JP5999759B2

JP5999759B2 - バイオマスの処理方法

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Inventors: 早川　智基; 智基早川
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Description

本発明は、水熱処理、熱処理、酸・アルカリ処理などにより前処理するバイオマスの処理方法に関し、特に前処理装置の運転条件または前処理前のバイオマスの性状を制御することによって前処理後の未分解物の量を最適化するバイオマスの処理方法に関するものである。

バガス、麦藁、稲藁、パーム残渣、スイッチグラス、紙等のセルロースおよびヘミセルロースを含むバイオマスは、主として家畜飼料として利用されてきたが、最近のセルロース糖化技術の進歩により、エタノールや有機酸の原料としての用途が開拓されつつある。前記バイオマスからのエタノールおよび有機酸の製造は、主成分であるセルロース、ヘミセルロース等の繊維質に水熱処理等の前処理を行い、前処理したバイオマスを滅菌処理し、滅菌処理したバイオマスに糖化酵素を反応させてグルコース、キシロース、アラビノース、ガラクトース、マンノース等の糖類を含む糖化液とし、酵母等の微生物を用いる発酵法によりこの糖をエタノールや有機酸に変換するものである。前記の場合のほか、前処理および滅菌後のバイオマスに対し、同時糖化発酵槽内で酵素糖化と発酵を同時に行う手法もよく用いられる。

前記バイオマスは、主にセルロース、ヘミセルロース、リグニンの３成分が固く結合した複合体となっているうえ、セルロース分子自体も固い結晶構造を取っているため、そのままでは糖化酵素セルラーゼがセルロース分子に接近できない。そのため、前処理装置内で、バイオマスを、熱処理、水熱処理、酸処理、微粉砕法、木材腐朽菌などのどれかで前処理して、前記３成分の結合を緩くさせ、糖化されやすい形態、性状に変換する。

最終的に得られるエタノールや有機酸の収量は安定していることが好ましいが、前処理装置に供給するバイオマスの種類や投入量、前処理装置の運転条件を一定に保った場合であっても、エタノール等の最終生成物の収量にばらつきが生じることがある。このばらつきが生じる要因について、バガスをバイオマスとして用いる例を挙げて説明すると、（１）サトウキビの収穫時期、製糖プロセスの違い、バガスの保管方法および保管期間などによりバガスの性状が変わり、前処理に対する感受性に違いが生じることにある。また、他の要因としては、（２）サトウキビを搾汁する過程でバガスに糖分が付着することがあり、これが放置されると乳酸発酵して酸成分が生じるが、前記糖分の付着量がバガスによって異なるため、そこから生じる酸成分量もバガスによって異なり、この酸成分量の違いによって前処理工程の進行に違いが生じることにある。前記（１）（２）の各要因によって、前処理工程の進行の度合に違いが生じる結果、前処理によって生成される副生成物の量が変動する。

本発明に関連する先行技術文献には、下記の特許文献１〜５がある。特許文献１には、非晶質のキチンまたは非晶質のキトサンを一定の水熱条件下で分解することにより低分子化する発明が開示されるとともに、前記分解を反応時間や反応温度によって制御することが開示されている。また、特許文献２には、水熱反応によって有機物を分解する際に、処理流体中のＣＯ量計測し、計測されたＣＯ量が所定値以下となるように水熱反応を制御することが開示されている。また、特許文献３には、有機ハロゲン化物を有機ハロゲン化物分解装置によって分解し、排水中の有機ハロゲン化物及び／又は有機ハロゲン化物分解生成物の濃度パターンをレーザーイオン化時間飛行型質量分析装置によって計測し、計測した濃度パターンにより有機ハロゲン化物分解処理を最適条件に制御することが開示されている。また、特許文献４には、マイクロ波を用いた水熱反応によって高含水有機物を分解する際に、有機物の性状を測定し、その測定値に応じてマイクロ波の出力を制御することが開示されている。また、特許文献５には、高温高圧水処理によってタンパク質を加水分解して良好な液体飼料を得る方法が開示されており、圧力などの反応条件を適切に制御することにより、目的とするアミノ酸の収率を向上できる可能性があることが分かった旨が記載されている。

特開２００３−２１２９０２号公報特開２００３−１８１４０６号公報特開２００２−３６０７２７号公報特開２００６−０９５４７５号公報特開２００８−１６７７４８号公報

前記副生成物は発酵微生物の生育および代謝を阻害する効果があるため、前処理によって副生成物が多く生成されると、最終生成物量が少なくなる。また、前処理の進行度合いによっては酵素糖化による糖の生成量が異なる。前記のとおり前処理装置に供給するバイオマスの種類や投入量、前処理装置の運転条件を一定に保った場合であっても、前処理の進行度合い、および前処理によって生成する副生成物量が変動するため、最終生成物を安定して多く得ることができないという問題がある。

そこで本発明が解決しようとする主たる課題は、前処理装置に供給するバイオマスの性状やバイオマスが含有する酸成分量に違いがある場合にも、前処理および糖化発酵工程を経て得られる最終生成物量の収量を安定して多くすることにある。

この課題を解決した本発明は、次のとおりである。
＜請求項１記載の発明＞
バイオマスを前処理装置によって前処理する工程と、
前処理したバイオマスを糖化し、糖化物を発酵する工程と、を有するバイオマスの処理方法において、
前処理した後のバイオマスのｐＨ、酸度、２８０ｎｍ紫外線吸光度、固形物残存量および分解生成物量の群から選ばれる少なくとも１つを測定する工程と、
前記測定結果が、下記（１）〜（５）の範囲内でないときに、前処理の反応時間及び反応温度の少なくとも一方を制御する工程と、
（１）ｐＨ：ｐＨ３．２〜ｐＨ３．８
（２）酸度：２０〜４５（g-as酢酸/kg-前処理物中固形物）
（３）２８０ｎｍ紫外線吸光度：２００〜４５０
（４）固形物残存量：前処理装置に供給したバイオマス量の６０％〜７５％
（５）分解生成物量：前処理装置に供給したバイオマス量の２５％〜４０％
を有することを特徴とするバイオマスの処理方法。

（作用効果）
前処理により生じた分解生成物量または固形物残存量や、前処理されたバイオマスのｐＨ、酸度または２８０ｎｍ紫外線吸光度を前処理反応の進行度合いの指針とし、その測定値に基づいて前処理装置の運転条件を制御する。
前処理の進行度合いによって酵素糖化工程の糖収量が変動する。よって、分解生成物量等を指針として前処理反応の進行を適切に管理することによって、酵素糖化工程での糖収量を安定させることができる。
また、前処理により得られる分解生成物には、後に行われる発酵工程の進行を阻害する阻害物質が含まれるが、前処理反応の進行を適切に管理することによって、前記阻害物質の生成量を少なくすることができ、発酵工程での収量を安定させることができる。
上記の結果として、酵素糖化工程および発酵工程を経て得られる最終生成物の収量を安定して多く得ることができる。
酵素糖化と発酵を同一槽内で行う同時糖化発酵においても、同様の効果が得られる。
また、前処理の反応時間、反応温度を制御することで、前記阻害物質の生成量を少なくすることができるとともに、前処理の進行度合いを適切な状態にすることができる。
また、適切に管理された前処理の下で生成した前処理バイオマスは、発酵工程の進行を阻害する阻害物質の含有量が少ないとともに、バイオマス中のセルロース、ヘミセルロース、リグニンの３成分の結合が十分に解けており、糖化酵素がセルロース分子に接近しやすいため、酵素糖化工程および発酵工程を経て得られる最終生成物の収量を安定して多く得ることができる。

＜請求項２記載の発明＞
前処理した後のバイオマスのｐＨがｐＨ３．２〜ｐＨ３．８の範囲内でないときに、下記（１）または（２）の制御を行う、
（１）ｐＨが３．２よりも低いときに、前処理工程の反応時間を短くする、または反応温度を低くする、
（２）ｐＨが３．８よりも高いときに、前処理工程の反応時間を長くする、または反応温度を高くする、
ことを特徴とする請求項１記載のバイオマスの処理方法。

削除

＜請求項３記載の発明＞
前処理した後のバイオマスの酸度が２０〜４５（g-as酢酸/kg-前処理物中固形物）の範囲内でないときに、下記（１）または（２）の制御を行う、
（１）酸度が２０（g-as酢酸/kg-前処理物中固形物）よりも低いときに、前処理工程の反応時間を長くする、または反応温度を高くする、
（２）酸度が４５（g-as酢酸/kg-前処理物中固形物）よりも高いときに、前処理工程の反応時間を短くする、または反応温度を低くする、
ことを特徴とする請求項１記載のバイオマスの処理方法。

削除

＜請求項４記載の発明＞
前処理した後のバイオマスの２８０ｎｍ紫外線吸光度が２００〜４５０の範囲内でないときに、下記（１）または（２）の制御を行う、
（１）２８０ｎｍ紫外線吸光度が２００よりも低いときに、前処理工程の反応時間を長くする、または反応温度を高くする、
（２）２８０ｎｍ紫外線吸光度が４５０よりも高いときに、前処理工程の反応時間を短くする、または反応温度を低くする、
ことを特徴とする請求項１記載のバイオマスの処理方法。

削除

＜請求項５記載の発明＞
前処理した後のバイオマスの固形物残存量が、前処理装置に供給したバイオマス量の６０％〜７５％の範囲内でないときに、下記（１）または（２）の制御を行う、
（１）固形物残存量が、前処理装置に供給したバイオマス量の６０％よりも少ないときに、前処理工程の反応時間を短くする、または反応温度を低くする、
（２）固形物残存量が、前処理装置に供給したバイオマス量の７５％よりも高いときに、前処理工程の反応時間を長くする、または反応温度を高くする、
ことを特徴とする請求項１記載のバイオマスの処理方法。
＜請求項６記載の発明＞
前処理した後のバイオマスの分解生成物量が、前処理装置に供給したバイオマス量の２５％〜４０％の範囲内でないときに、下記（１）または（２）の制御を行う、
（１）分解生成物量が、前処理装置に供給したバイオマス量の２５％よりも少ないときに、前処理工程の反応時間を長くする、または反応温度を高くする、
（２）固形物残存量が、前処理装置に供給したバイオマス量の４０％よりも高いときに、前処理工程の反応時間を短くする、または反応温度を低くする、
ことを特徴とする請求項１記載のバイオマスの処理方法。
＜請求項７記載の発明＞
前処理した後のバイオマスの一部を糖化酵素生産装置に供給し、供給した前処理バイオマスを培地に用いて糖化酵素生産菌を培養して糖化酵素の生産を行う工程をさらに有し、
前記生産した糖化酵素を糖化工程に用いる、
ことを特徴とする請求項１記載のバイオマスの処理方法。
（作用効果）
適切に管理された前処理の下で生成した前処理バイオマスは、糖化酵素生産工程の進行を阻害する阻害物質の含有量が少ないため、糖化酵素生産工程を経て得られる糖化酵素の収量を安定して多く得ることができる。

削除

本発明によれば、前処理装置に供給するバイオマスの性状やバイオマスが含有する酸成分量に違いがある場合にも、前処理および糖化発酵工程を経て得られる最終生成物量の収量を安定して多くすることができる。

本発明にかかるバイオマスの処理操作フロー図である。固形物残存量とエタノール収量の関係を示したグラフである。紫外線吸光度とエタノール収量の関係を示したグラフである。酸度とエタノール収量の関係を示したグラフである。ｐＨとエタノール収量の関係を示したグラフである。

（バイオマス処理工程）
図１に本発明にかかるバイオマスの処理操作フローの概略を示す。
なお、本発明にかかるシステムは、バガス、麦わら、パーム残渣、コーンストーバー、パームヤシ残渣、キャッサバ残渣、木片、木質廃材、ジュート、ケナフ、スイッチグラス、古紙等のセルロース、ヘミセルロースを含むバイオマスについて好適に使用できる。

（洗浄・脱水工程）
セルロース、ヘミセルロースを含むバイオマスは、洗浄工程により、砂、小石等の異物と分離され、脱水工程により洗浄工程で添加された水分の多くが除去される。

（前処理・滅菌工程）
前記バイオマスは、主にセルロース、ヘミセルロース、リグニンの３成分が固く結合した複合体となっているうえ、セルロース分子自体も固い結晶構造を取っているため、そのままでは糖化酵素セルラーゼがセルロース分子に接近できない。そのため、前処理装置内で、脱水後のバイオマスを、熱処理、水熱処理、酸処理、アルカリ処理、微粉砕法、木材腐朽菌などのどれかで前処理して、前記３成分を解離させる。その後、通常はコンタミネーションを防ぐために滅菌処理を行うが、熱処理、水熱処理（蒸煮、爆砕）、酸処理（硫酸、硝酸、リン酸などを用いた希酸法、濃酸法、ＳＯ２含浸爆砕法）並びにアルカリ処理（苛性ソーダ法、亜硫酸ソーダ法、アンモニア法、水酸化カルシウム法）のいずれかの前処理を行った場合は、その前処理が滅菌効果を有するため、別途滅菌工程を設けなくても良いという利点がある。なお、濃硫酸法の場合はセルラーゼを用いずに前処理と糖化まで可能である。

（糖化工程）
前処理したバイオマスは糖化装置へ送られ、糖化装置内で糖化される。この糖化装置の代表例としては、バイオリアクターを挙げることができる。この糖化装置内で、前処理したバイオマスが主に３種類のセルラーゼ（ｅｎｄｏｇｌｕｃａｎａｓｅ（ＥＧ）、ｃｅｌｌｏｂｉｏｈｙｄｒｏｌａｓｅ（ＣＢＨ）、β−ｇｌｕｃｏｓｉｄａｓｅ（ＢＧＬ））の作用によって分解される。このセルラーゼは、原料の乾燥重量あたり３〜３０ＦＰＵ／ｇ、好ましくは５〜２０ＦＰＵ／ｇ添加する（ＦＰＵ／ｇは６０分間にろ紙からグルコースを１０．８ｍｇ生成するセルラーゼ酵素活性の単位）。

（発酵工程）
糖化物は発酵装置へ送られ、発酵装置内で発酵される。糖をエタノールに変換するためには、サッカロマイセス属、シゾサッカロマイセス属、クルイベロマイセス属、ピキア属、キャンジダ属の酵母、ザイモモナス属、クロストリディウム属の細菌、あるいはそれらの特定遺伝子を組み込んだ遺伝子組換微生物を用いる。このエタノール発酵菌は、例えばサッカロマイセスセレビジエの場合、原料容積あたり１〜１００ｇｗｅｔ−ｗｔ／Ｌ、好ましくは５〜５０ｇｗｅｔ−ｗｔ／Ｌ接種する。また、糖を乳酸に変換するためには、例えばリゾプス・オリザエ（Ｒｈｉｚｏｐｕｓｏｒｙｚａｅ）のような糸状菌等を用いることができ、糖をコハク酸に変換するためには、例えばコリネ型細菌（Ｃｏｒｙｎｅｆｏｒｍｂａｃｔｅｒｉｕｍ）、バチルス属細菌、リゾビウム属細菌等を用いることができる。

（同時糖化発酵工程）
前記では、糖化と発酵を別々の装置で行うケースを示したが、糖化と発酵を一つの装置内で同時に行うようにしても良い。

バイオマスを糖化酵素によって糖化（加水分解）する場合、生成した糖化物が蓄積することによって酵素活性が阻害され、糖化率が低下してしまうという問題が生じる。しかし、この同時糖化発酵においては、糖化酵素による糖化と発酵微生物による糖化物の発酵を同時に進行させることができる。そのため、生成された糖化物が蓄積して酵素活性が阻害される前に、酵母等の発酵微生物が糖化物を発酵してしまうため、酵素活性を維持することができるというメリットがある。従って、糖化と発酵を別々の装置で行うよりも、一つの装置内で同時に行うほうが好ましい。

（蒸発工程）
前記発酵によって生成された発酵もろみは、もろみ塔または蒸発缶へ送られる。もろみ塔では発酵もろみを沸点付近の温度で加熱し、蒸発したエタノールまたは有機酸を凝縮させて濃度の高いエタノール液または有機酸含有液を得る。このエタノールまたは有機酸の濃度は約３０％以下、より詳しくは３〜２０％程度である。一方、エタノールや有機酸よりも沸点が高い成分や糖化発酵されなかったセルロースやリグニン等の固形物を含む液は、もろみ塔のボトムから排出され廃棄される。なお、蒸発缶においても前記と同様の操作が行われる。

（精留工程）
蒸発工程を経たエタノール液または有機酸含有液は、精留塔または蒸留塔へ送られる。精留塔ではエタノール液または有機酸含有液を目的成分の沸点近傍の温度で加熱し、蒸発したエタノールまたは有機酸を凝縮させて濃度の高いエタノール液または有機酸含有液を得る。生成物がエタノールの場合、精留塔留分中のエタノール濃度は９０〜９５容積％である。一方、精留工程によって生じる廃液は、精留塔のボトムから排出される。なお、蒸留塔においても前記と同様の操作が行われる。
最終製品の要求品質によっては、更なる高濃度化または不純物除去のため、更なる精留工程を設けたり、脱水工程を設けたりする場合がある。

（測定・制御工程）
セルロースおよびヘミセルロースを含むバイオマスが前処理されると、主にヘミセルロースの一部が分解して液化する。前処理の条件が強いと分解生成物の量が多くなるため、本発明においてはこの分解生成物量を基に前処理の進行具合を判断する。同様に、分解していない残存固形物量を基に前処理の進行具合を判断しても良い。

前処理の進行が不十分であると、糖化酵素セルラーゼがセルロース分子に十分に接近できず、後の糖化発酵工程での目的物質収量が少なくなる。そのため、分解物生成量または残存固形物量を指標にして前処理の進行状況を把握し、糖化発酵工程を経て得られる最終生成物を安定して多く得るべく、前処理装置の運転条件や前処理前のバイオマスの性状を制御する。

また、前処理によって得られる分解生成物には、後に行われる発酵工程の進行を阻害する阻害物質が含まれる。そのため、前処理の進行が進みすぎて生成される阻害物質量が過大になると、発酵工程を経て得られる最終生成物量が少なくなる。そこで、分解物生成量または残存固形物量を指標にして前処理の進行状況を把握し、前処理反応の進行を適切に管理すべく、前処理装置の運転条件や前処理前のバイオマスの性状を制御する。その結果、前記阻害物質の生成量を少なくすることができ、糖化発酵工程を経て得られる最終生成物を安定して多く得ることができる。

また、前処理されたバイオマスのｐＨ、酸度、アルカリ度または紫外線吸収率を測定し、その測定結果を基に前処理の進行具合を判断することもできる。そして、前処理の進行状況に合わせて前処理装置の運転条件または前処理前のバイオマスの性状を制御することにより、糖化発酵工程を経て得られる最終生成物を安定して多く得ることができる。
上記の内容を以下に、具体例を挙げて本発明を詳述する。

まず、前処理装置から糖化発酵装置（例えば、バイオリアクター）へ前処理されたバイオマスを搬送する途中で、前処理バイオマスの測定（Ａ）を行う。具体的には、（１）自動滴定装置で酸度やアルカリ度を測定、（２）ｐＨセンサーでｐＨ値を測定、（３）ＵＶ−ＶＩＳ吸光光度計で紫外線吸収率を測定、の少なくともいずれか１つの測定を行う。この（１）〜（３）の測定は全て液体に対して行う。より詳しくは、（１）（２）はスラリーに対しても測定可能であるが、（３）は前処理バイオマスを固形物と液体に分離し、分離した液体に対して測定を行う必要がある。

なお、搬送途中の前処理バイオマスは固形物濃度が高いため、そのまま測定することが困難な場合がある。その場合は、前処理バイオマスを多量の水と混ぜて前処理バイオマスに付着した液分を水に抽出し、この水を前記各測定手段にかけるようにする。

また、前記測定（Ａ）の代わりに、または前記測定（Ａ）とともに、バイオリアクターの内部液の測定（Ｂ）を行うようにしても良い。このバイオリアクターの内部液は液状であるため、前記抽出をせずに測定が可能である。

前処理されたバイオマスのｐＨ、酸度、アルカリ度または紫外線吸収率の測定結果を基に前処理の進行状況を把握する。例えば、本発明にかかる処理システムにメモリを設け、前処理されたバイオマスのｐＨ、酸度、アルカリ度、紫外線吸収率の各値と前処理の進行状況との関係についての統計データをこのメモリ内に記憶しておく。そして、前記測定結果とメモリ内の統計データとを対比することで前処理の進行状況を把握する。

本発明において、前処理されたバイオマスの２８０ｎｍ紫外線吸光度は２００〜４５０の範囲内にあるのが好ましい。紫外線吸光度が２００よりも低いと、前処理条件が強くなるため、阻害物生成量が増えて発酵工程が阻害され、最終生成物の収量が少なくなる。また、紫外線吸光度が４５０よりも高いと前処理条件が弱くなるため、糖化酵素セルラーゼがセルロース分子に十分に接近できず、後の糖化発酵工程を経て得られる最終生成物の収量が少なくなる。

また、本発明において、前処理されたバイオマスの酸度は２０〜４５[g-as酢酸/kg-前処理物中固形物]の範囲内にあるのが好ましい。酸度が２０[g-as酢酸/kg-前処理物中固形物]よりも低いと、前処理条件が弱くなるため、糖化酵素セルラーゼがセルロース分子に十分に接近できず、後の糖化発酵工程を経て得られる最終生成物の収量が少なくなる。また、酸度が４５[g-as酢酸/kg-前処理物中固形物]よりも高いと前処理条件が強くなるため、阻害物生成量が増えて発酵工程が阻害され、最終生成物の収量が少なくなる。

さらに、本発明において、前処理されたバイオマスのｐＨは３．２〜３．８の範囲内にあるのが好ましい。ｐＨが３．２よりも低いと、前処理条件が強くなるため、阻害物生成量が増えて発酵工程が阻害され、最終生成物の収量が少なくなる。また、ｐＨが３．８よりも高いと前処理条件が弱くなるため、糖化酵素セルラーゼがセルロース分子に十分に接近できず、後の糖化発酵工程を経て得られる最終生成物の収量が少なくなる。

前処理されたバイオマスのｐＨ、酸度、アルカリ度または紫外線吸収率の測定値が前記範囲内にない場合は、前処理の進行状況が好ましくないと判断し、好ましい進行状況となるように、前処理装置の運転条件または前処理前のバイオマスの性状を制御する。具体的には、ｐＨ、酸度、アルカリ度、紫外線吸収率が前記範囲内にない場合は、前記範囲内になるように前処理前のバイオマスに添加するアルカリや酸の量、前処理装置の反応時間や反応温度を調整する。

より詳細には、前処理の反応時間が長いほど、また反応温度が高いほど、反応は厳しくなり、反応が進行し、阻害物質生成量が増加する。反応が厳しくなるにつれ、固形物残存量は減少し、紫外線吸光度（280nm）は増加し、酸度は増加し、pHは低下するので、測定値を見ながら反応条件を調整し、適正範囲に収めることが可能となる。

前処理されたバイオマスのｐＨ、酸度、アルカリ度および紫外線吸収率について、これらの各要素のいずれか１つについて測定を行い、その測定結果に基づいて制御するようにすれば良い。しかし、２つ以上の要素について測定を行い、その測定結果に基づいて制御を行うようにすることがより好ましい。２つ以上の要素について測定を行うことで、より確実に前処理の進行状況を制御することができるためである。

一方、上述の検出手段の代わりに、前処理における固形物残存量を測定することも出来る。この場合、前処理装置に供給するバイオマス中の固形物量と前処理後のバイオマス中の固形物量を測定することとなる。具体的には前処理工程に供給するバイオマスの重量をメトリックコンベア等で測定（重量Ｗ１（ｔｏｎ））し、その水分を赤外線水分計等で測定する（水分Ｍ１（％））。同様の機器を用いて、前処理後のバイオマスの重量（Ｗ２（ｔｏｎ））と水分（Ｍ２（％））を測定する。
そして、以下の計算式より、供給バイオマス固形物１ｔｏｎ当たりの、固形物残存量Ｗ３（ｋｇ）を求める。

算出した固形物残存量を基に前処理の進行状況を把握する。例えば、本発明にかかる処理システムにメモリを設け、固形物残存量の各値と前処理の進行状況との関係についての統計データをこのメモリ内に記憶しておく。そして、前記測定結果とメモリ内の統計データとを対比することで前処理の進行状況を把握する。

本発明において、固形物残存量が供給バイオマス量の６０〜７５％の範囲内にあるのが好ましい。言い換えるならば、バイオマスを前処理装置に１ｔｏｎ供給した場合、前処理後の固形物残存量は６００〜７５０ｋｇの範囲内にあるのが好ましい。供給バイオマス1tonあたりの固形物残存量が６００ｋｇよりも少ないと、前処理条件が強くなるため、阻害物生成量が増えて発酵工程が阻害され、最終生成物の収量が少なくなる。また、固形物残存量が７５０ｋｇよりも多いと前処理条件が弱くなるため、糖化酵素セルラーゼがセルロース分子に十分に接近できず、後の糖化発酵工程を経て得られる最終生成物の収量が少なくなる。

固形物残存量が前記範囲内にない場合は、前処理の進行状況が好ましくないと判断し、好ましい進行状況となるように、前処理装置の運転条件を制御する。具体的には、供給バイオマス1tonあたりの固形物残存量が６００ｋｇよりも少ない場合は、前処理条件を弱めるべく、反応時間を短くする、反応温度を低くするといった制御を行う。一方、固形物残存量が７５０ｋｇよりも高い場合は、前処理条件を高めるべく、反応時間を長くする、反応温度を高くするといった制御を行う。

前記説明においては、固形物残存量をもとに制御を行う例を示したが、分解生成物量をもとに制御を行うようにしても良い。この場合、分解生成物量を供給バイオマス量の２５〜４０％の範囲内にするように制御するのが好ましい。分解生成物量が４０％よりも高いと、前処理条件が強くなるため、阻害物生成量が増えて発酵工程が阻害され、最終生成物の収量が少なくなるからである。また、固形物残存量が２５％よりも低いと前処理条件が弱くなるため、糖化酵素セルラーゼがセルロース分子に十分に接近できず、後の糖化発酵工程を経て得られる最終生成物の収量が少なくなるからである。

前記においては、ｐＨ、酸度、アルカリ度、紫外線吸収率、固形物残存量、分解生成物量の各要素の値を下記の実験結果に基づいて定めた。しかし、本発明はこの各値に限定されるものではなく、各要素の理想的な数値範囲として別の値を定め、その別の数値範囲になるように、前処理装置の運転条件または前処理前のバイオマスの性状を制御するようにしてもよい。

（糖化酵素生産工程）
本発明においては、適切に管理された前処理の下で生成した前処理バイオマスを糖化酵素生産工程で利用することもできる。この工程は糖化酵素生産装置によって行われる。この糖化酵素生産工程は、酵素生産菌を培養する工程と、培養した酵素生産菌を用いて酵素を生産する工程とからなる。以下に、この内容を詳述する。

まず目的酵素を生産する有用菌株を作製する。作製する有用菌株としては、例えばセルラーゼを生産するセルラーゼ生産菌、ヘミセルラーゼを生産するヘミセルラーゼ生産菌などの菌株を挙げることができる。より具体的には、アクレモニウム属、トリコデルマ属、ペニシリウム属、アスペルギルス属、サーモアスカス属の菌類や、クロストリジウム属、バチルス属の真正細菌のいずれか１以上の微生物を用いることができる。

前記糖化酵素生産菌として、アクレモニウム・セルロリティカス（Acremonium cellulolyticus）属に属する菌を用いるのが好ましい。酵素生産菌がアクレモニウム・セルロリティカス属である場合、糖化と酵素生産の原料に同一の前処理バイオマスを用いたときに、ヘミセルロース分解酵素が特に多く分泌されるため、糖化工程における糖収量を増加させることができるからである。アクレモニウム・セルロリティカス（Acremonium cellulolyticus）属に属する菌としては、具体的に、Acremonium cellulolyticus Y-94株、Acremonium cellulolyticus T-N株、Acremonium cellulolyticus C-1株、Acremonium cellulolyticus CF-2612株などを挙げることができる。これらの菌のうちAcremonium cellulolyticus C-1株、Acremonium cellulolyticus CF-2612株はキシラナーゼ活性が高いため、この２つの菌を用いるのが特に好ましい。

次に作製した有用菌株を培地で培養する。この培地としては固体培地、半流動培地、液体培地（ブイヨン、ブロス）を用いることができるが、液体培地を用いるのが好ましい。また、必要に応じて有機栄養物を含有させても良い。

一般に、この培地には炭素源として、高純度セルロース、単糖類、二糖類を用いることが多い。しかし、この高純度セルロース、単糖類、二糖類は高価であり製造コストが嵩むため、これらの代わりに前処理されたバイオマスを用いることができる。より詳しくは、リグノセルロース系バイオマスを前処理すると、セルロースを含む前処理バイオマスが生成されるため、第２処理手段を用いて前処理バイオマスの残部を糖化酵素生産装置へ送り、培地の炭素源として利用する。なお、前処理バイオマスの残部を炭素源として利用する場合、前処理バイオマスの一部は第１処理手段を用いて糖化装置へ送ることになる。

一方、前処理バイオマスには、酵素生産菌の成長や増殖を阻害する阻害物質が混ざっている場合がある。この阻害物質とは、例えば蟻酸や酢酸を挙げることができる。前記のように前処理装置の運転条件または前処理前のバイオマスの性状を制御することにより、前記阻害物質の量を減らすことができ、酵素生産菌の生育の阻害が抑制され、糖化酵素の収量を安定して多く得ることができる。なお、ｐＨ、酸度、アルカリ度、紫外線吸収率、固形物残存量、分解生成物量の各要素の好ましい値や前処理の制御方法は、前記と同様である。

前記培養における培養温度および培養時間は、酵素生産菌の種類によって異なるが、通常は、２８〜３２℃の温度で４８時間〜１０日間の期間、培養を行う。

また、前記糖化酵素生産装置のうち培養に用いる発酵槽としては、例えば通気撹拌型、気泡塔型、流動層型、充填層型などを挙げることができる。

前記酵素生産菌の培養によって、酵素生産菌が成長・増殖するとともに、酵素生産菌が糖化酵素を生産する。酵素生産菌の培養終了時の培養液は糖化酵素を含有している。この酵素含有液は直接糖化槽に供給しても、また精製した後に糖化槽に供給しても良い。

酵素精製の一般的な方法として、まず濾過や遠心分離などの方法によって酵素生産菌を除去し、上清液を得る。そして、その上清液から、イオン交換クロマトグラフィー、等電点クロマトグラフィー、ゲルろ過クロマトグラフィー、疎水性クロマトグラフィー、吸着カラムクロマトグラフィー、アフィニティークロマトグラフィー、逆相カラムクロマトグラフィー等のクロマトグラフィー、エタノール、メタノール、アセトン等を用いた沈殿分離、精密ろ過、限外ろ過、逆浸透ろ過等の濾過処理などの方法を用いて、目的とする糖化酵素を得る。

原料バイオマスにバガスを用い、これを水熱処理法により前処理した後、同時糖化発酵によりエタノールを生産した。
水洗浄して異物を除去したバガスを、加圧容器内に充填し、２５気圧の飽和蒸気を吹き込むことにより１８０〜２２０℃まで加熱し、４〜１０分間水熱処理する前処理を行った。このようにして得られた水熱反応物を、アクレモニウム・セルロリティカス（Acremonium Cellulolyticus）Ｃ-１株（Ferm P-18058）によって生産されたセルラーゼ酵素と、サッカロマイセス・セロビシエ属酵母で同時糖化発酵した。同時糖化発酵は、水熱反応物の固形物濃度が発酵液総量に対し１０％（重量・乾ベース）となるように添加し、セルラーゼ酵素を固形物に対して１０ＦＰＵ／ｇ−固形物、酵母培養液の添加量を全発酵液量に対し５％として、３５℃、４８時間行った。

その結果を図２〜図５に示す。
エタノールの最大収量を１００％としたとき、エタノール収量が８０％以上になる場合は、固形物残存量が６００〜７５０ｋｇの場合、紫外線吸光度が１８０〜４００ｎｍの場合、酸度が２０〜４０ｇ／ｋｇ−固形物の場合、ｐＨが３．２〜３．８の場合であった。つまり、前処理バイオマス１０００ｋｇ当たりの固形物残存量が６００〜７５０ｋｇ、紫外線吸光度が１８０〜４００ｎｍの場合、酸度が２０〜４０ｇ／ｋｇ−固形物の場合、ｐＨが３．２〜３．８になるように前処理を制御することにより、エタノールを安定的に多く得ることができる。

Claims

バイオマスを前処理装置によって前処理する工程と、
前処理したバイオマスを糖化し、糖化物を発酵する工程と、を有するバイオマスの処理方法において、
前処理した後のバイオマスのｐＨ、酸度、２８０ｎｍ紫外線吸光度、固形物残存量および分解生成物量の群から選ばれる少なくとも１つを測定する工程と、
前記測定結果が、下記（１）〜（５）の範囲内でないときに、前処理の反応時間及び反応温度の少なくとも一方を制御する工程と、
（１）ｐＨ：ｐＨ３．２〜ｐＨ３．８
（２）酸度：２０〜４５（g-as酢酸/kg-前処理物中固形物）
（３）２８０ｎｍ紫外線吸光度：２００〜４５０
（４）固形物残存量：前処理装置に供給したバイオマス量の６０％〜７５％
（５）分解生成物量：前処理装置に供給したバイオマス量の２５％〜４０％
を有することを特徴とするバイオマスの処理方法。
前処理した後のバイオマスのｐＨがｐＨ３．２〜ｐＨ３．８の範囲内でないときに、下記（１）または（２）の制御を行う、
（１）ｐＨが３．２よりも低いときに、前処理工程の反応時間を短くする、または反応温度を低くする、
（２）ｐＨが３．８よりも高いときに、前処理工程の反応時間を長くする、または反応温度を高くする、
ことを特徴とする請求項１記載のバイオマスの処理方法。
前処理した後のバイオマスの酸度が２０〜４５（g-as酢酸/kg-前処理物中固形物）の範囲内でないときに、下記（１）または（２）の制御を行う、
（１）酸度が２０（g-as酢酸/kg-前処理物中固形物）よりも低いときに、前処理工程の反応時間を長くする、または反応温度を高くする、
（２）酸度が４５（g-as酢酸/kg-前処理物中固形物）よりも高いときに、前処理工程の反応時間を短くする、または反応温度を低くする、
ことを特徴とする請求項１記載のバイオマスの処理方法。
前処理した後のバイオマスの２８０ｎｍ紫外線吸光度が２００〜４５０の範囲内でないときに、下記（１）または（２）の制御を行う、
（１）２８０ｎｍ紫外線吸光度が２００よりも低いときに、前処理工程の反応時間を長くする、または反応温度を高くする、
（２）２８０ｎｍ紫外線吸光度が４５０よりも高いときに、前処理工程の反応時間を短くする、または反応温度を低くする、
ことを特徴とする請求項１記載のバイオマスの処理方法。
前処理した後のバイオマスの固形物残存量が、前処理装置に供給したバイオマス量の６０％〜７５％の範囲内でないときに、下記（１）または（２）の制御を行う、
（１）固形物残存量が、前処理装置に供給したバイオマス量の６０％よりも少ないときに、前処理工程の反応時間を短くする、または反応温度を低くする、
（２）固形物残存量が、前処理装置に供給したバイオマス量の７５％よりも高いときに、前処理工程の反応時間を長くする、または反応温度を高くする、
ことを特徴とする請求項１記載のバイオマスの処理方法。
前処理した後のバイオマスの分解生成物量が、前処理装置に供給したバイオマス量の２５％〜４０％の範囲内でないときに、下記（１）または（２）の制御を行う、
（１）分解生成物量が、前処理装置に供給したバイオマス量の２５％よりも少ないときに、前処理工程の反応時間を長くする、または反応温度を高くする、
（２）固形物残存量が、前処理装置に供給したバイオマス量の４０％よりも高いときに、前処理工程の反応時間を短くする、または反応温度を低くする、
ことを特徴とする請求項１記載のバイオマスの処理方法。
前処理した後のバイオマスの一部を糖化酵素生産装置に供給し、供給した前処理バイオマスを培地に用いて糖化酵素生産菌を培養して糖化酵素の生産を行う工程をさらに有し、
前記生産した糖化酵素を糖化工程に用いる、
ことを特徴とする請求項１記載のバイオマスの処理方法。