JP4522797B2

JP4522797B2 - リグノセルロースの前処理方法及びエタノール製造方法

Info

Publication number: JP4522797B2
Application number: JP2004259513A
Authority: JP
Inventors: 直之奥田
Original assignee: Tsukishima Kikai Co Ltd
Current assignee: Tsukishima Kikai Co Ltd
Priority date: 2004-09-07
Filing date: 2004-09-07
Publication date: 2010-08-11
Anticipated expiration: 2024-09-07
Also published as: JP2006075007A

Description

本発明は、廃建材などのリグノセルロース含有原料を用いて安価に効率よくエタノール発酵可能な糖液を得るリグノセルロースの前処理方法及び該糖液を用いてエタノールを製造するエタノール製造方法に関する。

再生可能資源であるバガスや稲わら、木材チップなどの天然系のリグノセルロース含有原料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。
リグノセルロース含有原料の一つである木質系バイオマスでは、先ず酸やアルカリでヘミセルロースを加水分解し、ヘミセルロース由来の糖を得る。ヘミセルロースを構成する糖は、主にキシロース、アラビノースといった五単糖とグルコース、ガラクトース、マンノースといった六単糖であり、これらの量比率は木質系バイオマスの種類によって異なる。

酸やアルカリでヘミセルロース由来の糖を得た後、残渣は酸や酵素で処理し、セルロース由来の糖（グルコース）を得るが、希硫酸を用いる方法は、グルコース収率が４０％程度と低いことに加え、ギ酸やレブリン酸、ヒドロキシメチルフルフラール（ＨＭＦ）などの糖の過分解物質が生じやすく、発酵に影響を与える。

リグノセルロース含有原料に共通する性質の一つに、ヘミセルロースとセルロースの分解条件に差があることが挙げられる。ヘミセルロースは比較的、酸、アルカリ、熱水処理で分解されやすく、９０％以上の高い回収率で糖が得られるのに対し、セルロースはより厳しい条件で分解が行われ、そのような条件下では糖の過分解がほぼ同じ速度で生じるため、糖の回収率が低くなる。
そこで、酸やアルカリに代わる方法として、酵素による加水分解が研究されてきたが、酵素を有効に働かせるための前処理は原料によって適切な方法を選定する必要がある。

前述のように、ヘミセルロースからの糖回収率は酸、アルカリ、熱水処理で９０％以上が可能であるので、原料に対して先ず、酵素加水分解の前処理を兼ねた一次加水分解を行うことによってヘミセルロース由来の糖をできるだけ回収する方法が望ましい。
酵素加水分解の前処理としてよく研究されている方法は、酸、アルカリ、熱水処理、爆砕を用いる方法である。前処理としては、いずれも効果があるが、一次加水分解として糖も得ようとする場合、アルカリ条件下では糖の分解が進みやすいため、酸、熱水処理、爆砕を用いた処理が有利である。その他に、原料に対する一次処理として、苛性ソーダ蒸煮、酸化条件下での石灰処理（例えば、非特許文献１〜３参照。）も報告されているが、ヘミセルロース由来の糖の収率は低い。

一方、酸処理では糖は回収できるが、原料によっては酵素加水分解の前処理として不十分な場合がある。
木材の中でも広葉樹を酸や爆砕で一次処理した後の残渣は、比較的容易に酵素で糖化されるが、針葉樹はリグニンを含む構造が広葉樹より強固なため、一次処理した後の残渣はそのままでは酵素加水分解率は低い。
国内で有効利用が望まれている廃建材は、スギ、ツガ、マツなどの針葉樹が主体であるため、針葉樹に対する前処理方法の確立は特に国内において重要である。
また、一次処理した残渣を酵素加水分解に供する前に二次処理を行い酵素加水分解率を高める方法も研究されている。例えば、オゾン、過酸化水素、亜塩素酸ナトリウムなどが報告されている。
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しかしながら、前述した従来の二次処理を行う前処理方法は、コストが高いだけでなく、後段の発酵において微生物に阻害的に働く場合が懸念されるので、発酵前に薬剤を除去する工程を設ける必要がある。
二次処理で用いる薬剤は、安価であること、次工程の発酵を阻害しないこと、リサイクル可能なことなどが望まれる。

本発明は前記事情に鑑みてなされ、廃建材などのリグノセルロース含有原料を用いて安価に効率よくエタノール発酵可能な糖液を得るリグノセルロースの前処理方法及び該糖液を用いてエタノールを製造するエタノール製造方法の提供を目的とする。

前記目的を達成するため、本発明は、リグノセルロース含有原料を、希硫酸中、１４０〜２２０℃、３〜２０分間加水分解処理した後、該加水分解物を一次糖液と固形物に固液分離し、分離した固形物に対し、乾物換算で消石灰を０．５〜２０質量％添加し、９０〜１５０℃で１０〜１２０分間加熱して石灰処理し、その後石灰処理した反応物にセルラーゼを加えて酵素加水分解処理し、二次糖液を得ることを特徴とするリグノセルロースの前処理方法を提供する。

本発明のリグノセルロースの前処理方法において、石灰処理した反応物を固液分離し、分離した消石灰を含む液体は希硫酸を含む前記一次糖液の中和に使用することが好ましい。

本発明のリグノセルロースの前処理方法において、石灰処理した後に反応物を固液分離せず、該反応物を全て希硫酸を含む前記一次糖液の中和に使用することもできる。

本発明のリグノセルロースの前処理方法において、リグノセルロース含有原料は廃建材であることが好ましい。

また本発明は、前述した本発明に係るリグノセルロースの前処理方法により得られた糖液を用いてエタノール発酵を行い、エタノールを製造することを特徴とするエタノール製造方法を提供する。

本発明のリグノセルロースの前処理方法は、リグノセルロース含有原料を希硫酸中で加水分解して一次糖液を得、分離した固形物に消石灰を添加、加熱して石灰処理し、この反応物を酵素加水分解処理して二次糖液を得る工程を備え、安価でリサイクル可能な消石灰を酵素加水分解前の二次前処理に用いることによって、リグノセルロース含有原料から安価に効率よくエタノール発酵可能な糖液を得ることができる。
また本発明のエタノール製造方法は、前述した本発明に係るリグノセルロースの前処理方法により得られた糖液を用いてエタノール発酵を行い、エタノールを製造することによって、低コストでエタノール収率の向上を達成することが可能となる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。なお、以下の記載において、質量％は、単に％と記載してある。
図１は、本発明の方法の第１実施形態を示すフロー図である。本実施形態では、リグノセルロース含有原料として、廃建材、木材チップなどの木質系バイオマスを用い、これを希硫酸中で加水分解して一次糖液を得、分離した固形物に消石灰（Ｃａ（ＯＨ）_２）、以下、石灰と略記する。）を添加して石灰処理し、この反応物を酵素加水分解処理して二次糖液を得る工程を備えている。なお、リグノセルロース含有原料としては、前記木質系バイオマスに限定されるものではなく、例えば稲わら、籾殻、バガスなどの各種のリグノセルロース含有原料を用いることができる。

本実施形態では、まず、リグノセルロース含有原料である木質系バイオマスを準備する。木質系バイオマスとして廃建材等を用いる場合、廃建材等は、次工程の希硫酸による加水分解がスムーズに進行するように、１〜２０ｍｍ、好ましくは５〜１０ｍｍのサイズに破砕しておくことが望ましい。チップサイズはできるだけ小さい方が糖化の効率が高くなるが、破砕のための所要エネルギーも大きくなるので、好ましいチップサイズは１〜２０ｍｍ、好ましくは５〜１０ｍｍ程度である。また、廃建材を用いる場合、釘等の金属やプラスチックなどの余分な混入物を可能な限り除去しておくことが望ましい。廃建材は、主に木造家屋の解体によって発生し、用いられている樹種としては、スギ、マツ、ツガなどの針葉樹の比率が高い。

次に、廃建材等の木質系バイオマスを、希硫酸中で加熱し、加水分解処理する。この加水分解の条件は、硫酸濃度０．１〜５％、好ましくは０．５〜３％程度、温度１４０℃〜２３０℃、好ましくは１６０℃〜２１０℃程度、反応時間は１〜２０分間、好ましくは５〜１０分間程度である。これらの条件は、ヘミセルロースから最大限に糖を回収する条件でもある。この加水分解処理によって、木質系バイオマス中に含まれるヘミセルロースが加水分解され、ヘミセルロース由来の五単糖や六単糖糖が生成する。この加水分解処理は、オートクレーブなどを用いて行うことが好ましい。

次に、加水分解反応物を固液分離する。固液分離の方法は、ろ過、遠心分離などを用いることができるが、エネルギー消費の小さいろ過を用いることが好ましい。固液分離したろ液には、ヘミセルロース由来の糖であるグルコース、キシロース、アラビノース、ガラクトース、マンノース（図１中、それぞれＧ，Ｘ，Ａ，Ｇａ，Ｍと略記してある。）が含まれる。

このろ液（一次糖液）は酸性であるため、中和した後に発酵に供するが、前記の条件で加水分解した一次糖液には、糖の過分解物であるフルフラール、ＨＭＦ、レブリン酸、ギ酸などが含まれる。これらの過分解物は微生物による発酵を阻害するため、前処理が必要であるが、石灰を加えて加温する方法では、前述のようにフルフラール、ＨＭＦの一部除去も行われる方法として知られている（例えば、非特許文献２，３参照。）。

石灰で中和したろ液（一次糖液）には、窒素、リンを含む栄養源とエタノール発酵微生物を添加し、適当な温度、ｐＨ等の条件下で微生物を培養してアルコール発酵を行い、糖をエタノールに変換し、エタノールを製造する。エタノール発酵微生物としては、サッカロミセス属酵母などの従来公知の各種エタノール発酵微生物を用いることができる。

一方、固液分離した残渣は、その残渣に対して石灰を０．５〜２０％、好ましくは１〜１０％（いずれも残渣乾物換算）添加し、温度９０〜１５０℃、好ましくは１００〜１５０℃、１０〜１２０分間、好ましくは１０〜６０分間加熱して石灰処理する。この加熱は、石灰を添加した残渣に蒸気を吹き込むことなどにより行うことが好ましい。

石灰は、アルカリとしては安価であるため、希硫酸を用いた加水分解で得られた一次糖液を中和するためのアルカリとして一般的に用いられている。
また、石灰は硫酸と沈殿を生じ、難溶性の石膏を生じるため、溶存塩による発酵阻害を低減する効果があるだけでなく、やや過剰に石灰を添加し、６０℃で３０分〜数時間程度保持することによって、加水分解液中に含まれるフルフラールやＨＭＦなどの糖が過分解して生成したフラン類の大部分を分解、除去する効果を持つ。
中和に用いられる石灰は、塩類と沈殿を生じやすく、菌体への毒性も小さい。
石灰処理で用いた後の石灰は、全量を中和工程にリサイクルすることによって、反応で消費された分以外の石灰は無駄なく有効利用することができる。

次に、石灰処理した反応物を、石灰処理液と残渣とに固液分離する。固液分離の方法は、ろ過、遠心分離などを用いることができるが、エネルギー消費の小さいろ過を用いることが好ましい。固液分離したろ液は、一次糖液の中和に用いられる。残渣は、セルロース含有量が高く、セルラーゼを用いた酵素加水分解に供される。

酵素加水分解は、残渣を懸濁した液にセルラーゼを添加し、撹拌しながら、ｐＨ４〜６程度、温度３５〜６０℃程度、１０〜１００時間程度反応させることによって行われる。この酵素加水分解により得られる二次糖液には、セルロース由来の糖であるグルコース（Ｇ）が含まれる。

この二次糖液は、前述した中和後の一次糖液と一緒に、或いはそれぞれ別個に、窒素、リンを含む栄養源と酵母などのエタノール発酵微生物を添加し、適当な温度、ｐＨ等の条件下で微生物を培養してアルコール発酵を行い、糖をエタノールに変換し、エタノールを製造する。エタノール発酵微生物としては、サッカロミセス属酵母などの従来公知の各種エタノール発酵微生物を用いることができる。

本実施形態のリグノセルロースの前処理方法は、リグノセルロース含有原料を希硫酸中で加水分解して一次糖液を得、分離した固形物に石灰を添加、加熱して石灰処理し、この反応物を酵素加水分解処理して二次糖液を得る工程を備え、安価でリサイクル可能な石灰を酵素加水分解前の二次前処理に用いることによって、リグノセルロース含有原料から安価に効率よくエタノール発酵可能な糖液を得ることができる。
また本実施形態のエタノール製造方法は、前記リグノセルロースの前処理方法により得られた糖液を用いてエタノール発酵を行い、エタノールを製造することによって、低コストでエタノール収率の向上を達成することが可能となる。

図２は、本発明の方法の第２実施形態を示すフロー図である。本実施形態は、木質系バイオマスを用い、これを希硫酸中で加水分解して一次糖液を得、分離した固形物に石灰を添加して石灰処理するまでは、前述した第１実施形態と同様に行われるが、石灰処理した反応物を固液分離することなく、石灰処理スラリーのまま前記一次糖液に加え、混合物を中和後にセルロースを用いた酵素加水分解を行って二次糖液を得ることを特徴としている。

本実施形態では、石灰処理して得られる石灰処理スラリーを全て一次糖液の中和に用いることから、石灰処理用に添加する石灰のうち、石灰処理において消費される分を除く石灰を一次糖液の中和に用いることができる。中和するために不足する石灰は、別途添加する。一次糖液と石灰処理スラリーの混合物を中和後、セルラーゼを添加し、撹拌しながら、ｐＨ４〜６程度、温度３５〜６０℃程度、１０〜１００時間程度反応させることによって行われる。この酵素加水分解により得られる二次糖液には、一次糖液に含まれるヘミセルロース由来の糖であるグルコース、キシロース、アラビノース、ガラクトース、マンノース（Ｇ，Ｘ，Ａ，Ｇａ，Ｍ）と、酵素加水分解により生成したグルコース（Ｇ）が含まれる。

酵素加水分解終了後、得られた二次糖液に、窒素、リンを含む栄養源と酵母などのエタノール発酵微生物を添加し、適当な温度、ｐＨ等の条件下で微生物を培養してアルコール発酵を行い、糖をエタノールに変換し、エタノールを製造する。エタノール発酵微生物としては、サッカロミセス属酵母などの従来公知の各種エタノール発酵微生物を用いることができる。

本実施形態によれば、前述した第１実施形態と同様の効果が得られ、さらに、石灰処理後の石灰処理スラリーを全量一次糖液と混合した後に酵素加水分解を行うことによって、加工工程を簡略化できる。また、石灰処理スラリーを全量一次糖液と混合し、一次糖液の中和のために用いるので、石灰処理用に添加する石灰の無駄がなくなる。

なお、本実施態様において、一次糖液と石灰処理スラリーの混合物を中和後、この混合物にセルラーゼとエタノール発酵微生物を両方とも加え、酵素加水分解とアルコール発酵とを同時並行的に行うことも可能である。

以下の実験条件でリグノセルロース含有原料を前処理した。
［共通条件］
＜原料＞
ボード用廃建材（スギ、ツガ、マツを主成分とする）。
＜一次加水分解条件＞
硫酸濃度１％、１７０℃、１０分間。
＜ろ過＞
一次加水分解後、吸引ろ過で固液分離し、残渣を水でよく洗浄し、二次処理用の原料とした。
＜二次処理＞
後述する各実施例及び各比較例に記載の条件で石灰処理を行った。
＜酵素加水分解＞
セルラーゼ：ジェネンコア・インターナショナルジャパン・リミテッド社製、ＳＰＥＺＹＭＥＣＥを石灰処理後に分離した残渣中の固形物１ｇに対して０．４ｇ添加した。
反応器：２００ｍＬ三角フラスコに、残渣を固形物として２．５ｇ、緩衝液とイオン交換水を残渣の付着水分と合わせて５０ｍＬになるよう添加した。
ｐＨ：緩衝液として０．２Ｎ酢酸ナトリウムを添加してｐＨ４．５に調整した。
温度：４５℃。
撹拌：１００ｒｐｍで振とう。

［実験１：石灰処理温度の比較］
石灰処理の温度を次の実施例１〜２、比較例１〜３のように設定して前処理を行い、さらに酵素加水分解を行って、得られる二次糖液のグルコース収量を調べ、比較した。なお、石灰添加量は、残渣乾物に対する割合である。
・実施例１：石灰処理条件を、石灰添加量４％、温度１００℃、処理時間３０分とした。
・実施例２：石灰処理条件を、石灰添加量４％、温度１２１℃、処理時間３０分とした。
・比較例１：石灰処理条件を、石灰添加量４％、温度１５０℃、処理時間３０分とした。
・比較例２：石灰処理条件を、石灰添加量４％、温度１８０℃、処理時間３０分とした。
・比較例３：石灰処理を行わず、残渣をそのまま酵素加水分解に供した。
酵素加水分解の経時変化を図１に、グルコースの回収量を表１に示す。

これらの結果より、二次前処理による固形分の質量ロスは、石灰処理の温度によって変化した。
固形分の質量ロスを加味したグルコース収量（一次処理した固形分基準）は、一次処理のみの場合（比較例２）の２０ｇに対し、添加量４％、１２１℃、３０分間の石灰処理によって２９ｇと４５％増加した。しかし、１５０℃、１８０℃の各温度条件下では、一次処理のみの場合より収量は低下した。

［実験２：石灰添加量の比較］
石灰処理の石灰添加量を次の実施例１〜３、比較例１〜２のように設定して前処理を行い、さらに酵素加水分解を行って、得られる二次糖液のグルコース収量を調べ、比較した。
・実施例１：石灰処理条件を、石灰添加量４％、温度１２１℃、処理時間３０分とした。
・実施例２：石灰処理条件を、石灰添加量８％、温度１２１℃、処理時間３０分とした。
・実施例３：石灰処理条件を、石灰添加量１２％、温度１２１℃、処理時間３０分とした。
・比較例１：石灰処理条件を、石灰添加量０％、温度１２１℃、処理時間３０分とした。
・比較例２：石灰処理を行わず、残渣をそのまま酵素加水分解に供した。
酵素加水分解の経時変化を図２に、グルコースの回収量を表２に示す。

二次前処理による固形分の質量ロスは、石灰添加量によって変化したが、温度の場合より変化量は小さかった。固形分の質量ロスを加味したグルコース収量（一次処理した固形物基準）は、一次処理のみの場合（比較例２）の２０ｇに対し、添加量４％、１２１℃、３０分間の石灰処理によって２９ｇと４５％増加した。石灰添加量を８％、１２％に上げても収量は増加しなかった。また、石灰無添加で加熱のみ行った場合は、無処理の場合よりトータルの収量は低下した。

［実験３：石灰処理と苛性ソーダ処理との比較］
石灰処理時に石灰を添加した場合（実施例１〜２）と苛性ソーダを添加した場合（比較例１〜２）のそれぞれの前処理を行い、さらに酵素加水分解を行って、得られる二次糖液のグルコース収量を調べ、比較した。
・実施例１：石灰処理条件を、石灰添加量４％、温度１２１℃、処理時間３０分とした。
・実施例２：石灰処理条件を、石灰添加量８％、温度１２１℃、処理時間３０分とした。
・比較例１：石灰に代えて苛性ソーダを用い、処理条件を、苛性ソーダ添加量８％、温度１２１℃、処理時間３０分とした。
・比較例２：石灰に代えて苛性ソーダを用い、処理条件を、苛性ソーダ添加量１２％、温度１２１℃、処理時間３０分とした。
・比較例３：石灰処理を行わず、残渣をそのまま酵素加水分解に供した。
酵素加水分解の経時変化を図３に、グルコースの回収量を表３に示す。

苛性ソーダで二次前処理を行った場合、一次処理のみの場合（比較例３）よりグルコース収量は低下した。

［実験４：反応後の石灰の中和工程へのリサイクル］
実験３において実施例１の条件（石灰添加量４％、１２１℃、３０分間）で石灰処理した二次処理物を一次糖液の中和に使用した。この中和は、発酵阻害物質の除去効果が出るｐＨ１０に達するまで行った。
原料１０００ｇあたりの石灰使用量を表４に示す。なお、原料１０００ｇに対する一次加水分解で得られる一次糖液は３２００ｇ、一次加水分解残渣は固形物として７５０ｇであった。

二次前処理で使用した石灰を一次糖液の中和に用いることによって、一次糖液の中和で新たに使用する石灰は１４ｇ削減された。従って、二次前処理で使用した石灰３０ｇの４７％がリサイクルされ、二次前処理で実質的に消費された石灰は１６ｇ（一次加水分解残渣の２．１％）であった。

本発明の方法の第１実施形態を示すフロー図である。本発明の方法の第２実施形態を示すフロー図である。本発明に係る実験１の結果を示し、グルコース収量と時間の関係を示すグラフである。本発明に係る実験２の結果を示し、グルコース収量と時間の関係を示すグラフである。本発明に係る実験３の結果を示し、グルコース収量と時間の関係を示すグラフである。

Claims

リグノセルロース含有原料を、希硫酸中、１４０〜２２０℃、３〜２０分間加水分解処理した後、該加水分解物を一次糖液と固形物に固液分離し、分離した固形物に対し、乾物換算で消石灰を０．５〜２０質量％添加し、９０〜１５０℃で１０〜１２０分間加熱して石灰処理し、その後石灰処理した反応物にセルラーゼを加えて酵素加水分解処理し、二次糖液を得ることを特徴とするリグノセルロースの前処理方法。
石灰処理した反応物を固液分離し、分離した消石灰を含む液体は希硫酸を含む前記一次糖液の中和に使用することを特徴とする請求項１に記載のリグノセルロースの前処理方法。
石灰処理した後に反応物を固液分離せず、該反応物を全て希硫酸を含む前記一次糖液の中和に使用することを特徴とする請求項１に記載のリグノセルロースの前処理方法。
リグノセルロース含有原料が廃建材であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のリグノセルロースの前処理方法。
請求項１〜４のいずれかに記載のリグノセルロースの前処理方法により得られた糖液を用いてエタノール発酵を行い、エタノールを製造することを特徴とするエタノール製造方法。