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JP2015139380A - Method for producing sugars from herbaceous biomass or woody biomass and method for producing ethanol from sugars - Google Patents

Method for producing sugars from herbaceous biomass or woody biomass and method for producing ethanol from sugars Download PDF

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JP2015139380A
JP2015139380A JP2014012422A JP2014012422A JP2015139380A JP 2015139380 A JP2015139380 A JP 2015139380A JP 2014012422 A JP2014012422 A JP 2014012422A JP 2014012422 A JP2014012422 A JP 2014012422A JP 2015139380 A JP2015139380 A JP 2015139380A
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biomass
alkali treatment
ethanol
solution
solid
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JP2014012422A
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Japanese (ja)
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敬道 副島
Takamichi Soejima
敬道 副島
屋祢下 亮
Akira Yaneshita
亮 屋祢下
斎藤 祐二
Yuji Saito
祐二 斎藤
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Taisei Corp
Original Assignee
Taisei Corp
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Abstract

【課題】草本系バイオマス又は木質系バイオマス中に含まれる、エタノール製造の原料として利用できる糖成分を十分有効に利用する。【解決手段】草本系バイオマス及び/又は木質系バイオマスをアルカリ溶液に接触させるアルカリ処理工程、上記アルカリ処理工程の後の溶液又はスラリーに酸を加えてpHを調整する工程、pH調整後の溶液又はスラリーにアミラーゼを作用させ当該溶液又は当該スラリーに含まれるデンプンを加水分解するアミラーゼ処理工程を含む。【選択図】図1A sugar component contained in a herbaceous biomass or a woody biomass that can be used as a raw material for ethanol production is used sufficiently effectively. An alkaline treatment step in which a herbaceous biomass and / or a woody biomass is contacted with an alkali solution, a step of adjusting pH by adding an acid to a solution or slurry after the alkali treatment step, a solution after pH adjustment, or It includes an amylase treatment step in which amylase is allowed to act on the slurry to hydrolyze the solution or starch contained in the slurry. [Selection] Figure 1

Description

本発明は、草本系バイオマス又は木質系バイオマス中を原料として糖を製造する方法及び製造された糖からエタノールを製造する方法に関するものである。   The present invention relates to a method for producing sugar from herbaceous biomass or woody biomass and a method for producing ethanol from the produced sugar.

近年、化石資源に依存しないカーボンニュートラルな液体燃料としてバイオエタノールが注目されており、様々なバイオマスを対象としたエタノールの製造技術が提案されている。   In recent years, bioethanol has attracted attention as a carbon-neutral liquid fuel that does not depend on fossil resources, and ethanol production technologies for various biomass have been proposed.

バイオマス中のセルロースからエタノールを製造する際には、バイオマスに含まれるセルロースやヘミセルロースを加水分解して、単糖やオリゴ糖に糖化する。草本系・木質系バイオマスに含まれるセルロースやヘミセルロースの糖化方法として、セルラーゼ等の加水分解酵素を利用する酵素法が知られている。酵素法においては、草本系・木質系バイオマスに含まれるセルロースやヘミセルロースを酵素により加水分解する前に、草本系・木質系バイオマスをアルカリ溶液に浸漬する処理(アルカリ処理)を施すことがある。このアルカリ処理によれば、草本系・木質系バイオマスの構造を緩和して、草本系・木質系バイオマスに含まれるセルロースやヘミセルロースに対して加水分解酵素が効果的に作用し、糖化効率を向上させることができる。   When ethanol is produced from cellulose in biomass, cellulose and hemicellulose contained in biomass are hydrolyzed to saccharify into monosaccharides and oligosaccharides. As a saccharification method for cellulose and hemicellulose contained in herbaceous / woody biomass, an enzymatic method using a hydrolase such as cellulase is known. In the enzymatic method, before the cellulose or hemicellulose contained in the herbaceous / woody biomass is hydrolyzed by the enzyme, a treatment (alkali treatment) of immersing the herbaceous / woody biomass in an alkaline solution may be performed. According to this alkali treatment, the structure of herbaceous / woody biomass is relaxed and hydrolyzing enzymes effectively act on cellulose and hemicellulose contained in herbaceous / woody biomass to improve saccharification efficiency. be able to.

例えば、特開2012−85544号公報(特許文献1)には、稲わらなどの草本系バイオマスをペレット化し、ペレット化された草本系バイオマスを水酸化ナトリウムなどのアルカリ溶液と混合するアルカリ処理工程を含む、バイオマスを原料としたエタノール製造方法が開示されている。この方法では、アルカリ処理において、アルカリ溶液量に対する草本系バイオマスのペレット量を5〜20%としている。また、この方法ではアルカリ処理の後、草本系バイオマスを含むアルカリ溶液に、硫酸などの酸を添加して中和した後、セルラーゼ等の加水分解酵素を作用させ、草本系バイオマス中のセルロースを単糖まで分解している。   For example, JP 2012-85544 A (Patent Document 1) discloses an alkali treatment step in which herbaceous biomass such as rice straw is pelletized and the pelletized herbaceous biomass is mixed with an alkali solution such as sodium hydroxide. An ethanol production method using biomass as a raw material is disclosed. In this method, in the alkali treatment, the amount of herbaceous biomass pellets with respect to the amount of the alkaline solution is set to 5 to 20%. In this method, after alkali treatment, an acid such as sulfuric acid is added to neutralize an alkaline solution containing herbaceous biomass, and then a hydrolase such as cellulase is allowed to act on the cellulose in the herbaceous biomass. Even sugar is broken down.

特開2012−85544号公報(特許文献1)には、さらに、アルカリ溶液の酸による中和に先立ってアルカリ溶液を固液分離して固体成分を回収し、その後、固体成分を酸性溶液に浸漬して中和してもよいことが開示されている。また、特開2012−85544号公報(特許文献1)には、アルカリ処理後の草本系バイオマスを原料としてセルラーゼ生成菌とエタノール発酵菌とを同一の系で作用させ、セルラーゼ生成菌による糖化とエタノール発酵菌によるエタノール生成と同時に行うことで(同時糖化発酵、同時発酵とも称す)、エタノールを生成してもよいということが開示されている。   In JP 2012-85544 A (Patent Document 1), prior to neutralization of an alkaline solution with an acid, the alkaline solution is solid-liquid separated to recover a solid component, and then the solid component is immersed in an acidic solution. And may be neutralized. Further, JP 2012-85544 A (Patent Document 1) discloses that cellulase-producing bacteria and ethanol-fermenting bacteria act in the same system using herbaceous biomass after alkali treatment as a raw material, and saccharification and ethanol by cellulase-producing bacteria. It is disclosed that ethanol may be produced by carrying out simultaneously with ethanol production by fermenting bacteria (also called simultaneous saccharification and fermentation).

また、例えば、特開2011−4730号公報(特許文献2)には、粉砕したリグノセルロース系バイオマスを水酸化カルシウム溶液で混合することでスラリーを調製してアルカリ処理を行い、その後二酸化炭素を通気すること及び/又は加圧することによって中和し、pHを5〜7に低下させる方法が開示されている。特開2011−4730号公報(特許文献2)には、アルカリ処理に使用した水酸化カルシウムを中和する際に二酸化炭素を使用するため、中和によって生成する炭酸カルシウムの溶解性が極めて低く、反応系内に残存しても酵素反応や微生物発酵時の塩阻害の原因となりにくいことが指摘されている。   Further, for example, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2011-4730 (Patent Document 2), a slurry is prepared by mixing pulverized lignocellulosic biomass with a calcium hydroxide solution to perform alkali treatment, and then carbon dioxide is aerated. And / or pressurizing to neutralize and lower the pH to 5-7. JP 2011-4730 (Patent Document 2) uses carbon dioxide when neutralizing calcium hydroxide used for alkali treatment, so the solubility of calcium carbonate produced by neutralization is extremely low. It has been pointed out that even if it remains in the reaction system, it does not easily cause salt inhibition during enzyme reaction or microbial fermentation.

さらに、特表2013−515484号公報(特許文献3)には、アンモニアで前処理したバイオマスを、セルラーゼやアミラーゼ等の糖化酵素とザイモモナス属微生物等のエタノール生産菌とにより同時糖化発酵させる方法が開示されている。   Furthermore, JP 2013-515484 A (Patent Document 3) discloses a method of simultaneously saccharifying and fermenting biomass pretreated with ammonia with a saccharifying enzyme such as cellulase or amylase and an ethanol-producing bacterium such as Zymomonas microorganism. Has been.

特開2012−85544号公報JP 2012-85544 A 特開2011−4730号公報JP 2011-4730 A 特表2013−515484号公報Special table 2013-515484 gazette

しかしながら、上述したような従来公知の技術では、バイオマスを構成する各種糖成分のうちエタノール製造の原料として利用できる糖成分を十分有効に利用しておらず、バイオマス量あたりのエタノール生産量が少ないといった問題があった。そこで、本発明は、草本系バイオマス又は木質系バイオマス中に含まれる、エタノール製造の原料として利用できる糖成分を十分有効に利用することで、バイオマス量あたりのエタノール生産量(エタノール収率)を大幅に向上させることを目的とする。   However, in the conventionally known technology as described above, among the various sugar components constituting the biomass, the sugar component that can be used as a raw material for ethanol production is not sufficiently utilized, and the amount of ethanol produced per biomass amount is small. There was a problem. Therefore, the present invention significantly increases the ethanol production amount (ethanol yield) per biomass amount by sufficiently effectively using the sugar component that can be used as a raw material for ethanol production contained in herbaceous biomass or woody biomass. The purpose is to improve.

上述した目的を達成するため本発明者らが鋭意検討した結果、アルカリ溶液を用いて草本系バイオマス又は木質系バイオマスをアルカリ処理した後、溶液には糊化したデンプンが含まれており、これをエタノール製造に有効利用できることを見いだし、本発明を完成するに至った。   As a result of intensive studies by the present inventors in order to achieve the above-mentioned object, after the herbaceous biomass or woody biomass is alkali-treated with an alkaline solution, the solution contains gelatinized starch. It has been found that it can be effectively used for ethanol production, and the present invention has been completed.

本発明に係る糖又はエタノールの製造方法は、草本系バイオマス及び/又は木質系バイオマスをアルカリ溶液に接触させるアルカリ処理工程、上記アルカリ処理工程の後の溶液又はスラリーに酸を加えてpHを調整する工程、pH調整後の溶液又はスラリーにアミラーゼを作用させ当該溶液又は当該スラリーに含まれるデンプンを加水分解するアミラーゼ処理工程を含む。   In the method for producing sugar or ethanol according to the present invention, the pH is adjusted by adding an acid to the alkali treatment step in which the herbaceous biomass and / or the woody biomass is brought into contact with the alkali solution, and the solution or slurry after the alkali treatment step. The step includes an amylase treatment step in which amylase is allowed to act on the solution or slurry after pH adjustment to hydrolyze starch contained in the solution or the slurry.

本発明に係る糖又はエタノールの製造方法では、上記アルカリ処理工程の後に固液分離して得られた溶液に酸を加えてpHを調整しても良いし、上記アルカリ処理工程の後に固液分離することなくスラリーに酸を加えてpHを調整しても良い。また、本発明に係る糖又はエタノールの製造方法では、上記アルカリ処理工程の後に固液分離して得られた溶液を、再度、アルカリ処理工程のアルカリ溶液として繰り返し使用し、所定の繰り返し回数で使用した溶液に酸を加えてpHを調整しても良い。なお、このとき、上記アルカリ処理工程の後に固液分離して得られた溶液にアルカリを補充し、アルカリを補充した溶液を次のアルカリ処理工程に使用することが好ましい。   In the method for producing sugar or ethanol according to the present invention, the pH may be adjusted by adding an acid to the solution obtained by solid-liquid separation after the alkali treatment step, or solid-liquid separation after the alkali treatment step. Alternatively, the pH may be adjusted by adding an acid to the slurry. In the method for producing sugar or ethanol according to the present invention, the solution obtained by solid-liquid separation after the alkali treatment step is repeatedly used as the alkali solution in the alkali treatment step, and used at a predetermined number of repetitions. The pH may be adjusted by adding an acid to the solution. At this time, it is preferable that the solution obtained by solid-liquid separation after the alkali treatment step is supplemented with alkali, and the solution supplemented with alkali is used in the next alkali treatment step.

上記pH調整を行った、溶液、スラリー、所定の繰り返し回数で使用した溶液、いずれもアミラーゼ処理工程において、アミラーゼを作用させてデンプンを加水分解し、糖を得ることができる。   In the amylase treatment step, any of the solutions, slurries, and solutions used at a predetermined number of repetitions that have undergone the above pH adjustment can be subjected to amylase to hydrolyze starch to obtain sugar.

また、本発明に係る糖又はエタノールの製造方法では、上記アルカリ処理工程の後の固形分をセルラーゼと接触させて当該固形分由来の糖成分を得る工程を更に含んでいても良い。このとき、上記アルカリ処理工程の後に固液分離して得られる固形分に酸を加えてpHを調整後にセルラーゼを接触させて糖成分を得ても良いし、上記アルカリ処理工程の後に固液分離することなく酸を加えてpHを調整後にセルラーゼを接触させて糖成分を得ても良い。   Moreover, in the manufacturing method of the saccharide | sugar or ethanol which concerns on this invention, the process of making the solid content after the said alkali treatment process contact cellulase and obtaining the saccharide | sugar component derived from the said solid content may be further included. At this time, acid may be added to the solid content obtained by solid-liquid separation after the alkali treatment step to adjust the pH, and then the cellulase may be contacted to obtain a sugar component, or solid-liquid separation after the alkali treatment step. Without adjusting the pH, the sugar component may be obtained by contacting the cellulase after adjusting the pH.

一方、本発明に係る糖又はエタノールの製造方法では、上記アミラーゼ処理工程で得られた糖成分を利用したアルコール発酵によりエタノールを生成する発酵工程を更に含むことができる。なお、このエタノールを生成する発酵工程では、上記アルカリ処理工程の後の固形成分をセルラーゼにより加水分解して得られた糖成分もアルコール発酵の原料とすることができる。   On the other hand, the sugar or ethanol production method according to the present invention may further include a fermentation step of producing ethanol by alcohol fermentation using the sugar component obtained in the amylase treatment step. In addition, in the fermentation process which produces | generates this ethanol, the saccharide | sugar component obtained by hydrolyzing the solid component after the said alkali treatment process with a cellulase can also be used as the raw material of alcohol fermentation.

また、特に、本発明に係る糖又はエタノールの製造方法では、上記アルカリ処理工程の後の固形成分をセルラーゼにより加水分解するセルラーゼ処理工程と、セルラーゼ処理により得られた糖成分及び上記アミラーゼ処理工程で得られた糖成分を利用した上記発酵工程とを同時に(換言すると同一反応系で)行い、エタノールを生成することができる。さらに、本発明に係る糖又はエタノールの製造方法では、上記アルカリ処理工程の後の固形成分をセルラーゼにより加水分解するセルラーゼ処理工程と、上記アミラーゼ処理工程と、セルラーゼ処理により得られた糖成分及び上記アミラーゼ処理工程で得られた糖成分を利用した上記発酵工程とを同時に(換言すると同一反応系で)行い、エタノールを生成することができる。   In particular, in the method for producing sugar or ethanol according to the present invention, a cellulase treatment step for hydrolyzing a solid component after the alkali treatment step with cellulase, a sugar component obtained by the cellulase treatment, and the amylase treatment step. The fermentation process using the obtained sugar component can be performed simultaneously (in other words, in the same reaction system) to produce ethanol. Furthermore, in the method for producing sugar or ethanol according to the present invention, the cellulase treatment step for hydrolyzing the solid component after the alkali treatment step with cellulase, the amylase treatment step, the sugar component obtained by the cellulase treatment, and the above The fermentation process using the sugar component obtained in the amylase treatment process can be performed simultaneously (in other words, in the same reaction system) to produce ethanol.

なお、本発明に係る糖又はエタノールの製造方法において、草本系バイオマス又は木質系バイオマスのアルカリ処理に用いたアルカリ溶液にはリグニンやデンプン、オリゴ糖などが溶出しており、アルカリ溶液をアルカリ処理にリサイクルする回数が多いほど、アルカリ溶液中のリグニンやデンプン、オリゴ糖などの濃度が高くなる。リグニンは燃料としての利用が可能であり、デンプン及びオリゴ糖は単糖に分解することで酵母などの微生物によりエタノール製造の原料として利用できる。しかるに、リグニンが存在すると、セルラーゼによりオリゴ糖を酵母などの微生物が利用しやすい単糖に分解することが困難であるが、本発明の好ましい実施態様によれば、アルカリ処理工程にリサイクルして、草本系バイオマス又は木質系バイオマスのアルカリ処理に所定回数にわたって用いたアルカリ溶液に酸を添加して例えばpHを6以下にし、酸不溶性のリグニンを析出させて分離し、リグニンを回収するように構成されている。   In the method for producing sugar or ethanol according to the present invention, lignin, starch, oligosaccharides and the like are eluted in the alkaline solution used for the alkaline treatment of herbaceous biomass or woody biomass, and the alkaline solution is subjected to alkaline treatment. The greater the number of recycles, the higher the concentration of lignin, starch, oligosaccharide, etc. in the alkaline solution. Lignin can be used as a fuel, and starch and oligosaccharides can be used as raw materials for ethanol production by microorganisms such as yeast by breaking down into monosaccharides. However, when lignin is present, it is difficult to decompose oligosaccharides into monosaccharides that can be easily used by microorganisms such as yeast by cellulase, but according to a preferred embodiment of the present invention, recycling to an alkali treatment step, An acid is added to an alkali solution used for alkali treatment of herbaceous biomass or woody biomass over a predetermined number of times, for example, pH is adjusted to 6 or less, acid-insoluble lignin is precipitated and separated, and lignin is recovered. ing.

本発明のさらに好ましい実施態様においては、析出したリグニンを分離した後のデンプン及びオリゴ糖が溶出した液を酵素が供給される糖化槽に供給して、デンプン及びオリゴ糖を単糖化し、得られた単糖を酵母が存在する発酵槽に供給して、発酵させて、エタノールを生成し、又は、酵素及び酵母が存在する同時糖化発酵槽に供給して、単糖化して、発酵させ、エタノールを生成するように構成されている。   In a further preferred embodiment of the present invention, the solution obtained by separating the precipitated lignin and then eluting the starch and oligosaccharide is supplied to a saccharification tank to which the enzyme is supplied, and the starch and oligosaccharide are monosaccharideized. To the fermenter in which the yeast is present and fermented to produce ethanol, or to the simultaneous saccharification and fermenter in which the enzyme and the yeast are present to monosaccharide, ferment, and ethanol Is configured to generate

本発明において、アルカリ物質はとくに限定されるものではなく、たとえば、水酸化ナトリム、水酸化カルシウムなどの他のアルカリ物質を用いることができる。   In the present invention, the alkaline substance is not particularly limited, and other alkaline substances such as sodium hydroxide and calcium hydroxide can be used.

本発明によれば、草本系バイオマス又は木質系バイオマス中に含まれる、エタノール製造の原料として利用できる糖成分を十分有効に利用することで、バイオマス量あたりのエタノール生産量(エタノール収率)を大幅に向上することが可能になる。   According to the present invention, the amount of ethanol produced per biomass (ethanol yield) can be greatly increased by sufficiently effectively using the sugar component that can be used as a raw material for ethanol production contained in herbaceous biomass or woody biomass. It becomes possible to improve.

本発明に係る糖又はエタノールの製造方法を適用したシステムの一形態を模式的に示す構成図である。It is a lineblock diagram showing typically one form of the system to which the manufacturing method of sugar or ethanol concerning the present invention is applied. 本発明に係る糖又はエタノールの製造方法を適用したシステムの他の形態を模式的に示す構成図である。It is a block diagram which shows typically the other form of the system to which the manufacturing method of the saccharide | sugar or ethanol which concerns on this invention is applied. 本発明に係る糖又はエタノールの製造方法を適用したシステムの更に他の形態を模式的に示す構成図である。It is a block diagram which shows typically the further another form of the system to which the manufacturing method of the saccharide | sugar or ethanol which concerns on this invention is applied. 本実施例で行った糖化試験におけるグルコース濃度の経時変化を示す特性図である。It is a characteristic view which shows a time-dependent change of the glucose concentration in the saccharification test performed in the present Example.

本発明に係る糖又はエタノールの製造方法とは、草本系バイオマス又は木質系バイオマス(以下、単にバイオマスと称する場合もある)を原料として糖を製造する、或いは草本系バイオマス又は木質系バイオマスを原料として製造した糖からエタノールを製造する方法を含む意味である。本発明に係る糖又はエタノールの製造方法を適応したシステムを図1に模式的に示す。図1に示すように、本システムは、バイオマスに対するアルカリ処理を行うアルカリ処理槽1と、アルカリ処理槽1でアルカリ処理したバイオマスに対して固液分離を行う固液分離装置2と、固液分離装置2で分離された液分(溶液)に酸を加えて所定のpHとするpH調整槽3と、pH調整槽3にて所定のpHとされた溶液に対してアミラーゼ処理を行うアミラーゼ処理槽4と、固液分離装置2で分離された固形分に酸を加えて所定のpHのスラリーとするpH調整槽5と、pH調整槽5にて所定のpHとされたスラリーとアミラーゼ処理槽4でアミラーゼ処理された溶液とセルラーゼとアルコール発酵能を有する微生物とを利用して糖化とアルコール発酵とを行う同時糖化発酵槽6とを備える。   The method for producing sugar or ethanol according to the present invention is to produce sugar from herbaceous biomass or woody biomass (hereinafter sometimes simply referred to as biomass), or from herbaceous biomass or woody biomass as a raw material. It means to include a method for producing ethanol from the produced sugar. A system to which the method for producing sugar or ethanol according to the present invention is applied is schematically shown in FIG. As shown in FIG. 1, this system includes an alkali treatment tank 1 that performs an alkali treatment on biomass, a solid-liquid separation device 2 that performs solid-liquid separation on biomass that has been alkali-treated in the alkali treatment tank 1, and a solid-liquid separation. A pH adjusting tank 3 that adds acid to the liquid (solution) separated by the apparatus 2 to a predetermined pH, and an amylase processing tank that performs an amylase treatment on the solution adjusted to a predetermined pH in the pH adjusting tank 3 4, a pH adjustment tank 5 in which acid is added to the solid content separated by the solid-liquid separator 2 to obtain a slurry having a predetermined pH, and the slurry adjusted to a predetermined pH in the pH adjustment tank 5 and the amylase treatment tank 4. And a simultaneous saccharification and fermentation tank 6 that performs saccharification and alcohol fermentation using cellulase and a microorganism having alcohol fermentation ability.

特に、図1に示したシステムでは、固液分離装置2で分離された溶液をアルカリ処理槽1に戻し、再び、アルカリ処理槽1におけるアルカリ処理に使用することができる。言い換えると、図1に示したシステムでは、通常バッチ処理で行われるアルカリ処理及びその後の固液分離において、所定のバッチで得られた液分(溶液)を当該所定のバッチより後のバッチで再利用することができる。固液分離で得られた液分を再利用する際、所望のアルカリ濃度となるようにアルカリを補充することができ、アルカリを補充した液分をアルカリ処理槽1に供給してアルカリ処理を行うことができる。なお、固液分離により得られた液分の再利用回数は特に限定されない。   In particular, in the system shown in FIG. 1, the solution separated by the solid-liquid separator 2 can be returned to the alkali treatment tank 1 and used again for the alkali treatment in the alkali treatment tank 1. In other words, in the system shown in FIG. 1, the liquid (solution) obtained in a given batch is reused in a batch after the given batch in the alkali treatment and subsequent solid-liquid separation that are normally performed in the batch process. Can be used. When the liquid obtained by solid-liquid separation is reused, the alkali can be replenished so as to have a desired alkali concentration, and the alkali replenished liquid is supplied to the alkali treatment tank 1 for alkali treatment. be able to. In addition, the frequency | count of reuse of the liquid obtained by solid-liquid separation is not specifically limited.

ここで、草本系バイオマスとは、原料として草本類を主成分とするものを意味する。草本系バイオマスとしては、特に限定されるものではなく、例えば、草本自体、草本の一部、草本の処理物、又は草本由来の生成物等を挙げることができる。より具体的に、草本系バイオマスとしては、稲、麦、バガス、竹、コーンストーバー、スイッチグラス、芝、籾殻、各種雑草、大豆皮等を挙げることができる。草本系バイオマスは、1種類の草本類からなるものであってもよいし、複数種の草本類からなるものであってもよい。なお、草本系バイオマスとしては、原料である草本類に対して所望の圧力を付加することで所定の形状に成形したペレットを使用しても良い。   Here, the herbaceous biomass means a material mainly composed of herbs as a raw material. The herbaceous biomass is not particularly limited, and examples thereof include herbs themselves, a part of herbs, processed herbs, and herb-derived products. More specifically, examples of herbaceous biomass include rice, wheat, bagasse, bamboo, corn stover, switch grass, turf, rice husk, various weeds, soybean hulls, and the like. The herbaceous biomass may be composed of one kind of herb or a plurality of kinds of herb. In addition, as herbaceous biomass, you may use the pellet shape | molded by applying desired pressure with respect to the grass which is a raw material.

また、木質系バイオマスは、木質資源であれば特に限定されるものではなく、例えば建設廃木材、廃梱包材、伐採材、おが屑、間伐材、木材チップ、稲わら、樹皮、林地残材、未利用樹、背板などが挙げられる。木質系バイオマスは、1種類の木質資源からなるものであってもよいし、複数種の木質資源からなるものであってもよい。   In addition, woody biomass is not particularly limited as long as it is a woody resource. For example, construction waste wood, waste packing materials, logging materials, sawdust, thinned wood, wood chips, rice straw, bark, forest land residue, Use trees, backboards, etc. The woody biomass may be composed of one kind of woody resource, or may be composed of a plurality of kinds of woody resources.

ところで、本発明に係る糖又はエタノールの製造方法は、図2に模式的に示したようなシステムとすることもできる。図2に示すシステムでは、pH調整槽5において固形分に酸を加えて所定のpHのスラリーとした後、得られたスラリーに対して固液分離するものである。すなわち、図2に示すシステムは、pH調整槽5においてpH調整した後のスラリーについて固液分離する固液分離装置7を備えている。図2に示したシステムでは、固液分離装置7で分離した固形分を同時糖化発酵槽6に供給するとともに、固液分離装置7で分離した液分をpH調整槽5に戻して再利用する。   By the way, the method for producing sugar or ethanol according to the present invention can be a system as schematically shown in FIG. In the system shown in FIG. 2, an acid is added to the solid content in the pH adjusting tank 5 to obtain a slurry having a predetermined pH, and then the obtained slurry is subjected to solid-liquid separation. That is, the system shown in FIG. 2 includes a solid-liquid separation device 7 that performs solid-liquid separation on the slurry after pH adjustment in the pH adjustment tank 5. In the system shown in FIG. 2, the solid content separated by the solid-liquid separation device 7 is supplied to the simultaneous saccharification and fermentation tank 6, and the liquid content separated by the solid-liquid separation device 7 is returned to the pH adjustment tank 5 and reused. .

以上のように図1又は図2に示すように構成されたシステムでは、草本系バイオマス及び/又は木質系バイオマスに対してアルカリ処理した後、液分に含まれるデンプンをアミラーゼにより加水分解している。すなわち、本システムによれば、原料のバイオマスに含まれるデンプンを糖化することで、デンプンに由来する糖を有効に利用することができる。本システムでは、バイオマスに含まれるデンプンをアルカリ処理により糊化しているため、糊化のために加熱処理等を必要とせず、デンプンを加水分解することができる。   As described above, in the system configured as shown in FIG. 1 or FIG. 2, the starch contained in the liquid is hydrolyzed by amylase after the herbaceous biomass and / or the woody biomass is alkali-treated. . That is, according to this system, the saccharide | sugar derived from starch can be utilized effectively by saccharifying the starch contained in the raw material biomass. In this system, since starch contained in biomass is gelatinized by alkali treatment, starch can be hydrolyzed without requiring heat treatment or the like for gelatinization.

このように、図1又は図2に示すように構成されたシステムでは、デンプンに由来する糖、すなわちα-グルコースを炭素源として同時糖化発酵を行うことができる。これにより、同時糖化発酵開始時の糖濃度が高くなり、アルコール発酵能を有する微生物による発酵の立ち上がりを早くすることができる。また、図1又は図2に示すように構成されたシステムでは、セルロースに由来する糖に加えて、デンプンに由来する糖をアルコール発酵の炭素源として利用することができる。その結果、同時糖化発酵を短時間で行うことができ、さらにバイオマスの単位重量あたりのエタノール収率も向上することとなるため、エタノール製造のコストを大幅に削減することができる。   As described above, in the system configured as shown in FIG. 1 or FIG. 2, simultaneous saccharification and fermentation can be performed using sugar derived from starch, that is, α-glucose as a carbon source. Thereby, the sugar concentration at the time of simultaneous saccharification and fermentation start becomes high, and the start-up of fermentation by the microorganisms having alcohol fermentability can be accelerated. Moreover, in the system comprised as shown in FIG. 1 or FIG. 2, in addition to the saccharide | sugar derived from a cellulose, the saccharide | sugar derived from a starch can be utilized as a carbon source of alcohol fermentation. As a result, simultaneous saccharification and fermentation can be performed in a short time, and the ethanol yield per unit weight of biomass is also improved, so that the cost of ethanol production can be greatly reduced.

また、図1又は図2に示すように構成されたシステムでは、アルカリ処理後に固液分離して液分(アルカリ溶液)を再利用している。このように、アルカリ処理後に固液分離して得られる液分を再利用することによって、液分に含まれるデンプン成分を濃縮することができる。なお、このとき固液分離装置2によって固液分離された液分に含まれるアルカリ濃度は、アルカリ処理槽1においてアルカリ処理を行うために必要な濃度よりも低く、また溶液量そのものが少ない。したがって、本システムでは、アルカリ処理に必要な量及び/又はアルカリ濃度となるように、リサイクルする液分にアルカリを補充している。これにより、バイオマスをアルカリ処理するに際して使用するアルカリ量を、アルカリ溶液の再利用を行わない従来方法に比して低減することができる。   Further, in the system configured as shown in FIG. 1 or FIG. 2, the liquid (alkali solution) is reused by solid-liquid separation after the alkali treatment. Thus, the starch component contained in a liquid component can be concentrated by reusing the liquid component obtained by solid-liquid separation after an alkali treatment. At this time, the alkali concentration contained in the liquid component solid-liquid separated by the solid-liquid separation device 2 is lower than the concentration necessary for performing the alkali treatment in the alkali treatment tank 1, and the amount of the solution itself is small. Therefore, in this system, the liquid to be recycled is replenished with alkali so that the amount and / or alkali concentration necessary for the alkali treatment is obtained. Thereby, the amount of alkali used when the biomass is alkali-treated can be reduced as compared with the conventional method in which the alkaline solution is not reused.

ところで、本発明に係る糖又はエタノールの製造方法は、図1及び2に示したように、アルカリ処理後のバイオマスを液分と固形分とに固液分離するものに限定されるものではない。すなわち、例えば、図3に示すように、本発明に係る糖又はエタノールの製造方法は、アルカリ処理槽1と、アルカリ処理槽1にてアルカリ処理した後、固形分としてバイオマスと液分としてアルカリ溶液を含むスラリーのpHを調整するpH調整槽8と、pH調整槽8において所定のpHとしたスラリーが投入され、セルラーゼ及びアミラーゼ(同時糖化発酵の場合には更にアルコール発酵能を有する微生物)により糖化する(同時糖化発酵の場合にはアルコール発酵)酵素糖化槽9(同時糖化発酵の場合には同時糖化発酵槽9)とを備えるシステムとしてもよい。   By the way, as shown in FIGS. 1 and 2, the method for producing sugar or ethanol according to the present invention is not limited to the one that solid-liquid separates the biomass after alkali treatment into a liquid component and a solid component. That is, for example, as shown in FIG. 3, the method for producing sugar or ethanol according to the present invention comprises an alkali treatment tank 1, an alkali treatment in the alkali treatment tank 1, and then a biomass as a solid and an alkali solution as a liquid. PH adjusting tank 8 for adjusting the pH of the slurry containing sucrose, and slurry having a predetermined pH in the pH adjusting tank 8 are charged, and saccharification is performed by cellulase and amylase (microorganism having alcohol fermentation ability in the case of simultaneous saccharification and fermentation). It is good also as a system provided with the enzyme saccharification tank 9 (in the case of simultaneous saccharification fermentation, simultaneous saccharification fermentation tank 9) to perform (alcohol fermentation in the case of simultaneous saccharification fermentation).

図3に示したシステムであっても、草本系バイオマス及び/又は木質系バイオマスに対してアルカリ処理した後、液分に含まれるデンプンをアミラーゼにより加水分解している。すなわち、図3に示したシステムによれば、原料のバイオマスに含まれるデンプンを糖化することで、デンプンに由来する糖を有効に利用することができる。図3に示したシステムにおいても、バイオマスに含まれるデンプンをアルカリ処理により糊化しているため、糊化のために加熱処理等を必要とせず、デンプンを加水分解することができる。よって、図3に示すように構成されたシステムもまた、セルロースに由来する糖に加えて、デンプンに由来する糖をアルコール発酵の炭素源として利用することができる。その結果、バイオマスの単位重量あたりのエタノール収率も向上することとなるため、エタノール製造のコストを大幅に削減することができる。また、図3に示したシステムは、アルカリ処理槽1、pH調整槽8、酵素糖化槽(同時糖化発酵槽)9を同一の槽を使用して、アルカリ処理、pH調整、酵素糖化(同時糖化発酵)の各工程を順次行ってもよい。   Even in the system shown in FIG. 3, the starch contained in the liquid is hydrolyzed by amylase after the herbaceous biomass and / or the woody biomass is alkali-treated. That is, according to the system shown in FIG. 3, sugar derived from starch can be effectively used by saccharifying starch contained in raw material biomass. Also in the system shown in FIG. 3, since starch contained in biomass is gelatinized by alkali treatment, starch can be hydrolyzed without requiring heat treatment or the like for gelatinization. Therefore, the system configured as shown in FIG. 3 can also use sugar derived from starch as a carbon source for alcohol fermentation in addition to sugar derived from cellulose. As a result, since the ethanol yield per unit weight of biomass is also improved, the cost of ethanol production can be greatly reduced. In the system shown in FIG. 3, the alkali treatment tank 1, the pH adjustment tank 8, and the enzyme saccharification tank (simultaneous saccharification and fermentation tank) 9 are used in the same tank, alkali treatment, pH adjustment, enzyme saccharification (simultaneous saccharification). Each step of (fermentation) may be performed sequentially.

以下、アルカリ処理、セルロース糖化処理、デンプンの糖化処理、エタノール発酵の各工程について詳細に説明する。   Hereinafter, each process of alkali treatment, cellulose saccharification treatment, starch saccharification treatment, and ethanol fermentation will be described in detail.

<アルカリ処理(前処理)工程>
ここでアルカリ処理工程に使用されるアルカリ溶液とは、アルカリ金属やアルカリ土類金属(本発明においては第2族元素と同義)の水酸化物の水溶液を意味する。すなわち、アルカリ溶液に含まれる水酸化物としては、水酸化リチウム、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化ルビジウム、水酸化セシウム、水酸化フランシウム、水酸化ベリリウム、水酸化マグネシウム、水酸化カルシウム、水酸化ストロンチウム、水酸化バリウム、水酸化ラジウムを挙げることができる。これらのうち、後段の発酵工程における阻害の影響の観点から水酸化ナトリウム、水酸化カリウム及び水酸化カルシウムを使用することが好ましい。特に、薬剤コストや水に対する溶解性の観点から水酸化ナトリウムを使用することが好ましい。
<Alkali treatment (pretreatment) process>
Here, the alkali solution used in the alkali treatment step means an aqueous solution of a hydroxide of an alkali metal or an alkaline earth metal (synonymous with the Group 2 element in the present invention). That is, the hydroxide contained in the alkaline solution includes lithium hydroxide, sodium hydroxide, potassium hydroxide, rubidium hydroxide, cesium hydroxide, francium hydroxide, beryllium hydroxide, magnesium hydroxide, calcium hydroxide, water Examples include strontium oxide, barium hydroxide, and radium hydroxide. Of these, sodium hydroxide, potassium hydroxide, and calcium hydroxide are preferably used from the viewpoint of the influence of inhibition in the subsequent fermentation process. In particular, sodium hydroxide is preferably used from the viewpoint of drug cost and solubility in water.

セルロース系バイオマスとして草本系バイオマスを使用する場合、アルカリ水溶液のpHは、9.5〜13.5とすることができ、10〜13とすることが好ましい。また、アルカリ溶液量に対する草本系バイオマス量(仕込量)は、特に限定されないが、例えば、草本系バイオマスの乾燥重量ベースで5〜20%、望ましくは10〜15%である。   When using herbaceous biomass as cellulosic biomass, the pH of the alkaline aqueous solution can be 9.5 to 13.5, and preferably 10 to 13. The herbaceous biomass amount (feed amount) with respect to the alkaline solution amount is not particularly limited, but is, for example, 5 to 20%, desirably 10 to 15%, based on the dry weight of the herbaceous biomass.

また、アルカリ処理の温度条件としては、例えば常温以上160℃以下、望ましくは常温以上121℃以下、一例として80℃とすることができる。保持時間は、アルカリ処理の温度や草本系バイオマスの形状により設定することができ、概ね15分から24時間の範囲である。   The temperature conditions for the alkali treatment may be, for example, from room temperature to 160 ° C., preferably from room temperature to 121 ° C., for example, 80 ° C. The holding time can be set according to the temperature of the alkali treatment and the shape of the herbaceous biomass, and generally ranges from 15 minutes to 24 hours.

また、アルカリ処理工程では、草本系バイオマスをアルカリ溶液に浸透させた後、硫酸等の酸を添加することで中和する。アルカリ溶液に酸を添加した後のpHは、後述する酵素処理に適したpHとすることが好ましい。なお、酸による中和の前に固液分離処理によって、固体成分を回収し、その後、固体成分を酸性溶液に浸漬して、草本系バイオマスに含浸したアルカリを中和しても良い。   In the alkali treatment step, the herbaceous biomass is infiltrated into the alkaline solution, and then neutralized by adding an acid such as sulfuric acid. The pH after adding the acid to the alkaline solution is preferably a pH suitable for the enzyme treatment described later. Note that the solid component may be recovered by solid-liquid separation before neutralization with an acid, and then the alkali impregnated in the herbaceous biomass may be neutralized by immersing the solid component in an acidic solution.

セルロース系バイオマスとして木質系バイオマスを使用する場合、アルカリ水溶液のpHは、9.5〜13.5とすることができ、10〜13とすることが好ましく、pH11〜12.5とすることがより好ましい。アルカリ溶液の添加量は、例えば乾燥木材重量当たり重量比で2〜30%であり、望ましくは5〜20%である。所定量のアルカリ剤を含む水溶液と乾燥木材との配合比は、溶液容積100に対して木材重量5〜50とすることが好ましい。   When using woody biomass as cellulosic biomass, the pH of the alkaline aqueous solution can be 9.5 to 13.5, preferably 10 to 13, and more preferably pH 11 to 12.5. preferable. The addition amount of the alkaline solution is, for example, 2 to 30% by weight ratio per dry wood weight, and desirably 5 to 20%. The mixing ratio of the aqueous solution containing a predetermined amount of the alkali agent and the dry wood is preferably 5 to 50 wood weight with respect to 100 solution volume.

なお、アルカリ処理において、酸化剤として存在させてもよい。なお、酸化剤としては、過酸化水素、過硫酸塩、過炭酸塩、過酢酸塩、オゾン、過酸化ナトリウムなどを用いることができる。   In the alkali treatment, it may be present as an oxidizing agent. As the oxidizing agent, hydrogen peroxide, persulfate, percarbonate, peracetate, ozone, sodium peroxide, or the like can be used.

<セルロース糖化工程>
本工程では、上述したアルカリ処理工程の後の固形分に対してセルラーゼ酵素処理を行うことにより、バイオマスに含まれるセルロースをセルラーゼによりグルコースにまで分解する。なおセルラーゼとは、エンドグルカナーゼ、セロビオハイドラーゼ、β-グルコシダーゼ及びヘミセルラーゼからなる群から選ばれる少なくとも1以上の酵素を含む意味である。また、本工程では、バイオマスに含まれるヘミセルロースをマンノース、ガラクトース、キシロース、アラビノース等の単糖まで糖化してもよい。使用するセルラーゼは、セルロースを六炭糖まで糖化できるものであれば特に限定されない。また、使用するセルラーゼとしては、好ましくは更にヘミセルロースを六炭糖及び五炭糖まで糖化できるものが好ましい。例えば、セルラーゼは、植物及び動物由来のいずれでもよく、化学修飾されたものであっても、遺伝子組換えにより生成されたものであってもよい。なお、セルラーゼを反応させる温度、時間及び量は、セルラーゼの種類によって異なるが、当業者であれば、使用するセルラーゼの種類に応じて適宜選択することができる。
<Cellulose saccharification process>
In this step, cellulase enzyme treatment is performed on the solid content after the alkali treatment step described above, whereby cellulose contained in biomass is decomposed to glucose by cellulase. Cellulase is meant to include at least one enzyme selected from the group consisting of endoglucanase, cellobiohydrase, β-glucosidase and hemicellulase. In this step, hemicellulose contained in biomass may be saccharified to monosaccharides such as mannose, galactose, xylose, and arabinose. The cellulase used is not particularly limited as long as it can saccharify cellulose to hexose. The cellulase used is preferably one that can further saccharify hemicellulose to hexose and pentose. For example, the cellulase may be derived from plants or animals, and may be chemically modified or produced by genetic recombination. In addition, although the temperature, time, and quantity which make cellulase react depend on the kind of cellulase, those skilled in the art can select suitably according to the kind of cellulase to be used.

特に、図1等に示した同時糖化発酵のシステムの場合、セルラーゼとしては、アルコール発酵能を有する微生物が生育に適したpHの範囲に至適pHを有するセルラーゼを使用することが好ましい。例えば、セルラーゼとしては至適pHが4.6のものを使用することができる。   In particular, in the case of the simultaneous saccharification and fermentation system shown in FIG. 1 and the like, it is preferable to use a cellulase having a pH optimum for a range in which a microorganism having alcohol fermentation ability is suitable for growth. For example, a cellulase having an optimum pH of 4.6 can be used.

あるいは、アルカリ処理後に中和したバイオマスを原料としてセルラーゼ生成菌を発酵させることにより、バイオマス中のセルロースをセルラーゼにより単糖まで分解し、二次糖液を得ることも可能である。そのようなセルラーゼ生成菌は、当技術分野で公知であり、例えばAspergillus niger、A. foetidus、Alternaria alternata、Chaetomium thermophile、C. globosus、Fusarium solani、Irpex lacteus、Neurospora crassa、Cellulomonas fimi、C. uda、Erwinia chrysanthemi、Pseudomonas fluorescence、Streptmyces flavogriseusなどが挙げられ、例えば「セルロース資源−高度利用のための技術開発とその基礎」、越島哲夫編、(株)学会出版センター、1991年に記載されている。   Alternatively, by fermenting cellulase-producing bacteria using biomass neutralized after alkali treatment as a raw material, cellulose in the biomass can be decomposed to monosaccharides by cellulase to obtain a secondary sugar solution. Such cellulase producing bacteria are known in the art, e.g. Aspergillus niger, A. foetidus, Alternaria alternata, Chaetomium thermophile, C. globosus, Fusarium solani, Irpex lacteus, Neurospora crassa, Cellulomonas fimi, C. uda, Erwinia chrysanthemi, Pseudomonas fluorescence, Streptmyces flavogriseus, etc. are mentioned, for example, "Cellulose resources-Technological development for advanced use and its basics", Tetsuo Koshijima, Japan Society for Publishing Press, 1991.

なお、上述のようにアルカリ処理後のバイオマスをセルラーゼ酵素処理する以外に、アルカリ処理後のバイオマスを原料としてセルラーゼ生成菌とエタノール発酵菌の同時発酵を行い、エタノールを生成することも可能である。   In addition, as described above, the biomass after alkali treatment may be subjected to cellulase enzyme treatment, and it is also possible to produce ethanol by simultaneous fermentation of cellulase-producing bacteria and ethanol-fermenting bacteria using the biomass after alkali treatment as a raw material.

本工程で生成した単糖は、エタノール生成可能な微生物の発酵原料、ブタノールやその他の化学原料としてのバイオリファイナリーとしても利用できる。また、セルロース系バイオマスを糖化して得られたグルコースを更に酵素処理することにより、清涼剤であるD-ソルビトール、甘味料であるD-フルクトース、浸透圧調整剤であるマンニトール、飼料添加剤であるマンノース等、食品や医薬品等の有用物質を製造することもできる。   The monosaccharide produced in this step can be used as a biorefinery as a fermentation raw material for microorganisms capable of producing ethanol, butanol and other chemical raw materials. In addition, by further enzymatic treatment of glucose obtained by saccharification of cellulosic biomass, it is a refreshing agent D-sorbitol, a sweetener D-fructose, an osmotic pressure regulator mannitol, a feed additive Useful substances such as mannose and other foods and pharmaceuticals can also be produced.

<でんぷん糖化工程>
本工程では、上述したアルカリ処理工程の後の液分(アルカリ溶液)に対してアミラーゼ酵素処理を行うことにより、液分に含まれるデンプンをアミラーゼによりグルコースまで分解する。ここでアミラーゼとは、プルラナーゼ、α-アミラーゼ、グルコアミラーゼ及びβ-アミラーゼからなる群から選ばれる少なくとも一種の酵素を含む意味である。
<Starch saccharification process>
In this step, the amylase enzyme treatment is performed on the liquid after the alkali treatment step described above (alkaline solution), whereby the starch contained in the liquid is decomposed to glucose by amylase. Here, amylase is meant to include at least one enzyme selected from the group consisting of pullulanase, α-amylase, glucoamylase and β-amylase.

本工程で使用するアミラーゼとしては、特に限定されないが、上述したセルラーゼの至適pHと略同じ(例えばpH4.6)とすることが好ましい。セルラーゼの至適pHと略同じ至適pHのアミラーゼを使用することで、アミラーゼ処理工程の後の糖化液についてpH調整を行うことなくそのまま同時糖化発酵に使用できる。また、セルラーゼの至適pHと略同じ至適pHのアミラーゼを使用することで、図3に示したように、セルラーゼ処理工程とアミラーゼ処理工程と(更にアルコール発酵工程と)を、アミラーゼ処理工程の後の糖化液についてpH調整を行うことなく同一槽内で行うことができる。   Although it does not specifically limit as amylase used at this process, It is preferable to set it as substantially the same pH (for example, pH 4.6) of the cellulase mentioned above. By using amylase having an optimum pH substantially the same as that of cellulase, the saccharified solution after the amylase treatment step can be used as it is for simultaneous saccharification and fermentation without adjusting the pH. Further, by using an amylase having an optimum pH substantially the same as the optimum pH of the cellulase, as shown in FIG. 3, the cellulase treatment step, the amylase treatment step (and the alcohol fermentation step) can be performed in the amylase treatment step. The subsequent saccharification solution can be carried out in the same tank without adjusting the pH.

<エタノールの製造工程>
上述の糖化工程において得られる糖を原料として用いてアルコール発酵を行い、エタノールを製造することができる。上述の糖化工程にて得られた糖成分はセルロース由来の糖及びバイオマスに含まれるデンプン由来の糖を含んでいる。また、バイオマスに含まれるヘミセルロースを糖化した場合には、ヘミセルロース由来の糖としてキシロース、アラビノースなどの五炭糖と、グルコース、ガラクトース、マンノースなどの六炭糖が含まれることとなる。セルロース由来の糖及びデンプン由来の糖であるグルコースは酵母などによって容易にエタノールに変換することができる。
<Ethanol production process>
Ethanol can be produced by performing alcoholic fermentation using the sugar obtained in the above saccharification step as a raw material. The sugar component obtained in the above-described saccharification step contains sugar derived from cellulose and sugar derived from starch contained in biomass. Moreover, when hemicellulose contained in biomass is saccharified, pentoses such as xylose and arabinose and hexoses such as glucose, galactose, and mannose are included as sugars derived from hemicellulose. Glucose which is sugar derived from cellulose and sugar derived from starch can be easily converted into ethanol by yeast or the like.

グルコースを炭素源としたアルコール発酵は、当技術分野で公知のエタノール製造方法に従って、酵母、又は遺伝子組換えによりエタノール生成に必要な遺伝子を有する細菌を用いて行うことができる。五炭糖のエタノール発酵は、例えば五炭糖及び六炭糖の両方を資化するが、エタノールを生成しない大腸菌に、エタノールを生成する微生物由来の遺伝子を導入した遺伝子組換え大腸菌や、エタノール発酵性のザイモモナス属(Zymomonas)細菌に五炭糖の代謝遺伝子を導入した遺伝子組換え細菌などを用いて行うことができる(例えば、特表平5−502366号公報及び特表平6−504436号公報)。あるいは、五炭糖及び六炭糖をエタノール発酵させてエタノール及び二酸化炭素を回収する方法を利用してもよい(特開2006−111593号公報)。   Alcohol fermentation using glucose as a carbon source can be carried out using yeast or bacteria having a gene necessary for ethanol production by genetic recombination according to an ethanol production method known in the art. Ethanol fermentation of pentoses, for example, genetically modified Escherichia coli in which both pentose and hexoses are assimilated, but that does not produce ethanol, a gene derived from a microorganism that produces ethanol, and ethanol fermentation It can be carried out by using a genetically modified bacterium in which a pentose metabolic gene is introduced into a sexual Zymomonas bacterium (for example, JP-T-5-502366 and JP-A-6-504436) ). Alternatively, a method in which pentose and hexose are fermented with ethanol to recover ethanol and carbon dioxide may be used (Japanese Patent Laid-Open No. 2006-111593).

エタノール発酵の条件は、当業者であれば、原料となる糖の種類、使用するエタノール発酵菌の種類などに応じて、適宜設定することができる。   Those skilled in the art can appropriately set conditions for ethanol fermentation according to the type of sugar used as a raw material, the type of ethanol-fermenting bacteria used, and the like.

以下、実施例により本発明を更に詳細に説明するが、本発明の技術的範囲は以下の実施例に限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention further in detail, the technical scope of this invention is not limited to a following example.

〔実施例1〕
1.目的
稲わらをアルカリ処理、固液分離した液分に含まれるデンプンはアルカリ処理によってアミラーゼが分解可能な形態に糊化されており、アミラーゼによってグルコースに転換可能か、またセルラーゼによるセルロース分解とアミラーゼによるデンプン分解が同時進行可能か確認する。
[Example 1]
1. Purpose The starch contained in the liquid obtained by alkali treatment and solid-liquid separation of rice straw has been gelatinized into a form in which amylase can be decomposed by alkali treatment, and can be converted to glucose by amylase, or by cellulose degradation by cellulase and amylase Check if starch degradation can proceed simultaneously.

2.実験方法
1)稲わらのアルカリ処理
稲わらのアルカリ処理条件を表1に示す。
2. experimental method
1) Alkali treatment of rice straw Table 1 shows the alkali treatment conditions of rice straw.

Figure 2015139380
Figure 2015139380

表1の条件のもと,以下の手順でアルカリ処理を行った。先ず、含水率8.1%の稲わら108.8kg(乾燥重量100kg相当)に対してアルカリ処理時の固液比が5%となるよう,NaOH25kgを水1991.2Lに溶解し,4000L容量のアルカリ処理槽中にアルカリ溶液を作製した。このアルカリ溶液に1cm以下に裁断した上記稲わらを投入し、室温で撹拌しながら18時間アルカリ処理を行った。   Under the conditions shown in Table 1, alkali treatment was performed according to the following procedure. First, 25 kg of NaOH was dissolved in 919.2 L of water so that the solid-liquid ratio at the time of alkali treatment was 5% for 108.8 kg of rice straw with a moisture content of 8.1% (corresponding to a dry weight of 100 kg) and placed in a 4000 L capacity alkaline treatment tank. An alkaline solution was prepared. The above rice straw cut to 1 cm or less was put into this alkaline solution and subjected to alkali treatment for 18 hours while stirring at room temperature.

2)アルカリ処理後の固液分離
アルカリ処理後のスラリー状の稲わらは、二軸スクリュー式脱水機によって固形分と液分に分離した。なお、固液分離後の固形分は湿重量206kg-wet、乾燥重量59kg-dry、液分の量は2,002Lであった。
2) Solid-liquid separation after alkali treatment The slurry rice straw after the alkali treatment was separated into a solid content and a liquid content by a twin screw dehydrator. The solid content after solid-liquid separation was a wet weight of 206 kg-wet, a dry weight of 59 kg-dry, and a liquid content of 2,002 L.

3)固形分の中和処理
固形分乾燥重量に対して固液比3%となる比率の水を張った4000L容量の槽内に2)のアルカリ処理・固液分離後の固形分を浸漬し、撹拌しながら硫酸を加え、pH=4.6に調整した。pH調整後のスラリー状の稲わらは、二軸スクリュー式脱水機によって固形分と液分に分離し、固形分をセルロース系の原料として糖化試験に使用した。なお、固形分として回収した稲わらは湿重量142.1kg-wet、乾燥重量50.3kg-dryであった。
3) Neutralization of solid content The solid content after alkali treatment and solid-liquid separation of 2) is immersed in a 4000L tank filled with water at a ratio of 3% to the solid-liquid ratio to the dry weight of the solid content. While stirring, sulfuric acid was added to adjust pH = 4.6. The slurry-like rice straw after pH adjustment was separated into a solid content and a liquid content by a twin screw type dehydrator, and the solid content was used for a saccharification test as a cellulose-based raw material. The rice straw recovered as a solid content had a wet weight of 142.1 kg-wet and a dry weight of 50.3 kg-dry.

4)液分の中和処理
2)のアルカリ処理・固液分離後の液分は、撹拌しながら硫酸を加えてpH=4.6に調整し、デンプン系の原料として糖化試験に使用した。
4) Neutralization of liquid
The liquid after the alkali treatment and solid-liquid separation in 2) was adjusted to pH = 4.6 by adding sulfuric acid while stirring, and used in the saccharification test as a starch-based material.

5)糖化処理
乾燥重量3g相当の中和処理後固形分に対して処理時の固液比が5%となるよう、表2に示す(1)〜(4)の条件で100mlデュラン瓶に中和処理後固形分、100mMクエン酸バッファー溶液(pH=4.6)、中和アルカリ液、アミラーゼ、セルラーゼ、及び雑菌の繁殖防止のために抗生物質(シクロヘキシミド,クロラムフェニコール)を投入、37℃の恒温振とう培養器内で72時間振とうし、酵素糖化を行った。
5) Saccharification treatment In a 100 ml duran bottle under the conditions (1) to (4) shown in Table 2 so that the solid-liquid ratio at the time of treatment is 5% with respect to the solid content after neutralization treatment equivalent to 3 g of dry weight. After treatment, solids, 100 mM citrate buffer solution (pH = 4.6), neutralized alkaline solution, amylase, cellulase, and antibiotics (cycloheximide, chloramphenicol) were added to prevent the growth of bacteria. Enzymatic saccharification was performed by shaking for 72 hours in a constant-temperature shaking incubator.

Figure 2015139380
Figure 2015139380

6)サンプリングと分析
上述の糖化試験開始から24、48、72時間経過時に溶液をサンプリングし、グルコース濃度を測定した。
6) Sampling and analysis The solution was sampled after 24, 48 and 72 hours from the start of the saccharification test, and the glucose concentration was measured.

3.実験結果
各条件におけるグルコースの濃度変化を図4に示した。なお、図4中、(1)は稲わら+中和アルカリ液+アミラーゼ+セルラーゼの反応系であり、(2)は稲わら+アミラーゼ+セルラーゼの反応系であり、(3)稲わら+セルラーゼの反応系であり、(4)稲わら+アミラーゼである。表1の実験条件より、各酵素が作用した場合、(1)では中和アルカリ液中のデンプン及び処理後稲わら中のセルロースとデンプンからグルコースが生成される。(2)では処理後稲わら中のセルロースとデンプンから、(3)では処理後稲わら中のセルロースから、(4)では処理後稲わら中のデンプンからグルコースが生成される。72時間経過時のグルコース濃度は(1):31.1g/L、(2):26.8g/L、(3):25.2g/L、(4):1.3g/Lであり、稲わら中セルロース由来のグルコースが(3)の25.2g/L、稲わら中デンプン由来のグルコースが(4)の1.3g/L、中和アルカリ液中デンプン由来のグルコースが(1)−(2)=4.3g/Lと考えられる。
3. Experimental Results The change in glucose concentration under each condition is shown in FIG. In FIG. 4, (1) is a reaction system of rice straw + neutralized alkaline solution + amylase + cellulase, (2) is a reaction system of rice straw + amylase + cellulase, and (3) rice straw + cellulase. (4) Rice straw + amylase. From the experimental conditions shown in Table 1, when each enzyme acts, in (1), glucose is produced from the starch in the neutralized alkaline solution and the cellulose and starch in the treated rice straw. Glucose is produced from cellulose and starch in the treated rice straw in (2), from cellulose in the treated rice straw in (3), and from starch in the treated rice straw in (4). The glucose concentration after 72 hours is (1): 31.1 g / L, (2): 26.8 g / L, (3): 25.2 g / L, (4): 1.3 g / L, and cellulose in rice straw Glucose derived from starch (3) 25.2g / L, Glucose derived from starch in rice straw is (4) 1.3g / L, Glucose derived from neutralized alkaline solution is (1)-(2) = 4.3g / L

以上の実験結果より、中和アルカリ液に含まれるデンプンはアミラーゼが作用する形態に糊化されており、アミラーゼによってグルコースに転換されていることが確認された。また、アミラーゼによるデンプン分解はセルラーゼによるセルロースの分解と同時に行うことが可能であることも確認された。   From the above experimental results, it was confirmed that the starch contained in the neutralized alkaline solution was gelatinized into a form in which amylase acts and was converted to glucose by amylase. It was also confirmed that starch degradation by amylase can be performed simultaneously with cellulose degradation by cellulase.

4.デンプンの原料化によるエタノール収率向上の試算
本実験における稲わらからのグルコース生産収率は、以下のように計算される。
アルカリ処理前の原料稲わら100kg-dry、アルカリ処理・中和処理後に回収された稲わら乾燥重量50.3kg、3.の実験結果におけるセルロース由来のグルコース濃度25.2g/L、糖化実験溶液量60mL、糖化実験に使用したアルカリ処理・中和処理後稲わら乾燥重量3g-dryであったことより、
[原料稲わら乾重当たりセルロース由来グルコース収率] = 50.3×(25.2×60/1000/3)/100=25.4%・・・(1)
4). Trial calculation of ethanol yield improvement by using starch as raw material The yield of glucose production from rice straw in this experiment is calculated as follows.
2. Raw material straw 100kg-dry before alkali treatment, rice straw dry weight 50.3kg recovered after alkali treatment / neutralization treatment; From the result of the experiment, the glucose concentration derived from cellulose was 25.2 g / L, the saccharification experiment solution amount was 60 mL, and the rice straw dry weight after the alkali treatment and neutralization treatment used in the saccharification experiment was 3 g-dry.
[Cellulose-derived glucose yield per dry weight of raw rice straw] = 50.3 × (25.2 × 60/1000/3) /100=25.4% (1)

また、3.の実験結果における中和アルカリ溶液中デンプン由来グルコース濃度4.3g/L、糖化実験に使用したアルカリ溶液量50mL、糖化実験溶液量60mLであったことより、
[アルカリ溶液中デンプン由来グルコース濃度] = 4.3g/L×50/60=3.6 g/L・・・(2)
3. From the results of the experiment, the starch-derived glucose concentration in the neutralized alkaline solution was 4.3 g / L, the alkaline solution amount used in the saccharification experiment was 50 mL, and the saccharification experimental solution amount was 60 mL.
[Starch-derived glucose concentration in alkaline solution] = 4.3 g / L x 50/60 = 3.6 g / L (2)

さらに、上記(2)の値及びアルカリ処理後の溶液量が2,002Lよりであったことより、
[アルカリ溶液中デンプン由来グルコース予測生産量] = 2,002L×3.6g/L=7.2kg・・・(3)
Furthermore, from the value of the above (2) and the amount of solution after alkali treatment was from 2,002 L,
[Predicted production amount of glucose derived from starch in alkaline solution] = 2,002L × 3.6g / L = 7.2kg (3)

一方、アルカリ処理・中和処理後に回収された稲わら乾燥重量50.3kg、3.の実験結果における稲わら中デンプン由来グルコース濃度1.3g/L、糖化実験溶液量60mL、糖化実験に使用したアルカリ処理・中和処理後稲わら乾燥重量3g-dryであったことから、
[アルカリ処理・中和処理後稲わら中デンプン由来グルコース予測生産量] = 50.3×1.3×60/1000/3=1.3kg・・・(4)
On the other hand, dry weight of rice straw recovered after alkali treatment / neutralization treatment is 50.3 kg. In the experimental results of the above, the starch-derived glucose concentration in rice straw was 1.3 g / L, the saccharification experimental solution amount was 60 mL, and the dry weight of rice straw was 3 g-dry after the alkali treatment and neutralization treatment used in the saccharification experiment.
[Predicted production of glucose derived from starch in rice straw after alkali treatment / neutralization treatment] = 50.3 × 1.3 × 60/1000/3 = 1.3 kg (4)

そして、上記(3)及び(4)の値より、稲わら乾燥重量当たりデンプン由来グルコース生産収率は、
[稲わら乾重当たりデンプン由来グルコース生産収率] = (7.2+1.3)/100=8.5%
([稲わら乾重当たり溶出デンプン率] = 7.2/100=7.2%,[稲わら乾重当たり固形分デンプン率] = 1.3/100=1.3%)
From the values of (3) and (4) above, the starch-derived glucose production yield per dry weight of rice straw is
[Production yield of starch-derived glucose per dry weight of rice straw] = (7.2 + 1.3) /100=8.5%
([Elution starch rate per dry weight of rice straw] = 7.2 / 100 = 7.2%, [Rate of solid starch per dry weight of rice straw] = 1.3 / 100 = 1.3%)

以上の計算結果より、セルロースのみの場合のグルコース収率25.4%に対し、セルロースとデンプンからグルコースを生産した場合の収率は(25.4+8.5)=33.9%と大きく向上することが分かる。生産されたグルコースがすべてエタノールに転換されると考えた場合、稲わら乾重当たりのエタノール収率は、セルロースのみから製造した場合では182L/t-dryであるのに対し、セルロース、デンプン両者から製造した場合には243L/t-dryとなる。   From the above calculation results, it can be seen that the yield in the case of producing glucose from cellulose and starch is greatly improved to (25.4 + 8.5) = 33.9%, compared to the glucose yield of 25.4% in the case of cellulose alone. Considering that all the glucose produced is converted to ethanol, the ethanol yield per dry weight of rice straw is 182 L / t-dry when produced from cellulose alone, whereas it is derived from both cellulose and starch. When manufactured, it is 243 L / t-dry.

5.アルカリ溶液の再利用によるデンプンの濃縮
前述のように、アルカリ処理・固液分離によって発生するアルカリ溶液は2,000L、アルカリ処理・中和処理まで完了したわら固形分の回収量は50kg-dryである。同時糖化発酵開始時の固液比を10%とした場合、50kg-dryの固形分に対して必要な液分は500Lである。同時糖化発酵の槽にアルカリ溶液を加える場合、必要な液分500Lに対して発生するアルカリ溶液は2,000Lであるため、アルカリ溶液が余剰となる。
5. Concentration of starch by reuse of alkaline solution As mentioned above, the alkaline solution generated by alkali treatment and solid-liquid separation is 2,000 L, and the amount of straw solids recovered after alkali treatment and neutralization treatment is 50 kg-dry. . When the solid-liquid ratio at the start of simultaneous saccharification and fermentation is 10%, the liquid content required for a solid content of 50 kg-dry is 500 L. When an alkaline solution is added to the tank for simultaneous saccharification and fermentation, the alkaline solution is surplus because the generated alkaline solution is 2,000 L with respect to the required 500 L.

そこで、図1及び2に示したシステムのように、アルカリ溶液を複数回再利用し,複数回再利用後のアルカリ溶液をクッションタンクに保管し,必要分を同時糖化発酵槽に加えることで、アルカリ溶液の余剰は生じなくなる。またアルカリ溶液は,高pHの状態で保管することで雑菌の繁殖を防ぐことができる。なお、X回使用したアルカリ溶液の1/Xを同時糖化発酵に使用することで、アルカリ処理1回分の稲わらに含まれるものと等量のセルロースとデンプンからエタノールを生産することができる。   Therefore, as in the system shown in FIGS. 1 and 2, the alkaline solution is reused multiple times, the alkaline solution after being reused multiple times is stored in a cushion tank, and the necessary amount is added to the simultaneous saccharification and fermentation tank. No surplus of alkaline solution occurs. The alkaline solution can be stored at a high pH to prevent the growth of various bacteria. In addition, by using 1 / X of the alkaline solution used X times for simultaneous saccharification and fermentation, ethanol can be produced from cellulose and starch in the same amount as that contained in rice straw for one alkali treatment.

1 アルカリ処理槽
2 固液分離装置
3 pH調整槽
4 アミラーゼ処理槽
5 pH調整槽
6 同時糖化発酵槽
7 固液分離装置
8 pH調整槽
9 酵素糖化槽(同時糖化発酵槽)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Alkali processing tank 2 Solid-liquid separator 3 pH adjustment tank 4 Amylase processing tank 5 pH adjustment tank 6 Simultaneous saccharification fermentation tank 7 Solid-liquid separation apparatus 8 pH adjustment tank 9 Enzyme saccharification tank (simultaneous saccharification fermentation tank)

Claims (3)

草本系バイオマス及び/又は木質系バイオマスをアルカリ溶液に接触させるアルカリ処理工程と、
上記アルカリ処理工程の後の溶液又はスラリーに酸を加えてpHを調整するpH調整工程と、
pH調整後の溶液又はスラリーにアミラーゼを作用させ当該溶液又は当該スラリーに含まれデンプンを加水分解するアミラーゼ処理工程とを含む、糖又はエタノールの製造方法。
An alkali treatment step of contacting herbaceous biomass and / or woody biomass with an alkaline solution;
A pH adjusting step of adjusting pH by adding an acid to the solution or slurry after the alkali treatment step;
A method for producing sugar or ethanol, comprising an amylase treatment step of allowing amylase to act on a solution or slurry after pH adjustment to hydrolyze starch contained in the solution or slurry.
上記アルカリ処理工程の後で上記pH調整工程の前、アルカリ処理後のスラリーを固液分離する固液分離工程を更に含み、
上記固液分離工程により得られた液分をアルカリ処理工程のアルカリ溶液として繰り返し使用することを特徴とする請求項1記載の糖又はエタノールの製造方法。
After the alkali treatment step and before the pH adjustment step, further comprising a solid-liquid separation step for solid-liquid separation of the slurry after the alkali treatment,
The method for producing sugar or ethanol according to claim 1, wherein the liquid obtained by the solid-liquid separation step is repeatedly used as an alkaline solution in the alkali treatment step.
上記アミラーゼ処理工程では、上記アルカリ処理工程の後の固形成分をセルラーゼにより加水分解するセルラーゼ処理を同一反応系として行うことを特徴とする請求項1記載の糖又はエタノールの製造方法。   2. The method for producing sugar or ethanol according to claim 1, wherein in the amylase treatment step, cellulase treatment for hydrolyzing the solid component after the alkali treatment step with cellulase is performed as the same reaction system.
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