JP2002176997A - セルロース含有物の処理方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】アルカリ処理や機械的破砕による前処理をしな
くても、セルロース含有物を糖化処理できるようにする
こと、高濃度の糖液を効率良く製造できるようにするこ
とを目的とする。 【解決手段】 まず。液化槽２において、古紙類１に、
エンドグルカナーゼ活性が強いセルラーゼを加え、セル
ロースが加水分解されて生成した溶解性の糖および短繊
維を含有する糖含有液を得る（第１の工程）。次いで、
前記糖含有液を、前記溶解性の糖および短繊維を含有す
る糖化液と固相とに固液分離３する（第２の工程）。次
に、単糖化槽４において、得られた糖化液中で前記溶解
性の糖および短繊維を加水分解してグルコース５を得る
（第３の工程）。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば古紙類など
のセルロース含有物を糖化してグルコースを得る方法に
関する。

【０００２】

【従来の技術】古紙や古紙を含む廃棄物等に代表される
セルロース含有物を処理する方法のうち、例えば、セル
ロース含有物に酵素を作用させることによって加水分解
してグルコースなどの糖を得、この糖をアルコール発酵
や乳酸発酵等の発酵工程に供して有価物を生産する方法
は、安全性が高く、用途の幅も広いので有効な方法であ
ると考えられている。

【０００３】ところが、セルロースは結晶性が高く、紙
等にはリグニンが含まれていることなどから、セルロー
ス含有物の糖化処理は容易ではない。そこで、通常は、
セルロース含有物にアルカリ処理や機械的破砕等の前処
理を施してセルロース含有物の結晶状態を変化させ、酵
素が作用し易い状態にすることが行われる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな前処理を行う場合には次のような問題があった。す
なわち、アルカリ処理を行う場合には、後にアルカリ成
分を除去する工程や廃液処理などの煩雑な工程が必要と
なり、そのための設備も必要となる。一方、機械的破砕
を行う場合は、設備費やエネルギーの消費量が大きいう
え、セルロース含有物が破砕されることによって嵩高に
なるので基質液を高濃度にし難く、したがって糖濃度が
高い糖液を得ることが難しい。また、高濃度の糖液を製
造するために、スラリー中に基質である紙を高濃度に投
入したとしても、セルロースは不溶性で膨潤性があるの
で、スラリーの見かけの粘度が高くなり易い。このた
め、撹拌形式の糖化槽を用いる場合には、基質濃度があ
る程度以上に高くなると撹拌が著しく阻害され、その結
果、酵素による糖化処理の効率が低下し、撹拌のために
必要な動力も大きくなるという問題があった。

【０００５】本発明は前記事情に鑑みてなされたもの
で、アルカリ処理や機械的破砕による前処理をしなくて
も、セルロース含有物を糖化処理できるようにするこ
と、および高濃度の糖液を効率良く製造できるようにす
ることを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は前記課題の少な
くとも１つを解決するもので、本発明のセルロース含有
物の処理方法は、セルロース含有物に、エンドグルカナ
ーゼ活性が強いセルラーゼを加え、セルロースが加水分
解されて生成した溶解性の糖および短繊維を含有する糖
含有液を得る第１の工程と、前記糖含有液を、前記溶解
性の糖および短繊維を含有する糖化液と固相とに固液分
離する第２の工程と、前記第２の工程で得られた糖化液
中で前記溶解性の糖および短繊維を加水分解してグルコ
ースを得る第３の工程を有することを特徴とする。前記
セルロース含有物として、特に古紙類が好適である。

【０００７】

【発明の実施の形態】以下、本発明を詳しく説明する。
本発明において処理の対象とされるセルロース含有物
は、セルロースを含有するものであれば特に制限されな
いが、特に古紙、または古紙を含む廃棄物などの古紙類
は、前処理無しで、または簡単な前処理（離解など）だ
けで酵素による糖化処理を行うのに好適であるので好ま
しい。ここでの古紙を含む廃棄物とは、例えば家庭から
排出される都市ゴミ、飲食産業やオフィス、印刷業者な
どから排出される事業系廃棄物などである。

【０００８】図１は本発明のセルロース含有物の処理方
法の一実施形態を示す工程図である。ここでは、セルロ
ース含有物として古紙類の処理を行う例を示す。まず第
１の工程においては、液化槽２に古紙類１、水、および
セルラーゼを投入し、これらを撹拌してセルラーゼによ
るセルロースの加水分解を行って糖含有液を得る。本実
施形態におけるセルラーゼとしては、セルラーゼの主成
分であるエンドグルカナーゼ、エクソグルカナーゼ、お
よびβ−グルコシダーゼを含み、特にエンドグルカナー
ゼ活性が強いセルラーゼを使用する。本明細書におい
て、エンドグルカナーゼ活性が強いセルラーゼとは、後
述するＦＰＵの活性測定法により測定した場合に、タン
パク質１ｇ中に５００ＦＰＵ以上の濾紙分解活性を持つ
セルラーゼのことである。ここで用いたＦＰＵの活性測
定法は次の通りである。まず、濾紙（ワットマンＮｏ．
１）５０ｍｇを基質とし、これに酵素液０．５ｍＬとク
エン酸緩衝液（ｐＨ４．８、０．０５Ｍ）１．０ｍＬを
加え、５０℃で１．０時間酵素反応を行った後、ジニト
ロサリチル酸試薬３．０ｍＬを加え、１００℃で５．０
分間加熱し発色させる。冷却後、これにイオン交換水ま
たは蒸留水２０ｍＬを加え５４０ｎｍの波長で比色定量
する。１分間に１μmolのグルコースに相当する還元糖
を生成する酵素量を１ユニット（ＦＰＵ）とした。な
お、タンパク質の測定法はローリー法などの一般的な方
法で行うことができる。セルラーゼの使用量は、基質で
ある古紙類１に対して０．５〜５重量％が好ましく、１
〜３重量％が特に好ましい。セルラーゼの使用量が少な
すぎるとセルロースの加水分解反応が効率的に進まず、
多すぎるとセルラーゼのコストが大きくなり経済性が損
なわれる。水の供給量は、液化槽２内のスラリーが撹拌
可能な粘度となるように適宜設定し得る。この液化槽２
内における反応条件は、通常のセルラーゼによる糖化条
件を適用することができる。例えばｐＨ４〜６、温度４
０〜６０℃程度が好ましく、また緩衝剤として例えば酢
酸ナトリウムと酢酸との混合溶液を０．１mol／Ｌ程度
加えてもよい。

【０００９】この第１の工程においては、古紙類１に含
まれるセルロースがセルラーゼの作用によって短繊維化
されて、液化槽２内のスラリーの流動性が向上するとと
もに、加水分解によりセロビオース、セロトリオースな
どのオリゴ糖、およびグルコースが生成する。本発明で
は、セルロースの繊維をランダムに切断するエンドグル
カナーゼ活性が高いセルラーゼが使用されるので、この
短繊維化のスピードが比較的早く、例えば数時間〜２０
時間程度で、繊維の大部分が０．５〜５ｍｍ程度に細分
化される。

【００１０】第１の工程における液化槽２での反応時間
（滞留時間）は、短すぎると短繊維化が十分に行われ
ず、長すぎると製造効率が悪くなるので、それを補うた
めに反応槽の容積を大きくすると撹拌エネルギーも増大
して経済性が悪くなる。したがって、液化槽２での反応
時間は、セルロースの大部分が５ｍｍ以下の短繊維また
は溶解性の糖に加水分解される程度に設定するのが好ま
しい。例えば１０〜５０時間程度が好ましい。第１の工
程終了後に得られる糖含有液には、古紙類中のセルロー
スが短繊維化された０．５〜５ｍｍの短繊維、セロビオ
ース、セロトリオースなどのオリゴ糖、グルコース、そ
の他の溶解性の糖の他に、古紙類に由来する無機イオン
（Ｃａ ²⁺、Ｍｇ²⁺、Ｎａ⁺など）や、５ｍｍより長い長
繊維およびリグニンやヘミセルロースなど古紙類由来の
その他の不溶性物質、およびセルラーゼが含まれてい
る。

【００１１】なお必須ではないが、この第１の工程に先
立って古紙類を周知の手法により前処理してもよい。前
処理は、アルカリ処理や機械的破砕によらない簡単な前
処理が好ましく、例えば、水を加えてミキシングして、
繊維をほぐす離解処理が好適である。

【００１２】次に第２の工程として、第１の工程で得ら
れた糖含有液を固液分離して（図中符号３）、固形分が
除去された糖化液を得る。固液分離手段としては、濾
布、金属製の篩い、濾過膜等が好ましく、前記第１の工
程で０．５〜５ｍｍ程度に細分化された短繊維が通過
し、かつ５ｍｍより長い長繊維は通過しない程度の目の
大きさのものが用いられる。すなわち、目の大きさが
０．５〜５ｍｍ（５０．８〜５．０８メッシュ）程度の
ものが用いられる。この工程では、５ｍｍより長い長繊
維、およびリグニンやヘミセルロース等その他の古紙類
由来の不溶性物質を固相として除去するので、液相すな
わち第２の工程終了後に得られる糖化液には、０．５〜
５ｍｍの短繊維、セロビオース、セロトリオースなどの
オリゴ糖、グルコース、その他の溶解性の糖の他に、古
紙類に由来する無機イオン（Ｃａ²⁺、Ｍｇ²⁺、Ｎａ⁺な
ど）、およびセルラーゼ等が含まれている。ここで、セ
ルラーゼの成分のうちのエンドグルカナーゼの一部は基
質に吸着された状態で、固形分（固相）と一緒に除去さ
れるが、残りのエンドグルカナーゼや、エクソグルカナ
ーゼおよびβ−グルコシダーゼの大部分は液相中に存在
しているため、固液分離３後の糖化液中に含有されてい
る。

【００１３】一方、第２の工程の固液分離３により除去
された固形分は、反応残さ６として焼却処理などの適宜
の処理に供してもよく、あるいは除去された固形分の一
部または全部を再び液化槽２に供給してもよい。後者に
よれば、前記第１の工程において短繊維に細分されなか
った、または溶解性の糖に分解されなかったセルロース
を再び加水分解反応に供することができるので、結果的
にセルロースの滞留時間を長くすることができる。

【００１４】次いで第３の工程として、第２の工程で得
られた糖化液を単糖化槽４内に供給し、撹拌しながら、
前記第１の工程に引き続いてセルラーゼによる糖化反応
を行い、糖液を得る。ここでは、第２の工程で得られた
糖化液中に含まれるセルロース由来の短繊維や、グルコ
ース以外の溶解性の糖を、同じ糖化液中に含まれるエン
ドグルカナーゼ、エクソグルカナーゼ、およびβ−グル
コシダーゼ等のセルラーゼにより、グルコース（図中符
号５）にまで加水分解する。単糖化槽４における反応時
間（滞留時間）は、短すぎるとグルコースまでの加水分
解反応が十分に行われず、長くすればグルコースの収率
はある程度まで増加するが、それ以上反応時間を長くし
てもグルコースの収率は増加せず経済性が損なわれるだ
けである。単糖化槽４における反応時間は、例えば２０
〜５０時間程度が好ましい。この第３の工程終了後に得
られる糖液中の糖濃度は、反応条件によって変化し得る
ものであるが、条件によってはグルコースを１０重量％
程度の高濃度で含む糖液を得ることが可能である。な
お、第２の工程において固液分離３して得られた糖化液
には、上述したように最初に添加したセルラーゼの成分
が活性を有する状態で含まれているので、第３の工程に
おいて新たにセルラーゼを添加する必要はないが、添加
しても構わない。

【００１５】本実施形態によれば、第１の工程において
エンドグルカナーゼ活性の高いセルラーゼを用いること
により、古紙類中の繊維が比較的短時間で短繊維化さ
れ、これにより液化槽２内のスラリーの流動性が向上す
るので、液化槽２の撹拌が容易になり撹拌効率が向上す
る。したがって、液化槽２に投入される古紙類が前処理
されていないものであっても、あるいは簡単な前処理が
施されただけのものであっても、容易に糖化処理するこ
とが可能である。また、液化槽２内のスラリーにおける
基質濃度、すなわち古紙類の濃度を高くすることが可能
である。

【００１６】また第１の工程においてセルロースの糖化
処理を途中まで行った後に、固形分を除去して、再び糖
化処理を続行することにより、反応効率を向上させると
ともに、撹拌動力を低減させることができる。すなわ
ち、まず第１の工程で、セルロースから、後工程におい
て固液分離手段を通過できる短繊維や溶解性の糖を生成
しておき、固液分離３（第２の工程）においては、撹拌
の妨げとなる長繊維や不溶性物質を除去し、液相のみを
単糖化槽４（第３の工程）に供給することにより、単糖
化槽４における撹拌効率が極めて良くなり、したがって
酵素による加水分解反応の効率が向上する。特に第３の
工程は、オリゴ糖からグルコースへの反応が主に行われ
るので、この第３の工程における撹拌効率および反応効
率が向上されたことにより、グルコースの収率が大幅に
向上する。さらに、撹拌効率が良くなるので撹拌動力の
削減が可能であり、また糖化反応効率が向上するので反
応時間の短縮、処理効率の増大を図ることが可能であ
る。

【００１７】

【実施例】以下、具体的な実施例を示して本発明の効果
を明らかにする。 （実施例１）上記第１の実施形態の方法に従って古紙類
を糖化処理した例を示す。液化槽２および単糖化槽４と
して２００ml三角フラスコを用いた。基質となる古紙と
しては使用済みのオフィス紙を使用した。酵素としては
エンドグルカナーゼ活性の高いセルラーゼ（タンパク質
１ｇ中の濾紙分解活性が約６００ＦＰＵのもの、以下、
酵素Ａとする）を使用した。まず、２００ml三角フラス
コに古紙、水、および酵素を入れ、これらを撹拌しなが
ら酵素によるセルロースの加水分解を行った（第１の工
程）。基質（古紙）の初期濃度は５重量／容量％とし、
基質に対する酵素の濃度は３重量／重量％とした。反応
条件は、ｐＨ４．５〜５．０、温度４５〜５０℃とし
た。２４時間反応させた後、反応液を目の大きさが１ｍ
ｍの濾布を用いて濾過し、濾液（糖化液）を別の２００
ml三角フラスコに入れた（第２の工程）。この濾液（糖
化液）における還元糖（グルコースを含む）の含有量お
よびグルコースの含有量をそれぞれ測定したところ、還
元糖／古紙が６７重量％で、グルコース／古紙が４５重
量％であった。次に、上記で別の三角フラスコに入れた
濾液を撹拌しながら、酵素によるセルロースの加水分解
反応を行った（第３の工程）。反応条件は上記第１の工
程と同条件とした。第３の工程を開始してから２４時間
後、すなわち第１の工程と合わせて反応時間の合計が４
８時間に達した時の糖液について、還元糖（グルコース
を含む）の含有量およびグルコースの含有量を測定した
ところ、還元糖／古紙が８９重量％で、グルコース／古
紙が６８重量％であった。この結果を下記表１に示す。

【００１８】（比較例１）前記実施例１において酵素Ａ
を、一般的なセルラーゼ（商品名：セルロシンＴ２、阪
急バイオインダストリー社製、タンパク質１ｇ中の濾紙
分解活性が約３００ＦＰＵのもの、以下、酵素Ｂとす
る）を使用した他は同様にして古紙の糖化処理を行っ
た。２４時間反応させた後、反応液を前記実施例１と同
様にして濾過し、濾液（糖化液）を別の２００ml三角フ
ラスコに入れた。この濾液（糖化液）における還元糖
（グルコースを含む）の含有量およびグルコースの含有
量をそれぞれ測定した。その結果を下記表１に示す。

【００１９】（比較例２）前記実施例１において、濾過
（第２の工程）を行わない他は同様にして古紙の糖化処
理を行った。すなわち、１つの２００ml三角フラスコに
古紙、水、および酵素を入れ、これらを撹拌しながら酵
素によるセルロースの加水分解を４８時間行った。２４
時間経過した時点での反応液（実施例１における濾液と
同条件となる）、および４８時間経過後の糖液それぞれ
について、還元糖（グルコースを含む）の含有量および
グルコースの含有量をそれぞれ測定した。その結果を下
記表１に示す。

【００２０】（比較例３）前記比較例１において、濾過
（第２の工程）を行わない他は同様にして古紙の糖化処
理を行った。すなわち、１つの２００ml三角フラスコに
古紙、水、および酵素を入れ、これらを撹拌しながら酵
素によるセルロースの加水分解を４８時間行った。２４
時間経過した時点での反応液（比較例１における濾液と
同条件となる）、および４８時間経過後の糖液それぞれ
について、還元糖（グルコースを含む）の含有量および
グルコースの含有量をそれぞれ測定した。その結果を下
記表１に示す。

【００２１】

【表１】

【００２２】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、セ
ルラーゼによる糖化反応を二段階に分けて行い、一段目
ではエンドグルカナーゼ活性が強いセルラーゼを用いて
セルロースを短繊維に細分化し、固液分離を行って固形
分を除去した後、二段目でセルラーゼによる糖化をさら
に行うことによって、撹拌効率の向上および糖化反応の
効率向上を図ることができる。したがって本発明によれ
ば、アルカリ処理や機械的破砕による前処理をしなくて
もセルロース含有物を糖化処理することが可能である。
また、グルコースの収率を向上させること、高濃度の糖
液を得ること、撹拌動力を低減させることなども可能で
ある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のセルロース含有物の処理方法の一実施
例を示す工程図である。

【符号の説明】

１…古紙類（セルロース含有物）、２…液化槽（第１の
工程）、３…固液分離（第２の工程）、４…単糖化槽
（第３の工程）。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 4B064 AF02 CA21 CB07 CC03 DA10 DA16 4D004 AA12 AA46 AB05 BA06 CA20 CC07

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】セルロース含有物に、エンドグルカナーゼ
   活性が強いセルラーゼを加え、セルロースが加水分解さ
   れて生成した溶解性の糖および短繊維を含有する糖含有
   液を得る第１の工程と、 前記糖含有液を、前記溶解性の糖および短繊維を含有す
   る糖化液と固相とに固液分離する第２の工程と、 前記第２の工程で得られた糖化液中で前記溶解性の糖お
   よび短繊維を加水分解してグルコースを得る第３の工程
   を有することを特徴とするセルロース含有物の処理方
   法。
2. 【請求項２】前記セルロース含有物が古紙類であること
   を特徴とする請求項１記載のセルロース含有物の処理方
   法。