JP5857149B1 - イネ科植物の茎葉由来発酵生成物の製造方法及び製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】安価で効率的なイネ科植物の茎葉由来発酵生成物の製造方法及び製造装置を提供する。【解決手段】本発明は、イネ科植物の茎葉由来発酵生成物の製造方法であって、前記イネ科植物の茎葉は少なくとも茎の梢頭部を含み、（Ａ）前記イネ科植物の茎葉に加水液を添加し、搾汁を行い、搾汁液と固形分を分離する工程と、（Ｂ）前記分離された固形分に触媒を添加し、加水分解する工程と、（Ｃ）前記搾汁液と前記工程（Ｂ）で得られた加水分解物とを混合して、酵素で糖化する工程と、（Ｄ）前記工程（Ｃ）で得られた糖化液を微生物で発酵する工程と、を有することを特徴とする製造方法である。【選択図】なし

Description

本発明は、イネ科植物の茎葉由来発酵生成物の製造方法及び製造装置に関する。

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。特にサトウキビの搾りかす（バガス）は近年バイオエタノール等の化合物の原料として注目されている。しかし、その一方で、サトウキビ収穫時に畑で切り落とされるサトウキビの梢頭部および葉は農地に放置されたまま、活用されていない。

サトウキビの梢頭部および葉がほとんど活用されていない理由として、農地に散らばっているため、バガスと比較して収集にコストがかかることが主な原因であった。しかし、収集コストのかからないバガスは、発電用燃料として利用されるなど、用途が増えてきており、地域によっては価格が上昇してきている。
そこで、現状では有効利用法の乏しいサトウキビの梢頭部および葉をバイオエタノール等の化合物の原料として活用する技術に着目した。

ところで、バガス等のリグノセルロース系バイオマスからエタノール等の化合物を製造する場合、糖化のための前処理が必要になる。前処理工程において、酸や塩基などの触媒添加は主にヘミセルロースの加水分解のために重要である。しかしながら、酸強度が強すぎると、ヘミセルロースの分解で生成された単糖がさらに分解され、過分解物を生成してしまい、その後の発酵工程を阻害することが知られている。
サトウキビの梢頭部および葉を原料として利用する場合にも同様に糖化のための前処理が必要になるが、梢頭部はサトウキビの茎に近い性状で、糖分を含むことが知られている。よって、そのまま前処理すればもともと含まれている糖分が分解され、過分解物を生じ、発酵工程における阻害を引き起こす危険性が高い。

特許文献１、特許文献２および非特許文献１には、オイルパームの幹を原料として、圧搾などにより樹液を採取し、残った繊維を酵素で加水分解することで、樹液に含まれる糖の過分解を防ぐ方法が開示されている。
非特許文献２には、バガスおよび梢頭部に対して、酸などの化学的前処理を行う代わりに、２種類の物理的前処理（ボールミルおよびウェットディスクミリング）を行い、糖化発酵を行う方法が開示されている。

特許第４０６５９６０号公報 特許第４４１８８７１号公報

Ｐｒａｗｉｔｗｏｎｇ Ｐ ｅｔ ａｌ．，「Ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｅｔｈａｎｏｌ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｆｒｏｍ ｓｅｐａｒａｔｅｄ ｐａｒｅｎｃｈｙｍａ ａｎｄ ｖａｓｃｕｌａｒ ｂｕｎｄｌｅ ｏｆ ｏｉｌ ｐａｌｍ ｔｒｕｎｋ.」 Ｂｉｏｒｅｓｏｕｒ Ｔｅｃｈｎｏｌ．２０１２ Ｄｅｃ；１２５：ｐｐ．３７−４２. Ａ．Ｓ．ｄａ Ｓｉｌｖａ，Ｈ．Ｉｎｏｕｅ，Ｔ．Ｅｎｄｏ，Ｓ．Ｙａｎｏ，Ｅ．Ｐ．Ｓ．Ｂｏｎ，「Ｍｉｌｌｉｎｇ ｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｏｆ ｓｕｇａｒｃａｎｅ ｂａｇａｓｓｅ ａｎｄ ｓｔｒａｗ ｆｏｒ ｅｎｚｙｍａｔｉｃ ｈｙｄｒｏｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｅｔｈａｎｏｌ ｆｅｒｍｅｎｔａｔｉｏｎ．」 Ｂｉｏｒｅｓｏｕｒｃｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，１０１（１９），ｐｐ．７４０２−７４０９（２０１０）

特許文献１、特許文献２および非特許文献１では、オイルパームの樹液を採取後、繊維を前処理しており、糖の過分解を防止することができる。しかしながら、糖化工程の原料は前処理済みの繊維のみを用いており、糖化工程での固形濃度は５〜１５％程度で行う必要があるため、大量の水が必要になる。さらに、発酵工程で樹液を加える、又は、繊維由来の糖化液を単独で発酵させるため、糖化液は薄く、濃度の低いエタノール等の最終生成物が大量にできることとなる。このため、蒸留などの精製工程の負荷が大きくなり、また廃液量も増加するため、コストおよびエネルギー効率が悪化する。

非特許文献２では、バガスおよび梢頭部を物理的に破砕することで、後の糖化工程での酵素のアクセシビリティの向上に寄与している。しかしながら、物理的前処理だけではリグニンやヘミセルロースを十分に分解することができない。また、原料として葉の利用については触れられておらず、さらに、梢頭部に含まれる糖分の利用について検討がなされていない。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、安価で効率的なイネ科植物の茎葉由来発酵生成物の製造方法及び製造装置を提供することを目的とする。

すなわち、本発明は、以下のとおりである。
（１）イネ科植物の茎葉由来発酵生成物の製造方法であって、前記イネ科植物の茎葉は少なくとも茎の梢頭部を含み、
（Ａ）前記イネ科植物の茎葉に加水液を添加し、搾汁を行い、搾汁液と固形分を分離する工程と、
（Ｂ）前記工程（Ａ）で分離された前記固形分に、硫酸、塩酸、硝酸、リン酸、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、アンモニア、又はこれらの組み合わせから選ばれる少なくとも一つの触媒を添加し、加水分解する工程と、
（Ｃ）前記工程（Ａ）で得られた前記搾汁液と前記工程（Ｂ）で得られた加水分解物とを混合して、酵素で糖化する工程と、
（Ｄ）前記工程（Ｃ）で得られた糖化液を微生物で発酵する工程と、
を有することを特徴とする製造方法。
（２）前記工程（Ａ）において、前記加水液を搾汁開始後に添加する（１）に記載の製造方法。
（３）前記工程（Ａ）を前記工程（Ｂ）の前に２回以上繰り返し、かつ、２回目以降の前記工程（Ａ）において添加する前記加水液は水であり、１回目の前記工程（Ａ）において添加する前記加水液は２回目以降の前記工程（Ａ）で得られた前記搾汁液である（１）又は（２）に記載の製造方法。
（４）前記工程（Ａ）において、前記加水液及び前記搾汁液の少なくとも一方の温度を調節する（１）〜（３）のいずれか一つに記載の製造方法。
（５）さらに、
（Ｅ）前記工程（Ｄ）で得られたイネ科植物の茎葉由来発酵生成物を精製する工程、
を有し、前記加水液が、前記工程（Ｅ）後の残液又は該残液の蒸留液を含む（１）〜（４）のいずれか一つに記載の製造方法。
（６）前記イネ科植物がサトウキビ属又はモロコシ属からなる群から選択された少なくとも１種である（１）〜（５）のいずれか一つに記載の製造方法。

（７）イネ科植物の茎葉由来発酵生成物の製造装置であって、前記イネ科植物の茎葉は少なくとも茎の梢頭部を含み、
イネ科植物の茎葉に含まれる糖分を加水液に溶かし出して分離するために、イネ科植物の茎葉に加水液を添加し、搾汁するための搾汁機と、
前記搾汁機で分離された固形分に、硫酸、塩酸、硝酸、リン酸、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、アンモニア、又はこれらの組み合わせから選ばれる少なくとも一つの触媒を添加して加水分解を行うための加水分解処理装置と、
酵素、前記搾汁機において得られた搾汁液および加水分解処理装置において得られた加水分解物を含み、単糖を生成する糖化反応を行うための糖化槽と、
前記搾汁機において得られた搾汁液を前記糖化槽へ送液する配管と、
前記加水分解処理装置において得られた加水分解物を前記糖化槽へ送液する配管と、
発酵槽と、
を備えることを特徴とする製造装置。
（８）前記搾汁機の中間地点に加水液を送液する配管が配設されている（７）に記載の製造装置。
（９）前記搾汁機を２台以上連続して配設し、２台目以降の前記搾汁機で得られた搾汁液を１台目の前記搾汁機に添加するための配管を備える（７）又は（８）に記載の製造装置。
（１０）前記搾汁機に、前記加水液及び前記搾汁液の少なくとも一方の温度調節装置が配設されている（７）〜（９）のいずれか一つに記載の製造装置。
（１１）さらに、
前記発酵槽で得られたイネ科植物の茎葉由来発酵生成物の精製装置と、
前記精製装置から排出される残液又は該残液の蒸留液を前記搾汁機に送液する配管と、
を備える（７）〜（１０）のいずれか一つに記載の製造装置。
（１２）前記イネ科植物がサトウキビ属又はモロコシ属からなる群から選択された少なくとも１種である（７）〜（１１）のいずれか一つに記載の製造装置。

本発明のイネ科植物の茎葉由来発酵生成物の製造方法及び製造装置によれば、糖の過分解物の生成を抑制しながら、安価で効率的にイネ科植物の茎葉由来発酵生成物を得ることができる。

本発明の第一実施形態に係るイネ科植物の茎葉由来発酵生成物の製造装置の概略構成を示す図である。 本発明の第一実施形態に係るイネ科植物の茎葉由来発酵生成物の製造装置において原料洗浄に用いるメタルトラップ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イネ科植物の茎葉由来発酵生成物の製造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イネ科植物の茎葉由来発酵生成物の製造装置の概略構成を示す図である。 本発明の第四実施形態に係るイネ科植物の茎葉由来発酵生成物の製造装置の概略構成を示す図である。 本発明の第五実施形態に係るイネ科植物の茎葉由来発酵生成物の製造装置の概略構成を示す図である。

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＞
本発明の第一実施形態に係るイネ科植物の茎葉由来発酵生成物の製造方法は、以下（Ａ）〜（Ｄ）の工程を有する。
（Ａ）前記イネ科植物の茎葉に加水液を添加し、搾汁を行い、搾汁液と固形分を分離する工程、
（Ｂ）前記分離された固形分に触媒を添加し、加水分解する工程、
（Ｃ）前記搾汁液と前記工程（Ｂ）で得られた加水分解物とを混合して、酵素で糖化する工程、
（Ｄ）前記工程（Ｃ）で得られた糖化液を微生物で発酵する工程。

本発明において、イネ科植物の茎葉は少なくとも茎の梢頭部を含む。ここで、「イネ科植物」とは、イネ科に属する植物であれば、特別な限定はないが、非食用の植物または食用部分を取り除いた後のものであることが好ましく、調達面および工業的な利用しやすさという観点から、サトウキビ属又はモロコシ属に属する植物であることがより好ましく、サトウキビ又はソルガムであることが特に好ましい。これらのイネ科植物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、「梢頭部」とは、植物の梢の頂上部分を意味する。例えば、サトウキビの梢頭部は緑色であり、サトウキビは糖分の含有量が梢頭部に向かって少なくなっていくため、製糖工場では使用されずに切り落とされてしまう部分である。本発明者らは、サトウキビの梢頭部に含まれる糖分は、製糖工場で使用される茎部と比較すると少ないが、葉などと比較すると多いことに着目し、本発明を完成するに至った。
梢頭部は収穫後、徐々に含有糖分が減少するため、収穫後７２時間以内に原料として用いることが望ましい。特に、破砕処理により表面積が増加すると、著しく腐敗が進行し、含有糖分が急激に減少するため、破砕処理後は１２時間以内、好ましくは６時間以内、より好ましくは２時間以内に加水及び搾汁による糖分の抽出などの処理を行う必要がある。
また、収穫後７２時間以内使用するのが困難な場合、破砕処理をせずに、保管温度が２〜３０℃、好ましくは５〜２０℃、より好ましくは５〜１０℃、湿度が２０〜５０％、好ましくは２０〜４０％、より好ましくは２０〜３０％の環境にて保管をすることで含有糖分の減少を遅らせることができる。

まず、工程（Ａ）は、イネ科植物の茎葉に加水して含まれる糖分を搾汁し、糖分を含む搾汁液と固形分とを分離する工程である。
本明細書において、「加水液」とは、イネ科植物の茎葉の含水量を増やし、茎に付着又は含有している糖分を洗い流すためのものを意味している。例えば、工業用水などが挙げられる。
工程（Ａ）では、主に茎に含まれる糖分が加水することで、溶け出す。さらに、加水液を添加後に、搾汁することで、糖分が含まれた搾汁液と、リグニン、セルロースおよびヘミセルロースを含む固形分とを分離することができる。このとき、搾汁前に茎葉と加水液との混練を行ってもよい。
搾汁液中に含まれる糖分とは、単糖又はオリゴ糖を意味する。具体的には、キシロースなどの五炭糖、マンノース、アラビノース、ガラクツロン酸などの六炭糖、これら単糖が連結されたオリゴ糖、グルコースなどの六炭糖および六炭糖が連結されたオリゴ糖などである。

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／またはオリゴ糖の構成比率や生成量は、前処理方法や原料として用いたイネ科植物の種類によって異なる。

いずれのイネ科植物を原料として用いる場合にも、泥、砂、微小な金属片等の付着があるため、前処理工程前に原料の洗浄工程（以下、「メタルトラップ」と呼ぶこともある。）を有することが好ましい。洗浄工程において、原料は吸水し、搾汁工程における加水と同程度の含水率となるため、搾汁工程における加水液の添加を省略することができる。
また、洗浄工程において、イネ科植物の茎葉と、泥、砂、微小な金属片等の異物とは比重によって分離することができる。通常、水に対して、イネ科植物の茎葉の比重が小さく、泥、砂、微小な金属片等の異物の比重が大きいため、イネ科植物の茎葉が浮いてくるが、イネ科植物の茎葉の比重によっては、イネ科植物の茎葉が浮いてこないこともあるため、適宜水流を作り、ゆっくりと沈降するイネ科植物の茎葉も回収できるようにすることが好ましい。洗浄工程の時間は、イネ植物の茎葉の汚れ具合、比重により適宜調整可能だが、５〜３０分が好ましい。

次に、工程（Ｂ）は、工程（Ａ）において分離された固形分に触媒を添加し、固形分に含まれるリグニンを分解又は軟化させ、セルロース及びヘミセルロースを分解する工程である。工程（Ｂ）において、温度は１５０℃以上２００℃未満であることが好ましく、時間は１分以上６０分未満であることが好ましい。
本発明において、「触媒」とは、リグニンを分解又は軟化させ、セルロース及びヘミセルロースを分解するためのものであれば、特別な限定はない。例えば、硫酸、塩酸、硝酸、リン酸、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、アンモニア等が挙げられる。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。

工程（Ｂ）では、固形分のみを加水分解することにより、糖の過分解物の生成を抑制することができる。「糖の過分解物」とは、ヘミセルロース、セルロースおよびオリゴ糖の加水分解により生成された単糖がさらに加水分解されて生成される物質である。例えば、キシロースの過分解物であるフルフラール、グルコースの過分解物である５−ヒドロキシメチルフルフラール（５−ＨＭＦ）などが挙げられる。後の工程である、酵素を用いた糖化工程や微生物を用いた発酵工程で、酵素反応や発酵反応を阻害するため、糖の過分解物の生成を制御する必要がある。

次に、工程（Ｃ）は、工程（Ａ）で得られた糖分を含む搾汁液と、工程（Ｂ）で得られた加水分解物とを混合し、酵素による糖化を行う工程である。工程（Ｂ）で得られた加水分解物には、ヘミセルロース、セルロース、ヘミセルロースを分解することで得られるキシロースなどの五炭糖、マンノース、アラビノース、ガラクツロン酸などの六炭糖、これら単糖が連結されたオリゴ糖、セルロースを分解することで得られるグルコースなどの六炭糖および六炭糖が連結されたオリゴ糖などが含まれている。
すでに微生物が分解可能な単糖又はオリゴ糖も存在するが、さらに未分解のヘミセルロースおよびセルロースを酵素により分解することで、目的のイネ科植物の茎葉由来発酵生成物の収率を上げることができる。

工程（Ｃ）において用いられる酵素としては、イネ科植物に含まれるヘミセルロースおよびセルロースを単糖単位に分解する酵素を意味し、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、セロビオヒドロラーゼ及びβ−グルコ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。
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。
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。

また、従来法では、工程（Ａ）で得られた搾汁液を糖化工程後の糖化液と混合して発酵工程で用いる、又は、搾汁液のみを単独で発酵工程で用いる。しかしながら、本実施形態においては、工程（Ａ）で得られた搾汁液を工程（Ｃ）で用いる。
工程（Ｃ）では、酵素のアクセシビリティを向上し、効率的に糖化反応を行わせるために、固形分濃度を５〜１５％程度で行う必要がある。従来法では、大量の水を用いて希釈し、固形濃度を調節するが、本実施形態においては、水の代わりに搾汁液を活用することで、工程（Ｃ）後の糖化液の量を少量に抑え、さらに濃度を高くすることができる。これにより、後の発酵工程において効率的に発酵を行うことができ、精製工程における負荷も軽減できる。さらに、水の使用量、廃液量を減らして、エネルギーおよびコストを抑えることができる。

また、工程（Ａ）で得られた搾汁液には糖分が含まれ、工程（Ｃ）の開始時における糖濃度が従来よりも高くなる。しかしながら、使用する酵素の濃度を調節すること、または、糖濃度をモニタリングし、必要に応じて水により希釈することで、適宜酵素によるフィードバック制御が起きない濃度に調節することができる。

次に、工程（Ｄ）は、工程（Ｃ）で得られた糖化液を微生物により発酵する工程である。工程（Ｄ）により、目的のイネ科植物の茎葉由来発酵生成物が得られる。工程（Ｄ）において、用いられる微生物としては、目的のイネ科植物の茎葉由来発酵生成物を生成できるものであれば、特別な限定はない。具体的には、酵母や細菌等が挙げられ、遺伝子組換え微生物も好ましく用いられる。遺伝子組換え微生物とは、アルコール等の目的のイネ科植物の茎葉由来発酵生成物への変換に必要な酵素遺伝子を有していない微生物に、遺伝子工学技術によりこれら遺伝子を導入し、アルコール等の目的のイネ科植物の茎葉由来発酵生成物の生成を可能にしたものである。遺伝子組換え微生物としては、例えば、アルコール発酵性を有する遺伝子組換え大腸菌等が挙げられる。

また、「イネ科植物の茎葉由来発酵生成物」とは、前処理工程および酵素糖化工程を経ることでイネ科植物から得た単糖及びオリゴ糖を上述した微生物が摂取することにより生成された化合物を意味する。具体的には、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、リジン、グルタミン酸などのアミノ酸、ピルビン酸、コハク酸、リンゴ酸、イタコン酸、クエン酸、乳酸など有機酸、イノシン、グアノシンなどのヌクレオシド、イノシン酸、グアニル酸などのヌクレオチド、カダベリンなどのジアミン化合物などが挙げられ、エタノールが特に好ましい。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重合工程に移行することもある。最後に、発酵工程または重合工程後、得られたイネ科植物の茎葉由来発酵生成物の品質を向上させるため、必要に応じて、蒸留工程などの精製工程を行う。なお、精製工程についての詳細は後述する。

次に、本発明の第一実施形態に係るイネ科植物の茎葉由来発酵生成物の製造装置について説明する。図１は、本発明の第一実施形態に係るイネ科植物の茎葉由来発酵生成物の製造装置の概略構成を示す図である。本実施形態の製造装置１０は、搾汁機１と、加水分解処理装置２と、糖化槽３とが配管により配設されている。さらに、前記搾汁機１において得られた搾汁液を前記糖化槽３へ送液する配管４と、前記加水分解処理装置２において得られた加水分解物を前記糖化槽３へ送液する配管５と、発酵槽６とが配設されている。

搾汁機１は、イネ科植物の茎葉に含まれる糖分を加水液に溶かし出して分離するために、イネ科植物の茎葉に加水液を添加し、搾汁するための装置である。特別な限定はないが、例えば、スクリュープレス、フィルタープレス、ベルトプレス、ロール圧搾機などが挙げられ、イネ科植物の茎葉と加水液とを混練し、同時に搾汁可能なスクリュープレスが好ましい。

本実施形態において、上述の通り、搾汁機１の前に原料であるイネ科植物の茎葉の洗浄装置（以下、「メタルトラップ装置」と呼ぶこともある。）を備えていてもよい。図２は、本発明の第一実施形態に係るイネ科植物の茎葉由来発酵生成物の製造装置において、原料洗浄に用いるメタルトラップ装置の概略構成を示す図である。メタルトラップ装置は、原料であるイネ科植物の茎葉を洗浄するための装置である。特に限定はないが、装置内部にイネ科植物の茎葉と、泥、砂、微小な金属片等の異物とを分離するための、水車などの水流発生手段が備えられていることが好ましい。また、上述の通り、メタルトラップ装置を通すことで、搾汁機における加水液の添加を省略することができる。
まず、メタルトラップ装置１００の入口部から、イネ科植物の茎葉を投入する。装置内部には水が満たされており、比重の小さいイネ科植物の茎葉は水車１０３の作る水流に乗って出口方向に運ばれる。一方、比重の大きい泥、砂、微小な金属片等の異物は沈み、バルブ１１８より定期的に排出することで取り除くことができる。
次に、イネ科植物の茎葉は、ベルトコンベア１０７の回転と共に、スクレーパー１０６によりかき上げられ、出口へと運ばれる。洗浄後のイネ科植物の茎葉は十分に水分を含んでいるため、続く搾汁機１において加水せずに使用することができる。
また、使用した水はウェッジワイヤースクリーン１１４などの分離機を通り、配管１１５及び配管１１６を通って、ポンプ１１７により循環することで再利用することができる。

前記搾汁機１において分離された固形分は、配管７を通って加水分解処理装置２に、送り込まれる。加水分解処理装置２は、前記固形分に触媒を添加して加水分解を行うための装置である。特別な限定はないが、耐酸性又は耐アルカリ性を有する素材で作られていることが好ましい。さらに、加水分解処理装置２において得られた加水分解物は、配管５を通って、糖化槽３へ送り込まれる。

一方で、前記搾汁機１において分離された搾汁液は、配管４を通って、糖化槽３へ送り込まれる。よって、上述したように、搾汁液に含まれる糖分が加水分解処理装置２に持ち込まれず、過分解物が生成することを防ぐことができる。

糖化槽３は、酵素、搾汁液および加水分解処理装置２において得られた加水分解物を含み、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３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３内の温度を一定に保つために、糖化槽３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。

糖化槽３において得られた糖化液はポンプを介して、配管８ａ、８ｂを通って、発酵槽６に送液される。発酵槽６は、微生物と糖化液とを含み、イネ科植物の茎葉由来発酵生成物を生成する発酵反応を行うための槽であり、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。

本実施形態によれば、搾汁液と固形分を分離することで、イネ科植物の茎葉に含まれる糖の過分解を抑制することができる。また、酵素糖化工程において搾汁液と加水分解物とを混合することで、酵素糖化工程において使用する水の量を削減し、後の発酵工程において効率的に発酵を行うことができる。さらに、後の精製工程における負荷を軽減し、同時に廃液量を減らして、エネルギーおよびコストを抑えることができる。

＜第二実施形態＞
本発明の第二実施形態に係るイネ科植物の茎葉由来発酵生成物の製造方法は、前記工程（Ａ）において、前記加水液を搾汁開始後に添加する方法である。基本的に、加水液は搾汁前に添加するが、茎葉の含水率に応じて、搾汁開始後に加水液を添加してもよい。例えば、収穫後すぐの高含水率の茎葉については、搾汁前に加水液を添加するよりも、ある程度茎葉中の水分を絞り出してから加水するほうが、吸水がよく、茎葉中の糖分の抽出効率を高めることができる。このとき、搾汁開始直後に加水液を添加してもよく、搾汁の途中で加水液を添加することが好ましい。続く、工程（Ｂ）〜工程（Ｄ）については、上述した第一実施形態と同様である。

次に、本発明の第二実施形態に係るイネ科植物の茎葉由来発酵生成物の製造装置について説明する。図３は、本発明の第二実施形態に係るイネ科植物の茎葉由来発酵生成物の製造装置の概略構成を示す図である。本実施形態の製造装置２０は、前記搾汁機１の中間地点に加水液を送液する配管１１が配設されている。
本実施形態の製造装置２０は、配管１１が配設されている点で、図１に示す製造装置１０と相違し、その他の構成は製造装置１０と同じである。
なお、図３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。

配管１１は、加水液を搾汁機１に送液するための配管であって、特別な限定はない。配管１１を配設する位置は、搾汁機の搾汁開始地点でも終了地点でもかまわないが、中間地点であることが好ましい。本実施形態の製造装置において、搾汁機１の長さは長いほうが好ましいが、重力によるひずみなど機械の構造上の観点から、茎葉の含水率を５０％程度まで搾汁できる程度の長さがあることが好ましい。これは、加水液のない状態でイネ科植物の茎葉が搾汁される時間が長くなり、イネ科植物の茎葉に含まれる水分を十分に減らした後に加水液を添加するができるためである。上述したように、加水液のない状態で搾汁されたイネ科植物の茎葉が、加水液のある状態で搾汁されたイネ科植物の茎葉と比較してよく吸水し、イネ科植物の茎葉に含まれる糖分を溶け出しやすくすることができる。

本実施形態によれば、イネ科植物の茎葉に含まれる糖分を効率的に搾汁することができる。また、使用する加水液の量を減らし、コストを削減することができる。

＜第三実施形態＞
本発明の第三実施形態に係るイネ科植物の茎葉由来発酵生成物の製造方法は、前記工程（Ａ）を前記工程（Ｂ）の前に２回以上繰り返す方法である。そして、本実施形態では、２回目以降の前記工程（Ａ）において添加する前記加水液は水であり、１回目の前記工程（Ａ）において添加する前記加水液は２回目以降の前記工程（Ａ）で得られた前記搾汁液である。

前記工程（Ｂ）を行う前に、工程（Ａ）を２回以上繰り返すことが好ましく、設備およびコストの観点から、２回行うことが特に好ましい。また、２回目以降の工程（Ａ）において添加する加水液は水であることが好ましく、１回目の工程（Ａ）において添加する加水液は２回目以降の工程（Ａ）で得られた搾汁液であることが好ましい。これにより、工程（Ａ）で添加する加水液の量を減らすことができ、さらに、得られる搾汁液の糖分の濃度を高くすることができる。なお、製造立ち上げ時には、1回目の工程（Ａ）において用いる加水液は水でもかまわない。

また、上述した第一実施形態においてと同様に、工程（Ａ）の前に洗浄工程を備えていてもよい。このとき１回目の工程（Ａ）では、加水液を添加せず、２回目以降の工程（Ａ）でで得られた搾汁液は、洗浄工程の循環水に合流して使用することができる。
また、１回目および２回目以降の工程（Ａ）において、加水液を添加するタイミングは、第二実施形態と同様に、搾汁工程の途中でもよい。
続く、工程（Ｂ）〜工程（Ｄ）については、上述した第一実施形態と同様である。

次に、本発明の第三実施形態に係るイネ科植物の茎葉由来発酵生成物の製造装置について説明する。図４は、本発明の第三実施形態に係るイネ科植物の茎葉由来発酵生成物の製造装置の概略構成を示す図である。本実施形態の製造装置３０は、搾汁機１ａと、搾汁機１ｂとが配管１２を通して配設されており、さらに、搾汁機１ｂで得られた搾汁液を搾汁機１ａに添加するための配管１３を備えている。本実施形態の製造装置３０は、搾汁機が２台配設されており、さらに、配管１２および１３が配設されている点で、図１に示す製造装置１０と相違し、その他の構成は製造装置１０と同じである。
なお、図４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。

搾汁機１ａにおいて、分離された固形分は配管１２を通って、搾汁機１ｂへ送り込まれる。前記固形分に加水液として水を添加し、搾汁されて分離された固形分は上述した第一実施形態と同様に、加水分解処理装置２へ送り込まれる。
搾汁機は、２台以上配設されていることが好ましく、設備およびコストの観点から、２台配設されていることが特に好ましい。

また、搾汁機１ａにおいて、分離された搾汁液は、上述した第一実施形態と同様に、配管４を通って、糖化槽３へ送り込まれる。一方、搾汁機１ｂにおいて、分離された搾汁液は、配管１３を通って、搾汁機１ａに送り込まれる。これにより、搾汁機で使用する加水液の量を減らすことができる。さらに、得られる搾汁液の糖分の濃度を高くすることができる。なお、製造立ち上げ時には、搾汁機１ａにおいて使用する加水液は水でもかまわない。
図４において、その他の構成は図１と同様の構成を図示しているが、上述した第一実施形態と同様に、メタルトラップ装置１００を搾汁機１ａの前に配設してもよい。このとき、配管１３を搾汁機１ａではなく、配管１１６に連結させることで、搾汁機１ｂで得られた搾汁液をメタルトラップ装置１００の循環水として利用することができる。
また、上述した第二実施形態と同様に、配管１２および配管１３は、各搾汁機の中間地点に配設してもよい。

本実施形態によれば、イネ科植物の茎葉に含まれる糖分を効率的に搾汁することができる。また、使用する加水液の量を減らし、後の精製工程での負荷を軽減することができる。さらに、廃液量が減ることで、エネルギーおよびコストを抑えることができる。

＜第四実施形態＞
本発明の第四実施形態に係るイネ科植物の茎葉由来発酵生成物の製造方法は、工程（Ａ）において、前記加水液及び前記搾汁液の少なくとも一方の温度を調節する方法である。
工程（Ａ）において用いる加水液及び搾汁液の少なくとも一方の温度を高くするなど温度調節することで、より効率的に糖分を抽出することができる。搾汁効率とエネルギー効率の観点から、５０±１０℃で温度管理を行うことが好ましい。また、工程（Ａ）で得られた搾汁液中に雑菌が繁殖し、後工程である工程（Ｄ）で微生物の働きを阻害するなど問題があれば、工程（Ａ）において、加水液の温度を好ましくは８０℃以上１００℃未満、より好ましくは９０℃以上１００℃未満に調節することで、搾汁液中の雑菌繁殖の予防を行うことができる。

また、上述した第一実施形態においてと同様に、工程（Ａ）の前に洗浄工程を備えていてもよい。このとき、循環水の温度を調節することで、上述のとおり効率的に糖分を抽出することができる。
また、加水液を添加するタイミングは、第二実施形態と同様に、搾汁工程の途中でもよく、工程（Ａ）は、第三実施形態と同様に２回行ってもよい。
続く工程（Ｂ）〜（Ｄ）については、上述した第一実施形態〜第三実施形態と同様である。

次に、本発明の第四実施形態に係るイネ科植物の茎葉由来発酵生成物の製造装置について説明する。図５は、本発明の第四実施形態に係るイネ科植物の茎葉由来発酵生成物の製造装置の概略構成を示す図である。本実施形態の製造装置４０は、前記加水液及び前記搾汁液の少なくとも一方の温度調節装置１４を備えている。本実施形態の製造装置４０は、温度調節装置１４が配設されている点で、図１に示す製造装置１０と相違し、その他の構成は製造装置１０と同じである。
なお、図５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。

搾汁液１で添加する加水液及び搾汁液の少なくとも一方は、温度調節装置１４を通る。温度調節装置１４は、加水液及び搾汁液の少なくとも一方の温度調節を行うための装置である。特に限定はないが、加水液及び搾汁液の少なくとも一方の温度が５０℃以上１００℃未満となるように、１℃刻み又は５℃刻み等で適宜温度を調節できるものが好ましい。

図５において、その他の構成は図１と同様の構成を図示しているが、上述した第一実施形態と同様に、メタルトラップ装置１００を搾汁機１の前に配設してもよい。このとき、温度調節装置１４は、メタルトラップ装置１００の配管１１６の途中に設置され、循環水の温度を調節することができる。
また、上述した第二実施形態と同様に、配管１５は、搾汁機１の中間地点に配設してもよい。さらに、上述した第三実施形態と同様に、搾汁機が２台以上配設されていてもよい。

本実施形態によれば、使用する加水液及び搾汁液の少なくとも一方の温度を調節することで、より効率的に糖分を抽出することができる。

＜第五実施形態＞
本発明の第五実施形態に係るイネ科植物の茎葉由来発酵生成物の製造方法は、さらに、（Ｅ）前記工程（Ｄ）で得られたイネ科植物の茎葉由来発酵生成物を精製する工程、を有し、前記加水液が、前記工程（Ｅ）後の残液又は該残液の蒸留液を含む。

工程（Ａ）〜（Ｄ）については、上述した第一実施形態〜第四実施形態と同様である。工程（Ｄ）の後に、工程（Ｅ）を有しており、工程（Ｅ）は工程（Ｄ）で得られたイネ科植物の茎葉由来発酵生成物を精製する工程である。精製方法は、イネ科植物の茎葉由来発酵生成物の種類に応じて適宜選択することができる。例えば、イネ科植物の茎葉由来発酵生成物がアルコール類である場合は、蒸留であることが好ましい。また、イネ科植物の茎葉由来発酵生成物がアミノ酸類である場合は、イオン交換法や、活性炭を用いた異物の吸着除去法が好ましい。

さらに、工程（Ｅ）後の残液又は該残液の蒸留液をそのまま廃棄せずに、工程（Ａ）で用いる加水液として再利用することが好ましい。例えば、工程（Ｅ）が蒸留である場合、残液として大量の廃水が排出されるため、この廃水を再利用することで、廃液量を減らし、廃液処理コストを低減することができる。
また、工程（Ａ）での加水液の添加に代えて、原料の洗浄工程を行う場合には、工程（Ｅ）後の残液又は該残液の蒸留液を循環水として再利用することができる。

本発明において、「工程（Ｅ）後の残液」とは、精製工程を経て目的のイネ科植物の茎葉由来発酵生成物が取り除かれた後の液を意味する。例えば、目的のイネ科植物の茎葉由来発酵生成物がエタノールである場合、残液中には、水、微小な固形分、有機酸等が含まれる。
また、本発明において、「残液の蒸留液」とは、前記水、微小な固形分、有機酸等が含まれた残液を蒸留し、水の純度を上げた液を意味する。工程（Ａ）で用いる加水液として再利用するために、精製工程後の残液を蒸留し、できるかぎり水の純度を上げることが好ましい。

次に、本発明の第五実施形態に係るイネ科植物の茎葉由来発酵生成物の製造装置について説明する。図６は、本発明の第五実施形態に係るイネ科植物の茎葉由来発酵生成物の製造装置の概略構成を示す図である。本実施形態の製造装置５０は、発酵槽６で得られたイネ科植物の茎葉由来発酵生成物の精製装置１７と、精製装置１７から排出される残液又は該残液の蒸留液を搾汁機１に送液する配管１８と、を備えている。本実施形態の製造装置４０は、精製装置１７が配設されており、さらに、精製装置１７から搾汁機１に配管１８が配設されている点で、図１に示す製造装置１０と相違し、その他の構成は製造装置１０と同じである。
なお、図６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。

発酵槽６で得られたイネ科植物の茎葉由来発酵生成物は配管１６を通って、精製装置１７に送り込まれる。精製装置１７は、発酵槽６で得られたイネ科植物の茎葉由来発酵生成物を精製するための装置であって、特別な限定はない。例えば、イネ科植物の茎葉由来発酵生成物がアルコール類である場合は、図６に示したように蒸留塔を用いることが好ましい。また、イネ科植物の茎葉由来発酵生成物がアミノ酸類である場合は、イオン交換樹脂や活性炭を有する精製装置を用いることが好ましい。
発酵槽６から精製装置１７へ送液する配管１６の途中には、発酵残渣を取り除くための固液分離装置が配設されていてもよい。

さらに、精製装置１７から排出される残液又は該残液の蒸留液は、配管１８を通って、搾汁機１へ送り込まれ、加水液として再利用される。
精製装置１７から搾汁機１へ送役する配管１８の途中には、残液を蒸留するための装置として、例えば、蒸留塔などが配設されていてもよい。
図６において、その他の構成は図１と同様の構成を図示しているが、上述した第一実施形態と同様に、メタルトラップ装置１００を搾汁機１の前に配設してもよい。このとき、配管１８は、メタルトラップ装置１００の配管１１６に連結させることで、精製装置１７から排出される残液又は該残液の蒸留液は、メタルトラップ装置１００の循環水として利用することができる。
また、上述した第二実施形態と同様に、配管１８は、搾汁機の中間地点に配設してもよい。さらに、上述した第三実施形態と同様に、搾汁機が２台以上配設されていてもよく、上述した第四実施形態と同様に、温度調節装置１４を備えていてもよい。

本実施形態によれば、イネ科植物の茎葉由来発酵生成物の精製後の廃液量を減らし、廃液処理コストを低減することができる。

以下、具体的実施例により、本発明についてより詳細に説明する。ただし、本発明は以下に示す実施例に何ら限定されるものではない。

［実施例１］
１．固液分離工程
サトウキビの茎葉１１．２ｋｇに対して水４．０４ｋｇを添加し、スクリュープレスを用いて、固液分離を行った（固液分離工程）。固液分離工程は、２回の加水及び搾汁を繰り返すものであるが、回分操作であるため、１回目の加水及び搾汁においても水を添加した。水４．０４ｋｇを添加して１回目の加水及び搾汁を行った結果、含水率約５５％の固形分８．８４ｋｇと搾汁液６．３２ｋｇを得た。さらに、得られた固形分８．８４ｋｇに対して水９．７２ｋｇを添加し、同様に２回目の加水及び搾汁を行った。含水率約５９％の固形分８．５２ｋｇと、搾汁液１０．１ｋｇとを得た。１回目と２回目に得られた搾汁液を混合した搾汁液の糖濃度は、ＨＰＬＣを用いて計測し、２．０％であった。

２．加水分解処理工程
得られた固形分に、ｐＨ１．２に調整した希硫酸を添加し、含水率７０％程度までスクリュープレスで搾汁した。搾汁後の固形分を、１６５℃の蒸気で２０分加熱し、その後圧力開放による衝撃を与える蒸煮爆砕処理を行った（加水分解処理工程）。

３．酵素糖化工程
加水分解処理工程後の固形分１０ｇに、固液分離工程にて得られた搾汁液を加えて、固形分濃度が１０％の溶液を調製した。調製した溶液に酵素（ＴＲＩＯ）０．０７５７ｇを添加し、５０℃で４８時間酵素糖化を行った（酵素糖化工程）。

４．発酵工程
糖化工程後の溶液を３２℃まで液温を下げ、酵母液２０ｇを添加し、３２℃で４８時間発酵を行った（発酵工程）。その結果、液中のエタノール濃度は、２４．４ｇ／Ｌとなった。また、液中のフルフラール濃度は、０．２３ｇ／Ｌであった。エタノール濃度及びフルフラール濃度はＨＰＬＣを用いて計測した。

［比較例１］
実施例１の「１．固液分離工程」及び「２．加水分解処理工程」と同様の方法でサトウキビの茎葉を処理し、加水分解処理後の固形分１０ｇに水を加えて固形分濃度が１０％の溶液を調製した。さらに、実施例１の「３．酵素糖化工程」及び「４．発酵工程」と同様の方法で、エタノールを得た。その結果、液中のエタノール濃度は、１７．７ｇ／Ｌとなった。また、液中のフルフラール濃度は、０．２６ｇ／Ｌであった。

実施例１及び比較例１の結果から、搾汁液と固形分を固液分離し、糖化工程において混合することで、糖の過分解物が少なく、高い濃度の糖化液を得られることが明らかとなった。

以上のことから、本発明に係るイネ科植物の茎葉由来発酵生成物の製造方法及び製造装置によれば、糖の過分解物の生成を抑制しながら、安価で効率的にイネ科植物の茎葉由来発酵生成物を得られることが明らかとなった。

１，１ａ，１ｂ…搾汁機、２…加水分解処理装置、３…糖化槽、４，５，７，８ａ，８ｂ，１１，１２，１３，１５，１６，１８，１１５，１１６…配管、６…発酵槽、９，１１７…ポンプ、１０，２０，３０，４０，５０…イネ科植物の茎葉由来発酵生成物の製造装置、１４…温度調節装置、１７…イネ科植物の茎葉由来発酵生成物の精製装置、１００…メタルトラップ装置、１０１…イネ科植物の茎葉、１０２…泥、砂、微小な金属片等の異物、１０３…水車、１０４，１０８，１０９，１１０，１１１…滑車、１０５，１１２，１１３…ベルト、１０６…スクレーパー、１０７…ベルトコンベア、１１４…ウェッジワイヤースクリーン、１１８…バルブ

Claims (12)

1. イネ科植物の茎葉由来発酵生成物の製造方法であって、前記イネ科植物の茎葉は少なくとも茎の梢頭部を含み、
   （Ａ）前記イネ科植物の茎葉に加水液を添加し、搾汁を行い、搾汁液と固形分を分離する工程と、
   （Ｂ）前記工程（Ａ）で分離された前記固形分に、硫酸、塩酸、硝酸、リン酸、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、アンモニア、又はこれらの組み合わせから選ばれる少なくとも一つの触媒を添加し、加水分解する工程と、
   （Ｃ）前記工程（Ａ）で得られた前記搾汁液と前記工程（Ｂ）で得られた加水分解物とを混合して、酵素で糖化する工程と、
   （Ｄ）前記工程（Ｃ）で得られた糖化液を微生物で発酵する工程と、
   を有することを特徴とする製造方法。
2. 前記工程（Ａ）において、前記加水液を搾汁開始後に添加する請求項１に記載の製造方法。
3. 前記工程（Ａ）を前記工程（Ｂ）の前に２回以上繰り返し、かつ、２回目以降の前記工程（Ａ）において添加する前記加水液は水であり、１回目の前記工程（Ａ）において添加する前記加水液は２回目以降の前記工程（Ａ）で得られた前記搾汁液である請求項１又は２に記載の製造方法。
4. 前記工程（Ａ）において、前記加水液及び前記搾汁液の少なくとも一方の温度を調節する請求項１〜３のいずれか一項に記載の製造方法。
5. さらに、
   （Ｅ）前記工程（Ｄ）で得られたイネ科植物の茎葉由来発酵生成物を精製する工程、
   を有し、前記加水液が、前記工程（Ｅ）後の残液又は該残液の蒸留液を含む請求項１〜４のいずれか一項に記載の製造方法。
6. 前記イネ科植物がサトウキビ属又はモロコシ属からなる群から選択された少なくとも１種である請求項１〜５のいずれか一項に記載の製造方法。
7. イネ科植物の茎葉由来発酵生成物の製造装置であって、前記イネ科植物の茎葉は少なくとも茎の梢頭部を含み、
   イネ科植物の茎葉に含まれる糖分を加水液に溶かし出して分離するために、イネ科植物の茎葉に加水液を添加し、搾汁するための搾汁機と、
   前記搾汁機で分離された固形分に、硫酸、塩酸、硝酸、リン酸、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、アンモニア、又はこれらの組み合わせから選ばれる少なくとも一つの触媒を添加して加水分解を行うための加水分解処理装置と、
   酵素、前記搾汁機において得られた搾汁液および加水分解処理装置において得られた加水分解物を含み、単糖を生成する糖化反応を行うための糖化槽と、
   前記搾汁機において得られた搾汁液を前記糖化槽へ送液する配管と、
   前記加水分解処理装置において得られた加水分解物を前記糖化槽へ送液する配管と、
   発酵槽と、
   を備えることを特徴とする製造装置。
8. 前記搾汁機の中間地点に加水液を送液する配管が配設されている請求項７に記載の製造装置。
9. 前記搾汁機を２台以上連続して配設し、２台目以降の前記搾汁機で得られた搾汁液を１台目の前記搾汁機に添加するための配管を備える請求項７又は８に記載の製造装置。
10. 前記搾汁機に、前記加水液及び前記搾汁液の少なくとも一方の温度調節装置が配設されている請求項７〜９のいずれか一項に記載の製造装置。
11. さらに、
    前記発酵槽で得られたイネ科植物の茎葉由来発酵生成物の精製装置と、
    前記精製装置から排出される残液又は該残液の蒸留液を前記搾汁機に送液する配管と、
    を備える請求項７〜１０のいずれか一項に記載の製造装置。
12. 前記イネ科植物がサトウキビ属又はモロコシ属からなる群から選択された少なくとも１種である請求項７〜１１のいずれか一項に記載の製造装置。

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