(57)【要約】【課題】  木質系バイオマスから得られた糖を微生物によって発酵させてエタノールを製造する製造方法において、発酵工程で使用する微生物の栄養源として、食品系廃棄物を利用する発酵率の高いエタノール製造方法を提供することを目的とする。【解決手段】  木質系バイオマスから得られた糖を微生物によって発酵させてエタノールを製造する製造方法において、発酵工程で使用する微生物の栄養源として、おから、茶粕、及びコーヒー粕からなる群から選択される少なくとも１種以上の食品系廃棄物を加熱処理して得られたものを用いる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
木質系バイオマスから得られた糖を微生物によって発酵させてエタノールを製造する製造方法において、
発酵工程で使用する微生物の栄養源として、
おから、茶粕、及びコーヒー粕からなる群から選択される少なくとも１種以上の食品系廃棄物を加熱処理して得られたものを用いることを特徴とするエタノールの製造方法。
【請求項２】
前記加熱処理は、硫酸濃度１質量％〜１０質量％で、温度１００℃〜２５０℃の条件で行われることを特徴とする請求項１に記載のエタノールの製造方法。
【請求項３】
前記木質系バイオマスが廃建材であることを特徴とする請求項１又は２に記載のエタノールの製造方法。
【請求項４】
前記微生物が細菌及び酵母からなる群から選択される少なくとも１種以上の微生物であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の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、バイオマス、特に廃建材等の木質系バイオマスを用いて、発酵によりエタノールを製造する製造方法に関するものであり、エタノール発酵工程で使用する微生物の栄養源に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、再生可能資源であるバガスや稲わら、木材チップなどの天然系の資源からエタノールを製造し、エネルギーや化学原料として利用する試みが内外で進められている。この方法は、木質系バイオマスを酸又はアルカリで加水分解して、グルコース等のヘミセルロース由来の糖を含む加水分解液とし、この糖を酵母等の微生物を用いる発酵法によりエタノールに変換するものである。
この木質系バイオマスの原料として廃建材を用いることは、バイオマス資源利用の課題である原料の収集という点において、非常に有望である。
【０００３】
ところで、木質系バイオマスの発酵工程では、木質系バイオマスを酸又はアルカリで加水分解して得られたグルコース等の糖液の他に、微生物の生育に必須要素である窒素、リンを含んだ栄養源の存在が必要となる。
この栄養源としては、酵母の場合、硫酸アンモニウムが安価な商業生産用の栄養源として一般的に使用されている（例えば特許文献１参照）。また、大腸菌を用いる場合、コーンスティープリカー（以下、「ＣＳＬ」という。）が使用されている（例えば非特許文献１参照）。ＣＳＬとは、トウモロコシからコーンスターチを製造する工程で出る副産物であり、アミノ態窒素、リン、ミネラルなどを含む総合的な栄養源である。
【特許文献１】特公昭６３−５０７９号公報
【非特許文献１】ヒュージ・ジー・ローフォード（Hugh  G.  Lawford）、ジョイス・ディー・ローゼオー（Joyce  D.  Rousseau）、「スタディーズ・オン・ニュートリエント・リクワイアメンツ・アンド・コスト-イフェクティヴ・サプリメンツ・フォー・エタノール・プロダクション・バイ・リコンビナント・イーコライ」（Studies  on  Nutrient  Requirements  and  Cost-effective  Supplements  for  Ethanol  Production  by Recombinant  E.  coli）、“アプライド・バイオケミストリー・アンド・バイオテクノロジー”（Applied  Biochemistry  and  Biotechnology）、（米国）、ヒューマナ・プレス・インコーポレイテッド発行所（Humana  Press  Inc.）、１９９６年、第５７／５８巻、ｐ．３０７−３２６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、トウモロコシの生産量が多い米国などと比べ、日本ではＣＳＬ価格が割高であるという問題があった。
そこで、ＣＳＬに替わる栄養源として、発明者らは安価な食品系廃棄物を用いることを考えた。このような食品系廃棄物としては、おからやコーヒー粕、茶粕等が挙げられる。日本ではおからは年間７５万トン発生しており、飼料、肥料、食品へと再利用されているものの、余剰傾向にある。また、主に清涼飲料水工場から発生するコーヒー粕は、年間６０万トンあり、工場内燃料として利用される他は廃棄されている。茶粕は、緑茶粕が年間９千トン、ウーロン茶粕が年間２万４千トン発生しており、これらは主に畜舎の敷料や堆肥原料に使用されている。
これらの食品系廃棄物はＣＳＬより安価であり、無償又は廃棄物として逆に処理費等の引き取り手数料を受領して入手可能な場合がある。そして、これらの食品系廃棄物は、成分として蛋白質、リン、ミネラルを含んでおり、微生物の栄養源として利用できる可能性を持っている。
【０００５】
しかしながら、おから、茶粕等に含まれる窒素の大部分は不溶性の蛋白質形態であり、そのままでは微生物の栄養源として利用され難い。そこで、前処理を行って蛋白質の一部を可溶化し、アミノ態窒素を得る必要がある。食品系廃棄物を前処理して不溶性の蛋白質を可溶化する一般的な方法として、加熱処理、酵素処理などが挙げられるが、酵素処理はコストが高いという問題があり、現状では加熱処理が実用的である。
【０００６】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、木質系バイオマスから得られた糖を微生物によって発酵させてエタノールを製造する製造方法において、発酵工程で使用する微生物の栄養源として、食品系廃棄物を利用する発酵率の高いエタノール製造方法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】
【０００７】
本発明は、木質系バイオマスから得られた糖を微生物によって発酵させてエタノールを製造する製造方法において、発酵工程で使用する微生物の栄養源として、おから、茶粕、及びコーヒー粕からなる群から選択される少なくとも１種以上の食品系廃棄物を加熱処理して得られたものを用いることを特徴とするエタノールの製造方法を提供する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明のエタノールの製造方法によれば、木質系バイオマスから得られた糖を微生物によって発酵させてエタノールを製造する製造方法において、発酵工程で使用する微生物の栄養源として、食品系廃棄物を利用することができ、かつエタノールの発酵率が高く、製造コストも低減したエタノール製造方法となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本実施形態の製造方法は、木質系バイオマスの加水分解、中和、発酵、エタノール分離、エタノール精製の各工程から構成される。
【００１０】
（木質系バイオマス）
原料である木質系バイオマスとしては、木材チップや廃建材などが挙げられる。廃建材としては、廃棄木質建材、廃パレット、廃梱包材等が挙げられる。廃建材は単独で用いてもよいし、２種類以上を組み合わせて用いてもよい。また、廃建材には、酢酸、フルフラール、レブリン酸、ギ酸等の発酵阻害物質や接着剤、塗料等の不純物が含まれていても差し支えない。
【００１１】
（加水分解工程）
加水分解工程では、従来から公知の酸加水分解法やアルカリ加水分解法を用いることができる。そのなかでも、酸加水分解法が好ましい。酸加水分解法に用いる酸としては、硫酸、塩酸、硝酸等が挙げられるが、硫酸を用いるのが好ましい。
【００１２】
（中和工程）
加水分解工程後、酸加水分解法、アルカリ加水分解法を用いた場合には、中和工程が必要である。酸加水分解法で加水分解した後に中和工程で用いるアルカリとしては、Ｃａ（ＯＨ）２、ＮａＯＨなどが挙げられるが、比較的安価なＣａ（ＯＨ）２を用いるのが好ましい。
【００１３】
(発酵工程)
中和工程後、得られた加水分解液は発酵工程に供される。発酵工程では、微生物による発酵によってエタノールが生成される。この時、微生物に必要な栄養源も与える。本発明においては、この栄養源として、食品系廃棄物を加熱処理して得られたものを用いる。食品系廃棄物としては、おから、茶粕、及びコーヒー粕からなる群から選択される少なくとも１種以上が挙げられる。例えば、茶粕としては、緑茶粕、紅茶粕、ウーロン茶粕等が挙げられる。これらの食品系廃棄物は、含有される窒素をアミノ態窒素に変換させるため、加熱処理してから微生物に与えられる。加熱処理の温度は、１００℃〜２５０℃であることが好ましい。
【００１４】
本発明においては、食品系廃棄物に水を加えて加熱処理するが、この時、酸を共に加えることができる。このような酸としては、硫酸、塩酸、硝酸等が挙げられるが、硫酸を用いるのが好ましい。硫酸で加熱処理することで、食品系廃棄物を容易に可溶化することができる。硫酸加熱処理の条件は、温度１００℃〜２５０℃、硫酸の濃度は１質量％〜１０質量％、加熱時間は１０分〜１００分間である。そのなかでも、温度１２０℃〜２００℃、硫酸の濃度は３質量％〜６質量％、加熱時間は１０分〜６０分間であるのが好ましい。温度が１００℃より低いと可溶化が十分進行せず、２５０℃より高いと酸性下では腐食性が強くなり高価な装置を要するからである。
本実施形態では、食品系廃棄物の硫酸加熱処理を別途行って得られたものを、微生物の栄養源として発酵工程に用いているが、例えばバイオマス原料と硫酸と共に食品系廃棄物を加水分解機に投入することによって、既存の設備を利用して、加水分解工程中で食品系廃棄物の硫酸加熱処理を行うことも可能である。
なお、栄養源として使用した後の食品系廃棄物の残渣は、ボイラー燃料として用いることで、設備内で用いるエネルギーとして再利用することができる。
【００１５】
本発明で用いる微生物としては、細菌及び酵母からなる群から選択される少なくとも１種以上の微生物であることが好ましい。このような細菌としては、遺伝子組換え大腸菌が挙げられる。ここで、遺伝子組換え大腸菌とは、エタノール等への変換に必要な酵素遺伝子を有していない大腸菌に、遺伝子工学技術によりこれら遺伝子を導入し、エタノール等への発酵を可能にしたものをいう。また、酵母としては、公知の酵母を用いることができるが、具体例として、サッカロミセス  セルビシエ（Saccharomyces cerevisiae）、シゾサッカロミセス  ポンベ（Schizosaccharomyces pombe）などが挙げられる。
【００１６】
(エタノール分離工程・精製工程)
前記発酵工程後得られた発酵液は、発酵により生成したエタノールを分離する分離工程に供される。エタノールを分離する方法は、蒸留、浸透気化膜等の公知の方法が用いられるが、そのなかでも蒸留が好ましい。
次いで、分離したエタノールは精製工程に供される。エタノール精製法としては、公知の方法、例えば蒸留等を用いることができる。
【実施例】
【００１７】
以下、実験例及び実施例により、本発明をさらに詳しく説明する。
［実験例１−４、比較試験］
【００１８】
おから(豆腐店より購入、含水率７６質量％)に水又は硫酸を加えて加熱処理し、濾過した後、濾液中に溶出した可溶性アミノ態の総窒素濃度（ｇ／Ｌ）を液体クロマトグラフィー（使用機種：Ｄ−７０００型（日立製作所製）、カラム：ＨＰＸ−８７Ｐ（ＢＩＯ−ＲＡＤ製））を用いて調べた。
実験例１：おから１００ｇに水２００ｍＬを加えて１２０℃で６０分間加熱処理した。
実験例２：おから１００ｇに２質量％硫酸２００ｍＬを加えて１２０℃で６０分間加熱処理した。
実験例３：おから１００ｇに５質量％硫酸２００ｍＬを加えて１２０℃で６０分間加熱処理した。
実験例４：おから１００ｇに１０質量％硫酸２００ｍＬを加えて１２０℃で６０分間加熱処理した。
比較試験：おから１００ｇに水２００ｍＬを加えた。
実験条件と結果を表１に示す。
【００１９】
【表１】
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【００２０】
実験例１と比較試験とを比べると、おからに水を加えて加熱することで、加熱しない比較試験の４倍近い総窒素濃度が得られた。
また、実験例１と実験例２−４とを比べると、硫酸を加えることで、得られる総窒素濃度は１．３−１．６倍まで増加した。
これらの実験例から、加熱処理は、食品系廃棄物の微生物栄養源への変換処理として有効なことが確認された。
【００２１】
［実施例１］
本発明における食品系廃棄物を加熱処理して得られたものを実際に微生物の栄養源として用い、エタノール発酵を行って、エタノールの発酵率を調べた。
３００ｍＬフラスコに糖質としてグルコース４５ｇ／Ｌとキシロース４５ｇ／Ｌとを５０ｍＬ添加し、下記の試料番号「１−Ａ」〜「１−Ｃ」の栄養源を加え、これに遺伝子組換え大腸菌（ＡＴＣＣ １１３０３）を接種して、３５℃、１００ｒｐｍで５０時間エタノール発酵を行った。
【００２２】
栄養源として、おから１００ｇに水２００ｍＬを加えて１２０℃で６０分間加熱処理したものを用い、培地に添加させる量を変化させた（試料番号「１−Ａ」〜「１−Ｃ」）。
試料番号「１−Ａ」：添加量  １．７質量％
試料番号「１−Ｂ」：添加量  ３．３質量％
試料番号「１−Ｃ」：添加量  ６．７質量％
【００２３】
発酵終了後、溶液中のエタノール濃度（ｇ／Ｌ）を下記の条件のガスクロマトグラフィーにより測定した。
使用機種：ＧＣ３５３Ｂ（ジーエルサイエンス製）
カラム：ＣＰ−ＷＡＸ５２ＣＢ（ＶＡＲＩＡＮ製）
また、測定したエタノール濃度（ｇ／Ｌ）から、以下の式（Ｉ）によりエタノール発酵率（％）を求めた。
エタノール発酵率（％）＝（エタノール濃度）／（添加した糖質合計濃度）／０．５１×１００                          （Ｉ）
なお、式（Ｉ）において、０．５１は係数で、糖質が発酵反応により完全にエタノールと二酸化炭素に変化する際における生成するエタノールの糖質に対する質量比である。
実験条件を表２に、結果を図１に示す。
【００２４】
【表２】
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【００２５】
［実施例２−４］
栄養源として、おから１００ｇに濃度を変えた硫酸２００ｍＬを加えて１２０℃で６０分間加熱処理して得られたもの（試料番号「２−Ａ」〜「４−Ｃ」）を使用し、培地に添加させる量を変化させた以外は、実施例１と同様にして発酵を行い、エタノール発酵率（％）を求めた。詳しい実験条件を表２に、結果を図１に示す。
【００２６】
［実施例５−７］
栄養源として、乾燥した緑茶粕（含水率  ５質量％）１００ｇに水又は濃度を変えた硫酸２００ｍＬを加えて１２０℃で６０分間加熱処理して得られたもの（試料番号「５−Ｂ」〜「７−Ｃ」）を使用し、培地に添加させる量を変化させた以外は、実施例１と同様にして発酵を行い、エタノール発酵率（％）を求めた。詳しい実験条件を表２に、結果を図２に示す。
【００２７】
［実施例８−９］
栄養源として、乾燥したウーロン茶粕（含水率  ４質量％）１００ｇに水又は濃度を変えた硫酸２００ｍＬを加えて１２０℃で６０分間加熱処理して得られたもの（試料番号「８−Ｂ」〜「９−Ｃ」）を使用し、培地に添加させる量を変化させた以外は、実施例１と同様にして発酵を行い、エタノール発酵率（％）を求めた。詳しい実験条件を表２に、結果を図２に示す。
【００２８】
［実施例１０−１１］
栄養源として、乾燥したコーヒー粕（含水率  ５質量％）１００ｇに水又は濃度を変えた硫酸２００ｍＬを加えて１２０℃で６０分間加熱処理して得られたもの（試料番号「１０−Ｂ」〜「１１−Ｃ」）を使用し、培地に添加させる量を変化させた以外は、実施例１と同様にして発酵を行い、エタノール発酵率（％）を求めた。詳しい実験条件を表２に、結果を図２に示す。
【００２９】
［比較例１］
栄養源として、ＣＳＬ３．５質量％（試料番号「１００」）を使用した以外は、実施例１と同様にして発酵を行い、エタノール発酵率（％）を求めた。詳しい実験条件を表２に、結果を図１に示す。
【００３０】
［比較例２］
栄養源として、加熱処理しないおからを、培地に添加させる量を変化させた（試料番号「２００−Ａ」〜「２００−Ｃ」）以外は、実施例１と同様にして発酵を行い、エタノール発酵率（％）を求めた。詳しい実験条件を表２に、結果を図１に示す。
【００３１】
［比較例３］
栄養源として、加熱処理しない緑茶粕を、培地に添加させる量を変化させた（試料番号「３００−Ｂ」〜「３００−Ｃ」）以外は、実施例１と同様にして発酵を行い、エタノール発酵率（％）を求めた。詳しい実験条件を表２に、結果を図２に示す。
【００３２】
［比較例４］
栄養源として、加熱処理しないウーロン茶粕を、培地に添加させる量を変化させた（試料番号「４００−Ｂ」〜「４００−Ｃ」）以外は、実施例１と同様にして発酵を行い、エタノール発酵率（％）を求めた。詳しい実験条件を表２に、結果を図２に示す。
【００３３】
［比較例５］
栄養源として、加熱処理しないコーヒー粕を、培地に添加させる量を変化させた（試料番号「５００−Ｂ」〜「５００−Ｃ」）以外は、実施例１と同様にして発酵を行い、エタノール発酵率（％）を求めた。詳しい実験条件を表２に、結果を図２に示す。
【００３４】
［比較例６］
栄養源を培地に添加しないで（試料番号「６００」」）、それ以外は実施例１と同様にして発酵を行い、エタノール発酵率（％）を求めた。詳しい実験条件を表２に、結果を図２に示す。
【００３５】
実施例１−４と比較例２とを比較すると、比較例２の加熱未処理のおからは、添加量が６．７質量％（試料番号「２００−Ｃ」）でもエタノール発酵率は１０％以下であったのに対し、おからを加熱処理した実施例１では、発酵率は３０％以上まで向上した（試料番号「１−Ｃ」）。さらに、硫酸を加えた実施例２−４では、発酵率は５０％（試料番号「２−Ｃ」）、６０％（試料番号「３−Ｃ」）、４０％（試料番号「４−Ｃ」）まで向上した。
これらのことから、おからを加熱処理することによって、エタノール発酵工程における微生物の栄養源に利用することができ、高い発酵率でエタノールを製造できることが確認された。
【００３６】
実施例５−１１と比較例３−５とを比較すると、比較例３−５の加熱未処理の緑茶粕、ウーロン茶粕、コーヒー粕は、添加量が６．７質量％（試料番号「３００−Ｃ」、「４００−Ｃ」、「５００−Ｃ」）でもエタノール発酵率は１０％以下であったのに対し、加熱処理した実施例５、８、１０では、発酵率は各々４５％（試料番号「５−Ｃ」）、３５％（試料番号「８−Ｃ」）、１５％（試料番号「１０−Ｃ」）まで向上した。さらに、硫酸を加えた実施例６、７、９、１１では、発酵率は各々８０％（試料番号「６−Ｃ」）、７０％（試料番号「７−Ｃ」）、９０％（試料番号「９−Ｃ」）、７０％（試料番号「１１−Ｃ」）まで向上した。実施例６、７、９、１１の発酵率は、比較例１のＣＳＬの発酵率９０％と同程度の高い値であった。また、栄養源を添加しなかった比較例６の発酵率は５％にも達しなかった。
これらのことから、緑茶粕、ウーロン茶粕、コーヒー粕を加熱処理することによって、エタノール発酵工程における微生物の栄養源に利用することができ、高い発酵率でエタノールを製造できることが確認された。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】実施例１−４、比較例１−２のエタノール発酵率（％）を示したグラフである。
【図２】実施例５−１１、比較例３−６のエタノール発酵率（％）を示したグラフである。
【図１】
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【図２】
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