油系植物バイオマス残渣を原料とする単糖類、エタノールの製造方法
【課題】バイオマス由来の廃棄物を減量化することが可能で、バイオマス生産現地でしか利用できなかった残渣から、効率よく単糖類及びエタノールを製造する方法を提供する。
【解決手段】油系植物バイオマス中に含まれる油を水蒸気により抽出除去した残渣を原料として用い、該油系植物バイオマス残渣を前処理した後、酸加水分解して糖化することにより単糖類を製造する。また、前記油系植物バイオマス残渣を固体発酵させてエタノールを製造する。
【解決手段】油系植物バイオマス中に含まれる油を水蒸気により抽出除去した残渣を原料として用い、該油系植物バイオマス残渣を前処理した後、酸加水分解して糖化することにより単糖類を製造する。また、前記油系植物バイオマス残渣を固体発酵させてエタノールを製造する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、油系植物バイオマス残渣から単糖類及びエタノールを製造する方法に関する。ここで、「油系植物バイオマス」とは、抽出可能な油脂または精油（以下、これらを総称して「油」という。）が含まれる植物バイオマスを言う。
【背景技術】
【０００２】
地球温暖化対策の一環として、バイオマス燃料が注目されているが、特にバイオエタノールと植物油由来のバイオディーゼルが注目されている。このうち、バイオエタノールはサトウキビ、トウモロコシ、キャッサバ等を原料とし、主にブラジル、アメリカ等で製造が盛んであるが、バイオマスが嵩高いため輸送コストを勘案してバイオマス生産地の近くで製造されることが多い。
【０００３】
しかし、油系植物バイオマスの場合、パーム油搾油後の残渣（パーム果実房）等は一部燃やして熱利用されているが、利用量にも限度があり、現状では大半が廃棄物として処理されている。これらの油系植物バイオマスでは、含まれている油が糖化および発酵工程を阻害すると言われており、セルロース系の原料であっても、該原料からエタノールを製造することは容易でない。また、油系植物バイオマスからエタノールを製造するには、油を搾油した後の利用になるため、バイオマス生産地での製造が中心になる。
【０００４】
セルロース系バイオマスから糖化と発酵によりエタノールを製造する場合において、発酵効率を高めるための各種バイオマス前処理方法が報告されている。例えば、希硫酸で前処理した後、中和し、中和後の反応物を湿式粉砕する方法（特許文献１参照）、水蒸気加熱による膨潤処理と希硫酸による酸処理を行う方法（特許文献２参照）、さらには、植物系原料を酸素雰囲気下にてアルコール溶媒中で加熱処理した後、糖化酵素処理してエタノール発酵物を得る方法（特許文献３参照）などである。
【０００５】
しかしながら、特許文献２記載の方法では、木質系バイオマスチップを水蒸気により膨潤処理し、膨潤処理後のチップと酸を向流接触させて処理するため、生成糖液の中に油が溶存もしくは混入している恐れがある。特許文献３記載の方法では、原料に残留する有機溶媒が固体発酵工程において菌体の生育阻害になる恐れがあり、残存する有機溶媒を取り除くためには乾燥もしくは減圧蒸留工程を増やすことになり、コスト高になる。
【０００６】
一方、固体発酵法によるエタノールの製造技術も開発されている。この固体発酵技術はバイオマス粉砕物に直接菌をまぶして糖化と発酵を同時進行させる方法であり、装置がコンパクトで済み、廃液が出ないメリットがあるため、次世代技術として注目されている（非特許文献１、非特許文献２等参照）。
【特許文献１】特開２００７−１２４９３３号公報
【特許文献２】特開２００７−２０２５１８号公報
【特許文献３】特開２００８−５８３２号公報
【非特許文献１】「微生物固体発酵による高効率なリグノセルロース完全利用システムの開発」神戸大学、京都大学、大阪大学、月桂冠（株）、バイオ・エナジー（株）、バイオマスエネルギー高効率転換技術開発平成１８年度成果報告会予稿集、p.65-82
【非特許文献２】「固体発酵法によるバイオエタノール製造技術とその特性 」鈴木昌治 (東京農業大学)、農業農村工学会大会講演会講演要旨集 Vol.2007、p.100-101
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、バイオマス由来の廃棄物を減量化することが可能で、かつ、バイオマス生産現地でしか利用できなかった残渣から効率よく単糖類及びエタノールを製造する方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記課題を解決するため、本発明は次の手段をとるものである。
【０００９】
第一の発明：
（１）油系植物バイオマスから単糖類を製造する方法において、油系植物バイオマス中に含まれる油を水蒸気により抽出除去した残渣を原料として用い、該油系植物バイオマス残渣を前処理した後、酸加水分解して糖化することを特徴とする単糖類の製造方法。
（２）前処理が、硫酸による膨潤処理またはマイクロ波加熱処理のうちの少なくとも一つの処理である前記（１）に記載の単糖類の製造方法。
（３）油系植物バイオマス残渣を粉砕処理した後に前処理を行う前記（１）または（２）に記載の単糖類の製造方法。
（４）油系植物バイオマスが栽培系バイオマスまたは伐採木である前記（１）〜（３）のいずれかに記載の単糖類の製造方法。
【００１０】
第二の発明：
（５）油系植物バイオマスからエタノールを製造する方法において、油系植物バイオマス中に含まれる油を水蒸気により抽出除去した残渣を原料として用い、該油系植物バイオマス残渣を固体発酵させてエタノールを製造することを特徴とするエタノールの製造方法。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、従来あらかじめ油を分離除去してからでなければ糖化原料として使用できなかった油系植物バイオマスから、効率よく単糖類及びエタノールを製造することができる。油系植物バイオマス中に含まれる油を水蒸気で抽出除去した場合は、有機溶媒で分離除去したものに比べて環境負荷が少なく、バイオマスに残存する有機溶媒による悪影響、特に固体発酵における菌体への生育阻害がないなどの利点がある。さらに、抽出した油等は有効利用でき、その上、廃棄物として処理されていた残渣を再利用するため廃棄物の減量化にもつながり、経済効果が高い。
【００１２】
また、残渣中のセルロースを糖化を経てエタノールに変換することができるので、これまでバイオマス生産現地でしか利用できなかった残渣を、セルロース発酵技術を用いてエタノールに変換することで、遠方へ輸送することが可能になる。
【００１３】
さらに、残渣中のセルロースを糖化を経て乳酸及びポリ乳酸に変換することができるので、バイオマスを製品として長寿命化することができる。また、不要になったバイオプラスチックは回収して燃料使用できるので、バイオマス燃料としてはコスト回収につながる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
図１には、本発明（第一の発明）に係る油系植物バイオマス残渣から単糖類を製造する方法、さらに該単糖類からエタノールまたは有機酸を製造する方法のフローチャートを示した。
【００１５】
図２には、本発明（第二の発明）に係る油系植物バイオマス残渣から固体発酵法によりエタノールを製造する方法のフローチャートを示した。
【００１６】
いずれの発明も、油系植物バイオマスから効率よくエタノールを製造することが可能な方法に関わるものであり、原料として、油系植物バイオマス中に含まれる油を水蒸気により抽出除去した後の油系植物バイオマス残渣を用いることに特徴がある。糖化工程以降の工程及び固体発酵は公知の方法に準じて実施すればよい。
【００１７】
［油系植物バイオマス］
本発明で用いる油系植物バイオマスとしては、多糖類を含有するものであれば特に制限はないが、例えば、マツ、スギ、キリ、クスノキ等の剪定枝、伐採木などの林業廃棄物系バイオマス；アブラヤシ（パーム油の原料）、ヤシ殻、モミ殻、稲藁、麦藁等の農業廃棄物系バイオマス；ネピアグラス、ポプラ、プラタナス、笹、竹、松葉等のセルロース系バイオマスなどの栽培系バイオマス；トウモロコシ、米、大豆、菜種、ヒマワリの搾油残渣等の植物油脂残渣系バイオマス；或いはこれらの混合バイオマスなどを挙げることができる。
【００１８】
これらの油系植物バイオマスの中でも、高品質の油の含有量が多いという点では、栽培系バイオマスまたは伐採木が好ましく、一般的には広葉樹より針葉樹が好ましい。成分の安定性では栽培系バイオマスが好ましい。また、栽培系バイオマスは、実、葉、枝、幹などを用いることができ、これらの中でも、多糖類が多く含まれている点では枝や幹が好ましい。油系植物バイオマスは、植物中に含まれる油の含有量（バイオマス乾重量当たりの油含有量）が１質量％以上あれば抽出される油の量も多く、油を有効利用した際における経済的な期待効果が高く、かつ阻害要因除去効果も高い。しかも、本発明の方法によれば油抽出残渣をそのまま糖化または糖化・発酵原料として利用することができる。
【００１９】
油系植物バイオマスには、（化１）に示すセルロース（Ｄ−グルコースを構成ユニットとする多糖類）、ヘミセルロース（Ｄ−キシロース、Ｄ−アラビノース、Ｄ−マンノース、Ｄ−ガラクトース、Ｄ−グルコースを構成ユニットとする多糖類）、リグニンが存在し、また、栽培系のバイオマスには（化２）に示すデンプン（Ｄ−グルコースと一部マルトースを構成ユニットとする多糖類）も多く含まれている。
【００２０】
【化１】
【化２】
【００２１】
［油分抽出］
油分抽出工程では、油系植物バイオマスを、採取時のものを、２軸式カッター或いはミルカッター等を用いて８ｍｍアンダーに粉砕した後、水蒸気により溶媒抽出法にて油を抽出除去する。溶媒抽出法としては、水蒸気蒸留方法や減圧蒸留方法などの公知の方法が適用される。熱水抽出なども適用可能であるが、油成分が熱劣化を受けやすくなる場合があり、また、固体発酵法に用いる場合には、ろ過等の作業が必要となるデメリットがある。油系植物バイオマスに対する抽出溶媒の割合は、公知の方法に従えばよく特に限定されないが、通常、バイオマス（常温・含水状態）：溶媒＝１：０．１〜１：５（質量／質量）とするのが好ましい。前記割合より抽出溶媒が少ない場合は油の抽出効率が低下し、一方、多い場合は加熱に要するエネルギーが大きくなるため非効率である。抽出溶媒として水を用いるのは、安全性が高く、入手しやすく安価である他、特に固体発酵法に適用する場合に菌体生育への阻害がないという点で使いやすい溶媒だからである。
【００２２】
油分抽出時の温度は、通常、１００℃〜２００℃、好ましくは１００℃〜１２０℃である。温度をこの範囲に保持することにより、抽出される油成分の分解を防止し、抽出効率を高めることができる。抽出時間は特に限定されないが、通常、約３０秒〜１時間、好ましくは約１分〜３０分である。抽出時間が長すぎると、油が分解するだけでなく、単糖類等が水に溶出してしまうため発酵に有効利用することができなくなる恐れがある。
【００２３】
油分抽出時の加熱手段は特に限定されるものではなく、温浴、電熱、マイクロ波加熱等を用いることができる。
【００２４】
［前処理］
次に、油を抽出除去した植物バイオマス残渣を原料として用い、加水分解による糖化を行うが、通常、水蒸気による抽出後の残渣は、抽出前と同程度ないし半分程度の水分を含有するが、油の含有量は抽出前の１０％以下である。前記の残渣を必要に応じて乾燥した後、微粉砕し、その後に前処理するのがよい。前処理としては、硫酸による膨潤処理またはマイクロ波加熱処理のうちの、少なくとも一つの処理を行うことが好ましい。処理順序は特に限定されないが、油分抽出を先に行う観点からはマイクロ波加熱処理を先に行うのが好ましい。これらの処理を行うことによってバイオマスの繊維がほぐれ、加水分解されやすくなる効果がある。これらの処理は大気中で実施することができる。
【００２５】
硫酸による膨潤処理は、通常、濃度８０〜８５％の硫酸を用いて、室温で５〜６０分程度反応させ、セルロースを膨潤・非結晶化する。
【００２６】
マイクロ波加熱処理は、植物バイオマス残渣に、植物バイオマス残渣（常温・含水状態）：水＝１：０．１〜１：５（質量／質量）の割合で水を添加し、約３０秒〜１時間、好ましくは約１分〜３０分間、マイクロ波を照射する。加熱処理温度は、１００℃〜２００℃、好ましくは１００℃〜１２０℃である。マイクロ波加熱処理に使用するマイクロ波の周波数は特に限定はないが、通常１ＧＨｚ〜３００ＧＨｚである。連続的もしくは間欠的にマイクロ波を照射して反応温度を保持させるのがよい。
【００２７】
一方、油を抽出除去した植物バイオマス残渣を固体発酵の原料として用いる場合は、上記のような前処理は不要である。残渣を微粉砕して用いると発酵効率がよいが、そのまま用いてもよい。通常、水蒸気による抽出後の残渣は、油の含有量が抽出前の１０％以下であるため、発酵阻害要因になる油が殆んどないという従来の発酵法にも共通する原料としての利点がある。その他に、油分抽出工程で有機溶媒を使用しないため、発酵阻害要因になる有機溶媒の残留がなく、希釈しなくてもそのまま発酵に使用できる利点もある。
【００２８】
［糖化（酸加水分解）］
次に、前処理された植物バイオマス残渣に、必要に応じて水を添加し、３〜２０％濃度の硫酸とした後、通常、温度１００〜１４０℃で、０．１〜５時間処理し、酸加水分解して糖化することにより単糖類が得られる。この濃硫酸法による糖化は、公知の方法に準じて実施することができる。
また、希硫酸法により糖化する場合は、前処理の膨潤工程を省略することもできる。油を抽出除去した植物バイオマス残渣を、濃度０．１〜２％の希硫酸を用いて、温度１３０〜２４０℃で、数分間〜１時間処理し、糖化する。この希硫酸法による糖化も、公知の方法に準じて実施することができる。
糖化後の加水分解液には、セルロース由来の糖であるグルコース、またはヘミセルロース由来の糖であるキシロース、アラビノース、マンノース、ガラクトース、グルコース等が含まれている。
【００２９】
一方、酵素法で糖化する場合は、硫酸を洗浄除去した後、水等の溶媒存在下で、セルロース糖化酵素（例えば、セルラーゼ等）により処理する。通常、撹拌しながら、ｐＨ４〜６程度、温度３５〜６０℃程度で、１０〜１００時間程度反応させることによって糖化する。この酵素法による糖化は、公知の方法に準じて実施することができる。
【００３０】
［エタノールまたは有機酸発酵］
糖化工程で得られた加水分解物を、固体と液体とに固液分離する。分離した液状物には単糖類が溶出しているので、溶出した単糖類を含有する加水分解液（糖液）を発酵槽に導入した後、酵母や菌を添加し発酵させてエタノールまたは有機酸を製造する。これらの発酵は、公知の方法に準じて実施すればよい。
【００３１】
エタノール発酵槽に添加できる菌としては、Saccharomyces cerevisiaeやSaccharomyces kluyveriなどのサッカロマイセス属に属する酵母等や、Zymomonas mobilis などのザイモモナス属に属するアルコール発酵菌等や、Trichoderma reseiなどの糸状菌等や、Mucor javanicusなどのアミロ菌等や、Chlostridium属のような複合菌群など、アルコール発酵産業において通常使用される菌が挙げられる。
【００３２】
上記のエタノール発酵処理によって、生成するエタノールと未反応残渣は、遠心分離或いは濾過等により固液分離し、エタノールを含む液状成分は蒸留或いは中空糸膜等により濃縮されて、高純度エタノールが生成される。
【００３３】
有機酸発酵処理による場合は、酵母や菌を添加して発酵させることにより、乳酸、プロピオン酸、クエン酸、リンゴ酸、フマル酸、コハク酸等を生成することができるが、生分解性プラスチックの原料として有用である点より、乳酸が最も好ましい。発酵により粗乳酸を得た後、常法により、遠心分離或いは濾過等により固液分離し、精製して、乳酸が生成される。
【００３４】
有機酸発酵槽に添加できる菌としては、ホモ乳酸発酵菌：カゼイ乳酸菌（L.casei）、プランタラム菌（L.plantarum）、アシドフィルス菌（L.acidophilus）、サリバリウス菌（L.salivarius）、ブルガリア乳酸菌（L.bulgaricus）、ヘテロ乳酸発酵菌：ファーメンツム乳酸菌（L.fermentum）、ブレビス乳酸菌 （L.brevis）、ブッフネル乳酸菌（L.buchnerii）、セロビオズス乳酸菌（L.cellobisous）などのラクトバシラス属（Lactobacillus）、B. bifidumやB. adolescentisなどのビフィドバクテリウム属 (Bifidobacterium) 、E.faecalisやE.faeciumなどのエンテロコッカス属 (Enterococcus) 、L. lactis、L. cremorisなどのラクトコッカス属 (Lactococcus) 、P. damnosusなどのペディオコッカス属(Pediococcus) 、L. mesenteroidesなどのリューコノストック属 (Leuconostoc)が挙げられる。発酵時間は特に限定されないが、約１０〜１００時間、好ましくは約２０〜６０時間である。
【００３５】
［固体発酵］
固体発酵法による場合は、公知の方法を適用することができ、固体発酵に用いる菌としては、Saccharomyces属やZymomonas属やAspergillus属などの組み替え体の報告がある。発酵時間は特に限定されないが、約１０〜１００時間、好ましくは約２０〜６０時間である。固体発酵によって生成するエタノールと未反応残渣は、糖液の発酵でエタノールを回収する方法と同様に、加熱もしくは減圧蒸留等により濃縮されて、高純度エタノールが生成される。あるいは、反応系において常圧で発生する蒸気の回収により高純度エタノールが生成される。
【実施例】
【００３６】
次に、本発明を実施例により詳細に説明するが、本発明は以下の実施例にのみ限定されるものではない。
【００３７】
（実施例１）
［油分抽出］
マイクロ波発生装置内に設置された、内径２００ｍｍのセパラブル三ツ口円筒フラスコに、テフロン（登録商標）製の目皿を設置した。目皿の穴は５ｍｍのものを使用し、その上に、バイオマスが下にこぼれ落ちないようにメッシュサイズ０．７５φのテフロン（登録商標）パンチングシートを設置した。この上に、バイオマスとしてトドマツ葉粉砕物３００．０８ｇを加えた。トドマツ葉粉砕物は分析ミル（ＩＫＡ Ｗｏｒｋｓ Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ社製 型式：Ａｌｌ ｂａｓｉｃ）にて８ｍｍアンダーに破砕して得た。マイクロ波発生装置の外に、円筒フラスコと連結するように、分離装置を設置し、該分離装置の受け管部に呼び水として純水１２．６１ｇを加えた。分離装置の上部に長さ３００ｍｍのジムロート冷却管を連結した。また、ジムロート冷却管の上部に、余分な排ガスをドラフトへ送気する管を設けた。
周波数２．４５ＧＨｚ、最大出力７００Ｗのマイクロ波を出力一定にて上記反応装置に照射し、水蒸気蒸留を行った。反応時間は初留発生後２０分とした。
反応後の全油分収量は３３１７．８ｍｇであった。また、これをバイオマス１００ｇーｄｒｙあたりの精油収量に換算すると２０４２ｍｇであった。
【００３８】
［微粉砕］
油分除去後のトドマツ試料を５０℃２時間乾燥し、臼式破砕機（ナショナル家庭用臼式お茶粉末器「まるごと緑茶ＥＵ６８２０」）にかけた後１５０μｍメッシュのふるいにかけ１５０μｍアンダーの粉砕物を得た。
【００３９】
［糖化］
粉砕トドマツ１０ｇを、５００ｍｌ三ツ口丸底フラスコに入れ、７２％硫酸５０ｍｌを加え、室温で１時間攪拌し、トドマツを膨潤させた。その後純水２１７ｍｌを加え硫酸濃度を２０％としたのち、マントルヒータにて１２０℃で１時間〜３時間加熱した。室温で放冷したのち、グラスフィルターにてろ過して残渣を除き、得られた濾液を水酸化ナトリウム水溶液にて中和した。
【００４０】
［グルコース分析］
中和後の濾液２ｍｌを分取し、グルコース濃度測定キット（Glucose C-IItest WAKO：和光純薬工業）にてグルコースを発色させ、分光光度計（島津 UV160A）３４０ｎｍにてグルコース濃度を測定した。その結果を表１に示す。グルコース転換率は４８％であった。
【００４１】
（表１）
１２０℃加熱時間によるグルコース生成量
１時間 ２２０ｍｇ／ｄＬ
２時間 ２１５ｍｇ／ｄＬ
３時間 ２１５ｍｇ／ｄＬ
【００４２】
得られたグルコース溶液は、既存の方法（例えば、カラムクロマトなど）で濃縮、精製したのち、もしくはそのままの状態でアルコール発酵菌培地に導入することができる。アルコール発酵により得られたエタノールは、蒸留或いは中空糸膜などで濃縮することで、例えば純度９０−９９．６％のバイオエタノールを合成することができる。
【００４３】
また、得られたグルコース溶液は、既存の方法（例えば、カラムクロマトなど）で濃縮、精製したのち、もしくはそのままの状態で乳酸菌培地に導入することができる。乳酸発酵により得られた乳酸は、公知の方法に従い、乳酸精製、乳酸重合によりポリ乳酸プラスチックを合成することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
本発明の方法により油系植物バイオマスから抽出した様々な油（特に精油）は、製薬、化粧品、食品、芳香剤、染色剤などの様々な産業分野で利用することが可能となる。また、糖化工程の残渣は燃料として利用することができる。また、製造したエタノールは、燃料等として利用することができる。製造した乳酸は、脱水縮合した後、重合することによりポリ乳酸を製造することができ、ポリ乳酸は生分解性プラスチック原料として使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明方法のフローチャート図である。
【図２】本発明方法のフローチャート図である。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、油系植物バイオマス残渣から単糖類及びエタノールを製造する方法に関する。ここで、「油系植物バイオマス」とは、抽出可能な油脂または精油（以下、これらを総称して「油」という。）が含まれる植物バイオマスを言う。
【背景技術】
【０００２】
地球温暖化対策の一環として、バイオマス燃料が注目されているが、特にバイオエタノールと植物油由来のバイオディーゼルが注目されている。このうち、バイオエタノールはサトウキビ、トウモロコシ、キャッサバ等を原料とし、主にブラジル、アメリカ等で製造が盛んであるが、バイオマスが嵩高いため輸送コストを勘案してバイオマス生産地の近くで製造されることが多い。
【０００３】
しかし、油系植物バイオマスの場合、パーム油搾油後の残渣（パーム果実房）等は一部燃やして熱利用されているが、利用量にも限度があり、現状では大半が廃棄物として処理されている。これらの油系植物バイオマスでは、含まれている油が糖化および発酵工程を阻害すると言われており、セルロース系の原料であっても、該原料からエタノールを製造することは容易でない。また、油系植物バイオマスからエタノールを製造するには、油を搾油した後の利用になるため、バイオマス生産地での製造が中心になる。
【０００４】
セルロース系バイオマスから糖化と発酵によりエタノールを製造する場合において、発酵効率を高めるための各種バイオマス前処理方法が報告されている。例えば、希硫酸で前処理した後、中和し、中和後の反応物を湿式粉砕する方法（特許文献１参照）、水蒸気加熱による膨潤処理と希硫酸による酸処理を行う方法（特許文献２参照）、さらには、植物系原料を酸素雰囲気下にてアルコール溶媒中で加熱処理した後、糖化酵素処理してエタノール発酵物を得る方法（特許文献３参照）などである。
【０００５】
しかしながら、特許文献２記載の方法では、木質系バイオマスチップを水蒸気により膨潤処理し、膨潤処理後のチップと酸を向流接触させて処理するため、生成糖液の中に油が溶存もしくは混入している恐れがある。特許文献３記載の方法では、原料に残留する有機溶媒が固体発酵工程において菌体の生育阻害になる恐れがあり、残存する有機溶媒を取り除くためには乾燥もしくは減圧蒸留工程を増やすことになり、コスト高になる。
【０００６】
一方、固体発酵法によるエタノールの製造技術も開発されている。この固体発酵技術はバイオマス粉砕物に直接菌をまぶして糖化と発酵を同時進行させる方法であり、装置がコンパクトで済み、廃液が出ないメリットがあるため、次世代技術として注目されている（非特許文献１、非特許文献２等参照）。
【特許文献１】特開２００７−１２４９３３号公報
【特許文献２】特開２００７−２０２５１８号公報
【特許文献３】特開２００８−５８３２号公報
【非特許文献１】「微生物固体発酵による高効率なリグノセルロース完全利用システムの開発」神戸大学、京都大学、大阪大学、月桂冠（株）、バイオ・エナジー（株）、バイオマスエネルギー高効率転換技術開発平成１８年度成果報告会予稿集、p.65-82
【非特許文献２】「固体発酵法によるバイオエタノール製造技術とその特性 」鈴木昌治 (東京農業大学)、農業農村工学会大会講演会講演要旨集 Vol.2007、p.100-101
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、バイオマス由来の廃棄物を減量化することが可能で、かつ、バイオマス生産現地でしか利用できなかった残渣から効率よく単糖類及びエタノールを製造する方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記課題を解決するため、本発明は次の手段をとるものである。
【０００９】
第一の発明：
（１）油系植物バイオマスから単糖類を製造する方法において、油系植物バイオマス中に含まれる油を水蒸気により抽出除去した残渣を原料として用い、該油系植物バイオマス残渣を前処理した後、酸加水分解して糖化することを特徴とする単糖類の製造方法。
（２）前処理が、硫酸による膨潤処理またはマイクロ波加熱処理のうちの少なくとも一つの処理である前記（１）に記載の単糖類の製造方法。
（３）油系植物バイオマス残渣を粉砕処理した後に前処理を行う前記（１）または（２）に記載の単糖類の製造方法。
（４）油系植物バイオマスが栽培系バイオマスまたは伐採木である前記（１）〜（３）のいずれかに記載の単糖類の製造方法。
【００１０】
第二の発明：
（５）油系植物バイオマスからエタノールを製造する方法において、油系植物バイオマス中に含まれる油を水蒸気により抽出除去した残渣を原料として用い、該油系植物バイオマス残渣を固体発酵させてエタノールを製造することを特徴とするエタノールの製造方法。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、従来あらかじめ油を分離除去してからでなければ糖化原料として使用できなかった油系植物バイオマスから、効率よく単糖類及びエタノールを製造することができる。油系植物バイオマス中に含まれる油を水蒸気で抽出除去した場合は、有機溶媒で分離除去したものに比べて環境負荷が少なく、バイオマスに残存する有機溶媒による悪影響、特に固体発酵における菌体への生育阻害がないなどの利点がある。さらに、抽出した油等は有効利用でき、その上、廃棄物として処理されていた残渣を再利用するため廃棄物の減量化にもつながり、経済効果が高い。
【００１２】
また、残渣中のセルロースを糖化を経てエタノールに変換することができるので、これまでバイオマス生産現地でしか利用できなかった残渣を、セルロース発酵技術を用いてエタノールに変換することで、遠方へ輸送することが可能になる。
【００１３】
さらに、残渣中のセルロースを糖化を経て乳酸及びポリ乳酸に変換することができるので、バイオマスを製品として長寿命化することができる。また、不要になったバイオプラスチックは回収して燃料使用できるので、バイオマス燃料としてはコスト回収につながる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
図１には、本発明（第一の発明）に係る油系植物バイオマス残渣から単糖類を製造する方法、さらに該単糖類からエタノールまたは有機酸を製造する方法のフローチャートを示した。
【００１５】
図２には、本発明（第二の発明）に係る油系植物バイオマス残渣から固体発酵法によりエタノールを製造する方法のフローチャートを示した。
【００１６】
いずれの発明も、油系植物バイオマスから効率よくエタノールを製造することが可能な方法に関わるものであり、原料として、油系植物バイオマス中に含まれる油を水蒸気により抽出除去した後の油系植物バイオマス残渣を用いることに特徴がある。糖化工程以降の工程及び固体発酵は公知の方法に準じて実施すればよい。
【００１７】
［油系植物バイオマス］
本発明で用いる油系植物バイオマスとしては、多糖類を含有するものであれば特に制限はないが、例えば、マツ、スギ、キリ、クスノキ等の剪定枝、伐採木などの林業廃棄物系バイオマス；アブラヤシ（パーム油の原料）、ヤシ殻、モミ殻、稲藁、麦藁等の農業廃棄物系バイオマス；ネピアグラス、ポプラ、プラタナス、笹、竹、松葉等のセルロース系バイオマスなどの栽培系バイオマス；トウモロコシ、米、大豆、菜種、ヒマワリの搾油残渣等の植物油脂残渣系バイオマス；或いはこれらの混合バイオマスなどを挙げることができる。
【００１８】
これらの油系植物バイオマスの中でも、高品質の油の含有量が多いという点では、栽培系バイオマスまたは伐採木が好ましく、一般的には広葉樹より針葉樹が好ましい。成分の安定性では栽培系バイオマスが好ましい。また、栽培系バイオマスは、実、葉、枝、幹などを用いることができ、これらの中でも、多糖類が多く含まれている点では枝や幹が好ましい。油系植物バイオマスは、植物中に含まれる油の含有量（バイオマス乾重量当たりの油含有量）が１質量％以上あれば抽出される油の量も多く、油を有効利用した際における経済的な期待効果が高く、かつ阻害要因除去効果も高い。しかも、本発明の方法によれば油抽出残渣をそのまま糖化または糖化・発酵原料として利用することができる。
【００１９】
油系植物バイオマスには、（化１）に示すセルロース（Ｄ−グルコースを構成ユニットとする多糖類）、ヘミセルロース（Ｄ−キシロース、Ｄ−アラビノース、Ｄ−マンノース、Ｄ−ガラクトース、Ｄ−グルコースを構成ユニットとする多糖類）、リグニンが存在し、また、栽培系のバイオマスには（化２）に示すデンプン（Ｄ−グルコースと一部マルトースを構成ユニットとする多糖類）も多く含まれている。
【００２０】
【化１】
【化２】
【００２１】
［油分抽出］
油分抽出工程では、油系植物バイオマスを、採取時のものを、２軸式カッター或いはミルカッター等を用いて８ｍｍアンダーに粉砕した後、水蒸気により溶媒抽出法にて油を抽出除去する。溶媒抽出法としては、水蒸気蒸留方法や減圧蒸留方法などの公知の方法が適用される。熱水抽出なども適用可能であるが、油成分が熱劣化を受けやすくなる場合があり、また、固体発酵法に用いる場合には、ろ過等の作業が必要となるデメリットがある。油系植物バイオマスに対する抽出溶媒の割合は、公知の方法に従えばよく特に限定されないが、通常、バイオマス（常温・含水状態）：溶媒＝１：０．１〜１：５（質量／質量）とするのが好ましい。前記割合より抽出溶媒が少ない場合は油の抽出効率が低下し、一方、多い場合は加熱に要するエネルギーが大きくなるため非効率である。抽出溶媒として水を用いるのは、安全性が高く、入手しやすく安価である他、特に固体発酵法に適用する場合に菌体生育への阻害がないという点で使いやすい溶媒だからである。
【００２２】
油分抽出時の温度は、通常、１００℃〜２００℃、好ましくは１００℃〜１２０℃である。温度をこの範囲に保持することにより、抽出される油成分の分解を防止し、抽出効率を高めることができる。抽出時間は特に限定されないが、通常、約３０秒〜１時間、好ましくは約１分〜３０分である。抽出時間が長すぎると、油が分解するだけでなく、単糖類等が水に溶出してしまうため発酵に有効利用することができなくなる恐れがある。
【００２３】
油分抽出時の加熱手段は特に限定されるものではなく、温浴、電熱、マイクロ波加熱等を用いることができる。
【００２４】
［前処理］
次に、油を抽出除去した植物バイオマス残渣を原料として用い、加水分解による糖化を行うが、通常、水蒸気による抽出後の残渣は、抽出前と同程度ないし半分程度の水分を含有するが、油の含有量は抽出前の１０％以下である。前記の残渣を必要に応じて乾燥した後、微粉砕し、その後に前処理するのがよい。前処理としては、硫酸による膨潤処理またはマイクロ波加熱処理のうちの、少なくとも一つの処理を行うことが好ましい。処理順序は特に限定されないが、油分抽出を先に行う観点からはマイクロ波加熱処理を先に行うのが好ましい。これらの処理を行うことによってバイオマスの繊維がほぐれ、加水分解されやすくなる効果がある。これらの処理は大気中で実施することができる。
【００２５】
硫酸による膨潤処理は、通常、濃度８０〜８５％の硫酸を用いて、室温で５〜６０分程度反応させ、セルロースを膨潤・非結晶化する。
【００２６】
マイクロ波加熱処理は、植物バイオマス残渣に、植物バイオマス残渣（常温・含水状態）：水＝１：０．１〜１：５（質量／質量）の割合で水を添加し、約３０秒〜１時間、好ましくは約１分〜３０分間、マイクロ波を照射する。加熱処理温度は、１００℃〜２００℃、好ましくは１００℃〜１２０℃である。マイクロ波加熱処理に使用するマイクロ波の周波数は特に限定はないが、通常１ＧＨｚ〜３００ＧＨｚである。連続的もしくは間欠的にマイクロ波を照射して反応温度を保持させるのがよい。
【００２７】
一方、油を抽出除去した植物バイオマス残渣を固体発酵の原料として用いる場合は、上記のような前処理は不要である。残渣を微粉砕して用いると発酵効率がよいが、そのまま用いてもよい。通常、水蒸気による抽出後の残渣は、油の含有量が抽出前の１０％以下であるため、発酵阻害要因になる油が殆んどないという従来の発酵法にも共通する原料としての利点がある。その他に、油分抽出工程で有機溶媒を使用しないため、発酵阻害要因になる有機溶媒の残留がなく、希釈しなくてもそのまま発酵に使用できる利点もある。
【００２８】
［糖化（酸加水分解）］
次に、前処理された植物バイオマス残渣に、必要に応じて水を添加し、３〜２０％濃度の硫酸とした後、通常、温度１００〜１４０℃で、０．１〜５時間処理し、酸加水分解して糖化することにより単糖類が得られる。この濃硫酸法による糖化は、公知の方法に準じて実施することができる。
また、希硫酸法により糖化する場合は、前処理の膨潤工程を省略することもできる。油を抽出除去した植物バイオマス残渣を、濃度０．１〜２％の希硫酸を用いて、温度１３０〜２４０℃で、数分間〜１時間処理し、糖化する。この希硫酸法による糖化も、公知の方法に準じて実施することができる。
糖化後の加水分解液には、セルロース由来の糖であるグルコース、またはヘミセルロース由来の糖であるキシロース、アラビノース、マンノース、ガラクトース、グルコース等が含まれている。
【００２９】
一方、酵素法で糖化する場合は、硫酸を洗浄除去した後、水等の溶媒存在下で、セルロース糖化酵素（例えば、セルラーゼ等）により処理する。通常、撹拌しながら、ｐＨ４〜６程度、温度３５〜６０℃程度で、１０〜１００時間程度反応させることによって糖化する。この酵素法による糖化は、公知の方法に準じて実施することができる。
【００３０】
［エタノールまたは有機酸発酵］
糖化工程で得られた加水分解物を、固体と液体とに固液分離する。分離した液状物には単糖類が溶出しているので、溶出した単糖類を含有する加水分解液（糖液）を発酵槽に導入した後、酵母や菌を添加し発酵させてエタノールまたは有機酸を製造する。これらの発酵は、公知の方法に準じて実施すればよい。
【００３１】
エタノール発酵槽に添加できる菌としては、Saccharomyces cerevisiaeやSaccharomyces kluyveriなどのサッカロマイセス属に属する酵母等や、Zymomonas mobilis などのザイモモナス属に属するアルコール発酵菌等や、Trichoderma reseiなどの糸状菌等や、Mucor javanicusなどのアミロ菌等や、Chlostridium属のような複合菌群など、アルコール発酵産業において通常使用される菌が挙げられる。
【００３２】
上記のエタノール発酵処理によって、生成するエタノールと未反応残渣は、遠心分離或いは濾過等により固液分離し、エタノールを含む液状成分は蒸留或いは中空糸膜等により濃縮されて、高純度エタノールが生成される。
【００３３】
有機酸発酵処理による場合は、酵母や菌を添加して発酵させることにより、乳酸、プロピオン酸、クエン酸、リンゴ酸、フマル酸、コハク酸等を生成することができるが、生分解性プラスチックの原料として有用である点より、乳酸が最も好ましい。発酵により粗乳酸を得た後、常法により、遠心分離或いは濾過等により固液分離し、精製して、乳酸が生成される。
【００３４】
有機酸発酵槽に添加できる菌としては、ホモ乳酸発酵菌：カゼイ乳酸菌（L.casei）、プランタラム菌（L.plantarum）、アシドフィルス菌（L.acidophilus）、サリバリウス菌（L.salivarius）、ブルガリア乳酸菌（L.bulgaricus）、ヘテロ乳酸発酵菌：ファーメンツム乳酸菌（L.fermentum）、ブレビス乳酸菌 （L.brevis）、ブッフネル乳酸菌（L.buchnerii）、セロビオズス乳酸菌（L.cellobisous）などのラクトバシラス属（Lactobacillus）、B. bifidumやB. adolescentisなどのビフィドバクテリウム属 (Bifidobacterium) 、E.faecalisやE.faeciumなどのエンテロコッカス属 (Enterococcus) 、L. lactis、L. cremorisなどのラクトコッカス属 (Lactococcus) 、P. damnosusなどのペディオコッカス属(Pediococcus) 、L. mesenteroidesなどのリューコノストック属 (Leuconostoc)が挙げられる。発酵時間は特に限定されないが、約１０〜１００時間、好ましくは約２０〜６０時間である。
【００３５】
［固体発酵］
固体発酵法による場合は、公知の方法を適用することができ、固体発酵に用いる菌としては、Saccharomyces属やZymomonas属やAspergillus属などの組み替え体の報告がある。発酵時間は特に限定されないが、約１０〜１００時間、好ましくは約２０〜６０時間である。固体発酵によって生成するエタノールと未反応残渣は、糖液の発酵でエタノールを回収する方法と同様に、加熱もしくは減圧蒸留等により濃縮されて、高純度エタノールが生成される。あるいは、反応系において常圧で発生する蒸気の回収により高純度エタノールが生成される。
【実施例】
【００３６】
次に、本発明を実施例により詳細に説明するが、本発明は以下の実施例にのみ限定されるものではない。
【００３７】
（実施例１）
［油分抽出］
マイクロ波発生装置内に設置された、内径２００ｍｍのセパラブル三ツ口円筒フラスコに、テフロン（登録商標）製の目皿を設置した。目皿の穴は５ｍｍのものを使用し、その上に、バイオマスが下にこぼれ落ちないようにメッシュサイズ０．７５φのテフロン（登録商標）パンチングシートを設置した。この上に、バイオマスとしてトドマツ葉粉砕物３００．０８ｇを加えた。トドマツ葉粉砕物は分析ミル（ＩＫＡ Ｗｏｒｋｓ Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ社製 型式：Ａｌｌ ｂａｓｉｃ）にて８ｍｍアンダーに破砕して得た。マイクロ波発生装置の外に、円筒フラスコと連結するように、分離装置を設置し、該分離装置の受け管部に呼び水として純水１２．６１ｇを加えた。分離装置の上部に長さ３００ｍｍのジムロート冷却管を連結した。また、ジムロート冷却管の上部に、余分な排ガスをドラフトへ送気する管を設けた。
周波数２．４５ＧＨｚ、最大出力７００Ｗのマイクロ波を出力一定にて上記反応装置に照射し、水蒸気蒸留を行った。反応時間は初留発生後２０分とした。
反応後の全油分収量は３３１７．８ｍｇであった。また、これをバイオマス１００ｇーｄｒｙあたりの精油収量に換算すると２０４２ｍｇであった。
【００３８】
［微粉砕］
油分除去後のトドマツ試料を５０℃２時間乾燥し、臼式破砕機（ナショナル家庭用臼式お茶粉末器「まるごと緑茶ＥＵ６８２０」）にかけた後１５０μｍメッシュのふるいにかけ１５０μｍアンダーの粉砕物を得た。
【００３９】
［糖化］
粉砕トドマツ１０ｇを、５００ｍｌ三ツ口丸底フラスコに入れ、７２％硫酸５０ｍｌを加え、室温で１時間攪拌し、トドマツを膨潤させた。その後純水２１７ｍｌを加え硫酸濃度を２０％としたのち、マントルヒータにて１２０℃で１時間〜３時間加熱した。室温で放冷したのち、グラスフィルターにてろ過して残渣を除き、得られた濾液を水酸化ナトリウム水溶液にて中和した。
【００４０】
［グルコース分析］
中和後の濾液２ｍｌを分取し、グルコース濃度測定キット（Glucose C-IItest WAKO：和光純薬工業）にてグルコースを発色させ、分光光度計（島津 UV160A）３４０ｎｍにてグルコース濃度を測定した。その結果を表１に示す。グルコース転換率は４８％であった。
【００４１】
（表１）
１２０℃加熱時間によるグルコース生成量
１時間 ２２０ｍｇ／ｄＬ
２時間 ２１５ｍｇ／ｄＬ
３時間 ２１５ｍｇ／ｄＬ
【００４２】
得られたグルコース溶液は、既存の方法（例えば、カラムクロマトなど）で濃縮、精製したのち、もしくはそのままの状態でアルコール発酵菌培地に導入することができる。アルコール発酵により得られたエタノールは、蒸留或いは中空糸膜などで濃縮することで、例えば純度９０−９９．６％のバイオエタノールを合成することができる。
【００４３】
また、得られたグルコース溶液は、既存の方法（例えば、カラムクロマトなど）で濃縮、精製したのち、もしくはそのままの状態で乳酸菌培地に導入することができる。乳酸発酵により得られた乳酸は、公知の方法に従い、乳酸精製、乳酸重合によりポリ乳酸プラスチックを合成することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
本発明の方法により油系植物バイオマスから抽出した様々な油（特に精油）は、製薬、化粧品、食品、芳香剤、染色剤などの様々な産業分野で利用することが可能となる。また、糖化工程の残渣は燃料として利用することができる。また、製造したエタノールは、燃料等として利用することができる。製造した乳酸は、脱水縮合した後、重合することによりポリ乳酸を製造することができ、ポリ乳酸は生分解性プラスチック原料として使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明方法のフローチャート図である。
【図２】本発明方法のフローチャート図である。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
油系植物バイオマスから単糖類を製造する方法において、油系植物バイオマス中に含まれる油を水蒸気により抽出除去した残渣を原料として用い、該油系植物バイオマス残渣を前処理した後、酸加水分解して糖化することを特徴とする単糖類の製造方法。
【請求項２】
前処理が、硫酸による膨潤処理またはマイクロ波加熱処理のうちの少なくとも一つの処理である請求項１に記載の単糖類の製造方法。
【請求項３】
油系植物バイオマス残渣を粉砕処理した後に前処理を行う請求項１または２に記載の単糖類の製造方法。
【請求項４】
油系植物バイオマスが栽培系バイオマスまたは伐採木である請求項１〜３のいずれかに記載の単糖類の製造方法。
【請求項５】
油系植物バイオマスからエタノールを製造する方法において、油系植物バイオマス中に含まれる油を水蒸気により抽出除去した残渣を原料として用い、該油系植物バイオマス残渣を固体発酵させてエタノールを製造することを特徴とするエタノールの製造方法。
【請求項１】
油系植物バイオマスから単糖類を製造する方法において、油系植物バイオマス中に含まれる油を水蒸気により抽出除去した残渣を原料として用い、該油系植物バイオマス残渣を前処理した後、酸加水分解して糖化することを特徴とする単糖類の製造方法。
【請求項２】
前処理が、硫酸による膨潤処理またはマイクロ波加熱処理のうちの少なくとも一つの処理である請求項１に記載の単糖類の製造方法。
【請求項３】
油系植物バイオマス残渣を粉砕処理した後に前処理を行う請求項１または２に記載の単糖類の製造方法。
【請求項４】
油系植物バイオマスが栽培系バイオマスまたは伐採木である請求項１〜３のいずれかに記載の単糖類の製造方法。
【請求項５】
油系植物バイオマスからエタノールを製造する方法において、油系植物バイオマス中に含まれる油を水蒸気により抽出除去した残渣を原料として用い、該油系植物バイオマス残渣を固体発酵させてエタノールを製造することを特徴とするエタノールの製造方法。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２００９−２１３４４９（Ｐ２００９−２１３４４９Ａ）
【公開日】平成２１年９月２４日（２００９．９．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−６３３６６（Ｐ２００８−６３３６６）
【出願日】平成２０年３月１２日（２００８．３．１２）
【出願人】（０００００３６８７）東京電力株式会社 (2,580)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年９月２４日（２００９．９．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年３月１２日（２００８．３．１２）
【出願人】（０００００３６８７）東京電力株式会社 (2,580)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]