乳酸の製造方法
【課題】 古紙を原料として安価に乳酸を製造可能な方法の提供。
【解決手段】 古紙を酵素糖化し、その糖を乳酸発酵して乳酸を製造する方法であって、乳酸発酵をリゾプス（Rhizopus）属に属する菌を用いて行うこと、該乳酸製造に要するエネルギーの一部または全てを原料に用いた未反応の古紙あるいは補助燃料用の古紙が持つエネルギーで賄うことを特徴とする乳酸の製造方法。
【解決手段】 古紙を酵素糖化し、その糖を乳酸発酵して乳酸を製造する方法であって、乳酸発酵をリゾプス（Rhizopus）属に属する菌を用いて行うこと、該乳酸製造に要するエネルギーの一部または全てを原料に用いた未反応の古紙あるいは補助燃料用の古紙が持つエネルギーで賄うことを特徴とする乳酸の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、古紙資源を糖化し、次いで乳酸発酵して乳酸を製造する乳酸製造方法に関し、特に糖化残渣および発酵残渣を用いて上記乳酸製造工程中で必要なエネルギーの不足部分を主として古紙を燃料とするエネルギーにより補完し、資源の有効利用とランニングコストの低減を可能にした乳酸製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】乳酸は、食品添加物として清酒、醤油、ビール、清涼飲料、漬け物、製パンなどの製造に使用され、また工業用原料として皮革、繊維、プラスチックなどの製造に利用される。さらに近年ではポリ乳酸（ＰＬＡ）が生分解性ポリマーとして優れた性質を有することが明らかとなり、その原料としての乳酸が注目されている。
【０００３】従来、発酵法による乳酸の製造は、ラクトバシラス（Lactobacillus）、ラクトコッカス（Lactococcus）などのいわゆる乳酸菌と呼ばれるバクテリアにより、糖水溶液或いは澱粉から得られる糖液を炭素源とし、これに酵母エキスなどの栄養源を副原料として加えた培地で培養することによって行われている。しかしながら、上述した乳酸菌を用いる発酵法は、糖からの乳酸の収率が高い利点があるものの、その培養に糖や酵母エキス等の高価な材料を使用するため、生産コストが高くなる欠点がある。
【０００４】そして従来、乳酸菌による発酵法の欠点を解消するべく、リゾプス（Rhizopus）属などの糸状菌を用い、安価な炭素源から乳酸を製造する方法が種々開発されている。糸状菌を用いる方法は、糖からの乳酸収率が最大70〜80％と乳酸菌を用いた場合と比べて必ずしも高収率ではなく、また培養に通気を要するという短所があるが、培地成分として糖以外には少量の無機塩のみで良く、培地コストが安価なこと、さらに、Ｌ-体の光学純度が高いこと、菌体がペレットを形成するため菌体分離が容易である等の長所がある。特開平６−２５３８７１号公報には、乳酸生成能を有するリゾプス属の糸状菌の胞子を液体培地に植菌し、通気による撹拌を行いつつ培養することにより生成する菌体集合物（ペレット）を液体培地中に浮遊させて発酵を行わせることを特徴とする乳酸の製造方法が開示されている。また特開平９−１７３０９０号公報には、底部から空気を吹き込む気泡塔型バイオリアクターを使用し、炭素源として澱粉若しくはその糖化液またはグルコースを含有する水性培地でリゾプス（Rhizopus）属に属する菌を培養することを特徴とするＬ（＋）−乳酸の製造法、及び該方法を実施するためのバイオリアクターが開示されている。
【０００５】一方、廃棄物である汚泥の有効利用を図るために、汚泥を乳酸発酵して乳酸を製造する試みもなされている。例えば、特開平９−３０８４９４号公報には、汚泥に乳酸菌を添加し乳酸発酵を行う工程を含む、乳酸の製造方法が開示されている。また該公報には、この乳酸発酵をセルラーゼの存在下で行う方法、および汚泥に乳酸菌を添加し乳酸発酵を行って得た乳酸含有液と脱窒素菌とを排水に添加し、排水中の窒素含有化合物を分解する排水処理方法が記載されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】乳酸を原料とした生分解性プラスチック（ポリ乳酸）を既存のプラスチックと代替するためには、原料の乳酸を安価かつ大量に生産する必要がある。従来、生分解性プラスチック用にＬ-乳酸を発酵生産する場合の基質としては、主にトウモロコシ澱粉や澱粉由来のグルコースが利用されている。しかしながら、このような澱粉原料は食物資源として貴重であり、かつ高コストである問題があった。安価にかつ大量に乳酸を製造するためには、セルロース資源の利用が望まれる。
【０００７】セルロース資源から糖化・発酵によってアルコールや乳酸を製造する設備は、これまでにいくつか提案されているが、それらは製造に要するエネルギーの少なくとも一部を設備外から供給するものであった。しかしセルロース資源が得られる場所によっては電力、スチームが都合良く得られない場合が考えられる。その際は別途燃料（重油、天然ガスなど）を用いてエネルギーを作り出す必要があるが、化石資源の使用による環境への負荷が問題になる。
【０００８】セルロース資源の中でも、基質としてはコストが発生せず、入手、扱いが容易なものが好ましく、その点で古紙は有望な基質の一つである。古紙はセルロース系廃棄物の中でも比較的加水分解が容易であり、例えば酵素（セルラーゼ）による糖化では前処理なしでも十分な濃度の糖液が得られる。発酵法による乳酸の製造において、製造コストを抑えるためには、糖化液を精製処理しないで用いることが好ましく、そのためには古紙由来の不純物（無機イオン、着色物質）に対する耐性が強い菌体を用いる必要がある。古紙分解物には、乳酸発酵菌の成育を阻害する不純物が含まれているため、糖化液を精製処理せずに用いて十分な発酵収率をあげることは困難であった。
【０００９】したがって、本発明は、古紙を原料として安価に乳酸を製造可能な方法の提供を目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、次の課題：・古紙系廃棄物から乳酸を製造すること；
・古紙系廃棄物を酵素によって糖化し、糖化液から発酵によってＬ-乳酸を製造する；
・糖化、濃縮に投入したエネルギーをできるだけ削減すること；
・製造に必要な電力およびスチームを古紙のもつエネルギーで全て賄う、エネルギー的に自立した製造設備であること；
・製造設備からは別途処理を要する廃水および廃棄物を出さないこと；を達成するために、鋭意研究を重ねた。
【００１１】古紙を原料とした有価物発酵は古くから提案されているが、古紙はコストが安いにも係わらず、澱粉や糖蜜を原料とした発酵技術に匹敵するような方法がない。それは以下に述べるような解決方法がなかったためである。古紙原料の場合、次の点がその解決の基本となる。
１）従来は発酵原料として適当な古紙の検討がなされていなかった。現在、古紙は多様化しており、その中から目的に応じて選択する。古紙には多くの種類があるが、糖化基質に利用する古紙としてはリグニン含有量が少なく、セルラーゼによる分解が速いものが適切である。
２）セルラーゼを用いて糖化するためには、安価で効果の高いセルラーゼが望まれる。セルラーゼの品質改良手段として、例えば遺伝子組み替えや細胞融合などの技術を用い、より強力なセルラーゼを効率よく生産することが可能である。
３）一方、セルラーゼによる古紙の糖化効率はコスト的な限界がある。すなわち、高い効率を達成するためには、原料古紙として良質なもの（セルロース高含有率の古紙）を特に選択したり、大量のセルラーゼを用いたり、あるいは長時間の処理が必要となる。これらはいずれもかえってコストがかかり好ましくない。そこで古紙の糖化効率を必要以上に高くするよりは、余分なコストがかからない適当なレベルまで糖化することが好ましい。その上で残存した有機物は燃料として利用する。
４）古紙を基質とする乳酸発酵は印刷インキ、染料のために発酵阻害があるとされ、この阻害に耐え、かつ基質以外に高コストの培地成分を必要としない菌の選択が重要となる。
５）環境破壊がなくエネルギー消費の少ない乳酸製造プラント建設のため、廃液中に残存する有機物の回収には、消費エネルギーの低い膜分離方式を採用する。
６）糖化液残渣と廃液の濃縮物から効果的にエネルギーを回収して電気および蒸気を作り出し、乳酸製造工程の使用エネルギーを賄う。
【００１２】本発明の乳酸の製造方法は、古紙を酵素糖化し、その糖を乳酸発酵して乳酸を製造する方法であって、乳酸発酵をリゾプス（Rhizopus）属に属する菌を用いて行うこと、該乳酸製造に要するエネルギーを全て古紙の持つエネルギーで賄うことを特徴とする。本発明の乳酸の製造方法において、発酵によって得られた乳酸発酵液から乳酸を回収し、透析残液をナノろ過膜または逆浸透膜で濃縮し、この発酵残留物と古紙の糖化工程で分離した糖化残渣とを混合して焼却し、その熱エネルギーを用いて電気と蒸気を得て、それらを上記乳酸製造工程に利用することができる。また本発明の乳酸の製造方法において、古紙は、乾燥重量基準で有機物比率９０％以上、リグニン含有量２０％以下、ヘミセルロース含有量２０％以下の組成を有するものが好ましい。理由は、後述するように少ない投入エネルギーと酵素量で４０〜６０％の糖を得ることができ、同時に残渣から有効な量のエネルギーを得ることができるからである。更に、セルロース含有量がより多く、リグニンとヘミセルロース含有量のより少ない古紙が糖化に必要な酵素量を少なくできるためより好ましい。さらに本発明の乳酸の製造方法において、酵素糖化用の酵素としてセルラーゼを用い、セルラーゼによる古紙の糖化率［ただし糖化率（％）＝（生成したグルコース量／供給した湿潤ベースの古紙量）×１００］を６０％〜４０％の範囲内とすることが望ましい。また本発明の乳酸の製造方法において、乳酸発酵の収率は、古紙に対して５０％〜３０％の範囲内とすることが望ましい。
【００１３】
【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態を図１および表を参照して説明する。本発明において、乳酸の原料となる古紙は、新聞紙、雑誌、オフィス紙、段ボール紙などの多種類があり、通常はそれらの混合物として回収された古紙が用いられる。古紙はセルロース、ヘミセルロースおよびリグニンを含み、その他に印刷インキやトナーなどの着色剤、充填料などを含んでいる。各種古紙中のセルロース、ヘミセルロースおよびリグニン含有量を表１に示す。表１から、古紙中のセルロース含有量は概ね６０％以上であることが分かる。本発明においては、乾燥重量基準で有機物比率９０％以上、リグニン含有量２０％以下、ヘミセルロース含有量２０％以下の組成を有するものを用いることができるので、表１中に示した各種の古紙は、本発明において原料として十分に使用可能である。
【表１】
【００１４】本発明の基本は、原料として紙質の悪い再生紙由来の古紙を選定することにより原料コストを下げ、またある場合には古紙処分料として収益を得ることである。そこで、乳酸製造工程において原料の古紙から最大の収率で乳酸を得るのではなく、糖化及び発酵工程での残留有機物を燃料にして、この乳酸製造プロセスのランニングコストの軽減を図る。この価格のない原料の一部を補助燃料として、工程中で発生した有機物残渣（糖化工程での残渣および発酵工程での残渣）と混焼することにより、蒸気を回収するとともに電力を発生させ、乳酸製造プラントのエネルギーを賄うことができる。さらに、得られた乳酸から各種の乳酸誘導体（ポリ乳酸、ラクタイド）を製造するエネルギーの少なくとも一部として利用することも可能である。
【００１５】本発明において古紙を糖化するために使用する酵素、セルラーゼは、セルロースのβ-１，４-グルコシド結合をエンド型で切断し、最終的にグルコースを生成する。このセルラーゼは、トリコデルマ・ビリデ(Trichoderma viride)またはアスペルギルス・ニガー(Aspergillus niger)から得られた各種の市販セルラーゼ製剤を利用することができる。しかし、安価かつ大量にセルラーゼを使用するためには、トリコデルマ(Trichoderma）属に属するセルラーゼ生産菌、またはAspergillus属に属するセルラーゼ生産菌を培養し、発酵液若しくは菌体を除去した酵素液を古紙糖化に使用することが好ましい。なお、セルラーゼの品質改良手段として、例えば遺伝子組み替えや細胞融合などの手法を用い、より強力なセルラーゼを効率よく生産できる菌を創製し、それを用いてセルラーゼを生産することも可能である。
【００１６】本発明において、乳酸発酵微生物としては糸状菌であるリゾプス(Rhizopus)属に属する菌、好ましくはリゾプス・オリザエ(Rhizopus oryzae)を用いる。当該菌は、好気条件下で１０〜１２％程度のグルコースから８〜１０％のＬ-乳酸を生成する。当該菌は、純粋培養された保存菌株を継代培養して利用することができ、また天然由来菌或いは保存菌株に放射線処理などの適宜な突然変異誘発処理を施して新たな菌株を創製し、古紙糖化液に含まれる成育阻害物質に耐性を有するなどの製造上好都合な特性を有する菌株をスクリーニングして用いることができる。
【００１７】リゾプス・オリザエ(Rhizopus oryzae)を用いて乳酸発酵を行う場合、培地としては炭素源である糖液の他に、少量の無機塩だけで良い。培地組成の一例を表２に示す。
【表２】
【００１８】図１は、本発明による乳酸の製造方法の一例を示すフロー図である。本例示による乳酸の製造では、まず、乳酸製造設備内に受け入れた古紙をライン１を経て前処理装置に送り、不燃物を選別する前処理を行う。この前処理の方法は、供給される古紙の種類、品質などに応じて適宜設定され、古紙を裁断、離解（パルピング）、または乾式の繊維化し、必要に応じて綴じ合わせに用いられた金属、合成樹脂フィルムなどの不燃物を除去する。これら不燃物の除去には、磁気選別、比重選別、風力選別などの周知の分離技術および装置を利用することができる。さらに、油性インキやトナーなどの親油性不純物を積極的に除去するために、古紙をパルピングした後、浮遊選別によって親油性不純物を浮遊せしめて除去することもできる。なお、不燃物を実質上含まない良質古紙を原料とする場合には、この前処理を省くこともできる。前処理を終えた古紙は、ライン２を経て糖化槽に搬送され、前処理で分離回収された不燃物はライン３を通して回収される。
【００１９】糖化槽には、ライン４を通してセルラーゼ溶液が一定量供給され、またライン５を通して補給水或いはｐＨ調節済みの緩衝液が供給可能になっている。また糖化槽は、内部の反応液を一定温度に保持するための温度調節機構、反応液を撹拌する撹拌器などが必要に応じて設けられている。糖化反応は、連続式、回分式、半回分式など、いずれの方式でも良く、温度４０℃〜６０℃、ｐＨ３〜６に保持し、撹拌下で２０〜７０時間行う。
【００２０】糖化反応後、糖化液はベルトプレスまたはフィルタープレスで固液分離する。ろ液は、必要であれば濃縮を行い、１０重量％程度の還元糖濃度の溶液とし、さらに加熱殺菌又はＭＦ膜を用いて除菌する。このＭＦ膜の孔径は１００ｋＤ−０．２μｍの範囲であることが好ましい。ＭＦ膜を用いて除菌する場合、セルラーゼが失活せずに残るので、これを新たな糖化反応用のセルラーゼに加えて使用することで、セルラーゼの必要量を削減することができる。この糖液は、ライン６を通して乳酸発酵槽に送られる。一方、固液分離された残渣（糖化残渣）は、ライン７を通してボイラーに搬送される。
【００２１】乳酸発酵は回分式で行うことが望ましい。乳酸発酵槽は、温度制御機構、槽内に所定量の空気を送り込むための通気手段、糖液のｐＨを調整するｐＨ調整手段などが必要に応じて設けられている。なお、発酵槽の形式としては通気撹拌の所要動力が少ないエアーリフト型発酵槽が好ましい。この乳酸発酵槽に適量の糖液を入れ、この糖液中の無機塩類がそれぞれ表２に示す糖液培地の範囲内であれば、糖液にリゾプス・オリザエ(Rhizopus oryzae)を植菌する。糖液中の無機塩類の濃度が表２に示す範囲よりも下回った場合には、不足した無機塩を補給した後、植菌する。乳酸発酵は、温度３０℃〜３７℃、ｐＨ３〜７、通気量０．２ｖｖｍ程度に保ち、３〜５日間行う。乳酸の生成に伴って糖液培地のｐＨが低下し、発酵効率が低下するのを防ぐため、糖液培地中にアンモニア水を随時加えて培地のｐＨを調整する。
【００２２】リゾプス・オリザエ(Rhizopus oryzae)を糖液中で通気培養する場合、増殖した菌体はペレット状になって糖液中に浮遊する。従って、菌体と液体培地との分離が簡単にできる利点がある。乳酸発酵終了後、乳酸を含んだ発酵液は、ライン８を通してろ過工程に送り、ベルトプレス、遠心分離、フィルタープレスなどの少なくとも１種の固液分離処理によってＳＳ分を除去する。そのろ液は、ライン９を通して精製工程に搬送する。一方、分離された残渣（発酵残渣）はライン１０を通してボイラーに搬送される。
【００２３】乳酸を含むろ液は、精製工程において、電気透析によって乳酸以外の有機酸や糖類を除去して乳酸アンモニウム水溶液とし、次にバイポーラ膜によってアンモニアを分解し、乳酸水溶液とアンモニア水とする。アンモニア水は発酵工程のｐＨ調整に再利用する。ここで得られた乳酸水溶液は、ライン１１を通して濃縮工程に搬送される。該ろ液中の乳酸以外の有機酸や糖類の含量が比較的少ない場合には、電気透析をせず、必要に応じて水分を蒸発させて濃縮し、バイポーラ膜の処理を行っても良い。なお、電気透析工程とバイポーラ膜処理工程との間では、製品純度を上げるため以下の処理を行う。
・活性炭処理：脱色および高分子物質の吸着除去によって製品純度を向上させることを目的とする；
・キレート処理：微量のＭｇ2+，Ｃａ2+などの２価カチオンを除去し、バイポーラ膜の性能低下を防ぐことを目的とする。
【００２４】一方透析廃液は、ナノろ過膜（ＮＦ）または逆浸透膜（ＲＯ）で濃縮し、この濃縮物はライン１４を経てボイラーに搬送される。また、ここで発生した希薄な廃液は、ライン１３を経て廃液処理設備に供給し、ＣＯＤを下げた後、放流または再利用される。ＣＯＤの成分としては、糖化により生成した糖のうち発酵基質とならないセロビオース、その他の多糖類、キシロースなどのペントース類、さらに、乳酸発酵により生成した乳酸以外の有機酸などが含まれる。廃液処理設備において廃液は、メタン発酵を含む生物処理によって放流可能水質として放出し、メタン発酵で発生するメタンガスはボイラー或いは別の燃焼設備に供給し、その燃焼熱をボイラー、タービンにより蒸気および電力に変換することもできる。
【００２５】精製工程からの透析廃液は、上記ＮＦまたはＲＯで濃縮する代わりに、多重効用蒸発缶で溶解性の有機固形分濃度を５０〜７０％まで濃縮した後、ライン１４を経てボイラーに送り、糖化残渣および発酵残渣と混ぜて、廃液燃焼を行うこともできる。
【００２６】精製工程で得られた乳酸水溶液は、ライン１１を通して濃縮工程に送り、多重効用蒸発缶またはブースター蒸発缶によって７０〜８０％の乳酸水溶液とする。ここで得られた７０〜８０％乳酸は、ライン１５を経て包装工程に搬送され、必要に応じて適宜な形態に包装される。或いは、この乳酸を原料として、加熱重縮合、熱分解蒸留、再結晶、分離・乾燥工程を経て、ラクタイドやポリ乳酸を製造することも可能である。なお、濃縮工程で分離した水は、ライン１６を経て糖化工程に返送して再利用することができる。
【００２７】上述した一連の乳酸製造プロセスにおいて、乳酸以外の古紙由来の有機物、例えば糖化残渣、発酵残渣、精製工程からの廃液や残渣、廃液処理からの濃縮残渣は、脱水した後に乾燥して、ボイラーに搬入して焼却し、この燃焼熱エネルギーを電力および低圧蒸気に変換する。ここで得られる電力および蒸気は、上述した乳酸製造プロセスにおける各機器の運転用電力、加熱用熱源などとして使用される。なお、ボイラーで得られる蒸気が乳酸製造プロセスにおいて使用されるエネルギーよりも過剰である場合には、余剰の熱エネルギーを他の消費施設に送って利用して良い。一方、ボイラーで得られる電力および／または熱量が不足する場合には、再生不能な原料古紙の一部をボイラーに投入して燃焼させ、必要なエネルギーを補填することができる。また、これらの残渣をメタン発酵槽に投入し、メタン発酵処理してメタンガスを得、これをボイラーで燃焼させて必要な電気や蒸気を作ることも可能である。
【００２８】本発明の乳酸の製造方法において、セルラーゼによる古紙の糖化率［ただし糖化率（％）＝（生成したグルコース量／供給した湿潤ベースの古紙量）×１００である］は、６０％〜４０％の範囲内とする。糖化率を６０％より高くするためには、原料古紙としてセルロース含有量の多い良質紙のみを選別して使用し、かつ長い糖化時間と大量のセルラーゼが必要であり、そのために余分な設備やコストがかかってしまう。一方、糖化率が４０％より少ないと、所定量の乳酸を製造するために大量の古紙を処理しなければならず、この場合にも余分なコストがかかる。本発明では、コストのかからない古紙を原料としているため、セルラーゼによる古紙の糖化率を６０％〜４０％の範囲内とすることによって、低コストで古紙を糖化することができる。そして、糖化できなかった古紙の残渣（糖化残渣）は、焼却して電気および蒸気に変換し、製造プロセスで利用することによって、ランニングコストの低減に寄与せしめることができる。
【００２９】また本発明の乳酸の製造方法において、乳酸発酵の収率は、古紙に対して５０％〜３０％の範囲内とする。上述した通り、古紙を経済的に糖化するためには、セルラーゼによる古紙の糖化率を６０％〜４０％の範囲内とし、さらに得られた糖液を、表２に示した糖と安価な無機塩類のみからなる液体培地としてリゾプス・オリザエ(Rhizopus oryzae)を培養することで、１０〜１２％程度のグルコースを８〜１０％のＬ-乳酸に変換する。これによって得られる乳酸の収率は、最大でも古紙に対して５０％の収率であるが、乳酸発酵の収率を５０％以内とすることで、更に高い収率を得る場合と比べ、余分な設備やランニングコストをかけることなく、安価且つ短期間で乳酸を得ることができる。一方、乳酸発酵の収率が古紙に対して３０％より低いと、所定量の乳酸を製造するために大量の古紙を糖化及び発酵処理しなければならず、コスト高になってしまう。本発明では、コストのかからない古紙を原料としているため、乳酸発酵の収率を古紙に対して５０％〜３０％の範囲内とすることによって、低コストで古紙から乳酸を製造することができる。そして、乳酸に変換されなかった古紙の残留物（糖化残渣、発酵残渣、精製残留物、廃液濃縮物など）は、焼却して電気および蒸気に変換し、製造プロセスで利用することによって、ランニングコストの低減に寄与せしめることができる。
【００３０】
【実施例】図１に示す乳酸製造プロセスに従って、古紙から乳酸を製造した。古紙はオフィス紙が主体であり、セルロース含有量約８０％（ドライベース重量％）、ヘミセルロース含有量約１０％、リグニン含有量約１％であった。
【００３１】古紙は、５ｍｍ程度に裁断し、その１ｋｇを容量６Ｌの温水ジャケットの付いた２軸のディスク型撹拌槽（糖化槽）に投入した。糖化槽に水４Ｌと、約３００ＦＰＵ／ｇ-タンパク質のセルラーゼ（阪急バイオインダストリー社製のセルロシンＴ２、またはトリコデルマ属菌由来）１００ｇ-タンパク質を加え、温度５０℃、ｐＨ約４．５に保って、撹拌下で約４０時間反応させた。反応後、ベルトプレスによって固液分離し、グルコース濃度１１％の糖液４．１Ｌと０．８ｋｇの固形物（糖液残渣）を得た。
【００３２】得られた糖液を孔径０．２μｍのフィルターに通して除菌した後、容量５Ｌの培養槽（東京理科機械社製の微生物用ファーメンターＭＢＦ-５００ＭＥ）に入れ、各々別途加熱殺菌した水、無機塩を加え、以下の組成の培地２．２Ｌを作製した。
・糖液（グルコースとして）：１００ｇ／Ｌ・（ＮＨ4）2ＳＯ4：３．０ｇ／Ｌ・ＫＨ2ＰＯ4：０．３ｇ／Ｌ・ＭｇＳＯ4・７Ｈ2Ｏ：０．２ｇ／Ｌ・ＺｎＳＯ4・７Ｈ2Ｏ：０．０４ｇ／Ｌ
【００３３】培養槽に、United States Department of Agriculture, Agricultural Research Service, National Center for Agricultural Utilization Researchより入手したリゾプス・オリザエ(Rhizopus oryzae)ＮＲＲＬ３９５株の培養液を加え、温度３０℃、ｐＨ５〜 ６、通気量０．２５ｖｖｍに保ち、４日間発酵を行った。培地のｐＨは、５．０Ｎのアンモニア水を投入するｐＨ自動調整器を用いて調整した。
【００３４】この乳酸発酵の後、乳酸アンモニウム含有量８．２％の発酵液が４．４Ｌ得られた。発酵液は珪藻土をろ過助剤としたフィルタープレスによってＳＳ分（発酵残渣）を取り除き、次いで（株）トクヤマ製の陽イオン交換膜（商品名：ネオセプタＣＭＸ）を１１枚と陰イオン交換膜（商品名：ネオセプタＡＭＸ）を１０枚（共に有効膜面積２ｃｍ2／枚）を交互に組み込んだ電気透析装置を用い、２Ａ／ｄｍ2で３時間通電し、乳酸アンモニウム濃度１８％の濃縮液１．９Ｌと乳酸アンモニウム濃度０．５％の脱塩溶液２．４Ｌを得た。次に濃縮液を（株）トクヤマ製のバイポーラ膜（商品名：ネオセプタＢＰ−１、有効膜面積２ｃｍ2／枚）１０枚と陽イオン交換膜（商品名：ネオセプタＣＭＸ）１１枚を交互に設置した電気透析装置を用い１０Ａ／ｄｍ2で５時間通電し濃度１８％の乳酸水溶液１．９Ｌを得た。
【００３５】この乳酸製造において発生した乳酸以外の固形有機物、即ち糖化残渣、発酵残渣０．９ｋｇを混合して流動層型焼却炉で燃焼させ、発生したガスを水管式ボイラに通し、３ｋｇの低圧蒸気を発生させた。
【００３６】実施した乳酸製造プロセスにおいて、古紙の糖化率は４６％、乳酸発酵の収率は３４％であった。
【００３７】また、この乳酸製造で使用するエネルギーと、固形有機物を焼却した場合に得られるエネルギーを比較するため、上記の乳酸製造プロセスを、古紙１ｔ／時間の処理能力を持つ実装置における運転に換算して算出した。その結果、古紙１ｔ／時間の処理能力を持つ乳酸製造プロセスの運転に必要な電気エネルギーは３８０ｋＷｈであり、一方、該プロセスからの固形有機廃棄物を焼却した場合に得られる熱を用いて発電した場合に得られる電気エネルギーは２００ｋＷｈであった。従って、実際に稼働される規模では本発明の乳酸製造プロセスは、乳酸製造において発生した乳酸以外の固形有機物の持つエネルギーに同様の古紙原料を４０〜５０％補填することで操業可能となる。乳酸製造に必要なエネルギーは、乳酸製造において発生した乳酸以外の固形有機物および補足の古紙が持つエネルギーで十分に賄える。
【００３８】
【発明の効果】本発明の乳酸の製造方法は、古紙を酵素糖化し、その糖を乳酸発酵して乳酸を製造する方法において乳酸発酵をリゾプス（Rhizopus）属に属する菌を用いて行うことによって、成育阻害物質を含むために従来の乳酸菌を用いた発酵法では困難だった古紙を炭素源として乳酸発酵を行うことができる。古紙が低コストの原料であり、またリゾプス（Rhizopus）属菌の培養には高価な栄養成分が不要であり、古紙糖化によって得られた糖分と安価な無機塩のみで乳酸発酵が可能となるので、本発明によればきわめて安価に乳酸を大量生産することが可能である。さらに本発明は、乳酸製造に要するエネルギーの一部または全てを原料に用いた未反応の古紙あるいは補助燃料用の古紙が持つエネルギーで賄うものなので、乳酸製造プロセスを独立して運転することができ、電力や蒸気エネルギーの供給が望めない地域でも運転することが可能となる。また古紙以外に余分な化石燃料を消費せずに乳酸を製造できるので、地球環境に対して悪影響を与えない。さらに、全ての残渣を燃料として利用することによって、二次廃棄物による環境汚染を防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の乳酸製造方法の一例を説明するためのフロー図である。
【符号の説明】
１〜１６ 搬送ライン
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、古紙資源を糖化し、次いで乳酸発酵して乳酸を製造する乳酸製造方法に関し、特に糖化残渣および発酵残渣を用いて上記乳酸製造工程中で必要なエネルギーの不足部分を主として古紙を燃料とするエネルギーにより補完し、資源の有効利用とランニングコストの低減を可能にした乳酸製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】乳酸は、食品添加物として清酒、醤油、ビール、清涼飲料、漬け物、製パンなどの製造に使用され、また工業用原料として皮革、繊維、プラスチックなどの製造に利用される。さらに近年ではポリ乳酸（ＰＬＡ）が生分解性ポリマーとして優れた性質を有することが明らかとなり、その原料としての乳酸が注目されている。
【０００３】従来、発酵法による乳酸の製造は、ラクトバシラス（Lactobacillus）、ラクトコッカス（Lactococcus）などのいわゆる乳酸菌と呼ばれるバクテリアにより、糖水溶液或いは澱粉から得られる糖液を炭素源とし、これに酵母エキスなどの栄養源を副原料として加えた培地で培養することによって行われている。しかしながら、上述した乳酸菌を用いる発酵法は、糖からの乳酸の収率が高い利点があるものの、その培養に糖や酵母エキス等の高価な材料を使用するため、生産コストが高くなる欠点がある。
【０００４】そして従来、乳酸菌による発酵法の欠点を解消するべく、リゾプス（Rhizopus）属などの糸状菌を用い、安価な炭素源から乳酸を製造する方法が種々開発されている。糸状菌を用いる方法は、糖からの乳酸収率が最大70〜80％と乳酸菌を用いた場合と比べて必ずしも高収率ではなく、また培養に通気を要するという短所があるが、培地成分として糖以外には少量の無機塩のみで良く、培地コストが安価なこと、さらに、Ｌ-体の光学純度が高いこと、菌体がペレットを形成するため菌体分離が容易である等の長所がある。特開平６−２５３８７１号公報には、乳酸生成能を有するリゾプス属の糸状菌の胞子を液体培地に植菌し、通気による撹拌を行いつつ培養することにより生成する菌体集合物（ペレット）を液体培地中に浮遊させて発酵を行わせることを特徴とする乳酸の製造方法が開示されている。また特開平９−１７３０９０号公報には、底部から空気を吹き込む気泡塔型バイオリアクターを使用し、炭素源として澱粉若しくはその糖化液またはグルコースを含有する水性培地でリゾプス（Rhizopus）属に属する菌を培養することを特徴とするＬ（＋）−乳酸の製造法、及び該方法を実施するためのバイオリアクターが開示されている。
【０００５】一方、廃棄物である汚泥の有効利用を図るために、汚泥を乳酸発酵して乳酸を製造する試みもなされている。例えば、特開平９−３０８４９４号公報には、汚泥に乳酸菌を添加し乳酸発酵を行う工程を含む、乳酸の製造方法が開示されている。また該公報には、この乳酸発酵をセルラーゼの存在下で行う方法、および汚泥に乳酸菌を添加し乳酸発酵を行って得た乳酸含有液と脱窒素菌とを排水に添加し、排水中の窒素含有化合物を分解する排水処理方法が記載されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】乳酸を原料とした生分解性プラスチック（ポリ乳酸）を既存のプラスチックと代替するためには、原料の乳酸を安価かつ大量に生産する必要がある。従来、生分解性プラスチック用にＬ-乳酸を発酵生産する場合の基質としては、主にトウモロコシ澱粉や澱粉由来のグルコースが利用されている。しかしながら、このような澱粉原料は食物資源として貴重であり、かつ高コストである問題があった。安価にかつ大量に乳酸を製造するためには、セルロース資源の利用が望まれる。
【０００７】セルロース資源から糖化・発酵によってアルコールや乳酸を製造する設備は、これまでにいくつか提案されているが、それらは製造に要するエネルギーの少なくとも一部を設備外から供給するものであった。しかしセルロース資源が得られる場所によっては電力、スチームが都合良く得られない場合が考えられる。その際は別途燃料（重油、天然ガスなど）を用いてエネルギーを作り出す必要があるが、化石資源の使用による環境への負荷が問題になる。
【０００８】セルロース資源の中でも、基質としてはコストが発生せず、入手、扱いが容易なものが好ましく、その点で古紙は有望な基質の一つである。古紙はセルロース系廃棄物の中でも比較的加水分解が容易であり、例えば酵素（セルラーゼ）による糖化では前処理なしでも十分な濃度の糖液が得られる。発酵法による乳酸の製造において、製造コストを抑えるためには、糖化液を精製処理しないで用いることが好ましく、そのためには古紙由来の不純物（無機イオン、着色物質）に対する耐性が強い菌体を用いる必要がある。古紙分解物には、乳酸発酵菌の成育を阻害する不純物が含まれているため、糖化液を精製処理せずに用いて十分な発酵収率をあげることは困難であった。
【０００９】したがって、本発明は、古紙を原料として安価に乳酸を製造可能な方法の提供を目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、次の課題：・古紙系廃棄物から乳酸を製造すること；
・古紙系廃棄物を酵素によって糖化し、糖化液から発酵によってＬ-乳酸を製造する；
・糖化、濃縮に投入したエネルギーをできるだけ削減すること；
・製造に必要な電力およびスチームを古紙のもつエネルギーで全て賄う、エネルギー的に自立した製造設備であること；
・製造設備からは別途処理を要する廃水および廃棄物を出さないこと；を達成するために、鋭意研究を重ねた。
【００１１】古紙を原料とした有価物発酵は古くから提案されているが、古紙はコストが安いにも係わらず、澱粉や糖蜜を原料とした発酵技術に匹敵するような方法がない。それは以下に述べるような解決方法がなかったためである。古紙原料の場合、次の点がその解決の基本となる。
１）従来は発酵原料として適当な古紙の検討がなされていなかった。現在、古紙は多様化しており、その中から目的に応じて選択する。古紙には多くの種類があるが、糖化基質に利用する古紙としてはリグニン含有量が少なく、セルラーゼによる分解が速いものが適切である。
２）セルラーゼを用いて糖化するためには、安価で効果の高いセルラーゼが望まれる。セルラーゼの品質改良手段として、例えば遺伝子組み替えや細胞融合などの技術を用い、より強力なセルラーゼを効率よく生産することが可能である。
３）一方、セルラーゼによる古紙の糖化効率はコスト的な限界がある。すなわち、高い効率を達成するためには、原料古紙として良質なもの（セルロース高含有率の古紙）を特に選択したり、大量のセルラーゼを用いたり、あるいは長時間の処理が必要となる。これらはいずれもかえってコストがかかり好ましくない。そこで古紙の糖化効率を必要以上に高くするよりは、余分なコストがかからない適当なレベルまで糖化することが好ましい。その上で残存した有機物は燃料として利用する。
４）古紙を基質とする乳酸発酵は印刷インキ、染料のために発酵阻害があるとされ、この阻害に耐え、かつ基質以外に高コストの培地成分を必要としない菌の選択が重要となる。
５）環境破壊がなくエネルギー消費の少ない乳酸製造プラント建設のため、廃液中に残存する有機物の回収には、消費エネルギーの低い膜分離方式を採用する。
６）糖化液残渣と廃液の濃縮物から効果的にエネルギーを回収して電気および蒸気を作り出し、乳酸製造工程の使用エネルギーを賄う。
【００１２】本発明の乳酸の製造方法は、古紙を酵素糖化し、その糖を乳酸発酵して乳酸を製造する方法であって、乳酸発酵をリゾプス（Rhizopus）属に属する菌を用いて行うこと、該乳酸製造に要するエネルギーを全て古紙の持つエネルギーで賄うことを特徴とする。本発明の乳酸の製造方法において、発酵によって得られた乳酸発酵液から乳酸を回収し、透析残液をナノろ過膜または逆浸透膜で濃縮し、この発酵残留物と古紙の糖化工程で分離した糖化残渣とを混合して焼却し、その熱エネルギーを用いて電気と蒸気を得て、それらを上記乳酸製造工程に利用することができる。また本発明の乳酸の製造方法において、古紙は、乾燥重量基準で有機物比率９０％以上、リグニン含有量２０％以下、ヘミセルロース含有量２０％以下の組成を有するものが好ましい。理由は、後述するように少ない投入エネルギーと酵素量で４０〜６０％の糖を得ることができ、同時に残渣から有効な量のエネルギーを得ることができるからである。更に、セルロース含有量がより多く、リグニンとヘミセルロース含有量のより少ない古紙が糖化に必要な酵素量を少なくできるためより好ましい。さらに本発明の乳酸の製造方法において、酵素糖化用の酵素としてセルラーゼを用い、セルラーゼによる古紙の糖化率［ただし糖化率（％）＝（生成したグルコース量／供給した湿潤ベースの古紙量）×１００］を６０％〜４０％の範囲内とすることが望ましい。また本発明の乳酸の製造方法において、乳酸発酵の収率は、古紙に対して５０％〜３０％の範囲内とすることが望ましい。
【００１３】
【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態を図１および表を参照して説明する。本発明において、乳酸の原料となる古紙は、新聞紙、雑誌、オフィス紙、段ボール紙などの多種類があり、通常はそれらの混合物として回収された古紙が用いられる。古紙はセルロース、ヘミセルロースおよびリグニンを含み、その他に印刷インキやトナーなどの着色剤、充填料などを含んでいる。各種古紙中のセルロース、ヘミセルロースおよびリグニン含有量を表１に示す。表１から、古紙中のセルロース含有量は概ね６０％以上であることが分かる。本発明においては、乾燥重量基準で有機物比率９０％以上、リグニン含有量２０％以下、ヘミセルロース含有量２０％以下の組成を有するものを用いることができるので、表１中に示した各種の古紙は、本発明において原料として十分に使用可能である。
【表１】
【００１４】本発明の基本は、原料として紙質の悪い再生紙由来の古紙を選定することにより原料コストを下げ、またある場合には古紙処分料として収益を得ることである。そこで、乳酸製造工程において原料の古紙から最大の収率で乳酸を得るのではなく、糖化及び発酵工程での残留有機物を燃料にして、この乳酸製造プロセスのランニングコストの軽減を図る。この価格のない原料の一部を補助燃料として、工程中で発生した有機物残渣（糖化工程での残渣および発酵工程での残渣）と混焼することにより、蒸気を回収するとともに電力を発生させ、乳酸製造プラントのエネルギーを賄うことができる。さらに、得られた乳酸から各種の乳酸誘導体（ポリ乳酸、ラクタイド）を製造するエネルギーの少なくとも一部として利用することも可能である。
【００１５】本発明において古紙を糖化するために使用する酵素、セルラーゼは、セルロースのβ-１，４-グルコシド結合をエンド型で切断し、最終的にグルコースを生成する。このセルラーゼは、トリコデルマ・ビリデ(Trichoderma viride)またはアスペルギルス・ニガー(Aspergillus niger)から得られた各種の市販セルラーゼ製剤を利用することができる。しかし、安価かつ大量にセルラーゼを使用するためには、トリコデルマ(Trichoderma）属に属するセルラーゼ生産菌、またはAspergillus属に属するセルラーゼ生産菌を培養し、発酵液若しくは菌体を除去した酵素液を古紙糖化に使用することが好ましい。なお、セルラーゼの品質改良手段として、例えば遺伝子組み替えや細胞融合などの手法を用い、より強力なセルラーゼを効率よく生産できる菌を創製し、それを用いてセルラーゼを生産することも可能である。
【００１６】本発明において、乳酸発酵微生物としては糸状菌であるリゾプス(Rhizopus)属に属する菌、好ましくはリゾプス・オリザエ(Rhizopus oryzae)を用いる。当該菌は、好気条件下で１０〜１２％程度のグルコースから８〜１０％のＬ-乳酸を生成する。当該菌は、純粋培養された保存菌株を継代培養して利用することができ、また天然由来菌或いは保存菌株に放射線処理などの適宜な突然変異誘発処理を施して新たな菌株を創製し、古紙糖化液に含まれる成育阻害物質に耐性を有するなどの製造上好都合な特性を有する菌株をスクリーニングして用いることができる。
【００１７】リゾプス・オリザエ(Rhizopus oryzae)を用いて乳酸発酵を行う場合、培地としては炭素源である糖液の他に、少量の無機塩だけで良い。培地組成の一例を表２に示す。
【表２】
【００１８】図１は、本発明による乳酸の製造方法の一例を示すフロー図である。本例示による乳酸の製造では、まず、乳酸製造設備内に受け入れた古紙をライン１を経て前処理装置に送り、不燃物を選別する前処理を行う。この前処理の方法は、供給される古紙の種類、品質などに応じて適宜設定され、古紙を裁断、離解（パルピング）、または乾式の繊維化し、必要に応じて綴じ合わせに用いられた金属、合成樹脂フィルムなどの不燃物を除去する。これら不燃物の除去には、磁気選別、比重選別、風力選別などの周知の分離技術および装置を利用することができる。さらに、油性インキやトナーなどの親油性不純物を積極的に除去するために、古紙をパルピングした後、浮遊選別によって親油性不純物を浮遊せしめて除去することもできる。なお、不燃物を実質上含まない良質古紙を原料とする場合には、この前処理を省くこともできる。前処理を終えた古紙は、ライン２を経て糖化槽に搬送され、前処理で分離回収された不燃物はライン３を通して回収される。
【００１９】糖化槽には、ライン４を通してセルラーゼ溶液が一定量供給され、またライン５を通して補給水或いはｐＨ調節済みの緩衝液が供給可能になっている。また糖化槽は、内部の反応液を一定温度に保持するための温度調節機構、反応液を撹拌する撹拌器などが必要に応じて設けられている。糖化反応は、連続式、回分式、半回分式など、いずれの方式でも良く、温度４０℃〜６０℃、ｐＨ３〜６に保持し、撹拌下で２０〜７０時間行う。
【００２０】糖化反応後、糖化液はベルトプレスまたはフィルタープレスで固液分離する。ろ液は、必要であれば濃縮を行い、１０重量％程度の還元糖濃度の溶液とし、さらに加熱殺菌又はＭＦ膜を用いて除菌する。このＭＦ膜の孔径は１００ｋＤ−０．２μｍの範囲であることが好ましい。ＭＦ膜を用いて除菌する場合、セルラーゼが失活せずに残るので、これを新たな糖化反応用のセルラーゼに加えて使用することで、セルラーゼの必要量を削減することができる。この糖液は、ライン６を通して乳酸発酵槽に送られる。一方、固液分離された残渣（糖化残渣）は、ライン７を通してボイラーに搬送される。
【００２１】乳酸発酵は回分式で行うことが望ましい。乳酸発酵槽は、温度制御機構、槽内に所定量の空気を送り込むための通気手段、糖液のｐＨを調整するｐＨ調整手段などが必要に応じて設けられている。なお、発酵槽の形式としては通気撹拌の所要動力が少ないエアーリフト型発酵槽が好ましい。この乳酸発酵槽に適量の糖液を入れ、この糖液中の無機塩類がそれぞれ表２に示す糖液培地の範囲内であれば、糖液にリゾプス・オリザエ(Rhizopus oryzae)を植菌する。糖液中の無機塩類の濃度が表２に示す範囲よりも下回った場合には、不足した無機塩を補給した後、植菌する。乳酸発酵は、温度３０℃〜３７℃、ｐＨ３〜７、通気量０．２ｖｖｍ程度に保ち、３〜５日間行う。乳酸の生成に伴って糖液培地のｐＨが低下し、発酵効率が低下するのを防ぐため、糖液培地中にアンモニア水を随時加えて培地のｐＨを調整する。
【００２２】リゾプス・オリザエ(Rhizopus oryzae)を糖液中で通気培養する場合、増殖した菌体はペレット状になって糖液中に浮遊する。従って、菌体と液体培地との分離が簡単にできる利点がある。乳酸発酵終了後、乳酸を含んだ発酵液は、ライン８を通してろ過工程に送り、ベルトプレス、遠心分離、フィルタープレスなどの少なくとも１種の固液分離処理によってＳＳ分を除去する。そのろ液は、ライン９を通して精製工程に搬送する。一方、分離された残渣（発酵残渣）はライン１０を通してボイラーに搬送される。
【００２３】乳酸を含むろ液は、精製工程において、電気透析によって乳酸以外の有機酸や糖類を除去して乳酸アンモニウム水溶液とし、次にバイポーラ膜によってアンモニアを分解し、乳酸水溶液とアンモニア水とする。アンモニア水は発酵工程のｐＨ調整に再利用する。ここで得られた乳酸水溶液は、ライン１１を通して濃縮工程に搬送される。該ろ液中の乳酸以外の有機酸や糖類の含量が比較的少ない場合には、電気透析をせず、必要に応じて水分を蒸発させて濃縮し、バイポーラ膜の処理を行っても良い。なお、電気透析工程とバイポーラ膜処理工程との間では、製品純度を上げるため以下の処理を行う。
・活性炭処理：脱色および高分子物質の吸着除去によって製品純度を向上させることを目的とする；
・キレート処理：微量のＭｇ2+，Ｃａ2+などの２価カチオンを除去し、バイポーラ膜の性能低下を防ぐことを目的とする。
【００２４】一方透析廃液は、ナノろ過膜（ＮＦ）または逆浸透膜（ＲＯ）で濃縮し、この濃縮物はライン１４を経てボイラーに搬送される。また、ここで発生した希薄な廃液は、ライン１３を経て廃液処理設備に供給し、ＣＯＤを下げた後、放流または再利用される。ＣＯＤの成分としては、糖化により生成した糖のうち発酵基質とならないセロビオース、その他の多糖類、キシロースなどのペントース類、さらに、乳酸発酵により生成した乳酸以外の有機酸などが含まれる。廃液処理設備において廃液は、メタン発酵を含む生物処理によって放流可能水質として放出し、メタン発酵で発生するメタンガスはボイラー或いは別の燃焼設備に供給し、その燃焼熱をボイラー、タービンにより蒸気および電力に変換することもできる。
【００２５】精製工程からの透析廃液は、上記ＮＦまたはＲＯで濃縮する代わりに、多重効用蒸発缶で溶解性の有機固形分濃度を５０〜７０％まで濃縮した後、ライン１４を経てボイラーに送り、糖化残渣および発酵残渣と混ぜて、廃液燃焼を行うこともできる。
【００２６】精製工程で得られた乳酸水溶液は、ライン１１を通して濃縮工程に送り、多重効用蒸発缶またはブースター蒸発缶によって７０〜８０％の乳酸水溶液とする。ここで得られた７０〜８０％乳酸は、ライン１５を経て包装工程に搬送され、必要に応じて適宜な形態に包装される。或いは、この乳酸を原料として、加熱重縮合、熱分解蒸留、再結晶、分離・乾燥工程を経て、ラクタイドやポリ乳酸を製造することも可能である。なお、濃縮工程で分離した水は、ライン１６を経て糖化工程に返送して再利用することができる。
【００２７】上述した一連の乳酸製造プロセスにおいて、乳酸以外の古紙由来の有機物、例えば糖化残渣、発酵残渣、精製工程からの廃液や残渣、廃液処理からの濃縮残渣は、脱水した後に乾燥して、ボイラーに搬入して焼却し、この燃焼熱エネルギーを電力および低圧蒸気に変換する。ここで得られる電力および蒸気は、上述した乳酸製造プロセスにおける各機器の運転用電力、加熱用熱源などとして使用される。なお、ボイラーで得られる蒸気が乳酸製造プロセスにおいて使用されるエネルギーよりも過剰である場合には、余剰の熱エネルギーを他の消費施設に送って利用して良い。一方、ボイラーで得られる電力および／または熱量が不足する場合には、再生不能な原料古紙の一部をボイラーに投入して燃焼させ、必要なエネルギーを補填することができる。また、これらの残渣をメタン発酵槽に投入し、メタン発酵処理してメタンガスを得、これをボイラーで燃焼させて必要な電気や蒸気を作ることも可能である。
【００２８】本発明の乳酸の製造方法において、セルラーゼによる古紙の糖化率［ただし糖化率（％）＝（生成したグルコース量／供給した湿潤ベースの古紙量）×１００である］は、６０％〜４０％の範囲内とする。糖化率を６０％より高くするためには、原料古紙としてセルロース含有量の多い良質紙のみを選別して使用し、かつ長い糖化時間と大量のセルラーゼが必要であり、そのために余分な設備やコストがかかってしまう。一方、糖化率が４０％より少ないと、所定量の乳酸を製造するために大量の古紙を処理しなければならず、この場合にも余分なコストがかかる。本発明では、コストのかからない古紙を原料としているため、セルラーゼによる古紙の糖化率を６０％〜４０％の範囲内とすることによって、低コストで古紙を糖化することができる。そして、糖化できなかった古紙の残渣（糖化残渣）は、焼却して電気および蒸気に変換し、製造プロセスで利用することによって、ランニングコストの低減に寄与せしめることができる。
【００２９】また本発明の乳酸の製造方法において、乳酸発酵の収率は、古紙に対して５０％〜３０％の範囲内とする。上述した通り、古紙を経済的に糖化するためには、セルラーゼによる古紙の糖化率を６０％〜４０％の範囲内とし、さらに得られた糖液を、表２に示した糖と安価な無機塩類のみからなる液体培地としてリゾプス・オリザエ(Rhizopus oryzae)を培養することで、１０〜１２％程度のグルコースを８〜１０％のＬ-乳酸に変換する。これによって得られる乳酸の収率は、最大でも古紙に対して５０％の収率であるが、乳酸発酵の収率を５０％以内とすることで、更に高い収率を得る場合と比べ、余分な設備やランニングコストをかけることなく、安価且つ短期間で乳酸を得ることができる。一方、乳酸発酵の収率が古紙に対して３０％より低いと、所定量の乳酸を製造するために大量の古紙を糖化及び発酵処理しなければならず、コスト高になってしまう。本発明では、コストのかからない古紙を原料としているため、乳酸発酵の収率を古紙に対して５０％〜３０％の範囲内とすることによって、低コストで古紙から乳酸を製造することができる。そして、乳酸に変換されなかった古紙の残留物（糖化残渣、発酵残渣、精製残留物、廃液濃縮物など）は、焼却して電気および蒸気に変換し、製造プロセスで利用することによって、ランニングコストの低減に寄与せしめることができる。
【００３０】
【実施例】図１に示す乳酸製造プロセスに従って、古紙から乳酸を製造した。古紙はオフィス紙が主体であり、セルロース含有量約８０％（ドライベース重量％）、ヘミセルロース含有量約１０％、リグニン含有量約１％であった。
【００３１】古紙は、５ｍｍ程度に裁断し、その１ｋｇを容量６Ｌの温水ジャケットの付いた２軸のディスク型撹拌槽（糖化槽）に投入した。糖化槽に水４Ｌと、約３００ＦＰＵ／ｇ-タンパク質のセルラーゼ（阪急バイオインダストリー社製のセルロシンＴ２、またはトリコデルマ属菌由来）１００ｇ-タンパク質を加え、温度５０℃、ｐＨ約４．５に保って、撹拌下で約４０時間反応させた。反応後、ベルトプレスによって固液分離し、グルコース濃度１１％の糖液４．１Ｌと０．８ｋｇの固形物（糖液残渣）を得た。
【００３２】得られた糖液を孔径０．２μｍのフィルターに通して除菌した後、容量５Ｌの培養槽（東京理科機械社製の微生物用ファーメンターＭＢＦ-５００ＭＥ）に入れ、各々別途加熱殺菌した水、無機塩を加え、以下の組成の培地２．２Ｌを作製した。
・糖液（グルコースとして）：１００ｇ／Ｌ・（ＮＨ4）2ＳＯ4：３．０ｇ／Ｌ・ＫＨ2ＰＯ4：０．３ｇ／Ｌ・ＭｇＳＯ4・７Ｈ2Ｏ：０．２ｇ／Ｌ・ＺｎＳＯ4・７Ｈ2Ｏ：０．０４ｇ／Ｌ
【００３３】培養槽に、United States Department of Agriculture, Agricultural Research Service, National Center for Agricultural Utilization Researchより入手したリゾプス・オリザエ(Rhizopus oryzae)ＮＲＲＬ３９５株の培養液を加え、温度３０℃、ｐＨ５〜 ６、通気量０．２５ｖｖｍに保ち、４日間発酵を行った。培地のｐＨは、５．０Ｎのアンモニア水を投入するｐＨ自動調整器を用いて調整した。
【００３４】この乳酸発酵の後、乳酸アンモニウム含有量８．２％の発酵液が４．４Ｌ得られた。発酵液は珪藻土をろ過助剤としたフィルタープレスによってＳＳ分（発酵残渣）を取り除き、次いで（株）トクヤマ製の陽イオン交換膜（商品名：ネオセプタＣＭＸ）を１１枚と陰イオン交換膜（商品名：ネオセプタＡＭＸ）を１０枚（共に有効膜面積２ｃｍ2／枚）を交互に組み込んだ電気透析装置を用い、２Ａ／ｄｍ2で３時間通電し、乳酸アンモニウム濃度１８％の濃縮液１．９Ｌと乳酸アンモニウム濃度０．５％の脱塩溶液２．４Ｌを得た。次に濃縮液を（株）トクヤマ製のバイポーラ膜（商品名：ネオセプタＢＰ−１、有効膜面積２ｃｍ2／枚）１０枚と陽イオン交換膜（商品名：ネオセプタＣＭＸ）１１枚を交互に設置した電気透析装置を用い１０Ａ／ｄｍ2で５時間通電し濃度１８％の乳酸水溶液１．９Ｌを得た。
【００３５】この乳酸製造において発生した乳酸以外の固形有機物、即ち糖化残渣、発酵残渣０．９ｋｇを混合して流動層型焼却炉で燃焼させ、発生したガスを水管式ボイラに通し、３ｋｇの低圧蒸気を発生させた。
【００３６】実施した乳酸製造プロセスにおいて、古紙の糖化率は４６％、乳酸発酵の収率は３４％であった。
【００３７】また、この乳酸製造で使用するエネルギーと、固形有機物を焼却した場合に得られるエネルギーを比較するため、上記の乳酸製造プロセスを、古紙１ｔ／時間の処理能力を持つ実装置における運転に換算して算出した。その結果、古紙１ｔ／時間の処理能力を持つ乳酸製造プロセスの運転に必要な電気エネルギーは３８０ｋＷｈであり、一方、該プロセスからの固形有機廃棄物を焼却した場合に得られる熱を用いて発電した場合に得られる電気エネルギーは２００ｋＷｈであった。従って、実際に稼働される規模では本発明の乳酸製造プロセスは、乳酸製造において発生した乳酸以外の固形有機物の持つエネルギーに同様の古紙原料を４０〜５０％補填することで操業可能となる。乳酸製造に必要なエネルギーは、乳酸製造において発生した乳酸以外の固形有機物および補足の古紙が持つエネルギーで十分に賄える。
【００３８】
【発明の効果】本発明の乳酸の製造方法は、古紙を酵素糖化し、その糖を乳酸発酵して乳酸を製造する方法において乳酸発酵をリゾプス（Rhizopus）属に属する菌を用いて行うことによって、成育阻害物質を含むために従来の乳酸菌を用いた発酵法では困難だった古紙を炭素源として乳酸発酵を行うことができる。古紙が低コストの原料であり、またリゾプス（Rhizopus）属菌の培養には高価な栄養成分が不要であり、古紙糖化によって得られた糖分と安価な無機塩のみで乳酸発酵が可能となるので、本発明によればきわめて安価に乳酸を大量生産することが可能である。さらに本発明は、乳酸製造に要するエネルギーの一部または全てを原料に用いた未反応の古紙あるいは補助燃料用の古紙が持つエネルギーで賄うものなので、乳酸製造プロセスを独立して運転することができ、電力や蒸気エネルギーの供給が望めない地域でも運転することが可能となる。また古紙以外に余分な化石燃料を消費せずに乳酸を製造できるので、地球環境に対して悪影響を与えない。さらに、全ての残渣を燃料として利用することによって、二次廃棄物による環境汚染を防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の乳酸製造方法の一例を説明するためのフロー図である。
【符号の説明】
１〜１６ 搬送ライン
【特許請求の範囲】
【請求項１】 古紙を酵素糖化し、その糖を乳酸発酵して乳酸を製造する方法であって、乳酸発酵をリゾプス（Rhizopus）属に属する菌を用いて行うこと、該乳酸製造に要するエネルギーの一部または全てを原料に用いた未反応の古紙あるいは補助燃料用の古紙が持つエネルギーで賄うことを特徴とする乳酸の製造方法。
【請求項２】 発酵によって得られた乳酸発酵液から乳酸を回収し、透析残液をナノろ過膜または逆浸透膜で濃縮し、この発酵残留物と古紙の糖化工程で分離した糖化残渣とを混合して焼却し、その熱エネルギーを用いて電気と蒸気を得て、それらを該乳酸製造工程に利用することを特徴とする請求項１に記載の乳酸の製造方法。
【請求項３】 古紙は、乾燥重量基準で有機物比率９０％以上、リグニン含有量２０％以下、ヘミセルロース含有量２０％以下の組成を有するものであることを特徴とする請求項１または２に記載の乳酸の製造方法。
【請求項４】 酵素糖化用の酵素としてセルラーゼを用い、セルラーゼによる古紙の糖化率［ただし糖化率（％）＝（生成したグルコース量／供給した湿潤ベースの古紙量）×１００］を６０％〜４０％の範囲内とすることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の乳酸の製造方法。
【請求項５】 乳酸発酵の収率が、古紙に対して５０％〜３０％の範囲内とすることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の乳酸の製造方法。
【請求項１】 古紙を酵素糖化し、その糖を乳酸発酵して乳酸を製造する方法であって、乳酸発酵をリゾプス（Rhizopus）属に属する菌を用いて行うこと、該乳酸製造に要するエネルギーの一部または全てを原料に用いた未反応の古紙あるいは補助燃料用の古紙が持つエネルギーで賄うことを特徴とする乳酸の製造方法。
【請求項２】 発酵によって得られた乳酸発酵液から乳酸を回収し、透析残液をナノろ過膜または逆浸透膜で濃縮し、この発酵残留物と古紙の糖化工程で分離した糖化残渣とを混合して焼却し、その熱エネルギーを用いて電気と蒸気を得て、それらを該乳酸製造工程に利用することを特徴とする請求項１に記載の乳酸の製造方法。
【請求項３】 古紙は、乾燥重量基準で有機物比率９０％以上、リグニン含有量２０％以下、ヘミセルロース含有量２０％以下の組成を有するものであることを特徴とする請求項１または２に記載の乳酸の製造方法。
【請求項４】 酵素糖化用の酵素としてセルラーゼを用い、セルラーゼによる古紙の糖化率［ただし糖化率（％）＝（生成したグルコース量／供給した湿潤ベースの古紙量）×１００］を６０％〜４０％の範囲内とすることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の乳酸の製造方法。
【請求項５】 乳酸発酵の収率が、古紙に対して５０％〜３０％の範囲内とすることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の乳酸の製造方法。
【図１】
【公開番号】特開２００２−２３８５９０（Ｐ２００２−２３８５９０Ａ）
【公開日】平成１４年８月２７日（２００２．８．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００１−３７３７４（Ｐ２００１−３７３７４）
【出願日】平成１３年２月１４日（２００１．２．１４）
【出願人】（０００１６５２７３）月島機械株式会社 (253)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１４年８月２７日（２００２．８．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１３年２月１４日（２００１．２．１４）
【出願人】（０００１６５２７３）月島機械株式会社 (253)
【Ｆターム（参考）】
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