JP5137021B2 - エタノールの製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、セルロースを含むバイオマスを原料にしたエタノールの製造方法に関するものである。
近年、地球温暖化防止の観点から、その原因の一つと考えられている二酸化炭素排出量を削減することが求められている。そこで、ガソリン等の液体炭化水素とエタノールとの混合燃料を自動車燃料に用いることが検討されている。前記エタノールとしては、植物性物質、例えばサトウキビ、トウモロコシ等の農作物の醗酵により得たエタノールを用いることができる。前記植物性物質は、原料となる植物自体が既に光合成により二酸化炭素を吸収してできているので、かかる植物性物質から得られたエタノールを燃焼させたとしても、排出される二酸化炭素の量は前記植物自体が吸収した二酸化炭素の量に等しい。即ち、総計としての二酸化炭素の排出量は理論的にはゼロになるという所謂カーボンニュートラル効果を得ることができる。したがって、前記ガソリン等の液体炭化水素に代えて前記エタノールを用いた分だけ、二酸化炭素排出量を削減することができる。
ところが、前記サトウキビ、トウモロコシ等は、エタノールの原料として大量に消費されると、食料として供給される量が減少するという問題がある。
そこで、前記植物性物質として、サトウキビ、トウモロコシ等に代えて、食用ではないセルロースを含むバイオマスを用いてエタノールを製造する技術が検討されている。前記セルロースを含むバイオマスとしては、例えば、木材、稲藁、麦藁、バガス、竹、パルプ及びこれらから生じる廃棄物例えば古紙等を挙げることができる。前記エタノールの製造方法として、セルロースを含むバイオマスを収容した反応槽に糖化酵素を加えることによって、該セルロースを酵素糖化させて糖を得る工程と、該酵素糖化後、該セルロースの酵素糖化の残渣であるバイオマス残渣を除去する工程と、該バイオマス残渣が除去された後、該糖化酵素を除去する工程と、その後、該反応槽にエタノール醗酵菌を加えることによって、該糖をエタノール醗酵させてエタノールを得る工程と、該エタノール醗酵後、該エタノール醗酵菌を除去する工程を含む方法がある。
ところが、前記方法の酵素糖化により糖を得る工程では、該糖が蓄積され、該糖の濃度が上昇してくると、該糖化酵素の糖化活性が低下するという問題がある。
そこで、セルロースを含むバイオマスを反応槽に収容し、該反応槽に糖化酵素を加えることにより、該セルロースを酵素糖化して糖を得る工程と、該反応槽から該糖を限外ろ過膜により連続的に取り出して、該糖を醗酵槽に導入する工程と、該醗酵槽にエタノール醗酵菌を加えることにより該糖をエタノール醗酵する工程とを含むエタノールの製造方法が提案されている。この方法によれば、前記酵素糖化により糖を得ると同時に、前記反応槽から該糖を限外ろ過膜により連続的に取り出すことによって、該反応槽に含まれる糖の濃度を低く維持することができるとされている。また、前記製造方法では、前記糖化酵素の回収及び糖の分離に用いる限外濾過膜は、分画分子量が１０，０００〜３０，０００の範囲の大きさであることが好ましいとされている（特許文献１参照）。
しかしながら、前記従来のエタノールの製造方法では、前記限外濾過膜により前記糖を取り出す際に、前記セルロースの酵素糖化の残渣であるバイオマス残渣等により該限外濾過膜が目詰まりを起こしてしまうために該糖の分離が困難になり、前記反応槽内の該糖の濃度を十分に低下することができないという不都合がある。
特開２００６−８８１３６号公報
本発明は、かかる不都合を解消して、反応槽内の糖の濃度の上昇を抑制し、糖化酵素の糖化活性を維持することができるエタノールの製造方法を提供することを目的とする。
かかる目的を達成するために、本発明のエタノールの製造方法は、セルロースを含むバイオマスを収容した反応槽に糖化酵素を加えることによって、該セルロースを酵素糖化させて糖を得る工程と、該セルロースの酵素糖化の残渣であるバイオマス残渣を除去する工程と、該糖化酵素を除去する工程と、該反応槽にエタノール醗酵菌を加えることによって、該糖をエタノール醗酵させてエタノールを得る工程と、該エタノール醗酵菌を除去する工程とを含むエタノールの製造方法において、該糖化酵素と共に、該エタノール醗酵菌を加えることによって、該セルロースを酵素糖化させて糖を得る工程と、該糖をエタノール醗酵させる工程とを同時に行い、その後、該バイオマス残渣を２０〜２００μｍの範囲の孔径の不織布を用いた濾過により、分離、除去する工程、該エタノール醗酵菌を除去する工程、該糖化酵素を除去する工程の各工程をこの順に行うことを特徴とする。
本発明のエタノールの製造方法によれば、まず、セルロースを含むバイオマスを収容した反応槽に、糖化酵素及びエタノール醗酵菌を加える。このようにすることにより、前記糖化酵素が前記バイオマスに含まれるセルロースを糖化して糖を生成すると、該糖は前記エタノール醗酵の基質であるため、前記醗酵槽内に蓄積されることなく該エタノール醗酵によりエタノールに変換される。したがって、前記反応槽内の該糖の濃度の上昇を抑制することができ、前記糖化酵素の糖化活性を維持することができる。
本発明のエタノールの製造方法によれば、前記エタノール醗酵後、前記反応槽内には目的物であるエタノールの他に、前記バイオマス残渣、前記糖化酵素及び前記エタノール醗酵菌が夾雑物として含まれているので、該反応槽から該夾雑物を除去することでエタノールを得ることができる。また、前記夾雑物の内、構成粒子が大きいものものから順に除去することで、該夾雑物をそれぞれ別々に除去することができる。
本発明のエタノールの製造方法では、前記バイオマス残渣は、２０〜２００μｍの範囲の孔径の不織布を用いて濾過され、分離、除去される。前記不織布の孔径が２０μｍ未満であると、目詰まりを起こす。一方、前記不織布の孔径が２００μｍを超えると、前記バイオマス残渣を捕集することができず、ろ液に該バイオマス残渣が混入する。
本発明のエタノールの製造方法では、前記バイオマス残渣は、２０〜２００μｍの範囲の孔径の不織布を用いて濾過され、分離、除去される。前記不織布の孔径が２０μｍ未満であると、目詰まりを起こす。一方、前記不織布の孔径が２００μｍを超えると、前記バイオマス残渣を捕集することができず、ろ液に該バイオマス残渣が混入する。
本発明のエタノールの製造方法では、前記エタノール醗酵菌は、例えば、精密濾過膜により分離されて除去される。
本発明のエタノールの製造方法では、前記糖化酵素は、例えば、限外濾過膜により分離されて除去される。前記除去された糖化酵素は、前記反応槽に加えて、再利用することができる。
次に、添付の図面を参照しながら本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。図1は、セルロースを含むバイオマスを原料にしたエタノールの製造方法を示すフローチャートである。
まず、図1に示すバイオマスとして、本実施形態のエタノールの製造方法では、自然乾燥させた稲藁をカッターミル等で粉砕処理して稲藁チップとし、例えば直径３ｍｍのスクリーンフィルタを通過させたものを用いる（ＳＴＥＰ１）。
次に、前記稲藁チップを熱処理する（ＳＴＥＰ２）。前記熱処理としては、例えば、水蒸気による熱処理、熱水による熱処理等を挙げることができる。本実施形態では、水蒸気による熱処理を行うものとして説明する。前記水蒸気による熱処理は、例えば、前記稲藁チップを高圧ボイラー内に収容し、該高圧ボイラー内に２００〜２２０℃の範囲の温度の水蒸気を導入して、１８０〜２００℃の範囲の温度に１５〜６０分の範囲の時間維持して、加熱することにより行うことができる。
次に、前記水蒸気による加熱処理後の稲藁チップを反応槽に収容する。その後、前記反応槽に、該稲藁チップの乾燥重量に対して市販の糖化酵素（ジェネンコア協和株式会社製、商品名：ＧＣ２２０、セルラーゼ及びヘミラーゼ等の混合物）を１０重量％となるように投入すると共に、該稲藁チップの乾燥重量に対してエタノール醗酵菌（Ｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ ｃｅｒｅｖｉｓｉａｅ；酵母Ｓ２８８Ｃ株（ＮＢＲＣ １１３６））を２重量％となるように投入する（ＳＴＥＰ３）。そして、酢酸緩衝液及びイオン交換水をさらに加えてｐＨを４．５とし、得られる水溶液１リットルに対して前記稲藁チップの乾燥重量が２０％（ｗ／ｖ）となるように調整する。次に、前記調整した水溶液を、攪拌しながら３５℃の温度に２４時間維持し、該調整した水溶液に含まれるセルロース等を酵素糖化させて糖を得ると同時に、該糖を基質としてエタノール醗酵させて、糖化醗酵処理液を得る（ＳＴＥＰ４）。前記糖としては、グルコース、アラビノース、キシロース、ガラクトース等の単糖、またはその２量体、３量体等を得ることができる。前記糖化醗酵処理液には、目的物であるエタノールの他に、前記セルロースの酵素糖化の残渣であるバイオマス残渣、前記糖化酵素及び前記エタノール醗酵菌が夾雑物として含まれている。
次に、前記糖化醗酵処理液を、不織布を用いたフィルタープレスにより濾過し、前記バイオマス残渣を除去して酵素・菌・エタノール混合液を得る（ＳＴＥＰ５）。前記不織布は、２０〜２００μｍの範囲の孔径を有する。
次に、前記酵素・菌・エタノール混合液を、精密濾過膜により濾過し、前記エタノール醗酵菌を除去して酵素・エタノール混合液を得る（ＳＴＥＰ６）。前記精密濾過膜は、例えば、０．１〜０．２μｍの範囲の孔径を有し、内径略１ｍｍの中空糸濾過膜（旭化成ケミカルズ株式会社製、商品名：マイクローザ）を用いることができる。
次に、前記菌・エタノール混合液を、限外濾過膜により濾過し、前記糖化酵素を除去してエタノール水溶液を得る（ＳＴＥＰ７）。前記限外濾過膜は、例えば、分画分子量１０，０００の中空糸フィルタを用いることができる。前記除去した糖化酵素は、ＳＴＥＰ３において再利用される。
次に、前記エタノール水溶液は、例えば、ゼオライト系脱水膜により濃縮され、９９重量％以上のエタノールとなる（ＳＴＥＰ８）。
本実施形態において、ＳＴＥＰ３で糖化酵素及びエタノール醗酵菌を同一の反応槽に投入している。そのため、ＳＴＥＰ４において、前記糖化酵素が前記バイオマスに含まれるセルロースを糖化して糖を生成すると、該糖は前記エタノール醗酵の基質であるため、前記醗酵槽内に蓄積されることなく、該エタノール醗酵によりエタノールに変換される。したがって、前記反応槽内の該糖の濃度の上昇を抑制することができ、前記糖化酵素の糖化活性を維持することができる。
本実施形態において、ＳＴＥＰ４で得られる糖化醗酵処理液は、目的物であるエタノールの他に、前記バイオマス残渣、前記糖化酵素及び前記エタノール醗酵菌を夾雑物として含んでいるので、該糖化醗酵処理液から該夾雑物を除去することで、該夾雑物を含まないエタノールの水溶液を得ることができる。また、前記夾雑物の内、構成粒子が大きいものものから順に除去することで、該夾雑物をそれぞれ別々に除去することができる。除去された前記夾雑物のうち、前記糖化酵素は、ＳＴＥＰ３において再利用することができる。
Claims (2)
- セルロースを含むバイオマスを収容した反応槽に糖化酵素を加えることによって、該セルロースを酵素糖化させて糖を得る工程と、該セルロースの酵素糖化の残渣であるバイオマス残渣を除去する工程と、該糖化酵素を除去する工程と、該反応槽にエタノール醗酵菌を加えることによって、該糖をエタノール醗酵させてエタノールを得る工程と、該エタノール醗酵菌を除去する工程とを含むエタノールの製造方法において、
該糖化酵素と共に、該エタノール醗酵菌を加えることによって、該セルロースを酵素糖化させて糖を得る工程と、該糖をエタノール醗酵させる工程とを同時に行い、
その後、該バイオマス残渣を２０〜２００μｍの範囲の孔径の不織布を用いた濾過により、分離、除去する工程、該エタノール醗酵菌を除去する工程、該糖化酵素を除去する工程の各工程をこの順に行うことを特徴とするエタノールの製造方法。 - 前記エタノール醗酵菌は、精密濾過膜により分離されて除去され、前記糖化酵素は、限外濾過膜により分離されて除去されることを特徴とする請求項１記載のエタノールの製造方法。
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