JP6086280B2 - バイオマスの処理方法 - Google Patents
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Description
バイオマスを水熱処理する水熱処理装置と、水熱処理したバイオマスを糖化酵素によって糖化する糖化装置と、前記糖化装置で用いる糖化酵素を生産する糖化酵素生産装置とを備えたシステムを使用し、
第1処理手段によって、水熱処理したバイオマスの一部を粉砕せずに、そのまま前記糖化装置へ送るとともに、
第2処理手段によって、水熱処理したバイオマスの残部を前記糖化酵素生産装置へ連続的または間欠的に供給することにより、水熱処理したバイオマスの残部に含まれる酵素生産菌の成長および増殖を阻害する阻害物質に酵素生産菌を馴致させながら、供給した水熱処理バイオマスを培地に用いて糖化酵素生産菌を培養して糖化酵素の生産を行い、生産した糖化酵素を前記糖化装置へ送る、
ことを特徴とするバイオマスの処理方法。
前処理したバイオマスの残部を培地に用いることで、糖化酵素を生産することができる。この際、高価な高純度セルロース、単糖類、二糖類を用いないため、安価に生産することができる。
また、糖化と酵素生産の原料を同一の前処理バイオマスとすることにより、その前処理バイオマスの糖化に適した組成の酵素を生産できる。そのため、糖化の原料と異なる原料から酵素を生産し、その酵素を用いて糖化を行った場合と比べて、前処理バイオマスから生産した酵素を用いた方が、糖の収量が多くなり、生産性を向上させることができる。
また、酵素生産開始後、前処理バイオマスは糖化酵素生産菌に消費される。前処理バイオマスを糖化酵素生産装置に連続的または間欠的に供給することにより、一度にバイオマス全量を仕込む場合と比較して、糖化酵素生産装置内の固形物濃度を低く保つことが可能となる。これにより、攪拌不良、酸素移動の障害無く酵素生産をすることが可能となる。
また、前処理バイオマス中に糖化酵素生産菌の生育に悪影響を及ぼす物質が混ざっていた場合であっても、馴致効果によりその影響を低く留め、多くの糖化酵素を生産することができる。
前記水熱処理バイオマス残部の糖化酵素生産装置への供給は、供給した水熱処理バイオマスが糖化酵素生産菌に消費された量を連続的または間欠的に補給するものである請求項1記載のバイオマスの処理方法。
請求項1と同様の作用効果を奏する。
前記糖化装置は、水熱処理したバイオマスを糖化酵素によって糖化する工程と、糖化物を発酵微生物によって発酵する工程を同時に行う同時糖化発酵装置である請求項1または2記載のバイオマスの処理方法。
同時糖化発酵装置を用いることで、糖化と発酵を同一の槽内で実施できるため、プロセスが簡素なものとなる。また、生成された中間生成物が速やかに最終生成物に変換されるため、中間生成物たる糖の蓄積による酵素への阻害が生じることなく、最終生成物を得ることができる。
また、糖化発酵と酵素生産の原料を同一の前処理バイオマスとすることにより、その前処理バイオマスの糖化に適した組成の酵素を生産できる。そのため、糖化発酵の原料と異なる原料から酵素を生産し、その酵素を用いて糖化を行った場合と比べて、前処理バイオマスから生産した酵素を用いた方が、糖または発酵生成物の収量が多くなり、生産性を向上させることができる。
前記糖化酵素生産菌がアクレモニウム・セルロリティカス(Acremonium cellulolyticus)種に属する菌である請求項1〜3のいずれか1項記載のバイオマスの処理方法。
図1および図2に本発明にかかるバイオマスの処理操作フローの概略を、図3に従来例にかかるバイオマスの処理操作フローの概略を示す。
なお、本発明にかかる装置は、バガス、麦わら、パーム残渣、コーンストーバー、パームヤシ残渣、キャッサバ残渣、木片、木質廃材、ジュート、ケナフ、スイッチグラス、古紙等のセルロース、ヘミセルロースを含むバイオマスについて好適に使用できる。
セルロース、ヘミセルロースを含むバイオマスは、洗浄工程により、砂、小石等の異物と分離され、脱水工程により洗浄工程で添加された水分の多くが除去される。
前記バイオマスは、主にセルロース、ヘミセルロース、リグニンの3成分が固く結合した複合体となっているうえ、セルロース分子自体も固い結晶構造を取っているため、そのままでは糖化酵素セルラーゼがセルロース分子に接近できない。そのため、前処理装置内で、脱水後のバイオマスを、熱処理、水熱処理、酸処理、アルカリ法、微粉砕法、木材腐朽菌などのどれかで前処理して、前記3成分の結合を緩くする。その後、通常はコンタミネーションを防ぐために滅菌処理を行うが、熱処理、水熱処理(蒸煮、爆砕)、酸処理(硫酸、硝酸、リン酸などを用いた希酸法、濃酸法、SO2含浸爆砕法)並びにアルカリ法(苛性ソーダ法、亜硫酸ソーダ法、アンモニア法、水酸化カルシウム法)のいずれかの前処理を行った場合は、その前処理が滅菌効果を有するため、別途滅菌工程を設けなくても良いという利点がある。なお、濃硫酸法の場合はセルラーゼを用いずに前処理と糖化まで可能である。
前処理したバイオマスの一部は糖化装置へ送られ、糖化装置内で糖化される。この糖化装置の代表例としては、バイオリアクターを挙げることができる。この糖化装置内で、前処理したバイオマスが主に3種類のセルラーゼ(endoglucanase(EG)、cellobiohydrolase(CBH)、β−glucosidase(BGL))の作用によって分解される。このセルラーゼは、原料の乾燥重量あたり3〜30FPU/g、好ましくは5〜20FPU/g添加する(FPU/gは60分間にろ紙からグルコースを10.8mg生成するセルラーゼ酵素活性の単位)。なお、本発明における糖化装置には、後述する同時糖化発酵装置が含まれる。
糖化された原料は、さらに酵母や細菌によってエタノールや有機酸などの最終製品に加工される。特に、発酵、蒸留により、バイオ燃料としてのエタノールを取得するのが一般的である。糖をエタノールに変換するためには、サッカロマイセス属、シゾサッカロマイセス属、クルイベロマイセス属、ピキア属、キャンジダ属の酵母、ザイモモナス属、クロストリディウム属の細菌、あるいはそれらの特定遺伝子を組み込んだ遺伝子組換微生物を用いる。このエタノール発酵菌は、例えばサッカロマイセス セレビジエの場合、原料容積あたり1〜100g wet−wt/L、好ましくは5〜50g wet−wt/L接種する。また、糖を乳酸に変換するためには、例えばリゾプス・オリザエ(Rhizopus oryzae)のような糸状菌等を用いることができ、糖をコハク酸に変換するためには、例えばコリネ型細菌(Coryneform bacterium)、バチルス属細菌、リゾビウム属細菌等を用いることができる。
本発明は、糖化酵素を生産する工程に特徴を有し、この工程は糖化酵素生産装置によって行われる。この糖化酵素生産工程は、酵素生産菌を培養する工程と、培養した酵素生産菌を用いて酵素を生産する工程とからなる。以下に、糖化酵素を生産する工程について説明する。
より詳しくは、酵素生産槽内の酵素生産菌は大量の酸素を必要とするため、酵素生産槽内へ槽底部から空気が供給される。この酵素生産菌は供給された空気中の酸素を直接利用するのではなく、空気中の酸素が一旦液中に溶解され、この溶存酸素を利用する。しかし、酵素生産槽内の液体に固形物が含まれている場合や液体の粘度が高い場合は、空気中の酸素の液体への溶解が抑制される。
図2は、本発明にかかるバイオマスの処理操作フロー図であって、同時糖化発酵を行うケースを示したものである。換言すると、図1は糖化と発酵を別々の装置で行うケースを示したが、図2は糖化と発酵を一つの装置内で同時に行うケースを示している。
前処理を行う前に、まず製糖工場から排出されたバガスを水洗浄して石、砂等の異物を除去した。そして、この水洗浄バガスに対して脱水、乾燥等を行い、含有水分を80%程度にまで低減させ、このバガスに対して前処理を行った。前処理として水熱処理を用いた。具体的には、脱水等を行ったバガスをバッチ式加圧反応容器に充填し、25気圧の飽和水蒸気を直接投入して、反応容器内の温度を220℃まで加熱した。飽和水蒸気供給量を適宜調整しながら10分間同温度を保持し、排出バルブを開放することにより反応物を排出し、これを回収して水熱処理(前処理)バガスとした。
3Lジャーファーメンターに総量2,000gとなるように培地を調製した。
培地の炭素源としては、高純度物として結晶性セルロース(Solka Floc #300、International Fiber Corp.製)と、糖化原料と同じ炭素源として水熱処理バガスを用いた。これらの炭素源を各々乾重量で100g(湿重量330g)、アクレモニウム液体培養液を200g、ジャーファーメンターに投入した。また、硫酸アンモニウム10g、リン酸二水素カリウム2g、硫酸マグネシウム・7水和物2.4g、硫酸亜鉛・7水和物20mg、硫酸マンガン・5水和物20mg、硫酸銅(II)・5水和物20mgを含む栄養塩含有液500g、ならびにリン酸に水素カリウムおよび酒石酸カリウム・半水和物を加えたpH緩衝液(pH=4.0)500gを添加して、調整し、滅菌水470gを加えて総量2,000gとした。この培地の調整は滅菌条件下で行った。
200mL三角フラスコに培地を総量100gとなるように調製した。
詳細には、初めに水熱処理バガスを固形物濃度10重量%となるように投入し、投入した固形物が15FPU/g−dry固形物となるように糖化酵素含有液を添加した。そして、pH=5.0となるように苛性ソーダ20%液で調整し、無菌水を添加して総量100gとした。
糖化後の糖収量を表1に示す。なお、表中の数値は、Solka−Flocで生産した酵素を用いた場合の糖収量をそれぞれ100とし、それに対して、水熱バガスで生産した酵素を用いた場合の糖収量がどのような値になるかを示している。
Claims (4)
- バイオマスを水熱処理する水熱処理装置と、水熱処理したバイオマスを糖化酵素によって糖化する糖化装置と、前記糖化装置で用いる糖化酵素を生産する糖化酵素生産装置とを備えたシステムを使用し、
第1処理手段によって、水熱処理したバイオマスの一部を粉砕せずに、そのまま前記糖化装置へ送るとともに、
第2処理手段によって、水熱処理したバイオマスの残部を前記糖化酵素生産装置へ連続的または間欠的に供給することにより、水熱処理したバイオマスの残部に含まれる酵素生産菌の成長および増殖を阻害する阻害物質に酵素生産菌を馴致させながら、供給した水熱処理バイオマスを培地に用いて糖化酵素生産菌を培養して糖化酵素の生産を行い、生産した糖化酵素を前記糖化装置へ送る、
ことを特徴とするバイオマスの処理方法。 - 前記水熱処理バイオマス残部の糖化酵素生産装置への供給は、供給した水熱処理バイオマスが糖化酵素生産菌に消費された量を連続的または間欠的に補給するものである請求項1記載のバイオマスの処理方法。
- 前記糖化装置は、水熱処理したバイオマスを糖化酵素によって糖化する工程と、糖化物を発酵微生物によって発酵する工程を同時に行う同時糖化発酵装置である請求項1または2記載のバイオマスの処理方法。
- 前記糖化酵素生産菌がアクレモニウム・セルロリティカス(Acremonium cellulolyticus)種に属する菌である請求項1〜3のいずれか1項記載のバイオマスの処理方法。
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