JPS606198B2 - バイオマスの酵素処理用前処理方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、バイオマスの酵素処理用前処理方法に関し、
さらに詳しくはバイオマスをアルカリ−硫化アルカリで
蒸煮処理することを特徴とする酵素処理用前処理方法に
関する。

近時いわゆるバイオマス中のセルロース分を酵素的に分
解して、その単量体であるグルコースとし、このグルコ
ースについて発酵工程を経てエタノールを取得し、この
エタノールを液体燃料もしくは化学原料とすることが検
討されている。

上言己プロセスの最大の難点は、原料セルロース系資源
がおしなべてリグニンーヘミセルロースーセルロース複
合体を形成しており、そのままではセルラーゼ酵素の作
用を受け難い点にある。従来バイオマスの酵素分解のた
めの前処理方法としてはアルカリ処理方法が知られてい
るが、この処理方法は長い処理時間を要し、あまり実用
的でない。さればバイオマスの直後酵素分解または水に
よる蒸煮方法によるときは、バイオマスまたは被処理物
の酵素分解率（後述）が激減する。また一般に原料セル
ロース系資源からＱ−セルロースをとり出す方法につい
ては、木材等からパルプを製造する方法として硫化アル
カリ法、アルカリ−硫化アルカリ法、亜硫酸法、硫酸塩
法が使用されている。この公知のパルプ製造法にあって
は、多くの場合セルロース系資源を抄紙可能な程度まで
解砕し、Ｑ−セルロースに純化することを目的とする。
しかしながらセルロース系資源を酵素分解に適するよう
に前処理するということは、いうなればセルロース系資
源を構成するりグニン−へミセルロースーセルロース複
合体内の結合を化学的にゆるめることを意味し、必ずし
も前述のパルプ化そのものを意味しない。従っていかな
る前処理方法がセルロース系資源のセルラーゼによる分
解のための上記目的に適う前処理方法であるかは明確で
なかった。本発明者らはセルロース系資源（以下バイオ
マスという）のセルラーゼによる分解のための前処理方
法につき鋭意研究を行なった。

その結果バイオマスをアルカリ−硫化アルカリ水溶液で
蒸煮処理することにより、被処理物のセルラーゼによる
分解性が顕著に向上することを見出し本発明を完成した
。以上の記述から明らかなように本発明の目的はバイオ
マスの前処理方法、すなわちセルラーゼで易分解性の被
処理物を取得する方法を提供するにある。

本発明はバイオマスをアルカリ−硫化アルカリ水溶液で
蒸煮することを特徴とするバイオマスの酵素処理用前処
理方法であり、その実施態様として、バイオマスを切断
粉砕して１０メッシュパス１５０メッシュオンとしたも
のを使用する前記の方法、バイオマスに対し「 ４〜４
の重量倍のアルカリ−硫化アルカリ水溶液を用い、該ア
ルカリの対バイオマス重量比は９〜３０％であり〜該硫
化アルカリの対バイオマス重量比は３〜１６％である前
記の方法、蒸煮温度９０〜２１０ｏ○でありト蒸煮時間
が０．２５〜５時間である前記の方法、バイオマスがバ
ガス、ブナ、シラカバ、エゾマツもし〈はとうもろこし
穂軸である前記の方法〜アルカリがＮａＯＨ、ＫＯＨも
しくはＮＨ３である前記の方法、硫化アルカリがＮａ２
Ｓ、Ｋ夕、（ＮＨ４）２Ｓ、ＫＨＳ、ＮａＨＳ、（ＮＨ
４）２Ｓｘ、Ｎａ２ＳｘもしくはＫ２Ｓｘである前記の
方法を含むものである。

以下に本発明の構成と効果につき詳細に説明する。

ィ 本発明の原料としてのバイオマス セルロース系資源であれば原則的には何でも使用できる
。

しかるに本発明は効率的前処理法にかかるから、バイオ
マスの形態および水分が問題となる。該資源の木本であ
ると草本であるとを問わず、適切な寸法に切断され、も
しくは粉砕されていることならびに含有水分が適度に除
去され、もしくは調整されていることが望ましい。その
形態および水分は後述の処理剤すなわちアルカリ一統化
アルカリ水溶液の迅速な浸透および処理後の洗浄を容易
にするため、１０メッシュパス１５０メッシュオン、好
ましくは４２メッシュパス８０メッシュオンの粉末とし
、水分は５の重量％以下、好ましくは３の重量％以下５
重量％以上とする。この形態はパルプ用チップの場合と
大幅に異なっていることは明らかである。バイオマスの
種類としてはブナ、シラカバ「 エゾマツのような木本
の材料、もしくはバガス、とうもろこし糠軸のような草
本の材料のいずれも使用できる。中でも切断、粉砕と水
分調整（乾燥）の容易な点からバガスは好ましい原料の
一つである。ロ 本発明に使用するアルカリ−硫化アル
カリ水溶液バイオマスに対して、４〜４の重量倍し好ま
しくは６〜２の重量倍使用する。

４重量倍未満では迅速な浸透櫨洋が困難であり、４の重
量倍を超えても格別の効果の向上はない。

アルカリとしては限定されないが「ＮａＯＨ、ＫＯＨも
しくはＮＨ３が使用し易い。かかるアルカリはバイオマ
スに対して９〜３の重量％、好ましくは１２〜２５重量
％使用する。他方硫化アルカリとしては限定されないが
、Ｎａ２Ｓ、Ｋ２Ｓ、（ＮＨ４＞２Ｓ、ＫＨＳ、ＮａＨ
Ｓ、（ＮＨ４）２Ｓｘ、Ｋ２ＳｘもしくはＮａ２Ｓｘが
使用し易い。かかる硫化アルカ川まバイオマスに対して
３〜１５重量％、好ましくは３．８〜１の重量％使用す
る。前述のアルカリ「硫化アルカリ共に前述の使用量の
範囲より少ない比率で使用すると本発明の前処理効果が
低下し、該範囲を超える比率で使用しても格別の効果の
向上はない。使用するアルカリと硫化アルカリの使用比
率もそれぞれのバイオマスに対する使用比率が前述の各
範囲内にある限り限定されない。しかしながら該比率は
アルカリ／硫化アルカリ（重量比）で１．０〜１併音、
好ましくは２．０〜５．の音で使用する。ハ 蒸煮条件
本発明の方法に使用する前述ィのバイオマスおよび前述
ロのアルカリ−硫化アルカリ水溶液は予め混合もし〈は
蒸煮缶中で混合してのち昇温して蒸煮温度に保つ。

蒸煮温度の範囲は９０〜２１０００であり、蒸煮時間は
使用バイオマスの種類、バイオマスとアルカリ−硫化ア
ルカリ水溶液の比率、バイオマスとアルカリもしくは硫
化アルカリの比率によって異なってくるが、包括的には
０．２５時間ないし５時間、好ましくは０．２５時間な
いし１時間で、このように蒸煮時間が短いのが本発明の
方法の特徴の一つである。蒸煮はバッチ工程でも連続工
程でも行なうことができる。また蒸煮液からのアルカリ
−硫化アルカリの回収もしくは循環使用については、パ
ルプ製造の場合に準じて行なうことができる。蒸煮処理
終了後の被処理バイオマスと蒸煮液の分離ならびに被処
理バイオマスの洗浄、脱水、乾燥についてもパルプ製造
の場合に準ずる。ニ 本発明の特徴的効果 前述のように本発明の方法が簡易、迅速に実施し得るこ
とは、本発明の重要な効果であるが、本発明の効果は最
も端的に上記被処理バイオマス（以下これを単に被処理
バイオマスと称する）にあらわれる。

すなわち被処理バイオマス中のりグニン含量は処理前の
２０〜３０％（重量）から１〜１５％程度、好ましくは
１〜８％程度に低下し、また原料中に約２０〜３０％（
重量）存在するへミセルロースはほぼ完全に除去される
。このものを一定の酵素処理（後述）に付した場合の酵
素分解率（後述）は６５〜９８％、多くは８５〜９７％
に達する。この酵素分解率は無処理バイオマスの場合の
１０％以下、水蒸煮の場合の３０％以下に比べて極めて
大きい。また他の条件をほぼ同一とした場合に本発明に
かかるアルカリ−硫化アルカリ水溶液による処理時間は
、アルカリ水溶液による処理時間の１′４程度ですみ、
リグニン含量はより少なく、酵素分解率はより高くなる
傾向がある。次に実施例を挙げて本発明を説明する。

実施例における諸試験は次の方法で行った。

＊０１酵素分解率試料１％、酵素１％、デヒドロ酢酸ソ
ーダ０．０３％、０．１Ｍ−酢酸緩衝液（ｐＨ５．０）
で１０柵とし、Ｌ字試験管（１８側め、高さ１０仇肋×
長さ１２０柵）を用いて３７００、８時間の往復振濠（
４６往復／分）を行なった。

酵素はセルラーゼオノズ力Ｒ−１０（Ｔｒｉｃｈｏｄｅ
ｒｍａＶｍｄｅセルラーゼ、ヤクルトバイオケミカルズ
）を使用した。反応後酵素反応液をガラス繊維炉紙（東
洋炉秦雌太一５０）で炉８Ｕし、炉過残査はよく水洗後
１０５℃で−晩乾燥後秤量し、次式によって酵素分解率
を算出した。酵素分解率（％〉＝（・−護憲鱈議）Ｘ・
ｏｏ（２｝ リグニンＪＩＳＰ ８００８（１９７６）
パルプ材のりグニン試験方法によった。

実施例 １〜５ 耐圧反応器に４２〜８０メッシュに粉砕したバガス１０
夕（乾物、以下同じ）とＮａＯＨＩ９．４％（対乾物バ
ガス、以下の実施例もすべて同じ）およびＮａ２Ｓ６．
３％を含む水溶液２００の上を入れ、１７０ｏＣにおい
て所定時間処理を行なった。

処理後バガスを炉過し、十分に水洗してアセトン洗浄後
風乾した。処理バガスのリグニン舎量および酵素分解率
を所定の試験方法で測定した。表１にその結果を示す。
表 １ ″註 失対乾物バガス 失夫水で蒸煮実施例 ６〜
９ 燕煮液濃度を変えた以外は実施例２と同様に処理した。

結果を表２に示す。（液比１：２い処理温度１７０ｏｏ
、処理時間０．期時間）表 ２ 実施例 １０〜１２ ＮａＯＨ量、Ｎａ２Ｓ量およびＮａ２Ｓ／ＮａＯＨの値
を変えた以外は実施例２と同様に処理した。

結果を表３に示す。（液比１：２０処理温度１７０ｏｏ
、処理時間○‐虫時間）表 ３ 実施例 １３〜１５ ＮａＯＨ１４％、Ｎａぶ６％とし、液比１：ＩＱ Ｉ：
８、１：６にした以外は実施例２と同様に処理した。

結果を表４に示す。（処理温度１７０ｑｏ、処理時間０
‐虫時間）表４ 実施例 １６〜２１ 処理温度９０〜１９０ｏｏの範囲内で変え、液比１：２
０した以外は実施例１５と同様に処理した。

結果を表５に示す。表５ 実施例 ２２〜３０ 硫化アルカリとして硫化カリウム、硫化アンモニウム、
水硫化カリウム、水硫化ナトリウム、ポリ硫化アンモニ
ウム、ポリ硫化カリウム、ポリ硫化ナトリウムを用い、
アルカリとして水酸化カリウム、アンモニア水を用いた
例を表６に示す。

黍煮条件として液比１：１０、処理温度１７０℃、処理
時間０．虫時間である。表６ 実施例 ３１〜３４ ブナ、シラカバ、エゾマツ、とうもろこし糠軸を４２〜
８０メッシュに粉砕、姉別した試料につき実施例１５と
同様に処理した。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ バイオマスを切断粉砕して１０メツシユパス１５０
   メツシユオンとしたものを該パイオマスに対して９〜３
   ０重量％のアルカリおよび３〜１５重量％の硫化アルカ
   リを含む４〜４０重量倍のアルカリ−硫化アルカリ水溶
   液で９〜２１０℃で０．２５〜５時間蒸煮することを特
   徴とするバイオマスの酵素処理用前処理方法。 ２ バイオマスがバガス、ブナ、シラカバ、エゾマツも
   しくはとうもろこし穂軸である特許請求の範囲第１項記
   載の前処理方法。 ３ 硫化アルカリがＮａ＿２Ｓ、Ｋ＿２Ｓ、（ＮＨ＿４
   ）＿２Ｓ、ＫＨＳ、ＮａＨＳ、（ＮＨ＿４）＿２Ｓｘ、
   Ｎａ＿２ＳｘもしくはＫ＿２Ｓｘである特許請求の範囲
   第１項記載の前処理方法。