(57)【要約】【課題】本発明では、木質系バイオマスを微粉砕し、酵素と酵母や細菌を同時に反応させる並行複発酵を行う技術を用いたエタノール生産方法を開発することを目的とするものである。【解決手段】上記木質系バイオマスを物理的方法で粒径100ミクロン以下の微粉体とし、セルラーゼやヘミセルラーゼを用いてグルコースなどの糖を生産させる。並行して生産された糖を酵母や細菌などによりすみやかに高効率でエタノールに変換する方法を提供する。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
物理的な方法で微粉砕された木質系バイオマスをセルラーゼとヘミセルラーゼを２種類以上混合した酵素での糖化と並行して発酵をおこなうことを特徴とするエタノール製造方法
【請求項２】
物理的な方法で微粉砕された木質系バイオマスから糖化と発酵を同時におこなうエタノール製造方法において発酵工程で酵母または細菌を使用することを特徴とするエタノール製造方法
【請求項３】
物理的な方法で微粉砕された木質系バイオマスから糖化と発酵を同時におこなうエタノール製造方法において糖化と発酵の並行工程途中に物理的な方法で微粉砕された木質バイオマスを添加することを特徴とするエタノール製造方法
【請求項４】
物理的な方法で微粉砕された木質系バイオマスから糖化と発酵を同時におこなうエタノール製造方法において糖化と発酵の並行工程途中に物理的な方法で微粉砕された木質バイオマスとセルラーゼとヘミセルラーゼも同時に添加することを特徴とするエタノール製造方法
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、リグノセルロース、特に木質系バイオマスを用いて、酵素と酵母または細菌によるエタノール製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
エタノールは、自動車用のガソリン燃料に添加できる理想的な燃料である。バイオマスから製造される99.4％以上の濃度のエタノールは、二酸化炭素の排出削減に直結するガソリン添加剤であるため、間伐材などの木質系バイオマスや稲わらなどの草本系バイオマスなどからのエタノール製造方法が求められている。現状では、エタノール製造のために使用されている原料は、サトウキビまたはビートなどの糖類やトウモロコシまたは他の食用作物の澱粉が主流である。これらの農業資源作物は非常に高価であるため、エタノールの大規模製造用の原料として使用することは難しい。
間伐材などの木質系バイオマスや稲わらなどの草本系バイオマスは、低価格で大量に入手できる再生可能な原料であるため低コストでのバイオエタノール生産の原料として期待される。これらバイオマスの成分はセルロースとヘミセルロースとリグニンである。これらバイオマスから酵素を用いて糖を得るためには、糖変換を行うときの阻害因子であるリグニンを除去するための前処理が不可欠である。そのため現状では、酵素を用いる変換方法でなく濃硫酸または希硫酸を用いたセルロース・ヘミセルロース分解糖化法が多く用いられている。しかし、硫酸法は、セルロース、ヘミセルロースの過分解が発生するため回収できる糖量が減少する。また，分解後にエタノール発酵を行うための硫酸除去処理すなわち硫酸の回収と糖液の中和工程を必要とし、水酸化カルシウムを用いた中和により石膏が副産物として生成し、その処理コストも掛かってしまう。また，回収した硫酸を再使用するための熱エネルギーを大量消費する濃縮工程が必要である。さらに硫酸法で処理された糖化液から完全に硫黄成分を除去できずに硫黄成分を含んだエタノールを製造してしまうことになる危険性もある。また、硫酸を用いるため機械の腐食などにより耐久性が短くなってしまう。（特許文献１参照）
【０００３】
硫酸法を用いずに木質系バイオマスからグルコースやキシロースなどの単糖を得る方法として、リグニンを効率よく除去する技術及び脱リグニン処理によって得られたセルロースとヘミセルロースの単糖への糖化技術の確立が必要である。脱リグニンにより得られたセルロースとヘミセルロースの糖化は、硫酸法と異なり温和な条件で行なえる酵素糖化が望ましい。さらに得られた糖は中和工程を経ることなく酵母や細菌を用いたエタノール発酵を行うことが出来る。また、酵素によって容易に分解が可能となったセルロースとヘミセルロースは、酵素と酵母や細菌と同時に反応させることにより簡便にエタノールを生産することが出来る。
【０００４】
穀物澱粉を原料とした並行複発行技術によるエタノール生産は、清酒醸造では古くから行なわれている技術である。このシステムでは、発酵中の糖濃度が酵母によるエタノール発酵に最適な2%程度に低く保たれているため酵母に影響を与えることなく高濃度のエタノールを生産することが可能である。木質系バイオマスは、酵素を用いる糖変換を阻害するリグニンが含まれるためセルロースとヘミセルロースの分解が穀物澱粉の分解に比較して困難であるため、脱リグニン技術と効率的な並行複発酵技術を組合せたエタノール生産を行なう技術が確立していない。
【特許文献１】特開平11-169188号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
そこで本発明では、木質系バイオマスを微粉砕し、酵素と酵母や細菌を同時に反応させる並行複発酵を行う技術を用いたエタノール生産方法を開発することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者らは前記目的を達成するために鋭意研究を重ねた結果、２０ミクロンの粒径まで物理的方法で粉砕された木質系バイオマス微粉末を酵素と酵母または細菌を用いた糖化と発酵を並行して行う並行複発酵を行わせることにより木質系バイオマスから効率良く高濃度のエタノールを生産できることを見出した。本発明は、かかる知見に基づいて完成したものである。
【０００７】
木質系バイオマスを適切なサイズに粉砕する工程においては、振動式ボールミルあるいはロッドミル，高衝撃力が付加できるミルを用いて１００ミクロン以下、好ましくは５０ミクロン以下まで微粉砕を行なう。
【０００８】
糖化及び発酵工程においては、微粉砕された木質系バイオマス原料溶液（５〜３０重量％）にセルラーゼ酵素を０．１〜２０重量％になるように添加し、さらにエタノール生産の可能な酵母または細菌を植菌し糖化と発酵を同時に行わせる。
【０００９】
セルロースとヘミセルロースは、グルコースやマンノースなどの６炭糖とキシロース、アラビノースなどの５炭糖で構成されているため、酵素剤は、これらの糖を効率良く生産することが求められる。従って、前記目的を達成するために、複数の酵素剤を用いる場合もある。
【発明の効果】
【００１０】
本発明により、エタノール生産量が約１．５倍高く、発酵能が維持された酵母を提供することが出来る。本酵母を使用することにより木質系バイオマスと草本系バイオマスからのエタノール製造が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
木質系バイオマスを、振動式ボールミルやロッドミル，あるいは高衝撃力を付加できるミルを用いることにより１００ミクロン以下、好ましくは５０ミクロン以下まで微粉砕することができる。
【００１２】
前記の処理によって得られた木質系バイオマス微粉砕物原料溶液（５〜３０重量％）にセルラーゼ酵素を０．１〜２０重量％になるように添加し、さらにエタノール生産の可能な酵母または細菌を植菌し糖化と発酵を並行して行わせる。糖化と発酵が並行して行われる並行複発酵はpH5.0〜pH7.0好ましくはpH5.5、温度は２０℃〜３７℃、好ましくは、２８℃〜３０℃で行なわれる。糖化と発酵は同時に進行し２日程度の反応でエタノールが生産される。
【００１３】
木質系バイオマスの微粉砕物の糖化に用いる酵素は、比較的安価な市販のものでよく、メイセラーゼ（明治製菓株式会社）、ドリセラーゼ（協和発酵株式会社）、Ａｍａｎｏ  ＡあるいはＴ（アマノエンザイム株式会社）を用いることができる。酵素剤の使用は、単独もしくは組み合わせることにより生成する糖に違いがある場合もあるため、原料によって最適な使用方法がある。さらに原料により使用する酵素量も違うため、０．１〜２０重量％の範囲で最適な量を使用すれば良い。
【００１４】
前記の並行複発酵が行われている反応液において、セルラーゼの活性を高く維持するためにはｐＨ（水素イオン濃度）をｐＨ５．０前後にすることが望ましい。このためには、０．１モル/リットル程度の酢酸緩衝液を用いてｐＨを維持することが出来る。また、発酵に寄与する酵母や細菌の中には、ｐＨ５．０で発酵が出来ない菌も存在するためｐＨ５．０で発酵可能な菌を用いなければならない。
【００１５】
並行複発酵は、回分発酵により行うことが出来る。さらに、発酵途中に発酵タンクに微粉砕物を添加しながら発酵を行う流加培養法による回分発酵も行うことが出来る。流加培養による発酵は、初めに前記の処理によって得られた木質系バイオマス微粉砕物原料溶液（５〜３０重量％）にセルラーゼ酵素を０．１〜２０重量％になるように添加し、さらにエタノール生産の可能な酵母または細菌を植菌し糖化と発酵を同時に行わせる。糖化と発酵が同時に行われる並行複発酵はpH5.0〜pH7.0好ましくはpH5.5、温度は２０℃〜３７℃、好ましくは、２８℃〜３０℃で行なわせる。並行複発酵開始後、１日もしくは２日目に、同じ発酵容器に木質系バイオマス微粉砕物原料を１〜１０重量％になるように添加し、並行複発行を続ける。同様の操作をさらに１日もしくは２日おきに行い５回以上続けることが出来る。
以下、本発明を実施例により詳しく説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【実施例１】
【００１６】
（秋田杉材を高衝撃付加ミルで粉砕した微粉砕物の酵素による糖化）
【００１７】
秋田杉材を高衝撃付加ミルで粉砕した微粉末１ｇを１０ｍｌの０．１モル/リットルの酢酸緩衝液に懸濁しメイセラーゼ（明治製菓株式会社）とヘミセルラーゼＣ（Amano A天野エンザイム株式会社）をそれぞれ０．１２％添加し５０℃で２４時間反応させた。pHは５．０〜７．０の範囲で変化させた。その結果を表１に示す。コントロールとして硫酸処理によって得られる糖の分析も行なった。硫酸処理は４％濃度の硫酸溶液に木粉を添加し１２１℃で２時間反応させて得られた反応液を分析した。メイセラーゼとヘミセルラーゼを同時に作用させた場合pH5.5の時に最も単糖の生産量が多くなった。
【００１８】
【表１】
2009022165.tif 000002
【実施例２】
【００１９】
（秋田杉材を高衝撃付加ミルで粉砕した微粉砕物の酵素と酵母による並行複発酵）
【００２０】
秋田杉材を高衝撃付加ミルで粉砕した微粉末を10%〜22%の範囲で５０ｍｌの０．１モル/リットルの酢酸緩衝液に懸濁しメイセラーゼとヘミセルラーゼＣ（Amano A天野エンザイム株式会社）をそれぞれ０．１２％添加し、サッカロマイセス・セルビシエ  ＮＢＲＣ０２２４を植菌し、３０℃で並行複発酵を行った。その結果を図１に示す。エタノールの生産量は基質濃度が高いほどおおくなった。
【実施例３】
【００２１】
（秋田杉材を高衝撃付加ミルで粉砕した微粉砕物の酵素と酵母による並行複発酵）
秋田杉材を高衝撃付加ミルで粉砕した微粉末６ｇを５０ｍｌの０．１モル/リットルの酢酸緩衝液に懸濁しメイセラーゼとＡｍａｎｏ  Ａをそれぞれ０．１２％添加し、サッカロマイセス・セルビシエ  ＮＢＲＣ０２２４を植菌し、３０℃で並行複発酵を行った。発酵開始後１日おきに３ｇの秋田杉材を高衝撃付加ミルで粉砕した微粉砕物を添加し発酵を続けた。その結果を図２と図３に示す。図３は、秋田杉材を高衝撃付加ミルで粉砕した微粉砕物のみを添加した時のエタノール生産の経時変化を示している。図４は秋田杉材を高衝撃付加ミルで粉砕した微粉砕物と酵素剤を同時に添加したときのエタノール生産の経時変化を示している。同時に添加した時にエタノールの生産量が多くなった。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】エタノール生産の及ぼす初発微粉砕秋田杉濃度の影響
【図２】発酵途中に微粉砕秋田杉を添加した場合のエタノール生産の経時変化          ●：エタノール、▲：全糖濃度、■：グルコース
【図３】発酵途中に微粉砕秋田杉と酵素剤を同時に添加した場合のエタノール生産の経時変化          ●：エタノール、▲：全糖濃度、■：グルコース
【図１】
2009022165.tif 000003
【図２】
2009022165.tif 000004
【図３】
2009022165.tif 000005