JP5077346B2

JP5077346B2 - 多糖類系バイオマス由来化合物の製造方法

Info

Publication number: JP5077346B2
Application number: JP2009514288A
Authority: JP
Inventors: 正行花川; 進一峯岸; 宏征栗原
Original assignee: Toray Industries Inc
Current assignee: Toray Industries Inc
Priority date: 2008-03-05
Filing date: 2009-02-27
Publication date: 2012-11-21
Anticipated expiration: 2029-02-27
Also published as: CA2717298A1; EP2251427A4; EP2251427B1; KR20100127746A; BRPI0906026B1; CN101960016B; CA2717298C; WO2009110374A1; US20110008826A1; AU2009222310A1; DK2251427T3; US8497091B2; KR101548559B1; BRPI0906026A2; JPWO2009110374A1; US9157107B2; ES2623442T3; US20130273608A1; CN101960016A; EP2251427A1

Description

本発明は、多糖類系バイオマスを原料とし、五炭糖及び／または六炭糖の単糖及び／またはオリゴ糖を製造する工程、得られた該単糖及び／またはオリゴ糖を発酵により化学品に変換する工程、の少なくとも１つの工程において、分離膜で発酵阻害物質を除去する処理を、糖化工程の前段階に、及び／又は、発酵工程の前段階に設けることによる高効率な多糖類系バイオマス由来化合物の製造方法に関する。

大量消費、大量廃棄の２０世紀は終わり、環境調和型社会の構築が求められる２１世紀にあっては、化石資源の枯渇問題と地球温暖化問題が深刻化するにつれて、循環型資源であるバイオマス資源の活用促進が期待されている。

現在、バイオマス資源の中でも、サトウキビやトウモロコシを原料としたバイオエタノールの製造が、米国やブラジルなどで盛んに行われている。これは、サトウキビやトウモロコシには、ショ糖やデンプンが豊富に含まれており、ここから糖液を調製して発酵することが容易であるためである。しかしながら、サトウキビやトウモロコシは元々食料であり、これらを原料とした場合には食料や飼料との競合を引き起こして原料価格の高騰を招くという重大な問題点があり、非食用バイオマスを原料にするための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挙げられるが、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多糖類系バイオマスとして存在する。多糖類系バイオマス中のセルロースやヘミセルロースから五炭糖や六炭糖の単糖やオリゴ糖を製造し、得られた単糖やオリゴ糖を発酵して、エタノールや乳酸などの各種多糖類系バイオマス由来化合物に変換する技術が注目を集めている。しかしながら、非特許文献１に記載されているように、多糖類系バイオマスは、セルロース、ヘミセルロース、リグニンの複雑な構成体である上に、リグニンによってセルロースやヘミセルロースが生分解を受けないように保護されており、さらにその構成比率が地域・季節・原料によって千差万別である。このため、五炭糖や六炭糖の単糖やオリゴ糖のみを選択的に取り出すことは容易ではない。

これまで、酸、アルカリ、酵素、亜臨界水（超臨界水）などを用いて多糖類系バイオマスを処理することによってリグニンの防壁を破壊あるいは軟化させ、五炭糖や六炭糖の単糖やオリゴ糖を含有する液体や固体を回収する前処理方法の検討がなされてきた。例えば、亜臨界水（超臨界水）による処理は、処理時間が短く、鉱酸等を必要としない、すなわち、中和処理を必要としないので石膏等の副生成物が発生しない、といった環境面での長所があるため、環境配慮型の次世代処理方法として注目されている。しかしながら、特許文献１に記載されているように、亜臨界水（超臨界水）の反応性が高いためにその制御は難しく、糖の過分解物であるフルフラールや５−ヒドロキシメチルフルフラール、リグニン由来の芳香族化合物であるバニリンやグアヤコールなどの種々の発酵阻害物質も同時に生成させてしまい、そのまま発酵工程で使用することができない。また、前処理条件によっては、得られる五炭糖や六炭糖の単糖やオリゴ糖濃度が低い場合があり、この場合は発酵工程に供する前に数倍〜十倍程度の単純濃縮を必要とする。この際、五炭糖や六炭糖の単糖やオリゴ糖が濃縮される一方で、発酵阻害物質も同時に濃縮されるため、発酵工程で使用することが困難になる。

このような問題に対して、発酵阻害物質を除去する検討がなされている。例えば、非特許文献２には、活性炭による発酵阻害物質の吸着除去方法が開示されているが、活性炭では発酵阻害物質だけでなく五炭糖や六炭糖の単糖やオリゴ糖も吸着されてしまうため、五炭糖や六炭糖の単糖やオリゴ糖の収率が低下してしまうという問題点があった。

特許文献１には、木質系炭化物による発酵阻害物質の吸着除去方法が開示されており、この方法では、発酵阻害物質を選択的に吸着除去できるので五炭糖や六炭糖の単糖やオリゴ糖を収率良く得ることができる。しかしながら、除去機構が吸着であるために、吸着容量を超えると発酵阻害物質が流出して後工程の装置・配管等を汚染してしまう。発酵反応は精密に実施されなければ高品質の製品を得ることができず、特に連続的に原料を供給しつつ装置を連続稼働させて製造を行う場合には、装置・配管等の汚染が生じるとコストの増大と品質の低下を招くため、安定的かつ確実に発酵阻害物質を除去する方法が望まれていた。また、五炭糖や六炭糖の単糖やオリゴ糖濃度の低い原料を使用する場合には、コストの低減及び製品の品質向上の観点から、五炭糖や六炭糖の単糖やオリゴ糖の濃縮工程と発酵阻害物質の除去工程という２工程を、１工程に短縮できるかあるいは濃縮工程の負荷を低減する方法が望まれていた。

一方、多糖類系バイオマスとして、合板のような建築廃材を使用する場合、合板に含まれる接着剤由来の酢酸、蟻酸などが発酵阻害物質となる。そこで、特許文献２には、蒸留によって、酢酸、蟻酸等の揮発性の発酵阻害物質を除去する方法が開示されている。この方法は、蒸留で除去することができない不揮発性の発酵阻害物質が、発酵工程に悪影響を及ぼさない濃度で存在する場合にのみ有効であるに過ぎず、広範な組成を有する多糖類系バイオマスを原料とする場合には適用が困難であった。
特開２００５−２７００５６号公報特開２００４−１８７６５０号公報バイオマスエネルギー利用技術監修湯川英明シーエムシー出版（２００６）バイオテクノロジーレターズＶｏｌ．５、Ｎｏ．３、ｐ１７５−ｐ１７８（１９８３）

本発明は、従来の技術の上述した問題点に鑑み、広範な組成を有する多糖類系バイオマスを原料とする、五炭糖及び／または六炭糖の単糖及び／またはオリゴ糖を製造する工程、得られた該単糖及び／またはオリゴ糖を発酵により化学品に変換する工程、の少なくとも１つの工程の負荷を低減し効率化を図るために、障害となる発酵阻害物質を安定的かつ確実に除去することによって、多糖類バイオマス由来化合物を製造する方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するための本発明は、下記１）〜６）の構成によって達成される。
１）多糖類系バイオマスを加水分解処理して得られる生成物から単糖及び／又はオリゴ糖を含む糖液を製造する糖化工程、及び、多糖類系バイオマス由来の単糖及び／又はオリゴ糖を含む糖液を発酵処理する発酵工程のうちの少なくとも１つの工程を備えた多糖類系バイオマスから化合物を製造する方法において、０．５ＭＰａの操作圧力で２５℃、ｐＨ６．５の５００ｐｐｍグルコース水溶液及び２５℃、ｐＨ６．５の５００ｐｐｍイソプロピルアルコール水溶液をそれぞれ透過させた時のグルコース除去率及びイソプロピルアルコール除去率が下記式（Ｉ）及び（II）を同時に満足する分離膜で発酵阻害物質を除去する処理を、糖化工程の前段階に、及び／又は、発酵工程の前段階に行うことを特徴とする多糖類系バイオマス由来化合物の製造方法。

グルコース除去率≧８０％（Ｉ）
グルコース除去率−イソプロピルアルコール除去率≧２０％（II）
２）前記分離膜での発酵阻害物質の除去処理により、発酵阻害物質が除去されると共にセルロース、ヘミセルロース、単糖及び／又はオリゴ糖が濃縮される１）に記載の多糖類系バイオマス由来化合物の製造方法。
３）前記分離膜での発酵阻害物質の除去処理の後かつ発酵工程の前に、逆浸透膜を用いての化合物の濃縮処理を行う１）に記載の多糖類系バイオマス由来化合物の製造方法。
４）発酵工程の直前における糖液中の発酵阻害物質含有量が５００ｐｐｍ以下となるまで分離膜による除去処理を行う１）に記載の多糖類系バイオマス由来化合物の製造方法。
５）分離膜が、陽電子消滅寿命測定法により測定される平均孔半径が０．８ｎｍ以上４．０ｎｍ以下である孔を有する１）に記載の多糖類系バイオマス由来化合物の製造方法。
６）該平均孔半径が２．５ｎｍ以上４．０ｎｍ以下である５）に記載の多糖類系バイオマス由来化合物の製造方法。

本発明によれば、多糖類系バイオマスを原料とし、五炭糖及び／または六炭糖の単糖及び／またはオリゴ糖を製造する工程、得られた該単糖及び／またはオリゴ糖を発酵により化学品に変換する工程、の少なくとも１つの工程において、障害となる発酵阻害物質を分離膜で除去する処理を、糖化工程の前段階に、及び／又は、発酵工程の前段階に行うことを特徴とする多糖類バイオマス由来化合物の製造方法が提供される。分離膜は、発酵阻害物質を連続的に除去可能であり、必要に応じて分離膜を選定・連結することによって水質を制御可能であり、さらに回収率を変動させる・原水の一部を循環させるなどの分離膜への原水の供給方法も自由に設計可能であるため、広範な組成を有する多糖類系バイオマスを原料とした場合でも発酵阻害物質を後工程に悪影響を及ぼさない濃度まで除去することが可能になる。

本発明の製造方法で処理対象となる多糖類系バイオマスは主に、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、農林産物廃棄物及び農林産物加工品である。なお、さとうきび、てんさいなどのショ糖含有資源、とうもろこし、さつまいもなどのデンプン含有資源などリグニン含有量が少ないまたは全く無いものであっても、糖の過分解物に代表される発酵阻害物質を含有または生成するものであれば、本発明の製造方法で処理対象としても構わない。これらの多糖類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。

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、五炭糖及び／または六単糖の単糖及び／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、農林産物廃棄物及び農林産物加工品の種類によって異なる。

多糖類系バイオマスの処理フローには種々のものが提案されているが、その概要は以下のように説明できる。まず、多糖類系バイオマスは、加水分解処理によってリグニンを除去または軟化させ、セルロースやヘミセルロースを取り出しやすくする前処理工程に供される。次に、得られたセルロース、ヘミセルロースをさらに加水分解処理し、五炭糖及び／または六炭糖の単糖及び／またはオリゴ糖を採取する糖化工程に移行する。ここで、前処理工程と糖化工程における加水分解処理には、例えば酸、アルカリ、酵素、高温高圧（亜臨界水、超臨界水）などによる処理が挙げられ、これらを単独または組み合わせて用いることができる。また、前処理工程と糖化工程は、それぞれ独立に実施してもよく、同時に実施してもよい。そして、糖化工程後、セルロース、ヘミセルロース、五炭糖及び／または六炭糖の単糖及び／またはオリゴ糖を原料とし、発酵によって、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の各種多糖類系バイオマス由来化合物に変換する発酵工程に移行する。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重合工程に移行することもある。最後に、発酵工程または重合工程後、得られた各種多糖類系バイオマス由来化合物の品質を向上させるため、精製工程に移行する場合が多い。

上述したように、前処理工程や糖化工程では、多糖類系バイオマスは、酸、アルカリ、酵素、高温高圧（亜臨界水、超臨界水）などの既知の方法によって加水分解処理が行われる。加水分解処理の種類や条件は、原料として用いる多糖類系バイオマスの種類、発酵・重合・精製などの工程全体のコストを勘案して適切に選定されればよく、単独の加水分解処理で行ってもよく、複数の加水分解処理を組み合わせて行ってもよい。例えば、前処理工程と糖化工程のいずれにおいても酸を加水分解処理に用いる場合、前処理工程と糖化工程を同一工程内で実施してもよく、前処理工程は比較的高温下で実施し、糖化工程は比較的低温で実施するといったようにそれぞれの工程を独立にして実施してもよい。また、例えば、亜臨界水を用いてリグニンを除去または軟化させることを主眼とした前処理工程を経た後、続いて酵素を用いてセルロースやヘミセルロースから五炭糖及び／または六炭糖の単糖及び／またはオリゴ糖を製造することを主眼とした糖化工程に移行する方法を採用してもよい。

前処理工程で加水分解処理を施された多糖類系バイオマスからは、五炭糖及び／または六炭糖の単糖及び／またはオリゴ糖以外にも、種々の副生成物が得られる。それら副生成物が後工程の酵素糖化・発酵などに悪影響を及ぼさない物質であれば、製品の品質を向上させる精製工程などのいずれかの工程で除去してやればよいので大きな問題とはならないが、悪影響を及ぼす発酵阻害物質であれば、酵素糖化・発酵の前工程で、各工程に悪影響を及ぼさない程度にまで除去してやる必要性が生じる。

一般に、発酵阻害物質は、酵素を用いた糖化工程や発酵工程で、酵素反応や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、リグニンやリグニン由来の芳香族化合物、接着剤・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多糖類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、多糖類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、五炭糖及び／または六炭糖の単糖及び／またはオリゴ糖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、本発明で用いられる分離膜によって発酵阻害物質を除去する処理方法が好ましく適用される。すなわち、本発明で、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、五炭糖及び／または六炭糖の単糖及び／またはオリゴ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かまた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、蟻酸、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、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。

酵素反応や発酵反応を阻害する発酵阻害物質濃度は、各反応によって異なるが、一般的には５００〜１０００ｐｐｍ以上の濃度であると言われている。従って、酵素を用いた糖化工程や発酵工程に供される前に、発酵阻害物質を５００ｐｐｍ以下の濃度にまで除去することが好ましく、１５０ｐｐｍ以下の濃度にまで除去することがより好ましく、さらには０ｐｐｍ（検出限界）まで除去することが最善である。発酵阻害物質濃度を除去すればするほど、酵素を用いた糖化工程や発酵工程の負荷が低減して酵素を用いた糖化工程や発酵工程の効率化が図れる。しかし、実際には、分離膜による発酵阻害物質の除去工程に要するコストと、後工程の酵素糖化・発酵・重合・精製工程などに要するコストを勘案し、トータルコストが最小になるような発酵阻害物質濃度を算出する。

本発明では、セルロース、ヘミセルロース、五炭糖及び／または六炭糖の単糖及び／またはオリゴ糖を含む溶液から、発酵阻害物質を除去するために、分離膜を使用することが特徴であり、分離膜はセルロース、ヘミセルロース、五炭糖及び／または六炭糖の単糖及び／またはオリゴ糖と発酵阻害物質とを分離可能なものであれば特に限定されない。除去対象となる発酵阻害物質は、発酵方法によって異なるが、主に糖の過分解物やリグニン由来の芳香族化合物などの分子量１００〜２００程度の低分子化合物である。一方、セルロース、ヘミセルロースの分子量は、一般に数百〜数万と大きいものの、五炭糖及び／または六炭糖の単糖の分子量は、１００〜２００程度である。このため、特に、分子量１００〜２００程度の発酵阻害物質と五炭糖及び／または六炭糖の単糖とを、膜細孔径によって分離することは困難であり、分離効率が低いと予想された。

しかし、本発明者らは、分離膜としてナノろ過膜を用いた場合に、特にグルコース除去率が高く、かつ、グルコース除去率とイソプロピルアルコール除去率の差が大きいナノろ過膜を用いた場合に、両者の分離が高効率で達成されることを発見し、本発明に至った。

ここで、ナノろ過膜とは、ナノフィルトレーション（ナノフィルトレーション膜、ＮＦ膜）とよばれるものであり、「一価のイオンは透過し、二価のイオンは阻止する膜」と一般に定義される膜である。数ナノメートル程度の微小空隙を有していると考えられる膜で、主として、水中の微小粒子や分子、イオン、塩類等を阻止するために用いられる。

現在でも、ナノろ過膜による溶質の分離メカニズムは十分に解明されていないが、電荷反発による分離メカニズム、分離膜との親和性の違いによる分離メカニズム、膜細孔径による分離メカニズムなどの組み合わせで分離が行われていると言われている。六炭糖の単糖の一種であるグルコースの除去率が高い分離膜であれば、五炭糖や六炭糖を透過させずに濃縮可能であることは想像に難くない。しかしながら、無荷電性有機物であるグルコースとイソプロピルアルコールの除去率の差を知ることにより、五炭糖及び／または六炭糖の単糖と発酵阻害物質との分離の傾向を予想できるということは驚くべきことである。なぜならば、発酵阻害物質には、糖の過分解物であれ、リグニン由来の芳香族化合物であれ、芳香族性を有する化合物が多く含まれる。そのような芳香族性を有する化合物と、五炭糖や六炭糖のような芳香族性を有さない化合物との分離においては、分離膜との親和性の違いによる分離メカニズムが強く働くために、無荷電性有機物の分離傾向を調べただけでは容易にそれらが分離可能であることを予想することが困難であると考えられたからである。

このような驚くべき傾向を示した理由は定かではないが、本発明で用いられる分離膜のナノろ過膜による五炭糖及び／または六炭糖の単糖と発酵阻害物質との分離では、膜細孔径による分離メカニズムが支配的であったためであると考えられる。つまり、五炭糖及び／または六炭糖の単糖は親水性が高いため、水中で多くの水分子を引き連れて大きな水和半径を有するが、発酵阻害物質は親水性が低いため、五炭糖及び／または六炭糖の単糖ほどの水和半径を有さず、この水和半径の差が膜細孔径による分離メカニズムに作用して分離が達成されたと考えられる。

本発明では、分離膜としてナノろ過膜を使用することが好ましい。本発明で用いられるナノろ過膜の素材には、酢酸セルロースなどのセルロースエステル系ポリマー、ポリアミド、ポリエステル、ポリイミド、ビニルポリマーなどの高分子素材を使用することができるが、前記１種類の素材で構成される膜に限定されず、複数の膜素材を含む膜であってもよい。またその膜構造は、膜の少なくとも片面に緻密層を持ち、緻密層から膜内部あるいはもう片方の面に向けて徐々に大きな孔径の微細孔を有する非対称膜や、非対称膜の緻密層の上に別の素材で形成された非常に薄い機能層を有する複合膜のどちらでもよい。複合膜としては、例えば、特開昭６２−２０１６０６号公報に記載の、ポリスルホンを膜素材とする支持膜にポリアミドの機能層からなるナノフィルターを構成させた複合膜を用いることができる。

これらの中でも高耐圧性と高透水性、高溶質除去性能を兼ね備え、優れたポテンシャルを有する、ポリアミドを機能層とした複合膜が好ましい。操作圧力に対する耐久性と、高い透水性、阻止性能を維持できるためには、ポリアミドを機能層とし、それを多孔質膜や不織布からなる支持体で保持する構造のものが適している。また、ポリアミド半透膜としては、多官能アミンと多官能酸ハロゲン化物との重縮合反応により得られる架橋ポリアミドの機能層を支持体に有してなる複合半透膜が適している。

ポリアミドを機能層とするナノろ過膜において、ポリアミドを構成する単量体の好ましいカルボン酸成分としては、例えば、トリメシン酸、ベンゾフェノンテトラカルボン酸、トリメリット酸、ピロメット酸、イソフタル酸、テレフタル酸、ナフタレンジカルボン酸、ジフェニルカルボン酸、ピリジンカルボン酸などの芳香族カルボン酸が挙げられる。製膜時には、後述するアミン成分との反応性を高めるために、これらカルボン酸のハロゲン化物や無水物が好ましく使用されるが、特に溶媒に対する溶解性などの取扱性を考慮すると、トリメシン酸、イソフタル酸、テレフタル酸、およびこれらの混合物のハロゲン化物がより好ましい。

前記ポリアミドを構成する単量体の好ましいアミン成分としては、ｍ−フェニレンジアミン、ｐ−フェニレンジアミン、ベンジジン、メチレンビスジアニリン、４，４’−ジアミノビフェニルエーテル、ジアニシジン、３，３’，４−トリアミノビフェニルエーテル、３，３’，４，４’−テトラアミノビフェニルエーテル、３，３’−ジオキシベンジジン、１，８−ナフタレンジアミン、ｍ（ｐ）−モノメチルフェニレンジアミン、３，３’−モノメチルアミノ−４，４’−ジアミノビフェニルエーテル、４，Ｎ，Ｎ’−（４−アミノベンゾイル）−ｐ（ｍ）−フェニレンジアミン−２，２’−ビス（４−アミノフェニルベンゾイミダゾール）、２，２’−ビス（４−アミノフェニルベンゾオキサゾール）、２，２’−ビス（４−アミノフェニルベンゾチアゾール）等の芳香環を有する一級ジアミン、ピペラジン、２，５−ジメチルピペラジン、ピペリジンまたはこれらの誘導体等の二級ジアミンが挙げられる。ここで、ピペラジンまたはピペリジンを単量体として含む架橋ポリアミドを機能層とするナノろ過膜は耐圧性、耐久性の他に、耐熱性、耐薬品性を有していることから好ましく用いられ、より好ましくは前記架橋ピペラジンポリアミドまたは架橋ピペリジンポリアミドを主成分とするポリアミドであり、さらに好ましくは架橋ピペラジンポリアミドを主成分とするポリアミドである。架橋ピペラジンポリアミドを主成分とするナノろ過膜としては、例えば、特開昭６２−２０１６０６号公報に記載のものが挙げられ、具体例として、東レ（株）製架橋ポリアミドナノろ過（NF）膜（UTC-60）が挙げられる。

また、特開平５−９６１４０号公報に記載の、ポリスルホンを膜素材とする支持膜に架橋ポリアミドの超薄膜層を形成させた後、パーオキシモノ化合物水溶液やパーオキシジ硫酸化合物水溶液で処理する方法でも、処理条件を制御することによりナノろ過膜が得られる。架橋ポリアミドとしては、上述したカルボン酸成分とアミン成分から製造することができる。

さらに、特開２００５−１７７７４１号公報に記載の、第１級アミノ基を含む機能層を有するポリアミド膜に対して、第１級アミノ基と反応してジアゾニウム塩またはその誘導体を生成する試薬に適当な条件で接触させることによってもナノろ過膜が得られる。第１級アミノ基を含む機能層を得るためには、上述したアミン成分の中でｍ−フェニレンジアミン、ｐ−フェニレンジアミン、ベンジジン、メチレンビスジアニリン、４，４’−ジアミノビフェニルエーテル、ジアニシジン、３，３’，４−トリアミノビフェニルエーテル、３，３’，４，４’−テトラアミノビフェニルエーテル、３，３’−ジオキシベンジジン、１，８−ナフタレンジアミン、ｍ（ｐ）−モノメチルフェニレンジアミン、３，３’−モノメチルアミノ−４，４’−ジアミノビフェニルエーテル、４，Ｎ，Ｎ’−（４−アミノベンゾイル）−ｐ（ｍ）−フェニレンジアミン−２，２’−ビス（４−アミノフェニルベンゾイミダゾール）、２，２’−ビス（４−アミノフェニルベンゾオキサゾール）、２，２’−ビス（４−アミノフェニルベンゾチアゾール）等の芳香環を有する一級ジアミンを使用するとよい。

本発明に用いられる分離膜として好ましいナノろ過膜として、特に、グルコース除去率が高く、かつ、グルコース除去率とイソプロピルアルコール除去率の差が大きいナノろ過膜であれば、五炭糖及び／または六炭糖の単糖と発酵阻害物質とを分離しやすくなるため好ましい。このため、グルコース除去率が８０％以上であり、かつ、グルコース除去率とイソプロピルアルコール除去率の差が２０％以上であるナノろ過膜が必要である。グルコース除去率が９０％以上であるとより好ましく、グルコース除去率が９５％以上であるとさらに好ましい。また、グルコース除去率とイソプロピルアルコール除去率の差が３０％以上であるとより好ましく、グルコース除去率とイソプロピルアルコール除去率の差が５０％以上であるとさらに好ましい。

本発明では、グルコース除去率が８０％以上であり、かつ、グルコース除去率とイソプロピルアルコール除去率の差が２０％以上であるナノろ過膜が必要であるが、この条件を満たした上で、被処理液水質とトータルコストを勘案して、セルロース、ヘミセルロース、五炭糖及び／または六炭糖の単糖及び／またはオリゴ糖の回収率と、発酵阻害物質の除去率が得られるように適切にナノろ過膜を選定することができる。例えば、発酵阻害物質の濃度が低く、セルロース、ヘミセルロース、五炭糖及び／または六炭糖の単糖及び／またはオリゴ糖の濃度が高い場合には、グルコース除去率をグルコース除去率とイソプロピルアルコール除去率の差よりも優先する方が、セルロース、ヘミセルロース、五炭糖及び／または六炭糖の単糖及び／またはオリゴ糖の流出を抑制した上で、発酵阻害物質を除去できるため好ましい。この場合、ナノろ過膜のグルコース除去率が９５％以上であると好ましく、グルコース除去率が９８％以上であるとより好ましく、グルコース除去率が９９％以上であるとさらに好ましい。一方、ナノろ過膜のグルコース除去率とイソプロピルアルコール除去率の差が２５％以上であると好ましく、グルコース除去率とイソプロピルアルコール除去率の差が３０％以上であるとより好ましい。また、例えば、発酵阻害物質の濃度が高く、セルロース、ヘミセルロース、五炭糖及び／または六炭糖の単糖及び／またはオリゴ糖の濃度が低い場合には、グルコース除去率とイソプロピルアルコール除去率の差をグルコース除去率よりも優先する方が、発酵阻害物質を短時間で除去できるため好ましい。この場合、ナノろ過膜のグルコース除去率とイソプロピルアルコール除去率の差が３０％以上であると好ましく、グルコース除去率とイソプロピルアルコール除去率の差が５０％以上であるとより好ましく、グルコース除去率とイソプロピルアルコール除去率の差が６０％以上であるとさらに好ましい。一方、ナノろ過膜のグルコース除去率が９０％以上であると好ましく、グルコース除去率が９５％以上であるとより好ましい。

グルコース除去率やイソプロピルアルコール除去率は、２５℃、ｐＨ６．５の５００ｐｐｍグルコース水溶液や５００ｐｐｍイソプロピルアルコール水溶液を用い、それぞれ０．５ＭＰａの操作圧力で分離膜を透過させ、透過水と供給水のグルコースやイソプロピルアルコール濃度を比較することにより評価する。すなわち、グルコース除去率（％）＝１００×（１−（透過水中のグルコース濃度／供給水中のグルコース濃度））であり、イソプロピルアルコール除去率（％）＝１００×（１−（透過水中のイソプロピルアルコール濃度／供給水中のイソプロピルアルコール濃度））で算出される。

上述した範囲のグルコース除去率とイソプロピルアルコール除去率を示すナノろ過膜について、陽電子消滅寿命測定法でそれらの分離機能層の平均孔半径を測定すると、０．８ｎｍ以上４．０ｎｍ以下であることが分かった。ナノろ過膜の分離機能層とは、ナノろ過膜中で実質的な溶質の分離を担う層であり、一般的にはナノろ過膜の最表層あるいは表層近傍に位置する。

陽電子消滅寿命測定法とは、陽電子が試料に入射してから消滅するまでの時間（数百ピコ秒から数十ナノ秒オーダー）を測定し、その消滅寿命から約０．１〜１０ｎｍの空孔の大きさ、数密度、さらには大きさの分布に関する情報を非破壊的に評価する手法である。かかる測定法については、例えば「第４版実験化学講座」第１４巻、ｐ４８５、日本化学会編，丸善株式会社（１９９２）に、その詳細が記載されている。

該手法は陽電子線源の種類によって二種類に大別される。一つは、陽電子線源に放射性同位体（^２２Ｎａ）を用いる^２２Ｎａ法であり、樹脂、粉末、繊維、液体などの空孔評価に適する。もう一方は、陽電子線源に電子線形加速器から発せられる陽電子ビームを用いる陽電子ビーム法であり、各種の基盤上に製膜された数百ｎｍ厚程度の薄膜の空孔評価が可能である。とくに後者の陽電子ビーム法は、ナノろ過膜を測定試料とした場合でも乾燥状態とするのみでそのナノろ過膜の機能層を測定することができ、ナノろ過膜から分離機能層を分離するなどの加工を特に必要としないため、ナノろ過膜の分離機能層の測定法としてより好ましい。

陽電子ビーム法では入射させる陽電子ビームのエネルギー量によって、試料表面からの深さ方向の測定帯域を調節する。エネルギーを高くするほど試料表面から深い部分が測定帯域に含まれるが、その深度は試料の密度によって左右される。ナノろ過膜の分離機能層を測定する際には、通常１ｋｅＶ程度のエネルギーで陽電子ビームを入射すれば、試料表面から５０〜１５０ｎｍ程度の帯域を測定し、１５０〜３００ｎｍ程度の厚みを持つ分離機能層であれば、分離機能層内のとくに中心部を選択的に測定することができる。

陽電子と電子は互いのクーロン力で結合して中性の水素様原子であるポジトロニウムＰｓを生成する。Ｐｓには陽電子と電子のスピンが反平行か平行かによってパラポジトロニウムｐ−Ｐｓとオルトポジトロニウムｏ−Ｐｓがあり、スピン統計によって１：３の割合で生成する。それぞれの平均寿命はｐ−Ｐｓで１２５ｐｓ、ｏ−Ｐｓで１４０ｐｓであるが、凝集状態の物質中でｏ−Ｐｓは自己が結合しているのとは別の電子と重なって、ピックオフ消滅と呼ばれる消滅を起こす確率が高くなり、その結果ｏ−Ｐｓの平均寿命は数ｎｓまで短くなる。絶縁材料中のｏ−Ｐｓの消滅は、ｏ−Ｐｓが物質中の空孔壁に存在する電子と重なり合うことによるので、空孔が小さいほど消滅速度が速くなる。すなわちｏ−Ｐｓの消滅寿命は、絶縁材料中の空孔径に関連づけることができる。

ｏ−Ｐｓの上記ピックオフ消滅による消滅寿命τは、陽電子消滅寿命測定法により測定された陽電子消滅寿命曲線を、非線形最小二乗プログラムＰＯＳＩＴＲＯＮＦＩＴ（例えばＰ．キルケゴール他、コンピューター・フィジクス・コミュニケーションズ、３巻、ｐ２４０、ノース・ホランド・パブリッシング・カンパニー（１９７２）にその詳細が記載されている）により４成分に分割して解析した中の、第４成分の解析結果から得ることができる。

本発明におけるナノろ過膜の分離機能層中の平均孔半径Ｒは、上記の陽電子消滅寿命τを用いて、次式（１）から求めたものである。式（１）はｏ−Ｐｓが厚さΔＲの電子層にある半径Ｒの空孔に存在すると仮定した場合の関係を示したものであり、ΔＲは経験的に０．１６６ｎｍと求められている（中西他、ジャーナル・オブ・ポリマー・サイエンス：パートＢ：ポリマー・フィジクス、２７巻、ｐ１４１９、ジョン・ウィリー＆サンズ・インコーポレーテッド（１９８９）にその詳細が記載されている）。

分離膜の性能を表現する際には、上述した除去率だけでなく、除去率とトレードオフの関係にある透過性能も用いられる。例えば、除去率が同等で、透過性能が高い分離膜では、分離操作に要する時間が短縮されるので好ましい。本発明では、２５℃、ｐＨ６．５の５００ｐｐｍグルコース水溶液を０．５ＭＰａの操作圧力で透過させた時、０．５ｍ^３／ｍ^２ｄ以上の透過性能を示す分離膜が好ましく用いられる。０．７ｍ^３／ｍ^２ｄ以上の透過性能を示す分離膜であれば、分離操作をより短時間で行うことが可能になるためさらに好ましい。

本発明で用いられる分離膜は、水質を制御するために、必要に応じて分離膜を選定・連結して使用することができる。分離膜の選定・連結では、上述した範囲のグルコース除去率とイソプロピルアルコール除去率を示す分離膜を少なくとも１つ使用すれば、効率良く発酵阻害物質を除去することができる。例えば、まずは発酵阻害物質の除去率は低いが、透過性能の高い分離膜を用いて粗く処理を行い、次に透過性能が低いが、発酵阻害物質の除去率が高い分離膜を用いて水質を向上させる処理を行ってもよい。このような分離膜の選定・連結は、五炭糖及び／または六炭糖の単糖及び／またはオリゴ糖濃度も発酵阻害物質も低い場合に、濃縮と発酵阻害物質の除去を同時に実施できるため好ましく用いられる。

本発明で用いられる分離膜の形状は、多糖類系バイオマスを処理できるものであれば特に限定されず、平膜状、中空糸膜状、プリーツ膜状、チュブラー膜状などから選択して使用することができる。特に、平膜を封筒状に加工し、該膜をネットなどの各種部材とともに渦巻き状に巻いて作られる、いわゆるスパイラル型エレメントが膜面積を大きくできるため好ましく用いられる。

なお、分離膜は、発酵阻害物質が発生した地点から、酵素を用いた糖化・発酵工程などそれらが悪影響を及ぼす工程に移行する地点までに配置され、発酵阻害物質が後工程に悪影響を及ぼさない範囲まで除去されるようにすればよい。また、水質を制御するために、回収率を変動させる、原水の一部を循環させるなどの分離膜への原水の供給方法も自由に設計することができ、例えば多糖類系バイオマスの種類によって供給方法を変化させてもよい。

このように分離膜を用いた多糖類系バイオマスの処理は、設計の自由度が大きいため、多様な多糖類系バイオマスを原料とした場合でも、発酵阻害物質を後工程に悪影響を及ぼさない範囲まで除去することが可能になる。

また、上述した範囲のグルコース除去率とイソプロピルアルコール除去率を示す分離膜を用いて、五炭糖及び／または六炭糖の単糖及び／またはオリゴ糖を含む溶液から、発酵阻害物質を除去する際には、五炭糖及び／または六炭糖の単糖及び／またはオリゴ糖が発酵阻害物質よりも濃縮されてブライン側に回収される。すなわち、上述した範囲のグルコース除去率とイソプロピルアルコール除去率を示す分離膜を用いると、発酵阻害物質を除去しつつ、五炭糖及び／または六炭糖の単糖及び／またはオリゴ糖の濃縮も同時に実施できる場合があるため、五炭糖及び／または六炭糖の単糖及び／またはオリゴ糖濃度が低い溶液に特に好適に使用できる。その結果、五炭糖及び／または六炭糖の単糖及び／またはオリゴ糖の濃縮工程と発酵阻害物質の除去工程という２工程を必要としていた従来方法を、１工程に短縮できるかあるいは濃縮工程の負荷を低減することができる。

以下に具体的実施例を挙げて本発明を説明するが、本発明はこれら実施例により何ら限定されるものではない。

実施例および比較例における測定は、次のとおり行った。また、実施例および比較例に用いた分離膜Ａ〜Ｇは、以下のとおり作製した。

実施例１〜８、比較例１、２では、五炭糖及び／または六炭糖の単糖及び／またはオリゴ糖から、発酵阻害物質を除去できるかどうかを評価するために、以下のモデル水溶液を調製して、各分離膜に供給した。すなわち、五炭糖及び／または六炭糖の単糖及び／またはオリゴ糖としてグルコース及びスクロースを用い、発酵阻害物質としてフルフラール、５−ヒドロキシメチルフルフラール及びバニリンを用い、それぞれを５００ｐｐｍになるように水に溶解してモデル水溶液を調製した。

実施例９では、五炭糖及び／または六炭糖の単糖及び／またはオリゴ糖としてグルコースを用い、発酵阻害物質としてフルフラール、５−ヒドロキシメチルフルフラール及びバニリンを用いて、発酵阻害物質濃度の大腸菌及び酵母の生育速度に与える影響を調べた。
（イソプロピルアルコール除去率）
分離膜に、温度２５℃、ｐＨ６．５に調整した、５００ｐｐｍイソプロピルアルコール水溶液を操作圧力０．５ＭＰａで供給したときの透過水と供給水のイソプロピルアルコール濃度を比較することにより評価した。すなわち、イソプロピルアルコール除去率（％）＝１００×（１−（透過水中のイソプロピルアルコール濃度／供給水中のイソプロピルアルコール濃度））で算出した。なお、イソプロピルアルコール濃度は、通常のガスクロマトグラフィー測定により求めた。
（グルコース除去率）
分離膜に、温度２５℃、ｐＨ６．５に調整した、５００ｐｐｍグルコース水溶液を操作圧力０．５ＭＰａで供給したときの透過水と供給水のグルコース濃度を比較することにより評価した。すなわち、グルコース除去率（％）＝１００×（１−（透過水中のグルコース濃度／供給水中のグルコース濃度））で算出した。なお、グルコース濃度は、屈折率計（島津製作所製ＲＩＤ−６Ａ）を用いて測定した。
（透過性能）
分離膜に、温度２５℃、ｐＨ６．５に調整した、５００ｐｐｍグルコース水溶液を操作圧力０．５ＭＰａで供給したときの、単位時間（ｄ）及び単位面積（ｍ^２）当たりの透過水量（ｍ^３）を測定し、透過性能（ｍ^３／ｍ^２ｄ）を算出した。
（陽電子ビーム法による陽電子消滅寿命測定法）
分離膜の分離機能層を特に加工することなしに陽電子消滅寿命測定を行うには、以下のようにして陽電子ビーム法を用いて測定すればよい。すなわち、減圧下室温で乾燥させ、１．５ｃｍ×１．５ｃｍ角に切り取った測定試料を、陽電子ビーム発生装置を持つ薄膜対応陽電子消滅寿命測定装置（例えば、ラジエーション・フィジクス・アンド・ケミストリー、５８巻、ｐ６０３、パーガモン（２０００）にその装置の詳細が述べられている）にて、ビーム強度１ｋｅＶ、室温、真空下、光電子増倍管を使用して二フッ化バリウム製シンチレーションカウンターにより総カウント数５００万で測定し、ＰＯＳＩＴＲＯＮＦＩＴにて解析を行う。解析により得られた第４成分の平均寿命τから、平均孔半径Ｒ、平均孔体積Ｖ、相対強度Ｉ、空孔量Ｖ×Ｉを分析することができる。
（ポリスルホン支持膜の作製）
本発明で使用するポリスルホン支持膜は、次の手法により製造した。すなわち、単糸繊度０．５および１．５デシテックスのポリエステル繊維の混繊で、通気度０．７ｃｍ^３／ｃｍ^２・秒、平均孔径７μｍ以下の、縦３０ｃｍ、横２０ｃｍの大きさの湿式不織布をガラス板上に固定し、その上に、ジメチルホルムアミド(ＤＭＦ）溶媒のポリスルホン濃度１５重量％の溶液（２．５ポアズ：２０℃）を、総厚み２００μｍになるようにキャストし、直ちに水に浸積してポリスルホン支持膜を得た。
（分離膜Ａの作製）
ポリスルホン支持膜をｍ−フェニレンジアミンの２．０重量％およびε−カプロラクタムの２．０重量％を含む水溶液に２分間浸漬した後、デカンにトリメシン酸クロライドを０．１重量％になるように溶解した溶液を１６０ｃｍ^３／ｍ^２の割合になるように塗布し、さらに過剰の溶液を除去して分離膜を得た。このようにして得られた分離膜を、０．０７重量％の亜硝酸ナトリウムおよび０．１重量％の濃硫酸を含む水溶液により室温で２分間処理した後、直ちに水で洗い、室温にて保存し、分離膜Ａを得た。
（分離膜Ｂの作製）
２０．０ｇのエタノールと１０．８ｇのグリセリンをビーカーに加え、激しく撹拌しながら２０．０ｇのテトラ−ｎ−ブトキシチタンを加えた。５分後、得られたゲルをガラス棒で撹拌しながら２８％アンモニア水を６．０ｇ添加した。ゲルが白濁溶液状になった後、さらにスターラーで２時間撹拌した。得られた白濁溶液を遠心分離器（２，５００ｒｐｍ、３分）にかけた。沈降した白色固体を、再びエタノールの白濁溶液とし、遠心分離器（２，５００ｒｐｍ、３分）にかけ、沈降した白色固体を回収した。得られた白色固体を常温で真空乾燥し、さらに１２０℃で３時間真空乾燥することにより、パウダー状の白色固体を得た。

得られたパウダー状の白色固体の希塩酸溶液（白色固体／水／１Ｎ塩酸＝１／５．５／３．５ｗｔ％）を調製し、その溶液をポリスルホン支持膜に塗布し、窒素ブローにより表面の液滴を除去した後、９０℃の熱風乾燥器で１時間乾燥し、分離膜Ｂを得た。
（分離膜Ｃの作製）
ポリスルホン支持膜をｍ−フェニレンジアミンの２．０重量％およびε−カプロラクタムの２．０重量％を含む水溶液に２分間浸漬した後、デカンにトリメシン酸クロライドを０．１重量％になるように溶解した溶液を１６０ｃｍ^３／ｍ^２の割合になるように塗布し、さらに過剰の溶液を除去して分離膜を得た。このようにして得られた分離膜を、７重量％の亜硝酸ナトリウムおよび０．１重量％の濃硫酸を含む水溶液により室温で２分間処理した後、直ちに水で洗い、室温にて保存し、分離膜Ｃを得た。
（分離膜Ｄの作製）
ポリスルホン支持膜をｍ−フェニレンジアミンの２．０重量％およびε−カプロラクタムの２．０重量％を含む水溶液に２分間浸漬した後、デカンにトリメシン酸クロライドを０．１重量％になるように溶解した溶液を１６０ｃｍ^３／ｍ^２の割合になるように塗布し、さらに過剰の溶液を除去して分離膜を得た。このようにして得られた分離膜を、０．０７重量％の亜硝酸ナトリウムおよび０．１重量％の濃硫酸を含む水溶液により室温で６０分間処理した後、直ちに水で洗い、室温にて保存し、分離膜Ｄを得た。
（分離膜Ｅの作製）
ポリスルホン支持膜をｍ−フェニレンジアミンの２．０重量％を含む水溶液に１分間浸漬した後、デカンにトリメシン酸クロライドを０．１重量％になるように溶解した溶液を１６０ｃｍ^３／ｍ^２の割合になるように塗布し、さらに過剰の溶液を除去し、炭酸ナトリウムの０．２重量％水溶液に５分間浸漬した。このようにして得られた分離膜を、濃度１．０重量％、ｐＨ６に調整したパーオキシモノ硫酸カリウム水溶液中に２分間浸漬した後、直ちに水で洗い、室温にて保存し、分離膜Ｅを得た。
（分離膜Ｆの作製）
ポリスルホン支持膜をピペラジン１．０重量％、１，３−ビス（４−ピペリジル）−プロパン０．２重量％、ドデシル硫酸ナトリウム０．５重量％、リン酸三ナトリウム１．０重量％を含む水溶液を塗布し、室温で２分間風乾した。次に、デカンにイソフタル酸クロライドとトリメシン酸クロライドの混合物（重量比２：１）を１．０重量％になるように溶解した溶液を１６０ｃｍ^３／ｍ^２の割合になるように塗布した後、１００℃の熱風で５分間熱処理した後、直ちに水で洗い、室温にて保存し、分離膜Ｆを得た。
（分離膜Ｇの作製）
ポリスルホン支持膜をピペラジン１．０重量％、１，３−ビス（４−ピペリジル）−プロパン０．２重量％、ドデシル硫酸ナトリウム２．０重量％、リン酸三ナトリウム１．０重量％を含む水溶液を塗布し、８０℃の熱風で３０秒間乾燥した。次に、デカンにイソフタル酸クロライドとトリメシン酸クロライドの混合物（重量比１：１）を０．５重量％になるように溶解した溶液を１６０ｃｍ^３／ｍ^２の割合になるように塗布した後、１００℃の熱風で５分間熱処理した後、直ちに水で洗い、室温にて保存し、分離膜Ｇを得た。

＜実施例１＞
分離膜として、ＵＴＣ−６０（東レ（株）製架橋ポリアミドナノろ過（NF）膜）を用い、イソプロピルアルコール除去率、グルコース除去率、透過性能を評価した。ＵＴＣ−６０のイソプロピルアルコール除去率は３５％、グルコース除去率は９５％、透過性能は１．１ｍ^３／ｍ^２ｄであり、グルコース除去率とイソプロピルアルコール除去率の差が６０％であった。また、陽電子消滅寿命測定法により測定されたＵＴＣ−６０の平均孔半径は２．５ｎｍ以上３．５ｎｍ以下であった。

温度２５℃、ｐＨ６．５に調整した、モデル水溶液を操作圧力０．５ＭＰａで供給し、透過水と供給水のグルコース濃度、スクロース濃度、フルフラール濃度、５−ヒドロキシメチルフルフラール濃度及びバニリン濃度を屈折率計（島津製作所製ＲＩＤ−６Ａ）や紫外可視吸光光度計（島津製作所製UV VISIBLE SPECTROPHOTOMETER 2450）を用いて測定し、それぞれの除去率を求めた。結果を表１にまとめて示す。表１から分かるように、ＵＴＣ−６０はグルコース及びスクロースの除去率が高く、フルフラール、５−ヒドロキシメチルフルフラール及びバニリン除去率が低いため、五炭糖及び／または六炭糖の単糖及び／またはオリゴ糖から、発酵阻害物質を除去できることが示された。

＜実施例２＞
分離膜として、ＵＴＣ−２０（東レ（株）製架橋ポリアミドナノろ過（NF）膜）を用いた以外は、実施例１と同様の操作を行った。ＵＴＣ−２０のイソプロピルアルコール除去率は３０％、グルコース除去率は８４％、透過性能は０．８ｍ^３／ｍ^２ｄであり、グルコース除去率とイソプロピルアルコール除去率の差が５４％であった。また、陽電子消滅寿命測定法により測定されたＵＴＣ−２０の平均孔半径は３．５ｎｍ以上４．０ｎｍ以下であった。

また、モデル水溶液を用いた評価の結果を表１に示す。表１から分かるように、ＵＴＣ−２０はグルコース及びスクロースの除去率が高く、フルフラール、５−ヒドロキシメチルフルフラール及びバニリン除去率が低いため、五炭糖及び／または六炭糖の単糖及び／またはオリゴ糖から、発酵阻害物質を除去できることが示された。

＜実施例３＞
分離膜として、分離膜Ａを用いた以外は、実施例１と同様の操作を行った。分離膜Ａのイソプロピルアルコール除去率は７０％、グルコース除去率は９９．５％、透過性能は１．３ｍ^３／ｍ^２ｄであり、グルコース除去率とイソプロピルアルコール除去率の差が２９．５％であった。また、陽電子消滅寿命測定法により測定された分離膜Ａの平均孔半径は０．８ｎｍ以上１．０ｎｍ以下であった。

また、モデル水溶液を用いた評価の結果を表１に示す。表１から分かるように、分離膜Ａはグルコース及びスクロースの除去率が非常に高く、透過側へのグルコース及びスクロースの流出がほとんど無いことが示された。一方、フルフラール、５−ヒドロキシメチルフルフラール及びバニリン除去率が、グルコース及びスクロースの除去率に比べて低いため、五炭糖及び／または六炭糖の単糖及び／またはオリゴ糖から、発酵阻害物質を除去できることが示された。

＜実施例４＞
分離膜として、分離膜Ｃを用いた以外は、実施例１と同様の操作を行った。分離膜Ｃのイソプロピルアルコール除去率は６２％、グルコース除去率は９９％、透過性能は１．６ｍ^３／ｍ^２ｄであり、グルコース除去率とイソプロピルアルコール除去率の差が３７％であった。また、陽電子消滅寿命測定法により測定された分離膜Ａの平均孔半径は１．０ｎｍ以上１．５ｎｍ以下であった。

＜実施例５＞
分離膜として、分離膜Ｄを用いた以外は、実施例１と同様の操作を行った。分離膜Ｄのイソプロピルアルコール除去率は６０％、グルコース除去率は９８．５％、透過性能は１．７ｍ^３／ｍ^２ｄであり、グルコース除去率とイソプロピルアルコール除去率の差が３８．５％であった。また、陽電子消滅寿命測定法により測定された分離膜Ａの平均孔半径は１．０ｎｍ以上１．７ｎｍ以下であった。

また、モデル水溶液を用いた評価の結果を表１に示す。表１から分かるように、分離膜Ａはグルコース及びスクロースの除去率が非常に高く、透過側へのグルコース及びスクロースの流出が抑制されていることが示された。一方、フルフラール、５−ヒドロキシメチルフルフラール及びバニリン除去率が、グルコース及びスクロースの除去率に比べて低いため、五炭糖及び／または六炭糖の単糖及び／またはオリゴ糖から、発酵阻害物質を除去できることが示された。

＜実施例６＞
分離膜として、分離膜Ｅを用いた以外は、実施例１と同様の操作を行った。分離膜Ｅのイソプロピルアルコール除去率は７５％、グルコース除去率は９８％、透過性能は０．９ｍ^３／ｍ^２ｄであり、グルコース除去率とイソプロピルアルコール除去率の差が２３％であった。また、陽電子消滅寿命測定法により測定された分離膜Ａの平均孔半径は０．８ｎｍ以上１．５ｎｍ以下であった。

＜実施例７＞
分離膜として、分離膜Ｆを用いた以外は、実施例１と同様の操作を行った。分離膜Ｆのイソプロピルアルコール除去率は３２％、グルコース除去率は９０％、透過性能は１．５ｍ^３／ｍ^２ｄであり、グルコース除去率とイソプロピルアルコール除去率の差が５８％であった。また、陽電子消滅寿命測定法により測定された分離膜Ａの平均孔半径は２．５ｎｍ以上３．５ｎｍ以下であった。

また、モデル水溶液を用いた評価の結果を表１に示す。表１から分かるように、分離膜Ａはグルコース及びスクロースの除去率が高く、フルフラール、５−ヒドロキシメチルフルフラール及びバニリン除去率が低いため、五炭糖及び／または六炭糖の単糖及び／またはオリゴ糖から、発酵阻害物質を除去できることが示された。

＜実施例８＞
分離膜として、分離膜Ｇを用いた以外は、実施例１と同様の操作を行った。分離膜Ｇのイソプロピルアルコール除去率は３６％、グルコース除去率は９５％、透過性能は１．３ｍ^３／ｍ^２ｄであり、グルコース除去率とイソプロピルアルコール除去率の差が５９％であった。また、陽電子消滅寿命測定法により測定された分離膜Ａの平均孔半径は２．５ｎｍ以上３．５ｎｍ以下であった。

＜比較例１＞
分離膜として、ＵＴＣ−７０Ｕ（東レ（株）製架橋ポリアミド逆浸透（RO）膜）を用いた以外は、実施例１と同様の操作を行った。ＵＴＣ−７０Ｕのイソプロピルアルコール除去率は９６．２％、グルコース除去率は９９．９％、透過性能は０．７ｍ^３／ｍ^２ｄであり、グルコース除去率とイソプロピルアルコール除去率の差が３．７％しかなかった。また、陽電子消滅寿命測定法により測定されたＵＴＣ−７０Ｕの平均孔半径は０．２５ｎｍ以上０．３５ｎｍ以下であった。

また、モデル水溶液を用いた評価の結果を表１に示す。表１から分かるように、ＵＴＣ−７０Ｕはグルコース及びスクロースの除去率が高いが、フルフラール、５−ヒドロキシメチルフルフラール及びバニリン除去率も高いため、五炭糖及び／または六炭糖の単糖及び／またはオリゴ糖から、発酵阻害物質を除去することが難しいことが分かった。

＜比較例２＞
分離膜として、分離膜Ｂを用いた以外は、実施例１と同様の操作を行った。分離膜Ｂのイソプロピルアルコール除去率は１％、グルコース除去率は２９％、透過性能は２．０ｍ^３／ｍ^２ｄであり、グルコース除去率とイソプロピルアルコール除去率の差が２８％であった。なお、分離膜Ｂの細孔径が大きすぎたためか、陽電子消滅寿命測定法では平均孔半径を測定することができなかった。

また、モデル水溶液を用いた評価の結果を表１に示す。表１から分かるように、分離膜Ｂはグルコース及びスクロースの除去率が低いため、五炭糖及び／または六炭糖の単糖及び／またはオリゴ糖が流出してしまうことが示された。

＜実施例９＞
実施例１で使用したＵＴＣ−６０を分離膜として含むスパイラル型エレメントＳＵ−６２０（東レ（株）製、膜面積２８ｍ^２）を購入し、このスパイラル型エレメントＳＵ−６２０を用いて、１．０ｗｔ％グルコース、１０００ｐｐｍフルフラール、１０００ｐｐｍ５−ヒドロキシメチルフルフラール、１０００ｐｐｍバニリンを含有する溶液（１）１００Ｌを６０％回収率で処理した結果、２．４ｗｔ％グルコース、１１５０ｐｐｍフルフラール、１２００ｐｐｍ５−ヒドロキシメチルフルフラール、１１５０ｐｐｍバニリンを含有する溶液（２）４０Ｌを得た。溶液（２）に、水を加えてグルコース濃度を１．０ｗｔ％に調製し、４８０ｐｐｍフルフラール、５００ｐｐｍ５−ヒドロキシメチルフルフラール、４８０ｐｐｍバニリンを含有する溶液（３）を得た。

溶液（３）を、再びＳＵ−６２０を用いて６０％回収率で処理した結果、２．４ｗｔ％グルコース、５５０ｐｐｍフルフラール、６００ｐｐｍ５−ヒドロキシメチルフルフラール、５５０ｐｐｍバニリンを含有する溶液（４）を得た。溶液（４）に、水を加えてグルコース濃度を１．０ｗｔ％に調製し、２３０ｐｐｍフルフラール、２５０ｐｐｍ５−ヒドロキシメチルフルフラール、２３０ｐｐｍバニリンを含有する溶液（５）を得た。

溶液（５）を、さらにＳＵ−６２０を用いて６０％回収率で処理した結果、２．４ｗｔ％グルコース、２９０ｐｐｍフルフラール、３１０ｐｐｍ５−ヒドロキシメチルフルフラール、２９０ｐｐｍバニリンを含有する溶液（６）を得た。溶液（６）に、水を加えてグルコース濃度を１．０ｗｔ％に調製し、１２０ｐｐｍフルフラール、１３０ｐｐｍ５−ヒドロキシメチルフルフラール、１２０ｐｐｍバニリンを含有する溶液（７）を得た。

１．０ｗｔ％グルコースのみを含み、フルフラール、５−ヒドロキシメチルフルフラール及びバニリンを含まない溶液（０）を調製した。

なお、各溶液のグルコース濃度を１．０ｗｔ％に調製したのは、後述する大腸菌及び酵母の生育速度を同等のグルコース濃度で評価するためである。

また、グルコース、フルフラール、５−ヒドロキシメチルフルフラール、バニリン濃度の測定は、高速液体クロマトグラフィーを利用した。すなわち、液体クロマトグラフ送液ユニット（島津製作所製ＬＣ−１０ＡＤ）を用い、市販の逆相カラム（ＯＤＳカラム）と糖分離カラム（ＣＡＰＣＥＬＬＰＡＫＮＨ_２ＳＧ）を使って分離し、屈折率計（島津製作所製ＲＩＤ−６Ａ）や紫外可視吸光光度計（島津製作所製ＳＰＤ−１０Ａ）を検出器に用いてそれぞれの濃度を測定した。

溶液（０）、（１）、（３）及び（７）を基質に用いて、大腸菌及び酵母の生育速度を評価し、フルフラール、５−ヒドロキシメチルフルフラール及びバニリン濃度の発酵に与える影響を調べた。

大腸菌及び酵母の生育速度は、以下の方法で評価した。

供試菌は、大腸菌（エシェリシア・コリＷ３１１０株）、および酵母（サッカロミセス・セレビジエNBRC２２６０）を用いた。大腸菌はＬＢ培地（１％トリプトン、０．５％酵母エキス、１％塩化ナトリウム）、酵母はＹＰＤ培地（２％トリプトン、１％酵母エキス、２％グルコース）を使用し、３０℃で２４時間振とう培養（前培養）した。評価培地として、溶液（０）、（１）、（３）および（７）に対し、コーンスリープリカーを最終濃度５％となるように添加し、ｐＨ７に調整した評価培地（０）、（１）、（３）および（７）を作製した。これらの評価培地５０ｍＬ（（０）、（１）、（３）、および（７））に、前培養後の培養液を、３ｍＬを添加し、３０℃で２４時間振とう培養した。培養２４時間後における、大腸菌および酵母の生育量は、６００ｎｍの吸光度（ＯＤ６００値）を測定することで算出した。評価培地（０）における２４時間後の大腸菌あるいは酵母のＯＤ６００値を１００としたときの、評価培地（１）、（３）、（７）における、それぞれの生育速度を表２にまとめた。

特に、フルフラール、５−ヒドロキシメチルフルフラール及びバニリン濃度を１２０〜１３０ｐｐｍを含む評価培地（７）では、フルフラール、５−ヒドロキシメチルフルフラール及びバニリンを含まない評価培地（０）とほぼ同等の大腸菌及び酵母生育速度を示しており、発酵阻害物質除去の効果が顕著に見られた。

本発明の多糖類系バイオマス由来化合物の製造方法は、多糖類系バイオマスを原料として糖類を製造する場合、得られた糖類を発酵により化学品に変換する場合、に好適に使用することができる。

Claims

多糖類系バイオマスを加水分解処理して得られる生成物から単糖及び／又はオリゴ糖を含む糖液を製造する糖化工程、及び、多糖類系バイオマス由来の単糖及び／又はオリゴ糖を含む糖液を発酵処理する発酵工程のうちの少なくとも１つの工程を有する多糖類系バイオマスから化合物を製造する方法であって、０．５ＭＰａの操作圧力で２５℃、ｐＨ６．５の５００ｐｐｍグルコース水溶液及び２５℃、ｐＨ６．５の５００ｐｐｍイソプロピルアルコール水溶液をそれぞれ透過させた時のグルコース除去率及びイソプロピルアルコール除去率が下記式（Ｉ）及び（II）を同時に満足する分離膜で発酵阻害物質を除去する処理を、該糖化工程の前段階に、及び／又は、該発酵工程の前段階に行うことを特徴とする多糖類系バイオマス由来化合物の製造方法。
グルコース除去率≧８０％（Ｉ）
グルコース除去率−イソプロピルアルコール除去率≧２０％（II）
前記分離膜での発酵阻害物質の除去処理により、発酵阻害物質が除去されると共にセルロース、ヘミセルロース、単糖、オリゴ糖のいずれか一つが濃縮される請求項１に記載の多糖類系バイオマス由来化合物の製造方法。
前記分離膜での発酵阻害物質の除去処理の後かつ発酵工程の前に、逆浸透膜を用いて化合物の濃縮処理を行う請求項１記載の多糖類系バイオマス由来化合物の製造方法。
発酵工程の直前における糖液中の発酵阻害物質含有量が５００ｐｐｍ以下となるまで分離膜による除去処理を行う請求項１に記載の多糖類系バイオマス由来化合物の製造方法。
分離膜が、陽電子消滅寿命測定法により測定される平均孔半径が０．８ｎｍ以上４．０ｎｍ以下である孔を有する請求項１に記載の多糖類系バイオマス由来化合物の製造方法。
該平均孔半径が２．５ｎｍ以上４．０ｎｍ以下である請求項５に記載の多糖類系バイオマス由来化合物の製造方法。