JP5957587B1 - リグノセルロース系バイオマス由来化合物の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
(1)リグノセルロース系バイオマス由来化合物の製造方法であって、
(A)リグノセルロース系バイオマスに酸を混合して蒸煮することによる加水分解処理で、酸蒸煮物を生成する工程と、
(M)前記酸蒸煮物を乾燥処理し、発酵阻害物質を揮発除去させる工程と、
(N)前記乾燥処理された酸蒸煮物にアンモニアを添加し、発酵阻害物質をさらに低減させ、且つ前記乾燥処理された蒸煮物のpH調整を行う工程と、
(B)酵素により前記アンモニア添加後の酸蒸煮物から単糖及び/又はオリゴ糖を含む糖化液を製造する糖化工程と、を有し、
前記発酵阻害物質のうち、フルフラールの発酵阻害を引き起こさない閾値、及び前記工程(N)における前記フルフラールの低減分から、前記工程(M)における前記フルフラールの含有量の低減目標値を設定し、
前記フルフラールの含有量と前記酸蒸煮物の含水量との相関関係から、前記工程(M)における前記酸蒸煮物の含水量の低減目標値を設定することを特徴とするリグノセルロース系バイオマス由来化合物の製造方法。
(2)前記工程(N)と前記工程(B)とが同時に行われる(1)に記載のリグノセルロース系バイオマス由来化合物の製造方法。
(3)前記工程(N)は、
(X)酵素をあらかじめ含んだ第一の糖化槽に前記乾燥処理された酸蒸煮物及びアンモニアをそれぞれ連続的に少しずつ添加する初期糖化工程を有し、
前記工程(B)の代わりに、
(Y)酵素をあらかじめ含んだ第二の糖化槽に前記初期糖化工程で生成された糖化液を連続的に少しずつ添加する糖化工程を有する、
(1)又は(2)に記載のリグノセルロース系バイオマス由来化合物の製造方法。
(4)前記工程(M)後の酸蒸煮物中の含水量が、乾燥したリグノセルロース系バイオマス1kgに対して1.00kg以上2.58kg以下である(1)〜(3)のいずれか一つに記載のリグノセルロース系バイオマス由来化合物の製造方法。
<第一実施形態>
本発明の第一実施形態に係るリグノセルロース系バイオマス由来化合物の製造方法は、(A)リグノセルロース系バイオマスに酸を混合して蒸煮することによる加水分解処理で、酸蒸煮物を生成する工程と、(M)前記酸蒸煮物を乾燥処理し、発酵阻害物質を揮発除去させる工程と、(N)前記乾燥処理された酸蒸煮物にアンモニアを添加し、発酵阻害物質をさらに低減させ、且つ前記乾燥処理された蒸煮物のpH調整を行う工程と、(B)酵素により前記アンモニア添加後の酸蒸煮物から単糖及び/又はオリゴ糖を含む糖化液を製造する糖化工程と、を有する。図1は、本発明の第一実施形態に係るリグノセルロース系バイオマス由来化合物の製造方法の概略構成を示す図である。各工程の詳細について、以下に説明する。
蒸煮とは、高圧且つ高湿で原料を一定時間保持することを意味する。また、蒸煮後、酸と混合したリグノセルロース系バイオマスを爆砕する工程を備えてもよい。爆砕とは、前記高圧且つ高湿の原料を一気に開放する衝撃で粉砕することを意味する。
本発明において、酸蒸煮物中に液中に溶解する発酵阻害物質の濃度は、酢酸は1.2%以下、フルフラールは0.3%以下、5−HMFやギ酸は0.2%以下である。また、酸蒸煮物中に溶解する発酵阻害物質の上限濃度(酢酸:1.2%、フルフラール:0.3%、ギ酸:0.2%)に対応するガス相中のそれぞれの上限濃度は、酢酸:1.7%、フルフラール:0.79%、ギ酸:0.15%となる。
横軸は、液中の水のモル比率を示しており、例えば、フルフラール蒸発曲線の横軸0.8は、水0.8、フルフラール0.2を意味する。縦軸は、ガス中の水のモル比率を示している。
蒸発曲線とは、液中の濃度と平衡状態にあるガス相中の濃度を示す曲線であり、y=x直線より下に位置している部分(図中(※)領域)は、水溶液中水濃度よりガス相中水濃度の方が小さい、水に溶けている酢酸やフルフラールの方が蒸発しやすいことを示している。それに対し、ギ酸の蒸発曲線は、上記濃度域において、y=x直線より下に位置する部分がないことから、上記濃度域において、ギ酸は水に比べて蒸発しにくいことを示している。
従って、酸蒸煮物に含まれる副生成物のうち、酢酸、フルフラールは揮発性を有し、乾燥することにより低減することができる。
まず、酢酸およびギ酸については、酵母の細胞内に取り込まれ、発酵反応を阻害するが、アンモニアで処理することで、酢酸およびギ酸はそれぞれアンモニアと反応し、酢酸アンモニウム及びギ酸アンモニウムに変わる(下記反応式(1)、(2)参照)。このとき、反応は平衡状態ではあるが、アンモニウムイオンの電離度が低いため、酢酸アンモニウム及びギ酸アンモニウムの方に反応に移りやすく発酵阻害の原因となる酢酸およびギ酸が生成しづらい。よって、酢酸アンモニウム及びギ酸アンモニウムに変わることで、酵母の細胞内に取り込まれることはなく、発酵を阻害しない状態となる。
酵素反応や発酵反応を阻害する発酵阻害物質の含有量は、各反応によって異なる。発酵阻害物質を0ppm(検出限界)まで除去することが最善であるが、発酵阻害物質の含有量を除去すればするほど、酵素を用いた糖化工程や発酵工程の負荷が低減して酵素を用いた糖化工程や発酵工程の効率化が図れる。しかし、実際には、発酵阻害物質の除去工程に要するコストと、後工程の酵素糖化、発酵及び蒸留工程などに要するコストとを勘案する必要がある。また、発酵阻害を引き起こさない発酵阻害物質の含有量の閾値を算出し、前記コストとのバランスを考慮する必要がある。
従って、図3の(a)から、フルフラールの発酵阻害を引き起こさない含有量は乾燥したリグノセルロース系バイオマス1tに対して、6.7kg以下が好ましく、4.5kg以下がさらに好ましい。また、図3の(b)から、5−HMFの発酵阻害を引き起こさない含有量は、乾燥したリグノセルロース系バイオマス1tに対して、2.2kg以下が好ましく、1.5kg以下がさらに好ましい。さらに、図3の(c)から、酢酸の発酵阻害を引き起こさない含有量は、乾燥したリグノセルロース系バイオマス1tに対して、44kg以下が好ましく、30kg以下がさらに好ましい。
従って、前記工程(M)後の酸蒸煮物中の含水量は、乾燥したリグノセルロース系バイオマス1kgに対して、2.58kg以下が好ましく、2.00kg以下がさらに好ましい。下限値については、乾燥装置のエネルギーコスト、並びに後の酵素反応及び発酵反応に必要となる水分量の観点から、乾燥したリグノセルロース系バイオマス1kgに対して、1.00kg以上が好ましい。
セルラーゼは、セルロースをグルコースに分解するものであればよく、エンドグルカナーゼ、セロビオヒドロラーゼ及びβ−グルコシダーゼの各活性の少なくとも1つの活性を有するものを挙げることができ、これらの各活性を有する酵素混合物であることが、酵素活性の観点から好ましい。
同じくヘミセルラーゼは、ヘミセルロースをキシロース等の単糖に分解するものであればよく、キシラナーゼ、キシロシダーゼ、マンナナーゼ、ペクチナーゼ、ガラクトシダーゼ、グルクロニダーゼ及びアラビノフラノシダーゼの各活性の少なくとも1つの活性を有するものを挙げることができ、これらの各活性を有する酵素混合物であることが、酵素活性の観点から好ましい。
本発明において「酵素活性成分」とは、酵素混合物とした場合にはこれらの糖化酵素のそれぞれを意味し、単独の糖化酵素を用いた場合には、用いられる糖化酵素そのものを意味する。
これらセルラーゼ及びヘミセルラーゼの起源は限定されることはなく、糸状菌、担子菌、細菌類等のセルラーゼ及びヘミセルラーゼを用いることができる。
発酵工程において得られるリグノセルロース系バイオマス由来化合物とは、リグノセルロース系バイオマスから得られた単糖及びオリゴ糖を酵母が摂取することにより生成された化合物を意味し、例えば、エタノール、ブタノール、1,3−プロパンジオール、1,4−ブタンジオール、グリセロールなどのアルコール、ピルビン酸、コハク酸、リンゴ酸、イタコン酸、クエン酸、乳酸など有機酸、イノシン、グアノシンなどのヌクレオシド、イノシン酸、グアニル酸などのヌクレオチド、カダベリンなどのジアミン化合物などが好ましく、エタノールが最も好ましい。発酵によって得られた化合物が乳酸などのモノマーである場合は、重合によりポリマーに変換する重合工程に移行することもある。最後に、発酵工程または重合工程後、得られたリグノセルロース系バイオマス由来化合物の品質を向上させるため、精製工程として蒸留工程を行う。
図4は、本発明の第二実施形態に係るリグノセルロース系バイオマス由来化合物の製造方法の概略構成を示す図である。
第一実施形態と同様に工程(A)及び工程(M)を有するが、工程(N)と工程(B)とが同時に行われている。
アンモニアを添加する工程を分けて行う場合、乾燥工程において温酸蒸煮物の温度が上がっており、そのままの状態でアンモニアを添加するとアンモニアが揮発し、発酵阻害物質との反応が不十分となる。また、アンモニアが揮発した状態は、作業環境上好ましくない。従って、乾燥工程後の酸蒸煮を冷却することが必要となり、エネルギーコストがかかる。また、アンモニアを添加するための混練機が必要となる。従って、糖化工程において、アンモニアを添加することでコスト及び設備の少なくとも一方を節減することができ、さらに発酵阻害物質の低減および酸蒸煮物のpH調整、並びに酸蒸煮物から単糖及び/又はオリゴ糖を含む糖液を製造することを効率的に実施できる。
また、工程(N)および工程(B)の後には、第一実施形態と同様に発酵工程、蒸留工程が続き、エタノール等のリグノセルロース系バイオマス由来の化合物が得られる。
図5は、本発明の第三実施形態に係るリグノセルロース系バイオマス由来化合物の製造方法の概略構成を示す図である。
第一実施形態と同様に、工程(A)及び工程(M)を有する。
初期糖化工程(X)では、あらかじめ酵素を含んだ第一の糖化槽に酸蒸煮物及びアンモニアをそれぞれ連続的に少しずつ添加することで、アンモニアによるpHの変動が少なく調整でき、さらに発酵阻害物質がアンモニアと十分に反応し低減することができる。さらに、酸蒸煮物の糖化槽内での濃度が抑制されて、粘性を低く保持することで、酵素による糖化反応が促進される。
また、初期糖化工程(X)の後に続く糖化工程(Y)においても同様に、前記初期糖化工程で生成された糖化液を連続的に少しずつ添加することで、第二の糖化槽内での濃度が抑制されて、粘性を低く保持することで、酵素による糖化反応が促進される。このとき、前記初期糖化工程で生成された糖化液には、糖化反応で生成された単糖及びオリゴ糖、糖化未反応のヘミセルロース及びセルロース、並びに発酵阻害物質がアンモニアと反応し生成した酢酸アンモニウム及びギ酸アンモニウム等が含まれている。
初期糖化工程(X)及び糖化工程(Y)において、「少しずつ」添加する目安としては、例えば、リグノセルロース系バイオマスを全量添加し終わったときの糖化槽全量に対して、乾燥状態での重量換算で約0.83%分のリグノセルロース系バイオマスを、コンベアを用いて約1時間で投入する程度の速度である。
さらに、工程(N)の一部である工程(X)の後の発酵阻害物質の含有量を基準として、前記工程(M)における発酵阻害物質の含有量の低減目標値を設定すればよい。
また、工程(Y)の後には、第一実施形態と同様に発酵工程、蒸留工程が続き、エタノール等のリグノセルロース系バイオマス由来の化合物が得られる。
<第一実施形態>
本発明の第一実施形態に係るリグノセルロース系バイオマスから化合物を製造する装置は、リグノセルロース系バイオマスに酸を混合して蒸煮することによる加水分解処理で、酸蒸煮物を生成する加水分解処理槽と、前記酸蒸煮物を乾燥処理し、発酵阻害物質を揮発除去する乾燥処理槽と、前記乾燥処理された酸蒸煮物にアンモニアを添加し、発酵阻害物質をさらに低減させるアンモニア添加槽と、前記アンモニア添加後の酸蒸煮物から単糖及び/又はオリゴ糖を含む糖化液を製造する糖化槽と、を備えている。
さらに、前記アンモニア添加槽後の発酵阻害物質の含有量を基準として、前記乾燥処理槽における発酵阻害物質の含有量の低減目標値を設定する。
また、酸蒸煮物の含水量は、特に揮発性を有する発酵阻害物質の低減と、その後の糖化工程及び発酵工程に大きく影響を与えるため、調整する必要がある。前記乾燥処理槽後の酸蒸煮物中の含水量は、乾燥したリグノセルロース系バイオマス1kgに対して、2.58kg以下が好ましく、2.00kg以下がさらに好ましい。下限値については、乾燥装置のエネルギーコスト、並びに後の酵素反応及び発酵反応に必要となる水分量の観点から、乾燥したリグノセルロース系バイオマス1kgに対して、1.00kg以上が好ましい。
本発明の第二実施形態に係るリグノセルロース系バイオマス由来化合物の製造装置は、第一実施形態と同様に加水分解処理装置及び乾燥処理槽を有するが、アンモニア添加槽と糖化槽とを合わせて一つの糖化槽としている。
上述のとおり、アンモニアの添加と糖化を同時に行うことで、コスト及び設備の少なくとも一方を節減することができ、さらに発酵阻害物質の低減および酸蒸煮物のpH調整、並びに酸蒸煮物から単糖及び/又はオリゴ糖を含む糖液を製造することを効率的に実施できる。
第一実施形態と同様に、アンモニア添加槽と糖化槽とを合わせた一つの糖化槽後の発酵阻害物質の含有量を基準として、前記乾燥処理槽における発酵阻害物質の含有量の低減目標値を設定すればよい。
糖化槽の後には、第一実施形態と同様に、発酵槽、蒸留装置が続き、エタノール等のリグノセルロース系バイオマス由来の化合物が得られる。
本発明の第三実施形態に係るリグノセルロース系バイオマス由来化合物の製造装置は、第一実施形態と同様に加水分解処理装置及び乾燥処理槽を有するが、酵素をあらかじめ含んだ前記アンモニア添加槽を第一の糖化槽とし、且つ、前記糖化槽を第二の糖化槽とする。
上述のとおり、あらかじめ酵素を含んだ第一の糖化槽に酸蒸煮物及びアンモニアをそれぞれ連続的に少しずつ添加することで、アンモニアによるpHの変動が少なく調整でき、さらに発酵阻害物質がアンモニアと十分に反応し低減することができる。さらに、酸蒸煮物の糖化槽内での濃度が抑制されて、粘性を低く保持することで、酵素による糖化反応が促進される。さらに、同様に、前記第一の糖化槽で生成された糖化液を連続的に少しずつ添加することで、第二の糖化槽内での濃度が抑制されて、粘性を低く保持することで、酵素による糖化反応が促進される。
第一実施形態と同様に、第一の糖化槽後の発酵阻害物質の含有量を基準として、前記乾燥処理槽における発酵阻害物質の含有量の低減目標値を設定すればよい。
糖化槽の後には、第一実施形態と同様に、発酵槽、蒸留装置が続き、エタノール等のリグノセルロース系バイオマス由来の化合物が得られる。
<蒸煮及び爆砕工程>
リグノセルロース系バイオマス原料としてサトウキビバガス(乾燥重量1.5kg)を用いて、サトウキビバガスの乾燥重量に対して純硫酸として1.5質量%の希硫酸を添加し、蒸煮及び爆砕装置(ヤスジマ製、SBK−208型)に入れた。飽和蒸気による加圧環境下で190℃、1.5分蒸煮し、弁を急開放して破砕(爆砕)し、酸蒸煮物を乾燥重量で1.41kgを得た。
<アンモニア添加工程>
前記酸蒸煮物のうち乾燥重量10gを使用し、乾燥工程を行わずに糖化槽を模擬したフラスコに投入後、次の糖化工程で酵素液を添加する直前に、糖化槽内に濃度10質量%のアンモニア水溶液5g添加した。この時、pHは5.5であった。
アンモニア添加後の酸蒸煮物に対し、酵素液(ジェネンコア社製)0.75gを添加し、50℃で48時間振とうしながら反応させ、糖液100gを得た。この時、pHは4.9であった。
前記糖化工程後の糖液に、酵母(トヨタ自動車製「サッカロミセス・セルビシエ(Saccharomyces.Cereviviae)」)を添加し、32℃で48時間振とう静置することで発酵物101gを得た。
ロータリーエバポレーター(柴田科学製R−205)を用いて、発酵物を蒸留し、エタノールを乾燥したリグノセルロース系バイオマス1t(以下、t−dryBMと示す。)に対して約345L得た。
アンモニア添加工程において、糖化工程の前に、濃度10質量%のアンモニア水溶液5g添加し、30分間混練した以外は、実施例1と同様にして、エタノール約355L/t−dryBMを得た。また、糖化工程後のpHは4.9であった。
アンモニア添加工程において、糖化工程の際に、濃度17.5質量%の水酸化ナトリウム水溶液3g添加した以外は、実施例1と同様にして、エタノール約60L/t−dryBMを得た。また、糖化工程後のpHは5.0であった。
前記実施例1,2、比較例2のエタノール収量と発酵阻害物質であるフルフラールの濃度を比較した(図6参照)。なお、フルフラールの濃度は糖化工程後に測定した値である。フルフラールの濃度の測定には、高速液体クロマトグラフ(島津製作所製LC−20AD)を用いて行った。
図6から、実施例1では、フルフラールは、糖液1Lに対して0.93g含まれていた。
また、実施例2では、フルフラールは糖液1Lに対して0.89g含まれていた。実施例2は、実施例1に比べてフルフラールの濃度の低減された量およびエタノール収量はわずかだが、良好であった。
一方、比較例1ではフルフラールは糖液1Lに対して1.07g含まれていた。
フルフラールの濃度について比較すると、比較例1に対して、実施例1では13%低減し、実施例2では16%低減した。
従って、酸蒸煮物のpH調整および発酵阻害物質の低減には、アンモニアが必要であることが明らかとなった。
実施例1と同様にして、蒸煮及び爆砕工程を行い、酸蒸煮物を得た。さらに、以下の4つの条件にて酸蒸煮物を調製し、高速液体クロマトグラフ(島津製作所製LC−20AD)を用いて、酢酸、フルフラール、5−HMFを測定し、結果を図7に示した。
(i)酸蒸煮物に水を加え、含水量を3.15kg-水/kg−dryBMに調製したもの
(ii)酸蒸煮物に水を加え、含水量を3.15kg-水/kg−dryBMに調製し、さらに濃度が14質量%のアンモニア水溶液を添加して混練したもの
(iii)60℃で熱風乾燥し、含水量を1.19kg-水/kg−dryBMに調製したもの
(iv)60℃で熱風乾燥し、含水量を1.19kg-水/kg−dryBMに調製し、さらに濃度が14質量%のアンモニア水溶液を添加して混練したもの
また、図7からフルフラールの含有量について、(i)および(iii)を比較すると、12kg/t−dryBMから2.0kg/t−dryBMに減っており、アンモニア水溶液を含有する(ii)および(iv)においても同様に、8.2kg/t−dryBMから1.1g/t−dryBMに減った。さらに、含水量が同じであるが、アンモニア水溶液の有無が異なる(i)および(ii)、(iii)および(iv)をそれぞれ比較すると、アンモニアを添加することにより、フルフラールが低減することが確認された。
一方、図7から5−HMFの含有量について、(i)は2.5kg/t−dryBM、(iii)は2.9kg/t−dryBMと微増しており、(ii)は2.1kg/t−dryBM、(iv)は1.5kg/t−dryBMと微減していた。さらに、含水量が同じであるが、アンモニア水溶液の有無が異なる(i)および(ii)、(iii)および(iv)をそれぞれ比較すると、アンモニアを添加することにより、5−HMFが低減することが確認された。
実施例1と同様にして、蒸煮及び爆砕工程を行い、酸蒸煮物を得た。さらに、以下の3つの温度条件にて乾燥工程を0分、10分、20分、30分、40分、50分、60分と10分毎に時間をふって行った。各酸蒸煮物について、恒温乾燥器(ADVANTEC社製DRS620DA)を用いて105〜110℃にて絶乾状態まで乾燥し、乾燥前後の重量を測定することで含水率を算出した。高速液体クロマトグラフ(島津製作所製LC−20AD)を用いて、さらに、酢酸、フルフラール、5−HMFを測定した。
(v)熱風温度60℃
(vi)熱風温度85℃
(vii)熱風温度110℃
さらに、図8の(b)は各乾燥温度及び乾燥時間における酸蒸煮物の含水量と乾燥時間の相関関係を示したグラフである。図8の(b)から、含水量2.58kg/kg−dryBMに到達する乾燥時間は、(v)熱風温度60℃では37分、(vi)熱風温度85℃では25分、(vii)110℃では17分であることが確認された。温度を高くすることで、乾燥時間を短縮でき効率的に乾燥工程を行うことができるが、使用する設備によって適宜乾燥温度を変更することができることが確認された。
これに対して、フルフラールについては、発酵阻害を引き起こさせない閾値4.5kg/t−dryBMにおける含水量は、2.0kg/kg−dryBMであり、乾燥工程での低減目標値である7.1kg/t−dryBMにおける含水量は、2.58kg/kg−dryBMである。
従って、フルフラールの乾燥工程での低減目標値における含水量を、乾燥工程における含水量の目標低減値に設定できることが明らかとなった。
Claims (4)
- リグノセルロース系バイオマス由来化合物の製造方法であって、
(A)リグノセルロース系バイオマスに酸を混合して蒸煮することによる加水分解処理で、酸蒸煮物を生成する工程と、
(M)前記酸蒸煮物を乾燥処理し、発酵阻害物質を揮発除去させる工程と、
(N)前記乾燥処理された酸蒸煮物にアンモニアを添加し、発酵阻害物質をさらに低減させ、且つ前記乾燥処理された蒸煮物のpH調整を行う工程と、
(B)酵素により前記アンモニア添加後の酸蒸煮物から単糖及び/又はオリゴ糖を含む糖化液を製造する糖化工程と、を有し、
前記発酵阻害物質のうち、フルフラールの発酵阻害を引き起こさない閾値、及び前記工程(N)における前記フルフラールの低減分から、前記工程(M)における前記フルフラールの含有量の低減目標値を設定し、
前記フルフラールの含有量と前記酸蒸煮物の含水量との相関関係から、前記工程(M)における前記酸蒸煮物の含水量の低減目標値を設定することを特徴とするリグノセルロース系バイオマス由来化合物の製造方法。 - 前記工程(N)と前記工程(B)とが同時に行われる請求項1に記載のリグノセルロース系バイオマス由来化合物の製造方法。
- 前記工程(N)は、
(X)酵素をあらかじめ含んだ第一の糖化槽に前記乾燥処理された酸蒸煮物及びアンモニアをそれぞれ連続的に少しずつ添加する初期糖化工程を有し、
前記工程(B)は、
(Y)酵素をあらかじめ含んだ第二の糖化槽に前記初期糖化工程で生成された糖化液を連続的に少しずつ添加する糖化工程を有する、
請求項1又は2に記載のリグノセルロース系バイオマス由来化合物の製造方法。 - 前記工程(M)後の酸蒸煮物中の含水量が、乾燥したリグノセルロース系バイオマス1kgに対して1.00kg以上2.58kg以下である請求項1〜3のいずれか一項に記載のリグノセルロース系バイオマス由来化合物の製造方法。
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