JP2013255457A - 濃縮糖水溶液およびエタノールの製造方法 - Google Patents

濃縮糖水溶液およびエタノールの製造方法 Download PDF

Info

Publication number
JP2013255457A
JP2013255457A JP2012133541A JP2012133541A JP2013255457A JP 2013255457 A JP2013255457 A JP 2013255457A JP 2012133541 A JP2012133541 A JP 2012133541A JP 2012133541 A JP2012133541 A JP 2012133541A JP 2013255457 A JP2013255457 A JP 2013255457A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
membrane
aqueous solution
sugar
water
acid
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2012133541A
Other languages
English (en)
Inventor
Tomoko Kanamori
智子 金森
Hiromasa Kurihara
宏征 栗原
Masayuki Hanakawa
正行 花川
Norihiro Takeuchi
紀浩 武内
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toray Industries Inc
Original Assignee
Toray Industries Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toray Industries Inc filed Critical Toray Industries Inc
Priority to JP2012133541A priority Critical patent/JP2013255457A/ja
Publication of JP2013255457A publication Critical patent/JP2013255457A/ja
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E50/00Technologies for the production of fuel of non-fossil origin
    • Y02E50/10Biofuels, e.g. bio-diesel

Landscapes

  • Preparation Of Compounds By Using Micro-Organisms (AREA)
  • Separation Using Semi-Permeable Membranes (AREA)

Abstract

【課題】ナノ濾過膜で処理して糖水溶液を濃縮して糖濃度を高める方法において、廃棄される水を再利用することによる、省水型の濃縮糖水溶液の製造方法を実現する。
【解決手段】(1)セルロース含有バイオマスを加水分解して、糖水溶液を製造する工程、(2)前記工程(1)で得られた糖水溶液を精密濾過膜および/または限外濾過膜に通じて濾過して、精製糖水溶液を透過側から回収する工程、(3)前記工程(2)で得られた精製糖水溶液をナノ濾過膜9に通じて濾過することで、透過側から透過水を回収し、非透過側から濃縮糖水溶液を回収する工程、並びに(4)前記工程(2)において使用される精密濾過膜および/または限外濾過膜を洗浄する洗浄工程を備え、かつ、前記工程(1)および(4)のうち、少なくとも1つに前記工程(3)の透過水を利用することを特徴とする方法。
【選択図】図1

Description

本発明は、セルロース含有バイオマスから濃縮糖水溶液を製造する方法および得られた濃縮糖水溶液からエタノールを製造する方法に関する。
昨今、バイオマス資源の中でも特にサトウキビやトウモロコシを原料としたバイオエタノールの製造が、米国やブラジルなどで盛んに行われている。これは、サトウキビやトウモロコシにはショ糖やデンプンが豊富に含まれているので、これらから糖水溶液を調製し、さらに糖水溶液を発酵させることが容易であるためである。
しかしながら、サトウキビやトウモロコシは元々食料であり、これらを原料とした場合には食料や飼料との競合を引き起こして原料価格の高騰を招くという重大な問題点がある。
このことから、セルロース含有バイオマスのような非食用バイオマスから効率的に糖水溶液を製造する技術、あるいは得られた糖水溶液を発酵原料として、効率的に工業原料に変換する技術を含む、環境調和型プロセスの構築が求められている。
セルロース含有バイオマスから糖水溶液を製造する方法としては、硫酸を使用する糖水溶液の製造方法があり、濃硫酸を使用してセルロースおよびヘミセルロースを酸加水分解して糖水溶液を製造する方法(特許文献1および2)が開示されている。
また、酸を使用しない方法として、250℃〜500℃程度の亜臨界水を使用してセルロース含有バイオマスを加水分解して糖水溶液を製造する方法(特許文献3)、またセルロース含有バイオマスを亜臨界水処理した後に、さらに酵素処理することにより糖水溶液を製造する方法(特許文献4)、またセルロース含有バイオマスを240℃〜280℃の加圧熱水で加水分解処理した後に、さらに酵素処理することにより糖水溶液を製造する方法(特許文献5)が開示されている。非特許文献1には、セルロース含有バイオマスを希硫酸で加水分解処理した後に、さらにセルラーゼなどの酵素処理することより糖水溶液を製造する方法が開示されている。
しかし、これらの技術で得られる糖水溶液には多量のバイオマス残滓が含まれ、さらには糖濃度が低いため、糖水溶液を発酵槽に供給して発酵原料として利用するためには、適切な固液分離処理によってバイオマス残滓を除去した上で、糖水溶液を濃縮して糖濃度を高める必要がある。
特許文献6には、精密濾過膜および/または限外濾過膜で処理してバイオマス残滓を除去した後、ナノ濾過膜および/または逆浸透膜で処理して糖水溶液を濃縮して糖濃度を高める方法が開示されている。
特表平11−506934号公報 特開2005−229821号公報 特開2003−212888号公報 特開2001−95597号公報 特許3041380号公報 国際公開2010/067785号パンフレット
特許文献6に開示された技術には、精密濾過膜および/または限外濾過膜に堆積するバイオマス残滓の洗浄を始めとして、各工程の水使用量が多いという問題点がある。環境調和型プロセスを構築するには、各工程から廃棄される水を回収し、かつ再利用する技術の構築が求められている。
したがって、本発明では、上述したような課題、すなわちセルロース含有バイオマスを加水分解して糖水溶液を製造し、精密濾過膜および/または限外濾過膜で処理してバイオマス残滓を除去した後、ナノ濾過膜で処理して糖水溶液を濃縮して糖濃度を高める方法において、廃棄される水を再利用することによる、省水型の濃縮糖水溶液の製造方法を提供する。
上記課題を解決するため本発明の濃縮糖水溶液の製造方法は、セルロース含有バイオマスを原料とする濃縮糖水溶液の製造方法であって、次の構成を有する。すなわち、前記製造方法は、
(1)セルロース含有バイオマスを加水分解して、糖水溶液を製造する工程、
(2)前記工程(1)で得られた糖水溶液を精密濾過膜および/または限外濾過膜に通じて濾過して、精製糖水溶液を透過側から回収する工程、並びに、
(3)前記工程(2)で得られた精製糖水溶液をナノ濾過膜に通じて濾過することで、透過側から透過水を回収し、非透過側から濃縮糖水溶液を回収する工程
を備え、
前記工程(1)は、
(1−a)前記バイオマスを水に懸濁する懸濁ステップ、並びに
(1−b)水熱処理、酸処理、アルカリ処理および酵素処理の少なくとも1つの方法によって前記バイオマスを加水分解する加水分解ステップ
を含み、
前記製造方法は、
前記工程(2)において使用される精密濾過膜および/または限外濾過膜を洗浄する洗浄工程をさらに備え、
前記加水分解ステップ、懸濁ステップおよび洗浄工程のうち、少なくとも1つに前記工程(3)の透過水を利用することを、
濃縮糖水溶液の製造方法。
本発明によって、これまで廃棄されていた水の少なくとも一部を再利用することで、濃縮糖水溶液を製造するときの水の消費量を抑制することが可能となる。これによって、本発明は、循環型資源であるバイオマス資源の活用を促進することができるので、環境調和型社会の構築に資することができる。
本発明の一実施形態を示す概略フロー図である。
以下、本発明について、具体的な構成を挙げて、より詳細に説明する。
I.糖水溶液の製造工程:工程(1)
本発明の濃縮糖水溶液の製造方法は、セルロース含有バイオマスを加水分解して、糖水溶液を製造する工程を備える。
[セルロース含有バイオマス]
セルロース含有バイオマスとしては、バガス、スイッチグラス、コーンストーバー、コーンコブ、稲わら、麦わらなどの草本系バイオマス;および樹木、廃建材などの木質系バイオマスなどを例として挙げることができる。これらセルロース含有バイオマスは、糖が脱水縮合した多糖であるセルロースあるいはヘミセルロース等の多糖類を含有する。こうした多糖類を後述のとおり加水分解することで、発酵原料として利用可能な糖水溶液を製造することができる。
[糖水溶液]
セルロース含有バイオマスの加水分解によって得られる糖水溶液について、以下に説明する。
一般的に糖とは、単糖の重合度によって分類され、グルコース、キシロースなどの単糖類、そして単糖が2〜9個脱水縮合したオリゴ糖類、さらには単糖が10個以上脱水縮合した多糖類に分類される。
工程(1)で得られる糖水溶液は、主成分として単糖を含むことができ、具体的には、グルコースあるいはキシロースを主成分として含むことができる。また、少量ではあるが、セロビオースなどのオリゴ糖、およびアラビノース、マンノースなどの単糖も含んでもよい。ここで「主成分として単糖を含む」とは、水に溶解している単糖、オリゴ糖、多糖の糖類の中の総重量の80重量%以上が単糖であることを指す。
水に溶解した単糖、オリゴ糖、多糖は、具体的には、高速液体クロマトグラフィー(HPLC)によって、標品との比較により定量することができる。具体的なHPLC条件は、反応液は使わず、カラムにLuna NH(Phenomenex社製)を用いて、移動相を超純水:アセトニトリル=25:75とし、流速が0.6mL/min、測定時間が45min、検出方法がRI(示差屈折率)、温度が30℃である。
工程(1)で得られる糖水溶液には、糖だけでなく、コロイド成分、濁質成分、微粒子などを含むバイオマス残滓が存在してもよい。このようなバイオマス残滓の構成成分としては、リグニン、タンニン、シリカ、カルシウム、未分解のセルロース、などが例示できるが、特にこれらに限定されるものではない。
なお、工程(1)後、工程(2)および(3)の前の「糖水溶液」だけでなく、工程(2)後の「精製糖水溶液」、工程(3)の「濃縮糖水溶液」も包括して、「糖水溶液」と称することがある。
[加水分解]
次に、工程(1)において、セルロース含有バイオマスを加水分解して、糖水溶液を製造する方法について説明する。
セルロース含有バイオマスを加水分解に供するに際しては、セルロース含有バイオマスをそのまま使用してもよいが、蒸煮、微粉砕、爆砕などの公知の処理を施すことが可能であり、こうした処理によって加水分解の効率を向上させることが可能である。
セルロース含有バイオマスの加水分解工程については特に制限はないが、具体的には、処理法A:酸のみを用いる方法、処理法B:酸処理の後、酵素を利用した処理を行う方法、処理法C:水熱処理のみを用いる方法、処理法D:水熱処理の後、酵素を利用した処理を行う方法、処理法E:アルカリ処理の後、酵素を利用する方法、処理法F:アンモニア処理の後、酵素を利用する方法の6つが主に挙げられる。なお、アンモニアはアルカリの一種であるので、アンモニア処理をアルカリ処理の1つと見なすことができる。
(処理法A)
処理法Aでは、セルロース含有バイオマスの加水分解に酸を使用する。使用する酸に関して硫酸、硝酸、塩酸などが挙げられるが、硫酸を使用することが好ましい。
酸の濃度に関しては特に限定されないが、0.1〜99重量%の酸を使用することができる。
酸の濃度が0.1〜15重量%または0.5〜5重量%である場合、反応温度は好ましくは100〜300℃、より好ましくは120〜250℃の範囲で設定され、反応時間は好ましくは1sec〜60minの範囲で設定される。また、酸の濃度が15〜95重量%または60〜90重量%である場合、反応温度は好ましくは10〜100℃の範囲で設定され、反応時間は好ましくは1sec〜60minの範囲で設定される。
酸処理の回数は特に限定されず、1回または2回以上のいずれであってもよい。特に処理を2回以上行う場合、1回目の処理とそれ以後の処理とを異なる条件で実施してもよい。
酸処理によって得られた加水分解物は、硫酸などの酸を含むので、この加水分解物を発酵原料として使用するためには、加水分解の後に中和処理をさらに行うことが好ましい。中和に使用するアルカリ試薬の種類は、特に限定されないが、2以上の価数を有する酸が加水分解に用いられる場合は、1価のアルカリ試薬が好ましく用いられる。これは、2以上の価数を有する酸と2以上の価数を有するアルカリとで形成された塩は、液が濃縮される過程で液中に析出して、膜のファウリング要因となるからである。
1価のアルカリを使用する場合、アンモニア、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム等が挙げられるが特に限定はされない。
2価以上のアルカリ試薬を用いる場合は、酸およびアルカリの使用量を減らすことで塩の析出を抑制するか、または析出物を除外する機構を設けることで、上述のファウリングの問題を回避できる。
酸を使用する加水分解では、一般的に結晶性の低いヘミセルロース成分が加水分解され、次いで結晶性の高いセルロース成分が分解される。したがって、酸を使用してヘミセルロース由来のキシロースを多く含有する液を得ることが可能である。
また、圧力および温度の異なる2回以上の酸処理を行ってもよい。例えば、第1の酸処理を行った後、第1の酸処理よりも高圧かつ高温で第2の酸処理を行ってもよい。第2の酸処理では結晶性の高いセルロース成分をさらに分解することができるので、セルロース由来のグルコースを多く含有する液を得ることが可能である。
このように複数の段階に分けて加水分解を行う場合、各段階において、ヘミセルロースおよびセルロースのそれぞれの分解に適した加水分解条件を設定することができる。よって、分解効率および糖収率を向上させることができる。
また、第1の加水分解で得られる糖水溶液と第2の加水分解で得られる糖水溶液とを分離することで、単糖成分比率が異なる2種の糖水溶液を製造することができる。すなわち、キシロースを主成分とする糖水溶液が得られる条件で第1の加水分解を行った後、得られた第1の糖水溶液を分離してから、グルコースを主成分とする糖水溶液が得られる条件で第2の加水分解を行う。こうして、異なる組成を有する2種類の糖水溶液を得ることができる。
このようにして得られた、単糖成分が異なる複数種類の糖水溶液は、それぞれ異なる条件での発酵に用いることができる。つまり、糖水溶液中のキシロースを発酵原料として使用する発酵と、グルコースを発酵原料として使用する発酵とを分けて行うことができる。このように単糖成分を分けることで、それぞれの発酵に使用する最適な微生物種を選定し使用することが可能になる。
なお、酸での高圧高温処理を長時間行うことで、ヘミセルロース成分とセルロース成分とを分離することなく、1段階で両成分由来の糖を得ても良い。
(処理法B)
処理法Bでは、処理法A(つまり酸による加水分解)で得られた処理液をさらに酵素で処理することで、セルロース含有バイオマスをさらに加水分解する。
処理法Bにおいて、酸による加水分解の条件は、処理法Aについて説明したとおりである。具体的には、使用される酸の濃度は、好ましくは0.1〜15重量%であり、より好ましくは0.5〜5重量%である。酸による加水分解の反応温度は、100〜300℃の範囲で設定され、好ましくは120〜250℃で設定される。また、酸による加水分解の反応時間は1sec〜60minの範囲で設定可能である。酸による加水分解処理の回数は特に限定されず、1回または2回以上のいずれであってもよい。特に上記処理を2回以上行う場合、1回目と2回目以降の処理を異なる条件で実施してもよい。
酸処理によって得られた加水分解物は、硫酸などの酸を含んでおり、さらに酵素による加水分解反応を行うため、あるいは発酵原料として使用するために、中和を行う必要がある。中和に関しては、処理法Aの説明で述べたとおりである。
加水分解に使用される酵素としては、セルロース分解活性を有する酵素であればよく、一般的なセルラーゼを使用することが可能である。特に、酵素としては、結晶性セルロースの分解活性を有するエキソ型セルラーゼ、あるいはエンド型セルラーゼを含むセルラーゼが好ましい。こうしたセルラーゼとして、トリコデルマ属が産生するセルラーゼが好適である。トリコデルマ属とは、糸状菌に分類される微生物であり、細胞外に多種のセルラーゼを大量に分泌する微生物である。トリコデルマ・リーセイ(Trichoderma reesei)由来のセルラーゼは、特に好ましく用いられる。
また、加水分解に使用する酵素として、グルコースの生成効率を向上させるために、セロビオース分解酵素であるβグルコシダーゼを添加してもよく、上述のセルラーゼと併せて加水分解に使用してもよい。βグルコシダーゼとしては、特に限定されないがアスペルギルス由来のものであることが好ましい。
こうした酵素を使用した加水分解反応は、pHが3〜7の付近で行うことが好ましく、より好ましくはpH5付近である。反応温度は、40〜70℃であることが好ましい。
酸処理後、酵素を利用してセルロース含有バイオマスを加水分解する場合、第1の加水分解において酸処理により結晶性の低いヘミセルロースの加水分解を行い、次いで第2の加水分解として酵素を使用することで結晶性の高いセルロースの加水分解を行うことが好ましい。第2の加水分解において酵素を使用することで、より効率よくセルロース含有バイオマスの加水分解工程を進めることができる。
具体的には、酸による第1の加水分解において、セルロース含有バイオマスに含まれる成分のうち、主として、ヘミセルロース成分の加水分解、およびリグニンの部分分解が起きる。その加水分解物を酸溶液とセルロースを含む固形分とに分離した後、セルロースを含む固形分成分に対しては、酵素を添加することによって加水分解を行う。
第1の加水分解で得られる酸溶液は、ペントースであるキシロースを主成分として含んでいる。よって、こうして得られた酸溶液を中和することで、糖水溶液を得ることができる。また、セルロースを含む固形分をさらに加水分解することで、グルコースを主成分とする単糖成分を得ることができる。なお、酸溶液を中和することで得られた糖水溶液を、固形分に混合し、この混合物に酵素を添加して加水分解を行ってもよい。
(処理法C)
処理法Cでは特段の酸の添加は行わず、セルロース含有バイオマスが0.1〜50重量%となるよう水を添加後、100〜400℃の温度で、1sec〜60minの熱処理を行う。
こうした温度条件において処理することにより、セルロースおよびへミセルロースの加水分解が起こる。このような熱処理による加水分解は、水熱処理と呼ばれる。水熱処理を使用する加水分解では、一般的に結晶性の低いヘミセルロース成分から加水分解され、次いで結晶性の高いセルロース成分が分解される。したがって、水熱処理によって、ヘミセルロース由来のキシロースを多く含有する液を得ることが可能である。
水熱処理の回数は特に限定されず、1回または2回以上のいずれであってもよい。水熱処理を2回以上行う場合、第1の処理とその後の処理とを異なる条件で実施してもよい。
また、水熱処理においては、第1の処理の後、第2の処理として、バイオマス固形分を第1の処理よりも高圧かつ高温で処理することで、さらに結晶性の高いセルロース成分を分解することができる。このような2段階の処理を行うことで、セルロース由来のグルコースをより多く含有する液を得ることができる。
このように複数の段階に分けて水熱処理を行う場合、各段階において、ヘミセルロースおよびセルロースのそれぞれの分解に適した加水分解条件を設定することができる。よって、分解効率、および糖収率を向上させることが可能になる。
また、第1の処理で得られる糖水溶液と第2の処理で得られる糖水溶液とを分離することで、単糖成分比率が異なる2種の糖水溶液を製造することができる。すなわち、キシロースを主成分とする糖水溶液が得られる条件で第1の処理を行った後、得られた第1の糖水溶液を分離してから、グルコースを主成分とする糖水溶液が得られる条件で第2の処理を行う。こうして、異なる組成を有する2種類の糖水溶液を得ることができる。
このようにして得られた、単糖成分が異なる複数種類の糖水溶液は、それぞれ異なる条件での発酵に用いることができる。つまり、糖水溶液中のキシロースを発酵原料として使用する発酵と、グルコースを発酵原料として使用する発酵とを分けて行うことができる。このように単糖成分を分けることで、それぞれの発酵に使用する最適な微生物種を選定し使用することが可能になる。
(処理法D)
処理法Dでは、処理法C(つまり水熱処理)で得られた処理液をさらに酵素で処理することで、セルロース含有バイオマスをさらに加水分解する。
酵素については、処理法で説明したとおりである。また、酵素処理条件についても処理法Bと同様の条件が採用されうる。
処理方法Dでは、水熱処理後、酵素を使用してセルロース含有バイオマスを加水分解するので、まず水熱処理によって結晶性の低いヘミセルロースを加水分解し、次いで酵素によって結晶性の高いセルロースを加水分解することができる。このように酵素を使用することで、効率良くセルロース含有バイオマスの加水分解工程を進めることができる。
具体的には、水熱処理によって、主としてセルロース含有バイオマスに含まれるヘミセルロース成分を加水分解し、かつリグニンを部分分解する。次に、その加水分解物を水溶液とセルロースを含む固形分に分離する。得られた固形分については、酵素を添加することによって加水分解を行う。ここで、水熱処理によって得られる水溶液は、ペントースであるキシロースを主成分として含む。また、その後の酵素による加水分解によって、グルコースを主成分とする単糖成分を得ることができる。なお、水熱処理によって得られる水溶液を固形分に混合し、この混合物に酵素を添加して加水分解を行ってもよい。
(処理法E)
処理法Eでは、使用するアルカリは水酸化ナトリウムまたは水酸化カルシウムが好ましい。これらアルカリのセルロース含有バイオマスに対する濃度は、0.1〜60重量%の範囲であることが好ましい。アルカリを添加した後、100〜200℃、好ましくは110℃〜180℃の温度範囲で処理することで、加水分解を行うことができる。処理回数は特に限定されず、1回または2回以上のいずれであってもよい。アルカリによる加水分解処理を2回以上行う場合、1回目とその後の処理とを異なる条件で実施してもよい。
アルカリ処理によって得られた処理物は、水酸化ナトリウムなどのアルカリを含むため、さらに酵素による加水分解反応を行うために、中和を行う必要がある。中和に使用する酸試薬は、特に限定されないが、2以上の価数を有するアルカリが加水分解に用いられる場合は、1価の酸試薬が好ましく用いられる。これは、2以上の価数を有する酸と2以上の価数を有するアルカリとで形成された塩は、液が濃縮される過程で液中に析出して、膜のファウリング要因となるからである。
1価の酸を使用する場合、硝酸、塩酸等が挙げられるが特に限定はされない。
2価以上の酸試薬を用いる場合は、酸およびアルカリの使用量を減らすことで塩の析出を抑制するか、または析出物を除外する機構を設けることで、上述のファウリングの問題を回避できる。2価以上の酸としては、硫酸、リン酸が好ましい。
処理法Eにおける酵素としては、処理法Bと同様の酵素が用いられる。また、酵素処理条件についても処理法Bと同様の条件が採用されうる。
処理方法Eでは、まず、アルカリを含んだ水溶液に混合して加熱することで、ヘミセルロース成分とセルロース成分との周辺に存在するリグニン成分を除去する。これによって、ヘミセルロース成分およびセルロース成分を反応しやすい状態にすることができる。その後、アルカリ処理で分解されなかった結晶性の低いヘミセルロースおよび結晶性の高いセルロースを酵素によって加水分解することができる。
具体的には、以下のように処理を進めることができる。まず、アルカリ処理によって、セルロース含有バイオマスに含まれる成分のうち、主として、一部のヘミセルロース成分を加水分解し、かつリグニンを部分分解する。次に、その加水分解物をアルカリ溶液とセルロースを含む固形分とに分離する。得られた固形分成分については、pHを調製して、さらに酵素を添加することによって加水分解を行う。また、アルカリ溶液における固形分の濃度が希薄な場合は、固形分を分離することなく、そのまま中和後、酵素を添加して加水分解してもよい。
セルロースを含む固形分を酵素で加水分解することで、グルコース、キシロースを主成分とする単糖成分を得ることができる。また、アルカリ処理後に固形分と分離されたアルカリ溶液は、リグニン以外にペントースであるキシロースを主成分として含んでいる。よって、このアルカリ溶液を中和することで、糖水溶液を得ることもできる。また、中和によって得られた糖水溶液を、固形分に混合し、この混合物に酵素を添加して加水分解を行ってもよい。
(処理法F)
処理法Fのアンモニア処理条件は、特開2008−161125号公報および特開2008−535664号公報に記載された処理条件に準拠する。
例えば、セルロース含有バイオマスに対するアンモニア濃度の好ましい範囲は、0.1〜15重量%である。添加するアンモニアは液体状態、あるいは気体状態のどちらであってもよい。さらに添加する形態は純アンモニアでもアンモニア水溶液の形態でもよい。アンモニアを添加した後、温度を4℃〜200℃、好ましくは90℃〜150℃にすることで、加水分解が進行する。処理回数は特に限定されず、1回または2回以上のいずれであってもよいあってもよい。特に処理を2回以上行う場合、第1の処理とその後の処理とを異なる条件で実施してもよい。
アンモニア処理によって得られた処理物を、さらに酵素により加水分解するには、アンモニアの中和あるいはアンモニアの除去を行うことが好ましい。
中和に使用する酸試薬の種類は特に限定されない。酸試薬としては、例えば塩酸、硝酸、硫酸などがあげられる。特に、硫酸は、プロセス配管を腐食しにくく、また発酵を阻害しないので、好ましい。
アンモニアの除去は、アンモニア処理物を減圧状態に保つことで、アンモニアを気体状態に揮発させることで行ってもよい。除去したアンモニアは、回収し、再利用してもよい。
アンモニア処理後に、酵素を使用する加水分解について説明する。
アンモニア処理を行うと、セルロースの結晶が酵素反応を受けやすい構造に変化することが、一般的に知られている。したがって、こうしたアンモニア処理後の固形分に対し、酵素を作用させることで、効率的に加水分解を行うことができる。
酵素としては、処理法Bと同様の酵素が用いられる。また、酵素処理条件についても処理法Bと同様の条件を採用できる。
また、アンモニア処理においてアンモニア水溶液を用いる場合は、アンモニア処理時に、アンモニアによる作用以外に、水成分によって処理法C(つまり水熱処理)と同様の効果も得られることがある。水熱処理によると、上述したとおり、ヘミセルロースの加水分解およびリグニンの分解が起こる。
つまり、アンモニア水溶液で処理後、酵素を利用してセルロース含有バイオマスを加水分解する場合、具体的な処理の過程は以下のとおりである。
アンモニアを含んだ水溶液とバイオマスとを混合して加熱することで、ヘミセルロース成分とセルロース成分との周辺に存在するリグニン成分を除去する。これによって、ヘミセルロース成分およびセルロース成分を反応しやすい状態にすることができる。上述したように、アンモニア処理中に水熱処理も進行する。その後、アンモニア処理および水熱処理でも分解されなかった結晶性の低いヘミセルロースおよび結晶性の高いセルロースを酵素によって加水分解することができる。
より具体的には、処理は以下のように進行する。アンモニア水溶液による処理によって、セルロース含有バイオマスに含まれる成分のうち、主として、一部のヘミセルロースを成分の加水分解し、かつリグニンを部分分解する。次に、その加水分解物をアンモニア水溶液とセルロースを含む固形分とに分離する。得られた固形分成分については、pHを調製して、さらに酵素を添加することによって加水分解を行う。また、アンモニア濃度が高い場合(例えば100%に近い場合)は、脱気によって多くのアンモニアを除外後、固形分を分離することなく、そのまま中和した後、酵素添加して加水分解してもよい。
固形分の加水分解反応物からは、グルコースおよびキシロースを主成分とする単糖成分を得ることができる。また、アンモニア処理後に固形分と分離されたアンモニア水溶液には、リグニン以外にペントースであるキシロースを主成分として含んでいるため、アルカリ溶液を中和して糖水溶液を得ることも可能である。また、中和によって得られた糖水溶液を固形分に混合し、この混合物に酵素を添加して加水分解を行ってもよい。
[固液分離]
工程(1)は、加水分解の後に固液分離を含んでもよい。固液分離によって、分解されていないセルロース残滓が除去される。加水分解が複数回行われる場合は、固液分離は各回の加水分解後に行われてもよい。
固液分離には、沈降分離、遠心分離、濾過等の種々の手法が適用される。つまり、固液分離装置として、固形分を沈降させる槽、遠心分離機、濾過装置等が用いられる。
[透過水の再利用]
工程(1)は、上述したように、バイオマスを加水分解するステップとして、水熱処理、酸処理、アルカリ処理、酵素処理のうち少なくとも1つの処理を含む。これらの処理において、後述の工程(3)におけるナノろ過の透過水が利用されてもよい。特に、加水分解ステップには、酵素の希釈、酸の希釈、アルカリ(アンモニアを含む)の希釈が行われてもよく、これらの希釈用の水として、上記透過水が利用されてもよい。なお、加水分解ステップに透過水が再利用され、かつ加水分解ステップが複数の処理を含む場合、少なくとも1つの処理において、透過水が再利用されればよい。
また、工程(1)は、加水分解の前にバイオマスを水に懸濁するステップを含んでもよい。バイオマスが予め水に懸濁されていることで、バイオマスの加水分解反応の効率が高まる。ここで、懸濁用の水として、工程(3)の透過水を用いることができる。
なお、工程(3)における透過水は、工程(1)におけるこれらの用途の少なくとも1つに用いられればよい。つまり、1つの用途のみに用いられてもよいし、2つ以上の用途に用いられてもよい。
また、透過水は、工程(1)のみに限らず、他の工程で再利用されてもよい。再利用先の工程は、透過水中の酢酸濃度により決定可能である。詳細は後述する。
II.濾過工程:工程(2)
本発明の濃縮糖水溶液の製造方法は、工程(1)で得られた糖水溶液を精密濾過膜および限外濾過膜の少なくとも一方に通じることで濾過する工程を含む。この工程により、精製糖水溶液が透過側から回収される。
[濾過]
本発明で使用される精密濾過膜とは、平均細孔径が0.01μm〜5mmである膜である。精密濾過膜はマイクロフィルトレーション膜とも称され、MF膜と略称される。
また、本発明で使用される限外濾過膜とは、分画分子量が1,000〜200,000である膜のことであり、ウルトラフィルトレーション膜とも称され、UF膜などと略称される。限外濾過膜の膜表面の細孔径は、非常に小さいので、電子顕微鏡等で計測することが困難である。よって、平均細孔径の代わりに、分画分子量が孔径の大きさの指標とされる。
なお、分画分子量とは、日本膜学会編 膜学実験シリーズ第III巻 人工膜編 編集委員/木村尚史,中尾真一,大矢晴彦、仲川勤(1993 共立出版)p.92に、「溶質の分子量を横軸に、阻止率を縦軸にとってデータをプロットしたものを分画分子量曲線とよんでいる。そして阻止率が90%となる分子量を膜の分画分子量とよんでいる。」と記載されているように、限外濾過膜の膜性能を表す指標として知られている。
これら精密濾過膜および限外濾過膜の材料としては、上述したバイオマス残滓の除去が可能であれば、特に限定されるものではない。具体的には、これらの濾過膜を構成する材料として、セルロース、セルロースエステル、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、塩素化ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリオレフィン、ポリビニルアルコール、ポリメチルメタクリレート、ポリフッ化ビニリデン、ポリ四フッ化エチレン等の有機材料;あるいはステンレス等の金属、あるいはセラミック等の無機材料が挙げられる。精密濾過膜および限外濾過膜の材質は、加水分解物の性状、あるいはランニングコストを鑑みて適宜選択すればよいが、取扱の容易性から考えて有機材料であることが好ましい。特に、有機材料として、塩素化ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリスルホン、ポリエーテルスルホンが好ましい。
工程(1)で得られる糖水溶液を特に限外濾過膜で濾過することによって、非透過側から糖化に使用した酵素を回収できる。この酵素を回収する工程について説明する。
加水分解に使用する酵素は、分子量が10,000〜100,000の範囲にある。これらの酵素の透過を阻止できる分画分子量を有する限外濾過膜を使用することで、酵素を非透過側画分より回収することができる。好ましくは、分画分子量10,000〜30,000の限外濾過膜を使用することで、加水分解に使用する酵素を効率的に回収できる。使用する限外濾過膜の形態は特に限定されるものではなく、平膜、中空糸膜いずれであってもよい。
回収された酵素を工程(1)の加水分解に再利用することで、酵素使用量を削減できる。こうした糖水溶液の限外濾過膜による濾過を行う際には、その前に糖水溶液を予め精密濾過膜に通じて処理し、バイオマス残滓の中でも限外濾過膜の膜ファウリングを生じさせやすい水溶性高分子やコロイド成分を除去しておくことが好ましい。
濾過操作としては、水溶性高分子やコロイド成分を効率的に除去するために、精密濾過膜あるいは限外濾過膜を2回以上使用する多段的な濾過でもよく、またその際使用する膜の素材および性状に関しても特に限定されない。
例えば、精密濾過膜で濾過を行い、その濾液をさらに限外濾過膜で濾過する方法では、精密濾過膜では除くことが出来ない数十nm以下のコロイド成分や、リグニン由来の水溶性の高分子成分(タンニン)、加水分解で分解したが単糖までにはならずオリゴ糖から多糖レベルで分解が途中である糖類、そして糖を加水分解する際に用いた酵素などを除くことが可能となる。
本発明の精密濾過膜または限外濾過膜の形態としては、中空糸膜、平膜のいずれも採用できるが、後述する逆圧洗浄を実施する場合には、中空糸膜が好ましく採用される。
[精製糖水溶液]
工程(2)において透過側から回収された精製糖水溶液は、工程(2)で使用された濾過膜によって種々の成分が除かれた以外は、工程(1)の糖水溶液と同様の組成を有する。
III.濃縮工程:工程(3)
本発明の濃縮糖水溶液の製造方法は、工程(2)で得られた精製糖水溶液をナノ濾過膜に通じて濾過して、透過側から透過水を、非透過側から濃縮糖水溶液を回収する工程を備える。
工程(3)によって、精製糖水溶液を「ナノ濾過膜に通じて濾過する」ことで、精製糖水溶液に溶解している糖、特にグルコースやキシロースといった単糖を非透過側に阻止または濾別しつつ、発酵阻害物質を透過側に透過させて、発酵阻害物質を除去するか、または発酵阻害物質の濃度を低減させることができる。
[発酵阻害物質]
ここで、発酵阻害物質とは、セルロース含有バイオマスの加水分解で生成する化合物であり、かつ本発明の製造方法によって得られる精製糖水溶液を原料とする発酵工程において前述の通り阻害的に作用する物質のことを指す。代表的な発酵阻害物質としては、特にセルロース含有バイオマスの酸処理の工程で生成される、有機酸、フラン系化合物、フェノール系化合物が挙げられる。
有機酸としては、酢酸、ギ酸、レブリン酸などが具体例として挙げられる。フラン系化合物としては、フルフラール、ヒドロキシメチルフルフラール(HMF)などが挙げられる。こうした有機酸あるいはフラン系化合物は、単糖であるグルコースあるいはキシロースの分解による産物である。
また、フェノール系化合物としては、バニリン、アセトバニリン、バニリン酸、シリンガ酸、没食子酸、コニフェリルアルデヒド、ジヒドロコニフェニルアルコール、ハイドロキノン、カテコール、アセトグアイコン、ホモバニリン酸、4−ヒドロキシ安息香酸、4−ヒドロキシ−3−メトキシフェニル誘導体(Hibbert‘s ketones)などが具体例として挙げられる。これらの化合物はリグニンまたはリグニン前駆体に由来する。
その他、セルロース含有バイオマスとして廃建材あるいは合板などを使用する際は、製材工程で使用された接着剤、塗料などの成分が発酵阻害物質として含まれる場合がある。接着剤としては、ユリア樹脂、メラミン樹脂、フェノール樹脂、ユリアメラミン共重合樹脂などが挙げられる。こうした接着剤に由来する発酵阻害物質として、酢酸、ギ酸、ホルムアルデヒドなどが挙げられる。
[ナノ濾過膜および濾過エレメント]
本発明で使用するナノ濾過膜の除去性能の評価には、1価イオンの除去性能として食塩水を用いた塩除去性能と、2価イオンの除去性能として硫酸マグネシウム水を用いた塩除去性能を用いる。
ナノ濾過膜としては、500mg/Lの食塩水を、0.34MPa、25℃、pH6.5の条件下で濾過したときに、10%以上80%以下の塩除去率を示す膜が好ましく、10%以上70%以下の塩除去率を示す膜がより好ましく、10%以上60%以下の塩除去率を示す膜がさらに好ましい。ナノ濾過膜の食塩水の塩除去率が高いほど、糖水溶液から糖を濃縮しやすいが、塩除去率が高すぎると発酵阻害物質を効率的に除去しにくい。
また、ナノ濾過膜としては、500mg/Lの硫酸マグネシウム水を、0.34MPa、25℃、pH6.5で測定したときに、80%以上100%以下の塩除去率を示す膜が好ましく、85%以上100%以下の塩除去率を示す膜がより好ましく、90%以上100%以下の塩除去率を示す膜がさらに好ましい。ナノ濾過膜の硫酸マグネシウム水の塩除去率が高いほど、糖水溶液から糖を効率的に精製することができる。
とりわけ、糖を効率的に濃縮するためには、ナノ濾過膜として、糖を非透過側に阻止し、発酵阻害物質を透過側に透過する膜を使用することが好ましい。そのためには、ナノ濾過膜として、1価イオンの塩除去率が低く、2価イオンの塩除去率が高い膜が好ましい。具体的には、ナノ濾過膜として、上記食塩水を用いた時の塩除去率が10%以上60%以下であって、上記硫酸マグネシウム水を用いた時の塩除去率が90%以上100%以下である膜が特に好ましい。
なお、ナノ濾過膜の除去率は、供給側と透過側に含まれる対象化合物(すなわち食塩、単糖など)の濃度を用いて次式(I)で算出することができる。
除去率(%)=(1−透過側の対象化合物濃度/供給側の対象化合物濃度)×100・・・(I)
つまり、上記式(I)では、膜の一次側供給される原水の化合物濃度に対する、膜を透過せずに一次側に残った対象化合物の濃度の比率を算出している。例えば、ナノ濾過膜による濾過において、除去率の算出する対象となる化合物が食塩である場合、ナノ濾過膜に供給される原水の食塩濃度が500mg/Lであり、透過水中の食塩の濃度が200mg/Lであれば、式(I)[(1−200/500)×100]により算出される除去率は60%である。
式(I)における対象化合物濃度の測定方法としては、高い精度と再現性を持って測定可能な分析手法であれば特に限定されないが、塩であればイオンクロマトグラフィーまたは屈折率計等の使用が好ましい。
また、本発明で使用するナノ濾過膜の透過性能としては、500mg/Lの食塩水を、0.34MPa、25℃、pH6.5で濾過したときに、膜単位面積当たり0.5m/m/day以上の透過流量を示す膜が好ましく、0.6m/m/day以上の透過流量を示す膜がより好ましく、0.7m/m/day以上の透過流量を示す膜がさらに好ましい。ナノ濾過膜の膜単位面積当たりの透過流量が高いほど、糖水溶液から糖を効率よく濃縮することができる。
なお、ナノ濾過膜の膜単位面積当たりの透過流量(つまり膜透過流束またはフラックス)は、透過液量および透過液量を採水した時間および膜面積を測定し、測定結果を次式(II)に当てはめることで算出することができる。
膜透過流束(m/m/day)=透過液量/膜面積/採水時間・・・(II)
本発明で使用されるナノ濾過膜の材質としては、酢酸セルロース系ポリマー、ポリアミド、ポリエステル、ポリイミド、ビニルポリマーなどの高分子素材を使用することができる。なお、ナノ濾過膜は、1種類の素材で構成される膜に限定されず、複数の素材を含む膜であってもよい。
ナノ濾過膜の構造は、膜の少なくとも片面に緻密層を持ち、緻密層から膜内部あるいはもう片方の面に向けて徐々に大きな孔径の微細孔を有する非対称膜、または非対称膜の緻密層の上に別の素材で形成された非常に薄い機能層を有する複合膜のどちらでもよい。複合膜としては、例えば、特開昭62‐201606号公報に記載の、ポリスルホンを膜素材とする支持膜と、その支持層にポリアミドの機能層からなるナノフィルターが積層された複合膜を用いることができる。
これらの中でも、ポリアミドを機能層として備える複合膜は、高耐圧性、高透水性および高溶質除去性能を有するとともに、優れたポテンシャルを有するので、好ましい。操作圧力に対する耐久性と、高い透水性および阻止性能とを維持するために、ナノ濾過膜としては、ポリアミドで形成された機能層と、それを保持する多孔質膜および不織布からなる支持体とを備える膜が好適である。また、ポリアミド機能層は、多官能アミンと多官能酸ハロゲン化物との重縮合反応により得られる架橋ポリアミドで形成されることが好ましい。
ポリアミドを機能層とするナノ濾過膜において、ポリアミドを構成する単量体のカルボン酸成分としては、例えば、トリメシン酸、ベンゾフェノンテトラカルボン酸、トリメリット酸、ピロメット酸、イソフタル酸、テレフタル酸、ナフタレンジカルボン酸、ジフェニルカルボン酸、ピリジンカルボン酸などの芳香族カルボン酸が挙げられる。製膜溶媒に対する溶解性を考慮すると、カルボン酸成分としては、トリメシン酸、イソフタル酸、テレフタル酸、およびこれらの混合物が好ましい。
ポリアミドを構成する単量体のアミン成分としては、m−フェニレンジアミン、p−フェニレンジアミン、ベンジジン、メチレンビスジアニリン、4,4’−ジアミノビフェニルエーテル、ジアニシジン、3,3’,4−トリアミノビフェニルエーテル、3,3’,4,4’−テトラアミノビフェニルエーテル、3,3’−ジオキシベンジジン、1,8−ナフタレンジアミン、m(p)‐モノメチルフェニレンジアミン、3,3’−モノメチルアミノ−4,4’−ジアミノビフェニルエーテル、4,N,N’−(4−アミノベンゾイル)−p(m)−フェニレンジアミン−2,2’−ビス(4−アミノフェニルベンゾイルイミダゾール)、2,2’−ビス(4−アミノフェニルベンゾオキサゾール)、2,2’−ビス(4−アミノフェニルベンゾチアゾール)等の芳香環を有する一級ジアミン、ピペラジン、ピペリジンまたはこれらの誘導体等の二級ジアミンが挙げられる。特に、ピペラジンまたはピペリジンを単量体として含む架橋ポリアミドで形成された機能層は、ナノ濾過膜に好ましく適用される。このような機能層を備えるナノ濾過膜は、優れた耐圧性、耐久性の他に、優れた耐熱性、耐薬品性を有する。
ナノ濾過膜は、スパイラル型の膜エレメントとして好ましく使用される。好ましいナノ濾過膜エレメントの具体例としては、例えば酢酸セルロース系のナノ濾過膜であるGE Osmonics社製ナノ濾過膜のGE Sepa;ポリアミドを機能層とするアルファ・ラバル(株)製ナノ濾過膜のNF99またはNF99HF;架橋ピペラジンポリアミドを機能層とするフィルムテック社製ナノ濾過膜のNF−45、NF−90、NF−200、NF270またはNF−400;あるいは架橋ピペラジンポリアミドを主成分として含有したポリアミドを機能層とする、東レ(株)製ナノ濾過膜モジュールSU−210、SU−220、SU−600またはSU−610が挙げられる。特に、アルファ・ラバル(株)製ナノ濾過膜のNF99またはNF99HF;フィルムテック社製ナノ濾過膜のNF−45、NF−90、NF−200またはNF−400;あるいは、東レ(株)製ナノ濾過膜モジュールSU−210、SU−220、SU−600またはSU−610が好ましい。これらのエレメントの中でも、東レ(株)製ナノ濾過膜モジュールSU−210、SU−220、SU−600またはSU−610が特に好ましい。
[濾過]
ナノ濾過膜による濾過は、工程(2)で得られた精製糖水溶液を、0.1MPa以上8MPa以下の範囲の圧力でナノ濾過膜に供給することが好ましい。圧力が上記好ましい範囲であると、膜透過速度が低下しにくく、かつ膜が損傷するおそれも低い。また、膜使用時の圧力は、0.5MPa以上6MPa以下であることがより好ましい。これは、膜透過流束が高いことから、糖溶液を効率的に透過させることができ、かつ膜の損傷を与えるおそれが低いからである。膜使用時の圧力は、1MPa以上4MPa以下で用いることが特に好ましい。
[濃縮糖水溶液]
濃縮糖水溶液において、ナノ濾過膜を透過する物質(例えば発酵阻害物質)の濃度は、工程(2)で得られる精製糖水溶液と比べて低い。
ナノ濾過膜の非透過側から得られる濃縮糖水溶液に含まれる糖成分は、セルロース含有バイオマスに由来する糖であるが、ナノ濾過膜の除去性能によって、工程(1)の加水分解で得られる糖成分とは異なる糖成分比となることがある。
本発明の濃縮糖水溶液に含まれる単糖としてはグルコースおよび/またはキシロースが主成分として構成されるが、グルコースとキシロースの比率は、工程(1)の加水分解の工程やナノ濾過膜の除去性能により変動するものであり、具体的な数値に限定されるものではない。例えば、ヘミセルロースを主として加水分解を行った場合は、キシロース得られる濃縮糖水溶液における主要な単糖成分はであり、ヘミセルロース分解後、セルロース成分のみを分解して加水分解を行った場合は、得られる濃縮糖水溶液における主要な単糖成分はグルコースである。また、ヘミセルロースの分解後、セルロース成分の分離を特段行わない場合は、得られる濃縮糖水溶液における主要な単糖成分はグルコースおよびキシロースである。
[透過液]
工程(3)でナノ濾過膜を透過した透過液は、再利用水として回収される。透過液の再利用については後述する。
IV.逆浸透膜による濾過工程
本発明の濃縮糖水溶液の製造方法は、工程(3)で得られた糖水溶液を逆浸透膜に通じて濾過する工程をさらに備えてもよい。
本発明で使用する逆浸透膜としては、500mg/Lの食塩水を、0.76MPa、25℃、pH6.5で通水したときに90%以上の塩除去率を示す膜が好ましく、95%以上の塩除去率を示す膜が好ましく、99%以上の塩除去率を示す膜が特に好ましい。逆浸透膜の塩除去率が高いほど、糖水溶液から糖を効率良く濃縮することができる。なお、逆浸透膜の除去率は、供給側と透過側に含まれる対象化合物(すなわち食塩、単糖など)の濃度を用いて前述の式(I)で算出できる。
使用する逆浸透膜の透過性能としては、500mg/Lの食塩水を用いて、0.76MPa、25℃、pH6.5で測定した時の膜単位面積当たりの透過流量が0.3m/m/day以上の膜が好ましく、より好ましくは0.6m/m/day以上であり、さらには0.9m/m/day以上が好ましい。逆浸透膜の膜単位面積当たりの透過流量が高いほど、糖水溶液から糖を効率良く濃縮することができる。なお、逆浸透膜の膜単位面積当たりの透過流量(膜透過流束またはフラックス)は、透過液量および透過液量を採水した時間および膜面積を測定することで、前述の式(II)によって算出できる。
使用する逆浸透膜の素材としては、酢酸セルロール系のポリマーを機能層とした複合膜(以下、酢酸セルロース系の逆浸透膜ともいう。)またはポリアミドを機能層とした複合膜(以下、ポリアミド系の逆浸透膜ともいう。)が挙げられる。ここで、酢酸セルロース系のポリマーとしては、酢酸セルロース、二酢酸セルロース、三酢酸セルロース、プロピオン酸セルロース、酪酸セルロース等のセルロースの有機酸エステルの単独もしくはこれらの混合物並びに混合エステルを用いたものが挙げられる。ポリアミドとしては、脂肪族および/または芳香族のジアミンをモノマーとする線状ポリマーまたは架橋ポリマーが挙げられる。
これらの中でも高耐圧性と高透水性、高溶質除去性能を兼ね備え、優れたポテンシャルを有する、ポリアミド系の逆浸透膜が好ましい。操作圧力に対する耐久性と、高い透水性、阻止性能を維持するためには、ポリアミドを機能層とし、それを多孔質膜や不織布からなる支持体で保持する構造のものが適している。また、ポリアミド系の逆浸透膜としては、多官能アミンと多官能酸ハロゲン化物との重縮合反応により得られる架橋ポリアミドの機能層を支持体上に有してなる複合半透膜が適している。
ポリアミド系の逆浸透膜において、ポリアミドを構成する単量体の好ましいカルボン酸成分としては、例えば、トリメシン酸、ベンゾフェノンテトラカルボン酸、トリメリット酸、ピロメット酸、イソフタル酸、テレフタル酸、ナフタレンジカルボン酸、ジフェニルカルボン酸、ピリジンカルボン酸などの芳香族カルボン酸が挙げられるが、製膜溶媒に対する溶解性を考慮すると、トリメシン酸、イソフタル酸、テレフタル酸、およびこれらの混合物がより好ましい。
前記ポリアミドを構成する単量体の好ましいアミン成分としては、m-フェニレンジアミン、p-フェニレンジアミン、ベンジジン、メチレンビスジアニリン、4,4’−ジアミノビフェニルエーテル、ジアニシジン、3,3’,4−トリアミノビフェニルエーテル、3,3’,4,4’−テトラアミノビフェニルエーテル、3,3’−ジオキシベンジジン、1,8−ナフタレンジアミン、m(p)-モノメチルフェニレンジアミン、3,3’−モノメチルアミノ−4,4’−ジアミノビフェニルエーテル、4,N,N’−(4−アミノベンゾイル)-p(m)-フェニレンジアミン−2,2’−ビス(4−アミノフェニルベンゾイミダゾール)、2,2’−ビス(4−アミノフェニルベンゾオキサゾール)、2,2’−ビス(4−アミノフェニルベンゾチアゾール)等の芳香環を有する一級ジアミン、ピペラジン、ピペリジンまたはこれらの誘導体等の二級ジアミンが挙げられ、中でもm-フェニレンジアミン、p-フェニレンジアミンを単量体として含む架橋ポリアミドを機能層とする逆浸透膜は耐圧性、耐久性の他に、耐熱性、耐薬品性を有していることから好ましく用いられる。
逆浸透膜の具体例としては、例えば、東レ(株)製ポリアミド系逆浸透膜モジュールである、低圧タイプのSU−710、SU−720、SU−720F、SU−710L、SU−720L、SU−720LF、SU−720R、SU−710P、SU−720P、TMG10、TMG20−370、TMG20−400の他、同社製高圧タイプのSU−810、SU−820、SU−820L、SU−820FA、同社製酢酸セルロース系逆浸透膜SC−L100R、SC−L200R、SC−1100、SC−1200、SC−2100、SC−2200、SC−3100、SC−3200、SC−8100、SC−8200、日東電工(株)製NTR−759HR、NTR−729HF、NTR−70SWC、ES10−D、ES20−D、ES20−U、ES15−D、ES15−U、LF10−D、アルファ・ラバル(株)製RO98pHt、RO99、HR98PP、CE4040C−30D、GE社製GE Sepa、フィルムテック社製BW30−4040、TW30−4040、XLE−4040、LP−4040、LE−4040、SW30−4040、SW30HRLE−4040などが挙げられる。
逆浸透膜による濾過は、工程(3)で得られた濃縮糖水溶液を、圧力1MPa以上8MPa以下の範囲で逆浸透膜に供給することが好ましい。圧力が上記好ましい範囲であると、膜透過速度が低下せず、一方、膜が損傷するおそれもない。また、濾過圧が2MPa以上7MPa以下で用いれば、膜透過流束が高いことから、糖溶液を効率的に透過させることができ、膜の損傷を与える可能性が少ないことからより好ましく、3MPa以上6MPa以下で用いることが特に好ましい。
逆浸透膜の非透過側から得られる濃縮糖水溶液に含まれる糖成分は、セルロース含有バイオマスに由来する糖であり、本質的には、工程(1)の加水分解で得られる糖成分と大きな変化はない。すなわち、本発明の濃縮糖水溶液に含まれる単糖としてはグルコースおよび/またはキシロースが主成分として構成される。グルコースとキシロースの比率は、工程(1)の加水分解の工程により変動する。すなわち、ヘミセルロースを主として加水分解を行った場合は、キシロースが主要な単糖成分となり、ヘミセルロース分解後、セルロース成分のみを分離して加水分解を行った場合は、グルコースが主要な単糖成分となる。また、ヘミセルロースの分解後、セルロース成分の分離を、特段行わない場合は、グルコース、およびキシロースが主要な単糖成分として含まれる。
なお、逆浸透膜に通じる前に、エバポレーターに代表される濃縮装置を用いて濃縮してもよく、また、濃縮糖水溶液を、さらに、分離膜で濾過して濃度を高めてもよいが、濃縮のためのエネルギー削減という観点から、分離膜で濾過して濃縮糖水溶液濃度をさらに高める工程が好ましく採用できる。
この濃縮工程で使用する膜とは被処理水の浸透圧以上の圧力差を駆動力にイオンや低分子量分子を除去する濾過膜であり、例えば酢酸セルロースなどのセルロース系や、多官能アミン化合物と多官能酸ハロゲン化物とを重縮合させて微多孔性支持膜上にポリアミド分離機能層を設けた膜などが採用できる。分離膜表面の汚れ、すなわちファウリングを抑制するために、酸ハライド基と反応する反応性基を少なくとも1個有する化合物の水溶液をポリアミド分離機能層の表面に被覆して、分離機能層表面に残存する酸ハロゲン基と該反応性基との間で共有結合を形成させた主に下水処理用の低ファウリング膜なども好ましく採用できる。また、濃縮に使用する分離膜の具体例は前記の逆浸透膜および後述するナノ濾過膜に準ずる。
V.洗浄工程:工程(4)
濃縮糖水溶液の製造方法は、工程(2)で用いられる精密濾過膜および限外濾過膜を洗浄する工程を含む。本工程には、公知の膜洗浄の方法が適用可能である。
精密濾過膜および限外濾過膜の洗浄方法には、膜の一次側から二次側に水を通して洗浄する場合と、膜の二次側から一次側へ水を逆流させて洗浄する場合がある。後者の洗浄方法は、いわゆる逆圧洗浄と呼ばれている。
洗浄水とは、水、ならびに洗剤およびpH調整剤等の種々の添加物を含みうる。洗浄は、複数のステップを含んでもよく、それぞれのステップで、洗浄水の組成、圧力等の条件が異なってもよい。
洗浄工程に、工程(3)の透過水を再利用することができる。洗浄工程において透過水を再利用する、とは、工程(3)の透過水を含む洗浄水を用いることであり、洗浄工程が複数のステップを含む場合は、少なくとも1つのステップで用いる洗浄水が透過水を含んでいればよい。
VI.透過水の再利用:
本発明の濃縮糖水溶液の製造方法は、工程(3)で得られた透過水を再利用することを含む。透過水は全て再利用される必要はなく、少なくとも一部が再利用されればよい。このように、ナノ濾過膜の透過水を再利用することで、濃縮糖水溶液を製造するときの水の消費量を抑制することが可能となる。透過水は様々な工程で再利用可能である。例えば、工程(1)−(4)のいずれかに用いてもよいし、他の工程に用いてもよい。また、透過水は、1つの再利用先のみに適用されてもよく、複数の再利用先に適用されてもい。
ナノ濾過膜の透過水の水質は、ナノ濾過膜に供給される糖水溶液の水質、ナノ濾過膜の除去性能およびナノ濾過膜の濾過条件によって主に決まる。ただし、工程(1)および(2)で得られる糖水溶液に比べれば、バイオマス残滓や糖の濃度が低く、十分清澄である。このため、ナノ濾過膜の透過水は、例えば工程(1)の工程水として利用できる。
ここで、工程水とは、原料に直接混和して使用する水のことである。具体的には、工程水としては、バイオマスの懸濁に用いられる水、水熱処理時にバイオマスに添加される水(つまり水熱処理水)、酸の希釈液、アルカリ(アンモニアを含む)の希釈液、酵素の希釈液などが挙げられる。
例えば、工程(1)において、透過水、すなわち再利用水は、処理法A(つまり酸のみを用いる加水分解方法)では酸の希釈液として使用可能であり、処理法B(つまり酸処理後、酵素を利用する加水分解方法)では酸の希釈液および酵素水溶液として使用可能であり、処理法C(つまり水熱処理のみを用いる加水分解方法)では水熱処理用にバイオマスに添加される水として使用可能であり、処理法D(水熱処理後、酵素を利用する加水分解方法)では水熱処理用の水および酵素水溶液として使用可能であり、処理法E(つまりアルカリ処理後、酵素を利用する加水分解方法)ではアルカリの希釈液および酵素水溶液として使用可能であり、処理法F(つまりアンモニア処理後、酵素を利用する加水分解方法)ではアンモニアの希釈液および酵素水溶液として使用可能である。
また、セルロース含有バイオマスの加水分解反応の効率を高めるため、予めバイオマスを水に懸濁させる場合には、再利用水は、バイオマス懸濁液としても使用可能である。
このように、ナノ濾過膜の透過水の用途は、ナノ濾過膜の透過水の量やシステム全体のエネルギー効率およびコストを勘案して決定すれば良い。また、ナノ濾過膜の透過水の用途は、予め決定されてもよいし、原料や製造条件の変動に合わせて変更されても構わない。
ナノ濾過膜の透過水の用途は、透過水中の酢酸濃度により決定することが好ましい。
透過水中の酢酸濃度が1.5g/L未満である時には、前記工程(1)における酵素希釈液、酸希釈液およびアルカリ希釈液の少なくとも1種の用途に再利用水を利用することが好ましい。
また、透過水の酢酸濃度が1.5g/L以上3.0g/L未満である時には、水熱処理水および洗浄水の少なくとも一方に透過水を利用することが好ましい。
工程(1)において用いられる器具としては、例えば固液分離に用いる器具が挙げられる。また、工程(4)における洗浄水への再利用については、上述したとおりである。
なお、再利用水を水熱処理水として利用した時には、水熱処理後には固液分離を行うことが好ましい。
洗浄水は、原料(つまりバイオマス)に直接混和されない。透過水は、具体的には、上述した固液分離装置のリンスおよび洗浄、並びに精密濾過膜および/または限外濾過膜のリンスおよび洗浄に使用可能である。なかでも精密濾過膜および/または限外濾過膜に堆積するバイオマス残滓の洗浄には大量の水が必要であるため、ナノ濾過膜の透過水の少なくとも一部を、精密濾過膜および/または限外濾過膜の洗浄水として利用することが好ましい。
本発明では、精密濾過膜および/または限外濾過膜に堆積するバイオマス残滓を膜の細孔内から効率良く除去するために、ナノ濾過膜の透過水の少なくとも一部を、前記精密濾過膜および/または限外濾過膜の逆圧洗浄水として利用することが好ましい。
セルロース含有バイオマスの種類および処理方法によっては、ナノ濾過膜の透過水の酢酸濃度が3.0g/L以上になることがあり、その場合は各工程の保温ジャケット用温水として使用することが好ましい。
透過水中の酢酸濃度は、既知の方法によって測定することができる。例えば、陰イオン交換カラムを使用してHPLCにより測定することができるが、この限りではない。
ナノ濾過膜の透過水の利用先の切り替えは、次のように実行することができる。すなわち、ナノ濾過膜の透過水が流れる配管上で酢酸濃度をオンライン測定し、測定結果によって自動でバルブを切り替え、各工程へ透過水を供給しても良いし、ナノ濾過膜の透過水を一旦タンクに貯水し、貯留水を採取して酢酸濃度を測定した後、使用する工程を決定して手動でバルブを切り替え、透過水を各工程へ供給しても良い。
ナノ濾過膜の透過水の工程(1)での利用量、利用率については、システム全体のエネルギー効率およびコストを勘案して決定すれば良い。また、ナノ濾過膜の透過水の利用量、利用率は、予め決定されていてもよいし、原料や製造条件の変動に合わせて変更されても構わない。そして、ナノ濾過膜の透過水の回収および再利用による省水効果を発揮するためには、得られる透過水の20〜100重量%を利用することが好ましく、40〜100重量%を利用することがより好ましく、60〜100重量%を利用することがさらに好ましい。
VI.化学品の製造方法
本発明の濃縮糖水溶液の製造方法で得られた濃縮糖水溶液を発酵原料として使用し、化学品を製造する方法を示す。
濃縮糖水溶液を発酵原料として使用することにより、化学品を製造することが可能である。濃縮糖水溶液は、微生物あるいは培養細胞の生育のための炭素源であるグルコースおよび/またはキシロースを主成分として含んでおり、一方でフラン化合物、有機酸、芳香族化合物などの発酵阻害物質の含量が極めて少ないために、発酵原料、特に炭素源として有効に使用することが可能である。
本発明の化学品の製造方法で使用される微生物あるいは培養細胞は、例えば、発酵工業においてよく使用されるパン酵母などの酵母、大腸菌やコリネ型細菌などのバクテリア、糸状菌、放線菌、動物細胞、昆虫細胞などが挙げられる。使用する微生物や細胞は、自然環境から単離されたものでもよく、また、突然変異や遺伝子組換えによって一部性質が改変されたものであってもよい。特に、セルロース含有バイオマスに由来する糖水溶液は、キシロースといったペントースを含むため、ペントースの代謝経路を強化した微生物が好ましく使用できる。
培地としては、濃縮糖水溶液の他に、窒素源、無機塩類、さらに必要に応じてアミノ酸、ビタミンなどの有機微量栄養素を適宜含有する液体培地が好ましく使用される。本発明の濃縮糖水溶液には、炭素源として、グルコース、キシロースなど微生物が利用可能な単糖を含んでいるが、場合によっては、さらに炭素源として、グルコース、シュークロース、フラクトース、ガラクトース、ラクトース等の糖類、これら糖類を含有する澱粉糖化液、甘藷糖蜜、甜菜糖蜜、ハイテストモラセス、酢酸等の有機酸、エタノールなどのアルコール類、グリセリンなどを追加して、発酵原料として使用してもよい。窒素源としては、アンモニアガス、アンモニア水、アンモニウム塩類、尿素、硝酸塩類、その他補助的に使用される有機窒素源、例えば油粕類、大豆加水分解液、カゼイン分解物、その他のアミノ酸、ビタミン類、コーンスティープリカー、酵母または酵母エキス、肉エキス、ペプトン等のペプチド類、各種発酵菌体およびその加水分解物などが使用される。無機塩類としては、リン酸塩、マグネシウム塩、カルシウム塩、鉄塩、マンガン塩等を適宜添加することができる。
微生物が生育のために特定の栄養素を必要とする場合には、その栄養物を標品もしくはそれを含有する天然物として添加すればよい。また、消泡剤を必要に応じて使用してもよい。
微生物の培養は、通常、pH4〜8、温度20〜40℃の範囲で行われる。培養液のpHは、無機あるいは有機の酸、アルカリ性物質、さらには尿素、炭酸カルシウム、アンモニアガスなどによって、通常、pH4〜8範囲内のあらかじめ定められた値に調節する。
本発明の濃縮糖水溶液の製造方法で得られた濃縮糖水溶液を発酵原料として使用する化学品の製造方法としては、当業者に公知の発酵培養方法が採用されうるが、生産性の観点から、国際公開2007/097260号パンフレットに開示される連続培養方法が好ましく採用される。
製造される化学品としては、上記微生物や細胞が培養液中に生産する物質であれば制限はない。製造される化学品の具体例としては、アルコール、有機酸、アミノ酸、核酸など発酵工業において大量生産されている物質を挙げることができる。例えば、アルコールとしては、エタノール、1,3−プロパンジオール、1,4−ブタンジオール、グリセロールなど、有機酸としては、酢酸、乳酸、ピルビン酸、コハク酸、リンゴ酸、イタコン酸、クエン酸、核酸であれば、イノシン、グアノシンなどのヌクレオシド、イノシン酸、グアニル酸などのヌクレオチド、またカダベリンなどのジアミン化合物を挙げることができる。また、本発明の精製糖水溶液の製造方法で得られた濃縮糖水溶液は、酵素、抗生物質、組換えタンパク質のような物質の生産に適用することも可能である。
VII.濃縮糖水溶液の製造装置
以下、図面を用いて、本発明の濃縮糖水溶液の製造方法に使用される濃縮糖水溶液の製造装置について説明する。
図1は、本発明の一実施形態を示す概略フロー図である。ここでは、セルロース含有バイオマスの加水分解工程の一例として、処理法B:酸処理後、酵素を利用する方法を採用した。
図1において、製造装置は、酸によるバイオマスの加水分解を行う酸処理槽1;酸処理後のバイオマスを貯留するバイオマス貯留槽2;酵素処理用の酵素水溶液を貯留する酵素水溶液貯留槽3;酸処理後のバイオマスを酵素により糖化する酵素糖化槽4;酵素糖化槽4内の温度を酵素処理に適した範囲に保つ保温ジャケット15;0.5MPa程度の圧力により第1ポンプ5;精密濾過膜を備えるモジュール、限外濾過膜を備えるモジュール;またはこの2種類のモジュールの組み合わせであるMF/UFモジュール6;濾過後の糖水溶液を貯留する糖水溶液貯留槽7;0.1〜8MPa程度の圧力でNF膜モジュール9に糖化液を供給する第2ポンプ8;ナノ濾過膜を備えるNFモジュール9;MF/UFモジュール6を逆圧洗浄する第3ポンプ10;逆圧洗浄用の薬剤をMF/UFモジュール6に注入するポンプ第4ポンプ11;逆圧洗浄用の薬剤を貯留する薬剤槽12;NFモジュール9の透過水の少なくとも一部を再利用水として貯留する再利用水槽13;再利用水を製造装置の各部へ送る第5ポンプ14備える。
また、図1に示すV、V、V、V、V、V、V、V、V、V10、V11、V12、V13、V14、V15、V16はバルブである。バルブV10、V11、V12、V13およびV16は、開閉することで、再利用水の送り先を切り替えることができる。なお、再利用水を精密濾過膜または限外濾過膜の逆圧洗浄に使用しないのであれば、再利用水を送る手段として、第5ポンプ14の代わりに水頭差による送液など、動力の無いまたは少ない手段を用いることもできる。
以下、図1の装置を用いた濃縮糖水溶液の製造工程の流れを説明する。
バイオマスは、酸処理槽1内で、酸により加水分解される。酸処理槽1には、図示しない加熱装置が設けられていてもよい。この加熱装置によって、加水分解を促進するような温度条件が保たれる。
酸処理されたバイオマスは、バイオマス貯留槽2で貯留された後、酵素糖化槽4へ送られる。酵素糖化槽4中のバイオマスへ酵素水溶液貯留槽3から酵素水溶液が添加されると、保温ジャケット15での温度管理下で、糖化が進行する。
こうして得られた糖化液は、第1ポンプ5によってMF/UFモジュール6に送られる。MF/UFモジュール6の透過側から回収された精製糖水溶液は、糖水溶液貯留槽7に貯留される。
糖水溶液は、第2ポンプ8によって、糖水溶液貯留槽7からNFモジュール9へ送られる。NFモジュール9の透過水の少なくとも一部は再利用水槽13で貯留される。非透過水、つまり濃縮糖水溶液は、バルブVを介して装置外に送られる。
再利用水槽13で貯留された再利用水は、各バルブの開閉によって、次の工程に再利用される。バルブV10が開くことで、再利用水はMF/UFモジュール6の二次側に供給されるので、逆圧洗浄水として利用される。バルブV11が開くことで、再利用水はMF/UFモジュール6の一次側に供給されるので、膜の洗浄に利用される。バルブV12が開くことで、再利用水は酸処理槽1へ供給されるので、バイオマスの懸濁に利用される。バルブV13が開くと、再利用水は酵素水溶液貯留槽3へ供給されるので、酵素の希釈液に利用される。バルブV16が開くと、再利用水は酵素糖化槽4へ供給されるので、バイオマスの懸濁に利用される。
ここで、精密濾過膜および/または限外濾過膜の洗浄の時間は、特に限定されるものではないが、1〜180secの範囲内であることが好ましく、30〜120secであることが特に好ましい。洗浄時間がこの範囲内であれば、十分な洗浄効果が得られ、かつ精密濾過膜および/または限外濾過膜の稼働時間を十分に確保できる。
洗浄流束は、特に限定されるものではないが、0.1〜10m/m/dayの範囲内であることが好ましい。洗浄流束がこの範囲内であれば、膜面および膜内部に堆積または付着したバイオマス残滓などを十分に除去することができ、かつ精密濾過膜および/または限外濾過膜に負荷が掛からない。
さらに、上述のナノ濾過膜の透過水の少なくとも一部を用いて精密濾過膜および/または限外濾過膜を洗浄するに際し、精密濾過膜および/または限外濾過膜の一次側に気体を送り込み、精密濾過膜および/または限外濾過膜を振動させることも好ましい。
ナノ濾過膜の透過水の少なくとも一部を用いて精密濾過膜および/または限外濾過膜を洗浄する頻度については、特に限定されるものではないが、1日に1回〜1日に200回の範囲内で行うことが好ましい。洗浄頻度が上記好ましい範囲であれば、ナノ濾過膜の透過水の回収および再利用による省水の効果を十分に発揮でき、かつ精密濾過膜および/または限外濾過膜の稼働時間を十分に確保できる。
以下、本発明の濃縮糖水溶液の製造方法に関し、さらに詳細に説明するために実施例を挙げて説明する。しかしながら、本発明は、これらの実施例に限定されない。
(単糖濃度の分析方法)
得られた糖水溶液に含まれる単糖(つまりグルコース及びキシロース)濃度は、下記に示すHPLC条件で、標品との比較により定量した。
カラム:Luna NH2(Phenomenex社製)
移動相:超純水:アセトニトリル=25:75(流速0.6mL/min)
反応液:なし
検出方法:RI(示差屈折率)
温度:30℃
(酵素濃度の分析方法)
液中に含まれるタンパク成分を全て酵素とみなし、タンパク質濃度を測定することで酵素濃度を測定した。タンパク濃度の測定、BCA測定キット(BCA Protein Assay Regent kit、ピアス社)を使用し、牛血清アルブミン(2mg/mL)を標品として、562nmの吸光度に基づく比色定量により行った。
(実施例1)
(i)加水分解
工程(1)として、希硫酸および酵素を使用してセルロース含有バイオマスを加水分解した。以下、具体的な操作について説明する。
セルロース含有バイオマスとして、800gの稲わらを使用した。セルロース含有バイオマスを硫酸2%(w/w)水溶液(水5,880g、濃硫酸120g)に浸し、日東高圧(株)製オートクレーブ装置によって、150℃で30min間オートクレーブ処理した。オートクレーブ処理後、固液分離を行い、硫酸水溶液(以下、希硫酸処理液という。)と硫酸処理セルロースとに分離した。
次に、固形分濃度が約12重量%となるように硫酸処理セルロースと希硫酸処理液とを攪拌混合した後、水酸化ナトリウムによって、pHを5.0に調整した。こうして得られた混合液を、次の酵素処理に用いた。なお、この混合液を乾固して水分量を測定した結果、混合液は5,535gの水および780gのセルロース含有バイオマスを含んでいることが分かった。
次に、セルラーゼとして、合計50gのトリコデルマセルラーゼ(シグマ アルドリッチ ジャパン(株))およびノボザイム188(アスペルギルスニガー由来βグルコシダーゼ製剤、シグマ アルドリッチ ジャパン(株))を、水450gに溶解することで、酵素水溶液500gを調製した。この酵素水溶液500gを前記混合液に添加し、50℃で24時間攪拌混合しながら、加水分解反応を行うことで、糖水溶液を得た。
なお、得られた糖水溶液中の単糖濃度および発酵阻害物質濃度を分析するために、3,000Gで遠心分離して固液分離を行った。分析の結果、糖水溶液中に含まれる単糖はグルコースが251g、キシロースが128gであり、発酵阻害物質はフルフラールが8.9g、バニリンが553mgであった。また、この糖水溶液を乾固して水分量を測定した結果、水5,958gを含んでいることが分かった。
(ii)精密濾過
工程(2)として、工程(1)で得られた糖水溶液を、100kPaの圧力で、温度25℃で精密濾過膜に供給してクロスフロー濾過させ、透過側から精製糖水溶液を回収した。ここで、クロスフロー濾過時の膜面線速度は、30cm/secとなるようにした。
精密濾過膜としては、次の膜を使用した。まず、東レ(株)製精密濾過膜モジュール“トレフィル”(登録商標)HFSに使用されている公称孔径0.05μmのポリフッ化ビニリデン製中空糸膜を切り出した。切り出された中空糸膜50本から、長さ200mmのミニチュアモジュールを作製して濾過に使用した。
得られた精製糖水溶液中の単糖濃度および発酵阻害物質濃度を分析した結果、糖水溶液中に含まれる単糖はグルコースが232g、キシロースが122gであり、発酵阻害物質はフルフラールが8.2g、バニリンが498mgであった。また、この糖水溶液を乾固して水分量を測定した結果、水5,767gを含んでいることが分かった。
工程(3)として、工程(2)で得られた精製糖水溶液を、3MPaの圧力で、温度25℃でナノ濾過膜に供給してクロスフロー濾過させた。非透過側から濃縮糖水溶液を回収しつつ、透過側から透過水を回収して、濃縮糖水溶液とナノ濾過膜の透過水を得た。ここで、クロスフロー濾過時の膜面線速度は、30cm/secとなるようにした。
ナノ濾過膜としては、東レ(株)製ポリアミド系ナノ濾過膜モジュール“SU−600”に使用されているポリアミド系ナノ濾過膜を切り出して使用した。なお、“SU−600”に使用されているポリアミド系ナノ濾過膜を用いて、500mg/Lの食塩水を、0.34MPa、25℃、pH6.5で濾過した時の塩除去率は、55%であり、膜単位面積当たりの透過流量は0.7m/m/dayであった。
ナノ濾過によって得られた濃縮糖水溶液中の単糖濃度および発酵阻害物質濃度を分析した結果、精製糖水溶液に含まれる単糖はグルコースが226g、キシロースが111gであり、発酵阻害物質はフルフラールが1.7g、バニリンが201mgであった。また、この糖水溶液を乾固して水分量を測定した結果、水3,680gを含んでいることが分かった。
一方、得られたナノ濾過膜の透過水中の単糖濃度および発酵阻害物質濃度を分析した結果、ナノ濾過膜の透過水に含まれる単糖はグルコースが6g、キシロースが11gであり、発酵阻害物質はフルフラールが6.5g、バニリンが297mgであった。また、このナノ濾過膜の透過水を乾固して水分量を測定した結果、水2,087gを含んでいることが分かった。
浄水を用いて上述の工程(2)で用いた精密濾過膜を逆圧洗浄するには、12,000gの浄水が必要であった。しかし、得られたナノ濾過膜の透過水全量を浄水9,950gと混合し、工程(2)の精密濾過膜の逆圧洗浄の洗浄水として利用することで、浄水2,050gを節水することができた。
(参考例1)セルラーゼ活性測定方法
セルラーゼ活性を、a)アビセル分解活性、b)カルボキシメチルセルロース(CMC)分解活性、c)セロビオース分解活性、d)キシラン分解活性、の4種の分解活性に分けて、以下の手順で活性を測定評価した。
a)アビセル分解活性
酵素液(所定条件で調整)に対し、アビセル(メルク(株)製)を1g/L、酢酸ナトリウム緩衝液(pH5.0)を100mMとなるよう添加し、50℃で24時間反応させた。なお、反応液は1mLチューブで調製され、反応は回転混和しながら行われた。反応後、チューブを遠心分離し、その上清成分のグルコース濃度を測定した。アビセル分解活性は、生成したグルコース濃度(g/L)をそのまま活性値とした。
b)CMC分解活性
酵素液に対し、カルボキシメチルセルロース10g/L、酢酸ナトリウム緩衝液(pH5.0)を100mMとなるよう添加し、50℃で0.5時間反応させた。なお、反応液は1mLチューブで調製され、反応は回転混和しながら行われた。反応後、チューブを遠心分離し、その上清成分のグルコース濃度を測定した。CMC分解活性は、生成したグルコース濃度(g/L)をそのまま活性値とした。
c)セロビオース分解活性
酵素液に対し、セロビオース(和光純薬工業(株))500mg/L、酢酸ナトリウム緩衝液(pH5.0)を100mMとなるよう添加し、50℃で0.5時間反応させた。なお、反応液は1mLチューブで調製され、反応は回転混和しながら行われた。反応後、チューブを遠心分離し、その上清成分のグルコース濃度を測定した。こうして測定されたグルコース濃度(g/L)をセロビオース分解活性値とみなした。
d)キシラン分解活性
酵素液に対し、キシラン(Birch wood xylan, 和光純薬工業(株))10g/L、酢酸ナトリウム緩衝液(pH5.0)を100mMとなるよう添加し、50℃で4時間反応させた。なお、反応液は1mLチューブで調製され、反応は回転混和しながら行われた。反応後、チューブを遠心分離し、その上清成分のキシロース濃度を測定した。こうして測定されたキシロース濃度(g/L)をキシロース分解活性とみなした。
(参考例2)工程(3)由来の逆浸透膜透過水の調製
実施例2及び3、比較例1及び2で用いたナノ濾過膜透過水1〜8は、調製した手順は同じであるが、原料である稲わらのロットや、調製日時が異なるものである。調製手順は以下の通りである。
工程(1)として、セルロース含有バイオマスである稲わら400gに、工程(3)から得られたナノ濾過膜透過水2,940g、濃硫酸60gを添加して懸濁し、東高圧(株)製オートクレーブ装置によって、150℃で30minオートクレーブ処理した。処理後、水酸化ナトリウムによって、pHを5に調整することで、混合液を得た。
次に、セルラーゼとして、合計25gのトリコデルマセルラーゼ(シグマ アルドリッチ ジャパン(株))およびノボザイム188(アスペルギルスニガー由来βグルコシダーゼ製剤、シグマ アルドリッチ ジャパン(株))を、水225gに溶解することで、酵素水溶液250gを調製した。この酵素水溶液250gを前記混合液に添加し、50℃で24時間、攪拌混合することで、加水分解反応を行って、糖水溶液を得た。
続いて工程(2)として、工程(1)で得られた糖水溶液を、100kPaの圧力で、温度25℃で精密濾過膜に供給してクロスフロー濾過させ、透過側から精製糖水溶液を回収した。クロスフロー濾過時の膜面線速度は、30cm/secとなるようにした。
精密濾過膜としては、次の膜を使用した。まず、東レ(株)製精密濾過膜モジュール“トレフィル”(登録商標)HFSに使用されている公称孔径0.05μmのポリフッ化ビニリデン製中空糸膜を切り出した。切り出された中空糸膜22本から、内径10mm、長さ200mmのミニチュアモジュールを作製して濾過に使用した。
続いて工程(3)として、工程(2)で得られた精製糖水溶液を、3MPaの圧力で、温度25℃でナノ濾過膜に供給してクロスフロー濾過させ、非透過側から濃縮糖水溶液を回収した。ここで、クロスフロー濾過時の膜面線速度は、30cm/secとなるようにした。
ナノ濾過膜としては、東レ(株)製ポリアミド系ナノ濾過膜モジュール“SU600”に使用されているポリアミド系ナノ濾過膜を切り出して使用した。ここで、“SU600”に使用されているポリアミド系ナノ濾過膜を、500mg/Lの食塩水を用いて、0.34MPa、25℃、pH6.5で測定した時の塩除去率は、50%であり、膜単位面積当たりの透過流量が0.69m/m/dayであった。
得られた透過水を、ナノ濾過膜透過水1〜8として、実施例2及び3、比較例1及び2に供した。
(実施例2)
参考例2の工程(3)から得られたナノ濾過膜透過水のうち、酢酸濃度が1.5g/L未満であるナノ濾過膜透過水1及び2を使用して酵素を希釈し、得られた酵素希釈液の酵素活性を参考例1に準じて測定した。酵素は、ジェネンコア社製アクセルレースデゥエットを使用した。比較のため、超純水を用いて希釈した場合を、基準の分解活性1として各酵素活性を相対値で示した。結果を表1に示す
(比較例1)
参考例2の工程(3)から得られたナノ濾過膜透過水のうち、酢酸濃度が1.5g/L以上であるナノ濾過膜透過水3及び4を使用して酵素を希釈し、得られた酵素希釈液の酵素活性を参考例1に準じて測定した。酵素は、ジェネンコア社製アクセルレースデゥエットを使用した。比較のため、超純水を用いて希釈した場合を、基準の分解活性1として各酵素活性を相対値で示した。結果を表1に示す。
Figure 2013255457
実施例2および比較例1の結果から、酵素希釈水として酢酸濃度1.5g/L未満の工程水を使用することで、酵素活性の低下が抑制できることが判明した。
(参考例3)酵母によるエタノール発酵
比較例2,実施例3では、次の通りSaccharomyces cerevisiae OC2株(ワイン酵母)を用いてエタノール発酵を行い、得られた糖液の評価を行った。
発酵用培地は、比較例2、実施例3で得られた糖水溶液を用いて以下の組成で調製し、フィルター滅菌(ミリポア ステリカップ0.22μm、メルク(株))したものを発酵に用いた。
<発酵用培地>
グルコース終濃度:30g/L
Synthetic Complete Dropout Mix:3.8g/L
Yeast Nitrogen Base:1.7g/L
グルコース濃度の定量には、グルコーステスト和光(和光純薬工業(株))を使用した。また、各培養液中に産生されたエタノール量は、ガスクロマトグラフ法(Shimadzu GC−2010キャピラリーGC TC−1(GL science) 15 meter L.*0.53mm I.D., df 1.5μm)を用いて、水素炎イオン化検出器により測定した。
OC2株を5mLの上記発酵用培地で一晩振とう培養した(前培養)。続いて、前培養液を上記発酵用培地100mLに接種し、500mL容坂口フラスコで24時間振とう培養し(本培養)、24時間後のエタノール生産量を評価した。
(参考例4)糖液の調製方法
工程(1)として、セルロース含有バイオマスである稲わら430gに、工程(3)から得られたナノ濾過膜透過水2,940g、濃硫酸60gを添加して懸濁し、日東高圧(株)製オートクレーブ装置によって、150℃で30min間オートクレーブ処理した。処理後、水酸化ナトリウムによってpHを5に調整することで、混合液を得た。
次に、セルラーゼとして、合計25gのトリコデルマセルラーゼ(シグマ アルドリッチ ジャパン(株))およびノボザイム188(アスペルギルスニガー由来βグルコシダーゼ製剤、シグマ アルドリッチ ジャパン(株))を水225gに溶解することで、酵素水溶液250gを調製した。この酵素水溶液250gを前記混合液に添加し、50℃で24時間攪拌混合しながら、加水分解反応を行うことで、糖水溶液を得た。
続いて工程(2)として、工程(1)で得られた糖水溶液を、100kPaの圧力で、温度25℃で精密濾過膜に供給してクロスフロー濾過させ、透過側から精製糖水溶液を回収した。クロスフロー濾過時の膜面線速度は、30cm/secとなるようにした。
精密濾過膜としては、次の膜を使用した。まず、東レ(株)製精密濾過膜モジュール“トレフィル”(登録商標)HFSに使用されている公称孔径0.05μmのポリフッ化ビニリデン製中空糸膜を切り出した。切り出された中空糸膜22本から、内径10mm、長さ200mmのミニチュアモジュールを作製して濾過に使用した。
続いて工程(3)として、工程(2)で得られた精製糖水溶液を、3MPaの圧力で、温度25℃で逆浸透膜に供給してクロスフロー濾過させ、非透過側から濃縮糖水溶液を回収した。ここで、クロスフロー濾過時の膜面線速度は、30cm/secとなるようにした。
ナノ濾過膜としては、東レ(株)製ポリアミド系ナノ濾過膜モジュール“SU−600”に使用されているポリアミド系逆浸透膜を切り出して使用した。この逆浸透膜の塩除去率および透過流量は、上述のとおりであった。
(実施例3)
参考例2の工程(3)から得られたナノ濾過膜透過水のうち、酢酸濃度が1.5g/L未満である透過水5及び6を、工程(1)における稲わらの懸濁に用い、参考例4の方法に従って濃縮糖水溶液を得た。
得られた糖水溶液をグルコース源として使用して発酵用培地を調製し、参考例3のとおり前培養、本培養を行ってエタノール発酵を行った。なお、前培養では試薬単糖を用い、本培養時のみ糖水溶液を用いた。以上のエタノール発酵の結果として、グルコース消費量及びエタノール蓄積濃度を表2に併せて示した。
Figure 2013255457
(比較例2)
参考例2の工程(3)に従って得られたナノ濾過膜透過水のうち、酢酸濃度が1.5g/L以上である透過水7及び8を、工程(1)における稲わらの懸濁に用い、参考例4の方法に従って濃縮糖水溶液を得た。
得られた糖水溶液をグルコース源として使用して発酵用培地を調製し、参考例3のとおり前培養、本培養を行ってエタノール発酵を行った。なお、前培養では試薬単糖を用い、本培養時のみ糖水溶液を用いた。
以上のエタノール発酵の結果として、グルコース消費量及びエタノール蓄積濃度を表2に併せて示す。
実施例3及び比較例2の結果から、稲わら(バイオマス)の懸濁水として酢酸濃度1.5g/L未満の工程(3)由来のナノ濾過膜透過水を使用することで、阻害されることなくエタノール発酵が行われた。
本発明によって、セルロース含有バイオマスを加水分解して糖水溶液を製造し、精密濾過膜および/または限外濾過膜で処理してバイオマス残滓を除去した後、ナノ濾過膜で処理して糖水溶液を濃縮して糖濃度を高める方法において、ナノ濾過膜から廃棄される透過水を回収・再利用することによって、プロセス全体の省水化が図れるため、環境調和型社会の構築という目的を達成しつつ、濃縮糖水溶液を発酵原料として用いた種々の化学品の発酵生産のコストを低減することができる。
1 酸処理槽
2 バイオマス貯留槽
3 酵素水溶液貯留槽
4 酵素糖化槽
5 第1ポンプ
6 MF/UF膜
7 糖水溶液貯留槽
8 第2ポンプ
9 ナノ濾過膜膜
10 第3ポンプ
11 第4ポンプ
12 薬剤槽
13 再利用水槽
14 第5ポンプ
15 酵素糖化槽保温用ジャケット

Claims (8)

  1. セルロース含有バイオマスを原料とする濃縮糖水溶液の製造方法であって、
    前記製造方法は、
    (1)セルロース含有バイオマスを加水分解して、糖水溶液を製造する工程、
    (2)前記工程(1)で得られた糖水溶液を精密濾過膜および/または限外濾過膜に通じて濾過して、精製糖水溶液を透過側から回収する工程、並びに、
    (3)前記工程(2)で得られた精製糖水溶液をナノ濾過膜に通じて濾過することで、透過側から透過水を回収し、非透過側から濃縮糖水溶液を回収する工程
    (4)前記工程(2)において使用される精密濾過膜および/または限外濾過膜を洗浄する工程
    を備え、
    前記工程(1)は、
    (1−a)前記バイオマスを水に懸濁する懸濁ステップ、並びに
    (1−b)水熱処理、酸処理、アルカリ処理および酵素処理の少なくとも1つの処理によって前記バイオマスを加水分解する加水分解ステップ
    を含み、
    前記製造方法は、前記ステップ(1−a)および(1−b)、並びに前記工程(4)のうち、少なくとも1つに前記工程(3)の透過水を利用することをさらに備える、
    濃縮糖水溶液の製造方法。
  2. 前記ナノ濾過膜の透過水の酢酸濃度が1.5g/L未満である時には、前記ステップ(1−a)および(1−b)の少なくとも一方に前記透過水を利用し、
    前記酢酸濃度が1.5g/L以上3.0g/L未満である時には、前記ステップ(1−b)における水熱処理用の水、および前記工程(4)における洗浄液の少なくとも一方として、前記透過水を利用することを含む、
    請求項1に記載の濃縮糖水溶液の製造方法。
  3. 前記ナノ濾過膜がポリアミドを機能層とした複合膜である、
    請求項1〜2のいずれかに記載の濃縮糖水溶液の製造方法。
  4. 前記ナノ濾過膜について、500mg/Lの食塩水を用いて、0.34MPa、25℃、pH6.5で測定された塩除去率が10%以上90%以下である、
    請求項1〜3のいずれかに記載の濃縮糖水溶液の製造方法。
  5. 前記ナノ濾過膜について、500mg/Lの硫酸マグネシウムを用いて、0.34MPa、25℃、pH6.5で測定された塩除去率が、80%以上100%以下である、
    請求項1〜4のいずれかに記載の濃縮糖水溶液の製造方法。
  6. 前記精密濾過膜および/または限外濾過膜が中空糸膜である、
    請求項1〜5のいずれかに記載の濃縮糖水溶液の製造方法。
  7. 前記工程(2)で得られた精製糖水溶液を逆浸透膜に通じて濾過する工程をさらに備える、
    請求項1〜6のいずれかに記載の濃縮糖水溶液の製造方法。
  8. 請求項1〜7のいずれかに記載の方法で得られた濃縮糖水溶液から、酵母を用いてエタノールを得るエタノールの製造方法。
JP2012133541A 2012-06-13 2012-06-13 濃縮糖水溶液およびエタノールの製造方法 Pending JP2013255457A (ja)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2012133541A JP2013255457A (ja) 2012-06-13 2012-06-13 濃縮糖水溶液およびエタノールの製造方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2012133541A JP2013255457A (ja) 2012-06-13 2012-06-13 濃縮糖水溶液およびエタノールの製造方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2013255457A true JP2013255457A (ja) 2013-12-26

Family

ID=49952503

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2012133541A Pending JP2013255457A (ja) 2012-06-13 2012-06-13 濃縮糖水溶液およびエタノールの製造方法

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2013255457A (ja)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2014103185A1 (ja) * 2012-12-28 2014-07-03 川崎重工業株式会社 濃縮糖化液製造方法
JP2017507662A (ja) * 2014-03-18 2017-03-23 ロケット フレールRoquette Freres 微細藻バイオマスの熱透過処理のための方法
CN112076731A (zh) * 2020-08-31 2020-12-15 镇江市高等专科学校 负载纳米CeO2颗粒复合生物质膜的制备方法及其提碲应用
KR20220087293A (ko) * 2020-12-17 2022-06-24 한국화학연구원 미생물 발효배지 첨가제 및 이의 제조방법

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2014103185A1 (ja) * 2012-12-28 2014-07-03 川崎重工業株式会社 濃縮糖化液製造方法
JP2017507662A (ja) * 2014-03-18 2017-03-23 ロケット フレールRoquette Freres 微細藻バイオマスの熱透過処理のための方法
CN112076731A (zh) * 2020-08-31 2020-12-15 镇江市高等专科学校 负载纳米CeO2颗粒复合生物质膜的制备方法及其提碲应用
CN112076731B (zh) * 2020-08-31 2023-07-25 镇江市高等专科学校 负载纳米CeO2颗粒复合生物质膜的制备方法及其提碲应用
KR20220087293A (ko) * 2020-12-17 2022-06-24 한국화학연구원 미생물 발효배지 첨가제 및 이의 제조방법
KR102525694B1 (ko) * 2020-12-17 2023-04-24 한국화학연구원 미생물 발효배지 첨가제 및 이의 제조방법

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2012077697A1 (ja) 濃縮糖水溶液の製造方法
JP4770987B2 (ja) 糖液の製造方法
WO2012077698A1 (ja) 濃縮糖水溶液の製造法
JP5246379B2 (ja) 糖液の製造方法
WO2011111451A1 (ja) 精製糖水溶液の製造方法および化学品の製造方法
JP6269061B2 (ja) 糖液の製造方法
CA2831543C (en) Method for producing sugar solution
JP6007791B2 (ja) 糖液の製造方法
JP5728817B2 (ja) キシロース糖液の製造方法
WO2011162009A1 (ja) 精製糖水溶液の製造方法
JP5246380B2 (ja) 糖液の製造方法
AU2013275309B2 (en) Method for producing sugar solution
WO2013122051A1 (ja) 糖液の製造方法、糖液及びエタノールの製造方法
JP2013255457A (ja) 濃縮糖水溶液およびエタノールの製造方法
JPWO2019189651A1 (ja) 精製糖液の製造方法