WO2013187385A1 - 糖液の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
[1]セルロース含有バイオマスから糖液を製造する方法であって、以下の工程(1)~(4)を含むことを特徴とする、糖液の製造方法。
工程(1):セルロース含有バイオマスに対して希硫酸処理を行い、希硫酸処理液とセルロース含有固形分に分離する工程。
工程(2):前記セルロース含有固形分にセルラーゼを添加して加水分解することで糖液を得る工程。
工程(3):前記希硫酸処理液をpH2.5以下でナノ濾過膜に通じて濾過し、非透過液として糖濃縮液を分離し、透過液として硫酸水溶液を回収する工程。
工程(4):工程(3)で得られた硫酸水溶液の全量または一部を工程(1)の希硫酸処理で再利用する工程。
[2]工程(3)で得られた回収した硫酸水溶液を逆浸透膜に通じて濾過して、非透過液として硫酸を濃縮することを特徴とする、請求項1に記載の糖液の製造方法。
[3]工程(3)のナノ濾過膜の分画分子量が300以下であることを特徴とする、[1]または[2]に記載の糖液の製造方法。
[4]前記硫酸水溶液が、有機酸、フラン系化合物および芳香族化合物からなる群から選択される1種または2種以上の化合物を含むことを特徴とする、[1]から[3]のいずれかに記載の糖液の製造方法。
[5][1]から[4]のいずれかに記載の糖液の製造方法によって得られる糖液を製造する工程および該工程により得られた糖液を発酵原料として化学品を生産する能力を有する微生物を培養する工程を含む、化学品の製造方法。
セルロース含有バイオマスの希硫酸処理に際しては、セルロース含有バイオマスをそのまま希硫酸処理に供してもよいが、希硫酸処理の前に粉砕、爆砕、熱水などの公知の前処理を施すことによって、希硫酸処理を効率よく実施すること可能であり、また、セルロース画分をセルラーゼで酵素処理する場合は前処理によってセルラーゼによる加水分解反応の効率が向上する。前処理の中でも、熱水処理は50℃以上200℃以下の熱水で煮ることによりセルロース含有バイオマスの成分を一部溶出させて分解しやすくする前処理であり、セルロース含有バイオマス由来の無機イオンを除去することができるため、好ましく採用される。
セルロース含有バイオマスの希硫酸処理により得られるセルロース含有固形分とは、セルロース含有バイオマスを希硫酸処理した後のスラリー状の液を液成分と固形分に分離した固形分であり、セルロースを主成分とし、一部のヘミセルロースとリグニン、セルロース含有バイオマスの加水分解に伴って副生する有機酸、フラン系化合物、芳香族化合物の一部を含む。セルロース含有固形分は発酵原料とするため、酵素であるセルラーゼにより加水分解して糖液にする。酵素であるセルラーゼにより加水分解されたセルロースなどはグルコースやオリゴ糖などの単糖またはオリゴ糖に分解される。こうして得られた糖を発酵原料として使用する。なお、セルロース含有固形分の一部を紙パルプ、濾過助剤などセルロースとして工業用原料として使用しても構わない。
工程(3)では、ナノ濾過膜により糖(膜の非透過側)と硫酸(膜の透過側)を分離する。ナノ濾過膜の透過液である硫酸水溶液には、酸処理で同時に生成した有機酸やフラン系化合物、芳香族系化合物も膜を透過することで含有される。一方、ナノ濾過膜の非透過側から回収される糖濃縮液には硫酸、有機酸やフラン系化合物、芳香族系化合物がナノ濾過膜を透過することによってその比率が低減して発酵原料としての品質が高まる。さらに工程(4)で詳述するが、分離回収された硫酸水溶液を工程(1)で再利用することで硫酸使用量を低減することができることに加えて、セルロース含有バイオマスの加水分解効率を向上させることが可能になる。
希硫酸処理液をナノ濾過膜に通じて得られた透過液である硫酸水溶液は、その全量または一部を工程(1)の希硫酸処理に再利用する。実施例において示されるように、工程(1)の希硫酸処理に再利用した場合には得られる糖の収率が著しく向上する。硫酸水溶液は、硫酸の他に工程(1)の希硫酸処理において発生する有機酸やフラン系化合物、芳香族化合物といったバイオマス由来の分解物を含んでいるが、こうした硫酸水溶液を希硫酸処理に使用することで同じ希硫酸処理で酸濃度が同じであっても、セルロース画分の加水分解効率が向上するため、硫酸水溶液に含有される有機酸やフラン系化合物、芳香族系化合物が加水分解効率を向上させると考えられる。
透過率(%)=(透過側の対象化合物濃度/非透過液の対象化合物濃度)×100・・・(式1)。
カチオンおよびアニオン濃度は、下記に示すHPLC条件で、標品との比較により定量した。硫酸イオンはこのアニオン分析により定量した。
カラム:Ion Pac AS22(DIONEX社製)
移動相:4.5mM Na2CO3/1.4mM NaHCO3(流速1.0mL/分)
反応液:なし
検出方法:電気伝導度(サプレッサ使用)
温度:30℃。
カラム:Ion Pac CS12A(DIONEX社製)
移動相:20mMメタンスルホン酸(流速1.0mL/分)
反応液:なし
検出方法:電気伝導度(サプレッサ使用)
温度:30℃。
得られた液に含まれる単糖濃度は、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 NH2(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℃。
液に含まれるフラン系化合物(HMF、フルフラール)、およびフェノール系化合物(バニリン、クマル酸、フェルラ酸)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:Synergi HidroRP 4.6mm×250mm(Phenomenex製)
移動相:アセトニトリル-0.1% H3PO4(流速1.0mL/min)
検出方法:UV(283nm)
温度:40℃。
液に含まれる有機酸(酢酸、ギ酸)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:Shim-Pack SPR-HとShim-Pack SCR101H(株式会社島津製作所製)の直列
移動相:5mM p-トルエンスルホン酸(流速0.8mL/min)
反応液:5mM p-トルエンスルホン酸、20mM
ビストリス、0.1mM EDTA・2Na(流速0.8mL/min)
検出方法:電気伝導度
温度:45℃。
NRELが発表しているLAP法(“Determination of Structural Carbohydrates and Lignin in Biomass, Laboratory Analytical Procedure(LAP)”)を参考に、次に示す方法で組成を分析した。
セルロース含有バイオマスとして、稲藁を使用した。稲藁の構成分析は参考例5の方法で分析したところ表1の結果であった。稲藁をロータリーカッターミルRCM-400型(奈良機械製作所製)にてスクリーンメッシュ径3mmの状態で420rpmで回転させて粉砕した。次に粉砕した稲藁0.15kg(乾燥重量)について、希硫酸処理として1% 硫酸水溶液1.5Lに浸し、150℃で10分オートクレーブ処理(日東高圧株式会社製)した。希硫酸処理後、固液分離を行い、液成分である希硫酸処理液(以下、糖化液A)とセルロース含有固形分に分離した。糖化液AのpHは1.0であり、セルロース含有固形分の構成分析は表1の結果であった。
実施例1の希硫酸処理MF液のpHをアンモニアを用いてpH1.5、2.0、2.5に調整し、それぞれの液2Lに対してナノ濾過膜1~3で1.5L分を濾過して得られた透過液の組成を表7~9に示す。
実施例1の希硫酸MF液のpHをアンモニアを用いてpH3.0、5.0に調整し、それぞれの液2Lに対してナノ濾過膜1~3で1.5L分を濾過して得られた透過液の組成を表10~12に示す。比較例1では実施例2と比較して硫酸のナノ濾過膜の透過性が格段に低下してしまい硫酸を回収することができず、さらに糖の阻止率も低下した。
実施例1の希硫酸処理MF液(pH1.0)をそれぞれ2Lに分取し、GE製の分画分子量1,000の限外濾過膜GEシリーズまたは東レ株式会社製の逆浸透膜UTC80で1.5L分を濾過して得られた非透過液の組成を表13~14に示す。限外濾過膜を用いた場合では透過液側に多くの糖が透過してしまい、一方、逆浸透膜を用いた場合は糖を非透過液側に阻止できるが硫酸も阻止してしまい糖と硫酸を分離できず硫酸水溶液を回収することができなかった。
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、前処理として熱水処理をしてセルロース含有バイオマス由来の無機塩物を除去した後、0.1~10重量%の希硫酸処理およびセルラーゼを使用するセルロース含有バイオマスの加水分解した場合について説明する。
実施例1で得られたナノ濾過膜1の透過液2L分を用意し、Filmtec製の逆浸透膜SW2540の平膜で、供給速度:2L/分、濾過速度:5.0mL/分となるようにして、1.0L分の濾過を行った。1.0Lの非透過液および1.0Lの透過液の組成は表16の通りであり、硫酸がほぼ損失することなく濃縮できた。
実施例1の糖液を発酵原料として使用して、遺伝子組換え大腸菌(KO11株、ATCC55124)によるエタノール発酵を実施した。糖液は、実施例1のナノ濾過膜1の糖濃縮液(以下、糖化液F)、糖化液Bが4Lに対して糖化液Fが1Lの混合液(以下、糖化液G)を利用した。なお、糖化液Gの液組成は表21の通りであった。
糖化液Fと糖化液Gを発酵原料として使用して、ラクトコッカス・ラクティスJCM7638株によるL-乳酸発酵を実施した。ラクトコッカス・ラクティスJCM7638株を24時間、37℃の温度で静置培養して培養液に含まれるL-乳酸濃度を以下条件で分析した。前述微生物をYPDX培地(1% グルコース、1% キシロース、1% 酵母エキス(Bacto Yeast Extract/BD社)、2% ポリペプトン(日本製薬株式会社製)にて、1日間37℃で前培養を行った。次に、糖化液Fと糖化液GをpH6.0になるように水酸化カルシウム(和光純薬工業株式会社製)で調整下の後、得られた培養液を10%容量で添加した。微生物を添加後、37℃で2日間インキュベートした。この操作で得られた培養液に含まれる乳酸蓄積濃度は参考例4の方法にて分析した。分析の結果、L-乳酸が糖化液Fからは47.8g/L、糖化液Gからは30.5g/L蓄積していることが確認され、本発明で得られた糖液を発酵原料として、化学品であるL-乳酸を生産することが可能であることが確認できた。
Claims (5)
- セルロース含有バイオマスから糖液を製造する方法であって、以下の工程(1)~(4)を含むことを特徴とする、糖液の製造方法。
工程(1):セルロース含有バイオマスに対して希硫酸処理を行い、希硫酸処理液とセルロース含有固形分に分離する工程。
工程(2):前記セルロース含有固形分にセルラーゼを添加して加水分解することで糖液を得る工程。
工程(3):前記希硫酸処理液をpH2.5以下でナノ濾過膜に通じて濾過し、非透過液として糖濃縮液を分離し、透過液として硫酸水溶液を回収する工程。
工程(4):工程(3)で得られた硫酸水溶液の全量または一部を工程(1)の希硫酸処理で再利用する工程。 - 工程(3)で得られた硫酸水溶液を逆浸透膜に通じて濾過して、非透過液として硫酸を濃縮する工程を含むことを特徴とする、請求項1に記載の糖液の製造方法。
- 工程(3)のナノ濾過膜の分画分子量が300以下であることを特徴とする、請求項1または2に記載の糖液の製造方法。
- 前記硫酸水溶液が、有機酸、フラン系化合物および芳香族化合物からなる群から選択される1種または2種以上の化合物を含むことを特徴とする、請求項1から3のいずれかに記載の糖液の製造方法。
- 請求項1から4のいずれかに記載の糖液の製造方法によって得られる糖液を製造する工程および該工程により得られた糖液を発酵原料として化学品を生産する能力を有する微生物を培養する工程を含む、化学品の製造方法。
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