WO2017057713A1 - リグノセルロース系バイオマス中の発酵阻害物質低減装置および発酵阻害物質低減方法 - Google Patents

リグノセルロース系バイオマス中の発酵阻害物質低減装置および発酵阻害物質低減方法 Download PDF

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WO2017057713A1
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fermentation
saccharification
fermentation inhibitor
inhibitor
reducing
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崇文 木内
也寸彦 加藤
吏 古賀
典子 保谷
大西　徹
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新日鉄住金エンジニアリング株式会社
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M1/00—Apparatus for enzymology or microbiology
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12P—FERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
    • C12P19/00—Preparation of compounds containing saccharide radicals

Definitions

  • the present invention relates to a fermentation inhibitor reducing device and a fermentation inhibitor reducing method in lignocellulosic biomass.
  • Non-edible biomass includes the most abundant cellulose on the earth, most of which exists as lignocellulose, which is a complex with the aromatic polymer lignin and hemicellulose.
  • a method for producing ethanol from lignocellulosic biomass acid or alkali is first mixed with lignocellulosic biomass and hydrothermal treatment (pretreatment) is performed.
  • pretreatment polymers such as hemicellulose and lignin constituting lignocellulose are decomposed to improve the reactivity of cellulose in the subsequent process.
  • the pretreated biomass is supplied to a saccharification tank and is generally saccharified by an enzyme at 45 to 55 ° C. Thereafter, the saccharified solution is supplied to the fermenter to produce the target product. At this time, the temperature is generally 45 ° C. or less, and thus it is necessary to cool the saccharified solution.
  • cellulose is hydrolyzed to glucose, and hemicellulose is hydrolyzed to xylose. Then, some glucose and xylose are excessively decomposed to generate 5-HMF (hydroxymethylfurfural) and furfural, followed by fermentation. It is known to inhibit. Furthermore, it is known that organic acids such as acetic acid and formic acid are mainly generated when hemicellulose is decomposed, and these also inhibit fermentation.
  • Patent Document 1 discloses a method for removing a fermentation inhibitor using woody carbide such as cedar wood flour.
  • Patent Document 2 discloses a method in which a fermentation inhibitor is adsorbed or retained and separated using a polystyrene resin.
  • Patent Document 3 discloses a method in which an enzymatic saccharification step is performed in two steps, and one or both saccharification steps are performed in a vacuum environment.
  • Patent Document 1 since lignocellulosic biomass is treated at 500 to 1,300 ° C. for about 30 minutes to 5 hours to obtain a woody carbide, equipment and energy are required.
  • Patent Document 2 it is necessary to introduce a polystyrene resin as a new facility, and a process for regenerating the polystyrene resin adsorbed with the fermentation inhibitor is required.
  • the fermentation inhibitor can be removed by vacuum evaporation, but since it is carried out at about 20 to 70 ° C., the reaction rate of the saccharification process by the enzyme is slow and takes time at 20 to 45 ° C., At 45 to 70 ° C., a separate facility for cooling the saccharified solution is necessary to perform the fermentation process, which is a subsequent process. Furthermore, in order to make the entire saccharification tank into a vacuum environment, large-scale facilities are required.
  • the present invention has been made in view of the above circumstances, and provides a simple and effective fermentation inhibitor reducing device and fermentation inhibitor reducing method in lignocellulosic biomass.
  • the fermentation inhibitor reducing device in lignocellulosic biomass of the present invention reduces a fermentation inhibitor between a saccharification tank and a fermenter, and the saccharified solution and saccharification residue produced in the saccharification tank It is a fermentation inhibitor reducing device comprising a vacuum evaporator having a vacuum pump for cooling the liquid to 32 ° C. or lower.
  • a steam extraction pipe containing the fermentation inhibitor substance from the vacuum evaporator, and a filling for bringing the steam containing the fermentation inhibitor substance into gas-liquid contact in the extraction pipe It is a fermentation inhibitor reducing apparatus as described in 1).
  • a fermentation inhibitor reducing apparatus comprising: an apparatus for introducing into a distillation column. (4) The fermentation inhibitor reducing apparatus according to any one of (1) to (3), wherein the fermentation inhibitor to be reduced is furfural.
  • the method for reducing a fermentation inhibitor in lignocellulosic biomass of the present invention reduces the fermentation inhibitor contained in a saccharification solution and a saccharification residue produced in a saccharification step by evaporation under vacuum, and It is a fermentation inhibitor reducing method characterized by having the vacuum evaporation process which cools the saccharified liquid produced
  • the steam in which the fermentation inhibitor is concentrated is cooled by a condenser and condensed
  • the solid-liquid separation step for separating the fermentation liquor and the fermentation residue and the solid-liquid separation step A step of introducing the separated fermentation residue into the saccharification tank, and a step of introducing the liquid condensed by the condenser and the discharge fluid of the vacuum pump into the distillation column in order to recover the fermentation product contained in the fermentation residue.
  • the method for reducing a fermentation inhibitor according to (6) The fermentation inhibitor reducing method according to any one of (5) to (7), wherein the fermentation inhibitor to be reduced is furfural.
  • the temperature of the saccharified solution and the saccharification residue can be easily reduced by vacuum evaporation, and fermentation can be started.
  • the fermentation inhibitor in the saccharified solution can be reduced.
  • FIG. 1 It is a figure showing a schematic structure of a fermentation inhibition substance reducing device concerning a first embodiment of the present invention. It is a figure which shows schematic structure of the fermentation inhibitor reducing device which concerns on 2nd embodiment of this invention. It is a figure which shows schematic structure of the fermentation inhibitor reducing device which concerns on 3rd embodiment of this invention. It is a figure which shows schematic structure of the fermentation inhibitor reducing device in an Example.
  • 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 products waste, processed agricultural and forestry products and large algae, microalgae, etc. Plant tissue. These lignocellulosic biomasses may be used alone or as a mixture.
  • hemicellulose is a so-called pentose containing 5 carbons such as xylose and a so-called hexose containing 6 carbons such as mannose, arabinose and galacturonic acid. Furthermore, since it has complex polysaccharides such as glucomannan and glucuronoxylan, when it undergoes hydrolysis, it will be a pentose monosaccharide consisting of five carbons and a pentose oligosaccharide in which multiple monosaccharides are linked.
  • Cellulose has 6 carbons as a structural unit, so when hydrolyzed, it produces 6-carbon monosaccharides composed of 6 carbons and hexose oligosaccharides in which a plurality of monosaccharides are linked.
  • composition ratio and production amount of at least one of monosaccharides and oligosaccharides vary depending on the pretreatment method and the types of agricultural and forestry product resources, agricultural and forestry product wastes, and processed agricultural and forestry products used as raw materials.
  • FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a fermentation inhibitor reducing apparatus according to a first embodiment of the present invention.
  • the fermentation inhibitor reducing device 10 according to the present embodiment reduces the fermentation inhibitor between the saccharification tank 1 and the fermentation tank 3 and cools the saccharification liquid and the saccharification residue generated in the saccharification tank.
  • a vacuum evaporator 2 having a vacuum pump 5 is disposed through a pipe.
  • the saccharification tank 1 includes a pretreated lignocellulosic biomass, water, and an enzyme, and is a tank for performing a saccharification reaction for producing a monosaccharide from the pretreated lignocellulosic biomass. Absent.
  • the lower limit of the temperature of the saccharification tank 1 is preferably 45 ° C or higher, and more preferably 50 ° C or higher. About an upper limit, 55 degrees C or less is preferable and 50 degrees C or less is more preferable.
  • the saccharification reaction time is preferably 24 to 72 hours. In order to keep the temperature in the saccharification tank 1 constant, it is preferable to provide a temperature adjusting device such as a warm water circulation jacket outside the saccharification tank 1.
  • the pretreated lignocellulosic biomass means lignocellulosic biomass which is not mixed with anything other than water, or mixed with acid or alkali and hydrothermally treated.
  • the acid is selected from sulfuric acid, hydrochloric acid, nitric acid, phosphoric acid and the like, and these may be used alone or in combination. Among them, sulfuric acid which is inexpensive and easily available is particularly preferable for industrial use.
  • the alkali is selected from sodium hydroxide, potassium hydroxide, and ammonia, and these may be used alone or in combination.
  • the reaction vessel used for the hydrothermal treatment reaction the heat pressure vessel having acid resistance or alkali resistance, or the form in which the vessel having acid resistance or alkali resistance is placed in a heating pressure device such as an autoclave is processed. Can be considered.
  • various by-products are contained in addition to at least one of cellulose, hemicellulose, monosaccharide and oligosaccharide. If these by-products are substances that do not adversely affect the subsequent saccharification process and fermentation process, they are not a big problem because they can be removed in the final distillation process. However, if the fermentation inhibitor has an adverse effect, it is necessary to remove it to the extent that it does not adversely affect each step in the preceding step of at least one of the saccharification step and the fermentation step.
  • the fermentation inhibitor is a substance that interferes with the fermentation reaction in the fermentation process.
  • Typical fermentation inhibiting substances include sugar hyperdegradation products, lignin and aromatic compounds derived from lignin, and compounds derived from adhesives and paints.
  • compounds derived from artificial chemicals such as adhesives and paints can be avoided to some extent by using naturally-derived lignocellulosic biomass that has not been treated.
  • lignocellulosic biomass is used as a raw material, it is difficult to avoid the production of sugar overdegradation products and lignin-derived aromatic compounds.
  • the fermentation inhibitor when the fermentation inhibitor is an insoluble solid such as lignin and at least one of cellulose, hemicellulose, monosaccharide and oligosaccharide is soluble, it can be removed by ordinary solid-liquid separation. Sometimes it is possible. However, when both a fermentation inhibitor and a useful product are soluble, normal solid-liquid separation cannot be applied. Therefore, the treatment method for removing a fermentation inhibitor described later in the present invention is preferably applied. That is, in the present invention, the fermentation inhibitor to be treated mainly forms a mixed solution with cellulose, hemicellulose, and at least one of monosaccharides and oligosaccharides. It refers to those that cannot be separated by solid-liquid separation or are difficult to separate.
  • Examples of such a fermentation inhibitor include acetic acid, formic acid, levulinic acid, furfural which is a hyperdegradation product of sugar, 5-hydroxymethylfurfural (5-HMF), vanillin and acetovanillin which are aromatic compounds derived from lignin. , Guayacoal and so on.
  • typical fermentation inhibitors are acetic acid, formic acid, furfural, and 5-HMF.
  • the enzyme in the present invention means an enzyme that decomposes lignocellulosic biomass into monosaccharide units, as long as it decomposes lignocellulosic biomass into monosaccharides, and has cellulase and hemicellulase activities. If it is. Any cellulase may be used as long as it decomposes cellulose into glucose, and examples thereof include those having at least one activity of endoglucanase (EG), cellobiohydrolase (CBH), and ⁇ -glucosidase (BGL). From the viewpoint of enzyme activity, an enzyme mixture having each of these activities is preferable.
  • the hemicellulase may be any one that decomposes hemicellulose into a monosaccharide such as xylose, and includes those having at least one activity of xylanase, xylosidase, mannanase, pectinase, galactosidase, glucuronidase, and arabinofuranosidase.
  • An enzyme mixture having each of these activities is preferable from the viewpoint of enzyme activity.
  • the “enzyme active ingredient” means each of these saccharifying enzymes when an enzyme mixture is used, and means the saccharifying enzyme used when a single saccharifying enzyme is used.
  • the origin of these cellulases and hemicellulases is not limited, and cellulases and hemicellulases such as filamentous fungi, basidiomycetes, and bacteria can be used.
  • the vacuum evaporator 2 is an apparatus for evaporating the fermentation inhibiting substance contained in the saccharified solution and saccharification residue generated in the saccharification tank 1, and cooling the saccharification solution and saccharification residue.
  • the demister 4 is installed in the upper part of the vacuum evaporator 2.
  • the demister 4 is a device for removing fine particles of liquid contained in a gas, and has a fine network structure.
  • the vacuum evaporator 2 is provided with a vacuum pump 5 via a pipe.
  • the vacuum pump 5 is a pump for bringing the vacuum evaporator 2 into a vacuum environment, and there is no special limitation.
  • the pressure in the vacuum evaporator 2 decompressed by the vacuum pump 5 is preferably 12.3 kPaA (93 mmHg) or less, and more preferably 4.8 kPaA or less.
  • kPaA is a unit of pressure indicating an absolute pressure when the absolute vacuum is 0, and A at the end is an abbreviation for Absolute.
  • the saccharified solution and saccharification residue cooled in the vacuum evaporator 2 are preferably 45 ° C. or lower, and more preferably 35 ° C. or lower.
  • the fermenter 3 includes a saccharified solution and a saccharified residue cooled in the vacuum evaporator 2 and yeast, and is a tank for producing a final product from the saccharified solution with yeast, and there is no particular limitation. 25 degreeC or more is preferable, as for the lower limit of the temperature of the fermenter 3, 30 degreeC or more is more preferable, and 32 degreeC or more is the most preferable. About an upper limit, 45 degrees C or less is preferable, 35 degrees C or less is more preferable, and 32 degrees C or less is the most preferable.
  • the fermentation time is preferably 24 to 72 hours.
  • the fermentation inhibitor reducing method using the fermentation inhibitor reducing apparatus 10 shown in FIG. 1 will be described.
  • pretreated lignocellulosic biomass, water, and an enzyme are added to the saccharification tank 1 to perform a saccharification reaction.
  • the saccharified solution and saccharification residue generated in the saccharification step are sent to the vacuum evaporator 2 through a pipe.
  • a vacuum environment is created by the vacuum pump 5, and the saccharification solution produced in the saccharification process and the fermentation inhibitor contained in the saccharification residue are reduced by azeotropic distillation with water, and are evaporated by vacuum evaporation.
  • the saccharified solution and saccharification residue can be cooled.
  • the reduced fermentation inhibitor is a volatile substance, and for example, furfural is preferable.
  • the furfural in the saccharified solution is reduced to 1.2 g / L or less, more preferably to 1.1 g / L, in the vacuum evaporation process. Most preferably, it is reduced to 0.0 g / L or less.
  • a saccharified solution and a saccharification residue having a temperature of 50 ° C. and a total weight of 10,000 kg are sent from the saccharification tank 1 to the vacuum evaporator 2 and vacuum evaporated under a pressure of 4.5 kPaA.
  • the temperature is lowered from 50 ° C. to 32 ° C., and 3% (300 kg) of water is evaporated.
  • 0.1% (10 kg) of furfural is contained in the saccharified solution and the saccharified residue, and the furfural contained in the saccharified solution and the saccharified residue is easier to evaporate than water.
  • 20% (1-2 kg) evaporates with water.
  • the saccharified solution and saccharification residue lowered to 32 ° C. are concentrated to 9,700 kg, and the contained furfural is reduced to 0.082 to 0.093% (8 to 9 kg).
  • the saccharification liquid and saccharification residue in which the fermentation inhibitor is reduced and cooled are supplied to the next fermentation process.
  • FIG. 2 is a diagram showing a schematic configuration of the fermentation inhibitor reducing apparatus according to the second embodiment of the present invention.
  • a vacuum evaporator 2 having a vacuum pump 5 is disposed between a saccharification tank 1 and a fermentation tank 3 via a pipe, and further, vacuum evaporation.
  • a steam extraction pipe 6 containing a fermentation inhibiting substance from the vessel 2 and a filling 7 for bringing the steam containing the fermentation inhibiting substance into gas-liquid contact are arranged in the extraction pipe 6.
  • the fermentation inhibitor reducing device 20 of the present embodiment is different from the fermentation inhibitor reducing device 10 shown in FIG. 1 in that an extraction pipe 6 and a filling 7 are arranged in the extraction pipe 6.
  • the other configuration is the same as the fermentation inhibitor reducing apparatus 10.
  • FIG. 2 the same components as those shown in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals.
  • the extraction pipe 6 is arranged on the upper part of the vacuum evaporator 2 and is a pipe for discharging steam containing the fermentation inhibitor evaporated in the vacuum evaporator 2. There are no special restrictions on the extraction pipe 6.
  • the filling 7 is disposed inside the extraction pipe 6 and is for concentrating the vapor containing the fermentation inhibiting substance by gas-liquid contact.
  • the regular filler made from a metal or a plastic, the Raschig ring made from borosilicate glass, etc. are preferable.
  • the process up to the point where the vacuum evaporation step is performed is the same as in the first embodiment.
  • the steam containing the fermentation inhibitor extracted in the vacuum evaporation step is discharged from the extraction pipe 6.
  • the fermentation inhibiting substance is preferentially evaporated over water, but by bringing the filling 7 into gas-liquid contact, the priority of evaporation of the fermentation inhibiting substance with respect to water can be further increased.
  • FIG. 3 is a diagram showing a schematic configuration of the fermentation inhibitor reducing apparatus according to the third embodiment of the present invention.
  • a vacuum evaporator 2 having a vacuum pump 5 is disposed between a saccharification tank 1 and a fermentation tank 3 via a pipe.
  • An extraction pipe 6 and a filling 7 are arranged in the extraction pipe 6.
  • a condenser 8 for cooling and condensing the steam containing the fermentation inhibiting substance at the tip of the extraction pipe 6, and a solid-liquid separator 9 for separating the fermentation liquor and the fermentation residue after the fermentation tank 3,
  • a return pipe 11 for feeding the fermentation residue separated by the solid-liquid separator 9 into the saccharification tank, and a liquid condensed by the condenser 8 and a discharge fluid of the vacuum pump 5 in order to recover the fermentation product contained in the fermentation residue.
  • a pipe 12 for introducing the gas into the distillation column.
  • the fermentation inhibitor reducing device 30 of the present embodiment has a condenser 8, a solid-liquid separator 9, a return pipe 11, and a pipe 12 disposed at the tip of the extraction pipe 6, as shown in FIG.
  • the other components are the same as those of the fermentation inhibitor reducing device 20.
  • the same reference numerals are used for the same components as those shown in FIG.
  • the condenser 8 is disposed at the tip of the extraction pipe 6 and is a device for cooling and condensing the steam containing the fermentation inhibiting substance, and there is no special limitation.
  • the solid-liquid separation device 9 is a device for separating the fermentation liquor and the fermentation residue, and there is no particular limitation.
  • the fermentation broth contains unreacted monosaccharides and oligosaccharides, and fermentation products.
  • the fermentation product means a compound produced by yeast ingesting monosaccharides and oligosaccharides obtained from lignocellulosic biomass.
  • ethanol for example, ethanol, butanol, 1,3-propanediol, 1,4 -Alcohols such as butanediol, glycerol, organic acids such as pyruvic acid, succinic acid, malic acid, itaconic acid, citric acid and lactic acid, nucleosides such as inosine and guanosine, nucleotides such as inosinic acid and guanylic acid, and diamine compounds such as cadaverine Etc., and ethanol is most preferable.
  • the compound obtained by fermentation is a monomer such as lactic acid, it may be converted into a polymer by polymerization.
  • the fermentation broth is sent to the distillation tower 13 by a pump through a pipe.
  • the fermentation residue contains unfermented monosaccharides and oligosaccharides, cellulose, hemicellulose, lignin and the like, and saccharifying enzymes are adsorbed on the lignin.
  • the return pipe 11 is a pipe for introducing the fermentation residue separated by the solid-liquid separator 9 into the saccharification tank 1, and is not particularly limited.
  • the pipe 12 is a pipe for introducing the liquid condensed by the condenser 8 and the discharge fluid of the vacuum pump 5 into the distillation tower 13 in order to recover the fermentation product contained in the fermentation residue, and there is no particular limitation. .
  • the process up to performing the gas-liquid contact process is the same as in the second embodiment.
  • the steam in which the fermentation inhibitor is concentrated by gas-liquid contact is cooled by the condenser 8 and condensed, whereby the fermentation inhibitor in the saccharified solution is reduced.
  • the saccharification liquid and saccharification residue which passed through the vacuum evaporation process are thrown into the fermenter 3 with yeast, and a fermentation process is performed.
  • the saccharification step may be performed simultaneously.
  • the fermentation liquor and fermentation residue obtained in the fermentation process are put into the solid-liquid separator 9 and separated.
  • the separated fermentation broth is sent to the distillation tower 13 and used for the next distillation step.
  • the separated fermentation residue is put into a saccharification tank and reused.
  • the fermentation residue contains unfermented monosaccharides and oligosaccharides, cellulose, hemicellulose, lignin and the like, and since saccharifying enzyme is adsorbed to lignin, it can be utilized in the saccharification process. .
  • a part of the fermentation product is mixed in the fermentation residue, and the fermentation product such as volatile alcohol evaporates in the vacuum evaporation process and is condensed in the condenser 8 together with the fermentation inhibitor. And the discharge fluid of the vacuum pump 5. Therefore, in order to collect these fermentation products, the liquid condensed by the condenser 8 and the discharge fluid of the vacuum pump 5 are introduced into the distillation column via the pipe 12a and the pipe 12b, respectively.
  • the fermentation inhibitor reducing apparatus and the fermentation inhibitor reducing method of the present invention are preferably used for an apparatus and a method for producing a compound from lignocellulosic biomass, and are carried out after the saccharification reaction and before the fermentation reaction. It is preferable.
  • Example 1 The reduction amount of furfural was calculated using the process simulator PROII (manufactured by Invensys) under the conditions of [Table 1] below.
  • PROII process simulator
  • [Table 1] “Mixed” indicates a state where liquid and gas are mixed.
  • FIG. 4 is a diagram showing a schematic configuration of the fermentation inhibitor reducing apparatus in the present embodiment.
  • S1 to S5 in [Table 1] correspond to S1 to S5 in FIG.
  • a saccharified solution (S1) at 50.0 ° C. was supplied to the evaporator at a flow rate of 100,000 kg / hr at normal pressure (101.3 kPa).
  • the pressure is reduced to 4.8 kPaA so that the temperature becomes 0 ° C., and evaporation is performed by lowering the boiling point.
  • the evaporation amount of the mixture of water and furfural is 3,123 kg / hr.
  • Example 2 The reduction amount of furfural was calculated using the process simulator PROII in the same manner as in Example 1 under the conditions of [Table 2] below.
  • fermentation can be easily started by lowering the temperature of the saccharified solution and the saccharification residue by vacuum evaporation. It became clear that fermentation inhibiting substances in the saccharified liquid can be reduced by azeotroping with water.
  • the temperature of the saccharified solution and the saccharification residue can be easily reduced by vacuum evaporation, and fermentation can be started.
  • the fermentation inhibitor in the saccharified solution can be reduced.

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Abstract

本発明は、簡易で効果的なリグノセルロース系バイオマス中の発酵阻害物質低減装置および発酵阻害物質低減方法を提供する。本発明は、リグノセルロース系バイオマス中の発酵阻害物質低減装置であって、糖化槽と発酵槽との間に、発酵阻害物質を低減させ、且つ、前記糖化槽で生成された糖化液及び糖化残渣を３２℃以下に冷却するための真空ポンプを有する真空蒸発器を備える。本発明は、リグノセルロース系バイオマス中の発酵阻害物質低減方法であって、真空下で、糖化工程で生成された糖化液及び糖化残渣に含まれる発酵阻害物質を蒸発させて低減させ、且つ、前記糖化工程で生成された糖化液及び糖化残渣を３２℃以下に冷却する真空蒸発工程を有する。

Description

リグノセルロース系バイオマス中の発酵阻害物質低減装置および発酵阻害物質低減方法
　本発明は、リグノセルロース系バイオマス中の発酵阻害物質低減装置および発酵阻害物質低減方法に関する。
　本願は、２０１５年１０月１日に、日本に出願された特願２０１５－１９５９２０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エタノールを製造する方法としては、まず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（前処理）を行う。前処理工程では、リグノセルロースを構成するヘミセルロースやリグニンといったポリマーを分解し、後工程におけるセルロースの反応性を向上させる。
　前処理されたバイオマスは糖化槽に供給され、一般的に４５～５５℃で酵素により糖化される。その後、糖化液は発酵槽に供給され、目的生産物が生産されるが、この時の温度は一般に４５℃以下であることが多いため、糖化液を冷却することが必要となる。
　また、前処理工程において、セルロースがグルコース、ヘミセルロースがキシロースに加水分解されるが、その後一部のグルコースやキシロースが過分解をして５－ＨＭＦ（ヒドロキシメチルフルフラール）やフルフラールが発生しその後の発酵を阻害することが知られている。さらに、主にヘミセルロースが分解される際に酢酸やギ酸などの有機酸が生成され、これらも発酵を阻害することが知られている。
　特許文献１には、スギ木粉などの木質系炭化物を用いて、発酵阻害物質を除去する方法が開示されている。
　特許文献２には、ポリスチレン系樹脂を用いて、発酵阻害物質を吸着又は保持させて分離させる方法が開示されている。
　特許文献３には、酵素による糖化工程を２回に分けて実施し、片方若しくは両方の糖化工程を真空環境下において実施する方法が開示されている。
特開２００５－２７００５６号公報 特開２０１１－７８３２７号公報 特表２０１２－５０４９３５号公報
　特許文献１では、リグノセルロース系バイオマスを５００～１，３００℃で３０分～５時間程度処理して木質系炭化物を得るので、設備とエネルギーが必要である。
　また、特許文献２では、ポリスチレン系樹脂を新たな設備として導入する必要があり、また、発酵阻害物質が吸着したポリスチレン系樹脂を再生処理する工程が必要となる。
　さらに、特許文献３では、発酵阻害物質を真空蒸発除去することができるが、約２０～７０℃で行われるため、２０～４５℃では酵素による糖化プロセスの反応速度が遅く時間がかかり、また、４５～７０℃では、後工程である発酵工程を行うために糖化液を冷却するための設備が別途必要である。さらに、糖化槽全体を真空環境にするためには、大掛かりな設備が必要である。
　本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、簡易で効果的なリグノセルロース系バイオマス中の発酵阻害物質低減装置および発酵阻害物質低減方法を提供する。
　すなわち、本発明は、以下の態様を含む。
（１）本発明のリグノセルロース系バイオマス中の発酵阻害物質低減装置は、糖化槽と発酵槽との間に、発酵阻害物質を低減させ、且つ、前記糖化槽で生成された糖化液及び糖化残渣を３２℃以下に冷却するための真空ポンプを有する真空蒸発器を備えることを特徴とする発酵阻害物質低減装置である。
（２）さらに、前記真空蒸発器からの発酵阻害物質を含む蒸気の抜出配管と、前記抜出配管内に、発酵阻害物質を含む蒸気を気液接触させるための充填物と、を備える（１）に記載の発酵阻害物質低減装置である。
（３）さらに、前記抜出配管の先に、発酵阻害物質を含む蒸気を冷却し凝縮するためのコンデンサと、前記発酵槽後に、発酵液および発酵残渣を分離するための固液分離装置と、前記固液分離装置で分離された発酵残渣を糖化槽へ投入する装置と、前記発酵残渣に含まれる発酵生成物を回収するために、前記コンデンサで凝縮された液及び前記真空ポンプの吐出流体を蒸留塔に導入する装置と、を備える（２）に記載の発酵阻害物質低減装置である。
（４）低減される発酵阻害物質がフルフラールである（１）～（３）のいずれか一つに記載の発酵阻害物質低減装置である。
（５）本発明のリグノセルロース系バイオマス中の発酵阻害物質低減方法は、真空下で、糖化工程で生成された糖化液及び糖化残渣に含まれる発酵阻害物質を蒸発させて低減させ、且つ、前記糖化工程で生成された糖化液及び糖化残渣を３２℃以下に冷却する真空蒸発工程を有することを特徴とする発酵阻害物質低減方法である。
（６）さらに、前記真空蒸発工程において抜出された発酵阻害物質を含む蒸気を充填物により気液接触させる工程を有する（５）に記載の発酵阻害物質低減方法である。
（７）さらに、前記気液接触工程において発酵阻害物質が濃縮された蒸気をコンデンサにより冷却し、凝縮する工程と、発酵液及び発酵残渣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発酵残渣を糖化槽に投入する工程と、前記発酵残渣に含まれる発酵生成物を回収するために、前記コンデンサで凝縮された液及び前記真空ポンプの吐出流体を蒸留塔に導入する工程と、を有する（６）に記載の発酵阻害物質低減方法である。
（８）低減される発酵阻害物質がフルフラールである（５）～（７）のいずれか一つに記載の発酵阻害物質低減方法である。
　本発明の発酵阻害物質低減装置及び発酵阻害物質低減方法によれば、真空蒸発することで簡易に糖化液及び糖化残渣の温度を下げて発酵を開始することができ、さらに、水と共沸することで糖化液中の発酵阻害物質を低減することができる。
本発明の第一実施形態に係る発酵阻害物質低減装置の概略構成を示す図である。 本発明の第二実施形態に係る発酵阻害物質低減装置の概略構成を示す図である。 本発明の第三実施形態に係る発酵阻害物質低減装置の概略構成を示す図である。 実施例における発酵阻害物質低減装置の概略構成を示す図である。
　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、合板などの農林産物資源、サトウキビバガス、サトウキビ茎葉、コーンスト―バーなどの農林産物廃棄物、農林産物加工品及び大型藻類、微細藻類などの植物組織である。
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。
　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。
　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発酵阻害物質低減装置の概略構成を示す図である。本実施形態の発酵阻害物質低減装置１０は、糖化槽１と発酵槽３との間に、発酵阻害物質を低減させ、且つ、前記糖化槽で生成された糖化液及び糖化残渣を冷却するための真空ポンプ５を有する真空蒸発器２が配管を介して配設されている。
　糖化槽１は、前処理済リグノセルロース系バイオマスと、水と、酵素と、を含み、前処理済リグノセルロース系バイオマスから単糖を生成する糖化反応を行うための槽であり、特別な制限はない。糖化槽１の温度の下限値は、４５℃以上が好ましく、５０℃以上がさらに好ましい。上限値については、５５℃以下が好ましく、５０℃以下がさらに好ましい。また、糖化反応時間は２４～７２時間が好ましい。糖化槽１内の温度を一定に保つために、糖化槽１の外側に温水循環式のジャケットなど温度調整装置を備えていることが好ましい。
　前処理済リグノセルロース系バイオマスとは、水以外なにも混合させないか、又は、酸若しくはアルカリを混合させ、水熱処理したリグノセルロース系バイオマスを意味する。酸としては、硫酸、塩酸、硝酸、リン酸などの中から選ばれ、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。
　前処理済リグノセルロース系バイオマス中には、セルロース、ヘミセルロース、並びに、単糖及びオリゴ糖のうち少なくともいずれか以外にも、種々の副生成物が含まれている。それら副生成物が後工程の糖化工程および発酵工程などに悪影響を及ぼさない物質であれば、最後の蒸留工程において除去すればよいので大きな問題とはならない。しかしながら、悪影響を及ぼす発酵阻害物質であれば、糖化工程および発酵工程の少なくともどちらか一方の前工程で、各工程に悪影響を及ぼさない程度にまで除去する必要性が生じる。
　本発明において、発酵阻害物質とは、発酵工程で、発酵反応を妨害する物質のことである。代表的な発酵阻害物質としては、糖の過分解物、リグニンやリグニン由来の芳香族化合物、接着剤・塗料由来の化合物が挙げられる。この中で、接着剤・塗料などの人工的な薬品に由来する化合物は、それらの処理が施されていない自然由来のリグノセルロース系バイオマスを使用することにより、ある程度回避可能である。しかし、リグノセルロース系バイオマスを原料とする限り、糖の過分解物やリグニン由来の芳香族化合物の生成は回避することが困難である。ここで、発酵阻害物質がリグニンのような不溶性固体であり、セルロース、ヘミセルロース、並びに、単糖及びオリゴ糖のうち少なくともいずれかが可溶性である場合には、通常の固液分離によって除去することが可能な場合もある。しかしながら、発酵阻害物質も有用物も可溶性である場合には、通常の固液分離が適用できないため、本発明の後述の発酵阻害物質を除去する処理方法が好ましく適用される。すなわち、本発明で、主に処理対象とする発酵阻害物質は、実質的にセルロース、ヘミセルロース、並びに、単糖及びオリゴ糖のうち少なくともいずれかとの混合溶液を形成しているものであり、通常の固液分離では分離できないか又は分離し難い状態のものを指す。そのような発酵阻害物質としては、例えば、酢酸、ギ酸、レブリン酸、糖の過分解物であるフルフラール、５－ヒドロキシメチルフルフラール（５－ＨＭＦ）、リグニン由来の芳香族化合物であるバニリン、アセトバニリン、グアヤコールなどが挙げられる。これら発酵阻害物質のうち、代表的な発酵阻害物質は酢酸、ギ酸、フルフラール、５－ＨＭＦである。
　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。
　真空蒸発器２は、糖化槽１において生成された糖化液および糖化残渣に含まれる発酵阻害物質を蒸発させ、且つ、糖化液および糖化残渣を冷却するための装置である。特別な制限はないが、真空蒸発器２の上部にデミスター４が設置されていることが好ましい。デミスター４は、気体中に含まれる液体の微粒子を除去する装置であり、細かい網目状の構造からなる。真空蒸発器２には、配管を介して真空ポンプ５が配設されている。
真空ポンプ５は、真空蒸発器２を真空環境下にするためのポンプであり、特別な制限はない。真空ポンプ５により減圧された真空蒸発器２内の圧力は、１２．３ｋＰａＡ（９３ｍｍＨｇ）以下であることが好ましく、４．８ｋＰａＡ以下であることがさらに好ましい。ｋＰａＡとは、絶対真空を０としたときの絶対圧を示した圧力の単位であり、語尾のＡはＡｂｓｏｌｕｔｅ（絶対）の略である。真空蒸発器２において冷却された糖化液および糖化残渣は４５℃以下であることが好ましく、３５℃以下であることがさらに好ましい。
　発酵槽３は、真空蒸発器２において冷却された糖化液および糖化残渣と、酵母と、を含み、糖化液から酵母により最終生産物を生成するための槽であり、特別な制限はない。発酵槽３の温度の下限値は、２５℃以上が好ましく、３０℃以上がさらに好ましく、３２℃以上が最も好ましい。上限値については、４５℃以下が好ましく、３５℃以下がさらに好ましく、３２℃以下が最も好ましい。また、発酵時間は２４～７２時間が好ましい。
　次に、図１に示す発酵阻害物質低減装置１０を用いた発酵阻害物質低減方法の一例について説明する。
　まず、糖化槽１に前処理済リグノセルロース系バイオマスと、水と、酵素とを投入し、糖化反応を行う。糖化工程において生成された糖化液および糖化残渣は、配管を介して真空蒸発器２に送られる。真空蒸発器２では、真空ポンプ５により真空環境となり、糖化工程において生成された糖化液および糖化残渣中に含まれる発酵阻害物質は水と共沸することで低減し、且つ、真空蒸発することで糖化液及び糖化残渣を冷却することができる。
　このとき、低減される発酵阻害物質としては、揮発性を有する物質であり、例えば、フルフラールが好ましい。
発酵工程において酵母の活性を低下させない観点から、真空蒸発工程において、糖化液中のフルフラールを１．２ｇ／Ｌ以下に低減することが好ましく、１．１ｇ／Ｌに低減することがさらに好ましく、１．０ｇ／Ｌ以下に低減することが最も好ましい。
　図１に示すように、例えば、温度が５０℃であり、合計重量が１０，０００ｋｇの糖化液および糖化残渣が糖化槽１より真空蒸発器２に送られ、４．５ｋＰａＡの圧力下で真空蒸発する場合、温度は５０℃から３２℃に降温し、水分が３％（３００ｋｇ）蒸発する。
このとき、糖化液および糖化残渣中に、０．１％（１０ｋｇ）のフルフラールを含有しており、糖化液および糖化残渣に含まれていたフルフラールは水よりも蒸発しやすいため、１０ｋｇ中の１０～２０％（１～２ｋｇ）が水とともに蒸発する。３２℃に降温された糖化液および糖化残渣は、９，７００ｋｇに濃縮されており、含まれるフルフラールは０．０８２～０．０９３％（８～９ｋｇ）に低減される。発酵阻害物質が低減され、且つ、冷却された糖化液および糖化残渣は、次の発酵工程に供給される。
＜第二実施形態＞
　図２は、本発明の第二実施形態に係る発酵阻害物質低減装置の概略構成を示す図である。本実施形態の発酵阻害物質低減装置２０は、糖化槽１と発酵槽３との間に、真空ポンプ５を有する真空蒸発器２と、が配管を介して配設されており、さらに、真空蒸発器２からの発酵阻害物質を含む蒸気の抜出配管６と、抜出配管６内に、発酵阻害物質を含む蒸気を気液接触させるための充填物７と、が配設されている。
　本実施形態の発酵阻害物質低減装置２０は、抜出配管６と、抜出配管６内に充填物７と、が配設されている点で、図１に示す発酵阻害物質低減装置１０と相違し、その他の構成は発酵阻害物質低減装置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。
　抜出配管６は、真空蒸発器２の上部に配設されており、真空蒸発器２において蒸発された発酵阻害物質を含む蒸気を排出するための配管である。抜出配管６に特別な制限はない。
　充填物７は、抜出配管６の内部に配設されており、発酵阻害物質を含む蒸気を気液接触させて濃縮するためのものである。充填物７に特別な制限はないが、例えば、金属やプラスティック製の規則充填物、ホウケイガラス製のラシヒリングなどが好ましい。
　次に、図２に示す発酵阻害物質低減装置２０を用いた発酵阻害物質低減方法の一例について説明する。
　真空蒸発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。真空蒸発工程において抜出された発酵阻害物質を含む蒸気は、抜出配管６から排出される。このとき、発酵阻害物質は、水よりも優先的に蒸発されるが、充填物７により気液接触させることで、発酵阻害物質の水に対する蒸発の優先度をさらに高めることができる。
＜第三実施形態＞
　図３は、本発明の第三実施形態に係る発酵阻害物質低減装置の概略構成を示す図である。本実施形態の発酵阻害物質低減装置３０は、糖化槽１と発酵槽３との間に、真空ポンプ５を有する真空蒸発器２と、が配管を介して配設されており、真空蒸発器２の上部に抜出配管６と、抜出配管６内に充填物７とが配設されている。さらに、抜出配管６の先に、発酵阻害物質を含む蒸気を冷却し凝縮するためのコンデンサ８と、発酵槽３の後に、発酵液および発酵残渣を分離するための固液分離装置９と、固液分離装置９で分離された発酵残渣を糖化槽へ投入する返送管１１と、発酵残渣に含まれる発酵生成物を回収するために、コンデンサ８で凝縮された液及び真空ポンプ５の吐出流体を蒸留塔に導入する配管１２と、が配設されている。
　本実施形態の発酵阻害物質低減装置３０は、抜出配管６の先にコンデンサ８と、固液分離装置９と、返送管１１と、配管１２と、が配設されている点で、図３に示す発酵阻害物質低減装置２０と相違し、その他の構成は発酵阻害物質低減装置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。
　コンデンサ８は、抜出配管６の先に配設されており、発酵阻害物質を含む蒸気を冷却し凝縮するための装置であり、特別な制限はない。
　固液分離装置９は、発酵液および発酵残渣を分離するための装置であり、特別な制限はない。
　発酵液には、未反応の単糖及びオリゴ糖、並びに発酵生成物が含まれている。
　発酵生成物とは、リグノセルロース系バイオマスから得られた単糖及びオリゴ糖を酵母が摂取することにより生成された化合物を意味し、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好ましく、エタノールが最も好ましい。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。
　発酵液は配管を介してポンプにより、蒸留塔１３へ送液される。
　発酵残渣には、未発酵の単糖及びオリゴ糖、セルロース、ヘミセルロース、リグニン等が含まれており、リグニンには糖化酵素が吸着している。
　返送管１１は、固液分離装置９により分離された発酵残渣を糖化槽１へ投入するための配管であり、特別な制限はない。
　配管１２は、発酵残渣に含まれる発酵生成物を回収するために、コンデンサ８で凝縮された液及び真空ポンプ５の吐出流体を蒸留塔１３に導入するための配管であり、特別な制限はない。
　次に、図３に示す発酵阻害物質低減装置３０を用いた発酵阻害物質低減方法の一例について説明する。
　気液接触工程を行うところまでは、第二実施形態と同様である。気液接触工程後、気液接触により発酵阻害物質が濃縮された蒸気をコンデンサ８により冷却し、凝縮されることで、糖化液中の発酵阻害物質が低減される。
　また、真空蒸発工程を経た糖化液および糖化残渣は、発酵槽３へ酵母と共に投入され、発酵工程が行われる。このとき、糖化残渣中には酵素が含まれているため、糖化工程を同時に行ってもよい。発酵工程で得られた発酵液及び発酵残渣は固液分離装置９に投入され、分離する。分離された発酵液は、蒸留塔１３へ送役され、次の蒸留工程に用いられる。
一方、分離された発酵残渣は糖化槽に投入され、再利用される。上述の通り、発酵残渣には、未発酵の単糖及びオリゴ糖、セルロース、ヘミセルロース、リグニン等が含まれており、リグニンには糖化酵素が吸着しているため、糖化工程において活用することができる。
また、発酵残渣には、発酵生成物の一部が混入しており、揮発性を有するアルコール等の発酵生成物は、真空蒸発工程において蒸発して、発酵阻害物質と共にコンデンサ８で凝縮された液及び真空ポンプ５の吐出流体に含まれる。従って、それら発酵生成物を回収する為に、コンデンサ８で凝縮された液及び真空ポンプ５の吐出流体をそれぞれ配管１２ａ及び配管１２ｂを介して蒸留塔に導入する。
　本発明の発酵阻害物質低減装置および発酵阻害物質低減方法は、リグノセルロース系バイオマスから化合物を製造する装置および方法について好適に用いられ、糖化反応の後であって、発酵反応の前に実施されることが好ましい。
　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。
＜実施例１＞
　フルフラールの低減量について、プロセスシミュレータＰＲＯＩＩ（インベンシス社製）を用いて、下記［表１］の条件により算出した。［表１］中、「Ｍｉｘｅｄ」とは、液体と気体が混ざっている状態を示している。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　図４は、本実施例における発酵阻害物質低減装置の概略構成を示す図である。［表１］中のＳ１～Ｓ５は図５中のＳ１～Ｓ５に対応する。［表１］に示したように、常圧（１０１．３ｋＰａ）において、５０．０℃の糖化液（Ｓ１）を１００，０００ｋｇ／ｈｒの流量で蒸発器に供給し、糖化液が３２．０℃になるように４．８ｋＰａＡに減圧し、沸点降下により蒸発を行う。このとき、水とフルフラールとの混合物の蒸発量は、３，１２３ｋｇ／ｈｒである。
　フルフラールは、糖化液１００，０００ｋｇ中に０．１５０重量％（１５０ｋｇ）含まれており、蒸発器で蒸発する量は、２５ｋｇである。
　したがって、濃縮糖化液（Ｓ３）のフルフラール量は１２５ｋｇ（＝１５０ｋｇ－２５ｋｇ）となり、濃縮糖化液中のフルフラール濃度は０．１２９重量％まで低減された。また、当初糖化液に含まれていたフルフラールのうち、約１７％（＝２５ｋｇ／１５０ｋｇ×１００）低減された。
＜実施例２＞
　フルフラールの低減量について、実施例１と同様にプロセスシミュレータＰＲＯＩＩを用いて、下記［表２］の条件により算出した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　濃縮糖化液（Ｓ３）のフルフラール量は１２２ｋｇ（＝１５０ｋｇ－２８ｋｇ）となり、濃縮糖化液中のフルフラール濃度は０．１２６重量％まで低減された。また、当初糖化液に含まれていたフルフラールのうち、約１９％（＝２８ｋｇ／１５０ｋｇ×１００）低減された。
＜比較例１＞
　フルフラールの低減量について、実施例１と同様にプロセスシミュレータＰＲＯＩＩを用いて、下記［表３］の条件により算出した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
　濃縮糖化液（Ｓ３）のフルフラール量は１３５ｋｇ（＝１５０ｋｇ－１５ｋｇ）となり、濃縮糖化液中のフルフラール濃度は０．１３７重量％まで低減された。また、当初糖化液に含まれていたフルフラールのうち、１０％（＝１５ｋｇ／１５０ｋｇ×１００）低減された。
　実施例１、２および比較例１の結果から、圧力を４．８ｋＰａＡより高真空にすることにより、３２℃以下に濃縮糖化液の温度を下げることができ、さらに、フルフラール濃度は発酵を阻害しない程度の濃度まで低減できることが明らかとなった。
　以上の結果から、本発明の発酵阻害物質低減装置および発酵阻害物質低減方法によれば、真空蒸発することで簡易に糖化液及び糖化残渣の温度を下げて発酵を開始することができ、さらに、水と共沸することで糖化液中の発酵阻害物質を低減できることが明らかとなった。
　本発明の発酵阻害物質低減装置及び発酵阻害物質低減方法によれば、真空蒸発することで簡易に糖化液及び糖化残渣の温度を下げて発酵を開始することができ、さらに、水と共沸することで糖化液中の発酵阻害物質を低減することができる。
　１…糖化槽、２…真空蒸発器、３…（糖化）発酵槽、４…デミスター、５…真空ポンプ、６…抜出配管、７…充填物、８…コンデンサ、９…固液分離装置、１０，２０，３０…発酵阻害物質低減装置、１１…返送管、１２，１２ａ，１２ｂ…配管、１３…蒸留塔

Claims (8)

  1. 　リグノセルロース系バイオマス中の発酵阻害物質低減装置であって、
    　糖化槽と発酵槽との間に、発酵阻害物質を低減させ、且つ、前記糖化槽で生成された糖化液及び糖化残渣を３２℃以下に冷却するための真空ポンプを有する真空蒸発器を備えることを特徴とする発酵阻害物質低減装置。
  2. 　さらに、前記真空蒸発器からの発酵阻害物質を含む蒸気の抜出配管と、
    前記抜出配管内に、発酵阻害物質を含む蒸気を気液接触させるための充填物と、
    を備える請求項１に記載の発酵阻害物質低減装置。
  3. 　さらに、前記抜出配管の先に、発酵阻害物質を含む蒸気を冷却し凝縮するためのコンデンサと、
    前記発酵槽後に、発酵液および発酵残渣を分離するための固液分離装置と、
    前記固液分離装置で分離された発酵残渣を糖化槽へ投入する返送管と、
    前記発酵残渣に含まれる発酵生成物を回収するために、
    前記コンデンサで凝縮された液及び前記真空ポンプの吐出流体を蒸留塔に導入する配管と、
    を備える請求項２に記載の発酵阻害物質低減装置。
  4. 　低減される発酵阻害物質がフルフラールである請求項１～３のいずれか一項に記載の発酵阻害物質低減装置。
  5. 　リグノセルロース系バイオマス中の発酵阻害物質低減方法であって、
    　真空下で、糖化工程で生成された糖化液及び糖化残渣に含まれる発酵阻害物質を蒸発させて低減させ、且つ、前記糖化工程で生成された糖化液及び糖化残渣を３２℃以下に冷却する真空蒸発工程を有することを特徴とする発酵阻害物質低減方法。
  6. 　さらに、前記真空蒸発工程において抜出された発酵阻害物質を含む蒸気を充填物により気液接触させる工程を有する請求項５に記載の発酵阻害物質低減方法。
  7. さらに、前記気液接触工程において発酵阻害物質が濃縮された蒸気をコンデンサにより冷却し、凝縮する工程と、
    発酵液及び発酵残渣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発酵残渣を糖化槽に投入する工程と、
    　前記発酵残渣に含まれる発酵生成物を回収するために、前記コンデンサで凝縮された液及び前記真空ポンプの吐出流体を蒸留塔に導入する工程と、
    を有する請求項６に記載の発酵阻害物質低減方法。
  8. 　低減される発酵阻害物質がフルフラールである請求項５～７のいずれか一項に記載の発酵阻害物質低減方法。
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