JPWO2011115040A1 - 糖液の製造方法およびその装置 - Google Patents

Abstract

以下の工程（１）〜（３）を含む糖液製造プロセスを繰り返して糖液を製造する方法であって、工程（３）で得られた回収酵素を次回以降の糖液製造プロセスの工程（１）に使用することを特徴とする、糖液の製造方法、を提供することを目的とする。（１）セルロースに糸状菌由来セルラーゼを添加し一次加水分解する工程、（２）工程（１）の加水分解物に未使用の糸状菌由来セルラーゼを添加して二次加水分解する工程、および（３）工程（２）の加水分解物を固液分離し、得られた糖液から回収酵素を得る工程。これにより、セルロース前処理物から糖液を製造する方法において、セルラーゼなどの酵素使用量を削減する方法を提供する。【選択図】図１

Description

本発明は、セルロースから糖液を製造する方法およびその装置に関する。

糖を原料とした化学品の発酵生産プロセスは、種々の工業原料生産に利用されている。この発酵原料となる糖として、現在、さとうきび、澱粉、テンサイなどの食用原料に由来するものが工業的に使用されているが、今後の世界人口の増加による食用原料価格の高騰、あるいは食用と競合するという倫理的な側面から、再生可能な非食用資源、すなわちセルロース含有バイオマスより効率的に糖液を製造するプロセス、あるいは得られた糖液を発酵原料として、効率的に工業原料に変換するプロセスの構築が今後の課題となっている。

セルロース含有バイオマスから糖液を製造する方法として、濃硫酸を使用してセルロースおよびヘミセルロースを酸加水分解して糖液を製造する方法（特許文献１あるいは２）、セルロース含有バイオマスを希硫酸で加水分解処理した後に、さらにセルラーゼなどの酵素処理することより糖液を製造する方法が開示されている（非特許文献１）。また酸を使用しない方法として、２５０℃〜５００℃程度の亜臨界水を使用してセルロース含有バイオマスを加水分解して糖液を製造する方法（特許文献３）、またセルロース含有バイオマスを亜臨界水処理したあとに、さらに酵素処理することにより糖液を製造する方法（特許文献４）、またセルロース含有バイオマスを２４０℃〜２８０℃の加圧熱水で加水分解処理した後に、さらに酵素処理することにより糖液を製造する方法（特許文献５）が開示されている。

近年、特にエネルギー使用量および環境負荷が少なく、かつ糖収量が多い酵素を使用したバイオマスの加水分解方法が広く検討されている。しかしながら、こうした酵素を使用する方法の欠点として、酵素費が高いといった課題があった。

こうした技術課題を解決する手法として、加水分解に使用した酵素を回収再利用する方法が提案されている。例えば、スピンフィルターによる連続固液分離を行い、得られた糖液を限外濾過膜に通じてろ過し、酵素を回収する方法（特許文献６）、酵素糖化の段階において界面活性剤を投入することで酵素吸着を抑制し回収効率を向上させる方法（特許文献７）、酵素糖化後の残さを通電処理することで酵素成分を回収する方法（特許文献８）、酵素糖化後の残さを再度新しいバイオマスに再投入することで酵素を回収再利用する方法（特許文献９）、などが開示されている。

特表平１１−５０６９３４号公報 特開２００５−２２９８２１号公報 特開２００３−２１２８８８号公報 特開２００１−９５５９７号公報 特許３０４１３８０号公報 特開２００６−８７３１９号公報 特開昭６３−８７９９４号公報 特開２００８−２０６４８４号公報 特開昭５５−１４４８８５号公報

A. Adenら、"Lignocellulosic Biomass to Ethanol Process Design and Economics Utilizing Co-Current Dilute Acid Prehydrolysis and Enzymatic Hydrolysis for Corn Stover"NREL Technical Report (2002)

上述の通り、酵素を使用したセルロースの加水分解方法が開発されているが、酵素使用量を削減するという観点においてはその効果は不十分であった。したがって、本発明では、従来の方法での酵素使用量の削減効果を上回るプロセスを開発することを課題とする。

本発明は以下の［１］〜［１１］の構成を有する。
［１］以下の工程（１）〜（３）を含む糖液製造プロセスを繰り返して糖液を製造する方法であって、工程（３）で得られた回収酵素を次回以降の糖液製造プロセスの工程（１）に使用することを特徴とする、糖液の製造方法。
（１）セルロースに糸状菌由来セルラーゼを添加し一次加水分解する工程、
（２）工程（１）の加水分解物に未使用の糸状菌由来セルラーゼを添加して二次加水分解する工程、および
（３）工程（２）の加水分解物を固液分離し、得られた糖液から回収酵素を得る工程。
［２］糖液製造プロセスでの前記工程（１）における糸状菌由来セルラーゼとして、糸状菌由来セルラーゼによるセルロース加水分解物からの回収酵素成分を使用することを特徴とする、［１］記載の糖液の製造方法。
［３］前記工程（１）または（２）における糸状菌由来セルラーゼがトリコデルマ属微生物の培養液由来成分を含むことを特徴とする、［１］または［２］に記載の糖液の製造方法。
［４］前記回収酵素がキシラナーゼおよび／またはキシロシダーゼを含むことを特徴とする、［１］から［３］いずれかに記載の糖液の製造方法。
［５］前記回収酵素が水不溶性の糸状菌由来セルラーゼを含むことを特徴とする、［１］から［４］いずれかに記載の糖液の製造方法。
［６］前記セルロースが、セルロース含有バイオマスをアルカリ処理、水熱処理または希硫酸処理して得られた処理物であることを特徴とする、［１］から［５］いずれかに記載の糖液の製造方法。
［７］一次加水分解および二次加水分解における酵素添加量が、工程（１）での回収酵素の添加量＞工程（２）での未使用酵素量の添加量、の関係式を満たすことを特徴とする、［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（３）における糸状菌由来セルラーゼの回収が、糖液を限外濾過膜に通じてろ過し、非透過側から回収す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］セルロースを加水分解する工程を含む糖液の製造方法のための装置であって、回収酵素投入配管および未使用酵素投入配管が連結した加水分解槽、加水分解物を固液分離する装置、限外濾過膜の洗浄および／または循環配管内に保持された回収酵素を除去するための水供給配管を有する糖液保持タンク、ならびに酵素と糖液を分離するための限外濾過膜装置、を構成として含む装置。
［１０］セルロースを加水分解する工程を含む糖液の製造方法のための装置であって、回収酵素とセルロースを混合し一次加水分解を行うためのセルロース／回収酵素混合装置、セルロース／回収酵素混合物供給配管と未使用酵素投入口が連結した加水分解槽、加水分解物を固液分離する装置、限外濾過膜の洗浄および／または循環配管内に保持された回収酵素を除去するための水供給配管を有する糖液保持タンク、および酵素と糖液を分離するための限外濾過膜装置、を構成として含む装置。
［１１］［９］または［１０］に記載の装置構成に加え、さらに糖液を濃縮する逆浸透膜および／またはナノろ過膜装置、を構成として含む装置。

セルラーゼを回収再利用するセルロースの加水分解方法において、未使用酵素の添加前に、回収酵素を添加する一次加水分解を実施し、次いで未使用酵素をさらに添加し二次加水分解を行うことで加水分解の際に使用する酵素量を大幅に削減することができ、さらにセルロース含有バイオマスからの糖生成効率が大きく向上する。

図１は、本発明の加水分解方法における手順を示す略図である。 図２は、本発明で用いる装置を示す略図である。 図３は、本発明で用いる装置を示す略図である。 図４は、本発明で用いる装置を示す略図である。 図５は、本発明で用いる装置を示す略図である。 図６は、本発明で用いる装置を示す略図である。 図７は、本発明で用いる装置を示す略図である。 図８は、本発明で用いる装置を示す略図である。 図９は、本発明で用いる装置を示す略図である。 図１０は、本発明で用いる装置を示す略図である。 図１１は、水不溶性のトリコデルマ由来セルラーゼ成分をＳＤＳ−ＰＡＧＥした結果を示す図である。

セルロースは、バガス、スイッチグラス、ネピアグラス、エリアンサス、コーンストーバー、稲わら、麦わら、などの草本系バイオマス、あるいは樹木、廃建材などの木質系バイオマスに多量に含まれており、本発明ではこれらセルロース含有バイオマスを原料として好ましく利用することができる。

セルロース含有バイオマスには、セルロースおよびヘミセルロース（以下、セルロースとヘミセルロースの総称として「セルロース」という。）の他に芳香族高分子であるリグニン等を含有しているため、本発明の糖液の製造方法においてバイオマス由来のセルロースを糖液の原料とする場合、前処理を施すことにより酵素による加水分解効率を向上させることができる。セルロース含有バイオマスの前処理方法としては、酸処理、硫酸処理、希硫酸処理、アルカリ処理、苛性ソーダ処理、、水熱処理、亜臨界水処理、微粉砕処理、蒸煮処理が挙げられるが、本発明においてはアルカリ処理、水熱処理または希硫酸処理であることが好ましい。

アルカリ処理は、アルカリとして、水酸化ナトリウム、水酸化カルシウム、アンモニアなどのアルカリを使用する方法があるが、特にアンモニアが好ましく使用できる。こうしたアンモニア処理は、特開２００８−１６１１２５号公報および特開２００８−５３５６６４号公報に記載の手法で実施することができる。例えば、使用するアンモニア濃度はバイオマスに対して０．１〜１５重量％の範囲で添加し、４〜２００℃、好ましくは９０〜１５０℃で処理する。添加するアンモニアは液体状態、あるいは気体状態のどちらであってもよい。さらに添加する形態は純アンモニアでもアンモニア水溶液の形態でもよい。処理回数は特に限定されず前記処理を１回以上行えばよい。特に前記処理を２回以上行う場合、１回目と２回目以降の処理を異なる条件で実施してもよい。アンモニア処理によって得られた処理物は、さらに酵素による加水分解反応を行うため、アンモニアの中和あるいはアンモニアの除去を行う必要がある。中和は、加水分解物より固形分を固液分離により除去したアンモニアに対し行ってもよいし、固形分を含んだままの状態で行ってもよい。中和に使用する酸試薬は特に限定されない。アンモニアの除去は、アンモニア処理物を減圧状態に保つことでアンモニアを気体状態に揮発させて除去することができる。また除去したアンモニアは、回収再利用してもよい。

水熱処理の場合、セルロース含有バイオマスが、０．１〜５０重量％となるよう水を添加後、１００〜４００℃の温度で、１秒〜６０分処理する。こうした温度条件において処理することにより、セルロースの加水分解が起こる。処理回数は特に限定されず該処理を１回以上行えばよい。特に該処理を２回以上行う場合、１回目と２回目以降の処理を異なる条件で実施してもよい。

希硫酸処理の場合、硫酸の濃度は０．１〜１５重量％であることが好ましく、０．５〜５重量％であることがより好ましい。反応温度は１００〜３００℃の範囲で設定することができ、１２０〜２５０℃で設定することが好ましい。反応時間は１秒〜６０分の範囲で設定することができる。処理回数は特に限定されず前記処理を１回以上行えばよい。特に上記処理を２回以上行う場合、１回目と２回目以降の処理を異なる条件で実施してもよい。希硫酸処理によって得られた加水分解物は、酸を含んでおり、さらにセルラーゼによる加水分解反応を行うため、あるいは発酵原料として使用するために、中和を行う必要がある。

本発明では、前述のセルロースを糸状菌由来セルラーゼにより加水分解を行うことを特徴としている。セルロースの加水分解とは、セルロースをセルラーゼの作用により、低分子量化せしめ、単糖あるいはオリゴ糖を生成することを指す。加水分解の反応条件としては、セルラーゼの好ましい反応条件に準じて行えば限定されないが、一般的に反応温度は、１５℃〜１００℃の範囲が好ましく、４０℃〜６０℃がより好ましく、５０℃が更に好ましい。加水分解のｐＨは、ｐＨ３〜９の範囲が好ましく、ｐＨ４〜５．５がより好ましく、ｐＨ５がさらに好ましい。ｐＨ調整には、酸あるいはアルカリを所望のｐＨとなるように添加し調整することができる。また、適宜緩衝液を使用してもよい。加水分解では、セルロースと酵素の接触を促進させるため、また加水分解物の糖濃度を均一にするため攪拌混合を行うことが好ましい。セルロースの固形分濃度は、１〜２５重量％の範囲となるよう加水をすることが好ましく、８〜２０重量％の範囲であることがより好ましい。

糸状菌由来セルラーゼとは、トリコデルマ属（Ｔｒｉｃｈｏｄｅｒｍａ）、アスペルギルス属（Ａｓｐｅｒｇｉｌｌｕｓ）、セルロモナス属（Ｃｅｌｌｕｌｏｍｏｎａｓ）、クロストリジウム属（Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ）、ストレプトマイセス属（Ｓｔｒｅｐｔｏｍｙｃｅｓ）、フミコラ属（Ｈｕｍｉｃｏｌａ）、アクレモニウム属（Ａｃｒｅｍｏｎｉｕｍ）、イルペックス属（Ｉｒｐｅｘ）、ムコール属（Ｍｕｃｏｒ）、タラロマイセス属（Ｔａｌａｒｏｍｙｃｅｓ）、ファネロカエーテ属（Ｐｈａｎｅｒｏｃｈａｅｔｅ）属、白色腐朽菌、褐色腐朽菌、などが例示できる。こうした糸状菌由来セルラーゼの中でも、セルロース分解活性が高いトリコデルマ由来セルラーゼを使用することが好ましい。

トリコデルマ由来セルラーゼとは、トリコデルマ属微生物由来のセルラーゼを主成分とする酵素組成物である。トリコデルマ属微生物は特に限定されないが、トリコデルマ・リーセイ（Ｔｒｉｃｈｏｄｅｒｍａ ｒｅｅｓｅｉ）が好ましく、具体的にはトリコデルマ・リーセイＱＭ９４１４（Ｔｒｉｃｈｏｄｅｒｍａ ｒｅｅｓｅｉ ＱＭ９４１４）、トリコデルマ・リーセイＱＭ９１２３（Ｔｒｉｃｈｏｄｅｒｍａ ｒｅｅｓｅｉＱＭ９１２３）、トリコデルマ・リーセイＲｕｔＣ−３０（Ｔｒｉｃｈｏｄｅｒｍａ ｒｅｅｓｅｉＲｕｔ Ｃ−３０）、トリコデルマ・リーセイＡＴＣＣ６８５８９（Ｔｒｉｃｈｏｄｅｒｍａ ｒｅｅｓｅｉ ＡＴＣＣ６８５８９）、トリコデルマ・リーセイＰＣ３−７（Ｔｒｉｃｈｏｄｅｒｍａ ｒｅｅｓｅｉ ＰＣ３−７）、トリコデルマ・リーセイＣＬ−８４７（Ｔｒｉｃｈｏｄｅｒｍａ ｒｅｅｓｅｉＣＬ−８４７）、トリコデルマ・リーセイＭＣＧ７７（Ｔｒｉｃｈｏｄｅｒｍａ ｒｅｅｓｅｉ ＭＣＧ７７）、トリコデルマ・リーセイＭＣＧ８０（Ｔｒｉｃｈｏｄｅｒｍａ ｒｅｅｓｅｉＭＣＧ８０）、トリコデルマ・ビリデＱＭ９１２３（Ｔｒｉｃｈｏｄｅｒｍａ ｖｉｒｉｄｅ９１２３）を例示することができる。また、前述のトリコデルマ属に由来する微生物であって、これらを変異剤あるいは紫外線照射などで変異処理を施し、セルラーゼ生産性が向上した変異株であってもよい。

本発明で使用する糸状菌由来セルラーゼは、セロビオハイドラーゼ、エンドグルカナーゼ、エキソグルカナーゼ、βグルコシダーゼ、キシラナーゼ、キシロシダーゼなどの複数の酵素成分を含む、セルロースを加水分解して糖化する活性を有する酵素組成物である。糸状菌由来セルラーゼは、セルロース分解において複数の酵素成分の協奏効果あるいは補完効果により効率的なセルロースの加水分解を実施することができる。

セロビオハイドラーゼとは、セルロースの末端部分から加水分解していくことを特徴とするセルラーゼの総称であり、ＥＣ番号：ＥＣ３．２．１．９１としてセロビオハイドラーゼに帰属される酵素群が記載されている。

エンドグルカナーゼとは、セルロース分子鎖の中央部分から加水分解することを特徴とするセルラーゼの総称であり、ＥＣ番号：ＥＣ３．２．１．４、ＥＣ３．２．１．６、ＥＣ３．２．１．３９、ＥＣ３．２．１．７３としてエンドグルカナーゼに帰属される酵素群が記載されている。

エキソグルカナーゼとは、セルロース分子鎖の末端から加水分解することを特徴とするセルラーゼの総称であり、ＥＣ番号：ＥＣ３．２．１．７４、ＥＣ３．２．１．５８としてエキソグルカナーゼに帰属される酵素群が記載されている。

βグルコシダーゼとは、セロオリゴ糖あるいはセロビオースに作用することを特徴とするセルラーゼの総称であり、ＥＣ番号：ＥＣ３．２．１．２１としてβグルコシダーゼに帰属される酵素群が記載されている。

キシラナーゼとは、ヘミセルロースあるいは特にキシランに作用することを特徴とするセルラーゼの総称であり、ＥＣ番号：ＥＣ３．２．１．８としてキシラナーゼに帰属される酵素群が記載されている。

キシロシダーゼとは、キシロオリゴ糖に作用することを特徴とするセルラーゼの総称であり、ＥＣ番号：ＥＣ３．２．１．３７としてキシロシダーゼに帰属される酵素群が記載されている。

トリコデルマ由来セルラーゼとしては、トリコデルマ属微生物の培養液由来成分を含むものが好ましく使用される。トリコデルマ由来培養液由来成分とは、トリコデルマ属の微生物がセルラーゼを産生するよう調整した培地中で培養し、得られた培養液に含まれるセルラーゼ以外の成分すべてを含む。すなわち、セルラーゼ以外の酵素成分、トリコデルマ属微生物菌体、培養に使用した培地成分、などを例示することができる。特に、培養に使用する培地成分としては、グルコースあるいはキシロースなどの単糖、コーンスティープリカー、酵母抽出液（ｙｅａｓｔ ｅｘｔｒａｃｔ）、セルロースなどのセルラーゼ生産誘導物質、ミネラル、ビタミン成分などを例示することができる。トリコデルマ属微生物の培養液由来成分として、トリコデルマ属微生物菌体を含んでいてもよい。トリコデルマ属微生物菌体が、本発明のトリコデルマ由来セルラーゼの成分として含まれることによって、回収酵素の活性量を増大させることができるためである。

トリコデルマ由来セルラーゼ中の各酵素成分の重量比は特に限定されるものではないが、例えば、トリコデルマ・リーセイ由来の培養液には、５０〜９５重量％のセロビオハイドラーゼが含まれており、残りの成分にエンドグルカナーゼ、βグルコシダーゼ、エキソ−１，４−β−Ｄ−グルコサミダーゼ、キシラナーゼ、キシロシダーゼ、エンド−１，４−マンノシダーゼ、１，２−α−マンノシダーゼ、α−グルクロニダーゼ、キトサナーゼ、キチナーゼ、１，４−α−グルコシダーゼ、α−ガラクトシダーゼ、β−ガラクトシダーゼ、アラビノフラノシダーゼ、キシランエステラーゼ、スウォレニン、ハイドロホービン、等が含まれている。また、トリコデルマ属の微生物は、強力なセルラーゼ成分を培養液中に生産する一方で、βグルコシダーゼに関しては、細胞内あるいは細胞表層に保持しているため培養液中のβグルコシダーゼ活性は低いため、本来保有するトリコデルマ由来セルラーゼ成分に加え、さらに異種または同種のβグルコシダーゼを添加してもよい。異種のβグルコシダーゼとしては、アスペルギルス属由来のβグルコシダーゼが好ましく使用できる。アスペルギルス属由来のβグルコシダーゼとして、ノボザイム社より市販されているＮｏｖｏｚｙｍｅ１８８などを例示することができる。異種または同種のβグルコシダーゼを添加する方法としては、トリコデルマ属の微生物に遺伝子を導入し、その培養液中に産生されるよう遺伝子組換えされたトリコデルマ属の微生物を培養し、その培養液を単離する方法でもよい。

本発明では、前述の糸状菌由来セルラーゼによるセルロースの加水分解を、一次加水分解と二次加水分解に分けて実施することを特徴としている。以下、工程順に説明する。

本発明における一次加水分解とは、酵素処理していないセルロースに対して、糸状菌由来セルラーゼを添加して加水分解を行うことをいう。一次加水分解として使用する酵素は、後述の未使用酵素であっても回収酵素であってもよいが、回収酵素を使用することで糖生成効率を向上できることができるため、回収酵素が好ましく使用される。一次加水分解において回収酵素を使用することにより糖生成効率が向上するメカニズムとして、回収酵素には、加水分解時の熱により一部構造変性した酵素成分が含まれており、こうした酵素成分がセルロースの表面に存在する吸着点に対する吸着が特段に強く、結果としてセルロース中のリグニンなどの吸着性の表面部位に非特異的に吸着する。このため、その後に投入する未使用酵素成分の非特異吸着を抑制することができる。一般的に、回収酵素と未使用酵素のセルラーゼ分解における比活性（タンパク質重量当たりの酵素活性）を比べると、未使用酵素の方が高い活性を示す。すなわち、こうした比活性のより高い未使用酵素成分の非特異的吸着が抑制できる結果、糖生産性および酵素の回収効率を向上させることができる。また、第２の理由として、本発明の回収酵素は、回収回数を重ねるごとにキシラン分解活性が高められるという特徴を有している。回収酵素に含まれるキシラン分解活性は、カバの木由来キシラン（Ｂｉｒｃｈ ｗｏｏｄ ｘｙｌａｎ）などの試薬キシランを分解基質として使用することで測定することができる。キシラン分解活性に関与する糸状菌由来セルラーゼ成分としては、キシラナーゼおよびキシロシダーゼがある。キシラナーゼとしては、ｘｙｎ１（ＧＨ１１）、ｘｙｎ２（ＧＨ１１）、ｘｙｎ３（ＧＨ１０）、ｘｙｎ４（ＧＨ５）、ｘｙｎ５ｂ（ＧＨ５）、ｘｙｎ１１（ＧＨ１１）、の遺伝子が存在する。キシロシダーゼとしては、ｂｘｌ１／ｂｘｌ３ａ（ＧＨ３）、ｂｘｌ３ｂ（ＧＨ３）、ｂｘｌ３ｃ（ＧＨ３）の遺伝子が存在する。前述した遺伝子は、それぞれキシラナーゼおよびキシロシダーゼをコードしており、糸状菌由来セルラーゼ成分として含まれる。特に回収酵素として高められるキシラン分解酵素としては、キシラナーゼ３（分子量３８ｋＤａ、ｘｙｎ３）、エンド−β−１，４−キシラナーゼ（分子量２５ｋＤａ、ｘｙｎ１）、β−キシロシダーゼ（分子量８８ｋＤａ、ｂｘｌ１／ｂｘｌ３ａ）が例示できる。こうしたキシラン分解活性が高められた回収酵素を一次加水分解に添加することにより、セルロースを取り巻くキシラン成分が優先的に加水分解され、一次および二次加水分解における糖生産性を高めることができる。

一次加水分解の反応時間は、１５分〜６時間の範囲であることが好ましい。１５分未満である場合、糖生成効率の向上程度が低くなる場合があり、一方で、６時間以上であると、時間に対する糖生成効率が低くなる場合がある。セルロース濃度、および反応温度、およびｐＨは、特に限定されるものでなく、前述の加水分解条件が好ましく適用できる。

一次加水分解での酵素添加量は、セルロース前処理物重量に対して、１／１０００〜１／５０量であることが好ましい。セルロース前処理物の重量とは、セルロース前処理物に含まれる固形分の重量を測定することで算出することができる。こうした固形分の重量は、前処理物を遠心分離、膜濾過などの手法で、固液分離と水洗浄を行うことで、水溶性化合物の分離除去を行った後、得られた含水固体を恒量となるまで乾燥し、その重量を測定することで算出することができる。また、酵素添加量は、未使用酵素を含む溶液中のタンパク質濃度をＢＣＡ法で測定し、このタンパク質濃度を添加した未使用酵素の溶液量で乗じることで算出することができる。

一次加水分解によって得られる一次加水分解物中には、加水分解で生成する単糖成分が蓄積している。特に、一次加水分解に回収酵素を使用する場合、キシラン分解活性が高まる傾向にある。すなわち、回収酵素を一次加水分解に使用する際の一次加水分解物には、キシロースが多く生成しているという特徴を有している。本発明の一次加水分解によって得られる一次加水分解物は、そのままの状態、あるいは固液分離などの未分解の固形物濃度を高める操作を行った後、後述の二次加水分解を行うことができる。また一次加水分解の後に固液分離を行う場合、分離によって得られる溶液成分は糖液として利用することができる。

本発明における二次加水分解とは、前述の一次加水分解で得られる加水分解物に対して、未使用酵素をさらに添加して加水分解を行うことをいう。一次加水分解物に対しては、特段の固液分離操作は行う必要はない。また、必要であれば、水をさらに添加してもよいが、特に限定されるものではない。

本発明では、未使用酵素を二次加水分解に投入および使用する。その目的として、１）一次加水分解での投入酵素量（未使用酵素あるいは回収酵素）では、セルロースの分解効率が十分でないため、追加で投入することで十分なセルロース分解効率を得ること、２）一次加水分解、および二次加水分解の２回に分けて、未使用酵素を投入することで糖生成効率および酵素回収効率を向上できること、がその目的として挙げられる。また特に、回収酵素を使用した一次加水分解のみを実施した場合、２回目以降の糖生産量が減少するため好ましくない。したがって、回収酵素に加えて、二次加水分解において、さらに未使用酵素を投入することで、１回目、あるいは前回の糖生産量と同等の生産を行うことができる。すなわち本糖液の製造方法において、一定以上の糖濃度の生産を繰り返し行うことができる。

二次加水分解における未使用酵素の添加は、複数回に分けて投入（分割投入）してもよい。例えば、一次加水分解終了後、二次加水分解で添加すべき未使用酵素量の半分を投入し、数時間加水分解を行った後に残りの半分をさらに投入するなどと方法が考えられる。本発明では、このように二次加水分解において、新規酵素を何回かに分けて分割投入したとしても、これらの操作を含めて二次加水分解と呼ぶ。

二次加水分解の反応時間は、一次加水分解より長いことが好ましい。また、具体的な二次加水分解の反応時間としては、１〜２００時間の範囲が好ましく、６〜７２時間の範囲がより好ましく、１２〜２４時間の範囲がさらに好ましい。反応時間は、酵素の使用量、反応温度、および目的とする糖濃度などによって調整されるべき事項であるが、セルラーゼの回収再利用を考えた場合、反応時間が２００時間を超えてしまうと、セルラーゼの熱失活が起きる場合がある。一方で、反応時間が、１時間未満であると十分な糖濃度の加水分解物を得ることができない場合がある。

二次加水分解での酵素添加量は、セルロース前処理物重量に対して、１／１０００〜１／５０量であることが好ましい。セルロース前処理物重量に関しては、前述一次加水分解前のセルロース前処理物の固形分の重量をもって算出することができる。

一次加水分解および二次加水分解での酵素添加量に関しては、一次加水分解での酵素添加量＞二次加水分解での酵素添加量、の関係式を満たすことが好ましい。ここでいう添加量とは、添加する未使用酵素あるいは回収酵素のタンパク質濃度に対して、投入する酵素溶液量を乗じることで算出することができる。タンパク質濃度の測定は前述の公知の方法で、回収酵素ならびに未使用酵素のタンパク質濃度を算出することができる。ここでいうタンパク質濃度とは、単純にタンパク質濃度であって、それがセルラーゼ由来成分であるか、あるいはその他成分であるかは限定されるものではない。本発明では、この添加量の関係式を満たすとき、より多い糖生産量を得ることができ、また酵素の回収効率もより一段と向上することができる。

また本発明では、二次加水分解物を固液分離し、得られた糖液から糸状菌由来セルラーゼを回収する工程と、回収した糸状菌由来セルラーゼを一次加水分解に再利用する工程を有することを特徴としている。以下、工程順に説明する。

二次加水分解物の固液分離は、二次加水分解によって得られた糖液と加水分解残さを分離する目的で行われる。糖液とは、前述のセルロースの加水分解によって得られる糖溶液のことを指す。一般的に糖とは、単糖の重合度によって分類され、グルコース、キシロースなどの単糖類、そして単糖が２〜９個脱水縮合したオリゴ糖類、さらには単糖が１０個以上脱水縮合した多糖類に分類される。本発明により得られる糖液には、グルコースまたはキシロースが主成分として含まれ、また、少量ではあるが、セロビオースなどのオリゴ糖、およびアラビノース、マンノースなどの単糖も含まれる。具体的な水に溶解した単糖、オリゴ糖、多糖の分析方法としては、ＨＰＬＣにより、標品との比較により定量することができる。固液分離の方法は特に限定されないが、スクリューデカンタなどの遠心法、フィルタープレスなどの濾過法、精密濾過膜などの膜分離法により固液分離を行うことができる。

また、糸状菌由来セルラーゼは、二次加水分解物において、糖液に溶解した状態あるいは未分解物である固形残さに吸着した状態のいずれかで存在するが、こうした糸状菌由来セルラーゼを、固液分離によって糖液側から回収することができる。糸状菌由来セルラーゼを糖液から回収する方法としては、糖液を限外濾過膜に通じてろ過して、非透過側からセルラーゼを回収する方法が好ましい例として挙げられる。使用する限外濾過膜としては、ポリエーテルサルホン（ＰＥＳ）、ポリフッ化ビニルデン（ＰＶＤＦ）、再生セルロースなどの素材の膜を使用することができるが、再生セルロースは、セルラーゼによる分解を受けるため、ＰＥＳ、ＰＶＤＦなどの合成高分子を素材とした限外濾過膜を使用することが好ましい。限外濾過膜の分画分子量は使用するセルラーゼを効率的に回収可能なものであれば、特に限定されないが、分画分子量１０００〜５００００の範囲の限外濾過膜であることが好ましい。回収酵素量は、二次加水分解に添加する未使用酵素の添加量によって、その回収酵素量が変動するため、特に限定されるものではない。

本発明における回収再利用を繰り返す操作において、特に限外濾過膜による回収酵素の分離過程で、水不溶性の糸状菌由来セルラーゼ成分が回収酵素成分として得られることがある。こうした水不溶性の糸状菌由来セルラーゼ成分は、加水分解における過程、あるいは限外濾過膜等による酵素回収の過程で生成した酵素成分である。こうした水不溶性の糸状菌由来セルラーゼ成分は、固液分離、ろ過などで除去することなく、そのまま回収酵素成分として使用することが好ましい。水不溶性の糸状菌由来セルラーゼ成分としては、主としてセロビオハイドラーゼから構成される。水不溶性とは、回収酵素液中において、沈殿、フロック、ペレット、微粒子としての状態で存在することを意味し、回収酵素をチューブに入れ遠心処理を行うことで、水不溶性の糸状菌由来セルラーゼ成分として沈殿として分離することができる。沈殿として回収された水不溶性の糸状菌由来セルラーゼ成分は、白色、淡黄色、褐色、などの色で確認できる。水不溶性の糸状菌由来セルラーゼ成分を分離し、水に再懸濁することでその一部は溶解させることができる。但し、完全に溶解させるためには、尿素、界面活性剤（ドデシル硫酸ナトリウム、ツイン８０、トライトンＸなど）を添加する必要がある。こうした水不溶性の糸状菌由来セルラーゼ成分を含む回収酵素を、一次加水分解に再利用することにより、さらに一層高い糖生産性を得ることができる。

二次加水分解物から回収された糸状菌由来セルラーゼ（以下、回収酵素という。）は、一次加水分解に再利用される。一次加水分解において回収酵素を使用することの利点は前述の通りである。回収酵素の再利用回数については特に限定はない。

本発明では、二次加水分解物からの回収酵素を一次加水分解に再利用する際の酵素添加量が、二次加水分解での未使用酵素の添加量よりも多くなることが好ましい。ここでの酵素添加量は前述の通りタンパク質量で測定される。一般的に、回収酵素のセルラーゼ活性（タンパク質量に対する酵素活性）は、未使用酵素のセルラーゼ活性より低いが、本発明では、一次加水分解に再利用する回収酵素添加量＞二次加水分解での未使用酵素添加量である場合、未使用酵素量に対する糖生成効率が増大する。

本発明により得られる糖液には、セルロース、ヘミセルロース（キシラン、アラビナン）に由来する、グルコース、キシロース、アラビノース、マンオースなど単糖を含む。単糖の構成比率は、特に限定されないが、主たる単糖成分はグルコースおよびキシロースである。本発明の糖液には、単糖に比べると微量ではあるが、セロビオースなどオリゴ糖、などを含んでもよい。糖液に含まれる単糖濃度は特に限定されないが、０．１〜２０重量％であることが好ましく、さらに好ましくは、５〜２０重量％であることが好ましい。糖液濃度が、５〜２０重量％の範囲にあると、糖液は、特段の濃縮の必要なく微生物の発酵原料として使用できる。

本発明の糖液は、ナノろ過膜および／または逆浸透膜で濃縮することができる。本発明で使用されるナノろ過膜あるいは逆浸透膜の素材には、酢酸セルロース系ポリマー、ポリアミド、ポリエステル、ポリイミド、ビニルポリマー、ポリサルホンなどの高分子素材を使用することができるが、前記１種類の素材で構成される膜に限定されず、複数の膜素材を含む膜であってもよい。

本発明で用いるナノろ過膜は、スパイラル型の膜エレメントが好ましく使用される。好ましいナノろ過膜エレメントの具体例としては、例えば、酢酸セルロース系のナノろ過膜エレメントであるＧＥ Ｏｓｍｏｎｉｃｓ社製ＧＥｓｅｐａ、ポリアミドを機能層とするアルファラバル社製ナノろ過膜エレメントのＮＦ９９またはＮＦ９９ＨＦ、架橋ピペラジンポリアミドを機能層とするフィルムテック社製ナノろ過膜エレメントのＮＦ−４５、ＮＦ−９０、ＮＦ−２００、ＮＦ−２７０またはＮＦ−４００、あるいは架橋ピペラジンポリアミドを主成分とする東レ株式会社製ナノろ過膜のＵＴＣ６０を含む同社製ナノろ過膜エレメントＳＵ−２１０、ＳＵ−２２０、ＳＵ−６００またはＳＵ−６１０が挙げられ、より好ましくはＮＦ９９またはＮＦ９９ＨＦ、ＮＦ−４５、ＮＦ−９０、ＮＦ−２００またはＮＦ−４００、あるいはＳＵ−２１０、ＳＵ−２２０、ＳＵ−６００またはＳＵ−６１０であり、さらに好ましくはＳＵ−２１０、ＳＵ−２２０、ＳＵ−６００またはＳＵ−６１０である。

また、本発明で用いる逆浸透膜は、ナノろ過膜と同様にスパイラル型の膜エレメントが好ましく使用される。好ましい逆浸透膜エレメントの具体例としては、例えば、東レ株式会社製ポリアミド系逆浸透膜モジュールである低圧タイプのＳＵ−７１０、ＳＵ−７２０、ＳＵ−７２０Ｆ、ＳＵ−７１０Ｌ、ＳＵ−７２０Ｌ、ＳＵ−７２０ＬＦ、ＳＵ−７２０Ｒ、ＳＵ−７１０Ｐ、ＳＵ−７２０Ｐの他、逆浸透膜としてＵＴＣ７０を含む高圧タイプのＳＵ−８１０、ＳＵ−８２０、ＳＵ−８２０Ｌ、ＳＵ−８２０ＦＡ、同社酢酸セルロース系逆浸透膜ＳＣ−Ｌ１００Ｒ、ＳＣ−Ｌ２００Ｒ、ＳＣ−１１００、ＳＣ−１２００、ＳＣ−２１００、ＳＣ−２２００、ＳＣ−３１００、ＳＣ−３２００、ＳＣ−８１００、ＳＣ−８２００、日東電工（株）製ＮＴＲ−７５９ＨＲ、ＮＴＲ−７２９ＨＦ、ＮＴＲ−７０ＳＷＣ、ＥＳ１０−Ｄ、ＥＳ２０−Ｄ、ＥＳ２０−Ｕ、ＥＳ１５−Ｄ、ＥＳ１５−Ｕ、ＬＦ１０−Ｄ、アルファラバル製ＲＯ９８ｐＨｔ、ＲＯ９９、ＨＲ９８ＰＰ、ＣＥ４０４０Ｃ−３０Ｄ、ＧＥ製ＧＥ Ｓｅｐａ、Ｆｉｌｍｔｅｃ製ＢＷ３０−４０４０、ＴＷ３０−４０４０、ＸＬＥ−４０４０、ＬＰ−４０４０、ＬＥ−４０４０、ＳＷ３０−４０４０、ＳＷ３０ＨＲＬＥ−４０４０などが挙げられる。

本発明の酵素によりセルロースを加水分解する糖液の製造方法を実施するための装置に関して、添付図面を参照して具体的に説明する。

本発明の装置は、前記糖液の製造方法を実施するための装置機構として、１．回収酵素投入配管および未使用酵素投入配管が連結した加水分解槽、２．加水分解物を固液分離する装置、３．限外濾過膜の洗浄および／または循環配管内に保持された回収酵素を除去するための水供給配管を有する糖液保持タンク、４．酵素と糖液を分離するための限外濾過膜装置、を機能的に連結した装置構成であることを特徴とする。すなわち本発明の糖液の製造方法では、回収酵素を使用した一次加水分解を行うことを特徴とする。これを実施するために、１．回収酵素投入配管および未使用糖化酵素投入配管が連結した加水分解槽を設置した。次に、加水分解物に含まれる回収酵素を分離するための、２．加水分解物を固液分離する装置、および４．酵素と糖液を分離するための限外濾過膜装置を設置した。さらに、回収された回収酵素液を除去するとともに、限外濾過膜の洗浄を同時行うための、３．限外濾過膜の洗浄および／または循環配管内に保持された回収酵素を除去するための水供給配管を有する糖液保持タンクを設置した。以下さらに具体的な装置実施例を図２〜図１０を例示して、以下説明する。

図２は、本発明の方法を実施する装置の一例である。すなわち、図２の装置は、回収酵素を独立して加水分解槽に投入でき、あるいはさらに投入を制御できる回収酵素投入配管４、および未使用酵素を独立して加水分解槽に投入でき、あるいはさらに投入を制御できる未使用酵素投入配管６、が独立して連結した加水分解槽１、さらに加水分解物を固液分離するプレスろ過装置９、限外濾過膜の洗浄および／または循環配管１５内に保持された回収酵素を除去するための水供給配管１１を有する糖液保持タンク１２、および酵素と糖液を分離するための限外濾過膜装置１４、を構成として含む装置である。加水分解槽１は、さらに加水分解の温度を保持するための保温設備２、リグノセルロースを攪拌混合するための攪拌翼３、セルロース投入口７を設置した。回収酵素投入配管４および未使用酵素投入配管６は、それぞれ回収酵素保持タンク５および未使用酵素保持タンク８とバルブを介して連結される。バルブは、ピンチバルブで別途電子制御されていることが好ましい。

前述の加水分解槽１と加水分解を分離するプレスろ過装置９は、バルブおよびエアポンプなどを経て連結され、プレスろ過装置９内に加水分解物を送液する。プレスろ過装置９には、ろ過圧力を供給するためのコンプレッサー１０と連結してある。

プレスろ過によって得られた糖液は、糖液保持タンク１２に保持される。糖液保持タンク１２は循環ポンプ１３を介して限外濾過膜装置１４に連結される。限外濾過膜の膜側（非透過側）を通過した回収酵素は、循環配管１５を経て糖液保持タンク１２に戻る。酵素が除去された糖溶液は二次側（透過側）に濾液として回収される。糖液保持タンク１２に回収された回収酵素は、回収酵素配管１６およびポンプを経て回収酵素保持タンク５に送液される。水供給配管１１から糖液保持タンク１２に給水し、この水を循環ポンプ１３で限外濾過膜装置１４ならびに循環配管１５を循環させることにより、限外濾過膜の表面あるいは循環配管１５内に保持された回収酵素成分をさらに溶液として回収することができるため効率的である。また、限外濾過膜表面などに付着した水不溶性の糸状菌由来セルラーゼ成分を回収することもできる。さらに、また、この水の循環は、限外濾過膜装置１４に具備されてなる限外ろ過膜の表面を洗浄することも可能になり、膜ファウリングの抑制にも役立つ。さらにこの操作で糖液保持タンク１２に保持された水は、回収酵素配管１６を経て、回収酵素保持タンク５に送られる。したがって、水供給配管１１より供給された水は、加水分解槽１でのリグノセルロースの加水分解に使用される。

図３は、本発明の方法を実施する装置の別の一例である。すなわち、図３記載の装置は、回収酵素とセルロースを混合し一次加水分解を行うためのセルロース／回収酵素混合装置１８、セルロース／回収酵素混合物投入配管１７と未使用酵素投入配管６が、独立して連結した加水分解槽１、加水分解物を固液分離するプレスろ過装置９、限外濾過膜の洗浄および／または循環配管１５内に保持された回収酵素を除去するための水供給配管１１を有する糖液保持タンク１２、および酵素と糖液を分離するための限外濾過膜装置１４、を構成として含む装置である。図２の装置と異なる点は、セルロース／回収酵素混合装置１８、およびその供給口１７である。セルロース／回収酵素混合装置１８では、セルロースと回収酵素を混合するための装置であり、内部スクリューにより回収酵素とセルロースが攪拌混合される。セルロース／回収酵素混合装置１８において、工程（１）の一次加水分解を行う。セルロース／回収酵素混合装置１８は一次加水分解に適した温度に保温されてもよい。また回収酵素を予め保温しておいて、これをセルロース／回収酵素混合装置１８内において、セルロースと混合して一次加水分解を行ってもよい。このセルロース／回収酵素混合装置１８において、回収酵素とセルロースとの混合を実施しておくことで、加水分解槽１での攪拌混合動力費を削減することができる。またセルロース／回収酵素混合装置１８において、回収酵素とセルロースとの混合を実施しておくことで、加水分解槽１でセルロースの均一分散化にかかる時間も短縮することができ、結果として加水分解時間をより短縮することができる。さらにセルロース／回収酵素混合装置１８より得られた一次加水分解物は、セルロース／回収酵素混合物供給配管１７より、加水分解装置１に投入される。その後、未使用酵素投入配管６より、工程（２）の未使用の糸状菌由来セルラーゼ含有酵素を添加して二次加水分解を行う。その後の固液分離、および酵素回収操作に関しては、図２の装置と同じである。

図４は、本発明の方法を実施する装置の別の一例である。図４の装置は、前述図２の装置に対してフィルタプレスを含む固液分離装置１９を設置する場合の装置である。また、図２に記載の回収酵素保持タンク５、未使用酵素保持タンク８、攪拌翼３に関しては、必要に応じて設置すればよいため、図４には記載していない。固液分離装置１９で分離された固形物は、固形物排出配管２０より除去される。固液分離装置１９は、前記図２および図３のようにフィルタプレスであってもよく、またその他の固液分離装置として、連続遠心機、スクリューデカンタ、デラバル遠心機、スクリュープレス、ベルトフィルター、ドラムフィルターなどを例示することができる。基本的な装置特徴は、回収酵素投入配管４と未使用酵素投入配管６が独立して加水分解槽に連結しており回収酵素の添加と未使用酵素の添加を独立制御できること、水供給配管１１が糖液保持タンク１２に連結しており、水供給配管１１より供給される水が、限外濾過膜装置１４を循環し、その水が回収酵素配管１６を通じて加水分解槽１に供給できるよう連結されていること、であり、図２、図３の装置と共通である。

図５は、本発明の方法を実施する装置の別の一例である。図５の装置は、前述図４の装置と基本的には同じであるが、限外濾過膜１４の非透過液が回収酵素保持タンク５に連結された装置である。特にこれは限外濾過膜として、スパイラルエレメントを使用し、これを直列連結、あるいはツリー連結した場合の装置である。この装置においても、図２〜４と同じく、水供給配管１１は、糖液保持タンク１２に連結しており、水供給配管１１より供給される水が、三方バルブ２１で配管を切り替えることで限外濾過膜装置１４を循環し、さらに三方バルブ２１を切り替えた後、その水が回収酵素保持タンク５に供給される。さらに、回収酵素保持タンク５には、回収酵素配管１６が連結しており、これを通じて、加水分解槽１に供給できるようになっている。回収酵素投入配管４と未使用酵素投入配管６が独立して加水分解槽に連結しており回収酵素の添加と未使用酵素の添加を独立制御できることは、図２〜４の装置と同じである。

図６は、本発明の方法を実施する装置の別の一例である。図６装置では、固液分離装置１９の後段に、さらに精密ろ過膜装置２２を設置した装置を示している。固液分離装置１９において、固形物が十分除去できない場合、さらに精密ろ過膜装置２２にて処理することでほぼ完全に固形物を含まない液を得ることができる。これにより、後段限外濾過膜装置１４の膜ファウリングを低下させることができる。

図７は、図６の精密ろ過膜装置２２の詳細図面であり、クロスフローろ過を実施する装置構成を示す図である。固液分離装置１９で分離されたろ液を、固液分離ろ液タンク２３で保持し、ポンプ２４を介して、精密ろ過膜２５に対してクロスフローろ過する装置である。精密ろ過膜２５は、平膜、中空糸膜のいずれであってもよい。中空糸膜は、内圧式あるいは外圧式いずれであってもよい。

図８は、図６の精密ろ過膜装置２２の詳細図面であり、精密ろ過膜装置２２においてデッドエンドろ過を実施する装置構成を示す図である。固液分離装置１９で分離されたろ液を、固液分離ろ液保持タンク２３で保持し、精密ろ過膜２５でろ過する。デッドエンドろ過の場合、膜表面の気泡洗浄を行うための圧空供給装置２６を備えていてもよく、また逆洗浄のための逆洗浄ポンプ２７を設置してあってもよい。なお、逆洗浄は、糖液保持タンク１２に回収されたろ液であってもよく、一般的な膜洗浄水および薬液であってもよい。精密ろ過膜２５は、平膜、中空糸膜のいずれであってもよい。中空糸膜は、内圧式あるいは外圧式いずれであってもよい。

図９は、本発明の方法を実施する装置の別の一例である。本発明の糖液の製造装置は、さらに糖液を濃縮する逆浸透膜および／またはナノろ過膜をさらに備える装置であってもよい。図９として、図４の装置にナノろ過膜または逆浸透膜装置３０を連結した装置を示す。限外濾過膜装置１４のろ液側に、さらに糖液濃縮タンク２８が連結してなり、高圧ポンプ２９を介して、逆浸透膜および／またはナノろ過膜３０でろ過される。糖液は、逆浸透膜および／またはナノろ過膜で阻止されるため、糖液濃縮タンク２８に濃縮される。一方で、余剰水はろ液として除去できる。逆浸透膜および／またはナノろ過膜装置３０は、図２〜６のいずれの装置であっても、限外濾過膜装置１４のろ液側に連結することで設置することができる。

図１０は、本発明の方法を実施する装置の別の一例である。回収酵素投入配管４、および未使用酵素投入配管６、は独立して加水分解槽１と連結してあることが好ましいが、前述配管４および配管６は、それぞれの酵素成分の投入を制御できるのであれば、三方バルブ３１などにより合流連結された後、１つの配管（未使用酵素あるいは回収酵素投入配管）として加水分解槽１に連結した形態であってもよい。

水供給配管１１から供給される水は温水であってもよい。温水の温度は、酵素の失活を考えると６０℃以下であることが好ましい。また、水供給配管から供給された温水とすることで、限外濾過膜装置１４内を循環させる際、限外濾過膜の高い洗浄効果を得ることができる。洗浄効果は、温水の温度が３０℃〜６０℃であることが好ましい。

以下、実施例により本発明をさらに具体的に説明する。但し、本発明はこれらに限定されるものではない。

（参考例１）セルラーゼの調整（トリコデルマ由来セルラーゼ酵素組成物）
トリコデルマ培養液由来酵素組成物は以下の方法で調整した。

［前培養］
コーンスティップリカー５％（ｗ／ｖｏｌ）、グルコース２％（ｗ／ｖｏｌ）、酒石酸アンモニウム０．３７％（ｗ／ｖｏｌ）、硫酸アンモニウム０．１４（ｗ／ｖｏｌ）、リン酸二水素カリウム０．２％（ｗ／ｖｏｌ）、塩化カルシウム二水和物０．０３％（ｗ／ｖｏｌ）、硫酸マグネシウム七水和物０．０３％（ｗ／ｖｏｌ）、塩化亜鉛０．０２％（ｗ／ｖｏｌ）、塩化鉄(ＩＩＩ)六水和物０．０１％（ｗ／ｖｏｌ）、硫酸銅(ＩＩ)五水和物０．００４％（ｗ／ｖｏｌ）、塩化マンガン四水和物０．０００８％（ｗ／ｖｏｌ）、ホウ酸０．０００６％（ｗ／ｖｏｌ）、七モリブデン酸六アンモニウム四水和物０．００２６％（ｗ／ｖｏｌ）となるよう蒸留水に添加し、１００ｍＬを５００ｍＬバッフル付き三角フラスコに張り込み、１２１℃で１５分間オートクレーブ滅菌した。放冷後、これとは別にそれぞれ１２１℃で１５分間オートクレーブ滅菌したＰＥ−ＭとＴｗｅｅｎ８０をそれぞれ０．０１％（ｗ／ｖｏｌ）添加した。この前培養培地にトリコデルマ・リーセイＡＴＣＣ６８５８９を１×１０^５個／ｍＬになるように植菌し、２８℃、７２時間、１８０ｒｐｍで振とう培養し、前培養とした（振とう装置：ＴＡＩＴＥＣ社製 ＢＩＯ−ＳＨＡＫＥＲ ＢＲ−４０ＬＦ）。

［本培養］
コーンスティップリカー５％（ｗ／ｖｏｌ）、グルコース２％（ｗ／ｖｏｌ）、セルロース（アビセル）１０％（ｗ／ｖｏｌ）、酒石酸アンモニウム０．３７％（ｗ／ｖｏｌ）、硫酸アンモニウム０．１４％（ｗ／ｖｏｌ）、リン酸二水素カリウム ０．２%（w/vol）、塩化カルシウム二水和物０．０３％（ｗ／ｖｏｌ）、硫酸マグネシウム七水和物０．０３％（ｗ／ｖｏｌ）、塩化亜鉛０．０２％（ｗ／ｖｏｌ）、塩化鉄(ＩＩＩ)六水和物０．０１％（ｗ／ｖｏｌ）、硫酸銅(ＩＩ)五水和物０．００４％（ｗ／ｖｏｌ）、塩化マンガン四水和物０．０００８％（ｗ／ｖｏｌ）、ホウ酸０．０００６％（ｗ／ｖｏｌ）、七モリブデン酸六アンモニウム四水和物０．００２６％（ｗ／ｖｏｌ）となるよう蒸留水に添加し、２．５Ｌを５Ｌ容撹拌ジャー（ＡＢＬＥ社製 ＤＰＣ−２Ａ）容器に張り込み、１２１℃で１５分間オートクレーブ滅菌した。放冷後、これとは別にそれぞれ１２１℃で１５分間オートクレーブ滅菌したＰＥ−ＭとＴｗｅｅｎ８０をそれぞれ０．１％添加し、あらかじめ前記の方法にて液体培地で前培養したトリコデルマ・リーセイＡＴＣＣ６８５８９を２５０ｍＬ接種した。その後、２８℃、８７時間、３００ｒｐｍ、通気量１ｖｖｍにて培養を行い、遠心分離後、上清を膜濾過（ミリポア社製 ステリカップ−ＧＶ 材質：ＰＶＤＦ）した。この前述条件で調整した培養液に対し、βグルコシダーゼ（Ｎｏｖｏｚｙｍｅ１８８）をタンパク質重量比として、１／１００量添加し、これをトリコデルマ由来セルラーゼとして、以下実施例に使用した。

（参考例２）セルロース前処理物の調整
［セルロース前処理物１の調整］
市販のアビセル（メルク社製）を、特段の処理を行うことなくセルロース前処理物１として以下の実施例に使用した。

［セルロース前処理物２の調整］
セルロース含有バイオマスとして、稲藁を使用した。セルロース含有バイオマスを硫酸１％水溶液に浸し、１５０℃で３０分オートクレーブ処理（日東高圧製）した。処理後、固液分離を行い、硫酸水溶液（以下、希硫酸処理液）と硫酸処理セルロースに分離した。次に硫酸処理セルロースと固形分濃度が１０重量％となるように希硫酸処理液と攪拌混合した後、水酸化ナトリウムによって、ｐＨを５付近に調整した。これをセルロース前処理物２として以下の実施例に使用した。

［セルロース前処理物３の調整］
セルロースとして、稲藁を使用した。前記セルロース含有バイオマスを小型反応器（耐圧硝子工業製、ＴＶＳ−Ｎ２ ３０ｍｌ）に投入し、液体窒素で冷却した。この反応器にアンモニアガスを流入し、試料を完全に液体アンモニアに浸漬させた。リアクターの蓋を閉め、室温で１５分ほど放置した。次いで、１５０℃のオイルバス中にて１時間処理した。処理後、反応器をオイルバスから取り出し、ドラフト中で直ちにアンモニアガスをリーク後、さらに真空ポンプで反応器内を１０Ｐａまで真空引きし乾燥させた。これをセルロース前処理物３として以下実施例に使用した。

［セルロース前処理物４の調整］
セルロース含有バイオマスとして、稲藁を使用した。セルロース含有バイオマスを水に浸し、撹拌しながら１８０℃で２０分間オートクレーブ処理（日東高圧株式会社製）した。その際の圧力は１０ＭＰａであった。処理後は溶液成分（以下、水熱処理液）と処理バイオマス成分に遠心分離（３０００Ｇ）を用いて固液分離した。これをセルロース前処理物４として以下の実施例に使用した。

（参考例３）糖濃度の測定
糖水溶液に含まれるグルコースおよびキシロース濃度は、下記に示すＨＰＬＣ条件で、標品との比較により定量した。

カラム：Ｌｕｎａ ＮＨ_２（Ｐｈｅｎｏｍｅｎｅｘ社製）
移動相：ミリＱ：アセトニトリル＝２５：７５（流速０．６ｍＬ／ｍｉｎ）
反応液：なし
検出方法：ＲＩ（示差屈折率）
温度：３０℃。

（参考例４）トリコデルマ由来セルラーゼの酵素活性測定
トリコデルマ由来セルラーゼの酵素活性は以下手順で測定した。
１）結晶セルロース分解活性
酵素液（所定条件で調整）に対し、アビセル（メルク社製・・要確認）を１ｇ／Ｌ、酢酸ナトリウム緩衝液（ｐＨ ５．０）を１００ｍＭとなるよう添加し、５０℃で２４時間反応させた。反応液は１ｍＬチューブで調整し、前記条件にて回転混和しながら反応を行った。反応後、チューブを遠心分離し、その上清成分のグルコース濃度を測定した。グルコース濃度は、参考例３に記載の方法に準じて測定した。アビセル分解活性は、生成したグルコース濃度（ｇ／Ｌ）をそのまま活性値とした。

２）セロビオース分解活性
酵素液に対し、セロビオース（和光純薬）５００ｍｇ／Ｌ、酢酸ナトリウム緩衝液（ｐＨ ５．０）を１００ｍＭとなるよう添加し、５０℃で０．５時間反応させた。反応液は１ｍＬチューブで調整し、前記条件にて回転混和しながら反応を行った。反応後、チューブを遠心分離し、その上清成分のグルコース濃度を測定した。グルコース濃度は、参考例３に記載の方法に準じて測定した。セロビオース分解活性は、生成したグルコース濃度（ｇ／Ｌ）をそのまま活性値とした。
３）キシラン分解活性
酵素液に対し、キシラン（Ｂｉｒｃｈ ｗｏｏｄ ｘｙｌａｎ、和光純薬）１０ｇ／Ｌ、酢酸ナトリウム緩衝液（ｐＨ ５．０）を１００ｍＭとなるよう添加し、５０℃で４時間反応させた。反応液は１ｍＬチューブで調整し、前記条件にて回転混和しながら反応を行った。反応後、チューブを遠心分離し、その上清成分のキシロース濃度を測定した。キシロース濃度は、参考例３に記載の方法に準じて測定した。キシロース分解活性は、生成したキシロース濃度（ｇ／Ｌ）をそのまま活性値とした。

（比較例１）
以下比較例として、一次加水分解および二次加水分解を実施せずにセルロースから糖液を製造した。

［工程１：加水分解］
セルロース前処理物１〜４（各１ｇ）に、参考例１記載の未使用酵素（タンパク質濃度５０ｍｇ／ｍＬ）を０．２ｍＬ（タンパク質量１０ｍｇ）、さらに後述、工程２の手順で回収した回収酵素溶液を混合し添加した。添加した溶液の重量が１０ｇとなるようさらに蒸留水を添加した。本組成物を枝付反応容器に移し（東京理化社製 φ３０ ＮＳ１４／２３）、５０℃にて１９時間保温および攪拌し加水分解を行った（東京理化社製：小型メカニカルスターラー ＣＰＳ−１０００、変換アダプター、三方コック付添加口、保温装置 ＭＧ−２２００）。

［工程２：固液分離および糖液からの酵素回収（回収酵素）］
工程１の加水分解物を遠心分離（４５００Ｇ、１０分）にて固液分離し、糖液と残さに分離した。糖液のグルコースおよびキシロース濃度は、参考例３記載の方法で測定し、生成糖として算出した。

さらに糖液を膜濾過（ミリポア社製 ステリフリップ-GP 材質：PES）し、得られた上清は、分画分子量１００００の限外濾過膜（Ｓａｒｔｏｒｉｕｓ ｓｔｅｄｉｍ ｂｉｏｔｅｃｈ社製 ＶＩＶＡＳＰＩＮ ２０、材質：ＰＥＳ）を利用し、膜画分が１ｍＬになるまで４５００Ｇにて遠心した。蒸留水１０ｍＬを膜画分に添加し、再度膜画分が１ｍＬになるまで４５００Ｇにて遠心した。この後、膜画分から酵素を回収し、これを回収酵素とした。回収酵素は前述、工程１の加水分解に再利用した。

本比較例では、工程１および２を循環して行うことで、セルラーゼの回収再利用を行った。工程１〜２の工程を一式として、計６回、回収再利用を行った。なお、回収再利用を行わない０回目の反応は以下の手順で行った。

［工程０：０回目の加水分解］
セルロース前処理物１〜４（各１ｇ）に、未使用酵素（タンパク質濃度５０ｍｇ／ｍＬ）を０．３ｍＬ（タンパク質量１５ｍｇ）添加した（０回目なので回収酵素は添加しない）。添加した溶液の重量が１０ｇとなるようさらに蒸留水を添加した。本組成物を枝付反応容器に移し（東京理化社製 φ３０ ＮＳ１４／２３）、５０℃にて１９時間保温および攪拌し加水分解を行った（東京理化社製：小型メカニカルスターラー ＣＰＳ−１０００、変換アダプター、三方コック付添加口、保温装置 ＭＧ−２２００）。得られた加水分解物は前述、工程２記載の方法で分離し、回収酵素を得た。またこのときの糖液のグルコースおよびキシロース濃度の測定を行った。

表１に、工程０ならびに２を１回および工程１〜２を順に計６回実施した際、各反応によって得られた糖液のグルコース濃度（Ｇｌｃ、ｇ／Ｌ）およびキシロース濃度（Ｘｌｙ、ｇ／Ｌ）を表１にまとめる。回収再利用の回数とともにグルコース（Ｇｌｃ）およびキシロース（Ｘｙｌ）が減少した。また、糖生成効率は、再利用回数（Ｎ）に伴って徐々に減少することが判明した。

（実施例１）
以下実施例として、セルロースの一次加水分解および二次加水分解を行うことにより糖液を製造した。

［工程１：一次加水分解］
セルロース前処理物１〜４（各１ｇ）に蒸留水を加え、後述、工程３の手順で回収した回収酵素を添加し、総重量が１０ｇとなるようさらに蒸留水を添加した。本組成物を枝付試験管に移し（東京理化社製 φ３０ ＮＳ１４／２３）、本組成物を枝付反応容器に移し（東京理化社製 φ３０ ＮＳ１４／２３）、５０℃にて１時間保温および攪拌し加水分解を行った（東京理化社製：小型メカニカルスターラー ＣＰＳ−１０００、変換アダプター、三方コック付添加口、保温装置 ＭＧ−２２００）。

［工程２：二次加水分解］
工程１の一次加水分解物に、参考例１記載の未使用酵素（タンパク質濃度５０ｍｇ／ｍＬ）を０．２ｍＬ（タンパク質量１０ｍｇ）を添加し、５０℃にて１８時間反応した。

［工程３：固液分離および糖液からの酵素回収（回収酵素）］
工程３の二次加水分解物を遠心分離（４５００Ｇ、１０分）にて固液分離し、糖液と残さに分離した。糖液のグルコースおよびキシロース濃度は、参考例３記載の方法で測定し、Ｎ回目の生成糖として算出した。さらに糖液を膜濾過（ミリポア社製 ステリフリップ−ＧＰ、材質：ＰＥＳ）し、得られた上清は、分画分子量１００００の限外濾過膜（Ｓａｒｔｏｒｉｕｓ ｓｔｅｄｉｍ ｂｉｏｔｅｃｈ社製 ＶＩＶＡＳＰＩＮ ２０、材質：ＰＥＳ）を利用し、膜画分が１ｍＬになるまで４５００Ｇにて遠心した。蒸留水１０ｍＬを膜画分に添加し、再度膜画分が１ｍＬになるまで４５００Ｇにて遠心した。この後、膜画分から酵素を回収し、これを回収酵素とした。回収酵素は前述、工程１の加水分解に再利用した。

本実施例では、工程１〜工程３を循環して行うことで、セルラーゼの回収再利用を行った。工程１〜３の工程を一式として、計６回、回収再利用を行った。なお、回収再利用を行わない０回目の反応は以下の手順で行った。

［工程０：０回目の加水分解］
セルロース前処理物１〜４（各１ｇ）に、未使用酵素（タンパク質濃度５０ｍｇ／ｍＬ）を０．３ｍＬ（タンパク質量１５ｍｇ）添加した（０回目なので回収酵素は添加しない）。添加した溶液の重量が１０ｇとなるようさらに蒸留水を添加した。本組成物を枝付反応容器に移し（東京理化社製 φ３０ ＮＳ１４／２３）、５０℃にて１９時間保温および攪拌し加水分解を行った（東京理化社製：小型メカニカルスターラー ＣＰＳ−１０００、変換アダプター、三方コック付添加口、保温装置 ＭＧ−２２００）。得られた加水分解物は前述、工程３記載の方法で分離し、回収酵素を得た。またこのときの糖液のグルコースおよびキシロース濃度の測定を行った。

表２に、工程０ならびに３を1回および工程１〜３を順に計６回実施した際、各反応によって得られた糖液のグルコース濃度（Ｇｌｃ）（ｇ／Ｌ）およびキシロース濃度（Ｘｌｙ）（ｇ／Ｌ）を表２にまとめる。回収再利用の回数とともにグルコース（Ｇｌｃ）およびキシロース（Ｘｙｌ）が減少したが、比較例１（表１）に比べ、徐々に糖生成量は多くなることが確認できた。

本実施例では、回収酵素による一次加水分解を１時間、さらに未使用酵素を添加し二次加水分解を１８時間行い、比較例１と同一の１９時間加水分解反応を実施した。また、未使用酵素の添加量は比較例１と条件同一であった。すなわち、本実施例では、セルロースからの糖液の製造方法において、１．セルロース前処理物に回収酵素を添加し一次加水分解する工程、２．前記加水分解物に未使用酵素を添加し二次加水分解する工程、３．前記加水分解物を固液分離し、得られた糖液より回収酵素を得る、工程を循環して行うことで、比較例よりも回収再利用における糖濃度、すなわち糖生成量効率が増大することを示された。

（実施例２）一次加水分解における回収酵素の添加量の測定
実施例１において、一次加水分解に添加される回収酵素のタンパク質濃度をＢＣＡ測定キット（ＢＣＡ Ｐｒｏｔｅｉｎ Ａｓｓａｙ Ｒｅｇｅｎｔ Ｋｉｔ、ピアス社）を使用して行い、牛アルブミン（２ｍｇ／ｍＬ）を標品として、５６２ｎｍの吸光度を測定し、比色定量を行うことにより測定した。セルロース前処理物２に関して、回収再利用を行い回収回数Ｎ回目の回収酵素の添加量と、未使用酵素の添加量の関係を表３にまとめた。実施例１表２のグルコース生成量と比較すると、回収再利用回収４回目以降、すなわち、一次加水分解での酵素添加量＞二次加水分解での酵素添加量、さらには一次加水分解に再利用する回収酵素添加量＞二次加水分解での未使用酵素添加量の関係性が成り立つとき、さらにグルコース生成量がさらに向上することが本実施例で確認できた。

（実施例３）回収酵素の酵素活性
セルロース前処理物３に関して、回収酵素活性（比較例１：回収酵素と新規酵素を同時投入した場合、実施例１：回収酵素を添加し、一次加水分解を行った後、新規酵素を投入した場合）を測定した。酵素活性は、参考例３に準じて、１）結晶セルロース分解活性、２）セロビオース分解活性、３）キシラン分解活性、の３種の分解活性に分けて測定した。各分解活性に関しては、未使用酵素（１０ｍｇ）における酵素活性を１００（％）として、回収酵素における酵素活性を相対値（％）として示した。回収回数２回目と４回目の回収酵素活性に関して、表４（実施例１）、表５（比較例１）に示す。

回収酵素を一次加水分解することに伴い、結晶セルロース分解活性、セロビオース分解活性、キシラン分解活性いずれも増大していく傾向にあることが判明したが、特にキシラン分解活性が高まることが判明した。キシラン分解活性は、特にトリコデルマ由来のキシラナーゼおよびキシロシダーゼが関与しており、これらの回収効率が回数に伴い増大したものと考えられる。
（実施例４）回収酵素に含まれる凝集したトリコデルマ由来セルラーゼ成分
回収回数４回目以降において、限外濾過膜の非透過液として回収される回収酵素成分に水不溶性の成分が生成することが判明した。この水不溶性のトリコデルマ由来セルラーゼ成分を以下の手順で分析を行った。

セルロース前処理物３において実施例１の手順で一次加水分解および二次加水分解を行い、回収回数４回目の回収酵素成分を分析した。回収酵素（１００μＬ）を１．５ｍＬ遠心チューブに入れ、１５０００ｒｐｍで５分遠心した。遠心後、上澄みを除去し、チューブ下部にペレットを得た。純粋１００μＬを添加し、ペレットを洗浄後、サンプル調整液緩衝液（Ｅｚ Ａｐｐｌｙ、ＡＴＴＯ社）を投入し、ＳＤＳ−ＰＡＧＥ（ｅ−ＰＡＧＥＬ、１５％ゲル濃度、ＡＴＴＯ社）を行った。染色は、クマシーブリリアントブルー（ＢｉｏＳａｆｅｃｏｏｍａｓｓｉｅ Ｓｔａｉｎ、ＢｉｏＲＡＤ社）にて行った。なお分子量を測定するために、分子量マーカー（ＰｒｅｃｉｓｉｏｎＰｌｕｓ Ｐｒｏｔｅｉｎ Ｓｔａｎｄａｒｄ、 Ｋａｌｅｉｄｏｓｃｏｐｅ、ＢｉｏＲＡＤ社）を使用した。

得られたＳＤＳ−ＰＡＧＥで分析した結果を図１１に示す。この成分は、分子量５０〜６０ｋＤａ程度であり、トリコデルマ由来セロビオハイドラーゼが主成分であることが判明した（図１１）。
（実施例５）水不溶性のトリコデルマ由来セルラーゼ成分の回収酵素成分としての効果
実施例１（セルロース前処理物３）の工程３において、膜画分から酵素を回収し、回収酵素を得たのち、さらに回収酵素を１５０００ｒｐｍで５分遠心した。得られた上済み液のみを回収酵素として、再利用した場合の糖生成量を実施例１の結果と比較した。すなわち、実施例５においては、回収酵素に含まれる水不溶性のトリコデルマ由来セルラーゼ成分を除去した場合における回収酵素の再利用である。

すなわち、回収酵素として含まれる水不溶性のトリコデルマ由来セルラーゼ成分は、除去しない方が、次回の酵素再利用において高い糖生成率を得られることが判明した。

本発明によりセルロースから効率よく糖液を製造することができ、得られた糖液は、種々の発酵産物の糖原料として使用することができる。

１ 加水分解槽
２ 保温設備
３ 攪拌翼
４ 回収酵素投入配管
５ 回収酵素保持タンク
６ 未使用酵素投入配管
７ セルロース投入口
８ 未使用酵素保持タンク
９ プレスろ過装置
１０ コンプレッサー
１１ 水供給配管
１２ 糖液保持タンク
１３ 循環ポンプ
１４ 限外濾過膜装置
１５ 循環配管
１６ 回収酵素配管
１７ セルロース／回収酵素混合物供給配管
１８ セルロース／回収酵素混合装置
１９ 固液分離装置
２０ 固形物排出配管
２１ 三方バルブ
２２ 精密ろ過膜装置
２３ 固液分離ろ液タンク
２４ ポンプ
２５ 精密ろ過膜
２６ 圧空供給装置
２７ 逆洗浄ポンプ
２８ 糖液濃縮タンク
２９ 高圧ポンプ
３０ 逆浸透膜および／またはナノろ過膜装置
３１ 三方バルブ

Claims (11)

1. 以下の工程（１）〜（３）を含む糖液製造プロセスを繰り返して糖液を製造する方法であって、工程（３）で得られた回収酵素を次回以降の糖液製造プロセスの工程（１）に使用することを特徴とする、糖液の製造方法。
   （１）セルロースに糸状菌由来セルラーゼを添加し一次加水分解する工程、
   （２）工程（１）の加水分解物に未使用の糸状菌由来セルラーゼを添加して二次加水分解する工程、および
   （３）工程（２）の加水分解物を固液分離し、得られた糖液から回収酵素を得る工程。
2. 糖液製造プロセスでの前記工程（１）における糸状菌由来セルラーゼとして、糸状菌由来セルラーゼによるセルロース加水分解物からの回収酵素成分を使用することを特徴とする、請求項１記載の糖液の製造方法。
3. 前記工程（１）または（２）における糸状菌由来セルラーゼがトリコデルマ属微生物の培養液由来成分を含むことを特徴とする、請求項１または２に記載の糖液の製造方法。
4. 前記回収酵素がキシラナーゼおよび／またはキシロシダーゼを含むことを特徴とする、請求項１から３いずれかに記載の糖液の製造方法。
5. 前記回収酵素が水不溶性の糸状菌由来セルラーゼを含むことを特徴とする、請求項１から４いずれかに記載の糖液の製造方法。
6. 前記セルロースが、セルロース含有バイオマスをアルカリ処理、水熱処理または希硫酸処理して得られた処理物であることを特徴とする、請求項１から５いずれかに記載の糖液の製造方法。
7. 一次加水分解および二次加水分解における酵素添加量が、工程（１）での回収酵素の添加量＞工程（２）での未使用酵素量の添加量、の関係式を満たすことを特徴とする、請求項１から６のいずれかに記載の糖液の製造方法。
8. 前記工程（３）における糸状菌由来セルラーゼの回収が、糖液を限外濾過膜に通じてろ過し、非透過側から回収することを特徴とする、請求項１から７のいずれかに記載の糖液の製造方法。
9. セルロースを加水分解する工程を含む糖液の製造方法のための装置であって、回収酵素投入配管および未使用酵素投入配管が連結した加水分解槽、加水分解物を固液分離する装置、限外濾過膜の洗浄および／または循環配管内に保持された回収酵素を除去するための水供給配管を有する糖液保持タンク、ならびに酵素と糖液を分離するための限外濾過膜装置、を構成として含む装置。
10. セルロースを加水分解する工程を含む糖液の製造方法のための装置であって、回収酵素とセルロースを混合し一次加水分解を行うためのセルロース／回収酵素混合装置、セルロース／回収酵素混合物供給配管と未使用酵素投入配管が連結した加水分解槽、加水分解物を固液分離する装置、限外濾過膜の洗浄および／または循環配管内に保持された回収酵素を除去するための水供給配管を有する糖液保持タンク、および酵素と糖液を分離するための限外濾過膜装置、を構成として含む装置。
11. 請求項９または１０に記載の装置構成に加え、さらに糖液を濃縮する逆浸透膜および／またはナノろ過膜装置、を構成として含む装置。

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