトール、飼料添加剤であるマンノース等、食品や医薬品等の有用物質を製造することもできる。
【００４４】
＜でんぷん糖化工程＞
本工程では、上述したアルカリ処理工程の後の液分（アルカリ溶液）に対してアミラーゼ酵素処理を行うことにより、液分に含まれるデンプンをアミラーゼによりグルコースまで分解する。ここでアミラーゼとは、プルラナーゼ、α-アミラーゼ、グルコアミラーゼ及びβ-アミラーゼからなる群から選ばれる少なくとも一種の酵素を含む意味である。
【００４５】
本工程で使用するアミラーゼとしては、特に限定されないが、上述したセルラーゼの至適pHと略同じ（例えばpH4.6）とすることが好ましい。セルラーゼの至適pHと略同じ至適pHのアミラーゼを使用することで、アミラーゼ処理工程の後の糖化液についてpH調整を行うことなくそのまま同時糖化発酵に使用できる。また、セルラーゼの至適pHと略同じ至適pHのアミラーゼを使用することで、図３に示したように、セルラーゼ処理工程とアミラーゼ処理工程と（更にアルコール発酵工程と）を、アミラーゼ処理工程の後の糖化液についてpH調整を行うことなく同一槽内で行うことができる。
【００４６】
＜エタノールの製造工程＞
上述の糖化工程において得られる糖を原料として用いてアルコール発酵を行い、エタノールを製造することができる。上述の糖化工程にて得られた糖成分はセルロース由来の糖及びバイオマスに含まれるデンプン由来の糖を含んでいる。また、バイオマスに含まれるヘミセルロースを糖化した場合には、ヘミセルロース由来の糖としてキシロース、アラビノースなどの五炭糖と、グルコース、ガラクトース、マンノースなどの六炭糖が含まれることとなる。セルロース由来の糖及びデンプン由来の糖であるグルコースは酵母などによって容易にエタノールに変換することができる。
【００４７】
グルコースを炭素源としたアルコール発酵は、当技術分野で公知のエタノール製造方法に従って、酵母、又は遺伝子組換えによりエタノール生成に必要な遺伝子を有する細菌を用いて行うことができる。五炭糖のエタノール発酵は、例えば五炭糖及び六炭糖の両方を資化するが、エタノールを生成しない大腸菌に、エタノールを生成する微生物由来の遺伝子を導入した遺伝子組換え大腸菌や、エタノール発酵性のザイモモナス属（Zymomonas）細菌に五炭糖の代謝遺伝子を導入した遺伝子組換え細菌などを用いて行うことができる（例えば、特表平５−５０２３６６号公報及び特表平６−５０４４３６号公報）。あるいは、五炭糖及び六炭糖をエタノール発酵させてエタノール及び二酸化炭素を回収する方法を利用してもよい（特開２００６−１１１５９３号公報）。
【００４８】
エタノール発酵の条件は、当業者であれば、原料となる糖の種類、使用するエタノール発酵菌の種類などに応じて、適宜設定することができる。
【実施例】
【００４９】
以下、実施例により本発明を更に詳細に説明するが、本発明の技術的範囲は以下の実施例に限定されるものではない。
【００５０】
〔実施例１〕
１．目的
稲わらをアルカリ処理、固液分離した液分に含まれるデンプンはアルカリ処理によってアミラーゼが分解可能な形態に糊化されており、アミラーゼによってグルコースに転換可能か、またセルラーゼによるセルロース分解とアミラーゼによるデンプン分解が同時進行可能か確認する。
【００５１】
２．実験方法
1)稲わらのアルカリ処理
稲わらのアルカリ処理条件を表１に示す。
【００５２】
【表１】
2015139380.tif 000003
【００５３】
表１の条件のもと，以下の手順でアルカリ処理を行った。先ず、含水率8.1%の稲わら108.8kg（乾燥重量100kg相当）に対してアルカリ処理時の固液比が5%となるよう，NaOH25kgを水1991.2Lに溶解し，4000L容量のアルカリ処理槽中にアルカリ溶液を作製した。このアルカリ溶液に1cm以下に裁断した上記稲わらを投入し、室温で撹拌しながら18時間アルカリ処理を行った。
【００５４】
2)アルカリ処理後の固液分離
アルカリ処理後のスラリー状の稲わらは、二軸スクリュー式脱水機によって固形分と液分に分離した。なお、固液分離後の固形分は湿重量206kg-wet、乾燥重量59kg-dry、液分の量は2,002Lであった。
【００５５】
3)固形分の中和処理
固形分乾燥重量に対して固液比3%となる比率の水を張った4000L容量の槽内に2)のアルカリ処理・固液分離後の固形分を浸漬し、撹拌しながら硫酸を加え、pH=4.6に調整した。pH調整後のスラリー状の稲わらは、二軸スクリュー式脱水機によって固形分と液分に分離し、固形分をセルロース系の原料として糖化試験に使用した。なお、固形分として回収した稲わらは湿重量142.1kg-wet、乾燥重量50.3kg-dryであった。
【００５６】
4)液分の中和処理
2)のアルカリ処理・固液分離後の液分は、撹拌しながら硫酸を加えてpH=4.6に調整し、デンプン系の原料として糖化試験に使用した。
【００５７】
5)糖化処理
乾燥重量3g相当の中和処理後固形分に対して処理時の固液比が5%となるよう、表２に示す（1）〜(4)の条件で100mlデュラン瓶に中和処理後固形分、100mMクエン酸バッファー溶液（pH=4.6）、中和アルカリ液、アミラーゼ、セルラーゼ、及び雑菌の繁殖防止のために抗生物質（シクロヘキシミド，クロラムフェニコール）を投入、37℃の恒温振とう培養器内で72時間振とうし、酵素糖化を行った。
【００５８】
【表２】
2015139380.tif 000004
【００５９】
6)サンプリングと分析
上述の糖化試験開始から24、48、72時間経過時に溶液をサンプリングし、グルコース濃度を測定した。
【００６０】
３．実験結果
各条件におけるグルコースの濃度変化を図４に示した。なお、図４中、(1)は稲わら+中和アルカリ液+アミラーゼ+セルラーゼの反応系であり、(2)は稲わら+アミラーゼ+セルラーゼの反応系であり、(3)稲わら+セルラーゼの反応系であり、(4)稲わら+アミラーゼである。表１の実験条件より、各酵素が作用した場合、(1)では中和アルカリ液中のデンプン及び処理後稲わら中のセルロースとデンプンからグルコースが生成される。(2)では処理後稲わら中のセルロースとデンプンから、(3)では処理後稲わら中のセルロースから、(4)では処理後稲わら中のデンプンからグルコースが生成される。72時間経過時のグルコース濃度は(1)：31.1g/L、(2)：26.8g/L、(3)：25.2g/L、(4)：1.3g/Lであり、稲わら中セルロース由来のグルコースが(3)の25.2g/L、稲わら中デンプン由来のグルコースが(4)の1.3g/L、中和アルカリ液中デンプン由来のグルコースが(1)−(2)=4.3g/Lと考えられる。
【００６１】
以上の実験結果より、中和アルカリ液に含まれるデンプンはアミラーゼが作用する形態に糊化されており、アミラーゼによってグルコースに転換されていることが確認された。また、アミラーゼによるデンプン分解はセルラーゼによるセルロースの分解と同時に行うことが可能であることも確認された。
【００６２】
４．デンプンの原料化によるエタノール収率向上の試算
本実験における稲わらからのグルコース生産収率は、以下のように計算される。
アルカリ処理前の原料稲わら100kg-dry、アルカリ処理・中和処理後に回収された稲わら乾燥重量50.3kg、３．の実験結果におけるセルロース由来のグルコース濃度25.2g/L、糖化実験溶液量60mL、糖化実験に使用したアルカリ処理・中和処理後稲わら乾燥重量3g-dryであったことより、
[原料稲わら乾重当たりセルロース由来グルコース収率] = 50.3×(25.2×60/1000/3)/100=25.4%・・・(1)
【００６３】
また、３．の実験結果における中和アルカリ溶液中デンプン由来グルコース濃度4.3g/L、糖化実験に使用したアルカリ溶液量50mL、糖化実験溶液量60mLであったことより、
[アルカリ溶液中デンプン由来グルコース濃度] = 4.3g/L×50/60=3.6 g/L・・・(2)
【００６４】
さらに、上記(2)の値及びアルカリ処理後の溶液量が2,002Lよりであったことより、
[アルカリ溶液中デンプン由来グルコース予測生産量] = 2,002L×3.6g/L=7.2kg・・・(3)
【００６５】
一方、アルカリ処理・中和処理後に回収された稲わら乾燥重量50.3kg、３．の実験結果における稲わら中デンプン由来グルコース濃度1.3g/L、糖化実験溶液量60mL、糖化実験に使用したアルカリ処理・中和処理後稲わら乾燥重量3g-dryであったことから、
[アルカリ処理・中和処理後稲わら中デンプン由来グルコース予測生産量] = 50.3×1.3×60/1000/3=1.3kg・・・(4)
【００６６】
そして、上記(3)及び(4)の値より、稲わら乾燥重量当たりデンプン由来グルコース生産収率は、
[稲わら乾重当たりデンプン由来グルコース生産収率] = (7.2+1.3)/100=8.5%
（[稲わら乾重当たり溶出デンプン率] = 7.2/100=7.2%，[稲わら乾重当たり固形分デンプン率] = 1.3/100=1.3%）
【００６７】
以上の計算結果より、セルロースのみの場合のグルコース収率25.4%に対し、セルロースとデンプンからグルコースを生産した場合の収率は(25.4+8.5)=33.9%と大きく向上することが分かる。生産されたグルコースがすべてエタノールに転換されると考えた場合、稲わら乾重当たりのエタノール収率は、セルロースのみから製造した場合では182L/t-dryであるのに対し、セルロース、デンプン両者から製造した場合には243L/t-dryとなる。
【００６８】
５．アルカリ溶液の再利用によるデンプンの濃縮
前述のように、アルカリ処理・固液分離によって発生するアルカリ溶液は2,000L、アルカリ処理・中和処理まで完了したわら固形分の回収量は50kg-dryである。同時糖化発酵開始時の固液比を10%とした場合、50kg-dryの固形分に対して必要な液分は500Lである。同時糖化発酵の槽にアルカリ溶液を加える場合、必要な液分500Lに対して発生するアルカリ溶液は2,000Lであるため、アルカリ溶液が余剰となる。
【００６９】
そこで、図１及び２に示したシステムのように、アルカリ溶液を複数回再利用し，複数回再利用後のアルカリ溶液をクッションタンクに保管し，必要分を同時糖化発酵槽に加えることで、アルカリ溶液の余剰は生じなくなる。またアルカリ溶液は，高pHの状態で保管することで雑菌の繁殖を防ぐことができる。なお、X回使用したアルカリ溶液の1/Xを同時糖化発酵に使用することで、アルカリ処理1回分の稲わらに含まれるものと等量のセルロースとデンプンからエタノールを生産することができる。
【符号の説明】
【００７０】
１  アルカリ処理槽
２  固液分離装置
３  pH調整槽
４  アミラーゼ処理槽
５  pH調整槽
６  同時糖化発酵槽
７  固液分離装置
８  pH調整槽
９  酵素糖化槽（同時糖化発酵槽）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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