WO2017057697A1 - リグノセルロース系バイオマス由来化合物の製造装置及び製造方法 - Google Patents
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Definitions
- the lignocellulosic biomass to be treated by the production apparatus and production method of the present invention mainly contains cellulose, hemicellulose, and lignin, such as conifers, hardwoods, building waste, forest land residue, pruning waste, rice straw. , Rice husk, wheat straw, wood chips, wood fiber, chemical pulp, waste paper, plywood and other agricultural and forestry resources, sugarcane bagasse, sugarcane foliage, corn stover and other agricultural and forestry waste products, processed agricultural and forestry products and large algae, microalgae, etc. Plant tissue. These lignocellulosic biomasses may be used alone or as a mixture.
Abstract
本発明は、前処理済リグノセルロース系バイオマス及び酵素を含む第一の糖化装置と、前記第一の糖化装置で生成された第一の糖化液及びβ－グルコシダーゼ（ＢＧＬ）が吸着されたリグニンを含む第一の糖化残渣を含む第二の糖化装置と、前記第二の糖化装置内の固形分濃度を前記第一の糖化装置内の固形分濃度よりも高濃度に保持する機構と、を備えるリグノセルロース系バイオマス由来化合物の製造装置である。
Description
本発明は、リグノセルロース系バイオマス由来化合物の製造装置及び製造方法に関する。
本願は、２０１５年１０月１日に、日本に出願された特願２０１５－１９５９１８号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
本願は、２０１５年１０月１日に、日本に出願された特願２０１５－１９５９１８号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
近年、地球温暖化対策や、廃棄物の有効活用の観点から、植物資源を原料とするバイオマスの利用が注目されている。一般に、バイオマスからエタノール等の化合物を製造するための原料としては、サトウキビ等の糖質やトウモロコシ等のデンプン質が多く用いられている。しかしながら、これらの原料はもともと食料又は飼料として用いられており、長期的に工業用利用資源として活用することは、食料又は飼料用途との競合を引き起こし、原料価格の高騰を招く危険性がある。
従って、非食用バイオマスをエネルギー資源として活用する技術開発が進められている。非食用バイオマスとしては、地球上に最も多く存在するセルロースがあげられるが、その大部分は芳香族ポリマーのリグニンやヘミセルロースとの複合体であるリグノセルロースとして存在する。
リグノセルロース系バイオマスから目的の化合物を製造する方法としては、まず、水熱処理等の前処理を行う。このとき、必要に応じて、適宜酸又はアルカリを混合させてもよい。前処理を行ったリグノセルロース系バイオマスに酵素と水を添加し、バイオマス内のセルロース及びヘミセルロースをそれぞれグルコース及びキシロースの単糖に加水分解（糖化）し糖液を得る。
糖化反応で使用される酵素はセルラーゼ及びヘミセルラーゼである。セルラーゼとは、数種類の酵素群の総称であって、一般的にβ‐グルコシダーゼ（ＢＧＬ）、エンドグルカナーゼ（ＥＧ）、及びセロビオハイドロラーゼ（ＣＢＨ）を混ぜ合わせた状態で市販されている。前処理したリグノセルロース系バイオマスには、重合度が高いヘミセルロース、セルロース及びリグニン、並びに、単糖２個からなり重合度が低いため、液中に可溶化したセロビオースや、単糖のキシロース、グルコース等が含まれている。ＥＧ及びＣＢＨの糖化対象は固形のセルロースであり、ＢＧＬの糖化対象は液中に可溶化しているセロビオースである。
また、糖化反応において、リグニンに酵素が非特異的に吸着する現象がしばしば起きる。ＥＧ及びＣＢＨは、セルロース結合モジュール（ＣＢＭ）を有し、基質であるセルロースにも特異的に吸着するが、ＢＧＬはＣＢＭを持たないため、リグニンへの非特異的吸着のみであり、上記３種の酵素はほとんど糖化残渣に吸着してしまう。従来では、糖化残渣に吸着した酵素はなかなか遊離しがたく、反応後の上清から回収し、再利用することは困難であると考えられている（非特許文献１参照）。
ＢＧＬはリグニンに吸着した状態であっても活性部位は残っており、液中のセロビオースに対して糖化能力が維持されている。
特許文献１には、酵素を再利用するために、酵素が付着した糖化残渣を糖化工程の最初から投入する方法が開示されている。
特許文献２には、糖化液中の糖化酵素をリグノセルロースに吸着させて回収し、粗濾過により上清に分離した酵素とリグノセルロースに吸着したままの酵素とに分離し、ともに次回以降のバッチの糖化工程に再利用する方法が開示されている。
特許文献２には、糖化液中の糖化酵素をリグノセルロースに吸着させて回収し、粗濾過により上清に分離した酵素とリグノセルロースに吸着したままの酵素とに分離し、ともに次回以降のバッチの糖化工程に再利用する方法が開示されている。
小林良則「バイオマス糖化反応の網羅的解析」生物工学 第９１巻、１０号、５５６～５６０ページ（２０１４年１月２５日）
特許文献１は、ＢＧＬを再利用することができるが、糖化槽内のリグニン濃度が高まり、ＥＧ及びＣＢＨが吸着され、固形成分であるセルロースの糖化反応効率が落ちる。
特許文献２は、特許文献１と同様に、ＢＧＬを再利用することができるが、糖化槽内のリグニン濃度が高まり、ＥＧ及びＣＢＨが吸着され、固形成分であるセルロースの糖化反応効率が落ちる。
特許文献２は、特許文献１と同様に、ＢＧＬを再利用することができるが、糖化槽内のリグニン濃度が高まり、ＥＧ及びＣＢＨが吸着され、固形成分であるセルロースの糖化反応効率が落ちる。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、酵素使用量を抑えながら、糖化反応効率が高いリグノセルロース系バイオマス由来化合物の製造装置及び製造方法を提供する。
すなわち、本発明は、以下の態様を含む。
（１）前処理済リグノセルロース系バイオマス及び酵素を含む第一の糖化装置と、前記第一の糖化装置で生成された第一の糖化液及びβ－グルコシダーゼ（ＢＧＬ）が吸着されたリグニンを含む第一の糖化残渣を含む第二の糖化装置と、前記第二の糖化装置内の固形分濃度を前記第一の糖化装置内の固形分濃度よりも高濃度に保持する機構と、を備えることを特徴とするリグノセルロース系バイオマス由来化合物の製造装置。
（２）前記第一の糖化液はセロオリゴ糖を含み、前記第二の糖化装置は前記ＢＧＬにより前記セロオリゴ糖から生成されたグルコースを含む（１）に記載のリグノセルロース系バイオマス由来化合物の製造装置。
（３）前記高濃度に保持する機構が前記第二の糖化装置からの第二の糖化残渣の排出量を調節する機構である（１）又は（２）に記載のリグノセルロース系バイオマス由来化合物の製造装置。
（４）さらに、前記第二の糖化装置で生成された第二の糖化液及び酵素が吸着した第二の糖化残渣、並びに微生物を含む発酵槽を備え、前記発酵槽で生成された発酵液及び酵素が吸着した発酵残渣を分離する固液分離装置と、前記分離された発酵残渣を前記固液分離装置から前記第二の糖化装置へ投入する配管と、を備え、前記高濃度に保持する機構が前記固液分離装置及び前記第二の糖化装置へ投入する配管である（１）又は（２）に記載のリグノセルロース系バイオマス由来化合物の製造装置。
（５）さらに、前記第一の糖化装置に酵素液を供給するための酵素生産菌及び前処理済リグノセルロース系バイオマスを含む酵素生産槽を備え、前記酵素生産槽で生成された酵素液及び酵素が吸着した酵素生産残渣を分離する固液分離装置と、前記分離された酵素液を前記固液分離装置から前記第一の糖化装置へ投入する配管と、前記分離された酵素生産残渣を前記固液分離装置から前記第二の糖化装置へ投入する配管と、を備える（１）～（４）にいずれか一つに記載のリグノセルロース系バイオマス由来化合物の製造装置。
（６）前記第二の糖化装置内の固形分濃度が前記第一の糖化装置内の固形分濃度の１．１倍以上６倍以下である（１）～（５）のいずれか一つに記載のリグノセルロース系バイオマス由来化合物の製造装置。
（７）前記第二の糖化残渣、前記発酵残渣及び前記酵素生産残渣から選ばれる少なくとも一つに吸着する酵素がβ－グルコシダーゼ（ＢＧＬ）である（１）～（６）のいずれか一つに記載のリグノセルロース系バイオマス由来化合物の製造装置。
（１）前処理済リグノセルロース系バイオマス及び酵素を含む第一の糖化装置と、前記第一の糖化装置で生成された第一の糖化液及びβ－グルコシダーゼ（ＢＧＬ）が吸着されたリグニンを含む第一の糖化残渣を含む第二の糖化装置と、前記第二の糖化装置内の固形分濃度を前記第一の糖化装置内の固形分濃度よりも高濃度に保持する機構と、を備えることを特徴とするリグノセルロース系バイオマス由来化合物の製造装置。
（２）前記第一の糖化液はセロオリゴ糖を含み、前記第二の糖化装置は前記ＢＧＬにより前記セロオリゴ糖から生成されたグルコースを含む（１）に記載のリグノセルロース系バイオマス由来化合物の製造装置。
（３）前記高濃度に保持する機構が前記第二の糖化装置からの第二の糖化残渣の排出量を調節する機構である（１）又は（２）に記載のリグノセルロース系バイオマス由来化合物の製造装置。
（４）さらに、前記第二の糖化装置で生成された第二の糖化液及び酵素が吸着した第二の糖化残渣、並びに微生物を含む発酵槽を備え、前記発酵槽で生成された発酵液及び酵素が吸着した発酵残渣を分離する固液分離装置と、前記分離された発酵残渣を前記固液分離装置から前記第二の糖化装置へ投入する配管と、を備え、前記高濃度に保持する機構が前記固液分離装置及び前記第二の糖化装置へ投入する配管である（１）又は（２）に記載のリグノセルロース系バイオマス由来化合物の製造装置。
（５）さらに、前記第一の糖化装置に酵素液を供給するための酵素生産菌及び前処理済リグノセルロース系バイオマスを含む酵素生産槽を備え、前記酵素生産槽で生成された酵素液及び酵素が吸着した酵素生産残渣を分離する固液分離装置と、前記分離された酵素液を前記固液分離装置から前記第一の糖化装置へ投入する配管と、前記分離された酵素生産残渣を前記固液分離装置から前記第二の糖化装置へ投入する配管と、を備える（１）～（４）にいずれか一つに記載のリグノセルロース系バイオマス由来化合物の製造装置。
（６）前記第二の糖化装置内の固形分濃度が前記第一の糖化装置内の固形分濃度の１．１倍以上６倍以下である（１）～（５）のいずれか一つに記載のリグノセルロース系バイオマス由来化合物の製造装置。
（７）前記第二の糖化残渣、前記発酵残渣及び前記酵素生産残渣から選ばれる少なくとも一つに吸着する酵素がβ－グルコシダーゼ（ＢＧＬ）である（１）～（６）のいずれか一つに記載のリグノセルロース系バイオマス由来化合物の製造装置。
（８）前処理済リグノセルロース系バイオマス及び酵素を混合し、糖化する第一の糖化工程と、前記第一の糖化工程で生成された糖化液及びβ－グルコシダーゼ（ＢＧＬ）が吸着されたリグニンを含む第一の糖化残渣を混合し、糖化する第二の糖化工程と、前記第二の糖化工程における固形分濃度を前記第一の糖化工程における固形分濃度よりも高濃度に保つように調節する固形分濃度調節工程と、を有し、前記固形分濃度調節工程が、前記第二の糖化工程で生成された第二の糖化残渣の排出量を調節する工程であることを特徴とするリグノセルロース系バイオマス由来化合物の製造方法。
（９）前処理済リグノセルロース系バイオマス及び酵素を混合し、糖化する第一の糖化工程と、前記第一の糖化工程で生成された糖化液及びβ－グルコシダーゼ（ＢＧＬ）が吸着されたリグニンを含む第一の糖化残渣を混合し、糖化する第二の糖化工程と、前記第二の糖化工程における固形分濃度を前記第一の糖化工程における固形分濃度よりも高濃度に保つように調節する固形分濃度調節工程と、前記第二の糖化工程で生成された第二の糖化液及び酵素が吸着した第二の糖化残渣、並びに酵母を混合し、発酵する発酵工程と、前記発酵工程で生成された発酵液と酵素が吸着した発酵残渣とを分離する固液分離工程と、を有し、前記固形分濃度調節工程が、前記固液分離工程で分離された酵素が吸着した発酵残渣を第二の糖化装置へ投入する工程であることを特徴とするリグノセルロース系バイオマス由来化合物の製造方法。
（１０）前処理済リグノセルロース系バイオマス及び酵素を混合し、糖化する第一の糖化工程と、前記第一の糖化工程で生成された糖化液及びβ－グルコシダーゼ（ＢＧＬ）が吸着されたリグニンを含む第一の糖化残渣を混合し、糖化する第二の糖化工程と、前記第二の糖化工程における固形分濃度を前記第一の糖化工程における固形分濃度よりも高濃度に保つように調節する固形分濃度調節工程と、酵素生産菌及び前処理済リグノセルロース系バイオマスを混合し、酵素を生産する酵素生産工程と、前記酵素生産工程で生成された酵素液と酵素が吸着した酵素生産残渣とを分離する固液分離工程と、前記固液分離工程で分離された酵素液を前記第一の糖化装置へ投入する工程と、を有し、前記固形分濃度調節工程が、前記固液分離工程で分離された酵素が吸着した酵素生産残渣を第二の糖化装置へ投入する工程であることを特徴とするリグノセルロース系バイオマス由来化合物の製造方法。
（１１）前記第二の糖化工程において、主にβ－グルコシダーゼ（ＢＧＬ）により、第一の糖化工程において生成されたセロオリゴ糖からグルコースを生成する（８）～（１０）のいずれか一つに記載のリグノセルロース系バイオマス由来化合物の製造方法。
（１２）前記第二の糖化工程における固形分濃度が前記第一の糖化装置内の固形分濃度の１．１倍以上６倍以下である（８）～（１１）のいずれか一つに記載のリグノセルロース系バイオマス由来化合物の製造方法。
（１３）前記第二の糖化残渣、前記発酵残渣及び前記酵素生産残渣から選ばれる少なくとも一つに吸着する酵素がβ－グルコシダーゼ（ＢＧＬ）である（８）～（１２）のいずれか一つに記載のリグノセルロース系バイオマス由来化合物の製造方法。
（９）前処理済リグノセルロース系バイオマス及び酵素を混合し、糖化する第一の糖化工程と、前記第一の糖化工程で生成された糖化液及びβ－グルコシダーゼ（ＢＧＬ）が吸着されたリグニンを含む第一の糖化残渣を混合し、糖化する第二の糖化工程と、前記第二の糖化工程における固形分濃度を前記第一の糖化工程における固形分濃度よりも高濃度に保つように調節する固形分濃度調節工程と、前記第二の糖化工程で生成された第二の糖化液及び酵素が吸着した第二の糖化残渣、並びに酵母を混合し、発酵する発酵工程と、前記発酵工程で生成された発酵液と酵素が吸着した発酵残渣とを分離する固液分離工程と、を有し、前記固形分濃度調節工程が、前記固液分離工程で分離された酵素が吸着した発酵残渣を第二の糖化装置へ投入する工程であることを特徴とするリグノセルロース系バイオマス由来化合物の製造方法。
（１０）前処理済リグノセルロース系バイオマス及び酵素を混合し、糖化する第一の糖化工程と、前記第一の糖化工程で生成された糖化液及びβ－グルコシダーゼ（ＢＧＬ）が吸着されたリグニンを含む第一の糖化残渣を混合し、糖化する第二の糖化工程と、前記第二の糖化工程における固形分濃度を前記第一の糖化工程における固形分濃度よりも高濃度に保つように調節する固形分濃度調節工程と、酵素生産菌及び前処理済リグノセルロース系バイオマスを混合し、酵素を生産する酵素生産工程と、前記酵素生産工程で生成された酵素液と酵素が吸着した酵素生産残渣とを分離する固液分離工程と、前記固液分離工程で分離された酵素液を前記第一の糖化装置へ投入する工程と、を有し、前記固形分濃度調節工程が、前記固液分離工程で分離された酵素が吸着した酵素生産残渣を第二の糖化装置へ投入する工程であることを特徴とするリグノセルロース系バイオマス由来化合物の製造方法。
（１１）前記第二の糖化工程において、主にβ－グルコシダーゼ（ＢＧＬ）により、第一の糖化工程において生成されたセロオリゴ糖からグルコースを生成する（８）～（１０）のいずれか一つに記載のリグノセルロース系バイオマス由来化合物の製造方法。
（１２）前記第二の糖化工程における固形分濃度が前記第一の糖化装置内の固形分濃度の１．１倍以上６倍以下である（８）～（１１）のいずれか一つに記載のリグノセルロース系バイオマス由来化合物の製造方法。
（１３）前記第二の糖化残渣、前記発酵残渣及び前記酵素生産残渣から選ばれる少なくとも一つに吸着する酵素がβ－グルコシダーゼ（ＢＧＬ）である（８）～（１２）のいずれか一つに記載のリグノセルロース系バイオマス由来化合物の製造方法。
本発明のリグノセルロース系バイオマス由来化合物の製造装置及び製造方法によれば、酵素を固定化する必要がなく、また酵素の投入量を低減し、効率的に糖化反応を行うことができる。
本発明の製造装置及び製造方法で処理対象となるリグノセルロース系バイオマスは主に、セルロース、ヘミセルロース及びリグニンを含有するものであり、例えば針葉樹、広葉樹、建築廃材、林地残材、剪定廃材、稲藁、籾殻、麦藁、木材チップ、木材繊維、化学パルプ、古紙、合板等の農林産物資源、サトウキビバガス、サトウキビ茎葉、コーンスト―バー等の農林産物廃棄物、農林産物加工品及び大型藻類、微細藻類等の植物組織である。
これらのリグノセルロース系バイオマスは単独であってもよく、混合物であってもよい。
これらのリグノセルロース系バイオマスは単独であってもよく、混合物であってもよい。
本発明において、ヘミセルロースは、キシロースなどの５つの炭素を構成単位とする五炭糖とよばれるものやマンノース、アラビノース、ガラクツロン酸などの６つの炭素を構成単位とする六炭糖とよばれるもの、さらにグルコマンナンやグルクロノキシランなどのような複合多糖を有するので、加水分解を受けると、炭素５つからなる五炭糖の単糖やその単糖が複数個連結された五炭糖のオリゴ糖、炭素６つからなる六炭糖の単糖やその単糖が複数個連結された六炭糖のオリゴ糖、五炭糖の単糖と六炭糖の単糖が複数個連結されたオリゴ糖を生ずる。
セルロースは、６つの炭素を構成単位として有するので、加水分解を受けると、炭素６つからなる六炭糖の単糖やその単糖が複数個連結された六炭糖のオリゴ糖を生ずる。一般に、単糖及びオリゴ糖のうち少なくともいずれかの構成比率や生成量は、前処理方法や原料として用いた農林産物資源、農林産物廃棄物及び農林産物加工品の種類によって異なる。
セルロースは、６つの炭素を構成単位として有するので、加水分解を受けると、炭素６つからなる六炭糖の単糖やその単糖が複数個連結された六炭糖のオリゴ糖を生ずる。一般に、単糖及びオリゴ糖のうち少なくともいずれかの構成比率や生成量は、前処理方法や原料として用いた農林産物資源、農林産物廃棄物及び農林産物加工品の種類によって異なる。
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について詳細に説明する、なお、各図において、説明に関連しない部分は図示を省略する場合がある。
＜第一実施形態＞
図１は、本発明の第一実施形態に係るリグノセルロース系バイオマス由来化合物の製造装置の概略構成を示す図である。
本実施形態の製造装置１０は、前処理済リグノセルロース系バイオマス及び酵素を含む第一の糖化装置１と、第一の糖化装置１で生成された第一の糖化液及び酵素が吸着した第一の糖化残渣を含む第二の糖化装置２と、が配管を介して配設されている。さらに、第二の糖化装置２内の固形分濃度を第一の糖化装置１内の固形分濃度よりも高濃度に保持する機構として、第二の糖化装置２で生成された第二の糖化液と酵素が吸着した第二の糖化残渣とを分離するための固液分離装置４と、固液分離装置４において分離された酵素が吸着した第二の糖化残渣を第二の糖化液へ返送するための返送管５とが配設されている。
図１では、一例として、第二の糖化装置２に隣接して発酵槽３を配設しているが、糖化液の用途に応じて、第二の糖化装置２に続く設備は適宜選択することができる。
図１は、本発明の第一実施形態に係るリグノセルロース系バイオマス由来化合物の製造装置の概略構成を示す図である。
本実施形態の製造装置１０は、前処理済リグノセルロース系バイオマス及び酵素を含む第一の糖化装置１と、第一の糖化装置１で生成された第一の糖化液及び酵素が吸着した第一の糖化残渣を含む第二の糖化装置２と、が配管を介して配設されている。さらに、第二の糖化装置２内の固形分濃度を第一の糖化装置１内の固形分濃度よりも高濃度に保持する機構として、第二の糖化装置２で生成された第二の糖化液と酵素が吸着した第二の糖化残渣とを分離するための固液分離装置４と、固液分離装置４において分離された酵素が吸着した第二の糖化残渣を第二の糖化液へ返送するための返送管５とが配設されている。
図１では、一例として、第二の糖化装置２に隣接して発酵槽３を配設しているが、糖化液の用途に応じて、第二の糖化装置２に続く設備は適宜選択することができる。
第一の糖化装置１は、前処理済リグノセルロース系バイオマス及び酵素を混合し、糖化反応を行うための装置であり、特別な限定はない。例えば、撹拌型、通気撹拌型、気泡塔型、流動層型、充填層型などを挙げることができる。
前処理済リグノセルロース系バイオマスとは、糖化反応を効率的に行うために事前処理を行ったリグノセルロース系バイオマスを意味する。事前処理方法としては、例えば、蒸気のみでの蒸煮法、イオン液体を用いる方法、ミルを用いる粉砕法などが挙げられる。また、事前処理において、必要に応じて、適宜酸又はアルカリを混合させてもよい。酸としては、硫酸、塩酸、硝酸、リン酸等の中から選ばれ、これらを単独で又は組み合わせて用いてもよい。中でも工業利用には安価で手に入りやすい硫酸が特に好ましい。アルカリとしては、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、アンモニアの中から選ばれ、これらを単独で又は組み合わせて用いてもよい。水熱処理反応に用いる反応容器には特に限定はないが、耐酸性又は耐アルカリ性を有する加熱圧力容器、若しくは、耐酸性又は耐アルカリ性を有する容器をオートクレーブのような加熱圧力装置に入れて処理する形態が考えられる。
本発明における酵素とは、リグノセルロース系バイオマスを単糖又はオリゴ糖単位に分解する酵素を意味し、リグノセルロース系バイオマスを単糖又はオリゴ糖にまで分解するものであればよく、セルラーゼ及びヘミセルラーゼの各活性を持つものであればよい。
セルラーゼは、セルロースをグルコース等の単糖又はオリゴ糖に分解するものであればよく、エンドグルカナーゼ（ＥＧ）、セロビオヒドロラーゼ（ＣＢＨ）及びβ－グルコシダーゼ（ＢＧＬ）の各活性の少なくとも１つの活性を有するものを挙げることができ、これらの各活性を有する酵素混合物であることが、酵素活性の観点から好ましい。
同じくヘミセルラーゼは、ヘミセルロースをキシロース等の単糖又はオリゴ糖に分解するものであればよく、キシラナーゼ、キシロシダーゼ、マンナナーゼ、ペクチナーゼ、ガラクトシダーゼ、グルクロニダーゼ及びアラビノフラノシダーゼの各活性の少なくとも１つの活性を有するものを挙げることができ、これらの各活性を有する酵素混合物であることが、酵素活性の観点から好ましい。
本発明において「酵素活性成分」とは、酵素混合物とした場合にはこれらの糖化酵素のそれぞれを意味し、単独の糖化酵素を用いた場合には、用いられる糖化酵素そのものを意味する。
これらセルラーゼ及びヘミセルラーゼの起源は限定されることはなく、糸状菌、担子菌、細菌類等のセルラーゼ及びヘミセルラーゼを用いることができる。
セルラーゼは、セルロースをグルコース等の単糖又はオリゴ糖に分解するものであればよく、エンドグルカナーゼ（ＥＧ）、セロビオヒドロラーゼ（ＣＢＨ）及びβ－グルコシダーゼ（ＢＧＬ）の各活性の少なくとも１つの活性を有するものを挙げることができ、これらの各活性を有する酵素混合物であることが、酵素活性の観点から好ましい。
同じくヘミセルラーゼは、ヘミセルロースをキシロース等の単糖又はオリゴ糖に分解するものであればよく、キシラナーゼ、キシロシダーゼ、マンナナーゼ、ペクチナーゼ、ガラクトシダーゼ、グルクロニダーゼ及びアラビノフラノシダーゼの各活性の少なくとも１つの活性を有するものを挙げることができ、これらの各活性を有する酵素混合物であることが、酵素活性の観点から好ましい。
本発明において「酵素活性成分」とは、酵素混合物とした場合にはこれらの糖化酵素のそれぞれを意味し、単独の糖化酵素を用いた場合には、用いられる糖化酵素そのものを意味する。
これらセルラーゼ及びヘミセルラーゼの起源は限定されることはなく、糸状菌、担子菌、細菌類等のセルラーゼ及びヘミセルラーゼを用いることができる。
第二の糖化装置２は、第一の糖化装置１で生成された第一の糖化液及び酵素が吸着した第一の糖化残渣を混合し、第一の糖化装置１内の固形分濃度よりも高濃度の固形分濃度にて糖化反応を行うための槽であり、特別な限定はない。例えば、通気撹拌型、気泡塔型、流動層型、充填層型などを挙げることができる。第一の糖化液には、前処理反応及び第一の糖化装置にて生成されたグルコース、キシロース、セロオリゴ糖などが可溶化している。セロオリゴ糖とは、セロビオース等の２～６個の単糖からなるオリゴ糖を意味し、ＢＧＬの基質となる。第一の糖化残渣には、未反応のセルロースやヘミセルロース、リグニン等の固形成分が含まれ、酵素がこれら固形成分に吸着している。
本明細書中において、「高濃度に保持する機構」は、第一の糖化装置１内の固形分濃度よりも第二の糖化装置２内の固形分濃度を高く保つための機構を意味し、例えば、前処理済リグノセルロース系バイオマスの第一の糖化装置１への投入量を調節する機構や、第一の糖化装置１から送液される第一の糖化残渣の排出量を調節する機構、第二の糖化装置２からの第二の糖化残渣の排出量を調節する機構等が挙げられる。中でも、第二の糖化装置２からの残渣の排出量を調節する機構が好ましい。より具体的には、図１に示すような固液分離装置４、後述の実施形態（図２～５参照）において示すような、第二の糖化装置２から発酵槽３への第二の糖化液のみ又は第二の糖化残渣のみを送液するための配管、フィルター、堰、発酵槽３で生成された発酵液及び酵素が吸着した発酵残渣を分離するための固液分離装置１３等が挙げられる。
固液分離装置４は、第二の糖化装置２において生成された第二の糖化液及び酵素が吸着した第二の糖化残渣を分離するための装置であり、特に限定はないが、固液の分離強度を調節できる装置であることが好ましい。例えば、加わる圧力を調節することで、分離強度を調節することができる装置や、篩目やフィルターの網目の大きさを変更することで分離強度を調節することができる装置、固液分離装置の運転条件は変更せずに固液分離後の固体の一部を、排出することで分離強度を下げることができる装置等が挙げられる。さらに具体的には、フィルタープレス、スクリュープレスや、１００～２３６０μｍの網目である振動篩が挙げられる。これは、糖化装置が通気撹拌型である場合、固形分濃度が高いと使用電力が多くなる恐れがある。そのため、まず、製造装置の立ち上げ時には、固液分離装置４の分離強度を高めて、第二の糖化装置２内に第二の糖化残渣を蓄積させる。そして、立ち上げ後は、固液分離装置４の分離強度を下げて、第二の糖化液及び第二の糖化残渣の一部を排出することで、第二の糖化装置２内の固形分濃度を第一の糖化装置１内の固形分濃度よりも高濃度に保つことができる。
返送管５は、固液分離装置４において分離された酵素が吸着した第二の糖化残渣を第二の糖化装置２へ投入するためのものであり、特別な限定はない。
次に、図１に示すリグノセルロース系バイオマス由来化合物の製造装置１０を用いた製造方法の一例について説明する。
まず、蒸煮器において、リグノセルロース系バイオマスに酸又はアルカリを混合させ、水熱処理し、前処理済リグノセルロース系バイオマスを得る。このとき、蒸煮工程のみを行ってもよいし、加圧及び加湿状態での蒸煮工程後、一気に圧力を開放する等の方法によって、リグノセルロース系バイオマスを粉砕する爆砕工程を行ってもよい。次に、前処理済リグノセルロース系バイオマス及び酵素を、配管を介してポンプなどで第一の糖化装置１に投入し、糖化反応を行う。このとき第一の糖化装置１の温度は、４５℃～７０℃が好ましい。また、第一の糖化反応時間は１２時間～１２０時間が好ましい。
第一の糖化工程において生成された第一の糖化液及び酵素が吸着した第一の糖化残渣は、第二の糖化装置２へ投入される。このとき第二の糖化装置２の温度は、４５℃～７０℃が好ましい。また、第二の糖化反応時間は１２時間～１２０時間が好ましい。
さらに第二の糖化工程において生成された第二の糖化液及び酵素が吸着した第二の糖化残渣を固液分離装置４へ配管を介して投入し、第二の糖化液と第二の糖化残渣とに分離する。
まず、蒸煮器において、リグノセルロース系バイオマスに酸又はアルカリを混合させ、水熱処理し、前処理済リグノセルロース系バイオマスを得る。このとき、蒸煮工程のみを行ってもよいし、加圧及び加湿状態での蒸煮工程後、一気に圧力を開放する等の方法によって、リグノセルロース系バイオマスを粉砕する爆砕工程を行ってもよい。次に、前処理済リグノセルロース系バイオマス及び酵素を、配管を介してポンプなどで第一の糖化装置１に投入し、糖化反応を行う。このとき第一の糖化装置１の温度は、４５℃～７０℃が好ましい。また、第一の糖化反応時間は１２時間～１２０時間が好ましい。
第一の糖化工程において生成された第一の糖化液及び酵素が吸着した第一の糖化残渣は、第二の糖化装置２へ投入される。このとき第二の糖化装置２の温度は、４５℃～７０℃が好ましい。また、第二の糖化反応時間は１２時間～１２０時間が好ましい。
さらに第二の糖化工程において生成された第二の糖化液及び酵素が吸着した第二の糖化残渣を固液分離装置４へ配管を介して投入し、第二の糖化液と第二の糖化残渣とに分離する。
分離された糖化液は発酵槽３に送液される。一方、分離された第二の糖化残渣は、返送管５を介して第二の糖化装置２に投入され循環することで、第二の糖化装置２内の固形分濃度を第一の糖化装置１内の固形分濃度よりも高濃度に保つことができる。また、第二の糖化装置２内の固形分濃度は、上述の通り、固液分離装置４において分離強度を調節することによって、第二の糖化残渣の排出量が調節され、第二の糖化装置２内の固形分濃度を調節することができる。
本明細書中において、固形分濃度調節工程とは、前記第二の糖化工程における固形分濃度を前記第一の糖化工程における固形分濃度よりも高濃度に保つように調節する工程を意味する。固形分濃度を調節する方法としては、例えば、前処理済リグノセルロース系バイオマスの第一の糖化装置１への投入量を調節する方法や、第一の糖化装置１から送液される第一の糖化残渣の排出量を調節する方法、第二の糖化装置２からの第二の糖化残渣の排出量を調節する方法等が挙げられる。中でも、第二の糖化装置２からの残渣の排出量を調節する方法が好ましい。より具体的には、図１に示すような固液分離装置４を用いた方法、後述の実施形態（図２～５参照）において示すような、第二の糖化装置２から発酵槽３への第二の糖化液のみ又は第二の糖化残渣のみを送液するための配管を用いた方法、フィルター８を用いた方法、堰１２を用いた方法、発酵槽３で生成された発酵液及び酵素が吸着した発酵残渣を分離するための固液分離装置１３を用いた方法等が挙げられる。
酵素は、上述の通り、セルラーゼとヘミセルラーゼを含み、セルラーゼは、セルロースを基質として単糖又はオリゴ糖を生成する酵素であって、エンドグルカナーゼ（ＥＧ）、セロビオヒドロラーゼ（ＣＢＨ）及びβ－グルコシダーゼ（ＢＧＬ）の混合物を含む。ＥＧは、セルロース鎖に対しランダムに作用してセロオリゴ糖を生成し、ＣＢＨは、セルロース鎖の端から作用してセロビオースを生成する。さらに、ＢＧＬは、ＥＧ及びＣＢＨにより生成されたセロオリゴ糖から単糖であるグルコースを生成する。
ＢＧＬは、疎水性が強く、リグノセルロース系バイオマス中に含まれる疎水性の強いリグニンに吸着しやすい性質をもつ。しかしながら、ＢＧＬのリグニンへの吸着部位は活性部位以外であることが多く、リグニンに吸着したままでも液体中のセロビオース等のセロオリゴ糖と接触してグルコースを生成することが可能である。
従来では、糖化工程後、ＢＧＬが吸着されたリグニンを含む糖化残渣を排出してしまう。しかしながら、本発明の糖化酵素活用方法によれば、第一の糖化工程において生成された第一の糖化液、ＢＧＬが吸着されたリグニンを含む第一の糖化残渣、及び酵素循環工程によるＢＧＬが吸着された第二の糖化残渣を含み、第一の糖化装置よりも固形分濃度が高濃度である第二の糖化装置を設け、第二の糖化工程を行うことで、ＢＧＬとセロオリゴ糖との糖化反応を効率的に行う。
従って、本実施形態において、第一の糖化残渣及び第二の糖化残渣に吸着している酵素のうち、β－グルコシダーゼ（ＢＧＬ）を活用することで、第二の糖化装置において糖化反応を効率的に行うことができる。
ＢＧＬは、疎水性が強く、リグノセルロース系バイオマス中に含まれる疎水性の強いリグニンに吸着しやすい性質をもつ。しかしながら、ＢＧＬのリグニンへの吸着部位は活性部位以外であることが多く、リグニンに吸着したままでも液体中のセロビオース等のセロオリゴ糖と接触してグルコースを生成することが可能である。
従来では、糖化工程後、ＢＧＬが吸着されたリグニンを含む糖化残渣を排出してしまう。しかしながら、本発明の糖化酵素活用方法によれば、第一の糖化工程において生成された第一の糖化液、ＢＧＬが吸着されたリグニンを含む第一の糖化残渣、及び酵素循環工程によるＢＧＬが吸着された第二の糖化残渣を含み、第一の糖化装置よりも固形分濃度が高濃度である第二の糖化装置を設け、第二の糖化工程を行うことで、ＢＧＬとセロオリゴ糖との糖化反応を効率的に行う。
従って、本実施形態において、第一の糖化残渣及び第二の糖化残渣に吸着している酵素のうち、β－グルコシダーゼ（ＢＧＬ）を活用することで、第二の糖化装置において糖化反応を効率的に行うことができる。
したがって、第一の糖化工程では、ＥＧ及びＣＢＨによりセルロースからセロオリゴ糖を生成する糖化反応と、ＢＧＬによりセロオリゴ糖からグルコースを生成する糖化反応とが行われる。セルロースは固形分であることから、ＥＧ及びＣＢＨとセルロースとの接触を効率的に行うために、第一の糖化装置１における固形分濃度は、低濃度にとどめる必要があり、５％以上２０％以下が好ましく、１０％以上１５％以下がより好ましい。次に、第二の糖化工程では、主にＢＧＬにより、第一の糖化工程において生成されたセロオリゴ糖からグルコースを生成する糖化反応が行われる。上述の通り、ＢＧＬは第一の糖化残渣に吸着したまま、第一の糖化液中に可溶化したセロオリゴ糖と接触して糖化反応を行うことが可能であるため、第二の糖化装置２における固形分濃度は第一の糖化装置１における固形分濃度を超えて高濃度にすることができ、前記第一の糖化装置内の固形分濃度の１．１倍以上６倍以下が好ましく、１．２倍以上５倍以下がより好ましい。
本明細書において、「固形分濃度」とは、ある重量の固液混合物（Ａ）を、絶対乾燥状態（材料を１００～１１０℃の温度で定質量となるまで乾燥し、材料内部に蒸発する水が存在しなくなるまで乾燥した状態）にした時に残る固形分重量（Ｂ）の割合を意味し、下記式［１］で表される。
（固形分濃度）［％］＝（Ｂ）／（Ａ）×１００ ［１］
（固形分濃度）［％］＝（Ｂ）／（Ａ）×１００ ［１］
糖化工程後の工程については、糖化液の活用方法によって、適宜選択できる。例えば、エタノールを得ることを目的とした場合は、糖化液を用いて発酵工程を行い、続いて精製工程として蒸留工程を設けることができる。
＜第二実施形態＞
図２は、本発明の第二実施形態に係るリグノセルロース系バイオマス由来化合物の製造装置の概略構成を示す図である。本実施形態の製造装置２０は、第一の糖化装置１と、第二の糖化装置２と、が配管を介して配設されており、さらに、第二の糖化装置２の上部に配管６が、下部に配管７が発酵槽３に向かって配設されている。本実施形態の製造装置２０は、固液分離装置４と配管５が配設されておらず、配管６と、配管7と、が配設されている点で、図１に示す製造装置１０と相違し、その他の構成は製造装置１０と同じである。
なお、図２において、図1に示す構成要素と同一のものについては同じ符号を用いている。また、図２では、一例として、糖化装置２に隣接して発酵槽３を配設しているが、糖化液の用途に応じて、その後に続く設備は適宜選択することができる。
図２は、本発明の第二実施形態に係るリグノセルロース系バイオマス由来化合物の製造装置の概略構成を示す図である。本実施形態の製造装置２０は、第一の糖化装置１と、第二の糖化装置２と、が配管を介して配設されており、さらに、第二の糖化装置２の上部に配管６が、下部に配管７が発酵槽３に向かって配設されている。本実施形態の製造装置２０は、固液分離装置４と配管５が配設されておらず、配管６と、配管7と、が配設されている点で、図１に示す製造装置１０と相違し、その他の構成は製造装置１０と同じである。
なお、図２において、図1に示す構成要素と同一のものについては同じ符号を用いている。また、図２では、一例として、糖化装置２に隣接して発酵槽３を配設しているが、糖化液の用途に応じて、その後に続く設備は適宜選択することができる。
配管６は、第二の糖化装置２からの第二の糖化残渣の排出量を調節する機構であり、第二の糖化装置２において、第二の糖化残渣が沈殿することにより生成された第二の糖化液を発酵槽３に投入するための配管であって、特に限定はない。
配管７は、第二の糖化装置２からの第二の糖化残渣の排出量を調節する機構であり、第二の糖化装置２において、第二の糖化残渣が沈殿することにより生成された第二の糖化残渣を発酵槽３に投入するための配管であって、特に限定はない。
次に、図２に示すリグノセルロース系バイオマス由来化合物の製造装置２０を用いた製造方法の一例について説明する。
第一の糖化工程及び第二の糖化工程が行われるところまでは第一実施形態と同様である。第二の糖化工程後、しばらく静置することで第二の糖化装置２内において、第二の糖化液と第二の糖化残渣とが分離される。静置する時間は、第二の糖化装置２内に含まれる固形分濃度によるが、２４時間～１２０時間が好ましい。静置後、配管６を介して第二の糖化液を発酵槽３へ投入する。製造装置の立ち上げ時には、配管６から発酵槽へ第二の糖化液を投入するのみだが、立ち上げ後は、第一の糖化装置１からの第一の糖化残渣が蓄積するため、第一の糖化装置１から投入された量に対して、配管７から第二の糖化残渣を発酵槽３に投入する量を調節することで、第二の糖化装置２内の固形分濃度を第一の糖化装置１内の固形分濃度よりも高濃度に保つことができる。
本実施形態では、第二の糖化装置２内部に、第二の糖化装置２からの第二の糖化残渣の排出量を調節する機構を有するため、特別な設備を必要としない点が優れている。
糖化工程後の工程については、第一実施形態と同様に糖化液の活用方法によって、適宜選択できる。
第一の糖化工程及び第二の糖化工程が行われるところまでは第一実施形態と同様である。第二の糖化工程後、しばらく静置することで第二の糖化装置２内において、第二の糖化液と第二の糖化残渣とが分離される。静置する時間は、第二の糖化装置２内に含まれる固形分濃度によるが、２４時間～１２０時間が好ましい。静置後、配管６を介して第二の糖化液を発酵槽３へ投入する。製造装置の立ち上げ時には、配管６から発酵槽へ第二の糖化液を投入するのみだが、立ち上げ後は、第一の糖化装置１からの第一の糖化残渣が蓄積するため、第一の糖化装置１から投入された量に対して、配管７から第二の糖化残渣を発酵槽３に投入する量を調節することで、第二の糖化装置２内の固形分濃度を第一の糖化装置１内の固形分濃度よりも高濃度に保つことができる。
本実施形態では、第二の糖化装置２内部に、第二の糖化装置２からの第二の糖化残渣の排出量を調節する機構を有するため、特別な設備を必要としない点が優れている。
糖化工程後の工程については、第一実施形態と同様に糖化液の活用方法によって、適宜選択できる。
＜第三実施形態＞
図３は、本発明の第三実施形態に係るリグノセルロース系バイオマス由来化合物の製造装置の概略構成を示す図である。本実施形態の製造装置３０は、第一の糖化装置１と、第二の糖化装置２と、が配管を介して配設されている。さらに、第二の糖化装置２内にフィルター８が配設され、第二の糖化装置２のフィルター８よりも第一の糖化装置１に近い位置に配管９が、フィルター８よりも発酵槽３に近い位置に配管１１が発酵槽３に向かって配設されている。
本実施形態の製造装置３０は、配管６と、配管７とが配設されておらず、フィルター８と、配管９と、配管１１と、が配設されている点で、図２に示す製造装置２０と相違し、その他の構成は製造装置２０と同じである。
なお、図３において、図２に示す構成要素と同一のものについては同じ符号を用いている。また、図３では、一例として、糖化装置２に隣接して発酵槽３を配設しているが、糖化液の用途に応じて、その後に続く設備は適宜選択することができる。
図３は、本発明の第三実施形態に係るリグノセルロース系バイオマス由来化合物の製造装置の概略構成を示す図である。本実施形態の製造装置３０は、第一の糖化装置１と、第二の糖化装置２と、が配管を介して配設されている。さらに、第二の糖化装置２内にフィルター８が配設され、第二の糖化装置２のフィルター８よりも第一の糖化装置１に近い位置に配管９が、フィルター８よりも発酵槽３に近い位置に配管１１が発酵槽３に向かって配設されている。
本実施形態の製造装置３０は、配管６と、配管７とが配設されておらず、フィルター８と、配管９と、配管１１と、が配設されている点で、図２に示す製造装置２０と相違し、その他の構成は製造装置２０と同じである。
なお、図３において、図２に示す構成要素と同一のものについては同じ符号を用いている。また、図３では、一例として、糖化装置２に隣接して発酵槽３を配設しているが、糖化液の用途に応じて、その後に続く設備は適宜選択することができる。
フィルター８は、第二の糖化装置２からの第二の糖化残渣の排出量を調節する機構であり、第二の糖化装置２内の酵素が吸着した第二の糖化残渣が排出されないように保持するための装置であって、特別な限定はないが、フィルター８の網目の細かさが細かすぎるとつまりの原因となるため、１０μｍ以上が好ましく、１００μｍ以上がさらに好ましい。
また、網目の細かさが荒すぎると残渣が保持できず排出されてしまうため、１ｃｍ以下が好ましく、５ｍｍ以下がさらに好ましい。
また、網目の細かさが荒すぎると残渣が保持できず排出されてしまうため、１ｃｍ以下が好ましく、５ｍｍ以下がさらに好ましい。
配管９は、第二の糖化残渣の一部を発酵槽３へ投入するための配管であり、特別な限定はない。
配管１１は、第二の糖化装置２内で生成され、フィルター８によって分離された第二の糖化液を発酵槽３へ投入するための配管であり、特別な限定はない。
次に、図３に示すリグノセルロース系バイオマス由来化合物の製造装置３０を用いた製造方法の一例について説明する。
第一の糖化工程及び第二の糖化工程が行われるところまでは第二実施形態と同様である。第二の糖化工程において生成された第二の糖化液及び酵素が吸着した第二の糖化残渣のうち、第二の糖化液についてはフィルター８により分離され、配管１１を介して発酵槽５に投入される。一方、第二の糖化残渣については、製造装置の立ち上げ時には、フィルター８により第二の糖化装置２内に蓄積される。しかしながら、第一の糖化装置１より随時第一の糖化残渣１が投入されてくるため、立ち上げ後は、第一の糖化装置１から投入された量に対して第二の糖化残渣を発酵槽３に投入する量を調節することで、第二の糖化装置２内の固形分濃度を第一の糖化装置１内の固形分濃度よりも高濃度に保つことができる。
本実施形態では、第二の糖化装置２内部に、第二の糖化装置２からの第二の糖化残渣の排出量を調節する機構を有するため、特別な設備を必要としない点が優れている。
糖化工程後の工程については、第一実施形態と同様に糖化液の活用方法によって、適宜選択できる。
第一の糖化工程及び第二の糖化工程が行われるところまでは第二実施形態と同様である。第二の糖化工程において生成された第二の糖化液及び酵素が吸着した第二の糖化残渣のうち、第二の糖化液についてはフィルター８により分離され、配管１１を介して発酵槽５に投入される。一方、第二の糖化残渣については、製造装置の立ち上げ時には、フィルター８により第二の糖化装置２内に蓄積される。しかしながら、第一の糖化装置１より随時第一の糖化残渣１が投入されてくるため、立ち上げ後は、第一の糖化装置１から投入された量に対して第二の糖化残渣を発酵槽３に投入する量を調節することで、第二の糖化装置２内の固形分濃度を第一の糖化装置１内の固形分濃度よりも高濃度に保つことができる。
本実施形態では、第二の糖化装置２内部に、第二の糖化装置２からの第二の糖化残渣の排出量を調節する機構を有するため、特別な設備を必要としない点が優れている。
糖化工程後の工程については、第一実施形態と同様に糖化液の活用方法によって、適宜選択できる。
＜第四実施形態＞
図４は、本発明の第四実施形態に係るリグノセルロース系バイオマス由来化合物の製造装置の概略構成を示す図である。本実施形態の製造装置４０は、第一の糖化装置１と、第二の糖化装置２と、が配管を介して配設されている。さらに、第二の糖化装置２内に堰１２が配設され、第二の糖化装置２の堰１２よりも第一の糖化装置１に近い位置に配管９が、堰１２よりも発酵槽３に近い位置に配管１１が発酵槽３に向かって配設されている。
本実施形態の製造装置４０は、フィルター８が配設されておらず、堰１２が配設されている点で、図３に示す製造装置３０と相違し、その他の構成は製造装置３０と同じである。
なお、図４において、図３に示す構成要素と同一のものについては同じ符号を用いている。また、図４では、一例として、糖化装置２に隣接して発酵槽３を配設しているが、糖化液の用途に応じて、その後に続く設備は適宜選択することができる。
図４は、本発明の第四実施形態に係るリグノセルロース系バイオマス由来化合物の製造装置の概略構成を示す図である。本実施形態の製造装置４０は、第一の糖化装置１と、第二の糖化装置２と、が配管を介して配設されている。さらに、第二の糖化装置２内に堰１２が配設され、第二の糖化装置２の堰１２よりも第一の糖化装置１に近い位置に配管９が、堰１２よりも発酵槽３に近い位置に配管１１が発酵槽３に向かって配設されている。
本実施形態の製造装置４０は、フィルター８が配設されておらず、堰１２が配設されている点で、図３に示す製造装置３０と相違し、その他の構成は製造装置３０と同じである。
なお、図４において、図３に示す構成要素と同一のものについては同じ符号を用いている。また、図４では、一例として、糖化装置２に隣接して発酵槽３を配設しているが、糖化液の用途に応じて、その後に続く設備は適宜選択することができる。
堰１２は、第二の糖化装置２からの第二の糖化残渣の排出量を調節する機構であり、第二の糖化装置２内の酵素が吸着した第二の糖化残渣が排出されないように保持するための装置であって、特別な限定はない。
次に、図４に示すリグノセルロース系バイオマス由来化合物の製造装置４０を用いた製造方法の一例について説明する。
第一の糖化工程及び第二の糖化工程が行われるところまでは第三実施形態と同様である。第二の糖化工程において生成された第二の糖化液及び酵素が吸着した第二の糖化残渣のうち、第二の糖化液については堰１２により分離され、配管１１を介して発酵槽５に投入される。一方、第二の糖化残渣については、製造装置の立ち上げ時には、堰１２により第二の糖化装置２内に蓄積される。しかしながら、第一の糖化装置１より随時第一の糖化残渣１が投入されてくるため、立ち上げ後は、第一の糖化装置１から投入された量に対して第二の糖化残渣を発酵槽３に投入する量を調節することで、第二の糖化装置２内の固形分濃度を第一の糖化装置１内の固形分濃度よりも高濃度に保つことができる。
本実施形態では、第二の糖化装置２内部に、第二の糖化装置２からの第二の糖化残渣の排出量を調節する機構を有するため、特別な設備を必要としない点が優れている。
糖化工程後の工程については、第一実施形態と同様に糖化液の活用方法によって、適宜選択できる。
第一の糖化工程及び第二の糖化工程が行われるところまでは第三実施形態と同様である。第二の糖化工程において生成された第二の糖化液及び酵素が吸着した第二の糖化残渣のうち、第二の糖化液については堰１２により分離され、配管１１を介して発酵槽５に投入される。一方、第二の糖化残渣については、製造装置の立ち上げ時には、堰１２により第二の糖化装置２内に蓄積される。しかしながら、第一の糖化装置１より随時第一の糖化残渣１が投入されてくるため、立ち上げ後は、第一の糖化装置１から投入された量に対して第二の糖化残渣を発酵槽３に投入する量を調節することで、第二の糖化装置２内の固形分濃度を第一の糖化装置１内の固形分濃度よりも高濃度に保つことができる。
本実施形態では、第二の糖化装置２内部に、第二の糖化装置２からの第二の糖化残渣の排出量を調節する機構を有するため、特別な設備を必要としない点が優れている。
糖化工程後の工程については、第一実施形態と同様に糖化液の活用方法によって、適宜選択できる。
＜第五実施形態＞
図５は、本発明の第五実施形態に係るリグノセルロース系バイオマス由来化合物の製造装置の概略構成を示す図である。本実施形態の製造装置５０は、第一の糖化装置１と、第二の糖化装置２と、が配管を介して配設されている。さらに、配管６’を介して、第二の糖化装置２で生成された第二の糖化液及び酵素が吸着した第二の糖化残渣、並びに微生物を含む発酵槽３が配設されている。また、発酵槽３で生成された発酵液及び酵素が吸着した発酵残渣を分離する固液分離装置１３と、分離された発酵残渣を固液分離装置１３から第二の糖化装置２へ投入する配管１４と、が配設されている。
本実施形態の製造装置５０は、配管６、７の代わりに配管６’と、固液分離装置１３と、配管１４と、が配設されている点で、図２に示す製造装置２０と相違し、その他の構成は製造装置２０と同じである。
なお、図５において、図２に示す構成要素と同一のものについては同じ符号を用いている。
図５は、本発明の第五実施形態に係るリグノセルロース系バイオマス由来化合物の製造装置の概略構成を示す図である。本実施形態の製造装置５０は、第一の糖化装置１と、第二の糖化装置２と、が配管を介して配設されている。さらに、配管６’を介して、第二の糖化装置２で生成された第二の糖化液及び酵素が吸着した第二の糖化残渣、並びに微生物を含む発酵槽３が配設されている。また、発酵槽３で生成された発酵液及び酵素が吸着した発酵残渣を分離する固液分離装置１３と、分離された発酵残渣を固液分離装置１３から第二の糖化装置２へ投入する配管１４と、が配設されている。
本実施形態の製造装置５０は、配管６、７の代わりに配管６’と、固液分離装置１３と、配管１４と、が配設されている点で、図２に示す製造装置２０と相違し、その他の構成は製造装置２０と同じである。
なお、図５において、図２に示す構成要素と同一のものについては同じ符号を用いている。
また、本実施形態において、固液分離装置１３及び配管１４を第二の糖化装置２内の固形分濃度を第一の糖化装置１内の固形分濃度よりも高濃度に保持する機構として利用することができる。
発酵槽３は、固液分離装置４において分離された第二の糖化液と、第二の糖化残渣の一部と、微生物とを含み、発酵を行うための槽であり、特別な限定はない。第二の糖化液には、前処理反応、第一の糖化装置及び第二の糖化装置にて生成されたグルコース、キシロース、セロオリゴ糖などが可溶化している。第二の糖化残渣には、セルロース、ヘミセルロース、リグニン等の固形成分が含まれ、酵素がこれら固形成分に吸着している。
発酵工程で用いられる微生物は、目的のリグノセルロース系バイオマス由来化合物を生成できるものであれば、特別な限定はない。具体的には、酵母や細菌等が挙げられ、遺伝子組換え微生物も好ましく用いられる。遺伝子組換え微生物とは、アルコール等の目的のリグノセルロース系バイオマス由来化合物への変換に必要な酵素遺伝子を有していない微生物に、遺伝子工学技術によりこれら遺伝子を導入し、アルコール等の目的のリグノセルロース系バイオマス由来化合物の生成を可能にしたものである。遺伝子組換え微生物としては、例えば、アルコール発酵性を有する遺伝子組換え大腸菌等が挙げられる。
本発明において、リグノセルロース系バイオマス由来化合物とは、リグノセルロース系バイオマスを分解して得られた単糖及びオリゴ糖を、微生物が摂取することにより生成されたリグノセルロース系バイオマス由来化合物を意味する。例えば、エタノール、ブタノール、１，３－プロパンジオール、１，４－ブタンジオール、グリセロールなどのアルコール、ピルビン酸、コハク酸、リンゴ酸、イタコン酸、クエン酸、乳酸など有機酸、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、カダベリンなどのジアミン化合物などが挙げられる。発酵によって得られた化合物が乳酸などのモノマーである場合は、重合によりポリマーに変換することもある。
固液分離装置１３は、第二の糖化装置２からの第二の糖化残渣の排出量を調節する機構であり、発酵槽３で生成された発酵液及び酵素が吸着した発酵残渣を分離するための装置であり、特に限定はないが、上述の固液分離装置４と同様に固液の分離強度を調節できる装置であることが好ましい。
配管１４は、固液分離装置１３において分離された酵素が吸着した発酵残渣を第二の糖化装置２へ投入するためのものであり、特に限定はない。
次に、図５に示すリグノセルロース系バイオマス由来化合物の製造装置５０を用いた製造方法の一例について説明する。
第一の糖化工程及び第二の糖化工程が行われるところまでは第二実施形態と同様である。前記第二の糖化工程で生成された第二の糖化液及び第二の糖化残渣の全量は、発酵槽３に投入され、発酵工程に用いられる。このとき発酵槽３の温度は、２５℃～５０℃が好ましい。また、発酵時間は２４時間～１２０時間が好ましい。発酵工程において生成された発酵液及び発酵残渣を、配管を介して固液分離装置１３に投入し、発酵液と発酵残渣とに分離する。分離された発酵液は、リグノセルロース系バイオマス由来化合物を含み、後に続く工程において精製される。一方、分離された発酵残渣は、配管１４を介して第二の糖化装置２に投入され、第二の糖化工程において再利用される。また、第二の糖化装置２内の固形分濃度は、上述の通り、固液分離装置１３において分離強度を調節することによって、第一の糖化装置１内の固形分濃度よりも高濃度に保つことができる。
第一の糖化工程及び第二の糖化工程が行われるところまでは第二実施形態と同様である。前記第二の糖化工程で生成された第二の糖化液及び第二の糖化残渣の全量は、発酵槽３に投入され、発酵工程に用いられる。このとき発酵槽３の温度は、２５℃～５０℃が好ましい。また、発酵時間は２４時間～１２０時間が好ましい。発酵工程において生成された発酵液及び発酵残渣を、配管を介して固液分離装置１３に投入し、発酵液と発酵残渣とに分離する。分離された発酵液は、リグノセルロース系バイオマス由来化合物を含み、後に続く工程において精製される。一方、分離された発酵残渣は、配管１４を介して第二の糖化装置２に投入され、第二の糖化工程において再利用される。また、第二の糖化装置２内の固形分濃度は、上述の通り、固液分離装置１３において分離強度を調節することによって、第一の糖化装置１内の固形分濃度よりも高濃度に保つことができる。
本発明において、発酵残渣とは、発酵工程後に残った固形成分を意味し、セルロース、ヘミセルロース、リグニン等の固形物や、それら固形物に吸着した酵素が含まれる。
本実施形態において、発酵残渣に吸着している酵素のうち、β－グルコシダーゼ（ＢＧＬ）を活用することで、第二の糖化装置２において糖化反応を効率的に行うことができる。
＜第六実施形態＞
図６は、本発明の第六実施形態に係るリグノセルロース系バイオマス由来化合物の製造装置の概略構成を示す図である。本実施形態の製造装置６０は、第一の糖化装置１と、第二の糖化装置２と、発酵槽３と、が配管を介して配設されており、第二の糖化装置２の上部に配管６が、下部に配管７が発酵槽３に向かって配設されている。発酵槽３には、固液分離装置１３と、分離された発酵残渣を固液分離装置１３から第二の糖化装置２へ投入する配管１４と、が配設されている。さらに、第一の糖化装置１に酵素液を供給するための酵素生産菌及び前処理済リグノセルロース系バイオマスを含む酵素生産槽１５と、酵素生産槽１５で生成された酵素液及び酵素が吸着した酵素生産残渣を分離する固液分離装置１６と、分離された酵素液を固液分離装置１６から第一の糖化装置１へ投入する配管１７と、分離された酵素生産残渣を固液分離装置１６から第二の糖化装置２へ投入する配管１８と、が配設されている。
図６は、本発明の第六実施形態に係るリグノセルロース系バイオマス由来化合物の製造装置の概略構成を示す図である。本実施形態の製造装置６０は、第一の糖化装置１と、第二の糖化装置２と、発酵槽３と、が配管を介して配設されており、第二の糖化装置２の上部に配管６が、下部に配管７が発酵槽３に向かって配設されている。発酵槽３には、固液分離装置１３と、分離された発酵残渣を固液分離装置１３から第二の糖化装置２へ投入する配管１４と、が配設されている。さらに、第一の糖化装置１に酵素液を供給するための酵素生産菌及び前処理済リグノセルロース系バイオマスを含む酵素生産槽１５と、酵素生産槽１５で生成された酵素液及び酵素が吸着した酵素生産残渣を分離する固液分離装置１６と、分離された酵素液を固液分離装置１６から第一の糖化装置１へ投入する配管１７と、分離された酵素生産残渣を固液分離装置１６から第二の糖化装置２へ投入する配管１８と、が配設されている。
本実施形態の製造装置６０は、酵素生産槽１５と、固液分離装置１６と、配管１７と、配管１８と、が配設されている点で、図５に示す製造装置５０と相違し、その他の構成は製造装置５０と同じである。
なお、図６において、図５に示す構成要素と同一のものについては同じ符号を用いている。
また、第二の糖化装置２内の固形分濃度を第一の糖化装置１内の固形分濃度よりも高濃度に保持する機構の構成は、第一実施形態、第二実施形態、第三実施形態、及び第四実施形態で示したものでもよい。
また、図６では、一例として、糖化装置２に隣接して発酵槽３を配設しているが、糖化液の用途に応じて、その後に続く設備は適宜選択することができる。
なお、図６において、図５に示す構成要素と同一のものについては同じ符号を用いている。
また、第二の糖化装置２内の固形分濃度を第一の糖化装置１内の固形分濃度よりも高濃度に保持する機構の構成は、第一実施形態、第二実施形態、第三実施形態、及び第四実施形態で示したものでもよい。
また、図６では、一例として、糖化装置２に隣接して発酵槽３を配設しているが、糖化液の用途に応じて、その後に続く設備は適宜選択することができる。
酵素生産槽１５は、酵素生産菌及び前処理済リグノセルロース系バイオマスを含み、酵素生産菌が前処理済リグノセルロース系バイオマスを基質として酵素を生産するための槽であり、特別な限定はない。酵素生産槽１５の温度は、２５℃～５５℃が好ましい。また、時間は２日～１４日が好ましい。
酵素生産菌は、第一の糖化装置及び第二の糖化装置における糖化反応で用いられる糖化酵素を生産する菌であり、特別な限定はなく、糸状菌、担子菌、細菌類等を用いることができる。
固液分離装置１６は、酵素生産槽１５で生成された酵素液及び酵素が吸着した酵素生産残渣を分離するための装置であり、特に限定はないが、上述の固液分離装置４及び１３と同様に固液の分離強度を調節できる装置であることが好ましい。
配管１７は、固液分離装置１６において分離された酵素液を第一の糖化装置１へ投入するためのものであり、特に限定はない。
また、配管１８は、固液分離装置１６において分離された酵素が吸着した酵素生産残渣を第二の糖化装置２へ投入するためのものであり、特に限定はない。
また、配管１８は、固液分離装置１６において分離された酵素が吸着した酵素生産残渣を第二の糖化装置２へ投入するためのものであり、特に限定はない。
次に、図６に示すリグノセルロース系バイオマス由来化合物の製造装置６０を用いた製造方法の一例について説明する。
まず、酵素生産槽１５に酵素生産菌及び前処理済リグノセルロース系バイオマスを投入し、前処理済リグノセルロース系バイオマスを基質として、酵素生産を行う。このとき、基質としては酵素生産菌の基質となるものであれば特別な限定はないが、前処理済リグノセルロース系バイオマスを基質とすることで、残渣を第二の糖化装置２において再利用することができる。
まず、酵素生産槽１５に酵素生産菌及び前処理済リグノセルロース系バイオマスを投入し、前処理済リグノセルロース系バイオマスを基質として、酵素生産を行う。このとき、基質としては酵素生産菌の基質となるものであれば特別な限定はないが、前処理済リグノセルロース系バイオマスを基質とすることで、残渣を第二の糖化装置２において再利用することができる。
酵素生産工程において生成された酵素液及び酵素生産残渣を、配管を介して固液分離装置１６に投入し、酵素液と酵素生産残渣とに分離する。分離された酵素液は、配管１７を介して第一の糖化装置１に投入され、第一の糖化工程において利用される。一方、分離された酵素生産残渣は、配管１８を介して第二の糖化装置２に投入され、第二の糖化工程において再利用される。また、第二の糖化装置２内の固形分濃度は、上述の通り、固液分離装置１６において分離強度を調節することによって、第一の糖化装置１内の固形分濃度よりも高濃度に保つことができる。
酵素液とは、酵素生産菌により生産された酵素を含む溶液を意味し、セルラーゼ、ヘミセルラーゼが含まれ、上述の通り、セルラーゼ中のＣＢＨ及びＥＧが主に第一の糖化装置１において糖化反応に活用される。
酵素生産残渣とは、酵素生産工程後に残った固形成分を意味し、セルロース、ヘミセルロース、リグニン等の固形物や、それら固形物に吸着した酵素が含まれる。
本実施形態において、酵素生産残渣に吸着している酵素のうち、β－グルコシダーゼ（ＢＧＬ）を活用することで、第二の糖化装置２において糖化反応を効率的に行うことができる。
酵素生産残渣とは、酵素生産工程後に残った固形成分を意味し、セルロース、ヘミセルロース、リグニン等の固形物や、それら固形物に吸着した酵素が含まれる。
本実施形態において、酵素生産残渣に吸着している酵素のうち、β－グルコシダーゼ（ＢＧＬ）を活用することで、第二の糖化装置２において糖化反応を効率的に行うことができる。
以下、具体的実施例により、本発明についてより詳細に説明する。ただし、本発明は以下に示す実施例に何ら限定されるものではない。
［試験例１］ＢＧＬ吸着残渣を用いたセロビオース溶液糖化試験
＜ＢＧＬ吸着残渣の作製＞
酵素の基質として前処理済リグノセルロース系バイオマス１０ｇ－ｄｒｙ（１０ｇ－ｄｒｙとは、乾燥状態で１０ｇであること意味する。）を使用して、水に１０質量％となるように希釈した。この１０質量％濃度の基質溶液にＴｒｉｃｈｏｄｅｒｍａ ｒｅｅｓｅｉ由来酵素を１５ＦＰＵ（Ｆｉｌｔｅｒ Ｐａｐｅｒ Ｕｎｉｔ）／ｇ－ｄｒｙＢＭとなるように投入した。１５ＦＰＵ／ｇ－ｄｒｙＢＭとは、１ｇの乾燥バイオマスに対して、フィルターペーパー分解活性量が１５となるような酵素量を示している。５０℃で９６時間糖化反応を行い、篩による固液分離で粒子が大きな残渣を得て、さらに篩にかけた後の溶液を、３５００ｒｐｍで２０分間遠心分離による固液分離で粒子の小さな残渣を得た。それぞれ、５０ｍＭ クエン酸バッファーをかけて洗浄し、再度篩または３５００ｒｐｍで２０分間の遠心分離により固液分離を行った。洗浄した粒子の大きな残渣と粒子の小さな残渣を合わせて、ＢＧＬ吸着残渣を得た。ＢＧＬ吸着残渣中の固形分濃度は２９％であり、含水率は７１％であった。
＜ＢＧＬ吸着残渣の作製＞
酵素の基質として前処理済リグノセルロース系バイオマス１０ｇ－ｄｒｙ（１０ｇ－ｄｒｙとは、乾燥状態で１０ｇであること意味する。）を使用して、水に１０質量％となるように希釈した。この１０質量％濃度の基質溶液にＴｒｉｃｈｏｄｅｒｍａ ｒｅｅｓｅｉ由来酵素を１５ＦＰＵ（Ｆｉｌｔｅｒ Ｐａｐｅｒ Ｕｎｉｔ）／ｇ－ｄｒｙＢＭとなるように投入した。１５ＦＰＵ／ｇ－ｄｒｙＢＭとは、１ｇの乾燥バイオマスに対して、フィルターペーパー分解活性量が１５となるような酵素量を示している。５０℃で９６時間糖化反応を行い、篩による固液分離で粒子が大きな残渣を得て、さらに篩にかけた後の溶液を、３５００ｒｐｍで２０分間遠心分離による固液分離で粒子の小さな残渣を得た。それぞれ、５０ｍＭ クエン酸バッファーをかけて洗浄し、再度篩または３５００ｒｐｍで２０分間の遠心分離により固液分離を行った。洗浄した粒子の大きな残渣と粒子の小さな残渣を合わせて、ＢＧＬ吸着残渣を得た。ＢＧＬ吸着残渣中の固形分濃度は２９％であり、含水率は７１％であった。
＜セロビオース溶液糖化試験＞
８．５質量％のセロビオース溶液を用意し、ＢＧＬ吸着残渣の固形分濃度が、０％、５％、１０％、１５％となるように３００ｍｌフラスコ内にそれぞれ添加した。８．５質量％のセロビオース溶液とＢＧＬ吸着残渣との総量が５０ｇとなるように添加しており、具体的な数値は下記の表１に示した。
８．５質量％のセロビオース溶液を用意し、ＢＧＬ吸着残渣の固形分濃度が、０％、５％、１０％、１５％となるように３００ｍｌフラスコ内にそれぞれ添加した。８．５質量％のセロビオース溶液とＢＧＬ吸着残渣との総量が５０ｇとなるように添加しており、具体的な数値は下記の表１に示した。
それぞれ振盪撹拌しながら、１４４時間糖化反応を行った。０時間後、４時間後、２４時間後、４８時間後、７２時間後、１４４時間後に１．０ｇずつサンプルを採取し、高速液体クロマトグラフィー（ＳＨＩＭＡＤＺＵ社製、ＨＰＬＣ還元糖システム）およびＡｓａｈｉｐａｋ ＭＨ２ｐ－５０ ４Ｅカラム（ｓｈｏｄｅｘ社製）を用いて、セロビオース濃度を計測した。結果を図７に示した。
＜結果及び考察＞
図７の縦軸は、初期（０時間後）のセロビオース濃度に対する経時でのセロビオース濃度の比率を示しており、横軸は時間を示している。ＢＧＬ吸着残渣が０％のものに対して、ＢＧＬ吸着残渣が５％、１０％、１５％のものは経時的にセロビオース濃度が減少している。ＢＧＬ吸着残渣に含まれるＢＧＬによりセロビオースが分解され、グルコースに変化することが明らかとなった。
図７の縦軸は、初期（０時間後）のセロビオース濃度に対する経時でのセロビオース濃度の比率を示しており、横軸は時間を示している。ＢＧＬ吸着残渣が０％のものに対して、ＢＧＬ吸着残渣が５％、１０％、１５％のものは経時的にセロビオース濃度が減少している。ＢＧＬ吸着残渣に含まれるＢＧＬによりセロビオースが分解され、グルコースに変化することが明らかとなった。
［実施例１］
酵素の基質としてリグノセルロース系バイオマス１０ｇ－ｄｒｙを使用して、水に１０質量％となるように希釈し、１００ｇの基質溶液を３００ｍｌフラスコに作成した。基質溶液にＴｒｉｃｈｏｄｅｒｍａ ｒｅｅｓｅｉ由来酵素を４ＦＰＵ／ｇ－ｄｒｙＢＭとなるように投入した。５０℃で２４時間振盪撹拌し第一の糖化反応を行った、２４時間後に、糖化溶液に試験例１と同様にして作成したＢＧＬ吸着残渣（固形分濃度：２３％）を２７．５ｇ添加し、第二の糖化反応を行った。糖化溶液中のＢＧＬ吸着残渣の固形分濃度が５％となるように添加した。第一の糖化反応開始から０時間後、２４時間後（第二の糖化反応開始点）、４８時間後、７２時間後にサンプルを１．０ｇずつ採取し、高速液体クロマトグラフィー（ＳＨＩＭＡＤＺＵ社製、ＨＰＬＣ還元糖システム）およびＡｓａｈｉｐａｋ ＭＨ２ｐ－５０ ４Ｅカラム（ｓｈｏｄｅｘ社製）を用いて、グルコース濃度を計測した。結果を図８に示した。
酵素の基質としてリグノセルロース系バイオマス１０ｇ－ｄｒｙを使用して、水に１０質量％となるように希釈し、１００ｇの基質溶液を３００ｍｌフラスコに作成した。基質溶液にＴｒｉｃｈｏｄｅｒｍａ ｒｅｅｓｅｉ由来酵素を４ＦＰＵ／ｇ－ｄｒｙＢＭとなるように投入した。５０℃で２４時間振盪撹拌し第一の糖化反応を行った、２４時間後に、糖化溶液に試験例１と同様にして作成したＢＧＬ吸着残渣（固形分濃度：２３％）を２７．５ｇ添加し、第二の糖化反応を行った。糖化溶液中のＢＧＬ吸着残渣の固形分濃度が５％となるように添加した。第一の糖化反応開始から０時間後、２４時間後（第二の糖化反応開始点）、４８時間後、７２時間後にサンプルを１．０ｇずつ採取し、高速液体クロマトグラフィー（ＳＨＩＭＡＤＺＵ社製、ＨＰＬＣ還元糖システム）およびＡｓａｈｉｐａｋ ＭＨ２ｐ－５０ ４Ｅカラム（ｓｈｏｄｅｘ社製）を用いて、グルコース濃度を計測した。結果を図８に示した。
［比較例１］
実施例１と同様にして、第一の糖化反応を行い、ＢＧＬ吸着残渣を添加せずにそのままさらに糖化反応を行った。第一の糖化反応開始から０時間後、２４時間後、４８時間後、７２時間後にサンプルを１．０ｇずつ採取し、高速液体クロマトグラフィー（ＳＨＩＭＡＤＺＵ社製、ＨＰＬＣ還元糖システム）およびＡｓａｈｉｐａｋ ＭＨ２ｐ－５０ ４Ｅカラム（ｓｈｏｄｅｘ社製）を用いて、グルコース濃度を計測した。結果を図８に示した。
実施例１と同様にして、第一の糖化反応を行い、ＢＧＬ吸着残渣を添加せずにそのままさらに糖化反応を行った。第一の糖化反応開始から０時間後、２４時間後、４８時間後、７２時間後にサンプルを１．０ｇずつ採取し、高速液体クロマトグラフィー（ＳＨＩＭＡＤＺＵ社製、ＨＰＬＣ還元糖システム）およびＡｓａｈｉｐａｋ ＭＨ２ｐ－５０ ４Ｅカラム（ｓｈｏｄｅｘ社製）を用いて、グルコース濃度を計測した。結果を図８に示した。
図８は、実施例１及び比較例１の経時的なグルコース濃度の変化をプロットしたグラフである。ＢＧＬ吸着残渣を添加する２４時間後まではプロットがほぼ重なっているが、実施例１では２４時間後以降において、比較例１に比べて、グルコース濃度が高くなっている。よって、ＢＧＬ吸着残渣を添加したことで、液中に含まれているセロビオース等のセロオリゴ糖がＢＧＬにより分解されてグルコースが生成することが明らかとなった。
以上のことから、本発明に係るリグノセルロース系バイオマス由来化合物の製造装置において、残渣に吸着した酵素を再利用することで酵素を固定化する必要がなく、また酵素の投入量を低減し、効率的に糖化反応を行うことができることが明らかとなった。
本発明のリグノセルロース系バイオマス由来化合物の製造装置及び製造方法によれば、酵素を固定化する必要がなく、また酵素の投入量を低減し、効率的に糖化反応を行うことができる。
１…第一の糖化装置、２…第二の糖化装置、３…発酵槽，４，１３，１６…固液分離装置、５…返送管、６，６’，７，９，１１，１４，１７，１８…配管、８…フィルター、１０，２０，３０，４０，５０，５１，６０…リグノセルロース系バイオマス由来化合物の製造装置、１２…堰、１５…酵素生産槽。
Claims (13)
- 前処理済リグノセルロース系バイオマス及び酵素を含む第一の糖化装置と、
前記第一の糖化装置で生成された第一の糖化液及びβ－グルコシダーゼ（ＢＧＬ）が吸着されたリグニンを含む第一の糖化残渣を含む第二の糖化装置と、
前記第二の糖化装置内の固形分濃度を前記第一の糖化装置内の固形分濃度よりも高濃度に保持する機構と、
を備えることを特徴とするリグノセルロース系バイオマス由来化合物の製造装置。 - 前記第一の糖化液はセロオリゴ糖を含み、
前記第二の糖化装置は前記ＢＧＬにより前記セロオリゴ糖から生成されたグルコースを含む請求項１に記載のリグノセルロース系バイオマス由来化合物の製造装置。 - 前記高濃度に保持する機構が前記第二の糖化装置からの第二の糖化残渣の排出量を調節する機構である請求項１又は２に記載のリグノセルロース系バイオマス由来化合物の製造装置。
- さらに、前記第二の糖化装置で生成された第二の糖化液及び酵素が吸着した第二の糖化残渣、並びに微生物を含む発酵槽を備え、
前記発酵槽で生成された発酵液及び酵素が吸着した発酵残渣を分離する固液分離装置と、
前記分離された発酵残渣を前記固液分離装置から前記第二の糖化装置へ投入する配管と、
を備え、
前記高濃度に保持する機構が前記固液分離装置及び前記第二の糖化装置へ投入する配管である請求項１又は２に記載のリグノセルロース系バイオマス由来化合物の製造装置。 - さらに、前記第一の糖化装置に酵素液を供給するための酵素生産菌及び前処理済リグノセルロース系バイオマスを含む酵素生産槽を備え、
前記酵素生産槽で生成された酵素液及び酵素が吸着した酵素生産残渣を分離する固液分離装置と、
前記分離された酵素液を前記固液分離装置から前記第一の糖化装置へ投入する配管と、
前記分離された酵素生産残渣を前記固液分離装置から前記第二の糖化装置へ投入する配管と、
を備える請求項１～４のいずれか一項に記載のリグノセルロース系バイオマス由来化合物の製造装置。 - 前記第二の糖化装置内の固形分濃度が前記第一の糖化装置内の固形分濃度の１．１倍以上６倍以下である請求項１～５のいずれか一項に記載のリグノセルロース系バイオマス由来化合物の製造装置。
- 前記第二の糖化残渣、前記発酵残渣及び前記酵素生産残渣から選ばれる少なくとも一つに吸着する酵素がβ－グルコシダーゼ（ＢＧＬ）である請求項１～６のいずれか一項に記載のリグノセルロース系バイオマス由来化合物の製造装置。
- 前処理済リグノセルロース系バイオマス及び酵素を混合し、糖化する第一の糖化工程と、
前記第一の糖化工程で生成された糖化液及びβ－グルコシダーゼ（ＢＧＬ）が吸着されたリグニンを含む第一の糖化残渣を混合し、糖化する第二の糖化工程と、
前記第二の糖化工程における固形分濃度を前記第一の糖化工程における固形分濃度よりも高濃度に保つように調節する固形分濃度調節工程と、
を有し、
前記固形分濃度調節工程が、前記第二の糖化工程で生成された第二の糖化残渣の排出量を調節する工程であることを特徴とするリグノセルロース系バイオマス由来化合物の製造方法。 - 前処理済リグノセルロース系バイオマス及び酵素を混合し、糖化する第一の糖化工程と、
前記第一の糖化工程で生成された糖化液及びβ－グルコシダーゼ（ＢＧＬ）が吸着されたリグニンを含む第一の糖化残渣を混合し、糖化する第二の糖化工程と、
前記第二の糖化工程における固形分濃度を前記第一の糖化工程における固形分濃度よりも高濃度に保つように調節する固形分濃度調節工程と、
前記第二の糖化工程で生成された第二の糖化液及び酵素が吸着した第二の糖化残渣、並びに酵母を混合し、発酵する発酵工程と、
前記発酵工程で生成された発酵液と酵素が吸着した発酵残渣とを分離する固液分離工程と、を有し、
前記固形分濃度調節工程が、前記固液分離工程で分離された酵素が吸着した発酵残渣を第二の糖化装置へ投入する工程であることを特徴とするリグノセルロース系バイオマス由来化合物の製造方法。 - 前処理済リグノセルロース系バイオマス及び酵素を混合し、糖化する第一の糖化工程と、
前記第一の糖化工程で生成された糖化液及びβ－グルコシダーゼ（ＢＧＬ）が吸着されたリグニンを含む第一の糖化残渣を混合し、糖化する第二の糖化工程と、
前記第二の糖化工程における固形分濃度を前記第一の糖化工程における固形分濃度よりも高濃度に保つように調節する固形分濃度調節工程と、
酵素生産菌及び前処理済リグノセルロース系バイオマスを混合し、酵素を生産する酵素生産工程と、
前記酵素生産工程で生成された酵素液と酵素が吸着した酵素生産残渣とを分離する固液分離工程と、
前記固液分離工程で分離された酵素液を前記第一の糖化装置へ投入する工程と、
を有し、
前記固形分濃度調節工程が、前記固液分離工程で分離された酵素が吸着した酵素生産残渣を第二の糖化装置へ投入する工程であることを特徴とするリグノセルロース系バイオマス由来化合物の製造方法。 - 前記第二の糖化工程において、主にβ－グルコシダーゼ（ＢＧＬ）により、第一の糖化工程において生成されたセロオリゴ糖からグルコースを生成する請求項８～１０のいずれか一項に記載のリグノセルロース系バイオマス由来化合物の製造方法。
- 前記第二の糖化工程における固形分濃度が前記第一の糖化装置内の固形分濃度の１．１倍以上６倍以下である請求項８～１１のいずれか一項に記載のリグノセルロース系バイオマス由来化合物の製造方法。
- 前記第二の糖化残渣、前記発酵残渣及び前記酵素生産残渣から選ばれる少なくとも一つに吸着する酵素がβ－グルコシダーゼ（ＢＧＬ）である請求項８～１２のいずれか一項に記載のリグノセルロース系バイオマス由来化合物の製造方法。
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| JP5976185B1 (ja) * | 2015-10-01 | 2016-08-23 | 新日鉄住金エンジニアリング株式会社 | リグノセルロース系バイオマス由来化合物の製造装置及び製造方法 |
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| JP2010098951A (ja) * | 2008-10-21 | 2010-05-06 | Hitachi Zosen Corp | セルロース糖化酵素の簡易的回収・再利用方法 |
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2016
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| "Cellulose Bunkai Koso o Koteika", FOOD SCIENCE, vol. 30, no. 2, 1988, pages 27 * |
| QI BENKUN ET AL.: "Enzyme adsorption and recycling during hydrolysis of wheat straw lignocellulose", BIORESOURCE TECHNOLOGY, vol. 102, 2011, pages 2881 - 2889, XP027582930 * |
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