JP2017136016A - Ethanol production method - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide production methods of lignocellulose system biomass-derived compound which does not require a facility for removal treatment of fermentation inhibition substances, such as excess degradation products of a monosaccharide produced by water treatment before fermentation, particularly by a pretreatment with acid, alkali and the like, and organic acid and the like as by-products.SOLUTION: A production method comprises (A) mixing pretreated lignocellulose system biomass and an enzyme to saccharify; and (B) inoculating yeast to saccharified solution and saccharified residue obtained in the step (A) to ferment; further comprises (M) in accordance to the concentration of a fermentation inhibition substance in a liquid comprising the pretreated lignocellulose system biomass before the step (A) or in a saccharified solution obtained in the step (A), determining the bacterial cell concentration of the yeast in the step (B) so as to be a predetermined reference value that is a bacterial cell concentration of the yeast equal to or over the critical value of the bacterial cell concentration of the yeast what is not subjected to fermentation inhibition; and yeast is inoculated so as to enable the bacterial cell concentration to become that determined in the step (M), in the step (B).SELECTED DRAWING: None

Description

本発明は、リグノセルロース系バイオマス由来化合物の製造方法に関する。   The present invention relates to a method for producing a lignocellulosic biomass-derived compound.

近年、地球温暖化対策や、廃棄物の有効活用の観点から、植物資源を原料とするバイオマスの利用が注目されている。一般に、バイオマスからエタノール等の化合物を製造するための原料としては、サトウキビ等の糖質やトウモロコシ等のデンプン質が多く用いられている。しかしながら、これらの原料はもともと食料又は飼料として用いられており、長期的に工業用利用資源として活用することは、食料又は飼料用途との競合を引き起こし、原料価格の高騰を招く危険性がある。   In recent years, from the viewpoint of global warming countermeasures and effective utilization of waste, the use of biomass using plant resources as a raw material has attracted attention. In general, sugars such as sugar cane and starches such as corn are often used as raw materials for producing a compound such as ethanol from biomass. However, these raw materials are originally used as food or feed, and long-term utilization as industrial resources may cause competition with food or feed use and may cause a rise in raw material prices.

従って、非食用バイオマスをエネルギー資源として活用する技術開発が進められている。非食用バイオマスとしては、地球上に最も多く存在するセルロースがあげられるが、その大部分は芳香族ポリマーのリグニンやヘミセルロースとの複合体であるリグノセルロースとして存在する。   Therefore, technology development that uses non-edible biomass as an energy resource is being promoted. Non-edible biomass includes the most abundant cellulose on the earth, most of which exists as lignocellulose, which is a complex with the aromatic polymer lignin and hemicellulose.

リグノセルロース系バイオマスから目的の化合物を製造する方法としては、水熱処理等の前処理を行う。このとき、必要に応じて、適宜酸又はアルカリを混合させてもよい。前処理工程では、リグノセルロースを構成するヘミセルロースやリグニンといったポリマーを分解し、後工程におけるセルロースの反応性を向上させる。しかしながら、酸強度や温度条件が強すぎると、セルロースおよびヘミセルロースの分解で生成された単糖がさらに分解され、過分解物を生成してしまい、その後の発酵工程を阻害することが知られている。また、主にヘミセルロースが分解される際に副産物として、酢酸やギ酸などの有機酸が生成され、これらもその後の発酵工程を阻害することが知られている。   As a method for producing a target compound from lignocellulosic biomass, pretreatment such as hydrothermal treatment is performed. At this time, if necessary, an acid or an alkali may be mixed as appropriate. In the pretreatment process, polymers such as hemicellulose and lignin constituting lignocellulose are decomposed to improve the reactivity of cellulose in the subsequent process. However, it is known that if the acid strength and temperature conditions are too strong, the monosaccharides produced by the decomposition of cellulose and hemicellulose are further decomposed to produce a hyperdegradation product, which inhibits the subsequent fermentation process. . It is also known that organic acids such as acetic acid and formic acid are produced as by-products mainly when hemicellulose is decomposed, and these also inhibit the subsequent fermentation process.

特許文献1には、木質系炭化物により処理することで発酵阻害物質を除去する方法が開示されている。また、特許文献2には、ポリスチレン系の樹脂に吸着又は保持させることで、発酵阻害物質を除去する方法が開示されている。   Patent Document 1 discloses a method for removing a fermentation inhibitor by treating with a wood-based carbide. Patent Document 2 discloses a method of removing a fermentation inhibitor by adsorbing or holding a polystyrene resin.

特開2005−270056号公報JP 2005-270056 A 特開2011−78327号公報JP 2011-78327 A

特許文献1では、発酵阻害物質を除去する為に木質系炭化物および除去処理のための設備が必要となる。特許文献2では、発酵阻害物質を除去する為にポリスチレン系樹脂および除去処理のための設備が必要となる。さらに、ポリスチレン系樹脂の脱着処理(再生処理)を行うための設備が必要となる。   In patent document 1, in order to remove a fermentation inhibitor, the wood type carbide | carbonized_material and the installation for a removal process are needed. In patent document 2, in order to remove a fermentation inhibiting substance, the polystyrene-type resin and the installation for a removal process are needed. Furthermore, equipment for performing desorption treatment (regeneration treatment) of the polystyrene resin is required.

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、発酵阻害物質の存在下での、安定的で効率的なリグノセルロース系バイオマス由来化合物の製造方法を提供することを目的とする。   This invention is made | formed in view of the said situation, Comprising: It aims at providing the manufacturing method of a stable and efficient lignocellulosic biomass origin compound in presence of a fermentation inhibitory substance.

すなわち、本発明は、以下のとおりである。
(1)リグノセルロース系バイオマス由来化合物の製造方法であって、
リグノセルロース系バイオマス由来化合物の製造方法であって、
(A)前処理済リグノセルロース系バイオマス及び酵素を混合し、糖化する工程と、
(B)前記工程(A)で得られた糖化液及び糖化残渣に、酵母を植菌し、発酵する工程と、を備え、
前記工程(A)の前、又は、工程(A)の後であって、工程(B)の前に、
(M)前記工程(A)前の前記前処理済リグノセルロース系バイオマスを含む液中、又は、前記工程(A)で得られた糖化液中の発酵阻害物質の濃度に応じて、予め設定された基準値となるように、前記工程(B)における酵母の菌体濃度を決定する工程を備え、
前記予め設定された基準値が、発酵阻害物質の濃度に応じた発酵阻害を受けない酵母の菌体濃度の臨界値以上の酵母の菌体濃度であって、
前記工程(B)において、前記工程(M)において決定された前記菌体濃度となるように酵母を植菌することを特徴とする製造方法。
(2)前記予め設定された基準値が、前記臨界値の1.0〜3.0倍である(1)に記載のリグノセルロース系バイオマス由来化合物の製造方法。
(3)前記発酵阻害物質がフルフラールである(1)又は(2)に記載のリグノセルロース系バイオマス由来化合物の製造方法。
(4)前記臨界値が酵母の菌体数を用いた濃度(CFU(Colony forming unit)/mL)で表され、
前記フルフラールの濃度がX(g/L)、前記臨界値がY(CFU/mL)であるとき、前記X及び前記Yは下記数式[1]で表される関係である(3)に記載のリグノセルロース系バイオマス由来化合物の製造方法。
That is, the present invention is as follows.
(1) A method for producing a lignocellulosic biomass-derived compound,
A method for producing a lignocellulosic biomass-derived compound,
(A) mixing pre-treated lignocellulosic biomass and enzyme and saccharifying;
(B) a step of inoculating and fermenting yeast to the saccharified solution and saccharification residue obtained in the step (A),
Before step (A) or after step (A) and before step (B),
(M) Pre-set according to the concentration of the fermentation inhibitor in the liquid containing the pretreated lignocellulosic biomass before the step (A) or in the saccharified liquid obtained in the step (A). A step of determining the yeast cell concentration in the step (B) so as to be a reference value,
The preset reference value is a yeast cell concentration that is not less than a critical value of the yeast cell concentration that does not undergo fermentation inhibition according to the concentration of the fermentation inhibitor,
In the said process (B), yeast is inoculated so that it may become the said cell density | concentration determined in the said process (M), The manufacturing method characterized by the above-mentioned.
(2) The method for producing a lignocellulosic biomass-derived compound according to (1), wherein the preset reference value is 1.0 to 3.0 times the critical value.
(3) The method for producing a lignocellulosic biomass-derived compound according to (1) or (2), wherein the fermentation inhibitor is furfural.
(4) The critical value is represented by a concentration (CFU (Colony forming unit) / mL) using the number of yeast cells,
When the concentration of the furfural is X (g / L) and the critical value is Y (CFU / mL), the X and the Y are in a relationship represented by the following formula [1]. A method for producing a lignocellulosic biomass-derived compound.

Figure 2017136016
Figure 2017136016

(数式[1]中、aは、1.0×10以上4.0×10以下の数であり、bは、2.0×10である。)
(5)前記臨界値が酵母の乾燥菌体重量を用いた濃度(g/L)で表され、
乾燥菌体1g当たりに含まれる酵母の菌体数が1.5×1010CFUであって、
前記フルフラールの濃度がX(g/L)、前記臨界値がY’(g/L)であるとき、前記X及び前記Y’は下記数式[2]で表される関係である(3)に記載のリグノセルロース系バイオマス由来化合物の製造方法。
(In Formula [1], a is a number of 1.0 × 10 7 or more and 4.0 × 10 7 or less, and b is 2.0 × 10 6. )
(5) The critical value is represented by a concentration (g / L) using dry cell weight of yeast,
The number of yeast cells contained per gram of dry cells is 1.5 × 10 10 CFU,
When the concentration of the furfural is X (g / L) and the critical value is Y ′ (g / L), the X and Y ′ are in the relationship represented by the following formula [2] (3). The manufacturing method of the lignocellulosic biomass origin compound of description.

Figure 2017136016
Figure 2017136016

(数式[2]中、cは、0.5以上2.5以下の数であり、dは、0.13である。) (In Formula [2], c is a number between 0.5 and 2.5, and d is 0.13.)

本発明法によれば、発酵阻害物質の存在下において、安定的且つ効率的にリグノセルロース系バイオマス由来化合物の収率を向上させることができる。   According to the method of the present invention, the yield of the lignocellulosic biomass-derived compound can be improved stably and efficiently in the presence of a fermentation inhibitor.

酵母内でのフルフラールの無毒化の経路を示した概略図である。It is the schematic which showed the path | route of the detoxification of the furfural in yeast. 本実施形態におけるリグノセルロース系バイオマス由来化合物の製造装置の概略構成を示す図である。It is a figure which shows schematic structure of the manufacturing apparatus of the lignocellulosic biomass origin compound in this embodiment. 実施例1における糖化工程及び発酵工程での(A)グルコース濃度、(B)キシロース濃度、(C)フルフラール濃度及び(D)エタノール濃度の変化を示すグラフである。It is a graph which shows the change of (A) glucose concentration, (B) xylose concentration, (C) furfural concentration, and (D) ethanol concentration in the saccharification process and fermentation process in Example 1. 実施例2における発酵工程での発酵収率とフルフラール濃度の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the fermentation yield in the fermentation process in Example 2, and a furfural density | concentration. (A)は、実施例2における上記の臨界値とフルフラール濃度の関係を示すグラフであり、(B)は、実施例2における酵母の菌体数に置き換えた上記の臨界値とフルフラール濃度の関係を示すグラフであり、(C)は、実施例2における酵母の乾燥重量に置き換えた上記の臨界値とフルフラール濃度の関係を示すグラフである。(A) is a graph showing the relationship between the critical value and the furfural concentration in Example 2, and (B) is the relationship between the critical value and the furfural concentration replaced with the number of yeast cells in Example 2. (C) is a graph which shows the relationship between said critical value substituted with the dry weight of the yeast in Example 2, and a furfural density | concentration.

本明細書において、リグノセルロース系バイオマスとしては、主に、セルロース、ヘミセルロース及びリグニンを含有するものであり、例えば針葉樹、広葉樹、建築廃材、林地残材、剪定廃材、稲藁、籾殻、麦藁、木材チップ、木材繊維、化学パルプ、古紙、合板等の農林産物資源、サトウキビバガス、サトウキビ茎葉、コーンスト―バー等の農林産物廃棄物、農林産物加工品及び大型藻類、微細藻類等の植物組織である。これらのリグノセルロース系バイオマスは単独であってもよく、混合物であってもよい。   In the present specification, the lignocellulosic biomass mainly contains cellulose, hemicellulose and lignin, such as conifers, hardwoods, construction wastes, forest land remnants, pruning wastes, rice straw, rice husks, wheat straw, wood Agricultural and forestry product resources such as chips, wood fiber, chemical pulp, waste paper, and plywood, agricultural and forestry product waste such as sugarcane bagasse, sugarcane foliage, and corn stover, processed agricultural and forestry products, and plant tissues such as macroalgae and microalgae. These lignocellulosic biomasses may be used alone or as a mixture.

本明細書において、ヘミセルロースは、キシロースなどの5つの炭素を構成単位とする五炭糖とよばれるものやマンノース、アラビノース、ガラクツロン酸などの6つの炭素を構成単位とする六炭糖とよばれるもの、さらにグルコマンナンやグルクロノキシランなどのような複合多糖を有するので、加水分解を受けると、炭素5つからなる五炭糖の単糖やその単糖が複数個連結された五炭糖のオリゴ糖、炭素6つからなる六炭糖の単糖やその単糖が複数個連結された六炭糖のオリゴ糖、五炭糖の単糖と六炭糖の単糖が複数個連結されたオリゴ糖を生ずる。
セルロースは、6つの炭素を構成単位として有するので、加水分解を受けると、炭素6つからなる六炭糖の単糖やその単糖が複数個連結された六炭糖のオリゴ糖を生ずる。一般に、単糖及び/またはオリゴ糖の構成比率や生成量は、前処理方法や原料として用いた農林産物資源、農林産物廃棄物、農林産物加工品及び大型藻類、微細藻類等の植物組織の種類によって異なる。
In this specification, hemicellulose is called pentose containing 5 carbons such as xylose, or hexose containing 6 carbons such as mannose, arabinose and galacturonic acid. In addition, since it has complex polysaccharides such as glucomannan and glucuronoxylan, when it is hydrolyzed, it is a 5-carbon pentose monosaccharide or a pentose oligo linked to multiple monosaccharides. Saccharose, six carbon hexose monosaccharides, hexose saccharide oligosaccharides linked to multiple monosaccharides, pentose saccharide monosaccharides and hexose sugar monosaccharides linked together Produces sugar.
Cellulose has 6 carbons as a structural unit, so when hydrolyzed, it produces 6-carbon monosaccharides composed of 6 carbons and hexose oligosaccharides in which a plurality of monosaccharides are linked. In general, the composition ratio and production amount of monosaccharides and / or oligosaccharides depends on the type of plant tissue such as pre-treatment methods and agricultural / forestry product resources, agricultural / forestry product wastes, processed agricultural / forestry products, macroalgae, and microalgae used as raw materials. It depends on.

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について詳細に説明する、なお、各図において、説明に関連しない部分は図示を省略する場合がある。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In each of the drawings, portions not related to the description may be omitted.

<リグノセルロース系バイオマス由来化合物の製造方法>
本実施形態のリグノセルロース系バイオマス由来化合物の製造方法は、
(A)前処理済リグノセルロース系バイオマス及び酵素を混合し、糖化する工程と、
(B)前記工程(A)で得られた糖化液及び糖化残渣に、酵母を植菌し、発酵する工程と、を備え、
前記工程(A)の前、又は、工程(A)の後であって、工程(B)の前に、
(M)前記工程(A)前の前記前処理済リグノセルロース系バイオマスを含む液中、又は、前記工程(A)で得られた糖化液中の発酵阻害物質の濃度に応じて、予め設定された基準値となるように、前記工程(B)における酵母の菌体濃度を決定する工程を備え、
前記予め設定された基準値が、発酵阻害物質の濃度に応じた発酵阻害を受けない酵母の菌体濃度の臨界値以上の酵母の菌体濃度であって、
前記工程(B)において、前記工程(M)において決定された前記菌体濃度となるように酵母を植菌するものである。
<Method for producing lignocellulosic biomass-derived compound>
The method for producing the lignocellulosic biomass-derived compound of the present embodiment is as follows:
(A) mixing pre-treated lignocellulosic biomass and enzyme and saccharifying;
(B) a step of inoculating and fermenting yeast to the saccharified solution and saccharification residue obtained in the step (A),
Before step (A) or after step (A) and before step (B),
(M) Pre-set according to the concentration of the fermentation inhibitor in the liquid containing the pretreated lignocellulosic biomass before the step (A) or in the saccharified liquid obtained in the step (A). A step of determining the yeast cell concentration in the step (B) so as to be a reference value,
The preset reference value is a yeast cell concentration that is not less than a critical value of the yeast cell concentration that does not undergo fermentation inhibition according to the concentration of the fermentation inhibitor,
In the step (B), yeast is inoculated so as to achieve the cell concentration determined in the step (M).

本実施形態の製造方法によれば、発酵阻害物質の存在下において、安定的且つ効率的にリグノセルロース系バイオマス由来化合物の収率を向上させることができる。   According to the production method of the present embodiment, the yield of the lignocellulosic biomass-derived compound can be improved stably and efficiently in the presence of a fermentation inhibitor.

≪工程(A):糖化工程≫
本実施形態の製造方法において、まず、前処理済リグノセルロース系バイオマス及び酵素を混合し、糖化する。糖化温度は、45℃〜70℃が好ましく、45℃〜55℃がより好ましく、50℃が特に好ましい。また、糖化時間は12時間〜120時間が好ましく、24時間〜96時間がより好ましく、24時間〜72時間がさらに好ましい。
≪Process (A): Saccharification process≫
In the production method of this embodiment, first, pretreated lignocellulosic biomass and enzyme are mixed and saccharified. The saccharification temperature is preferably 45 ° C to 70 ° C, more preferably 45 ° C to 55 ° C, and particularly preferably 50 ° C. The saccharification time is preferably 12 hours to 120 hours, more preferably 24 hours to 96 hours, and further preferably 24 hours to 72 hours.

本明細書において、酵素とは、リグノセルロース系バイオマスを単糖又はオリゴ糖単位に分解する酵素を意味し、リグノセルロース系バイオマスを単糖又はオリゴ糖にまで分解するものであればよく、セルラーゼ及びヘミセルラーゼの各活性を持つものであればよい。
セルラーゼは、セルロースをグルコース等の単糖又はオリゴ糖に分解するものであればよく、エンドグルカナーゼ(EG)、セロビオハイドロラーゼ(CBH)及びβ−グルコシダーゼ(BGL)の各活性の少なくとも1つの活性を有するものを挙げることができ、これらの各活性を有する酵素混合物であることが、酵素活性の観点から好ましい。
同じくヘミセルラーゼは、ヘミセルロースをキシロース等の単糖又はオリゴ糖に分解するものであればよく、キシラナーゼ、キシロシダーゼ、マンナナーゼ、ペクチナーゼ、ガラクトシダーゼ、グルクロニダーゼ及びアラビノフラノシダーゼの各活性の少なくとも1つの活性を有するものを挙げることができ、これらの各活性を有する酵素混合物であることが、酵素活性の観点から好ましい。
これらセルラーゼ及びヘミセルラーゼの起源は限定されることはなく、糸状菌、担子菌、細菌類等のセルラーゼ及びヘミセルラーゼを用いることができる。
In the present specification, the enzyme means an enzyme that decomposes lignocellulosic biomass into monosaccharides or oligosaccharide units, and any enzyme that decomposes lignocellulosic biomass into monosaccharides or oligosaccharides can be used. Any material having hemicellulase activity may be used.
The cellulase may be any one that decomposes cellulose into monosaccharides or oligosaccharides such as glucose. At least one activity of each activity of endoglucanase (EG), cellobiohydrolase (CBH), and β-glucosidase (BGL). It is preferable from the viewpoint of enzyme activity that it is an enzyme mixture having each of these activities.
Similarly, hemicellulase may be any one that decomposes hemicellulose into monosaccharides or oligosaccharides such as xylose, and has at least one activity of each activity of xylanase, xylosidase, mannanase, pectinase, galactosidase, glucuronidase, and arabinofuranosidase. From the viewpoint of enzyme activity, an enzyme mixture having each of these activities is preferable.
The origin of these cellulases and hemicellulases is not limited, and cellulases and hemicellulases such as filamentous fungi, basidiomycetes, and bacteria can be used.

本明細書において、前処理済リグノセルロース系バイオマスとは、糖化反応を効率的に行うために事前処理を行ったリグノセルロース系バイオマスを意味する。事前処理方法としては、例えば、蒸気のみでの蒸煮法、イオン液体を用いる方法、ミルを用いる粉砕法などが挙げられる。また、事前処理において、必要に応じて、適宜酸又はアルカリを混合させてもよい。酸としては、硫酸、塩酸、硝酸、リン酸等の中から選ばれ、これらを単独で又は組み合わせて用いてもよい。中でも工業利用には安価で手に入りやすい硫酸が特に好ましい。アルカリとしては、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、アンモニア、炭酸カルシウム、炭酸ナトリウム、亜硫酸ナトリウム等が挙げられ、これらを単独で又は組み合わせて用いてもよい。事前処理に用いる反応容器には特に限定はないが、耐酸性又は耐アルカリ性を有する加熱圧力容器、若しくは、耐酸性又は耐アルカリ性を有する容器をオートクレーブのような加熱圧力装置に入れて処理する形態が考えられる。   In this specification, the pretreated lignocellulosic biomass means lignocellulosic biomass that has been pretreated in order to efficiently perform a saccharification reaction. Examples of the pretreatment method include a steaming method using only steam, a method using an ionic liquid, and a pulverizing method using a mill. Further, in the pretreatment, an acid or an alkali may be appropriately mixed as necessary. The acid is selected from sulfuric acid, hydrochloric acid, nitric acid, phosphoric acid and the like, and these may be used alone or in combination. Among them, sulfuric acid which is inexpensive and easily available is particularly preferable for industrial use. Examples of the alkali include sodium hydroxide, potassium hydroxide, ammonia, calcium carbonate, sodium carbonate, sodium sulfite and the like, and these may be used alone or in combination. There is no particular limitation on the reaction vessel used for the pretreatment, but there is a form in which a heat pressure vessel having acid resistance or alkali resistance, or a vessel having acid resistance or alkali resistance is placed in a heating pressure device such as an autoclave for treatment. Conceivable.

前処理済リグノセルロース系バイオマス中には、セルロース、ヘミセルロース、単糖及びオリゴ糖の少なくともいずれかの糖以外にも、種々の副生成物が含まれている。それら副生成物が後工程の糖化工程、発酵工程などに悪影響を及ぼさない物質であれば、最後の精製工程において除去すればよいので大きな問題とはならない。しかしながら、悪影響を及ぼす発酵阻害物質であれば、糖化工程又は発酵工程の前工程で、各工程に悪影響を及ぼさないようにする必要性が生じる。   The pretreated lignocellulosic biomass contains various by-products in addition to at least one of cellulose, hemicellulose, monosaccharide and oligosaccharide. If these by-products are substances that do not adversely affect the subsequent saccharification process, fermentation process, etc., they can be removed in the final purification process, so this is not a big problem. However, if the fermentation inhibitor has an adverse effect, it is necessary to prevent adverse effects on each step in the saccharification step or the previous step of the fermentation step.

本明細書において、発酵阻害物質とは、発酵工程で発酵反応を妨害する物質のことである。代表的な発酵阻害物質としては、糖の過分解物、リグニン又はリグニン由来の芳香族化合物、接着剤又は塗料由来の化合物が挙げられる。この中で、接着剤・塗料などの人工的な薬品に由来する化合物は、それらの処理が施されていない自然由来のリグノセルロース系バイオマスを使用することにより、ある程度回避可能である。しかし、リグノセルロース系バイオマスを原料とする限り、糖の過分解物やリグニン由来の芳香族化合物の生成は回避することが困難である。ここで、発酵阻害物質がリグニンのような不溶性固体であり、セルロース、ヘミセルロース、単糖及びオリゴ糖のうち少なくともいずれかが可溶性である場合には、通常の固液分離によって除去することが可能な場合もある。しかしながら、発酵阻害物質も有用物も可溶性である場合には、通常の固液分離が適用できないため、後述の発酵阻害物質の濃度に応じた酵母の菌体濃度を決定し、植菌する方法が好ましく適用される。すなわち、本実施形態において、主に処理対象とする発酵阻害物質は、実質的にセルロース、ヘミセルロース、単糖及びオリゴ糖の少なくともいずれかの糖との混合溶液を形成しているものであり、通常の固液分離では分離できない、又は、分離し難い状態のものを指す。そのような発酵阻害物質としては、例えば、酢酸、ギ酸、レブリン酸、糖の過分解物であるフルフラール、5−ヒドロキシメチルフルフラール(5−HMF)、リグニン由来の芳香族化合物であるバニリン、アセトバニリン、グアヤコールなどが挙げられる。これら発酵阻害物質のうち、代表的な発酵阻害物質はフルフラール及び5−HMFである。   In the present specification, the fermentation inhibitor is a substance that interferes with the fermentation reaction in the fermentation process. Representative fermentation inhibitors include sugar hyperdegradants, lignin or lignin-derived aromatic compounds, adhesives or paint-derived compounds. Among these, compounds derived from artificial chemicals such as adhesives and paints can be avoided to some extent by using naturally-derived lignocellulosic biomass that has not been treated. However, as long as lignocellulosic biomass is used as a raw material, it is difficult to avoid the production of sugar overdegradation products and lignin-derived aromatic compounds. Here, when the fermentation inhibitor is an insoluble solid such as lignin and at least one of cellulose, hemicellulose, monosaccharide and oligosaccharide is soluble, it can be removed by ordinary solid-liquid separation. In some cases. However, when both fermentation inhibitory substances and useful substances are soluble, ordinary solid-liquid separation cannot be applied. Therefore, there is a method for determining and inoculating the yeast cell concentration according to the concentration of fermentation inhibitory substances described later. Preferably applied. That is, in this embodiment, the fermentation inhibitor to be treated mainly forms a mixed solution with at least one of cellulose, hemicellulose, monosaccharide and oligosaccharide, and is usually It cannot be separated by solid-liquid separation, or it is difficult to separate. Examples of such fermentation inhibiting substances include acetic acid, formic acid, levulinic acid, a sugar hyperdegradation product furfural, 5-hydroxymethylfurfural (5-HMF), lignin-derived aromatic compound vanillin, acetovanillin , Guayacoal and so on. Of these fermentation inhibitors, typical fermentation inhibitors are furfural and 5-HMF.

上記のフルフラール又は5−HMFによる酵母の発酵阻害の機構について、以下に説明する。フルフラール又は5−HMFは、酵母の解糖系やアルコール脱水素(ADH)を阻害することが知られている(Alemeida et al.,J Chem. Technol. Biotechnol.82:320−349(2007).参照)。さらに、図1は、酵母内でのフルフラールの無毒化の経路を示した概略図である。好気条件下では、酸素、水によりカルボン酸の一種である2−フロイック酸に変化し、さらにATPにより2−フロリル−CoAに変化することでTCA回路において活用される。一方、嫌気条件下でフルフラールを無毒化するためには、NADHが必要である(下記式[3]参照)。フルフラールはNADHによりフルフリルアルコールに還元され、さらにフルフリルアルコールを細胞外に排出されることが知られている(Nieces et al.Front.Bioeng.Biotechnol.18,Feb(2015).参照)。
そのため、酵母はNADHを合成するために、グルコースから酢酸の合成が優先的になされ(下記式[4]参照)、グルコースからエタノールの合成が抑制される。
The mechanism of yeast fermentation inhibition by the above-mentioned furfural or 5-HMF will be described below. Furfural or 5-HMF is known to inhibit yeast glycolysis and alcohol dehydrogenation (ADH) (Alemeida et al., J Chem. Technol. Biotechnol. 82: 320-349 (2007). reference). Further, FIG. 1 is a schematic diagram showing a route of detoxification of furfural in yeast. Under aerobic conditions, oxygen and water change to 2-fluoroic acid, which is a kind of carboxylic acid, and further change to 2-floryl-CoA by ATP, which is utilized in the TCA circuit. On the other hand, NADH is required to detoxify furfural under anaerobic conditions (see the following formula [3]). It is known that furfural is reduced to furfuryl alcohol by NADH, and further furfuryl alcohol is excreted from the cell (see Nieces et al. Front. Bioeng. Biotechnol. 18, Feb (2015)).
Therefore, in order for yeast to synthesize NADH, synthesis of acetic acid from glucose is preferentially performed (see the following formula [4]), and synthesis of ethanol from glucose is suppressed.

Figure 2017136016
Figure 2017136016

本発明者らは、上記の発酵阻害機構に着目し、発酵阻害物質の濃度に応じた酵母量を植菌することにより、本発明に至った。   The inventors of the present invention focused on the above-mentioned fermentation inhibition mechanism, and reached the present invention by inoculating the amount of yeast corresponding to the concentration of the fermentation inhibition substance.

≪工程(M):決定工程≫
続いて、前記工程(A)前の前記前処理済リグノセルロース系バイオマスを含む液中、又は、前記工程(A)で得られた糖化液中の発酵阻害物質の濃度を測定する。測定された発酵阻害物質の濃度に応じて、予め設定された基準値となるように、後述の工程(B)における酵母の菌体濃度を決定する。
発酵阻害物質の濃度の測定方法としては、例えば、糖化装置で糖化が開始される前、糖化中又は糖化後に、液を抜き取り、高速液体クロマトグラフ又はニトロフェニルヒドラジン及びアルカリ溶液を用いた呈色反応(発酵阻害物質がフルフラールである場合)等により発酵阻害物質を測定する方法や、ライン上で事前処理の条件等により発酵阻害物質の濃度を算出する方法等が挙げられる。
≪Process (M): Determination process≫
Subsequently, the concentration of the fermentation inhibitor in the liquid containing the pretreated lignocellulosic biomass before the step (A) or in the saccharified liquid obtained in the step (A) is measured. In accordance with the measured concentration of the fermentation inhibitor, the yeast cell concentration in the step (B) described later is determined so as to be a preset reference value.
As a method for measuring the concentration of the fermentation inhibitor, for example, before saccharification is started in the saccharification apparatus, during saccharification, or after saccharification, the liquid is extracted and a color reaction using high-performance liquid chromatograph or nitrophenylhydrazine and an alkaline solution Examples thereof include a method for measuring a fermentation inhibitory substance (when the fermentation inhibitory substance is furfural), a method for calculating the concentration of the fermentation inhibitory substance based on pretreatment conditions on the line, and the like.

本実施形態の製造方法において、基準値は、次のようにして予め設定する。
まず、スモールスケールにて、事前処理条件の異なる前処理済リグノセルロース系バイオマスを調製する。事前処理条件については、上述したとおり、事前処理方法、温度、時間、使用する触媒の種類及び濃度等を変えたものを準備する。続いて、前処理済リグノセルロース系バイオマスそれぞれと酵素とを混合し、糖化を行う。続いて、得られた糖化液中の発酵阻害物質の濃度を測定する。発酵阻害物質の濃度に対して、後述の実施例2に示すように、酵母の植菌量を変えて糖化液に含まれる酵母の菌体濃度が変わるように添加し、目的のリグノセルロース系バイオマス由来化合物を目的の発酵収率まで得られるか否かを評価する。
In the manufacturing method of the present embodiment, the reference value is preset as follows.
First, pretreated lignocellulosic biomass having different pretreatment conditions is prepared on a small scale. About pre-processing conditions, what changed the pre-processing method, temperature, time, the kind and density | concentration of the catalyst to be used, etc. are prepared as mentioned above. Subsequently, each pretreated lignocellulosic biomass and enzyme are mixed and saccharified. Subsequently, the concentration of the fermentation inhibitor in the obtained saccharified solution is measured. As shown in Example 2 to be described later with respect to the concentration of the fermentation inhibitor, the target lignocellulosic biomass is added by changing the amount of yeast inoculated so that the concentration of yeast contained in the saccharified solution changes. It is evaluated whether or not the derived compound can be obtained up to the target fermentation yield.

目的のリグノセルロース系バイオマス由来化合物を目的の発酵収率まで得られた場合、このときの酵母の菌体濃度は、発酵阻害物質の濃度に応じた発酵阻害を受けない酵母の菌体濃度の臨界値と判断できる。予め設定された基準値は、上記の臨界値以上の酵母の菌体濃度とすればよく、例えば上記の臨界値の1.0倍〜3.0倍、好ましくは上記の臨界値の1.0倍〜2.5倍、さらに好ましくは上記の臨界値の1.0倍〜1.5倍を予め設定された基準値とする。   When the target lignocellulosic biomass-derived compound is obtained up to the target fermentation yield, the yeast cell concentration at this time is critical for the yeast cell concentration that does not undergo fermentation inhibition according to the concentration of the fermentation inhibitor. It can be judged as a value. The preset reference value may be a yeast cell concentration above the above critical value, for example, 1.0 to 3.0 times the above critical value, preferably 1.0 above the above critical value. Double to 2.5 times, more preferably 1.0 to 1.5 times the critical value is set as a preset reference value.

本実施形態の製造方法において、より具体的な例として、発酵阻害物質がフルフラールである場合の、上記の臨界値とフルフラール濃度の関係について、以下に説明する。   In the production method of the present embodiment, as a more specific example, the relationship between the critical value and the furfural concentration when the fermentation inhibitor is furfural will be described below.

[臨界値:酵母の菌体数を用いた濃度]
本実施形態の製造方法において、
上記の臨界値が酵母の菌体数を用いた濃度(CFU/mL)で表され、
フルフラールの濃度がX(g/L)、上記の臨界値がY(CFU/mL)であるとき、X及びYは下記数式[1]で表される関係である。
[Critical value: Concentration using the number of yeast cells]
In the manufacturing method of this embodiment,
The above critical value is represented by the concentration (CFU / mL) using the number of yeast cells,
When the concentration of furfural is X (g / L) and the above critical value is Y (CFU / mL), X and Y are represented by the following formula [1].

Figure 2017136016
Figure 2017136016

(数式[1]中、aは、1.0×10以上4.0×10以下の数であり、bは、2.0×10である。) (In Formula [1], a is a number of 1.0 × 10 7 or more and 4.0 × 10 7 or less, and b is 2.0 × 10 6. )

後述の実施例2のとおり、フルフラールの濃度X及び上記の臨界値Yは、線形関係で表すことができる。   As in Example 2 described later, the furfural concentration X and the critical value Y can be expressed in a linear relationship.

数式[1]中、傾きaは、1.0×10以上4.0×10以下であることが好ましく、1.5×10以上3.5×10以下であることがより好ましく、2.0×10以上3.0×10以下であることがさらに好ましい。傾きaが上記範囲内であることにより、フルフラール存在下において、効率的に目的のリグノセルロース系バイオマス由来化合物を目的の発酵収率で得ることができる。 In Formula [1], the slope a is preferably 1.0 × 10 7 or more and 4.0 × 10 7 or less, more preferably 1.5 × 10 7 or more and 3.5 × 10 7 or less. More preferably, it is 2.0 × 10 7 or more and 3.0 × 10 7 or less. When the slope a is within the above range, the target lignocellulosic biomass-derived compound can be efficiently obtained at the target fermentation yield in the presence of furfural.

数式[1]中、切片bは、2.0×10以上であればよい。上記の値は、糖化液中にフルフラールが含まれない場合に、目的のリグノセルロース系バイオマス由来化合物を目的の発酵収率まで得るために、必要な酵母の菌体数の最低値である。 In equation [1], the intercept b may be 2.0 × 10 6 or more. The above value is the minimum number of yeast cells necessary for obtaining the target lignocellulosic biomass-derived compound up to the target fermentation yield when no furfural is contained in the saccharified solution.

[臨界値:酵母の乾燥菌体重量を用いた濃度]
本実施形態の製造方法において、
上記の臨界値が酵母の乾燥菌体重量を用いた濃度(g/L)で表され、
乾燥菌体1g当たりに含まれる酵母の菌体数が1.5×1010CFUであって、
フルフラールの濃度がX(g/L)、上記の臨界値がY’(g/L)であるとき、X及びY’は下記数式[2]で表される関係である。
[Critical value: Concentration using dry cell weight of yeast]
In the manufacturing method of this embodiment,
The above critical value is represented by the concentration (g / L) using the dry cell weight of yeast,
The number of yeast cells contained per gram of dry cells is 1.5 × 10 10 CFU,
When the concentration of furfural is X (g / L) and the critical value is Y ′ (g / L), X and Y ′ are represented by the following formula [2].

Figure 2017136016
Figure 2017136016

(数式[2]中、cは、0.5以上2.5以下の数であり、dは、0.13である。) (In Formula [2], c is a number between 0.5 and 2.5, and d is 0.13.)

上記の臨界値は、酵母の乾燥菌体重量で表してもよい。酵母の乾燥菌体1gに含まれる酵母の菌体数は、酵母の種類により若干変動するが、通常、0.75×1010〜3.0×1010CFUであって、1.5×1010CFUであることが好ましい。 The above critical value may be expressed by the dry cell weight of yeast. The number of yeast cells contained in 1 g of dried yeast cells varies slightly depending on the type of yeast, but is usually 0.75 × 10 10 to 3.0 × 10 10 CFU, and 1.5 × 10 10 CFU is preferred.

数式[2]中、傾きcは、0.5以上2.5以下の数であることが好ましく、0.75以上2.25以下の数であることがより好ましく、1.0以上1.5以下の数であることがさらに好ましい。傾きcが上記範囲内であることにより、フルフラール存在下において、効率的に目的のリグノセルロース系バイオマス由来化合物を目的の発酵収率で得ることができる。   In the formula [2], the slope c is preferably a number of 0.5 or more and 2.5 or less, more preferably a number of 0.75 or more and 2.25 or less, and 1.0 or more and 1.5 or less. More preferably, the number is as follows. When the slope c is within the above range, the target lignocellulosic biomass-derived compound can be efficiently obtained at the target fermentation yield in the presence of furfural.

数式[2]中、切片dは、0.13以上であればよい。上記の値は、糖化液中にフルフラールが含まれない場合に、目的のリグノセルロース系バイオマス由来化合物を目的の発酵収率まで得るために、必要な酵母の乾燥菌体重量の最低値である。   In equation [2], the intercept d may be 0.13 or more. The above value is the minimum dry cell weight necessary for obtaining the target lignocellulosic biomass-derived compound up to the target fermentation yield when no furfural is contained in the saccharified solution.

[臨界値:糖化液に対する使用する酵母を含む溶液の割合]
本実施形態の製造方法において、
上記の臨界値が糖化液に対する使用する酵母を含む溶液の割合で表され、
酵母を含む溶液中の酵母の菌体濃度が2.0×10CFU/mLであって、
フルフラールの濃度がX(g/L)、上記の臨界値がY’ ’(g/L)であるとき、X及びY’は下記数式[5]で表される関係である。
[Critical value: Ratio of solution containing yeast to be used to saccharified solution]
In the manufacturing method of this embodiment,
The above critical value is represented by the ratio of the solution containing yeast to be used to the saccharified solution,
The yeast cell concentration in the solution containing yeast is 2.0 × 10 8 CFU / mL,
When the concentration of furfural is X (g / L) and the critical value is Y ′ ′ (g / L), X and Y ′ are represented by the following formula [5].

Figure 2017136016
Figure 2017136016

(数式[5]中、eは、4.5以上20.0以下の数であり、fは、1.0である。) (In Formula [5], e is a number between 4.5 and 20.0, and f is 1.0.)

上記の臨界値は、糖化液に対する使用する酵母を含む溶液の割合で表してもよい。酵母を含む溶液中の酵母の菌体濃度は、適宜調整してもかまわないが、通常、1×10〜3×10CFU/mLであって、2×10CFU/mLであることが好ましい。 The above critical value may be expressed as a ratio of the solution containing yeast to be used to the saccharified solution. The concentration of yeast cells in the solution containing yeast may be adjusted as appropriate, but is usually 1 × 10 8 to 3 × 10 8 CFU / mL and 2 × 10 8 CFU / mL. Is preferred.

数式[5]中、傾きeは、4.5以上20.0以下の数であることが好ましく、5.0以上15.0以下の数であることがより好ましく、7.5以上10.0以下の数であることがさらに好ましい。傾きeが上記範囲内であることにより、フルフラール存在下において、目的のリグノセルロース系バイオマス由来化合物を目的の発酵収率まで得ることができる。   In Formula [5], the slope e is preferably a number of 4.5 or more and 20.0 or less, more preferably 5.0 or more and 15.0 or less, and 7.5 or more and 10.0. More preferably, the number is as follows. When the slope e is within the above range, the target lignocellulosic biomass-derived compound can be obtained up to the target fermentation yield in the presence of furfural.

数式[5]中、切片fは、1.0以上であればよい。上記の値は、糖化液中にフルフラールが含まれない場合に、目的のリグノセルロース系バイオマス由来化合物を目的の発酵収率まで得るために、必要な糖化液に対する使用する酵母を含む溶液の割合の最低値である。   In Formula [5], intercept f should just be 1.0 or more. The above value is the ratio of the solution containing the yeast to be used to the required saccharified liquid in order to obtain the target lignocellulosic biomass-derived compound up to the target fermentation yield when no furfural is contained in the saccharified liquid. The lowest value.

≪工程(B):発酵工程≫
続いて、上記の工程(A)で得られた糖化液及び糖化残渣に、酵母を植菌し、発酵する。このとき、上記の工程(M)において決定された前記菌体濃度となるように酵母を植菌する。発酵温度は、25℃〜50℃が好ましく、28℃〜35℃がより好ましく、32℃が特に好ましい。また、発酵時間は24時間〜120時間が好ましく、24時間〜96時間がより好ましく、24時間〜72時間がさらに好ましい。
≪Process (B): Fermentation process≫
Subsequently, yeast is inoculated into the saccharified solution and saccharification residue obtained in the above step (A) and fermented. At this time, the yeast is inoculated so as to achieve the cell concentration determined in the above step (M). The fermentation temperature is preferably 25 ° C to 50 ° C, more preferably 28 ° C to 35 ° C, and particularly preferably 32 ° C. The fermentation time is preferably 24 hours to 120 hours, more preferably 24 hours to 96 hours, and further preferably 24 hours to 72 hours.

本実施形態の製造方法において、酵母としては、目的のリグノセルロース系バイオマス由来化合物を生成できるものであれば、特別な限定はない。植菌する酵母は、酵母を含む培養液をそのまま使用してもよく、又は、酵母を含む培養液を遠心分離により濃縮したもの、乾燥状態のもの等を適宜使用してよい。また、酵母の状態に合わせて、上記の臨界値と発酵阻害物質の関係から、植菌する量を算出すればよい。   In the production method of this embodiment, the yeast is not particularly limited as long as the target lignocellulose-based biomass-derived compound can be produced. As the yeast to be inoculated, a culture solution containing yeast may be used as it is, or a culture solution containing yeast concentrated by centrifugation or a dry one may be appropriately used. Moreover, what is necessary is just to calculate the quantity to inoculate from the relationship between said critical value and a fermentation inhibitory substance according to the state of yeast.

工程(B)後の工程については、発酵液の活用方法によって、適宜選択できる。例えば、エタノールを得ることを目的とした場合は、発酵液を精製する工程として蒸留工程を設けることができる。   About the process after a process (B), it can select suitably by the utilization method of a fermented liquor. For example, when the purpose is to obtain ethanol, a distillation step can be provided as a step of purifying the fermentation broth.

本実施形態において、リグノセルロース系バイオマス由来化合物とは、リグノセルロース系バイオマスを分解して得られた単糖及びオリゴ糖を、酵母が摂取することにより生成された化合物を意味する。例えば、エタノール、ブタノール、1,3−プロパンジオール、1,4−ブタンジオール、グリセロールなどのアルコール、ピルビン酸、コハク酸、リンゴ酸、イタコン酸、クエン酸、乳酸など有機酸、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、カダベリンなどのジアミン化合物などが挙げられる。発酵によって得られた化合物が乳酸などのモノマーである場合は、重合によりポリマーに変換することもある。   In this embodiment, the lignocellulosic biomass-derived compound means a compound produced by ingestion of monosaccharides and oligosaccharides obtained by decomposing lignocellulosic biomass. For example, alcohols such as ethanol, butanol, 1,3-propanediol, 1,4-butanediol, glycerol, pyruvic acid, succinic acid, malic acid, itaconic acid, citric acid, lactic acid, organic acids, inosine, guanosine, etc. Examples thereof include nucleotides such as nucleoside, inosinic acid and guanylic acid, and diamine compounds such as cadaverine. When the compound obtained by fermentation is a monomer such as lactic acid, it may be converted into a polymer by polymerization.

<リグノセルロース系バイオマス由来化合物の製造装置>
図2は、本実施形態におけるリグノセルロース系バイオマス由来化合物の製造装置の概略構成を示す図である。本実施形態のリグノセルロース系バイオマス由来化合物の製造装置10は、糖化装置1と発酵槽3との間に配管2が配設されている。
さらに、糖化装置1に、糖化液を一部抜き出すための配管4が配設されていてもよい。また、発酵槽3には、配管6を介して酵母を供給するための酵母供給槽5が配設されていてもよい。
また、図2において、糖化装置1と発酵槽3が別々に配設された態様を例示しているが、同時に糖化反応及び発酵反応を行う1つの糖化発酵槽としてもよい。
<Production device for lignocellulosic biomass-derived compound>
FIG. 2 is a diagram showing a schematic configuration of a lignocellulose-based biomass-derived compound production apparatus in the present embodiment. In the lignocellulosic biomass-derived compound production apparatus 10 of this embodiment, a pipe 2 is disposed between the saccharification apparatus 1 and the fermenter 3.
Furthermore, the saccharification apparatus 1 may be provided with a pipe 4 for extracting a part of the saccharified solution. Moreover, the fermenter 3 may be provided with a yeast supply tank 5 for supplying yeast via the pipe 6.
Moreover, in FIG. 2, although the aspect in which the saccharification apparatus 1 and the fermenter 3 were separately arrange | positioned is illustrated, it is good also as one saccharification fermenter which performs saccharification reaction and fermentation reaction simultaneously.

糖化装置1は、前処理済リグノセルロース系バイオマス及び酵素を混合し、糖化を行うための装置であり、特別な限定はない。例えば、撹拌型、通気撹拌型、気泡塔型、流動層型、充填層型などを挙げることができる。
配管4は、糖化装置1から糖化液を一部抜き出し、糖化液中の発酵阻害物質の濃度を測定するための配管であって、特別な限定はない。また、糖化前或いは糖化発酵前の前処理済リグノセルロース系バイオマスを含む液中の発酵阻害物質の濃度を測定する場合、又は、事前処理の条件等から含まれる発酵阻害物質の濃度が算出できる場合には、配管4を備えていなくてもよい。
The saccharification apparatus 1 is an apparatus for mixing pretreated lignocellulosic biomass and enzyme to perform saccharification, and there is no particular limitation. Examples thereof include a stirring type, aeration stirring type, a bubble column type, a fluidized bed type, and a packed bed type.
The pipe 4 is a pipe for extracting a part of the saccharified liquid from the saccharification apparatus 1 and measuring the concentration of the fermentation inhibiting substance in the saccharified liquid, and is not particularly limited. In addition, when measuring the concentration of a fermentation inhibitor in a liquid containing pretreated lignocellulosic biomass before saccharification or before saccharification and fermentation, or when the concentration of a fermentation inhibitor contained in a pretreatment condition can be calculated The pipe 4 may not be provided.

本実施形態の製造装置において、糖化前或いは糖化発酵前の前処理済リグノセルロース系バイオマスを含む液中の発酵阻害物質の濃度を測定する場合において、糖化装置へ前処理済リグノセルロース系バイオマスを含む液を送液する配管に液を一部抜き出すための配管を備えていてもよい。これにより、発酵阻害物質の濃度を測定することができる。   In the production apparatus of this embodiment, when measuring the concentration of a fermentation inhibitor in a liquid containing pretreated lignocellulosic biomass before saccharification or saccharification and fermentation, the saccharification apparatus contains pretreated lignocellulosic biomass. A pipe for extracting a part of the liquid may be provided in the pipe for feeding the liquid. Thereby, the density | concentration of a fermentation inhibitory substance can be measured.

配管2は、糖化装置1において得られた糖化液及び糖化残渣を発酵槽3へ送役するための配管であって、特別な限定はない。   The pipe 2 is a pipe for sending the saccharified solution and saccharification residue obtained in the saccharification apparatus 1 to the fermenter 3, and there is no special limitation.

発酵槽3は、糖化装置1で得られた糖化液及び糖化残渣に、酵母を植菌し、発酵するための槽であって、特別な限定はない。例えば、撹拌型、通気撹拌型、気泡塔型、流動層型、充填層型などを挙げることができる。
酵母供給槽5は、発酵槽3へ酵母を供給するための槽であって、特別な限定はない。また、乾燥状態の酵母を発酵槽3へ直接植菌する場合には、酵母供給槽5を備えていなくてもよい。
The fermenter 3 is a tank for inoculating and fermenting yeast to the saccharified solution and saccharification residue obtained by the saccharification apparatus 1, and there is no special limitation. Examples thereof include a stirring type, aeration stirring type, a bubble column type, a fluidized bed type, and a packed bed type.
The yeast supply tank 5 is a tank for supplying yeast to the fermenter 3 and is not particularly limited. In addition, when the yeast in a dry state is directly inoculated into the fermentation tank 3, the yeast supply tank 5 may not be provided.

さらに、糖化装置1の前に、リグノセルロース系バイオマスを事前処理するための事前処理装置を有していてもよい。事前処理装置は、特に限定はなく、例えば、耐酸性又は耐アルカリ性を有する加熱圧力装置、若しくは、耐酸性又は耐アルカリ性を有する容器をオートグレーブのような加熱圧力装置に入れて処理する形態などが挙げられる。
また、発酵槽3の後に続く設備は、発酵液の用途に応じて、適宜選択することができる。
Furthermore, you may have the pre-processing apparatus for pre-processing lignocellulosic biomass before the saccharification apparatus 1. FIG. There is no particular limitation on the pretreatment device, for example, a heating pressure device having acid resistance or alkali resistance, or a form in which a container having acid resistance or alkali resistance is placed in a heating pressure device such as an autograver, etc. Can be mentioned.
Moreover, the equipment that follows the fermenter 3 can be appropriately selected according to the use of the fermentation broth.

以下、具体的実施例により、本発明についてより詳細に説明する。ただし、本発明は以下に示す実施例に何ら限定されるものではない。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to specific examples. However, the present invention is not limited to the following examples.

[実施例1]
(1)糖化工程
酵素の基質として前処理済リグノセルロース系バイオマス10g−dryを使用して、水と、pH調整剤としてNaOH0.04〜0.2gとを加え、前処理済バイオマス濃度が10%質量%となるように希釈し、基質溶液を調製した(全量100g)。基質溶液にTrichoderma reesei由来酵素を投入した。50℃で48時間振盪撹拌した。糖化工程開始直後、24時間後、48時間後にサンプルを1.0gずつ採取し、高速液体クロマトグラフ(島津製作所製LC−20AD)を用いてフルフラール濃度及びエタノール濃度を測定した。また、糖化工程開始直後、24時間後、48時間後にサンプルを1.0gずつ採取し、高速液体クロマトグラフィー(SHIMADZU社製、HPLC還元糖システム)およびAsahipak MH2p−50 4Eカラム(shodex社製)を用いて、グルコース濃度及びキシロース濃度を測定した。
[Example 1]
(1) Saccharification step Using 10 g-dry of pretreated lignocellulosic biomass as an enzyme substrate, adding water and 0.04 to 0.2 g of NaOH as a pH adjuster, the pretreated biomass concentration is 10%. It diluted so that it might become mass%, and the substrate solution was prepared (total amount 100g). An enzyme derived from Trichoderma reesei was added to the substrate solution. The mixture was stirred at 50 ° C. for 48 hours. Immediately after the start of the saccharification process, 1.0 g each of the samples was collected 24 hours and 48 hours later, and the furfural concentration and ethanol concentration were measured using a high performance liquid chromatograph (LC-20AD manufactured by Shimadzu Corporation). In addition, immediately after the start of the saccharification process, samples were taken 1.0 g at 24 hours and 48 hours later, and subjected to high performance liquid chromatography (manufactured by SHIMADZU, HPLC reducing sugar system) and Asahipak MH2p-50 4E column (manufactured by shodex) Used to measure glucose and xylose concentrations.

(2)発酵工程
(1)で得られた糖化液に、酵母(トヨタ自動車製「サッカロミセス・セルビシエ(Saccharomyces.Cereviviae)」)を糖化液に対して、1質量%、4.5質量%、10質量%、20質量%となるように添加し、32℃で48時間振盪撹拌した。なお、酵母は培養液の状態で添加した。培養液中の含まれる酵母の菌体数は2×10CFU/mLであった。発酵工程開始から24時間後、48時間後にサンプルを1.0gずつ採取し、高速液体クロマトグラフ(島津製作所製LC−20AD)を用いてフルフラール濃度及びエタノール濃度を測定した。また、発酵工程開始から24時間後、48時間後にサンプルを1.0gずつ採取し、高速液体クロマトグラフ(SHIMADZU社製、HPLC還元糖システム)およびAsahipak MH2p−50 4Eカラム(shodex社製)を用いて、グルコース濃度及びキシロース濃度を測定した。
(2) Fermentation Step To the saccharified solution obtained in (1), yeast (“Saccharomyces. Cereviviae” manufactured by Toyota Motor Corporation) is added at 1% by mass, 4.5% by mass, 10% with respect to the saccharified solution. It added so that it might become 20 mass% and 20 mass%, and it stirred by shaking at 32 degreeC for 48 hours. In addition, yeast was added in the state of a culture solution. The number of yeast cells contained in the culture solution was 2 × 10 8 CFU / mL. Samples of 1.0 g were collected 24 hours and 48 hours after the start of the fermentation process, and the furfural concentration and ethanol concentration were measured using a high performance liquid chromatograph (LC-20AD manufactured by Shimadzu Corporation). In addition, samples were collected 1.0 g each 24 hours and 48 hours after the start of the fermentation process, using a high-performance liquid chromatograph (manufactured by SHIMADZU, HPLC reducing sugar system) and an Asahipak MH2p-50 4E column (manufactured by shodex). Then, the glucose concentration and the xylose concentration were measured.

(3)結果
糖化工程及び発酵工程でのグルコース濃度、キシロース濃度、フルフラール濃度及びエタノール濃度の変化を図3に示した。図3から、糖化液に対する使用する酵母を含む溶液の割合が20%である場合では、フルフラール濃度が約1.3g/Lであっても、安定的に発酵し、エタノールが得られることが明らかとなった。
(3) Results The changes in glucose concentration, xylose concentration, furfural concentration and ethanol concentration in the saccharification step and fermentation step are shown in FIG. From FIG. 3, when the ratio of the solution containing yeast to be used to the saccharified solution is 20%, it is clear that even if the furfural concentration is about 1.3 g / L, it can be stably fermented and ethanol can be obtained. It became.

[実施例2]
(1)糖化液の調製
あらかじめ、含まれるフルフラール濃度を0g/L、0.44g/L、0.5g/L、0.54g/L、0.6g/L、0.62g/L、1.0g/L、1.15g/L、1.19g/L、1.37g/L、1.4g/Lとなるように調製した糖化液を準備した。
[Example 2]
(1) Preparation of saccharified solution In advance, the concentration of furfural contained was 0 g / L, 0.44 g / L, 0.5 g / L, 0.54 g / L, 0.6 g / L, 0.62 g / L, and 1. The saccharified liquid prepared so that it might become 0g / L, 1.15g / L, 1.19g / L, 1.37g / L, 1.4g / L was prepared.

(2)発酵工程
(1)で得られた糖化液それぞれに、酵母(トヨタ自動車製「サッカロミセス・セルビシエ(Saccharomyces.Cereviviae)」)を糖化液に対して、1質量%、4.5質量%、10質量%、20質量%となるようにそれぞれ添加し、32℃で48時間振盪撹拌した。なお、酵母は培養液の状態で添加した。培養液中の含まれる酵母の菌体数は2×10CFU/mLであった。実施例1の(2)と同様の方法により、フルフラール濃度及びエタノール濃度を測定した。
(2) Fermentation step For each saccharified solution obtained in (1), 1% by mass, 4.5% by mass of yeast (“Saccharomyces. Cereviviae” manufactured by Toyota Motor Corporation) with respect to the saccharified solution, It added so that it might become 10 mass% and 20 mass%, respectively, and it stirred by shaking at 32 degreeC for 48 hours. In addition, yeast was added in the state of a culture solution. The number of yeast cells contained in the culture solution was 2 × 10 8 CFU / mL. Furfural concentration and ethanol concentration were measured by the same method as in Example 1 (2).

(3)結果
発酵工程での発酵収率とフルフラール濃度の関係を図4に示した。図4から、フルフラール濃度が0.54g/Lである場合、発酵阻害物質の濃度に応じた発酵阻害を受けない酵母の菌体濃度の臨界値は4.5%であり、フルフラール濃度が0.98g/Lである場合、上記の臨界値は10%であり、フルフラール濃度が1.37g/Lである場合、上記の臨界値は20%であった。
(3) Results The relationship between the fermentation yield and furfural concentration in the fermentation process is shown in FIG. From FIG. 4, when the furfural concentration is 0.54 g / L, the critical value of the yeast cell concentration that does not undergo fermentation inhibition according to the concentration of the fermentation inhibiting substance is 4.5%, and the furfural concentration is 0.00. When 98 g / L, the critical value was 10%, and when the furfural concentration was 1.37 g / L, the critical value was 20%.

さらに、図5は、(A)は上記の臨界値とフルフラール濃度の関係を示すグラフであり、(B)は酵母の菌体数に置き換えた上記の臨界値とフルフラール濃度の関係を示すグラフであり、(C)は酵母の乾燥重量に置き換えた上記の臨界値とフルフラール濃度の関係を示すグラフである。また、グラフは、臨界値0%、4.5%、10%の3点を使用し、近似値としての線形関数のグラフを作成した。   5A is a graph showing the relationship between the critical value and the furfural concentration, and FIG. 5B is a graph showing the relationship between the critical value and the furfural concentration replaced by the number of yeast cells. Yes, (C) is a graph showing the relationship between the above critical value replaced with the dry weight of yeast and the furfural concentration. In addition, a graph of a linear function as an approximate value was created using three points of critical values 0%, 4.5%, and 10%.

以上のことから、糖化液に対する使用する酵母を含む溶液の割合(質量%)、酵母の菌体数(CFU/mL)及び酵母の乾燥重量(g/L)のうちいずれを使用しても上記の臨界値を表すことができる。
また、実際の臨界値とフルフラール濃度の関係は曲線のグラフであることから、誤差を鑑みて、図5のそれぞれの線形グラフの傾きが0.5倍〜2倍、好ましくは0.75倍〜1.5倍であれば、発酵阻害物質の濃度に応じた発酵阻害を受けない酵母の菌体濃度の臨界値の範囲内であると考えられる。
From the above, the ratio of the solution containing yeast to be used to the saccharified solution (mass%), the number of yeast cells (CFU / mL) and the dry weight of yeast (g / L) can be used. The critical value of can be expressed.
In addition, since the relationship between the actual critical value and the furfural concentration is a curve graph, the slope of each linear graph in FIG. 5 is 0.5 times to 2 times, preferably 0.75 times to If it is 1.5 times, it is thought that it is in the range of the critical value of the yeast cell density | concentration of the yeast which does not receive the fermentation inhibition according to the density | concentration of a fermentation inhibitory substance.

本発明によれば、発酵阻害物質の存在下において、安定的且つ効率的にリグノセルロース系バイオマス由来化合物の収率を向上させることができる。   According to the present invention, the yield of a lignocellulosic biomass-derived compound can be improved stably and efficiently in the presence of a fermentation inhibitor.

1…糖化装置、2,4,6…配管、3…発酵槽、5…酵母供給槽、10…リグノセルロース系バイオマス由来化合物の製造装置。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Saccharification apparatus, 2,4,6 ... piping, 3 ... Fermenter, 5 ... Yeast supply tank, 10 ... Production apparatus of lignocellulosic biomass origin compound.

本発明は、エタノールの製造方法に関する。 The present invention relates to a method for producing ethanol .

すなわち、本発明は、以下のとおりである。
(1)エタノールの製造方法であって、
(A)前処理済リグノセルロース系バイオマス及び酵素を混合し、糖化する工程と、
(B)前記工程(A)で得られた糖化液及び糖化残渣に、酵母を植菌し、発酵する工程と、を備え、
前記酵母がサッカロミセス・セレビシエ(Saccharomyces Cerevisiae)であり、
前記工程(A)の前、又は、工程(A)の後であって、工程(B)の前に、
(M)前記工程(A)前の前記前処理済リグノセルロース系バイオマスを含む液中、又は、前記工程(A)で得られた糖化液中のフルフラールの濃度に応じて、予め設定された基準値となるように、前記工程(B)における酵母の菌体濃度を決定する工程を備え、
前記予め設定された基準値が、フルフラールの濃度に応じた発酵阻害を受けない酵母の菌体濃度の臨界値以上の酵母の菌体濃度であって、
前記工程(B)において、前記工程(M)において決定された前記菌体濃度となるように酵母を植菌することを特徴とする製造方法。
(2)前記予め設定された基準値が、前記臨界値の1.0〜3.0倍である(1)に記載のエタノールの製造方法。
)前記臨界値が酵母の菌体数を用いた濃度(CFU(Colony forming
unit)/mL)で表され、
前記フルフラールの濃度がX(g/L)、前記臨界値がY(CFU/mL)であるとき、前記X及び前記Yは下記数式[1]で表される関係である(1)又は(2)に記載のエタノールの製造方法。
That is, the present invention is as follows.
(1) A method for producing ethanol ,
(A) mixing pre-treated lignocellulosic biomass and enzyme and saccharifying;
(B) a step of inoculating and fermenting yeast to the saccharified solution and saccharification residue obtained in the step (A),
The yeast is Saccharomyces cerevisiae,
Before step (A) or after step (A) and before step (B),
(M) In accordance with the concentration of furfural in the liquid containing the pretreated lignocellulosic biomass before the step (A) or in the saccharified liquid obtained in the step (A) A step of determining the yeast cell concentration in the step (B) so as to be a value,
The preset reference value is a yeast cell concentration that is not less than a critical value of the yeast cell concentration that does not undergo fermentation inhibition according to the furfural concentration,
In the said process (B), yeast is inoculated so that it may become the said cell density | concentration determined in the said process (M), The manufacturing method characterized by the above-mentioned.
(2) The method for producing ethanol according to (1), wherein the preset reference value is 1.0 to 3.0 times the critical value.
( 3 ) The critical value is a concentration using the number of yeast cells (CFU (Colony forming).
unit) / mL),
When the concentration of the furfural is X (g / L) and the critical value is Y (CFU / mL), the X and the Y are in a relationship represented by the following formula [1] (1) or (2 ) Production method of ethanol .

(数式[1]中、aは、1.0×10以上4.0×10以下の数であり、bは、2.0×10である。)
)前記臨界値が酵母の乾燥菌体重量を用いた濃度(g/L)で表され、
乾燥菌体1g当たりに含まれる酵母の菌体数が1.5×1010CFUであって、
前記フルフラールの濃度がX(g/L)、前記臨界値がY’(g/L)であるとき、前記X及び前記Y’は下記数式[2]で表される関係である(1)又は(2)に記載のエタノールの製造方法。
(In Formula [1], a is a number of 1.0 × 10 7 or more and 4.0 × 10 7 or less, and b is 2.0 × 10 6. )
( 4 ) The critical value is represented by the concentration (g / L) using the dry cell weight of yeast,
The number of yeast cells contained per gram of dry cells is 1.5 × 10 10 CFU,
When the concentration of the furfural is X (g / L) and the critical value is Y ′ (g / L), the X and the Y ′ are in a relationship represented by the following formula [2] (1) or The method for producing ethanol according to (2) .

Claims (5)

リグノセルロース系バイオマス由来化合物の製造方法であって、
(A)前処理済リグノセルロース系バイオマス及び酵素を混合し、糖化する工程と、
(B)前記工程(A)で得られた糖化液及び糖化残渣に、酵母を植菌し、発酵する工程と、を備え、
前記工程(A)の前、又は、工程(A)の後であって、工程(B)の前に、
(M)前記工程(A)前の前記前処理済リグノセルロース系バイオマスを含む液中、又は、前記工程(A)で得られた糖化液中の発酵阻害物質の濃度に応じて、予め設定された基準値となるように、前記工程(B)における酵母の菌体濃度を決定する工程を備え、
前記予め設定された基準値が、発酵阻害物質の濃度に応じた発酵阻害を受けない酵母の菌体濃度の臨界値以上の酵母の菌体濃度であって、
前記工程(B)において、前記工程(M)において決定された前記菌体濃度となるように酵母を植菌することを特徴とする製造方法。
A method for producing a lignocellulosic biomass-derived compound,
(A) mixing pre-treated lignocellulosic biomass and enzyme and saccharifying;
(B) a step of inoculating and fermenting yeast to the saccharified solution and saccharification residue obtained in the step (A),
Before step (A) or after step (A) and before step (B),
(M) Pre-set according to the concentration of the fermentation inhibitor in the liquid containing the pretreated lignocellulosic biomass before the step (A) or in the saccharified liquid obtained in the step (A). A step of determining the yeast cell concentration in the step (B) so as to be a reference value,
The preset reference value is a yeast cell concentration that is not less than a critical value of the yeast cell concentration that does not undergo fermentation inhibition according to the concentration of the fermentation inhibitor,
In the said process (B), yeast is inoculated so that it may become the said cell density | concentration determined in the said process (M), The manufacturing method characterized by the above-mentioned.
前記予め設定された基準値が、前記臨界値の1.0〜3.0倍である請求項1に記載のリグノセルロース系バイオマス由来化合物の製造方法。   The method for producing a lignocellulosic biomass-derived compound according to claim 1, wherein the preset reference value is 1.0 to 3.0 times the critical value. 前記発酵阻害物質がフルフラールである請求項1又は2に記載のリグノセルロース系バイオマス由来化合物の製造方法。   The method for producing a lignocellulosic biomass-derived compound according to claim 1 or 2, wherein the fermentation inhibitor is furfural. 前記臨界値が酵母の菌体数を用いた濃度(CFU(Colony forming unit)/mL)で表され、
前記フルフラールの濃度がX(g/L)、前記臨界値がY(CFU/mL)であるとき、前記X及び前記Yは下記数式[1]で表される関係である請求項3に記載のリグノセルロース系バイオマス由来化合物の製造方法。
Figure 2017136016
(数式[1]中、aは、1.0×10以上4.0×10以下の数であり、bは、2.0×10である。)
The critical value is represented by a concentration using the number of yeast cells (CFU (Colony forming unit) / mL),
The concentration of the furfural is X (g / L), and when the critical value is Y (CFU / mL), the X and the Y are in a relationship represented by the following formula [1]. A method for producing a lignocellulosic biomass-derived compound.
Figure 2017136016
(In Formula [1], a is a number of 1.0 × 10 7 or more and 4.0 × 10 7 or less, and b is 2.0 × 10 6. )
前記臨界値が酵母の乾燥菌体重量を用いた濃度(g/L)で表され、
乾燥菌体1g当たりに含まれる酵母の菌体数が1.5×1010CFUであって、
前記フルフラールの濃度がX(g/L)、前記臨界値がY’(g/L)であるとき、前記X及び前記Y’は下記数式[2]で表される関係である請求項3に記載のリグノセルロース系バイオマス由来化合物の製造方法。
Figure 2017136016
(数式[2]中、cは、0.5以上2.5以下の数であり、dは、0.13である。)
The critical value is represented by the concentration (g / L) using the dry cell weight of yeast,
The number of yeast cells contained per gram of dry cells is 1.5 × 10 10 CFU,
The X and the Y ′ are in a relationship represented by the following formula [2] when the concentration of the furfural is X (g / L) and the critical value is Y ′ (g / L). The manufacturing method of the lignocellulosic biomass origin compound of description.
Figure 2017136016
(In Formula [2], c is a number between 0.5 and 2.5, and d is 0.13.)
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