JP5808317B2

JP5808317B2 - 糖化溶液の製造方法

Info

Publication number: JP5808317B2
Application number: JP2012505614A
Authority: JP
Inventors: 茂信光澤
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2010-03-19
Filing date: 2011-03-04
Publication date: 2015-11-10
Anticipated expiration: 2031-03-04
Also published as: WO2011114914A1; JPWO2011114914A1; US20130004997A1

Description

本発明は、糖化溶液の製造方法に関する。

近年、地球温暖化防止の観点から、その原因の一つと考えられている二酸化炭素排出量を削減することが求められている。そこで、ガソリン等の液体炭化水素とエタノールとの混合燃料を自動車燃料に用いることが検討されている。前記エタノールとしては、植物性物質、例えばサトウキビ、トウモロコシ等の農作物の発酵により得たエタノールを用いることができる。前記植物性物質は、原料となる植物自体が既に光合成により二酸化炭素を吸収しているので、かかる植物性物質から得られたエタノールを燃焼させたとしても、排出される二酸化炭素の量は前記植物自体が吸収した二酸化炭素の量に等しい。即ち、総計としての二酸化炭素の排出量は理論的にはゼロになるという所謂カーボンニュートラル効果を得ることができる。

ところが、前記サトウキビ、トウモロコシ等は、エタノールの原料として大量に消費されると、食料として供給される量が減少するという問題がある。

そこで、前記植物性物質として、サトウキビ、トウモロコシ等に代えて、セルロースを含むが食用ではないバイオマスを用いてエタノールを製造する技術が検討されている。前記セルロースを含むバイオマスとしては、例えば、木材、稲藁、麦藁、バガス、竹、パルプ及びこれらから生じる廃棄物例えば古紙等のリグノセルロース系バイオマスを挙げることができる。

前記リグノセルロース系バイオマスからエタノールを製造する際には、まず、該リグノセルロース系バイオマスを基質として、該基質に糖化酵素を添加し、糖化酵素を含む水溶液（基質・糖化酵素混合液）を調製し、該糖化酵素の作用により該基質に含まれるセルロース及びヘミセルロースを分解する。前記糖化酵素としては、例えば、アクレモニウム属やトリコデルマ属の微生物により産生されるものが用いられる。

次に、前記セルロース及びヘミセルロースが分解された処理溶液から前記基質（リグノセルロース系バイオマス）の残渣（以下、バイオマス残渣と記載することがある）を除去して、糖化溶液を回収する。そして、前記糖化溶液にエタノール発酵菌を添加し、エタノール発酵させることにより、エタノール水溶液を得る。得られたエタノール水溶液は、蒸留等の無水化処理を行うことにより、最終的にエタノール燃料に精製することができる。

前記糖化溶液の製造方法として、例えば、古紙を基質とする基質溶液に、アクレモニウム・セルロリティカスＣ１株により産生される糖化酵素を添加して処理する方法が知られている（例えば特許文献１参照）。前記古紙を基質とする糖化溶液の製造方法によれば、前記基質及び前記糖化酵素を含む混合液は、ｐＨ２〜８の範囲で処理され糖化溶液となる。また、このとき、前記基質・糖化酵素混合液は、５０ミリリットル中に古紙２．５ｇを含んでおり、基質濃度は約５質量％となっている。

この他の前記糖化溶液の製造方法として、例えば、稲藁からなる基質に市販糖化酵素を添加して処理する方法が知られている（例えば特許文献２参照）。前記稲藁からなる基質に市販糖化酵素を添加して処理する糖化溶液の製造方法によれば、前記基質は糖化酵素水溶液により処理され糖化溶液となる。また、このとき、前記基質・糖化酵素混合液は、１ミリリットル中に基質５０ｍｇを含んでおり、基質濃度は約５質量％となっている。

特許第４０２５８４８号公報（段落（００２４））特開２０１０−３５４３１号公報（段落（００６３））

前記従来の糖化溶液の製造方法により得られる糖化溶液を用いてエタノール発酵を行うときには、該糖化溶液として回収される糖ができるだけ多いことが好ましい。そこで、前記基質溶液における前記基質濃度をできる限り高くすることが望まれる。

しかしながら、前記基質溶液において単純に前記基質濃度を高くすると、前記糖化酵素により処理した後、前記基質の残渣を除去する際に該残渣に吸着されて除去される糖が増加し、前記基質・糖化酵素混合液から前記糖化溶液として回収される糖が低減するという不都合がある。

本発明は、かかる不都合を解消して、基質・糖化酵素混合液に対して、前記糖化溶液として得られる糖の回収率を増加させることができる糖化溶液の製造方法を提供することを目的とする。

かかる目的を達成するために、本発明は、リグノセルロース系バイオマスをアンモニア又は水蒸気により処理してセルロース又はヘミセルロースに結合しているリグニンを除去して調製された基質溶液を、微生物が産生した糖化酵素により処理して基質・糖化酵素混合液を調製し、前記基質・糖化酵素混合液から前記基質の残渣を除去して糖化溶液を得る糖化溶液の製造方法において、前記基質・糖化酵素混合液を調製する際に、前記基質・糖化酵素混合液中の基質濃度を１５〜３０質量％の範囲に調製すると共に、前記基質・糖化酵素混合液の全量に対して、５〜４０質量％の範囲の濃度となるように糖化酵素を添加し、前記糖化酵素として、ＧＣ２２０（商標、ジェネンコア社製）又はアクレモニウムセルラーゼ（商標、明治製菓株式会社製）のいずれか１種類のみを用い、前記基質・糖化酵素混合液から前記基質の残渣を除去する際に該残渣に吸着されている糖を、フィルタープレス、真空脱水機、ベルトプレス脱水機、スクリュープレス脱水機、多重円板脱水機による方法からなる群から選択されるいずれか１つの方法を用いて抽出し、前記糖化溶液中の糖濃度が６〜１８質量％の範囲であることを特徴とする。

本発明の糖化溶液の製造方法では、前記基質・糖化酵素混合液中の基質濃度を前記範囲とすることにより、前記基質としての前記リグノセルロース系バイオマスから生じる残渣が過剰となることを防止することができる。この結果、前記残渣に吸着される糖が過剰になることがなく、前記基質・糖化酵素混合液に対して、より多くの糖を前記糖化溶液として回収することができる。

前記基質濃度が１５質量％未満であるときには、基質となる前記リグノセルロース系バイオマスが少量であり、前記糖化酵素の作用により得られる糖自体が少ないため、効率が低下する。また、前記基質濃度が３０質量％を超えると、前記基質から生じる残渣が増加し、該残渣に吸着される糖も増加するため、前記糖化溶液として回収される糖が低減する。

次に、本発明の糖化溶液の製造方法では、前記基質・糖化酵素混合液から前記基質の残渣を除去する際に該残渣に吸着されている糖を抽出する。この結果、さらに多くの糖を前記糖化溶液として回収することができる。

また、前記基質となるリグノセルロース系バイオマスは、セルロースまたはヘミセルロースにリグニンが結合した構造となっている。そのため、前記糖化酵素のセルロースまたはヘミセルロースへの作用は、リグニンにより妨げられる。そこで、本発明の糖化溶液の製造方法では、前記リグノセルロース系バイオマスをアンモニア又は水蒸気により処理してセルロース又はヘミセルロースに結合しているリグニンを除去して調製された基質溶液を、前記糖化酵素により処理することにより、前記基質・糖化酵素混合液を得る。前記基質溶液は、前記リグノセルロース系バイオマスのセルロース又はヘミセルロースに結合しているリグニンを除去することにより、前記糖化酵素により容易に糖化することができる。

また、本発明の糖化溶液の製造方法では、前記基質溶液に対する前記糖化酵素による処理は、前記基質・糖化酵素混合液１ｇに対して、微結晶性セルロース分解活性１．２〜７０．２Ｕかつキシラン分解活性０．８〜４６．８Ｕの範囲の量の糖化酵素を添加することにより行うことが好ましい。前記糖化酵素の添加量は、前記基質・糖化酵素混合液１ｇに対し、微結晶性セルロース分解活性が１．２Ｕ未満あるいはキシラン分解活性が０．８Ｕ未満であるときには、前記リグノセルロース系バイオマスを十分に糖化することができないことがある。また、前記糖化酵素の添加量は、前記基質・糖化酵素混合液１ｇに対し、微結晶性セルロース分解活性で７０．２Ｕあるいはキシラン分解活性で４６．８Ｕを超えてもそれ以上の効果は得られにくく、製造コストの増加を抑制することができない。

第１の糖化酵素を用いたときの基質・糖化酵素混合液中の基質濃度と、基質・糖化酵素混合液の全量に対して得られる糖化溶液の回収率との関係を示すグラフ。第１の糖化酵素を用いたときの基質・糖化酵素混合液中の基質濃度と、得られる糖化溶液中の糖濃度との関係を示すグラフ。第１の糖化酵素を用いたときの基質・糖化酵素混合液中の基質濃度と、糖化溶液中に得られる糖の基質・糖化酵素混合液の全量に対する回収率との関係を示すグラフ。第２の糖化酵素を用いたときの基質・糖化酵素混合液中の基質濃度と、基質・糖化酵素混合液の全量に対して得られる糖化溶液の回収率との関係を示すグラフ。第２の糖化酵素を用いたときの基質・糖化酵素混合液中の基質濃度と、得られる糖化溶液中の糖濃度との関係を示すグラフ。第１の糖化酵素を用いたときの基質・糖化酵素混合液中の基質濃度と、糖化溶液中に得られる糖の基質・糖化酵素混合液の全量に対する回収率との関係を示すグラフ。

次に、添付の図面を参照しながら本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。

本実施形態の糖化溶液の製造方法では、まず、基質であるリグノセルロース系バイオマスとしての稲藁を２５質量／体積％−アンモニア水により処理し、該稲藁のセルロース又はヘミセルロースに結合しているリグニンを除去して、基質溶液を調製する。前記アンモニア水によりリグニンを除去する処理は、例えば、前記基質溶液を８０℃の温度に保持して８時間反応させる。

前記基質溶液は、前記アンモニア水による処理の結果として、ｐＨが１３〜１４の範囲となっている。

そこで、前記基質溶液に、さらに、硫酸、塩酸、硝酸、酢酸、クエン酸、リン酸等から選択される酸を添加して、該基質溶液のｐＨを３〜７の範囲に調整する。前記酸は、１種だけ用いてもよく、２種以上混合して用いてもよい。

次に、ｐＨ３〜７の範囲に調整された前記基質溶液に、糖化酵素水溶液を添加する。前記糖化酵素としては、例えば、ＧＣ２２０（商標、ジェネンコア社製）、アクレモニウムセルラーゼ（商標、明治製菓株式会社製）を用いることが好ましいが、他の糖化酵素でも代替することができる。前記糖化酵素の添加量は、前記基質・糖化酵素混合液１ｇに対し、好ましくは微結晶性セルロース分解活性１．２〜７０．２Ｕかつキシラン分解活性０．８〜４６．８Ｕの範囲、さらに好ましくは微結晶性セルロース分解活性５．９〜４６．８Ｕかつキシラン分解活性３．９〜３１．２Ｕの範囲であり、例えば微結晶性セルロース分解活性２３．４Ｕかつキシラン分解活性１５．６Ｕである。前記糖化酵素の添加量を基質・糖化酵素混合液の全量に対する濃度に変換すると、１〜６０質量％の範囲であり、好ましくは５〜４０質量％の範囲であり、例えば２０質量％である。

ここで、微結晶性セルロース分解活性の測定は、次のようにして行うことができる。まず、糖化酵素を含む水溶液の試料５０μｌに、２００ｍＭの酢酸緩衝液（ｐＨ４）３５０μｌと、４質量／体積％微結晶セルロース（メルク社製、型番１．０２３３１．０５００）懸濁液４００μｌとを加え、攪拌しながら５０℃で１５分間反応させる。その後、３０質量／体積％ロッシェル塩、１質量／体積％ジニトロサリチル酸、１．６質量／体積％水酸化ナトリウムを含む水溶液８００μｌを加え、１５０００×ｇで２０分間遠心分離し、その上清を１００℃で５分間処理した溶液の波長５４０ｎｍの光線における吸光度を測定し、グルコースを標準物質に用いて、溶出した還元糖濃度を算出する。ここで、１分間に１マイクロモルの還元糖を遊離する酵素量を１Ｕとする。

また、キシロース分解活性の測定は、次のようにして行うことができる。まず、１質量／体積％キシラン（バーチウッド由来、シグマ社製）懸濁液を２時間煮沸後、１００００×ｇで２０分間遠心分離した上清を凍結乾燥したものを可溶性キシランとし、キシロース分解活性の基質として用いる。次に、糖化酵素を含む水溶液の試料２０μｌに、２００ｍＭの酢酸緩衝液（ｐＨ４）１８０μｌと、１質量／体積％可溶性キシラン水溶液２００μｌとを加え、攪拌しながら５０℃で１５分間反応させる。その後、３０質量／体積％ロッシェル塩、１質量／体積％ジニトロサリチル酸、１．６質量／体積％水酸化ナトリウムを含む水溶液８００μｌを加え、１００℃で５分間処理した溶液の波長５４０ｎｍの光線における吸光度を測定し、キシロースを標準物質に用いて、溶出した還元糖濃度を算出する。ここで、１分間に１マイクロモルの還元糖を遊離する酵素量を１Ｕとする。

次に、前記糖化酵素が添加された前記基質溶液を、３０〜５０℃の範囲の温度、例えば５０℃の温度に、５０〜１５０時間の範囲の時間、例えば７２時間保持して、該糖化酵素の作用により、前記基質としての稲藁のセルロースまたはヘミセルロースを分解して糖化する。このとき、基質としての稲藁中のセルロースまたはヘミセルロースの６０〜８５質量％が分解、糖化される。この結果、例えば、グルコース、キシロース、アラビノース等の糖が含まれる基質・糖化酵素混合液を得ることができる。

糖化後の前記基質・糖化酵素混合液は、前記基質としての稲藁のセルロースまたはヘミセルロースが分解された結果として生じるバイオマス残渣を含んでいる。そこで、次に、前記基質・糖化酵素混合液から前記バイオマス残渣を分離、除去し、前記糖化溶液を回収する。

このとき、本実施形態の糖化溶液の製造方法では、前記基質・糖化酵素混合液における基質としての前記稲藁の濃度を１５〜３０質量％の範囲とすることにより、バイオマス残渣が過剰となることを防止することができる。

また、本実施形態の糖化溶液の製造方法では、前記基質・糖化酵素混合液から前記バイオマス残渣を分離、除去する際に、該バイオマス残渣に吸着されている糖を抽出する。前記バイオマス残渣を分離、除去すると共に、該バイオマス残渣に吸着されている糖を抽出する方法としては、フィルタープレス、真空脱水機、ベルトプレス脱水機、スクリュープレス脱水機、多重円板脱水機等による方法を挙げることができる。

本実施形態の糖化溶液の製造方法では、前記基質・糖化酵素混合液における基質としての前記稲藁の濃度を１５〜３０質量％の範囲とすると共に、前記バイオマス残渣に吸着されている糖を抽出することにより、前記基質・糖化酵素混合液に対して、より多くの糖を前記糖化溶液として回収することができる。この結果、前記糖化溶液は、グルコース、キシロース、アラビノース等の発酵に利用できる糖を、例えば６〜１８質量％の範囲の濃度で含んでいる。

次に、前記基質溶液における基質としての前記稲藁の濃度を１０〜３５質量％の範囲で変量すると共に、前記バイオマス残渣に吸着されている糖を抽出したときに得られる糖の回収率を次のようにして測定した。まず、所定量の稲藁に２５質量／体積％−アンモニア水を添加し、８０℃の温度に保持して８時間反応させて、該稲藁のセルロース又はヘミセルロースに結合しているリグニンを除去した。その後、リグニンが除去された前記稲藁を含む前記基質溶液に硫酸を添加し、ｐＨを約４に調整した。

次に、ｐＨ約４に調整された前記基質溶液に糖化酵素水溶液を添加し、最終的に基質・糖化酵素混合液の全量に対して、前記基質が２０〜３０質量％、糖化酵素水溶液が２０質量％になるように混合した。その後、前記基質・糖化酵素混合液を５０℃の温度に７２時間保持して、糖化処理した。前記糖化酵素としては、第１の糖化酵素としてＧＣ２２０（商標、ジェネンコア社製）又は第２の糖化酵素としてアクレモニウムセルラーゼ（商標、明治製菓株式会社製）を用いた。そして、前記糖化処理後、遠心分離（８０００×ｇ、２０分）により前記バイオマス残渣を分離、除去し、糖化溶液を回収した。

糖化酵素としてＧＣ２２０（商標、ジェネンコア社製）を用いたときに、各基質濃度に対応して、前記基質・糖化酵素混合液の全量に対して得られる糖化溶液の回収率（質量％）を図１に示す。このとき、各基質濃度に対応して、得られた糖化溶液中の糖濃度（質量％）を図２に示す。さらに、各基質濃度に対応して、各糖化溶液中に得られた糖の、基質・糖化酵素混合液の全量に対する回収率を図３に示す。

図３中の各基質濃度における糖回収率（質量％）は、図１中の各基質濃度における糖濃度（質量％）と図２中の各基質濃度における糖液回収率（質量％）を乗じ、１００で除することにより算出したものである。

また、糖化酵素としてアクレモニウムセルラーゼ（商標、明治製菓株式会社製）を用いたときに、各基質濃度に対応して、前記基質・糖化酵素混合液の全量に対して得られる糖化溶液の回収率（質量％）を図４に示す。このとき、各基質濃度に対応して、得られた糖化溶液中の糖濃度（質量％）を図５に示す。さらに、各基質濃度に対応して、各糖化溶液中に得られた糖の、基質・糖化酵素混合液の全量に対する回収率を図６に示す。

図６中の各基質濃度における糖回収率（質量％）は、図４中の各基質濃度における糖濃度（質量％）と図５中の各基質濃度における糖液回収率（質量％）を乗じ、１００で除することにより算出したものである。

図３及び図６から、本実施形態の糖化溶液の製造方法によれば、前記基質・糖化酵素混合液における基質としての前記稲藁の濃度を１５〜３０質量％の範囲とすると共に、前記バイオマス残渣に吸着されている糖を抽出することにより、該稲藁の濃度を該範囲外とした場合よりも多くの糖を回収することができることが明らかである。

Claims

リグノセルロース系バイオマスをアンモニア又は水蒸気により処理してセルロース又はヘミセルロースに結合しているリグニンを除去して調製された基質溶液を、微生物が産生した糖化酵素により処理して基質・糖化酵素混合液を調製し、前記基質・糖化酵素混合液から前記基質の残渣を除去して糖化溶液を得る糖化溶液の製造方法において、
前記基質・糖化酵素混合液を調製する際に、前記基質・糖化酵素混合液中の基質濃度を１５〜３０質量％の範囲に調製すると共に、前記基質・糖化酵素混合液の全量に対して、５〜４０質量％の範囲の濃度となるように糖化酵素を添加し、
前記糖化酵素として、ＧＣ２２０（商標、ジェネンコア社製）又はアクレモニウムセルラーゼ（商標、明治製菓株式会社製）のいずれか１種類のみを用い、
前記基質・糖化酵素混合液から前記基質の残渣を除去する際に該残渣に吸着されている糖を、フィルタープレス、真空脱水機、ベルトプレス脱水機、スクリュープレス脱水機、多重円板脱水機による方法からなる群から選択されるいずれか１つの方法を用いて抽出し、
前記糖化溶液中の糖濃度が６〜１８質量％の範囲であることを特徴とする糖化溶液の製造方法。
請求項１記載の糖化溶液の製造方法において、前記基質溶液に対する前記糖化酵素による処理は、前記基質・糖化酵素混合液１ｇに対して、微結晶性セルロース分解活性１．２〜７０．２Ｕかつキシラン分解活性０．８〜４６．８Ｕの範囲の量の糖化酵素を添加することにより行うことを特徴とする糖化溶液の製造方法。
請求項１又は請求項２記載の糖化溶液の製造方法において、前記基質溶液に対する前記糖化酵素による処理は、前記基質・糖化酵素混合液１ｇに対して、微結晶性セルロース分解活性５．９〜４６．８Ｕかつキシラン分解活性３．９〜３１．２Ｕの範囲の量の糖化酵素を添加することにより行うことを特徴とする糖化溶液の製造方法。
請求項１〜請求項３のいずれか１項記載の糖化溶液の製造方法において、前記糖化酵素が添加された前記基質溶液を、３０〜５０℃の範囲の温度に５０〜１５０時間の範囲の時間保持して、該糖化酵素の作用により、前記基質のセルロース又はヘミセルロースを分解して糖化することを特徴とする糖化溶液の製造方法。
請求項１〜請求項４のいずれか１項記載の糖化溶液の製造方法において、前記糖化溶液は、糖としてグルコース、キシロース又はアラビノースを含むこと特徴とする糖化溶液の製造方法。