JP2010035511A - リグノセルロース原料の処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、リグノセルロース原料を物質変換の原料や資材等として、効率的に有効利用するために必要な微粉砕処理を容易にすることを目的とした、リグノセルロース原料の処理方法を開発することを課題とする。
【解決手段】リグノセルロース原料を酵素で糖さらにはエタノール等有用物質に変換する際、または機械的、化学的処理によりリグノセルロース原料由来の生分解性物質等を製造する際の微粉砕工程の前段階として、あるいは微粉砕工程と同時に、リグノセルロース原料を酵素処理することにより、リグノセルロース原料と水からなるスラリーの粘度を低下させ、微粉砕処理効率が高まることを知見して本発明を完成した。
【選択図】なし

Description

本発明は、リグノセルロース原料、及びその廃棄物からなるリグノセルロース原料から有用な物質を得るために酵素反応単独または微生物との連携によって物質変換を行う際の処理方法に関するものである。

木材は古くから建造物、紙、道具等に利用されるとともに、その用途について多くの研究がなされてきた。木材に含まれるリグノセルロース原料は地球上に多く存在する資源であり、いわゆるバイオマス資源としてその用途拡大が求められている。

木材中に含まれる炭素は植物が吸収・固定した空気中の二酸化炭素であり、エネルギーを取り出す際に生じる二酸化炭素量相当分の二酸化炭素を吸収する分の植物を再生することで±0となるため、循環型社会構築を目的とした利用に関して、木材の研究がなされている。例えば廃木材を処理することによって得られる、セメントキルン用燃料やボイラー用燃料等として用い得る木材由来燃料及びその製造方法(特許文献1)や、CCA(銅、クロミウム、砒素)で処理された処理木材の燃焼による新規な再利用プロセス(特許文献2)等、廃棄物となる木材を燃料として利用する技術について研究が行われている。

また、木質バイオマスだけからでも生分解性シートや生分解性容器を製造することを目的として、木質バイオマスを、アンモニア又はアンモニア発生剤の存在下、蒸煮するパルプの製造方法(特許文献３)等、木質バイオマスを多種多様な素材として有効利用する方法についても研究が行われている。さらに、リグノセルロース原料を酵素や微生物を利用して別のエタノールやポリ乳酸等、有用物質に変換することも試みられている（非特許文献1）。例えば、エタノールに変換して液体燃料を作る場合、リグノセルロース中のセルロースを酵素で分解して酵母で発酵させる方法がある。しかし、リグノセルロース中のセルロースはリグニンやヘミセルロースに囲まれていることと、その結晶度が高いことが、セルロースのセルロース分解酵素（セルラーゼ）による分解を困難にしている。

そのため、リグノセルロース原料のセルロースを利用するためには、結晶度を低くする、又はリグニンを除去する等してセルロースを利用しやすい形態にする等、セルロース部分の加水分解性を向上させるために酵素反応の前に何らかの前処理を行う必要がある(非特許文献2、3、4)。

微粉砕法はバイオマスをボールミル等の粉砕機で細かな粒子にすることで、含まれるセルロース表面積を大きくしてセルロースを分解しやすくする方法で、できるだけ粒子の大きさを小さくすると良いと言われている(非特許文献5)。

エタノール等の燃料物質への変換のみならず、木質系バイオマスから生分解性容器等の素材を製造する場合も、リグノセルロース原料に機械的、または化学的処理を施すことにより原材料となるセルロース繊維の集合体を製造するが、リグノセルロース原料を微粉砕することは利点が大きい。

微粉砕を行う装置としてはビーズミルやディスクミルが考えられる。しかし、ビーズミル等によって連続的微粉砕を行う場合、リグノセルロース原料と水からなるスラリーをポンプにより次の処理工程へ移行させるとき、スラリーの粘度を考慮しなければならない。

バイオマスの種類によってはスラリーの粘度が高く、ポンプ内で目詰まりをおこし次段階の微粉砕工程への移行が阻害され、また移行したとしても粉砕の処理効率が低く粉砕機内で目詰まりを起こすという課題がある。

特許第3929371号 特許第3727067号 特開2007―002383 号 社団法人日本エネルギー学会（2002）、バイオマスハンドブック、p152-197 坂士朗ら(2001)、バイオマス・エネルギー・環境、IPC、p251-260 杉浦純(2002)、バイオマスエネルギーの特性とエネルギー変換・利用技術、NTS、p283-312 George P. Philippidis (1996), Handbook on Bioethanol, Taylor & Francis, p253-285 Merill A. Millet, et al (1976), Biotechnol. & Bioeng. Symp., No.6, p125-153

本発明は、リグノセルロース原料を物質変換の原料や資材等として、効率的に有効利用するために必要な微粉砕処理を容易にすることを目的とした、リグノセルロース原料の処理方法を開発することを課題とする。

本発明者等は、上記課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、リグノセルロース原料を酵素で糖さらにはエタノール等有用物質に変換する際、または機械的、化学的処理によりリグノセルロース原料由来の生分解性物質等を製造する際の微粉砕工程の前段階として、あるいは微粉砕工程と同時に、リグノセルロース原料を酵素処理することにより、リグノセルロース原料と水からなるスラリーの粘度を低下させ、微粉砕処理効率が高まることを知見して本発明を完成した。

すなわち、本発明はリグノセルロース原料の微粉砕を行う前段階として、リグノセルロース原料を酵素処理することにより、最終的な生成物質を高収率で得る方法であり、以下詳述する。

本発明は、
(１)リグノセルロース原料の微粉砕を行う前段階に、酵素処理を行うことにより、リグノセルロース原料の粘度を低くし、微粉砕処理効率を高めることを特徴とするリグノセルロース原料の処理方法、
(２)リグノセルロース原料の微粉砕を行う際に、酵素処理を同時に行うことにより、リグノセルロース原料の粘度を低くし、微粉砕処理効率を高めることを特徴とするリグノセルロース原料の処理方法、
(３)リグノセルロース原料の酵素による処理を行う際使用する酵素がセルラーゼであることを特徴とする(１)又は(２)の何れかに記載のリグノセルロース原料の処理方法、
(４)リグノセルロース原料がマイタケ廃菌床であることを特徴とする(１)、(２)又は(３)の何れかに記載のリグノセルロース原料の処理方法
に関する。

本処理方法に用いるリグノセルロース原料は乾燥していようが水分を含んでいようがその水分状態は問わない。バイオマスの大きさは反応に用いる容器に投入できる大きさであれば大きさは問わないが、小さくすることにより反応を早く進めることが可能となる。

リグノセルロース原料としては、稲わら、籾殻、麦わら、バガス、トウモロコシの各部位及びスイッチグラス等各種草類等あらゆる草本系または、針葉樹または広葉樹チップ、間伐材、建築廃材及びキノコ廃菌床等あらゆる木質系リグノセルロース原料さらには古紙や綿等が利用可能である。

リグノセルロース原料と水またはバッファー及び酵素を容器で混ぜ、30−90分反応させることにより、リグノセルロースのスラリーの粘度は径時的に低下する。容器はプラスチック、ステンレス、鉄、その他金属等どんな素材からできている容器でも使用可能である。

処理に用いる酵素としてはセルラーゼ、へミセルラーゼ、グルカナーゼ、グルコシダーゼ、アミラーゼ、グルコアミラーゼ、ラッカーゼ、マンガンペルオキシダーゼ、リグニンペルオキシダーゼ、及びこれら全てまたは一部を混合したものが使用可能であるが、セルラーゼを用いることが最も良い効果が得られる。酵素は市販品であっても、糸状菌を培養した培養液やそれから精製したものであっても目的に適うものであれば良い。例えばセルラーゼを用いる場合、市販の酵素や粗精製の酵素にはセルラーゼとヘミセルラーゼが混在していることが多い。

そこで使用する酵素の量は使用する酵素により適宜で良いが、ヘミセルラーゼを含むセルラーゼを廃菌床当り50FPU(Filter Paper Unit、ろ紙分解活性)となるように加えると有効である。使用する酵素として、他にもリグニン分解酵素を入れリグニンを分解しても良く、勿論キシラナーゼ等のヘミセルラーゼを用いることも可能である。酵素液を作成する際、水に懸濁して酵素液を作成しても良いが、酢酸やクエン酸のバッファーを用いてpHを4〜5に保つのも有効である。酵素液は0.45μm以下のフィルターを通して雑菌を除いておくと雑菌のコンタミネーションを防ぐことができる。

酵素処理する際は何もせずに静置しておいても良いが、撹拌機等で撹拌することにより、酵素と基質の接触度合が高まる。また、反応は室温でも十分な効果が得られるが、酵素の至適温度に保つことで酵素反応が促進される。

なお、酵素処理は、微粉砕処理の前に行うことが望ましいが、微粉砕処理と同時に並行
して行っても良い。

当該酵素処理により粘度が低下したリグノセルロース原料は、手動又はポンプ等自動で各種微粉砕機に供給され、微粉砕処理される。自動供給の場合、スラリーの粘度が低下しているので、ポンプ輸送がしやすくなっている。使用される微粉砕機は用途に応じて使い分けて良いが、ボールミル、ビーズミル、ディスクミル、臼型ミル、ハイシェアー型ミル等湿式で連続的に処理できる微粉砕機が望ましい。当該酵素処理により、処理をしないときに微粉砕機を詰まらせてしまうようなスラリーの微粉砕処理が可能となる。また、微粉砕機にリグノセルロース原料のスラリーが滞留している時間が長いほど、微粉砕機での物理処理と酵素反応による化学処理の相互作用が生じて、より微粉砕効果が高くなる。

当該処理方法によって、リグノセルロース原料からエタノール等の有用な物質を得るだけでなく、リグノセルロース原料を繊維板、パーティクルボード、合板や紙等のリグノセルロース基剤製品の原材料として用いることも可能であるし、炭化して木炭や活性炭等の炭化物質として利用しても良い。加えて、ペレット状、フィルム状、あるいは用途に応じた形状の生分解性の固形化素材へ変換して利用する等、リグノセルロースを原材料として含むあらゆる素材を製造することも可能である。リグノセルロース原料から生分解性プラスチック、その他、炭化物質や紙等の物質を製造する方法等、粉砕処理を行うものであればどのようなものの製造方法にも応用可能である。

本発明のように、リグノセルロース原料の物質変換、特に酵素を用いた糖やさらに微生物を用いたエタノールへの変換の際、前段階あるいは並行処理としてリグノセルロース原料を酵素処理し、微粉砕を行うことで、リグノセルロース原料の粘性が低下し、微粉砕機の詰まりを改善でき、結果として微粉砕の処理効率を高くすることができる。

本発明をより具体的に説明するために、以下に実施例を示すが本発明はこれに限定されるものではない。

マイタケ廃菌床のエタノール変換での本発明の効果
（１）マイタケ廃菌床のエタノール変換での本発明の効果
セルロース系バイオマスとして木質系バイオマスであるマイタケ廃菌床を用い実施した場合を記す。マイタケ廃菌床はほとんどが広葉樹オガからできており、含水率が60%以上である。この廃菌床15kgを反応容器として用いるステンレス製容器に入れ、そこに27Lの水道水と0.65kgの粉末セルラーゼ(GODO-TCD、合同酒精)を加えた。ディゾルバー(DHV-5、井上製作所)を用いて撹拌しながら室温で90分反応を行なった。対照として酵素を添加しないもので実施した。90分反応後の廃菌床スラリーの粘度をビスコメーターで測定し、その結果を図1に示した。酵素添加したものはしないものと比較して粘度が1/20まで減少した。

φ2-2.8mmのガラスビーズをベッセルに充填率70%で充填し、周速を14.5m/sに設定したビーズミル(マイティーミル、MHG-II、井上製作所)に、吐出量が0.5-0.6kg/mとなるように反応後の廃菌床スラリーを供給し、微粉砕を行なった。酵素添加したものはミルに詰まることなく処理することができたが、酵素添加しないものは、一定量処理した後にベッセル内で廃菌床が詰まり、それ以上の処理が不可能となった(表１)。

次に微粉砕処理したものを発酵用タンクに入れ、パン酵母を1g/Lとなるように加え、30℃でエタノール変換を行なった。対照の酵素を添加しなかったものは、酵母に加え0.65kgのセルラーゼも加えた。変換反応中に適宜サンプリングし、上清中のエタノール濃度をガスクロマトグラフィー(GB-14、島津製作所)にて測定した。その結果を図2に示した。エタノール収率は廃菌床中のセルロース量から計算される理想エタノール量に対する得られたエタノール量の100分率である。結果、本方法で変換した場合に酵素添加しないものと比較して1.1倍高いエタノール収率となった。

本発明が廃菌床スラリーの粘度に与える影響を示す図。 本発明が微粉砕後のエタノール収率に及ぼす影響を示す図。

Claims (4)

1. リグノセルロース原料の微粉砕を行う前段階に酵素処理を行うことにより、リグノセルロース原料の粘度を低くし、微粉砕処理効率を高めることを特徴とするリグノセルロース原料の処理方法。
2. リグノセルロース原料の微粉砕を行う際に、酵素処理を同時に行うことにより、リグノセルロース原料の粘度を低くし、微粉砕処理効率を高めることを特徴とするリグノセルロース原料の処理方法。
3. リグノセルロース原料の酵素による処理を行う際使用する酵素がセルラーゼであることを特徴とする請求項１又は２の何れかに記載のリグノセルロース原料の処理方法。
4. リグノセルロース原料がマイタケ廃菌床であることを特徴とする請求項１、２又は３の何れかに記載のリグノセルロース原料の処理方法。

Images