JP5604613B2 - エタノールの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、エタノールをリグノセルロース資源から製造する方法に関するものである。

リグノセルロース資源とは、化石燃料を除いた生物由来の有機資源のうち、リグノセルロースを主成分とする資源である。これまでに、このリグノセルロース資源からエタノールを製造する方法の１つとして、リグノセルロース資源中のセルロースを酵素によって糖化し、糖化によって得られた糖化液を醗酵させることでエタノールを得る方法が報告されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００６−１１１５９３号公報

特許文献１では、リグノセルロース資源のセルロースを糖化するためにセルラーゼが使用されているが、一般に市販されている単品或いは粗精製のセルラーゼでは活性が低く、リグノセルロース資源中のセルロースを効率的に糖化することはできない。また、大量のリグノセルロース資源を処理するためには大量のセルラーゼが必要であり、コスト面においても問題があった。

本発明はこのような実情に鑑みてなされたものであり、本発明の課題は、リグノセルロース資源中のセルロースやキシランを効率良く糖化し、より高収率にエタノールを製造する方法を提供することを目的とする。

本発明の発明者等は、鋭意研究を進めた結果、きのこ廃菌床由来の酵素群において高いセルラーゼ活性及び高いキシラナーゼ活性を見出し、本酵素群を利用したエタノールの製造方法の完成にいたった。

きのこ廃菌床とは、きのこ栽培に使用された培地のことで、たとえば、シイタケ、エノキダケ、ブナシメジ、ナメコ、エリンギ、ヒラタケ、西洋マッシュルームなどの食用きのこを栽培した後に廃棄された培地のことである。本発明のエタノールの製造方法は、このきのこ廃菌床由来の酵素群を使用し、酵素糖化反応によってリグノセルロース資源から糖化液を生成させる糖化工程と、前記糖化工程で生成した前記糖化液を醗酵させて、エタノールを生成させる醗酵工程とを有することを特徴とする。

本発明のエタノールの製造方法によれば、きのこ廃菌床由来の酵素群は、活性が高く、効率的にリグノセルロース資源中のセルロースやキシランをグルコースやキシロースに変換することができる。すなわち、リグノセルロース資源をグルコースやキシロースを含む糖化液に変換することができる。その糖化液に酵母や細菌を投入して、醗酵させることで、糖化液中のグルコースやキシロースをエタノールに変換することができる。本発明のエタノールの製造方法は、リグノセルロース資源からより効率的にエタノールを製造することができる。また、きのこ収穫後、残された廃菌床には蔓延した菌糸によるセルラーゼ等の酵素群が菌体外に放出されており、その酵素群を利用するので、市販されているような単品のセルラーゼに比べ、複合された酵素群としてリグノセルロース資源の分解力が高く、効率よく糖化が行われる。また、食用きのこを収穫した後、廃培地を使用するため原料の無駄が無くなる。

本発明のエタノール製造方法の一例の工程図である。

以下、本発明について詳細に説明する。なお、本発明においては、以下の記述に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。

本発明のエタノールの製造方法は、原料となるリグノセルロース資源に対して水蒸気蒸留工程１０と、粉砕工程２０と、混合工程３０と、浸漬・攪拌工程４０と、糖化工程５０と、醗酵工程６０と、蒸留工程７０との７工程が行われる。

本発明に用いられるリグノセルロース資源の代表的なものとしては、ブナ、ユーカリ、米松、ヒノキ、スギ等の木材や、竹、笹等の竹類等が挙げられるが、本発明はこれだけに限られるものではなく、リグノセルロースを有する材料、例えばイナワラ、ムギワラ、バガス、パルプ等や、これらから生じる古紙等の廃棄物等が挙げられる。

水蒸気蒸留工程１０は、所定の大きさとしたリグノセルロース資源を水蒸気蒸留し、リグノセルロース資源中に含まれる精油及び親水性成分を流出成分として流出させる工程である。

この水蒸気蒸留工程１０に使用されるリグノセルロース資源の大きさとしては、水蒸気蒸留を行うことができればどのような大きさであってもよい。また、水蒸気蒸留工程１０を行う前に、粉砕工程２０を行ってもよい。これにより、大きさが均一で、小さなリグノセルロース資源に対して水蒸気蒸留を行うことができるため、精油と親水性成分との流出効率を向上させることができる。

リグノセルロース資源には、その細胞中に、水に不溶な親油性の精油と水に可溶な親水性成分とが含まれている。精油は、油状から半固体状で得られる揮発性物質である。一方、親水性成分は、リグノセルロース資源中に含まれる有機酸類や糖類などの物質である。

この水蒸気蒸留工程１０では、精油や沸点の低い親水性成分が蒸気とともに流出し、沸点の高い親水性成分が蒸気中の水滴に溶解して発生する加熱水蒸気とともに系外に流出する。この水蒸気蒸留によって発生する加熱水蒸気により、リグノセルロース資源から精油と親水性成分を流出させることができる。また、精油と親水性成分をリグノセルロース資源から流出させることで、セルロースやキシランの露出面の面積が増加し、セルロースやキシランが酵素と接触しやすくなり、セルロースやキシランの糖化が促進される。

また、この水蒸気蒸留工程１０は、土やその他の汚れといった不純物が付着したリグノセルロース資源であっても、その不純物を洗い流すことができる。糖化工程４０のために、酵素糖化反応を阻害するような不純物を取り除くような前処理を行う必要がなくなる。

粉砕工程２０は、リグノセルロース資源を所定の大きさとなるように機械的に粉砕し、リグノセルロース資源中のセルロースやキシランを微粉化して、酵素糖化反応を容易に受けやすくする工程である。

この粉砕工程２０では、リグノセルロース資源を２μｍ〜１００μｍのサイズに粉砕するのが好ましい。この粉砕工程２０でのリグノセルロース資源の粉砕は、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、ビーズミル、高速回転羽根型ミキサー、ホモミキサー等を用いて行うことができる。

この粉砕工程２０で所定の大きさにまでリグノセルロース資源を粉砕することによって、リグノセルロース資源を構成するセルロース、ヘミセルロース及びリグニンからなるネットワーク構造を破壊する。そして、セルロースやキシランから特にリグニンを引き離して、セルロースやキシランが結晶化したものによって形成されるミクロフィブリルの一部を露出させることができる。これにより、糖化工程４０において、セルロースやキシランが酵素群と接触しやすくなり、酵素糖化反応を容易に受けやすくなる。

また、このように、水蒸気蒸留工程１０と粉砕工程２０とを行うことにより、リグノセルロース資源を構成するミクロフィブリルの一部を露出させるとともに、ミクロフィブリル同士の間隔が広がりやすくなり、酵素群がよりセルロースやキシランと接触しやすい状態となり、セルロースやキシランの糖化が促進される。

混合工程３０は、水蒸気蒸留工程１０及び粉砕工程２０を行ったリグノセルロース資源を液体媒体と混合する工程である。このとき、糖化工程４０での酵素糖化反応のために、酵素の至適ｐＨの範囲内となるように、リグノセルロース資源と液体媒体との混合液のｐＨが調整される。

この混合工程３０で液体媒体に混合されるリグノセルロース資源の量は４０％以下であることが好ましい。リグノセルロース資源の量が例えば５０％以上となると、粉末状のリグノセルロース資源が湿り気をおびるだけで混合液とならない。したがって、この状態で酵素群を投入しても円滑に酵素糖化反応が進行しない。

この混合工程３０で使用される液体媒体としては、酵素糖化反応を阻害しないものであれば特に限定されるものではない。例えば水やｐＨ緩衝溶液等が挙げられる。例えば、液体媒体としてｐＨ緩衝溶液を使用する場合、酵素糖化反応に使用する酵素の至適ｐＨに合わせたｐＨ緩衝溶液を選択し、リグノセルロース資源と混合する。これにより、糖化工程４０で、酵素の至適ｐＨの範囲内から外れ難くなり、円滑に酵素糖化反応を行うことができる。

また、例えば、液体媒体として水を使用する場合、リグノセルロース資源と混合した後、その混合液に酸又はアルカリを投入して、酵素の至適ｐＨの範囲内になるようにｐＨを調整する。本発明では、水蒸気蒸留工程１０により、リグノセルロース資源から流出成分を流出させているため、酵素糖化反応中に系中に流出して混合液のｐＨを変化させるような有機酸等の量が少なくなっている。そのため、少量の酸又はアルカリで混合液中のｐＨを至適ｐＨの範囲内に調製することができる。また、リグノセルロース資源から有機酸が流出する量が少ないため、酵素糖化反応中に至適ｐＨの範囲から外れ難くなり、円滑に反応が進行する。

本発明の糖化液製造方法は、この混合工程３０の前に、リグノセルロース資源に対して水蒸気蒸留が行われる。この水蒸気蒸留は、リグノセルロース資源から精油及び親水性成分等の流出成分を流出させる。この流出成分には、リグノセルロース資源に含まれる有機酸等が含まれている。例えば水蒸気蒸留を行わないリグノセルロース資源を使用して、酵素糖化反応を行うと、反応系中に有機酸等が流出するため、酵素の至適ｐＨの範囲から外れてしまう可能性が高くなる。そのために、大量のｐＨ緩衝溶液やアルカリ等を投入する必要がある。一方、本発明では、有機酸等の量が少ないため、酵素糖化反応の前、及び、反応中における混合液のｐＨの調整が容易となる。

浸漬・攪拌工程４０は、きのこ廃菌床を水系の溶媒に分散、攪拌し、きのこ廃菌床由来の酵素群を抽出する工程である。きのこ廃菌床には、リグノセルロース資源中のセルロースを加水分解してグルコースを生成させるセルラーゼ群が存在する。きのこ廃菌床は収穫直後のものから、放置して他の微生物による腐敗が起こる直前のものまで使用できる。このきのこ廃菌床由来の酵素群は、きのこ廃菌床をそのまま、或いは適度な大きさに粉砕し、きのこ廃菌床を重量比で１〜１００％ｗ／ｖで水、或いはｐＨを調整した水（ｐＨ緩衝液を含む）に分散させ、すぐに、或いは２時間程度かけてゆっくり撹拌し、その上澄み液を回収することで得られる。回収時は室温でも低温でもよい。きのこ廃菌床の粉砕には、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、ビーズミル、高速回転羽根型ミキサー、ホモミキサー等の粉砕装置を用いることができる。粉砕されるきのこ廃菌床の大きさは、きのこ廃菌床中のセルラーゼ群を抽出できれば特に限定するものではない。

糖化工程５０は、混合工程３０でリグノセルロース資源と液体媒体とを混合した混合液に、浸漬・攪拌工程４０で得られたきのこ廃菌床由来の酵素群抽出液を投入し、酵素糖化反応により糖化液を精製させる工程である。酵素群を投入することで、混合液中のセルロースやキシランが加水分解し、セロオリゴ糖，セロビオース，グルコース，キトビオース，キトオリゴ糖，キシロースが生成する。この糖化工程４０は、回分式でも、固定化酵素を含むバイオリアクターを用いた連続式で行ってもよい。

このきのこ廃菌床を由来とする酵素を使用して、セルロースやキシランの加水分解を行う場合、通常のセルロースやキシランをグルコースやキシロースに分解する方法において用いられている条件下で行うことができる。このセルラーゼ群の性質は、使用するきのこ廃菌床によって異なるが、至適ｐＨ範囲は、４．０〜７．５、至適温度範囲は、２０．０〜４０．０℃である。そのため、糖化工程４０で、前工程の混合工程３０で混合液のｐＨを４．０〜７．０となるように調整する。また、この糖化工程４０では、酵素糖化反応を円滑に進めるために、酵素の至適ｐＨ及び至適温度の範囲内となるように、反応系中のｐＨ及び温度を調整する。

醗酵工程６０は、酵母や細菌を糖化工程４０で生成した糖化液に投入し、糖化液中のグルコースやキシロースを醗酵させて、エタノールを生成させる工程である。この醗酵には酵母や細菌が使われ、糖化液中のグルコースやキシロースからエタノールを生成させる酵母や細菌であれば特に限定するものではなく、例えばパン酵母等も使用することができる。また、一種類の酵母や細菌を単独で使用してもよいが、複数種類の酵母や細菌を組み合わせて使用してもよい。醗酵の温度も、使用する酵母や細菌に応じて適宜変更される。

蒸留工程７０は、醗酵工程６０により得られた発酵液を蒸留し、エタノールを精製する工程である。

本発明のエタノール製造方法は、図１のように、まず、原料となるリグノセルロース資源を水蒸気蒸留し（水蒸気蒸留工程１０）、リグノセルロース資源中の流出成分を流出させる。そして、リグノセルロース資源を粉砕する（粉砕工程２０）。

そして、粉砕したリグノセルロース資源を、洗浄等の処理を行わずに水等の液体媒体と混合させ（混合工程３０）、酵素の至適ｐＨの範囲内となるように混合液のｐＨを調整する。本発明では、水蒸気蒸留によって、リグノセルロース資源に付着した不純物が除去されており、液体媒体と混合する前に不純物を取り除くような洗浄を行う必要がない。そのため、より簡便に糖化液を生成させることができる。

リグノセルロース資源と液体媒体とを混合させた混合液に、上述のようにきのこ廃菌床から酵素群を抽出する際（浸漬・攪拌工程４０）に得られた抽出液を投入し、酵素の至適温度及び至適ｐＨの範囲に保つように制御され、セルロースやキシランを加水分解し、糖化液を生成させる（糖化工程５０）。このとき、きのこ廃菌床から酵素を抽出する際に得られた抽出液から一旦酵素であるセルラーゼ群を精製し、精製されたセルラーゼ群をリグノセルロース資源と液体媒体とを混合させた混合液に投入してもよい。

そして、きのこ廃菌床由来の酵素によって精製した糖化液に酵母や細菌を投入し、醗酵を行う（醗酵工程６０）。これにより、糖化液中のグルコースやキシロースがエタノールに変換され、エタノールを含有するエタノール含有物が得られる。このエタノール含有物からエタノールを蒸留などによって分離することで（蒸留工程７０）、高濃度のエタノールが得られる。

Claims (5)

1. きのこ廃菌床由来の酵素群を使用し、酵素糖化反応によってリグノセルロース資源から糖化液を生成させる糖化工程と、
   前記糖化工程で生成した前記糖化液を発酵させて、エタノールを生成させる発酵工程とを有し、
   前記糖化工程に使用されるリグノセルロース資源は、水蒸気蒸留後に粉砕されていることを特徴とするエタノールの製造方法。
2. 前記酵素群は、セルラーゼ群を含有す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。
3. 前記酵素群は、キシラナーゼ群を含有す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。
4. 前記リグノセルロース資源の水蒸気蒸留、及び、前記リグノグリセロール資源の粉砕は、交互の複数回行わ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。
5. 前記糖化工程は、前記リグノセルロース資源と液体媒体とが混合した混合液に、前記きのこ廃菌床から前記酵素群を抽出する際に得られる抽出液を投入し、酵素糖化反応によって糖化液を生成させることを特徴とする請求項１に記載のエタノールの製造方法。

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