糖液的制造方法

糖液的制造方法
【專利摘要】本發明的課題是制造發酵抑制物質量極其少的糖液。本發明是一種糖液的制造方法，是使用納濾膜和/或反滲透膜將來源于纖維素的糖水溶液進行濃縮的方法，添加陰離子系聚合物，將發酵抑制物質移除至納濾膜和/或反滲透膜的透過側。
【專利說明】糖液的制造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及由含有纖維素的生物質來制造糖液的方法。
【背景技術】
[0002]將糖作為原料的化學品的發酵生產工藝被用于各種工業原料生產中。作為該成為發酵原料的糖，現在在工業上使用來源于甘蔗、淀粉、甜菜等食用原料的糖，但是從今后世界人口的增加帶來的食用原料價格的暴漲、或與食用競爭這樣的倫理方面考慮，由能夠再生的非食用資源、即含有纖維素的生物質來有效率地制造糖液的工藝，或者將所得的糖液作為發酵原料來有效率地轉換為工業原料的工藝的構建成為今后的課題。
[0003]作為由生物質獲得糖的現有技術，一般已知使用濃硫酸，將生物質中的纖維素、半纖維素進行水解直至以葡萄糖、木糖為代表的單糖的方法(專利文獻1、2)，實施使生物質的反應性提高的前處理后，通過酶反應來進行水解的方法(專利文獻3、4)。
[0004]然而，有在含有纖維素的生物質的水解時纖維素或半纖維素成分等分解的同時，所生成的成為葡萄糖、木糖的糖的分解物反應也進行，糠醛、羥基甲基糠醛等呋喃化合物、或甲酸、乙酸等有機酸這樣的副產物也生成等課題。這些化合物在利用了微生物的發酵工序中起阻礙作用，引起微生物的增殖阻礙，使發酵產物的收率降低，因此也被稱為發酵抑制物質，將含有纖維素的生物質糖液作為發酵原料利用時為大的課題。
[0005]作為在糖液制造過程中除去這樣的發酵抑制物質的方法，公開了過堿化(overliming)這樣的方法(非專利文獻I)。在該方法中，在對酸處理后的纖維素或糖化液添加石灰進行中和的工序中，加溫至60°C附近同時保持一定時間，從而將糠醛、HMF等發酵抑制物質與石膏成分一起除去的方法`。然而，在過堿化中，有甲酸、乙酸、乙酰丙酸等有機酸的除去效果小這樣的課題。
[0006]此外，作為除去發酵抑制物質的其它方法，公開了通過在來自含有纖維素的生物質的糖液中吹入水蒸氣，從而將發酵抑制物質蒸發除去的方法(專利文獻5)。然而在這樣的蒸發除去的方法中存在如下課題:要依賴于發酵抑制物質的沸點，特別是沸點高的有機酸等發酵抑制物質的除去效率低，為了獲得充分的除去效率，必須投入很大的能量。
[0007]此外，還有通過離子交換來除去發酵抑制物質的方法(專利文獻6)，但存在成本上的課題。此外還有使用木質系碳化物，即活性炭等來進行吸附除去的方法，但有除去對象限定于疏水性化合物這樣的課題(專利文獻7)。
[0008]此外，還有用膜除去發酵抑制物質的方法(專利文獻8)，但有可以將發酵抑制物質移除至膜的透過側的量受到限定這樣的課題。
[0009]現有技術文獻
[0010]專利文獻
[0011]專利文獻1:日本特表平11 - 506934號公報
[0012]專利文獻2:日本特開2005 - 229821號公報
[0013]專利文獻3:日本特開2001 - 95597號公報[0014]專利文獻4:日本特許第3041380號公報
[0015]專利文獻5:日本特開2004 - 187650號公報
[0016]專利文獻6:日本特表2001 - 511418號公報
[0017]專利文獻7:日本特開2005 - 270056號公報
[0018]專利文獻8:國際公開第2010/067785號小冊子
[0019]非專利文獻
[0020]非專利文獻1:M Alfred 等，“Effect of pH, time and temperature ofoverliming on detoxification of dilute — acid hydrolyzates for fermentation bySaccaromyces Cerevisiae，，Process Biochemistry，38，515 — 512 (2002)

【發明內容】

[0021]發明所要解決的課題
[0022]因此，本發明中，提供解決上述那樣的課題的方法，即將由含有纖維素的生物質來制造糖的工序中所生成的發酵抑制物質在糖液制造的工序中除去的方法，還提供制造發酵抑制物質量極其少的精制糖液的方法。
[0023]用于解決課題的方法
[0024]本發明人等深入研究了上述課題，結果發現，在由含有纖維素的生物質來制造糖液的工序中，在來源于含有纖維素的生物質的糖水溶液(以下，稱為來源于纖維素的糖水溶液。)中添加陰離子系聚合物后，將該糖水溶液通過納濾膜和/或反滲透膜，從而從成為發酵原料的糖液中分離除去發 酵抑制物質，與僅通過納濾膜和/或反滲透膜從成為發酵原料的糖液中分離除去發酵抑制物質相比，從糖液中分離除去發酵抑制物質的效果提高。即，本發明具有以下的構成。
[0025]一種糖液的制造方法，其特征在于，在使用納濾膜和/或反滲透膜將來源于纖維素的糖水溶液進行濃縮時，在該來源于纖維素的糖水溶液中添加水溶性陰離子系聚合物，將發酵抑制物質移除至該納濾膜和/或反滲透膜的透過側。
[0026]一種化學品的制造方法，將由上述制造方法獲得的糖液作為發酵原料，對具有生產化學品的能力的微生物進行發酵培養。
[0027]發明的效果
[0028]通過本發明，能夠從來源于纖維素的糖水溶液，除去作為發酵抑制物質的乙酸、甲酸、香豆酸、阿魏酸等有機酸，另一方面，可以以高純度、高收率制造葡萄糖、木糖等糖。其結果是通過使用由本發明獲得的精制糖液作為發酵原料，從而可以使各種化學品的發酵生產的效率提聞。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0029]圖1為在制造糖液時添加假定的陰離子系聚合物的方法的一例。
[0030]圖2為在制造糖液時添加假定的陰離子系聚合物的方法的一例。
【具體實施方式】
[0031]以下，更詳細地說明本發明。[0032]本發明的所謂來源于纖維素的糖水溶液，是指通過對含有纖維素的生物質實施前處理，或在前處理后實施酶處理，從而將含有纖維素的生物質中的纖維素或半纖維素成分進行水解而使葡萄糖或木糖的單糖和寡糖溶解在水中的水溶液。
[0033]本發明的所謂含有纖維素的生物質，是指包含5重量％以上纖維素的來源于生物的資源。具體而言，可舉出甘蔗渣、柳枝稷、象草、斑茅、玉米秸桿、稻秸、麥秸等草本系生物質、樹木、廢建材等木質系生物質等作為例子。這些含有纖維素的生物質由于含有作為芳香族高分子的木質素和纖維素、半纖維素，因此也被稱為木質纖維素。通過將含有纖維素的生物質所包含的作為多糖成分的纖維素、半纖維素進行水解，從而可以獲得包含可利用的單糖的糖液作為發酵原料。
[0034]本發明的所謂前處理，是對含有纖維素的生物質實施物理、化學處理。作為更具體的前處理，可舉出用高溫高壓的稀硫酸、亞硫酸鹽等進行處理的酸處理；用氫氧化鈣、氫氧化鈉等堿性水溶液進行處理的堿處理；用液態氨或氨氣或氨水溶液進行處理的氨處理；用加壓熱水進行處理的水熱處理；使用切割研磨機、錘磨機、磨床等來機械地切斷纖維的微粉碎處理；通過水蒸氣進行短時間蒸煮，瞬時釋放壓力而利用體積膨脹進行粉碎的蒸煮炸碎處理等，但不限于此。
[0035]前處理中，酸處理為將硫酸、亞硫酸鹽等酸性水溶液與含有纖維素的生物質在高溫高壓的條件下進行處理來獲得前處理物的處理方法。酸處理一般具有使木質素溶解，進而首先由結晶性低的半纖維素成分發生水解，接著結晶性高的纖維素成分分解這樣的特征，因此能夠獲得大量含有來源于半纖維素的木糖的液體。此外，通過設定2階段以上的工序，從而可以設定適于半纖維素、纖維素的水解條件，能夠使分解效率和糖收率提高。
[0036]酸處理中所使 用的酸只要是引起水解的酸，就沒有特別限定，但從經濟性的觀點出發，期望為硫酸。酸的濃度優選為0.1-15重量％，更優選為0.5-5重量％。反應溫度可以設定為100-300°C的范圍。反應時間可以在I秒-60分鐘的范圍設定。處理次數沒有特別限定，只要進行I次以上即可。酸處理后的通過糖化酶進行的分解可以劃分酸處理后所得的前處理物中的固體成分和液體成分來分別進行，固體成分和液體成分也可以混合直接進行。由于在通過酸處理而獲得的固體成分和液體成分中包含所用的酸，因此為了進行通過糖化酶進行的水解反應而進行中和。此外，也能夠僅使用酸處理時所得的液體成分。在液體成分中即使不添加糖化酶，也大量包含利用酸進行水解而獲得的以來源于半纖維素的成分作為主成分的單糖及其寡糖。可以不添加糖化酶而使用該液體成分作為供于納濾膜和/或反滲透膜的液體。
[0037]前處理中，水熱處理為以100-400°C的加壓熱水，進行I秒-60分鐘處理的方法。通常，以使處理后的在25°C的常溫下不溶于水的含有纖維素的生物質相對于含有纖維素的生物質和水的合計總重量為0.1-50重量％的濃度的方式進行。由于壓力取決于處理溫度，因此沒有特別限定，但優選為0.01-lOMPa。
[0038]前處理中，水熱處理時，根據加壓熱水的溫度，在熱水中的溶出成分不同。一般而言，如果使加壓熱水的溫度上升，則從含有纖維素的生物質首先流出丹寧、木質素的第I組，接下來在140-150°C以上流出半纖維素的第2組，進而如果超過約230°C，則流出纖維素的第3組。此外，有時與流出同時發生半纖維素、纖維素的水解反應。為了利用由加壓熱水的溫度帶來的流出成分的差異，而使糖化酶相對于纖維素、半纖維素的反應效率提高，可以改變處理溫度來進行多階段的處理。這里，在通過水熱處理獲得的餾分中，將包含在加壓熱水中溶出的成分的水溶物稱為熱水可溶成分，將除去了熱水可溶成分的物質稱為熱水不溶成分。
[0039]熱水不溶成分為由于大量木質素和半纖維素成分溶出了而獲得的、主要包含二糖以上的纖維素(C6)成分的固體成分。除了主成分的纖維素以外，有時還包含半纖維素成分、木質素成分。它們的含有比率根據水熱處理的加壓熱水的溫度、處理生物質的種類而變化。熱水不溶成分的含水率為10%-90%，更優選為20%-80%。
[0040]熱水可溶成分為包含在液體狀態或漿料狀態的加壓熱水中溶出的半纖維素、木質素、丹寧、一部分的纖維素成分的水溶物，為液體狀態或漿料狀態。熱水可溶成分中的溶出成分的含有率通常為0.1重量％以上10重量％以下。這里，熱水可溶成分中的溶出成分的含有率的測定可以使用含水率計(例如，’ y卜科學研究所制紅外線水分計FD720)來進行。具體而言，關于測定的熱水可溶成分，可以使用從100%減去用含水率計獲得的含水率而得的值。溶出成分不限于單糖、寡糖等水溶成分，為混入水中的全部成分，其還包含靜置后所產生的沉淀、不沉淀但分散在液體中的膠體成分。
[0041]特別是熱水可溶成分由于大量包含作為發酵抑制物質的甲酸、乙酸等有機酸，HMF、糠醛等呋喃系、芳香族系化合物，因此直接使用采用糖化酶對熱水可溶成分進行了處理的糖溶液，進行化學品的發酵生產通常是困難的。此外，熱水可溶成分所包含的成分大量包含膠體成分、微粒成分，在使用了膜的過濾中，它們也可能成為膜堵塞的因素。作為熱水可溶成分而獲得的液體成分大量包含通過熱水而發生了水解的糖，該成分除了單糖以外還大量包含其寡糖。可以加入酶來進一步進行水解，也可以不加入酶而直接作為供于納濾膜和/或反滲透膜的液體。
[0042]前處理中，堿處理為采用堿性水溶液、通常為氫氧化物鹽(其中，氫氧化銨除外)的水溶液使含有纖維素的生物質進行反應的處理方法。通過堿處理，主要可以除去阻礙纖維素、半纖維素的通過糖化酶進行反應的木質素。作為所使用的氫氧化物鹽，優選為氫氧化鈉或氫氧化鈣。堿性水溶液的濃度優選為0.1-60重量％的范圍，將其添加至含有纖維素的生物質中，通常在100-200 °C、優選為110°C-180°C的溫度范圍進行處理。處理次數沒有特別限定，可以進行I次或多次。在進行2次以上的情況下，可以在不同的條件下實施各次處理。通過堿處理而獲得的前處理物由于包含堿，因此在進行通過糖化酶進行的水解之前進行中和。
[0043]前處理中，氨處理為使氨水溶液或純氨(液體或氣體)與來源于纖維素的生物質進行反應的處理方法。可以使用例如，日本特開2008 - 161125或日本特開2008 — 535664中所記載的方法。氨處理中，可以說通過氨與纖維素成分進行反應，從而纖維素的結晶性崩潰，從而與糖化酶的反應效率大幅度提高。通常，以相對于含有纖維素的生物質成為0.1-15重量％的范圍的濃度的方式在含有纖維素的生物質中添加氨，在4°C-200 V、優選為60V-150°C進行處理。處理次數沒有特別限定，可以進行I次或多次。通過氨處理而獲得的前處理物在進行通過糖化酶進行的水解反應之前，進行氨的中和或氨的除去。中和所使用的酸試劑沒有特別限定。可以通過例如鹽酸、硝酸、硫酸等酸進行中和，但考慮到不成為工藝配管的腐蝕性和發酵抑制因素，優選為硫酸。氨的除去可以通過將氨處理物保持為減壓狀態來使氨揮發而除去。[0044]此外，來源于纖維素的糖水溶液可以為在以上的前處理后進行酶處理，通過水解反應而得到的糖水溶液。
[0045]在本發明中，所謂糖化酶，是指具有分解纖維素或半纖維素的活性，或輔助纖維素或半纖維素的分解的酶成分。作為具體的酶成分，可以例示纖維二糖水解酶、內切葡聚糖酶、外切葡聚糖酶、β葡糖苷酶、木聚糖酶、木糖苷酶、生物質膨潤酶等。此外，糖化酶優選為包含多種這些成分的酶混合物。例如，纖維素、半纖維素的水解中，由于可以更高效率地實施這樣的多個酶成分的協調效果或補充效果，因此在本發明中優選被使用。
[0046]在本發明中，糖化酶可以優選使用通過微生物而產生的酶。例如，可以為包含一種微生物所產生的多個酶成分的糖化酶，此外可以為由多種微生物產生的酶成分的混合物。
[0047]產生糖化酶的微生物為在細胞內或細胞外產生糖化酶的微生物，優選為在細胞外產生糖化酶的微生物。這是因為在為細胞外所產生的微生物時糖化酶回收容易。
[0048]產生糖化酶的微生物只要產生上述酶成分就沒有特別限定，優選為絲狀菌，分類至木霉屬的絲狀菌(以下，也稱為木霉屬菌。)在細胞外大量分泌多種糖化酶，因此可以作為產生糖化酶的微生物而特別優選使用。
[0049]此外，本發明中使用的糖化酶優選為來源于木霉屬菌的糖化酶，更優選為里氏木霉 QM9414 (Trichoderma reesei QM9414)、里氏木霉 QM9123 (Trichoderma reeseiQM9123)、里氏木霉 RutC — 30 (Trichoderma reeseiRut C — 30)、里氏木霉 PC3 — 7 (Trichodermareesei PC3 — 7)、里氏木霉 CL — 847 (Trichoderma reeseiCL — 847)、里氏木霉MCG77 (Trichoderma reesei MCG77)、里氏木霉 MCG80 (Trichoderma reesei MCG80)、綠色木霉 QM9123 (Trichoderma viride QM9123)、長柄木酶(Trichoderma longibrachiatum、CBS614.94)等來源于木霉屬菌的糖化酶。此外，可以為來源于用誘變劑或紫外線照射等對木霉屬絲狀菌實施誘變處理，使糖化酶的生產性提高了的突變株的糖化酶。例如，可以為來源于使木霉屬菌以大量出現一部分酶成分的方式進行了改變的突變株的、糖化酶的組成比率被變更了的糖化酶。
[0050]可以使用市售的來源于木霉屬菌的糖化酶。可以例示例如，)社社的
“來自里氏木霉ATCC2691的纖維素酶”、“來自綠色木霉的纖維素酶”、“來自長柄木酶的纖維
素酶”等。
[0051]來源于木霉屬菌的糖化酶可以通過在以產生酶成分的方式調制的培養基中，在任意的期間培養木霉屬菌來獲得。所使用的培養基成分沒有特別限定，但為了促進糖化酶的產生，可以優選使用添加有纖維素的培養基。此外，優選直接使用培養液，或優選使用除去了木霉菌體的培養上清液。此外，可以為了酶穩定化而作為添加劑添加了蛋白酶抑制劑、分散劑、溶解促進劑、穩定劑等。
[0052]來源于木霉屬菌的糖化酶中的各酶成分的種類、其成分比沒有特別限定。例如，在來源于里氏木霉的培養液中，包含纖維二糖水解酶、β葡糖苷酶等。在木霉屬菌的情況下，由于活性高的纖維二糖水解酶在培養液中被生產，β葡糖苷酶保持在細胞內或細胞表層，因此培養液中的β葡糖苷酶活性降低，在該情況下，培養上清液中可以進一步添加異種或同種的β葡糖苷酶。作為這里所添加的異種的β葡糖苷酶，可以優選使用來源于曲霉菌屬菌的β葡糖苷酶。作為來源于曲霉菌屬菌的β葡糖苷酶，可以例示例如由VA
社市售的“Novozymel88”等。
[0053]本發明的所謂陰離子系聚合物，是指主鏈或側鏈部分帶電為負離子(陰離子)的聚合物。作為形態，可以為單一的陰離子系單體或多個陰離子系單體的聚合物，可以為包含陰離子系單體的共聚物。共聚的形態也沒有特別限定，無規共聚物、嵌段共聚物、接枝共聚物、交替共聚物都可以。此外，可以為上述2種以上聚合物的混合物，它們中的I種為陰離子系化合物即可。這是因為有時通過使用2種以上，從而效果提高。此外，上述陰離子系聚合物限定于水溶性的陰離子系聚合物。所謂水溶性的陰離子系聚合物，是指陰離子性聚合物在25°C時在水中的溶解度為lg/L以上。更優選為10g/L以上。這是因為如果不是水溶性的陰離子系聚合物，則會使膜堵塞，不能發揮本發明的效果。陰離子系聚合物的重均分子量，作為以GPC法測定得到的值，為100以上20000以下，更優選為200以上10000以下，進一步優選為在磷酸系聚合物時為300以上1000以下，在羧酸系聚合物時為2000以上8000以下。這是因為如果溶解度低，或分子量大，則液體的粘性上升，根據情況分子凝集而在納濾膜和/或反滲透膜中污染的可能性提高。此外，基本分子結構單元的重復數優選為2-200的范圍。如果重復數為2以上，則有機酸的除去性能提高，因此優選,此外如果重復數為200以下，則在水中的溶解性良好，聚合物彼此作用而凝集的可能性降低，因此優選。
[0054]作為本發明涉及的陰離子系聚合物，優選為選自磷酸系聚合物的鹽、磷酸系聚合物、聚羧酸系聚合物的鹽和聚羧酸系聚合物、聚磺酸系聚合物中的聚合物，更優選為選自磷酸系聚合物的鹽、磷酸系聚合物、聚羧酸系聚合物的鹽和聚羧酸系聚合物中的聚合物。其中優選為聚羧酸系聚合物或其鹽、和無機磷酸聚合物或其鹽。此外更優選為無機多磷酸鹽。越是優選的聚合物，則如實施例所記載，越具有提高有機酸的除去性能的效果。本發明中獲得有機酸的除去性能的理由不清楚，但推測為保持有機酸的離子化物，例如，甲酸根離子、乙酸根離子的對方的陽離子(cation)，例如包含在糖液中的可能性高的鈉離子、鉀離子、鈣離子、硅系離子、鎂離子、銨離子、鐵離子等通過陰離子系聚合物而被保持，以游離的有機酸分子的形式透過膜。因此，上述陰離子系聚合物更優選為具有螯合陽離子那樣的性質的聚合物。`
[0055]聚羧酸系聚合物是指在主鏈或側鏈具有羧酸的聚合物。具體而言，可以例示聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸、聚馬來酸、聚富馬酸、聚衣康酸、聚苯乙烯甲酸、聚I 一羧基一 I甲基四亞甲酯、聚{1- [(2 一羧基苯基)亞氨基甲基]一 2 —苯基亞乙酯、聚[(E，E) - 6 一氨基己一 2，4 一二烯酸、聚(22，24 一二十五二炔酸)、聚(10，12 一二十五二炔酸)、聚{ (1，3 —二氧代二氫吲哚一 5.2 二基)[雙(三氟甲基)亞甲基](1，3—二氧代二氫吲哚一 5.2 二基)(5 —羧基一 1，3 一亞苯基)}、聚(3 —羧基苯基馬來酰亞胺)、聚(3 —甲基吡咯一 4 -甲酸)、聚(2 —氨基苯甲酸)聚[二氯(3 —氰基丙基)甲基硅烷]、聚(2 —羥基一 3甲基苯乙酸)、聚[I 一(羧基辛基)亞乙基]等。可以為上述所例示的單體的共聚物。作為聚合物的形態，可以為上述的鹽的狀態。此外更優選為聚丙烯酸、聚馬來酸、或其共聚物、以及其鹽。此外，例如在鹽的情況下，可以例示各自的鈉鹽、鉀鹽、鈣鹽、鎂鹽等，但從經濟的觀點出發更優選為鈉鹽。此外聚羧酸系聚合物中，包含羧酸的單體以外的單體可以被共聚。可以例示例如乙烯基磺酸、苯乙烯磺酸、丙烯腈乙二醇二烯烴羥基烯丙氧基丙烷磺酸、丙烯酰胺甲基丙烷磺酸、烯烴、異烯烴、乙烯基醚、乙烯醇、甲基丙烯酸羥基乙基酯、丙烯酰胺、乙烯基酯等。作為進行共聚的包含羧酸的單體以外的單體，更優選為乙烯基磺酸、苯乙烯磺酸、丙烯腈乙二醇二烯烴羥基烯丙氧基丙烷磺酸、丙烯酰胺甲基丙烷磺酸等具有磺酸基的單體。聚羧酸系聚合物優選重均分子量為300以上10000以下。此外，聚羧酸系聚合物的優選的基本分子結構單元的重復數為4以上100以下。聚羧酸聚合物中，如果重均分子量為300以上、基本分子結構單元的重復數為4以上，則有機酸的除去性能提高，因此優選。此外，如果重均分子量為10000以下、基本分子結構單元的重復數為100以下，則在水中的溶解性良好，且聚合物分散而不使膜的性能惡化，因此優選。
[0056]磷酸系聚合物是指具有作為磷酸的PO3的部分的聚合物，？03部分可以為官能團也可以不為官能團。作為含有磷酸的聚合物的具體例，作為無機磷酸聚合物，可以例示焦磷酸、酸式焦磷酸、三聚磷酸、四聚磷酸、異聚磷酸、偏磷酸、三偏磷酸、四偏磷酸、六偏磷酸、酸式六偏磷酸、異偏磷酸、過磷酸、和各自的鈉鹽、鉀鹽等，此外可以例示格雷姆鹽、Maddrell’ s鹽、Kurrol’ s鹽。此外作為含有磷酸的膦酸、次膦酸及其鹽，可以例示2 —膦酰基丁燒二甲酸一 1，2, 4 一膦酰基丁燒二甲酸一 1，2，4 一 I鈉鹽、2 —膦酰基丁燒三甲酸一 1，2，4 一一鉀鹽、2 —膦酰基丁烷三甲酸一 1.2，4 一 2鈉鹽、2 —膦酰基丁烷三甲酸一 1，2，4 一 2鉀鹽、2 —膦酰基丁烷三甲酸一 1，2，4 一 3鈉鹽、2 —膦酰基丁烷三甲酸一 1，2，4 一 3鉀鹽、2 —膦酰基丁烷三甲酸一 1，2，4 一 4鈉鹽、2 —膦酰基丁烷三甲酸一I, 2，4 一 4鉀鹽、I 一羥基亞乙基一 1，I 一二膦酸、I 一羥基亞乙基一 1，I 一二膦酸一一鈉鹽、I 一羥基亞乙基一 1，I 一二膦酸一 I鉀鹽、I 一羥基亞乙基一 1，I 一二膦酸一 2鈉鹽、I 一羥基亞乙基一 1，I 一二勝酸一 1，2鐘鹽、I 一羥基亞乙基一 1，I 一二勝酸一 1，3納鹽、I 一輕基亞乙基一 1，I 一二膦酸一 1，3鉀鹽、氨基三(亞甲基膦酸)、氨基三(亞甲基膦酸)一 I鈉鹽、氨基三(亞甲基膦酸)一 I鉀鹽、氨基三(亞甲基膦酸)一 1，2鈉鹽、氨基三(亞甲基膦酸)一 1，2鉀鹽、氨 基三(亞甲基膦酸)一 1，3鈉鹽、氨基三(亞甲基膦酸)一 1，3鉀鹽、氨基三(亞甲基膦酸)一 1，4鈉鹽、氨基三(亞甲基膦酸)一 1，4鉀鹽、氨基三(亞甲基膦酸)一 1，5鈉鹽、氨基三(亞甲基膦酸)一 1，5鉀鹽、乙二胺四(亞甲基膦酸)、乙二胺四(亞甲基膦酸)一 I鈉鹽、乙二胺四(亞甲基膦酸)一 I鉀鹽、乙二胺四(亞甲基膦酸)一1，2鈉鹽、乙二胺四(亞甲基膦酸)一 1，2鉀鹽、乙二胺四(亞甲基膦酸)一 1，3鈉鹽、乙二胺四(亞甲基膦酸)一 1，3鉀鹽、乙二胺四(亞甲基膦酸)一 1，4鈉鹽、乙二胺四(亞甲基膦酸)一 1，4鉀鹽、乙二胺四(亞甲基膦酸)一 1，5鈉鹽、乙二胺四(亞甲基膦酸)一 1，5鉀鹽、乙二胺四(亞甲基膦酸)一 1，6鈉鹽、乙二胺四(亞甲基膦酸)一 1，6鉀鹽、以及雙(聚一 2—羧基乙基)次膦酸、雙(聚一 2—羧基乙基)次膦酸鈉、雙(聚一 2—羧基乙基)次膦酸鉀等、肌醇六磷酸、醇的磷酸酯等。在磷酸系聚合物中，更優選為無機多磷酸鹽。磷酸系聚合物的優選重均分子量為160以上3000以下。此外，磷酸系聚合物的優選的基本分子結構單元的重復數為2以上20以下。在磷酸系聚合物中，如果重均分子量為160以上、基本分子結構單元的重復數為2以上，則有機酸的除去性能提高，因此優選。此外，如果重均分子量為3000以下、基本分子結構單元的重復數為20以下，則在水中的溶解性良好，且聚合物分散而不會使膜的性能惡化，因此優選。
[0057]作為磺酸基聚合物，是指具有磺酸基的聚合物，具體而言，可以例示聚苯乙烯磺酸、丙烯腈乙二醇二烯烴羥基烯丙氧基丙烷磺酸、丙烯酰胺甲基丙烷磺酸、2 —丙烯酰基氨基一 2 —甲基丙燒磺酸、烷基萘磺酸、間硝基苯磺酸、2 —羥基一 3 —烯丙基氧基一 I 一丙燒磺酸、異戊二烯磺酸、2 —丙烯酰胺一 2 —甲基丙烷磺酸等。磺酸基聚合物的優選重均分子量為600以上10000以下。此外，磺酸基聚合物的優選的基本分子結構單元的重復數為4以上75以下。磺酸基聚合物中，如果重均分子量為600以上、基本分子結構單元的重復數為4以上，則有機酸的除去性能提高，因此優選。此外，如果重均分子量為10000以下、基本分子結構單元的重復數為75以下，則在水中的溶解性良好，且聚合物分散而不會使膜的性能惡化，因此優選。
[0058]陰離子系聚合物的添加量沒有特別限定，但相對于供于納濾膜和/或反滲透膜時的來源于纖維素的糖水溶液的體積，優選為0.005mg/L以上5000mg/L以下，更優選為0.05mg/L以上500mg/L以下。進一步優選為0.5mg/L以上50mg/L以下。這是因為如果添加量低，則效果低，即使過高，效果也不能被大幅改善。上述陰離子系聚合物具有陰離子性的特別是螯合無機離子的作用。優選這樣的具有螯合性的陰離子系聚合物的理由如上所述。
[0059]在本發明中，可以在陰離子系聚合物的添加的同時，添加酸、堿。這是因為，在本發明的陰離子系聚合物中，存在提高除去發酵抑制物質的能力的最適pH。水溶性陰離子系聚合物的添加時的來源于纖維素的糖水溶液的PH值，從陰離子系聚合物的pH考慮，優選為PH12以下。此外更優選為pH4以上9以下。這是因為上述pH的范圍為陰離子系聚合物性能的最適PH，通過陰離子系聚合物添加，即使不使pH降低至小于4，作為發酵抑制物質的有機酸的除去性能也提高。本發明中的酸有例如鹽酸、硫酸、磷酸、硝酸、有機酸等，但從經濟的觀點和對發酵工序的影響出發，更優選為鹽酸、硫酸、磷酸。本發明的堿有例如氫氧化鈉、氫氧化鈣等氫氧化物、氨等胺類等，但從經濟性的觀點和對發酵工序的影響出發，更優選為氫氧化鈉、氫氧化鈣、氨。此外，PH調整優選在陰離子系聚合物添加前進行。這是因為有時由于PH調整所使用的酸或堿的影響，糖液中的陰離子系聚合物的一部分失活。
[0060]在本發明中陰離子系聚合物向來源于纖維素的糖水溶液中的添加，只要在使用納濾膜和/或反滲透膜來濃縮來源于纖維素的糖水溶液(后述)之前，則可以在任何階段進行。即可以為通過酶糖化進行的水解反應中，也可以為固液分離(后述)、或作為通過納濾膜和/或反滲透膜進行的來源于纖維素的糖水溶液的濃縮的前處理而進行的精密過濾膜和/或超濾膜處理(后述)時。更優選為通過精密過濾膜和/或超濾膜處理進行的濃縮前處理時，或通過納濾膜和/或反滲透膜進行的濃縮的階段。這是因為有時由于固液分離等而附著于固體成分而損失聚合物。進一步優選，如圖2所示，在精密過濾膜和/或超濾膜的處理后，另外并且通過納濾膜和/或反滲透膜進行的處理前，添加陰離子系聚合物的方法。這是因為，如果添加陰離子系聚合物的步驟處于精密過濾膜和/或超濾膜前，則雖然不會因為本陰離子系聚合物而發生凝集，但有由于膜的濃度極化、對膜面的附著而發生陰離子系聚合物損失的可能性。
[0061]在本發明中，所謂發酵抑制，是指將含有纖維素的生物質作為原料的糖液用作發酵原料來制造化學品時，與使用試劑單糖作為發酵原料的情況相比，起因于發酵抑制物質而化學品的生產量、蓄積量或生產速度降低的現象。這樣的發酵抑制的程度根據糖液中存在的發酵抑制物質的種類和它們的量而不同，此外也根據所使用的微生物種、或作為其生產物的化學品的種類而不同。本發明的來源于纖維素的糖水溶液中，雖然根據前處理、通過糖化酶進行的糖化反應的實施條件、含有纖維素的生物質的種類等而成分、其含量有差異，但都包含發酵抑制物質，通過在來源于纖維素的糖水溶液中添加陰離子系聚合物后，供于納濾膜和/或反滲透膜，從而可以有效率地除去發酵抑制物質。
[0062]所謂發酵抑制物質，是在含有纖維素的生物質的前處理工序、通過糖化酶進行的水解工序中生成的物質，并且是在將通過本發明的制造方法而獲得的糖液作為原料的發酵工序中如上所述進行發酵抑制的物質，大致分類為有機酸、呋喃系化合物、酚系化合物。
[0063]作為有機酸，可舉出乙酸、甲酸、蘋果酸等作為具體例。作為呋喃系化合物，可舉出糠醛、羥基甲基糠醛(HMF)等。這些有機酸或呋喃系化合物為通過作為單糖的葡萄糖或木糖的分解而得的產物。此外，作為酚系化合物，可舉出香草醛、乙酰香草醛、香豆酸、阿魏酸、香草酸、丁香酸、沒食子酸、松柏醛、二氫松柏醇、氫醌、兒茶酚、4-羥基-3-甲氧基苯乙酮()、高香草酸、4 一羥基苯甲酸、4 一羥基一 3—甲氧基苯基衍生物(HibbertJ s ketones)等作為具體例,這些酹系化合物來源于木質素或木質素前體。
[0064]在使用廢建材或膠合板等作為含有纖維素的生物質時，有時包含制材工序中所使用的粘接劑、涂料等成分作為發酵抑制物質。作為粘接劑，可舉出尿素樹脂、三聚氰胺樹脂、酚樹脂、尿素三聚氰胺共聚樹脂等。作為這樣的來源于粘接劑的發酵抑制物質，可舉出乙酸、甲酸、甲醒等。
[0065]特別是通過添加陰離子系聚合物，對于納濾膜和/或反滲透膜而言，如后述的實施例所示，有機酸、具有羧基的呋喃系化合物、具有羧基的酚系化合物的透過性提高，從來源于纖維素的糖水溶液除去有機酸可以有效率地進行。作為具有羧基的呋喃系化合物，有呋喃甲酸、苯并呋喃-2-甲酸等。作為具有羧基的酚系化合物，可舉出香豆酸、阿魏酸、香草酸、丁香酸、沒食子酸、高香草酸、4 一羥基苯甲酸等。
[0066]來源于纖維素的糖水溶液中，作為發酵抑制物質，包含上述物質中的至少I種，通常包含多種。另外，這些發酵抑制物質能夠通過薄層色譜、氣相色譜、高效液相色譜等一般的分析方法來進行檢測和定量。
[0067]在本發明中使用的納濾膜也被稱為納米過濾器(納米過濾膜，NF膜)，是一般被定義為“一價的離子透過，阻止二價的離子的膜”的膜。采用被認為具有數納米程度的微小空隙的膜，主要用于阻止水中的微小粒子、分子、離子、鹽類等。
[0068]本發明中使用的反滲透膜也被稱為RO膜，一般定義為“包含I價離子在內具有脫鹽功能的膜”的膜。采用被認為具有數埃至數納米程度的超微小空隙的膜，主要用于海水淡水化、超純水制造等離子成分除去。
[0069]來源于纖維素的糖水溶液在納濾膜、反滲透膜或這兩者的膜中通過來進行過濾，作為膜非透過組分而獲得精制了的糖液。可以將溶解于來源于纖維素的糖水溶液的糖，特別是葡萄糖、木糖這樣的單糖在膜非透過側阻止或濾出，使發酵抑制物質作為膜透過組分(濾液)透過來除去。
[0070]本發明中使用的納濾膜、反滲透膜的性能可以通過算出糖溶液所包含的評價的對象化合物(發酵抑制物質或單糖等)的透過率(%)來進行評價。將透過率(%)的算出方法示于式I中。
[0071]透過率(%)=(透過側的對象化合物濃度/非透過側的對象化合物濃度)XlO0..?(式 I)。
[0072]式I中的對象化合物濃度的測定方法只要是能夠具有高精度和再現性地測定的分析方法，就沒有特別限定，可以優選使用高效液相色譜、氣相色譜等。本發明中使用的納濾膜、反滲透膜都優選單糖的透過率低的膜，并優選發酵抑制物質的透過率高的膜。
[0073]一般而言，納濾膜與反滲透膜相比孔徑大，因此在使用納濾膜的情況下，膜透過而移除的發酵抑制物質量與反滲透膜相比多，另一方面，對于作為目標產物的單糖，可以認為透過到透過側而損失的量也多。特別是在糖濃度高的情況下，該傾向強烈地表現。另一方面，在使用反滲透膜的情況下，與納濾膜相比孔徑小，因此可以認為分子量大的發酵抑制物質的除去量減少。因此，優選對應于來源于纖維素的糖水溶液中的主要發酵抑制物質的含量、分子量，從納濾膜和反滲透膜中選擇適當的膜進行利用。所選擇的膜的種類不限定于I種，可以根據糖溶液的組成而從納濾膜和反滲透膜中組合利用多種膜。
[0074]在使用納濾膜的情況下，隨著在納濾膜的非透過側(濃縮側)捕捉到的單糖的濃度提高，有時單糖在透過側(濾液側)損失的比例急劇提高。另一方面，在使用反滲透膜的情況下，通常，即使膜非透過側的單糖濃度提高，單糖的損失也幾乎沒有，但從發酵抑制物質除去的觀點出發，納濾膜與反滲透膜相比性能優異。因此，優選在組合納濾膜與反滲透膜進行使用的情況下，首先直至在膜透過側的糖損失判斷為小的濃度，使用納濾膜進行發酵抑制物質的除去，接著使用能夠沒有損失地濃縮單糖的反滲透膜。
[0075]本發明的納濾膜可以使用由乙酸纖維素系聚合物、聚酰胺、聚酯、聚酰亞胺、聚乙烯醇等乙烯基聚合物、聚砜、磺化聚砜、聚醚砜、磺化聚醚砜等高分子原材料形成的膜，此外可以為包含這些多種原材料的膜。此外，作為膜結構，在膜的至少一面具有致密層，且從致密層向膜內部或另一面具有逐漸大的孔徑的微細孔的不對稱膜；在不對稱膜的致密層上具有由其它原材料形成的非常薄的功能層的復合膜；中的任一者都可以。作為復合膜，可以使用例如，日本特開昭62 - 201606號公報所記載的、在將聚砜作為膜原材料的支持膜上構成包含聚酰胺的功能層的納米過濾器的復合膜。
[0076]這些納濾膜中，優選為兼具高耐壓性和高透水性、高溶質除去性能，具有優異的潛力的將聚酰胺作為功能層的復合膜。為了可以維持相對于操作壓力的耐久性、高透水性、阻止性能，將聚酰胺作為功能層，將其用由多孔質膜、無紡布形成的支持體保持的結構的復合膜是適合的。此外，作為聚酰胺半透`膜，在支持體上具有通過多官能胺與多官能酰基鹵的縮聚反應而得的交聯聚酰胺的功能層而成的復合半透膜是適合的。
[0077]在將聚酰胺作為功能層的納濾膜中，作為構成聚酰胺的單體的優選的羧酸成分，可舉出例如，均苯三甲酸、二苯甲酮四甲酸、偏苯三酸、苯均四酸、間苯二甲酸、對苯二甲酸、萘二甲酸、二苯基甲酸、吡啶甲酸等芳香族羧酸，但如果考慮在制膜溶劑中的溶解性，則更優選為均苯三甲酸、間苯二甲酸、對苯二甲酸、和它們的混合物。
[0078]作為構成上述聚酰胺的單體的優選的胺成分，可舉出間苯二胺、對苯二胺、聯苯胺、亞甲基雙二苯胺、4，4’ 一二氨基二苯醚、聯茴香胺、3，3’，4 一二氨基二苯醚、3，3’ , 4, 4’ 一四氨基二苯醚、3，3’ 一二氧基聯苯胺、1，8 一萘二胺、間(對)一單甲基苯二胺、3，3’一單甲基氨基一 4，4’一二氨基二苯醚、4，N，N’一(4 一氨基苯甲酰)一對(間)一苯二胺一 2，2’ 一雙(4 一氨基苯基苯并咪唑)、2，2’ 一雙(4 一氨基苯基苯并唑)、2，2’ 一雙(4 一氨基苯基苯并噻唑)等具有芳香環的伯二胺、哌嗪、哌啶或它們的衍生物等仲二胺。其中將包含哌嗪或哌啶作為單體的交聯聚酰胺制成功能層的納濾膜除了耐壓性、耐久性以外，還具有耐熱性、耐化學性，因此優選使用。[0079]更優選為將上述交聯哌嗪聚酰胺或交聯哌啶聚酰胺作為主成分，并且含有化學式(I)所示的構成成分的聚酰胺。進一步優選為將交聯哌嗪聚酰胺作為主成分，并且含有化學式(I)所示的構成成分的聚酰胺。此外，化學式(I)中，特別優選使用η = 3的成分。作為將交聯哌嗪聚酰胺作為主成分，并且含有化學式(I)所示的構成成分的聚酰胺制成功能層的納濾膜，可舉出例如，日本特開昭62 - 201606號公報中所記載的納濾膜，作為具體例，可舉出將交聯哌嗪聚酰胺作為主成分，并且含有上述化學式(I)中，η = 3的成分作為構成成分的聚酰胺制成功能層的、東 > 株式會社制的交聯哌嗪聚酰胺系納濾膜的UTC60。
[0080]
【權利要求】
1.一種糖液的制造方法，其特征在于，在使用納濾膜和/或反滲透膜將來源于纖維素的糖水溶液進行濃縮時，在該來源于纖維素的糖水溶液中添加水溶性陰離子系聚合物，將發酵抑制物質移除至該納濾膜和/或反滲透膜的透過側。
2.根據權利要求1所述的糖液的制造方法，使用所述納濾膜和/或反滲透膜進行濃縮的所述來源于纖維素的糖水溶液，是從精密過濾膜和/或超濾膜透過了的液體。
3.根據權利要求1或2所述的糖液的制造方法，所述水溶性陰離子系聚合物包含選自磷酸系聚合物的鹽、磷酸系聚合物、聚羧酸系聚合物的鹽和聚羧酸系聚合物中的聚合物。
4.根據權利要求3所述的糖液的制造方法，其特征在于，所述水溶性陰離子系聚合物為無機多磷酸鹽。
5.根據權利要求1-4的任一項所述的糖液的制造方法，其特征在于，在添加所述水溶性陰離子系聚合物時，來源于纖維素的糖水溶液的PH值為4以上9以下。
6.根據權利要求1-5的任一項所述的糖液的制造方法，其特征在于，所述水溶性陰離子系聚合物的添加量相對于所述來源于纖維素的糖水溶液為0.5mg/L以上500mg/L以下。
7.根據權利要求1-6的任一項所述的糖液的制造方法，其特征在于，所述水溶性陰離子系聚合物的重均分子量為200以上10000以下。
8.根據權利要求1-7的任一項所述的糖液的制造方法，所述發酵抑制物質為有機酸、具有羧基的呋喃系化合物或具有羧基的酚系化合物、或者它們的組合。
9.根據權利要求8所述的糖液的制造方法，其特征在于，所述發酵抑制物質至少包含乙酸或甲酸。`
10.一種糖液的制造方法，其特征在于，將通過權利要求1-9的任一項所述的制造方法制造的糖液進一步用截留分子量500以上2000以下的超濾膜進行過濾。
11.一種化學品的制造方法，將由權利要求1-10的任一項所述的制造方法獲得的糖液作為發酵原料，對具有生產化學品的能力的微生物進行發酵培養。
【文檔編號】C13K1/04GK103459615SQ201280016201
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2012年3月28日 優先權日:2011年3月29日
【發明者】南野淳, 栗原宏征, 山田勝成 申請人:東麗株式會社