(57)【要約】【課題】ＳＳＦにおいて、前記発酵菌を添加する前に前記糖化酵素により糖化のみを行わせる時間を短縮することができるアルコールの製造方法を提供する。【解決手段】アルコールの製造方法は、リグノセルロース系バイオマスから糖化前処理物を得る前処理工程と、糖化前処理物を糖化酵素で糖化処理することにより糖化溶液を得る糖化工程と、糖化溶液を同一槽内で、発酵菌により発酵処理することによりアルコールを含む発酵溶液を得る発酵工程とを備える。前処理工程は、リグノセルロース系バイオマスを酸で処理して多孔質の第１の糖化前処理物を得る第１の前処理工程と、第１の糖化前処理物を磨砕して、第１の糖化前処理物より大きな細孔を備える多孔質の第２の糖化前処理物を得る第２の前処理工程とを備える。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基質としてのリグノセルロース系バイオマスから糖化前処理物を得る前処理工程と、
該糖化前処理物を糖化酵素で糖化処理することにより糖化溶液を得る糖化工程と、
該糖化溶液を同一槽内で、発酵菌により発酵処理することによりアルコールを含む発酵溶液を得る発酵工程とを備えるアルコールの製造方法において、
該前処理工程は、該リグノセルロース系バイオマスを酸で処理して多孔質の第１の糖化前処理物を得る第１の前処理工程と、
該第１の糖化前処理物を磨砕して、該第１の糖化前処理物より大きな細孔を備える多孔質の第２の糖化前処理物を得る第２の前処理工程とを備えることを特徴とするアルコールの製造方法。
【請求項２】
請求項１記載のアルコールの製造方法において、前記第２の糖化前処理物の細孔は、平均細孔径が２０ｎｍ以上の範囲にあり、その細孔径分布において８〜８０ｎｍの範囲の細孔径を有する細孔が全体の９２〜９７容積％の範囲にあることを特徴とするアルコールの製造方法。
【請求項３】
請求項１又は請求項２記載のアルコールの製造方法において、前記第２の糖化前処理物の細孔は、その細孔径分布において、８〜４４ｎｍの範囲に第１のピークを備え、４４〜７６ｎｍの範囲に第２のピークを備え、第１のピークを構成する細孔と第２のピークを構成する細孔との容積比が６０〜７０：３０〜４０の範囲にあることを特徴とするアルコールの製造方法。
【請求項４】
請求項１〜請求項３のいずれか１項記載のアルコールの製造方法において、前記第１の前処理工程は、前記リグノセルロース系バイオマスに１〜４質量％の範囲の濃度の硫酸を添加し、１５０〜１７０℃の範囲の温度に加熱することにより行うことを特徴とするアルコールの製造方法。
【請求項５】
請求項４記載のアルコールの製造方法において、前記第１の前処理工程は、前記リグノセルロース系バイオマスに前記範囲の濃度の硫酸を添加し、０．５〜１ＭＰａの範囲の飽和水蒸気下に前記範囲の温度に加熱した後、大気圧下に開放することにより行うことを特徴とするアルコールの製造方法。
【請求項６】
請求項４又は請求項５記載のアルコールの製造方法において、前記第２の前処理工程は、円筒状容器と、該容器の内径より小径で該容器の軸方向に積層された複数のリング状部材とを備え、該リング状部材が回転しつつ該容器の内周面に沿って移動することにより該容器の内周面に前記第１の糖化前処理物を押圧して磨砕する湿式磨砕機を用いて、前記第１の糖化前処理物を湿式磨砕することを特徴とするアルコールの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コーンストーバ等のリグノセルロース系バイオマスを基質とするアルコールの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
コーンストーバ、稲藁等のリグノセルロース系バイオマスを基質として、該基質を糖化酵素により糖化し、得られた糖をアルコール発酵菌により発酵させてエタノール等のアルコールを製造する方法が知られている。
【０００３】
前記リグノセルロース系バイオマスは、セルロース又はヘミセルロースにリグニンが強固に結合した構成を備えている。そこで前記糖化に当たっては、まず、前記リグノセルロース系バイオマスを前処理し、該リグノセルロース系バイオマスに含まれるリグニンが解離され、又は該リグノセルロース系バイオマスが膨潤された糖化前処理物を得る。
【０００４】
尚、本願では、「解離」との用語は、セルロース又はヘミセルロースとリグニンとの結合の少なくとも一部を切断することを意味する。又、「膨潤」との用語は、液体の浸入によって結晶性セルロースを構成するセルロース若しくはヘミセルロースに空隙を生じ、又はセルロース繊維の内部に空隙を生じて、該結晶性セルロースを膨張させることを意味する。
【０００５】
前記リグノセルロース系バイオマスの前処理は、例えば基質としての前記リグノセルロース系バイオマスに希硫酸を添加して加水分解することにより行うことができる。
【０００６】
次に、前記糖化前処理物を糖化酵素により糖化し、得られた糖をアルコール発酵菌により発酵させるが、ここで前記糖化と前記発酵とを同一槽内で同時に行う同時糖化発酵（以下、以下「ＳＳＦ（Simultaneous Saccharification and Fermentation）」と記載する）という技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００７】
前記ＳＳＦでは、前記糖化前処理物を収容した処理槽に糖化酵素を添加し、所定時間糖化のみを行わせ所定量の糖が得られた後に、アルコール発酵菌を添加して前記糖化と前記発酵とを同一槽内で同時に行う。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１３−２２６１１３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、前記ＳＳＦでは前記前処理の条件によっては、前記発酵菌を添加する前に前記糖化酵素により糖化のみを行わせる際に、所定量の糖を得るまでに長時間を要し、プロセス全体に要する時間も長時間になるという不都合がある。
【００１０】
本発明は、かかる不都合を解消して、前記ＳＳＦにおいて、前記発酵菌を添加する前に前記糖化酵素により糖化のみを行わせる時間を短縮することができるアルコールの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】
【００１１】
かかる目的を達成するために、本発明は、基質としてのリグノセルロース系バイオマスから糖化前処理物を得る前処理工程と、該糖化前処理物を糖化酵素で糖化処理することにより糖化溶液を得る糖化工程と、該糖化溶液を同一槽内で、発酵菌により発酵処理することによりアルコールを含む発酵溶液を得る発酵工程とを備えるアルコールの製造方法において、該前処理工程は、該リグノセルロース系バイオマスを酸で処理して多孔質の第１の糖化前処理物を得る第１の前処理工程と、該第１の糖化前処理物を磨砕して、該第１の糖化前処理物より大きな細孔を備える多孔質の第２の糖化前処理物を得る第２の前処理工程とを備えることを特徴とする。
【００１２】
本発明のアルコールの製造方法は、まず、前記前処理工程において基質としてのリグノセルロース系バイオマスを前処理して糖化前処理物を得た後、前記糖化工程において該糖化前処理物を糖化酵素で糖化処理することにより糖化溶液を得る。次に、前記発酵工程において前記糖化溶液を、前記糖化工程と同一槽内で、発酵菌により発酵処理することによりアルコールを含む発酵溶液を得る。
【００１３】
このとき、本発明のアルコールの製造方法では、前記前処理工程は第１の前処理工程と第２の前処理工程とを備える。前記第１の前処理工程において、前記リグノセルロース系バイオマスは前記酸で処理することにより加水分解され、リグニンが解離された第１の糖化前処理物を得ることができる。また、前記リグノセルロース系バイオマスは前記加水分解により多数の微細な細孔を生じ、得られた前記第１の糖化前処理物が多孔質となる。
【００１４】
次に、前記第１の糖化前処理物は、前記第２の前処理工程において磨砕されることにより、前記微細な細孔に機械的な力が加えられてより大きな細孔が生じる。或いは、前記リグニンが解離された結果、相互に緊密に絡み合った状態となっているセルロース繊維が解繊されて、セルロース繊維の間に前記加水分解によるよりも大きな細孔が生じる。この結果、前記第１の糖化前処理物は、より大きな細孔を備える多孔質の第２の糖化前処理物となり、該第２の糖化前処理物が前記糖化工程に供される。
【００１５】
本発明のアルコールの製造方法によれば、前記第１の糖化前処理物より大きな細孔を備える多孔質の第２の糖化前処理物を用いて前記糖化工程を行うので、該第２の糖化前処理物に対する前記糖化酵素の接触面積を拡大することができる。この結果、前記糖化工程に要する時間を短縮することができる。
【００１６】
本発明のアルコールの製造方法において、前記第２の糖化前処理物の細孔は、具体的には、平均細孔径が２０ｎｍ以上の範囲にあり、その細孔径分布において８〜８０ｎｍの範囲の細孔径を有する細孔が全体の９２〜９７容積％の範囲にあることが好ましい。前記第２の糖化前処理物は前記細孔を備えることにより、該第２の糖化前処理物に対する前記糖化酵素の接触面積を拡大することができる。
【００１７】
また、本発明のアルコールの製造方法において、前記第２の糖化前処理物の細孔は、その細孔径分布において、８〜４４ｎｍの範囲に第１のピークを備え、４４〜７６ｎｍの範囲に第２のピークを備え、第１のピークを構成する細孔と第２のピークを構成する細孔との容積比が６０〜７０：３０〜４０の範囲にあることが好ましい。
【００１８】
ここで、前記第１のピークを形成する細孔は、前記加水分解により生じた微細な細孔が前記湿式磨砕による機械的な力を受けてより大きな細孔になったものと考えられる。また、前記第２のピークを形成する細孔は、前記相互に絡み合った状態のセルロース繊維が解繊されて、セルロース繊維の間に生じたものと考えられる。
【００１９】
前記第２の糖化前処理物は前記細孔径分布を備えることにより、前記第１のピークを構成する細孔と、より大きな第２のピークを構成する細孔との両方から前記糖化酵素が該第２の糖化前処理物に接触することができ、糖化効率を向上させることができる。
【００２０】
また、本発明のアルコールの製造方法において、前記第１の前処理工程は、前記リグノセルロース系バイオマスに１〜４質量％の範囲の濃度の硫酸を添加し、１５０〜１７０℃の範囲の温度に加熱することが好ましく、さらに前記加熱を０．５〜１ＭＰａの範囲の飽和水蒸気下で行った後、大気圧下に開放することが好ましい。
【００２１】
本発明のアルコールの製造方法では、前記第１の前処理工程を前述のようにして行って前記第１の糖化前処理物を得て、該第１の糖化前処理物を続く前記第２の前処理工程において磨砕することにより、前記第２の糖化前処理物を容易に得ることができる。
【００２２】
また、本発明のアルコールの製造方法では、前記第２の前処理工程は、円筒状容器と、該容器の内径より小径で該容器の軸方向に積層された複数のリング状部材とを備え、該リング状部材が回転しつつ該容器の内周面に沿って移動することにより該容器の内周面に前記第１の糖化前処理物を押圧して磨砕する湿式磨砕機を用いて、前記第１の糖化前処理物を湿式磨砕することが好ましい。
【００２３】
前記湿式磨砕機によれば、前記リング状部材により前記第１の糖化前処理物を前記容器の内周面に押圧して湿式磨砕することにより、前記第２の糖化前処理物を容易に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明のアルコール製造方法の工程を示すフローチャート。
【図２】第２の糖化前処理物の平均細孔径とリグノセルロース系バイオマスの糖化率との関係を示すグラフ。
【図３】（Ａ）は第１の糖化前処理物の細孔径分布を示し、（Ｂ）は第２の糖化前処理物の細孔径分布を示すグラフ。
【図４】第２の糖化前処理物を示す電子顕微鏡写真。
【図５】第１の糖化前処理物と第２の糖化前処理物との糖化処理によるグルコースの収率を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
次に、添付の図面を参照しながら本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。
【００２６】
図１に示すように、本実施形態のアルコールの製造方法は、まず、ＳＴＥＰ１でリグノセルロース系バイオマスとしてのコーンストーバに硫酸を添加して第１の前処理工程を行うことにより、第１の糖化前処理物を得る。前記第１の前処理工程は、前記コーンストーバに１〜４質量％の濃度の硫酸を添加し、１５０〜１７０℃の温度に所定時間加熱することにより行う。このとき、前記コーンストーバの加熱は、０．５〜１ＭＰａの飽和水蒸気下に行った後、大気圧下に開放して、該コーンストーバの爆砕を行うことが好ましい。
【００２７】
この結果、前記コーンストーバが加水分解され、多数の微細な細孔を生じ、得られた前記第１の糖化前処理物が多孔質となる。また、第１の糖化前処理物は、前記爆砕によりリグニンが解離され、この結果、セルロース繊維が相互に緊密に絡み合った状態となる。
【００２８】
次に、ＳＴＥＰ２で前記第１の糖化前処理物を中和した後、ＳＴＥＰ３で該第１の糖化前処理物を湿式磨砕機に投入して湿式磨砕し、第２の前処理工程を行うことにより、第２の糖化前処理物を得る。
【００２９】
前記中和は、前記第１の糖化前処理物に、水酸化カルシウム、酸化カルシウム、水酸化ナトリウム、炭酸ナトリウム、水酸化カリウム、炭酸カリウム等のアルカリを添加することにより行うことができる。
【００３０】
前記湿式磨砕によれば、前記第１の糖化前処理物の前記微細な細孔に機械的な力が加えられてより大きな細孔となる。或いは、前記リグニンが解離された結果、相互に緊密に絡み合った状態となっているセルロース繊維が解繊されて、セルロース繊維の間に前記加水分解によるよりも大きな細孔が生じる。この結果、前記第１の糖化前処理物は、より大きな細孔を備える多孔質の第２の糖化前処理物となる。
【００３１】
前記湿式磨砕は、前記第２の糖化前処理物に形成される細孔の平均細孔径が２０ｎｍ以上となるように行う。この結果、前記第２の糖化前処理物に形成される細孔は、８〜８０ｎｍの範囲の細孔径を有する細孔が全体の９２〜９７容積％の範囲を占めている。
【００３２】
前記湿式磨砕は、例えば、円筒状容器と、該容器の内径より小径で該容器の軸方向に積層された複数のリング状部材とを備え、該リング状部材が回転しつつ該容器の内周面に沿って移動することにより該容器の内周面に前記第１の糖化前処理物を押圧して磨砕する湿式磨砕機（例えば、株式会社奈良機械製作所製、商品名：マイクロス）を用いて行うことができる。
【００３３】
尚、前記湿式磨砕機の構成については、特許第２５９４２１３号公報及び特許第２８９８６０５号公報に詳細な記述がある。
【００３４】
次に、ＳＴＥＰ４で、前記第２の糖化前処理物を処理槽に収容して糖化酵素（例えば、Novozymes社製、商品名：Ctec）のみを加え、前糖化処理工程を行うことにより糖化溶液を得る。前記前糖化処理工程は、例えば、糖濃度が６〜１０質量％となるまで行う。
【００３５】
前記糖化溶液の濃度が６〜１０質量％となったならば、次に、ＳＴＥＰ５で該糖化溶液にアルコール発酵を行う発酵菌（例えば、メエロジーマ(Meyerozyma)属、ピキア(Pichia)属等の酵母）を加え、発酵工程を行う。この結果、同一槽内に前記糖化酵素と前記発酵菌との両方が存在することとなり、同時糖化発酵（ＳＳＦ）により、アルコール溶液を得ることができる。
【００３６】
得られたアルコール溶液は、蒸留等の手段により濃縮してアルコールを製造することができる。
【００３７】
本実施形態のアルコールの製造方法では、前記第２の糖化前処理物に形成される細孔の平均細孔径が２０ｎｍ以上となるようにすることにより、前記糖化酵素を添加して糖化させたときに、図２に示すように、前記コーンストーバの全量に対する糖化率がほぼ一定になる。尚、図２では、前記糖化率をグルコースの収率として示している。
【００３８】
前記湿式磨砕前の前記第１の糖化前処理物は、図３（Ａ）に示すように、その細孔径分布が０〜８ｎｍの範囲にある単一のピークを備えている。一方、前記湿式磨砕後の前記第２の糖化前処理物は、図３（Ｂ）に示すように、その細孔径分布が８〜４４ｎｍの範囲にある第１のピークと、４４〜７６ｎｍの範囲にある第２のピークとの２つのピークを備えている。ここで、前記第１のピークに対応する細孔は、図４に示すセルロース繊維Ｃ自体に形成されている細孔Ｐと考えられ、前記第２のピークに対応する細孔は、複数のセルロース繊維Ｃの間の間隙Ｓと考えられる。
【００３９】
この結果、本実施形態のアルコールの製造方法では、前記第２の糖化前処理物において、前記第１のピークに対応する細孔と前記第２のピークに対応する細孔との両方で前記糖化酵素が前記セルロース繊維Ｃに接触することができる。従って、前記第２の糖化前処理物によれば、前記第１の糖化前処理物に比較して、より短時間でより大量のセルロースを糖化することができる。
【００４０】
図５に、前記第１の糖化前処理物と、前記第２の糖化前処理物とを用い、同一条件で同一時間糖化処理を行ったときのグルコースの収率を示す。図５から、前記第２の糖化前処理物によれば、前記第１の糖化前処理物に比較して、より大量のグルコースを得ることができることが明らかである。
【００４１】
また、図１に示すＳＴＥＰ４の前糖化処理工程で、前記第２の糖化前処理物の場合には例えば１５時間で所定の糖濃度に達するのに対し、ＳＴＥＰ３の第２の前処理工程を経ていない前記第１の糖化前処理物では所定の糖濃度に達するのに例えば２０時間を要する。従って、本実施形態のアルコールの製造方法によれば、前記第２の糖化前処理物を糖化処理工程に供することにより、前記第１の糖化前処理物に比較して、同量の糖をより短時間で得ることができ、前記糖化処理工程に要する時間を短縮することができる。
【符号の説明】
【００４２】
Ｃ…セルロース繊維、  Ｐ…細孔、  Ｓ…間隙。
【図２】
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【図３】
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【図１】
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【図４】
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【図５】
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