JPWO2012077697A1 - 濃縮糖水溶液の製造方法 - Google Patents

Abstract

セルロース含有バイオマスを加水分解して糖水溶液を製造し、精密濾過膜および／または限外濾過膜で処理してバイオマス残滓を除去した後、逆浸透膜で処理して糖水溶液を濃縮して糖濃度を高める方法において、逆浸透膜から廃棄される透過水を回収・再利用することによる、省水型の濃縮糖水溶液の製造方法を提供する。

Description

本発明は、セルロース含有バイオマスから濃縮糖水溶液を製造する方法に関する。

大量消費、大量廃棄の２０世紀は終わり、環境調和型社会の構築が求められる２１世紀にあっては、化石資源の枯渇問題と地球温暖化問題が深刻化するにつれて、循環型資源であるバイオマス資源の活用促進が期待されている。

現在、バイオマス資源の中でも、サトウキビやトウモロコシを原料としたバイオエタノールの製造が、米国やブラジルなどで盛んに行われている。これは、サトウキビやトウモロコシには、ショ糖やデンプンが豊富に含まれており、ここから糖水溶液を調製して発酵することが容易であるためである。しかしながら、サトウキビやトウモロコシは元々食料であり、これらを原料とした場合には食料や飼料との競合を引き起こして原料価格の高騰を招くという重大な問題点があり、セルロース含有バイオマスのような非食用バイオマスから効率的に糖水溶液を製造するプロセス、あるいは得られた糖水溶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水溶液を製造する方法としては、硫酸を使用する糖水溶液の製造方法があり、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水溶液を製造する方法（特許文献１あるいは２）が開示されている。

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水溶液を製造する方法（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後に、さらに酵素処理することにより糖水溶液を製造する方法（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水溶液を製造する方法（特許文献５）が開示されている。

バイオマス残滓の除去と糖水溶液の濃縮のために、例えば、セルロース含有バイオマスを加水分解して糖水溶液を製造し、精密濾過膜および／または限外濾過膜で処理してバイオマス残滓を除去した後、ナノ濾過膜および／または逆浸透膜で処理して糖水溶液を濃縮して糖濃度を高める方法（特許文献６）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 国際公開２０１０／０６７７８５号パンフレット

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水溶液を製造する方法（非特許文献１）が開示されている。
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)

しかし、特許文献１〜５や非特許文献１に開示された技術で得られる糖水溶液には多量のバイオマス残滓が含まれ、さらには糖濃度が低いため、糖水溶液を発酵槽に供給して発酵原料として利用するためには、適切な固液分離処理によってバイオマス残滓を除去した上で、糖水溶液を濃縮して糖濃度を高める必要がある。

特許文献６に開示された技術の場合、精密濾過膜および／または限外濾過膜に堆積するバイオマス残滓の洗浄を始めとして、各工程の水使用量がまだまだ多く、環境調和型社会の構築という目的を達成するためには、各工程から廃棄される水を回収・再利用する省水型プロセスの構築が必要である。

したがって、本発明では、上述したような課題、すなわちセルロース含有バイオマスを加水分解して糖水溶液を製造し、精密濾過膜および／または限外濾過膜で処理してバイオマス残滓を除去した後、逆浸透膜で処理して糖水溶液を濃縮して糖濃度を高める方法において、廃棄される水を回収・再利用することによる、省水型の濃縮糖水溶液の製造方法を提供する。

上記課題を解決するため本発明の濃縮糖水溶液の製造方法は次の構成を有する。

すなわち、 (1)セルロース含有バイオマスを加水分解して、糖水溶液を製造する工程、
(2)(1)で得られた糖水溶液を精密濾過膜および／または限外濾過膜に通じて濾過して、糖水溶液を透過側から回収する工程、並びに、
(3)(2)で得られた糖水溶液を逆浸透膜に通じて濾過することで、透過側から透過水を回収し、非透過側から濃縮糖水溶液を回収する工程を備える、セルロース含有バイオマスを原料とした濃縮糖水溶液の製造方法であって、前記透過水の少なくとも一部を、前記工程(1)における水熱処理水、バイオマス懸濁液、洗浄水、酵素希釈液、酸希釈液およびアルカリ希釈液の少なくとも１以上として利用する濃縮糖水溶液の製造方法、である。

本発明のエタノールの生産方法は、上記方法で得られた濃縮糖水溶液から、酵母を用いるエタノールの生産方法、である。

また、本発明の濃縮糖水溶液の製造方法は、前記逆浸透膜の透過水の酢酸濃度が１．５g/L未満である時には前記工程(1)における水熱処理水、酵素希釈液、酸希釈液およびアルカリ希釈液の少なくとも１以上として、１．５g/L以上である時には水熱処理水および／または洗浄水として利用することが好ましい。

さらに、本発明の濃縮糖水溶液の製造方法は、前記逆浸透膜がポリアミドを機能層とした複合膜であることが好ましい。

本発明の濃縮糖水溶液の製造方法は、前記逆浸透膜が、５００mg/Lの食塩水を用いて、０．７６MPa、２５℃、pH６．５で測定した時の塩除去率が９０％以上の性能を有することが好ましい。

本発明の濃縮糖水溶液の製造方法は、前記精密濾過膜および／または限外濾過膜が中空糸膜であることが好ましい。

本発明の濃縮糖水溶液の製造方法は、前記(2)で得られた糖水溶液をナノ濾過膜に通じて濾過する工程をさらに備えることが好ましい。

本発明によって、これまで廃棄されていた水の少なくとも一部を回収・再利用することで、水消費量を抑制しつつ濃縮糖水溶液を製造することが可能となる。その結果、循環型資源であるバイオマス資源の活用促進につながり、環境調和型社会の構築に資する。

本発明の一実施形態を示す概略フロー図である。

以下、本発明をより詳細に説明する。

本発明の濃縮糖水溶液の製造方法に用いられるセルロース含有バイオマスとは、バガス、スイッチグラス、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、また樹木、廃建材などの木質系バイオマスなどを例として挙げることができる。これらセルロース含有バイオマスは、糖が脱水縮合した多糖であるセルロースあるいはヘミセルロースを含有しており、こうした多糖を加水分解することにより発酵原料として利用可能な糖水溶液を製造することが可能である。

本発明の糖水溶液とは、セルロース含有バイオマスの加水分解によって得られる糖水溶液のことを指す。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。本発明の糖水溶液とは、主成分として単糖を含む糖水溶液を指し、具体的には、グルコースあるいはキシロースを主成分として含む。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んでいる。ここで主成分が単糖であるとは、水に溶解している単糖、オリゴ糖、多糖の糖類の中の総重量の８０重量％以上が単糖であることを指す。水に溶解した単糖、オリゴ糖、多糖の具体的な分析方法としては、高速液体クロマトグラフィー（ＨＰＬＣ）により、標品との比較により定量することができる。具体的なＨＰＬＣ条件は、反応液は無しで、カラムにLuna NH_２（Phenomenex社製）を用いて、移動相を超純水：アセトニトリル＝２５：７５とし、流速が０．６mL/min、測定時間が４５min、検出方法がＲＩ（示差屈折率）、温度が３０℃である。

次に、本発明の濃縮糖水溶液の製造方法における工程(1)、セルロース含有バイオマスを加水分解して、糖水溶液を製造する工程に関して説明する。

セルロース含有バイオマスを加水分解に供するに際しては、セルロース含有バイオマスをそのまま使用してもよいが、蒸煮、微粉砕、爆砕などの公知の処理を施すことが可能であり、こうした処理によって加水分解の効率を向上させることが可能である。

セルロース含有バイオマスの加水分解工程については特に制限はないが、具体的には、処理法Ａ：酸のみを用いる方法、処理法Ｂ：酸処理後、酵素を利用する方法、処理法Ｃ：水熱処理のみを用いる方法、処理法Ｄ：水熱処理後、酵素を利用する方法、処理法Ｅ：アルカリ処理後、酵素を利用する方法、処理法Ｆ：アンモニア処理後、酵素を利用する方法の６つが主に挙げられる。

処理法Ａでは、セルロース含有バイオマスの加水分解に酸を使用する。使用する酸に関して硫酸、硝酸、塩酸などが挙げられるが、硫酸を使用することが好ましい。

酸の濃度に関しては特に限定されないが、０．１〜９９重量％の酸を使用することができる。酸の濃度が０．１〜１５重量％、好ましくは、０．５〜５重量％である場合、反応温度は１００〜３００℃、好ましくは１２０〜２５０℃の範囲で設定され、反応時間は１sec〜６０minの範囲で設定される。処理回数は特に限定されず上記処理を１以上行えばよい。特に上記処理を２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。

また、酸の濃度が１５〜９５重量％、好ましくは６０〜９０重量％である場合、反応温度は１０〜１００℃の範囲で設定され、反応時間は１sec〜６０minの範囲で設定される。

前記酸処理の回数は特に限定されず上記処理を１回以上行えばよい。特に前記処理を２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。

酸処理によって得られた加水分解物は、硫酸などの酸を含むため発酵原料として使用するためには中和を行う必要がある。中和に使用するアルカリ試薬は特に限定されないが、好ましくは１価のアルカリ試薬である。これは、酸・アルカリ成分がともに２価以上の塩であると、液が濃縮される過程で液中に塩が析出し膜のファウリング要因となることがあるためである。

１価のアルカリを使用する場合、アンモニア、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム等が挙げられるが特に限定はされない。

２価以上のアルカリ試薬を用いる場合は、塩の析出が起こらないよう酸、アルカリ量を減らすか、または析出物を除外する機構を設けるなどの工夫が必要となる場合がある。

酸を使用する加水分解では一般的に結晶性の低いヘミセルロース成分より加水分解が起き、次いで結晶性の高いセルロース成分が分解されるという特徴を有する。したがって、酸を使用してヘミセルロース由来のキシロースを多く含有する液を得ることが可能である。また酸処理においては、さらに前記処理後のバイオマス固形分を、前記処理よりも高圧、高温での反応を行うことでさらに結晶性の高いセルロース成分を分解しセルロース由来のグルコースを多く含有する液を得ることが可能である。加水分解を行う２段階の工程を設定することで、ヘミセルロース、セルロースに適した加水分解条件が設定でき、分解効率、および糖収率を向上させることが可能になる。また、第１の分解条件で得られる糖水溶液と第２の分解条件で得られる糖水溶液を分離しておくことで、加水分解物に含まれる単糖成分比率が異なる２種の糖水溶液を製造することが可能になる。すなわち、第１の分解条件で得られる糖水溶液はキシロースを主成分とし、第２の分解条件で得られる糖水溶液はグルコースを主成分として分離することも可能である。このように糖水溶液に含まれる単糖成分を分離することにより、糖水溶液中のキシロースを発酵原料として使用する発酵と、グルコースを発酵原料として使用する発酵に分けて行うことも可能になり、それぞれの発酵に使用する最適な微生物種を選定し使用することが可能になる。但し酸での高圧高温処理を長時間行うことでヘミセルロース成分・セルロース成分を分離することなく一度に両成分由来の糖を得ても良い。

処理法Ｂでは、処理法Ａで得られた処理液をさらに酵素によりセルロース含有バイオマスを加水分解する。処理法Ｂにおける使用する酸の濃度は０．１〜１５重量％であることが好ましく、より好ましくは、０．５〜５重量％である。反応温度は１００〜３００℃の範囲で設定することができ、好ましくは１２０〜２５０℃で設定することができる。反応時間は１sec〜６０min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。

酸処理によって得られた加水分解物は、硫酸などの酸を含んでおり、さらに酵素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。中和は、処理法Ａでの中和と同様に実施することができる。

前記酵素としては、セルロース分解活性を有する酵素であればよく、一般的なセルラーゼを使用することが可能であるが、好ましくは、結晶性セルロースの分解活性を有するエキソ型セルラーゼ、あるいはエンド型セルラーゼを含むセルラーゼであることが好ましい。こうしたセルラーゼとして、トリコデルマ属が産生するセルラーゼが好適である。トリコデルマ属とは糸状菌に分類される微生物であり、細胞外に、多種のセルラーゼを大量に分泌する微生物である。本発明で使用するセルラーゼは、好ましくは、トリコデルマ・リーセイ(Trichoderma reesei)由来のセルラーゼである。また、加水分解に使用する酵素として、グルコースの生成効率を向上させるために、セロビオース分解酵素であるβグルコシダーゼを添加してもよく、上述のセルラーゼと併せて加水分解に使用してもよい。βグルコシダーゼとしては、特に限定されないがアスペルギルス由来のものであることが好ましい。こうした酵素を使用した加水分解反応は、pHが３〜７の付近で行うことが好ましく、より好ましくはpH５付近である。反応温度は、４０〜７０℃であることが好ましい。

酸処理後、酵素を利用してセルロース含有バイオマスを加水分解する場合、第１の加水分解において酸処理により結晶性の低いヘミセルロースの加水分解を行い、次いで第２の加水分解として酵素を使用することで結晶性の高いセルロースの加水分解を行うことが好ましい。第２の加水分解において酵素を使用することで、より効率よくセルロース含有バイオマスの加水分解工程を進めることができる。具体的には、酸による第１の加水分解において、主としてセルロース含有バイオマスに含まれるヘミセルロース成分の加水分解とリグニンの部分分解が起き、その加水分解物を酸溶液とセルロースを含む固形分に分離し、セルロースを含む固形分成分に対しては、酵素を添加することによって加水分解を行う。分離・回収された希硫酸溶液はペントースであるキシロースを主成分として含んでいるため、酸溶液を中和して糖水溶液を単離することができる。また、セルロースを含む固形分の加水分解反応物からグルコースを主成分とする単糖成分を得ることができる。なお、中和によって得られた糖水溶液を、固形分に混合し、ここに酵素を添加して加水分解を行ってもよい。

処理法Ｃでは特段の酸の添加は行わず、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、１sec〜６０min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、セルロースおよびへミ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。

水熱処理を使用する加水分解では一般的に結晶性の低いヘミセルロース成分より加水分解が起き、次いで結晶性の高いセルロース成分が分解されるという特徴を有する。したがって、水熱処理を使用してヘミセルロース由来のキシロースを多く含有する液を得ることが可能である。また水熱処理においては、さらに前記処理後のバイオマス固形分を前記処理よりも高圧、高温での反応を行うことで、さらに結晶性の高いセルロース成分を分解しセルロース由来のグルコースを多く含有する液を得ることが可能である。加水分解を行う２段階の工程を設定することで、ヘミセルロース、セルロースに適した加水分解条件が設定でき、分解効率、および糖収率を向上させることが可能になる。また、第１の分解条件で得られる糖水溶液、と第２の分解条件で得られる糖水溶液を分離しておくことで、加水分解物に含まれる単糖成分比率が異なる２種の糖水溶液を製造することが可能になる。すなわち、第１の分解条件で得られる糖水溶液はキシロースを主成分とし、第２の分解条件で得られる糖水溶液はグルコースを主成分として分離することも可能である。このように糖水溶液に含まれる単糖成分を分離することにより、糖水溶液中のキシロースを発酵原料として使用する発酵と、グルコースを発酵原料として使用する発酵に分けて行うことも可能になり、それぞれの発酵に使用する最適な微生物種を選定し使用することが可能になる。

処理法Ｄでは、処理法Ｃで得られた処理液をさらに酵素によりセルロース含有バイオマスを加水分解する。

前記酵素は、処理法Ｂと同様の酵素が用いられる。また、酵素処理条件についても処理法Ｂと同様の条件が採用されうる。

水熱処理後、酵素を使用してセルロース含有バイオマスを加水分解する場合、第１の加水分解において水熱処理により結晶性の低いヘミセルロースの加水分解を行い、次いで第２の加水分解として酵素を使用することで結晶性の高いセルロースの加水分解を行う。第２の加水分解において酵素を使用することで、より効率よくセルロース含有バイオマスの加水分解工程を進めることができる。具体的には、水熱処理による第１の加水分解において、主としてセルロース含有バイオマスに含まれるヘミセルロース成分の加水分解とリグニンの部分分解が起き、その加水分解物を水溶液とセルロースを含む固形分に分離し、セルロースを含む固形分に対しては、酵素を添加することによって加水分解を行う。分離・回収された水溶液にはペントースであるキシロースを主成分として含んでいる。また、セルロースを含む固形分の加水分解反応物からグルコースを主成分とする単糖成分を得ることができる。なお、水熱処理によって得られる水溶液を、固形分に混合し、ここに酵素を添加して加水分解を行ってもよい。

処理法Ｅでは、使用するアルカリは水酸化ナトリウムまたは水酸化カルシウムがより好ましい。これらアルカリの濃度は、０．１〜６０重量％の範囲でセルロース含有バイオマスに添加し、１００〜２００℃、好ましく、１１０℃〜１８０℃の温度範囲で処理すればよい。処理回数は特に限定されず上記処理を１以上行えばよい。特に上記処理を２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。

アルカリ処理によって得られた処理物は、水酸化ナトリウムなどのアルカリを含むため、さらに酵素による加水分解反応を行うために、中和を行う必要がある。中和に使用する酸試薬は特に限定されないが、より好ましくは１価の酸試薬である。これは、酸・アルカリ成分がともに２価以上の塩であると、液が濃縮される過程で液中に塩が析出し膜のファウリング要因となるからである。

１価の酸を使用する場合、硝酸、塩酸等が挙げられるが特に限定はされない。

２価以上の酸試薬を用いる場合は、塩の析出が起こらないように酸、アルカリ量を減らすか、または析出物を除外する機構を設けるなどの工夫が必要となる場合がある。２価以上の酸を使用する場合、硫酸、リン酸であることが好ましい。

前記酵素は、処理法Ｂと同様の酵素が用いられる。また、酵素処理条件についても処理法Ｂと同様の条件を採用できる。

アルカリ処理後、酵素を利用してセルロース含有バイオマスを加水分解する場合、アルカリを含んだ水溶液に混合して加熱することでヘミセルロースおよびセルロース成分周辺のリグニン成分を除去し、ヘミセルロース成分およびセルロース成分を反応しやすい状態にした後、酵素によってアルカリ処理中の分解されなかった分の結晶性の低いヘミセルロース、結晶性の高いセルロースの加水分解を行う。具体的には、アルカリによる処理において、主としてセルロース含有バイオマスに含まれる一部のヘミセルロース成分の加水分解とリグニンの部分分解が起き、その加水分解物をアルカリ溶液とセルロースを含む固形分に分離し、セルロースを含む固形分成分に対しては、pHを調製して酵素を添加することによって加水分解を行う。また、アルカリ溶液濃度が希薄な場合は、固形分を分離することなく、そのまま中和後酵素添加して加水分解してもよい。セルロースを含む固形分の加水分解反応物からはグルコース、キシロースを主成分とする単糖成分を得ることができる。また、分離・回収されたアルカリ溶液にはリグニン以外にペントースであるキシロースを主成分として含んでいるため、アルカリ溶液を中和して糖水溶液を単離することも可能である。また、中和によって得られた糖水溶液を、固形分に混合し、ここに酵素を添加して加水分解を行ってもよい。

処理法Ｆのアンモニア処理条件については特開２００８−１６１１２５号公報および特開２００８−５３５６６４号公報に記載された処理条件に準拠する。例えば、使用するアンモニア濃度はセルロース含有バイオマスに対して０．１〜１５重量％の範囲でセルロース含有バイオマスに添加し、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。中和に使用する酸試薬は特に限定されない。例えば塩酸、硝酸、硫酸などがあげられるが、プロセス配管の腐食を防止するとともに発酵を阻害しない観点から、硫酸がより好ましい。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。

アンモニア処理後に酵素を使用する加水分解では、一般的にアンモニア処理によりセルロースの結晶構造が変化し、酵素反応を受けやすい結晶構造に変化することが知られている。したがって、こうしたアンモニア処理後の固形分に対し、酵素を作用させることで、効率的に加水分解を行うことができる。前記酵素は、処理法Ｂと同様の酵素が用いられる。また、酵素処理条件についても処理法Ｂと同様の条件を採用できる。

また、アンモニア水溶液を用いる場合は、アンモニア処理時にアンモニア以外に水成分が処理法Ｃ（水熱処理）と同様の効果も得ることがあり、ヘミセルロースの加水分解やリグニンの分解が起こることもある。アンモニア水溶液で処理後、酵素を利用してセルロース含有バイオマスを加水分解する場合、アンモニアを含んだ水溶液に混合して加熱することでヘミセルロースおよびセルロース成分周辺のリグニン成分を除去し、ヘミセルロース成分およびセルロース成分を反応しやすい状態にした後、酵素によってアンモニア処理中の水熱により分解されなかった結晶性の低いヘミセルロースや結晶性の高いセルロースの加水分解を行う。具体的には、アンモニア水溶液による処理において、主としてセルロース含有バイオマスに含まれる一部のヘミセルロース成分の加水分解とリグニンの部分分解が起き、その加水分解物をアンモニア水溶液とセルロースを含む固形分に分離し、セルロースを含む固形分成分に対しては、pHを調製して酵素を添加することによって加水分解を行う。また、アンモニア濃度が１００％に近い濃い濃度の場合は、アンモニアを脱気により多くを除外後、固形分を分離することなく、そのまま中和後酵素添加して加水分解してもよい。セルロースを含む固形分の加水分解反応物からはグルコース、キシロースを主成分とする単糖成分を得ることができる。また、分離・回収されたアンモニア水溶液にはリグニン以外にペントースであるキシロースを主成分として含んでいるため、アルカリ溶液を中和して糖水溶液を単離することも可能である。また、中和によって得られた糖水溶液を、固形分に混合し、ここに酵素を添加して加水分解を行ってもよい。

工程(1)で得られる糖水溶液には、糖だけでなく、コロイド成分、濁質成分、微粒子などを含むバイオマス残滓が存在する。このようなバイオマス残滓の構成成分としては、リグニン、タンニン、シリカ、カルシウム、未分解のセルロース、などが例示できるが、特にこれらに限定されるものではない。

本発明の濃縮糖水溶液の製造方法における工程(2)である、工程(1)で得られた糖水溶液を精密濾過膜および／または限外濾過膜に通じて濾過して、糖水溶液を透過側から回収する工程に関して説明する。

本発明に使用する精密濾過膜とは、平均細孔径が０．０１μm〜５mmである膜のことであり、マイクロフィルトレーション、ＭＦ膜などと略称されるものである。また、本発明に使用する限外濾過膜とは、分画分子量が１，０００〜２００，０００となる膜のことであり、ウルトラフィルトレーション膜（ＵＦ膜）などと略称されるものである。ここで、限外濾過膜は、孔径が小さすぎて膜表面の細孔径を電子顕微鏡等で計測することが困難であり、平均細孔径の代わりに分画分子量を孔径の大きさの指標とすることになっている。分画分子量とは、日本膜学会編 膜学実験シリーズ 第III巻 人工膜編 編集委員／木村尚史・中尾真一・大矢晴彦・仲川勤 (1993 共立出版) p-92に、「溶質の分子量を横軸に、阻止率を縦軸にとってデータをプロットしたものを分画分子量曲線とよんでいる。そして阻止率が９０％となる分子量を膜の分画分子量とよんでいる。」とあるように、限外濾過膜の膜性能を表す指標として知られている。

これら精密濾過膜または限外濾過膜の材質としては、上述したバイオマス残滓の除去が可能であれば、特に限定されるものではないが、セルロース、セルロースエステル、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、塩素化ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリオレフィン、ポリビニルアルコール、ポリメチルメタクリレート、ポリフッ化ビニリデン、ポリ四フッ化エチレン等の有機材料、あるいはステンレス等の金属、あるいはセラミック等の無機材料が挙げられる。精密濾過膜または限外濾過膜の材質は、加水分解物の性状、あるいはランニングコストを鑑みて適宜選択すればよいが、取扱の容易性から考えて有機材料であることが好ましく、塩素化ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリスルホン、ポリエーテルスルホンであることが好ましい。

また、工程(1)で得られる糖水溶液を特に限外濾過膜で濾過することによって、非透過側から糖化に使用した酵素を回収できる。この酵素を回収する工程について説明する。加水分解に使用する酵素は、分子量が１０，０００〜１００，０００の範囲にあり、これらの透過を阻止できる分画分子量を有する限外濾過膜を使用することで、酵素を非透過側画分より回収することができる。好ましくは、分画分子量１０，０００〜３０，０００の範囲の限外濾過膜を使用することで加水分解に使用する酵素を効率的に回収できる。使用する限外濾過膜の形態は特に限定されるものではなく、平膜、中空糸膜いずれであってもよい。回収された酵素は、工程(1)の加水分解に再利用することで、酵素使用量を削減できる。こうした糖水溶液の限外濾過膜による濾過を行う際には、その前に糖水溶液を予め精密濾過膜に通じて処理し、バイオマス残滓の中でも限外濾過膜の膜ファウリングを生じさせやすい水溶性高分子やコロイド成分を除去しておくことが好ましい。

濾過操作としては、水溶性高分子やコロイド成分を効率的に除去するために、精密濾過膜あるいは限外濾過膜を２回以上使用する多段的な濾過でもよく、またその際使用する膜の素材および性状に関しても特に限定されない。

例えば、精密濾過膜で濾過を行い、その濾液をさらに限外濾過膜で濾過する方法では、精密濾過膜では除くことが出来ない数十nm以下のコロイド成分や、リグニン由来の水溶性の高分子成分（タンニン）、加水分解で分解したが単糖までにはならずオリゴ糖から多糖レベルで分解が途中である糖類、そして糖を加水分解する際に用いた酵素などを除くことが可能となる。

本発明の精密濾過膜または限外濾過膜の形態としては、中空糸膜、平膜のいずれも採用できるが、後述する逆圧洗浄を実施する場合には、中空糸膜が好ましく採用される。

次に、本発明の濃縮糖水溶液の製造方法における工程(3)である、工程(2)で得られた糖水溶液を逆浸透膜に通じて濾過して、透過側から透過水を、非透過側から濃縮糖水溶液を回収する工程に関して説明する。

本発明における「逆浸透膜に通じて濾過する」とは、セルロース含有バイオマスの加水分解により得られた糖水溶液を精密濾過膜および／または限外濾過膜に通じて濾過して、透過側から回収した糖水溶液を、逆浸透膜に通じて濾過し、溶解している糖、特にグルコースやキシロースといった単糖の糖水溶液を非透過側に阻止または濾別することを意味する。

本発明で使用する逆浸透膜の除去性能としては、５００mg/Lの食塩水を用いて、０．７６MPa、２５℃、pH６．５で測定した時の塩除去率が９０％以上である膜が好ましく、より好ましくは９５％以上であり、さらには９９％以上が好ましい。逆浸透膜の塩除去率が高いほど、糖水溶液から糖を効率良く濃縮することができる。なお、逆浸透膜の除去率は、供給側と透過側に含まれる対象化合物（食塩、単糖など）の濃度を用いて次式(I)で算出できる。

除去率（％）＝（１−透過側の対象化合物濃度／供給側の対象化合物濃度）×１００・・・(I)
式(I)における対象化合物濃度の測定方法は、高い精度と再現性を持って測定可能な分析手法であれば特に限定されないが、塩であればイオンクロマトグラフィー、高周波誘導結合プラズマ発光分光分析（ＩＣＰ）、電導度計などの使用が好ましく、単糖であれば高速液体クロマトグラフィー、屈折率計などの使用が好ましい。

また、本発明で使用する逆浸透膜の透過性能としては、５００mg/Lの食塩水を用いて、０．７６MPa、２５℃、pH６．５で測定した時の膜単位面積当たりの透過流量が０．３m^３/m^２/day以上の膜が好ましく、より好ましくは０．６m^３/m^２/day以上であり、さらには０．９m^３/m^２/day以上が好ましい。逆浸透膜の膜単位面積当たりの透過流量が高いほど、糖水溶液から糖を効率良く濃縮することができる。なお、逆浸透膜の膜単位面積当たりの透過流量（膜透過流束またはフラックス）は、透過液量および透過液量を採水した時間および膜面積を測定することで、次式(II)によって算出できる。

膜透過流束（m^３/m^２/day）＝透過液量／膜面積／採水時間・・・(II)
本発明で使用される逆浸透膜の素材としては、酢酸セルロール系のポリマーを機能層とした複合膜（以下、酢酸セルロース系の逆浸透膜ともいう。）またはポリアミドを機能層とした複合膜（以下、ポリアミド系の逆浸透膜ともいう。）が挙げられる。ここで、酢酸セルロース系のポリマーとしては、酢酸セルロース、二酢酸セルロース、三酢酸セルロース、プロピオン酸セルロース、酪酸セルロース等のセルロースの有機酸エステルの単独もしくはこれらの混合物並びに混合エステルを用いたものが挙げられる。ポリアミドとしては、脂肪族および／または芳香族のジアミンをモノマーとする線状ポリマーまたは架橋ポリマーが挙げられる。

これらの中でも高耐圧性と高透水性、高溶質除去性能を兼ね備え、優れたポテンシャルを有する、ポリアミド系の逆浸透膜が好ましい。操作圧力に対する耐久性と、高い透水性、阻止性能を維持するためには、ポリアミドを機能層とし、それを多孔質膜や不織布からなる支持体で保持する構造のものが適している。また、ポリアミド系の逆浸透膜としては、多官能アミンと多官能酸ハロゲン化物との重縮合反応により得られる架橋ポリアミドの機能層を支持体上に有してなる複合半透膜が適している。

ポリアミド系の逆浸透膜において、ポリアミドを構成する単量体の好ましいカルボン酸成分としては、例えば、トリメシン酸、ベンゾフェノンテトラカルボン酸、トリメリット酸、ピロメット酸、イソフタル酸、テレフタル酸、ナフタレンジカルボン酸、ジフェニルカルボン酸、ピリジンカルボン酸などの芳香族カルボン酸が挙げられるが、製膜溶媒に対する溶解性を考慮すると、トリメシン酸、イソフタル酸、テレフタル酸、およびこれらの混合物がより好ましい。

前記ポリアミドを構成する単量体の好ましいアミン成分としては、m-フェニレンジアミン、p-フェニレンジアミン、ベンジジン、メチレンビスジアニリン、４，４’−ジアミノビフェニルエーテル、ジアニシジン、３，３’，４−トリアミノビフェニルエーテル、３，３’，４，４’−テトラアミノビフェニルエーテル、３，３’−ジオキシベンジジン、１，８−ナフタレンジアミン、m(p)-モノメチルフェニレンジアミン、３，３’−モノメチルアミノ−４，４’−ジアミノビフェニルエーテル、４，Ｎ，Ｎ’−（４−アミノベンゾイル）-p(m)-フェニレンジアミン−２，２’−ビス（４−アミノフェニルベンゾイミダゾール）、２，２’−ビス（４−アミノフェニルベンゾオキサゾール）、２，２’−ビス（４−アミノフェニルベンゾチアゾール）等の芳香環を有する一級ジアミン、ピペラジン、ピペリジンまたはこれらの誘導体等の二級ジアミンが挙げられ、中でもm-フェニレンジアミン、p-フェニレンジアミンを単量体として含む架橋ポリアミドを機能層とする逆浸透膜は耐圧性、耐久性の他に、耐熱性、耐薬品性を有していることから好ましく用いられる。

本発明で使用される逆浸透膜の具体例としては、例えば、東レ（株）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、ＴＭＧ１０、ＴＭＧ２０−３７０、ＴＭＧ２０−４００の他、同社製高圧タイプのＳＵ−８１０、ＳＵ−８２０、ＳＵ−８２０Ｌ、ＳＵ−８２０ＦＡ、同社製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（株）製ＲＯ９８ｐＨｔ、ＲＯ９９、ＨＲ９８ＰＰ、ＣＥ４０４０Ｃ−３０Ｄ、ＧＥ社製ＧＥ Ｓｅｐａ、フィルムテック社製ＢＷ３０−４０４０、ＴＷ３０−４０４０、ＸＬＥ−４０４０、ＬＰ−４０４０、ＬＥ−４０４０、ＳＷ３０−４０４０、ＳＷ３０ＨＲＬＥ−４０４０などが挙げられる。

逆浸透膜による濾過は、工程(2)で得られた糖水溶液を、圧力１MPa以上８MPa以下の範囲で逆浸透膜に供給することが好ましい。圧力が上記好ましい範囲であると、膜透過速度が低下せず、一方、膜が損傷するおそれもない。また、濾過圧が２MPa以上７MPa以下で用いれば、膜透過流束が高いことから、糖溶液を効率的に透過させることができ、膜の損傷を与える可能性が少ないことからより好ましく、３MPa以上６MPa以下で用いることが特に好ましい。

逆浸透膜の非透過側から得られる濃縮糖水溶液に含まれる糖成分は、セルロース含有バイオマスに由来する糖であり、本質的には、工程(1)の加水分解で得られる糖成分と大きな変化はない。すなわち、本発明の濃縮糖水溶液に含まれる単糖としてはグルコースおよび／またはキシロースが主成分として構成される。グルコースとキシロースの比率は、工程(1)の加水分解の工程により変動する。すなわち、ヘミセルロースを主として加水分解を行った場合は、キシロースが主要な単糖成分となり、ヘミセルロース分解後、セルロース成分のみを分離して加水分解を行った場合は、グルコースが主要な単糖成分となる。また、ヘミセルロースの分解後、セルロース成分の分離を、特段行わない場合は、グルコース、およびキシロースが主要な単糖成分として含まれる。

なお、逆浸透膜に通じる前に、エバポレーターに代表される濃縮装置を用いて濃縮してもよく、また、濃縮糖水溶液を、さらに、分離膜で濾過して濃度を高めてもよいが、濃縮のためのエネルギー削減という観点から、分離膜で濾過して濃縮糖水溶液濃度をさらに高める工程が好ましく採用できる。この濃縮工程で使用する膜とは被処理水の浸透圧以上の圧力差を駆動力にイオンや低分子量分子を除去する濾過膜であり、例えば酢酸セルロースなどのセルロース系や、多官能アミン化合物と多官能酸ハロゲン化物とを重縮合させて微多孔性支持膜上にポリアミド分離機能層を設けた膜などが採用できる。分離膜表面の汚れ、すなわちファウリングを抑制するために、酸ハライド基と反応する反応性基を少なくとも１個有する化合物の水溶液をポリアミド分離機能層の表面に被覆して、分離機能層表面に残存する酸ハロゲン基と該反応性基との間で共有結合を形成させた主に下水処理用の低ファウリング膜なども好ましく採用できる。また、濃縮に使用する分離膜の具体例は前記の逆浸透膜および後述するナノ濾過膜に準ずる。

工程(3)において、工程(2)で得られた糖水溶液を逆浸透膜に通じて濾過して、非透過側から濃縮糖水溶液を回収するが、本発明では、さらに、この逆浸透膜の透過側から得られる透過水の少なくとも一部を、前記(1)の工程で利用することを特徴とする。すなわち、前記逆浸透膜の透過水をそのまま廃棄するのではなく、その少なくとも一部を回収し、再利用することを特徴とする。

本発明で用いる逆浸透膜の透過水の水質は、逆浸透膜に供給される糖水溶液の水質、逆浸透膜の除去性能および逆浸透膜の濾過条件によって主に決まるが、前記(1)〜(2)の工程で得られる糖水溶液に比べれば、バイオマス残滓や糖の濃度が低く、十分清澄である。このため、前記逆浸透膜の透過水の少なくとも一部を、前記工程(1)の工程水として利用できる。ここで、工程水とは、原料に直接混和して使用する水のことであり、具体的には、水熱処理水、バイオマスの希釈液、洗浄水、酸の希釈液、アルカリ・アンモニアの希釈液などが挙げられる。

例えば、処理法Ａ：酸のみを用いる方法では酸の希釈液として使用可能であり、処理法Ｂ：酸処理後、酵素を利用する方法では、酸の希釈液や酵素水溶液として使用可能であり、処理法Ｃ：水熱処理のみを用いる方法では水熱処理用の水として使用可能であり、処理法Ｄ：水熱処理後、酵素を利用する方法では水熱処理用の水や酵素水溶液として使用可能であり、処理法Ｅ：アルカリ処理後、酵素を利用する方法ではアルカリの希釈液や酵素水溶液として使用可能であり、処理法Ｆ：アンモニア処理後、酵素を利用する方法ではアンモニアの希釈液や酵素水溶液として使用可能である。前記処理法によっては、セルロース含有バイオマスの加水分解反応の効率を高めるため、予めバイオマスを水に懸濁させる場合にはバイオマス懸濁液としても使用可能である。

このように、前記逆浸透膜の透過水の用途は、逆浸透膜の透過水の量やシステム全体のエネルギー効率・コストを勘案して決定すれば良く、前記逆浸透膜の透過水の用途を予め決定しておいても、原料や製造条件の変動に合わせて変更しても構わない。

前記逆浸透膜の透過水の用途は、透過水中の酢酸濃度により決定することが好ましい。透過水中の酢酸濃度が１．５g/L未満である時には、前記工程(1)における酵素希釈液、酸希釈液およびアルカリ希釈液の少なくとも１以上として利用し、酢酸濃度が１．５g/L以上である時には水熱処理水として利用し、水熱処理後には固液分離を行うことが好ましい。

透過水中の酢酸濃度は、既知の方法によって測定することができる。例えば、陰イオン交換カラムを使用してＨＰＬＣにより測定することができるが、この限りではない。

前記逆浸透膜の透過水の少なくとも一部を、前記(1)および／または(2)の工程の洗浄水として利用しても良い。ここで、洗浄水とは、原料に直接混和して使用しない水のことであり、具体的には、上述した固液分離装置のリンスや洗浄、前記精密濾過膜および／または限外濾過膜のリンスや洗浄に使用する水が挙げられる。

また、前記精密濾過膜および／または限外濾過膜に堆積するバイオマス残滓の洗浄には大量の水が必要であるため、前記逆浸透膜の透過水の少なくとも一部を、前記精密濾過膜および／または限外濾過膜の洗浄水として利用することが好ましい。前記精密濾過膜および／または限外濾過膜の洗浄方法には、精密濾過膜および／または限外濾過膜の一次側から水を循環させて洗浄する場合と、精密濾過膜および／または限外濾過膜の二次側から水を逆流させて洗浄する場合があり、後者は、いわゆる逆圧洗浄と呼ばれている。本発明では、前記精密濾過膜および／または限外濾過膜に堆積するバイオマス残滓を膜の細孔内から効率良く除去するために、前記逆浸透膜の透過水の少なくとも一部を、前記精密濾過膜および／または限外濾過膜の逆圧洗浄水として利用することが好ましい。

前記逆浸透膜の透過水の前記(1)の工程での利用量、利用率については、システム全体のエネルギー効率・コストを勘案して決定すれば良く、前記逆浸透膜の透過水の利用量、利用率を予め決定しておいても、原料や製造条件の変動に合わせて変更しても構わない。そして、前記逆浸透膜の透過水の回収・再利用による省水効果を発揮するためには、得られる透過水の２０〜１００重量％を利用することが好ましく、４０〜１００重量％がより好ましく、６０〜１００重量％がさらに好ましい。

次に、工程(2)で得られた糖水溶液をナノ濾過膜に通じて濾過して、透過側から透過水を、非透過側から精製糖水溶液を回収する工程に関して説明する。

本発明において、「ナノ濾過膜に通じて濾過する」とは、セルロース含有バイオマスの加水分解により得られた糖水溶液を精密濾過膜および／または限外濾過膜に通じて濾過して、透過側から回収した糖水溶液を、ナノ濾過膜に通じて濾過し、溶解している糖、特にグルコースやキシロースといった単糖の糖水溶液を非透過側に阻止または濾別しつつ、発酵阻害物質を透過側に透過させて除去または低減することを意味する。

ここで、発酵阻害物質とは、セルロース含有バイオマスの加水分解で生成する化合物であり、かつ本発明の製造方法によって得られる精製糖水溶液を原料とする発酵工程において前述の通り阻害的に作用する物質のことを指し、特にセルロース含有バイオマスの酸処理の工程で生成される、有機酸、フラン系化合物、フェノール系化合物に大きく分類される。

有機酸としては、酢酸、ギ酸、レブリン酸などが具体例として挙げられる。フラン系化合物としては、フルフラール、ヒドロキシメチルフルフラール（ＨＭＦ）などが挙げられる。こうした有機酸あるいはフラン系化合物は、単糖であるグルコースあるいはキシロースの分解による産物である。

また、フェノール系化合物としては、バニリン、アセトバニリン、バニリン酸、シリンガ酸、没食子酸、コニフェリルアルデヒド、ジヒドロコニフェニルアルコール、ハイドロキノン、カテコール、アセトグアイコン、ホモバニリン酸、４−ヒドロキシ安息香酸、４−ヒドロキシ−３−メトキシフェニル誘導体(Hibbert's ketones)などが具体例として挙げられ、これらの化合物はリグニンまたはリグニン前駆体に由来する。

その他、セルロース含有バイオマスとして廃建材あるいは合板などを使用する際は、製材工程で使用された接着剤、塗料などの成分が発酵阻害物質として含まれる場合がある。接着剤としては、ユリア樹脂、メラミン樹脂、フェノール樹脂、ユリアメラミン共重合樹脂などが挙げられる。こうした接着剤に由来する発酵阻害物質として、酢酸、ギ酸、ホルムアルデヒドなどが挙げられる。

本発明で使用するナノ濾過膜の除去性能の評価には、１価イオンの除去性能として食塩水を用いた塩除去性能と、２価イオンの除去性能として硫酸マグネシウム水を用いた塩除去性能を用いる。５００mg/Lの食塩水を用いて、０．３４MPa、２５℃、pH６．５で測定した時の塩除去率が１０％以上８０％以下である膜が好ましく、より好ましくは１０％以上７０％以下であり、さらには１０％以上６０％以下が好ましい。ナノ濾過膜の食塩水の塩除去率が高いほど、糖水溶液から糖を濃縮しやすいが、塩除去率が高すぎると発酵阻害物質を効率的に除去しにくい。また、５００mg/Lの硫酸マグネシウム水を用いて、０．３４MPa、２５℃、pH６．５で測定した時の塩除去率が８０％以上１００％以下である膜が好ましく、より好ましくは８５％以上１００％以下であり、さらには９０％以上１００％以下が好ましい。ナノ濾過膜の硫酸マグネシウム水の塩除去率が高いほど、糖水溶液から糖を効率的に精製することができる。とりわけ、糖水溶液から糖を効率的に精製するためには、糖を非透過側に阻止し、発酵阻害物質を透過側に透過するナノ濾過膜が良い。そのためには、１価イオンの塩除去率が低く、２価イオンの塩除去率が高いナノ濾過膜が好ましく、上記食塩水を用いた時の塩除去率が１０％以上６０％以下であって、上記硫酸マグネシウム水を用いた時の塩除去率が９０％以上１００％以下であるナノ濾過膜が特に好ましい。なお、ナノ濾過膜の除去率は、供給側と透過側に含まれる対象化合物（食塩、単糖など）の濃度を用いて次式(III)で算出できる。

除去率（％）＝（１−透過側の対象化合物濃度／供給側の対象化合物濃度）×１００・・・(III)
式(III)における対象化合物濃度は、高い精度と再現性を持って測定可能な分析手法であれば特に限定されないが、塩であればイオンクロマトグラフィー、高周波誘導結合プラズマ発光分光分析（ＩＣＰ）、電導度計などの使用が好ましく、単糖であれば高速液体クロマトグラフィー、屈折率計などの使用が好ましい。

また、本発明で使用するナノ濾過膜の透過性能としては、５００mg/Lの食塩水を用いて、０．３４MPa、２５℃、pH６．５で測定した時の膜単位面積当たりの透過流量が０．５m^３/m^２/day以上の膜が好ましく、より好ましくは０．６m^３/m^２/day以上であり、さらには０．７m^３/m^２/day以上が好ましい。ナノ濾過膜の膜単位面積当たりの透過流量が高いほど、糖水溶液から糖を効率良く精製することができる。なお、ナノ濾過膜の膜単位面積当たりの透過流量（膜透過流束またはフラックス）は、透過液量および透過液量を採水した時間および膜面積を測定することで、次式(IV)によって算出できる。

膜透過流束（m^３/m^２/day）＝透過液量/膜面積/採水時間・・・(IV)
本発明で使用されるナノ濾過膜の素材には、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、複数の素材を含む膜であってもよい。またその膜構造は、膜の少なくとも片面に緻密層を持ち、緻密層から膜内部あるいはもう片方の面に向けて徐々に大きな孔径の微細孔を有する非対称膜や、非対称膜の緻密層の上に別の素材で形成された非常に薄い機能層を有する複合膜のどちらでもよい。複合膜としては、例えば、特開昭６２−２０１６０６号公報に記載の、ポリスルホンを膜素材とする支持膜にポリアミドの機能層からなるナノフィルターを構成させた複合膜を用いることができる。

これらの中でも高耐圧性と高透水性、高溶質除去性能を兼ね備え、優れたポテンシャルを有する、ポリアミドを機能層とした複合膜が好ましい。操作圧力に対する耐久性と、高い透水性、阻止性能を維持できるためには、ポリアミドを機能層とし、それを多孔質膜や不織布からなる支持体で保持する構造のものが適している。また、ポリアミド半透膜としては、多官能アミンと多官能酸ハロゲン化物との重縮合反応により得られる架橋ポリアミドの機能層を支持体に有してなる複合半透膜が適している。

ポリアミドを機能層とするナノ濾過膜において、ポリアミドを構成する単量体の好ましいカルボン酸成分としては、例えば、トリメシン酸、ベンゾフェノンテトラカルボン酸、トリメリット酸、ピロメット酸、イソフタル酸、テレフタル酸、ナフタレンジカルボン酸、ジフェニルカルボン酸、ピリジンカルボン酸などの芳香族カルボン酸が挙げられるが、製膜溶媒に対する溶解性を考慮すると、トリメシン酸、イソフタル酸、テレフタル酸、およびこれらの混合物がより好ましい。

前記ポリアミドを構成する単量体の好ましいアミン成分としては、m-フェニレンジアミン、p-フェニレンジアミン、ベンジジン、メチレンビスジアニリン、４，４’−ジアミノビフェニルエーテル、ジアニシジン、３，３’，４−トリアミノビフェニルエーテル、３，３’，４，４’−テトラアミノビフェニルエーテル、３，３’−ジオキシベンジジン、１，８−ナフタレンジアミン、m(p)-モノメチルフェニレンジアミン、３，３’−モノメチルアミノ−４，４’−ジアミノビフェニルエーテル、４，Ｎ，Ｎ’−（４−アミノベンゾイル）-p(m)-フェニレンジアミン−２，２’−ビス（４−アミノフェニルベンゾイミダゾール）、２，２’−ビス（４−アミノフェニルベンゾオキサゾール）、２，２’−ビス（４−アミノフェニルベンゾチアゾール）等の芳香環を有する一級ジアミン、ピペラジン、ピペリジンまたはこれらの誘導体等の二級ジアミンが挙げられ、中でもピペラジンまたはピペリジンを単量体として含む架橋ポリアミドを機能層とするナノ濾過膜は耐圧性、耐久性の他に、耐熱性、耐薬品性を有していることから好ましく用いられる。より好ましくは前記架橋ピペラジンポリアミドまたは架橋ピペリジンポリアミドを主成分とし、かつ、次に示す化学式(1)で示される構成成分を含有するポリアミドである。

さらに好ましくは架橋ピペラジンポリアミドを主成分とし、かつ、前記化学式(1)で示される構成成分を含有するポリアミドである。

また、前記化学式(1)中、n=３のものが好ましく用いられる。架橋ピペラジンポリアミドを主成分とし、かつ前記化学式(1)で示される構成成分を含有するポリアミドを機能層とするナノ濾過膜としては、例えば、特開昭６２−２０１６０６号公報に記載のものが挙げられ、具体例として、架橋ピペラジンポリアミドを主成分とし、かつ、前記化学式(1)中、n=３のものを構成成分として含有するポリアミドを機能層とする、東レ（株）製の架橋ピペラジンポリアミド系ナノ濾過膜のＵＴＣ６０が挙げられる。

ナノ濾過膜は一般にスパイラル型の膜エレメントとして使用されるが、本発明で用いるナノ濾過膜も、スパイラル型の膜エレメントとして好ましく使用される。好ましいナノ濾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濾過膜であるＧＥ Ｏｓｍｏｎｉｃｓ社製ナノ濾過膜のＧＥ Ｓｅｐａ、ポリアミドを機能層とするアルファ・ラバル（株）製ナノ濾過膜の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濾過膜の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して含有するポリアミドを機能層とする、東レ（株）製ナノ濾過膜モジュールＳＵ−２１０、ＳＵ−２２０、ＳＵ−６００またはＳＵ−６１０が挙げられ、より好ましくはポリアミドを機能層とするアルファ・ラバル（株）製ナノ濾過膜の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濾過膜のＮＦ−４５、ＮＦ−９０、ＮＦ−２００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して含有するポリアミドを機能層とする、東レ（株）製ナノ濾過膜モジュールＳＵ−２１０、ＳＵ−２２０、ＳＵ−６００またはＳＵ−６１０であり、さらに好ましくは架橋ピペラジンポリアミドを主成分として含有するポリアミドを機能層とする、東レ（株）製ナノ濾過膜モジュールＳＵ−２１０、ＳＵ−２２０、ＳＵ−６００またはＳＵ−６１０である。

ナノ濾過膜による濾過は、工程(2)で得られた糖水溶液を、圧力０．１MPa以上８MPa以下の範囲でナノ濾過膜に供給することが好ましい。圧力が上記好ましい範囲であると、膜透過速度が低下せず、一方、膜が損傷するおそれもない。また、圧力が０．５MPa以上６MPa以下で用いれば、膜透過流束が高いことから、糖溶液を効率的に透過させることができ、膜の損傷に影響を与える可能性が少ないことからより好ましく、１MPa以上４MPa以下で用いることが特に好ましい。

ナノ濾過膜の非透過側から得られる精製糖水溶液に含まれる糖成分は、セルロース含有バイオマスに由来する糖であるが、ナノ濾過膜の除去性能によって、工程(1)の加水分解で得られる糖成分と異なる糖成分比となることがある。本発明の精製糖水溶液に含まれる単糖としてはグルコースおよび／またはキシロースが主成分として構成される。グルコースとキシロースの比率は、工程(1)の加水分解の工程やナノ濾過膜の除去性能により変動するものであり本発明で限定されるものではない。例えば、ヘミセルロースを主として加水分解を行った場合は、キシロースが主要な単糖成分となり、ヘミセルロース分解後、セルロース成分のみを分離して加水分解を行った場合は、グルコースが主要な単糖成分となる。また、ヘミセルロースの分解、およびセルロースの分解を、特段の分離を行わない場合は、グルコース、およびキシロースが主要な単糖成分として含まれる。

なお、ナノ濾過膜に通じる前に、一旦エバポレーターに代表される濃縮装置を用いて濃縮してもよく、また、精製糖水溶液を、さらに、ナノ濾過膜で濾過して濃度を高めてもよいが、濃縮のためのエネルギー削減という観点から、ナノ濾過膜で濾過して精製糖水溶液濃度をさらに高める工程が好ましく採用できる。この濃縮工程で使用する膜とは、被処理水の浸透圧以上の圧力差を駆動力にイオンや低分子量分子を除去する濾過膜であり、例えば酢酸セルロースなどのセルロース系や、多官能アミン化合物と多官能酸ハロゲン化物とを重縮合させて微多孔性支持膜上にポリアミド分離機能層を設けた膜などが採用できる。ナノ濾過膜表面の汚れ、すなわちファウリングを抑制するために、酸ハライド基と反応する反応性基を少なくとも１個有する化合物の水溶液をポリアミド分離機能層の表面に被覆して、分離機能層表面に残存する酸ハロゲン基と該反応性基との間で共有結合を形成させた主に下水処理用の低ファウリング膜なども好ましく採用できる。また、濃縮に使用するナノ濾過膜の具体例は前記のナノ濾過膜および逆浸透膜に準ずる。

また、本発明の濃縮糖水溶液の製造方法で得られた濃縮糖水溶液を発酵原料として使用し、化学品を製造する方法を示す。

本発明で得られた濃縮糖水溶液を発酵原料として使用することにより、化学品を製造することが可能である。本発明で得られる濃縮糖水溶液は、微生物あるいは培養細胞の生育のための炭素源であるグルコースおよび／またはキシロースを主成分として含んでおり、一方でフラン化合物、有機酸、芳香族化合物などの発酵阻害物質の含量が極めて少ないために、発酵原料、特に炭素源として有効に使用することが可能である。

本発明の化学品の製造方法で使用される微生物あるいは培養細胞は、例えば、発酵工業においてよく使用されるパン酵母などの酵母、大腸菌、コリネ型細菌などのバクテリア、糸状菌、放線菌、動物細胞、昆虫細胞などが挙げられる。使用する微生物や細胞は、自然環境から単離されたものでもよく、また、突然変異や遺伝子組換えによって一部性質が改変されたものであってもよい。特に、セルロース含有バイオマスに由来する糖水溶液は、キシロースといったペントースを含むため、ペントースの代謝経路を強化した微生物が好ましく使用できる。

培地としては、濃縮糖水溶液の他に、窒素源、無機塩類、さらに必要に応じてアミノ酸、ビタミンなどの有機微量栄養素を適宜含有する液体培地が好ましく使用される。本発明の濃縮糖水溶液には、炭素源として、グルコース、キシロースなど微生物が利用可能な単糖を含んでいるが、場合によっては、さらに炭素源として、グルコース、シュークロース、フラクトース、ガラクトース、ラクトース等の糖類、これら糖類を含有する澱粉糖化液、甘藷糖蜜、甜菜糖蜜、ハイテストモラセス、酢酸等の有機酸、エタノールなどのアルコール類、グリセリンなどを追加して、発酵原料として使用してもよい。窒素源としては、アンモニアガス、アンモニア水、アンモニウム塩類、尿素、硝酸塩類、その他補助的に使用される有機窒素源、例えば油粕類、大豆加水分解液、カゼイン分解物、その他のアミノ酸、ビタミン類、コーンスティープリカー、酵母または酵母エキス、肉エキス、ペプトン等のペプチド類、各種発酵菌体およびその加水分解物などが使用される。無機塩類としては、リン酸塩、マグネシウム塩、カルシウム塩、鉄塩、マンガン塩等を適宜添加することができる。

微生物が生育のために特定の栄養素を必要とする場合には、その栄養物を標品もしくはそれを含有する天然物として添加すればよい。また、消泡剤を必要に応じて使用してもよい。

微生物の培養は、通常、pH４〜８、温度２０〜４０℃の範囲で行われる。培養液のpHは、無機あるいは有機の酸、アルカリ性物質、さらには尿素、炭酸カルシウム、アンモニアガスなどによって、通常、pH４〜８範囲内のあらかじめ定められた値に調節する。酸素の供給速度を上げる必要があれば、空気に酸素を加えて酸素濃度を２１％以上に保つ、あるいは培養を加圧する、攪拌速度を上げる、通気量を上げるなどの手段を用いることができる。

本発明の濃縮糖水溶液の製造方法で得られた濃縮糖水溶液を発酵原料として使用する化学品の製造方法としては、当業者に公知の発酵培養方法が採用されうるが、生産性の観点から、国際公開２００７／０９７２６０号パンフレットに開示される連続培養方法が好ましく採用される。

製造される化学品としては、上記微生物や細胞が培養液中に生産する物質であれば制限はない。製造される化学品の具体例としては、アルコール、有機酸、アミノ酸、核酸など発酵工業において大量生産されている物質を挙げることができる。例えば、アルコールとしては、エタノール、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、有機酸としては、酢酸、乳酸、ピルビン酸、コハク酸、リンゴ酸、イタコン酸、クエン酸、核酸であれば、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、またカダベリンなどのジアミン化合物を挙げることができる。また、本発明の精製糖水溶液の製造方法で得られた濃縮糖水溶液は、酵素、抗生物質、組換えタンパク質のような物質の生産に適用することも可能である。

以下、図面を用いて、本発明の濃縮糖水溶液の製造方法に使用される濃縮糖水溶液の製造装置について説明する。

図１は、本発明の一実施形態を示す概略フロー図である。ここでは、セルロース含有バイオマスの加水分解工程の一例として、処理法Ｂ：酸処理後、酵素を利用する方法を採用した。図１において、酸処理槽１はバイオマスを酸で加水分解する酸処理槽、バイオマス貯留槽２は酸処理されたバイオマスの貯留槽、酵素水溶液貯留槽３は酵素水溶液の貯留槽、酵素糖化槽４は酵素でバイオマスを加水分解する酵素糖化槽、第１ポンプ５は精密濾過膜および／または限外濾過膜に糖化液を供給するための０．５MPa程度の圧が得られるポンプ、ＭＦ／ＵＦ膜６は精密濾過膜および／または限外濾過膜、糖水溶液貯留槽７は精密濾過膜および／または限外濾過膜の透過側から回収した糖水溶液の貯留槽、第２ポンプ８は逆浸透膜に糖化液を供給するための１〜８MPa程度の圧が得られる高圧ポンプ、ＲＯ膜９は逆浸透膜、第３ポンプ１０は精密濾過膜および／または限外濾過膜の逆圧洗浄ポンプ、第４ポンプ１１は薬剤を注入するポンプ、薬剤槽１２は精密濾過膜および／または限外濾過膜を洗浄するための薬剤を貯留する薬剤槽、再利用水槽１３は逆浸透膜の透過水の少なくとも一部を貯留する再利用水槽、第５ポンプ１４は逆浸透膜の透過水の少なくとも一部を各工程に返送する手段であるポンプを示す。

Ｖ_１、Ｖ_２、Ｖ_３、Ｖ_４、Ｖ_５、Ｖ_６、Ｖ_７、Ｖ_８、Ｖ_９、Ｖ_１０、Ｖ_１１、Ｖ_１２、Ｖ_１３、Ｖ_１４、Ｖ_１５はバルブであり、Ｖ_１０、Ｖ_１１、Ｖ_１２、Ｖ_１３の開閉によって、逆浸透膜の透過水の少なくとも一部である再利用水をどの工程に返送するか切換を行うことができる。なお、再利用水を精密濾過膜および／または限外濾過膜の逆圧洗浄に使用しないのであれば、逆浸透膜の透過水の少なくとも一部を各工程に返送する手段として、第５ポンプ１４の代わりに水頭差による送液など動力の無いまたは少ない手段を用いることもできる。

ここで、精密濾過膜および／または限外濾過膜の洗浄の時間は、特に限定されるものではないが、１〜１８０secの範囲内とすることが好ましく、３０〜１２０secとすることが特に好ましい。洗浄時間が上記好ましい範囲であれば、十分な洗浄効果が得られ、一方、精密濾過膜および／または限外濾過膜の稼働時間を十分に確保できる。洗浄流束は、特に限定されるものではないが、０．１〜１０m^３/m^２/dayの範囲内であることが好ましい。洗浄流束が上記好ましい範囲であれば、膜面・膜内部に堆積・付着したバイオマス残滓などを十分に除去することができ、一方、精密濾過膜および／または限外濾過膜に負荷が掛からない。

さらに、上述の逆浸透膜の透過水の少なくとも一部を用いて精密濾過膜および／または限外濾過膜を洗浄するに際し、精密濾過膜および／または限外濾過膜の一次側に気体を送り込み、精密濾過膜および／または限外濾過膜を振動させることも好ましい。

逆浸透膜の透過水の少なくとも一部を用いて精密濾過膜および／または限外濾過膜を洗浄する頻度については、特に限定されるものではないが、１日に１回〜１日に２００回の範囲内で行うことが好ましい。洗浄頻度が上記好ましい範囲であれば、逆浸透膜の透過水の回収・再利用による省水の効果を十分に発揮でき、一方、精密濾過膜および／または限外濾過膜の稼働時間を十分に確保できる。

以下、本発明の濃縮糖水溶液の製造方法に関し、さらに詳細に説明するために実施例を挙げて説明する。しかしながら、本発明は、これらの実施例に限定されない。
（単糖濃度の分析方法）
得られた糖水溶液に含まれる単糖（グルコース及びキシロース）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：超純水：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℃
（酵素濃度の分析方法）
液中に含まれるタンパク成分が全て酵素だとしてタンパク質濃度を測定した。タンパク濃度はＢＣＡ測定キット（BCA Protein Assay Regent kit、ピアス社）を使用して行い、牛血清アルブミン（２mg/mL）を標品として、５６２nmの吸光度を測定し、比色定量を行った。

（実施例１）
工程(1)のセルロース含有バイオマスを加水分解する工程に関し、０．１〜１５重量％の希硫酸および酵素を使用するセルロース含有バイオマスの加水分解方法について説明する。

セルロース含有バイオマスとして、約８００gの稲わらを使用した。前記セルロース含有バイオマスを硫酸２％水溶液（水５，８８０g、濃硫酸１２０g）に浸し、１５０℃で３０minオートクレーブ処理（日東高圧（株）製）した。処理後、固液分離を行い、硫酸水溶液（以下、希硫酸処理液という。）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約１２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付近に調整した混合液を得た。なお、この混合液を乾固して水分量を測定した結果、混合液は水５，５８０gと７５０gのセルロース含有バイオマスを含んでいることが分かった。

次に、セルラーゼとしてトリコデルマセルラーゼ（シグマ アルドリッチ ジャパン（株））およびノボザイム１８８（アスペルギルスニガー由来βグルコシダーゼ製剤、シグマ アルドリッチ ジャパン（株））を合わせて５０g含む酵素を水４５０gに溶解した酵素水溶液５００gを調製した。この酵素水溶液５００gを前記混合液に添加し、５０℃で３日間攪拌混合しながら、加水分解反応を行って、糖水溶液を得た。なお、得られた糖水溶液中の単糖濃度および発酵阻害物質濃度を分析するために、３，０００Gで遠心分離して固液分離を行った。分析の結果、糖水溶液中に含まれる単糖はグルコースが２４１g、キシロースが１１９gであり、発酵阻害物質はフルフラールが８．５g、バニリンが５２０mgであった。また、この糖水溶液を乾固して水分量を測定した結果、水６，０３０gを含んでいることが分かった。

工程(2)として、工程(1)で得られた糖水溶液を、１００kPaの圧力で、温度２５℃で精密濾過膜に供給してクロスフロー濾過させ、透過側から糖水溶液を回収した。ここで、クロスフロー濾過時の膜面線速度は、３０cm/secとなるようにした。また、精密濾過膜としては、東レ（株）製精密濾過膜モジュール“トレフィル”（登録商標）ＨＦＳに使用されている公称孔径０．０５μmのポリフッ化ビニリデン製中空糸膜を切り出し、中空糸膜５０本からなる長さ２００mmのミニチュアモジュールを作製して濾過に使用した。なお、得られた糖水溶液中の単糖濃度および発酵阻害物質濃度を分析した結果、糖水溶液中に含まれる単糖はグルコースが２２８g、キシロースが１１３gであり、発酵阻害物質はフルフラールが８．０g、バニリンが８２０mgであった。また、この糖水溶液を乾固して水分量を測定した結果、水５，８７０gを含んでいることが分かった。

また、精密濾過膜の逆圧洗浄の洗浄水として、浄水を１２，０００g使用した。

工程(3)として、工程(2)で得られた糖水溶液を、３MPaの圧力で、温度２５℃でナノ濾過膜に供給してクロスフロー濾過させた。非透過側から濃縮糖水溶液を回収しつつ、透過側から透過水を回収して、濃縮糖水溶液とナノ濾過膜の透過水を得た。ここで、クロスフロー濾過時の膜面線速度は、３０cm/secとなるようにした。また、ナノ濾過膜としては、東レ（株）製ポリアミド系ナノ濾過膜モジュール “ＳＵ−６００”に使用されているポリアミド系ナノ濾過膜を切り出して使用した。ここで、“ＳＵ−６００”に使用されているポリアミド系ナノ濾過膜を、５００mg/Lの食塩水を用いて、０．３４MPa、２５℃、pH６．５で測定した時の塩除去率は、５５％であり、膜単位面積当たりの透過流量が０．７m^３／m^２／ｄａｙであった。また、得られた濃縮糖水溶液中の単糖濃度および発酵阻害物質濃度を分析した結果、精製糖水溶液に含まれる単糖はグルコースが２２２g、キシロースが１０１gであり、発酵阻害物質はフルフラールが１．６g、バニリンが４０５mgであった。また、この糖水溶液を乾固して水分量を測定した結果、水３，７４０gを含んでいることが分かった。

一方、得られたナノ濾過膜の透過水中の単糖濃度および発酵阻害物質濃度を分析した結果、ナノ濾過膜の透過水に含まれる単糖はグルコースが６g、キシロースが１２gであり、発酵阻害物質はフルフラールが６．４g、バニリンが４１５mgであった。また、このナノ濾過膜の透過水を乾固して水分量を測定した結果、水２，１３０gを含んでいることが分かった。

得られたナノ濾過膜の透過水全量を浄水９，９００gと混合し、工程(2)の精密濾過膜の逆圧洗浄の洗浄水として利用し、浄水２，１００gを節水することができた。

工程(4)として、工程(3)で得られた精製糖水溶液を、３MPaの圧力で、温度２５℃で逆浸透膜に供給してクロスフロー濾過させた。非透過側から濃縮糖水溶液を回収しつつ、透過側から透過水を回収して、濃縮糖水溶液と逆浸透膜の透過水を得た。ここで、クロスフロー濾過時の膜面線速度は、３０cm/secとなるようにした。また、逆浸透膜としては、東レ（株）製ポリアミド系逆浸透膜モジュール“ＴＭＧ１０”に使用されているポリアミド系逆浸透膜を切り出して使用した。ここで、“ＴＭＧ１０”に使用されているポリアミド系逆浸透膜を、５００mg/Lの食塩水を用いて、０．７６MPa、２５℃、pH６．５で測定した時の塩除去率は、９９．５％であり、膜単位面積当たりの透過流量が１．０m^３/m^２/dayであった。また、得られた濃縮糖水溶液中の単糖濃度および発酵阻害物質濃度を分析した結果、濃縮糖水溶液に含まれる単糖はグルコースが２２０g、キシロースが１００gであり、発酵阻害物質はフルフラールが１．５g、バニリンが４００mgであった。また、この糖水溶液を乾固して水分量を測定した結果、水１，６００gを含んでいることが分かった。

一方、得られた逆浸透膜の透過水中の単糖濃度および発酵阻害物質濃度を分析した結果、逆浸透膜の透過水に含まれる単糖はグルコースが２g、キシロースが１gであり、発酵阻害物質はフルフラールが０．１g、バニリンが５mgであった。また、この逆浸透膜の透過水を乾固して水分量を測定した結果、水２，１４０gを含んでいることが分かった。

得られた逆浸透膜の透過水は、水の含有率が９９％以上と清澄であったため、工程(1)のセルロース含有バイオマスを加水分解する工程において、酵素水溶液５００gを調製する際の水４５０gとして再利用し、残り１，６９０gを硫酸２％水溶液の水として再利用した。
（参考例１）セルラーゼ活性測定方法
セルラーゼ活性は、a)アビセル分解活性、b)カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）分解活性、c)セロビオース分解活性、d)キシラン分解活性、の４種の分解活性に分けて、以下の手順で活性を測定評価した。
a)アビセル分解活性
酵素液（所定条件で調整）に対し、アビセル（メルク（株）製）を１g/L、酢酸ナトリウム緩衝液（pH５．０）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。
b)ＣＭＣ分解活性
酵素液に対し、カルボキシメチルセルロース１０g/L、酢酸ナトリウム緩衝液（pH５．０）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。ＣＭＣ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。
c)セロビオース分解活性
酵素液に対し、セロビオース（和光純薬工業（株））５００mg/L、酢酸ナトリウム緩衝液（pH５．０）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。
d)キシラン分解活性
酵素液に対し、キシラン(Birch wood xylan, 和光純薬工業（株）)１０g/L、酢酸ナトリウム緩衝液（pH５．０）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。
（参考例２）工程(3)由来の逆浸透膜透過水の調製
実施例２及び３、比較例１及び２で用いた逆浸透膜透過水１〜８は、調製した手順は同じであるが、原料である稲わらのロットや、調製の日時が異なるものである。調製手順は以下の通りである。

工程(1)として、セルロース含有バイオマスである稲わら約４００gに、工程(3)から得られた逆浸透膜透過水２，９４０g、濃硫酸６０gを添加して懸濁し、１５０℃で３０minオートクレーブ処理（日東高圧（株）製）した。処理後、水酸化ナトリウムによって、pHを５付近に調整した混合液を得た。

次に、セルラーゼとしてトリコデルマセルラーゼ（シグマ アルドリッチ ジャパン（株））およびノボザイム１８８（アスペルギルスニガー由来βグルコシダーゼ製剤、シグマ アルドリッチ ジャパン（株））を合わせて２５g含む酵素を水２２５gに溶解した酵素水溶液２５０gを調製した。この酵素水溶液２５０gを前記混合液に添加し、５０℃で３日間攪拌混合しながら、加水分解反応を行って、糖水溶液を得た。

続いて工程(2)として、工程(1)で得られた糖水溶液を、１００kPaの圧力で、温度２５℃で精密濾過膜に供給してクロスフロー濾過させ、透過側から糖水溶液を回収した。クロスフロー濾過時の膜面線速度は、３０cm/secとなるようにした。また、精密濾過膜としては、東レ（株）製精密濾過膜モジュール“トレフィル”（登録商標）ＨＦＳに使用されている公称孔径０．０５μmのポリフッ化ビニリデン製中空糸膜を切り出し、中空糸膜２２本からなる内径１０mm、長さ２００mmのミニチュアモジュールを作製して濾過に使用した。

続いて工程(3)として、工程(2)で得られた濃縮糖水溶液を、３MPaの圧力で、温度２５℃で逆浸透膜に供給してクロスフロー濾過させ、非透過側から濃縮糖水溶液を回収した。ここで、クロスフロー濾過時の膜面線速度は、３０cm/secとなるようにした。また、逆浸透膜としては、東レ（株）製ポリアミド系逆浸透膜モジュール“ＴＭＧ１０”に使用されているポリアミド系逆浸透膜を切り出して使用した。ここで、“ＴＭＧ１０”に使用されているポリアミド系逆浸透膜を、５００mg/Lの食塩水を用いて、０．７６MPa、２５℃、pH６．５で測定した時の塩除去率は、９９．５％であり、膜単位面積当たりの透過流量が１．０m３/m２/dayであった。得られた透過水を、逆浸透膜透過水１〜８として、実施例２及び３、比較例１及び２に供した。
（実施例２）
参考例２に従って工程(3)から得られた酢酸濃度が１．５g/L未満である表１記載の逆浸透膜透過水１及び２を使用して酵素を希釈し、得られた酵素希釈液の酵素活性を参考例１に準じて測定した。酵素は、ジェネンコア社製アクセルレースデゥエットを使用した。比較のため、超純水を用いて希釈した場合を、基準の分解活性１として各酵素活性を相対値で示した。
（比較例１）
参考例２に従って工程(3)から得られた酢酸濃度が１．５g/L以上である表１記載の逆浸透膜透過水３及び４を使用して酵素を希釈し、得られた酵素希釈液の酵素活性を参考例１に準じて測定した。酵素は、ジェネンコア社製アクセルレースデゥエットを使用した。比較のため、超純水を用いて希釈した場合を、基準の分解活性１として各酵素活性を相対値で示した。

実施例２および比較例１の結果から、酵素希釈水として酢酸濃度１．５g/L未満の工程水を使用することで、酵素活性の低下が抑制できることが判明した。
（参考例３）酵母によるエタノール発酵
比較例２，実施例３では、次の通りSaccharomyces cerevisiae OC２株（ワイン酵母）を用いてエタノール発酵を行い、得られた糖液の評価を行った。

発酵用培地は、比較例２、実施例３で得られた糖水溶液を用いて以下の組成で調製し、フィルター滅菌（ミリポア ステリカップ０．２２μm、メルク（株））したものを発酵に用いた。
＜発酵用培地＞
グルコース終濃度：３０g/L
Synthetic Complete Dropout Mix：３．８g/L
Yeast Nitrogen Base：１．７g/L。

グルコース濃度の定量には、グルコーステスト和光（和光純薬工業（株））を使用した。また、各培養液中に産生されたエタノール量は、ガスクロマトグラフ法（Shimadzu GC-2010キャピラリーGC TC-1(GL science) 15 meter L.*0.53mm I.D., df 1.5μm)を用いて、水素炎イオン化検出器により測定した。

OC２株を５mLの上記発酵用培地で一晩振とう培養した（前培養）。続いて、前培養液を上記発酵用培地１００mLに接種し、５００mL容坂口フラスコで２４時間振とう培養し（本培養）、２４時間後のエタノール生産量を評価した。
（参考例４）糖液の調製方法
工程(1)として、セルロース含有バイオマスである稲わら４３０gに、工程(3)から得られた逆浸透膜透過水２，９４０g、濃硫酸６０gを添加して懸濁し、１５０℃で３０minオートクレーブ処理（日東高圧（株）製）した。処理後、水酸化ナトリウムによって、pHを５付近に調整した混合液を得た。

次に、セルラーゼとしてトリコデルマセルラーゼ（シグマ アルドリッチ ジャパン（株））およびノボザイム１８８（アスペルギルスニガー由来βグルコシダーゼ製剤、シグマ アルドリッチ ジャパン（株））を合わせて２５g含む酵素を水２２５gに溶解した酵素水溶液２５０gを調製した。この酵素水溶液２５０gを前記混合液に添加し、５０℃で３日間攪拌混合しながら、加水分解反応を行って、糖水溶液を得た。

続いて工程(2)として、工程(1)で得られた糖水溶液を、１００kPaの圧力で、温度２５℃で精密濾過膜に供給してクロスフロー濾過させ、透過側から糖水溶液を回収した。クロスフロー濾過時の膜面線速度は、３０cm/secとなるようにした。また、精密濾過膜としては、東レ（株）製精密濾過膜モジュール“トレフィル”（登録商標）ＨＦＳに使用されている公称孔径０．０５μmのポリフッ化ビニリデン製中空糸膜を切り出し、中空糸膜２２本からなる内径１０mm、長さ２００mmのミニチュアモジュールを作製して濾過に使用した。

続いて工程(3)として、工程(2)で得られた濃縮糖水溶液を、３MPaの圧力で、温度２５℃で逆浸透膜に供給してクロスフロー濾過させ、非透過側から濃縮糖水溶液を回収した。ここで、クロスフロー濾過時の膜面線速度は、３０cm/secとなるようにした。また、逆浸透膜としては、東レ（株）製ポリアミド系逆浸透膜モジュール“ＴＭＧ１０”に使用されているポリアミド系逆浸透膜を切り出して使用した。ここで、“ＴＭＧ１０”に使用されているポリアミド系逆浸透膜を、５００mg/Lの食塩水を用いて、０．７６MPa、２５℃、pH６．５で測定した時の塩除去率は、９９．５％であり、膜単位面積当たりの透過流量が１．０m^３/m^２/dayであった。
（実施例３）
工程(1)における稲わらの懸濁に用いる水として、参考例２に従って得られた、表２に記載する酢酸濃度が１．５g/L未満である工程(3)由来の逆浸透膜透過水５及び６を用いて、参考例４の方法に従って濃縮糖水溶液を得た。

得られた糖水溶液をグルコース源として使用して発酵用培地を調製し、参考例３に記載のように前培養、本培養を行ってエタノール発酵を行った。なお、前培養では試薬単糖を用い、本培養時のみ糖水溶液を用いた。以上のエタノール発酵の結果として、グルコース消費量及びエタノール蓄積濃度を表２に併せて示した。

（比較例２）
工程(1)における稲わらの懸濁に用いる水として、参考例２に従って得られた、表２に記載する酢酸濃度が１．５g/L以上である工程(3)由来の逆浸透膜透過水７及び８を用いて、参考例４の方法に従って濃縮糖水溶液を得た。

得られた糖水溶液をグルコース源として使用して発酵用培地を調製し、参考例３に記載のように前培養、本培養を行ってエタノール発酵を行った。なお、前培養では試薬単糖を用い、本培養時のみ糖水溶液を用いた。以上のエタノール発酵の結果として、グルコース消費量及びエタノール蓄積濃度を表２に併せて示した。

実施例３及び比較例２の結果から、稲わら（バイオマス）の懸濁水として酢酸濃度１．５g/L未満の工程(3)由来の逆浸透膜透過水を使用することで、阻害されることなくエタノール発酵が行われた。

本発明によって、セルロース含有バイオマスを加水分解して糖水溶液を製造し、精密濾過膜および／または限外濾過膜で処理してバイオマス残滓を除去した後、逆浸透膜で処理して糖水溶液を濃縮して糖濃度を高める方法において、逆浸透膜から廃棄される透過水を回収・再利用することによって、プロセス全体の省水化が図れるため、環境調和型社会の構築という目的を達成しつつ、該濃縮糖水溶液を発酵原料として用いた種々の化学品の発酵生産のコストを低減することができる。

１ 酸処理槽
２ バイオマス貯留槽
３ 酵素水溶液貯留槽
４ 酵素糖化槽
５ 第１ポンプ
６ ＭＦ／ＵＦ膜
７ 糖水溶液貯留槽
８ 第２ポンプ
９ ＲＯ膜
１０ 第３ポンプ
１１ 第４ポンプ
１２ 薬剤槽
１３ 再利用水槽
１４ 第５ポンプ

Claims (7)

1. (1)セルロース含有バイオマスを加水分解して、糖水溶液を製造する工程、
   (2)(1)で得られた糖水溶液を精密濾過膜および／または限外濾過膜に通じて濾過して、糖水溶液を透過側から回収する工程、並びに、
   (3)(2)で得られた糖水溶液を逆浸透膜に通じて濾過することで、透過側から透過水を回収し、非透過側から濃縮糖水溶液を回収する工程
   を備える、セルロース含有バイオマスを原料とした濃縮糖水溶液の製造方法であって、前記逆浸透膜の透過水の少なくとも一部を、前記工程(1)における水熱処理液、バイオマス懸濁液、洗浄水、酵素希釈液、酸希釈液およびアルカリ希釈液の少なくとも１以上として利用する濃縮糖水溶液の製造方法。
2. 前記逆浸透膜の透過水の酢酸濃度が１．５g/L未満である時には前記工程(1)における水熱処理水、酵素希釈液、酸希釈液およびアルカリ希釈液の少なくとも１以上として、１．５g/L以上である時には水熱処理水および／または洗浄水として利用する請求項１に記載の濃縮糖水溶液の製造方法。
3. 前記逆浸透膜がポリアミドを機能層とした複合膜である請求項１〜２のいずれかに記載の濃縮糖水溶液の製造方法。
4. 前記逆浸透膜が、５００mg/Lの食塩水を用いて、０．７６MPa、２５℃、pH６．５で測定した時の塩除去率が９０％以上の性能を有する請求項１〜３のいずれかに記載の濃縮糖水溶液の製造方法。
5. 前記精密濾過膜および／または限外濾過膜が中空糸膜である請求項１〜４のいずれかに記載の濃縮糖水溶液の製造方法。
6. 前記(2)で得られた糖水溶液をナノ濾過膜に通じて濾過する工程をさらに備える請求項１〜５のいずれかに記載の濃縮糖水溶液の製造方法。
7. 請求項１〜６のいずれかに記載の方法で得られた濃縮糖水溶液から、酵母を用いるエタノールの生産方法。

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