JP2021036840A

JP2021036840A - エタノールの製造方法

Info

Publication number: JP2021036840A
Application number: JP2019162093A
Authority: JP
Inventors: 優一 ▲高▼橋; Yuichi Takahashi; 浩平井手; Kohei Ide; 雅裕丹羽; Masahiro Niwa; 敦古城; Atsushi Kojo
Original assignee: Oji Holdings Corp; Eneos Corp
Current assignee: Oji Holdings Corp; Eneos Corp
Priority date: 2019-09-05
Filing date: 2019-09-05
Publication date: 2021-03-11

Abstract

【課題】
セルロース系原料からエタノールを効率良く得ることが可能な、エタノールの製造方法が提供すること。
【解決手段】
糖化酵素、酵母及び水を含有する反応系にセルロース系原料を供給して、セルロース系原料の糖化及び発酵により、エタノールを生成させる第一の工程と、反応系からエタノール及び反応残渣を含有する第一の混合物を取り出し、当該第一の混合物からエタノールを分離し、反応残渣を含有する第二の混合物を回収する第二の工程と、第二の混合物の少なくとも一部を反応系に供給する第三の工程と、第二の混合物の少なくとも一部をスクリューデカンタ型遠心分離機で処理して、第二の混合物より固形分濃度が小さい第三の混合物を得て、当該第三の混合物を反応系に供給する第四の工程と、を含む、エタノールの製造方法。
【選択図】なし

Description

本発明は、エタノールの製造方法に関するものである。

近年、地球温暖化対策の一環として、バイオマス等のセルロース系原料からエタノールを製造し、各種燃料や化学原料として利用しようとする試みが広く行われている。セルロース系原料からのエタノールの製造は、例えば、セルロース系原料を単糖や少糖類等の糖類に分解する工程、微生物を利用して糖類を発酵させる工程等により行われる。

例えば、特許文献１には、連続反応液から未反応リグノセルロース材料及び糖化酵素を回収することを含み、基質としてリグニンの除去操作を施したリグノセルロース材料を使用し、連続糖化反応槽に供給される分散液における全基質量と糖化酵素量の割合を、全基質の少なくとも９６質量％が滞留時間内に糖化される割合に維持することにより、未反応リグノセルロースの蓄積を防止しつつ連続的に糖化反応を行う、リグノセルロースの連続糖化方法が開示されている。

特開２００６−０８７３１９号公報

本発明は、セルロース系原料からエタノールを効率良く得ることが可能な、エタノールの製造方法を提供することを目的とする。

本発明の一側面は、糖化酵素、酵母及び水を含有する反応系にセルロース系原料を供給して、上記セルロース系原料の糖化及び発酵により、エタノールを生成させる第一の工程と、上記反応系からエタノール及び反応残渣を含有する第一の混合物を取り出し、当該第一の混合物からエタノールを分離し、前記反応残渣を含有する第二の混合物を回収する第二の工程と、上記第二の混合物の少なくとも一部を上記反応系に供給する第三の工程と、上記第二の混合物の少なくとも一部をスクリューデカンタ型遠心分離機で処理して、上記第二の混合物より固形分濃度が小さい第三の混合物を得て、当該第三の混合物を上記反応系に供給する第四の工程と、を含む、エタノールの製造方法に関する。

上記製造方法によれば、第四の工程により反応残渣の一部を除去することで、反応系における反応残渣の蓄積を抑制できる。また、上記製造方法では、第四の工程においてスクリューデカンタ型遠心分離機で反応残渣を処理している。スクリューデカンタ型遠心分離機では、大粒径の固形分が選択的に除去されやすいため、大粒径の固形分を除去しつつ、小粒径の固形分を第三の混合物中に残存させることができる。このため、上記製造方法では、反応残渣中に混在する酵母、及び、小粒径の固形分に吸着した糖化酵素の再利用が可能となり、エタノールの生産効率、酵母及び糖化酵素の使用効率の向上が見込まれる。これらの理由から、上記製造方法では、反応残渣の蓄積を抑制して反応の継続性を高めつつ、エタノールを効率良く得ることができる。

一態様において、上記第一の工程、上記第二の工程及び上記第三の工程を繰り返し行い、上記第四の工程を行わない第一の反応サイクルと、上記第四の工程を行う第二の反応サイクルと、を備えてよい。

一態様において、上記第一の混合物の固形分濃度が、所定濃度範囲内に維持されるように上記第四の工程を行ってよい。

一態様において、上記第一の混合物の粘度が、所定粘度範囲内に維持されるように上記第四の工程を行ってよい。

一態様において、上記スクリューデカンタ型遠心分離機に供給された固形分のうち、９５．０〜９９．９質量％が除去され、０．１〜５．０質量％が上記第三の混合物中に残存するように、上記スクリューデカンタ型遠心分離機による処理を行ってよい。

本発明によれば、セルロース系原料からエタノールを効率良く得ることが可能な、エタノールの製造方法が提供される。

実施例における反応工程の概略図である。実施例における、反応開始からの経過時間に対するＮｏ．１反応槽中の菌体数をプロットしたグラフである。実施例における、反応開始からの経過時間に対するＮｏ．１反応槽中の固形分の増加速度をプロットしたグラフである。実施例における、反応開始からの経過時間に対するＮｏ．１反応槽中の固形分の粘度をプロットしたグラフである。実施例における、反応開始からの経過時間に対するＮｏ．１反応槽中のエタノールの濃度の相対値をプロットしたグラフである。

以下、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。ただし、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。

本実施形態に係るエタノールの製造方法は、糖化酵素、酵母及び水を含有する反応系にセルロース系原料を供給して、セルロース系原料の糖化及び発酵により、エタノールを生成させる第一の工程と、反応系からエタノール及び反応残渣を含有する第一の混合物を取り出し、当該第一の混合物からエタノールを分離し、反応残渣を含有する第二の混合物を回収する第二の工程と、第二の混合物の少なくとも一部を反応系に供給する第三の工程と、第二の混合物の少なくとも一部をスクリューデカンタ型遠心分離機で処理して、第二の混合物より固形分濃度が小さい第三の混合物を得て、当該第三の混合物を反応系に供給する第四の工程と、を含む。

本実施形態に係る製造方法によれば、第四の工程により反応残渣の一部を除去することで、反応系における反応残渣の蓄積を抑制できる。また、本実施形態に係る製造方法では、第四の工程においてスクリューデカンタ型遠心分離機で反応残渣を処理している。スクリューデカンタ型遠心分離機では、大粒径の固形分が選択的に除去されやすいため、大粒径の固形分を除去しつつ、小粒径の固形分を第三の混合物中に残存させることができる。このため、本実施形態では、反応残渣中に混在する酵母、及び、小粒径の固形分に吸着した糖化酵素の再利用が可能となり、エタノールの生産効率、酵母及び糖化酵素の使用効率の向上が見込まれる。これらの理由から、本実施形態に係る製造方法では、反応残渣の蓄積を抑制して反応の継続性を高めつつ、エタノールを効率良く得ることができる。

本実施形態に係るエタノールの製造方法は、第一の工程、第二の工程及び第三の工程を繰り返し行い、第四の工程を行わない第一の反応サイクルと、第四の工程を行う第二の反応サイクルと、を備えてよい。

以下、各工程について詳述する。

（第一の工程）
第一の工程は、糖化酵素、酵母及び水を含有する反応系にセルロース系原料を供給して、セルロース系原料の糖化及び発酵により、エタノールを生成させる工程である。

第一工程では、セルロース系原料が糖化酵素により糖化され（酵素糖化反応）、生成された糖類が酵母による発酵でエタノールに変換される（エタノール発酵）。第一工程は、例えば、酵素糖化反応とエタノール発酵とを同時に行う並行複発酵工程であってよい。

（糖化酵素）
糖化酵素はセルロース分解酵素又はヘミセルロース分解酵素である限り特に限定されない。セルロース分解酵素としては、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等を有する、所謂セルラーゼと総称される酵素が挙げられる。各セルロース分解酵素は、それぞれの活性を有する酵素を適宜の量で添加してもよいが、市販されているセルロース分解酵素剤は、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ロース分解酵素剤を用いてもよい。

市販のセルロース分解酵素剤としては、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、イルペックス（Ｉｒｐｅｘ）属等に由来するセルロース分解酵素剤がある。このようなセルロース分解酵素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）、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。

使用される糖化酵素は、セルロース分解酵素剤の性質等を勘案して、単独もしくは組み合わせて用いることができる。本実施形態において、使用される糖化酵素としては、並行複発酵の初期に添加する糖化酵素と一定時間経過後に連続的または間欠的に添加する追加糖化酵素の２種類が存在していてよく、それら糖化酵素の種類は同一であっても異なってもよい。

本実施形態において、糖化酵素の活性は、以下の通りに定義される。
１Ｍ酢酸緩衝液１．５ｍＬを含む８ｍＬの水溶液（ｐＨ４．８）に酵素液３７５μＬ、広葉樹晒クラフトパルプ（ＬＢＫＰ）絶乾重量０．５ｇを加えた計１０ｍＬの系で３３℃、４時間反応を行ったのち、９５℃、１０分間加熱して反応停止させた。これを高速液体クロマトグラフィー（Ｈｉｇｈｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｌｉｑｕｉｄｃｈｒｏｍａｔｏｇｒａｐｈｙ：ＨＰＬＣ）（Ｐｒｏｍｉｎｅｎｃｅ、島津製作所社製）にて示差屈折率（ＲＩ）検出器を用いて分析、グルコース濃度を測定する。測定結果に基づき、１分間に１μｍｏｌのグルコースを生じる酵素タンパク量を１単位（Ｕ）とする。
ＨＰＬＣの測定条件は以下の通りである。
カラム：８０ＳｈｏｄｅｘＳＵＧＡＲＳＰ０８１０（昭和電工株式会社製）
移動相：超純水
流速：０．８ｍＬ／ｍｉｎ
温度：８０℃

反応槽中の発酵液における糖化酵素の初期含量は、特に限定されないが、好ましくは５０〜５００Ｕ／Ｌであり、さらに好ましくは１００〜３００Ｕ／Ｌである。

また、反応槽中の発酵液における糖化酵素の初期含量とセルロース系原料の初期含量との比（糖化酵素の初期含量（Ｕ）／セルロース系原料の初期含量（ｋｇ））は、好ましくは５００〜５０，０００Ｕ／ｋｇであり、さらに好ましくは１，０００〜３０，０００Ｕ／ｋｇである。

（酵母）
酵母は、特に限定されないが、糖類（六炭糖、五炭糖）を発酵できるものであることが好ましい。具体的には、酵母としては、サッカロマイセス・セレビシエ（Ｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓｃｅｒｅｖｉｓｉａｅ）等のサッカロマイセス属酵母、ピキア・スティピティス（Ｐｉｃｈｉａｓｔｉｐｉｔｉｓ）等のピキア属酵母、キャンディダ・シハタエ（Ｃａｎｄｉｄａｓｈｉｈａｔａｅ）等のキャンディダ属酵母、パチソレン・タノフィルス（Ｐａｃｈｙｓｏｌｅｎｔａｎｎｏｐｈｉｌｕｓ）等のパチソレン属酵母、イサチェンキア・オリエンタリス（Ｉｓｓａｔｃｈｅｎｋｉａｏｒｉｅｎｔａｌｉｓ）等のイサチェンキア属酵母等の酵母が挙げられ、好ましくはサッカロマイセス属、イサチェンキア属に属する酵母、さらに好ましくは、サッカロマイセス・セレビシエ、イサチェンキア・オリエンタリスである。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もできる。遺伝子組換酵母としては、糖類（六炭糖及び五炭糖）を発酵できるものであれば特に制限なく用いることができ、好ましくは、六炭糖及び五炭糖を同時に発酵できる酵母を用いることができる。

並行複発酵工程で用いる酵母としては、酵母培養液を用いることが好ましい。かかる酵母培養液は、上記工程に適した添加量となるように、異なるサイズの培養槽を用いて段階的に培養し得ることができる。例えば、最初に１００〜３００ｍＬで培養し、次に、得られた培養液を用いて１０〜３０Ｌで培養し、さらに得られた培養液を用いて５００〜１０００Ｌで培養し、得られた培養液を並行複発酵工程に用いることができる。

並行複発酵工程での反応槽中の発酵液のｐＨは、特に限定されないが、３〜１０の範囲に維持することが好ましく、４〜８の範囲に維持することがより好ましい。

並行複発酵工程での反応槽中の発酵液の温度は、糖化酵素および／または酵母の至適温度の範囲内であれば特に限定されないが、２０〜４０℃が好ましく、３０〜４０℃がより好ましい。

また、並行複発酵工程における反応槽中の菌体数は、特に限定されないが、１０^７ｃｅｌｌｓ／ｍＬ以上が好ましく、１０^８ｃｅｌｌｓ／ｍＬ以上がより好ましい。また、好ましい菌体数の範囲は、１０^７〜１０^９ｃｅｌｌｓ／ｍＬであり、より好ましい菌体数の範囲は１０^８〜１０^９ｃｅｌｌｓ／ｍＬである。

並行複発酵工程における発酵液の固形分（反応残渣、ＳｕｓｔａｉｎｅｄＳｏｌｉｄ：ＳＳ）の増加速度は、特に限定されないが、−１〜５ｋｇ／ｈの範囲であってよく、好ましくは０〜５ｋｇ／ｈの範囲である。

並行複発酵工程におけるグルコース濃度は、特に限定されないが、０〜０．２質量／体積％の範囲が挙げられる。

並行複発酵工程は、例えばセミバッチ式又はバッチ式であってよく、好ましくは連続式である。ここで、連続式とは、例えば、原料供給およびエタノールの生成が継続される態様をいう。反応時間は、酵素濃度によっても異なるが、バッチ式の場合は好ましくは１２〜２４０時間、より好ましくは２４〜１２０時間である。セミバッチ式又は連続式の場合、平均滞留時間は、好ましくは１２〜２４０時間、さらに好ましくは２４〜１２０時間である。ここで、平均滞留時間とは、セルロース系原料が反応槽内へ供給されてから反応槽外に移送されるまでに平均して滞留する時間をいう。

本実施形態において、並行複発酵工程は、セルロース系原料、糖化酵素及び酵母を含む発酵液に、該発酵液自体の物性値が予め設定した範囲内に維持されるように追加糖化酵素を連続的又は間欠的に添加することを含んでいてよい。かかる物性値としては、特に限定されないが、エタノール製造量当たりの必要酵素量を一定レベルに維持する観点からは、発酵液のエタノール濃度及び／又は粘度が好ましい。

上記発酵液の物性値がエタノール濃度である場合、発酵開始後に定常状態になった時のエタノール濃度に対して、発酵液のエタノール濃度（相対値）が８０％以上に維持されるように追加糖化酵素を添加することが好ましい。上記エタノール濃度として、より好ましくは８５％以上である。かかるエタノール濃度の測定時点は、特に限定されず、適宜設定されるものであるが、例えば、発酵開始後３００〜５００時間である。発酵液のエタノール濃度の測定は、少なくとも１ｍＬの発酵液を反応槽よりサンプリングし、反応停止後、ＨＰＬＣによる上清の分析により測定することができる。このような測定は、Ｐｒｏｍｉｎｅｎｃｅ（株式会社島津製作所）を用いることにより、簡便に行うことができる。

ここで、上記「発酵開始後に定常状態になった時」とは、発酵開始後にエタノール濃度が最初に極大値となった時点であって、その後もエタノール濃度の変動範囲が２０％未満に留まる時点を好ましく意味する。発酵開始後に定常状態になる時点は、反応条件等に応じて適宜変更することができるが、例えば、発酵開始後１２〜２４０時間であり、好ましくは２４〜１２０時間である。

添加する追加糖化酵素の量は、上記発酵液における酵素原単位（Ｕ／Ｌ）が、例えば、発酵開始１〜１２時間後、好ましくは、１〜８時間後の酵素原単位に対する相対値として０．１〜３０％に維持されるような量であることが好ましい。ここで、酵素原単位とは、単位容量のエタノールを生成するのに必要な酵素量をいう。上記酵素原単位は、酵素コストの指標に用いられ、好ましくは、以下の式から算出できる。
酵素原単位（Ｕ／Ｌ）＝糖化酵素の総量（Ｕ）／生成したエタノールの総量（Ｌ）
酵素コストの抑制の観点から、酵素原単位が継続的に減少するように酵素反応を実施することは、効率的なエタノール製造が可能な点で特に有利である。追加糖化酵素の量は、発酵開始１〜１２時間後の酵素原単位に対して、発酵液の酵素原単位（相対量）が、例えば、０．１〜３０％、好ましくは０．１〜１０％、より好ましくは０．１〜２％となるように設定することが好ましい。かかる酵素原単位の算出時点は、特に限定されず、適宜設定されるものであるが、例えば、３００〜５００時間である。

添加する追加糖化酵素の量は、例えば、発酵液１Ｌあたり２０Ｕ以下とすることができ、好ましくは１〜１５Ｕ、さらに好ましくは３〜１０Ｕである。ここで、添加する追加糖化酵素の量は１日当たりの追加糖化酵素の添加量として計算できる。また、追加糖化酵素の量は、並行複発酵工程の温度、ｐＨ、時間、酵素の性質及び組み合わせ等によって適宜設定することができる。

１日当たりの追加糖化酵素の添加量と、発酵液における糖化酵素の初期含量との質量比（１日当たりの追加糖化酵素の添加量：発酵液における糖化酵素の初期含量）は、特に限定されないが、好ましくは１：１０〜１：１００であり、より好ましくは１：１５〜１：８０であり、さらに好ましくは１：１５〜１：５０である。

追加糖化酵素の添加は連続的または間欠的に行われる。ここで、追加糖化酵素の添加が間欠的に行われる場合、追加糖化酵素の添加は２〜１９２時間毎が好ましく、６〜９６時間毎がより好ましく、１２〜４８時間毎がさらに好ましい。

追加糖化酵素の添加の開始は、該発酵液自体の物性値を測定し、該測定値が予め設定した範囲内に維持されるように開始することが好ましい。

追加糖化酵素を添加するための指標としては、発酵液の粘度もまた採用することができる。上記粘度は、セルロース系原料の糖化の進行度合いに関する指標として用いることが考えられる。上記発酵液の物性値が発酵液の粘度である場合、該粘度は攪拌条件や反応条件等に応じて適宜決定することができるが、該粘度が１４０ｃＰを超えた時点で追加糖化酵素を前記発酵液に添加することが好ましい。上記粘度の指標は、並行複発酵工程における反応が連続式である場合に特に有利に用いることができる。並行複発酵工程がセミバッチ式又はバッチ式である場合には、発酵液の粘度は攪拌条件や反応条件等に応じて適宜決定することができるが、該粘度が４ｃＰを超えた時点で追加糖化酵素を上記発酵液に添加することが好ましい。

また、発酵液の物性値が粘度である場合、該粘度は攪拌条件や反応条件等に応じて適宜決定することができるが、上述の予め設定された範囲は発酵液の粘度として３００ｃＰ以下が好ましい。上記粘度として、より好ましくは２５０ｃＰ以下である。上記粘度の範囲は、並行複発酵工程における反応が連続式である場合に有利に用いることができる。並行複発酵工程における反応がセミバッチ式又はバッチ式である場合には、発酵液の粘度が２０ｃＰ以下となるように追加糖化酵素を前記発酵液に添加することが好ましい。

発酵液の粘度の測定は、少なくとも１０ｍＬの発酵液を反応槽よりサンプリングし、粘度計による粘度測定に直接供することにより測定することができる。このような測定は、粘度計（アナログＢ型粘度計ＬＶ−Ｔ、ＢＲＯＯＫＦＩＥＬＤ社）を用いることにより、簡便に行うことができる。

また、並行複発酵工程においては、発酵液におけるセルロース系原料の濃度が所定の範囲内に維持されるように調節されることが好ましい。上記所定の範囲としては、５〜３０質量％が挙げられ、好ましくは１０〜２０質量％である。上記調節は、例えば、反応槽にセルロース系原料を供給することにより行われる。ここで、セルロース系原料の反応槽への供給速度は特に限定されないが、並行複発酵工程が連続式であって、反応槽から発酵液が排出されている場合、反応槽へのセルロース系原料の供給速度と反応槽からの発酵液の排出速度が同程度であることが好ましい。また、下記に示すように、第二の工程において、エタノール水溶液分離後の固形分濃縮発酵液を回収し、反応槽へ移送する場合、該固形分濃縮発酵液と反応槽へのセルロース系原料との合計の供給速度と反応槽からの発酵液の排出速度とが同程度であることが好ましい。

酵母生育の観点または原料が未反応のまま反応槽から移送されるリスクを防ぐ観点から、並行複発酵が行われる反応槽は、互いに連結した少なくとも２槽であることが好ましい。上記少なくとも２槽の反応槽は直列に連結していることが好ましい。かかる態様においては、例えば、第１反応槽から排出される第一の発酵液を、ライン部を介して第２反応槽に注入するように、各反応槽を直列に連結することができる。ここで、上記第１反応槽は、発酵液を収容しかつセルロース系原料が連続的に追加供給されるものであることが好ましい。セルロース系原料の供給量としては、第一反応槽内の発酵液におけるセルロース系原料の濃度が所定の範囲内に維持されるように調節されることが好ましく、上記所定の範囲としては、５〜３０質量％が挙げられ、好ましくは１０〜２０質量％である。さらに、上記第２反応槽における発酵液が、上記第１反応槽から上記発酵液の一部が連続的に移送されるものであることが好ましい。

並行複発酵を行う反応槽として互いに連結した少なくとも２槽を用いる場合、追加糖化酵素の添加の指標となるような発酵液の物性値は、第１反応槽の発酵液の物性値を用いることが好ましい。第１反応槽の発酵液は、未反応のセルロース原料の割合が多く酵素活性の低下が物性値に影響しやすいことから、追加糖化酵素の添加の正確な指標として利用する上で有利である。

（セルロース系原料）
セルロース系原料とは、セルロースを主原料とした原料を意味する。セルロースは、例えば、セルロース、ヘミセルロース及びリグニンを含むリグノセルロースであってよい。すなわち、セルロース系原料は、例えば、リグノセルロース系原料であってもよい。リグノセルロース系原料は、パルプ、または、パルプ以外の、リグノセルロースを含む原料である。リグノセルロース系原料は１種を単独で用いてもよいし、２種以上混合して用いてもよい。

パルプとしては、針葉樹、広葉樹、林地残材、建築廃材等から得られる木材パルプ、コットンリンターやコットンリント、麻、麦わら、バガス等の非木材パルプ、古紙を原料とした古紙パルプや脱墨パルプ等が挙げられる。パルプの製法としてはアルカリ抽出、アルカリ蒸解等の化学パルプ製造法等、高度にリグニンを除去する方法が好ましく、化学パルプ製造法により製造されるパルプの中でも、入手のしやすさという点で、製紙用パルプが好ましい。製紙用パルプとしては、広葉樹クラフトパルプ（例えば、晒クラフトパルプ（ＬＢＫＰ）、未晒クラフトパルプ（ＬＵＫＰ）、酸素漂白クラフトパルプ（ＬＯＫＰ））、針葉樹クラフトパルプ（例えば、晒クラフトパルプ（ＮＢＫＰ）、未晒クラフトパルプ（ＮＵＫＰ）、酸素漂白クラフトパルプ（ＮＯＫＰ））、サルファイトパルプ（ＳＰ）、ソーダパルプ（ＡＰ）等の化学パルプ、セミケミカルパルプ（ＳＣＰ）、ケミグラウンドウッドパルプ（ＣＧＰ）等の半化学パルプが挙げられる。パルプとして、好ましくは、広葉樹クラフトパルプ、針葉樹クラフトパルプ、サルファイトパルプ（ＳＰ）、セミケミカルパルプ（ＳＣＰ）であり、より好ましくは、広葉樹晒クラフトパルプ（ＬＢＫＰ）、針葉樹酸素漂白クラフトパルプ（ＮＯＫＰ）である。

パルプ以外の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、木本性植物の切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る。前記木質系のリグノセルロース系原料としては、ユーカリ（Ｅｕｃａｌｙｐｔｕｓ）属植物、ヤナギ（Ｓａｌｉｘ）属植物、ポプラ属植物、アカシア（Ａｃａｃｉａ）属植物、スギ（Ｃｒｙｐｔｏｍｅｒｉａ）属植物等が利用できる。これらのうちでも、ユーカリ属植物、アカシア属、ヤナギ属植物が原料として大量に採取し易いため好ましい。草本系としてケナフ、稲藁、麦わら、コーンコブ、バガス等の農産廃棄物、油用作物やゴム等の工芸作物の残渣及び廃棄物（例えば、ＥＦＢ：ＥｍｐｔｙＦｒｕｉｔＢｕｎｃｈ）、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。また、パルプ以外のリグノセルロース系原料はバイオマスであってもよい。バイオマスとしては、木材由来の紙、古紙、パルプスラッジ、スラッジ、下水汚泥、食品廃棄物等が挙げられる。これらのバイオマスは、単独、あるいは複数を組み合わせて使用することができる。また、バイオマスは、乾燥固形物であっても、水分を含んだ固形物であっても、スラリーであってもよい。上述のパルプ以外のリグノセルロース系原料は、前処理（脱リグニン処理等）を行った上で好適に使用される。

反応槽中の発酵液におけるセルロース系原料の濃度は、好ましくは５〜３０質量％であり、より好ましくは１０〜２０質量％である。セルロース系原料の濃度を５質量％以上にすることは、最終的に生産物の濃度が低すぎてエタノールの濃縮のコストが高くなるという問題を回避する上で有利である。また、セルロース系原料の濃度を３０質量％以下とすることは、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を回避する上で有利である。

（第二の工程）
第二の工程は、反応系からエタノール及び反応残渣を含有する第一の混合物を取り出し、当該第一の混合物からエタノールを分離し、反応残渣を含有する第二の混合物を回収する工程である。

反応残渣は、例えば、リグニン、酵素、酵母等を含んでいてよい。

第一の混合物は、エタノール及び反応残渣以外に、未反応原料、グリセロール、キシロース、キシリトール、酢酸等を更に含有していてよい。

第一の混合物を取り出す速度は特に限定されない。例えば、１時間当たりに取り出される第一の混合物の量は、総滞留量（反応槽に滞留する発酵液の総量）に対して１／２４０〜１／１２であってよく、エタノール製造効率の観点から、好ましくは総滞留量に対して１／１２０〜１／２４である。

第二の混合物は、第一の混合物からエタノールを除去して得られた残部であってよい。第二の混合物は、反応残渣以外に、未反応原料、グリセロール、キシリトール、酢酸等を更に含有していてよい。

より具体的には、第二の工程で反応槽から排出された発酵液（第一の混合物）は、減圧蒸留装置、膜分離装置等の分離装置により、固形分濃縮発酵液（第二の混合物）と水溶液、例えば、固形分濃縮発酵液（第二の混合物）とエタノール水溶液とに分離されてよい。反応槽が２槽である場合には、第２反応槽から発酵液が排出されエタノール分離装置に移送されることが好ましい。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等を用いることができる。減圧下では低い温度でエタノールを分離できるため、酵素の失活を防ぐことができる。得られたエタノール水溶液は、さらに蒸留処理または各種分離膜、例えば、ゼオライト膜を用いて濃縮することにより、高純度のエタノールを生成することができる。

（第三の工程）
第三の工程は、第二の混合物の少なくとも一部を反応系に供給する工程である。すなわち、第三の工程は、発酵液（第一の混合物）から分離された固形分濃縮発酵液（第二の混合物）の一部又は全部を反応槽に移送する工程ということもできる。反応槽が２槽以上である場合には、第１反応槽に固形分濃縮発酵液（第二の混合物）の一部又は全部を移送することが好ましい。

第三の工程において、第二の混合物の全部を反応系に供した場合は、第四の工程は実施されない。一方、第三の工程において、第二の混合物の一部を反応系に供した場合、第二の混合物の他部（又は、当該他部の更に一部）が第四の工程に供されてよい。また、本実施形態では、第三の工程を間欠的に実施してよい。第三の工程を実施しないとき、第二の混合物の一部又は全部が第四の工程に供されてよい。

（第四の工程）
第四の工程は、第二の混合物の少なくとも一部をスクリューデカンタ型遠心分離機で処理して、第二の混合物より固形分濃度が小さい第三の混合物を得て、当該第三の混合物を反応系に供給する工程である。

第四の工程では、第二の混合物の少なくとも一部をスクリューデカンタ型遠心分離機で処理することで、反応残渣の一部を除去し、第二の混合物より固形分濃度が小さい第三の混合物を得ることができる。得られた第三の混合物は反応系に供給される。これにより、反応系における反応残渣の蓄積が抑制される。

すなわち、第四の工程は、発酵液（第一の混合物）から分離された固形分濃縮発酵液（第二の混合物）の一部又は全部をスクリューデカンタ型遠心分離機で処理して低固形分発酵液（第三の混合物）を得て、当該低固形分発酵液の一部又は全部を反応槽に移送する工程ということもできる。反応槽が２槽以上である場合には、第１反応槽に低固形分発酵液（第三の混合物）の一部又は全部を移送することが好ましい。

スクリューデカンタ型遠心分離機による処理速度は特に限定されない。例えば、１時間当たりにスクリューデカンタ型遠心分離機で処理される第二の混合物の量は、総滞留量（第二の工程で回収される第二の混合物の総量）に対して、１〜９０質量％であってよく、酵母及び酵素回収による反応性を両立する観点から、好ましくは１〜５０質量％、より好ましくは１〜３０質量％である。

本実施形態では、第四の工程を常時実施してもよく、間欠的に実施してもよい。第四の工程は、例えば、第一の混合物の固形分濃度が、所定範囲内に維持されるように実施されてよい。

上記の固形分濃度の所定範囲は、装置条件等に応じて適宜設定してよく、例えば、装置の許容濃度範囲に基づいて決定されてよい。固形分濃度の所定範囲は、例えば１〜２０質量％であってよく、第１反応槽における反応性と流動性を両立する観点から、好ましくは３〜１８質量％、より好ましくは５〜１５質量％である。

なお、固形分濃度の測定方法は、特に限定されず、例えばセントラル科学社製「ＳＳ濁度系ＳＴ−１００」を用いて測定できる。

第四の工程はまた、第一の混合物の粘度が所定範囲内に維持されるように実施されてもよい。

上記の粘度の所定範囲は、装置条件等に応じて適宜設定してよく、例えば、装置の許容粘度範囲に基づいて決定されてよい。粘度の所定範囲は、例えば０〜１０００ｃＰであってよく、第１反応槽における反応性と流動性を両立する観点から、好ましくは０〜５００ｃＰ、より好ましくは０〜３００ｃＰである。

なお、第一の混合物の粘度の測定方法は、特に限定されず、例えばＢＲＯＯＫＦＩＥＬＤ社製「アナログＢ型粘度計ＬＶ−Ｔ」を用いて測定できる。

第四の工程では、例えば、スクリューデカンタ型遠心分離機に供給された固形分のうち、９５．０〜９９．９質量％が除去され、０．１〜５．０質量％が第三の混合物中に残存するように、スクリューデカンタ型遠心分離機による処理を行ってよい。固形分のうち０．１〜５．０質量％が残存するようにスクリューデカンタ型遠心分離機による処理を行うことで、上述した大粒径の固形分の選択的な除去による効果が、より顕著に奏される。

スクリューデカンタ型遠心分離機に供給された固形分のうち、除去される固形分の割合は、好ましくは９７．０〜９９．９質量％、より好ましくは９９．０〜９９．９質量％である。すなわち、スクリューデカンタ型遠心分離機に供給された固形分のうち、第三の混合物中に残存する固形分の割合は、好ましくは０．１〜３．０質量％、より好ましくは０．１〜１．０質量％である。

以下、実施例に基づいて本発明をより具体的に説明する。ただし、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

（実施例１）
＜酵母の培養＞
発酵液に用いる酵母は、（１）２００ｍＬｉｎ５００ｍＬフラスコ、（２）２０Ｌｉｎ３０Ｌ培養槽、（３）８００Ｌｉｎ９００Ｌ培養槽の３段階で調製した。各段階において、コーンスティープリカー（ＣｏｒｎＳｔｅｅｐＬｉｑｕｏｒ、ＣＳＬ）１質量％、ブドウ糖２質量％の水溶液を調製し、１×１０^×７ｃｅｌｌｓ／ｍＬとなるように植菌し、１２時間培養した。

＜エタノールの製造＞
本実施例におけるエタノールの製造の概略図を図１に示した。なお、図１中の実線の矢印は常に実施される工程の流れ、破線の矢印は一時的に実施される工程の流れをそれぞれ表している。

最大１２０００Ｌ容量のＮｏ．１反応槽１１に、滅菌水４００ｋｇを張込み、尿素１４ｋｇ及びＣＳＬ６３ｋｇを添加後、絶乾重量で１５．２ｋｇ／ｈの速度で広葉樹晒クラフトパルプ１（ＬＢＫＰ、バイオマス固形分濃度：１０質量％）の供給を開始した。ＬＢＫＰ供給開始後３時間経過時点で、３Ｎ硫酸及び３Ｎ水酸化ナトリウム水溶液を加えてｐＨを４．８に調整した後、酵素タンク８で調製した９６６６０８Ｕの酵素２及び９００Ｌ培養槽１０で調製した酵母３の培養液全量を添加し、反応を開始した。反応槽は温度３３℃、攪拌速度２４ｒｐｍ、通気量０．０１６ｖｖｍ、ｐＨ４．８で一定となるように制御し、４８時間経過時点で全量７３００ｋｇのうち半分量の３６５０ｋｇを最大１２０００ＬのＮｏ．２反応槽１２へと移送した。Ｎｏ．２反応槽１２への移送完了後、Ｎｏ．２反応槽１２からバッファータンク１３を介して減圧蒸留塔１４へ１５０ｋｇ／ｈの速度で発酵液移送を開始、４０ｋｇ／ｈの割合でエタノール水溶液４を留去するとともに、１１０ｋｇ／ｈの割合で固形分濃縮発酵液を反応槽１５へと回収する操作を運転停止まで継続した。この間、ＬＢＫＰは一定速度での供給を継続した。（Ｐｈａｓｅ１）

反応開始後３５４時間経過時点で酵素少量追添を開始した。酵素は２４時間毎に４９２１０Ｕ添加した（Ｐｈａｓｅ２）。

５５８時間経過後、上記酵素追添に加え、スクリューデカンタ１６（タナベウィルテック社製、デカンタ型遠心分離機、型番：Ｚ１ＬＬ−Ｋ−Ｖ−ＢＳ２）による反応残渣の一部抜出を実施した。具体的には、蒸留後の固形分濃縮発酵液１１０ｋｇ／ｈのうち６ｋｇ／ｈをスクリューデカンタ１６へ給液し、反応残渣５を除去した。反応残渣除去後の混合物は、Ｎｏ．１反応槽１１へと回収した（Ｐｈａｓｅ３）。このとき、スクリューデカンタの運転条件は、ボール回転数４８００ｒｐｍ、差動（スクリューデカンタ内部の「ボール」と「スクリュー」の差速）１０ｒｐｍとし、遠心効果は３０００ｇであった。

Ｎｏ．１反応槽１１及びＮｏ．２反応槽１２中の反応液を１２時間に１度サンプリングし、粘度計（ＢＲＯＯＫＦＩＥＬＤ社製「アナログｂ型粘度計ＬＶ−Ｔ」）にて粘度を、濁度計（セントラル科学社製「ＳＳ濁度計ＳＴ−１００」）にて固形分濃度を、それぞれ測定した。また、菌体数はトーマ血球計算盤を用い、光学顕微鏡（倍率４００倍）で観察し、計測した。結果を図２〜４に示す。この結果から、菌体数はエタノール製造に必要な水準に維持しつつ、固形分量を削減することにより、反応液の粘度を低減できることが確認された。

また、サンプリングした試料を９５℃、１０分加熱して反応停止させたのち、これをＨＰＬＣ（株式会社島津製作所社製、Ｐｒｏｍｉｎｅｎｃｅ）にて示唆屈折率（ＲＩ）検出器を用いて分析し、エタノールの濃度を測定した。反応開始から４８時間が経過した時点でのエタノールの濃度を１とし、相対値を算出した。結果を図５に示す。この結果から、スクリューデカンタによる固形分の一部除去により、エタノール生産性を維持しながら固形分濃度および粘度を低減できることが確認された。

また、反応開始から５７０時間、５９４時間及び６１８時間が経過した時点で、スクリューデカンタ処理に供された固形分量と処理後に残存した固形分量とをそれぞれ求めた。結果を表１に示す。

（参考試験１）
＜粒径ごとの反応残渣残存率＞
卓上小型遠心分離機（トミー精工社製、「ＭＸ３０５」）を用いて、スクリューデカンタ型遠心分離機に相当する下記条件で発酵液（５Ｌ培養槽連続発酵液３０ｍＬ）の遠心分離を行い、反応残渣を除去した。遠心分離後の上清をピペットで２００μＬ取り出し、粒径分布を測定した。結果を表２に示す。
・遠心強度：３０００Ｇ
・処理時間：１分

この結果から、スクリューデカンタ型遠心分離機によって、大粒径の固形分（粒径が１０μｍより大きい固形分）が除去されやすく、小粒径の固形分（粒径が１０μｍ以下の固形分）が残存しやすいことが確認された。

１…広葉樹晒クラフトパルプ、２…酵素、３…酵母、４…エタノール水溶液、５…反応残渣、６…コンデンサー、７…真空ポンプ、８…酵素タンク、９…３０Ｌ培養槽、１０…９００Ｌ培養槽、１１…Ｎｏ．１反応槽、１２…Ｎｏ．２反応槽、１３…バッファータンク、１４…減圧蒸留塔、１５…反応槽、１６…スクリューデカンタ。

Claims

糖化酵素、酵母及び水を含有する反応系にセルロース系原料を供給して、前記セルロース系原料の糖化及び発酵により、エタノールを生成させる第一の工程と、
前記反応系からエタノール及び反応残渣を含有する第一の混合物を取り出し、当該第一の混合物からエタノールを分離し、前記反応残渣を含有する第二の混合物を回収する第二の工程と、
前記第二の混合物の少なくとも一部を前記反応系に供給する第三の工程と、
前記第二の混合物の少なくとも一部をスクリューデカンタ型遠心分離機で処理して、前記第二の混合物より固形分濃度が小さい第三の混合物を得て、当該第三の混合物を前記反応系に供給する第四の工程と、
を含む、エタノールの製造方法。
前記第一の工程、前記第二の工程及び前記第三の工程を繰り返し行い、前記第四の工程を行わない第一の反応サイクルと、
前記第四の工程を行う第二の反応サイクルと、
を備える、請求項１に記載の製造方法。
前記第一の混合物の固形分濃度が、所定濃度範囲内に維持されるように前記第四の工程を行う、請求項１又は２に記載の製造方法。
前記第一の混合物の粘度が、所定粘度範囲内に維持されるように前記第四の工程を行う、請求項１〜３のいずれか一項に記載の製造方法。
前記スクリューデカンタ型遠心分離機に供給された固形分のうち、９５．０〜９９．９質量％が除去され、０．１〜５．０質量％が前記第三の混合物中に残存するように、前記スクリューデカンタ型遠心分離機による処理を行う、請求項１〜４のいずれか一項に記載の製造方法。