JP2007104983A - リグノセルロースの前処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 リグノセルロース原料を酵素加水分解する際の前処理方法であって、糖の過分解を抑え低コストで収率よく、かつ低動力で効率よく糖を得るためのリグノセルロースの前処理方法を提供すること。
【解決手段】 リグノセルロースの酵素加水分解の前処理方法であって、リグノセルロース原料を酸処理する酸処理工程と、前記酸処理工程の反応物を固液分離する固液分離工程と、前記固液分離工程の残渣を叩解機を用いて粉砕処理する粉砕処理工程とを含むことを特徴とするリグノセルロースの前処理方法。
【選択図】 なし

Description

本発明はリグノセルロースの前処理方法に関する。

近年再生可能資源であるバガスや稲わら、木材チップなどの天然系の資源からエタノールを製造し、エネルギーや化学原料として利用する試みが内外で進められている。原料としては種々のバイオマスが使用されるが、将来的に有用な資源として木質バイオマスのようなリグノセルロースが注目されている。リグノセルロースは、植物の茎葉等の主成分であり、主にセルロース、ヘミセルロース及びリグニンから構成されている。セルロースは、木材の５０％程度の含有量であり、グルコースが直鎖状に結合した比較的安定な高分子である。ヘミセルロースは、木材の２０〜３０％程度の含有量であり、結合がセルロースのように規則的でなく、加水分解しやすい。リグニンは、木材の２０〜３０％程度の含有量であり、主にベンゼン核を有する不定形の高分子である。

木質バイオマスのようなリグノセルロースからエタノールを製造するには、まず酸やアルカリでヘミセルロースを加水分解し、ヘミセルロース由来の糖液を得る。ヘミセルロースを構成する糖は、主にキシロース、アラビノースといった五炭糖と、グルコース、ガラクトース、マンノースといった六炭糖であり、これらの量比率は木質系バイオマスの種類によって異なっている。
次いで、上記のヘミセルロース由来の糖を得た後の残渣をさらに酸や酵素で処理しセルロース由来の糖を得るが、この処理に希硫酸を用いるとグルコース収率が４０％程度と低いことに加え、ギ酸やレブリン酸、ヒドロキシメチルフルフラール（ＨＭＦ）などの糖の過分解物質が生じやすく、これらの過分解物質はエタノールへの発酵に悪影響を与える。
上記の酸やアルカリ処理に代わる方法として酵素による加水分解が研究されているが、酵素反応を有効に行うための前処理は、原料によって適切な方法を選定する必要がある。

リグノセルロース原料に共通する性質の一つに、ヘミセルロースとセルロースの加水分解条件に差があることが挙げられる。ヘミセルロースは比較的酸やアルカリで分解されやすく、９０％以上の高い回収率で糖が得られるのに対し、セルロースの分解はより厳しい条件で行われ、糖の過分解がほぼ同じ速度で生じてしまうため糖の回収率が低くなる。そこで、まず酵素加水分解の前処理を兼ねた一次加水分解でヘミセルロース由来の糖をできるだけ回収する方法が望ましい。

一次加水分解法としてよく研究されているのは酸またはアルカリを用いる方法である。
酵素加水分解の前処理としてはいずれも効果があるが、一次加水分解でヘミセルロース由来の糖を得ようとする場合、アルカリ条件下では糖の過分解が進みやすいため、酸を用いた処理が有利である。ヘミセルロース原料に対する一次加水分解処理として、苛性ソーダ蒸煮、酸化条件下での石灰処理も報告されているが、いずれもヘミセルロース由来の糖の収率は低い。

一方、酸を用いる一次加水分解処理では、糖は回収できるが原料によっては酵素加水分解の前処理として不十分な場合がある。例えば、木材の中でも広葉樹を酸や爆砕で一次処理した後の残渣は比較的容易に酵素で糖化されるが、針葉樹はリグニンを含む構造が広葉樹より強固なため、一次処理した後の残渣をそのまま使用すると酵素加水分解率は低い。
国内で有効利用が望まれている廃建材はスギ、ツガ、マツなどの針葉樹が主体であるため、針葉樹に対する前処理方法の確立は特に国内において重要である。

このような観点から、一次処理した残渣を酵素加水分解に供する前に二次処理を行い、酵素加水分解率を高める方法も研究されている。例えば、オゾン、過酸化水素、亜塩素酸ナトリウムなどによる処理が報告されている。しかし、これら薬品の使用はコストが大きいだけでなく、後段の発酵において微生物に阻害的に働く場合が懸念されるので、発酵前に除去する工程を設ける必要がある。

また、セルロースやヘミセルロースを含む木材等のリグノース原料を加水分解する前に微粉砕処理する前処理方法も報告されている（例えば、特許文献１、特許文献２、および特許文献３参照。）。同様にリグノース原料を微粉砕してから酵素加水分解を行った後、再度固形物残渣を粉砕する方法も報告されている（例えば、特許文献４参照。）。また、アルカリ加水分解処理と機械的粉砕処理とを組み合わせた前処理方法についても報告されている（特許文献５参照。）。
特開昭５５−９７５８号公報 特開昭５９−９１８９３号公報 特開昭６３−１３７６９０号公報 特開昭６３−１３７６９２号公報 特開昭５５−４５３０６号公報

上述のようにリグノセルロース原料をボールミル等で微粉砕処理する前処理方法は、工程が少なくてすむ反面、投入エネルギーをかなり高くしないと前処理としての効果が得られない。また、アルカリ条件下での加水分解では糖の過分解が進みやすいという問題があった。さらに、ヘミセルロース由来の糖の収率についてはほとんど言及されていなかった。
さらに、前処理に粉砕を行う場合、コスト削減および環境への配慮等の点から、消費動力を低減でき、また、スケールアップを容易に行うことができ、適当な機器サイズで維持管理しやすい粉砕機の使用が望まれていた。

本発明は、上述の背景技術の問題点を鑑みてなされたものであり、リグノセルロース原料を酵素加水分解する際の前処理方法であって、糖の過分解を抑え低コストで収率よく、かつ低動力で効率よく糖を得るためのリグノセルロースの前処理方法を提供することを課題とする。

本発明の発明者らは、上記課題を解決するため鋭意検討した結果、リグノセルロース原料にまず酸加水分解処理を施し、固液分離して酸で比較的容易に回収できるヘミセルロース由来の糖を得た後、固形残渣に叩解機を用いて粉砕処理を行うことにより、前処理工程の効率を高め、かつ続く酵素加水分解の効率を高めることができる前処理方法を見いだすに至った。

すなわち本発明は、リグノセルロースの酵素加水分解の前処理方法であって、リグノセルロース原料を酸処理する酸処理工程と、前記酸処理工程の反応物を固液分離する固液分離工程と、前記固液分離工程の残渣を叩解機を用いて粉砕処理する粉砕処理工程とを含むことを特徴とするリグノセルロースの前処理方法である。

本発明によれば、酸でヘミセルロースを加水分解した残渣について、叩解機を用いて粉砕処理することによって、低コスト、低動力で酵素加水分解における糖の収率を向上させ、続く発酵でのエタノール収率の向上を達成することが可能となる。
本発明によると、酸加水分解による一次処理に引き続き二次処理に過酸化水素等の薬剤を用いる前処理方法に比べ、着色廃水の量が低減できる。また、一次加水分解で一部未反応のヘミセルロース由来の糖(キシロースなど)の回収量も二次処理に薬剤を用いる方法より多く、原料に含まれる糖をより有効に利用することができる。
また、本発明において、叩解機による粉砕処理は、湿式で行うことができるため、粉塵爆発や火災の危険がなく、また、熱による変性で糖成分の一部が分解することもほとんどない。

さらに本発明の前処理方法における粉砕処理工程には叩解機を用いているため、従来のボールミル、ローラミル、スタンプミル等の粉砕機を用いる場合と比較して、消費電力を低減でき、スケールアップが容易であり、機器サイズも適度な大きさであり維持管理が容易であるため、低コストで効率よく粉砕処理を行うことができる。
また、希硫酸等の酸による反応で、ヘミセルロース由来の糖が溶出していること、及びリグニンの一部が溶出していることにより、残渣が柔らかくなっているため、少ない投入エネルギーで、酵素加水分解の効果を大きく高めることができる。

本発明のリグノセルロースの酵素加水分解の前処理方法は、リグノセルロース原料を希硫酸処理する酸処理工程と、酸処理工程の反応物を固液分離する固液分離工程と、固液分離工程の残渣を叩解機を用いて粉砕処理する粉砕処理工程とを含む。図１は、リグノセルロースを原料とし、本発明の前処理方法を含むエタノールの製造方法の一例をフローチャートで示したものである。
原料のリグノセルロースは、まず酸処理工程において主に原料中のヘミセルロースを加水分解し、続く固液分離工程で糖液と残渣とに分離される。残渣は、粉砕処理工程において叩解機を用いて粉砕された（以上、本発明における前処理）後、酵素加水分解工程において糖へと加水分解され発酵によってエタノールが製造される。一方、固液分離工程で回収された糖液からも、中和された後発酵によってエタノールが製造される。

本発明に用いられる原料のリグノセルロースは、特に限定されないが、例えば木材、稲わら、籾殻、バガスなどが利用できる。特に国内では発生量が多く、収集ルートが確立している廃建材を用いることが望ましい。廃建材は主に木造家屋の解体によって発生し、用いられている樹種としては、杉、松、栂などの針葉樹の比率が高い。

本発明に用いられるリグノセルロース原料は、あらかじめ破砕機を用いて１〜２０ｍｍ、特に５〜１０ｍｍのサイズに破砕することが好ましい。破砕後のチップサイズはできるだけ小さい方が糖化の効率が高くなるが、破砕のための所要エネルギーも大きくなる。そこで適正なチップサイズが存在する。この破砕工程は酸加水分解後の叩解機による粉砕処理工程とは異なり、一次加水分解である酸処理工程において原料と硫酸や蒸気の接触を良くしヘミセルロースから糖を回収しやすくするためである。

次いで、リグノセルロース原料を酸処理する。用いる酸としては、例えば硫酸、塩酸、硝酸又はそれらの混合物が挙げられるが、このうち硫酸、特に希硫酸が好ましい。さらに、本発明における酸処理は、加熱しながら行うことが好ましい。反応に用いられる硫酸濃度は０．１〜５％、特に０．５〜３％が好ましい。反応温度は１４０〜２３０℃、特に１６０〜２１０℃の範囲が望ましい。反応時間は１〜２０分、特に５〜１０分であることが好ましい。硫酸濃度、反応温度および反応時間が上記の範囲内であると、酸処理工程においてヘミセルロースを効率的に加水分解し、糖を回収することができる。

次に上記酸処理工程の反応物は、固液分離工程においてろ液と固形物残渣とに分離される。残渣は続く粉砕処理工程に供される。ろ液はヘミセルロース由来の糖を含んでおり、後述のように発酵によってエタノールが製造される。固液分離の方法はろ過、遠心分離などを用いることができるが、エネルギー消費の小さいろ過を用いることが好ましい。

上記固液分離工程の固形物残渣は、粉砕処理工程において叩解機を用いて湿式粉砕される。粉砕される固形物残渣の水分含量は５０〜９５％、特に６０〜９０％であることが好ましい。この残渣は、希硫酸による加水分解反応でヘミセルロース由来の糖が溶出していること、およびリグニンの一部が溶出していることにより柔らかくなっている。従って少ない投入エネルギーで粉砕しても、続く酵素加水分解の効果を大きく高めることができる。

粉砕処理工程に用いられる叩解機は、原料が固定刃と回転刃の間を通過する際に破砕を行い、刃の材質や形状を適宜選択し刃間の間隔、回転数等を設定制御することにより微粉砕から粗粉砕まで自由に粒度を変えて木材等を破砕することができる粉砕機である。叩解機を用いる場合、ボールミルやスタンプミル等の粉砕機と比較して粉砕時の消費動力が格段に低減できるため、エネルギー効率がよく低コストで粉砕処理を行うことができる。叩解機を用いる粉砕処理により、一般に数μｍ〜３００μｍ程度の粒度を有する残渣が得られる。

本粉砕処理工程は湿式粉砕であるため、粉塵爆発や火災の危険がなく、また熱による変性で糖成分の一部が分解することもほとんどない。
上記したように、リグノセルロースを前処理することにより、その後の酵素加水分解、発酵によるエタノール生成を低コストで効率よく行うことができる。

上記のように粉砕処理工程において粉砕された残渣は酵素加水分解に供されて糖が製造される。酵素加水分解の酵素としては、セルラーゼが用いられる。すなわち、粉砕された残渣を懸濁した液にセルラーゼを添加し、攪拌しながら、例えばｐＨ４〜６、３０〜６０℃、１０〜１２０時間反応させる。
この酵素による加水分解液にはセルロース由来の糖であるグルコースが含まれる。この糖液に窒素、リンを含む栄養源とエタノール発酵微生物を添加し、糖をエタノールに変換する。

一方、上記固液分離工程のろ液にはヘミセルロース由来の糖であるグルコース、キシロース、アラビノース、ガラクトース、マンノース等が含まれる。さらに、本発明の前処理方法では酸処理工程における糖の過分解物の生成が抑えられるが、このろ液には糖の過分解物であるフルフラール、ヒドロキシメチルフルフラール（ＨＭＦ）、レブリン酸、ギ酸等がある程度の量は含まれている。これらは微生物による発酵を阻害するため、前処理が必要である。例えば、石灰を加えて加温する方法はフルフラール、ＨＭＦの一部除去も行われる方法として知られている。石灰で中和したろ液には窒素、リンを含む栄養源とエタノール発酵微生物を添加し、糖をエタノールに変換する。

上記のように本発明のリグノセルロースの前処理方法を用いると、酸加水分解処理工程においてヘミセルロース由来の糖を効率的に回収でき、さらに固液分離した残渣を叩解機を用いて粉砕することにより、低コスト、低動力で酵素加水分解の収率を向上させることができる。従って、低コストでリグノセルロースを原料とする合計糖収量が増加し、これによって糖を発酵させて製造するエタノールの収率をも向上させることができる。

また、本発明の前処理方法によると、粉砕処理工程において叩解機を用いることにより、従来のボールミル、ローラミル、スタンプミル等の粉砕機を用いる場合と比較して、消費電力を低減させることができ、またスケールアップが容易になり、機器サイズ（設置面積、高さ等）が大きすぎることがなく、維持管理も比較的容易となるため、高効率で糖を得ることが可能となる。

本発明の前処理方法によると、従来のように一次加水分解後の二次処理に過酸化水素等の薬剤を用いる方法に比べ、着色廃水の量が低減できる。また、一次加水分解である酸加水分解で一部未反応であったヘミセルロース由来の糖の回収量も、二次処理に薬剤を用いる方法より多く、原料に含まれる糖をより有効に利用することができる。

以下、実施例を用いて本発明をさらに具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例等に限定されるものではない。

酸処理工程：原料としてスギ材を用い、加水分解機として連続式加水分解機を用い、硫酸濃度１％、反応温度１７０℃、反応時間１０分で一次加水分解を行い、原料（乾物）１００ｋｇあたり２０ｋｇの単糖が得られた。固形分回収率は７５％であった。
固液分離工程：一次加水分解後、吸引ろ過で固液分離を行った。得られた残渣を水でよく洗浄し、粉砕工程用の原料とした。
粉砕工程：叩解機（リファイナー）に上記の残渣２７ｋｇ（湿潤重量、水分含量９０％）を入れ、約１０秒間粉砕を行った。粉砕の前後における残渣の粒度をレーザー回折・散乱方式にて測定したところ、粉砕前の粒度は十数μｍ〜数ｍｍの分布であったのに対し、粉砕後は数μｍ〜３００μｍ程度の分布であり５０％Ｄは約５０μｍであった。

酵素加水分解工程：２００ｍＬの三角フラスコに、粉砕した残渣を固形物として２．５ｇ投入し、これに緩衝液とイオン交換水とを残渣の付着水分と合わせて５０ｍｌになるように添加した。緩衝液としては０．２ｍｏｌ／Ｌの酢酸ナトリウムを用い、反応液のｐＨを４．５に調整した。ここにセルラーゼ（ＳＰＥＺＹＭＥ ＧＣ ２２０、ジェネンコア・インターナショナルジャパン・リミテッド）を残渣の固形物１ｇに対して０．４ｇ添加した。これを反応温度４５℃、１００ｒｐｍで振とうし、１００時間酵素加水分解を行った。

分析：酵素加水分解後の加水分解液中の単糖をＨＰＬＣで分離、定量した。ＨＰＬＣのカラムとしてはＢＩＯ−ＲＡＤ社のＨＰＸ−８７Ｐを使用した。加水分解液中の単糖濃度と仕込み基質濃度とから、基質１００ｇ（乾物）あたりの単糖収量を計算した。酵素加水分解は仕込み基質濃度を５ｗ／ｖ％で実施したので、基質１００ｇあたりの単糖収量Ｓ２は下式で求められる。
基質１００ｇ（乾物）あたりの単糖収量Ｓ２［ｇ］＝加水分解液中の単糖濃度［ｇ／Ｌ］ｘ（１００／５）ｘ（１００／１０００）

（比較例１）
一次加水分解の残渣を粉砕処理を行わずにそのまま酵素加水分解工程に用いたこと以外は上記の実施例１と同様にして単糖を得た。
（参考例１）
粉砕工程において粉砕機としてボールミル（ＣＭＴ株式会社製、型式：ＴＩ−２００）を用いたこと以外は上記の実施例１と同様にして単糖を得た。
上記実施例１、比較例１および参考例１の酵素糖化収量の結果、ならびに粉砕に用いられた粉砕機の粉砕動力を表１に示す。

実施例１および比較例１における酵素加水分解で得られた単糖収量の結果より、実施例１のように酸加水分解の反応物を中和、叩解機により粉砕処理することによって、比較例１のように粉砕処理しなかった場合よりも大幅に単糖収量が向上することがわかった。
また、粉砕機としてボールミルを用いた参考例１と、叩解機を用いた実施例１とを比較すると、糖化終了は実施例１の方が若干劣るものの、粉砕動力が格段に低減されるため、収量と消費動力との両者を考慮すると、叩解機を用いる実施例１の方が効率よく低コストで糖を製造することができる。

本発明のリグノセルロースの前処理方法は、木質バイオマスを原料とする糖化およびエタノールの製造に有用である。

リグノセルロースを原料とし、本発明の前処理方法を含むエタノールの製造方法の一例をフローチャートで示したものである。

Claims (7)

1. リグノセルロースの酵素加水分解の前処理方法であって、リグノセルロース原料を酸処理する酸処理工程と、前記酸処理工程の反応物を固液分離する固液分離工程と、前記固液分離工程の残渣を叩解機を用いて粉砕処理する粉砕処理工程とを含むことを特徴とするリグノセルロースの前処理方法。
2. 前記酸処理を、希硫酸を用いて行うことを特徴とする請求項１に記載のリグノセルロースの前処理方法。
3. 前記酸処理工程において、希硫酸の濃度が０．１〜５％であることを特徴とする請求項２に記載のリグノセルロースの前処理方法。
4. 前記酸処理工程において、反応温度が１４０〜２３０℃であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のリグノセルロースの前処理方法。
5. 前記酸処理工程において、反応時間が１〜２０分であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のリグノセルロースの前処理方法。
6. 前記リグノセルロース原料が廃建材であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のリグノセルロースの前処理方法。
7. リグノセルロースを、酸処理前に破砕処理を行うことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のリグノセルロースの前処理方法。
   
   

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