木質系バイオマスの糖化方法
【課題】糖化処理の難しい建設廃木材等の木質系バイオマスを対象にして高収率な酵素糖化を達成する。
【解決手段】木質系バイオマスに対してアルカリ溶液中にてせん断力を付加する工程と、その後固形分を酵素により糖化する工程とを含む。
【解決手段】木質系バイオマスに対してアルカリ溶液中にてせん断力を付加する工程と、その後固形分を酵素により糖化する工程とを含む。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、木質系バイオマス中のセルロース又はヘミセルロースを原料として、安価かつ効率よく糖を製造するための糖化方法、並びに該セルロース又はヘミセルロースに由来する糖からエタノールを製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
化石資源に依存しないカーボンニュートラルな液体燃料としてバイオエタノールが注目されており、現在まで様々なバイオマスを対象とした製造技術が実証されつつある。バイオマスの中でも、セルロース系バイオマスは、食料と競合しないエネルギー資源として注目されている。セルロース系バイオマスは、糖質やデンプン質系バイオマスと比較して、エタノール転換が非常に難しく実用性の高い製造技術が確立されているとは言いがたい。
【０００３】
特に木質バイオマスはセルロースが高結晶化しており、さらに複雑な化学結合からなるリグニンが存在する。したがって、木質系バイオマスを利用する場合、従来は高温や高圧で処理する濃硫酸や希硫酸による前処理方法が検討されてきた。しかし、これらの方法では、セルロースの加水分解で生成する単糖の過反応（過分解）が進み、単糖の収率が低いことや、糖やリグニン由来の発酵阻害物質が生成すること、設備全般での酸腐食といった問題がある。さらに、製造に多くのエネルギーを要することから、ライフサイクルアセスメント（LCA）の観点でも課題があった。
【０００４】
近年、これらの課題を打開すべく、常温常圧での製造が可能な酵素（セルラーゼ）を用いる酵素糖化法が注目されている。酵素糖化は、濃硫酸や希硫酸法で見られる単糖の過反応や糖やリグニンからの発酵阻害物質の生成がないだけでなく、常温付近での反応であり、LCAの観点からも大いに期待されている。
【０００５】
しかしながら、酵素を用いた糖化方法であっても木質系バイオマスを十分に効率良く糖化するのは非常に困難である。特に、杉等の針葉樹は、広葉樹と比較してリグニンの密度が高いことから酵素糖化をさらに困難としている。また、このような木材そのものの物性だけでなく、添加した酵素（セルラーゼ）の一部がリグニンに吸着し、セルロースまでアタックできないことも木材の酵素糖化を困難としている大きな理由でもある。したがって、木質系バイオマスの酵素糖化では、事前にセルロースやリグニンの形態を改善し、酵素糖化を促進する前処理方法が必須となる。
【０００６】
木質系バイオマスの酵素糖化における代表的な前処理方法としては、水熱処理と湿式メカノケミカルによる方法（特許文献１：特開2008-104404号公報）を挙げることができる。この方法は、微粉砕した木材原料を高温高圧の水熱処理で軟化させた後、湿式ディスクミルを用いてさらに微粒子化し、後段の酵素糖化率を向上させる前処理方法である。本技術は木材をナノレベルまで微粒子化し組織を破壊することにより高い糖化率を得ることができる。ただし、水熱処理及び超微粉砕での投与エネルギー、超微粉砕機の磨耗といった課題がある。特に、金属や砂等の異物が含まれる木質系廃棄物の場合には、粉砕機の磨耗を促進することとなり、的確な異物除去の対策を講じる必要がある。
【０００７】
また、木質系バイオマスの酵素糖化における前処理方法としては、パルプ生産で用いられているアルカリ蒸解法がある。これは、苛性ソーダなどのアルカリ薬剤をバイオマスへ乾燥重量当たり5〜40％、キノン系蒸解助剤などを乾燥重量当たり10％程度混合し、100℃〜200℃、望ましくは140℃以上に加熱し、所定時間圧力釜で処理する方法である。この方法により木材中のリグニンを完全に溶解させることができる。このアルカリ蒸解で脱リグニンされた固形分は、水で洗浄され、その後、セルラーゼによりグルコース、キシロース等の単糖まで酵素糖化される。
【０００８】
本前処理方法の先行文献として特許文献２：特開2008-92910号公報が挙げられる。当該文献では、杉材を用いたエタノール製造結果を示しており、杉重量当たり20%の苛性ソーダを含む水溶液を混合し170℃で240分（温度立ち上げからの全時間330分）のアルカリ蒸解を行い、その後回収した固形分210g（セルロース含量43g）を酵素糖化・発酵を行った結果、84％のエタノール収率が得られたとしている。しかしながら、本前処理方法によれば、アルカリ蒸解反応に専用の圧力釜が必要であり、反応時間も60〜500分と長時間を要するため設備が過大となる。また、本先行技術はバッチ処理を基本としており、連続製造を行うためには、圧力釜への木材や苛性ソーダ水溶液の供給方法、圧力釜の温度、圧力の制御手法等の課題もある。
【０００９】
一方、木質系バイオマスではなく、稲わら等のソフトセルロースの酵素糖化における前処理方法としては、裁断又は粉砕したソフトセルロースを常温にて苛性ソーダ水溶液と混合し、固形分を中和処理した後、酵素糖化する手法が知られている。稲わら等のソフトセルロースにおいては、この前処理方法にて高い酵素糖化率が得られるが（第19回日本エネルギー学会大会「稲わらからのバイオエタノール製造プロセスの開発」）、木質系バイオマスの場合には顕著な効果は見られず、非常に高濃度の苛性ソーダを添加する必要があった（平成21年度 エコ燃料実用化地域システム実証事業 成果報告書）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開2008-104404号公報
【特許文献２】特開2008-92910号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、上述した糖化処理の難しい建設廃木材等の木質系バイオマスを対象にして高収率な酵素糖化を達成できる、木質系バイオマスの糖化方法及び木質系バイオマスを用いたエタノール製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明者は、上記目的を達成するため鋭意検討を行った結果、木質系バイオマスに対してアルカリ溶液中でせん断力を付加することで、その後の酵素処理における糖化効率が大幅に向上することを見いだし、本発明を完成するに至った。
【００１３】
すなわち、本発明は以下を包含する。
（１）木質系バイオマスに対してアルカリ溶液中にてせん断力を付加する工程と、その後固形分を酵素により糖化する工程とを含む、木質系バイオマスの糖化方法。
【００１４】
（２）上記せん断力を付加する工程では多軸押出機を使用することを特徴とする（１）記載の糖化方法。
【００１５】
（３）上記多軸押出機は、軸方向に直列に配置した複数の温度調節ブロックを有し、軸方向に流動する木質系バイオマスの処理温度をブロック毎に設定することを特徴とする（２）記載の木質系バイオマスの糖化方法。
【００１６】
（４）上記（１）乃至（３）いずれか一記載の糖化方法により得られた糖成分を酵素によりエタノールとする、木質系バイオマスを用いたエタノールの製造方法。
【００１７】
上記（１）の木質系バイオマスの糖化方法及び上記（４）の木質系バイオマスを用いたエタノールの製造方法において、木質系バイオマスとしては建設廃木材を使用することが好ましい。また、上記（１）の木質系バイオマスの糖化方法及び上記（４）の木質系バイオマスを用いたエタノールの製造方法において、木質系バイオマスは、予め２〜１５ｍｍ程度に粉砕したチップを使用することが好ましい。
【００１８】
また、上記（１）の木質系バイオマスの糖化方法及び上記（４）の木質系バイオマスを用いたエタノールの製造方法において、木質系バイオマスに対してアルカリ溶液中にてせん断力を付加した後、固液分離処理により得られた固形分を洗浄し、洗浄後の固形分を糖化処理やエタノール発酵処理に供することが好ましい。これにより、糖化処理やエタノール発酵処理における阻害物質を効果的に除去することができ、糖化効率や発酵効率をより向上させることができる。なお、木質系バイオマスに対してアルカリ溶液中にてせん断力を付加すると、木質系バイオマスはペースト状となる。得られた木質系バイオマスのペーストは、水洗浄しても良いし、所望のｐＨとなるよう酸と混合しても良い。
【００１９】
なお、上記（１）の木質系バイオマスの糖化方法及び上記（４）の木質系バイオマスを用いたエタノールの製造方法において、糖化処理とは、セルラーゼ等の酵素又は当該酵素を産生する微生物により木質系バイオマスに含まれる多糖成分（セルロースやヘミセルロース）を単糖に変換する処理を意味する。また、上記（４）の木質系バイオマスを用いたエタノールの製造方法において、エタノール発酵処理とは、グルコース等の糖成分を基質としてエタノールを合成する能力のある微生物又はグルコース等の糖成分を基質としたエタノール合成経路に関与する酵素群により糖化処理によって得られた糖成分からエタノールを合成する処理を意味する。
【発明の効果】
【００２０】
本発明により、効率的な木質系バイオマスの糖化方法及びエタノールの製造方法が提供される。本糖化方法によれば、木質系バイオマスに含まれるヘミセルロース、セルロースの糖化収率を大幅に向上させることができるだけでなく、処理時間が短いため省エネルギーでの処理ができる。さらに本発明によりエタノールの製造方法が提供されるが、本エタノール製造方法では木質系バイオマスから効率的にエネルギーに変換することができ、資源の再利用に有効である。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】二軸押出機を利用した本発明に係る糖化方法の基本フローを示す図である。
【図２】本発明に係る糖化方法の他の形態に関する基本フローを示す図である。
【図３】実施例に使用した二軸押出機の概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明を詳細に説明する。
本発明に係る木質系バイオマスの糖化方法（以下、「本糖化方法」ともいう）は、木質系バイオマスに対してアルカリ溶液中でせん断力を付加する前処理により、その後の酵素糖化処理において高効率に糖を生成することができるというものである。ここで、木質系バイオマスに対してアルカリ溶液中でせん断力を付加するための手段としては、特に限定されないが、例えば多軸押出機を挙げることができる。多軸押出機とは、複数のスクリューがシリンダー内を回転することで、シリンダー内部（投入口から吐出口（押出口）までの間）にせん断力を発生する装置である。なお、多軸押出機としては、２本のスクリューを有する二軸押出機が代表的に知られているが、３本以上のスクリューを備える装置であっても良い。また、多軸押出機としては、複数のスクリューの軸が平行となるタイプでも良いし、コニカルタイプの複数のスクリュー軸を斜交させたタイプであっても良い。さらに、多軸押出機としては、複数のスクリューにおけるフライトがかみ合い型或いは非かみ合い型のいずれでもよいし、スクリュー回転方向が同方向或いは異方向のいずれでも良い。
【００２３】
一例として、二軸押出機を利用した本糖化方法の基本フローを図１に示す。本糖化方法では、先ず、原料となる木質系バイオマスを準備する。本糖化方法において、原料となる木質系バイオマスとしては、特に限定されないが、例えば２〜１５ｍｍ程度に粗粉砕された木材チップを使用することができる。なお、ここで粒径とは、平均粒径を意味する。木質系バイオマスの粗粉砕は、特に限定されず、例えばリファイナー、木材粉砕機を用いて行うことができる。粗粉砕の後、例えば磁選機による釘等の金属除去や、比重差による砂分等の除去を実施することが好ましい。
【００２４】
原料となる木質系バイオマスは、木質資源であれば特に限定されるものではなく、例えば建設廃木材、廃梱包材、伐採材、おが屑、間伐材、木材チップ、稲わら、樹皮、林地残材、未利用樹、背板などが挙げられる。木質系バイオマスは、１種類の木質資源からなるものであってもよいし、複数種の木質資源からなるものであってもよい。また、木質系バイオマスには、木質資源以外に、釘や防腐剤糖の若干の不純物が含まれていてもよい。
【００２５】
木質系バイオマスを混合するアルカリ水溶液としては、任意のアルカリに基づく水溶液を用いることができ、例えば、水酸化ナトリウム（苛性ソーダ）、消石灰及び生石灰（水酸化カルシウム水溶液）などを用いることができる。また、使用するアルカリ水溶液は、ｐＨ９．５〜１３．５、好ましくはｐＨ１０〜１３、より好ましくはｐＨ１１〜１２．５とすることができる。なお、二軸押出機を使用する場合、苛性ソーダや水酸化カリウムを使用することが望ましい。アルカリ溶液として苛性ソーダや水酸化カリウムを使用する場合には、二軸押出機内部でのスケール発生を抑制することができる。アルカリ溶液の添加量は、例えば乾燥木材重量当たり重量比で2〜30％であり、望ましくは5〜20％である。所定量のアルカリ剤を含む水溶液と乾燥木材との配合比は、溶液容積100に対して木材重量5〜30とすることが好ましい。
【００２６】
また、木質系バイオマスとアルカリ溶液とは、各々独立して二軸押出機に投入しても良いし、事前に混合した後に二軸押出機に投入しても良い。
【００２７】
なお図１に示した二軸押出機は、内部において２本のスクリューが同方向に回転する構造となっている。各々のスクリューには、ビットが装備されており、投入した木質系バイオマス（木材チップ）は、内部において軸方向に押し出されながら、アルカリ溶液中で連続的にせん断を受ける。さらに、二軸押出機を使用することで、アルカリ水溶液と木質系バイオマスとの混練が繰り返されることとなる。
【００２８】
また、図１に示すように、二軸押出機は、軸方向に加温又は冷却できるヒーターブロック（温度調節ブロック）が直列に配置されたものを使用することが好ましい。すなわち、木質系バイオマスに対してアルカリ溶液中でせん断力を付加する工程では、所定の温度にて実施することが好ましい。特に、図１に示す二軸押出機は、ブロック毎に温度を設定することができる。例えば、投入口、吐出口での温度を20℃、中央部分の温度を100〜200℃に設定することができる。なお、二軸押出機での処理時間は5〜60分、望ましくは10〜20分程度である。なお、従来技術に示したアルカリ蒸解による前処理では、反応に60〜500分を要する。したがって、本方法は、前処理に要する処理時間が大幅に短縮できる。
【００２９】
さらに、木質系バイオマスに対してアルカリ溶液中でせん断力を付加する際に、多軸押出機を使用する場合には、内部で所定の滞留時間を確保することで木質系バイオマスの連続処理が可能となる。一方、従来技術に示したアルカリ蒸解による前処理では、圧力釜に木材とアルカリを混合し、所定の温度、圧力にて処理を行うため、基本的にはバッチ処理となる。この結果、本発明において特に、多軸押出機を使用する場合には、木質系バイオマスの前処理工程については大幅な効率化が図れる。
【００３０】
以上のように、木質系バイオマスに対してアルカリ溶液中でせん断力を付加する処理によって、木質系バイオマスとアルカリ水溶液との混練が繰り返され、木質系バイオマスをペースト化することができる。その後、図１に示すように、ペースト化された木質系バイオマスは必要に応じて水洗浄するか、もしくはセルラーゼの至摘pHまで酸水溶液で中和しても良い。次に、固液分離して固形分である木材ペースト（木質系バイオマス）を回収した後、セルラーゼ及び/又はセルラーゼ生成菌を添加して糖化する。なお、固液分離工程及び糖化処理工程については、詳細を後述する。
【００３１】
なお、本糖化方法は、図２に示すように、木質系バイオマスを微粉砕した後、アルカリ溶液中でせん断力を付加しても良い。微粉砕した木質系バイオマスは、例えば1mm以下、望ましくは0.5mm以下の粒径となる。微粉砕処理としては、投入された木質系バイオマスのチップに対して圧縮力、摩擦力、切削力、剪断力及び衝撃力等の機械的作用を付加する処理を挙げることができる。より詳細に、微粉砕機としては、ツイストミル、オガ粉製造機、カットミル及びハンマーミルを挙げることができる。ツイストミルとは、粗粉砕された木質系バイオマスのチップを一軸スクリューで圧縮・混練し、先端のデイスクによりすり潰す機構を有する装置であり、木質系バイオマスのチップに対して圧縮力及び摩擦力を負荷することで微粉砕することができる。オガ粉製造機とは、ステージに木質系バイオマスを設置し、刃先付の円筒状回転体で木材を切削する機構を有する装置である。カットミルとは、三角形の刃先付回転体と外筒に取り付けてある固定刃の間で木質系バイオマスのチップを粉砕する機構を有する装置であり、木質系バイオマスのチップに対してせん断力を付加することで微粉砕することができる。ハンマーミルとは、衝撃板付外筒の内側で回転するスイングハンマーにより木質系バイオマスのチップを微粉砕する機構を有する装置であり、木質系バイオマスのチップに対して衝撃力、摩擦力及びせん断力を付加することで微粉砕することができる。
【００３２】
図２に示す糖化方法では、先ず、建設廃木材を原料とし、約15mmアンダー程度まで二次粉砕した建設廃木材から篩や磁選、風選等により金属や砂等の異物を除去する。その後、上記粉砕機で粉砕された建設廃木材を回収し、二軸押出機にてアルカリ水溶液と混練する。得られた木材ペーストは水平ベルト等で水洗浄または酸水溶液で中和した後、回収した固形分を対象に、セルラーゼによる酵素糖化、酵母等の発酵微生物によるエタノール発酵が行われる。本製造フロー例によれば、建設廃木材からエタノールを連続的に製造することができ、バッチ処理と比較して製造施設がコンパクトになるだけでなく、製造量の拡大も期待できる。
【００３３】
また、図１及び２に示す糖化方法において、木質系バイオマスを混合するアルカリ溶液には、活性酸素を生成する酸化剤が含まれていても良い。すなわち、木質系バイオマスは、糖化処理の前に酸化剤により処理されることが好ましい。酸化剤としては、特に限定されないが、例えば、過酸化水素、過硫酸塩、過炭酸塩、過酢酸塩、オゾン、過酸化ナトリウム等を使用できる。酸化剤として過酸化水素を使用する場合、乾燥木材重量当たり1〜10％の量とすることが好ましく、対象となる木材種（針葉樹系、広葉樹系、剪定枝系）に応じて設定することができる。また、酸化剤による処理は、上述のようにアルカリ溶液中に混合する方法でも良いし、アルカリ溶液中でせん断力を付加した後に木質系バイオマスにスプレー噴霧しても良い。
【００３４】
固液分離工程
続いて、液分と固形分に分離する。具体的には、図２に示すように、二軸押出機から押し出されたペースト状の木質系バイオマスを水平ベルト等により固液分離と同時に水洗浄する。水洗浄した木質系バイオマスは、その後、含有したアルカリを中和するための中和工程に移行し、硫酸等の酸により所定のｐHに調整される。なお、固液分離処理は、図２に示す装置によるものに限定されず、上述と同様に当技術分野で公知の任意の方法により行うことができる。なお、固液分離工程によって回収された液分は、排水処理してもよいし、あるいは再利用してもよい。
【００３５】
糖化処理工程
本工程では、得られた木質系バイオマスにセルラーゼ酵素処理を行うことにより、木質系バイオマス中のセルロース及びヘミセルロースをグルコース、マンノース、ガラクトース、キシロース、アラビノース等の単糖まで糖化する。使用するセルラーゼは、セルロースを効率的に糖化できるものであれば特に限定されない。例えば、セルラーゼは、植物及び動物由来のいずれでもよく、化学修飾されたものであっても、遺伝子組換えにより生成されたものであってもよい。なお、セルラーゼを反応させる温度、時間及び量は、セルラーゼの種類によって異なるが、当業者であれば、使用するセルラーゼの種類に応じて適宜選択することができる。
【００３６】
あるいは、処理後の木質系バイオマスを原料としてセルラーゼ生成菌を培養することにより、セルロース及びヘミセルロースをセルラーゼにより単糖まで分解し、二次糖液を得ることも可能である。そのようなセルラーゼ生成菌は、当技術分野で公知であり、例えばAspergillus niger、A. foetidus、Alternaria alternata、Chaetomium thermophile、C. globosus、Fusarium solani、Irpex lacteus、Neurospora crassa、Cellulomonas fimi、C. uda、Erwinia chrysanthemi、Pseudomonas fluorescence、Streptmyces flavogriseusなどが挙げられ、例えば「セルロース資源−高度利用のための技術開発とその基礎」、越島哲夫編、（株）学会出版センター、1991年に記載されている。
【００３７】
なお、上述のようにセルラーゼ酵素処理する以外に、処理後の木質系バイオマスを原料としてセルラーゼ生成菌とエタノール発酵菌の同時発酵を行い、エタノールを生成することも可能である。
【００３８】
本発明では、木質系バイオマスに対してアルカリ溶液中でせん断力を付加する処理を経ているため、処理後の木質系バイオマスに含まれるヘミセルロース、セルロースから高い収率で単糖を得ることができる。生成した単糖は、エタノール生成可能な微生物の発酵原料、ブタノールやその他の化学原料としてのバイオリファイナリーとして利用できる。また、木質系バイオマスを糖化して得られたグルコースを更に酵素処理することにより、清涼剤であるD-ソルビトール、甘味料であるD-フルクトース、浸透圧調整剤であるマンニトール、飼料添加剤であるマンノース等、食品や医薬品等の有用物質を製造することもできる。
【００３９】
エタノールの製造
上述の糖化工程において得られる糖を原料として用いてエタノール発酵を行い、エタノールを製造することができる。上述の糖化工程にて得られた糖成分はセルロース由来の糖及びヘミセルロース由来の糖の両者を含んでいても良い。ヘミセルロース由来の糖としては、キシロース、アラビノースなどの五炭糖と、グルコース、ガラクトース、マンノースなどの六炭糖を挙げることができる。セルロース由来の糖はグルコースの六炭糖である。特に、六炭糖は酵母などによって容易にエタノールに変換することができ、五炭糖は、当技術分野で公知のエタノール生成方法に従ってエタノールに変換することができる。
【００４０】
六炭糖のエタノール発酵は、当技術分野で公知のエタノール製造方法に従って、酵母、又は遺伝子組換えによりエタノール生成に必要な遺伝子を有する細菌を用いて行うことができる。五炭糖のエタノール発酵は、例えば五炭糖及び六炭糖の両方を資化するが、エタノールを生成しない大腸菌に、エタノールを生成する微生物由来の遺伝子を導入した遺伝子組換え大腸菌や、エタノール発酵性のザイモモナス属（Zymomonas）細菌に五炭糖の代謝遺伝子を導入した遺伝子組換え細菌などを用いて行うことができる（例えば、特表平５−５０２３６６号公報及び特表平６−５０４４３６号公報）。あるいは、五炭糖及び六炭糖をエタノール発酵させてエタノール及び二酸化炭素を回収する方法を利用してもよい（特開２００６−１１１５９３号公報）。
【００４１】
エタノール発酵の条件は、当業者であれば、原料となる糖の種類、使用するエタノール発酵菌の種類などに応じて、適宜設定することができる。エタノール発酵は、一次糖液及び二次糖液の各々に対して別々に行ってもよいし、あるいは両者を混合して行ってもよい。
【実施例】
【００４２】
以下、実施例を用いて本発明をより詳細に説明するが、本発明の技術的範囲はこれら実施例に限定されるものではない。
【００４３】
〔比較例１〕
本比較例では、後述する実施例で達成した糖化率と比較するため、木質系バイオマスを微粉砕した後にアルカリ溶液にて前処理を実施し、当該前処理による糖化率を測定した。
【００４４】
先ず、10mm角の杉材チップを原材料とした。これを３種類の乾式粉砕機（アーステクニカ製ハンマーミルTSX型、ウエノテックス製ツイストミル、ホソカワミクロン製ACMパルベライザー）で微粉砕した。アーステクニカ製ハンマーミルTSX型はハンマーミルタイプであり、ハンマー回転数3000rpmで粉砕を行い、3mmメッシュを通過した3mmアンダーの杉材を回収した。ウエノテックス製ツイストミルはすり鉢型デイスクでの圧縮・すり潰しによる粉砕であり、処理後の杉材を回収した。ホソカワミクロン製ACMパルベライザーは粉砕ローターと分級ローターが設置されたハンマーミルタイプである。分級ローターの回転数に応じて微粉砕が可能であり、回転数1000、1500、2000、3000、4000rpmで杉材を微粉砕し、各回転数で処理した杉材を回収した。
【００４５】
各微粉砕機及び条件で粉砕した杉材の粉砕結果を表1に示す。粒径分布の中央値（D50）は、アーステクニカ製ハンマーミルTSX型で500μm、ウエノテックス製ツイストミルで509μmであった。一方、ホソカワミクロン製ACMパルベライザーでは、分級ローターの回転数が速いほどD50は小さくなり、4000rpmでは76μmまで微粉砕される結果となった。また、粉砕後の杉材における500μm以下の分級率を調べた結果、ホソカワミクロン製ACMパルベライザーで4000rpmの分級ローター回転速度で処理した場合には、ほとんどが500μm以下の微粉体となった。
【００４６】
【表１】
【００４７】
上記の各粉砕機、各条件で粉砕した杉材を用い、アルカリ溶液による前処理を行った。アルカリ溶液による前処理の条件を表2に示す。アルカリとして苛性ソーダを用い、添加量は各粉砕杉材乾燥重量当たり20％とした。また、苛性ソーダ水溶液容積に対する乾燥杉材重量（以降、スラリー濃度と称す）は15％に設定した。なお、反応温度を室温またはオートクレーブによる130℃処理とし、室温系では18時間攪拌を継続し、130℃処理系では15分間高温高圧処理を行った。
【００４８】
【表２】
【００４９】
その後、前処理後の杉材を遠心分離機で回収した後、固形分を200mMクエン酸緩衝液（pH4.8）にて十分洗浄した。その後、表3に示す条件にて酵素糖化を行った。なお、用いたセルラーゼはジェネンコア社製アクセレラーゼDuetであり、添加量は中和後乾燥杉材重量当たり15FPU/gに統一した〔60分間にろ紙からグルコースを10.8mg生成するセルラーゼ酵素活性。1FPU=10.8mg/hの糖化速度〕。
【００５０】
【表３】
【００５１】
上述した酵素を用いた糖化試験の結果として、6単糖及び5単糖の糖化率を測定した結果をそれぞれ表4及び表5に示した。なお、各表記載の糖化率は、中和後杉材中の各単糖（6単糖；セルロースを構成するグルコース、ヘミセルロースを構成するグルコース、マンノース、ガラクトースの総和、5単糖；ヘミセルロースを構成するキシロース、アラビノースの総和）に対して、糖化後に溶液に検出された各単糖の比率を示している。
【００５２】
表4及び表5に示すように、6単糖、5単糖ともアルカリ前処理を130℃で高温高圧処理した条件では、室温でアルカリ前処理を行った場合よりもいずれも酵素糖化率が向上した。しかしながら、6単糖糖化率に関しては15％以下、5単糖糖化率に関しては33％以下であった。このように、杉材を微粉末化した後、高温高圧下でアルカリ溶液と混合しても高い糖化率を得ることはできないことが明らかとなった。
【００５３】
【表４】
【００５４】
【表５】
【００５５】
〔実施例１〕
本実施例では、木質系バイオマスに対してアルカリ溶液中でせん断力を付加するといった前処理を実施し、糖化率を測定した。
【００５６】
上記比較例1で用いた10mm角の杉材チップを粗粉砕し、目開き2mmの篩を通過した2mmアンダーの杉材を原材料とした。スラリー濃度15％、乾燥杉材重量当たりの苛性ソーダ添加量20％となるように、2mmアンダーの杉材と苛性ソーダ水溶液を混合した。
【００５７】
その後、図３に示す径25mmのスクリューからなる二軸押出機を用いた。なお、スクリューとケーシングとのクリアランスは0.5mmである。また、軸方向に６つのヒーターブロック（図中(1)〜(6)）を設置し、所定の反応温度に設定した。図３に示す二軸押出機のホッパー部分から杉材とアルカリ水溶液を連続的に投入した。なお、杉材の滞留時間は15分となるようにスクリューの回転速度を設定した。
【００５８】
二軸押出機から押し出された杉材ペーストから固形分を遠心分離機で回収し、200mMクエン酸緩衝液（pH4.8）にて十分洗浄した。その後、比較例１の表３に示した条件にて酵素糖化を行った。なお、用いたセルラーゼはジェネンコア社製アクセレラーゼであり、添加量は中和後乾燥杉材重量当たり15FPU/gに統一した。
【００５９】
本実施例で測定した糖化率の結果を表６に示した。表６から判るように、6単糖の糖化率は51.1％、5単糖では100％の糖化率となり、比較例1で実施した前処理と比較して極めて高い糖化率を達成できた。
【００６０】
【表６】
【００６１】
〔実施例２〕
本実施例では、木質系バイオマスに対してアルカリ溶液中でせん断力を負荷する際の温度条件と糖化率との関係を検討した。
【００６２】
実施例１で使用した2mmアンダーの杉材を原材料とし、アルカリ水溶液と混合し、二軸押出機にて処理を行った。アルカリ前処理でのスラリー濃度、乾燥杉材重量当たりの苛性ソーダ添加量は、実施例１と同条件とし（スラリー濃度15％、乾燥杉材重量当たりの苛性ソーダ添加量20％）、二軸押出機での温度設定を、表７のとおりパターンAからEまで設定した。表７における(1)〜(6)は、図３における(1)〜(6)に対応している。なお、二軸押出機における杉材の滞留時間はいずれも15分に統一した。
【００６３】
【表７】
【００６４】
各設定温度で得られた杉材ペーストから固形分を遠心分離機で回収した。ただし、パターンEに示した最大温度200℃の条件では、木材が可溶化してしまい十分回収できなかった。それ以外の条件については、回収した固形分を200mMクエン酸緩衝液（pH4.8）にて十分洗浄した。その後、比較例１の表3に示した条件にて酵素糖化を行った。なお、用いたセルラーゼはジェネンコア社製アクセレラーゼDuetであり、添加量は中和後乾燥杉材重量当たり15FPU/gに統一した。
【００６５】
表８に二軸押出機における各設定温度パターンでアルカリ前処理した杉材の酵素糖化率の結果を示す。二軸押出機の温度パターンによって酵素糖化率が変化した。特に、二軸押出機における最大温度を130℃としたパターンCの条件が6単糖、5単糖ともに高い糖化率となった。
【００６６】
【表８】
【００６７】
〔実施例３〕
本実施例では、木質系バイオマスとして実際の建設廃合板を使用した。先ず、本実施例では、釘や砂等の異物を事前に除去した実際の建設廃合板を準備した。この建設廃合板を実施例１と同様に粗粉砕し、目開き2mmの篩を通過した2mmアンダーの建設廃木材を作製した。これをスラリー濃度15%になるように苛性ソーダの濃度を変えた３種類の苛性ソーダ水溶液（乾燥建設廃合板重量当たりの苛性ソーダ量；5％、10％、20％）と混合した。
【００６８】
各スラリーを実施例１と同様の二軸押出機に導入した。なお、３種のスラリーとも二軸押出機の設定温度は実施例１に示した図３と同様であり、二軸押出機での建設廃合板の滞留時間は15分とした。
【００６９】
各設定で得られた建設廃合板ペーストから固形分を遠心分離機で回収し、固形分を200mMクエン酸緩衝液（pH4.8）にて十分洗浄した。その後、比較例１の表３に示した条件にて酵素糖化を行った。なお、用いたセルラーゼはジェネンコア社製アクセレラーゼDuetであり、添加量は中和後乾燥杉材重量当たり15FPU/gに統一した。
【００７０】
表９に各苛性ソーダ添加量でアルカリ処理した建設廃合板の酵素糖化率の結果を示す。6単糖、5単糖ともに乾燥建設廃合板重量当たりの苛性ソーダ添加率20%で最も高い酵素糖化率となった。
【００７１】
【表９】
【産業上の利用可能性】
【００７２】
本発明により、安価かつ効率的な木質系バイオマスの糖化方法が提供される。本糖化方法によれば、木質系バイオマスに含まれるヘミセルロース、セルロースの糖化収率を大幅に向上させることができるだけでなく、処理時間が短いため省エネルギーでの処理ができる。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、木質系バイオマス中のセルロース又はヘミセルロースを原料として、安価かつ効率よく糖を製造するための糖化方法、並びに該セルロース又はヘミセルロースに由来する糖からエタノールを製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
化石資源に依存しないカーボンニュートラルな液体燃料としてバイオエタノールが注目されており、現在まで様々なバイオマスを対象とした製造技術が実証されつつある。バイオマスの中でも、セルロース系バイオマスは、食料と競合しないエネルギー資源として注目されている。セルロース系バイオマスは、糖質やデンプン質系バイオマスと比較して、エタノール転換が非常に難しく実用性の高い製造技術が確立されているとは言いがたい。
【０００３】
特に木質バイオマスはセルロースが高結晶化しており、さらに複雑な化学結合からなるリグニンが存在する。したがって、木質系バイオマスを利用する場合、従来は高温や高圧で処理する濃硫酸や希硫酸による前処理方法が検討されてきた。しかし、これらの方法では、セルロースの加水分解で生成する単糖の過反応（過分解）が進み、単糖の収率が低いことや、糖やリグニン由来の発酵阻害物質が生成すること、設備全般での酸腐食といった問題がある。さらに、製造に多くのエネルギーを要することから、ライフサイクルアセスメント（LCA）の観点でも課題があった。
【０００４】
近年、これらの課題を打開すべく、常温常圧での製造が可能な酵素（セルラーゼ）を用いる酵素糖化法が注目されている。酵素糖化は、濃硫酸や希硫酸法で見られる単糖の過反応や糖やリグニンからの発酵阻害物質の生成がないだけでなく、常温付近での反応であり、LCAの観点からも大いに期待されている。
【０００５】
しかしながら、酵素を用いた糖化方法であっても木質系バイオマスを十分に効率良く糖化するのは非常に困難である。特に、杉等の針葉樹は、広葉樹と比較してリグニンの密度が高いことから酵素糖化をさらに困難としている。また、このような木材そのものの物性だけでなく、添加した酵素（セルラーゼ）の一部がリグニンに吸着し、セルロースまでアタックできないことも木材の酵素糖化を困難としている大きな理由でもある。したがって、木質系バイオマスの酵素糖化では、事前にセルロースやリグニンの形態を改善し、酵素糖化を促進する前処理方法が必須となる。
【０００６】
木質系バイオマスの酵素糖化における代表的な前処理方法としては、水熱処理と湿式メカノケミカルによる方法（特許文献１：特開2008-104404号公報）を挙げることができる。この方法は、微粉砕した木材原料を高温高圧の水熱処理で軟化させた後、湿式ディスクミルを用いてさらに微粒子化し、後段の酵素糖化率を向上させる前処理方法である。本技術は木材をナノレベルまで微粒子化し組織を破壊することにより高い糖化率を得ることができる。ただし、水熱処理及び超微粉砕での投与エネルギー、超微粉砕機の磨耗といった課題がある。特に、金属や砂等の異物が含まれる木質系廃棄物の場合には、粉砕機の磨耗を促進することとなり、的確な異物除去の対策を講じる必要がある。
【０００７】
また、木質系バイオマスの酵素糖化における前処理方法としては、パルプ生産で用いられているアルカリ蒸解法がある。これは、苛性ソーダなどのアルカリ薬剤をバイオマスへ乾燥重量当たり5〜40％、キノン系蒸解助剤などを乾燥重量当たり10％程度混合し、100℃〜200℃、望ましくは140℃以上に加熱し、所定時間圧力釜で処理する方法である。この方法により木材中のリグニンを完全に溶解させることができる。このアルカリ蒸解で脱リグニンされた固形分は、水で洗浄され、その後、セルラーゼによりグルコース、キシロース等の単糖まで酵素糖化される。
【０００８】
本前処理方法の先行文献として特許文献２：特開2008-92910号公報が挙げられる。当該文献では、杉材を用いたエタノール製造結果を示しており、杉重量当たり20%の苛性ソーダを含む水溶液を混合し170℃で240分（温度立ち上げからの全時間330分）のアルカリ蒸解を行い、その後回収した固形分210g（セルロース含量43g）を酵素糖化・発酵を行った結果、84％のエタノール収率が得られたとしている。しかしながら、本前処理方法によれば、アルカリ蒸解反応に専用の圧力釜が必要であり、反応時間も60〜500分と長時間を要するため設備が過大となる。また、本先行技術はバッチ処理を基本としており、連続製造を行うためには、圧力釜への木材や苛性ソーダ水溶液の供給方法、圧力釜の温度、圧力の制御手法等の課題もある。
【０００９】
一方、木質系バイオマスではなく、稲わら等のソフトセルロースの酵素糖化における前処理方法としては、裁断又は粉砕したソフトセルロースを常温にて苛性ソーダ水溶液と混合し、固形分を中和処理した後、酵素糖化する手法が知られている。稲わら等のソフトセルロースにおいては、この前処理方法にて高い酵素糖化率が得られるが（第19回日本エネルギー学会大会「稲わらからのバイオエタノール製造プロセスの開発」）、木質系バイオマスの場合には顕著な効果は見られず、非常に高濃度の苛性ソーダを添加する必要があった（平成21年度 エコ燃料実用化地域システム実証事業 成果報告書）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開2008-104404号公報
【特許文献２】特開2008-92910号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、上述した糖化処理の難しい建設廃木材等の木質系バイオマスを対象にして高収率な酵素糖化を達成できる、木質系バイオマスの糖化方法及び木質系バイオマスを用いたエタノール製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明者は、上記目的を達成するため鋭意検討を行った結果、木質系バイオマスに対してアルカリ溶液中でせん断力を付加することで、その後の酵素処理における糖化効率が大幅に向上することを見いだし、本発明を完成するに至った。
【００１３】
すなわち、本発明は以下を包含する。
（１）木質系バイオマスに対してアルカリ溶液中にてせん断力を付加する工程と、その後固形分を酵素により糖化する工程とを含む、木質系バイオマスの糖化方法。
【００１４】
（２）上記せん断力を付加する工程では多軸押出機を使用することを特徴とする（１）記載の糖化方法。
【００１５】
（３）上記多軸押出機は、軸方向に直列に配置した複数の温度調節ブロックを有し、軸方向に流動する木質系バイオマスの処理温度をブロック毎に設定することを特徴とする（２）記載の木質系バイオマスの糖化方法。
【００１６】
（４）上記（１）乃至（３）いずれか一記載の糖化方法により得られた糖成分を酵素によりエタノールとする、木質系バイオマスを用いたエタノールの製造方法。
【００１７】
上記（１）の木質系バイオマスの糖化方法及び上記（４）の木質系バイオマスを用いたエタノールの製造方法において、木質系バイオマスとしては建設廃木材を使用することが好ましい。また、上記（１）の木質系バイオマスの糖化方法及び上記（４）の木質系バイオマスを用いたエタノールの製造方法において、木質系バイオマスは、予め２〜１５ｍｍ程度に粉砕したチップを使用することが好ましい。
【００１８】
また、上記（１）の木質系バイオマスの糖化方法及び上記（４）の木質系バイオマスを用いたエタノールの製造方法において、木質系バイオマスに対してアルカリ溶液中にてせん断力を付加した後、固液分離処理により得られた固形分を洗浄し、洗浄後の固形分を糖化処理やエタノール発酵処理に供することが好ましい。これにより、糖化処理やエタノール発酵処理における阻害物質を効果的に除去することができ、糖化効率や発酵効率をより向上させることができる。なお、木質系バイオマスに対してアルカリ溶液中にてせん断力を付加すると、木質系バイオマスはペースト状となる。得られた木質系バイオマスのペーストは、水洗浄しても良いし、所望のｐＨとなるよう酸と混合しても良い。
【００１９】
なお、上記（１）の木質系バイオマスの糖化方法及び上記（４）の木質系バイオマスを用いたエタノールの製造方法において、糖化処理とは、セルラーゼ等の酵素又は当該酵素を産生する微生物により木質系バイオマスに含まれる多糖成分（セルロースやヘミセルロース）を単糖に変換する処理を意味する。また、上記（４）の木質系バイオマスを用いたエタノールの製造方法において、エタノール発酵処理とは、グルコース等の糖成分を基質としてエタノールを合成する能力のある微生物又はグルコース等の糖成分を基質としたエタノール合成経路に関与する酵素群により糖化処理によって得られた糖成分からエタノールを合成する処理を意味する。
【発明の効果】
【００２０】
本発明により、効率的な木質系バイオマスの糖化方法及びエタノールの製造方法が提供される。本糖化方法によれば、木質系バイオマスに含まれるヘミセルロース、セルロースの糖化収率を大幅に向上させることができるだけでなく、処理時間が短いため省エネルギーでの処理ができる。さらに本発明によりエタノールの製造方法が提供されるが、本エタノール製造方法では木質系バイオマスから効率的にエネルギーに変換することができ、資源の再利用に有効である。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】二軸押出機を利用した本発明に係る糖化方法の基本フローを示す図である。
【図２】本発明に係る糖化方法の他の形態に関する基本フローを示す図である。
【図３】実施例に使用した二軸押出機の概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明を詳細に説明する。
本発明に係る木質系バイオマスの糖化方法（以下、「本糖化方法」ともいう）は、木質系バイオマスに対してアルカリ溶液中でせん断力を付加する前処理により、その後の酵素糖化処理において高効率に糖を生成することができるというものである。ここで、木質系バイオマスに対してアルカリ溶液中でせん断力を付加するための手段としては、特に限定されないが、例えば多軸押出機を挙げることができる。多軸押出機とは、複数のスクリューがシリンダー内を回転することで、シリンダー内部（投入口から吐出口（押出口）までの間）にせん断力を発生する装置である。なお、多軸押出機としては、２本のスクリューを有する二軸押出機が代表的に知られているが、３本以上のスクリューを備える装置であっても良い。また、多軸押出機としては、複数のスクリューの軸が平行となるタイプでも良いし、コニカルタイプの複数のスクリュー軸を斜交させたタイプであっても良い。さらに、多軸押出機としては、複数のスクリューにおけるフライトがかみ合い型或いは非かみ合い型のいずれでもよいし、スクリュー回転方向が同方向或いは異方向のいずれでも良い。
【００２３】
一例として、二軸押出機を利用した本糖化方法の基本フローを図１に示す。本糖化方法では、先ず、原料となる木質系バイオマスを準備する。本糖化方法において、原料となる木質系バイオマスとしては、特に限定されないが、例えば２〜１５ｍｍ程度に粗粉砕された木材チップを使用することができる。なお、ここで粒径とは、平均粒径を意味する。木質系バイオマスの粗粉砕は、特に限定されず、例えばリファイナー、木材粉砕機を用いて行うことができる。粗粉砕の後、例えば磁選機による釘等の金属除去や、比重差による砂分等の除去を実施することが好ましい。
【００２４】
原料となる木質系バイオマスは、木質資源であれば特に限定されるものではなく、例えば建設廃木材、廃梱包材、伐採材、おが屑、間伐材、木材チップ、稲わら、樹皮、林地残材、未利用樹、背板などが挙げられる。木質系バイオマスは、１種類の木質資源からなるものであってもよいし、複数種の木質資源からなるものであってもよい。また、木質系バイオマスには、木質資源以外に、釘や防腐剤糖の若干の不純物が含まれていてもよい。
【００２５】
木質系バイオマスを混合するアルカリ水溶液としては、任意のアルカリに基づく水溶液を用いることができ、例えば、水酸化ナトリウム（苛性ソーダ）、消石灰及び生石灰（水酸化カルシウム水溶液）などを用いることができる。また、使用するアルカリ水溶液は、ｐＨ９．５〜１３．５、好ましくはｐＨ１０〜１３、より好ましくはｐＨ１１〜１２．５とすることができる。なお、二軸押出機を使用する場合、苛性ソーダや水酸化カリウムを使用することが望ましい。アルカリ溶液として苛性ソーダや水酸化カリウムを使用する場合には、二軸押出機内部でのスケール発生を抑制することができる。アルカリ溶液の添加量は、例えば乾燥木材重量当たり重量比で2〜30％であり、望ましくは5〜20％である。所定量のアルカリ剤を含む水溶液と乾燥木材との配合比は、溶液容積100に対して木材重量5〜30とすることが好ましい。
【００２６】
また、木質系バイオマスとアルカリ溶液とは、各々独立して二軸押出機に投入しても良いし、事前に混合した後に二軸押出機に投入しても良い。
【００２７】
なお図１に示した二軸押出機は、内部において２本のスクリューが同方向に回転する構造となっている。各々のスクリューには、ビットが装備されており、投入した木質系バイオマス（木材チップ）は、内部において軸方向に押し出されながら、アルカリ溶液中で連続的にせん断を受ける。さらに、二軸押出機を使用することで、アルカリ水溶液と木質系バイオマスとの混練が繰り返されることとなる。
【００２８】
また、図１に示すように、二軸押出機は、軸方向に加温又は冷却できるヒーターブロック（温度調節ブロック）が直列に配置されたものを使用することが好ましい。すなわち、木質系バイオマスに対してアルカリ溶液中でせん断力を付加する工程では、所定の温度にて実施することが好ましい。特に、図１に示す二軸押出機は、ブロック毎に温度を設定することができる。例えば、投入口、吐出口での温度を20℃、中央部分の温度を100〜200℃に設定することができる。なお、二軸押出機での処理時間は5〜60分、望ましくは10〜20分程度である。なお、従来技術に示したアルカリ蒸解による前処理では、反応に60〜500分を要する。したがって、本方法は、前処理に要する処理時間が大幅に短縮できる。
【００２９】
さらに、木質系バイオマスに対してアルカリ溶液中でせん断力を付加する際に、多軸押出機を使用する場合には、内部で所定の滞留時間を確保することで木質系バイオマスの連続処理が可能となる。一方、従来技術に示したアルカリ蒸解による前処理では、圧力釜に木材とアルカリを混合し、所定の温度、圧力にて処理を行うため、基本的にはバッチ処理となる。この結果、本発明において特に、多軸押出機を使用する場合には、木質系バイオマスの前処理工程については大幅な効率化が図れる。
【００３０】
以上のように、木質系バイオマスに対してアルカリ溶液中でせん断力を付加する処理によって、木質系バイオマスとアルカリ水溶液との混練が繰り返され、木質系バイオマスをペースト化することができる。その後、図１に示すように、ペースト化された木質系バイオマスは必要に応じて水洗浄するか、もしくはセルラーゼの至摘pHまで酸水溶液で中和しても良い。次に、固液分離して固形分である木材ペースト（木質系バイオマス）を回収した後、セルラーゼ及び/又はセルラーゼ生成菌を添加して糖化する。なお、固液分離工程及び糖化処理工程については、詳細を後述する。
【００３１】
なお、本糖化方法は、図２に示すように、木質系バイオマスを微粉砕した後、アルカリ溶液中でせん断力を付加しても良い。微粉砕した木質系バイオマスは、例えば1mm以下、望ましくは0.5mm以下の粒径となる。微粉砕処理としては、投入された木質系バイオマスのチップに対して圧縮力、摩擦力、切削力、剪断力及び衝撃力等の機械的作用を付加する処理を挙げることができる。より詳細に、微粉砕機としては、ツイストミル、オガ粉製造機、カットミル及びハンマーミルを挙げることができる。ツイストミルとは、粗粉砕された木質系バイオマスのチップを一軸スクリューで圧縮・混練し、先端のデイスクによりすり潰す機構を有する装置であり、木質系バイオマスのチップに対して圧縮力及び摩擦力を負荷することで微粉砕することができる。オガ粉製造機とは、ステージに木質系バイオマスを設置し、刃先付の円筒状回転体で木材を切削する機構を有する装置である。カットミルとは、三角形の刃先付回転体と外筒に取り付けてある固定刃の間で木質系バイオマスのチップを粉砕する機構を有する装置であり、木質系バイオマスのチップに対してせん断力を付加することで微粉砕することができる。ハンマーミルとは、衝撃板付外筒の内側で回転するスイングハンマーにより木質系バイオマスのチップを微粉砕する機構を有する装置であり、木質系バイオマスのチップに対して衝撃力、摩擦力及びせん断力を付加することで微粉砕することができる。
【００３２】
図２に示す糖化方法では、先ず、建設廃木材を原料とし、約15mmアンダー程度まで二次粉砕した建設廃木材から篩や磁選、風選等により金属や砂等の異物を除去する。その後、上記粉砕機で粉砕された建設廃木材を回収し、二軸押出機にてアルカリ水溶液と混練する。得られた木材ペーストは水平ベルト等で水洗浄または酸水溶液で中和した後、回収した固形分を対象に、セルラーゼによる酵素糖化、酵母等の発酵微生物によるエタノール発酵が行われる。本製造フロー例によれば、建設廃木材からエタノールを連続的に製造することができ、バッチ処理と比較して製造施設がコンパクトになるだけでなく、製造量の拡大も期待できる。
【００３３】
また、図１及び２に示す糖化方法において、木質系バイオマスを混合するアルカリ溶液には、活性酸素を生成する酸化剤が含まれていても良い。すなわち、木質系バイオマスは、糖化処理の前に酸化剤により処理されることが好ましい。酸化剤としては、特に限定されないが、例えば、過酸化水素、過硫酸塩、過炭酸塩、過酢酸塩、オゾン、過酸化ナトリウム等を使用できる。酸化剤として過酸化水素を使用する場合、乾燥木材重量当たり1〜10％の量とすることが好ましく、対象となる木材種（針葉樹系、広葉樹系、剪定枝系）に応じて設定することができる。また、酸化剤による処理は、上述のようにアルカリ溶液中に混合する方法でも良いし、アルカリ溶液中でせん断力を付加した後に木質系バイオマスにスプレー噴霧しても良い。
【００３４】
固液分離工程
続いて、液分と固形分に分離する。具体的には、図２に示すように、二軸押出機から押し出されたペースト状の木質系バイオマスを水平ベルト等により固液分離と同時に水洗浄する。水洗浄した木質系バイオマスは、その後、含有したアルカリを中和するための中和工程に移行し、硫酸等の酸により所定のｐHに調整される。なお、固液分離処理は、図２に示す装置によるものに限定されず、上述と同様に当技術分野で公知の任意の方法により行うことができる。なお、固液分離工程によって回収された液分は、排水処理してもよいし、あるいは再利用してもよい。
【００３５】
糖化処理工程
本工程では、得られた木質系バイオマスにセルラーゼ酵素処理を行うことにより、木質系バイオマス中のセルロース及びヘミセルロースをグルコース、マンノース、ガラクトース、キシロース、アラビノース等の単糖まで糖化する。使用するセルラーゼは、セルロースを効率的に糖化できるものであれば特に限定されない。例えば、セルラーゼは、植物及び動物由来のいずれでもよく、化学修飾されたものであっても、遺伝子組換えにより生成されたものであってもよい。なお、セルラーゼを反応させる温度、時間及び量は、セルラーゼの種類によって異なるが、当業者であれば、使用するセルラーゼの種類に応じて適宜選択することができる。
【００３６】
あるいは、処理後の木質系バイオマスを原料としてセルラーゼ生成菌を培養することにより、セルロース及びヘミセルロースをセルラーゼにより単糖まで分解し、二次糖液を得ることも可能である。そのようなセルラーゼ生成菌は、当技術分野で公知であり、例えばAspergillus niger、A. foetidus、Alternaria alternata、Chaetomium thermophile、C. globosus、Fusarium solani、Irpex lacteus、Neurospora crassa、Cellulomonas fimi、C. uda、Erwinia chrysanthemi、Pseudomonas fluorescence、Streptmyces flavogriseusなどが挙げられ、例えば「セルロース資源−高度利用のための技術開発とその基礎」、越島哲夫編、（株）学会出版センター、1991年に記載されている。
【００３７】
なお、上述のようにセルラーゼ酵素処理する以外に、処理後の木質系バイオマスを原料としてセルラーゼ生成菌とエタノール発酵菌の同時発酵を行い、エタノールを生成することも可能である。
【００３８】
本発明では、木質系バイオマスに対してアルカリ溶液中でせん断力を付加する処理を経ているため、処理後の木質系バイオマスに含まれるヘミセルロース、セルロースから高い収率で単糖を得ることができる。生成した単糖は、エタノール生成可能な微生物の発酵原料、ブタノールやその他の化学原料としてのバイオリファイナリーとして利用できる。また、木質系バイオマスを糖化して得られたグルコースを更に酵素処理することにより、清涼剤であるD-ソルビトール、甘味料であるD-フルクトース、浸透圧調整剤であるマンニトール、飼料添加剤であるマンノース等、食品や医薬品等の有用物質を製造することもできる。
【００３９】
エタノールの製造
上述の糖化工程において得られる糖を原料として用いてエタノール発酵を行い、エタノールを製造することができる。上述の糖化工程にて得られた糖成分はセルロース由来の糖及びヘミセルロース由来の糖の両者を含んでいても良い。ヘミセルロース由来の糖としては、キシロース、アラビノースなどの五炭糖と、グルコース、ガラクトース、マンノースなどの六炭糖を挙げることができる。セルロース由来の糖はグルコースの六炭糖である。特に、六炭糖は酵母などによって容易にエタノールに変換することができ、五炭糖は、当技術分野で公知のエタノール生成方法に従ってエタノールに変換することができる。
【００４０】
六炭糖のエタノール発酵は、当技術分野で公知のエタノール製造方法に従って、酵母、又は遺伝子組換えによりエタノール生成に必要な遺伝子を有する細菌を用いて行うことができる。五炭糖のエタノール発酵は、例えば五炭糖及び六炭糖の両方を資化するが、エタノールを生成しない大腸菌に、エタノールを生成する微生物由来の遺伝子を導入した遺伝子組換え大腸菌や、エタノール発酵性のザイモモナス属（Zymomonas）細菌に五炭糖の代謝遺伝子を導入した遺伝子組換え細菌などを用いて行うことができる（例えば、特表平５−５０２３６６号公報及び特表平６−５０４４３６号公報）。あるいは、五炭糖及び六炭糖をエタノール発酵させてエタノール及び二酸化炭素を回収する方法を利用してもよい（特開２００６−１１１５９３号公報）。
【００４１】
エタノール発酵の条件は、当業者であれば、原料となる糖の種類、使用するエタノール発酵菌の種類などに応じて、適宜設定することができる。エタノール発酵は、一次糖液及び二次糖液の各々に対して別々に行ってもよいし、あるいは両者を混合して行ってもよい。
【実施例】
【００４２】
以下、実施例を用いて本発明をより詳細に説明するが、本発明の技術的範囲はこれら実施例に限定されるものではない。
【００４３】
〔比較例１〕
本比較例では、後述する実施例で達成した糖化率と比較するため、木質系バイオマスを微粉砕した後にアルカリ溶液にて前処理を実施し、当該前処理による糖化率を測定した。
【００４４】
先ず、10mm角の杉材チップを原材料とした。これを３種類の乾式粉砕機（アーステクニカ製ハンマーミルTSX型、ウエノテックス製ツイストミル、ホソカワミクロン製ACMパルベライザー）で微粉砕した。アーステクニカ製ハンマーミルTSX型はハンマーミルタイプであり、ハンマー回転数3000rpmで粉砕を行い、3mmメッシュを通過した3mmアンダーの杉材を回収した。ウエノテックス製ツイストミルはすり鉢型デイスクでの圧縮・すり潰しによる粉砕であり、処理後の杉材を回収した。ホソカワミクロン製ACMパルベライザーは粉砕ローターと分級ローターが設置されたハンマーミルタイプである。分級ローターの回転数に応じて微粉砕が可能であり、回転数1000、1500、2000、3000、4000rpmで杉材を微粉砕し、各回転数で処理した杉材を回収した。
【００４５】
各微粉砕機及び条件で粉砕した杉材の粉砕結果を表1に示す。粒径分布の中央値（D50）は、アーステクニカ製ハンマーミルTSX型で500μm、ウエノテックス製ツイストミルで509μmであった。一方、ホソカワミクロン製ACMパルベライザーでは、分級ローターの回転数が速いほどD50は小さくなり、4000rpmでは76μmまで微粉砕される結果となった。また、粉砕後の杉材における500μm以下の分級率を調べた結果、ホソカワミクロン製ACMパルベライザーで4000rpmの分級ローター回転速度で処理した場合には、ほとんどが500μm以下の微粉体となった。
【００４６】
【表１】
【００４７】
上記の各粉砕機、各条件で粉砕した杉材を用い、アルカリ溶液による前処理を行った。アルカリ溶液による前処理の条件を表2に示す。アルカリとして苛性ソーダを用い、添加量は各粉砕杉材乾燥重量当たり20％とした。また、苛性ソーダ水溶液容積に対する乾燥杉材重量（以降、スラリー濃度と称す）は15％に設定した。なお、反応温度を室温またはオートクレーブによる130℃処理とし、室温系では18時間攪拌を継続し、130℃処理系では15分間高温高圧処理を行った。
【００４８】
【表２】
【００４９】
その後、前処理後の杉材を遠心分離機で回収した後、固形分を200mMクエン酸緩衝液（pH4.8）にて十分洗浄した。その後、表3に示す条件にて酵素糖化を行った。なお、用いたセルラーゼはジェネンコア社製アクセレラーゼDuetであり、添加量は中和後乾燥杉材重量当たり15FPU/gに統一した〔60分間にろ紙からグルコースを10.8mg生成するセルラーゼ酵素活性。1FPU=10.8mg/hの糖化速度〕。
【００５０】
【表３】
【００５１】
上述した酵素を用いた糖化試験の結果として、6単糖及び5単糖の糖化率を測定した結果をそれぞれ表4及び表5に示した。なお、各表記載の糖化率は、中和後杉材中の各単糖（6単糖；セルロースを構成するグルコース、ヘミセルロースを構成するグルコース、マンノース、ガラクトースの総和、5単糖；ヘミセルロースを構成するキシロース、アラビノースの総和）に対して、糖化後に溶液に検出された各単糖の比率を示している。
【００５２】
表4及び表5に示すように、6単糖、5単糖ともアルカリ前処理を130℃で高温高圧処理した条件では、室温でアルカリ前処理を行った場合よりもいずれも酵素糖化率が向上した。しかしながら、6単糖糖化率に関しては15％以下、5単糖糖化率に関しては33％以下であった。このように、杉材を微粉末化した後、高温高圧下でアルカリ溶液と混合しても高い糖化率を得ることはできないことが明らかとなった。
【００５３】
【表４】
【００５４】
【表５】
【００５５】
〔実施例１〕
本実施例では、木質系バイオマスに対してアルカリ溶液中でせん断力を付加するといった前処理を実施し、糖化率を測定した。
【００５６】
上記比較例1で用いた10mm角の杉材チップを粗粉砕し、目開き2mmの篩を通過した2mmアンダーの杉材を原材料とした。スラリー濃度15％、乾燥杉材重量当たりの苛性ソーダ添加量20％となるように、2mmアンダーの杉材と苛性ソーダ水溶液を混合した。
【００５７】
その後、図３に示す径25mmのスクリューからなる二軸押出機を用いた。なお、スクリューとケーシングとのクリアランスは0.5mmである。また、軸方向に６つのヒーターブロック（図中(1)〜(6)）を設置し、所定の反応温度に設定した。図３に示す二軸押出機のホッパー部分から杉材とアルカリ水溶液を連続的に投入した。なお、杉材の滞留時間は15分となるようにスクリューの回転速度を設定した。
【００５８】
二軸押出機から押し出された杉材ペーストから固形分を遠心分離機で回収し、200mMクエン酸緩衝液（pH4.8）にて十分洗浄した。その後、比較例１の表３に示した条件にて酵素糖化を行った。なお、用いたセルラーゼはジェネンコア社製アクセレラーゼであり、添加量は中和後乾燥杉材重量当たり15FPU/gに統一した。
【００５９】
本実施例で測定した糖化率の結果を表６に示した。表６から判るように、6単糖の糖化率は51.1％、5単糖では100％の糖化率となり、比較例1で実施した前処理と比較して極めて高い糖化率を達成できた。
【００６０】
【表６】
【００６１】
〔実施例２〕
本実施例では、木質系バイオマスに対してアルカリ溶液中でせん断力を負荷する際の温度条件と糖化率との関係を検討した。
【００６２】
実施例１で使用した2mmアンダーの杉材を原材料とし、アルカリ水溶液と混合し、二軸押出機にて処理を行った。アルカリ前処理でのスラリー濃度、乾燥杉材重量当たりの苛性ソーダ添加量は、実施例１と同条件とし（スラリー濃度15％、乾燥杉材重量当たりの苛性ソーダ添加量20％）、二軸押出機での温度設定を、表７のとおりパターンAからEまで設定した。表７における(1)〜(6)は、図３における(1)〜(6)に対応している。なお、二軸押出機における杉材の滞留時間はいずれも15分に統一した。
【００６３】
【表７】
【００６４】
各設定温度で得られた杉材ペーストから固形分を遠心分離機で回収した。ただし、パターンEに示した最大温度200℃の条件では、木材が可溶化してしまい十分回収できなかった。それ以外の条件については、回収した固形分を200mMクエン酸緩衝液（pH4.8）にて十分洗浄した。その後、比較例１の表3に示した条件にて酵素糖化を行った。なお、用いたセルラーゼはジェネンコア社製アクセレラーゼDuetであり、添加量は中和後乾燥杉材重量当たり15FPU/gに統一した。
【００６５】
表８に二軸押出機における各設定温度パターンでアルカリ前処理した杉材の酵素糖化率の結果を示す。二軸押出機の温度パターンによって酵素糖化率が変化した。特に、二軸押出機における最大温度を130℃としたパターンCの条件が6単糖、5単糖ともに高い糖化率となった。
【００６６】
【表８】
【００６７】
〔実施例３〕
本実施例では、木質系バイオマスとして実際の建設廃合板を使用した。先ず、本実施例では、釘や砂等の異物を事前に除去した実際の建設廃合板を準備した。この建設廃合板を実施例１と同様に粗粉砕し、目開き2mmの篩を通過した2mmアンダーの建設廃木材を作製した。これをスラリー濃度15%になるように苛性ソーダの濃度を変えた３種類の苛性ソーダ水溶液（乾燥建設廃合板重量当たりの苛性ソーダ量；5％、10％、20％）と混合した。
【００６８】
各スラリーを実施例１と同様の二軸押出機に導入した。なお、３種のスラリーとも二軸押出機の設定温度は実施例１に示した図３と同様であり、二軸押出機での建設廃合板の滞留時間は15分とした。
【００６９】
各設定で得られた建設廃合板ペーストから固形分を遠心分離機で回収し、固形分を200mMクエン酸緩衝液（pH4.8）にて十分洗浄した。その後、比較例１の表３に示した条件にて酵素糖化を行った。なお、用いたセルラーゼはジェネンコア社製アクセレラーゼDuetであり、添加量は中和後乾燥杉材重量当たり15FPU/gに統一した。
【００７０】
表９に各苛性ソーダ添加量でアルカリ処理した建設廃合板の酵素糖化率の結果を示す。6単糖、5単糖ともに乾燥建設廃合板重量当たりの苛性ソーダ添加率20%で最も高い酵素糖化率となった。
【００７１】
【表９】
【産業上の利用可能性】
【００７２】
本発明により、安価かつ効率的な木質系バイオマスの糖化方法が提供される。本糖化方法によれば、木質系バイオマスに含まれるヘミセルロース、セルロースの糖化収率を大幅に向上させることができるだけでなく、処理時間が短いため省エネルギーでの処理ができる。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
木質系バイオマスに対してアルカリ溶液中にてせん断力を付加する工程と、その後固形分を酵素により糖化する工程とを含む、木質系バイオマスの糖化方法。
【請求項２】
上記せん断力を負荷する工程では多軸押出機を使用することを特徴とする請求項１記載の木質系バイオマスの糖化方法。
【請求項３】
上記多軸押出機は、軸方向に直列に配置した複数の温度調節ブロックを有し、軸方向に流動する木質系バイオマスの処理温度をブロック毎に設定することを特徴とする請求項２記載の木質系バイオマスの糖化方法。
【請求項１】
木質系バイオマスに対してアルカリ溶液中にてせん断力を付加する工程と、その後固形分を酵素により糖化する工程とを含む、木質系バイオマスの糖化方法。
【請求項２】
上記せん断力を負荷する工程では多軸押出機を使用することを特徴とする請求項１記載の木質系バイオマスの糖化方法。
【請求項３】
上記多軸押出機は、軸方向に直列に配置した複数の温度調節ブロックを有し、軸方向に流動する木質系バイオマスの処理温度をブロック毎に設定することを特徴とする請求項２記載の木質系バイオマスの糖化方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１２−１７０３５５（Ｐ２０１２−１７０３５５Ａ）
【公開日】平成２４年９月１０日（２０１２．９．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−３３２４７（Ｐ２０１１−３３２４７）
【出願日】平成２３年２月１８日（２０１１．２．１８）
【出願人】（０００２０６２１１）大成建設株式会社 (1,602)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年９月１０日（２０１２．９．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年２月１８日（２０１１．２．１８）
【出願人】（０００２０６２１１）大成建設株式会社 (1,602)
【Ｆターム（参考）】
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