JP2014018178A - リグノセルロース含有バイオマスからのエタノール製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の課題は、リグノセルロースを含有するバイオマスからエタノール製造する方法において、エタノールを効率的に生産する方法を提供することにある。
【解決手段】
リグノセルロース原料を含む原料懸濁液を酵素糖化と発酵を同時に行う併行糖化発酵処理で用いる培養槽の供給口より連続的に供給して培養槽内を移動させつつ糖化発酵処理し、前記糖化発酵処理した原料懸濁液を培養槽の排出口より連続的に排出するとともに、前記排出口とは異なる位置に設置された取出口より培養槽内の原料懸濁液から分離した処理液を取り出し、取り出した処理液をイオン交換樹脂に通液し、通液した後の処理液を前記培養槽に供給し循環させることによりリグノセルロース系原料からエタノールを製造する方法において、前記培養槽の排出口から排出される原料懸濁液に含まれる酢酸濃度を１．０質量％以下になるように維持する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、リグノセルロースを含有するバイオマスから効率的にエタノールを製造する方法に関する。

再生可能資源であるバガスや稲わら、木材チップなどのバイオマス資源からエタノールを製造し、エネルギーや化学原料として利用する試みが内外で進められている。
植物系バイオマス中の多糖類から発酵基質となる単糖や小糖類を製造する方法として酵素やその酵素を生産する微生物を用いて加水分解する酵素糖化法がある。酵素分解により、バイオマスに含まれるセルロースやヘミセルロースが分解されて、グルコース、ガラクトース、マンノース等の六炭糖やキシロース、アラビノース等の五炭糖が生成される。

酵素分解により生成された糖類（六炭糖、五炭糖）を原料として酵母等の微生物で発酵させてエタノールを生産することが可能である。しかし、糖化発酵でエタノールの生産と同時に生成される酢酸は培養液中の濃度が高くなると糖化発酵で用いる酵素や微生物に悪影響を与え、結果としてエタノールの生産効率が悪くなるという問題がある。工業的規模でエタノール生産を行う場合、糖化発酵工程で阻害となる酢酸を効率的な方法で低減しエタノールの生産効率を高める必要がある。

発酵生成物に含まれる有機酸を分離する方法として、有機酸やアミノ酸を含む発酵ブロスをイオン交換吸着媒体を用いて吸着・分離する方法が報告されている（特許文献１）。もし、リグノセルロースの連続的な糖化発酵によりエタノールを生産する方法において、エタノールの生産と同時に生成される酢酸等の阻害物質を効率的な方法で培養液中から除去し、培養液に含まれる酢酸濃度を糖化発酵に悪影響を及ぼさない程度に低減できれば連続的なエタノール生産が可能となる。現在までに、リグノセルロースからの連続的なエタノール製造方法において、エタノールの生産性を高めるために糖化発酵の阻害となる酢酸を効率的に除去する方法に関する報告はない。
従って、エタノールの連続運転に影響を与えず、効率的な方法で培養液中に含まれる酢酸を低減する方法の開発が望まれている。

特開２０１１−１３９７０１号公報

本発明の課題は、リグノセルロースを含有するバイオマスからエタノールを製造する方法において、糖化発酵工程でエタノールの生産と同時に生成される酢酸を効率的に除去することによりエタノール生産性を向上する方法を提供することにある。

本発明者らは、上記の課題を解決するために鋭意検討した結果、リグノセルロース原料を含む原料懸濁液を酵素糖化と発酵を同時に行う併行糖化発酵処理で用いる培養槽の供給口より連続的に供給して培養槽内を移動させつつ糖化発酵処理し、前記糖化発酵処理した原料懸濁液を培養槽の排出口より連続的に排出するとともに、前記排出口とは異なる位置に設置された取出口より培養槽内の原料懸濁液から分離した処理液を取り出し、取り出した処理液をイオン交換樹脂に通液し、通液した後の処理液を前記培養槽に供給し循環させることによりリグノセルロース系原料からエタノールを製造する方法において、前記培養槽の排出口から排出される原料懸濁液に含まれる酢酸濃度を１．０質量％以下になるように維持することにより効率的にエタノールを製造できることを見出し、下記の発明を完成するに至ったものである。

（１）リグノセルロース原料を含む原料懸濁液を酵素糖化と発酵を同時に行う併行糖化発酵処理で用いる培養槽の供給口より連続的に供給して培養槽内を移動させつつ糖化発酵処理し、前記糖化発酵処理した原料懸濁液を培養槽の排出口より連続的に排出するとともに、前記排出口とは異なる位置に設置された取出口より培養槽内の原料懸濁液から分離した処理液を取り出し、取り出した処理液をイオン交換樹脂に通液し、通液した後の処理液を前記培養槽に供給し循環させることによりリグノセルロース系原料からエタノールを製造する方法において、前記培養槽の排出口から排出される原料懸濁液に含まれる酢酸濃度を１．０質量％以下になるように維持することを特徴とするリグノセルロース系原料からのエタノール製造方法。

本発明により、リグノセルロースを含有するバイオマスからエタノールを製造する方法において、糖化発酵工程でエタノールの生産と同時に生成される酢酸を効率的に除去することによりエタノール生産性が向上する。

本発明のリグノセルロースからのエタノールの製造方法を実施するための装置を示す図である。

以下、本発明をさらに詳しく説明する。

＜リグノセルロース系原料＞
本発明の方法で原料として使用するリグノセルロース系原料としては、木質系として、製紙用樹木、林地残材、間伐材等のチップ又は樹皮、切り株から発生した萌芽、製材工場等から発生する鋸屑又はおがくず、街路樹の剪定枝葉、建築廃材等が挙げられ、草本系としてケナフ、稲藁、麦わら、バガスなどの農産廃棄物、草本系エネルギー作物のエリアンサス、ミスカンサスやネピアグラス等が挙げられる。なお、本発明におけるリグノセルロース系原料としては、木材由来の紙、古紙、パルプ、パルプスラッジ等も利用可能である。

前記木質系のリグノセルロース系原料の中でも、林地残材（樹皮、枝葉を含む）、樹皮が好ましい。例えば、製紙原料用として一般に用いられるユーカリ（Ｅｕｃａｌｙｐｔｕｓ）属又はアカシア（Ａｃａｃｉａ）属等の樹種の樹皮は、製紙原料用の製材工場やチップ工場等から安定して大量に入手可能であるため、特に好適に用いられる。

＜機械的処理＞
本発明では、前記リグノセルロース原料に機械的処理を施すことができる。機械的処理としては、破砕、裁断、磨砕等の任意の機械的手段が挙げられ、リグノセルロースを次工程の化学的処理工程で糖化され易い状態にすることである。使用する機械装置については特に限定されないが、例えば、一軸破砕機、二軸破砕機、ハンマークラッシャー、レファイナー、ニーダー等を用いることができる。

前記機械的処理の前工程又は後工程として、異物（石、ゴミ、金属、プラステック等のリグノセルロース以外の異物）を除去するための洗浄などによる異物除去工程を導入することもできる。
原料を洗浄する方法としては、例えば、原料に水を噴射して原料に混合されている異物を除く方法、あるいは、原料を水中に浸漬し異物を沈降させて取り除く方法等が挙げられる。また、メタルトラップ等の装置を用いて、異物を原料から分離する方法が挙げられる。
原料に異物が含まれていると、リファイナーのディスク（プレート）等の機械的処理で用いる装置の部品を破損させる可能性があるし、配管が詰まる等の製造工程内でトラブルを起こす等の問題が発生するため、異物除去工程を導入することが望ましい。

＜化学的処理＞
前記、機械的処理を施したリグノセルロース原料を次に化学的処理する。化学的処理としては、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化カルシウム、炭酸ナトリウム及び炭酸水素ナトリウムから選ばれる１種以上のアルカリ薬品、又は、亜硫酸ナトリウムと前記アルカリ薬品の中から選ばれる１種以上のアルカリ薬品を含有する溶液に浸漬する化学的処理を含む前処理である。また、オゾン、二酸化塩素などの酸化剤による化学的処理も可能である。
化学的処理は、前記機械的処理と組み合わせてそれらの前処理の後処理として行うことが好適である。

化学的処理で使用する薬品の添加量は、状況に応じて任意に調整可能であるが、薬品コスト低下の面から、またセルロースの溶出・過分解による収率低下防止の面から、リグノセルロース系原料の絶乾１００質量部に対して５０質量部以下であることが望ましい。化学的処理における薬品の水溶液への浸漬時間及び処理温度は、使用する原料や薬品によって任意に設定可能であるが、処理時間２０〜９０分、処理温度８０〜２００℃が好ましい。処理条件を厳しくすることで、原料中のセルロースの液側への溶出又は過分解が起こる場合もあるため、処理時間は７０分以下、処理温度は１８０℃以下であることが好ましい。

化学処理として、リグノセルロース原料（乾燥重量）に対して１０〜５０質量％の亜硫酸ナトリウム及びｐＨ調整剤として０．１〜５質量％のアルカリを添加することもできる。リグノセルロースに亜硫酸ナトリウムを前記の添加量で単独で添加して加熱処理すると、加水分解中に酢酸等の有機酸が生成するためｐＨの低下が起こり加水分解液が酸性となる。加水分解液が酸性の条件下で加水分解を継続すると加水分解で生成されたキシロースがフルフラールに変換するという問題が発生する。フルフラールは、エタノール発酵の阻害物質となるため可能な限り生成させないことが望ましい。また、発酵基質であるキシロースの収率が低下するため結果としてエタノール生産効率が低下する。本発明では、リグノセルロース原料に前記の添加量で亜硫酸ナトリウム及びｐＨ調整剤としてアルカリを添加して加熱処理することにより、加水分解中のｐＨが中性〜弱アルカリ性に維持されるため、フルフラールの生成及びキシロースの収率低下を抑制することができる。また、加熱処理後（加水分解後）のリグノセルロースを含む水溶液のｐＨが４．０〜７．０（中性〜弱アルカリ性）となるため、加水分解処理後の廃液あるいは加水分解物を中和するための薬品の使用量を低減できるというメリットがある。

前記ｐＨ調整剤として用いるアルカリとしては、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、炭酸ナトリウム等が挙げられるが、これらの薬品に特に限定されない。

前記、リグノセルロース原料（乾燥重量）に対して１０〜５０質量％の亜硫酸ナトリウム及びｐＨ調整剤として０．１〜５質量％のアルカリを添加して加熱処理を行う場合の加熱処理温度は、８０〜２００℃が好ましく、１２０〜１８０℃がさらに好ましい。また、加熱処理時間は、１０〜３００分で行うことができるが、３０〜１２０分が好ましい。処理条件を厳しくすることで、原料中のセルロースの液側への溶出又は過分解が起こる場合もあるため、処理温度は、１８０℃以下、処理時間は１２０分以下であることが好ましい。

（磨砕処理）
本発明では、前記化学処理により得られたリグノセルロース原料をレファイナーのディスク（プレート）のクリアランスを０．１〜２．０ｍｍの範囲で磨砕することが好ましく、０．１〜１．０ｍｍの範囲がさらに好ましい。使用するレファイナーとしては、シングルディスクレファイナー、ダブルディスクレファイナー等を使用することができ相対するディスクのクリアランスを０．１〜２．０ｍｍの範囲に設定できるレファイナーであれば特に制限なく使用することができる。ディスクのクリアランスが２．０ｍｍを超えると糖化または併行糖化発酵で得られる糖収率が添加するため好ましくない。一方、ディスクのクリアランスが０．１ｍｍより低いとレファイナーで磨砕処理した後の加水分解物（固形分）の収率が低下するため好ましくない。また、ディスクのクリアランスが０．１ｍｍより低いとレファイナーの運転に要する電気消費量が増大するため好ましくない。

レファイナーのディスク（プレート）の材質、ディスクの型、ディスク面の刃の型、ディスク面に対する刃の方向等のディスクの形状については効果が得られる材質、形状であれば、特に制限なく使用することができる。

前記の磨砕処理が施されているリグノセルロース系原料を水溶液と固形分に固液分離し、固形分を糖化または併行糖化発酵の原料として用いる。固液分離する方法としては、例えば、スクリュープレス等を用いて水溶液と固形分に分離することができ、水溶液と固形分に分離することができる装置であれば制限なく使用することができる。

前記の固形分離後の原料を用いて併行糖化発酵を行う前に殺菌処理を行うことが好ましい。リグノセルロース系バイオマス原料中に雑菌が混入していると、酵素による糖化を行う際に雑菌が糖を消費して生成物の収量が低下してしまうという問題が発生する。
殺菌処理は、酸やアルカリなど、菌の生育困難なｐＨに原料を晒す方法でも良いが、高温下で処理する方法でも良く、両方を組み合わせても良い。酸、アルカリ処理後の原料については、中性付近、もしくは、糖化及び／又は糖化発酵工程に適したｐＨに調整した後に原料として使用することが好ましい。また、高温殺菌した場合も、室温もしくは糖化発酵工程に適した温度まで降温させてから原料として使用することが好ましい。このように、温度やｐＨを調整してから原料を送り出すことで、好適ｐＨ、好適温度外に酵素が晒されて、失活することを防ぐことができる。

前記前処理が施されているリグノセルロース原料が、併行糖化発酵工程へ供給される。

＜併行糖化発酵工程＞
酵素糖化反応に適した前処理が施されたリグノセルロース系原料は、適量の水と酵素と混合されて原料懸濁液とされ、さらに酵母等の微生物と混合されて併行糖化発酵工程へ供給される。リグノセルロース系原料は酵素により糖化され、生成された糖類が発酵微生物（酵母など）によりエタノールに発酵される。

併行糖化発酵工程で用いるリグノセルロース系原料の懸濁濃度は、１〜３０質量％であることが好ましい。１質量％未満であると、最終的に生産物の濃度が低すぎて生産物の濃縮のコストが高くなるという問題が発生する。また、３０質量％を超えて高濃度となるにしたがって原料の攪拌が困難になり、生産性が低下するという問題が発生する。

併行糖化発酵で使用するセルロース分解酵素は、セロビオヒドロラーゼ活性、エンドグルカナーゼ活性、ベータグルコシダーゼ活性を有する、所謂セルラーゼと総称される酵素である。
各セルロース分解酵素は、夫々の活性を有する酵素を適宜の量で添加しても良いが、市販されているセルラーゼ製剤は、上記の各種のセルラーゼ活性を有すると同時に、ヘミセルラーゼ活性も有しているものが多いので市販のセルラーゼ製剤を用いれば良い。

市販のセルラーゼ製剤としては、トリコデルマ（Ｔｒｉｃｈｏｄｅｒｍａ）属、アクレモニウム（Ａｃｒｅｍｏｎｉｕｍ）属、アスペルギルス（Ａｓｐｅｒｇｉｌｌｕｓ）属、ファネロケエテ（Ｐｈａｎｅｒｏｃｈａｅｔｅ）属、トラメテス（Ｔｒａｍｅｔｅｓ）属、フーミコラ（Ｈｕｍｉｃｏｌａ）属、バチルス（Ｂａｃｉｌｌｕｓ）属などに由来するセルラーゼ製剤がある。このようなセルラーゼ製剤の市販品としては、全て商品名で、例えば、セルロイシンＴ２（エイチピィアイ社製）、メイセラーゼ（明治製菓社製）、ノボザイム１８８（ノボザイム社製）、マルティフェクトＣＸ１０Ｌ（ジェネンコア社製）、ＧＣ２２０（ジェネンコア社製）等が挙げられる。
原料固形分１００質量部に対するセルラーゼ製剤の使用量は、０．５〜１００質量部が好ましく、１〜５０質量部が特に好ましい。

併行糖化発酵工程での反応液のｐＨは３．５〜１０．０の範囲に維持することが好ましく、４．０〜７．５の範囲に維持することがより好ましい。

併行糖化発酵工程での反応液の温度は、酵素の至適温度の範囲内であれば特に制限はなく、２５〜５０℃が好ましく、３０〜４０℃がさらに好ましい。反応は、連続式が好ましいが、セミバッチ式、バッチ式でも良い。反応時間は、酵素濃度によっても異なるが、バッチ式の場合は１０〜２４０時間、さらに好ましくは１５〜１６０時間である。連続式の場合も、平均滞留時間が、１０〜１５０時間、さらに好ましくは１５〜１００時間である。

併行糖化発酵工程では、糖類（六炭糖、五炭糖）が発酵できる発酵微生物を用いる。発酵微生物としては、サッカロマイセス・セラビシエ（Ｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ ｃｅｒｅｖｉｓｉａｅ）、ピキア・スティピティス（Ｐｉｃｈｉａ ｓｔｉｐｉｔｉｓ）、キャンディダ・シハタエ（Ｃａｎｄｉｄａ ｓｈｉｈａｔａｅ）、パチソレン・タノフィルス（Ｐａｃｈｙｓｏｌｅｎ ｔａｎｎｏｐｈｉｌｕｓ）、イサチェンキア・オリエンタリス（Ｉｓsａｔｃｈｅｎｋｉa ｏｒｉｅｎｔaｌｉｓ）等の酵母やザイモモナス・モビリス（Ｚｙｍｏｍｏｎａｓ ｍｏｂｉｌｉｓ）等の細菌が挙げられる。また、遺伝子組換技術を用いて作製した遺伝子組換微生物（酵母、細菌等）を用いることもできる。遺伝子組換微生物としては、六炭糖と五炭糖を同時に発酵できる微生物を特に制限なく用いることができる。

微生物は固定化しておいても良い。微生物を固定化しておくと、次工程で微生物を分離して再回収する工程を省くことができるため、少なくとも回収工程に要する負担を軽減することができ、微生物のロスが軽減できるというメリットがある。また、凝集性のある微生物を選択することにより微生物の回収を容易にすることができる。

本発明では、図１に示すように併行糖化発酵槽ＢＲ１の原料供給口１から原料（原料懸濁液）が連続的に供給される。供給された原料懸濁液は、併行糖化発酵槽ＢＲ１を移動しながら併行糖化発酵処理されて排出口２から連続的に排出される。一方、排出口２とは別の位置に設置された取出口３から原料（固形分）が除去された培養液（液体分）が取り出され、供給口４からイオン交換塔Ｉ内へ供給される。培養液に含まれる酢酸は、イオン交換塔Ｉ内のイオン交換樹脂に吸着し培養液から除去される。イオン交換塔Ｉの排出口５から排出された培養液は併行糖化発酵槽ＢＲ１の培養液供給口６から供給され、連続的に循環される。取出口３から取り出す培養液の流量（容量／時間）は、排出口２から排出される流量（容量／時間）に対して０．５〜１０倍が好ましく、１〜１０倍がさらに好ましい。

前記併行糖化発酵槽ＢＲ１内の培養液に含まれる酢酸をイオン交換塔Ｉに連続的に循環させることにより、併行糖化発酵槽ＢＲ１の排出口２から排出される原料懸濁液に含まれる酢酸濃度を１．０質量％以下になるように制御する。排出口２から排出される原料懸濁液に含まれる酢酸濃度を１．０質量％以下に制御することにより、エタノール生産効率を高く維持することができる。

併行糖化発酵槽ＢＲ１の取出口３と培養液供給口６を設置する位置は併行糖化発酵槽ＢＲ１内の培養液に含まれる酢酸が効率的に除去できれば、特に制限なく併行糖化発酵槽ＢＲ１のどこの位置でも設置することができる。

併行糖化発酵槽ＢＲ１の取出口３には原料（固形分）と処理液（液体分）を分離するための固液分離装置を備え付けても良い。固液分離装置を備え付けることにより、処理液のみ取り出してイオン交換塔Ｉへ移送することができる。

前記固液分離装置としては、メッシュ（網目）が１０μｍ〜５ｃｍの範囲のストレーナーやフィルターが採用される。ストレーナーとしては、目詰まりのトラブルの回避と分離される水溶液中への懸濁物質の随伴を極力避けるために４０〜５００μｍの範囲のストレーナーが好適に採用される。

また、取出口３から原料懸濁液を取出した後に遠心分離機、フィルタープレス、ベルトプレス、ロータリープレス等の固液分離工程により、原料（固形分）と処理液（液体分）に分離し、処理液をイオン交換塔Ｉへ移送することもできる。

前記イオン交換塔Ｉは、複数個を並列、あるいは直列に設置することもできる。複数個を並列に設置する場合は、前記取出口３及び培養液供給口を独立に複数個設置しても良い。

前記イオン交換樹脂としては、酢酸を吸着できる樹脂であれば特に制限なく用いることができる。前記樹脂として、アンバーライトＩＲＡ−９６ＳＢ、アンバーライトＩＲＡ―４１０、アンバーライトＩＲ−４５、ダイヤイオンＷＡ２１、ダイヤイオンＷＡ３０等を用いるのが好ましい。

前記イオン交換樹脂を必要に応じて水で洗浄することができるし、前記イオン交換樹脂に吸着した酢酸を遊離させて回収することができる。酢酸を遊離させる方法としては、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム等のアルカリを含む水溶液、塩酸、硫酸等の酸を含む水溶液等を含む水溶液や二酸化炭素等を用いて遊離させる方法が挙げられるが、樹脂に吸着している酢酸を遊離し回収できる方法であれば制限なく用いることができる。

＜固液分離工程＞
併行糖化発酵工程（併行糖化発酵槽ＢＲ１の排出口２）から排出された原料懸濁液は、固液分離装置へ移送し液体分（濾液）と固形分（残渣）に分離することができる。固液分離を行う装置としては、スクリュープレス、スクリーン、フィルタープレス、ベルトプレス、ロータリープレス等を用いることができる。スクリーンとしては、振動装置が付加された振動スクリーンなどを用いることができる。
回収された固形分（残渣）は糖化工程又は併行糖化発酵工程へ移送し糖化又は糖化発酵の原料として用いることもできる。

固液分離工程で分離された液体分は、蒸留工程へ移送し減圧蒸留装置により発酵生成物（エタノール等）を蒸留分離することができる。減圧下では低い温度で発酵生成物を分離できるため、酵素の失活を防ぐことができる。減圧蒸留装置としては、ロータリーエバポレーター、フラッシュエバポレーターなどを用いることができる。
蒸留温度は２５〜６０℃が好ましい。２５℃未満であると、生成物の蒸留に時間がかかって生産性が低下する。また、６０℃より高いと、酵素が熱変性して失活してしまい、新たに追加する酵素量が増加するため経済性が悪くなる。
蒸留後の蒸留残渣留分中に残る発酵生成物濃度は０．１質量％以下であることが好ましい。このような濃度にすることによって、後段の固液分離工程において固形物とともに排出される発酵生成物量を低減することができ、収率を向上させることができる。

蒸留後の発酵生成物（エタノール等）を分離した後の蒸留残液は、残渣分離工程へ移送し液体留分と残渣に分離することができる。残渣分離工程で分離された液体留分には酵素が含まれており併行糖化発酵槽ＢＲ１に循環することができる。また、二次併行糖化発酵工程（前記、一次併行糖化発酵工程とは異なる併行糖化発酵工程）へ移送することもできる。二次併行糖化発酵工程では、新しいリグノセルロース原料を添加して糖化発酵させることもできるし、キシロース等の五炭糖の発酵を目的とした発酵を行うこともできる。

残渣分離工程で分離された残渣には、酵素、リグニン、発酵微生物が含まれている。リグニンは、燃焼原料として回収しエネルギーとして利用することもできるし、リグニンを回収し有効利用することもできる。また、発酵微生物（酵母など）を残渣から分離して、併行糖化発酵工程で再利用することもできる。また、残渣には酵素が吸着しているため、残渣（残渣懸濁液）に水溶性塩類を添加し、残渣から酵素を遊離させて酵素を回収し、回収した酵素を工程内で再利用することもできる。

二次併行糖化発酵を行う場合、二次併行糖化発酵で生成された発酵生成物を回収するために、二次併行糖化発酵工程の後に蒸留工程を設置しても良い。また、二次併行糖化発酵槽から排出された培養液に含まれる残渣を除去するために、二次併行糖化発酵工程の後に固液分離を行って残渣を除去することもできる。

次に実施例を示して本発明を更に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例等によって限定されるものではない。

［実験例１］
［前処理］
チップ状のユーカリ・グロブラスの林地残材（樹皮７０％、枝葉３０％）を２０ｍｍの丸孔スクリーンを取り付けた一軸破砕機（西邦機工社製、ＳＣ−１５）で破砕し原料として用いた。
上記原料１ｋｇ（絶乾重量）に対して９７％亜硫酸ナトリウム２００ｇ及び水酸化ナトリウム１０ｇを添加後、水を添加し水溶液の容量を８Lに調製した。前記原料懸濁液を混合後、１７０℃で１時間加熱した。加熱処理後の原料懸濁液をレファイナー（熊谷理器工業製、ＫＲＫ高濃度ディスクレファイナー）でディスク（プレート）のクリアランスを１．０ｍｍし磨砕した。次に２０メッシュ（８４７μm）のスクリーンを用いて磨砕処理後の原料懸濁液を固液分離（脱水）することにより溶液の電気伝導度が３０μＳ／ｃｍになるまで水で洗浄した。固液分離後の固形分を原料として併行糖化発酵を行った。

図１に示す製造フローで実施した。

［併行糖化発酵］
予め、液体培地（グルコース３０ｇ／Ｌ、ポリペプトン５ｇ／Ｌ、酵母エキス３ｇ／Ｌ、麦芽エキス３ｇ／Ｌ、ｐＨ５．６）５０Ｌで酵母としてＳａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ ｃｅｒｅｖｉｓｉａｅ （市販酵母、商品名：商品名：Ｍａｕｒｉｖｉｎ: Ｍａｕｒｉ Ｙｅａｓｔ Ａｕｓｔｒａｌｉａ Ｐｔｙ Ｌｉｍｉｔｅｄ）を３０℃で２４時間培養した。
図１に示す糖化発酵槽ＢＲ１にポリペプトン５ｇ／Ｌ、酵母エキス３ｇ／Ｌ、麦芽エキス３ｇ／Ｌとなるように各々を添加後，水を添加し最終容量を０．８ｍ^３に調整した。酵母菌体を含む培養液を糖化発酵槽ＢＲ１に添加し２４時間培養した。酵母の密度が、１ｘ１０^８／ｍｌに増殖した時点で、市販セルラーゼ溶液（Ａｃｃｅｌｌｅｒａｓｅ ＤＵＥＴ、ジェネンコア社製）５０Ｌ、及び原料１００ｋｇ（乾燥重量）を糖化発酵槽ＢＲ１に添加した。次に、糖化発酵槽ＢＲ１に水を添加し培養液の最終容量を１ｍ^３に調製した。培養液のｐＨを５．０に調整し３０℃で一次併行糖化発酵を開始した。糖化発酵槽ＢＲ１内での培養液の滞留時間（原料懸濁液が糖化発酵槽ＢＲ１を通過する時間：糖化発酵槽ＢＲ１の容量／流速）を２０時間に設定し糖化発酵行った。すなわち、糖化発酵を開始した時点から、固形分濃度（乾燥重量当たり）が１０質量％の原料懸濁液（原料を水に懸濁）を流速５０Ｌ／ｈで糖化発酵槽ＢＲ１の原料供給口１から連続的に添加した。一方、原料供給開始と同時に糖化発酵槽ＢＲ１の培養液排出口２より原料懸濁液を５０Ｌ／ｈで排出した。また、前記セルラーゼ溶液を２．５Ｌ／ｈで培養槽ＢＲ１に連続的に添加した。
図１に示すように、一次併行糖化発酵の開始と同時に糖化発酵槽ＢＲ１内の培養液を目開き８０μｍのステンレス製金網を通過させてイオン交換塔供給口３から連続的に４００Ｌ／ｈでイオン交換塔Ｉ（弱塩基性陰イオン交換樹脂：アンバーライトＩＲＡ−９６ＳＢ）へ供給し、排出口４から排出された培養液を連続的に糖化発酵槽ＢＲ１に供給し循環させた。
尚、連続運転中に糖化発酵槽ＢＲ１内の培養液の容量が減少した場合、自動的に培地を添加することにより培養液の最終容量を１ｍ^３に維持した。培養中の培養液のｐＨを５．０に維持した。
併行糖化発酵を開始してから５０時間後（定常運転になった時点）で糖化発酵槽ＢＲ１の培養液排出口２から排出される培養液を遠心分離（５０００ｒｐｍ、２０分間）し、上澄液に含まれるエタノール濃度をグルコースセンサー（王子計測機器製ＢＦ−４００型）で測定した。結果を表１に示す。

［実験例２］
実験例１において、糖化発酵槽ＢＲ１内の培養液をイオン交換塔供給口３から連続的に３５０Ｌ／ｈでイオン交換塔Ｉ（アンバーライトＩＲＡ−９６ＳＢ）へ供給した。それ以外の操作は、全て実験例１と同様の方法で行った。結果を表１に示す。

［実験例３］
実験例１において、糖化発酵槽ＢＲ１内の培養液をイオン交換塔供給口３から連続的に３００Ｌ／ｈでイオン交換塔Ｉ（アンバーライトＩＲＡ−９６ＳＢ）へ供給した。それ以外の操作は、全て実験例１と同様の方法で行った。結果を表１に示す。

［実験例４］
実験例１において、糖化発酵槽ＢＲ１内の培養液をイオン交換塔供給口３から連続的に２５０Ｌ／ｈでイオン交換塔Ｉ（アンバーライトＩＲＡ−９６ＳＢ）へ供給した。それ以外の操作は、全て実験例１と同様の方法で行った。結果を表１に示す。

［実験例５］
実験例１において、糖化発酵槽ＢＲ１内の培養液をイオン交換塔供給口３から連続的に２００Ｌ／ｈでイオン交換塔Ｉ（アンバーライトＩＲＡ−９６ＳＢ）へ供給した。それ以外の操作は、全て実験例１と同様の方法で行った。結果を表１に示す。

［実験例６］
実験例１において、糖化発酵槽ＢＲ１内の培養液をイオン交換塔供給口３から連続的に１５０Ｌ／ｈでイオン交換塔Ｉ（アンバーライトＩＲＡ−９６ＳＢ）へ供給した。それ以外の操作は、全て実験例１と同様の方法で行った。結果を表１に示す。

［実験例７］
実験例１において、糖化発酵槽ＢＲ１内の培養液をイオン交換塔供給口３から連続的に１００Ｌ／ｈでイオン交換塔Ｉ（アンバーライトＩＲＡ−９６ＳＢ）へ供給した。それ以外の操作は、全て実験例１と同様の方法で行った。結果を表１に示す。

［実験例８］
実験例１において、糖化発酵槽ＢＲ１内の培養液をイオン交換塔供給口３から連続的に７５Ｌ／ｈでイオン交換塔Ｉ（アンバーライトＩＲＡ−９６ＳＢ）へ供給した。それ以外の操作は、全て実験例１と同様の方法で行った。結果を表１に示す。

［実験例９］
実験例１において、糖化発酵槽ＢＲ１内の培養液をイオン交換塔供給口３から連続的に５０Ｌ／ｈでイオン交換塔Ｉ（アンバーライトＩＲＡ−９６ＳＢ）へ供給した。それ以外の操作は、全て実験例１と同様の方法で行った。結果を表１に示す。

［実験例１０］
実験例１において、糖化発酵槽ＢＲ１内の培養液をイオン交換塔供給口３から連続的に２５Ｌ／ｈでイオン交換塔Ｉ（アンバーライトＩＲＡ−９６ＳＢ）へ供給した。それ以外の操作は、全て実験例１と同様の方法で行った。結果を表１に示す。

［実験例１１］
実験例１において、糖化発酵槽ＢＲ１内の培養液をイオン交換塔Ｉ（アンバーライトＩＲＡ−９６ＳＢ）へ供給しない試験を実験例１４とした。結果を表１に示す。

表１に示すように、糖化発酵槽ＢＲ１から排出される培養液に含まれる酢酸濃度が低いほどエタノール生産量が高かった。糖化発酵槽ＢＲ１から排出される培養液の酢酸濃度が０〜１．０１質量％（実験例１〜９）では、酢酸濃度０．８５質量％（実験例１０）及び酢酸濃度０．２１質量％（実験例１１）と比較し、エタノール生産量が高かった。
以上の結果から、糖化発酵槽ＢＲ１から排出される培養液に含まれる酢酸濃度を制御することにより効率的なエタノール生産が可能になることが判明した。

本発明により、効率的なエタノール生産が可能となる。

１：原料供給口
２：併行糖化発酵槽排出口
３：併行糖化発酵槽取出口
４：イオン交換塔供給口
５：イオン交換塔排出口
６：培養液供給口
ＢＲ１：併行糖化発酵槽
Ｉ：イオン交換塔

Claims (1)

1. リグノセルロース原料を含む原料懸濁液を酵素糖化と発酵を同時に行う併行糖化発酵処理で用いる培養槽の供給口より連続的に供給して培養槽内を移動させつつ糖化発酵処理し、前記糖化発酵処理した原料懸濁液を培養槽の排出口より連続的に排出するとともに、前記排出口とは異なる位置に設置された取出口より培養槽内の原料懸濁液から分離した処理液を取り出し、取り出した処理液をイオン交換樹脂に通液し、通液した後の処理液を前記培養槽に供給し循環させることによりリグノセルロース系原料からエタノールを製造する方法において、前記培養槽の排出口から排出される原料懸濁液に含まれる酢酸濃度を１．０質量％以下になるように維持することを特徴とするリグノセルロース系原料からのエタノール製造方法。

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