JP2005058055A - セルロース系バイオマスの処理方法および処理システム - Google Patents

Abstract

【課題】 セルロース系バイオマスを糖化するための前処理を簡易化し、アルコール発酵に適したセルロース系バイオマスを選択することにより、高収量且つ環境に対する負荷が少ない物質生産方法および物質生産システムを提供する。
【解決手段】 セルロース系バイオマスとして雑草を使用し、前記雑草を緩衝液に浸漬し、次いで当該緩衝液に電圧を印加することにより雑草の通電処理物を得る通電処理工程と、前記通電処理物を酵素により糖化物とする糖化工程と、前記糖化物を原料として発酵を行う発酵工程と、からなるセルロース系バイオマスの処理方法により解決する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、セルロース系バイオマス資源の有効利用に関するものであり、詳細には、雑草から有用物質を生産するための処理方法およびシステムに関する。

近年、バイオマスを石油資源の代替として有効利用する試みが数多くなされている。バイオマスとは、地球生物圏の物質循環系に組み込まれた生物体又は生物体から派生する有機物の集積をいう（ＪＩＳ Ｋ ３６００ １２５８参照）。特に、食品残渣や農産廃棄物等のセルロース系バイオマスはこれをどのように処理するかが問題となっている。かかる問題に対しては、例えば、食品残渣を処理してコンポスト化することや、農産廃棄物を処理して、有用物質を生産することなどが提案されている。

具体的には、特開２００２−１５９９５４号公報には、稲わら、麦わら等のセルロース系廃棄物に酵素を作用させて糖を生成する糖化工程と、前記糖を用いて発酵を行う発酵工程とを有し、前記発酵工程においてＬ−乳酸やエタノールを生産するセルロース系廃棄物の処理方法が開示されている（特許文献１）。

しかしながら、上記のセルロース系廃棄物は、単に酵素を作用させて糖化を行おうとしても酵素反応がほとんど行われない。酵素反応を効率よく行うためには、蒸煮または爆砕処理等の物理化学的処理や、酸またはアルカリ処理等の化学的処理、またはこれらの組み合わせによる処理が必要とされていた。そのため、それらの処理を行うための設備やコストがかかるという問題があった。

上記の問題に対しては、平成12年度日本生物工学会大会講演要旨集（社団法人日本生物工学会、平成12年7月10日発行）に、従来の化学的処理に代わるものとして、通電処理を行うことが開示されている。即ち、食品製造において大量に発生するビートパルプ、小麦ふすま、脱脂大豆、脱脂糠などの副産物の酵素分解に際し、アルカリ湿潤による化学的処理に代えて、半透膜で２槽に仕切られた通電槽のそれぞれに緩衝液を入れ、１２〜２４時間電圧を印加することにより、通電処理後のビートパルプ、脱脂糠、小麦ふすまの加水分解率が向上することが開示されている（非特許文献１）。
特開２００２−１５９９５４号公報 平成12年度日本生物工学会大会講演要旨集（社団法人日本生物工学会、平成12年7月10日発行）

上述のように、特開２００２−１５９９５４号公報で使用されているようなセルロース系バイオマスは酵素で分解することが困難であるため、発酵原料として用いるためには物理化学的処理や化学的処理、またはこれらの組み合わせによる処理が必要である。そのため、物理化学的処理を行う場合、設備やエネルギーコストの面からは実用化には問題が多い。

一方、化学的処理を行う場合でも、強酸、強アルカリの廃液はそのまま排出するのでは環境負担が大きく、その取り扱いも危険を伴う。また、水質保全法（「公共用水域の水質の保全に関する法律」）、 工場排水規制法（「工場排水等の規制に関する法律」））、資源有効利用促進法等の規制により、事業者の責任として廃酸、廃アルカリ等の産業廃棄物対策が義務付けられているため、これらの法律を遵守するために、化学的処理を行った後の廃液の処理を行う必要がある。

以上のような事情から、物理化学的処理、化学的処理のいずれの場合も実用的な観点からは更なる検討が必要とされている。

また、平成12年度日本生物工学会大会講演要旨集（社団法人日本生物工学会、平成12年7月10日発行）に記載されたビートパルプ、脱脂糠、小麦ふすま等のセルロース系バイオマスは、キシロースやアラビノース等のペントースの含有量が多い。そのため、これらのセルロース系バイオマスを発酵原料として用いることはアルコール収量の観点から不適当である。

従って、本発明の目的は、セルロース系バイオマスを糖化するための前処理を簡易化し、発酵に適したセルロース系バイオマスを選択することにより、高収量にエタノールやＬ−乳酸を得ることができ、且つ、環境に対する負荷が少ない物質生産方法および物質生産システムを提供することを目的とする。

本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、セルロース系バイオマスとして雑草を使用し、前記雑草を緩衝液に浸漬し、次いで当該緩衝液に電圧を印加することにより雑草の通電処理物を得る通電処理工程と、前記通電処理物を酵素により糖化物とする糖化工程と、前記糖化物を原料として発酵を行う発酵工程と、からなるセルロース系バイオマスの処理方法を提供するものである。

これにより、自然界に不必要（若しくは好ましくない）なものとして豊富に存在する雑草からエタノールやＬ−乳酸等の有用物質を生産することができるとともに、前記通電処理工程を採用することにより、一般の化学的処理と比較して緩やかな条件でセルロース系バイオマスの前処理が可能となる。

ここで、雑草とは、人間の攪乱（disturbance）のあるところに生育できるが、作物のように栽培すなわち人間の積極的な保護を必要としない植物群をいう。従って、人間の攪乱のあるところでは生育できない野草や栽培植物とは区別される。

発酵原料として上記のような雑草を用いることにより、特に栽培または管理をしなくても、毎年（あるいは年に数回）、容易に原料を確保することが可能となり、生産コストもかからない。

また、本発明の好ましい態様によれば、前記通電処理工程が、半透膜で仕切られた２つの槽の各々に電極を配設することにより、陰極を備えた陰極槽と陽極を備えた陽極槽とが形成され、緩衝液で満たされた通電処理槽の前記陰極側の緩衝液に前記雑草を浸漬するものである。

これにより、陰極槽側の緩衝液は時間の経過と共に水素イオン濃度が上昇し、前記雑草はアルカリ条件下に晒されることになり、水酸化ナトリウム等のアルカリ溶液で処理を行った場合と同様の前処理を行うことが可能となる。一方、陽極槽側の緩衝液は水素イオン濃度が低下し、酸性を示すようになる。

また、本発明の好ましい態様によれば、更に、前記雑草を粉末状に粉砕する工程を有する。粉末状とは、前記雑草が６０〜８０メッシュのものをいう。

これにより、糖化効率が向上し、効率的に発酵を進行させることが可能となる。

また、本発明の好ましい態様によれば、更に、前記通電処理工程の終了後、前記陰極槽側の緩衝液と前記陽極槽側の緩衝液を混合する工程を含む。

これにより、前記陰極槽側の緩衝液と前記陽極槽側の緩衝液を混合するだけで、中和処理を行うことができる。即ち、もともと同じ緩衝液が添加されていた陽極槽と陰極槽は、各槽に設置された電極から電圧が印加されることにより、陽極槽側では強酸溶液となり、陰極槽側では強アルカリ溶液となるが、両槽の緩衝液を混合すれば、電圧を印加する前のｐＨに戻る。従って、通電処理を行う前の緩衝液を通電処理物の糖化に適したｐＨに設定しておけば、通電処理工程後の処理液をそのまま糖化工程に供することができる。

具体的には、前記緩衝液の混合は、前記半透膜を除去し前記陰極槽と前記陽極槽とを連通することにより行う。これにより、前記半透膜を取り去るだけで、前記陽極槽において強酸性となった緩衝液と、前記陰極槽において強アルカリ性となった緩衝液の中和処理を行うことができる。

このように、廃液処理の作業が簡便化されると共に、環境に負荷の少ないセルロース系バイオマスの化学的処理が実現される。

また、本発明の好ましい態様によれば、前記電圧の印加を、直流電圧５〜３０Ｖの範囲で行う。

これにより、陰極槽の緩衝液を強アルカリ性とすることができ、陽極槽の緩衝液のｐＨを強酸性とすることができる。なお、ｐＨが安定した後に直流５Ｖ以上の電圧を印加すれば、一旦安定したｐＨをそのまま維持することもできる。

また、本発明の好ましい態様によれば、前記酵素が、トリコデルマ（Trichoderma）属及び／又はアスペルギルス（Aspergillus）属由来のセルラーゼである。

また、本発明の好ましい態様によれば、前記発酵が、酵母を添加してエタノール発酵を行うものである。前記酵母は、サッカロマイセス セルビシエ（Saccharomyces cerevisiae）を使用することができる。

また、本発明の好ましい態様によれば、前記エタノール発酵は、糖化と発酵が並行して行われる並行複発酵である。

これにより、糖化工程を経た後に発酵工程を行うという２段階の工程を１工程で行うことができる。

また、本発明の好ましい態様によれば、前記発酵が、乳酸菌を添加して乳酸発酵を行うものである。

また、本発明は、雑草を発酵原料として発酵を行うセルロース系バイオマスの処理システムにおいて、半透膜で仕切られた２つの槽の各々に電極が配設され、陰極を備えた陰極槽と陽極を備えた陽極槽とが形成された通電処理装置と、前記発酵原料の糖化と発酵が並行して行われる発酵槽と、発酵溶液と発酵残渣とを分離する分離装置と、前記発酵溶液を濃縮する濃縮装置と、から構成された雑草の処理システムを提供するものである。

上記処理システムの好ましい態様によれば、前記通電処理装置の前記半透膜が着脱自在に装着され、前記陽極槽と前記陰極槽とが連通可能に構成されてなる。これにより、雑草を糖化するための前処理を簡易化し、環境に対する負荷が少ないシステムを提供することができる。

以上のように、本発明は発酵原料として雑草を使用することにより、原料コストを大きく低減できる。また、通電処理工程を採用することにより、強アルカリ溶液や強酸溶液を用いる一般の化学的処理と比較して緩やかな条件で原料物質の前処理が可能となり、環境負荷が少ないものとなる。更に、並行複発酵形式を採用しているため、従来の糖化工程を経た後に発酵工程を行うという２段階の工程を１工程で行うことができるとともに、高収率でエタノールやＬ−乳酸を生産することができる。

次に、本発明を図を参照しつつ、更に詳細に説明する。図１は、本発明の雑草処理システムの概略図である。本実施形態の処理システムは、図１に示すように、通電処理装置１０、中和処理槽３１、発酵槽３６、分離装置４２、濃縮装置４４とから構成される。

通電処理装置１０は、通電処理槽１２と蓋部１４とからなるハウジング１６、切り欠きを有する仕切り壁１８をそれぞれ有し、その切り欠き部分には電流を通過することができる半透膜２０を着脱自在に備えている。なお、ハウジング１６は、緩衝液Ｂで満たされている。

半透膜２０は、電流の通過が可能であり、低分子物質やイオンの通過が可能であるものが選択される。具体的には、トレーシングペーパー、セロハン（再生セルロースフィルム）、コロジオン膜、酢酸セルロース膜等を用いることができる。また、上記の要件を満たした半透膜であれば、その厚さは特に制限はない。

緩衝液ＢのｐＨは、後述する糖化工程で使用される酵素の至適ｐＨに併せて設定される。緩衝液Ｂの温度は、緩衝液Ｂの急激な温度上昇の防止やアルカリ処理の観点から４０度前後に保持されることが好ましい。

そして、蓋部１４には、仕切り壁１８および半透膜２０を挟んで白金電極２２ａ，２２ｂが緩衝液Ｂに接するするように配設されており、この白金電極２２ａ，２２ｂは、定電圧装置２４に電気的に接続されている。

白金電極２２ａ，２２ｂは定電圧装置２４の陽極（＋）または陰極（−）のいずれかに接続されるため、陽極（＋）に接続された白金電極２２ａを備えた槽は陽極槽２６を形成し、陰極（−）に接続された白金電極２２ｂを備えた槽は陰極槽２８を形成する。なお、半透膜２０は既述のように着脱自在に装着されているため、半透膜２０を取り除けば、陽極槽２６と陰極槽２８とが互いに連通し、両槽の緩衝液Ｂが混合されることによって中和処理が行えるようになっている。

また、陽極槽２６と陰極槽２８のそれぞれには撹拌子Ｓが配設され、緩衝液Ｂを撹拌することができるようになっている。

なお、通電処理装置１０は緩衝液Ｂの温度を一定に保持するため、水Ｗで満たされた恒温槽３０内に設置されている。但し、温度を一定に保つことができれば、温風、ヒーター等、その手段は問わない。

中和処理槽３１は、通電処理後、通電処理装置１０の緩衝液Ｂを一時的に貯蔵したり、陽極槽２６及び陰極槽２８の緩衝液Ｂを混合し、中和処理を行うものである。先に述べたように、中和処理は通電処理装置１０でも行うことができるが、陽極槽２６と陰極槽２８とを連通させなくても、両槽からそれぞれ緩衝液Ｂを中和処理槽３１に流し込み、撹拌羽３３で撹拌すれば中和処理を行うことができる。

次に、発酵槽３６について説明する。発酵槽３６は、本体３８がステンレス製であり、温度を一体に保持するための温度調節部４０と、もろみを撹拌するための撹拌羽４１を備えているものであればその種類に特に制限はない。温度調節部４０は、アルコール発酵を行う場合は、酵母の至適温度に設定され、乳酸発酵を行う場合は乳酸菌の至適温度に設定される。

発酵終了後の発酵液は、分離装置４２でろ過等により発酵残渣と発酵溶液とに分離される。そのうち、発酵溶液を濃縮装置４４により濃縮し、所望の有用物質Ｐを得る。濃縮装置４４としては、蒸留機、精留機、クロマトグラフィー等を利用することができる。

次に、雑草から有用物質を生産するためのプロセスを説明する。図２は雑草からエタノールを得るまでのプロセスを説明した概略図である。

利用できる雑草は、一年生雑草、多年生雑草のいずれでもよく、田畑などの農耕地に生育する雑草でも、鉄道敷、道路、運動・競技場、工場用地、空港、駐車場、電力・石油等施設の周囲、空き地、河川敷などの非農耕地に生育する雑草でもよい。

具体的には、タイヌビエ、イヌビエ、タマガヤツリ、コナギ、ミズアオイ、アゼナ、アメリカアゼナ、アゼトウガラシ、ミゾハコベ、キカシグサ、ヒメミソハギ、タウコギ、タカサブロウ、アメリカセンダングサ、クサネム、イボクサ、イヌホタルイ、マツバイ、ウリカワ、ミズガヤツリ、ヘラオモダカ、クログワイ、オモダカ、シズイ、コウキヤガラ、セリ、ヒルムシロ、キシュウスズメノヒエ、エゾノサヤヌカグサ、メヒシバ、オヒシバ、エノコログサ、スズメノカタビラ、スズメノテッポウ、カヤツリグサ、イヌタデ、オオイヌタデ、スベリヒユ、ハコベ、シロザ、ホソアオゲイトウ、イヌビユ、ナズナ、タネツケバナ、スカシタゴボウ、イヌガラシ、カラスノエンドウ、ホトケノザ、ヒメオドリコソウ、オランダミミナグサ、ヤエムグラ、ツユクサ、ハキダメギク、ノボロギク、エノキグサ、オオイヌノフグリ、イチビ、チガヤ、イヌムギ、シバムギ、カタバミ、セイヨウタンポポ、ハルジオン、ヨモギ、オオバコ、シロツメクサ、コヒルガオ、エゾノギシギシ、ハマスゲ、スギナ、カモジグサ、センダングサ、ヒメジョオン、ヒメムカシヨモギ、オオアレチノギク、ブタクサ、ノゲシ、オニノゲシ、メマツヨイグサ、オオマツヨイグサ、ススキ、オギ、キクイモ、オオヨモギ、セイタカアワダチソウ、オオアワダチソウ、ヒメスイバ、イタドリ、クズ、ヤブガラシ、ムラサキツメクサ、オバコ、ヨシ等を挙げることができる。

採取された雑草３２（天日乾燥済み）は、通電処理装置１０の陰極槽２８に投入され、緩衝液Ｂに浸漬される。雑草３２の投入量は、陰極槽２８に設置された撹拌子Ｓの撹拌能力にもよるが、乾燥重量にして陰極槽２８の緩衝液Ｂの重量に対し１０重量％以下であることが好ましい。このとき、雑草３２（天日乾燥済み）を粉砕し、６０〜８０メッシュの粉末状態にした後に投入することがより好ましい。粉砕は、市販されている粉砕機を用いて行うことができる。

次いで、定電圧装置２４の電源がＯＮにされ、白金電極２２ａ，２２ｂを介して緩衝液Ｂに電圧が印加される。図３に、緩衝液Ｂに電圧が印加されたときのｐＨの経時的変化を示す一例を示す。この図では、緩衝液としてＭａｃＩｌｖａｉｎｅ緩衝液（ｐＨ４．５）を用い、温度を４０℃に保持しつつ、直流電圧を１０Ｖ、２０Ｖ、３０Ｖ印加した場合を示している。

図３に示すように、緩衝液Ｂに直流電圧が印加されると、陰極槽２８側（実線）では緩衝液ＢのｐＨが上昇し、時間の経過と共に強アルカリ性を示すようになる。ｐＨが安定化するために要する時間は３０Ｖの場合で約３時間、２０Ｖの場合で約６時間、１０Ｖの場合で約１２時間である。ｐＨの上昇を早め、早期にｐＨを安定化させるためには高い電圧（３０Ｖ）を印加することが好ましい。但し、２４時間経過後には上記のいずれの電圧でもｐＨが約１３にまで上昇させることが可能である。

これに対し、陽極槽２６側（破線）では緩衝液ＢのｐＨが低下し、強酸性を示すようになる。直流電圧が高ければｐＨが低下する速度も速いが、上記のいずれの電圧でも２４時間経過後にはｐＨが約１．８にまで低下する。

なお、ｐＨが安定化した後に通電を停止すると、陰極槽２８、陽極槽２６のいずれも緩衝液ＢのｐＨが緩やかに電圧印加前のｐＨへと収束していく。しかしながら、ｐＨが安定化した後、５Ｖ以上の直流電圧を印加し続ければ、ｐＨを安定化したまま維持することができる。

上記の通電処理の時間は、初発のｐＨによって適宜設定することができるが、一般には直流電圧が３０Ｖの場合、電圧の印加を開始してから少なくとも約２４時間行うことが好ましい。

雑草をこのように緩衝液に浸漬し、当該緩衝液に電圧を印加して通電処理物を得る通電処理工程は、後述するセルラーゼによる酵素反応を容易に進行させるために行われる。通電処理を行うと、雑草はその組織が膨潤し、酵素が侵入しうる空隙が多数形成される。また、セルロース以外の成分（例えばリグニンやヘミセルロース）も一部溶出するため、酵素反応が起こり易くなる。この点は従来のアルカリ湿潤処理の作用効果と同様であると考えられる。仮に採取した雑草に通電処理を行わず、直接酵素を反応させても、酵素反応はほとんど進まない。

通電処理後は、図２に示すように、陰極槽２８および陽極槽２６の緩衝液Ｂの中和処理を行う。すなわち、通電処理後、半透膜２０を取り去り、陰極槽２８と陽極槽２６とを連通させることにより、両槽の緩衝液Ｂを混合する。これにより、陰極槽２８の塩基と陽極槽２６の酸が反応し、中和反応が起こる。

例えば、図３に示すように、通電開始から２４時間経過後に半透膜２０を取り去ると、陰極槽２８の緩衝液（強アルカリ）と陽極槽２６の緩衝液（強酸）とが混合されて中和反応を起こし、通電処理前のｐＨ５に戻る。すなわち、半透膜２０を取り除くだけで中和処理を行うことができる。この中和処理は、半透膜２０を除去する方法以外にも、中和処理槽３１に陰極槽２８の緩衝液と陽極槽２６の緩衝液Ｂをそれぞれ投入し、単に撹拌混合することによっても行うことができる。

中和処理後の緩衝液Ｂは、そのまま後述する糖化・発酵工程の溶媒として使用することができる。また、そのまま廃液として廃棄することもできる。このように、廃液処理に要するコストも低減でき、また、水質保全法等の法律を遵守する観点からも好ましいものといえる。

次に、糖化・発酵工程について説明する。通電処理工程を経た雑草（通電処理雑草）３４は、緩衝液Ｂと共に発酵槽３６に投入され、次いで、通電処理雑草３４の重量に対して約４重量％のセルラーゼと１〜９×１０^６ｃｅｌｌｓ／ｍｌ濃度の酵母が添加され、一定温度に保持しつつ、糖化・発酵が行われる。なお、通電処理雑草３４の投入量は、高濃度の基質による酵素反応や発酵の遅延を防止する観点から、乾燥重量として発酵溶液の２０重量％以下とすることが好ましい。

セルラーゼは、通電処理雑草３４中に含まれるセルロースをグルコースに分解するために添加されるものである。セルラーゼの具体例としては、例えば、トリコデルマ（Trichoderma）属、アスペルギルス（Aspergillus）属由来のセルラーゼを使用することができ、特に、アスペルギルス ニガー（Aspergillus niger）由来のセルラーゼは酵素活性が高く好適である。

また、セルラーゼは市販のセルラーゼ製剤を利用することもできる。市販のセルラーゼ製剤の具体例としては、セルラーゼオノズカＲＳ、セルラーゼオノズカ３Ｓ（以上、ヤクルト薬品工業社製）、セルラーゼＴアマノ、ヘミセルラーゼアマノ９０、セルラーゼＡ、セルラーゼＴ（以上、天野エンザイム社製）、セルクラスト（ノボノルディスクバイオインダストリー社製）、セルロシンＨＣ１００、セルロシンＰＥＬ、セルロシンＭＥ（以上、阪急バイオインダストリー社製）、ビスコザイムＬ、スミザイムＡＣ、スミザイムＡＲＳ、スミザイムＰＭＡＣ、スミザイムＰＸ、スミザイムＳＰＣ、スミザイムＡＰ２、スミザイムＭＣ（以上、新日本化学工業社製）等を挙げることができる。

なお、上記のセルラーゼは２種以上を組合わせて使用することが糖化率の向上の観点から好ましい。

酵母は、セルラーゼによって生じたグルコースを資化してアルコール発酵を行い、エタノールを産生させるために添加されるものである。酵母としては、サッカロマイセス セルビシエ（Saccharomyces cerevisiae）を使用することが好ましい。具体的には、日本醸造協会頒布の協会６号（Ｋ−６）、協会７号（Ｋ−７）、協会９号（Ｋ−９）、協会１０号（Ｋ−１０）、協会１１号（Ｋ−１１）、協会６０１号（Ｋ−６０１）、協会７０１号（Ｋ−７０１）、ＯＣ−Ｎｏ．２、発研１号等を挙げることができ、特に、アルコール生産能が高い協会７号（Ｋ−７）が好適である。

糖化および発酵はいわゆる並行複発酵形式が採用される。即ち、通電処理雑草とセルラーゼと酵母を同時に添加することにより、セルラーゼによる通電処理雑草の糖化と、酵母によるアルコール発酵が並行して行われる。

従来の農産廃棄物を原料とするアルコール生産方法の多くは、原料を糖化する工程とアルコール発酵を行う工程とが別々に行われていたが、並行複発酵形式を採用することにより、糖化工程と発酵工程を１つの工程で行うことができる。

また、並行複発酵形式は、原料を糖化してから発酵を行う単行複発酵形式と比較して高濃度の糖分による発酵阻害が生じないため、発酵が効率よく行われる。その結果、高いアルコール収率が得られるという利点もある。

なお、アルコール発酵に際して、発酵系内に酵母が必要とする栄養素の添加は不要である。温度は酵母の至適温度である３５℃前後で行う。

発酵終了後、発酵もろみ５０は、分離装置４２により発酵溶液５２と発酵残渣５３とに分離される。次いで、発酵溶液５２は濃縮装置４４により、蒸留等の通常の方法により濃縮され、場合により精留される。回収されたエタノールは、燃料用エタノール等の工業用エタノールとして利用することができる。

なお、乳酸発酵を行う場合は、通電処理雑草３４を得るまでは上記アルコール発酵を行う場合と同じである。前記乳酸菌としては、ラクトバシルス（Lactobacillus）属、ラクトコッカス（Lactococcus）属、エンテロコッカス（Enterococcus）属等を挙げることができる。

乳酸発酵は通電処理雑草３４をセルラーゼで糖化した後、乳酸菌を添加して３５〜４０℃で発酵することにより行われ、分離工程、濃縮工程を経て高濃度のＬ−乳酸を得る。得られたＬ−乳酸は生分解性ポリマーである乳酸ポリマーの原料等として利用することができる。

次に、実施例として、雑草を処理してエタノールを得る場合を説明する。平成１４年５月に福島県会津市内の河川敷で自生していた雑草（以下、「雑草Ａ」と称する）を採取し、夾雑物を除去した後、サンプルミル（協立理工社製）を用いて６０〜８０メッシュとなるように粉砕することにより、粉末状態の雑草Ａを得た。

別途、緩衝液として、以下の組成からなるＭａｃＩｌｖａｉｎｅ緩衝液（ｐＨ４．５）を調製した。

Ｎａ_２ＨＰＯ_４・１２Ｈ_２Ｏ ７１．６重量％
クエン酸１水和物 ２１．０重量％
蒸留水 残量
上記緩衝液を図１に示す通電処理装置１０の陽極槽２６および陰極槽２８に投入し、次いで陰極槽２８のＭａｃＩｌｖａｉｎｅ緩衝液に対し１０重量％の雑草Ａを陰極槽２８に投入した後、定電圧装置（Ｍｏｄｅｌ２００／２．０ ＢＩＯ−ＬＡＤ社製）の電源をＯＮにして通電処理を開始した。なお、半透膜として、設計・製図用のトレーシングペーパー（十千万社製、厚さ５０ｇ／ｍ^２）を使用した。

通電処理は、４０℃で２４時間、直流電圧３０Ｖを印加することにより行い、マグネティックスターラーを用いて緩やかに撹拌しながら行った。なお、陰極槽側のＭａｃＩｌｖａｉｎｅ緩衝液のｐＨは、通電開始後、３時間でｐＨ１３にまで上昇し、それ以降はｐＨ１３で安定した。一方、陽極槽側のＭａｃＩｌｖａｉｎｅ緩衝液のｐＨはｐＨ２で安定した。

通電開始から２４時間経過後、定電圧装置の電源をＯＦＦにし通電処理を終了すると共に、陽極槽と陰極槽とを仕切るトレーシングペーパーを除去した。これにより、陽極槽側のＭａｃＩｌｖａｉｎｅ緩衝液（ｐＨ２．０）と陰極槽側のＭａｃＩｌｖａｉｎｅ緩衝液（ｐＨ１３．０）とを混合し、緩衝液の中和処理を行った。中和処理後のＭａｃＩｌｖａｉｎｅ緩衝液のｐＨは、通電処理前のｐＨと同じｐＨ４．５であった。

上記のようにして得られた通電処理雑草Ａを遠心分離機により収集し、以下の要領で糖化・発酵を行った。通電処理雑草Ａを、乾燥重量として発酵溶液の２０重量％となるようにＭａｃＩｌｖａｉｎｅ緩衝液（ｐＨ４．５）に懸濁し、前記雑草Ａに対して４重量％の市販セルラーゼ製剤の混合製剤と、酵母１０^６ｃｅｌｌｓ／ｍｌを添加し、３５℃で静置することにより、雑草Ａのセルロースをグルコースに分解しつつ、エタノール発酵を行った。

なお、市販セルラーゼ製剤として、セルクラスト（ノボノルディスクバイオインダストリー社製）とヘミセルラーゼアマノ９０（天野エンザイム社製）を用い、それぞれ通電処理雑草Ａの重量に対して２重量％添加した。また、酵母はサッカロマイセス セルビシエ（協会７号：Ｋ−７）を使用した。

発酵は３０時間前後で終了し、２３ｇ／ｌのエタノールが得られた。なお、他の実施例を、上記実施例と併せて以下の表に示す。また、比較例として、伐採樹木（蝦夷松、銀杏）を発酵原料として上記と同様にアルコール発酵を行った。

ここで、雑草Ａは福島県会津市内の河川の堤防に自生していたものであり、雑草Ｂは埼玉県入間川にある大橋上流の右岸の堤防に自生していたものであり、雑草Ｃは埼玉県大宮市の国道緑化維持工事の際に採取したものである。

結果は表に示す通りであり、雑草中のセルロース含有量により異なるが、通電処理雑草を糖化・発酵することにより、その雑草中に存在するセルロース含有量の約８０〜９０重量％をアルコールに変換することができた。なお、セルロース含有量に対するアルコール収率は、グルコースからの理論アルコール変換率を５０％として算出している。

これに対し、比較例の伐採樹木（蝦夷松、銀杏）はいずれもセルロースに潜在的に存在するグルコース量は雑草よりも高い（いずれも８６ｇ／ｌ）が、セルロース含有量に対するアルコール収率は雑草を原料にした場合と比較して低いものであった。

本発明の実施形態に係るセルロース系バイオマスの処理システムの概略図である。 雑草からエタノールを得るまでのプロセスを説明した概略図である。 緩衝液Ｂに電圧が印加されたときのｐＨの経時的変化を示す図である。

符号の説明

１０：通電処理装置、１２：通電処理槽、１４：蓋部、１６：ハウジング、１８：仕切り壁、２０：半透膜、２２ａ，２２ｂ：白金電極、２６：陽極槽、２８：陰極槽、Ｂ：緩衝液

Claims (12)

1. セルロース系バイオマスとして雑草を使用し、
   前記雑草を緩衝液に浸漬し、次いで当該緩衝液に電圧を印加することにより雑草の通電処理物を得る通電処理工程と、
   前記通電処理物を酵素により糖化物とする糖化工程と、
   前記糖化物を原料として発酵を行う発酵工程と、
   からなるセルロース系バイオマスの処理方法。
2. 前記通電処理工程が、半透膜で仕切られた２つの槽の各々に電極を配設することにより、陰極を備えた陰極槽と陽極を備えた陽極槽とが形成され、緩衝液で満たされた通電処理槽の前記陰極側の緩衝液に前記雑草を浸漬するものである請求項１記載のセルロース系バイオマスの処理方法。
3. 更に、前記雑草を粉末状に粉砕する工程を有する請求項１又は２記載のセルロース系バイオマスの処理方法。
4. 更に、前記通電処理工程の終了後、前記陰極槽側の緩衝液と前記陽極槽側の緩衝液を混合する工程を含む請求項１〜３のいずれか１項記載のセルロース系バイオマスの処理方法。
5. 前記緩衝液の混合は、前記半透膜を除去し前記陰極槽と前記陽極槽とを連通することにより行う請求項４記載のセルロース系バイオマスの処理方法。
6. 前記電圧の印加を、直流電圧５〜３０Ｖの範囲で行う請求項１〜５のいずれか１項記載のセルロース系バイオマスの処理方法。
7. 前記酵素が、トリコデルマ（Trichoderma）属及び／又はアスペルギルス（Aspergillus）属由来のセルラーゼである請求項１〜６のいずれか１項記載のセルロース系バイオマスの処理方法。
8. 前記発酵が、酵母を添加してエタノール発酵を行うものである請求項１〜７のいずれか１項記載のセルロース系バイオマスの処理方法。
9. 前記エタノール発酵は、糖化と発酵が並行して行われる並行複発酵である請求項８記載のセルロース系バイオマスの処理方法。
10. 前記発酵が、乳酸菌を添加して乳酸発酵を行うものである請求項１〜７のいずれか１項記載のセルロース系バイオマスの処理方法。
11. 雑草を発酵原料として発酵を行うセルロース系バイオマスの処理システムにおいて、
    半透膜で仕切られた２つの槽の各々に電極が配設され、陰極を備えた陰極槽と陽極を備えた陽極槽とが形成された通電処理装置と、
    前記発酵原料の糖化と発酵が並行して行われる発酵槽と、
    発酵溶液と発酵残渣とを分離する分離装置と、
    前記発酵溶液を濃縮する濃縮装置と、
    から構成されたセルロース系バイオマスの処理システム。
12. 前記通電処理装置の前記半透膜が着脱自在に装着され、前記陽極槽と前記陰極槽とが連通可能に構成された請求項１１記載のセルロース系バイオマスの処理システム。