JP2016189747A - Method for producing sugar solution - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、セルロース含有バイオマスから糖液を製造する方法に関する。 The present invention relates to a method for producing a sugar solution from cellulose-containing biomass.
昨今、セルロース含有バイオマスのような非食用バイオマスから効率的に糖水溶液を製造する技術、あるいは得られた糖水溶液を発酵原料として、効率的に工業原料に変換する技術を含む、環境調和型プロセスの構築が求められている。 In recent years, environmentally conscious processes, including technologies for efficiently producing sugar aqueous solutions from non-edible biomass such as cellulose-containing biomass, or technologies for efficiently converting the resulting sugar aqueous solutions into fermentation raw materials Construction is required.
セルロース含有バイオマスから糖水溶液を製造する方法としては、硫酸を使用する糖水溶液の製造方法があり、濃硫酸を使用してセルロースおよびヘミセルロースを酸加水分解して糖水溶液を製造する方法(特許文献1および2)が開示されている。 As a method for producing an aqueous sugar solution from cellulose-containing biomass, there is a method for producing an aqueous sugar solution using sulfuric acid, and a method for producing an aqueous sugar solution by acid hydrolysis of cellulose and hemicellulose using concentrated sulfuric acid (Patent Document 1). And 2) are disclosed.
また、酸を使用しない方法として、250℃〜500℃程度の亜臨界水を使用してセルロース含有バイオマスを加水分解して糖水溶液を製造する方法(特許文献3)、またセルロース含有バイオマスを亜臨界水処理した後に、さらに酵素処理することにより糖水溶液を製造する方法(特許文献4)、またセルロース含有バイオマスを240℃〜280℃の加圧熱水で加水分解処理した後に、さらに酵素処理することにより糖水溶液を製造する方法(特許文献5)が開示されている。非特許文献1には、セルロース含有バイオマスを希硫酸で加水分解処理した後に、さらにセルラーゼなどの酵素処理することより糖水溶液を製造する方法が開示されている。 Moreover, as a method without using an acid, a method of hydrolyzing cellulose-containing biomass using subcritical water at about 250 ° C. to 500 ° C. to produce an aqueous sugar solution (Patent Document 3), A method for producing an aqueous sugar solution by further enzymatic treatment after water treatment (Patent Document 4), and further hydrolyzing the cellulose-containing biomass with pressurized hot water at 240 ° C to 280 ° C, followed by further enzymatic treatment Discloses a method for producing an aqueous sugar solution (Patent Document 5). Non-Patent Document 1 discloses a method for producing an aqueous sugar solution by hydrolyzing cellulose-containing biomass with dilute sulfuric acid and further treating with an enzyme such as cellulase.
しかし、これらの技術で得られる糖水溶液には多量のバイオマス残滓が含まれ、さらには糖濃度が低いため、糖水溶液を発酵槽に供給して発酵原料として利用するためには、適切な固液分離処理によってバイオマス残滓を除去した上で、糖水溶液を濃縮して糖濃度を高める必要がある。例えば、特許文献6には、精密濾過膜および/または限外濾過膜で処理してバイオマス残滓を除去した後、ナノ濾過膜および/または逆浸透膜で処理して糖水溶液を濃縮して糖濃度を高めつつ、限外濾過膜によって濾過することによって、非透過側から加水分解時に利用した酵素を回収する方法が開示されている。 However, since the sugar aqueous solution obtained by these techniques contains a large amount of biomass residue and the sugar concentration is low, an appropriate solid-liquid solution is required to supply the sugar aqueous solution to the fermenter and use it as a fermentation raw material. It is necessary to remove the biomass residue by the separation treatment and then concentrate the aqueous sugar solution to increase the sugar concentration. For example, in Patent Document 6, after treatment with a microfiltration membrane and / or ultrafiltration membrane to remove biomass residue, treatment with a nanofiltration membrane and / or reverse osmosis membrane to concentrate an aqueous saccharide solution and concentration of sugar A method of recovering an enzyme used at the time of hydrolysis from the non-permeation side by filtering through an ultrafiltration membrane while increasing the pH is disclosed.
しかしながら、特許文献6に開示された技術においては、長期に運転を行うと、精密濾過膜の膜上にケークが堆積したり、膜細孔内が閉塞したりして目詰まりを起こし、本来ならば精密濾過膜を透過するような大きさの物質までもがケークや閉塞物に補足されてしまい、酵素の透過性も悪くなってしまうという課題が生じる。この問題を解決するには、精密濾過膜を定期的に洗浄する作業が必要となるが、この洗浄作業の度に、洗浄排水とともに糖水溶液ならびに膜面に蓄積した糖および/または酵素が損失されてしまう。
本発明は、上述したような課題、すなわち精密濾過膜洗浄時における糖の収率ならびに酵素の回収率の低下を抑制し、長期安定的に糖液を製造する技術を提供する。
However, in the technique disclosed in Patent Document 6, when the operation is performed for a long period of time, cakes are deposited on the membrane of the microfiltration membrane or the pores of the membrane are clogged to cause clogging. For example, even a substance having such a size as to permeate through the microfiltration membrane is supplemented by the cake or clogging material, resulting in a problem that the permeability of the enzyme is deteriorated. In order to solve this problem, it is necessary to periodically clean the microfiltration membrane. In each cleaning operation, the aqueous sugar solution and the sugar and / or enzyme accumulated on the membrane surface are lost along with the cleaning waste water. End up.
The present invention provides a technique for producing a sugar solution stably for a long period of time by suppressing the above-described problems, that is, the decrease in sugar yield and enzyme recovery rate during microfiltration membrane washing.
上記課題を解決するため本発明の糖液の製造方法は、以下の[1]〜[8]のいずれかの構成からなる。 In order to solve the above problems, the method for producing a sugar liquid of the present invention comprises any one of the following [1] to [8].
[1]セルロース含有バイオマスを原料とし、次の(1)〜(3)の工程を備えた糖液の製造方法であって、
(1)セルロース含有バイオマスを加水分解して、単糖及び/又はオリゴ糖を含む糖水溶液を製造する工程、
(2)前記工程(1)で得られた糖水溶液中のバイオマス残渣を除く工程、
(3)次のステップを含み、前記工程(2)で得られた糖水溶液を精密濾過膜に通じて濾過して、糖水溶液を透過側から回収する工程
(3−a)前記糖水溶液を精密濾過膜に通じて濾過して、糖水溶液を透過側から回収する濾過ステップ、並びに
(3−b)前記ステップ(3−a)において使用される精密濾過膜を洗浄する膜洗浄ステップ
前記ステップ(3−a)の終了時において精密濾過膜の非透過側に残存する糖水溶液及び/又は前記ステップ(3−b)において生じる膜洗浄排水を
前記工程(3)よりも上流の工程に還流することを特徴とする糖液の製造方法。
[1] A method for producing a sugar solution comprising cellulose-containing biomass as a raw material and comprising the following steps (1) to (3):
(1) A step of hydrolyzing cellulose-containing biomass to produce a sugar aqueous solution containing monosaccharides and / or oligosaccharides,
(2) A step of removing biomass residues in the aqueous sugar solution obtained in the step (1),
(3) including the following steps, and filtering the aqueous sugar solution obtained in the step (2) through a microfiltration membrane to recover the aqueous sugar solution from the permeation side. A filtration step of filtering through a filtration membrane to recover the aqueous sugar solution from the permeate side; and (3-b) a membrane washing step of washing the microfiltration membrane used in step (3-a) above (3) At the end of -a), the aqueous sugar solution remaining on the non-permeating side of the microfiltration membrane and / or the membrane washing wastewater generated in the step (3-b) is returned to the process upstream of the process (3). A method for producing a sugar solution.
[2] 前記工程(3)よりも上流の工程が前記工程(1)の反応槽であることを特徴とする[1]に記載の糖液の製造方法。 [2] The method for producing a sugar liquid according to [1], wherein the step upstream of the step (3) is the reaction tank of the step (1).
[3]前前記工程(3)よりも上流の工程が前記工程(2)の原水槽であることを特徴とする[1]に記載の糖液の製造方法。 [3] The method for producing a sugar solution according to [1], wherein the step upstream from the step (3) is the raw water tank of the step (2).
[4]前記工程(3)の原水槽中の糖水溶液を、前記工程(3)よりも上流の工程に還流することを特徴とする[1]に記載の糖液の製造方法。 [4] The method for producing a sugar liquid according to [1], wherein the sugar aqueous solution in the raw water tank in the step (3) is refluxed to a step upstream of the step (3).
[5] 前記工程(3)において、精密濾過膜と原水槽との間に緩衝槽を備え、緩衝槽中の糖水溶液を、前記工程(3)よりも上流の工程に還流することを特徴とする[1]に記載の糖液の製造方法。 [5] In the step (3), a buffer tank is provided between the microfiltration membrane and the raw water tank, and the aqueous sugar solution in the buffer tank is returned to the process upstream of the step (3). The method for producing a sugar liquid according to [1].
[6]前記ステップ(3−b)において、濁度が10NTU以上の前記膜洗浄排水を前記工程(3)よりも上流の工程に還流することを特徴とする[1]〜[5]のいずれかに記載の糖液の製造方法。 [6] In any one of [1] to [5], in the step (3-b), the membrane cleaning waste water having a turbidity of 10 NTU or more is returned to a process upstream of the process (3). A method for producing the sugar solution according to claim 1.
[7]前記ステップ(3−b)において、前記膜洗浄排水の還流時に前記膜洗浄排水に酸を添加することを含む、[1]〜[6]のいずれかに記載の糖液の製造方法。 [7] The method for producing a sugar liquid according to any one of [1] to [6], wherein in step (3-b), an acid is added to the membrane cleaning wastewater when the membrane cleaning wastewater is refluxed. .
[8]前記ステップ(3−b)において、前記膜洗浄排水の還流時にモジュール内残存糖水溶液を先に排出し、該残存糖水溶液を前記工程(3)よりも上流へ還流することを特徴とする[1]〜[7]のいずれかに記載の糖液の製造方法。 [8] In the step (3-b), the residual sugar aqueous solution in the module is discharged first when the membrane washing wastewater is refluxed, and the residual sugar aqueous solution is refluxed upstream of the step (3). The method for producing a sugar liquid according to any one of [1] to [7].
[9] 前記ステップ(3−b)において、前記残存糖水溶液だけを還流することを特徴とする[8]に記載の糖液の製造方法。 [9] The method for producing a sugar liquid according to [8], wherein in the step (3-b), only the residual sugar aqueous solution is refluxed.
[10]セルロース含有バイオマスを原料とする糖液の製造装置であって、
前記製造装置は、
(1)セルロース含有バイオマスを加水分解して単糖及び/又はオリゴ糖を含む糖水溶液を得る加水分解手段、
(2)前記加水分解手段(1)からバイオマス残渣を除く固液分離手段、
(3)前記固液分離手段(2)から得られる液体を精密濾過膜に通じて濾過する精密濾過手段
を備え、
前記精密濾過膜の、膜透過側から糖水溶液を回収する手段、
膜の非透過側に残存する濁質含有等水溶液を排出する手段、
排出手段より回収した濁質含有水溶液を精密濾過膜よりも上流工程へ送液する還流手段、
並びに精密濾過膜を洗浄する手段
をさらに備える、
糖液の製造装置。
[10] A device for producing a sugar solution using cellulose-containing biomass as a raw material,
The manufacturing apparatus includes:
(1) Hydrolysis means for obtaining an aqueous sugar solution containing monosaccharides and / or oligosaccharides by hydrolyzing cellulose-containing biomass,
(2) Solid-liquid separation means for removing biomass residue from the hydrolysis means (1),
(3) A microfiltration means for filtering the liquid obtained from the solid-liquid separation means (2) through a microfiltration membrane,
Means for recovering an aqueous sugar solution from the membrane permeation side of the microfiltration membrane,
Means for discharging aqueous solution such as turbidity remaining on the non-permeate side of the membrane,
A refluxing means for sending the aqueous solution containing turbidity recovered from the discharging means to a process upstream of the microfiltration membrane;
And a means for cleaning the microfiltration membrane,
Sugar liquid production equipment.
本発明によって、セルロース含有バイオマスに由来する糖水溶液から、グルコースやキシロースなどの糖を高純度・高収率で製造することが出来る。 According to the present invention, sugars such as glucose and xylose can be produced with high purity and high yield from an aqueous sugar solution derived from cellulose-containing biomass.
以下、本発明について、具体的な構成を挙げて、より詳細に説明する。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail with specific configurations.
I.糖水溶液の製造工程:工程(1)
本発明の糖液の製造方法は、セルロース含有バイオマスを加水分解して、糖水溶液を製造する工程を備える。
I. Manufacturing process of aqueous sugar solution: Step (1)
The method for producing a sugar liquid of the present invention comprises a step of hydrolyzing cellulose-containing biomass to produce an aqueous sugar solution.
[セルロース含有バイオマス]
セルロース含有バイオマスは、糖が脱水縮合した多糖であるセルロースあるいはヘミセルロース等の多糖類を含有する。セルロース含有バイオマスとしては、バガス、スイッチグラス、コーンストーバー、コーンコブ、稲わら、麦わらなどの草本系バイオマス;および樹木、廃建材などの木質系バイオマスなどを例として挙げることができる。また、セルロースを含有するものであれば、コーンハル、コーンスターチ、サトウキビ、甜菜、馬鈴薯デンプンなども例として挙げることができる。セルロースあるいはヘミセルロースといった多糖類を後述のとおり加水分解することで、発酵原料として利用可能な糖水溶液を製造することができる。
[Cellulose-containing biomass]
Cellulose-containing biomass contains a polysaccharide such as cellulose or hemicellulose, which is a polysaccharide obtained by dehydrating and condensing sugar. Examples of the cellulose-containing biomass include herbaceous biomass such as bagasse, switchgrass, corn stover, corn cob, rice straw, and straw; and woody biomass such as trees and waste building materials. Moreover, as long as it contains cellulose, corn hull, corn starch, sugar cane, sugar beet, potato starch and the like can be mentioned as examples. By hydrolyzing a polysaccharide such as cellulose or hemicellulose as described later, an aqueous sugar solution that can be used as a fermentation raw material can be produced.
[糖水溶液]
セルロース含有バイオマスの加水分解によって得られる糖水溶液について、以下に説明する。
[Sugar aqueous solution]
An aqueous sugar solution obtained by hydrolysis of cellulose-containing biomass will be described below.
一般的に糖とは、単糖の重合度によって分類され、グルコース、キシロースなどの単糖類、そして単糖が2〜9個脱水縮合したオリゴ糖類、さらには単糖が10個以上脱水縮合した多糖類に分類される。 In general, sugars are classified according to the degree of polymerization of monosaccharides, such as monosaccharides such as glucose and xylose, oligosaccharides obtained by dehydration condensation of 2 to 9 monosaccharides, and polysaccharides obtained by dehydration condensation of 10 or more monosaccharides. Classified as a saccharide.
工程(1)で得られる糖水溶液は、主成分として単糖を含むことができ、具体的には、グルコースあるいはキシロースを主成分として含むことができる。また、少量ではあるが、セロビオースなどのオリゴ糖、およびアラビノース、マンノースなどの単糖も含んでもよい。ここで「主成分として単糖を含む」とは、水に溶解している単糖、オリゴ糖、多糖の糖類の中の総重量の80重量%以上が単糖であることを指す。 The aqueous sugar solution obtained in the step (1) can contain a monosaccharide as a main component, and specifically can contain glucose or xylose as a main component. Moreover, although it is a small amount, oligosaccharides such as cellobiose and monosaccharides such as arabinose and mannose may also be included. Here, “comprising a monosaccharide as a main component” means that 80% by weight or more of the total weight of monosaccharides, oligosaccharides and polysaccharides dissolved in water is a monosaccharide.
水に溶解した単糖、オリゴ糖、多糖は、具体的には、高速液体クロマトグラフィー(HPLC)によって、標品との比較により定量することができる。具体的なHPLC条件は、反応液は使わず、カラムにLunaNH2(Phenomenex社製)を用いて、移動相を超純水:アセトニトリル=25:75とし、流速が0.6mL/min、測定時間が45min、検出方法がRI(示差屈折率)、温度が30℃である。 Specifically, monosaccharides, oligosaccharides and polysaccharides dissolved in water can be quantified by high performance liquid chromatography (HPLC) by comparison with a standard product. The specific HPLC conditions were as follows: no reaction solution was used, LunaNH2 (Phenomenex) was used for the column, the mobile phase was ultrapure water: acetonitrile = 25: 75, the flow rate was 0.6 mL / min, and the measurement time was 45 min, detection method is RI (differential refractive index), and temperature is 30 ° C.
工程(1)で得られる糖水溶液には、糖だけでなく、コロイド成分、濁質成分、微粒子などを含むバイオマス残滓が存在してもよい。このようなバイオマス残滓の構成成分としては、リグニン、タンニン、シリカ、カルシウム、未分解のセルロース、などが例示できるが、特にこれらに限定されるものではない。 In the sugar aqueous solution obtained in the step (1), not only sugar but also biomass residue containing colloidal components, turbid components, fine particles and the like may exist. Examples of components of such biomass residue include lignin, tannin, silica, calcium, and undecomposed cellulose, but are not particularly limited thereto.
[加水分解]
次に、工程(1)において、セルロース含有バイオマスを加水分解して、糖水溶液を製造する方法について説明する。工程(1)は、反応槽をともない、この反応槽によって加水分解が実施される。
[Hydrolysis]
Next, a method for producing an aqueous sugar solution by hydrolyzing cellulose-containing biomass in the step (1) will be described. Step (1) involves a reaction vessel, and hydrolysis is carried out in this reaction vessel.
セルロース含有バイオマスを加水分解に供するに際しては、セルロース含有バイオマスをそのまま使用してもよいが、蒸煮、微粉砕、爆砕などの公知の処理を施すことが可能であり、こうした処理によって加水分解の効率を向上させることが可能である。 When the cellulose-containing biomass is subjected to hydrolysis, the cellulose-containing biomass may be used as it is, but it is possible to perform known treatments such as steaming, pulverization, and explosion, and the efficiency of hydrolysis can be improved by such treatment. It is possible to improve.
セルロース含有バイオマスの加水分解工程については特に制限はないが、具体的には、処理法A:酸のみを用いる方法、処理法B:酸処理の後、酵素を利用した処理を行う方法、処理法C:水熱処理のみを用いる方法、処理法D:水熱処理の後、酵素を利用した処理を行う方法、処理法E:アルカリ処理の後、酵素を利用する方法、処理法F:アンモニア処理の後、酵素を利用する方法の6つが主に挙げられる。なお、アンモニアはアルカリの一種であるので、アンモニア処理をアルカリ処理の1つと見なすことができる。処理法AおよびCは、本発明の効果によって膜洗浄時における糖の損失を防ぎ、高純度・高収率な糖液を製造することができる。処理法Bおよび処理法D〜Fは、本発明の効果によって精密ろ過膜洗浄時における糖および酵素の損失を防ぎ、高純度・高収率な糖液を製造することができる。 Although there is no restriction | limiting in particular about the hydrolysis process of cellulose containing biomass, Specifically, the processing method A: The method of using only an acid, The processing method B: The method of performing the process using an enzyme after an acid treatment, A processing method C: Method using only hydrothermal treatment, Treatment method D: Method of performing treatment using an enzyme after hydrothermal treatment, Treatment method E: Method of using an enzyme after alkali treatment, Treatment method F: After treatment with ammonia There are mainly six methods using an enzyme. Since ammonia is a kind of alkali, the ammonia treatment can be regarded as one of the alkali treatments. Treatment methods A and C can prevent the loss of sugar during membrane cleaning by the effect of the present invention, and can produce a sugar solution with high purity and high yield. Treatment method B and treatment methods D to F can prevent the loss of sugar and enzyme during microfiltration membrane washing by the effect of the present invention, and can produce a sugar solution with high purity and high yield.
(処理法A)
処理法Aでは、セルロース含有バイオマスの加水分解に酸を使用する。使用する酸に関して硫酸、硝酸、塩酸などが挙げられるが、硫酸を使用することが好ましい。
(Treatment method A)
In the processing method A, an acid is used for hydrolysis of cellulose-containing biomass. Although sulfuric acid, nitric acid, hydrochloric acid, etc. are mentioned regarding the acid to be used, it is preferable to use a sulfuric acid.
酸の濃度に関しては特に限定されないが、0.1〜99重量%の酸を使用することができる。 Although it does not specifically limit regarding the density | concentration of an acid, 0.1-99weight% of an acid can be used.
酸の濃度が0.1〜15重量%または0.5〜5重量%である場合、反応温度は好ましくは100〜300℃、より好ましくは120〜250℃の範囲で設定され、反応時間は好ましくは1sec〜60minの範囲で設定される。また、酸の濃度が15〜95重量%または60〜90重量%である場合、反応温度は好ましくは10〜100℃の範囲で設定され、反応時間は好ましくは1sec〜60minの範囲で設定される。 When the acid concentration is 0.1 to 15% by weight or 0.5 to 5% by weight, the reaction temperature is preferably set in the range of 100 to 300 ° C, more preferably 120 to 250 ° C, and the reaction time is preferably Is set in the range of 1 sec to 60 min. When the acid concentration is 15 to 95% by weight or 60 to 90% by weight, the reaction temperature is preferably set in the range of 10 to 100 ° C., and the reaction time is preferably set in the range of 1 sec to 60 min. .
酸処理の回数は特に限定されず、1回または2回以上のいずれであってもよい。特に処理を2回以上行う場合、1回目の処理とそれ以後の処理とを異なる条件で実施してもよい。 The number of acid treatments is not particularly limited, and may be one time or two or more times. In particular, when the processing is performed twice or more, the first processing and the subsequent processing may be performed under different conditions.
酸処理によって得られた加水分解物は、硫酸などの酸を含むので、この加水分解物を発酵原料として使用するためには、加水分解の後に中和処理をさらに行うことが好ましい。中和に使用するアルカリ試薬の種類は、特に限定されないが、2以上の価数を有する酸が加水分解に用いられる場合は、1価のアルカリ試薬が好ましく用いられる。これは、2以上の価数を有する酸と2以上の価数を有するアルカリとで形成された塩は、液が濃縮される過程で液中に析出して、膜のファウリング要因となるからである。 Since the hydrolyzate obtained by the acid treatment contains an acid such as sulfuric acid, in order to use this hydrolyzate as a fermentation raw material, it is preferable to further carry out a neutralization treatment after the hydrolysis. Although the kind of alkali reagent used for neutralization is not particularly limited, when an acid having a valence of 2 or more is used for hydrolysis, a monovalent alkali reagent is preferably used. This is because a salt formed by an acid having a valence of 2 or more and an alkali having a valence of 2 or more is precipitated in the liquid during the process of concentration of the liquid and becomes a fouling factor of the film. It is.
1価のアルカリを使用する場合、アンモニア、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム等が挙げられるが特に限定はされない。 In the case of using a monovalent alkali, ammonia, sodium hydroxide, potassium hydroxide and the like can be mentioned, but are not particularly limited.
2価以上のアルカリ試薬を用いる場合は、酸およびアルカリの使用量を減らすことで塩の析出を抑制するか、または析出物を除外する機構を設けることで、上述のファウリングの問題を回避できる。 In the case of using a divalent or higher valent alkali reagent, the above-mentioned fouling problem can be avoided by providing a mechanism for suppressing the precipitation of salt by reducing the amount of acid and alkali used or by eliminating the precipitate. .
酸を使用する加水分解では、一般的に結晶性の低いヘミセルロース成分が加水分解され、次いで結晶性の高いセルロース成分が分解される。したがって、酸を使用してヘミセルロース由来のキシロースを多く含有する液を得ることが可能である。 In hydrolysis using an acid, a hemicellulose component having low crystallinity is generally hydrolyzed, and then a cellulose component having high crystallinity is decomposed. Therefore, it is possible to obtain a liquid containing a large amount of xylose derived from hemicellulose using an acid.
また、圧力および温度の異なる2回以上の酸処理を行ってもよい。例えば、第1の酸処理を行った後、第1の酸処理よりも高圧かつ高温で第2の酸処理を行ってもよい。第2の酸処理では結晶性の高いセルロース成分をさらに分解することができるので、セルロース由来のグルコースを多く含有する液を得ることが可能である。 Moreover, you may perform the acid treatment of 2 times or more from which a pressure and temperature differ. For example, after the first acid treatment, the second acid treatment may be performed at a higher pressure and a higher temperature than the first acid treatment. Since the cellulose component having high crystallinity can be further decomposed in the second acid treatment, a liquid containing a large amount of glucose derived from cellulose can be obtained.
このように複数の段階に分けて加水分解を行う場合、各段階において、ヘミセルロースおよびセルロースのそれぞれの分解に適した加水分解条件を設定することができる。よって、分解効率および糖収率を向上させることができる。 As described above, when hydrolysis is performed in a plurality of stages, hydrolysis conditions suitable for the degradation of hemicellulose and cellulose can be set in each stage. Therefore, decomposition efficiency and sugar yield can be improved.
また、第1の加水分解で得られる糖水溶液と第2の加水分解で得られる糖水溶液とを分離することで、単糖成分比率が異なる2種の糖水溶液を製造することができる。すなわち、キシロースを主成分とする糖水溶液が得られる条件で第1の加水分解を行った後、得られた第1の糖水溶液を分離してから、グルコースを主成分とする糖水溶液が得られる条件で第2の加水分解を行う。こうして、異なる組成を有する2種類の糖水溶液を得ることができる。 Further, by separating the aqueous sugar solution obtained by the first hydrolysis and the aqueous sugar solution obtained by the second hydrolysis, two types of aqueous sugar solutions having different monosaccharide component ratios can be produced. That is, after performing the first hydrolysis under the condition that a sugar aqueous solution containing xylose as a main component is obtained, the obtained first sugar aqueous solution is separated, and then a sugar aqueous solution containing glucose as a main component is obtained. A second hydrolysis is performed under conditions. Thus, two types of aqueous sugar solutions having different compositions can be obtained.
このようにして得られた、単糖成分が異なる複数種類の糖水溶液は、それぞれ異なる条件での発酵に用いることができる。つまり、糖水溶液中のキシロースを発酵原料として使用する発酵と、グルコースを発酵原料として使用する発酵とを分けて行うことができる。このように単糖成分を分けることで、それぞれの発酵に使用する最適な微生物種を選定し使用することが可能になる。 A plurality of types of sugar aqueous solutions having different monosaccharide components thus obtained can be used for fermentation under different conditions. That is, fermentation using xylose in an aqueous sugar solution as a fermentation raw material and fermentation using glucose as a fermentation raw material can be performed separately. By separating the monosaccharide components in this way, it becomes possible to select and use the optimum microbial species used for each fermentation.
なお、酸での高圧高温処理を長時間行うことで、ヘミセルロース成分とセルロース成分とを分離することなく、1段階で両成分由来の糖を得ても良い。 In addition, you may obtain the saccharide | sugar derived from both components in one step, without isolate | separating a hemicellulose component and a cellulose component by performing the high pressure high temperature process with an acid for a long time.
(処理法B)
処理法Bでは、処理法A(つまり酸による加水分解)で得られた処理液をさらに酵素で処理することで、セルロース含有バイオマスをさらに加水分解する。
(Treatment method B)
In the treatment method B, the cellulose-containing biomass is further hydrolyzed by further treating the treatment liquid obtained by the treatment method A (that is, hydrolysis with an acid) with an enzyme.
処理法Bにおいて、酸による加水分解の条件は、処理法Aについて説明したとおりである。具体的には、使用される酸の濃度は、好ましくは0.1〜15重量%であり、より好ましくは0.5〜5重量%である。酸による加水分解の反応温度は、100〜300℃の範囲で設定され、好ましくは120〜250℃で設定される。また、酸による加水分解の反応時間は1sec〜60minの範囲で設定可能である。酸による加水分解処理の回数は特に限定されず、1回または2回以上のいずれであってもよい。特に上記処理を2回以上行う場合、1回目と2回目以降の処理を異なる条件で実施してもよい。 In the treatment method B, the conditions for hydrolysis with an acid are as described for the treatment method A. Specifically, the concentration of the acid used is preferably 0.1 to 15% by weight, more preferably 0.5 to 5% by weight. The reaction temperature for hydrolysis with an acid is set in the range of 100 to 300 ° C, preferably 120 to 250 ° C. The reaction time for hydrolysis with acid can be set in the range of 1 sec to 60 min. The frequency | count of the hydrolysis process by an acid is not specifically limited, Any of 1 time or 2 times or more may be sufficient. In particular, when the above process is performed twice or more, the first process and the second and subsequent processes may be performed under different conditions.
酸処理によって得られた加水分解物は、硫酸などの酸を含んでおり、さらに酵素による加水分解反応を行うため、あるいは発酵原料として使用するために、中和を行う必要がある。中和に関しては、処理法Aの説明で述べたとおりである。 The hydrolyzate obtained by the acid treatment contains an acid such as sulfuric acid, and further needs to be neutralized in order to perform an enzymatic hydrolysis reaction or use as a fermentation raw material. The neutralization is as described in the explanation of the processing method A.
加水分解に使用される酵素としては、セルロース分解活性を有する酵素であればよく、一般的なセルラーゼを使用することが可能である。特に、酵素としては、結晶性セルロースの分解活性を有するエキソ型セルラーゼ、あるいはエンド型セルラーゼを含むセルラーゼが好ましい。こうしたセルラーゼとして、トリコデルマ属が産生するセルラーゼが好適である。トリコデルマ属とは、糸状菌に分類される微生物であり、細胞外に多種のセルラーゼを大量に分泌する微生物である。トリコデルマ・リーセイ(Trichoderma reesei)由来のセルラーゼは、特に好ましく用いられる。 The enzyme used for hydrolysis may be any enzyme having cellulolytic activity, and a general cellulase can be used. In particular, the enzyme is preferably an exo-type cellulase having a decomposition activity of crystalline cellulose or a cellulase containing an endo-type cellulase. As such a cellulase, a cellulase produced by Trichoderma is preferable. The genus Trichoderma is a microorganism classified as a filamentous fungus, and is a microorganism that secretes a large amount of various cellulases extracellularly. A cellulase derived from Trichoderma reesei is particularly preferably used.
また、加水分解に使用する酵素として、グルコースの生成効率を向上させるために、セロビオース分解酵素であるβグルコシダーゼを添加してもよく、上述のセルラーゼと併せて加水分解に使用してもよい。βグルコシダーゼとしては、特に限定されないがアスペルギルス由来のものであることが好ましい。 Moreover, in order to improve the production | generation efficiency of glucose as an enzyme used for a hydrolysis, you may add (beta) glucosidase which is a cellobiose decomposing enzyme, and may use it for a hydrolysis together with the above-mentioned cellulase. The β-glucosidase is not particularly limited, but is preferably derived from Aspergillus.
こうした酵素を使用した加水分解反応は、pHが3〜7の付近で行うことが好ましく、より好ましくはpH5付近である。反応温度は、40〜70℃であることが好ましい。 The hydrolysis reaction using such an enzyme is preferably performed in the vicinity of pH 3 to 7, more preferably in the vicinity of pH 5. The reaction temperature is preferably 40 to 70 ° C.
酸処理後、酵素を利用してセルロース含有バイオマスを加水分解する場合、第1の加水分解において酸処理により結晶性の低いヘミセルロースの加水分解を行い、次いで第2の加水分解として酵素を使用することで結晶性の高いセルロースの加水分解を行うことが好ましい。第2の加水分解において酵素を使用することで、より効率よくセルロース含有バイオマスの加水分解工程を進めることができる。 When hydrolyzing cellulose-containing biomass using an enzyme after acid treatment, the hemicellulose having low crystallinity is hydrolyzed by acid treatment in the first hydrolysis, and then the enzyme is used as the second hydrolysis. It is preferable to hydrolyze cellulose with high crystallinity. By using an enzyme in the second hydrolysis, the hydrolysis process of the cellulose-containing biomass can be advanced more efficiently.
具体的には、酸による第1の加水分解において、セルロース含有バイオマスに含まれる成分のうち、主として、ヘミセルロース成分の加水分解、およびリグニンの部分分解が起きる。その加水分解物を酸溶液とセルロースを含む固形分とに分離した後、セルロースを含む固形分成分に対しては、酵素を添加することによって加水分解を行う。 Specifically, in the first hydrolysis with acid, among the components contained in the cellulose-containing biomass, hydrolysis of the hemicellulose component and partial decomposition of lignin mainly occur. After separating the hydrolyzate into an acid solution and a solid content containing cellulose, the solid content component containing cellulose is hydrolyzed by adding an enzyme.
第1の加水分解で得られる酸溶液は、ペントースであるキシロースを主成分として含んでいる。よって、こうして得られた酸溶液を中和することで、糖水溶液を得ることができる。また、セルロースを含む固形分をさらに加水分解することで、グルコースを主成分とする単糖成分を得ることができる。なお、酸溶液を中和することで得られた糖水溶液を、固形分に混合し、この混合物に酵素を添加して加水分解を行ってもよい。 The acid solution obtained by the first hydrolysis contains xylose, which is pentose, as a main component. Therefore, an aqueous sugar solution can be obtained by neutralizing the acid solution thus obtained. Moreover, the monosaccharide component which has glucose as a main component can be obtained by further hydrolyzing the solid content containing a cellulose. In addition, the sugar aqueous solution obtained by neutralizing an acid solution may be mixed with solid content, and it may hydrolyze by adding an enzyme to this mixture.
(処理法C)
処理法Cでは特段の酸の添加は行わず、セルロース含有バイオマスが0.1〜50重量%となるよう水を添加後、100〜400℃の温度で、1sec〜60minの熱処理を行う。
(Treatment method C)
In the treatment method C, no special acid is added, and water is added so that the cellulose-containing biomass is 0.1 to 50% by weight, and then heat treatment is performed at a temperature of 100 to 400 ° C. for 1 sec to 60 minutes.
こうした温度条件において処理することにより、セルロースおよびへミセルロースの加水分解が起こる。このような熱処理による加水分解は、水熱処理と呼ばれる。水熱処理を使用する加水分解では、一般的に結晶性の低いヘミセルロース成分から加水分解され、次いで結晶性の高いセルロース成分が分解される。したがって、水熱処理によって、ヘミセルロース由来のキシロースを多く含有する液を得ることが可能である。 By treating at such temperature conditions, hydrolysis of cellulose and hemicellulose occurs. Such hydrolysis by heat treatment is called hydrothermal treatment. In the hydrolysis using hydrothermal treatment, generally, the hemicellulose component having low crystallinity is hydrolyzed, and then the cellulose component having high crystallinity is decomposed. Therefore, it is possible to obtain a liquid containing a large amount of xylose derived from hemicellulose by hydrothermal treatment.
水熱処理の回数は特に限定されず、1回または2回以上のいずれであってもよい。水熱処理を2回以上行う場合、第1の処理とその後の処理とを異なる条件で実施してもよい。 The number of hydrothermal treatments is not particularly limited, and may be one time or two or more times. When hydrothermal treatment is performed twice or more, the first treatment and the subsequent treatment may be performed under different conditions.
また、水熱処理においては、第1の処理の後、第2の処理として、バイオマス固形分を第1の処理よりも高圧かつ高温で処理することで、さらに結晶性の高いセルロース成分を分解することができる。このような2段階の処理を行うことで、セルロース由来のグルコースをより多く含有する液を得ることができる。 Further, in the hydrothermal treatment, after the first treatment, as a second treatment, the biomass solids are treated at a higher pressure and a higher temperature than the first treatment, thereby further decomposing the highly crystalline cellulose component. Can do. By performing such a two-stage process, a liquid containing more cellulose-derived glucose can be obtained.
このように複数の段階に分けて水熱処理を行う場合、各段階において、ヘミセルロースおよびセルロースのそれぞれの分解に適した加水分解条件を設定することができる。よって、分解効率、および糖収率を向上させることが可能になる。 Thus, when hydrothermal treatment is performed in a plurality of stages, hydrolysis conditions suitable for the decomposition of hemicellulose and cellulose can be set in each stage. Therefore, it becomes possible to improve decomposition efficiency and sugar yield.
また、第1の処理で得られる糖水溶液と第2の処理で得られる糖水溶液とを分離することで、単糖成分比率が異なる2種の糖水溶液を製造することができる。すなわち、キシロースを主成分とする糖水溶液が得られる条件で第1の処理を行った後、得られた第1の糖水溶液を分離してから、グルコースを主成分とする糖水溶液が得られる条件で第2の処理を行う。こうして、異なる組成を有する2種類の糖水溶液を得ることができる。 Also, by separating the aqueous sugar solution obtained by the first treatment and the aqueous sugar solution obtained by the second treatment, two types of aqueous sugar solutions having different monosaccharide component ratios can be produced. In other words, after the first treatment is performed under the condition that a sugar aqueous solution containing xylose as a main component is obtained, the first sugar aqueous solution obtained is separated and then a sugar aqueous solution containing glucose as a main component is obtained. Then, the second process is performed. Thus, two types of aqueous sugar solutions having different compositions can be obtained.
このようにして得られた、単糖成分が異なる複数種類の糖水溶液は、それぞれ異なる条件での発酵に用いることができる。つまり、糖水溶液中のキシロースを発酵原料として使用する発酵と、グルコースを発酵原料として使用する発酵とを分けて行うことができる。このように単糖成分を分けることで、それぞれの発酵に使用する最適な微生物種を選定し使用することが可能になる。 A plurality of types of sugar aqueous solutions having different monosaccharide components thus obtained can be used for fermentation under different conditions. That is, fermentation using xylose in an aqueous sugar solution as a fermentation raw material and fermentation using glucose as a fermentation raw material can be performed separately. By separating the monosaccharide components in this way, it becomes possible to select and use the optimum microbial species used for each fermentation.
(処理法D)
処理法Dでは、処理法C(つまり水熱処理)で得られた処理液をさらに酵素で処理することで、セルロース含有バイオマスをさらに加水分解する。
(Treatment method D)
In the treatment method D, the cellulose-containing biomass is further hydrolyzed by further treating the treatment liquid obtained by the treatment method C (that is, hydrothermal treatment) with an enzyme.
酵素については、処理法で説明したとおりである。また、酵素処理条件についても処理法Bと同様の条件が採用されうる。 The enzyme is as described in the processing method. Moreover, the same conditions as the processing method B can be employ | adopted also about enzyme processing conditions.
処理方法Dでは、水熱処理後、酵素を使用してセルロース含有バイオマスを加水分解するので、まず水熱処理によって結晶性の低いヘミセルロースを加水分解し、次いで酵素によって結晶性の高いセルロースを加水分解することができる。このように酵素を使用することで、効率良くセルロース含有バイオマスの加水分解工程を進めることができる。 In the processing method D, after hydrothermal treatment, the cellulose-containing biomass is hydrolyzed using an enzyme. First, hydrolytic heat treatment hydrolyzes low crystalline hemicellulose, and then hydrolyzes high crystalline cellulose using the enzyme. Can do. Thus, the hydrolysis process of cellulose-containing biomass can be efficiently advanced by using an enzyme.
具体的には、水熱処理によって、主としてセルロース含有バイオマスに含まれるヘミセルロース成分を加水分解し、かつリグニンを部分分解する。次に、その加水分解物を水溶液とセルロースを含む固形分に分離する。得られた固形分については、酵素を添加することによって加水分解を行う。ここで、水熱処理によって得られる水溶液は、ペントースであるキシロースを主成分として含む。また、その後の酵素による加水分解によって、グルコースを主成分とする単糖成分を得ることができる。なお、水熱処理によって得られる水溶液を固形分に混合し、この混合物に酵素を添加して加水分解を行ってもよい。 Specifically, the hemicellulose component mainly contained in the cellulose-containing biomass is hydrolyzed and the lignin is partially decomposed by hydrothermal treatment. Next, the hydrolyzate is separated into a solid content containing an aqueous solution and cellulose. About the obtained solid content, it hydrolyzes by adding an enzyme. Here, the aqueous solution obtained by hydrothermal treatment contains xylose, which is pentose, as a main component. Moreover, the monosaccharide component which has glucose as a main component can be obtained by the hydrolysis by the subsequent enzyme. Note that an aqueous solution obtained by hydrothermal treatment may be mixed with a solid content, and an enzyme may be added to the mixture to perform hydrolysis.
(処理法E)
処理法Eでは、使用するアルカリは水酸化ナトリウムまたは水酸化カルシウムが好ましい。これらアルカリのセルロース含有バイオマスに対する濃度は、0.1〜60重量%の範囲であることが好ましい。アルカリを添加した後、100〜200℃、好ましくは110℃〜180℃の温度範囲で処理することで、加水分解を行うことができる。処理回数は特に限定されず、1回または2回以上のいずれであってもよい。アルカリによる加水分解処理を2回以上行う場合、1回目とその後の処理とを異なる条件で実施してもよい。
(Treatment method E)
In the processing method E, the alkali used is preferably sodium hydroxide or calcium hydroxide. It is preferable that the density | concentration with respect to the cellulose containing biomass of these alkalis is the range of 0.1-60 weight%. After adding an alkali, it can hydrolyze by processing in the temperature range of 100-200 degreeC, Preferably it is 110 to 180 degreeC. The number of treatments is not particularly limited, and may be one time or two or more times. When the hydrolysis treatment with alkali is performed twice or more, the first treatment and the subsequent treatment may be performed under different conditions.
アルカリ処理によって得られた処理物は、水酸化ナトリウムなどのアルカリを含むため、さらに酵素による加水分解反応を行うために、中和を行う必要がある。中和に使用する酸試薬は、特に限定されないが、2以上の価数を有するアルカリが加水分解に用いられる場合は、1価の酸試薬が好ましく用いられる。これは、2以上の価数を有する酸と2以上の価数を有するアルカリとで形成された塩は、液が濃縮される過程で液中に析出して、膜のファウリング要因となるからである。 Since the treated product obtained by the alkali treatment contains an alkali such as sodium hydroxide, it needs to be neutralized in order to perform an enzymatic hydrolysis reaction. The acid reagent used for neutralization is not particularly limited, but when an alkali having a valence of 2 or more is used for hydrolysis, a monovalent acid reagent is preferably used. This is because a salt formed by an acid having a valence of 2 or more and an alkali having a valence of 2 or more is precipitated in the liquid during the process of concentration of the liquid and becomes a fouling factor of the film. It is.
1価の酸を使用する場合、硝酸、塩酸等が挙げられるが特に限定はされない。 When a monovalent acid is used, nitric acid, hydrochloric acid and the like can be mentioned but are not particularly limited.
2価以上の酸試薬を用いる場合は、酸およびアルカリの使用量を減らすことで塩の析出を抑制するか、または析出物を除外する機構を設けることで、上述のファウリングの問題を回避できる。2価以上の酸としては、硫酸、リン酸が好ましい。 When a divalent or higher acid reagent is used, the above-mentioned fouling problem can be avoided by providing a mechanism that suppresses salt precipitation by reducing the amount of acid and alkali used or excludes precipitates. . As the divalent or higher acid, sulfuric acid and phosphoric acid are preferable.
処理法Eにおける酵素としては、処理法Bと同様の酵素が用いられる。また、酵素処理条件についても処理法Bと同様の条件が採用されうる。 As the enzyme in treatment method E, the same enzyme as in treatment method B is used. Moreover, the same conditions as the processing method B can be employ | adopted also about enzyme processing conditions.
処理方法Eでは、まず、アルカリを含んだ水溶液に混合して加熱することで、ヘミセルロース成分とセルロース成分との周辺に存在するリグニン成分を除去する。これによって、ヘミセルロース成分およびセルロース成分を反応しやすい状態にすることができる。その後、アルカリ処理で分解されなかった結晶性の低いヘミセルロースおよび結晶性の高いセルロースを酵素によって加水分解することができる。 In the processing method E, first, the lignin component existing around the hemicellulose component and the cellulose component is removed by mixing with an aqueous solution containing an alkali and heating. Thereby, the hemicellulose component and the cellulose component can be easily reacted. Thereafter, hemicellulose having low crystallinity and cellulose having high crystallinity that have not been decomposed by the alkali treatment can be hydrolyzed by an enzyme.
具体的には、以下のように処理を進めることができる。まず、アルカリ処理によって、セルロース含有バイオマスに含まれる成分のうち、主として、一部のヘミセルロース成分を加水分解し、かつリグニンを部分分解する。次に、その加水分解物をアルカリ溶液とセルロースを含む固形分とに分離する。得られた固形分成分については、pHを調製して、さらに酵素を添加することによって加水分解を行う。また、アルカリ溶液における固形分の濃度が希薄な場合は、固形分を分離することなく、そのまま中和後、酵素を添加して加水分解してもよい。 Specifically, the process can proceed as follows. First, among the components contained in the cellulose-containing biomass, mainly hemicellulose components are hydrolyzed and lignin is partially decomposed by alkali treatment. Next, the hydrolyzate is separated into an alkaline solution and a solid containing cellulose. About the obtained solid content component, pH is adjusted and it hydrolyzes by adding an enzyme further. Further, when the concentration of the solid content in the alkaline solution is dilute, it may be hydrolyzed by adding an enzyme after neutralization without separation of the solid content.
セルロースを含む固形分を酵素で加水分解することで、グルコース、キシロースを主成分とする単糖成分を得ることができる。また、アルカリ処理後に固形分と分離されたアルカリ溶液は、リグニン以外にペントースであるキシロースを主成分として含んでいる。よって、このアルカリ溶液を中和することで、糖水溶液を得ることもできる。また、中和によって得られた糖水溶液を、固形分に混合し、この混合物に酵素を添加して加水分解を行ってもよい。 By hydrolyzing the solid content containing cellulose with an enzyme, a monosaccharide component mainly composed of glucose and xylose can be obtained. Moreover, the alkali solution separated from the solid content after the alkali treatment contains xylose, which is pentose, as a main component in addition to lignin. Therefore, an aqueous sugar solution can also be obtained by neutralizing this alkaline solution. Alternatively, the aqueous sugar solution obtained by neutralization may be mixed with the solid content, and the mixture may be hydrolyzed by adding an enzyme.
(処理法F)
処理法Fのアンモニア処理条件は、特開2008−161125号公報および特開2008−535664号公報に記載された処理条件に準拠する。
(Treatment method F)
The ammonia treatment conditions for treatment method F are in accordance with the treatment conditions described in JP 2008-161125 A and JP 2008-535664 A.
例えば、セルロース含有バイオマスに対するアンモニア濃度の好ましい範囲は、0.1〜15重量%である。添加するアンモニアは液体状態、あるいは気体状態のどちらであってもよい。さらに添加する形態は純アンモニアでもアンモニア水溶液の形態でもよい。アンモニアを添加した後、温度を4℃〜200℃、好ましくは90℃〜150℃にすることで、加水分解が進行する。処理回数は特に限定されず、1回または2回以上のいずれであってもよい。特に処理を2回以上行う場合、第1の処理とその後の処理とを異なる条件で実施してもよい。 For example, the preferable range of the ammonia concentration with respect to the cellulose-containing biomass is 0.1 to 15% by weight. Ammonia to be added may be in a liquid state or a gaseous state. Further, the form of addition may be pure ammonia or an aqueous ammonia solution. After the ammonia is added, the hydrolysis proceeds by setting the temperature to 4 ° C to 200 ° C, preferably 90 ° C to 150 ° C. The number of treatments is not particularly limited, and may be one time or two or more times. In particular, when the process is performed twice or more, the first process and the subsequent process may be performed under different conditions.
アンモニア処理によって得られた処理物を、さらに酵素により加水分解するには、アンモニアの中和あるいはアンモニアの除去を行うことが好ましい。 In order to further hydrolyze the treated product obtained by the ammonia treatment with an enzyme, it is preferable to neutralize ammonia or remove ammonia.
中和に使用する酸試薬の種類は特に限定されない。酸試薬としては、例えば塩酸、硝酸、硫酸などがあげられる。特に、硫酸は、プロセス配管を腐食しにくく、また発酵を阻害しないので、好ましい。 The kind of acid reagent used for neutralization is not particularly limited. Examples of the acid reagent include hydrochloric acid, nitric acid, sulfuric acid and the like. In particular, sulfuric acid is preferable because it hardly corrodes the process piping and does not inhibit fermentation.
アンモニアの除去は、アンモニア処理物を減圧状態に保つことで、アンモニアを気体状態に揮発させることで行ってもよい。除去したアンモニアは、回収し、再利用してもよい。 The removal of ammonia may be performed by volatilizing ammonia into a gaseous state by keeping the ammonia-treated product in a reduced pressure state. The removed ammonia may be recovered and reused.
アンモニア処理後に、酵素を使用する加水分解について説明する。 The hydrolysis using an enzyme after the ammonia treatment will be described.
アンモニア処理を行うと、セルロースの結晶が酵素反応を受けやすい構造に変化することが、一般的に知られている。したがって、こうしたアンモニア処理後の固形分に対し、酵素を作用させることで、効率的に加水分解を行うことができる。 It is generally known that when ammonia treatment is performed, cellulose crystals change to a structure that is susceptible to enzymatic reaction. Therefore, it can hydrolyze efficiently by making an enzyme act on the solid content after such ammonia treatment.
酵素としては、処理法Bと同様の酵素が用いられる。また、酵素処理条件についても処理法Bと同様の条件を採用できる。 As the enzyme, an enzyme similar to the treatment method B is used. Moreover, the same conditions as in the treatment method B can be adopted for the enzyme treatment conditions.
また、アンモニア処理においてアンモニア水溶液を用いる場合は、アンモニア処理時に、アンモニアによる作用以外に、水成分によって処理法C(つまり水熱処理)と同様の効果も得られることがある。水熱処理によると、上述したとおり、ヘミセルロースの加水分解およびリグニンの分解が起こる。 In addition, when an aqueous ammonia solution is used in the ammonia treatment, the same effect as that of the treatment method C (that is, hydrothermal treatment) may be obtained depending on the water component in addition to the action of ammonia during the ammonia treatment. As described above, hydrothermal treatment causes hydrolysis of hemicellulose and decomposition of lignin.
つまり、アンモニア水溶液で処理後、酵素を利用してセルロース含有バイオマスを加水分解する場合、具体的な処理の過程は以下のとおりである。 That is, when the cellulose-containing biomass is hydrolyzed using an enzyme after treatment with an aqueous ammonia solution, the specific treatment process is as follows.
アンモニアを含んだ水溶液とバイオマスとを混合して加熱することで、ヘミセルロース成分とセルロース成分との周辺に存在するリグニン成分を除去する。これによって、ヘミセルロース成分およびセルロース成分を反応しやすい状態にすることができる。上述したように、アンモニア処理中に水熱処理も進行する。その後、アンモニア処理および水熱処理でも分解されなかった結晶性の低いヘミセルロースおよび結晶性の高いセルロースを酵素によって加水分解することができる。 By mixing and heating the aqueous solution containing ammonia and biomass, the lignin component present around the hemicellulose component and the cellulose component is removed. Thereby, the hemicellulose component and the cellulose component can be easily reacted. As described above, hydrothermal treatment also proceeds during the ammonia treatment. Thereafter, hemicellulose having low crystallinity and cellulose having high crystallinity that were not decomposed by ammonia treatment and hydrothermal treatment can be hydrolyzed by an enzyme.
より具体的には、処理は以下のように進行する。アンモニア水溶液による処理によって、セルロース含有バイオマスに含まれる成分のうち、主として、一部のヘミセルロース成分を加水分解し、かつリグニンを部分分解する。次に、その加水分解物をアンモニア水溶液とセルロースを含む固形分とに分離する。得られた固形分成分については、pHを調製して、さらに酵素を添加することによって加水分解を行う。また、アンモニア濃度が高い場合(例えば100%に近い場合)は、脱気によって多くのアンモニアを除外後、固形分を分離することなく、そのまま中和した後、酵素添加して加水分解してもよい。 More specifically, the process proceeds as follows. By the treatment with the aqueous ammonia solution, among the components contained in the cellulose-containing biomass, some hemicellulose components are mainly hydrolyzed and lignin is partially decomposed. Next, the hydrolyzate is separated into an aqueous ammonia solution and a solid content containing cellulose. About the obtained solid content component, pH is adjusted and it hydrolyzes by adding an enzyme further. If the ammonia concentration is high (for example, close to 100%), after removing a large amount of ammonia by deaeration, neutralize it without separating the solids, and then add the enzyme and hydrolyze it. Good.
固形分の加水分解反応物からは、グルコースおよびキシロースを主成分とする単糖成分を得ることができる。また、アンモニア処理後に固形分と分離されたアンモニア水溶液には、リグニン以外にペントースであるキシロースを主成分として含んでいるため、アルカリ溶液を中和して糖水溶液を得ることも可能である。また、中和によって得られた糖水溶液を固形分に混合し、この混合物に酵素を添加して加水分解を行ってもよい。 A monosaccharide component mainly composed of glucose and xylose can be obtained from the hydrolysis product of the solid content. Further, since the aqueous ammonia solution separated from the solid content after the ammonia treatment contains xylose, which is pentose, as a main component in addition to lignin, it is also possible to neutralize the alkaline solution to obtain an aqueous sugar solution. Moreover, the sugar aqueous solution obtained by neutralization may be mixed with solid content, and an enzyme may be added to this mixture to perform hydrolysis.
II.固液分離工程:工程(2)
[固液分離]
本発明の糖液の製造方法は、工程(1)で得られた糖水溶液から未だ分解されていない固形分(バイオマス残渣)を取り除く、固液分離工程を含む。
II. Solid-liquid separation step: Step (2)
[Solid-liquid separation]
The method for producing a sugar liquid of the present invention includes a solid-liquid separation step of removing solid content (biomass residue) that has not been decomposed from the aqueous sugar solution obtained in step (1).
工程(2)は、加水分解が複数回行われる場合は、固液分離は各回の加水分解後に行われてもよい。工程(2)には、濾過・圧搾、沈降分離、遠心分離等の種々の手法が適用される。つまり、固液分離装置として、フィルタープレスやベルトプレス、遠心分離機、沈殿槽などが用いられる。糖水溶液は、該装置から液体分として回収され、下流工程へと送液される。液体分を効率よく回収するために、固液分離装置として望ましくは加圧濾過型の装置もしくは遠心分離機を用いることが好ましい。遠心分離機を用いる場合は、5000G以上の遠心力をかけて分離することが好ましい。 In the step (2), when the hydrolysis is performed a plurality of times, the solid-liquid separation may be performed after each hydrolysis. Various methods such as filtration / squeezing, sedimentation separation, and centrifugation are applied to the step (2). That is, a filter press, a belt press, a centrifuge, a sedimentation tank, or the like is used as the solid-liquid separator. The aqueous sugar solution is recovered as a liquid component from the apparatus and sent to the downstream process. In order to efficiently recover the liquid component, it is desirable to use a pressure filtration type device or a centrifuge as the solid-liquid separation device. When using a centrifuge, it is preferable to separate by applying a centrifugal force of 5000 G or more.
[糖水溶液]
工程(2)において、固液分離装置の液体分として回収された糖水溶液は、工程(2)で使用された分離装置によって種々の成分が除かれた以外は、工程(1)の糖水溶液と同様の組成を有する。
[Sugar aqueous solution]
In step (2), the aqueous sugar solution recovered as a liquid component of the solid-liquid separation device is the same as the aqueous sugar solution in step (1) except that various components were removed by the separation device used in step (2). Has a similar composition.
III.精密濾過工程:工程(3)
本発明の糖液の製造方法は、工程(2)で得られた糖水溶液を精密濾過膜に通じることで濾過する工程(3)を含む。この工程により、糖水溶液が透過側から回収され、未分解のセルロースやバイオマスに付着している数十nm以上の粒径を有するシリカ等の無機成分が原水側に阻止される。
III. Microfiltration process: Process (3)
The method for producing a sugar liquid of the present invention includes a step (3) of filtering the aqueous sugar solution obtained in the step (2) by passing it through a microfiltration membrane. By this step, an aqueous sugar solution is recovered from the permeate side, and inorganic components such as silica having a particle size of several tens of nanometers or more adhering to undecomposed cellulose and biomass are blocked to the raw water side.
[濾過]
本発明で使用される精密濾過膜とは、平均細孔径が0.01μm〜5mmである膜である。精密濾過膜はマイクロフィルトレーション膜とも称され、MF膜と略称される。精密濾過膜に通じることで、工程(2)において液体分として回収された糖水溶液から、単糖まで分解されていないセルロースやバイオマスに付着している数十nm以上の粒径を有するシリカ等の無機成分などを除くことが可能となる。また、糖水溶液に乳酸菌などの細胞が混入している場合、細胞の代謝によって生産物である糖が消費されてしまう可能性がある。糖水溶液を精密濾過膜に通じることで、これらの糖と細胞とが、膜透過側と非透過側とに分離され、糖の消費を抑制し、保管時間による糖濃度の変化が少なく安定した品質の糖水溶液を製造することが可能となる。なお、細胞を確実にかつ、膜のファウリングにならないように分離を行うためには、平均細孔径が0.02μm以上1.0μm以下であることが望ましい。
濾過操作としては、効率的に除去するために、精密濾過膜を2回以上使用する多段的な濾過でもよく、またその際、使用する膜の素材および膜種類は段階ごとに異なっても良い。
また、精密濾過膜で濾過を行い、その濾液をさらに限外濾過膜で濾過を行っても良い。この方法では、精密濾過膜では除くことが出来ない数十nm以下のコロイド成分や、リグニン由来の水溶性の高分子成分(タンニン)、オリゴ糖から多糖などの糖類、そして加水分解に使用する酵素などを除くことが可能となる。
ここでいう限外濾過膜とは、分画分子量が1,000〜200,000である膜のことであり、ウルトラフィルトレーション膜とも称され、UF膜などと略称される。限外濾過膜の膜表面の細孔径は、非常に小さいので、電子顕微鏡等で計測することが困難である。よって、平均細孔径の代わりに、分画分子量が孔径の大きさの指標とされる。
[filtration]
The microfiltration membrane used in the present invention is a membrane having an average pore diameter of 0.01 μm to 5 mm. The microfiltration membrane is also called a microfiltration membrane and is abbreviated as MF membrane. By passing through a microfiltration membrane, silica having a particle size of several tens of nanometers or more attached to cellulose or biomass that is not decomposed to monosaccharides from the aqueous sugar solution recovered as a liquid component in step (2) It is possible to remove inorganic components and the like. In addition, when cells such as lactic acid bacteria are mixed in the aqueous sugar solution, the product sugar may be consumed by cell metabolism. By passing the aqueous sugar solution through the microfiltration membrane, these sugars and cells are separated into the membrane permeation side and the non-permeation side, suppressing sugar consumption and stable quality with little change in sugar concentration due to storage time. It is possible to produce an aqueous sugar solution. In order to separate the cells reliably and without causing membrane fouling, it is desirable that the average pore diameter is 0.02 μm or more and 1.0 μm or less.
The filtration operation may be multi-stage filtration using a microfiltration membrane twice or more for efficient removal, and the membrane material and membrane type to be used may be different for each stage.
Further, filtration may be performed with a microfiltration membrane, and the filtrate may be further filtered with an ultrafiltration membrane. In this method, colloidal components of several tens of nm or less that cannot be removed with microfiltration membranes, water-soluble polymer components derived from lignin (tannins), saccharides such as oligosaccharides to polysaccharides, and enzymes used for hydrolysis Etc. can be excluded.
The ultrafiltration membrane here is a membrane having a molecular weight cut off of 1,000 to 200,000, which is also referred to as an ultrafiltration membrane, and is abbreviated as a UF membrane. Since the pore diameter on the surface of the ultrafiltration membrane is very small, it is difficult to measure with an electron microscope or the like. Therefore, instead of the average pore size, the molecular weight cut off is used as an index of the size of the pore size.
なお、分画分子量とは、日本膜学会編 膜学実験シリーズ第III巻 人工膜編 編集委員/木村尚史,中尾真一,大矢晴彦、仲川勤(1993共立出版)p.92に、「溶質の分子量を横軸に、阻止率を縦軸にとってデータをプロットしたものを分画分子量曲線とよんでいる。そして阻止率が90%となる分子量を膜の分画分子量とよんでいる。」と記載されているように、限外濾過膜の膜性能を表す指標として知られている。 The molecular weight cutoff refers to the Membrane Society of Japan, Membrane Experiment Series Volume III, Artificial Membrane Editor / Naofumi Kimura, Shinichi Nakao, Haruhiko Ohya, Tsutomu Nakagawa (1993 Kyoritsu Shuppan) p. No. 92, “The molecular weight of the solute is plotted on the horizontal axis and the blocking rate is plotted on the vertical axis, and the data plotted is called the fractional molecular weight curve. And the molecular weight at which the blocking rate is 90% is called the membrane molecular weight cut-off. Is known as an index representing the membrane performance of the ultrafiltration membrane.
加水分解に使用する酵素は、分子量が10,000〜100,000の範囲にある。これらの酵素の透過を阻止できる分画分子量を有する限外濾過膜を使用することで、酵素を非透過側画分より回収することができる。好ましくは、分画分子量10,000〜30,000の限外濾過膜を使用することで、加水分解に使用する酵素を効率的に回収できる。使用する限外濾過膜の形態は特に限定されるものではなく、平膜、中空糸膜いずれであってもよい。回収された酵素は工程(1)の加水分解に再利用することで、酵素使用量を削減できる。 The enzyme used for hydrolysis has a molecular weight in the range of 10,000 to 100,000. By using an ultrafiltration membrane having a fractional molecular weight capable of preventing permeation of these enzymes, the enzymes can be recovered from the non-permeate side fraction. Preferably, by using an ultrafiltration membrane having a fractional molecular weight of 10,000 to 30,000, the enzyme used for hydrolysis can be efficiently recovered. The form of the ultrafiltration membrane to be used is not particularly limited, and may be either a flat membrane or a hollow fiber membrane. The recovered enzyme can be reused for the hydrolysis in step (1), thereby reducing the amount of enzyme used.
これら精密濾過膜および限外濾過膜の材料としては、上述したバイオマス残滓の除去が可能であれば、特に限定されるものではない。具体的には、これらの濾過膜を構成する材料として、セルロース、セルロースエステル、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、塩素化ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリオレフィン、ポリビニルアルコール、ポリメチルメタクリレート、ポリフッ化ビニリデン、ポリ四フッ化エチレン等の有機材料;あるいはステンレス等の金属、あるいはセラミック等の無機材料が挙げられる。精密濾過膜および限外濾過膜の材質は、加水分解物の性状、あるいはランニングコストを鑑みて適宜選択すればよいが、取扱の容易性から考えて有機材料であることが好ましい。特に、有機材料として、塩素化ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリスルホン、ポリエーテルスルホンが好ましい。 The materials for the microfiltration membrane and the ultrafiltration membrane are not particularly limited as long as the biomass residue described above can be removed. Specifically, as materials constituting these filtration membranes, cellulose, cellulose ester, polysulfone, polyethersulfone, chlorinated polyethylene, polypropylene, polyolefin, polyvinyl alcohol, polymethyl methacrylate, polyvinylidene fluoride, polytetrafluoroethylene Or an organic material such as stainless steel, or an inorganic material such as ceramic. The material of the microfiltration membrane and the ultrafiltration membrane may be appropriately selected in view of the properties of the hydrolyzate or the running cost, but is preferably an organic material in view of ease of handling. In particular, chlorinated polyethylene, polypropylene, polyvinylidene fluoride, polysulfone, and polyethersulfone are preferable as the organic material.
また、本発明の精密濾過膜の形態としては、中空糸膜、平膜のいずれも採用できるが、後述する逆圧洗浄を実施する場合には、外圧式中空糸膜モジュールが好ましく採用される。 In addition, as the form of the microfiltration membrane of the present invention, either a hollow fiber membrane or a flat membrane can be adopted, but an external pressure type hollow fiber membrane module is preferably adopted when back pressure washing described later is performed.
濾過の方式としては、全量濾過とクロスフロー濾過があり、いずれも採用できる。全量濾過とは、膜面に供給された濾過対象液を循環することなく全量を濾過する方式で、デッドエンド濾過とも言われる。これに対してクロスフロー濾過とは、濾過対象液を濾過対象液の貯槽へ一部循環させることにより、濾過対象液が膜面に平行に流れるように濾過する方式である。全量濾過方式では、膜表面にすべてが蓄積されるのに対し、クロスフロー濾過方式では、分離膜と平行なクロスフロー流れの剪断力により分離膜表面の堆積物を除去する効果が期待でき、濁質濃度の高い対象液の処理に好ましく用いられる。
一方、クロスフロー濾過方式は、濾過対象液を循環するためのエネルギーが全量濾過方式よりも余分に必要になるためにエネルギー面では全量濾過方式の方が有利になる。
Filtration methods include total-volume filtration and cross-flow filtration, both of which can be employed. The total amount filtration is a method of filtering the whole amount without circulating the liquid to be filtered supplied to the membrane surface, and is also referred to as dead end filtration. On the other hand, the cross-flow filtration is a method in which the filtration target liquid is filtered so as to flow parallel to the membrane surface by partially circulating the filtration target liquid to the storage tank of the filtration target liquid. The total filtration method accumulates everything on the membrane surface, whereas the crossflow filtration method can be expected to remove deposits on the separation membrane surface due to the shearing force of the crossflow flow parallel to the separation membrane. It is preferably used for processing a target liquid having a high quality concentration.
On the other hand, the cross-flow filtration method requires more energy for circulating the liquid to be filtered than the full-volume filtration method, so the full-volume filtration method is more advantageous in terms of energy.
[洗浄ステップ]
本発明の糖液の製造方法は、工程(3)において、用いられる精密濾過膜によって糖水溶液を濾過するステップ(3−a)と、上記濾過膜を洗浄するステップ(3−b)とを含む。濾過ステップ(3−a)は、単糖まで分解されていないセルロースやバイオマスに付着している数十nm以上の粒径を有するシリカ等の無機成分などを取り除き、加水分解に利用した酵素やオリゴ糖、単糖を精密濾過膜の透過側へ透過させる。しかしながら、ステップ(3−a)は時間経過とともに非透過側膜表面上にケークが堆積したり、膜細孔内が閉塞したりして、通液抵抗が上昇する。さらに、膜表面上の堆積物や細孔内閉塞物によって、本来は精密濾過膜を透過するような数十nm以下のコロイド成分や、タンニン、加水分解に使用した酵素、さらには生産物であるオリゴ糖や単糖が非透過側に補足されてしまうとともに、さらに通液抵抗が上昇する。常時一定の濾過量を得る定速濾過では、通液抵抗が上昇すると、濾過圧力も上昇する。ここでいう濾過圧力とは、濾過膜の非透過側から透過側へ液体を輸送するために必要な圧力差である。上述するような精密濾過膜で除去された物質によるケークは、乾燥重量が等しくても、濾過圧力が高くなると圧縮されて液体が押し出され、ケーク密度が増加するため、ケーク内の液体の流路が狭くなり、通液抵抗がさらに高くなって濾過の継続が困難になるばかりか、数十nm以下のコロイド成分や、タンニン、加水分解に使用した酵素、オリゴ糖や単糖の補足量も増加する。従って、濾過ステップ(3−a)の後に洗浄ステップ(3−b)を入れ、ケークを膜表面から剥離・排掃したり、膜の閉塞を解消したりして通液抵抗の上昇を抑制することで、長時間運転を行うことが可能となる。また加えて、加水分解に使用した酵素やオリゴ糖、単糖の精密濾過膜における補足量の増加を抑制することができ、透過側の酵素濃度や糖濃度を維持できる。
[Washing step]
In the step (3), the method for producing a sugar liquid of the present invention includes a step (3-a) of filtering an aqueous sugar solution with a microfiltration membrane used and a step (3-b) of washing the filtration membrane. . The filtration step (3-a) removes inorganic components such as silica that has a particle size of several tens of nanometers or larger and adheres to cellulose that has not been decomposed to monosaccharides or biomass, and uses enzymes or oligos used for hydrolysis. Permeate sugars and monosaccharides to the permeate side of the microfiltration membrane. However, in step (3-a), as time passes, cake accumulates on the non-permeation side membrane surface or the inside of the membrane pores is blocked, and the liquid flow resistance increases. Furthermore, it is a colloidal component of several tens of nanometers or less that normally passes through a microfiltration membrane, tannin, an enzyme used for hydrolysis, and a product due to deposits on the membrane surface and clogged pores. As oligosaccharides and monosaccharides are trapped on the non-permeating side, the liquid flow resistance further increases. In the constant-speed filtration that always obtains a constant filtration amount, the filtration pressure increases as the liquid flow resistance increases. The filtration pressure here is a pressure difference necessary for transporting the liquid from the non-permeation side to the permeation side of the filtration membrane. A cake made of a material removed by a microfiltration membrane as described above is compressed even if the dry weight is equal, and when the filtration pressure becomes high, the liquid is pushed out and the liquid is pushed out, increasing the cake density. Narrower and more difficult to continue filtration due to higher resistance to fluid flow, as well as increased colloidal components below tens of nanometers, tannins, enzymes used for hydrolysis, oligosaccharides and monosaccharides To do. Therefore, the washing step (3-b) is inserted after the filtration step (3-a), and the cake is peeled off and removed from the surface of the membrane, or the clogging of the membrane is eliminated, thereby suppressing the increase in fluid flow resistance. This makes it possible to operate for a long time. In addition, it is possible to suppress an increase in the amount of supplements in the microfiltration membrane of enzymes, oligosaccharides and monosaccharides used for hydrolysis, and to maintain the permeation side enzyme concentration and sugar concentration.
本ステップ(3−b)には、公知の膜洗浄の方法が適用可能である。すなわち、洗浄方法には、膜の1次側において、膜モジュール下端から膜モジュール上端へなど、濾過膜端部から対になるもう一方の端部に向かって膜面に並行して通水して膜面近傍にせん断流れを与え、ケークを排掃する洗浄方法と、膜の一次側から二次側に水を通じる洗浄方法と、膜の二次側から一次側へ水を通じて洗浄する方法がある。3番目の洗浄方法は、いわゆる逆圧洗浄と呼ばれている。洗浄水とは、水、ならびにpH調整剤等の種々の添加物を使用することができる。洗浄は、さらに複数のステップを含んでもよく、それぞれのステップで、洗浄水の組成、圧力等の条件が異なってもよいし、上述の洗浄方法を組み合わせても良い。 A known film cleaning method can be applied to this step (3-b). That is, in the cleaning method, on the primary side of the membrane, water is passed in parallel to the membrane surface from one end of the membrane membrane to the other end of the membrane, such as from the lower end of the membrane module to the upper end of the membrane module. There are cleaning methods that apply shear flow near the membrane surface and drain the cake, cleaning methods that pass water from the primary side to the secondary side of the membrane, and cleaning methods that pass water from the secondary side to the primary side of the membrane. . The third cleaning method is called so-called back pressure cleaning. As the washing water, water and various additives such as a pH adjusting agent can be used. The cleaning may further include a plurality of steps, and the conditions such as the composition of the cleaning water and the pressure may be different in each step, or the above-described cleaning methods may be combined.
洗浄ステップ(3−b)は、濾過ステップ(3−a)終了後に行われる。ステップ(3−a)終了直後は、膜モジュール非透過側に濾過対象となる糖水溶液が残存している。 The washing step (3-b) is performed after the filtration step (3-a) is completed. Immediately after the end of step (3-a), an aqueous sugar solution to be filtered remains on the non-permeate side of the membrane module.
洗浄ステップ(3−b)では、洗浄水が膜モジュール内へ流入し、残存している糖水溶液が洗浄水で膜モジュール外へ押し出される。もしくは、洗浄水が膜モジュール内へ流入する前に、残存している糖水溶液のみを先に排出してもよい。 In the washing step (3-b), the washing water flows into the membrane module, and the remaining aqueous sugar solution is pushed out of the membrane module with the washing water. Alternatively, only the remaining aqueous sugar solution may be discharged first before the washing water flows into the membrane module.
残存している糖液には、工程(2)において得られた糖水溶液と等濃度以上の糖および酵素ならびに、精密濾過膜で阻止されて蓄積した物質の一部が含まれている。 The remaining sugar solution contains sugar and enzyme having a concentration equal to or higher than that of the aqueous sugar solution obtained in the step (2), and a part of the substance blocked and accumulated by the microfiltration membrane.
洗浄排水にも糖や酵素、精密濾過膜で阻止された物質や膜面に堆積したケークがほぐれて懸濁しており、その濃度は使用した洗浄水の量によって異なる。これらを工程(3)の原水槽へ循環させることなく、排水することによって、原水中の精密濾過膜阻止成分の濃度を下げ、膜の目詰まりやケーク堆積を抑制して長期安定運転を図ることが可能となる。 Sugar and enzymes, substances blocked by microfiltration membranes, and cake deposited on the membrane surface are also loosened and suspended in the washing wastewater, and the concentration varies depending on the amount of washing water used. By draining these materials without circulating them to the raw water tank in step (3), the concentration of the microfiltration membrane blocking component in the raw water is reduced, and clogging of the membrane and cake accumulation are suppressed to achieve long-term stable operation. Is possible.
また、膜モジュールが数体に及ぶ場合、工程(3)の原水槽と膜モジュールとの間に緩衝槽を設けてもよく、洗浄ステップ(3−b)時には、膜モジュールに残存した糖水溶液と一緒に上流の工程へ還流してよい。濾過方式として、クロスフロー濾過方式を採用する場合、濾過ステップ(3−a)において原水槽や緩衝槽に一部糖水溶液を循環させるので、クロスフロー流れの剪断力により分離膜表面から除去された堆積物が原水槽や緩衝槽に蓄積・濃縮される。従って、洗浄ステップ(3−b)において膜モジュールに残存した糖水溶液と一緒に上流の工程へ還流してやることで、原水中の精密濾過膜阻止成分の濃度を下げ、膜の目詰まりやケーク堆積を抑制して長期安定運転を図ることが可能となる。なお、原水槽や緩衝槽内の糖水溶液は、膜モジュール内の残存糖水溶液と同じ頻度で還流する必要はなく、数時間〜数十時間に1回でよく、その頻度は糖水溶液の濃度や槽の大きさや濾過流束、クロスフロー速度などに依存する。また、濾過方式として全量濾過方式を採用した場合でも、定期薬液洗浄などメンテナンスに入る前などに原水槽中および/または緩衝槽中の糖水溶液を排水する際に上流の工程へ還流することができる。 In addition, when several membrane modules are provided, a buffer tank may be provided between the raw water tank and the membrane module in the step (3). During the washing step (3-b), the aqueous sugar solution remaining in the membrane module Together, they may be refluxed to the upstream process. When the cross flow filtration method is adopted as the filtration method, a part of the sugar aqueous solution is circulated in the raw water tank and the buffer tank in the filtration step (3-a), so that it is removed from the separation membrane surface by the shear force of the cross flow flow. Sediment accumulates and concentrates in raw water tank and buffer tank. Therefore, in the washing step (3-b), the concentration of the microfiltration membrane blocking component in the raw water is reduced by refluxing to the upstream process together with the aqueous sugar solution remaining in the membrane module, thereby clogging the membrane and depositing cake. It is possible to suppress long-term stable operation. The sugar aqueous solution in the raw water tank or the buffer tank does not need to be refluxed at the same frequency as the residual sugar aqueous solution in the membrane module, and may be once every several hours to several tens of hours. Depends on tank size, filtration flux, cross flow rate, etc. In addition, even when the total filtration method is adopted as the filtration method, it can be returned to the upstream process when draining the aqueous sugar solution in the raw water tank and / or the buffer tank before entering maintenance such as periodic chemical cleaning. .
[洗浄排水]
上述の洗浄ステップ(3−b)においては、濾過ステップ(3−a)終了に残存した糖水溶液とともに、膜モジュール内を通った洗浄水が洗浄排水として膜モジュール外へ排出される。該洗浄排水中には、糖類、タンニン、コロイド粒子、酵素など膜に付着していた物質が懸濁および/または溶解しており、それらが洗浄水とともに膜モジュール外へ排出される。
[Washing waste water]
In the above-described washing step (3-b), together with the aqueous sugar solution remaining at the end of the filtration step (3-a), the washing water that has passed through the membrane module is discharged out of the membrane module as washing waste water. In the washing waste water, substances adhering to the membrane such as saccharides, tannins, colloidal particles and enzymes are suspended and / or dissolved, and these are discharged out of the membrane module together with the washing water.
この残存した糖液と洗浄排水を、工程(1)および/または工程(2)の原水へ還流することで、糖や酵素の損失を防止し、生産物である糖液の糖濃度低下を抑制することで品質向上につなげ、また酵素の回収率の向上を図りつつ、定期的な洗浄を行うことが可能となり、生産性の高い長期安定運転が実現できる。工程(1)および/または工程(2)の原水へ還流することによって、特別な分離装置を必要とすることなく、排水された液から糖や酵素の回収が可能になる。工程(1)に還流すると、回収した酵素は加水分解に再度利用することができ、回収された糖は、工程(1)で新しく加水分解された糖と一緒に下流工程へ流れ、生産品の糖液とされる。工程(2)に還流すると、回収された酵素は再度工程(3)へ流れ、精密濾過膜の透過液側へ流れる。精密濾過膜の後段で限外濾過を行い、非透過側で酵素を回収する場合は、限外濾過膜の非透過液中に回収され、再利用することができる。また、工程(2)に還流された液中の糖は、新しく加水分解された糖水溶液と一緒に順に工程処理されて、最終的に生産品の糖液とされる。図1は、本発明における残存糖水溶液と洗浄排水の還流先の一例を示している。図示されるように、還流される工程は全て同じ工程である必要はなく、一部を工程(1)へ、残りを工程(2)へ還流してやってもよい。また、前述の通り、精密濾過膜モジュール内の残存糖水溶液と合わせて原水槽中の糖水溶液も還流させることができる。 The remaining sugar solution and washing wastewater are returned to the raw water in step (1) and / or step (2) to prevent loss of sugar and enzymes and suppress the decrease in sugar concentration of the product sugar solution. By doing so, it is possible to improve the quality and to perform periodic cleaning while improving the recovery rate of the enzyme, thereby realizing a long-term stable operation with high productivity. By returning to the raw water of step (1) and / or step (2), sugar and enzyme can be recovered from the drained liquid without requiring a special separation device. After returning to step (1), the recovered enzyme can be used again for hydrolysis, and the recovered sugar flows to the downstream process together with the newly hydrolyzed sugar in step (1), and the product It is made sugar solution. When refluxed to the step (2), the recovered enzyme flows again to the step (3) and flows to the permeate side of the microfiltration membrane. When ultrafiltration is performed at the subsequent stage of the microfiltration membrane and the enzyme is recovered on the non-permeating side, it is recovered in the non-permeating liquid of the ultrafiltration membrane and can be reused. In addition, the sugar in the liquid refluxed in the step (2) is sequentially processed together with the newly hydrolyzed sugar aqueous solution to finally become the sugar liquid of the product. FIG. 1 shows an example of a recirculation destination of the residual sugar aqueous solution and the washing waste water in the present invention. As shown in the figure, the steps to be refluxed do not have to be the same step, and some of them may be refluxed to step (1) and the rest to step (2). Further, as described above, the sugar aqueous solution in the raw water tank can be refluxed together with the residual sugar aqueous solution in the microfiltration membrane module.
また、洗浄排水には前述の通り多くの有機物を含み、TOC(全有機炭素濃度)やT−N(全窒素)が高い溶液で、廃水処理にかかる負荷が大きいが、工程へ還流することによって負荷を低減することができる。
洗浄ステップ(3−b)は、先に膜モジュール内に残存している糖水溶液のみを排水させて、工程(1)および/または工程(2)の原水へ還流してもよく、この場合、酵素濃度や糖濃度の高い液を効率よく回収することができる。この際、図2のように、先に排水させた残存糖水溶液は工程(2)の原水へ、洗浄排水は工程(1)へ還流するなど、それぞれ還流する工程が異なってもよい。図2のような場合は、糖や酵素だけでなく、洗浄水を工程(1)のバイオマスを懸濁するための水として再利用することができる。
また、先に排水させた残存糖水溶液だけを還流し、洗浄排水はそのまま廃水してもよい。さらには、洗浄排水をあるときは上流工程へ還流し、あるときは廃水するなど、その都度異なってもよい。例えば、図3のように3回に2回の洗浄ステップは残存糖水溶液だけを還流して洗浄排水は廃水し、残り1回の洗浄ステップは残存糖水溶液および洗浄排水を還流して、還流される水の量が過剰で工程処理時間が大幅に延長されることを防ぐことができる。また、毎回の洗浄ステップ(3−b)において工程へ還流しても良いし、数回のうち1回の洗浄ステップ(3−b)において残存糖水溶液および/または洗浄排水を還流しても良い。
洗浄排水は、全て還流する必要はなく、少なくとも一部が還流されればよい。例えば、洗浄ステップ(3−b)を開始して、開始直後からステップ終了時間までの洗浄排水を工程(1)および/または工程(2)に還流しても良いし、ステップ(3−b)開始から途中経過時間までの洗浄排水を工程(1)および/または工程(2)に還流し、残りは排水しても良い。これにより、洗浄排水中の糖濃度ならびに酵素濃度が高い溶液のみを還流することができる。
洗浄排水を還流するかどうかは、洗浄排水の濁度を測定して判断してもよい。例えば、濁度が高い場合に工程(1)へ戻すことで固形分濃度が高いときに選択的に洗浄排水を還流することが可能となる。濁度を測定する場合、10NTU以上の濁度場合に洗浄排水を還流することが好ましい。さらには50NTU以上の場合に還流することが好ましい。
また、洗浄排水を工程へ還流する際、還流する前に酸を添加してから還流してもよい。加水分解に使用する酵素は、pHによって酵素活性が異なり、酸を添加してpH調整を行うことで酵素を効率よく再利用することが可能となる。酸が添加された洗浄排水のpHは、3〜7の付近であることが好ましく、より好ましくはpH5付近である。
還流される工程は、毎回同じ工程である必要はなく、例えば3回に2回の洗浄ステップは工程(2)へ還流して、精密濾過膜の透過液側に糖と酵素を回収して、残りの1回は工程(1)へ還流するなどの操作を行ってよい。
In addition, as described above, the washing wastewater contains a lot of organic substances and has a high TOC (total organic carbon concentration) and TN (total nitrogen), and the load on wastewater treatment is large. The load can be reduced.
In the washing step (3-b), only the aqueous sugar solution previously left in the membrane module may be drained and returned to the raw water in step (1) and / or step (2). A liquid having a high enzyme concentration or high sugar concentration can be efficiently recovered. At this time, as shown in FIG. 2, the remaining sugar aqueous solution drained first may be returned to the raw water in step (2), and the washing waste water is returned to step (1). In the case of FIG. 2, not only sugar and enzymes but also wash water can be reused as water for suspending the biomass in step (1).
Moreover, only the residual sugar aqueous solution drained first may be refluxed, and the washing waste water may be discarded as it is. Furthermore, the cleaning waste water may be returned to the upstream process in some cases, and waste water may be discharged in some cases. For example, as shown in FIG. 3, in the washing step twice in three times, only the residual sugar aqueous solution is refluxed and the washing wastewater is drained. In the remaining one washing step, the residual sugar aqueous solution and the washing wastewater are refluxed and refluxed. Therefore, it is possible to prevent the amount of water to be excessively increased and the process processing time from being significantly extended. Moreover, you may recirculate to a process in every washing | cleaning step (3-b), and you may recirculate | restore residual sugar aqueous solution and / or washing waste_water | drain in one washing | cleaning step (3-b) among several times. .
It is not necessary to recirculate all the washing wastewater, and it is sufficient that at least a part of it is recirculated. For example, the cleaning step (3-b) may be started, and the cleaning waste water immediately after the start to the step end time may be returned to the step (1) and / or the step (2), or the step (3-b) The washing waste water from the start to the intermediate elapsed time may be returned to step (1) and / or step (2), and the rest may be drained. Thereby, only the solution with high sugar concentration and enzyme concentration in the washing waste water can be refluxed.
Whether or not the cleaning wastewater is returned may be determined by measuring the turbidity of the cleaning wastewater. For example, by returning to step (1) when the turbidity is high, it becomes possible to selectively recirculate the washing wastewater when the solid content concentration is high. When measuring turbidity, it is preferable to recirculate washing wastewater when the turbidity is 10 NTU or more. Furthermore, it is preferable to reflux in the case of 50 NTU or more.
In addition, when the washing wastewater is refluxed to the process, the acid may be added before refluxing before refluxing. Enzymes used for the hydrolysis have different enzyme activities depending on the pH. By adjusting the pH by adding an acid, the enzyme can be efficiently reused. The pH of the washing waste water to which the acid is added is preferably in the vicinity of 3 to 7, more preferably in the vicinity of pH 5.
The process to be refluxed does not need to be the same process every time. For example, the washing step twice in 3 times returns to the process (2), and sugars and enzymes are collected on the permeate side of the microfiltration membrane, The remaining operation may be performed such as refluxing to step (1).
[糖水溶液]
工程(3)において透過側から回収された糖水溶液は、工程(2)ならびに工程(3)で使用された濾過膜によって種々の成分が除かれた以外は、工程(1)の糖水溶液と同様の組成を有する。
IV.洗浄排水の再利用:
本発明の糖液の製造方法は、工程(3)のステップ(3−b)において生じる洗浄排水を工程(3)よりも前の工程へ還流することを含む。洗浄排水は、全て再利用される必要はなく、少なくとも一部が再利用されればよい。
[Sugar aqueous solution]
The aqueous sugar solution recovered from the permeate side in step (3) is the same as the aqueous sugar solution in step (1) except that various components are removed by the filtration membrane used in step (2) and step (3). Having a composition of
IV. Reuse of cleaning wastewater:
The manufacturing method of the sugar liquid of this invention includes recirculating the washing waste_water | drain produced in step (3-b) of process (3) to the process before process (3). The washing waste water does not have to be reused at all, and at least a part of the washing waste water may be reused.
V.濃縮工程:
本発明の糖液の製造方法は、工程(3)で得られた糖水溶液をナノ濾過膜に通じて濾過して、透過側から透過水を、非透過側から糖液を回収する工程を備えてもよい。
V. Concentration process:
The method for producing a sugar liquid of the present invention comprises a step of filtering the aqueous sugar solution obtained in step (3) through a nanofiltration membrane and recovering the permeated water from the permeate side and the sugar liquid from the non-permeate side. May be.
該工程によって、糖水溶液を「ナノ濾過膜に通じて濾過する」ことで、糖水溶液に溶解している糖、特にグルコースやキシロースといった単糖の糖水溶液を非透過側に阻止または濾別しつつ、発酵阻害物質を透過側に透過させて、発酵阻害物質を除去するか、または発酵阻害物質の濃度を低減させることができる。 By this step, the aqueous sugar solution is “filtered through a nanofiltration membrane” to prevent or filter sugars dissolved in the aqueous sugar solution, particularly monosaccharides such as glucose and xylose, on the non-permeate side. The fermentation inhibitor can be permeated to the permeate side to remove the fermentation inhibitor or reduce the concentration of the fermentation inhibitor.
[発酵阻害物質]
ここで、発酵阻害物質とは、セルロース含有バイオマスの加水分解で生成する化合物であり、かつ本発明の製造方法によって得られる精製糖水溶液を原料とする発酵工程において前述の通り阻害的に作用する物質のことを指す。代表的な発酵阻害物質としては、特にセルロース含有バイオマスの酸処理の工程で生成される、有機酸、フラン系化合物、フェノール系化合物が挙げられる。
[Fermentation inhibitor]
Here, the fermentation inhibitory substance is a compound produced by hydrolysis of cellulose-containing biomass, and a substance that acts inhibitory as described above in the fermentation process using the purified sugar aqueous solution obtained by the production method of the present invention as a raw material. Refers to that. Typical fermentation inhibitors include organic acids, furan compounds, and phenol compounds that are produced particularly in the acid treatment step of cellulose-containing biomass.
有機酸としては、酢酸、ギ酸、レブリン酸などが具体例として挙げられる。フラン系化合物としては、フルフラール、ヒドロキシメチルフルフラール(HMF)などが挙げられる。こうした有機酸あるいはフラン系化合物は、単糖であるグルコースあるいはキシロースの分解による産物である。 Specific examples of the organic acid include acetic acid, formic acid, levulinic acid and the like. Examples of furan compounds include furfural and hydroxymethylfurfural (HMF). Such an organic acid or furan compound is a product of decomposition of monosaccharides such as glucose or xylose.
また、フェノール系化合物としては、バニリン、アセトバニリン、バニリン酸、シリンガ酸、没食子酸、コニフェリルアルデヒド、ジヒドロコニフェニルアルコール、ハイドロキノン、カテコール、アセトグアイコン、ホモバニリン酸、4−ヒドロキシ安息香酸、4−ヒドロキシ−3−メトキシフェニル誘導体(Hibbert‘s ketones)などが具体例として挙げられる。これらの化合物はリグニンまたはリグニン前駆体に由来する。 In addition, examples of phenolic compounds include vanillin, acetovanillin, vanillic acid, syringic acid, gallic acid, coniferyl aldehyde, dihydroconiphenyl alcohol, hydroquinone, catechol, acetogicon, homovanillic acid, 4-hydroxybenzoic acid, 4-hydroxybenzoic acid Specific examples include hydroxy-3-methoxyphenyl derivatives (Hibbert's ketones). These compounds are derived from lignin or lignin precursors.
その他、セルロース含有バイオマスとして廃建材あるいは合板などを使用する際は、製材工程で使用された接着剤、塗料などの成分が発酵阻害物質として含まれる場合がある。接着剤としては、ユリア樹脂、メラミン樹脂、フェノール樹脂、ユリアメラミン共重合樹脂などが挙げられる。こうした接着剤に由来する発酵阻害物質として、酢酸、ギ酸、ホルムアルデヒドなどが挙げられる。 In addition, when using waste building materials or plywood as cellulose-containing biomass, components such as adhesives and paints used in the lumbering process may be included as fermentation inhibitors. Examples of the adhesive include urea resin, melamine resin, phenol resin, and urea melamine copolymer resin. Examples of fermentation inhibitors derived from such adhesives include acetic acid, formic acid, formaldehyde and the like.
[糖液]
糖液において、ナノ濾過膜を透過する物質(例えば発酵阻害物質)の濃度は、工程(3)で得られる糖水溶液と比べて低い。
[Sugar solution]
In the sugar solution, the concentration of the substance that permeates the nanofiltration membrane (for example, the fermentation inhibiting substance) is lower than that of the aqueous sugar solution obtained in step (3).
ナノ濾過膜の非透過側から得られる糖液に含まれる糖成分は、セルロース含有バイオマスに由来する糖であるが、ナノ濾過膜の除去性能によって、工程(1)の加水分解で得られる糖成分とは異なる糖成分比となることがある。 The sugar component contained in the sugar solution obtained from the non-permeating side of the nanofiltration membrane is a sugar derived from cellulose-containing biomass, but depending on the removal performance of the nanofiltration membrane, the sugar component obtained by hydrolysis in step (1) The ratio of sugar components may differ.
本発明の糖液に含まれる単糖としてはグルコースおよび/またはキシロースが主成分として構成されるが、グルコースとキシロースの比率は、工程(1)の加水分解の工程やナノ濾過膜の除去性能により変動するものであり、具体的な数値に限定されるものではない。例えば、ヘミセルロースを主として加水分解を行った場合は、キシロースは得られる糖液における主要な単糖成分であり、ヘミセルロース分解後、セルロース成分のみを分解して加水分解を行った場合は、得られる糖液における主要な単糖成分はグルコースである。また、ヘミセルロースの分解後、セルロース成分の分離を特段行わない場合は、得られる糖液における主要な単糖成分はグルコースおよびキシロースである。 The monosaccharide contained in the sugar liquid of the present invention is composed mainly of glucose and / or xylose, but the ratio of glucose and xylose depends on the hydrolysis step of step (1) and the removal performance of the nanofiltration membrane. It fluctuates and is not limited to specific numerical values. For example, when hemicellulose is mainly hydrolyzed, xylose is the main monosaccharide component in the resulting sugar solution. After hemicellulose decomposition, only the cellulose component is decomposed and hydrolyzed to obtain the sugar The main monosaccharide component in the liquid is glucose. In addition, when the cellulose component is not particularly separated after the decomposition of hemicellulose, the main monosaccharide components in the obtained sugar liquid are glucose and xylose.
VI.逆浸透膜による濾過工程
本発明の糖液の製造方法は、濃縮工程で得られた糖液を逆浸透膜に通じて濾過する工程をさらに備えてもよい。
VI. Filtration Step Using Reverse Osmosis Membrane The method for producing a sugar solution of the present invention may further comprise a step of filtering the sugar solution obtained in the concentration step through a reverse osmosis membrane.
逆浸透膜の非透過側から得られる糖液に含まれる糖成分は、セルロース含有バイオマスに由来する糖であり、本質的には、工程(1)の加水分解で得られる糖成分と大きな変化はない。すなわち、本発明の糖液に含まれる単糖としてはグルコースおよび/またはキシロースが主成分として構成される。グルコースとキシロースの比率は、工程(1)の加水分解の工程により変動する。すなわち、ヘミセルロースを主として加水分解を行った場合は、キシロースが主要な単糖成分となり、ヘミセルロース分解後、セルロース成分のみを分離して加水分解を行った場合は、グルコースが主要な単糖成分となる。また、ヘミセルロースの分解後、セルロース成分の分離を、特段行わない場合は、グルコース、およびキシロースが主要な単糖成分として含まれる。 The sugar component contained in the sugar solution obtained from the non-permeating side of the reverse osmosis membrane is a sugar derived from cellulose-containing biomass, and is essentially different from the sugar component obtained by hydrolysis in the step (1). Absent. That is, the monosaccharide contained in the sugar liquid of the present invention is composed mainly of glucose and / or xylose. The ratio of glucose and xylose varies depending on the hydrolysis step of step (1). That is, when hemicellulose is mainly hydrolyzed, xylose becomes the main monosaccharide component, and after hemicellulose decomposition, only the cellulose component is separated and hydrolyzed, and glucose becomes the main monosaccharide component. . In addition, after the decomposition of hemicellulose, glucose and xylose are included as main monosaccharide components unless the cellulose component is specifically separated.
なお、逆浸透膜に通じる前に、エバポレーターに代表される濃縮装置を用いて濃縮してもよく、また、糖液を、さらに、分離膜で濾過して濃度を高めてもよいが、濃縮のためのエネルギー削減という観点から、分離膜で濾過して糖液濃度をさらに高める工程が好ましく採用できる。 Before passing through the reverse osmosis membrane, it may be concentrated using a concentrating device represented by an evaporator, and the sugar solution may be further filtered through a separation membrane to increase the concentration. From the viewpoint of reducing energy consumption, a step of further increasing the concentration of sugar solution by filtration through a separation membrane can be preferably employed.
以下に、実施例および比較例を上げて本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例により限定されるものではない。 EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be specifically described with reference to examples and comparative examples, but the present invention is not limited to these examples.
(参考例1)単糖濃度の分析方法
得られた糖水溶液に含まれる単糖(グルコース及びキシロース)濃度は、下記に示すHPLC条件で、標品との比較により定量した。
(Reference Example 1) Method for Analyzing Monosaccharide Concentration The concentration of monosaccharide (glucose and xylose) contained in the obtained aqueous sugar solution was quantified by comparison with a standard under the following HPLC conditions.
カラム:Luna NH2(Phenomenex社製)
移動相:超純水:アセトニトリル=25:75(流速0.6mL/min)
反応液:なし
検出方法:RI(示差屈折率)
温度:30℃
(参考例2)濁度の測定方法
糖水溶液の濁度は、HACH社製室内用高度濁度計(2100N)を用いて測定した。攪拌を行った後、100mL分取し、液温45 〜 50℃の範囲にある糖水溶液の濁度を3回測定した。その平均値とした値を濁度とした。なお、濁度計の校正にはホルマジン標準液を使用し、90°散乱光、透過光、前方散乱光から比濁計濁度を検出した。
Column: Luna NH2 (Phenomenex)
Mobile phase: Ultrapure water: Acetonitrile = 25: 75 (flow rate 0.6 mL / min)
Reaction solution: None
Detection method: RI (differential refractive index)
Temperature: 30 ° C
(Reference Example 2) Method for Measuring Turbidity The turbidity of an aqueous sugar solution was measured using an indoor advanced turbidimeter (2100N) manufactured by HACH. After stirring, 100 mL was taken, and the turbidity of the aqueous sugar solution in the liquid temperature range of 45 to 50 ° C. was measured three times. The average value was defined as turbidity. For calibration of the turbidimeter, a formazine standard solution was used, and the turbidimetric turbidity was detected from 90 ° scattered light, transmitted light, and forward scattered light.
(参考例3)pHの測定方法
堀場製作所製のハンディpH計「D−50」にてセルロース由来糖水溶液のpH値を測定した。攪拌を行った後、500mLをビーカーに分取し、3回測定した。その平均値とした値をpH値とした。
(参考例4)セルロース含有バイオマスを希硫酸処理および酵素による加水分解処理工程
工程(1)のセルロース含有バイオマスを加水分解する工程に関し、0.1〜15重量%の希硫酸および酵素を使用するセルロース含有バイオマスの加水分解方法について例を挙げて説明する。
Reference Example 3 Method for Measuring pH The pH value of the cellulose-derived sugar aqueous solution was measured with a handy pH meter “D-50” manufactured by Horiba. After stirring, 500 mL was taken into a beaker and measured three times. The average value was defined as the pH value.
(Reference Example 4) Step of hydrolyzing cellulose-containing biomass with dilute sulfuric acid treatment and enzyme With respect to the step of hydrolyzing cellulose-containing biomass in step (1), cellulose using 0.1 to 15% by weight of dilute sulfuric acid and enzyme An example is given and demonstrated about the hydrolysis method of contained biomass.
セルロース含有バイオマスとして、稲藁を使用した。前記セルロース含有バイオマスを硫酸1%水溶液に浸し、150℃で30分オートクレーブ処理(日東高圧製)した。処理後、固液分離を行い、硫酸水溶液(以下、希硫酸処理液)と硫酸処理セルロースに分離した。次に硫酸処理セルロースと固形分濃度が10重量%となるように希硫酸処理液と攪拌混合した後、水酸化ナトリウムによって、pHを5付近に調整した。この混合液に、セルラーゼとしてトリコデルマセルラーゼ(シグマ・アルドリッチ・ジャパン)およびノボザイム188(アスペルギルスニガー由来βグルコシダーゼ製剤、シグマ・アルドリッチ・ジャパン)を添加し、50℃で3日間攪拌混同しながら、加水分解反応を行って、反応液を得た。 Rice straw was used as the cellulose-containing biomass. The cellulose-containing biomass was immersed in a 1% sulfuric acid aqueous solution and autoclaved (manufactured by Nitto Koatsu) at 150 ° C. for 30 minutes. After the treatment, solid-liquid separation was performed to separate into a sulfuric acid aqueous solution (hereinafter, dilute sulfuric acid treatment liquid) and sulfuric acid-treated cellulose. Next, after mixing with sulfuric acid-treated cellulose and dilute sulfuric acid treatment solution so that the solid content concentration becomes 10% by weight, pH was adjusted to around 5 with sodium hydroxide. To this mixed solution, Trichoderma cellulase (Sigma Aldrich Japan) and Novozyme 188 (Aspergillus niger-derived β-glucosidase preparation, Sigma Aldrich Japan) were added as cellulases, and the hydrolysis reaction was performed while stirring and mixing at 50 ° C. for 3 days. To obtain a reaction solution.
その後、工程(2)の糖水溶液中のバイオマス残渣を除く工程として、加圧式濾過器(アドバンテック社製、KST-90-UH)を用いて、工程(1)の反応液の固液分離を行い、未分解セルロースあるいはリグニンを分離除去し、糖含有の水溶液(糖水溶液)を得た。糖水溶液の濁度は70NTUであった。さらに糖水溶液原液の単糖の組成は表1の通りであった。 Thereafter, as a step of removing biomass residues in the aqueous sugar solution in step (2), the reaction solution in step (1) is subjected to solid-liquid separation using a pressure filter (KST-90-UH, manufactured by Advantech). Then, undegraded cellulose or lignin was separated and removed to obtain a sugar-containing aqueous solution (aqueous sugar solution). The turbidity of the aqueous sugar solution was 70 NTU. Furthermore, the composition of the monosaccharides in the aqueous saccharide solution was as shown in Table 1.
(比較例1)
以下の3つの工程を経て、糖液を製造した。
(Comparative Example 1)
A sugar solution was produced through the following three steps.
工程(1)として、参考例4に記載の方法に従って、セルロース含有バイオマスを加水分解し、
工程(2)として、参考例4に記載の方法に従って、工程(1)で得られた糖水溶液からバイオマス残渣を除いた。
工程(3)として、工程(2)で得られた糖水溶液を精密濾過膜に通じて濾過を実施した。
精密濾過膜としては、東レ(株)製精密濾過膜モジュール“トレフィル”(登録商標)HFSに使用されている公称細孔径0.05μmのポリフッ化ビニリデン製中空糸膜を切り出し、ポリカーボネート樹脂の成型品ケースに収容した中空糸膜モジュールを使用した。
As step (1), according to the method described in Reference Example 4, the cellulose-containing biomass is hydrolyzed,
As step (2), according to the method described in Reference Example 4, the biomass residue was removed from the aqueous sugar solution obtained in step (1).
As step (3), the aqueous sugar solution obtained in step (2) was filtered through a microfiltration membrane.
As a microfiltration membrane, a hollow fiber membrane made of polyvinylidene fluoride having a nominal pore diameter of 0.05 μm used in Toray Industries' microfiltration membrane module “Trefil” (registered trademark) HFS is cut out and molded from a polycarbonate resin. A hollow fiber membrane module housed in a case was used.
前記工程(3)は、以下の2つの工程を交互に25回繰り返し、糖水溶液を得た。 In the step (3), the following two steps were alternately repeated 25 times to obtain an aqueous sugar solution.
工程(3−a)として、工程(2)で得られた糖水溶液を、工程(3)の原水槽から中空糸膜モジュールへ供給し、濾過流束1m3/m2/日の流量で28分間の濾過を行った。精密濾過膜を透過した液は、糖水溶液として回収した。 As the step (3-a), the aqueous sugar solution obtained in the step (2) is supplied from the raw water tank of the step (3) to the hollow fiber membrane module, and the flow rate of the filtration flux is 1 m 3 / m 2 / day. Filtration for minutes was performed. The liquid that permeated through the microfiltration membrane was recovered as an aqueous sugar solution.
工程(3−b)として、膜透過側から中空糸膜モジュール内へ流束4m3/m2/日の水量で、蒸留水を2分間通水し、膜を洗浄し、洗浄期間中および洗浄終了後にわたって、中空糸膜モジュールの非膜透過流路内に残る濁質含有糖水溶液および洗浄排水を排水した。 As a step (3-b), distilled water was passed for 2 minutes at a flow rate of 4 m 3 / m 2 / day from the membrane permeation side into the hollow fiber membrane module, the membrane was washed, and during the washing period and washing After the completion, the turbid-containing sugar aqueous solution and washing waste water remaining in the non-membrane permeation channel of the hollow fiber membrane module were drained.
なお、糖水溶液中のグルコース量を分析した結果、糖水溶液中に含まれるグルコース量は、23g/Lであった。 As a result of analyzing the amount of glucose in the aqueous sugar solution, the amount of glucose contained in the aqueous sugar solution was 23 g / L.
(実施例1)
工程(3−b)として、先ず中空糸膜モジュールの非膜透過流路内に残る濁質含有糖水溶液を回収したのち、膜を洗浄し、洗浄期間中および洗浄終了後にわたって、中空糸膜モジュールの非膜透過流路内に残る洗浄排水を排水した以外は、比較例1に記載した方法を採用し、糖液を製造した。
Example 1
As the step (3-b), first, after collecting the turbid-containing sugar aqueous solution remaining in the non-membrane permeation channel of the hollow fiber membrane module, the membrane is washed, and during the washing period and after completion of the washing, the hollow fiber membrane module The sugar solution was produced by employing the method described in Comparative Example 1 except that the washing waste water remaining in the non-membrane permeation channel was drained.
その後、工程(1)のセルロース含有バイオマスを加水分解する工程として、硫酸処理セルロース、希硫酸処理液、水酸化ナトリウムおよびセルラーゼの混合液に、上記で回収した濁質含有糖水溶液を添加して、50℃で3日間攪拌混同しながら、加水分解反応を行う以外は比較例1の方法と同様に糖液を製造したところ、工程(3)の供給時ならびに工程(3)から得られた糖水溶液中に含まれるグルコース量は、それぞれ26.4g/L、24.3g/Lであった。前記比較例に対し、グルコース収率を向上させることができた。
(実施例2)
工程(3−b)として、先ず中空糸膜モジュールの非膜透過流路内に残る濁質含有糖水溶液を回収したのち、膜を洗浄し、洗浄期間中および洗浄終了後にわたって、中空糸膜モジュールの非膜透過流路内に残る洗浄排水を排水した以外は、比較例1に記載した方法を採用し、糖液を製造した。
Thereafter, as a step of hydrolyzing the cellulose-containing biomass in the step (1), the turbidity-containing sugar aqueous solution recovered above is added to a mixed solution of sulfuric acid-treated cellulose, dilute sulfuric acid treatment liquid, sodium hydroxide and cellulase, A sugar solution was produced in the same manner as in the method of Comparative Example 1 except that the hydrolysis reaction was carried out while stirring and mixing at 50 ° C. for 3 days, and the sugar aqueous solution obtained from the supply of step (3) and from step (3) The amounts of glucose contained therein were 26.4 g / L and 24.3 g / L, respectively. Compared to the comparative example, the glucose yield could be improved.
(Example 2)
As the step (3-b), first, after collecting the turbid-containing sugar aqueous solution remaining in the non-membrane permeation channel of the hollow fiber membrane module, the membrane is washed, and during the washing period and after completion of the washing, the hollow fiber membrane module The sugar solution was produced by employing the method described in Comparative Example 1 except that the washing waste water remaining in the non-membrane permeation channel was drained.
その後、工程(2)の糖水溶液中のバイオマス残渣を除く工程として、上記で回収した濁質含有糖水溶液を添加した以外は、比較例1と同様に糖液を製造したところ、工程(3)の供給時ならびに工程(3)から得られた糖水溶液中に含まれるグルコース量は、それぞれ26.4g/L、24.3g/Lであった。前記比較例に対し、グルコース収率を向上させることができた。
(実施例3)
比較例1に記載した方法を採用し、糖液を製造した後、工程(3)の原水槽中に残った糖水溶液を回収し、工程(1)のセルロース含有バイオマスを加水分解する工程として、硫酸処理セルロース、希硫酸処理液、水酸化ナトリウムおよびセルラーゼの混合液に、上記で回収した濁質含有糖水溶液を添加して、50℃で3日間攪拌混同しながら、加水分解反応を行う以外は比較例1の方法と同様に糖液を製造したところ、工程(3)の供給時ならびに工程(3)から得られた糖水溶液中に含まれるグルコース量は、それぞれ26.5g/L、24.4g/Lであった。前記比較例に対し、グルコース収率を向上させることができた。
Thereafter, a sugar solution was produced in the same manner as in Comparative Example 1 except that the suspended saccharide-containing sugar aqueous solution recovered above was added as a step of removing the biomass residue in the sugar aqueous solution in step (2). The amounts of glucose contained in the aqueous sugar solution obtained at the time of feeding and from step (3) were 26.4 g / L and 24.3 g / L, respectively. Compared to the comparative example, the glucose yield could be improved.
Example 3
After adopting the method described in Comparative Example 1 and producing a sugar solution, the aqueous sugar solution remaining in the raw water tank in step (3) is recovered, and the cellulose-containing biomass in step (1) is hydrolyzed. The addition of the turbidity-containing sugar aqueous solution collected above to a mixed solution of sulfuric acid-treated cellulose, dilute sulfuric acid-treated solution, sodium hydroxide and cellulase, and performing a hydrolysis reaction while stirring and mixing at 50 ° C. for 3 days When a sugar solution was produced in the same manner as in the method of Comparative Example 1, the amounts of glucose contained in the aqueous sugar solution obtained from the supply of step (3) and from the step (3) were 26.5 g / L and 24. It was 4 g / L. Compared to the comparative example, the glucose yield could be improved.
本発明は、セルロース含有バイオマスにする糖水溶液を精密濾過膜に通ずる濾過運転において、精密濾過膜洗浄時における糖の収率ならびに酵素の回収率の低下を抑制し、長期安定的に糖液を製造することが可能となり、低コストで高品質な糖水溶液を提供することができる。 The present invention produces a sugar solution stably for a long period of time by suppressing a decrease in the yield of the sugar and the recovery rate of the enzyme at the time of washing the microfiltration membrane in the filtration operation in which the sugar aqueous solution to be the cellulose-containing biomass is passed through the microfiltration membrane. It is possible to provide a high quality sugar aqueous solution at low cost.
Claims (10)
(1)セルロース含有バイオマスを加水分解して、単糖及び/又はオリゴ糖を含む糖水溶液を製造する工程、
(2)前記工程(1)で得られた糖水溶液中のバイオマス残渣を除く工程、
(3)次のステップを含み、前記工程(2)で得られた糖水溶液を精密濾過膜に通じて濾過して、糖水溶液を透過側から回収する工程
(3−a)前記糖水溶液を精密濾過膜に通じて濾過して、糖水溶液を透過側から回収する濾過ステップ、並びに
(3−b)前記ステップ(3−a)において使用される精密濾過膜を洗浄する膜洗浄ステップ
前記ステップ(3−a)の終了時において精密濾過膜の非透過側に残存する糖水溶液及び/又は前記ステップ(3−b)において生じる膜洗浄排水を前記工程(3)よりも上流の工程に還流することを特徴とする糖液の製造方法。 A method for producing a sugar solution comprising cellulose-containing biomass as a raw material and comprising the following steps (1) to (3):
(1) A step of hydrolyzing cellulose-containing biomass to produce a sugar aqueous solution containing monosaccharides and / or oligosaccharides,
(2) A step of removing biomass residues in the aqueous sugar solution obtained in the step (1),
(3) including the following steps, and filtering the aqueous sugar solution obtained in the step (2) through a microfiltration membrane to recover the aqueous sugar solution from the permeation side. A filtration step of filtering through a filtration membrane to recover the aqueous sugar solution from the permeate side; and (3-b) a membrane washing step of washing the microfiltration membrane used in step (3-a) above (3) At the end of -a), the aqueous sugar solution remaining on the non-permeating side of the microfiltration membrane and / or the membrane washing wastewater generated in the step (3-b) is returned to the process upstream of the process (3). A method for producing a sugar solution.
前記製造装置は、
(1)セルロース含有バイオマスを加水分解して単糖及び/又はオリゴ糖を含む糖水溶液を得る加水分解手段、
(2)前記加水分解手段(1)からバイオマス残渣を除く固液分離手段、
(3)前記固液分離手段(2)から得られる液体を精密濾過膜に通じて濾過する精密濾過手段
を備え、
前記精密濾過膜の、膜透過側から糖水溶液を回収する手段、
膜の原水側に残存する糖水溶液を排出する手段、
排出手段より回収した濁質含有水溶液を精密濾過膜よりも上流工程へ送液する還流手段、
並びに精密濾過膜を洗浄する手段
をさらに備える、
糖液の製造装置。 An apparatus for producing a sugar solution using cellulose-containing biomass as a raw material,
The manufacturing apparatus includes:
(1) Hydrolysis means for obtaining an aqueous sugar solution containing monosaccharides and / or oligosaccharides by hydrolyzing cellulose-containing biomass,
(2) Solid-liquid separation means for removing biomass residue from the hydrolysis means (1),
(3) A microfiltration means for filtering the liquid obtained from the solid-liquid separation means (2) through a microfiltration membrane,
Means for recovering an aqueous sugar solution from the membrane permeation side of the microfiltration membrane,
Means for discharging the aqueous sugar solution remaining on the raw water side of the membrane,
A refluxing means for sending the aqueous solution containing turbidity recovered from the discharging means to a process upstream of the microfiltration membrane;
And a means for cleaning the microfiltration membrane,
Sugar liquid production equipment.
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