JP5700619B2 - Method for producing alcohol - Google Patents
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Description
本発明は、セルロース系バイオマスを原料とするバイオアルコール製造に関する。より具体的には、本発明は、同時糖化発酵によるセルロース系バイオマスからのアルコール、特にエタノールの製造方法に関する。 The present invention relates to bioalcohol production using cellulosic biomass as a raw material. More specifically, the present invention relates to a method for producing alcohol, particularly ethanol, from cellulosic biomass by simultaneous saccharification and fermentation.
バイオアルコールは、化石資源に依存しないカーボンニュートラルな液体燃料として注目されており、現在まで様々なバイオマスを対象とした製造技術が実証されつつある。バイオマスの中でも、セルロース系バイオマスは、食料と競合しないエネルギー資源として注目されているが、糖質やデンプン質系バイオマスと比較して、アルコール転換が非常に難しく実用性の高い製造技術が確立されているとは言いがたい。 Bioalcohol is attracting attention as a carbon-neutral liquid fuel that does not depend on fossil resources, and production technologies targeting various biomass have been demonstrated to date. Among biomass, cellulosic biomass is attracting attention as an energy resource that does not compete with food. However, compared to saccharide and starchy biomass, alcohol conversion is extremely difficult and practical production technology has been established. It's hard to say.
セルロース系バイオマスは、セルロース分子間が強固な水素結合により高結晶となっていること、不要なリグニンが存在すること等の理由から、従来は高温や高圧で処理する濃硫酸や希硫酸による方法が検討されてきた。しかし、これらの方法では、セルロースの加水分解で生成する単糖の過反応が進み収率が低いことや、リグニン由来の発酵阻害物質が生成すること、設備全般での酸腐食といった問題がある。さらに、製造に多くのエネルギーを要することから、LCA（Life Cycle Assessment）の観点でも課題があった。 Cellulosic biomass has been conventionally processed by concentrated sulfuric acid or dilute sulfuric acid at high temperatures and high pressures because of the high crystallinity between cellulose molecules due to strong hydrogen bonds and the presence of unnecessary lignin. Has been studied. However, these methods have problems such as excessive reaction of monosaccharides produced by hydrolysis of cellulose and a low yield, production of fermentation inhibitor substances derived from lignin, and acid corrosion in general equipment. Furthermore, since a lot of energy is required for production, there was a problem from the viewpoint of LCA (Life Cycle Assessment).
近年、これらの課題を打開すべく、常温常圧での製造が可能な酵素（セルラーゼ）を用いる酵素糖化法が注目されている。酵素糖化は、濃硫酸や希硫酸法で見られる単糖の過反応やリグニンからの発酵阻害物質の生成がないだけでなく、常温付近での反応であり、LCAの観点からも大いに期待されている。 In recent years, in order to overcome these problems, an enzymatic saccharification method using an enzyme (cellulase) that can be produced at room temperature and normal pressure has attracted attention. Enzymatic saccharification is not only the overreaction of monosaccharides and the production of fermentation inhibitors from lignin, as seen in concentrated sulfuric acid and dilute sulfuric acid methods, but it is a reaction at around room temperature, and it is highly expected from the viewpoint of LCA. Yes.
酵素糖化法を用いてエタノールに転換するには、バイオマスの糖化工程及び発酵工程の2つのステップを踏む必要がある。通常、工程毎に反応槽を設け製造するのが一般的であり、第一槽でバイオマスをセルラーゼで加水分解し、グルコース、マンノース、ガラクトース、キシロース、アラビノース等の単糖を含む糖液を得る。次いで第一槽で得られた糖化液を第二槽に移送し、酵母等の発酵菌でエタノールまで転換するものである。この方法では、糖化工程で生成するグルコース等の単糖濃度がセルラーゼ活性を阻害するため単位バイオマス当たりの高収率を十分達成できないという課題があった。 In order to convert to ethanol using an enzymatic saccharification method, it is necessary to take two steps: a biomass saccharification process and a fermentation process. Usually, a reaction tank is provided and manufactured for each process, and biomass is hydrolyzed with cellulase in the first tank to obtain a sugar solution containing monosaccharides such as glucose, mannose, galactose, xylose, and arabinose. Next, the saccharified solution obtained in the first tank is transferred to the second tank and converted to ethanol with a fermenting bacterium such as yeast. This method has a problem that the high yield per unit biomass cannot be sufficiently achieved because the concentration of monosaccharides such as glucose produced in the saccharification step inhibits cellulase activity.
この課題を解決する方法として糖化工程と発酵工程を一つの反応槽で同時に行う同時糖化発酵法（又は並行糖化発酵法と称す）がある。この方法は、反応槽にバイオマス、セルラーゼ及び発酵微生物を入れ、バイオマスをエタノールまで一挙に転換する方法である。二槽式と比較してセルラーゼの作用で生成する各単糖は発酵微生物により速やかにエタノールまで転換されるため、単糖の蓄積によるセルラーゼへの阻害が無く高い収率を得ることができる（例えば特許文献１）。また、一槽で製造できるため施設のコンパクト化が図れ、省エネルギー化にも繋がる。 As a method for solving this problem, there is a simultaneous saccharification and fermentation method (or a parallel saccharification and fermentation method) in which a saccharification step and a fermentation step are simultaneously performed in one reaction tank. This method is a method in which biomass, cellulase, and fermentation microorganisms are placed in a reaction tank, and the biomass is converted to ethanol at once. Each monosaccharide produced by the action of cellulase compared to the two-tank type is rapidly converted to ethanol by the fermenting microorganism, so that a high yield can be obtained without inhibition of cellulase due to accumulation of monosaccharide (for example, Patent Document 1). In addition, since it can be manufactured in one tank, the facility can be made compact, leading to energy saving.
一方、同時糖化発酵法における単位発酵液当たりのエタノール量は、糖化収率、発酵収率、反応槽に仕込むバイオマス量によって規定されるため、高濃度のエタノールを製造するには、発酵槽にバイオマスを多量に仕込む必要がある。しかし、多量のバイオマスを仕込んだ場合、反応液中の固形分濃度が高すぎて撹拌できず、強いては糖化と発酵が効率的に進まないケースがある。そのため、反応槽に仕込める固形分量には限界があり、同時糖化発酵法で高濃度のエタノールを製造するのは困難であった。 On the other hand, the amount of ethanol per unit fermentation liquid in the simultaneous saccharification and fermentation method is defined by the saccharification yield, fermentation yield, and amount of biomass charged into the reaction tank. Need to be charged in large quantities. However, when a large amount of biomass is charged, there are cases where the solid content concentration in the reaction solution is too high to stir, and saccharification and fermentation do not proceed efficiently. Therefore, there is a limit to the amount of solid content that can be charged into the reaction tank, and it has been difficult to produce high-concentration ethanol by the simultaneous saccharification and fermentation method.
同時糖化発酵に関する発明技術として以下の３つがある。
すなわち、特許文献２には、セルロースの糖化と乳酸発酵とを同時に進行させてセルロースから乳酸を製造する装置であって、糖化糟と、発酵糟と、該糖化糟にセルロース材料を供給する投入ラインと、該糖化糟から糖化物取出ラインを経て送られた糖化物からセルロース短繊維を含む糖化液を分離して糖化物供給ラインを経て該発酵糟に移送するとともに、セルロース長繊維を含む残渣を残渣返送ラインを経て該糖化糟に戻す第１の分離手段と、該発酵糟から発酵物取出ラインを経て取り出した発酵物から乳酸を含む発酵液を分離して発酵液取出ラインを経て取り出すとともに、乳酸発酵微生物を含む残渣を発酵残渣返送ラインを経て該発酵糟に返送する第２の分離手段とを含むことを特徴とするセルロースからの乳酸製造装置が記載されている。
There are the following three technologies related to simultaneous saccharification and fermentation.
That is,
特許文献３には、セルロースの糖化と乳酸発酵とを同時に進行させてセルロースから乳酸を製造する装置であって、糖化ゾーンと発酵ゾーンとをセルロース短繊維及び水溶液が透過可能な透液性隔壁で仕切った糖化発酵糟と、該糖化ゾーンにセルロース材料を供給する投入ラインと、該糖化ゾーンと発酵ゾーンの少なくとも一方から乳酸を含む発酵液を取り出す取出ラインとを含むセルロースからの乳酸製造装置が記載されている。
特許文献４には、セルロース含有物に、少なくともエンドグルカナーゼ、エクソグルカナーゼ、及びβ−グルコシダーゼを含むセルラーゼを加え、少なくともセルロースが加水分解されて生成した溶解性の糖を含有する糖含有液を得る第１の工程と、糖含有液を固液分離して糖化液を得る第２の工程と、第２の工程で得られた糖化液に、グルコースを消費して発酵を行う微生物を加え、糖化液中で、セルラーゼによる溶解性の糖の加水分解を行うと同時に、微生物による発酵を行う第３の工程を有するセルロース含有物の処理方法が記載されている。 In Patent Document 4, cellulase containing at least endoglucanase, exoglucanase, and β-glucosidase is added to a cellulose-containing product to obtain a sugar-containing liquid containing at least soluble sugar produced by hydrolysis of cellulose. A saccharified solution by adding a microorganism that performs fermentation by consuming glucose to the saccharified solution obtained in the first step, a second step of obtaining a saccharified solution by solid-liquid separation of the sugar-containing liquid, and Among them, there is described a method for treating a cellulose-containing material having a third step of performing fermentation with microorganisms simultaneously with hydrolysis of soluble sugars by cellulase.
特許文献２及び３は乳酸発酵における同時糖化発酵装置であり、反応槽内部に糖化ゾーンと発酵ゾーンを分離する透液性隔壁を設けることを特徴としている。これらの装置では、同一反応槽ではあるが隔壁で槽内を区画しており、基本的には糖化工程と発酵工程を分離した従来方法と変わらない。また、反応槽内部に隔壁を設けることにより反応槽の構成が複雑で高価となる。さらに、糖化ゾーンと発酵ゾーンに各々撹拌が必要であり、エネルギーを省力化することができない。一方、特許文献４の方法は糖化と発酵を同一の反応槽で行うが、作業手順としては糖化工程と発酵工程を分離した従来方法と変わらず作業が煩雑となる。また、いずれの装置又は方法でも発酵液当たりの乳酸やアルコール等の生成物濃度を高めることは困難である。
バイオマスの同時糖化発酵法では、酵素加水分解と発酵の最適条件が異なり（特許文献１）、発酵終了時のアルコール濃度が低いという課題があった。また、アルコール濃度が低いために発酵槽に仕込むバイオマスの量が増大して撹拌動力が増大し、またアルコール濃度を上げるために蒸留を行う必要があり、エネルギーコストが増大するという欠点があった。さらに、発酵槽での強い撹拌によって、その剪断力が発酵微生物に対して悪影響を与えることもある（特許文献２）。 In the simultaneous saccharification and fermentation method of biomass, the optimum conditions for enzyme hydrolysis and fermentation are different (Patent Document 1), and there is a problem that the alcohol concentration at the end of fermentation is low. In addition, since the alcohol concentration is low, the amount of biomass charged into the fermenter is increased, the stirring power is increased, and distillation is required to increase the alcohol concentration, resulting in an increase in energy costs. Furthermore, the shearing force may have a bad influence with respect to fermentation microorganisms by the strong stirring in a fermenter (patent document 2).
従って、本発明の課題は、従来技術の課題であったバイオマスの同時糖化発酵法において生成するアルコールの高濃度化と省エネルギー化を提供することである。 Therefore, the subject of this invention is providing the high concentration and energy-saving of the alcohol produced | generated in the simultaneous saccharification fermentation method of the biomass which was the subject of the prior art.
本発明者は上記課題を解決するため鋭意検討を行った結果、バイオマスの同時糖化発酵において、消費されるバイオマスの減少を補完しながら酵素加水分解及び発酵プロセスを行うことによって、高濃度のアルコールが生成され、またそのプロセスにおいて撹拌が必要とされず、効率的にかつ低コストで高濃度のアルコールを製造することができることを見出し、本発明を完成するに至った。 As a result of intensive studies to solve the above-mentioned problems, the present inventor conducted high-concentration alcohol by performing enzymatic hydrolysis and fermentation processes while complementing the decrease in consumed biomass in simultaneous saccharification and fermentation of biomass. It has been found that high-concentration alcohol can be produced efficiently and at low cost without stirring in the process, and the present invention has been completed.
すなわち本発明は以下のとおりである。
［１］セルロース系バイオマスの同時糖化発酵によりアルコールを製造する方法において、
バイオマスを反応槽に追加投入することによって、消費されるバイオマスの減少を補完しながら酵素加水分解プロセス及び発酵プロセスを行うことを特徴とするアルコールの製造方法。
That is, the present invention is as follows.
[1] In a method for producing alcohol by simultaneous saccharification and fermentation of cellulosic biomass,
An alcohol production method comprising performing an enzymatic hydrolysis process and a fermentation process while supplementing a decrease in consumed biomass by additionally charging biomass into a reaction vessel.
［２］バイオマスの追加投入が、間欠的に、逐次に又は連続的に行われる、［１］に記載の方法。
［３］バイオマスの追加投入の量及び／又は時期が、酵素加水分解プロセスにおいて使用するセルラーゼのバイオマス分解速度に基づいて決定される、［１］又は［２］に記載の方法。
[2] The method according to [1], wherein the additional charging of biomass is performed intermittently, sequentially, or continuously.
[3] The method according to [1] or [2], wherein the amount and / or timing of additional biomass input is determined based on the biomass degradation rate of cellulase used in the enzymatic hydrolysis process.
［４］バイオマスの追加投入が少なくとも１回行われる、［１］〜［３］のいずれかに記載の方法。
［５］反応槽におけるバイオマスの乾燥固形分濃度が、反応槽内の全水分量に基づき５〜２０重量％である、［１］〜［４］のいずれかに記載の方法。
［６］アルコールがエタノールである、［１］〜［５］のいずれかに記載の方法。
[4] The method according to any one of [1] to [3], wherein the additional charging of biomass is performed at least once.
[5] The method according to any one of [1] to [4], wherein the dry solid content concentration of biomass in the reaction tank is 5 to 20% by weight based on the total water content in the reaction tank.
[6] The method according to any one of [1] to [5], wherein the alcohol is ethanol.
本発明により、アルコールの製造方法が提供される。本発明の方法は、セルロース系バイオマスの同時糖化発酵によって高濃度のアルコールを効率的かつ低コストで製造することができ、アルコールの製造分野及び使用分野において有用である。 According to the present invention, a method for producing alcohol is provided. The method of the present invention can produce a high concentration of alcohol efficiently and at low cost by simultaneous saccharification and fermentation of cellulosic biomass, and is useful in the field of alcohol production and use.
以下、本発明を詳細に説明する。
本発明に係るアルコールの製造方法は、同時糖化発酵法に基づくものであり、具体的には、セルロース系バイオマスを反応槽に投入し、同じ反応槽中で酵素加水分解（糖化）プロセスと発酵プロセスとを同時に行ってアルコールを製造するものである。本発明は、その同時糖化発酵において、消費されるバイオマスの減少を補完しながら酵素加水分解及び発酵プロセスを行うことを特徴としており（図１）、高濃度のアルコールを効率的にかつ低コストで製造することができる。
Hereinafter, the present invention will be described in detail.
The alcohol production method according to the present invention is based on a simultaneous saccharification and fermentation method. Specifically, cellulosic biomass is charged into a reaction vessel, and an enzyme hydrolysis (saccharification) process and fermentation process are performed in the same reaction vessel. Are simultaneously performed to produce alcohol. The present invention is characterized in that in the simultaneous saccharification and fermentation, enzymatic hydrolysis and fermentation processes are performed while complementing the decrease in consumed biomass (FIG. 1), and high-concentration alcohol is efficiently and at low cost. Can be manufactured.
本発明の方法において原料となるセルロース系バイオマスとは、セルロース、ヘミセルロース、及び場合によりリグニンを含む資源を意味する。例えば限定されるものではないが、木質資源（廃建材、伐採材、おが屑、間伐材、木材チップ、樹皮、林地残材、未利用樹、背板など）、紙資源（廃梱包材、古紙など）、農作物資源（稲ワラ、麦ワラ、トウモロコシの茎及び葉など）、食品資源（オカラ、酒粕など）が挙げられる。使用するセルロース系バイオマスは、１種類の資源からなるものであってもよいし、複数種の資源からなるものであってもよい。また、セルロース系バイオマスには、上述したような資源以外に、若干の不純物が含まれていてもよい。 Cellulosic biomass used as a raw material in the method of the present invention means a resource containing cellulose, hemicellulose, and optionally lignin. Examples include, but are not limited to, wood resources (waste building materials, felling materials, sawdust, thinned wood, wood chips, bark, forest land residue, unused trees, backboards, etc.), paper resources (waste packaging materials, waste paper, etc.) ), Crop resources (rice straw, wheat straw, corn stalks and leaves, etc.) and food resources (ocara, sake lees, etc.). Cellulosic biomass to be used may consist of one type of resource or may consist of multiple types of resources. Cellulosic biomass may contain some impurities in addition to the resources described above.
原料となるセルロース系バイオマスは、後述する前処理及び／又は酵素加水分解・発酵プロセスを効率的に行うために、バイオマスの種類によっては粉砕を行うことが好ましい。セルロース系バイオマスの粉砕は、例えば裁断機、リファイナー、木材粉砕機を用いて行うことができる。 Cellulosic biomass as a raw material is preferably pulverized depending on the type of biomass in order to efficiently perform the pretreatment and / or enzymatic hydrolysis / fermentation process described later. Cellulosic biomass can be pulverized using, for example, a cutter, a refiner, or a wood pulverizer.
また、酵素加水分解プロセス及び発酵プロセスを行う前に、セルロース系バイオマスの前処理を行うことが好ましい。そのような前処理としては、加水分解処理、AO処理及び固液分離処理が挙げられる。 Moreover, it is preferable to pre-process cellulosic biomass before performing an enzyme hydrolysis process and a fermentation process. Examples of such pretreatment include hydrolysis treatment, AO treatment and solid-liquid separation treatment.
加水分解処理では、まずセルロース系バイオマスを適当な酸又はアルカリに混合し、所定温度に加温し反応させることによって、セルロース系バイオマスに含まれるセルロース及び／又はヘミセルロースを加水分解して糖を抽出する。加水分解処理は、当技術分野で公知の方法に従って適当な条件で行うことができ、酸加水分解及びアルカリ加水分解のいずれでもよい。例えば酸加水分解を行う場合には、硫酸、好ましくは希硫酸を用いることができる。例えば、硫酸濃度0.1〜5％、好ましくは0.5〜3％の希硫酸を用いて、約140〜220℃の温度、好ましくは160〜210℃の温度にて、約1〜20分間、好ましくは約5〜10分間にわたり反応を行う。また例えばアルカリ加水分解を行う場合には、水酸化ナトリウム（苛性ソーダ）、水酸化カルシウムなどを用いることができる。例えば、0.1〜5％、好ましくは1〜4％の水酸化ナトリウムを用いて、好ましくは常温（約20〜30℃）にて、約1〜30時間、好ましくは5〜25時間にわたり反応を行う。加水分解処理後は、加水分解処理の種類に応じて当技術分野で公知の中和処理を行う。 In the hydrolysis treatment, cellulosic biomass is first mixed with an appropriate acid or alkali, heated to a predetermined temperature and reacted to hydrolyze cellulose and / or hemicellulose contained in the cellulosic biomass to extract sugar. . The hydrolysis treatment can be performed under suitable conditions according to a method known in the art, and any of acid hydrolysis and alkali hydrolysis may be used. For example, when acid hydrolysis is performed, sulfuric acid, preferably dilute sulfuric acid can be used. For example, using dilute sulfuric acid having a sulfuric acid concentration of 0.1 to 5%, preferably 0.5 to 3%, at a temperature of about 140 to 220 ° C, preferably 160 to 210 ° C, for about 1 to 20 minutes, preferably about Perform the reaction for 5-10 minutes. In addition, for example, when performing alkali hydrolysis, sodium hydroxide (caustic soda), calcium hydroxide, or the like can be used. For example, the reaction is performed using 0.1 to 5%, preferably 1 to 4% sodium hydroxide, preferably at room temperature (about 20 to 30 ° C.) for about 1 to 30 hours, preferably 5 to 25 hours. . After the hydrolysis treatment, neutralization treatment known in the art is performed according to the type of hydrolysis treatment.
AO処理では、セルロース系バイオマスをアルカリ水溶液と混合した後、活性酸素を生成する酸化剤と混合する（例えば、特開2008-43328号公報参照）。アルカリ水溶液としては、任意のアルカリに基づく水溶液を用いることができ、例えば、水酸化ナトリウム（苛性ソーダ）、消石灰及び生石灰（水酸化カルシウム水溶液）などを用いることができる。また、使用するアルカリ水溶液は、pH9.5〜13.5、好ましくはpH10〜13、より好ましくはpH11〜12.5とすることができる。セルロース系バイオマスとアルカリ水溶液とを混合し、好ましくは常温（約20〜30℃）にて、約1〜30時間、好ましくは5〜25時間にわたりpHを10〜13に制御しながら混合を継続する。次に、アルカリ水溶液との混合物に対し、活性酸素を生成する酸化剤を添加し、混合する。活性酸素を生成する酸化剤としては、当技術分野で公知の任意の酸化剤を用いることができ、具体的には、過酸化水素、過硫酸塩、過炭酸塩、過酢酸塩、オゾン、過酸化ナトリウムが挙げられる。活性酸素を生成する酸化剤は、適当な量を添加し、例えば1〜30時間混合する。このようなAO処理によって、バイオマス固形分中のリグニンを低分子化又は脱離させることができ、後述する酵素加水分解プロセスの効率を向上させることができる。
In the AO treatment, cellulosic biomass is mixed with an alkaline aqueous solution and then mixed with an oxidizing agent that generates active oxygen (see, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2008-43328). As the aqueous alkali solution, an aqueous solution based on any alkali can be used. For example, sodium hydroxide (caustic soda), slaked lime, quick lime (calcium hydroxide aqueous solution), and the like can be used. The alkaline aqueous solution used can be adjusted to pH 9.5 to 13.5, preferably
固液分離処理では、原料のセルロース系バイオマス又は上記前処理後のセルロース系バイオマスを液分と固形分に分離する。固液分離は、当技術分野で公知の方法、例えばフィルタープレス、振動ふるい、遠心分離、膜分離を用いて行うことができる。処理後の固形分は、後述する糖化及び発酵プロセスに供する。液分は、排水処理してもよいし、又は上記前処理に再利用してもよい。 In the solid-liquid separation process, the raw material cellulose biomass or the pretreated cellulose biomass is separated into a liquid component and a solid component. Solid-liquid separation can be performed using methods known in the art, such as filter press, vibrating sieve, centrifugation, and membrane separation. The solid content after the treatment is subjected to a saccharification and fermentation process described later. The liquid component may be drained or reused for the pretreatment.
本発明の方法では、原料としてバイオマス又は上記前処理後のバイオマスを用いて、酵素加水分解プロセス及び発酵プロセスを行う。 In the method of the present invention, an enzyme hydrolysis process and a fermentation process are performed using biomass or the pretreated biomass as a raw material.
酵素加水分解プロセスは、糖化の１つのプロセスであり、セルラーゼ酵素処理を行うことにより、セルロース系バイオマス中のセルロースをセルラーゼにより単糖又は二糖まで分解する。使用するセルラーゼは、セルロースを効率的に六炭糖まで糖化できるものであれば特に限定されない。例えば、エンドグルカナーゼ、エクソグルカナーゼ、β-グルコシダーゼが挙げられる。 The enzyme hydrolysis process is one process of saccharification, and by performing cellulase enzyme treatment, cellulose in cellulosic biomass is decomposed to monosaccharides or disaccharides by cellulase. The cellulase used is not particularly limited as long as it can efficiently saccharify cellulose to hexose. Examples thereof include endoglucanase, exoglucanase, and β-glucosidase.
セルラーゼは、植物及び動物由来のいずれでもよく、化学修飾されたものであっても、遺伝子組換えにより生成されたものであってもよい。当技術分野では、好適なセルラーゼを市販品として容易に入手することができる。また、使用するセルラーゼは、１種類であってもよいし、又は複数種を組み合わせてもよい。例えば、セルラーゼ生成菌の液体培養で細胞外に精製した酵素の濃縮液や培養液、又はこれらにエンドグルカナーゼ等の単一酵素をブレンドしたものを使用することができる。市販セルラーゼとしては、ジェネンコア社製のGC220、アクセルラーゼ（Accellerase）1500、ノボザイム社製のノボザイム、明治製菓社製のアクレモニウムセルラーゼ等がある。 Cellulases may be derived from plants or animals, and may be chemically modified or may be produced by genetic recombination. In the art, suitable cellulases are readily available as commercial products. Moreover, the cellulase to be used may be one type, or may combine several types. For example, an enzyme concentrate or culture solution purified extracellularly by liquid culture of cellulase-producing bacteria, or a mixture of these with a single enzyme such as endoglucanase can be used. Examples of commercially available cellulases include GC220 manufactured by Genencor, Accellerase 1500, Novozyme manufactured by Novozyme, Acremonium cellulase manufactured by Meiji Seika Co., Ltd.
酵素加水分解プロセスにおいて、セルラーゼを反応させる温度、時間及び量は、セルラーゼの種類や、同時に行う発酵プロセスの条件によって異なるが、当業者であれば、使用するセルラーゼの種類に応じて適宜選択することができる。例えば、セルラーゼの使用量は、基質となるセルロース系バイオマス1gに対して、セルラーゼ活性が例えば3 FPU〜100 FPU、好ましくは5 FPU〜30 FPUとなるような量とする。ここで、FPUは、1分間に1μモルのグルコースに相当する還元糖を生成する酵素量を表し、例えば、NREL Technical Report（Audey A. and Baker J. Measurement of Cellulase Activities, Laboratory Analytical Procedure, Technical Report NRE-L/TP510-42628, 2008）により測定することができる。 In the enzymatic hydrolysis process, the temperature, time and amount at which the cellulase is reacted vary depending on the type of cellulase and the conditions of the fermentation process to be performed simultaneously, but those skilled in the art can appropriately select depending on the type of cellulase used. Can do. For example, the amount of cellulase used is such that the cellulase activity is, for example, 3 FPU to 100 FPU, preferably 5 FPU to 30 FPU with respect to 1 g of cellulosic biomass as a substrate. Here, FPU represents the amount of enzyme that produces a reducing sugar corresponding to 1 μmol of glucose per minute. For example, NREL Technical Report (Audey A. and Baker J. Measurement of Cellulase Activities, Laboratory Analytical Procedure, Technical Report NRE-L / TP510-42628, 2008).
またセルラーゼは、通常30〜90℃、好ましくは30〜70℃の温度において、pH 3〜6程度で使用する。 Cellulase is usually used at a temperature of 30 to 90 ° C., preferably 30 to 70 ° C., at a pH of about 3 to 6.
あるいは、セルロース系バイオマスを原料としてセルラーゼ生成菌を発酵させることにより、バイオマス中のセルロースをセルラーゼにより単糖まで分解することも可能である。そのようなセルラーゼ生成菌は、当技術分野で公知であり、例えば黒コウジ菌（Aspergillus niger）、フザリウム菌（Fusarium solani）、シュードモナス・フルオレッセンス（Pseudomonas fluorescence）が挙げられる。セルラーゼ生成菌を使用する場合には、セルロース系バイオマスを原料としてセルラーゼ生成菌と発酵微生物の同時発酵を行い、アルコールを生成する。 Alternatively, by fermenting cellulase-producing bacteria using cellulosic biomass as a raw material, cellulose in the biomass can be decomposed to monosaccharides by cellulase. Such cellulase-producing bacteria are known in the art and include, for example, Aspergillus niger, Fusarium solani, and Pseudomonas fluorescence. When using a cellulase-producing bacterium, cellulosic biomass is used as a raw material to simultaneously ferment the cellulase-producing bacterium and the fermentation microorganism to produce alcohol.
発酵プロセスでは、上述の前処理及び／又は酵素加水分解プロセスによって得られる単糖を原料としてアルコール生成可能な発酵微生物による発酵を行い、アルコールを製造する。酵素加水分解プロセス又は前処理の加水分解処理によって得られる糖はセルロース由来の糖であり、グルコースの六炭糖を含み、酵母などによって容易にアルコールに変換される。また前処理を行う場合には、ヘミセルロース由来の糖が得られることもあり、これはキシロース、アラビノースなどの五炭糖と、グルコース、ガラクトース、マンノースなどの六炭糖を含み、このうち六炭糖は酵母などによって容易にアルコールに変換することができ、五炭糖は、当技術分野で公知のアルコール生成方法に従ってアルコールに変換することができる。 In the fermentation process, fermentation is performed with a fermenting microorganism capable of producing an alcohol using a monosaccharide obtained by the above-described pretreatment and / or enzymatic hydrolysis process as a raw material to produce alcohol. The sugar obtained by the enzymatic hydrolysis process or the pretreatment hydrolysis process is a sugar derived from cellulose, contains hexose sugar of glucose, and is easily converted into alcohol by yeast or the like. In addition, in the case of pretreatment, hemicellulose-derived sugars may be obtained, which include pentoses such as xylose and arabinose and hexoses such as glucose, galactose and mannose, of which hexoses Can be easily converted to alcohol by yeast or the like, and pentose can be converted to alcohol according to an alcohol production method known in the art.
六炭糖のアルコール発酵は、当技術分野で公知のアルコール製造方法に従って、発酵微生物を用いて行うことができる。そのような発酵微生物は、糖からアルコールを生成する能力を有するものであれば特に限定されるものではなく、例えば天然にそのような能力を有する酵母及び細菌、並びに遺伝子組換えによりアルコール生成に必要な遺伝子を有する細菌が挙げられる。エタノールを生成する具体的な微生物としては、酵母、例えばサッカロミセス属（Saccharomyces cerevisiaeなど）、シゾサッカロミセス属（Shizosaccharomyces pombeなど）、ピヒア属（Pichia stipitusなど）、カンジダ属（Candida albicansなど）、ハンセヌラ属（Hansenula polymorphaなど）に属する酵母、並びに細菌、例えばザイモモナス属（Zymomonas mobilisなど）に属する細菌が含まれる。またブタノールを生成する微生物としては、エンテロバクター属（Enterobacter aerogenesなど)、クロストリジム属（Clostridium butyricumなど）に属する細菌が含まれる。このような発酵微生物は当技術分野で公知であり、例えば特許文献１、特許第4385186号及び特開2009-213440号公報に記載されている。
The alcohol fermentation of hexose can be performed using fermented microorganisms according to alcohol production methods known in the art. Such fermenting microorganisms are not particularly limited as long as they have the ability to produce alcohol from sugar. For example, yeasts and bacteria that have such ability naturally, and are necessary for alcohol production by genetic recombination. And bacteria having various genes. Specific microorganisms that produce ethanol include yeasts such as Saccharomyces cerevisiae, Shizosaccharomyces pombe, Pichia stipitus, Candida albicans, and Hansenula. Yeast belonging to (such as Hansenula polymorpha) and bacteria, such as bacteria belonging to the genus Zymomonas mobilis, are included. The microorganisms that produce butanol include bacteria belonging to the genus Enterobacter aerogenes (such as Enterobacter aerogenes) and the genus Clostridium butyricum (such as Clostridium butyricum). Such fermenting microorganisms are known in the art, and are described in, for example,
また五炭糖のアルコール発酵は、例えば五炭糖及び六炭糖の両方を資化するが、アルコールを生成しない大腸菌に、アルコールを生成する微生物由来の遺伝子を導入した遺伝子組換え大腸菌や、エタノール発酵性のザイモモナス属（Zymomonas）細菌に五炭糖の代謝遺伝子を導入した遺伝子組換え細菌などを用いて行うことができる（例えば、特表平5-502366号公報及び特表平6-504436号公報）。あるいは、五炭糖及び六炭糖をアルコール発酵させてアルコール及び二酸化炭素を回収する方法を利用してもよい（特開2006-111593号公報）。 In addition, alcohol fermentation of pentose is, for example, genetically modified Escherichia coli in which both pentose and hexose are assimilated but a microorganism-derived gene that produces alcohol is introduced into E. coli that does not produce alcohol or ethanol. It can be performed using a genetically modified bacterium in which a pentose metabolic gene is introduced into a fermentable Zymomonas bacterium (for example, JP 5-502366 and JP 6-504436). Publication). Alternatively, a method of recovering alcohol and carbon dioxide by subjecting pentose sugar and hexose sugar to alcohol fermentation (JP-A-2006-111593) may be used.
発酵微生物による発酵は、発酵微生物の培養に通常用いられる培地を使用して、適当な条件下で培養することによって行うことができる。使用する培地は、炭素源、窒素源、無機塩類等を含有し、発酵微生物の培養を効率的に行うことができる培地であれば、天然培地、合成培地のいずれを用いてもよく、当業者であれば使用する発酵微生物に適切な公知の培地を適宜選ぶことができる。炭素源としてはラクトース、グルコース、スクロース、フラクトース、ガラクトース、廃糖蜜などを使用することができ、窒素源としてはカゼインの加水分解物、ホエータンパク質加水分解物、大豆タンパク質加水分解物等の有機窒素含有物を使用することができる。また無機塩類としては、リン酸塩、ナトリウム、カリウム、マグネシウムなどを用いることができる。例えば発酵微生物として酵母を選択した場合、その培養に適した培地としては、例えばH培地（1％グルコース、0.2％酵母エキス、0.5％ペプトン、0.03％K2HPO4、0.03％KH2PO4、0.01％MgCl2を含む酵母用培地）、SD培地（2％グルコース、1％ペプトンを含む酵母用培地）、YPD培地（2％グルコース、1％酵母エキス、2％ペプトンを含む酵母用培地）、廃糖蜜が挙げられる。 Fermentation with fermenting microorganisms can be performed by culturing under suitable conditions using a medium usually used for culturing fermenting microorganisms. As long as the culture medium to be used contains a carbon source, a nitrogen source, inorganic salts, and the like and can culture fermentation microorganisms efficiently, either a natural medium or a synthetic medium may be used. If so, a known medium suitable for the fermenting microorganism to be used can be appropriately selected. Lactose, glucose, sucrose, fructose, galactose, molasses etc. can be used as carbon source, and organic nitrogen containing casein hydrolyzate, whey protein hydrolyzate, soy protein hydrolyzate etc. as nitrogen source Things can be used. As inorganic salts, phosphates, sodium, potassium, magnesium and the like can be used. For example, when yeast is selected as the fermenting microorganism, suitable culture media include H medium (1% glucose, 0.2% yeast extract, 0.5% peptone, 0.03% K 2 HPO 4 , 0.03% KH 2 PO 4 , Yeast medium containing 0.01% MgCl 2 ), SD medium (yeast medium containing 2% glucose, 1% peptone), YPD medium (yeast medium containing 2% glucose, 1% yeast extract, 2% peptone), Examples include molasses.
アルコール発酵の条件は、当業者であれば、原料となるバイオマス及び糖の種類、使用する発酵微生物の種類などに応じて、また上記の酵素加水分解プロセスの条件も鑑みて、適宜設定することができる。例えば、アルコール発酵プロセスは、20〜90℃、好ましくは30〜70℃の温度において、pH 3〜6程度で、好ましくは嫌気条件下にて行う。事前試験を行って、各プロセスで使用する酵素、微生物などの活性を損なうことなく、各プロセスの反応を十分に行うことができる条件を確認することが好ましい。 Those skilled in the art can appropriately set the conditions for alcoholic fermentation according to the types of biomass and sugar as raw materials, the types of fermentation microorganisms to be used, and the conditions of the enzyme hydrolysis process described above. it can. For example, the alcohol fermentation process is performed at a temperature of 20 to 90 ° C., preferably 30 to 70 ° C., at a pH of about 3 to 6, and preferably under anaerobic conditions. It is preferable to conduct a preliminary test to confirm conditions under which each process can be sufficiently performed without impairing the activity of enzymes, microorganisms, and the like used in each process.
本発明の方法では、上述した酵素加水分解プロセスと発酵プロセスとを同じ反応槽内で同時に実施する。ここで「同時」とは、2つのプロセスの開始及び終了が厳密に同じことを意味してもよいし、また2つのプロセスの反応時間が重複していれば、その開始及び終了は異なっていてもよいことを意味する。反応槽には、原料となるバイオマス（無処理又は前処理を行ったもの）、セルラーゼ及び発酵微生物を投入する。反応槽にはさらに水、発酵微生物のための培地などを投入するが、これらの量は、使用するセルラーゼ及び発酵微生物の量、並びに最終的なバイオマスの量に応じて適宜設定する。 In the method of the present invention, the enzyme hydrolysis process and the fermentation process described above are simultaneously performed in the same reaction vessel. Here, “simultaneously” may mean that the start and end of the two processes are exactly the same, and if the reaction times of the two processes overlap, the start and end are different. Means good. The reaction vessel is charged with raw material biomass (no treatment or pretreatment), cellulase and fermentation microorganisms. The reaction tank is further charged with water, a medium for fermentation microorganisms, and the like, and these amounts are appropriately set according to the amounts of cellulase and fermentation microorganisms used and the final amount of biomass.
バイオマスの初期投入量は、バイオマスの全量が反応槽中の液体分（水、培地などを含む）に浸漬するような量であることが好ましい。より好ましくは、実施例１に示すように、同時糖化発酵プロセスに使用する反応槽において、事前にバイオマスを用いて撹拌混合試験を行い、良好な混合（すなわち強度の撹拌力がなくても混合できること）を達成することができるバイオマスの固形分濃度を確認する。具体的にはバイオマスの乾燥固形分濃度が、反応槽内の液体重量（水分量）に基づき5〜20重量％、好ましくは8〜12重量％となるように、反応槽に投入するバイオマスの量を決定する。ここで、上記液体重量は、反応槽内に投入したバイオマス中の成分と投入した液体量の和より求められる。 The initial amount of biomass is preferably such that the total amount of biomass is immersed in the liquid (including water, medium, etc.) in the reaction vessel. More preferably, as shown in Example 1, in a reaction vessel used in the simultaneous saccharification and fermentation process, a stirring and mixing test is performed in advance using biomass, and good mixing (that is, mixing without strong stirring force) is possible. ) To confirm the biomass solids concentration that can be achieved. Specifically, the amount of biomass charged into the reaction tank so that the dry solid content concentration of the biomass is 5 to 20% by weight, preferably 8 to 12% by weight, based on the liquid weight (water content) in the reaction tank. To decide. Here, the liquid weight is determined from the sum of the components in the biomass charged into the reaction tank and the amount of liquid charged.
本発明の方法では、プロセスの進行に伴ってバイオマスが減少するため、その減少を補完するようにバイオマスを追加投入する。ここで、「追加投入」とは、同時糖化発酵プロセスの開始時に反応槽に投入されているバイオマスに、さらに追加的にバイオマスを投入することを意味する。ここで、追加投入するバイオマスは、反応槽に最初に投入するバイオマスと同じ種類のバイオマスであってもよいし、あるいは異なる種類のバイオマスであってもよい。 In the method of the present invention, biomass decreases as the process proceeds, and therefore additional biomass is added to compensate for the decrease. Here, “additional input” means that additional biomass is input to the biomass input to the reaction tank at the start of the simultaneous saccharification and fermentation process. Here, the biomass to be additionally input may be the same type of biomass as the biomass initially input to the reaction tank, or may be a different type of biomass.
追加投入するバイオマスの量、回数及び時期は、当業者であればアルコール製造を最適に行うことができるように適宜設定することができる。例えば、最終的なバイオマスの量を適当に分割して（例えば３等分して）、初期投入量と追加投入量としてもよい。好ましくは、図１に示すように、設定する温度及びpHにてセルラーゼによるバイオマスの酵素加水分解試験（糖化試験）を実施し、セルラーゼ活性に応じたバイオマスの分解速度を事前に把握し、この分解速度に応じて、反応槽に追加投入するバイオマス量、回数及び時期を決定する。この作業により、反応槽に存在するバイオマスの固形分濃度を適切に設定することができ、結果的に最終的な発酵液中のアルコールを高濃度化し、強度の撹拌を不要にすることができる。具体的には、例えば実施例２に示すように、設定する温度及びpHにてセルラーゼによるバイオマスの酵素加水分解試験（糖化試験）を実施し、所定時間後のバイオマスの減少（分解率）から、その減少を補完できるバイオマスの量を設定する。好ましくは、反応槽におけるバイオマスの乾燥固形分濃度が、反応槽内の全水分量に基づき5〜20重量％、好ましくは8〜12重量％となるように、追加投入するバイオマスの量を設定する。 A person skilled in the art can appropriately set the amount of biomass to be added additionally, the number of times, and the timing so that alcohol can be optimally produced. For example, the final biomass amount may be appropriately divided (for example, divided into three equal parts) to obtain the initial input amount and the additional input amount. Preferably, as shown in FIG. 1, an enzymatic hydrolysis test (saccharification test) of biomass with cellulase is performed at a set temperature and pH, and the decomposition rate of biomass according to cellulase activity is grasped in advance, and this decomposition is performed. Depending on the speed, the amount of biomass, the number of times and the timing to be added to the reaction vessel are determined. By this operation, the solid content concentration of the biomass present in the reaction tank can be set appropriately, and as a result, the alcohol in the final fermentation broth can be highly concentrated, and strong stirring can be eliminated. Specifically, as shown in Example 2, for example, an enzyme hydrolysis test (saccharification test) of biomass with cellulase is performed at a set temperature and pH, and from a decrease (decomposition rate) of biomass after a predetermined time, Set the amount of biomass that can compensate for the decrease. Preferably, the amount of biomass to be additionally charged is set so that the dry solid content concentration of biomass in the reaction tank is 5 to 20% by weight, preferably 8 to 12% by weight, based on the total water content in the reaction tank. .
複数回の追加投入を行う場合には、各回に追加投入するバイオマスの量は同じであってもよいし又は異なっていてもよい。プロセスの進行と共にバイオマスの分解速度は低減することが予測されるため、各回に追加投入するバイオマスの量は低減していくことが好ましい。 In the case where a plurality of additional inputs are performed, the amount of biomass additionally input each time may be the same or different. Since the degradation rate of biomass is expected to decrease with the progress of the process, it is preferable to reduce the amount of biomass additionally input at each time.
バイオマスの追加投入は、間欠的に、逐次に又は連続的に行うことができる。「間欠的」とは、一定の時間をおいて繰り返すことを意味し、「逐次」とは、順次と同意であり、順を追って次々に行うことを意味し、「連続的」とは、途切れなく続くことを意味する。従って、バイオマスの追加投入は、1回以上の回数で間欠的に又は逐次に行ったり、あるいはバイオマスの所定の量を連続的に追加投入することが可能である。例えば、反応時間によって異なるが、1日に1又は2回、間欠的に追加投入を行うことが好ましい。 The additional charging of biomass can be performed intermittently, sequentially or continuously. “Intermittent” means repeating after a certain period of time, “sequential” means agreeing with each other one after another, “continuous” means step by step, and “continuous” means discontinuous Means to continue without. Therefore, the additional supply of biomass can be performed intermittently or sequentially at one or more times, or a predetermined amount of biomass can be additionally input continuously. For example, although it depends on the reaction time, it is preferable to perform additional charging intermittently once or twice a day.
反応時間は、アルコール発酵が十分に行われる時間で適宜設定することができる。例えば、反応は、12時間以上、1日以上、3日以上、5日以上行うことができ、好ましくは1〜5日間行う。 The reaction time can be appropriately set as a time during which alcohol fermentation is sufficiently performed. For example, the reaction can be carried out for 12 hours or more, 1 day or more, 3 days or more, 5 days or more, preferably 1 to 5 days.
反応条件は、上述した酵素加水分解プロセスと発酵プロセスの条件に基づいて、各プロセスで使用する酵素、微生物などの活性を損なうことなく、各プロセスの反応を十分に行うことができる条件（温度、pH、嫌気条件など）とする。そのような条件は、当業者であれば、例えば事前試験などを行って適宜設定することが可能である。本発明の方法では、反応槽の撹拌は行ってもよいし又は行わなくともよい。上述したように、反応槽におけるバイオマスの固形分濃度を低く抑えることができるため、反応槽において撹拌を行わなくても良好な反応を行うことができ、また撹拌を行う場合でも、その撹拌動力を省力化することができる。本発明の方法では、セルラーゼによる酵素加水分解プロセスが早く進行することから、撹拌を行わないことが好ましい。 The reaction conditions are based on the conditions of the enzyme hydrolysis process and the fermentation process described above, so that the reaction of each process can be sufficiently performed without impairing the activity of enzymes, microorganisms, etc. used in each process (temperature, pH, anaerobic conditions, etc.). Such a condition can be appropriately set by those skilled in the art, for example, by conducting a preliminary test. In the method of the present invention, the reaction vessel may or may not be stirred. As described above, since the solid content concentration of biomass in the reaction tank can be kept low, it is possible to perform a good reaction without stirring in the reaction tank. It can save labor. In the method of the present invention, it is preferable not to perform stirring because the enzymatic hydrolysis process by cellulase proceeds quickly.
以上の同時糖化発酵のプロセスによってアルコールが生成する。本発明の方法では、高濃度のアルコールを製造することができ、例えば実施例３の実験では3日間の同時糖化発酵によって約2.7％のエタノールが得られている。生成したアルコールは、当技術分野で公知の蒸留、膜分離処理などによって分離・精製してもよい。 Alcohol is produced by the above saccharification and fermentation process. In the method of the present invention, a high concentration of alcohol can be produced. For example, in the experiment of Example 3, about 2.7% ethanol is obtained by simultaneous saccharification and fermentation for 3 days. The produced alcohol may be separated and purified by distillation, membrane separation treatment or the like known in the art.
上述の通り、本発明に係るアルコール製造方法では、以下の効果が達成される：
（1）発酵終了時のアルコール濃度を高めることができ、高濃度のアルコールが得られる。同時糖化発酵法を含む従来のバイオアルコール製造方法では、発酵後の液体を蒸留により濃縮するが、本発明により高濃度のアルコールが得られるため、蒸留に必要な労力、時間及びエネルギーを削減することができる。
（2）反応槽におけるバイオマスの固形分濃度が低いため、反応を無撹拌で行うことができる（撹拌を行うとしてもその動力を抑制することができる）。従来の同時糖化発酵法では撹拌が必要とされていたため、本発明により撹拌に必要なエネルギーを抑制することができる。
As described above, the alcohol production method according to the present invention achieves the following effects:
(1) The alcohol concentration at the end of fermentation can be increased, and a high concentration of alcohol can be obtained. In the conventional bioalcohol production method including the simultaneous saccharification and fermentation method, the liquid after fermentation is concentrated by distillation, but the present invention can obtain a high concentration of alcohol, so that the labor, time and energy required for distillation are reduced. Can do.
(2) Since the solid content concentration of biomass in the reaction tank is low, the reaction can be performed without stirring (the power can be suppressed even if stirring is performed). Since the conventional simultaneous saccharification and fermentation method requires stirring, the energy required for stirring can be suppressed by the present invention.
以下、実施例を用いて本発明をより詳細に説明するが、本発明の技術的範囲はこれら実施例に限定されるものではない。
〔実施例１〕
1cm長に裁断した稲わらを一昼夜3％苛性ソーダ水溶液に浸した。その後、固液分離機でアルカリ処理した稲わらを回収するとともに、水道水に懸濁させpH7.0まで硫酸にて中和した。再度固液分離機で回収した稲わらを実験に用いた（含水率68.98％）。
EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated in detail using an Example, the technical scope of this invention is not limited to these Examples.
[Example 1]
Rice straw cut to 1 cm length was soaked in a 3% aqueous solution of caustic soda overnight. Thereafter, the rice straw that had been alkali-treated with a solid-liquid separator was recovered, suspended in tap water, and neutralized with sulfuric acid to pH 7.0. The rice straw recovered by the solid-liquid separator was used again for the experiment (water content 68.98%).
半径280mmのパドル翼から成る撹拌機を設置した直径1000mm、高さ1053mmのアクリル製反応槽を用いた。これに水道水を27.15kg仕込んだ後、撹拌機を起動し、混合状況を見ながら稲わらを投入し、投入量及び回転数を調整しながらスラリーの混合状態を観察した。なお、固形分濃度（％）は、乾燥重量／（バイオマス水分量＋投入液体量）×100により算出した。 An acrylic reactor having a diameter of 1000 mm and a height of 1053 mm equipped with a stirrer composed of paddle blades with a radius of 280 mm was used. After adding 27.15 kg of tap water to this, the stirrer was started, rice straw was added while observing the mixing condition, and the mixed state of the slurry was observed while adjusting the input amount and the rotational speed. The solid content concentration (%) was calculated by dry weight / (biomass water content + input liquid amount) × 100.
その結果、表１に示すとおり、パドル翼１段にて稲わらの混合を行った場合、回転数を上げても良好な混合を行うことができる稲わらの固形分濃度は8.26wt％付近が限界であった。 As a result, as shown in Table 1, when mixing rice straw with one stage of paddle blade, the solid content concentration of rice straw that can be mixed well even if the rotation speed is increased is around 8.26 wt%. It was the limit.
〔実施例２〕
1cm長に裁断した稲わらを一昼夜3％苛性ソーダ水溶液に浸した。その後、固液分離機でアルカリ処理した稲わらを回収するとともに、水道水に懸濁させpH4.8まで硫酸にて中和した。再度固液分離機で回収した稲わらを実験に用いた（含水率71.67％）。
[Example 2]
Rice straw cut to 1 cm length was soaked in a 3% aqueous solution of caustic soda overnight. Thereafter, the rice straw that had been alkali-treated with a solid-liquid separator was recovered, suspended in tap water, and neutralized with sulfuric acid to pH 4.8. The rice straw recovered by the solid-liquid separator was used again for the experiment (water content 71.67%).
回転子を入れた500mLガラス瓶3本に上記の稲わらと蒸留水を混合して入れ、固形分濃度を5wt％に調整した。各ガラス瓶に市販のセルラーゼ（ジェネンコア社製GC220）を稲わら乾燥重量当たり5、10、又は15 FPU/g添加し、37℃でスターラー上で撹拌した。定期的に各ガラス瓶からスラリーを回収し、残存する固形分濃度を求めた。これにより算定した各セルラーゼ活性における固形分の減少率を表２に示す。 The above rice straw and distilled water were mixed in three 500 mL glass bottles containing a rotor, and the solid content concentration was adjusted to 5 wt%. To each glass bottle, commercially available cellulase (GC220 manufactured by Genencor) was added at 5, 10 or 15 FPU / g per dry weight of rice straw and stirred on a stirrer at 37 ° C. The slurry was periodically collected from each glass bottle and the remaining solid concentration was determined. Table 2 shows the reduction rate of the solid content in each cellulase activity calculated in this way.
〔実施例３〕
次に、1m3発酵タンクを想定した稲わらの間欠的添加による同時糖化発酵の運転条件を以下のとおり設定した：
・稲わら処理総量：乾燥重量47kg
・セルラーゼ添加量：稲わら乾燥重量当たり15FPU/g
・初期稲わら量：乾燥重量23.5kg
・初期固形分濃度：8.2wt％（稲わらが水没する濃度）
・稲わらの添加回数：1回／日×2日（1回目：14.1kg、2回目：9.4kg）。
Example 3
Next, the operating conditions of the simultaneous saccharification and fermentation by intermittent addition of rice straw that assumes 1 m 3 fermentation tank was set as follows:
・ Total amount of rice straw treatment: Dry weight 47kg
・ Cellulase addition amount: 15 FPU / g per dry weight of rice straw
-Initial amount of rice straw: Dry weight 23.5kg
・ Initial solid content concentration: 8.2wt% (concentration at which rice straw is submerged)
・ Number of rice straw additions: 1 time /
これらの条件から、稲わらの添加量及びその際に想定されるスラリー中の固形分濃度を表３に示す。表３中の未分解量は、稲わらの添加量と、表２に示したセルラーゼ添加量15FPU/gで得られた経日的な固形分減少率との関係から算定した。なお、固形分濃度は、稲わらの含水率を67％とし、その他、同時糖化発酵槽に混合する酵母用の濃縮培地、酵母前培養液及び水道水の容積を考慮して算定した。
From these conditions, the amount of rice straw added and the solid content concentration in the slurry assumed at that time are shown in Table 3. The undecomposed amount in Table 3 was calculated from the relationship between the amount of rice straw added and the daily solid content reduction rate obtained with the cellulase added
表３の設定条件に基づいて同時糖化発酵を実施した。
1cm長に裁断した稲わらを一昼夜3％苛性ソーダ水溶液に浸した。その後、固液分離機でアルカリ処理した稲わらを回収するとともに、水道水に懸濁させpH4.8まで硫酸にて中和した。再度固液分離機で回収した稲わらを実験に用いた（湿稲わら総重量：142.42kg、実含水率67.12％）。
Simultaneous saccharification and fermentation was performed based on the setting conditions in Table 3.
Rice straw cut to 1 cm length was soaked in a 3% aqueous solution of caustic soda overnight. Thereafter, the rice straw that had been alkali-treated with a solid-liquid separator was recovered, suspended in tap water, and neutralized with sulfuric acid to pH 4.8. The rice straw recovered with the solid-liquid separator was used again for the experiment (wet rice straw total weight: 142.42 kg, actual water content 67.12%).
1m3のSUS製酵タンクに酵母用の濃縮培地（3g/l 酵母エキス、3g/l モルトエキス、5g/lペプトン、10g/lグルコース）60L、事前に酵母（Saccharomyces cerevisiae）を液体培養し製造した酵母液100L、水道水50Lを入れ、さらに上記の稲わら71.21kg（乾燥重量23.5kg）を混合し十分水没させた。また、稲わら総乾燥重量（47kg相当）に必要なセルラーゼ（15 FPU/g）を添加し、温度37℃にて無撹拌の状態で同時糖化発酵を開始した。その後、1日経過後に稲わら42.73kg（乾燥重量14.1kg）、2日経過後に稲わら28.48kg（乾燥重量9.4kg）を混合し、計3日間の同時糖化発酵を実施した。 Produced by liquid culture of yeast (Saccharomyces cerevisiae) in a 1m 3 SUS fermentation tank with 60L of yeast concentration medium (3g / l yeast extract, 3g / l malt extract, 5g / l peptone, 10g / l glucose) in advance The yeast solution (100 L) and tap water (50 L) were added, and the above-mentioned rice straw (71.21 kg, dry weight 23.5 kg) was further mixed and submerged sufficiently. In addition, cellulase (15 FPU / g) required for the total dry weight of rice straw (equivalent to 47 kg) was added, and simultaneous saccharification and fermentation was started at 37 ° C. without stirring. Thereafter, 42.73 kg of rice straw (dry weight 14.1 kg) after 1 day, and 28.48 kg (dry weight 9.4 kg) of rice straw after 2 days were mixed, and simultaneous saccharification and fermentation was carried out for a total of 3 days.
図２に同時糖化発酵におけるスラリーの容積及び固形分濃度の経日変化を示す。同時糖化発酵開始前の容積は286Lであり、経日的な稲わらの添加により360Lまで増加した。一方、固形分濃度は初期に8.2wt％であったが、糖化発酵日数に伴い減少し、3日目には4wt％程度まで低下した。これらの結果は表３に示した想定値に近似する。 FIG. 2 shows changes over time in slurry volume and solid content concentration in simultaneous saccharification and fermentation. The volume before the start of simultaneous saccharification and fermentation was 286L, which increased to 360L with the daily addition of rice straw. On the other hand, although the solid content concentration was 8.2 wt% in the initial stage, it decreased with the number of saccharification and fermentation days, and decreased to about 4 wt% on the third day. These results approximate the assumed values shown in Table 3.
本実験で発酵タンクに添加した稲わらの固形分総量は47kgである。この値と図２に示した３日後のスラリー容積から固形分濃度を算定すると固形分濃度は13.1wt％となる。初期段階から稲わらを全量仕込む従来の同時糖化発酵では、この濃度での撹拌は困難である。また、この濃度では稲わらがセルラーゼや酵母を含む溶液中に水没できないため、糖化及び発酵そのものが十分進まない濃度範囲である。 The total solid content of rice straw added to the fermentation tank in this experiment is 47 kg. When the solid content concentration is calculated from this value and the slurry volume after 3 days shown in FIG. 2, the solid content concentration is 13.1 wt%. In conventional simultaneous saccharification and fermentation in which the whole amount of rice straw is charged from the initial stage, stirring at this concentration is difficult. Further, at this concentration, since rice straw cannot be submerged in a solution containing cellulase or yeast, the concentration range is such that saccharification and fermentation itself do not proceed sufficiently.
図３には、同時糖化発酵におけるエタノール濃度の変化を示す。時間とともにスラリー中のエタノール濃度は上昇し、3日後には27g/Lの濃度となった。また、3日後のエタノール製造量は9.65kgであり、これは同時糖化発酵に添加した稲わら総重量の20.5wt％に相当する。 In FIG. 3, the change of the ethanol concentration in simultaneous saccharification fermentation is shown. The ethanol concentration in the slurry increased with time, and the concentration reached 27 g / L after 3 days. In addition, the amount of ethanol produced after 3 days was 9.65 kg, which corresponds to 20.5 wt% of the total weight of rice straw added to simultaneous saccharification and fermentation.
本発明により、効率的かつ低コストのアルコールの製造方法が提供される。本発明の方法は、製造されるアルコールの濃度を高めることができ、また反応槽での強力な撹拌を行うことが不要であるため、省エネルギーでアルコールの同時糖化発酵反応を行うことができる。さらに本発明の方法により、セルロース系バイオマスから効率的にエネルギーに変換することができ、資源の再利用に有効である。 The present invention provides an efficient and low-cost method for producing alcohol. The method of the present invention can increase the concentration of the alcohol to be produced and does not require strong stirring in the reaction tank, so that the simultaneous saccharification and fermentation reaction of alcohol can be performed with energy saving. Furthermore, the method of the present invention enables efficient conversion from cellulosic biomass to energy, which is effective for resource reuse.
Claims (2)
同時糖化発酵プロセスに使用する反応槽において、裁断しアルカリ処理した稲わらを用いて撹拌混合試験を行い、良好な混合を達成することができる稲わらの固形分濃度を確認して稲わらの初期投入量を決定し、
同時糖化発酵を行う温度及びpHにてセルラーゼによる裁断しアルカリ処理した稲わらの糖化試験を実施し、所定時間後の稲わらの分解率から分解速度を把握し、この分解速度に応じて、反応槽に追加投入する稲わらの量及び時期を決定し、
前記分解速度に基づいて決定した量及び時期で、かつ、各回に追加投入する稲わらの量が低減するように、裁断しアルカリ処理した稲わらを反応槽に追加投入することによって、消費される稲わらの減少を補完しながら酵素加水分解プロセス及び発酵プロセスを行うことを特徴とするアルコールの製造方法。 In the method of producing alcohol by simultaneous saccharification and fermentation of the cut and alkali-treated rice straw,
In the reaction tank used for the simultaneous saccharification and fermentation process, a stirring and mixing test was conducted using the cut and alkali-treated rice straw to confirm the solids concentration of rice straw that can achieve good mixing, and the initial stage of rice straw Decide the input amount ,
A saccharification test was conducted on cellulase-cut and straw-treated rice straw at the same temperature and pH for simultaneous saccharification and fermentation, and the decomposition rate was determined from the decomposition rate of rice straw after a predetermined time. Decide the amount and timing of additional rice straw to be added to the tank,
It is consumed by additionally charging rice straw that has been cut and alkali-treated at the amount and time determined based on the decomposition rate and reduced so that the amount of additional rice straw added each time is reduced. An alcohol production method comprising performing an enzymatic hydrolysis process and a fermentation process while complementing a reduction in rice straw.
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