樹皮の糖化方法および同時糖化発酵方法
【課題】木質バイオマスからのエタノール製造時に、酸やアルカリ等の薬品処理で課題となっている廃液による環境負荷を低減し、薬品コストおよびエネルギーコストを削減する方法を提供することにある。
【解決手段】樹皮に着目し、機械的破砕処理工程、加熱する加熱処理工程、該加熱処理工程により得られた繊維を解繊する解繊処理工程、該解繊処理工程からの繊維分散液を酵素により糖化する糖化処理工程からなる工程、または機械的破砕処理工程、加熱処理工程、該加熱処理工程からの繊維分散液を酵素により糖化する糖化処理工程からなる工程を有する樹皮の糖化方法および該糖化処理工程と発酵工程とを酵母共存下で同時に行う同時糖化発酵方法である。
【解決手段】樹皮に着目し、機械的破砕処理工程、加熱する加熱処理工程、該加熱処理工程により得られた繊維を解繊する解繊処理工程、該解繊処理工程からの繊維分散液を酵素により糖化する糖化処理工程からなる工程、または機械的破砕処理工程、加熱処理工程、該加熱処理工程からの繊維分散液を酵素により糖化する糖化処理工程からなる工程を有する樹皮の糖化方法および該糖化処理工程と発酵工程とを酵母共存下で同時に行う同時糖化発酵方法である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
地球温暖化防止の観点から化石燃料由来のＣＯ２排出削減のため、バイオマスの有効利用が注目されている。しかし、近年、トウモロコシ等の食品系バイオマスからのバイオエタノールの製造は食品価格の上昇を引き起こし、発展途上国では食糧不足などの重大な問題を引き起こしている。そこで食料と競合しない木質系バイオマスすなわちリグノセルロースからのバイオエタノールの製造が注目されている。
【０００２】
木質系バイオマスからバイオエタノールへの転換方法としては、多数の著書（非特許文献１、非特許分文献２、非特許分文献３）に示されているように、様々な方法が研究されてきているが、その中でも、酸糖化法又は酵素糖化法により単糖化した後、発酵によりエタノールを得る方法が広く研究されている。
【０００３】
酸糖化法は硫酸などの無機酸によって木質バイオマスを加水分解して糖を得る方法であり、その濃度によって、希酸法と濃酸法が提案されている（特許文献１および２）。希酸法では、温度、圧力がともに高く、添加した酸により装置が腐食してしまう。さらに生成した糖類と酸を分離するのが困難で経済的に有効な酸回収方法がない等の問題がある。また、濃酸法は、比較的に温度および圧力が低いため、安価な反応装置材料が利用でき、グルコースの収率も高い。しかし、希酸法と同様に生成した糖類から経済的に有効な酸の分離・回収法がないため、多量の廃酸が発生するという問題がある。
【０００４】
酵素糖化法はリグノセルロースをセルラーゼやヘミセルラーゼ等の酵素によって糖化する方法であり、酸糖化よりも穏和な条件で糖化が可能であることから、装置材質の制限がなく、排出物の処理も簡便である。しかし、リグノセルロース中のセルロースはリグニンおよびヘミセルロースによって覆われており、酵素が容易にセルロースへの接触できないため糖化率が低いのが一般的である。そこで、酵素糖化率向上のために加圧熱水処理、蒸煮・爆砕処理などの物理的前処理と、酸やアルカリなどの薬品による化学的前処理が主に研究されている。
【０００５】
これらの前処理のうち加圧熱水処理は、加圧熱水処理の前後少なくとも一方に機械的粉砕処理工程を有し、この微粉砕化によってセルロースを覆っているリグニンやヘミセルロースの一部を剥離させ、酵素がセルロースに接触させる頻度を上げることによって、糖化を促進させることを目的とした前処理方法である（特許文献３）。またバイオマスを高温高圧処理後、瞬時に大気圧またはその付近の低温低圧条件下に放出する蒸煮・爆砕処理方法では、セルロースを覆っているリグニンとヘミセルロースに亀裂を生じさせることによって、酵素がセルロースに接触可能となる（特許文献４）。化学的前処理としては、セルロースを覆っているリグニンやヘミセルロースを軟化もしくは溶解させることによって除去し、セルロースを表面に露出させることによって酵素糖化を可能とする前処理である。セルラーゼやヘミセルラーゼなどの多糖分解酵素は中性から弱酸性領域で処理する必要があるため、特に化学的前処理では糖化工程において、薬品の除去もしくはPHを調整する工程が必要となる場合がある（特許文献５）。
【０００６】
加圧熱水処理は薬品除去が不要なため廃液処理や薬品コストを抑えられるが、木質バイオマス微粉砕化のために４０００ｋｗｈ／Ｔ以上のエネルギーが必要となる（特許文献６）。そのため、加圧熱水処理において機械処理工程を低エネルギー化した酵素糖化前処理方法が求められている。
【０００７】
【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２００６−１３６２６３号公報
【特許文献４】特開昭５９−２０４９９７号公報
【特許文献５】特開２００８−０９２９１０号公報
【特許文献６】特開２００９−１２４９７３号公報
【非特許文献１】日本木材学会編「木質バイオマスの利用技術」ｐ１９〜６１、文永堂出版、１９９７年７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】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４】福井作蔵著「還元糖の定量法」ｐ４９〜５２、学会出版センター、１９９０年１０月発行
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明における課題は、木質バイオマスからのエタノール製造時に、酸やアルカリ等の薬品処理で課題となっている廃液による環境負荷を低減し、薬品コストおよびエネルギーコストを削減する方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は前記課題を解決するため鋭意研究した結果、樹皮に着目し、以下の各技術手段を選択し採用することによって、少ないエネルギーで原料の糖化および糖化発酵を促進できる「樹皮の糖化方法および同時糖化発酵方法」の発明である。
【００１０】
（１）樹皮を粗破砕する機械的破砕処理工程、該粗破砕した樹皮を水中に浸漬して加熱する加熱処理工程、該加熱処理工程により得られた繊維を解繊する解繊処理工程、該解繊処理工程からの繊維分散液を酵素により糖化する糖化処理工程からなる工程、または樹皮を粗破砕する機械的破砕処理工程、該粗破砕した樹皮を水中に浸漬して加熱する加熱処理工程、該加熱処理工程からの繊維分散液を酵素により糖化する糖化処理工程からなる工程を有することを特徴とする樹皮の糖化方法および該糖化処理工程と発酵工程とを酵母共存下で同時に行う同時糖化発酵方法からなる。
【００１１】
（２）前記（１）における糖化処理工程または同時糖化発酵処理工程の残渣から繊維を分離回収し、該繊維を摩砕処理した後再度糖化処理または同時糖化発酵処理することを特徴とする請求項１項に記載の樹皮の糖化方法および同時糖化発酵方法からなる。
（３）前記（１）〜（２）における機械的破砕処理工程の所要電力が１０００ｋｗｈ／Ｔ以下とする。
【００１２】
（４）前記（１）〜（３）における解繊工程の所要電力が３０００ｋｗｈ／Ｔ以下とする。
（５）前記（１）〜（４）における機械的破砕処理工程および解繊工程の合計所要電力が４０００ｋｗｈ／Ｔ以下とする。
（６）前記（１）〜（５）における加熱処理工程の温度が１２０〜２５０℃とする。
（７）前記（１）〜（６）における加熱処理工程の保持時間が１分〜５時間とする。
【００１３】
（８）前記（１）〜（７）における樹皮原料が、ユーカリ（Ｅｕｃａｌｙｐｔｕｓ）属、さらに好ましくはグランディス（ｇｒａｎｄｉｓ）種、グロブラス（ｇｌｏｂｕｌｕｓ）種、ナイテンス（ｎｉｔｅｎｓ）種、カマルドレンシス（ｃａｍａｌｄｕｌｅｎｓｉｓ）種、デグラプタ（ｄｅｇｌｕｐｔａ）種、ビミナリス（ｖｉｍｉｎａｌｉｓ）種、ユーロフィラ（ｕｒｏｐｈｙｌｌａ）種、ダニアイ（ｄｕｎｎｉｉ）種及びこれらの交雑種から選ばれる樹木の樹皮の少なくとも１種とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明により、木質バイオマスからのエタノール製造時に、酸やアルカリ等の薬品廃液を排出しないため環境負荷を低減でき、薬品コストおよびエネルギーコストの削減も可能とする有望な技術が提供される。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明をさらに詳しく説明する。
本発明が対象とする木質バイオマスとは、樹木の伐採や造材のときに発生する林地残材、間伐材、製材工場等から発生する木材樹皮である。
木材樹皮は、現在ほとんど有効利用されておらず、製材工場やチップ工場で均一な品質のものが大量に入手可能であり、木材の木部部分より柔軟かつ可溶性成分が多いため、糖化発酵処理原料として適している。
例えば、製紙原料用として一般に用いられるユーカリ（Eucalyptus）属またはアカシア（Acacia）属等の樹種の樹皮は、製紙原料用の製材工場やチップ工場等から安定して大量に入手可能であるため、特に好適に用いられる。
【００１６】
本発明においては、上記の木材樹皮に機械的破砕処理を行い、次工程の加熱処理に適した大きさや状態にする。前記機械的破砕処理は、破砕、裁断等の任意の機械的手段により行う。その手段や使用する機械装置については特に限定されないが、たとえば、一軸破砕機、二軸破砕機、ハンマークラッシャー等が好適に使用可能である。
前記機械的破砕処理工程の所要電力としては１０００ｋｗｈ／Ｔ以下であることが好ましく、特に好ましくは１００ｋｗｈ／Ｔ以下、更に好ましくは５０ｋｗｈ／Ｔ以下である。
【００１７】
前記解繊処理は、破砕、磨砕等の任意の機械的手段により、次工程の糖化処理もしくは発酵処理の収率を向上する。その手段や使用する機械装置については特に限定されないが、たとえば、ニーダー、レファイナー、ミル、グラインダー等の磨砕装置が好適に使用可能である。
前記解繊処理工程の所要電力としては３０００ｋｗｈ／Ｔ以下であることが好ましく、更に好ましくは１５００ｋｗｈ／Ｔ以下である。
また本発明は前記機械的破砕処理工程および解繊処理工程の合計所要電力を４０００ｋｗｈ／Ｔ以下とすること、更に好ましくは１６００ｋｗｈ／Ｔ以下の条件で処理することである。
【００１８】
前記加熱処理は、木質バイオマスを熱水に浸漬して、次工程の糖化発酵処理に適した状態にすることである。なお、本発明の加熱処理工程において、熱水への浸漬時間及び処理温度は、使用する原料によって任意に設定可能である。処理時間１分〜５時間、１２０〜２５０℃であることが好ましい。尚、処理条件を厳しくすることで、原料中のセルロースの過分解が起こる場合もあるため、更に好ましくは処理時間が１０分〜２時間、処理温度が１５０〜１８０℃である。
なお、加熱処理条件により溶液中にも糖が溶解するが、固液分離せずに糖化処理または糖化発酵処理するか、固液分離後の溶液を糖化処理または糖化発酵処理することで糖収率の低下を防ぐことが可能である。
また糖化処理工程または同時糖化発酵処理工程の残渣から繊維を分離回収し、該繊維を摩砕処理した後再度糖化処理または同時糖化発酵処理することができ、その結果糖収率は向上する。
【００１９】
本発明の糖化処理工程は、加熱処理後の繊維および溶液を酵素により糖化する工程である。また、糖化発酵処理工程は、原料を酵素により糖化する酵素糖化処理と、得られた糖類をさらに酵母等によってエタノール発酵させる発酵処理を併せた工程である。
なお、糖化発酵処理は、酵素糖化処理とエタノール発酵処理を別工程で連続して行ってもよく、また酵素糖化処理とエタノール発酵処理を同時に行うことも可能である。
【００２０】
糖化処理または糖化発酵処理で使用する酵素は、セルロース分解酵素であり、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。
各セルロース分解酵素は、夫々の活性を有する酵素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、市販のセルラーゼ製剤を用いれば良い。
【００２１】
市販の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の市販品としては、全て商品名で、例えば、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）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質量部が好ましく、１〜５０質量部が特に好ましい。
【００２２】
処理条件は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。糖化発酵反応は、連続式が好ましいが、バッチ方式でも良い。糖化発酵反応時間は、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。
【００２３】
次に、発酵について説明する。
発酵用に用いられる微生物としては酵母などが用いられ、培地などを同時に添加しても良い。酵母としては、周知の酵母、例えばサッカロミセス・セラビシエなどが使用できる。
また、微生物は固定化しておいてもよい。微生物を固定化しておくと、次工程に微生物を液と共に送り出して再回収するという工程を省くことができるか、少なくとも回収工程にかかる負担を軽減することができるし、微生物をロスするリスクを軽減することもできる。また、微生物を固定化するほどでのメリットはないが、凝集性のある微生物を選択することにより微生物の回収を容易にすることができる。
【実施例】
【００２４】
次に実施例を示して本発明をさらに詳細に説明する。
尚、以下に示す各実施例において、％は、特に断りがない限りは全て質量によるものである。糖濃度の測定には、フェノール硫酸法（非特許文献４）を用いた。エタノール濃度はバイオセンサー（王子計測機器）で測定し、エタノール生産量を算出した。また、機械処理に要した一軸破砕機およびレファイナーの電力量は電力積算計を用いて計測した。所要電力は実際に原料を破砕・解繊するのに要した消費電力から空転動力に要した電力を差し引いた電力として求めた。空転動力は原料を投入せずにレファイナーを動作させるのに要した電力と定義する。酵母はＳａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ ｃｅｒｅｖｉｓｉａｅを用い、下記組成の液体培地で３０℃、２４時間培養し酵母菌体を遠心分離して集菌したものを用いた。市販セルラーゼはジェネンコア社製ＧＣ２２０（セロビオヒドロラーゼ活性１００Ｕ／ｍＬ、ベータグルコシダーゼ活性２００Ｕ／ｍＬ）を用いた。
【００２５】
［前培養液体培地組成］
グルコース ３０ｇ／Ｌ
ポリペプトン ５ｇ／Ｌ
酵母エキス ３ｇ／Ｌ
麦芽エキス ３ｇ／Ｌ
ｐＨ ５．６
【００２６】
＜実施例１＞
［前処理］
ユーカリ・グロブラスの樹皮を、一軸破砕機（西邦機工社製、ＳＣ-１５）に２０ｍｍの丸穴スクリーンを取り付けて破砕したものを木質バイオマス原料とした。
反応容器に上記原料絶乾２００ｇと純水１．２Ｌを入れて１５０℃にて１時間加熱処理を施した。加熱処理後、４０メッシュのスクリーンにて固液分離したのち、処理物をレファイナー（熊谷理機工業製、ＫＲＫ高濃度ディスクレファイナー）を用い、クリアランス０.２ｍｍで解繊処理して、再度４０メッシュのスクリーンにて固液分離し絶乾１６８ｇの前処理物を得た。
［酵素糖化処理］
加熱処理で得られた前処理物絶乾１ｇを反応容器に入れ、１００ｍＭ酢酸緩衝液４５ｍＬ、市販セルラーゼ０．５ｍＬを添加し、５０℃、反応時間１８時間の条件で酵素糖化処理した。酵素糖化液の糖濃度を測定し原料１ｇあたりの糖収量を算出した。
［発酵処理］
加熱処理で得られた前処理物絶乾５ｇを反応容器に入れ、ポリペプトン３ｇ／Ｌ、酵母エキス２ｇ／Ｌ、麦芽エキス２ｇ／Ｌ、前処理物濃度５％となるように調整し、前記液体培地１００ｍＬで前培養後の酵母菌体及び市販セルラーゼ２．５ｍＬを添加し、３０℃、２４時間の条件で併行糖化発酵処理した。発酵液のエタノール濃度を測定し原料１ｇあたりのエタノール収量を算出した。
【００２７】
＜実施例２＞
加熱処理の条件を１７０℃、１時間にした他は実施例１と同様にして、糖収量およびエタノール収量を算出した。加熱処理後の前処理物は絶乾１４８ｇであった。
【００２８】
＜実施例３＞
加熱処理の条件を１５０℃、２時間にした他は実施例１と同様にして、糖収量およびエタノール収量を算出した。加熱処理後の前処理物は絶乾１６２ｇであった。
【００２９】
＜実施例４＞
加熱処理の条件を１５０℃、１０分間にした他は実施例１と同様にして、糖収量およびエタノール収量を算出した。加熱処理後の前処理物は絶乾１７２ｇであった。
【００３０】
＜実施例５＞
加熱処理の条件を１２０℃、５時間にした他は実施例１と同様にして、糖収量およびエタノール収量を算出した。加熱処理後の前処理物は絶乾１６８ｇであった。
【００３１】
＜実施例６＞
加熱処理後のレファイナーによる解繊処理を行わなかった他は実施例２と同様にして、糖収量およびエタノール収量を算出した。
【００３２】
＜実施例７＞
実施例１の発酵処理で得られた発酵残渣をレファイナー（熊谷理機工業製、ＫＲＫ高濃度ディスクレファイナー）を用い、クリアランス０.１ｍｍで機械処理して、４０メッシュのスクリーンにて固液分離し絶乾８４ｇの発酵残渣処理物を得た。実施例１と同様に糖収量およびエタノール収量を算出し、実施例１で得られた収量と合わせて合計収量を算出した。
【００３３】
＜比較例１＞
加熱処理の条件を１００℃、１時間にした他は実施例１と同様にして、糖収量およびエタノール収量を算出した。加熱処理後の前処理物は絶乾１８８ｇであった。
【００３４】
＜比較例２＞
ユーカリ・グロブラスの木部は一軸破砕機の破砕では目的の大きさに成らなかったため、二軸破砕機（近畿工業製、ＲＲＣ-９３２-Ｅ）に２０ｍｍの丸穴スクリーンを取り付けて破砕したものを木質バイオマス原料とした。他は実施例１と同様にして、糖収量およびエタノール収量を算出した。加熱処理後の前処理物は絶乾１９８ｇであった。
【００３５】
実施例１〜６および比較例１、２の結果を表１に示す。処理時間１時間以下の条件では１５０℃以上の加熱処理で糖収量およびエタノール収量が大幅に増加し、解繊処理の所要電力は低減した。また、処理時間を長くすることで、１５０℃でも１７０℃の処理と同程度の収量が得られ加熱エネルギーが低減可能であること、１２０℃でも糖化処理が可能になることがわかった。さらに、加熱処理では解繊処理なしでも糖化・発酵可能であることがわかり、微細化されていない前処理物でも使用可能であることがわかった。機械的破砕処理、解繊処理の合計所要電力は５〜１１９０ｋｗｈ／Ｔであった。酵素糖化処理・発酵処理の残渣には未分解繊維が含まれ、この残渣を再度機械処理して回収した残渣処理物から更に糖およびエタノールを回収できることが可能であり、残渣機械処理の所要電力は４ｋｗｈ／Ｔで電力はほとんどかからないことがわかった。
木部を処理した場合、糖およびエタノール収率は樹皮同様の結果が得られるが、機械的破砕処理と解繊処理に要した電力が１０３０２ｋｗｈ／Ｔとなり、電力消費量が大きいことがわかった。
【００３６】
【表１】
【技術分野】
【０００１】
地球温暖化防止の観点から化石燃料由来のＣＯ２排出削減のため、バイオマスの有効利用が注目されている。しかし、近年、トウモロコシ等の食品系バイオマスからのバイオエタノールの製造は食品価格の上昇を引き起こし、発展途上国では食糧不足などの重大な問題を引き起こしている。そこで食料と競合しない木質系バイオマスすなわちリグノセルロースからのバイオエタノールの製造が注目されている。
【０００２】
木質系バイオマスからバイオエタノールへの転換方法としては、多数の著書（非特許文献１、非特許分文献２、非特許分文献３）に示されているように、様々な方法が研究されてきているが、その中でも、酸糖化法又は酵素糖化法により単糖化した後、発酵によりエタノールを得る方法が広く研究されている。
【０００３】
酸糖化法は硫酸などの無機酸によって木質バイオマスを加水分解して糖を得る方法であり、その濃度によって、希酸法と濃酸法が提案されている（特許文献１および２）。希酸法では、温度、圧力がともに高く、添加した酸により装置が腐食してしまう。さらに生成した糖類と酸を分離するのが困難で経済的に有効な酸回収方法がない等の問題がある。また、濃酸法は、比較的に温度および圧力が低いため、安価な反応装置材料が利用でき、グルコースの収率も高い。しかし、希酸法と同様に生成した糖類から経済的に有効な酸の分離・回収法がないため、多量の廃酸が発生するという問題がある。
【０００４】
酵素糖化法はリグノセルロースをセルラーゼやヘミセルラーゼ等の酵素によって糖化する方法であり、酸糖化よりも穏和な条件で糖化が可能であることから、装置材質の制限がなく、排出物の処理も簡便である。しかし、リグノセルロース中のセルロースはリグニンおよびヘミセルロースによって覆われており、酵素が容易にセルロースへの接触できないため糖化率が低いのが一般的である。そこで、酵素糖化率向上のために加圧熱水処理、蒸煮・爆砕処理などの物理的前処理と、酸やアルカリなどの薬品による化学的前処理が主に研究されている。
【０００５】
これらの前処理のうち加圧熱水処理は、加圧熱水処理の前後少なくとも一方に機械的粉砕処理工程を有し、この微粉砕化によってセルロースを覆っているリグニンやヘミセルロースの一部を剥離させ、酵素がセルロースに接触させる頻度を上げることによって、糖化を促進させることを目的とした前処理方法である（特許文献３）。またバイオマスを高温高圧処理後、瞬時に大気圧またはその付近の低温低圧条件下に放出する蒸煮・爆砕処理方法では、セルロースを覆っているリグニンとヘミセルロースに亀裂を生じさせることによって、酵素がセルロースに接触可能となる（特許文献４）。化学的前処理としては、セルロースを覆っているリグニンやヘミセルロースを軟化もしくは溶解させることによって除去し、セルロースを表面に露出させることによって酵素糖化を可能とする前処理である。セルラーゼやヘミセルラーゼなどの多糖分解酵素は中性から弱酸性領域で処理する必要があるため、特に化学的前処理では糖化工程において、薬品の除去もしくはPHを調整する工程が必要となる場合がある（特許文献５）。
【０００６】
加圧熱水処理は薬品除去が不要なため廃液処理や薬品コストを抑えられるが、木質バイオマス微粉砕化のために４０００ｋｗｈ／Ｔ以上のエネルギーが必要となる（特許文献６）。そのため、加圧熱水処理において機械処理工程を低エネルギー化した酵素糖化前処理方法が求められている。
【０００７】
【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２００６−１３６２６３号公報
【特許文献４】特開昭５９−２０４９９７号公報
【特許文献５】特開２００８−０９２９１０号公報
【特許文献６】特開２００９−１２４９７３号公報
【非特許文献１】日本木材学会編「木質バイオマスの利用技術」ｐ１９〜６１、文永堂出版、１９９７年７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】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４】福井作蔵著「還元糖の定量法」ｐ４９〜５２、学会出版センター、１９９０年１０月発行
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明における課題は、木質バイオマスからのエタノール製造時に、酸やアルカリ等の薬品処理で課題となっている廃液による環境負荷を低減し、薬品コストおよびエネルギーコストを削減する方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は前記課題を解決するため鋭意研究した結果、樹皮に着目し、以下の各技術手段を選択し採用することによって、少ないエネルギーで原料の糖化および糖化発酵を促進できる「樹皮の糖化方法および同時糖化発酵方法」の発明である。
【００１０】
（１）樹皮を粗破砕する機械的破砕処理工程、該粗破砕した樹皮を水中に浸漬して加熱する加熱処理工程、該加熱処理工程により得られた繊維を解繊する解繊処理工程、該解繊処理工程からの繊維分散液を酵素により糖化する糖化処理工程からなる工程、または樹皮を粗破砕する機械的破砕処理工程、該粗破砕した樹皮を水中に浸漬して加熱する加熱処理工程、該加熱処理工程からの繊維分散液を酵素により糖化する糖化処理工程からなる工程を有することを特徴とする樹皮の糖化方法および該糖化処理工程と発酵工程とを酵母共存下で同時に行う同時糖化発酵方法からなる。
【００１１】
（２）前記（１）における糖化処理工程または同時糖化発酵処理工程の残渣から繊維を分離回収し、該繊維を摩砕処理した後再度糖化処理または同時糖化発酵処理することを特徴とする請求項１項に記載の樹皮の糖化方法および同時糖化発酵方法からなる。
（３）前記（１）〜（２）における機械的破砕処理工程の所要電力が１０００ｋｗｈ／Ｔ以下とする。
【００１２】
（４）前記（１）〜（３）における解繊工程の所要電力が３０００ｋｗｈ／Ｔ以下とする。
（５）前記（１）〜（４）における機械的破砕処理工程および解繊工程の合計所要電力が４０００ｋｗｈ／Ｔ以下とする。
（６）前記（１）〜（５）における加熱処理工程の温度が１２０〜２５０℃とする。
（７）前記（１）〜（６）における加熱処理工程の保持時間が１分〜５時間とする。
【００１３】
（８）前記（１）〜（７）における樹皮原料が、ユーカリ（Ｅｕｃａｌｙｐｔｕｓ）属、さらに好ましくはグランディス（ｇｒａｎｄｉｓ）種、グロブラス（ｇｌｏｂｕｌｕｓ）種、ナイテンス（ｎｉｔｅｎｓ）種、カマルドレンシス（ｃａｍａｌｄｕｌｅｎｓｉｓ）種、デグラプタ（ｄｅｇｌｕｐｔａ）種、ビミナリス（ｖｉｍｉｎａｌｉｓ）種、ユーロフィラ（ｕｒｏｐｈｙｌｌａ）種、ダニアイ（ｄｕｎｎｉｉ）種及びこれらの交雑種から選ばれる樹木の樹皮の少なくとも１種とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明により、木質バイオマスからのエタノール製造時に、酸やアルカリ等の薬品廃液を排出しないため環境負荷を低減でき、薬品コストおよびエネルギーコストの削減も可能とする有望な技術が提供される。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明をさらに詳しく説明する。
本発明が対象とする木質バイオマスとは、樹木の伐採や造材のときに発生する林地残材、間伐材、製材工場等から発生する木材樹皮である。
木材樹皮は、現在ほとんど有効利用されておらず、製材工場やチップ工場で均一な品質のものが大量に入手可能であり、木材の木部部分より柔軟かつ可溶性成分が多いため、糖化発酵処理原料として適している。
例えば、製紙原料用として一般に用いられるユーカリ（Eucalyptus）属またはアカシア（Acacia）属等の樹種の樹皮は、製紙原料用の製材工場やチップ工場等から安定して大量に入手可能であるため、特に好適に用いられる。
【００１６】
本発明においては、上記の木材樹皮に機械的破砕処理を行い、次工程の加熱処理に適した大きさや状態にする。前記機械的破砕処理は、破砕、裁断等の任意の機械的手段により行う。その手段や使用する機械装置については特に限定されないが、たとえば、一軸破砕機、二軸破砕機、ハンマークラッシャー等が好適に使用可能である。
前記機械的破砕処理工程の所要電力としては１０００ｋｗｈ／Ｔ以下であることが好ましく、特に好ましくは１００ｋｗｈ／Ｔ以下、更に好ましくは５０ｋｗｈ／Ｔ以下である。
【００１７】
前記解繊処理は、破砕、磨砕等の任意の機械的手段により、次工程の糖化処理もしくは発酵処理の収率を向上する。その手段や使用する機械装置については特に限定されないが、たとえば、ニーダー、レファイナー、ミル、グラインダー等の磨砕装置が好適に使用可能である。
前記解繊処理工程の所要電力としては３０００ｋｗｈ／Ｔ以下であることが好ましく、更に好ましくは１５００ｋｗｈ／Ｔ以下である。
また本発明は前記機械的破砕処理工程および解繊処理工程の合計所要電力を４０００ｋｗｈ／Ｔ以下とすること、更に好ましくは１６００ｋｗｈ／Ｔ以下の条件で処理することである。
【００１８】
前記加熱処理は、木質バイオマスを熱水に浸漬して、次工程の糖化発酵処理に適した状態にすることである。なお、本発明の加熱処理工程において、熱水への浸漬時間及び処理温度は、使用する原料によって任意に設定可能である。処理時間１分〜５時間、１２０〜２５０℃であることが好ましい。尚、処理条件を厳しくすることで、原料中のセルロースの過分解が起こる場合もあるため、更に好ましくは処理時間が１０分〜２時間、処理温度が１５０〜１８０℃である。
なお、加熱処理条件により溶液中にも糖が溶解するが、固液分離せずに糖化処理または糖化発酵処理するか、固液分離後の溶液を糖化処理または糖化発酵処理することで糖収率の低下を防ぐことが可能である。
また糖化処理工程または同時糖化発酵処理工程の残渣から繊維を分離回収し、該繊維を摩砕処理した後再度糖化処理または同時糖化発酵処理することができ、その結果糖収率は向上する。
【００１９】
本発明の糖化処理工程は、加熱処理後の繊維および溶液を酵素により糖化する工程である。また、糖化発酵処理工程は、原料を酵素により糖化する酵素糖化処理と、得られた糖類をさらに酵母等によってエタノール発酵させる発酵処理を併せた工程である。
なお、糖化発酵処理は、酵素糖化処理とエタノール発酵処理を別工程で連続して行ってもよく、また酵素糖化処理とエタノール発酵処理を同時に行うことも可能である。
【００２０】
糖化処理または糖化発酵処理で使用する酵素は、セルロース分解酵素であり、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。
各セルロース分解酵素は、夫々の活性を有する酵素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、市販のセルラーゼ製剤を用いれば良い。
【００２１】
市販の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の市販品としては、全て商品名で、例えば、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）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質量部が好ましく、１〜５０質量部が特に好ましい。
【００２２】
処理条件は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。糖化発酵反応は、連続式が好ましいが、バッチ方式でも良い。糖化発酵反応時間は、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。
【００２３】
次に、発酵について説明する。
発酵用に用いられる微生物としては酵母などが用いられ、培地などを同時に添加しても良い。酵母としては、周知の酵母、例えばサッカロミセス・セラビシエなどが使用できる。
また、微生物は固定化しておいてもよい。微生物を固定化しておくと、次工程に微生物を液と共に送り出して再回収するという工程を省くことができるか、少なくとも回収工程にかかる負担を軽減することができるし、微生物をロスするリスクを軽減することもできる。また、微生物を固定化するほどでのメリットはないが、凝集性のある微生物を選択することにより微生物の回収を容易にすることができる。
【実施例】
【００２４】
次に実施例を示して本発明をさらに詳細に説明する。
尚、以下に示す各実施例において、％は、特に断りがない限りは全て質量によるものである。糖濃度の測定には、フェノール硫酸法（非特許文献４）を用いた。エタノール濃度はバイオセンサー（王子計測機器）で測定し、エタノール生産量を算出した。また、機械処理に要した一軸破砕機およびレファイナーの電力量は電力積算計を用いて計測した。所要電力は実際に原料を破砕・解繊するのに要した消費電力から空転動力に要した電力を差し引いた電力として求めた。空転動力は原料を投入せずにレファイナーを動作させるのに要した電力と定義する。酵母はＳａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ ｃｅｒｅｖｉｓｉａｅを用い、下記組成の液体培地で３０℃、２４時間培養し酵母菌体を遠心分離して集菌したものを用いた。市販セルラーゼはジェネンコア社製ＧＣ２２０（セロビオヒドロラーゼ活性１００Ｕ／ｍＬ、ベータグルコシダーゼ活性２００Ｕ／ｍＬ）を用いた。
【００２５】
［前培養液体培地組成］
グルコース ３０ｇ／Ｌ
ポリペプトン ５ｇ／Ｌ
酵母エキス ３ｇ／Ｌ
麦芽エキス ３ｇ／Ｌ
ｐＨ ５．６
【００２６】
＜実施例１＞
［前処理］
ユーカリ・グロブラスの樹皮を、一軸破砕機（西邦機工社製、ＳＣ-１５）に２０ｍｍの丸穴スクリーンを取り付けて破砕したものを木質バイオマス原料とした。
反応容器に上記原料絶乾２００ｇと純水１．２Ｌを入れて１５０℃にて１時間加熱処理を施した。加熱処理後、４０メッシュのスクリーンにて固液分離したのち、処理物をレファイナー（熊谷理機工業製、ＫＲＫ高濃度ディスクレファイナー）を用い、クリアランス０.２ｍｍで解繊処理して、再度４０メッシュのスクリーンにて固液分離し絶乾１６８ｇの前処理物を得た。
［酵素糖化処理］
加熱処理で得られた前処理物絶乾１ｇを反応容器に入れ、１００ｍＭ酢酸緩衝液４５ｍＬ、市販セルラーゼ０．５ｍＬを添加し、５０℃、反応時間１８時間の条件で酵素糖化処理した。酵素糖化液の糖濃度を測定し原料１ｇあたりの糖収量を算出した。
［発酵処理］
加熱処理で得られた前処理物絶乾５ｇを反応容器に入れ、ポリペプトン３ｇ／Ｌ、酵母エキス２ｇ／Ｌ、麦芽エキス２ｇ／Ｌ、前処理物濃度５％となるように調整し、前記液体培地１００ｍＬで前培養後の酵母菌体及び市販セルラーゼ２．５ｍＬを添加し、３０℃、２４時間の条件で併行糖化発酵処理した。発酵液のエタノール濃度を測定し原料１ｇあたりのエタノール収量を算出した。
【００２７】
＜実施例２＞
加熱処理の条件を１７０℃、１時間にした他は実施例１と同様にして、糖収量およびエタノール収量を算出した。加熱処理後の前処理物は絶乾１４８ｇであった。
【００２８】
＜実施例３＞
加熱処理の条件を１５０℃、２時間にした他は実施例１と同様にして、糖収量およびエタノール収量を算出した。加熱処理後の前処理物は絶乾１６２ｇであった。
【００２９】
＜実施例４＞
加熱処理の条件を１５０℃、１０分間にした他は実施例１と同様にして、糖収量およびエタノール収量を算出した。加熱処理後の前処理物は絶乾１７２ｇであった。
【００３０】
＜実施例５＞
加熱処理の条件を１２０℃、５時間にした他は実施例１と同様にして、糖収量およびエタノール収量を算出した。加熱処理後の前処理物は絶乾１６８ｇであった。
【００３１】
＜実施例６＞
加熱処理後のレファイナーによる解繊処理を行わなかった他は実施例２と同様にして、糖収量およびエタノール収量を算出した。
【００３２】
＜実施例７＞
実施例１の発酵処理で得られた発酵残渣をレファイナー（熊谷理機工業製、ＫＲＫ高濃度ディスクレファイナー）を用い、クリアランス０.１ｍｍで機械処理して、４０メッシュのスクリーンにて固液分離し絶乾８４ｇの発酵残渣処理物を得た。実施例１と同様に糖収量およびエタノール収量を算出し、実施例１で得られた収量と合わせて合計収量を算出した。
【００３３】
＜比較例１＞
加熱処理の条件を１００℃、１時間にした他は実施例１と同様にして、糖収量およびエタノール収量を算出した。加熱処理後の前処理物は絶乾１８８ｇであった。
【００３４】
＜比較例２＞
ユーカリ・グロブラスの木部は一軸破砕機の破砕では目的の大きさに成らなかったため、二軸破砕機（近畿工業製、ＲＲＣ-９３２-Ｅ）に２０ｍｍの丸穴スクリーンを取り付けて破砕したものを木質バイオマス原料とした。他は実施例１と同様にして、糖収量およびエタノール収量を算出した。加熱処理後の前処理物は絶乾１９８ｇであった。
【００３５】
実施例１〜６および比較例１、２の結果を表１に示す。処理時間１時間以下の条件では１５０℃以上の加熱処理で糖収量およびエタノール収量が大幅に増加し、解繊処理の所要電力は低減した。また、処理時間を長くすることで、１５０℃でも１７０℃の処理と同程度の収量が得られ加熱エネルギーが低減可能であること、１２０℃でも糖化処理が可能になることがわかった。さらに、加熱処理では解繊処理なしでも糖化・発酵可能であることがわかり、微細化されていない前処理物でも使用可能であることがわかった。機械的破砕処理、解繊処理の合計所要電力は５〜１１９０ｋｗｈ／Ｔであった。酵素糖化処理・発酵処理の残渣には未分解繊維が含まれ、この残渣を再度機械処理して回収した残渣処理物から更に糖およびエタノールを回収できることが可能であり、残渣機械処理の所要電力は４ｋｗｈ／Ｔで電力はほとんどかからないことがわかった。
木部を処理した場合、糖およびエタノール収率は樹皮同様の結果が得られるが、機械的破砕処理と解繊処理に要した電力が１０３０２ｋｗｈ／Ｔとなり、電力消費量が大きいことがわかった。
【００３６】
【表１】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
樹皮を粗破砕する機械的破砕処理工程、該粗破砕した樹皮を水中に浸漬して加熱する加熱処理工程、該加熱処理工程により得られた繊維を解繊する解繊処理工程、該解繊処理工程からの繊維分散液を酵素により糖化する糖化処理工程からなる工程、または樹皮を粗破砕する機械的破砕処理工程、該粗破砕した樹皮を水中に浸漬して加熱する加熱処理工程、該加熱処理工程からの繊維分散液を酵素により糖化する糖化処理工程からなる工程を有することを特徴とする樹皮の糖化方法および該糖化処理工程と発酵工程とを酵母共存下で同時に行う同時糖化発酵方法。
【請求項２】
前記糖化処理工程または同時糖化発酵処理工程の残渣から繊維を分離回収し、該繊維を摩砕処理した後再度糖化処理または同時糖化発酵処理することを特徴とする請求項１項に記載の樹皮の糖化方法および同時糖化発酵方法。
【請求項３】
前記機械的破砕処理工程の所要電力が１０００ｋｗｈ／Ｔ以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の樹皮の糖化方法および同時糖化発酵方法。
【請求項４】
前記解繊処理工程の所要電力が３０００ｋｗｈ／Ｔ以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の樹皮の糖化方法および同時糖化発酵方法。
【請求項５】
前記機械的破砕処理工程および解繊処理工程の合計所要電力が４０００ｋｗｈ／Ｔ以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の樹皮の糖化方法および同時糖化発酵方法。
【請求項６】
前記加熱処理工程の温度が１２０〜２５０℃であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の樹皮の糖化方法および同時糖化発酵方法。
【請求項７】
前記加熱処理工程の保持時間が１分〜５時間であることを特徴とする請求項１〜６いずれか１項に記載の樹皮の糖化方法および同時糖化発酵方法。
【請求項８】
前記樹皮原料が、ユーカリ（Ｅｕｃａｌｙｐｔｕｓ）属、さらに好ましくはグランディス（ｇｒａｎｄｉｓ）種、グロブラス（ｇｌｏｂｕｌｕｓ）種、ナイテンス（ｎｉｔｅｎｓ）種、カマルドレンシス（ｃａｍａｌｄｕｌｅｎｓｉｓ）種、デグラプタ（ｄｅｇｌｕｐｔａ）種、ビミナリス（ｖｉｍｉｎａｌｉｓ）種、ユーロフィラ（ｕｒｏｐｈｙｌｌａ）種、ダニアイ（ｄｕｎｎｉｉ）種及びこれらの交雑種から選ばれる樹木の樹皮の少なくとも１種であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の樹皮の糖化方法および同時糖化発酵方法。
【請求項１】
樹皮を粗破砕する機械的破砕処理工程、該粗破砕した樹皮を水中に浸漬して加熱する加熱処理工程、該加熱処理工程により得られた繊維を解繊する解繊処理工程、該解繊処理工程からの繊維分散液を酵素により糖化する糖化処理工程からなる工程、または樹皮を粗破砕する機械的破砕処理工程、該粗破砕した樹皮を水中に浸漬して加熱する加熱処理工程、該加熱処理工程からの繊維分散液を酵素により糖化する糖化処理工程からなる工程を有することを特徴とする樹皮の糖化方法および該糖化処理工程と発酵工程とを酵母共存下で同時に行う同時糖化発酵方法。
【請求項２】
前記糖化処理工程または同時糖化発酵処理工程の残渣から繊維を分離回収し、該繊維を摩砕処理した後再度糖化処理または同時糖化発酵処理することを特徴とする請求項１項に記載の樹皮の糖化方法および同時糖化発酵方法。
【請求項３】
前記機械的破砕処理工程の所要電力が１０００ｋｗｈ／Ｔ以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の樹皮の糖化方法および同時糖化発酵方法。
【請求項４】
前記解繊処理工程の所要電力が３０００ｋｗｈ／Ｔ以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の樹皮の糖化方法および同時糖化発酵方法。
【請求項５】
前記機械的破砕処理工程および解繊処理工程の合計所要電力が４０００ｋｗｈ／Ｔ以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の樹皮の糖化方法および同時糖化発酵方法。
【請求項６】
前記加熱処理工程の温度が１２０〜２５０℃であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の樹皮の糖化方法および同時糖化発酵方法。
【請求項７】
前記加熱処理工程の保持時間が１分〜５時間であることを特徴とする請求項１〜６いずれか１項に記載の樹皮の糖化方法および同時糖化発酵方法。
【請求項８】
前記樹皮原料が、ユーカリ（Ｅｕｃａｌｙｐｔｕｓ）属、さらに好ましくはグランディス（ｇｒａｎｄｉｓ）種、グロブラス（ｇｌｏｂｕｌｕｓ）種、ナイテンス（ｎｉｔｅｎｓ）種、カマルドレンシス（ｃａｍａｌｄｕｌｅｎｓｉｓ）種、デグラプタ（ｄｅｇｌｕｐｔａ）種、ビミナリス（ｖｉｍｉｎａｌｉｓ）種、ユーロフィラ（ｕｒｏｐｈｙｌｌａ）種、ダニアイ（ｄｕｎｎｉｉ）種及びこれらの交雑種から選ばれる樹木の樹皮の少なくとも１種であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の樹皮の糖化方法および同時糖化発酵方法。
【公開番号】特開２０１１−１１５０６３（Ｐ２０１１−１１５０６３Ａ）
【公開日】平成２３年６月１６日（２０１１．６．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２７３６６０（Ｐ２００９−２７３６６０）
【出願日】平成２１年１２月１日（２００９．１２．１）
【出願人】（０００１２２２９８）王子製紙株式会社 (2,055)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年６月１６日（２０１１．６．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１２月１日（２００９．１２．１）
【出願人】（０００１２２２９８）王子製紙株式会社 (2,055)
【Ｆターム（参考）】
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