WO2011007574A1 - 糖化液製造方法及び糖化反応装置 - Google Patents
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- C12P19/00—Preparation of compounds containing saccharide radicals
- C12P19/14—Preparation of compounds containing saccharide radicals produced by the action of a carbohydrase (EC 3.2.x), e.g. by alpha-amylase, e.g. by cellulase, hemicellulase
Definitions
- the present invention relates to a saccharified solution production method and a saccharification reaction apparatus for obtaining a saccharified solution by reacting an enzyme with biomass containing cellulose.
- a sugar solution is produced from a woody or herbaceous material, for example, biomass such as wood scrap or rice straw, using an enzyme, and the sugar A method for producing alcohol by fermenting bismuth has been studied.
- biomasses are mainly composed of lignin which is an aromatic compound and has a three-dimensional structure, and cellulose and hemicellulose which are polymers of monosaccharides. This cellulose or hemicellulose is hydrolyzed with an enzyme to produce a monosaccharide as a raw material for alcohol fermentation.
- cellulose and hemicellulose have a structure protected by lignin, as shown in FIG.
- an enzyme such as cellulase is added.
- a saccharified solution such as glucose as a fermentation raw material
- fermenting bacteria the final product alcohol
- This alcohol is then concentrated (distilled) to a predetermined concentration as required, for example.
- a saccharification reaction tank 101 for obtaining a saccharified solution and a fermentation reaction tank 102 for carrying out fermentation are used. And the biomass after the pretreatment are put into the saccharification reaction tank 101 for reaction, and then the saccharified solution and the fermenting bacteria obtained in the saccharification reaction tank 101 are supplied to the fermentation reaction tank 102 for fermentation and ethanol.
- the apparatus etc. which manufacture are used.
- the enzyme hydrolyzes cellulose and hemicellulose in the saccharification reaction tank 101 to produce a saccharified solution composed of monosaccharides such as glucose and xylose.
- an enzyme used for obtaining a saccharified solution is very expensive. Therefore, it is necessary to recover and reuse this enzyme without discarding it every reaction.
- the enzyme is recovered, for example, by performing membrane separation. In this case, the membrane becomes dirty and the life is shortened. The cost will be increased.
- the enzyme adsorbed on the biomass decomposition residue cannot be recovered. Therefore, it is necessary to examine a method that can reuse the enzyme at low cost including consumables such as membranes.
- the ratio of saccharified liquid obtained from input biomass (saccharification rate: weight of generated sugar / weight of cellulose and hemicellulose in biomass) ) Must be as high as possible.
- saccharified liquid obtained from input biomass saccharified liquid obtained from input biomass
- saccharification rate weight of generated sugar / weight of cellulose and hemicellulose in biomass
- Biomass contains a mixture of sites that are susceptible to enzymatic degradation, such as non-crystalline sites in cellulose, and sites that are difficult to decompose, such as sites with high crystallinity in cellulose.
- the decomposition proceeds first from the portion that is easily decomposed, and the amount of the portion that is easily decomposed decreases as the reaction proceeds, so the reaction rate is considered to be further slowed down.
- the amount of biomass charged into the reaction tank 101 and keeping the sugar concentration low can be reduced and the saccharification rate can be increased without spending so many days in the reaction.
- the concentration of the saccharified solution obtained is low, the fermentation ethanol concentration is also low. Therefore, the amount of energy required for distillation when producing concentrated ethanol, which is the final product, is increased, and the equipment capacity is increased.
- FIG. 26 (b) a method of performing an enzyme reaction and ethanol fermentation in the same reaction vessel 103 has been studied.
- biomass and enzyme are supplied into the reaction tank 103, and then fermented bacteria are supplied into the reaction tank 103, whereby the saccharified solution obtained by the reaction between the biomass and the enzyme is fermented with the fermenting bacteria at any time to produce ethanol.
- the saccharification rate can be increased because the concentration of the saccharified solution, which is an inhibitory factor of the saccharification reaction, is suppressed to reduce saccharide inhibition.
- the optimum reaction temperature for enzyme reaction is generally 50 ° C.
- the optimum reaction temperature for fermentation is 30 ° C. to 35 ° C. due to the heat resistance of the fermentation bacteria. Therefore, in this method, it is necessary to perform the reaction at 30 ° C. to 35 ° C. in order not to kill the fermenting bacteria, so that the reactivity of the enzyme is lowered. Therefore, the amount of enzyme to be added increases or, on the contrary, the reaction time becomes longer.
- a saccharified solution which is a precursor of ethanol, at as high a concentration as possible, for example, in order to suppress the energy required for ethanol concentration.
- a high-concentration saccharified solution can be obtained by increasing the amount of enzyme supplied and the amount of biomass charged in the reaction tank 101.
- this method increases the amount of enzyme used and further increases the amount of unreacted residue. Will increase the cost.
- Patent Document 2 in a simultaneous saccharification-fermentation reaction from fibrin to ethanol, a liquid part containing an enzyme and alcohol is brought into contact with a solid containing fibrin useful for the simultaneous saccharification-enzymization reaction. Although a technique for adsorbing an enzyme to the solid is described, production of a high-concentration saccharified solution has not been studied.
- JP 2006-87319 A Japanese Patent Laid-Open No. 55-144885 (claims, etc.)
- the present invention has been made under such circumstances, and an object thereof is to obtain a high-concentration saccharified solution at a low cost when an enzyme and biomass containing cellulose are reacted to obtain a saccharified solution.
- the object is to provide a method for producing a saccharified solution and a saccharification reaction apparatus.
- the method for producing a saccharified solution of the present invention comprises: In a method for obtaining a saccharified solution by reacting a cellulosic biomass, which is an aggregate of plants or an aggregate of plant processed products containing cellulose, and a saccharifying enzyme having cellulose saccharifying ability, A first reaction step of mixing a saccharifying enzyme and a cellulosic biomass in an aqueous solution, and saccharifying the biomass with a saccharifying enzyme; A first separation step of solid-liquid separation of the reaction solution obtained in the first reaction step to obtain a saccharified solution and a residue; A second reaction step of adding an added water to the residue obtained in the first separation step to prepare an aqueous solution, and saccharifying the residue with a saccharifying enzyme adsorbed to the residue in the aqueous solution; A third reaction step of adding cellulose-based biomass before saccharification reaction to the saccharified solution obtained in the first separation step, and saccharifying the biomass newly added by the saccharifying enzyme in the saccharified solution. It
- the first reaction step, the second reaction step, and the third reaction step are preferably performed using different reaction vessels.
- the proportion of lignin contained in the biomass is preferably 10% or less.
- the saccharification reaction apparatus of the present invention comprises: A saccharification reaction apparatus for carrying out the method for producing a saccharified solution described above, Two reaction vessels for mixing saccharifying enzyme and cellulosic biomass in an aqueous solution, and subjecting the biomass to a saccharification reaction with saccharifying enzyme; A biomass supply section for supplying biomass into these reaction vessels; A first enzyme supply unit for supplying a saccharifying enzyme into these reaction vessels; An additional water supply unit for supplying additional water into one of the two reaction tanks; A first separation unit for performing solid-liquid separation of a reaction solution generated by a reaction between biomass and a saccharifying enzyme in the one reaction tank to obtain a saccharified solution and a residue; A first transport unit for transporting the saccharified solution separated by the first separation unit to the other reaction tank of the two reaction tanks; The first reaction step is performed in the one reaction tank, the saccharified solution obtained by the first separation unit is then supplied to the other reaction tank, and then the reaction tank in which the residue is stored and the saccharified liquid Supply water and
- the first enzyme supply unit is for supplying a saccharification enzyme into the one reaction tank instead of supplying the saccharification enzyme into the two reaction tanks
- the additional water supply unit is for supplying the additional water into the other reaction tank instead of supplying the additional water into the one reaction tank
- the first transport unit is for transporting the residue instead of transporting the saccharified solution to the other reaction tank
- the control unit after performing the first reaction step, supplies the residue obtained by the first separation unit to the other instead of supplying the saccharified solution obtained by the first separation unit to the other reaction tank.
- a control signal may be output so as to be supplied to the reaction vessel.
- the first separation unit may be a means for separating the saccharified solution and the residue by sedimentation separation in the one reaction tank.
- the saccharification reaction apparatus of the present invention comprises: A saccharification reaction apparatus for carrying out the method for producing a saccharified solution described above, A first reaction tank, a second reaction tank, and a third reaction tank for mixing a saccharification enzyme and a cellulosic biomass in an aqueous solution, and subjecting the biomass to a saccharification reaction with a saccharification enzyme; A biomass supply unit for supplying biomass to each of the first reaction tank and the third reaction tank; An enzyme supply unit for supplying a saccharification enzyme into the first reaction tank; An additional water supply unit for supplying additional water into the second reaction tank; A first separation unit for solid-liquid separation of a reaction liquid obtained by the reaction of saccharifying enzyme and biomass in the first reaction tank to obtain a saccharified liquid and a residue; A first saccharified solution supply unit and a first residue supply unit for supplying the saccharified solution and the residue separated by the first separation unit to the third reaction tank and the second reaction tank, respectively; The first reaction step is performed in the first reaction tank,
- This step corresponds to the first reaction step, and the biomass used in the first reaction step is preferably a residue separated by the second separation unit.
- the first separation unit, the second separation unit, and the third separation unit are means for separating the saccharified solution and the residue by sedimentation separation in the first reaction tank, the second reaction tank, and the third reaction tank, respectively. It may be.
- the biomass is pretreated by an appropriate method, and the lignin content in the biomass is 10% or less, or the biomass is used paper, pulp, cotton, cotton fiber, etc. It is preferably a processed product of a plant material having a high cellulose content and a low lignin content.
- a high-concentration saccharified solution is obtained by reacting an enzyme with biomass containing cellulose
- the residue containing the saccharified solution (I) and unreacted biomass adsorbed by the enzyme by reacting biomass with the enzyme are separated, and a pH adjusting solution is supplied to the residue (I) to supply the residue (I) and the residue (I).
- the saccharified solution (II) is generated by reacting with the adsorbed enzyme.
- new biomass is supplied to the saccharified liquid (I), and the biomass and an enzyme remaining in the saccharified liquid (I) are reacted to generate a saccharified liquid (III) and a residue (III).
- the residue (III) and the saccharified solution (II) are reacted with the enzyme contained in the residue (III) and the saccharified solution (II) to further produce a monosaccharide. Therefore, the enzyme can be used effectively, and the amount of residue to be discarded can be suppressed, so that a high-concentration saccharified solution can be obtained at low cost.
- This saccharified liquid production apparatus is an apparatus for producing a saccharified liquid (a liquid in which a monosaccharide is dissolved) by reacting an enzyme with biomass containing cellulose made of a glucose polymer as a fermentation raw material. Yes, for example, compared with the apparatus shown in FIG.
- the sugar concentration contained in the saccharified liquid taken out to the outside is high, and the amount of residue consisting of unreacted biomass discharged to the outside is small, That is, the saccharification rate is high, and further, the amount of the enzyme discharged to the outside together with the saccharified solution and the residue is suppressed to be small.
- This apparatus is provided with three reaction vessels 10 and each of these reaction vessels 10.
- a device for separating the saccharified solution produced in each reaction tank 10 and the residue comprising unreacted biomass such as a sedimentation separator, a pressure filtration device, a suction filtration device, a centrifugal separation device, a cyclone separation device or And a separation device 11 which is a separation unit composed of a filter press device and the like.
- Each reaction vessel 10 is provided with a heater for keeping the internal reaction solution at a reaction temperature of, for example, about 50 ° C. to 60 ° C., a thermocouple for measuring the temperature of the reaction solution, etc. (none of which are shown). ing.
- a heater for keeping the internal reaction solution at a reaction temperature of, for example, about 50 ° C. to 60 ° C.
- a thermocouple for measuring the temperature of the reaction solution, etc. (none of which are shown).
- the screw type stirrer was described in the figure, the type of the stirring device is not limited.
- the central reaction tank 10 in FIG. 1 is referred to as a first reaction tank 21, the left reaction tank 10 is referred to as a second reaction tank 22, and the right reaction tank 10 is referred to as a third reaction tank 23.
- the separation devices 11 connected to the first reaction tank 21, the second reaction tank 22, and the third reaction tank 23 are also referred to as a first separation device 31, a second separation device 32, and a third separation device 33, respectively. I will do it.
- reference numeral 12 denotes a stirrer for stirring the reaction solution containing the enzyme and biomass in the reaction tank 10 by, for example, a stirring blade, a stirring pump, air stirring, or the like, and a solid charged into each reaction tank 10.
- the stirring force and the stirring speed are individually adjusted.
- reference numerals 41, 42, 43 and 44 denote an enzyme supply path, a biomass supply path, a pH adjusting liquid supply path and a biomass addition path, respectively
- the first reaction tank 21 is a liquid containing an enzyme such as cellulase ( Aqueous solution), for example, water adjusted to about pH 5 (pH adjusting solution) and biomass containing cellulose
- the second reaction tank 22 can be supplied with added water, for example, water adjusted to about pH 5.
- the third reaction tank 23 is configured to be supplied with biomass in the same manner as the first reaction tank 21.
- Said enzyme supply path 41, biomass supply path 42 (biomass addition path 44), and pH adjustment liquid supply path 43 comprise an enzyme supply part, a biomass supply part, and an additional water supply part, respectively.
- These supply paths 41 to 43 are provided with valves (not shown) for supplying and disconnecting enzymes, biomass and pH adjusting liquid.
- the added water is for preparing a low sugar concentration solution as will be described later, and may be, for example, a buffer solution or pure water in addition to the pH adjusting solution.
- a screw feeder is used to supply (convey) solids such as biomass, and a belt conveyor or the like may be used in combination with the screw feeder. The same applies to the residues described later.
- the first separation device 31 includes a first saccharified solution supply path 51 and a first residue for supplying the saccharified solution and the residue separated by the separation device 31 to the third reaction tank 23 and the second reaction tank 22, respectively.
- the supply paths 52 are connected as a first saccharified solution supply unit and a first residue supply unit, respectively.
- the second separation device 32 includes a second saccharified solution supply path 53 that is a second saccharified solution supply unit for supplying the saccharified solution separated by the separation device 32 to the first reaction tank 21, and the second saccharified solution supply path 53.
- a residue discharge path 54 for discarding the residue separated by the separation device 32 is connected.
- the residue discharged from the residue discharge path 54 is lignin 3 contained in the biomass, and heat energy is recovered by burning, for example.
- the third separation device 33 includes a third residue supply path 55 for supplying the residue separated by the separation device 33 to the first reaction tank 21, and a saccharified solution recovery path 56 for taking out the saccharified solution separated by the separation device 33 to the outside.
- a third residue supply unit and a saccharified solution recovery unit are connected as a third residue supply unit and a saccharified solution recovery unit, and the saccharified solution recovered from the saccharified solution recovery path 56 is used as a raw material for chemical products or fermented by fermenting bacteria in a fermenter (not shown).
- an alcohol such as an ethanol solution is obtained.
- this ethanol solution is refine
- Each of the separation devices 31 to 33 is provided with a valve (not shown) so that residues and saccharified liquid discharged from the separation devices 31 to 33 can be supplied and disconnected.
- the biomass supplied to each of the first reaction tank 21 and the third reaction tank 23 is obtained by subjecting woody or herbaceous biomass to an appropriate pretreatment to destroy or dissolve and remove lignin.
- the pretreatment method include dilute sulfuric acid decomposition treatment, steam explosion treatment, ammonia explosion treatment, supercritical ammonia treatment, hot water / supercritical water treatment, microbial decomposition treatment, pulverization treatment, or chemical treatment.
- the lignin content in the biomass is, for example, 10% or less, preferably 5% or less.
- processed plant products such as waste paper, pulp, cotton, and cotton fibers are also treated biomass.
- the enzyme supplied to the first reaction tank 21 is a cellulose-degrading enzyme or a hemicellulose-degrading enzyme, and is, for example, a particle (solid) having a size of about several tens of millimeters. Further, as shown in FIG. 2 (b), this enzyme is adsorbed on the surface of cellulose 1 or hemicellulose 2, decomposes these cellulose 1 or hemicellulose 2 into monosaccharides, and adsorbs on cellulose 1 or hemicellulose 2. Before or after being decomposed, it has the property of being dispersed in the reaction solution and flowing like a liquid together with the reaction solution. This enzyme 7 is a very expensive substance.
- FIG. 14 shows the results of an experiment conducted to confirm how the sugar concentration in the reaction solution increases when the biomass and the enzyme are reacted in the reaction solution (pH adjusting solution). It can be seen that the rate of increase in sugar concentration (biomass degradation rate) decreases with time. The reason why the degradation rate decreases in this way is that the enzymatic reaction is inhibited by the presence of sugar, and the biomass is degraded from the site where it is easily degraded, so the sugar concentration in the reaction solution over time (progress of reaction) It is thought that this is because the proportion of biomass that is difficult to decompose increases.
- saccharification rate the weight of the produced sugar / the weight of cellulose 1 and hemicellulose 2 in the biomass is called saccharification rate
- FIG. 16 shows the results of measuring how the enzyme concentration in the buffer changes with time when biomass is added to the buffer.
- FIG. 16 shows that when biomass is added to the buffer solution, the enzyme concentration in the buffer solution decreases, that is, the enzyme in the buffer solution is adsorbed to the biomass.
- the enzyme once adsorbed to the biomass returns to the buffer again as time passes, as shown in FIG. That is, it is considered that when the biomass is decomposed and saccharified (liquefied) so that the enzyme cannot be adsorbed to the biomass, the enzyme returns to the buffer solution.
- the enzyme reaction is inhibited by the saccharified solution filled around the residue, in addition to the fact that the residue is more difficult to decompose as described above,
- the decomposition reaction may be more difficult to proceed. Therefore, by placing the residue in a solution that is less affected by sugar inhibition, that is, separating the residue from the saccharified solution when the enzymatic reaction has progressed to some extent and the reaction has become difficult to proceed, It was verified whether or not the reaction proceeded by setting it to a small state (mixing the separated residue with a buffer solution containing no sugar).
- FIG. 18 and FIG. 19 show the results of separating the residue from the saccharified solution when 168 hours and 144 hours have elapsed from the start of the reaction, adding a buffer solution to the residue, and measuring the sugar concentration in the solution. It is. From this result, it was found that even if the reaction was difficult to proceed in the saccharified solution before separation, the reaction proceeded rapidly in a solution (low sugar concentration solution) having little influence of sugar inhibition. At this time, from the results of FIG. 16 and FIG. 17 described above, it was considered that the enzyme had already been adsorbed to the residue. Therefore, when the enzyme was not added to the buffer solution, the enzyme reaction still proceeded. It was found that even an enzyme whose reaction was difficult to proceed due to sugar inhibition could sufficiently contribute to the reaction in a low sugar concentration solution.
- FIGS. 14 to 19 are summarized as follows. After the enzyme and the biomass are reacted, the unreacted biomass (residue) is separated from the saccharified solution and reacted in a dilute solution having a sugar concentration. In other words, it has been found that the amount of biomass residue decreases through a two-step reaction process. However, since the sugar concentration of the saccharified solution obtained by enzymatic decomposition of this residue is low, this saccharified solution and new biomass or residue (residue containing more parts that are more easily decomposed than the above residue) are further reacted. Therefore, it is necessary to increase the saccharified liquid sugar concentration.
- the saccharified solution obtained by decomposing biomass is ethanolized by fermentation and then concentrated by, for example, distillation. Therefore, in order to produce ethanol as the final product at a low cost, it is necessary to suppress the energy required for the concentration. Therefore, it is desirable to increase the concentration of sugar contained in the saccharified solution as much as possible.
- it is necessary to increase the amount of enzyme to be added In order to increase the sugar concentration of the saccharified solution without spending a long reaction time, it is necessary to increase the amount of enzyme to be added.
- an enzyme recovery method using a separation membrane has been proposed, but this method increases the cost of the separation membrane facility.
- the enzyme added efficiently is recovered and reused by a simple method, and the operation further increases the concentration of the saccharified solution.
- FIG. 20 is a diagram of centrifuging the supernatant liquid (saccharified liquid) after 6 days from the start of the reaction in FIG. 14 from the residue, adding biomass to the supernatant liquid, and protein (enzyme) in the supernatant liquid. It is the result of measuring the concentration. From this result, it can be seen that a large amount of enzyme is present in the saccharified solution before the start of the experiment, but after adding biomass, the amount of enzyme in the saccharified solution decreases with the passage of time. That is, it can be said that the enzyme in the saccharified solution is adsorbed on the biomass. Therefore, as shown in FIGS.
- an enzyme (enzyme solution) and pretreated biomass are charged into the first reaction tank 21 (step S1).
- the enzyme 7 is adsorbed to biomass (cellulose 1 and hemicellulose 2), and the decomposition reaction proceeds. Not all enzymes in solution are adsorbed to biomass, and some of them are in solution.
- Increasing the amount of enzyme added increases the amount of enzyme adsorbed to the biomass and increases the reaction rate, but at the same time increases the enzyme concentration in the solution.
- the reaction progresses and the sugar concentration increases, the influence of sugar inhibition and the proportion of the residue that is difficult to decompose in the residue increase, and the reaction rate gradually decreases.
- the saccharified solution and the residue generated in the first reaction tank 21 are separated by the first separation device 31, and the saccharified solution is subjected to the third reaction.
- a residue is supplied to the 2nd reaction tank 22 (step S2).
- the saccharified solution and the residue separated by the first separation device 31 each contain an enzyme as described above.
- pH adjustment liquid is supplied to the 2nd reaction tank 22 to which the residue was supplied from the 1st reaction tank 21 as a 2nd reaction process (step S31), and 3rd reaction.
- biomass is supplied to the third reaction tank 23 supplied with the saccharified solution from the first reaction tank 21 (step S32).
- step S32 biomass is supplied to the third reaction tank 23 supplied with the saccharified solution from the first reaction tank 21 (step S32).
- the second reaction tank 22 most of cellulose 1 and hemicellulose 2 in the residue supplied from the first reaction tank 21 are decomposed, and the enzyme 7 adsorbed on these cellulose 1 and hemicellulose 2 is absorbed. It diffuses into the reaction solution, and lignin 3 and the like contained in the residue remain as a residue. At this time, the sugar concentration of the saccharified liquid obtained in the second reaction tank 22 is lower than the sugar concentration of the saccharified liquid obtained in the first reaction tank 21.
- the enzyme contained in the saccharified solution generated in the first reaction tank 21 is adsorbed to the added biomass, and the enzyme concentration in the reaction solution is rapidly reduced.
- function strongly by the saccharified liquid supplied from the 1st reaction tank 21, as already mentioned, the site
- FIG. 6 (a) as a second separation step, the saccharified solution generated in the second reaction tank 22 and the residue are separated by the second separation device 32, and the saccharified solution is separated into the first saccharified solution.
- step S41 While supplying to the reaction tank 21, a residue is discarded out of the system (step S41). At this time, the enzyme adsorbed on the residue is discarded together with the residue. However, since the amount of the residue is extremely reduced by the reaction in the diluted sugar concentration solution as described above, most of the enzymes Is supplied to the first reaction tank 21 together with the saccharified solution, and the amount of discarded enzyme is extremely small.
- the obtained high-concentration saccharified solution and residue are separated by the third separation device 33, and the high-concentration saccharified solution is discharged out of the system.
- the residue is supplied to the first reaction tank 21 (step S42).
- the high-concentration saccharified solution is discharged out of the system together with the enzyme contained in the high-concentration saccharified solution, but most of the enzyme in the third reaction tank 23 (about 60% from the result of FIG. 20 described above). (About) is adsorbed to the unreacted biomass added to the third reaction tank 23, so that the amount of the enzyme discharged can be reduced.
- This high-concentration saccharified solution is sent, for example, to a fermenter (not shown), fermented to alcohol such as ethanol, and then concentrated by distillation or the like.
- step S5 this reaction process corresponds to the reaction process of step S1 described above.
- the saccharified solution and the residue obtained in the first reaction tank 21 are supplied to the third reaction tank 23 and the second reaction tank 22, respectively, and the above-described steps S2 to S5 are repeated. That is, as shown in FIG. 7, supplying biomass and a pH adjusting liquid to the saccharified liquid and the residue obtained in the first reaction tank 21 in the third reaction tank 23 and the second reaction tank 22, respectively.
- a high-concentration saccharified liquid can be obtained continuously. It will be. Therefore, in this apparatus, the biomass and the pH adjusting liquid are intermittently charged into the third reaction tank 23 and the second reaction tank 22.
- reaction solutions having different sugar concentrations are prepared in each reaction tank 10, that is, as shown in FIG. 8A, in the three reaction tanks 10, from the second reaction tank 22 on the left side to the right side.
- the sugar concentration will increase in order toward the third reaction tank 23. Therefore, the degree of sugar inhibition increases in order from the second reaction tank 22 on the left side toward the third reaction tank 23 on the right side, and therefore, added to the third reaction tank 23 on the right side as shown in FIG.
- the done biomass is sequentially decomposed from the highly reactive site (the site that is not easily affected by sugar inhibition) toward the second reaction tank 22 on the left side. Further, the pH adjustment liquid supplied to the second reaction tank 22 on the left side gradually increases in sugar concentration toward the third reaction tank 23 on the right side, and the third separation device 33 leaves the system as a high-concentration saccharified liquid. It will be taken out.
- the enzyme supplied to the first reaction tank 21 is adsorbed to the residue from the second reaction tank 22 and discharged out of the system, or is discharged out of the system together with the high-concentration saccharified solution from the third reaction tank 23.
- the amount of residue produced is reduced, and in the third reaction tank 23, the amount of enzyme adsorbed by the residue and returned to the first reaction tank 21 is increased.
- it circulates between the three reaction tanks 10. That is, in order to utilize the property that the enzyme is adsorbed on the biomass (residue) and the enzyme returns to the reaction solution by the decomposition of the biomass, the amount of residue in the three reaction vessels 10 as shown in FIG.
- the amount of the residue is increased in order from the second reaction tank 22 on the left side toward the third reaction tank 23 on the right side. Therefore, it can be said that the second reaction tank 22 has an enzyme recovery function from the residue, and the third reaction tank 23 has an enzyme recovery function from the reaction solution.
- the tank 21 is supplemented with the enzyme (step S6).
- the saccharification reaction apparatus is provided with a control unit (not shown). Then, a control signal is output to the saccharification reaction apparatus so as to stir and heat the reaction liquid in each of the reaction tanks 21 to 23.
- a saccharified solution when a saccharified solution is obtained by reacting an enzyme and biomass containing cellulose, the saccharified solution in which the enzyme and the enzyme are dispersed in the first reaction tank 21 and the enzyme are adsorbed.
- the residue containing the unreacted biomass is generated, and then the saccharified solution and the residue are separated, and the pH adjustment solution is supplied to the residue in the second reaction tank 22 to increase the sugar concentration than the saccharified solution.
- a saccharified solution is prepared by reacting the residue and the enzyme adsorbed on the residue in the diluted solution. Therefore, the enzyme can be effectively used and recovered, and the amount of the discarded residue can be suppressed (a high saccharification rate can be obtained), so that a saccharified solution can be obtained at low cost.
- the enzyme can be collected and reused, for example, the amount of enzyme input can be increased, and in this case, the saccharified solution can be obtained in a short time.
- the enzyme dispersed in the saccharified solution is reacted with the easily reactive site in the newly added biomass. Therefore, the enzyme can be effectively used and the sugar concentration in the saccharified solution can be quickly increased. Furthermore, the enzyme dispersed in the saccharified solution can be recovered by adsorbing to the newly added biomass residue. If it becomes possible to produce a saccharified solution with a high sugar concentration and reduce the amount of enzyme to be discharged, the size of each reaction tank 10 can be reduced, the cost of equipment can be reduced, and the energy required for subsequent distillation can be reduced. Furthermore, since the enzyme cost can be reduced, a saccharified solution and ethanol can be obtained at a low cost.
- generated in the 2nd reaction tank 22 and the 3rd reaction tank 23 are returned again to the 1st reaction tank 21, they utilize these saccharified liquid and residue effectively, and are continuously. While obtaining a high concentration saccharified solution, it is possible to reduce the amount of residues and enzymes discarded. Moreover, since said process is performed using the three reaction tanks 10, a process can be performed efficiently. In addition, when the enzymes are circulated (reused) in the three reaction tanks 10, for example, no consumables such as membranes are used, so that a high-concentration saccharified solution can be obtained at low cost. Further, in the second reaction tank 22, the enzyme is discharged out of the system together with the residue. Since this residue is mainly lignin, the content of lignin in the biomass to be charged is as described above. By reducing in advance, the amount of enzyme discharged together with the residue can be suppressed.
- the enzyme is supplied to the first reaction tank 21, but may be supplied to the second reaction tank 22.
- the three reaction vessels 10 are provided.
- the sugar concentration of the pH adjusting liquid supplied to the second reaction tank 22 gradually increases toward the third reaction tank 23 on the right side. Therefore, since the biomass supplied to the third reaction tank 23 having a very high sugar concentration is strongly subjected to sugar inhibition, a highly reactive site reacts in the biomass, and most of the enzymes in the third reaction tank 23 react. Is recovered from the third reaction tank 23 together with the residue.
- each reaction vessel 10 the same separation device 11 can be shared with each reaction vessel.
- the sedimentation and filtration of the residue may be performed in each reaction tank 10, for example, the supernatant liquid may be sucked, and the deposits and filtrate (residue) may be taken out or left in the reaction tank.
- each reaction vessel 10 also serves as a separation means.
- the number of reaction tanks 10 may be two.
- An example will be described with reference to FIG.
- symbol is attached
- each of the reaction tanks 21 and 22 includes an enzyme supply path 41 and a biomass supply path 42 (biomass, respectively).
- An additional path 44), a pH adjusting liquid supply path 43, a residue discharge path 54, and a saccharified liquid recovery path 56 are connected.
- the supply path and the recovery path enzyme supply path 41, biomass supply path 42 (biomass addition path 44), pH adjusting liquid supply path 43, residue discharge path 54, and saccharified liquid recovery path 56
- a first supply path for sucking the saccharified liquid, which is a supernatant in the reaction tanks 21 and 22, and supplying the reaction tanks 21 and 22 to the other reaction tanks 22 and 21.
- Part) 61 and the second supply path 62 are connected to each other.
- step S1 first, when an enzyme, a pH adjusting solution, and biomass are supplied to the first reaction tank 21, a saccharified solution and a residue are generated (step S1).
- the saccharified solution and the residue are separated by, for example, sedimentation separation, and the saccharified solution is supplied to the second reaction tank 22 as shown in FIG.
- step S31 while supplying pH adjustment liquid to the 1st reaction tank 21 with which the residue was left (step S31), biomass is supplied to the 2nd reaction tank 22 (step S32).
- step S42 the saccharified solution and the residue generated in each of the reaction tanks 21 and 22 are settled and separated, and the high-concentration saccharified solution generated in the second reaction tank 22 is removed from the system as shown in FIG. 13 (a).
- step S42 the saccharified liquid produced
- the residue remaining in the tank 21 is discarded outside the system (step S41).
- the residue reacts with the saccharified solution (step S5), and thus the steps S2 (FIG. 13C) to S5 are performed on the saccharified solution and the residue, respectively. .
- the high-concentration saccharified solution and the dilute solution are prepared alternately in the first reaction tank 21 and the second reaction tank 22. Further, when the enzyme is insufficient, the enzyme is replenished to any one of the reaction tanks 21 and 22. Also in this embodiment, the same operation and effect as the above-described embodiment can be obtained.
- the biomass used as the raw material for the saccharified liquid in each of the above examples is a processed product of plant raw materials such as waste paper, pulp, cotton fibers, etc., in addition to woody or herbaceous raw materials, and contains cellulose 1. Moreover, you may be comprised from the multiple types of raw material containing these celluloses 1.
- the enzyme a cellulose-degrading enzyme or a combination of cellulose-degrading enzyme and hemicellulose-degrading enzyme is preferable.
- biomass and enzyme are reacted outside the system in advance to produce a saccharified solution and a residue.
- the above-mentioned treatment is performed by supplying the same to separate reaction vessels 10.
- FIG. 18 Experiment for confirming change in sugar concentration by putting residue in buffer (dilute sugar concentration solution) (Experimental conditions)
- Substrate (biomass) Centrifugated residue produced under the following residue production conditions 16 g (wet condition) Reaction solution: the above residue + buffer solution 50 ml (Residue generation conditions)
- Substrate (biomass) Filter paper 10g Enzyme: 5ml Buffer solution: 95ml Saccharification time: 168h (Experimental result) Even if the decomposition reaction is difficult to proceed, if the residue is separated from the saccharified solution having a high sugar concentration and put into a dilute sugar concentration solution, the decomposition reaction proceeds rapidly.
- FIG. 19 Experiment for confirming change in sugar concentration by putting residue in buffer (dilute sugar concentration solution) (Experimental conditions)
- Substrate (biomass) 10 g of residue obtained by centrifuging the reaction solution 6 days after the start of the reaction in the experiment of FIG.
- Reaction solution the above residue + buffer solution 100 ml (Experimental result)
- the residue is difficult to proceed with the decomposition reaction, the decomposition reaction proceeded quickly in the diluted sugar concentration solution.
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Abstract
【課題】酵素とセルロースを含むバイオマスとを反応させて糖化液を得るにあたり、酵素の有効利用を図ること。 【解決手段】酵素７とセルロース１とを含むバイオマスとを反応させて糖化液を得るにあたって、第１反応槽２１においてバイオマスと酵素７とを反応させて酵素７が分散した糖化液及び酵素７が吸着した未反応のバイオマスを含む残渣を生成させ、次いでこれらの糖化液と残渣とを分離して、当該残渣に対して第２反応槽２２においてｐＨ調整液を供給して前記糖化液よりも糖濃度の低い希薄溶液を調製し、この希薄溶液中において前記残渣とこの残渣に吸着した酵素７とを反応させて糖化液を生成させる。
Description
本発明は、酵素とセルロースを含むバイオマスとを反応させて糖化液を得る糖化液製造方法及び糖化反応装置に関する。
近年、石油資源に代わるエネルギー源として用いるために、例えば特許文献１に示すように、木質あるいは草本系の材料、例えば木くずや稲藁などのバイオマスから酵素を用いて糖液を製造し、その糖を発酵させてアルコールを製造する方法が検討されている。これらバイオマスは、芳香族系の化合物で３次元構造を有するリグニンと、単糖の重合物であるセルロースやヘミセルロースが主成分となる。このセルロースやヘミセルロースを酵素で加水分解し、アルコール発酵原料となる単糖を製造する。しかし、セルロースやヘミセルロースはリグニンで保護された構造となっているため、図２５に示すように、リグニンを破壊するための前処理例えば希硫酸分解処理などを行った後、セルラーゼなどの酵素を加えて例えば数日間反応させて発酵原料である例えばグルコースなどの糖化液を得て、続いてこの糖化液に発酵菌を加えて発酵させることによって最終生成物であるアルコール例えばエタノールが得られる。このアルコールは、その後例えば必要に応じて所定の濃度に濃縮（蒸留）されることになる。
このプロセスを行うための具体的な装置としては、例えば図２６（ａ）に示すように、糖化液を得るための糖化反応槽１０１と、発酵を行う発酵反応槽１０２と、を用いて、酵素と前処理を行った後のバイオマスとを糖化反応槽１０１に投入して反応させ、次いで糖化反応槽１０１で得られた糖化液と発酵菌とを発酵反応槽１０２に供給して発酵させてエタノールを製造する装置などが用いられる。酵素は、糖化反応槽１０１内においてセルロースやヘミセルロースを加水分解しグルコースやキシロース等の単糖からなる糖化液を製造する。
ところで、このようなプロセスを実際に事業として採算ベースで行うためには、コストを極めて低く抑える必要があり、そのためには以下のような課題がある。先ず、例えば糖化液を得るために用いられる酵素が非常に高価であるため、この酵素を反応の度に廃棄せずに、回収し再利用することによって効率的に利用する必要がある。例えば上記の装置においては、糖化反応槽１０１においてバイオマスを反応させた後、例えば膜分離を行うことによって酵素の回収が図られるが、この場合には膜が汚れて寿命が短くなるので、当該膜のコストがかさんでしまう。また、膜分離ではバイオマスの分解残渣に吸着した酵素の回収はできない。従って、このような膜などの消耗品も含めて酵素を安価に再利用できる方法を検討する必要がある。
また、残渣として廃棄される未反応のバイオマスを少なくして原料の無駄を抑えるため、投入したバイオマスから得られる糖化液の割合（糖化率：生成した糖の重量／バイオマス中のセルロース及びヘミセルロースの重量）がなるべく高くなるようにする必要がある。この時、上記の酵素反応は、糖の存在によって酵素分解反応が阻害されるので、反応が進行して糖濃度が高くなるにつれて、反応速度が低下するという課題がある。また、バイオマスには酵素分解されやすい部位例えばセルロース中の非結晶の部位などと、分解されにくい部位例えばセルロース中の結晶化度の高い部位などと、が混在している。バイオマスの酵素反応では、分解されやすい部位から先に分解が進むと考えられ、反応が進むにつれて分解されやすい部位の量が減っていくので、反応速度が更に遅くなっていくと考えられる。
そのため、糖化率を高めるために、糖濃度の高い条件でセルロースやヘミセルロースを完全にあるいはほとんど反応させようとすると、反応に極めて長い日数が必要になり、逆に装置のランニング時間が増えてコストが増大してしまう。また、大量の酵素を投入して糖化率を高めようとすると、酵素の回収再利用を図らない限りコストの増加につながってしまう。
一方、例えば反応槽１０１内へのバイオマスの充填量を小さくして糖濃度を低く抑えることによって、反応にそれ程長い日数をかけずに残渣の量を少なくして糖化率を高めることができると考えられるが、この場合には得られる糖化液の濃度が低くなるので、発酵エタノール濃度も低くなる。そのため最終製品である濃縮エタノールを製造する時の蒸留に要するエネルギー量が増大し、かつ設備容量が大きくなる。またさらには、糖濃度が低い糖化液を製造する場合には、糖化反応槽１０１や酵素反応槽１０２を大きくする必要があるのでコストアップにつながってしまう。従って、反応にそれ程長い日数をかけずに低コストで糖化率を高めるのは、極めて困難である。
そこで、図２６（ｂ）に示すように、酵素反応とエタノール発酵とを同じ反応槽１０３内にて行う方法が検討されている。この方法は、反応槽１０３内にバイオマス及び酵素を供給し、次いで反応槽１０３に発酵菌を供給することにより、バイオマスと酵素との反応により得られた糖化液を随時発酵菌により発酵してエタノール化する方法である。この方法では、糖化反応の阻害要因である糖化液の濃度が低く抑えられて糖阻害が小さくなるので、糖化率を高めることができると考えられる。しかし、酵素反応の至適反応温度は一般的には５０℃～６０℃であり、一方発酵の至適反応温度は、発酵菌の耐熱性から３０℃～３５℃となる。そのため、この方法においては、発酵菌を死滅させないために３０℃～３５℃にて反応を行う必要があるので、酵素の反応性が低くなってしまう。従って、投入する酵素量が多くなったり、あるいはかえって反応時間が長期に亘ってしまったりすることになる。
また、上記の酵素法によりバイオマスからエタノールを低コストで得るためには、例えばエタノールの濃縮に要するエネルギーを抑えるために、エタノールの前駆体である糖化液についてもできるだけ高濃度で製造することが望ましいが、既述のように糖阻害により、あるいは反応終期には反応性の低いバイオマスが残ることにより、高濃度の糖化液を得ることは極めて困難である。例えば酵素の供給量や反応槽１０１内のバイオマスの充填量を多くすることによって高濃度の糖化液が得られることは分かっているが、この方法では酵素使用量が増え、さらには未反応の残渣が多くなったりしてコストが高くなってしまう。
特許文献２には、繊維素からエタノールへの同時に起こる糖化－発酵反応において、酵素とアルコールとを含んでいる液体部分を、同時に起こる糖化－酵素化反応に役立つ繊維素を含んでいる固体と接触させて該固体に酵素を吸着させる技術が記載されているが、高濃度糖化液の製造については検討されていない。
本発明はこのような事情の下になされたものであり、その目的は、酵素とセルロースを含むバイオマスとを反応させて糖化液を得るにあたり、高濃度の糖化液を低コストで得ることのできる糖化液製造方法及び糖化反応装置を提供することにある。
本発明の糖化液の製造方法は、
植物の集合体またはセルロースを含む植物の加工物の集合体であるセルロース系バイオマスと、セルロース糖化能力を有する糖化酵素とを反応させて糖化液を得る方法において、
糖化酵素とセルロース系バイオマスとを水溶液中で混合し、バイオマスを糖化酵素により糖化反応させる第１の反応工程と、
前記第１の反応工程で得られた反応液を固液分離して糖化液と残渣とを得る第１の分離工程と、
前記第１の分離工程で得られた残渣に添加水を加えて水溶液を調製し、この水溶液中にて当該残渣に吸着している糖化酵素によりこの残渣を糖化反応させる第２の反応工程と、
前記第１の分離工程で得られた糖化液に糖化反応前のセルロース系バイオマスを加えて、当該糖化液中の糖化酵素により新たに加えたバイオマスを糖化反応させる第３の反応工程と、を含むことを特徴とする。
植物の集合体またはセルロースを含む植物の加工物の集合体であるセルロース系バイオマスと、セルロース糖化能力を有する糖化酵素とを反応させて糖化液を得る方法において、
糖化酵素とセルロース系バイオマスとを水溶液中で混合し、バイオマスを糖化酵素により糖化反応させる第１の反応工程と、
前記第１の反応工程で得られた反応液を固液分離して糖化液と残渣とを得る第１の分離工程と、
前記第１の分離工程で得られた残渣に添加水を加えて水溶液を調製し、この水溶液中にて当該残渣に吸着している糖化酵素によりこの残渣を糖化反応させる第２の反応工程と、
前記第１の分離工程で得られた糖化液に糖化反応前のセルロース系バイオマスを加えて、当該糖化液中の糖化酵素により新たに加えたバイオマスを糖化反応させる第３の反応工程と、を含むことを特徴とする。
前記第１の反応工程と前記第２の反応工程と前記第３の反応工程とは、夫々互いに異なる反応槽を用いて行われることが好ましい。
前記第２の反応工程で得られた反応液を固液分離して糖化液と残渣とを得る第２の分離工程と、
前記第３の反応工程で得られた反応液を固液分離して高濃度糖化液と残渣とを得る第３の分離工程と、
前記第２の分離工程で得られた糖化液と、前記第３の分離工程で得られた残渣と、を混合して糖化反応させる反応工程と、を含み、
この反応工程は前記第１の反応工程に相当し、前記第１の反応工程に用いたバイオマスは、前記第３の分離工程で得られた残渣であることが好ましい。
前記第２の反応工程の水溶液及び前記第２の分離工程で分離された糖化液の少なくとも１つに対して糖化酵素を補充する工程を行うことが好ましい。
前記バイオマスに含まれているリグニンの割合は、１０％以下であることが好ましい。
前記第２の反応工程で得られた反応液を固液分離して糖化液と残渣とを得る第２の分離工程と、
前記第３の反応工程で得られた反応液を固液分離して高濃度糖化液と残渣とを得る第３の分離工程と、
前記第２の分離工程で得られた糖化液と、前記第３の分離工程で得られた残渣と、を混合して糖化反応させる反応工程と、を含み、
この反応工程は前記第１の反応工程に相当し、前記第１の反応工程に用いたバイオマスは、前記第３の分離工程で得られた残渣であることが好ましい。
前記第２の反応工程の水溶液及び前記第２の分離工程で分離された糖化液の少なくとも１つに対して糖化酵素を補充する工程を行うことが好ましい。
前記バイオマスに含まれているリグニンの割合は、１０％以下であることが好ましい。
本発明の糖化反応装置は、
上記記載の糖化液の製造方法を実施するための糖化反応装置であって、
糖化酵素とセルロース系バイオマスとを水溶液中で混合し、バイオマスを糖化酵素により糖化反応させるための２つの反応槽と、
これら反応槽内にバイオマスを供給するためのバイオマス供給部と、
これら反応槽内に糖化酵素を供給するための第１酵素供給部と、
前記２つの反応槽のうちの一方の反応槽内に添加水を供給するための添加水供給部と、
前記一方の反応槽においてバイオマスと糖化酵素との反応により生成する反応液の固液分離を行って糖化液と残渣とを得るための第１分離部と、
前記第１分離部により分離した糖化液を前記２つの反応槽のうちの他方の反応槽に搬送するための第１搬送部と、
前記一方の反応槽において前記第１の反応工程を行い、次いで前記第１分離部により得られた糖化液を前記他方の反応槽に供給し、しかる後残渣が貯留された反応槽及び糖化液の貯留された反応槽に夫々添加水及び糖化反応前のセルロース系バイオマスを供給して、前記２つの反応槽において夫々前記第２の反応工程及び前記第３の反応工程を行うように制御信号を出力する制御部と、を備えたことを特徴とする。
上記記載の糖化液の製造方法を実施するための糖化反応装置であって、
糖化酵素とセルロース系バイオマスとを水溶液中で混合し、バイオマスを糖化酵素により糖化反応させるための２つの反応槽と、
これら反応槽内にバイオマスを供給するためのバイオマス供給部と、
これら反応槽内に糖化酵素を供給するための第１酵素供給部と、
前記２つの反応槽のうちの一方の反応槽内に添加水を供給するための添加水供給部と、
前記一方の反応槽においてバイオマスと糖化酵素との反応により生成する反応液の固液分離を行って糖化液と残渣とを得るための第１分離部と、
前記第１分離部により分離した糖化液を前記２つの反応槽のうちの他方の反応槽に搬送するための第１搬送部と、
前記一方の反応槽において前記第１の反応工程を行い、次いで前記第１分離部により得られた糖化液を前記他方の反応槽に供給し、しかる後残渣が貯留された反応槽及び糖化液の貯留された反応槽に夫々添加水及び糖化反応前のセルロース系バイオマスを供給して、前記２つの反応槽において夫々前記第２の反応工程及び前記第３の反応工程を行うように制御信号を出力する制御部と、を備えたことを特徴とする。
前記第１酵素供給部は、糖化酵素を前記２つの反応槽内に供給する代わりに前記一方の反応槽内に供給するためのものであり、
前記添加水供給部は、添加水を前記一方の反応槽内に供給する代わりに前記他方の反応槽内に供給するためのものであり、
前記第１搬送部は、前記他方の反応槽に糖化液を搬送する代わりに残渣を搬送するためのものであり、
前記制御部は、前記第１の反応工程を行った後、前記第１分離部により得られた糖化液を他方の反応槽に供給する代わりに前記第１分離部により得られた残渣を前記他方の反応槽に供給するように制御信号を出力しても良い。
前記第１分離部は、前記一方の反応槽内において沈降分離により糖化液と残渣とを分離する手段であっても良い。
前記添加水供給部は、添加水を前記一方の反応槽内に供給する代わりに前記他方の反応槽内に供給するためのものであり、
前記第１搬送部は、前記他方の反応槽に糖化液を搬送する代わりに残渣を搬送するためのものであり、
前記制御部は、前記第１の反応工程を行った後、前記第１分離部により得られた糖化液を他方の反応槽に供給する代わりに前記第１分離部により得られた残渣を前記他方の反応槽に供給するように制御信号を出力しても良い。
前記第１分離部は、前記一方の反応槽内において沈降分離により糖化液と残渣とを分離する手段であっても良い。
また、本発明の糖化反応装置は、
上記に記載の糖化液の製造方法を実施するための糖化反応装置であって、
糖化酵素とセルロース系バイオマスとを水溶液中で混合し、バイオマスを糖化酵素により糖化反応させるための第１反応槽、第２反応槽及び第３反応槽と、
前記第１反応槽及び前記第３反応槽の各々にバイオマスを供給するためのバイオマス供給部と、
前記第１反応槽内に糖化酵素を供給するための酵素供給部と、
前記第２反応槽内に添加水を供給するための添加水供給部と、
前記第１反応槽において糖化酵素とバイオマスとの反応により得られた反応液を固液分離して糖化液と残渣とを得る第１分離部と、
前記第１分離部により分離された糖化液及び残渣を夫々前記第３反応槽及び前記第２反応槽に供給するための第１糖化液供給部及び第１残渣供給部と、
前記第１反応槽において前記第１の反応工程を行い、次いで前記第１反応槽で得られた反応液から前記第１分離部により残渣と糖化液とを分離して前記第２反応槽及び前記第３反応槽にこれらの残渣と糖化液とを夫々供給し、しかる後前記第２反応槽及び前記第３反応槽に夫々添加水及び糖化反応前のセルロース系バイオマスを供給して、夫々の反応槽において前記第２の反応工程及び前記第３の反応工程を行うように制御信号を出力する制御部と、を備えたことを特徴とする。
上記に記載の糖化液の製造方法を実施するための糖化反応装置であって、
糖化酵素とセルロース系バイオマスとを水溶液中で混合し、バイオマスを糖化酵素により糖化反応させるための第１反応槽、第２反応槽及び第３反応槽と、
前記第１反応槽及び前記第３反応槽の各々にバイオマスを供給するためのバイオマス供給部と、
前記第１反応槽内に糖化酵素を供給するための酵素供給部と、
前記第２反応槽内に添加水を供給するための添加水供給部と、
前記第１反応槽において糖化酵素とバイオマスとの反応により得られた反応液を固液分離して糖化液と残渣とを得る第１分離部と、
前記第１分離部により分離された糖化液及び残渣を夫々前記第３反応槽及び前記第２反応槽に供給するための第１糖化液供給部及び第１残渣供給部と、
前記第１反応槽において前記第１の反応工程を行い、次いで前記第１反応槽で得られた反応液から前記第１分離部により残渣と糖化液とを分離して前記第２反応槽及び前記第３反応槽にこれらの残渣と糖化液とを夫々供給し、しかる後前記第２反応槽及び前記第３反応槽に夫々添加水及び糖化反応前のセルロース系バイオマスを供給して、夫々の反応槽において前記第２の反応工程及び前記第３の反応工程を行うように制御信号を出力する制御部と、を備えたことを特徴とする。
前記第２反応槽において生成した反応液を固液分離して糖化液と残渣とを得る第２分離部と、
前記第３反応槽において生成した反応液を固液分離して高濃度糖化液と残渣とを得る第３分離部と、
前記第２分離部において分離した糖化液を前記第１反応槽に供給する第２糖化液供給部と、
前記第３分離部において分離された残渣を前記第１反応槽に供給する第３残渣供給部と、
前記第３分離部において分離された高濃度糖化液を外部に取り出すための糖化液回収部と、を備え、
前記第２反応槽で得られた反応液から前記第２分離部を用いて糖化液と残渣とを得ると共に、前記第３反応槽で得られた反応液から前記第３分離部を用いて高濃度糖化液と残渣とを得て、前記第２分離部で分離した糖化液と前記第３分離部で分離した残渣とを前記第１反応槽において反応させる工程を行い、
この工程は前記第１の反応工程に相当し、前記第１の反応工程に用いたバイオマスは、前記第２分離部で分離した残渣であることが好ましい。
前記第３反応槽において生成した反応液を固液分離して高濃度糖化液と残渣とを得る第３分離部と、
前記第２分離部において分離した糖化液を前記第１反応槽に供給する第２糖化液供給部と、
前記第３分離部において分離された残渣を前記第１反応槽に供給する第３残渣供給部と、
前記第３分離部において分離された高濃度糖化液を外部に取り出すための糖化液回収部と、を備え、
前記第２反応槽で得られた反応液から前記第２分離部を用いて糖化液と残渣とを得ると共に、前記第３反応槽で得られた反応液から前記第３分離部を用いて高濃度糖化液と残渣とを得て、前記第２分離部で分離した糖化液と前記第３分離部で分離した残渣とを前記第１反応槽において反応させる工程を行い、
この工程は前記第１の反応工程に相当し、前記第１の反応工程に用いたバイオマスは、前記第２分離部で分離した残渣であることが好ましい。
前記第１分離部、前記第２分離部及び前記第３分離部は、夫々前記第１反応槽、前記第２反応槽及び前記第３反応槽において沈降分離により糖化液と残渣とを分離する手段であっても良い。
前記バイオマスは、適当な方法により前処理操作が施され、前記バイオマスにに含まれているリグニンの割合は、１０％以下であること、あるいは前記バイオマスは、古紙、パルプ、綿、綿繊維などのセルロース含有率が高くかつリグニン含有率が低い、植物原料の加工製品であることが好ましい。
前記バイオマスは、適当な方法により前処理操作が施され、前記バイオマスにに含まれているリグニンの割合は、１０％以下であること、あるいは前記バイオマスは、古紙、パルプ、綿、綿繊維などのセルロース含有率が高くかつリグニン含有率が低い、植物原料の加工製品であることが好ましい。
本発明は、酵素とセルロースを含むバイオマスとを反応させて高濃度糖化液を得るにあたり、バイオマスと酵素とを反応させて糖化液（Ｉ）及び酵素が吸着した未反応のバイオマスを含む残渣（Ｉ）を生成させ、次いでこの糖化液（Ｉ）と残渣（Ｉ）とを分離して、当該残渣（Ｉ）に対してｐＨ調整液を供給してこの残渣（Ｉ）とこの残渣（Ｉ）に吸着した酵素とを反応させて糖化液（ＩＩ）を生成させている。さらには、前記糖化液（Ｉ）に新しいバイオマスを供給し、このバイオマスと糖化液（Ｉ）中に残存する酵素とを反応させて糖化液（ＩＩＩ）と残渣（ＩＩＩ）とを生成させている。さらにこの残渣（ＩＩＩ）及び前記糖化液（ＩＩ）とこれらの残渣（ＩＩＩ）及び前記糖化液（ＩＩ）に含まれる酵素とを反応させさらに単糖を製造している。そのため、酵素を有効に利用することができるので、また廃棄される残渣の量を抑えることができるので、高濃度糖化液を低コストで得ることができる。
（第１の実施の形態の装置構成）
本発明の糖化液製造方法を行うための糖化液製造装置の第１の実施の形態について、図１を参照して説明する。この糖化液製造装置（糖化反応装置）は、酵素と発酵原料であるグルコースの重合物からなるセルロースを含むバイオマスとを反応させて糖化液（単糖が溶解した液）を製造するための装置であり、例えば既述の図２６に示した装置と比較して、外部に取り出される糖化液中に含まれる糖濃度が高く、且つ外部に排出される未反応のバイオマスからなる残渣の量が少なく、即ち糖化率が高く、更には糖化液や残渣と共に外部に排出される酵素の量が少なく抑えられるように構成されている。この装置が上記のように構成されている理由については後で詳述するが、先ず装置の構成について簡単に説明すると、この装置は、３つの反応槽１０と、これらの反応槽１０毎に設けられ、各反応槽１０にて生成した糖化液と未反応のバイオマスからなる残渣とを分離するための装置、例えば沈降分離装置、加圧濾過装置、吸引濾過装置、遠心分離装置、サイクロン分離装置またはフィルタープレス装置などからなる分離部である分離装置１１と、を備えている。
本発明の糖化液製造方法を行うための糖化液製造装置の第１の実施の形態について、図１を参照して説明する。この糖化液製造装置（糖化反応装置）は、酵素と発酵原料であるグルコースの重合物からなるセルロースを含むバイオマスとを反応させて糖化液（単糖が溶解した液）を製造するための装置であり、例えば既述の図２６に示した装置と比較して、外部に取り出される糖化液中に含まれる糖濃度が高く、且つ外部に排出される未反応のバイオマスからなる残渣の量が少なく、即ち糖化率が高く、更には糖化液や残渣と共に外部に排出される酵素の量が少なく抑えられるように構成されている。この装置が上記のように構成されている理由については後で詳述するが、先ず装置の構成について簡単に説明すると、この装置は、３つの反応槽１０と、これらの反応槽１０毎に設けられ、各反応槽１０にて生成した糖化液と未反応のバイオマスからなる残渣とを分離するための装置、例えば沈降分離装置、加圧濾過装置、吸引濾過装置、遠心分離装置、サイクロン分離装置またはフィルタープレス装置などからなる分離部である分離装置１１と、を備えている。
各々の反応槽１０には、内部の反応溶液を例えば５０℃～６０℃程度の反応温度に保つためのヒーターや反応溶液の温度を計測するための熱電対等（いずれも図示せず）が設けられている。また、図にはスクリュー型撹拌機を記載したが、撹拌装置の型式を限定するものではない。便宜上、図１中中央の反応槽１０を第１反応槽２１、左側の反応槽１０を第２反応槽２２、右側の反応槽１０を第３反応槽２３と呼ぶこととする。また、第１反応槽２１、第２反応槽２２及び第３反応槽２３に夫々接続された分離装置１１についても、夫々第１分離装置３１、第２分離装置３２及び第３分離装置３３と呼ぶこととする。図１中１２は、反応槽１０内の酵素とバイオマスとを含む反応溶液を例えば撹拌羽、撹拌ポンプあるいは空気撹拌などにより撹拌するための攪拌機であり、各々の反応槽１０内に投入される固体（バイオマス及び残渣）と液体（糖化液及びｐＨ調整液）との割合に応じて、例えば撹拌力や撹拌速度などが個別に調整されている。
図１中４１、４２、４３及び４４は、夫々酵素供給路、バイオマス供給路、ｐＨ調整液供給路及びバイオマス追加路であり、第１反応槽２１には例えばセルラーゼなどの酵素が含まれる液体（水溶液）、例えばｐＨ５程度に調整された水（ｐＨ調整液）及びセルロースを含むバイオマスを供給し、第２反応槽２２には添加水である例えばｐＨ５程度に調整された水を供給できるように、また第３反応槽２３には第１反応槽２１と同様にバイオマスが供給されるように構成されている。上記の酵素供給路４１、バイオマス供給路４２（バイオマス追加路４４）及びｐＨ調整液供給路４３は、夫々酵素供給部、バイオマス供給部及び添加水供給部をなす。これらの供給路４１～４３（追加路４４）には、酵素、バイオマス及びｐＨ調整液の給断を行うための図示しないバルブが設けられている。また、上記の添加水は、後述するように低糖濃度溶液を調製するためのものであり、ｐＨ調整液以外にも、例えば緩衝液や純水などであっても良い。尚、この装置では、バイオマスといった固体を供給（搬送）するにあたって、例えばスクリューフィーダを用いており、またこのスクリューフィーダなどと共にベルトコンベアなどが組み合わされて用いられる場合もある。後述の残渣についても同様である。
第１分離装置３１には、当該分離装置３１にて分離した糖化液と残渣とを夫々第３反応槽２３及び第２反応槽２２に供給するための第１糖化液供給路５１及び第１残渣供給路５２が夫々第１糖化液供給部及び第１残渣供給部として接続されている。また、第２分離装置３２には、当該分離装置３２で分離した糖化液を第１反応槽２１に供給するための第２糖化液供給部である第２糖化液供給路５３と、この第２分離装置３２にて分離した残渣を系外に廃棄するための残渣排出路５４と、が接続されている。この残渣排出路５４から排出される残渣は、バイオマス中に含まれているリグニン３などであり、例えば燃焼させることによって熱エネルギーが回収されることになる。第３分離装置３３には、分離装置３３で分離した残渣を第１反応槽２１に供給する第３残渣供給路５５と、分離装置３３で分離した糖化液を外部に取り出す糖化液回収路５６と、が夫々第３残渣供給部及び糖化液回収部として接続されており、糖化液回収路５６から回収された糖化液は、化学製品の原料として利用したり、図示しない発酵槽において発酵菌により発酵してアルコール例えばエタノール溶液となる。そして、このエタノール溶液は、その後濃縮（蒸留）されることによって精製される。上記の各分離装置３１～３３には、図示しないバルブが設けられており、これらの分離装置３１～３３から排出される残渣や糖化液の給断を行うことができるように構成されている。
（バイオマス及び酵素について）
第１反応槽２１及び第３反応槽２３に各々供給されるバイオマスは、木質系あるいは草本系バイオマスに適当な前処理を施し、リグニンを破壊あるいは溶解除去したものである。この前処理方法としては、例えば希硫酸分解処理、水蒸気爆砕処理、アンモニア爆砕処理、超臨界アンモニア処理、熱水・超臨界水処理、微生物分解処理、微粉砕処理または化学薬品処理などがあてはまる。バイオマス中におけるリグニンの含有量は、例えば１０％以下好ましくは５％以下となっている。また、前処理を施したバイオマス以外に、古紙、パルプ、綿、綿繊維などの植物加工品も処理対象バイオマスとなる。
第１反応槽２１及び第３反応槽２３に各々供給されるバイオマスは、木質系あるいは草本系バイオマスに適当な前処理を施し、リグニンを破壊あるいは溶解除去したものである。この前処理方法としては、例えば希硫酸分解処理、水蒸気爆砕処理、アンモニア爆砕処理、超臨界アンモニア処理、熱水・超臨界水処理、微生物分解処理、微粉砕処理または化学薬品処理などがあてはまる。バイオマス中におけるリグニンの含有量は、例えば１０％以下好ましくは５％以下となっている。また、前処理を施したバイオマス以外に、古紙、パルプ、綿、綿繊維などの植物加工品も処理対象バイオマスとなる。
第１反応槽２１に供給される酵素は、セルロース分解酵素やヘミセルロース分解酵素であり、例えば数十Å程度の大きさの粒子（固体）である。また、この酵素は、図２（ｂ）に示すように、セルロース１やヘミセルロース２の表面に吸着して、これらのセルロース１やヘミセルロース２を単糖へと分解し、セルロース１やヘミセルロース２へ吸着する前あるいは分解した後には反応溶液に分散して当該反応溶液と共に液体のように通流する性質を持っている。この酵素７は極めて高価な物質である。
（実施例における実験の結果及び考察）
次に、上記の装置において、既述の図２６に示した装置と比較して、外部に取り出される糖化液中に含まれる糖濃度が高く、且つ外部に排出される残渣の量が少なく、更には糖化液や残渣と共に外部に排出される酵素の量が少なく抑えられている理由について、以下の実施例における図１４～図２４に示す実験結果及び考察に基づいて詳述する。尚、これらの図１４～図２４について、詳細な実験条件や結果については後述の実施例にて説明する。
次に、上記の装置において、既述の図２６に示した装置と比較して、外部に取り出される糖化液中に含まれる糖濃度が高く、且つ外部に排出される残渣の量が少なく、更には糖化液や残渣と共に外部に排出される酵素の量が少なく抑えられている理由について、以下の実施例における図１４～図２４に示す実験結果及び考察に基づいて詳述する。尚、これらの図１４～図２４について、詳細な実験条件や結果については後述の実施例にて説明する。
図１４は、バイオマスと酵素とを反応溶液（ｐＨ調整液）中において反応させた時に、当該反応溶液中の糖濃度がどのように増えていくか確認するために行った実験の結果であり、時間の経過と共に糖濃度の上昇速度（バイオマスの分解速度）が低下していくことが分かる。このように分解速度が低下する原因は、酵素反応が糖の存在により阻害され、またバイオマスが分解されやすい部位から分解されていくので、時間の経過（反応の進行）と共に反応溶液中の糖濃度及び分解しにくいバイオマスの割合が増加していくためだと考えられる。ここで、生成した糖の重量／バイオマス中のセルロース１及びヘミセルロース２の重量を糖化率と呼ぶこととすると、図１５（ａ）に示すように、従来では上記のように反応に長時間費やしても、７５％程度の糖化率（バイオマス投入量：１０ｇ）しか得られておらず、残りの２５％程度のバイオマスは、例えば残渣として廃棄されることになってしまう。また、糖濃度を増やすために充填するバイオマスの量を増やすと、図１５（ｂ）に示すように、得られる糖濃度が上昇するが、一方図１５（ａ）のように糖化率が更に低下して無駄に廃棄されるバイオマスの量が増加していくことになる。従って、１つの反応器で酵素反応を進行させる方法で残渣の量を増やさずに高濃度の糖化液を得るのは困難だということが分かる。尚、後述の実施例にて説明するように、この実験ではバイオマスとしてろ紙を用いている。以下の実験についても同様である。そのため、上記の残渣としては、反応しにくい部位のセルロースが残っており、酵素により分解できないリグニンなどは含まれていないと考えられる。
図１６は、緩衝液にバイオマスを投入した時に、緩衝液中の酵素濃度が時間の経過と共にどのように変化するか測定した結果である。この図１６から、緩衝液にバイオマスを投入すると、緩衝液中の酵素濃度が低下しており、つまり緩衝液中の酵素がバイオマスに吸着していくことを示している。更に長い時間をかけてこの様子を確認して見ると、図１７に示すように、一度バイオマスに吸着した酵素は、その後時間の経過と共に再度緩衝液中に戻ってくることが分かる。つまり、バイオマスが分解して糖化（液化）することによって、酵素がバイオマスに吸着していられなくなると、酵素が緩衝液中に戻ることになると考えられる。このことから、緩衝液などの液体中に存在する酵素を回収するためにはバイオマスを投入してバイオマスに吸着させれば良いということが分かり、一方バイオマスに吸着した酵素を回収するためには当該バイオマスを分解させれば良いことが分かる。尚、この実験では、緩衝液中のタンパク質を酵素としてとらえている。
また、上記図１７の結果から、酵素反応によりバイオマスが分解するとバイオマスに吸着した酵素が溶液中に戻っていくことが分かるが、全量は戻らない。つまり、図１４の反応終期における未反応の分解しにくいバイオマス（残渣）には酵素が吸着していることが分かる。しかし、このように酵素が吸着していても、残渣として残ったバイオマスについては分解が速やかに進行しない。残渣について反応が速やかに進行しない原因については、前述したように残渣は分解されにくい部分の割合が多くなっていることの他に、残渣の周囲に満たされた糖化液により酵素反応が阻害され、残渣のように分解しにくいバイオマスに対してはよりいっそう分解反応が進行しにくいのではないかと考えられる。そこで、糖阻害の影響が小さい溶液中に残渣を置くことにより、つまりある程度酵素反応が進行して反応が進みにくくなった時の残渣を糖化液から分離して、当該残渣について糖阻害の影響が少ない状態とする（分離した残渣を糖を含まない緩衝液と混合させる）ことで反応が進行するかどうか検証した。
図１８及び図１９は、反応を開始してから夫々１６８時間及び１４４時間経過した時の残渣を糖化液から分離して、当該残渣に緩衝液を添加して溶液中の糖濃度を測定した結果である。この結果から、分離前の糖化液中では反応が進みにくかった残渣であっても、糖阻害の影響が小さい溶液（低糖濃度溶液）中では反応が速やかに進行することが分かった。この時、既述の図１６及び図１７の結果から、残渣には既に酵素が吸着していると考えられたため、緩衝液に酵素を追加しなかったところ、それでも酵素反応が進行したことから、糖阻害により反応が進みにくかった酵素であっても、低糖濃度溶液中では反応に十分寄与できることが分かった。
従って、以上の図１４～図１９の結果をまとめると、酵素とバイオマスとを反応させた後、未反応のバイオマス（残渣）を糖化液から分離して糖濃度の希薄な溶液中において反応させるといったいわば２段階の反応過程を経ることにより、バイオマスの残渣量が少なくなることが分かった。しかしながら、この残渣を酵素分解して得られた糖化液の糖濃度は低いため、この糖化液と新品のバイオマスあるいは残渣（前記の残渣よりも分解されやすい部位を多く含む残渣）とをさらに反応させて糖化液糖濃度を高くする必要がある。
次に、既述のように、バイオマスの分解により得られた糖化液は、その後発酵によりエタノール化された後、例えば蒸留を行うことにより濃縮されることになる。そのため、最終製品であるエタノールを安価に製造するためには、当該濃縮に要するエネルギーを抑える必要がある。従って、糖化液中に含まれる糖濃度をできるだけ高めることが望ましい。長い反応時間を費やさずに糖化液の糖濃度を高くするためには、添加する酵素量を増やすことが必要となる。しかし、酵素添加量を増加させると、従来の酵素糖化手法では、高価な酵素が使い捨てになるため製造コストが増大する。その対策として分離膜を使用した酵素回収方法が提案されているが、この方法は分離膜設備費用がかさむことになる。そこで本発明では、高濃度の糖化液を得るために酵素添加量を増大させても、簡便な方法で効率的に添加した酵素を回収再利用し、さらにはその操作が糖化液の高濃度化にも貢献し、かつ廃棄する残渣量を抑制できる対策を構築するために、以下の実験及び考察を行った。
図２０は、図１４において反応開始から６日経過した時の上澄み液（糖化液）を残渣から遠心分離して、当該上澄み液に対してバイオマスを追加すると共に、上澄み液中のタンパク質（酵素）濃度を測定した結果である。この結果から、実験開始前には糖化液中に酵素が多く存在しているが、バイオマスを追加した後、時間の経過と共に糖化液中の酵素量が減少していることが分かる。即ち、糖化液中の酵素がバイオマスに吸着していると言える。そこで、図２１及び図２２に示すように、反応開始から１日後及び６日後の上澄み液にバイオマスを追加して糖濃度を測定すると、いずれの実験においても糖濃度が速やかに増加していた。しかし、これまでの実験から、この上澄み液には酵素が存在しているが、糖阻害が起こるので、分解されにくい結晶構造を持つ部位の割合が多くなる残渣は酵素分解が進みにくくなることが分かっている。そのため、この糖化液にて分解したセルロースは、新たに追加したバイオマスに含まれている分解されやすい部位だと考えられる。そして、この反応が速やかに起こっていたことから、上記の２段階の反応過程を経ることにより、つまり１度バイオマスの分解反応を行ってある程度糖濃度の高くなった糖化液に対して、更に新たなバイオマスを追加して当該バイオマス中の分解しやすい部位の分解反応を行わせることにより、長い反応時間を費やさなくても高濃度の糖化液を得ることができると言える。
ここで、新たなバイオマスを追加する場合、残渣と糖化液を分離して、その糖化液に新たなバイオマスを追加するのではなく、残渣と糖化液を分離しないでそこに新たなバイオマスを追加する方法も考えられる。反応開始から５０時間経過した時に、糖化液を残渣から分離せずに新たにバイオマスを追加して糖濃度及び糖化率を測定した実験について図２３及び図２４を参照して説明する。図２３に示すように、バイオマスの追加前には反応速度（糖濃度の増加速度）が反応初期と比べて遅くなっているが、バイオマスの追加により急激に短時間で糖濃度が増加しており、糖化液と残渣とを分離しなくとも図２１及び図２２の実験結果と同様の効果が認められた。しかし、新たに追加したバイオマスについては、図２４から分かるように、糖阻害を強く受けるので、初めから投入されていたバイオマスよりも糖化率が低くなっている。そのため、既述の図１５に示した方法（バイオマスの充填量を増やすことによって糖化率を高める方法）よりもコストを抑えて高濃度の糖化液を得るためには、この反応において生成した残渣についても分解させる必要のあることがわかる。その場合には、既述のように希薄糖濃度溶液中に残渣を投入する手法を採ることができると考えられる。
しかし、残渣と糖化液とを分離せずにこれらの図２３及び図２４に示すように新たにバイオマスを追加すると、分解率が高い残渣（始めに分解したバイオマス原料の残渣）と分解率が低い残渣（後から追加して分解したバイオマス原料の残渣）同士が互いに混じり合うことになる。そのため、この反応により生成した残渣を希薄糖濃度溶液において反応させようとすると、新たに追加したバイオマスから生成した残渣には比較的反応しやすい部位が含まれているので、当該残渣が始めに分解し、始めに投入していたバイオマスから生成した残渣については余り分解が進行しないことになってしまう。つまり、既述のように残渣を希薄糖濃度溶液において反応させるためには、残渣の分解率が揃っている必要がある。そこで、本発明では、このように糖濃度の高い溶液を得るにあたって、予め残渣を分離することとした。
（第１の実施の形態の作用）
以上の実験結果により得られた知見に基づいてバイオマスの分解を行う本発明の糖化液製造方法において、既述のように、図２６に示す装置と比べて、外部に取り出される糖化液中の糖濃度が高く、且つ外部に廃棄される残渣の量が少なく、更には糖化液や残渣と共に外部に排出される酵素の量が少なく抑えられながらバイオマスが分解されていく様子について、図３に示す反応全体のフローに基づいて以下に説明する。
以上の実験結果により得られた知見に基づいてバイオマスの分解を行う本発明の糖化液製造方法において、既述のように、図２６に示す装置と比べて、外部に取り出される糖化液中の糖濃度が高く、且つ外部に廃棄される残渣の量が少なく、更には糖化液や残渣と共に外部に排出される酵素の量が少なく抑えられながらバイオマスが分解されていく様子について、図３に示す反応全体のフローに基づいて以下に説明する。
先ず、図４（ａ）に示すように、第１の反応工程として、第１反応槽２１に酵素（酵素液）と前処理後のバイオマスとを投入する（ステップＳ１）。この第１反応槽２１の反応溶液中において、図５に示すように、バイオマス（セルロース１やヘミセルロース２）に酵素７が吸着して分解反応が進行する。溶液中の酵素は全てがバイオマスに吸着するわけではなく、その一部は溶液中に存在する。添加する酵素量を増大させると、バイオマスに吸着する酵素量が増大して反応速度を大きくできるが、同時に溶液中の酵素濃度も増加する。反応が進行して糖濃度が高くなるにつれて、糖阻害の影響や、残渣中に分解しにくい部分の割合が大きくなってくるため、反応速度が次第に遅くなっていく。次いで、図４（ｂ）に示すように、第１の分離工程として、第１反応槽２１にて生成した糖化液と残渣とを第１分離装置３１で分離して、糖化液を第３反応槽２３に供給すると共に、残渣を第２反応槽２２に供給する（ステップＳ２）。図５に示したように、第１分離装置３１で分離した糖化液及び残渣には、既述のように夫々酵素が含まれることになる。
また、図４（ｂ）に示すように、第２の反応工程として第１反応槽２１から残渣が供給された第２反応槽２２にｐＨ調整液を供給し（ステップＳ３１）、第３の反応工程として第１反応槽２１から糖化液が供給された第３反応槽２３にバイオマスを供給する（ステップＳ３２）。すると、同図（ｃ）に示すように、第２反応槽２２では糖濃度が第１反応槽２１よりも低い希薄溶液が調整されるので、糖阻害が小さくなり、従って残渣に吸着していた酵素により残渣が速やかに分解されていく。そのため、第２反応槽２２では、第１反応槽２１から供給された残渣中のセルロース１やヘミセルロース２のほとんど大部分が分解されて、これらのセルロース１やヘミセルロース２に吸着していた酵素７が反応溶液中に拡散していき、当該残渣に含まれていたリグニン３などが僅かに残渣として残ることになる。この時、第２反応槽２２で得られた糖化液の糖濃度は、第１反応槽２１で得られた糖化液の糖濃度よりも低くなる。
一方、第３反応槽２３では、第１反応槽２１で生成した糖化液に含まれていた酵素が追加されたバイオマスに吸着して、反応溶液中の酵素濃度が速やかに低下していく。そして、この第３反応槽２３では第１反応槽２１から供給された糖化液により糖阻害が強く働くことになるが、既述のように新たに追加したバイオマス中の反応しやすい部位が糖化液中の酵素により速やかに分解して高濃度の糖化液が生成する。続いて、図６（ａ）に示すように、第２の分離工程として、第２反応槽２２で生成した糖化液と残渣とを第２分離装置３２にて分離して、糖化液を第１反応槽２１に供給すると共に、残渣を系外に廃棄する（ステップＳ４１）。この時、残渣に吸着していた酵素がこの残渣と共に廃棄されることになるが、上記のように希薄糖濃度溶液中での反応により残渣の量が極めて少なくなっているので、大部分の酵素が糖化液と共に第１反応槽２１に供給され、廃棄される酵素は極めて少なく抑えられることになる。
一方、第３反応槽２３においては、第３の分離工程として、得られた高濃度糖化液と残渣とを第３分離装置３３にて分離して、高濃度糖化液を系外に排出すると共に、残渣を第１反応槽２１に供給する（ステップＳ４２）。高濃度糖化液は、当該高濃度糖化液に含まれる酵素と共に系外に排出されることになるが、第３反応槽２３内の酵素の大部分（既述の図２０の結果から約６０％程度）は当該第３反応槽２３に追加された未反応のバイオマスに吸着しているので、排出される酵素の量は少なく抑えられることになる。この高濃度糖化液は、例えば図示しない発酵槽に送られて、アルコール例えばエタノールなどに発酵され、その後蒸留などが行われて濃縮されることになる。
続いて、第１反応槽２１においては、第２反応槽２２から供給された糖化液と第３反応槽２３から供給された残渣とによって、図６（ｂ）に示すように、第３反応槽２３にて得られた高濃度糖化液よりも糖濃度の低い反応溶液が調製されることになるので、第３反応槽２３において糖阻害により分解できなかった残渣は、糖阻害の影響が小さくなるので分解が進行していく（ステップＳ５）。即ち、この反応工程は既述のステップＳ１の反応工程に相当することになる。
その後、この第１反応槽２１において得られた糖化液と残渣とを夫々第３反応槽２３及び第２反応槽２２に供給し、既述のステップＳ２～ステップＳ５を繰り返すことになる。即ち、図７に示すように、第１反応槽２１で得られた糖化液及び残渣に対して、夫々第３反応槽２３及び第２反応槽２２においてバイオマス及びｐＨ調整液を供給する工程と、第２反応槽２２及び第３反応槽２３にて夫々得られた糖化液及び残渣を第１反応槽２１に再び戻す工程と、を交互に繰り返すことにより、連続的に高濃度糖化液が得られることになる。従ってこの装置では、第３反応槽２３及び第２反応槽２２には、バイオマスとｐＨ調整液とがいわば間欠的に投入されることになる。
そして、各反応槽１０では既述のように夫々糖濃度の異なる反応溶液が調製され、つまり図８（ａ）に示すように、３つの反応槽１０において左側の第２反応槽２２から右側の第３反応槽２３に向かって順番に糖濃度が高くなることになる。そのため、糖阻害の程度が左側の第２反応槽２２から右側の第３反応槽２３に向かって順番に強くなり、従って同図（ｂ）に示すように、右側の第３反応槽２３に追加されたバイオマスは、左側の第２反応槽２２に向かって反応性の高い部位（糖阻害の影響を受けにくい部位）から順に分解して行くことになる。また、左側の第２反応槽２２に供給されたｐＨ調整液は、右側の第３反応槽２３に向かうにつれて次第に糖濃度が高くなり、第３分離装置３３にて高濃度糖化液として系外に取り出されることになる。
一方、第１反応槽２１に供給された酵素は、第２反応槽２２から残渣に吸着して系外に排出されたり、あるいは第３反応槽２３から高濃度糖化液と共に系外に排出されたりするものもあるが、第２反応槽２２では生成する残渣量が少なくなるように、また第３反応槽２３では残渣に吸着して第１反応槽２１に戻される酵素の量が多くなるように各反応槽１０内の操作条件を調整することで、図９（ａ）に示すように、いわば３つの反応槽１０間を循環することになる。つまり、酵素がバイオマス（残渣）に吸着し、またバイオマスの分解により酵素が反応溶液中に戻るという性質を利用するために、同図（ｂ）に示すように、３つの反応槽１０における残渣量を調整していると言える。具体的には、左側の第２反応槽２２から右側の第３反応槽２３に向かって順に残渣量が多くなるようにしている。従って、第２反応槽２２が残渣からの酵素回収機能を持っており、第３反応槽２３が反応溶液からの酵素回収機能を持っていると言える。
この時、僅かながらも酵素が系外に排出されているので、またバイオマスの分解反応により酵素が失活する場合もあるので、同図（ｃ）に示すように、その場合には第１反応槽２１に酵素が補充されることになる（ステップＳ６）。
ここで、上記の各ステップを自動で行う場合には、この糖化反応装置には図示しない制御部が設けられ、この制御部は上記の各ステップを行うように既述の図示しないバルブの給断、各反応槽２１～２３内の反応液の撹拌及び加熱などを行うように糖化反応装置に制御信号を出力することとなる。
ここで、上記の各ステップを自動で行う場合には、この糖化反応装置には図示しない制御部が設けられ、この制御部は上記の各ステップを行うように既述の図示しないバルブの給断、各反応槽２１～２３内の反応液の撹拌及び加熱などを行うように糖化反応装置に制御信号を出力することとなる。
上述の実施の形態によれば、酵素とセルロースを含むバイオマスとを反応させて糖化液を得るにあたって、第１反応槽２１においてバイオマスと酵素とを反応させて酵素が分散した糖化液及び酵素が吸着した未反応のバイオマスを含む残渣を生成させ、次いでこれらの糖化液と残渣とを分離して、当該残渣に対して第２反応槽２２においてｐＨ調整液を供給して前記糖化液よりも糖濃度の低い希薄溶液を調製し、この希薄溶液中において前記残渣とこの残渣に吸着した酵素とを反応させて糖化液を得ている。そのため、酵素を有効に利用ならびに回収することができ、かつ廃棄される残渣の量を抑える（高い糖化率を得る）ことができるので、糖化液を低コストで得ることができる。また、酵素の回収再利用を図ることができるので、例えば酵素の投入量を増やすことができ、その場合には糖化液を短時間で得ることができる。
また、第３反応槽２３において前記残渣を分離した後の糖化液に更にバイオマスを追加することによって、糖化液中に分散した酵素と新たに追加したバイオマス中の反応しやすい部位とを反応させることができるので、酵素の有効利用を図ると共に糖化液中の糖濃度を速やかに高めることができる。さらには、糖化液中に分散した酵素を新たに追加したバイオマスの残渣に吸着させて回収することができる。糖濃度の高い糖化液の製造と排出する酵素量の削減が可能になれば、各反応槽１０の大きさを抑えて設備の費用を抑えることができるし、その後の蒸留に要するエネルギーを削減でき、さらには酵素費用も削減できるので、低コストで糖化液及びエタノールを得ることができる。この時、第３反応槽２３にバイオマスを追加するにあたって、第１反応槽２１にて生成した残渣を予め分離しているので、当該第３反応槽２３にて生成した残渣の分解率を揃えることができ、従ってその後残渣が順次供給される第１反応槽２１及び第２反応槽２２では効率的に残渣を分解できる。
そして、第２反応槽２２及び第３反応槽２３にて夫々生成した糖化液及び残渣を第１反応槽２１に再び戻しているので、これらの糖化液及び残渣を有効に活用して連続的に高濃度糖化液を得ると共に、廃棄される残渣量及び酵素量を少なくすることができる。また、３つの反応槽１０を用いて上記の処理を行っているので、効率的に処理を行うことができる。また、３つの反応槽１０において酵素を循環させる（再利用する）にあたって、例えば膜などの消耗品を用いていないので、低コストで高濃度糖化液を得ることができる。
また、第２反応槽２２において、残渣と共に酵素が系外に排出されることになるが、この残渣が主にリグニンであることから、投入するバイオマス中のリグニンの含有量を既述のように予め少なくしておくことによって、残渣と共に排出される酵素の量を抑えることができる。
また、第２反応槽２２において、残渣と共に酵素が系外に排出されることになるが、この残渣が主にリグニンであることから、投入するバイオマス中のリグニンの含有量を既述のように予め少なくしておくことによって、残渣と共に排出される酵素の量を抑えることができる。
上記のステップＳ６において酵素を補充するにあたって、第１反応槽２１に供給したが、第２反応槽２２に供給しても良い。
また、上記の例では３つの反応槽１０を設けたが、例えば図１０に示すように、３つ以上例えば５つ設けても良い。その場合には、第２反応槽２２に供給されたｐＨ調整液は、右側の第３反応槽２３に向かうにつれて次第に糖濃度が高くなっていく。そのため、糖濃度の極めて高い第３反応槽２３に供給されたバイオマスは、糖阻害を強く受けるため、バイオマス中において反応性の極めて高い部位が反応し、当該第３反応槽２３の酵素の大部分が第３反応槽２３から残渣と共に回収されることになる。また、右側の第３反応槽２３から左側の第２反応槽２２に向かうにつれて糖濃度が低くなっていくので、第２反応槽２２には反応性の極めて低いバイオマスが残渣として供給され、当該第２反応槽２２にて分解されることになる。そのため、第２反応槽２２から系外に排出される残渣の量が微量になり、そのため残渣と共に排出される酵素の量も少なくなる。従って、反応槽１０の数量を増やすほど、上記の例よりも更に高濃度の糖化液が得られ、また廃棄される残渣の量及び酵素の量が一層少なくなることになる。
また、上記の例では３つの反応槽１０を設けたが、例えば図１０に示すように、３つ以上例えば５つ設けても良い。その場合には、第２反応槽２２に供給されたｐＨ調整液は、右側の第３反応槽２３に向かうにつれて次第に糖濃度が高くなっていく。そのため、糖濃度の極めて高い第３反応槽２３に供給されたバイオマスは、糖阻害を強く受けるため、バイオマス中において反応性の極めて高い部位が反応し、当該第３反応槽２３の酵素の大部分が第３反応槽２３から残渣と共に回収されることになる。また、右側の第３反応槽２３から左側の第２反応槽２２に向かうにつれて糖濃度が低くなっていくので、第２反応槽２２には反応性の極めて低いバイオマスが残渣として供給され、当該第２反応槽２２にて分解されることになる。そのため、第２反応槽２２から系外に排出される残渣の量が微量になり、そのため残渣と共に排出される酵素の量も少なくなる。従って、反応槽１０の数量を増やすほど、上記の例よりも更に高濃度の糖化液が得られ、また廃棄される残渣の量及び酵素の量が一層少なくなることになる。
また、各々の反応槽１０毎に分離装置１１を設けたが、同じ分離装置１１を各反応槽で共同利用することもできる。さらには、例えば各々の反応槽１０内において残渣の沈降やろ過を行うようにして、例えば上澄み液を吸引し、堆積物やろ過物（残渣）を取り出す、あるいは反応槽に残すようにしても良い。その場合には、各々の反応槽１０が分離手段を兼用することになる。
（第２の実施の形態）
また、反応槽１０の数量としては２つであっても良い。このような糖化液製造装置について、上記のように残渣を沈降させることにより２つの第１反応槽２１及び第２反応槽２２が夫々第１分離装置３１及び第２分離装置３２を兼用する場合を例に挙げて図１１を参照して説明する。尚、既述の実施の形態と同じ部位については同じ符号を付して説明を省略する。
また、反応槽１０の数量としては２つであっても良い。このような糖化液製造装置について、上記のように残渣を沈降させることにより２つの第１反応槽２１及び第２反応槽２２が夫々第１分離装置３１及び第２分離装置３２を兼用する場合を例に挙げて図１１を参照して説明する。尚、既述の実施の形態と同じ部位については同じ符号を付して説明を省略する。
２つの反応槽２１、２２について、便宜上左側を第１反応槽２１、右側を第２反応槽２２とすると、各々の反応槽２１、２２には、夫々酵素供給路４１、バイオマス供給路４２（バイオマス追加路４４）、ｐＨ調整液供給路４３、残渣排出路５４及び糖化液回収路５６が接続されており、以後の説明では、第１反応槽２１及び第２反応槽２２に夫々接続された各供給路や回収路（酵素供給路４１、バイオマス供給路４２（バイオマス追加路４４）、ｐＨ調整液供給路４３、残渣排出路５４及び糖化液回収路５６）について、夫々「第１」及び「第２」を付して説明する。また、これらの反応槽２１、２２には、当該反応槽２１、２２内の上澄み液である糖化液を吸引して他方の反応槽２２、２１に供給するための第１供給路（第１搬送部）６１及び第２供給路６２が夫々接続されている。
この糖化液製造装置では、先ず図１２（ａ）に示すように、第１反応槽２１に酵素とｐＨ調整液及びバイオマスとを供給すると、糖化液と残渣とが生成する（ステップＳ１）。この第１反応槽２１において例えば沈降分離により糖化液と残渣とを分離して、同図（ｂ）に示すように、糖化液を第２反応槽２２に供給する（ステップＳ２）。そして、同図（ｃ）に示すように、残渣が残された第１反応槽２１にｐＨ調整液を供給する（ステップＳ３１）と共に、第２反応槽２２にバイオマスを供給する（ステップＳ３２）。次いで、各々の反応槽２１、２２において生成した糖化液と残渣とを夫々沈降分離して、図１３（ａ）に示すように、第２反応槽２２で生成した高濃度糖化液を系外に取り出す（ステップＳ４２）。そして、同図（ｂ）に示すように、第１反応槽２１で生成した糖化液を第２反応槽２２に供給して、第２反応槽２２に残った残渣と混合すると共に、第１反応槽２１に残った残渣を系外に廃棄する（ステップＳ４１）。第２反応槽２２では、残渣と糖化液とが反応する（ステップＳ５）ので、これらの糖化液と残渣とに対して夫々上記のステップＳ２（図１３（ｃ））～ステップＳ５の工程を行う。この例では、高濃度糖化液と希薄溶液とが、第１反応槽２１と第２反応槽２２とで交互に調製されることになる。また、酵素が不足した場合には、いずれかの反応槽２１、２２に対して酵素を補充する。
この実施の形態においても、前記の実施の形態と同様の作用及び効果が得られる。
この実施の形態においても、前記の実施の形態と同様の作用及び効果が得られる。
上記の場合には、各反応槽２１、２２間において残渣を残し、糖化液を移動させたが、例えば沈降分離した後の残渣を下方側から吸引して移動させるようにしても良い。その場合においても、同様の作用効果が得られる。
また、上記の各例にて糖化液の原料として用いられるバイオマスとしては、木質系や草本系原料の他、古紙、パルプ、綿繊維などの植物原料の加工製品で、セルロース１を含んでいれば良いし、またこれらのセルロース１を含む原料の複数種類から構成されていても良い。酵素としては、セルロース分解酵素あるいはセルロース分解酵素とヘミセルロース分解酵素の組み合わせなどが良い。また、上記のように糖化液を製造するにあたって、予め初期段階においては系外でバイオマスと酵素とを反応させて糖化液と残渣とを生成させ、連続運転時においてはこれらの糖化液と残渣とを夫々別の反応槽１０に供給して上記の処理を行う方法も本発明に含まれる。
また、上記の各例にて糖化液の原料として用いられるバイオマスとしては、木質系や草本系原料の他、古紙、パルプ、綿繊維などの植物原料の加工製品で、セルロース１を含んでいれば良いし、またこれらのセルロース１を含む原料の複数種類から構成されていても良い。酵素としては、セルロース分解酵素あるいはセルロース分解酵素とヘミセルロース分解酵素の組み合わせなどが良い。また、上記のように糖化液を製造するにあたって、予め初期段階においては系外でバイオマスと酵素とを反応させて糖化液と残渣とを生成させ、連続運転時においてはこれらの糖化液と残渣とを夫々別の反応槽１０に供給して上記の処理を行う方法も本発明に含まれる。
次に、既に詳述した各実験結果について、実験条件や簡単な結果などについて以下に説明する。
・図１４：反応時間と糖濃度との相関関係評価実験
（実験条件）
基質（バイオマス）：ろ紙 １０ｇ
酵素：５ｍｌ
緩衝液：９５ｍｌ
（実験結果）
時間の経過と共に分解速度（糖濃度の増加速度）が減少していた。
・図１４：反応時間と糖濃度との相関関係評価実験
（実験条件）
基質（バイオマス）：ろ紙 １０ｇ
酵素：５ｍｌ
緩衝液：９５ｍｌ
（実験結果）
時間の経過と共に分解速度（糖濃度の増加速度）が減少していた。
・図１５：反応槽への原料の充填量と糖化率（糖収率）との相関関係評価実験
（実験条件）
基質（バイオマス）：ろ紙
基質充填量：１０ｇ、２５ｇ、３０ｇ、３５ｇ、４０ｇ
酵素：５ｍｌ
緩衝液：９５ｍｌ
反応温度：５０℃
（実験結果）
原料の充填量を多くすると、糖化率は減少していた。
（実験条件）
基質（バイオマス）：ろ紙
基質充填量：１０ｇ、２５ｇ、３０ｇ、３５ｇ、４０ｇ
酵素：５ｍｌ
緩衝液：９５ｍｌ
反応温度：５０℃
（実験結果）
原料の充填量を多くすると、糖化率は減少していた。
・図１６：酵素液にバイオマスを投入した時の酵素濃度の経時変化評価実験
（実験条件）
基質（バイオマス）：ろ紙 １０ｇ
酵素：５ｍｌ
緩衝液：９５ｍｌ
（実験結果）
酵素液にバイオマスを投入すると、溶液中の酵素（タンパク質）濃度が減少していた。
（実験条件）
基質（バイオマス）：ろ紙 １０ｇ
酵素：５ｍｌ
緩衝液：９５ｍｌ
（実験結果）
酵素液にバイオマスを投入すると、溶液中の酵素（タンパク質）濃度が減少していた。
・図１７：酵素液にバイオマスを投入した時の酵素濃度の経時変化評価実験
（実験条件）
基質（バイオマス）：ろ紙 １０ｇ
酵素：５ｍｌ
ｐＨ調整液：９５ｍｌ
（実験結果）
酵素液にバイオマスを投入すると、バイオマスに酵素が吸着して溶液中の酵素量が減少したが、その後しばらく経過すると、バイオマスに吸着した酵素がバイオマスの分解により再度溶液中に戻ってきていた。
（実験条件）
基質（バイオマス）：ろ紙 １０ｇ
酵素：５ｍｌ
ｐＨ調整液：９５ｍｌ
（実験結果）
酵素液にバイオマスを投入すると、バイオマスに酵素が吸着して溶液中の酵素量が減少したが、その後しばらく経過すると、バイオマスに吸着した酵素がバイオマスの分解により再度溶液中に戻ってきていた。
・図１８：残渣を緩衝液（希薄糖濃度溶液）中に投入して糖濃度の変化を確認する実験
（実験条件）
基質（バイオマス）：以下の残渣生成条件で生成した残渣を遠心分離したもの １６ｇ（ウェット状態）
反応液：上記の残渣＋緩衝液 ５０ｍｌ
（残渣生成条件）
基質（バイオマス）：ろ紙 １０ｇ
酵素：５ｍｌ
緩衝液：９５ｍｌ
糖化時間：１６８ｈ
（実験結果）
分解反応が進みにくくなっていた残渣であっても、糖濃度の高くなった糖化液から分離して希薄糖濃度溶液中に投入すると、速やかに分解反応が進行していた。
（実験条件）
基質（バイオマス）：以下の残渣生成条件で生成した残渣を遠心分離したもの １６ｇ（ウェット状態）
反応液：上記の残渣＋緩衝液 ５０ｍｌ
（残渣生成条件）
基質（バイオマス）：ろ紙 １０ｇ
酵素：５ｍｌ
緩衝液：９５ｍｌ
糖化時間：１６８ｈ
（実験結果）
分解反応が進みにくくなっていた残渣であっても、糖濃度の高くなった糖化液から分離して希薄糖濃度溶液中に投入すると、速やかに分解反応が進行していた。
・図１９：残渣を緩衝液（希薄糖濃度溶液）中に投入して糖濃度の変化を確認する実験
（実験条件）
基質（バイオマス）：図１４の実験において反応開始から６日経過した反応溶液を遠心分離して得られた残渣 １０ｇ
反応液：上記の残渣＋緩衝液 １００ｍｌ
（実験結果）
同様に分解反応が進みにくくなっていた残渣であっても、希薄糖濃度溶液中において速やかに分解反応が進行していた。
（実験条件）
基質（バイオマス）：図１４の実験において反応開始から６日経過した反応溶液を遠心分離して得られた残渣 １０ｇ
反応液：上記の残渣＋緩衝液 １００ｍｌ
（実験結果）
同様に分解反応が進みにくくなっていた残渣であっても、希薄糖濃度溶液中において速やかに分解反応が進行していた。
・図２０：糖化液にバイオマスを投入して糖化液中の酵素濃度の変化を確認する実験
（実験条件）
基質（バイオマス）：ろ紙 １０ｇ
反応液：図１４と同条件の実験において実験開始から６日経過した反応溶液を遠心分離して得られた糖化液 １００ｍｌ
（実験結果）
糖阻害が起こって分解反応が進みにくくなる程度の糖化液にバイオマスを投入すると、糖化液中の酵素（タンパク質）濃度が減少していた。
（実験条件）
基質（バイオマス）：ろ紙 １０ｇ
反応液：図１４と同条件の実験において実験開始から６日経過した反応溶液を遠心分離して得られた糖化液 １００ｍｌ
（実験結果）
糖阻害が起こって分解反応が進みにくくなる程度の糖化液にバイオマスを投入すると、糖化液中の酵素（タンパク質）濃度が減少していた。
・図２１：糖化液にバイオマスを投入した時の糖濃度の変化評価実験
（実験条件）
基質（バイオマス）：ろ紙 １０ｇ
反応液：図１４と同条件の実験において実験開始から１日経過した反応溶液を遠心分離して得られた糖化液 １００ｍｌ
（実験結果）
糖阻害が起こって分解反応が進みにくくなる程度に糖濃度が高くなった糖化液であっても、新たにバイオマスを投入すると、バイオマスが速やかに分解されて糖濃度が上昇していた。
（実験条件）
基質（バイオマス）：ろ紙 １０ｇ
反応液：図１４と同条件の実験において実験開始から１日経過した反応溶液を遠心分離して得られた糖化液 １００ｍｌ
（実験結果）
糖阻害が起こって分解反応が進みにくくなる程度に糖濃度が高くなった糖化液であっても、新たにバイオマスを投入すると、バイオマスが速やかに分解されて糖濃度が上昇していた。
・図２２：糖化液にバイオマスを投入した時の糖濃度の変化評価実験
（実験条件）
基質（バイオマス）：ろ紙 １０ｇ
反応液：図１４と同条件の実験において実験開始から６日経過した反応溶液を遠心分離して得られた糖化液 １００ｍｌ
（実験結果）
上記の実験と同様に、糖濃度が高くなった糖化液であっても、新たにバイオマスを投入することによってバイオマスが速やかに分解されて糖濃度が上昇していた。
（実験条件）
基質（バイオマス）：ろ紙 １０ｇ
反応液：図１４と同条件の実験において実験開始から６日経過した反応溶液を遠心分離して得られた糖化液 １００ｍｌ
（実験結果）
上記の実験と同様に、糖濃度が高くなった糖化液であっても、新たにバイオマスを投入することによってバイオマスが速やかに分解されて糖濃度が上昇していた。
・図２３：反応途中においてバイオマスを追加した時の糖濃度の変化評価実験
（実験条件）
基質（バイオマス）：ろ紙
基質濃度：１０重量／体積％
酵素：５体積％
ｐＨ調整液：５０ｍＭ酢酸緩衝液 ｐＨ５
反応温度：５０℃
（実験結果）
実験開始から５０ｈ経過した時に、新たに１０重量／体積％のろ紙を追加すると、追加前には上昇速度が遅くなっていた糖濃度が速やかに上昇した。
（実験条件）
基質（バイオマス）：ろ紙
基質濃度：１０重量／体積％
酵素：５体積％
ｐＨ調整液：５０ｍＭ酢酸緩衝液 ｐＨ５
反応温度：５０℃
（実験結果）
実験開始から５０ｈ経過した時に、新たに１０重量／体積％のろ紙を追加すると、追加前には上昇速度が遅くなっていた糖濃度が速やかに上昇した。
・図２４：反応途中においてバイオマスを追加した時の糖化率の変化評価実験
（実験条件）
基質（バイオマス）：ろ紙
基質濃度：１０重量／体積％
酵素：５体積％
ｐＨ調整液：５０ｍＭ酢酸緩衝液 ｐＨ５
反応温度：５０℃
（実験結果）
実験開始から５０ｈ経過した時に、新たに１０重量／体積％のろ紙を追加すると、追加前よりも追加後のバイオマスの糖化率が低くなっていた。
（実験条件）
基質（バイオマス）：ろ紙
基質濃度：１０重量／体積％
酵素：５体積％
ｐＨ調整液：５０ｍＭ酢酸緩衝液 ｐＨ５
反応温度：５０℃
（実験結果）
実験開始から５０ｈ経過した時に、新たに１０重量／体積％のろ紙を追加すると、追加前よりも追加後のバイオマスの糖化率が低くなっていた。
１ セルロース
２ ヘミセルロース
７ 酵素
２１ 第１反応槽
２２ 第２反応槽
２３ 第３反応槽
３１～３３ 分離装置
４１ 酵素供給路
４２ バイオマス供給路
４３ ｐＨ調整液供給路
４４ バイオマス追加路
２ ヘミセルロース
７ 酵素
２１ 第１反応槽
２２ 第２反応槽
２３ 第３反応槽
３１～３３ 分離装置
４１ 酵素供給路
４２ バイオマス供給路
４３ ｐＨ調整液供給路
４４ バイオマス追加路
Claims (12)
- 植物の集合体またはセルロースを含む植物の加工物の集合体であるセルロース系バイオマスと、セルロース糖化能力を有する糖化酵素とを反応させて糖化液を得る方法において、
糖化酵素とセルロース系バイオマスとを水溶液中で混合し、バイオマスを糖化酵素により糖化反応させる第１の反応工程と、
前記第１の反応工程で得られた反応液を固液分離して糖化液と残渣とを得る第１の分離工程と、
前記第１の分離工程で得られた残渣に添加水を加えて水溶液を調製し、この水溶液中にて当該残渣に吸着している糖化酵素によりこの残渣を糖化反応させる第２の反応工程と、
前記第１の分離工程で得られた糖化液に糖化反応前のセルロース系バイオマスを加えて、当該糖化液中の糖化酵素により新たに加えたバイオマスを糖化反応させる第３の反応工程と、を含むことを特徴とする糖化液の製造方法。 - 前記第１の反応工程と前記第２の反応工程と前記第３の反応工程とは、夫々互いに異なる反応槽を用いて行われることを特徴とする請求項１に記載の糖化液の製造方法。
- 前記第２の反応工程で得られた反応液を固液分離して糖化液と残渣とを得る第２の分離工程と、
前記第３の反応工程で得られた反応液を固液分離して高濃度糖化液と残渣とを得る第３の分離工程と、
前記第２の分離工程で得られた糖化液と、前記第３の分離工程で得られた残渣と、を混合して糖化反応させる反応工程と、を含み、
この反応工程は前記第１の反応工程に相当し、前記第１の反応工程に用いたバイオマスは、前記第３の分離工程で得られた残渣であることを特徴とする請求項１に記載の糖化液の製造方法。 - 前記第２の反応工程の水溶液及び前記第２の分離工程で分離された糖化液の少なくとも１つに対して糖化酵素を補充する工程を行うことを特徴とする請求項３に記載の糖化液の製造方法。
- 前記バイオマスに含まれているリグニンの割合は、１０％以下であることを特徴とする請求項１に記載の糖化液の製造方法。
- 請求項１に記載の糖化液の製造方法を実施するための糖化反応装置であって、
糖化酵素とセルロース系バイオマスとを水溶液中で混合し、バイオマスを糖化酵素により糖化反応させるための２つの反応槽と、
これら反応槽内にバイオマスを供給するためのバイオマス供給部と、
これら反応槽内に糖化酵素を供給するための第１酵素供給部と、
前記２つの反応槽のうちの一方の反応槽内に添加水を供給するための添加水供給部と、
前記一方の反応槽においてバイオマスと糖化酵素との反応により生成する反応液の固液分離を行って糖化液と残渣とを得るための第１分離部と、
前記第１分離部により分離した糖化液を前記２つの反応槽のうちの他方の反応槽に搬送するための第１搬送部と、
前記一方の反応槽において前記第１の反応工程を行い、次いで前記第１分離部により得られた糖化液を前記他方の反応槽に供給し、しかる後残渣が貯留された反応槽及び糖化液の貯留された反応槽に夫々添加水及び糖化反応前のセルロース系バイオマスを供給して、前記２つの反応槽において夫々前記第２の反応工程及び前記第３の反応工程を行うように制御信号を出力する制御部と、を備えたことを特徴とする糖化反応装置。 - 前記第１酵素供給部は、糖化酵素を前記２つの反応槽内に供給する代わりに前記一方の反応槽内に供給するためのものであり、
前記添加水供給部は、添加水を前記一方の反応槽内に供給する代わりに前記他方の反応槽内に供給するためのものであり、
前記第１搬送部は、前記他方の反応槽に糖化液を搬送する代わりに残渣を搬送するためのものであり、
前記制御部は、前記第１の反応工程を行った後、前記第１分離部により得られた糖化液を他方の反応槽に供給する代わりに前記第１分離部により得られた残渣を前記他方の反応槽に供給するように制御信号を出力することを特徴とする請求項６に記載の糖化反応装置。 - 前記第１分離部は、前記一方の反応槽内において沈降分離により糖化液と残渣とを分離する手段であることを特徴とする請求項７に記載の糖化反応装置。
- 請求項１に記載の糖化液の製造方法を実施するための糖化反応装置であって、
糖化酵素とセルロース系バイオマスとを水溶液中で混合し、バイオマスを糖化酵素により糖化反応させるための第１反応槽、第２反応槽及び第３反応槽と、
前記第１反応槽及び前記第３反応槽の各々にバイオマスを供給するためのバイオマス供給部と、
前記第１反応槽内に糖化酵素を供給するための酵素供給部と、
前記第２反応槽内に添加水を供給するための添加水供給部と、
前記第１反応槽において糖化酵素とバイオマスとの反応により得られた反応液を固液分離して糖化液と残渣とを得る第１分離部と、
前記第１分離部により分離された糖化液及び残渣を夫々前記第３反応槽及び前記第２反応槽に供給するための第１糖化液供給部及び第１残渣供給部と、
前記第１反応槽において前記第１の反応工程を行い、次いで前記第１反応槽で得られた反応液から前記第１分離部により残渣と糖化液とを分離して前記第２反応槽及び前記第３反応槽にこれらの残渣と糖化液とを夫々供給し、しかる後前記第２反応槽及び前記第３反応槽に夫々添加水及び糖化反応前のセルロース系バイオマスを供給して、夫々の反応槽において前記第２の反応工程及び前記第３の反応工程を行うように制御信号を出力する制御部と、を備えたことを特徴とする糖化反応装置。 - 前記第２反応槽において生成した反応液を固液分離して糖化液と残渣とを得る第２分離部と、
前記第３反応槽において生成した反応液を固液分離して高濃度糖化液と残渣とを得る第３分離部と、
前記第２分離部において分離した糖化液を前記第１反応槽に供給する第２糖化液供給部と、
前記第３分離部において分離された残渣を前記第１反応槽に供給する第３残渣供給部と、
前記第３分離部において分離された高濃度糖化液を外部に取り出すための糖化液回収部と、を備え、
前記第２反応槽で得られた反応液から前記第２分離部を用いて糖化液と残渣とを得ると共に、前記第３反応槽で得られた反応液から前記第３分離部を用いて高濃度糖化液と残渣とを得て、前記第２分離部で分離した糖化液と前記第３分離部で分離した残渣とを前記第１反応槽において反応させる工程を行い、
この工程は前記第１の反応工程に相当し、前記第１の反応工程に用いたバイオマスは、前記第２分離部で分離した残渣であることを特徴とする請求項９に記載の糖化反応装置。 - 前記第１分離部、前記第２分離部及び前記第３分離部は、夫々前記第１反応槽、前記第２反応槽及び前記第３反応槽において沈降分離により糖化液と残渣とを分離する手段であることを特徴とする請求項１０に記載の糖化反応装置。
- 前記バイオマスに含まれているリグニンの割合は、１０％以下であることを特徴とする請求項６または９に記載の糖化反応装置。
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|---|---|---|---|
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