アルコールの製造方法
【課題】バイオマスの同時糖化発酵法において生成するアルコールの高濃度化と省エネルギー化を達成すること。
【解決手段】セルロース系バイオマスの同時糖化発酵によりアルコールを製造する方法において、バイオマスを反応槽に追加投入することによって、消費されるバイオマスの減少を補完しながら酵素加水分解プロセス及び発酵プロセスを行うことを特徴とするアルコールの製造方法。
【解決手段】セルロース系バイオマスの同時糖化発酵によりアルコールを製造する方法において、バイオマスを反応槽に追加投入することによって、消費されるバイオマスの減少を補完しながら酵素加水分解プロセス及び発酵プロセスを行うことを特徴とするアルコールの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セルロース系バイオマスを原料とするバイオアルコール製造に関する。より具体的には、本発明は、同時糖化発酵によるセルロース系バイオマスからのアルコール、特にエタノールの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
バイオアルコールは、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注目されており、現在まで様々なバイオマスを対象とした製造技術が実証されつつある。バイオマスの中でも、セルロース系バイオマスは、食料と競合しないエネルギー資源として注目されているが、糖質やデンプン質系バイオマスと比較して、アルコール転換が非常に難しく実用性の高い製造技術が確立されているとは言いがたい。
【０００３】
セルロース系バイオマスは、セルロース分子間が強固な水素結合により高結晶となっていること、不要なリグニンが存在すること等の理由から、従来は高温や高圧で処理する濃硫酸や希硫酸による方法が検討されてきた。しかし、これらの方法では、セルロースの加水分解で生成する単糖の過反応が進み収率が低いことや、リグニン由来の発酵阻害物質が生成すること、設備全般での酸腐食といった問題がある。さらに、製造に多くのエネルギーを要することから、LCA（Life Cycle Assessment）の観点でも課題があった。
【０００４】
近年、これらの課題を打開すべく、常温常圧での製造が可能な酵素（セルラーゼ）を用いる酵素糖化法が注目されている。酵素糖化は、濃硫酸や希硫酸法で見られる単糖の過反応やリグニンからの発酵阻害物質の生成がないだけでなく、常温付近での反応であり、LCAの観点からも大いに期待されている。
【０００５】
酵素糖化法を用いてエタノールに転換するには、バイオマスの糖化工程及び発酵工程の2つのステップを踏む必要がある。通常、工程毎に反応槽を設け製造するのが一般的であり、第一槽でバイオマスをセルラーゼで加水分解し、グルコース、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を含む糖液を得る。次いで第一槽で得られた糖化液を第二槽に移送し、酵母等の発酵菌でエタノールまで転換するものである。この方法では、糖化工程で生成するグルコース等の単糖濃度がセルラーゼ活性を阻害するため単位バイオマス当たりの高収率を十分達成できないという課題があった。
【０００６】
この課題を解決する方法として糖化工程と発酵工程を一つの反応槽で同時に行う同時糖化発酵法（又は並行糖化発酵法と称す）がある。この方法は、反応槽にバイオマス、セルラーゼ及び発酵微生物を入れ、バイオマスをエタノールまで一挙に転換する方法である。二槽式と比較してセルラーゼの作用で生成する各単糖は発酵微生物により速やかにエタノールまで転換されるため、単糖の蓄積によるセルラーゼへの阻害が無く高い収率を得ることができる（例えば特許文献１）。また、一槽で製造できるため施設のコンパクト化が図れ、省エネルギー化にも繋がる。
【０００７】
一方、同時糖化発酵法における単位発酵液当たりのエタノール量は、糖化収率、発酵収率、反応槽に仕込むバイオマス量によって規定されるため、高濃度のエタノールを製造するには、発酵槽にバイオマスを多量に仕込む必要がある。しかし、多量のバイオマスを仕込んだ場合、反応液中の固形分濃度が高すぎて撹拌できず、強いては糖化と発酵が効率的に進まないケースがある。そのため、反応槽に仕込める固形分量には限界があり、同時糖化発酵法で高濃度のエタノールを製造するのは困難であった。
【０００８】
同時糖化発酵に関する発明技術として以下の３つがある。
すなわち、特許文献２には、セルロースの糖化と乳酸発酵とを同時に進行させてセルロースから乳酸を製造する装置であって、糖化糟と、発酵糟と、該糖化糟にセルロース材料を供給する投入ラインと、該糖化糟から糖化物取出ラインを経て送られた糖化物からセルロース短繊維を含む糖化液を分離して糖化物供給ラインを経て該発酵糟に移送するとともに、セルロース長繊維を含む残渣を残渣返送ラインを経て該糖化糟に戻す第１の分離手段と、該発酵糟から発酵物取出ラインを経て取り出した発酵物から乳酸を含む発酵液を分離して発酵液取出ラインを経て取り出すとともに、乳酸発酵微生物を含む残渣を発酵残渣返送ラインを経て該発酵糟に返送する第２の分離手段とを含むことを特徴とするセルロースからの乳酸製造装置が記載されている。
【０００９】
特許文献３には、セルロースの糖化と乳酸発酵とを同時に進行させてセルロースから乳酸を製造する装置であって、糖化ゾーンと発酵ゾーンとをセルロース短繊維及び水溶液が透過可能な透液性隔壁で仕切った糖化発酵糟と、該糖化ゾーンにセルロース材料を供給する投入ラインと、該糖化ゾーンと発酵ゾーンの少なくとも一方から乳酸を含む発酵液を取り出す取出ラインとを含むセルロースからの乳酸製造装置が記載されている。
【００１０】
特許文献４には、セルロース含有物に、少なくともエンドグルカナーゼ、エクソグルカナーゼ、及びβ−グルコシダーゼを含むセルラーゼを加え、少なくともセルロースが加水分解されて生成した溶解性の糖を含有する糖含有液を得る第１の工程と、糖含有液を固液分離して糖化液を得る第２の工程と、第２の工程で得られた糖化液に、グルコースを消費して発酵を行う微生物を加え、糖化液中で、セルラーゼによる溶解性の糖の加水分解を行うと同時に、微生物による発酵を行う第３の工程を有するセルロース含有物の処理方法が記載されている。
【００１１】
特許文献２及び３は乳酸発酵における同時糖化発酵装置であり、反応槽内部に糖化ゾーンと発酵ゾーンを分離する透液性隔壁を設けることを特徴としている。これらの装置では、同一反応槽ではあるが隔壁で槽内を区画しており、基本的には糖化工程と発酵工程を分離した従来方法と変わらない。また、反応槽内部に隔壁を設けることにより反応槽の構成が複雑で高価となる。さらに、糖化ゾーンと発酵ゾーンに各々撹拌が必要であり、エネルギーを省力化することができない。一方、特許文献４の方法は糖化と発酵を同一の反応槽で行うが、作業手順としては糖化工程と発酵工程を分離した従来方法と変わらず作業が煩雑となる。また、いずれの装置又は方法でも発酵液当たりの乳酸やアルコール等の生成物濃度を高めることは困難である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００８−５０１３３０号公報
【特許文献２】特開２００８−２５９５１７号公報
【特許文献３】特開２００３−３１０２４３号公報
【特許文献４】特開２００２−１８６９３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
バイオマスの同時糖化発酵法では、酵素加水分解と発酵の最適条件が異なり（特許文献１）、発酵終了時のアルコール濃度が低いという課題があった。また、アルコール濃度が低いために発酵槽に仕込むバイオマスの量が増大して撹拌動力が増大し、またアルコール濃度を上げるために蒸留を行う必要があり、エネルギーコストが増大するという欠点があった。さらに、発酵槽での強い撹拌によって、その剪断力が発酵微生物に対して悪影響を与えることもある（特許文献２）。
【００１４】
従って、本発明の課題は、従来技術の課題であったバイオマスの同時糖化発酵法において生成するアルコールの高濃度化と省エネルギー化を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明者は上記課題を解決するため鋭意検討を行った結果、バイオマスの同時糖化発酵において、消費されるバイオマスの減少を補完しながら酵素加水分解及び発酵プロセスを行うことによって、高濃度のアルコールが生成され、またそのプロセスにおいて撹拌が必要とされず、効率的にかつ低コストで高濃度のアルコールを製造することができることを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１６】
すなわち本発明は以下のとおりである。
［１］セルロース系バイオマスの同時糖化発酵によりアルコールを製造する方法において、
バイオマスを反応槽に追加投入することによって、消費されるバイオマスの減少を補完しながら酵素加水分解プロセス及び発酵プロセスを行うことを特徴とするアルコールの製造方法。
【００１７】
［２］バイオマスの追加投入が、間欠的に、逐次に又は連続的に行われる、［１］に記載の方法。
［３］バイオマスの追加投入の量及び／又は時期が、酵素加水分解プロセスにおいて使用するセルラーゼのバイオマス分解速度に基づいて決定される、［１］又は［２］に記載の方法。
【００１８】
［４］バイオマスの追加投入が少なくとも１回行われる、［１］〜［３］のいずれかに記載の方法。
［５］反応槽におけるバイオマスの乾燥固形分濃度が、反応槽内の全水分量に基づき５〜２０重量％である、［１］〜［４］のいずれかに記載の方法。
［６］アルコールがエタノールである、［１］〜［５］のいずれかに記載の方法。
【発明の効果】
【００１９】
本発明により、アルコールの製造方法が提供される。本発明の方法は、セルロース系バイオマスの同時糖化発酵によって高濃度のアルコールを効率的かつ低コストで製造することができ、アルコールの製造分野及び使用分野において有用である。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明に係るアルコール製造方法のフローの一例を示す。
【図２】同時糖化発酵におけるスラリーの容積と固形分濃度の経日変化を示す。
【図３】同時糖化発酵におけるエタノール製造の経日変化を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明を詳細に説明する。
本発明に係るアルコールの製造方法は、同時糖化発酵法に基づくものであり、具体的には、セルロース系バイオマスを反応槽に投入し、同じ反応槽中で酵素加水分解（糖化）プロセスと発酵プロセスとを同時に行ってアルコールを製造するものである。本発明は、その同時糖化発酵において、消費されるバイオマスの減少を補完しながら酵素加水分解及び発酵プロセスを行うことを特徴としており（図１）、高濃度のアルコールを効率的にかつ低コストで製造することができる。
【００２２】
本発明の方法において原料となるセルロース系バイオマスとは、セルロース、ヘミセルロース、及び場合によりリグニンを含む資源を意味する。例えば限定されるものではないが、木質資源（廃建材、伐採材、おが屑、間伐材、木材チップ、樹皮、林地残材、未利用樹、背板など）、紙資源（廃梱包材、古紙など）、農作物資源（稲ワラ、麦ワラ、トウモロコシの茎及び葉など）、食品資源（オカラ、酒粕など）が挙げられる。使用するセルロース系バイオマスは、１種類の資源からなるものであってもよいし、複数種の資源からなるものであってもよい。また、セルロース系バイオマスには、上述したような資源以外に、若干の不純物が含まれていてもよい。
【００２３】
原料となるセルロース系バイオマスは、後述する前処理及び／又は酵素加水分解・発酵プロセスを効率的に行うために、バイオマスの種類によっては粉砕を行うことが好ましい。セルロース系バイオマスの粉砕は、例えば裁断機、リファイナー、木材粉砕機を用いて行うことができる。
【００２４】
また、酵素加水分解プロセス及び発酵プロセスを行う前に、セルロース系バイオマスの前処理を行うことが好ましい。そのような前処理としては、加水分解処理、AO処理及び固液分離処理が挙げられる。
【００２５】
加水分解処理では、まずセルロース系バイオマスを適当な酸又はアルカリに混合し、所定温度に加温し反応させることによって、セルロース系バイオマスに含まれるセルロース及び／又はヘミセルロースを加水分解して糖を抽出する。加水分解処理は、当技術分野で公知の方法に従って適当な条件で行うことができ、酸加水分解及びアルカリ加水分解のいずれでもよい。例えば酸加水分解を行う場合には、硫酸、好ましくは希硫酸を用いることができる。例えば、硫酸濃度0.1〜5％、好ましくは0.5〜3％の希硫酸を用いて、約140〜220℃の温度、好ましくは160〜210℃の温度にて、約1〜20分間、好ましくは約5〜10分間にわたり反応を行う。また例えばアルカリ加水分解を行う場合には、水酸化ナトリウム（苛性ソーダ）、水酸化カルシウムなどを用いることができる。例えば、0.1〜5％、好ましくは1〜4％の水酸化ナトリウムを用いて、好ましくは常温（約20〜30℃）にて、約1〜30時間、好ましくは5〜25時間にわたり反応を行う。加水分解処理後は、加水分解処理の種類に応じて当技術分野で公知の中和処理を行う。
【００２６】
AO処理では、セルロース系バイオマスをアルカリ水溶液と混合した後、活性酸素を生成する酸化剤と混合する（例えば、特開2008-43328号公報参照）。アルカリ水溶液としては、任意のアルカリに基づく水溶液を用いることができ、例えば、水酸化ナトリウム（苛性ソーダ）、消石灰及び生石灰（水酸化カルシウム水溶液）などを用いることができる。また、使用するアルカリ水溶液は、pH9.5〜13.5、好ましくはpH10〜13、より好ましくはpH11〜12.5とすることができる。セルロース系バイオマスとアルカリ水溶液とを混合し、好ましくは常温（約20〜30℃）にて、約1〜30時間、好ましくは5〜25時間にわたりpHを10〜13に制御しながら混合を継続する。次に、アルカリ水溶液との混合物に対し、活性酸素を生成する酸化剤を添加し、混合する。活性酸素を生成する酸化剤としては、当技術分野で公知の任意の酸化剤を用いることができ、具体的には、過酸化水素、過硫酸塩、過炭酸塩、過酢酸塩、オゾン、過酸化ナトリウムが挙げられる。活性酸素を生成する酸化剤は、適当な量を添加し、例えば1〜30時間混合する。このようなAO処理によって、バイオマス固形分中のリグニンを低分子化又は脱離させることができ、後述する酵素加水分解プロセスの効率を向上させることができる。
【００２７】
固液分離処理では、原料のセルロース系バイオマス又は上記前処理後のセルロース系バイオマスを液分と固形分に分離する。固液分離は、当技術分野で公知の方法、例えばフィルタープレス、振動ふるい、遠心分離、膜分離を用いて行うことができる。処理後の固形分は、後述する糖化及び発酵プロセスに供する。液分は、排水処理してもよいし、又は上記前処理に再利用してもよい。
【００２８】
本発明の方法では、原料としてバイオマス又は上記前処理後のバイオマスを用いて、酵素加水分解プロセス及び発酵プロセスを行う。
【００２９】
酵素加水分解プロセスは、糖化の１つのプロセスであり、セルラーゼ酵素処理を行うことにより、セルロース系バイオマス中のセルロースをセルラーゼにより単糖又は二糖まで分解する。使用するセルラーゼは、セルロースを効率的に六炭糖まで糖化できるものであれば特に限定されない。例えば、エンドグルカナーゼ、エクソグルカナーゼ、β-グルコシダーゼが挙げられる。
【００３０】
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。当技術分野では、好適なセルラーゼを市販品として容易に入手することができる。また、使用するセルラーゼは、１種類であってもよいし、又は複数種を組み合わせてもよい。例えば、セルラーゼ生成菌の液体培養で細胞外に精製した酵素の濃縮液や培養液、又はこれらにエンドグルカナーゼ等の単一酵素をブレンドしたものを使用することができる。市販セルラーゼとしては、ジェネンコア社製のGC220、アクセルラーゼ（Accellerase）1500、ノボザイム社製のノボザイム、明治製菓社製のアクレモニウムセルラーゼ等がある。
【００３１】
酵素加水分解プロセスにおいて、セルラーゼを反応させる温度、時間及び量は、セルラーゼの種類や、同時に行う発酵プロセスの条件によって異なるが、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。例えば、セルラーゼの使用量は、基質となるセルロース系バイオマス1gに対して、セルラーゼ活性が例えば3 FPU〜100 FPU、好ましくは5 FPU〜30 FPUとなるような量とする。ここで、FPUは、1分間に1μモルのグルコースに相当する還元糖を生成する酵素量を表し、例えば、NREL Technical Report（Audey A. and Baker J. Measurement of Cellulase Activities, Laboratory Analytical Procedure, Technical Report NRE-L/TP510-42628, 2008）により測定することができる。
【００３２】
またセルラーゼは、通常30〜90℃、好ましくは30〜70℃の温度において、pH 3〜6程度で使用する。
【００３３】
あるいは、セルロース系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す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、例えば黒コウジ菌（Aspergillus niger）、フザリウム菌（Fusarium solani）、シュードモナス・フルオレッセンス（Pseudomonas fluorescence）が挙げられる。セルラーゼ生成菌を使用する場合には、セルロース系バイオマスを原料としてセルラーゼ生成菌と発酵微生物の同時発酵を行い、アルコールを生成する。
【００３４】
発酵プロセスでは、上述の前処理及び／又は酵素加水分解プロセスによって得られる単糖を原料としてアルコール生成可能な発酵微生物による発酵を行い、アルコールを製造する。酵素加水分解プロセス又は前処理の加水分解処理によって得られる糖はセルロース由来の糖であり、グルコースの六炭糖を含み、酵母などによって容易にアルコールに変換される。また前処理を行う場合には、ヘミセルロース由来の糖が得られることもあり、これはキシロース、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を含み、このうち六炭糖は酵母などによって容易にアルコールに変換することができ、五炭糖は、当技術分野で公知のアルコール生成方法に従ってアルコールに変換することができる。
【００３５】
六炭糖のアルコール発酵は、当技術分野で公知のアルコール製造方法に従って、発酵微生物を用いて行うことができる。そのような発酵微生物は、糖からアルコールを生成する能力を有するものであれば特に限定されるものではなく、例えば天然にそのような能力を有する酵母及び細菌、並びに遺伝子組換えによりアルコール生成に必要な遺伝子を有する細菌が挙げられる。エタノールを生成する具体的な微生物としては、酵母、例えばサッカロミセス属（Saccharomyces cerevisiaeなど）、シゾサッカロミセス属（Shizosaccharomyces pombeなど）、ピヒア属（Pichia stipitusなど）、カンジダ属（Candida albicansなど）、ハンセヌラ属（Hansenula polymorphaなど）に属する酵母、並びに細菌、例えばザイモモナス属（Zymomonas mobilisなど）に属する細菌が含まれる。またブタノールを生成する微生物としては、エンテロバクター属（Enterobacter aerogenesなど)、クロストリジム属（Clostridium butyricumなど）に属する細菌が含まれる。このような発酵微生物は当技術分野で公知であり、例えば特許文献１、特許第4385186号及び特開2009-213440号公報に記載されている。
【００３６】
また五炭糖のアルコール発酵は、例えば五炭糖及び六炭糖の両方を資化するが、アルコールを生成しない大腸菌に、アルコ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アルコール発酵させてアルコ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）。
【００３７】
発酵微生物による発酵は、発酵微生物の培養に通常用いられる培地を使用して、適当な条件下で培養することによって行うことができる。使用する培地は、炭素源、窒素源、無機塩類等を含有し、発酵微生物の培養を効率的に行うことができる培地であれば、天然培地、合成培地のいずれを用いてもよく、当業者であれば使用する発酵微生物に適切な公知の培地を適宜選ぶことができる。炭素源としてはラクトース、グルコース、スクロース、フラクトース、ガラクトース、廃糖蜜などを使用することができ、窒素源としてはカゼインの加水分解物、ホエータンパク質加水分解物、大豆タンパク質加水分解物等の有機窒素含有物を使用することができる。また無機塩類としては、リン酸塩、ナトリウム、カリウム、マグネシウムなどを用いることができる。例えば発酵微生物として酵母を選択した場合、その培養に適した培地としては、例えばH培地（1％グルコース、0.2％酵母エキス、0.5％ペプトン、0.03％K2HPO4、0.03％KH2PO4、0.01％MgCl2を含む酵母用培地）、SD培地（2％グルコース、1％ペプトンを含む酵母用培地）、YPD培地（2％グルコース、1％酵母エキス、2％ペプトンを含む酵母用培地）、廃糖蜜が挙げられる。
【００３８】
アルコール発酵の条件は、当業者であれば、原料となるバイオマス及び糖の種類、使用する発酵微生物の種類などに応じて、また上記の酵素加水分解プロセスの条件も鑑みて、適宜設定することができる。例えば、アルコール発酵プロセスは、20〜90℃、好ましくは30〜70℃の温度において、pH 3〜6程度で、好ましくは嫌気条件下にて行う。事前試験を行って、各プロセスで使用する酵素、微生物などの活性を損なうことなく、各プロセスの反応を十分に行うことができる条件を確認することが好ましい。
【００３９】
本発明の方法では、上述した酵素加水分解プロセスと発酵プロセスとを同じ反応槽内で同時に実施する。ここで「同時」とは、2つのプロセスの開始及び終了が厳密に同じことを意味してもよいし、また2つのプロセスの反応時間が重複していれば、その開始及び終了は異なっていてもよいことを意味する。反応槽には、原料となるバイオマス（無処理又は前処理を行ったもの）、セルラーゼ及び発酵微生物を投入する。反応槽にはさらに水、発酵微生物のための培地などを投入するが、これらの量は、使用するセルラーゼ及び発酵微生物の量、並びに最終的なバイオマスの量に応じて適宜設定する。
【００４０】
バイオマスの初期投入量は、バイオマスの全量が反応槽中の液体分（水、培地などを含む）に浸漬するような量であることが好ましい。より好ましくは、実施例１に示すように、同時糖化発酵プロセスに使用する反応槽において、事前にバイオマスを用いて撹拌混合試験を行い、良好な混合（すなわち強度の撹拌力がなくても混合できること）を達成することができるバイオマスの固形分濃度を確認する。具体的にはバイオマスの乾燥固形分濃度が、反応槽内の液体重量（水分量）に基づき5〜20重量％、好ましくは8〜12重量％となるように、反応槽に投入するバイオマスの量を決定する。ここで、上記液体重量は、反応槽内に投入したバイオマス中の成分と投入した液体量の和より求められる。
【００４１】
本発明の方法では、プロセスの進行に伴ってバイオマスが減少するため、その減少を補完するようにバイオマスを追加投入する。ここで、「追加投入」とは、同時糖化発酵プロセスの開始時に反応槽に投入されているバイオマスに、さらに追加的にバイオマスを投入することを意味する。ここで、追加投入するバイオマスは、反応槽に最初に投入するバイオマスと同じ種類のバイオマスであってもよいし、あるいは異なる種類のバイオマスであってもよい。
【００４２】
追加投入するバイオマスの量、回数及び時期は、当業者であればアルコール製造を最適に行うことができるように適宜設定することができる。例えば、最終的なバイオマスの量を適当に分割して（例えば３等分して）、初期投入量と追加投入量としてもよい。好ましくは、図１に示すように、設定する温度及びpHにてセルラーゼによるバイオマスの酵素加水分解試験（糖化試験）を実施し、セルラーゼ活性に応じたバイオマスの分解速度を事前に把握し、この分解速度に応じて、反応槽に追加投入するバイオマス量、回数及び時期を決定する。この作業により、反応槽に存在するバイオマスの固形分濃度を適切に設定することができ、結果的に最終的な発酵液中のアルコールを高濃度化し、強度の撹拌を不要にすることができる。具体的には、例えば実施例２に示すように、設定する温度及びpHにてセルラーゼによるバイオマスの酵素加水分解試験（糖化試験）を実施し、所定時間後のバイオマスの減少（分解率）から、その減少を補完できるバイオマスの量を設定する。好ましくは、反応槽におけるバイオマスの乾燥固形分濃度が、反応槽内の全水分量に基づき5〜20重量％、好ましくは8〜12重量％となるように、追加投入するバイオマスの量を設定する。
【００４３】
複数回の追加投入を行う場合には、各回に追加投入するバイオマスの量は同じであってもよいし又は異なっていてもよい。プロセスの進行と共にバイオマスの分解速度は低減することが予測されるため、各回に追加投入するバイオマスの量は低減していくことが好ましい。
【００４４】
バイオマスの追加投入は、間欠的に、逐次に又は連続的に行うことができる。「間欠的」とは、一定の時間をおいて繰り返すことを意味し、「逐次」とは、順次と同意であり、順を追って次々に行うことを意味し、「連続的」とは、途切れなく続くことを意味する。従って、バイオマスの追加投入は、1回以上の回数で間欠的に又は逐次に行ったり、あるいはバイオマスの所定の量を連続的に追加投入することが可能である。例えば、反応時間によって異なるが、1日に1又は2回、間欠的に追加投入を行うことが好ましい。
【００４５】
反応時間は、アルコール発酵が十分に行われる時間で適宜設定することができる。例えば、反応は、12時間以上、1日以上、3日以上、5日以上行うことができ、好ましくは1〜5日間行う。
【００４６】
反応条件は、上述した酵素加水分解プロセスと発酵プロセスの条件に基づいて、各プロセスで使用する酵素、微生物などの活性を損なうことなく、各プロセスの反応を十分に行うことができる条件（温度、pH、嫌気条件など）とする。そのような条件は、当業者であれば、例えば事前試験などを行って適宜設定することが可能である。本発明の方法では、反応槽の撹拌は行ってもよいし又は行わなくともよい。上述したように、反応槽におけるバイオマスの固形分濃度を低く抑えることができるため、反応槽において撹拌を行わなくても良好な反応を行うことができ、また撹拌を行う場合でも、その撹拌動力を省力化することができる。本発明の方法では、セルラーゼによる酵素加水分解プロセスが早く進行することから、撹拌を行わないことが好ましい。
【００４７】
以上の同時糖化発酵のプロセスによってアルコールが生成する。本発明の方法では、高濃度のアルコールを製造することができ、例えば実施例３の実験では3日間の同時糖化発酵によって約2.7％のエタノールが得られている。生成したアルコールは、当技術分野で公知の蒸留、膜分離処理などによって分離・精製してもよい。
【００４８】
上述の通り、本発明に係るアルコール製造方法では、以下の効果が達成される：
（1）発酵終了時のアルコール濃度を高めることができ、高濃度のアルコールが得られる。同時糖化発酵法を含む従来のバイオアルコール製造方法では、発酵後の液体を蒸留により濃縮するが、本発明により高濃度のアルコールが得られるため、蒸留に必要な労力、時間及びエネルギーを削減することができる。
（2）反応槽におけるバイオマスの固形分濃度が低いため、反応を無撹拌で行うことができる（撹拌を行うとしてもその動力を抑制することができる）。従来の同時糖化発酵法では撹拌が必要とされていたため、本発明により撹拌に必要なエネルギーを抑制することができる。
【実施例】
【００４９】
以下、実施例を用いて本発明をより詳細に説明するが、本発明の技術的範囲はこれら実施例に限定されるものではない。
〔実施例１〕
1cm長に裁断した稲わらを一昼夜3％苛性ソーダ水溶液に浸した。その後、固液分離機でアルカリ処理した稲わらを回収するとともに、水道水に懸濁させpH7.0まで硫酸にて中和した。再度固液分離機で回収した稲わらを実験に用いた（含水率68.98％）。
【００５０】
半径280mmのパドル翼から成る撹拌機を設置した直径1000mm、高さ1053mmのアクリル製反応槽を用いた。これに水道水を27.15kg仕込んだ後、撹拌機を起動し、混合状況を見ながら稲わらを投入し、投入量及び回転数を調整しながらスラリーの混合状態を観察した。なお、固形分濃度（％）は、乾燥重量／（バイオマス水分量＋投入液体量）×100により算出した。
【００５１】
その結果、表１に示すとおり、パドル翼１段にて稲わらの混合を行った場合、回転数を上げても良好な混合を行うことができる稲わらの固形分濃度は8.26wt％付近が限界であった。
【００５２】
【表１】
【００５３】
〔実施例２〕
1cm長に裁断した稲わらを一昼夜3％苛性ソーダ水溶液に浸した。その後、固液分離機でアルカリ処理した稲わらを回収するとともに、水道水に懸濁させpH4.8まで硫酸にて中和した。再度固液分離機で回収した稲わらを実験に用いた（含水率71.67％）。
【００５４】
回転子を入れた500mLガラス瓶3本に上記の稲わらと蒸留水を混合して入れ、固形分濃度を5wt％に調整した。各ガラス瓶に市販のセルラーゼ（ジェネンコア社製GC220）を稲わら乾燥重量当たり5、10、又は15 FPU/g添加し、37℃でスターラー上で撹拌した。定期的に各ガラス瓶からスラリーを回収し、残存する固形分濃度を求めた。これにより算定した各セルラーゼ活性における固形分の減少率を表２に示す。
【００５５】
【表２】
【００５６】
〔実施例３〕
次に、1m3発酵タンクを想定した稲わらの間欠的添加による同時糖化発酵の運転条件を以下のとおり設定した：
・稲わら処理総量：乾燥重量47kg
・セルラーゼ添加量：稲わら乾燥重量当たり15FPU/g
・初期稲わら量：乾燥重量23.5kg
・初期固形分濃度：8.2wt％（稲わらが水没する濃度）
・稲わらの添加回数：1回／日×2日（1回目：14.1kg、2回目：9.4kg）。
【００５７】
これらの条件から、稲わらの添加量及びその際に想定されるスラリー中の固形分濃度を表３に示す。表３中の未分解量は、稲わらの添加量と、表２に示したセルラーゼ添加量15FPU/gで得られた経日的な固形分減少率との関係から算定した。なお、固形分濃度は、稲わらの含水率を67％とし、その他、同時糖化発酵槽に混合する酵母用の濃縮培地、酵母前培養液及び水道水の容積を考慮して算定した。
【００５８】
【表３】
【００５９】
表３の設定条件に基づいて同時糖化発酵を実施した。
1cm長に裁断した稲わらを一昼夜3％苛性ソーダ水溶液に浸した。その後、固液分離機でアルカリ処理した稲わらを回収するとともに、水道水に懸濁させpH4.8まで硫酸にて中和した。再度固液分離機で回収した稲わらを実験に用いた（湿稲わら総重量：142.42kg、実含水率67.12％）。
【００６０】
1m3のSUS製酵タンクに酵母用の濃縮培地（3g/l 酵母エキス、3g/l モルトエキス、5g/lペプトン、10g/lグルコース）60L、事前に酵母（Saccharomyces cerevisiae）を液体培養し製造した酵母液100L、水道水50Lを入れ、さらに上記の稲わら71.21kg（乾燥重量23.5kg）を混合し十分水没させた。また、稲わら総乾燥重量（47kg相当）に必要なセルラーゼ（15 FPU/g）を添加し、温度37℃にて無撹拌の状態で同時糖化発酵を開始した。その後、1日経過後に稲わら42.73kg（乾燥重量14.1kg）、2日経過後に稲わら28.48kg（乾燥重量9.4kg）を混合し、計3日間の同時糖化発酵を実施した。
【００６１】
図２に同時糖化発酵におけるスラリーの容積及び固形分濃度の経日変化を示す。同時糖化発酵開始前の容積は286Lであり、経日的な稲わらの添加により360Lまで増加した。一方、固形分濃度は初期に8.2wt％であったが、糖化発酵日数に伴い減少し、3日目には4wt％程度まで低下した。これらの結果は表３に示した想定値に近似する。
【００６２】
本実験で発酵タンクに添加した稲わらの固形分総量は47kgである。この値と図２に示した３日後のスラリー容積から固形分濃度を算定すると固形分濃度は13.1wt％となる。初期段階から稲わらを全量仕込む従来の同時糖化発酵では、この濃度での撹拌は困難である。また、この濃度では稲わらがセルラーゼや酵母を含む溶液中に水没できないため、糖化及び発酵そのものが十分進まない濃度範囲である。
【００６３】
図３には、同時糖化発酵におけるエタノール濃度の変化を示す。時間とともにスラリー中のエタノール濃度は上昇し、3日後には27g/Lの濃度となった。また、3日後のエタノール製造量は9.65kgであり、これは同時糖化発酵に添加した稲わら総重量の20.5wt％に相当する。
【産業上の利用可能性】
【００６４】
本発明により、効率的かつ低コストのアルコールの製造方法が提供される。本発明の方法は、製造されるアルコールの濃度を高めることができ、また反応槽での強力な撹拌を行うことが不要であるため、省エネルギーでアルコールの同時糖化発酵反応を行うことができる。さらに本発明の方法により、セルロース系バイオマスから効率的にエネルギーに変換することができ、資源の再利用に有効である。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セルロース系バイオマスを原料とするバイオアルコール製造に関する。より具体的には、本発明は、同時糖化発酵によるセルロース系バイオマスからのアルコール、特にエタノールの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
バイオアルコールは、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注目されており、現在まで様々なバイオマスを対象とした製造技術が実証されつつある。バイオマスの中でも、セルロース系バイオマスは、食料と競合しないエネルギー資源として注目されているが、糖質やデンプン質系バイオマスと比較して、アルコール転換が非常に難しく実用性の高い製造技術が確立されているとは言いがたい。
【０００３】
セルロース系バイオマスは、セルロース分子間が強固な水素結合により高結晶となっていること、不要なリグニンが存在すること等の理由から、従来は高温や高圧で処理する濃硫酸や希硫酸による方法が検討されてきた。しかし、これらの方法では、セルロースの加水分解で生成する単糖の過反応が進み収率が低いことや、リグニン由来の発酵阻害物質が生成すること、設備全般での酸腐食といった問題がある。さらに、製造に多くのエネルギーを要することから、LCA（Life Cycle Assessment）の観点でも課題があった。
【０００４】
近年、これらの課題を打開すべく、常温常圧での製造が可能な酵素（セルラーゼ）を用いる酵素糖化法が注目されている。酵素糖化は、濃硫酸や希硫酸法で見られる単糖の過反応やリグニンからの発酵阻害物質の生成がないだけでなく、常温付近での反応であり、LCAの観点からも大いに期待されている。
【０００５】
酵素糖化法を用いてエタノールに転換するには、バイオマスの糖化工程及び発酵工程の2つのステップを踏む必要がある。通常、工程毎に反応槽を設け製造するのが一般的であり、第一槽でバイオマスをセルラーゼで加水分解し、グルコース、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を含む糖液を得る。次いで第一槽で得られた糖化液を第二槽に移送し、酵母等の発酵菌でエタノールまで転換するものである。この方法では、糖化工程で生成するグルコース等の単糖濃度がセルラーゼ活性を阻害するため単位バイオマス当たりの高収率を十分達成できないという課題があった。
【０００６】
この課題を解決する方法として糖化工程と発酵工程を一つの反応槽で同時に行う同時糖化発酵法（又は並行糖化発酵法と称す）がある。この方法は、反応槽にバイオマス、セルラーゼ及び発酵微生物を入れ、バイオマスをエタノールまで一挙に転換する方法である。二槽式と比較してセルラーゼの作用で生成する各単糖は発酵微生物により速やかにエタノールまで転換されるため、単糖の蓄積によるセルラーゼへの阻害が無く高い収率を得ることができる（例えば特許文献１）。また、一槽で製造できるため施設のコンパクト化が図れ、省エネルギー化にも繋がる。
【０００７】
一方、同時糖化発酵法における単位発酵液当たりのエタノール量は、糖化収率、発酵収率、反応槽に仕込むバイオマス量によって規定されるため、高濃度のエタノールを製造するには、発酵槽にバイオマスを多量に仕込む必要がある。しかし、多量のバイオマスを仕込んだ場合、反応液中の固形分濃度が高すぎて撹拌できず、強いては糖化と発酵が効率的に進まないケースがある。そのため、反応槽に仕込める固形分量には限界があり、同時糖化発酵法で高濃度のエタノールを製造するのは困難であった。
【０００８】
同時糖化発酵に関する発明技術として以下の３つがある。
すなわち、特許文献２には、セルロースの糖化と乳酸発酵とを同時に進行させてセルロースから乳酸を製造する装置であって、糖化糟と、発酵糟と、該糖化糟にセルロース材料を供給する投入ラインと、該糖化糟から糖化物取出ラインを経て送られた糖化物からセルロース短繊維を含む糖化液を分離して糖化物供給ラインを経て該発酵糟に移送するとともに、セルロース長繊維を含む残渣を残渣返送ラインを経て該糖化糟に戻す第１の分離手段と、該発酵糟から発酵物取出ラインを経て取り出した発酵物から乳酸を含む発酵液を分離して発酵液取出ラインを経て取り出すとともに、乳酸発酵微生物を含む残渣を発酵残渣返送ラインを経て該発酵糟に返送する第２の分離手段とを含むことを特徴とするセルロースからの乳酸製造装置が記載されている。
【０００９】
特許文献３には、セルロースの糖化と乳酸発酵とを同時に進行させてセルロースから乳酸を製造する装置であって、糖化ゾーンと発酵ゾーンとをセルロース短繊維及び水溶液が透過可能な透液性隔壁で仕切った糖化発酵糟と、該糖化ゾーンにセルロース材料を供給する投入ラインと、該糖化ゾーンと発酵ゾーンの少なくとも一方から乳酸を含む発酵液を取り出す取出ラインとを含むセルロースからの乳酸製造装置が記載されている。
【００１０】
特許文献４には、セルロース含有物に、少なくともエンドグルカナーゼ、エクソグルカナーゼ、及びβ−グルコシダーゼを含むセルラーゼを加え、少なくともセルロースが加水分解されて生成した溶解性の糖を含有する糖含有液を得る第１の工程と、糖含有液を固液分離して糖化液を得る第２の工程と、第２の工程で得られた糖化液に、グルコースを消費して発酵を行う微生物を加え、糖化液中で、セルラーゼによる溶解性の糖の加水分解を行うと同時に、微生物による発酵を行う第３の工程を有するセルロース含有物の処理方法が記載されている。
【００１１】
特許文献２及び３は乳酸発酵における同時糖化発酵装置であり、反応槽内部に糖化ゾーンと発酵ゾーンを分離する透液性隔壁を設けることを特徴としている。これらの装置では、同一反応槽ではあるが隔壁で槽内を区画しており、基本的には糖化工程と発酵工程を分離した従来方法と変わらない。また、反応槽内部に隔壁を設けることにより反応槽の構成が複雑で高価となる。さらに、糖化ゾーンと発酵ゾーンに各々撹拌が必要であり、エネルギーを省力化することができない。一方、特許文献４の方法は糖化と発酵を同一の反応槽で行うが、作業手順としては糖化工程と発酵工程を分離した従来方法と変わらず作業が煩雑となる。また、いずれの装置又は方法でも発酵液当たりの乳酸やアルコール等の生成物濃度を高めることは困難である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００８−５０１３３０号公報
【特許文献２】特開２００８−２５９５１７号公報
【特許文献３】特開２００３−３１０２４３号公報
【特許文献４】特開２００２−１８６９３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
バイオマスの同時糖化発酵法では、酵素加水分解と発酵の最適条件が異なり（特許文献１）、発酵終了時のアルコール濃度が低いという課題があった。また、アルコール濃度が低いために発酵槽に仕込むバイオマスの量が増大して撹拌動力が増大し、またアルコール濃度を上げるために蒸留を行う必要があり、エネルギーコストが増大するという欠点があった。さらに、発酵槽での強い撹拌によって、その剪断力が発酵微生物に対して悪影響を与えることもある（特許文献２）。
【００１４】
従って、本発明の課題は、従来技術の課題であったバイオマスの同時糖化発酵法において生成するアルコールの高濃度化と省エネルギー化を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明者は上記課題を解決するため鋭意検討を行った結果、バイオマスの同時糖化発酵において、消費されるバイオマスの減少を補完しながら酵素加水分解及び発酵プロセスを行うことによって、高濃度のアルコールが生成され、またそのプロセスにおいて撹拌が必要とされず、効率的にかつ低コストで高濃度のアルコールを製造することができることを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１６】
すなわち本発明は以下のとおりである。
［１］セルロース系バイオマスの同時糖化発酵によりアルコールを製造する方法において、
バイオマスを反応槽に追加投入することによって、消費されるバイオマスの減少を補完しながら酵素加水分解プロセス及び発酵プロセスを行うことを特徴とするアルコールの製造方法。
【００１７】
［２］バイオマスの追加投入が、間欠的に、逐次に又は連続的に行われる、［１］に記載の方法。
［３］バイオマスの追加投入の量及び／又は時期が、酵素加水分解プロセスにおいて使用するセルラーゼのバイオマス分解速度に基づいて決定される、［１］又は［２］に記載の方法。
【００１８】
［４］バイオマスの追加投入が少なくとも１回行われる、［１］〜［３］のいずれかに記載の方法。
［５］反応槽におけるバイオマスの乾燥固形分濃度が、反応槽内の全水分量に基づき５〜２０重量％である、［１］〜［４］のいずれかに記載の方法。
［６］アルコールがエタノールである、［１］〜［５］のいずれかに記載の方法。
【発明の効果】
【００１９】
本発明により、アルコールの製造方法が提供される。本発明の方法は、セルロース系バイオマスの同時糖化発酵によって高濃度のアルコールを効率的かつ低コストで製造することができ、アルコールの製造分野及び使用分野において有用である。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明に係るアルコール製造方法のフローの一例を示す。
【図２】同時糖化発酵におけるスラリーの容積と固形分濃度の経日変化を示す。
【図３】同時糖化発酵におけるエタノール製造の経日変化を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明を詳細に説明する。
本発明に係るアルコールの製造方法は、同時糖化発酵法に基づくものであり、具体的には、セルロース系バイオマスを反応槽に投入し、同じ反応槽中で酵素加水分解（糖化）プロセスと発酵プロセスとを同時に行ってアルコールを製造するものである。本発明は、その同時糖化発酵において、消費されるバイオマスの減少を補完しながら酵素加水分解及び発酵プロセスを行うことを特徴としており（図１）、高濃度のアルコールを効率的にかつ低コストで製造することができる。
【００２２】
本発明の方法において原料となるセルロース系バイオマスとは、セルロース、ヘミセルロース、及び場合によりリグニンを含む資源を意味する。例えば限定されるものではないが、木質資源（廃建材、伐採材、おが屑、間伐材、木材チップ、樹皮、林地残材、未利用樹、背板など）、紙資源（廃梱包材、古紙など）、農作物資源（稲ワラ、麦ワラ、トウモロコシの茎及び葉など）、食品資源（オカラ、酒粕など）が挙げられる。使用するセルロース系バイオマスは、１種類の資源からなるものであってもよいし、複数種の資源からなるものであってもよい。また、セルロース系バイオマスには、上述したような資源以外に、若干の不純物が含まれていてもよい。
【００２３】
原料となるセルロース系バイオマスは、後述する前処理及び／又は酵素加水分解・発酵プロセスを効率的に行うために、バイオマスの種類によっては粉砕を行うことが好ましい。セルロース系バイオマスの粉砕は、例えば裁断機、リファイナー、木材粉砕機を用いて行うことができる。
【００２４】
また、酵素加水分解プロセス及び発酵プロセスを行う前に、セルロース系バイオマスの前処理を行うことが好ましい。そのような前処理としては、加水分解処理、AO処理及び固液分離処理が挙げられる。
【００２５】
加水分解処理では、まずセルロース系バイオマスを適当な酸又はアルカリに混合し、所定温度に加温し反応させることによって、セルロース系バイオマスに含まれるセルロース及び／又はヘミセルロースを加水分解して糖を抽出する。加水分解処理は、当技術分野で公知の方法に従って適当な条件で行うことができ、酸加水分解及びアルカリ加水分解のいずれでもよい。例えば酸加水分解を行う場合には、硫酸、好ましくは希硫酸を用いることができる。例えば、硫酸濃度0.1〜5％、好ましくは0.5〜3％の希硫酸を用いて、約140〜220℃の温度、好ましくは160〜210℃の温度にて、約1〜20分間、好ましくは約5〜10分間にわたり反応を行う。また例えばアルカリ加水分解を行う場合には、水酸化ナトリウム（苛性ソーダ）、水酸化カルシウムなどを用いることができる。例えば、0.1〜5％、好ましくは1〜4％の水酸化ナトリウムを用いて、好ましくは常温（約20〜30℃）にて、約1〜30時間、好ましくは5〜25時間にわたり反応を行う。加水分解処理後は、加水分解処理の種類に応じて当技術分野で公知の中和処理を行う。
【００２６】
AO処理では、セルロース系バイオマスをアルカリ水溶液と混合した後、活性酸素を生成する酸化剤と混合する（例えば、特開2008-43328号公報参照）。アルカリ水溶液としては、任意のアルカリに基づく水溶液を用いることができ、例えば、水酸化ナトリウム（苛性ソーダ）、消石灰及び生石灰（水酸化カルシウム水溶液）などを用いることができる。また、使用するアルカリ水溶液は、pH9.5〜13.5、好ましくはpH10〜13、より好ましくはpH11〜12.5とすることができる。セルロース系バイオマスとアルカリ水溶液とを混合し、好ましくは常温（約20〜30℃）にて、約1〜30時間、好ましくは5〜25時間にわたりpHを10〜13に制御しながら混合を継続する。次に、アルカリ水溶液との混合物に対し、活性酸素を生成する酸化剤を添加し、混合する。活性酸素を生成する酸化剤としては、当技術分野で公知の任意の酸化剤を用いることができ、具体的には、過酸化水素、過硫酸塩、過炭酸塩、過酢酸塩、オゾン、過酸化ナトリウムが挙げられる。活性酸素を生成する酸化剤は、適当な量を添加し、例えば1〜30時間混合する。このようなAO処理によって、バイオマス固形分中のリグニンを低分子化又は脱離させることができ、後述する酵素加水分解プロセスの効率を向上させることができる。
【００２７】
固液分離処理では、原料のセルロース系バイオマス又は上記前処理後のセルロース系バイオマスを液分と固形分に分離する。固液分離は、当技術分野で公知の方法、例えばフィルタープレス、振動ふるい、遠心分離、膜分離を用いて行うことができる。処理後の固形分は、後述する糖化及び発酵プロセスに供する。液分は、排水処理してもよいし、又は上記前処理に再利用してもよい。
【００２８】
本発明の方法では、原料としてバイオマス又は上記前処理後のバイオマスを用いて、酵素加水分解プロセス及び発酵プロセスを行う。
【００２９】
酵素加水分解プロセスは、糖化の１つのプロセスであり、セルラーゼ酵素処理を行うことにより、セルロース系バイオマス中のセルロースをセルラーゼにより単糖又は二糖まで分解する。使用するセルラーゼは、セルロースを効率的に六炭糖まで糖化できるものであれば特に限定されない。例えば、エンドグルカナーゼ、エクソグルカナーゼ、β-グルコシダーゼが挙げられる。
【００３０】
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。当技術分野では、好適なセルラーゼを市販品として容易に入手することができる。また、使用するセルラーゼは、１種類であってもよいし、又は複数種を組み合わせてもよい。例えば、セルラーゼ生成菌の液体培養で細胞外に精製した酵素の濃縮液や培養液、又はこれらにエンドグルカナーゼ等の単一酵素をブレンドしたものを使用することができる。市販セルラーゼとしては、ジェネンコア社製のGC220、アクセルラーゼ（Accellerase）1500、ノボザイム社製のノボザイム、明治製菓社製のアクレモニウムセルラーゼ等がある。
【００３１】
酵素加水分解プロセスにおいて、セルラーゼを反応させる温度、時間及び量は、セルラーゼの種類や、同時に行う発酵プロセスの条件によって異なるが、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。例えば、セルラーゼの使用量は、基質となるセルロース系バイオマス1gに対して、セルラーゼ活性が例えば3 FPU〜100 FPU、好ましくは5 FPU〜30 FPUとなるような量とする。ここで、FPUは、1分間に1μモルのグルコースに相当する還元糖を生成する酵素量を表し、例えば、NREL Technical Report（Audey A. and Baker J. Measurement of Cellulase Activities, Laboratory Analytical Procedure, Technical Report NRE-L/TP510-42628, 2008）により測定することができる。
【００３２】
またセルラーゼは、通常30〜90℃、好ましくは30〜70℃の温度において、pH 3〜6程度で使用する。
【００３３】
あるいは、セルロース系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す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、例えば黒コウジ菌（Aspergillus niger）、フザリウム菌（Fusarium solani）、シュードモナス・フルオレッセンス（Pseudomonas fluorescence）が挙げられる。セルラーゼ生成菌を使用する場合には、セルロース系バイオマスを原料としてセルラーゼ生成菌と発酵微生物の同時発酵を行い、アルコールを生成する。
【００３４】
発酵プロセスでは、上述の前処理及び／又は酵素加水分解プロセスによって得られる単糖を原料としてアルコール生成可能な発酵微生物による発酵を行い、アルコールを製造する。酵素加水分解プロセス又は前処理の加水分解処理によって得られる糖はセルロース由来の糖であり、グルコースの六炭糖を含み、酵母などによって容易にアルコールに変換される。また前処理を行う場合には、ヘミセルロース由来の糖が得られることもあり、これはキシロース、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を含み、このうち六炭糖は酵母などによって容易にアルコールに変換することができ、五炭糖は、当技術分野で公知のアルコール生成方法に従ってアルコールに変換することができる。
【００３５】
六炭糖のアルコール発酵は、当技術分野で公知のアルコール製造方法に従って、発酵微生物を用いて行うことができる。そのような発酵微生物は、糖からアルコールを生成する能力を有するものであれば特に限定されるものではなく、例えば天然にそのような能力を有する酵母及び細菌、並びに遺伝子組換えによりアルコール生成に必要な遺伝子を有する細菌が挙げられる。エタノールを生成する具体的な微生物としては、酵母、例えばサッカロミセス属（Saccharomyces cerevisiaeなど）、シゾサッカロミセス属（Shizosaccharomyces pombeなど）、ピヒア属（Pichia stipitusなど）、カンジダ属（Candida albicansなど）、ハンセヌラ属（Hansenula polymorphaなど）に属する酵母、並びに細菌、例えばザイモモナス属（Zymomonas mobilisなど）に属する細菌が含まれる。またブタノールを生成する微生物としては、エンテロバクター属（Enterobacter aerogenesなど)、クロストリジム属（Clostridium butyricumなど）に属する細菌が含まれる。このような発酵微生物は当技術分野で公知であり、例えば特許文献１、特許第4385186号及び特開2009-213440号公報に記載されている。
【００３６】
また五炭糖のアルコール発酵は、例えば五炭糖及び六炭糖の両方を資化するが、アルコールを生成しない大腸菌に、アルコ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アルコール発酵させてアルコ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）。
【００３７】
発酵微生物による発酵は、発酵微生物の培養に通常用いられる培地を使用して、適当な条件下で培養することによって行うことができる。使用する培地は、炭素源、窒素源、無機塩類等を含有し、発酵微生物の培養を効率的に行うことができる培地であれば、天然培地、合成培地のいずれを用いてもよく、当業者であれば使用する発酵微生物に適切な公知の培地を適宜選ぶことができる。炭素源としてはラクトース、グルコース、スクロース、フラクトース、ガラクトース、廃糖蜜などを使用することができ、窒素源としてはカゼインの加水分解物、ホエータンパク質加水分解物、大豆タンパク質加水分解物等の有機窒素含有物を使用することができる。また無機塩類としては、リン酸塩、ナトリウム、カリウム、マグネシウムなどを用いることができる。例えば発酵微生物として酵母を選択した場合、その培養に適した培地としては、例えばH培地（1％グルコース、0.2％酵母エキス、0.5％ペプトン、0.03％K2HPO4、0.03％KH2PO4、0.01％MgCl2を含む酵母用培地）、SD培地（2％グルコース、1％ペプトンを含む酵母用培地）、YPD培地（2％グルコース、1％酵母エキス、2％ペプトンを含む酵母用培地）、廃糖蜜が挙げられる。
【００３８】
アルコール発酵の条件は、当業者であれば、原料となるバイオマス及び糖の種類、使用する発酵微生物の種類などに応じて、また上記の酵素加水分解プロセスの条件も鑑みて、適宜設定することができる。例えば、アルコール発酵プロセスは、20〜90℃、好ましくは30〜70℃の温度において、pH 3〜6程度で、好ましくは嫌気条件下にて行う。事前試験を行って、各プロセスで使用する酵素、微生物などの活性を損なうことなく、各プロセスの反応を十分に行うことができる条件を確認することが好ましい。
【００３９】
本発明の方法では、上述した酵素加水分解プロセスと発酵プロセスとを同じ反応槽内で同時に実施する。ここで「同時」とは、2つのプロセスの開始及び終了が厳密に同じことを意味してもよいし、また2つのプロセスの反応時間が重複していれば、その開始及び終了は異なっていてもよいことを意味する。反応槽には、原料となるバイオマス（無処理又は前処理を行ったもの）、セルラーゼ及び発酵微生物を投入する。反応槽にはさらに水、発酵微生物のための培地などを投入するが、これらの量は、使用するセルラーゼ及び発酵微生物の量、並びに最終的なバイオマスの量に応じて適宜設定する。
【００４０】
バイオマスの初期投入量は、バイオマスの全量が反応槽中の液体分（水、培地などを含む）に浸漬するような量であることが好ましい。より好ましくは、実施例１に示すように、同時糖化発酵プロセスに使用する反応槽において、事前にバイオマスを用いて撹拌混合試験を行い、良好な混合（すなわち強度の撹拌力がなくても混合できること）を達成することができるバイオマスの固形分濃度を確認する。具体的にはバイオマスの乾燥固形分濃度が、反応槽内の液体重量（水分量）に基づき5〜20重量％、好ましくは8〜12重量％となるように、反応槽に投入するバイオマスの量を決定する。ここで、上記液体重量は、反応槽内に投入したバイオマス中の成分と投入した液体量の和より求められる。
【００４１】
本発明の方法では、プロセスの進行に伴ってバイオマスが減少するため、その減少を補完するようにバイオマスを追加投入する。ここで、「追加投入」とは、同時糖化発酵プロセスの開始時に反応槽に投入されているバイオマスに、さらに追加的にバイオマスを投入することを意味する。ここで、追加投入するバイオマスは、反応槽に最初に投入するバイオマスと同じ種類のバイオマスであってもよいし、あるいは異なる種類のバイオマスであってもよい。
【００４２】
追加投入するバイオマスの量、回数及び時期は、当業者であればアルコール製造を最適に行うことができるように適宜設定することができる。例えば、最終的なバイオマスの量を適当に分割して（例えば３等分して）、初期投入量と追加投入量としてもよい。好ましくは、図１に示すように、設定する温度及びpHにてセルラーゼによるバイオマスの酵素加水分解試験（糖化試験）を実施し、セルラーゼ活性に応じたバイオマスの分解速度を事前に把握し、この分解速度に応じて、反応槽に追加投入するバイオマス量、回数及び時期を決定する。この作業により、反応槽に存在するバイオマスの固形分濃度を適切に設定することができ、結果的に最終的な発酵液中のアルコールを高濃度化し、強度の撹拌を不要にすることができる。具体的には、例えば実施例２に示すように、設定する温度及びpHにてセルラーゼによるバイオマスの酵素加水分解試験（糖化試験）を実施し、所定時間後のバイオマスの減少（分解率）から、その減少を補完できるバイオマスの量を設定する。好ましくは、反応槽におけるバイオマスの乾燥固形分濃度が、反応槽内の全水分量に基づき5〜20重量％、好ましくは8〜12重量％となるように、追加投入するバイオマスの量を設定する。
【００４３】
複数回の追加投入を行う場合には、各回に追加投入するバイオマスの量は同じであってもよいし又は異なっていてもよい。プロセスの進行と共にバイオマスの分解速度は低減することが予測されるため、各回に追加投入するバイオマスの量は低減していくことが好ましい。
【００４４】
バイオマスの追加投入は、間欠的に、逐次に又は連続的に行うことができる。「間欠的」とは、一定の時間をおいて繰り返すことを意味し、「逐次」とは、順次と同意であり、順を追って次々に行うことを意味し、「連続的」とは、途切れなく続くことを意味する。従って、バイオマスの追加投入は、1回以上の回数で間欠的に又は逐次に行ったり、あるいはバイオマスの所定の量を連続的に追加投入することが可能である。例えば、反応時間によって異なるが、1日に1又は2回、間欠的に追加投入を行うことが好ましい。
【００４５】
反応時間は、アルコール発酵が十分に行われる時間で適宜設定することができる。例えば、反応は、12時間以上、1日以上、3日以上、5日以上行うことができ、好ましくは1〜5日間行う。
【００４６】
反応条件は、上述した酵素加水分解プロセスと発酵プロセスの条件に基づいて、各プロセスで使用する酵素、微生物などの活性を損なうことなく、各プロセスの反応を十分に行うことができる条件（温度、pH、嫌気条件など）とする。そのような条件は、当業者であれば、例えば事前試験などを行って適宜設定することが可能である。本発明の方法では、反応槽の撹拌は行ってもよいし又は行わなくともよい。上述したように、反応槽におけるバイオマスの固形分濃度を低く抑えることができるため、反応槽において撹拌を行わなくても良好な反応を行うことができ、また撹拌を行う場合でも、その撹拌動力を省力化することができる。本発明の方法では、セルラーゼによる酵素加水分解プロセスが早く進行することから、撹拌を行わないことが好ましい。
【００４７】
以上の同時糖化発酵のプロセスによってアルコールが生成する。本発明の方法では、高濃度のアルコールを製造することができ、例えば実施例３の実験では3日間の同時糖化発酵によって約2.7％のエタノールが得られている。生成したアルコールは、当技術分野で公知の蒸留、膜分離処理などによって分離・精製してもよい。
【００４８】
上述の通り、本発明に係るアルコール製造方法では、以下の効果が達成される：
（1）発酵終了時のアルコール濃度を高めることができ、高濃度のアルコールが得られる。同時糖化発酵法を含む従来のバイオアルコール製造方法では、発酵後の液体を蒸留により濃縮するが、本発明により高濃度のアルコールが得られるため、蒸留に必要な労力、時間及びエネルギーを削減することができる。
（2）反応槽におけるバイオマスの固形分濃度が低いため、反応を無撹拌で行うことができる（撹拌を行うとしてもその動力を抑制することができる）。従来の同時糖化発酵法では撹拌が必要とされていたため、本発明により撹拌に必要なエネルギーを抑制することができる。
【実施例】
【００４９】
以下、実施例を用いて本発明をより詳細に説明するが、本発明の技術的範囲はこれら実施例に限定されるものではない。
〔実施例１〕
1cm長に裁断した稲わらを一昼夜3％苛性ソーダ水溶液に浸した。その後、固液分離機でアルカリ処理した稲わらを回収するとともに、水道水に懸濁させpH7.0まで硫酸にて中和した。再度固液分離機で回収した稲わらを実験に用いた（含水率68.98％）。
【００５０】
半径280mmのパドル翼から成る撹拌機を設置した直径1000mm、高さ1053mmのアクリル製反応槽を用いた。これに水道水を27.15kg仕込んだ後、撹拌機を起動し、混合状況を見ながら稲わらを投入し、投入量及び回転数を調整しながらスラリーの混合状態を観察した。なお、固形分濃度（％）は、乾燥重量／（バイオマス水分量＋投入液体量）×100により算出した。
【００５１】
その結果、表１に示すとおり、パドル翼１段にて稲わらの混合を行った場合、回転数を上げても良好な混合を行うことができる稲わらの固形分濃度は8.26wt％付近が限界であった。
【００５２】
【表１】
【００５３】
〔実施例２〕
1cm長に裁断した稲わらを一昼夜3％苛性ソーダ水溶液に浸した。その後、固液分離機でアルカリ処理した稲わらを回収するとともに、水道水に懸濁させpH4.8まで硫酸にて中和した。再度固液分離機で回収した稲わらを実験に用いた（含水率71.67％）。
【００５４】
回転子を入れた500mLガラス瓶3本に上記の稲わらと蒸留水を混合して入れ、固形分濃度を5wt％に調整した。各ガラス瓶に市販のセルラーゼ（ジェネンコア社製GC220）を稲わら乾燥重量当たり5、10、又は15 FPU/g添加し、37℃でスターラー上で撹拌した。定期的に各ガラス瓶からスラリーを回収し、残存する固形分濃度を求めた。これにより算定した各セルラーゼ活性における固形分の減少率を表２に示す。
【００５５】
【表２】
【００５６】
〔実施例３〕
次に、1m3発酵タンクを想定した稲わらの間欠的添加による同時糖化発酵の運転条件を以下のとおり設定した：
・稲わら処理総量：乾燥重量47kg
・セルラーゼ添加量：稲わら乾燥重量当たり15FPU/g
・初期稲わら量：乾燥重量23.5kg
・初期固形分濃度：8.2wt％（稲わらが水没する濃度）
・稲わらの添加回数：1回／日×2日（1回目：14.1kg、2回目：9.4kg）。
【００５７】
これらの条件から、稲わらの添加量及びその際に想定されるスラリー中の固形分濃度を表３に示す。表３中の未分解量は、稲わらの添加量と、表２に示したセルラーゼ添加量15FPU/gで得られた経日的な固形分減少率との関係から算定した。なお、固形分濃度は、稲わらの含水率を67％とし、その他、同時糖化発酵槽に混合する酵母用の濃縮培地、酵母前培養液及び水道水の容積を考慮して算定した。
【００５８】
【表３】
【００５９】
表３の設定条件に基づいて同時糖化発酵を実施した。
1cm長に裁断した稲わらを一昼夜3％苛性ソーダ水溶液に浸した。その後、固液分離機でアルカリ処理した稲わらを回収するとともに、水道水に懸濁させpH4.8まで硫酸にて中和した。再度固液分離機で回収した稲わらを実験に用いた（湿稲わら総重量：142.42kg、実含水率67.12％）。
【００６０】
1m3のSUS製酵タンクに酵母用の濃縮培地（3g/l 酵母エキス、3g/l モルトエキス、5g/lペプトン、10g/lグルコース）60L、事前に酵母（Saccharomyces cerevisiae）を液体培養し製造した酵母液100L、水道水50Lを入れ、さらに上記の稲わら71.21kg（乾燥重量23.5kg）を混合し十分水没させた。また、稲わら総乾燥重量（47kg相当）に必要なセルラーゼ（15 FPU/g）を添加し、温度37℃にて無撹拌の状態で同時糖化発酵を開始した。その後、1日経過後に稲わら42.73kg（乾燥重量14.1kg）、2日経過後に稲わら28.48kg（乾燥重量9.4kg）を混合し、計3日間の同時糖化発酵を実施した。
【００６１】
図２に同時糖化発酵におけるスラリーの容積及び固形分濃度の経日変化を示す。同時糖化発酵開始前の容積は286Lであり、経日的な稲わらの添加により360Lまで増加した。一方、固形分濃度は初期に8.2wt％であったが、糖化発酵日数に伴い減少し、3日目には4wt％程度まで低下した。これらの結果は表３に示した想定値に近似する。
【００６２】
本実験で発酵タンクに添加した稲わらの固形分総量は47kgである。この値と図２に示した３日後のスラリー容積から固形分濃度を算定すると固形分濃度は13.1wt％となる。初期段階から稲わらを全量仕込む従来の同時糖化発酵では、この濃度での撹拌は困難である。また、この濃度では稲わらがセルラーゼや酵母を含む溶液中に水没できないため、糖化及び発酵そのものが十分進まない濃度範囲である。
【００６３】
図３には、同時糖化発酵におけるエタノール濃度の変化を示す。時間とともにスラリー中のエタノール濃度は上昇し、3日後には27g/Lの濃度となった。また、3日後のエタノール製造量は9.65kgであり、これは同時糖化発酵に添加した稲わら総重量の20.5wt％に相当する。
【産業上の利用可能性】
【００６４】
本発明により、効率的かつ低コストのアルコールの製造方法が提供される。本発明の方法は、製造されるアルコールの濃度を高めることができ、また反応槽での強力な撹拌を行うことが不要であるため、省エネルギーでアルコールの同時糖化発酵反応を行うことができる。さらに本発明の方法により、セルロース系バイオマスから効率的にエネルギーに変換することができ、資源の再利用に有効である。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
セルロース系バイオマスの同時糖化発酵によりアルコールを製造する方法において、
バイオマスを反応槽に追加投入することによって、消費されるバイオマスの減少を補完しながら酵素加水分解プロセス及び発酵プロセスを行うことを特徴とするアルコールの製造方法。
【請求項２】
バイオマスの追加投入の量及び／又は時期が、酵素加水分解プロセスにおいて使用するセルラーゼのバイオマス分解速度に基づいて決定される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
反応槽におけるバイオマスの乾燥固形分濃度が、反応槽内の全水分量に基づき５〜２０重量％である、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項１】
セルロース系バイオマスの同時糖化発酵によりアルコールを製造する方法において、
バイオマスを反応槽に追加投入することによって、消費されるバイオマスの減少を補完しながら酵素加水分解プロセス及び発酵プロセスを行うことを特徴とするアルコールの製造方法。
【請求項２】
バイオマスの追加投入の量及び／又は時期が、酵素加水分解プロセスにおいて使用するセルラーゼのバイオマス分解速度に基づいて決定される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
反応槽におけるバイオマスの乾燥固形分濃度が、反応槽内の全水分量に基づき５〜２０重量％である、請求項１又は２に記載の方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１１−１８２７４１（Ｐ２０１１−１８２７４１Ａ）
【公開日】平成２３年９月２２日（２０１１．９．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−５３３１４（Ｐ２０１０−５３３１４）
【出願日】平成２２年３月１０日（２０１０．３．１０）
【出願人】（０００２０６２１１）大成建設株式会社 (1,602)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年９月２２日（２０１１．９．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月１０日（２０１０．３．１０）
【出願人】（０００２０６２１１）大成建設株式会社 (1,602)
【Ｆターム（参考）】
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