JP5442284B2 - Pretreatment method for enzymatic hydrolysis treatment of herbaceous biomass and ethanol production method using herbaceous biomass as raw material - Google Patents

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Description

本発明は草本系バイオマスの酵素加水分解の前処理方法、草本系バイオマスを原料とするエタノール製造方法に関する。   The present invention relates to a pretreatment method for enzymatic hydrolysis of herbaceous biomass and a method for producing ethanol using herbaceous biomass as a raw material.

生物由来の有機性資源であるバイオマスは、生物が太陽エネルギーを使って水と二酸化炭素から生成するものなので、持続的に再生可能な資源である。該バイオマスから製造されるバイオマスエタノールは、再生可能な自然エネルギーであること、および、その燃焼によって大気中の二酸化炭素量を増やさない点から、エネルギー源としての将来性が期待されている。   Biomass, which is an organic resource derived from living organisms, is a resource that can be renewed continuously because living organisms produce it from water and carbon dioxide using solar energy. Biomass ethanol produced from the biomass is a renewable natural energy, and its potential as an energy source is expected from the point that it does not increase the amount of carbon dioxide in the atmosphere by its combustion.

バイオマスからエタノールを製造し、燃料や化学原料として利用する試みが内外で進められており、原料としては種々のバイオマスが検討されている。バイオマスは林業系(製材廃棄物、間伐材、製紙廃棄物等)、農業系(稲わら、麦わら、サトウキビ糠、米糠、ヤシ殻、草木等)、畜産系(家畜廃棄物等)、水産系(水産加工残滓等)、廃棄物系(生ごみ、庭木、建築廃材、下水汚泥等)等に分類される。   Attempts to produce ethanol from biomass and use it as a fuel or chemical raw material are underway in Japan and overseas, and various types of biomass have been studied as raw materials. Biomass is forestry (sawmill waste, thinned wood, paper waste, etc.), agriculture (rice straw, straw, sugarcane straw, rice straw, coconut shell, vegetation, etc.), livestock (livestock waste, etc.), fishery ( Fishery processing residue, etc.), waste (garbage, garden trees, building waste, sewage sludge, etc.).

木質バイオマスや草本系バイオマスのようなリグノセルロースバイオマスは、これまでそのままで燃料として用いられるか、廃棄されていたが、有用な資源として利用可能な資源として注目されている。リグノセルロースは、植物の茎葉等の主成分であり、主にセルロース、ヘミセルロース及びリグニンから構成されており、セルロース及びヘミセルロースを主成分とする繊維細胞がリグニンを主成分とする細胞間層によって結合されている。セルロースは、グルコースなど単糖が多数直鎖状に結合した比較的安定な高分子であり強い結晶性を有している。ヘミセルロースも単糖が多数直鎖状に結合した高分子であるが、その結合がセルロースのように規則的でなく、分解しやすい。リグニンは主にベンゼン核を有する不定形の高分子である。   Lignocellulosic biomass, such as woody biomass and herbaceous biomass, has been used as fuel as it is or discarded, but has attracted attention as a resource that can be used as a useful resource. Lignocellulose is the main component of plant stems and leaves, and is mainly composed of cellulose, hemicellulose and lignin, and fiber cells based on cellulose and hemicellulose are bound by an intercellular layer based on lignin. ing. Cellulose is a relatively stable polymer in which a large number of monosaccharides such as glucose are bonded in a straight chain, and has strong crystallinity. Hemicellulose is also a polymer in which a large number of monosaccharides are bonded in a straight chain, but the bond is not regular like cellulose and is easily decomposed. Lignin is an amorphous polymer mainly having a benzene nucleus.

リグノセルロースから単糖を生成しこれを発酵させてエタノールを製造するには、セルロース、ヘミセルロースを単糖まで分解(糖化)する必要がある。セルロース、ヘミセルロースはリグニンなど強固な構造に囲まれており、またセルロースの結晶性が強いため、リグノセルロースを分解するのは容易でなく、分解糖化方法が種々検討されている。   In order to produce monosaccharides from lignocellulose and ferment them to produce ethanol, it is necessary to decompose (saccharify) cellulose and hemicellulose to monosaccharides. Cellulose and hemicellulose are surrounded by a strong structure such as lignin, and since the crystallinity of cellulose is strong, it is not easy to decompose lignocellulose, and various decomposition saccharification methods have been studied.

リグノセルロースの分解糖化方法として酵素加水分解法がある。これは、温和な条件でセルロースなどをセルラーゼなどの酵素で加水分解糖化する方法であって、単糖の過分解を抑制できる。酵素加水分解法では酵素とセルロースやヘミセルロースを有効に反応させるために前処理が必要である。すなわち、セルロース及びヘミセルロースを結合しているリグニンをリグノセルロースから分解除去し、また、セルロースの結晶性を弱くする前処理を行う必要がある。   There is an enzymatic hydrolysis method as a method for degrading saccharification of lignocellulose. This is a method of hydrolyzing and saccharifying cellulose or the like with an enzyme such as cellulase under mild conditions, and can suppress the excessive decomposition of monosaccharides. In the enzymatic hydrolysis method, a pretreatment is required to effectively react the enzyme with cellulose or hemicellulose. That is, it is necessary to perform a pretreatment for decomposing and removing lignin binding cellulose and hemicellulose from lignocellulose and weakening the crystallinity of cellulose.

酵素加水分解の前処理方法としては、粉砕法が挙げられる。(特許文献1〜4参照)特許文献1では、木質材料を粗粉砕した後、特定の水分含量に調整しながら微粉砕する振動ボールミルによる多段粉砕処理方法が開示されている。特許文献2では、木材をボールミル粉砕機により粉砕、糖化の後、固液分離した固体(糖化処理残渣)を再度粉砕する方法が開示されている。特許文献3では、木質資源を粉砕した後、分級し、分級残渣をさらに粉砕する分級糖化法が開示されている。特許文献4では木質系のリグノセルロース系バイオマスを加圧熱水で処理し、機械的粉砕してから酵素分解する方法が開示されている。いずれの粉砕法も木質系のリグノセルロースを粉砕処理により、単線維化、繊維の切断が行われ、セルロースの結晶性を弱くすることができ、粉砕処理は酵素加水分解の前処理として有効であるとされている。   A pulverization method may be mentioned as a pretreatment method for enzyme hydrolysis. (See Patent Documents 1 to 4) Patent Document 1 discloses a multi-stage pulverization method using a vibration ball mill in which a wood material is coarsely pulverized and then finely pulverized while adjusting to a specific moisture content. Patent Document 2 discloses a method in which wood is pulverized and saccharified by a ball mill pulverizer, and then a solid (saccharification treatment residue) obtained by solid-liquid separation is pulverized again. Patent Document 3 discloses a classification saccharification method in which a wood resource is pulverized and classified, and a classification residue is further pulverized. Patent Document 4 discloses a method in which woody lignocellulosic biomass is treated with pressurized hot water and mechanically pulverized before enzymatic degradation. In any pulverization method, wood-based lignocellulose is pulverized into single fibers and fibers are cut, and the crystallinity of cellulose can be weakened. The pulverization is effective as a pretreatment for enzymatic hydrolysis. It is said that.

酵素加水分解の前処理の他方法としては、アルカリ法(特許文献5参照)、加圧熱水法(特許文献6参照)が挙げられる。特許文献5では、アルカリ法として、木材オガ粉を主とするキノコ廃菌床を濃度1%以上のアルカリ溶液で前処理することが開示されている。特許文献6では、加圧熱水法として、廃建材を蒸煮又はスチーミングする前処理が開示されている。   Other methods for the pretreatment of enzyme hydrolysis include an alkali method (see Patent Document 5) and a pressurized hot water method (see Patent Document 6). Patent Document 5 discloses pretreatment of waste mushroom beds mainly composed of wood sawdust with an alkaline solution having a concentration of 1% or more as an alkali method. Patent Document 6 discloses a pretreatment for steaming or steaming waste building materials as a pressurized hot water method.

特開昭62−127000JP 62-127000 特開昭63−137692JP-A-63-137692 特開平2−156894JP-A-2-156894 特開2006−136263JP 2006-136263 A 特開2006−20603JP2006-20603 特開2004−89016JP 2004-89016 A

リグノセルロース系バイオマスは、木質系バイオマスと草本系バイオマスに分けられ、構成成分が異なる。木材チップや廃木材など木質系バイオマスは、その構成成分がセルロース50%程度、ヘミセルロース15%程度、リグニン30%程度であり、リグニンの比率が大きいので、リグニンをどのように分解除去するかが酵素加水分解の前処理のポイントとなる。これに対し、バガス、稲わら、籾殻、アブラヤシ空果房など草本系バイオマスは、その構成成分がセルロース50%程度、ヘミセルロース30%程度、リグニン15%程度であり、リグニンが少なくヘミセルロース含有量が高いので、セルロースの結晶性を弱くするとともにヘミセルロースを効率的に利用できるようにすることが酵素加水分解の前処理のポイントとなる。   Lignocellulosic biomass is divided into woody biomass and herbaceous biomass, and the constituents are different. Woody biomass such as wood chips and waste wood is composed of about 50% cellulose, about 15% hemicellulose, and about 30% lignin, and since the ratio of lignin is large, how to decompose and remove lignin is an enzyme. This is the point of pretreatment for hydrolysis. On the other hand, herbaceous biomass such as bagasse, rice straw, rice husk, oil palm empty fruit bunch is composed of about 50% cellulose, about 30% hemicellulose and about 15% lignin, and has a small amount of lignin and a high hemicellulose content. Therefore, weakening the crystallinity of cellulose and making hemicellulose available efficiently are the points of pretreatment for enzyme hydrolysis.

特許文献1〜4の粉砕による前処理方法は木質系バイオマスの前処理方法であって、そのまま草本系バイオマスの前処理に適用しても、草本系バイオマスは木質系バイオマスに比べてヘミセルロースの比率が高いため、酵素加水分解後の糖収率が低くなり、効率的な前処理を実現できないことがある。また、粉砕に要するエネルギー消費を低減することや、短時間で処理できること及び処理コストを低減することが要望されている。   The pretreatment method by the grinding | pulverization of patent documents 1-4 is a pretreatment method of woody biomass, and even if it applies to pretreatment of herbaceous biomass as it is, herbaceous biomass has a hemicellulose ratio compared to woody biomass. Since it is high, the sugar yield after enzymatic hydrolysis is low, and efficient pretreatment may not be realized. Moreover, it is desired to reduce the energy consumption required for pulverization, to be able to process in a short time, and to reduce the processing cost.

また、特許文献5のアルカリ法、特許文献6の加圧熱水法による前処理方法も、木質系バイオマスの前処理方法であって、草本系バイオマスに適用すると次のような問題が生じる。   Moreover, the pretreatment method by the alkali method of patent document 5, and the pressurized hydrothermal method of patent document 6 is also a pretreatment method of woody biomass, Comprising: When it applies to herbaceous biomass, the following problems will arise.

パームヤシ空果房、稲わら、バガスなど草本系バイオマスから酵素加水分解により糖を生成する場合には、上述したように、含有率が30%にものぼるヘミセルロースを有効に利用することが重要である。ヘミセルロースは、セルロースに比べて結晶性が弱く分解性が異なり、セルロースより分解されやすいヘミセルロースは、特許文献5の木質系バイオマスを濃度1%以上のアルカリ溶液で分解する前処理条件では、ヘミセルロースの分解により生成した糖が過分解されてしまうため全体としての糖の回収率が低くなってしまう。さりとて、前処理条件が緩やか過ぎると、リグニンの分解やセルロースの結晶性を脆化することが不十分なままになるため、前処理後の酵素加水分解糖化が進まないという問題がある。   When sugar is produced from herbaceous biomass such as palm palm empty fruit bunches, rice straw, bagasse, etc. by enzymatic hydrolysis, it is important to effectively use hemicellulose whose content is as high as 30% as described above. . Hemicellulose is weaker in crystallinity and different in degradability than cellulose. Hemicellulose, which is more easily decomposed than cellulose, decomposes hemicellulose under pretreatment conditions in which woody biomass is decomposed with an alkaline solution having a concentration of 1% or more. Since the sugar produced | generated by this will be excessively decomposed | disassembled, the recovery rate of the whole sugar will become low. On the other hand, if the pretreatment conditions are too gentle, the degradation of lignin and embrittlement of the crystallinity of cellulose remain insufficient, and thus there is a problem that enzymatic hydrolysis saccharification after pretreatment does not proceed.

また、特許文献6の蒸煮又はスチーミングする前処理では、高温・高圧で処理するために高圧装置が必要であり、前処理のための設備費用、運転費用が嵩むという問題がある。   In addition, the pretreatment for steaming or steaming in Patent Document 6 requires a high-pressure apparatus for treatment at a high temperature and high pressure, and there is a problem that equipment costs and operating costs for the pretreatment are increased.

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、草本系バイオマスを酵素加水分解する前に行う前処理方法であって、エネルギー消費が少なく、短時間で収率よく処理でき、低コストである草本系バイオマスの酵素加水分解の前処理方法、特に粉砕方法を提供すること、そして、草本系バイオマスを原料とするエタノール製造方法を提供することを課題とする。   The present invention has been made in view of such circumstances, and is a pretreatment method performed before enzymatic hydrolysis of herbaceous biomass, which consumes less energy, can be processed with good yield in a short time, and has a low It is an object of the present invention to provide a pretreatment method, particularly a pulverization method, of enzymatic hydrolysis of herbaceous biomass, which is a cost, and to provide an ethanol production method using herbaceous biomass as a raw material.

また、粉砕処理にアルカリ法、熱水法を組み合わせる場合であっても、前処理によりヘミセルロースから生成した糖の過分解を抑え、高圧装置が不要で、かつ低コストで収率よく糖を得ることができる草本系バイオマスの酵素加水分解の前処理方法を提供することを課題とする。   In addition, even when the alkali method and hot water method are combined with the pulverization treatment, the excessive decomposition of the sugar produced from the hemicellulose by the pretreatment is suppressed, a high-pressure apparatus is unnecessary, and the sugar can be obtained at a low cost and in a high yield. It is an object of the present invention to provide a pretreatment method for enzymatic hydrolysis of herbaceous biomass that can be processed.

本発明によれば、上記課題は、草本系バイオマスの酵素加水分解の前処理方法、草本系バイオマスを原料とするエタノール製造方法に関し、次のように達成される。   According to this invention, the said subject is achieved as follows regarding the pre-processing method of the enzymatic hydrolysis of herbaceous biomass, and the ethanol manufacturing method which uses herbaceous biomass as a raw material.

<草本系バイオマスの酵素加水分解の前処理方法>
本発明によれば、上記課題は、草本系バイオマスの酵素加水分解処理前に行う前処理方法に関しては、草本系バイオマス原料を乾式で平均粒径を1mm以下に粗粉砕する粗粉砕工程と、粗粉砕された草本系バイオマスに水を添加し草本系バイオマス濃度が10重量%より高く40重量%以下の高濃度混合物を調製し、該高濃度混合物中の草本系バイオマスの平均粒径を100μm以下に細粉砕する第一の細粉砕工程と、第一の細粉砕工程で細粉砕された高濃度混合物に水を添加し草本系バイオマス濃度が1重量%以上10重量%以下の低濃度混合物を調製し、該低濃度混合物中の草本系バイオマスをさらに細粉砕する第二の細粉砕工程とを有することにより達成される。
<Pretreatment method for enzymatic hydrolysis of herbaceous biomass>
According to the present invention, the above-mentioned problems are related to the pretreatment method performed before the enzymatic hydrolysis treatment of the herbaceous biomass, a coarse pulverization step of coarsely pulverizing the herbaceous biomass raw material to an average particle size of 1 mm or less, Water is added to the pulverized herbaceous biomass to prepare a high-concentration mixture having a herbaceous biomass concentration of more than 10% by weight and 40% by weight or less, and the average particle size of the herbaceous biomass in the high-concentration mixture is adjusted to 100 μm or less. A first fine pulverization step for fine pulverization and a high-concentration mixture finely pulverized in the first fine pulverization step are added with water to prepare a low-concentration mixture having a herbaceous biomass concentration of 1 wt% to 10 wt%. And a second fine pulverizing step for further finely pulverizing the herbaceous biomass in the low-concentration mixture.

このような構成の本発明によると、各工程は次のようになされる。なお、本発明において平均粒径とは、レーザー回折・散乱式粒度分布測定器等の粒度分布測定器により測定した粒度分布から求める平均粒径である。   According to the present invention having such a configuration, each process is performed as follows. In addition, in this invention, an average particle diameter is an average particle diameter calculated | required from the particle size distribution measured with particle size distribution measuring devices, such as a laser diffraction and scattering type particle size distribution measuring device.

(1)粗粉砕工程
草本系バイオマス原料を乾式で平均粒径を1mm以下に粗粉砕する。粗粉砕することにより後工程での細粉砕を効率的に行うことができる。
(1) Coarse pulverization step The herbaceous biomass raw material is coarsely pulverized to a mean particle size of 1 mm or less by a dry process. By coarsely pulverizing, fine pulverization in the subsequent process can be performed efficiently.

(2)第一の細粉砕工程
粗粉砕された草本系バイオマスに水を添加し草本系バイオマス濃度が10重量%より高く40重量%以下の高濃度混合物を調製し、高濃度混合物として水に多量の粗粉砕された草本系バイオマスを分散させた状態で草本系バイオマスの平均粒径を100μm以下に細粉砕することにより、草本系バイオマスを微細化してセルロースやヘミセルロースの結晶度を低下して酵素加水分解反応を促進させることができる。その際、混合物を高濃度とすることにより粉砕に要する時間を短時間にすることができ、そのため粉砕のためのエネルギー消費(粉砕機の電力消費量)を少なくできる。
(2) First fine pulverization step Water is added to the coarsely pulverized herbaceous biomass to prepare a high-concentration mixture having a herbaceous biomass concentration of more than 10% by weight and 40% by weight or less. In a state in which the coarsely pulverized herbaceous biomass is dispersed, the average particle size of the herbaceous biomass is finely pulverized to 100 μm or less, so that the herbaceous biomass is refined and the crystallinity of cellulose and hemicellulose is reduced to reduce enzyme hydrolysis. The decomposition reaction can be promoted. At that time, by increasing the concentration of the mixture, the time required for pulverization can be shortened, so that energy consumption for pulverization (power consumption of the pulverizer) can be reduced.

(3)第二の細粉砕工程
しかし、第一の細粉砕工程で粉砕処理しただけでは、酵素加水分解反応による糖化収率を大幅に向上させるには、十分ではないことがある。第一の細粉砕工程で粉砕された草本系バイオマスは、リグニンがセルロースから分離されていたり、セルロースの結晶が分離されているが、高濃度であるため分離したものが再凝集して凝集体が生成されている。また、微粉末のレベルまで粉砕されていない草本系バイオマスが残存する。このような凝集体や微粉砕されていない草本系バイオマスが多く存在すると、酵素加水分解反応による糖化収率を大幅に向上させることができない原因となる。そこで、第一の細粉砕工程の後、第二の細粉砕工程を設け、高濃度混合物に水を添加し草本系バイオマスの低濃度混合物を調製し、この低濃度混合物をさらに細粉砕処理することにより、凝集体を破壊して微粉末とし、微粉砕されていない草本系バイオマスを粉砕して微粉末とすることができ、糖化収率を大幅に向上させることができる。また、低濃度混合物とすることにより、粉砕機の負荷を小さくでき、粉砕のためのエネルギー消費(粉砕機の電力消費量)を少なくできる。
(3) Second fine pulverization step However, the pulverization treatment in the first fine pulverization step may not be sufficient to significantly improve the saccharification yield by the enzymatic hydrolysis reaction. In the herbaceous biomass pulverized in the first fine pulverization step, lignin is separated from cellulose or cellulose crystals are separated. Has been generated. In addition, herbaceous biomass that has not been crushed to the level of fine powder remains. If there are many such agglomerates and herbaceous biomass that has not been finely pulverized, this may cause a significant increase in the saccharification yield due to the enzymatic hydrolysis reaction. Therefore, after the first fine pulverization step, a second fine pulverization step is provided, water is added to the high concentration mixture to prepare a low concentration mixture of herbaceous biomass, and this low concentration mixture is further finely pulverized. As a result, the aggregate can be broken into fine powder, and herbaceous biomass that has not been finely pulverized can be pulverized into fine powder, and the saccharification yield can be greatly improved. Moreover, by setting it as a low concentration mixture, the load of a grinder can be made small and the energy consumption (electric power consumption of a grinder) for grinding can be reduced.

このように、高濃度での細粉砕と、希釈して低濃度にしての細粉砕とを組み合わせることにより、エネルギー消費が少なく、短時間で効率よく処理でき、低コストであり、酵素加水分解反応による糖化収率を大幅に向上できる草本系バイオマスの酵素加水分解の前処理方法を実現できる。   In this way, by combining fine pulverization at a high concentration with fine pulverization by diluting to a low concentration, energy consumption is low, processing can be performed efficiently in a short time, low cost, and enzymatic hydrolysis reaction. It is possible to realize a pretreatment method for enzymatic hydrolysis of herbaceous biomass, which can greatly improve the saccharification yield.

このような本発明では、上記粉砕による前処理時に、アルカリ処理、あるいは、加熱処理を併せて行なうこともできる。   In the present invention, an alkali treatment or a heat treatment can be performed together with the pretreatment by the pulverization.

(i)アルカリ処理
水酸化物イオン濃度が0.1重量%以上0.5重量%未満である水酸化ナトリウム、水酸化カリウム及び水酸化カルシウムのうちいずれか一つの水酸化物水溶液に草本系バイオマスを接触させるアルカリ処理を下記(1)乃至(5)のいずれかにおいて行う。
(1)粗粉砕工程と第一の細粉砕工程の間
(2)第一の細粉砕工程
(3)第一の細粉砕工程と第二の細粉砕工程の間
(4)第二の細粉砕工程
(5)第二の細粉砕工程と第二の細粉砕工程の反応物を固液分離する固液分離工程の間
(I) herbaceous biomass in any one hydroxide aqueous solution of sodium hydroxide, potassium hydroxide and calcium hydroxide having an alkali-treated hydroxide ion concentration of 0.1 wt% or more and less than 0.5 wt% The alkali treatment for contacting is performed in any one of (1) to (5) below.
(1) Between coarse pulverization step and first fine pulverization step (2) First fine pulverization step (3) Between first fine pulverization step and second fine pulverization step (4) Second fine pulverization Step (5) During the solid-liquid separation step for solid-liquid separation of the reaction product of the second fine grinding step and the second fine grinding step

(ii)加熱処理
草本系バイオマスを60〜100℃に加熱する熱処理を下記(1)乃至(6)のいずれかにおいて行う。
(1)粗粉砕工程の前
(2)粗粉砕工程と第一の細粉砕工程の間
(3)第一の細粉砕工程
(4)第一の細粉砕工程と第二の細粉砕工程の間
(5)第二の細粉砕工程
(6)第二の細粉砕工程と第二の細粉砕工程の反応物を固液分離する固液分離工程の間
(Ii) Heat treatment The heat treatment for heating the herbaceous biomass to 60 to 100 ° C. is performed in any of the following (1) to (6).
(1) Before coarse pulverization step (2) Between coarse pulverization step and first fine pulverization step (3) First fine pulverization step (4) Between first fine pulverization step and second fine pulverization step (5) Second fine pulverization step (6) During the solid-liquid separation step of solid-liquid separation of the reaction product of the second fine pulverization step and the second fine pulverization step

<草本系バイオマスを原料とするエタノール製造方法>
本発明によれば、上記課題は、草本系バイオマスを原料とするエタノール製造方法に関しては、上述した前処理方法で行う前処理工程と、該前処理工程の反応物を固液分離する固液分離工程と、該固液分離工程で固液分離により分離された固形物を酵素加水分解して糖を生成する酵素加水分解工程と、該酵素加水分解工程で酵素加水分解により生成された糖を発酵してエタノールを製造する発酵工程とを有することにより達成される。
<Ethanol production method using herbaceous biomass>
According to the present invention, the above-described problem is related to an ethanol production method using herbaceous biomass as a raw material, a pretreatment step performed by the above-described pretreatment method, and solid-liquid separation for solid-liquid separation of the reaction product of the pretreatment step. A step, an enzyme hydrolysis step in which a solid separated by solid-liquid separation in the solid-liquid separation step is enzymatically hydrolyzed to produce sugar, and a saccharide produced by enzymatic hydrolysis in the enzyme hydrolysis step is fermented And a fermentation process for producing ethanol.

本発明によれば、粗粉砕された草本系バイオマスに水を添加して高濃度混合物の状態で草本系バイオマスを細粉砕した後に、さらに水を添加して低濃度混合物の状態で細粉砕するようにして、異なる濃度で二段階に分けて細粉砕を行なうようにしたので、細粉砕に要するエネルギー消費が少なく、短時間で効率よく処理でき、低コストであり、酵素加水分解反応による糖化収率を大幅に向上できる草本系バイオマスの酵素加水分解の前処理方法、特に粉砕方法を提供することができ、そして、草本系バイオマスを原料とするエタノール製造方法を提供することができるという効果を得る。   According to the present invention, water is added to the coarsely pulverized herbaceous biomass to finely pulverize the herbaceous biomass in a high-concentration mixture state, and then water is added to finely pulverize in the low-concentration mixture state. Therefore, pulverization is performed in two stages at different concentrations, so energy consumption required for pulverization is low, it can be processed efficiently in a short time, and costs are low. Saccharification yield by enzymatic hydrolysis reaction It is possible to provide a pretreatment method, particularly a pulverization method, of enzymatic hydrolysis of herbaceous biomass, which can significantly improve the above, and to provide an ethanol production method using herbaceous biomass as a raw material.

<草本系バイオマスの酵素加水分解の前処理方法>
草本系バイオマスの酵素加水分解処理前に行う前処理方法は、草本系バイオマス原料を乾式で平均粒径を1mm以下に粗粉砕する粗粉砕工程と、粗粉砕された草本系バイオマスに水を添加し草本系バイオマス濃度が10重量%より高く40重量%以下の高濃度混合物を調製し、該高濃度混合物中の草本系バイオマスの平均粒径を100μm以下に細粉砕する第一の細粉砕工程と、第一の細粉砕工程で細粉砕された高濃度混合物に水を添加し草本系バイオマス濃度が1重量%以上10重量%以下の低濃度混合物を調製し、該低濃度混合物中の草本系バイオマスをさらに細粉砕する第二の細粉砕工程とを経て行なわれる。
<Pretreatment method for enzymatic hydrolysis of herbaceous biomass>
The pretreatment method performed before the enzymatic hydrolysis treatment of the herbaceous biomass includes a coarse pulverization step in which the herbaceous biomass raw material is coarsely pulverized to an average particle size of 1 mm or less, and water is added to the coarsely pulverized herbaceous biomass. A first fine grinding step of preparing a high-concentration mixture having a herbaceous biomass concentration of more than 10% by weight and 40% by weight or less, and finely grinding the average particle size of the herbaceous biomass in the high-concentration mixture to 100 μm or less; Water is added to the high-concentration mixture finely pulverized in the first fine pulverization step to prepare a low-concentration mixture having a herbaceous biomass concentration of 1 to 10% by weight, and the herbaceous biomass in the low-concentration mixture is prepared. Further, it is performed through a second fine grinding step of fine grinding.

草本系バイオマスのリグノセルロースは、セルロース及びヘミセルロースを主成分とする繊維細胞がリグニンを主成分とする細胞間層によって結合されている。草本系バイオマス原料を乾式で平均粒径を1mm以下に粉砕する粗粉砕工程の後に、粗粉砕された草本系バイオマスに水を添加し草本系バイオマス濃度が10重量%より高く40重量%以下の高濃度混合物を調製し、該高濃度混合物中の草本系バイオマスの平均粒径を100μm以下に細粉砕する第一の細粉砕工程と、第一の細粉砕工程で細粉砕された高濃度混合物に水を添加し草本系バイオマス濃度が1重量%以上10重量%以下の低濃度混合物を調製し、該低濃度混合物中の草本系バイオマスをさらに細粉砕する第二の細粉砕工程とを経て粉砕を行うことにより、低消費エネルギーで、短時間のもとにセルロースを微細化して結晶性を低下させ、リグニンを分離させる。   In lignocellulose of herbaceous biomass, fiber cells mainly composed of cellulose and hemicellulose are bound together by an intercellular layer mainly composed of lignin. After the coarse pulverization step of pulverizing the herbaceous biomass raw material to an average particle size of 1 mm or less, water is added to the coarsely pulverized herbaceous biomass so that the herbaceous biomass concentration is higher than 10% by weight and lower than 40% by weight. A concentration mixture is prepared, a first fine pulverization step in which the average particle size of the herbaceous biomass in the high concentration mixture is pulverized to 100 μm or less, and water is added to the high concentration mixture finely pulverized in the first fine pulverization step. Is added to prepare a low-concentration mixture having a herbaceous biomass concentration of 1% by weight or more and 10% by weight or less, and the herbaceous biomass in the low-concentration mixture is pulverized through a second fine pulverization step. As a result, cellulose is refined in a short time with low energy consumption, crystallinity is lowered, and lignin is separated.

粉砕の手段としては、機械的粉砕処理が有効であり、具体的には、グランダ、カッタミル、振動ボールミル、回転ボールミル、遊星型ボールミル、ロールミル、ディスクミル、ホモミキサーなどがあげられ、いずれを用いてもよい。以下、各粉砕工程について、さらに詳述する。   As a means for pulverization, mechanical pulverization is effective. Specifically, a grounder, a cutter mill, a vibration ball mill, a rotating ball mill, a planetary ball mill, a roll mill, a disk mill, a homomixer, and the like can be used. Also good. Hereinafter, each pulverization step will be described in detail.

(a)粗粉砕工程
粗粉砕工程では草本系バイオマス原料を乾式で平均粒径を1mm以下に粉砕する。上述したいずれの粉砕機を用いても良いが、繊維系が柔らかな草本系バイオマス原料にはカッタミルが好ましい。草本系バイオマス原料の組成、形状、大きさ、含水率などに応じて、粉砕機の種類と最適運転条件を適合させる。
(A) Coarse pulverization step In the coarse pulverization step, the herbaceous biomass raw material is pulverized dry to an average particle size of 1 mm or less. Any of the above-described pulverizers may be used, but a cutter mill is preferable for the herbaceous biomass material having a soft fiber system. Depending on the composition, shape, size, moisture content, etc. of the herbaceous biomass feedstock, the type of grinder and the optimum operating conditions are adapted.

(b)細粉砕工程
細粉砕工程では粗粉砕された草本系バイオマスに水を添加し、湿式で草本系バイオマスを細粉砕する。草本系バイオマスを細粉砕することにより、セルロースを微細化して結晶性を低下させることができ、リグニンを分離させることができ、その結果、草本系バイオマス原料を糖化する酵素加水分解反応を促進して、糖の収率を向上させることができる。
(B) Fine pulverization step In the fine pulverization step, water is added to the coarsely pulverized herbaceous biomass, and the herbaceous biomass is finely pulverized by a wet process. By finely pulverizing herbaceous biomass, cellulose can be refined to reduce crystallinity, lignin can be separated, and as a result, an enzymatic hydrolysis reaction to saccharify herbaceous biomass raw materials can be promoted. , Sugar yield can be improved.

本願発明ではこの細粉砕工程を、草本系バイオマス濃度を10重量%より高く40重量%以下の高濃度混合物として調整した後、粉砕する第一の細粉砕工程と、第一の細粉砕工程で細粉砕された高濃度混合物に水を添加し草本系バイオマス濃度を1重量%以上10重量%以下の低濃度混合物に調整した後、粉砕する第二の細粉砕工程との二段階の細粉砕工程に分けて行なうことにより、効率的に細粉砕することができ、粉砕に必要なエネルギーを大幅に低減することができる。   In the present invention, this fine pulverization step is performed by adjusting the herbaceous biomass concentration as a high-concentration mixture having a herbaceous biomass concentration of more than 10% by weight and not more than 40% by weight, followed by pulverization in the first fine pulverization step and the first fine pulverization step. Water is added to the pulverized high-concentration mixture to adjust the herbaceous biomass concentration to a low-concentration mixture of 1% by weight to 10% by weight, followed by a two-stage fine pulverization step including a second fine pulverization step of pulverization. By carrying out separately, fine grinding can be performed efficiently, and the energy required for grinding can be greatly reduced.

高濃度の草本系バイオマスを一回の細粉砕工程で長時間粉砕すると、過粉砕となり、酵素加水分解に供給する原料のロスが高くなる。また、粉砕のためのエネルギー消費が過大になる。また、低濃度の草本系バイオマスを一回の細粉砕工程で粉砕すると、所望の大きさの微粉末になるまで長時間を要し、所望の粉砕目標レベルに達するまでのエネルギー消費が過大になる。   When high-concentration herbaceous biomass is pulverized for a long time in one fine pulverization step, it becomes excessively pulverized, and the loss of raw materials supplied to enzyme hydrolysis increases. In addition, energy consumption for pulverization becomes excessive. In addition, when low-concentration herbaceous biomass is pulverized in a single fine pulverization process, it takes a long time to obtain a fine powder of the desired size, and energy consumption is excessive until the desired pulverization target level is reached. .

これに対して、本発明において、草本系バイオマス濃度が比較的高濃度である第一の細粉砕工程では、粉砕機の負荷が大きく単位時間あたりのエネルギー消費が高いが、この第一の細粉砕工程を短時間で行うことにより、消費エネルギーを大幅に低減することができる。さらに、第二の細粉砕工程では第一の細粉砕工程によりすでに分離状態のリグニンとセルロースが凝集している凝集体の破壊と、粉砕されていない部分の粉砕とが行われ、所望の粉砕目標レベルに効率的に達することができ、過粉砕も防止できる。また、第二の細粉砕工程では草本系バイオマス濃度が比較的低濃度であるので、粉砕機の負荷が小さくエネルギー消費が小さい。   In contrast, in the present invention, in the first fine pulverization step in which the herbaceous biomass concentration is relatively high, the load on the pulverizer is large and the energy consumption per unit time is high. By performing the process in a short time, energy consumption can be significantly reduced. Further, in the second fine pulverization step, the aggregate in which the lignin and cellulose already separated in the first fine pulverization step are aggregated and the unpulverized portion is pulverized to obtain a desired pulverization target. The level can be reached efficiently and overgrinding can also be prevented. Further, since the herbaceous biomass concentration is relatively low in the second fine pulverization step, the load on the pulverizer is small and the energy consumption is small.

このように、草本系バイオマス濃度が比較的高濃度である第一の細粉砕工程と、草本系バイオマス濃度が比較的低濃度である第二の細粉砕工程とからなる二段階の細粉砕工程とすることにより、効率的に細粉砕することができ、粉砕に必要な全エネルギーを大幅に低減することができる。   Thus, a two-stage fine pulverization process consisting of a first fine pulverization process in which the herbaceous biomass concentration is relatively high and a second fine pulverization process in which the herbaceous biomass concentration is relatively low, By doing so, it can be finely pulverized efficiently, and the total energy required for pulverization can be greatly reduced.

また、第二の細粉砕工程において、草本系バイオマス濃度を比較的低濃度に調整することにより、粉砕機からの粉砕処理物の排出が容易に行うことができ。さらに、後の酵素加水分解処理プロセスに必要な濃度調整をかねることができ、濃度調整工程を省略することができるという効果もある。   Further, in the second fine pulverization step, by adjusting the herbaceous biomass concentration to a relatively low concentration, the pulverized product can be easily discharged from the pulverizer. Furthermore, the concentration adjustment necessary for the subsequent enzyme hydrolysis treatment process can be performed, and the concentration adjustment step can be omitted.

第一の細粉砕工程では、粗粉砕された草本系バイオマスに水を添加し草本系バイオマス濃度を10重量%より高く40重量%以下の高濃度混合物に調整した後、草本系バイオマスの平均粒径を100μm以下に細粉砕する。草本系バイオマス濃度が10重量%以下では粉砕効率が低くなり、粉砕処理完了までの時間が長くなり必要なエネルギーが大きくなり好ましくない。草本系バイオマス濃度が40重量%より高いと、粉砕機の負荷が大きくなり好ましくない。粗粉砕処理された草本系バイオマスの大きさが小さいほど、高濃度とすることがエネルギー消費を小さくできるので望ましい。   In the first fine pulverization step, water is added to the coarsely pulverized herbaceous biomass to adjust the herbaceous biomass concentration to a high concentration mixture of more than 10% by weight and 40% by weight or less, and then the average particle size of the herbaceous biomass. Is pulverized to 100 μm or less. If the herbaceous biomass concentration is 10% by weight or less, the pulverization efficiency is low, the time until the pulverization process is completed becomes long, and the required energy increases, which is not preferable. If the herbaceous biomass concentration is higher than 40% by weight, the load on the pulverizer increases, which is not preferable. The smaller the size of the coarsely pulverized herbaceous biomass, the higher the concentration, which is desirable because energy consumption can be reduced.

第一の細粉砕工程の粉砕時間は、10分から60分が好ましい。10分より短時間では粉砕が不十分で、後工程としての酵素加水分解工程での糖化が進行しない。また、60分より長時間粉砕を行っても、リグニンの分解やセルロースの結晶性脆化の程度は変わらないうえ、60分より長時間粉砕するとかえってエネルギー消費が多くなるので不適である。   The grinding time in the first fine grinding step is preferably 10 minutes to 60 minutes. Grinding is insufficient in a time shorter than 10 minutes, and saccharification does not proceed in the enzyme hydrolysis step as a subsequent step. Further, even if pulverization is carried out for longer than 60 minutes, the degree of degradation of lignin and the crystalline embrittlement of cellulose are not changed, and pulverization for longer than 60 minutes is not suitable because energy consumption increases.

第二の細粉砕工程では、第一の細粉砕工程で細粉砕された高濃度混合物に水を添加し草本系バイオマス濃度を1重量%以上10重量%以下の低濃度混合物に調整した後、第一の細粉砕工程で細粉砕された草本系バイオマスを粉砕し、凝集体を破壊して微粉末とし、微粉砕されていない草本系バイオマスを粉砕して微粉末とする。草本系バイオマス濃度が1重量%以下では粉砕効率が低くなり、粉砕処理完了までの時間が長くなり必要なエネルギーが大きくなり好ましくない。草本系バイオマス濃度が10重量%より高いと、後の酵素加水分解処理プロセスの前に濃度調整が必要となるため好ましくない。草本系バイオマス濃度を2重量%以上5重量%以下に調整することがより好ましい。   In the second fine pulverization step, water is added to the high concentration mixture finely pulverized in the first fine pulverization step to adjust the herbaceous biomass concentration to a low concentration mixture of 1 wt% to 10 wt%, The herbaceous biomass finely pulverized in one fine pulverization step is crushed to break up aggregates into fine powder, and the herbaceous biomass not pulverized is pulverized into fine powder. If the herbaceous biomass concentration is 1% by weight or less, the pulverization efficiency is low, the time until the pulverization process is completed becomes long, and the required energy increases, which is not preferable. If the herbaceous biomass concentration is higher than 10% by weight, it is not preferable because the concentration needs to be adjusted before the subsequent enzymatic hydrolysis treatment process. It is more preferable to adjust the herbaceous biomass concentration to 2 wt% or more and 5 wt% or less.

第二の細粉砕工程の粉砕時間は、15分から5時間が好ましい。15分より短時間では粉砕が不十分であるので好ましくない。また、5時間より長時間粉砕を行っても、リグニンの分解やセルロースの結晶性脆化の程度は変わらないうえ、5時間より長時間粉砕するとかえってエネルギー消費が多くなるので不適である。   The grinding time in the second fine grinding step is preferably 15 minutes to 5 hours. Shorter than 15 minutes is not preferable because the pulverization is insufficient. Further, even if pulverization is carried out for longer than 5 hours, the degree of degradation of lignin and the crystalline embrittlement of cellulose are not changed, and pulverization for longer than 5 hours is not suitable because energy consumption increases.

(c)粉砕処理にアルカリ処理を併用
本発明では、上述の粉砕による前処理時に、アルカリ処理を併せて行なうことができる。
(C) Combined alkali treatment with pulverization treatment In the present invention, alkali treatment can be performed together with the above-described pretreatment by pulverization.

水酸化物イオン濃度が0.1重量%以上0.5重量%未満である水酸化ナトリウム、水酸化カリウム及び水酸化カルシウムのうちいずれか一つの水酸化物水溶液に草本系バイオマスを接触させるアルカリ処理を下記(1)乃至(5)のいずれかにおいて行う。
(1)粗粉砕工程と第一の細粉砕工程の間
(2)第一の細粉砕工程
(3)第一の細粉砕工程と第二の細粉砕工程の間
(4)第二の細粉砕工程
(5)第二の細粉砕工程と第二の細粉砕工程の反応物を固液分離する固液分離工程の間
Alkali treatment in which the herbaceous biomass is brought into contact with any one hydroxide aqueous solution of sodium hydroxide, potassium hydroxide and calcium hydroxide having a hydroxide ion concentration of 0.1 wt% or more and less than 0.5 wt% Is performed in any one of (1) to (5) below.
(1) Between coarse pulverization step and first fine pulverization step (2) First fine pulverization step (3) Between first fine pulverization step and second fine pulverization step (4) Second fine pulverization Step (5) During the solid-liquid separation step for solid-liquid separation of the reaction product of the second fine grinding step and the second fine grinding step

アルカリ処理を併用すると、細粉砕工程において、草本系バイオマスが粉砕されることによるとともに、水酸化物水溶液により、草本系バイオマスのリグノセルロースのうちセルロースやヘミセルロースを結合しているリグニンが分解され、また、セルロースの結晶性が脆化される。このリグニンの分解とセルロースの結晶性脆化によって、後の酵素加水分解工程でセルロースやヘミセルロースが加水分解されやすくなる。   When alkaline treatment is used in combination, the herbaceous biomass is pulverized in the fine pulverization step, and the lignocellulose that binds cellulose and hemicellulose in the lignocellulose of the herbaceous biomass is decomposed by the aqueous hydroxide solution. The crystallinity of cellulose is embrittled. Due to the decomposition of lignin and the crystalline embrittlement of cellulose, cellulose and hemicellulose are easily hydrolyzed in the subsequent enzymatic hydrolysis step.

水酸化物水溶液の水酸化物イオン濃度が0.1重量%未満ではリグニンの分解とセルロースの結晶性脆化が進まず、0.5重量%以上ではヘミセルロースの分解により生成した糖が過分解されるので好ましくない。アルカリ剤としては、水酸化ナトリウムのほかに、水酸化カリウムなどのアルカリ金属の水酸化物を用いてもよく、また、水酸化カルシウムなどのアルカリ土類金属の水酸化物を用いてもよい。また、アルカリ剤として水酸化物の代わりにアンモニア水や四級アンモニウム塩、炭酸アンモニウムなどのアンモニウム塩を用いてもよい。この場合には好ましい濃度範囲は水酸化物に比べて高くなる。   When the hydroxide ion concentration of the aqueous hydroxide solution is less than 0.1% by weight, the decomposition of lignin and the crystallinity embrittlement of the cellulose do not progress, and when it exceeds 0.5% by weight, the sugar produced by the decomposition of hemicellulose is excessively decomposed. Therefore, it is not preferable. As the alkali agent, in addition to sodium hydroxide, an alkali metal hydroxide such as potassium hydroxide may be used, or an alkaline earth metal hydroxide such as calcium hydroxide may be used. Further, ammonia water, ammonium salts such as quaternary ammonium salts and ammonium carbonate may be used as alkali agents instead of hydroxides. In this case, the preferred concentration range is higher than the hydroxide.

(d)粉砕処理に熱処理を併用
本発明では、上述の粉砕による前処理時に、加熱処理を併せて行なうことができる。
草本系バイオマスを60〜100℃に加熱する熱処理を下記(1)乃至(6)のいずれかにおいて行う。
(1)粗粉砕工程の前
(2)粗粉砕工程と第一の細粉砕工程の間
(3)第一の細粉砕工程
(4)第一の細粉砕工程と第二の細粉砕工程の間
(5)第二の細粉砕工程
(6)第二の細粉砕工程と第二の細粉砕工程の反応物を固液分離する固液分離工程の間
(D) Heat treatment combined with pulverization treatment In the present invention, heat treatment can be performed together with the pretreatment by pulverization described above.
The heat processing which heats herbaceous biomass to 60-100 degreeC is performed in either of following (1) thru | or (6).
(1) Before coarse pulverization step (2) Between coarse pulverization step and first fine pulverization step (3) First fine pulverization step (4) Between first fine pulverization step and second fine pulverization step (5) Second fine pulverization step (6) During the solid-liquid separation step of solid-liquid separation of the reaction product of the second fine pulverization step and the second fine pulverization step

細粉砕工程もしくはその前後の処理時の草本系バイオマスの温度は、リグニンの分解反応やセルロースの結晶性脆化反応を進行させるという点では常温でもよいが、さらに分解反応や脆化反応を促進させるためには草本系バイオマスを60℃〜100℃の温度範囲に加熱処理することが好ましい。粉砕処理時の草本系バイオマス温度が60℃以上であると、60℃未満の場合に比べてリグニン分解反応やセルロース結晶性脆化反応が格段に進むことが確認されている。また、草本系バイオマスの温度が100℃を超えた状態で粉砕処理を行うためには、高温・高圧処理装置が必要となり、設備費用、運転費用が嵩むので好ましくない。   The temperature of the herbaceous biomass during the fine pulverization step or before and after the treatment may be normal temperature in terms of promoting the decomposition reaction of lignin and the crystalline embrittlement reaction of cellulose, but further promote the decomposition reaction and the embrittlement reaction. Therefore, it is preferable to heat-treat herbaceous biomass in a temperature range of 60 ° C to 100 ° C. It has been confirmed that when the herbaceous biomass temperature during the pulverization treatment is 60 ° C. or higher, the lignin decomposition reaction and the cellulose crystalline embrittlement reaction proceed remarkably as compared to the case of less than 60 ° C. Further, in order to perform the pulverization treatment in a state where the temperature of the herbaceous biomass exceeds 100 ° C., a high-temperature / high-pressure treatment apparatus is required, which is not preferable because equipment costs and operation costs increase.

<草本系バイオマスを原料とするエタノールの製造方法>
本実施形態では、草本系バイオマスを原料とするエタノールの製造方法を説明する。該製造方法は、上述した粉砕処理、あるいはアルカリ処理を併用する粉砕処理や熱処理を併用する粉砕処理のいずれか一つの前処理方法で行う前処理工程と、該前処理工程の反応物を固液分離する固液分離工程と、該固液分離工程で固液分離により分離された固形物を酵素加水分解して糖を生成する酵素加水分解工程と、該酵素加水分解工程で酵素加水分解により生成された糖を発酵してエタノールを製造する。
<Method for producing ethanol from herbaceous biomass>
In this embodiment, a method for producing ethanol using herbaceous biomass as a raw material will be described. The production method includes the pretreatment step performed by any one of the above-described pulverization treatment, the pulverization treatment combined with alkali treatment, or the pulverization treatment combined with heat treatment, and the reaction product of the pretreatment step as a solid-liquid solution. A solid-liquid separation step to separate, an enzyme hydrolysis step in which a solid separated by solid-liquid separation in the solid-liquid separation step is enzymatically hydrolyzed to produce sugar, and generated by enzymatic hydrolysis in the enzyme hydrolysis step Fermented sugar is produced to produce ethanol.

次に、本実施形態の各工程を説明する。   Next, each process of this embodiment is demonstrated.

先ず、前処理工程を行なうが、詳細は既に(a)〜(d)において説明しているので、省略する。   First, a pretreatment step is performed, but details are already described in (a) to (d), and thus will be omitted.

(e)固液分離工程
草本系バイオマスを前処理した後、固液分離して、結晶性が脆化されたセルロースやヘミセルロースを含む固形物とリグニン分解物を含む液体とに分離する。これにより、リグニン分解物などの不純物を除去し、糖の原料となる結晶性が脆化されたセルロースならびにヘミセルロースを取り出すことができる。固液分離の手段としては、自然ろ過、吸引ろ過、加圧ろ過、遠心ろ過などのろ過法や、遠心分離法があげられ、いずれの手段を用いてもよい。アルカリ処理を併用する前処理を行う場合には、固液分離工程の後に酵素加水分解工程を実施する前に、固形物を洗浄し、pHを酵素加水分解反応に適した弱酸性にしておくことが好ましい。水酸化物イオン濃度が0.1重量%以上0.5重量%未満と比較的低濃度である水酸化物水溶液に草本系バイオマスを接触させるアルカリ処理を行う前処理を行うことが好ましいが、この前処理を行った場合でも、pHは比較的低く保たれているため、特に中和処理は必要ではなく、洗浄によりpHを酵素加水分解反応に適した弱酸性にすることができる。
(E) Solid-liquid separation step After the herbaceous biomass is pretreated, it is subjected to solid-liquid separation to separate into solids containing cellulose or hemicellulose whose crystallinity is embrittled and liquids containing lignin degradation products. As a result, impurities such as lignin degradation products can be removed, and cellulose and hemicellulose, which are embrittled crystallinity, can be extracted. Examples of the solid-liquid separation means include filtration methods such as natural filtration, suction filtration, pressure filtration, and centrifugal filtration, and centrifugal separation methods, and any means may be used. When performing a pretreatment using an alkali treatment, wash the solid before the enzyme hydrolysis step after the solid-liquid separation step, and make the pH weakly acidic suitable for the enzyme hydrolysis reaction. Is preferred. It is preferable to perform a pretreatment for performing an alkali treatment in which the herbaceous biomass is brought into contact with an aqueous hydroxide solution having a hydroxide ion concentration of 0.1% by weight or more and less than 0.5% by weight. Even when the pretreatment is performed, since the pH is kept relatively low, a neutralization treatment is not particularly necessary, and the pH can be made weakly acidic suitable for the enzymatic hydrolysis reaction by washing.

(f)酵素加水分解・糖化工程
固液分離工程で得られた固形物が懸濁した液に酵素を添加し、セルロースやヘミセルロースを含む固形物を酵素加水分解して糖化する。前処理によりリグニンが分解され、さらに固液分離によりリグニン分解物が除去され、また、前処理によりセルロースの結晶性が脆化されているので、固形物中のセルロースとヘミセルロースは酵素により加水分解されやすくなっている。酵素加水分解による糖化工程には、セルラーゼやヘミセルラーゼといった分離生成された酵素を用いてもよいし、酵素を生産するカビなどの微生物を用いてもよい。具体的には、固形物を懸濁した液に、例えばセルラーゼを添加し、攪拌しながら、例えばpH4〜6、30〜60℃で、10〜120時間反応させる。セルラーゼによって加水分解された液にはセルロースが分解された糖であるグルコースと、ヘミセルロースが分解された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、マンノース等が含まれることとなる。
(F) Enzymatic hydrolysis and saccharification step An enzyme is added to a liquid in which the solid matter obtained in the solid-liquid separation step is suspended, and the solid matter containing cellulose or hemicellulose is saccharified by enzymatic hydrolysis. Lignin is decomposed by pretreatment, and lignin decomposition products are removed by solid-liquid separation, and the crystallinity of cellulose is embrittled by pretreatment, so cellulose and hemicellulose in solids are hydrolyzed by enzymes. It has become easier. In the saccharification step by enzymatic hydrolysis, a separately produced enzyme such as cellulase or hemicellulase may be used, or a microorganism such as a mold that produces the enzyme may be used. Specifically, for example, cellulase is added to the liquid in which the solid is suspended, and the reaction is performed, for example, at pH 4 to 6 and 30 to 60 ° C. for 10 to 120 hours with stirring. The liquid hydrolyzed by cellulase contains glucose, which is a sugar obtained by decomposing cellulose, and glucose, xylose, arabinose, galactose, mannose, etc., which are sugars obtained by decomposing hemicellulose.

(g)発酵工程
加水分解後の糖液に窒素、リンを含む栄養源とエタノール発酵微生物を添加し、糖をエタノールに変換する。エタノール発酵微生物としては、酵母および細菌のいずれを用いてもよい。酵母としては、Saccharomyces cereviciae、Shizosaccharomyces pombe、Zygosaccharomyces rouxii、Pichia stipitisなど、細菌としては、Zymomonas mobilisなどが挙げられる。
(G) Fermentation process A nutrient source containing nitrogen and phosphorus and an ethanol fermentation microorganism are added to the hydrolyzed sugar solution to convert the sugar into ethanol. As the ethanol fermentation microorganism, either yeast or bacteria may be used. Examples of yeast include Saccharomyces cereviciae, Shizosaccharomyces pombe, Zygosaccharomyces rouxii, and Pichia stipitis. Examples of bacteria include Zymomonas mobilis.

前処理工程の後、(e)の固液分離工程を経ることなく、(f)糖化工程と(g)発酵工程を同時に進める同時糖化発酵工程を行ってもよい。   You may perform the simultaneous saccharification fermentation process which advances a saccharification process and (g) fermentation process simultaneously, without passing through the solid-liquid separation process of (e) after a pre-processing process.

このように本実施形態に係る草本系バイオマスの前処理方法を用いると、草本系バイオマスを粉砕するために要するエネルギーを小さくできるとともに、草本系バイオマスに多く含有されるヘミセルロースの分解により生成した糖の過分解を回避して、酵素加水分解後の糖の収率を高くすることができる。従って、草本系バイオマスを原料とする酵素加水分解による糖化における合計糖収量が増加し、これによって、糖を発酵させて製造するエタノールの収率をも向上させることができる。   As described above, when the pretreatment method for herbaceous biomass according to this embodiment is used, the energy required for pulverizing the herbaceous biomass can be reduced, and the sugar produced by the decomposition of hemicellulose contained in the herbaceous biomass can be reduced. By avoiding excessive decomposition, the yield of sugar after enzymatic hydrolysis can be increased. Therefore, the total sugar yield in saccharification by enzymatic hydrolysis using herbaceous biomass as a raw material is increased, and thereby the yield of ethanol produced by fermenting sugar can also be improved.

<実施例>
以下、実施例を用いて本発明をさらに具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例等に限定されるものではない。
<Example>
EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated further more concretely using an Example, this invention is not limited to these Examples.

本実施例では、草本系バイオマス原料として稲わらを用い、ボールミルにより乾式で平均粒径を1mm以下に粗粉砕した後、ボールミルにより湿式で平均粒径を100μm以下に細粉砕する第一の細粉砕と第二の細粉砕を行う前処理を行い、前処理した反応物を吸引ろ過し、ろ過した残渣の前処理固形物を酵素加水分解工程に供した。酵素加水分解処理はセルラーゼ酵素としてメイセラーゼ溶液を使用し、0.1M酢酸バッファー(pH4.5)中40℃で24時間処理した。そして、酵素加水分解処理物を吸引ろ過し、ろ液中の糖をソモジーネルソン法で分析し、稲わら原料1gあたりの糖収量を求めた。   In this example, rice straw is used as a herbaceous biomass raw material, and is first finely pulverized by a ball mill in a dry manner with an average particle size of 1 mm or less, and then wetly pulverized by a ball mill to an average particle size of 100 μm or less. A pretreatment for performing the second fine pulverization was performed, the pretreated reaction product was suction filtered, and the pretreated solid of the filtered residue was subjected to an enzyme hydrolysis step. Enzymatic hydrolysis treatment was performed using a Meicelase solution as a cellulase enzyme and treated in 0.1 M acetate buffer (pH 4.5) at 40 ° C. for 24 hours. Then, the enzyme-hydrolyzed product was subjected to suction filtration, and the sugar in the filtrate was analyzed by the Somogene Nelson method to determine the sugar yield per gram of rice straw raw material.

実施例1では、第一の細粉砕工程として粗粉砕された稲わら原料重量に対し6倍の重量の水を稲わらに添加し、稲わら原料濃度が14重量%の高濃度混合物を調製し、ボールミルでポット回転数400rpmで30分間粉砕し、さらに、第二の細粉砕工程として原料重量に対し20倍の重量の水を添加し、稲わら原料濃度3.7重量%の低濃度混合物を調製し、ボールミルでポット回転数200rpmで2時間粉砕した。   In Example 1, 6 times as much water as the first finely pulverized rice straw raw material was added to the rice straw to prepare a high concentration mixture having a rice straw raw material concentration of 14% by weight. , Ground for 30 minutes at a pot rotation speed of 400 rpm in a ball mill, and further added water 20 times the weight of the raw material as a second fine pulverization step, and a low-concentration mixture having a rice straw raw material concentration of 3.7% by weight was added. It was prepared and pulverized with a ball mill at a pot rotation speed of 200 rpm for 2 hours.

実施例2では、粗粉砕された稲わら原料に水と水酸化ナトリウムを添加し、稲わら原料濃度が14重量%、水酸化物イオン濃度が0.4重量%の高濃度混合物を調製し、第一の細粉砕工程にアルカリ処理を併用して行い、さらに実施例1と同様の二段階の細粉砕処理を行った。   In Example 2, water and sodium hydroxide were added to the coarsely pulverized rice straw raw material to prepare a high-concentration mixture having a rice straw raw material concentration of 14% by weight and a hydroxide ion concentration of 0.4% by weight, The first fine pulverization step was performed in combination with alkali treatment, and the same two-stage fine pulverization treatment as in Example 1 was performed.

実施例3、5では、粗粉砕された稲わら原料を加熱する熱処理を行った後、実施例1と同様の二段階の細粉砕処理を行った。実施例3では熱処理温度80℃、実施例5では熱処理温度100℃である。   In Examples 3 and 5, the coarsely pulverized rice straw raw material was subjected to heat treatment, and then the same two-stage fine pulverization treatment as in Example 1 was performed. In Example 3, the heat treatment temperature is 80 ° C., and in Example 5, the heat treatment temperature is 100 ° C.

実施例4、6では、粗粉砕された稲わら原料を加熱する熱処理を行った後、粗粉砕された稲わら原料に水と水酸化ナトリウムを添加し、稲わら原料濃度が14重量%、水酸化物イオン濃度が0.4重量%の高濃度混合物を調製し、第一の細粉砕工程にアルカリ処理を併用して行い、さらに、実施例1と同様の二段階の細粉砕処理を行った。実施例4では熱処理温度80℃、実施例6では熱処理温度100℃である。   In Examples 4 and 6, after heat treatment was performed to heat the coarsely pulverized rice straw raw material, water and sodium hydroxide were added to the coarsely pulverized rice straw raw material, and the concentration of the rice straw raw material was 14% by weight. A high-concentration mixture having an oxide ion concentration of 0.4% by weight was prepared, and the first fine pulverization step was performed in combination with alkali treatment. Further, the same two-stage fine pulverization treatment as in Example 1 was performed. . In Example 4, the heat treatment temperature is 80 ° C., and in Example 6, the heat treatment temperature is 100 ° C.

実施例との比較のため、細粉砕処理を一段階で行う比較例を行った。   For comparison with the examples, a comparative example in which the fine pulverization process was performed in one step was performed.

比較例1では粗粉砕された稲わら原料重量に対し6倍の重量の水を稲わらに添加し、稲わら原料濃度が14重量%の高濃度混合物を調製し、ボールミルでポット回転数400rpmで30分間粉砕する一段階の粉砕処理を行った。   In Comparative Example 1, 6 times the weight of the coarsely pulverized rice straw raw material was added to the rice straw to prepare a high-concentration mixture having a rice straw raw material concentration of 14% by weight. A one-stage pulverization process of pulverizing for 30 minutes was performed.

比較例2では稲わら原料濃度が10重量%の高濃度混合物を調製し、糖収量を高めることを図って長時間粉砕を行うように、ボールミルでポット回転数400rpmで5時間粉砕した。   In Comparative Example 2, a high-concentration mixture having a rice straw raw material concentration of 10% by weight was prepared and pulverized with a ball mill at a pot rotation speed of 400 rpm for 5 hours so as to increase the sugar yield.

比較例3では、粗粉砕された稲わら原料に水と水酸化ナトリウムを添加し、稲わら原料濃度が14重量%、水酸化物イオン濃度が0.4重量%の高濃度混合物を調製し、第一の細粉砕工程にアルカリ処理を併用して行い、さらに、比較例1と同様の一段階の粉砕処理を行った。   In Comparative Example 3, water and sodium hydroxide were added to the coarsely pulverized rice straw raw material to prepare a high-concentration mixture having a rice straw raw material concentration of 14% by weight and a hydroxide ion concentration of 0.4% by weight, The first fine pulverization step was performed in combination with alkali treatment, and the same one-stage pulverization treatment as in Comparative Example 1 was further performed.

各実施例と比較例の稲わら原料1gあたりの糖収量(収率という)の測定結果を表1に示す。   Table 1 shows the measurement results of the sugar yield (referred to as yield) per gram of rice straw raw material of each Example and Comparative Example.

表1に示すように、二段階で細粉砕処理した実施例1では、一段階で細粉砕処理した比較例1に比べて各段に高い収率で糖化できる。   As shown in Table 1, in Example 1, which was finely pulverized in two stages, saccharification can be performed at a higher yield in each stage as compared with Comparative Example 1 that was finely pulverized in one stage.

また、一段階で細粉砕処理して0.4以上の収率で糖化させるには比較例2のように粉砕時間が5時間必要であることで示されるように長時間の粉砕処理が必要になる。実施例1と比較例2について、粉砕に要する電力総消費量を測定した。比較例2の場合の粉砕に要する電力総消費量に対して、実施例1では、その1/2以下の電力総消費量であった。このように本発明により粉砕のためのエネルギーを大幅に低減できる。   Further, in order to saccharify with a yield of 0.4 or more by finely pulverizing in one step, a long pulverizing process is required as shown by the fact that the pulverization time is 5 hours as in Comparative Example 2. Become. For Example 1 and Comparative Example 2, the total power consumption required for pulverization was measured. Compared to the total power consumption required for pulverization in Comparative Example 2, in Example 1, the total power consumption was 1/2 or less of that. Thus, the energy for grinding can be greatly reduced by the present invention.

実施例2の結果から明らかなように、細粉砕工程にアルカリ処理を併用することにより、収率を高めることができる。また、細粉砕工程にアルカリ処理を併用する場合に、二段階で細粉砕処理した実施例2では、一段階で細粉砕処理した比較例3に比べて各段に高い収率で糖化できる。   As is clear from the results of Example 2, the yield can be increased by using an alkali treatment in combination with the fine pulverization step. In addition, when alkali treatment is used in combination with the fine pulverization step, in Example 2 in which fine pulverization is performed in two stages, saccharification can be performed at a higher yield in each stage than in Comparative Example 3 in which fine pulverization is performed in one stage.

実施例3、5の結果から明らかなように、粉砕処理前に熱処理を行うことにより、収率を高めることができ、熱処理温度が高いほど収率を高めることができる。実施例4、6の結果から明らかなように、細粉砕処理前に熱処理を行い、さらに細粉砕工程にアルカリ処理を併用することにより、収率をさらに高めることができ、熱処理温度が高いほど収率を高めることができる。   As is clear from the results of Examples 3 and 5, the yield can be increased by performing the heat treatment before the pulverization treatment, and the yield can be increased as the heat treatment temperature is higher. As is clear from the results of Examples 4 and 6, the heat treatment is performed before the fine pulverization treatment, and the alkali treatment is further used in the fine pulverization step, so that the yield can be further increased. The rate can be increased.

実施例2における高濃度混合物の水酸化物イオン濃度を0.05〜1重量%の範囲で変えて、高濃度混合物を調製し、第一の細粉砕工程にアルカリ処理を併用して行い、実施例1と同様の二段階の粉砕処理を行った。水酸化物イオンの濃度が0.1重量%以上0.5重量%未満の範囲において、糖収率が0.35以上となり工業的に効率のよいプロセスになった。また、水酸化物イオンの濃度が0.1重量%未満ではリグニンの分解とセルロースの結晶性脆化が進まず、0.5重量%以上の濃度ではヘミセルロースの分解により生成した糖が過分解され、酵素加水分解処理後の糖収量が低くなることが確認された。このように二段階の細粉砕処理にアルカリ処理を併用する場合に、水酸化物イオンの濃度を0.1重量%以上0.5重量%未満の範囲とすることが好ましい。   A high concentration mixture was prepared by changing the hydroxide ion concentration of the high concentration mixture in Example 2 in the range of 0.05 to 1% by weight, and the first fine pulverization step was performed in combination with an alkali treatment. The same two-stage grinding treatment as in Example 1 was performed. When the hydroxide ion concentration is in the range of 0.1 wt% or more and less than 0.5 wt%, the sugar yield is 0.35 or more, which is an industrially efficient process. When the hydroxide ion concentration is less than 0.1% by weight, the decomposition of lignin and cellulose crystal embrittlement do not progress, and at a concentration of 0.5% by weight or more, the sugar produced by the decomposition of hemicellulose is excessively decomposed. It was confirmed that the sugar yield after the enzyme hydrolysis treatment was lowered. As described above, when the alkali treatment is used in combination with the two-stage fine pulverization treatment, the hydroxide ion concentration is preferably in the range of 0.1 wt% or more and less than 0.5 wt%.

本発明は、バイオマスを原料としてエタノールを製造する産業分野で利用可能である。   The present invention can be used in the industrial field where ethanol is produced using biomass as a raw material.

Figure 0005442284
Figure 0005442284

Claims (4)

草本系バイオマスの酵素加水分解処理前に行う前処理方法であって、
草本系バイオマス原料を乾式で平均粒径を1mm以下に粗粉砕する粗粉砕工程と、
粗粉砕された草本系バイオマスに水を添加し草本系バイオマス濃度が10重量%より高く40重量%以下の高濃度混合物を調製し、該高濃度混合物中の草本系バイオマスの平均粒径を100μm以下に細粉砕する第一の細粉砕工程と、
第一の細粉砕工程で細粉砕された高濃度混合物に水を添加し草本系バイオマス濃度が1重量%以上10重量%以下の低濃度混合物を調製し、該低濃度混合物中の草本系バイオマスをさらに細粉砕する第二の細粉砕工程とを有することを特徴とする草本系バイオマスの酵素加水分解の前処理方法。
It is a pretreatment method performed before the enzymatic hydrolysis treatment of herbaceous biomass,
A coarse pulverization step of coarsely pulverizing herbaceous biomass raw material to an average particle size of 1 mm or less,
Water is added to the coarsely pulverized herbaceous biomass to prepare a high-concentration mixture having a herbaceous biomass concentration of more than 10% by weight and 40% by weight or less, and the average particle size of the herbaceous biomass in the high-concentration mixture is 100 μm or less. A first fine pulverization step,
Water is added to the high-concentration mixture finely pulverized in the first fine pulverization step to prepare a low-concentration mixture having a herbaceous biomass concentration of 1 to 10% by weight, and the herbaceous biomass in the low-concentration mixture is prepared. A pretreatment method for enzymatic hydrolysis of herbaceous biomass, further comprising a second fine grinding step of fine grinding.
水酸化物イオン濃度が0.1重量%以上0.5重量%未満である水酸化ナトリウム、水酸化カリウム及び水酸化カルシウムのうちいずれか一つの水酸化物水溶液に草本系バイオマスを接触させるアルカリ処理を下記(1)乃至(5)のいずれかにおいて行うこととする請求項1に記載の草本系バイオマスの酵素加水分解の前処理方法。
(1)粗粉砕工程と第一の細粉砕工程の間
(2)第一の細粉砕工程
(3)第一の細粉砕工程と第二の細粉砕工程の間
(4)第二の細粉砕工程
(5)第二の細粉砕工程と第二の細粉砕工程の反応物を固液分離する固液分離工程の間
Alkali treatment in which the herbaceous biomass is brought into contact with any one hydroxide aqueous solution of sodium hydroxide, potassium hydroxide and calcium hydroxide having a hydroxide ion concentration of 0.1 wt% or more and less than 0.5 wt% The pretreatment method for enzymatic hydrolysis of herbaceous biomass according to claim 1, wherein the step is performed in any one of the following (1) to (5).
(1) Between coarse pulverization step and first fine pulverization step (2) First fine pulverization step (3) Between first fine pulverization step and second fine pulverization step (4) Second fine pulverization Step (5) During the solid-liquid separation step for solid-liquid separation of the reaction product of the second fine grinding step and the second fine grinding step
草本系バイオマスを60〜100℃に加熱する熱処理を下記(1)乃至(6)のいずれかにおいて行うこととする請求項1又は2に記載の草本系バイオマスの酵素加水分解の前処理方法。
(1)粗粉砕工程の前
(2)粗粉砕工程と第一の細粉砕工程の間
(3)第一の細粉砕工程
(4)第一の細粉砕工程と第二の細粉砕工程の間
(5)第二の細粉砕工程
(6)第二の細粉砕工程と第二の細粉砕工程の反応物を固液分離する固液分離工程の間
The pretreatment method for enzymatic hydrolysis of herbaceous biomass according to claim 1 or 2, wherein the heat treatment for heating the herbaceous biomass to 60 to 100 ° C is performed in any one of the following (1) to (6).
(1) Before coarse pulverization step (2) Between coarse pulverization step and first fine pulverization step (3) First fine pulverization step (4) Between first fine pulverization step and second fine pulverization step (5) Second fine pulverization step (6) During the solid-liquid separation step of solid-liquid separation of the reaction product of the second fine pulverization step and the second fine pulverization step
請求項1乃至3のうちいずれか一つの前処理方法で行う前処理工程と、
該前処理工程の反応物を固液分離する固液分離工程と、
該固液分離工程で固液分離により分離された固形物を酵素加水分解して糖を生成する酵素加水分解工程と、
該酵素加水分解工程で酵素加水分解により生成された糖を発酵してエタノールを製造する発酵工程と、
を有することを特徴とする草本系バイオマスを原料とするエタノール製造方法。
A pretreatment step performed by the pretreatment method according to any one of claims 1 to 3;
A solid-liquid separation step for solid-liquid separation of the reaction product of the pretreatment step;
An enzyme hydrolysis step for producing a sugar by enzymatic hydrolysis of the solid separated by solid-liquid separation in the solid-liquid separation step;
A fermentation process for producing ethanol by fermenting sugar produced by enzyme hydrolysis in the enzyme hydrolysis process;
A method for producing ethanol using herbaceous biomass as a raw material.
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