JP2011078327A - Method for separating fermentation inhibitor from sugar solution - Google Patents

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resin
sugar
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Kenichi Hatano
賢一 秦野
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Gunma University NUC
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Gunma University NUC
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for separating a fermentation inhibitor from a sugar solution, by which the fermentation inhibitor can efficiently be separated from the sugar solution containing the fermentation inhibitor, such as a sugar solution obtained by hydrolyzing a polysaccharide-based biomass such as lignocellulose. <P>SOLUTION: The method for separating the fermentation inhibitor from the solution containing the sugar and the fermentation inhibitor to obtain the sugar solution is characterized by allowing a polystyrene-based resin to adsorb or hold the fermentation inhibitor to separate the sugar solution. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、発酵阻害物質を含む糖溶液からの発酵阻害物質の分離方法および当該方法を用いて得られる糖溶液によるエタノールやキシリトールなどの有用物質の製造方法に関する。   The present invention relates to a method for separating a fermentation inhibitor from a sugar solution containing a fermentation inhibitor and a method for producing a useful substance such as ethanol and xylitol using a sugar solution obtained by using the method.

日本は国土の70%が森林であり、リグノセルロースなど多糖類系バイオマスが豊富に存在する。近年、国策としてバイオエタノールの試験的生産が開始されており、廃木材や間伐材などを用いてバイオエタノール生産を行えば、コスト的にも非常に有利になると思われる。多糖類系バイオマスからバイオエタノールを生産するためには、バイオマスを加水分解物して酵母など発酵微生物に利用可能な単糖または二糖類の形にする必要があるが、酸性処理や超臨界水処理過程において必ずフルフラール類やフェノール類などの発酵阻害物が発生してしまう。また、キシリトールは甘味料などとして有用な物質であり、多糖類系バイオマスからの発酵生産も試みられているが、この際にも発酵阻害物質の発生による収率低下の問題がある。
従来は、これら発酵阻害物質をイオン交換樹脂や蒸留、最近では活性炭などで除去してきたが(例えば、特許文献1)、どれも一長一短があり経済的とはいえなかった。例えば、イオン交換樹脂では選択性がありヒドロキシメチルフルフラール(HMF)に関しては50%前後しか除去できない。蒸留法は熱量が膨大に必要でありコスト的に合わない。活性炭はその生成に700℃の高温処理を必要とし、その生産そして再生にコストが非常にかかる、といった問題点を抱えている。
また、本発明者は疎水性クロマト樹脂を用いて糖蜜又は廃糖蜜から着色物質を除去したエタノール発酵用原料の生成方法を開示しているが(特許文献2)、リグノセルロースなど多糖類系バイオマスからもより効率よくHMFなどの発酵阻害物質を除去できる方法が求められていた。
In Japan, 70% of the country is forested and rich in polysaccharide biomass such as lignocellulose. In recent years, trial production of bioethanol has been started as a national policy, and if bioethanol production is performed using waste wood, thinned wood, etc., it will be very advantageous in terms of cost. In order to produce bioethanol from polysaccharide-based biomass, it is necessary to hydrolyze the biomass to form monosaccharides or disaccharides that can be used for fermentation microorganisms such as yeast. In the process, fermentation inhibitors such as furfurals and phenols are always generated. In addition, xylitol is a substance useful as a sweetener and the like, and fermentation production from polysaccharide biomass has also been attempted, but there is also a problem of a decrease in yield due to generation of a fermentation inhibitor.
Conventionally, these fermentation-inhibiting substances have been removed with ion exchange resins or distillation, and recently activated carbon (for example, Patent Document 1), but none of them has advantages and disadvantages and is not economical. For example, ion exchange resins are selective, and only about 50% of hydroxymethylfurfural (HMF) can be removed. Distillation requires a large amount of heat and is not cost effective. Activated carbon requires a high temperature treatment of 700 ° C. for its production and has a problem that its production and regeneration are very expensive.
Moreover, although this inventor has disclosed the production | generation method of the raw material for ethanol fermentation which removed the coloring substance from molasses or waste molasses using hydrophobic chromatographic resin (patent document 2), it is from polysaccharide biomass, such as lignocellulose. Therefore, there has been a demand for a method that can remove fermentation inhibitors such as HMF more efficiently.

特開2005-270056号公報JP 2005-270056 JP 特開2009-95282号公報JP 2009-95282 JP

本発明は、リグノセルロースなどの多糖類系バイオマスを加水分解して得られる糖溶液など、発酵阻害物質を含む糖溶液から発酵阻害物質を効率よく分離できる方法を提供することを課題とする。   An object of the present invention is to provide a method capable of efficiently separating a fermentation inhibitor from a sugar solution containing a fermentation inhibitor such as a sugar solution obtained by hydrolyzing polysaccharide biomass such as lignocellulose.

本発明者は上記課題を解決するために鋭意検討を行った。その結果、ポリスチレン系の樹脂を用いてカラムクロマトグラフィーを行うことにより、発酵阻害物質を含む糖溶液から発酵阻害物質を効率よく除くことができ、このようにして得られた糖溶液を用いることでエタノールやキシリトールなどの発酵生産効率が向上することを見出し、本発明を完成させた。   The present inventor has intensively studied to solve the above problems. As a result, by performing column chromatography using a polystyrene-based resin, the fermentation inhibitor can be efficiently removed from the sugar solution containing the fermentation inhibitor, and by using the sugar solution thus obtained, It discovered that fermentation production efficiency, such as ethanol and a xylitol, improved, and completed this invention.

すなわち、本発明は以下を提供する。
(1)糖と発酵阻害物質を含む溶液から発酵阻害物質を分離して糖溶液を得る方法であっ
て、発酵阻害物質をポリスチレン系の樹脂に吸着または保持させて分離することを特
徴とする方法。
(2)前記糖と発酵阻害物質を含む溶液が、多糖類系バイオマス加水分解物である、(1
)に記載の方法。
(3)多糖類系バイオマスがリグノセルロースである、(2)に記載の方法。
(4)ポリスチレン系の樹脂がアンバーライト(登録商標)XAD4樹脂である、(1)
〜(3)のいずれかに記載の方法。
(5)前記発酵阻害物質が、フルフラール、HMF及びバニリンからなる群より選ばれる
一種類以上の物質である、(1)〜(4)のいずれかに記載の方法。
(6)さらに、樹脂に吸着または保持された発酵阻害物質を樹脂から溶出させて回収す
る工程を含む、(1)〜(5)のいずれかに記載の方法。
(7)炭素数1〜3のアルコールを用いて発酵阻害物質を溶出させる、(6)に記載の方
法。
(8)前記アルコールがイソプロパノールまたはメタノールである、(7)に記載の方法

(9)前記アルコールを用いて発酵阻害物質を溶出させた後に樹脂を再生して再利用する
、(7)または(8)に記載の方法。
(10)前記溶出が垂直方向に設置したカラムの上方から下方へ前記アルコールを通液す
ることによって行われ、前記樹脂の再生が、前記アルコールを通液した後、カラムの
下方から上方へカラム洗浄液を通液させることにより行われる、(9)に記載の方法

(11)(1)〜(10)のいずれかに記載の方法により糖溶液を得る工程、得られた糖
溶液を用いて糖を有用物質に変換する微生物を培養することにより有用物質の発酵生
産を行う工程を含む、有用物質の製造方法。
(12)前記有用物質がエタノールまたはキシリトールである、(11)に記載の方法。

(13)フルフラール、HMF及びバニリンからなる群より選ばれる一種類以上の物質を
含む溶液から前記物質を精製する方法であって、ポリスチレン系の樹脂を用いて精製
を行うことを特徴とする方法。
(14)ポリスチレン系の樹脂がアンバーライト(登録商標)XAD4樹脂である、(1
3)に記載の方法。
That is, the present invention provides the following.
(1) A method for obtaining a sugar solution by separating a fermentation inhibitor from a solution containing sugar and a fermentation inhibitor, wherein the fermentation inhibitor is adsorbed or retained on a polystyrene resin and separated. .
(2) The solution containing the sugar and the fermentation inhibitor is a polysaccharide biomass hydrolyzate (1
) Method.
(3) The method according to (2), wherein the polysaccharide biomass is lignocellulose.
(4) The polystyrene resin is Amberlite (registered trademark) XAD4 resin, (1)
The method in any one of-(3).
(5) The method according to any one of (1) to (4), wherein the fermentation-inhibiting substance is one or more substances selected from the group consisting of furfural, HMF, and vanillin.
(6) Further, the fermentation inhibiting substance adsorbed or retained on the resin is eluted from the resin and recovered.
The method in any one of (1)-(5) including the process to include.
(7) The method according to (6), wherein the fermentation inhibitor is eluted using an alcohol having 1 to 3 carbon atoms.
(8) The method according to (7), wherein the alcohol is isopropanol or methanol.
(9) The method according to (7) or (8), wherein after the fermentation inhibitor is eluted using the alcohol, the resin is regenerated and reused.
(10) The elution is performed by passing the alcohol from the upper side to the lower side of the column installed in the vertical direction, and the regeneration of the resin is performed by passing the alcohol through the column from the lower side to the upper side of the column. The method according to (9), which is carried out by passing a washing solution.
(11) A step of obtaining a sugar solution by the method according to any one of (1) to (10), and culturing a microorganism that converts sugar to a useful substance using the obtained sugar solution, thereby fermenting the useful substance. A method for producing a useful substance, which includes a production step.
(12) The method according to (11), wherein the useful substance is ethanol or xylitol.

(13) A method for purifying a substance from a solution containing one or more kinds of substances selected from the group consisting of furfural, HMF and vanillin, wherein the substance is purified using a polystyrene-based resin.
(14) The polystyrene-based resin is Amberlite (registered trademark) XAD4 resin, (1
The method according to 3).

本発明によると、これまで最も除去が難しく、しかも最も発酵阻害能力が高いHMFをほぼ完全に多糖類系バイオマスの加水分解溶液から除去することができる。これにより、非常に高効率でアルコール発酵をおこなうことができる。
またカラムに吸着または保持された発酵阻害物質の溶出も少量のアルコールで可能であり、樹脂の再生もカラムに充填したままで簡単にできる。回収されたバニリン、フルフラール、HMFなどの発酵阻害物質も、各種産業で香料、合成ゴム、フラン樹脂、ナイロン、バイオ燃料等の原料として利用できる。
According to the present invention, HMF that has been most difficult to remove and that has the highest fermentation inhibition ability can be almost completely removed from the hydrolysis solution of polysaccharide biomass. Thereby, alcohol fermentation can be performed with very high efficiency.
In addition, the fermentation inhibitor adsorbed or retained on the column can be eluted with a small amount of alcohol, and the resin can be easily regenerated with the column packed. The recovered fermentation inhibiting substances such as vanillin, furfural and HMF can also be used as raw materials for fragrances, synthetic rubbers, furan resins, nylons, biofuels and the like in various industries.

アンバーライトXAD4樹脂25mlを用い、発酵阻害物質を70%メタノールで溶出させたときのクロマトグラム。Chromatogram when fermentation inhibitor is eluted with 70% methanol using 25 ml of Amberlite XAD4 resin. アンバーライトXAD4樹脂25mlを用い、発酵阻害物質を70%イソプロパノールで溶出させたときのクロマトグラム。Chromatogram when fermentation inhibitor was eluted with 70% isopropanol using 25 ml of Amberlite XAD4 resin. アンバーライトXAD4樹脂100mlを用い、発酵阻害物質を70%メタノールで溶出させたときのクロマトグラム。Chromatogram when fermentation inhibitor is eluted with 70% methanol using 100 ml of Amberlite XAD4 resin.

本発明の方法は、糖と発酵阻害物質を含む溶液から発酵阻害物質を分離して糖溶液を得
る方法であって、発酵阻害物質をポリスチレン系の樹脂に相互作用により吸着または保持させて分離することを特徴とする。
The method of the present invention is a method for obtaining a sugar solution by separating a fermentation inhibitor from a solution containing sugar and a fermentation inhibitor, and separating the fermentation inhibitor by adsorbing or holding it on a polystyrene resin by interaction. It is characterized by that.

糖としては、ガラクトース、グルコース、フルクトース、マンノース、キシロース等の単糖類、シュークロース、マルトース、ラクトース等の二糖類およびこれらの組合せが例示される。この中では、セルロース系バイオマスを加水分解することによって生じる糖がより好ましい。   Examples of the sugar include monosaccharides such as galactose, glucose, fructose, mannose, and xylose, disaccharides such as sucrose, maltose, and lactose, and combinations thereof. In this, the saccharide | sugar produced by hydrolyzing cellulosic biomass is more preferable.

発酵阻害物質としては、炭素源(糖)を含む培地で微生物を培養することによって有用物質を生産させる発酵過程において、微生物の生育を阻害したり、物質生産効率を低下させたりする物質を意味する。その中では、リグノセルロースなど多糖類系バイオマスを酸性処理や超臨界水処理する過程で生じる発酵阻害物質が好ましく、具体的には、フルフラール、HMF、バニリンなどが挙げられる。   Fermentation-inhibiting substance means a substance that inhibits the growth of microorganisms or reduces substance production efficiency in the fermentation process in which useful substances are produced by culturing microorganisms in a medium containing a carbon source (sugar). . Among them, fermentation inhibitory substances produced in the process of subjecting polysaccharide biomass such as lignocellulose to acid treatment or supercritical water treatment are preferable, and specific examples include furfural, HMF, and vanillin.

糖と発酵阻害物質を含む溶液としては、糖と発酵阻害物質を溶解して得られる液体(好ましくは水溶液または緩衝液)であればよいが、リグノセルロースなど多糖類系バイオマスを加水分解物することによって得られる糖とフルフラール、HMF、バニリンなどの発酵阻害物質を含む溶液であることが好ましい。
リグノセルロースなど多糖類系バイオマスの加水分解は、亜臨界状態または超臨界状態の水による加水分解処理、酸による加水分解処理、および酵素糖化法など、公知の方法によって行うことができる。
The solution containing the sugar and the fermentation inhibitor may be a liquid (preferably an aqueous solution or a buffer) obtained by dissolving the sugar and the fermentation inhibitor, but hydrolyzate polysaccharide biomass such as lignocellulose. It is preferably a solution containing a sugar obtained by the above and a fermentation inhibitor such as furfural, HMF, vanillin.
Hydrolysis of polysaccharide-based biomass such as lignocellulose can be performed by a known method such as hydrolysis with water in a subcritical state or supercritical state, hydrolysis with acid, and enzymatic saccharification.

本発明の方法に用いられるポリスチレン系樹脂としては、ポリスチレンを骨格とする樹脂であればよく、スチレン−ジビニルベンゼン共重合体など、スチレンと他のモノマーとの共重合体でもよい。例えば、具体的には、アンバーライト(登録商標)XAD4、XAD1180N、XAD1600、XAD2000、アンバーライト(登録商標)FPX66、FPX68、アンバーライト(登録商標)EX4が例示される。この中ではアンバーライトXAD4がより好ましい。この樹脂は巨大網目構造の共重合体で、平均孔径が小さくて半透明の外観を呈する。そのため平均孔径が大きいものに比べて、樹脂の表面積が大きくなっている。   The polystyrene resin used in the method of the present invention may be a resin having a polystyrene skeleton, and may be a copolymer of styrene and another monomer such as a styrene-divinylbenzene copolymer. For example, specifically, Amberlite (registered trademark) XAD4, XAD1180N, XAD1600, XAD2000, Amberlite (registered trademark) FPX66, FPX68, and Amberlite (registered trademark) EX4 are exemplified. Of these, Amberlite XAD4 is more preferable. This resin is a copolymer having a huge network structure and has a small average pore size and a translucent appearance. Therefore, the surface area of the resin is larger than that having a large average pore diameter.

分離はカラムクロマトグラフィーにより行うことが好ましい。
ポリスチレン系樹脂を用いたカラムクロマトグラフィーは通常の疎水性吸着樹脂を用いたカラムクロマトグラフィーの手順に従って行うことができる。
例えば、まず、ポリスチレン系樹脂を充填したカラムを水や緩衝液などで平衡化する。次いで、糖と発酵阻害物質を含む溶液をカラムに通液し、カラムを通過させる。ここで、糖はカラムを素通りするのに対し、フルフラールやバニリンなどの発酵阻害物質はカラム樹脂に吸着され、一方、HMFはそこで一定時間保持されるので、この吸着と保持時間の違いを利用して糖と発酵阻害物質を分離することができる。
すなわち、素通り画分を回収することで精製された糖を得ることができる。糖の存在はブリックス度や195 nmの吸光度(A195)などでモニターすることができる。
なお、糖と発酵阻害物質を含む溶液が多糖類系バイオマスの加水分解物である場合、そのままカラムに負荷してもよいが、不溶物が含まれる場合は樹脂の目詰まりを防ぐために、遠心分離や膜分離法で不溶物を除いた後にカラムに負荷することが好ましい。
Separation is preferably performed by column chromatography.
Column chromatography using a polystyrene resin can be performed according to the procedure of column chromatography using a normal hydrophobic adsorption resin.
For example, first, a column packed with a polystyrene resin is equilibrated with water or a buffer solution. Next, a solution containing a sugar and a fermentation inhibitor is passed through the column and passed through the column. Here, sugar passes through the column, whereas fermentation inhibitors such as furfural and vanillin are adsorbed to the column resin, while HMF is held there for a certain period of time, so the difference between this adsorption and holding time is utilized. Sugar and fermentation inhibiting substances can be separated.
That is, purified sugar can be obtained by collecting the flow-through fraction. The presence of sugar can be monitored by the Brix degree or absorbance at 195 nm (A195).
If the solution containing sugar and fermentation inhibitor is a hydrolyzate of polysaccharide biomass, it may be loaded on the column as it is, but if it contains insoluble matter, centrifuge to prevent clogging of the resin. It is preferable to load the column after removing the insoluble matter by the membrane separation method.

糖を精製する目的だけであればバニリンなど樹脂に吸着された発酵阻害物質は特に回収する必要はないが、HMFはカラムに通液した後、一定時間後に非常にブロードなピーク画分として溶出してくる。従って、吸着または保持された発酵阻害物質と共にカラムから溶出させ、次回の糖の分離操作に備えなくてはならない。またバニリンや、フルフラール、HMFなどの発酵阻害物質は香料、合成ゴム、フラン樹脂、ナイロン、バイオ燃料製造
の原料などとして有用であるため、カラムから溶出させて回収することが好ましい。
発酵阻害物質の溶出に用いる溶媒は、発酵阻害物質をポリスチレン系樹脂から溶出できる溶媒であれば特に制限されない。特に、HMFの場合は樹脂に対する吸着力が弱いので、水を通液することによってカラムから溶出させることができる。一方、樹脂と完全に吸着したフルフラールとバニリンの場合は、なるべく少ない画分として得るために炭素数1〜3のアルコールを用いて溶出させることが好ましい。ここで、炭素数1〜3のアルコールとしては、メタノール、エタノール、プロパノールおよびイソプロパノールが挙げられるが、イソプロパノールがより好ましい。溶出に用いる炭素数1〜3のアルコールは含水アルコールでもよく、その場合、アルコール濃度は50%以上が好ましく、70%以上がより好ましい。
発酵阻害物質の溶出は例えば、280 nmの吸光度(A280)などでモニターすることができる。
For the purpose of purifying sugar, fermentation inhibitor such as vanillin adsorbed on the resin does not need to be recovered, but HMF elutes as a very broad peak fraction after a certain time after passing through the column. Come. Therefore, it must be eluted from the column together with the adsorbed or retained fermentation inhibitor to prepare for the next sugar separation operation. In addition, fermentation inhibitory substances such as vanillin, furfural, and HMF are useful as fragrances, synthetic rubbers, furan resins, nylons, raw materials for producing biofuels, etc., and are therefore preferably eluted and recovered from the column.
The solvent used for the elution of the fermentation inhibitor is not particularly limited as long as it is a solvent that can elute the fermentation inhibitor from the polystyrene resin. In particular, in the case of HMF, since the adsorptive power to the resin is weak, it can be eluted from the column by passing water. On the other hand, in the case of furfural and vanillin completely adsorbed with the resin, it is preferable to elute with an alcohol having 1 to 3 carbon atoms in order to obtain as few fractions as possible. Here, examples of the alcohol having 1 to 3 carbon atoms include methanol, ethanol, propanol, and isopropanol, and isopropanol is more preferable. The alcohol having 1 to 3 carbon atoms used for elution may be a hydrous alcohol. In that case, the alcohol concentration is preferably 50% or more, and more preferably 70% or more.
The elution of the fermentation inhibitor can be monitored, for example, by absorbance at 280 nm (A280).

炭素数1〜3のアルコールを用いて発酵阻害物質を回収した場合において、発酵阻害物質が複数種類存在するときは、沸点の差を利用してそれぞれの発酵阻害物質を蒸留によって得ることが好ましい。例えば、フルフラール、HMF、バニリンの沸点は、それぞれ、162℃、115℃、285℃である。   In the case where a fermentation inhibitor is collected using an alcohol having 1 to 3 carbon atoms, when a plurality of fermentation inhibitors are present, it is preferable to obtain each fermentation inhibitor by distillation using a difference in boiling points. For example, the boiling points of furfural, HMF, and vanillin are 162 ° C, 115 ° C, and 285 ° C, respectively.

また、発酵阻害物質の溶出のために使用した炭素数1〜3のアルコールは、蒸留などの方法によって回収して再利用することもできる。   Moreover, the C1-C3 alcohol used for the elution of a fermentation inhibitory substance can also be collect | recovered and reused by methods, such as distillation.

また、炭素数1〜3のアルコールを回収した後のカラムは、水などのカラム洗浄液を用いて再生させ、再利用することができる。
カラム内に残った炭素数1〜3のアルコールを水などのカラム洗浄液で回収する際、残存アルコールの上、つまりカラム上部から水を通液すると水の比重の方が大きいので、カラム内で対流が生じ、効率のよい残存アルコールの回収が困難になることがある。そこで、カラムを垂直方向に設置し、サンプル溶液およびアルコールの場合とは逆方向、すなわち、カラムの下方から上方へと水などの洗浄液を流すことが好ましい。
In addition, the column after recovering the alcohol having 1 to 3 carbon atoms can be regenerated and reused using a column cleaning solution such as water.
When collecting alcohol with 1 to 3 carbon atoms remaining in the column with a column cleaning solution such as water, the water has a higher specific gravity when water is passed over the remaining alcohol, that is, from the top of the column. May occur, and it may be difficult to efficiently recover the remaining alcohol. Therefore, it is preferable to install the column in the vertical direction and to flow a cleaning solution such as water in the direction opposite to the case of the sample solution and alcohol, that is, from the bottom to the top of the column.

本発明の方法により得られた糖溶液は発酵阻害物質がほとんど含まれないため、エタノールなどのアルコール、キシリトールなどの糖アルコール、カルボン酸、アミノ酸などの有用物質の発酵生産に好適に用いることができる。
すなわち、本発明は、上記方法により発酵阻害物質が除去された糖溶液を取得し、得られた糖溶液を用いて糖を有用物質に変換する微生物を培養して有用物質を得ることを特徴とする、有用物質の製造原料を提供する。
Since the sugar solution obtained by the method of the present invention contains almost no fermentation-inhibiting substance, it can be suitably used for the fermentation production of useful substances such as alcohols such as ethanol, sugar alcohols such as xylitol, carboxylic acids, and amino acids. .
That is, the present invention is characterized in that a sugar solution from which a fermentation inhibitor is removed by the above method is obtained, and a microorganism that converts sugar into a useful substance is cultured using the obtained sugar solution to obtain a useful substance. To provide raw materials for the production of useful substances.

以下、エタノールの発酵生産について説明する。
生成したエタノール発酵用原料である糖液に、酵母を添加し、嫌気的条件でエタノール発酵させる。30℃で静地培養することにより、発酵が促進される。通常、1〜72時間の反応により、エタノールが培地中に蓄積するので、これを蒸留等によって回収することでエタノールが得られる。なお、エタノール発酵微生物としては公知のいずれのエタノール生産微生物を用いることができるが、具体的には酵母(Saccharomyces cerevisiae)又はザイモモナス菌(Zymomonas mobilis)が例示される。これらの微生物は野生株でも変異株でも遺伝子組み換え株でもよい。
Hereinafter, the fermentation production of ethanol will be described.
Yeast is added to the sugar solution that is the raw material for ethanol fermentation, and ethanol fermentation is performed under anaerobic conditions. Fermentation is promoted by static culture at 30 ° C. Usually, ethanol accumulates in the medium by reaction for 1 to 72 hours, and ethanol is obtained by recovering this by distillation or the like. As the ethanol-fermenting microorganism, any known ethanol-producing microorganism can be used, and specific examples include yeast ( Saccharomyces cerevisiae ) and zymomonas mobilis . These microorganisms may be wild strains, mutant strains or genetically modified strains.

Saccharomyces cerevisiaeを用いる場合、スラントや凍結などで保存されているものを使用して良いが、市販のパン酵母を用いても良い。スラントなどで保存してある状態の酵母を用いる場合は、発酵に用いる前に液体培地を用いて前培養を行い、酵母の量や活性を上げることが望ましい。
以上、糖をエタノールに変換する微生物を用いたエタノールの製造について説明したが
、他の有用物質も公知の有用物質を生産する微生物を用い、公知の方法に従って製造することができる。例えば、甘味料などとして有用なキシリトールも本発明の方法によって得られる発酵阻害物質の除去された糖溶液を用いて効率よく製造できる。
リグノセルロースにはセルロースとヘミセルロースが存在し、草木系バイオマスでは後者の存在比が高いことが知られている。そして、ヘミセルロースを多く含む草木系バイオマスを希硫酸分解などにより分解した場合、キシロースもグルコースと同様に生成する。したがって、本発明の方法により得られたキシロースを含む溶液を用いてキシリトールを発酵生産することも可能である。キシリトールの発酵生産の方法としては、特開平11-192095などに記載された方法が例示される。
In the case of using Saccharomyces cerevisiae , those stored by slanting or freezing may be used, but commercially available baker's yeast may be used. When yeast in a state preserved with slant or the like is used, it is desirable to increase the amount and activity of the yeast by performing pre-culture using a liquid medium before use in fermentation.
Although the production of ethanol using a microorganism that converts sugar into ethanol has been described above, other useful substances can be produced according to known methods using microorganisms that produce known useful substances. For example, xylitol useful as a sweetener can also be efficiently produced using a sugar solution from which a fermentation inhibitor is removed obtained by the method of the present invention.
It is known that lignocellulose contains cellulose and hemicellulose, and that the abundance ratio of the latter is high in plant-based biomass. When plant-based biomass containing a large amount of hemicellulose is decomposed by dilute sulfuric acid decomposition or the like, xylose is generated in the same manner as glucose. Therefore, xylitol can be produced by fermentation using a solution containing xylose obtained by the method of the present invention. Examples of the method for fermentative production of xylitol include the methods described in JP-A-11-192095 and the like.

なお、本発明はフルフラール、HMF及びバニリンからなる群より選ばれる一種類以上の物質を含む溶液から前記物質を精製する方法であって、ポリスチレン系の樹脂を用いて精製を行うことを特徴とする方法も提供する。フルフラール、HMF及びバニリンからなる群より選ばれる一種類以上の物質を含む溶液は上記の糖とこれらの物質を含む溶液には限定されず、これらの物質と他の物質を含む溶液であればよい。精製方法は上記分離方法の項目で説明したとおりである。   The present invention is a method for purifying a substance from a solution containing one or more kinds of substances selected from the group consisting of furfural, HMF and vanillin, wherein the substance is purified using a polystyrene resin. A method is also provided. The solution containing one or more substances selected from the group consisting of furfural, HMF, and vanillin is not limited to the above-mentioned sugar and a solution containing these substances, and may be a solution containing these substances and other substances. . The purification method is as described in the item of the separation method.

以下に実施例を示し、本発明をさらに具体的に説明する。もっとも、本発明は下記実施例に限定されるものではない。   The following examples illustrate the present invention more specifically. However, the present invention is not limited to the following examples.

[実施例1]
表1に示す糖と発酵阻害物質を含む水溶液を調製した。なお、この組成は超臨界水によるリグノセルロース加水分解溶液の組成を疑似したものである。

Figure 2011078327
[Example 1]
An aqueous solution containing the sugar and fermentation inhibitory substances shown in Table 1 was prepared. This composition simulates the composition of a lignocellulose hydrolysis solution with supercritical water.
Figure 2011078327

ポリスチレン系クロマト樹脂として25 mlのアンバーライトXAD4(オルガノ社)をカラム管(直径1.4 cm×16 cm)に充填し、イオン交換水で平衡化した。
得られたカラムに、上方から、pH4.7である上記水溶液を354 ml通液し(流速11.5μl/秒)、その後、さらにイオン交換水を流した。カラム通過液を2.1 mlずつのフラクションに分けて分取し、各フラクションにつき、A280とブリックス度をモニターした。そして、ブリックス度が0.1以下になってから(溶出量354 mlの時点から)、通液を70%メタノールに切り替えた。全カラム通液操作は室温で行った。
As a polystyrene chromatography resin, 25 ml of Amberlite XAD4 (organo) was packed in a column tube (diameter 1.4 cm × 16 cm) and equilibrated with ion-exchanged water.
From the upper side, 354 ml of the aqueous solution having a pH of 4.7 was passed through the obtained column (flow rate: 11.5 μl / second), and then ion-exchanged water was further flowed. The liquid passing through the column was fractionated into 2.1 ml fractions, and A280 and Brix degree were monitored for each fraction. Then, after the Brix degree became 0.1 or less (from the time when the elution amount was 354 ml), the liquid flow was switched to 70% methanol. All column flow operations were performed at room temperature.

結果を図1に示す。溶出量0〜336 mlまでのカラム通過液(素通り画分)では、ブリックス度が0.1となり糖が検出され、その一方でA280の値は小さく、HMF、フルフラールおよびバニリンはほとんど含まれないことがわかった。素通り画分における糖の回収率を計算すると、90%以上であった。   The results are shown in FIG. In the elution volume of 0 to 336 ml (through fraction), the Brix degree was 0.1 and sugar was detected, while the A280 value was small, indicating that HMF, furfural and vanillin were almost absent. It was. The sugar recovery rate in the flow-through fraction was calculated to be 90% or more.

これに対し、70%メタノール溶出画分(360〜460 ml)ではA280の値が大きく、HMF、フルフラールおよびバニリンが70%メタノールで溶出されたことがわかった。70%メタノール
溶出画分におけるこれらの発酵阻害物質の回収率を計算すると、99%以上であった。なお、360 ml以降ブリックス度が大きくなっているが、これは70%メタノールのブリックス度が5〜6であることによるもので、糖はこの画分には含まれていない。
In contrast, in the 70% methanol elution fraction (360 to 460 ml), the A280 value was large, indicating that HMF, furfural and vanillin were eluted with 70% methanol. The recovery rate of these fermentation inhibitors in the 70% methanol elution fraction was calculated to be 99% or more. In addition, although the Brix degree becomes large after 360 ml, this is because 70% methanol has a Brix degree of 5 to 6, and sugar is not contained in this fraction.

以上より、ポリスチレン系樹脂を用いることで、糖と発酵阻害物質を分離することができ、さらに樹脂に吸着した発酵阻害物質は70%メタノールで溶出できることがわかった。なお、70%メタノールで溶出された発酵阻害物質のピーク画分の半値幅は50 mlであった。
なお、70%メタノールを流した後、下方から上方へイオン交換水を流して、カラムを再生させた。
From the above, it was found that by using a polystyrene-based resin, sugars and fermentation inhibiting substances can be separated, and further, the fermentation inhibiting substances adsorbed on the resin can be eluted with 70% methanol. The half width of the peak fraction of the fermentation inhibitor eluted with 70% methanol was 50 ml.
After flowing 70% methanol, ion-exchanged water was flowed from the bottom to the top to regenerate the column.

[実施例2]
上記ポリスチレン系樹脂カラムに表2の水溶液(pHは4.8)を300 ml通液し(流速12.2μl/秒)、その後、イオン交換水を流した。通過液を4.4 mlずつのフラクションに分けて分取し、各フラクションにつき、A280とA195(ブリックス度より糖濃度に関して非常に感度が高い)をモニターした。そして、A195が0.01以下になってから(溶出量352mlの時点から)、通液を70%イソプロパノールに切り替えた。全カラム通液操作は室温で行った。
[Example 2]
300 ml of the aqueous solution (pH: 4.8) shown in Table 2 was passed through the polystyrene resin column (flow rate: 12.2 μl / second), and then ion-exchanged water was allowed to flow. The flow-through was divided into 4.4 ml fractions, and A280 and A195 (which are much more sensitive to sugar concentration than Brix degree) were monitored for each fraction. And after A195 became 0.01 or less (from the time of elution amount 352 ml), the liquid flow was switched to 70% isopropanol. All column flow operations were performed at room temperature.

Figure 2011078327
Figure 2011078327

結果を図2に示す。溶出量0〜330 mlまでのカラム通過液(素通り画分)ではA195の値が0.01以上となり糖が検出され(A195は図示せず)、その一方でA280の値は小さく、HMF、フルフラールおよびバニリンはほとんど含まれないことがわかった。素通り画分における糖の回収率を計算すると、約97%であった。   The results are shown in FIG. In the column-flowing solution (through fraction) with an elution volume of 0 to 330 ml, the A195 value was 0.01 or more and sugar was detected (A195 not shown), while the A280 value was small, and HMF, furfural and vanillin Was found to be hardly included. The sugar recovery rate in the flow-through fraction was calculated to be about 97%.

これに対し、イソプロパノール溶出画分(374〜414 ml)ではA280の値が大きく、HMF、フルフラールおよびバニリンが70%イソプロパノールで溶出されたことがわかった。これらの発酵阻害物質の回収率を計算すると、約98%であった。   On the other hand, in the isopropanol elution fraction (374-414 ml), the value of A280 was large, indicating that HMF, furfural and vanillin were eluted with 70% isopropanol. The recovery rate of these fermentation inhibitors was calculated to be about 98%.

以上より、ポリスチレン系樹脂を用いることで、糖と発酵阻害物質を分離することができ、さらに樹脂に吸着した発酵阻害物質は70%イソプロパノールで溶出できることがわかった。なお、70%イソプロパノールで溶出された発酵阻害物質のピーク画分の半値幅は20
mlであり、70%メタノールを用いる時と比べて70%イソプロパノールを用いた方がより少ない量で全ての発酵阻害物質が溶出されることがわかった。
なお、70%イソプロパノールを流した後も、カラムの下方から上方へイオン交換水を流して、カラムを再生させた。
As described above, it was found that by using a polystyrene-based resin, sugars and fermentation-inhibiting substances can be separated, and further, the fermentation-inhibiting substances adsorbed on the resin can be eluted with 70% isopropanol. The half-width of the peak fraction of fermentation inhibitor eluted with 70% isopropanol is 20
It was found that all fermentation inhibitors were eluted in a smaller amount when 70% isopropanol was used than when 70% methanol was used.
Even after flowing 70% isopropanol, the column was regenerated by flowing ion-exchanged water from the bottom to the top of the column.

[実施例3]
上記ポリスチレン系樹脂をラージカラム(XAD4樹脂は100 ml、カラムサイズは直径2.2 cm×40 cm)に充填し、表2の水溶液(pHは4.9)を745 mL通液し(流速11.3μl/秒)
、その後、イオン交換水を流した。通過液を4.5 mlずつのフラクションに分けて分取し、各フラクションにつきA280とブリックス度をモニターした。そして、ブリックス度が0になってから(溶出量892 mlの時点から)、通液を70%イソプロパノールに切り替えた。全カラム通液操作は室温で行った。
[Example 3]
The above polystyrene resin is packed into a large column (100 ml for XAD4 resin, column size is 2.2 cm x 40 cm in diameter), and 745 mL of the aqueous solution (pH is 4.9) in Table 2 is passed through (flow rate 11.3 μl / sec)
Then, ion exchange water was poured. The passing solution was divided into 4.5 ml fractions, and A280 and Brix degree were monitored for each fraction. Then, after the Brix degree became 0 (from the time when the elution amount was 892 ml), the liquid flow was switched to 70% isopropanol. All column flow operations were performed at room temperature.

結果を図3に示す。素通り画分ではブリックス度を指標にして糖が検出され(ブリックス度は図示せず)、その一方でA280の値は小さく、HMF、フルフラールおよびバニリンはほとんど含まれないことがわかった。   The results are shown in FIG. In the pass-through fraction, sugar was detected using the Brix degree as an index (the Brix degree is not shown), while the A280 value was small, indicating that HMF, furfural and vanillin were hardly contained.

これに対し、70%イソプロパノール溶出画分(896〜1011 ml)ではA280の値が大きく、HMF、フルフラールおよびバニリンが70%イソプロパノールで溶出されたことがわかった。これらの発酵阻害物質の回収率を計算すると、約94%であった。
なお、70%イソプロパノールを流した後、カラムの下方から上方へイオン交換水を流して、カラムを再生させた。
On the other hand, in the 70% isopropanol elution fraction (896 to 1011 ml), the value of A280 was large, and it was found that HMF, furfural and vanillin were eluted with 70% isopropanol. The recovery rate of these fermentation inhibitors was calculated to be about 94%.
After flowing 70% isopropanol, ion exchange water was flowed from the bottom to the top of the column to regenerate the column.

以上より、実験のスケールアップも十分可能であることがわかった。   From the above, it was found that the experiment can be scaled up sufficiently.

なお、アクリル系樹脂であるアンバーライトXAD7HP(オルガノ社)を用いて実施例1と同様の実験を行ったところ、発酵阻害物質、特にHMFは保持時間が短く(溶出量50〜55 mlの時点で溶出された)、発酵阻害物質を含まない糖溶液を十分な量、得ることが難しいことがわかった。   In addition, when the same experiment as Example 1 was performed using Amberlite XAD7HP (organo company) which is an acrylic resin, the retention time of fermentation inhibitors, particularly HMF, was short (at an elution amount of 50 to 55 ml). It was found difficult to obtain a sufficient amount of a sugar solution that does not contain a fermentation inhibitor.

本発明によれば、エタノール発酵などに用いることのできる多糖類系バイオマスの加水分解溶液から、糖類の収率を損なうことなく発酵阻害物質を室温でほぼ完全に吸着樹脂によって除去することができる。これにより加水分解溶液に含まれる発酵阻害物質を発酵に影響を与えない濃度まで除去できるので、日本で豊富な多糖類系バイオマスから大量のバイオエタノールを生産することができ、2012年の京都議定書の二酸化炭素削減枠目標達成に大きな貢献ができると考えられる。
また、樹脂に吸着または保持されたバニリンや、フルフラール、HMFなどの発酵阻害物質はアルコールを用いて回収することができ、これらの物質は香料、合成ゴム、フラン樹脂、ナイロン、バイオ燃料などの原料として有用である。
According to the present invention, a fermentation inhibitor can be removed almost completely at room temperature with an adsorbing resin from a hydrolyzed solution of polysaccharide biomass that can be used for ethanol fermentation or the like without impairing the yield of saccharides. As a result, the fermentation inhibitor contained in the hydrolysis solution can be removed to a concentration that does not affect the fermentation, so that a large amount of bioethanol can be produced from abundant polysaccharide biomass in Japan. It is thought that it can make a significant contribution to the achievement of the target for CO2 reduction.
Fermentation-inhibiting substances such as vanillin, furfural and HMF adsorbed or retained on the resin can be recovered using alcohol. These substances are raw materials such as fragrances, synthetic rubbers, furan resins, nylon and biofuels. Useful as.

Claims (14)

糖と発酵阻害物質を含む溶液から発酵阻害物質を分離して糖溶液を得る方法であって、発酵阻害物質をポリスチレン系の樹脂に吸着または保持させて分離することを特徴とする方法。 A method for obtaining a sugar solution by separating a fermentation inhibitor from a solution containing a sugar and a fermentation inhibitor, wherein the fermentation inhibitor is adsorbed or held on a polystyrene-based resin for separation. 前記糖と発酵阻害物質を含む溶液が、多糖類系バイオマス加水分解物である、請求項1に記載の方法。 The method according to claim 1, wherein the solution containing the sugar and the fermentation inhibitor is a polysaccharide biomass hydrolyzate. 多糖類系バイオマスがリグノセルロースである、請求項2に記載の方法。 The method according to claim 2, wherein the polysaccharide-based biomass is lignocellulose. ポリスチレン系の樹脂がアンバーライト(登録商標)XAD4樹脂である、請求項1〜3のいずれか一項に記載の方法。 The method according to any one of claims 1 to 3, wherein the polystyrene-based resin is Amberlite (registered trademark) XAD4 resin. 前記発酵阻害物質が、フルフラール、ヒドロキシメチルフルフラール及びバニリンからなる群より選ばれる一種類以上の物質である、請求項1〜4のいずれか一項に記載の方法。 The method according to any one of claims 1 to 4, wherein the fermentation inhibitor is one or more substances selected from the group consisting of furfural, hydroxymethylfurfural and vanillin. さらに、樹脂に吸着または保持された発酵阻害物質を樹脂から溶出させて回収する工程を含む、請求項1〜5のいずれか一項に記載の方法。 Furthermore, the method as described in any one of Claims 1-5 including the process of eluting and collect | recovering the fermentation inhibition substance adsorbed | sucked or hold | maintained at resin from resin. 炭素数1〜3のアルコールを用いて発酵阻害物質を溶出させる、請求項6に記載の方法。 The method according to claim 6, wherein the fermentation inhibitor is eluted using an alcohol having 1 to 3 carbon atoms. 前記アルコールがイソプロパノールまたはメタノールである、請求項7に記載の方法。 The method according to claim 7, wherein the alcohol is isopropanol or methanol. 前記アルコールを用いて発酵阻害物質を溶出させた後に樹脂を再生して再利用する、請求項7または8に記載の方法。 The method according to claim 7 or 8, wherein after the fermentation inhibitor is eluted using the alcohol, the resin is regenerated and reused. 前記溶出が垂直方向に設置したカラムの上方から下方へ前記アルコールを通液することによって行われ、前記樹脂の再生が、前記アルコールを通液した後、カラムの下方から上方へカラム洗浄液を通液させることにより行われる、請求項9に記載の方法。 The elution is performed by passing the alcohol from the upper side to the lower side of the column installed in the vertical direction, and the regeneration of the resin is performed by passing the column washing liquid from the lower side to the upper side after passing the alcohol. The method according to claim 9, wherein the method is performed. 請求項1〜10のいずれか一項に記載の方法により糖溶液を得る工程、得られた糖溶液を用いて糖を有用物質に変換する微生物を培養することにより有用物質の発酵生産を行う工程を含む、有用物質の製造方法。 A step of obtaining a sugar solution by the method according to any one of claims 1 to 10, and a step of performing fermentation production of a useful substance by culturing a microorganism that converts sugar to a useful substance using the obtained sugar solution. A method for producing a useful substance. 前記有用物質がエタノールまたはキシリトールである、請求項11に記載の方法。 The method according to claim 11, wherein the useful substance is ethanol or xylitol. フルフラール、ヒドロキシメチルフルフラール及びバニリンからなる群より選ばれる一種類以上の物質を含む溶液から前記物質を精製する方法であって、ポリスチレン系の樹脂を用いて精製を行うことを特徴とする方法。 A method for purifying a substance from a solution containing at least one substance selected from the group consisting of furfural, hydroxymethylfurfural and vanillin, wherein the substance is purified using a polystyrene resin. ポリスチレン系の樹脂がアンバーライト(登録商標)XAD4樹脂である、請求項13に記載の方法。 The method according to claim 13, wherein the polystyrene-based resin is Amberlite (registered trademark) XAD4 resin.
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