JP6641628B2 - 糖液の製造方法 - Google Patents
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Description
セルロース含有バイオマスは、主に芳香族系重合物のリグニンと、単糖の重合物であるセルロースやヘミセルロースからなる。糖液を得るには、リグニンに保護されたセルロースやヘミセルロースを、機械的・熱化学的に加水分解する方法や、機械的・熱化学的に加水分解した後、さらに糖化酵素により加水分解する方法知られている。
[1]木質系バイオマスを加水分解処理して得られた液成分にマンナナーゼを反応させて糖化液を得る工程(A)、工程(A)の糖化液を精密ろ過膜および/または限外ろ過膜にてろ過して透過液側から糖液を回収する工程(B)を含む、糖液の製造方法。
[2]前記木質系バイオマスが針葉樹系バイオマスであることを特徴とする、[1]に記載の糖液の製造方法。
[3]前記工程(A)の加水分解処理が、水熱処理、水蒸気爆砕処理および希酸処理からなる群から選択される1種または2種以上であることを特徴とする、[1]または[2]に記載の糖液の製造方法。
[4]前記工程(A)において、液成分にセルラーゼを反応させることを特徴とする、[1]から[3]のいずれかに記載の糖液の製造方法。
[5]前記工程(A)において、マンナナーゼの添加量が液成分に含まれる全マンノース量(g)に対して0.01Unit/g以上であることを特徴とする請求項[1]から[4]のいずれかに記載の糖液の製造方法。
[6]前記工程(B)の精密ろ過膜および/または限外ろ過膜の材質の機能面が有機膜であることを特徴とする、[1]から[5]のいずれかに記載の糖液の製造方法。
[7]前記工程(B)の精密ろ過膜が平均細孔径0.01〜0.5μmの精密ろ過膜であることを特徴とする、[1]から[6]のいずれかに記載の糖液の製造方法。
[8]前記工程(B)の限外ろ過膜が分画分子量5000〜150000の限外ろ過膜であることを特徴とする、[1]から[7]のいずれかに記載の糖液の製造方法。
[9]前記工程(B)で得られた糖液を分画分子量300〜1000の限外ろ過膜にてろ過し、非透過液側からマンノビオースおよび/またはマンノトリオースを含む糖液を回収し、透過液側から単糖を含む糖液を回収する工程(C)を含むことを特徴とする、[1]から[8]のいずれかに記載の糖液の製造方法。
[10][1]から[9]のいずれかに記載の糖液の製造方法において、工程(B)として限外ろ過膜処理を含み、かつ、限外ろ過膜の非透過液側から回収される酵素成分を利用して工程(A)を行うことを特徴とする、糖液の製造方法。
各実施例、比較例において得られた糖液に含まれる糖濃度(グルコース濃度、キシロース濃度、マンビオース、マンノトリオース濃度)は、以下に示す条件でHPLCにより分析し、標品との比較により定量した。
カラム:Asahipak NH2P―50 4E(Shodex製)
移動相:超純水:アセトニトリル=25:75(流速1.0mL/min)
反応液:フェニルヒドラジン
検出方法:蛍光検出法
温度:30℃。
糖液に含まれるフラン系化合物(HMF、フルフラール)及びフェノール系化合物(バニリンなど)の濃度は、以下に示す条件でHPLCにより分析し、標品との比較により定量した。
カラム:Synergi HidroRP 4.6mm×250mm(Phenomenex製)
移動相:アセトニトリル−0.1%H3PO4(流速1.0mL/min)
検出方法:UV(283nm)
温度:40℃。
糖液に含まれる有機酸(酢酸、ギ酸)は、以下に示す条件でHPLCにより分析し、標品との比較により定量した。
カラム:Shim−Pack SPR−HとShim−Pack SCR101H(株式会社島津製作所製)の直列
移動相:5mM p−トルエンスルホン酸(流速0.8mL/min)
反応液:5mM p−トルエンスルホン酸、20mM ビストリス、0.1mM EDTA・2Na(流速0.8mL/min)
検出方法:電気伝導度
温度:45℃。
糖液の濁度は、HACH社製室内用高度濁度計(2100N)を用いて定量した。なお、この濁度計は、1000NTU以下の濁度でなければ測定できないため、必要に応じて糖液を蒸留水で希釈し、測定を行った。測定できた値を希釈率で割った値を濁度とした。
糖液のSS濃度は、JIS K0102 14.1(2008年)に準拠して測定した。ガラス繊維ろ紙(ADVANTEC社製 GS−25)を105℃で2時間加熱し、ガラス繊維ろ紙の重量(重量a)を測定した。乾燥させたガラス繊維ろ紙を濾過用フィルターホルダー(ADVANTEC社製 KP−47S)にセットし、サンプル液VmL(2〜10mL)を吸引濾過した。再度ガラス繊維ろ紙を105℃で2時間加熱した後に重量(重量b)を測定し、MLSS濃度を次の式1にて算出した。
SS濃度[mg/L]=(b−a)[mg]/V[mL]×1000 (式1)。
NRELが発行しているLAP法(“Determination of Structural Carbohydrates and Lignin in Biomass, Laboratory Analytical Procedure(LAP)”)を参考に以下に示す方法で組成を分析した。
全マンノース濃度(g/L)=(100−含水率(%))×マンノース含有率(%)÷10(式1)。
工程(1)の木質系バイオマスを水熱処理によって加水分解処理する方法について例を挙げて説明する。木質系バイオマスとして、針葉樹であるスギ、マツ、広葉樹であるユーカリの3種類の木屑を使用した。前記木質系バイオマスを水に浸し、攪拌しながら200℃で10分間オートクレーブ処理(日東高圧株式会社製)した。処理後は50℃まで冷却した後、液成分(以下、水熱処理液)と固形分に遠心分離(1500G)を用いて固液分離した。水熱処理液のpHはそれぞれ共に3.8であった。各水熱処理液の濃度を示す。水熱処理液の成分を表1に濁度およびSS濃度、全マンノース濃度を表2に示す。
実施例1で得られたスギおよびマツの水熱処理液(pH5)1Lにセルラーゼである“アクセルレース デュエット”(ダニスコジャパン製)を2mL添加して酵素反応を50℃で24時間行い、糖化液Cを得た。実施例1で得られたスギ、マツ、ユーカリの水熱処理液(pH5)および糖化液C(スギ、マツ)を6000Gで遠心して概ね固形分を除去した後、精密ろ過膜である材質がPVDFの平膜の東レ株式会社製“メンブレイTMR140”(登録商標)(孔径:0.08μm)を用いてデッドエンドろ過を行って精密ろ過膜のろ過性を加速試験として評価した。ろ過面積は直径4mmφの円状に切り出して使用した。ろ過性を評価する指標としては、膜面に液を常に浸した状態で50kPaを加圧し、加圧開始より0〜1分でろ過できた液量と、1〜2分(さらに1分間)でろ過できた液量を測定した。結果を表5および6に示す。結果から、酵素添加なし、およびセルラーゼ添加では精密ろ過膜を適用することは極めて困難であることがわかった。
実施例1で得られたスギおよびユーカリの水熱処理液(pH5)、糖化液Aに対して6000Gで遠心して概ね固形分を除去した後、様々なろ過面を適用し検討を行った。織布としては、T2731C(敷島カンバス製、ポリエステル、二重織、通気度1.67cc/cm2・sec)、PP934K(中尾フィルター製、ポリプロピレン、二重織、通気度0.3cc/cm2・sec)を利用し、スクリーンとしては金属メッシュ20ミクロン(飯田工業株式会社製、綾織)を直径4mmφの円状に切断して利用し、不織布としては不織布膜G−2260−3S(東レ株式会社製、ポリエステル、通気度11cc/cm2・sec)を利用した。ろ過した結果を表7および8に示す。結果から、ろ過性の向上はろ材により有意な差があることがわかり、実施例1との比較から、木質系バイオマスの加水分解物においては、特に精密ろ過膜において、マンナナーゼ添加によるろ過効果があることがわかった。
実施例1の比較として草本系バイオマスを水熱処理によって加水分解処理する方法について例を挙げて説明する。草本系バイオマスとして、サトウキビの搾りかすであるバガスを使用した。前記草本系バイオマスを水に浸し、攪拌しながら180℃および200℃の2条件で10分間オートクレーブ処理(日東高圧株式会社製)した。180℃の条件を加えたのは、草本系のヘミセルロースは一般的に木質系よりも分解されやすいことが知られているため同等の処理として設定した。処理後は50℃まで冷却した後、液成分(以下、バガス水熱処理液)と固形分に遠心分離(1500G)を用いて固液分離した。バガス水熱処理液のpHはそれぞれ共に3.6、3.2であった。各水熱処理液の濃度を示す。水熱処理液の成分を表9に濁度およびSS濃度、全マンノース濃度を表10に示す。
工程(1)の木質系バイオマスとしてスギを用いて水蒸気爆砕処理または希酸処理により加水分解した。水蒸気爆砕処理としては、水熱爆砕装置(日本電熱株式会社製、30Lサイズ)に、スギの木屑を投入して蒸気を導入し、3.5MPaを2.5分間維持して水蒸気爆砕処理を行った。この水蒸気爆砕処理したスギを直ちに水に添加し、最終的に固形分10質量%になるようにして水を追加で添加し攪拌して1500Gで1分の遠心分離で固形分と液成分に分離した。本液成分を爆砕処理加水分解物と称す。
実施例2で得られたpH5に調製した各々の加水分解物について、実施例1と同様の方法による精密ろ過膜のろ過性評価とろ過前の濁度を測定した結果を表17に示す。
実施例1で使用したスギの木屑を水熱処理して得られた水熱処理液(pH5、全マンノース濃度28g/L)1Lについて、“マンナナーゼ BGM(アマノ)”(天野エンザイム製)(ガラクトマンナン活性濃度:10,000Unit/g)の添加量を0.28mg、2.8mg、28mg、280mg、2.8gを添加した液について、それぞれ実施例1と同様の方法による精密ろ過膜のろ過性評価とろ過前の濁度を測定した。結果を表18に示す。表18に記載のとおり、マンナナーゼ添加量は、水熱処理液に含まれる全マンノース量(g)に対して、0.01Unit/g、0.1Unit/g、1.0Unit/g、10Unit/g、100Unit/g、1000Unit/gであった。
セルラーゼ中に入っているマンナナーゼの効果が影響していないか確認するため、セルラーゼ酵素液である“アクセルレース デュエット”(ダニスコジャパン製)のガラクトマンナン活性を測定したところ、0.084Unit/mLであった。これは0.006Unit/gに相当し、セルラーゼ中のマンナナーゼの影響は極めて少ないと言える。
実施例1で得られたスギの木屑の糖化液A、Bを精密ろ過膜でクロスフローろ過し、長期安定性を評価した。本検討は無機膜、有機膜それぞれで実施した。有機膜としては精密ろ過膜“トレフィルHFM”(東レ株式会社製、材質:PVDF、孔径:0.1μm)を、無機膜としては、精密ろ過膜“MEMBRALOX”(PALL製、材質:、孔径:0.2μm)について、膜面積を0.24m2としてろ過を行った。膜面線速度は30cm/秒、膜ろ過速度は0.5m/Dとして、糖化液A、Bそれぞれ40Lを用意し、ろ過圧力(膜間差圧)が100kPaに到達するまでろ過を行った。その後、膜を水洗浄し、残った糖化液A、Bの液をもう一度ろ過を行い再度100kPaに到達するまでろ過を行った。運転開始直後、水洗浄し運転再開直後のろ過圧力値を表19に示す。また、100kPaに到達した時間を表20に示す。
実施例1で得られたスギの木屑の水熱処理液(pH5)を実施例4と同様に精密ろ過膜でクロスフローろ過し、長期安定性を評価した。運転開始直後、水洗浄し運転再開直後のろ過圧力値を表21に示す。また、100kPaに到達した時間を表22に示す。
実施例1の条件で糖化液Bを精密ろ過膜処理し、さらにGE社製のクロスフロー型ろ過装置SEPAIIに限外ろ過膜PW(GE製、材質:ポリエーテルサルホン、分画分子量10,000)を装着してろ過をしたところ、表23の組成の糖液を得た。
実施例1で作成した水熱処理液(pH5)を利用して、連続的に糖化・酵素回収を行う例を示す。1Lのタンクに500mLの水熱処理液を滞留させ、中に“マンナナーゼ BGM(アマノ)”(天野エンザイム製)を0.1g、セルラーゼである“アクセルレース デュエット”(ダニスコジャパン製)を1mL添加して連続10時間でろ過を行った。限外ろ過膜“マイクローザSLP−0053”(旭化成株式会社製、材質:ポリスルホン、分画分子量:10,000)を利用した。タンクを50度に保持した状態で運転開始4時間はモジュールとタンクを循環するだけ行い、その後、5mL/分の時間でろ過を開始し、同時に、同量の5mL/分の量でタンクに水熱処理液を補給しつづけた。タンク温度は常に50℃で保持した。ろ過開始から0時間後、1時間後、5時間後、10時間後のろ過液の糖液の組成を表26に示すとおりで、常にほぼ同じ組成の糖液が得られることが判明した。すなわち、限外ろ過膜によってマンナナーゼ、セルラーゼを回収しながら膜の非透過側およびタンクに酵素を保持した状態で水熱処理液を連続的にマンノビオース、マンノオリゴ糖を生成しながらろ過できていた。マンノビオース、マンノオリゴ糖の濃度結果も実施例5の表23と同等であり、糖化と酵素回収、さらには膜処理を一体化できることが判明した。また膜処理中の操作圧力も特に増加は見られず、連続して本プロセスが運転できることがわかった。
実施例6と同様の方法で酵素を添加せずにろ過を実施した。その結果、90分後にろ液が出なくなり、ろ過が行えなくなった。
実施例1および2の方法と同様に、木質系バイオマスとして、油ヤシ空果房について、実施例1および2と同様の方法(すなわち、水熱処理、水蒸気爆砕処理、希酸処理)で、工程(1)加水分解処理する方法について例を挙げて説明する。
実施例7で得た油ヤシ空果房の水熱処理液、爆砕処理加水分解物、希酸処理化水分解物を実施例7と同様に精密ろ過膜でクロスフローろ過し、各々実施例1と同様の方法による精密ろ過膜のろ過性評価とろ過前の濁度を測定した結果を表31に示す。
実施例7で検討を行った油ヤシ空果房について、加水分解処理を行わずにマンナナーゼ処理を行った場合について示す。なお、油ヤシ空果房中(乾燥ベース)に存在する全マンノース量については、参考例6の方法を用いて、分析した結果、25mg/g−dry油ヤシ空果房と判明した。
2 分画分子量5000〜150,000の限外ろ過膜
3 回収酵素
4 糖化液
5 精密ろ過膜
6 固形分
7 分画分子量300〜1,000の限外ろ過膜
8 マンノビオース、マンノトリオース水溶液
9 単糖糖液
10 ナノろ過膜/逆浸透膜
11 発酵用濃縮液
12 発酵阻害物質
Claims (9)
- 木質系バイオマスを加水分解処理して得られた液成分にマンナナーゼを反応させて糖化液を得る工程(A)、工程(A)の糖化液を精密ろ過膜および/または限外ろ過膜にてろ過して透過液側から糖液を回収する工程(B)を含み、
前記工程(A)において、マンナナーゼの添加量が液成分に含まれる全マンノース量(g)に対して0.01Unit/g以上であることを特徴とする、糖液の製造方法。 - 前記木質系バイオマスが針葉樹系バイオマスであることを特徴とする、請求項1に記載の糖液の製造方法。
- 前記工程(A)の加水分解処理が、水熱処理、水蒸気爆砕処理および希酸処理からなる群から選択される1種または2種以上であることを特徴とする、請求項1または2に記載の糖液の製造方法。
- 前記工程(A)において、液成分にセルラーゼを反応させることを特徴とする、請求項1から3のいずれかに記載の糖液の製造方法。
- 前記工程(B)の精密ろ過膜および/または限外ろ過膜の材質の機能面が有機膜であることを特徴とする、請求項1から4のいずれかに記載の糖液の製造方法。
- 前記工程(B)の精密ろ過膜が平均細孔径0.01〜0.5μmの精密ろ過膜であることを特徴とする、請求項1から5のいずれかに記載の糖液の製造方法。
- 前記工程(B)の限外ろ過膜が分画分子量5000〜150000の限外ろ過膜であることを特徴とする、請求項1から6のいずれかに記載の糖液の製造方法。
- 前記工程(B)で得られた糖液を分画分子量300〜1000の限外ろ過膜にてろ過し、非透過液側からマンノビオースおよび/またはマンノトリオースを含む糖液を回収し、透過液側から単糖を含む糖液を回収する工程(C)を含むことを特徴とする、請求項1から7のいずれかに記載の糖液の製造方法。
- 前記工程(B)が限外ろ過膜処理を含み、かつ、限外ろ過膜の非透過液側から酵素成分を回収することを特徴とする、請求項1から8のいずれかに記載の糖液の製造方法。
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