JP2008054676A - Method for producing ethanol from biomass - Google Patents

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Akira Yabe
彰 矢部
Chiaki Kitao
千秋 喜多尾
Shigeki Sawayama
茂樹 澤山
Takashi Endo
貴士 遠藤
Shinichi Yano
伸一 矢野
Hiroyuki Inoue
宏之 井上
Kinya Sakanishi
欣也 坂西
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for producing ethanol from a biomass. <P>SOLUTION: The method for producing the ethanol by using a lignocellulose-based biomass as a raw material, and carrying out a part or the whole of culturing, saccharifying and fermenting processes of saccharogenic amylase-producing microorganisms in the same vessel includes the following steps: preparing fine powder by subjecting the lignocellulose-based biomass to finely grinding treatment; culturing the microorganisms producing the saccharogenic amylase in a liquid medium containing cellulose or the like as a carbon source to induce/secrete the saccharogenic amylase and to prepare a culture liquid containing the saccharogenic amylase, regulating the temperature of the obtained culture liquid in the same vessel so as to match the set reaction condition of the saccharogenic amylase, carrying out the saccharification treatment under the set reaction condition by using the culture liquid, and converting the obtained saccharified liquid into the ethanol by adding a yeast and carrying out alcohol fermentation. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、リグノセルロース系バイオマスを原料として、酵素糖化及び発酵プロセスによりエタノールに変換するバイオマスのエタノール変換技術に関するものであり、更に詳しくは、糖化とアルコール発酵のプロセス、即ち、糖化酵素を産生する微生物の培養、当該糖化酵素源による糖化、及びアルコール発酵プロセスの一部又は全部を同一槽で行うことを実用化可能にしたリグノセルロース系バイオマスの新しいエタノール変換プロセスに関するものである。本発明は、セルロースの他にヘミセルロースやリグニンを多く含有するリグノセルロース系バイオマスの糖化プロセスで採用されていた大量の硫酸等を消費する酸糖化法に代替し得るリグノセルロース系バイオマスの新しい糖化プロセス、及び当該糖化プロセスを利用したリグノセルロース系バイオマスの新しいエタノール変換技術を提供するものである。   The present invention relates to a technology for converting ethanol from lignocellulosic biomass into ethanol by enzymatic saccharification and fermentation processes. More specifically, the present invention relates to a saccharification and alcohol fermentation process, that is, a saccharification enzyme is produced. The present invention relates to a new ethanol conversion process for lignocellulosic biomass that enables practical use of culturing microorganisms, saccharification using the saccharifying enzyme source, and part or all of the alcohol fermentation process in the same tank. The present invention is a new saccharification process of lignocellulosic biomass that can be substituted for the acid saccharification method that consumes a large amount of sulfuric acid and the like used in the saccharification process of lignocellulosic biomass containing a large amount of hemicellulose and lignin in addition to cellulose, And a new ethanol conversion technology for lignocellulosic biomass using the saccharification process.

リグノセルロース系バイオマスを形成する細胞の構造は、主としてグルコース(六炭糖)からなるセルロースと、キシロース(五炭糖)、マンノース(六炭糖)、ガラクトース(六炭糖)、アラビノース(五炭糖)等から構成されるヘミセルロース、及びリグニンから構成されており、それらを鉄筋コンクリートにたとえるならば、セルロースは主軸をなす鉄筋、ヘミセルロースはそれらを束ねる針金、そしてリグニンはそれらの空隙を埋めるコンクリート(バインダー)のような役目を果たしているとされている。これらのリグノセルロース系バイオマス原料からグルコース等の糖を回収する方法として、従来は、リグノセルロース系バイオマス原料を硫酸などの強酸で処理し、最初に溶解してくるヘミセルロースやリグニンを分離ろ過し、その残渣を更に硫酸等で処理して残存するセルロースからグルコース等の糖を回収していた。しかし、これらの方法は、大量の硫酸を消費するために、その廃棄処理が環境問題となっている。   The cell structure that forms lignocellulosic biomass consists mainly of cellulose consisting of glucose (hexose), xylose (pentose), mannose (hexose), galactose (hexose), arabinose (pentose) ) Is composed of hemicellulose and lignin, and if they are compared to reinforced concrete, cellulose is the main reinforcing rod, hemicellulose is the wire that bundles them, and lignin is the concrete (binder) that fills the voids It is said that he plays a role like As a method for recovering sugars such as glucose from these lignocellulosic biomass raw materials, conventionally, lignocellulosic biomass raw materials are treated with a strong acid such as sulfuric acid, and hemicellulose and lignin that are first dissolved are separated and filtered. The residue was further treated with sulfuric acid or the like to recover sugars such as glucose from the remaining cellulose. However, since these methods consume a large amount of sulfuric acid, their disposal is an environmental problem.

このように、従来、リグノセルロース系バイオマスからのエタノール製造プロセスでは、通常、酸による加水分解で糖化を行っており、例えば、希硫酸を用いた2段の加水分解法(希硫酸法)、等が提案されている。この方法では、1段目の加水分解により得られた糖液を回収した後、未分解残渣について2段目の加水分解が行われ、加水分解を2段階で行うことで、単糖の過分解を抑制し、ヘミセルロース及びセルロース両方から効率的に単糖を得ることが可能であるとされているが、第1段目の加水分解では、約140−190℃、第2段目の加水分解では、約180−240℃という非常に厳しい条件が必要とされる。   Thus, conventionally, in an ethanol production process from lignocellulosic biomass, saccharification is usually performed by hydrolysis with an acid. For example, a two-stage hydrolysis method using dilute sulfuric acid (dilute sulfuric acid method), etc. Has been proposed. In this method, after recovering the sugar solution obtained by the first stage hydrolysis, the second stage hydrolysis is performed on the undegraded residue, and the hydrolysis is performed in two stages, thereby allowing the monosaccharide to be decomposed excessively. It is said that it is possible to efficiently obtain monosaccharides from both hemicellulose and cellulose, but in the first stage hydrolysis, about 140-190 ° C., in the second stage hydrolysis, , Very severe conditions of about 180-240 ° C. are required.

また、一般に、バイオマス原料について、発酵法を利用したエタノール製造プロセスが数多く提案されているが、この場合、従来から使用されているバイオマス原料は、デンプン又はサトウキビ糖蜜などの糖質原料に限られている。これに対して、リグノセルロース系バイオマスの場合は、上述のように、セルロースとヘミセルロースを主成分としたものであり、デンプンや糖蜜と同じ糖質でありながら、糖の結合状態や構成する単糖の種類が異なり、更に、リグニンが多く含まれるという特徴がある。これまで、ヘミセルロースの分解で得られるキシロース、アラビノースなどの五炭糖は、自然界の微生物で実用的なエタノール生産をすることができなかった。   In general, many ethanol production processes using fermentation methods have been proposed for biomass raw materials. In this case, conventionally used biomass raw materials are limited to carbohydrate raw materials such as starch or sugarcane molasses. Yes. On the other hand, in the case of lignocellulosic biomass, as described above, it is mainly composed of cellulose and hemicellulose, and is the same sugar as starch and molasses, but the sugar binding state and the constituent monosaccharides. The types are different, and further, there is a feature that a lot of lignin is contained. Until now, pentoses such as xylose and arabinose obtained by decomposition of hemicellulose have not been able to produce practical ethanol by microorganisms in the natural world.

リグノセルロース系バイオマスからのエタノール製造プロセスにおいて、発酵過程では、ヘミセルロース由来の糖の発酵は、例えば、大腸菌宿主にアルコール発酵菌の遺伝子を挿入した遺伝子組み換え大腸菌等で行い、また、セルロース由来の糖の発酵は、一般的な酵母で行う方法が知られているが、この種の方法では、発酵プロセスが多段になり、発酵方法、発酵手段、発酵条件の管理等が高コスト、かつ複雑になると言う問題があり、リグノセルロース系バイオマスのエタノール変換プロセスの生産性の向上、実用化技術の確立のためには、更なる改良が必要とされていた。   In the process of producing ethanol from lignocellulosic biomass, in the fermentation process, hemicellulose-derived sugars are fermented, for example, in a genetically modified Escherichia coli with an alcohol-fermenting bacterial gene inserted into an E. coli host. Fermentation is known to be carried out using general yeast, but this type of method involves a multi-stage fermentation process, which means that the fermentation method, fermentation means, management of fermentation conditions, etc. are expensive and complicated. There was a problem, and further improvement was required to improve the productivity of the lignocellulosic biomass ethanol conversion process and to establish a practical technology.

更に、建設系廃木材等からの燃料用エタノールの製造技術の実用化開発や、リグノセルロース系バイオマスの発酵プロセスを1種類の菌体で行う方法、また、希硫酸法に代わる酵素法を利用した糖化プロセスの開発、糖化とアルコール発酵を同一槽で行う方法の開発、更に、1種類の菌体で糖化と発酵を同時に行う技術の開発等が強く期待されているが、実用化可能な技術は、未だ開発されていないのが実情である。   In addition, the development of practical technology for producing ethanol for fuel from construction waste wood, etc., a method of performing a fermentation process of lignocellulosic biomass with one type of fungus, and an enzymatic method replacing the dilute sulfuric acid method were used. Development of a saccharification process, development of a method for performing saccharification and alcohol fermentation in the same tank, and development of a technology for simultaneously performing saccharification and fermentation with one type of fungus are strongly expected. The fact is that it has not been developed yet.

リグノセルロース系バイオマスの糖化及び発酵に関する先行技術として、例えば、木材等を酵素糖化する方法(特許文献1〜4)、また、木材等を出発原料として、グルコース等の六炭糖を経由してアルコール発酵によりエタノールを製造する方法(特許文献5〜7)、更に、キシロース等の五炭糖を経由してエタノールを製造する方法(特許文献8、9)、等が提案されている。   As prior art relating to saccharification and fermentation of lignocellulosic biomass, for example, a method of enzymatic saccharification of wood or the like (Patent Documents 1 to 4), and an alcohol via hexose such as glucose using wood or the like as a starting material Methods for producing ethanol by fermentation (Patent Documents 5 to 7), methods for producing ethanol via pentoses such as xylose (Patent Documents 8 and 9), and the like have been proposed.

また、他の先行技術としては、例えば、微量のタングステン酸あるいはモリブデン酸塩触媒を含有する過酸化水素水を用い、リグニンを選択的に分解し、得られたリグノセルロース系セルロースをセルラーゼ酵素により効率良く糖化して、エタノール発酵原料であるグルコースを高効率で製造する方法が提案されている(特許文献10)。   As another prior art, for example, hydrogen peroxide containing a small amount of tungstic acid or molybdate catalyst is used to selectively decompose lignin, and the resulting lignocellulose-based cellulose is efficiently treated with cellulase enzymes. A method for producing saccharified well and producing glucose, which is a raw material for ethanol fermentation, with high efficiency has been proposed (Patent Document 10).

また、バイオマス資源を出発原料として、効率良くセルロース、ヘミセルロース、リグニンの成分を分解する方法と装置として、例えば、担子菌、腐朽菌類による菌体処理工程と、前記菌体処理工程の処理物を高圧熱水で処理する高圧熱水処理工程とを有する単糖類及び/又はオリゴ糖類の製造方法が提案されている(特許文献11)。   In addition, as a method and apparatus for efficiently decomposing components of cellulose, hemicellulose, and lignin using biomass resources as starting materials, for example, a cell treatment process with basidiomycetes or decaying fungi, The manufacturing method of the monosaccharide and / or oligosaccharide which has a high-pressure hot-water treatment process processed with hot water is proposed (patent document 11).

更に、木材を用いてメタノール、ギ酸メチル、エタノール、乳酸、プロパンジオール等の工業用基礎化学品及び炭素材を製造すると同時に、熱回収の有効利用を図り、所内動力を差し引いた電力、蒸気及び温水を供給し、装置コスト及び操業費等の点から熱利用性の高い、木材のゼロエミッション型有効利用する方法として、例えば、木材を原料とし、前処理として水熱処理し、酵素糖化を行った後、キシロース等の五炭糖を経由してエタノールを得る方法等が提案されている(特許文献12)。   In addition, wood is used to produce basic industrial chemicals and carbon materials such as methanol, methyl formate, ethanol, lactic acid, and propanediol, and at the same time, the heat, effective utilization of heat recovery, and power, steam, and hot water minus the in-house power As a method of effective utilization of wood zero emission type, which has high heat utilization in terms of equipment cost and operation cost, for example, after using wood as a raw material, hydrothermal treatment as pretreatment, and enzymatic saccharification A method for obtaining ethanol via a pentose such as xylose has been proposed (Patent Document 12).

このように、従来、リグノセルロース系バイオマスの糖化(グルコース化)によりバイオマスエタノールを得ることが強く求められており、木質系バイオマスを原料として、バイオマスエタノールを生産する技術が種々開発されているが、エタノール発酵の原料となるグルコースを木質系バイオマスから高純度で得る方法は確立されていないのが実情である。また、特に、木質系バイオマスのエタノールへの変換プロセスにおいて、糖化とアルコール酵素を同一槽で同時糖化発酵を実施する実用化可能な技術は未だ確立されておらず、そのことが、木質系バイオマスの本格的な利用を妨げる大きな原因となっていた。   Thus, it has been strongly demanded to obtain biomass ethanol by saccharification (glucosylation) of lignocellulosic biomass, and various technologies for producing biomass ethanol using woody biomass as a raw material have been developed. In fact, a method for obtaining glucose as a raw material for ethanol fermentation with high purity from woody biomass has not been established. In particular, in the process of converting woody biomass to ethanol, a practical technology for simultaneous saccharification and fermentation of saccharification and alcohol enzymes in the same tank has not yet been established. It was a major cause that hindered full-scale use.

特開2004−171799号公報JP 2004-171799 A 特許第3041539号公報Japanese Patent No. 3041539 特開2002−186938号公報JP 2002-186938 A 特開2002−238590号公報JP 2002-238590 A 特開2003−289893号公報JP 2003-289893 A 特開2003−310246号公報JP 2003-310246 A 特開2002−537848号公報JP 2002-537848 A 特表2001−516584号公報Special table 2001-51658 gazette 米国特許第6582944号明細書US Pat. No. 6,582,944 特開2006−149343号公報JP 2006-149343 A 特開2005−27541号公報JP 2005-27541 A 特開2006−111593号公報JP 2006-111593 A

このような状況の中で、本発明者らは、上記従来技術に鑑みて、現在、行われている希硫酸法等の酸による加水分解技術に代わる酵素糖化とアルコール発酵を同一槽で行うことが可能な新しい糖化発酵技術を開発することを目標として鋭意研究を積み重ねた結果、糖化酵素産生微生物の培養槽をそのまま糖化酵素反応槽乃至エタノール発酵槽として使用することが可能な、リグノセルロース系バイオマスの新しいエタノール変換方法を開発することに成功し、本発明を完成するに至った。本発明は、上記培養、糖化及びアルコール発酵プロセスの一部又は全部を同一槽で行うことが可能なリグノセルロース系バイオマスからの新規エタノール生産技術を提供することを目的とするものである。   Under such circumstances, in view of the prior art, the present inventors perform enzymatic saccharification and alcoholic fermentation in the same tank in place of acid hydrolysis technology such as dilute sulfuric acid method currently performed. As a result of intensive research with the goal of developing new saccharification and fermentation technologies that can be used, lignocellulosic biomass can be used as saccharification enzyme reaction tanks or ethanol fermentation tanks as they are. The present inventors have succeeded in developing a new ethanol conversion method and completed the present invention. An object of the present invention is to provide a novel ethanol production technology from lignocellulosic biomass in which a part or all of the culture, saccharification and alcohol fermentation processes can be performed in the same tank.

上記課題を解決するための本発明は、以下の技術的手段から構成される。
(1)リグノセルロース系バイオマスを原料として、糖化酵素を産生する微生物の培養、糖化及び発酵プロセスの一部又は全部を同一槽で行ってエタノールを製造する方法であって、1)リグノセルロース系バイオマスを微粉砕処理して微粉末を調製する、2)糖化酵素を産生する微生物を、セルロース、ヘミセルロース、あるいは糖類を炭素源とする液体培地で培養する、3)それにより、糖化酵素を誘導・分泌生産させ、糖化酵素を含有する培養液を調製する、4)得られた培養液を同一槽で、糖化酵素の設定反応条件に合わせて温度調整を行う、5)当該培養液を用いて設定反応条件で糖化処理を実施する、6)得られた糖化液に酵母菌を加えてアルコール発酵を実施することによりエタノールに変換する、ことを特徴とするエタノールの製造方法。
(2)糖化酵素を産生する微生物を、セルロース、ヘミセルロース、あるいは糖類を炭素源とする液体培地で培養して、糖化酵素を誘導・分泌生産しうる誘導物質を炭素源とする液体培地で、20℃〜40℃で糖化酵素の設定pH条件に整合させて酵素誘導培養する、前記(1)記載のエタノールの製造方法。
(3)糖化酵素の設定反応条件に合わせて、反応温度を40〜60℃の範囲に調整する、前記(1)記載のエタノールの製造方法。
(4)上記糖化処理の残渣を回収し、燃料及び/又は肥料として再利用する、前記(1)記載のエタノールの製造方法。
(5)リグノセルロース系バイオマス原料を、200ミクロン以下に微粉砕する、前記(1)記載のエタノールの製造方法。
(6)上記微粉砕によって得られた原料微粉末中のセルロースの見かけ上の結晶化度が、10%以下である、前記(5)記載のエタノールの製造方法。
(7)セルロース分解酵素を産生する糸状菌を培養して糖化酵素を含む培養液を調製する、前記(1)記載のエタノールの製造方法。
(8)糖化酵素を産生する微生物として、トリコデルマ属、又はアスペルギルス属類縁菌を使用する、前記(1)に記載のエタノールの製造方法。
The present invention for solving the above-described problems comprises the following technical means.
(1) A method for producing ethanol by using a lignocellulosic biomass as a raw material and carrying out part or all of the cultivation, saccharification and fermentation processes of microorganisms producing saccharifying enzymes in the same tank, and 1) lignocellulosic biomass 2) Microorganisms that produce saccharifying enzymes are cultured in a liquid medium containing cellulose, hemicellulose, or sugars as a carbon source. 3) Inducing and secreting saccharifying enzymes 4) Prepare a culture solution containing saccharifying enzyme, 4) Adjust the temperature of the obtained culture solution in the same tank according to the set reaction conditions of saccharifying enzyme, 5) Set reaction using the culture solution 6) Ethanol, characterized in that saccharification is carried out under conditions, 6) ethanol is added to the obtained saccharified solution and alcohol fermentation is carried out to convert it into ethanol The method of production.
(2) A microorganism that produces saccharifying enzyme is cultured in a liquid medium using cellulose, hemicellulose, or saccharide as a carbon source, and a liquid medium using an inducer capable of inducing / secreting saccharifying enzyme as a carbon source; The method for producing ethanol according to (1) above, wherein the enzyme-induced culture is performed at a temperature of 40 ° C. to 40 ° C. in conformity with a set pH condition of the saccharifying enzyme.
(3) The method for producing ethanol according to (1), wherein the reaction temperature is adjusted to a range of 40 to 60 ° C. according to the set reaction conditions of the saccharifying enzyme.
(4) The method for producing ethanol according to (1), wherein the residue of the saccharification treatment is collected and reused as fuel and / or fertilizer.
(5) The method for producing ethanol according to (1), wherein the lignocellulosic biomass material is finely pulverized to 200 microns or less.
(6) The method for producing ethanol according to (5), wherein the apparent crystallinity of cellulose in the raw fine powder obtained by the fine pulverization is 10% or less.
(7) The method for producing ethanol according to (1) above, wherein a filamentous fungus producing cellulose-degrading enzyme is cultured to prepare a culture solution containing a saccharifying enzyme.
(8) The method for producing ethanol according to (1) above, wherein Trichoderma or Aspergillus-related bacteria are used as a microorganism that produces a saccharifying enzyme.

次に、本発明について更に詳細に説明する。
本発明は、リグノセルロース系バイオマスを原料として、糖化酵素を産生する微生物の培養、糖化及び発酵プロセスの一部又は全部を同一槽で行ってエタノールを製造する方法であって、リグノセルロース系バイオマスを微粉砕処理して微粉末を調製すること、糖化酵素を産生する微生物をセルロース、ヘミセルロース、あるいは糖類を炭素源とする液体培地で培養する、それにより、糖化酵素を誘導・分泌生産させ、糖化酵素を含む培養液を調製すること、得られた培養液を同一槽で、糖化酵素の設定反応条件に合わせて温度調整を行うこと、当該培養液を用いて設定反応条件で糖化処理を実施すること、得られた糖化液に酵母菌を加えてアルコール発酵を実施することによりエタノールに変換すること、を特徴とするものである。リグノセルロース系バイオマス原料としては、代表的なものとして、製材工場等残材、林地残材、建築発生木材の他、トウモロコシ残渣、サトウキビバガス、イナワラ等が例示されるが、これらに制限されるものではなく、リグノセルロース系由来のバイオマスであれば、同様に使用することができる。
Next, the present invention will be described in more detail.
The present invention is a method for producing ethanol by using a lignocellulosic biomass as a raw material, and performing culture or saccharification and fermentation of microorganisms that produce saccharifying enzymes in the same tank, and producing ethanol. Finely pulverizing to prepare fine powder, culturing microorganisms producing saccharifying enzyme in liquid medium using cellulose, hemicellulose, or saccharide as carbon source, thereby inducing and secreting saccharifying enzyme, saccharifying enzyme Preparing a culture solution containing sucrose, adjusting the temperature of the obtained culture solution in the same tank according to the set reaction conditions of the saccharifying enzyme, and performing saccharification treatment using the culture solution under the set reaction conditions In addition, yeast is added to the resulting saccharified solution and alcohol fermentation is performed to convert it into ethanol. Examples of lignocellulosic biomass raw materials include, but are not limited to, corn residues, sugarcane bagasse, inawara, etc., as well as residual materials such as sawmills, forest land residuals, and building wood. If it is not lignocellulosic biomass, it can be used similarly.

本発明では、糖化酵素を産生する微生物をセルロース等を炭素源とする液体培地で20〜40℃で糖化酵素の設定pH条件に整合させて培養すること、また、糖化酵素の設定反応条件に合わせて、反応温度を40〜60℃の範囲に調整すること、を好適な実施の態様としている。糖化酵素を産生する微生物の培養は、好適には、例えば、20〜40℃、pH4〜5で実施されるが、この場合、培養のpH条件は、糖化酵素の至適pH条件(設定pH条件)に調整することが好ましく、そのためには、当該条件を満たすような糖化酵素産生微生物を選択することが必要とされる。   In the present invention, a microorganism producing a saccharifying enzyme is cultured in a liquid medium using cellulose or the like as a carbon source at 20 to 40 ° C. in conformity with the set pH condition of the saccharifying enzyme, or in accordance with the set reaction condition of the saccharifying enzyme. Thus, adjusting the reaction temperature in the range of 40 to 60 ° C. is a preferred embodiment. Cultivation of microorganisms that produce saccharifying enzymes is preferably carried out at, for example, 20 to 40 ° C. and pH 4 to 5. In this case, the pH conditions of the culturing are optimum pH conditions for saccharifying enzymes (set pH conditions). For this purpose, it is necessary to select a saccharogenic enzyme-producing microorganism that satisfies the conditions.

また、上記微生物の培養温度の20〜40℃に対して、糖化処理の温度条件は数10℃高温であることが好ましいことから、得られた培養液の温度は、糖化酵素の至適反応温度(設定反応条件)に合わせて、好適には、例えば、40〜60℃の範囲に調整する。この場合、培養液の温度調整は、培養液を移動させることなく、同一槽内で行われる。したがって、この段階では、必ずしも菌体分離を行う必要性はないので、このプロセスでは、残渣を回収することは行われないが、必要に応じて、菌体分離の操作を行うことを防げるものではない。   In addition, since the temperature condition of the saccharification treatment is preferably several tens of degrees Celsius higher than the culture temperature of 20 to 40 ° C., the temperature of the obtained culture solution is the optimum reaction temperature of the saccharifying enzyme. According to (set reaction conditions), it adjusts in the range of 40-60 degreeC suitably, for example. In this case, the temperature of the culture solution is adjusted in the same tank without moving the culture solution. Therefore, at this stage, it is not always necessary to separate the bacterial cells. In this process, the residue is not collected, but if necessary, the operation of separating the bacterial cells cannot be prevented. Absent.

上述のように、本発明では、糖化酵素を産生する微生物及び糖化酵素の組み合わせを選択して、糖化処理により糖化液を調製するプロセスの好適な設定反応条件(温度及び/又はpH条件)に合わせた条件で糖化酵素産生微生物の培養を行い、引き続き、例えば、糖化処理の温度条件を高温側にシフト及び発酵の温度条件を低温側にシフトさせる調整を行い、上記微生物の培養液を糖化酵素液及び発酵液としてそのまま使用できるようにしたことで、上記培養、糖化及び発酵プロセスの一部又は全部を同一槽で行うことを実現したことに特徴を有するものである。このような条件を満たすためには、糖化酵素を産生する微生物の培養と、当該糖化酵素による糖化処理の反応条件がうまく合致するように、それらを選択して組み合わせることが必要とされる。本発明は、それらの要件を満たす微生物、糖化酵素及び糖化処理条件を組み合わせることで同時的培養、糖化及び発酵を実現させたものである。   As described above, in the present invention, a combination of a saccharifying enzyme-producing microorganism and a saccharifying enzyme is selected, and a suitable reaction condition (temperature and / or pH condition) of a process for preparing a saccharified solution by saccharification treatment is adjusted. The saccharifying enzyme-producing microorganism is cultured under the above-mentioned conditions. Subsequently, for example, the temperature condition for saccharification treatment is shifted to the high temperature side, and the temperature condition for fermentation is shifted to the low temperature side. In addition, since it can be used as it is as a fermentation broth, it is characterized in that part or all of the culture, saccharification, and fermentation processes are performed in the same tank. In order to satisfy such conditions, it is necessary to select and combine them so that the culture conditions of the microorganism producing saccharifying enzyme and the reaction conditions of the saccharification treatment with the saccharifying enzyme are well matched. The present invention realizes simultaneous culture, saccharification, and fermentation by combining microorganisms, saccharification enzymes, and saccharification treatment conditions that satisfy these requirements.

本発明は、従来の酸糖化に代わる酵素法によるリグノセルロース系バイオマスの糖化方法により糖化液を調製し、当該糖化液をアルコール発酵させ、エタノールを得ることを特徴とするものである。本発明では、土壌よりセルロース等のバイオマスを糖化する能力を有するカビ(糸状菌)4株を分離し、使用したが、これらの微生物は、独立行政法人産業技術総合研究所中国センター内バイオマス研究センターで分譲可能に保存されている。   The present invention is characterized in that a saccharified solution is prepared by a saccharification method of lignocellulosic biomass by an enzyme method instead of the conventional acid saccharification, and the saccharified solution is subjected to alcohol fermentation to obtain ethanol. In the present invention, four fungi (filamentous fungi) strains having the ability to saccharify biomass such as cellulose were isolated from the soil and used. These microorganisms are the biomass research center in the National Institute of Advanced Industrial Science and Technology, China Center. It is saved so that it can be sold at.

本発明では、リグノセルロース系バイオマス原料は、粉砕して使用される。原料の粉砕処理は、例えば、木材チップを適当な粉砕機にて2mm位までに粉砕し、更に、遊星ボールミルなどで20ミクロン位にまで微粉砕する。例えば、遊星ボールミル(FRITSCH社製 遊星ボールミル モデルPULSEROSETTE5等)を用いて、反応容量450mLの容器に直径16mmのジルコニウムボール25個及び木材チップ25gを封入し、250回転で4時間粉砕処理して粒径20ミクロン、セルロースの見かけ上の結晶化度10%以下の微粉末を調製する。   In the present invention, the lignocellulosic biomass raw material is used after being pulverized. The raw material is pulverized by, for example, pulverizing wood chips to about 2 mm with an appropriate pulverizer and further pulverizing to about 20 microns with a planetary ball mill or the like. For example, using a planetary ball mill (planet ball mill model PULSEROSETE5, etc., manufactured by FRITSCH), 25 zirconium balls having a diameter of 16 mm and 25 g of wood chips are sealed in a container with a reaction capacity of 450 mL, and pulverized for 4 hours at 250 rpm. A fine powder of 20 microns and an apparent crystallinity of 10% or less of cellulose is prepared.

本発明では、以下の方法で、糖化酵素を産生する有用微生物を分離し、使用した。即ち、セルロースを唯一の炭素源とし、適度に窒素源及びミネラル源を加えた寒天平板培地に、自然界から採集した土壌の希釈懸濁液を塗布し、30℃等にて数日から数週間培養した。寒天平板上に出現する微生物コロニーを新鮮な無菌寒天平板に釣菌し、更に、セルロースを唯一の炭素源とし、適度に窒素源及びミネラル源を加えた液体培地にて、30℃等にて数日から1週間位培養し、培養液を得た。   In the present invention, useful microorganisms producing saccharifying enzymes were isolated and used by the following method. That is, a diluted suspension of soil collected from nature is applied to an agar plate medium containing cellulose as the only carbon source and a nitrogen source and mineral source appropriately added, and cultured at 30 ° C. for several days to several weeks. did. Microorganism colonies appearing on the agar plate are fished on a fresh sterile agar plate. Furthermore, in a liquid medium containing cellulose as the sole carbon source and appropriately adding a nitrogen source and a mineral source, a few at 30 ° C etc. Culture was performed for about one week from the day to obtain a culture solution.

上記培養液に、微粉砕処理ユーカリなどの木粉を基質として反応させ、それらを分解してグルコース等の糖を生成する能力のある微生物をスクリーニングした。この方法により、KIF−62糸状菌(トリコデルマ属類縁菌)、KIF−68糸状菌(アスペルギルス属類縁菌)、KIF−77糸状菌(トリコデルマ属類縁菌)、KIF−78糸状菌(アスペルギルス属類縁菌)の4菌株を分離した。   The above culture broth was reacted with wood flour such as pulverized eucalyptus as a substrate, and microorganisms capable of decomposing them to produce sugars such as glucose were screened. By this method, KIF-62 filamentous fungi (Trichoderma genus), KIF-68 filamentous fungus (Aspergillus genus), KIF-77 filamentous fungus (Trichoderma genus), KIF-78 filamentous fungus (Aspergillus genus) 4 strains were isolated.

上記微生物を培養して酵素培養液を調製するが、本発明は、これらの微生物のみに制限されるものではなく、これらと同等ないし類似の糖化酵素産生菌であって本発明の方法に適合し得るものであれば同様に使用することができる。分離選択した微生物を、更に、セルロースを炭素源とする液体培地にて培養すると、セルラーゼ等の糖化酵素が誘導的に高濃度培養液に蓄積するので、これを酵素液(培養液)として利用する。この場合、必要に応じて、これを遠心分離して菌体と分離することにより、酵素培養ろ液とすることも可能である。   The above-mentioned microorganisms are cultured to prepare an enzyme culture solution. However, the present invention is not limited to these microorganisms, and is a saccharogenic enzyme-producing bacterium that is equivalent or similar to these microorganisms and is compatible with the method of the present invention. It can be used similarly if it is obtained. When the separated and selected microorganisms are further cultured in a liquid medium containing cellulose as a carbon source, saccharifying enzymes such as cellulase accumulate inductively in a high-concentration culture solution, and this is used as an enzyme solution (culture solution). . In this case, if necessary, the enzyme culture filtrate can be obtained by centrifuging and separating it from the cells.

セルロースを炭素源とする糖化酵素誘導生産用液体培地としては、例えば、ポリペプトン15g/L、酵母エキス1g/L、硝酸ナトリウム5g/L、りん酸2水素カリウム10g/L、硫酸マグネシウム・7HO1g/L、硫酸第一鉄・7HO0.01g/L、硫酸亜鉛・7HO0.01g/L、硫酸マンガン・5HO0.01g/L、硫酸銅・5HO0.01g/Lを含む培地が好適なものとして例示される。培養の温度は20〜40℃、pHはpH4〜5が好適である。 Examples of the liquid medium for saccharifying enzyme induction production using cellulose as a carbon source include 15 g / L of polypeptone, 1 g / L of yeast extract, 5 g / L of sodium nitrate, 10 g / L of potassium dihydrogen phosphate, 1 g of magnesium sulfate · 7H 2 O / L, including ferrous sulfate · 7H 2 O 0.01 g / L, zinc sulfate · 7H 2 O 0.01 g / L, manganese sulfate · 5H 2 O 0.01 g / L, copper sulfate · 5H 2 O 0.01 g / L A culture medium is illustrated as a suitable thing. The culture temperature is preferably 20 to 40 ° C. and the pH is preferably 4 to 5.

次に、上記培養液を設定反応条件に調整して糖化反応を実施する。例えば、微粉砕処理木粉を酵素培養液に対して10%〜30%程度混合し、pH3〜6にて40℃〜60℃にて数日間反応させると、糖化液が得られる。この場合、必要に応じて、糖化反応液を遠心分離して、糖含有液とリグニンなどの未分解残渣とに分離することも可能である。   Next, the saccharification reaction is carried out by adjusting the culture solution to the set reaction conditions. For example, when pulverized wood flour is mixed at about 10% to 30% with respect to the enzyme culture solution and reacted at 40 ° C. to 60 ° C. for several days at pH 3 to 6, a saccharified solution is obtained. In this case, if necessary, the saccharification reaction solution can be separated into a sugar-containing solution and an undecomposed residue such as lignin by centrifugation.

次に、上記糖化液にアルコール発酵菌(酵母菌)を加えてエタノール発酵を実施する。グルコース等の六炭糖を炭素源とするエタノール発酵菌としては、サッカロミセス属に代表される酵母が例示される。また、キシロース等の五炭糖を炭素源とするエタノール発酵菌としては、ピシア属に代表される酵母が例示される。しかし、これらに制限されるものではなく、適宜のアルコール発酵菌を使用することができる。   Next, ethanol fermentation is performed by adding alcohol-fermenting bacteria (yeast) to the saccharified solution. Examples of ethanol-fermenting bacteria using hexose such as glucose as a carbon source include yeasts typified by Saccharomyces. Examples of ethanol-fermenting bacteria using pentoses such as xylose as a carbon source include yeasts typified by Pichia. However, it is not limited to these, and an appropriate alcohol-fermenting bacterium can be used.

本発明では、例えば、エタノール発酵用酵母菌を液体培養し、その5〜10%を糖を含む糖化液に混合し、サッカロミセス酵母の場合は、無通気の嫌気条件でゆっくりと撹拌しながら30℃で48時間培養する。また、五炭糖を主とする炭素源とする場合は、ピシア属菌を用い、この場合は、30℃で通気撹拌しながら24〜100時間培養する。   In the present invention, for example, yeast for ethanol fermentation is liquid-cultured, and 5 to 10% thereof is mixed with a saccharified solution containing sugar. In the case of Saccharomyces yeast, 30 ° C. with slow stirring under anaerobic anaerobic conditions. Incubate for 48 hours. In addition, when a pentose is used as a main carbon source, Pichia spp. Is used, and in this case, cultivation is performed at 30 ° C. with aeration and agitation for 24 to 100 hours.

発酵液を所定のエタノール蒸留装置に直接導入し、高濃度に蒸留すると、精製エタノールを得ることができる。発酵液からの菌体分離操作を省略することによって、作業の効率化とコストの低減化を図ることができる。発酵液を遠心分離して、エタノール含有液と酵母残渣とに分離し、蒸留装置にて蒸留することもできる。蒸留装置より排出される死菌体などの蒸留釜残、あるいは遠心分離操作にて排出される酵母などの培養残渣は、回収して肥料あるいは燃料の原料としてリサイクル使用して、肥料、燃料として製品化することができる。   Purified ethanol can be obtained by directly introducing the fermentation broth into a predetermined ethanol distillation apparatus and distilling it at a high concentration. By omitting the microbial cell separation operation from the fermentation broth, it is possible to improve work efficiency and reduce costs. The fermentation broth can be centrifuged to separate into an ethanol-containing liquid and a yeast residue, and can be distilled with a distillation apparatus. Distiller residue such as dead cells discharged from the distillation apparatus or culture residues such as yeast discharged by centrifugation are collected and recycled as fertilizer or fuel raw material to be used as fertilizer and fuel. Can be

本発明のエタノール発酵プロセスを、図1に示す。KIF78などのセルラーゼ関連酵素産生菌の至適生育温度は、30℃付近にあり、これにより、産生されるセルラーゼ等の酵素の糖化反応の至適温度は50℃付近にある。したがって、50℃で酵素反応を実施すると、酵素は、活性化され、糖化反応が促進されて高濃度の糖化液を得ることができるが、糖化酵素産生菌は50℃では生残できず、死滅する。   The ethanol fermentation process of the present invention is shown in FIG. The optimal growth temperature of cellulase-related enzyme-producing bacteria such as KIF78 is around 30 ° C., whereby the optimum temperature for the saccharification reaction of enzymes such as cellulase produced is around 50 ° C. Therefore, when the enzyme reaction is carried out at 50 ° C., the enzyme is activated and the saccharification reaction is promoted to obtain a high-concentration saccharified solution, but the saccharifying enzyme-producing bacteria cannot survive at 50 ° C. and die. To do.

糖化反応により得られたグルコース、キシロース等をエタノールに変換させる酵母菌の培養至適温度は、30℃付近にあるので、糖化反応によって得られたKIF菌の死菌を含む糖化培養液に、エタノール発酵能を有する酵母を添加して、30℃で発酵させても、エタノール発酵では何ら阻害を受けることなしに糖がエタノールに変換される。   Since the optimum culture temperature of yeast for converting glucose, xylose, etc. obtained by saccharification reaction to ethanol is around 30 ° C., ethanol is added to the saccharification culture solution containing dead KIF bacteria obtained by saccharification reaction. Even if yeast having fermentability is added and fermented at 30 ° C., sugar is converted to ethanol without any inhibition in ethanol fermentation.

表1−2に、KIF菌株によって産生されるセルラーゼ及びヘミセルラーゼの至適pH、pH安定性、至適温度及び熱安定性について記載した。   Table 1-2 describes the optimum pH, pH stability, optimum temperature, and thermal stability of cellulase and hemicellulase produced by the KIF strain.

Figure 2008054676
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Figure 2008054676
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本発明は、上記微生物の培養、酵素、糖化反応等の至適pH及び温度差等の特性を利用して、微生物の培養液そのものから糖化及び発酵プロセスの一部又は全部を同一槽で行うことにより、リグノセルロース系バイオマスを効率的に目的物質であるエタノールに変換させることができる。また、本発明では、糖化反応やエタノール発酵にて発生する未反応残渣や死菌体などの残渣は、蒸留操作後に釜残として回収し、肥料、燃料などとして極力リサイクルさせることができる。   In the present invention, the saccharification and fermentation processes are partly or entirely performed in the same tank from the microorganism culture solution itself by utilizing the characteristics such as the optimum pH and temperature difference of the microorganism culture, enzyme, saccharification reaction, etc. Thus, lignocellulosic biomass can be efficiently converted to ethanol, which is the target substance. Further, in the present invention, unreacted residues and residues such as dead cells generated by saccharification reaction or ethanol fermentation can be recovered as a residue after the distillation operation and recycled as much as possible, such as fertilizer and fuel.

従来、リグノセルロース系バイオマスを原料としてエタノールに変換するには、酸による糖化処理、糖化液のアルコール発酵を多段で行う必要があり、また、酵素法による糖化処理とアルコール発酵を組み合わせるとしても、糖化処理と発酵の条件が大きく相違するため、これらを別工程で行う必要があった。これに対して、本発明は、少なくとも温度条件を除く他の条件をできるだけ整合させることが可能になるように、微生物の培養、糖化処理及び発酵プロセスの条件を集約化させることで、リグノセルロース系バイオマスの培養、糖化及び発酵プロセスの一部又は全部を同一槽で実施することを実現するものである。   Conventionally, in order to convert lignocellulosic biomass into ethanol, saccharification with acid and alcohol fermentation of the saccharified liquid must be performed in multiple stages. Even if enzymatic saccharification and alcoholic fermentation are combined, saccharification Since treatment and fermentation conditions differed greatly, it was necessary to perform these in separate steps. On the other hand, the present invention consolidates the conditions of microbial culture, saccharification treatment, and fermentation process so that at least other conditions excluding temperature conditions can be matched as much as possible. It implement | achieves implementing culture | cultivation of biomass, saccharification, and part or all of a fermentation process in the same tank.

本発明は、リグノセルロース系バイオマス原料を対象とした培養、糖化及び発酵プロセスの条件のうち、少なくとも温度条件を変動因子とし、他の条件(例えば、pH条件)を固定因子とする培養、糖化及び発酵系を構築することで、これらのプロセスの一部又は全部を同一槽で実施することを可能にしたものである。本発明では、上記変動因子として、少なくとも温度条件を含むことが重要であるが、例えば、最後の発酵プロセスにおいて、栄養成分を追加的に添加して培地組成を変動させても問題はない。また、本発明では、上記培養、糖化及び発酵の各プロセスを他のプロセスを阻害することなしに同一槽で実施し得るものであれば、上記温度条件に加えて、変動因子を適宜増やすことが可能である。   The present invention relates to culture, saccharification, and liquefaction using culturing, saccharification, and fermentation processes for lignocellulosic biomass raw materials, with at least temperature conditions as variable factors and other conditions (for example, pH conditions) as fixed factors. By constructing a fermentation system, some or all of these processes can be carried out in the same tank. In the present invention, it is important to include at least the temperature condition as the variable factor. For example, in the final fermentation process, there is no problem even if the nutrient composition is additionally added to change the medium composition. Moreover, in this invention, if each process of the said culture | cultivation, saccharification, and fermentation can be implemented by the same tank, without inhibiting other processes, in addition to the said temperature conditions, a variable factor can be increased suitably. Is possible.

本発明は、上記培養、糖化及び発酵のプロセスを集約化して、ヒータ及び/又は冷却手段を配設した温度制御装置を備えた一つのタンクを使用することで、これらのプロセスの一部又は全部を同一槽で実施することを可能にするものであり、それにより、これらのプロセスの省エネルギー、低コスト化を図り、低環境負荷型で実用化可能なリグノセルロース系バイオマスのエタノール変換方法を構築し、提供することを実現するものである。   The present invention consolidates the above culture, saccharification and fermentation processes, and uses one tank provided with a temperature control device provided with a heater and / or cooling means, so that part or all of these processes can be used. Can be carried out in the same tank, thereby reducing the energy and cost of these processes and building a method for ethanol conversion of lignocellulosic biomass that can be put into practical use with a low environmental load. , To provide.

本発明は、リグノセルロース系バイオマス原料を対象とした糖化酵素産生微生物の培養プロセス、当該糖化酵素による糖化プロセス及び酵母菌によるアルコール発酵プロセスの培養、糖化及び発酵の一部又は全部のプロセスにおいて、少なくとも温度条件を主たる変動因子として任意の温度条件に制御、設定することが可能な共通の培養、糖化及び発酵槽を用いて、上記培養、糖化及び発酵の温度条件を各プロセスに好適なレベレルに順次調整することで、また、必要に応じて、培養、糖化及び発酵液の組成を適宜調整することで、これらのプロセスの一部又は全部を同一槽で実施することを特徴とするものである。リグノセルロース系バイオマス原料のエタノール変換プロセスにおいて、温度を主たる変動因子とする共通の培養槽等での培養、糖化及び発酵の各プロセスを実施可能にした例はこれまで見当らない。   The present invention includes at least a culturing process of a saccharifying enzyme-producing microorganism targeting lignocellulosic biomass raw material, a saccharification process using the saccharifying enzyme, and a part or all of the saccharification and fermentation processes of culturing saccharification and fermentation. Using common culture, saccharification, and fermenter that can be controlled and set to any temperature condition as the main variable factor, the temperature conditions of the above culture, saccharification, and fermentation are sequentially adjusted to suitable levels for each process. By adjusting and adjusting the composition of culture, saccharification and fermentation broth as needed, a part or all of these processes are carried out in the same tank. In the ethanol conversion process of lignocellulosic biomass feedstock, there has been no example that has made it possible to carry out each process of culturing, saccharification, and fermentation in a common culture tank or the like whose temperature is the main variable.

本発明により、以下のような効果が奏される。
(1)糖化酵素を産生する微生物の培養から、糖化及び発酵プロセスの一部又は全部を同一槽で高効率に実施できるリグノセルロース系バイオマスの新しいエタノール変換プロセスを構築し、提供することができる。
(2)リグノセルロース系バイオマス原料から、上記エタノール変換プロセスを利用して、高い効率と、低コストでエタノールを生産することが実現できる実用化可能な新規エタノール生産技術を提供することができる。
(3)リグノセルロース系バイオマスの従来の糖化方法である酸による糖化プロセスに代替可能な酵素法による同時培養及び糖化プロセスを提供することができる。
(4)リグノセルロース系を化学処理しないで微粉砕処理し、化学薬品を使用しないで微生物由来の糖化酵素を用いて温和な条件で木材を糖化処理できる。
(5)セルロース成分からグルコース(六炭糖)を、ヘミセルロース成分からマンノース等の六炭糖及びキシロース等の五炭糖を同時に糖化、回収できる。
(6)適宜適切なエタノール発酵微生物を用いてグルコース及びキシロースの両方からエタノール発酵させ、無駄なくエタノールを生産できる。
(7)硫酸などの強酸類を使用しないので、廃液処理が簡単で環境負荷が低い。
The following effects are exhibited by the present invention.
(1) It is possible to construct and provide a new ethanol conversion process for lignocellulosic biomass in which a part or all of the saccharification and fermentation processes can be carried out with high efficiency in the same tank from the cultivation of microorganisms producing saccharifying enzymes.
(2) It is possible to provide a practical and practical ethanol production technology capable of realizing ethanol production from lignocellulosic biomass raw material at high efficiency and low cost using the ethanol conversion process.
(3) It is possible to provide a co-cultivation and saccharification process by an enzymatic method that can replace an acid saccharification process that is a conventional saccharification method of lignocellulosic biomass.
(4) The lignocellulose system can be pulverized without chemical treatment, and wood can be saccharified under mild conditions using a microorganism-derived saccharifying enzyme without using chemicals.
(5) Glucose (hexose) from the cellulose component and hexose such as mannose and pentose such as xylose can be simultaneously saccharified and recovered from the hemicellulose component.
(6) Ethanol can be fermented from both glucose and xylose using an appropriate ethanol-fermenting microorganism as appropriate, and ethanol can be produced without waste.
(7) Since strong acids such as sulfuric acid are not used, waste liquid treatment is simple and environmental impact is low.

次に、実施例に基づいて本発明を具体的に説明するが、本発明は、以下の実施例によって何ら限定されるものではない。   EXAMPLES Next, although this invention is demonstrated concretely based on an Example, this invention is not limited at all by the following Examples.

本実施例では、糖化酵素を産生する微生物としてKIF62株を使用し、酵素誘導生産用の栄養源として、ポリペプトン15g/L、酵母エキス1g/L、硝酸ナトリウム5g/L、りん酸2水素カリウム10g/L、硫酸マグネシウム・7HO1g/L、硫酸第一鉄・7HO0.01g/L、硫酸亜鉛・7HO0.01g/L、硫酸マンガン・5HO0.01g/L、硫酸銅・5HO0.01g/Lを含み、pH条件を糖化反応の設定pH条件に合わせてpH5.0に調整した培地100mLと、酵素誘導用として、微粉砕処理ユーカリ粉末4gを500mL容三角フラスコに分注し、これらを30℃にて5日間振とう培養し、セルラーゼ、ヘミセルラーゼ等の酵素が誘導された培養液を調製した。 In this example, KIF62 strain is used as a microorganism that produces saccharifying enzyme, and polypeptone 15 g / L, yeast extract 1 g / L, sodium nitrate 5 g / L, potassium dihydrogen phosphate 10 g are used as nutrient sources for enzyme-induced production. / L, magnesium sulfate · 7H 2 O1g / L, ferrous · 7H 2 O0.01g / L sulfuric acid, zinc sulfate · 7H 2 O0.01g / L, manganese sulfate · 5H 2 O0.01g / L, copper sulfate, Disperse 100 mL of medium containing 0.01 g / L of 5H 2 O and adjusting the pH condition to pH 5.0 according to the set pH condition of the saccharification reaction, and 4 g of pulverized eucalyptus powder for enzyme induction into a 500 mL Erlenmeyer flask. These were shake-cultured at 30 ° C. for 5 days to prepare a culture solution in which enzymes such as cellulase and hemicellulase were induced.

この培養液100mLに、微粉砕処理ユーカリ粉末20gを加え、設定反応温度に合わせて培養液の温度を調整して、pH5.0、50℃にて4日間攪拌しながら酵素糖化反応による糖化処理を実施して、グルコース8g及びキシロース2gを含有する糖化液100mLを調製した。糖化液の温度を30℃に戻し、これに、エタノール発酵用の栄養源として、酵母エキス2.5g/L、りん酸2アンモニウム0.25g/L、硫酸マグネシウム・7HO0.025g/L、pH5.0の10倍濃度液を10m加え、更に、グルコース資化性能を有する酵母サッカロミセス・セレビシエ(Saccharomyces cerevisiae)種菌液を10mL加えて、嫌気的条件にて24時間培養し、培養液中に3.5gのエタノールを得た。 To 100 mL of this culture solution, 20 g of finely pulverized eucalyptus powder is added, the temperature of the culture solution is adjusted according to the set reaction temperature, and saccharification treatment by enzymatic saccharification reaction is carried out at pH 5.0 and 50 ° C. for 4 days. As a result, 100 mL of a saccharified solution containing 8 g of glucose and 2 g of xylose was prepared. The temperature of the saccharified solution is returned to 30 ° C., and as a nutrient source for ethanol fermentation, yeast extract 2.5 g / L, diammonium phosphate 0.25 g / L, magnesium sulfate · 7H 2 O 0.025 g / L, 10 mL of a 10-fold concentration solution of pH 5.0 was added, and 10 mL of a yeast Saccharomyces cerevisiae seed solution having glucose utilization performance was added, followed by culturing under anaerobic conditions for 24 hours. Obtained 5 g of ethanol.

本実施例では、糖化酵素を産生する微生物としてKIF68株を使用し、酵素誘導生産用の栄養源として、ポリペプトン 15g/L、酵母エキス1g/L、硝酸ナトリウム5g/L、りん酸2水素カリウム10g/L、硫酸マグネシウム・7HO1g/L、硫酸第一鉄・7HO0.01g/L、硫酸亜鉛・7HO0.01g/L、硫酸マンガン・5HO0.01g/L、硫酸銅・5HO0.01g/Lを含み、pH条件を糖化反応の設定pH条件に合わせてpH5.0に調整した培地1000mLと、酵素誘導用として、微粉砕処理ベイマツ粉末40gを5000mL容三角フラスコに分注し、これらを30℃にて5日間振とう培養し、セルラーゼ、ヘミセルラーゼ等の酵素が誘導された培養液を調製した。 In this example, KIF68 strain is used as a microorganism producing saccharifying enzyme, and polypeptone 15 g / L, yeast extract 1 g / L, sodium nitrate 5 g / L, potassium dihydrogen phosphate 10 g are used as nutrient sources for enzyme-induced production. / L, magnesium sulfate · 7H 2 O1g / L, ferrous · 7H 2 O0.01g / L sulfuric acid, zinc sulfate · 7H 2 O0.01g / L, manganese sulfate · 5H 2 O0.01g / L, copper sulfate, Disperse 1000 mL of medium containing 0.01 g / L of 5H 2 O and adjusting the pH condition to pH 5.0 according to the set pH condition of the saccharification reaction, and 40 g of finely ground bay pine powder for enzyme induction into a 5000 mL Erlenmeyer flask. These were shake-cultured at 30 ° C. for 5 days to prepare a culture solution in which enzymes such as cellulase and hemicellulase were induced.

この培養液1000mLに、微粉砕処理ユーカリ粉末200gを加え、設定反応温度に合わせて培養液の温度を調整して、50℃にて6日間攪拌しながら酵素糖化反応による糖化処理を実施して、グルコース71g及びキシロース8.2gを含有する糖化液1000mLを調製した。糖化液の温度を30℃に戻し、これに、エタノール発酵用の栄養源として、酵母エキス2.5g/L、りん酸2アンモニウム0.25g/L、硫酸マグネシウム・7HO0.025g/L、pH5.0の10倍濃度液を100mL加え、糖化液量の10%(本例では100mL)容量加え、更に、グルコース資化性能を有する酵母サッカロミセス・セレビシエ(Saccharomyces cerevisiae)種菌液を100mL加えて、嫌気的条件にて24時間培養し、培養液中に35gのエタノールを得た。 200 g of finely ground eucalyptus powder was added to 1000 mL of this culture solution, the temperature of the culture solution was adjusted according to the set reaction temperature, and saccharification treatment was performed by enzymatic saccharification while stirring at 50 ° C. for 6 days. 1000 mL of a saccharified solution containing 71 g of glucose and 8.2 g of xylose was prepared. The temperature of the saccharified solution is returned to 30 ° C., and as a nutrient source for ethanol fermentation, yeast extract 2.5 g / L, diammonium phosphate 0.25 g / L, magnesium sulfate · 7H 2 O 0.025 g / L, Add 100 mL of 10 times concentration solution of pH 5.0, add 10% of the amount of saccharified solution (100 mL in this example), and further add 100 mL of Saccharomyces cerevisiae seed solution having glucose utilization performance, Culturing was carried out for 24 hours under anaerobic conditions to obtain 35 g of ethanol in the culture solution.

本実施例では、糖化酵素を産生する微生物としてKIF77株を使用し、酵素誘導生産用の栄養源として、コーンスチィプリカー 5g/L、りん酸2水素カリウム10g/L、硝酸カリウム5g/L、りん酸2アンモニウム5g/L、硫酸マグネシウム・7HO1g/L、硫酸第一鉄・7HO0.01g/L、硫酸亜鉛・7HO0.01g/L、硫酸マンガン・5HO0.01g/L、硫酸銅・5HO0.01g/L、消泡剤SAG471 0.1g/Lを含み、pH条件を糖化反応の設定pH条件に合わせてpH4.5に調整した培地1000mLと、酵素誘導用として、微粉砕処理ベイマツ粉末40gを2000mL容ジャーファーメンタに分注し、これらを30℃にて5日間通気攪拌培養し、セルラーゼ、ヘミセルラーゼ等の酵素が誘導された培養液を調製した。 In this example, KIF77 strain is used as a microorganism producing saccharifying enzyme, and corn steep liquor 5 g / L, potassium dihydrogen phosphate 10 g / L, potassium nitrate 5 g / L, phosphorus as nutrient sources for enzyme-induced production. Acid 2ammonium 5g / L, Magnesium sulfate 7H 2 O 1g / L, Ferrous sulfate 7H 2 O 0.01g / L, Zinc sulfate 7H 2 O 0.01g / L, Manganese sulfate 5H 2 O 0.01g / L , 1000 mL of medium containing 0.01 g / L of copper sulfate · 5H 2 O and 0.1 g / L of antifoaming agent SAG471, adjusted to pH 4.5 according to the pH conditions set for the saccharification reaction, and for enzyme induction Then, 40 g of finely ground bay pine powder was dispensed into a 2000 mL jar fermenter, and these were cultured with aeration and stirring at 30 ° C. for 5 days to produce cellulase and hemicellular The culture enzyme has been induced, such as zero were prepared.

この培養液1000mLに、微粉砕処理ベイマツ粉末200gを加え、設定反応温度に合わせて培養液の温度を調整して、50℃にて6日間攪拌しながら酵素糖化反応による糖化処理を実施して、グルコース84g、マンノース16g、及びキシロース4gを含有する糖化液1000mLを調製した。糖化液の温度を30℃に戻し、これに、エタノール発酵用の栄養源として、酵母エキス 2.5g/L、りん酸2アンモニウム0.25g/L、硫酸マグネシウム・7HO0.025g/L、pH5.0の10倍濃度液を100mL加え、更に、グルコース資化性能を有する酵母サッカロミセス・セレビシエ(Saccharomyces cerevisiae)種菌液を100mL加えて、嫌気的条件にて24時間培養し、培養液中に48gのエタノールを得た。 200 g of finely ground bay pine powder is added to 1000 mL of this culture solution, the temperature of the culture solution is adjusted according to the set reaction temperature, and saccharification treatment is performed by enzymatic saccharification while stirring at 50 ° C. for 6 days. 1000 mL of a saccharified solution containing 84 g of glucose, 16 g of mannose, and 4 g of xylose was prepared. The temperature of the saccharified solution is returned to 30 ° C., and as a nutrient source for ethanol fermentation, yeast extract 2.5 g / L, diammonium phosphate 0.25 g / L, magnesium sulfate · 7H 2 O 0.025 g / L, 100 mL of a 10-fold concentrated solution of pH 5.0 was added, and 100 mL of a yeast Saccharomyces cerevisiae seed solution having glucose utilization performance was added, followed by culturing under anaerobic conditions for 24 hours, and 48 g in the culture solution. Of ethanol was obtained.

本実施例では、糖化酵素を産生する微生物としてKIF78株を使用し、酵素誘導生産用の栄養源として、コーンスチィプリカー 5g/L、りん酸2水素カリウム10g/L、硝酸カリウム5g/L、りん酸2アンモニウム5g/L、硫酸マグネシウム・7HO1g/L、硫酸第一鉄・7HO0.01g/L、硫酸亜鉛・7HO0.01g/L、硫酸マンガン・5HO0.01g/L、硫酸銅・5HO0.01g/L、消泡剤SAG471 0.1g/Lを含み、pH条件を糖化反応の設定pH条件に合わせてpH4.5に調整した培地5000mLと、酵素誘導用として、微粉砕処理ユーカリ粉末250gを10L容ジャーファーメンタに分注し、これらを30℃にて8日間通気攪拌培養し、セルラーゼ、ヘミセルラーゼ等の酵素が誘導された培養液を得た。 In this example, KIF78 strain is used as a microorganism producing saccharifying enzyme, and corn steep liquor 5 g / L, potassium dihydrogen phosphate 10 g / L, potassium nitrate 5 g / L, phosphorus as nutrient sources for enzyme-induced production. Acid 2ammonium 5g / L, Magnesium sulfate 7HO 1g / L, Ferrous sulfate 7H 2 O 0.01g / L, Zinc sulfate 7H 2 O 0.01g / L, Manganese sulfate 5H 2 O 0.01g / L, Sulfuric acid 5000 mL of medium containing 0.01 g / L of copper 5H 2 O and 0.1 g / L of antifoaming agent SAG471, adjusted to pH 4.5 according to the pH conditions set for saccharification reaction, Disperse 250 g of pulverized eucalyptus powder into a 10 L jar fermenter, and culture by aeration and stirring at 30 ° C. for 8 days to obtain cellulase, hemicellulase, etc. An enzyme-induced culture broth was obtained.

この培養液5Lに、微粉砕処理ユーカリ粉末1000gを加え、設定反応温度に合わせて培養液の温度を調整して、50℃にて6日間攪拌しながら酵素糖化反応による糖化処理を実施して、グルコース400g及びキシロース80gを含有する糖化液5Lを調製した。糖化液の温度を30℃に戻し、これに、エタノール発酵用の栄養源として、酵母エキス2.5g/L、りん酸2アンモニウム0.25g/L、硫酸マグネシウム・7HO0.025g/L、pH5.0の10倍濃度液を500mL加え、更に、グルコース資化性能を有する酵母サッカロミセス・セレビシエ(Saccharomyces cerevisiae)種菌液を500mL加えて、嫌気的条件にて24時間培養し、エタノール190gを含む発酵液6Lを得た。 To 5 L of this culture solution, 1000 g of finely pulverized eucalyptus powder was added, the temperature of the culture solution was adjusted according to the set reaction temperature, and saccharification treatment was performed by enzymatic saccharification reaction while stirring at 50 ° C. for 6 days. 5 L of a saccharified solution containing 400 g of glucose and 80 g of xylose was prepared. The temperature of the saccharified solution is returned to 30 ° C., and as a nutrient source for ethanol fermentation, yeast extract 2.5 g / L, diammonium phosphate 0.25 g / L, magnesium sulfate · 7H 2 O 0.025 g / L, 500 mL of a 10-fold concentration solution of pH 5.0 is added, and further 500 mL of a yeast Saccharomyces cerevisiae seed solution having glucose utilization performance is added, cultured for 24 hours under anaerobic conditions, and fermented with 190 g of ethanol. A liquid 6L was obtained.

その後、更に、培養液中に同上の濃縮栄養源を500mL加え、これに、キシロース発酵能を有するピシア・スチピチス(Pichia stipitis)種菌液を500mL加え、30℃で通気攪拌しながら好気的条件にて72時間培養した結果、更に、10gのエタノールが蓄積され、培養液約7L中に合計200gのエタノールが蓄積された。   Thereafter, 500 mL of the same concentrated nutrient source as above is added to the culture solution, and 500 mL of Pichia stititis seedling solution having xylose fermentation ability is added to the culture solution, and the mixture is aerobically stirred at 30 ° C. As a result of cultivation for 72 hours, 10 g of ethanol was further accumulated, and a total of 200 g of ethanol was accumulated in about 7 L of the culture solution.

本実施例では、糖化酵素を産生する微生物としてKIF77株を使用し、酵素誘導生産用の栄養源として、ポリペプトン 15g/L、酵母エキス1g/L、硝酸ナトリウム5g/L、りん酸2水素カリウム10g/L、硫酸マグネシウム・7HO1g/L、硫酸第一鉄・7HO0.01g/L、硫酸亜鉛・7HO0.01g/L、硫酸マンガン・5HO0.01g/L、硫酸銅・5HO0.01g/Lを含み、pH条件を糖化反応の設定pH条件に合わせてpH5.0に調整した培地1000mLと、酵素誘導用として、微粉砕処理ユーカリ粉末50gを5000mL容三角フラスコに分注し、これらを30℃にて5日間振とう培養し、セルラーゼ、ヘミセルラーゼ等の酵素が誘導された培養液を調製した。 In this example, KIF77 strain is used as a microorganism that produces saccharifying enzyme, and polypeptone 15 g / L, yeast extract 1 g / L, sodium nitrate 5 g / L, potassium dihydrogen phosphate 10 g as nutrient sources for enzyme-induced production. / L, magnesium sulfate · 7H 2 O1g / L, ferrous · 7H 2 O0.01g / L sulfuric acid, zinc sulfate · 7H 2 O0.01g / L, manganese sulfate · 5H 2 O0.01g / L, copper sulfate, Disperse 1000 mL of medium containing 0.01 g / L of 5H 2 O and adjusting the pH condition to pH 5.0 according to the pH conditions set for the saccharification reaction, and 50 g of pulverized eucalyptus powder for enzyme induction into a 5000 mL Erlenmeyer flask. These were shake-cultured at 30 ° C. for 5 days to prepare a culture solution in which enzymes such as cellulase and hemicellulase were induced.

この培養液1Lに、シラカバ由来キシラン100gを加え、設定反応温度に合わせて培養液の温度を調整して、pH4.0、50℃にて5日間攪拌しながら酵素糖化反応による糖化処理を実施して、キシロース63を含有する糖化液1000mlを調製した。糖化液の温度を30℃に戻し、これに更に、エタノール発酵用の栄養素として、酵母エキス2.5g/L、りん酸二アンモニウム0.25g/L、硫酸マグネシウム・7HO0.025g/L、pH5.0の10倍濃度液を、糖化液量の10%(本例では100ml)容量加え、更に、キシロース資化性能を有する酵母ピシア・スチピチス(Pichia stipitis)種菌液を100mL加え、30℃で通気攪拌しながら好気的条件にて72時間培養し、培養液中に12gのエタノールを得た。 100 g of birch-derived xylan is added to 1 L of this culture solution, the temperature of the culture solution is adjusted according to the set reaction temperature, and saccharification treatment is performed by enzymatic saccharification while stirring at pH 4.0 and 50 ° C. for 5 days. Thus, 1000 ml of a saccharified solution containing xylose 63 was prepared. The temperature of the saccharified solution is returned to 30 ° C., and further, as nutrients for ethanol fermentation, yeast extract 2.5 g / L, diammonium phosphate 0.25 g / L, magnesium sulfate · 7H 2 O 0.025 g / L, A 10% concentration solution of pH 5.0 was added in a volume of 10% of the amount of saccharified solution (100 ml in this example), and 100 mL of a yeast Pichia stipitis seedling solution having xylose-assimilating performance was added at 30 ° C. The cells were cultured for 72 hours under aerobic conditions with aeration and agitation, and 12 g of ethanol was obtained in the culture solution.

本実施例では、糖化酵素を産生する微生物としてKIF77株を使用し、酵素誘導生産用の栄養源として、ポリペプトン 15g/L、酵母エキス1g/L、硝酸ナトリウム5g/L、りん酸2水素カリウム10g/L、硫酸マグネシウム・7HO1g/L、硫酸第一鉄・7HO0.01g/L、硫酸亜鉛・7HO0.01g/L、硫酸マンガン・5HO0.01g/L、硫酸銅・5HO0.01g/Lを含み、pH条件を糖化反応の設定pH条件に合わせてpH5.0に調整した培地500mLと、酵素誘導用として、微粉砕処理サトウキビバガス粉末25gを5000mL容三角フラスコに分注し、これらを30℃にて5日間振とう培養し、セルラーゼ、ヘミセルラーゼ等の酵素が誘導された培養液を調製した。 In this example, KIF77 strain is used as a microorganism that produces saccharifying enzyme, and polypeptone 15 g / L, yeast extract 1 g / L, sodium nitrate 5 g / L, potassium dihydrogen phosphate 10 g as nutrient sources for enzyme-induced production. / L, magnesium sulfate · 7H 2 O1g / L, ferrous · 7H 2 O0.01g / L sulfuric acid, zinc sulfate · 7H 2 O0.01g / L, manganese sulfate · 5H 2 O0.01g / L, copper sulfate, 500 mL of medium containing 0.01 g / L of 5H 2 O and adjusted to pH 5.0 according to the pH conditions set for the saccharification reaction, and 25 g of pulverized sugarcane bagasse powder for enzyme induction in a 5000 mL Erlenmeyer flask These were dispensed and cultured with shaking at 30 ° C. for 5 days to prepare a culture solution in which enzymes such as cellulase and hemicellulase were induced.

この培養液500mLに、微粉砕処理サトウキビバガス粉末100gを加え、設定反応温度に合わせて培養液の温度を調整して、pH5.0、50℃にて4日間攪拌しながら酵素糖化反応による糖化処理を実施して、グルコース32g、及びキシロース14gを含有する糖化液500mLを調製した。糖化液の温度を30℃に戻し、これに更に、エタノール発酵用の栄養素として、酵母エキス2.5g/L、りん酸二アンモニウム0.25g/L、硫酸マグネシウム・7HO0.025g/L、pH5.0の10倍濃度液を50mL加え、更に、グルコース資化性能を有する酵母サッカロミセス・セレビシエ(Saccharomyces cerevisiae)種菌液を50mL加えて、嫌気的条件にて24時間培養し、エタノール30gを含む発酵液600mLを得た。 To 500 mL of this culture solution, 100 g of finely pulverized sugarcane bagasse powder is added, the temperature of the culture solution is adjusted according to the set reaction temperature, and the saccharification treatment is performed by enzymatic saccharification while stirring at pH 5.0 and 50 ° C. for 4 days. The saccharified solution 500 mL containing 32 g of glucose and 14 g of xylose was prepared. The temperature of the saccharified solution is returned to 30 ° C., and further, as nutrients for ethanol fermentation, yeast extract 2.5 g / L, diammonium phosphate 0.25 g / L, magnesium sulfate · 7H 2 O 0.025 g / L, Add 50 mL of a 10-fold concentration solution of pH 5.0, and further add 50 mL of a yeast Saccharomyces cerevisiae seed solution having glucose assimilation performance, culture for 24 hours under anaerobic conditions, and fermentation containing 30 g of ethanol 600 mL of liquid was obtained.

以上詳述したように、本発明は、バイオマスからのエタノールの製造方法に係るものであり、本発明により、バイオマスから同時的培養、糖化及び発酵、即ち、培養、糖化及びアルコール発酵プロセスの一部又は全部を同一槽で行う方式により、高い効率で、低コストで、しかも、低環境負荷型のプロセスで、エタノールを生産することが可能なリグノセルロース系バイオマスの新しいエタノール変換技術を提供することができる。また、本発明により、リグノセルロース系バイオマスのエタノール変換プロセスにおいて、糖化酵素産生微生物の培養プロセス、糖化プロセス及び糖化液のアルコール発酵プロセスの一部又は全部を同一槽で行い、上記同時培養、糖化及び発酵を実現可能にする糸状菌を用いた新しい糖化プロセスを提供することができる。   As described above in detail, the present invention relates to a method for producing ethanol from biomass, and according to the present invention, simultaneous culturing, saccharification and fermentation from biomass, that is, part of the culturing, saccharification and alcohol fermentation processes. Alternatively, a new ethanol conversion technology for lignocellulosic biomass capable of producing ethanol with a high efficiency, low cost, and low environmental load process by providing all in the same tank. it can. Further, according to the present invention, in the ethanol conversion process of lignocellulosic biomass, part or all of the saccharifying enzyme-producing microorganism culture process, saccharification process and saccharified liquid alcohol fermentation process are performed in the same tank, A new saccharification process using filamentous fungi that makes fermentation feasible can be provided.

本発明のエタノール発酵プロセスを示す。2 shows the ethanol fermentation process of the present invention.

Claims (8)

リグノセルロース系バイオマスを原料として、糖化酵素を産生する微生物の培養、糖化及び発酵プロセスの一部又は全部を同一槽で行ってエタノールを製造する方法であって、(1)リグノセルロース系バイオマスを微粉砕処理して微粉末を調製する、(2)糖化酵素を産生する微生物を、セルロース、ヘミセルロース、あるいは糖類を炭素源とする液体培地で培養する、(3)それにより、糖化酵素を誘導・分泌生産させ、糖化酵素を含有する培養液を調製する、(4)得られた培養液を同一槽で、糖化酵素の設定反応条件に合わせて温度調整を行う、(5)当該培養液を用いて設定反応条件で糖化処理を実施する、(6)得られた糖化液に酵母菌を加えてアルコール発酵を実施することによりエタノールに変換する、ことを特徴とするエタノールの製造方法。   A method for producing ethanol by using a lignocellulosic biomass as a raw material and carrying out part or all of the cultivation, saccharification and fermentation processes of microorganisms producing saccharifying enzymes in the same tank. Fine powder is prepared by pulverization. (2) Microorganisms producing saccharifying enzymes are cultured in a liquid medium containing cellulose, hemicellulose, or saccharide as a carbon source. (3) Inducing and secreting saccharifying enzymes Producing a culture solution containing saccharifying enzyme, (4) adjusting the temperature of the obtained culture solution in the same tank according to the set reaction conditions of saccharifying enzyme, (5) using the culture solution The saccharification treatment is carried out under set reaction conditions. (6) The yeast is added to the obtained saccharified solution and subjected to alcoholic fermentation to convert to ethanol. Manufacturing method of Nord. 糖化酵素を産生する微生物を、セルロース、ヘミセルロース、あるいは糖類を炭素源とする液体培地で培養して、糖化酵素を誘導・分泌生産しうる誘導物質を炭素源とする液体培地で、20℃〜40℃で糖化酵素の設定pH条件に整合させて酵素誘導培養する、請求項1記載のエタノールの製造方法。   A microorganism producing a saccharifying enzyme is cultured in a liquid medium using cellulose, hemicellulose, or saccharide as a carbon source, and a liquid medium using an inducer capable of inducing / secreting saccharifying enzyme as a carbon source, at 20 ° C. to 40 ° C. The method for producing ethanol according to claim 1, wherein the enzyme-induced culture is performed at a temperature matching a set pH condition of the saccharifying enzyme. 糖化酵素の設定反応条件に合わせて、反応温度を40〜60℃の範囲に調整する、請求項1記載のエタノールの製造方法。   The manufacturing method of ethanol of Claim 1 which adjusts reaction temperature to the range of 40-60 degreeC according to the setting reaction conditions of a saccharifying enzyme. 上記糖化処理の残渣を回収し、燃料及び/又は肥料として再利用する、請求項1記載のエタノールの製造方法。   The method for producing ethanol according to claim 1, wherein the residue of the saccharification treatment is collected and reused as fuel and / or fertilizer. リグノセルロース系バイオマス原料を、200ミクロン以下に微粉砕する、請求項1記載のエタノールの製造方法。   The method for producing ethanol according to claim 1, wherein the lignocellulosic biomass raw material is finely pulverized to 200 microns or less. 上記微粉砕によって得られた原料微粉末中のセルロースの見かけ上の結晶化度が、10%以下である、請求項5記載のエタノールの製造方法。   The method for producing ethanol according to claim 5, wherein an apparent crystallinity of cellulose in the raw fine powder obtained by the fine pulverization is 10% or less. セルロース分解酵素を産生する糸状菌を培養して糖化酵素を含む培養液を調製する、請求項1記載のエタノールの製造方法。   The method for producing ethanol according to claim 1, wherein a culture solution containing a saccharifying enzyme is prepared by culturing a filamentous fungus that produces a cellulolytic enzyme. 糖化酵素を産生する微生物として、トリコデルマ属、又はアスペルギルス属類縁菌を使用する、請求項1に記載のエタノールの製造方法。   The method for producing ethanol according to claim 1, wherein Trichoderma spp. Or Aspergillus spp. Is used as a microorganism that produces a saccharifying enzyme.
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