木材の糖化方法
【課題】木質系バイオマスに含まれるセルロースおよびヘミセルロースを酵素処理によって糖化する際に、エネルギーが少なく、中和工程が必要でない、簡便な前処理を提供することを課題とする。
【解決手段】木材を切断し、加熱・加圧下において二酸化炭素溶解水に浸漬して所定条件で前処理し、次いで、酵素により糖化する木材の糖化方法。この方法において、前処理温度は１７５〜２００℃、前処理の時間は６０分〜２４０分が好ましい。
【解決手段】木材を切断し、加熱・加圧下において二酸化炭素溶解水に浸漬して所定条件で前処理し、次いで、酵素により糖化する木材の糖化方法。この方法において、前処理温度は１７５〜２００℃、前処理の時間は６０分〜２４０分が好ましい。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、木本植物の糖化方法に関し、特には、二酸化炭素溶解水による木材の前処理工程を有する木材の酵素糖化方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
我々人類は産業革命以後化石資源を消費することにより、発展を遂げ、生活を営んできたといっても過言ではない。しかしながら、化石資源が無限でないことは明らかであり、また、化石資源を燃焼することにより放出される二酸化炭素などが地球の温暖化を引き起こすことからも、化石資源に代わる新たなエネルギーの開発が急務である。
バイオマスは光合成による二酸化炭素の固定化を通してつくられるため、再生可能な資源であることに加え、正味の二酸化炭素排出量がゼロの「カーボンニュートラル」という特徴を持つことから、バイオマスの利用は地球温暖化ガスの排出削減に大きく貢献することが考えられている。バイオマスの利活用による持続可能な発展を目指して、農水省等関係省庁が策定した基本戦略「バイオマスニッポン総合戦略」が２００２年１２月に制定され、今後バイオマスをより有効に利用していく動きが大きくなっている。特に、バイオマスをエネルギーに転換して得られるバイオエネルギー開発が行われている。バイオマス転換の方法としては、多数の著書（非特許文献１〜３）に示されているように、熱分解、ガス化、嫌気性発酵などが広く行なわれているが、その中でも、バイオマスに含まれる糖質を発酵することによりエタノールを得る方法が広く研究されている。エタノールは液体燃料として、特に輸送用燃料として利用することが可能であり、既にアメリカやブラジルではトウモロコシやサトウキビから得られるデンプンや砂糖を原料としてバイオエタノールを製造するプロセスが実用化されている。しかしながら、これらの原料はもともと食料であり、燃料用に流用されることによる問題が指摘されている。従って、食料と競合しないバイオマスとして、木質系バイオマスに大きな期待が寄せられている。樹木は山岳地域や低降水地域でも生育し、また、豊富な生産量（バイオマス全体の約９割）や伐採時期を選ばないことから安定供給が可能である。また、稲ワラやバガスなどの草本系バイオマスと比較すると、単位体積当たりの重量が高く、輸送に有利である。
【０００３】
木質系バイオマスを組織的に大別すると木部と樹皮に区別される。伐採後、樹皮は林地もしくは加工工場などで剥離され、木部は木材として流通される。木質系バイオマスのうち木材として利用できる割合は、近年のパルプ用植林を例に取ると、約８０〜９０％である。化学的に見ると木質系バイオマスは主にセルロース、ヘミセルロース、リグニンから構成されており、そのうち、多糖成分であるセルロースとヘミセルロースがエタノールへと変換できるが、リグニンはポリフェノール物質であり、エタノールの原料とはならない。また、リグニンの化学構造は非特許文献４に示されているように、針葉樹と広葉樹とでは大きく異なり、広葉樹のリグニンは針葉樹のそれに比べ、化学反応性が高いことが知られている。
【０００４】
木質系バイオマスからエタノールを得る方法は、前述の成書（非特許文献１〜３）で述べられているように、大きく分けて２つ存在する。一つは鉱酸を用いた方法であり、酸加水分解により糖成分を単糖まで分解した後（糖化工程）、エタノール醗酵を行うプロセスである（特許文献１および２）。今までに種々の酸加水分解法プロセスが知られており、最近では、更なる改良が加えられ、パイロットプラントなどで実証が行われている。しかしながら、この方法では、使用した鉱酸の処理が問題となってくる。希硫酸を用いた場合、中和処理によりセッコウに変換して処分するが、このセッコウが産業廃棄物となる。濃硫酸を用いた場合は回収・再利用されるが、設備費がかなり膨大となる。
【０００５】
木質系バイオマスからエタノールを得るもう一つの方法は、酵素を用いた加水分解により単糖を得て、エタノール醗酵を行うものである。しかしながら、木質バイオマス中では、セルロースやヘミセルロースはリグニンに胞埋された形で存在しており、そのままでは酵素がこれら多糖成分にアタックすることが難しい。これを解決する方法として、軽い前処理を行ない、リグニンの一部を変質または取り除くことにより、酵素と多糖類との接触頻度を向上させる方法が考え出されている。例えば、非特許文献４〜６のようなアンモニア処理や非特許文献７〜９に示されている二酸化硫黄を用いた処理が挙げられる。さらには、特許文献３に示されるようにアルカリ剤を用いる方法も考え出されている。ただし、これら前処理は、薬品を用いていることから、後に続く酵素糖化や醗酵などのために、薬品除去や中和反応といった工程を加えなければならない。このほかにも、特許文献４に示されているように、微粉砕化を行い、多糖類を被覆しているリグニンの一部を破壊し、酵素が多糖類に接触させる頻度を向上させる方法や、さらに、特許文献５〜７に記載されているように、加圧熱水処理や蒸煮・爆砕処理なども考え出されている。
【０００６】
【非特許文献１】飯塚尭介ら「ウッドケミカルスの最新技術」ｐ６〜３４、ＣＭＣ出版、２００１年１０月発行
【非特許文献２】湯川英明ら「バイオマスエネルギー利用の最新技術」各論編ＩＩ−１章、ＣＭＣ出版、２００１年８月発行
【非特許文献３】坂志朗ら「バイオマス・エネルギー・環境」 第４、５章、アイピーシー、２００１年７月発行
【非特許文献４】Dale, B.E., Weaver, J., Byers, F.M., 1999. Extrusion processing for ammonia fiber explosion (AFEX). Appl. Biochem. Biotechnol.77-79, 35-45.
【非特許文献５】Kim, T.H., Lee, Y.Y., Sunwoo, C., Kim, J.S., 2006. Pretreatment of corn stover by low-liquid ammonia recycle percolation process. Appl. Biochem. Biotechnol.113, 41-57.
【非特許文献６】Kim, H.K., Lee, Y.Y., 2007. Pretreatment of corn stover by soaking in aqueous ammonia at moderate temperatures. Appl. Biochem. Biotechnol.136-140, 81-92.
【非特許文献７】Mok, W.S.-L., Antal, M.J., Jr., 1992. Uncatalyzed solvolysis of whole biomass hemicellulose by hot compressed liquid water. Ind. Eng.Chem. Res. 31, 1157-1161.
【非特許文献８】Allen, S.G., Schulman, D., Lichwa, J., Antal, M.J., Jr., Laser, M., Lynd, L.R., 2001. A comparison between hot liquid water and steam fractionation of corn fiber. Ind. Eng. Chem. Res. 40, 2934-2941.
【非特許文献９】Laser, M., Schulman, D., Allen, S.G., Lichwa, J., Antal, M.J., Jr., Lynd, L.R., 2002. A comparison of liquid hot water and steam pretreatments of sugar cane bagasse for bioconversion to ethanol. Bioresour. Technol. 81, 33-34.
【特許文献１】特開２００６−７５００７号公報
【特許文献２】特開２００６−２４６７１１号公報
【特許文献３】特開昭５９−１９２０９３
【特許文献４】特開平２−１５６８９４
【特許文献５】特開２００５−１６８３３５
【特許文献６】特開２００６−１３６２６３
【特許文献７】特公平７−１２１９６３
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
木質系バイオマスを原料として、酵素による糖化を行うためには、リグニンの一部を破壊、除去し、多糖成分と酵素との接触効率を向上させる前処理が必要である。本発明は、上記従来技術の問題点に鑑み、木質系バイオマスの中でも最も豊富に存在する木材に含まれるセルロースおよびヘミセルロースを酵素処理によって糖化することを可能ならしめる簡便な前処理工程を含む木材の糖化方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らは、上記の課題を解決するために鋭意検討した結果、木材おいて、二酸化炭素を溶解した熱水中に高圧で所定時間浸漬するという前処理を行うことによって、酵素糖化が極めて容易になることを見いだした。本発明の方法は、以下の技術的手段から選択される手段を採用して構成される。
（１） 木材を切断し、加熱・加圧下において二酸化炭素溶解水に浸漬して木材中のリグニンの一部を破壊、除去する前処理をし、次いで、該前処理済み木材を酵素により糖化する。
（２） 前記前処理が、前記木材を１７５〜２００℃の温度で二酸化炭素溶解水に浸漬する処理である。
（３） 前記前処理の時間が６０分〜２４０分の間、二酸化炭素溶解水に浸漬する処理である。
【発明の効果】
【０００９】
本発明により、低濃度の薬品使用により環境負荷が少なく、短時間でかつ少ない投入エネルギーで、豊富な木質系バイオマスである木材を酵素によって糖化することが可能な方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下に本発明の実施形態を具体的に説明する。
本発明は木質系バイオマスとして木材を採用し、切断または破砕された木材を二酸化炭素溶解水に浸漬した状態で加熱・加圧する前処理を行い、前処理された木材を酵素糖化するものである。
【００１１】
使用する木材は、どのような樹木から採取した木材でも使用可能である。
本発明の前処理に供するため、上記木材は切断しておく必要がある。即ち、前処理装置にベルトコンベアやスクリューフィーダーなどの装置で供給できる大きさにする必要があり、また、二酸化炭素溶解水との接触を良好にする必要がある。
切断は通常のカッターによる切断、または粉砕機による粗粉砕により行う。カッターとしてはギロチン型、回転刃型のいずれでも良い。ディスク型チッパー、ハンマーミルなどを用いても良い。大きさとしては、おおむね０．５〜２０mm程度にすれば良い。また、鉋屑のような幅広で厚さの薄い木材でも全く問題なく使用できる。
【００１２】
前処理は、加熱・加圧下で行うため、前処理装置として、耐圧密閉容器が必要である。この装置は、オートクレーブのようなバッチ方式であっても良いし、パルプ製造用の連続蒸解釜のような連続供給方式であっても良い。
温度を上げることにより木材が軟化するとともに、系内の圧により二酸化炭素溶解水が組織内に浸透し、リグニンの一部の破壊、除去が早まるものと推定される。ただし、温度を上げ過ぎると、装置に要求される耐圧強度が大きくなることや、糖の過分解が起きるため１７５〜２００℃が良い。
【００１３】
前処理装置内に二酸化炭素を供給する手段としては、ガスボンベやコンプレッサーなどの系外装置から配管により系内に加圧二酸化炭素を供給する方式が好ましいが、バッチ方式であれば、ドライアイスを予め水と共に系内に配置し、密閉してから加熱することも可能である。二酸化炭素量は木材の乾燥質量に対して０．２〜３００質量％使用することが好ましい。
【００１４】
ガスボンベによる二酸化炭素供給、あるいはドライアイスによる二酸化炭素供給のいずれの場合でも、系内の圧力は０．５〜１０ＭＰａに設定する。０．５ＭＰａ未満では、二酸化炭素溶解水を樹皮に浸透させる効果が低く、前処理効果が充分でない可能性がある。また、１０ＭＰａを越える圧力としても、効果は頭打ちで、装置に対する負担が大きくなり過ぎる。
【００１５】
乾燥木材1質量部に対する水の質量比は5質量部以下の範囲で選択できる。溶液の量比が高いと、加熱に必要なエネルギーが増加するためコストがかかる。また、後に続く酵素処理や醗酵工程の効率を低下させる。
【００１６】
前処理時間は６０分から２４０分の範囲で選択される。６０分未満では二酸化炭素溶解水によるリグニンの破壊、除去が充分でなく、２４０分を越えて続けても効果は頭打ちとなりエネルギーのロスとなるか、前処理温度が高い場合には逆に低下する傾向にある。前述したように、適切な時間は温度により異なり、採用可能な温度の範囲内で高温であるほど、処理時間は短くする必要があるが、安定した結果を得ることができることから、一般的には６０〜１２０分の範囲が好ましい。
【００１７】
二酸化炭素溶解水に前処理された木材は、密閉容器の解放により二酸化炭素を放出し、そのまま酵素糖化反応に供することができる。しかし、密閉容器の開放により二酸化炭素を放出した後、機械によって解繊処理を施したものを糖化反応に供することが望ましい。解繊処理に用いる機械は木材が解繊できれば特に限定されないが離解機、リファイナー、破砕機などが使用できる。粒径は特に限定されない。
【００１８】
酵素反応工程で使用する酵素としては、酵素はセルラーゼが含まれていれば市販の酵素を特に制限なく利用することが可能である。また、ヘミセルラーゼが含まれていることがより好ましい。
糖化反応に使用するセルロース分解酵素は、セロビオヒドロラーゼ活性、エンドグルカナーゼ活性、ベータグルコシダーゼ活性を有する、所謂セルラーゼと総称される酵素である。
【００１９】
糖化反応工程で使用できるもう一つの酵素であるヘミセルロース分解酵素は、キシラン分解酵素、マンナン分解酵素、ペクチン分解酵素、アラビナン分解酵素などの一連のヘミセルロース分解酵素のうちから選ばれる少なくとも一つの酵素である。
セルロース分解酵素とヘミセルロース分解酵素は、夫々を適宜の量で添加しても良いが、市販されているセルラーゼ製剤には、上記した各種のセルラーゼ活性を有すると同時に、ヘミセルラーゼ活性も有しているものが多く、入手可能なセルラーゼ製剤を用いれば良い。
【００２０】
セルラーゼ製剤としては、トリコデルマ（Ｔｒｉｃｈｏｄｅｒｍａ）属、アクレモニウム属（Ａｃｒｅｍｏｎｉｕｍ）属、アスペルギルス（Ａｓｐｅｒｇｉｌｌｕｓ）属、ファネロケエテ（Ｐｈａｎｅｒｏｃｈａｅｔｅ）属、トラメテス属（Ｔｒａｍｅｔｅｓ）、フーミコラ（Ｈｕｍｉｃｏｌａ）属、バチルス（Ｂａｃｉｌｌｕｓ）属などに由来するセルラーゼ製剤がある。このようなセルラーゼ製剤は試薬や市販品として購入可能である。（例えば、全て商品名で、セルロイシンＴ２（エイチピィアイ社製）、メイセラーゼ（明治製菓社製）、ノボザイム１８８（ノボザイム社製）、マルティフェクトＣＸ１０Ｌ（ジェネンコア社製）、セルラーゼＧＣ２２０（ジェネンコア社製）等が挙げられる。）
原料固形分１００質量部に対するセルラーゼ製剤の使用量は、０．５〜１００質量部が好ましい。
【００２１】
反応条件はpHが４〜７が好ましい。温度は２５〜５０℃が好ましく、３０〜４０℃がさらに好ましい。糖化反応は、連続式が好ましいが、バッチ方式でも良い。糖化反応時間は、酵素濃度によっても異なるが、バッチ式の場合は１０〜２４０時間、さらに好ましくは１５〜１６０時間である。連続式の場合も、平均滞留時間が、１０〜１５０時間、さらに好ましくは１５〜１００時間である。
【実施例】
【００２２】
次に実施例１〜８により本発明をさらに詳細に説明するが、本発明は以下の実施例によって限定されるものではない。以下に示す実施例において、％は、特に断りがない限りは全ての質量によるものである。また、糖量としては、イオンクロマトグラフィーにより検出した。
【００２３】
実験例１（比較例）
ブナの木材をそれぞれ約１ｍｍ角に切断し、試料として用いた。
１５ｍｌ容のステンレス対耐圧容器に、絶乾質量で５０ｍｇ相当の上記試料と水２００ｍｇを投入した後に密栓し、予め１７５℃に設定したオーブンに投入することにより１２０分加熱加圧処理を施した。
１２０分の加熱加圧処理後、耐圧容器を開放し、内容物を１ｍｌの１００ｍＭクエン酸―リン酸バッファー（ｐＨ５．０）を用いて、２ｍｌ容エッペンチューブに移し、そのエッペンチューブに１０．４ｍｇの市販セルラーゼ（SIGMA社製）と０．１ｍｌのペクチナーゼ（SIGMA社製）を添加した条件下で３７℃、２４時間の酵素糖化処理を行い、処理後の糖化液の糖量を測定し、以下の式によって、糖収率を算出した。
糖収率（％）＝（糖化液中の糖量／サンプル絶乾質量）×１００
糖収率を算出したところ処理前木材の１５．５％相当の糖を得ることが出来た。
【００２４】
実験例２（比較例）
ブナの木材を約１ｍｍ角に切断し、前処理を施さずに比較例１と同様の糖化処理を行った。 糖収率を算出したところ処理前木材の０．６％相当の糖を得ることが出来た。
実験例３（比較例）
厚さが５０μｍのスギ鉋屑を約１ｃｍ２に切断し、処理温度を２００℃、処理時間を１時間とする以外は、実験例１と同様の糖化処理を行った。 糖収率を算出したところ処理前木材の３．５％相当の糖を得ることが出来た。
実験例４（比較例）
厚さが５０μｍのスギ鉋屑を約１ｃｍ２に切断し、前処理を施さずに比較例１と同様の糖化処理を行った。 糖収率を算出したところ処理前木材の０．３％相当の糖を得ることが出来た。
【００２５】
実験例５（実施例）
実験例１と同様、ブナの木材を約１ｍｍ角に切断して試料として、試料投入の際に1.5gのドライアイスも同時に混合し、処理温度１７５℃、処理時間１２０分の前処理を行い、その後、酵素糖化処理を行った。耐圧容器の二酸化炭素分圧は８．５ＭＰａと計測された。糖収率を算出したところ処理前木材の５４．１％相当の糖を得ることが出来た。
実験例６（実施例）
厚さが５０μｍのスギ鉋屑を約１ｃｍ２に切断して試料として、実験例５と同様に耐圧容器内の試料にドライアイスを混合して処理温度２００℃、処理時間１２０分の前処理を行い、その後、酵素糖化処理を行った。耐圧容器の二酸化炭素分圧は８．９ＭＰａと計測された。糖収率を算出したところ処理前木材の１７．６％相当の糖を得ることが出来た。
実験例７（実施例）
厚さが５０μｍのスギ鉋屑を約１ｃｍ２に切断して試料として、処理時間を４時間とする以外は、実験例５と同様の糖化処理を行った。 糖収率を算出したところ処理前木材の２６．６％相当の糖を得ることが出来た。
【００２６】
実験例1及び実験例２と実験例５の結果、及び、実験例３及び実験例４と実験例６及び実施例７の結果は、木材を、二酸化炭素溶解水に浸漬して加熱・加圧下に前処理することが、酵素糖化反応効率の優れた原料を調製できる手段であることを示している。
【００２７】
【表１】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、木本植物の糖化方法に関し、特には、二酸化炭素溶解水による木材の前処理工程を有する木材の酵素糖化方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
我々人類は産業革命以後化石資源を消費することにより、発展を遂げ、生活を営んできたといっても過言ではない。しかしながら、化石資源が無限でないことは明らかであり、また、化石資源を燃焼することにより放出される二酸化炭素などが地球の温暖化を引き起こすことからも、化石資源に代わる新たなエネルギーの開発が急務である。
バイオマスは光合成による二酸化炭素の固定化を通してつくられるため、再生可能な資源であることに加え、正味の二酸化炭素排出量がゼロの「カーボンニュートラル」という特徴を持つことから、バイオマスの利用は地球温暖化ガスの排出削減に大きく貢献することが考えられている。バイオマスの利活用による持続可能な発展を目指して、農水省等関係省庁が策定した基本戦略「バイオマスニッポン総合戦略」が２００２年１２月に制定され、今後バイオマスをより有効に利用していく動きが大きくなっている。特に、バイオマスをエネルギーに転換して得られるバイオエネルギー開発が行われている。バイオマス転換の方法としては、多数の著書（非特許文献１〜３）に示されているように、熱分解、ガス化、嫌気性発酵などが広く行なわれているが、その中でも、バイオマスに含まれる糖質を発酵することによりエタノールを得る方法が広く研究されている。エタノールは液体燃料として、特に輸送用燃料として利用することが可能であり、既にアメリカやブラジルではトウモロコシやサトウキビから得られるデンプンや砂糖を原料としてバイオエタノールを製造するプロセスが実用化されている。しかしながら、これらの原料はもともと食料であり、燃料用に流用されることによる問題が指摘されている。従って、食料と競合しないバイオマスとして、木質系バイオマスに大きな期待が寄せられている。樹木は山岳地域や低降水地域でも生育し、また、豊富な生産量（バイオマス全体の約９割）や伐採時期を選ばないことから安定供給が可能である。また、稲ワラやバガスなどの草本系バイオマスと比較すると、単位体積当たりの重量が高く、輸送に有利である。
【０００３】
木質系バイオマスを組織的に大別すると木部と樹皮に区別される。伐採後、樹皮は林地もしくは加工工場などで剥離され、木部は木材として流通される。木質系バイオマスのうち木材として利用できる割合は、近年のパルプ用植林を例に取ると、約８０〜９０％である。化学的に見ると木質系バイオマスは主にセルロース、ヘミセルロース、リグニンから構成されており、そのうち、多糖成分であるセルロースとヘミセルロースがエタノールへと変換できるが、リグニンはポリフェノール物質であり、エタノールの原料とはならない。また、リグニンの化学構造は非特許文献４に示されているように、針葉樹と広葉樹とでは大きく異なり、広葉樹のリグニンは針葉樹のそれに比べ、化学反応性が高いことが知られている。
【０００４】
木質系バイオマスからエタノールを得る方法は、前述の成書（非特許文献１〜３）で述べられているように、大きく分けて２つ存在する。一つは鉱酸を用いた方法であり、酸加水分解により糖成分を単糖まで分解した後（糖化工程）、エタノール醗酵を行うプロセスである（特許文献１および２）。今までに種々の酸加水分解法プロセスが知られており、最近では、更なる改良が加えられ、パイロットプラントなどで実証が行われている。しかしながら、この方法では、使用した鉱酸の処理が問題となってくる。希硫酸を用いた場合、中和処理によりセッコウに変換して処分するが、このセッコウが産業廃棄物となる。濃硫酸を用いた場合は回収・再利用されるが、設備費がかなり膨大となる。
【０００５】
木質系バイオマスからエタノールを得るもう一つの方法は、酵素を用いた加水分解により単糖を得て、エタノール醗酵を行うものである。しかしながら、木質バイオマス中では、セルロースやヘミセルロースはリグニンに胞埋された形で存在しており、そのままでは酵素がこれら多糖成分にアタックすることが難しい。これを解決する方法として、軽い前処理を行ない、リグニンの一部を変質または取り除くことにより、酵素と多糖類との接触頻度を向上させる方法が考え出されている。例えば、非特許文献４〜６のようなアンモニア処理や非特許文献７〜９に示されている二酸化硫黄を用いた処理が挙げられる。さらには、特許文献３に示されるようにアルカリ剤を用いる方法も考え出されている。ただし、これら前処理は、薬品を用いていることから、後に続く酵素糖化や醗酵などのために、薬品除去や中和反応といった工程を加えなければならない。このほかにも、特許文献４に示されているように、微粉砕化を行い、多糖類を被覆しているリグニンの一部を破壊し、酵素が多糖類に接触させる頻度を向上させる方法や、さらに、特許文献５〜７に記載されているように、加圧熱水処理や蒸煮・爆砕処理なども考え出されている。
【０００６】
【非特許文献１】飯塚尭介ら「ウッドケミカルスの最新技術」ｐ６〜３４、ＣＭＣ出版、２００１年１０月発行
【非特許文献２】湯川英明ら「バイオマスエネルギー利用の最新技術」各論編ＩＩ−１章、ＣＭＣ出版、２００１年８月発行
【非特許文献３】坂志朗ら「バイオマス・エネルギー・環境」 第４、５章、アイピーシー、２００１年７月発行
【非特許文献４】Dale, B.E., Weaver, J., Byers, F.M., 1999. Extrusion processing for ammonia fiber explosion (AFEX). Appl. Biochem. Biotechnol.77-79, 35-45.
【非特許文献５】Kim, T.H., Lee, Y.Y., Sunwoo, C., Kim, J.S., 2006. Pretreatment of corn stover by low-liquid ammonia recycle percolation process. Appl. Biochem. Biotechnol.113, 41-57.
【非特許文献６】Kim, H.K., Lee, Y.Y., 2007. Pretreatment of corn stover by soaking in aqueous ammonia at moderate temperatures. Appl. Biochem. Biotechnol.136-140, 81-92.
【非特許文献７】Mok, W.S.-L., Antal, M.J., Jr., 1992. Uncatalyzed solvolysis of whole biomass hemicellulose by hot compressed liquid water. Ind. Eng.Chem. Res. 31, 1157-1161.
【非特許文献８】Allen, S.G., Schulman, D., Lichwa, J., Antal, M.J., Jr., Laser, M., Lynd, L.R., 2001. A comparison between hot liquid water and steam fractionation of corn fiber. Ind. Eng. Chem. Res. 40, 2934-2941.
【非特許文献９】Laser, M., Schulman, D., Allen, S.G., Lichwa, J., Antal, M.J., Jr., Lynd, L.R., 2002. A comparison of liquid hot water and steam pretreatments of sugar cane bagasse for bioconversion to ethanol. Bioresour. Technol. 81, 33-34.
【特許文献１】特開２００６−７５００７号公報
【特許文献２】特開２００６−２４６７１１号公報
【特許文献３】特開昭５９−１９２０９３
【特許文献４】特開平２−１５６８９４
【特許文献５】特開２００５−１６８３３５
【特許文献６】特開２００６−１３６２６３
【特許文献７】特公平７−１２１９６３
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
木質系バイオマスを原料として、酵素による糖化を行うためには、リグニンの一部を破壊、除去し、多糖成分と酵素との接触効率を向上させる前処理が必要である。本発明は、上記従来技術の問題点に鑑み、木質系バイオマスの中でも最も豊富に存在する木材に含まれるセルロースおよびヘミセルロースを酵素処理によって糖化することを可能ならしめる簡便な前処理工程を含む木材の糖化方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らは、上記の課題を解決するために鋭意検討した結果、木材おいて、二酸化炭素を溶解した熱水中に高圧で所定時間浸漬するという前処理を行うことによって、酵素糖化が極めて容易になることを見いだした。本発明の方法は、以下の技術的手段から選択される手段を採用して構成される。
（１） 木材を切断し、加熱・加圧下において二酸化炭素溶解水に浸漬して木材中のリグニンの一部を破壊、除去する前処理をし、次いで、該前処理済み木材を酵素により糖化する。
（２） 前記前処理が、前記木材を１７５〜２００℃の温度で二酸化炭素溶解水に浸漬する処理である。
（３） 前記前処理の時間が６０分〜２４０分の間、二酸化炭素溶解水に浸漬する処理である。
【発明の効果】
【０００９】
本発明により、低濃度の薬品使用により環境負荷が少なく、短時間でかつ少ない投入エネルギーで、豊富な木質系バイオマスである木材を酵素によって糖化することが可能な方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下に本発明の実施形態を具体的に説明する。
本発明は木質系バイオマスとして木材を採用し、切断または破砕された木材を二酸化炭素溶解水に浸漬した状態で加熱・加圧する前処理を行い、前処理された木材を酵素糖化するものである。
【００１１】
使用する木材は、どのような樹木から採取した木材でも使用可能である。
本発明の前処理に供するため、上記木材は切断しておく必要がある。即ち、前処理装置にベルトコンベアやスクリューフィーダーなどの装置で供給できる大きさにする必要があり、また、二酸化炭素溶解水との接触を良好にする必要がある。
切断は通常のカッターによる切断、または粉砕機による粗粉砕により行う。カッターとしてはギロチン型、回転刃型のいずれでも良い。ディスク型チッパー、ハンマーミルなどを用いても良い。大きさとしては、おおむね０．５〜２０mm程度にすれば良い。また、鉋屑のような幅広で厚さの薄い木材でも全く問題なく使用できる。
【００１２】
前処理は、加熱・加圧下で行うため、前処理装置として、耐圧密閉容器が必要である。この装置は、オートクレーブのようなバッチ方式であっても良いし、パルプ製造用の連続蒸解釜のような連続供給方式であっても良い。
温度を上げることにより木材が軟化するとともに、系内の圧により二酸化炭素溶解水が組織内に浸透し、リグニンの一部の破壊、除去が早まるものと推定される。ただし、温度を上げ過ぎると、装置に要求される耐圧強度が大きくなることや、糖の過分解が起きるため１７５〜２００℃が良い。
【００１３】
前処理装置内に二酸化炭素を供給する手段としては、ガスボンベやコンプレッサーなどの系外装置から配管により系内に加圧二酸化炭素を供給する方式が好ましいが、バッチ方式であれば、ドライアイスを予め水と共に系内に配置し、密閉してから加熱することも可能である。二酸化炭素量は木材の乾燥質量に対して０．２〜３００質量％使用することが好ましい。
【００１４】
ガスボンベによる二酸化炭素供給、あるいはドライアイスによる二酸化炭素供給のいずれの場合でも、系内の圧力は０．５〜１０ＭＰａに設定する。０．５ＭＰａ未満では、二酸化炭素溶解水を樹皮に浸透させる効果が低く、前処理効果が充分でない可能性がある。また、１０ＭＰａを越える圧力としても、効果は頭打ちで、装置に対する負担が大きくなり過ぎる。
【００１５】
乾燥木材1質量部に対する水の質量比は5質量部以下の範囲で選択できる。溶液の量比が高いと、加熱に必要なエネルギーが増加するためコストがかかる。また、後に続く酵素処理や醗酵工程の効率を低下させる。
【００１６】
前処理時間は６０分から２４０分の範囲で選択される。６０分未満では二酸化炭素溶解水によるリグニンの破壊、除去が充分でなく、２４０分を越えて続けても効果は頭打ちとなりエネルギーのロスとなるか、前処理温度が高い場合には逆に低下する傾向にある。前述したように、適切な時間は温度により異なり、採用可能な温度の範囲内で高温であるほど、処理時間は短くする必要があるが、安定した結果を得ることができることから、一般的には６０〜１２０分の範囲が好ましい。
【００１７】
二酸化炭素溶解水に前処理された木材は、密閉容器の解放により二酸化炭素を放出し、そのまま酵素糖化反応に供することができる。しかし、密閉容器の開放により二酸化炭素を放出した後、機械によって解繊処理を施したものを糖化反応に供することが望ましい。解繊処理に用いる機械は木材が解繊できれば特に限定されないが離解機、リファイナー、破砕機などが使用できる。粒径は特に限定されない。
【００１８】
酵素反応工程で使用する酵素としては、酵素はセルラーゼが含まれていれば市販の酵素を特に制限なく利用することが可能である。また、ヘミセルラーゼが含まれていることがより好ましい。
糖化反応に使用するセルロース分解酵素は、セロビオヒドロラーゼ活性、エンドグルカナーゼ活性、ベータグルコシダーゼ活性を有する、所謂セルラーゼと総称される酵素である。
【００１９】
糖化反応工程で使用できるもう一つの酵素であるヘミセルロース分解酵素は、キシラン分解酵素、マンナン分解酵素、ペクチン分解酵素、アラビナン分解酵素などの一連のヘミセルロース分解酵素のうちから選ばれる少なくとも一つの酵素である。
セルロース分解酵素とヘミセルロース分解酵素は、夫々を適宜の量で添加しても良いが、市販されているセルラーゼ製剤には、上記した各種のセルラーゼ活性を有すると同時に、ヘミセルラーゼ活性も有しているものが多く、入手可能なセルラーゼ製剤を用いれば良い。
【００２０】
セルラーゼ製剤としては、トリコデルマ（Ｔｒｉｃｈｏｄｅｒｍａ）属、アクレモニウム属（Ａｃｒｅｍｏｎｉｕｍ）属、アスペルギルス（Ａｓｐｅｒｇｉｌｌｕｓ）属、ファネロケエテ（Ｐｈａｎｅｒｏｃｈａｅｔｅ）属、トラメテス属（Ｔｒａｍｅｔｅｓ）、フーミコラ（Ｈｕｍｉｃｏｌａ）属、バチルス（Ｂａｃｉｌｌｕｓ）属などに由来するセルラーゼ製剤がある。このようなセルラーゼ製剤は試薬や市販品として購入可能である。（例えば、全て商品名で、セルロイシンＴ２（エイチピィアイ社製）、メイセラーゼ（明治製菓社製）、ノボザイム１８８（ノボザイム社製）、マルティフェクトＣＸ１０Ｌ（ジェネンコア社製）、セルラーゼＧＣ２２０（ジェネンコア社製）等が挙げられる。）
原料固形分１００質量部に対するセルラーゼ製剤の使用量は、０．５〜１００質量部が好ましい。
【００２１】
反応条件はpHが４〜７が好ましい。温度は２５〜５０℃が好ましく、３０〜４０℃がさらに好ましい。糖化反応は、連続式が好ましいが、バッチ方式でも良い。糖化反応時間は、酵素濃度によっても異なるが、バッチ式の場合は１０〜２４０時間、さらに好ましくは１５〜１６０時間である。連続式の場合も、平均滞留時間が、１０〜１５０時間、さらに好ましくは１５〜１００時間である。
【実施例】
【００２２】
次に実施例１〜８により本発明をさらに詳細に説明するが、本発明は以下の実施例によって限定されるものではない。以下に示す実施例において、％は、特に断りがない限りは全ての質量によるものである。また、糖量としては、イオンクロマトグラフィーにより検出した。
【００２３】
実験例１（比較例）
ブナの木材をそれぞれ約１ｍｍ角に切断し、試料として用いた。
１５ｍｌ容のステンレス対耐圧容器に、絶乾質量で５０ｍｇ相当の上記試料と水２００ｍｇを投入した後に密栓し、予め１７５℃に設定したオーブンに投入することにより１２０分加熱加圧処理を施した。
１２０分の加熱加圧処理後、耐圧容器を開放し、内容物を１ｍｌの１００ｍＭクエン酸―リン酸バッファー（ｐＨ５．０）を用いて、２ｍｌ容エッペンチューブに移し、そのエッペンチューブに１０．４ｍｇの市販セルラーゼ（SIGMA社製）と０．１ｍｌのペクチナーゼ（SIGMA社製）を添加した条件下で３７℃、２４時間の酵素糖化処理を行い、処理後の糖化液の糖量を測定し、以下の式によって、糖収率を算出した。
糖収率（％）＝（糖化液中の糖量／サンプル絶乾質量）×１００
糖収率を算出したところ処理前木材の１５．５％相当の糖を得ることが出来た。
【００２４】
実験例２（比較例）
ブナの木材を約１ｍｍ角に切断し、前処理を施さずに比較例１と同様の糖化処理を行った。 糖収率を算出したところ処理前木材の０．６％相当の糖を得ることが出来た。
実験例３（比較例）
厚さが５０μｍのスギ鉋屑を約１ｃｍ２に切断し、処理温度を２００℃、処理時間を１時間とする以外は、実験例１と同様の糖化処理を行った。 糖収率を算出したところ処理前木材の３．５％相当の糖を得ることが出来た。
実験例４（比較例）
厚さが５０μｍのスギ鉋屑を約１ｃｍ２に切断し、前処理を施さずに比較例１と同様の糖化処理を行った。 糖収率を算出したところ処理前木材の０．３％相当の糖を得ることが出来た。
【００２５】
実験例５（実施例）
実験例１と同様、ブナの木材を約１ｍｍ角に切断して試料として、試料投入の際に1.5gのドライアイスも同時に混合し、処理温度１７５℃、処理時間１２０分の前処理を行い、その後、酵素糖化処理を行った。耐圧容器の二酸化炭素分圧は８．５ＭＰａと計測された。糖収率を算出したところ処理前木材の５４．１％相当の糖を得ることが出来た。
実験例６（実施例）
厚さが５０μｍのスギ鉋屑を約１ｃｍ２に切断して試料として、実験例５と同様に耐圧容器内の試料にドライアイスを混合して処理温度２００℃、処理時間１２０分の前処理を行い、その後、酵素糖化処理を行った。耐圧容器の二酸化炭素分圧は８．９ＭＰａと計測された。糖収率を算出したところ処理前木材の１７．６％相当の糖を得ることが出来た。
実験例７（実施例）
厚さが５０μｍのスギ鉋屑を約１ｃｍ２に切断して試料として、処理時間を４時間とする以外は、実験例５と同様の糖化処理を行った。 糖収率を算出したところ処理前木材の２６．６％相当の糖を得ることが出来た。
【００２６】
実験例1及び実験例２と実験例５の結果、及び、実験例３及び実験例４と実験例６及び実施例７の結果は、木材を、二酸化炭素溶解水に浸漬して加熱・加圧下に前処理することが、酵素糖化反応効率の優れた原料を調製できる手段であることを示している。
【００２７】
【表１】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
木材を、加熱・加圧下において二酸化炭素溶解水に浸漬する前処理をし、次いで、該前処理後の木材を酵素により糖化することを特徴とする、木材の糖化方法。
【請求項２】
前記前処理温度が、前記木材を１７５〜２００℃の温度で、６０分から２４０分、二酸化炭素溶解水に浸漬する処理であることを特徴とする、請求項１記載の木材の糖化方法。
【請求項１】
木材を、加熱・加圧下において二酸化炭素溶解水に浸漬する前処理をし、次いで、該前処理後の木材を酵素により糖化することを特徴とする、木材の糖化方法。
【請求項２】
前記前処理温度が、前記木材を１７５〜２００℃の温度で、６０分から２４０分、二酸化炭素溶解水に浸漬する処理であることを特徴とする、請求項１記載の木材の糖化方法。
【公開番号】特開２０１０−９４０９５（Ｐ２０１０−９４０９５Ａ）
【公開日】平成２２年４月３０日（２０１０．４．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２６８９７３（Ｐ２００８−２６８９７３）
【出願日】平成２０年１０月１７日（２００８．１０．１７）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成１９年度、財団法人地球環境産業技術研究機構、二酸化炭素固定化・有効利用技術等対策事業（プログラム方式二酸化炭素固定化・有効利用技術開発）の開発項目「木質バイオマスの直接酵素糖化と残渣リグニンの利用」に係る委託業務、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（５０４１３９６６２）国立大学法人名古屋大学 (996)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年４月３０日（２０１０．４．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１０月１７日（２００８．１０．１７）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成１９年度、財団法人地球環境産業技術研究機構、二酸化炭素固定化・有効利用技術等対策事業（プログラム方式二酸化炭素固定化・有効利用技術開発）の開発項目「木質バイオマスの直接酵素糖化と残渣リグニンの利用」に係る委託業務、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（５０４１３９６６２）国立大学法人名古屋大学 (996)
【Ｆターム（参考）】
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