JP2009189291A - Saccharifying method for cellulose-containing biomass - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for efficiently depolymerizing a biomass composed of a plurality of carbohydrates containing cellulose to monosaccharides such as glucose and xylose as far as possible while suppressing excessive decomposition, thereby solving problems of conventional saccharification techniques. <P>SOLUTION: Provided is a method for saccharifying a biomass containing cellulose and other polysaccharides by using a series of processes comprising the addition of an aqueous solution of sulfuric acid having a sulfuric acid concentration of &ge;0.1 wt.% and &le;5 wt.% to the biomass, the hydrolysis of the biomass for 1 min to 3 hr at &ge;80&deg;C and &le;150&deg;C, the separation of the hydrolysis product into a solid and a liquid, and the enzymatic hydrolysis of the liquid fraction containing isolated oligosaccharides by contacting the fraction with an immobilized enzyme after adjusting the pH of the fraction. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&amp;INPIT

Description

本発明は、セルロースを含み、複数種類の糖質から構成されるバイオマスの総合的な糖化技術に関連するものである。本明細書における「糖化」とは、多糖やオリゴ糖などを可能な限り、グルコース、キシロース等の単糖にまで低分子化する工程を示し、製品としてのオリゴ糖の取得を目的として、適度に低分子化することを目的とした「部分加水分解」工程を示すものではない。
本発明は、バイオマス原料を、過分解を抑えた穏和な条件で希硫酸加水分解した後に、硫酸可溶性オリゴ糖を含む硫酸水溶液可溶性画分と、結晶性セルロースを含む不溶性画分に分離することを特徴とする。前者は、pH調整後に酵素固定化物に接触させることによりさらに糖化し、後者は濃硫酸処理後の希硫酸加水分解を含む工程により糖化する。
The present invention relates to a comprehensive saccharification technology for biomass containing cellulose and composed of a plurality of types of sugars. “Saccharification” in the present specification refers to a process of reducing the molecular weight of polysaccharides and oligosaccharides to monosaccharides such as glucose and xylose as much as possible. For the purpose of obtaining oligosaccharides as products, It does not indicate a “partial hydrolysis” step intended to reduce the molecular weight.
The present invention is to separate a biomass raw material into a sulfuric acid aqueous solution-soluble fraction containing sulfuric acid-soluble oligosaccharides and an insoluble fraction containing crystalline cellulose after dilute sulfuric acid hydrolysis under mild conditions with suppressed excessive decomposition. Features. The former is further saccharified by contacting the enzyme-immobilized product after pH adjustment, and the latter is saccharified by a process including hydrolysis of dilute sulfuric acid after concentrated sulfuric acid treatment.

バイオ燃料への世界的ニーズの高まりに対応して、糖質系バイオマス由来のバイオエタノール製造技術開発競争が世界的規模で繰り広げられている。特に、食料資源と競合しないリグノセルロース系バイオマスの利用技術開発が、欧米のみならず我が国においても最も重要なブレイクスルーとなりうると考えられている。
また、バイオマス原料を単糖に変換することにより、石油化学原料に代わる化学原料を製造するための、いわゆるバイオリファイナリ技術を開発する際には、原料に含まれる多様な糖質資源を単糖として回収する工程が重要である。でん粉系原料をエタノールに変換する場合は、コスト、エネルギー効率およびLCA評価においても実用性が高いという評価を受けているが、リグノセルロース原料を用いた場合には研究開発の余地が大きいのが現状である。
In response to the growing global needs for biofuels, competition for the development of bioethanol production technology derived from carbohydrate-based biomass is taking place on a global scale. In particular, it is considered that the development of utilization technology of lignocellulosic biomass that does not compete with food resources can be the most important breakthrough not only in Europe and the United States but also in Japan.
In addition, when developing so-called biorefinery technology for producing chemical raw materials instead of petrochemical raw materials by converting biomass raw materials into monosaccharides, various carbohydrate resources contained in the raw materials are used as monosaccharides. The recovery process is important. When converting starch-based raw materials to ethanol, it has been evaluated that it is highly practical in terms of cost, energy efficiency, and LCA evaluation. However, there is much room for research and development when using lignocellulose raw materials. It is.

また、馬鈴薯、甘藷、トウモロコシ、稲、ムギ、キャッサバ、サゴ等をホールプラントとして利用したり、砂糖やでん粉の大部分を簡単な工程で除き、残った部分をまとめて糖化したりする際には、砂糖やでん粉と繊維質を両方含む混合物からの簡単な糖化法の開発が求められる。
さらに、農産廃棄物や一次加工廃棄物等の原料を確保する段階で季節性が高いことが問題となり、工場の稼働日数が制限され、雇用の確保が不安定化することが懸念されている。特定の原料に拘らず、選定残渣や雑草、食品廃棄物等の原料が混入して材料がヘテロになった場合においても、安定的に周年稼働する糖化システムの開発が望まれている。
Also, when using potatoes, sweet potatoes, corn, rice, wheat, cassava, sago, etc. as a whole plant, or removing most of the sugar and starch in a simple process and saccharifying the remaining parts together Development of a simple saccharification method from a mixture containing both sugar and starch and fiber is required.
Furthermore, high seasonality is a problem at the stage of securing raw materials such as agricultural waste and primary processing waste, and there is a concern that the number of working days of the factory will be limited and the securing of employment will become unstable. Regardless of specific raw materials, there is a demand for the development of a saccharification system that operates stably throughout the year even when raw materials such as selected residues, weeds, and food waste are mixed to make the material heterogeneous.

リグノセルロース原料の糖化技術としては、濃硫酸法、希硫酸二段階法、塩酸法などの酸糖化技術や、希硫酸爆砕法、中性水加熱処理法、アルカリ処理法などの化学前処理−酵素糖化技術などが注目されている。   Saccharification technology of lignocellulose raw materials includes acid saccharification technology such as concentrated sulfuric acid method, dilute sulfuric acid two-step method, hydrochloric acid method, chemical pretreatment-enzyme such as dilute sulfuric acid explosion method, neutral water heat treatment method, alkali treatment method Saccharification technology has attracted attention.

特に、木質系バイオマス原料を用いて糖化を行う場合には、濃硫酸法または希硫酸二段階法が長く注目されてきた(非特許文献1参照)。   In particular, when saccharification is performed using a woody biomass raw material, a concentrated sulfuric acid method or a dilute sulfuric acid two-stage method has long attracted attention (see Non-Patent Document 1).

濃硫酸法は、セルロースを可溶化させる濃度の硫酸を原料に接触させたのち、全体を水で希釈し、その他の多糖も含めて単糖にまで希硫酸加水分解する方法である。
しかしながら、加水分解を受けやすいキシランなどの多糖を回収する際には、処理条件が過酷すぎることから過分解に注意が必要となる。フルフラールなどの過分解物は、エタノール発酵工程における阻害物質として知られており、その生成を抑えることが重要である。これまでに、予めヘミセルロースを回収するための前・前処理(希硫酸処理)が行われるような方法も考案されているが(鈴木宏之著「バイオマスの科学的転換利用とエンジニアリングアプローチ」、武田書店、H12年発行)、多様なヘミセルロース、ペクチン、でん粉等の多糖を含む単数または複数の原料を用いる場合には、過分解を抑えつつ単糖の収率を最大にするよう原料組成別に処理条件を最適化する必要が生じる。また、濃硫酸処理によってセルロースを可溶化した後には、硫酸濃度を下げて加水分解を行う必要があり、回収・再利用すべき硫酸の濃度が低くなり、その濃縮・再利用工程にエネルギーを消費するという欠点がある。さらに、糖液を分離回収した後には中和を行う必要がある。
The concentrated sulfuric acid method is a method in which sulfuric acid at a concentration solubilizing cellulose is brought into contact with a raw material, and then the whole is diluted with water and hydrolyzed with dilute sulfuric acid to monosaccharides including other polysaccharides.
However, when recovering polysaccharides such as xylan that are susceptible to hydrolysis, the treatment conditions are too harsh and caution is required for overdegradation. Hyperdegradation products such as furfural are known as inhibitors in the ethanol fermentation process, and it is important to suppress their production. So far, a method has been devised in which pre- and pre-treatment (dilute sulfuric acid treatment) for recovering hemicellulose has been devised (Hiroyuki Suzuki, “Scientific Conversion of Biomass and Engineering Approach”, Takeda Shoten) (Issued in 2012)) When using one or more raw materials containing polysaccharides such as various hemicelluloses, pectin, starch, etc., the processing conditions for each raw material composition should be set to maximize the yield of monosaccharides while suppressing excessive decomposition. Need to optimize. In addition, after solubilizing cellulose by concentrated sulfuric acid treatment, it is necessary to lower the concentration of sulfuric acid to perform hydrolysis, so that the concentration of sulfuric acid to be recovered and reused is low, and energy is consumed in the concentration and reuse process. There is a drawback of doing. Furthermore, it is necessary to neutralize after separating and recovering the sugar solution.

希硫酸二段階法は、加水分解を受けやすいヘミセルロースなどの多糖を先に分解し、その後に条件をきつくして、セルロースを加水分解するという方法である。
しかしながら、この方法では、一段階目での加水分解で単糖にまで加水分解することから、糖の種類によっては過分解が起こる可能性に注意をする必要がある。また、二段階目では、希硫酸加水分解の条件をやや強くして、セルロースからグルコースを製造しているが、反応条件が過酷であることから、過分解を抑制する段階で反応を停止する必要が生じ、セルロース由来のグルコース収率が低くなる。さらに、一段階目の希酸加水分解における糖化液と二段階目の希酸加水分解における糖化液は、別々に中和する必要があり、結果的に多量の薬液を使用することとなる。
The dilute sulfuric acid two-stage method is a method in which a polysaccharide such as hemicellulose that is susceptible to hydrolysis is first decomposed, and then the conditions are tightened to hydrolyze the cellulose.
However, in this method, it is necessary to pay attention to the possibility of hyperdegradation depending on the type of sugar because hydrolysis is performed to monosaccharide by hydrolysis in the first step. In the second stage, glucose is produced from cellulose by slightly strengthening the conditions for dilute sulfuric acid hydrolysis. However, since the reaction conditions are severe, it is necessary to stop the reaction at the stage where excessive decomposition is suppressed. And the yield of glucose derived from cellulose is lowered. Furthermore, the saccharified solution in the first stage dilute acid hydrolysis and the saccharified solution in the second stage dilute acid hydrolysis must be neutralized separately, resulting in the use of a large amount of chemical solution.

草本系バイオマスについては、セルロースが剥き出しになりやすいことから、酵素を用いた、希硫酸爆砕法、水蒸気爆砕処理法、アルカリ処理法などの前処理−酵素糖化技術などが注目されている。それぞれ、前処理後に固形物として生成する、セルロースの酵素糖化を主糖化工程と位置づけている。
しかしながら、加水分解を受けやすい細胞壁多糖、セルロースの非晶部分、絞りかす中の砂糖、でん粉の一部などは、処理工程において可溶化することとなり、その一部は過分解されてしまい、その効率的な回収が困難となる。酸性条件下における水蒸気爆砕法による前処理については、セルロースの酵素糖化効率を向上させるが、スケールアップ時の設備コストや硫酸による高圧処理装置の腐食が問題となるとともに、先に述べた過分解の問題が残る。コーンストーバを熱水前処理し、キシランを中心としたヘミセルロースの単糖への分解を行いつつ可溶化率を最大にして、過分解を抑えるという考え方は文献(非特許文献2参照)で発表されているが、pH調整が不要という熱水前処理を用いた利点を活かしたものであり、希硫酸処理法については、可溶化率を指標とした検討は行われていない。
Regarding herbaceous biomass, since cellulose tends to be exposed, pretreatment-enzymatic saccharification techniques such as dilute sulfuric acid explosion method, steam explosion method, and alkali treatment method using an enzyme have attracted attention. In each case, enzymatic saccharification of cellulose produced as a solid after pretreatment is positioned as the main saccharification step.
However, cell wall polysaccharides that are susceptible to hydrolysis, amorphous parts of cellulose, sugar in pomace, some starches, etc. are solubilized in the treatment process, and some of them are excessively decomposed and their efficiency Recovery becomes difficult. The pretreatment by steam explosion method under acidic conditions improves the enzymatic saccharification efficiency of cellulose, but the equipment cost at the time of scale-up and the corrosion of the high-pressure treatment equipment by sulfuric acid become problems, and The problem remains. The idea of pretreating corn stover with hot water and maximizing the solubilization rate while decomposing hemicellulose, mainly xylan, into monosaccharides, and suppressing excessive decomposition has been published in the literature (see Non-Patent Document 2). However, it takes advantage of the advantage of using the hot water pretreatment that pH adjustment is unnecessary, and the dilute sulfuric acid treatment method has not been studied using the solubilization rate as an index.

また、希酸前処理により可溶化糖質を回収し、これを基質として固定化酵素を用いて糖化を行い、酵素利用効率を向上させるという糖化方法については試みられていない。   In addition, no attempt has been made for a saccharification method in which a solubilized saccharide is recovered by a dilute acid pretreatment, and saccharification is performed using an immobilized enzyme using the saccharide as a substrate to improve enzyme utilization efficiency.

バイオマス中には、加水分解特性の異なる複数種類の糖質が存在していることが一般的である。多糖の特性に応じて単糖にまで加水分解する工程を最適化させるのは極めて困難であり、また、季節性をもつ草本系バイオマス原料を複数利用することを考慮する際には、原料の変化にも対応できる、汎用性の高いシステムを構築することが必要となる。
さらに、酵母が資化できるグルコース、ガラクトースなどの他に、細胞壁多糖の構成成分であるキシロース、アラビノース、ガラクツロン酸、ラムノースなども回収することにより、新たな変換技術の適用範囲を拡げることが可能となる。
In biomass, a plurality of types of carbohydrates having different hydrolysis characteristics are generally present. It is extremely difficult to optimize the process of hydrolysis to monosaccharides according to the characteristics of the polysaccharide, and when considering the use of multiple herbaceous biomass raw materials with seasonality, changes in raw materials It is necessary to construct a highly versatile system that can handle the above.
Furthermore, in addition to glucose, galactose, etc. that can be assimilated by yeast, xylose, arabinose, galacturonic acid, rhamnose, etc., which are constituents of cell wall polysaccharides, can be recovered to expand the scope of application of new conversion technologies. Become.

鈴木宏之著「バイオマスの科学的転換利用とエンジニアリングアプローチ」、武田書店、H12年発行Hiroyuki Suzuki, “Scientific Conversion of Biomass and Engineering Approach”, Takeda Shoten, published in 2012 Mosier Nathanら、Bioresour. Technol., 96, 1986-1993(2005)Mosier Nathan et al., Bioresour. Technol., 96, 1986-1993 (2005)

本発明は、上記従来技術の問題点を解消し、セルロースを含み、複数種類の糖質から構成されるバイオマスを、可能な限り、グルコース、キシロース等の単糖にまで、過分解を抑制しつつ、しかも効率よく低分子化する方法を提供することを目的とするものである。   The present invention solves the above-mentioned problems of the prior art, and suppresses the excessive decomposition of biomass composed of a plurality of types of carbohydrates including cellulose to monosaccharides such as glucose and xylose as much as possible. In addition, an object is to provide a method for efficiently reducing the molecular weight.

本発明者は、上記目的を達成するため鋭意検討を重ねた結果、(1)稲わらや他のバイオマスを用いて、硫酸濃度1wt%の硫酸水溶液で処理し、固定化酵素で加水分解することにより、還元糖が得られること、(2)稲わらを硫酸水溶液で処理し、残渣を濃硫酸で処理することにより、グルコースを回収できること、及び(3)先の回収液を再利用して、反応液から再利用前に含まれていた糖を加水分解物として得られることを見出し、これらの知見に基づいて本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明は、以下のとおりである。
(1)セルロースおよびそれ以外の多糖を含むバイオマスに対して、硫酸濃度0.1wt%以上5wt%以下の硫酸水溶液を加え、80℃以上150℃以下の条件で1分から3時間加水分解した後に固液分離し、遊離オリゴ糖を含む液画分を、pH調整後に酵素固定化物と接触させて酵素加水分解する、という一連の工程を含むことを特徴とする、バイオマスの糖化方法である。
(2)前記(1)記載の加水分解物に対して、不溶性画分に残存する糖を、硫酸濃度65wt%以上の硫酸水溶液によるセルロースを部分分解物として可溶化後、硫酸水溶液とセルロース部分分解物を分離して、分離された、希硫酸を含むセルロース部分分解物を、希硫酸により加水分解し糖化する、という一連の工程を含むことを特徴とする、バイオマスの糖化方法である。
(3)前記(2)において分離した、希硫酸の残るセルロース部分分解物の溶液を、前記(1)記載の希硫酸加水分解の際の希硫酸供給源の少なくとも一部として用いる工程を含むことを特徴とする、バイオマスの糖化方法である。
As a result of intensive studies to achieve the above object, the present inventors have (1) treated rice straw and other biomass with a 1 wt% sulfuric acid aqueous solution and hydrolyzed with an immobilized enzyme. (2) Glucose can be recovered by treating rice straw with an aqueous sulfuric acid solution and treating the residue with concentrated sulfuric acid, and (3) reusing the recovered liquid, The inventors found that sugar contained in the reaction solution before reuse can be obtained as a hydrolyzate, and the present invention has been completed based on these findings.
That is, the present invention is as follows.
(1) To a biomass containing cellulose and other polysaccharides, a sulfuric acid aqueous solution having a sulfuric acid concentration of 0.1 wt% or more and 5 wt% or less is added and hydrolyzed at 80 ° C or more and 150 ° C or less for 1 minute to 3 hours, and then solid-liquid. A biomass saccharification method comprising a series of steps of separating and separating a liquid fraction containing a free oligosaccharide, after adjusting the pH, and contacting with an enzyme-immobilized product to hydrolyze the enzyme.
(2) To the hydrolyzate described in (1) above, the sugar remaining in the insoluble fraction is solubilized as a partial decomposition product of cellulose in an aqueous sulfuric acid solution having a sulfuric acid concentration of 65 wt% or more, and then the aqueous sulfuric acid solution and the partial cellulose decomposition A biomass saccharification method comprising a series of steps of separating a product and hydrolyzing and saccharifying the separated cellulose partial degradation product containing dilute sulfuric acid with dilute sulfuric acid.
(3) including the step of using the solution of the partially decomposed cellulose remaining in the dilute sulfuric acid separated in (2) as at least a part of the dilute sulfuric acid supply source in the dilute sulfuric acid hydrolysis described in the above (1). This is a biomass saccharification method characterized by the following.

本発明によれば、セルロースを含み、複数種類の糖質から構成されるバイオマスを、可能な限り、グルコース、キシロース等の単糖にまで、過分解を抑制しつつ、しかも効率よく低分子化する方法が提供される。   According to the present invention, biomass including cellulose and composed of a plurality of types of sugars can be efficiently reduced to a monosaccharide such as glucose and xylose as much as possible while suppressing excessive decomposition. A method is provided.

以下、本発明を詳細に説明する。
本発明はバイオマスの糖化方法に関し、セルロースおよびそれ以外の多糖を含むバイオマスに対して、硫酸濃度0.1wt%以上5wt%以下の硫酸水溶液を加え、80℃以上150℃以下の条件で1分から3時間加水分解した後に固液分離し、遊離オリゴ糖を含む液画分は、pH調整後に酵素固定化物と接触させて酵素加水分解し、また、不溶性画分に残存する糖は、適宜、硫酸濃度65wt%以上の硫酸水溶液によるセルロース可溶化後、硫酸水溶液とセルロースを分離して、分離したセルロースを希硫酸を用いた糖化方法により加水分解するというものである。
Hereinafter, the present invention will be described in detail.
The present invention relates to a biomass saccharification method, and to a biomass containing cellulose and other polysaccharides, a sulfuric acid aqueous solution having a sulfuric acid concentration of 0.1 wt% or more and 5 wt% or less is added, and the temperature is 80 ° C. or more and 150 ° C. or less for 1 minute to 3 hours. After liquid hydrolysis, the liquid fraction containing free oligosaccharide is contacted with enzyme-immobilized product after pH adjustment to hydrolyze the enzyme, and the sugar remaining in the insoluble fraction is appropriately adjusted to a sulfuric acid concentration of 65 wt. After solubilizing cellulose with an aqueous sulfuric acid solution of at least%, the aqueous sulfuric acid solution and cellulose are separated, and the separated cellulose is hydrolyzed by a saccharification method using dilute sulfuric acid.

本発明におけるバイオマスとは、再生可能な、生物由来の有機性資源のうち化石資源を除いたものである。セルロースを含むバイオマスとしては、農作物、樹木、雑草等の高等植物、海藻類のほか、産業上の目的等により、それらに対して分離処理、混合処理、物理学的、化学的または生物学的処理等を施した資源が挙げられる。例えば、植物としてのダイズ、その一部分である大豆(種子)、ダイズの茎葉や根、大豆をゆでて圧搾して絞った豆乳、絞りかすのオカラはいずれもバイオマス原料である。   The biomass in the present invention is a renewable organic resource excluding fossil resources. Cellulose-containing biomass includes crops, trees, weeds and other higher plants, seaweeds, and separation, mixing, physical, chemical or biological treatments for industrial purposes. The resource which gave etc. is mentioned. For example, soybean as a plant, soybean (seed) as a part thereof, soybean foliage and roots, soybean milk boiled and squeezed soy beans, and squeezed okara are all biomass raw materials.

本発明におけるバイオマス原料としては、セルロースの他に、でん粉、ヘミセルロース、ペクチンなど、セルロース以外の多糖を含むものが用いられる。
セルロースおよびそれ以外の多糖を含むバイオマス原料としては、例えば稲、稲わら、籾殻、麦、麦わら、トウモロコシ、コーンストーバ、バガス、その他の単子葉植物茎葉、竹、芋、豆、サゴヤシ、双子葉草本植物茎葉、広葉樹材、針葉樹材、キャッサバ絞りかす、製紙スラッジ、古紙、濾紙粉末セルロースなどが挙げられる。
セルロース及びでん粉を両方蓄積するバイオマス原料としては、例えば稲、芋、トウモロコシ、豆、サゴヤシ、麦等が挙げられる。
セルロース及び砂糖(ショ糖)を両方蓄積するバイオマス原料としては、例えばサトウキビ、ビート、ソルガム等が挙げられる。これら植物系バイオマス原料は、植物体の全部を用いても、種子、茎、葉、根など一部のみを用いても良い。
バイオマスとしては、でん粉を含み、一回または複数回のでん粉分離後の残渣を用いることができる。
また、バイオマスとしては、ショ糖を含み、一回または複数回のショ糖搾汁後の残渣を用いることができる。
なお、これらバイオマス原料は、1種類を単独で、あるいは2種類以上を組み合わせて用いることができる。
特に、本発明では、希酸加水分解によりセルロース以外の易分解性糖質を可溶化することを特徴としていることから、広範な原料の糖化工程として対応可能となる。
As the biomass material in the present invention, those containing polysaccharides other than cellulose, such as starch, hemicellulose, and pectin, are used in addition to cellulose.
Examples of biomass raw materials containing cellulose and other polysaccharides include rice, rice straw, rice husk, wheat, straw, corn, corn stover, bagasse, other monocotyledonous stems, bamboo, straw, beans, sago palm, dicotyledonous herbaceous plants For example, stems and leaves, hardwoods, conifers, cassava pomace, paper sludge, waste paper, filter paper powdered cellulose and the like.
Examples of biomass raw materials that accumulate both cellulose and starch include rice, straw, corn, beans, sago palm, and wheat.
Examples of biomass raw materials that accumulate both cellulose and sugar (sucrose) include sugarcane, beet, sorghum and the like. These plant-based biomass raw materials may use the entire plant body or only a part of seeds, stems, leaves, roots and the like.
As biomass, starch can be used, and the residue after one or more starch separations can be used.
Moreover, as a biomass, the residue after sucrose squeezing once or several times can be used including sucrose.
In addition, these biomass raw materials can be used individually by 1 type or in combination of 2 or more types.
In particular, since the present invention is characterized by solubilizing easily degradable carbohydrates other than cellulose by dilute acid hydrolysis, it can be used as a saccharification process for a wide range of raw materials.

バイオマス原料は、腐敗性の高いものも存在する。そのような場合、乾燥により湿度を下げる、乳酸発酵を行う、希硫酸などの酸を噴霧・浸漬させてpHを低下させる、低温保存するなどの方法により、微生物汚染や糖質の分解を抑えつつ貯蔵することが可能となる。また、原料の表面積を増し、希硫酸液を迅速に浸透させるとともに、可溶性糖質の遊離を迅速に行うため、原料を乾式あるいは湿式で粉砕処理することが望ましい。   Some biomass raw materials have high perishability. In such a case, while reducing humidity by drying, performing lactic acid fermentation, spraying / immersing acid such as dilute sulfuric acid to lower pH, storing at low temperature, etc., while suppressing microbial contamination and carbohydrate degradation It can be stored. Further, in order to increase the surface area of the raw material, allow the dilute sulfuric acid solution to permeate rapidly, and to quickly release the soluble carbohydrates, it is desirable to pulverize the raw material in a dry or wet manner.

本発明においては、セルロースおよびそれ以外の多糖を含むバイオマスに対して、硫酸濃度0.1wt%以上5wt%以下の硫酸水溶液を加え、80℃以上150℃以下の条件で1分から3時間加水分解する、希硫酸加水分解工程を行う。   In the present invention, an aqueous sulfuric acid solution having a sulfuric acid concentration of 0.1 wt% or more and 5 wt% or less is added to biomass containing cellulose and other polysaccharides, and hydrolyzed under conditions of 80 ° C. or more and 150 ° C. or less for 1 minute to 3 hours. A dilute sulfuric acid hydrolysis step is performed.

本発明における希硫酸加水分解工程は、先述した希硫酸二段階法において一段階目に行われる加水分解とは異なり、加水分解を受けやすい糖を希硫酸で加水分解する際に、その一部または全部を可溶性オリゴ糖として回収することを特徴とする。加水分解を受けやすい糖としては、でん粉、砂糖、可溶性オリゴ糖、ヘミセルロース、ペクチンなどが挙げられる。
易分解性糖質を希酸加水分解する際には、糖質は、可溶化→単糖への分解→過分解(フルフラール類やタールへの変換)という経路により変換される。これまでの希硫酸加水分解条件は、単糖の回収を最大限にするように決定されていたが、この方法では、加水分解特性の異なる複数の易分解性糖質に対して条件の最適化を行うことが極めて困難となる。
それに対して、本発明においては、液相に易分解性糖質やその部分分解物を一旦回収することが目的であることから、主要な易分解性糖質を対象として、「可溶化→単糖への分解」の間の広い条件範囲を反応条件として設定することが可能となり、主要な易分解性糖質の殆どが可溶化する条件を探索することができる。
Unlike the hydrolysis performed in the first stage of the dilute sulfuric acid two-stage method described above, the dilute sulfuric acid hydrolysis step in the present invention is partially or when a sugar susceptible to hydrolysis is hydrolyzed with dilute sulfuric acid. The whole is recovered as a soluble oligosaccharide. Examples of sugars that are susceptible to hydrolysis include starch, sugar, soluble oligosaccharides, hemicellulose, and pectin.
When a readily degradable saccharide is hydrolyzed with dilute acid, the saccharide is converted by a route of solubilization → decomposition into a monosaccharide → overdegradation (conversion to furfurals or tar). Previous dilute sulfuric acid hydrolysis conditions were determined to maximize the recovery of monosaccharides, but this method optimizes the conditions for several readily degradable carbohydrates with different hydrolysis characteristics. Is extremely difficult to perform.
On the other hand, in the present invention, since the purpose is to once collect easily decomposable saccharides and partially decomposed products thereof in the liquid phase, for the main easily degradable carbohydrates, “solubilization → simple A wide range of conditions during “decomposition into sugars” can be set as reaction conditions, and the conditions under which most of the main readily degradable carbohydrates are solubilized can be searched.

希硫酸加水分解を行う際の硫酸濃度は、バイオマス原料の種類により異なるが、0.1wt%から5wt%、好ましくは0.5wt%から5wt%、より好ましくは1wt%から5wt%の範囲に入るようにすべきである。濃度が低い場合、多糖の可溶化効率が低下し、反応温度や圧力を過酷にする、反応時間を長くするなどの条件設定が必要となる。また、5wt%を超える濃度では、試薬の中和コストが高くなり、変換費用全体に及ぼす影響が大きくなる。   The sulfuric acid concentration during dilute sulfuric acid hydrolysis varies depending on the type of biomass raw material, but falls within the range of 0.1 wt% to 5 wt%, preferably 0.5 wt% to 5 wt%, more preferably 1 wt% to 5 wt%. Should. When the concentration is low, the polysaccharide solubilization efficiency is lowered, and it is necessary to set conditions such as making the reaction temperature and pressure harsh and extending the reaction time. In addition, if the concentration exceeds 5 wt%, the neutralization cost of the reagent is increased, and the influence on the entire conversion cost is increased.

反応温度や圧力、反応時間などの条件は、バイオマス原料の種類や硫酸濃度により変化するので、一義的に決定することは困難であるが、反応温度80℃以上150℃以下、反応時間は加温時間を含めて1分から3時間の範囲が望ましい。
例えば、ビートパルプ、ポテトパルプなどのリグニン沈着度が低い原料の場合、反応は100℃程度でも十分に進行する。100℃で1時間程度の加水分解反応を行う場合、耐圧容器を用いる必要がないことから、開放形容器を使用することができ、これにより設備投資費用を抑えて作業安全性を向上することが可能となる。その一方で、スギ粉末、ナラ粉末などの木粉を原料とした場合、リグニン沈着度が大きいことから、収率を上げるためには、適宜、耐圧・耐酸容器を用いて、100℃以上150℃以下程度の比較的過酷な条件下で処理することが望ましい。
Conditions such as reaction temperature, pressure, and reaction time vary depending on the type of biomass raw material and the sulfuric acid concentration, so it is difficult to determine unambiguously, but the reaction temperature is 80 ° C to 150 ° C and the reaction time is warm. A range of 1 minute to 3 hours including the time is desirable.
For example, in the case of a raw material with a low degree of lignin deposition, such as beet pulp and potato pulp, the reaction proceeds sufficiently even at about 100 ° C. When the hydrolysis reaction is performed at 100 ° C for about 1 hour, it is not necessary to use a pressure vessel, so an open-type vessel can be used, thereby reducing the capital investment cost and improving work safety. It becomes possible. On the other hand, when wood powder such as cedar powder and oak powder is used as a raw material, the degree of lignin deposition is large. It is desirable to perform the treatment under relatively severe conditions such as the following.

上記第一段階の加水分解反応では、糖を単糖として回収する必要がないことから、反応条件は穏やかなものとなるのみならず、反応槽の設備費や酸の使用を抑制し、単糖の過分解反応を抑えるという利点を生む。   In the first stage hydrolysis reaction, since it is not necessary to recover the sugar as a monosaccharide, the reaction conditions are not only mild, but also the equipment cost of the reaction tank and the use of acid are suppressed. This produces the advantage of suppressing the excessive decomposition reaction.

本発明においては、上記第一段階の加水分解反応を行った後に、固液分離し、遊離オリゴ糖を含む液画分は、pH調整後に酵素固定化物と接触させて加水分解する。また、不溶性画分に残存する糖は、適宜、硫酸濃度65wt%以上の硫酸水溶液によるセルロース可溶化後、硫酸水溶液とセルロースを分離して、分離したセルロースを希硫酸を用いた糖化方法により加水分解する
ここで、固液分離は、遠心分離などにより行えばよく、例えば20,300×gで3分間程度遠心分離すればよい。
In the present invention, after performing the hydrolysis reaction of the first stage, solid-liquid separation is performed, and the liquid fraction containing free oligosaccharide is hydrolyzed by contacting with the enzyme-immobilized product after pH adjustment. In addition, the sugar remaining in the insoluble fraction is appropriately solubilized with a sulfuric acid aqueous solution having a sulfuric acid concentration of 65 wt% or more, and then the aqueous sulfuric acid solution and cellulose are separated, and the separated cellulose is hydrolyzed by a saccharification method using dilute sulfuric acid. Here, solid-liquid separation may be performed by centrifugation or the like, for example, centrifugation may be performed at 20,300 × g for about 3 minutes.

固液分離して得られる、遊離オリゴ糖を含む液画分は、pH調整後に酵素固定化物と接触させて加水分解する。
即ち、固液分離して得られた可溶性オリゴ糖は、固定化酵素の反応性および安定性を考慮し、pH4から9、好ましくはpH4から6の範囲になるように中和した後に、固定化酵素と接触させることにより、単糖にまで加水分解を行う。
The liquid fraction containing free oligosaccharide obtained by solid-liquid separation is hydrolyzed by contacting with an enzyme-immobilized product after pH adjustment.
That is, the soluble oligosaccharide obtained by solid-liquid separation is immobilized after neutralizing it in the range of pH 4 to 9, preferably pH 4 to 6, in consideration of the reactivity and stability of the immobilized enzyme. Hydrolysis to monosaccharides by contact with enzymes.

pHの中和は、イオン交換樹脂を用いる方法、石灰、アンモニアなどのアルカリを用いる方法、電気透析を行う方法などが考えられる。   As the neutralization of pH, a method using an ion exchange resin, a method using an alkali such as lime and ammonia, a method of performing electrodialysis, and the like can be considered.

可溶性オリゴ糖と酵素の反応は液−液反応となることから、酵素を固定化したバイオリアクターの使用により酵素費用を抑えることが可能となる。特に、複雑な構造のヘミセルロースやペクチンを効率的に酵素分解するためには、原料特性に対応させて複数の酵素を混合したカクテルを用いる必要があるが、1回の使用を想定して酵素カクテルを安定供給することは極めて困難であり、原料に対応した最適化酵素カクテルの製造コストは極めて高いものとなる。セルロースを加水分解した際にセロオリゴ糖が残存することは知られており、酵素反応阻害を抑制したり、単糖収率を向上したりするためにβ−グルコシダーゼを固定化して用いる方法については検討されてきたが(Tuら、Biotechnol. Lett., 28, 151-156 (2006))、希酸加水分解による易分解性多糖からのオリゴ糖の生成は想定しておらず、固定化酵素を用いてリグノセルロース系バイオマスの易加水分解性多糖に注目した糖化を行ったことはない。
本発明では、反応条件を穏やかにするために、単糖の生成量にこだわらず、可溶性画分の収量を最適化させることを特徴としており、本プロセスは固定化酵素を用いることにより最も効率化する。
Since the reaction between the soluble oligosaccharide and the enzyme is a liquid-liquid reaction, the cost of the enzyme can be reduced by using a bioreactor having the enzyme immobilized thereon. In particular, in order to efficiently enzymatically decompose hemicellulose and pectin having a complex structure, it is necessary to use a cocktail in which a plurality of enzymes are mixed according to the characteristics of the raw material. It is extremely difficult to stably supply the enzyme, and the production cost of the optimized enzyme cocktail corresponding to the raw material is extremely high. Cellulo-oligosaccharides are known to remain when cellulose is hydrolyzed, and methods for immobilizing β-glucosidase to suppress enzyme reaction inhibition and improve monosaccharide yield are studied. (Tu et al., Biotechnol. Lett., 28, 151-156 (2006)), however, it is not envisaged to produce oligosaccharides from readily degradable polysaccharides by dilute acid hydrolysis. Thus, saccharification has not been performed with a focus on easily hydrolyzable polysaccharides of lignocellulosic biomass.
The present invention is characterized by optimizing the yield of the soluble fraction regardless of the amount of monosaccharides produced in order to moderate the reaction conditions, and this process is most efficient by using an immobilized enzyme. To do.

固定化すべき酵素については、例えば、α−アミラーゼ、β−アミラーゼ、アミログルコシダーゼ、α−D−グルコシダーゼ、キシラナーゼ、グルコマンナナーゼ、β−D−キシロシダーゼ、β−D−グルコシダーゼ、α−L−アラビノフラノシダーゼ、α−D−グルクロニダーゼ、β−L−アラビノフラノシダーゼ、β−D−マンノシダーゼ、アセチルキシランエステラーゼ、フェルロイルエステラーゼ、β−グルカナーゼ、β−ガラクタナーゼ、アラビナナーゼ、ペクチンメチルエステラーゼ、ペクチンアセチルエステラーゼ、ポリガラクツロナーゼ、ペクトリアーゼ、α−D−ガラクツロナーゼ、α−D−ガラクトシダーゼ、エンドグルカナーゼ、セロビオハイドロラーゼI、セロビオハイドロラーゼIIなどが挙げられる。その他にも、例えば、フラクタンを含むキクイモをバイオマス原料とした際に、フラクタン分解酵素を固定化して用いることにより糖化が効率化するように、原料に含まれる糖の特性により、用いるべき酵素カクテルの組成が異なる。   As for the enzyme to be immobilized, for example, α-amylase, β-amylase, amyloglucosidase, α-D-glucosidase, xylanase, glucomannanase, β-D-xylosidase, β-D-glucosidase, α-L-arabinofurano Sidase, α-D-glucuronidase, β-L-arabinofuranosidase, β-D-mannosidase, acetyl xylan esterase, feruloyl esterase, β-glucanase, β-galactanase, arabinanase, pectin methyl esterase, pectin acetyl esterase, Examples include polygalacturonase, pectinase, α-D-galacturonase, α-D-galactosidase, endoglucanase, cellobiohydrolase I, and cellobiohydrolase II. In addition, for example, when Jerusalem artichoke containing fructan is used as a biomass raw material, the enzyme cocktail to be used depends on the characteristics of the sugar contained in the raw material so that saccharification efficiency is improved by immobilizing and using a fructan degrading enzyme. The composition is different.

ここでバイオマスがでん粉を含んでいる場合には、酵素固定化物に固定化する酵素としては、α−アミラーゼ、β−アミラーゼ、アミログルコシダーゼ、α−D−グルコシダーゼの少なくとも一つを含んでいることが好ましい。
また、バイオマスがヘミセルロースを含んでいる場合には、酵素固定化物に固定化する酵素としては、キシラナーゼ、グルコマンナナーゼ、β−D−キシロシダーゼ、β−D−グルコシダーゼ、α−L−アラビノフラノシダーゼ、α−D−グルクロニダーゼ、β−L−アラビノフラノシダーゼ、β−D−マンノシダーゼ、アセチルキシランエステラーゼ、フェルロイルエステラーゼ、β−グルカナーゼ、β−ガラクタナーゼのうち、少なくとも一つを含んでいることが好ましい。
次に、バイオマスがペクチンを含んでいる場合には、酵素固定化物に固定化する酵素がアラビナナーゼ、α−L−アラビノフラノシダーゼ、ペクチンメチルエステラーゼ、ペクチンアセチルエステラーゼ、ポリガラクツロナーゼ、ペクトリアーゼ、α−D−ガラクツロナーゼ、α−D−ガラクトシダーゼのうち、少なくとも一つを含んでいることが好ましい。
さらに、バイオマスがセルロースなどのβ-グルカンを含んでいる場合には、酵素固定化物に固定化する酵素がエンドグルカナーゼ、セロビオハイドロラーゼI、セロビオハイドロラーゼII、β−グルコシダーゼのうち、少なくとも一つを含んでいることが好ましい。
Here, when the biomass contains starch, the enzyme to be immobilized on the enzyme immobilization product may contain at least one of α-amylase, β-amylase, amyloglucosidase, and α-D-glucosidase. preferable.
Moreover, when biomass contains hemicellulose, as an enzyme to be immobilized on the enzyme immobilization product, xylanase, glucomannanase, β-D-xylosidase, β-D-glucosidase, α-L-arabinofuranosidase, It preferably contains at least one of α-D-glucuronidase, β-L-arabinofuranosidase, β-D-mannosidase, acetyl xylan esterase, feruloyl esterase, β-glucanase, and β-galactanase. .
Next, when the biomass contains pectin, the enzyme to be immobilized on the enzyme immobilization product is arabinanase, α-L-arabinofuranosidase, pectin methylesterase, pectin acetylesterase, polygalacturonase, pectinase, α It is preferable that at least one of -D-galacturonase and α-D-galactosidase is included.
Further, when the biomass contains β-glucan such as cellulose, the enzyme immobilized on the enzyme immobilization product is at least one of endoglucanase, cellobiohydrolase I, cellobiohydrolase II, and β-glucosidase. It is preferable that one is included.

これらの酵素として、食品グレード、飼料グレード等の安全性が担保された酵素を用いることにより、糖液や糖化後の廃液等の利用・処理を行う際の受容性が確保できるものと考えられる。   By using enzymes that ensure safety such as food grade and feed grade as these enzymes, it is considered that the acceptability at the time of use / treatment of sugar solution or waste solution after saccharification can be ensured.

バイオリアクターによる反応方法としては、酵素を固定化したカラムに糖液を流す方法や、酵素を固定したビーズを加えた反応槽内で糖液と接触させる方法などが考えられる。   As a reaction method using a bioreactor, a method of flowing a sugar solution through a column on which an enzyme is immobilized, a method of contacting a sugar solution in a reaction tank to which beads having immobilized enzyme are added, and the like can be considered.

酵素固定化物と接触させての加水分解の条件は、用いる酵素の種類等により異なり、一義的に決定することは困難であるが、通常、反応温度37℃〜50℃程度、反応時間は0.5時間から4時間の範囲である。   The conditions for hydrolysis in contact with the enzyme-immobilized product vary depending on the type of enzyme used and it is difficult to determine uniquely. Usually, however, the reaction temperature is about 37 ° C. to 50 ° C., and the reaction time is 0.5 hours. To 4 hours.

上記したように、本発明では、希硫酸加水分解を行った後に、可溶性の糖を含む液相と、不溶性の糖を含む固相とを分離する。
そして可溶性の糖を含む液相、つまり遊離オリゴ糖を含む液画分は、上記したように、pH調整後に酵素固定化物と接触させて単糖にまで加水分解する。
As described above, in the present invention, after dilute sulfuric acid hydrolysis, the liquid phase containing soluble sugar and the solid phase containing insoluble sugar are separated.
Then, as described above, the liquid phase containing soluble sugar, that is, the liquid fraction containing free oligosaccharide, is contacted with the enzyme-immobilized product after pH adjustment and hydrolyzed to monosaccharide.

一方、結晶性の高いセルロースは、希硫酸加水分解条件でオリゴ糖にまで加水分解されず、固相に留まることとなる。
そのため、本発明では、固液分離後に反応条件を変えて固相画分から糖を可溶化させて回収する必要がある。
On the other hand, highly crystalline cellulose is not hydrolyzed to oligosaccharides under dilute sulfuric acid hydrolysis conditions, and remains in the solid phase.
Therefore, in the present invention, it is necessary to change the reaction conditions after solid-liquid separation to solubilize and recover the sugar from the solid phase fraction.

本発明では、セルロースを主体とする固相から糖を得るために、濃硫酸法の改良法を用いる。
濃硫酸法は、ある程度乾燥した原料を室温前後の温度で65wt%以上の濃度の硫酸と接触させることにより、セルロース鎖などの不溶性多糖を膨潤・加水分解させる工程である。木材チップなどの原料に濃硫酸を噴霧する方法も知られている(独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構『開発項目「バイオマスエネルギー高効率転換技術開発/セルロース系バイオマスを原料とする新規なエタノール発酵技術等により燃料用エタノールを製造する技術の開発』平成13年度〜平成17年度成果報告書」、平成18年3月)。これに水を加えて希釈する際に加水分解が起こり、多糖はさらに低分子化し、適宜、加熱することにより単糖にまで加水分解される。単糖と硫酸の分離は、通常のイオン交換カラムクロマトグラフィーのほか、擬似移動層を用いたイオン交換カラムクロマトグラフィーなどを用いることにより連続的に行うことができる。
しかしながら、先述したとおり、大量の希硫酸が副生することとなり、その回収・濃縮工程にコストがかかることが問題となる。
In the present invention, an improved method of the concentrated sulfuric acid method is used to obtain sugar from a solid phase mainly composed of cellulose.
The concentrated sulfuric acid method is a process in which an insoluble polysaccharide such as a cellulose chain is swollen and hydrolyzed by bringing a raw material dried to some extent into contact with sulfuric acid having a concentration of 65 wt% or more at a temperature around room temperature. A method of spraying concentrated sulfuric acid on raw materials such as wood chips is also known (New Energy and Industrial Technology Development Organization “Development item“ Development of high-efficiency conversion technology for biomass energy / Development of technology for producing ethanol for fuel using ethanol fermentation technology, etc., “FY2001-2005 Results Report”, March 2006). Hydrolysis occurs when water is added thereto for dilution, the polysaccharide is further reduced in molecular weight, and is appropriately hydrolyzed to monosaccharide by heating. The separation of monosaccharide and sulfuric acid can be carried out continuously by using not only ordinary ion exchange column chromatography but also ion exchange column chromatography using a pseudo moving bed.
However, as described above, a large amount of dilute sulfuric acid is by-produced, and there is a problem that the recovery and concentration process is costly.

そこで、本発明では、65wt%以上の濃度の硫酸水溶液存在下で可溶化したセルロースのみをリグニンや硫酸と分離・回収する技術を適用し、セロオリゴ糖などの部分分解物の形で回収されたセルロースを酸により単糖にまで糖化することとした。
このような部分分解物の回収法としては、65wt%以上の濃度の硫酸水溶液中で可溶化したセルロースと親和性を有する素材にセルロースを吸着させ、次いで硫酸濃度を低下させて回収する方法を利用することができる。
Therefore, in the present invention, a technique for separating and recovering only cellulose solubilized in the presence of an aqueous sulfuric acid solution having a concentration of 65 wt% or more from lignin and sulfuric acid is applied, and the cellulose recovered in the form of a partially decomposed product such as cellooligosaccharide Was saccharified to a monosaccharide with acid.
As a method for recovering such partially decomposed products, a method is used in which cellulose is adsorbed on a material having affinity for cellulose solubilized in a sulfuric acid aqueous solution with a concentration of 65 wt% or higher, and then recovered by reducing the sulfuric acid concentration. can do.

具体的には例えば、活性白土などの、高濃度硫酸存在下でセルロース部分分解物を吸着する素材を用いて行うことが可能である。
ここでセルロース部分分解物を吸着する素材としては、鉱物の酸処理工程を経て調製された無機物を有効成分とするものが用いられ、具体的には例えば活性白土などを挙げることができる。
活性白土など、鉱物の酸処理工程を経て調製された無機物を有効成分とする、セルロース部分分解物を吸着する素材は、単糖との結合性が低いことから、容易に単糖が解離して、希硫酸溶液の方に遊離することになる。
65wt%以上、好ましくは72wt%以上の濃度の硫酸水溶液中で、可溶化したセルロースと親和性を有する素材を用いてセルロースを該素材に吸着させ、硫酸水溶液とセルロース部分分解物(可溶化糖)とを分離した後に、硫酸水溶液の濃度を可能な限りに低下させることにより、セルロースを該素材から溶出させる。
このセルロース部分分解物について、さらに希硫酸により、加水分解する。希硫酸加水分解を行う際の硫酸濃度、反応温度、圧力、反応時間などの条件は、第一段階での希硫酸加水分解と同様である。部分分解を受けて結晶性が大幅に低下したセルロースまたはオリゴ糖は、希酸により速やかに分解される。
Specifically, for example, it can be performed using a material that adsorbs the cellulose partial decomposition product in the presence of high-concentration sulfuric acid, such as activated clay.
Here, as the material for adsorbing the cellulose partial decomposition product, an inorganic material prepared through a mineral acid treatment step is used as an active ingredient, and specific examples thereof include activated clay.
A material that adsorbs a partially decomposed cellulose, which contains an inorganic substance prepared through mineral acid treatment, such as activated clay, has a low binding property to monosaccharides, so the monosaccharides can easily dissociate. , It will be released toward the dilute sulfuric acid solution.
Cellulose is adsorbed to the material using a material having an affinity for solubilized cellulose in a sulfuric acid aqueous solution having a concentration of 65 wt% or more, preferably 72 wt% or more, and the sulfuric acid aqueous solution and cellulose partial decomposition product (solubilized sugar) Then, the cellulose is eluted from the material by reducing the concentration of the aqueous sulfuric acid solution as much as possible.
This cellulose partial decomposition product is further hydrolyzed with dilute sulfuric acid. Conditions such as sulfuric acid concentration, reaction temperature, pressure, reaction time, etc. when performing dilute sulfuric acid hydrolysis are the same as in dilute sulfuric acid hydrolysis in the first stage. Cellulose or oligosaccharide whose crystallinity has been greatly reduced by partial degradation is rapidly degraded by dilute acid.

この工程により回収される硫酸の濃度は高い状態となり、再利用のための濃縮コストが抑制できる。
後者の方法により可溶化物として回収したセルロースは、上記したように、希硫酸により加水分解を行い、単糖にまで加水分解することができる。
また、硫酸の濃度を下げて活性白土等の吸着材料から溶出させた、セルロースと希硫酸の両方を含む液(希硫酸の残るセルロース部分分解物の溶液)は、第一段階における希酸加水分解時の酸として利用することが可能である。
この場合、第一段階における希酸加水分解工程で、セルロースの部分分解物も低分子化されることとなる。カラムにセルロース分解酵素系を固定化することにより、グルコースの収率はさらに向上する。
この方法により、二段階の工程から得られる硫酸の中和工程を効率化することが可能となり、希硫酸二段階法などのように、ヘミセルロース画分からの糖液とセルロース画分からの糖液を別々に中和する工程を改良することができる。
The concentration of sulfuric acid recovered by this process becomes high, and the concentration cost for reuse can be suppressed.
As described above, cellulose recovered as a solubilizate by the latter method can be hydrolyzed with dilute sulfuric acid to be hydrolyzed to a monosaccharide.
A solution containing both cellulose and dilute sulfuric acid (solution of partially decomposed cellulose remaining in dilute sulfuric acid) eluted from an adsorbent material such as activated clay with reduced concentration of sulfuric acid is hydrolyzed with dilute acid in the first stage. It can be used as an acid for time.
In this case, in the dilute acid hydrolysis step in the first stage, the partially decomposed product of cellulose is also reduced in molecular weight. By immobilizing the cellulolytic enzyme system on the column, the yield of glucose is further improved.
This method makes it possible to improve the efficiency of the neutralization step of sulfuric acid obtained from the two-stage process, and separates the sugar solution from the hemicellulose fraction and the sugar solution from the cellulose fraction, as in the dilute sulfuric acid two-step method. It is possible to improve the neutralization step.

このような、濃硫酸の希釈を最低限に抑えて、セルロースを多糖または部分分解物として回収することを特徴とした総合的糖化システムはこれまでに提案されていない。
既知の濃硫酸法と同様に、本発明においても、濃硫酸処理前に固相部分の脱水を行い、含水率を制御することにより、濃硫酸が効果的に作用するように条件を制御することが望ましい。また、副生成物として得られるリグニンについては、脱水ケーキとして燃料に回す等の処理技術を用いることが可能である。
Such a comprehensive saccharification system characterized by recovering cellulose as a polysaccharide or a partially decomposed product while minimizing dilution of concentrated sulfuric acid has not been proposed so far.
Similar to the known concentrated sulfuric acid method, in the present invention, the conditions are controlled so that concentrated sulfuric acid works effectively by dehydrating the solid phase portion before the concentrated sulfuric acid treatment and controlling the water content. Is desirable. For lignin obtained as a by-product, it is possible to use a processing technique such as turning it into fuel as a dehydrated cake.

本発明は、複数種類のバイオマス中の多糖を高い効率で回収するために適している工程である。でん粉絞りかすに残存するでん粉の一部は、細胞壁中に残存し、中性条件での加熱では溶出しにくい。その一方で、残存でん粉は、希酸中で加熱することにより効率的に遊離する。
このように、本発明は、でん粉を含む原料や植物体全体の変換にも適している。絞りかす中に残存する砂糖についても、細胞壁成分の希硫酸分解の進行に伴い撹拌が内部にまで進み、それに伴って溶出することから、効率的に可溶性糖質の回収を行うことができる。このように、多様な原料に対応する反応方法であることから、季節性の高い農産物残渣や一次加工残渣などの発生に柔軟に対応することができる。
The present invention is a process suitable for recovering polysaccharides in a plurality of types of biomass with high efficiency. Part of the starch remaining in the starch squeezed residue remains in the cell wall and is not easily eluted by heating under neutral conditions. On the other hand, the residual starch is efficiently liberated by heating in dilute acid.
Thus, the present invention is also suitable for conversion of raw materials containing starch and the entire plant body. As for the sugar remaining in the squeezed residue, the stirring proceeds to the inside with the progress of the dilute sulfuric acid decomposition of the cell wall component, and elution is accompanied with it, so that the soluble carbohydrate can be efficiently recovered. Thus, since it is the reaction method corresponding to various raw materials, it can respond flexibly to generation | occurrence | production of a highly seasonal agricultural residue, a primary processing residue, etc.

ホールクロップとしてのバイオマスや資源作物などを効率的に糖化する際には、先にでん粉や砂糖の大部分をバイオマスから分離することにより、純度の高い発酵性グルコースやショ糖として回収することができる。
例えば、穀粒を付けたイネ全体を利用する際には、全体を粉砕して、本発明の方法により全量を糖化するか、あるいは、穀粒の部分を乾式粉砕あるいは湿式粉砕により磨り潰してでん粉粉末として分離・回収した後、籾殻などの粉砕残渣を茎葉とともに本発明の方法で糖化することにより、リグノセルロース由来の糖とともに、残存するでん粉由来の糖質の回収が可能となる。
When efficiently saccharifying biomass and resource crops as whole crops, most of starch and sugar can be recovered from biomass as high-purity fermentable glucose and sucrose. .
For example, when using whole rice with grain, the whole is crushed and the whole amount is saccharified by the method of the present invention, or the grain part is ground by dry pulverization or wet pulverization. After separation and collection as a powder, pulverization residue such as rice husks and saccharified leaves are saccharified by the method of the present invention, whereby the sugar derived from starch remaining together with sugar derived from lignocellulose can be collected.

後者の方法で最初に分離したでん粉は、公知の酵素糖化技術などを活用して糖化することにより、効率的に糖化を行うことができる。工業的なでん粉や砂糖回収工程では、数回にわたる糖の回収を行い、高い収率を得るのが一般的であるが、その回数に応じて使用液量や処理コストなどが向上する。   The starch initially separated by the latter method can be efficiently saccharified by saccharification using a known enzyme saccharification technique or the like. In an industrial starch or sugar recovery process, it is common to recover sugars several times to obtain a high yield, but the amount of liquid used, processing cost, etc. are improved according to the number of times.

バイオマス原料全体の総合利用を目的とした本発明における糖化工程では、でん粉・砂糖回収工程を省略あるいは簡素化することによりコストを抑えるとともに、細胞壁部分に残存するでん粉や砂糖は、希硫酸処理を行うことにより、細胞壁構成糖ととともに糖化・回収することができる。   In the saccharification process of the present invention for the purpose of comprehensive utilization of the whole biomass raw material, the starch and sugar recovery process is omitted or simplified, and the cost is reduced, and the starch and sugar remaining in the cell wall portion are subjected to dilute sulfuric acid treatment. Thus, it can be saccharified and recovered together with the cell wall constituting sugar.

上記のようにして、バイオマスを糖化することができる。
このようにして得られた糖化物に、エタノール生産菌を加えて発酵させることにより、エタノールを製造することができる。エタノール生産菌としては、エタノールの生産に通常使用されているものを用いることができる。具体的には、例えばサッカロミセス・セレビシエなどが挙げられる。
As described above, the biomass can be saccharified.
Ethanol can be produced by adding ethanol-producing bacteria to the saccharified product thus obtained for fermentation. As the ethanol-producing bacteria, those usually used for ethanol production can be used. Specific examples include Saccharomyces cerevisiae.

以下、実施例により本発明を詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention in detail, this invention is not limited to this.

実施例1(各バイオマス原料の希硫酸処理後の中和物に対する固定化酵素処理効果)
1.5 ml容のプラスチック製開放形容器に、稲わら粉砕物、ポテトパルプ粉末、ビートパルプ粉末またはキャッサバでん粉絞りかすを各々10.0 mgとり、1wt%硫酸水溶液を加えて閉栓し、ボルテックスミキサーで撹拌した後に100℃のヒートブロック中で1時間加水分解を行った。その後、20,300×gで3分間遠心分離を行い、別の容器に上澄部分0.5 mlを移した。これを微量の1 N水酸化ナトリウム水溶液で中性付近に中和して中和試料とした。
これとは別に、50 ml容ファルコンチューブへ1 Mリン酸カリウム緩衝液(pH7.0)を10 ml入れたものを2本用意した。1本には3 mgのViscozyme L(ノボザイム・ジャパン社)と3 mgのPectinex Ultra SP-L(ノボザイム・ジャパン社)を加え、もう1本には20.8 mgのアミログルコシダーゼ(A9228, SIGMA社)と20.3 mgのα-アミラーゼ(A-6380, SIGMA社)を加えた(それぞれPV, AAとした。)。
続いて、それぞれに500 mgの固定化酵素製造用樹脂(オイパーギットC、(株)樋口商会)を加えて、室温で36時間、軽く振とうした。
その後、各々の溶液部分を廃棄し、樹脂部分を冷水40 mlで5回洗った後、100 mM酢酸ナトリウム緩衝液(pH5.0)に懸濁して8 mlとした。
PVの懸濁液をエッペンドルフチューブに200 μlとり、これに1wt%硫酸で100℃、1時間処理した稲わら(Straw)、ポテトパルプ(PP)あるいはビートパルプ(BP)の反応液上澄み部の中和物を200 μl加え、37℃で1時間、毎分12回転で反応を行った。
コントロール(Control)としては、懸濁液200 μlの代わりに100 mM酢酸ナトリウム緩衝液(pH5.0)を200 μlを入れたものに、各中和物を加えた試料を用いた。
同様に、AAの懸濁液については、キャッサバでん粉絞りかす(Cassava)の中和試料を200 μl用いた。
反応後、上澄み液中の還元糖量を、グルコースを標準物質としたソモギ・ネルソン法で定量した。結果を表1に示す。
また、反応後、樹脂と反応液の入ったエッペンドルフチューブを遠心分離して上澄み部を除去した後に、沈殿部に残存する樹脂に対して1 mlの50 mM酢酸ナトリウム緩衝液(pH5.0)を加え、軽くボルテックスミキサーで撹拌し、遠心分離して上澄みを捨てるという作業を6回繰り返し、樹脂を洗浄した。その後、同緩衝液を加えて200 μlとした後に、これを用い、上述した、各バイオマス原料由来の中和物と反応させる実験を再度実施した。その結果を表1に示す。
Example 1 (Immobilized enzyme treatment effect on neutralized product of each biomass raw material after dilute sulfuric acid treatment)
In a 1.5 ml plastic open container, take 10.0 mg each of ground rice straw, potato pulp powder, beet pulp powder or cassava starch squeeze, add 1 wt% sulfuric acid aqueous solution, close the cap, and stir with a vortex mixer Hydrolysis was performed in a heat block at 100 ° C. for 1 hour. Thereafter, centrifugation was performed at 20,300 × g for 3 minutes, and 0.5 ml of the supernatant was transferred to another container. This was neutralized to near neutrality with a small amount of 1N aqueous sodium hydroxide solution to obtain a neutralized sample.
Separately, two 50 ml Falcon tubes containing 1 ml of 1 M potassium phosphate buffer (pH 7.0) were prepared. 3 mg Viscozyme L (Novozyme Japan) and 3 mg Pectinex Ultra SP-L (Novozyme Japan) are added to one, and 20.8 mg amyloglucosidase (A9228, SIGMA) to the other 20.3 mg of α-amylase (A-6380, SIGMA) was added (referred to as PV and AA, respectively).
Subsequently, 500 mg of immobilized enzyme production resin (Oipergit C, Higuchi Shokai Co., Ltd.) was added to each, and shaken gently at room temperature for 36 hours.
Thereafter, each solution portion was discarded, and the resin portion was washed 5 times with 40 ml of cold water, and then suspended in 100 mM sodium acetate buffer (pH 5.0) to make 8 ml.
Place 200 μl of PV suspension in an Eppendorf tube and treat it with 1 wt% sulfuric acid at 100 ° C for 1 hour in the supernatant of the reaction mixture of rice straw (Straw), potato pulp (PP) or beet pulp (BP). 200 μl of Japanese product was added, and the reaction was performed at 37 ° C. for 1 hour at 12 revolutions per minute.
As a control, a sample obtained by adding 200 μl of 100 mM sodium acetate buffer (pH 5.0) instead of 200 μl of suspension to each neutralized product was used.
Similarly, for the suspension of AA, 200 μl of a neutralized sample of Cassava starch pomace (Cassava) was used.
After the reaction, the amount of reducing sugar in the supernatant was quantified by the Somogi-Nelson method using glucose as a standard substance. The results are shown in Table 1.
After the reaction, the Eppendorf tube containing the resin and the reaction solution is centrifuged to remove the supernatant, and then 1 ml of 50 mM sodium acetate buffer (pH 5.0) is added to the resin remaining in the precipitate. In addition, light agitation with a vortex mixer, centrifugation, and discarding the supernatant were repeated 6 times to wash the resin. Thereafter, the same buffer solution was added to make 200 μl, and this was used to conduct the above-described experiment for reacting with the neutralized product derived from each biomass raw material. The results are shown in Table 1.

表1の結果によれば、各原料から希硫酸処理後に可溶化した糖質は、固定化酵素の作用により還元糖量が増加し、固定化酵素が有効に作用していることが示唆された。また、その効果は、酵素反応後の酵素固定化樹脂を緩衝液で洗浄し、再利用しても酵素活性が維持されていた。   According to the results in Table 1, the saccharides solubilized after the dilute sulfuric acid treatment from each raw material increased the amount of reducing sugars by the action of the immobilized enzyme, suggesting that the immobilized enzyme is acting effectively. . In addition, the enzyme activity was maintained even after the enzyme-immobilized resin after the enzyme reaction was washed with a buffer solution and reused.

Figure 2009189291
Figure 2009189291

実施例2
稲わら粉末を3.00 g量り取り、これを100 ml容ガラス瓶に入れて、5wt%硫酸を30 ml加えた後、121℃、60分処理した。
これを常温に戻した後、イオン交換水を用いて100 mlにメスアップした。これを懸濁させて3.33 mlとり、15 ml容ファルコンチューブに入れた後、遠心分離により上澄み部を除去し、沈殿部を60℃で12時間乾燥した。
これに、室温下で1 mlの72wt%硫酸を加え、ボルテックスミキサーによる撹拌およびガラス棒を用いた懸濁を行いつつ、1時間処理した。
これを遠心分離にかけた上澄み部を用い、スピンカラム(UFC30LG00、ミリポア社)中に入れて4700×gで遠心分離し、濾液を800 μl回収した。
この濾液を200 μlずつ、150 mgの風乾状態の活性白土をフィルターの上に置いた同スピンカラム4本に分注して、室温で15分間静置した後、4700×gで30分間遠心分離を行った。その濾液(濾液A、総量571 μl)を除いた後、各スピンカラムに対して、200 μlのイオン交換水を加えて、同様に室温で15分静置した後に、4700×gで30分間遠心分離を行った。濾液を回収した後(濾液B、総量730 μl)、濾液Bの100 μlを5.00 mgの稲わら粉末と混合し、さらに400 μlのイオン交換水を加えたもの(試料1)、濾液100 μlに対して400 μlのイオン交換水を加えたもの(試料2)、そして5.00 mgの稲わら粉末に500 μlのイオン交換水を加えたもの(試料3)を用意し、ボルテックスミキサーで撹拌後、100℃で60分間反応した。その後、遠心上澄部の一部を中和し、ソモギ・ネルソン法によりグルコースを標準物質として還元糖を定量した。
Example 2
3.00 g of rice straw powder was weighed out, put into a 100 ml glass bottle, 30 ml of 5 wt% sulfuric acid was added, and then treated at 121 ° C. for 60 minutes.
After returning this to room temperature, it was made up to 100 ml with ion-exchanged water. This was suspended and 3.33 ml was taken and placed in a 15 ml falcon tube. The supernatant was removed by centrifugation, and the precipitate was dried at 60 ° C. for 12 hours.
To this, 1 ml of 72 wt% sulfuric acid was added at room temperature, and the mixture was treated for 1 hour while stirring with a vortex mixer and suspending with a glass rod.
Using the supernatant obtained by centrifugation, this was placed in a spin column (UFC30LG00, Millipore) and centrifuged at 4700 × g, and 800 μl of the filtrate was recovered.
Dispense 200 μl of this filtrate into four spin columns with 150 mg of air-dried activated clay placed on the filter, let stand at room temperature for 15 minutes, and then centrifuge at 4700 × g for 30 minutes Went. After removing the filtrate (filtrate A, total amount 571 μl), add 200 μl of ion-exchanged water to each spin column and let stand at room temperature for 15 minutes in the same way, and then centrifuge at 4700 × g for 30 minutes. Separation was performed. After collecting the filtrate (filtrate B, total volume 730 μl), 100 μl of filtrate B was mixed with 5.00 mg rice straw powder, and 400 μl of ion-exchanged water was added (sample 1). In contrast, 400 μl of ion-exchanged water (Sample 2) and 5.00 mg of rice straw powder with 500 μl of ion-exchanged water (Sample 3) were prepared and stirred with a vortex mixer. The reaction was carried out at 60 ° C for 60 minutes. Thereafter, a part of the centrifugal supernatant was neutralized, and reducing sugar was quantified using glucose as a standard substance by the Somogi-Nelson method.

その結果、試料1では9.44 μmolの還元糖が生成したのに対して、試料2では1.62 μmol、試料3では0.91 μmolの還元糖がそれぞれ生成した。このように、濃硫酸処理後に回収された、希酸を含む糖液を再利用し、稲わら粉末の希酸加水分解を行うことができた。   As a result, 9.44 μmol of reducing sugar was generated in sample 1, whereas 1.62 μmol of sample 2 and 0.91 μmol of reducing sugar were generated in sample 3. As described above, the sugar solution containing the dilute acid collected after the concentrated sulfuric acid treatment was reused to carry out dilute acid hydrolysis of the rice straw powder.

実施例3
稲わら粉末を3.00 g量り取り、これを100 ml容ガラス瓶に入れて、5wt%硫酸を30 ml加えた後、121℃、60分処理した。
これを常温に戻した後、イオン交換水を用いて100 mlにメスアップした。これを懸濁させて3.33 mlとり、15 ml容ファルコンチューブに入れた後、遠心分離により上澄み部を除去し、沈殿部を60℃で36時間乾燥した。
これに、室温下で1 mlの72wt%硫酸を加え、ボルテックスミキサーによる撹拌およびガラス棒を用いた懸濁を行いつつ、1時間処理した。
これを遠心分離にかけた上澄み部をスピンカラム(UFC30LG00、ミリポア社)に入れて4700×gで遠心分離し、濾液を回収した(濾液1)。
この濾液200 μlを、150 mgの活性白土をフィルターの上に置いた同スピンカラムに加えて、室温で15分間静置した後、4700×gで30分間遠心分離を行った。その濾液(濾液2、総量134 μl)を回収した後、スピンカラムに対して200 μlのイオン交換水を加えて、同様に室温で15分静置した後に4700×gで30分間遠心分離を行った。その濾液を濾液3として回収した(178 μl)。さらに、同様に200 μlのイオン交換水を加えて同様に室温で15分静置した後に4700×gで30分間遠心分離を行う操作を繰り返し、濾液を回収した(濾液4、154 μl)。濾液1および2はイオン交換水で8倍に希釈し、濾液3はイオン交換水で2倍に希釈し、濾液4は等量の72wt%硫酸と6倍量のイオン交換水を加えることにより、加水分解試料を調製した。これらを100℃で60分間加水分解反応して、中和後に生成したグルコース量をグルコースC-IIテストワコー(和光純薬工業株式会社)を用いて定量した。
Example 3
3.00 g of rice straw powder was weighed out, put into a 100 ml glass bottle, 30 ml of 5 wt% sulfuric acid was added, and then treated at 121 ° C. for 60 minutes.
After returning this to room temperature, it was made up to 100 ml with ion-exchanged water. This was suspended and 3.33 ml was taken and placed in a 15 ml falcon tube. The supernatant was removed by centrifugation, and the precipitate was dried at 60 ° C. for 36 hours.
To this, 1 ml of 72 wt% sulfuric acid was added at room temperature, and the mixture was treated for 1 hour while stirring with a vortex mixer and suspending with a glass rod.
The supernatant obtained by centrifuging this was placed in a spin column (UFC30LG00, Millipore) and centrifuged at 4700 × g to collect the filtrate (filtrate 1).
200 μl of this filtrate was added to the same spin column in which 150 mg of activated clay was placed on the filter, allowed to stand at room temperature for 15 minutes, and then centrifuged at 4700 × g for 30 minutes. After collecting the filtrate (filtrate 2, total volume 134 μl), add 200 μl of ion-exchanged water to the spin column and let stand at room temperature for 15 minutes in the same manner, and then centrifuge at 4700 × g for 30 minutes. It was. The filtrate was recovered as filtrate 3 (178 μl). Similarly, 200 μl of ion-exchanged water was added and the mixture was allowed to stand at room temperature for 15 minutes and then centrifuged at 4700 × g for 30 minutes, and the filtrate was collected (filtrate 4, 154 μl). Filtrate 1 and 2 are diluted 8-fold with ion-exchanged water, filtrate 3 is diluted 2-fold with ion-exchanged water, and filtrate 4 is added by adding an equal amount of 72 wt% sulfuric acid and 6-fold amount of ion-exchanged water. Hydrolyzed samples were prepared. These were hydrolyzed at 100 ° C. for 60 minutes, and the amount of glucose produced after neutralization was quantified using Glucose C-II Test Wako (Wako Pure Chemical Industries, Ltd.).

その結果、200 μlの濾液1から11.5 μmolのグルコースが生成し、それに対応する量の濾液2、濾液3および濾液4からは、それぞれ、0.97 μmol、5.29 μmolおよび2.09 μmolのグルコースが生成した。それぞれの濾液の加水分解が定量的に行われていると仮定した場合、濾液1から得られるグルコース残基の64%がイオン交換水溶出液中に存在し、希硫酸処理によりグルコースに変換されることが示唆された。   As a result, 11.5 μmol of glucose was produced from 200 μl of filtrate 1, and 0.97 μmol, 5.29 μmol and 2.09 μmol of glucose were produced from the corresponding amounts of filtrate 2, filtrate 3 and filtrate 4, respectively. Assuming that each filtrate is hydrolyzed quantitatively, 64% of the glucose residues obtained from filtrate 1 are present in the ion-exchanged water eluate and converted to glucose by dilute sulfuric acid treatment. It has been suggested.

本発明は、草本系および木質系リグノセルロース系バイオマスの糖化工程におけるブレイクスルーとなることが期待される。
また、本発明は、リグノセルロースのほかに糖質や澱粉を含む、ホールクロップとしてのバイオマスあるいは資源作物から糖質・でん粉を粗く回収した後の糖質含量やでん粉含量の高い原料などに対する、効率的な糖化技術の開発に繋がるものと考えられる。
バイオマス中には、加水分解特性の異なる複数種類の糖質が存在していることが一般的である。
多糖の特性に応じて単糖にまで加水分解する工程を最適化させる技術として、本発明は高い有効性を発揮する。
また、季節性をもつ草本系バイオマス原料や食品廃棄物等を複数利用することを考慮する際には、原料の変化にも対応できる、汎用性の高い総合的糖化システムを提案できる。
さらに、本発明では、希硫酸と糖質加水分解酵素を用いた穏和な反応を想定しており、副産物の利用や廃棄物処理を考慮した際には、環境影響が低く、受容性が高い利用・処理方法を提供できることが期待される。
糖化産物は最終的に弱酸性から中性pH条件で製造されることから、既知の六炭糖、五炭糖あるいはウロン酸を原料とした発酵工程を経てエタノール等の有用物質への変換が可能となる。
本発明により、反応条件が穏和な地域型エネルギー生産プロセスやバイオリファイナリープロセスが開発されることが期待される。
The present invention is expected to be a breakthrough in the saccharification process of herbaceous and woody lignocellulosic biomass.
In addition, the present invention includes saccharides and starches in addition to lignocellulose, which is efficient for raw materials with high sugar content and starch content after coarsely collecting saccharides and starch from biomass as a whole crop or resource crops. This is thought to lead to the development of a typical saccharification technology.
In biomass, a plurality of types of carbohydrates having different hydrolysis characteristics are generally present.
The present invention exhibits high effectiveness as a technique for optimizing the process of hydrolyzing to a monosaccharide according to the characteristics of the polysaccharide.
In addition, when considering using multiple herbaceous biomass raw materials and food wastes with seasonality, it is possible to propose a highly versatile comprehensive saccharification system that can cope with changes in raw materials.
Furthermore, in the present invention, a mild reaction using dilute sulfuric acid and a saccharide hydrolase is assumed. When considering the use of by-products and waste treatment, the environmental impact is low and the acceptability is high. -It is expected that a processing method can be provided.
Since saccharification products are finally produced under mildly acidic to neutral pH conditions, they can be converted into useful substances such as ethanol through fermentation processes using known hexose, pentose or uronic acid as raw materials. It becomes.
The present invention is expected to develop a regional energy production process and biorefinery process with mild reaction conditions.

Claims (3)

セルロースおよびそれ以外の多糖を含むバイオマスに対して、硫酸濃度0.1wt%以上5wt%以下の硫酸水溶液を加え、80℃以上150℃以下の条件で1分から3時間加水分解した後に固液分離し、遊離オリゴ糖を含む液画分を、pH調整後に酵素固定化物と接触させて酵素加水分解する、という一連の工程を含むことを特徴とする、バイオマスの糖化方法。 To a biomass containing cellulose and other polysaccharides, a sulfuric acid aqueous solution having a sulfuric acid concentration of 0.1 wt% or more and 5 wt% or less is added, hydrolyzed at 80 ° C or more and 150 ° C or less for 1 minute to 3 hours, and then solid-liquid separated. A biomass saccharification method comprising a series of steps in which a liquid fraction containing a free oligosaccharide is subjected to enzyme hydrolysis after contacting with an enzyme-immobilized product after pH adjustment. 請求項1記載の加水分解物に対して、不溶性画分に残存する糖を、硫酸濃度65wt%以上の硫酸水溶液によるセルロースを部分分解物として可溶化後、硫酸水溶液とセルロース部分分解物を分離して、分離された、希硫酸を含むセルロース部分分解物を、希硫酸により加水分解し糖化する、という一連の工程を含むことを特徴とする、バイオマスの糖化方法。 The saccharide remaining in the insoluble fraction is solubilized with the hydrolyzate according to claim 1 by dissolving cellulose in a sulfuric acid aqueous solution having a sulfuric acid concentration of 65 wt% or more as a partial decomposition product, and then separating the sulfuric acid aqueous solution and the cellulose partial decomposition product. The biomass saccharification method comprising a series of steps of hydrolyzing and saccharifying the separated cellulose partial decomposition product containing dilute sulfuric acid with dilute sulfuric acid. 請求項2において分離した、希硫酸の残るセルロース部分分解物の溶液を、請求項1記載の希硫酸加水分解の際の希硫酸供給源の少なくとも一部として用いる工程を含むことを特徴とする、バイオマスの糖化方法。 The step of using the solution of the partial decomposition product of cellulose remaining in the dilute sulfuric acid separated in claim 2 as at least a part of the dilute sulfuric acid supply source in the dilute sulfuric acid hydrolysis according to claim 1, Biomass saccharification method.
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Cited By (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010035431A (en) * 2008-07-31 2010-02-18 National Agriculture & Food Research Organization Method for saccharifying rice
JP2011254753A (en) * 2010-06-09 2011-12-22 Unitika Ltd Method of producing monosaccharide
JP2012161292A (en) * 2011-02-08 2012-08-30 Unitika Ltd Method for producing composition containing monosaccharide
WO2012133495A1 (en) * 2011-03-29 2012-10-04 東レ株式会社 Method for producing sugar solution
US8409357B2 (en) 2011-05-04 2013-04-02 Renmatix, Inc. Self-cleaning apparatus and method for thick slurry pressure control
US8546561B2 (en) 2008-07-16 2013-10-01 Renmatix, Inc. Nano-catalytic-solvo-thermal technology platform bio-refineries
US8546560B2 (en) 2008-07-16 2013-10-01 Renmatix, Inc. Solvo-thermal hydrolysis of cellulose
JP2014513962A (en) * 2011-05-04 2014-06-19 レンマティックス,インコーポレイテッド Multi-stage cellulose hydrolysis and quench with or without acid
US8759498B2 (en) 2011-12-30 2014-06-24 Renmatix, Inc. Compositions comprising lignin
US8840995B2 (en) 2011-05-04 2014-09-23 Renmatix, Inc. Lignin production from lignocellulosic biomass
US8883451B2 (en) 2011-05-04 2014-11-11 Renmatix, Inc. Enhanced soluble C5 saccharide yields
US8895265B2 (en) 2011-05-04 2014-11-25 Renmatix, Inc. Multistage fractionation process for recalcitrant C5 oligosaccharides
JP2015083011A (en) * 2014-12-21 2015-04-30 シージェイ チェイルジェダン コーポレイション Economical process for production of xylose from saccharified liquid using electrodialysis and direct recovery method
WO2015068769A1 (en) * 2013-11-07 2015-05-14 東レ株式会社 Method for producing purified soybean oligosaccharide solution
WO2015068768A1 (en) * 2013-11-07 2015-05-14 東レ株式会社 Method for producing chemical product
US10053745B2 (en) 2010-01-19 2018-08-21 Renmatix, Inc. Production of fermentable sugars and lignin from biomass using supercritical fluids
US10793646B2 (en) 2014-09-26 2020-10-06 Renmatix, Inc. Adhesive compositions comprising type-II cellulose

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS61257180A (en) * 1985-05-09 1986-11-14 Mitsubishi Heavy Ind Ltd Immobilization and recovery of biocatalyst
JP2006075007A (en) * 2004-09-07 2006-03-23 Tsukishima Kikai Co Ltd Method for pretreating lignocellulose and method for producing ethanol

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS61257180A (en) * 1985-05-09 1986-11-14 Mitsubishi Heavy Ind Ltd Immobilization and recovery of biocatalyst
JP2006075007A (en) * 2004-09-07 2006-03-23 Tsukishima Kikai Co Ltd Method for pretreating lignocellulose and method for producing ethanol

Cited By (21)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8546561B2 (en) 2008-07-16 2013-10-01 Renmatix, Inc. Nano-catalytic-solvo-thermal technology platform bio-refineries
US8546560B2 (en) 2008-07-16 2013-10-01 Renmatix, Inc. Solvo-thermal hydrolysis of cellulose
JP2010035431A (en) * 2008-07-31 2010-02-18 National Agriculture & Food Research Organization Method for saccharifying rice
US10858712B2 (en) 2010-01-19 2020-12-08 Renmatix, Inc. Production of fermentable sugars and lignin from biomass using supercritical fluids
US10053745B2 (en) 2010-01-19 2018-08-21 Renmatix, Inc. Production of fermentable sugars and lignin from biomass using supercritical fluids
JP2011254753A (en) * 2010-06-09 2011-12-22 Unitika Ltd Method of producing monosaccharide
JP2012161292A (en) * 2011-02-08 2012-08-30 Unitika Ltd Method for producing composition containing monosaccharide
WO2012133495A1 (en) * 2011-03-29 2012-10-04 東レ株式会社 Method for producing sugar solution
US10179924B2 (en) 2011-03-29 2019-01-15 Toray Industries, Inc. Method for producing sugar solution
US8883451B2 (en) 2011-05-04 2014-11-11 Renmatix, Inc. Enhanced soluble C5 saccharide yields
US8840995B2 (en) 2011-05-04 2014-09-23 Renmatix, Inc. Lignin production from lignocellulosic biomass
US8895265B2 (en) 2011-05-04 2014-11-25 Renmatix, Inc. Multistage fractionation process for recalcitrant C5 oligosaccharides
JP2014513962A (en) * 2011-05-04 2014-06-19 レンマティックス,インコーポレイテッド Multi-stage cellulose hydrolysis and quench with or without acid
US8409357B2 (en) 2011-05-04 2013-04-02 Renmatix, Inc. Self-cleaning apparatus and method for thick slurry pressure control
US9963555B2 (en) 2011-12-30 2018-05-08 Renmatix, Inc. Compositions comprising lignin
US8759498B2 (en) 2011-12-30 2014-06-24 Renmatix, Inc. Compositions comprising lignin
WO2015068769A1 (en) * 2013-11-07 2015-05-14 東レ株式会社 Method for producing purified soybean oligosaccharide solution
WO2015068768A1 (en) * 2013-11-07 2015-05-14 東レ株式会社 Method for producing chemical product
US9909119B2 (en) 2013-11-07 2018-03-06 Toray Industries, Inc. Method for producing purified soybean oligosaccharide liquid
US10793646B2 (en) 2014-09-26 2020-10-06 Renmatix, Inc. Adhesive compositions comprising type-II cellulose
JP2015083011A (en) * 2014-12-21 2015-04-30 シージェイ チェイルジェダン コーポレイション Economical process for production of xylose from saccharified liquid using electrodialysis and direct recovery method

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