JP2013252098A - 糖液生成システムおよび糖液生成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】糖回収率を向上させた糖液生成システムおよび糖液生成方法を提供する。
【解決手段】
糖液生成システム１は、セルロース含有材料から糖液を生成するものであり、爆破容器１１、液体ボンベ１２および回収容器１３を備えている。爆破容器１１内で、液体媒質に含めた状態でセルロース含有材料を爆破させることにより、材料破壊と物質保護とのバランスが良くなり、糖回収率を向上させることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば白酒廃糟，わらなどの木質セルロースを含有する材料（セルロース含有材料）から糖液を得るための糖液生成システムおよび糖液生成方法に関する。

近年、いわゆるバイオマス分野ではセルロース原料から糖液を生成するための技術が注目されており、これまでに水蒸気爆破を用いる方法が報告されている（例えば、非特許文献１，２）。この方法では、セルロース含有材料から、水蒸気爆破によりリグニンとヘミセルロースおよびセルロースとを分離することができるため、酵素加水分解のプロセスを簡易化することができる。

Lee, J.M., Jameel, H., Venditti, R.A., "A Comparison of the Autohydrolysis and Ammonia Fiber Explosion (AFEX) Pretreatments on theSubsequent Enzymatic Hydrolysis of Coastal Bermuda Grass," Bioresour.Technol. 2010, 101, pp.5449-5458. Liu, Z.L., "Molecular Mechanisms of Yeast Tolerance and in Situ Detoxification of Lignocellulose Hydrolysates," Appl. Microbiol. Biotechnol. 2011, 90, pp. 809-825.

しかしながら水蒸気爆破を用いる方法では、原料中のヘミセルロース等の損耗量が多いという問題がある。また、この方法では副産物が多く生成して酵素の働き（加水分解や発酵）を抑制するため、糖類の回収率が低下する。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、セルロース含有材料、特に木質セルロース含有材料から高い回収率で糖液を得ることのできる糖液生成システムおよび糖液生成方法を提供することにある。

本発明による糖液生成システムは、セルロース含有材料を液体媒質と共に収容する爆破容器と、セルロース含有材料を爆破する爆破手段と、爆破されたセルロース含有材料を回収する回収容器とを備えている。

爆破手段は、具体的には、例えばセルロース含有材料を液体媒質と共に所定の温度に保持する加熱手段と、爆破容器内を所定の圧力に保持する加圧手段と、爆破容器内の圧力を所定の時間経過後に瞬時に開放する排気手段とを含むものである。

液体媒質には、例えば複数種類の液体を用いることも可能である。例えば、この液体媒質には有機溶媒と水との混合液を用いることができ、具体的には、例えばメチルアルコール、エチルアルコール、アセトン、メチルエチルケトン、エーテル、プロピルエーテル、ホルムアルデヒド、アセトアルデヒド、蟻酸、酢酸のうちのいずれかの水溶液などである。セルロース含有材料は、例えば白酒廃糟あるいはわらである。また、本発明の糖液生産システムでは、回収されたセルロース含有材料を酵素と反応させるための反応手段を有するようにしてもよい。酵素としては、例えばセルラーゼ、キシラナーゼおよびＢグルコシダーゼのうちの少なくとも一つを用いることができる。

本発明による糖液生成方法は、液体媒質中にセルロース含有材料を含め、液体媒質を介してセルロース含有材料を爆破する工程を含むものである。

本発明の糖液生産方法は、液体媒質およびセルロース含有材料を所定温度および所定圧力に保持する第１ステップと、圧力を一定時間経過後に瞬時に開放してセルロース含有材料を爆破する第２ステップと、爆破されたセルロース含有材料を回収し、糖液を生成する第３ステップとを含むようにしてもよい。この第３ステップでは、爆破されたセルロース含有材料を乾燥したのち、酵素と反応させることも可能である。

本発明の糖液生成システムまたは糖液生成方法では、液体媒質の中に含めた状態でセルロース含有材料が爆破されるので、水蒸気爆破等の気体中での爆破に比べて爆破温度が低くなる。

本発明の糖液生成システムまたは本発明の糖液生成方法によれば、液体媒質の中に含めた状態でセルロース含有材料を爆破するようにしたので、爆破温度が低くなり、セルロースの損耗や副産物の生成を抑えることができる。よって、材料破壊と物質保護とのバランスが向上し、セルロース含有材料から高い回収率で糖液を得ることができる。

本発明の一実施の形態に係る糖液生成システムの全体構成を表す図である。 図１に示した糖液生成システムの作用（糖液生成方法）を説明するための流れ図である。 （Ａ）爆破前の白酒廃糟の実物写真を表す図、（Ｂ）（Ａ）に示した白酒廃糟の爆破物（液体媒質 純水）の実物写真を表す図、（Ｃ）（Ａ）に示した白酒廃糟の爆破物（液体媒質 メチルエチルケトン）の実物写真を表す図である。 （Ａ）爆破前のわらの実物写真を表す図、（Ｂ）（Ａ）に示したわらの爆破物（液体媒質 純水）の実物写真を表す図、（Ｃ）（Ａ）に示したわらの爆破物（液体媒質 メチルエチルケトン）の実物写真を表す図である。 （Ａ）走査型電子顕微鏡で観察した爆破前の白酒廃糟を表す図、（Ｂ）（Ａ）に示した白酒廃糟の爆破物（液体媒質 純水）を表す図、（Ｃ）（Ａ）に示した白酒廃糟の爆破物（液体媒質 メチルエチルケトン）を表す図である。 （Ａ）走査型電子顕微鏡で観察した爆破前のわらを表す図、（Ｂ）（Ａ）に示したわらの爆破物（液体媒質 純水）を表す図、（Ｃ）（Ａ）に示したわらの爆破物（液体媒質 メチルエチルケトン）を表す図である。 爆破前後の白酒廃糟のＸ線回折スペクトルを表す図である。 爆破前後のわらのＸ線回折スペクトルを表す図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

図１は本発明の一実施の形態に係る糖液生成システム（糖液生成システム１）の構成例を表すものである。なお、本発明の糖液生成方法については、糖液生成システム１の作用に具現化されるものであるので合わせて説明する。

この糖液生成システム１は、セルロース含有材料からアルコール生産原料として使用できる糖液を生成するものであり、例えば、爆破容器１１、液体ボンベ１２および回収容器１３を備えている。

爆破容器１１は耐爆破性の材料、例えば厚み８ｍｍのステンレス鋼により構成された円筒状の容器である。この爆破容器１１は爆破台１４上に支持されている。爆破容器１１内には、セルロース含有材料、例えば白酒廃糟やわら等の木質セルロース含有材料が、液体媒質と共に収容されるようになっている。糖液生成システム１では、特に木質セルロース含有材料から高い回収率で糖液を生成することができる。セルロース含有材料には、その他ビール粕，大豆粕，トウモロコシの芯，コーンあるいはサトウキビ等を用いるようにしてもよい。当該糖液生成システム１は、セルロース含有材料を液体媒質中で爆破することにより破壊した後、これを酵素分解して糖液を生成するものである。このように液体媒質中で爆破を行うことにより、従来の蒸気（気体）中での爆破よりも温度を低下させることができる。従って、セルロースの損耗や副産物の生成を抑えつつ、セルロース含有材料を破壊することが可能となる。即ち、材料破壊と物質保護のバランスが良くなる。液体媒質には複数種類の液体が含まれていることが好ましく、例えば有機溶媒と水との混合液を用いることができる。この有機溶媒は沸点が低く、揮発性を有することが好ましい。また、低分子、かつ水に溶解し易い有機溶媒を用いることが好ましい。このような有機溶媒として、例えばメチルアルコール、エチルアルコール、アセトン、メチルエチルケトン、エーテル、プロピルエーテル、ホルムアルデヒド、アセトアルデヒド、蟻酸および酢酸等が挙げられる。液体媒質には、例えば沸点１００℃未満のこのような有機溶媒が０．１〜１．１Ｍ程度含まれていることが好ましい。液体媒質には水（純水）のみを用いるようにしてもよく、あるいは液体アンモニアを用いることも可能である。

爆破容器１１は、ジャケット（外装部材）１５で覆われており、ジャケット１５には電気加熱パイプあるいは蒸気加熱パイプなどの加熱体１５Ａ（加熱手段）が配設されている。爆破容器１１は、液体ボンベ１２とは配管１６、回収容器１３とは配管１７によりそれぞれ連結されている。配管１６，１７は例えばステンレスにより構成されている。配管１６は、液体ボンベ１２側で減圧弁１６Ａに接続され、爆破容器１１側で開閉弁１６Ｂに接続されている。この減圧弁１６Ａおよび開閉弁１６Ｂによって、液体ボンベ１２から爆破容器１１への液体媒質の供給および爆破容器１１内の圧力が制御されるようになっている。一方、爆破容器１１と回収容器１３とを接続する配管１７には、開閉弁１７Ｂが設けられている。爆破容器１１には爆破容器１１内の圧力、温度をそれぞれ測定するための圧力計１９、温度計２０が設けられている。温度計２０では、爆破容器１１内の液体媒質の温度が測定される。

液体ボンベ１２には、上述の液体媒質が収容されており、開閉弁１６Ｂを開けることにより配管１６を介して爆破容器１１に液体媒質が注入される。使用する液体媒質が少量の場合には液体ボンベ１２を省略し、爆破容器１１に直接添加するようにしてもよい。

回収容器１３は開閉弁１７Ｂの開放によって生じた爆破物（セルロース含有材料）を配管１７を介して回収する容器である。回収容器１３には排気管１８が設けられている。この糖液生産システム１では、開閉弁１６Ｂ，１７Ｂ（加圧手段）を閉止状態にして爆発容器１３内を密閉し、加圧した後、開閉弁１７Ｂを開けることにより、爆破容器１１内の圧力が開放されるようになっている。この圧力の開放によって、爆破容器１１内のセルロース含有材料が爆破される。即ち、加熱体１５Ａ、開閉弁１６Ｂ，１７Ｂおよび排気管１８により本技術の爆破手段が構成されている。この糖液生産システム１では開閉弁１７Ｂおよび排気管１８（排気手段）が設けられていることにより、複雑な装置を用いることなく、セルロース含有材料を容易に爆破することができる。回収容器１３内でこの爆破物を乾燥させた後、温度制御等の反応手段を用いて、これを酵素と反応させることにより糖液を得ることができる。

このような構成を有する糖液生成システム１では図２に示した手順によりセルロース含有材料から糖液が生成される。

まず、セルロース含有材料と液体媒質とを混合した後（ステップＳ１０１）、これを所定の温度および所定の圧力で一定時間保持する（ステップＳ１０２）。

具体的には、爆破容器１１の中に、例えば２０〜１５０ｇのセルロース含有材料を投入した後、これに液体ボンベ１２から例えば１０〜３００ｇの液体媒質を注入する。セルロース含有材料としては例えば白酒廃糟あるいはわらを用いる。白酒廃糟の含水率は例えば５〜８０％である。わらの長さは例えば０．１〜３ｃｍであり、その含水率は５〜１５％である。次いで、開閉弁１６Ｂ，１７Ｂを閉止状態にして爆破容器１１内を密閉した後、加熱体１５のスイッチをオンにして、爆破容器１１を例えば昇温速度２０〜４０℃／ｍｉｎで加熱する。これにより、液体媒質を例えば４０〜２７０℃、爆破容器１１内を、例えば０．５〜５ＭＰａ程度の圧力に調整する。このようにして、爆破容器１１を所定の温度および圧力に調整した後、この状態で爆破容器１１を例えば、２〜６０分間保持する。この間の圧力および温度は圧力計１９および温度計２０を用いて確認する。

上記のようにして爆破容器１１を所定の状態で一定時間保持した後、開閉弁１７Ｂを開けることにより爆破容器１１内の圧力が回収容器１３および排気管１８を通じて瞬時に開放され、液体媒質中のセルロース含有材料が爆破される（ステップＳ１０３）。この爆破物は配管１７を介して回収容器１３に集められる。回収容器１３にセルロース含有材料の爆破物を回収した後、これを酵素と反応させることにより糖液を生成する（ステップＳ１０４）。

具体的には、まず、回収された爆破物を回収容器１３内で５０〜１０５℃の温度下、６〜２４時間乾燥させる。これにより爆破物に含まれるメチルエチルケトン，フルフラールおよび酢酸などの毒素が除去される。次いで、これに、例えばｐＨ４．８〜５．０のクエン酸緩衝液を加え、乾燥後の爆破物と水との比（重量比）が１：８〜１：１２（爆破物：水）程度になるように調整する。続いて、これに例えばセルラーゼ，キシラナーゼまたはＢ（β）グルコシダーゼなどの複合糖化酵素を加え、４５〜５５℃の温度下で爆破物（セルロース）と酵素とを４８〜７２時間程度反応させる。複合糖化酵素は例えば、１．０ｇの爆破物（乾燥後）に対して２００〜２５０ＦＰＵ（Filter Paper Unit）程度使用する。複合糖化酵素は、一種類でもよく、あるいは複数種を用いるようにしてもよい。最後に、この反応混合物を濾過することにより、例えばグルコースおよびキシロース等の還元糖を含む糖液が得られる。この糖液は、例えば１〜１０％（重量比）の糖を含み、セルロース含有材料からの糖の回収率は例えば５２％以上である。このような糖液はアルコール生産原料にも用いることが可能である。糖の含有量は、例えばＤＮＳ（ジニトロサリチル酸）法により決定することができる。

このように本実施の形態の糖液生成システム１では、液体媒質に含めた状態でセルロース含有材料が爆破されるので、セルロースの損耗を抑え、糖の回収率を向上させることが可能となる。

これまでにバイオマス分野では、水蒸気爆破によりセルロース含有材料から糖液を得る方法が報告されている。この方法では、気体中でセルロース含有材料が爆破されるため、爆破温度が高くなり、ヘミセルロース等の損耗量が大きくなる。また、この方法では、副産物が多く生成して酵素の働きを抑制するため、糖の回収率が低下する。更に、水蒸気爆破には高い温度および大きな圧力が必要であり、エネルギーの消費量も大きい。一方、水蒸気爆破以外の方法として、高圧熱水や分段高圧熱水を用いる方法も提案されている（例えば、Laser, M., Schulman, D., Allen, S.G., Lichwa, J., Antal Jr., M.J., Lynd, L.R., "A Comparison of Liquid Hot Water and Steam Pretreatments of Sugar Cane Bagasse for Bioconversion to Ethanol," Bioresour. Technol. 2002, 81, pp.33-44, Bruce S. Dien, Eduardo A., Ximenes, Patricia J. O'Bryan, Mohammed Moniruzzaman, Xin-Liang Li, Venkatesh Balan, Bruce Dale, Michael A. Cotta, "Enzyme characterization for hydrolysis of AFEX and liquid hot-water pretreated distillers' grains and their conversion to ethanol," Bioresour. Technol. 2008, 99(12), pp.5216-5225,Yu, Q., Zhuang X., Yuan Z., Wang Q., Qi W., Wang W., Zhang Y., Xu J., Xu H., "Two-Step Liquid Hot Water Pretreatment of Eucalyptus Grandis to Enhance Sugar Recovery and Enzymatic Digestibility of Cellulose," Bioresour. Technol. 2010, 101, pp.4895-4899,Thomsen, M.H., Thygesen, A., Thomsen, A.B., "Hydrothermal treatment of wheat straw at pilot plant scale using a three-step reactor system aiming at high hemicellulose recovery, high cellulose digestibility and low lignin hydrolysis," Bioresour. Technol. 2008, 99(10), pp.42214228,Chaogang Liu, Charles E. Wyman, "Partial flow of compressed-hot water through corn stover to enhance hemicellulose sugar recovery and enzymatic digestibility of cellulose," Bioresour. Technol. 2005, 96(18), pp.1978-1985）。しかしながらこのような方法でも、糖を十分に回収することができなかった。また、高圧熱水や分段高圧熱水による処理は、プロセスが複雑であることに加えてコスト面でも不利であり、実用化が困難である。

これに対し、糖液生産システム１では、液体媒質に含めた状態でセルロース含有材料が爆破されるので、気体中での爆破に比べて爆破温度が低くなる。これにより、セルロースの損耗や副産物の生成を抑えつつ、セルロース含有材料を破壊することができる。即ち、物質保護と材料破壊とのバランスを良くし、糖の回収率を高めることができる。また、水蒸気（気体）の発生が不要であり、水蒸気爆破に比べて、低温、低圧力でセルロース含有材料を爆破することができる。更に、糖液生産システム１は、工程数を抑え、より簡便に、かつ高い回収率で糖液を得ることが可能である。

以上のように、本実施の形態の糖液生産システム１では、液体媒質に含めた状態でセルロース含有材料を爆破するようにしたので、爆破温度が低下し、高い回収率で糖液を得ることができる。

また、液体媒質に揮発性の有機溶媒を含有させることにより、爆破温度をより下げることが可能となる。従って、糖の回収率を更に向上させることができる。

以下、本発明に関する実施例（実施例１〜９）について説明する。なお、以下の実施例では液体ボンベ１２を用いずに、直接液体媒質を爆破容器１１に添加した。

（実施例１）
まず、セルロース含有材料として白酒廃糟（ａ）２０ｇを準備し、これを爆破容器１１に投入した。次いで、この爆破容器１１に１．１Ｍ メチルエチルケトン水溶液１０ｇを添加した。続いて、爆破容器１１を密閉状態にした後、加熱体１５Ａのスイッチを入れ、爆破容器１１を２０℃／ｍｉｎで昇温させた。メチルエチルケトン水溶液の温度を１５０℃、爆破容器１１内の圧力を１．９ＭＰａに調整した後、この温度、圧力の状態で爆破容器１１を２分間保持した。そののち、開閉弁１７Ｂを開放し、メチルエチルケトン溶液中で白酒廃糟（ａ）を爆破した。次いで、この爆破物（ｂ）を配管１７を介して回収容器１３に集め、５０℃の温度下で２４時間乾燥させた。

続いて、この乾燥後の爆破物（ｃ）にｐＨ４．８〜５．０のクエン酸緩衝液を加え、爆破物（ｃ）と水との比が１：８（爆破物（ｃ）：水）になるように調整した。次いで、これに複合糖化酵素を加え、５０℃の温度下で７２時間反応させて糖化を行った。複合糖化酵素は、１ｇの爆破物（ｃ）に対してセルラーゼ１００ＦＰＵ、キシラナーゼ８０ＦＰＵ、Ｂグルコシダーゼ２０ＦＰＵを用いた。複合糖化酵素（セルラーゼ，キシラナーゼ，Ｂグルコシダーゼ）は、シグマアルドリッチジャパン株式会社製のものを使用した。以下の実施例２〜９においても同様の複合糖化酵素を使用した。爆破物（ｃ）を複合糖化酵素と反応させた後、この反応液を濾過することにより７．６％（重量比）の還元糖を含む糖液が得られた。糖の含有量（糖含量）はＤＮＳ法を用いて求めた。以下、実施例２〜９においても同様にＤＮＳ法を用いて糖含量を測定した。

（実施例２）
まず、セルロース含有材料としてわら（ｄ）１５０ｇを準備し、これを爆破容器１１に投入した。次いで、この爆破容器１１に０．９Ｍ メチルエチルケトン水溶液３００ｇを添加した。続いて、爆破容器１１を密閉状態にした後、加熱体１５Ａのスイッチを入れ、爆破容器１１を２５℃／ｍｉｎで昇温させた。メチルエチルケトン水溶液の温度を１７５℃、爆破容器１１内の圧力を３．１ＭＰａに調整した後、この温度、圧力の状態で爆破容器１１を３０分間保持した。そののち、開閉弁１７Ｂを開放し、メチルエチルケトン溶液中でわら（ｄ）を爆破した。次いで、この爆破物（ｅ）を配管１７を介して回収容器１３に集め、５０℃の温度下で２４時間乾燥させた。

続いて、この乾燥後の爆破物（ｆ）にｐＨ４．８〜５．０のクエン酸緩衝液を加え、爆破物（ｆ）と水との比が１：１２（爆破物（ｆ）：水）になるように調整した。次いで、これに複合糖化酵素を加え、５０℃の温度下で７２時間反応させて糖化を行った。複合糖化酵素は、１ｇの爆破物（ｆ）に対してセルラーゼ１２０ＦＰＵ、キシラナーゼ９０ＦＰＵ、Ｂグルコシダーゼ４０ＦＰＵを用いた。爆破物（ｆ）を複合糖化酵素と反応させた後、この反応液を濾過することにより６．１％（重量比）の還元糖を含む糖液が得られた。

（実施例３）
まず、セルロース含有材料としてわら（ｄ）４０ｇを準備し、これを爆破容器１１に投入した。次いで、この爆破容器１１に０．１Ｍ メチルエチルケトン水溶液１２２ｇを添加した。続いて、爆破容器１１を密閉状態にした後、加熱体１５Ａのスイッチを入れ、爆破容器１１を４０℃／ｍｉｎで昇温させた。メチルエチルケトン水溶液の温度を１７５℃、爆破容器１１内の圧力を３．１ＭＰａに調整した後、この温度、圧力の状態で爆破容器１１を７分間保持した。そののち、開閉弁１７Ｂを開放し、メチルエチルケトン溶液中でわら（ｄ）を爆破した。次いで、この爆破物（ｅ）を配管１７を介して回収容器１３に集め、９０℃の温度下で８時間乾燥させた。

続いて、この乾燥後の爆破物（ｆ）にｐＨ４．８〜５．０のクエン酸緩衝液を加え、爆破物（ｆ）と水との比が１：１２（爆破物（ｆ）：水）になるように調整した。次いで、これに複合糖化酵素を加え、５０℃の温度下で７２時間反応させて糖化を行った。複合糖化酵素は、１ｇの爆破物（ｆ）に対してセルラーゼ１２０ＦＰＵ、キシラナーゼ９０ＦＰＵ、Ｂグルコシダーゼ４０ＦＰＵを用いた。爆破物（ｆ）を複合糖化酵素と反応させた後、この反応液を濾過することにより５．４％（重量比）の還元糖を含む糖液が得られた。

（実施例４）
まず、セルロース含有材料としてわら（ｄ）１５０ｇを準備し、これを爆破容器１１に投入した。次いで、この爆破容器１１に０．５Ｍ アセトアルデヒド水溶液３００ｇを添加した。続いて、爆破容器１１を密閉状態にした後、加熱体１５Ａのスイッチを入れ、爆破容器１１を２０℃／ｍｉｎで昇温させた。アセトアルデヒド水溶液の温度を１７５℃、爆破容器１１内の圧力を３．１ＭＰａに調整した後、この温度、圧力の状態で爆破容器１１を７分間保持した。そののち、開閉弁１７Ｂを開放し、メチルエチルケトン溶液中でわら（ｄ）を爆破した。次いで、この爆破物（ｅ）を配管１７を介して回収容器１３に集め、６０℃の温度下で１２時間乾燥させた。

続いて、この乾燥後の爆破物（ｆ）にｐＨ４．８〜５．０のクエン酸緩衝液を加え、爆破物（ｆ）と水との比が１：１０（爆破物（ｆ）：水）になるように調整した。次いで、これに複合糖化酵素を加え、５０℃の温度下で７２時間反応させて糖化を行った。複合糖化酵素は、１ｇの爆破物（ｆ）に対してセルラーゼ１２０ＦＰＵ、キシラナーゼ９０ＦＰＵ、Ｂグルコシダーゼ４０ＦＰＵを用いた。爆破物（ｆ）を複合糖化酵素と反応させた後、この反応液を濾過することにより５．８％（重量比）の還元糖を含む糖液が得られた。

（実施例５）
まず、セルロース含有材料として白酒廃糟（ａ）６０ｇを準備し、これを爆破容器１１に投入した。次いで、この爆破容器１１に１．１Ｍ アセトン水溶液１０ｇを添加した。続いて、爆破容器１１を密閉状態にした後、加熱体１５Ａのスイッチを入れ、爆破容器１１を２０℃／ｍｉｎで昇温させた。アセトン水溶液の温度を１５５℃、爆破容器１１内の圧力を１．９ＭＰａに調整した後、この温度、圧力の状態で爆破容器１１を１０分間保持した。そののち、開閉弁１７Ｂを開放し、アセトン溶液中で白酒廃糟（ａ）を爆破した。次いで、この爆破物（ｂ）を配管１７を介して回収容器１３に集め、１０５℃の温度下で６時間乾燥させた。

続いて、この乾燥後の爆破物（ｃ）にｐＨ４．８〜５．０のクエン酸緩衝液を加え、爆破物（ｃ）と水との比が１：１０（爆破物（ｃ）：水）になるように調整した。次いで、これに複合糖化酵素を加え、５０℃の温度下で７２時間反応させて糖化を行った。複合糖化酵素は、１ｇの爆破物（ｃ）に対してセルラーゼ１００ＦＰＵ、キシラナーゼ８０ＦＰＵ、Ｂグルコシダーゼ２０ＦＰＵを用いた。爆破物（ｃ）を複合糖化酵素と反応させた後、この反応液を濾過することにより５．６％（重量比）の還元糖を含む糖液が得られた。

（実施例６）
まず、セルロース含有材料として白酒廃糟（ａ）２０ｇを準備し、これを爆破容器１１に投入した。次いで、この爆破容器１１に液体アンモニア１０ｇを添加した。続いて、爆破容器１１を密閉状態にした後、加熱体１５Ａのスイッチを入れ、爆破容器１１を２０℃／ｍｉｎで昇温させた。液体アンモニアの温度を４０℃、爆破容器１１内の圧力を１．９ＭＰａに調整した後、この温度、圧力の状態で爆破容器１１を３０分間保持した。そののち、開閉弁１７Ｂを開放し、液体アンモニア中で白酒廃糟（ａ）を爆破した。次いで、この爆破物（ｂ）を配管１７を介して回収容器１３に集め、６０℃の温度下で１５時間乾燥させた。

続いて、この乾燥後の爆破物（ｃ）にｐＨ４．８〜５．０のクエン酸緩衝液を加え、爆破物（ｃ）と水との比が１：８（爆破物（ｃ）：水）になるように調整した。次いで、これに複合糖化酵素を加え、５０℃の温度下で７２時間反応させて糖化を行った。複合糖化酵素は、１ｇの爆破物（ｃ）に対してセルラーゼ１００ＦＰＵ、キシラナーゼ８０ＦＰＵ、Ｂグルコシダーゼ２０ＦＰＵを用いた。爆破物（ｃ）を複合糖化酵素と反応させた後、この反応液を濾過することにより５．２％（重量比）の還元糖を含む糖液が得られた。

（実施例７）
まず、セルロース含有材料として白酒廃糟（ａ）１５０ｇを準備し、これを爆破容器１１に投入した。次いで、この爆破容器１１に液体アンモニア３００ｇを添加した。続いて、爆破容器１１を密閉状態にした後、加熱体１５Ａのスイッチを入れ、爆破容器１１を２０℃／ｍｉｎで昇温させた。液体アンモニアの温度を１００℃、爆破容器１１内の圧力を３．７ＭＰａに調整した後、この温度、圧力の状態で爆破容器１１を３０分間保持した。そののち、開閉弁１７Ｂを開放し、液体アンモニア中で白酒廃糟（ａ）を爆破した。次いで、この爆破物（ｂ）を配管１７を介して回収容器１３に集め、６０℃の温度下で１５時間乾燥させた。

続いて、この乾燥後の爆破物（ｃ）にｐＨ４．８〜５．０のクエン酸緩衝液を加え、爆破物（ｃ）と水との比が１：１２（爆破物（ｃ）：水）になるように調整した。次いで、これに複合糖化酵素を加え、５０℃の温度下で７２時間反応させて糖化を行った。複合糖化酵素は、１ｇの爆破物（ｃ）に対してセルラーゼ１００ＦＰＵ、キシラナーゼ８０ＦＰＵ、Ｂグルコシダーゼ２０ＦＰＵを用いた。爆破物（ｃ）を複合糖化酵素と反応させた後、この反応液を濾過することにより４．８％（重量比）の還元糖を含む糖液が得られた。

（実施例８）
まず、セルロース含有材料として白酒廃糟（ａ）８０ｇを準備し、これを爆破容器１１に投入した。次いで、この爆破容器１１に純水２４０ｍＬを添加した。続いて、爆破容器１１を密閉状態にした後、加熱体１５Ａのスイッチを入れ、爆破容器１１を２０℃／ｍｉｎで昇温させた。水の温度を２２０℃、爆破容器１１内の圧力を３．１ＭＰａに調整した後、この温度、圧力の状態で爆破容器１１を７分間保持した。そののち、開閉弁１７Ｂを開放し、水中で白酒廃糟（ａ）を爆破した。次いで、この爆破物（ｂ）を配管１７を介して回収容器１３に集め、８０℃の温度下で１０時間乾燥させた。

続いて、この乾燥後の爆破物（ｃ）にｐＨ４．８〜５．０のクエン酸緩衝液を加え、爆破物（ｃ）と水との比が１：８（爆破物（ｃ）：水）になるように調整した。次いで、これに複合糖化酵素を加え、５０℃の温度下で７２時間反応させて糖化を行った。複合糖化酵素は、１ｇの爆破物（ｃ）に対してセルラーゼ１００ＦＰＵ、キシラナーゼ８０ＦＰＵ、Ｂグルコシダーゼ２０ＦＰＵを用いた。爆破物（ｃ）を複合糖化酵素と反応させた後、この反応液を濾過することにより３．７％（重量比）の還元糖を含む糖液が得られた。

（実施例９）
まず、セルロース含有材料としてわら（ｄ）４０ｇを準備し、これを爆破容器１１に投入した。次いで、この爆破容器１１に純水８０ｍＬを添加した。続いて、爆破容器１１を密閉状態にした後、加熱体１５Ａのスイッチを入れ、爆破容器１１を２５℃／ｍｉｎで昇温させた。水の温度を２００℃、爆破容器１１内の圧力を１．９ＭＰａに調整した後、この温度、圧力の状態で爆破容器１１を１０分間保持した。そののち、開閉弁１７Ｂを開放し、水中でわら（ｄ）を爆破した。次いで、この爆破物（ｅ）を配管１７を介して回収容器１３に集め、８０℃の温度下で１０時間乾燥させた。

続いて、この乾燥後の爆破物（ｆ）にｐＨ４．８〜５．０のクエン酸緩衝液を加え、爆破物（ｆ）と水との比が１：１２（爆破物（ｆ）：水）になるように調整した。次いで、これに複合糖化酵素を加え、５０℃の温度下で７２時間反応させて糖化を行った。複合糖化酵素は、１ｇの爆破物（ｆ）に対してセルラーゼ１２０ＦＰＵ、キシラナーゼ９０ＦＰＵ、Ｂグルコシダーゼ４０ＦＰＵを用いた。爆破物（ｆ）を複合糖化酵素と反応させた後、この反応液を濾過することにより４．０％（重量比）の還元糖を含む糖液が得られた。

上記実施例１〜実施例９において、爆破前のセルロース含有材料（ａ，ｄ）と爆破後のセルロース含有材料（ｃ，ｆ）の諸特性を調べた。その結果を以下に示す。

まず、爆破前（ａ，ｄ）と爆破後（ｃ，ｆ）のセルロース含有材料の実物写真を図３および図４に表す。図３はセルロース含有材料として白酒廃糟を使用したものであり、図３（Ａ）が爆破前（ａ）、図３（Ｂ）が爆破後（ｃ）の実施例８（液体媒質 純水）、図３（Ｃ）が爆破後（ｃ）の実施例１（液体媒質 メチルエチルケトン）をそれぞれ表している。図４はセルロース含有材料としてわらを使用したものであり、図４（Ａ）が爆破前（ｄ）、図４（Ｂ）が爆破後（ｆ）の実施例９（液体媒質 純水）、図４（Ｃ）が爆破後（ｃ）の実施例２（液体媒質 メチルエチルケトン）をそれぞれ表している。

図３（Ｂ）と図３（Ｃ）、あるいは図４（Ｂ）と図４（Ｃ）から明らかなように、比較的高温（２００℃，２２０℃）で爆破された実施例８，９では、爆破物の色が黒ずみ、細かく粉砕されている。

次に、爆破前（ａ，ｄ）と爆破後（ｃ，ｆ）のセルロース含有材料を走査型電子顕微鏡で観察したところ、図５および図６のような結果が得られた。図５はセルロース含有材料として白酒廃糟を使用したものであり、図５（Ａ）が爆破前（ａ）、図５（Ｂ）が爆破後（ｃ）の実施例８（液体媒質 純水）、図５（Ｃ）が爆破後（ｃ）の実施例１（液体媒質 メチルエチルケトン）をそれぞれ表している。図６はセルロース含有材料としてわらを使用したものであり、図６（Ａ）が爆破前（ｄ）、図６（Ｂ）が爆破後（ｆ）の実施例９（液体媒質 純水）、図６（Ｃ）が爆破後（ｃ）の実施例２（液体媒質 メチルエチルケトン）をそれぞれ表している。

図５（Ａ），６（Ａ）からわかるように、爆破前のセルロース含有材料（ａ，ｄ）では、その表面が滑らかであり、無孔、無隙間の構造をとっているのに対し、爆破後（ｃ，ｆ）には孔や隙間が形成される（図５（Ｂ），５（Ｃ），６（Ｂ），６（Ｃ））。比較的高温で爆破された実施例８，９では、爆破前の構造が大きく破壊され、表面構造も乱れている（図５（Ｂ），６（Ｂ））。一方、比較的低温（１５０℃，１７５℃）で爆破された実施例１，２では、一定の表面構造を保ちつつ、孔や隙間が形成されている（図５（Ｃ），６（Ｃ））。

また、爆破前（ａ，ｄ）と爆破後（ｃ，ｆ）のセルロース含有材料についてＸ線回折スペクトルを測定した結果を図７および図８に表す。図７では白酒廃糟、図８ではわらを、それぞれセルロース含有材料として使用した。

白酒廃糟、わら共に爆破前（ａ，ｄ）と爆破後（ｃ，ｆ）でスペクトルが変化することが確認できた。

更に、実施例１〜９の糖含量（％）および糖回収率を表１に示す。

実施例１〜９では還元糖中に含まれるグルコース、キシロースそれぞれの糖含量および糖回収率についても測定した。なお、ここでの糖回収率は、セルロース含有材料を濃硫酸加水分解することにより生成した還元糖（グルコース，キシロース）を１００％としたときの回収率であり、これを重量比（ｗ／ｗ）により表した（Recommended by National Renewable Energy Laboratory Biomass Analysis
Technology (NREL BAT)）。実施例１〜９の糖回収率は、それぞれ、８６％（実施例１）、８５％（実施例２）、７８％（実施例３）、８３％（実施例４）、８３％（実施例５）、７５％（実施例６）、７４％（実施例７）、５２％（実施例８）および５３％（実施例９）であった。

比較的高温で爆破された実施例８，９に比べ、実施例１〜７では糖回収率が向上している。一方、爆破温度が低すぎると、材料破壊が進行せず、糖回収率も低下する（実施例６，７）。液体媒質に０．５Ｍ以上の有機溶媒を含有させ、材料破壊と物質保護のバランスを制御することが好ましい。最適な爆破温度は、用いるセルロース含有材料により多少異なるが、１５０℃〜１７５℃程度に調整することが好ましい。

以上の結果より、揮発性液体媒質中でセルロース含有材料を爆破すると、物質保護と材料破壊のバランスが良くなり、材料の構造を適度に破壊できることがわかった。これにより材料中の損失を抑えて、糖の回収率をより向上できることが確認できた。

なお、上記実施の形態および実施例では、本発明を具体例を挙げて説明したが、本発明は上記実施の形態等に限定されるものではなく、そのシステム構成において非本質的な部分の改善や調整は適宜行うことが可能である。例えば、上記実施の形態等では、爆破容器１１を密閉状態にして加熱することにより、これを加圧する場合について説明したが、これ以外の方法によって加圧するようにしてもよい。

また、上記実施の形態等では、糖液を得るために用いる酵素として、セルラーゼ、キシラナーゼおよびＢグルコシダーゼを用いる場合について説明したが、これ以外の酵素を用いて酵素反応を行うようにしてもよい。

１…糖液生産システム、１１…爆破容器、１２…液体ボンベ、１３…回収容器、１４…爆破台、１５…ジャケット、１５Ａ…加熱体、１６，１７…配管、１６Ａ…減圧弁、１６Ｂ，１７Ｂ…開閉弁、１８…排気管、１９…圧力計、２０…温度計。

Claims (11)

1. セルロース含有材料を液体媒質と共に収容する爆破容器と、
   前記セルロース含有材料を爆破する爆破手段と、
   前記爆破されたセルロース含有材料を回収する回収容器と
   を備えた糖液生成システム。
2. 前記爆破手段は、
   前記セルロース含有材料を液体媒質と共に所定の温度に保持する加熱手段と、
   前記爆破容器内を所定の圧力に保持する加圧手段と、
   前記爆破容器内の圧力を所定の時間経過後に瞬時に開放する排気手段と
   を備えた請求項１記載の糖液生成システム。
3. 前記液体媒質として複数種類の液体を用いる
   請求項１または２に記載の糖液生成システム。
4. 前記液体媒質として有機溶媒と水との混合液を用いる
   請求項１ないし３のいずれか１項に記載の糖液生成システム。
5. 前記液体媒質としてメチルアルコール、エチルアルコール、アセトン、メチルエチルケトン、エーテル、プロピルエーテル、ホルムアルデヒド、アセトアルデヒド、蟻酸、酢酸のうちのいずれかの水溶液を用いる
   請求項１ないし４のいずれか１項に記載の糖液生成システム。
6. 前記セルロース含有材料として、白酒廃糟あるいはわらを用いる
   請求項１ないし５のいずれか１項に記載の糖液生成システム。
7. 前記回収されたセルロース含有材料を酵素と反応させる反応手段を有する
   請求項１ないし６のいずれか１項に記載の糖液生成システム。
8. 前記酵素として、セルラーゼ、キシラナーゼおよびＢグルコシダーゼのうちの少なくとも１つを用いる
   請求項７に記載の糖液生成システム。
9. 液体媒質中にセルロース含有材料を含め、前記液体媒質を介してセルロース含有材料を爆破することにより糖液を生成する
   糖液生成方法。
10. 前記液体媒質およびセルロース含有材料を所定温度および所定圧力に保持する第１ステップと、
    前記圧力を一定時間経過後に瞬時に開放して前記セルロース含有材料を爆破する第２ステップと、
    前記爆破されたセルロース含有材料を回収し、糖液を生成する第３ステップと
    を含む請求項９記載の糖液生成方法。
11. 前記第３ステップでは、前記爆破されたセルロース含有材料を乾燥したのち、酵素と反応させる
    請求項１０に記載の糖液生成方法。

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