バイオマス作物からのエタノール製造方法およびエタノール製造用発酵原料
【課題】 バイオマス作物から、安全かつ低コストでエタノールを製造することのできる、バイオマス作物からのエタノール製造方法およびエタノール製造用発酵原料を提供すること。
【解決手段】 デンプン質を主体とする部位とセルロース質を主体とする部位に分別しないバイオマス作物全体１を用いて、デンプン分解性糸状菌による麹２Ａ、セルロース分解性糸状菌による麹２Ｃを、それぞれ製麹工程Ｐ１Ａ、Ｐ１Ｃにて別々に調製し、両麹２Ａ、２Ｃをバイオマス作物全体１と混合して原料混合物３とし（混合工程Ｐ２）、原料混合物３を並行複発酵工程Ｐ３に供して、エタノール４を得る。
【解決手段】 デンプン質を主体とする部位とセルロース質を主体とする部位に分別しないバイオマス作物全体１を用いて、デンプン分解性糸状菌による麹２Ａ、セルロース分解性糸状菌による麹２Ｃを、それぞれ製麹工程Ｐ１Ａ、Ｐ１Ｃにて別々に調製し、両麹２Ａ、２Ｃをバイオマス作物全体１と混合して原料混合物３とし（混合工程Ｐ２）、原料混合物３を並行複発酵工程Ｐ３に供して、エタノール４を得る。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はバイオマス作物からのエタノール製造方法およびエタノール製造用発酵原料に係り、特に、トウモロコシなどのバイオマス作物から安全かつ低コストでエタノールを製造する技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、トウモロコシなどのバイオマス作物からエタノールを製造する技術としては、トウモロコシを、デンプンを主な成分とする子実部と、セルロース等の繊維を主な成分とする茎葉部とに分別し、それぞれを別個に糖化（加水分解）して、発酵に使われる糖を得る方法が用いられている。
【０００３】
デンプン質の糖化には、酵素処理または酸分解による方法があり、セルロース質を分解するには酸処理等の前処理を施した後に、酵素処理または酸分解による方法が採られている（非特許文献１、２参照）。
【０００４】
図３は、従来のバイオマス作物、特にトウモロコシからのエタノール製造法例を示すフロー図である。図示する従来技術は、
〈１〉収穫されたトウモロコシを子実部（図では「種子部」）と茎葉部に分別し、
〈２〉デンプン質主体の子実部は酵素による糖化処理を行って糖液を得、
〈３〉一方、セルロース質主体の茎葉部は酸処理等の前処理をした後に酵素による糖化処理を行って糖液を得、
〈４〉子実部、茎葉部それぞれから得られた糖液を合わせて、これを発酵過程に供し、最終的にエタノールを得る、
というものである。
【０００５】
【非特許文献１】「図解 バイオエタノール最前線」工業調査会、大聖泰弘ほか（２００４）
【非特許文献２】Ａｃｉｄ ｉｍｐｒｅｇｎａｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｔｅａｍ ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ ｏｆ ｃｏｒｎ ｓｔｏｖｅｒ ｉｎ ｂａｔｃｈ ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ．，ＺＩＭＢＡＲＤＩ Ｆ． ｅｔ ａｌ．，Ｉｎｄ Ｃｒｏｐ Ｐｒｏｄ：Ｖｏｌ．２６（２）， Ｐａｇｅ．１９５−２０６（２００７）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、上述の従来のエタノール製造法は、
〈１〉トウモロコシを子実部と茎葉部に分別するコスト、
〈２〉デンプン質とセルロース質を別々に糖化するための設備コスト、
〈３〉酵素剤および前処理コスト等々、操作と設備に相当のコストがかかるものであった。
【０００７】
本発明は、このような従来のエタノール製造法が有していた問題を解決しようとするものであり、操作と設備にかかるコストを削減し、安全かつ低コストのエタノール製造を実現することを目的とするものである。特に、トウモロコシなどのバイオマス作物から、安全かつ低コストでエタノールを製造することのできる、バイオマス作物からのエタノール製造方法およびエタノール製造用発酵原料を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本願発明者は上記課題を解決するために鋭意検討した結果、バイオマス作物全体からセルラーゼ含有麹、アミラーゼ含有麹を別々に製麹して、両者を同時に作物全体に作用させるという方法に基づいて課題を解決し得ることを見出し、本発明に至った。すなわち、本願において特許請求もしくは少なくとも開示される発明は、以下の通りである。
【０００９】
（１） デンプン質およびセルロース質を含むバイオマス作物からのエタノール製造方法であって、デンプン質を主体とする部位とセルロース質を主体とする部位に分別しないバイオマス作物全体を用いて、デンプン分解性糸状菌による麹と、セルロース分解性糸状菌による麹を別々に調製し、両麹を該バイオマス作物全体と混合し、最終的にエタノールを得る、バイオマス作物からのエタノール製造方法。
（２） デンプン質およびセルロース質を含むバイオマス作物からのエタノール製造方法であって、デンプン質を主体とする部位とセルロース質を主体とする部位に分別しないバイオマス作物全体を用いて、デンプン分解性糸状菌による麹と、セルロース分解性糸状菌による麹を別々に調製し、両麹を該バイオマス作物全体と混合して原料混合物とし、該原料混合物の並行複発酵によってエタノールを得る、バイオマス作物からのエタノール製造方法。
（３） 前記並行複発酵は、半固体状態にてなされる半固体発酵であることを特徴とする、（２）に記載のバイオマス作物からのエタノール製造方法。
（４） 前記半固体発酵は、前記原料混合物中の乾物重量に対する水分量が３倍以上５倍以下であることを特徴とする、（３）に記載のバイオマス作物からのエタノール製造方法。
（５） 前記バイオマス作物はトウモロコシであり、前記デンプン質を主体とする部位は子実部、前記セルロース質を主体とする部位は茎葉部であることを特徴とする、（１）ないし（４）のいずれかに記載のバイオマス作物からのエタノール製造方法。
（６） デンプン質およびセルロース質を含むバイオマス作物からのエタノール製造に用いる発酵原料であって、デンプン質を主体とする部位とセルロース質を主体とする部位に分別しないバイオマス作物全体を用いてこれを三部に分け、その一部からデンプン分解性糸状菌により調製した麹と、他の一部からセルロース分解性糸状菌により調製した麹とを、残る一部に混合してなる、エタノール製造用発酵原料。
（７） トウモロコシからのエタノール製造に用いる発酵原料であって、トウモロコシを子実部と茎葉部に分別しない全草を用いてこれを三部に分け、その一部からデンプン分解性糸状菌により調製した麹と、他の一部からセルロース分解性糸状菌により調製した麹とを、残る一部に混合してなる、エタノール製造用発酵原料。
【００１０】
なお、本発明にいう「半固体」とは、加圧・加温等の操作をしない場合、すなわち常温常圧下において、試料が、固液分離の起こらない程度に水分を含んだ状態をいうものとする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明のバイオマス作物からのエタノール製造方法およびエタノール製造用発酵原料は上述のように構成されるため、これによれば、操作と設備にかかるコストを削減し、安全かつ低コストのエタノール製造を実現することができる。特に、トウモロコシなどのバイオマス作物から、安全かつ低コストでエタノールを製造することができる。
【００１２】
また、本発明で使用する糸状菌（具体的には後述）Ｔｒｉｃｈｏｄｅｒｍａ ｖｉｒｉｄｅおよび Ａｓｐｅｒｇｉｌｌｕｓ ｏｒｙｚａｅは、いずれも安全性が確認されている菌株であり、エタノール生産後の残渣も飼料や土壌改良材等に利用できるという効果を持っている。また、酵母Ｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ ｃｅｒｅｖｉｓｉａｅも含めて全ての使用菌株で遺伝子組み換え体を使用する必要がないことから、環境への悪影響を懸念することなくエタノール生産を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明について詳細に説明する。
図１は、本発明の、デンプン質およびセルロース質を含むバイオマス作物からのエタノール製造方法の基本構成を示すフロー図である。図示するように本エタノール製法は、デンプン質およびセルロース質を含むバイオマス作物からのエタノール製造方法であって、デンプン質を主体とする部位とセルロース質を主体とする部位に分別しないバイオマス作物全体１を用いて、これを三部に分け、デンプン分解性糸状菌による麹２Ａ、セルロース分解性糸状菌による麹２Ｃを、それぞれ製麹工程Ｐ１Ａ、Ｐ１Ｃにて別々に調製し、両麹２Ａ、２Ｃを、製麹工程に供さなかったバイオマス作物全体１と混合して原料混合物３（以下、「発酵原料」ともいう。）とし（混合工程Ｐ２）、原料混合物３を並行複発酵工程Ｐ３に供して、エタノール４を得る、というものである。並行複発酵工程Ｐ３は、半固体状態にてなされる。つまり、原料混合物３中の乾物重量に対する水分量が、本工程Ｐ３において加水された分も合わせて、望ましくは３〜５倍程度に調整された状態で、並行複発酵によるエタノール４生産がなされる。
【００１４】
並行複発酵工程Ｐ３での半固体状態での発酵すなわち半固体発酵において、このように水分量を、望ましくは３〜５倍程度とするのは、水分量が５倍を超えると流動性が高くなって半固体にならず、一方、３倍未満の場合には、３倍以上の場合と比較して生成エタノール量が少ないからである。加水量を変えた発酵試験によれば、加水量２．０倍、２．５倍、３．０倍、４．０倍、５．０倍における生成エタノール量は、試料液全量換算で、それぞれ２．４２ｇ、２．７１ｇ、３．１７ｇ、２．９１ｇ、３．５３ｇ であった。
【００１５】
上述の構成を有する本発明製法によれば、三部に分けられたバイオマス作物全体１、１、１のうちの一部が製麹工程Ｐ１Ａに供されてデンプン分解性糸状菌による麹２Ａが調製され、他の一部が製麹工程Ｐ１Ｃに供されてセルロース分解性糸状菌による麹２Ｃが調製され、ついで混合工程Ｐ２において両麹２Ａ、２Ｃと、製麹工程に供さなかったバイオマス作物全体１とが混合されて原料混合物（発酵原料）３が得られ、発酵工程Ｐ３において原料混合物３が並行複発酵工程Ｐ３に供せられ、最終的にエタノール４が製造される。
【００１６】
バイオマス作物として飼料用トウモロコシを用いる例について、以下説明する。原料とする飼料用トウモロコシは収穫時に粉砕するのがよい。また、前処理として粉砕したトウモロコシの全草を適宜条件で加熱処理することによって、殺菌およびデンプンのα化を行う。
【００１７】
このように原料トウモロコシを収穫時に一括して粉砕処理することにより、原料を子実部と茎葉部に分別する手間をなくすことができ、またこれらを個別に前処理するコストを削減できる。また、常温常圧下で必要最低限の前処理にとどめることにより、簡略で安価な設備での処理が可能となる。
【００１８】
加熱処理済みの原料の一部に対して、Ｔｒｉｃｈｏｄｅｒｍａ ｖｉｒｉｄｅ胞子を加えて適宜条件下保温する。これにより、胞子が発芽して菌体が増殖するとともにセルラーゼ生産が行われ、原料のセルロース分解活性を保持するセルラーゼ含有麹が得られる。
【００１９】
また、加熱処理済みの原料の他の一部に対して、Ａｓｐｅｒｇｉｌｌｕｓ ｏｒｙｚａｅ胞子を加えて適宜条件下保温する。これにより、胞子が発芽して菌体が増殖するとともにアミラーゼ生産が行われ、原料のデンプン分解活性を保持するアミラーゼ含有麹が得られる。
【００２０】
このように本製法では、原料自体を酵素生産源として利用することにより、酵素剤の購入コストを削減することが可能となる。また、糸状菌からの酵素生産には特殊な薬品や培養条件を必要としないことから、作業にかかるコストも軽減することが可能となる。
【００２１】
上述の方法で調整したセルラーゼ含有麹ならびアミラーゼ含有麹に、製麹工程に供さなかった加熱処理済みの原料の残部と、酵母Ｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ ｃｅｒｅｖｉｓｉａｅ、および水を混合し、適宜条件下培養することによって、原料中のセルロースおよびデンプンは、それぞれセルラーゼ含有麹の生産するセルラーゼ、アミラーゼ含有麹の生産するアミラーゼによってグルコースに転換される。生成されたグルコースはＳａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ ｃｅｒｅｖｉｓｉａｅによる嫌気代謝系によってエタノールに転換される。この工程は原料の糖化と発酵工程によるエタノール生産が同時に進行する並行複発酵である。かかる並行複発酵により、エタノール生産設備の簡略化・小型化が可能となる。
【実施例】
【００２２】
以下、実施例により本発明をさらに詳細に説明するが、本発明がかかる実施例に限定されるものではない。
図２は、本発明のトウモロコシを原料とするエタノール製造法の実施例を示すフロー図である。図中には、原料の飼料用トウモロコシ全草を１０００絶対乾燥重量（絶乾重量）とした場合の質量ベースを、［ ］内数値として示している。また、図中の略号は以下の通りである。
Ｔ．ｖｉｒｉｄｅ：Ｔｒｉｃｈｏｄｅｒｍａ ｖｉｒｉｄｅ
Ａ．ｏｒｙｚａｅ：Ａｓｐｅｒｇｉｌｌｕｓ ｏｒｙｚａｅ
Ｓ．ｃｅｒｅｖｉｓｉａｅ：Ｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ ｃｅｒｅｖｉｓｉａｅ
【００２３】
トウモロコシ全草は、４ｍｍの切断刃を装備したハーベスターにより収穫と同時に、一辺４ｍｍ以下の細片に粉砕される。
【００２４】
細片化された原料（粉砕原料）は、蒸気吹き込み等の方法により、２０分程度１００℃に加熱処理され、ここで殺菌およびデンプン質のα化が行われる。以下加熱処理原料は、三部に分けられて処理される。
【００２５】
加熱処理原料の１０００分の３７５を、水分含量が７５％となるよう調整し、糸状菌Ｔｒｉｃｈｏｄｅｒｍａ ｖｉｒｉｄｅの胞子を加えて２日間３０℃に保温することにより、セルラーゼ含有麹が調製される。
【００２６】
一方、加熱処理原料の１０００分の１２５を、水分含量が７５％となるよう調整し、糸状菌Ａｓｐｅｒｇｉｌｌｕｓ ｏｒｙｚａｅの胞子を加えて３日間３０℃に保温することにより、アミラーゼ含有麹が調製される。
【００２７】
残りの加熱処理原料に、セルラーゼ含有麹およびアミラーゼ含有麹を混合し、水分含量が７５％となるよう調整し、酵母Ｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ ｃｅｒｅｖｉｓｉａｅを加えて、３０℃で嫌気的に発酵を行う。
【００２８】
酵工程では、原料混合物は水分量が乾物の３倍程度の半固形状態（半固体）であり、非通気条件により３０℃１６日培養することで、原料のセルロースおよびデンプンはそれぞれセルラーゼ含有麹の生産するセルラーゼ、アミラーゼ含有麹の生産するアミラーゼによってグルコースに転換される。
【００２９】
生成されたグルコースはＳａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ ｃｅｒｅｖｉｓｉａｅによる嫌気代謝系によってエタノールに転換される。この工程は原料の糖化とエタノールが同時に進行する並行複発酵であるが、１６日間の発酵により、最終的には、エタノール１６０ｋｇおよび残渣６００ｋｇを得ることができた。
【００３０】
なお、加熱処理原料に対し、セルラーゼ含有麹およびアミラーゼ含有麹を単独で使用した場合、エタノール収量は、それぞれ本実施例の５０％および７７％にとどまった。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
本発明のバイオマス作物からのエタノール生産技術は、特殊な設備を必要とせず、コストと作業の簡便化を実現することができる。したがって、小規模の企業体でも充分に実施可能であり、産業上利用性が高い発明である。
【００３２】
また本発明製法の適用対象は、上述実施例の飼料用トウモロコシに限らず、広くバイオマス作物に、さらには主としてデンプン質とセルロース質から構成される植物体に、広く適用できるものである。
【００３３】
さらに本発明製法はその全工程において有害な化学処理工程を含まず、遺伝子組み換え生物を使用しないことから、発酵残渣は配合飼料として回収するなどして利用することができ、産業上利用性が高い発明である。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の、バイオマス作物からのエタノール製造方法の基本構成を示すフロー図である。
【図２】本発明のトウモロコシを原料とするエタノール製造法の実施例を示すフロー図である。
【図３】従来のバイオマス作物からのエタノール製造法を示すフロー図である。
【符号の説明】
【００３５】
１…バイオマス作物（全体）
２Ａ…デンプン分解性糸状菌による麹
２Ｃ…セルロース分解性糸状菌による麹
３…原料混合物（発酵原料）
４…エタノール
Ｐ１Ａ、Ｐ１Ｃ…製麹工程
Ｐ２…混合工程
Ｐ３…並行複発酵工程
【技術分野】
【０００１】
本発明はバイオマス作物からのエタノール製造方法およびエタノール製造用発酵原料に係り、特に、トウモロコシなどのバイオマス作物から安全かつ低コストでエタノールを製造する技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、トウモロコシなどのバイオマス作物からエタノールを製造する技術としては、トウモロコシを、デンプンを主な成分とする子実部と、セルロース等の繊維を主な成分とする茎葉部とに分別し、それぞれを別個に糖化（加水分解）して、発酵に使われる糖を得る方法が用いられている。
【０００３】
デンプン質の糖化には、酵素処理または酸分解による方法があり、セルロース質を分解するには酸処理等の前処理を施した後に、酵素処理または酸分解による方法が採られている（非特許文献１、２参照）。
【０００４】
図３は、従来のバイオマス作物、特にトウモロコシからのエタノール製造法例を示すフロー図である。図示する従来技術は、
〈１〉収穫されたトウモロコシを子実部（図では「種子部」）と茎葉部に分別し、
〈２〉デンプン質主体の子実部は酵素による糖化処理を行って糖液を得、
〈３〉一方、セルロース質主体の茎葉部は酸処理等の前処理をした後に酵素による糖化処理を行って糖液を得、
〈４〉子実部、茎葉部それぞれから得られた糖液を合わせて、これを発酵過程に供し、最終的にエタノールを得る、
というものである。
【０００５】
【非特許文献１】「図解 バイオエタノール最前線」工業調査会、大聖泰弘ほか（２００４）
【非特許文献２】Ａｃｉｄ ｉｍｐｒｅｇｎａｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｔｅａｍ ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ ｏｆ ｃｏｒｎ ｓｔｏｖｅｒ ｉｎ ｂａｔｃｈ ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ．，ＺＩＭＢＡＲＤＩ Ｆ． ｅｔ ａｌ．，Ｉｎｄ Ｃｒｏｐ Ｐｒｏｄ：Ｖｏｌ．２６（２）， Ｐａｇｅ．１９５−２０６（２００７）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、上述の従来のエタノール製造法は、
〈１〉トウモロコシを子実部と茎葉部に分別するコスト、
〈２〉デンプン質とセルロース質を別々に糖化するための設備コスト、
〈３〉酵素剤および前処理コスト等々、操作と設備に相当のコストがかかるものであった。
【０００７】
本発明は、このような従来のエタノール製造法が有していた問題を解決しようとするものであり、操作と設備にかかるコストを削減し、安全かつ低コストのエタノール製造を実現することを目的とするものである。特に、トウモロコシなどのバイオマス作物から、安全かつ低コストでエタノールを製造することのできる、バイオマス作物からのエタノール製造方法およびエタノール製造用発酵原料を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本願発明者は上記課題を解決するために鋭意検討した結果、バイオマス作物全体からセルラーゼ含有麹、アミラーゼ含有麹を別々に製麹して、両者を同時に作物全体に作用させるという方法に基づいて課題を解決し得ることを見出し、本発明に至った。すなわち、本願において特許請求もしくは少なくとも開示される発明は、以下の通りである。
【０００９】
（１） デンプン質およびセルロース質を含むバイオマス作物からのエタノール製造方法であって、デンプン質を主体とする部位とセルロース質を主体とする部位に分別しないバイオマス作物全体を用いて、デンプン分解性糸状菌による麹と、セルロース分解性糸状菌による麹を別々に調製し、両麹を該バイオマス作物全体と混合し、最終的にエタノールを得る、バイオマス作物からのエタノール製造方法。
（２） デンプン質およびセルロース質を含むバイオマス作物からのエタノール製造方法であって、デンプン質を主体とする部位とセルロース質を主体とする部位に分別しないバイオマス作物全体を用いて、デンプン分解性糸状菌による麹と、セルロース分解性糸状菌による麹を別々に調製し、両麹を該バイオマス作物全体と混合して原料混合物とし、該原料混合物の並行複発酵によってエタノールを得る、バイオマス作物からのエタノール製造方法。
（３） 前記並行複発酵は、半固体状態にてなされる半固体発酵であることを特徴とする、（２）に記載のバイオマス作物からのエタノール製造方法。
（４） 前記半固体発酵は、前記原料混合物中の乾物重量に対する水分量が３倍以上５倍以下であることを特徴とする、（３）に記載のバイオマス作物からのエタノール製造方法。
（５） 前記バイオマス作物はトウモロコシであり、前記デンプン質を主体とする部位は子実部、前記セルロース質を主体とする部位は茎葉部であることを特徴とする、（１）ないし（４）のいずれかに記載のバイオマス作物からのエタノール製造方法。
（６） デンプン質およびセルロース質を含むバイオマス作物からのエタノール製造に用いる発酵原料であって、デンプン質を主体とする部位とセルロース質を主体とする部位に分別しないバイオマス作物全体を用いてこれを三部に分け、その一部からデンプン分解性糸状菌により調製した麹と、他の一部からセルロース分解性糸状菌により調製した麹とを、残る一部に混合してなる、エタノール製造用発酵原料。
（７） トウモロコシからのエタノール製造に用いる発酵原料であって、トウモロコシを子実部と茎葉部に分別しない全草を用いてこれを三部に分け、その一部からデンプン分解性糸状菌により調製した麹と、他の一部からセルロース分解性糸状菌により調製した麹とを、残る一部に混合してなる、エタノール製造用発酵原料。
【００１０】
なお、本発明にいう「半固体」とは、加圧・加温等の操作をしない場合、すなわち常温常圧下において、試料が、固液分離の起こらない程度に水分を含んだ状態をいうものとする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明のバイオマス作物からのエタノール製造方法およびエタノール製造用発酵原料は上述のように構成されるため、これによれば、操作と設備にかかるコストを削減し、安全かつ低コストのエタノール製造を実現することができる。特に、トウモロコシなどのバイオマス作物から、安全かつ低コストでエタノールを製造することができる。
【００１２】
また、本発明で使用する糸状菌（具体的には後述）Ｔｒｉｃｈｏｄｅｒｍａ ｖｉｒｉｄｅおよび Ａｓｐｅｒｇｉｌｌｕｓ ｏｒｙｚａｅは、いずれも安全性が確認されている菌株であり、エタノール生産後の残渣も飼料や土壌改良材等に利用できるという効果を持っている。また、酵母Ｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ ｃｅｒｅｖｉｓｉａｅも含めて全ての使用菌株で遺伝子組み換え体を使用する必要がないことから、環境への悪影響を懸念することなくエタノール生産を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明について詳細に説明する。
図１は、本発明の、デンプン質およびセルロース質を含むバイオマス作物からのエタノール製造方法の基本構成を示すフロー図である。図示するように本エタノール製法は、デンプン質およびセルロース質を含むバイオマス作物からのエタノール製造方法であって、デンプン質を主体とする部位とセルロース質を主体とする部位に分別しないバイオマス作物全体１を用いて、これを三部に分け、デンプン分解性糸状菌による麹２Ａ、セルロース分解性糸状菌による麹２Ｃを、それぞれ製麹工程Ｐ１Ａ、Ｐ１Ｃにて別々に調製し、両麹２Ａ、２Ｃを、製麹工程に供さなかったバイオマス作物全体１と混合して原料混合物３（以下、「発酵原料」ともいう。）とし（混合工程Ｐ２）、原料混合物３を並行複発酵工程Ｐ３に供して、エタノール４を得る、というものである。並行複発酵工程Ｐ３は、半固体状態にてなされる。つまり、原料混合物３中の乾物重量に対する水分量が、本工程Ｐ３において加水された分も合わせて、望ましくは３〜５倍程度に調整された状態で、並行複発酵によるエタノール４生産がなされる。
【００１４】
並行複発酵工程Ｐ３での半固体状態での発酵すなわち半固体発酵において、このように水分量を、望ましくは３〜５倍程度とするのは、水分量が５倍を超えると流動性が高くなって半固体にならず、一方、３倍未満の場合には、３倍以上の場合と比較して生成エタノール量が少ないからである。加水量を変えた発酵試験によれば、加水量２．０倍、２．５倍、３．０倍、４．０倍、５．０倍における生成エタノール量は、試料液全量換算で、それぞれ２．４２ｇ、２．７１ｇ、３．１７ｇ、２．９１ｇ、３．５３ｇ であった。
【００１５】
上述の構成を有する本発明製法によれば、三部に分けられたバイオマス作物全体１、１、１のうちの一部が製麹工程Ｐ１Ａに供されてデンプン分解性糸状菌による麹２Ａが調製され、他の一部が製麹工程Ｐ１Ｃに供されてセルロース分解性糸状菌による麹２Ｃが調製され、ついで混合工程Ｐ２において両麹２Ａ、２Ｃと、製麹工程に供さなかったバイオマス作物全体１とが混合されて原料混合物（発酵原料）３が得られ、発酵工程Ｐ３において原料混合物３が並行複発酵工程Ｐ３に供せられ、最終的にエタノール４が製造される。
【００１６】
バイオマス作物として飼料用トウモロコシを用いる例について、以下説明する。原料とする飼料用トウモロコシは収穫時に粉砕するのがよい。また、前処理として粉砕したトウモロコシの全草を適宜条件で加熱処理することによって、殺菌およびデンプンのα化を行う。
【００１７】
このように原料トウモロコシを収穫時に一括して粉砕処理することにより、原料を子実部と茎葉部に分別する手間をなくすことができ、またこれらを個別に前処理するコストを削減できる。また、常温常圧下で必要最低限の前処理にとどめることにより、簡略で安価な設備での処理が可能となる。
【００１８】
加熱処理済みの原料の一部に対して、Ｔｒｉｃｈｏｄｅｒｍａ ｖｉｒｉｄｅ胞子を加えて適宜条件下保温する。これにより、胞子が発芽して菌体が増殖するとともにセルラーゼ生産が行われ、原料のセルロース分解活性を保持するセルラーゼ含有麹が得られる。
【００１９】
また、加熱処理済みの原料の他の一部に対して、Ａｓｐｅｒｇｉｌｌｕｓ ｏｒｙｚａｅ胞子を加えて適宜条件下保温する。これにより、胞子が発芽して菌体が増殖するとともにアミラーゼ生産が行われ、原料のデンプン分解活性を保持するアミラーゼ含有麹が得られる。
【００２０】
このように本製法では、原料自体を酵素生産源として利用することにより、酵素剤の購入コストを削減することが可能となる。また、糸状菌からの酵素生産には特殊な薬品や培養条件を必要としないことから、作業にかかるコストも軽減することが可能となる。
【００２１】
上述の方法で調整したセルラーゼ含有麹ならびアミラーゼ含有麹に、製麹工程に供さなかった加熱処理済みの原料の残部と、酵母Ｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ ｃｅｒｅｖｉｓｉａｅ、および水を混合し、適宜条件下培養することによって、原料中のセルロースおよびデンプンは、それぞれセルラーゼ含有麹の生産するセルラーゼ、アミラーゼ含有麹の生産するアミラーゼによってグルコースに転換される。生成されたグルコースはＳａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ ｃｅｒｅｖｉｓｉａｅによる嫌気代謝系によってエタノールに転換される。この工程は原料の糖化と発酵工程によるエタノール生産が同時に進行する並行複発酵である。かかる並行複発酵により、エタノール生産設備の簡略化・小型化が可能となる。
【実施例】
【００２２】
以下、実施例により本発明をさらに詳細に説明するが、本発明がかかる実施例に限定されるものではない。
図２は、本発明のトウモロコシを原料とするエタノール製造法の実施例を示すフロー図である。図中には、原料の飼料用トウモロコシ全草を１０００絶対乾燥重量（絶乾重量）とした場合の質量ベースを、［ ］内数値として示している。また、図中の略号は以下の通りである。
Ｔ．ｖｉｒｉｄｅ：Ｔｒｉｃｈｏｄｅｒｍａ ｖｉｒｉｄｅ
Ａ．ｏｒｙｚａｅ：Ａｓｐｅｒｇｉｌｌｕｓ ｏｒｙｚａｅ
Ｓ．ｃｅｒｅｖｉｓｉａｅ：Ｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ ｃｅｒｅｖｉｓｉａｅ
【００２３】
トウモロコシ全草は、４ｍｍの切断刃を装備したハーベスターにより収穫と同時に、一辺４ｍｍ以下の細片に粉砕される。
【００２４】
細片化された原料（粉砕原料）は、蒸気吹き込み等の方法により、２０分程度１００℃に加熱処理され、ここで殺菌およびデンプン質のα化が行われる。以下加熱処理原料は、三部に分けられて処理される。
【００２５】
加熱処理原料の１０００分の３７５を、水分含量が７５％となるよう調整し、糸状菌Ｔｒｉｃｈｏｄｅｒｍａ ｖｉｒｉｄｅの胞子を加えて２日間３０℃に保温することにより、セルラーゼ含有麹が調製される。
【００２６】
一方、加熱処理原料の１０００分の１２５を、水分含量が７５％となるよう調整し、糸状菌Ａｓｐｅｒｇｉｌｌｕｓ ｏｒｙｚａｅの胞子を加えて３日間３０℃に保温することにより、アミラーゼ含有麹が調製される。
【００２７】
残りの加熱処理原料に、セルラーゼ含有麹およびアミラーゼ含有麹を混合し、水分含量が７５％となるよう調整し、酵母Ｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ ｃｅｒｅｖｉｓｉａｅを加えて、３０℃で嫌気的に発酵を行う。
【００２８】
酵工程では、原料混合物は水分量が乾物の３倍程度の半固形状態（半固体）であり、非通気条件により３０℃１６日培養することで、原料のセルロースおよびデンプンはそれぞれセルラーゼ含有麹の生産するセルラーゼ、アミラーゼ含有麹の生産するアミラーゼによってグルコースに転換される。
【００２９】
生成されたグルコースはＳａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ ｃｅｒｅｖｉｓｉａｅによる嫌気代謝系によってエタノールに転換される。この工程は原料の糖化とエタノールが同時に進行する並行複発酵であるが、１６日間の発酵により、最終的には、エタノール１６０ｋｇおよび残渣６００ｋｇを得ることができた。
【００３０】
なお、加熱処理原料に対し、セルラーゼ含有麹およびアミラーゼ含有麹を単独で使用した場合、エタノール収量は、それぞれ本実施例の５０％および７７％にとどまった。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
本発明のバイオマス作物からのエタノール生産技術は、特殊な設備を必要とせず、コストと作業の簡便化を実現することができる。したがって、小規模の企業体でも充分に実施可能であり、産業上利用性が高い発明である。
【００３２】
また本発明製法の適用対象は、上述実施例の飼料用トウモロコシに限らず、広くバイオマス作物に、さらには主としてデンプン質とセルロース質から構成される植物体に、広く適用できるものである。
【００３３】
さらに本発明製法はその全工程において有害な化学処理工程を含まず、遺伝子組み換え生物を使用しないことから、発酵残渣は配合飼料として回収するなどして利用することができ、産業上利用性が高い発明である。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の、バイオマス作物からのエタノール製造方法の基本構成を示すフロー図である。
【図２】本発明のトウモロコシを原料とするエタノール製造法の実施例を示すフロー図である。
【図３】従来のバイオマス作物からのエタノール製造法を示すフロー図である。
【符号の説明】
【００３５】
１…バイオマス作物（全体）
２Ａ…デンプン分解性糸状菌による麹
２Ｃ…セルロース分解性糸状菌による麹
３…原料混合物（発酵原料）
４…エタノール
Ｐ１Ａ、Ｐ１Ｃ…製麹工程
Ｐ２…混合工程
Ｐ３…並行複発酵工程
【特許請求の範囲】
【請求項１】
デンプン質およびセルロース質を含むバイオマス作物からのエタノール製造方法であって、デンプン質を主体とする部位とセルロース質を主体とする部位に分別しないバイオマス作物全体を用いて、デンプン分解性糸状菌による麹と、セルロース分解性糸状菌による麹を別々に調製し、両麹を該バイオマス作物全体と混合し、最終的にエタノールを得る、バイオマス作物からのエタノール製造方法。
【請求項２】
デンプン質およびセルロース質を含むバイオマス作物からのエタノール製造方法であって、デンプン質を主体とする部位とセルロース質を主体とする部位に分別しないバイオマス作物全体を用いて、デンプン分解性糸状菌による麹と、セルロース分解性糸状菌による麹を別々に調製し、両麹を該バイオマス作物全体と混合して原料混合物とし、該原料混合物の並行複発酵によってエタノールを得る、バイオマス作物からのエタノール製造方法。
【請求項３】
前記並行複発酵は、半固体状態にてなされる半固体発酵であることを特徴とする、請求項２に記載のバイオマス作物からのエタノール製造方法。
【請求項４】
前記半固体発酵は、前記原料混合物中の乾物重量に対する水分量が３倍以上５倍以下であることを特徴とする、請求項３に記載のバイオマス作物からのエタノール製造方法。
【請求項５】
前記バイオマス作物はトウモロコシであり、前記デンプン質を主体とする部位は子実部、前記セルロース質を主体とする部位は茎葉部であることを特徴とする、請求項１ないし４のいずれかに記載のバイオマス作物からのエタノール製造方法。
【請求項６】
デンプン質およびセルロース質を含むバイオマス作物からのエタノール製造に用いる発酵原料であって、デンプン質を主体とする部位とセルロース質を主体とする部位に分別しないバイオマス作物全体を用いてこれを三部に分け、その一部からデンプン分解性糸状菌により調製した麹と、他の一部からセルロース分解性糸状菌により調製した麹とを、残る一部に混合してなる、エタノール製造用発酵原料。
【請求項７】
トウモロコシからのエタノール製造に用いる発酵原料であって、トウモロコシを子実部と茎葉部に分別しない全草を用いてこれを三部に分け、その一部からデンプン分解性糸状菌により調製した麹と、他の一部からセルロース分解性糸状菌により調製した麹とを、残る一部に混合してなる、エタノール製造用発酵原料。
【請求項１】
デンプン質およびセルロース質を含むバイオマス作物からのエタノール製造方法であって、デンプン質を主体とする部位とセルロース質を主体とする部位に分別しないバイオマス作物全体を用いて、デンプン分解性糸状菌による麹と、セルロース分解性糸状菌による麹を別々に調製し、両麹を該バイオマス作物全体と混合し、最終的にエタノールを得る、バイオマス作物からのエタノール製造方法。
【請求項２】
デンプン質およびセルロース質を含むバイオマス作物からのエタノール製造方法であって、デンプン質を主体とする部位とセルロース質を主体とする部位に分別しないバイオマス作物全体を用いて、デンプン分解性糸状菌による麹と、セルロース分解性糸状菌による麹を別々に調製し、両麹を該バイオマス作物全体と混合して原料混合物とし、該原料混合物の並行複発酵によってエタノールを得る、バイオマス作物からのエタノール製造方法。
【請求項３】
前記並行複発酵は、半固体状態にてなされる半固体発酵であることを特徴とする、請求項２に記載のバイオマス作物からのエタノール製造方法。
【請求項４】
前記半固体発酵は、前記原料混合物中の乾物重量に対する水分量が３倍以上５倍以下であることを特徴とする、請求項３に記載のバイオマス作物からのエタノール製造方法。
【請求項５】
前記バイオマス作物はトウモロコシであり、前記デンプン質を主体とする部位は子実部、前記セルロース質を主体とする部位は茎葉部であることを特徴とする、請求項１ないし４のいずれかに記載のバイオマス作物からのエタノール製造方法。
【請求項６】
デンプン質およびセルロース質を含むバイオマス作物からのエタノール製造に用いる発酵原料であって、デンプン質を主体とする部位とセルロース質を主体とする部位に分別しないバイオマス作物全体を用いてこれを三部に分け、その一部からデンプン分解性糸状菌により調製した麹と、他の一部からセルロース分解性糸状菌により調製した麹とを、残る一部に混合してなる、エタノール製造用発酵原料。
【請求項７】
トウモロコシからのエタノール製造に用いる発酵原料であって、トウモロコシを子実部と茎葉部に分別しない全草を用いてこれを三部に分け、その一部からデンプン分解性糸状菌により調製した麹と、他の一部からセルロース分解性糸状菌により調製した麹とを、残る一部に混合してなる、エタノール製造用発酵原料。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２００９−２１９４２４（Ｐ２００９−２１９４２４Ａ）
【公開日】平成２１年１０月１日（２００９．１０．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−６６９０６（Ｐ２００８−６６９０６）
【出願日】平成２０年３月１６日（２００８．３．１６）
【出願人】（３０９０１５０１９）地方独立行政法人青森県産業技術センター (52)
【出願人】（５０４２２９２８４）国立大学法人弘前大学 (162)
【出願人】（０００１２９８５１）株式会社ケイセブン (39)
【上記２名の代理人】
【識別番号】１００１１９２６４
【弁理士】
【氏名又は名称】富沢 知成
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１０月１日（２００９．１０．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年３月１６日（２００８．３．１６）
【出願人】（３０９０１５０１９）地方独立行政法人青森県産業技術センター (52)
【出願人】（５０４２２９２８４）国立大学法人弘前大学 (162)
【出願人】（０００１２９８５１）株式会社ケイセブン (39)
【上記２名の代理人】
【識別番号】１００１１９２６４
【弁理士】
【氏名又は名称】富沢 知成
【Ｆターム（参考）】
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