JP2006136263A - リグノセルロース系バイオマス処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 リグノセルロース系バイオマスを原料として効率よく糖類を製造するための方法を提供する。
【解決手段】 原料を加圧熱水で処理する熱水処理工程、その熱水処理物を機械的粉砕処理する機械的粉砕処理工程及びその機械的粉砕物を酵素で糖化処理する糖化処理工程を含む処理方法である。
【選択図】 なし

Description

本発明は、バイオマス、特にリグノセルロース系バイオマスを原料として効率よく糖類を製造するためのリグノセルロース系バイオマス処理方法に関するものである。

バイオマスを原料とし、これに蒸煮処理、薬剤処理、粉砕処理又は爆砕処理を施したのち、加圧熱水により加水分解処理したり、酵素糖化により糖類を製造することは知られている。

ところで、リグノセルロース系バイオマスは、主としてセルロース、ヘミセルロース及びリグニンから構成されており、糖類の原料として用いる場合には、通常セルロースやヘミセルロースと強固に結合しているリグニンを分離するために、糖化処理に先立って高温高圧での蒸煮処理や薬剤処理が行われており、これまでにそのための多くの方法が提案されている。

例えば、バイオマスを高温高圧下で蒸煮処理したのち、瞬時に大気又はその付近の低温低圧条件下に放出して爆砕し、爆砕物を水及び有機溶剤で抽出し、水抽出分として単糖類を、有機抽出分としてリグニンを分離し、抽出残渣としてセルロースを得る方法（特許文献１参照）が提案されている。
しかしながら、この方法では、ヘミセルロースは、過度に熱分解してしまい、糖類として回収することができないという欠点がある。

また、このような欠点を改良し、ヘミセルロースを有利に利用する目的で、リグノセルロース系バイオマスを穏やかな条件下で蒸煮し、水を加えて可溶分を抽出した後で抽出残渣を蒸煮処理し、爆砕処理に付す方法（特許文献２参照）も提案されている。
しかしながら、この方法においては、爆砕処理に加えて、再度の蒸煮処理を必要とするため操作が煩雑になるのを免れない。

その外、本発明者らも、セルロースを２００〜３００℃の加圧熱水により加水分解して水溶性オリゴ糖を製造する方法（特許文献３参照）、セルロースを２４０〜３４０℃の加圧熱水により加水分解して非水溶性多糖類を製造する方法（特許文献４参照）、セルロースを２００〜３００℃で加水分解して水溶性オリゴ糖を生成させ、次いでこれを酵素分解して単糖類を製造する方法（特許文献５参照）を提案しているが、これらはいずれもセルロースを原料とするものであって、リグノセルロース系バイオマスを原料としたものではない。

他方、リグニンとセルロースを含有するパルプスラッジのような有機分を水熱反応によりセルロース成分を水に可溶な糖類に加水分解し、その生成物を固液分離して得た液分から糖類を回収する方法（特許文献６参照）も提案されているが、この方法においてはリグニンは分解されずに固形分として残存し、加水分解は行われていないことが知られている。

特開昭５９−２０４９９７号公報（特許請求の範囲その他） 特公平７−１２１９６３号公報（特許請求の範囲その他） 特開平１０−３２７９００号公報（特許請求の範囲その他） 特開２０００−１８６１０２号公報（特許請求の範囲その他） 特開平１０−３２７９００号公報（特許請求の範囲その他） 特開２００１−７９５９５号公報（特許請求の範囲その他）

本発明は、リグノセルロース系バイオマスを原料として効率よく糖類を製造するための方法を提供することを目的としてなされたものである。

本発明者らは、リグノセルロース系バイオマスを原料として効率よく糖類を製造する方法を開発するために、種々研究を重ねた結果、セルロースは、通常繊維状のものが集合して結晶しやすい構造を形成し、さらにこの結晶化した構造のものが集ってミクロフィブリルを形成しているため、酵素の作用を受けにくい構造になっているので、その酵素糖化反応を促進するには、セルロースの結晶化度を低下させることが必要であること、またセルロースにはリグニンが強固に結合している上に、それを構成するミクロフィブリルの周囲でヘミセルロースが細胞壁を形成しており、このヘミセルロースも酵素糖化反応を阻害する原因となるので、セルロースの酵素糖化反応に際しては、あらかじめこのヘミセルロースを取り除いておくのが望ましいこと、及び機械的な粉砕処理すなわちメカノケミカル処理によると、通常の乾式粉砕により得られるマイクロオーダーのセルロース微粒子がより微細化して粉砕時間とともにセルロースの結晶性が次第に低下し、最後は重合度２２０程度にまで微細化し得ること、この際揮発性有機溶剤、親和性高分子化合物の添加により再凝集を抑制し得ることを見出し、これらの知見に基づき本発明をなすに至った。

すなわち、本発明は、リグノセルロース系バイオマスから糖類を製造する方法であって、原料を加圧熱水で処理する熱水処理工程、その熱水処理物を機械的粉砕処理する機械的粉砕処理工程及びその機械的粉砕物を酵素で糖化処理する糖化処理工程を含むことを特徴とするリグノセルロース系バイオマス処理方法を提供するものである。

そして、このリグノセルロース系バイオマス処理方法においては、熱水処理工程が温度制御した加圧熱水により、リグノセルロース系バイオマスの構成成分のセルロースからそれ以外の構成成分を分離除去する工程であること、機械的粉砕処理工程がセルロースを粉砕するとともにメカノケミカル的に活性化させる工程であること、あるいは、機械的粉砕処理工程を、水、揮発性有機溶媒又は親和性高分子化合物の存在下で機械的粉砕することにより行うことが好ましい。

次に、本発明を詳細に説明する。
本発明のリグノセルロース系バイオマスの処理方法は、熱水処理工程、機械的粉砕処理工程及び糖化処理工程の３工程を含んでいる。

本発明方法においては、原料としてリグノセルロース系バイオマスを用いるが、このバイオマスとは本来化石燃料を除いた生物由来の有機資源を意味し、したがって、リグノセルロース系バイオマスとは、リグノセルロースを主成分とするバイオマスを意味する。
このリグノセルロース系バイオマスの代表的なものとしては、木質系材料例えば木材、イナワラ、ムギワラ、バガス、竹、パルプなどやこれらから生じる廃棄物例えば古紙などが挙げられる。

本発明方法で用いるこれらのリグノセルロース系バイオマスは乾燥物でも、また湿潤物でもよいが、処理速度を高めるためにあらかじめ１００〜１０００μｍのサイズに粗粉砕又は細断して用いるのが好ましい。この粗粉砕又は細断は、ボールミル、振動ミル、カッターミル、ハンマーミル、ウィレーミル、ジェットミルなど各種材料の粗粉砕や細断に慣用されている機械を用いて行うことができる。

次に、上記の熱水処理工程は、原料として用いるリグノセルロース系バイオマスを加圧熱水で処理して、リグノセルロース系バイオマスの構成成分であるセルロース以外の成分である可溶化が容易な細胞内含有成分、ヘミセルロース及び一部のリグニンを分離回収するための工程であり、これには室温ないし１４０℃の範囲の温度と飽和蒸気圧の１．０〜３．０倍（約１〜３ＭＰａ）の圧力をもつ加圧熱水と接触させて、先ず細胞含有成分を抽出したのち、１４０〜２２０℃の範囲の温度と飽和蒸気圧の１．０〜３．０倍の圧力をもつ加圧熱水と接触させてヘミセルロース成分を別に分離回収する２段階方式と、１４０〜２２０℃の範囲の温度と約１〜３ＭＰａの範囲の圧力をもつ加圧熱水と接触させて細胞内含有成分とヘミセルロースとを同時に分離回収する方式とがある。

この工程では、不安定なリグニンも分離回収することができる。そして、このような処理を行うことにより、セルロースに強固に結合して酵素反応を阻害するリグニンや、セルロースのミクロフィブリンの周りに細胞壁を形成して酵素反応を阻害するヘミセルロースを除去する。

この熱水処理工程において、１４０℃未満で抽出される細胞含有成分は、有用な色素や生理活性成分を含むので、この画分からは各種の有用物質を分離回収することができる。一方、１４０〜２２０℃の温度範囲では、ヘミセルロースが加水分解して五単糖からなるオリゴ糖が抽出される。このオリゴ糖は、常法に従って単離することができ、機能性食品素材として利用することができる。

このオリゴ糖はまた酵素分解させて、最近需要が増加している単糖類（キシロース）を製造することができる。このヘミセルロースの加水分解生成物は、そのまま水溶性オリゴ糖含有水溶液として用いることができるが、所望に応じ濃縮したり、蒸発乾燥した状態で用いることもできる。

上記の熱水処理工程では、セルロースを主成分とする処理生成物が得られるが、このものは次に機械的粉砕工程に付される。この機械的粉砕は、熱水処理により得られる生成物中のセルロースを微粉化して、その結晶化度や重合度を低下させるとともに、メカノケミカル的に活性化して、後続工程における酵素反応を容易に受けやすくする。

この機械的粉砕は、無水処理により細胞内含有成分やヘミセルロース成分が除かれた処理物を、水が残存したままの状態で行うのが好ましい。この際の残存する水の量は、乾燥質量に基づき１０〜１００質量％、好ましくは２０〜５０質量％の範囲である。

この機械的粉砕は、例えば、振動ボールミル、回転ボールミル、遊星型ボールミル、ロールミル、デイスクミル、高速回転羽根型ミキサー、ホモミキサーなどを用いて行うことができる。

通常熱水処理物の平均粒径が１０μｍ以下、好ましくは５μｍ以下になるまで行われる。粉砕処理により、熱水処理物中のセルロースの結晶化度が１０％以下、好ましくは０〜５％、あるいは重合度が２５０以下、好ましくは２２０以下に低下する。これには、通常２時間以上、好ましくは４時間以上の処理時間が必要である。

乾式で長時間機械的粉砕を行うと、いったん生成した微粉末が再凝集を起すので、本発明方法においては、水、揮発性有機溶剤又は親和性高分子化合物の存在下で行うのが好ましい。この揮発性有機溶剤としては、特にヒドロキシル化合物、例えばメタノール、エタノール、プロパノール、エチレングリコールなどが用いられる。また親和性高分子化合物は、例えばデンプンやアミロースのような天然高分子化合物でもよいし、また例えばポリエチレングリコールやポリビニルアルコールのような合成高分子化合物でもよい。これらの添加量としては、熱水処理生成物の質量に基づき１〜１００質量％、好ましくは２０〜５０質量％の範囲が選ばれる。
このような機械的粉砕処理を行うことにより、熱水処理生成物の酵素による糖化反応は、未処理のものに比べ２倍又はそれ以上促進される。

次に、本発明方法における糖化処理工程は、上記の機械的粉砕処理の処理物に、加水分解酵素例えばセルラーゼを作用させることによって行われる。この反応は、通常のセルロースをグルコースに分解する方法において用いられている条件下で行うことができる。このセルラーゼの性質は、それを生産する微生物の種類によって若干異なるが、至適ｐＨ範囲は３．５〜５．５、至適温度範囲は４５〜５５℃であるので、ｐＨ３．３〜５．５の緩衝液に溶解した機械的粉砕処理物にセルラーゼを加え、４５〜５５℃に１０〜３０時間維持することによって糖化処理を行う。この糖化処理は、回分式で行ってもよいし、また固定化酵素を含むバイオリアクターを用いる連続式で行ってもよい。

この際、糖化反応液に超音波を照射して行うと、セルロースに吸着している酵素が引きはがされるので、糖化反応が促進される。また、異なった微生物由来のセルラーゼを添加すると相乗効果を起し、酵素反応を促進させることができる。さらに、糖化と同時に発酵を行わせる併行糖化発酵方式を用いると、セルロースを分解して生じるセロビオースやグルコースをそのまま蓄積して発酵させるので、生成物阻害を起すことがなく、全体の糖化率を上げることができる。

次に、添付図面に従って、本発明方法の具体的な実施形態を説明する。
図１は本発明を実施する場合のフローシートの一例である。原料となるリグノセルロース系バイオマス１は粉砕後、可溶化処理工程２において加圧熱水により処理される。処理されたバイオマスは固液分離３によりオリゴ糖を含有する水溶液４と可溶化処理工程の残渣５に分けられ、この可溶化処理工程の残渣５に対し粉砕処理工程６において粉砕処理される。実用化に際しては、この固液分離工程３を設けることなく可溶化処理工程２により生成するオリゴ糖を含有する水溶液（液体分）４と可溶化処理工程の残渣（固体分）５の全量に対し粉砕処理を行うことも可能である。次に粉砕処理を行ったバイオマスについて酵素糖化工程７において酵素糖化を行い、固液分離工程８で酵素糖化残渣９と糖の水溶液１０に分離する。

図２は、加圧熱水処理によりリグノセルロース系バイオマス構成成分を分離して回収するための熱水流通式の反応システムである。バイオマスとしては２４〜４２メッシュのもみ殻粉末を用いた。両端を孔径５μｍの焼結フィルターでキャップし、かつ周囲に保温用ラインヒータ１６が設けられた内容積２８ｍｌのステンレス鋼製反応器１７に、乾燥したもみ殻粉末１０ｇを仕込む。また熱水を調製するための加熱コイル１４内に、水槽１１中の蒸留水をポンプ１２によって満たしておく。保圧弁１９を系内の圧力が所定値になるように設定した後、加熱コイル１４内の水が突沸しないようにバルブ１３を閉じたのち、バルブ１３´及び１３″を開いて、窒素ボンベ２１より窒素ガスを送って系内を加圧する。次いで、バルブ１３´及び１３″を閉じたのち、バルブ１３を開き、所定温度に加熱しておいた予熱用油浴１５をジャッキ２５で上昇させ、予熱コイル１４をこの中に浸して、内部の水を加熱する。

次に、水槽１１からポンプ１２により蒸留水を供給し、反応器１７の直下部に装備された熱電対２３で測定される温度が急上昇を始めた時点で、水槽１１´から反応を終結させるための冷却用蒸留水を、ポンプ１２´を用いて流し始める。この冷却水は、反応器上部から流出してきた熱水と直接接触して、該熱水を急冷し、その混合水は冷却器１８においてさらに３０℃付近まで冷却されたのち、保圧弁１９を通過し、受器２０に流入する。系内の圧力が所定値に達し、保圧弁１９から水が流出し始めた時点を反応開始時間とし、一定時間毎に受器２０に分解生成物を回収する。なお、図２において、２２及び２２´は圧力計であり、２４は圧力計２２で示される圧力及び熱電対２３で示される温度の記録計である。

本発明によると、従来方法の２倍以上の高い効率で、リグノセルロース系バイオマスから糖類を製造することができ、しかも色素や生理活性成分を含む細胞含有成分や五炭糖の製造原料となるヘミセルロースを分離回収することができる。

次に、実施例により本発明を実施するための最良の形態を説明するが、本発明はこれらによりなんら限定されるものではない。

（１）熱水処理工程
図２において、反応器１７として、両端を孔径５μｍの銀メッキされたニッケル製焼結フィルター（孔径５μｍ）でキャップした内容積２８ｍｌのステンレス鋼製固定床型反応器を用い、この中に２４〜４２メッシュのもみ殻１０ｇを仕込み、１２８℃、１ＭＰａの加圧熱水を１５ｍｌ／分で３０分間流して細胞内含有成分を抽出除去した後、２０５℃、２ＭＰａの加圧熱水を１５ｍｌ／分で３０分間流してヘミセルロースの糖化を行った。得られたヘミセルロース区分中には、ヘミセルロース分解物以外に約３０％のリグニンと灰分が含まれていた。ヘミセルロース区分水溶液を除いたもみ殻残渣の方は、セルロース以外に約４０％のリグニンと灰分が含まれていた。

（２）機械的粉砕処理工程
熱水処理後のもみ殻残渣物の一部は、減圧乾燥により絶乾にした後、遊星型ボールミル粉砕機（フリッチュ製，Ｐ−５）によりメカノケカル処理を行った。メカノケカル処理は内容積５００ｍｌのジルコニア製容器及びジルコニア製ボール（２０ｍｍφ）を用い、１容器当たり、絶乾のもみ殻残渣物５０ｇを投入し、公転回転数２５０ｒｐｍにて，１０分間粉砕−１０分間休止のサイクルで、４時間粉砕した。得られた処理物の粉末Ｘ線回折測定からセルロースは非晶状態（結晶化度０％）であった。レーザー回折式粒度分布測定から、平均粒径は８．５μｍであった。

生成粒子の再凝集を抑制して、より効率的に粉砕を進めるため，水酸基を含有する化合物として粉砕時にエタノールを添加して粉砕した。絶乾のもみ殻残渣物５０ｇに対し２０質量％のエタノールを添加し，室温で１２時間放置して、全体に均一に吸着させた。この場合，添加したエタノールは完全に吸着されて、スラリー状になることなく乾燥物と同様に粉砕が可能であった。前述と同様の方法によりボールミル粉砕して得られたメカノケミカル処理物では、セルロースは結晶化度５％であり、平均粒径は５μｍであった。
セルロースの結晶化度は、２θ＝１５度付近の回折ピークから、イソガイ・ウスダの方法［「繊維学会誌」，第４６巻，第３２４頁（１９９０）］に従って算出した。

（３）糖化処理工程
熱水処理したもみ殻残渣（結晶化度４４％）又は熱水処理後に更に機械的処理したもみ殻残渣（結晶化度０％）を基質として、４５℃の５０ｍＭ酢酸−酢酸ナトリウム緩衝液１ｍｌ反応液中に最終濃度が５％（ｗ／ｖ）になるように添加した。また、酵素としては市販のセルラーゼ製剤（商品名：アクレモニウムセルラーゼ、明治製菓製）を最終濃度０．０５％（ｗ／ｖ）になるように反応液に添加し、更に反応液中に市販のβグルコシダーゼ（商品名：ノボザイム、ノボザイム製）を０．６３ユニット相当添加した。このような反応液組成を標準組成として、反応温度４５℃で２４時間糖化反応を行った。
糖化反応後に得られた糖含有溶液について遠心分離（１２，０００ｒｐｍ、５分間）を用いて固液分離した後の糖化液中の全還元糖量はソモギ・ネルソン反応を用いて測定した。また、糖化液中のグルコース量はグルコーステストワコーを用いて測定した。
これらの結果から、加圧熱水処理でヘミセルロースを取り除いただけでは、もみ殻中のセルロースは９質量％しかグルコースに変換されないが、加圧熱水処理後に機械的粉砕処理を行ってセルロース構造の結晶化度を非晶状態まで低下すれば、もみ殻中のセルロースの２１質量％がグルコースに変換され、糖化反応は２倍以上促進された。
エタノール添加により得られた結晶化度５％、平均粒径は５μｍの機械的粉砕処理の場合も、前述と同様に糖化反応は２倍以上促進された。

本発明方法は、リグノセルロース系バイオマスを原料として糖類を製造する方法として有用である。

本発明方法の一例の工程図。 本発明方法を実施するのに好適な装置のフローシート図。

符号の説明

１ リグノセルロース系バイオマス
２ 可溶化処理工程
３ 固液分離工程
４ オリゴ糖類等の水溶液
５ 可溶化処理工程残渣
６ 粉砕処理工程
７ 酵素糖化工程
８ 固液分離工程
９ 酵素糖化残渣
１０ 糖の水溶液
１１、１１´水槽
１２、１２´ポンプ
１３、１３´、１３″バルブ
１４ 予熱コイル
１５ 予熱用油浴
１６ 保温用ヒーター
１７ 反応器
１８ 冷却器
１９ 保圧弁
２０ 受器
２１ 窒素ボンベ
２２、２２´圧力計
２３ 熱電対
２４ 記録計
２５ ジャッキ

Claims (6)

1. リグノセルロース系バイオマスから糖類を製造する方法であって、原料を加圧熱水で処理する熱水処理工程、その熱水処理物を機械的粉砕処理する機械的粉砕処理工程及びその機械的粉砕物を酵素で糖化処理する糖化処理工程を含むことを特徴とするリグノセルロース系バイオマス処理方法。
2. 熱水処理工程が温度制御した加圧熱水により、リグノセルロース系バイオマスの構成成分のセルロースからそれ以外の構成成分を分離除去する工程である請求項１記載のリグノセルロース系バイオマス処理方法。
3. 機械的粉砕処理工程がセルロースを粉砕するとともにメカノケミカル的に活性化させる工程である請求項１又は２記載のリグノセルロース系バイオマス処理方法。
4. 機械的処理工程を、水、揮発性有機溶媒又は親和性高分子化合物の存在下で機械的粉砕することにより行う請求項３記載のリグノセルロース系バイオマス処理方法。
5. 揮発性有機溶媒が揮発性有機ヒドロキシル化合物である請求項４記載のリグノセルロース系バイオマス処理方法。
6. 親和性高分子化合物が水溶性の天然高分子化合物又は合成高分子化合物である請求項４記載のリグノセルロース系バイオマス処理方法。
   

Images