JP5265013B2 - リグノセルロース系バイオマスからエタノールを製造する方法 - Google Patents
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Description
リグノセルロース系バイオマスからエタノールを製造する方法であって、
リグノセルロース系バイオマスをエタノール又はアンモニア水に浸漬する浸漬工程と、
リグノセルロース系バイオマスを爆砕処理するか、亜臨界状態で加水分解した後フラッシュ処理するリグノセルロース分解工程と、
分解工程後の固形残渣をエタノール浸漬してリグニンを除去するリグニン除去工程と、
リグニン除去工程後の固形残渣を、酵素によって糖化し、さらにエタノールへと発酵させるC6系糖化発酵工程と、
を有することを特徴とする方法に関する。
本発明の実施の形態1の工程フロー図を、図1に示す。
まず、サトウキビバガス等のリグノセルロース系バイオマス(以下、「バイオマス」と称する)を破砕機又は粉砕機等により平均径30〜50mm以下(好ましくは、10mm以下)の小片とする。この小片を爆砕装置にて水蒸気による爆砕処理(200〜240℃、1.5〜4MPa、1〜15min;好ましくは225〜230℃、2.5〜3Mpa、1〜5min)を行い、バイオマス中のヘミセルロース成分を糖化する。
次に、C5系糖類を含む洗浄水を爆砕処理液と混合し、C5系糖化液とする。洗浄水を混合することにより糖化液中の糖濃度は低下する。そこで、C5系糖化液は、逆浸透膜等のC5系糖類を濃縮できる膜を用いて糖濃縮を行なう。糖濃度を高めることによって、C5系糖化液の発酵速度も増大する。また、糖化液量が減少することにより、C5系糖化液の発酵槽を小型化することも可能となる。
爆砕処理によって得られた固形残渣は、水洗浄されて糖類及びリグニン溶解物が除去された後、エタノール濃度30%以上、好ましくは50%以上エタノール水に常温で0.5時間以上48時間以下、好ましくは1時間以上24時間以下の時間浸漬され、セルロースを被覆しているリグニンが溶解及び除去される。エタノール浸漬後、固形残渣を機械的に脱エタノール処理するか、加熱又は減圧加熱等により脱エタノール処理を行う(高濃度エタノール水を用いる場合には、一旦水洗浄した後に脱エタノール処理してもよい)。
脱エタノール処理後の固形残渣は、C6系糖化・同時発酵槽に送られる。ここで、上述したC5系発酵液を加え、所定の固形分濃度(10〜20%)のスラリーを製造することが好ましい。酵素及びC6系発酵微生物(例えば、Saccharomyces cerevisiae)を所定量(糖質原料:酵素=5〜2000:1、好ましくは10〜1000:1/発酵微生物菌体量は発酵液量に対して0.1w/v%以上3w/v%以下、好ましくは0.3w/v%以上1.5w/v%以下)投入して、27〜35℃、24〜48時間、エタノール発酵させる。
1辺約30mmのさとうきびバガス小片を原料100gとして、爆砕処理とエタノール浸漬によるリグニン除去とを組み合わせたことによる、C6系糖化・同時発酵工程におけるセルロースの酵素糖化率の変化を調べた。エタノール浸漬を行う場合には、爆砕処理によって得られた固形残渣を水洗浄した後、無水エタノールに室温で1時間浸漬させた。また、セルロースの酵素糖化率は、[((C6系糖類生成量×0.9)/セルロース量)×100]という式で算出した。その結果を、表1に示す。
上記1の35atm×5分間の条件で爆砕処理したさとうきびバガス小片100gを、エタノール濃度及び浸漬時間を変化させた場合のリグニン除去率の変化を調べた。リグニン除去率は、重量変化から推測した。その結果を、表2に示す。なお、表2の数値の単位は、すべて%である。
上記1と同じさとうきびバガス小片100gを、爆砕処理前に無水エタノール、20%エタノール水又は20%アンモニア水に室温で24時間浸漬する前処理を行った。その後、上記1と同様に爆砕処理を行い、爆砕処理液の糖濃度(w/v%)と、有害物質として5-HMF、フルフラール及び有機酸の糖分解物質3種類の合計濃度(mg/L)を測定した。その結果を、表3に示す。なお、糖濃度及び糖分解物質3種類の濃度は、高速液体クロマトグラフィを用いて測定した。
上記1と同じさとうきびバガス小片100gを爆砕処理し、固形残渣を水洗浄した後、無水エタノールに室温で3時間浸漬した。エタノールを水洗浄によって除去し、水又は2%エタノール水を用いてC6系発酵用のスラリーを調製した。セルラーゼ及びC6系発酵微生物(Saccharomyces cerevisiae)を添加し、固形分濃度10%、固形分:酵素=10:1、糖化発酵温度37℃、糖化発酵時間48時間という条件で糖化及びエタノール発酵させた。原料セルロース単位重量あたりに生成されたエタノール重量(エタノール生成原単位:kg/kg)を [爆砕さとうきびバガスから生成したエタノール重量/爆砕さとうきびバガス中のセルロース重量]で算出した。その結果を、表4に示す。
実施の形態1では、爆砕装置を用いてさとうきびバガス小片等のバイオマスを爆砕処理するが、爆砕装置を亜臨界(水)装置に置き換えることができる。例えば、図3に示すように、バガス小片を爆砕処理する替わりに、亜臨界状態でバガス小片を加水分解した後、フラッシュ装置によって急激に減圧することでも同様の効果がある。
実施の形態1では、糖質原料であるバイオマスを、糖化処理する前に破砕機又は粉砕機を用いて平均径30〜50mm以下(好ましくは10mm以下)に細かくしているが、バイオマスを25〜35atm×5分間以上の条件で爆砕処理する場合には、爆砕によりバイオマスが100μm以下の微粉末に粉砕されることから、糖質原料が後の工程で容易にハンドリングできるサイズに破砕されるならば、爆砕処理前に平均径30〜50mm以下に細かくする必要はない。
C5系発酵微生物及びC6系発酵微生物を用いる代わりに、酵素を表層提示している発酵微生物を使用することも可能である。すなわち、特開2008−193935号公報に開示されているようなキシラナーゼ及びセルラーゼを表層提示した発酵微生物を用いると、C5系発酵及びC6系糖化・同時発酵に同じ表層提示発酵微生物が投入可能となる。この場合、発酵微生物培養槽が一つとなり、設備費の削減につながる。
2,3:バルブ
4:投入口
5:反応器
6:セパレータ
7:受器
8:消音器
Claims (6)
- リグノセルロース系バイオマスからエタノールを製造する方法であって、
リグノセルロース系バイオマスをエタノール又はアンモニア水に浸漬する浸漬工程と、
リグノセルロース系バイオマスを爆砕処理するか、亜臨界状態で加水分解するリグノセルロース分解工程と、
分解工程後の固形残渣をエタノール浸漬してリグニンを除去するリグニン除去工程と
リグニン除去工程後の固形残渣を、酵素によって糖化し、さらにC6系発酵微生物によりエタノールへと発酵させるC6系糖化・同時発酵工程と、
を有することを特徴とする方法。 - 分解工程後の液相を濃縮した後、C5系発酵微生物によってC5系糖類のエタノール発酵を行うC5系発酵工程をさらに有することを特徴とする、請求項1に記載の方法。
- 前記C5系発酵工程後のC5系発酵液から発酵微生物を分離した後、C5系発酵液を前記C6系糖化・同時発酵工程へと供給する、請求項2に記載の方法。
- C5系発酵液から分離されたC5系発酵微生物を再利用する、請求項3に記載の方法。
- 前記C6系糖化・同時発酵工程後のC6系発酵液からC6系発酵微生物を分離して再利用する、請求項1に記載の方法。
- C5系発酵微生物及びC6系発酵微生物を用いる代わりに、C5系酵素及びC6系酵素を表層提示した、グルコース及びキシロースをエタノール資化できる発酵微生物を用いる、請求項2に記載の方法。
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