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JP2014083003A - Sugar producing method via process of removing enzyme inhibitor - Google Patents

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JP2014083003A
JP2014083003A JP2012235103A JP2012235103A JP2014083003A JP 2014083003 A JP2014083003 A JP 2014083003A JP 2012235103 A JP2012235103 A JP 2012235103A JP 2012235103 A JP2012235103 A JP 2012235103A JP 2014083003 A JP2014083003 A JP 2014083003A
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Japan
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water
sugar
soluble fraction
producing
adsorption carrier
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JP2012235103A
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Japanese (ja)
Inventor
Tamotsu Hoshino
保 星野
Masaharu Tsuji
雅晴 辻
Yuka Yajima
由佳 矢島
Yuji Yokota
祐司 横田
Kazuaki Yoshimune
一晃 吉宗
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National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Original Assignee
National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
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Publication date
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Abstract

【課題】簡単な工程でセルラーゼ活性阻害物質を十分に除去することができ、且つ高収率で糖が得られる糖の製造方法を提供すること。
【解決手段】本発明は、セルロース系バイオマスから糖を製造する方法であって、水にセルロース系バイオマスを加え、煮沸する煮沸工程と、煮沸した第1混合液を冷却する冷却工程と、冷却した第1混合液に加水分解酵素を加え、温度30〜50℃で撹拌することにより加水分解する第1分解工程と、第1混合液を、水可溶画分と水不溶画分とに分離する分離工程と、水可溶画分を、吸着担体に接触させ、精製水可溶画分とする接触工程と、該精製水可溶画分を、水不溶画分に加えて第2混合液とし、該第2混合液を、温度30〜50℃で撹拌することにより加水分解する第2分解工程と、を備え、接触工程において、水可溶画分を吸着担体に接触させることにより、セルラーゼ活性阻害物質が吸着担体に付着され該水可溶画分から除外される糖の製造方法である。
【選択図】図1
To provide a method for producing a saccharide capable of sufficiently removing a cellulase activity-inhibiting substance by a simple process and obtaining a saccharide in a high yield.
The present invention relates to a method for producing sugar from cellulosic biomass, in which cellulosic biomass is added to water and boiled, a cooling step of cooling the boiled first mixed liquid, and cooling. A hydrolyzing enzyme is added to the first mixed solution, and the first decomposition step in which hydrolysis is performed by stirring at a temperature of 30 to 50 ° C. and the first mixed solution are separated into a water-soluble fraction and a water-insoluble fraction. A separation step, a contact step of bringing the water-soluble fraction into contact with the adsorption carrier to make a purified water-soluble fraction, and adding the purified water-soluble fraction to the water-insoluble fraction to form a second mixed solution And a second decomposition step of hydrolyzing the second mixed solution by stirring at a temperature of 30 to 50 ° C., and contacting the water-soluble fraction with the adsorption carrier in the contact step, whereby cellulase activity Inhibitors adhere to the adsorption carrier and are excluded from the water-soluble fraction. It is a manufacturing method of that sugar.
[Selection] Figure 1

Description

本発明は、糖の製造方法に関する。更に詳しくは、酵素阻害物質を除去する工程を経由する糖の製造方法に関する。   The present invention relates to a method for producing sugar. More specifically, the present invention relates to a method for producing sugar through a step of removing an enzyme inhibitor.

およそ7割が森林で囲われている緑豊かな国土を持つ日本には、スギ、稲ワラ、麦ワラ等、未利用のセルロース系バイオマスが豊富に存在している。
このような未利用のセルロース系バイオマスは、非食量資源からのバイオマスエタノールの生産のみならず、石油資源枯渇後の食料原料や化学工業、発酵原料としての糖を生産するための地球上でもっとも重要な炭素源となりうることが知られている(例えば、非特許文献1参照)。
About 70% of Japan is surrounded by forests, and Japan has abundant unused cellulosic biomass such as cedar, rice straw and wheat straw.
Such unused cellulosic biomass is the most important on earth not only for the production of biomass ethanol from non-food resources but also for the production of sugar as a raw material for food, chemical industry, and fermentation after the depletion of petroleum resources. It is known that it can be a good carbon source (for example, see Non-Patent Document 1).

自然界に存在しているセルロース系バイオマスは、セルロース、ヘミセルロース及びリグニンが複雑に絡み合った構造を構成している。このため、一般に、糖化の際には、カッターミル等による物理的な粉砕、アルカリ処理によるリグニンとセルロース・ヘミセルロースの構造破壊(例えば、非特許文献2参照)等が施され、その後、糖酵素処理が行われる。   Cellulose biomass existing in nature has a structure in which cellulose, hemicellulose and lignin are intertwined in a complex manner. For this reason, in general, in saccharification, physical pulverization by a cutter mill or the like, structural destruction of lignin and cellulose / hemicellulose by alkali treatment (for example, see Non-Patent Document 2), etc. are performed, and then glycoenzyme treatment Is done.

ところが、これらの工程を施してセルロース系バイオマスを糖化させた糖化液は、濃度(収率)が十分とはいえない。このため、該糖化液を用いてエタノール発酵等をしたとしても(例えば、特許文献1参照)、発酵効率の面で実際に利用できるレベルには至っていない(例えば、非特許文献3又は4参照)。   However, the saccharified solution obtained by saccharifying cellulosic biomass by performing these steps cannot be said to have a sufficient concentration (yield). For this reason, even if ethanol fermentation etc. were performed using this saccharified liquid (for example, refer to patent documents 1), it has not reached the level which can actually be used in terms of fermentation efficiency (for example, refer to nonpatent documents 3 or 4). .

これは、セルラーゼによる糖化反応において、生産物であるセルロース由来のグルコース、セロビオース、ヘミセルロース由来のマンノース、ガラクトース、キシロースによって、β−グルコシターゼの活性が阻害されるだけでなく(例えば、非特許文献5参照)、副生産物であるキシラン、可溶性でんぷん、ペクチン等の多糖類、キシロース、アラビノース、グルクロン酸等の炭水化物、フルフラール、バニリン、シリンガアルデヒド、trans−ケイ皮酸、4−ヒドロキシ安息香酸等によっても、セルラーゼ及びβ−グルコシターゼの活性が阻害されるためと考えられる(例えば、非特許文献6参照)。すなわち、これらの物質が加水分解反応中にセルロース系バイオマスから徐々に遊離し、セルラーゼの活性を阻害するので、糖の収率が不十分となる。
また、セルラーゼの活性が阻害されるため、加水分解するために、大量のセルラーゼが必要となる欠点がある。
This is because, in the saccharification reaction by cellulase, the activity of β-glucosidase is not only inhibited by the product cellulose-derived glucose, cellobiose, hemicellulose-derived mannose, galactose, and xylose (for example, see Non-Patent Document 5). ), By-products such as xylan, soluble starch, polysaccharides such as pectin, carbohydrates such as xylose, arabinose, glucuronic acid, furfural, vanillin, syringaldehyde, trans-cinnamic acid, 4-hydroxybenzoic acid, etc. This is probably because the activities of cellulase and β-glucosidase are inhibited (see, for example, Non-Patent Document 6). That is, since these substances are gradually released from the cellulosic biomass during the hydrolysis reaction and inhibit the activity of cellulase, the yield of sugar becomes insufficient.
Moreover, since the activity of cellulase is inhibited, there is a drawback that a large amount of cellulase is required for hydrolysis.

これに対し、セルロース系バイオマスからの糖の製造工程において、セルラーゼの活性を阻害する物質を除去する方法が検討されている。
例えば、多糖類系バイオマスを加水分解し、得られた加水分解物を木質系炭化物で処理し、加水分解物に含まれる発酵阻害物または発酵を阻害するであろう物質を除去する加水分解物中の発酵阻害物の除去方法(例えば、特許文献2参照)や、糖と発酵阻害物質を含む溶液から発酵阻害物質をポリスチレン系の樹脂に吸着または保持させて糖溶液を得る方法が知られている(例えば、特許文献3参照)。
On the other hand, a method for removing a substance that inhibits the activity of cellulase in the production process of sugar from cellulosic biomass has been studied.
For example, in a hydrolyzate that hydrolyzes polysaccharide-based biomass, treats the resulting hydrolyzate with a wood-based carbide, and removes fermentation inhibitors contained in the hydrolyzate or substances that would inhibit fermentation. There are known methods for removing fermentation inhibitors (for example, see Patent Document 2) and methods for obtaining a sugar solution by adsorbing or holding a fermentation inhibitor on a polystyrene resin from a solution containing sugar and a fermentation inhibitor. (For example, refer to Patent Document 3).

なお、この他にも、加水分解中に限外ろ過によってグルコースなどの低分子を分離することにより加水分解反応を促進する方法や(例えば、非特許文献7)、微生物による発酵阻害物質の除去方法(例えば、非特許文献8)が知られている。   In addition to this, a method for promoting a hydrolysis reaction by separating low molecules such as glucose by ultrafiltration during hydrolysis (for example, Non-Patent Document 7), and a method for removing a fermentation inhibitor by microorganisms (For example, Non-Patent Document 8) is known.

特開2004−337099号公報JP 2004-337099 A 特開2005−270056号公報JP 2005-270056 A 特開2011−78327号公報JP 2011-78327 A

J. Nowak等,「Composite structure of woodcellsin petrified wood.」,「Materials Science and Engineering」,2005年,C,25,p.119−130J. Nowak et al., “Composite structure of woodcells petrified wood.”, “Materials Science and Engineering”, 2005, C, 25, p. 119-130 Y. Yamashita等,「Effective enzymesaccharification and ethanol production from Japanese cedar using variouspretreatment methods.」,「Journal of Bioscience and Bioengineering」,2010年,110,p.79−86Y. Yamashita et al., “Effective enzymes accharification and ethanol production from Japanese cedar using various pretreatment methods.”, “Journal of Bioscience and Bioengineering”, 2010, 110, p. 79-86 木本浩介等,「木質系原料からのバイオエタノール製造プロセス」,三井造船技報,2010年,201,p.24−29Kosuke Kimoto et al., “Bioethanol production process from wood-based raw materials”, Mitsui Engineering & Shipbuilding Technical Report, 2010, 201, p. 24-29 朝野賢司等,「日本におけるバイオエタノールの生産コストとCO2削減コスト分析」[online],2007年7月,AIST/BTRC DISCUSSION PAPER,インターネット<URL:https://unit.aist.go.jp/btrc/research_result/documents/DISCUSSIONPAPER.pdf>Kenji Asano et al., “Bioethanol Production Costs and CO2 Reduction Cost Analysis in Japan” [online], July 2007, AIST / BTRC DISCUSSION PAPER, Internet <URL: https://unit.aist.go.jp/btrc /research_result/documents/DISCUSSIONPAPER.pdf> Z. Xiao等,「Effect of Sugar Inhibition on Cellulasesand β− Glucosidase During Enzymatic Hydrolysis ofSoftwood Substrates.」,「Applied Biochemistry andBiotechnology」,2004年,113−116,p.1115−1126Z. Xiao et al., “Effect of Sugar Inhibition on Cellulases and β-Glucosidase During Enzymatic Hydrolysis of Softwood Substrates.”, “Applied Biochemistry and Biotechnology”, 2004, 113-116, p. 1115-1126 E. Ximenes等,「Inhibitor of cellulases byphenols.」,「Enzyme and Microbial Technology」,2010年,46,p.170−176E. Ximenes et al., “Inhibitor of cellulases by phenols.”, “Enzyme and Microbial Technology”, 2010, 46, p. 170-176 P. Andric’等,「Effect and Modeling of Glucose Inhibition and In Situ Glucose RemovalDuring Enzymatic Hydrolysis of Pretreated Wheat Straw.」,「Applied Biochemistry andBiotechnology」,2010年,160,280−297P. Andric ’et al.,“ Effect and Modeling of Glucose Inhibition and In Situ Glucose RemovalDuring Enzymatic Hydrolysis of Pretreated Wheat Straw. ”,“ Applied Biochemistry and Biotechnology ”, 2010, 160, 280-297. N. Nichols等,「Bioabatement to Remove Inhibitorsfrom Biomass-Derived Sugar Hydrolysates.」,「Applied Biochemistryand Biotechnology」,2005年,121−124,379−390N. Nichols et al., “Bioabatement to Remove Inhibitors from Biomass-Derived Sugar Hydrolysates.”, “Applied Biochemistry and Biotechnology”, 2005, 121-124, 379-390.

しかしながら、上述した特許文献2及び3に記載の方法では、発酵阻害物の除去が十分とはいえず、糖の収率が優れるとはいえない。なお、非特許文献7記載の方法では、グルコースと同時に発酵阻害物質も回収されてしまう欠点があり、非特許文献8記載の方法では、大量の微生物が必要であり、且つ発酵前にその微生物を除去する工程が必要となる欠点がある。   However, in the methods described in Patent Documents 2 and 3 described above, it cannot be said that removal of the fermentation inhibitor is sufficient and the yield of sugar is not excellent. In addition, the method described in Non-Patent Document 7 has a disadvantage that a fermentation inhibitor is also collected at the same time as glucose. In the method described in Non-Patent Document 8, a large amount of microorganisms are required, and the microorganisms are removed before fermentation. There is a drawback in that a removal step is required.

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、簡単な工程でセルラーゼの活性を阻害する物質(以下「セルラーゼ活性阻害物質」という。)を十分に除去することができ、且つ高収率で糖が得られる糖の製造方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and can sufficiently remove a substance that inhibits the activity of cellulase (hereinafter referred to as “cellulase activity inhibitory substance”) with a simple process and has a high yield. It aims at providing the manufacturing method of the saccharide | sugar which can obtain saccharide | sugar by this.

本発明者らは、上記課題を解決するため鋭意検討したところ、第1分解工程を施し、第1混合液のうちの水可溶画分に吸着担体に接触させ、その後、精製水可溶画分を元に戻して第2分割工程を施すことにより、上記課題を解決できることを見出し、本発明を完成させるに至った。   The present inventors have intensively studied to solve the above-mentioned problems. As a result, the first decomposition step is performed, the water-soluble fraction of the first mixed solution is brought into contact with the adsorption carrier, and then the purified water-soluble fraction is obtained. It was found that the above problem can be solved by returning the minute amount to the second dividing step, and the present invention has been completed.

本発明は、(1)セルロース系バイオマスから糖を製造する方法であって、水にセルロース系バイオマスを加え、煮沸する煮沸工程と、煮沸した第1混合液を冷却する冷却工程と、冷却した第1混合液に加水分解酵素を加え、温度30〜50℃で撹拌することにより加水分解する第1分解工程と、第1混合液を、水可溶画分と水不溶画分とに分離する分離工程と、水可溶画分を、吸着担体に接触させ、精製水可溶画分とする接触工程と、該精製水可溶画分を、水不溶画分に加えて第2混合液とし、該第2混合液を、温度30〜50℃で撹拌することにより加水分解する第2分解工程と、を備え、接触工程において、水可溶画分を吸着担体に接触させることにより、セルラーゼ活性阻害物質が吸着担体に付着され該水可溶画分から除外される糖の製造方法に存する。   The present invention is (1) a method for producing sugar from cellulosic biomass, which comprises adding a cellulosic biomass to water and boiling, a cooling step for cooling the boiled first mixture, 1st decomposition process which hydrolyzes by adding a hydrolase to 1 liquid mixture, and stirs at the temperature of 30-50 degreeC, The isolation | separation which isolate | separates a 1st liquid mixture into a water-soluble fraction and a water-insoluble fraction A step of contacting the water-soluble fraction with an adsorption carrier to form a purified water-soluble fraction, and adding the purified water-soluble fraction to the water-insoluble fraction to form a second mixed solution; A second decomposition step of hydrolyzing the second mixed solution by stirring at a temperature of 30 to 50 ° C., and contacting the water-soluble fraction with the adsorption carrier in the contact step, thereby inhibiting cellulase activity Sugars that are attached to the adsorption carrier and excluded from the water-soluble fraction It resides in the production method.

本発明は、(2)第2分解工程後、第2混合液から糖化液を分取し、糖を抽出する抽出工程を更に備える上記(1)記載の糖の製造方法に存する。   The present invention resides in the sugar production method according to the above (1), further comprising (2) an extraction step of separating the saccharified solution from the second mixed solution and extracting the sugar after the second decomposition step.

本発明は、(3)第1分解工程と第2分解工程とが連続して施される上記(1)又は(2)に記載の糖の製造方法に存する。   This invention exists in the manufacturing method of the saccharide | sugar as described in said (1) or (2) to which (3) 1st decomposition process and 2nd decomposition process are performed continuously.

本発明は、(4)吸着担体が、セライト、珪藻土、ベントナイト、シリカゲル、活性炭、アルミナ及び炭酸カルシウムからなる群より選ばれる少なくとも1種である上記(1)〜(3)のいずれか1つに記載の糖の製造方法に存する。   In the present invention, (4) any one of the above (1) to (3), wherein the adsorption carrier is at least one selected from the group consisting of celite, diatomaceous earth, bentonite, silica gel, activated carbon, alumina, and calcium carbonate. It exists in the manufacturing method of the described sugar.

本発明は、(5)吸着担体が、イオン交換樹脂である上記(1)〜(3)のいずれか1つに記載の糖の製造方法に存する。   This invention exists in the manufacturing method of the saccharide | sugar as described in any one of said (1)-(3) whose adsorption carrier is ion exchange resin (5).

本発明は、(6)イオン交換樹脂が、弱塩基性イオン交換樹脂である上記(5)記載の糖の製造方法に存する。   This invention exists in the manufacturing method of the saccharide | sugar as described in said (5) whose ion exchange resin is weakly basic ion exchange resin.

本発明は、(7)接触工程が、吸着担体をカラムに充填し、水可溶画分を該カラムに通すことにより行われる上記(1)〜(6)のいずれか1つに記載の糖の製造方法に存する。   The saccharide according to any one of (1) to (6), wherein (7) the contacting step is performed by filling the column with an adsorption carrier and passing the water-soluble fraction through the column. Exist in the manufacturing method.

本発明は、(8)セルラーゼ活性阻害物質が、水酸基含有化合物及び/又はカルボン酸化合物である上記(1)〜(7)のいずれか1つに記載の糖の製造方法に存する。   This invention exists in the manufacturing method of the saccharide | sugar as described in any one of said (1)-(7) whose cellulase activity inhibitory substance is a hydroxyl-containing compound and / or a carboxylic acid compound.

本発明は、(9)煮沸工程が不活性ガス雰囲気下、温度100〜150℃、圧力0.1〜5MPaの条件で行われる上記(1)〜(8)のいずれか1つに記載の糖の製造方法に存する。   The present invention relates to (9) the sugar according to any one of (1) to (8), wherein the boiling step is performed under an inert gas atmosphere at a temperature of 100 to 150 ° C. and a pressure of 0.1 to 5 MPa. Exist in the manufacturing method.

本発明は、(10)上記(1)〜(9)のいずれか1つに記載の糖の製造方法によって得られる糖に酵母を加えることにより、糖を生分解させエタノールとするエタノールの製造方法。   The present invention relates to (10) a method for producing ethanol by adding yeast to the sugar obtained by the method for producing sugar according to any one of (1) to (9) above to biodegrade the sugar into ethanol. .

本発明は、(11)上記(1)〜(9)のいずれか1つに記載の糖の製造方法によって得られる糖に乳酸発酵菌を加えることにより、糖を発酵させ乳酸とする乳酸の製造方法。   The present invention is (11) Production of lactic acid by fermenting sugar to lactic acid by adding lactic acid-fermenting bacteria to the sugar obtained by the sugar production method according to any one of (1) to (9) above. Method.

本発明の糖の製造方法においては、煮沸工程、冷却工程、第1分解工程、分離工程、接触工程及び第2分解工程という簡単な工程で、糖を製造することができる。
本発明の糖の製造方法においては、第1分解工程を施し、第1混合液のうちの水可溶画分を吸着担体に接触させることで、セルラーゼ活性阻害物質が吸着担体に付着され、セルラーゼ活性阻害物質を十分に除去することができる。このことにより、セルラーゼの活性が持続することになるので、セルラーゼの使用量を従来よりも削減することができる。
In the sugar production method of the present invention, sugar can be produced by simple steps of a boiling step, a cooling step, a first decomposition step, a separation step, a contact step, and a second decomposition step.
In the sugar production method of the present invention, the cellulase activity-inhibiting substance is attached to the adsorption carrier by subjecting the water-soluble fraction of the first mixed solution to the adsorption carrier by performing the first decomposition step. The activity inhibitory substance can be sufficiently removed. As a result, the activity of cellulase is sustained, so that the amount of cellulase used can be reduced as compared with the conventional case.

本発明の糖の製造方法においては、セルラーゼ活性阻害物質が除外された精製水可溶画分を、元の水不溶画分と合わせて第2分割工程を施すことで、高収率で糖を得ることができる。なお、第1分解工程と第2分解工程とが連続して施される場合、より簡単に糖を製造することが可能となる。   In the method for producing sugar of the present invention, the purified water-soluble fraction from which the cellulase activity inhibitor is excluded is combined with the original water-insoluble fraction and subjected to the second splitting step, so that the sugar can be obtained in high yield. Can be obtained. In addition, when a 1st decomposition process and a 2nd decomposition process are performed continuously, it becomes possible to manufacture sugar more easily.

本発明の糖の製造方法においては、第2分解工程後、第2混合液から糖化液を分取し、糖を抽出する抽出工程を備える場合、より純度の高い糖を得ることができる。   In the method for producing sugar of the present invention, a sugar with higher purity can be obtained when an extraction step for separating the saccharified solution from the second mixed solution and extracting the sugar is provided after the second decomposition step.

本発明の糖の製造方法においては、吸着担体が、イオン交換樹脂である場合、生産効率が良く、セルラーゼ活性阻害物質との親和性に優れるという利点がある。
このとき、イオン交換樹脂が、弱塩基性イオン交換樹脂である場合、糖は通過させ、多種多様なセルラーゼ活性阻害物質を付着させることができるので、水可溶画分からセルラーゼ活性阻害物質を効果的に除去することができる。
また、セルラーゼ活性阻害物質が、水酸基含有化合物及び/又はカルボン酸化合物である場合、吸着担体により、セルラーゼ活性阻害物質を確実に除去することができる。
In the sugar production method of the present invention, when the adsorption carrier is an ion exchange resin, there are advantages in that the production efficiency is good and the affinity with the cellulase activity inhibitor is excellent.
At this time, when the ion exchange resin is a weakly basic ion exchange resin, the sugar can pass through and a wide variety of cellulase activity inhibitors can be attached. Therefore, the cellulase activity inhibitor can be effectively used from the water-soluble fraction. Can be removed.
Moreover, when the cellulase activity inhibitor is a hydroxyl group-containing compound and / or a carboxylic acid compound, the cellulase activity inhibitor can be reliably removed by the adsorption carrier.

本発明の糖の製造方法においては、接触工程が、吸着担体をカラムに充填し、水可溶画分を該カラムに通すことにより行われる場合、接触工程を効率良く、簡単に行うことができる。   In the sugar production method of the present invention, when the contacting step is performed by filling an adsorption carrier into a column and passing a water-soluble fraction through the column, the contacting step can be performed efficiently and easily. .

本発明の糖の製造方法においては、煮沸工程が不活性ガス雰囲気下、温度100〜150℃、圧力0.1〜5MPaの条件で行われる場合、セルロース系バイオマスを十分に解繊することができると共に、数十nmオーダーの微細孔が形成される。これにより、糖の収率も向上させることができる。   In the sugar production method of the present invention, when the boiling step is performed under an inert gas atmosphere at a temperature of 100 to 150 ° C. and a pressure of 0.1 to 5 MPa, cellulosic biomass can be sufficiently defibrated. At the same time, micropores on the order of several tens of nm are formed. Thereby, the yield of sugar can also be improved.

本発明のエタノールの製造方法においては、上述の製造方法で得られた糖を用いるので、収率が飛躍的に向上したものとなる。   In the ethanol production method of the present invention, since the sugar obtained by the above production method is used, the yield is drastically improved.

本発明の乳酸の製造方法においては、上述の製造方法で得られた糖を用いるので、収率が飛躍的に向上したものとなる。   In the method for producing lactic acid of the present invention, since the sugar obtained by the above-described production method is used, the yield is drastically improved.

図1は、第1実施形態に係る糖の製造方法を示すフローチャートである。FIG. 1 is a flowchart showing a sugar production method according to the first embodiment. 図2は、第2実施形態に係る糖の製造方法を示すフローチャートである。FIG. 2 is a flowchart showing a sugar production method according to the second embodiment. 図3は、実施例1における糖化時間とグルコース生成速度又はグルコース濃度との関係を示すグラフである。FIG. 3 is a graph showing the relationship between saccharification time and glucose production rate or glucose concentration in Example 1. 図4は、比較例1における糖化時間とグルコース生成速度又はグルコース濃度との関係を示すグラフである。FIG. 4 is a graph showing the relationship between saccharification time and glucose production rate or glucose concentration in Comparative Example 1. 図5は、実施例2、比較例2及びコントロールにおける発酵時間(h)とエタノール濃度との関係を示すグラフである。FIG. 5 is a graph showing the relationship between fermentation time (h) and ethanol concentration in Example 2, Comparative Example 2 and the control. 図6は、実施例3、比較例3及びコントロールにおける発酵時間(h)と乳酸濃度との関係を示すグラフである。FIG. 6 is a graph showing the relationship between fermentation time (h) and lactic acid concentration in Example 3, Comparative Example 3, and control.

本発明においては、原料としてセルロース系バイオマスが用いられる。
ここで、セルロース系バイオマスとは、セルロース及びヘミセルロースからなる多糖類がリグニンにより木化したものである。
かかるセルロース系バイオマスとしては、例えば、広葉樹、針葉樹等の農林水産物資源、又は、当該農林水産物資源の廃棄物が挙げられる。
より具体的には、セルロース系バイオマスとしては、バガス、稲ワラ、コーンストーバー、アブラヤシ空果房、木材繊維、木材チップ、単板くず、木粉、パルプ類、古紙類等が挙げられる。なお、さとうきび、テンサイ等の糖質資源、ばれいしょ、かんしょ、さといも等のでんぷん資源等、タンニン、リグニン含量が少ないもの、又は、リグニンが含まれないものもセルロース系バイオマスに含まれる。また、これらの原料は、1種類を単独で用いても、2種類以上を混合して用いてもよい。
In the present invention, cellulosic biomass is used as a raw material.
Here, the cellulosic biomass is obtained by converting a polysaccharide composed of cellulose and hemicellulose into a tree by lignin.
Examples of the cellulosic biomass include agricultural, forestry and fishery resources such as hardwoods and conifers, or wastes of the agricultural, forestry and fishery resources.
More specifically, examples of the cellulosic biomass include bagasse, rice straw, corn stover, oil palm empty fruit bunch, wood fiber, wood chip, veneer scrap, wood flour, pulp, and waste paper. Cellulosic biomass includes sugar resources such as sugar cane and sugar beet, starch resources such as potato, sugar beet, sugar beet, and the like, those having a low tannin and lignin content, and those not containing lignin. Moreover, these raw materials may be used individually by 1 type, or may mix and use 2 or more types.

これらの中でも、セルロース系バイオマスは、ユーカリ木粉(広葉樹)、スギ木粉(針葉樹)、バガス、稲ワラ、コーンストーバー、アブラヤシ空果房であることが好ましい。これらの場合、理由は定かではないが、解繊しやすく、比較的高収率で糖を得ることができる。   Among these, the cellulosic biomass is preferably eucalyptus wood flour (broadleaf tree), cedar wood flour (coniferous tree), bagasse, rice straw, corn stover, and oil palm empty fruit bunch. In these cases, the reason is not clear, but it is easy to defibrate and sugar can be obtained in a relatively high yield.

上記セルロースとは、グルコースがβ−1,4グルコシド結合により重合した重合体、それをカルボキシメチル化、アルデヒド化、エステル化等した誘導体等の混合物をいう。なお、本発明において、セルロースにおけるグルコースの重合度は、糖化率の観点から、200以上であることが好ましい。
また、セルロースは、その部分分解物であるセロオリゴ糖、セロビオースを含んでもよく、結晶性であっても非結晶性であってもよい。なお、本発明において、セルロースは、結晶性セルロースであることが好ましい。
なお、セルロースは、上述したとおり、バイオマス由来のものであれば特に限定されず、植物由来、真菌由来、細菌由来であってもよい。
The cellulose refers to a mixture of a polymer in which glucose is polymerized by a β-1,4 glucoside bond, a derivative obtained by carboxymethylation, aldehyde formation, esterification, or the like. In addition, in this invention, it is preferable that the polymerization degree of glucose in a cellulose is 200 or more from a viewpoint of a saccharification rate.
Cellulose may contain cellooligosaccharides and cellobiose, which are partially decomposed products, and may be crystalline or non-crystalline. In the present invention, the cellulose is preferably crystalline cellulose.
As described above, cellulose is not particularly limited as long as it is derived from biomass, and may be derived from plants, fungi, or bacteria.

[第1実施形態]
図1は、第1実施形態に係る糖の製造方法を示すフローチャートである。
図1に示すように、第1実施形態に係る糖の製造方法においては、水にセルロース系バイオマスを加え、煮沸する煮沸工程S1と、煮沸した第1混合液を冷却する冷却工程S2と、冷却した第1混合液に加水分解酵素を加え、加水分解する第1分解工程S3と、第1混合液を、水可溶画分と水不溶画分とに分離する分離工程S4と、水可溶画分を、吸着担体に接触させ、精製水可溶画分とする接触工程S5と、該精製水可溶画分を、水不溶画分に加えて第2混合液とし、該第2混合液を、加水分解する第2分解工程S6と、第2混合液から糖化液を分取し、糖を抽出する抽出工程S7と、を備える。
[First Embodiment]
FIG. 1 is a flowchart showing a sugar production method according to the first embodiment.
As shown in FIG. 1, in the sugar production method according to the first embodiment, a boiling step S1 in which cellulosic biomass is added to water and boiled, a cooling step S2 in which the boiled first mixed liquid is cooled, and cooling are performed. The hydrolyzing enzyme is added to the first mixed liquid, the first decomposition step S3 for hydrolysis, the separation step S4 for separating the first mixed liquid into a water-soluble fraction and a water-insoluble fraction, and water-soluble Contacting step S5, wherein the fraction is brought into contact with an adsorption carrier to form a purified water-soluble fraction, and the purified water-soluble fraction is added to the water-insoluble fraction to form a second mixed solution, the second mixed solution And a second decomposition step S6 for hydrolyzing, and an extraction step S7 for separating the saccharified solution from the second mixed solution and extracting the sugar.

第1実施形態に係る糖の製造方法においては、煮沸工程S1、冷却工程S2、第1分解工程S3、分離工程S4、接触工程S5、第2分解工程S6及び抽出工程S7という比較的簡単な工程で、糖を製造することができる。
また、第1分解工程S3を施し、第1混合液のうちの水可溶画分を吸着担体に接触させることで、セルラーゼ活性阻害物質が吸着担体に付着され、セルラーゼ活性阻害物質を十分に除去することができる。このことにより、セルラーゼの活性が持続することになるので、セルラーゼの使用量を従来よりも削減することができる。
以下、各工程について更に詳細に説明する。
In the sugar production method according to the first embodiment, the boiling process S1, the cooling process S2, the first decomposition process S3, the separation process S4, the contact process S5, the second decomposition process S6, and the extraction process S7 are relatively simple processes. Thus, sugar can be produced.
In addition, by applying the first decomposition step S3 and bringing the water-soluble fraction of the first mixed solution into contact with the adsorption carrier, the cellulase activity inhibiting substance is attached to the adsorption carrier, and the cellulase activity inhibiting substance is sufficiently removed. can do. As a result, the activity of cellulase is sustained, so that the amount of cellulase used can be reduced as compared with the conventional case.
Hereinafter, each step will be described in more detail.

(煮沸工程)
煮沸工程S1は、水にセルロース系バイオマスを加えた第1混合液を煮沸する工程である。
煮沸工程S1を施すことにより、セルロース系バイオマスのリグニンとセルロース及びヘミセルロースとの交絡が解れ、繊維状となる。これにより、セルロース系バイオマスの表面積が増大し、後述する分解工程において、酵素が接触しやすくなる。
また、このとき同時にセルロース系バイオマスに含まれる水溶性の成分が溶出することになる。
(Boiling process)
Boiling process S1 is a process of boiling the 1st liquid mixture which added the cellulose biomass to water.
By performing boiling process S1, the entanglement of the lignin of cellulose biomass, cellulose, and hemicellulose is unwound, and it becomes a fibrous form. Thereby, the surface area of a cellulosic biomass increases and it becomes easy to contact an enzyme in the decomposition | disassembly process mentioned later.
At the same time, water-soluble components contained in the cellulosic biomass are eluted.

煮沸工程S1において、第1混合液には、水溶性有機溶剤及び/又は有機酸が含まれていてもよい。この場合、比較的温和な条件であっても、セルロース系バイオマスを解繊させ、繊維状とすることが可能となる。   In the boiling step S1, the first mixed liquid may contain a water-soluble organic solvent and / or an organic acid. In this case, even under relatively mild conditions, the cellulosic biomass can be fibrillated into a fibrous form.

ここで、水溶性有機溶剤としては、メタノール、エタノール等のアルコール類、グリセリン、エチレングリコール等の多価アルコール類、ジメチルスルホキシド、ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド等の非プロトン性極性溶剤等の水よりも比熱の低い水溶性有機溶剤が挙げられる。
これらの中でも、水溶性有機溶剤がアルコール類であることが好ましい。この場合、リグニンとセルロース及びヘミセルロースとの交絡をより一層解くことができる。また、アルコール類は人体にも無害であるため、安全性にも優れる。
Here, examples of the water-soluble organic solvent include alcohols such as methanol and ethanol, polyhydric alcohols such as glycerin and ethylene glycol, aprotic polar solvents such as dimethyl sulfoxide, dimethylformamide, and N, N-dimethylacetamide. A water-soluble organic solvent having a specific heat lower than that of water may be mentioned.
Among these, it is preferable that the water-soluble organic solvent is an alcohol. In this case, the entanglement of lignin with cellulose and hemicellulose can be further solved. Moreover, since alcohols are harmless to the human body, they are excellent in safety.

有機酸としては、酢酸、シュウ酸、蟻酸、コハク酸、乳酸、リンゴ酸、酒石酸、クエン酸等が挙げられる。
これらの中でも、酢酸、シュウ酸又はギ酸であることが好ましい。これらの有機酸は沸点が低いため、煮沸により容易に除去できる。
Examples of the organic acid include acetic acid, oxalic acid, formic acid, succinic acid, lactic acid, malic acid, tartaric acid, and citric acid.
Among these, acetic acid, oxalic acid or formic acid is preferable. Since these organic acids have a low boiling point, they can be easily removed by boiling.

セルロース系バイオマスと、水との配合割合は質量比で、1:1〜10であることが好ましい。この場合、リグニンとセルロース及びヘミセルロースとの交絡をより解くことができる。   The blending ratio of the cellulosic biomass and water is preferably 1: 1 to 10 by mass ratio. In this case, the entanglement of lignin with cellulose and hemicellulose can be further solved.

また、水溶性有機溶剤及び有機酸を更に混合させる場合、水と水溶性有機溶剤と有機酸との配合割合が(水:水溶性有機溶剤:有機酸)、2〜30質量%:65〜97.8質量%:0.2〜5質量%であることが好ましい。
有機酸の配合割合が、5質量%を超えると、有機酸の配合割合が上記範囲内にある場合と比較して、ヘミセルロース成分の過分解が起こる虞があり、水の配合割合が、30質量%を超えると、水の配合割合が上記範囲内にある場合と比較して、ヘミセルロース成分の過分解が起こる虞がある。
When the water-soluble organic solvent and the organic acid are further mixed, the mixing ratio of water, the water-soluble organic solvent, and the organic acid is (water: water-soluble organic solvent: organic acid), 2-30 mass%: 65-97. .8 mass%: It is preferable that it is 0.2-5 mass%.
When the blending ratio of the organic acid exceeds 5% by mass, the hemicellulose component may be excessively decomposed compared to the case where the blending ratio of the organic acid is within the above range, and the blending ratio of water is 30% by mass. When it exceeds%, the hemicellulose component may be excessively decomposed as compared with the case where the mixing ratio of water is within the above range.

水にセルロース系バイオマスを加えた第1混合液は、温度100〜150℃で、10〜60分間煮沸される。
このとき、温度が100℃未満であると、温度が上記範囲内にある場合と比較して、第1混合液の煮沸が不十分となり、高い糖化率で糖が得られない。一方、温度が150℃を超えると、温度が上記範囲内にある場合と比較して、一部の糖が分解してしまうため、高い糖化率で糖が得られなくなる。
The 1st liquid mixture which added the cellulose biomass to water is boiled for 10 to 60 minutes at the temperature of 100-150 degreeC.
At this time, when the temperature is less than 100 ° C., compared to the case where the temperature is within the above range, boiling of the first mixed solution becomes insufficient, and sugar cannot be obtained at a high saccharification rate. On the other hand, when the temperature exceeds 150 ° C., compared to the case where the temperature is within the above range, some sugars are decomposed, and therefore sugar cannot be obtained at a high saccharification rate.

煮沸工程は、耐圧容器内で行うことが好ましい。このときの耐圧容器内は、蒸気で飽和させることが好ましく、圧力が飽和蒸気圧の1〜5倍であることがより好ましい。
具体的には、耐圧容器内の圧力が、1〜5MPaであることが好ましい。
圧力が、1MPa未満であると、圧力が上記範囲内にある場合と比較して、第1混合液を煮沸させるのに時間がかかる。
The boiling step is preferably performed in a pressure vessel. The inside of the pressure vessel at this time is preferably saturated with steam, and the pressure is more preferably 1 to 5 times the saturated vapor pressure.
Specifically, the pressure in the pressure vessel is preferably 1 to 5 MPa.
When the pressure is less than 1 MPa, it takes time to boil the first mixed liquid as compared with the case where the pressure is in the above range.

耐圧容器内は、予め不活性ガス雰囲気下としておくことが好ましい。かかる不活性ガスとしては、窒素、アルゴン、ヘリウム等が挙げられる。この場合、酸化等によるセルロース系バイオマスの分解が抑制される。   The inside of the pressure vessel is preferably preliminarily placed in an inert gas atmosphere. Examples of the inert gas include nitrogen, argon, helium and the like. In this case, decomposition of the cellulosic biomass due to oxidation or the like is suppressed.

なお、煮沸工程が不活性ガス雰囲気下、温度100〜150℃、且つ、圧力0.1〜5MPaの条件で行われる場合、第1混合液において、セルロース系バイオマスを十分に解繊することができると共に、数十nmオーダーの微細孔が形成される。これにより、糖の収率を極めて向上させることができる。   In addition, when a boiling process is performed on conditions with a temperature of 100-150 degreeC and a pressure of 0.1-5 MPa in inert gas atmosphere, a cellulose biomass can fully be fibrillated in a 1st liquid mixture. At the same time, micropores on the order of several tens of nm are formed. Thereby, the yield of saccharide | sugar can be improved very much.

(冷却工程)
冷却工程S2は、煮沸工程S1にて煮沸した第1混合液を冷却する工程である。
(Cooling process)
Cooling process S2 is a process of cooling the 1st liquid mixture boiled in boiling process S1.

冷却工程S2は、第1混合液を室温まで空冷することにより行われる。なお、冷却方法は、空冷に限定されず、積極的に氷、冷蔵庫等で冷却してもよい。   Cooling process S2 is performed by air-cooling a 1st liquid mixture to room temperature. The cooling method is not limited to air cooling, and may be positively cooled with ice, a refrigerator, or the like.

(第1分解工程)
第1分解工程S3は、冷却工程S2にて冷却した第1混合液に加水分解酵素を加え、加水分解する工程である。
第1分解工程S3においては、酵素糖化法によりセルロース系バイオマスが加水分解される。
第1分解工程S3においては、セルロース系バイオマスの一部が糖化されることにより、水に溶出される。なお、このとき、セルラーゼ活性阻害物質もセルロース系バイオマスから遊離し、水に溶出されることになる。
(First decomposition step)
The first decomposition step S3 is a step of adding a hydrolase to the first mixed liquid cooled in the cooling step S2 to perform hydrolysis.
In the first decomposition step S3, the cellulosic biomass is hydrolyzed by the enzymatic saccharification method.
In the first decomposition step S3, part of the cellulosic biomass is saccharified to be eluted in water. At this time, the cellulase activity inhibitor is also released from the cellulosic biomass and eluted into water.

加水分解酵素としては、セルラーゼが用いられる。
かかるセルラーゼは、セルロースをグルコース等にまで分解する酵素を意味している。
かかる酵素としては、特に限定されないが、例えば、アクレモニウム属(Acremonium)菌、トリコデルマ属(Trichoderma)菌、フザリウム属(Fusarium)菌、ファネロケーテ属(Phanerochaete)菌、トレメテス属(Tremetes)菌、ペニシリウム属(Penicillium)菌、フミコーラ属(Humicola)菌、アスペルギルス属(Aspergillus)菌、ムラキア属(Mrakia)菌、ムラキエラ属(Mrakiella)菌等が挙げられ、これらの他にも、クロストリジウム属(Clostridium)菌、シュードモナス属(Pseudomonas)菌、セルロモナス属(Cellulomonas)菌、ルミノコッカス属(Ruminococcus)菌、バチルス属(Bacillus)菌等の細菌、スルフォロバス属(Sulfolobus)菌、ストレプトマイセス属(Streptomyces)菌、サーモアクチノマイセス属(Thermoactinomyces)菌等の放線菌が挙げられる。なお、これらの酵素は人工的に改変されていてもよい。また、これらの酵素は、1種類を単独で用いても、2種類以上を混合して用いてもよい。
また、セルラーゼは、一連の酵素群であってもよい。
かかる酵素群としては、エンドグルカナーゼ(EC 3.2.1.74)、セロビオヒドロラーゼ(EC 3.2.1.91)、β−グルコシナーゼ(EC 23.2.4.1,EC 3.2.1.21) 等が挙げられる。
なお、異なった微生物由来のセルラーゼを混合して用いることが好ましい。この場合、それらの相乗効果により、セルロースの糖化をより促進させることができる。
Cellulase is used as the hydrolase.
Such cellulase means an enzyme that decomposes cellulose into glucose or the like.
Examples of such enzymes include, but are not limited to, for example, Acremonium, Trichoderma, Fusarium, Phanerochaete, Tremetes, Peneticium, (Penicillium), Humicola, Aspergillus, Murakia, Murakiella, etc., in addition to these, Clostridium, Pseudomonas bacteria, Cellulomonas bacteria, Ruminococcus bacteria, Bacillus bacteria, etc. Bacteria, Sulfolobus genus (Sulfolobus) bacteria, the genus Streptomyces (Streptomyces) bacteria, the actinomycetes, such as thermo-actinomycin My genus (Thermoactinomyces) bacteria and the like. These enzymes may be artificially modified. Moreover, these enzymes may be used individually by 1 type, or may mix and use 2 or more types.
The cellulase may be a series of enzyme groups.
Such enzyme groups include endoglucanase (EC 3.2.1.74), cellobiohydrolase (EC 3.2.1.91), β-glucosinase (EC 23.2.4.1, EC 3.2). 1.21) and the like.
It is preferable to use a mixture of cellulases derived from different microorganisms. In this case, saccharification of cellulose can be further promoted by their synergistic effect.

第1分解工程S3における加水分解は、加水分解酵素を加えた第1混合液を、緩衝剤でpH3.5〜5.5に調整し、温度30〜50℃で1〜50時間処理することによって行われる。   Hydrolysis in the first decomposition step S3 is performed by adjusting the first mixed solution to which the hydrolase is added to pH 3.5 to 5.5 with a buffer and treating the mixture at a temperature of 30 to 50 ° C. for 1 to 50 hours. Done.

第1分解工程S3の加水分解反応は、回分式(バッチ式)で行ってもよいし、また固定化酵素を含むバイオリアクターを用いる連続式で行ってもよい。
また、第1分解工程S3に用いられる反応器としては、固定層反応器、流動層反応器、粉流相反応器等が挙げられ、固定層反応器が好ましく用いられる。
The hydrolysis reaction in the first decomposition step S3 may be performed in a batch system (batch system) or in a continuous system using a bioreactor containing an immobilized enzyme.
Moreover, as a reactor used for 1st decomposition process S3, a fixed bed reactor, a fluidized bed reactor, a powder flow phase reactor etc. are mentioned, A fixed bed reactor is used preferably.

第1分解工程S3においては、加水分解酵素に加え、酸を第1混合液に添加してもよい。この場合、酸による加水分解も同時に行われることになる。すなわち、セルロース系バイオマスに対して、酵素糖化法と酸糖化法とが同時に施されることになる。このため、糖化がより促進される。なお、かかる酸の添加は、上述したpH3.5〜5.5の範囲を逸脱しないことが好ましい。   In 1st decomposition process S3, in addition to a hydrolase, you may add an acid to a 1st liquid mixture. In this case, hydrolysis with an acid is also performed at the same time. That is, the enzymatic saccharification method and the acid saccharification method are simultaneously performed on the cellulosic biomass. For this reason, saccharification is promoted more. In addition, it is preferable that addition of this acid does not deviate from the range of pH 3.5-5.5 mentioned above.

(分離工程)
分離工程S4は、第1混合液を、水可溶画分と水不溶画分とに分離する工程である。このとき、水可溶画分には、糖とセルラーゼ活性阻害物質とが含まれる。なお、分離工程S4においては、水可溶画分と水不溶画分とを厳密に分離する必要は無い。すなわち、水不溶画分に、糖やセルラーゼ活性阻害物質が一部含まれていてもよい。
(Separation process)
Separation process S4 is a process of isolate | separating a 1st liquid mixture into a water-soluble fraction and a water-insoluble fraction. At this time, the water-soluble fraction contains a sugar and a cellulase activity inhibitor. In the separation step S4, it is not necessary to strictly separate the water-soluble fraction and the water-insoluble fraction. That is, the water-insoluble fraction may partially contain a sugar or a cellulase activity inhibitor.

分離工程S4において、水可溶成分と、水不溶成分との分離方法は、特に限定されないが、例えば、ろ過、吸引ろ過、デカンテーション、遠心分離等で行われる。   In the separation step S4, a method for separating the water-soluble component and the water-insoluble component is not particularly limited, and for example, filtration, suction filtration, decantation, centrifugation, and the like are performed.

(接触工程)
接触工程S5は、水可溶画分を、吸着担体に接触させ、精製水可溶画分とする工程である。すなわち、接触工程S5においては、水可溶画分を吸着担体に接触させることにより、セルラーゼ活性阻害物質が吸着担体に付着され該水可溶画分から除外される。
(Contact process)
The contact step S5 is a step in which the water-soluble fraction is brought into contact with the adsorption carrier to obtain a purified water-soluble fraction. That is, in the contact step S5, the cellulase activity inhibitor is attached to the adsorption carrier and excluded from the water-soluble fraction by bringing the water-soluble fraction into contact with the adsorption carrier.

ここで、吸着担体としては、セライト、珪藻土、ベントナイト、シリカゲル、活性炭、アルミナ、炭酸カルシウム等の無機担体、セラミックスパウダー、ポリビニルアルコール、ポリプロピレン、キトサン、イオン交換樹脂、疎水吸着樹脂、キレート樹脂、合成吸着樹脂等の有機担体が挙げられる。   Here, as the adsorption carrier, celite, diatomaceous earth, bentonite, silica gel, activated carbon, alumina, calcium carbonate, etc. inorganic carrier, ceramic powder, polyvinyl alcohol, polypropylene, chitosan, ion exchange resin, hydrophobic adsorption resin, chelate resin, synthetic adsorption An organic carrier such as a resin can be used.

これらの中でも、吸着担体は、セライト、珪藻土、ベントナイト、シリカゲル、活性炭、アルミナ及び炭酸カルシウムからなる群より選ばれる少なくとも1種であることが好ましく、セライトであることがより好ましい。
また、吸着担体は、生産効率及びセルラーゼ活性阻害物質との親和性の観点から、イオン交換樹脂であることが好ましい。
Among these, the adsorption carrier is preferably at least one selected from the group consisting of celite, diatomaceous earth, bentonite, silica gel, activated carbon, alumina, and calcium carbonate, and more preferably celite.
Moreover, it is preferable that an adsorption carrier is an ion exchange resin from a viewpoint of production efficiency and affinity with a cellulase activity inhibitory substance.

ここで、イオン交換樹脂としては、弱塩基性イオン交換樹脂が好適に用いられる。この場合、糖を通過させ、多種多様なセルラーゼ活性阻害物質を付着させることができる。これにより、水可溶画分からセルラーゼ活性阻害物質を効果的に除去される。
弱塩基性イオン交換樹脂の具体例としては、フェノールホルムアルデヒド系、ポリスチレン系、アクリルアミド系、ジビニルベンゼン系等が挙げられる。
Here, a weakly basic ion exchange resin is preferably used as the ion exchange resin. In this case, sugar can be passed and various cellulase activity inhibitors can be attached. Thereby, the cellulase activity inhibitor is effectively removed from the water-soluble fraction.
Specific examples of weakly basic ion exchange resins include phenol formaldehyde, polystyrene, acrylamide, and divinylbenzene.

吸着担体の平均粒径は、反応速度を向上の観点から、300μm未満であることが好ましい。
また、吸着担体は、多孔質であることが好ましい。吸着担体の形状としては、特に限定されないが、粒子状、粉末状、顆粒状、繊維状、スポンジ状等が挙げられる。
The average particle size of the adsorption carrier is preferably less than 300 μm from the viewpoint of improving the reaction rate.
The adsorption carrier is preferably porous. The shape of the adsorption carrier is not particularly limited, and examples thereof include particles, powders, granules, fibers, and sponges.

上記セルラーゼ活性阻害物質としては、セルロース系バイオマスの成分を由来とする水酸基を含有する化合物(以下「水酸基含有化合物」という。)やカルボン酸化合物等が挙げられる。
例えば、セルロース、ヘミセルロース由来物質として、メリビオース、トレハロース、マルトース、アラビノース、イソシトール、ラムノース、ラクトース、イヌリン、澱粉、リビトール、キシラン、セロビオース、キシロース、プルラン、キシリトール、フコース、ラフィノース、マンノース、アラビトール等の水酸基含有化合物、蟻酸、グルクロン酸、グルコン酸等のカルボン酸化合物が挙げられる。
リグニン・タンニン由来物質として、バニリン等の水酸基含有化合物、バニリン酸、タンニン酸、カフェー酸、p−ヒドロキシフェニル酢酸、トリメシン酸、没食子酸、フェルラ酸、グリコール酸等のカルボン酸化合物が挙げられる。
針葉樹のリグニン由来物質として、メチルグアヤコール、エチルグアヤコール、ビニルグアヤコール、オイゲノール、プロピルグアヤコール、イソオイゲノール、アセトグアイアコン、プロピオグアイアコン、グアイアシルアセトン、ジヒドロコニフェニルアルコール等の水酸基含有化合物が挙げられる。
広葉樹(ユーカリ木粉)のリグニン由来物質として、シナピルアルコール、エチルシリンゴール、ビニルシリンゴール、プロピルシリンゴール、アリルシリンゴール、プロペニルシリンゴール等の水酸基含有化合物、酢酸、タンニン酸、没食子酸等のカルボン酸化合物が挙げられる。
また、水酸基含有化合物及びカルボン酸化合物以外にも、吸着担体は、リグノセルロース系バイオマスを加水分解すると生成するフルフラール等のフラン化合物も付着させることができる。
Examples of the cellulase activity inhibitory substance include a compound containing a hydroxyl group derived from a component of cellulosic biomass (hereinafter referred to as “hydroxyl group-containing compound”), a carboxylic acid compound, and the like.
For example, cellulose, hemicellulose-derived substances containing hydroxyl groups such as melibiose, trehalose, maltose, arabinose, isositol, rhamnose, lactose, inulin, starch, ribitol, xylan, cellobiose, xylose, pullulan, xylitol, fucose, raffinose, mannose, arabitol Examples thereof include carboxylic acid compounds such as compounds, formic acid, glucuronic acid and gluconic acid.
Examples of lignin / tannin-derived substances include hydroxyl group-containing compounds such as vanillin, and carboxylic acid compounds such as vanillic acid, tannic acid, caffeic acid, p-hydroxyphenylacetic acid, trimesic acid, gallic acid, ferulic acid, and glycolic acid.
Examples of coniferous lignin-derived substances include hydroxyl-containing compounds such as methyl guaiacol, ethyl guaiacol, vinyl guaiacol, eugenol, propyl guaiacol, isoeugenol, acetoguaiacon, propioguaiacon, guaiacylacetone, and dihydroconiphenyl alcohol.
As lignin-derived substances of hardwood (eucalyptus wood flour), hydroxyl-containing compounds such as synapyl alcohol, ethyl syringol, vinyl syringol, propyl syringol, allyl syringol, propenyl syringol, acetic acid, tannic acid, gallic acid, etc. A carboxylic acid compound is mentioned.
In addition to the hydroxyl group-containing compound and the carboxylic acid compound, the adsorption carrier can also attach furan compounds such as furfural produced when hydrolyzing lignocellulosic biomass.

接触工程S5において、水可溶画分を、吸着担体に接触させる方法は、特に限定されないが、例えば、吸着担体をカラムに充填し、水可溶画分を該カラムに通すことにより行えばよい。この場合、接触工程S5を効率良く、簡単に行うことができる。   In the contacting step S5, a method for bringing the water-soluble fraction into contact with the adsorption carrier is not particularly limited. For example, the method may be performed by filling the column with the adsorption carrier and passing the water-soluble fraction through the column. . In this case, the contact step S5 can be performed efficiently and easily.

(第2分解工程)
第2分解工程S6は、接触工程S5で得られた精製水可溶画分を、分解工程S4で分離した水不溶画分に加えて第2混合液とし、該第2混合液を加水分解する工程である。
第2分解工程S6においては、酵素糖化法によりセルロース系バイオマスが加水分解される。
(Second decomposition step)
In the second decomposition step S6, the purified water-soluble fraction obtained in the contact step S5 is added to the water-insoluble fraction separated in the decomposition step S4 to form a second mixed solution, and the second mixed solution is hydrolyzed. It is a process.
In the second decomposition step S6, the cellulosic biomass is hydrolyzed by the enzymatic saccharification method.

ここで、加水分解酵素は一般に水不溶性であるので、分解工程S4で分離した水不溶画分には、第1分解工程S3で加えた加水分解酵素が含まれる。すなわち、第2分解工程S6においては、精製水可溶画分と、水不溶画分とを合わせるだけで、加水分解酵素が含まれており、該加水分解酵素をそのまま用いることができる。このことから、第1実施形態に係る糖の製造方法においては、加水分解酵素の使用量を減らすことができる。
なお、当然、第2分解工程S6において、別途、新たに加水分解酵素を添加してもよい。この場合も加水分解酵素としては、セルラーゼが用いられる。
Here, since the hydrolase is generally insoluble in water, the water-insoluble fraction separated in the decomposition step S4 includes the hydrolase added in the first decomposition step S3. That is, in the second decomposition step S6, a hydrolase is contained only by combining the purified water-soluble fraction and the water-insoluble fraction, and the hydrolase can be used as it is. From this, in the sugar manufacturing method according to the first embodiment, the amount of hydrolase used can be reduced.
Naturally, a hydrolase may be newly added separately in the second decomposition step S6. Again, cellulase is used as the hydrolase.

第2分解工程S6においては、未分解のセルロース系バイオマスが糖化されることにより、水に溶出される。なお、セルラーゼ活性阻害物質の多くは、第1分解工程S3で既にセルロース系バイオマスから遊離しており、第2分解工程S6においては、殆ど水に溶出されない。   In the second decomposition step S6, undecomposed cellulosic biomass is saccharified to be eluted in water. Note that most of the cellulase activity inhibitor is already liberated from the cellulosic biomass in the first decomposition step S3 and hardly eluted in water in the second decomposition step S6.

第2分解工程S6における加水分解は、第2混合液を、緩衝剤でpH3.5〜5.5に調整し、温度30〜50℃で24時間以上処理することによって行われる。   Hydrolysis in the second decomposition step S6 is performed by adjusting the second mixed solution to pH 3.5 to 5.5 with a buffer and treating it at a temperature of 30 to 50 ° C. for 24 hours or more.

第2分解工程S6の加水分解反応は、回分式(バッチ式)で行ってもよいし、また固定化酵素を含むバイオリアクターを用いる連続式で行ってもよい。
また、第2分解工程S6に用いられる反応器としては、固定層反応器、流動層反応器、粉流相反応器等が挙げられ、固定層反応器が好ましく用いられる。
The hydrolysis reaction in the second decomposition step S6 may be performed in a batch system (batch system) or in a continuous system using a bioreactor containing an immobilized enzyme.
Moreover, as a reactor used for 2nd decomposition process S6, a fixed bed reactor, a fluidized bed reactor, a powder flow phase reactor etc. are mentioned, A fixed bed reactor is used preferably.

第2分解工程S6においては、酸を第2混合液に添加してもよい。この場合、酵素糖化法と酸糖化法とが同時に施されることになるので、糖化がより促進される。なお、かかる酸の添加は、上述したpH3.5〜5.5の範囲を逸脱しないことが好ましい。   In the second decomposition step S6, an acid may be added to the second mixed solution. In this case, since the enzymatic saccharification method and the acid saccharification method are performed simultaneously, saccharification is further promoted. In addition, it is preferable that addition of this acid does not deviate from the range of pH 3.5-5.5 mentioned above.

第1実施形態に係る糖の製造方法においては、セルラーゼ活性阻害物質が除外された精製水可溶画分を、元の水不溶画分と合わせた第2混合液に対して第2分割工程S6を施すことで、高収率で糖化液を得ることが可能となる。   In the sugar production method according to the first embodiment, the second splitting step S6 is performed on the second mixed solution in which the purified water-soluble fraction from which the cellulase activity inhibitor is excluded is combined with the original water-insoluble fraction. It is possible to obtain a saccharified solution with a high yield.

得られる糖化液は、バイオ技術による有用物資生産のための培地原料あるいは炭素源として用いることができる。
また、糖化液中の糖類を化学的に、化成品や高分子原料、生理活性物質等の有用物質に変換して用いることができる。
具体的には、エタノールの原料、乳酸の原料、バイオエタノールの原料、バイオディーゼル製造等の用途に好適に用いることができる。
The obtained saccharified solution can be used as a medium raw material or a carbon source for producing useful materials by biotechnology.
In addition, the saccharides in the saccharified solution can be used by chemically converting them into useful substances such as chemical products, polymer raw materials, and physiologically active substances.
Specifically, it can be suitably used for applications such as ethanol raw materials, lactic acid raw materials, bioethanol raw materials, and biodiesel production.

(抽出工程)
抽出工程S7は、第2分解工程S6で得られた第2混合液から糖化液を分取し、糖を抽出する工程である。
抽出工程S7を施すことにより、より純度の高い糖を得ることが可能となる。
(Extraction process)
The extraction step S7 is a step of separating the saccharified solution from the second mixed solution obtained in the second decomposition step S6 and extracting the sugar.
By performing extraction process S7, it becomes possible to obtain sugar with higher purity.

糖を抽出する方法は、特に限定されないが、例えば、吸引ろ過により、不純物をろ別することにより、ろ液として糖化液が得られる。
そして、得られた糖化液は乾固させ、乾固した成分から水で抽出することにより糖が得られる。
ちなみに、こうして得られる糖には、ヘミセルロースの加水分解により得られる五単糖からなるオリゴ糖が含まれる。オリゴ糖は精製後、機能性食品素材として利用可能である。
The method for extracting the sugar is not particularly limited. For example, the saccharified solution can be obtained as a filtrate by separating impurities by suction filtration.
And the obtained saccharified liquid is dried and sugar is obtained by extracting with water from the dried components.
Incidentally, the sugar thus obtained includes an oligosaccharide composed of a pentasaccharide obtained by hydrolysis of hemicellulose. Oligosaccharides can be used as functional food materials after purification.

(エタノールの製造方法)
第1実施形態に係る糖の製造方法により得られる糖は、発酵法によりエタノールに変換することができる。
具体的には、得られた糖に酵母を加え、30℃程度の恒温槽内で反応させることにより、糖を生分解させエタノールとすることができる。
エタノールの製造方法によれば、上述の糖の製造方法で得られた糖を用いるので、収率が飛躍的に向上したものとなる。
(Ethanol production method)
The sugar obtained by the sugar production method according to the first embodiment can be converted to ethanol by a fermentation method.
Specifically, by adding yeast to the obtained sugar and reacting in a thermostatic bath at about 30 ° C., the sugar can be biodegraded to ethanol.
According to the ethanol production method, since the sugar obtained by the above-mentioned sugar production method is used, the yield is drastically improved.

得られるエタノールは、精製することにより、化成品原料、溶媒あるいは自動車用燃料に用いることができる。また、エタノールを含む水溶液は、アルコール系飲料とすることもできる。   The ethanol obtained can be used as a raw material for chemical products, a solvent, or a fuel for automobiles by purification. Moreover, the aqueous solution containing ethanol can also be used as an alcoholic beverage.

(乳酸の製造方法) 第1実施形態に係る糖の製造方法により得られる糖は、乳酸発酵菌を加え、30℃程度の恒温槽内で反応させることにより、糖を発酵させ乳酸とすることができる。
乳酸の製造方法によれば、上述の糖の製造方法で得られた糖を用いるので、収率が飛躍的に向上したものとなる。
(Manufacturing method of lactic acid) The saccharide obtained by the saccharide manufacturing method according to the first embodiment may be obtained by adding lactic acid fermentation bacteria and reacting in a thermostatic bath at about 30 ° C. to ferment the sugar into lactic acid. it can.
According to the method for producing lactic acid, since the sugar obtained by the aforementioned method for producing sugar is used, the yield is drastically improved.

[第2実施形態]
図2は、第2実施形態に係る糖の製造方法を示すフローチャートである。
図2に示すように、第2実施形態に係る糖の製造方法は、第1分解工程S3aと分離工程S4aと第2分解工程S6aとが連続して同じ系内で施されること以外は、第1実施形態に係る糖の製造方法と同じである。すなわち、第2実施形態に係る糖の製造方法は、煮沸する煮沸工程S1と、煮沸した第1混合液を冷却する冷却工程S2と、冷却した第1混合液に加水分解酵素を加え、所定の系内で加水分解する第1分解工程S3aと、第1分解工程S3aが施されている最中に、系内の第1混合液を、水可溶画分と水不溶画分とに分離する分離工程S4aと、水可溶画分を、吸着担体に接触させ、精製水可溶画分とする接触工程S5aと、該精製水可溶画分を、元の系に戻した(水不溶画分に戻した)第2混合液を、加水分解する第2分解工程S6aと、第2混合液から糖化液を分取し、糖を抽出する抽出工程S7と、を備える。
[Second Embodiment]
FIG. 2 is a flowchart showing a sugar production method according to the second embodiment.
As shown in FIG. 2, in the method for producing sugar according to the second embodiment, the first decomposition step S3a, the separation step S4a, and the second decomposition step S6a are continuously performed in the same system. This is the same as the sugar manufacturing method according to the first embodiment. That is, the sugar production method according to the second embodiment includes a boiling step S1 for boiling, a cooling step S2 for cooling the boiled first mixed solution, a hydrolase added to the cooled first mixed solution, While the first decomposition step S3a hydrolyzing in the system and the first decomposition step S3a are being performed, the first mixed liquid in the system is separated into a water-soluble fraction and a water-insoluble fraction. The separation step S4a and the water-soluble fraction are brought into contact with an adsorption carrier to make a purified water-soluble fraction, and the purified water-soluble fraction is returned to the original system (water-insoluble fraction). A second decomposition step S6a for hydrolyzing the second mixed solution (returned to minutes), and an extraction step S7 for separating the saccharified solution from the second mixed solution and extracting the sugar.

第2実施形態に係る糖の製造方法においては、第1分解工程S3aと第2分解工程S6aとが連続して施されるので、より簡単に糖を製造することが可能となる。なお、第2分解工程における加水分解酵素は、第1分解工程S3aのときに用いたものが引き続き用いられる。また、当然、第2分解工程S6aにおいて、別途、新たに加水分解酵素を添加してもよい。この場合も加水分解酵素としては、セルラーゼが用いられる。   In the sugar manufacturing method according to the second embodiment, since the first decomposition step S3a and the second decomposition step S6a are continuously performed, it is possible to manufacture sugar more easily. In addition, what was used in the 1st decomposition | disassembly process S3a is used continuously for the hydrolase in a 2nd decomposition | disassembly process. Naturally, a hydrolase may be newly added separately in the second decomposition step S6a. Again, cellulase is used as the hydrolase.

第2実施形態に係る糖の製造方法において、分離工程S4aと、接触工程S5aとは、連続して施すことが好ましい。水可溶画分を、これらの工程に循環させることにより、セルラーゼ活性阻害物質をより除外することができると共に、セルロース系バイオマスの糖化反応がより効率よく行うことができる。   In the sugar manufacturing method according to the second embodiment, it is preferable that the separation step S4a and the contact step S5a are continuously performed. By circulating the water-soluble fraction in these steps, the cellulase activity inhibitor can be excluded more and the saccharification reaction of the cellulosic biomass can be performed more efficiently.

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。   The preferred embodiment of the present invention has been described above, but the present invention is not limited to the above embodiment.

例えば、本実施形態に係る糖の製造方法においては、接触工程S5が、吸着担体をカラムに充填し、水可溶画分を該カラムに通すことにより行われているが、セルロース系バイオマスを含む水溶液に添加し、溶液全体を攪拌しながらセルラーゼ活性阻害物質を吸着担体に付着させてもよい。   For example, in the sugar production method according to the present embodiment, the contacting step S5 is performed by filling an adsorption carrier into a column and passing a water-soluble fraction through the column, but includes cellulosic biomass. It may be added to an aqueous solution, and the cellulase activity inhibitor may be attached to the adsorption carrier while stirring the entire solution.

本実施形態に係る糖の製造方法においては、抽出工程S7を施しているが、抽出工程S7は必ずしも必須の工程ではない。すなわち、第2分解工程S6で得られた第2混合液をそのまま用いてもよい。   In the sugar manufacturing method according to the present embodiment, the extraction step S7 is performed, but the extraction step S7 is not necessarily an essential step. That is, you may use the 2nd liquid mixture obtained by 2nd decomposition process S6 as it is.

本実施形態に係る糖の製造方法においては、煮沸工程S1で用いられるセルロース系バイオマスの直径が10mm以下であることが好ましく、5mm以下であることがより好ましく、2mm以下であることがさらに好ましい。
また、セルロース系バイオマスの直径が10mmより大きい場合、煮沸工程S1を施す前に、メカノケミカル工程を施すことが好ましい。
In the sugar production method according to the present embodiment, the diameter of the cellulosic biomass used in the boiling step S1 is preferably 10 mm or less, more preferably 5 mm or less, and even more preferably 2 mm or less.
Moreover, when the diameter of cellulosic biomass is larger than 10 mm, it is preferable to perform a mechanochemical process before performing boiling process S1.

ここで、メカノケミカル工程は、セルロース系バイオマスを粉砕し、直径10mm以下、好ましくは5mm以下、より好ましくは2mm以下とする工程である。
メカノケミカル工程において、セルロース系バイオマスを粉砕することにより、セルロース系バイオマスの表面積が大きくなる。そうすると、煮沸工程S1において、セルロース系バイオマスが薬液に浸漬させやすくなる。
Here, the mechanochemical process is a process in which the cellulosic biomass is pulverized to have a diameter of 10 mm or less, preferably 5 mm or less, more preferably 2 mm or less.
In the mechanochemical process, the surface area of the cellulosic biomass is increased by pulverizing the cellulosic biomass. If it does so, it will become easy to immerse a cellulose biomass in a chemical | medical solution in boiling process S1.

メカノケミカル工程は、粉砕機械を用いて行われる。
かかる粉砕機械としては、例えば、カッターミル、振動ボールミル、回転ボールミル、遊星型ボールミル、ロールミル、ディスクミル、高速回転羽根型ミキサー、ホモミキサー等が挙げられる。
The mechanochemical process is performed using a grinding machine.
Examples of such a pulverizing machine include a cutter mill, a vibration ball mill, a rotating ball mill, a planetary ball mill, a roll mill, a disk mill, a high-speed rotating blade type mixer, and a homomixer.

以下、実施例及び比較例に基づいて本発明をより具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated more concretely based on an Example and a comparative example, this invention is not limited to a following example.

(実施例1)
加水分解反応容器内に、メカノミケミカル処理したユーカリ木粉(セルロース系バイオマス)200gに、20mMクエン酸緩衝液(pH5.0)800mlを加え、121℃で30分間加熱した(煮沸工程)。
室温まで冷却した後(冷却工程)、セルラーゼ(天野エンザイム株式会社製、T−4)3FPU/gと、β−グルコシターゼ(ジェネンコア社製、Optimash BG)6μl/gとを加え、37℃で24時間攪拌(120rpm)を行い、加水分解反応を行った(第1分解反応)。
加水分解反応後、反応液を回収し、吸引ろ過によって水可溶画分と水不溶画分とに分離した(分離工程)。
水可溶画分は、イオン交換樹脂(ダウケミカル株式会社、ダウエックス・マラソンWBA、吸着担体)を充填したカラムを通過させ、セルラーゼ活性阻害物質を除去した(接触工程)。
イオン交換樹脂を通過した精製水可溶画分と、上記水不溶画分とを再び加水分解反応容器に戻し、さらにセルラーゼ6FPU/gとβ−グルコシターゼ12μl/gとを添加し加水分解反応を96時間継続させた(第2分解工程)。
加水分解反応終了後、再び吸引ろ過によって残渣を分離し、糖化液を得た(抽出工程)。
Example 1
In the hydrolysis reaction vessel, 800 ml of 20 mM citrate buffer (pH 5.0) was added to 200 g of mecanomi chemical-treated eucalyptus wood flour (cellulose-based biomass) and heated at 121 ° C. for 30 minutes (boiling step).
After cooling to room temperature (cooling step), cellulase (manufactured by Amano Enzyme Inc., T-4) 3FPU / g and β-glucosidase (Genencore, Optimash BG) 6 μl / g were added, and the mixture was heated at 37 ° C. for 24 hours. Stirring (120 rpm) was performed to conduct a hydrolysis reaction (first decomposition reaction).
After the hydrolysis reaction, the reaction solution was recovered and separated into a water-soluble fraction and a water-insoluble fraction by suction filtration (separation step).
The water-soluble fraction was passed through a column packed with an ion exchange resin (Dow Chemical Co., Dowex Marathon WBA, adsorption carrier) to remove the cellulase activity inhibitor (contacting step).
The purified water-soluble fraction that has passed through the ion-exchange resin and the water-insoluble fraction are returned to the hydrolysis reaction vessel again, and cellulase 6FPU / g and β-glucosidase 12 μl / g are added to the hydrolysis reaction to 96. The time was continued (second decomposition step).
After completion of the hydrolysis reaction, the residue was separated again by suction filtration to obtain a saccharified solution (extraction step).

(比較例1)
水可溶画分をイオン交換樹脂で処理しない(接触工程を施さない)こと以外は、実施例1と同様にして糖化液を得た。
(Comparative Example 1)
A saccharified solution was obtained in the same manner as in Example 1 except that the water-soluble fraction was not treated with an ion exchange resin (no contact step was performed).

(評価)
実施例1及び比較例1において、反応開始直後から24時間ごとに反応液の一部を採取し、3分間煮沸処理して完全に酵素を失活させた後、15000rpmで10分間遠心分離を行うことにより水可溶画分を回収した。
そして、回収した水可溶画分について、高速液体クロマトグラフィー(HPLC)によりグルコース濃度を測定し、グルコース生成速度を算出した。
なお、グルコースの定量条件は、検出器:東ソーRI−8020、カラム:TSK−gel G2500PWXL、TSK−gel G−3000PWXL、TSK−gel G6000PWXL、移動相:イオン交換水、流速:0.5ml/min、カラム温度:60℃とした。
実施例1における糖化時間とグルコース生成速度又はグルコース濃度との関係を示すグラフを図3に、比較例1における糖化時間とグルコース生成速度又はグルコース濃度との関係を示すグラフを図4に示す。
図3中、実施例1の条件にてセルラーゼ活性阻害物質の除去後、加水分解反応を行った際のグルコース生成速度を「○」、グルコース濃度を「△」で示す。
図4中、比較例1の条件にて加水分解反応を行った際のグルコース生成速度を「○」、グルコース濃度を「△」で示す。
(Evaluation)
In Example 1 and Comparative Example 1, a part of the reaction solution is sampled every 24 hours immediately after the start of the reaction, and after boiling for 3 minutes to completely deactivate the enzyme, centrifugation is performed at 15000 rpm for 10 minutes. The water-soluble fraction was recovered.
And about the collect | recovered water-soluble fraction, glucose concentration was measured by the high performance liquid chromatography (HPLC), and glucose production rate was computed.
The quantitative conditions for glucose were as follows: detector: Tosoh RI-8020, column: TSK-gel G2500PWXL, TSK-gel G-3000PWXL, TSK-gel G6000PWXL, mobile phase: ion-exchanged water, flow rate: 0.5 ml / min, Column temperature: 60 ° C.
A graph showing the relationship between saccharification time and glucose production rate or glucose concentration in Example 1 is shown in FIG. 3, and a graph showing the relationship between saccharification time and glucose production rate or glucose concentration in Comparative Example 1 is shown in FIG.
In FIG. 3, after removing the cellulase activity inhibitor under the conditions of Example 1, the glucose production rate when the hydrolysis reaction is carried out is indicated by “◯”, and the glucose concentration is indicated by “Δ”.
In FIG. 4, the glucose production rate when the hydrolysis reaction is performed under the conditions of Comparative Example 1 is indicated by “◯”, and the glucose concentration is indicated by “Δ”.

図3に示す結果より、実施例1のイオン交換樹脂を通過させた反応液は、反応開始48時間後においてもグルコース生成速度の低下が確認されず、この条件では反応終了後、グルコース濃度が約4.5%(w/v)の糖化液を得た。
一方、図4に示す結果より、比較例1でイオン交換樹脂を通過させなかった反応液は、反応開始48時間以降、セルラーゼ活性が大きく低下することが確認され、この条件では反応終了後、グルコース濃度が約3.2%(w/v)の糖化液を得た。
これらのことから、本発明に係る糖の製造方法によれば、糖化液中のグルコース濃度が従来よりも約1.4倍増えることが確認された。
From the results shown in FIG. 3, the reaction solution passed through the ion exchange resin of Example 1 does not show a decrease in glucose production rate even after 48 hours from the start of the reaction. A 4.5% (w / v) saccharified solution was obtained.
On the other hand, from the results shown in FIG. 4, it was confirmed that the reaction liquid that did not allow the ion exchange resin to pass through in Comparative Example 1 significantly decreased the cellulase activity after 48 hours from the start of the reaction. A saccharified solution having a concentration of about 3.2% (w / v) was obtained.
From these results, it was confirmed that the glucose concentration in the saccharified solution was increased by about 1.4 times compared to the conventional method according to the sugar production method of the present invention.

(実施例2)
実施例1で得られた糖化液を凍結濃縮し、グルコース濃度が20%(w/v)となるように調整した。そして、この糖化液に5%(w/v)となるように酵母エキスと麦芽エキスをそれぞれ添加し、この溶液にSaccharomyces cerevisiaeを1白金耳(10μl)加え、27℃で撹拌(120rpm)して培養することにより、エタノールを得た。
(Example 2)
The saccharified solution obtained in Example 1 was frozen and concentrated to adjust the glucose concentration to 20% (w / v). Then, yeast extract and malt extract are respectively added to this saccharified solution to 5% (w / v), and 1 platinum ear (10 μl) of Saccharomyces cerevisiae is added to this solution, followed by stirring (120 rpm) at 27 ° C. By culturing, ethanol was obtained.

(比較例2)
実施例1で得られた糖化液を用いる代わりに、比較例1で得られた糖化液を用いたこと以外は、実施例2と同様にして、エタノールを得た。
(Comparative Example 2)
Instead of using the saccharified solution obtained in Example 1, ethanol was obtained in the same manner as in Example 2 except that the saccharified solution obtained in Comparative Example 1 was used.

(コントロール)
実施例1で得られた糖化液を用いる代わりに、20%(w/v)の市販のグルコースを用いたこと以外は、実施例2と同様にして、エタノールを得た。
(Control)
Instead of using the saccharified solution obtained in Example 1, ethanol was obtained in the same manner as in Example 2 except that 20% (w / v) commercially available glucose was used.

(評価)
実施例2、比較例2及びコントロールにおいて、培養開始から24時間後毎に採取した培養溶液を、15000rpmで1分間遠心分離し、上清を回収した。回収した上清を、0.2μmのフィルターに通して菌体を完全除去し、高速液体クロマトグラフィー(HPLC)を用いてエタノール濃度を測定した。
エタノール定量条件は、検出器:東ソーRI−8020、カラム:TSK−gel G2500PWXL、TSK−gel G−3000PWXL、TSK−gel G6000PWXL、移動相:イオン交換水、流速0.5ml/min、カラム温度:60℃とした。
実施例2、比較例2及びコントロールにおける発酵時間(h)とエタノール濃度との関係のグラフを図5に示す。
図5中、実施例2で得られたエタノール濃度を「△」、比較例2で得られたエタノール濃度を「□」、コントロールで得られたエタノール濃度を「●」で示す。
(Evaluation)
In Example 2, Comparative Example 2 and the control, the culture solution collected every 24 hours after the start of culture was centrifuged at 15000 rpm for 1 minute, and the supernatant was collected. The collected supernatant was passed through a 0.2 μm filter to completely remove the cells, and the ethanol concentration was measured using high performance liquid chromatography (HPLC).
The ethanol quantification conditions were as follows: detector: Tosoh RI-8020, column: TSK-gel G2500PWXL, TSK-gel G-3000PWXL, TSK-gel G6000PWXL, mobile phase: ion-exchanged water, flow rate 0.5 ml / min, column temperature: 60 C.
FIG. 5 shows a graph of the relationship between fermentation time (h) and ethanol concentration in Example 2, Comparative Example 2 and the control.
In FIG. 5, the ethanol concentration obtained in Example 2 is indicated by “Δ”, the ethanol concentration obtained in Comparative Example 2 is indicated by “□”, and the ethanol concentration obtained by the control is indicated by “●”.

図5に示す結果より、実施例2の糖化液を利用したエタノール発酵は培養開始48時間目に最大となった。
また、培養48時間目のエタノール濃度測定の結果、比較例2の糖化液を利用したエタノール発酵ではコントロールとの比で約37.3%の発酵効率であったに対し、実施例2の糖化液を利用したエタノール発酵ではコントロールとの比で約84.4%の発酵効率であった。
さらに、実施例2及び比較例2のエタノール発酵でのエタノール生成量を比較すると、実施例2の糖化液を利用したエタノール発酵は、比較例2の糖化液を利用したエタノール発酵に比べ、約2.26倍のエタノール量が得られた。
From the results shown in FIG. 5, ethanol fermentation using the saccharified solution of Example 2 was maximized 48 hours after the start of the culture.
Moreover, as a result of measuring the ethanol concentration at 48 hours of culturing, ethanol fermentation using the saccharified solution of Comparative Example 2 showed a fermentation efficiency of about 37.3% compared to the control, whereas the saccharified solution of Example 2 In the ethanol fermentation using No. 1, the fermentation efficiency was about 84.4% compared with the control.
Furthermore, when the ethanol production amount in ethanol fermentation of Example 2 and Comparative Example 2 is compared, ethanol fermentation using the saccharified solution of Example 2 is about 2 compared to ethanol fermentation using the saccharified solution of Comparative Example 2. A 26-fold amount of ethanol was obtained.

(実施例3)
実施例1で得られた糖化液を凍結濃縮し、グルコース濃度が5%(w/v)となるように調整した。そして、この糖化液に2.5%(w/v)となるように酵母エキスを添加し、ジャーファンメーターに入れ、アルゴンガス雰囲気下、温度30℃、pH9.0とした。この溶液に前培養したEnterococcus casseliflavus L−120株を添加し、pH9.0、30℃で72時間撹拌(180rpm)して培養することにより、乳酸を得た。
(Example 3)
The saccharified solution obtained in Example 1 was freeze-concentrated and adjusted so that the glucose concentration was 5% (w / v). And yeast extract was added to this saccharified liquid so that it might become 2.5% (w / v), it put into the jar fan meter, and it was set as temperature 30 degreeC and pH 9.0 under argon gas atmosphere. Lactic acid was obtained by adding the pre-cultured Enterococcus caseiflavus L-120 strain to this solution and culturing with stirring (180 rpm) at pH 9.0 and 30 ° C. for 72 hours.

(比較例3)
実施例1で得られた糖化液を用いる代わりに、比較例1で得られた糖化液を用いたこと以外は、実施例3と同様にして、乳酸を得た。
(Comparative Example 3)
Lactic acid was obtained in the same manner as in Example 3 except that the saccharified solution obtained in Comparative Example 1 was used instead of the saccharified solution obtained in Example 1.

(コントロール)
実施例1で得られた糖化液を用いる代わりに、5%(w/v)の市販のグルコースを用いたこと以外は、実施例3と同様にして、乳酸を得た。
(Control)
Lactic acid was obtained in the same manner as in Example 3, except that 5% (w / v) of commercially available glucose was used instead of using the saccharified solution obtained in Example 1.

(評価)
実施例2、比較例2及びコントロールにおいて、培養開始から24時間後毎に採取した培養溶液を、15000rpmで1分間遠心分離し、上清を回収した。回収した上清を、0.2μmのフィルターに通して菌体を完全除去し、高速液体クロマトグラフィー(HPLC)を用いて乳酸濃度を測定した。
乳酸定量条件は、検出器:日立ハイテク社製2420 UV−VIS Detector(440nm)、カラム:GL−A180−S+ ガードカラム、溶離液:3mMHClO、流速:0.5ml/min、反応液:BTB溶液、流速:0.6ml/min、カラム温度:40℃とした。
実施例3、比較例3及びコントロールにおける発酵時間(h)と乳酸濃度との関係のグラフを図6に示す。
図6中、実施例3で得られた乳酸濃度を「△」、比較例3で得られた乳酸濃度を「◇」、コントロールで得られた乳酸濃度を「●」で示す。
(Evaluation)
In Example 2, Comparative Example 2 and the control, the culture solution collected every 24 hours after the start of culture was centrifuged at 15000 rpm for 1 minute, and the supernatant was collected. The collected supernatant was passed through a 0.2 μm filter to completely remove the cells, and the lactic acid concentration was measured using high performance liquid chromatography (HPLC).
The lactic acid quantification conditions were as follows: Detector: 2420 UV-VIS Detector (440 nm) manufactured by Hitachi High-Tech, column: GL-A180-S + guard column, eluent: 3 mM HClO 3 , flow rate: 0.5 ml / min, reaction solution: BTB solution The flow rate was 0.6 ml / min, and the column temperature was 40 ° C.
FIG. 6 shows a graph of the relationship between the fermentation time (h) and the lactic acid concentration in Example 3, Comparative Example 3 and the control.
In FIG. 6, the lactic acid concentration obtained in Example 3 is indicated by “Δ”, the lactic acid concentration obtained in Comparative Example 3 is indicated by “◇”, and the lactic acid concentration obtained by the control is indicated by “●”.

図6に示す結果より、実施例3の糖化液を利用した乳酸発酵は培養開始48時間目に最大となった。
また、培養48時間目の乳酸濃度測定の結果、比較例3の糖化液を利用した乳酸発酵ではコントロールとの比で約73.3%の発酵効率であったに対し、実施例3の糖化液を利用した乳酸発酵ではコントロールとの比で約96.1%の発酵効率であった。
さらに、実施例3及び比較例3の乳酸発酵での乳酸生成量を比較すると、実施例3の糖化液を利用した乳酸発酵は、比較例3の糖化液を利用した乳酸発酵に比べ、約1.31倍の乳酸量が得られた。
From the results shown in FIG. 6, lactic acid fermentation using the saccharified solution of Example 3 was maximized 48 hours after the start of the culture.
In addition, as a result of measurement of the lactic acid concentration at 48 hours after culturing, the lactic acid fermentation using the saccharified solution of Comparative Example 3 showed a fermentation efficiency of about 73.3% compared to the control, whereas the saccharified solution of Example 3 In the lactic acid fermentation using No. 1, the fermentation efficiency was about 96.1% compared with the control.
Furthermore, when the amount of lactic acid produced in lactic acid fermentation of Example 3 and Comparative Example 3 is compared, lactic acid fermentation using the saccharified solution of Example 3 is about 1 compared to lactic acid fermentation using the saccharified solution of Comparative Example 3. A 31-fold amount of lactic acid was obtained.

以上より、本発明によれば、セルロース系バイオマスを原料とし、比較的温和な条件であっても、十分高い糖化率で糖を製造でき、それを用いることにより、十分高い収率でエタノール及び乳酸が製造できることが確認された。   As described above, according to the present invention, sugar can be produced at a sufficiently high saccharification rate even under relatively mild conditions using cellulosic biomass as a raw material, and by using this, ethanol and lactic acid can be produced in a sufficiently high yield. It was confirmed that can be manufactured.

(参考実験)
1.セルラーゼ活性阻害の確認
表1に示すセルロース活性阻害物質がセルラーゼ活性に及ぼす影響を調査した。
20mMのp−ニトロフェニルグルコピラノシドを含む100mMのクエン酸緩衝液(pH5.0)に、表1に示す酵素を加え、表1に示すセルロース活性阻害物質の濃度が6%(w/v)となるように加え、30℃で10分間酵素反応を行った。なお、対照区として6%(w/v)の滅菌蒸留水を用いた。
そして、以下に示すように相対活性を算出した。
相対活性(%)=化合物におけるp−ニトロフェノール生成量(μmol/ml)×100/滅菌蒸留水におけるp−ニトロフェノール生成量(μmol/ml)
なお、表1中、「T4(Amano)」は、セルラーゼ(天野エンザイム株式会社製、T−4)であり、「Ctec(Novozyme)」は、セルラーゼ(Novozymes A/S社製、Cellic Ctec)であり、「A3(Amano)」は、セルラーゼ(天野エンザイム株式会社製、A−3)である。
得られた結果を表1に示す。
(Reference experiment)
1. Confirmation of Cellulase Activity Inhibition The effect of cellulose activity inhibitors shown in Table 1 on cellulase activity was investigated.
The enzyme shown in Table 1 is added to 100 mM citrate buffer (pH 5.0) containing 20 mM p-nitrophenylglucopyranoside, and the concentration of the cellulose activity inhibitor shown in Table 1 is 6% (w / v). The enzyme reaction was performed at 30 ° C. for 10 minutes. In addition, 6% (w / v) sterilized distilled water was used as a control group.
And relative activity was computed as shown below.
Relative activity (%) = p-nitrophenol production in compound (μmol / ml) × 100 / p-nitrophenol production in sterile distilled water (μmol / ml)
In Table 1, “T4 (Amano)” is cellulase (T-4 manufactured by Amano Enzyme Inc.), and “Ctec (Novozyme)” is cellulase (manufactured by Novozymes A / S, Cellic Ctec). “A3 (Amano)” is cellulase (A-3, manufactured by Amano Enzyme Co., Ltd.).
The obtained results are shown in Table 1.

(表1)

Figure 2014083003
(Table 1)
Figure 2014083003

表1に示すように、各セルラーゼは、特に、タンニン酸、トリメシン酸、没食子酸、グルコン酸、グリコール酸、酢酸等のカルボン酸化合物によって強く酵素活性が阻害されることがわかった。   As shown in Table 1, it was found that the enzyme activity of each cellulase was strongly inhibited by carboxylic acid compounds such as tannic acid, trimesic acid, gallic acid, gluconic acid, glycolic acid, and acetic acid.

2.実施例1及び比較例1にて生成したセルラーゼ活性阻害物質
実施例1及び比較例1の加水分解反応において、反応液中に含まれるタンニン酸、トリメシン酸、没食子酸の経時的な定量を行った。なお、実施例1においては、24時間後にイオン交換樹脂で処理(接触工程)している。
芳香族カルボン酸の定量は、検出器:日立ハイテク社製2420 UV−VIS Detector(254nm)、カラム:Wakosil−II 5C8 RS+ ガードカラム、移動相:アセトニトリル−50mMリン酸カリウム緩衝液
(pH4.0)(10:90)、流速:1.0ml/min、カラム温度:40℃で行った。
実施例1の糖化液に含まれるセルラーゼ活性阻害物質の定量結果を表2に、比較例1の糖化液に含まれるセルラーゼ活性阻害物質の定量結果を表3にそれぞれ示す。
2. Cellulase activity inhibitor produced in Example 1 and Comparative Example 1 In the hydrolysis reaction of Example 1 and Comparative Example 1, tannic acid, trimesic acid, and gallic acid contained in the reaction solution were quantified over time. . In Example 1, the treatment (contact process) is performed with an ion exchange resin after 24 hours.
The quantification of the aromatic carboxylic acid was carried out using a detector: 2420 UV-VIS Detector (254 nm) manufactured by Hitachi High-Tech, column: Wakosil-II 5C8 RS + guard column, mobile phase: acetonitrile-50 mM potassium phosphate buffer (pH 4.0). (10:90), flow rate: 1.0 ml / min, column temperature: 40 ° C.
Table 2 shows the quantification results of the cellulase activity inhibitor contained in the saccharified solution of Example 1, and Table 3 shows the quantification results of the cellulase activity inhibitor contained in the saccharified solution of Comparative Example 1.

(表2)

Figure 2014083003
(Table 2)
Figure 2014083003

(表3)

Figure 2014083003
(Table 3)
Figure 2014083003

表3に示すように、セルラーゼ活性阻害物質であるタンニン酸、トリメシン酸、没食子酸は、加水分解反応の経過に従い、継続的に溶出していることがわかった。
それに対し、表2に示すように、実施例1のイオン交換樹脂で処理した後(48時間後以降)は、セルラーゼ活性阻害物質の量が大きく減少することが確認された。すなわち、吸着担体の処理により、糖化液中の3化合物の含量が約60〜90%減少できることがわかった。
As shown in Table 3, tannic acid, trimesic acid, and gallic acid, which are cellulase activity inhibitors, were found to elute continuously as the hydrolysis reaction progressed.
On the other hand, as shown in Table 2, it was confirmed that after treatment with the ion exchange resin of Example 1 (after 48 hours), the amount of the cellulase activity inhibitor was greatly reduced. That is, it was found that the content of the three compounds in the saccharified solution can be reduced by about 60 to 90% by the treatment of the adsorption carrier.

本発明の糖の製造方法は、バイオ技術による有用物資生産のための培地原料あるいは炭素源となる糖の製造に用いることができる。
上記糖の製造方法によれば、簡単な工程でセルラーゼ活性阻害物質を十分に除去することができ、且つ高収率で糖が得られる。
The method for producing saccharides of the present invention can be used for the production of saccharides that can be used as raw materials for media or carbon sources for the production of useful materials by biotechnology.
According to the above sugar production method, the cellulase activity-inhibiting substance can be sufficiently removed by a simple process, and the sugar can be obtained in a high yield.

S1・・・煮沸工程
S2・・・冷却工程
S3,S3a・・・第1分解工程
S4,S4a・・・分離工程
S5,S5a・・・接触工程
S6,S6a・・・第2分解工程
S7・・・抽出工程
S1 ... boiling step S2 ... cooling step S3, S3a ... first decomposition step S4, S4a ... separation step S5, S5a ... contact step S6, S6a ... second decomposition step S7 ..Extraction process

Claims (11)

セルロース系バイオマスから糖を製造する方法であって、
水にセルロース系バイオマスを加え、煮沸する煮沸工程と、
煮沸した第1混合液を冷却する冷却工程と、
冷却した第1混合液に加水分解酵素を加え、温度30〜50℃で撹拌することにより加水分解する第1分解工程と、
前記第1混合液を、水可溶画分と水不溶画分とに分離する分離工程と、
前記水可溶画分を、吸着担体に接触させ、精製水可溶画分とする接触工程と、
該精製水可溶画分を、前記水不溶画分に加えて第2混合液とし、該第2混合液を、温度30〜50℃で撹拌することにより加水分解する第2分解工程と、
を備え、
前記接触工程において、前記水可溶画分を吸着担体に接触させることにより、セルラーゼ活性阻害物質が吸着担体に付着され該水可溶画分から除外される糖の製造方法。
A method for producing sugar from cellulosic biomass,
A boiling step of adding cellulosic biomass to water and boiling;
A cooling step for cooling the boiled first mixture;
Adding a hydrolase to the cooled first mixed liquid and hydrolyzing the mixture by stirring at a temperature of 30 to 50 ° C .;
A separation step of separating the first mixture into a water-soluble fraction and a water-insoluble fraction;
Contacting the water-soluble fraction with an adsorption carrier to obtain a purified water-soluble fraction;
A second decomposition step in which the purified water-soluble fraction is added to the water-insoluble fraction to form a second mixed solution, and the second mixed solution is hydrolyzed by stirring at a temperature of 30 to 50 ° C .;
With
A method for producing a saccharide, wherein in the contacting step, the cellulase activity inhibitor is attached to the adsorption carrier and excluded from the water-soluble fraction by bringing the water-soluble fraction into contact with the adsorption carrier.
前記第2分解工程後、前記第2混合液から糖化液を分取し、糖を抽出する抽出工程を更に備える請求項1記載の糖の製造方法。   The method for producing sugar according to claim 1, further comprising an extraction step of separating the saccharified solution from the second mixed solution and extracting the sugar after the second decomposition step. 前記第1分解工程と第2分解工程とが連続して施される請求項1又は2に記載の糖の製造方法。   The method for producing sugar according to claim 1 or 2, wherein the first decomposition step and the second decomposition step are successively performed. 前記吸着担体が、セライト、珪藻土、ベントナイト、シリカゲル、活性炭、アルミナ及び炭酸カルシウムからなる群より選ばれる少なくとも1種である請求項1〜3のいずれか1項に記載の糖の製造方法。   The method for producing sugar according to any one of claims 1 to 3, wherein the adsorption carrier is at least one selected from the group consisting of celite, diatomaceous earth, bentonite, silica gel, activated carbon, alumina, and calcium carbonate. 前記吸着担体が、イオン交換樹脂である請求項1〜3のいずれか1項に記載の糖の製造方法。   The method for producing sugar according to any one of claims 1 to 3, wherein the adsorption carrier is an ion exchange resin. 前記イオン交換樹脂が、弱塩基性イオン交換樹脂である請求項5記載の糖の製造方法。   The method for producing sugar according to claim 5, wherein the ion exchange resin is a weakly basic ion exchange resin. 前記接触工程が、前記吸着担体をカラムに充填し、前記水可溶画分を該カラムに通すことにより行われる請求項1〜6のいずれか1項に記載の糖の製造方法。   The sugar production method according to any one of claims 1 to 6, wherein the contacting step is performed by filling the adsorption carrier into a column and passing the water-soluble fraction through the column. 前記セルラーゼ活性阻害物質が、水酸基含有化合物及び/又はカルボン酸化合物である請求項1〜7のいずれか1項に記載の糖の製造方法。   The method for producing sugar according to any one of claims 1 to 7, wherein the cellulase activity inhibitor is a hydroxyl group-containing compound and / or a carboxylic acid compound. 前記煮沸工程が不活性ガス雰囲気下、温度100〜150℃、圧力0.1〜5MPaの条件で行われる請求項1〜8のいずれか1項に記載の糖の製造方法。   The method for producing sugar according to any one of claims 1 to 8, wherein the boiling step is performed under conditions of a temperature of 100 to 150 ° C and a pressure of 0.1 to 5 MPa in an inert gas atmosphere. 請求項1〜9のいずれか1項に記載の糖の製造方法によって得られる糖に酵母を加えることにより、前記糖を生分解させエタノールとするエタノールの製造方法。   The manufacturing method of ethanol which biodegrades the said saccharide | sugar by adding yeast to the saccharide | sugar obtained by the saccharide | sugar manufacturing method of any one of Claims 1-9. 請求項1〜9のいずれか1項に記載の糖の製造方法によって得られる糖に乳酸発酵菌を加えることにより、前記糖を発酵させ乳酸とする乳酸の製造方法。

A method for producing lactic acid, wherein a lactic acid-fermenting bacterium is added to the sugar obtained by the method for producing a sugar according to any one of claims 1 to 9, thereby fermenting the sugar to produce lactic acid.

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