JPS59224694A - セルロ−ス系物質の糖化方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、ワラ類、バガス、コーンスト−バー及び木く
ず等のセルロース系物質を繊維素分解酵素で糖化するに
当り、セルロース系物質を高濃度で仕込み、連続又は半
連続的に糖化を行う、改良された糖化方法及びその装置
に関する。

〔発明の背景〕

従来、セルロース系物質は繊維素分解酵素を作用させる
ためには、前処理として、脱リグニン及びセルロース結
晶構造の破壊が必要である。しかしてこの前処理方法を
実用化するためには、（１）前処、哩に要する消費エネ
ルギーが少ないこと、（２）前処理原料から糖への転換
率が高いこと、及び（３）糖化反応において少ない消費
エネルギーで効率良く高濃度の糖液が得られることが要
求される。

このうち、（１）及び（２）については、アルカリ処理
と微粉砕又はオゾン処理との組合せのような各前処理方
法の組合せが検討されている。

他方、（３）の高濃度の糖液を得るためには、前処理原
料を高濃度に仕込む必要がある。その場合、原料の繊維
長さが糖化反応に影響を与える。原料のト裁維長さを、
１０〜３０μ程度まで微粉砕すれば、かくはん混合及び
連続糖化に問題はないが、この微粉砕に要する消費エネ
ルギーは著しく大きいため、実用的ではない。そこで、
従来、微粉砕しない前処理原料でも高濃度に仕込める方
法が検討されている。しかしながら、いまだ満足な方法
は開発されていないのが現状である。例えば、原料を逐
次添加し、・スラリー化状態で糖化を行う方法では、添
加量が増大するに従って残渣が蓄積してスラッジ化する
ため、添加量に限界があるという問題点がある。また別
法として、スラッジの混練操作ができる糖化槽を用いる
糖化方法では、糖化槽を大容積とし、大容量のかくはん
モーターの設置が必要であり、しかも槽内での混合が不
完全であるため、原料のショートパスが生じ、連続糖化
は困難であるという問題点がある。

したがって、微粉砕しない前処理原料でも、高濃度でか
つ高仕込み率で連続糖化のできる糖化方法の開発が要望
されている。

〔発明の目的〕

本発明は、前記した従来技術の問題点を解決するために
なされたものであシ、その目的は、微粉砕しない前処理
原料を、高濃度で仕込み、無かくはん下に糖化を行なう
糖化方法及びその装置を提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明を概説すれば、本発明の第１の発明はモルロース
系物質の糖化方法に関する発明であシ、セルロース系物
質を繊維素分解酵素で分解して糖液を得る糖化方法にお
いて、（１）セルロース系物質と繊維素分解酵素とを水
を介して混合する工程、（２）該混合物を基型糖化槽に
供給し、所定時間滞留後、槽底部よシ生成混合物を抜取
る工程、及び（３）該生成混合物を固液分離し、糖液を
回収する工程の各工程を包含することを特徴とする。

また、本発明の第２の発明はセルロース系物質の糖化装
置に関する発明であって、セルロース系物質を繊維素分
解酵素で分解して糖液を得る糖化装置において、セルロ
ース系物質原料と処理剤含有水溶液との混合手段、その
混合物の糖化槽への装入手段、ジャケット付塔型糖化槽
、糖化槽下部における生成混合物の抜取り手段、及び固
液分離手段を包含することを特徴とする。

本発明は、下記のような原料高濃度仕込みの糖化反応を
解析することにより完成し得たものである。

微粉砕しないアルカリ処理又はオゾン処理したバガス（
平均粒径０．７　、　）を１０〜１５重量％の濃度で、
内径２０ｃｍ、長さ４０ｃｍの横型槽（リボン型Ｊｌｌ
もつもの）において回分の糖化を行った。

なお、セルラーゼとしては、市販のセルラーゼオノズカ
Ｒ−１０（近畿ヤクルト社製、最適温度５００％ｐ　Ｈ
４，８）を用いた。その結果、アルカリ処理及びオゾン
処理バガスの両方共、糖化前にスラッジ状態であったも
のが、糖化反応に伴い、スラッジの容積が減少して遊離
水性液が増加しスラリー化した。そして、このときのス
ラリー化状態を解析した。

内径４ｃｍ、高さ６ｃｍで、底部に網を設置した反応管
を試作し、遊離水性液を経時的に抜取り変化量を測定し
た。第１図に測定結果を示す。すなわち第１図は、時間
（時）（横軸）と、充てん層の容４Ｊｔ　（ｍｌ　）　
及ヒ！ルコ〜ス、セロビオース濃度＜９／ｌ）、また遊
離水性液の流出速度（ｒｎｌＶ／時）及ヒグルコース、
セロビオース濃度＜ｙ／ｌ＞（縦軸）との関係を示すグ
ラフである。

第１図から明らかなように、糖化初期に遊離水・性液が
多く生成する。その総量は、全水分量の約３０％であっ
た。このとき原料スラッジは、スラッジ状態の１ま糖化
反応に従ってその容積が減少した。この容、債の減少割
合は、約３０〜４０％であった。このことから、上記反
応管のような構造をもつ糖化槽を用い、逐次添加法の糖
化反応を行えば、原料スラッジの減少容積分の原料を多
く仕込めると考えｔｏそこで、槽底部に網を内股した内
径５Ｃｍ１高さ２０Ｃｍの基型糖化槽を用い、２４時間
ごとに該オゾン処４バガスとセルラーゼ水溶液の混合物
（水分量約８５重量％）を１００ｇ（充てん高さ７　ｃ
ｍ　）逐次添加して糖化反応を実施した。第２図にその
結果を示す。すなわち第２図は、糖化時間（時）（横軸
）と、糖化槽底部から抜取った遊離水性液の生成量（累
積流出量）（コ）及びグルコース濃度（＋＋＋ｙ／ｄ）
（縦軸）との関係を示すグラフである。

第２図から明らかなように、遊離水性液の糖濃度は、逐
次添加量が増大するに従って増加し、３〜４回目以上で
は、はぼ一定となった。また添加ごとに５０〜６０ゴの
遊離水性液が生成した。このときの総原料の仕込み容積
は、遊離水性液を除かない回分反応系に比べて約１／３
となった。しかし、糖化槽内の全残留スラッジから分離
した液の糖濃度は、遊離水性液を除かない回分反応系に
比べて小さくなった。これは、充てん高さ方向で糖化反
応の分布が生じているためである。このことから、上記
様式の糖化方法では、逐次添加と合せ、糖化槽下部よシ
スラッジを抜取る、すなわち連続又は半連続的な操作の
方がよいことを見出した。

しかして、糖化反応速度は、糖化反応の初期はど大きく
、その増加割合は、次第に減少して一定となる。本実験
では、３０〜４８時間で一定となった。したがって、糖
化槽底部の原料の滞留時間が、糖化速度が一定となる時
間程度となったときに、槽からスラッジを抜出せば効率
的である。そして、抜出した原料スラッジよシ液分を分
離すれば、高い濃度の糖液が得られる。しかし、遊離水
による希釈が心配された。そこで、スラッジ充て゛ん層
内の水の流れを調べた。その結果、充てん層の保持水量
が８０重量％以上となって初めて充てん層よシ水が遊離
し、押出し流れで下降することが判明した。また、前記
実験データにおいて、６回目の添加後の遊離水の単位時
間当りの最大生成量は、全保持水量の約２．６％と少な
い。そして、上段の遊離水が下段にまで達するのに約５
０時間以上要する。したがって、糖化槽底部よシ得られ
る遊離水性液は、槽底部付近にあるスラッジよシ押出さ
れたものであると推定した。そして事実、前記実験では
、６回目の遊離水性液の糖濃度は、槽底部付近にあるス
ラッジに含まれる糖液の濃度にほぼ一致していた。この
ことから、遊離水による希釈はないものと判断した。

そこで、上記糖化槽を用い、半連続の糖化を行った。１
２時間ごとに該前処理バガスとセルラーゼ液との混合物
１００ｇを５区分添加後、滞留時間を６０時間として糖
化を行った。なお、各区分の原料スラッジが判定できる
ように、各スラッジ間に網を設置した。その結果、抜取
りスラッジから分離した液及び遊離水性液の糖濃度は、
はぼ一致しくグルコース５４ｇ／ｌ）、回分系での糖化
反応での値と一致した。

次に、本発明を効果的に実施するための条件、すなわち
、スラッジ状原料の容積減少率が大きくなる条件を調べ
た。影響を与える因子として、スラッジ状原料の保持水
分量及びセルロース系物質の繊維長さに注目した。

まず、バガスとセルラーゼ水溶液との混合比を種々変更
した糖化原料を調製し、これを内径４Ｃｍ１高さ６ｍで
槽底部に網を設置した糖化管に装入し、該原料の容積減
少率、すなわち （糖化後の容積／糖化前の容積）Ｘ１００（％）を調べ
た。なお、バガスの繊維長さは、平均０．７問とした。

測定結果ｆ：第３図に示す。すなわち第３図は、固型分
濃度（重量％）（横軸）と容積減少率（％）（縦ｌｌｌ
１ｌＩ）との関係を示すグラフである。

第３図から明らかなように、固型分濃度５重量％では、
上記調装原料はスラリー状であシ、液は網より流出し、
糖化管内にはバガスがスラッジ状′で残留した。このと
きの残留バガスの保持水分率、すなわち 〔（保持水Ｖ（保持水量種型物量））Ｘ１００（％）は
、８０〜９０重量％であった。しかも、この残留バガス
は、糖化反応が進行し、そのスラッジ容積は減少した。

これに対して、固型分濃度が１０〜２０重量％では、原
料はスラ°ツジ状となった。

そして、２０重量％超では、原料は団塊状となった。こ
れらのスラッジ及び団塊状の原料は、糖化反応により容
積が減少した。その結果、容積減少率は、固型分濃度が
１０〜２０重量％で大き、くなり、特に１５重量％で最
大となるととが判明した。

この値は、原料バガスが吸水できる限界値（限界保持水
に約８５重量％）と一致している。

これらの結果は、稲わらを試料とした場合にも同様であ
った。

次に、上記限界保持水量の条件で容積減少率に与える繊
維長さく平均径）の影響を調べた。その測定結果を第４
図に示す。すなわち第４図は、繊維長さく閣）（横軸）
と容積減少率（％）（縦軸）との関係を示すグラフであ
る。

第４図から明らかなように、繊維長さは０．１ｍ以上で
効果的である。なお、繊維長さが２ａ以上で容積減少率
が向上するが、仕込み時の容積が大きくなることから、
それが必ずしも効果的とはいえない。また、繊維長さが
０．０６ｍｍ以下では、容積の減少がほとんど無い。こ
れは、遊離水が形成されるものの、目詰シにょシ網を通
して溶出しなかったためである。以上のことよりみて、
繊維長　　゛さとしては、０．１ｍｍ〜２．０ｖａｎ程
度が好適である。

以−にの説明は、遊離水性液について検討するために、
糖化槽の下部に網を設置した場合について行ったが、実
際面では、後記するように網の有無が、糖化反応自体に
影響を与えることはないことを確認した。

以上のように、本発明の糖化方法によれば、微粉砕しな
いセルロース系物質でも、高濃度で、かつ高い仕込み率
で連続的な糖化を行うことができた。

以下、本発明の装置の実施の態様を、添付図直に基づい
て具体的に説明する。

第５図は、本発明装置の一例を示す一部断面概略図であ
る。第５図において、符号１はセルロース系物質、２は
酵素水溶液、３は混合槽、３ａはホッパー、３ｂはかく
はんモーター、３ｃはリボンｇ、３ｃｔはアルカリ又は
酸水溶液、３ｅはポンプ、３ｆはポンプ、４はスクリュ
ーフィーダー、４ａはスクリュー翼、５は糖化槽、５ａ
は温水ジャケット、６はエフスフルーダ−，６ａはスク
リュー翼、６ｂは排出口、７は網、７ａは遊離水性液、
８は遠心分離機、８ａは残留セルロース系物質、８ｂは
分離液を意味する。

第５図の装置は、混合、輸送、糖化、及び固液分離の４
工程から構成されている。

（１）混合工程 混合槽３にはホッパー３３よシ原料でおるセルロース系
物質１が供給される。そして、ポンプ３ｆによシセルラ
ーゼやヘミセルラーゼなどの酵素水溶液２が供給される
。そしてかくはんモーター３ｂの回転軸上に設置された
リボン翼３ｃの回転により混合される。このときの水分
量は、前述の限界保持水分量とし、この値をあらかじめ
求めておき、計算量添加すればよい。

該混合物のｐＨは、アルカリ又は酸の水溶液３ｄをポン
プ３ｅにより供給して調整する。このときの添加量は、
あらかじめ測定しておく。なお、上記混合槽の構造は、
特に限定されない。

（２）輸送工程 該混合物の糖化槽５への輸送は、スクリューフィーダー
４を用いた。混合物の供給量の制御は、スクリュー翼４
ａの回転数と運転時間とにより行った。

（３）糖化工程 糖化槽５は、塔型充てん槽で、槽壁に温水ジャケット５
ａが設置されている。槽底部は、横送シのエフスフルー
ダ−６と接続されている。そして、糖化槽５の下方延長
上のエフスフルーダ−６の下方位置に網７が設置されて
いる。網７０ロ径は、セルロース系物質ｌを保持できる
ものであればよい。スクリューフィーダー４から供給さ
れた該混合物は、糖化槽５内で充てん層を形成する。そ
して、温水ジャケラ）５ａによシ繊維素分解酵素の最適
温度に加温される。糖化槽が大型化した場合、充てん層
内に混合物の下降の妨害とならないように、伝熱管を設
置すればよい。糖化反応によって生じた遊離水性液を、
網７によシ混合物から抜取り、また、槽底部付近のセル
ロース系物質１を、エフスフルーダ−６によｐ抜出した
。このときの抜取シ量の制御は、エフスフルーダ−６の
スクリュー翼６ａの回転数と運転時間とにより行った。

スクリューフィーダー４とエフスフルーダ−６の運転は
関連を持っており、エフスフルーダ−６が運転終了後、
スクリューフィーダー４が運転を開始する。それぞれの
運転時間は、糖化槽内の設定滞留時間での上記混合物の
容積減少量をあらかじめ調べておき、それぞれの輸送能
力から決めればよい。すなわち、スクリューフィーダー
４及びエフスフルーダ−６の運転時間は、各々下記の式
で計算される： Δｔ　６　＝Ｖｙ　／　Ｑｒ　　　　　　　　−−（１
）Δｔ　？　＝ＶＩＸ／　ＱＥＸ　　　　　　　−−”
・（２）Ｖ　ｍ　ｘ　／　Ｖ　ｖ　＝α　　　　　　　
　　　・・・・・・・・・（３）α＝ｆ（Ｔ）　　　　
　　　　　　　　・・・・・・・・・（４）〔上記各式
において、Δｔ６　ニスクリユーフィーダーの運転時間
（分）、Δｔ７　：エフスフルーダ−の運転時間（分）
、Ｑｙ　ニスクリユーフィーダーの輸送速）屍（ｍ３／
分）、Ｑ３ｘ：エクスクル〜ダーのＩ論送速度（ｍ３／
分）、ＶＦ　：供給混合物の容積（ｍ３　）、ｖ、ｘ：
抜出し物の容積（ｍ３）、α：糖化による混合物容積の
減少割合、Ｔ：混合物の滞留時間（時）〕 （４）固液分離工程 エフスフルーダ−６で抜出した混合物（残留セルロース
系物質８ａと糖及び酵素を含む水溶液よシなる）を、遠
心分離機８で固液分離する。分離液８ｂと遊離水性液７
ａとを合せて糖液とする。

なお、固液分離方法は、特に上記の遠心分離方法に限定
されない。

次に、第６図は、同じく本発明装置の他の一例を示す一
部断面概略図である。第６図の各符号は第５図と同義で
あり、第５図との差異は、糖化槽５の底部に網７が内設
されていない点におる。

第６図に示した装置における工程は、第５図と同じく４
工程からなり、混合工程及び輸送工程は第５図の場合と
同じである。糖化工程以降は、以下のように行う。

スクリューフィーダー４から供給されたセルロース系物
質１と繊維素分解酵素水溶液との混合物が、糖化槽５内
で充てん層を形成できるように、スクリューフィーダー
４とエフスフルーダ−６の運転を調整する。この充てん
層から糖化反応により糖を含む水溶液が形成される。こ
の水溶液は、寒てん槽内を下降して槽底部に達する。そ
して、エフスフルーダ−６を通り、その出口６ｂより槽
系外に抜取る。この水溶液とエフスフルーダ−６により
抜出したセルロース系物質１とを遠心分離（幾８にかけ
、残留セルロース系物質８ａと、糖を含む分離液８ｂと
を分離する。

このとき、セルロース系１勿質１の繊維長さによっては
、糖化反応により生ずる水溶液が充てん層内を下降せず
、上部に滞留することがある。この状態で新たな原料を
供給して糖化を行うと、水溶液量が増加するので、糖化
槽５の上部に抜出口を設け、水溶液を抜出して液面を一
定にすればよい。

なお、抜出した液は糖を含んでいるので、前記の分離液
８ｂと共に回収する。

〔発明の実施例〕

以下、本発明を、実施例及び比較例によシ更に具体的に
説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるもので
はない。

実施例１ オゾン処理バガスを原料とし、第５図に示す装置を用い
て連続糖化を行った。なお、オゾン処理方法は、特開昭
５７−２９２９３号公報記載の方法によった。

糖化槽は、内径２０ｃｍ１高さ６５ｃｍである。

オゾン処理バガス（平均繊維長さ０．７　ｔｒａ、セル
ロース含ｌｆ１４０％）とセルラーゼオノズヵＲ，−１
０含有水溶液との混合物の保持水率を８５重量％とした
。この混合物ヲ、ＩＫグ／時で供給し、この混゛合物区
分の槽内滞留時間を約２４時間とし、槽内温度は５０Ｃ
に制御した。

その結果、反応を開始してから４８時間以降には、遊離
水性液及び抜出しバガスに含まれる水溶液中のグルコー
ス濃度は、４４Ｆｌ／ｌとなり、合せた糖液量は、単位
時間当シ０．６５　ｔであった。

比較例１ 実施例１と同一のバガスを用い、内容積５０ｔの機械か
くはん槽（リボン型翼付）で連続糖化反応を行った。あ
らかじめｐＨを４．８に調整したオゾン処理バガスとセ
ルラーゼ水溶液との混合物をＩＫ７／時で、上記機械か
くはん槽に供給し、滞留時間を４８時間とした。槽内温
度は５０７１１’とした。

その結果、排出液中のグルコース濃度は、約４２　ｇ／
ｌであった。更に、滞留時間を２４時間とした場合の排
出液の糖濃度は、約２４　ｙ／ｌとなった。し１ヒがっ
て、該混合物の供給量ＩＫｇ１時で約４２ｇ／を程度の
グルコース濃度の糖液を得るためには、滞留時間４８時
間で、糖容積が５゜を程度は必要となった。

以上の比較例１°から明らかなように、本発明によれば
、従来法に比べて槽容積は２１５８度で良いことが判明
した。

実施例２ アルカリ処理バガスを用い、実施例１と同様な実験を行
った。アルカリ処理バガスは、以下のように調製した。

０．５重量％苛性ソーダ水溶液とバガス（平均繊維長さ
０．７　ｔｈａｎ　）とを、混合比が２０：１となるよ
うに混合し、１ｏｏｃで３０分間加熱した。そして、バ
ガスを回収後、洗浄し、乾燥した。このアルカリ処理バ
ガスとセルラーゼ水溶液とを混合した。混合比は、３：
１７とした。その他の糖化条件は、実施例１と同一とし
た。

反応安定後に、遊離水性液及び抜出し混合物に含まれる
水溶液のグルコース濃度は、約６８ｇ／ｌであった。な
お、ここで実施例１に比べて糖濃度が高いのは、アルカ
リ処理バガスの方が、セルロース含有量が高いためであ
る。

それに対して、比較例１と同じく、機械がくはん槽（リ
ボン型翼付）内での糖化実験を行った。

その結果、実施例２記載の糖濃度の糖液を得るためには
、その槽容積は、実施例１の場合と同じく５０を程度必
要であった。

これから明らかなように、アルカリ処理バガスを使用す
る場合においても、本発明により槽容積を低減すること
ができることが判明した。

実施例３ セルロース系物質として、稲わら、トウモロコシの穂軸
（コーンスト−バー）及び木くずを用いて、実施例１と
同様の実験を行った。前処理方法は、アルカリ処理とし
、その処理条件は実施例２と同一とした。なお、それぞ
れの繊維長さは、平均０．８順であった。その結果を下
記表１に示す。

表　　　　１ なお、上記表１において、得られた糖液中のグルコース
濃度が異なるのは、アルカリ処理による脱リグニン率が
、セルロース系物質の種類により異なシ、アルカリ処理
原料のセルロース含有率に差ができるためである。

実施例４ 実施例１と同様にオゾン処理したバガスを原料として、
第６図に示す装置で糖化実験を行った。

糖化槽は、ｎ径２ｏｔ−ｎｌ、高さ９０　ｃｍ（７）　
モ（７）　’１Ｊ１１い、オゾン処理バガス（平均繊維
長さ０．７　ｍｍ　）とセルラーゼ水溶液ヵＲ−１０の
水溶液との混合物の保持水率を８５重量％とじた。この
混合物をＩＫｇ／時で供給し、滞留時間を約２４時間と
し、槽内温度は５０ｃに制御した。

その結果、４８時間以降には、グルコース濃度が約４２
（１／！、の水溶液を、０．５２ｔ／時で回収すること
ができた。

実施例５ アルカリ処理バガスを原料として糖化実験を行った。ア
ルカリ処理バガスの調製は、実施例２と同様に行い、糖
化条件は、実施例４と同一とした。

その結果、グルコース濃度が、約６２９／ｌの糖液を得
ることができた。

〔発明の効果〕

以上詳細に説明したように、本発明によれば、微粉砕す
ることなく糖化を行うことができるので、前処理のだめ
の消費エネルギーを著しく低減することができる。また
、その工程は、連続糖化であシ実用的で必ると共に、糖
化槽は、従来の機械かくはん槽容積の１／３〜２１５で
よく、シかも無かくはんであるために、かくはん動力は
零であるという顕著な効果が奏せられた。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第４図は、本発明の操作条件を決定するために
行った各種実験の結果を示すグラフ、第５図及び第６図
は、本発明の装置の一例を示す一部断］■概略図である
。 １・・・セルロース系物質、２・・・酵素水溶液、３・
・・混合槽、４・・・スクリューフィーダー、５・・・
糖化槽、６・・・エフスフルーダ−，７・・・網、８・
・・遠心分離機第３図 ０　　　／θ　　　２０３０ 固型分濃度（市量幻 第４図 θ０／　　θ、／　　　　／　　　　　ｉθ緯：惟長ぎ
　（叛幻 第す一図 −５１

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、セルロース系物質を繊維素分解酵素で分解して糖液
   を得る糖化方法において、（１）セルロース系物質と繊
   維素分解酵素とを水を介して混合する工程、（２）該混
   合物を基型糖化槽に供給し、所定時間滞留後、槽底部よ
   シ生成混合物を抜取る工程、及び（３）該生成混合物を
   固液分離し、糖液を回収する工程の各工程を包含するこ
   とを特徴とするセルロース系物質の糖化方法。 ２、該セルロース系物質、繊維素分解酵素及び水を含有
   する混合物における水分含量が、セルロース系物質を保
   持できる最大水量である特許請求の範囲第１項記載のセ
   ルロース系物質の糖化方法。 ３゜該セルロース系物質、繊維素分解酵素及び水を含有
   する混合物における水分含量が、８０〜９０重量％であ
   る特許請求の範囲第１項記載のセルロース系物質の糖化
   方法。 ４、セルロース系物質を繊維素分解酵素で分解して糖液
   を得る糖化装置において、セルロース系物質原料と処理
   剤含有水溶液との混合手段、その混合物の糖化槽への装
   入手段、ジャケット付塔型糖化槽、糖化槽下部における
   生成混合物の抜取り手段、及び固液分離手段を包含する
   ことを特徴とするセルロース系物質の糖化装置。 ５、該固液分離手段が、生成混合物からの遊離水性液分
   離手段、残存物の固液分離手段及びその分離液と該遊離
   水性液とを混合して糖液として回収する手段からなる特
   許請求の範囲第４項記載のセルロース系物質の糖化装置
   。