JP2008104404A - 糖化液製造方法及びエタノールの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
本発明の課題は、リグノセルロース資源中に含まれる精油及び親水性成分を流出させて、リグノセルロース資源中のセルロースと酵素とをより多く接触させることで、効率的に糖化液、エタノールを生成させる方法を提供することにある。
【解決手段】
本発明は、水蒸気蒸留によって、セルロースの糖化を阻害するおそれのある精油及び親水性成分をリグノセルロース資源から流出させる。そして、粉砕では、セルロースの結晶性が低下するため、リグノセルロース資源の粉砕によって木質成分のネットワーク構造を破壊してミクロフィブリルの一部を露出させ、セルロースの結晶性をも破壊する。したがって、セルロースの酵素糖化反応が促進され、より効率的に糖化液を生成させることができる。そして、生成した糖化液を醗酵させることで、より効率的にエタノールを生成させることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、リグノセルロース資源から種々の工業原料として有用な糖類を含む糖化液を製造する方法に関する。また、本発明は、生成した糖化液を醗酵させることで、二酸化炭素の排出削減に直結するガソリンの添加剤として極めて重要な低級アルコール燃料として認知されているエタノールをリグノセルロース資源から製造する方法に関するものである。

リグノセルロース資源は、主としてセルロース、ヘミセルロース及びリグニンから構成されている。リグノセルロース資源中のセルロースやヘミセルロースから糖類を生成させるには、酸や酵素によってセルロースやヘミセルロースを加水分解する方法が知られている。

リグノセルロース資源中のセルロースを酵素によって糖化する場合、セルロースの糖化反応を阻害するリグニンをセルロースから引き離す必要があり、セルロースの糖化処理に先立って脱リグニン処理を行う必要がある。

その一例として、廃木材等を微粉化し、微粉化した廃木材等を触媒量のタングステン酸ナトリウムを添加した過酸化水素水で加熱処理する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。これは、過酸化水素水と触媒量のタングステン酸ナトリウムとにより生成する金属過酸化物中間体を、木材中のリグニンと優先的に反応させ、リグニンを酸化解裂させて脱リグニンする方法である。

このほか、リグノセルロース資源に蒸煮処理、薬剤処理、粉砕処理又は爆砕処理を施した後、高圧熱水により加水分解する方法や、酵素糖化反応により糖類を製造する方法が提案されている。

特開２００６−１４９３４３号公報

セルロースは、通常繊維状のものが集合して結晶化しやすい構造を形成し、さらにこの結晶化した構造のものが集まってミクロフィブリルを形成している。そして、その周囲や隙間にはヘミセルロースやリグニンが堆積して細胞壁を形成している。酵素を使ってセルロースを糖化するためには、このセルロース、ヘミセルロース及びリグニンからなるネットワーク構造を破壊し、特にリグニンを引き離して、セルロースを酵素に多く接触させる必要がある。

ところで、酵素によるセルロースの糖化の阻害因子はリグニンだけではない。セルロースの糖化によって生成する糖類の原料となるリグノセルロース資源には、精油及び親水性成分が含まれている。また、環境中に放置されたリグノセルロース資源では、土やその他の汚れといった不純物が存在する。これらがセルロースの酵素糖化反応を阻害するおそれがある。このような種々の要因によりセルロースの糖化効率が低下してしまう。

特許文献１の方法では、リグノセルロース資源中のリグニンを優先的に分解することができるが、リグノセルロース資源中に含まれる精油及び親水性成分を取り除くことができない。酵素によるセルロースの糖化効率は不十分であるといえる。また、その他の蒸煮処理、薬剤処理、粉砕処理又は爆砕処理を施したリグノセルロース資源を使用する場合であっても、同様に、精油及び親水性成分を十分に取り除くことができない。すなわち、従来の方法では、セルロースを効率的に糖化することができず、さらには、この糖化液を醗酵させることによって生成するエタノールも効率的に製造することができなくなってしまう。

そこで、本発明者らは、リグノセルロース資源中のセルロースをより効率的に糖化させて糖化液を製造する方法について鋭意研究を進め、本発明をなすに至った。本発明は、リグノセルロース資源中に含まれる精油及び親水性成分を流出させて、リグノセルロース資源中のセルロースと酵素とをより多く接触させることで、より効率的に糖化液を生成させる方法を提供することを目的とする。また、生成した糖化液を醗酵させることで、エタノールを効率的に生成させる方法を提供することを目的とする。

本発明の糖化液製造方法は、リグノセルロース資源中の精油及び親水性成分を含む流出成分を水蒸気蒸留によって流出させる水蒸気蒸留工程と、リグノセルロース資源を粉砕する粉砕工程と、前記水蒸気蒸留工程での水蒸気蒸留、及び、前記粉砕工程での粉砕を行った前記リグノセルロース資源を液体媒体に混合する混合工程と、前記混合工程で前記液体媒体に混合させた前記リグノセルロース資源に対して酵素を使用し、酵素糖化反応によって糖化液を生成させる糖化工程とを有することを特徴とする。

本発明の糖化液製造方法によれば、水蒸気蒸留によって、酵素によるセルロースの糖化反応を阻害するおそれのある精油及び親水性成分を流出成分としてリグノセルロース資源から流出させることができる。そして、粉砕では、セルロースの結晶性が低下するため、リグノセルロース資源の粉砕によって木質成分のネットワーク構造を破壊することでミクロフィブリルの一部を露出させるとともに、セルロースの結晶性をも破壊することができる。したがって、セルロースの酵素糖化反応が促進され、より効率的に糖化液を生成させることができる。

また、本発明のエタノール製造方法は、リグノセルロース資源中の精油及び親水性成分を含む流出成分を水蒸気蒸留によって流出させる水蒸気蒸留工程と、リグノセルロース資源を粉砕する粉砕工程と、前記水蒸気蒸留工程での水蒸気蒸留、及び、前記粉砕工程での粉砕を行った前記リグノセルロース資源を液体媒体に混合する混合工程と、前記混合工程で前記液体媒体に混合させた前記リグノセルロース資源に対して酵素を使用し、酵素糖化反応によって糖化液を生成させる糖化工程と、前記糖化工程で生成した前記糖化液を醗酵させて、エタノールを生成させる醗酵工程とを有することを特徴とする。

本発明のエタノール製造方法によれば、リグノセルロース資源に対して水蒸気蒸留及び粉砕を行うことで、より効率的にセルロースを糖化されて生成した糖化液を醗酵させることで、エタノールがより効率的に生成させることができる。

本発明は、水蒸気蒸留によって、酵素によるセルロースの糖化反応を阻害するおそれのある精油及び親水性成分を流出成分としてリグノセルロース資源から流出させることができる。そして、粉砕では、セルロースの結晶性が低下するため、リグノセルロース資源の粉砕によって木質成分のネットワーク構造を破壊することでミクロフィブリルの一部を露出させるとともに、セルロースの結晶性をも破壊することができる。したがって、セルロースの酵素糖化反応が促進され、より効率的に糖化液を生成させることができる。そして、生成した糖化液を醗酵させることで、より効率的にエタノールを生成させることができる。

以下、本発明について詳細に説明する。なお、本発明においては、以下の記述に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。

［実施の形態１］
実施の形態１で説明する本発明の糖化液製造方法は、図１のように、原料となるリグノセルロース資源に対して水蒸気蒸留工程１０と、粉砕工程２０と、混合工程３０と、糖化工程４０との４工程が行われる。

本発明の糖化液製造方法に使用される原料としては、リグノセルロース資源を用いるが、リグノセルロース資源とは、化石燃料を除いた生物由来の有機資源のうち、リグノセルロースを主成分とする資源を意味する。本発明に用いられるリグノセルロース資源の代表的なものとしては、ブナ、ユーカリ、米松、ヒノキ、スギ等の木材や、竹、笹等の竹類等が挙げられるが、本発明はこれだけに限られるものではなく、リグノセルロースを有する材料、例えばイナワラ、ムギワラ、バガス、パルプ等や、これらから生じる古紙等の廃棄物等が挙げられる。

水蒸気蒸留工程１０は、所定の大きさとしたリグノセルロース資源を水蒸気蒸留し、リグノセルロース資源中に含まれる精油及び親水性成分を流出成分として流出させる工程である。

この水蒸気蒸留工程１０に使用されるリグノセルロース資源の大きさとしては、水蒸気蒸留を行うことができればどのような大きさであってもよい。また、水蒸気蒸留工程１０を行う前に、粉砕工程２０を行ってもよい。これにより、大きさが均一で、小さなリグノセルロース資源に対して水蒸気蒸留を行うことができるため、精油と親水性成分との流出効率を向上させることができる。

リグノセルロース資源には、その細胞中に、水に不溶な親油性の精油と水に可溶な親水性成分とが含まれている。精油は、油状から半固体状で得られる揮発性物質である。一方、親水性成分は、リグノセルロース資源中に含まれる有機酸類や糖類などの物質である。

この水蒸気蒸留工程１０では、精油や沸点の低い親水性成分が蒸気とともに流出し、沸点の高い親水性成分が蒸気中の水滴に溶解して発生する加熱水蒸気とともに系外に流出する。この水蒸気蒸留によって発生する加熱水蒸気により、リグノセルロース資源から精油と親水性成分を流出させることができる。また、精油と親水性成分をリグノセルロース資源から流出させることで、セルロースの露出面の面積が増加し、セルロースが酵素と接触しやすくなる。したがって、より効率的に糖化することができる。

また、この水蒸気蒸留工程１０は、土やその他の汚れといった不純物が付着したリグノセルロース資源であっても、その不純物を洗い流すことができる。糖化工程４０のために、酵素糖化反応を阻害するような不純物を取り除くような前処理を行う必要がなくなる。

粉砕工程２０は、リグノセルロース資源を所定の大きさとなるように機械的に粉砕し、リグノセルロース資源中のセルロースを微粉化して、メカノケミカル的に活性化して、酵素糖化反応を容易に受けやすくする工程である。

この粉砕工程２０では、リグノセルロース資源を２０μｍ〜１００μｍのサイズに粉砕するのが好ましい。この粉砕工程２０でのリグノセルロース資源の粉砕は、振動ボールミル、回転ボールミル、遊星型ボールミル、ロールミル、ディスクミル、高速回転羽根型ミキサー、ホモミキサー等を用いて行うことができる。

この粉砕工程２０で所定の大きさにまでリグノセルロース資源を粉砕することによって、リグノセルロース資源を構成するセルロース、ヘミセルロース及びリグニンからなるネットワーク構造を破壊する。そして、セルロースから特にリグニンを引き離して、セルロースが結晶化したものによって形成されるミクロフィブリルの一部を露出させることができる。これにより、糖化工程４０において、セルロースが酵素と接触しやすくなり、酵素糖化反応を容易に受けやすくなる。

また、このように、水蒸気蒸留工程１０と粉砕工程２０とを行うことにより、リグノセルロース資源を構成するミクロフィブリルの一部を露出させるとともに、ミクロフィブリル同士の間隔が広がりやすくなり、酵素がよりセルロースと接触しやすい状態となる。そのため、より効率的に糖化液を生成させることができる。

混合工程３０は、水蒸気蒸留工程１０及び粉砕工程２０を行ったリグノセルロース資源を液体媒体と混合する工程である。このとき、糖化工程４０での酵素糖化反応のために、酵素の至適ｐＨの範囲内となるように、リグノセルロース資源と液体媒体との混合液のｐＨが調整される。

この混合工程３０で液体媒体に混合されるリグノセルロース資源の量は４０％以下であることが好ましい。リグノセルロース資源の量が例えば５０％以上となると、粉末状のリグノセルロース資源が湿り気を帯びるだけで混合液とならない。したがって、この状態で酵素を投入しても円滑に酵素糖化反応が進行しない。

この混合工程３０で使用される液体媒体としては、酵素糖化反応を阻害しないものであれば特限定されるものではない。例えば水やｐＨ緩衝溶液等が挙げられる。例えば、液体媒体としてｐＨ緩衝溶液を使用する場合、酵素糖化反応に使用する酵素の至適ｐＨに合わせたｐＨ緩衝溶液を選択し、リグノセルロース資源と混合する。これにより、糖化工程４０で、酵素の至適ｐＨの範囲内から外れ難くなり、円滑に酵素糖化反応を行うことができる。

また、例えば、液体媒体として水を使用する場合、リグノセルロース資源と混合した後、その混合液に酸又はアルカリを投入して、酵素の至適ｐＨの範囲内になるようにｐＨを調整する。本発明では、水蒸気蒸留工程１０により、リグノセルロース資源から流出成分を流出させているため、酵素糖化反応中に系中に流出して混合液のｐＨを変化させるような有機酸等の量が少なくなっている。そのため、少量の酸又はアルカリで混合液中のｐＨを至適ｐＨの範囲内に調製することができる。また、リグノセルロース資源から有機酸が流出する量が少ないため、酵素糖化反応中に至適ｐＨの範囲から外れ難くなり、円滑に反応が進行する。

本発明の糖化液製造方法は、この混合工程３０の前に、リグノセルロース資源に対して水蒸気蒸留が行われる。この水蒸気蒸留は、リグノセルロース資源から精油及び親水性成分等の流出成分を流出させる。この流出成分には、リグノセルロース資源に含まれる有機酸等が含まれている。例えば水蒸気蒸留を行わないリグノセルロース資源を使用して、酵素糖化反応を行うと、反応系中に有機酸等が流出するため、酵素の至適ｐＨの範囲から外れてしまう可能性が高くなる。そのために、大量のｐＨ緩衝溶液やアルカリ等を投入する必要がある。一方、本発明では、有機酸等の量が少ないため、酵素糖化反応の前、及び、反応中における混合液のｐＨの調整が容易となる。

糖化工程４０は、混合工程３０でリグノセルロース資源と液体媒体とを混合した混合液に酵素を投入し、酵素糖化反応により糖化液を精製させる工程である。酵素を投入することで、混合液中のセルロースが加水分解し、セロビオースやグルコースが生成する。この糖化工程４０は、回分式でも、固定化酵素を含むバイオリアクターを用いた連続式で行ってもよい。この酵素糖化反応に使用される酵素は、セルロースを加水分解することができる酵素であれば特に限定するものではなく、例えばセルラーゼを使用することができる。また、エキソ型のセルラーゼでも、エンド型のセルラーゼでもよく、これらを組み合わせて使用してもよい。

セルラーゼを使用して、セルロースの加水分解を行う場合、通常のセルロースをグルコースに分解する方法において用いられている条件下で行うことができる。このセルラーゼの性質は、それを生産する微生物の種類によって若干異なるが、至適ｐＨ範囲は、３．５〜５．５、至適温度範囲は、４５〜５５℃である。そのため、糖化工程４０で、セルラーゼを使用する場合、前工程の混合工程３０で混合液のｐＨを３．５〜５．５となるように調整する。また、この糖化工程４０では、酵素糖化反応を円滑に進めるために、酵素の至適ｐＨ及び至適温度の範囲内となるように、反応系中のｐＨ及び温度を調整する。

実施の形態１で説明する本発明の糖化液製造方法は、図１のように、まず、原料となるリグノセルロース資源を水蒸気蒸留し（水蒸気蒸留工程１０）、リグノセルロース資源中の流出成分を流出させる。そして、リグノセルロース資源を粉砕する（粉砕工程２０）。

そして、粉砕したリグノセルロース資源を、洗浄等の処理を行わずに水等の液体媒体と混合させ（混合工程３０）、酵素の指摘ｐＨの範囲内となるように混合液のｐＨを調整する。本発明では、水蒸気蒸留によって、リグノセルロース資源に付着した不純物が除去されており、液体媒体と混合する前に不純物を取り除くような洗浄を行う必要がない。そのため、より簡便に糖化液を生成させることができる。

リグノセルロース資源と液体媒体とを混合させた混合液にセルラーゼ等の酵素を投入し、酵素の至適温度及び至適ｐＨの範囲に保つように制御され、セルロースを加水分解し、糖化液を生成させる（糖化工程４０）。

このように、本発明の糖化液製造方法は、酵素を使用して糖化反応を行う前に、水蒸気蒸留と粉砕とを行うことで、リグノセルロース資源のセルロースが酵素と接触しやすくなり、円滑にセルロースの加水分解が進行し、効率的に糖化液を生成させることができる。

実施の形態１で説明する糖化液製造方法は、図１のように、水蒸気蒸留工程１０の後に、粉砕工程２０を行うが、この粉砕工程２０の後に水蒸気蒸留工程を行ってもよい。水蒸気蒸留工程１０を先に行う場合、リグノセルロース資源の精油及び親水性成分が流出するため、リグノセルロース資源を短時間で乾燥させることができ、粉砕工程２０を円滑に行うことができる。

一方、粉砕工程２０を先に行う場合、リグノセルロース資源を上述の大きさに粉砕することで、リグノセルロース資源の表面積が大きくなり、水蒸気蒸留工程１０で、リグノセルロース資源の精油及び親水性成分を流出させやすくなる。

またさらに、この水蒸気蒸留工程１０及び粉砕工程２０は、交互に複数回行ってもよい。これにより、流出成分をより多く流出させることができるとともに、より多くのセルロースを露出させることができる。したがって、より効率的に酵素糖化反応を進行させ、効率的に糖化液を生成させることができる。

［実施の形態２］
上述の実施の形態１では、糖化液の製造方法について説明したが、効率的に生成した糖化液を醗酵させることで、効率的にエタノールを生成させることができる。実施の形態２では、このエタノールの製造方法について説明する。

実施の形態２で説明するエタノールの製造方法は、図２のように、原料となるリグノセルロース資源に対して水蒸気蒸留工程１０と、粉砕工程２０と、混合工程３０と、糖化工程４０と、醗酵工程５０の５工程が行われる。このうち、醗酵工程５０を除く４工程は、実施の形態１と同様であるため、説明を省略する。

醗酵工程５０は、酵母を糖化工程４０で生成した糖化液に投入し、糖化液中のグルコースを醗酵させて、エタノールを生成させる工程である。この醗酵に使用される酵母は、糖化液中のグルコースからエタノールを生成させる酵母であれば特に限定するものではなく、例えばパン酵母等を使用することができる。また、一種類の酵母を単独で使用してもよいが、複数種類の酵母を組み合わせて使用してもよい。醗酵の温度も、使用する酵母に応じて適宜変更される。

この発酵工程５０では、糖化工程４０で生成した糖化液に酵母を投入して、醗酵を行ってもよい。すなわち、糖化工程４０で生成した糖化液は、抽出、濃縮、精製等を行う必要がなく、そのまま発酵工程５０に用いることができる。これにより、より簡便にエタノールを生成させることができる。

このように、リグノセルロース資源に対して水蒸気蒸留及び粉砕を行うことで、より効率的にセルロースを糖化させることができる。そして、この生成した糖化液を醗酵させることで、エタノールがより効率的に生成させることができる。

本発明の糖化液製造方法で生成した糖化液は、実施の形態２で説明したように、エタノールの原料として用いられるだけではなく、グルコース等を抽出して糖として使用することも可能である。また、糖化液を培地として使用することも可能である。

実施の形態１で説明する本発明の糖化液製造方法の一例の工程図である。 実施の形態２で説明する本発明のエタノール製造方法の一例の工程図である。

符号の説明

１０ 水蒸気蒸留工程
２０ 粉砕工程
３０ 混合工程
４０ 糖化工程
５０ 醗酵工程

Claims (7)

1. リグノセルロース資源中の精油及び親水性成分を含む流出成分を水蒸気蒸留によって流出させる水蒸気蒸留工程と、
   リグノセルロース資源を粉砕する粉砕工程と、
   前記水蒸気蒸留工程での水蒸気蒸留、及び、前記粉砕工程での粉砕を行った前記リグノセルロース資源を液体媒体に混合する混合工程と、
   前記混合工程で前記液体媒体に混合させた前記リグノセルロース資源に対して酵素を使用し、酵素糖化反応によって糖化液を生成させる糖化工程とを有することを特徴とする糖化液製造方法。
2. 前記粉砕工程は、前記水蒸気蒸留工程前のリグノセルロース資源、又は、前記水蒸気蒸留工程後のリグノセルロース資源を粉砕することを特徴とする請求項１に記載の糖化液製造方法。
3. 前記水蒸気蒸留工程、及び、前記粉砕工程は、交互に複数回行われることを特徴とする請求項１に記載の糖化液製造方法。
4. 前記混合工程は、前記水蒸気蒸留工程での流出成分の流出、及び、前記粉砕工程での粉砕を行った前記リグノセルロース資源が４０％以下となるように、前記液体媒体に混合することを特徴とする糖化液製造方法。
5. 前記混合工程は、前記水蒸気蒸留工程での水蒸気蒸留、及び、前記粉砕工程での粉砕を行った前記リグノセルロース資源をそのまま前記液体媒体と混合することを特徴とする請求項１に記載の糖化液製造方法。
6. リグノセルロース資源中の精油及び親水性成分を含む流出成分を水蒸気蒸留によって流出させる水蒸気蒸留工程と、
   リグノセルロース資源を粉砕する粉砕工程と、
   前記水蒸気蒸留工程での水蒸気蒸留、及び、前記粉砕工程での粉砕を行った前記リグノセルロース資源を液体媒体に混合する混合工程と、
   前記混合工程で前記液体媒体に混合させた前記リグノセルロース資源に対して酵素を使用し、酵素糖化反応によって糖化液を生成させる糖化工程と、
   前記糖化工程で生成した前記糖化液を醗酵させて、エタノールを生成させる醗酵工程とを有することを特徴とするエタノールの製造方法。
7. 前記醗酵工程は、前記糖化工程によって生成した糖化液に酵母を投入して、醗酵によってエタノールを生成させることを特徴とする請求項６に記載のエタノールの製造方法。