(57)【要約】      （修正有）【課題】セルロース含有バイオマスに由来する糖液の製造方法において、精密濾過膜の洗浄時における糖の収率ならびに酵素の回収率の低下を抑制し、長期安定的に生産性を維持しながら糖液を製造する方法の提供。【解決手段】セルロース含有バイオマスを原料として糖液を製造する方法であって、（１）セルロース含有バイオマスを加水分解して、糖水溶液を製造する工程、（２）糖水溶液中のバイオマス残渣を除く工程、（３）以下のステップを含み、糖水溶液を精密濾過し、透過側から回収する工程。（３−ａ）糖水溶液を精密濾過膜に通して濾過し、透過側から回収する濾過ステップ、並びに（３−ｂ）前記ステップで使用した精密濾過膜を洗浄する膜洗浄ステップ、ステップ（３−ａ）終了時に精密濾過膜の原水側に残る糖水溶液及び／又はステップ（３−ｂ）において生じる膜洗浄水を工程（３）よりも上流の工程に還流することを特徴とする糖液の製造方法。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
セルロース含有バイオマスを原料とし、次の（１）〜（３）の工程を備えた糖液の製造方法であって、
（１）セルロース含有バイオマスを加水分解して、単糖及び／又はオリゴ糖を含む糖水溶液を製造する工程、
（２）前記工程（１）で得られた糖水溶液中のバイオマス残渣を除く工程、
（３）次のステップを含み、前記工程（２）で得られた糖水溶液を精密濾過膜に通じて濾過して、糖水溶液を透過側から回収する工程
（３−ａ）前記糖水溶液を精密濾過膜に通じて濾過して、糖水溶液を透過側から回収する濾過ステップ、並びに
（３−ｂ）前記ステップ（３−ａ）において使用される精密濾過膜を洗浄する膜洗浄ステップ
前記ステップ（３−ａ）の終了時において精密濾過膜の非透過側に残存する糖水溶液及び／又は前記ステップ（３−ｂ）において生じる膜洗浄排水を前記工程（３）よりも上流の工程に還流することを特徴とする糖液の製造方法。
【請求項２】
前記工程（３）よりも上流の工程が前記工程（１）の反応槽であることを特徴とする請求項１に記載の糖液の製造方法。
【請求項３】
前記工程（３）よりも上流の工程が前記工程（２）の原水槽であることを特徴とする請求項１に記載の糖液の製造方法。
【請求項４】
前記工程（３）の原水槽中の糖水溶液を、前記工程（３）よりも上流の工程に還流することを特徴とする請求項１に記載の糖液の製造方法。
【請求項５】
前記工程（３）において、精密濾過膜と原水槽との間に緩衝槽を備え、緩衝槽中の糖水溶液を、前記工程（３）よりも上流の工程に還流することを特徴とする請求項１に記載の糖液の製造方法。
【請求項６】
前記ステップ（３−ｂ）において、濁度が１０ＮＴＵ以上の前記膜洗浄排水を前記工程（３）よりも上流の工程に還流することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の糖液の製造方法。
【請求項７】
前記ステップ（３−ｂ）において、前記膜洗浄排水の還流時に前記膜洗浄排水に酸を添加することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の糖液の製造方法。
【請求項８】
前記ステップ（３−ｂ）において、前記膜洗浄排水の還流時にモジュール内に残存する糖水溶液を先に排出し、該残存糖水溶液を前記工程（３）よりも上流へ還流することを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の糖液の製造方法。
【請求項９】
前記ステップ（３−ｂ）において、前記残存糖水溶液だけを還流することを特徴とする請求項８に記載の糖液の製造方法。
【請求項１０】
セルロース含有バイオマスを原料とする糖液の製造装置であって、
前記製造装置は、
（１）セルロース含有バイオマスを加水分解して単糖及び／又はオリゴ糖を含む糖水溶液を得る加水分解手段、
（２）前記加水分解手段（１）からバイオマス残渣を除く固液分離手段、
（３）前記固液分離手段（２）から得られる液体を精密濾過膜に通じて濾過する精密濾過手段
を備え、
前記精密濾過膜の、膜透過側から糖水溶液を回収する手段、
膜の原水側に残存する糖水溶液を排出する手段、
排出手段より回収した濁質含有水溶液を精密濾過膜よりも上流工程へ送液する還流手段、
並びに精密濾過膜を洗浄する手段
をさらに備える、
糖液の製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セルロース含有バイオマスから糖液を製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
昨今、セルロース含有バイオマスのような非食用バイオマスから効率的に糖水溶液を製造する技術、あるいは得られた糖水溶液を発酵原料として、効率的に工業原料に変換する技術を含む、環境調和型プロセスの構築が求められている。
【０００３】
セルロース含有バイオマスから糖水溶液を製造する方法としては、硫酸を使用する糖水溶液の製造方法があり、濃硫酸を使用してセルロースおよびヘミセルロースを酸加水分解して糖水溶液を製造する方法（特許文献１および２）が開示されている。
【０００４】
また、酸を使用しない方法として、２５０℃〜５００℃程度の亜臨界水を使用してセルロース含有バイオマスを加水分解して糖水溶液を製造する方法（特許文献３）、またセルロース含有バイオマスを亜臨界水処理した後に、さらに酵素処理することにより糖水溶液を製造する方法（特許文献４）、またセルロース含有バイオマスを２４０℃〜２８０℃の加圧熱水で加水分解処理した後に、さらに酵素処理することにより糖水溶液を製造する方法（特許文献５）が開示されている。非特許文献１には、セルロース含有バイオマスを希硫酸で加水分解処理した後に、さらにセルラーゼなどの酵素処理することより糖水溶液を製造する方法が開示されている。
【０００５】
しかし、これらの技術で得られる糖水溶液には多量のバイオマス残滓が含まれ、さらには糖濃度が低いため、糖水溶液を発酵槽に供給して発酵原料として利用するためには、適切な固液分離処理によってバイオマス残滓を除去した上で、糖水溶液を濃縮して糖濃度を高める必要がある。例えば、特許文献６には、精密濾過膜および／または限外濾過膜で処理してバイオマス残滓を除去した後、ナノ濾過膜および／または逆浸透膜で処理して糖水溶液を濃縮して糖濃度を高めつつ、限外濾過膜によって濾過することによって、非透過側から加水分解時に利用した酵素を回収する方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特表平１１−５０６９３４号公報
【特許文献２】特開２００５−２２９８２１号公報
【特許文献３】特開２００３−２１２８８８号公報
【特許文献４】特開２００１−９５５９７号公報
【特許文献５】特許３０４１３８０号公報
【特許文献６】特許第４７７０９８７号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Ａ． Ａｄｅｎら、“Ｌｉｇｎｏｃｅｌｌｕｌｏｓｉｃ Ｂｉｏｍａｓｓ ｔｏＥｔｈａｎｏｌ Ｐｒｏｃｅｓｓ Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｅｃｏｎｏｍｉｃｓ Ｕｔｉｌｉｚｉｎｇ Ｃｏ−Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｄｉｌｕｔｅ Ａｃｉｄ Ｐｒｅｈｙｄｒｏｌｙｓｉｓ ａｎｄ Ｅｎｚｙｍａｔｉｃ Ｈｙｄｒｏｌｙｓｉｓ ｆｏｒ Ｃｏｒｎ Ｓｔｏｖｅｒ”ＮＲＥＬ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｒｅｐｏｒｔ (２００２)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献６に開示された技術においては、長期に運転を行うと、精密濾過膜の膜上にケークが堆積したり、膜細孔内が閉塞したりして目詰まりを起こし、本来ならば精密濾過膜を透過するような大きさの物質までもがケークや閉塞物に補足されてしまい、酵素の透過性も悪くなってしまうという課題が生じる。この問題を解決するには、精密濾過膜を定期的に洗浄する作業が必要となるが、この洗浄作業の度に、洗浄排水とともに糖水溶液ならびに膜面に蓄積した糖および／または酵素が損失されてしまう。
本発明は、上述したような課題、すなわち精密濾過膜洗浄時における糖の収率ならびに酵素の回収率の低下を抑制し、長期安定的に糖液を製造する技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するため本発明の糖液の製造方法は、以下の［１］〜［８］のいずれかの構成からなる。
【００１０】
［１］セルロース含有バイオマスを原料とし、次の（１）〜（３）の工程を備えた糖液の製造方法であって、
（１）セルロース含有バイオマスを加水分解して、単糖及び／又はオリゴ糖を含む糖水溶液を製造する工程、
（２）前記工程（１）で得られた糖水溶液中のバイオマス残渣を除く工程、
（３）次のステップを含み、前記工程（２）で得られた糖水溶液を精密濾過膜に通じて濾過して、糖水溶液を透過側から回収する工程
（３−ａ）前記糖水溶液を精密濾過膜に通じて濾過して、糖水溶液を透過側から回収する濾過ステップ、並びに
（３−ｂ）前記ステップ（３−ａ）において使用される精密濾過膜を洗浄する膜洗浄ステップ
前記ステップ（３−ａ）の終了時において精密濾過膜の非透過側に残存する糖水溶液及び／又は前記ステップ（３−ｂ）において生じる膜洗浄排水を
前記工程（３）よりも上流の工程に還流することを特徴とする糖液の製造方法。
【００１１】
［２］  前記工程（３）よりも上流の工程が前記工程（１）の反応槽であることを特徴とする［１］に記載の糖液の製造方法。
【００１２】
［３］前前記工程（３）よりも上流の工程が前記工程（２）の原水槽であることを特徴とする［１］に記載の糖液の製造方法。
【００１３】
［４］前記工程（３）の原水槽中の糖水溶液を、前記工程（３）よりも上流の工程に還流することを特徴とする［１］に記載の糖液の製造方法。
【００１４】
［５］ 前記工程（３）において、精密濾過膜と原水槽との間に緩衝槽を備え、緩衝槽中の糖水溶液を、前記工程（３）よりも上流の工程に還流することを特徴とする［１］に記載の糖液の製造方法。
【００１５】
［６］前記ステップ（３−ｂ）において、濁度が１０ＮＴＵ以上の前記膜洗浄排水を前記工程（３）よりも上流の工程に還流することを特徴とする［１］〜［５］のいずれかに記載の糖液の製造方法。
【００１６】
［７］前記ステップ（３−ｂ）において、前記膜洗浄排水の還流時に前記膜洗浄排水に酸を添加することを含む、［１］〜［６］のいずれかに記載の糖液の製造方法。
【００１７】
［８］前記ステップ（３−ｂ）において、前記膜洗浄排水の還流時にモジュール内残存糖水溶液を先に排出し、該残存糖水溶液を前記工程（３）よりも上流へ還流することを特徴とする［１］〜［７］のいずれかに記載の糖液の製造方法。
【００１８】
［９］ 前記ステップ（３−ｂ）において、前記残存糖水溶液だけを還流することを特徴とする［８］に記載の糖液の製造方法。
【００１９】
［１０］セルロース含有バイオマスを原料とする糖液の製造装置であって、
前記製造装置は、
（１）セルロース含有バイオマスを加水分解して単糖及び／又はオリゴ糖を含む糖水溶液を得る加水分解手段、
（２）前記加水分解手段（１）からバイオマス残渣を除く固液分離手段、
（３）前記固液分離手段（２）から得られる液体を精密濾過膜に通じて濾過する精密濾過手段
を備え、
前記精密濾過膜の、膜透過側から糖水溶液を回収する手段、
膜の非透過側に残存する濁質含有等水溶液を排出する手段、
排出手段より回収した濁質含有水溶液を精密濾過膜よりも上流工程へ送液する還流手段、
並びに精密濾過膜を洗浄する手段
をさらに備える、
糖液の製造装置。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によって、セルロース含有バイオマスに由来する糖水溶液から、グルコースやキシロースなどの糖を高純度・高収率で製造することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の一実施形態を示す装置フロー図である。
【図２】本発明の一実施形態を示す概略フロー図である。
【図３】本発明の工程（３）に係る一実施形態を示す概略フロー図である
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明について、具体的な構成を挙げて、より詳細に説明する。
【００２３】
Ｉ．糖水溶液の製造工程：工程（１）
本発明の糖液の製造方法は、セルロース含有バイオマスを加水分解して、糖水溶液を製造する工程を備える。
【００２４】
［セルロース含有バイオマス］
セルロース含有バイオマスは、糖が脱水縮合した多糖であるセルロースあるいはヘミセルロース等の多糖類を含有する。セルロース含有バイオマスとしては、バガス、スイッチグラス、コーンストーバー、コーンコブ、稲わら、麦わらなどの草本系バイオマス；および樹木、廃建材などの木質系バイオマスなどを例として挙げることができる。また、セルロースを含有するものであれば、コーンハル、コーンスターチ、サトウキビ、甜菜、馬鈴薯デンプンなども例として挙げることができる。セルロースあるいはヘミセルロースといった多糖類を後述のとおり加水分解することで、発酵原料として利用可能な糖水溶液を製造することができる。
【００２５】
［糖水溶液］
セルロース含有バイオマスの加水分解によって得られる糖水溶液について、以下に説明する。
【００２６】
一般的に糖とは、単糖の重合度によって分類され、グルコース、キシロースなどの単糖類、そして単糖が２〜９個脱水縮合したオリゴ糖類、さらには単糖が１０個以上脱水縮合した多糖類に分類される。
【００２７】
工程（１）で得られる糖水溶液は、主成分として単糖を含むことができ、具体的には、グルコースあるいはキシロースを主成分として含むことができる。また、少量ではあるが、セロビオースなどのオリゴ糖、およびアラビノース、マンノースなどの単糖も含んでもよい。ここで「主成分として単糖を含む」とは、水に溶解している単糖、オリゴ糖、多糖の糖類の中の総重量の８０重量％以上が単糖であることを指す。
【００２８】
水に溶解した単糖、オリゴ糖、多糖は、具体的には、高速液体クロマトグラフィー（ＨＰＬＣ）によって、標品との比較により定量することができる。具体的なＨＰＬＣ条件は、反応液は使わず、カラムにＬｕｎａＮＨ２（Ｐｈｅｎｏｍｅｎｅｘ社製）を用いて、移動相を超純水：アセトニトリル＝２５：７５とし、流速が０．６ｍＬ／ｍｉｎ、測定時間が４５ｍｉｎ、検出方法がＲＩ（示差屈折率）、温度が３０℃である。
【００２９】
工程（１）で得られる糖水溶液には、糖だけでなく、コロイド成分、濁質成分、微粒子などを含むバイオマス残滓が存在してもよい。このようなバイオマス残滓の構成成分としては、リグニン、タンニン、シリカ、カルシウム、未分解のセルロース、などが例示できるが、特にこれらに限定されるものではない。
【００３０】
［加水分解］
次に、工程（１）において、セルロース含有バイオマスを加水分解して、糖水溶液を製造する方法について説明する。工程（１）は、反応槽をともない、この反応槽によって加水分解が実施される。
【００３１】
セルロース含有バイオマスを加水分解に供するに際しては、セルロース含有バイオマスをそのまま使用してもよいが、蒸煮、微粉砕、爆砕などの公知の処理を施すことが可能であり、こうした処理によって加水分解の効率を向上させることが可能である。
【００３２】
セルロース含有バイオマスの加水分解工程については特に制限はないが、具体的には、処理法Ａ：酸のみを用いる方法、処理法Ｂ：酸処理の後、酵素を利用した処理を行う方法、処理法Ｃ：水熱処理のみを用いる方法、処理法Ｄ：水熱処理の後、酵素を利用した処理を行う方法、処理法Ｅ：アルカリ処理の後、酵素を利用する方法、処理法Ｆ：アンモニア処理の後、酵素を利用する方法の６つが主に挙げられる。なお、アンモニアはアルカリの一種であるので、アンモニア処理をアルカリ処理の１つと見なすことができる。処理法ＡおよびＣは、本発明の効果によって膜洗浄時における糖の損失を防ぎ、高純度・高収率な糖液を製造することができる。処理法Ｂおよび処理法Ｄ〜Ｆは、本発明の効果によって精密ろ過膜洗浄時における糖および酵素の損失を防ぎ、高純度・高収率な糖液を製造することができる。
【００３３】
（処理法Ａ）
処理法Ａでは、セルロース含有バイオマスの加水分解に酸を使用する。使用する酸に関して硫酸、硝酸、塩酸などが挙げられるが、硫酸を使用することが好ましい。
【００３４】
酸の濃度に関しては特に限定されないが、０．１〜９９重量％の酸を使用することができる。
【００３５】
酸の濃度が０．１〜１５重量％または０．５〜５重量％である場合、反応温度は好ましくは１００〜３００℃、より好ましくは１２０〜２５０℃の範囲で設定され、反応時間は好ましくは１ｓｅｃ〜６０ｍｉｎの範囲で設定される。また、酸の濃度が１５〜９５重量％または６０〜９０重量％である場合、反応温度は好ましくは１０〜１００℃の範囲で設定され、反応時間は好ましくは１ｓｅｃ〜６０ｍｉｎの範囲で設定される。
【００３６】
酸処理の回数は特に限定されず、１回または２回以上のいずれであってもよい。特に処理を２回以上行う場合、１回目の処理とそれ以後の処理とを異なる条件で実施してもよい。
【００３７】
酸処理によって得られた加水分解物は、硫酸などの酸を含むので、この加水分解物を発酵原料として使用するためには、加水分解の後に中和処理をさらに行うことが好ましい。中和に使用するアルカリ試薬の種類は、特に限定されないが、２以上の価数を有する酸が加水分解に用いられる場合は、１価のアルカリ試薬が好ましく用いられる。これは、２以上の価数を有する酸と２以上の価数を有するアルカリとで形成された塩は、液が濃縮される過程で液中に析出して、膜のファウリング要因となるからである。
【００３８】
１価のアルカリを使用する場合、アンモニア、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム等が挙げられるが特に限定はされない。
【００３９】
２価以上のアルカリ試薬を用いる場合は、酸およびアルカリの使用量を減らすことで塩の析出を抑制するか、または析出物を除外する機構を設けることで、上述のファウリングの問題を回避できる。
【００４０】
酸を使用する加水分解では、一般的に結晶性の低いヘミセルロース成分が加水分解され、次いで結晶性の高いセルロース成分が分解される。したがって、酸を使用してヘミセルロース由来のキシロースを多く含有する液を得ることが可能である。
【００４１】
また、圧力および温度の異なる２回以上の酸処理を行ってもよい。例えば、第１の酸処理を行った後、第１の酸処理よりも高圧かつ高温で第２の酸処理を行ってもよい。第２の酸処理では結晶性の高いセルロース成分をさらに分解することができるので、セルロース由来のグルコースを多く含有する液を得ることが可能である。
【００４２】
このように複数の段階に分けて加水分解を行う場合、各段階において、ヘミセルロースおよびセルロースのそれぞれの分解に適した加水分解条件を設定することができる。よって、分解効率および糖収率を向上させることができる。
【００４３】
また、第１の加水分解で得られる糖水溶液と第２の加水分解で得られる糖水溶液とを分離することで、単糖成分比率が異なる２種の糖水溶液を製造することができる。すなわち、キシロースを主成分とする糖水溶液が得られる条件で第１の加水分解を行った後、得られた第１の糖水溶液を分離してから、グルコースを主成分とする糖水溶液が得られる条件で第２の加水分解を行う。こうして、異なる組成を有する２種類の糖水溶液を得ることができる。
【００４４】
このようにして得られた、単糖成分が異なる複数種類の糖水溶液は、それぞれ異なる条件での発酵に用いることができる。つまり、糖水溶液中のキシロースを発酵原料として使用する発酵と、グルコースを発酵原料として使用する発酵とを分けて行うことができる。このように単糖成分を分けることで、それぞれの発酵に使用する最適な微生物種を選定し使用することが可能になる。
【００４５】
なお、酸での高圧高温処理を長時間行うことで、ヘミセルロース成分とセルロース成分とを分離することなく、１段階で両成分由来の糖を得ても良い。
【００４６】
（処理法Ｂ）
処理法Ｂでは、処理法Ａ（つまり酸による加水分解）で得られた処理液をさらに酵素で処理することで、セルロース含有バイオマスをさらに加水分解する。
【００４７】
処理法Ｂにおいて、酸による加水分解の条件は、処理法Ａについて説明したとおりである。具体的には、使用される酸の濃度は、好ましくは０．１〜１５重量％であり、より好ましくは０．５〜５重量％である。酸による加水分解の反応温度は、１００〜３００℃の範囲で設定され、好ましくは１２０〜２５０℃で設定される。また、酸による加水分解の反応時間は１ｓｅｃ〜６０ｍｉｎの範囲で設定可能である。酸による加水分解処理の回数は特に限定されず、１回または２回以上のいずれであってもよい。特に上記処理を２回以上行う場合、１回目と２回目以降の処理を異なる条件で実施してもよい。
【００４８】
酸処理によって得られた加水分解物は、硫酸などの酸を含んでおり、さらに酵素による加水分解反応を行うため、あるいは発酵原料として使用するために、中和を行う必要がある。中和に関しては、処理法Ａの説明で述べたとおりである。
【００４９】
加水分解に使用される酵素としては、セルロース分解活性を有する酵素であればよく、一般的なセルラーゼを使用することが可能である。特に、酵素としては、結晶性セルロースの分解活性を有するエキソ型セルラーゼ、あるいはエンド型セルラーゼを含むセルラーゼが好ましい。こうしたセルラーゼとして、トリコデルマ属が産生するセルラーゼが好適である。トリコデルマ属とは、糸状菌に分類される微生物であり、細胞外に多種のセルラーゼを大量に分泌する微生物である。トリコデルマ・リーセイ(Ｔｒｉｃｈｏｄｅｒｍａ ｒｅｅｓｅｉ)由来のセルラーゼは、特に好ましく用いられる。
【００５０】
また、加水分解に使用する酵素として、グルコースの生成効率を向上させるために、セロビオース分解酵素であるβグルコシダーゼを添加してもよく、上述のセルラーゼと併せて加水分解に使用してもよい。βグルコシダーゼとしては、特に限定されないがアスペルギルス由来のものであることが好ましい。
【００５１】
こうした酵素を使用した加水分解反応は、ｐＨが３〜７の付近で行うことが好ましく、より好ましくはｐＨ５付近である。反応温度は、４０〜７０℃であることが好ましい。
【００５２】
酸処理後、酵素を利用してセルロース含有バイオマスを加水分解する場合、第１の加水分解において酸処理により結晶性の低いヘミセルロースの加水分解を行い、次いで第２の加水分解として酵素を使用することで結晶性の高いセルロースの加水分解を行うことが好ましい。第２の加水分解において酵素を使用することで、より効率よくセルロース含有バイオマスの加水分解工程を進めることができる。
【００５３】
具体的には、酸による第１の加水分解において、セルロース含有バイオマスに含まれる成分のうち、主として、ヘミセルロース成分の加水分解、およびリグニンの部分分解が起きる。その加水分解物を酸溶液とセルロースを含む固形分とに分離した後、セルロースを含む固形分成分に対しては、酵素を添加することによって加水分解を行う。
【００５４】
第１の加水分解で得られる酸溶液は、ペントースであるキシロースを主成分として含んでいる。よって、こうして得られた酸溶液を中和することで、糖水溶液を得ることができる。また、セルロースを含む固形分をさらに加水分解することで、グルコースを主成分とする単糖成分を得ることができる。なお、酸溶液を中和することで得られた糖水溶液を、固形分に混合し、この混合物に酵素を添加して加水分解を行ってもよい。
【００５５】
（処理法Ｃ）
処理法Ｃでは特段の酸の添加は行わず、セルロース含有バイオマスが０．１〜５０重量％となるよう水を添加後、１００〜４００℃の温度で、１ｓｅｃ〜６０ｍｉｎの熱処理を行う。
【００５６】
こうした温度条件において処理することにより、セルロースおよびへミセルロースの加水分解が起こる。このような熱処理による加水分解は、水熱処理と呼ばれる。水熱処理を使用する加水分解では、一般的に結晶性の低いヘミセルロース成分から加水分解され、次いで結晶性の高いセルロース成分が分解される。したがって、水熱処理によって、ヘミセルロース由来のキシロースを多く含有する液を得ることが可能である。
【００５７】
水熱処理の回数は特に限定されず、１回または２回以上のいずれであってもよい。水熱処理を２回以上行う場合、第１の処理とその後の処理とを異なる条件で実施してもよい。
【００５８】
また、水熱処理においては、第１の処理の後、第２の処理として、バイオマス固形分を第１の処理よりも高圧かつ高温で処理することで、さらに結晶性の高いセルロース成分を分解することができる。このような２段階の処理を行うことで、セルロース由来のグルコースをより多く含有する液を得ることができる。
【００５９】
このように複数の段階に分けて水熱処理を行う場合、各段階において、ヘミセルロースおよびセルロースのそれぞれの分解に適した加水分解条件を設定することができる。よって、分解効率、および糖収率を向上させることが可能になる。
【００６０】
また、第１の処理で得られる糖水溶液と第２の処理で得られる糖水溶液とを分離することで、単糖成分比率が異なる２種の糖水溶液を製造することができる。すなわち、キシロースを主成分とする糖水溶液が得られる条件で第１の処理を行った後、得られた第１の糖水溶液を分離してから、グルコースを主成分とする糖水溶液が得られる条件で第２の処理を行う。こうして、異なる組成を有する２種類の糖水溶液を得ることができる。
【００６１】
このようにして得られた、単糖成分が異なる複数種類の糖水溶液は、それぞれ異なる条件での発酵に用いることができる。つまり、糖水溶液中のキシロースを発酵原料として使用する発酵と、グルコースを発酵原料として使用する発酵とを分けて行うことができる。このように単糖成分を分けることで、それぞれの発酵に使用する最適な微生物種を選定し使用することが可能になる。
【００６２】
（処理法Ｄ）
処理法Ｄでは、処理法Ｃ（つまり水熱処理）で得られた処理液をさらに酵素で処理することで、セルロース含有バイオマスをさらに加水分解する。
【００６３】
酵素については、処理法で説明したとおりである。また、酵素処理条件についても処理法Ｂと同様の条件が採用されうる。
【００６４】
処理方法Ｄでは、水熱処理後、酵素を使用してセルロース含有バイオマスを加水分解するので、まず水熱処理によって結晶性の低いヘミセルロースを加水分解し、次いで酵素によって結晶性の高いセルロースを加水分解することができる。このように酵素を使用することで、効率良くセルロース含有バイオマスの加水分解工程を進めることができる。
【００６５】
具体的には、水熱処理によって、主としてセルロース含有バイオマスに含まれるヘミセルロース成分を加水分解し、かつリグニンを部分分解する。次に、その加水分解物を水溶液とセルロースを含む固形分に分離する。得られた固形分については、酵素を添加することによって加水分解を行う。ここで、水熱処理によって得られる水溶液は、ペントースであるキシロースを主成分として含む。また、その後の酵素による加水分解によって、グルコースを主成分とする単糖成分を得ることができる。なお、水熱処理によって得られる水溶液を固形分に混合し、この混合物に酵素を添加して加水分解を行ってもよい。
【００６６】
（処理法Ｅ）
処理法Ｅでは、使用するアルカリは水酸化ナトリウムまたは水酸化カルシウムが好ましい。これらアルカリのセルロース含有バイオマスに対する濃度は、０．１〜６０重量％の範囲であることが好ましい。アルカリを添加した後、１００〜２００℃、好ましくは１１０℃〜１８０℃の温度範囲で処理することで、加水分解を行うことができる。処理回数は特に限定されず、１回または２回以上のいずれであってもよい。アルカリによる加水分解処理を２回以上行う場合、１回目とその後の処理とを異なる条件で実施してもよい。
【００６７】
アルカリ処理によって得られた処理物は、水酸化ナトリウムなどのアルカリを含むため、さらに酵素による加水分解反応を行うために、中和を行う必要がある。中和に使用する酸試薬は、特に限定されないが、２以上の価数を有するアルカリが加水分解に用いられる場合は、１価の酸試薬が好ましく用いられる。これは、２以上の価数を有する酸と２以上の価数を有するアルカリとで形成された塩は、液が濃縮される過程で液中に析出して、膜のファウリング要因となるからである。
【００６８】
１価の酸を使用する場合、硝酸、塩酸等が挙げられるが特に限定はされない。
【００６９】
２価以上の酸試薬を用いる場合は、酸およびアルカリの使用量を減らすことで塩の析出を抑制するか、または析出物を除外する機構を設けることで、上述のファウリングの問題を回避できる。２価以上の酸としては、硫酸、リン酸が好ましい。
【００７０】
処理法Ｅにおける酵素としては、処理法Ｂと同様の酵素が用いられる。また、酵素処理条件についても処理法Ｂと同様の条件が採用されうる。
【００７１】
処理方法Ｅでは、まず、アルカリを含んだ水溶液に混合して加熱することで、ヘミセルロース成分とセルロース成分との周辺に存在するリグニン成分を除去する。これによって、ヘミセルロース成分およびセルロース成分を反応しやすい状態にすることができる。その後、アルカリ処理で分解されなかった結晶性の低いヘミセルロースおよび結晶性の高いセルロースを酵素によって加水分解することができる。
【００７２】
具体的には、以下のように処理を進めることができる。まず、アルカリ処理によって、セルロース含有バイオマスに含まれる成分のうち、主として、一部のヘミセルロース成分を加水分解し、かつリグニンを部分分解する。次に、その加水分解物をアルカリ溶液とセルロースを含む固形分とに分離する。得られた固形分成分については、ｐＨを調製して、さらに酵素を添加することによって加水分解を行う。また、アルカリ溶液における固形分の濃度が希薄な場合は、固形分を分離することなく、そのまま中和後、酵素を添加して加水分解してもよい。
【００７３】
セルロースを含む固形分を酵素で加水分解することで、グルコース、キシロースを主成分とする単糖成分を得ることができる。また、アルカリ処理後に固形分と分離されたアルカリ溶液は、リグニン以外にペントースであるキシロースを主成分として含んでいる。よって、このアルカリ溶液を中和することで、糖水溶液を得ることもできる。また、中和によって得られた糖水溶液を、固形分に混合し、この混合物に酵素を添加して加水分解を行ってもよい。
【００７４】
（処理法Ｆ）
処理法Ｆのアンモニア処理条件は、特開２００８−１６１１２５号公報および特開２００８−５３５６６４号公報に記載された処理条件に準拠する。
【００７５】
例えば、セルロース含有バイオマスに対するアンモニア濃度の好ましい範囲は、０．１〜１５重量％である。添加するアンモニアは液体状態、あるいは気体状態のどちらであってもよい。さらに添加する形態は純アンモニアでもアンモニア水溶液の形態でもよい。アンモニアを添加した後、温度を４℃〜２００℃、好ましくは９０℃〜１５０℃にすることで、加水分解が進行する。処理回数は特に限定されず、１回または２回以上のいずれであってもよい。特に処理を２回以上行う場合、第１の処理とその後の処理とを異なる条件で実施してもよい。
【００７６】
アンモニア処理によって得られた処理物を、さらに酵素により加水分解するには、アンモニアの中和あるいはアンモニアの除去を行うことが好ましい。
【００７７】
中和に使用する酸試薬の種類は特に限定されない。酸試薬としては、例えば塩酸、硝酸、硫酸などがあげられる。特に、硫酸は、プロセス配管を腐食しにくく、また発酵を阻害しないので、好ましい。
【００７８】
アンモニアの除去は、アンモニア処理物を減圧状態に保つことで、アンモニアを気体状態に揮発させることで行ってもよい。除去したアンモニアは、回収し、再利用してもよい。
【００７９】
アンモニア処理後に、酵素を使用する加水分解について説明する。
【００８０】
アンモニア処理を行うと、セルロースの結晶が酵素反応を受けやすい構造に変化することが、一般的に知られている。したがって、こうしたアンモニア処理後の固形分に対し、酵素を作用させることで、効率的に加水分解を行うことができる。
【００８１】
酵素としては、処理法Ｂと同様の酵素が用いられる。また、酵素処理条件についても処理法Ｂと同様の条件を採用できる。
【００８２】
また、アンモニア処理においてアンモニア水溶液を用いる場合は、アンモニア処理時に、アンモニアによる作用以外に、水成分によって処理法Ｃ（つまり水熱処理）と同様の効果も得られることがある。水熱処理によると、上述したとおり、ヘミセルロースの加水分解およびリグニンの分解が起こる。
【００８３】
つまり、アンモニア水溶液で処理後、酵素を利用してセルロース含有バイオマスを加水分解する場合、具体的な処理の過程は以下のとおりである。
【００８４】
アンモニアを含んだ水溶液とバイオマスとを混合して加熱することで、ヘミセルロース成分とセルロース成分との周辺に存在するリグニン成分を除去する。これによって、ヘミセルロース成分およびセルロース成分を反応しやすい状態にすることができる。上述したように、アンモニア処理中に水熱処理も進行する。その後、アンモニア処理および水熱処理でも分解されなかった結晶性の低いヘミセルロースおよび結晶性の高いセルロースを酵素によって加水分解することができる。
【００８５】
より具体的には、処理は以下のように進行する。アンモニア水溶液による処理によって、セルロース含有バイオマスに含まれる成分のうち、主として、一部のヘミセルロース成分を加水分解し、かつリグニンを部分分解する。次に、その加水分解物をアンモニア水溶液とセルロースを含む固形分とに分離する。得られた固形分成分については、ｐＨを調製して、さらに酵素を添加することによって加水分解を行う。また、アンモニア濃度が高い場合（例えば１００％に近い場合）は、脱気によって多くのアンモニアを除外後、固形分を分離することなく、そのまま中和した後、酵素添加して加水分解してもよい。
【００８６】
固形分の加水分解反応物からは、グルコースおよびキシロースを主成分とする単糖成分を得ることができる。また、アンモニア処理後に固形分と分離されたアンモニア水溶液には、リグニン以外にペントースであるキシロースを主成分として含んでいるため、アルカリ溶液を中和して糖水溶液を得ることも可能である。また、中和によって得られた糖水溶液を固形分に混合し、この混合物に酵素を添加して加水分解を行ってもよい。
【００８７】
ＩＩ．固液分離工程：工程（２）
［固液分離］
本発明の糖液の製造方法は、工程（１）で得られた糖水溶液から未だ分解されていない固形分（バイオマス残渣）を取り除く、固液分離工程を含む。
【００８８】
工程（２）は、加水分解が複数回行われる場合は、固液分離は各回の加水分解後に行われてもよい。工程（２）には、濾過・圧搾、沈降分離、遠心分離等の種々の手法が適用される。つまり、固液分離装置として、フィルタープレスやベルトプレス、遠心分離機、沈殿槽などが用いられる。糖水溶液は、該装置から液体分として回収され、下流工程へと送液される。液体分を効率よく回収するために、固液分離装置として望ましくは加圧濾過型の装置もしくは遠心分離機を用いることが好ましい。遠心分離機を用いる場合は、５０００Ｇ以上の遠心力をかけて分離することが好ましい。
【００８９】
［糖水溶液］
工程（２）において、固液分離装置の液体分として回収された糖水溶液は、工程（２）で使用された分離装置によって種々の成分が除かれた以外は、工程（１）の糖水溶液と同様の組成を有する。
【００９０】
ＩＩＩ．精密濾過工程：工程（３）
本発明の糖液の製造方法は、工程（２）で得られた糖水溶液を精密濾過膜に通じることで濾過する工程（３）を含む。この工程により、糖水溶液が透過側から回収され、未分解のセルロースやバイオマスに付着している数十ｎｍ以上の粒径を有するシリカ等の無機成分が原水側に阻止される。
【００９１】
［濾過］
本発明で使用される精密濾過膜とは、平均細孔径が０．０１μｍ〜５ｍｍである膜である。精密濾過膜はマイクロフィルトレーション膜とも称され、ＭＦ膜と略称される。精密濾過膜に通じることで、工程（２）において液体分として回収された糖水溶液から、単糖まで分解されていないセルロースやバイオマスに付着している数十ｎｍ以上の粒径を有するシリカ等の無機成分などを除くことが可能となる。また、糖水溶液に乳酸菌などの細胞が混入している場合、細胞の代謝によって生産物である糖が消費されてしまう可能性がある。糖水溶液を精密濾過膜に通じることで、これらの糖と細胞とが、膜透過側と非透過側とに分離され、糖の消費を抑制し、保管時間による糖濃度の変化が少なく安定した品質の糖水溶液を製造することが可能となる。なお、細胞を確実にかつ、膜のファウリングにならないように分離を行うためには、平均細孔径が０．０２μｍ以上１．０μｍ以下であることが望ましい。
濾過操作としては、効率的に除去するために、精密濾過膜を２回以上使用する多段的な濾過でもよく、またその際、使用する膜の素材および膜種類は段階ごとに異なっても良い。
また、精密濾過膜で濾過を行い、その濾液をさらに限外濾過膜で濾過を行っても良い。この方法では、精密濾過膜では除くことが出来ない数十ｎｍ以下のコロイド成分や、リグニン由来の水溶性の高分子成分（タンニン）、オリゴ糖から多糖などの糖類、そして加水分解に使用する酵素などを除くことが可能となる。
ここでいう限外濾過膜とは、分画分子量が１，０００〜２００，０００である膜のことであり、ウルトラフィルトレーション膜とも称され、ＵＦ膜などと略称される。限外濾過膜の膜表面の細孔径は、非常に小さいので、電子顕微鏡等で計測することが困難である。よって、平均細孔径の代わりに、分画分子量が孔径の大きさの指標とされる。
【００９２】
なお、分画分子量とは、日本膜学会編  膜学実験シリーズ第III巻  人工膜編  編集委員／木村尚史，中尾真一，大矢晴彦、仲川勤（１９９３共立出版）ｐ．９２に、「溶質の分子量を横軸に、阻止率を縦軸にとってデータをプロットしたものを分画分子量曲線とよんでいる。そして阻止率が９０％となる分子量を膜の分画分子量とよんでいる。」と記載されているように、限外濾過膜の膜性能を表す指標として知られている。
【００９３】
加水分解に使用する酵素は、分子量が１０，０００〜１００，０００の範囲にある。これらの酵素の透過を阻止できる分画分子量を有する限外濾過膜を使用することで、酵素を非透過側画分より回収することができる。好ましくは、分画分子量１０，０００〜３０，０００の限外濾過膜を使用することで、加水分解に使用する酵素を効率的に回収できる。使用する限外濾過膜の形態は特に限定されるものではなく、平膜、中空糸膜いずれであってもよい。回収された酵素は工程（１）の加水分解に再利用することで、酵素使用量を削減できる。
【００９４】
これら精密濾過膜および限外濾過膜の材料としては、上述したバイオマス残滓の除去が可能であれば、特に限定されるものではない。具体的には、これらの濾過膜を構成する材料として、セルロース、セルロースエステル、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、塩素化ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリオレフィン、ポリビニルアルコール、ポリメチルメタクリレート、ポリフッ化ビニリデン、ポリ四フッ化エチレン等の有機材料；あるいはステンレス等の金属、あるいはセラミック等の無機材料が挙げられる。精密濾過膜および限外濾過膜の材質は、加水分解物の性状、あるいはランニングコストを鑑みて適宜選択すればよいが、取扱の容易性から考えて有機材料であることが好ましい。特に、有機材料として、塩素化ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリスルホン、ポリエーテルスルホンが好ましい。
【００９５】
また、本発明の精密濾過膜の形態としては、中空糸膜、平膜のいずれも採用できるが、後述する逆圧洗浄を実施する場合には、外圧式中空糸膜モジュールが好ましく採用される。
【００９６】
濾過の方式としては、全量濾過とクロスフロー濾過があり、いずれも採用できる。全量濾過とは、膜面に供給された濾過対象液を循環することなく全量を濾過する方式で、デッドエンド濾過とも言われる。これに対してクロスフロー濾過とは、濾過対象液を濾過対象液の貯槽へ一部循環させることにより、濾過対象液が膜面に平行に流れるように濾過する方式である。全量濾過方式では、膜表面にすべてが蓄積されるのに対し、クロスフロー濾過方式では、分離膜と平行なクロスフロー流れの剪断力により分離膜表面の堆積物を除去する効果が期待でき、濁質濃度の高い対象液の処理に好ましく用いられる。
一方、クロスフロー濾過方式は、濾過対象液を循環するためのエネルギーが全量濾過方式よりも余分に必要になるためにエネルギー面では全量濾過方式の方が有利になる。
【００９７】
［洗浄ステップ］ 
本発明の糖液の製造方法は、工程（３）において、用いられる精密濾過膜によって糖水溶液を濾過するステップ（３−ａ）と、上記濾過膜を洗浄するステップ（３−ｂ）とを含む。濾過ステップ（３−ａ）は、単糖まで分解されていないセルロースやバイオマスに付着している数十ｎｍ以上の粒径を有するシリカ等の無機成分などを取り除き、加水分解に利用した酵素やオリゴ糖、単糖を精密濾過膜の透過側へ透過させる。しかしながら、ステップ（３−ａ）は時間経過とともに非透過側膜表面上にケークが堆積したり、膜細孔内が閉塞したりして、通液抵抗が上昇する。さらに、膜表面上の堆積物や細孔内閉塞物によって、本来は精密濾過膜を透過するような数十ｎｍ以下のコロイド成分や、タンニン、加水分解に使用した酵素、さらには生産物であるオリゴ糖や単糖が非透過側に補足されてしまうとともに、さらに通液抵抗が上昇する。常時一定の濾過量を得る定速濾過では、通液抵抗が上昇すると、濾過圧力も上昇する。ここでいう濾過圧力とは、濾過膜の非透過側から透過側へ液体を輸送するために必要な圧力差である。上述するような精密濾過膜で除去された物質によるケークは、乾燥重量が等しくても、濾過圧力が高くなると圧縮されて液体が押し出され、ケーク密度が増加するため、ケーク内の液体の流路が狭くなり、通液抵抗がさらに高くなって濾過の継続が困難になるばかりか、数十ｎｍ以下のコロイド成分や、タンニン、加水分解に使用した酵素、オリゴ糖や単糖の補足量も増加する。従って、濾過ステップ（３−ａ）の後に洗浄ステップ（３−ｂ）を入れ、ケークを膜表面から剥離・排掃したり、膜の閉塞を解消したりして通液抵抗の上昇を抑制することで、長時間運転を行うことが可能となる。また加えて、加水分解に使用した酵素やオリゴ糖、単糖の精密濾過膜における補足量の増加を抑制することができ、透過側の酵素濃度や糖濃度を維持できる。
【００９８】
本ステップ（３−ｂ）には、公知の膜洗浄の方法が適用可能である。すなわち、洗浄方法には、膜の１次側において、膜モジュール下端から膜モジュール上端へなど、濾過膜端部から対になるもう一方の端部に向かって膜面に並行して通水して膜面近傍にせん断流れを与え、ケークを排掃する洗浄方法と、膜の一次側から二次側に水を通じる洗浄方法と、膜の二次側から一次側へ水を通じて洗浄する方法がある。３番目の洗浄方法は、いわゆる逆圧洗浄と呼ばれている。洗浄水とは、水、ならびにｐＨ調整剤等の種々の添加物を使用することができる。洗浄は、さらに複数のステップを含んでもよく、それぞれのステップで、洗浄水の組成、圧力等の条件が異なってもよいし、上述の洗浄方法を組み合わせても良い。
【００９９】
洗浄ステップ（３−ｂ）は、濾過ステップ（３−ａ）終了後に行われる。ステップ（３−ａ）終了直後は、膜モジュール非透過側に濾過対象となる糖水溶液が残存している。
【０１００】
洗浄ステップ（３−ｂ）では、洗浄水が膜モジュール内へ流入し、残存している糖水溶液が洗浄水で膜モジュール外へ押し出される。もしくは、洗浄水が膜モジュール内へ流入する前に、残存している糖水溶液のみを先に排出してもよい。
【０１０１】
残存している糖液には、工程（２）において得られた糖水溶液と等濃度以上の糖および酵素ならびに、精密濾過膜で阻止されて蓄積した物質の一部が含まれている。
【０１０２】
洗浄排水にも糖や酵素、精密濾過膜で阻止された物質や膜面に堆積したケークがほぐれて懸濁しており、その濃度は使用した洗浄水の量によって異なる。これらを工程（３）の原水槽へ循環させることなく、排水することによって、原水中の精密濾過膜阻止成分の濃度を下げ、膜の目詰まりやケーク堆積を抑制して長期安定運転を図ることが可能となる。
【０１０３】
また、膜モジュールが数体に及ぶ場合、工程（３）の原水槽と膜モジュールとの間に緩衝槽を設けてもよく、洗浄ステップ（３−ｂ）時には、膜モジュールに残存した糖水溶液と一緒に上流の工程へ還流してよい。濾過方式として、クロスフロー濾過方式を採用する場合、濾過ステップ（３−ａ）において原水槽や緩衝槽に一部糖水溶液を循環させるので、クロスフロー流れの剪断力により分離膜表面から除去された堆積物が原水槽や緩衝槽に蓄積・濃縮される。従って、洗浄ステップ（３−ｂ）において膜モジュールに残存した糖水溶液と一緒に上流の工程へ還流してやることで、原水中の精密濾過膜阻止成分の濃度を下げ、膜の目詰まりやケーク堆積を抑制して長期安定運転を図ることが可能となる。なお、原水槽や緩衝槽内の糖水溶液は、膜モジュール内の残存糖水溶液と同じ頻度で還流する必要はなく、数時間〜数十時間に１回でよく、その頻度は糖水溶液の濃度や槽の大きさや濾過流束、クロスフロー速度などに依存する。また、濾過方式として全量濾過方式を採用した場合でも、定期薬液洗浄などメンテナンスに入る前などに原水槽中および／または緩衝槽中の糖水溶液を排水する際に上流の工程へ還流することができる。
【０１０４】
［洗浄排水］
上述の洗浄ステップ（３−ｂ）においては、濾過ステップ（３−ａ）終了に残存した糖水溶液とともに、膜モジュール内を通った洗浄水が洗浄排水として膜モジュール外へ排出される。該洗浄排水中には、糖類、タンニン、コロイド粒子、酵素など膜に付着していた物質が懸濁および／または溶解しており、それらが洗浄水とともに膜モジュール外へ排出される。
【０１０５】
この残存した糖液と洗浄排水を、工程（１）および／または工程（２）の原水へ還流することで、糖や酵素の損失を防止し、生産物である糖液の糖濃度低下を抑制することで品質向上につなげ、また酵素の回収率の向上を図りつつ、定期的な洗浄を行うことが可能となり、生産性の高い長期安定運転が実現できる。工程（１）および／または工程（２）の原水へ還流することによって、特別な分離装置を必要とすることなく、排水された液から糖や酵素の回収が可能になる。工程（１）に還流すると、回収した酵素は加水分解に再度利用することができ、回収された糖は、工程（１）で新しく加水分解された糖と一緒に下流工程へ流れ、生産品の糖液とされる。工程（２）に還流すると、回収された酵素は再度工程（３）へ流れ、精密濾過膜の透過液側へ流れる。精密濾過膜の後段で限外濾過を行い、非透過側で酵素を回収する場合は、限外濾過膜の非透過液中に回収され、再利用することができる。また、工程（２）に還流された液中の糖は、新しく加水分解された糖水溶液と一緒に順に工程処理されて、最終的に生産品の糖液とされる。図１は、本発明における残存糖水溶液と洗浄排水の還流先の一例を示している。図示されるように、還流される工程は全て同じ工程である必要はなく、一部を工程（１）へ、残りを工程（２）へ還流してやってもよい。また、前述の通り、精密濾過膜モジュール内の残存糖水溶液と合わせて原水槽中の糖水溶液も還流させることができる。
【０１０６】
また、洗浄排水には前述の通り多くの有機物を含み、ＴＯＣ（全有機炭素濃度）やＴ−Ｎ（全窒素）が高い溶液で、廃水処理にかかる負荷が大きいが、工程へ還流することによって負荷を低減することができる。
洗浄ステップ（３−ｂ）は、先に膜モジュール内に残存している糖水溶液のみを排水させて、工程（１）および／または工程（２）の原水へ還流してもよく、この場合、酵素濃度や糖濃度の高い液を効率よく回収することができる。この際、図２のように、先に排水させた残存糖水溶液は工程（２）の原水へ、洗浄排水は工程（１）へ還流するなど、それぞれ還流する工程が異なってもよい。図２のような場合は、糖や酵素だけでなく、洗浄水を工程（１）のバイオマスを懸濁するための水として再利用することができる。
また、先に排水させた残存糖水溶液だけを還流し、洗浄排水はそのまま廃水してもよい。さらには、洗浄排水をあるときは上流工程へ還流し、あるときは廃水するなど、その都度異なってもよい。例えば、図３のように３回に２回の洗浄ステップは残存糖水溶液だけを還流して洗浄排水は廃水し、残り１回の洗浄ステップは残存糖水溶液および洗浄排水を還流して、還流される水の量が過剰で工程処理時間が大幅に延長されることを防ぐことができる。また、毎回の洗浄ステップ（３−ｂ）において工程へ還流しても良いし、数回のうち１回の洗浄ステップ（３−ｂ）において残存糖水溶液および／または洗浄排水を還流しても良い。
洗浄排水は、全て還流する必要はなく、少なくとも一部が還流されればよい。例えば、洗浄ステップ（３−ｂ）を開始して、開始直後からステップ終了時間までの洗浄排水を工程（１）および／または工程（２）に還流しても良いし、ステップ（３−ｂ）開始から途中経過時間までの洗浄排水を工程（１）および／または工程（２）に還流し、残りは排水しても良い。これにより、洗浄排水中の糖濃度ならびに酵素濃度が高い溶液のみを還流することができる。
洗浄排水を還流するかどうかは、洗浄排水の濁度を測定して判断してもよい。例えば、濁度が高い場合に工程（１）へ戻すことで固形分濃度が高いときに選択的に洗浄排水を還流することが可能となる。濁度を測定する場合、１０ＮＴＵ以上の濁度場合に洗浄排水を還流することが好ましい。さらには５０ＮＴＵ以上の場合に還流することが好ましい。
また、洗浄排水を工程へ還流する際、還流する前に酸を添加してから還流してもよい。加水分解に使用する酵素は、ｐＨによって酵素活性が異なり、酸を添加してｐＨ調整を行うことで酵素を効率よく再利用することが可能となる。酸が添加された洗浄排水のｐＨは、３〜７の付近であることが好ましく、より好ましくはｐＨ５付近である。
還流される工程は、毎回同じ工程である必要はなく、例えば３回に２回の洗浄ステップは工程（２）へ還流して、精密濾過膜の透過液側に糖と酵素を回収して、残りの１回は工程（１）へ還流するなどの操作を行ってよい。
【０１０７】
［糖水溶液］
工程（３）において透過側から回収された糖水溶液は、工程（２）ならびに工程（３）で使用された濾過膜によって種々の成分が除かれた以外は、工程（１）の糖水溶液と同様の組成を有する。
ＩＶ．洗浄排水の再利用：
本発明の糖液の製造方法は、工程（３）のステップ（３−ｂ）において生じる洗浄排水を工程（３）よりも前の工程へ還流することを含む。洗浄排水は、全て再利用される必要はなく、少なくとも一部が再利用されればよい。
【０１０８】
Ｖ．濃縮工程：
本発明の糖液の製造方法は、工程（３）で得られた糖水溶液をナノ濾過膜に通じて濾過して、透過側から透過水を、非透過側から糖液を回収する工程を備えてもよい。
【０１０９】
該工程によって、糖水溶液を「ナノ濾過膜に通じて濾過する」ことで、糖水溶液に溶解している糖、特にグルコースやキシロースといった単糖の糖水溶液を非透過側に阻止または濾別しつつ、発酵阻害物質を透過側に透過させて、発酵阻害物質を除去するか、または発酵阻害物質の濃度を低減させることができる。
【０１１０】
［発酵阻害物質］
ここで、発酵阻害物質とは、セルロース含有バイオマスの加水分解で生成する化合物であり、かつ本発明の製造方法によって得られる精製糖水溶液を原料とする発酵工程において前述の通り阻害的に作用する物質のことを指す。代表的な発酵阻害物質としては、特にセルロース含有バイオマスの酸処理の工程で生成される、有機酸、フラン系化合物、フェノール系化合物が挙げられる。
【０１１１】
有機酸としては、酢酸、ギ酸、レブリン酸などが具体例として挙げられる。フラン系化合物としては、フルフラール、ヒドロキシメチルフルフラール（ＨＭＦ）などが挙げられる。こうした有機酸あるいはフラン系化合物は、単糖であるグルコースあるいはキシロースの分解による産物である。
【０１１２】
また、フェノール系化合物としては、バニリン、アセトバニリン、バニリン酸、シリンガ酸、没食子酸、コニフェリルアルデヒド、ジヒドロコニフェニルアルコール、ハイドロキノン、カテコール、アセトグアイコン、ホモバニリン酸、４−ヒドロキシ安息香酸、４−ヒドロキシ−３−メトキシフェニル誘導体(Ｈｉｂｂｅｒｔ‘ｓ ｋｅｔｏｎｅｓ)などが具体例として挙げられる。これらの化合物はリグニンまたはリグニン前駆体に由来する。
【０１１３】
その他、セルロース含有バイオマスとして廃建材あるいは合板などを使用する際は、製材工程で使用された接着剤、塗料などの成分が発酵阻害物質として含まれる場合がある。接着剤としては、ユリア樹脂、メラミン樹脂、フェノール樹脂、ユリアメラミン共重合樹脂などが挙げられる。こうした接着剤に由来する発酵阻害物質として、酢酸、ギ酸、ホルムアルデヒドなどが挙げられる。
【０１１４】
［糖液］
糖液において、ナノ濾過膜を透過する物質（例えば発酵阻害物質）の濃度は、工程（３）で得られる糖水溶液と比べて低い。
【０１１５】
ナノ濾過膜の非透過側から得られる糖液に含まれる糖成分は、セルロース含有バイオマスに由来する糖であるが、ナノ濾過膜の除去性能によって、工程（１）の加水分解で得られる糖成分とは異なる糖成分比となることがある。
【０１１６】
本発明の糖液に含まれる単糖としてはグルコースおよび／またはキシロースが主成分として構成されるが、グルコースとキシロースの比率は、工程（１）の加水分解の工程やナノ濾過膜の除去性能により変動するものであり、具体的な数値に限定されるものではない。例えば、ヘミセルロースを主として加水分解を行った場合は、キシロースは得られる糖液における主要な単糖成分であり、ヘミセルロース分解後、セルロース成分のみを分解して加水分解を行った場合は、得られる糖液における主要な単糖成分はグルコースである。また、ヘミセルロースの分解後、セルロース成分の分離を特段行わない場合は、得られる糖液における主要な単糖成分はグルコースおよびキシロースである。
【０１１７】
ＶＩ．逆浸透膜による濾過工程
本発明の糖液の製造方法は、濃縮工程で得られた糖液を逆浸透膜に通じて濾過する工程をさらに備えてもよい。
【０１１８】
逆浸透膜の非透過側から得られる糖液に含まれる糖成分は、セルロース含有バイオマスに由来する糖であり、本質的には、工程（１）の加水分解で得られる糖成分と大きな変化はない。すなわち、本発明の糖液に含まれる単糖としてはグルコースおよび／またはキシロースが主成分として構成される。グルコースとキシロースの比率は、工程（１）の加水分解の工程により変動する。すなわち、ヘミセルロースを主として加水分解を行った場合は、キシロースが主要な単糖成分となり、ヘミセルロース分解後、セルロース成分のみを分離して加水分解を行った場合は、グルコースが主要な単糖成分となる。また、ヘミセルロースの分解後、セルロース成分の分離を、特段行わない場合は、グルコース、およびキシロースが主要な単糖成分として含まれる。
【０１１９】
なお、逆浸透膜に通じる前に、エバポレーターに代表される濃縮装置を用いて濃縮してもよく、また、糖液を、さらに、分離膜で濾過して濃度を高めてもよいが、濃縮のためのエネルギー削減という観点から、分離膜で濾過して糖液濃度をさらに高める工程が好ましく採用できる。
【実施例】
【０１２０】
以下に、実施例および比較例を上げて本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例により限定されるものではない。
【０１２１】
（参考例１）単糖濃度の分析方法
得られた糖水溶液に含まれる単糖（グルコース及びキシロース）濃度は、下記に示すＨＰＬＣ条件で、標品との比較により定量した。
【０１２２】
カラム：Ｌｕｎａ ＮＨ２（Ｐｈｅｎｏｍｅｎｅｘ社製）
移動相：超純水：アセトニトリル＝２５：７５（流速０．６ｍＬ／ｍｉｎ）
反応液：なし 
検出方法：ＲＩ（示差屈折率）
温度：３０℃
（参考例２）濁度の測定方法
糖水溶液の濁度は、ＨＡＣＨ社製室内用高度濁度計（２１００Ｎ）を用いて測定した。攪拌を行った後、１００ｍＬ分取し、液温４５ 〜 ５０℃の範囲にある糖水溶液の濁度を３回測定した。その平均値とした値を濁度とした。なお、濁度計の校正にはホルマジン標準液を使用し、９０°散乱光、透過光、前方散乱光から比濁計濁度を検出した。
【０１２３】
（参考例３）ｐＨの測定方法
堀場製作所製のハンディｐＨ計「Ｄ−５０」にてセルロース由来糖水溶液のｐＨ値を測定した。攪拌を行った後、５００ｍＬをビーカーに分取し、３回測定した。その平均値とした値をｐＨ値とした。
（参考例４）セルロース含有バイオマスを希硫酸処理および酵素による加水分解処理工程
工程（１）のセルロース含有バイオマスを加水分解する工程に関し、０．１〜１５重量％の希硫酸および酵素を使用するセルロース含有バイオマスの加水分解方法について例を挙げて説明する。
【０１２４】
セルロース含有バイオマスとして、稲藁を使用した。前記セルロース含有バイオマスを硫酸１％水溶液に浸し、１５０℃で３０分オートクレーブ処理（日東高圧製）した。処理後、固液分離を行い、硫酸水溶液（以下、希硫酸処理液）と硫酸処理セルロースに分離した。次に硫酸処理セルロースと固形分濃度が１０重量％となるように希硫酸処理液と攪拌混合した後、水酸化ナトリウムによって、ｐＨを５付近に調整した。この混合液に、セルラーゼとしてトリコデルマセルラーゼ（シグマ・アルドリッチ・ジャパン）およびノボザイム１８８（アスペルギルスニガー由来βグルコシダーゼ製剤、シグマ・アルドリッチ・ジャパン）を添加し、５０℃で３日間攪拌混同しながら、加水分解反応を行って、反応液を得た。
【０１２５】
その後、工程（２）の糖水溶液中のバイオマス残渣を除く工程として、加圧式濾過器（アドバンテック社製、ＫＳＴ-９０-ＵＨ）を用いて、工程（１）の反応液の固液分離を行い、未分解セルロースあるいはリグニンを分離除去し、糖含有の水溶液（糖水溶液）を得た。糖水溶液の濁度は７０ＮＴＵであった。さらに糖水溶液原液の単糖の組成は表１の通りであった。
【０１２６】
【表１】
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【０１２７】
（比較例１）
以下の３つの工程を経て、糖液を製造した。
【０１２８】
工程（１）として、参考例４に記載の方法に従って、セルロース含有バイオマスを加水分解し、
工程（２）として、参考例４に記載の方法に従って、工程（１）で得られた糖水溶液からバイオマス残渣を除いた。
工程（３）として、工程（２）で得られた糖水溶液を精密濾過膜に通じて濾過を実施した。
精密濾過膜としては、東レ（株）製精密濾過膜モジュール“トレフィル”（登録商標）ＨＦＳに使用されている公称細孔径０．０５μｍのポリフッ化ビニリデン製中空糸膜を切り出し、ポリカーボネート樹脂の成型品ケースに収容した中空糸膜モジュールを使用した。
【０１２９】
前記工程（３）は、以下の２つの工程を交互に２５回繰り返し、糖水溶液を得た。
【０１３０】
工程（３−ａ）として、工程（２）で得られた糖水溶液を、工程（３）の原水槽から中空糸膜モジュールへ供給し、濾過流束１ｍ３／ｍ２／日の流量で２８分間の濾過を行った。精密濾過膜を透過した液は、糖水溶液として回収した。
【０１３１】
工程（３−ｂ）として、膜透過側から中空糸膜モジュール内へ流束４ｍ３／ｍ２／日の水量で、蒸留水を２分間通水し、膜を洗浄し、洗浄期間中および洗浄終了後にわたって、中空糸膜モジュールの非膜透過流路内に残る濁質含有糖水溶液および洗浄排水を排水した。
【０１３２】
なお、糖水溶液中のグルコース量を分析した結果、糖水溶液中に含まれるグルコース量は、２３ｇ／Ｌであった。
【０１３３】
【表２】
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【０１３４】
（実施例１）
工程（３−ｂ）として、先ず中空糸膜モジュールの非膜透過流路内に残る濁質含有糖水溶液を回収したのち、膜を洗浄し、洗浄期間中および洗浄終了後にわたって、中空糸膜モジュールの非膜透過流路内に残る洗浄排水を排水した以外は、比較例１に記載した方法を採用し、糖液を製造した。
【０１３５】
その後、工程（１）のセルロース含有バイオマスを加水分解する工程として、硫酸処理セルロース、希硫酸処理液、水酸化ナトリウムおよびセルラーゼの混合液に、上記で回収した濁質含有糖水溶液を添加して、５０℃で３日間攪拌混同しながら、加水分解反応を行う以外は比較例１の方法と同様に糖液を製造したところ、工程（３）の供給時ならびに工程（３）から得られた糖水溶液中に含まれるグルコース量は、それぞれ２６．４ｇ／Ｌ、２４．３ｇ／Ｌであった。前記比較例に対し、グルコース収率を向上させることができた。
（実施例２）
工程（３−ｂ）として、先ず中空糸膜モジュールの非膜透過流路内に残る濁質含有糖水溶液を回収したのち、膜を洗浄し、洗浄期間中および洗浄終了後にわたって、中空糸膜モジュールの非膜透過流路内に残る洗浄排水を排水した以外は、比較例１に記載した方法を採用し、糖液を製造した。
【０１３６】
その後、工程（２）の糖水溶液中のバイオマス残渣を除く工程として、上記で回収した濁質含有糖水溶液を添加した以外は、比較例１と同様に糖液を製造したところ、工程（３）の供給時ならびに工程（３）から得られた糖水溶液中に含まれるグルコース量は、それぞれ２６．４ｇ／Ｌ、２４．３ｇ／Ｌであった。前記比較例に対し、グルコース収率を向上させることができた。
（実施例３）
比較例１に記載した方法を採用し、糖液を製造した後、工程（３）の原水槽中に残った糖水溶液を回収し、工程（１）のセルロース含有バイオマスを加水分解する工程として、硫酸処理セルロース、希硫酸処理液、水酸化ナトリウムおよびセルラーゼの混合液に、上記で回収した濁質含有糖水溶液を添加して、５０℃で３日間攪拌混同しながら、加水分解反応を行う以外は比較例１の方法と同様に糖液を製造したところ、工程（３）の供給時ならびに工程（３）から得られた糖水溶液中に含まれるグルコース量は、それぞれ２６．５ｇ／Ｌ、２４．４ｇ／Ｌであった。前記比較例に対し、グルコース収率を向上させることができた。
【産業上の利用可能性】
【０１３７】
本発明は、セルロース含有バイオマスにする糖水溶液を精密濾過膜に通ずる濾過運転において、精密濾過膜洗浄時における糖の収率ならびに酵素の回収率の低下を抑制し、長期安定的に糖液を製造することが可能となり、低コストで高品質な糖水溶液を提供することができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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