セルロース糖化酵素の簡易的回収・再利用方法
【課題】簡易的な方法による酵素の回収・再利用を提供する。
【解決手段】酵素が作用するように前処理が施されたリグノセルロース原料に、セルロース加水分解酵素を添加してＣ６糖であるグルコースやＣ５糖を得るリグノセルロースのバッチ式またはセミバッチ式の糖化方法であり、加水分解されず、かつ添加した酵素が付着しているリグノセルロース残渣を次回分の酵素糖化に再利用する。
【解決手段】酵素が作用するように前処理が施されたリグノセルロース原料に、セルロース加水分解酵素を添加してＣ６糖であるグルコースやＣ５糖を得るリグノセルロースのバッチ式またはセミバッチ式の糖化方法であり、加水分解されず、かつ添加した酵素が付着しているリグノセルロース残渣を次回分の酵素糖化に再利用する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、リグノセルロース系バイオマスを酵素で糖化し、エタノールや生分解性プラスチックの原料となる乳酸の発酵原料となるグルコース等を製造する技術に関する。特に、本発明は、リグノセルロース材料を基質とし、簡易的な方法で一度利用した糖化酵素を回収・再利用できる工業的方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
セルロースを構成糖であるグルコースに加水分解する方法は大きく分けて２つの方法がある。一つは硫酸等の鉱酸を用いる酸糖化法であり、もう一つは酵素やその酵素を生産する微生物を用いる酵素糖化法である。前者は技術的に完成されてはいるが、過分解物等が生成する問題のほかに、硫酸の中和や回収にも課題が残る。後者については、近年、米国を主導とした開発が加速して酵素価格が下がる動向ではあるが、実用化には更なる酵素価格の低減が不可欠である。
【０００３】
その対策として、酵素添加量を低減させる方法、あるいは一度使用した酵素を回収して再利用する方法が提唱されている。
【０００４】
例えば、Woodらはmixed waste office paperに酵素製剤を添加して併行糖化発酵を行う際に、２４０分に１５分の割合で超音波を照射することで酵素の使用量を半減することが出来たと報告している。また、超音波によって繊維が弛緩されるのみならず、酵素がセルロース繊維に吸着されたのを剥離させ、再び新しいドメインに転移、作用させる効果があるためであると考察している（非特許文献１、２）。
【０００５】
また、非特許文献３には、蒸煮・爆砕処理したシラカンバ材を５％の濃度で糖化槽に加え、２万単位のセルラーゼを添加して、限外ろ過により糖液と酵素液とを分離し、酵素を回収再利用しながら、８日間で２ｋｇのシラカンバ材から単糖類を６３０ｇ得ている。この方法で酵素の使用量を２０％節約できたと報告している。ただし、２０％の節約では実用化には至らず。
【０００６】
さらに、非特許文献４には、アルカリ前処理したバガスをセルラーゼで糖化した低濃度糖液から、分画分子量１０，０００から２０，０００の限外ろ過膜を用いて酵素９０％を回収。酵素の添加率は反応液１ｍＬ当たり３０〜２００単位で、基質１ｇに対する添加率はＣＭＣａｓｅで１，０００〜２，８００単位。ろ紙分解活性では４５〜１２８単位（ＣＭＣａｓｅが７２０単位のとき、ろ紙分解活性が３３単位として計算）と考えられるが、この条件で糖化率は８０％であった。一方、高濃度糖液の場合は糖化残渣が多くなり、この残渣にセルラーゼが吸着されて酵素回収量は７５〜８０％となったと報告されている。以上のような観点から、糖化装置の設計においても酵素を限外ろ過膜で回収・再利用する方法が検討されている（特許文献１〜３）。
【０００７】
特許文献４では、７Ｌ 容量のスラリー中、コピー用紙が１．２５％（ｗ／ｗ，絶乾）となるように懸濁し、攪拌速度１８０ｒｐｍで攪拌し、この基質を糖化反応槽へ連続的に送り出す。
【０００８】
糖化反応槽の液量は３ｋｇ、コピー用紙濃度は０．２５％（ｗ／ｗ，絶乾）とし、酵素添加量はコピー用紙１ｇあたり２６０単位で滞留時間は１２時間、５０℃、２５０−３００ｒｐｍの条件で運転。反応液は反応液貯留槽に送られ、限外ろ過装置で回収された酵素は糖化反応槽に戻される。１，０００時間に及ぶ連続運転に際し、糖化率は９８％以上を保っていた。投入する基質に対する残渣の蓄積量を５％以下に保つことで新たな酵素を追加せずに繰り返し、回収・再利用することが可能と報告されている。
【非特許文献１】ウッド・ビー・イー（Wood,B.E.）、アルドリッチ・エイチ・シー（Aldrich,H.C.）、イングラム・エル・オー（Ingram,L.O.）著、「Biotechnol.Prog.」，１９９７年、第１３巻、ｐ．２３２−２３７
【非特許文献２】トム・ピー（Tomme,P.）、ウォーレン・エイ・ジェイ（Warren,A.J.）、ミラー・ティー・シー・ジェイ（Miller,T.C.J.）、キルバーン・ディー・ジー（Kilburn,D.G.）、ギルケス・エム・アール（Gilkes,M.R.）著、「Enzymatic Degradation of Insoluble Carbohydrates」J.N.Saddler版）、ＡＣＳ Symposium Ser、ACS，サン・ディエゴ、ＣＡ、１９９５年、第６１８巻，ｐ．１４５−１６３，
【非特許文献３】イシハラ・エム（Ishihara,M.）ら著、「Biotechnol.Bioeng.」，１９９１年、第３７巻，ｐ．９４８−９５４
【非特許文献４】安戸 饒著、木材学会誌，１９８９年、第３５巻、第１２号，ｐ．１０６７−１０７２
【特許文献１】特開昭６１−２６０８７５号公報
【特許文献２】特開昭６１−２３４７９０号公報
【特許文献３】特開昭６３−８７９９４号公報
【特許文献４】特開２００６−８７３１９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
超音波を照射して基質から酵素を剥離させ、再び新しい反応ドメインに転移、作用させる、あるいは限外ろ過膜による酵素の回収・再利用を工業規模で実施するには、前者には多大なイニシャルコスト、後者には膜再生等のメンテナンス作業の発生が予想される。事業化を進めるうえでは、更に簡易的な方法による酵素の回収・再利用が望ましい。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するため、本発明のリグノセルロースのバッチ式またはセミバッチ式の糖化方法は、酵素が作用するように前処理が施されたリグノセルロース原料に、セルロース加水分解酵素を添加してＣ６糖であるグルコースやＣ５糖を得るリグノセルロースのバッチ式またはセミバッチ式の糖化方法であり、加水分解されず、かつ添加した酵素が付着しているリグノセルロース残渣を次回分の酵素糖化に再利用することを特徴とするものである。
【００１１】
本発明において用いられるリグノセルロース原料とは、例えば針葉樹、広葉樹等の木材（間伐材、製材時の端材・おが屑、あるいはコンクリート型枠や解体家屋由来の建築廃材）、ヤシ類を中心とした南洋材（幹および実の外殻）、稲藁、麦藁、バガス、コーンストーバーなどの農業残渣、そして大型藻類や微細藻類等の植物組織を指す。
【００１２】
そして、「酵素が作用するように前処理が施された」とは、植物組織の強度を司り、セルロースおよびヘミセルロースを包埋するように存在するリグニン（リグノセルロースの２０〜３０％を占める）をアルカリや酸を加えた条件下で蒸煮、或いはそれらを加えない蒸煮や水蒸気爆砕等によって除去するとともに、強固なセルロースの結晶構造の弛緩も図ることを指す。また、このような前処理が既に施された原料として、前述した針葉樹や広葉樹由来の紙が挙げられる。
【００１３】
紙は、木材から、機械的あるいは化学的に繊維を取り出し、これを剥いて薄いシートにしたものである。特に化学パルプは、セルロース繊維を包埋するリグニンがほぼ取り除かれており、酵素糖化に好適なリグノセルロース原料と見なすことができる。また、紙（繊維）は容易に細断でき、これを絶乾重量で１０％の懸濁液（スラリー）に調製したものが流動限界であり、これは他のリグノセルロース原料のそれよりも高濃度である。例えば硬い木材は微粉化に多大なコストを要するだけでなく、微粉化しても紙ほど高濃度スラリー化はできない。このため、連続、バッチ式酵素糖化法に関係なく、濃い糖化液が得られないという欠点があるが、この欠点をある程度補える紙は、好適な原料である。
【００１４】
なお、機械パルプは古紙としての回収ルートが確立され、高い回収率で有効に再利用されているが、化学パルプは印刷用紙、コピー用紙などの事務用紙、包装用紙などに使用され、オフィス系紙ごみとして廃棄されることが多い。古紙リサイクルに含まれない紙資源として、都市ごみ焼却施設に持ち込まれ焼却処分される紙ごみ（主にオフィス系）の割合は都市部において約４０％を占める。また、収集システムを新たに構築・整備する必要がないうえ、安定供給も期待できる。なお、コピー用紙などの上中質紙には白さと表面の滑らかさを出すため、化学パルプ以外に填料として炭酸カルシウムが数％含有されているが（ぷりんとぴあ、http://www.jfpi.or.jp/printpia/kami/story08.htm）、強酸性（ｐＨ４．８）付近では溶解性が増す。酵素糖化時のｐＨは更に低いため、ほぼ溶解して糖化液中に遊離していると思われる。
【００１５】
好ましくは、酵素が作用するよう前処理を施したリグノセルロースを２〜１０％［ｄｒｙ ｗｔ／ｗｔ］のスラリーに調整し、該スラリーにリグノセルロース１％絶乾重量当たり２００〜１０００単位の糖化酵素を添加し、２４〜７２時間糖化処理する。
【００１６】
好ましくは、リグノセルロース糖化液に対して、減圧留去または炭素数２〜４個のアルコール（例えば、エタノール、ブタノール等）を添加した共沸を行うことによって、リグノセルロース糖化液をエタノール発酵に適した１０〜１５％の濃度に濃縮する。
【００１７】
好ましくは、前記リグノセルロース糖化液に対して、限外ろ過膜を用いて濃縮する。
【００１８】
好ましくは、リグノセルロース糖化液を静置することで沈殿するリグノセルロース残渣を回収し、回収した全量または一部を次回分のリグノセルロースの酵素糖化に再利用酵素として添加する。
【００１９】
好ましくは、前記リグノセルロース残渣の次回の処理への再利用を複数回にわたって繰り返して行う。
【００２０】
一回分の糖化処理では可溶化されずに酵素が付着したまま残渣となったリグノセルロースが次回分の糖化処理において可溶化、構成糖まで変換され、未反応残渣量を低減できる。
【００２１】
好ましくは、前記リグノセルロース原料は、従来の古紙回収システムには含まれず、都市ごみ焼却場で焼却処分されていた紙ごみに由来するもの、より好ましくは、オフィス系紙ごみに由来するものである。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によると、残渣に付着した酵素をｐＨ調整や超音波等を駆使して剥離させることなく、残渣ごと再利用することができ、簡易に糖化処理を行うことができる。
【００２３】
一方、酵素の回収・再利用を前提とした連続式酵素糖化法に関する前述の特許文献４を例に挙げると、以下の問題点がある。例えば、化学パルプ由来のコピー用紙中のセルロース含量は原料（樹種）、製法、ロット等の違いによって一定ではないが、概ね５０〜６０％の範囲と考えられる。セルロース比を５０％と仮定すると、特許文献４に記載の０．２５％濃度の紙スラリーから得られるグルコース溶液濃度は、糖化率１００％とした理論値でも０．２５×０．５×１．１１１＝０．１３８（％）程度であり、この極めて希薄な糖液をそのままエタノール発酵に適用するのは効率的ではない。少なくとも１０〜１５％グルコース溶液まで限外ろ過膜等で濃縮してからの適用が望ましい。実用化を考慮すると、リグノセルロースを酵素処理して得られる糖化液中のグルコース濃度はできる限り高い方が望ましく、仮に１０〜１５％濃度に至らずとも、０．１３８％ではなく５％グルコース溶液を濃縮する方が低コストなのは明らかである。また、同特許では、１２時間程度で９８％以上の糖化率を示すよう、コピー用紙重量あたり大量の酵素が反応系内に添加されているが、工業規模での連続処理においてトラブル（制御系故障による酵素の失活、破損による反応液流失など）が発生した場合の酵素費用損失リスクは極めて大きいと考えられる。
【００２４】
これに対して、本願発明では、リグノセルロース糖化液に対して、減圧留去または炭素数２〜４個のアルコールを添加した共沸を行うことによって、リグノセルロース糖化液をエタノール発酵に適した１０〜１５％の濃度に濃縮するか、または、限外ろ過膜を用いて濃縮することにより、上記のような問題点は解消される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
（濃い糖化液を得る方法）
リグノセルロースを酵素糖化して濃い糖液を得るためには、少なくとも処理懸濁液中のリグノセルロースは、それを達成できる濃度にしておくことが大前提である。前項で述べた通り、紙は１０％懸濁液程度が流動限界である。ただし、紙は酵素により可溶化して粘度が低下するため、紙を段階的に投入して１０％よりも濃い懸濁液とすることも可能ではある。しかし、その場合、糖化液中に最終産物であるグルコース、あるいはその２量体のセロビオースの絶対量が多くなり、これらによって酵素活性は阻害され、糖化率が低下することが知られている。以上の点を踏まえた検証実験により、現時点では紙１０％懸濁液が最も効率的であると判断した。これを上限濃度としたバッチ式酵素糖化処理の具体例を以下に述べる。
【００２６】
まず、５〜１０％懸濁液として調製した紙スラリーに糖化酵素（ＧＣ２２０ Genencor製）を添加し、至適温度（５０〜６５℃）、ｐＨ（４．０〜５．５）下で攪拌しながら２４〜７２時間、糖化処理する。糖化率は紙重量あたりの酵素添加量によって変動するが、充分な酵素添加量の場合、糖化率は９０％以上が見込まれる。供試する上質紙のセルロース含有量は５５％、糖化率は９０％とすると、５および１０％紙スラリーから酵素糖化処理で得られるグルコース溶液濃度は以下の通りである。
【００２７】
（１）５％紙スラリー：５×０．５５×０．９＝２．４７（％のグルコース溶液）
（２）１０％紙スラリー：１０×０．５５×０．９＝４．９５（％のグルコース溶液）
以上の方法により、最高で５％弱のグルコース溶液が得られる。これをエタノール発酵に適した１０〜１５％まで濃縮する場合、２〜３倍程度の濃縮で良いため、限外ろ過膜を使用せず、減圧留去により水分を除去することも可能であり、再利用可能なエタノールやブタノールを糖化液に混入して共沸させれば、より効率的に濃縮できる。或いは５％濃度のままエタノール発酵に適用することも可能である。特許文献４のように糖化液中のグルコース濃度が０．１４％程度では、これらの方法は成立しない。
【００２８】
（酵素の回収・再利用方法）
上記の方法で得られた紙の糖化液（グルコース溶液）中には未反応残渣も懸濁しており、これは反応槽の攪拌を止めて静置しておくと、２時間程度で沈殿するため、固液分離も容易である。なお、糖化酵素であるセルラーゼは、セロビオハイドラーゼ（ＣＢＨ）、エンドグルカナーゼ（ＥＧ）およびβ−グリコシダーゼ（ＢＧＬ）の３種類に大きく分類され、その中でもＣＢＨの反応機構に関しては、これまでの酵素にはないprocessivity（反応終了後に残った生成物の一方が遊離しないで次の基質となる）という新しい概念が出されている（森川康著、「セルロース系バイオマスの酵素糖化」、化学工学、７１（１２）、ｐ．２７−３０（２００７）参照）。また、ほとんどのセルラーゼはセルロース結合領域（Cellulose binding domain：ＣＢＤ）など、糖質結合モジュール（carbohydrate binding module：ＣＢＭ）を有したモジュラー酵素である（Ｃａｚｙ（Carbohydrate-active Enzymes），http://www.cazy.org/）。つまり、セルラーゼは基質であるセルロースと結合した状態で機能することから、沈殿した未反応残渣には多くの酵素が結合し残存している。沈殿という簡易的方法で回収した残渣を酵素として次回分糖化処理に再利用することで、酵素の節減が可能となる。
【００２９】
これに対し、ｐＨ調整や超音波処理によって残渣から酵素を剥離させ、更には限外ろ過膜を使って回収する工程の付帯には更なるコストおよびメンテナンスの付帯が見込まれる。特許文献４においては、少ない基質に対して充分な酵素を添加することによって、短時間に全基質を可溶化、糖化させることで、反応系内に酵素が付着する残渣が発生しないように留意。そして、糖化反応槽から薄い糖化液を排出し、この中に遊離している酵素を限外ろ過膜で回収・再利用することに主眼が置かれてはいるが、限外ろ過膜に依存したシステムであることに変わりはない。
【００３０】
本発明は、残渣に付着した酵素をｐＨ調整や超音波等を駆使して剥離させることなく、残渣ごと簡易的に再利用するスタンスである。紙は、１０％スラリーが流動限界と前述したが、セルラーゼを添加した直後から可溶化が進み、流動性が向上してさらさらとなる。粘度が低くなった前回分の糖化残渣の全量は、同等の糖化力を有す酵素製剤よりも多いが、これを次回分の新しい紙スラリーに添加しても、流動性に大きな問題はない。仮に流動性に若干の問題がある場合も、新しい紙の投入を段階的に実施すれば解決できる。
【００３１】
ただし、残渣を除いた糖化液の濃縮に際し、減圧留去法ではなく、限外ろ過膜法を採用する場合は、特許文献１〜４と同じように糖化液中に遊離した酵素の回収・再利用も併せることが望ましく、より酵素の節約が図れる。また、再利用酵素の糖化力が不十分な場合は、新しい酵素を補充する必要があるのは言うまでもない。
【００３２】
（実施例１：濃い糖化液の製造）
標準紙サンプルとして、市販の化学パルプ由来の上質ＯＡ紙（コピー用紙）の同ロットをまとめて購入し、シュレッダーで細断した後、乾燥機中で絶乾させたものを全試験に供試した。これを蒸留水中、２．５〜１０％濃度になるよう計量して懸濁させ、１００ｍL容量のスラリーとして酵素糖化試験に適用した。なお、使用した酵素製剤はGenencor社製、Trichoderma reesei由来のＧＣ２２０（液状）であり、力価はＣＭＣ（カルボキシメチルセルロース）糖化活性として６，２００単位／ｇ、比重は１．１〜１．２の表示であった。この酵素を紙の総重量あたり、１〜２０％（ｗｔ／ｗｔ）になるように添加し、図１に示す実験系で５０℃、ｐＨ４．０、２００ｒｐｍの条件下で３２〜７２時間処理した。酵素糖化実験時のリグノセルローススラリーは、５０ｍＭ酢酸緩衝液化することが報告されているが、実用を考慮してより単価の低い硫酸のみでｐＨ調整した（酢酸と硫酸の違いによる糖化率の差は認められなかった）。
【００３３】
図２の通り、５％紙スラリーによる酵素糖化基礎実験では、希硫酸を加えた上での熱処理には特に前処理としての効果はなく、無処理と同等の糖化率だった。紙の場合、あくまでも糖化率は酵素添加量のみに依存し、前処理効果はないという結果が得られた。そして、酵素ＧＣ２２０の場合は、紙絶乾重量あたり、少なくとも５％［ｗｔ／ｗｔ］を添加しなければ満足な糖収率は得られないことがわかった。酵素単価の見通し、および採算性の面から、紙絶乾重量あたりの添加量は５％［ｗｔ／ｗｔ］が上限と概算し、この添加量を大前提として、以降の実験を遂行した。なお、ＧＣ２２０の比重を１．１として上記の添加量５％［ｗｔ／ｗｔ］を力価に換算すると、紙１ｇあたりＣＭＣ糖化活性として３４０単位となる。
【００３４】
図３に紙スラリー濃度を、２．５、５、１０％とし、紙絶乾重量あたり酵素をそれぞれ５％［ｗｔ／ｗｔ］添加した場合のグルコース収量の推移を示す。紙の絶対量に比例してグルコース収量は上がるものの、紙濃度を分母としたグルコースへの転換率で示すと順位は逆転し、１０％紙スラリーのそれが最も低くなった（図４）。この原因は、１０％スラリーは紙の絶対量が多いため、糖化液中にグルコースおよびセロビオースがより多く生成され、酵素活性が阻害されたことによると考えられた。特に図５に示す通り、セロビオースの生成は２．５や５％スラリーのそれらよりも著しく多かった。そこで、ＧＣ２２０を５％［ｗｔ／ｗｔ］添加した８時間および２４時間後に、Aspergillus niger由来のセルラーゼ（ヤクルト薬品工業製：Ｙ−２ＮＣ、セルラーゼ６５％、デキストリン３５％の凍結乾燥粉末でＣＭＣ力価表示６０，０００単位／ｇ）をそれぞれ０．５％［ｗｔ／ｗｔ］添加する追加試験を実施した。
【００３５】
図６に示すように、ＧＣ２２０だけでは３２時間時点で２．５％程度だったグルコース濃度は４％まで向上し、７２時間目には５％弱に達した。以上の結果より、１０％紙スラリーからは、少なくとも７２時間処理で５％弱のグルコース溶液が得られることが解かったが、グルコース濃度４％に達する３２時間程度で処理を終了することが反応効率上は望ましいと考える。なお、共試した標準紙のセルロース含量は５３．６％であり（表１）、これをもとに計算すると以下の通り、糖化率は約９０％となる。
【００３６】
【表１】
【００３７】
８時間後にＹ−２ＮＣを０．５％［ｗｔ／ｗｔ］添加：４．８÷（１０×０．５３６）×１００＝８９．５（％）
なお、セロビオースが反応液中に蓄積されると、酵素活性は阻害される。その対策として、セロビオースをグルコースに加水分解するβ−グリコシダーゼが豊富とされるA.niger由来のセルラーゼを併用すると、それが解消され、糖化率が向上するというのは周知の酵素反応である。
【００３８】
（実施例２：残渣の回収・再利用１）
前項で述べた通り、酵素ＧＣ２２０の場合は、紙絶乾重量あたり、少なくとも５％［ｗｔ／ｗｔ］を添加しなければ満足な糖収率は得られない。力価に換算すると、紙１ｇあたりＣＭＣ糖化活性として３４０単位が必要だったが、実用を考慮すると、この添加量を上限とし、満足な糖収率を得つつ、更に酵素量を節減することが望ましい。
【００３９】
この観点に基づいて、５％紙スラリーに紙絶乾重量あたり、５、１０、２０％［ｗｔ／ｗｔ］の酵素を添加して４８時間処理して得られた残渣を回収し、それぞれを新しい紙スラリーに酵素として添加した場合の糖化率を検証した。図７に４８時間の酵素糖化後のそれぞれの残渣量を示す。静置して２時間程度で沈殿し、２４時間を経過すると見た目の体積の低下はほぼ止まった。酵素添加量が多いほど見た目の体積は小さく、２０％添加で８ｍＬ ｖｏｌ、１０％添加で１２ｍＬ ｖｏｌ、そして５％添加で２８ｍＬ ｖｏｌであった。
【００４０】
図８にこれらの上澄みを静かに除去し、若干の糖化液を含んだ残渣の全量をそれぞれ新しい紙５ｇに加え、最終的に１００ｍＬ容量の５％紙スラリーになるようにメスアップ。これらを５０℃、ｐＨ４．０の条件で３２時間処理した結果を示す（コントロールとして同じ５％スラリーに新しい酵素５％［ｗｔ／ｗｔ］を添加したパターンも並行して実施）。いずれも前回分の糖化液が若干持ち込まれることによって、開始時（０時間目）には０．５％前後のグルコースが検出されるが、３２時間後にはグルコース濃度１．２〜１．３％に達した。開始時のグルコース濃度を差し引くと、０．７〜０．８％であり、これは、図２に示した紙重量あたり１％の酵素を添加した場合のそれ（３２時間後にグルコース濃度０．５％弱）よりも高い糖化力だった。なお、各糖の収率は図８の通りであるが、目視によるＯＡ紙の可溶化は、上記残渣を加えたいずれの場合も処理化開始から２〜３時間で大幅に進み、スラリーの粘度が低下して攪拌効率が大幅に改善された。特にセロビオースの生成はコントロールのそれと遜色ないことから、ＣＢＨやＥＧは残渣に残っているものが充分、機能していたと推察される。
【００４１】
一方、各種残渣の次回分における糖化力がほぼ同等である点については、酵素添加量の増加（５、１０、２０％［ｗｔ／ｗｔ］）に反比例して残渣量は低下（２８、１２、８ｍＬ ｖｏｌ）するが、残渣ｖｏｌあたりの酵素絶対量は異なるため、総合的には酵素総量が同じであったことによると推察する。つまり、残渣に吸着されたままの酵素を再利用する観点においては、５％［ｗｔ／ｗｔ］の酵素添加量が経済的であると考えられる。
【００４２】
以上の結果から、紙絶乾重量あたり５％［ｗｔ／ｗｔ］の酵素を添加して発生した１回分の残渣は、少なくとも１％［ｗｔ／ｗｔ］の新しい酵素と同等以上の糖化力が残っていると考えられた。
【００４３】
（実施例３：残渣の回収・再利用２）
前項で述べた通り、５％ＯＡ紙スラリーに紙絶乾重量あたり５％［ｗｔ／ｗｔ］の酵素を添加して４８時間処理して発生した１回分の糖化残渣は、少なくとも１％［ｗｔ／ｗｔ］の新しい酵素と同等以上の糖化力が残っていると考えられた。この観点に基づいて、同残渣と糖化力を補充するために新しい酵素を５％ＯＡ紙スラリーに添加した場合の糖化率を検証した。
【００４４】
図９に３２時間酵素糖化後のグルコース収率を示す（コントロールとして同じ５％ＯＡ紙スラリーに新しい酵素５％［ｗｔ／ｗｔ］を添加したパターンも並行して実施）。実施例２と同じく前回分の糖化液が若干持ち込まれることによって、開始時（０時間目）には０．５％前後のグルコースが検出されるため、これを差し引いて評価したところ、残渣プラス新しい酵素３％［ｗｔ／ｗｔ］以上の併用でコントロールと同等もしくはそれ以上のグルコース収率が得られた。つまり、５％濃度のＯＡ紙スラリーが対象の場合、前回分残渣を次回分に適用することにより、従来は５％［ｗｔ／ｗｔ］を要した酵素量を少なくとも３％［ｗｔ／ｗｔ］に削減できるという結果が得られた。
【００４５】
糖化酵素はセルロースをグルコースまで加水分解できるのであれば特に限定しないが、トリコデルマ（Trichoderma）属やアスペルギルス（Aspergillus）属、リゾプス（Rhizopus）属等の菌が生産するセルラーゼを主体とする酵素、あるいは商業的に大量生産されている酵素製剤を単独、あるいは併用して使用する。そして、酵素再利用の面からは、時間および熱に対する安定性を高めるため、構成タンパクの改変等が施されている酵素がより望ましい。なお、市販の酵素製剤に表示してあるＣＭＣ糖化活性、ろ紙崩壊力などの力価はあくまでも参考値でしかなく、処理対象となるリグノセルロース原料から満足な糖収率を得るために最適な添加量を原料毎に検証することが重要である。
【００４６】
以上、既に脱リグニンされた紙を対象とした実施例を紹介したが、これらの方法、特に酵素の再利用方法は、紙のみならず、他のリグノセルロース資源、例えば針葉樹、広葉樹などの木材、ヤシ類を中心とした南洋材（幹および実の外殻）、稲藁、麦藁、バガス、コーンストーバーなどの農業残渣、そして大型藻類や微細藻類等の酵素糖化にも応用することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明により、従来よりも酵素使用量を削減することができ、ひいてはリグノセルロース原料から糖類を製造する経済性を高めることが可能となる。これによって糖類を発酵基質としてエタノールや乳酸、その他の化成品を生産・供給する産業全般の経済性も高めることのみならず、糖蜜やデンプンなど、食料に成り得るものを前述の用途に適用するといった道義的問題も回避することに繋がる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】実施例１のバッチ式糖化処理を説明する図である。
【図２】実施例１の糖化処理における各反応器のグルコース濃度の変化を示すグラフである。
【図３】グルコース濃度の経時変化を示すグラフである。
【図４】グルコースへの転換率（％）の経時変化を示すグラフである。
【図５】セロビオース濃度の経時変化を示すグラフである。
【図６】Ａ酵素を添加した場合のグルコース濃度の経時変化を示すグラフである。
【図７】４８時間の酵素糖化処理を行った後の状態を示す写真である。
【図８】糖化液残渣により糖化処理を行った場合の各種糖の経時変化を示すグラフであり、（ａ）はセロビオース濃度、（ｂ）はグルコース濃度、（ｃ）はキシロース濃度の経時変化をそれぞれ示している。
【図９】実施例３の場合のグルコース濃度の経時変化を示すグラフである。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、リグノセルロース系バイオマスを酵素で糖化し、エタノールや生分解性プラスチックの原料となる乳酸の発酵原料となるグルコース等を製造する技術に関する。特に、本発明は、リグノセルロース材料を基質とし、簡易的な方法で一度利用した糖化酵素を回収・再利用できる工業的方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
セルロースを構成糖であるグルコースに加水分解する方法は大きく分けて２つの方法がある。一つは硫酸等の鉱酸を用いる酸糖化法であり、もう一つは酵素やその酵素を生産する微生物を用いる酵素糖化法である。前者は技術的に完成されてはいるが、過分解物等が生成する問題のほかに、硫酸の中和や回収にも課題が残る。後者については、近年、米国を主導とした開発が加速して酵素価格が下がる動向ではあるが、実用化には更なる酵素価格の低減が不可欠である。
【０００３】
その対策として、酵素添加量を低減させる方法、あるいは一度使用した酵素を回収して再利用する方法が提唱されている。
【０００４】
例えば、Woodらはmixed waste office paperに酵素製剤を添加して併行糖化発酵を行う際に、２４０分に１５分の割合で超音波を照射することで酵素の使用量を半減することが出来たと報告している。また、超音波によって繊維が弛緩されるのみならず、酵素がセルロース繊維に吸着されたのを剥離させ、再び新しいドメインに転移、作用させる効果があるためであると考察している（非特許文献１、２）。
【０００５】
また、非特許文献３には、蒸煮・爆砕処理したシラカンバ材を５％の濃度で糖化槽に加え、２万単位のセルラーゼを添加して、限外ろ過により糖液と酵素液とを分離し、酵素を回収再利用しながら、８日間で２ｋｇのシラカンバ材から単糖類を６３０ｇ得ている。この方法で酵素の使用量を２０％節約できたと報告している。ただし、２０％の節約では実用化には至らず。
【０００６】
さらに、非特許文献４には、アルカリ前処理したバガスをセルラーゼで糖化した低濃度糖液から、分画分子量１０，０００から２０，０００の限外ろ過膜を用いて酵素９０％を回収。酵素の添加率は反応液１ｍＬ当たり３０〜２００単位で、基質１ｇに対する添加率はＣＭＣａｓｅで１，０００〜２，８００単位。ろ紙分解活性では４５〜１２８単位（ＣＭＣａｓｅが７２０単位のとき、ろ紙分解活性が３３単位として計算）と考えられるが、この条件で糖化率は８０％であった。一方、高濃度糖液の場合は糖化残渣が多くなり、この残渣にセルラーゼが吸着されて酵素回収量は７５〜８０％となったと報告されている。以上のような観点から、糖化装置の設計においても酵素を限外ろ過膜で回収・再利用する方法が検討されている（特許文献１〜３）。
【０００７】
特許文献４では、７Ｌ 容量のスラリー中、コピー用紙が１．２５％（ｗ／ｗ，絶乾）となるように懸濁し、攪拌速度１８０ｒｐｍで攪拌し、この基質を糖化反応槽へ連続的に送り出す。
【０００８】
糖化反応槽の液量は３ｋｇ、コピー用紙濃度は０．２５％（ｗ／ｗ，絶乾）とし、酵素添加量はコピー用紙１ｇあたり２６０単位で滞留時間は１２時間、５０℃、２５０−３００ｒｐｍの条件で運転。反応液は反応液貯留槽に送られ、限外ろ過装置で回収された酵素は糖化反応槽に戻される。１，０００時間に及ぶ連続運転に際し、糖化率は９８％以上を保っていた。投入する基質に対する残渣の蓄積量を５％以下に保つことで新たな酵素を追加せずに繰り返し、回収・再利用することが可能と報告されている。
【非特許文献１】ウッド・ビー・イー（Wood,B.E.）、アルドリッチ・エイチ・シー（Aldrich,H.C.）、イングラム・エル・オー（Ingram,L.O.）著、「Biotechnol.Prog.」，１９９７年、第１３巻、ｐ．２３２−２３７
【非特許文献２】トム・ピー（Tomme,P.）、ウォーレン・エイ・ジェイ（Warren,A.J.）、ミラー・ティー・シー・ジェイ（Miller,T.C.J.）、キルバーン・ディー・ジー（Kilburn,D.G.）、ギルケス・エム・アール（Gilkes,M.R.）著、「Enzymatic Degradation of Insoluble Carbohydrates」J.N.Saddler版）、ＡＣＳ Symposium Ser、ACS，サン・ディエゴ、ＣＡ、１９９５年、第６１８巻，ｐ．１４５−１６３，
【非特許文献３】イシハラ・エム（Ishihara,M.）ら著、「Biotechnol.Bioeng.」，１９９１年、第３７巻，ｐ．９４８−９５４
【非特許文献４】安戸 饒著、木材学会誌，１９８９年、第３５巻、第１２号，ｐ．１０６７−１０７２
【特許文献１】特開昭６１−２６０８７５号公報
【特許文献２】特開昭６１−２３４７９０号公報
【特許文献３】特開昭６３−８７９９４号公報
【特許文献４】特開２００６−８７３１９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
超音波を照射して基質から酵素を剥離させ、再び新しい反応ドメインに転移、作用させる、あるいは限外ろ過膜による酵素の回収・再利用を工業規模で実施するには、前者には多大なイニシャルコスト、後者には膜再生等のメンテナンス作業の発生が予想される。事業化を進めるうえでは、更に簡易的な方法による酵素の回収・再利用が望ましい。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するため、本発明のリグノセルロースのバッチ式またはセミバッチ式の糖化方法は、酵素が作用するように前処理が施されたリグノセルロース原料に、セルロース加水分解酵素を添加してＣ６糖であるグルコースやＣ５糖を得るリグノセルロースのバッチ式またはセミバッチ式の糖化方法であり、加水分解されず、かつ添加した酵素が付着しているリグノセルロース残渣を次回分の酵素糖化に再利用することを特徴とするものである。
【００１１】
本発明において用いられるリグノセルロース原料とは、例えば針葉樹、広葉樹等の木材（間伐材、製材時の端材・おが屑、あるいはコンクリート型枠や解体家屋由来の建築廃材）、ヤシ類を中心とした南洋材（幹および実の外殻）、稲藁、麦藁、バガス、コーンストーバーなどの農業残渣、そして大型藻類や微細藻類等の植物組織を指す。
【００１２】
そして、「酵素が作用するように前処理が施された」とは、植物組織の強度を司り、セルロースおよびヘミセルロースを包埋するように存在するリグニン（リグノセルロースの２０〜３０％を占める）をアルカリや酸を加えた条件下で蒸煮、或いはそれらを加えない蒸煮や水蒸気爆砕等によって除去するとともに、強固なセルロースの結晶構造の弛緩も図ることを指す。また、このような前処理が既に施された原料として、前述した針葉樹や広葉樹由来の紙が挙げられる。
【００１３】
紙は、木材から、機械的あるいは化学的に繊維を取り出し、これを剥いて薄いシートにしたものである。特に化学パルプは、セルロース繊維を包埋するリグニンがほぼ取り除かれており、酵素糖化に好適なリグノセルロース原料と見なすことができる。また、紙（繊維）は容易に細断でき、これを絶乾重量で１０％の懸濁液（スラリー）に調製したものが流動限界であり、これは他のリグノセルロース原料のそれよりも高濃度である。例えば硬い木材は微粉化に多大なコストを要するだけでなく、微粉化しても紙ほど高濃度スラリー化はできない。このため、連続、バッチ式酵素糖化法に関係なく、濃い糖化液が得られないという欠点があるが、この欠点をある程度補える紙は、好適な原料である。
【００１４】
なお、機械パルプは古紙としての回収ルートが確立され、高い回収率で有効に再利用されているが、化学パルプは印刷用紙、コピー用紙などの事務用紙、包装用紙などに使用され、オフィス系紙ごみとして廃棄されることが多い。古紙リサイクルに含まれない紙資源として、都市ごみ焼却施設に持ち込まれ焼却処分される紙ごみ（主にオフィス系）の割合は都市部において約４０％を占める。また、収集システムを新たに構築・整備する必要がないうえ、安定供給も期待できる。なお、コピー用紙などの上中質紙には白さと表面の滑らかさを出すため、化学パルプ以外に填料として炭酸カルシウムが数％含有されているが（ぷりんとぴあ、http://www.jfpi.or.jp/printpia/kami/story08.htm）、強酸性（ｐＨ４．８）付近では溶解性が増す。酵素糖化時のｐＨは更に低いため、ほぼ溶解して糖化液中に遊離していると思われる。
【００１５】
好ましくは、酵素が作用するよう前処理を施したリグノセルロースを２〜１０％［ｄｒｙ ｗｔ／ｗｔ］のスラリーに調整し、該スラリーにリグノセルロース１％絶乾重量当たり２００〜１０００単位の糖化酵素を添加し、２４〜７２時間糖化処理する。
【００１６】
好ましくは、リグノセルロース糖化液に対して、減圧留去または炭素数２〜４個のアルコール（例えば、エタノール、ブタノール等）を添加した共沸を行うことによって、リグノセルロース糖化液をエタノール発酵に適した１０〜１５％の濃度に濃縮する。
【００１７】
好ましくは、前記リグノセルロース糖化液に対して、限外ろ過膜を用いて濃縮する。
【００１８】
好ましくは、リグノセルロース糖化液を静置することで沈殿するリグノセルロース残渣を回収し、回収した全量または一部を次回分のリグノセルロースの酵素糖化に再利用酵素として添加する。
【００１９】
好ましくは、前記リグノセルロース残渣の次回の処理への再利用を複数回にわたって繰り返して行う。
【００２０】
一回分の糖化処理では可溶化されずに酵素が付着したまま残渣となったリグノセルロースが次回分の糖化処理において可溶化、構成糖まで変換され、未反応残渣量を低減できる。
【００２１】
好ましくは、前記リグノセルロース原料は、従来の古紙回収システムには含まれず、都市ごみ焼却場で焼却処分されていた紙ごみに由来するもの、より好ましくは、オフィス系紙ごみに由来するものである。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によると、残渣に付着した酵素をｐＨ調整や超音波等を駆使して剥離させることなく、残渣ごと再利用することができ、簡易に糖化処理を行うことができる。
【００２３】
一方、酵素の回収・再利用を前提とした連続式酵素糖化法に関する前述の特許文献４を例に挙げると、以下の問題点がある。例えば、化学パルプ由来のコピー用紙中のセルロース含量は原料（樹種）、製法、ロット等の違いによって一定ではないが、概ね５０〜６０％の範囲と考えられる。セルロース比を５０％と仮定すると、特許文献４に記載の０．２５％濃度の紙スラリーから得られるグルコース溶液濃度は、糖化率１００％とした理論値でも０．２５×０．５×１．１１１＝０．１３８（％）程度であり、この極めて希薄な糖液をそのままエタノール発酵に適用するのは効率的ではない。少なくとも１０〜１５％グルコース溶液まで限外ろ過膜等で濃縮してからの適用が望ましい。実用化を考慮すると、リグノセルロースを酵素処理して得られる糖化液中のグルコース濃度はできる限り高い方が望ましく、仮に１０〜１５％濃度に至らずとも、０．１３８％ではなく５％グルコース溶液を濃縮する方が低コストなのは明らかである。また、同特許では、１２時間程度で９８％以上の糖化率を示すよう、コピー用紙重量あたり大量の酵素が反応系内に添加されているが、工業規模での連続処理においてトラブル（制御系故障による酵素の失活、破損による反応液流失など）が発生した場合の酵素費用損失リスクは極めて大きいと考えられる。
【００２４】
これに対して、本願発明では、リグノセルロース糖化液に対して、減圧留去または炭素数２〜４個のアルコールを添加した共沸を行うことによって、リグノセルロース糖化液をエタノール発酵に適した１０〜１５％の濃度に濃縮するか、または、限外ろ過膜を用いて濃縮することにより、上記のような問題点は解消される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
（濃い糖化液を得る方法）
リグノセルロースを酵素糖化して濃い糖液を得るためには、少なくとも処理懸濁液中のリグノセルロースは、それを達成できる濃度にしておくことが大前提である。前項で述べた通り、紙は１０％懸濁液程度が流動限界である。ただし、紙は酵素により可溶化して粘度が低下するため、紙を段階的に投入して１０％よりも濃い懸濁液とすることも可能ではある。しかし、その場合、糖化液中に最終産物であるグルコース、あるいはその２量体のセロビオースの絶対量が多くなり、これらによって酵素活性は阻害され、糖化率が低下することが知られている。以上の点を踏まえた検証実験により、現時点では紙１０％懸濁液が最も効率的であると判断した。これを上限濃度としたバッチ式酵素糖化処理の具体例を以下に述べる。
【００２６】
まず、５〜１０％懸濁液として調製した紙スラリーに糖化酵素（ＧＣ２２０ Genencor製）を添加し、至適温度（５０〜６５℃）、ｐＨ（４．０〜５．５）下で攪拌しながら２４〜７２時間、糖化処理する。糖化率は紙重量あたりの酵素添加量によって変動するが、充分な酵素添加量の場合、糖化率は９０％以上が見込まれる。供試する上質紙のセルロース含有量は５５％、糖化率は９０％とすると、５および１０％紙スラリーから酵素糖化処理で得られるグルコース溶液濃度は以下の通りである。
【００２７】
（１）５％紙スラリー：５×０．５５×０．９＝２．４７（％のグルコース溶液）
（２）１０％紙スラリー：１０×０．５５×０．９＝４．９５（％のグルコース溶液）
以上の方法により、最高で５％弱のグルコース溶液が得られる。これをエタノール発酵に適した１０〜１５％まで濃縮する場合、２〜３倍程度の濃縮で良いため、限外ろ過膜を使用せず、減圧留去により水分を除去することも可能であり、再利用可能なエタノールやブタノールを糖化液に混入して共沸させれば、より効率的に濃縮できる。或いは５％濃度のままエタノール発酵に適用することも可能である。特許文献４のように糖化液中のグルコース濃度が０．１４％程度では、これらの方法は成立しない。
【００２８】
（酵素の回収・再利用方法）
上記の方法で得られた紙の糖化液（グルコース溶液）中には未反応残渣も懸濁しており、これは反応槽の攪拌を止めて静置しておくと、２時間程度で沈殿するため、固液分離も容易である。なお、糖化酵素であるセルラーゼは、セロビオハイドラーゼ（ＣＢＨ）、エンドグルカナーゼ（ＥＧ）およびβ−グリコシダーゼ（ＢＧＬ）の３種類に大きく分類され、その中でもＣＢＨの反応機構に関しては、これまでの酵素にはないprocessivity（反応終了後に残った生成物の一方が遊離しないで次の基質となる）という新しい概念が出されている（森川康著、「セルロース系バイオマスの酵素糖化」、化学工学、７１（１２）、ｐ．２７−３０（２００７）参照）。また、ほとんどのセルラーゼはセルロース結合領域（Cellulose binding domain：ＣＢＤ）など、糖質結合モジュール（carbohydrate binding module：ＣＢＭ）を有したモジュラー酵素である（Ｃａｚｙ（Carbohydrate-active Enzymes），http://www.cazy.org/）。つまり、セルラーゼは基質であるセルロースと結合した状態で機能することから、沈殿した未反応残渣には多くの酵素が結合し残存している。沈殿という簡易的方法で回収した残渣を酵素として次回分糖化処理に再利用することで、酵素の節減が可能となる。
【００２９】
これに対し、ｐＨ調整や超音波処理によって残渣から酵素を剥離させ、更には限外ろ過膜を使って回収する工程の付帯には更なるコストおよびメンテナンスの付帯が見込まれる。特許文献４においては、少ない基質に対して充分な酵素を添加することによって、短時間に全基質を可溶化、糖化させることで、反応系内に酵素が付着する残渣が発生しないように留意。そして、糖化反応槽から薄い糖化液を排出し、この中に遊離している酵素を限外ろ過膜で回収・再利用することに主眼が置かれてはいるが、限外ろ過膜に依存したシステムであることに変わりはない。
【００３０】
本発明は、残渣に付着した酵素をｐＨ調整や超音波等を駆使して剥離させることなく、残渣ごと簡易的に再利用するスタンスである。紙は、１０％スラリーが流動限界と前述したが、セルラーゼを添加した直後から可溶化が進み、流動性が向上してさらさらとなる。粘度が低くなった前回分の糖化残渣の全量は、同等の糖化力を有す酵素製剤よりも多いが、これを次回分の新しい紙スラリーに添加しても、流動性に大きな問題はない。仮に流動性に若干の問題がある場合も、新しい紙の投入を段階的に実施すれば解決できる。
【００３１】
ただし、残渣を除いた糖化液の濃縮に際し、減圧留去法ではなく、限外ろ過膜法を採用する場合は、特許文献１〜４と同じように糖化液中に遊離した酵素の回収・再利用も併せることが望ましく、より酵素の節約が図れる。また、再利用酵素の糖化力が不十分な場合は、新しい酵素を補充する必要があるのは言うまでもない。
【００３２】
（実施例１：濃い糖化液の製造）
標準紙サンプルとして、市販の化学パルプ由来の上質ＯＡ紙（コピー用紙）の同ロットをまとめて購入し、シュレッダーで細断した後、乾燥機中で絶乾させたものを全試験に供試した。これを蒸留水中、２．５〜１０％濃度になるよう計量して懸濁させ、１００ｍL容量のスラリーとして酵素糖化試験に適用した。なお、使用した酵素製剤はGenencor社製、Trichoderma reesei由来のＧＣ２２０（液状）であり、力価はＣＭＣ（カルボキシメチルセルロース）糖化活性として６，２００単位／ｇ、比重は１．１〜１．２の表示であった。この酵素を紙の総重量あたり、１〜２０％（ｗｔ／ｗｔ）になるように添加し、図１に示す実験系で５０℃、ｐＨ４．０、２００ｒｐｍの条件下で３２〜７２時間処理した。酵素糖化実験時のリグノセルローススラリーは、５０ｍＭ酢酸緩衝液化することが報告されているが、実用を考慮してより単価の低い硫酸のみでｐＨ調整した（酢酸と硫酸の違いによる糖化率の差は認められなかった）。
【００３３】
図２の通り、５％紙スラリーによる酵素糖化基礎実験では、希硫酸を加えた上での熱処理には特に前処理としての効果はなく、無処理と同等の糖化率だった。紙の場合、あくまでも糖化率は酵素添加量のみに依存し、前処理効果はないという結果が得られた。そして、酵素ＧＣ２２０の場合は、紙絶乾重量あたり、少なくとも５％［ｗｔ／ｗｔ］を添加しなければ満足な糖収率は得られないことがわかった。酵素単価の見通し、および採算性の面から、紙絶乾重量あたりの添加量は５％［ｗｔ／ｗｔ］が上限と概算し、この添加量を大前提として、以降の実験を遂行した。なお、ＧＣ２２０の比重を１．１として上記の添加量５％［ｗｔ／ｗｔ］を力価に換算すると、紙１ｇあたりＣＭＣ糖化活性として３４０単位となる。
【００３４】
図３に紙スラリー濃度を、２．５、５、１０％とし、紙絶乾重量あたり酵素をそれぞれ５％［ｗｔ／ｗｔ］添加した場合のグルコース収量の推移を示す。紙の絶対量に比例してグルコース収量は上がるものの、紙濃度を分母としたグルコースへの転換率で示すと順位は逆転し、１０％紙スラリーのそれが最も低くなった（図４）。この原因は、１０％スラリーは紙の絶対量が多いため、糖化液中にグルコースおよびセロビオースがより多く生成され、酵素活性が阻害されたことによると考えられた。特に図５に示す通り、セロビオースの生成は２．５や５％スラリーのそれらよりも著しく多かった。そこで、ＧＣ２２０を５％［ｗｔ／ｗｔ］添加した８時間および２４時間後に、Aspergillus niger由来のセルラーゼ（ヤクルト薬品工業製：Ｙ−２ＮＣ、セルラーゼ６５％、デキストリン３５％の凍結乾燥粉末でＣＭＣ力価表示６０，０００単位／ｇ）をそれぞれ０．５％［ｗｔ／ｗｔ］添加する追加試験を実施した。
【００３５】
図６に示すように、ＧＣ２２０だけでは３２時間時点で２．５％程度だったグルコース濃度は４％まで向上し、７２時間目には５％弱に達した。以上の結果より、１０％紙スラリーからは、少なくとも７２時間処理で５％弱のグルコース溶液が得られることが解かったが、グルコース濃度４％に達する３２時間程度で処理を終了することが反応効率上は望ましいと考える。なお、共試した標準紙のセルロース含量は５３．６％であり（表１）、これをもとに計算すると以下の通り、糖化率は約９０％となる。
【００３６】
【表１】
【００３７】
８時間後にＹ−２ＮＣを０．５％［ｗｔ／ｗｔ］添加：４．８÷（１０×０．５３６）×１００＝８９．５（％）
なお、セロビオースが反応液中に蓄積されると、酵素活性は阻害される。その対策として、セロビオースをグルコースに加水分解するβ−グリコシダーゼが豊富とされるA.niger由来のセルラーゼを併用すると、それが解消され、糖化率が向上するというのは周知の酵素反応である。
【００３８】
（実施例２：残渣の回収・再利用１）
前項で述べた通り、酵素ＧＣ２２０の場合は、紙絶乾重量あたり、少なくとも５％［ｗｔ／ｗｔ］を添加しなければ満足な糖収率は得られない。力価に換算すると、紙１ｇあたりＣＭＣ糖化活性として３４０単位が必要だったが、実用を考慮すると、この添加量を上限とし、満足な糖収率を得つつ、更に酵素量を節減することが望ましい。
【００３９】
この観点に基づいて、５％紙スラリーに紙絶乾重量あたり、５、１０、２０％［ｗｔ／ｗｔ］の酵素を添加して４８時間処理して得られた残渣を回収し、それぞれを新しい紙スラリーに酵素として添加した場合の糖化率を検証した。図７に４８時間の酵素糖化後のそれぞれの残渣量を示す。静置して２時間程度で沈殿し、２４時間を経過すると見た目の体積の低下はほぼ止まった。酵素添加量が多いほど見た目の体積は小さく、２０％添加で８ｍＬ ｖｏｌ、１０％添加で１２ｍＬ ｖｏｌ、そして５％添加で２８ｍＬ ｖｏｌであった。
【００４０】
図８にこれらの上澄みを静かに除去し、若干の糖化液を含んだ残渣の全量をそれぞれ新しい紙５ｇに加え、最終的に１００ｍＬ容量の５％紙スラリーになるようにメスアップ。これらを５０℃、ｐＨ４．０の条件で３２時間処理した結果を示す（コントロールとして同じ５％スラリーに新しい酵素５％［ｗｔ／ｗｔ］を添加したパターンも並行して実施）。いずれも前回分の糖化液が若干持ち込まれることによって、開始時（０時間目）には０．５％前後のグルコースが検出されるが、３２時間後にはグルコース濃度１．２〜１．３％に達した。開始時のグルコース濃度を差し引くと、０．７〜０．８％であり、これは、図２に示した紙重量あたり１％の酵素を添加した場合のそれ（３２時間後にグルコース濃度０．５％弱）よりも高い糖化力だった。なお、各糖の収率は図８の通りであるが、目視によるＯＡ紙の可溶化は、上記残渣を加えたいずれの場合も処理化開始から２〜３時間で大幅に進み、スラリーの粘度が低下して攪拌効率が大幅に改善された。特にセロビオースの生成はコントロールのそれと遜色ないことから、ＣＢＨやＥＧは残渣に残っているものが充分、機能していたと推察される。
【００４１】
一方、各種残渣の次回分における糖化力がほぼ同等である点については、酵素添加量の増加（５、１０、２０％［ｗｔ／ｗｔ］）に反比例して残渣量は低下（２８、１２、８ｍＬ ｖｏｌ）するが、残渣ｖｏｌあたりの酵素絶対量は異なるため、総合的には酵素総量が同じであったことによると推察する。つまり、残渣に吸着されたままの酵素を再利用する観点においては、５％［ｗｔ／ｗｔ］の酵素添加量が経済的であると考えられる。
【００４２】
以上の結果から、紙絶乾重量あたり５％［ｗｔ／ｗｔ］の酵素を添加して発生した１回分の残渣は、少なくとも１％［ｗｔ／ｗｔ］の新しい酵素と同等以上の糖化力が残っていると考えられた。
【００４３】
（実施例３：残渣の回収・再利用２）
前項で述べた通り、５％ＯＡ紙スラリーに紙絶乾重量あたり５％［ｗｔ／ｗｔ］の酵素を添加して４８時間処理して発生した１回分の糖化残渣は、少なくとも１％［ｗｔ／ｗｔ］の新しい酵素と同等以上の糖化力が残っていると考えられた。この観点に基づいて、同残渣と糖化力を補充するために新しい酵素を５％ＯＡ紙スラリーに添加した場合の糖化率を検証した。
【００４４】
図９に３２時間酵素糖化後のグルコース収率を示す（コントロールとして同じ５％ＯＡ紙スラリーに新しい酵素５％［ｗｔ／ｗｔ］を添加したパターンも並行して実施）。実施例２と同じく前回分の糖化液が若干持ち込まれることによって、開始時（０時間目）には０．５％前後のグルコースが検出されるため、これを差し引いて評価したところ、残渣プラス新しい酵素３％［ｗｔ／ｗｔ］以上の併用でコントロールと同等もしくはそれ以上のグルコース収率が得られた。つまり、５％濃度のＯＡ紙スラリーが対象の場合、前回分残渣を次回分に適用することにより、従来は５％［ｗｔ／ｗｔ］を要した酵素量を少なくとも３％［ｗｔ／ｗｔ］に削減できるという結果が得られた。
【００４５】
糖化酵素はセルロースをグルコースまで加水分解できるのであれば特に限定しないが、トリコデルマ（Trichoderma）属やアスペルギルス（Aspergillus）属、リゾプス（Rhizopus）属等の菌が生産するセルラーゼを主体とする酵素、あるいは商業的に大量生産されている酵素製剤を単独、あるいは併用して使用する。そして、酵素再利用の面からは、時間および熱に対する安定性を高めるため、構成タンパクの改変等が施されている酵素がより望ましい。なお、市販の酵素製剤に表示してあるＣＭＣ糖化活性、ろ紙崩壊力などの力価はあくまでも参考値でしかなく、処理対象となるリグノセルロース原料から満足な糖収率を得るために最適な添加量を原料毎に検証することが重要である。
【００４６】
以上、既に脱リグニンされた紙を対象とした実施例を紹介したが、これらの方法、特に酵素の再利用方法は、紙のみならず、他のリグノセルロース資源、例えば針葉樹、広葉樹などの木材、ヤシ類を中心とした南洋材（幹および実の外殻）、稲藁、麦藁、バガス、コーンストーバーなどの農業残渣、そして大型藻類や微細藻類等の酵素糖化にも応用することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明により、従来よりも酵素使用量を削減することができ、ひいてはリグノセルロース原料から糖類を製造する経済性を高めることが可能となる。これによって糖類を発酵基質としてエタノールや乳酸、その他の化成品を生産・供給する産業全般の経済性も高めることのみならず、糖蜜やデンプンなど、食料に成り得るものを前述の用途に適用するといった道義的問題も回避することに繋がる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】実施例１のバッチ式糖化処理を説明する図である。
【図２】実施例１の糖化処理における各反応器のグルコース濃度の変化を示すグラフである。
【図３】グルコース濃度の経時変化を示すグラフである。
【図４】グルコースへの転換率（％）の経時変化を示すグラフである。
【図５】セロビオース濃度の経時変化を示すグラフである。
【図６】Ａ酵素を添加した場合のグルコース濃度の経時変化を示すグラフである。
【図７】４８時間の酵素糖化処理を行った後の状態を示す写真である。
【図８】糖化液残渣により糖化処理を行った場合の各種糖の経時変化を示すグラフであり、（ａ）はセロビオース濃度、（ｂ）はグルコース濃度、（ｃ）はキシロース濃度の経時変化をそれぞれ示している。
【図９】実施例３の場合のグルコース濃度の経時変化を示すグラフである。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酵素が作用するように前処理が施されたリグノセルロース原料に、セルロース加水分解酵素を添加してＣ６糖であるグルコースやＣ５糖を得るリグノセルロースのバッチ式またはセミバッチ式の糖化方法であり、
加水分解されず、かつ添加した酵素が付着しているリグノセルロース残渣を次回分の酵素糖化に再利用することを特徴とするリグノセルロースのバッチ式またはセミバッチ式の糖化方法。
【請求項２】
酵素が作用するように前処理を施したリグノセルロースを２〜１０％［ｄｒｙ ｗｔ／ｗｔ］のスラリーに調整し、該スラリーにリグノセルロース１ｇ絶乾重量当たり２００〜１０００単位の糖化酵素を添加し、２４〜７２時間糖化処理することを特徴とする請求項１記載のリグノセルロースのバッチ式またはセミバッチ式の糖化方法。
【請求項３】
リグノセルロース糖化液に対して、減圧留去または炭素数２〜４個のアルコールを添加した共沸を行うことによって、リグノセルロース糖化液をエタノール発酵に適した１０〜１５％の濃度に濃縮する、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記リグノセルロース糖化液に対して、限外ろ過膜を用いて濃縮する、請求項１または２に記載のリグノセルロースの糖化方法。
【請求項５】
リグノセルロース糖化液を静置することで沈殿するリグノセルロース残渣を回収し、回収した全量または一部を次回分のリグノセルロースの酵素糖化に再利用酵素として添加する、請求項１または２に記載のリグノセルロースのバッチ式またはセミバッチ式の糖化方法。
【請求項６】
前記リグノセルロース残渣の次回の処理への再利用を複数回にわたって繰り返して行う、請求項１〜５のいずれか１つに記載のリグノセルロースのバッチ式またはセミバッチ式の糖化方法。
【請求項７】
前記リグノセルロース原料は、従来の古紙回収システムには含まれず、都市ごみ焼却場で焼却処分されていた紙ごみに由来するものである、請求項１〜６のいずれか１つに記載のリグノセルロースのバッチ式またはセミバッチ式糖化方法。
【請求項８】
前記リグノセルロース原料は、オフィス系紙ごみに由来するものである、請求項７に記載のリグノセルロースのバッチ式またはセミバッチ式糖化方法。
【請求項１】
酵素が作用するように前処理が施されたリグノセルロース原料に、セルロース加水分解酵素を添加してＣ６糖であるグルコースやＣ５糖を得るリグノセルロースのバッチ式またはセミバッチ式の糖化方法であり、
加水分解されず、かつ添加した酵素が付着しているリグノセルロース残渣を次回分の酵素糖化に再利用することを特徴とするリグノセルロースのバッチ式またはセミバッチ式の糖化方法。
【請求項２】
酵素が作用するように前処理を施したリグノセルロースを２〜１０％［ｄｒｙ ｗｔ／ｗｔ］のスラリーに調整し、該スラリーにリグノセルロース１ｇ絶乾重量当たり２００〜１０００単位の糖化酵素を添加し、２４〜７２時間糖化処理することを特徴とする請求項１記載のリグノセルロースのバッチ式またはセミバッチ式の糖化方法。
【請求項３】
リグノセルロース糖化液に対して、減圧留去または炭素数２〜４個のアルコールを添加した共沸を行うことによって、リグノセルロース糖化液をエタノール発酵に適した１０〜１５％の濃度に濃縮する、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記リグノセルロース糖化液に対して、限外ろ過膜を用いて濃縮する、請求項１または２に記載のリグノセルロースの糖化方法。
【請求項５】
リグノセルロース糖化液を静置することで沈殿するリグノセルロース残渣を回収し、回収した全量または一部を次回分のリグノセルロースの酵素糖化に再利用酵素として添加する、請求項１または２に記載のリグノセルロースのバッチ式またはセミバッチ式の糖化方法。
【請求項６】
前記リグノセルロース残渣の次回の処理への再利用を複数回にわたって繰り返して行う、請求項１〜５のいずれか１つに記載のリグノセルロースのバッチ式またはセミバッチ式の糖化方法。
【請求項７】
前記リグノセルロース原料は、従来の古紙回収システムには含まれず、都市ごみ焼却場で焼却処分されていた紙ごみに由来するものである、請求項１〜６のいずれか１つに記載のリグノセルロースのバッチ式またはセミバッチ式糖化方法。
【請求項８】
前記リグノセルロース原料は、オフィス系紙ごみに由来するものである、請求項７に記載のリグノセルロースのバッチ式またはセミバッチ式糖化方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１０−９８９５１（Ｐ２０１０−９８９５１Ａ）
【公開日】平成２２年５月６日（２０１０．５．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２７０６５１（Ｐ２００８−２７０６５１）
【出願日】平成２０年１０月２１日（２００８．１０．２１）
【出願人】（０００００５１１９）日立造船株式会社 (764)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年５月６日（２０１０．５．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１０月２１日（２００８．１０．２１）
【出願人】（０００００５１１９）日立造船株式会社 (764)
【Ｆターム（参考）】
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