JP5761682B2 - 酵素糖化用原料の製造方法、糖の製造方法及びエタノールの製造方法 - Google Patents
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Description
水分の質量/(バイオマスの乾燥質量+水分の質量)≦0.30 (1)
を満たし、前記処理における前記アンモニアの温度及び圧力が、横軸を温度軸、縦軸を密度軸とし、圧力を等圧線により描くアンモニアの相図において、飽和蒸気圧線と、飽和蒸気圧線を縦軸方向に−1.5kmol/m3平行移動した曲線と、横軸と温度60℃、密度0kmol/m3の位置にて直交する直線と、圧力1.7MPaAの等圧線と、によって形成される閉じた領域内に位置することを特徴とする。なお、前記領域を、以下、「特定領域」ということもある。
水分の質量/(バイオマスの乾燥質量+水分の質量)≦0.15 (2)
を満たすことが更に好ましい。バイオマスとアンモニアが接触する系内に存在する水分量が式(2)を満たすことにより、バイオマスを構成するセルロース結晶I型の実質的に全てをセルロース結晶III型に転移させることができ、得られる酵素糖化用原料の酵素糖化効率を更に向上させることが可能となる。
本発明の第1実施形態に係る糖の製造に用いられる酵素糖化用原料の製造方法は、リグノセルロースを含む植物バイオマスをアンモニアで処理する酵素糖化用原料の製造方法であって、前記処理を行う系内に存在する水分量が下記式(1):
水分の質量/(バイオマスの乾燥質量+水分の質量)≦0.30 (1)
を満たし、前記処理における前記アンモニアの温度及び圧力が、横軸を温度軸、縦軸を密度軸とし、圧力を等圧線により描くアンモニアの相図において、飽和蒸気圧線と、飽和蒸気圧線を縦軸方向に−1.5kmol/m3平行移動した曲線と、横軸と温度60℃、密度0kmol/m3の位置にて直交する直線と、圧力1.7MPaAの等圧線と、によって形成される閉じた領域内に位置するものである。なお、本実施形態に係る酵素糖化用原料の製造方法は、必要に応じて上記のアンモニア処理工程以外の工程を備えてもよい。
以下、本実施形態に係る酵素糖化用原料の製造方法について詳述する。
前記バイオマスは、収集されたものをそのまま使用してもよいが、バイオマスの粒子化工程において、粒子状に裁断又は粉砕してから使用することが好ましい。裁断又は粉砕により得られるバイオマス粒子の大きさとしては特に制限はなく、粒子としての取り扱いやすさや、後の酵素糖化における効率などに応じて適宜選択することができるが、例えば、裁断又は粉砕に際して通過するメッシュの目開きとして5mm以下が好ましく、3mm以下がより好ましい。前記メッシュの目開きの大きさが5mmを超えると、前記アンモニアによる処理の効果、あるいは後の酵素糖化における効率が十分に向上しないことがある。一方、単位操作としての粉砕はエネルギー効率が低く、粉砕により微細なバイオマス粒子を得ようとすると大きなエネルギーを要し、コストが過大となることから、粉砕に供するエネルギー投入量は、例えば乾燥バイオマス1kg当たり1MJ以下が好ましい。
本実施形態において、前記バイオマスの水分含有量は特に制限されないが、後述する、前記バイオマスのアンモニア処理を行う系内に存在する水分量を好ましい範囲とするために、バイオマスの乾燥工程において、バイオマスの乾燥を行なうことが好ましい。
次に、図1に示すアンモニアの相図を参酌して、アンモニア処理について説明する。図1に示したアンモニアの相図は、横軸をアンモニアの温度(℃)、縦軸をアンモニアの密度(kmol/m3、横軸との交点におけるアンモニアの密度を0kmol/m3)としたものである。ここで、アンモニアの密度とは、アンモニアを収容する容器内に存在する全てのアンモニアのモル数(kmol)を当該容器の容量(m3)で除した値であり、アンモニアは気相、液相、気液混相のいずれにあるものも含まれる。よって、アンモニアが気液混相にある場合は、密度は気相と液相の平均値となる。また、当該相図においては、圧力を等圧線により表す。この相図において、飽和蒸気圧線よりも低温/高圧(高密度)側においてはアンモニアが気液混相又は液相にあり(図1記載の範囲においては気液混相)、飽和蒸気圧線よりも高温/低圧(低密度)側においては、アンモニアが気相にあることを意味する。また、等圧線は、それぞれ一定の圧力におけるアンモニアの温度と密度を表す点を結んだものである。この相図は、例えば、小松安雄,新しいモリエル線図,日本機械学会論文集,26,1622(1960)から計算などによって得ることができ、一義的に決定することができる。
なお、アンモニアの温度及び圧力が前記相図上の特定領域内に位置するためには、アンモニアの圧力は1.7MPaA〜11.3MPaA(アンモニアの臨界圧力)の範囲となる。
また、前記液相のアンモニアの質量/乾燥バイオマスの質量の比が約0.4以上において実質的に全てのセルロースI型結晶がセルロースIII型結晶に転移するとの知見も、処理後に回収されたアンモニア量と相図上の気相のアンモニアの密度から計算されるアンモニア量との差から液相にあるアンモニア量を推定し、これから求められる液相のアンモニアの質量/乾燥バイオマスの質量の比と、処理後のバイオマスを分析して得られるセルロースI型結晶の残存とセルロースIII型結晶の生成に関する情報とから得たものである。
水分の質量/(バイオマスの乾燥質量+水分の質量)≦0.15 (2)
を満たすことがより好ましい。
アンモニアによる処理が終了した前記バイオマス及びアンモニアは、アンモニアの分離・回収工程において、好ましくは前記処理を行うための容器の出口に設けられたバルブを開放することにより、前記バルブに接続された別な容器に移送される。その際に、アンモニアの圧力を好ましくは大気圧又はその近傍まで降下させ、アンモニアを気相に保ち、続いて気固分離によりアンモニアと処理済みの前記バイオマスとを分離する。
上記のようにしてアンモニアと分離された処理済みの前記バイオマス中には、アンモニアが残留している。そこで、残留アンモニア除去工程において、このバイオマスを例えば加温下に窒素ガス等の不活性ガス流と接触させる、あるいは減圧とすること等により、その中に残留するアンモニアを除去することが好ましい。このようにして、糖の製造に使用される酵素糖化用原料が得られる。
本発明の糖の製造方法は、前記本発明の酵素糖化用原料の製造方法により得られた酵素糖化用原料を酵素により糖化する酵素糖化工程を少なくとも含み、必要に応じて更にその他の工程を含む。
以下、本実施形態に係る糖の製造方法について詳述する。
本発明のエタノールの製造方法は、前記本発明の糖の製造方法により得られた糖を発酵する発酵工程(エタノール発酵工程)を少なくとも含み、必要に応じて更にその他の工程を含む。
以下、本実施形態に係るエタノールの製造方法について詳述する。
リグノセルロースを含む植物バイオマスを気液混相のアンモニアによって処理を行う場合の、前記バイオマスの量に対する液相のアンモニアの量の比率が前記バイオマス中のセルロース結晶形態の転移に与える影響を調べる目的で、以下のアンモニア処理実験を行った。
リグノセルロースを含むバイオマスとしてエリアンサスを用いた。
収穫したエリアンサスを4mmの目開きを有するスクリーンで粒度を制御しながらカッターミルを用いて粉砕した。レーザー回折法で測定した平均粒子径(d50)は975μmであった。
前記粉砕されたエリアンサスの含水率は、水分を含むエリアンサスの質量を基準として18.5質量%であった。
前記粉砕されたエリアンサスを40℃、5kPaAの減圧下に一昼夜乾燥し、含水率0.5質量%の乾燥エリアンサスを得た。
約5Lの内容積をもち、撹拌装置を備えたステンレス・スチール製オートクレーブに前記乾燥エリアンサス200gを充てんし、窒素ガスによる加圧・脱圧を繰り返して、オートクレーブ内の空気を除去して窒素雰囲気とした後減圧として脱気を行った。このオートクレーブをドライアイス/塩化カルシウム水溶液浴により−20℃に冷却し、ここへマス・フロー・メータを介して、表1記載のそれぞれの量のアンモニアガスを導入した。アンモニアの導入後、30分間撹拌下に−20℃でアンモニア処理を行った。その後、オートクレーブを室温まで昇温した後、脱圧してアンモニアを除去した。更に、窒素ガスを流通させることによりエリアンサス中に残留したアンモニアを除去し、各酵素糖化用原料を得た。
なお、処理中にオートクレーブ内に存在する液相のアンモニアの質量は、マス・フロー・メータにより測定したアンモニア仕込量と、アンモニアの相図において温度、圧力から示されるアンモニアの飽和蒸気の密度から推定される気相のアンモニア量との差から算出した。この液相のアンモニア質量を仕込んだ乾燥エリアンサスの質量(200g)で除した比を表1に示す。
前記各酵素糖化用原料及びアンモニア処理を行っていない乾燥エリアンサスの試料各100mgを20MPaの圧力にて加圧成型して試料を作成し、X線回折分析に供した。X線回折分析は、管球型X線発生装置 RINT2200(商品名、リガク社製)を用い、モノクロメーターで単色化したCuKα線(波長0.15418nm)を用い、ディフラクトメトリー法により、電圧38kV、電流50mA、操作範囲2θ=5〜30°、ステップ幅0.1°、積算時間20秒の条件にてステップスキャン法で行った。参考例1、2、5及びアンモニア処理を行っていない乾燥エリアンサスのX線回折パターンを図2に示す。
それぞれの試料に関するX線回折パターンに基づき、セルロースI型に帰属されるピーク(例えば2θ=約16.2°、約21.9°)及びセルロースIII型結晶に帰属されるピーク(例えばから、2θ=約11.7°、約20.8°)から、それぞれの結晶形態の有無を確認した。結果を表1に示す。
(バイオマス原料)
実施例1〜5においては、参考例1〜5と同様にして乾燥エリアンサスを得、以下の工程に供した。
また、実施例6においては、参考例1〜5と同様にして粉砕されたエリアンサスを得、次いで40℃、5kPaAの減圧下に2時間乾燥して、含水率9.5質量%のエリアンサスを得、以下の工程に供した。
また、実施例7では、参考例1〜5と同様にして粉砕されたエリアンサスを得、乾燥せずにそのまま以下の工程に供した。
前記参考例1〜5で用いたものと同一のオートクレーブに、前記それぞれのエリアンサス200g(乾燥エリアンサスとしての質量)を充てんし、窒素ガスによる加圧・脱圧を繰り返して、反応器内の空気を除去して窒素雰囲気とした。そしてこの反応器を所定の処理温度近くまで昇温した。また、前記エリアンサスを充填したオートクレーブと配管により接続され、バルブにより遮断された別途のステンレス・スチール製オートクレーブを加熱し、ここへアンモニアを充填して前記処理温度よりやや高い温度までアンモニアを昇温した。前記エリアンサスを充填したオートクレーブを脱気して窒素ガスを除去し、2つのオートクレーブを連結する配管に設置されたバルブを開くことにより、エリアンサスを充填したオートクレーブにアンモニアを表1に記載の所定の温度、圧力となるように充填した。その後2時間、撹拌下にアンモニア処理を行い、その後脱圧し、更に窒素ガスを流通させることにより、エリアンサス中に残留するアンモニアを除去し、各酵素糖化用原料を得た。
表2に、各実施例において使用したエリアンサスの含水率、アンモニア処理条件を記載した。表2中、「特定領域内」はアンモニアの温度及び圧力が、横軸を温度軸、縦軸を密度軸とし、圧力を等圧線により描くアンモニアの相図において、飽和蒸気圧線と、飽和蒸気圧線を縦軸方向に−1.5kmol/m3平行移動した曲線と、横軸と温度60℃、密度0kmol/m3の位置にて直交する直線と、圧力1.7MPaAの等圧線と、によって形成される閉じた領域内に位置することを意味する。
また、各実施例のアンモニア処理におけるアンモニアの温度及び圧力を、図3に示したアンモニアの相図中にプロットした。図3中の丸囲みの数字は実施例番号を意味する。
実施例1において、アンモニア処理の終了後の脱圧の際に、処理を行ったオートクレーブと別途の圧力容器とを配管にて連結し、該圧力容器をドライアイス温度に冷却することにより、脱圧によりオートクレーブから排出されたアンモニアをトラップした。その後該圧力容器を密封し、秤量することによりトラップされたアンモニアの量を計測した。そして相図上で当該温度、圧力条件から得られるアンモニアの蒸気密度から計算される、処理を行う系内に存在すると推定されるアンモニア量との比較を行った。その結果、処理後に回収されたアンモニア量は240gであり、当該温度、圧力条件(80℃、3.8MPaA)から相図上で求められるアンモニアの蒸気密度(1.8kmol/m3(31g/L))から推定される処理を行う系内に存在すると推定されるアンモニア量は160gであった。回収アンモニア量の240gと推定アンモニア量の160gの差、80gが処理を行う系内に液相で存在したアンモニア量と判断した。そして、前記液相のアンモニアの質量を仕込んだ乾燥エリアンサス質量で除した液相のアンモニアの質量/乾燥バイオマス質量の比は0.4と算出された。
実施例1並びに実施例1と同一の温度、圧力条件である実施例6、7以外の実施例については、図3から、大まかな液相のアンモニアの質量/乾燥バイオマス質量の比の推定を行った。
前記各実施例により得られた各酵素糖化用原料は、前記参考例と同一の操作にてX線回折分析に供した。該分析により得られたセルロース結晶形態を表2に示す。
前記各条件によるアンモニア処理により得られた各酵素糖化用原料を用い、以下の操作により、それぞれ酵素糖化反応を実施した。
内容積1.5mlのマイクロチューブに、精秤した各酵素糖化用原料の試料10mgを取り、試料濃度1%(wt/vol)、酵素としてCelluclast(登録商標) 1.5L及びNovozyme(登録商標) 188(共に商品名、Novozyme社製)を各酵素濃度0.01%(wt/vol)、計0.02%(wt/vol)の酵素濃度、pH4.5(酢酸緩衝液)となるように酵素糖化反応液を調製した。これを37℃の恒温室にて回転振とう機(15回転/分)を用い24時間転倒振とうして酵素糖化反応を行った。反応後遠心分離によって得られた上澄み液中のグルコース濃度をグルコースCIIテストワコー(商品名、和光純薬社製)を用いて測定し、グルコース収率を算出した。
なお、グルコース収率は次式で定義される。
グルコース収率(%)=[酵素糖化反応液中のグルコース量/(酵素糖化用原料の量×全グルコース化率/100)]×100
全グルコース化率(%):(バイオマス原料を別途化学的に完全に加水分解したときに得られるグルコースの量/バイオマス原料の量)×100(バイオマス原料基準の理論収率に相当)
得られたグルコース収率を表2に示す。
比較例1〜6においては、参考例1〜5と同様にして得られた乾燥エリアンサスを以下の工程に供した。
また、比較例7においては、参考例1〜5と同様にして得られた粉砕されたエリアンサスを、室温において飽和水蒸気を含む空気に接触させることにより吸湿させ、含水率32.0質量%の吸湿エリアンサスを得た。この吸湿エリアンサスを比較例7で用いた。
比較例1においてはアンモニア処理を行わなかった。
比較例2〜7においては、前記各エリアンサスを用い、表2に記載の条件とした以外は、前記実施例1と同様の操作にてアンモニア処理を行い、各酵素糖化用原料を得た。表2に、各比較例において使用したエリアンサスの含水率、アンモニア処理条件を記載した。表2中、「特定領域外」はアンモニアの温度及び圧力が、横軸を温度軸、縦軸を密度軸とし、圧力を等圧線により描くアンモニアの相図において、飽和蒸気圧線と、飽和蒸気圧線を縦軸方向に−1.5kmol/m3平行移動した曲線と、横軸と温度60℃、密度0kmol/m3の位置にて直交する直線と、圧力1.7MPaAの等圧線と、によって形成される閉じた領域内に位置しないことを意味する。
また、各実施例のアンモニア処理におけるアンモニアの温度及び圧力を、図3に示したアンモニアの相図中にプロットした。図3中の下線付きの数字は比較例番号を意味する。
前記各比較例により得られた各酵素糖化用原料は、前記参考例と同一の操作にてX線回折分析に供した。該分析により得られたセルロース結晶形態を表2に示す。
前記各条件によるアンモニア処理により得られた各酵素糖化用原料を用い、前記実施例と同様の操作により、それぞれ酵素糖化反応を実施した。得られたグルコース収率を表2に示す。なお、比較例1においては、アンモニア処理を行っていない乾燥エリアンサスを用いて酵素糖化反応を行った。各比較例におけるグルコース収率を求め、結果を表2に示す。
一方、従来気相域とされていた、本願発明に係る、相図上の特定領域にあるアンモニアを使用した処理を行った場合は、得られる酵素糖化用原料は、前記相図において気液混相域にあるアンモニアを用いた場合に比較して、同等あるいはやや低いセルロースの結晶形態の転移及び酵素糖化効率を与えるが、アンモニア処理を行う系内には、過剰の液相のアンモニアは殆ど存在せず、処理後のアンモニアの気化に要するエネルギーを低減することができることが推定された。
Claims (6)
- リグノセルロースを含む植物バイオマスをアンモニアで処理する酵素糖化用原料の製造方法であって、
前記処理を行う系内に存在する水分量が下記式(1):
水分の質量/(バイオマスの乾燥質量+水分の質量)≦0.30 (1)
を満たし、
前記処理における前記アンモニアの温度及び圧力が、横軸を温度軸、縦軸を密度軸とし、圧力を等圧線により描くアンモニアの相図において、飽和蒸気圧線と、飽和蒸気圧線を縦軸方向に−1.5kmol/m3平行移動した曲線と、横軸と温度60℃、密度0kmol/m3の位置にて直交する直線と、圧力1.7MPaAの等圧線と、によって形成される閉じた領域内に位置することを特徴とする酵素糖化用原料の製造方法。 - 前記処理における前記アンモニアの温度及び圧力が、前記アンモニアの相図において、飽和蒸気圧線と、飽和蒸気圧線を縦軸方向に−0.5kmol/m3平行移動した曲線と、横軸と温度60℃、密度0kmol/m3の位置にて直交する直線と、によって形成される閉じた領域内に位置することを特徴とする請求項1記載の酵素糖化用原料の製造方法。
- 前記処理における前記アンモニアの温度及び圧力が、前記アンモニアの相図において、更に、飽和蒸気圧線に接する等エンタルピー線上又は該等エンタルピー線より低温・高圧側に位置することを特徴とする請求項1又は2に記載の酵素糖化用原料の製造方法。
- 前記水分量が下記式(2):
水分の質量/(バイオマスの乾燥質量+水分の質量)≦0.15 (2)
を満たすことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の酵素糖化用原料の製造方法。 - 請求項1〜4のいずれか1項に記載の酵素糖化用原料の製造方法によって酵素糖化用原料を製造する工程及び、
前記酵素糖化用原料を酵素により糖化する工程を備えることを特徴とする糖の製造方法。 - 請求項5記載の糖の製造方法によって糖を製造する工程及び、
前記糖を発酵させる工程を備えることを特徴とするエタノールの製造方法。
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