JP2011087478A - Method for producing ethanol - Google Patents

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Akira Shindo
昌 進藤
Isato Sugimoto
勇人 杉本
Takanobu Nishida
孝伸 西田
Takeshi Kamimura
毅 上村
Shoei Mutaguchi
梢栄 牟田口
Akira Fukuda
明 福田
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for producing ethanol, including fermenting a saccharification solution containing hexoses and pentoses originated from biomass with yeasts, by which the yield of the ethanol can sufficiently be improved. <P>SOLUTION: The method for producing ethanol includes treating biomass having a protein content of 1.5 to 12 mass% based on the dry mass of the biomass and containing cellulose with ammonia, hydrolyzing the obtained modified biomass to obtain the saccharification solution containing hexoses and pentoses, subjecting the hexoses in the saccharification solution to an ethanol fermentation using a yeast capable of converting the hexoses into ethanol, removing the ethanol in the obtained primary fermentation solution in a state holding temperature of <60°C to give an ethanol concentration of ≤4% (W/V), and then subjecting the primary fermentation solution after the removal of the ethanol to ethanol fermentation using a yeast capable of converting the pentoses into ethanol to obtain the secondary fermentation solution. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、バイオマスを原料とするエタノール(以下、場合により「バイオエタノール」という。)の製造方法に関する。   The present invention relates to a method for producing ethanol using biomass as a raw material (hereinafter sometimes referred to as “bioethanol”).

近年、地球温暖化防止のためのCOの削減策として、バイオエタノールの輸送用燃料への利用が検討されている。その一方で、従前のバイオエタノールは、糖蜜やデンプン資源から生産されるため、食糧との競合が問題視されている。このような問題を回避するため、木本や草本などのセルロース系バイオマスからエタノールを製造する方法が検討されている。 In recent years, use of bioethanol as a transportation fuel has been studied as a CO 2 reduction measure for preventing global warming. On the other hand, conventional bioethanol is produced from molasses and starch resources, so competition with food is regarded as a problem. In order to avoid such a problem, a method for producing ethanol from cellulosic biomass such as woody plants and herbs has been studied.

セルロース系バイオマスからエタノールを製造する方法としては、バイオマスに含まれるセルロース、ヘミセルロース等の多糖類を加水分解して糖化液を得、その糖化液を酵母により発酵させる方法がある。この方法においては、加水分解により、セルロース系バイオマスに含まれるセルロースが6炭糖であるグルコースに、ヘミセルロースが6炭糖であるグルコース、マンノース、ガラクトース又は5炭糖であるキシロース、アラビノースなどに変換される。そして、これらの6炭糖及び5炭糖を含む糖化液を、酵母を用いてエタノール発酵させることによって、エタノールを得ることができる。   As a method for producing ethanol from cellulosic biomass, there is a method in which polysaccharides such as cellulose and hemicellulose contained in biomass are hydrolyzed to obtain a saccharified solution, and the saccharified solution is fermented with yeast. In this method, cellulose contained in cellulosic biomass is converted into glucose, which is hexose, and hemicellulose is converted to glucose, mannose, galactose, or pentose, which is xylose, arabinose, etc., by hydrolysis. The And ethanol can be obtained by carrying out ethanol fermentation of the saccharified liquid containing these hexose and pentose using yeast.

6炭糖をエタノールに変換可能な酵母としては、サッカロマイセス・セレビシエ(Saccharomyces serevisiae)がある(特許文献1)。但し、サッカロマイセス・セレビシエは、5炭糖からエタノールへの変換能を有さない。   Saccharomyces cerevisiae (Saccharomyces cerevisiae) is known as a yeast capable of converting hexose to ethanol (Patent Document 1). However, Saccharomyces cerevisiae does not have the ability to convert pentose to ethanol.

一方、近年、遺伝子組換え技術により、5炭糖からエタノール生産可能な微生物が生み出されている。かかる微生物としては、例えば、大腸菌やその他の細菌にエタノール変換遺伝子を組み入れ、5炭糖、6炭糖からエタノールを生産できる菌が挙げられる(特許文献2、3)。また、自然界には、キシロースを資化しエタノール生産が可能な酵母、ピキア・スティピティス(Pichia stipitis)やカンジダ・シハタエ(Candida shihatae)が存在することが知られている(非特許文献1)。   On the other hand, in recent years, microorganisms capable of producing ethanol from pentose have been created by genetic recombination technology. Examples of such microorganisms include bacteria capable of producing ethanol from pentose and hexose by incorporating an ethanol conversion gene into Escherichia coli and other bacteria (Patent Documents 2 and 3). In addition, it is known that there are yeasts that can utilize xylose and produce ethanol, such as Pichia stipitis and Candida shihatae (Non-patent Document 1).

特開昭59−135896号公報JP 59-135896 A 特表平5−502366号公報Japanese translation of PCT publication No. 5-502366 特表平6−504436号公報JP-T 6-504436

Delgenes et al.,Enzyme Microb. Technol.,Vol.19 220−225(1996)Delgenes et al. Enzyme Microb. Technol. , Vol. 19 220-225 (1996)

しかし、大腸菌等に遺伝子組換え技術を適用することにより生み出される微生物は、安全性の観点からその取り扱いが厳しい規制の対象となる。また、従来のバイオエタノールの製造方法において、6炭糖をエタノールに変換可能な酵母と5炭糖をエタノールに変換可能な酵母とを併用しても、十分な収率でエタノールを製造することができない。   However, microorganisms produced by applying genetic recombination technology to E. coli and the like are subject to strict regulations from the viewpoint of safety. Moreover, in the conventional method for producing bioethanol, ethanol can be produced in a sufficient yield even if yeast capable of converting hexose to ethanol and yeast capable of converting pentose to ethanol are used in combination. Can not.

そこで本発明は、バイオマスに由来する6炭糖及び5炭糖を含有する糖化液を酵母により発酵させてエタノールを製造するに際し、エタノールの収率を十分に向上させることが可能な方法を提供することを目的とする。   Therefore, the present invention provides a method capable of sufficiently improving the yield of ethanol when fermenting saccharified liquid containing hexose and pentose derived from biomass with yeast to produce ethanol. For the purpose.

6炭糖をエタノールに変換可能な酵母と5炭糖をエタノールに変換可能な酵母とを併用する従来のバイオエタノールの製造方法においてエタノールの収率が不十分となる原因として、5炭糖をエタノールに変換可能な酵母のエタノール耐性が低いことが考えられる。さらに、本発明者の検討によれば、バイオマスに含まれるタンパク質が前処理工程から5炭糖の発酵工程までの間に変質し、その変質物によって5炭糖をエタノールに変換可能な酵母の機能が阻害されることも判明した。   As a cause of insufficient ethanol yield in a conventional bioethanol production method using a yeast capable of converting 6-carbon sugar to ethanol and a yeast capable of converting 5-carbon sugar to ethanol, 5-carbon sugar is ethanol. It is considered that the yeast that can be converted into ethanol has low ethanol resistance. Furthermore, according to the study of the present inventors, the function of yeast capable of transforming proteins contained in biomass between the pretreatment step and the pentose fermentation step and converting the pentose to ethanol by the altered product. Was also found to be inhibited.

そこで、本発明者が上記の知見に基づきさらに検討したところ、特定濃度のタンパク質を含むバイオマスについてアンモニア処理による改質を行った後、改質バイオマスの糖化、6炭糖をエタノールに変換する1次発酵、1次発酵液からのエタノールの除去、5炭糖をエタノールに変換する2次発酵を順次行うことによって、上記の問題点を解消してエタノールの収率を飛躍的に向上できることを見出し、本発明を完成するに至った。   Then, when this inventor further examined based on said knowledge, after performing the modification | reformation by the ammonia process about the biomass containing a specific concentration of protein, the saccharification of reformed biomass and the primary which converts hexose into ethanol It has been found that the above-mentioned problems can be solved and the yield of ethanol can be drastically improved by sequentially performing fermentation, removal of ethanol from the primary fermentation liquor, and secondary fermentation for converting pentose to ethanol. The present invention has been completed.

すなわち、本発明のエタノールの製造方法は、
タンパク質の含有量がバイオマスの乾燥質量を基準として1.5〜12質量%であり且つセルロースを含有するバイオマスを、アンモニアにより処理し、改質バイオマスを得る第1の工程と、
該改質バイオマスについて加水分解処理を行い、6炭糖類及び5炭糖類を含有する糖化液を得る第2の工程と、
該糖化液について、6炭糖類をエタノールに変換可能な第1の酵母を用いてエタノール発酵を行うことにより、1次発酵液を得、該1次発酵液を60℃より低い温度に保持した状態で、エタノール濃度が4%(W/V)以下となるように、1次発酵液中のエタノールを除去する第3の工程と、
第3の工程後の1次発酵液について、5炭糖類をエタノールに変換可能な第2の酵母を用いてエタノール発酵を行うことにより、2次発酵液を得る第4の工程と、
を備えることを特徴とする。ここで、「W/V」は「weight/volume」の意である。
That is, the method for producing ethanol of the present invention comprises:
A first step of obtaining a modified biomass by treating a biomass containing cellulose with a protein content of 1.5 to 12% by mass based on the dry mass of the biomass and containing cellulose;
A second step of hydrolyzing the modified biomass to obtain a saccharified solution containing hexose and pentose;
About this saccharified liquid, a 1st yeast fermentation liquid is obtained by performing ethanol fermentation using the 1st yeast which can convert 6 carbon sugar into ethanol, The state which kept this primary fermentation liquid at the temperature lower than 60 degreeC And the third step of removing ethanol in the primary fermentation broth so that the ethanol concentration is 4% (W / V) or less,
About the primary fermentation liquid after a 3rd process, the 4th process of obtaining a secondary fermentation liquid by performing ethanol fermentation using the 2nd yeast which can convert pentose into ethanol,
It is characterized by providing. Here, “W / V” means “weight / volume”.

なお、従来の製造方法においても、多糖類を加水分解して糖化液を得るに際し、加水分解の処理効率を高める観点から、アンモニア処理、希硫酸処理、水熱処理等の前処理が行われることがある。しかし、本発明の製造方法において、アンモニア処理に代えて水熱処理、希硫酸処理等の前処理を行っても、エタノール収率の向上効果は認められない。これらの前処理を行った場合には、処理時に糖の過分解が起こり、これが発酵時の阻害物質となる。このことから、本発明の製造方法におけるアンモニア処理は、単なる加水分解の前処理でなく、第4の工程における第2の酵母の機能の阻害物質の生成を抑制するために必須の要素であると考えられる。そして、かかるアンモニア処理による寄与と、第3の工程におけるエタノール除去による寄与とが相俟って、第4の工程における第2の酵母の機能を最大限に発揮させることができるようになり、エタノール収率を飛躍的に向上させることができるものと考えられる。   In the conventional production method, pretreatment such as ammonia treatment, dilute sulfuric acid treatment, hydrothermal treatment and the like may be performed from the viewpoint of increasing the hydrolysis treatment efficiency when hydrolyzing the polysaccharide to obtain a saccharified solution. is there. However, in the production method of the present invention, even if pretreatment such as hydrothermal treatment or dilute sulfuric acid treatment is performed instead of the ammonia treatment, the effect of improving the ethanol yield is not recognized. When these pretreatments are performed, excessive decomposition of sugar occurs during the treatment, which becomes an inhibitor during fermentation. From this, the ammonia treatment in the production method of the present invention is not a simple pretreatment for hydrolysis, but an essential element for suppressing the production of an inhibitor of the function of the second yeast in the fourth step. Conceivable. And the contribution by this ammonia treatment and the contribution by the ethanol removal in the third step are combined, and the function of the second yeast in the fourth step can be exerted to the maximum. It is considered that the yield can be dramatically improved.

さらに、従来の製造方法において、希硫酸処理には廃液処理等の環境問題が大きいという問題がある。また、水熱処理の場合、多量の水を使用するため、得られる糖化液の糖濃度が低下するという問題がある。これに対して、本発明におけるアンモニア処理には上記のような問題がなく、この点においても本発明の製造方法は有用である。   Furthermore, in the conventional manufacturing method, the dilute sulfuric acid treatment has a problem that environmental problems such as waste liquid treatment are large. In addition, in the case of hydrothermal treatment, since a large amount of water is used, there is a problem that the sugar concentration of the obtained saccharified solution is lowered. On the other hand, the ammonia treatment in the present invention does not have the above problems, and the production method of the present invention is useful also in this respect.

本発明の製造方法においては、上記バイオマスが草本類バイオマスであることを特徴としてもよい。   In the production method of the present invention, the biomass may be herbaceous biomass.

また、本発明の製造方法においては、第1の酵母としてサッカロマイセス・セレビシエを、第2の酵母としてピキア・スティピティス又はカンジダ・シハタエを、それぞれ好適に用いることができる。   In the production method of the present invention, Saccharomyces cerevisiae can be suitably used as the first yeast, and Pichia stipitis or Candida shihatae can be suitably used as the second yeast.

また、上記第3の工程においては、減圧下での蒸留により1次発酵液からエタノールを除去することが好ましい。これにより、1次発酵液を60℃より低い温度に保持した状態で、エタノールを効率よく且つ確実に除去することができる。   Moreover, in the said 3rd process, it is preferable to remove ethanol from a primary fermentation liquid by distillation under reduced pressure. Thereby, ethanol can be efficiently and reliably removed in a state where the primary fermentation broth is kept at a temperature lower than 60 ° C.

また、上記第2の工程においては、改質バイオマスを酵素により加水分解することが好ましい。これにより、温和な条件でバイオマスを単糖に分解することができる。   In the second step, the modified biomass is preferably hydrolyzed with an enzyme. Thereby, biomass can be decomposed into monosaccharides under mild conditions.

以上の通り、本発明のエタノールの製造方法によれば、バイオマスに由来する6炭糖及び5炭糖を含有する糖化液を酵母により発酵させてエタノールを製造するに際し、エタノールの収率を十分に向上させることが可能となる。   As described above, according to the method for producing ethanol of the present invention, when ethanol is produced by fermenting a saccharified solution containing hexose and pentose derived from biomass with yeast, the yield of ethanol is sufficiently increased. It becomes possible to improve.

実施例1及び2で得られた、各糖化液を用いた1次発酵における発酵液中のエタノール濃度の経時変化を示すグラフである。It is a graph which shows the time-dependent change of the ethanol concentration in the fermentation liquid in the primary fermentation using each saccharified liquid obtained in Examples 1 and 2. 実施例1及び2で得られた、各糖化液を用いた2次発酵における発酵液中のエタノール濃度の経時変化を示すグラフである。It is a graph which shows the time-dependent change of the ethanol concentration in the fermentation liquid in the secondary fermentation using each saccharified liquid obtained in Example 1 and 2. モデル糖液を用いた2次発酵相当の発酵における発酵液中のエタノール濃度の経時変化を示すグラフである。It is a graph which shows a time-dependent change of the ethanol concentration in a fermented liquid in fermentation equivalent to secondary fermentation using a model sugar liquid.

以下、本発明の好適な実施形態(以下、「本実施形態」という。)について詳細に説明する。   Hereinafter, a preferred embodiment of the present invention (hereinafter referred to as “the present embodiment”) will be described in detail.

本実施形態に係るエタノールの製造方法は、
タンパク質の含有量がバイオマスの乾燥質量を基準として1.5〜12質量%であり且つセルロースを含有するバイオマスを、アンモニアにより処理し、改質バイオマスを得る第1の工程と、
該改質バイオマスについて加水分解処理を行い、6炭糖類及び5炭糖類を含有する糖化液を得る第2の工程と、
該糖化液について、6炭糖類をエタノールに変換可能な第1の酵母を用いてエタノール発酵を行うことにより、1次発酵液を得、該1次発酵液を60℃より低い温度に保持した状態で、エタノール濃度が4%(W/V)以下となるように、1次発酵液中のエタノールを除去する第3の工程と、
第3の工程後の1次発酵液について、5炭糖類をエタノールに変換可能な第2の酵母を用いてエタノール発酵を行うことにより、2次発酵液を得る第4の工程と、
を備える。
The method for producing ethanol according to this embodiment is as follows:
A first step of obtaining a modified biomass by treating a biomass containing cellulose with a protein content of 1.5 to 12% by mass based on the dry mass of the biomass and containing cellulose;
A second step of hydrolyzing the modified biomass to obtain a saccharified solution containing hexose and pentose;
About this saccharified liquid, a 1st yeast fermentation liquid is obtained by performing ethanol fermentation using the 1st yeast which can convert 6 carbon sugar into ethanol, The state which kept this primary fermentation liquid at the temperature lower than 60 degreeC And the third step of removing ethanol in the primary fermentation broth so that the ethanol concentration is 4% (W / V) or less,
About the primary fermentation liquid after a 3rd process, the 4th process of obtaining a secondary fermentation liquid by performing ethanol fermentation using the 2nd yeast which can convert pentose into ethanol,
Is provided.

本実施形態においては、原料バイオマスとして、タンパク質の含有量がバイオマスの乾燥質量を基準として1.5〜12質量%であり且つセルロースを含有するバイオマスが用いられる。タンパク質の含有量としては、好ましくは2〜8質量%である。タンパク質の含有量が前記下限値未満のバイオマスを原料として使用する場合には、当該バイオマス原料をアンモニア処理して得られる改質バイオマスを加水分解処理、中でも酵素を用いた加水分解処理により糖化液を得る工程において、糖化が十分に進行しない傾向にある。一方、セルロース系バイオマスのタンパク質の含有量は、概ね12質量%以下である。かかる原料バイオマスとしては、草本類バイオマス及び木本類バイオマスのうち当該条件を満たすものを好適に用いることができる。なお、ここでバイオマスのタンパク質の含有量の測定方法としては燃焼法を用いる。すなわち、乾燥した各バイオマス試料を酸素ガス(純度99.9%)中で熱分解し、生成した窒素酸化物(NOx)を窒素ガスに還元し、この窒素ガスをガス・クロマトグラフィー法により定量し、この値とバイオマス試料の質量とから乾燥バイオマス中の全窒素含有量を算出する。次に同一のバイオマス試料中の硝酸態窒素含有量及び亜硝酸態窒素含有量を液体クロマトグラフィー法により測定し、これらの合計量を前述の全窒素含有量から減じることにより、乾燥バイオマス中の有機態窒素含有量を得る。更に、有機態窒素含有量に係数6.25を乗じて乾燥バイオマス中のタンパク質含有量とする。   In the present embodiment, biomass having a protein content of 1.5 to 12% by mass based on the dry mass of the biomass and containing cellulose is used as the raw material biomass. The protein content is preferably 2 to 8% by mass. When using biomass with a protein content less than the lower limit as a raw material, the modified biomass obtained by ammonia treatment of the biomass raw material is hydrolyzed, and in particular, the saccharified solution is obtained by hydrolysis using an enzyme. In the obtaining step, saccharification tends not to proceed sufficiently. On the other hand, the protein content of the cellulosic biomass is approximately 12% by mass or less. As this raw material biomass, what satisfies the said conditions among herbaceous biomass and woody biomass can be used suitably. Here, a combustion method is used as a method for measuring the protein content of biomass. That is, each dried biomass sample is pyrolyzed in oxygen gas (purity 99.9%), the produced nitrogen oxide (NOx) is reduced to nitrogen gas, and this nitrogen gas is quantified by gas chromatography. The total nitrogen content in the dry biomass is calculated from this value and the mass of the biomass sample. Next, the nitrate nitrogen content and nitrite nitrogen content in the same biomass sample are measured by liquid chromatography, and the total amount of these is subtracted from the total nitrogen content described above. The nitrogen content is obtained. Further, the organic nitrogen content is multiplied by a coefficient of 6.25 to obtain the protein content in the dry biomass.

草本類バイオマスは、高いエタノール収率を達成できる点、あるいは更に生育期間が短い点で好ましい。草本類バイオマスとしては、スイッチグラス、エリアンサス、ネピアグラス等が挙げられる。   Herbaceous biomass is preferable in that it can achieve a high ethanol yield or has a shorter growth period. Examples of herbaceous biomass include switchgrass, Eliansus, and napiergrass.

一方、木本類バイオマスは、一般的にタンパク質の含有量が低く、上記の下限値未満となることが多い。このような木本類バイオマスを用いると、アンモニア処理後の改質バイオマスの酵素糖化が進行しにくい傾向にある。なお、木本類バイオマスのうち、マツ、スギ等の針葉樹は、アンモニア処理後の改質バイオマスの酵素糖化が進行しにくい傾向にある。一方、広葉樹は針葉樹に比較して、相対的にアンモニア処理後の改質バイオマスの酵素糖化が進行し易い傾向にある。特にエゾノキヌヤナギ等のヤナギ由来のバイオマスは、草本類バイオマスと比較するとタンパク質の含有量は低いものの、木本類バイオマスとしては比較的タンパク質の含有量が高いという特徴を有する。このようなヤナギ由来のバイオマスを用いると、草本類バイオマスを用いた場合と比較して、同等以上の効果を得ることができ、特に好ましい。なお、ヤナギ由来のバイオマスを用いた場合に優れた効果が得られる理由は、草本類バイオマスと比較するとタンパク質の含有量が低いため、タンパク質の変質による2次発酵の阻害物質の生成をより確実に抑制できるためであると考えられる。   On the other hand, woody biomass generally has a low protein content and is often less than the above lower limit. When such woody biomass is used, the enzymatic saccharification of the modified biomass after the ammonia treatment tends to hardly proceed. Of woody biomass, conifers such as pine and cedar tend to be less prone to enzymatic saccharification of the modified biomass after ammonia treatment. On the other hand, compared with conifers, broad-leaved trees tend to promote enzymatic saccharification of the modified biomass after ammonia treatment. In particular, willow-derived biomass such as Ezo nokinu willow has a low protein content compared to herbaceous biomass, but woody biomass has a relatively high protein content. When such willow-derived biomass is used, an effect equal to or higher than that obtained when using herbaceous biomass can be obtained, which is particularly preferable. In addition, the reason why an excellent effect is obtained when using willow-derived biomass is because the protein content is lower than that of herbaceous biomass, so that the production of an inhibitor of secondary fermentation due to protein alteration is more reliably performed. This is thought to be because it can be suppressed.

本実施形態においては、先ず、上記の原料バイオマスをアンモニアにより処理し、改質バイオマスを得る(第1の工程)。かかるアンモニア処理は、アンモニア又はアンモニアと有機アミンとを用いて行うことができる。アンモニア等の使用量は、原料バイオマス1gに対して10mg〜300gとすることが好ましい。これによって、原料バイオマスの改質が進み、酵素加水分解後の糖の回収率を高めることが可能となる。   In the present embodiment, first, the raw material biomass is treated with ammonia to obtain modified biomass (first step). Such ammonia treatment can be performed using ammonia or ammonia and an organic amine. The amount of ammonia used is preferably 10 mg to 300 g with respect to 1 g of raw material biomass. As a result, the reforming of the raw material biomass proceeds, and it becomes possible to increase the recovery rate of sugar after enzymatic hydrolysis.

次いで、改質バイオマスについて加水分解処理を行い、6炭糖類及び5炭糖類を含有する糖化液を得る(第2の工程)。改質バイオマスの加水分解の方法は特に限定されず、酸触媒、例えば濃硫酸を用いた化学的な方法、酵素を用いた生化学的な方法などを用いることができる。中でも、温和な条件を採用することが可能であり、酵母による発酵に対する阻害物質の生成を抑制する等の観点から、酵素による加水分解が好ましく採用される。この場合に使用する酵素としては、一般的なセルロース分解酵素(セルラーゼ)を用いることができる。   Next, the modified biomass is hydrolyzed to obtain a saccharified solution containing 6-carbon sugars and 5-carbon sugars (second step). The method for hydrolysis of the modified biomass is not particularly limited, and a chemical method using an acid catalyst such as concentrated sulfuric acid, a biochemical method using an enzyme, or the like can be used. Among them, mild conditions can be employed, and enzymatic hydrolysis is preferably employed from the standpoint of suppressing the production of inhibitors against fermentation by yeast. As an enzyme used in this case, a general cellulolytic enzyme (cellulase) can be used.

なお、本実施形態においては、前処理工程である第1の工程で、従来の製造方法における水熱処理のように水の使用を必須としないため、酵素による加水分解処理の際の改質バイオマスのスラリーを任意の濃度に調整することが可能である。そのため、酵素による加水分解処理後の糖化液の糖濃度を高く保つことができ、続く発酵工程終了後のエタノール濃度を高めることができるため、省エネルギーなエタノール蒸留プロセスを達成することが可能となる。   In the present embodiment, since the use of water is not essential in the first step, which is a pretreatment step, unlike the hydrothermal treatment in the conventional manufacturing method, It is possible to adjust the slurry to an arbitrary concentration. Therefore, the sugar concentration of the saccharified solution after the hydrolysis treatment with an enzyme can be kept high, and the ethanol concentration after the subsequent fermentation step can be increased, so that an energy-saving ethanol distillation process can be achieved.

次いで、第2の工程で得られた糖化液について、6炭糖類をエタノールに変換可能な第1の酵母を用いてエタノール発酵を行うことにより、1次発酵液を得、該1次発酵液を60℃より低い温度に保持した状態で、エタノール濃度が4%(W/V)以下となるように、1次発酵液中のエタノールを除去する(第3の工程)。   Subsequently, about the saccharified liquid obtained at the 2nd process, primary fermentation liquid is obtained by performing ethanol fermentation using the 1st yeast which can convert hexose into ethanol, and this primary fermentation liquid is obtained. While maintaining the temperature lower than 60 ° C., ethanol in the primary fermentation broth is removed so that the ethanol concentration is 4% (W / V) or less (third step).

第1の酵母としては、6炭糖類をエタノールに変換可能であれば特に制限されず、公知のものを使用できるが、その中でもサッカロマイセス・セルビシエが好ましい。1次発酵はpH5.0〜7.0、温度20〜37℃で行うことが好ましい。   The first yeast is not particularly limited as long as hexose can be converted into ethanol, and known ones can be used. Among them, Saccharomyces cerevisiae is preferable. The primary fermentation is preferably performed at a pH of 5.0 to 7.0 and a temperature of 20 to 37 ° C.

また、第3の工程における1次発酵液からのエタノールの除去は、1次発酵と並行して(1次発酵と同時に)行ってもよく、あるいは、1次発酵が完了した後で行ってもよい。エタノールを除去する方法は、1次発酵液を60℃より低い温度に保持した状態で行うものであれば特に制限されないが、減圧蒸留が好ましい。また、二酸化炭素、窒素等の不活性気体の吹き込みによるストリッピングを行ってもよい。1次発酵液からのエタノールの除去に際して、1次発酵液の温度は60℃より低い温度であり、好ましくは50℃以下である。前記温度であればエタノールの除去に際して、2次発酵に使用する酵母の発酵機能を阻害する物質の生成が抑制されると考えられ、2次発酵が効率的に進行する。また、1次発酵液の温度はエタノール除去の効率の観点から、0℃以上であることが好ましい。また、エタノール除去後の1次発酵液中のエタノール濃度は、その後に行なう2次発酵において使用する酵母のエタノール耐性によっても異なるが、4%以下であり、好ましくは3%以下、更に好ましくは2%以下、特に好ましくは1%以下である。エタノール濃度を前記の値とすることで、2次発酵における酵母による5炭糖類からのエタノール生産の効率が向上する。   In addition, the removal of ethanol from the primary fermentation liquid in the third step may be performed in parallel with the primary fermentation (simultaneously with the primary fermentation) or after the primary fermentation is completed. Good. The method for removing ethanol is not particularly limited as long as it is carried out in a state where the primary fermentation liquid is kept at a temperature lower than 60 ° C., but vacuum distillation is preferred. Further, stripping may be performed by blowing an inert gas such as carbon dioxide or nitrogen. When removing ethanol from the primary fermentation broth, the temperature of the primary fermentation broth is lower than 60 ° C, and preferably 50 ° C or lower. If it is the said temperature, at the time of removal of ethanol, it will be thought that the production | generation of the substance which inhibits the fermentation function of the yeast used for secondary fermentation is suppressed, and secondary fermentation advances efficiently. Moreover, it is preferable that the temperature of a primary fermentation liquid is 0 degreeC or more from a viewpoint of the efficiency of ethanol removal. Further, the ethanol concentration in the primary fermentation liquid after ethanol removal varies depending on the ethanol tolerance of the yeast used in the subsequent secondary fermentation, but it is 4% or less, preferably 3% or less, more preferably 2 % Or less, particularly preferably 1% or less. By setting the ethanol concentration to the above value, the efficiency of ethanol production from pentose by yeast in secondary fermentation is improved.

次いで、エタノールが除去された1次発酵液について、5炭糖類をエタノールに変換可能な第2の酵母を用いてエタノール発酵を行うことにより、2次発酵液を得る(第4の工程)。   Subsequently, about the primary fermentation liquid from which ethanol was removed, a secondary fermentation liquid is obtained by performing ethanol fermentation using the 2nd yeast which can convert pentose into ethanol (4th process).

第2の酵母としては、5炭糖類をエタノールに変換可能なものであれば特に制限されず、公知のペントース資化酵母を用いることができるが、その中でもピキア・スティピティス又はカンジダ・シハタエが好ましい。2次発酵はpH5.0〜7.0、温度20〜37℃で行うことが好ましい。   The second yeast is not particularly limited as long as it can convert pentose to ethanol, and a known pentose-utilizing yeast can be used. Among them, Pichia stippitis or Candida shihatae is preferable. The secondary fermentation is preferably performed at a pH of 5.0 to 7.0 and a temperature of 20 to 37 ° C.

2次発酵液からのエタノールの分離・回収は、第3の工程におけるエタノール除去と同様にして行うこともできるが、常圧下に加熱して蒸留すること等によっても行うことができる。   Separation and recovery of ethanol from the secondary fermentation broth can be performed in the same manner as ethanol removal in the third step, but can also be performed by heating and distillation under normal pressure.

このようにして、特定の原料バイオマスを用い、第1〜第4工程を経てエタノールを製造することによって、バイオマスに由来する6炭糖及び5炭糖を含有する糖化液を酵母により発酵させてエタノールを製造する際に従来の製造方法では達成が困難であった、高いエタノール収率を達成することが可能となる。   In this way, by using specific raw material biomass and producing ethanol through the first to fourth steps, a saccharified solution containing hexose and pentose derived from biomass is fermented with yeast to produce ethanol. It is possible to achieve a high ethanol yield, which has been difficult to achieve with conventional manufacturing methods.

以下、実施例及び比較例に基づき本発明を更に具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に何ら限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated more concretely based on an Example and a comparative example, this invention is not limited to a following example at all.

[参考例;バイオマス原料中のタンパク質の含有量の測定]
乾燥した各バイオマス試料を酸素ガス(純度99.9%)中で熱分解し、生成したNOxを窒素ガスに還元して変換し、この窒素ガスをガス・クロマトグラフィー法により定量し、この値とバイオマス試料の質量とから、乾燥バイオマス中の全窒素含有量を算出した。次に同一のバイオマス試料中の硝酸態窒素含有量及び亜硝酸態窒素含有量を液体クロマトグラフィー法により測定し、これらの合計値を前述の全窒素含有量から減じることにより、乾燥バイオマス中の有機態窒素含有量を得た。この値に係数6.25を乗じ、各乾燥バイオマス中のタンパク質の含有量とした。結果を表1に示す。
[Reference Example: Measurement of protein content in biomass material]
Each dried biomass sample is pyrolyzed in oxygen gas (purity 99.9%), and the produced NOx is converted to nitrogen gas for conversion. The nitrogen gas is quantified by gas chromatography, The total nitrogen content in the dry biomass was calculated from the mass of the biomass sample. Next, the nitrate nitrogen content and the nitrite nitrogen content in the same biomass sample are measured by liquid chromatography, and the total value of these is subtracted from the total nitrogen content described above, so that the organic content in the dry biomass is reduced. The nitrogen content was obtained. This value was multiplied by a coefficient of 6.25 to obtain the protein content in each dry biomass. The results are shown in Table 1.

Figure 2011087478
Figure 2011087478

[参考例;各種バイオマスを用いた糖化液の製造(予備試験)]
各種バイオマスについてアンモニア処理後に酵素による加水分解処理を行い、糖化の進行状況を調べた。
エリアンサス、スイッチグラス(以上草本類)、エゾノキヌヤナギ、スギ(以上木本類)をカッターミル及びハンマーミルにて平均粒径約200μmとなるように粉砕した。
次に、それぞれの粉砕したバイオマス約10gを内容積250mlの高圧容器に入れ、この容器を−40℃に冷却した後、液体アンモニア約25gを導入し、80℃、4.3MPa又は100℃、6.3MPaに到達した後、2時間処理を行った。
アンモニア処理後の各バイオマスを0.05M−酢酸緩衝液(pH4.5)に懸濁し、スラリー濃度を2.5%とした。糖化用酵素として、Celluclast 1.5 L及びNovozyme188(共に登録商標、ノボザイムズ社製)を各々タンパク質量として0.1%となるよう前記バイオマス懸濁液に添加し、37℃で72時間、振とう(200rpm)した。
酵素糖化後の液を95℃にて15分間加熱処理して酵素を失活させた後、懸濁液のろ過により得られた液のグルコース濃度を、HPLC(カラムShodex SUGAR 0810、検出器RI)により測定し、酵素糖化率(グルコース)を算出した。 なお、原料バイオマスの持つグルコース量は、硫酸加水分解法により測定した。そして、このグルコース量を100%として、酵素糖化率を算出した。結果を表2に示す。
[Reference example: Production of saccharified liquid using various biomass (preliminary test)]
Various biomasses were hydrolyzed with enzymes after ammonia treatment, and the progress of saccharification was investigated.
Elianthus, switchgrass (above herbs), Ezo nokinu willow, cedar (more woods) were pulverized with a cutter mill and a hammer mill to an average particle size of about 200 μm.
Next, about 10 g of each pulverized biomass is put into a high-pressure container having an internal volume of 250 ml, and after cooling the container to −40 ° C., about 25 g of liquid ammonia is introduced, and 80 ° C., 4.3 MPa or 100 ° C., 6 After reaching 3 MPa, treatment was performed for 2 hours.
Each biomass after the ammonia treatment was suspended in 0.05 M-acetate buffer (pH 4.5) to make the slurry concentration 2.5%. Celluclast 1.5 L and Novozyme 188 (both registered trademarks, Novozymes) were added to the biomass suspension as saccharification enzymes to a protein content of 0.1%, and shaken at 37 ° C. for 72 hours (200 rpm). )did.
The enzyme-saccharified solution was heat-treated at 95 ° C. for 15 minutes to inactivate the enzyme, and then the glucose concentration of the solution obtained by filtration of the suspension was measured by HPLC (column Shodex SUGAR 0810, detector RI). And the enzyme saccharification rate (glucose) was calculated. In addition, the amount of glucose which raw material biomass has was measured by the sulfuric acid hydrolysis method. The enzyme saccharification rate was calculated with the amount of glucose as 100%. The results are shown in Table 2.

表2において、タンパク質の含有量が1.5質量%以上であるスイッチグラス、エリアンサス(以上、草本類。)及びエゾノキヌヤナギ(木本類)においては、いずれもアンモニア処理を行うことにより70%以上の糖化率となったのに対して、タンパク質含有量が1.5質量%未満である木本類のスギにおいては、アンモニア処理を行なっても糖化率が極めて低い値となった。このことから、タンパク質の含有量が1.5質量%未満であるバイオマスを用いる場合には、アンモニア処理による改質効果が極めて小さく、酵素を用いた加水分解処理による糖化が進行し難いことが明らかとなった。この結果から、以後の実験は、スギを除くバイオマスについて行なった。   In Table 2, in switchgrass, Elianthus (above, herbaceous) and Ezo nokinu willow (woody) having a protein content of 1.5% by mass or more, 70% or more is obtained by performing ammonia treatment. In contrast, woody cedars having a protein content of less than 1.5% by mass had extremely low saccharification rates even after ammonia treatment. From this, it is clear that when using biomass with a protein content of less than 1.5% by mass, the modification effect by the ammonia treatment is extremely small, and saccharification by the hydrolysis treatment using an enzyme does not proceed easily. It became. From this result, subsequent experiments were conducted on biomass excluding cedar.

Figure 2011087478
Figure 2011087478

[比較例1;ピキア・スティピティス、1段発酵による各種バイオマス糖化液からのエタノール生産]
(各種バイオマスからの酵素糖化液の製造)
エリアンサス、スイッチグラス、ネピアグラス(以上草本類)及びエゾノキヌヤナギ(木本類)をカッターミル及びハンマーミルを用い、平均粒径約200μmとなるように粉砕した。
次に、それぞれの粉砕したバイオマス約200gを内容積5Lの高圧容器に入れ、ここに別の容器中にて約80℃に予熱した液体アンモニア約500gを導入し、100℃、6.3MPaの条件下に液相のアンモニアにて2時間処理を行った。
アンモニア処理後の改質バイオマスを0.01M−酢酸緩衝液に懸濁し、1%−塩酸でpHを4.5に調整した後、スラリー濃度を5%とした。糖化用酵素としてCelluclast 1.5 L及びNovozyme 188(共に登録商標、ノボザイムズ社製)を各々タンパク質濃度として0.2%となるように前記バイオマス懸濁液に添加し、37℃で72時間、振とう(200rpm)し、改質バイオマスの糖化を行った。
酵素糖化後の懸濁液は、遠心分離及びろ過により固液分離し、得られた溶液をロータリーエバポレーターによりキシロース濃度が3%以上になるように濃縮した。得られた各糖化液中のグルコース及びキシロースの含有量を表3に示す。また、バイオマスの前処理段階において糖及びリグニンの過分解により生成し、酵母全般に対してその発酵機能を阻害すると考えられる物質についての分析を行い、その結果を表3に併せて記載した。いずれの糖化液についても、これらの阻害物質はほとんど検出されなかった。
また、比較対象(コントロール)として、試薬のグルコース(5.6%)とキシロース(3.0%)に試薬の酵母エキス(1%)及びペプトン(2%)を加えた水溶液からなる合成培地も併せて評価を行った。
(エタノール発酵)
各糖化液の発酵は、ピキア・スティピティスによる1段階発酵法で行った。25mlの糖化液の入った100ml三角フラスコにピキア・スティピティスを植菌し、28℃、80rpmで振盪しながら発酵を行った。表4に糖化液中のグルコース及びキシロースが全てエタノールに変換された場合を100%としたエタノール収率を示す。
[Comparative Example 1: Pichia stipitis, ethanol production from various biomass saccharified liquids by one-stage fermentation]
(Manufacture of enzymatic saccharified liquid from various biomass)
Elianthus, switchgrass, napiergrass (above herbs) and Ezo nokinu willow (wooden) were ground using a cutter mill and a hammer mill to an average particle size of about 200 μm.
Next, about 200 g of each pulverized biomass is put into a high-pressure vessel having an internal volume of 5 L, and about 500 g of liquid ammonia preheated to about 80 ° C. in another vessel is introduced, and the conditions of 100 ° C. and 6.3 MPa are introduced. Below, it was treated with ammonia in liquid phase for 2 hours.
The modified biomass after the ammonia treatment was suspended in 0.01 M-acetate buffer, adjusted to pH 4.5 with 1% -hydrochloric acid, and the slurry concentration was adjusted to 5%. Celluclast 1.5 L and Novozyme 188 (both registered trademarks, Novozymes) as saccharification enzymes were added to the biomass suspension so that the protein concentration was 0.2%, respectively, and shaken at 37 ° C. for 72 hours ( 200 rpm), and the modified biomass was saccharified.
The suspension after enzymatic saccharification was subjected to solid-liquid separation by centrifugation and filtration, and the resulting solution was concentrated by a rotary evaporator so that the xylose concentration became 3% or more. Table 3 shows the contents of glucose and xylose in each obtained saccharified solution. Moreover, it analyzed by the substance considered to produce | generate by the hyperdegradation of saccharide | sugar and lignin in the pre-processing stage of biomass, and inhibits the fermentation function with respect to the whole yeast, The result was combined with Table 3, and was described. In any of the saccharified solutions, these inhibitors were hardly detected.
In addition, as a comparison target (control), there is also a synthetic medium composed of an aqueous solution obtained by adding the reagent yeast extract (1%) and peptone (2%) to the reagent glucose (5.6%) and xylose (3.0%). In addition, the evaluation was performed.
(Ethanol fermentation)
Fermentation of each saccharified solution was performed by a one-stage fermentation method using Pichia stipitis. Pichia stipitis was inoculated into a 100 ml Erlenmeyer flask containing 25 ml of saccharified solution, and fermentation was performed while shaking at 28 ° C. and 80 rpm. Table 4 shows the ethanol yield when the glucose and xylose in the saccharified solution are all converted to ethanol.

Figure 2011087478
Figure 2011087478

[実施例1;サッカロマイセス・セルビシエとピキア・スティピティスを用いたヤナギ由来の糖化液からの2段階発酵によるエタノール生産(減圧蒸留)]
エゾノキヌヤナギ由来の糖化液を原料として、サッカロマイセス・セルビシエとピキア・スティピティスによる2段階発酵法によるエタノールの製造を行った。糖化液として、比較例1において使用したものと同様にして得たエゾノキヌヤナギ由来の糖化液を用いた。また、比較例1で用いたコントロールの合成培地も併せて評価を行った。
各糖化液の発酵は、まず、1次発酵として、100ml三角フラスコ中にて糖化液にサッカロマイセス・セルビシエを植菌し、28℃、80rpmで振盪しながら発酵を行った。発酵液中のグルコースが消費された後、発酵液を減圧蒸留(加熱湯浴温度40℃)に供し、発酵液中のエタノールを濃度が0.5%以下になるまでエタノールを除去した。次に、蒸留残液を無菌濾過し、得られた液の25mlを100ml三角フラスコに採取し、2次発酵として、ここへピキア・スティピティスを植菌し、28℃、80rpmで振盪しながら発酵を行った。
図1に、1次発酵における発酵液中のエタノール濃度の経時変化を示す。また、図2に2次発酵における発酵液中のエタノール濃度の経時変化を示す。更に表4に、各糖化液中のグルコース及びキシロースが全てエタノールに変換された場合を100%としたエタノール収率を示す。
[Example 1; ethanol production by two-stage fermentation from willow-derived saccharified solution using Saccharomyces cerevisiae and Pichia stipitis (distillation under reduced pressure)]
Ethanol was produced by a two-stage fermentation method using Saccharomyces cerevisiae and Pichia stippitis, using a saccharified solution derived from Ezo nokinu willow as a raw material. As the saccharified solution, a saccharified solution derived from Ezo nokinu willow obtained in the same manner as that used in Comparative Example 1 was used. In addition, the control synthetic medium used in Comparative Example 1 was also evaluated.
In the fermentation of each saccharified solution, first, as a primary fermentation, Saccharomyces cerevisiae was inoculated into the saccharified solution in a 100 ml Erlenmeyer flask, and fermentation was performed while shaking at 28 ° C. and 80 rpm. After glucose in the fermentation broth was consumed, the fermentation broth was subjected to vacuum distillation (heated water bath temperature 40 ° C.), and ethanol in the fermentation broth was removed until the concentration became 0.5% or less. Next, the distillation residue is filtered aseptically, 25 ml of the resulting liquid is collected in a 100 ml Erlenmeyer flask, and as a secondary fermentation, Pichia stepitis is inoculated here, and fermentation is performed while shaking at 28 ° C. and 80 rpm. went.
In FIG. 1, the time-dependent change of the ethanol concentration in the fermented liquor in primary fermentation is shown. Moreover, the time-dependent change of the ethanol concentration in the fermented liquor in secondary fermentation is shown in FIG. Furthermore, Table 4 shows the ethanol yield with 100% when all the glucose and xylose in each saccharified solution are converted to ethanol.

[実施例2;サッカロマイセス・セルビシエとピキア・スティピティスを用いた各種草本類バイオマス由来の糖化液からの2段階発酵によるエタノール生産(減圧蒸留)]
各種草本類バイオマス由来の糖化液を原料として、実施例1と同様の操作により、サッカロマイセス・セルビシエとピキア・スティピティスによる2段階発酵法によるエタノールの製造生産を行った。糖化液として比較例1において使用したものと同様にして得た、エリアンサス、スイッチグラス、ネピアグラス由来の糖化液3種を用いた。
図1に、各糖化液を用いた1次発酵における、発酵液中のエタノール濃度の経時変化を示す。また、図2に2次発酵における発酵液中のエタノール濃度の経時変化を示す。更に表4に、各糖化液中のグルコース及びキシロースが全てエタノールに変換された場合を100%としたエタノール収率を示す。
[Example 2; ethanol production by two-stage fermentation from various herbaceous biomass-derived saccharified liquids using Saccharomyces cerevisiae and Pichia stipitis (distillation under reduced pressure)]
Using the saccharified liquid derived from various herbaceous biomass as a raw material, ethanol was produced and produced by a two-stage fermentation method using Saccharomyces cerevisiae and Pichia stipitis by the same operation as in Example 1. Three types of saccharified solutions derived from Elianthus, Switchgrass and Napiergrass obtained in the same manner as those used in Comparative Example 1 were used as saccharified solutions.
In FIG. 1, the time-dependent change of the ethanol concentration in a fermented liquid in the primary fermentation using each saccharified liquid is shown. Moreover, the time-dependent change of the ethanol concentration in the fermented liquor in secondary fermentation is shown in FIG. Furthermore, Table 4 shows the ethanol yield with 100% when all the glucose and xylose in each saccharified solution are converted to ethanol.

表4の結果より、ピキア・スティピティスを用いた1段発酵においては、エタノール収率が低いのに対して、サッカロマイセス・セルビシエとピキア・スティピティスを用いた2段階発酵であって、1次発酵と2次発酵の間に減圧蒸留により加熱することなくエタノールの除去を行った場合、エタノール収率が大きく向上することが判る。
また、図2の結果より、2次発酵において、エゾノキヌヤナギはコントロールと同等のエタノール生産速度を与えたが、その外のバイオマス由来の糖化液は、エタノール生産速度がコントロールに比較してやや低下する傾向にある。これは、糖化液製造の過程で、ピキア・スティピティスによるキシロースからのエタノール生産に対して弱い阻害を与える物質の生成が生じていることを示唆している。
From the results shown in Table 4, in the one-stage fermentation using Pichia stipitis, the ethanol yield is low, whereas in the two-stage fermentation using Saccharomyces cerevisiae and Pichia stipitis, the primary fermentation and 2 It can be seen that the ethanol yield is greatly improved when ethanol is removed without heating by vacuum distillation during the subsequent fermentation.
In addition, from the results shown in FIG. 2, Ezo nokinu willow gave an ethanol production rate equivalent to that of the control in the secondary fermentation, but the saccharified liquid derived from other biomass tended to have a slightly lower ethanol production rate than the control. is there. This suggests that in the process of saccharification liquid production, a substance that gives weak inhibition to the ethanol production from xylose by Pichia stipitsis occurs.

Figure 2011087478
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[1次発酵後をモデルした糖化液を用いたピキア・スティピティスによる発酵−加熱の影響評価]
1次発酵終了後の発酵液のモデルとして、100mlのYPX(酵母エキス0.5質量%,ポリペプトン1.0質量%, キシロース 5.0質量%)を含む5%(W/V)エタノール水溶液を用意し、これを実施例2と同様に減圧蒸留に供した。減圧蒸留は40℃の温水浴で加温し、60〜100HPaの減圧下に50分間行い、容量72ml、エタノール濃度0.55%(W/V)の残液を得た。
一方、前記と同一のYPXを含む5%(W/V)エタノール水溶液100mlを常圧蒸留に供した。加熱はマントルヒーターにより行い、約100℃の液温で24分間蒸留を行い、容量83ml、エタノール濃度0.5%(W/V)の残液を得た。
減圧蒸留、常圧蒸留それぞれの蒸留残液を蒸留水で100mlにメスアップし、孔径0.45μmのポリエーテルサルフォン製フィルターにてろ過した。得られたそれぞれの液に前培養したピキア・スティピティス酵母を植菌し、28℃、80rpmで振とう培養を30〜43時間行い、発酵液中のエタノール濃度を経時的に測定した。結果を図3に示す。
常圧蒸留によりエタノールを除去した残液は、減圧蒸留によりエタノールを除去した残液に比較して、エタノールの濃度上昇速度が小さい。これは、発酵液中に含まれる酵母エキス及び/又はペプトン由来のタンパク質、ペプチド、あるいはアミノ酸が、エタノール除去の際の加熱により糖と反応することにより生じたメラノイジン等による発酵阻害に起因すると推定される。一方、減圧蒸留により、加熱することなくエタノールを除去した残液においては、相対的に阻害作用が起こりにくいことが判る。
[Evaluation of effects of fermentation and heating by Pichia stipitis using a saccharified solution modeled after primary fermentation]
As a model of the fermentation broth after the end of primary fermentation, a 5% (W / V) ethanol aqueous solution containing 100 ml of YPX (0.5% by mass of yeast extract, 1.0% by mass of polypeptone, 5.0% by mass of xylose) is used. This was prepared and subjected to vacuum distillation in the same manner as in Example 2. Distillation under reduced pressure was heated in a hot water bath at 40 ° C., and was carried out under reduced pressure of 60 to 100 HPa for 50 minutes to obtain a residual liquid having a volume of 72 ml and an ethanol concentration of 0.55% (W / V).
On the other hand, 100 ml of 5% (W / V) ethanol aqueous solution containing the same YPX as described above was subjected to atmospheric distillation. Heating was performed with a mantle heater, and distillation was performed at a liquid temperature of about 100 ° C. for 24 minutes to obtain a residual liquid having a volume of 83 ml and an ethanol concentration of 0.5% (W / V).
Distilled residue of each of vacuum distillation and atmospheric distillation was made up to 100 ml with distilled water and filtered through a polyethersulfone filter having a pore size of 0.45 μm. Each of the obtained liquids was inoculated with pre-cultured Pichia stippitis yeast, and cultured with shaking at 28 ° C. and 80 rpm for 30 to 43 hours, and the ethanol concentration in the fermentation broth was measured over time. The results are shown in FIG.
The residual liquid from which ethanol has been removed by atmospheric distillation has a lower ethanol concentration increase rate than the residual liquid from which ethanol has been removed by vacuum distillation. This is presumed to be caused by fermentation inhibition by melanoidin or the like caused by the reaction of the yeast extract and / or peptone-derived protein, peptide, or amino acid contained in the fermentation broth with sugar by heating during ethanol removal. The On the other hand, it can be seen that the residual liquid from which ethanol is removed without heating by reduced-pressure distillation has a relatively low inhibitory effect.

[参考例;メラノイジンの測定]
各種バイオマスをアンモニア処理し、酵素糖化処理により得た糖化液及び模擬糖化液(YPX培地、酵母エキス0.5%、ポリペプトン1.0%にキシロースを5.0%(W/V)となるよう加えたもの)について、実施例における減圧蒸留(40℃、50分)及び比較例における常圧蒸留(100℃、24分)と同様の温度履歴となるように、それぞれインキュベートした。これらの糖化液について、可視光(波長430nm)の吸光度を測定することにより、相対的なメラノイジン生成濃度の比較を行った。各糖化液の未処理及び各温度でのインキュベート後の吸光度を表5に示す。
なお、メラノイジンは特定の構造で規定される単一の物質ではなく、糖類とタンパク質、ポリペプチド、アミノ酸等が反応して生成する着色物質の総称である。
[Reference Example: Measurement of Melanoidin]
Various biomass is treated with ammonia, and the saccharified solution and simulated saccharified solution obtained by enzymatic saccharification treatment (YPX medium, yeast extract 0.5%, polypeptone 1.0% to xylose 5.0% (W / V) (Added) were incubated so as to have a temperature history similar to that of the vacuum distillation (40 ° C., 50 minutes) in the example and the atmospheric distillation (100 ° C., 24 minutes) in the comparative example. About these saccharified liquids, the relative melanoidin production | generation density | concentration was compared by measuring the light absorbency of visible light (wavelength 430nm). Table 5 shows the absorbance of each saccharified solution untreated and incubated at each temperature.
Note that melanoidin is not a single substance defined by a specific structure, but a generic term for colored substances produced by a reaction of saccharides with proteins, polypeptides, amino acids and the like.

1次発酵液からエタノールを除去する際の常圧蒸留条件に相当する100℃での加熱処理を行なった場合には、各糖化液の吸光度が未処理の場合に比較して増加し、着色成分であるメラノイジンが生成していることが推定される。一方、減圧蒸留条件に相当する40℃での処理においては、吸光度の増加は見られず、メラノイジンの生成は抑制されていることが判る。   When the heat treatment at 100 ° C. corresponding to the atmospheric distillation conditions for removing ethanol from the primary fermentation broth is performed, the absorbance of each saccharified liquor increases as compared to the untreated case, It is presumed that melanoidin is produced. On the other hand, in the treatment at 40 ° C. corresponding to the vacuum distillation conditions, no increase in absorbance was observed, indicating that production of melanoidin was suppressed.

Figure 2011087478
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以上の結果から、1.5〜12質量%のタンパク質の含有量をもつバイオマスをアンモニア処理、酵素による加水分解処理して得た糖化液について、6炭糖をエタノールに変換可能な酵母を用いた1次発酵、5炭糖をエタノールに変換可能な酵母を用いた2次発酵を行なうエタノールの製造において、1次発酵液を60℃より低い温度に保持した状態でエタノール濃度を4%(W/V)以下とすることにより、高い収率でエタノールを得ることができることが明らかとなった。また、1次発酵液を60℃以上の温度とすることにより2次発酵の効率が低下する原因は、加熱により、糖化液中に含まれるタンパク質由来の物質がメラノイジンに変質し、これが5炭糖をエタノールに変換可能な酵母の発酵機能を阻害することにあると推定された。   From the above results, yeast that can convert hexose into ethanol was used for the saccharified solution obtained by subjecting biomass having a protein content of 1.5 to 12% by mass to ammonia treatment and enzymatic hydrolysis. In the production of ethanol that performs secondary fermentation using yeast capable of converting primary fermentation and pentose to ethanol, the ethanol concentration is 4% (W / w) while maintaining the primary fermentation solution at a temperature lower than 60 ° C. It became clear that ethanol can be obtained with a high yield by setting it to V) or less. The reason why the efficiency of the secondary fermentation is lowered by setting the temperature of the primary fermentation broth to 60 ° C. or higher is that the protein-derived substance contained in the saccharified solution is transformed into melanoidin by heating, which is a pentose. It was presumed to inhibit the fermentation function of yeast that can be converted to ethanol.

Claims (6)

タンパク質の含有量がバイオマスの乾燥質量を基準として1.5〜12質量%であり且つセルロースを含有するバイオマスを、アンモニアにより処理し、改質バイオマスを得る第1の工程と、
前記改質バイオマスについて加水分解処理を行い、6炭糖類及び5炭糖類を含有する糖化液を得る第2の工程と、
前記糖化液について、6炭糖類をエタノールに変換可能な第1の酵母を用いてエタノール発酵を行うことにより、1次発酵液を得、前記1次発酵液を60℃未満の温度に保持した状態で、エタノール濃度が4%(W/V)以下となるように、前記1次発酵液中のエタノールを除去する第3の工程と、
前記第3の工程後の前記1次発酵液について、5炭糖類をエタノールに変換可能な第2の酵母を用いてエタノール発酵を行うことにより、2次発酵液を得る第4の工程と、
を備えることを特徴とするエタノールの製造方法。
A first step of obtaining a modified biomass by treating a biomass containing cellulose with a protein content of 1.5 to 12% by mass based on the dry mass of the biomass and containing cellulose;
A second step of hydrolyzing the modified biomass to obtain a saccharified solution containing hexose and pentose;
About the said saccharified liquid, a primary fermentation liquid is obtained by performing ethanol fermentation using the 1st yeast which can convert 6 carbon sugar into ethanol, The state which hold | maintained the said primary fermentation liquid at the temperature of less than 60 degreeC Then, a third step of removing ethanol in the primary fermentation broth so that the ethanol concentration is 4% (W / V) or less,
A fourth step of obtaining a secondary fermentation broth by performing ethanol fermentation using a second yeast capable of converting pentose to ethanol with respect to the primary fermentation broth after the third step;
A method for producing ethanol, comprising:
前記バイオマスが草本類バイオマスであることを特徴とする請求項1に記載のエタノールの製造方法。   The method for producing ethanol according to claim 1, wherein the biomass is herbaceous biomass. 前記第1の酵母がサッカロマイセス・セレビシエであることを特徴とする請求項1又は2に記載のエタノールの製造方法。   The method for producing ethanol according to claim 1 or 2, wherein the first yeast is Saccharomyces cerevisiae. 前記第2の酵母がピキア・スティピティス又はカンジダ・シハタエであることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載のエタノールの製造方法。   The method for producing ethanol according to any one of claims 1 to 3, wherein the second yeast is Pichia stipitis or Candida shihatae. 前記第3の工程において、減圧下での蒸留により前記1次発酵液からエタノールを除去することを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載のエタノールの製造方法。   5. The method for producing ethanol according to claim 1, wherein in the third step, ethanol is removed from the primary fermentation broth by distillation under reduced pressure. 前記第2の工程において、前記改質バイオマスを酵素により加水分解することを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載のエタノールの製造方法。   In the said 2nd process, the said modified biomass is hydrolyzed with an enzyme, The manufacturing method of ethanol of any one of Claims 1-5 characterized by the above-mentioned.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2015503558A (en) * 2011-12-30 2015-02-02 レンマティックス, インコーポレイテッドRenmatix, Inc. Composition comprising C5 and C6 monosaccharides

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