JP2015012857A - バイオマス原料からのエタノール製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】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、エタノール製造工程で発生する雑菌の増殖を簡易な方法で効率的に抑制することにより生産性の高いエタノール製造方法を提供すること。【解決手段】バイオマス原料を糖化発酵処理する工程で用いる培養槽内の培養液に、少なくとも１種類以上の殺菌剤を添加してエタノールを生産する、バイオマス原料からのエタノール製造方法。【選択図】なし

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エタノールを製造する方法において問題となる工程内で発生する雑菌の汚染を抑制し、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。植物系バイオマスに含まれる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。これらの六炭糖や五炭糖は酵母により資化されてエタノールに変換される。

エタノール製造工程へ供給する原料、培地成分、水、酵素、酵母などには雑菌が含まれている場合があるため、製造工程に供給する前に可能な限り雑菌を除去しておくことが望ましい。エタノールを連続的に製造する工程において、製造中に工程内で雑菌が増殖すると酵母の生育が抑制されてエタノール生産性が低下する。従って、連続的なエタノール製造工程において、雑菌汚染を簡易な方法で効率良く抑制することはエタノール生産性を高める上で重要な課題である。

前記問題を解決するために、糖質原料からエタノールを製造する方法において、酸性電解水を用いて雑菌の増殖を抑制する方法が報告されている(特許文献１)。また、果物の脱汁液からエタノールを製造する方法において、酸性物質を用いて雑菌の増殖を抑制する方法が報告されている(特許文献２)。しかし、前記方法では、培養液のpＨを酸性にする必要があるため酵素の作用や酵母の生育に適した培養条件で培養することができないという問題がある。また、培養装置だけでなく製造ライン（配管）等を含む工程全体の雑菌抑制を目的とした方法としては効果が不十分であることが懸念される。従って、連続的にエタノールを製造する工程において、培養槽だけでなくラインも含む工程全体の雑菌の増殖を抑制し、仮に連続運転の途中で外部から雑菌が混入したとしても混入した雑菌の増殖を簡易な方法で効率的に抑制する方法の開発が望まれている。

特許文献３には、Aspergillus属に属する微生物に由来するβ-グルコシダーゼ遺伝子が導入されたTrichoderma属に属する微生物の形質転換体が生産する糖化酵素でセルロース系バイオマスを糖化することが記載されている。特許文献３には、セルロース系バイオマスからの糖の製造方法における糖化反応において雑菌汚染を防止する目的でアジ化ナトリウムなどの殺菌剤を添加してもよいことが記載されている。

特開２００９−２６１３７７号公報 特開２０１１−１６７１６４号公報 特開２０１２−１６３２９号公報

本発明の課題は、生産性の高いエタノール製造方法を提供することである。特に、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、エタノール製造工程（培養槽等の装置やラインを含む全工程）で発生する雑菌の増殖を簡易な方法で効率的に抑制することである。

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。その結果、バイオマス原料を糖化発酵処理する工程で用いる培養液に１種類以上の殺菌剤を添加してエタノールを生産することによりエタノール製造工程（培養槽等の装置やラインを含む全工程）で発生する雑菌の増殖を効率良く抑制できることを見出した。本発明は、これらの知見に基づいて完成したものである。

（１） バイオマス原料を糖化発酵処理する工程で用いる培養槽内の培養液に、少なくとも１種類以上の殺菌剤を添加してエタノールを生産する、バイオマス原料からのエタノール製造方法。
（２） バイオマス原料を糖化発酵処理する工程が、併行糖化発酵処理工程である、（１）に記載のバイオマス原料からのエタノール製造方法。
（３） 前記殺菌剤がエタノールである、（１）又は（２）に記載のバイオマス原料からのエタノール製造方法。

（４） 前記殺菌剤として用いるエタノールが、糖化発酵工程から排出される処理懸濁液から分離されたエタノールである、（３）に記載のバイオマス原料からのエタノール製造方法。
（５） 糖化発酵工程から排出される処理懸濁液から分離されたエタノールが、糖化発酵工程から出る処理懸濁液を固液分離装置により残渣と液体留分に分離し、前記液体留分から分離されたエタノールである、（４）に記載のバイオマス原料からのエタノール製造方法。
（６） 培養槽内の培養液にエタノールを添加した場合の前記培養液中のエタノール濃度が３．０〜６．０質量％に維持される、（３）から（５）のいずれかに記載のバイオマス原料からのエタノール製造方法。

（７）（ａ）バイオマス原料を糖化発酵処理する糖化発酵処理工程、
（ｂ）前記糖化発酵処理工程で得られた培養液を固液分離に供する固液分離工程、
（ｃ）前記固液分離工程で分離された液体分からエタノールを分離して、エタノールを含む水溶液と濃縮液とに分離するエタノール分離工程、
（ｄ）前記エタノール分離工程で分離された濃縮液を遠心分離する遠心分離工程、及び
（ｅ）前記遠心分離工程で得られた液体留分を、糖化発酵工程へ供する工程：
を含む、（１）から（６）の何れかに記載のバイオマス原料からのエタノール製造方法。

本発明により、リグノセルロース系原料からエタノールを製造する方法において、エタノール製造工程（培養槽等の装置やラインを含む全工程）で発生する雑菌の増殖を効率よく抑制することができ、エタノール生産効率を高めることが可能となる。

本発明のリグノセルロース系原料からのエタノールの製造工程の一例を示す図である。

１ 原料供給口
２ 一次併行糖化発酵槽排出口
３ エタノール移送ライン
４ 固液分離後液体分移送ライン
５ 濃縮液移送ライン
６ 遠心分離後液体分移送ライン
ＢＲ１ 一次併行糖化発酵槽
Ｓ 固液分離装置
ＥＶ 減圧蒸留装置
Ｃ１ 一次遠心分離機
Ｔ 培養液保管タンク

以下、本発明をさらに詳しく説明する。なお、本明細書に記載される材料、方法及び数値範囲などの説明は、当該材料、方法及び数値範囲などに限定することを意図したものではなく、また、それ以外の材料、方法及び数値範囲などの使用を除外するものでもない。

＜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、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る。また、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、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）、樹皮が原料として好ましい。例えば、製紙原料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好ましい。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、ボールミル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工程や洗浄した原料に含まれる水を脱水するための脱水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、原料に洗浄水を供給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洗浄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、破砕や磨砕等の機械的処理に要する消費電力が増加したり、機械的処理で用いるレファイナーのディスク（プレート）等の装置の部品を破損させる可能性がある。また、異物が原因となって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、洗浄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ことが好ましい。化学的処理としては、アルカリ薬品、又は、亜硫酸ナトリウムと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。アルカリ薬品としては、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を使用できる。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ができる。これにより、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。

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、糖化発酵工程へ供給される。

＜糖化発酵工程＞
本発明において、糖化発酵工程は、糖化と発酵とを別々に逐次的に行ってもよいし、糖化と発酵とを併行して行ってもよいが、好ましくは糖化と発酵とを併行して行う併行糖化発酵工程である。

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、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、生成された糖が酵母によりエタノールに発酵される。

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。

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。セルラーゼ製剤の市販品としては商品名でセルロイシン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。

糖化発酵工程での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。
糖化発酵工程の温度は、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。

糖化発酵工程の滞留時間は、３〜１００時間が好ましく、５〜５０時間さらに好ましい。

糖化発酵工程では、サッカロマイセス・セラビシエ（Ｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ ｃｅｒｅｖｉｓｉａｅ）等を用いることができる。また、遺伝子組換技術を用いて作製した遺伝子組換酵母を用いることができる。遺伝子組換酵母としては、六炭糖と五炭糖を同時に発酵できる酵母、等を特に制限なく用いることができる。酵母は、培地などと同時に添加しても良い。

また、微生物は固定化しておいてもよい。微生物を固定化しておくと、次工程に微生物を液と共に送り出して再回収する工程を省くことができるか、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るし、微生物をロスするリスクを軽減することもできる。また、微生物を固定化するほどでのメリットはないが、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、酵素糖化処理工程内に電解質として水溶性塩を添加することができる。酵素糖化処理工程において、電解質を原料懸濁液に添加し原料懸濁液の電気伝導度を５〜２５ｍＳ／ｃｍの範囲に維持することが好ましい。電気伝導度を５〜２５ｍＳ／ｃｍの範囲に維持することによりリグノセルロース原料の未反応成分や反応残渣等への酵素の吸着が抑制されるため、酵素糖化処理工程内における酵素の循環率が長期にわたって高い水準に維持することができる。酵素糖化処理工程内において、操作上、電解質を添加することが可能な工程であれば、いずれの工程においても制限なく電解質を添加することができる。糖化発酵工程内で添加することが操作が容易なため望ましい。

水溶性塩としては、アルカリ金属塩及びアルカリ土類金属塩から選ばれる塩類が好ましい。アルカリ金属塩及びアルカリ土類金属塩としては、アルカリ金属やアルカリ土類金属の水溶性塩が挙げられる。上記水溶性塩としては、ハロゲン化物、硫酸塩、亜硫酸塩、チオ硫酸塩、炭酸塩、炭酸水素塩、リン酸塩、リン酸二水素塩、リン酸水素二塩、酢酸塩、クエン酸塩からなる群から選ばれるものが挙げられる。

＜殺菌剤＞
本発明においては、バイオマス原料を糖化発酵処理する工程で用いる培養槽内の培養液に、少なくとも１種類以上の殺菌剤を添加してエタノールを生産する。
糖化発酵工程が、併行糖化発酵工程である場合には、併行糖化発酵工程を行う培養槽内の培養液に、少なくとも１種類以上の殺菌剤を添加すればよい。また、糖化発酵工程において、糖化と発酵とを別々に逐次的に行う場合には、糖化を行う槽内の液と、発酵を行う培養槽内の培養液との両方に、少なくとも１種類以上の殺菌剤を添加する。

殺菌剤の種類は、効率よく雑菌の増殖を抑制し、かつエタノールを効率的に生産することができるものであれば特に限定されず、任意の殺菌剤を使用することができる。殺菌剤としては、合成殺菌剤（抗生物質も含む）、天然物由来殺菌剤、アルコール系殺菌剤、有機酸等が挙げられる。合成抗菌剤としては、ヒノキチオール、トリクロサン、ラクトール、テトラサイクリン、アンピシリン、ストレプトマイシン、ペニシリン、ベンジルペニシリンカリウム、ゲンタマイシン等が挙げられる。天然物由来殺菌剤としては、植物抽出物、キトサン等が挙げられる。アルコール系殺菌剤としては、例えば、メタノール、エタノール、又は２−プロパノール等を使用することができる。上記の中でも、エタノールを使用することが特に好ましい。なお、殺菌剤としてエタノールを使用する場合には、後述するエタノール分離工程で得られるエタノールを使用することもできる。有機酸としては、乳酸、酢酸等を用いることができる。

殺菌剤の添加量は使用する殺菌剤の種類に応じて適宜設定される。殺菌剤としてエタノールなどのアルコールを使用する場合、培養液中のアルコール濃度（好ましくはエタノール濃度）は特に限定されないが、好ましくは３．０〜６．０質量％に維持される。アルコール（好ましくはエタノール）濃度が３質量％未満では雑菌の増殖抑制効果が低く、アルコール（好ましくはエタノール）濃度が６質量％を超えると酵母の生育に影響を及ぼすため好ましくない。合成抗菌剤を用いる場合、合成抗菌剤の濃度は特に限定されないが、好ましくは０．０１〜１０００ｐｐｍ、さらに好ましくは、０．１〜１００ｐｐｍに維持される。

＜固液分離工程＞
糖化発酵工程から排出された培養液は、固液分離工程へ移送され、液体分（濾液）と固形分（残渣）に分離される。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、糖化発酵工程へ移送し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（濾液）はエタノール分離工程へ移送される。

＜エタノール分離工程＞
エタノール分離工程では、前記固液分離工程で分離された液体分からエタノールを分離できる装置であれば特に制限なく用いることができる。エタノール分離工程で用いる装置としては、減圧蒸留装置、分離膜、限外濾過膜などの装置を用いることができる。

減圧蒸留装置は、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。設置する蒸留装置の数は特に制限なく複数設置することができる。

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。

減圧蒸留装置へ供給する液体分（濾液）の供給量は、２０〜１０００Ｌ／時間が好ましく、５０〜５００Ｌ／時間がさらに好ましい。

エタノール分離工程により、エタノールを含む水溶液と濃縮液（エタノールを除去した水溶液）とに分離されることになる。

本発明の好ましい態様においては、エタノール分離工程により分離されたエタノールを、前記した殺菌剤として使用することができる。この場合、エタノール分離工程により分離されたエタノールの一部が、バイオマス原料を糖化発酵処理する工程で用いる培養槽内に殺菌剤として添加される。

＜遠心分離工程＞
前記の濃縮液（蒸留残液）は、遠心分離工程へ移送され残留している残渣を遠心分離によって除去した後、液体留分は前記の糖化発酵工程へ移送される。遠心分離後の残渣には、酵素、リグニン、酵母が含まれている。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、酵母を残渣から分離して、糖化発酵工程で再利用することもできる。

前記遠心分離後の液体留分は、上記した糖化発酵工程へ移送され工程内を循環し、効率的に培養槽等の装置や移送ラインで発生する雑菌の増殖を抑制することができる。遠心分離後の液体留分は、培養液保管タンクを設置し、培養液保管タンクを経由して前記の糖化発酵槽へ移送しても良い。

また、前記遠心分離後の液体留分は、二次糖化発酵工程［前記した糖化発酵（以下、これを一次糖化発酵とも称する）工程とは異なる第２の糖化発酵工程］へ移送することもできる。二次糖化発酵工程では、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ができる。

二次糖化発酵工程は、糖化と発酵とを別々に逐次的に行ってもよいし、糖化と発酵とを併行して行ってもよいが、好ましくは糖化と発酵とを併行して行う併行糖化発酵工程である。

二次糖化発酵槽へ移送する場合は、二次糖化発酵槽から排出された培養液（新たに生成された発酵生成物、酵素、五炭糖発酵酵母が含まれる）を一次糖化発酵槽へ移送し、工程内を循環させる。二次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、二次糖化発酵工程の後に遠心分離で残渣を除去してもよい。また、二次糖化発酵工程から排出された培養液を保管するためのタンクを設置し、タンクを経由して一次糖化発酵槽へ移送してもよい。

本発明によるバイオマス原料からのエタノール製造方法は、例えば、図１に示す製造工程で行うことができるが、本発明の方法は特に図１の態様に限定されるわけではない。
図１において、バイオマス原料は先ず、原料供給口１から一次併行糖化発酵槽ＢＲ１に投入され、併行糖化発酵処理に供される。一次併行糖化発酵槽ＢＲ１の培養液は、一次併行糖化発酵槽排出口２から排出されて、固液分離装置Ｓへと移送され、液体分（濾液）と固形分（残渣）に分離される。液体分（濾液）は、固液分離後液体分移送ライン４を経て、減圧蒸留装置ＥＶへと移送される。蒸留装置ＥＶにおいて、前記液体分（濾液）は、エタノールを含む水溶液と濃縮液（エタノールを除去した水溶液）とに分離される。

蒸留装置ＥＶにおいて分離されたエタノールの一部は、エタノール移送ライン３を経て、殺菌剤として一次併行糖化発酵槽ＢＲ１へと移送される。この際、一次併行糖化発酵槽ＢＲ１内の培養液中のエタノール濃度が３．０〜６．０質量％に維持されることが好ましい。これにより、酵母以外の雑菌の増殖を効率的に抑制するこができる。

蒸留装置ＥＶにおいて分離された濃縮液は、濃縮液移送ライン５を経て、一次遠心分離機Ｃ１へ移送される。一次遠心分離機Ｃ１において、残渣は遠心分離によって除去され、液体留分は、遠心分離後液体分移送ライン６を経て、培養液保管タンクＴへ移送される。培養液保管タンクＴ中の培養液は、再度、一次併行糖化発酵槽ＢＲ１に戻される。

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によって限定されるものではない。

［実施例１]
図１に示す製造工程で試験を実施した。
［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１００ｋｇ（絶乾重量）に対して９７％亜硫酸ナトリウム２０ｋｇ及び水酸化ナトリウム１ｋｇを添加後、水を添加し水溶液の容量を１ｍ³に調整した。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に設定し磨砕した。次に２０メッシュ（８４７μm）のスクリーンを用いて固液分離（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。固液分離後の固形物（前処理物）を原料として糖化発酵工程に供した。

［一次併行糖化発酵］
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で酵母を３０℃で２４時間培養した。酵母としては、Ｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ ｃｅｒｅｖｉｓｉａｅ （市販酵母、商品名：商品名：Ｍａｕｒｉｖｉｎ: Ｍａｕｒｉ Ｙｅａｓｔ Ａｕｓｔｒａｌｉａ Ｐｔｙ Ｌｉｍｉｔｅｄ）を使用した。

一次併行糖化発酵槽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０．８ｍ³に調整した。酵母菌体を含む培養液を発酵槽に添加し２４時間培養した。酵母の密度が、１ｘ１０⁸／ｍｌに増殖した時点で、市販セルラーゼ（Ａｃｃｅｌｌｅｒａｓｅ ＤＵＥＴ、ジェネンコア社製）５０Ｌを一次併行糖化発酵槽ＢＲ１に添加後、原料１００ｋｇ（乾燥重量）を添加した。次に、エタノール５０Ｌを添加後、水を添加し培養液の最終容量を１ｍ³に調整した。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。培養液の培養槽内での滞留時間（原料懸濁液が培養層を通過する時間：培養槽の容量／流速）を１０時間で糖化発酵行った。すなわち、糖化発酵を開始した時点から、原料懸濁液（原料濃度１０％：原料を水に懸濁）を流速１００Ｌ／ｈで発酵槽の原料供給口１から連続的に添加した。一方、原料供給開始と同時に、一次併行糖化発酵槽排出口２より１００Ｌ／ｈで排出し、固液分離工程へ移送した。尚、連続運転中に培養液が減少した場合、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１ｍ³に維持した。また、連続運転中、一次併行糖化発酵槽ＢＲ１内の培養液に含まれるエタノール濃度が５質量％未満になった場合、エタノール濃度が５質量％以上に維持されるように下記［エタノール蒸留］で製造されたエタノールの一部を一次併行糖化発酵槽ＢＲ１に添加した。培養液のｐＨを５．０に維持した。

［固液分離］
前記一次併行糖化発酵で得られた培養液を、固液分離装置Ｓ：スクリュープレス（富国工業株式会社製ＳＨＸ−２００ ｘ １５００Ｌ、スクリーンサイズ１．２ｍｍ）で固形分（残渣）と濾液を分離した。

［エタノール蒸留］
図１に示すように、前記固液分離後の濾液を減圧蒸留装置ＥＶ（エバポールＣＥＰ−１、大川原製作所）で蒸留温度：４０℃、加熱温度：８０℃でエタノールを含む水溶液と濃縮液に分離した。

［遠心分離］
減圧蒸留装置ＥＶから分離された濃縮培養液を一次遠心分離機Ｃ１［デカンタ式遠心機（ＩＨＩ製、ＨＳ−２０４Ｌ形）］で回転数４５００ｒｐｍ、差速５．０ｒｐｍで運転し、固形分（残渣）と濾液に分離した。濾液は、培養液保管タンクＴを経由して一次併行糖化発酵槽ＢＲ１へ移送し連続的に工程内を循環させた。

＜雑菌添加試験＞
モデル実験として、大腸菌を雑菌と仮定し、下記の方法で試験を実施した。
大腸菌（Ｅｓｃｈｅｒｉｃｈｉａ ｃｏｌｉ ＡＴＣＣ１１７７５）をＮｕｔｒｉｅｎｔ液体培地（ｐＨ７．０）で３７℃で２４時間培養した。
上記の一次併行糖化発酵を開始してから２４時間後に一次併行糖化発酵槽ＢＲ１に大腸菌の菌密度が１ｘ１０⁷／ｍｌとなるように添加した。
一次併行糖化発酵を開始してから４８時間後(定常運転になった状態)を０時間（スタート）として、４８時間後、一次併行糖化発酵槽排出口２から培養液を採取しエタノール濃度、酵母、及び大腸菌(雑菌)の菌密度を測定した。エタノール濃度はグルコースセンサー（王子計測機器製ＢＦ−４００型）で測定した。得られたエタノール濃度の値から、エタノール生産効率（１時間当たりに生産されるエタノール量）を求めた。結果を表１に示す。

［実施例２]
連続運転中、一次併行糖化発酵槽ＢＲ１内の培養液に含まれるエタノール濃度が３質量％以上に維持されるように［エタノール蒸留］で製造されたエタノールの一部を一次併行糖化発酵槽ＢＲ１に添加した以外は、全て実施例１と同様の方法で試験した。結果を表１に示す。

［実施例３]
以下の点以外は、全て実施例１と同様の方法で試験した。連続運転中、［エタノール蒸留］で製造されたエタノールの一部を一次併行糖化発酵槽ＢＲ１に添加せず、以下の殺菌剤を一次併行糖化発酵槽ＢＲ１に添加した。殺菌剤としては、ラクトロ−ル、テトラサイクリン、アンピシリン、ストレプトマイシン、ベンジルペニシリンカリウムを各１０ｐｐｍの濃度で一次併行糖化発酵槽ＢＲ１に添加した。結果を表１に示す。

［比較例１]
実施例１において、連続運転中、［エタノール蒸留］で製造されたエタノールの一部を一次併行糖化発酵槽ＢＲ１に添加しない試験を比較例１とした。結果を表１に示す。

表１に示すように、実施例１〜３では、エタノールを併行糖化発酵槽に添加しない試験（比較例１）と比較し、エタノールが効率的に生産できた。実施例１は一次併行糖化発酵槽ＢＲ１内の培養液のエタノール濃度を５質量％以上に維持した試験であり、実施例２は３質量％以上に維持した試験であり、実施例３は５種類の抗菌剤を各１０ｐｐｍの濃度で一次併行糖化発酵槽ＢＲ１に添加した試験である。

以上の結果から、蒸留装置で分離したエタノールを糖化発酵槽に添加し、糖化発酵槽内のエタノール濃度を３.０質量％以上に維持することにより、また、抗菌剤を添加することにより雑菌の繁殖を抑制できることが判明した。その結果として、高いエタノール生鮮効率が得られることが判明した。

本発明により、リグノセルロースからのエタノール製造方法工程において、効率よく雑菌の増殖を抑制し、エタノールを効率的に生産する方法が提供される。

Claims (7)

1. バイオマス原料を糖化発酵処理する工程で用いる培養槽内の培養液に、少なくとも１種類以上の殺菌剤を添加してエタノールを生産する、バイオマス原料からのエタノール製造方法。
2. バイオマス原料を糖化発酵処理する工程が、併行糖化発酵処理工程である、請求項１に記載のバイオマス原料からのエタノール製造方法。
3. 前記殺菌剤がエタノールである、請求項１又は２に記載のバイオマス原料からのエタノール製造方法。
4. 前記殺菌剤として用いるエタノールが、糖化発酵工程から排出される処理懸濁液から分離されたエタノールである、請求項３に記載のバイオマス原料からのエタノール製造方法。
5. 糖化発酵工程から排出される処理懸濁液から分離されたエタノールが、糖化発酵工程から出る処理懸濁液を固液分離装置により残渣と液体留分に分離し、前記液体留分から分離されたエタノールである、請求項４に記載のバイオマス原料からのエタノール製造方法。
6. 培養槽内の培養液にエタノールを添加した場合の前記培養液中のエタノール濃度が３．０〜６．０質量％に維持される、請求項３から５のいずれか１項に記載のバイオマス原料からのエタノール製造方法。
7. （ａ）バイオマス原料を糖化発酵処理する糖化発酵処理工程、
   （ｂ）前記糖化発酵処理工程で得られた培養液を固液分離に供する固液分離工程、
   （ｃ）前記固液分離工程で分離された液体分からエタノールを分離して、エタノールを含む水溶液と濃縮液とに分離するエタノール分離工程、
   （ｄ）前記エタノール分離工程で分離された濃縮液を遠心分離する遠心分離工程、及び
   （ｅ）前記遠心分離工程で得られた液体留分を、糖化発酵工程へ供する工程：
   を含む、請求項１から６の何れか１項に記載のバイオマス原料からのエタノール製造方法。

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