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WO2015053029A1 - セルロース含有バイオマスの処理方法 - Google Patents

セルロース含有バイオマスの処理方法 Download PDF

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WO2015053029A1
WO2015053029A1 PCT/JP2014/073796 JP2014073796W WO2015053029A1 WO 2015053029 A1 WO2015053029 A1 WO 2015053029A1 JP 2014073796 W JP2014073796 W JP 2014073796W WO 2015053029 A1 WO2015053029 A1 WO 2015053029A1
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WO
WIPO (PCT)
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biomass
screw extruder
cellulose
saccharification
raw material
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/JP2014/073796
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English (en)
French (fr)
Inventor
藤田　一郎
進二 山木
米田　正
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Resonac Holdings Corp
Original Assignee
Showa Denko KK
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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Priority to JP2015541489A priority patent/JPWO2015053029A1/ja
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12P—FERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
    • C12P19/00—Preparation of compounds containing saccharide radicals
    • C12P19/14—Preparation of compounds containing saccharide radicals produced by the action of a carbohydrase (EC 3.2.x), e.g. by alpha-amylase, e.g. by cellulase, hemicellulase
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M45/00—Means for pre-treatment of biological substances
    • C12M45/02—Means for pre-treatment of biological substances by mechanical forces; Stirring; Trituration; Comminuting
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12P—FERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
    • C12P19/00—Preparation of compounds containing saccharide radicals
    • C12P19/02—Monosaccharides
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C13—SUGAR INDUSTRY
    • C13K—SACCHARIDES OBTAINED FROM NATURAL SOURCES OR BY HYDROLYSIS OF NATURALLY OCCURRING DISACCHARIDES, OLIGOSACCHARIDES OR POLYSACCHARIDES
    • C13K1/00—Glucose; Glucose-containing syrups
    • C13K1/02—Glucose; Glucose-containing syrups obtained by saccharification of cellulosic materials
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12P—FERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
    • C12P2201/00—Pretreatment of cellulosic or lignocellulosic material for subsequent enzymatic treatment or hydrolysis

Definitions

  • the present invention relates to a method for treating cellulose-containing biomass. More specifically, a cellulose-containing composition having a high saccharification property is obtained by suppressing by-production of furfural as a fermentation inhibitor from a cellulose-containing biomass raw material that is continuously hydrothermally treated using a screw extruder.
  • the present invention relates to a method for treating biomass, a method for producing a biomass composition for saccharification, and a method for producing sugar.
  • Patent Document 2 JP-A-59-192093
  • Patent Document 3 JP-A-59-192094
  • JP-A-2012-170355 Patent Document 2
  • Documents 3 and 4 US Pat. No. 4,642,287
  • continuously kneaded biomass with an alkali with a twin-screw extruder and hydrothermally treated it with a high concentration of pretreatment in a shorter processing time compared to conventional pulverization and alkali cooking It has been proposed that it can be done.
  • Patent Document 5 As a method for easily and quickly pretreating plant biomass, JP 2011-130745 A (Patent Document 5) adds a decomposition agent to plant biomass roughly pulverized to a preset size or less. There has been proposed a method in which pretreatment up to the saccharification preparation in which an enzyme for saccharification is mixed after the hydrothermal treatment is sequentially performed in an extruder. However, Patent Document 5 describes a flowchart for that purpose and the screw configuration of the extruder. However, the saccharification data of biomass indicating how much saccharification performance can be obtained under what conditions the processing method is performed is described below. The total performance and efficiency including the saccharification process are unknown.
  • An object of the present invention is to provide a cellulose-containing biomass pretreatment method capable of continuously treating a raw material in large quantities, which achieves both high saccharification performance and a highly practical sugar with little fermentation inhibition. It is providing the manufacturing method of the cellulose containing composition for saccharification by a method, and the manufacturing method of the saccharide
  • the present inventors have conducted extensive research, and as a result, in a processing method for obtaining sugar from cellulose-containing biomass, the cellulose-containing biomass is pulverized in the apparatus using a screw extruder.
  • hydrothermal treatment that simultaneously performs kneading and pulverization in the heating part, and cooling in the cooling part in succession, there is less by-product of furfural as a fermentation inhibiting component.
  • the inventors have found that a cellulose-containing composition having high saccharification performance can be obtained, and have completed the present invention.
  • Hydrothermal treatment is performed at a temperature of 150 to 200 ° C for 0.1 to 15 minutes while kneading and pulverizing (crushing) in the heating section in which the above elements are arranged, followed by cooling after the heating section
  • the processing method of the biomass characterized by cooling and collect
  • FIG. 4E is a block diagram of the screw extruder E used in Comparative Example 1;
  • the screw extruder used in the processing method of the present invention may be any of a single screw extruder, a multi-screw extruder, and a special extruder, but a multi-screw extruder that can add stronger shear to the biomass material.
  • a twin screw extruder is more preferable because it is general and versatile.
  • the type of the multi-screw extruder may be either a screw shaft parallel or a conical type screw whose shaft is obliquely crossed, but a parallel screw is preferable. Either a meshing type of screw or a non-meshing type may be used, but a screw meshing type having a large kneading effect and many practical examples is preferable.
  • the screw rotating direction may be either the same direction rotating type or the different direction rotating type, but the same direction rotating type having a self-cleaning effect is preferable.
  • the cylinder part of the screw extruder is located in the center of the cylinder and is located on the upstream side of the heating part, where the raw material is heated with a heater while crushing the raw material, and the pulverization and moisture content of the raw material are adjusted.
  • the pulverizing unit is compacted to maintain airtightness and the cooling unit is present downstream of the heating unit and cools and consolidates to maintain airtightness.
  • the screw extruder has a total L / D of 30 to 30 including the pulverizing part, the heating part and the cooling part from the viewpoint of maintaining a stable seal and performing hydrothermal treatment with an effect of improving the saccharification performance of the raw material biomass.
  • the screw configuration of the cylinder crushing part is composed of a kneading disc (feed kneading disc, neutral kneading disc, reverse kneading disc) or an element in which one or more sets of reverse screws are arranged before the seal ring (hereinafter abbreviated as seal ring element). It is preferable to dispose at least one).
  • the upstream side raw material is compressed due to the damming effect of the arranged seal ring, and the shear force of the screw in front of the seal ring is strengthened, and the raw material is efficiently crushed and consolidated. And has a function of sealing the vapor pressure generated in the heating section.
  • the adjustment of the moisture content may be performed separately before charging, but from the viewpoint of reducing the number of steps, it is preferable to install a liquid injection line at an arbitrary location in the pulverizing section and supply water with a high-pressure pump.
  • a moisture content shows the ratio of the mass of the water
  • the cylinder internal diameter in a twin-screw extruder shows the diameter of the circle
  • the heating of the heating part is not limited as long as it can heat the cylinder, but an electric heater is preferable from the viewpoint of temperature controllability.
  • the conditions for the hydrothermal treatment temperature of the raw material and the passage time of the heating section are preferably 150 to 200 ° C., 0.1 to 15 minutes or 200 to 215 ° C.
  • the pressure of the heating part is preferably in the range of 1 to 20 MPa, more preferably 1 to 15 MPa, and even more preferably 2 to 12 MPa.
  • the cooling part of the cylinder is preferably provided with a cooling water cooling jacket and / or a liquid injection line in order to cool the raw material heated in the heating part.
  • the cooling in the cooling section is preferably lowered to 100 ° C. or less, more preferably 80 ° C. or less, and further preferably 70 ° C. or less.
  • a pressure regulating valve can be attached to the outlet of the cooling unit for more stable sealing of the vapor pressure in the system.
  • the cellulose-containing biomass as a raw material can be directly supplied to the screw extruder without a pulverization treatment, but it is preferable to adjust the particle size by coarse pulverization in advance before supply.
  • the pulverizing means is not particularly limited as long as it has a function capable of pulverizing a solid substance.
  • the system of the apparatus may be either dry type or wet type, and the pulverization system of the apparatus may be either batch type or continuous type.
  • any device such as impact, compression, shear, and friction can be used as the grinding force of the apparatus.
  • Specific apparatuses that can be used for the pulverization treatment include, for example, coarse pulverizers such as a shredder, jaw crusher, gyretri crusher, cutter mill, cone crusher, hammer crusher, roll crusher, roll mill, stamp mill, and edge runner.
  • a preliminary pulverization treatment can be carried out using a medium pulverizer such as a cutting / shearing mill, a rod mill, an autogenous pulverizer, or a roller mill, but a cutter mill is preferred from the viewpoint of the processing amount and the pulverization zone.
  • the processing time of a raw material will not be limited if the raw material after a process is pulverized uniformly.
  • the particle size of the raw material pulverized in advance before the supply is too large if the discharge screen diameter of the pulverizer is too large, the particle size of the cellulose-containing biomass becomes large, and the subsequent pretreatment effect is reduced, so the sugar production cost is high. Become. Further, if the screen diameter is too small, the pulverization cost becomes expensive. Therefore, a size passing through a screen (screen) having a screen diameter of 0.5 to 30 mm is preferable. A more preferable range is a size passing through a screen of 1 to 30 mm ⁇ , and a most preferable range is a size passing through a screen of 3 to 30 mm ⁇ . Also, when pulverizing without using a screen, it is preferable to pulverize to a size corresponding to the pulverized product using the above-mentioned screen.
  • the moisture content of cellulose-containing biomass as a raw material can be adjusted in advance before being supplied to the screw extruder.
  • the method for adjusting the moisture content include addition of water, dehydration or drying in accordance with the moisture content of the raw material before the adjustment.
  • the moisture content of the raw material is preferably 30 to 80% by mass as described above in order to optimize the hydrothermal reaction and sealing properties.
  • a biomass composition for saccharification By treating biomass by the above method, a biomass composition for saccharification can be efficiently produced. Furthermore, sugar can be efficiently manufactured by hydrolyzing the biomass composition for saccharification manufactured by the above method.
  • the saccharification treatment of hydrolyzed cellulose-containing biomass can be saccharified by dehydration or water addition to wash insolubles by saccharification solid-liquid separation, etc., and then pH adjustment and enzyme addition. If the concentration of the furfural produced as a by-product in the hydrothermal treatment is low, an effect of omitting the insoluble content washing step or reducing the load can be obtained.
  • a belt filter For solid-liquid separation before saccharification, a belt filter, a centrifugal filter, a filter press, an Oliver filter, a centrifugal separator, or the like can be used. It is preferable to carry out with a belt filter from the point of being able to process continuously in large quantities.
  • the saccharification treatment can be performed by directly adjusting the pH of the treated product and adding an enzyme. In this case, since there is no washing step after hydrothermal heat, the by-product furfural concentration needs to be suppressed to a level that does not cause direct fermentation inhibition.
  • Examples and comparative examples will be described below, but the present invention is not limited to these descriptions.
  • a screw extruder having five types of apparatus configurations with screw configurations A to E was used, and processing conditions (hydrothermal temperature, hydrothermal time, screw configuration, heating unit sealing element) Number, screw rotation speed, solid raw material supply speed, dry raw material supply speed, inlet water supply speed) are changed as shown in Table 1, and cellulose-containing biomass is processed, and the processed sample is saccharified to produce The sugar and furfural concentrations were confirmed, and the resulting sugar solution was cultured and evaluated.
  • Bagasse was used as the raw material cellulose-containing biomass. Bagasse was not treated at all (water content 50%, cellulose content 38%, hereinafter abbreviated as “untreated bagasse”) and air-dried bagasse, a cutter mill (Masuko Sangyo Co., Ltd.) with a screen diameter of 3 mm ⁇ . Manufactured by MKCM-3) (water content 10.0%, cellulose content 42%, hereinafter abbreviated as “3 mm bagasse”).
  • Saccharification reaction Put the rotor in a 50 ml lidded glass container, weigh the pretreatment composition so that the solid content is 1.5 g, add pure water to a total of 8.0 g, and then mix with a spatula The pH was adjusted to 5 by adding 2.5 M NaOH. The pH was measured by placing the sample on a pH meter (Model B-212) manufactured by Horiba, Ltd., and the sample was returned to the glass container after the measurement. After pH adjustment, 1.0 g of the enzyme solution was added while mixing with a spatula, and pure water was added while washing the spatula to make a total of 10 g.
  • a pH meter Model B-212
  • the glass container was covered and immediately subjected to enzymatic saccharification reaction for 72 hours (Hr) while stirring in a constant temperature bath at 40 ° C.
  • the obtained saccharified solution was subjected to high performance liquid chromatography analysis, solubilized sugar (total of glucose, cellobiose, cellotriose, cellotetraose, cellopentaose, cellohexaose, arabinose, xylose, xylobiose, xylotriose) and
  • the furfural was quantified, and the utilization rate of the solubilized sugar was calculated by the following formula.
  • Seed culture Saccharomyces cerevisiae NBRC2346 strain, a yeast standard bacterium, was cultured overnight at 30 ° C. in potato dextrose agar (PDA) medium.
  • PDA potato dextrose agar
  • Yeast Nitrogen base w / o Amino acid (manufactured by DIFCO, hereinafter abbreviated as YNB) was prepared to be 6.7 g / L and reagent glucose to be 20 g / L. Inoculate a sterilized aqueous solution (hereinafter referred to as SD glucose medium) with 4 ml of sterile culture medium in a sterile ⁇ 18 mm test tube. Incubated overnight at 300 rpm.
  • the medium solution was prepared by adding YNB and water to the supernatant obtained by centrifuging each saccharified solution to adjust the final concentration to 20 g / L for glucose and 6.7 g / L for YNB, and then filtering the filtrate after sterilization filter filtration. Then, 40 ⁇ L (inoculation ratio 1%) of the preculture solution was inoculated into a medium solution in which 4 mL was aseptically placed in a sterilized ⁇ 18 mm test tube, and cultured for 48 hours at a temperature of 30 ° C. and a rotation speed of 300 rpm. As a control, culture in SD glucose medium was also performed.
  • Ethanol analysis The ethanol analysis sample was prepared by diluting the supernatant obtained by centrifuging the main culture with water so that the ethanol concentration was 0.1 to 0.5% by volume.
  • the equipment is GC-18A manufactured by Shimadzu Corporation, the column is Thermon-300 5% (inner diameter 3 mm, length 3 m), the carrier gas is helium gas 50 mL / min, the injection amount 1 ⁇ L, the heating rate 20 ° C./min.
  • the temperature was raised from 50 ° C. to 100 ° C., kept at 100 ° C., and gas chromatographic analysis was performed under the conditions of a detector temperature of 250 ° C. to determine the ethanol concentration in the sample.
  • Example 1 Using a mass feeder and a compactor, 3 mm bagasse was charged into a screw extruder B with a screw speed of 350 rpm at a feed rate of 5.0 kg / Hr in mass and 4.5 kg / Hr in terms of dry mass. Then, water was added from the injection line at a supply rate of 4.8 kg / Hr, and the water content in the pulverization part before the heating part was adjusted to 54 mass% (solid content concentration 46 mass%), followed by heating. Hydrothermal treatment was performed with the temperature of the raw material at the part (hereinafter abbreviated as hydrothermal temperature) being 175 ° C. and a pressure of 5 MPa, and then the raw material was cooled to 70 ° C.
  • hydrothermal temperature the temperature of the raw material at the part
  • Examples 2-4, Comparative Examples 1-4 Saccharification evaluation and culture evaluation were performed in the same manner as in Example 1 except that various conditions were changed as shown in Table 2.
  • Example 1 The glucose concentration and glucose utilization rate of the treated sample were 175 ° C. and 7.5 minutes of hydrothermal conditions.
  • Example 1 with 5 sets of sealing elements was 3.8% and 54%, respectively, while 0 sets were comparative examples. 1 shows 1.2% and 17%, and at 190 ° C. and 7.5 minutes,
  • Example 2 with 6 sets of sealing elements was 4.0% and 57%, whereas Comparative Example 2 with 0 set had 1 .3% and 19%, and it was confirmed that the saccharification of the sample was lowered when the seal ring element was not disposed.
  • this seal ring element is that the strong crushing stress generated when the raw material passes through the part of the very narrow clearance between the seal ring and the cylinder is applied simultaneously with the hydrothermal treatment. This is presumed to improve the saccharification of the sucrose. From the above results, it was confirmed that it is effective to install a plurality of seal ring elements in the heating section as the conditions of the screw extruder for obtaining high saccharification performance.
  • the examples and comparative examples in the present specification are test examples in which hydrothermal treatment can be performed with a screw extruder. All screw extruders were used with a water cooling jacket and a liquid injection line cooling system in the cooling section, and a pressure regulating valve in the discharge port. In each of the tests, Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 3 are cooled by a water cooling jacket. In Examples 4 and 4, the water cooling jacket and cooling from the injection line to the treated biomass are used in combination. When the temperature of the cooling part was set to 100 ° C. or lower, all the tests were able to stably carry out continuous hydrothermal treatment. On the other hand, there were conditions that were tested but were not actually hydrothermally treated.
  • the saccharification evaluation results of each treatment sample showed a glucose concentration of 3% or more and a glucose utilization rate of 51% or more under any hydrothermal condition, and in a hydrothermal treatment in a range of about 175 ° C. to 220 ° C. and 1 minute to 10 minutes, It was confirmed that good saccharification performance was obtained.
  • the furfural concentrations were 175 ° C., 7.5 minutes of Example 1 at 594 ppm, 190 ° C., 77.5 minutes of Example 2 at 1231 ppm, 190 ° C., 2.5 minutes of Example 3 at 650 ppm, 210 ° C. , 2.5 minutes of Comparative Example 3 was 1894 ppm, 210 ° C., 1.2 minutes of Example 4 was 689, 220 ° C., 1.2 minutes of Comparative Example 4 was 1975 ppm, and high temperature or long-term hydrothermal conditions The concentration tended to increase.
  • the ethanol concentration of the reagent glucose control was 0.74%, whereas the ethanol concentration of Example 1 at 175 ° C. for 7.5 minutes was 0.78%, the ratio to the control was 105%, 190 ° C., 77.
  • Example 2 of 5 minutes is 0.77%, 104%
  • Example 3 of 190 ° C. for 2.5 minutes is 0.77%, 104%
  • Comparative Example 3 of 210 ° C. for 2.5 minutes is 0.58%
  • Comparative Example 3 having high furfural concentration of 78% at 210 ° C. for 1.2 minutes in Example 4 showed 0.75%, 101%, and 220 ° C. in 1.2 minutes showed 0.50% and 68%.
  • No. 4 had an ethanol concentration lower than the control and was confirmed to have fermentation inhibition.
  • Example 2 the furfural concentration after saccharification was high and exceeded 1000 ppm, but unlike the comparative example, the glucose concentration was also high, so the furfural ratio of glucose to glucose was low. Therefore, the furfural concentration of the medium adjusted to a glucose concentration of 2% was suppressed to 616 ppm with respect to Comparative Examples 3 and 4 exceeding 1000 ppm, and a good ethanol concentration could be obtained.
  • the hydrothermal conditions in which good saccharification is obtained and fermentation inhibition is not caused are approximately 2.5 minutes or less at a temperature of 200 ° C. or less, and 200 ° C., similarly to the conditions in which the furfural concentration is less than 1000 ppm. It was confirmed that it was 1.2 minutes or less under the condition of exceeding 210 ° C.
  • the pretreatment method of cellulose-containing biomass that performs kneading and pulverization effect simultaneously with hydrothermal treatment using a screw extruder according to the present invention, when the obtained cellulose-containing biomass composition is saccharified Byproduct of the furfural as a fermentation inhibiting component is reduced, and a biomass composition for saccharification with high industrial saccharification performance can be efficiently obtained.

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Abstract

　本発明は、スクリュー押出機を用いて連続的に水熱処理を行う、セルロース含有バイオマス原料から発酵阻害成分であるフルフラール副生量が少ない、糖化性能の高いバイオマス組成物を製造する前処理方法であって、スクリュー押出機の粉砕部で、セルロース含有バイオマス原料を最大粒径１０００μｍ以下に粉砕しかつ含水率を３０～８０％に調整し、次いでシールリングの直前にニーディングディスク及び／または逆ネジを１セット以上配置したエレメントを配設した加熱部で、擂り潰し（擂潰）効果のある混錬粉砕を行いながら（１）１５０～２００℃の温度で０．１～１５分間、または（２）２００～２１５℃の温度で０．１～２．０分間水熱処理を行い、続いて加熱部以降の冷却部で処理物を１００℃以下に冷却し回収することを特徴とするバイオマスの処理方法を提供する。

Description

セルロース含有バイオマスの処理方法
　本発明はセルロース含有バイオマスの処理方法に関する。さらに詳しく言えば、スクリュー押出機を用いて連続的に水熱処理を行う、セルロース含有バイオマス原料から発酵阻害物質であるフルフラールの副生を抑制して、糖化性の高いセルロース含有組成物を得るセルロース含有バイオマスの処理方法、糖化用バイオマス組成物の製造方法、及び糖の製造方法に関する。
　地球温暖化防止対策の一環として、セルロース含有バイオマスを有効利用し、エタノールをはじめとする各種化学製品を製造する検討が広く行われている。セルロース含有バイオマスには、例えば、スギ、ヒノキ等のハードバイオマスや稲わら、麦わら、コーンコブ、キャッサバ、バガス、サトウキビ葉等のソフトバイオマスがある。これらのバイオマスには、ヘミセルロース、リグニン等が含まれていることもあり、そのままでは糖化しにくいため、各種の前処理により糖化性能を高める提案がなされている。
　糖化性能を高める前処理方法としては、酸やアルカリを添加して水熱処理を行う方法や、薬剤を使用しない水熱処理と物理的な粉砕処理を組み合わせた方法（特開２００６－１３６２６３号公報；特許文献１）が提案されている。さらにそれ以外にも水蒸気爆砕、アンモニア爆砕、オゾン酸化、白色腐朽菌処理、マイクロ波照射、電子線照射、γ線照射が提案されている（木材学会誌，５３，１～１３（２００７）；非特許文献１）。
　しかしながら、これらの前処理方法は一定の糖化性能を高める効果はあるものの、工業的に有益な処理工程として考えた場合、大量の原料を連続的、効率的に処理できる装置や方法が具体的に開示されていない。
　バイオマス酵素糖化の前処理を連続的に効率的に行う方法としては、特開昭５９－１９２０９３号公報（特許文献２）、特開昭５９－１９２０９４号公報及び特開２０１２－１７０３５５号公報（特許文献３及び４；ＵＳ４６４２２８７）にバイオマスをアルカリとともに二軸押出機で混錬し水熱処理することにより、従来の微粉砕処理やアルカリ蒸煮処理に比べ、短い処理時間で高濃度の前処理を連続で行えることが提案されている。
　しかしながら、特許文献２～４の前処理方法は、いずれも原料に対して２０％前後のアルカリを用いているため薬剤費用がかかる上、酵素糖化前に必ず添加したアルカリの中和と洗浄が必要になるため、糖化工程まで含めた経済性と効率性に関する課題は解決されていない。さらに特許文献２及び３では、前処理は実質的に粉砕とアルカリ蒸煮を組み合わせたものであることを唄っているが、その処理条件については、加熱温度と加熱時間、投入する原料やアルカリの数量などアルカリ蒸煮に関わる条件を示すにとどまり、粉砕に関わる装置の構成などについては提示されておらず、発明を実施するための形態は不明瞭である。
　植物バイオマスの前処理を簡単で迅速に行う方法として、特開２０１１－１３０７４５号公報（特許文献５）には、予め設定された大きさ以下に粗粉砕した植物バイオマスに分解剤を添加して加圧熱水処理した後、糖化させるための酵素とを混ぜ合わせる糖化仕込みまでの前処理を、押出機内で順番に連続して行う方法が提案されている。しかしながら、特許文献５は、そのためのフローチャートや押出機のスクリュー構成を記載しているが、処理方法をどのような条件により実施し、どれくらいの糖化性能が得られるかのバイオマスの糖化データの提示はなく、糖化工程まで含めたトータルの性能や効率性は不明である。
　以上のことから、高い糖化性能が得られることと、発酵阻害が少なく実用性の高い糖が得られることを両立し、大量の原料を連続的に処理できる工業的に有用なセルロース含有バイオマスの前処理方法の確立が求められていた。
特開２００６－１３６２６３号公報 特開昭５９－１９２０９３号公報（ＵＳ４６４２２８７） 特開昭５９－１９２０９４号公報（ＵＳ４６４２２８７） 特開２０１２－１７０３５５号公報 特開２０１１－１３０７４５号公報
木材学会誌，５３，１～１３（２００７）
　本発明の課題は、高い糖化性能が得られることと、発酵阻害が少なく実用性の高い糖が得られることを両立した、原料を連続的に大量処理できるセルロース含有バイオマスの前処理方法、前記処理法による糖化用セルロース含有組成物の製造方法、及び前記糖化用セルロース含有組成物を加水分解する糖の製造方法を提供することにある。
　本発明者らは、上記課題を解決するために、鋭意研究を重ねた結果、セルロース含有バイオマスから糖を得るための処理方法において、セルロース含有バイオマスを、スクリュー押出機を用いて、装置内の粉砕部で粉砕及び含水率調整、加熱部で擂潰効果のある混錬粉砕を同時に行う水熱処理、冷却部で冷却を、連続的に順番に行うことにより、発酵阻害成分のフルフラールの副生が少なく、糖化性能の高いセルロース含有組成物が得られることを見出し、本発明を完成するに至った。
　すなわち、本発明は、下記のセルロース含有バイオマスの処理方法に関する。
［１］スクリュー押出機を用いて連続的に水熱処理を行う、セルロース含有バイオマス原料から発酵阻害成分であるフルフラール副生量が少ない糖化用バイオマス組成物を製造する前処理方法であって、スクリュー押出機の粉砕部で、セルロース含有バイオマス原料を最大粒径１０００μｍ以下に粉砕しかつ含水率を３０～８０％に調整し、次いでシールリングの直前にニーディングディスク及び／または逆ネジを１セット以上配置したエレメントを配設した加熱部で、擂り潰し（擂潰）効果のある混錬粉砕を行いながら１５０～２００℃の温度で０．１～１５分間水熱処理を行い、続いて加熱部以降の冷却部で処理物を１００℃以下に冷却し回収することを特徴とするバイオマスの処理方法。
［２］スクリュー押出機を用いて連続的に水熱処理を行う、セルロース含有バイオマス原料から発酵阻害成分であるフルフラール副生量が少ない糖化用バイオマス組成物を製造する前処理方法であって、スクリュー押出機の粉砕部で、セルロース含有バイオマス原料を平均粒径１０００μｍ以下に粉砕しかつ含水率を３０～８０％に調整し、次いでシールリングの直前にニーディングディスク及び／または逆ネジを１セット以上配置したエレメントを配設した加熱部で、擂り潰し（擂潰）効果のある混錬粉砕を行いながら２００～２１５℃の温度で０．１～２．０分間水熱処理を行い、続いて加熱部以降の冷却部で処理物を１００℃以下に冷却し回収することを特徴とするバイオマスの処理方法。
［３］加熱部以降の冷却部で、水冷ジャケット及び／または注液ラインを取り付けて冷却を行う［１］または［２］に記載のバイオマスの処理方法。
［４］スクリュー押出機が同方向回転の二軸押出機である［１］～［３］のいずれかに記載のバイオマスの処理方法。
［５］セルロース含有バイオマスがソフトバイオマスである［１］～［４］のいずれかに記載のバイオマスの処理方法。
［６］［１］～［５］のいずれかに記載の処理方法を行うことを特徴とする糖化用バイオマス組成物の製造方法。
［７］［６］に記載の製造方法により得られたバイオマス組成物を加水分解することを特徴とする糖の製造方法。
　セルロース含有バイオマスを、スクリュー押出機を用いて連続で、水熱処理と同時に擂潰効果のある混錬粉砕を同時に行う本発明のセルロース含有バイオマスの処理方法によれば、発酵阻害成分のフルフラールの副生が少なく、糖化性能の高いセルロース含有組成物が得られ、バイオマスから糖の生産を品質と生産性を両立して行うことができる。
（Ａ）は実施例２に用いたスクリュー押出機Ａの構成図、（Ｂ）は実施例１に用いたスクリュー押出機Ｂの構成図、（Ｃ）は実施例３、４及び比較例３、４に用いたスクリュー押出機Ｃの構成図、（Ｄ）は比較例２に用いたスクリュー押出機Ｄの構成図、（Ｅ）は比較例１に用いたスクリュー押出機Ｅの構成図である。
　以下、本発明を詳細に説明する。本発明は、セルロース含有バイオマスをスクリュー押出機に供給して連続的に水熱処理と同時に擂潰効果のある混錬粉砕を同時に行う処理方法である。この処理に用いる原料には、水に添加剤として酸やアルカリを加えることも可能であるが、添加剤を使用するとその薬剤コストがかかるだけでなく、後工程での中和等の無害化にかかる費用も発生するため、工業的には一般に利用できる水だけを使用することが好ましい。
[セルロース含有バイオマス]
　本発明の処理方法に用いるバイオマスとは、枯渇性資源（石油・石炭・天然ガスなどの化石燃料）を除く、生体高分子（核酸、タンパク質、多糖）やこれらの構成要素を起源とする産業資源を意味する。従って、セルロース含有バイオマスには、例えば木材などのハードバイオマスと、稲わら、麦わら、コーンコブ、キャッサバ、バガス、サトウキビ葉などのソフトバイオマスが挙げられる。前処理の容易性を考慮するとソフトバイオマスが好ましく、さらに全世界的な賦存量と収集コストを考慮すると、バガス、サトウキビ葉が特に好ましい。 
[スクリュー押出機の種類]
　本発明の処理方法に用いるスクリュー押出機は、単軸スクリュー押出機、多軸スクリュー押出機、特殊押出機のいずれでもよいが、より強いせん断をバイオマス材料に加えることができる多軸スクリュー押出機が好ましく、一般的で汎用性があることから二軸押出機がより好ましい。
　多軸スクリュー押出機の形式としては、スクリュー軸が平行なものとコニカルタイプのスクリューが軸を斜交させたもののいずれでもよいが、平行なものが好ましい。
スクリューのかみ合い型と非かみ合い型のいずれでもよいが、混練効果が大きく実用例も多いスクリューかみ合い型が好ましい。
　スクリュー回転方向は、同方向回転型と異方向回転型のいずれでもよいが、自己清掃効果のある同方向回転型が好ましい。
[スクリュー押出機の原料供給部]
　原料をスクリュー押出機のシリンダーに安定して供給するためのホッパーとしては、例えば振動ホッパー、強制フィーダ付ホッパー、ホッパードライヤー、真空ホッパー、窒素置換ホッパーなど、原料がブリッジを起こさず、スクリューのフィード部に必要な供給圧力を生じさせることができる機能を持ち合わせていれば限定されないが、原料の安定供給の観点より、強制的に材料をシリンダーに押込むためのスクリューが内部に付いたホッパーが好ましい。
　ホッパー下には原料をスクリュー押出機に定量的に供給する装置が取り付けられる。定量供給装置は質量式フィーダや定容式フィーダなど、定量的な供給ができる機能があれば限定されないが、一般的に嵩密度が低く形状やサイズが不均一であるバイオマス原料を供給することから質量式フィーダが好ましい。さらにより確実に原料をスクリュー押出機に供給するために、スクリューやピストンを使って強制的に押出機内に原料を圧入して材料のかさ密度を高めることができるコンパクターを設置することが好ましい。
[スクリュー押出機のシリンダー部]
　スクリュー押出機のシリンダー部は、シリンダーの中央部にあり原料を擂潰しながらヒーターで加熱して水熱処理をする加熱部と、加熱部の上流側に存在し、原料の粉砕と含水率を調整し、圧密化させて気密性を保持する粉砕部と、加熱部の下流側に存在し、冷却を行い、圧密化して気密性を保持する冷却部の３つの部分からなる。スクリュー押出機は、安定的にシールを保ち、原料バイオマスの糖化性能を改善する効果のある水熱処理を行うという観点より、粉砕部、加熱部および冷却部を合わせた全体のＬ／Ｄは３０～８０が好ましく、４０～８０がより好ましく、５０～８０がさらに好ましい。粉砕部のＬ／Ｄは１０～４０が好ましく、１０～３０がより好ましく、１５～２５がさらに好ましい。また、加熱部のＬ／Ｄは１０～６５が好ましく、１５～６０がより好ましく、２０～５５がさらに好ましい。冷却部のＬ／Ｄは５～３５が好ましく、５～２０がより好ましく、５～１０がさらに好ましい。なお、Ｌ／Ｄとは、ホッパー下のねじの切り始めから先端までのスクリューの長さ（Ｌ）と直径（Ｄ）との比率で表される有効長である。
[シリンダー粉砕部の構成]
　シリンダー粉砕部のスクリュー構成は、シールリングの前にニーディングディスク（送りニーディングディスク、中立ニーディングディスク、逆ニーディングディスク）または逆ネジを１セット以上配置したエレメント（以下、シールリングエレメントと略記する。）を少なくとも１つ以上配設することが好ましい。配設されたシールリングのせき止め効果で上流側の原料が圧縮された状態が形成され、シールリングの前にあるスクリューのせん断力が強化された状態となり、原料が効率的に粉砕と圧密化をされて加熱部で発生する蒸気圧力をシールする機能を持つ。原料の粉砕はシール機能のためだけでなく加熱部での水熱処理効率を向上させるためのものでもあり、そのための原料の最大粒径は１０００μｍ以下とすることが好ましい。なお、最大粒径は、加熱部直前の粉砕部から抜き出したサンプルの顕微鏡観察により求められる。
　また、粉砕部では水熱反応とシール性を最適に行うために原料の含水率を３０～８０質量％にすることが好ましく、３０～７５質量％にすることがより好ましく、３５～７０質量％にすることがさらに好ましい。含水率の調整は、投入前に別途行っても良いが、工程数を減らす観点から粉砕部の任意の場所に注液ラインを設置して高圧ポンプで供水することが好ましい。なお、含水率とは原料の有り姿全体の質量に対する水分の質量の割合を示す。
[シリンダー加熱部の構成]
　シリンダーの加熱部のスクリュー構成は、シールリングエレメントを、少なくとも３セット以上配設することが好ましい。加熱部における複数のシールリングの効果は、セルロース含有バイオマスがシールリングとシリンダーとの非常に狭いクリアランスの部分を原料が通過する際に生じる強いすりつぶし応力が、水熱処理と同時にかかることにより、バイオマス中のセルロースの糖化性を向上させることである。そのためのシールリングとシリンダーのクリアランスはシリンダー内径の０．５～１０．０％が好ましく、１．０～８．０％がより好ましく、１．５～５．０％がさらに好ましい。なお、二軸押出機におけるシリンダー内径は、シリンダーの垂直断面を見た時に、１つのスクリューを囲む円の直径を示す。加熱部の加熱は、シリンダーを加熱できるものであれば限定されないが、温度制御性の観点から電気ヒーターが好ましい。原料を水熱処理する温度と加熱部の通過時間の条件は、１５０～２００℃、０．１～１５分もしくは２００～２１５℃、０．１～２．０分が好ましく、１６０～２００℃、１～１０分もしくは２００～２１３℃、０．３～２．０分がより好ましく、１６０～２００℃、２～８分もしくは２００～２１０℃、０．５～１．５分がさらに好ましい。加熱部の圧力は、１～２０ＭＰａの範囲にあることが好ましく、１～１５ＭＰａがより好ましく、２～１２ＭＰａがさらに好ましい。
[シリンダー冷却部の構成]
　シリンダーの冷却部は、加温部で加熱された原料を冷却するために冷却水冷ジャケット及び／または注液ラインを取り付けることが好ましい。冷却部での冷却は１００℃以下に下げることが好ましく、８０℃以下がより好ましく、７０℃以下がさらに好ましい。これにより加熱部で生じた蒸気が水になり、処理されたバイオマスとともに下流への蒸気圧力をシールすることができる。さらに系内の蒸気圧力のより安定的なシールのために、冷却部の排出口に調圧バルブを取り付けることもできる。
［粉砕（粒径調整）]
　本発明の処理方法では、原料であるセルロース含有バイオマスは粉砕処理なしで直接スクリュー押出機に供給することができるが、供給前に事前に粗粉砕して粒径調整を行うことが好ましい。粉砕手段は固体の物質を粉砕できる機能を備えているものであれば特に限定されない。例えば、装置の方式は乾式と湿式のいずれでもよく、装置の粉砕システムは回分式と連続式いずれでもよい。さらに、装置の粉砕力は、衝撃、圧縮、せん断、摩擦などのいかなるものをも用いることができる。
　粉砕処理に用いることができる具体的な装置としては、例えば、シュレッダー、ジョークラッシャー、ジャイレクイトリクラッシャー、カッターミル、コーンクラッシャー、ハンマークラッシャー、ロールクラッシャー、ロールミルなどの粗粉砕機、並びにスタンプミル、エッジランナ、切断・せん断ミル、ロッドミル、自生粉砕機、ローラミルなどの中粉砕機を用いて、予備的な粉砕処理を実施することができるが、処理量、粉砕域の観点からカッターミルが好ましい。原料の処理時間は、処理後原料が均一に微粉化されるのであれば限定されるものではない。
　供給前に事前に粉砕した原料の粒径は、粉砕装置の排出スクリーン径が大きすぎるとセルロース含有バイオマスの粒径が大きくなり、その後の前処理効果が低くなるため、糖の製造コストが高価になる。また、スクリーン径が小さすぎると粉砕コストが高価になるため、スクリーン径０．５～３０ｍｍφのスクリーン（篩）を通過したサイズが好ましい。さらに好ましい範囲は１～３０ｍｍφのスクリーンを通過したサイズであり、最も好ましい範囲は３～３０ｍｍφのスクリーンを通過したサイズである。また、スクリーンを用いずに粉砕をする場合にも、上記のスクリーンを用いた粉砕品に相当するサイズに粉砕することが好ましい。
［含水率調整］
　本発明の処理方法では、スクリュー押出機への供給前に事前に原料であるセルロース含有バイオマス含水率を調整することもできる。含水率を調整する方法は、調整前の原料の含水率に合わせて、加水または、脱水若しくは乾燥することが挙げられる。原料の含水率は、水熱反応とシール性を最適に行うために前述のように３０～８０質量％にすることが好ましい。
［水熱処理品の糖化］
　以上の方法によりバイオマスを処理することで、糖化用バイオマス組成物を効率よく製造することができる。さらに、以上の方法で製造した糖化用バイオマス組成物を加水分解することにより、効率良く糖を製造することができる。
　水熱処理したセルロース含有バイオマスの糖化処理は、糖化固液分離などにより脱水処理や水添加して不溶分を洗浄したのち、ｐＨ調整し酵素添加して糖化処理をすることができる。水熱処理で副生したフルフラールの濃度が低いと不溶分の洗浄工程を省略あるいは負荷低減をできる効果が得られる。糖化前の固液分離には、ベルトフィルター、遠心ろ過機、フィルタープレス、オリバーフィルター、遠心分離機などを用いることができる。連続的に大量に処理ができる点からベルトフィルターで行うことが好ましい。
　もう一つの糖化方法として、処理物を直接ｐＨ調整し酵素添加して糖化処理することもできる。この場合は、水熱後の洗浄工程がないため、副生したフルフラール濃度は直接発酵阻害を生じないレベルに抑制される必要がある。
　以下に実施例及び比較例を挙げて説明するが、本発明はこれらの記載に限定されるものではない。
　実施例１～４、比較例１～４では、スクリュー構成がＡ～Ｅの５種類の装置条件のスクリュー押出機を用い、処理条件（水熱温度、水熱時間、スクリュー構成、加熱部シーリングエレメント数、スクリュー回転数、有り姿原料供給速度、乾燥原料供給速度，入口水供給速度）を表１に記載の通り変えてセルロース含有バイオマスの処理を実施し、処理したサンプルの糖化反応を行い、生成糖とフルフラール濃度を確認し、さらに得られた糖液を培養して評価した。
［スクリュー押出機Ａ～Ｅ］
　実験には、スクリュー径３２ｍｍの二軸スクリュー押出機（商品名；（株）日本製鋼所製ＴＥＸ３０α）またはスクリュー径４７ｍｍの二軸スクリュー押出機（商品名；（株）日本製鋼所製ＴＥＸ４４α）を用いて、それぞれ表１に記載した装置条件であるスクリューＡ～Ｅ（それぞれ図１（Ａ）～（Ｅ）に示す）にセットして、それぞれ表１に記載の実施例、比較例で用いた。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
[原料バガスの調整]
　原料のセルロース含有バイオマスにはバガスを用いた。バガスは全く処理していないもの（含水率５０％、セルロース含有率３８％、以後、「未処理バガス」と略記する。）と、風乾したバガスを、スクリーン径３ｍｍφのカッターミル（増幸産業株式会社製、ＭＫＣＭ－３、）で粉砕したもの（含水率１０．０％、セルロース含有率４２％、以後、「３ｍｍバガス」と略記する。）を用いた。
［バイオマス中の主成分含有率の分析方法］
　バイオマス中のセルロース含有率、ヘミセルロース含有率、及びリグニンと灰分を合計した含有率は、ＮＲＥＬ（米国・国立再生可能エネルギー研究所）の分析方法(Technical Report NREL/TP-510-42618)により求めた。
［高速液体クロマトグラフィー分析方法及びセルロース含有率の算出方法］
　ガードカラム（昭和電工株式会社製、ＫＳ－Ｇ）と分離カラム（昭和電工株式会社製 ＫＳ－８０２）を接続し、カラム温度を７５℃に設定した。純水を溶離液として０．５ｍｌ／分で供給し、分離成分は示差屈折率検出器を用いて定量しグルコース及びキシロース濃度を求め、下記式によりセルロース、ヘミセルロース、ホロセルロース含有率を算出した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
［水熱サンプルの糖化評価］
固形分濃度測定：
　ケット式水分計に水熱サンプルを２～３ｇ載せて、１０５℃、６０分の条件で乾燥し、計算した蒸発残分の比率を固形分濃度とした。
酵素液の調整： 
　メイセラーゼ（登録商標、明治製菓株式会社（現Meiji Seikaファルマ株式会社）製セルラーゼ）４．３ｇを純水９６．７ｇに溶解させた。
　酵素液のＦＰＵ活性(Filter Paper Assay for Saccharifying Cellulase)は、ＩＵＰＡＣ（国際純正・応用化学連合）の分析方法(Pure & Appl.Chem.,Vol.59,No.2,pp.257-268,1987)より求めた結果、１５ＦＰＵ／ｇであった。
糖化反応：
　５０ｍｌの蓋つきガラス容器に回転子を入れ、固形分量が１．５ｇになるように前処理組成物を秤量し、合計８．０ｇになるように純水を加えた後、スパチュラで混合しながら
２．５ＭのＮａＯＨを加えてｐＨ５に調整した。ｐＨは株式会社堀場製作所製ｐＨメータ（型式Ｂ－２１２）にサンプルを載せて測定し、サンプルは測定後ガラス容器に戻した。
ｐＨ調整後、スパチュラで混合しながら酵素液を１．０ｇ加え、さらにスパチュラを洗いながら純水を加えて合計１０ｇとした。その後ガラス容器に蓋をして直ちに４０℃の恒温槽で撹拌しながら７２時間（Ｈｒ）酵素糖化反応を行った。得られた糖化液を高速液体クロマトグラフィー分析して可溶化糖（グルコース、セロビオース、セロトリオース、セロテトラオース、セロペンタオース、セロヘキサオース、アラビノース、キシロース、キシロビオース、キシロトリオースの合計したもの）及びフルフラールを定量し、可溶化糖利用率を以下の計算式により算出した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
[糖化液の培養評価]
種培養：
　酵母の標準菌であるサッカロマイセス・セレビシエ（Saccharomyces.cerevisiae）ＮＢＲＣ２３４６株をポテトデキストロース寒天(potato dextrose agar）(ＰＤＡ)培地で３０℃、一晩培養した。
前培養：
　酵母ニトロゲンベース（アミノ酸不含）(Yeast Nitrogen base w/o Amino acid)（ＤＩＦＣＯ社製、以下、ＹＮＢと略す。）を６．７ｇ／Ｌ、試薬グルコースを２０ｇ／Ｌとなるように作成し滅菌した水溶液（以後、ＳＤグルコース培地と呼ぶ。）に、滅菌したφ１８ｍｍ試験管に４ｍＬを無菌的に入れた培地液に、種培養した菌を一白金耳植菌し、温度３０℃、回転数３００ｒｐｍで一晩培養した。
本培養：
　培地液は、各糖化液を遠心分離した上清にＹＮＢと水を加えて、終濃度がグルコース２０ｇ／Ｌ、ＹＮＢ６．７ｇ／Ｌとなるように調整した後、除菌フィルタろ過したろ液を、滅菌したφ１８ｍｍ試験管に４ｍＬを無菌的に入れた培地液に、前培養液を４０μＬ（植菌比率１％）を植菌し、温度３０℃、回転数３００ｒｐｍで４８Ｈｒ培養した。
　コントロールとしてＳＤグルコース培地での培養も合わせて行った。
エタノール分析：
　エタノールの分析サンプルは、本培養液を遠心分離して取得した上清を、エタノール濃度が０．１～０．５容量％となるように水希釈して調整した。装置は株式会社島津製作所製のＧＣ－１８Ａ、カラムはＴｈｅｒｍｏｎ－３００　５％（内径３ｍｍ、長さ３ｍ）を用い、キャリアガスはヘリウムガス５０ｍＬ／分、インジェクション量１μＬ、昇温速度２０℃／分で５０℃から１００℃昇温後１００℃保持、検出器温度２５０℃の条件でガスクロマトクラフィー分析してサンプル中のエタノール濃度を求めた。
実施例１：
　３ｍｍバガスを質量フィーダおよびコンパクターを用いて、有り姿質量５．０ｋｇ／Ｈｒ、乾燥質量換算４．５ｋｇ／Ｈｒの供給速度で、スクリュー回転数を３５０ｒｐｍとしたスクリュー押出機Ｂに投入し、粉砕部において注液ラインより４．８ｋｇ／Ｈｒの供給速度で水を添加して、引き続き加熱部前の粉砕部での含水率が５４質量％（固形分濃度４６質量％）となるよう調整し、加熱部での原料の温度（以下、水熱温度と略記する。）を１７５℃、圧力５ＭＰａとして水熱処理を行った後、冷却部で原料を水冷ジャケットにより７０℃以下に冷却して、排出口からサンプルを回収した。この条件での加熱部の通過時間（以下、水熱時間と略記する。）は７．５分であった。回収した処理サンプルは、糖化評価を行い、さらに糖化液の培養評価を行った。
実施例２～４、比較例１～４：
　各種条件を表２に記載のように変更したこと以外は実施例１と同様にして、糖化評価および培養評価を行った。


































Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
　実施例１～４、比較例１～４についての処理サンプル糖化の結果（糖化後のフルフラール濃度、糖化前のセルロース濃度、糖化後のグルコース濃度、グルコース利用率、糖化後の対グルコースフルフラール比率）を表３にまとめて示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000005
［押出機条件による水熱サンプルの糖化性の比較］
　実施例１と比較例１は温度１７０℃、時間７．５分、実施例２と比較例２は温度１９０℃、時間７．５分のそれぞれ同じ水熱条件を、異なるスクリュー構成の押出機で行った。
　実施例１及び２の押出水熱は、シールリングエレメントを、５セット配置した条件のスクリュー押出機Ｂ（図１（Ｂ））、及び６セット配置した条件のスクリュー押出機Ａ（図１（Ａ））により行った。それに対して、比較例１、２では加熱部にシールリングエレメントを配置しないスクリュー押出機Ｅ（図１（Ｅ））、Ｄ（図１（Ｄ））により行った。
　処理サンプルのグルコース濃度、グルコース利用率は、１７５℃、７．５分の水熱条件では、シーリングエレメントが５セットの実施例１がそれぞれ３．８％、５４％に対し、０セットの比較例１は１．２％、１７％を示し、また１９０℃、７．５分では、シーリングエレメントが６セットの実施例２が４．０％、５７％に対し、０セットの比較例２は１．３％、１９％を示し、シールリングエレメントが配置されないとサンプルの糖化性が低下することが確認された。
　このシールリングエレメントの効果は、セルロース含有バイオマスがシールリングとシリンダーとの非常に狭いクリアランスの部分を原料が通過する際に生じる強い擂り潰し応力が、水熱処理と同時にかかることにより、バイオマス中のセルロースの糖化性を向上させるためと推測される。
　上の結果より、高い糖化性能を得るためのスクリュー押出機の条件は、加熱部にシールリングエレメントを複数設置することが有効であることが確認された。
［水熱処理前の粉砕部での粗粉砕］
　本明細書における実施例、比較例は、スクリュー押出で水熱処理ができたテスト例であり、それらの水熱直前の原料の最大粒径は、スクリュー押出機の加熱部より前の粉砕部から抜き出したサンプルを顕微鏡観察した結果いずれも１０００μｍ以下まで粉砕されていることが分かった。
　一方、テストはしたが実際には水熱処理できなかった条件がある。それはスクリュー押出機Ａ及びスクリュー押出機Ｅのそれぞれの粉砕部にあるシールリングエレメントからシールリングを外したスクリュー構成とした場合である。３ｍｍバガスを供給して水熱処理を試みたが、粉砕部において圧力を保持できず蒸気が逆流して処理できなかった。この時の水熱前の粉砕部から回収した原料の最大粒径はいずれも１０００μｍを超え粉砕がしっかりされていなかった。
　以上より粉砕部での粗粉砕は、押出水熱において糖化性能を向上させる効果と、水熱部で発生する蒸気の上流側のシールする効果が得られているものと推測され、そのレベルは最大粒径が１０００μｍを下回ることが好ましいことが確認された。
[冷却部の条件による運転結果] 
　本明細書における実施例及び比較例は、スクリュー押出機で水熱処理ができたテスト例である。いずれのスクリュー押出機も、冷却部には水冷ジャケット及び注液ラインの冷却システム、排出口には調圧バルブを設置して用いた。各テストは、実施例１～３、比較例１～３では水冷ジャケットにより冷却を行い、実施例４及び比較例４では水冷ジャケットと注液ラインから処理バイオマスへの注水による冷却を併用して、冷却部の温度を１００℃以下にしたところ、いずれのテストも安定的に連続の水熱処理をすることができた。一方、テストはしたが実際には水熱処理できなかった条件がある。各スクリュー押出機において水冷ジャケット及び注液ラインのいずれの冷却システムも使用せずに処理を行ったところ、いずれのスクリュー押出機の場合においても、冷却部の温度は１００℃を超えた高温状態のままで、サンプルが蒸気とともに断続的に噴出し安定的な処理ができなかった。
　以上の通り、冷却部では水冷ジャケット及び／又は注液ラインの冷却システムを使用して温度を１００℃以下にすることが安定運転に必要であることが確認された。
［水熱サンプルの糖化性とフルフラール濃度］
　実施例１～４、比較例３～４により、糖化性能が確実に向上する、加熱部にシールリングエレメントを配置したスクリュー押出機を用いた処理において、水熱条件と処理サンプルの糖化性能を比較する。
　粉砕部での粉砕と給水によりバガスの粒径と含水率が同一に調整され、その他の装置条件、処理条件も同じであれば、事前に乾燥・粗粉砕されている「３ｍｍバガス」と「未処理バガス」の違いによる糖化性能への影響はないと言える。また、供給速度の違いは、装置内の原料の滞留時間に影響し、水熱時間に連動するため、時間を短くするには速度を上げ、長くするには下げるというように、供給速度は水熱時間の設定のための操作因子となる。
　各処理サンプルの糖化評価結果は、いずれの水熱条件ともグルコース濃度３％以上、グルコース利用率５１％以上を示し、おおむね１７５℃～２２０℃、１分～１０分の範囲の水熱処理おいて、良好な糖化性能が得られることが確認された。
　一方、フルフラール濃度は、１７５℃、７．５分の実施例１が５９４ｐｐｍ、１９０℃、７７．５分の実施例２が１２３１ｐｐｍ、１９０℃、２．５分の実施例３が６５０ｐｐｍ、２１０℃、２．５分の比較例３が１８９４ｐｐｍ、２１０℃、１．２分の実施例４が６８９、２２０℃、１．２分の比較例４が１９７５ｐｐｍを示し、高温または長時間の水熱条件になると濃度が上昇する傾向となった。
　以上の糖化結果より、良好な糖化性が得られ、かつ１０００ｐｐｍを下回る条件は、おおむね２００℃以下の温度では２．５分以下、２００℃を超え２１０℃までの条件では１．２分以下であることが確認された。
　なお、本実験における糖化液のフルフラール濃度は、水熱処理サンプルを洗浄せず直接酵素反応を実施しているため、水熱処理時のフルフラールの副生挙動がそのまま反映され、水熱条件の良否を比較できる数値となる。
［培養評価結果］
　実施例１～４、比較例３～４の糖化サンプルは、培地のグルコースとして終濃度が２％になるようそれぞれ調整して、酵母の標準菌による培養を行い、４８時間（Ｈｒ）後のエタノール濃度により評価を行った。培養評価ではコントロールとして試薬グルコースを用いた培養も併せて行った。
　培養結果（培地グルコース濃度、エタノール濃度、コントロールに対するエタノール濃度比）とフルフラール濃度を表３に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000006
　試薬グルコースのコントロールのエタノール濃度が０．７４％であったのに対し、１７５℃、７．５分の実施例１のエタノール濃度は０．７８％、コントロールに対する比率１０５％、１９０℃、７７．５分の実施例２は０．７７％、１０４％、１９０℃２．５分の実施例３は０．７７％、１０４％、２１０℃２．５分の比較例３は０．５８％、７８％、２１０℃１．２分の実施例４は０．７５％、１０１％、２２０℃１．２分の比較例４は０．５０％、６８％を示し、フルフラール濃度が高い比較例３、４は、コントロールを下回るエタノール濃度となり発酵阻害があることが確認された。
　実施例２は、糖化後のフルフラール濃度は高く１０００ｐｐｍを超えたが、比較例とは異なりグルコース濃度も高かったため、対グルコースのフルフラール比率が低くなった。このためグルコース濃度２％に調整した培地のフルフラール濃度は、１０００ｐｐｍを超える比較例３、４に対して、６１６ｐｐｍに抑制され、良好なエタノール濃度を得ることができた。
　以上の糖化結果より、良好な糖化性が得られかつ発酵阻害を起こさない水熱条件は、フルフラール濃度が１０００ｐｐｍを下回る条件と同じく、おおむね２００℃以下の温度では２．５分以下、２００℃を超え２１０℃までの条件では１．２分以下であることが確認された。
　本発明による、スクリュー押出機を用いて連続的に水熱処理と同時に擂潰効果のある混錬粉砕を行うセルロース含有バイオマスの前処理方法によれば、得られるセルロース含有バイオマス組成物を糖化する際に発酵阻害成分のフルフラールの副生が少なくなり、工業的に有益な糖化性能の高い糖化用バイオマス組成物を効率的に得ることができる。

Claims (7)

  1. 　スクリュー押出機を用いて連続的に水熱処理を行う、セルロース含有バイオマス原料から発酵阻害成分であるフルフラール副生量が少ない糖化用バイオマス組成物を製造する前処理方法であって、スクリュー押出機の粉砕部で、セルロース含有バイオマス原料を最大粒径１０００μｍ以下に粉砕しかつ含水率を３０～８０％に調整し、次いでシールリングの直前にニーディングディスク及び／または逆ネジを１セット以上配置したエレメントを配設した加熱部で、擂り潰し（擂潰）効果のある混錬粉砕を行いながら１５０～２００℃の温度で０．１～１５分間水熱処理を行い、続いて加熱部以降の冷却部で処理物を１００℃以下に冷却し回収することを特徴とするバイオマスの処理方法。
  2. 　スクリュー押出機を用いて連続的に水熱処理を行う、セルロース含有バイオマス原料から発酵阻害成分であるフルフラール副生量が少ない糖化用バイオマス組成物を製造する前処理方法であって、スクリュー押出機の粉砕部で、セルロース含有バイオマス原料を平均粒径１０００μｍ以下に粉砕しかつ含水率を３０～８０％に調整し、次いでシールリングの直前にニーディングディスク及び／または逆ネジを１セット以上配置したエレメントを配設した加熱部で、擂り潰し（擂潰）効果のある混錬粉砕を行いながら２００～２１５℃の温度で０．１～２．０分間水熱処理を行い、続いて加熱部以降の冷却部で処理物を１００℃以下に冷却し回収することを特徴とするバイオマスの処理方法。
  3. 　加熱部以降の冷却部で、水冷ジャケット及び／または注液ラインを取り付けて冷却を行う請求項１または２に記載のバイオマスの処理方法。
  4. 　スクリュー押出機が同方向回転の二軸押出機である請求項１～３のいずれかに記載のバイオマスの処理方法。
  5. 　セルロース含有バイオマスがソフトバイオマスである請求項１～４のいずれかに記載のバイオマスの処理方法。
  6. 　請求項１～５のいずれかに記載の処理方法を行うことを特徴とする糖化用バイオマス組成物の製造方法。
  7. 　請求項６に記載の製造方法により得られたバイオマス組成物を加水分解することを特徴とする糖の製造方法。
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