JP2005052020A - エタノールの製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】木質系バイオマスから発酵によりエタノールを製造する製造方法において、木質系バイオマスの木質の組成の変動によらず、高収率のエタノールを安定して製造する方法を提供する。
【解決手段】木質系バイオマスから発酵によってエタノールを製造する製造方法において、発酵工程でＫｌｕｙｖｅｒｏｍｙｃｅｓ属又はＳａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ属に属する少なくとも１種の酵母を含む２種以上の酵母を混合して使用する。また、発酵工程で使用する糖液を用いた１つのシード培地に、Ｋｌｕｙｖｅｒｏｍｙｃｅｓ属又はＳａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ属に属する少なくとも１種の酵母を含む２種以上の酵母を混合してシード培養し、そのシード培養液を用いて発酵工程を行う。
【選択図】 図１
【解決手段】木質系バイオマスから発酵によってエタノールを製造する製造方法において、発酵工程でＫｌｕｙｖｅｒｏｍｙｃｅｓ属又はＳａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ属に属する少なくとも１種の酵母を含む２種以上の酵母を混合して使用する。また、発酵工程で使用する糖液を用いた１つのシード培地に、Ｋｌｕｙｖｅｒｏｍｙｃｅｓ属又はＳａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ属に属する少なくとも１種の酵母を含む２種以上の酵母を混合してシード培養し、そのシード培養液を用いて発酵工程を行う。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、廃建材等の木質系バイオマスを用いて、発酵によりエタノールを製造する製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、木材チップ、廃建材のような木質系バイオマスからエタノールを製造し、エネルギーや化学原料として利用する試みが内外で進められている。この方法は、木質系バイオマスを酸あるいはアルカリで加水分解して、グルコース等のヘミセルロース由来の糖を含む加水分解液とし、この糖を酵母等の微生物を用いる発酵法によりエタノールに変換するものである。こうして得られたエタノールは、燃料や化学原料として利用される。
木質系バイオマスから、酵母を用いて発酵によりエタノールを製造する方法として、特開平１１−１６９１８８号公報に挙げられる技術がある（特許文献１参照）。
【０００３】
ところで、木質系バイオマスとして廃建材を用いることは、バイオマス資源利用の課題である原料の収集という点において非常に有利である。しかし、廃建材の中には、酵母による糖質の発酵を阻害する接着剤や塗料等の化学物質が含まれている。例えば、合板では６〜８％、パーティクルボードでは８〜１０％の接着剤が使用されている。接着剤や塗料等の化学物質が分解すると、プロピオン酸やアンモニアといった発酵阻害物質を生成するので、こうした化学物質は加水分解前に除去するか、あるいは、当初から廃建材の原料を分別することが望ましいが、いずれの作業も容易には行うことができない。
【０００４】
また、酵母による糖質の発酵阻害物質としては、化学物質由来のものの他に、木材由来のギ酸、酢酸やフルフラール、５−ヒドロキシメチルフルフラール、レブリン酸等の糖質の過分解物質もある。
【０００５】
廃建材の中には、酵母による糖質の発酵阻害物質は天然の原料より多く含まれている。例えば、合板やパーティクルボードを加水分解すると、加水分解液１Ｌ（リットル）当たり発酵阻害物質が１０ｇ程度生成することもある。発酵阻害物質の濃度が数ｇ／Ｌを超えるとエタノールの生成に影響する。
【０００６】
加水分解液からこうした発酵阻害物質を除去する方法としては、イオン交換、吸着、活性炭等で発酵前の加水分解液を処理する方法があるが、いずれも設備費、運転費がかかり、エタノール製造コストを引き上げる。そこで、発酵阻害物質の除去処理を不要とするため、発酵阻害物質に対する浸透圧耐性の高い酵母の使用が要求される。
【０００７】
また、発酵が進行すると、発酵液中のエタノール濃度は徐々に高くなるので、酵母のエタノール耐性も要求される。すなわち、高濃度のエタノールの存在下でも酵母が生存、増殖し、発酵力を維持できることが要求される。
【０００８】
また、木質系バイオマスとして廃建材を用いた場合は、収集日や収集場所による木質の組成の変動が大きい。即ち、廃建材には、無垢材が多く含まれるものもあれば、合板等の加工材が多く含まれるものもある。
【０００９】
【特許文献１】
特開平１１−１６９１８８号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
このようなことから、上記の技術は、木質系バイオマスを用いた場合に、特に廃建材を用いた場合に、安定して高収率のエタノールを得ることには対応できていない。
その理由は、発酵阻害物質に対する浸透圧耐性、エタノールの濃度上昇に対する耐性、それにエタノール生成能力といった性質が、酵母の種類によって大きく異なっていることによる。そのため、エタノールの収率が、木質系バイオマスの木質の組成の変動により変動してしまうことによる。
【００１１】
例えば、Ｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ属に属する酵母はエタノールの生成能力が高いものの、有機酸等の発酵阻害物質への耐性の点ではＫｌｕｖｅｒｏｍｙｃｅｓ属に属する酵母の方が優れている場合もある。また、Ｓｈｉｚｏｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ属に属する酵母には塩類等に対する浸透圧耐性の高いものもある。
また、酵母の種類によっては、合板に含まれる発酵阻害物質により生育やエタノール生成を阻害されるものもあるが、その中には無垢材の加水分解液に対しては高いエタノール生成能力を示すものもある。
木質系バイオマスから酵母を用いて発酵によりエタノールを製造する技術において、高収率のエタノールを安定的に製造するには、特に木質系バイオマスとして廃建材を用いた場合には、木質の組成が変動してもエタノールの収率が高度で維持できることが必要になる。
上記の技術においては、酵母を１種類しか使用していないので、木質の組成の変動によりエタノールの収率が変動してしまうのである。
【００１２】
そこで、本発明の課題は、木質系バイオマスから発酵によりエタノールを製造する製造方法において、木質系バイオマスの木質の組成の変動によらず、高収率のエタノールを安定して製造する方法を提供することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
かかる実情において、本発明者は鋭意検討の結果、木質系バイオマスから発酵によってエタノールを製造する製造方法において、発酵工程でＫｌｕｙｖｅｒｏｍｙｃｅｓ属又はＳａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ属に属する少なくとも１種の酵母を含む２種以上の酵母を含む２種以上の酵母を混合して使用することにより、木質系バイオマスの木質の組成が変動しても、高収率のエタノールを安定して製造することができることを見出した。
つまり、木質系バイオマスの木質の組成の変動に対しては、発酵工程でＫｌｕｙｖｅｒｏｍｙｃｅｓ属又はＳａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ属に属する少なくとも１種の酵母を含む２種以上の酵母を使用して、その木質系バイオマスの木質の組成に適応した酵母を優先して用いることにより、酵母による糖質の発酵を効果的に行い、酵母のエタノール生成能力を高度で維持し、結果として、高収率のエタノールを安定して製造することが可能となる。
【００１４】
また、本発明においては、発酵工程の前のシード培養の工程で、発酵工程で使用する糖液（木質系バイオマスを加水分解して中和した液）を用いた１つのシード培地に、Ｋｌｕｙｖｅｒｏｍｙｃｅｓ属又はＳａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ属に属する少なくとも１種の酵母を含む２種以上の酵母を混合してシード培養することにより、発酵工程で用いる糖液に適した酵母を優先させることができることを見出した。そうして、木質系バイオマスの木質の組成に適応した酵母を優先させることにより、さらに高収率でエタノールを製造することができ、かつ、シード培養漕を複数用意する必要がなくなり、エタノールの製造コストが低減できることを見出した。
【００１５】
即ち、本発明の第１の発明は、木質系バイオマスから発酵によってエタノールを製造する製造方法において、発酵工程でＫｌｕｙｖｅｒｏｍｙｃｅｓ属又はＳａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ属に属する少なくとも１種の酵母を含む２種以上の酵母を混合して使用することを特徴とするエタノールの製造方法である。
【００１６】
本発明の第２の発明は、Ｋｌｕｙｖｅｒｏｍｙｃｅｓ属に属する少なくとも１種の酵母と、Ｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ属に属する少なくとも１種の酵母を含む２種以上の酵母を混合して使用する請求項１記載のエタノールの製造方法である。
【００１７】
本発明の第３の発明は、Ｋｌｕｙｖｅｒｏｍｙｃｅｓ属に属する少なくとも１種の酵母と、Ｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ属に属する少なくとも１種の酵母と、Ｓｈｉｚｏｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ属に属する少なくとも１種の酵母を含む３種以上の酵母を混合して使用する請求項１又は２記載のエタノールの製造方法である。
【００１８】
本発明の第４の発明は、木質系バイオマスが廃建材であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載のエタノールの製造方法である。
【００１９】
本発明の第５の発明は、発酵工程で使用する糖液を用いた１つのシード培地に２種以上の酵母を混合してシード培養し、そのシード培養液を用いて発酵工程を行うことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項記載のエタノールの製造方法である。
【００２０】
【発明の実施の形態】
［第１実施形態］
本実施形態の製造方法は、図１に示すように加水分解、中和、シード培養、発酵、エタノール分離・精製の各工程から構成される。
【００２１】
（木質系バイオマス）
木質系バイオマスとしては、木材チップや廃建材などが挙げられる。廃建材としては、廃棄木質建材、廃パレット、廃梱包材等が挙げられる。廃建材は単独で用いてもよいし、２種類以上を組み合わせて用いてもよい。また、廃建材には、酢酸、フルフラール、レブリン酸、ギ酸等の木材由来の発酵阻害物質や接着剤、塗料等の化学物質が含まれていても差し支えない。
【００２２】
（加水分解工程）
加水分解工程では、従来から公知の酸加水分解法やアルカリ加水分解法を用いることができる。そのなかでも、酸加水分解法が好ましい。酸加水分解法に用いる酸としては、硫酸、塩酸、硝酸などが挙げられるが、硫酸を用いるのが好ましく、特に希硫酸を用いるのが好ましい。
【００２３】
（中和工程）
加水分解工程後、酸加水分解法、アルカリ加水分解法を用いた場合には、中和工程が必要である。例えば、酸加水分解法で加水分解した後に中和工程で用いるアルカリとしては、Ｃａ（ＯＨ）２、ＮａＯＨなどが挙げられるが、比較的安価なＣａ（ＯＨ）２を用いるのが好ましい。
【００２４】
（シード培養工程）
本発明に用いられる酵母は、発酵工程の前にシード培地にて培養される。シード培地としては、通常の培地を用いてもよいが、中和工程で中和された加水分解液にコーンスティープリカー（ＣＳＬ）、尿素、リン酸水素カリウム（ＫＨ２ＰＯ４）を添加して、ｐＨを５．０に調整したものを用いるとよい。それぞれの添加量は、加水分解液１Ｌに対し、ＣＳＬは１〜１０ｇ、尿素は０．１〜１．０ｇ、リン酸水素カリウムは０．０５〜０．５ｇとするとよい。
シード培養は、この培地に酵母の菌株を接種して、好気条件下で行う。エタノール生産酵母としては、公知の酵母を用いることができるが、Ｋｌｕｙｖｅｒｏｍｙｃｅｓ属に属するＫｌｕｙｖｅｒｏｍｙｃｅｓ ｍａｒｘｉａｎｕｓ、Ｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ属に属するＳａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ ｃｅｒｅｖｉｓｉａｅ、Ｓｈｉｚｏｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ属に属するＳｈｉｚｏｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ ｐｏｍｂｅ、Ｐｉｃｈｉａ属に属するＰｉｃｈｉａ ｓｔｉｐｉｔｉｓ、Ｃａｎｄｉｄａ属に属するＣａｎｄｉｄａ ｓｈｅｈａｔａｅ等が好適に用いられ、そのなかでも、Ｋｌｕｙｖｅｒｏｍｙｃｅｓ属に属するＫｌｕｙｖｅｒｏｍｙｃｅｓ ｍａｒｘｉａｎｕｓ、Ｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ属に属するＳａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ ｃｅｒｅｖｉｓｉａｅ、Ｓｈｉｚｏｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ属に属するＳｈｉｚｏｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ ｐｏｍｂｅが特に好適に用いられる。Ｋｌｕｙｖｅｒｏｍｙｃｅｓ ｍａｒｘｉａｎｕｓとＳａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ ｃｅｒｅｖｉｓｉａｅの２者は、比較的高いエタノール生産能力を有する。また、Ｐｉｃｈｉａ ｓｔｉｐｉｔｉｓ、Ｃａｎｄｉｄａ ｓｈｅｈａｔａｅの２者の酵母は、いずれもグルコースの他にキシロースもエタノールに変換することが知られているが、アルデヒド等の発酵阻害物質に対する耐性は、Ｋｌｕｙｖｅｒｏｍｙｃｅｓ ｍａｒｘｉａｎｕｓ、Ｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ ｃｅｒｅｖｉｓｉａｅ、Ｓｈｉｚｏｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ ｐｏｍｂｅに比べると低い。
【００２５】
本発明に用いる酵母は、独立行政法人製品評価技術基盤機構生物遺伝資源部門（ＮＢＲＣ）や財団法人発酵研究所（ＩＦＯ）、Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｔｙｐｅ Ｃｕｌｔｕｒｅ Ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ（ＡＴＣＣ）等の微生物寄託機関から分譲により得ることができる。下記に具体的な酵母の菌株の番号をあげる。
Ｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ ｃｅｒｅｖｉｓｉａｅ （ＮＢＲＣ−２３７６）
Ｓｈｉｚｏｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ ｐｏｍｂｅ （ＮＢＲＣ−０３４５）
Ｋｌｕｙｖｅｒｏｍｙｃｅｓ ｍａｒｘｉａｎｕｓ （ＮＢＲＣ−１７７７）
Ｃａｎｄｉｄａ ｓｈｅｈａｔａｅ （ＩＦＯ １９８３、ＡＴＣＣ ３４８８７）
Ｐｉｃｈｉａ ｓｔｉｐｉｔｉｓ （ＩＦＯ １６８７、ＡＴＣＣ ５８３７６）
【００２６】
（発酵工程）
中和工程後、得られた加水分解液は発酵工程に供される。発酵工程では、シード培養工程で培養したＫｌｕｙｖｅｒｏｍｙｃｅｓ属又はＳａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ属に属する少なくとも１種の酵母を含む２種以上の酵母を加水分解液に混合することにより、これら２種以上の酵母による発酵によってエタノールが生成される。本発明に用いるこの種の酵母は発酵阻害物質に対する浸透圧耐性が細菌より高いので、この種の酵母を用いれば、発酵阻害物質となる接着剤、塗料等の不純物を除去処理することなく、発酵を安定的に進行させることができるという利点がある。また、この種の酵母はエタノールの濃度上昇に対する耐性が細菌より高いので、この種の酵母を用いれば、発酵液中のエタノール濃度を下げるために、加水分解液を予め希釈して糖質濃度を調整することなく、発酵を行うことができるという利点がある。
【００２７】
また、本発明においては、Ｋｌｕｙｖｅｒｏｍｙｃｅｓ属に属する少なくとも１種の酵母と、Ｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ属に属する少なくとも１種の酵母を含む２種以上の酵母を混合して使用すれば、発酵がより効果的に行われる。さらに、Ｋｌｕｙｖｅｒｏｍｙｃｅｓ属に属する少なくとも１種の酵母と、Ｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ属に属する少なくとも１種の酵母と、Ｓｈｉｚｏｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ属に属する少なくとも１種の酵母を含む３種以上の酵母を混合して使用すれば、発酵がさらに効果的に行われる。
【００２８】
木質系バイオマスとして、廃建材を用いた場合、その中に含まれる発酵阻害物質として、酢酸、ギ酸、プロピオン酸、レブリン酸等の有機酸、フルフラール、５−ＨＭＦ等のアルデヒド、ＳＯ４２−、Ｃａ２＋、Ｎａ＋、Ｃｌ−等の無機イオン類があり、これらの濃度は廃建材の種類によって変化する。本発明においては、酵母の種類としては、２〜５種類程度混合して使用すれば、こうした発酵阻害物質の濃度の変動に対して、十分な効果が得られ、酵母の種類をそれ以上増やしても、さらなる効果を得られる可能性は低い。同時に使用する酵母の種類を多くしすぎると、むしろ、酵母の管理費用が大きくなり、発酵に関与しない酵母が、他の酵母による発酵を阻害するおそれがあるといったデメリットが生じてくる。
【００２９】
（エタノール分離・精製工程）
発酵工程を経て得られた発酵液は、発酵により生成したエタノールを分離・精製する工程に供される。エタノールを分離する方法としては、蒸留、浸透気化膜等の公知の方法が用いられるが、なかでも蒸留が好ましい。また、エタノールを精製する方法としては、蒸留等の公知の方法が用いられる。
【００３０】
このように、第１実施形態によれば、発酵工程でＫｌｕｙｖｅｒｏｍｙｃｅｓ属又はＳａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ属に属する少なくとも１種の酵母を含む２種以上の酵母を使用して、原料の木質の組成に適応した酵母を優先して用いることにより、酵母による糖質の発酵を効果的に行い、酵母のエタノール生成能力を高度で維持し、結果として、高収率のエタノールを安定して製造することが可能となる。また、Ｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ属に属する酵母はエタノールの生成能力が高いものの、有機酸等の発酵阻害物質への耐性の点ではＫｌｕｖｅｒｏｍｙｃｅｓ属に属する酵母の方が優れていることから、発酵工程でＫｌｕｙｖｅｒｏｍｙｃｅｓ属に属する少なくとも１種の酵母と、Ｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ属に属する少なくとも１種の酵母を含む２種以上の酵母を混合して使用すると、より高収率のエタノールを安定して製造することが可能となる。さらに、Ｓｈｉｚｏｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ属に属する酵母には塩類等に対する浸透圧耐性の高いことから、Ｋｌｕｙｖｅｒｏｍｙｃｅｓ属に属する少なくとも１種の酵母と、Ｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ属に属する少なくとも１種の酵母と、Ｓｈｉｚｏｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ属に属する少なくとも１種の酵母を含む３種以上の酵母を混合して使用すると、さらに高収率のエタノールを安定して製造することが可能となる。
【００３１】
［第２の実施形態］
本実施形態の製造方法は、図２に示すように加水分解、中和、シード培養、発酵、エタノール分離・精製の各工程から構成されるが、発酵工程で使用する糖液を用いた１つのシード培地に、Ｋｌｕｙｖｅｒｏｍｙｃｅｓ属又はＳａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ属に属する少なくとも１種の酵母を含む２種以上の酵母を混合して培養したシード培養液を用いて、加水分解液を発酵させる点において第１の実施形態と異なっている。
【００３２】
本実施形態によれば、第１実施形態で得られる効果に加えて、以下のような効果が得られる。即ち、発酵工程で用いる糖液に適した２種以上の酵母を優先してシード培養するので、１つのシード培地に１種の酵母を培養して、発酵工程においてＫｌｕｙｖｅｒｏｍｙｃｅｓ属又はＳａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ属に属する少なくとも１種の酵母を含む２種以上の酵母を混合する場合に比べて、より高収率でエタノールを製造することができ、かつ、シード培養漕を複数用意する必要がなくなり、エタノールの製造コストが低減できる。
【００３３】
【実施例】
［実験条件］
（原料となる廃建材の加水分解液）
まず、本実施例に用いる下記の７種の廃建材を用意した。
模擬建材（１）：杉４０％、米松３０％、米栂２０％、ラワン合板１０％の比率で混合した混合材
模擬建材（２）：杉２２％、米松１７％、米栂１１％、ラワン合板５０％の比率で混合した混合材
実廃建材（１）〜（５）：中間処理業者から譲り受けた廃建材サンプル（燃料用）５種類
これら７種の廃建材を１．５質量％の希硫酸を使って１５０℃、１０分間で２段階に分けて加水分解した後、ろ過によって残渣を除去した。そして、これら７種の加水分解液を水酸化カルシウムで中和した液を、各実施例、比較例に用いた。実施例１及び２、比較例１及び２においては、模擬建材（１）及び（２）、並びに、実廃建材（１）〜（３）の５種の建材を用いた。また、実施例３及び４、比較例３〜５においては、模擬建材（１）及び（２）、並びに、実廃建材（１）〜（５）の７種の建材を用いた。
【００３４】
得られた加水分解液については、発酵阻害物質の除去や糖質濃度の調節、糖質の分離等の処理は行わず、そのまま各実施例、各比較例の発酵工程に供した。
加水分解液中の糖質濃度は、下記の条件の液体クロマトグラフィーにて測定した。
糖質濃度分析：液体クロマトグラフィー（ＨＰＬＣ）
使用機種：Ｄ−７０００型（日立製作所製）
カラム：ＨＰＸ−８７Ｐ（ＢＩＯ−ＲＡＤ製）
７種の廃建材の加水分解液（中和後）の組成を表１に示す。
【００３５】
【表１】
【００３６】
（発酵培地の調製）
発酵培地には、上記７種の廃建材の各々の加水分解液（中和後）１Ｌに対し、栄養源として、ＣＳＬ（ＳＩＧＭＡ社製）５ｇ、尿素（純正化学社製）０．８ｇ、リン酸水素カリウム（純正化学社製）０．２ｇ添加した後に、ｐＨを５．０に調整したものを用いた。
【００３７】
（菌株）
本実施例に用いる酵母は、独立行政法人製品評価技術基盤機構生物遺伝資源部門（ＮＢＲＣ）から分譲された下記の菌株を使用した。（カッコ内は菌株Ｎｏ．）
Ｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ ｃｅｒｅｖｉｓｉａｅ （ＮＢＲＣ−２３７６）
Ｓｈｉｚｏｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ ｐｏｍｂｅ （ＮＢＲＣ−０３４５）
Ｋｌｕｙｖｅｒｏｍｙｃｅｓ ｍａｒｘｉａｎｕｓ （ＮＢＲＣ−１７７７）
【００３８】
（シード培養工程）
シード培地には、上記７種の廃建材の各々の加水分解液（中和後）１Ｌに対し、栄養源として、ＣＳＬ（ＳＩＧＭＡ社製）５ｇ、尿素（純正化学社製）０．８ｇ、リン酸水素カリウム（純正化学社製）０．２ｇ添加した後に、ｐＨを５．０に調整したものを用いた。
シード培養は、前記シード培地５０ｍＬを２００ｍＬフラスコに入れ、その培地にスラントから取り出した菌株を１白金耳接種し、好気条件下、３０℃、１００ｒｐｍで２０時間行った。
【００３９】
（発酵工程）
前記方法で得た発酵培地５０ｍＬを２００ｍＬフラスコに入れ、シード培地で酵母を培養したシード培養液を５質量％接種し、好気条件下、３０℃、１００ｒｐｍで２０時間発酵を行った。
【００４０】
発酵終了後、溶液中のエタノール収量（ｇ）を下記の条件のガスクロマトグラフィーにより、また、糖質濃度（ｇ／Ｌ）を上記と同様に液体クロマトグラフィーにより測定した。
エタノール収量の分析：ガスクロマトグラフィー（ＧＣ）
使用機種：ＧＣ３５３Ｂ（ジーエルサイエンス製）
カラム：ＣＰ−ＷＡＸ５２ＣＢ（ＶＡＲＩＡＮ製）
また、測定したエタノール収量（ｇ）を液量（Ｌ）で割り算してエタノール濃度（ｇ／Ｌ）を求めた。
【００４１】
また、以下の式（Ｉ）により、発酵後のエタノール発酵率（％）を求めた。
発酵後のエタノール発酵率（％）＝（発酵後のエタノール濃度（ｇ／Ｌ））／（シード培地中のグルコース、キシロース、アラビノース、マンノース、ガラクト−ス濃度の合計値（ｇ／Ｌ））／０．５１×１００ （Ｉ）
なお、式（Ｉ）において、０．５１は係数で、糖質が発酵反応により完全にエタノールと二酸化炭素に変化する際における生成するエタノールの糖質に対する質量比である。
【００４２】
［実施例１］
上記のように、原料となる５種の廃建材の加水分解液を調整して、発酵培地とシード培地を用意した。この例では、１つのシード培地に２種の酵母：Ｋｌｕｙｖｅｒｏｍｙｃｅｓ ｍａｒｘｉａｎｕｓ（ＮＢＲＣ−１７７７）、Ｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ ｃｅｒｅｖｉｓｉａｅ（ＮＢＲＣ−２３７６）を接種してシード培養し、得られたシード培養液を発酵培地に５質量％接種し、加水分解液を発酵させた。この例による発酵後のエタノール発酵率を表２及び図３に示す。
【００４３】
［実施例２］
この例では、２種の酵母：Ｋｌｕｙｖｅｒｏｍｙｃｅｓ ｍａｒｘｉａｎｕｓ（ＮＢＲＣ−１７７７）、Ｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ ｃｅｒｅｖｉｓｉａｅ（ＮＢＲＣ−２３７６）のそれぞれ１種ずつを１つのシード培地に接種して培養し、２種のシード培養液を発酵培地に２．５質量％ずつ接種し、加水分解液を発酵させた。この例による発酵後のエタノール発酵率を表２及び図３に示す。
【００４４】
［比較例１］
この例では、Ｋｌｕｙｖｅｒｏｍｙｃｅｓ ｍａｒｘｉａｎｕｓ（ＮＢＲＣ−１７７７）をシード培養し、このシード培養液を発酵培地に５質量％接種し、加水分解液を発酵させた。この例による発酵後のエタノール発酵率を表２及び図３に示す。
【００４５】
［比較例２］
この例では、Ｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ ｃｅｒｅｖｉｓｉａｅ（ＮＢＲＣ−２３７６）をシード培養し、このシード培養液を発酵培地に５質量％接種し、加水分解液を発酵させた。この例による発酵後のエタノール発酵率を表２及び図３に示す。
【００４６】
【表２】
【００４７】
実施例１と比較例１〜２を比べることにより、２種の酵母を混合することにより、原料の木質の変動によらず、安定した発酵率を得ることができたことが分かる。また、実施例２と比較例１〜２を比べることにより、２種の酵母を混合することにより、原料の木質の変動によらず、安定した発酵率を得ることができたことが分かった。
【００４８】
比較例１、２の２者を比べることにより、Ｋｌｕｙｖｅｒｏｍｙｃｅｓ ｍａｒｘｉａｎｕｓは比較的発酵率が安定しているが、阻害物質の濃度が低い場合には、Ｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ ｃｅｒｅｖｉｓｉａｅの方がＫｌｕｙｖｅｒｏｍｙｃｅｓ ｍａｒｘｉａｎｕｓよりも発酵率が高いことが分かった。
【００４９】
実施例１と実施例２とを比べることにより、シード培養工程において２種の酵母を混合するほうが、発酵工程において初めて２種の酵母を混合するよりも、より高い発酵率を得られることが分かった。
【００５０】
［実施例３］
上記のように、原料となる７種の廃建材の加水分解液を調整して、発酵培地とシード培地を用意した。この例では、１つのシード培地に３種の酵母：Ｋｌｕｙｖｅｒｏｍｙｃｅｓ ｍａｒｘｉａｎｕｓ（ＮＢＲＣ−１７７７）、Ｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ ｃｅｒｅｖｉｓｉａｅ（ＮＢＲＣ−２３７６）、Ｓｈｉｚｏｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ ｐｏｍｂｅ（ＮＢＲＣ−０３４５）を接種してシード培養し、得られたシード培養液を発酵培地に５質量％接種し、加水分解液を発酵させた。この例による発酵後のエタノール発酵率を表３及び図４に示す。
【００５１】
［実施例４］
この例では、３種の酵母：Ｋｌｕｙｖｅｒｏｍｙｃｅｓ ｍａｒｘｉａｎｕｓ（ＮＢＲＣ−１７７７）、Ｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ ｃｅｒｅｖｉｓｉａｅ（ＮＢＲＣ−２３７６）、Ｓｈｉｚｏｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ ｐｏｍｂｅ（ＮＢＲＣ−０３４５）のそれぞれ１種ずつを１つのシード培地に接種して培養し、３種のシード培養液を発酵培地に１．７質量％ずつ接種し、加水分解液を発酵させた。この例による発酵後のエタノール発酵率を表３及び図４に示す。
【００５２】
［比較例３］
この例では、Ｋｌｕｙｖｅｒｏｍｙｃｅｓ ｍａｒｘｉａｎｕｓ（ＮＢＲＣ−１７７７）をシード培養し、このシード培養液を発酵培地に５質量％接種し、加水分解液を発酵させた。この例による発酵後のエタノール発酵率を表３及び図４に示す。
【００５３】
［比較例４］
この例では、Ｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ ｃｅｒｅｖｉｓｉａｅ（ＮＢＲＣ−２３７６）をシード培養し、このシード培養液を発酵培地に５質量％接種し、加水分解液を発酵させた。この例による発酵後のエタノール発酵率を表３及び図４に示す。
【００５４】
［比較例５］
この例では、Ｓｈｉｚｏｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ ｐｏｍｂｅ（ＮＢＲＣ−０３４５）をシード培養し、このシード培養液を発酵培地に５質量％接種し、加水分解液を発酵させた。この例による発酵後のエタノール発酵率を表３及び図４に示す。
【００５５】
【表３】
【００５６】
実施例３と比較例３〜５を比べることにより、３種の酵母を混合することにより、原料の木質の変動によらず、安定した発酵率を得ることができたことが分かる。また、実施例４と比較例３〜５を比べることにより、３種の酵母を混合することにより、原料の木質の変動によらず、安定した発酵率を得ることができたことが分かった。
【００５７】
比較例３、４、５の３者を比べることにより、Ｋｌｕｙｖｅｒｏｍｙｃｅｓ ｍａｒｘｉａｎｕｓは比較的発酵率が安定しているが、阻害物質の濃度が低い場合には、Ｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ ｃｅｒｅｖｉｓｉａｅ、Ｓｈｉｚｏｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ ｐｏｍｂｅの方がＫｌｕｙｖｅｒｏｍｙｃｅｓ ｍａｒｘｉａｎｕｓよりも発酵率が高いことが分かった。
【００５８】
実施例３と実施例４とを比べることにより、シード培養工程において３種の酵母を混合するほうが、発酵工程において初めて３種の酵母を混合するよりも、より高い発酵率を得られることが分かった。
【００５９】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明のエタノールの製造方法を用いれば、木質系バイオマスの木質の組成の変動によらず、高収率のエタノールを安定して得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態に係るエタノール製造方法の工程図である。
【図２】第２実施形態に係るエタノール製造方法の工程図である。
【図３】原料の廃建材の変動に対する本発明のエタノール製造方法によるエタノール発酵率を表すグラフの一例である。
【図４】原料の廃建材の変動に対する本発明のエタノール製造方法によるエタノール発酵率を表すグラフのもう一つの例である。
【発明の属する技術分野】
本発明は、廃建材等の木質系バイオマスを用いて、発酵によりエタノールを製造する製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、木材チップ、廃建材のような木質系バイオマスからエタノールを製造し、エネルギーや化学原料として利用する試みが内外で進められている。この方法は、木質系バイオマスを酸あるいはアルカリで加水分解して、グルコース等のヘミセルロース由来の糖を含む加水分解液とし、この糖を酵母等の微生物を用いる発酵法によりエタノールに変換するものである。こうして得られたエタノールは、燃料や化学原料として利用される。
木質系バイオマスから、酵母を用いて発酵によりエタノールを製造する方法として、特開平１１−１６９１８８号公報に挙げられる技術がある（特許文献１参照）。
【０００３】
ところで、木質系バイオマスとして廃建材を用いることは、バイオマス資源利用の課題である原料の収集という点において非常に有利である。しかし、廃建材の中には、酵母による糖質の発酵を阻害する接着剤や塗料等の化学物質が含まれている。例えば、合板では６〜８％、パーティクルボードでは８〜１０％の接着剤が使用されている。接着剤や塗料等の化学物質が分解すると、プロピオン酸やアンモニアといった発酵阻害物質を生成するので、こうした化学物質は加水分解前に除去するか、あるいは、当初から廃建材の原料を分別することが望ましいが、いずれの作業も容易には行うことができない。
【０００４】
また、酵母による糖質の発酵阻害物質としては、化学物質由来のものの他に、木材由来のギ酸、酢酸やフルフラール、５−ヒドロキシメチルフルフラール、レブリン酸等の糖質の過分解物質もある。
【０００５】
廃建材の中には、酵母による糖質の発酵阻害物質は天然の原料より多く含まれている。例えば、合板やパーティクルボードを加水分解すると、加水分解液１Ｌ（リットル）当たり発酵阻害物質が１０ｇ程度生成することもある。発酵阻害物質の濃度が数ｇ／Ｌを超えるとエタノールの生成に影響する。
【０００６】
加水分解液からこうした発酵阻害物質を除去する方法としては、イオン交換、吸着、活性炭等で発酵前の加水分解液を処理する方法があるが、いずれも設備費、運転費がかかり、エタノール製造コストを引き上げる。そこで、発酵阻害物質の除去処理を不要とするため、発酵阻害物質に対する浸透圧耐性の高い酵母の使用が要求される。
【０００７】
また、発酵が進行すると、発酵液中のエタノール濃度は徐々に高くなるので、酵母のエタノール耐性も要求される。すなわち、高濃度のエタノールの存在下でも酵母が生存、増殖し、発酵力を維持できることが要求される。
【０００８】
また、木質系バイオマスとして廃建材を用いた場合は、収集日や収集場所による木質の組成の変動が大きい。即ち、廃建材には、無垢材が多く含まれるものもあれば、合板等の加工材が多く含まれるものもある。
【０００９】
【特許文献１】
特開平１１−１６９１８８号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
このようなことから、上記の技術は、木質系バイオマスを用いた場合に、特に廃建材を用いた場合に、安定して高収率のエタノールを得ることには対応できていない。
その理由は、発酵阻害物質に対する浸透圧耐性、エタノールの濃度上昇に対する耐性、それにエタノール生成能力といった性質が、酵母の種類によって大きく異なっていることによる。そのため、エタノールの収率が、木質系バイオマスの木質の組成の変動により変動してしまうことによる。
【００１１】
例えば、Ｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ属に属する酵母はエタノールの生成能力が高いものの、有機酸等の発酵阻害物質への耐性の点ではＫｌｕｖｅｒｏｍｙｃｅｓ属に属する酵母の方が優れている場合もある。また、Ｓｈｉｚｏｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ属に属する酵母には塩類等に対する浸透圧耐性の高いものもある。
また、酵母の種類によっては、合板に含まれる発酵阻害物質により生育やエタノール生成を阻害されるものもあるが、その中には無垢材の加水分解液に対しては高いエタノール生成能力を示すものもある。
木質系バイオマスから酵母を用いて発酵によりエタノールを製造する技術において、高収率のエタノールを安定的に製造するには、特に木質系バイオマスとして廃建材を用いた場合には、木質の組成が変動してもエタノールの収率が高度で維持できることが必要になる。
上記の技術においては、酵母を１種類しか使用していないので、木質の組成の変動によりエタノールの収率が変動してしまうのである。
【００１２】
そこで、本発明の課題は、木質系バイオマスから発酵によりエタノールを製造する製造方法において、木質系バイオマスの木質の組成の変動によらず、高収率のエタノールを安定して製造する方法を提供することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
かかる実情において、本発明者は鋭意検討の結果、木質系バイオマスから発酵によってエタノールを製造する製造方法において、発酵工程でＫｌｕｙｖｅｒｏｍｙｃｅｓ属又はＳａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ属に属する少なくとも１種の酵母を含む２種以上の酵母を含む２種以上の酵母を混合して使用することにより、木質系バイオマスの木質の組成が変動しても、高収率のエタノールを安定して製造することができることを見出した。
つまり、木質系バイオマスの木質の組成の変動に対しては、発酵工程でＫｌｕｙｖｅｒｏｍｙｃｅｓ属又はＳａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ属に属する少なくとも１種の酵母を含む２種以上の酵母を使用して、その木質系バイオマスの木質の組成に適応した酵母を優先して用いることにより、酵母による糖質の発酵を効果的に行い、酵母のエタノール生成能力を高度で維持し、結果として、高収率のエタノールを安定して製造することが可能となる。
【００１４】
また、本発明においては、発酵工程の前のシード培養の工程で、発酵工程で使用する糖液（木質系バイオマスを加水分解して中和した液）を用いた１つのシード培地に、Ｋｌｕｙｖｅｒｏｍｙｃｅｓ属又はＳａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ属に属する少なくとも１種の酵母を含む２種以上の酵母を混合してシード培養することにより、発酵工程で用いる糖液に適した酵母を優先させることができることを見出した。そうして、木質系バイオマスの木質の組成に適応した酵母を優先させることにより、さらに高収率でエタノールを製造することができ、かつ、シード培養漕を複数用意する必要がなくなり、エタノールの製造コストが低減できることを見出した。
【００１５】
即ち、本発明の第１の発明は、木質系バイオマスから発酵によってエタノールを製造する製造方法において、発酵工程でＫｌｕｙｖｅｒｏｍｙｃｅｓ属又はＳａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ属に属する少なくとも１種の酵母を含む２種以上の酵母を混合して使用することを特徴とするエタノールの製造方法である。
【００１６】
本発明の第２の発明は、Ｋｌｕｙｖｅｒｏｍｙｃｅｓ属に属する少なくとも１種の酵母と、Ｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ属に属する少なくとも１種の酵母を含む２種以上の酵母を混合して使用する請求項１記載のエタノールの製造方法である。
【００１７】
本発明の第３の発明は、Ｋｌｕｙｖｅｒｏｍｙｃｅｓ属に属する少なくとも１種の酵母と、Ｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ属に属する少なくとも１種の酵母と、Ｓｈｉｚｏｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ属に属する少なくとも１種の酵母を含む３種以上の酵母を混合して使用する請求項１又は２記載のエタノールの製造方法である。
【００１８】
本発明の第４の発明は、木質系バイオマスが廃建材であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載のエタノールの製造方法である。
【００１９】
本発明の第５の発明は、発酵工程で使用する糖液を用いた１つのシード培地に２種以上の酵母を混合してシード培養し、そのシード培養液を用いて発酵工程を行うことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項記載のエタノールの製造方法である。
【００２０】
【発明の実施の形態】
［第１実施形態］
本実施形態の製造方法は、図１に示すように加水分解、中和、シード培養、発酵、エタノール分離・精製の各工程から構成される。
【００２１】
（木質系バイオマス）
木質系バイオマスとしては、木材チップや廃建材などが挙げられる。廃建材としては、廃棄木質建材、廃パレット、廃梱包材等が挙げられる。廃建材は単独で用いてもよいし、２種類以上を組み合わせて用いてもよい。また、廃建材には、酢酸、フルフラール、レブリン酸、ギ酸等の木材由来の発酵阻害物質や接着剤、塗料等の化学物質が含まれていても差し支えない。
【００２２】
（加水分解工程）
加水分解工程では、従来から公知の酸加水分解法やアルカリ加水分解法を用いることができる。そのなかでも、酸加水分解法が好ましい。酸加水分解法に用いる酸としては、硫酸、塩酸、硝酸などが挙げられるが、硫酸を用いるのが好ましく、特に希硫酸を用いるのが好ましい。
【００２３】
（中和工程）
加水分解工程後、酸加水分解法、アルカリ加水分解法を用いた場合には、中和工程が必要である。例えば、酸加水分解法で加水分解した後に中和工程で用いるアルカリとしては、Ｃａ（ＯＨ）２、ＮａＯＨなどが挙げられるが、比較的安価なＣａ（ＯＨ）２を用いるのが好ましい。
【００２４】
（シード培養工程）
本発明に用いられる酵母は、発酵工程の前にシード培地にて培養される。シード培地としては、通常の培地を用いてもよいが、中和工程で中和された加水分解液にコーンスティープリカー（ＣＳＬ）、尿素、リン酸水素カリウム（ＫＨ２ＰＯ４）を添加して、ｐＨを５．０に調整したものを用いるとよい。それぞれの添加量は、加水分解液１Ｌに対し、ＣＳＬは１〜１０ｇ、尿素は０．１〜１．０ｇ、リン酸水素カリウムは０．０５〜０．５ｇとするとよい。
シード培養は、この培地に酵母の菌株を接種して、好気条件下で行う。エタノール生産酵母としては、公知の酵母を用いることができるが、Ｋｌｕｙｖｅｒｏｍｙｃｅｓ属に属するＫｌｕｙｖｅｒｏｍｙｃｅｓ ｍａｒｘｉａｎｕｓ、Ｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ属に属するＳａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ ｃｅｒｅｖｉｓｉａｅ、Ｓｈｉｚｏｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ属に属するＳｈｉｚｏｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ ｐｏｍｂｅ、Ｐｉｃｈｉａ属に属するＰｉｃｈｉａ ｓｔｉｐｉｔｉｓ、Ｃａｎｄｉｄａ属に属するＣａｎｄｉｄａ ｓｈｅｈａｔａｅ等が好適に用いられ、そのなかでも、Ｋｌｕｙｖｅｒｏｍｙｃｅｓ属に属するＫｌｕｙｖｅｒｏｍｙｃｅｓ ｍａｒｘｉａｎｕｓ、Ｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ属に属するＳａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ ｃｅｒｅｖｉｓｉａｅ、Ｓｈｉｚｏｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ属に属するＳｈｉｚｏｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ ｐｏｍｂｅが特に好適に用いられる。Ｋｌｕｙｖｅｒｏｍｙｃｅｓ ｍａｒｘｉａｎｕｓとＳａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ ｃｅｒｅｖｉｓｉａｅの２者は、比較的高いエタノール生産能力を有する。また、Ｐｉｃｈｉａ ｓｔｉｐｉｔｉｓ、Ｃａｎｄｉｄａ ｓｈｅｈａｔａｅの２者の酵母は、いずれもグルコースの他にキシロースもエタノールに変換することが知られているが、アルデヒド等の発酵阻害物質に対する耐性は、Ｋｌｕｙｖｅｒｏｍｙｃｅｓ ｍａｒｘｉａｎｕｓ、Ｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ ｃｅｒｅｖｉｓｉａｅ、Ｓｈｉｚｏｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ ｐｏｍｂｅに比べると低い。
【００２５】
本発明に用いる酵母は、独立行政法人製品評価技術基盤機構生物遺伝資源部門（ＮＢＲＣ）や財団法人発酵研究所（ＩＦＯ）、Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｔｙｐｅ Ｃｕｌｔｕｒｅ Ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ（ＡＴＣＣ）等の微生物寄託機関から分譲により得ることができる。下記に具体的な酵母の菌株の番号をあげる。
Ｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ ｃｅｒｅｖｉｓｉａｅ （ＮＢＲＣ−２３７６）
Ｓｈｉｚｏｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ ｐｏｍｂｅ （ＮＢＲＣ−０３４５）
Ｋｌｕｙｖｅｒｏｍｙｃｅｓ ｍａｒｘｉａｎｕｓ （ＮＢＲＣ−１７７７）
Ｃａｎｄｉｄａ ｓｈｅｈａｔａｅ （ＩＦＯ １９８３、ＡＴＣＣ ３４８８７）
Ｐｉｃｈｉａ ｓｔｉｐｉｔｉｓ （ＩＦＯ １６８７、ＡＴＣＣ ５８３７６）
【００２６】
（発酵工程）
中和工程後、得られた加水分解液は発酵工程に供される。発酵工程では、シード培養工程で培養したＫｌｕｙｖｅｒｏｍｙｃｅｓ属又はＳａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ属に属する少なくとも１種の酵母を含む２種以上の酵母を加水分解液に混合することにより、これら２種以上の酵母による発酵によってエタノールが生成される。本発明に用いるこの種の酵母は発酵阻害物質に対する浸透圧耐性が細菌より高いので、この種の酵母を用いれば、発酵阻害物質となる接着剤、塗料等の不純物を除去処理することなく、発酵を安定的に進行させることができるという利点がある。また、この種の酵母はエタノールの濃度上昇に対する耐性が細菌より高いので、この種の酵母を用いれば、発酵液中のエタノール濃度を下げるために、加水分解液を予め希釈して糖質濃度を調整することなく、発酵を行うことができるという利点がある。
【００２７】
また、本発明においては、Ｋｌｕｙｖｅｒｏｍｙｃｅｓ属に属する少なくとも１種の酵母と、Ｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ属に属する少なくとも１種の酵母を含む２種以上の酵母を混合して使用すれば、発酵がより効果的に行われる。さらに、Ｋｌｕｙｖｅｒｏｍｙｃｅｓ属に属する少なくとも１種の酵母と、Ｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ属に属する少なくとも１種の酵母と、Ｓｈｉｚｏｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ属に属する少なくとも１種の酵母を含む３種以上の酵母を混合して使用すれば、発酵がさらに効果的に行われる。
【００２８】
木質系バイオマスとして、廃建材を用いた場合、その中に含まれる発酵阻害物質として、酢酸、ギ酸、プロピオン酸、レブリン酸等の有機酸、フルフラール、５−ＨＭＦ等のアルデヒド、ＳＯ４２−、Ｃａ２＋、Ｎａ＋、Ｃｌ−等の無機イオン類があり、これらの濃度は廃建材の種類によって変化する。本発明においては、酵母の種類としては、２〜５種類程度混合して使用すれば、こうした発酵阻害物質の濃度の変動に対して、十分な効果が得られ、酵母の種類をそれ以上増やしても、さらなる効果を得られる可能性は低い。同時に使用する酵母の種類を多くしすぎると、むしろ、酵母の管理費用が大きくなり、発酵に関与しない酵母が、他の酵母による発酵を阻害するおそれがあるといったデメリットが生じてくる。
【００２９】
（エタノール分離・精製工程）
発酵工程を経て得られた発酵液は、発酵により生成したエタノールを分離・精製する工程に供される。エタノールを分離する方法としては、蒸留、浸透気化膜等の公知の方法が用いられるが、なかでも蒸留が好ましい。また、エタノールを精製する方法としては、蒸留等の公知の方法が用いられる。
【００３０】
このように、第１実施形態によれば、発酵工程でＫｌｕｙｖｅｒｏｍｙｃｅｓ属又はＳａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ属に属する少なくとも１種の酵母を含む２種以上の酵母を使用して、原料の木質の組成に適応した酵母を優先して用いることにより、酵母による糖質の発酵を効果的に行い、酵母のエタノール生成能力を高度で維持し、結果として、高収率のエタノールを安定して製造することが可能となる。また、Ｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ属に属する酵母はエタノールの生成能力が高いものの、有機酸等の発酵阻害物質への耐性の点ではＫｌｕｖｅｒｏｍｙｃｅｓ属に属する酵母の方が優れていることから、発酵工程でＫｌｕｙｖｅｒｏｍｙｃｅｓ属に属する少なくとも１種の酵母と、Ｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ属に属する少なくとも１種の酵母を含む２種以上の酵母を混合して使用すると、より高収率のエタノールを安定して製造することが可能となる。さらに、Ｓｈｉｚｏｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ属に属する酵母には塩類等に対する浸透圧耐性の高いことから、Ｋｌｕｙｖｅｒｏｍｙｃｅｓ属に属する少なくとも１種の酵母と、Ｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ属に属する少なくとも１種の酵母と、Ｓｈｉｚｏｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ属に属する少なくとも１種の酵母を含む３種以上の酵母を混合して使用すると、さらに高収率のエタノールを安定して製造することが可能となる。
【００３１】
［第２の実施形態］
本実施形態の製造方法は、図２に示すように加水分解、中和、シード培養、発酵、エタノール分離・精製の各工程から構成されるが、発酵工程で使用する糖液を用いた１つのシード培地に、Ｋｌｕｙｖｅｒｏｍｙｃｅｓ属又はＳａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ属に属する少なくとも１種の酵母を含む２種以上の酵母を混合して培養したシード培養液を用いて、加水分解液を発酵させる点において第１の実施形態と異なっている。
【００３２】
本実施形態によれば、第１実施形態で得られる効果に加えて、以下のような効果が得られる。即ち、発酵工程で用いる糖液に適した２種以上の酵母を優先してシード培養するので、１つのシード培地に１種の酵母を培養して、発酵工程においてＫｌｕｙｖｅｒｏｍｙｃｅｓ属又はＳａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ属に属する少なくとも１種の酵母を含む２種以上の酵母を混合する場合に比べて、より高収率でエタノールを製造することができ、かつ、シード培養漕を複数用意する必要がなくなり、エタノールの製造コストが低減できる。
【００３３】
【実施例】
［実験条件］
（原料となる廃建材の加水分解液）
まず、本実施例に用いる下記の７種の廃建材を用意した。
模擬建材（１）：杉４０％、米松３０％、米栂２０％、ラワン合板１０％の比率で混合した混合材
模擬建材（２）：杉２２％、米松１７％、米栂１１％、ラワン合板５０％の比率で混合した混合材
実廃建材（１）〜（５）：中間処理業者から譲り受けた廃建材サンプル（燃料用）５種類
これら７種の廃建材を１．５質量％の希硫酸を使って１５０℃、１０分間で２段階に分けて加水分解した後、ろ過によって残渣を除去した。そして、これら７種の加水分解液を水酸化カルシウムで中和した液を、各実施例、比較例に用いた。実施例１及び２、比較例１及び２においては、模擬建材（１）及び（２）、並びに、実廃建材（１）〜（３）の５種の建材を用いた。また、実施例３及び４、比較例３〜５においては、模擬建材（１）及び（２）、並びに、実廃建材（１）〜（５）の７種の建材を用いた。
【００３４】
得られた加水分解液については、発酵阻害物質の除去や糖質濃度の調節、糖質の分離等の処理は行わず、そのまま各実施例、各比較例の発酵工程に供した。
加水分解液中の糖質濃度は、下記の条件の液体クロマトグラフィーにて測定した。
糖質濃度分析：液体クロマトグラフィー（ＨＰＬＣ）
使用機種：Ｄ−７０００型（日立製作所製）
カラム：ＨＰＸ−８７Ｐ（ＢＩＯ−ＲＡＤ製）
７種の廃建材の加水分解液（中和後）の組成を表１に示す。
【００３５】
【表１】
（発酵培地の調製）
発酵培地には、上記７種の廃建材の各々の加水分解液（中和後）１Ｌに対し、栄養源として、ＣＳＬ（ＳＩＧＭＡ社製）５ｇ、尿素（純正化学社製）０．８ｇ、リン酸水素カリウム（純正化学社製）０．２ｇ添加した後に、ｐＨを５．０に調整したものを用いた。
【００３７】
（菌株）
本実施例に用いる酵母は、独立行政法人製品評価技術基盤機構生物遺伝資源部門（ＮＢＲＣ）から分譲された下記の菌株を使用した。（カッコ内は菌株Ｎｏ．）
Ｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ ｃｅｒｅｖｉｓｉａｅ （ＮＢＲＣ−２３７６）
Ｓｈｉｚｏｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ ｐｏｍｂｅ （ＮＢＲＣ−０３４５）
Ｋｌｕｙｖｅｒｏｍｙｃｅｓ ｍａｒｘｉａｎｕｓ （ＮＢＲＣ−１７７７）
【００３８】
（シード培養工程）
シード培地には、上記７種の廃建材の各々の加水分解液（中和後）１Ｌに対し、栄養源として、ＣＳＬ（ＳＩＧＭＡ社製）５ｇ、尿素（純正化学社製）０．８ｇ、リン酸水素カリウム（純正化学社製）０．２ｇ添加した後に、ｐＨを５．０に調整したものを用いた。
シード培養は、前記シード培地５０ｍＬを２００ｍＬフラスコに入れ、その培地にスラントから取り出した菌株を１白金耳接種し、好気条件下、３０℃、１００ｒｐｍで２０時間行った。
【００３９】
（発酵工程）
前記方法で得た発酵培地５０ｍＬを２００ｍＬフラスコに入れ、シード培地で酵母を培養したシード培養液を５質量％接種し、好気条件下、３０℃、１００ｒｐｍで２０時間発酵を行った。
【００４０】
発酵終了後、溶液中のエタノール収量（ｇ）を下記の条件のガスクロマトグラフィーにより、また、糖質濃度（ｇ／Ｌ）を上記と同様に液体クロマトグラフィーにより測定した。
エタノール収量の分析：ガスクロマトグラフィー（ＧＣ）
使用機種：ＧＣ３５３Ｂ（ジーエルサイエンス製）
カラム：ＣＰ−ＷＡＸ５２ＣＢ（ＶＡＲＩＡＮ製）
また、測定したエタノール収量（ｇ）を液量（Ｌ）で割り算してエタノール濃度（ｇ／Ｌ）を求めた。
【００４１】
また、以下の式（Ｉ）により、発酵後のエタノール発酵率（％）を求めた。
発酵後のエタノール発酵率（％）＝（発酵後のエタノール濃度（ｇ／Ｌ））／（シード培地中のグルコース、キシロース、アラビノース、マンノース、ガラクト−ス濃度の合計値（ｇ／Ｌ））／０．５１×１００ （Ｉ）
なお、式（Ｉ）において、０．５１は係数で、糖質が発酵反応により完全にエタノールと二酸化炭素に変化する際における生成するエタノールの糖質に対する質量比である。
【００４２】
［実施例１］
上記のように、原料となる５種の廃建材の加水分解液を調整して、発酵培地とシード培地を用意した。この例では、１つのシード培地に２種の酵母：Ｋｌｕｙｖｅｒｏｍｙｃｅｓ ｍａｒｘｉａｎｕｓ（ＮＢＲＣ−１７７７）、Ｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ ｃｅｒｅｖｉｓｉａｅ（ＮＢＲＣ−２３７６）を接種してシード培養し、得られたシード培養液を発酵培地に５質量％接種し、加水分解液を発酵させた。この例による発酵後のエタノール発酵率を表２及び図３に示す。
【００４３】
［実施例２］
この例では、２種の酵母：Ｋｌｕｙｖｅｒｏｍｙｃｅｓ ｍａｒｘｉａｎｕｓ（ＮＢＲＣ−１７７７）、Ｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ ｃｅｒｅｖｉｓｉａｅ（ＮＢＲＣ−２３７６）のそれぞれ１種ずつを１つのシード培地に接種して培養し、２種のシード培養液を発酵培地に２．５質量％ずつ接種し、加水分解液を発酵させた。この例による発酵後のエタノール発酵率を表２及び図３に示す。
【００４４】
［比較例１］
この例では、Ｋｌｕｙｖｅｒｏｍｙｃｅｓ ｍａｒｘｉａｎｕｓ（ＮＢＲＣ−１７７７）をシード培養し、このシード培養液を発酵培地に５質量％接種し、加水分解液を発酵させた。この例による発酵後のエタノール発酵率を表２及び図３に示す。
【００４５】
［比較例２］
この例では、Ｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ ｃｅｒｅｖｉｓｉａｅ（ＮＢＲＣ−２３７６）をシード培養し、このシード培養液を発酵培地に５質量％接種し、加水分解液を発酵させた。この例による発酵後のエタノール発酵率を表２及び図３に示す。
【００４６】
【表２】
実施例１と比較例１〜２を比べることにより、２種の酵母を混合することにより、原料の木質の変動によらず、安定した発酵率を得ることができたことが分かる。また、実施例２と比較例１〜２を比べることにより、２種の酵母を混合することにより、原料の木質の変動によらず、安定した発酵率を得ることができたことが分かった。
【００４８】
比較例１、２の２者を比べることにより、Ｋｌｕｙｖｅｒｏｍｙｃｅｓ ｍａｒｘｉａｎｕｓは比較的発酵率が安定しているが、阻害物質の濃度が低い場合には、Ｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ ｃｅｒｅｖｉｓｉａｅの方がＫｌｕｙｖｅｒｏｍｙｃｅｓ ｍａｒｘｉａｎｕｓよりも発酵率が高いことが分かった。
【００４９】
実施例１と実施例２とを比べることにより、シード培養工程において２種の酵母を混合するほうが、発酵工程において初めて２種の酵母を混合するよりも、より高い発酵率を得られることが分かった。
【００５０】
［実施例３］
上記のように、原料となる７種の廃建材の加水分解液を調整して、発酵培地とシード培地を用意した。この例では、１つのシード培地に３種の酵母：Ｋｌｕｙｖｅｒｏｍｙｃｅｓ ｍａｒｘｉａｎｕｓ（ＮＢＲＣ−１７７７）、Ｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ ｃｅｒｅｖｉｓｉａｅ（ＮＢＲＣ−２３７６）、Ｓｈｉｚｏｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ ｐｏｍｂｅ（ＮＢＲＣ−０３４５）を接種してシード培養し、得られたシード培養液を発酵培地に５質量％接種し、加水分解液を発酵させた。この例による発酵後のエタノール発酵率を表３及び図４に示す。
【００５１】
［実施例４］
この例では、３種の酵母：Ｋｌｕｙｖｅｒｏｍｙｃｅｓ ｍａｒｘｉａｎｕｓ（ＮＢＲＣ−１７７７）、Ｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ ｃｅｒｅｖｉｓｉａｅ（ＮＢＲＣ−２３７６）、Ｓｈｉｚｏｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ ｐｏｍｂｅ（ＮＢＲＣ−０３４５）のそれぞれ１種ずつを１つのシード培地に接種して培養し、３種のシード培養液を発酵培地に１．７質量％ずつ接種し、加水分解液を発酵させた。この例による発酵後のエタノール発酵率を表３及び図４に示す。
【００５２】
［比較例３］
この例では、Ｋｌｕｙｖｅｒｏｍｙｃｅｓ ｍａｒｘｉａｎｕｓ（ＮＢＲＣ−１７７７）をシード培養し、このシード培養液を発酵培地に５質量％接種し、加水分解液を発酵させた。この例による発酵後のエタノール発酵率を表３及び図４に示す。
【００５３】
［比較例４］
この例では、Ｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ ｃｅｒｅｖｉｓｉａｅ（ＮＢＲＣ−２３７６）をシード培養し、このシード培養液を発酵培地に５質量％接種し、加水分解液を発酵させた。この例による発酵後のエタノール発酵率を表３及び図４に示す。
【００５４】
［比較例５］
この例では、Ｓｈｉｚｏｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ ｐｏｍｂｅ（ＮＢＲＣ−０３４５）をシード培養し、このシード培養液を発酵培地に５質量％接種し、加水分解液を発酵させた。この例による発酵後のエタノール発酵率を表３及び図４に示す。
【００５５】
【表３】
実施例３と比較例３〜５を比べることにより、３種の酵母を混合することにより、原料の木質の変動によらず、安定した発酵率を得ることができたことが分かる。また、実施例４と比較例３〜５を比べることにより、３種の酵母を混合することにより、原料の木質の変動によらず、安定した発酵率を得ることができたことが分かった。
【００５７】
比較例３、４、５の３者を比べることにより、Ｋｌｕｙｖｅｒｏｍｙｃｅｓ ｍａｒｘｉａｎｕｓは比較的発酵率が安定しているが、阻害物質の濃度が低い場合には、Ｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ ｃｅｒｅｖｉｓｉａｅ、Ｓｈｉｚｏｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ ｐｏｍｂｅの方がＫｌｕｙｖｅｒｏｍｙｃｅｓ ｍａｒｘｉａｎｕｓよりも発酵率が高いことが分かった。
【００５８】
実施例３と実施例４とを比べることにより、シード培養工程において３種の酵母を混合するほうが、発酵工程において初めて３種の酵母を混合するよりも、より高い発酵率を得られることが分かった。
【００５９】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明のエタノールの製造方法を用いれば、木質系バイオマスの木質の組成の変動によらず、高収率のエタノールを安定して得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態に係るエタノール製造方法の工程図である。
【図２】第２実施形態に係るエタノール製造方法の工程図である。
【図３】原料の廃建材の変動に対する本発明のエタノール製造方法によるエタノール発酵率を表すグラフの一例である。
【図４】原料の廃建材の変動に対する本発明のエタノール製造方法によるエタノール発酵率を表すグラフのもう一つの例である。
Claims (5)
- 木質系バイオマスから発酵によってエタノールを製造する製造方法において、
発酵工程で、Ｋｌｕｙｖｅｒｏｍｙｃｅｓ属又はＳａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ属に属する少なくとも１種の酵母を含む２種以上の酵母を混合して使用することを特徴とするエタノールの製造方法。 - Ｋｌｕｙｖｅｒｏｍｙｃｅｓ属に属する少なくとも１種の酵母と、Ｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ属に属する少なくとも１種の酵母を含む２種以上の酵母を混合して使用する請求項１記載のエタノールの製造方法。
- Ｋｌｕｙｖｅｒｏｍｙｃｅｓ属に属する少なくとも１種の酵母と、Ｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ属に属する少なくとも１種の酵母と、Ｓｈｉｚｏｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ属に属する少なくとも１種の酵母を含む３種以上の酵母を混合して使用する請求項１又は２記載のエタノールの製造方法。
- 木質系バイオマスが廃建材であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載のエタノールの製造方法。
- 発酵工程で使用する糖液を用いた１つのシード培地に２種以上の酵母を混合してシード培養し、そのシード培養液を用いて発酵工程を行うことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項記載のエタノールの製造方法。
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|---|---|---|---|---|
| JP2009178064A (ja) * | 2008-01-29 | 2009-08-13 | National Research Inst Of Brewing | エタノールの製造方法 |
| JP2011037719A (ja) * | 2009-08-06 | 2011-02-24 | Nippon Rensui Co Ltd | バイオエタノールの精製方法及びバイオエタノールの精製装置 |
| JP2011167096A (ja) * | 2010-02-17 | 2011-09-01 | Kobe Univ | バイオマスからのエタノールの生産方法 |
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2003
- 2003-08-07 JP JP2003206601A patent/JP2005052020A/ja not_active Withdrawn
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