JP5099757B2

JP5099757B2 - リグノセルロース系バイオマスから糖類を製造する方法

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Publication number: JP5099757B2
Application number: JP2007190616A
Authority: JP
Inventors: 誠一井上; 将宏野口
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2007-07-23
Filing date: 2007-07-23
Publication date: 2012-12-19
Anticipated expiration: 2027-07-23
Also published as: JP2009022239A

Description

本発明は、木質系バイオマス、木質系廃棄物、草本系バイオマス、草本系廃棄物などのリグノセルロース系バイオマスから、糖類を安価かつ効率的に製造する方法に関する。より具体的には、リグノセルロース系バイオマスに含まれるセルロースやヘミセルロースを、キシラナーゼをはじめとするヘミセルラーゼなどの酵素剤や高濃度の強酸を特に用いることなく、グルコースやキシロースなどの単糖類に分解する方法に関する。

ただし本発明には単糖に分解できなかったセルロースを、セルラーゼ等の酵素剤を用いて分解する工程が含まれていてもよい。この時、酵素剤処理のみによる従来法に比べて、より容易に単糖への分解が促進される。

近年、化石燃料代替エネルギー源としてバイオマスの利用に注目が集まっている。その中でもリグノセルロース系バイオマスからのエタノール製造技術が注目されており、木質バイオマスから糖を製造する前処理工程、および糖をエタノール発酵する発酵工程を有効的に行う技術が求められている。

しかしリグノセルロース系バイオマスをエタノール発酵原料として有効的に利用するためには、リグニンの除去、粉砕など数多くの技術が必要となる。そしてこれらの工程は多くのエネルギーやコストが必要となるなどの問題点を抱えている。

またリグノセルロース系バイオマスに含まれるヘミセルロースは、単糖化することによって機能性食品原料やペントース発酵の原料となり得る。しかし、上記単糖化技術には、エネルギーやコストの観点から改善が求められている。

リグノセルロース系バイオマスに含まれるホロセルロースの単糖化には、一般に硫酸などの酸を用いた加水分解、酵素を用いた糖化処理などによって行われている。しかし、上記方法においては、環境問題、処理時間が長い、糖化効率が低い、など様々な問題がある。このため、ホロセルロースの単糖化における効率的な単糖化方法が求められている。

例えば、特許文献１〜３には、酸を用いてバイオマスから単糖を回収する方法が開示されている。しかしこれらの方法は硫酸や塩酸などの強酸を高濃度で用いる方法であるため、強酸の取り扱いや処理が困難であり、安全面、環境面、コスト面において問題を有している。なお、特許文献１にはリン酸を用いることが記載されているが、２０〜３０重量％の高濃度のリン酸を用いており、バイオマスを処理する方法に関するものである。また、加水分解に要する工程が多段階である等の問題を有している。

また特許文献４〜６には、水熱反応を利用した単糖の製造方法が記載されている。この方法では、バイオマスの処理の媒体として水のみを用いている。よって、糖化効率が低い、後の工程でヘミセルラーゼを添加することが必要となるなどの問題点を有している。

また特許文献７には、バイオマスを酸濃度の異なる２種類以上の酸処理液による処理工程を含む、バイオマスから糖組成物を製造する方法が開示されている。しかし、酸濃度が５５〜６３質量％、または６４〜７０質量％と高濃度の酸を用いている。よって、特許文献１〜３に開示されている方法と同様の問題点を有している。

また特許文献８には、酵素処理、過酸化水素（場合によってはリン酸アルミニウムを含む）を用いた熱水処理、およびオゾン処理を含むバイオマスセルロースの糖化方法が記載されている。しかし上記方法では、工程数が多くコスト面、効率面において問題がある。さらに過酸化水素やオゾンを利用するため、安全面や設備面に留意する必要がある。

また特許文献９には、バガスの高圧蒸煮による単糖化に関する記載がある。しかし、この方法では、処理時間が長い、糖化効率が低いなどの問題点を有している。
特表平１１−５０６９３４号公報（公表日：平成１１年（１９９９）６月２２日）特開２０００−５０９００号公報（公開日：平成１２年（２０００）２月２２日）特開２００６−１０１８２９号公報（公開日：平成１８年（２００６）４月２０日）特開２００５−１６８３３５号公報（公開日：平成１７年（２００５）６月３０日）特開２００６−１３６２６３号公報（公開日：平成１８年（２００６）６月１日）特開２００１−２６２１６２号公報（公開日：平成１３年（２００１）９月２６日）特開２００７−８９５７３号公報（公開日：平成１９年（２００７）４月１２日）特開２００７−７４９９２号公報（公開日：平成１９年（２００７）３月２９日）特開２０００−５０８４０号公報（公開日：平成１２年（２０００）２月２２日）

本発明は、木質系バイオマス、木質系廃棄物、草本系バイオマス、草本系廃棄物などのリグノセルロース系バイオマスから、糖類を安価かつ効率的に製造する方法を提供することを目的とした。より具体的には、リグノセルロース系バイオマスに含まれるセルロースやヘミセルロースを、キシラナーゼをはじめとするヘミセルラーゼなどの酵素剤や高濃度の強酸を特に用いることなく、グルコースやキシロースなどの単糖類に分解する方法を提供する。さらに、未分解のセルロースなどを容易に酵素糖化処理することが可能になる前処理方法を提供する。

本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意検討を行った結果、リグノセルロース系バイオマスを、リン酸水溶液中で加温および加圧条件下で処理することによって、リグノセルロース系バイオマスからグルコースおよびキシロースを簡便かつ効率的に製造し得ることを発見し、本発明を完成させるに至った。

すなわち本発明にかかる方法は、上記課題を解決するために、
リグノセルロース系バイオマスから糖類を製造する方法であって、
リグノセルロース系バイオマス、弱酸、および水を含む原料混合物を、加温および加圧条件下で処理する弱酸水熱処理工程を含むことを特徴としている。

また本発明にかかる方法は、弱酸水熱処理工程の後に、酵素糖化処理工程を行う方法であってもよい。

また本発明にかかる方法は、上記弱酸水熱処理工程を、窒素または不活性ガス雰囲気下で行うことが好ましい。

また本発明にかかる方法は、上記弱酸水熱処理工程開始時の原料混合物に含まれる弱酸水溶液中の弱酸濃度は、０．１〜３．０質量％の範囲内であることが好ましい。

また本発明にかかる方法は、上記加温条件が、３７３〜４５３Ｋの範囲内であることが好ましい。

また本発明にかかる方法は、上記加圧条件が、０．１〜５ＭＰａの範囲内であることが好ましい。

また本発明にかかる方法は、上記弱酸が弱酸であってもよい。

上記のように本発明によれば、リグノセルロース系バイオマス、リン酸等の弱酸、および水を含む原料混合物を加圧下で加温するという比較的簡単な反応系によって、リグノセルロース系バイオマスから効率よくキシロースなどのペントースを取得することができるという効果を享受することができる。しかも、本発明によれば、キシラナーゼなどの酵素剤や、硫酸などの強酸を特に用いる必要はない。また、未分解のセルロースを単糖化する際には、酵素糖化処理を施すことによりより容易に単糖化することができる。

上記方法によって得られるグルコースは食品の原料として利用可能である。また上記方法によって得られるグルコースは、エタノールの原料となるため、化石燃料の代替燃料として利用可能である。また上記方法によって得られるキシロースは虫歯予防効果があるとされるキシリトールの原料となるため、本発明は機能性食品の原料の製造においても有用である。またペントース発酵を行うことによって、キシロースは代替燃料の原料としても利用可能となる。

なお、リン酸等の弱酸を用い、かつ加圧加温条件下で、リグノセルロース系バイオマスを処理するだけで、これまで困難であったリグノセルロース系バイオマスをキシロースに分解し得るということを当業者は予想しえず、これまで実施されることはなかった。本発明者らは、リン酸等の弱酸を用い、かつ加圧加温条件下で、リグノセルロース系バイオマスを処理するだけで、キシロースなどペントースを得ることができ、尚且つその処理後残されたセルロース成分の酵素糖化性が向上するということを独自の発想に基づいて考案し、本発明を完成させるに至った。よって本発明にかかる方法は当業者が容易に完成し得るものではない。しかも、本発明にかかる方法は、０．１〜３．０質量％という極めて低濃度の弱酸で、リグノセルロース系バイオマスをキシロースに分解し得るという当業者が予想し得ない顕著な効果を有している。したがって本発明にかかる方法は、従来公知の方法に対して十分に進歩性を有するものである。

本発明の一実施形態について説明すると以下の通りである。ただし、本発明はこれに限定されるものではなく、記述した範囲内で種々の変形を加えた態様で実施できるものである。また、本明細書中に記載された学術文献および特許文献の全てが、本明細書中において参考として援用される。なお、本明細書において特記しない限り「☆☆〜★★」は、「☆☆以上、★★以下」を意味する。

本発明にかかる方法は、リグノセルロース系バイオマスから糖類を製造する方法であって、リグノセルロース系バイオマス、弱酸、および水を含む原料混合物を、加温および加圧条件下で処理する弱酸水熱処理工程を含むことを特徴する方法に関するものである。

＜原料混合物＞
以下に本発明にかかる方法における原料混合物を説明する。「原料混合物」は上記のとおりリグノセルロース系バイオマス、弱酸、および水を含むものである。ここで「リグノセルロース系バイオマス」とは、主としてセルロース、ヘミセルロース、およびリグニンから構成されるバイオマス（生物由来の有機資源）のことを意味する。リグノセルロース系バイオマスには、木質系バイオマス、木質系廃棄物、草本系バイオマス、草本系廃棄物などが含まれる。ここでリグノセルロース系バイオマスとしては例えば、木材、イナワラ、ムギワラ、バガス、竹、パルプ、コーンストーバー、もみがら、パーム椰子残渣、キャッサバ残渣、麻等が挙げられ、その他植物繊維質を有するバイオマスを指す。

上記リグノセルロース系バイオマスの形状は特に限定されるものではないが、弱酸との接触面積を大きくすることがリグノセルロース系バイオマスの分解効率が高くなることから、粉砕または細断されたものであることが好ましい。またその粒径は、特に限定されるものではないが、１０ｍｍ以下、好ましくは０．２ｍｍ以下であることが好ましい。リグノセルロース系バイオマスが上記の好ましい粒径以下であるかどうかは、目開き１０ｍｍ（または０．２ｍｍ）のメッシュを通過するかどうかで判断すればよい。

本発明にかかる方法では、上記リグノセルロース系バイオマス、弱酸、および水を含むものを原料混合物として用いる。ここで、上記の水は特に限定されるものではなく、水道水であっても、蒸留水であっても、イオン交換水であってもよい。また湿潤しているリグノセルロース系バイオマスに含まれる水分も、上記水に含まれる。よって、本発明の方法に用いられるリグノセルロース系バイオマスは乾燥物であっても湿潤物であってもよい。湿潤物であれば、リグノセルロース系バイオマスに含まれる水分を、リグノセルロース系バイオマスが分解される際に必要な水として利用され得る。またリグノセルロース系バイオマスを乾燥させる工程が不要なため、コスト面で有利である。一方、リグノセルロース系バイオマスが乾燥物であれば保存性に優れ、リグノセルロース系バイオマスを長期保存することができるというメリットがある。

また本発明にかかる方法において利用可能な弱酸は、弱酸として知られている酸であれば特に限定されるものではなく、例えばリン酸、シュウ酸、クエン酸、ホウ酸等が本発明にかかる方法において利用可能である。

＜弱酸水熱処理工程＞
次に本発明にかかる方法における「弱酸水熱処理工程」について説明する。本発明にかかる方法における「弱酸水熱処理工程」は、加温および加圧条件下で原料混合物を処理する工程である。弱酸水熱処理工程を実施するための具体的手段および装置については特に限定されるものではないが、図１に記載された加圧熱水処理装置１００が利用され得る。以下に加圧熱水処理装置１００を用いて本発明の一実施形態を説明する。

加圧熱水処理装置１００は、反応槽１、撹拌翼２、加熱手段３、窒素ボンベ４、圧力計５、開閉弁６、および温度計７で主に構成されている。ただし、その他に、試料を投入するために試料投入孔、反応槽に仕込まれる試料の量を確認するためののぞき窓、過剰な昇温を防止するための冷却装置等、その他の構成が含まれていてもよい。なお、加圧熱水処理装置１００として、公知のオートクレーブが利用可能である。

反応槽１は原料混合物（リグノセルロース系バイオマス８および弱酸水溶液９）が投入されるためのものである。弱酸水熱処理工程は加圧条件下で行われるため、反応槽１は密閉式である必要がある。また反応槽１から原料混合物を投入したり抜き取ったりする必要があるため、反応槽１には開閉式の蓋が備えられている、または、原料混合物の出し入れが可能な孔が設けられていることが好ましい。反応槽１の材質は弱酸水熱処理工程に耐え得るものであれば特に限定されるものではないが、例えば反応槽１はステンレス、チタン、インコネルなどで構成されていることが好ましい。

撹拌翼２は、弱酸水熱処理工程においてリグノセルロース系バイオマス１１と弱酸水溶液１２とを均一に混合するためのものである。加圧熱水処理装置１００に撹拌翼２が備えられていることで、リグノセルロース系バイオマス１１と弱酸水溶液１２との接触頻度が上がるとともに反応槽内の温度が均一になり、リグノセルロース系バイオマス１１の分解効率が高まるという効果が得られる。撹拌翼２の回転数は、リグノセルロース系バイオマス１１と弱酸水溶液１２とを均一に混合し得る程度で十分に効果が得られる。その回転数はリグノセルロース系バイオマス１１および弱酸水溶液１２の量関係、撹拌翼の形状、反応槽１の形状等によるため、適宜最適な回転数を検討の上、決定すればよい。

加熱手段３は、反応槽１中の原料混合物を所定の温度に加温するための手段である。なお加温手段３は加熱するのみの機能を有するヒーターに限定されず、温度を一定に保つための冷却手段やサーモスタットが備えられたものであってもよい。なお、加圧熱水処理装置１００の反応槽１には原料混合物の温度を測定するための温度計７が備えられている。

窒素ボンベ４は、反応槽１内を窒素によって加圧状態にするための手段である。窒素ガスは窒素ボンベ３から供給管８を通じて反応槽１内に供給される。余剰の窒素ガスは排気管９を通じて反応槽１外へ排気される。上記供給管８には反応槽１内のガス圧を測定するための圧力計５が備えられている。また反応槽１へのガスの供給を開始したり、停止したりするための開閉弁６が供給管８および排気管９に備えられている。

なお、リグノセルロース系バイオマスに対して弱酸を添加した場合、飽和水蒸気圧以下の過熱水蒸気下においてもキシランの単糖化やその後の酵素糖化性の向上の効果はある程度期待できる。しかし、本発明にかかる方法における弱酸水熱処理工程は、加圧状態で行われることにより、さらなる効果が期待できる。また、本発明においては反応槽１の内部が飽和水蒸気圧以上に保たれていればよいので、加圧状態を保つための気体は、窒素を始めとした不活性ガスであれば気体の種類は問わない（ヘリウム、アルゴン等の不活性ガスも利用可能である）。よって加圧熱水処理装置１００には必ずしも窒素ボンベ４が備えられている必要はなく、窒素ボンベ４はヘリウムまたはアルゴン等の不活性ガスボンベに置換可能である。窒素などの還元雰囲気下で弱酸水熱処理工程が行われることで、リグノセルロース系バイオマス１１の酸化分解を防止することができ、原料利用率が高まるために好ましいといえる。

本発明にかかる方法における弱酸水熱処理工程を行う場合、まず反応槽１にリグノセルロース系バイオマス１１および弱酸水溶液１２を仕込む。この時、リグノセルロース系バイオマス１１と弱酸水溶液１２との混合物が、本発明の方法における原料混合物に相当する。このとき、原料混合物中のリグノセルロース系バイオマス１１と弱酸水溶液１２との配合比率は、リグノセルロース系バイオマス１１が弱酸水溶液１２中で均一に拡散し得る程度の比率であれば特に限定されるものではないが、例えば原料混合物中のリグノセルロース系バイオマス１１と弱酸水溶液１２との配合比率は、重量比で１：２０が好ましく、１：１０がさらに好ましく、１：５が最も好ましい。上記好ましい範囲内であるとリグノセルロース系バイオマス１１と弱酸水溶液１２とが効率よく接触し、リグノセルロース系バイオマス１１の分解効率が高くなる。

また上記原料混合物中に含まれる弱酸水溶液中の弱酸濃度（すなわち、弱酸水熱処理工程開始時の原料混合物に含まれる弱酸水溶液中の弱酸濃度）は特に限定されるものではないが、０．１〜３．０質量％の範囲内が好ましく、０．３〜１．０質量％の範囲内がさらに好ましく、０．５〜０．７質量％の範囲内が最も好ましい。上記好ましい範囲を超えるとコストが高くなってしまう恐れがある。また上記好ましい範囲未満であると、リグノセルロース系バイオマス１１を十分に分解できない恐れがある。

次に、反応槽１内の原料混合物を、加温および加圧条件下で処理を行う（弱酸水熱処理工程）。ここで加温条件は、弱酸水熱処理工程時の原料混合物の温度が３７３〜４５３Ｋとなるような条件が好ましく、４３３〜４５３Ｋとなるような条件がさらに好ましい。上記好ましい範囲を超えると、生成したペントースが過分解してしまうとともに、エネルギーコストが高くなってしまう恐れがある。また上記好ましい範囲未満であると、リグノセルロース系バイオマス１１を十分に分解できない恐れがある。

また上記加圧条件は、反応槽１内のガス圧が０.１〜５ＭＰａ（１〜５０気圧）の範囲内であることが好ましく、２〜３ＭＰａ（２０〜３０気圧）の範囲内であることがさらに好ましい。上記好ましい範囲を超えると、その圧力に耐え得る反応槽１が必要となるために設備コストが高くなってしまう恐れがある。また上記好ましい範囲未満であると、リグノセルロース系バイオマス１１を十分に分解できない恐れがある。

弱酸水熱処理工程の処理時間は、リグノセルロース系バイオマス１１の分解が十分に行われる時間以上であれば特に限定されるものではないが、あまりに処理時間が長すぎると、エネルギーコストが高くなるとともに、作業効率が悪くなってしまう。よって処理時間は１分〜４時間が好ましく、１５分〜１時間がさらに好ましい。なお、上記好ましい範囲未満の処理時間であると、リグノセルロース系バイオマス１１を十分に分解できない恐れがある。

リグノセルロース系バイオマス１１が十分に分解されたか否かは、原料混合物中に生成されるグルコースおよび／またはキシロースの濃度を、ＨＰＬＣや市販の分析キットを用いた公知の方法により定量し、所望量のグルコースおよび／またはキシロースが生成した時点を終点とすればよい。グルコースを定量する方法としては、例えば「Bioresource Technology 58(1996)197-202 REACTION MODEL OF CELLULOSE DECOMPOSITION IN NEAR-CRITICAL WATER AND FERMENTATION OF PRODUCTS T.Sakaki, M.Shibata, T.Miki, H.Hirosue＆N.Hayashi」に記載された方法が挙げられる。またキシロースを定量する方法も上記と同様である。酸処理終了後、反応槽１内の原料混合物を回収してその後の処理に用いればよい。

＜その他の工程＞
本発明にかかる方法は少なくとも、上記で説示した「弱酸水熱処理工程」が含まれていればよいが、その他の工程を含むものであってもよい。特に、弱酸水熱処理工程後に残されたセルロース（未分解のセルロース）を効率的にグルコースに変換するには、弱酸水熱処理工程の処理物に対して、通常行われているセルラーゼなどを用いた酵素糖化処理を行えばよい（酵素糖化処理工程）。酵素糖化処理工程は、リグノセルロース系バイオマスの酵素糖化を行う方法として知られているあらゆる方法が適用され得る。例えば、特許文献５に記載されている方法が適宜採用され得る。ここで特許文献５には「本発明方法における糖化処理工程は、上記の機械的粉砕処理の処理物に、加水分解酵素例えばセルラーゼを作用させることによって行われる。この反応は、通常のセルロースをグルコースに分解する方法において用いられている条件下で行うことができる。このセルラーゼの性質は、それを生産する微生物の種類によって若干異なるが、至適ｐＨ範囲は３．５〜５．５、至適温度範囲は４５〜５５℃であるので、ｐＨ３．３〜５．５の緩衝液に溶解した機械的粉砕処理物にセルラーゼを加え、４５〜５５℃に１０〜３０時間維持することによって糖化処理を行う。この糖化処理は、回分式で行ってもよいし、また固定化酵素を含むバイオリアクターを用いる連続式で行ってもよい。」と記載されている。本発明にかかる方法おいては、特許文献５における「機械的粉砕処理の処理物」を「弱酸水熱処理工程の処理物」と読み替えて酵素糖化処理工程を実施すればよい。

上記「酵素糖化処理工程」の他、本発明にかかる方法には、リグノセルロース系バイオマスを適当なサイズに細断または粉砕する工程が含まれていてもよい。細断または粉砕する際には、公知の回転ボールミル、遊星型ボールミル、ディスクミル等を用いればよい。

また弱酸水熱処理工程後の原料混合物から所望の糖類、例えばグルコースやキシロース等を精製する工程が本発明にかかる方法に含まれていてもよい。上記精製には公知の方法が適用可能であり、例えばイオンカラムクロマトグラフィー、ペーパークロマトグラフィー、薄層クロマトグラフィー（ＴＬＣ）等が適用可能である。

さらに、回収した糖類を洗浄する工程、再結晶化する工程などが本発明にかかる方法に含まれていてもよい。

なお、本発明の方法によって処理された糖類を含む物質を、酵母、酢酸生成菌などの微生物を用いて発酵させる工程を、本発明の方法と組み合わせることで、エタノールや酢酸などの所望の物質を発酵生産する方法が構成される。

以下に実施例を示し、本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。もちろん、本発明は以下の実施例に限定されるものではなく、細部については様々な態様が可能であることはいうまでもない。

〔実施例１〕
（方法）
内容量１００ｍｌのステンレス製オートクレーブ（日東高圧社製）に、バガス（粒径約０．２ｍｍ）３ｇおよび０．７質量％リン酸水溶液３０ｇを投入した。オートクレーブを密閉後、窒素ガスによりオートクレーブ内の空気を置換し、初気圧３０気圧（３ＭＰａ）にまで加圧した。ヒーターによりオートクレーブを１４０℃（４１３Ｋ）、１６０℃（４３３Ｋ）、１８０℃（４５３Ｋ）、または２００℃（４７３Ｋ）にまで加温した。上記指定温度に到達後、その温度で１時間保持し、その後冷却し、オートクレーブを開けた。上記の操作を「リン酸水熱処理」という。

得られた水溶液に含まれる単糖量（キシロース、グルコース）を測定し、その後、得られた生成混合物を酵素糖化処理した。酵素糖化処理は、１０ FPU／ｇ−バガスのアクレモニウムセルラーゼを主酵素とした酵素カクテルを用いて、３２３Ｋで、７２時間の条件で行われた。

単糖量の測定は、「Bioresource Technology 58(1996)197-202 REACTION MODEL OF CELLULOSE DECOMPOSITION IN NEAR-CRITICAL WATER AND FERMENTATION OF PRODUCTS T.Sakaki, M.Shibata, T.Miki, H.Hirosue＆N.Hayashi」に記載された方法に準じて行なわれた。

（結果）
図２にリン酸水熱処理後の水溶液に含まれていた単糖量を示す。また酵素糖化処理後の水溶液に含まれていた単糖量を図３に示す。

リン酸水熱処理により最大１９３ｍｇ／ｇ−バガスの単糖（キシロース１６６ｍｇ／ｇ−バガス＋グルコース２７ｍｇ／ｇ−バガス）が得られ、そのうち、機能性食品原料となり得るキシロースが最大１６６ｍｇ／ｇ−バガス得られた（１６０℃加温の条件において）。

また、その後の酵素糖化処理により４２９ｍｇ／ｇ−バガスの単糖（グルコース２６３ｍｇ／ｇ−バガス、およびキシロース１６６ｍｇ／ｇ−バガス）が得られた。よって、本実施例によって得られた水溶液は、エタノール発酵原料として利用可能なことが明らかになった。また酵素糖化処理によって、さらに糖の収率が上がるということがわかった。

〔比較例１〕
（方法）
リン酸添加の効果を確認するため、内容量１００ｍｌのステンレス製オートクレーブ（日東高圧社製）に、バガス（粒径約０．２ｍｍ）３ｇ、および水３０ｇのみを投入した。その他の条件は、実施例１と同様にした。上記の操作を「水熱処理」という。

（結果）
図４に水熱処理後の水溶液に含まれていた単糖量を示す。また酵素糖化処理後の水溶液に含まれていた単糖量を図５に示す。

酵素糖化処理前の単糖収率は、最大で３７ｍｇ／ｇ−バガスであり、そのうちキシロースは２２ｍｇ／ｇ−バガスであった。

また酵素糖化処理後の単糖収率は、最大で２７３ｍｇ／ｇ−バガスであり、そのうちグルコースは２６６ｍｇ／ｇ−バガス、およびキシロースは７ｍｇ／ｇ−バガスであった。

したがって、バガスから単糖、特にキシロースを効果的に得るためには、リン酸が必要であるということがわかった。

〔比較例２〕
（方法）
リン酸水熱処理または水熱処理の効果の確認するため、従来公知の還流処理を行った。１００ｍｌのフラスコにバガス（粒径約０．２ｍｍ）３ｇ、および０．７質量％リン酸水溶液３０ｇを投入した。その後、フラスコ内の水溶液に対して、１時間還流処理を行った。

還流処理後の水溶液に含まれる単糖量（キシロース、グルコース）を実施例１と同様の方法で測定し、その後、得られた生成混合物を実施例１と同様の方法酵素糖化処理した。

（結果）
その結果を表１に示す。

酵素糖化処理前の単糖収率は、８ｍｇ／ｇ−バガスであり、そのうちキシロースは１ｍｇ／ｇ−バガスであった。

また酵素糖化処理後の単糖収率は、最大で５０ｍｇ／ｇ−バガスであり、そのうちグルコースは２７ｍｇ／ｇ−バガス、およびキシロースは２３ｍｇ／ｇ−バガスであった。

したがって、バガスから単糖、特にキシロースを効果的に得るためには、リン酸水熱処理または水熱処理が必要であるということがわかった。

〔比較例３〕
（方法）
何ら処理を行われないバガスの結果を確認するため、１００ｍｌのビーカーに、バガス（粒径約０．２ｍｍ）３ｇおよび水３０ｇを投入し、室温で1時間放置した。

得られた水溶液に含まれる単糖量（キシロース、グルコース）を実施例１と同様の方法で測定し、その後、得られた生成混合物を実施例１と同様の方法で酵素糖化処理した。

（結果）
その結果を表１に示す。

酵素糖化処理前の単糖収率は、９ｍｇ／ｇ−バガスであり、そのうちキシロースは２ｍｇ／ｇ−バガスであった。

また酵素糖化処理後の単糖収率は、最大で１６ｍｇ／ｇ−バガスであり、そのうちグルコースは０ｍｇ／ｇ−バガス、およびキシロースは１６ｍｇ／ｇ−バガスであった。

したがって、バガスから単糖、特にキシロースを効果的に得るためには、リン酸水熱処理が必要であるということがわかった。

上記のように本発明によれば、リグノセルロース系バイオマス、弱酸、および水を含む原料混合物を加圧で加温するという比較的簡単な反応系によって、リグノセルロース系バイオマスから効率よくグルコースやキシロースなどの単糖類を取得することができるという効果を享受することができる。しかも、本発明によれば、硫酸などの強酸を特に用いる必要はなく、またヘミセルラーゼ酵素が不要になりコストダウンが可能になる。さらに処理後に残された未分解のセルロースなどはセルラーゼを用いた通常の酵素糖化処理を行うことにより、容易にグルコースに変換される。

上記方法によって得られるグルコースは、エタノールの原料となる他、食品、食品の原料、化学原料として利用可能である。またエタノールは化石燃料の代替燃料としても利用可能であり、昨今注目されている化合物の一つである。他方、上記方法によって得られるキシロースは、虫歯予防や虫歯改善に関する機能性食品として知られているキシリトールの原料となるため、本発明は機能性食品の原料の製造においても有用である。さらにペントース発酵を行えば、キシロースをエタノールに変換することも可能である。

それゆえ本発明は、食品産業、化学産業、エネルギー産業等の広範囲の産業において利用され得る。特に本発明は、枯渇が危惧される化石燃料の代替燃料として利用可能であり、かつ二酸化炭素排出量が少ないエタノールの製造に有効であるため、環境問題においても大いに効果が期待される。

本発明にかかる方法に利用可能な加圧熱水処理装置の模式図である。実施例１のリン酸水熱処理後の水溶液に含まれる単糖量を示すプロット図である。実施例１の酵素糖化処理後の水溶液に含まれる単糖量を示すプロット図である。比較例１のリン酸水熱処理後の水溶液に含まれる単糖量を示すプロット図である。比較例１の酵素糖化処理後の水溶液に含まれる単糖量を示すプロット図である。

符号の説明

１反応槽
２撹拌翼
３加熱手段
４窒素ボンベ
５圧力計
６開閉弁
７温度計
８供給管
９排気管
１１リグノセルロース系バイオマス
１２弱酸水溶液
１００加圧熱水処理装置

Claims

リグノセルロース系バイオマスからキシロースおよびグルコースを製造する方法であって、
リグノセルロース系バイオマス、弱酸、および水を含む原料混合物を、加温および加圧条件下で処理する弱酸水熱処理工程を含み、
上記弱酸水熱処理工程開始時の原料混合物に含まれる弱酸水溶液中の弱酸濃度は、０．５〜０．７質量％の範囲内であり、且つ
上記弱酸がリン酸であることを特徴とする方法。
弱酸水熱処理工程の後に、酵素糖化処理工程を行うことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
上記弱酸水熱処理工程を、窒素または不活性ガス雰囲気下で行う、請求項１または２に記載の方法。
上記弱酸水熱処理工程を１５分〜１時間行う、請求項１ないし３のいずれか１項に記載の方法。
上記加温条件が、４３３〜４５３Ｋの範囲内である、請求項１ないし４のいずれか１項に記載の方法。
上記加圧条件が、０．１〜５ＭＰａの範囲内である、請求項１ないし５のいずれか１項に記載の方法。